KR101684941B1 - 극저손실 광섬유와 이의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

극저손실 광섬유는 실리카 대비 높은 상대굴절율차를 가지는 코어와 실리카보다 낮은 상대굴절율차를 가지는 클래딩을 포함한다. 코어의 실리카 굴절률 대비 상대굴절율차는 예를 들어 0.0030 이상 0.0055 이하이며, 클래딩의 실리카 굴절률 대비 상대굴절율차는 -0.0020 이상 -0.0003 이하이다. 극저손실 광섬유는, 1310nm 파장에서 광손실이 0.324dB/km 이하, 1383nm 파장에서 광손실이 0.320dB/km 이하, 1550nm 파장에서 광손실이 0.184dB/km 이하, 그리고 1625nm에서 0.20dB/km 이하를 동시에 가지는 손실특성을 갖는다.
극저손실 광섬유는 인출 과정 중 광섬유 표면온도가 유리 천이 구간 내의 온도범위를 가질 때 과냉각된다.

Description

극저손실 광섬유와 이의 제조 방법 및 장치{Optical fiber having extremely low loss and method and apparatus for manufacturing the same}
본 발명은 극저손실을 갖는 광섬유 및 이의 제조 방법과 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 1260nm에서 1625nm 사이의 통신용 사용파장 대역에서 극히 낮은 광 손실 및 구부림 손실을 동시에 갖는 광섬유 및 이의 제조 방법과 장치에 관한 것이다.
장거리 광통신망에서 광손실(optical loss)이 낮은 광섬유를 사용할 경우 중계거리를 연장할 수 있어 전체 전송망 구축비용을 크게 낮출 수 있는 장점이 있다. 광섬유 손실은 크게 유리질 내의 밀도 불균일(density fluctuation)에 기인하는 레일리 산란(Rayleigh scattering), 광 신호와 광섬유 내부 물질들이 음향적(acoustic)으로 흔들리면서 미세하게 굴절률을 변화를 야기하여 발생하는 브리유앵 산란(Brillouin scattering), 입사된 광신호가 유리질 내의 분자진동과의 상호작용에 의해서 발생하는 라만 산란(Raman scattering), 그리고 적외선 흡수(Infrared absorption)에 기인하는 광 손실이 있다. 이들 요인들 중에서 가장 큰 비중을 차지하는 것은 레일리 산란(Rayleigh scattering)이다.
현재까지 알려진 바로는 광 신호 전달 영역인 코어(core) 조성이 순수 석영유리(pure silica glass)인 단일 조성 코어 광섬유(Pure-Silica-Core Fiber; PSCF)의 경우 광 손실 값은 거의 0.15dB/km 이하 수준이다. 일반적인 통신용 광섬유의 코어에는 굴절률을 높여주기 SiO2에 GeO2가 첨가되는데 GeO2 량이 증가할수록 굴절률은 높아지나 밀도 불균질 또한 증가하여 단일 조성 코어 광섬유(예를 들어, PSCF)에 비하여 상대적으로 높은 산란손실(scattering loss)을 보인다.
PSCF가 매우 낮은 광섬유 손실을 갖는 것은 사실이지만 이를 구현하기는 여러 가지 제약이 따른다. PSCF에서 입사된 대부분의 광 신호가 코어 영역을 통하여 전송되도록 하려면 코어를 둘러싼 클래딩(cladding) 영역과 적당한 굴절률차를 유지하여야만 한다. 단일모드 광섬유 경우 이 값은 대략 실리카 글라스(silica glass) 굴절률 기준으로 0.33-0.35% 에 해당한다. PSCF에서는 큰 음의 굴절률을 맞추기 위하여 클래딩이 굴절률을 낮출 수 있는 불소 첨가 클래딩(F-doped cladding) 층으로 이루어져 있다. 이와 같이 큰 음의 굴절률을 갖는 경우, 분산(dispersion) 및 차단파장(cut-off wavelength) 값이 클래딩의 직경(D)과 코어의 직경(d)의 비율(D/d)에 크게 영향을 받는다. 이에 따라, 클래딩의 직경이 충분히 큰 값을 가져야만 하고 이는 광섬유 모재(preform) 크기를 키우는데 큰 제한이 된다.
