KR100554423B1 - 수정화학 기상 증착 방법에 있어서 광섬유 모재의 굴절률제어방법 및 상기 방법에 의해 제조된 광섬유 - Google Patents

수정화학 기상 증착 방법에 있어서 광섬유 모재의 굴절률제어방법 및 상기 방법에 의해 제조된 광섬유 Download PDF

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Abstract

본 MCVD공법에 있어서 광섬유 모재의 굴절률 제어방법은 석영튜브 내부로 주입되는 반응가스 중 산소와 헬륨의 양을 조절하여 광섬유의 길이방향을 따라 굴절률이 일정한 광섬유 모재를 제조하는 방법을 포함한다.
바람직하게, 상기 석영 튜브 내부의 총 반응가스와 산소의 유량비는 1.2 ~ 1.4이며, 이때의 상기 산소의 유량은 1000 ~ 4000 sccm 인 것을 포함한다. 또한, 상기 석영 튜브 내의 산소와 헬륨의 유량비는 4.0 ~ 6.0이며, 이때의 상기 헬륨의 유량은 400 ~ 800 sccm 인 것을 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면 상기에 정의된 방법으로 제조되는 단일모드 또는 다중모드 광섬유가 제공된다.
반응가스, 산소, 헬륨

Description

수정화학 기상 증착 방법에 있어서 광섬유 모재의 굴절률 제어방법 및 상기 방법에 의해 제조된 광섬유{method of controlling refractive index of optical fiber preform in MCVD and optical fiber made by the method}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 MCVD 공법에 있어서 석영 튜브에 입자가 증착되는 공정을 나타낸 도면이다.
도 2는 MCVD 공법에 있어서 광섬유 모재의 붕괴 공정을 나타낸 도면이다.
도 3은 MCVD 공법에 있어서 광섬유 모재의 인선 공정을 나타낸 도면이다.
도 4는 MCVD 공법에 있어서 광섬유의 길이 방향에 따른 굴절률의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 MCVD 공법에 있어서 석영튜브 내에 주입되는 반응 가스 POCl3가 입자에 미치는 영향을 나타낸 도면이다.
본 발명은 수정 화학 기상 증착법에 있어서 광섬유 모재의 굴절률을 조절하는 방법 및 상기 방법에 의해 제조된 광섬유를 나타낸 것으로서, 더욱 상세하게는 단일모드 또는 다중모드 광섬유 모재 제조시 석영튜브 내부로 유입되는 반응가스의 유량 및 유속을 제어하여 모재의 길이방향 굴절률 변화를 최소화 할 수 있는 수정 화학 기상 증착법에 있어서 광섬유 모재의 굴절률을 조절하는 방법 및 상기 방법에 의해 제조된 광섬유에 관한 것이다.
광섬유 모재를 제조하는 방법으로서 현재 가장 널리 사용되는 것은 수정화학 기상증착(Modified Chemical Vapor Depositon; 이하 MCVD)방법이다. MCVD 공법은 크게 증착, 붕괴, 인선의 세 단계로 나누어져 이루어진다.
도 1 내지 도 3은 상기 MCVD 공법의 세 단계를 순차적으로 나타낸 것으로, 도 1은 증착(Depositon) 공정을 나타낸 것이다. 증착 공정은 40 ~ 80 rpm의 속도로 회전하는 석영튜브(10) 안으로 화학기체(20)를 주입하고, 수소/산소 토치(30)가 회전하는 석영튜브(10)의 외부를 회전축방향으로 천천히 이송하면서 가열하여 반응을 유도한다. 그러면, 석영튜브(10)의 내부를 흐르던 화학기체(20)는 토치(30)의 전방 근처에 이르러 가열되어 반응 온도에 도달하게 되고, 산화반응을 일으키면서 석영튜브(10) 내벽에 증착하게 된다. 토치(30)가 한번 이송함에 따라 한층의 입자층(40)이 형성되며, 원하는 두께의 광섬유 모재 예컨대, 원하는 굴절률을 가지는 광섬유 모재를 제조하기 위해서는 각 층마다 화학 기체의 조성을 변화시키면서 입자가 증착되는 과정을 수회 반복 실시하게 된다.
