KR20010081941A - 광섬유 프리폼의 제작 방법 - Google Patents

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Abstract

유리 수트(130)는 버너(140)에 의해 유리봉에 침착된다. 몸체는 인장된다(126). 추가 침착 및 인장이 수행된다. 최종 몸체는 섬유로 인발된다.

Description

광섬유 프리폼의 제작 방법{METHOD OF MAKING AN OPTICAL FIBER PREFORM}
공지기술에 의하면 실리카(silica) 유리 시동기 튜브의 제작, 광섬유 프리폼의 제작에 대한 여러 방법이 개시되어 있다. 시동기 튜브는 실리카를 가열하고 상기 실리카를 개구부를 통하여 압출성형함으로써 형성될 수 있다. 시동기 튜브 및 광섬유 프리폼은, 수정 화학 증착(MVCD), 축방향 증착(VAD) 및 외부 증착(OVD)과 같은 여러 기술 중의 하나를 사용하여, 도핑(doping)되거나 도핑되지 않은 실리카를 표적에 침착함으로써 제작될 수 있다. 상기 방법의 각각은 회전 표적을 제공함으로써 개시되고, 상기 회전 표적은 튜브 또는 강봉의 형태로 성형되며, 유리, 세라믹(ceramic) 또는 다른 재료로 형성된다. 일정 경우에, 봉 또는 튜브는 프리폼과 일체구조로 구성되나, 다른 경우 봉은 제거된다. 가스 버너(gas burner) 또는 플라즈마 공급원과 같은 열원은 회전 표적을 가로질러 아래, 위 또는 측면에 구성된다. 열원은 유리 입자를 형성하도록 유리 형성 반응에 소요되는 에너지를 제공한다. 방법에 따라, 상기 침착된 유리 입자는 다음 단계, VAD 또는 OVD 단계와 같은 건조 및 소결 단계를 수행하게 된다. 만약 MCVD 단계라면, 상기 입자는 동일열원에 의해 유리질 석영으로 용융된다.
표적이 수평으로 장착될 때, 열원은 일정한 침착이 구성되도록 표적의 길이를 따라 이동한다. 만약 표적이 튜브라면, 유리 형성 입자 및 재료는 튜브의 내측면 또는 외측면에 침착될 수 있고, 상기 내측면에 침착되는 경우 외경은 계속 일정하게 구성되나, 상기 외측면에 침착되는 경우에는 외경이 증가하게 된다.
표적이 수직으로 장착될 때, 상기 표적은 수직축 주위로 회전하고, 버너는 수직으로 위에 또는 측면으로 가로질러 구성되며, 상기 표적은 반경방향 및 축방향으로 증가된다. 상기는 실린더형 산출물을 구성하게 되고, 상기 산출물의 직경 및 길이는 침착이 계속됨에 따라 증가한다.
Keck 등의 USP 3,737,292에 광섬유 형성 방법이 기술되어 있다. 예정 굴절률을 가진 다층은 화염 가수분해에 의해 형성되고, 시동봉 또는 시동 부재의 외벽에 침착된다. 상기 유리층이 봉에 침착된 후, 중공 실린더는 섬유를 형성하기 위해 가열되고 구성된다.
Izawa 등의 USP 4,224,046에 광섬유 프리폼의 제작 방법이 기술되어 있다. 2개의 기상 유리 형성 재료, 산소, 수소 및 아르곤은 수직으로 장착된 회전 실린더형 시동 부재를 향해 버너에서 상향으로 분출된다. 수트(soot)형 유리 입자는 화염 가수분해에 의해 형성되고, 시동 부재의 하부 단부에 침착된다. 시동 부재의 성장 단부 및 버너 사이의 간격을 일정하게 유지하기 위해, 상기 시동 부재는 상향으로 점차 후퇴된다. 침착의 종결시, 수트형 유리 프리폼은 투명 유리 프리폼을 형성하도록 건조되고 소결된다.
MacChesney 등의 USP 4,217,027에 수정 화학 증착(MCVD)법으로 명명되는 프리폼의 제작이 기술되어 있다. 상기 방법에서, 실리콘의 염화물 또는 수소화물과 산소를 가진 게르마늄으로 구성된 증기는 유리 튜브의 내부로 이동된다. 상기 화학물질 사이의 화학 반응은 적합한 조건하에서 튜브의 내벽에 유리를 형성하게 되고, 상기 화학 반응은 열구역(hot zone)을 가로지름으로써 유도된다. 튜브에 침착된 입자는 열구역의 각 경로로 용융된다.
Partus의 USP 4,412,853에 광섬유 프리폼 시동기 튜브를 형성하기 위한 MCVD 방법이 기술되어 있다. 상기 방법은 수평으로 장착된 튜브형 회전 표적으로 개시되고, 상기 표적은 유리로 형성되며, 사전선택된 조성 및 광학 특성을 가진다. 증기가 튜브형 표적의 아래에 구성된 열원으로서 튜브형 표적을 통해 공급되고, 상기 튜브형 표적의 길이를 따라 이동된다. 상기는 증기의 반응물이 튜브형 표적의 내측면에 침착되고 용융되도록 한다. 침착된 물질은 튜브형 표적과 동일한 굴절률을 가지나, 조성은 상이하다. 상기는 외부 기상 산화법 또는 외부 기상 축 증착법을 사용하여 동일한 효과를 이룰 수 있음을 의미하고, 어떠한 방법으로 이루어질 수 있는지는 기술되지 않는다.
Geittner 등의 USP 4,741,747에 광섬유 제작을 위한 플라즈마 화학 증착법(PCVD)이 기술되어 있다. 상기 PCVD법에서, 반응성 가스 혼합물이 1 내지 30hPa 사이의 압력에서 통과되고 플라즈마가 유리 튜브의 내부에서 전후로 이동되기 전에, 유리층은 유리 튜브의 내벽에 침착된다. 유리층이 침착된 후, 상기 유리 튜브는 고형 프리폼을 형성하도록 수축된다. 광섬유는 상기 프리폼으로부터 압출될 수 있다.
