KR100641941B1 - 길이방향으로 균일성을 갖는 기가비트급 전송시스템용다중모드 광섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수정화학기상증착(MCVD) 공법에 따라, 석영튜브 내부로 SiCl₄, GeCl₄ 및 POCl₃ 을 포함하는 원료가스를 산소와 함께 투입함과 더불어 석영튜브의 길이방향으로 열원을 이동시켜 클래드/코어를 증착하는 공정을 포함하는 다중모드 광섬유 제조방법에 관한 것으로서, 상기 석영튜브의 온도분포에 따른 증착 불균일을 보상하도록 매 증착층마다 상기 열원의 초기 가열구간으로부터 후속 가열구간으로 가면서 상기 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃ 중 어느 하나 또는 둘 이상에 대한 투입량을 단계적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유 제조방법이 개시된다.

본 발명에 의하면 길이방향을 따라 균일한 코어 직경과 굴절률 분포를 갖는 기가비트급 이더넷용 다중모드 광섬유를 제조할 수 있다.

기가비트 이더넷, MCVD, 다중모드 광섬유, 굴절률 프로파일

Description

길이방향으로 균일성을 갖는 기가비트급 전송시스템용 다중모드 광섬유의 제조방법{METHOD FOR FABRICATING MULTIMODE OPTICAL FIBER FOR GIGABIT CLASS TRANSMISSION SYSTEM HAVING LONGITUDNAL UNIFORMITY}

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 아니된다.

도 1은 통상적인 MCVD 공법에 따라 수행되는 클래드/코어 증착공정의 단면도.

도 2는 도 1의 열원에 의한 석영튜브의 온도분포도.

도 3은 도 1에서 석영튜브의 온도분포에 대응하는 GeO₂의 반응률을 도시하는 그래프.

도 4는 종래기술에 따라 제공되는 다중모드 광섬유의 코어 직경분포를 도시하는 그래프.

도 5는 도 4의 다중모드 광섬유에 대한 굴절률 프로파일을 도시하는 그래프.

도 6은 본 발명에 따라 SiCl₄의 투입량을 변화시키는 과정을 도시하는 그래 프.

도 7은 본 발명에 따라 GeCl₄의 투입량을 변화시키는 과정을 도시하는 그래프.

도 8은 본 발명에 따라 제공되는 다중모드 광섬유의 코어 직경분포를 도시하는 그래프.

도 9는 도 8의 다중모드 광섬유에 대한 굴절률 프로파일을 도시하는 그래프.

본 발명은 다중모드 광섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수정화학기상증착(Modified Chemical Vaper Deposition; MCVD) 공법을 이용해 다중모드 광섬유를 제조함에 있어 광섬유의 길이방향을 따라 코어 직경이나 굴절률 분포가 균일해지도록 원료가스의 투입이 이루어지는 기가비트급 전송시스템용 다중모드 광섬유의 제조방법에 관한 것이다.

기가비트급 이더넷용 다중모드 광섬유의 모재 제조를 위해 사용되고 있는 대표적인 공법으로는 내부증착방식으로 클래드와 코어를 형성하는 MCVD 공법을 들 수 있다.

도 1에는 MCVD 공법의 주요 공정인 클래드/코어의 증착공정이 개략적으로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, MCVD 공법은 회전하는 모재 석영튜브(10) 내부로 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃ 등의 원료가스(실선화살표 참조)를 산소와 함께 투입함과 아울러, 열영동(Thermophoresis)에 의해 튜브 내벽에 반응물이 증착되도록 석영튜브(10)의 길이방향(축방향)을 따라 열원(13)을 반복적으로 왕복이송시키면서 석영튜브(10)를 가열하여 클래드와 코어의 증착층(11)을 형성하는 방식으로 증착공정이 진행된다. 여기서, 상기 원료가스의 반응에 따라 생성되는 SiO₂ 입자는 클래드 및 코어의 직경을 결정하게 되며, GeO₂ 입자는 굴절률을 조절하고, P₂O₅ 는 반응 입자들의 소결온도를 낮추어 주는 역할을 하게 된다.