상기 공정을 통해 제조된 코어 증착층을 가지는 석영튜브(10)는 다음으로 붕괴(Collapse) 공정을 거치게 된다. 붕괴 공정은 도 2에 도시한 것과 같이 석영튜브 (10)의 축 방향으로 천천히 이송하는 토치(30)가 석영튜브를 약 2000 ~ 2300℃의 온도로 가열하도록 이루어진다. 그 결과, 석영튜브(10)의 내경 및 외경은 높은 온도에서 석영튜브 내의 점성유동과 내외벽의 압력차이 및 표면장력에 의해 차츰 줄어들게 된다. 이러한 과정을 수회 반복하게 되면 석영튜브(10) 내부에 존재하던 공간은 완전히 제거되어 석영봉 형태의 최종 광섬유 모재가 완성되고, 도 3과 같이 가열로(32)를 구비한 인선장치를 거치게 되면서 최종 광섬유가 제조된다.
상기한 바와 같이 MCVD 공법은 석영 튜브 내부의 온도차이에 의해서 반응물을 증착시키는 공정이므로 석영튜브 내부의 온도 분포뿐만 아니라, 튜브 내부의 화학가스 유속에 따라서 길이방향으로의 증착 효율이 달라지게 된다.
즉, 석영튜브의 길이가 길어질수록 열반응에 의해 형성되는 증착층은 불균일하게 되고, 증착층의 불균일은 다시 광섬유의 광특성을 악화시키는 문제점을 야기시켰다. 예를 들면, 튜브 길이에 따른 굴절률 변화는 단일 모드의 경우 모드 필드경(Mode Field Diameter; MFD)과 차단파장(λc; Cutoff vavelength)에 영향을 미치며, 다중 모드 광섬유의 경우에는 개구수(Numerical Aperture; NA) 및 대역폭 (Bandwidth)이 굴절률 분포 변화에 민감하게 반응하여, 광섬유의 특성값들을 저하시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 석영튜브 내부에 주입되는 반응가스들의 유량에 따라 산소와 헬륨의 양을 조절하여 반응가스들의 유속과 내부 온도를 제어함으로서, 광섬유의 길이방향 굴절률 변동을 최소화 할 수 있는 MCVD공법에 있어서 광섬유 모재의 굴절률 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 MCVD공법에 있어서 광섬유 모재의 굴절률 제어방법은 석영튜브 내부로 주입되는 반응가스 중 산소와 헬륨의 양을 조절하여 길이방향을 따라 굴절률이 일정한 광섬유 모재를 제조하는 방법을 포함한다.
바람직하게, 상기 석영 튜브 내부의 총 반응가스와 산소의 유량비는 1.2 ~ 1.4이며, 이때의 상기 산소의 유량은 1000 ~ 4000 sccm 인 것을 포함한다. 또한, 상기 석영 튜브 내의 산소와 헬륨의 유량비는 4.0 ~ 6.0이며, 이때의 상기 헬륨의 유량은 400 ~ 800 sccm 인 것을 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 MCVD 공법을 이용하여 길이방향으로 굴절률이 일정한 광섬유 모재를 제조하는 방법에 있어서 석영튜브 내부로 주입되는 반응가스와 산소의 유량비는 1.2 ~ 1.4, 산소와 헬륨의 유량비는 4.0 ~ 6.0로 조절하여 길이방향을 따라 굴절률이 일정한 광섬유 모재를 제조하는 방법을 포함한다.
바람직하게, 상기 산소의 유량은 1000 ~ 4000 sccm 이며, 헬륨의 유량은 400 ~ 800 sccm 인 것을 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면 상기에 정의된 방법으로 제조되는 단일모드 또는 다중모드 광섬유가 제공된다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
상기 종래 기술에서 설명한 MCVD 공법 중 증착 공정을 도 1과 함께 좀 더 자세히 살펴보면, 석영튜브(10)의 내부에 주입되는 반응기체 SiCl4, GeCl4, POCl3 및 O2의 화학반응식은 다음의 화학식 1과 같다.
SiCl4(g) + O2 ↔ SiO2(S) + 2Cl2
GeCl4(g) + O2 ↔ GeO2(S) + 2Cl2
2POCl3(g) +3/2O2 ↔ P2O5(S) +3Cl2
상기 식에서 SiO2 입자는 광섬유 코어의 직경을 결정하는 요소이며, GeO2는 광섬유 코어의 굴절률을 조절하기 위해 첨가되는 요소이다. 또한, P2O5는 반응 입자들의 소결 온도를 200 ~ 400℃ 정도 낮추어 주는 것으로 광섬유 모재의 제조를 용이하게 한다. 그리고, 상기 화학식 1에 나타내지 않았지만 부가적으로 첨가되는 헬륨가스는 석영튜브(10) 내부의 온도 분포를 반경방향으로 확산시키는 역할을 한다.
