KR100973373B1 - 광섬유 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
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Abstract

코어 영역에 순 SiO2에 대한 %로 나타낸 비굴절률차[Ge]가 조건 [Ge]≥0.3%를 채우는 첨가량으로 Ge가 첨가된 광섬유 모재(2)를 준비하고, 선인로(11)로 가열 선인하여 광섬유(3)로 한 후, 선인로(11)의 후단의 열처리로(21)에 있어서, 냉각 속도가 2000℃/초 이하, 어닐링 시간이 완화 시간 이상으로 되는 조건으로 광섬유(3)를 어닐링한다. 또한, 어닐링된 광섬유(3)를, 냉각 수단(31)으로 700℃ 이상의 입선 온도에서 입선하고, 냉각 수단(31)에 의해 광섬유(3)를 강제 냉각한다. 이에 의해, 레일리 산란 손실이 저감되고, 양호한 내수소 특성을 갖는 광섬유를 좋은 생산성으로 제조할 수 있는 광섬유, 및 그 제조 방법이 실현된다.

Description

광섬유 및 그의 제조 방법{OPTICAL FIBER AND A METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은, 낮은 전송 손실로 광을 전송하는 광섬유, 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
광섬유를 이용한 광의 전송에 있어서, 광섬유내에서의 레일리(Rayleigh) 산란에 의해 발생하는 레일리 산란 손실이나, 광섬유내의 구조의 흐트러짐에 의해 발생하는 구조 부정 손실 등의 전송 손실이 문제가 된다. 이것에 대하여, 전송 손실을 저감할 수 있는 광섬유, 또는 그 제조 방법이 제안되어 있다.
예를 들어, 문헌[사카구치(坂口), 電子情報通信學會論文誌 2000/1 Vol.J 83-C No.1, pp.30-36]에, 선인(線引)후의 광섬유의 서냉에 의해, 광섬유에서의 레일리 산란 손실을 저감하는 것이 기재되어 있다. 즉, 유리내에서의 레일리 산란 강도는 재료에 의해서 일정하게 정해지는 것이 아니라, 유리내에서의 원자의 배열상태가 난잡함을 나타내는 가상적인 온도인 가상 온도(Tf)(Fictive Temperature)에 의존한다. 구체적으로는, 유리내의 가상 온도(Tf)가 높은(난잡함이 큰) 경우, 레일리 산 란 강도는 증대한다.
이에 대하여, 광섬유 모재를 가열 선인할 때, 선인로(線引爐)의 후단에 열처리로를 설치해 두고, 선인후의 광섬유가 열처리로를 통과할 때 소정의 온도 범위 내가 되도록 가열하여, 광섬유를 어닐링한다. 이러한 광섬유의 어닐링에 의해, 선인후에 있어서의 광섬유의 급격한 냉각이 방지되어, 광섬유가 서냉된다. 이 때, 원자의 재배열에 의한 유리의 구조 완화에 의해서, 광섬유내의 가상 온도(Tf)가 저하되어, 광섬유내에서의 레일리 산란 강도가 억제된다.
전술한 바와 같이, 선인로의 후단에 마련된 열처리로를 이용하여 광섬유를 어닐링함으로써 광섬유에서의 레일리 산란 손실을 저감할 수 있다. 한편, 이 레일리 산란 손실과는 별도로, 코어에 Ge(게르마늄)이 첨가된 광섬유에 있어서, Ge에 기인하는 결함에 의해 파장 0.63㎛에서의 폭이 넓은 손실 피크가 증대하는 것이 알려져 있다.
이러한 파장 0.63㎛에서의 손실은, Si-O결함, 또는 비가교산소 홀 센터(NBOHC) 등의 광섬유내에서의 결함에 기인하여 발생한다(예컨대, 문헌[하나부사(花房), 세라믹스21(1986) No.9, pp.860-868] 참조). 그리고, 이들 광섬유 안에서의 결함은, 수소 분위기중에서 Si-O-H로 되기 때문에, OH기에 기인하는 파장 1.38㎛에서의 손실 피크가 증대하는 원인이 된다. 또한, 일본 특허공개 제1985-186430호 공보에는, 선인후의 광섬유를 600℃ 이상으로 어닐링함으로써 상기한 파장 0.63㎛에서의 손실이 저감되는 것이 기재되어 있다.
발명의 요약
레일리 산란 손실을 저감하면서 양호한 내수소 특성을 갖는 광섬유를 제조하기 위해서는, 선인후의 광섬유에 대하여 가상 온도(Tf)를 저하시켜 레일리 산란 손실을 저감하기 위한 고온에서의 어닐링과, 광섬유내에서의 결함을 감소시키고 파장 0.63㎛에서의 손실을 저감하기 위한 중온에서의 어닐링을 할 필요가 있다. 여기서, 양호한 내수소 특성을 갖는다는 것은, 수소 분위기하에서도 OH기에 기인하는 파장 1.38㎛에서의 손실 피크가 증대하지 않는 것을 말한다.
그러나 이와 같이 넓은 온도 범위에서 광섬유에 대한 어닐링을 하는 경우, 상당한 길이의 어닐링용 열처리로가 필요하게 되어, 선인로 및 열처리로를 포함하는 선인 장치가 대형화하는 문제가 있다. 또한, 선인시에 어닐링을 위해 광섬유의 선속을 낮게 설정하지 않으면 안되므로, 광섬유의 생산성이 저하된다.
본 발명은, 이상의 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 레일리 산란 손실이 저감되고, 양호한 내수소 특성을 갖는 광섬유, 및 생산성이 좋은 광섬유의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 광섬유의 제조 방법은, (1) 코어 영역, 및 코어 영역의 외주에 마련된 클래딩 영역을 갖는 광섬유 모재를 선인로에 의해 가열 선인하여 광섬유로 하는 선인 단계, (2) 선인로에서 선인된 광섬유를 선인로의 후단에 마련된 열처리로에 의해 어닐링하는 열처리 단계, 및 (3) 열처리로에서 어닐링된 광섬유를, 열처리로의 후단에 마련된 냉각 수단으로 700℃ 이상의 온도에서 입선(入線)하고, 냉각 수단에 의해 강제 냉각하는 냉각 단계를 구비하 고, (4) 열처리 단계에서, 광섬유의 냉각 속도가 2000℃/초 이하로 되는 조건, 및 열처리로의 길이를 L(m), 광섬유의 선속을 Vf(m/초), 열처리로의 입구에서의 광섬유의 점도를 ηs(Pa·초), 단위 단면적당의 광섬유의 장력(장력/광섬유 단면적, 전단 응력)을 K(Pa)로 하고, 완화 시간을 τ= ηs/K로 정의했을 때, 어닐링 시간 L/Vf이 완화 시간 τ 이상(L/Vf≥T)으로 되는 조건을 만족하는 어닐링 조건에서 광섬유를 어닐링하는 것을 특징으로 한다.
상기한 광섬유의 제조 방법에 있어서는, 광섬유 모재를 가열 선인할 때, 선인로의 후단에 열처리로를 설치한다. 그리고, 선인후의 광섬유가 열처리로를 통과할 때, 광섬유의 냉각 속도 및 어닐링 시간이 소정의 조건을 만족하도록 광섬유를 어닐링한다. 이와 같이, 열처리로를 이용하여 광섬유의 서냉을 하는 것에 의해, 광섬유내의 가상 온도 Tf를 저하시켜, 광섬유에서의 레일리 산란 손실을 저감할 수 있다.
또, 어닐링된 광섬유에 대하여, 열처리로의 후단에 추가의 냉각 수단을 설치하고, 이 냉각 수단에 의해 광섬유를 강제 냉각한다. 이에 의해, 선인 장치의 길이가 단축되는 등, 선인 장치를 전체적으로 소형화할 수 있다. 또한, 선인시에 광섬유의 선속을 높게 하는 등, 광섬유를 효율적으로 제조하는 것이 가능해진다.
또, 이 냉각 수단에 의한 광섬유의 강제 냉각에 대해서, 냉각 수단에의 광섬유의 입선 온도를 700℃ 이상의 온도로 한다. 이에 의해, 파장 0.63㎛에서의 손실 증대, 및 내수소 특성의 열화에 의한 파장 1.38㎛에서의 손실 증대의 원인이 되는 광섬유내에서의 Si-O 결함이나 NBOHC 등의 결함을 감소시킬 수 있다. 이상에 의 해, 레일리 산란 손실이 저감되고 양호한 내수소 특성을 갖는 광섬유를 좋은 생산성으로 제조할 수 있다.
여기서, 열처리 단계에 있어서는, 열처리로의 노온도를 800℃ 이상 1600℃ 이하의 범위내에서의 소정 온도로 하여 광섬유를 어닐링하는 것이 바람직하다. 또한, 열처리로의 노온도를 1100℃ 이상 1600℃ 이하의 범위내에서의 소정 온도로 하여 광섬유를 어닐링하는 것이 더욱 바람직하다. 이에 의해, 광섬유에서의 레일리 산란 손실을 충분히 저감할 수 있다.
