KR100577491B1

KR100577491B1 - 저손실 광섬유 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100577491B1
Application number: KR1020040049153A
Authority: KR
Inventors: 이찬주; 장기완; 서영범
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2024-06-28
Also published as: CN1976878B; KR20060000343A; CN1976878A; WO2006001555A1; US20080050079A1; US7391946B2

Abstract

본 발명은 광전도 코어부와 클래드부를 포함하는 광섬유에 관한 것으로서, 특히 모드필드경(MFD: Mode Field Diameter) 영역에서 수산기 농도가 현저히 낮은 저손실 광섬유에 관한 것이다.

본 발명은 광전도를 위해 중심축에 위치되는 코어부, 이 코어부를 순차적으로 피복하는 탈수 클래딩부 및 베이스 클래딩부를 구비하고, 상기 탈수 클래딩부 및 베이스 클래딩부는 그 굴절율이 실질적으로 동일하고, 상기 코어부의 굴절률은 상기 탈수 클래딩부 및 베이스 클래딩부의 굴절률 보다 크며, 상기 탈수 클래딩부의 수산기 농도가 상기 베이스 클래딩부의 수산기 농도 보다 상대적으로 낮고, 상기 코어부 및 상기 탈수 클래딩부로 이루어지는 영역이 광섬유의 MFD(Mode Field Diameter)영역을 포함하고, 상기 광섬유의 MFD영역에서의 수산기(OH) 농도가 0.8ppb 이하인 것을 특징으로 하는 단일모드 광섬유에 관한 것이다.

광섬유, 탈수, MFD

Description

저손실 광섬유 및 그 제조방법{A LOW ATTENUATION OPTICAL FIBER AND METHOD FOR PRODUCING IT IN MCVD}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래의 수정화학기상증착공정(MCVD)을 이용한 광섬유 모재의 제조 방법을 나타내는 도면이다.

도 2는 도 1의 공정에 의해 제조된 광섬유 모재를 도시하는 단면도이다.

도 3은 도 1의 공정에 의해 증착된 수트에 수분이 흡착된 상태를 도시하는 도면이다.

도 4a는 코어부만을 탈수한 종래의 광섬유에 대한 구조도이고, 도 4b는 모드필드경에 대응하는 클래드부의 일부를 탈수한 본 발명에 따른 광섬유의 구조도이다.

도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 클래드층 형성 공정을 설명하는 도면이다.

도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 코어층 형성 공정 을 설명하는 도면이다.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의해 석영 튜브의 내부에 클래드층과 코어층이 증착된 중공 모재의 단면도이다.

도 8은 광섬유 코어층의 파장에 따른 흡수손실을 종래의 방법과 본 발명의 방법을 비교하여 도시한 그래프이다.

본 발명은 광전도 코어부와 클래드부를 포함하는 광섬유에 관한 것으로서, 특히 모드필드경(MFD: Mode Field Diameter) 영역에 해당하는 코어 영역과 일부 클래드 영역에서 수산기 농도가 현저하게 낮은 저손실 광섬유에 관한 것이다.

수정화학기상증착공정(Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD)은 광섬유 제조공정 중 하나로서 클래드층을 먼저 형성한 다음 그 내부에 코어층을 형성한다.

보다 구체적으로 도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 수정화학기상증착공정(MCVD)에서는 석영 튜브(1)를 선반의 주축대에 거치시킨 후 석영 튜브(1)를 회전시키면서 튜브 내부로 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃와 같은 수트 형성가스를 산소가스와 함께 유입시킨다. 동시에 튜브(1) 바깥에서는 튜브(1) 안으로 유입되는 수트 형성가스들이 충분히 반응되어지도록 1600℃ 이상의 온도를 제공하는 토치(2)를 튜브(1)의 축 방향을 따라 왕복 운동시켜준다.

토치(2)가 한번 왕복할 때마다 반응온도에 도달한 튜브(1)내 영역에서는 하기 [반응식 1]과 같은 할로겐 화합물(halide) 가스의 산화반응이 유발되어 유리 미분체(3: fine glass particle, 이하 수트(soot)라고 한다)가 생성된다. 토치(2)가 이동되는 과정에서, 수트(3)는 열영동현상(thermophoresis)에 의해 토치(2)에 의해 가열되는 영역보다 상대적으로 온도가 낮은 튜브(1)의 안쪽 표면에 증착된다.

SiCl₄＋ O₂→SiO₂+ 2Cl₂

GeCl₄＋ O₂→GeO₂ + 2Cl₂

튜브(1)의 안쪽 표면에 증착되는 수트(3)층은 바로 이어서 접근하는 토치(2)의 열에 의해 소결(sintering)되어 투명한 유리층이 된다. 이 과정이 계속적으로 반복이 되어지면 튜브(1) 안쪽 표면에 복수의 클래드층과 그 위에 복수의 코어층이 증착된다. 도 2는 이렇게 제조된 광섬유 모재의 단면을 도시한다. 도 2에서, 도면부호 5는 코어, 6은 클래드, 7은 튜브를 나타내고, 8은 코어의 직경을, 그리고 9는 클래드의 직경을 나타낸다.