본 발명에 따르면, 석영튜브(10) 내부에 주입되는 반응가스와 산소의 부피비는 q/Q 로서 표현할 수 있다. 여기서 q는 석영 튜브(10) 내부로 유입되는 반응가스의 총 유량이고, Q는 석영 튜브(10) 내부로 유입되는 산소 가스의 유량을 나타낸다. 또한, 산소와 헬륨 가스의 비는 Q/α로서 나타내며, 여기서 α는 반응 가스들의 열확산도를 나타낸다.
바람직하게, MCVD공정을 이용한 광섬유 모재 제조에 있어서 다중모드 광섬유의 반응가스와 산소의 부피비(q/Q)는 1.2 ~ 1.4의 값을 가지며, 상기 값에 근거하여 산소와 헬륨가스의 비(Q/α)가 결정되는데 그 값은 4.0 ~ 6.0이다. 왜냐하면, 석영튜브(10) 내로 주입된 반응가스들은 석영튜브(10)의 외부에 설치된 토치(30)에 의해 가열되어 반응입자(42)를 생성하게 되는데, 이때 생성된 반응입자들의 이동 속도는 산소 유량에 의해 좌우되며, 헬륨 유량에 의해서 반경 방향으로의 온도 균일성을 확보하게 되기 때문이다. 총반응가스와 산소의 유량비인 q/Q가 1.4 이상일 경우 즉, 총 반응가스에 비해 산소의 유량이 적은 경우에는 튜브 내부에서 산화반 응이 충분히 일어나지 못하게 되어 반응 효율이 떨어진다. 반대로, 산소의 유량이 많을 경우에는 제조의 문제점은 없으나 광섬유 모재의 길이방향으로의 불균일이 심해진다. 결과적으로, 본 발명에 따르면 석영튜브 내로 주입되는 산소 가스는 1000 ~ 4000sccm이 바람직하며, 이때의 헬륨가스는 400 ~ 800sccm이 주입되는 것이 바람직하다.
상기 반응가스들의 열확산도를 나타내는 α값이 광섬유 모재의 광특성에 미치는 영향을 좀 더 살펴보기로 한다. 일반적으로 단일모드 광섬유의 경우 모드 필드경은 9.0 ~ 10.0 ㎛ 사이의 값을 가지도록 제조되며, 차단파장은 1310nm 이하가 되게 한다. 또한, 다중모드 광섬유의 경우에는 코어경은 60.0 ~ 65.0㎛, 47.5 ~ 52.5㎛의 값을 가지며 개구수 값은 0.260 ~ 0.290, 0.185 ~ 0.215 사이의 값을 가지는 것을 표준으로 한다.
단일모드 광섬유는 계단형 굴절률 분포를 가지므로, 모드필드경, 차단파장과 같은 광특성은 코어의 직경과 굴절률 높이에 의해 결정된다. 다중모드 광섬유의 경우에는 반경방향으로 굴절률이 변화하는 언덕형 굴절률 분포를 가지므로, 광특성은 코어의 직경과 코어 중심에서의 굴절률 변화기울기에 의해 영향을 크게 받는다. 예를 들어, 다중모드 광섬유에 있어서 코어 굴절률 구조를 살펴보면 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112003005029553-pat00001
상기 식에서 a는 코어의 반경, α는 굴절률 변화의 기울기정도를 나타내는 값으로 α가 1일 경우에는 삼각형의 굴절률 분포를 가지며, 무한대인 경우에는 단일모드 광섬유와 같은 계단형 굴절률 분포를 나타내게 된다. 여기서 Δ는 코어와 클래드의 상대 굴절률 차이(Relative Refractive Indes Difference)로서 다음의 수학식 2와 같다.
Figure 112003005029553-pat00002
따라서, 다중모드 광섬유의 경우 α값에 의해서 광섬유의 전송 특성인 대역폭이 결정되어지며, MCVD 공법의 증착형태는 석영 튜브의 길이방향으로 변화하므로 α값은 광섬유의 길이방향으로 변화하게 된다. 아울러, 상기 대역폭의 변화는 다중모드 광섬유의 길이방향 신뢰성을 나타내는 지표인 감마(γ)값이 저하되는 원인이 된다.
