KR100496143B1

KR100496143B1 - 수산화기 차단층을 포함하는 광섬유 모재

Info

Publication number: KR100496143B1
Application number: KR10-2002-0078122A
Authority: KR
Inventors: 김성진; 오성국
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-12-10
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2005-06-17
Also published as: US7008696B2; JP2004189596A; US20040110007A1; KR20040050319A

Abstract

본 발명에 따른 광섬유 모재는 원형 튜브 형태의 석영관과, 상기 석영관의 내주면 상에 적층되며 상기 광섬유 모재의 내부로 침투하는 수산화기를 차단하기 위한 제1 차단층과, 상기 제1 차단층의 내주면 상에 적층되며 상기 제1 차단층보다 높은 침투 계수를 갖는 제2 차단층과, 상기 제2 차단층의 내주면에 적층되며 상기 제2 차단층 보다 낮은 침투 계수를 갖는 제3 차단층과, 상기 광섬유 모재의 중심에 위치하는 코아층과, 상기 제3 차단층과 상기 코아층의 사이에 위치된 클래드층을 포함한다.

Description

수산화기 차단층을 포함하는 광섬유 모재{OPTICAL FIBER PREFORM HAVING OH BARRIER}

본 발명은 수정된 화학 기상 증착(Modified Chemical Vapor Deposition) 방법에 의하여 제작된 광섬유 모재(Preform)에 관한 것으로서, 특히 수산화기 차단층을 구비한 광섬유 모재에 관한 것이다.

광섬유 모재는 광섬유를 제작하기 위한 원자재로서, 석영관의 내부에 열 반응에 의하여 생성된 화학 반응물을 증착시키는 수정된 화학 기상 증착(Modified Chemical Vapor Deposition)방법 등이 사용되고 있다.

광섬유 모재는 굴절률이 높은 코아층과, 상기 코아층의 외주면을 둘러싸고 있는 클래드층과, 상기 광섬유 모재의 기판 역할을 하는 원형 튜브 형태의 석영관을 포함한다. 상기 코아층은 상기 클래드 층보다 높은 굴절률을 갖는다. 따라서, 상기 코아층에 입사된 광신호는 상기 클래드층과 상기 코아층 간의 경계면에서 전반사를 일으키며 광신호를 전송하게 된다.

수정된 화학 기상 증착방법은 석영관을 가열함으로써 상기 석영관 내부에 고온 상태를 형성하며, 동시에 상기 석영관의 내부에 원료 가스를 주입한다. 즉, 상기 원료 가스를 고열로 가열할 때 생성되는 반응물을 상기 석영관의 내주면에 적층하는 방법으로써, 상기 석영관에 열을 가하여 상기 원료 가스를 적층하는 증착 과정과, 상기 석영관(Quartz Reaction Tube)을 일정 연화점 이상으로 가열하여 응축시키는 응축(Collapsing) 과정과, 클로징(Closing)과정으로 구성된다. 상술한 수정된 화학 기상 증착방법은 굴절률 분포의 제어가 용이하여, 언덕형 광섬유 모재의 제작 방법으로 널리 사용되고 있다.

그러나, 수정된 화학 기상 증착방법에 의하여 제작된 광섬유 모재는 상기 석영관 자체에 수산화기(-OH)를 함유하고 있고, 광섬유 모재의 제작 과정 중에 상기 석영관을 가열하는 산소/수소 버너에 의하여 수산화기가 발생된다.

상술한 바와 같은 수산화기는 상기 석영관과, 상기 클래드와, 상기 코아간의 농도차(Concentration Gradient)로 인하여 상기 광섬유 모재의 내부로 침투하게 된다. 상기 광섬유 모재의 내부로 침투한 수산화기는 클래드층 또는 코아층의 굴절률 변화를 유발함으로써, 광신호를 교란하는 에러 요인이 된다. 그 외에도, 코아층으로 침투한 수산화기는 비가교 산소(Non-Bridging Oxygen)를 형성하고, 그로 인하여 코아층의 구조적 균일도를 저하시킴으로써 광신호 산란과 그로 인한 광신호의 교란을 유발한다.