그런데 종래의 수정화학기상증착공정에서는 복수의 클래드층과 코어층이 형성되는 과정에서 그 내부에 수산기(OH)가 불순물로 포함되는 문제가 발생된다. 왜냐하면 튜브(1)로 인입되는 수트 형성가스에는 미량의 수분이 불순물로 포함되어 있는데, 수분이 튜브(1) 증착층 표면에 흡착한 후 고온에서 증착층 내부로 확산함으로써 그 결과로 Si와 수산기(OH)의 결합이 생기기 때문이다. 도 3은 종래의 수정 화학기상증착공정을 이용한 광섬유 모재 제조시 수트 증착층이 소결된 이후 원자간 결합구조를 보여주는데, 이를 참조하면 다량의 수산기(OH)가 Si와 결합되어 있는 것을 확인할 수 있다.

하지만, 종래기술에 따른 수정화학기상증착공정에서는 토치(2)에 의해 수트(3)층 증착과 소결이 일련의 과정에서 이루어지기 때문에, 별도의 탈수공정을 진행하지 않는 이상 클래드층 또는 코어층에 불순물로 포함되는 수산기(OH)의 제거가 거의 불가능하다. 왜냐하면, 수정화학기상증착공정이 고온에서 진행된다고 하여도 수트(3) 층에 화학반응을 통하여 불순물로 포함된 수산기(OH)는 Si와 안정하게 결합되어 있어 증착층(4) 내에 그대로 존재하기 때문이다.

한편, 광섬유의 가장 중요한 특성인 광손실은 광섬유 모재의 밀도차 및 조성차에 기인한 레일라이 산란 손실, 원자내 전자전이 에너지 흡수에 따른 자외선 흡수 손실, 격자 진동시 에너지 흡수에 따른 적외선 흡수 손실, 수산기(OH)의 진동에 따른 수산기 흡수 손실과 거시적 구부러짐 손실로 구성된다.

광섬유를 통하여 신뢰성 있는 신호 전송을 보장하기 위해서는 광손실이 작아야 한다. 광섬유는 1100nm 이상 1700nm 이하 파장 대역에서 일정 수준 이하의 광손실을 가지므로, 현재 1310nm과 1550nm의 두 파장대가 광통신 중심 파장대역으로 사용되고 있다. 그리고, 1385nm 파장대에서는 수산기(OH) 흡수에 의한 광손실이 다른 파장대에서 보다 중요한 요소로 여겨지며 이 높은 흡수손실로 인해서 이 영역을 사용하지 못하고 있다. 따라서, 1310nm에서 1550nm까지의 모든 파장 대역을 사용하기 위해서는, 광섬유 내의 수산기(OH)에 의한 1385nm 파장대의 평균적 광손실값이 1310nm 값(평균 0.34dB/Km)보다 작은 값을 가져야만 한다. 게르마늄 산화물과 실리콘 산화물로 구성된 코어는 재료 자체의 밀도차와 조성차에 기인한 레일라이 산란 손실값이 약 0.28dB/Km 정도이므로, 수산기(OH)에 의해 야기되는 광손실이 적어도 0.06dB/Km 이하로 제어되어야 1310nm ~ 1550nm 파장대에서 광섬유를 사용할 수 있다. 이를 위해서는, 광섬유 내의 수산기(OH)의 농도가 0.8ppb 이하가 되도록 광섬유 모재의 제조공정이 제어되어야 한다. 하지만, 1㎛의 직경을 가진 입자 표면에 2개의 수산기(OH)만 존재하여도 수산기의 농도는 30ppm 정도에 이르고 이를 광손실로 환산하면 0.75dB/Km 나 된다. 이러한 사실은 종래기술에 따른 수정화학기상증착공정에서는 광섬유 모재에 불순물로 함유되는 수산기(OH)의 농도를 0.8ppb 이하로 제어하는 것이 매우 어렵다는 것을 시사한다.

수산기(OH)가 없는 (OH-free) 단일모드 광섬유는, 미국특허 US3,737,292, US3,823,995, US3,884,550 등에 게시된 외부기상증착공정(OVD; Outside Vapor Deposition)과 미국특허 US4,737,179, US6,131,415 등에 게시된 기상축증착공정(Vapor Axial Deposition; VAD)에 의해 제조가 가능하다고 알려져 있다.

하지만, 종래의 수정화학기상증착공정은 OVD나 VAD 공정과는 달리 증착과 소결의 과정이 동시에 진행되어 수트가 형성됨과 동시에 수트들이 용융되면서 치밀화된다. 따라서, 기존 수정화학기상증착공정으로 제조한 광섬유에서는 소결로 인해 치밀화된 유리층 내부의 Si-OH가 1385nm 대역에서 임계적인 수산기(OH) 흡수 손실을 야기한다. 이에 따라, 수정화학기상증착공정에 의해 제조된 광섬유 모재로부터 인선되는 광섬유는 사용할 수 있는 광통신 파장대역에 제한이 따르게 된다.

일본 특개소63-315530호(이하, 530'호 특허로 약칭한다)는 석영관의 내벽에 SiO₂를 포함하는 금속산화물 미립자를 퇴적시켜 다공질상의 퇴적층을 형성하는 공정과, 그 다공질 퇴적층을 갖는 석영관내에 탈수제를 흘려 그 다공질 퇴적층을 탈수하는 공정과, 그 석영관내에 탈수제를 흘려 보내면서 상기 다공질 퇴적층을 투명 유리화하는 공정과, 그 석영관내에 탈수제를 충진한 상태에서 응축하는 공정으로 이루어지는 광파이버 모재의 제조방법을 제안한다.

상기 530'호 특허는 석영관내에 클래드층과 코어층이 모두 퇴적된 후에 탈수공정을 수행하기 때문에 증착층(특히, 코어층)이 두꺼울 경우 증착층 내에 존재하는 모든 수산기(OH)를 완벽하게 제거하기가 곤란하다.

