KR20010082180A - 광섬유 제조장치 및 그 방법 - Google Patents

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KR20010082180A
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cladding
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폴리 더블유. 추
레베카 브이. 에이치. 달먼
메튜 제이. 데네카
존 더블유. 솔로스키
오티스 엘. 주니어 윌슨
케빈 제이. 요스트
Original Assignee
알프레드 엘. 미첼슨
코닝 인코포레이티드
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Abstract

광섬유를 형성하는 튜브 내의 필라멘트 및 튜브 내의 스틱 공정이 개시되어 있다. 고체 또는 모놀리식 코어 피드스탁(110)은 느슨하게 채워진 클래딩 구조를 형성하기 위하여 할로우 클래딩 구조(112) 내에 배치된다. 채워진 클래딩 구조는 클래딩 구조의 연화점 온도와 거의 동일한 온도로 인발하기 위하여 가열된다. 피드스탁(110)은 광섬유로 인발될 수 있고 또는 오버클래드를 강화하여 섬유로 인발될 수 있는 채워진 코어를 형성하는 클래딩 구조의 가열부를 용해하고 채운다. 변화하는 팽창계수를 갖는 피드스탁(110) 및 클래딩 구조(112)가 사용될 수 있다. 결과적으로 섬유는 설치된 섬유로 용융되도록 설계될 수 있다.

Description

광섬유 제조장치 및 그 방법{METHODS AND APPARATUS FOR PRODUCING OPTICAL FIBER}
광섬유 도파관은 통신분야에서 점증적으로 중요한 역할을 하게 되었다. 크기, 굴절률 프로파일, 작동파장, 물질 등과 관련한 광섬유의 범위는 많은 서로 다른 시스템에 이용가능하여야만 한다. 또한, 증폭기, 레이저, 스위치 및 분산 보상기 등과 같은 능동 장치에 대한 요구가 증가되고 있다. 또한, 광섬유 케이블은 과도한 실용적 곤란성 없이 함께 접합되어야만 한다. 이러한 접합 기술은 케이블 접속이 이루어지는 필드 위치에서 용이하게 적용될 수 있다. 새로운 섬유가 기존의 섬유에 쉽게 접속될 수 있는 것이 많은 응용분야에서 특히 중요하다. 기존의 모든 섬유를 제거하고 이를 다른 특성을 가진 새로운 섬유로 대체하는 일이 종종 이루어진다.
광섬유를 제조하기 위해 다양한 기술이 사용된다. 하나의 방법(미국특허 제 3,659,915호)에서, 코어 물질로 이루어진 로드가 저굴절률 클래딩 물질로 이루어진관 내부에 배치되고, 긴밀한 동심 결합이 실시된다. 상기 코어 물질은 단면이 균일하여야 하고, 부드러운 표면을 갖는다. 그 후, 온도가 상승되고, 상기 로드와 관은 원하는 단면적을 갖도록 인발된다. 이 방법으로 제조된 광섬유는 과도한 손실과 분산 때문에 통신에 이상적이지 않을 수 있다.
다른 방법(미국특허 제 5,651,083호)는 용융된 클래딩 물질에 코어 물질을 삽입하여 모재를 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 코어의 삽입은 신속하게 이루어짐으로써, 공정중에 코어가 연화 또는 용해되지 않도록 한다. 그 후, 완성된 모재는 광섬유로 인발된다. 이 방법으로 제조된 ZBLAN과 같은 플루오르 글라스는 실리카 섬유에 용해 접속되지 않으며, 실투되기 쉽고 내구성이 불량하다.
저손실 광섬유 제조용 검댕의 제조에 채용된 더 중요한 방법중 하나는 화학 증착법(CVD)이다. CVD의 일 실시예에서, (실리콘 테트라클로라이드와 같이) 비교적 순수한 화학물질이 산소와 함께 다기관으로 이송된다. 그 후, 이들은 혼합되며, 빠르게 회전하는 베이트 로드 또는 고순도 용융 실리카 관 아래에서 움직이는 버너로 급송된다. 그 결과, 상기 실리콘은 상기 베이트 로드 또는 실리카 관 위에서 실리카로 산화하게 된다. 이 적층물은 다양한 물질로 도프될 수 있다. 통상적으로, 완성된 모재는 압밀된 후, 광섬유로 인발된다. 이 공정은 외측 CVD 또는 OVD 공정이다. 또한 내측 또는 MCVD 공정도 공지된 CVD공정이다.
광섬유를 제조하기 위한 현재의 CVD 방법은 거의 모두 실리카로 이루어진 조성물로 한정된다. 단지 적절한 양의 희토류 성분만이 클러스터링(clustering) 또는 결정화 없이 합체될 수 있다. 알카리 및 할로겐과 같은 휘발성 성분은 가공 과정에서 증발하려는 경향 때문에 용이하게 제조될 수 없다. 알카린 토류와 같은 다른 중요한 유리 변형체는 높은 증기압 CVD 전구체가 없기 때문에 합체될 수 없다. CVD에 의해 유리 검댕이 적층될 수 있는 경우에도, 상기 검댕은 압밀되어야만 하며 이는 결정화를 일으키거나 높은 증기압으로 유리 성분을 소실시킬 수 있다. 관 내부의 콜릿 방법으로 알려진 다른 제조기술이 최근 개발되었다. 그 기술이 1997년 8월 2일자로 출원된 미국특허 출원번호 제 08/944,932호에 개시되어 있다. 상기 관 내부의 콜릿 방법에서, (입자 크기가 통상적으로 100 내지 5,000 ㎛인)코어 콜릿 모재는 클래딩 구조로 제조된다. 상기 코어/클래딩 구조의 단부는 클래딩의 연화 온도에 가깝게 로에서 가열되어 광섬유로 인발된다. 이 방법은 통상적인 CVD 공정의 단점중 일부를 해결하였다. 즉, 클래딩 조성물이 순수한 SiO2로 구성될 수 있도록 하고, 코어 조성물이 다성분 글라스로 이루어질 수 있도록 한다.