또한 PSCF는 인출 장력(drawing tension) 인가에 따른 굴절률 변화 및 레일리 산란 (Rayleigh scattering) 손실 증가로 인하여 고속인출에 제한이 있다. 따라서 광섬유 생산성이 매우 낮아 생산원가가 비싸진다. 나아가 PSCF는 굴곡특성에서도 굴곡함에 따라 인가되는 응력(stress, 굴곡외면-인장 응력, 굴곡내면-압축 응력)에 의한 상대굴절률 변화가 커서 낮은 굴절 손실을 유지하는데 한계가 있다. 따라서 PSCF는 매우 낮은 손실 값을 갖는 장점에도 불구하고 제조의 어려움, 열등한 굴곡특성, 높은 제조원가등으로 인하여 통신망에 널리 사용되지 못하고 해저케이블과 같은 특수한 목적의 용도로만 사용되고 있다. 따라서 범용 광통신망에 널리 사용되는 코어 조성(SiO2-GeO2)을 갖는 광섬유 이면서도 낮은 손실과 굴곡특성을 갖게 된다면 이는 기존 통신망의 확장에 즉시 적용이 가능할 뿐만 아니라 및 신규 통신망 구축비용을 크게 낮출 수 있는 장점을 갖게 된다.
광섬유 손실 중에서 가장 큰 비중을 차지하는 레일리 산란 손실(Rayleigh scattering loss)은 광섬유 인출(drawing) 과정에서 겪게 되는 열적이력(thermal history)에 깊은 관계가 있다. 특히 냉각과정에서 일어나는 상변이(phase transition) 과정과 관련이 있는데 이는 유동성이 있는 상태에서 밀도요동(density fluctuation)이 없어지는 고정된(frozen-in) 단계로 전환되는 온도인 가상온도(fictive temperature, Tf)와 매우 밀접한 관계가 있다. 유리 가상온도(Tf)와 레일리 산란 손실과의 관계는 여러 문헌을 통하여 잘 정립되어 있는데, 레일리 산란 손실은 유리 가상온도(Tf)가 낮을수록 작아지는 것으로 알려져 있다. 유리 가상온도(Tf)는 유리의 냉각속도(cooling rate)와 관련이 되며 냉각속도가 작을수록 유리 가상온도(Tf)는 낮아진다.
따라서, 이론적으로 광섬유 인출온도가 충분히 낮거나 광섬유 인출속도가 낮으면, 광섬유 냉각속도가 낮아져서 유리 가상온도(Tf)가 낮아지게 되고 레일리 산란 손실이 작아져서 낮은 손실의 광섬유를 얻을 수 있다. 하지만 광섬유 인출로(furnace)의 온도를 낮추게 되면 광섬유 인출 장력이 크게 증가하여 광섬유에 과도한 응력을 인가하여 굴절률 변화를 유발하여 다시 손실이 증가하게 된다. 따라서 이러한 사실을 고려하면 매우 낮은 손실의 광섬유 특성을 얻기 위해서는 낮은 인출온도 및 낮은 인출속도(drawing speed)가 동시에 이루어져야 가능하다는 한계가 있다. 통상적인 광섬유 인출로의 운용온도는 2250℃ 이상이며 인출속도는 30m/s 수준이다. 따라서 위와 같이 매우 낮은 인출온도와 속도로 광섬유를 인출하는 방법으로 매우 낮은 손실의 광섬유를 얻는다고 하더라도 상대적으로 생산성이 매우 떨어지고, 경쟁력 있는 가격의 광섬유를 만들 수가 없다.