Drouart 등의 USP 5,522,007에 고농도의 히드록실 이온(hydroxyl ion)을 가지는 광섬유 프리폼을 형성하기 위한 플라즈마 침착의 용법이 기술되어 있다. 상기 문헌에서, 플라즈마 발생 가스가 유도 코일을 가지는 플라즈마 토치(torch)의 한 단부로 유입되기 전에, 상기 가스가 물탱크를 통과하도록 함으로써 히드록실 이온은 상기 플라즈마 발생 가스에 동반된다. 플라즈마 토치는 히드록실 이온과 혼합된 용융 실리카 입자를 회전 기질 프리폼에 방출한다. 상기는 표적 프리폼에 침착된 평균 히드록실 이온 농도가 50 내지 100ppm인 프리폼이 형성되도록 한다. Drouart 등에 따르면, 상기 기술은 1310nm 및 1550nm에서 각각 0.32dB/km 및 0.915dB/km의 감쇠를 가지는 광섬유가 형성되도록 한다.
프리폼 제작에 다수의 처리 단계가 요구되는 점 이외에, 상기 방법의 다른 단점은,
1. MCVD 및 PCVD 방법은 상기 방법의 저침착률로 인해 처리가 느리다는 점이고,
2. MCVD 및 PCVD 방법용 침착 튜브의 크기로 인해 프리폼 크기가 제한된다는 점이며,
3. 과량의 물이 생성되고 고품질의 광섬유 프리폼을 형성하기 위한 건조 및 소결의 추가 단계가 요구되는 화염 가수분해에 OVD 및 VAD 방법은 근거한다는 점이다.
본 발명은 플라즈마(plasma) 외부 증착 방법을 사용하여 단일 모드 및 다중 모드 설계의 광섬유 프리폼(preform)을 제작하기 위한 방법에 관한 것이다.
도 1 은 플라즈마 부착을 위한 장치의 도면.
도 2 는 도 1 의 장치에서 이용되는 플라즈마트론의 부분측면도.
도 3 은 도 2 의 플라즈마트론과 유사한 플라즈마트론의 평면도.
도 4 는 도 3 의 플라즈마트론 내부의 플라즈마 유동형태를 도시한 도면.
도 5 는 본 발명의 방법에 따라 제조된 광섬유예비성형품의 도면.
*부호 설명
22 ... 챔버 24 ... 선반
25 ... 주축대 26,126 ... 심압대
30 ... 목표물 32 ... 캐리지
34 ... 관형부재 40,140 .. 플라즈마공급원
56 ... 지지스탠드 58 ... 안정장치막대
60 ... 주입부 64 ... 유입구
66 ... 유출구 70 ... 플라즈마제트
130 ... 공작물 132 ... 제 2 막대
본 발명의 목적은 광섬유 프리폼의 제작에 수반되는 단계를 감소시킴으로써 저비용으로 제작되고 히드록실 함유량이 낮은 상기 광섬유 프리폼의 제작 방법을 제공하는 것이고, 프리폼의 크기를 증가시키며 침착률을 증가시키는 방법을 제공하는 것이다. 상기 및 다른 목적은 광섬유 프리폼의 형성에 대한 본 발명에 의해 이루어진다.
본 발명의 한 실시예에서, 1차 재료로 형성된 시동봉에 근접하여 플라즈마 공급원이 구성된다. 시동봉은 양단에서 수평으로 유지되고, 상기 시동봉의 종축에 대해 회전하도록 구성된다. 플라즈마 공급원은 공지된 제 1 도핑 농도로 도핑된 실리카를 침착시키는데 사용된다. 도핑된 실리카는 시동봉이 원하는 직경으로 성장될 때까지 상기 시동봉의 길이를 따라 침착된다. 시동봉 및 도핑된 실리카로 구성된 복합체는 인발되고, 두께가 얇은 영역은 2차봉으로 사용되도록 압출된다. 2차봉은 1차 재료로 형성된 중심을 가지고, 도핑된 실리카로 형성된 외층을 가진다. 동일한 도핑 농도를 가지는 추가 실리카는 2차봉이 원하는 직경에 도달될 때까지 상기 2차봉 위에 침착되고, 인발되며, 압출된다. 침착, 인발, 압출 및 침착의 단계는 수회에 걸쳐 반복될 수 있다. 상기의 결과는 제 1 직경의 1차 재료로 형성된 중심을 가지는 도핑된 실리카 봉이고, 상기 실리카 봉은 제 2 외경의 도핑된 실리카로 형성된 환형층을 가진다.
도핑된 실리카 봉은 다른 처리를 수행하게 된다. 특히, 플라즈마 공급원은 도핑된 실리카의 외층을 도핑된 실리카 봉의 위에 침착시키는데 사용되고, 결과로 구성되는 구조물은 인발되며, 두께가 얇은 영역은 압출된다. 외층 형성에 사용되는 도핑제는 실리카의 굴절률을 증가시키거나 감소시키도록 선택될 수 있다.
도핑제 농도가 외층이 침착됨에 따라 변한다면, 외층은 등급식 층이다. 상기 경우에, 외층이 처음으로 침착될 때의 개시 농도 수준인 최대로부터 외층의 침착이 완료될 때의 완료 농도 수준인 최소로 도핑제 농도가 변화된다.