그러나, 더 실용적이며, 효유적이고 종래의 방법보다 경제적인 방법, 즉 공지된 방법의 단점을 해결하는 다양한 유리 및 유리 세라믹 조성물로부터 광섬유를 제조하기 위한 장치 및 방법이 필요하다.
다양한 종래의 CVD 기술의 단점은 현재의 CVD 방법을 이용하여 제조할 수 있는 매우 한정된 조성물을 포함한다. 약간의 희토류 성분만이 클러스터링 없이 합체될 수 있다. 알카리 및 할로겐과 같은 휘발성 성분은 제조과정중에 증발하려는 경향 때문에 다량으로 제조할 수 없다. 알카린 토류와 같은 다른 중요한 유리 변형체는 높은 증기압 CVD 전구체가 없기 때문에 합체되기 어렵다. CVD에 의해 유리 검댕이 적층될 수 있는 경우에도, 상기 검댕은 압밀되어야만 하며 이는 높은 증기압 또는 결정화로 유리 성분을 소실시킬 수 있다.
통상적인 관 내부의 로드 기술의 단점은 코어와 클래드가 매우 유사하여야 한다는 것이다. 팽창계수와 점성 온도 프로파일이 모두 유사하여야 하며, 그렇지 않으면, 냉각시 최종 결과물은 균열이 생기거나 파괴 된다.
또한, 본 발명은 약 0.35 이상인 조리개수를 가진 광섬유에 관한 것이다. 유리이며 이터비윰, 네오디미윰 및 에르븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 희토류로 도프된 클래딩 영역 및 코어로 이루어진 이러한 섬유는 섬유 레이저로 사용될 수 있다. 이러한 섬유 레이저는 높은 NA 섬유에 접속된 펌프 소스를 커플링함으로써 제조할 수 있다. 하기된 방법을 이용하여, 약 0.40 또는 그 이상(예를 들어, 0.45)의 조리개수가 얻어진다.
본 발명은 개선된 광섬유 도파관 및 그 제조에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 관 내부의 필라멘트 및 관 내부의 스틱을 섬유화하는 방법을 통해 광섬유 도파관을 제조하기 위한 신규한 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 광섬유를 인발하는 관 내부의 필라멘트 방법을 실시하기 위한 적당한 장치의 단면도이고,
도 2는 본 발명에 따라 광섬유를 인발하는 관 내부의 스틱 방법을 실시하기 위한 적당한 장치의 단면도이며,
도 3은 본 발명에 따른 광섬유로 인발될 수 있는 본 발명에 따라 제조된 광학 케인을 피복하기 위한 적당한 장치를 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명의 관 내부의 필라멘트 방법에 따라 제조된 광섬유의 5m 경간에 대해 파장의 함수로서 손실을 나타낸 그래프이며,
도 5는 본 발명에 따라 제조된 코어 클래드 케인의 굴절률 프로파일을 나타낸 그래프이고,
도 6은 본 발명의 관 내부의 스틱 방법에 따라 제조된 광섬유의 5m 경간에 대해 파장의 함수로서 손실을 나타낸 그래프이며,
도 7은 본 발명에 따라 제조된 광섬유의 섬유 길이의 함수로서 손실 및 모드 필드 직경을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 관 내부의 필라멘트 또는 관 내부의 스틱을 섬유화하는 방법을 통해 다양한 광섬유를 제조하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 하나의 특징으로서, 본 발명은 소정 물질로 이루어진 유리 필라멘트 또는 스틱으로 유리관을 충진시키는 단계와, 상기 유리관을 상승된 온도로 인발 또는 연신하는 단계를 포함한다. 상기 관 내부의 물질은 상기 인발 온도에서 용융되어 상기 관을 채움으로써 연속적인 코어를 형성하게 된다. 느슨하게 채워진 상기 모재는 중력에 의해 자동으로 급송 또는 용융될 수 있으며, 따라서 용융된 모재를 일정한 깊이로 유지하고, 균질하고 재생가능한 제품을 생산하게 된다. 상기 모재는 코어 물질 또는 코어/클래딩 물질로 구성될 수 있다. 이와 유사하게, 상기 관은 추가적인 코어 물질(예를 들어, 외부 코어 영역을 형성하는데 사용될 수 있는 코어 물질), 코어/클래딩 물질 또는 클래딩 물질로 구성될 수 있다. 본 발명은 광섬유(관 내부의 필라멘트)를 직접 인발하거나, 광섬유(관 내부의 스틱)로 인발되기 전에 추가적인 물질로 피복되는 코어 클래드 케인(cane) 또는 코어 케인을 제조하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명은 화학적(졸-겔, 증기 증착 등) 또는 물리적(배치 및 용융) 기술에 의해 제조될 수 있는 대부분의 유리를 연속적인 클래드 필라멘트 형태로 경제적으로 제조할 수 있도록 한다. 이 기술에 의해 가능해진 신속한 담금질은 비안정적이었던 유리 및 유리-세라믹이 안정된 섬유로 제조될 수 있도록 한다.