JP 2006-133496 A
본 발명은 기존 공법에서 광섬유의 극저손실을 구현하기 위하여 낮은 인출온도와 동시에 낮은 인출속도로로 인출하여야 하는데 이러한 기술적 한계를 극복하여 고속으로 광섬유를 인출하면서도 유리 가상온도를 효과적으로 낮추어 높은 생산성으로 극저손실 광섬유를 제조하는 공법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에서는 대표적 저손실 광섬유인 PSCF가 아닌 코어 영역에 GeO2가 포함된 기존 단일모드 광섬유 코어와 동일한 조성을 가지면서도 극히 낮은 손실을 갖는 광섬유를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 광섬유 인출과정에서 상태가 변하는 구간인 상변이 구간(phase transition region)(Tf 이하 온도에서 유리상태가 밀도요동이 완전히 멈추기 전까지 온도범위)에서 추가적인 급격한 냉각을 통하여 유리체적을 급격히 낮춤(밀도를 높임)으로써 기존 광섬유 냉각방법에서의 상변이 변경점인 유리 가상온도(Tf)보다 더 낮은 온도에서 2차 상변이 변경점인 Tf2를 갖도록 한다. 결과적으로 유리 가상온도(Tf)를 낮춤으로써 레일리 산란 손실을 줄일 수 있으므로 광섬유 인출속도를 낮추지 않고도 손실이 극도로 낮은 광섬유를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 극저손실 광섬유를 제조하는 방법은, (a) 용융된 광섬유 모재를 광섬유로 인출하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 인출된 광섬유의 표면온도를 유리 천이 구간 내의 온도범위 내에 있도록 유지하면서 광섬유를 과냉각시키는 단계; 및, (c) 상기 단계 (b)에서 과냉각된 광섬유를 추가로 냉각시키는 단계를 포함하고, 상기 단계 (a)와 상기 단계 (b) 사이에, 인출된 광섬유의 표면온도를 유리 천이 구간 내의 온도범위의 상한치 이상의 온도로 유지시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 형태로서, 전술한 제조 방법을 실시하기 위한 장치는, 광섬유 모재를 용융시켜 광섬유로 인출시키는 인출전기로; 상기 인출전기로에서 용융되어 인출된 광섬유를 표면온도가 유리 천이 구간 내의 온도범위 내에 있도록 유지하면서 과냉각시키는 과냉각 장치; 상기 과냉각 장치에서 냉각된 광섬유를 추가로 냉각시키는 냉각기; 및, 광섬유의 인출속도에 따라, 과냉각 장치로 투입되는 광섬유의 표면온도가 유리 천이 구간의 온도범위의 상한치보다 높은 온도를 갖도록, 과냉각 장치의 위치를 이동시키는 장치를 포함한다.
본 발명의 또다른 형태로서, 전술한 제조 방법으로 제조된 극저손실 광섬유는, 실리카 대비 상대굴절율차가 0.0030 이상 0.0055 이하인 코어; 및, 상기 코어의 외측에 배치되며, 실리카 보다 낮은 상대굴절율차를 가지는 클래딩을 포함하고, 상기 클래딩의 실리카 대비 상대굴절률차는 -0.0020 이상 -0.0003 이하이다.
본 발명의 또다른 형태로서, 전술한 제조 방법으로 제조된 극저손실 광섬유는, 실리카 대비 상대굴절율차가 0.0030 이상 0.0055 이하인 코어; 및, 상기 코어의 외측에 배치되며, 실리카 보다 낮은 상대굴절율차를 가지는 클래딩을 포함하고, 상기 코어의 직경(d)과 상기 클래딩의 직경(D)의 비율(D/d)이 3.0 이상이다.
본 발명은 기존 단일모드와 동일한 조성을 갖으면서 인출온도 및 속도를 낮추지 않고 효과적으로 유리 가상온도를 낮추어 레일리 산란 손실을 줄여 극저손실 광섬유를 구현할 수 있는 효과가 있다. 이 방법은 기존 극저손실 광섬유(예를 들어, PSCF)와 대비하여 생산성이 매우 뛰어나며 광섬유 기하구조가 기존 단일모드 광섬유와 완전하게 일치하여 기존 광섬유 통신망 및 신규통신망에 즉시 응용이 가능할 뿐만 아니라 극저손실의 효과로 통신망 내에서 중계거리를 기존대비 10% 이상 늘릴 수 있어 광증폭기 사용 감소 등으로 인한 전체 망구축비용을 효과적으로 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 극저손실 광섬유는 기존 광섬유와 코어의 크기, 굴절률등이 동일하고, 기하학적 구조(geometric structure)가 완전히 일치하여 기존에 포설된 광통신망 대체, 확장 및 신규 포설에서 기존 광통신망과 완벽한 호환이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 광섬유는 극저손실과 낮은 굴곡손실 특성을 가지고 있어 기존 광케이블(optical fiber cable)의 크기를 줄여 경량화 하는데 기여할 수 있다. 이러한 결과는 여러 가지 케이블의 생산원가를 줄일 수 있을 뿐 아니라 사용자들에게도 시스템 구축 시공비용 절감에 기여한다.
