KR102565785B1 - 광자 결정 광섬유, 그 프리폼, 제조 방법 및 응용 - Google Patents

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Abstract

광자 결정 광섬유, 그 프리폼, 제조 방법 및 응용을 개시한다. 상기 프리폼은 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트(1), 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트(2), 내부 클래딩층 유리 튜브(3) 및 외부 클래딩층 유리 튜브(5)를 포함하고, 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트(1)는 상대 굴절률 차이 △1이 0.08 % ~ 0.09 %이고, 직경이 1 ~ 4 mm이며; 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트(2)는 외경이 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트와 같고, 클래딩층, 및 상대 굴절률 차이 △2가 -0.14 % ~ -0.82 %인 코어층을 포함하며, 상기 클래딩층 재료와 상기 내부 클래딩층 튜브(3) 재료가 같고; 상기 내부 클래딩층 유리 튜브(3)는 두께가 2 mm 내지 20 mm 사이이고, 상대 굴절률 차이 △3이 0.08 % ~ 0.1 %이며, 상기 외부 클래딩층 유리 튜브(5)는 두께가 30 mm 내지 90 mm 사이이고, 등가 굴절률이 1.22 ~ 1.25이다. 광섬유는 펌프광에 대한 흡수율이 높아 필요한 파장 대역의 신호광으로 변환함과 동시에 큰 모드 필드 면적을 얻을 수 있고 빔 품질이 우수하다.

Description

광자 결정 광섬유, 그 프리폼, 제조 방법 및 응용
본 발명은 광학 및 레이저 광전자 분야에 속하며, 보다 상세하게는 광자 결정 광섬유, 그 프리폼 및 제조 방법에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안 광섬유 레이저의 급속한 발전으로 레이저 출력 파워를 높이는 방법이 연구 핫스팟 중 하나이다. 비선형 효과와 열 손상은 광 파워의 추가 혁신을 위한 병목 현상이며 이 두 가지 문제를 해결하는 핵심 방법 중 하나는 광섬유의 코어 직경을 늘리는 것이지만 클래딩층의 흡수 계수와 변환 효율을 희생하지 않으면서 빔 품질을 크게 저하시키는 경향이 있어 이테르븀이 도핑된 광자 결정 광섬유가 탄생하였다. 종래의 광자 결정 광섬유의 클래딩층은 주기적으로 배열된 기공으로 구성되는 것이 대다수이다.
그러나, 이러한 주기적으로 배열된 기공은 두 가지 문제를 야기할 수 있는데, 첫째, 클래딩층의 굴절률이 감소하고, 코어와 클래딩층의 굴절률 차이가 너무 크다는 단점이 있고, 둘째, 인발 시 기공을 형성하는 모세관이 무너지기 쉽기 때문에 수율이 낮고, 빔 출력 품질이 좋지 못하다. 아울러 공기의 열전도율은 일반적이며 고출력 응용 시나리오에서 열 관리가 더 어렵다.
종래 기술에 존재하는 상기 흠결 또는 개선 요구를 감안하여, 본 발명은 광자 결정 광섬유, 그 프리폼, 제조 방법 및 응용을 제공하고, 그 목적은 고체 저굴절률 주기적 유닛으로 기공을 대체하여 굴절률 차이를 조절 가능한 고품질, 고수율의 광자 결정 광섬유를 형성하고, 그 고출력, 단일 캐비티 저손실, 빔의 고품질 에너지 전송을 통해 종래 기술의 품질 제어가 어려운 문제, 코어와 클래딩층의 굴절률 차이가 너무 크고 고출력에서 열 관리가 어려운 기술적 과제를 해결한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 양태에 따르면 광자 결정 광섬유 프리폼을 제공하고, 이는 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트, 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트, 내부 클래딩층 유리 튜브 및 외부 클래딩층 유리 튜브를 포함하고,
상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트는 상대 굴절률 차이 △1이 0.08 % ~ 0.09 %이고, 직경이 1 ~ 4 mm이며;
내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트는 외경이 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트와 같고, 클래딩층, 및 상대 굴절률 차이 △2가 -0.14 % ~ -0.82 %인 코어층을 포함하며, 상기 클래딩층 재료와 상기 내부 클래딩층 튜브 재료가 같고; 상기 불소 도핑 유닛의 듀티 사이클 f는 0.085 ~ 0.09이며, 상기 불소 도핑 유닛의 듀티 사이클은 아래 방법으로 계산되고,
상기 식에서, d F 는 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트의 클래딩층 내경이고, d 1 은 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트의 클래딩층 외경이며;
상기 내부 클래딩층 유리 튜브는 두께가 2 mm 내지 20 mm 사이이고, 상대 굴절률 차이 △3이 0.08 % ~ 0.1 %이며,
상기 외부 클래딩층 유리 튜브는 두께가 30 mm 내지 90 mm 사이이고, 외부 클래딩층 유리 튜브는 순수 실리카 유리관이며,
상기 내부 클래딩층 유리 튜브, 외부 클래딩층 유리 튜브는 동심원으로 중첩되고, 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트는 내부 클래딩층 유리 튜브 중심에 위치하며, 상기 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트는 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트와 상기 내부 클래딩층 튜브 사이에 위치한다.
