KR100420175B1 - 광섬유모재와 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수정된 화학기상증착 방법에 의하여 제조되는 광섬유 모재에 관한 것으로서, 기존의 코어와 클래드사이에 있는 차단층을 없애는 대신에 클래드층의 두께를 증가시켜 그 외부로부터의 OH의 침투거리가 증가되어 외부로부터 OH가 코어층으로 침투되는 것을 억제하게되며, 또한 광섬유모재 제조후 표면으로부터 일정한 거리의 영역을 에칭함으로써 이후 RIT 및 인선과정에서 확산되는 OH기를 사전에 제거하므로, 광섬유로 인출시 1340∼1460nm 파장대의 손실이 저하되어 종래의 광섬유에 비해 사용가능 대역을 100nm이상 확대시킬 수 있고 1280∼1620nm 파장대의 어떠한 파장에서도 사용할 수 있는 것이다.

Description

광섬유모재와 그 제조방법{Optical fiber preform and manufacturing method thereof}

본 발명은 광섬유모재와 그 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 본 발명은 수정된 화학기상증착 방법에 의해 제조하는 광섬유모재에 있어서 클래드층의 두께를 증가시켜 그 외부로부터의 OH의 침투거리가 증가되어 외부로부터 OH가 코어층으로 침투되는 것을 억제하게되며, 또한 광섬유모재 제조후 표면으로부터 일정한 거리의 영역을 에칭함으로써 이후 RIT 및 인선과정에서 확산되는 OH기를 사전에 제거하므로, 광섬유로 측정시 1340∼1460nm 파장대의 손실이 저하되어 종래의 광섬유에 비해 사용가능 대역을 100nm이상 확대시킬 수 있고 1280∼1620nm 파장대의 어떠한 파장에서도 사용이 가능하게 되어 많은 응용분야에서 보다 용이하게 이용할 수 있는 광섬유를 위한 광섬유모재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

광섬유모재(母材:preform)는 광섬유 제조시의 중간재로 광섬유와 동일한 구조로 형성하고 이를 고열로 녹여 인선(drawing)하게 되면 광섬유가 완성되는 것이다.

따라서 그 구조가 광섬유와 동일하게 보통 중앙의 코어(core)라고 하는 부분을 주변에서 클래딩(cladding)이라고 하는 부분이 감싸고 있는 이중원기둥 모양으로 형성한다.

이렇게 광섬유모재로 완성된 광섬유는 일반적으로 그 외부에 보호피폭을 씌워 내부를 보호하게 되는데, 보호피복을 제외한 전체 크기는 지름 125㎛내외(1㎛은 1/1000mm)로 되고, 코어 부분의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 높게 되어 있어서, 빛이 코어 부분에 집속되어 코어 내부에서 정반사(total refrection)을 통하여 진행할 수 있게 되는 것이다.

광섬유모재의 제작방법은 적절한 부착대(흑연·사기의 봉이나 고순도 석영관)를 축방향으로 회전시키면서 그 내부(MCVD법)나 외부(OVD법:outside vapor phase deposition)에 불꽃 가수분해 반응에 의해 게르마늄·붕소·인 등이 합성된 산화규소층을 수십 회에 걸쳐 부착시킨 다음, 1700℃ 이상의 높은 온도의 불꽃으로 서서히 가열하여 응축시키면 모재가 완성된다. 이때 게르마늄 등 원소의 농도를 조절하면 모재의 굴절률 분포를 임의로 조절할 수 있게 되며, 광섬유의 손실 등 광학적 특성이 거의 이 과정에서 결정되므로 매우 주의깊게 진행하게 된다. 또한, 석영막대 끝에 직접 모재를 성장시키는 VAD(vapor phase axial deposition)법도 사용되고 있다.

도 1 은 종래 광섬유 모재의 구성을 설명하기 위한 광섬유 모재의 단면도로서 일반적인 싱글모드 광섬유의 1차 모재를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된바와 같이 광섬유모재는 중심부에 코어(1)를 형성하고 그 외측으로 차단층(2), 클래드층(3) 및 원튜브(4)가 차례로 형성된 것이다. 도면에서 d는 코어(1)의 직경, 그리고 D는 클래딩층(3)의 직경을 각각 나타낸다.

특히 도 1에 도시한 바와 같이 수정된 화학기상증착 방법(Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD)에 의하여 제조되는 광섬유 모재(preform)의 경우 OH 차단층을 구비하게 되는데, 광섬유의 생산성 향상을 위해서는 단위 모재당 인출할 수 있는 길이가 긴 대구경 모재의 제조가 필수적으로 요구된다.MCVD 공법을 이용한 모재 제조공정의 경우, 코어를 얼마나 크게 증착할 수 있는가가 대구경 모재를 제작의 열쇠가 된다. 하지만 증착공정 중에 수반되는 튜브 응축과 아울러 튜브의 두께 증가로 인하여 코어를 유리화하는데 코아층으로의 열전달이 부족하여 유리화가 잘 되지 않는 기술적 문제가 생길 수 있다.