도핑제 농도가 외층이 침착됨에 따라 변하지 않는다면, 외층은 단을 이룬 층이다. 상기 경우에, 제 1 도핑제 농도와 상이한 제 2 도핑제 농도는 외층의 침착 동안에 사용된다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 도핑된 실리카 봉 및 외층으로 구성된 복합체에 다른 처리가 수행된다. 플라즈마 공급원은 피복층을 외층의 위에 침착시키도록 사용된다. 외층이 등급식이라면, 피복층은 동일 도핑제 및 동일 최소, 완료 농도 수준으로 도핑된 실리카로 형성될 수 있다. 선택적으로, 피복층은 순수 실리카로 형성될 수 있거나, 다른 도핑제 및 제 3의 도핑제 농도로 도핑된 실리카로 형성될 수 있다. 또한, 피복층은 등급식 도핑을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 도핑된 실리카 봉, 외층 및 피복층으로 구성된 복합체에 재킷(jacket)이 구성된다. 재킷은 다른 플라즈마 침착에 의해, 또는 상기 복합체에 재킷 구성용 재료를 제공하고 상기 재킷 구성용 재료를 완성 프리폼으로 수축하기 위해 열을 가함으로써 구성될 수 있다.
플라즈마 침착 중, 저농도의 히드록실을 가지는 건조 플라즈마 가스는 플라즈마의 형성에 사용된다. SiCl4로 구성된 건조 석영 공급원 가스, 또는 저농도의히드록실을 가지는 유사 공급원 가스, POCl3또는 PCl5로 공동 도핑되는 GeCl4와 같은 도핑제 공급원 가스는 플라즈마에 근접하여 유입된다. 상기는 재료를 실리카(SiO2), 또는 산화 게르마늄(GeO2) 또는 오산화인(P2O5)O5OOOO O 으로 도핑된 실리카로 변환되도록 하고, 표적에 침착되도록 하며, 하나의 단순 단계로 유리질 석영으로 용융되도록 한다.
플라즈마 외부증착용 장치(20)가 도 1에 도시된다. 상기 장치는 최종제품내부로 불순물이 유입되는 것을 방지하기 위하여 씰링되는 챔버(22)로 구성된다. Heathway Ltd.사 또는 Litton Engineering Lab사로 이용할 수 있는 선반(24)이 챔버(22) 내부에 위치한다. 선반(24)은 주축대(25) 및 심압대(26)를 가진다. 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 스핀들척(28)이 상기 주축대(25) 및 심압대(26)에 제공되고 원통형 외벽을 가진 기다란 목표물(30)의 단부들이 상기 스핀들척(28)에 의해 고정된다. 화살표(A1)에 따라 상기 스핀들척(28)이 목표물(30)을 회전시킨다. 목표물(30)을 따르는 방향 또는 양방향 화살표(A2)의 방향을 따라 이동하도록 상기 선반(24)에 이동가능하게 장착되는 캐리지(32)가 배열된다. 플라즈마공급원(40)이 상기 캐리지(32)에 의해 지지된다. 따라서 목표물(30)의 길이를 따라 상기 캐리지(32)가 플라즈마공급원(40)을 이동시킨다. 그 결과 광섬유예비품을 성형하기 위하여 목표물(30)의 상부에 재료가 부착된다. 거의 완전한 원토향외벽들을 가지는 관형부재(34)를 형성하기 위하여 상기 목표물(30)주위에서 플라즈마공급원(40)에 의해 재료가 균일하게 부착되도록 상기 스핀들척(28)은 목표물(30)을 회전시킨다. 선호되는 실시예에 있어서, 목표물(30)의 일정 길이를 따라 상기 캐리지(32)위에 위치한 플라즈마공급원(40)이 양쪽 방향으로 이동한다. 그 결과 플라즈마공급원(40)은 목표물(30)의 상기 부분을 따라 이동하고 재료를 부착시킨다.
목표물의 길이를 따라 플라즈마공급원(40)을 이동시키는 대신에 목표물(30)은 이동되고 플라즈마공급원(40)은 정지상태를 유지한다. 이를 위해 선반의 주축대(25) 및 심압대(26)가 상기 목표물(30)을 왕복운동시켜서 목표물(30)의 모든 관련부분들이 상기 플라즈마공급원(40)의 바로 상부로 이동한다.
또 다른 선택적 실시예에 있어서 목표물(30)의 길이를 따라 복수개의 플라즈마공급원(40)이 이격되어 위치한다. 그 결과 주축대(25) 및 심압대(26)와 캐리지(32)중 어느 것이 운동하도록 구성되는 가에 따라, 선반(24)의 주축대(25) 및 심압대(26)의 운동이 감소되거나 플라즈마공급원(40)이 부착되는 캐리지(32)의 운동이 감소될 수 있다. 목표물(30)의 길이에 따라 다수개의 플라즈마공급원(40)이 제공되는 극단적인 경우에 있어서, 선반의 주축대(25) 및 심압대(26) 또는 캐리지(32)의 운동이 불필요할 수 있다.
선호되는 실시예에 있어서 상기 플라즈마공급원(40)은 플라즈마트론 토치이고 상기 플라즈마트론 토치는 제1가스선(42)을 통해 내부로 유입되는 건성플라즈마가스 및 제2가스선(44)을 통해 내부로 유입되는 공급가스를 가진다.
상기 플라즈마 가스는 정해진 적합한 비율에 따라 질소 및 산소로 구성된다. 공기가 플라즈마 가스로서 이용될 수 있다. 상기 경우에 있어서 여과된 공기는 우선 제1가스선(42)을 통과하기 전에 습기를 제거하기 위해 제1건조기(46)를 통과한다. 그 결과 플라즈마가스의 수산기농도는 2.0ppm 또는 그 이하로 작다. 전달되는 가스의 전체체적은 질량유동제어기(MFC) 또는 선택적으로 유동계에 의해 제어된다.