도 1은 수산화기 차단층을 구비한 광섬유 모재의 구조와, 광섬유 모재의 굴절률 프로파일을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 상기 광섬유 모재(110)는 석영관(113)과, 클래드층(112)과, 상기 광섬유 모재(110)의 중심에 위치하는 코아층(111)과, 상기 석영관(113)과 상기 코아층(111)의 사이에 적층된 수산화기 차단층(114)을 포함한다.

상기 석영관(113)은 상기 광섬유 모재(110)의 제조시 기판 역할을 하며, 솔-젤 공법 등에 의하여 제작된다.

상기 클래드층(112)은 상기 코아층(111)의 외주면을 둘러싸고 있으며, 그 굴절률은 상기 코아층(111)의 굴절률에 비하여 낮은 굴절률 분포를 갖는다. 따라서, 상기 코아층(111)에 입사된 광신호는 상기 코아층(111)과 상기 클래드층(112) 사이의 경계면에서 전반사를 일으키며 상기 코아층(111)의 내부를 진행하게 된다.

상기 수산화기 차단층(114)은 SiO₂ 또는 SiO₂ + GeO₂등의 조성으로 구성되며, 광섬유 모재(100) 제조시 사용되는 수소/ 산소 버너의 사용으로 인하여 발생한 수산화기와, 상기 석영관(113) 자체가 함유하고 있는 수산화기가 상기 코아층(111) 및 상기 클래드층(112)에 침투하는 것을 차단한다.

상기 광섬유 모재(110)의 굴절률 프로파일(100)을 살펴보면, 상기 코아층(111)의 굴절률이 가장 높고, 상기 클래드층(112)의 굴절률이 가장 낮다. 상기 수산화기 차단층(114)의 굴절률은 상기 코아층(111)의 굴절률보다는 낮고, 상기 클래드층(112)의 굴절률보다는 높은 굴절률 분포를 갖는다. 또한, 상기 석영관(113)은 상기 수산화기 차단층(114)보다 높은 굴절률을 갖는 반면에 상기 코아층(111)의 굴절률보다는 낮은 굴절률 분포를 갖는다. 즉, 상기 석영관(113)의 굴절률을 기준으로, 상기 수산화기 차단층(114) 및 상기 클래드층(112)의 굴절률은 낮은 음의 굴절률(△N^-) 분포를 갖는다. 반면에 상기 코아층(111)은 상기 석영관(114)의 굴절률 보다 큰 양의 굴절률(△N⁺) 분포를 갖는다.

그 외에도, 석영관과 클래드층 사이와, 클래드층과 코아층의 사이에 각각 수산화기 차단층을 구비하여 상기 코아층으로의 수산화기의 침투를 방지하기 위한 광섬유 모재의 구조에 관하여 오성국 등에 의하여 특허 허여된 미국 특허 번호 6,280,850 호인 "OPTICAL FIBER PREFORM HAVING OH BARRIER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF" 에 자세히 개시되어 있다. 특히, 오성국 등의 특허는 SiO₂, GeO₂ 등의 물질을 수산화기 차단층으로 사용하였으며, 클래드층과 코아층의 사이에 적층된 차단층은 F를 도핑 하여 그 굴절률을 클래딩의 굴절률과 동일하게 조정한 광섬유 모재에 관한 것이다.

그러나, 석영관의 과도한 가열로 인한 자기 응축은 석영관의 내경을 감소시켜 그 중심에 적층 가능한 코아의 직경을 감소시키며, 이는 광섬유 모재의 유리화 진행시 열전달이 원할이 되지 않는 등의 문제가 있다. 상술한 바와 같은 석영관 내부의 직경 감소는 적층 가능한 코어층의 두께를 감소시키고, 이는 단위 모재당 인출 가능한 광섬유의 길이가 감소되는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 수산화기 차단층의 침투 계수를 조정한 다층의 수산화기 차단층을 적층함으로써, 수산화기 차단층의 두께를 감소시키고 석영관의 자기 응축을 억제하면서, 동시에 코아층에 침투하는 수산화기를 효율적으로 차단할 수 있는 광섬유 모재를 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 광섬유 모재는,원형 튜브 형태의 석영관과;상기 석영관의 내주면 상에 적층되며 상기 광섬유 모재의 내부로 침투하는 수산화기를 차단하기 위한 제1 차단층과;상기 제1 차단층의 내주면 상에 적층되며 상기 제1 차단층보다 높은 침투 계수를 갖는 제2 차단층과;상기 제2 차단층의 내주면에 적층되며 상기 제2 차단층 보다 낮은 침투 계수를 갖는 제3 차단층과;상기 광섬유 모재의 중심에 위치하는 코아층과;상기 제3 차단층과 상기 코아층의 사이에 위치된 클래드층을 포함한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 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.