바람직하게, 상기 광자 결정 광섬유 프리폼에 있어서, 상기 내부 클래딩층 유리 튜브는 내경이 22 ~ 37.5 mm이고, 외경이 45 ~ 50 mm이며; 그 내경은 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛의 유리 필라멘트의 외경 및 층수와 아래 관계를 가지고,
,
상기 식에서, 은 상기 내부 클래딩층 유리 튜브의 내경이고, 은 상기 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛의 유리 필라멘트의 층수이며, 은 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트의 외경이고;
바람직하게, 상기 외부 클래딩층 유리 튜브는 내경이 50 ~ 60 mm이고, 외경이 80 ~ 150 mm이다.
바람직하게, 상기 광자 결정 광섬유 프리폼에 있어서, 상기 불소 도핑 유닛의 유리 필라멘트는 코어의 유리 필라멘트 주변에 어레이 형상으로 밀접하게 배열되고, 코어의 유리 필라멘트는 어레이 중심에 위치하며, 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트와 상기 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트의 개수의 비는 0.5 ~ 3:12 사이이고, 바람직하게 1:12, 7:120, 7:162, 19:84, 19:120, 또는 19:162이다.
바람직하게, 상기 광자 결정 광섬유 프리폼에 있어서, 상기 외부 클래딩층 유리 튜브 내벽에는 저굴절률층이 구비되고, 상기 저굴절률층은 밀접하게 배열된 모세 유리관 또는 저굴절률 유리 재료층이며; 상기 모세 유리관은 내경이 2 ~ 4 μm이고, 외경이 2.5 ~ 5 mm이며, 그 양단이 밀봉되고; 상기 저굴절률층의 굴절률 또는 등가 굴절률은 1.22 ~ 1.25이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 광자 결정 광섬유 프리폼의 제조 방법을 제공하고, 이는
(1) 몰드를 이용하여, 소정 개수의 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트 및 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트를 정육각형으로 적층하고 유리 필라멘트 다발로 묶음으로써, 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트를 중심에 위치시키는 단계;
(2) 단계 (1)에서 얻은 유리 필라멘트 다발을 내부 튜브, 외부 튜브와 동심원으로 중첩시키는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트는,
라이너에 희토류 도핑 코어층을 증착하여, 코어층의 상대 굴절률 차이 △1이 0.08 % ~ 0.1 % 사이가 되도록 하고, 라이너를 제거하고 인발을 거쳐 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트를 얻는 방법으로 제조되고,
상기 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트는,
라이너에 내부 클래딩층 재료를 기설정 두께만큼 증착한 다음, 불소 도핑 유리층을 증착하여, 불소 도핑 유리층의 상대 굴절률 차이 △2가 -0.14 % ~ -0.82 %가 되도록 하고, 라이너를 제거하고 인발을 거쳐 상기 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트를 얻는 방법으로 제조된다.
바람직하게, 상기 광자 결정 광섬유 프리폼의 제조 방법에 있어서, 상기 외부 클래딩층 유리 튜브 내벽이 밀접하게 배열된 모세 유리관을 구비할 경우, 상기 모세 유리관은,
순수 실리콘 튜브를 등비율에 따라 기설정 외경의 모세관으로 인발하고, 화염으로 상기 모세관 양단을 밀봉하는 방법으로 제조되고,
상기 외부 클래딩층 유리 튜브 내벽이 저굴절률 유리 재료층을 구비할 경우, 상기 외부 클래딩층은,
순수 실리카 라이너에 불소 도핑층을 증착하여 상기 외부 튜브를 얻는 방법으로 제조된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 광자 결정 광섬유를 제공하고, 이는 코어, 내부 클래딩층 및 외부 클래딩층을 포함하며,
상기 코어는 상대 굴절률 차이 △1이 0.08 % ~ 0.1 %이고, 직경이 40 ~ 50 μm이며;
상기 내부 클래딩층은 직경이 200 ~ 400 μm이고, 배경층 및 배경층에 어레이 형상으로 배열되고 코어를 밀접하게 둘러싸는 불소 도핑 유닛을 포함하며, 상기 배경층의 상대 굴절률 차이 △3은 0.08 % ~ 0.1 %이고, 상기 불소 도핑 유닛의 상대 굴절률 차이 △2는 -0.14 % ~ -0.82 %이며;
상기 외부 클래딩층의 직경은 800 μm ~ 1000 μm이다.
바람직하게, 상기 광자 결정 광섬유에 있어서, 상기 불소 도핑 유닛은 상기 내부 클래딩층에서 코어에 가까이 분산된 두께는 내부 클래딩층 두께의 1/5 내지 1/2의 영역 내이고, 그 직경은 1 ~ 1.4 μm이며, 상기 불소 도핑 유닛의 중심 사이의 거리는 11.5 ~ 16 μm이다.
바람직하게, 상기 광자 결정 광섬유에 있어서, 상기 코어는 이테르븀, 알루미늄, 인이 함께 도핑된 실리카층이고;
바람직하게, 상기 외부 클래딩층은 순수 실리카층 및 저굴절률층을 포함하며, 상기 저굴절률층은 외부 클래딩층의 가장 안쪽 표면에 위치하고, 그 굴절률 또는 등가 굴절률은 1.22 ~ 1.25이며, 원주 방향으로 배열된 기공 또는 저굴절률 유리 재료층으로 이루어진다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 이득 매질로 사용되는 것을 특징으로 하는 상기 광자 결정 광섬유의 응용을 제공한다.