또한, 본 발명에 따른 극저손실 광섬유는 손실이 충분히 낮기 때문에 고신뢰성, 극저손실이 요구되는 해저케이블에도 응용이 가능하다. 기존 단일모드 광섬유와 동일한 조성 및 기하구조를 가지고 기존 해저케이블에 사용되는 광섬유(주로 PSCF)와 대비하여 현저히 낮은 가격으로 시스템을 구축할 수 있게 하여 신규 통신망 구축에 기여할 수 있다.
도 1은 일반적으로 알려진 유리의 냉각과정에서 온도에 따른 체적의 관계를 나타내는 그래프
도 2는 본 발명에 따른 광섬유의 제조방법을 개념적으로 도시한 도면
도 3은 본 발명에 따른 광섬유를 제조하기 위한 장치를 개략적으로 도시한 도면
도 4는 본 발명에 따른 광섬유의 굴절률 분포(profile)를 도시한 도면
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 고온에서 충분히 녹은 유리를 급랭시키는 과정에서 온도변화에 따른 유리의 체적변화를 나타낸 그림이다. 도시된 바와 같이, 체적 변화는 특정 변곡점(유리 가상온도, Tf)을 기점으로 체적 변화률이 급격히 달라진다. 즉, 유리 가상온도(Tf)보다 높은 온도에서는 온도가 낮아짐에 따라 체적이 급격하게 변하다가, 유리 가상온도(Tf) 보다 낮은 온도에서는 그 변화 속도가 크게 작아진다. 일반적으로 유리 가상온도(Tf) 온도 이하에서는 밀도 불균일(density fluctuation) 정도가 변하지 않기 때문에 고정된(frozen-in) 상태라고 정의된다.
이러한 유리 가상온도(Tf)는 유리 냉각속도와 밀접한 관계가 있으며, 냉각속도가 빨라짐에 따라 유리 가상온도(Tf)가 높아진다. 도 1에서 Tf1은 저속 냉각(slow cooling)의 경우 유리 가상온도이고, Tf2는 고속 냉각(fast cooling)의 경우 유리 가상온도이다. 유리 천이 구간(glass transition region)은 고속 냉각시 유리가 갖게 되는 유리 가상온도, Tf,fast와 저속 냉각시 유리가 갖게 되는 유리 가상온도, Tf,slow 사이의 구간으로 정의되며, 이 구간에서는 온도변화에 따른 체적변화율이 엄밀하게 선형을 따르지 않는다. 실리카 유리(Silica glass)의 천이 구간은 대략 1000℃에서 1300℃ 사이인 것으로 알려져 있다.
본 발명에서는 유리구조가 완전히 고정된(frozen-in) 상태에 이르기 직전단계인 유리 천이 구간 영역 내에서 유리를 급속하게 추가 냉각함으로서 유리의 체적을 급격히 감소시켜 냉각곡선에서 저속 냉각 곡선의 온도변화에 대한 체적변화율을 따르도록 상이동(phase shift)을 시킨다. 이에 따라, 고속 인출을 수행하면서도 저속인출에 따른 저속 냉각(slow cooling)을 수행하는 것과 같은 효과를 갖게 된다. 이 결과로 레일리 산란과 밀접한 관계가 있는 유리 가상온도(Tf)는 최초 유리 가상온도, Tfi가 아닌 더 낮은 온도인 Tff로 이동하게 되어 레일리 산란 손실을 줄임으로써 극저손실이 가능하게 된다. 이와 같은 개념의 과냉각(super cooled)에 의한 상이동(phase shift)의 개념도는 도 2에 표현하였다. 종래에는 도 2에 도시된 C1 상태인 광섬유가 C2 상태로 냉각되었으나, 본 발명에 따른 제조 방법에서는, C2 상태인 광섬유가 유리 천이 구간 내에서 이루어지는 과냉각 과정인 C3 단계를 거친 후에 C4 상태로 냉각된다.