그리고, 단일모드 광섬유는 클래딩층 및 코어를 증착하여 제조하는데, MC-SM (Matched Cladding - Single Mode) 타입의 경우, 클래딩층은 증착온도와 굴절율을 낮추기 위하여 SiO₂에 P₂O₅, GeO₂, F 등을 도핑하여 증착하고, 광을 전송하는 코어층은 굴절율을 높이기 위하여 SiO₂에 GeO₂를 도핑하여 증착한 다음, 응축 및 클로징 공정을 통하여 광섬유 모재를 제작한다.

수정된 화학기상증착 방법에 의하여 광섬유 모재를 제조하는 공정에 있어서, 증착층의 두께가 두꺼워짐에 따라 증착 과정에서 튜브의 자기응축(self-collapse)이 일어나게 되고, 결과적으로 더욱더 튜브 두께가 증가하게 된다.

또한 두껍게 증착된 증착층을 유리화(sintering and consolidation)하기 위하여 고온의 버너가 필요하게 되며, 또한 응축(collapse) 공정 시간이 길어진다. 또한 클래딩층과 코어의 직경비(D/d)를 작게 제작하는 경우, OH 흡수 손실이 급격히 상승하게 된다. 즉, 열원으로 쓰이는 산소/수소버너로 부터의 수분(H₂O)과 증착용 원튜브(substrate tube)에 포함된 미량의 수분(일반적으로 수 ppm 정도)이 증착층으로 확산(diffusion)하게된다. 침투된 수분이 클래딩 영역에 증착된 P₂O₅또는 SiO₂와 결합하여 P-O-H 또는 Si-O-H 본드결합을 형성하고, 또한 코어영역까지 침투한 OH는 코어층에 증착된 SiO₂또는 GeO₂와 결합하여, Si-O 또는 Ge-O 본드결합을 해체하면서 Si-O-H 또는 Ge-O-H 본드결합을 형성하게 된다.

이와 같이 각 증착영역에서 수분과 결합하여 형성된 Si-O-H 또는 P-O-H 본드결합은 특정한 파장영역에서 흡수밴드에 의한 광손실을 추가적으로 발생시킨다. 단일모드 광섬유의 경우 광손실에 영향을 크게 미치는 파장영역은, Si-O-H 본드의 경우1.24um 및 1.385um 대역, 그리고 P-O-H 본드의 경우 장파장대역이다. 또한 코어영역으로 침투한 OH는 비가교 산소(Non-bridging Oxygen; NBO)를 형성하고, 그로 인하여 코어층에 있는 유리질의 구조적 균일도(homogenity)를 국부적으로 떨어뜨리게 되어, 코어층의 밀도 불균질(density fluctuation)을 유발하게 되고, 그 결과 산란 손실(scattering loss)이 증가하게 된다.

또한 증착층이 두꺼워짐에 따라 증착공정과 동시에 진행되는 유리화공정에서 튜브 내외경이 수축하는 현상이 발생함으로써 적절한 직경비 (즉, 클래딩 직경/코어 직경 = D/d)를 확보하기 힘들고, 이에 따라 OH 확산을 막아내기에 충분한 거리를 확보할 수 없어 OH에 의한 손실이 크게 증가된다.

즉, 수정 화학기상증착법(MCVD)을 이용한 싱글모드광섬유용 모재의 제조방법으로는 제조된 광섬유에서 OH손실을 일으키는 수분의 탈수 방법이 없었다. 특히 도면 4에서처럼 종래의 광섬유(A)에는 OH기에 의한 흡수 피이크가 1390nm 파장 부근에서 나타나 그로 인해 1340∼1460nm 파장 부근에서는 OH기에 의한 큰 흡수 피이크 때문에 전송용 광섬유로서 사용이 불가능하였다.

그러므로 현재에는 1290∼1325nm, 1530∼1560nm 파장 영역에서만 전송이 이루어지고 있으며, 1340∼1460nm 파장에서는1390nm 에 OH 이온이 집중되어 있기 때문에 약 1dB/km로 손실이 매우 높아 신호를 전송하는 파장대역으로 사용하지 않아 이용이 한정되는 등의 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명은 1340∼1460nm 파장대의 손실이 현재 광전송 시스템에서 일반적으로 사용하는 1310nm 파장대 보다 낮게 형성하여 종래의 광섬유에 비해 그 사용가능 대역을 확대시킴으로써 1280∼1620nm 파장대의 어떠한 파장에서도 사용이 가능하게 하여 손실을 저감시켜 저단가의 광섬유로 넓은 범위에서 용이하게 이용할 수 있도록 하는 저손실 싱글모드 광섬유용 모재의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 종래 광섬유 모재의 구성을 설명하기 위한 광섬유 모재의 단면도이다.