종합하면, 본 발명의 구상에 따른 상기 과제 해결 수단은 종래 기술에 비해 아래와 같은 유익한 효과를 달성할 수 있다.
본 발명은 코어의 굴절률, 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛의 굴절률, 불소 도핑 유닛의 기하학적 크기 및 공기 클래딩층의 기하학적 크기를 조절하는 것을 통해, 광섬유가 펌프광에 대한 흡수율이 높아 필요한 파장 대역의 신호광으로 변환함과 동시에 큰 모드 필드 면적을 얻을 수 있고 빔 품질이 우수하다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 이중 클래딩층의 이테르븀이 도핑된 광자 결정 광섬유 프리폼의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 이중 클래딩층의 이테르븀이 도핑된 광자 결정 광섬유의 단면의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 이중 클래딩층의 이테르븀이 도핑된 광자 결정 광섬유의 단일 모드 동작 범위를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 이중 클래딩층의 이테르븀이 도핑된 광자 결정 광섬유 프리폼의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 이중 클래딩층의 이테르븀이 도핑된 광자 결정 광섬유의 단면의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 이중 클래딩층의 이테르븀이 도핑된 광자 결정 광섬유의 단일 모드 동작 범위를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 고체 상태 이중 클래딩층의 이테르븀이 도핑된 광자 결정 광섬유의 테스트 플랫폼의 모식도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2 에 따른 이중 클래딩층의 이테르븀이 도핑된 광자 결정 광섬유의 출력 광 스폿 다이어그램이다.
본 발명의 목적, 과제 해결 수단 및 장점이 보다 명확해지도록, 본 발명을 실시예와 함께 이하에서 더욱 상세하게 설명한다. 여기에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명을 설명하기 위해 사용된 것일 뿐, 본 발명을 제한하려는 것이 아님을 이해해야 한다. 또한, 이하에서 설명되는 본 발명의 다양한 실시형태에서 언급된 기술적 특징들은 서로 상충되지 않는 범위 내에서 서로 결합될 수 있다.
본 발명은 광자 결정 광섬유 프리폼을 제공하고,이는 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트, 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트, 내부 클래딩층 유리 튜브 및 외부 클래딩층 유리 튜브를 포함하고,
상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트는 상대 굴절률 차이 △1이 0.08 % ~ 0.1 %이고, 직경이 1 ~ 4 mm이며, 바람직하게 2 ~ 2.5 mm이고; 이가 형성한 코어의 직경은 3 ~ 6.5 mm이다.
내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트는 외경이 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트와 같고, 클래딩층, 및 상대 굴절률 차이 △2가 -0.14 % ~ -0.82 %인 코어층을 포함하며, 상기 클래딩층 재료와 상기 내부 클래딩층 튜브 재료가 같고, 모두 배경 재료이며, 클래딩층 외경은 1 ~ 4 mm이고; 바람직하게, 상기 불소 도핑 유닛의 듀티 사이클 은 0.085 ~ 0.09이며, 상기 불소 도핑 유닛의 듀티 사이클은 아래 방법으로 계산되고,
상기 식에서, 는 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트의 클래딩층 내경이고, 은 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트의 클래딩층 외경이다. 이가 형성한 내부 클래딩층 부분 직경은 45 ~ 50 mm 사이이다.
상기 내부 클래딩층 유리 튜브는 두께가 2 mm 내지 20 mm 사이이고, 그 내경은 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛의 유리 필라멘트의 외경 및 층수와 아래 관계를 가지고,
D내1 = 2n1 + d 1 ,
상기 식에서, 은 상기 내부 클래딩층 유리 튜브의 내경이고, 은 상기 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛의 유리 필라멘트의 층수이며, 은 상기 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트의 외경이고;
상기 내부 클래딩층 유리 튜브는 외경이 광섬유 내부 클래딩층의 직경, 광섬유의 코어 직경, 코어를 형성하기 위한 이테르븀이 도핑된 유리 필라멘트 층수, 내부 클래딩층을 형성하기 위한 저굴절률 불소 도핑 유닛의 외경과 아래 관계를 가지고,
상기 식에서, 은 상기 내부 클래딩층 유리 튜브의 외경이고, 은 상기 광섬유 내부 클래딩층의 직경이며, 는 상기 광섬유의 코어 직경이고, 는 코어를 형성하기 위한 이테르븀이 도핑된 유리 필라멘트 층수이며;
상기 내부 클래딩층을 형성하기 위한 배경 재료는 상대 굴절률 차이 △3이 0.08 % ~ 0.1 %이고, 바람직하게 Ge 도핑 실리카이며;
상기 외부 클래딩층 유리 튜브는 두께가 30 mm 내지 90 mm 사이이고; 그 외경은 광섬유 외경, 광섬유의 코어 직경, 코어를 형성하기 위한 이테르븀이 도핑된 유리 필라멘트 층수, 내부 클래딩층을 형성하기 위한 저굴절률 불소 도핑 유닛의 외경과 아래 관계를 가지고,
상기 식에서, 는 상기 광섬유의 외경이며;
상기 외부 클래딩층 유리 튜브 내벽에는 저굴절률층이 구비되고, 상기 저굴절률층은 밀접하게 배열된 모세 유리관 또는 저굴절률 유리 재료층이다. 그 내경은 상기 내부 클래딩층을 형성하기 위한 유리 튜브의 외경과 아래 관계를 가지고,
상기 식에서, 는 외부 클래딩층을 형성하기 위한 저굴절률층의 두께이다.