본 발명은 하기된 바와 같이 관 내부의 필라멘트 및 관 내부의 스틱을 섬유화하는 방법을 통해 다양한 광섬유를 제조하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 첨부도면과 관련하여 본 발명을 설명하기에 앞서, 다양한 일반적 특징과 장점을 먼저 설명한다. 먼저, 소정의 코어 조성물로 이루어진 유리 또는 결정질 스틱이 제조되어야 한다. 상기 스틱이 원형, 사각형 또는 삼각형 또는 기타 다른 단면형태를 갖는 것은 중요하지 않으며, 단지 함께 사용될 클래딩 관 내부에 끼워질 수 있으면 족하다. 공지된 관 내부의 로드 방법과는 다르게, 코어 필라멘트가 용융되어 클래딩 벽체를 형성하기 때문에, 본 방법은 코어가 긴밀하고 동심으로 클래딩 관 내부에 끼워질 필요는 없다. 이와 유사하게, 상기 관의 보어는 원형일 필요는 없으나, 비원형 코어를 가진 섬유를 성형할 수 있는 사각형, 타원형 또는 기타 비원형상일 수 있다. 본 발명에서, 상기 코어 글라스 또는 스틱은 관의 내경의 형상을 형성하기 때문에, 사각형 관 보어가 사용될 경우, 상기 코어 글라스는 관의 형상으로 변형됨으로써, 경화시 사각형 코어 영역을 형성하게 된다. 사각형의 내경을 가진 관을 사용하여 대체로 사각형 코어를 가진 섬유를 제조할 수 있다. 상기 섬유를 인발 한 후, 상기 코어의 단면은 대체로 사각형이 된다(사각형의 모서리를 약간 곡면처리함). 본 발명에 따른 방법을 사용하여 사각형 코어를 가진 섬유를 제조하게 되며, 이는 약 0.35 이상인 조리개수(NA)를 나타내고, 특히 본 출원인은 약 0.45인 조리개수를 얻었다. 굴절률 변화에 필요한 다량의 변형체가 제조과정중에 코어 물질의 새깅(sagging), 균열 또는 결정화를 유발하기 때문에, CVD 기술을 사용해서는이와 같이 높은 NA 섬유를 제조할 수 없다. 이와 같이 사각형 코어를 가진 섬유는 스트립 레이저 다이오드로부터 나온 빛을 효과적으로 커플링하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 통상의 고출력 스트립 레이저 다이오드는 본질적으로 100㎛×1㎛ 인 사각형 형상을 가진 빔을 방출한다. 따라서, 이 형태를 가진 빔은 본 발명에 따라 제조된 섬유에 의해 더 효과적으로 포집되며, 레이저 빔과 유사한 코어 구조를 갖는다.
또한, 타원을 포함한 기타 다른 비원형 관 보어가 채용될 수 있으며, 편광 유지 섬유를 형성하는데 사용될 수 있다. 이와 유사하게, 외주가 비원형인 섬유를 제조하기 위해 단면이 비원형인 외주를 가진 관도 사용될 수 있다. 비원형 내경 및 외경이 유지되는 각각의 실시예에서, 내경 또는 외경 또는 그 모두의 형상을 적어도 실질적으로 유지하는 섬유 또는 코어 케인을 제조하기 위해서는 높은 인발 점성이 바람직하다. 특히, 비원형 코어 또는 비원형 외경 섬유 또는 그 모두를 가진 코어 케인 또는 섬유를 제조하기 위한 바람직한 일실시예에서, 상기 모재의 온도 및 인발속도는 완성된 섬유 또는 코어 케인이 적어도 관의 내측 및 외측 형상을 적어도 실질적으로 유지하도록 유지된다. 이러한 결과는 관의 점도가 약 107poise 이상으로 유지되도록 인발 또는 재인발(코어 케인을 제조하는 경우) 온도를 유지함으로써 이루어진다.
또한, 본 발명은 종래의 관 내부의 로드 기술과는 달리, 단면이 균일하고 부드러운 표면을 가진 코어 스틱이 필요없다.
상기 코어 스틱은 종래의 도가니 용해 및 주조, 인발, 졸-겔 또는 기타 다른 기술로 제조될 수 있다. 그 후, 상기 스틱은 클래딩 관으로 가압된다. 섬유 클래딩이 되는 관의 조성물은 한정되지 않으며, 순수한 SiO2에서부터 다중성분 글라스까지의 범위일 수 있다. 유일한 필요조건은 상기 코어 글라스가 클래딩 관의 연화점에서 또는 그 이하에서 용융되는 것과, 코어와 클래딩간의 열팽창 차이가 하기된 바와 같이 냉각시 완성된 섬유를 화진시킬 정도로 크지 않아야 한다는 것이다.
상기 클래딩 관이 충진된 후, 이는 섬유 또는 피복용 케인으로 인발될 수 있다. 충진된 관은 인발시 연화되기 때문에, 상기 코어 스틱은 용해되고, (기포 제거)미세해지며, 클래딩 관의 내면에 의해 한정되는 계면을 형성하는 클래딩 관의 벽체를 형성하게 된다. 상기 관의 내경(ID)에 대한 외경(OD)의 비는 외측의 클래딩 관에 대해 용융된 코어에 가해지는 압력(양압 또는 음압)에 의해 조절되지만, 대략 섬유 또는 케인의 OD/ID 비와 동일하다. 또한, 높은 인발온도는 주어진 동일한 섬유 외경에 대해 더 작은 코어 직경을 만들기 때문에, 상기 코어 직경을 조절하기 위해 인발 온도가 사용될 수 있다. 이러한 조절은 블랭크가 일단 제조되면 상기 비가 고정되는 종래의 모재보다 실질적으로 유리한 것임을 나타낸다. 상기 클래딩 관을 인발하기 위해 사용되는 고온은 코어를 균질하게 하며 글라스에서 유해한 물을 제거하는 역할을 한다. 또한, 물의 제거와 청징을 위해 중심선에 진공이 가해질 수 있다.