수정된 화학 기상 증착방법은 석영관을 가열하여 그 내부를 고온 상태를 형성하며, 동시에 상기 석영관의 내부에 원료가스를 주입한다. 즉, 상기 원료 가스를 고열로 가열할 때 생성되는 반응물을 상기 석영관의 내주면에 적층하는 방법으로써, 상기 석영관에 열을 가하여 상기 원료 가스를 적층하는 증착 과정과, 상기 증착층이 형성된 석영관(Quartz Reaction Tube)을 일정 연화점 이상으로 가열하여 응축시키는 응축(Collapsing) 과정과, 클로징(Closing)과정으로 구성된다.

상기 증착 과정에 사용되는 원료 가스로는 실리콘 테트라 클로라이드(SCl₄), 저마늄 테트라 클로라이드(GeCl₄) 등을 사용하며, 산소(O₂)와 함께 혼합하여 상기 석영관내로 주입하게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 수산화기 차단층을 구비한 광섬유 모재의 구조와, 굴절률 프로파일을 나타낸다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유 모재(220)는 석영관(240)과, 상기 석영관(240)의 내주면에 적층된 제1 차단층(233)과, 제2 차단층(232)과, 제3 차단층(231)과, 클래드층(222)과, 코아층(221)을 포함한다.

상기 석영관(240)은 솔-젤 공법에 의하여 제작된 원형 튜브 형태를 가지며, 상기 광섬유 모재를 형성하기 위한 기판 역할을 한다.

상기 코아층(221)은 상기 광섬유 모재의 중심에 위치하며, 상기 제1 내지 제3 차단층(233,232,231)들과 상기 클래드층(222) 보다 높은 굴절률을 갖는다.

상기 클래드층(222)은 상기 코아층(221)보다 낮은 굴절률을 가지며, 상기 제3 차단층(231)과 상기 코아층(221)의 사이에 적층된다.

상기 코아층(221)의 굴절률은 상기 클래드층(222)의 굴절률에 비하여 높은 굴절률을 가진다. 즉, 상기 코아층(221)에 입사된 광신호는 상기 코아층(221)과 상기 클래드층(222)의 경계면에서 전반사 되며, 상기 코아층(221)의 내부를 진행하게 된다. 수정된 화학 기상 증착방법은 상기 석영관(240)의 내부에 주입되는 원료 가스의 조성을 변화시켜서 증착되는 층의 굴절률을 변화시킨다.

상기 제1 차단층(233)은 상기 석영관(240)의 내주면 상에 적층되며, 상기 광섬유 모재(220)의 내부로 침투되는 수산화기를 차단한다. 상기 제1 차단층(233)은 SiO₂등의 침투 계수가 낮은 물질을 사용한다. 상기 제1 차단층(233)은 상기 석영관(222)을 가열하기 위한 산소/수소 버너로부터 유입되는 수산화기와 상기 석영관(222)의 자체에 함유된 수산화기가 상기 광섬유 모재(220)의 내부로 침투하는 것을 차단한다.

상기 제2 차단층(232)은 상기 제1 및 3 차단층(233,231)보다 침투 계수가 높은 P₂O₅, B₂O₃+ SiO₂ 등의 물질을 사용하며, 상기 제1 차단층(233)의 내주면 상에 적층된다. 상기 제2 차단층(232)는 P₂O₅, B₂O₃+ SiO₂ 등의 흡습성이 큰 물질을 사용함으로써 상기 제1 차단층(233)을 투과한 수산화기를 흡수하고, 순수 SiO₂에 비하여 용융 온도가 낮은 물질들로서 증착 시간 및 증착 온도를 낮출 수 있는 이점이 있다. 상기 제2 차단층(232)은 P₂O₅와 SiO₂의 혼합 조성으로도 사용 가능하다.

즉, 상기 광섬유 모재(220)는 서로 다른 조성을 갖는 다수의 수산화기 차단층을 형성함으로써, 용융 온도가 높은 SiO₂ 의 증착 두께를 줄이고, 석영관에 가해지는 가열 시간을 단축하고, 석영관의 자체 응축 발생 및 자체 응축으로 인한 코아 직경의 축소 현상을 방지할 수 있다.

