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KR100334763B1 - 다공 구조 광섬유의 제조 방법 및 제조 장치 - Google Patents

다공 구조 광섬유의 제조 방법 및 제조 장치 Download PDF

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KR100334763B1
KR100334763B1 KR1020000020285A KR20000020285A KR100334763B1 KR 100334763 B1 KR100334763 B1 KR 100334763B1 KR 1020000020285 A KR1020000020285 A KR 1020000020285A KR 20000020285 A KR20000020285 A KR 20000020285A KR 100334763 B1 KR100334763 B1 KR 100334763B1
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Abstract

본 발명은 다공 구조 광섬유 모재에 형성된 일단의 공기 구멍들을 통해 질소 등의 가스를 공급하면서 타단에 열을 가해 광섬유를 인출함으로써 광섬유의 길이 방향에 걸쳐 일정한 크기 및 형상의 공기 구멍을 가진 광섬유를 생산할 수 있는 다공 구조 광섬유의 제조 방법 및 제조 장치를 제공한다.

Description

다공 구조 광섬유의 제조 방법 및 제조 장치{FABRICATION METHOD AND DEVICE OF HOLEY OPTICAL FIBER}
본 발명은 광섬유에 관한 것으로서, 특히 다수개의 공기 구멍을 가진 다공 구조 광섬유의 제조에 관한 것이다.
다공 구조 광섬유(Holey Optical Fiber)는 클래딩 부분에 다수개의 공기 구멍(Air hole)을 가지는 있는 광섬유로서, 분산 보정 광섬유를 비롯하여 비선형 광섬유 소자, 광섬유 격자 소자 및 광섬유 증폭기 등 그 응용 범위가 점차 넓어지고 있다.
상기 다공 구조 광섬유는 평면 공간 내에서 주기적으로 변하는 굴절율을 가진 절연 구조(Dielectric structure)를 포함한다. 상기 절연 구조는 브래그 회절(Bragg diffraction)을 야기하며, 다공 구조 광섬유가 특정 파장이나 광파 진행 방향에 대해 광 저지 대역(Photonic stop band)을 갖게 한다.
상기 다공 구조 광섬유 내에서의 빛의 진행은 포토닉 밴드갭 효과(Photonic Bandgap Effect)와 유효 굴절율 효과(Effective Index Effect)에 의해 이루어지며, 이에 대해서는 공개된 논문 T.A.Birks et al., Electronic Letters, Vol.31(22) p.1941(October 1995) 및 J.C.Knight et al., Proceeding of OFC, PD 3-1(February, 1996) 등에 상세히 개시된 바 있다.
종래 다공 구조 광섬유를 제조하기 위해서는 클래딩 부분에 속이 빈 얇은 실린더 형태의 관형 부재들을 소정의 형태로 배열하고 그 중심에는 실리카 코어 코어부 혹은 광섬유 용도에 따라 광증폭기용, 광자 격자용, 비선형 광섬유용 코어 코어부 등을 넣은 후 상기 관형 부재들의 일단을 봉합함으로써 광섬유 모재를 만들고, 상기 광섬유 모재로부터 광섬유를 인출하였다. 이렇게 형성된 광섬유는 클래딩 부분에 다수개의 공기 구멍을 가지게 된다.