본 발명에 의한 광섬유는, (1) 코어 영역, 및 코어 영역의 외주에 마련된 클래딩 영역을 구비하고, 코어 영역이 순 SiO2에 대한 %로 나타낸 비굴절률차[Ge]가 조건 [Ge]≥0.3%을 만족시키는 첨가량으로 Ge가 첨가되어 있으며, (2) 레일리 산란 계수 A(dB/km·㎛4), 및 파장 100㎛에서의 전송 손실 α1.00(dB/km)이, 각각 식 A0 = 0.85+ 0.29[Ge] 및 α0 = 0.86+ 0.29[Ge]으로 표시되는 기준치 A0 및 α0에 대해 97% 이하이며, (3) 파장 1.38㎛에서의 수소 처리 전후의 전송 손실차 Δα1.38가 0.15 dB/km 이하인 것을 특징으로 한다.
상기한 광섬유에 있어서는, 코어에 소정의 첨가량으로 Ge가 첨가된 광섬유에 있어서, 그 레일리 산란 계수(A), 및 레일리 산란 손실을 포함하는 전송 손실(α1.00)이 보통의 광섬유에서의 값을 나타내는 기준치 A0, α0보다도 3% 이상 저감되어, 97% 이하의 값으로 되어 있다. 또한, 광섬유의 내수소 특성에 대한 지표가 되는 수소처리 전후의 전송 손실차 Δα1.38이 0.15 dB/km 이하로 저감되어 있다. 이것에 의해, 레일리 산란 손실이 저감되고, 양호한 내수소 특성을 갖는 광섬유가 얻어진다. 이러한 광섬유는, 전술한 제조 방법에 의해서 제조할 수 있다.
여기서, 클래딩 영역은, 각각 순 SiO2, Ge가 첨가된 SiO2, 또는 F가 첨가된 SiO2중 어느 것으로 이루어진 1 또는 복수의 클래딩층을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의하면, 싱글 모드 섬유, 분산 시프트 섬유, 및 분산 보상 섬유 등, 여러 가지 종류의 광섬유가 얻어진다.
도 1은 광섬유의 제조 방법, 및 광섬유의 제조에 사용되는 선인 장치의 일 실시 양태를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는 광섬유의 제 1 실시 양태에서의 굴절률 프로필을 나타내는 그래프이다.
도 3은 광섬유의 실시예 A1 내지 A4에 있어서 제조 조건 및 손실 특성에 관해 나타내는 표이다.
도 4는 광섬유의 비교예 B1 내지 B5에 있어서 제조 조건 및 손실 특성에 관해 나타내는 표이다.
도 5는 광섬유의 제 2 실시 양태에서의 굴절률 프로필을 나타내는 그래프이다.
도 6은 광섬유의 제 3 실시 양태에서의 굴절률 프로필을 나타내는 그래프이다.
도 7은 광섬유의 실시예 C1 내지 C3 및 비교예 D1 내지 D3에 있어서 제조 조건 및 손실 특성에 관해 나타내는 표이다.
도 8은 광섬유의 실시예 E 및 비교예 F에 있어서 광섬유의 제조시의 온도 변화에 관해 나타내는 표이다.
도 9는 선속 400 m/분으로 했을 때의 광섬유의 냉각 속도 및 어닐링 효과에 관해 나타내는 표이다.
도 10은 선속 800 m/분으로 했을 때의 광섬유의 냉각 속도 및 어닐링 효과에 관해 나타내는 표이다.
도 11은 선속 1600 m/분으로 했을 때의 광섬유의 냉각 속도 및 어닐링 효과에 관해 나타내는 표이다.
도 12는 선속 3000 m/분으로 했을 때의 광섬유의 냉각 속도 및 어닐링 효과에 관해 나타내는 표이다.
도 13은 선속 800 m/분으로 했을 때의 광섬유의 냉각 속도 및 어닐링 효과에 관해 나타내는 표이다.
이하, 도면과 함께 본 발명에 의한 광섬유, 및 그 제조 방법의 바람직한 실시 양태에 대해 구체적으로 설명한다. 또, 도면의 설명에 있어서는 동일 요소에는 동일 부호를 붙여, 중복하는 설명을 생략한다. 또한, 도면의 치수 비율은, 설명한 것과 반드시 일치하지는 않는다.
도 1은 본 발명에 의한 광섬유의 제조 방법, 및 광섬유의 제조에 사용되는 선인 장치의 일 실시 형태를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 1에 나타내는 선인 장치(1)는, 석영 유리계의 광섬유를 선인하기 위해 사용되는 선인 장치로서, 선인로(11), 서냉용의 열처리로(21) 및 냉각 수단(31)을 갖고 구성되어 있다. 상기 선인로(11), 열처리로(21) 및 냉각 수단(31)은, 광섬유 모재(2)를 선인하는 방향(도 1에 있어서의 상하방향)으로 상기 순서로 설치되어 있다. 또한, 열처리로(21) 및 냉각 수단(31)의 후단에는, 선인된 유리 섬유(3)를 수지에 의해 피복하는 수지 피복부(40)가 마련되어 있다.
본 선인 장치(1)를 이용한 광섬유의 제조에 있어서는, 먼저 코어 영역 및 코어 영역의 외주에 마련된 클래딩 영역을 갖고 구성된 광섬유 모재(2)를 준비하고, 모재 공급 장치(도시하지 않음)에 유지된 광섬유 모재(2)를 선인로(11)로 공급한다. 그리고, 선인로(11)내의 히터(12)에 의해 광섬유 모재(2)의 하단을 가열하여 연화시키고, 소정의 선속으로 선인하여 유리 섬유(3)를 제조한다(선인 단계). 선인로(11)의 노심관(13)에는, 불활성 가스 공급부(14)로부터의 가스 공급 통로(15)가 접속되어 있고, 노심관(13)내가 불활성 가스 분위기가 되도록 구성되어 있다.
가열 선인된 유리 섬유(3)는 노심관(13)내에서 예컨대 1700℃ 정도까지 불활성 가스에 의해 급격히 냉각된다. 그 후, 유리 섬유(3)는 노심관(13)의 하부에서 선인로(11)밖으로 내놓아져, 선인로(11)와 열처리로(21) 사이에서 공냉된다. 불활 성 가스로서는, 예컨대 N2 가스를 이용할 수 있다. N2 가스의 열전도계수 λ(T= 300 K)는 26 mW/(m·K)이다. 또한, 공기의 열전도계수 λ(T= 300 K)는 26 mW/(m·K)이다.
다음으로, 선인되어 공냉된 유리 섬유(3)를 선인로(11)와 수지 피복부(40) 사이에 있고 선인로(11) 후단의 소정 위치에 마련된 어닐링용 열처리로(21)에 보낸다. 그리고, 열처리로(21)내의 히터(22)에 의해서 유리 섬유(3)를 소정 온도에서 어닐링한다(열처리 단계). 이 열처리로(21)에서는, 광섬유의 냉각 속도, 어닐링 시간, 및 어닐링 온도 등의 어닐링 조건이 소정의 조건을 만족하도록 유리 섬유(3)를 어닐링한다.
구체적으로는, 유리 섬유(3)의 냉각 속도에 있어서는, 냉각 속도가 2000℃/초 이하로 되는 조건을 만족하도록 유리 섬유(3)를 어닐링한다. 또한, 유리 섬유(3)의 어닐링 시간에 있어서는, 열처리로(21)의 길이를 L(m), 유리 섬유(3)의 선속을 Vf(m/초), 열처리로(21)의 입구에서의 유리 섬유(3)의 점도를 ηs(Pa·초), 단위 단면적당의 유리 섬유(3)의 장력(장력/광섬유 단면적, 전단 응력)을 K(Pa)로 하고, 완화 시간을 τ= ηs/K로 정의했을 때, 어닐링 시간 L/Vf이 완화 시간 τ 이상(L/Vf≥τ)으로 되는 조건을 만족하도록 유리 섬유(3)를 어닐링한다.
또, 유리 섬유(3)의 냉각 속도는, 열처리로(21)의 입구(어닐링의 개시시)에서의 유리 섬유(3)의 온도를 Ts(℃), 열처리로(21)의 출구(어닐링의 종료시)에서의 유리 섬유(3)의 온도를 Te(℃)로 했을 때, 냉각 속도=(Ts-Te)×Vf/L에 의해서 정의 된다.
또, 열처리로(21)에서는, 상기한 유리 섬유(3)의 냉각 속도 및 어닐링 시간에 대한 조건이 만족되도록, 열처리로(21)의 노온도가 되는 히터(22)의 온도를 설정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 히터(22)의 온도를 800℃ 이상 1600℃ 이하의 범위내에 있는 소정 온도로 하여 유리 섬유(3)의 어닐링을 하는 것이 바람직하다. 또는 추가로, 히터(22)의 온도를 1100℃ 이상 1600℃ 이하의 범위내에 있는 소정 온도로 하여 유리 섬유(3)의 어닐링을 하는 것이 바람직하다.
열처리로(21)는 그 가운데를 유리 섬유(3)가 통과하는 노심관(23)을 갖는다. 열처리로(21)의 노심관(23)에는, N2 가스 공급부(24)로부터의 가스 공급 통로(25)가 접속되어 있고, 노심관(23)내가 N2 가스 분위기로 되도록 구성되어 있다. N2 가스를 이용하는 대신에, 공기 또는 Ar 등의 분자량이 비교적 큰 가스 등을 이용하는 것도 가능하다. 단, 노심관이 카본제인 경우에는, 산소를 포함하지 않는 가스를 이용할 필요가 있다.