상기 제3 차단층(231)은 상기 제2 차단층(232)상에 적층되며, 상기 제2 차단층(232)보다 낮은 침투 계수를 갖는 SiO₂ 등의 물질을 적층한다. 상기 제1 차단층(233)과 상기 제3 차단층(231)은 상기 제2 차단층(232)보다 침투 계수가 낮다. 상기 제3 차단층(231)은 상기 제2 차단층(232)을 통과한 수산화기가 상기 코아층(221)으로 도달하는 것을 차단한다.

상기 광섬유 모재(220)의 굴절률 프로파일(210)을 참조하면, 상기 코아층(221)은 굴절률이 가장 크고, 상기 클래드층(222)은 상기 제1 차단층(233)과, 제2 차단층(232)과, 제3 차단층(231)들 보다 낮은 굴절률을 갖는다.

즉, 상기 석영관(240)의 굴절률을 기준으로, 상기 제1 내지 제3 수산화기 차단층(231,232,233)들과 상기 클래드층(222)의 굴절률은 낮은 음의 굴절률(△N^-) 분포를 갖는다. 반면에 상기 코아층(221)은 상기 석영관(240)의 굴절률 보다 큰 양의 굴절률(△N⁺) 분포를 갖는다.

본 발명에 따른 서로 다른 조성을 갖는 다층의 수산화기 차단층을 구비한 광섬유 모재는 서로 상이한 조성 및 침투 계수를 갖는 상이한 물질의 수산화기 차단층을 형성함으로써, 수산화기 차단층 전체의 두께는 감소시킨다. 또한, 제1 및 제3 차단층의 사이층인 제2 차단층에 흡습성이 큰 물질을 사용함으로써, 수산화기의 차단 효율이 향상되는 이점이 있다. 또한, 조성이 다른 다수의 차단층을 적층함으로써, 용융 온도가 높은 SiO₂층의 증착 두께를 줄이고, 석영관에 가해지는 가열 시간을 단축하여, 석영관의 자체 응축 발생의 위험을 감소시킨다.

본 발명에 따른 광섬유 모재는 서로 다른 조성을 갖는 다수의 수산화기 차단층을 포함함으로써, 수산화기 차단층 전체의 두께를 줄일 수 있다는 이점이 있다. 또한, SiO₂의 증착온도에 비하여 낮은 증착 온도를 갖는 물질을 조합하여 적층함으로써, 석영관에 가해지는 증착 온도와 가열 시간이 감소되는 이점이 있다. 즉, 수산화기 차단층을 적층하는데 소요되는 증착 시간과 온도를 낮춤으로써, 석영관의 수축을 방지할 수 있다. 따라서, 증착 가능한 코어의 직경이 늘어나고, 광섬유 모재의 유리화 과정이 원활하게 진행되는 이점이 있다. 또한, 수산화기 차단층의 조성 변경을 통하여, 수산화기 차단층의 두께는 줄어드는 반면, 코어 방향으로 침투하는 수산화기의 효율적인 차단이 가능한 이점이 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 굴절률 프로파일과 광섬유 모재의 구조를 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명에 의한 굴절률 프로파일과 광섬유 모재의 구조를 나타내는 단면도.

Claims

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광섬유 모재에 있어서,

원형 튜브 형태의 석영관과;

상기 석영관의 내주면 상에 적층되며 상기 광섬유 모재의 내부로 침투하는 수산화기를 차단하기 위한 제1 차단층과;

상기 제1 차단층의 내주면 상에 적층되며 상기 제1 차단층보다 높은 침투 계수를 갖는 제2 차단층과;

상기 제2 차단층의 내주면에 적층되며 상기 제2 차단층 보다 낮은 침투 계수를 갖는 제3 차단층과;

상기 광섬유 모재의 중심에 위치하는 코아층과;

상기 제3 차단층과 상기 코아층의 사이에 위치된 클래드층을 포함함을 특징으로 하는 수산화기 차단층을 포함하는 광섬유 모재.
제4 항에 있어서,

상기 제2 차단층은 P₂O₅, B₂O₃, SiO₂ 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 물질이 성장됨을 특징으로 하는 수산화기 차단층을 포함하는 광섬유 모재.