즉, 상기 530'호의 방법은 모재의 크기가 대형화되고, 1385nm에서의 최저 흡수손실을 요구하는 현재의 광통신 시스템(특히, CWDM)에 적합한 광섬유를 제조하기에는 부적합하다.

또한, 종래의 탈수 공정의 경우 코어층내에 존재하는 수산기를 제거하기 위해 노력하였다. 그러나, 광은 코어층 뿐만 아니라 클래드층의 일부분을 거치면서 통과한다. 따라서, 수산기로 인한 흡수 손실을 최소로 감소시키기 위해서는 MFD(모드필드경)내의 영역을 탈수시킬 필요가 있다.

본 발명자들은 상기 530'호 특허와 같은 방법으로 수정화학기상증착공정을 이용하여 광섬유 모재를 제조할 때에, 증착된 클래드층 또는 코어층이 두꺼울 경우 증착층 내부까지 탈수반응이 충분하게 이루어지지 않기 때문에 코어층내에 존재하는 수산기(OH)의 제거 효율이 떨어지는 문제점을 해결하기 위하여, 석영 튜브 내부에 코어층(또는 클래드층)을 적어도 한 층 이상으로 증착하고, 이 복수개의 개별 코어층(또는 클래드층) 각각을 증착할 때 마다 탈수공정을 개별적으로 수행할 경우 코어층의 수산기(OH)를 실질적으로 완전히 제거할 수 있음을 알게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 수정화학기상증착공정을 이용한 광섬유 모재의 제조방법에 있어서, 석영 튜브 내부의 증착층 두께와 상관없이 코어층/클래드층 내부에 존재하는 수산기(OH)를 실질적으로 제거할 수 있는 광섬유 모재의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 광이 실질적으로 통과하는 모드필드경(MFD)내의 영역을 탈수하는 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 모드필드경(MFD) 영역에 존재하는 수산기(OH)가 제거된 광섬유를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1 양태는 수정화학기상증착법(MCVD)을 이용하여 광섬유의 MFD 영역에 대응하는 모재의 대응 MFD 영역에 존재하는 수산기(OH)가 제거된 광섬유 모재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

보다 상세하게, 본 발명에 따른 광섬유 모재의 제조 방법은

(1) 석영 튜브의 내벽에 SiO₂ 및 GeO₂를 포함하는 수트를 증착시키고, 수트가 증착된 석영 튜브를 고온으로 가열하여 적어도 한 층 이상의 베이스 클래드층을 형성하는 단계와;

(2) 수트 형성가스를 캐리어 가스와 함께 도입하면서 상기 석영 튜브 내의 온도를 1000℃ ~ 1400℃ 가 되도록 가열하여 SiO₂ 및 GeO₂를 포함하는 수트를 생성하고, 이 수트를 상기 베이스 클래드층 위에 퇴적시키는 퇴적공정과, 상기 석영 튜브 내에 탈수 반응가스를 도입하면서 석영 튜브 내의 온도를 600℃ ~ 1200℃ 의 온도로 가열하여 상기 수트와 튜브의 수산기(OH)와 수분을 제거하는 탈수공정과, 상기 수트가 증착되어 있는 석영 튜브 내의 온도를 1700℃ 이상의 고온으로 가열하여 상기 수트를 소결 및 유리화시키는 소결공정을 적어도 1회 이상 반복 수행행하는 것에 의해 상기 베이스 클래드층과 실질적으로 동일한 굴절율을 갖는 적어도 한 층 이상의 탈수 클래드층을 형성하는 단계와;

(3) 수트 형성가스를 캐리어 가스와 함께 도입하면서 상기 석영 튜브 내의 온도를 1000℃ ~ 1400℃ 가 되도록 가열하여 수트를 생성하고, 이 수트를 상기 탈수 클래드층 위에 퇴적시키는 퇴적공정과, 상기 석영 튜브 내에 탈수 반응가스를 도입하면서 석영 튜브 내의 온도를 600℃ ~ 1200℃ 의 온도로 가열하여 수트와 튜브의 수산기(OH)와 수분을 제거하는 탈수공정과, 상기 수트가 증착되어 있는 석영 튜브 내의 온도를 1700℃ 이상의 고온으로 가열하여 상기 수트를 소결 및 유리화시키는 소결공정을 적어도 1회 이상 반복 수행하는 것에 의해 상기 클래드층 위에 상 대적으로 굴절율이 높은 적어도 한 층 이상의 코어층을 형성하는 단계를 포함한다.

이때, 상기 탈수 클래드층 및 상기 코어층으로 이루어지는 탈수 영역이 광섬유의 MFD 영역에 대응하는 모재의 대응 MFD 영역을 포함하는 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는 탈수 영역이 실질적으로 모재의 대응 MFD 영역인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 제 2 양태는 상기 제 1 양태에 의해 제조된 광섬유 모재를 응축하여 모재봉을 형성하고, 이 모재봉을 인선하여 제조하는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 제 3 양태는 광전도를 위해 중심축에 위치되는 코어부, 이 코어부를 순차적으로 피복하는 탈수 클래딩부 및 베이스 클래딩부를 구비하고, 상기 탈수 클래딩부 및 베이스 클래딩부는 그 굴절율이 실질적으로 동일하고, 상기 코어부의 굴절률은 상기 탈수 클래딩부 및 베이스 클래딩부의 굴절률 보다 크며; 상기 탈수 클래딩부의 수산기 농도가 상기 베이스 클래딩부의 수산기 농도 보다 상대적으로 낮고; 상기 코어부 및 상기 탈수 클래딩부로 이루어지는 영역이 광섬유의 MFD(Mode Field Diameter)영역을 포함하고; 상기 광섬유의 MFD영역에서의 수산기(OH) 농도가 0.8ppb 이하인 것을 특징으로 하는 단일모드 광섬유에 관한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙 에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

단일 모드 광섬유에 있어서, 빛은 코어부 뿐만 아니라 클래드부의 일부분을 통과하면서 전파된다. 이와 같이, 빛이 실질적으로 전파되는 영역을 모드필드경(MFD) 영역이라 한다.