상기 공급가스는 SiCl4와 같은 쏘스 약제 및 산소O2 또는 질소 N2와 같은 적어도 한 개의 캐리어가스로 구성된다. 상기 캐리어가스가 습기를 제거하기 위하여 제2건조기(48)로 유입된다. 그 결과 쏘스가스의 수산기 농도는 0.5ppm으로 매우 작다. 캐리어 가스가 건조된 후 쏘스 전달가스가 건조된 후에, 소스약제들을 포착하기 위해 포말발생기(50)로 유입하기전에 질량유동제어기(MFC)(81)로 진행된다. 질량유동제어기의 특성에 의존하여, 질량유동제어기를 포말발생기의 하류위치에서 이용할 수 잇다. 다음에 쏘스가스와 합쳐지는 전달가스의 가스유동이 제 2 가스선(44)으로 진행된다. 선택적으로 밸브(52)를 개방하면 도핑가스가 플라즈마트론 토치에 도달하기전에 가스유동내부로 안내될 수 있다.
선호되는 실시예에 있어서, 쏘스약제는 SiCl4이다. 플라즈마내부의 반응성질을 위해 상기 약제가 선택된다. 특별히, 목표물(30)상에 부착되는 SiO2를 형성하기 위해 상기 SiCl4가 특히 Si의 쏘스(source)로서 이용된다. 도핑제는 SiF4또는 SiF6의 형태를 가진 플루오르 도핑가스일 수 있다. 플루오르 도핑제는 굴절지수를 강하시키고, 쿼츠(quartz)의 점성을 변화시킬 수 있다. 또한 플루오르 도핑제는 광섬유예비품에 대한 설계유연성을 증가시킨다. 공지된것과 같이, 굴절지수를 증가시키기 위해 GeO2또는 다른 등가 재료가 도핑제로서 이용될 수 있다.
선호되는 실시예에 있어서, GeO2를 위한 쏘스약제는 GeCl4이다. 상기 약제는 SiCl4의 물리적 화학적 특성이 유사하기 때문에, 순도를 GeO2가 선택된다. GeCl4의 전달작용은 SiCl4와 유사하다. 건조기(48)로부터 이동한 전달가스는 쏘스약제 GeCl4를 포착하기 위해 포말발생기(83)로 이동하기 전에 질량유동제어기(82)에 의해 제어되는 또다른 분기부분으로 나누어질 수 있다. 약제 SiCl4의 제어작용과 유사하게 질량유동제어기가 또한 포말발생기의 하류위치에 위치할 수 있다. 상기 가스유동은 가스선(44)으로 공급될 수 있고 플라즈마트론 토치로 유입되기전에 혼합물을 형성할 수 있다. 또한 별도의 선(84)에 의해 GeCl4의 가스유동이 플라즈마트론 토치에 직접 안내될 수 있다. 별도의 전달선들을 이용하면, GeCl4및 SiCl4사이의 경쟁적 화학반응이 최소화되는 장점이 있다. 게르마늄산화물(GeO2)대신에 도핑작업에 이용되거나 게르마늄산화물과 코도핑(co-doing)하기 위한 다른 쏘스약제들은 POCl3, PCl5및 알루미늄 및 티타늄포함 약제들과 같이 유사한 지수증가설을 가진 도핑제들과 같은 재료이다.
도 2를 참고할 때, 목표물(30)아래에 위치한 플라즈마트론 토치(40)의 측단면이 도시된다. 수정으로 구성된 관형토치하우징에 의해 플라즈마트론 토치(40)가 구성된다. 상기 하우징은 직경 60㎜ 및 높이 220㎜를 가진다. 그러나 40 내지 80㎜의 직경 및 180 내지 400㎜의 높이가 이용될 수 있다.
상기 하우징(50)의 상부주위에 청동유도코일(52)이 제공된다. 대략 72㎜의 직경을 가지고 서로 6㎜의 거리로 이격된 복수개의 권선부(54)들에 의해 상기 코일(52)이 구성된다. 하우징 및 코일의 간격은 2 내지 10㎜사이이다. 최상측권선부(54')에 의해 도시되는 것과 같이 코일(52)의 최상부는 30 내지 55㎜크기인 이격거리(L)에 의해 관형부재(34)의 외부면으로부터 분리된다.
수정유리가 부착될 때 그 외경은 증가된다. 그러나 플라즈마토치(40)가 배열되는 지지스탠드(56)의 높이를 조절하여 이격거리(L)에 의해 관형부재(34)의 외부면으로부터 분리된다.
수정유리가 부착될 때 그 외경은 증가된다. 그러나 플라즈마토치(40)가 배열되는 지지스탠드(56)의 높이를 조절하여 이격거리(L)가 유지된다. 다음에 지지스탠드(56)가 캐리지(32)에 장착되고, 캐리지와 함께 횡방향으로 이동된다. 초기에 지지스탠드(56)가 정해진 높이에 설정되고, 부착재료의 직경이 부착작업동안 증가할 때, 상기 높이가 감소된다. 그 결과 플라즈마토치(40) 및 부착재료사이에 정해진 거리가 유지된다. 캐리지로부터 반경방향으로 성장하는 관형부재(34)의 거리를 측정하고, 지지스탠드(56)의 높이를 조절하기 위하여, 캐리지(32)위에 장착되고, 제어기에 연결되는 광학식 또는 다른 센서가 이용될 수 있다.
하우징(50)의 최상부의 모든 측면상에 플라즈마안정장치막대(58)가 구성된다. 각각의 안정장치막대는 수정으로부터 형성되고, 하우징(50)의 림(rim)으로부터 횡방향으로 연장구성되는 U자형 거터(gutter)로 구성된다. 40 내지 80㎜의 직경 및 15 내지 40㎜의 길이가 이용될 수 있더라도, 안정장치막대(58)는 하우징림의 직경방향으로 마주보는 측면위에서 20㎜ 연장구성되고 60㎜의 직경을 가진다. 플라즈마트론토치(40)가 이용될 때, 부분적으로 상기 안정장치막대(58)는 목표물에 정렬된다. 상기 배열에 의해 성장중인 관형부재(34)위에 부착되는 반응쏘스약제들이 확산된다.