그러나, 종래의 다공 구조 광섬유는 광섬유 모재로부터 광섬유를 인출할 때 광섬유 모재의 안쪽과 바깥쪽의 열 전도율 차이로 인해 바깥쪽의 관형 부재들이 녹는 속도가 안쪽의 관형 부재들이 녹는 속도보다 빠르므로, 바깥쪽 공기 구멍이 안쪽 공기 구멍보다 현저히 작아지거나 막히게 되고, 상대적으로 커진 안쪽 공기 구멍은 타원형으로 변형된다. 이와 같이 광섬유 모재로부터 광섬유를 인출할 때 발생하는 공기 구멍의 변형으로 인해, 대량의 다공 구조 광섬유를 연속적으로 생산하는데 어려움이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 다공 구조 광섬유 인출시 공기 구멍의 변형 현상을 막기 위한 다공 구조 광섬유의 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다공 구조 광섬유의 제조 방법에 있어서, 출발 물질, 탈이온수 및 첨가제를 혼합하여 솔을 형성하는 솔 형성 과정과; 상기 과정에서 생성된 솔을 원형틀에 채워넣는 솔 충진 과정과; 상기 솔이 젤화된 후 젤 중앙에 코어 형성 물질을 충진하여 코어부를 형성하는 코어부 형성 과정과; 상기 젤 내에 코어부를 중심으로 다수개의 관형 부재를 수직으로 배열하는 관형 부재 배열 과정과; 상기 젤을 원형틀로부터 분리한 후 건조시키는 젤 건조 과정과; 상기 과정에서 건조된 젤에 열을 가해 유리화시키는 소결 과정과; 상기 소결과정을 거쳐 생성한 다공 구조 광섬유 모재에 일단의 공기 구멍들을 통해 가스를 공급하면서 타단에 열을 가해 광섬유를 인출하는 가스 공급/광섬유 인출 과정을 포함함을 특징으로 하는 다공 구조 광섬유의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 다공 구조 광섬유의 제조 장치에 있어서, 다공 구조 광섬유 모재의 일단에 밀봉 설치되는 모재 커버와; 상기 모재 커버 내로 가스를 공급하는 가스 공급기와; 상기 가스 공급기로부터 공급되는 가스의 양을 균일하게 조절하는 항압기와; 상기 다공 구조 광섬유 모재의 타단에 설치되어 광섬유 인출을 위한 열을 제공하는 가열기를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 다공 구조 광섬유의 제조 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다공 구조 광섬유 모재를 나타낸 사시도 및 평면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다공 구조 광섬유의 제조 방법을 나타낸 흐름도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다공 구조 광섬유의 제조 장치를 나타낸 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 광섬유 모재 20 : 모재 커버
30 : 가스 공급기 40 : 항압기
50 : 장착봉 60 : 가열기
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다공 구조 광섬유 모재를 나타낸 사시도 및 평면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다공 구조 광섬유 모재(10)는 클래딩부(12)와 코어부(14)로 구성되며, 상기 클래딩부(12)은 다수개의 공기 구멍(16)을 구비한다.
상기 클래딩부(12)는 코어부(14)에 비해 낮은 굴절율을 가지는 부분으로서,순수한 실리카로 구성되거나 플루오린 등이 첨가되기도 한다. 상기 공기 구멍(16)의 배열은 도 1과 같이 벌집 모양과 비슷한 육각 배열 뿐만 아니라 응용예에 따라 다양한 변형이 있을 수 있다.
상기 코어부(14)는 클래딩부(12)와 같은 굴절율 혹은 클래딩부(12)보다 높은 굴절율을 가지는 부분으로서, 실시예에 따라서는 어븀(Erbium), 게르마늄(Germanium), 붕소 혹은 이와 유사한 첨가 물질이 첨가된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다공 구조 광섬유의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다공 구조 광섬유의 제조 방법은 크게 솔 형성 과정(100), 솔 충진 과정(200), 코어부 형성 과정(300), 관형 부재 배열 과정(400), 젤 건조 과정(500), 소결 과정(600) 및 가스 공급/광섬유 인출 과정(700)을 포함한다.
상기 솔 형성 과정(100)은 출발 물질, 탈이온수 및 첨가제를 혼합하여 솔을 형성하는 과정이다. 상기 출발 물질로는 발연 실리카 혹은 실리콘 알콕사이드 등을 사용할 수 있으며, 상기 첨가제로는 분산제, 촉매 혹은 결합제 등을 사용할 수 있다.
상기 솔 충진 과정(200)은 상기 솔 형성 과정(100)에서 생성된 솔을 원형틀에 채워넣는 과정이다.
상기 코어부 형성 과정(300)은 상기 솔이 젤화된 후 젤 중앙에 코어부를 형성하는 과정이다. 상기 코어부는 순수 실리카 이외에 어븀, 게르마늄, 봉소 등 광섬유 특성을 조절하기 위한 첨가물을 도핑한다.