도 2는 본 발명에 의한 광섬유 모재 구성을 설명하기 위한 광섬유 모재의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 의한 1차 프리폼의 오에이치 농도 분포 그래프이다.

도 4는 1차프리폼을 반경 250마이크로 에칭한 후 측정한 손실데이터 그래프이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

11 : 코어 13 : 클래드층

14 : 원튜브 d : 코어직경

D : 클래드 외측 직경

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명의 광섬유모재는 코어, 클래드층 및 원튜브를 다중의 원기둥형태로 형성하는 광섬유 모재에 있어서, OH가 상기 코어로 침투되는 것을 방지하기 위하여 클래드층의 외측 직경(D)과 코어의 직경(d)의 D/d 값이 2.0이상 되도록 형성한 것을 하는 것을 특징으로 한다.

상기 클래드층을 다층으로 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 클래드층은 POCl₃를 함유한 것을 특징으로 한다.

코어에 클래드층 및 원튜브를 순차적으로 증착하여 제조하는 광섬유 모재 제조방법에 있어서, 또한 상기 클래드층을 다층으로 적층하되, 외측 클래드층일수록 POCl₃의 양을 증가시키면서 증착하는 것 특징으로 한다.

원튜브까지 증착하고, 응축(collapsing)공정을 거친 1차 프리폼 상태에서 표면을 500마이크로 이상 에칭하는 것을 특징으로 한다.

상기 에칭공정은 불산과 질산이 혼합된 에칭용액으로 수행하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.

도 2는 본 발명에 의한 광섬유 모재 구성을 설명하기 위한 광섬유 모재의 단면도로서, 싱글모드 광섬유의 1차 프리폼 상태를 설명한 도면이다. 즉, 본 발명에 의한 광섬유모재는 중심부에 코어(11)를 형성하고 그 외측으로 클래드층(13) 및 원튜브(14)를 차례로 적층하여 형성한다. 도면에서 d는 코어(11)의 직경, 그리고 D는 클래딩층(13)의 직경을 각각 나타낸다.

단, OH가 상기 코어(11)로 침투, 확산되는 것을 방지하기 위하여 클래드층(13)의 외측 직경(D)과 코어(11)의 직경(d)의 D/d 값이 2.0이상 되도록 형성한다.

이는 일반적으로 클래딩층(13)을 증착하기 위하여 P₂O₅를 사용하는데, 이 P₂O₅는 그 녹는점이 썹씨 570℃ 정도로서 비교적 녹는점이 낮기 때문에 이를 다른 원료물질과사용함에 의하여 공정온도를 낮추고, 증착효율을 높일 수 있는 잇점이 있다. 그래서, 클래딩층(13)을 증착하기 위하여 P₂O₅를 사용하지만, 한편으로는 클래딩층(13)에 도핑된 P₂O₅는 큰 흡습성을 가지고 있기 때문에 원튜브(14)에 포함되어 있는 OH를 코어층(11)으로 전달해주는 OH-가교 역할을 담당하게 된다. 그래서, 코어층(1)에서의 OH에 의한 손실이 증가되는 결과를 초래하므로 본 발명에서는 기존의 증착하는 단계를 기존의 클래드층, 차단층, 코어대신에 클래드, 코어층으로 형성한 것이다. 특히 클래드층 대 코어의 비(D/d)를 2.0이상으로 한 이유는 공정 중에 화학물질에 포함된 수분에 의한 OH가 광도파 영역인 코어층(11)으로 침투되는 거리를 증가시킴으로써 이 OH성분의 코어로의 침투를 막기 위한 것이다.

또한 상기 클래드층(13)을 다층으로 형성하여 그 클래드층(13)를 통한 OH침투를 최대한 차단하고자하는 것이며, 이 상기 클래드층(13)은 POCl₃를 함유하는 것이 바람직하다.

도 3은 본발명에 의한 1차 프리폼의 오에이치 농도 분포 그래프이다. 도 3은 본 발명에 의해 제작된 1차 프리폼의 OH 농도분포를 나타낸 그래프로서, 이 그래프를 보면 OH농도는 1차 프리폼 제조 후에 그 표면에서부터 로그함수의 기울기로 감소함을 알 수 있다. 또한 그 OH의 분포가 내부보다는 외부에 집중되어 함유되어 있는 것을 알 수 있었다.