도 3에는 본 발명에 따른 광섬유를 제조하기 위한 장치가 개략적으로 도시되어 있다. 인출된 광섬유를 과냉각시키기 위한 과냉각(super cooling) 장치(200)는 인출전기로(100) 바로 아래에 위치한다. 과냉각 장치(200)에 진입하는 광섬유의 온도는 반드시 유리 천이 구간의 온도범위 내에 있어야 한다. 통상적인 실리카 광섬유의 경우 유리 천이 구간은 대략 1000℃에서 1300℃ 사이의 범위이므로, 광섬유 인출 속도 및 인출전기로(100)에서 토출되는 광섬유 온도 등에 따라서 과냉각 장치(200)의 위치를 조정하여 과냉각 장치(200)에 진입하는 광섬유가 상기 온도범위에 있도록 한다. 과냉각 장치(200)에 진입하는 광섬유 온도가 상기 유리 천이 구간의 온도 보다 낮은 경우에는, 이미 유리구조가 밀도요동(density fluctuation)이 없는 상태로 진입이 완료되었기 때문에 냉각곡선에서의 상이동이 일어나지 않는다. 즉, 유리 가상온도(Tf)를 낮출 수가 없다.
일반적인 광섬유 인출전기로(100)의 온도는 광섬유 모재(10)의 크기, 인출속도에 따라 달라지지만 대략적으로 2000℃-2300℃ 이내이다. 인출전기로(100) 내부에서 충분한 발열로 연화(softening)된 광섬유는 광섬유 강제 인출 장치(capstan; 500)의 구동 인장에 의해 인출전기로(100)의 외부로 인출된다. 광섬유 인출장력(drawing tension)은 인출전기로(100)의 온도 및 인출속도에 의해 결정되며, 그 값은 대략 100g 내지 200g 사이이다. 인출전기로(100) 밖으로 인출된 광섬유 표면 온도는 인출전기로(100) 내부 발열체(heater) 온도, 사용가스 종류 및 유량, 그리고 인출전기로(100)의 내부 구조, 인출속도 등에 따라서 달라진다. 통상 직경 125um 광섬유를 인출하는 경우, 그 값은 1200℃-1400℃ 정도이다.
인출전기로(100)의 외부로 인출된 광섬유는 즉시 주변 공기 중에 노출되어 급냉(rapid cooling) 과정을 겪게 되고 이후 장착된 하단부의 냉각기(cooler; 300)로 진입하여 냉각과정을 거처 충분히 냉각된 상태로 (통산 60℃ 미만) 광섬유 외피를 입히는 코팅 장치(coater; 400)에 진입하여 고분자(polymer) 코팅이 원활하게 이루어지도록 한다.
인출전기로(100) 하단부에서 광섬유 냉각장치-통상 헬륨가스를 매체로 사용하는 냉각기-에 진입하는 과정에서 온도 변화는 광섬유(유리)의 유리 천이 구간(glass transition region)의 온도범위 내에서 변화하게 된다. 본 발명에서는 이 천이 구간에 급속냉각설비인 과냉각 장치(200)를 장착하여 광섬유온도를 과냉각(super-cooled) 시키는 공정을 포함한다. 이 때 광섬유 냉각속도는 인출속도에 따라 달라지지만 최소한 3500℃/s 이상의 냉각속도를 가져야만 한다. 광섬유 냉각속도가 충분히 크지 않을 경우에는 과냉각에 의한 상이동(phase shift)이 일어나지 않아 유리 가상온도를 낮출 수가 없고 결과적으로 손실을 낮출 수가 없다. 과냉각 장치(200)는 광섬유의 표면온도가 유리 천이 구간 이상 또는 그 범위 내에 있는 위치에 배치되어야 하며, 인출 속도에 따라 상하로 위치를 조절하는 것이 적절하다.