제 1 인발 단계에서 개방된 중심선을 사용함으로써 용융물을 인발 온도에서 대기조절할 수 있다. 상기 코어 물질의 산화 환원 상태를 조절하거나 저감된 금속성 코어 또는 초전도체를 절연 클래딩에 유지하기 위하여, 상기 용융물 상에서 대기의 감소뿐만 아니라 산화가 이루어질 수 있다. 본 발명에 의해 여러개의 동심 또는 평행한 코어가 제조될 수 있으며, 이 때, 하나의 코어는 광학정보를 운반하고 다른 코어는 전자 정보를 운반할 수 있다. 예를 들어, 응력 로드(예를 들어, B2O3로 도프된 SiO2글라스 로드)가 관의 벽에 천공된 보어 내부에 위치될 수 있다. 이러한 응력 로드는 CVD로 제조되어 글라스로 압밀된 후, 상기 관의 측벽에 천공된 보어 내부에 위치될 수 있다. 선택적으로, 상기 응력 로드는 CVD가 아닌 기술로 제조된 글라스로 구성되어 상기 관의 측벽의 보어 내부에 위치될 수 있다. 모든 경우에서, 상기 글라스 응력 로드는 상기 관의 대향 측상의 측벽의 보어 내부에 위치된 후, 상기 코어 글라스 모재는 하기된 바와 같이 관의 내경속으로 급송될 수 있다. 완성된 모재는 인발되어 편광 유지 섬유를 형성하게 된다. 선택적으로, (예를 들어, 코어의 굴절률을 변화시키기 위해 2개의 와이어 사이의 전압을 응용할 수 있도록 하는)전기광학 스위치로서 사용될 수 있는 섬유를 제조하기 위해, 상기 응력 로드(및 상기 관의 측벽 속으로 천공된 홀에 삽입되는 동등물) 대신 2개의 전도성 와이어가사용될 수 있다.
코어 상의 관 내부 압력이 코어 직경을 일정하게 하기 위해 조절될 수 있다. 이러한 종류의 공정 제어는 현재의 모재 섬유화 방법과 함께 사용할 수 없으며, 본 발명에서 이러한 제어는 관과 코어 글라스의 조합 형성을 매우 용이하게 한다. 예를 들어, 관이 두꺼운 경우, 진공은 별로 도움이 되지 않는다. 그러나, 일부의 얇은 관의 경우 또는 코어 글라스가 관 내부에 큰 용융 깊이를 가진 경우, 코어 글라스 위로부터 관 내부에 이러한 진공 응용은 관 벽상에서 외측으로 가압하는 용융 글라스의 힘을 보상하여 관벽의 내측 형태를 유지하기 위해 사용될 수 있다.
제어된 유리 조성 및 열적 히스토리가 또한 분류된 인덱스 프로파일을 발생시키는데 사용될 수 있다. 코어는 용융되고 클래딩은 연화되기 때문에, 확산 처리는 상대적으로 빠르고, 분류된 인덱스 프로파일은 위치가 정해져 생성될 수 있다. 클래딩 물질의 적절한 선택으로, 제조된 섬유는 실제적으로 섬유 네트워크에서 그들을 제조하고 용이하게 제조하는 통상적인 섬유에 용융 접속될 수 있다.
스틱-인-튜브(stick-in-tube) 방법은 복잡한 인덱스 프로파일을 가능하게 한다. 예를 들면, 제1 클래딩 튜브는 섬유의 수치 어퍼춰를 제어하기 위해 코어 및 오버클래드 사이에 있는 굴절율을 가질 수 있거나, 또는 섬유의 확산 및 모드 필드 직경이 삽입된 굴절율 모트(moat) 및 링을 함유할 수 있다. 제1 인발은 팩터 6~8로 인덱스 프로파일의 반경 치수를 감소시키고, 제2 인발은 팩터 400~500으로 그들을 다시 감소시키며, 이에 따라 매우 미세한 구조가 달성될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 하기에 충분히 설명되면, 본 발명의 여러가지 바람직한 실시예가 설명된다. 본 발명은 그러나 다양한 형식으로 구체화되지만 여기에 설명되는 바람직한 실시예에 한정되는 것을 의미하지는 않는다. 본 발명의 실시예는 이러한 설명으로 전체적으로 완성되고, 발명의 범위를 당업자에게 충분히 이해시키고자 하는 것이며, 본 발명의 실시예 및 이의 응용의 넓은 범위를 설명해줄 것이다.
예를 들면, 본 발명을 통하여 설명된 광섬유 도파의 용어를 당업자는 평면형 증폭기, 커플러, 섬유 레이저, 패러데이 회전자, 필터, 광 아이솔레이터, 및 선형 도파관 섬유를 포함하나 이에 한정되지 않는 본 발명에 의해 예기되는 광학 제품으로 이해할 것이다. 더욱이, 도전성 관에 대한 계속적인 클래드 필라멘트의 제조가 예상되고, 그 결과 초전도성 와이어가 된다. 전기광학적 및 포토닉 크리스탈조성이 또한 예기된다.
도 1은 본 발명에 따라 튜브의 필라멘트에서 광섬유를 인발하는 방법을 수행하기 위해 적절하게 사용될 수 있는 장치(100)의 단면도이다. 첫째, 바람직한 실시예에서, 57mm OD 및 2mm ID를 갖는 클래딩 튜브(112)에서, 내부벽(118)은 원하지 않는 습기를 제거하기 위해 건조기체, 예를 들면, 염소 (Cl2) 또는 불활성 기체가 혼합된 염소로 채워진다. 바람직한 실시예에서, 1.5mm 직경의 코어 피드스탁(feedstock) 또는 필라멘트(110)가 물질의 신장된 모놀리식 로드가 바람직하나, 다수의 신장된 로드는 피드스탁을 형성하기 위해 클래딩 튜브(112) 내에 하나의 어탑이 설치될 수 있다. 다수의 로드의 사용은 특히 확산 처리된 섬유를 제조하는데 적절하다. 클래딩 튜브(112) 및 코어 필라멘트(110)는 하기에 설명된 바와 같이 노(114)에 의해 가열되는 개방된 중심라인(122)으로 채워진 클래딩 튜브를 형성한다. 노(114)는 코어 필라멘트(110)의 용융온도에서 또는 그 이상에 있는 인발온도에서 작동하여, 클래딩 튜브(112)를 연화하게 한다. 클래딩 튜브(112)가 연화함에 따라, 코어 필라멘트(110)은 클래딩 튜브(112) 내에 함유된 코어 멜트(120)를 형성하는 인발 온도에서 용융될 것이다. 인발 온도는 코어 멜트(120) 내의 크리스탈을 제거하기 위해 코어 필라멘트의 액화 온도 또는 그 이상이 바람직하다. 여기에 사용된 바와 같이, 멜트는 채워진 클래딩 구조의 결과물을 위하여 코어 필라멘트(110)가 흘러 채워지거나, 클래딩 튜브(112)의 내부로 변형되는것을 의미한다.