상기와 같은 증착공정 후에는, 석영튜브의 길이방향으로 이송되는 열원(13)을 이용하여 증착온도 이상으로 가열하여 석영튜브의 내경 및 외경을 축소시킴으로써 내부 틈을 메우는 붕괴(Collapse) 공정이 진행되고, 이어서 인선공정을 수행함으로써 최종적으로 다중모드 광섬유가 얻어진다.

증착공정에 있어서, 석영튜브(10) 내에 투입되어 흐르는 원료가스는 가열되어 열원(13) 근처에 이르러 반응온도에 도달하고, 이때 열산화 반응으로 인하여 상대적으로 온도가 낮은 열원(13) 전방의 튜브 내벽에는 미세한 실리카 입자층(12)이 생성되고, 이것이 소결되어 코어/클래드의 증착층(11)을 형성하게 된다. 열원(13)이 석영튜브(10) 전체를 한번 이송함에 따라 한층의 입자증착층을 얻게 되는데, 이러한 과정을 수십번 반복하면서 각 층에 대하여 원하는 굴절률 분포를 갖도록 원료가스의 조성을 변화시키면 석영튜브(10) 내에 클래드 및 코어의 증착층(11)을 순차적으로 형성할 수 있다.

일반적으로 다중모드 광섬유는 반경(r) 방향에 대하여 언덕형 굴절률 분포를 가지므로 코어의 직경과 코어 중심에서의 굴절률 높이뿐만 아니라, 굴절률의 변화 기울기인 α값에 의해 대역폭 등의 전송특성이 변하게 된다. 특히, 레이저 다이오드를 사용하는 기가비트급 전송시스템에서는 코어의 중심부분으로 레이저광이 입사되므로 코어 중심의 구조에 의해 전송특성이 매우 민감하게 영향을 받게 된다.

다중모드 광섬유에 있어서 코어의 굴절률 분포는 아래의 수학식 1로 표현될 수 있다.

상기 수학식 1에서 a는 코어의 반경값을 나타내고, δ는 코어와 클래드의 상대굴절률 차이로서 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

다중모드 광섬유에 있어서 대역폭과 같은 전송특성은 상기 수학식 1의 α값에 의해 결정되고, 이 α값은 석영튜브 내로 투입되는 GeCl₄의 유량에 따라 변화될 수 있다.

도 2에는 열원으로 인한 석영튜브의 온도분포가 도시되어 있으며, 도 3에는 석영튜브의 온도분포에 따른 GeCl₄의 GeO₂로의 산화반응률 변화가 도시되어 있다. 도면들을 참조하면, 열원의 초기 가열구간에서 열원의 온도에 대응하여 석영튜브의 온도가 서서히 증가하여 피크치를 이루게 됨으로써 석영튜브의 길이방향으로 가면서 불균일한 온도분포를 갖게 되고, 이에 따라 GeCl₄의 산화반응률 또한 열원의 초기 가열구간에서 상승했다가 다시 감소하는 분균일 분포를 보이게 된다.