아래의 표 1에는 다수 광섬유 제조사에서 생산되는 광섬유의 코어와 MFD간의 상관관계를 나타내고 있다.

	O사	C사	S사	L사
MFD(1310nm)(㎛)	9.2±0.4	9.2±0.4	9.2±0.4	9.2±0.4
코어 직경(㎛)	8.3	8.2	8.8	8.7
차이(㎛)	0.9	1.0	0.4	0.5

상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 빛은 코어 영역으로부터 대략 0.4㎛ ~ 1.0㎛ 정도 벗어난 클래드 영역의 일부분도 통과하게 된다. 따라서, 1385nm에서 수산기로 인한 흡수 손실을 최소화 하기 위해서는 코어 영역 뿐만 아니라 MFD에 대응하는 클래드 영역의 일부분에 대해서도 수산기의 제거가 이루어져야 함을 알 수 있다.

도 4a는 코어부만을 탈수한 종래의 광섬유를 도시하고 있고, 도 4b는 MFD 영역에 대응하는 코어부와 클래드 영역을 모두 탈수한 본 발명의 광섬유를 도시하고 있다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 빛은 코어부(5) 뿐만 아니라 MFD 영역에 대응하는 클래드부(6)의 일부 영역(11)도 통과한다. 이때, 코어부(5)만을 탈수할 경우, 빛은 상기 클래드부의 일부 영역(11)을 통과하면서 그 영역에 존재하는 수산기(OH)로 인해 감쇠될 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 광섬유는 MFD 내부 영역의 수산기 농도가 MFD 외부 영역의 수산기 농도 보다 낮다. 즉, MFD 영역에서의 수산기(OH) 농도가 0.8ppb 이하인 것을 특징으로 한다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유의 탈수 영역(12)은 코어부(5)와 클래드부(6)의 일부 영역(11)을 포함한다.

이하에서는, 상술한 구성의 광섬유와 이 광섬유를 제조하기 위한 광섬유 모재의 제조 방법을 도면을 참조하여 살펴본다.

본 발명에 따른 광섬유 모재의 제조방법은 크게 클래드층 형성단계와 코어층 형성단계로 이루어진다.

상기 클래드층 형성단계는 다시 베이스 클래드층 형성단계와, 탈수 클래드층의 형성단계로 이루어지고, 상기 코어층 형성단계는 다시 수트 퇴적공정, 탈수공정, 소결 및 유리화 공정으로 이루어진다.

이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 방법을 구체적으로 설명한다.

1. 클래드층 형성단계

이하에서는 도 5a 내지 도 5e를 참조하여 본 발명에 따른 클래드층 형성단계 를 상세히 설명한다.

(1) 베이스(base) 클래드층의 형성(도 5a 참조)

수산기(OH)의 농도가 500ppm 미만인 석영 튜브(10)를 회전시키면서 튜브 내부로 수트 형성가스(SiCl₄, GeCl_4,POCl₃)와 산소가스의 혼합가스를 불어 넣으면서 열원(20)을 이용하여 석영 튜브 내의 온도를 1700℃ 이상으로 가열한다.

도 5a의 화살표 방향으로 도입된 수트 형성가스는 석영튜브의 표면으로부터 전도된 열에 의해 산화반응하면서 수트(30a)를 생성하고, 이 수트(30a)는 튜브내에서 상대적으로 저온 영역으로 이동하여 열영동 현상에 의해 튜브의 내벽에 퇴적된다.

이와같이, 그 내벽에 적어도 한 층 이상의 클래드 수트 입자(30a)가 퇴적된 석영 튜브(10)는 도면에 도시된 바와같이, 퇴적 공정이 끝난 후 열원(20)을 도 5a의 화살표 방향으로 이동시킴으로써 튜브 내벽에 퇴적되어 있는 수트(30a)를 소결 및 유리화시켜 소결층(30b)을 형성시킨다.

이와 같은 퇴적, 소결 공정을 수행하면 한층의 클래드층이 형성되며, 이 과정은 클래드층이 원하는 두께가 될 때까지 지속적으로 반복된다.

이때, 석영 튜브(10)의 회전속도는 20rpm ~ 100rpm인 것이 바람직하다. 만약, 석영 튜브의 회전속도가 20rpm 이하이면 균일한 두께로 퇴적이 이루어지지 않는 문제가 발생하고, 100rpm 이상이면 수트 입자의 퇴적이 저하되는 현상이 발생한다.

이때, 상기 열원(20)은 500mm/min 이하의 이송 속도로 석영 튜브의 길이 방향(도 5a의 화살표 참조)을 따라 움직이는 것이 바람직하다. 만약, 열원(20)의 이송속도가 500mm/min 이상이 되면, 튜브 내벽에 증착되어 있는 입자들의 유리화가 불규칙하게 진행되어 증착된 면에 왜곡이 발생한다.