한쌍의 주입부(60)들에 의해 쏘스약제를 운반하는 제 2 가스선(44)이 플라즈마토치(40)에 연결된다. 코일(52)의 최상측 권선부(54')들 및 안정장치막대(58)사이의 위치에서 하우징(50)을 따라 동일 높이에서 상기 주입부(60)들이 하우징에 유입된다. 본 발명의 플라즈마토치(40)와 함께 3 내지 10㎜의 관직경이 이용가능하더라도, 5㎜의 직경을 가진 수정관에 의해 주입부들이 구성된다. 선호되는 실시예에 있어서, 한쌍의 주입부(60)들이 동일높이에서 하우징(50)으로 유입하고, 서로로부터 직경방향으로 가로질러 위치한다. 두 개의 상기 주입부들 대신에, 세 개 또는 네 개이상의 주입부들이 대칭을 이루며 배열될 수 있다. 도 2 에 있어서, 안정장치막대의 바로 아래에 위치하도록 두 개의 주입부(60)들이 도시된다. 그러나 상기 구성은 필수적인 것이 아니며, 도 3을 참고할 때, 플라즈마트론토치의 평면도에서 주입부(60)들이 안정장치막대(58)들로부터 각을 이루며 오프셋된다.
한쌍의 플라즈마가스유입구(62)들에 의해 플라즈마가스를 운반하는 제 1 가스선(42)이 플라즈마트론토치(40)에 연결된다. 하우징의 기저부와 근접하게 동일높이에서 플라즈마가스유입구(62)들이 하우징으로 유입된다. 상기 목적을 위해 일부 범위의 직경들이 충분할지라도, 5㎜ 직경을 가지는 스테인레쓰강 관에 의해 상기 유입구(62)가 구성된다.
또한 냉각제유입구(64) 및 유출구(66)가 플라즈마트론 토치(40)에 제공된다. 사용중에, 물과 같은 냉각제가 유입구(64)를 통과하고 하우징(50)의 외벽내에서 순환하며, 유출구(66)를 통해 유출한다. 냉각제의 유입구 및 유출구는 스테인레쓰강으로부터 형성되고, 5㎜ 의 직경을 가진다. 플라즈마가스유입구 및 주입부와 같이 상기 직경은 가변적이다.
플라즈마가스유입구(62), 냉각제유입구(64) 및 냉각제유출구(66)가 스테인레쓰강제의 챔버(68)내부에 형성된다. 상기 챔버(68)는 측부에서 스테인레쓰강제의 정사각형 블록(block)으로 80㎜이고, 약 40㎜의 높이를 가진다. 상기 챔버(68)가 지지스탠드(56)상에 장착되고, 다음에 목표물을 따라 이동하기 위해 캐리지(32)상에 장착된다.
(도면에 도시되지 않은) 고주파발생기가 코일(52)에 전기적으로 연결되어, 약 5.0MHz의 주파수에서 80kW에 이르는 가변 전원출력을 상기 코일에 공급한다. 선호되는 실시예에 있어서, 상기 발생기는 Lepel Corporation의 모델 제 T-80-3MC이다. 플라즈마트론토치(40)에 에너지를 공급하기 우해 60Hz, 3상 460V의 전원공급으로 상기 발생기가 작동된다. 선택적으로 독일소재의 Fritz Huttinger Electronic GmbH사로부터 모델 제 IG 60/5000 호의 발생기가 이용될 수 있다.
도 4를 참고할 때, 건성 플라즈마가 유입구(62)로 공급되고 플라즈마로 변환될 때 플라즈마토치(40)내부에 형성된 플라즈마제트(plasma jet)(70)가 도시된다. 사실상 플라즈마제트(70)는 토치의 종방향축(A')주위에서 대칭구조이다. 상기 플라즈마의 수직방향속도가 영이되는 위치(V)바로 위에서 쏘스약제가 플라즈마내부로 유입되도록 주입부(60)들의 상기 위치가 형성된다. 그 결과, 성장중인 관형부재(34)위에 효과적으로 부착하도록 쏘스약제의 제트가 경계층내부로 유체역학적 유동 및 열적유동하기 위한 소요구조가 제공된다. 또한 선호되는 실시예에서하우징내부를 향해 횡방향으로 유입되는 주입부가 구성되더라도 이것은 필수적인 것이 아니다. 대신에, 플라즈마트론 토치(40)의 종방향축(A')을 따라 연장구성되는 수냉식 프로크(probe)에 의해 쏘스가스가 플라즈마제트(70)의 중심부내부로 유입된다.
도 5를 참고할대, Heathway사에 의해 제조되는 모델 제 PFH842XXLS 호의 정밀 수정 및 유리공작선반과 같은 선반(124)에 의해 수행가능한 공지의 과정이 도시된다. 선반(124)의 주축대(125) 및 심압대(126)가 서로에 대해 종방향으로 이동가능하다. 그결과 최초 목표물의 상부에 부착되는 길이(L3)의 최종 공작물(130)이 요잉하게 적재 및 분리가능하다. 더욱 중요하게, 최초공작물의 부분과 등가한 감소된 직경의 제 2 막대내부로 공작물의 일부분을 끌어당길 수 있다. 상기 작업을 위해 주축대(125)를 고정상태로 유지하고 심압대(126)를 주축대(125)로부터 떨어져 이동시키며, 주축대(126)의 방향과 반대방향으로 플라즈마공급원(140)이 이동된다. 선택적으로, 상기 작업을 위해 공작물을 연화시키기 위해 공작물(130)의 단부에 플라즈마공급원(140) 또는 다른 열공급원을 배열시킨다. 다음에 주축대(125) 및 심압대(126)가 동일방향으로 이동되지만 거리(L5,L4)에 의해 서로 다른 속도들에 의해 점선의 위치(125',126')들까지 이동된다. 그결과 (필수적인 것은 아니지만)최초 목표물과 동일한 직경을 가질 수 있고, 얇은 제 2 막대(132)가 구성된다. 당업자들에게 공지된 것과 같이, 제 2 막대가 작동되는 공작물과 동일한 단면성분을 제 2 막대가 가지고, 중심을 가지며, 중심의 밀도는 최초목표물의 밀도와 유사하고, 공작물이 형성되는 동안 목표물의 상부에 부착되는 재료와 유사한 외층을 가진다.