상기 저굴절률층이 밀접하게 배열된 모세 유리관일 경우, 상기 외부 클래딩층 유리 튜브는 내경이 50 ~ 60 mm이고 외경이 80 ~ 150 mm이며; 상기 모세관은 외경이 2.5 mm ~ 5 mm이고 내경이 2 mm ~ 4 mm이며 그 양단이 밀봉된다.
상기 저굴절률층이 저굴절률 유리 재료층일 경우, 상기 외부 클래딩층 유리 튜브는 내경이 50 ~ 60 mm이고 외경이 80 ~ 150 mm이며, 저굴절률 유리 재료층은 외경이 60 ~ 100 mm이고 등가 굴절률이 1.22 ~ 1.25이다.
상기 내부 클래딩층 유리 튜브, 외부 클래딩층 유리 튜브는 동심원으로 중첩되고, 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트는 내부 클래딩층 유리 튜브 중심에 위치하며, 상기 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트는 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트와 상기 내부 클래딩층 튜브 사이에 위치한다. 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트와 상기 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트의 개수의 비는 0.5 ~ 3:12 사이이고, 바람직하게 1:12, 7:120, 7:162, 19:84, 19:120, 또는 19:162이다.
본 발명에서 제공되는 광자 결정 광섬유 프리폼은 인발 공정을 통해 본 발명에서 제공되는 광자 결정 광섬유를 제조한다.
본 발명에서 제공되는 광자 결정 광섬유 프리폼의 제조 방법은 아래 단계를 포함한다.
단계 (1): 몰드를 이용하여, 소정 개수의 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트 및 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트를 정육각형으로 적층하고 유리 필라멘트 다발로 묶음으로써, 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트를 중심에 위치시킨다.
상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트는,
라이너에 희토류 도핑 코어층을 증착하여, 코어층의 상대 굴절률 차이 △1이 0.08 % ~ 0.1 % 사이가 되도록 하고, 라이너를 제거하고 인발을 거쳐 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트를 얻되, 바람직하게 MCVD의 CDS(희토류 킬레이트 기상 증착법) 공정을 사용하여 순수 실리콘 라이너에 이테르븀이 도핑된 코어를 증착하는 방법으로 제조한다.
상기 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트는,
라이너에 내부 클래딩층 재료를 기설정 두께만큼 증착하되, 바람직하게 내부 클래딩층 재료는 게르마늄 도핑 유리이며, 다음 불소 도핑 유리층을 증착하여, 불소 도핑 유리층의 상대 굴절률 차이 △2가 -0.14 % ~ -0.82 %가 되도록 하고, 라이너를 제거하고 인발을 거쳐 상기 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트를 얻되, 바람직하게 PCVD 공정을 사용하여 순수 실리콘 라이너에 게르마늄 도핑 내부 클래딩층 재료 및 불소 도핑 유리층을 증착하는 방법으로 제조한다.
단계 (2): 단계 (1)에서 얻은 유리 필라멘트 다발을 내부 튜브, 외부 튜브와 동심원으로 중첩시킨다.
상기 외부 클래딩층 유리 튜브 내벽이 밀접하게 배열된 모세 유리관을 구비할 경우, 상기 모세 유리관은,
순수 실리콘 튜브를 등비율에 따라 기설정 외경의 모세관으로 인발하고, 화염으로 상기 모세관 양단을 밀봉하는 방법으로 제조되고,
상기 외부 클래딩층 유리 튜브 내벽이 저굴절률 유리 재료층을 구비할 경우, 상기 외부 클래딩층은,
라이너에 불소 도핑층을 증착하고, 증착이 완료된 후, 순수 실리콘 튜부와 용융 수축시켜 상기 외부 튜브를 얻는 방법으로 제조된다.
본 발명에서 제공되는 광자 결정 광섬유는 코어, 내부 클래딩층 및 외부 클래딩층을 포함하고,
상기 코어는 상대 굴절률 차이 △1이 0.08 % ~ 0.1 %이고, 직경이 40 ~ 50 μm이며; 바람직하게 상기 코어는 이테르븀, 알루미늄, 및/또는 인이 도핑된 실리카이다.
상기 코어의 상대 굴절률 차이는 아래 방법으로 계산되고,
상기 식에서, 는 코어 굴절률이고 는 순수 실리콘 굴절률이다.
상기 내부 클래딩층은 직경이 200 μm ~ 400 μm이고, 배경 재료 및 배경 재료에 주기적으로 배열된 불소 도핑 유닛을 포함하며, 상기 내부 클래딩층에서 코어에 가까운 두께는 내부 클래딩층 두께의 1/5 내지 1/2의 영역 내에 불소 도핑 유닛이 분산되고, 상기 배경 재료의 굴절률 차이 △3이 0.08 % ~ 0.1 %이며, 상기 불소 도핑 유닛의 상대 굴절률 차이 △2가 -0.14 % ~ -0.82 %인 유리 재료이다.
상기 불소 도핑 유닛의 상대 굴절률 차이는 아래 방법으로 계산되고,
상기 식에서, 는 불소 도핑 유닛의 굴절률이고 는 순수 실리콘 굴절률이다.
상기 배경 재료의 굴절률 차이 △3은 아래 방법으로 계산되고,
상기 식에서, 은 배경 재료의 굴절률이고 은 순수 실리콘 굴절률이다.