계속해서, 어닐링된 유리 섬유(3)를, 선인로(11)와 수지 피복부(40) 사이에 있고 열처리로(21) 후단의 소정 위치에 마련된 강제 냉각용의 냉각 수단(31)에 보낸다. 그리고, 냉각 수단(31)에 의해 유리 섬유(3)를 소정 온도까지 냉각한다(냉각 단계). 이 냉각 수단(31)은, 열처리로(21)에서 어닐링된 유리 섬유(3)가, 700℃ 이상의 소정 온도, 바람직하게는 700℃ 이상 1300℃ 이하의 범위내에 있는 소정 온도에서 냉각 수단(31)으로 입선되도록 배치되어 있다.
냉각 수단(31)은, 그 가운데를 유리 섬유(3)가 통과하는 원통상의 관(32)을 갖는다. 또한, 원통관(32)의 측벽에는, 냉각 가스 공급부(34)에 접속된 복수의 노즐(33)이 마련되어 있다. 이에 의해, 원통관(32) 가운데를 통과하는 유리 섬유(3)에 대하여 냉각 가스 공급부(34)로부터의 냉각 가스가 공급되어, 유리 섬유(3)가 강제적으로 냉각된다. 냉각 가스로서는, 바람직하게는 He 가스가 사용된다.
냉각 수단(31)을 나온 유리 섬유(3)는, 외경 측정기(51)에 의해 외경이 온라인(On-line) 측정된다. 그리고, 그 측정치가 드럼(52)을 회전구동하는 구동 모터(53)에 피드백되어, 외경이 일정하게 되도록 드럼(52)의 회전이 구동 제어된다. 외경 측정기(51)로부터의 출력 신호는, 제어 수단으로서의 제어 유니트(54)에 보내진다. 제어 유니트(54)는, 유리 섬유(3)의 외경이 미리 설정된 소정치로 되도록 드럼(52) 및 구동 모터(53)의 회전 속도를 연산에 의해 구한다.
제어 유니트(54)로부터는, 연산에 의해 구한 드럼(52) 및 구동 모터(53)의 회전 속도를 나타내는 출력 신호가, 구동 모터용 드라이버(도시하지 않음)에 출력된다. 이 구동 모터용 드라이버는 제어 유니트(54)로부터의 출력 신호에 따라 구동 모터(53)의 회전 속도를 제어한다.
외경 측정기(51)에 의해 외경이 측정된 유리 섬유(3)는, 2단(탠덤)으로 구성된 수지 피복부(40)로 입선된다. 우선, 1단째의 수지 피복부에서, 외경 측정기(51)를 통과한 유리 섬유(3)에 대하여, 코팅 다이(41)에 의해 UV 수지(42)가 도포된다. 도포된 UV 수지(42)는 수지 경화부(43)의 UV 램프(44)로부터의 자외광에 의해 경화된다.
또한, 2단째의 수지 피복부에서, 수지 경화부(43)로부터의 유리 섬유(3)에 대하여, 코팅 다이(46)에 의해 UV 수지(47)가 도포된다. 도포된 UV 수지(47)는 수지 경화부(48)의 UV 램프(49)로부터의 자외광에 의해 경화된다. 이에 의해, 유리 섬유(3)가 수지에 의해 피복된 광섬유 소선(4)이 형성된다. 그리고, 광섬유 소선(4)은, 가이드 롤러(56)를 경유하여 드럼(52)에 의해 권취된다. 드럼(52)은 회전 구동축(55)에 지지되어 있고, 이 회전 구동축(55)의 단부는 구동 모터(53)에 접속되어 있다.
또, 선인로(11)의 노심관(13)에는, 전술한 바와 같이 불활성 가스 공급부(14)로부터의 가스 공급 통로(15)가 접속되어 있고, 노심관(13)내가 불활성 가스 분위기로 되도록 구성되어 있다. 이에 대하여, 불활성 가스 공급부(14)로서 N2 가스 공급부를 마련하여, 노심관(13)내에 N2 가스를 공급하여 N2 가스 분위기로 되도록 구성하더라도 좋다. 또한, He 가스 공급부와 N2 가스 공급부를 병설하여, 선속에 응하여 노심관(13)내에 He 가스 또는 N2 가스를 공급하는 구성으로 하여도 좋다.
전술한 실시 양태의 광섬유의 제조 방법에 의한 효과에 대해 설명한다.
도 1에 나타낸 광섬유의 제조 방법으로서는, 광섬유 모재(2)를 가열 선인할 때, 선인로(11)의 후단에 열처리로(21)를 설치한다. 그리고, 선인후의 유리 섬유(3)가 열처리로(21)를 통과할 때, 유리 섬유(3)의 냉각 속도 및 어닐링 시간이 소정의 조건을 만족하도록 유리 섬유(3)를 어닐링한다. 이와 같이, 열처리로(21) 를 이용하여 광섬유를 서냉함으로써, 광섬유내의 가상 온도 Tf를 저하시켜, 광섬유에서의 레일리 산란 손실을 저감할 수 있다.
또, 열처리로(21)에서 어닐링된 유리 섬유(3)에 대하여, 열처리로(21)의 후단에 추가로 냉각 수단(31)을 설치하고, 이 냉각 수단(31)에 의해 유리 섬유(3)를 강제 냉각한다. 이에 의해, 열처리로(21)를 나간 유리 섬유를 수십℃까지 냉각하는 데 필요한 패스 라인(pass line) 길이가 단축된다. 이렇게 하여, 선인로(11) 및 열처리로(21)를 포함하는 선인 장치(1)의 길이(선인 장치의 높이)가 단축되기 때문에, 도 1에 나타낸 구성의 선인 장치(1)를 전체적으로 소형화할 수 있다.
예컨대, 선인로(11) 및 열처리로(21)의 후단에 수지 피복부(40)가 설치되어 있는 구성에서는, 유리 섬유(3)를 수지에 의해서 피복할 때, 유리 섬유(3)가 충분히 냉각되어 있을 필요가 있다. 이에 대하여, 도 1에 나타낸 선인 장치(1)에서는, 냉각 수단(31)으로 유리 섬유(3)를 적당한 온도까지 냉각할 수 있다. 또한, 선인시에 있어서 유리 섬유(3)의 선속(선인속도)를 높게 하는 등, 유리 섬유(3) 및 광섬유 소선(4)을 효율적으로 제조하는 것이 가능해진다.
또, 이 냉각 수단(31)에 의한 유리 섬유(3)의 강제 냉각에 대해서, 냉각 수단(31)에의 유리 섬유(3)의 입선 온도를 700℃ 이상의 온도로 하고 있다. 이에 의해, 파장 0.63㎛에서의 손실 증대, 및 내수소 특성의 열화에 의한 파장 1.38㎛에서의 손실 증대의 원인이 되는 광섬유내에서의 Si-O 결함이나 NBOHC 등의 결함을 감소시킬 수 있다. 이상에 의해, 레일리 산란 손실이 저감되고 양호한 내수소 특성을 갖는 유리 섬유(3)를 좋은 생산성으로 제조하는 것이 가능해진다.
여기서, 유리 섬유(3)의 어닐링에 있어서는, 열처리로(21)의 노온도를 800℃ 이상 1600℃ 이하의 범위내에서의 소정 온도로 하여 유리 섬유(3)를 어닐링하는 것이 바람직하다. 또한, 열처리로(21)의 노온도를 1100℃ 이상 1600℃ 이하의 범위내에서의 소정 온도로 하여 유리 섬유(3)를 어닐링하는 것이 더 바람직하다. 이에 의해, 유리 섬유(3)에서의 레일리 산란 손실을 충분히 저감할 수 있다.
또, 어닐링 개시시의 유리 섬유(3)의 온도 Ts에 대해서는, 일단 온도가 내려가고 나서 어닐링하면, 어닐링의 효과를 내기 위해 요하는 시간이 길게 되므로, 1400℃ 이상 1600℃ 이하의 온도로 하는 것이 바람직하다. 이 유리 섬유(3)의 열처리로(21)에의 입선 온도는, 유리 섬유의 구체적인 구성에 따라 설정하는 것이 좋다.
한편, 냉각 수단(31)에의 유리 섬유(3)의 입선 온도는, 700℃ 이상 1300℃ 이하의 범위내에서의 소정 온도로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 유리 섬유(3)내에서의 결함의 확실한 감소와 유리 섬유(3)의 효율적인 강제 냉각을 바람직하게 양립시킬 수 있다.
또, 선인로(11)에 의한 선인, 열처리로(21)에 의한 어닐링, 및 냉각 수단(31)에 의한 강제 냉각에 있어서는, 유리 섬유(3)의 선속을 300 m/분 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 선인시에서의 유리 섬유(3)의 선속을 비교적 높은 선속으로 하는 것에 의해, 유리 섬유(3)의 생산성을 향상할 수 있다.
또, 열처리로(21)에 의한 유리 섬유(3)의 어닐링에 대해서는, 0.03초 이상 0.8초 이하의 어닐링 시간으로 어닐링을 하는 것이 바람직하다. 이러한 범위내에 서의 소정 시간으로 유리 섬유(3)의 어닐링을 하는 것에 의해, 유리 섬유(3)에서의 레일리 산란 손실을 충분히 저감할 수 있다.