선반(124)에 의해 제 2 막대를 선반이 이동되는 공작물의 거리(L3)와 동일한 거리(L4)까지 종방향으로 신장히기에 충분하도록 주축대(125) 및 심압대(126)가 이동가능하다. 공작물(130)대신에 선반(124)위에 장착되는 공작물로부터 제 2 막대(132)가 절단될 수 있고, 플라즈마공급원(140)과 연속부착하기 위한 목표물로서 이용될 수 있다. 따라서, 제 1 발생 공작물을 형성하기 위해 최초의 제 1 발생 목표물이 이용되고, 상기 공작물로부터 제 2 발생 목표물로서 제 2 막대가 연신될 수 있다. 따라서 상기 제 2 발생 목표물의 상부에서 이루어지는 부착작용이 제 2 발생 공작물등을 형성한다. 공작물을 형성하기 위해 목표물위에서 이루어지는 플라즈마부착과정, 감소된 직경의 막대를 형성하기 위해 공작물의 한쪽단부를 신장하는 작업 및 또다른 부착작업을 위한 연속 목표물로서 상기 감소된 직경의 막대를 이용하는 작업의 반복과정이 임의 횟수로 반복될 수 있다.
목표물상부에 부착된 재료가 상기 반복작업을 통해 불변상태이면, Nro의 반복단계들의 결과가 매우 작은 중심을 가진 N번째 발생막대이고, 상기 중심은 최초목표물과 동일한 성분을 가지며, 목표물상부에 부착된 재료들을 굴절하는 원형층이다. 예를들어, 최초 목표물이 직경(D1)을 가지고, 최초공작물이 직경 D2=M ×D1을 가지면, 제 1 발생 공작물내부의 최초목표물재료의 비율은 1/M2이다. 직경(D1)의 제 2 발생목표물이 상기 공작물로부터 연신된고, 직경(D2)의 제 2 발생공작물을 형성하기에 충분한 재료가 그 위에 부착되면, 제 2 발생공작물내부의 최초목표물재료의 비율은 1/M4이다. 따라서, 전체 반복횟수에 따라 부착작업동안 M을 제어하면,최초목표물재료의 정해진 비율을 가진 공작물이 형성된다.
상기 반복기술에 의해 다중모드의 광섬유예비성형품을 형성하기 위한 방법이 설명된다. 더욱 상세한 설명을 위해 일부 치수들이 제공된다. 그러나 실제 공정에서 서로다른 다수의 수치들이 이용될 수 있다.
상기 방법에 의하면, 도 5 와 같이 선반위에 수평으로 장착되는 제 1 발생목표물을 제공하는 작업이 개시된다. 상기 목표물은 순수 실리카(silica)로부터 형성되는 것이 선호되고, 상기 실리카는 Georgia 소재의 Heraeus Amersil사로부터 구입가능한 제품 no. F300이 이용될 수 있다. 선택적으로 최신과정에 의해 형성되고 n회 발생되고 도핑되는 실리카가 제 1 발생 목표물이 될 수 있다. 선호되는 실시예에서, 제 1 발생목표물은 1미터의 길이 및 직경(D1)=6㎜을 가진다.
상기 설명의 제 1 발생목표물의 상부에서 GeO2로 도핑된 실리카가 부착된다. GeO2용 도핑제 농도는 형성되는 다중모드의 광섬유의 소요 수치구멍(NA)에 의존한다. 예를들어 0.2 의 NA를 가진 섬유를 형성하기 위해 최대 GeO2의 도핑제 농도는 약 10%이다. 0.275의 NA를 가지 섬유를 형성하기 위해 최대 GeO2의 도핑제 농도는 약 18%이다.
부착작업동안 도핑제농도는 동일수준으로 고정되고, 이 경우 계단층이 형성된다. 선택적으로 도핑제농도는 구분된 층을 형성하기 위해 점차적으로 변화될 수 있다. 상기 과정은 마이크로프로쎄서 도핑제가 도입되고 조절가능한 유동계에 의해 자동제어된다. 계단구조 및 구분된 층들이 서로 연속적인 공작물발생작업으로계속되고, 서로다른 일정한 도핑농도를 가진 상기 층들이 서로 계속된다. 따라서 구분된 층이 제 1 발생 목표물위에 부착되고, 제 1 발생공작물의 하부로 연신된후에 형성된 제 2 발생목표물위에 계단구조의 층이 부착될 수 있다. 유사하게, 구분된 층위에 계단구조의 층이 부착가능하고, 최초의 제 1 발생목표물위에 상기 층이 부착된다. 또한 제 2 도핑농도를 가진 제 1 계단구조층이 목표물의 상부에 부착될 수 있고, 제 2 도핑농도를 가진 제 2 계단구조층이 다음번 발생목표물위에 부착된다. 구분되거나 계단구조를 가지는 또다른 층들이 상기 구조의 모든 상부에 부착될 수 있다.
선호되는 실시예에 있어서, 1미터의 길이 및 48㎜의 직경(D2)을 가진 공작물이 형성될때까지(즉 M=8), 18%의 GeO2로 도핑된 실리카가 6㎜ 직경의 제 1 발생목표물위에서 계단구조층으로서 부착된다. 그결과 상기 제 1 발생목표물은 최초의 제 1 발생목표물보다 약 64배의 단면적을 가진다. 다음에 제 1 발생공작물이 제 1 발생도핑구조를 가진 64개의 실리카 막대내부로 연신되고, 각각의 막대는 1미터의 길이 및 6㎜의 직경을 가진다. 도핑구조를 가진 각각의 상기 실리카막대는 제 2 발생목표물로서 이용된다.