상기 불소 도핑 유닛은 상기 내부 클래딩층의 80 μm ~ 115 μm 영역 내에 분산되고, 직경이 1.2 μm ~ 1.5 μm이며, 개수는 7 내지 19 사이이고, 상기 불소 도핑 유닛 중심 사이의 거리는 12 ~ 18 μm이다.
상기 외부 클래딩층은 등가 굴절률이 1.22 ~ 1.25이고, 직경이 800 μm ~ 1000 μm이다. 상기 외부 클래딩층은 저굴절률층을 포함하고, 굴절률이 1.22 ~ 1.25이며, 직경이 800 ~ 1000 μm이고, 주기적으로 배열된 기공 또는 저굴절률 유리 재료이다.
그 코어 직경은 40 ~ 50 μm이고, 외경은 800 μm ~ 1 mm이다.
본 발명에서 제공되는 광자 결정 광섬유는 그 코어가 초대형 모드 필드 면적을 구비하여 광섬유가 고출력 레이저를 견딜 수 있도록 하며, 그 클래딩층의 도파 구조는 광섬유가 큰 모드 필드 면적의 전제하에 단일 모드 전송을 지원하도록 하고 빔 품질이 높다. 이의 초대형 내부 클래딩층의 개구수는 광섬유가 더 큰 출력의 펌프광을 흡수할 수 있도록 하여 고출력 광섬유 레이저 분야에 적합하다. 본 발명에서 제공되는 광자 결정 광섬유에서, 그 내부 클래딩층의 주기적 유닛이 모두 고체이며, 종래의 기공 기술에 비해 광섬유 수율이 높고 생산 비용이 절감된다. 종합하면, 본 발명에서 제공되는 광자 결정 광섬유는 고출력, 단일 캐비티 저손실, 빔의 고품질 에너지 전송에 적합하고, 이득 매질로 사용하기에 적합하다.
아래는 실시예이다.
실시예 1
도 1에 도시된 바와 같이, 광자 결정 광섬유 프리폼은 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트(1), 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트(2), 내부 클래딩층 유리 튜브(3), 모세 유리관(4), 외부 클래딩층 유리 튜브(5)를 포함한다. 여기서 코어는 7개의 이테르븀이 도핑된 유리 필라멘트를 정육각형으로 적층하여 형성되며, 이의 상대 굴절률 차이 △1=0.085 %이고, 외경은 2 mm이다. 내부 클래딩층은 84개의 불소 도핑 유리 필라멘트를 정육각형으로 4층 적층하여 형성되고, 불소 도핑 유리 필라멘트의 불소 도핑 영역의 상대 굴절률 차이 △2는 -0.55 %이며, 불소 도핑 유리 필라멘트의 배경 재료는 게르마늄 도핑 실리카이고, 이의 상대 굴절률 차이 △3은 0.08 %이고, 외경은 2 mm이며, 불소 도핑된 코어 영역 듀티 사이클 f는 0.0875이다. 내부 튜브는 게르마늄 도핑 실리카이고, 이의 상대 굴절률 △4=△3=0.08 %이며, 내경은 22 mm이고, 외경은 45 mm이다. 외부 클래딩층의 모세관은 도핑되지 않은 실리카 유리이고, 내경은 4 mm이며, 외경은 5 mm이고, 30개의 상기 모세관을 내부 튜브를 둘러싸고 밀접하게 배열하여, 공기 클래딩층을 형성한다. 외부 튜브는 도핑되지 않은 실리카 유리이고, 내경은 55 mm이며, 외경은 100 mm이다.
상기 광섬유 프리폼은 아래 방법으로 제조된다.
① 불소 도핑 유리 필라멘트의 제조: PCVD 공정을 사용하여 순수 실리콘 라이너에 게르마늄 도핑 클래딩층 및 불소 도핑 코어을 증착하고, 증착이 완료된 후, 솔리드 유리 막대의 외층 순수 실리콘을 완전히 부식시키고, 유리 막대를 특정 사이즈의 유리 필라멘트로 인발한다. 여기서, 게르마늄 도핑 클래딩층의 Ge 도핑 몰 농도는 0.8 % ~ 1 %이고, 불소 도핑 코어의 F 도핑 몰 농도는 0.4 % ~ 2.5이다.
② 이테르븀이 도핑된 유리 필라멘트의 제조: MCVD 기반 CDS(희토류 킬레이트 기상 증착법) 공정을 사용하여 순수 실리콘 라이너에 이테르븀이 도핑된 코어를 증착하고, 증착이 완료된 후, 연마 및 부식 공정을 통해 솔리드 막대의 외층 순수 실리콘을 완전히 제거한다. 여기서 이테르븀이 도핑된 코어의 Yb 도핑 몰 농도는 0.15 % ~ 0.2 %이다.
③ 내부 튜브의 제조: PCVD 공정을 사용하여 순수 실리콘 라이너에 소정 두께의 게르마늄 도핑 클래딩층을 증착하고, 증착이 완료된 후 연마 및 부식 공정을 통해 튜브의 외층 순수 실리콘을 완전히 제거하며, 상기 튜브의 일단을 테이퍼링한다.
④ 모세관의 제조: 순수 실리콘 튜브를 등비율에 따라 소정 외경의 모세관으로 인발하고, 화염으로 모세관 양단을 밀봉한다.