상기 관형 부재 배열 과정(400)은 상기 젤 내에 코어부를 중심으로 다수개의 관형 부재를 수직으로 배열하는 과정이다. 상기 관형 부재들은 광섬유 내에 공기 구멍이 형성될 수 있도록 클래딩부 내에서 경계층을 형성한다. 상기 관형 부재로는 유리관을 사용할 수 있다.
상기 젤 건조 과정(500)은 상기 젤을 원형틀로부터 분리한 후 건조시키는 과정이다. 상기 젤 건조 과정(500)은 일정 온도 및 상대 습도를 유지하는 항온 항습 챔버 등에서 이루어진다. 상기 젤 건조 과정(500)에서 젤로부터 관형 부재들을 제거할 수도 있다. 상기 젤 건조 과정(500) 이후에는 저온 열처리 과정을 거치는 것이 바람직하다. 상기 저온 열처리 과정은 건조가 끝난 젤을 저온 열처리 설비에 넣고, 염소, 헬륨, 산소 등의 가스를 공급하면서 열처리하여, 상기 건조젤 내의 잔류 수분 및 결합제 등의 유기물을 분해하고, 금속성 불순물과 수산화(OH)기 등을 제거하는 과정이다.
상기 소결 과정(600)은 상기 젤 건조 과정(500)에서 건조된 젤에 열을 가해 유리화시키는 과정이다. 상기 소결 과정(600)은 젤 건조 과정(500)(혹은 저온 열처리 과정)을 거친 젤을 고온에서 소결시켜 유리화함으로써 다공 구조 광섬유 모재를 생산하는 공정이다. 상기 소결 과정(600)은 헬륨 가스 분위기하의 소결로 내에서 상하로 이동하는 퍼니스(furnace)등을 이용하여 1300 ℃ 이상 가열함으로써 이루어진다.
상기 가스 공급/광섬유 인출 과정(700)은 상기 소결 과정(600)을 거쳐 생성한 다공 구조 광섬유 모재에 상단의 공기 구멍들을 통해 가스를 공급하면서 하단에열을 가해 광섬유를 인출하는 과정이다. 상기 가스 공급/광섬유 인출 과정(700)에서 다공 구조 광섬유 모재(10)의 공기 구멍을 통해 일정한 양의 가스를 공급함에 따라, 다공 구조 광섬유 모재의 바깥쪽과 안쪽에 위치한 공기 구멍들은 찌그러짐없이 일정한 비율로 크기만 축소되면서 광섬유 내부에 공기 구멍으로 남게 된다. 상기 가스 공급/광섬유 인출 과정(700)은 후술할 본 발명의 실시예에 따른 다공 구조 광섬유 제조 장치 등에 의해 이루어진다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다공 구조 광섬유의 제조 장치를 나타낸 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다공 구조 광섬유의 제조 장치는 모재 커버(20), 가스 공급기(30), 항압기(40), 가열기(60) 및 장착봉(50)으로 구성된다.
상기 모재 커버(20)는 다공 구조 광섬유 모재의 일단에 설치되며, 다공 구조 광섬유 모재로 공급되는 가스가 외부로 누설되지 않도록 다공 구조 광섬유 모재의 일단을 밀봉시킨다. 상기 모재 커버(20) 상단에는 장착봉(50)이 부착된다. 상기 장착봉(50)은 도시되지 않은 광섬유 인출 설비에 설치된 척에 의해 고정되어 광섬유 인출시 다공 구조 광섬유 모재(10)를 고정시키는 역할을 한다.
상기 가스 공급기(30)는 상기 모재 커버(20) 내로 가스를 공급함으로써, 다공 구조 광섬유 모재(10)의 공기 구멍(16) 내부로 가스가 공급되도록 한다. 상기 가스로는 질소를 사용한다. 상기 가스 공급기(30)와 모재 커버(20) 사이는 가스 연결관(52)에 의해 연결된다.