한편, 석영튜브의 초기 가열구간에서 SiCl₄의 산화반응에 의해 생성되는 실리카 입자들은 온도구배에 의해 반응존으로부터 얼마간 떨어진 거리에 부착되므로 종래의 MCVD 공법에 의해 제조되는 다중모드 광섬유는 도 4에 도시된 바와 같이 열원의 초기 가열구간(Ⅰ)에 대응하는 부분의 코어 직경이 후속 가열구간에 대응하는 부분에 비해 상대적으로 작아지게 되며, 상술한 바와 같이 GeCl₄의 불균일한 산화반응으로 인해 도 5와 같이 코어층의 굴절률 프로파일이 불균일한 분포를 갖게 되어 실제 광섬유를 인선하는 데 사용되는 가용길이는 그만큼 짧아지게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 다중모드 광섬유의 제조를 위한 MCVD 공법의 증착공정 진행시 석영튜브의 길이방향으로 균일한 코어 직경과 굴절률 분포를 갖도록 원료가스를 투입하는 기가비트급 전송시스템용 다중모드 광섬유의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 다중모드 광섬유 제조방 법은, 수정화학기상증착(MCVD) 공법에 따라, 석영튜브 내부로 SiCl₄, GeCl₄ 및 POCl₃ 을 포함하는 원료가스를 산소와 함께 투입함과 더불어 석영튜브의 길이방향으로 열원을 이동시켜 클래드/코어를 증착하는 공정을 포함하는 다중모드 광섬유 제조방법에 있어서, 상기 석영튜브의 온도분포에 따른 증착 불균일을 보상하도록 매 증착층마다 상기 열원의 초기 가열구간으로부터 후속 가열구간으로 가면서 상기 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃ 중 어느 하나 또는 둘 이상에 대한 투입량을 단계적으로 변화시키는 것을 특징으로 한다.

상기 SiCl₄의 투입량은 열원의 초기 가열구간으로부터 후속 가열구간으로 가면서 2 이상의 단계에 걸쳐 감소되는 것이 바람직하다.

상기 GeCl₄의 투입량은 열원의 초기 가열구간으로부터 후속 가열구간으로 가면서 2 이상의 단계에 걸쳐 증가되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 P0Cl₃의 투입량은, 열원의 초기 가열구간으로부터 후속 가열구간으로 가면서 2 이상의 단계에 걸쳐 감소되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.

본 발명에 따른 다중모드 광섬유 제조방법은, 예컨대 20 ~ 120rpm 정도의 속도로 회전하는 모재 석영튜브 내부로 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃ 등의 원료가스를 산소와 함께 투입하고, 이와 더불어 상기 석영튜브의 길이방향을 따라 산소/수소 버너나 퍼니스, 플라즈마 토치에 해당하는 열원을 왕복이송시키면서 석영튜브의 외부를 가열하여 반복적으로 증착처리를 수행하는 과정을 거친다.

특히, 석영튜브 내부로 원료가스를 투입하는 공정에 있어, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중모드 광섬유 제조방법은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 과정으로 원료가스의 투입량을 변화시킨다.

먼저, 도 6을 참조하면, 코어층의 직경을 결정하는 SiCl₄ 가스의 투입량은 매 증착층마다 열원의 초기 가열구간(Ⅰ)으로부터 후속 가열구간으로 가면서 단계적으로 감소시킴으로써 석영튜브의 온도분포에 의한 증착반응 불균일을 보상하게 된다. 여기서, SiCl₄ 가스의 유량은 코어층의 직경이 50㎛나 62.5㎛가 되도록 유입되는 것이 바람직하다. 비록, 도면에는 SiCl₄ 가스의 투입량이 2단계(실선 그래프 참조)와 3단계(점선 그래프 참조)에 걸쳐 감소되는 예가 도시되어 있으나, 본 발명 이 이에 한정되지 않고 보다 많은 단계에 걸쳐 SiCl₄ 가스 투입량의 감소가 이루어질 수 있음은 물론이다.

반응입자들의 소결온도를 낮추어 주고, 점성을 제어하기 위해 석영튜브 내부에 투입되는 P0Cl₃의 유량은, 상기 SiCl₄ 가스의 투입량 변화와 마찬가지로 매 증착층마다 열원의 초기 가열구간(Ⅰ)으로부터 후속 가열구간으로 가면서 단계적으로 감소시킴으로써 석영튜브의 온도분포에 의한 증착반응 불균일을 보상하게 된다.

상기 SiCl₄나 P0Cl₃ 가스는, 후속 가열구간과 대비할 때 열원의 초기 가열구간에서 3~10% 정도 많은 양이 투입되는 것이 바람직하다.