⑤ 외부 튜브의 제조: 하나의 순수 실리콘 튜브를 준비하고, 그중 일단을 테이퍼링 하고 세척, 건조한다.
⑥ 프리폼의 조립: 91개의 상기 불소 도핑 유리 필라멘트를 세척, 건조 후 육각형의 튜브 몰드에서 정육각형으로 적층하고, 적층이 완료된 후 중심의 7개의 불소 도핑 유리 필라멘트를 상기 이테르븀이 도핑된 유리 필라멘트로 교체한다. 다음 니켈 와이어 및 석면 천으로 상기 유리 필라멘트 다발을 묶어 고정한 후, 육각형 튜브 몰드를 제거한다.상기 유리 필라멘트 다발을 상기 내부 튜브에 넣은 후, 상기 내부 튜브를 상기 외부 튜브에 넣고, 상기 내부 튜브와 외부 튜브의 간격은 상기 모세관으로 채운다.
도 1에 도시된 프리폼을 인발로에 넣어 외경이 800 μm인 고체 상태 광자 결정 광섬유로 인발한다.
제조된 이테르븀이 도핑된 광자 결정 광섬유의 단면은 도 2에 도시된 바와 같고, 코어(21), 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛(22)과 게르마늄 도핑 배경 재료(23), 외부 클래딩층 기공(24)과 실리카 재료(25)를 포함한다. 여기서 코어 직경은 50 μm이고, 내부 클래딩층의 직경은 360 μm이며, 외부 클래딩층의 직경은 800 μm이고, 코어 NA는 0.06이고, 클래딩층 불소 도핑 영역 직경은 1.4 μm이며, 인접한 2개의 불소 도핑 유닛의 중심 간격은 16 μm이고, 기공의 반경 방향 폭은 10 μm이며, 인접한 2개의 기공 사이의 벽 두께는 0.5 μm이고, 공기 클래딩층의 NA는 0.85이며, 1064 nm에서 광섬유의 모드 필드 직경은 61 μm이고, 단일 모드 작동 범위는 820 μm보다 크며 도 3에 도시된 바와 같다.
중심 파장이 915 nm인 반도체 레이저를 펌프 소스로 사용하고, 본 발명에서 제공되는 고체 상태 이테르븀이 도핑된 광자 결정 광섬유를 이득 매질로 사용하여, 테스트 플랫폼을 구축하였다. 도 7에 도시된 바와 같이, 신호광 변환 효율은 73 %이고, 915 nm에서 광섬유의 클래딩층 흡수 계수는 3.2 dB/m로 측정되었다.
1064 nm의 단일 모드 레이저를 신호광 소스로 사용하여, 본 발명에서 제공되는 고체 상태 이중 클래딩층의 이테르븀이 도핑된 광자 결정 광섬유의 빔 품질을 테스트하였다. 빔의 품질 인자 는 1.1이고, 출력광 스폿 및 테스트 피팅 곡선은 도 5에 도시된 바와 같다.
실시예 2
도 1에 도시된 바와 같이, 광자 결정 광섬유 프리폼은 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트(1), 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트(2), 내부 클래딩층 유리 튜브(3), 모세 유리관(4), 외부 클래딩층 유리 튜브(5)를 포함한다. 여기서 코어는 7개의 이테르븀이 도핑된 유리 필라멘트를 정육각형으로 적층하여 형성되며, 이의 상대 굴절률 차이 △1=0.085 %이고, 외경은 2 mm이다. 내부 클래딩층은 84개의 불소 도핑 유리 필라멘트를 정육각형으로 4층 적층하여 형성되고, 불소 도핑 유리 필라멘트의 불소 도핑 영역의 상대 굴절률 차이 △2는 -0.55 %이며, 불소 도핑 유리 필라멘트의 배경 재료는 게르마늄 도핑 실리카이고, 이의 상대 굴절률 차이 △3은 0.08 %이고, 외경은 2 mm이며, 불소 도핑된 코어 영역 듀티 사이클 f는 0.0875이다. 내부 튜브는 게르마늄 도핑 실리카이고, 이의 상대 굴절률 △4=△3=0.08 %이며, 내경은 22 mm이고, 외경은 45 mm이다. 외부 클래딩층의 배경 재료는 저굴절률 유리이고, 내경은 45 mm이며, 외경은 100 mm이다.
상기 광섬유 프리폼은 아래 방법으로 제조된다.
① 불소 도핑 유리 필라멘트의 제조: PCVD 공정을 사용하여 순수 실리콘 라이너에 게르마늄 도핑 클래딩층 및 불소 도핑 코어을 증착하고, 증착이 완료된 후, 솔리드 유리 막대의 외층 순수 실리콘을 완전히 부식시키고, 유리 막대를 특정 사이즈의 유리 필라멘트로 인발한다. 여기서, 게르마늄 도핑 클래딩층의 Ge 도핑 몰 농도는 0.8 % ~ 1 %이고, 불소 도핑 코어의 F 도핑 몰 농도는 0.4 % ~ 2.5이다.
② 이테르븀이 도핑된 유리 필라멘트의 제조: MCVD 기반 CDS(희토류 킬레이트 기상 증착법) 공정을 사용하여 순수 실리콘 라이너에 이테르븀이 도핑된 코어를 증착하고, 증착이 완료된 후, 연마 및 부식 공정을 통해 솔리드 막대의 외층 순수 실리콘을 완전히 제거한다. 여기서 이테르븀이 도핑된 코어의 Yb 도핑 몰 농도는 0.15 % ~ 0.2 %이다.