상기 항압기(40)는 가스 공급기(30)로부터 공급되는 가스의 양이 균일하게유지될 수 있도록 조절하는 역할을 수행한다. 상기 항압기(40)는 항압관(42)에 의해 가스 연결관(52)과 도통하게 된다. 상기 항압기(40) 및 가스 공급기(30)에 의해 공급된 가스는 광섬유 인출시 다공 구조 광섬유 모재(10) 내부의 공기 구멍(16)을 연속적으로 통과하면서 모재 바깥쪽과 안쪽에 위치한 공기 구멍(16)의 오차를 없앨 뿐만 아니라 공기 구멍(16)의 변형을 방지한다.
상기 가열기(60)는 다공 구조 광섬유 모재(10)의 타단에 설치되어 광섬유 인출을 위한 열을 제공한다. 상기 가열기(60) 하단에는 도시되지 않은 와인더 및 스풀이 설치되어 인출된 광섬유가 연속적으로 수집된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 다공 구조 광섬유 모재의 제조 방법 및 제조 장치는 다공 구조 광섬유 모재로부터 광섬유를 인출할 때 다공 구조 광섬유 모재의 공기 구멍 내부로 일정하게 가스를 공급하여 공기 구멍의 변형을 방지함으로써 균일한 특성을 가진 다공 구조 광섬유를 대량으로 생산할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 다공 구조 광섬유의 제조 방법에 있어서,
    출발 물질, 탈이온수 및 첨가제를 혼합하여 솔을 형성하는 솔 형성 과정과;
    상기 과정에서 생성된 솔을 원형틀에 채워넣는 솔 충진 과정과;
    상기 솔이 젤화된 후 젤 중앙에 코어 형성 물질을 충진하여 코어부를 형성하는 코어부 형성 과정과;
    상기 젤 내에 코어부를 중심으로 다수개의 관형 부재를 수직으로 배열하는 관형 부재 배열 과정과;
    상기 젤을 원형틀로부터 분리한 후 건조시키는 젤 건조 과정과;
    상기 과정에서 건조된 젤에 열을 가해 유리화시키는 소결 과정과;
    상기 소결 과정을 거쳐 생성한 다공 구조 광섬유 모재에 일단의 공기 구멍들을 통해 가스를 공급하면서 타단에 열을 가해 광섬유를 인출하는 가스 공급/광섬유 인출 과정을 포함함을 특징으로 하는 다공 구조 광섬유의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 젤 건조 과정 후에는 건조가 끝난 젤에 함유된 불순물을 제거하기 위한 저온 열처리 과정을 추가함을 특징으로 하는 다공 구조 광섬유의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 코어부 형성 과정의 코어 형성 물질로는 어븀을 첨가한 실리카를 사용함을 특징으로 하는 다공 구조 광섬유의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 코어부 형성 과정의 코어 형성 물질로는 게르마늄을 첨가한 실리카를 사용함을 특징으로 하는 다공 구조 광섬유의 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 코어부 형성 과정의 코어 형성 물질로는 게르마늄 및 붕소를 첨가한 실리카를 사용함을 특징으로 하는 다공 구조 광섬유의 제조 방법.
  6. 다공 구조 광섬유의 제조 장치에 있어서,
    다공 구조 광섬유 모재의 일단에 밀봉 설치되는 모재 커버와;
    상기 모재 커버 내로 가스를 공급하는 가스 공급기와;
    상기 가스 공급기로부터 공급되는 가스의 양을 균일하게 조절하는 항압기와;
    상기 다공 구조 광섬유 모재의 타단에 설치되어 광섬유 인출을 위한 열을 제공하는 가열기를 포함하여 구성함를 특징으로 하는 다공 구조 광섬유의 제조 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 모재 커버에는 다공 구조 광섬유 모재를 고정시키기 위한 장착봉이 부착됨을 특징으로 하는 다공 구조 광섬유의 제조 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 가스 공급기의 가스로는 질소를 사용함을 특징으로 하는 다공 구조 광섬유의 제조 장치.
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