다음으로 본 발명에 의한 광섬유에 대해 설명한다. 또, 이하에 나타내는 광섬유는, 전술한 제조 방법에 의해서 바람직하게 제조할 수 있다.
도 2는, 본 발명에 의한 광섬유의 제 1 실시 양태에 대해, 그 굴절률 프로필을 나타내는 그래프이다. 이 그래프에 있어서, 횡축은 광섬유내의 각 부위의 중심축으로부터 본 위치를 나타내고 있다. 또한, 종축은 광섬유내의 각 부위에서의 순 SiO2에 대한 비굴절률차(%)를 나타내고 있다.
본 실시 양태의 광섬유는, 코어 영역(100), 및 코어 영역(100)의 외주에 마련된 클래딩 영역(110)을 구비한다. 코어 영역(100)은, 광섬유의 중심축을 포함한 반경 r0의 층으로서 형성되어 있다. 또한, 이 코어 영역(100)는 소정의 첨가량으로 Ge가 첨가된 SiO2로 이루어진다.
구체적으로는, 코어 영역(100)에는, 순 SiO2에 대한 %로 나타낸 비굴절률차[Ge]에 의해서 Ge의 첨가량을 나타내었을 때, 조건 [Ge]≥0.3%을 만족하는 첨가량으로 Ge가 첨가되어 있다. 이에 의해, 코어 영역(100)의 비굴절률차 Δn0는, Δn0=[Ge]> 0로 되어 있다.
또, 클래딩 영역(100)은, 본 실시 형태에서는, 1층의 클래딩층(111)으로부터 구성되어 있다. 클래딩층(111)은, 코어 영역(100)의 외주에 마련된 반경 r1의 층으 로서 형성되어 있다. 또한, 이 클래딩층(111)은, 순 SiO2로 이루어진다. 이에 의해, 클래딩층(111)의 비굴절률차 Δn1는 Δn1= 0으로 되어 있다.
이러한 구성에 있어서, 본 광섬유는, 광섬유에서 발생하는 레일리 산란 손실에 대해 레일리 산란 계수 A(dB/km·㎛4), 및 파장 1.00㎛에서의 전송 손실 α1.00(dB/km)이, 각각 식 A0= 0.85+ 0.29[Ge] 및 α0= 0.86+ 0.29[Ge]으로 표시되는 기준치 A0, 및 α0에 대하여 97% 이하로 되도록 형성되어 있다. 또한, 본 광섬유는, 파장 1.38㎛에서의 수소처리 전후의 전송 손실차 Δα1.38가 0.15 dB/km 이하로 되도록 형성되어 있다. 여기서, A0는, 예컨대 [Ge]= 0.35%이면, A0= 0.85+0.29×0.35= 0.95이다.
도 2에 나타낸 광섬유에서는, 그 코어 영역(100)에 대하여, 조건 [Ge]≥0.3%을 만족하는 첨가량으로 Ge가 첨가되어 있다. 이와 같이 코어에 Ge가 첨가된 광섬유에서는, Ge에 기인하여 광섬유내에서의 Si-O 결함이나 NBOHC 등의 결함이 발생하기 쉽다. 그리고, 상기 결함은 전술한 바와 같이 파장 0.63㎛에서의 손실 증대 및 내수소 특성의 열화에 의한 파장 1.38㎛에서의 손실 증대의 원인이 된다.
이에 대하여, 상기한 광섬유에서는 코어 영역(100)에 Ge가 첨가된 광섬유에 있어서, 그 레일리 산란 계수 A, 및 레일리 산란 손실을 포함하는 전송 손실 α1.00가, 통상의 광섬유에서의 값을 나타내는 기준치 A0, α0보다도 3% 이상 저감되어, 97% 이하의 값으로 되어 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 광섬유내에 발생하고 있는 결함의 양에 의존하여, 광섬유의 내수소 특성에 대한 지표가 되는 수소처리 전후의 전송 손실차 Δα1.38가, 0.15 dB/km 이하로 저감되어 있다. 이에 의해, 레일리 산란 손실이 저감되고, 양호한 내수소 특성을 갖는 광섬유가 얻어진다.
여기서, 코어 영역(100)의 외주에 마련되는 클래딩 영역(110)에 있어서는, 도 2에 나타낸 구성에서는 순 SiO2로 이루어진 1층의 클래딩층(111)을 갖는 구성으로 했지만, 일반적으로는, 각각 순 SiO2, Ge가 첨가된 SiO2, 또는 F가 첨가된 SiO2중 어느 것으로 이루어진 1층 또는 복수층의 클래딩층을 갖는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 따르면, 싱글 모드 섬유(SMF: Single Mode Fiber), 분산 시프트 섬유(DSF: Dispersion Shift Fiber), 및 분산 보상 섬유(DCF: Dispersion Compensation Fiber) 등, 여러 종류의 광섬유를, 양호한 특성에 따라 좋은 생산성으로 제조할 수 있다.
전술한 광섬유의 각 특성 조건에 대해 추가로 설명한다. 본 실시 형태의 광섬유로서는, 레일리 산란 손실 등의 저감 효과를 평가하기 위한 지표로서, 레일리 산란 계수 A 및 파장 1.00㎛에서의 전송 손실 α1.00을 이용하고, 상기 레일리 산란 계수 A 및 전송 손실 α1.00은 통상의 값을 나타내는 기준치 A0, α0보다도 3% 이상 저감된 97% 이하의 값으로 하고 있다.
광섬유에서의 파장 λ에 있어서 전송 손실 αλ(dB/km)은, 레일리 산란 손실과, 그 이외의 구조 부정 손실 등의 전송 손실 성분에 의해, 일반적으로 식 αλ= A/λ4+ B+ C (λ)으로 표시된다. 이 중에서, 제 1 항 A/λ4(dB/km)이 레일리 산란 손실을 나타내고 있고, 그 계수 A가 레일리 산란 계수(dB/km·㎛4)이다. 위 식에 따르면, 레일리 산란 손실은 레일리 산란 계수 A에 비례하고, 따라서 레일리 산란 계수 A가 기준치로부터 3% 저감되는 경우, 레일리 산란 손실은 3% 저감된다.
여기서, 열처리로에 의한 광섬유의 어닐링 등을 하지 않는 통상의 제조 방법에 의해 얻어지는 광섬유에서는, 코어 영역에의 Ge의 첨가량을 전술한 [Ge]로 나타내었을 때, 레일리 산란 계수 A(dB/km·㎛4)의 값은, 식 A0= 0.85+ 0.29[Ge]으로 된다. 따라서, 이 통상에서의 값 A0를 레일리 산란 계수 A의 기준치로 할 수 있다. 이 때, 얻어진 광섬유에서의 레일리 산란 계수 A가, 기준치 A0에서 3% 이상 저감되어 있으면 좋다.
또, 레일리 산란 손실을 포함하는 전체의 전송 손실을 평가하기 위해, 파장 1.00㎛에서의 전송 손실 α1.00을 지표로 하여도 좋다. 파장 1.00㎛에서는, 상기한 전송 손실 αλ의 표식중, B+ C(λ)는 거의 0.01이며, 따라서, 통상의 제조 방법에서 얻어지는 광섬유에서는 전송 손실 α1.00(dB/km)의 값은 식 α0= A0+ 0.01= 0.86+ 0.29[Ge]으로 된다. 따라서, 이 통상에서의 값 α0를 전송 손실 α1.00의 기준치로 할 수 있다. 이 때, 얻어진 광섬유에서의 전송 손실 α1.00가, 기준치 α0에서 3% 이상 저감되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 레일리 산란 계수 A, 또는 전송 손실 α1.00을 지표로서 이용하는 것에 의해, 레일리 산란 손실, 또는 레일리 산란 손실을 포함하는 전체의 전송 손실의 저감 효과를 확실히 얻는 것이 가능해진다. 또한, 상기한 기준치 A0, α0의 각각의 표식에 의하면, 표식중에, 코어에의 Ge의 첨가량에 대한 변수[Ge]가 포함되어 있다. 따라서, Ge의 첨가량에 따른 전송 손실의 평가가 가능하다.
또, 레일리 산란 계수 A에 대해서는, 위 식에 의해, 전송 손실의 파장 의존성의 데이터(예컨대 1/λ4 플롯에서의 경사)로부터 구할 수 있다. 또한, 전체의 전송 손실을 평가하는 지표로서, 파장 1.00㎛에서의 전송 손실 α1.00를 이용하고 있지만, 이는 1.00㎛에서의 전송 손실의 값이, 광전송에 사용되는 1.55㎛의 파장 대역 등에 비해 커서, 1 내지 10 km 정도의 비교적 짧은 광섬유 샘플로 충분한 정밀도로 평가할 수 있기 때문이다.
또, 광섬유의 파장 1.00㎛에서의 전송 손실 α1.00과 파장 1.55㎛에서의 전송 손실 α1.55은 일정한 관계를 갖고 대응하고 있어, 전송 손실 α1.00에서 저감 효과를 평가함으로써, 전송 손실 α1.55에 대해서도, 마찬가지로 그 저감을 확인할 수 있다. 구체적인 대응관계로서는, 파장 1.00㎛에서의 전송 손실 α1.00은 상기한 바와 같이 α1.00= A+ 0.01로 표시되지만, 이 표식에 상당하는 파장 1.55㎛에서의 전송 손실 α1.55의 표식은, 식 α1.55= A×0.17325+ 0.025이다.