실리카 유리 내의 밀도요동(density fluctuation)에 기인하는 레일리 산란 손실(Rayleigh scattering loss), α d 는 유리 가상온도(Tf)와 다음과 같은 관계를 갖는다.
Figure 112014126439206-pat00001
여기서 λ는 파장(wavelength), n은 굴절률(refractive index), p는 광탄성 계수(photoelastic constant), 그리고 βT는 유리 가상온도(Tf)에서의 평형 등온압축률(equilibrium isothermal compressibility)이다. 위 관계로부터 알 수 있듯이, 굴절률이 높을수록 (통상의 광섬유의 경우, 실리카 유리 내에 이방물질인 GeO2의 양이 증가할수록), 그리고 유리 가상온도(Tf)가 높을수록 레일리 산란 손실이 증가한다. 따라서 저손실 광섬유를 얻기 위해서는 상대굴절률을 가능한 낮추거나 또는 유리 가상온도(Tf)를 낮추어야 한다. S. Sakaguchi, S.Todoroki, 및 T.Murata의 J. Non-Cryst. solids 220 (1997), 178쪽에서는 유리 가상온도(Tf)와 레일리 산란 손실은 선형관계가 있음을 실험적 결과를 통하여 보여주고 있으며, 유리 가상온도(Tf)를 제어할 수 있다면 레일리 산란을 제어할 수 있다고 주장하고 있다. 또한 K. Tsujikawa, K. Tajima, 및 M. Ohashi의 J. Lightwave Technology Vol.15 No.11 (2000), 1528쪽에서는 실리카계(silica-based) 광섬유에 대한 평가에서 온도 및 속도를 낮게 인출하여 유리 가상온도(Tf)를 낮출 수 있고 결과적으로 레일리 산란 손실을 줄일 수 있음을 실험적으로 밝히고 있다. 또한 K. Saito, A. J. Ikushima, T. Ito, 및 A. Ito의 J. Applied Physics Vol.81 No.11 (1997), 7129쪽에서 실리카 유리에 미량의 알칼리 혹은 알칼리토류 금속을 첨가함으로써 실리카 유리의 구조적 완화(structural relaxation)를 유도하여 결과적으로 유리 가상온도(Tf)를 낮출 수 있음을 실험적으로 밝혔으며 그 결과를 이용하면 극저손실 광섬유 제조가 가능할 것으로 주장하였다.
인출과정에서 광섬유에 장력이 인가되는데, 이 장력은 인출온도에 반비례하고 속도에 비례하는 물리량이다. 광섬유에 인가되는 장력은 광섬유의 굴절률을 변화시키게 되는데 장력이 커질수록 SiO2-GeO2 유리조성을 갖는 코어의 굴절률은 증가하고 SiO2-F 유리조성을 갖는 클래딩의 굴절률은 낮아진다. 또한 인출과정에서 발생하는 급격한 체적 수축은 광섬유에 압축 응력(compressive stress)을 인가하게 되고 이는 역시 코어의 실리카 대비 상대굴절률의 증가를 유발한다. 따라서 광섬유 코어의 실리카 대비 상대굴절률(relative refractive index)이 높은 경우, 인출과정에서 장력 및 급격한 냉각에 의해 상대굴절률이 증가하게 되고, 결과적으로 높은 굴절률로 인하여 레일리 산란 손실 증가하게 됨으로써 과냉각에 의한 손실저감의 효과를 반감시킨다. 본 발명에서의 적절한 광섬유 코어의 실리카 대비 상대굴절률은 양의 상대굴절률차(Δ+)로서 0.0030에서 0.0055인 범위를 갖는 것으로 한정한다.
입사된 광신호을 유도(guide)하는 코어 바로 외층인 클래딩의 굴절률은 상대적으로 실리카 보다 낮은 상대굴절률을 갖는 것이 굴곡특성에 좋은 효과가 있다는 것은 잘 알려져 있다. 하지만 클래딩이 상대적으로 매우 낮은 굴절률을 갖는 경우, 모드필드직경(Mode Field diameter), 영분산(zero dispersion), 차단파장(cut-off wavelength) 등과 같은 광학적 특성들이 모두 광섬유 규격(ITU-T requirement)을 만족시키도록 하기가 곤란하다. 따라서 광특성들에 미치는 영향을 최소화하면서 굴곡특성을 만족하는 클래딩 굴절률 설계가 필요하다. 본 발명의 경우는 클래딩의 실리카 대비 상대굴절률은 음의 상대굴절률차(Δ-)로서 -0.0020에서 -0.0003의 범위를 갖는 것으로 한정한다.