(2) 탈수 클래드층의 형성(도 5b 내지 도 5e 참조)

베이스 클래드층(31)이 형성되어 있는 석영 튜브(10)의 내부에 수트 형성가스(SiCl₄, GeCl_4,POCl₃)와 산소가스의 혼합가스를 불어 넣으면서 열원(20)을 이용하여 석영 튜브 내의 온도가 1000℃ ~ 1400℃ 가 되도록 가열한다.

이때, 상기 열원(20)은 500mm/min 이하의 이송 속도로 석영 튜브(10)의 길이 방향(도 5b의 화살표 참조)을 따라 움직이는 것이 바람직하다. 만약, 열원(20)의 이송속도가 500mm/min 이상이 되면, 튜브 내부로 주입된 산소가스와 수트 형성가스가 충분하게 반응을 하지 못하기 때문에 증착층을 형성할 SiO₂및 GeO₂를 충분하게 생성하지 못한다.

도 5b의 화살표 방향으로 도입된 수트 형성가스는 석영 튜브(10)의 표면으로부터 전도된 열에 의해 산화반응하면서 수트(32a)를 생성하고, 이 수트(32a)는 튜브내에서 상대적으로 저온 영역으로 이동하여 열영동 현상에 의해 베이스 클래드층(31) 위에 퇴적된다.

이때, 석영 튜브(10)의 회전속도는 20rpm ~ 100rpm인 것이 바람직하다. 만약, 석영 튜브의 회전속도가 20rpm 이하이면 균일한 두께로 퇴적이 이루어지지 않 는 문제가 발생하고, 100rpm 이상이면 수트 입자의 퇴적이 저하되는 현상이 발생한다.

이와같이, 그 내벽에 탈수 클래드층(30a)을 형성하기 위한 수트(32a)가 퇴적되어 있는 석영 튜브(10)는 도 5c와 같이 탈수공정을 거치게 된다.

수트(32a)가 퇴적되어 있는 석영 튜브(10) 내부로 헬륨(He), 염소(Cl₂), 산소(O₂)를 포함하는 탈수 반응가스를 투입하면서 탈수 반응가스가 투입되는 방향을 따라 열원(20)을 이동시키면서 튜브(10)를 가열한다. 이때, 튜브 내의 온도는 600℃ ~ 1200℃를 유지하는 것이 바람직하다.

만약, 튜브(10) 내의 온도가 1200℃ 이상이 되면, 수트들이 넥(neck)을 형성하면서 입자수가 줄어들게 되어 입자경은 증가하게 되고, 기공들은 사라지게 된다. 즉, 기공안에 존재하는 수산기(OH)들이 확산되는 속도 보다 수트가 성장하는 속도가 더 빨라지게 되어 수산기(OH)가 수트(32a) 사이에서 미처 확산되지 못해 내부에 포획된다.

따라서, 수트(32a), 베이스 클래드층(31) 또는 석영 튜브(10) 내부에 포함되어 있는 수산기(OH)나 수분을 효율적으로 증발시키면서 수산기(OH)가 내부에 포획되는 현상을 방지하기 위해서 탈수 반응 온도는 600℃ ~ 1200℃ 를 유지하는 것이 좋다.

또한, 상기 열원(20)은 500mm/min 이하의 이송 속도로 석영 튜브의 길이 방향(도 5c의 화살표 참조)을 따라 움직이는 것이 바람직하다. 만약, 열원(20)의 이 송속도가 500mm/min 이상이 되면, 튜브 내부로 주입된 탈수 반응가스와 수분 또는 수산기(OH)가 충분하게 반응을 하지 못하기 때문에 수트 퇴적층(32a) 또는 튜브(10) 내부에 존재하는 수분이나 수산기(OH)를 충분하게 제거할 수 없다.

탈수 반응가스(특히, 염소)와 수트 퇴적층(32a) 또는 튜브(10) 내부에 존재하는 수분 또는 수산기(OH)가 서로 반응하여 탈수반응을 일으키는 메카니즘은 아래의 반응식과 같다.

4Si-OH + 2Cl₂⇔ 2SiOSi + 4HCl + O₂

Si-OH-Cl₂ ⇔ Si-O-Si + HCl

2H₂O + Cl₂ ⇔ 2HCl + O₂

탈수공정을 거친 석영 튜브(10)는 도 5d와 같은 소결 및 유리화 공정을 거치는 것에 의해 베이스 클래드층(31)위에 탈수 클래드층(32b)을 형성할 수 있다.

즉, 탈수 공정이 끝난 후 튜브(10) 내의 온도가 1700℃ 이상이 되도록 열원(20)을 유지한 상태에서 열원(20)을 도 5d의 화살표 방향으로 이동시킴으로써 베이스 클래드층(31) 위에 퇴적되어 있는 수트(32a)를 소결 및 유리화시켜 소결층(32b)을 형성시킨다.

이때, 상기 열원(20)은 500mm/min 이하의 이송 속도로 석영 튜브(10)의 길이 방향(도 5d의 화살표 참조)을 따라 움직이는 것이 바람직하다. 만약, 열원(20)의 이송속도가 500mm/min 이상이 되면, 튜브 내벽에 퇴적되어 있는 입자들의 유리화가 불규칙하게 진행되어 증착된 면에 왜곡이 발생한다.

또한, 도 5d의 소결공정을 진행함에 있어서, 튜브 내부로 헬륨(He), 염소(Cl₂), 산소(O₂)를 포함하는 탈수 반응가스를 투입하여 미 반응된 상태로 남아 있는 여분의 수산기(OH)나 수분을 추가로 제거하는 것도 가능하다.