다음으로 전술한 광섬유에서의 전송 손실차 Δα1.38에 대한 특성 조건에 관해 설명한다. 본 실시 양태의 광섬유에서는, 광섬유의 내수소 특성에 대한 지표로서, 파장 1.38㎛에서의 수소처리 전후의 전송 손실차 Δα1.38를 이용하고, 이 전송 손실차 Δα1.38를, 0.15 dB/km 이하의 값으로 하고 있다.
코어 영역에 Ge가 첨가된 구성의 광섬유에서는, 전술한 바와 같이, Ge에 기인하는 Si-O결함, NBOHC 등의 결함에 의해서, 파장 0.63㎛에서의 폭이 넓은 손실 피크가 증대한다. 상기 결함은, 수소 분위기 중에서 Si-O-H로 되어, OH기에 의한 파장 1.38㎛에서의 손실 증대의 원인이 된다.
따라서, 이 파장 1.38㎛에서의 전송 손실 α1.38에 대해, 수소처리 전과 수소처리 후의 전송 손실차 Δα1.38를 구하는 것에 의해 선인후의 광섬유에 발생하는 결함에 대해 평가할 수 있다. 그리고, 이 전송 손실차 Δα1.38를 0.15 dB/km 이하로 하는 것에 의해, 양호한 내수소 특성을 갖는 광섬유를 얻을 수 있다.
여기서, 수소처리 전후의 전송 손실차 Δα1.38에 대해서는, 구체적으로는, 질소 99%:수소 1%의 수소 분위기 중에서, 온도 80℃에서 20시간의 수소처리를 한 다. 그리고, 수소처리 전의 광섬유에 대하여 얻어진 파장 1.38㎛에서의 전송 손실 α1.38과, 수소처리 후의 광섬유에 대하여 얻어진 전송 손실 α1.38과의 차이인 손실 증대분으로부터, 내수소 특성의 지표가 되는 전송 손실차 Δα1.38를 구하고 있다. 수소처리 전의 광섬유에서의 결함의 발생이 억제되면, 전송 손실차 Δα1.38는 저감된다.
본 발명에 의한 광섬유, 및 그 제조 방법에 의한 전송 손실의 저감 효과, 및 내수소 특성의 향상 효과에 대해, 구체적인 실시예 및 비교예와 함께 설명한다. 또, 이하에 나타내는 실시예에서의 광섬유로는, 어느 것이나 도 1에 나타낸 구성의 선인 장치(1)를 이용하여 제조한 것으로 하고 있다.
도 3은 본 발명에 의한 광섬유의 실시예 A1 내지 A4에 있어서 제조 조건, 및 그 손실 특성에 대해 나타내는 표이다. 여기서는, 제조되는 광섬유로서, 도 2에 나타낸 구성을 갖는 Ge 첨가 싱글 모드 섬유(Ge-SM)를 상정하고 있다. 구체적으로는, Ge가 첨가된 SiO2로 이루어진 코어 영역(100)의 외경을 2 r0= 8㎛, 비굴절률차를 Δn0=[Ge]= 0.35%, 순 SiO2으로 이루어진 클래딩층(111)의 외경을 2 r1= 125㎛, 비굴절률차를 Δn1= 0%로 설정하고 있다.
또한, 그 제조 조건에 대해서는, 광섬유(3)를 강제 냉각하는 냉각 수단(31) 으로서는, 직경 6 mm, 길이 4 m의 것을 이용하고, 냉각 가스로서 He 가스를 20L/분(20 slm)의 유량으로 공급하고 있다. 또한, 광섬유(3)를 선인하는 선속을 400 m/분으로 하고 있다. 또한, 열처리로(21)에 있어서의 광섬유(3)의 어닐링 온도(℃), 및 냉각 수단(31)으로의 광섬유(3)의 입선 온도(℃)는, 각 실시예에 대해 도 3의 표에 나타낸 바와 같다. 또, 광섬유의 어닐링 조건에 대해서는, 전술한 냉각 속도를 2000℃/초 이하로 하는 조건, 및 어닐링 시간 L/Vf를 완화 시간 τ 이상으로 하는 조건을 만족하도록 설정하고 있다.
또, 도 3의 표에는, 각 실시예에서의 광섬유의 손실 특성으로서, 파장 1.55㎛에서의 전송 손실 α1.55(dB/km), 및 파장 0.63㎛에서의 전송 손실 α0.63(dB/km)을 나타내고 있다. 이들 손실치는, 어느 것이나 광섬유에 대하여 수소처리를 하기 전의 것이다.
상기 손실치중, 파장 1.55㎛에서의 전송 손실 α1.55은, 열처리로(21)에서 선인후의 광섬유(3)를 어닐링하는 것에 의한 레일리 산란 손실의 저감 효과를 주로 나타내고 있다. 또한, 파장 0.63㎛에서의 전송 손실 α0.63은, 어닐링후의 광섬유(3)의 냉각 수단(31)에서의 강제 냉각 등에 의한 광섬유내에서의 결함의 저감 효과를 나타내고 있다.
이 전송 손실 α0.63이 증대하는 원인이 되는 광섬유내에서의 결함은, 전술한 바와 같이 광섬유에 대하여 수소처리를 한 후에 있어서, 파장 1.38㎛에서의 손실 증대의 원인이 되는 것이다.
도 3의 표에 나타낸 실시예 A1 내지 A4중, 실시예 A1에서는, 열처리로에서의 어닐링 온도를 1100℃, 냉각 수단으로의 입선 온도를 700℃로 설정하고 있고, 얻어진 전송 손실은 α1.55= 0.185 dB/km, α0.63= 6 dB/km로 되어 있다. 또한, 실시예 A2에서는, 열처리로에서의 어닐링 온도를 1400℃, 냉각 수단으로의 입선 온도를 1000℃로 설정하고 있고, 얻어진 전송 손실은 α1.55= 0.180 dB/km, α0.63= 6 dB/km로 되어 있다.
또, 실시예 A3에서는, 열처리로에서의 어닐링 온도를 1550℃, 냉각 수단으로의 입선 온도를 1200℃로 설정하고 있고, 얻어진 전송 손실은 α1.55= 0.182 dB/km, α0.63= 7 dB/km로 되어 있다. 또한, 실시예 A4에서는, 열처리로에서의 어닐링 온도를 1550℃, 냉각 수단으로의 입선 온도를 1300℃로 설정하고 있고, 얻어진 전송 손실은 α1.55= 0.182 dB/km, α0.63= 9 dB/km로 되어 있다.
상기 실시예에서는, 열처리로에서의 어닐링 온도가, 어느 것이나 1100℃ 이상 1600℃ 이하의 범위내에서의 온도로 되어 있다. 이에 의해, 광섬유에서의 레일리 산란 손실이 저감되어, 레일리 산란 손실을 포함하는 파장 1.55㎛에서의 전송 손실 α1.55이 저감되어 있다. 또한, 냉각 수단으로의 입선 온도가, 어느 것이나 700℃ 이상의 범위내에서의 온도로 되어 있다. 이에 의해, 광섬유내에서의 결함이 감소되어, 결함에 기인하는 파장 0.63㎛에서의 전송 손실 α0.63이 저감되어 있다.
한편, 도 4은 광섬유의 비교예 B1 내지 B5에 있어서 제조 조건, 및 그 손실 특성에 관해 나타내는 표이다. 여기서는, 제조되는 광섬유로서, 도 2에 나타낸 구성을 갖는 실시예 A1 내지 A4와 같은 Ge 첨가 싱글 모드 섬유(Ge-SM)를 상정하고 있다.
도 4의 표에 나타낸 비교예 B1 내지 B5중, 비교예 B1에서는, 열처리로에서의 어닐링을 하지 않고, 냉각 수단으로의 입선 온도를 1000℃로 설정하고 있고, 얻어진 전송 손실은 α1.55= 0.190 dB/km, α0.63= 12 dB/km로 되어 있다. 여기서는, 광섬유를 어닐링하지 않고 있기 때문에, 레일리 산란 손실을 포함하는 전송 손실 α1.55이 커지고 있다. 또한, 광섬유내에서의 결함에 기인하는 전송 손실 α0.63도 커지고 있다.
또, 비교예 B2에서는, 열처리로에서의 어닐링을 하지 않고, 냉각 수단으로의 입선 온도를 500℃로 설정하고 있고, 얻어진 전송 손실은 α1.55= 0.190 dB/km, α0.63= 6 dB/km로 되어 있다. 여기서는, 광섬유를 어닐링하지 않고 있기 때문에, 레일리 산란 손실을 포함하는 전송 손실 α1.55이 커지고 있다. 단, 냉각 수단으로의 입선 온도가 낮기 때문에, 전송 손실 α0.63은 낮게 되어 있다.
또, 비교예 B3에서는, 열처리로에서의 어닐링 온도를 900℃로, 냉각 수단으로의 입선 온도를 500℃로 설정하고 있고, 얻어진 전송 손실은 α1.55= 0.189 dB/km, α0.63= 6 dB/km로 되어 있다. 여기서는, 광섬유의 어닐링 온도가 낮기 때문에, 레일리 산란 손실을 포함하는 전송 손실 α1.55이 커지고 있다. 단, 냉각 수단으로의 입선 온도가 낮기 때문에, 전송 손실 α0.63은 낮게 되어 있다.