광섬유 굴곡특성 및 수산기에 의한 특정파장대역의 손실인 OH 흡수 손실(OH-absorption loss)의 영향을 최소화하기 위해서는 광섬유 코어 직경(d)과 클래딩 직경(D)의 비율(D/d)은 일정한 수준이 넘어야 하는데, 본 발명에서는 이 비율(D/d)은 3.0 이상이 되도록 한정한다.
도 4에는 위에서 설명한 본 발명의 광섬유 굴절률 프로파일(profile)을 도식하였다.
본 발명의 실시예에 따라 제조된 극저손실 광섬유의 광특성을 측정한 결과는 아래와 같다.
광손실 특성과 관련하여, 광섬유 손실이 1310nm 파장에서 0.32dB/km 이하, 1383nm 파장에서 0.31dB/km 이하, 1550nm 파장에서 0.18dB/km 이하, 그리고 1625nm에서 0.20dB/km 이하로 나타났다.
구부림 특성과 관련하여, 직경 10mm에 1회 감아 구부림 손실을 측정한 경우, 파장 1550nm에서 0.75dB 이하이고 파장 1625nm에서 1.5dB 이하이며, 직경 15mm에 10회 감아 구부림 손실을 측정한 경우, 파장 1550nm 에서 0.25dB 이하, 파장 1625nm에서 1.0dB 이하를 동시에 만족하였다.
또한, 영분산값(zero dispersion)이 1300nm 이상 1320nm 이하를 가지며, 차단파장이 1150nm 이상 1330nm 이하를 가지며, 1310nm 파장에서의 모드필드 직경(mode field diameter)를 8.8um 이상 9.6um 이하를 나타내었다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 극저손실 광섬유는 1310nm 모드필드 직경과 차단파장의 비인 MAC값(MFD/cut-off wavelength)이 7.5 이하를 가진다.
표 1은 본 발명에 의한 실시사례와 기존의 실시사례를 대비하여 나타낸 것이다.
Figure 112014126439206-pat00002
표 1에서 일반조건 및 본 발명에 의한 결과를 함께 비교하였다. 비교에 사용된 광섬유 모재(preform)들은 동일한 공법으로 제조되었다. 효과를 비교 검증하기 위하여 동일한 인출타워에서 냉각 장치만 구성을 다르게 하여 인출하였다. 기존 인출조건은 헬륨 가스(helium gas)를 공정가스로 사용하는 4대의 냉각기(cooler)를 사용하였으나, 본 발명에 따른 조건에서는 상부 1대의 헬륨 냉각기(helium cooler) 대신에 본 발명에 따른 과냉각(super cooling)을 수행할 수 있는 냉각기를 장착하여 사용하였다.
표 1에서 실시사례 1은 기존 조건으로 인출하여 제조된 광섬유를 나타낸 것이다. 그리고 실시사례 2 및 3은 본 발명에 따라 제조된 광섬유를 나타낸 것이다. 실시사례 2와 3에서는 실시사례 1과 동일한 인출전기로(furnace) 조건(인출 온도, 가스 조건 등)을 적용하였으며 인출 속도는 30m/s이다. 실시사례 4는 본 발명에 의한 장치에서 인출 속도를 15m/s로 낮추어 인출한 결과이다. 본 발명에 의한 과냉각 장치(super cooled equipment)를 제외한 공정조건이 모두 동일하게 인출한 광 특성에서 실시사례 2 와 3은 실시 사례1과 비교하여 전파장 대역에서 현저하게 낮은 손실을 보이고 있다. 인출 속도를 낮춘 실시사례 4에서는 도 1과 관련하여 설명한 바와 같이 저속 냉각에 따라 낮은 유리 가상온도가 낮아짐으로 인하여 산란손실이 감소하는 것을 극명하게 보여주고 있다.