제 2 발생목표물이 선반내부에 배열되고, 48㎜의 직경을 가진 제 2 발생공작물을 형성하기 위해 제 2 부착층이 부착된다. 상기 네 2 부착과정은 제 1 부착과정과 동일한 일정한 도핑제농도로 수행된다. 부착과정에 걸쳐서 동일수준으로 도핑제농도를 유지하면, 최초목표물재료로부터 형성된 중심 및 전체적으로 동일 조성을 가진 원형층으로 구성되며, 도핑된 제 1 발생 실리카막대가 형성된다. 그결가 최초목표물위에 부착된 제 1 층의 광학적 특성과 제 2 층의 광학적 특성들이 동일하다. 다음에 제 2 발생 공작물이 제 2 발생 도핑구조의 144개의 실리카막대들내부로 연신되고, 각각의 실리카막대는 1미터의 길이 및 4㎜의 직경을 가진다. 각각의 상기 막대들이 제 3 발생목표물로서 이용될 수 있다. 동일한 도핑제농도를 가진 또다른 층드의 부착과정과 함께 반복과정이 계속될 수 있다. 그러나 일부위치에서 소요비율의 최초목표물재료를 가진 공작물이 형성되고, 다음에 또다른 반복과정은 불필요하다. 사실상 제 1 발생공작물이 형성된후에, 상기 과정이 도달될 수 있다.
선호되는 실시예에 있어서, 약 80㎜의 외경을 가진 구분구조의 부착층이 4㎜의 직경을 가진 제 3 발생목표물의 상부에 부착된다. 도핑제 농도는 제 3 발생목표물의 외부면과 가장 근접한 18% GeO2의 최대치에서 시작하고, 직경이 약 80㎜인 외측부에서 약 0.1% GeO2의 최소치까지 점차로 감소된다. 그결과 최초목표물로부터 형성된 중심 및 동일한 광항적특성 및 서로 분명하게 구분될 수 없는 두 개의 층들과, 구분구조의 제 3 층을 가진 제 3 발생공작물이 형성된다.
선호되는 실시예에 있어서, 제 1 광섬유예비성형품을 형성하기 위해 80㎜직경을 가진 제 3 발생공작물이 또다른 공정을 거친다. 구체적으로 클래딩(cladding) 또는 배리어(barrier) 층이 제 3 발생공작물의 상부에 부착된다.클래딩층의 두께는 제조되는 최종 광섬유예비품의 형태에 의존한다. 62.5/125 섬유예비성형품을 위하여, 최조가공된 제 1 예비성형품이 약 93㎜의 최종직경을 가질 수 있다. 50/125 섬유예비품에 대하여 최종가공된 제 1 예비성형품이 약 96㎜의 최종직경을 가진다. 제 3 층을 형성하기 위한 최소 도핑제농도수준 즉 10% GeO2와 동일한 GeO2농도에서 도핑된 실리카에 의해 클래딩층이 형성된다. 그결가 중심에서 최초의 목표물재료를 가진 구조체가 형성되고, 일정하게 도핑된 한쌍의 제 2 층들이 동일한 광학특성을 가지며, 구분구조층은 최대치로부터 최소치까지 변하는 도핑제농도를 가지고, 클래딩층은 최소치에서 도핑된 실리카로 구성된다.
클래딩층이 부착되면, 최종 예비성형품들을 형성하도록 최종가공된 제 1 예비성형품이 연신되어야 한다. 93㎜의 직경을 가지고 1미터의 길이를 가진 단일 62.5/125 예비성형품으로부터 1미터 길이를 가지 8개의 예비성형품조각을 구할수 있고, 각각은 50/125 예비성형품으로부터 1미터길이를 가진 12개의 예비성형품조각을 구할 수 있고 각각은 27㎜의 외경을 가진다.
상기 예비성형품조각의 클래딩층상부에 자켓(jacketing)층이 부착될 수 있다. 자켓층은 순수한 실리카와 동일한 굴절지수를 가지는 것이 선호된다. 순수한 실리카를 이용하여 플라즈마 외부증착에 의해 자켓층이 부착될 수 있다. 선택적으로 적합한 직경 또는 폭을 가진 순수한 실리카의 관 또는 씨트(sheet)가 예비성형품조각주위에 제공될 수 있고, 최종 광섬유예비품을 형성하기 위해 자켓층을 예비성형품조각에 용융시키도록 열이 가해진다.
선호되는 실시예에 있어서, 최종 광학예비성형품은 약 56㎜의 외경을 가진다. 다음에 최종예비성형품은 125㎛의 직경을 가진 섬유로서 약 200km까지 연신될 수 있다.
가장 양호한 성능을 위해 클래딩층, 다음에 자켓층이 부착될지라도, 일단 연신되면, 클래딩 단계없이 직접 자켓팅(jacketing)관이 제 3 발생공작물에 부착될 수 있다.
단일모드의 광섬유예비성형품을 제조하기 위한 유사방법이 하기 과정에 의해 이루어질 수 있다. Heraeus로부터 구입한 F300 막대 또는 자사제조의 순수실리카의 N회 발생막대인 순수실리카막대가 개시목표물일 수 있다. 일정농도를 가지고 플루오르가 다중도핑된 실리카층들이 소요직경에 도달할때까지 목표물위에 부착된다. 단일모드의 광섬유들이 상기 예비성형품으로부터 연신될 수 있다. F, GeO2,P2O5, TiO2, Al2O3등과 같은 서로 다른 다수의 유리지수 수정요소들이 존재하고, 적합한 조합에 의하면, 도핑된 코아(core) 및/또는 도핑된 클래딩을 제조하도록 상기 요소들이 이용될 수 있다. 선호되는 실시예에 있어서, 순수실리카를 가진 N회 발생 GeO2도핑막대이거나 그위에 부착되고 도핑된 실리카 클래딩층이 된다. 소요직경에 도달되면 상기 예비성형품이 완성된다.