본 발명의 바람직한 실시예 중 하나에서, 코어가 용해되어 튜브의 내부로 변형되는 단계 동안, 코어는 바람직하게는 106포이즈 또는 그 이하, 더욱 바람직하게는 104포이즈, 가장 바람직하게는 1000 포이즈 또는 그 이하의 점도를 나타내고, 클래딩 구조는 실질적으로 그 내부 구조를 유지하도록 클래딩에 충분한 점도를 유지하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는, 클래딩 튜브(112)는 이 온도에서 107.6포이즈 이상의 점도를 나타내는 것이다. 이것은 본 발명을 로드 및 튜브가 섬유가 인발되거나 케인가 인발되는 온도에서 팩터가 약 10 이하로 확산되는 점도를 갖는 종래의 통상적인 방법(예를 들면, 로드 및 튜브 또는 CVD)과 구별해 주는 특징이다. 그 후 광섬유(116)가 인발된다. 코어 필라멘트(110)는 미세하고 클래딩 튜브(112)의 내부벽에 합치되도록 용해하고, 내부 표면(118)에 의해 결정된 인터페이스를 형성하고, 클래딩 튜브(112)의 내부를 완전히 채우는 것이 바람직하다.
그 연화점에서, 유리 클래딩 물질(112)은 약 107.6포이즈의 점도를 갖는다. SiO2의 유형에서, 이것은 약 2000℃의 온도에서 일어난다. 클래딩 물질은 그 온도에서 클래딩 튜브의 내부를 채우는 물질이107이상의 포이즈, 바람직하게는 107.6이상의 포이즈, 가장 바람직하게는 108이상의 포이즈의 점도를 갖도록 선택되어야 한다. 그러나, 이와 동일한 온도에서, 69.86 몰 % 실리카(SiO2), 18.63 몰 % 알루미늄 산화물(Al2O3), 4.66 몰 % 나트륨 산화물(Na2O), 및 6.85 몰 % 란타눔 불화물(La2F2)과 같은 코어(120)은 약 10 포이즈의 점도를 가질 것이고, 클래딩(112)보다 작은 크기의 7 오더이다. 코어(120)는 약 104.5포이즈 보다 작거나 동일한 점도를 갖는 것이 적절한다. 반면에, 튜브 처리의 통상적인 로드는 실질적으로 동일한 점도를 갖는 코어 및 클래딩 물질을 사용한다.
본 발명의 가장 중요한 이점은 코어 필라멘트(110)가 어떤 형태(라운드, 사각형, 삼각형 등)로든지 어떤 방법(통상적인 크루서블 용해 및 캐스팅, 인발, 졸-겔 등)으로든지 제조될 수 있다는 것이다. 유일한 물리적 요구는 클래딩 튜브(112)의 내부벽 내에 코어 필라멘트(110)이 맞도록 하는 것이다. 그러므로,작은 경화처리 제어가 코어 필라멘트(110)를 제조하는 동안에 요구된다. 더욱이, 느슨하게 맞추어진 코어 필라멘트(110)는 바닥부가 용융된 코어(120)의 일정한 깊이에서 유지되도록 용해되어 자동적으로 아래로 떨어지도록 할 수 있다. 코어 필라멘트(110)는 상술한 바와 같이, 클래딩(112)의 연화점 온도 아래의 용해 온도를 갖고, 코어 필라멘트(110) 및 클래딩(112) 사이의 열팽창 차이는 그것이 냉각되었을 때 섬유(116)를 분쇄할 정도록 크지 않다. 클래딩(112)의 조성은 실리카 유리가 바람직하나, 본 발명의 당업자에 의해 클래딩(112)의 조성은 순수한 SiO2로부터 다중조성 유리로 그 범위가 한정되지 않을 것이다.
도 2는 튜브 내의 스틱을 미리 형성시키기 위해 본 발명에 따라 광섬유를 인발하는 방법을 사용하는데 적절한 인발장치(200)의 단면도이다. 1 미터 길이의 SiO2클래딩 튜브(212)(외부직경 55mm 및 내부직경 6mm)는 원하지 않는 습기를 제거하기 위해 건조기체로 채워진다. 5mm 직경의 코어 스틱(210)은 채워진 클래딩 튜브를 형성하기 위해 클래딩 튜브(212) 내에 배치되어 놓여된다. 채워진 클래딩 튜브는 신장시키기 위해 클래딩 튜브(212)를 연화시키도록 노(214)에 의해 1700℃까지 가열된다. 클래딩 튜브(212)가 연화됨에 따라, 코어 스틱(212)가 용해하고, 그 후 6mm 외부 직경 광코어 케인(216)는 표준적인 방법으로 인발된다. 여기에서 사용되는 "케인" 또는 "코어 케인"은 코어 유리를 포함하는 광섬유 선구 소자를 의미하며, 부가적인 클래딩이 광섬유로 인발되기 전에 코어 케인에 부가되어야 한다. 이러한 부가적인 클래딩은 예를 들면, 케인이 유리 클래딩 슬리브로 삽입되거나 또는 외부 증착 또는 다른 방법을 통하여 부가적인 코어 및/또는 클래딩 유리를 침적시킴으로써 적용될 수 있다. 용해하는 동안에, 스틱(210)은 미세하게 되어 클래딩 튜브(212)의 내부벽으로 변형하고, 클래딩 튜브(212)의 내부표면에 으해 결정된 인터페이스를 형성한다.