③ 내부 튜브의 제조: PCVD 공정을 사용하여 순수 실리콘 라이너에 소정 두께의 게르마늄 도핑 클래딩층을 증착하고, 증착이 완료된 후 연마 및 부식 공정을 통해 튜브의 외층 순수 실리콘을 완전히 제거하며, 상기 튜브의 일단을 테이퍼링한다.
④ 외부 튜브의 제조: 하나의 순수 실리콘 튜브를 준비하고, PCVD 공정을 사용하여 순수 실리콘 라이너에 소정 두께의 저굴절률층을 증착하며, 증착이 완료된 후 연마 및 부식 공정을 통해 튜브의 외층 순수 실리콘을 완전히 제거하며 화염 연마를 수행하고, 상기 튜브의 일단을 테이퍼링한다.
⑤ 프리폼의 조립: 169개의 상기 불소 도핑 유리 필라멘트를 세척, 건조 후 육각형의 튜브 몰드에서 정육각형으로 적층하고, 적층이 완료된 후 중심의 7개의 불소 도핑 유리 필라멘트를 상기 이테르븀이 도핑된 유리 필라멘트로 교체한다. 다음 니켈 와이어 및 석면 천으로 상기 유리 필라멘트 다발을 묶어 고정한 후, 육각형 튜브 몰드를 제거한다.상기 유리 필라멘트 다발을 상기 내부 튜브에 넣은 후, 상기 내부 튜브를 상기 외부 튜브에 넣는다.
도 1에 도시된 프리폼을 인발로에 넣어 외경이 1000 μm인 고체 상태 광자 결정 광섬유로 인발한다.
제조된 이테르븀이 도핑된 광자 결정 광섬유의 단면은 도 4에 도시된 바와 같고, 코어(21), 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛(22)과 게르마늄 도핑 배경 재료(23), 외부 클래딩층 기공(24)과 배경 실리카 재료(25)를 포함한다. 여기서 코어 직경은 60 μm이고, 내부 클래딩층의 직경은 450 μm이며, 외부 클래딩층의 직경은 1000 μm이고, 코어 NA는 0.06이고, 클래딩층 불소 도핑 영역 직경은 1.75 μm이며, 인접한 2개의 불소 도핑 유닛의 중심 간격은 20 μm이고, 외부 클래딩층의 NA는 0.23이며, 1064 nm에서 광섬유의 모드 필드 직경은 54 μm이고, 단일 모드 작동 범위는 1050 μm보다 크며 도 5에 도시된 바와 같다.
중심 파장이 915 nm인 반도체 레이저를 펌프 소스로 사용하고, 본 발명에서 제공되는 고체 상태 이테르븀이 도핑된 광자 결정 광섬유를 이득 매질로 사용하여, 테스트 플랫폼을 구축하였다. 도 7에 도시된 바와 같이, 신호광 변환 효율은 73 %이고, 915 nm에서 광섬유의 클래딩층 흡수 계수는 3 dB/m로 측정되었다.
1064 nm의 단일 모드 레이저를 신호광 소스로 사용하여, 본 발명에서 제공되는 고체 상태 이중 클래딩층의 이테르븀이 도핑된 광자 결정 광섬유의 빔 품질을 테스트하였다. 빔의 품질 인자 는 1.2이고, 출력광 스폿 및 테스트 피팅 곡선은 도 8에 도시된 바와 같다.
이상의 설명은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과하며 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이며, 본 발명의 사상과 원리 내에서 이루어진 수정, 균등한 대체 및 개량 등은 모두 본 발명의 보호범위에 포함되어야 한다.
모든 도면에서, 동일한 도면 부호는 동일한 소자 또는 구조를 가리킨다.
1: 광자 결정 광섬유 프리폼 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트,
2: 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트,
3: 내부 클래딩층 유리 튜브,
4: 모세 유리관,
5: 외부 클래딩층 유리 튜브,
21: 광섬유 코어,
22: 불소 도핑 유닛,
23: 배경 재료,
24: 외부 클래딩층 기공, 2
5: 외부 클래딩층.