본 발명이 선호되는 특정한 실시예들을 참고하여 설명되더라도, 상기 실시예들은 본 발명을 제한하지 않는다. 당해업자들에 의해, 하기 청구범위에 제시된 본 발명의 범위내에서 상기 실시예들의 변형예들이 가능하다.

Claims (20)

  1. 광섬유 프리폼 제작 방법에 있어서, 상기 방법은
    (a) 제 1 재료로 형성된 표적봉을 구성하고,
    (b) 제 1 농도를 가진 제 1 도핑제로 도핑된 제 1 실리카 층을 상기 표적봉 위에 침착시키며, 상기 제 1 실리카 층은 예정된 제 1 두께로 침착되고,
    (c) 침착된 상기 제 1 실리카 층을 가진 상기 표적봉을 예정된 제 1 직경으로 인발시키어 도핑된 실리카 봉을 형성하며,
    (d) (d1) 예정된 횟수로 또는
    (d2) 상기 제 1 재료가 상기 도핑된 실리카 봉의 예정된 비율로 구성될 때까지, 단계 (b) 및 (c)를 반복하고,
    (e) 제 2 농도를 가진 제 2 도핑제로 도핑된 실리카로 구성되는 제 2 층을 상기 도핑된 실리카 봉 위에 침착시키며, 상기 제 2 실리카 층은 예정된 제 2 두께로 침착되어 중간 구조물을 형성하고,
    (f) 제 3 층을 상기 중간 구조물 위에 침착시키며, 상기 제 3 층은 예정된 제 3 두께로 침착되어 프리폼 구조물을 형성하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 프리폼 제작 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (g) 상기 프리폼 구조물 위에 재킷 구성용 층을 형성하고, 상기 재킷 구성용층은 순수 실리카로 구성되며, 예정된 제 4 두께로 형성되는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 단계 (f) 후에 그리고 단계 (g) 전에 상기 프리폼 구조물을 예정된 제 3 직경으로 인발시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 제 1 재료는 실리카 및 도핑제로 도핑된 실리카로 구성된 그룹의 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 도핑제는 지표 수정 재료이고, F, GeO2, P2O5, TiO2및 Al2O3로 구성된 그룹의 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    단계 (e)에서 상기 제 2 농도는 상기 제 1 농도와 상이하고, 상기 방법은,
    제 2 실리카 층이 침착됨에 따라 제 2 농도를 일정값으로 유지시키어, 도핑된 실리카 봉 및 제 2 실리카 층의 굴절률에서 단계 지표 프로파일을 형성하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 제 2 실리카 층이 침착됨에 따라 제 2 농도가 변화되는단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 제 2 도핑제는 불소이고, 상기 제 2 실리카 층이 처음 침착될 때의 최소값으로부터 상기 제 2 실리카 층의 침착이 완료될 때의 최대값으로 상기 제 2 농도가 변화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 제 2 실리카 층이 처음 침착될 때의 최대값으로부터 상기 제 2 실리카 층의 침착이 완료될 때의 최소값으로 상기 제 2 농도가 변화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 농도의 상기 최대값은 상기 제 1 농도와 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 단계 (f)에서 침착된 제 3 층은 플라즈마 외부 증착에 의해 침착된 피복층이고, 상기 피복층은 상기 최소값에서 상기 제 2 도핑제로 도핑된 실리카로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 단계 (f)에서 침착된 제 3 층은 플라즈마 외부 증착에 의해 침착된 피복층이고, 상기 피복층은 불소로 도핑된 실리카로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 단계 (f)에서 침착된 제 3 층은 플라즈마 외부 증착에 의해 침착된 피복층이고, 상기 피복층은 불소로 도핑된 실리카로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    (g) 상기 프리폼 구조물 위에 재킷 구성용 층을 형성하고, 상기 재킷 구성용 층은 순수 실리카로 구성되며, 예정된 제 4 두께로 형성되는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 단계 (f) 후에 그리고 단계 (g) 전에 상기 프리폼 구조물을 예정된 제 3 직경으로 인발시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 침착 단계 (b), (e) 및 (f) 중의 하나 이상은 플라즈마 외부 증착에 의해 수행되고, 상기 플라즈마 외부 증착은,
    코일로 구성된 고주파 플라즈마트론을 구성하고, 상기 코일과 표적이 간격 30 내지 55mm로 분리되어 상기 플라즈마트론이 상기 표적의 길이를 따라 선택적으로 구성가능하며,
    플라즈마를 형성하기 위해, 2ppm 이하의 히드록실 함유량을 가지는 플라즈마 가스를 플라즈마트론으로 유입시키고,
    적어도 SiCl4및 도핑제로 구성된 공급원 가스를 상기 플라즈마와 소통되는 영역으로 주입시키며, 상기 공급원 가스는 0.5ppm 이하의 히드록실 함유량을 가지고,
    표적 및 코일 사이의 상기 간격을 유지시키며 상기 플라즈마 및 상기 공급원 가스의 하나 이상의 반응물을 표적에 침착시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 공급원 가스는 플라즈마트론에서 플라즈마의 수직 속도가 0이 되는 점 바로 위로 유입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 코일은 복수개의 권선으로 구성되고, 표적은 상기 간격에 의해 표적과 가장 근접하여 구성된 권선으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 플라즈마 가스가 플라즈마트론으로 유입되기 전에, 상기 플라즈마 가스를 건조시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 1 항에 있어서, 제 1 도핑제 및 제 2 도핑제와 제 1 농도 및 제 2 농도는 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
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