도 7을 참조하면, 코어층의 굴절률을 결정하는 GeCl₄ 가스의 투입량은 매 증착층마다 열원의 초기 가열구간(Ⅰ)으로부터 후속 가열구간으로 가면서 단계적으로 증가시킴으로써 석영튜브의 온도분포에 의한 GeCl₄의 반응률 변화를 보상하게 된다. 비록, 도면에는 GeCl₄ 가스의 투입량이 2단계(실선 그래프 참조)와 3단계(점선 그래프 참조)에 걸쳐 증가하는 예가 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되지 않고 보다 많은 단계에 걸쳐 GeCl₄ 가스 투입량의 증가가 이루어질 수 있음은 물론이다.

상기 GeCl₄ 가스는, 후속 가열구간과 대비할 때 열원의 초기 가열구간에서 3~10% 정도 적은 양이 투입되는 것이 바람직하다.

도 8 및 도 9에는 이상의 설명과 같이 원료가스 투입량을 변화시키는 과정을 거쳐 제조된 다중모드 광섬유의 코어 직경과 굴절률 프로파일이 도시되어 있다.

본 발명에 의하면, SiCl₄, POCl₃ 등의 가스 투입량을 열원의 초기 가열구간(Ⅰ)으로부터 후속 가열구간으로 가면서 단계적으로 감소시킴으로써(도 6의 투입량 변화 패턴 참조) 도 8에 나타난 바와 같이 코어 직경의 분포가 62.5±2.0㎛의 범위를 갖는 다중모드 광섬유를 제조할 수 있었으며, 아울러 GeCl₄ 가스의 투입량을 열원의 초기 가열구간(Ⅰ)으로부터 후속 가열구간으로 가면서 단계적으로 증가시킴으로써(도 7의 투입량 변화 패턴 참조) 도 9에 나타난 바와 같이 굴절률 프로파일을 결정하는 α가 1.9~2.0이 되는, 기가비트 이더넷용에 적합한 전송특성을 제공하는 다중모드 광섬유를 제조할 수 있었다. 여기서, 상기 열원은 석영튜브의 표면이 2000 ~ 2400℃ 정도가 되도록 가열할 수 있는 온도로 설정되며, 그 이송속도는 1 ~ 40㎜/min로 설정될 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 의하면 열원의 초기 가열구간으로 인한 석영튜브의 축방향 증착 불균일을 보상하여 코어 직경과 굴절률 분포가 길이방향을 따라 균일한 다중모드 광섬유를 제조할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면 광섬유 모재의 가용길이가 늘어나게 되므로 종래에 비해 생산성을 높일 수 있고, 1기가비트 및 10기가비트 이더넷용의 전송특성을 만족시키는 다중모드 광섬유를 제조할 수 있다.

Claims (4)

1. 수정화학기상증착(MCVD) 공법에 따라, 석영튜브 내부로 SiCl₄, GeCl₄ 및 POCl₃ 을 포함하는 원료가스를 산소와 함께 투입함과 더불어 석영튜브의 길이방향으로 열원을 이동시켜 클래드/코어를 증착하는 공정을 포함하는 다중모드 광섬유 제조방법에 있어서,

   상기 석영튜브의 온도분포에 따른 증착 불균일을 보상하도록 매 증착층마다 상기 열원의 초기 가열구간으로부터 후속 가열구간으로 가면서 상기 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃ 중 어느 하나 또는 둘 이상에 대한 투입량을 단계적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 SiCl₄의 투입량을, 열원의 초기 가열구간으로부터 후속 가열구간으로 가면서 2 이상의 단계에 걸쳐 감소시키는 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 GeCl₄의 투입량을, 열원의 초기 가열구간으로부터 후속 가열구간으로 가면서 2 이상의 단계에 걸쳐 증가시키는 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 P0Cl₃의 투입량을, 열원의 초기 가열구간으로부터 후속 가열구간으로 가면서 2 이상의 단계에 걸쳐 감소시키는 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유 제조방법.

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