각 실시사례에 따라 제조된 광섬유의 광특성을 비교하면, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 실시사례 2와 실시사례 3의 경우, 통신에 사용되는 전파장 대역(1250nm-1625nm)에서 기존 조건에 따른 경우에 비하여 월등히 낮은 광손실 값을 보이고 있다. 그리고 굴곡특성 측정 결과 G657A1 규격을 모두 만족하는 결과를 보였다. 즉, 본 발명에 따른 광섬유 굴절률 설계가 적절함을 확인하였으며, 본 발명에 따른 과냉각 과정을 통하여 제조된 광섬유는 통한 낮은 산란손실(scattering loss) 및 우수한 굴절특성(low bending sensitivity)을 갖는 것을 확인하였다.
또한 인출 온도 및 속도를 낮추어서 인출한 실시사례 4의 경우 광특성 값이 더욱 낮아지는 결과를 얻었다. 이러한 결과는 광섬유 냉각곡선에 의한 유리 가상온도와 레일리 산란 손실과의 관계 사이에 대한 기존의 이론과 일치함을 보여준다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 광섬유 모재 (preform)
100: 인출전기로
200: 과냉각 장치
300: 냉각기
400: 코팅 장치
500: 캡스탄 (capstan)

Claims (9)

  1. 극저손실 광섬유를 제조하는 방법으로서,
    (a) 용융된 광섬유 모재를 광섬유로 인출하는 단계;
    (b) 상기 단계 (a)에서 인출된 광섬유의 표면온도를 유리 천이 구간 내의 온도범위 내에 있도록 유지하면서 광섬유를 과냉각시키는 단계; 및,
    (c) 상기 단계 (b)에서 과냉각된 광섬유를 추가로 냉각시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 단계 (a)와 상기 단계 (b) 사이에,
    인출된 광섬유의 표면온도를 유리 천이 구간 내의 온도범위의 상한치 이상의 온도로 유지시키는 단계
    를 더 포함하는 극저손실 광섬유 제조 방법.

  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 (b)에서, 유리 천이 구간의 온도범위는 1000℃에서 1300℃ 사이의 범위인 것
    을 특징으로 하는 극저손실 광섬유 제조 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 단계 (b)에서의 과냉각은 3500℃/s 이상의 냉각속도로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 극저손실 광섬유 제조 방법.
  5. 청구항 1에 기재된 제조 방법을 실시하기 위한 장치로서,
    광섬유 모재를 용융시켜 광섬유로 인출시키는 인출전기로;
    상기 인출전기로에서 용융되어 인출된 광섬유를 표면온도가 유리 천이 구간 내의 온도범위 내에 있도록 유지하면서 과냉각시키는 과냉각 장치;
    상기 과냉각 장치에서 냉각된 광섬유를 추가로 냉각시키는 냉각기; 및,
    광섬유의 인출속도에 따라, 과냉각 장치로 투입되는 광섬유의 표면온도가 유리 천이 구간의 온도범위의 상한치보다 높은 온도를 갖도록, 과냉각 장치의 위치를 이동시키는 장치
    를 포함하는 극저손실 광섬유 제조 장치.

  6. 삭제
  7. 청구항 1에 기재된 제조 방법으로 제조된 극저손실 광섬유로서,
    실리카 대비 상대굴절율차가 0.0030 이상 0.0055 이하인 코어; 및,
    상기 코어의 외측에 배치되며, 실리카 보다 낮은 상대굴절율차를 가지는 클래딩
    을 포함하고,
    상기 클래딩의 실리카 대비 상대굴절률차는 -0.0020 이상 -0.0003 이하인 극저손실 광섬유.
  8. 청구항 1에 기재된 제조 방법으로 제조된 극저손실 광섬유로서,
    실리카 대비 상대굴절율차가 0.0030 이상 0.0055 이하인 코어; 및,
    상기 코어의 외측에 배치되며, 실리카 보다 낮은 상대굴절율차를 가지는 클래딩
    을 포함하고,
    상기 코어의 직경(d)과 상기 클래딩의 직경(D)의 비율(D/d)이 3.0 이상인 극저손실 광섬유.
  9. 삭제
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