또한, 비교예 B4에서는, 열처리로에서의 어닐링 온도를 1100℃로, 냉각 수단으로의 입선 온도를 500℃로 설정하고 있고, 얻어진 전송 손실은 α1.55= 0.185 dB/km, α0.63= 6 dB/km로 되어 있다. 여기서는, 광섬유의 어닐링 온도가 비교적 높고, 레일리 산란 손실을 포함하는 전송 손실 α1.55이 어느 정도 저감되어 있다. 또한, 냉각 수단으로의 입선 온도도 낮고, 전송 손실 α0.63도 낮게 되고 있고, 손실 특성에 있어서는, 양호한 특성의 광섬유가 얻어지고 있다. 그러나 이와 같이 냉각 수단으로의 입선 온도를 500℃로 낮게 하는 경우, 열처리로와 냉각 수단 사이에서 광섬유를 충분히 공냉하지 않으면 안되어, 선인 장치를 전체적으로 소형화할 수 없다.
또, 비교예 B5에서는, 열처리로에서의 어닐링 온도를 1650℃, 냉각 수단으로의 입선 온도를 1300℃로 설정하고 있고, 얻어진 전송 손실은 α1.55= 0.188 dB/km, α0.63= 10 dB/km로 되어 있다. 여기서는, 광섬유의 어닐링 온도가 너무 높기 때문에, 레일리 산란 손실을 포함하는 전송 손실 α1.55이 커지고 있다. 또한, 광섬유내에서의 결함에 기인하는 전송 손실 α0.63도 커지고 있다.
이상의 실시예 A1 내지 A4 및 비교예 B1 내지 B5로부터, 열처리로에 의한 광 섬유의 어닐링 온도를 1100℃ 이상 1600℃ 이하의 온도로 하고, 냉각 수단으로의 광섬유의 입선 온도를 700℃ 이상의 온도, 바람직하게는, 700℃ 이상 1300℃ 이하의 온도로 하는 것에 의해, 레일리 산란 손실이 저감되고, 양호한 내수소 특성을 갖는 광섬유가 얻어진다. 또한, 선인 장치를 소형화하여, 좋은 생산성으로 광섬유를 제조하는 것이 가능해진다.
본 발명에 의한 광섬유에 대해 추가로 설명한다.
도 5는, 광섬유의 제 2 실시 양태에 대해, 그 굴절률 프로필을 나타내는 그래프이다. 이 그래프에 있어서, 횡축은 광섬유내의 각 부위의 중심축으로부터 본 위치를 나타내고 있다. 또한, 종축은 광섬유내의 각 부위에서의 순 SiO2에 대한 비굴절률차(%)를 나타내고 있다.
본 실시 형태의 광섬유는, 코어 영역(200)과, 코어 영역(200)의 외주에 마련된 클래딩 영역(210)을 구비한다. 코어 영역(200)은, 광섬유의 중심축을 포함한 반경 r0의 층으로서 형성되어 있다. 또한, 이 코어 영역(200)은, 전술한 조건[Ge]≥0.3%을 만족하는 첨가량으로 Ge가 첨가된 SiO2로 이루어진다. 이에 의해, 코어 영역(200의 비굴절률차 Δn0는, Δn0=[Ge]> 0로 되어 있다.
또, 클래딩 영역(210)은, 본 실시 양태에서는, 2층의 클래딩층(211,212)으로부터 구성되어 있다. 내측의 제 1 클래딩층(211)은, 코어 영역(200)의 외주에 마련된 반경 r1의 층으로서 형성되어 있다. 또한, 이 클래딩층(211)은, Ge가 소정의 첨가량으로 첨가된 SiO2로 이루어진다. 이에 의해, 클래딩층(211)의 비굴절률차 Δn1는, Δn1> 0로 되어 있다.
또, 외측의 제 2 클래딩층(212)은, 제 1 클래딩층(211)의 외주에 마련된 반경 r2의 층으로서 형성되어 있다. 또한, 이 클래딩층(212)은, 순 SiO2로 이루어진다. 이에 의해, 클래딩층(212)의 비굴절률차 Δn2는, Δn2= 0로 되어 있다.
또, 레일리 산란 계수 A, 파장 1.00㎛에서의 전송 손실 α1,00, 및 파장 1.38㎛에서의 수소처리 전후의 전송 손실차 Δα1.38에 대해서는, 도 2에 나타낸 제 1 실시 양태의 광섬유에 대해 전술한 특성 조건과 마찬가지이다. 또한, 이러한 구성의 광섬유는, 예컨대 분산 시프트 섬유(DSF)에 바람직하게 적용하는 것이 가능하다.
도 6은 광섬유의 제 3 실시 양태에 있어서, 그 굴절률 프로필을 나타내는 그래프이다. 이 그래프에서, 횡축은 광섬유내의 각 부위의 중심축으로부터 본 위치를 나타내고 있다. 또한, 종축은 광섬유내의 각 부위에서의 순 SiO2에 대한 비굴절률차(%)를 나타내고 있다.
본 실시 양태의 광섬유는, 코어 영역(300), 및 코어 영역(300)의 외주에 마련된 클래딩 영역(310)을 구비한다. 코어 영역(300)은, 광섬유의 중심축을 포함한 반경 r0의 층으로서 형성되어 있다. 또한, 이 코어 영역(300)은, 전술한 조건[Ge]≥0.3%을 만족하는 첨가량으로 Ge가 첨가된 SiO2로 이루어진다. 이에 의해, 코어 영역(300)의 비굴절률차 Δn0는, Δn0=[Ge]> 0로 되어 있다.
또, 클래딩 영역(310)은, 본 실시 양태에서는, 2층의 클래딩층(311,312)으로부터 구성되어 있다. 내측의 제1 클래딩층(311)은, 코어 영역(300)의 외주에 마련된 반경 r1의 층으로서 형성되어 있다. 또한, 이 클래딩층(311)은, F가 소정의 첨가량으로 첨가된 SiO2로 이루어진다. 이에 의해, 클래딩층(311)의 비굴절률차 Δn1는, Δn1<0로 되어 있다.
또한, 외측의 제 2 클래딩층(312)은, 제 1 클래딩층(311)의 외주에 마련된 반경 r2의 층으로서 형성되어 있다. 또한, 이 클래딩층(312)은, 순 SiO2로 이루어진다. 이에 의해, 클래딩층(312)의 비굴절률차 Δn2는, Δn2=0으로 되어 있다.
또, 레일리 산란 계수 A, 파장 1.00㎛에서의 전송 손실 α1.00, 및 파장 1.38㎛에서의 수소처리 전후의 전송 손실차 Δα1.38에 대해서는, 도 2에 나타낸 제 1 실시 양태의 광섬유에 대해 전술한 특성 조건과 마찬가지이다. 또한, 이러한 구성을 갖는 광섬유는, 예컨대 분산 보상 섬유(DCF)에 바람직하게 적용하는 것이 가능하다.
도 2, 도 5 및 도 6에 나타낸 각 실시 양태의 광섬유에 있어서 전송 손실의 저감 효과, 및 내수소 특성의 향상 효과에 대해, 구체적인 실시예 및 비교예와 함께 설명한다.
도 7은 광섬유의 실시예 C1 내지 C3 및 비교예 D1 내지 D3에 있어서 제조 조 건 및 그 손실 특성에 관해 나타내는 표이다.
여기서, 실시예 C1 및 비교예 D1에서는, 제조되는 광섬유로서, 도 2에 나타낸 구성을 갖는 Ge 첨가 싱글 모드 섬유(Ge-SM)를 상정하고 있다. 구체적으로는, Ge가 첨가된 SiO2로 이루어진 코어 영역(100)의 외경을 2 r0= 8㎛, 비굴절률차를 Δn0=[Ge]= 0.35%, 순 SiO2으로 이루어진 클래딩층(111)의 외경을 2 r1= 125㎛, 비굴절률차를 Δn1= 0%로 설정하고 있다.
또, 실시예 C2 및 비교예 D2에서는, 광섬유로서, 도 5에 나타낸 구성을 갖는 분산 시프트 섬유(DSF)를 상정하고 있다. 구체적으로는, Ge가 첨가된 SiO2로 이루어진 코어 영역(200)의 외경을 2 r0= 6㎛, 비굴절률차를 Δn0=[Ge]= 0.6%, Ge가 첨가된 SiO2로 이루어진 제 1 클래딩층(211)의 외경을 2 r1= 40㎛, 비굴절률차를 Δn1= 0.1%, 순 SiO2으로 이루어진 제 2 클래딩층(212)의 외경을 2 r2= 125㎛, 비굴절률차를 Δn2= 0%로 설정하고 있다.
또한, 실시예 C3 및 비교예 D3에서는, 광섬유로서, 도 6에 나타낸 구성을 갖는 분산 보상 섬유(DCF)을 상정하고 있다. 구체적으로는, Ge가 첨가된 SiO2로 이루어진 코어 영역(300)의 외경을 2 r0= 4㎛, 비굴절률차를 Δn0=[Ge]= 1.5%, F가 첨가된 SiO2로 이루어진 제 1 클래딩층(311)의 외경을 2 r1= 8㎛, 비굴절률차를 Δn1= -0.4%, 순 SiO2으로 이루어진 제 2 클래딩층(312)의 외경을 2 r2= 125㎛, 비굴절률차를 Δn2= 0%로 설정하고 있다.