여기에서 감마값은 다중모드 광섬유에서의 대역폭 특성의 길이에 따른 의존성을 나타내는 것으로서, 광섬유의 길이방향으로의 불균일 정도를 나타내는 지표가 되며 수학식 3과 같이 표현되어 진다.
Figure 112003005029553-pat00003
상기 식에서 정의한 바와 같이, 다중모드 광섬유의 대역폭은 광섬유의 길이에 따라 변화하게 되며, 일반적으로 광섬유 코어부분의 길이 방향에 의한 불균일 현상때문에 광섬유의 길이가 길수록 대역폭 특성이 향상된다. 이러한 대역폭의 광섬유 길이에 대한 의존성은 상기 수학식 3의 감마값에 의해서 표현되어지며, MCVD 방법에 의한 광섬유 제조의 경우, 감마값은 일반적으로 0.5 ~ 1.0사이의 값을 가지는 것이 바람직하다. 감마값이 1.0일 경우에는 전송특성을 나타내는 대역폭 특성이 광섬유 길이에 대해 의존성이 없어지게 되므로 균일한 광섬유를 의미한다. 본 발명에서는 MCVD공법을 이용한 다중모드 광섬유 제조시, 광섬유 코어의 길이방향으로의 불균일 현상을 석영튜브 내부의 반응가스들의 유속으로 제어함으로써 감마값을 1.0에 가깝도록 제조할 수 있다.
도 4는 일반적인 다중모드 광섬유의 굴절률 파라미터인 α값의 길이방향에 따른 변화를 나타낸 것이다. 종래의 다중모드 광섬유는 길이방향으로 (A), (B), (C)의 형태와 같은 궤적 변화를 나타내며, 이 경우 α값은 다음의 수학식 4와 같이 변화한다.
Figure 112003005029553-pat00004
또한, 상기 도 4에 있어서 궤적 변화 (D)는 최적화된 α값의 길이방향 분포를 나타낸 것으로, 상기 수학식 4와 같이 다중모드 광섬유가 길이 방향으로 변하는 α값을 가질 경우에 평균 α 값은 다음의 수학식 5과 같이 계산된다.
Figure 112003005029553-pat00005
상기 수학식 5에서 계산한 평균 α값이 도 4의 최적화된 α값과 같을 경우의 대역폭 값은, 길이방향으로 굴절률 변화가 없는 경우의 대역폭 값에 비해 2/3으로 감소하게 된다.
도 5는 MCVD 공법에 있어서 석영튜브(10) 내부에 투입되는 반응 가스 POCl3가 입자에 미치는 영향을 나타낸 도면이다. 이를 참조하면, 참조부호(50)은 석영튜브(10)에 있어서 산화반응이 일어나는 반응 영역(Reaction Zone)을 나타낸 것으로, 반응 영역(50)에서 반응이 일어난 입자(42)들은 다양한 궤적을 그리면서 튜브의 내주면에 증착하게 된다. 예를 들면, 입자 궤적(31, 32)은 반응 가스 POCl3이 튜브 내부로 주입되지 않았을 때의 것이며, 입자 궤적(33)은 POCl3을 참가한 경우의 입자들의 궤적이다. POCl3은 다중모드 광섬유 모재의 제조시 반응 입자들의 소결온도를 낮추기 위해 첨가되는 것으로, 입자의 크기를 커지게 하고 입자형태를 균일하게 만드는 효과가 있다.
실시예
본 실시예에서는 MCVD 공정을 이용한 광섬유 모재의 코어 제조시 석영 튜브 내부의 반응가스의 유량이 일정할 경우에 대해서 산소와 헬륨의 양에 따라 굴절률의 높이, 코어 직경, 굴절률 기울기인 알파값의 변화량에 대해서 실험하였다. 모재로 사용되는 튜브의 내경이 27mm인 경우, 각각의 산소와 헬륨의 양에 따른 변화는 다음 표 1과 같다.
q/Q 코어경(㎛) 굴절률(×10-3) α
1.2 0.263 1.6 0.8
1.3 0.028 0.6 0.8
1.4 0.056 1.1 1.7
표 1에서 q는 석영 튜브 내부로 유입되는 반응가스의 총 부피이며, Q는 산소의 유량을 나타낸다. 상기의 표에서 알 수 있듯이 석영 튜브 내부의 총 가스의 유량과 산소의 비가 1.2 ~1.4 일 경우에 바람직한 굴절률 편차인 1.0×10-3에 근사함을 알 수 있으며, 더욱 바람직하게는 총가스의 유량과 산소의 비가 1.3일 경우 코어의 직경변화 폭이 길이방향으로 가장 적음을 확인 할 수 있다.