Claims (10)

  1. 광자 결정 광섬유 프리폼에 있어서,
    코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트, 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트, 내부 클래딩층 유리 튜브 및 외부 클래딩층 유리 튜브를 포함하고,
    상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트는 상대 굴절률 차이 △1이 0.08 % ~ 0.09 %이고, 직경이 1 ~ 4 mm이며;
    내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트는 외경이 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트와 같고, 클래딩층, 및 상대 굴절률 차이 △2가 -0.14 % ~ -0.82 %인 코어층을 포함하며, 상기 클래딩층 재료와 상기 내부 클래딩층 유리 튜브 재료가 같고; 상기 불소 도핑 유닛의 듀티 사이클 은 0.085 ~ 0.09이며, 상기 불소 도핑 유닛의 듀티 사이클은 아래 방법으로 계산되고,

    상기 식에서, 는 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트의 클래딩층 내경이고, 은 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트의 클래딩층 외경이며;
    상기 내부 클래딩층 유리 튜브는 두께가 2 mm 내지 20 mm 사이이고, 상대 굴절률 차이 △3이 0.08 % ~ 0.1 %이며,
    상기 외부 클래딩층 유리 튜브는 두께가 30 mm 내지 90 mm 사이이고, 외부 클래딩층 유리 튜브는 순수 실리카 유리관이며,
    상기 내부 클래딩층 유리 튜브, 외부 클래딩층 유리 튜브는 동심원으로 중첩되고, 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트는 내부 클래딩층 유리 튜브 중심에 위치하며, 상기 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트는 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트와 상기 내부 클래딩층 유리 튜브 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 광자 결정 광섬유 프리폼.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내부 클래딩층 유리 튜브는 내경이 22 ~ 37.5 mm이고, 외경이 45 ~ 50 mm이며; 그 내경은 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛의 유리 필라멘트의 외경 및 층수와 아래 관계를 가지고,
    ,
    상기 식에서, 은 상기 내부 클래딩층 유리 튜브의 내경이고, 은 상기 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛의 유리 필라멘트의 층수이며, 은 내부 클래딩층 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트의 외경이고;
    상기 외부 클래딩층 유리 튜브는 내경이 50 ~ 60 mm이고, 외경이 80 ~ 150 mm인 것을 특징으로 하는 광자 결정 광섬유 프리폼.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 불소 도핑 유닛의 유리 필라멘트는 코어의 유리 필라멘트 주변에 어레이 형상으로 밀접하게 배열되고, 코어의 유리 필라멘트는 어레이 중심에 위치하며, 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트와 상기 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트의 개수의 비는 0.5 ~ 3:12 사이인 것을 특징으로 하는 광자 결정 광섬유 프리폼.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 외부 클래딩층 유리 튜브 내벽에는 저굴절률층이 구비되고, 상기 저굴절률층은 밀접하게 배열된 모세 유리관 또는 저굴절률 유리 재료층이며; 상기 모세 유리관은 내경이 2 ~ 4 μm이고, 외경이 2.5 ~ 5 mm이며, 그 양단이 밀봉되고; 상기 저굴절률층의 굴절률 또는 등가 굴절률은 1.22 ~ 1.25인 것을 특징으로 하는 광자 결정 광섬유 프리폼.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 광자 결정 광섬유 프리폼의 제조 방법에 있어서,
    (1) 몰드를 이용하여, 소정 개수의 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트 및 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트를 정육각형으로 적층하고 유리 필라멘트 다발로 묶음으로써, 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트를 중심에 위치시키는 단계;
    (2) 단계 (1)에서 얻은 유리 필라멘트 다발을 내부 튜브, 외부 튜브와 동심원으로 중첩시키는 단계를 포함하되,
    상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트는,
    라이너에 희토류 도핑 코어층을 증착하여, 코어층의 상대 굴절률 차이 △1이 0.08 % ~ 0.1 % 사이가 되도록 하고, 라이너를 제거하고 인발을 거쳐 상기 코어를 형성하기 위한 유리 필라멘트를 얻는 방법으로 제조되고,
    상기 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트는,
    라이너에 내부 클래딩층 재료를 기설정 두께만큼 증착한 다음, 불소 도핑 유리층을 증착하여, 불소 도핑 유리층의 상대 굴절률 차이 △2가 -0.14 % ~ -0.82 %가 되도록 하고, 라이너를 제거하고 인발을 거쳐 상기 불소 도핑 유닛을 형성하기 위한 유리 필라멘트를 얻는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 광자 결정 광섬유 프리폼의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 외부 클래딩층 유리 튜브 내벽이 저굴절률 유리 재료층을 구비할 경우, 상기 외부 클래딩층은,
    순수 실리카 라이너에 불소 도핑층을 증착하여 상기 외부 튜브를 얻는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 광자 결정 광섬유 프리폼의 제조 방법.
  7. 광자 결정 광섬유에 있어서,
    코어, 내부 클래딩층 및 외부 클래딩층을 포함하고,
    상기 코어는 상대 굴절률 차이 △1이 0.08 % ~ 0.1 %이고, 직경이 40 ~ 50 μm이며;
    상기 내부 클래딩층은 직경이 200 ~ 400 μm이고, 배경층 및 배경층에 어레이 형상으로 배열되고 코어를 밀접하게 둘러싸는 불소 도핑 유닛을 포함하며, 상기 배경층의 상대 굴절률 차이 △3은 0.08 % ~ 0.1 %이고, 상기 불소 도핑 유닛의 상대 굴절률 차이 △2는 -0.14 % ~ -0.82 %이며;
    상기 외부 클래딩층의 직경은 800 μm ~ 1000 μm인 것을 특징으로 하는 광자 결정 광섬유.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 어레이 형상의 불소 도핑 유닛은 상기 내부 클래딩층에서 코어에 가까이 분산된 두께는 내부 클래딩층 두께의 1/5 내지 1/2의 영역 내이고, 상기 불소 도핑 유닛의 직경은 1 ~ 1.4 μm이며, 상기 불소 도핑 유닛의 중심 간격은 11.5 ~ 16 μm인 것을 특징으로 하는 광자 결정 광섬유.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 코어는 이테르븀, 알루미늄, 인이 함께 도핑된 실리카층이고;
    상기 외부 클래딩층은 순수 실리카층 및 저굴절률층을 포함하며, 상기 저굴절률층은 외부 클래딩층의 가장 안쪽 표면에 위치하고, 그 굴절률 또는 등가 굴절률은 1.22 ~ 1.25이며, 원주 방향으로 배열된 기공 또는 저굴절률 유리 재료층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광자 결정 광섬유.
  10. 삭제
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