또, 그 제조 조건에 대해서는, 실시예 C1 내지 C3에서는, 열처리로에서의 광섬유의 어닐링 온도를 1400℃, 냉각 수단으로의 광섬유의 입선 온도를 1000℃로 하는 실시예 A2(도 3참조)에서의 제조 조건을 이용하고 있다. 또한, 비교예 D1 내지 D3에서는, 열처리로에서의 광섬유의 어닐링을 하지 않고, 냉각 수단으로의 광섬유의 입선 온도를 1000℃로 하는 비교예 Bl(도 4참조)에서의 제조 조건을 이용하고 있다. 또한, 광섬유의 선속 등에 있어서는, 도 3 및 도 4의 경우와 마찬가지이다. 또, 실시예 C1 내지 C3에서의 광섬유의 어닐링 조건에 대해서는, 전술한 냉각 속도를 2000℃/초 이하로 하는 조건, 및 어닐링 시간 L/Vf를 완화 시간 τ 이상으로 하는 조건을 만족하도록 설정하고 있다.
또, 도 7의 표에는, 각 실시예 및 비교예에서의 광섬유의 손실 특성으로서, 파장 1.55㎛에서의 전송 손실 α1.55(dB/km), 및 파장 1.38㎛에서의 수소처리 전후의 전송 손실차 Δα1.38(dB/km)를 나타내고 있다. 여기서, 파장 1.38㎛에서의 전송 손실차 Δα1.38는, 도 3에 나타낸 파장 0.63㎛에서의 전송 손실 α0.63과 마찬가지로, 어닐링 후의 광섬유의 냉각 수단에서의 강제 냉각 등에 의한 광섬유내에서의 결함의 저감 효과를 나타내고 있다.
도 7의 표에 나타낸 실시예 C1 내지 C3에서는, 전송 손실은 각각 α1.55= 0.180, 0.188, 0.228로 되어 있다. 상기 값에서는, 코어에 첨가되어 있는 Ge의 첨가량에 따라 전송 손실이 증가하고 있지만, 열처리로에서의 어닐링에 의해 광섬유에서의 레일리 산란 손실이 저감되어, 레일리 산란 손실을 포함하는 파장 1.55㎛에서의 전송 손실 α1.55이 저감되어 있다.
또한, 전송 손실차는 각각 Δα1.38= 0.05, 0.07, 0.11로 되어 있다. 상기 값에서는, 냉각 수단으로의 입선 온도의 설정 등에 의해 광섬유내에서의 결함이 감소되어, 결함에 기인하는 파장 1.38㎛에서의 수소처리 전후의 전송 손실차 Δα1.38가 0.15 dB/km 이하로 저감되어 있다.
한편, 비교예 D1 내지 D3에서는, 전송 손실은 각각 α1.55= 0.190, 0.200, 0.245이고, 전송 손실차는 각각 Δα1.38= 0.2, 0.3, 0.6으로 되어 있다. 상기 값은, 어느 것도 대응하는 실시예 C1 내지 C3에서의 값보다도 크고, 광섬유의 손실 특성, 및 내수소 특성이 열화하고 있다.
이상의 실시예 C1 내지 C3 및 비교예 D1 내지 D3으로부터, 열처리로에 의한 광섬유의 어닐링 온도를 1100℃ 이상 1600℃ 이하의 온도로 하고, 냉각 수단으로의 광섬유의 입선 온도를 700℃ 이상의 온도로 하는 것에 의해, 도 2, 도 5 및 도 6에 각각 나타낸 구성을 갖는 광섬유중 어느 것에 있어서도, 레일리 산란 손실이 저감되고, 양호한 내수소 특성을 갖는 광섬유가 얻어짐을 알 수 있다.
도 8은 광섬유의 실시예 E 및 비교예 F에서의 광섬유의 제조시에서의 온도 변화에 대해 나타내는 표이다. 이 표에서는, 열처리로의 출구로부터의 거리에 대한 광섬유의 온도 변화(℃)를 나타내고 있다.
구체적으로는, 실시예 E 및 비교예 F에서는, 열처리로의 입구에서의 광섬유의 온도를 1600℃, 광섬유의 선속을 1200 m/분, 열처리로의 길이를 2 m, 어닐링 온도를 1200℃, 어닐링 시간을 0.1초로 설정하고 있다. 또한, 실시예 E에서는, 열처리로의 출구로부터의 거리가 2 m 내지 3 m의 범위에 있어서, 광섬유에 대하여 He 냉각 수단에 의한 강제 냉각을 하고 있다. 또한, 실시예 E 및 비교예 F에서는, 도 2에 나타낸 구성을 갖는 Ge 첨가 싱글 모드 섬유를 상정하고 있다. 유리 섬유의 직경은 125㎛이다. 또한, 이 조건에서는, 완화 시간 τ는 약 0.05초이며, 어닐링 시간은 그보다도 길게 되어 있다.
또, 광섬유의 온도 변화에 있어서는, 패크(Paek)의 식
θ= exp{-[(4h)/(ρCpV)]S}
또는, 이 식을 고쳐 쓴 다음 식
θ= exp{-[(4h)/(ρCpd)]t}
을 이용하여 계산하고 있다. 여기서, h는 열전달계수, ρ는 밀도, Cp는 비열, V는 광섬유의 선속, d는 광섬유의 직경, t은 경과 시간이다. 또, θ 및 S는, 다음 식
θ=(T-T0)/(Ts-T0)
S= z/d
에 의해서 표시된다. 여기서, T는 온도, Ts는 연화온도, T0는 분위기 온도, z는 위치이다(문헌[U.C.Paek et.al., Journal of The American Ceramic Society Vol.58, No.7-8, pp.330-335] 참조).
도 8의 표에 있어서, 실시예 E 및 비교예 F 모두, 열처리로의 출구에서의 광섬유의 온도는 1499℃, 출구로부터 1 m에서는 1299℃, 2 m에서는 1125℃로 되어 있다. 그리고, 이 후단에 있어서, He 냉각 수단에 의해 강제 냉각을 하고 있는 실시예 E에서는, 출구로부터 3 m에서 광섬유의 온도가 600℃ 이하의 553℃로 되어있는 데 대하여, 강제 냉각을 하지 않는 비교예 F에서는, 출구로부터 7 m에서 600℃ 이하의 554℃로 되고 있다.
즉, 이 예에서는, 열처리로의 후단에 냉각 수단을 설치한 것에 의해, 광섬유의 온도를 600℃ 이하까지 저감하기 위한 선인 장치의 길이를 4 m 단축할 수 있어, 선인 장치를 대폭 소형화하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 선인 장치의 건설 비용을 저감할 수 있다. 또한, 선인시에서의 광섬유의 선속을 높게 하는 등, 광섬유의 생산성을 향상할 수 있다.
이러한 효과는, 특히, 선인시에서의 광섬유의 선속이 높은 경우에 현저해진다. 예컨대, 도 8에 나타낸 예에서는, 선속 1200 m/분으로 4 m의 스페이스 단축이 가능해지고 있다. 이로부터, 광섬유의 선속이 300 m/분 이상이면, 선인 장치의 스페이스를 1 m 이상 단축할 수 있다.
또한, 열처리로에 의한 광섬유의 어닐링 시간에 대해서는, 길이 1 m의 열처 리로에서는, 광섬유의 선속을 300 내지 1800 m/분이라고 하면, 어닐링 시간은 0.2 내지 0.03초로 된다. 또한, 길이 4 m의 열처리로에서는, 어닐링 시간은 0.8 내지 0.13초가 된다. 따라서, 이러한 조건에서는, 열처리로에 의한 어닐링 시간을 0.03초 이상 0.8초 이하로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 광섬유의 제조 방법에서의 광섬유의 어닐링에 의한 전송 손실의 저감 효과에 대하여, 실시예와 함께 추가로 설명한다.
이하에 나타내는 실시예에서는, 광섬유로서, 실시예 A1 내지 A4와 같은 Ge 첨가 싱글 모드 섬유를 상정하고, 열처리로의 입구에서의 광섬유의 온도를 Ts= 1500℃로 함과 함께, 광섬유의 선속 Vf 및 열처리로의 길이 L을 변화시켜, 광섬유의 온도 변화, 냉각 속도, 및 얻어지는 어닐링 효과에 관해 조사했다. 이 광섬유의 구성 및 열처리로로의 입선 온도에 있어서, 광섬유의 완화 시간은 τ= 0.12초(K는 약 80 MPa)이다.
또한, 광섬유의 온도 변화에 있어서는, 전술의 패크의 식을 이용한 계산에 의해 구하여, 열처리로내의 각 위치, 및 열처리로의 후단에 있는 냉각 수단의 입구에서의 광섬유의 온도(℃)와, 그로부터 구할 수 있는 열처리로에서의 냉각 속도(t/초)를 표에 나타내었다. 또한, 어닐링 효과에 대해서는, 어닐링 없는 경우와 비교하여 레일리 산란 계수가 3% 이상 저감되는 경우를 효과있음(표에서 ○)으로, 그 이외를 효과없음(표에서 ×)으로 했다.