이와 같이, 도 5b 내지 도 5d의 공정을 적어도 1회 이상 반복 수행하는 것에 베이스 클래드층(31) 위에 적어도 한 층 이상의 탈수 클래드층을 형성하는 것이 가능해진다. 즉, 도 5e와 같이 석영 튜브(10)내에는 탈수 공정을 거치지 않은 클래드층(30) 위에 탈수 공정을 통해 수산기 농도가 0.8ppb 이하로 조절된 탈수 클래드층(30a)을 형성할 수 있다. 도 5e의 탈수 클래드층(30a)은 광섬유로 제조되었을때, MFD 영역(모드필드경 영역)에 대응되는 클래드부의 영역이 된다.

이하에서, 광섬유의 MFD 영역에 대응하는 해당 광섬유 모재의 영역을 "대응 MFD 영역"이라 정의한다. 이 대응 MFD 영역의 반경은 아래의 수학식 1에 의해 계산된다.

R₂ = (R₃ × r₂)/r₃

(여기서, R₂: 광섬유 모재의 대응 MFD 영역의 반경, r₂: MFD/2, R₃는 광섬유 모재의 외부 반경, r₃ : 광섬유의 외부 반경)

따라서, 제조할 광섬유의 코어층 반경과 클래드층의 반경 및 MFD가 설계되면,이 광섬유를 제조하기 위한 모재의 대응 MFD 영역의 반경도 상기 수학식 1에 의해 계산할 수 있다. 이렇게 대응 MFD 영역의 반경이 결정됨에 따라 상기 베이스 클 래드층과 탈수 클래드층의 두께를 디자인하는 것이 가능해진다.

2. 코어층 형성단계

이하에서는 도 6a 내지 도 6f를 참조하여 본 발명에 따른 코어층 형성단계를 상세히 설명한다.

(1) 베이스(base) 코어층의 형성

클래드층(30)이 형성되어 있는 석영 튜브(10)의 내부에 수트 형성가스(SiCl₄, GeCl₄)와 산소가스의 혼합가스를 불어 넣으면서 열원(20)을 이용하여 석영 튜브 내의 온도가 1000℃ ~ 1400℃ 가 되도록 가열한다.

이때, 상기 열원(20)은 500mm/min 이하의 이송 속도로 석영 튜브(10)의 길이 방향(도 6a의 화살표 참조)을 따라 움직이는 것이 바람직하다. 만약, 열원(20)의 이송속도가 500mm/min 이상이 되면, 튜브 내부로 주입된 산소가스와 수트 형성가스가 충분하게 반응을 하지 못하기 때문에 증착층을 형성할 SiO₂및 GeO₂를 충분하게 생성하지 못한다.

도 6a의 화살표 방향으로 도입된 수트 형성가스는 석영 튜브(10)의 표면으로부터 전도된 열에 의해 산화반응하면서 수트(41a)를 생성하고, 이 수트(41a)는 튜브내에서 상대적으로 저온 영역으로 이동하여 열영동 현상에 의해 클래드층(30) 위에 퇴적된다.

이와같이, 그 내벽에 베이스 코어층(41)을 형성하기 위한 수트(41a)가 퇴적되어 있는 석영 튜브(10)는 도 6b와 같이 탈수공정을 거치게 된다.

수트(41a)가 퇴적되어 있는 석영 튜브(10) 내부로 헬륨(He), 염소(Cl₂), 산소(O₂)를 포함하는 탈수 반응가스를 투입하면서 탈수 반응가스가 투입되는 방향을 따라 열원(20)을 이동시키면서 튜브(10)를 가열한다. 이때, 튜브 내의 온도는 600℃ ~ 1200℃를 유지하는 것이 바람직하다.

만약, 튜브(10) 내의 온도가 1200℃ 이상이 되면, 수트들이 넥(neck)을 형성하면서 입자수가 줄어들게 되어 입자경은 증가하게 되고, 기공들은 사라지게 된다. 즉, 기공안에 존재하는 수산기(OH)들이 확산되는 속도 보다 수트가 성장하는 속도가 더 빨라지게 되어 수산기(OH)가 수트(41a) 사이에서 미처 확산되지 못해 내부에 포획된다.

따라서, 수트(41a), 클래드층(30) 또는 석영 튜브(10) 내부에 포함되어 있는 수산기(OH)나 수분을 효율적으로 증발시키면서 수산기(OH)가 내부에 포획되는 현상을 방지하기 위해서 탈수 반응 온도는 600℃ ~ 1200℃ 를 유지하는 것이 좋다.

또한, 상기 열원(20)은 500mm/min 이하의 이송 속도로 석영 튜브의 길이 방향(도 6b의 화살표 참조)을 따라 움직이는 것이 바람직하다. 만약, 열원(20)의 이송속도가 500mm/min 이상이 되면, 튜브 내부로 주입된 탈수 반응가스와 수분 또는 수산기(OH)가 충분하게 반응을 하지 못하기 때문에 수트 퇴적층(41a) 또는 튜브(10) 내부에 존재하는 수분이나 수산기(OH)를 충분하게 제거할 수 없다.

탈수 반응가스(특히, 염소)와 수트 퇴적층(41a) 또는 튜브(10) 내부에 존재하는 수분 또는 수산기(OH)가 서로 반응하여 탈수반응을 일으키는 메카니즘은 아래의 반응식과 같다.