그러므로, 코어에 클래드층 및 원튜브를 순차적으로 증착하여 제조하는 광섬유 모재 제조방법에 있어서, 또한 상기 클래드층(13)을 다층으로 적층하되, 외측클래드층(13)일수록 POCl₃의 양을 증가시키면서 증착한다.

이렇게 내측 클래드층(13)에는 POCl₃를 최소량 함유 되도록 하고, 외측 클래드층(13)일수록 POCl₃의 양을 증가시키면서 증착하면, OH의 침투를 최소화하면서 증착효율을 효과적으로 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 원튜브까지 증착하고, 응축(collapsing)공정을 거친 1차 프리폼 상태에서 표면을 반경 250마이크로 이상 에칭한다. 이때 500마이크로 이상 에칭하는 것이 더 바람직하다. 이는 도 3에 도시한 바와 같이 그 확산거리 250마이크로 미터 정도까지에 OH가 집중적으로 함유되어 있으므로 표면에서 250마이크로 미터 정도 에칭하면 대부분의 OH를 제거할 수 있게 된다.

그러나, 이때 500마이크로 이상 에칭하는 것이 실제 제품에 적용할 수 있는 것으로는 더 바람직하다.

도 4에서 A그래프가 기존 화학기상증착법에 의해 제조된 광섬유의 특성 그래프이고, B 그래가 본 발명에 의해 제조된 광섬유의 특성 그래프이다.

위에서 설명한 본발명의 광섬유 모재를 250마이크로 미터 에칭한 상태로 제조된 광섬유의 광특성을 측정한 손실데이터 그래프로 도면에 도시한 것과 같이 1310nm에서 0.35dB/km 이하,1550nm에서 0.21dB/km이하, OH기의 피이크대인 1385nm에서는 0.31dB/km이하로 매우 우수했으며 특히 1385nm에서는 종래의 방법으로 제조된 광섬유보다 약 2배의 손실 저감효과가 있는 것으로 나타난다.

즉, 광섬유 모재 상태에서 D/d가 증가 할지라도 광섬유로 인선시에 OH기의침투거리는 상대적으로 다시 짧아지게 되지만, 대부분의 MCVD공정에서 보면 1차프리폼 제조후 2차 튜브를 RIT하게 되는데 그사이에 1차프리폼을 표면에서 어느 정도 거리를 에칭하게 된다면 도면 3에서와 같이 대부분의 OH농도가 없어질 것이며 이는 인선후 광섬유의 광특성 측정시에 나타내는 OH기에 의한 손실의 크기를 줄이는데 상당한 효과를 얻을 수 있는 것이다.

상기 에칭공정은 불산과 질산이 혼합된 에칭용액으로 수행하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 본 발명은 광섬유모재의 클래드층(13)의 외측 직경(D)과 코어(11)의 직경(d)의 D/d 값이 2.0이상 되도록 형성하고, 그 표면을 500마이크로 이상 에칭하므로 증착공정에서 클래딩층과 코어층 사이에 POCl₃가 함유되지 않은 내부 OH-차단층을 증착시키지 않으며 또한 광섬유모재의 외부를 에칭함으로써, 이후의 2차 튜빙공정, 인선공정에서 발생하는 코어로의 OH확산을 효과적으로 차단할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명을 통해 제조된 광섬유는 1340∼1460nm 파장대의 손실이 현재 광전송 시스템에서 일반적으로 사용하는 1310nm 파장대 보다 낮은 0.31dB/km이하이며 이는 종래의 광섬유에 비해 그 사용가능한 대역을 확대시킴으로써 1280∼1620nm 파장대의 어떠한 파장에서도 사용이 가능하게 되어 많은 분야에서 응용가능한 저손실 싱글모드 광섬유용 모재를 제공하게 되는 이점이 있다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 코어, 클래드층 및 원튜브를 다중의 원기둥형태로 형성하는 광섬유 모재에 있어서,

   상기 클래드층의 외측 직경(D)과 코어의 직경(d)의 D/d 값이 2.0이상 되도록 형성하되, 이클래드층을 다층으로 형성한 것을 특징으로 하는 광섬유모재.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 클래드층은 POCl₃를 함유한 것을 특징으로 하는 광섬유모재.
4. 코어에 클래드층 및 원튜브를 순차적으로 증착하여 제조하는 광섬유 모재 제조방법에 있어서,

   상기 클래드층을 다층으로 적층하되, 외측 클래드층일수록 POCl₃의 양을 증가시키면서 증착하는 것 특징으로 하는 광섬유 모재 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서, 원튜브까지 증착하고, 콜랩싱공정을 거친 상태에서 표면을 반경 250마이크로 미터 이상 에칭하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 에칭공정은 불산과 질산이 혼합된 에칭용액으로 수행하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조방법.