본 실시예에서, 코어 스탁 및 튜브는 먼저 코어 케인으로 재인발되고, 클래딩 물질(212)은 인발 온도(예를 들면, 실리카 형태에서 약 1700℃)에서 약 108포이즈의 점도를 갖고, 코어 스틱(210)은 인발 온도에서 약 104포이즈 또는 그 이하의 점도를 갖는 것이 바람직하다.
도 2에 도시된 본 발명의 실시예에서, 결과적인 코어 케인(216)은 오버클래딩 튜브(220) 내에 배치된다. 채워진 오버클래딩 튜브(220)은 신장하기 위하여 오버클래딩 튜브(220)가 연화하도록 노(222)에 의해 가열된다. 오버 클래딩 튜브(220)가 연화됨에 따라, 케인(216)은 연화되고, 광섬유(224)는 인발된다.
튜브 내의 스틱을 사용하여 섬유를 형성하기 위한 본 발명의 방법에서, 코어유리의 몰그램 분자 조성 70.0 SiO2-11.25 Al2O3-7.5 Ta2O5-10 CaO-2 CaF2-.05Er2O3는 고순도의 파우더로부터 배치되어, 혼합되고, 배치를 건조시키기 위해 12시간 동안 400℃에서 캘신되며, 그 후, 4시간 동안 1650℃에서 고순도의 실리카 큐러블로 용해된다. 멜트는 균질성을 증진시키기 위해 용융된 실리카로 스트립되며, 1500℃로 냉각되어 멜트로부터 4~5mm 직경의 스틱으로 인발된다.
코어 유리의 5mm 직경의 스틱은 1미터의 55mm 외부 직경(OD)으로 삽입되고,강화된후, SiO2블랭크는 6mm 내부 직경(ID)의 외부 증착공정을 사용하여 제조된다. 튜브는 원하지 않는 습기를 제거하기 위해 건조 He 가스로 채워지고 SiO2블랭크를 연화시키기 위해 1800℃로 가열되어 화염이 1 미터의 조각으로 자르는 6mm 직경의 코어/클래드 케인으로 인발된다. 1 미터 길이의 조각은 CVD 선반 위에 놓여지고 바람직한 클래드 직경/코어 직경이 32:1이 되도록 SiO2수트로 오버클래드 된다. 오버클래드 케인은 코어를 갖는 모놀리식 SiO2블랭크를 형성하기 위해 1440 및 1500℃ 사이에서 강화된다. 이러한 블랭크는 그래파이트 저항 노에서 1950~2000℃로 가열되고 2m/s의 속도로 표준 125 마이크론 직경의 섬유로 인발된다. 에르븀 도프 코어를 갖는 결과적인 섬유는 광증폭기로 사용되기에 적당하다.
도 3은 본 발명에 따라 선택적인 CVD 공정을 통하여 광 케인을 오버클래딩하고 광섬유를 인발하는데 사용되는 장치(300)의 도면이다. 도 2의 실시예에 의해 제조된 케인(216)은 1 미터 길이의 조각으로 잘려진다. 잘려진 케인(216)은 CVD 선반(332) 위에 놓여지고, 클래드 직경 및 코어 직경의 바람직한 비율을 얻기 위하여 SiO2로 오버클래드 되고, 오버클래드 광 케인(330)을 형성한다. 오버클래드 케인(330)은 모놀리식 SiO2블랭크(336)을 형성하기 위해 1400℃ 및 1500℃ 사이의 온도에서 강화된다. 모놀리식 블랭크(336)의 말단부는 인발 온도 1950~2000℃의 인발 온도로 노(338) 내에서 가열되고, 표준 125 마이크론 직경의 광섬유(340)으로 인발된다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 광섬유의 5 미터 스팬에 대한 파장의 함수로서 손실을 나타내는 그래프(400)이다. 낮은 손슬을 갖는 광섬유(1310nm에서 0.07dB/m)는 처음부터 끝까지 2000 미터 스팬에 걸쳐 미터당 동일한 손실을 나타낸다. 광섬유의 코어는 980 및 1500nm의 흡수 대역에 의해 에르븀 이온 Er3+로 연속적으로 도프된다. 부가적으로, Er3+형광은 980nm의 레이저 광이 섬유로 펌프될 때 광섬유로부터 관측된다. 도 4는 본 발명에 따른 방법을 사용한 것으로, 섬유는 2dB/m이하의 후퇴감쇠를 나타내는 희토류 도펀트를 갖도록 제조된다.
도 5는 도 2에 대하여 상술된 코어 유리 조성을 사용하는 본 발명에 따라 제조된 코어 케인의 굴절율 프로파일을 나타내는 그래프(500)이다. 코어 케인은 2.74mm의 인발 직경을 갖고, .21mm의 직경을 갖는 케인의 코어의 코어/클래드 두께 비율은 약 .077이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 코어는 약 .11(실리카 코어에 대하여)의 굴절율 델타를 나타내거나 또는 약 6.76 퍼센트(도프되지 않은 실리카 클래딩에 대하여)의 델타 퍼센트를 나타낸다. 측정된 최대 델타 6.76 퍼센트는 종래의 CVD 제조 섬유에서 상당히 높게 나타난다. 케인은 연속적으로 오버클래드되어 균일한 광섬유의 10000 미터로 인발된다. 총 코어직경 변화는 1000 미터 스팬에서 ±0.25 ㎛이고, 튜브 방법에서 변화 ±4㎛ 큐릿에 비교된다. 그러므로, 본 발명에 따라 제조된 섬유는 적어도 크기에서 개선이 있다. 부가적으로, 클래딩 물질로서 SiO2를 사용하여 결과적인 광섬유는 통상적인 용융 접속을 사용하는 것이 가능하다. 본 발명에 따라 제조된 섬유의 접속이 SMF-28 광섬유일 때 0.5 dB 이하의 접속 손실이 달성되고, 본 발명에 따라 제조된 섬유가 CS-980 광섬유에 접속할 때 0.2dB 보다 작은 접속 손실을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 광섬유의 5 미터에 대한 파장의 함수로서 손실을 나타낸다.