4Si-OH + 2Cl₂⇔ 2SiOSi + 4HCl + O₂

Si-OH-Cl₂ ⇔ Si-O-Si + HCl

2H₂O + Cl₂ ⇔ 2HCl + O₂

탈수공정을 거친 석영 튜브(10)는 도 6c와 같은 소결 및 유리화 공정을 거치는 것에 의해 그 내부에 클래드층(30)과 베이스 코어층(base core layer)(41)이 형성되어 있는 중공 모재(hollow preform)로 제조된다.

즉, 탈수 공정이 끝난 후 튜브(10) 내의 온도가 1700℃ 이상이 되도록 열원(20)을 유지한 상태에서 열원(20)을 도 6c의 화살표 방향으로 이동시킴으로써 클래드층(30) 위에 퇴적되어 있는 수트(41a)를 소결 및 유리화시켜 소결층(41b)을 형성시킨다.

이때, 상기 열원(20)은 500mm/min 이하의 이송 속도로 석영 튜브(10)의 길이 방향(도 6c의 화살표 참조)을 따라 움직이는 것이 바람직하다. 만약, 열원(20)의 이송속도가 500mm/min 이상이 되면, 튜브 내벽에 퇴적되어 있는 입자들의 유리화가 불규칙하게 진행되어 증착된 면에 왜곡이 발생한다.

또한, 도 6c의 소결공정을 진행함에 있어서, 튜브 내부로 헬륨(He), 염소(Cl₂), 산소(O₂)를 포함하는 탈수 반응가스를 투입하여 미 반응된 상태로 남아 있는 여분의 수산기(OH)나 수분을 추가로 제거하는 것도 가능하다.

(2) 추가 코어층의 형성

도 6a 내지 도 6c에 도시된 공정을 순차적으로 진행하는 것에 의해 석영 튜브의 내벽에 베이스 코어층(41)이 형성된 상태에서 도 6d 내지 도 6f의 공정을 수차에 걸쳐 반복 수행함으로써 베이스 코어층(41) 위에 적어도 하나 이상의 추가 코어층(42)을 형성시킬 수 있다.

이러한 추가 코어층(42)은 베이스 코어층(41) 위에 단일한 층으로 형성할 수 있지만, 적어도 하나 이상의 복수층으로 구성하는 것이 바람직하다.

이 추가 코어층 역시 상기 베이스 코어층(41)의 형성과정과 마찬가지로 퇴적 공정(도 6d 참조), 탈수 공정(도 6e 참조), 소결 및 유리화 공정(도 6f 참조)을 반복 수행함으로써 형성된다.

이와같이, 클래드층 형성공정(베이스 클래드층과 탈수 클래드층의 형성)과 코어층 형성공정(퇴적→탈수→소결공정의 수회 반복)을 수행하는 것에 의해 도 7과 같이 석영 튜브의 내벽(10)에 클래드층(30)과 코어층(40)이 증착되어 있는 중공 모재(hollow preform)를 형성할 수 있다.

이때, 상기 클래드층의 일부분에 해당하는 탈수 클래드층 및 코어층은 퇴적→탈수→소결공정을 통해 수산기(OH)의 농도가 0.8ppb 이하로 억제되어 있다.

이렇게 제조된 중공 모재는 공지된 응축(collapsing)공정에 의해 광섬유 모재봉으로 형성된다.

상기 클래드층 형성 공정, 코어층 형성 공정 및 응축 공정은 동일한 장비와 동일한 열원을 이용하여 이루어지는 연속 공정이다.

본 발명에서 클래드층 형성 공정, 코어층 형성 공정 및 응축 공정에서 사용되는 열원(20)의 형태는 다양하게 변형될 수 있으며, 예를들어, 산소-수소 버너, 플라즈마 토치, 전기저항로 등 다양한 가열 수단이 채용될 수 있다.

튜브 내부에 포함된 수산기(OH)와 수소/산소 가스 버너에 의해 튜브에 침투된 수산기(OH)가 확산에 의해 코어층까지 침투할 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 클래드층 및 코어층 증착시 클래드 층을 두껍게 증착하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 응축 공정후 클래드층 대 코어층의 외경비가 2.0 이상, 광섬유 모재의 최종 외경 대 코어층의 외경비가 3.0 이상이 되도록 증착시키는 것이 바람직하다.

이때, 코어층의 두께는 6.0mm 이상, 클래드층의 두께는 12.0mm 이상, 광섬유 모재의 최종 외경은 20.0mm 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에 의해 제조된 광섬유 모재로부터 통상의 인선(drawing)공정에 의해 광섬유를 인선할 수 있다.

이렇게 인선된 광섬유는 도 4b와 같은 구조를 갖게 되는데, MFD(여기서, MFD: Mode Field Diameter) 영역에서의 수산기(OH) 농도가 0.8ppb 이하로 조절되어 있다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 광섬유의 광손실이 도 8에 나타나 있다.

도 8은 광섬유 코어에서 발생하는 1100nm 에서 1700nm 영역의 광손실을 나타낸 것으로서, 점선으로 이루어져 있는 것은 현재 사용중인 종래의 광섬유를 나타내며, 실선으로 이루어져 있는 것은 본 발명에 따라 개선된 방법으로 제조된 광섬유의 광손실을 도시한 것이다.