또한, 하기의 표 2에서는 산소의 유량이 3200sccm인 경우의 헬륨유량에 따른 광섬유의 코어 직경과 굴절률 변화를 보여준다.
Q/α 코어경(㎛) 굴절률(×10-3) α
2.13 0.580 1.40 0.12
5.12 0.410 1.00 0.10
10.67 0.650 0.80 0.13
표 2에 있어서 Q는 산소의 유량이며, α는 석영 튜브 내부의 열확산 정도를 나타낸다. 상기의 표에서 알 수 있듯이 석영 튜브 내부의 산소가스가 3200sccm인 경우에 Q/α가 5.1인 것이 굴절률 및 코어의 직경이 길이방향으로 변화 폭이 가장 적음을 확인 할 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 실시예에 따르면 MCVD공정에 있어서 석영 튜브 내부의 가스의 비가 q/Q는 1.3인 경우, Q/α는 5.1인 경우에 길이방향으로의 광섬유 코어경 및 굴절률 변화 폭이 가장 적음을 알 수 있다.
상기와 같이 반응가스 및 산소와 헬륨의 유량이 조절되어 제조된 광섬유 모재는 붕괴과정과 인선과정을 통해 광섬유로 제조된다. 상기 광섬유 제조과정은 종래기술에 기재하였으므로 별도의 설명은 생략한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명의 MCVD 방법에 있어서 광섬유 모재의 굴절률 제어방법 및 상기 방법에 의해 제조된 광섬유에 따르면, 석영튜브 내부에 주입되는 반응 가스들의 유량에 따라 산소와 헬륨의 유량을 조절하고, 상기 산소와 헬륨의 유량에 따라 반응 가스 들의 유속과 내부 온도를 조절함으로써 길이방향으로 굴절률 변동을 최소화한 광섬유를 만들 수 있다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. MCVD 공법을 이용하여 길이방향으로 굴절률이 일정한 광섬유 모재를 제조하는 방법에 있어서,
    석영튜브 내부로 주입되는 반응가스 중 산소와 헬륨의 양을 조절하되, 상기 석영튜브 내부의 총 반응가스와 산소 유량의 비를 나타내는 q/Q값(q:반응가스의 총유량, Q:산소가스의 유량)을 1.2 ~ 1.4로 조절하여 굴절률이 일정한 광섬유 모재를 제조하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 산소의 유량은 1000 ~ 4000 sccm 인 것을 특징으로 하는 굴절률이 일정한 광섬유 모재를 제조하는 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 석영 튜브 내의 산소와 헬륨 유량비를 나타내는 Q/α값(Q:산소 가스의 유량, α:반응가스의 열확산도)은 4.0 ~ 6.0 인 것을 특징으로 하는 굴절률이 일정한 광섬유 모재를 제조하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 헬륨의 유량은 400 ~ 800 sccm 인 것을 특징으로 하는 굴절률이 일정한 광섬유 모재를 제조하는 방법.
  6. 삭제
  7. MCVD 공법을 이용하여 길이방향으로 굴절률이 일정한 광섬유 모재를 제조하는 방법에 있어서,
    석영튜브 내부로 주입되는 반응가스 중 산소와 헬륨의 양을 조절하되, 산소와 헬륨의 유량비를 나타내는 Q/α값(Q:산소 가스의 유량, α:반응가스의 열확산도)을 4.0 ~ 6.0로 조절하고,
    이때 상기 산소의 유량은 1000 ~ 4000 sccm 이며, 헬륨의 유량은 400 ~ 800 sccm 인 것을 특징으로 하는 굴절률이 일정한 광섬유 모재를 제조하는 방법.
  8. 제 2항 내지 제 5항 및 제 7항 중 어느 한 항에 정의된 방법으로 제조되는 광섬유.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 광섬유는 대역폭 특성의 길이에 따른 의존성을 나타내는 감마값이 0.5 ~ 1.0 인 것을 특징으로 하는 광섬유.
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