튜브는 순수 실리카, 게르마니아 침지된 실리카, 순수 실리카 클래딩 영역을 위치시킴으로써 제조되었다. 결과적인 수트 예형은 견고화시켜 튜브로 제조되었다. 그 다음 도 2에서 설명된 동일한 형태의 코아 유리 막대가 유리 튜브에 삽입되고 섬유로 인발되었다. 결과적인 이건의 다중 성분의 코아는 실리카 외호에 의해 둘러쌓인 중심의 높은 인덱스 영역을포함하고, 이는 다시 게르마늄 산화물(GEO2)에 의해 침지된 SiO2의 고리에 의해 둘러쌓인다. 이는 복잡한 굴절률 프로필을 0.5 dB/m 배경 감쇠 미만으로 제조할 수 있음을 설명한다.
도 7은 본 발명에 따라 제조된 광섬유의 섬유 길이 함수로서 손실과 모드 필드 직경을 나타내는 그래프 700을 도시한 것이다. 도 7은 모드 필드 직경이 코아의 중심의 높은 인덱스 부위 바깥의 상승된 인덱스 고리를 적용함으로써 확장될 수 있고 단일의 상승된 인덱스 코아를 사용하여 얻게 되는 것 이상으로 모드 필드 직경을 확장시킴을 보여준다. 길이를 다양하게 하기 위한 손실과 모드 필드 직경에 있어서의 최소한의 다양성이 도 7에 의해 도시된대로 얻을 수 있다.
본 발명의 방법은 여러가지 장점을 가진다. 본 발명의 방법은 광섬유를 제조하기 위해 적용되었던 통상의 CVD 기술을 이용하여 종전에는 얻을 수 없었던 섬유화를위한 조성물의 범위를 넓힌다. 높은 희토류 용해도, 향상된 이득 평평도 및 향상된 광학 특성을 갖는 새로운 조성물은 쉽게 섬유 형태로 제조될 수 있다. 또한 본 방법은 스트레스가 섬유, 예형 등의 반경의 제곱에 대해 역으로 다양하게 되므로, 열팽창 불일치로 인한 스트레스가 더 큰 크기의 견고한 모노리딕 예형에서 보다 더 작을 때 코아 필라멘트 110 이나 코아 막대 210이 섬유나 막대로 될 때까지 코아 110, 210이 클래드 112, 212에 견고하게 결합되지 않으므로 코아 필라멘트 110 또는 코아 막대 210과 클래딩 물질 112 또는 클래딩 물질 212 사이에 열 팽창에 있어 커다란 차이를 수용한다. 따라서, 유효한 커플러와 레이저로서 사용되기 위한 매우 커다란 구경의 섬유가 본 발명의 방법에 의해 제조될 수 있다.
본 방법은 또한 인발 온도에서 코아 용융 120, 220의 기압 조절을 가능케 한다. 산화, 환원 또는 화학적 반응성 대기는 산화환원 상태를 조절하기 위해 열려진 중심선을 이용하여 안내될 수 있다. 코아 필라멘트 110 또는 코아 막대 210 상의 압력은 인발 온도에 따라 코아 직경을 조절하기 위해 조절될 수 있다. 인발 온도가 더 높으면 블랭크가 제조되어 이미 비율이 고정된 통상의 예형에 비해 동일한 주어진 섬유 외부 직경(OD)에 대해 더 작은 코아 직경을 얻게 된다. 예를 들어 이러한 요소는 본 발명을 이용함으로써 50% 가감 범위로 코아 직경을 조절하는데 이용될 수 있다. 튜브의 내부 직경(ID)에 대한 OD의 비율은 이미 언급했듯이, 클래딩 튜브 112 또는 클래딩 튜브 212의 바깥에 비해 용융 코아 120, 220 상에 적용된 양성 또는 음성의 압력에 의해 조절될 수 있지만, 광섬유의 OD 대 ID의 비율과 대충 동일할 것이다. 또한, 광섬유 116, 216을 인발하는데 사용된 고온은 코아용융 120, 220을 균일화하고, 코아 용융 120, 220에 존재하는 유해한 물을 제거하는데 작용한다.