도 8을 통해 알 수 있는 바와같이, 본 발명의 방법에 의해 제조된 광섬유의 경우 1385nm 파장대에서 OH-기에 의한 광손실이 0.33dB/Km 이하로 현저하게 감소되었고, 1310nm와 1550nm 대역의 산란에 의한 광손실도 각각 0.34dB/Km, 0.20dB/Km 이하로 기존 단일모드 광섬유와 대비하여 향상되었음을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명의 방법에 따라 제조된 광섬유는 모드필드경(MFD) 영역(코어부 및 클래드부의 일부)의 수소 이온 농도가 0.8ppb 이하이다.

따라서, 이 광섬유는 실질적으로 빛이 지나가는 모드필드경(MFD) 영역에서 탈수됨으로써, 코어만을 탈수시킨 광섬유보다 1340 ~ 1460nm 파장대의 손실특성이 더욱 향상된다.

Claims

수정화학기상증착법(MCVD)을 이용하여 광섬유 모재를 제조하는 방법으로서,

상기 광섬유 모재의 제조 방법은

(1) 석영 튜브의 내벽에 SiO₂ 및 GeO₂를 포함하는 수트를 증착시키고, 수트가 증착된 석영 튜브를 고온으로 가열하여 적어도 한 층 이상의 베이스 클래드층을 형성하는 단계와;

(2) 수트 형성가스를 캐리어 가스와 함께 도입하면서 상기 석영 튜브 내의 온도를 1000℃ ~ 1400℃ 가 되도록 가열하여 SiO₂ 및 GeO₂를 포함하는 수트를 생성하고, 이 수트를 상기 베이스 클래드층 위에 퇴적시키는 퇴적공정과, 상기 석영 튜브 내에 탈수 반응가스를 도입하면서 석영 튜브 내의 온도를 600℃ ~ 1200℃ 의 온도로 가열하여 상기 수트와 튜브의 수산기(OH)와 수분을 제거하는 탈수공정과, 상기 수트가 증착되어 있는 석영 튜브 내의 온도를 1700℃ 이상의 고온으로 가열하여 상기 수트를 소결 및 유리화시키는 소결공정을 적어도 1회 이상 반복 수행하는 것에 의해 상기 베이스 클래드층과 동일한 굴절율을 갖는 적어도 한 층 이상의 탈수 클래드층을 형성하는 단계와;

(3) 수트 형성가스를 캐리어 가스와 함께 도입하면서 상기 석영 튜브 내의 온도를 1000℃ ~ 1400℃ 가 되도록 가열하여 수트를 생성하고, 이 수트를 상기 탈수 클래드층 위에 퇴적시키는 퇴적공정과, 상기 석영 튜브 내에 탈수 반응가스를 도입하면서 석영 튜브 내의 온도를 600℃ ~ 1200℃ 의 온도로 가열하여 수트와 튜브의 수산기(OH)와 수분을 제거하는 탈수공정과, 상기 수트가 증착되어 있는 석영 튜브 내의 온도를 1700℃ 이상의 고온으로 가열하여 상기 수트를 소결 및 유리화시키는 소결공정을 적어도 1회 이상 반복 수행하는 것에 의해 상기 클래드층 위에 상대적으로 굴절율이 높은 적어도 한 층 이상의 코어층을 형성하는 단계를 포함하고;

상기 탈수 클래드층 및 상기 코어층으로 이루어지는 탈수 영역이 광섬유의 MFD 영역에 대응하는 모재의 대응 MFD 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 수트 형성가스가 SiCl₄ 또는 GeCl₄인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 퇴적공정, 탈수공정 및 소결공정은 이동하는 열원에 석영 튜브를 노출시킨 상태에서 연속적인 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
제 4 항에 있어서,

상기 열원이 산소-수소 버너, 플라즈마 토치 및 전기저항로로 구성되는 그룹으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 소결 공정을 수행할 때 석영 튜브의 내부로 탈수 반응가스를 도입하여 잔여 수분과 수산기(OH)를 추가로 제거하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 탈수 반응가스가 헬륨(He), 염소(Cl₂), 산소(O₂)중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 캐리어 가스가 산소인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 탈수 클래드층 및 상기 코어층으로 이루어지는 탈수 영역이 광섬유의 MFD 영역에 대응하는 모재의 대응 MFD 영역과 동일한 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
상기 청구항 1에 의해 제조된 광섬유 모재를 응축하여 모재봉을 형성하고, 이 모재봉을 인선하여 제조하는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
제 10 항에 있어서,

상기 광섬유의 MFD영역에서의 수산기(OH) 농도가 0.8ppb이하인 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
광전도를 위해 중심축에 위치되는 코어부, 이 코어부를 순차적으로 피복하는 탈수 클래딩부 및 베이스 클래딩부를 구비하고,

상기 탈수 클래딩부 및 베이스 클래딩부는 그 굴절율이 서로 동일하고, 상기 코어부의 굴절률은 상기 탈수 클래딩부 및 베이스 클래딩부의 굴절률 보다 크며;

상기 탈수 클래딩부의 수산기 농도가 상기 베이스 클래딩부의 수산기 농도 보다 상대적으로 낮고;

상기 코어부 및 상기 탈수 클래딩부로 이루어지는 영역이 광섬유의 MFD(Mode Field Diameter)영역을 포함하고;

상기 코어부 및 상기 탈수 클래딩부로 이루어지는 영역에서의 수산기(OH) 농도가 0.8ppb 이하인 것을 특징으로 하는 단일모드 광섬유.
제 12 항에 있어서,

상기 코어부 및 상기 탈수 클래딩부로 이루어지는 영역이 광섬유의 MFD 영역과 동일한 것을 특징으로 하는 단일모드 광섬유.