도 9는 광섬유의 선속을 Vf= 400 m/분으로 했을 때의 광섬유의 냉각 속도 및 어닐링 효과에 대해 나타내는 표이다. 도 9에 나타내는 예로서는, 열처리로의 길이를 L= 2 m, 열처리로와 냉각 수단의 거리를 0.3 m로 설정하고, 열처리로의 설정온도를 1300℃, 1000℃, 800℃, 500℃, 및 20℃로 한 각 조건에 관해서 광섬유의 온도 변화, 및 얻어지는 어닐링 효과를 조사했다. 이 때, 어닐링 시간은 L/Vf= 0.30초이며, 조건 L/Vf≥τ를 만족하고 있다.
도 10은 광섬유의 선속을 Vf= 800 m/분으로 했을 때의 광섬유의 냉각 속도 및 어닐링 효과에 대해 나타내는 표이다. 도 10에 나타내는 예에서는, 열처리로의 길이를 L= 2 m, 열처리로와 냉각 수단의 거리를 1.2 m로 설정하고, 열처리로의 설정온도를 1300℃, 1000℃, 800℃, 500℃, 및 20℃로 한 각 조건에 대해 광섬유의 온도 변화 및 얻어지는 어닐링 효과를 조사했다. 이 때, 어닐링 시간은 L/Vf= 0.15초이며, 조건 L/Vf≥τ를 만족하고 있다.
도 11은 광섬유의 선속을 Vf= 1600 m/분으로 했을 때의 광섬유의 냉각 속도및 어닐링 효과에 대해 나타내는 표이다. 도 11에 나타내는 예에서는, 열처리로의 길이를 L= 3.5 m, 열처리로와 냉각 수단의 거리를 2 m로 설정하고, 열처리로의 설정 온도를 1300℃, 1000℃, 800℃, 500℃, 및 20℃로 한 각 조건에 대해 광섬유의 온도 변화, 및 얻어지는 어닐링 효과를 조사했다. 이 때, 어닐링 시간은 L/Vf= 0.13초이며, 조건 L/Vf≥τ를 만족하고 있다.
도 12는 광섬유의 선속을 Vf= 3000 m/분으로 했을 때의 광섬유의 냉각 속도및 어닐링 효과에 대해 나타내는 표이다. 도 12에 나타내는 예에서는, 열처리로의 길이를 L= 7 m, 열처리로와 냉각 수단의 거리를 2 m로 설정하고, 열처리로의 설정 온도를 1300℃, 1000℃, 800℃, 500℃, 및 20℃로 한 각 조건에 관해서 광섬유의 온도 변화, 및 얻어지는 어닐링 효과를 조사했다. 이 때, 어닐링 시간은 L/Vf= 0.14초이며, 조건 L/Vf≥τ를 만족하고 있다.
도 13은 광섬유의 선속을 Vf= 800 m/분으로 했을 때의 광섬유의 냉각 속도 및 어닐링 효과에 대해 나타내는 표이다. 도 13에 나타내는 예에서는, 열처리로의 길이를 L= 1.5 m, 열처리로와 냉각 수단의 거리를 1.2 m로 설정하고, 열처리로의 설정 온도를 1300℃로 한 조건에 대해 광섬유의 온도 변화, 및 얻어지는 어닐링 효과를 조사했다. 이 때, 어닐링 시간 L/Vf는 완화 시간 τ보다도 짧은 L/Vf= 0.11초이며, 조건 L/Vf≥τ는 만족되고 있지 않다.
이상의 도 9 내지 도 13에 나타낸 바와 같이, 어닐링 시간에 대해서의 조건 L/Vf≥τ가 만족되지 않고 어닐링 시간이 짧게 되어 있는 도 13의 예에서는, 충분한 레일리 산란 계수의 저감 효과는 얻어지고 있지 않다. 또한, 어닐링 시간이 조건 L/Vf≥τ를 만족하는 도 9 내지 도 12의 예에 있어서도, 냉각 속도가 2000℃/초보다도 빠른 경우에는, 마찬가지로 충분한 레일리 산란 계수의 저감 효과가 얻어질수 없음을 알 수 있다.
이에 대하여, 열처리로에 있어서의 냉각 속도가 2000℃/초 이하로 되는 조건, 및 어닐링 시간 L/Vf이 완화 시간 τ 이상이 되는 조건을 만족하도록 광섬유를 어닐링함으로써 레일리 산란 계수가 충분히 저감된다. 또한, 열처리로의 설정 온도인 어닐링 온도에 대해서는, 어닐링 온도를 800℃ 이상으로 하는 것에 의해, 레일리 산란 계수가 충분히 저감된다. 또, 상기 예에 있어서도, 냉각 수단에 의해서 광섬유를 강제 냉각하는 것에 의한 효과에 관해서는, 상술한 실시예 A1 내지 A4 등 과 마찬가지이다.
본 발명에 의한 광섬유, 및 그 제조 방법은, 상술한 실시 양태 및 실시예에 한정되는 것이 아니며, 여러 가지 변형이 가능하다. 예컨대, 선인 장치의 구체적인 구성에 관해서는, 도 1은 그 일례를 나타내는 것이며, 전술한 제조 방법을 실현할 수 있는 것이면, 다른 구성의 선인 장치를 이용하더라도 좋다.
본 발명에 의한 광섬유, 및 그의 제조 방법은, 이상에서 구체적으로 설명한 바와 같이, 레일리 산란 손실이 저감되고, 양호한 내수소 특성을 갖는 광섬유, 및 생산성이 좋은 광섬유의 제조 방법으로서 이용가능하다. 즉, 광섬유의 선인시에 있어서, 선인로의 후단의 열처리로에 의해 냉각 속도가 2000℃/초 이하, 어닐링 시간이 완화 시간 이상이 되는 조건으로 광섬유를 어닐링하면서, 열처리로의 후단의 냉각 수단으로 700℃ 이상의 온도에서 광섬유를 입선하여 강제 냉각을 하는 광섬유의 제조 방법에 의하면, 레일리 산란 손실이 저감되고, 양호한 내수소 특성을 갖는 광섬유를 좋은 생산성으로 제조하는 것이 가능해진다.
또한, 코어 영역에 조건 [Ge]≥0.3%을 만족하는 첨가량으로 Ge가 첨가되고, 레일리 산란 계수 A, 및 파장 1.00㎛에서의 전송 손실 α1.00이, 각각 통상의 기준치 A0, 및 α0에 대하여 97% 이하이며, 또한, 파장 1.38㎛에서의 수소처리 전후의 전송 손실차 Δα1.38이 0.15 dB/km 이하인 광섬유에 의하면, 레일리 산란 손실이 저감되고, 양호한 내수소 특성을 갖는 광섬유가 얻어진다.

Claims (10)

  1. 코어 영역, 및 상기 코어 영역의 외주에 마련된 클래딩 영역을 갖는 광섬유 모재를 선인로에 의해 가열 선인하여 광섬유로 하는 선인(線引) 단계,
    상기 선인로에서 선인된 상기 광섬유를, 상기 선인로의 후단에 마련된 열처리로에 의해 어닐링하는 열처리 단계, 및
    상기 열처리로에서 어닐링된 상기 광섬유를, 상기 열처리로의 후단에 마련된 냉각 수단으로 700℃ 이상의 온도에서 입선(入線)하고, 상기 냉각 수단에 의해 강제 냉각하는 냉각 단계를 구비하고,
    상기 열처리 단계에서, 상기 광섬유의 냉각 속도가 2000℃/초 이하로 되는 조건, 및 상기 열처리로의 길이를 L(m), 상기 광섬유의 선속을 Vf(m/초), 상기 열처리로의 입구에서의 상기 광섬유의 점도를 ηs(Pa·초), 단위 단면적당의 상기 광섬유의 장력을 K(Pa)로 하고, 완화 시간을 τ= ηs/K로 정의했을 때, 어닐링 시간 L/Vf이 완화 시간 τ 이상으로 되는 조건을 만족하는 어닐링 조건에서 상기 광섬유를 어닐링하는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리 단계에서, 상기 광섬유를 상기 열처리로에 의해 800℃ 이상 1600℃ 이하의 온도에서 어닐링하는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리 단계에서, 상기 광섬유를 상기 열처리로에 의해 1100℃ 이상 1600℃ 이하의 온도에서 어닐링하는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 단계에서, 상기 광섬유를 상기 냉각 수단으로 700℃ 이상 1300℃ 이하의 온도에서 입선하는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 선인 단계, 상기 열처리 단계 및 상기 냉각 단계에서의 상기 광섬유의 선속이 300 m/분 이상인 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리 단계에서, 상기 광섬유를 상기 열처리로에 의해 0.03초 이상 0.8초 이하의 시간으로 어닐링하는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어 영역이, 순 SiO2에 대한 %로 나타낸 비굴절률차[Ge]가 조건[Ge]≥0.3%을 만족하는 첨가량으로 Ge가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 클래딩 영역이, 각각 순 SiO2, Ge가 첨가된 SiO2, 또는 F가 첨가된 SiO2 중 어느 것으로 이루어진 1 또는 복수의 클래딩층을 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
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