상세한 설명은 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 상세하게 기술하고 있는 한편, 상세한 설명은 단순히 기술하기 위한 것으로 당업자가 여러가지 변형을 할 수 있다는 것이 명확하다. 예로써, 코아 원료 110과 같은 코아 원료가 고형 막대인 것이 바람직하다고 하지만, 코아 원료는 공동이거나 몇개의 커다란 블럭으로 나뉠 수도 있다. 게다가 원료라는 용어는 얇은 필라멘트, 두꺼운 막대, 튜브로 삽입되도록 묵여진 신장된 복수의 필라멘트, 또는 튜브로 삽입되도록 다른 것의 상부에 축방향으로 쌓여진 신장된 필라멘트 또는 막대 등을 포함하며, 이들은 용융시 적절하게 아래로 공급될 것이다. 한편, 여기에 정의된 원료는 분말이나 지스러기 유리가 아닌 것이 바람직하다. 또한, 원료는 코아 물질 단독 또는 그 위에 배치된 클래딩 물질을 갖는 코아 물질로부터 제조될 수 있다. 그 다음 이러한 구체적인 예들의 어떤 것도 클래딩 물질로부터 형성된 튜브내에 위치시킬 수 있다. 튜브는 코아 물질이나 클래딩 물질로부터 유사하게 형성될 수 있다. 따라서, 코아 물질과 클래딩 물질의 복수의 동심원적 고리를 갖는 예형을 제조하는 것을 안출할 수 있고 각각의 고리는 예형내의 다른 고리와 같거나 다른 광학 특성을 갖게 된다. 그리고, 예형은 현재 바람직한 것은 아니지만 형성되고, 냉각되어, 저장된 후 다시 가열 및 인발시킬 수도 있다. 광섬유라는 용어는 광도파관에 한정되는 것이 아니라, 단일 모드 섬유, 다중 모드 섬유, 증폭기, 전기-광학 섬유, 커플러, 레이저 등을 포함하는 응용 분야에 적용되는 어떠한 섬유나 섬유 요소를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 범위 또는 정신을 벗어나지 않고 본 발명의 범위내에서 여러가지 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 자명하다. 따라서, 청구항 및 이의 균등 범위내에 포함된다면 본 발명은 본 발명의 변형도 포함한다 하겠다.

Claims (34)

  1. 고형의 신장된 원료를 공동의 튜브내에 위치시키는 단계;
    상기 원료가 상기 튜브의 형태로 변형되도록 하기에 충분한 온도로 상기 튜브의 적어도 한 부분과 원료를 가열시키는 단계; 및
    튜브의 외면 직경을 감소시키는 단계로 이루어지고,
    상기 원료가 상기 튜브의 연화점 미만의 연화점을 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 튜브는 클래딩 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 공동의 튜브는 코어 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 원료는 코어 물질이 실질적으로 연속적인 원료를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 원료는 복수의 원료를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 3항에 있어서, 외면 직경을 감소시키는 단계는 코아 막대기를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 방법은 상기 코아 막대기를 클래딩 물질로 오버클래딩하여 코아-클래드 예형을 제조하고 상기 코아-클래드 예형을 광섬유로 인발시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 원료는 코아 원료를 포함하며, 상기 튜브는 클래딩 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 외면 직경을 감소시키는 단계는 상기 튜브 및 원료를 직접 광섬유로 인발시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 코아 원료의 연화점과 상기 클래딩 구조의 연화점 사이의 차이는 적어도 100℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 원료는 상기 튜브가 107.6포이즈의 점도를 나타내는 온도에서 106포이즈 미만의 점도를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 원료는 상기 튜브가 107.6포이즈의 점도를 나타내는온도에서 106포이즈 미만의 점도를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 원료는 상기 튜브가 107.6포이즈의 점도를 나타낼 때 104포이즈 미만의 점도를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 원료는 상기 튜브가 107.6포이즈의 점도를 나타낼 때 1000 포이즈 미만의 점도를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 코아 원료의 열팽창계수는 상기 튜브의 열팽창계수보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 7항에 있어서, 상기 클래딩 구조는 필수적으로 실리카로만 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 7항에 있어서, 상기 클래딩 구조는 화학 증기 증착 공정에 의해 제조된 적어도 90 중량%의 실리카인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 화학 증기 증착 공정은 외면 화학 증기 증착 공정을포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 8항에 있어서, 상기 원료는 상기 튜브보다 빠른 속도로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 7항에 있어서, 클래딩 구조는 길이방향으로 관통하는 복수의 구멍을 포함하며, 상기 방법은 클래딩 구조에 의해 한정된 복수의 구멍중 적어도 하나의 내부에 금속을 위치시키는 단계와 이러한 예형을 전기-광학 섬유로 인발시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 7항에 있어서, 클래딩 구조는 길이방향으로 관통하는 복수의 구멍을 포함하며, 상기 방법은 클래딩과 다른 조성을 갖는 유리 막대를 클래딩 구조에 의해 한정된 복수의 구멍중 적어도 하나에 위치시키는 단계와 이러한 예형을 편광 유지 섬유로 인발시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 8항에 있어서, 상기 원료를 희토류 원소에 담그는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 희토류 원소는 이테르븀, 에르븀, 프라세오디뮴 및 네오디뮴으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 광섬유를 펌프 레이저와 신호원으로 광 통신의 파장 분할 멀티플렉서에 커플링시켜 광 증폭기를 형성시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 제 22항의 방법에 따라 제조된 섬유를 이용하여 증폭기를 제조하는 방법.
  24. 제 21항에 있어서, 상기 희토류 원소는 이테르븀, 네오디뮴 및 에르븀으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 광섬유를 펌프원에 커플링시켜 섬유 레이저를 형성하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 제 24항의 방법에 따라 제조된 섬유를 이용하여 섬유 레이저를 제조하는 방법.
  26. 신장되고 실질적으로 연속적인 원료를 공동의 튜브내에 위치시키는 단계; 및
    상기 원료가 상기 튜브의 형상으로 변형되도록 하기에 충분한 온도로 상기 튜브의 적어도 한 부분을 가열시킴으로써 예형을 형성시키는 단계로 제조된 광섬유.
  27. 제 1항에 있어서, 상기 튜브의 내부 구멍은 환형이 아닌 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 튜브의 내부 구멍은 직사각형인 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 27항에 있어서, 상기 튜브의 내부 구멍은 타원형인 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 구경이 0.35 이상인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  31. 제 30항에 있어서, 섬유는 유리로 된 클래드 부분과 코아를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  32. 제 31항에 있어서, 섬유의 코아는 이테르븀, 네오디뮴 및 에르븀으로 이루어진 군으로 부터 선택된 희토류 원소에 담그는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  33. 제 32항의 섬유에 커플된 펌프원을 포함하는 섬유 레이저.
  34. 제 32항에 있어서, 섬유는 구경이 0.40 이상인 것을 특징으로 하는 광섬유.
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