KR20010031525A - Apparatus and method for drawing waveguide fibers - Google Patents
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Abstract
용융로(12)는 실리콘 카바이드로 코팅된 머플관(22)을 갖는다. 상기 로는 관상이다. 상기 로를 이용하여 섬유(36)를 제조하게 된다.The melting furnace 12 has a muffle tube 22 coated with silicon carbide. The furnace is tubular. The furnace 36 is used to produce the fiber 36.
Description
실리카 함유량이 높은 섬유 모재 또는 블랭크로부터 고강도 저손실 섬유를 인발하기 위해서는 비교적 고온의 열원이 필요하다. 이와 같은 섬유의 인발에 사용된 2개의 주된 열원은 지르코니아 및 그래파이트 용융로이다. 일반적으로, 섬유 인발로는 약 1900℃ 이상의 온도, 통상적으로는 약 2050℃와 같이 높은 온도에서 작동하게 된다.In order to draw a high strength low loss fiber from a fiber base material or a blank with a high silica content, a relatively high heat source is needed. Two main heat sources used to draw such fibers are zirconia and graphite melting furnaces. In general, the fiber drawer is operated at a temperature above about 1900 ° C., typically about 2050 ° C.
통상적으로, 지르코니아 유도로는 하우징을 포함하되, 하우징의 내부에는 입상 지르코니아 절연물질을 수용하는 실린더형 석영 비커에 의해 둘러싸여 중앙에 배치된 관상의 이트리아-안정화 지르코니아 서셉터(susceptor)가 구비된다. 상기 절연물질을 둘러싼 유도코일은 활성화될 때 교류 전자기장을 제공하게 된다. 상기 전자기장은 서셉터에 결합되어 서셉터의 온도를 상승시켜 고온영역을 생성하게 된다. 글라스 광섬유 모재의 말단부가 상기 고온영역으로 하강하여 당해 말단부가 용융되고, 이와 같이 용융된 말단부로부터 섬유가 인발된다.Typically, a zirconia induction furnace includes a housing, the interior of which is provided with a tubular yttria-stabilized zirconia susceptor centrally surrounded by a cylindrical quartz beaker containing granular zirconia insulating material. The induction coil surrounding the insulating material provides an alternating electromagnetic field when activated. The electromagnetic field is coupled to the susceptor to raise the temperature of the susceptor to create a high temperature region. The distal end of the glass optical fiber base material is lowered into the high temperature region so that the distal end is melted, and fibers are drawn out from the distal end.
지르코니아 유도로와 관련된 하나의 단점은 확장된 사용 및 열기계적 응력이 머플(muffle)과 서셉터에 크랙을 유발한다는 것이다. 이러한 크랙발생은 지르코니아 입자가 로의 내표면으로부터 모재 및/또는 모재로부터 인발되는 섬유로 확산되도록 함으로써 유약한 섬유 및 많은 생산손실을 가져온다.One disadvantage associated with zirconia induction furnaces is that extended use and thermomechanical stresses cause cracks in muffles and susceptors. This cracking causes the zirconia particles to diffuse from the inner surface of the furnace to the base material and / or fibers drawn from the base material, resulting in fragile fibers and many production losses.
통상적으로, 그래파이트 유도로는 크랙에 영향을 덜 받는 그래파이트 머플을 갖으나, 상기 그래파이트 머플이 높은 인발온도에서 산화되는 단점이 있다. 상기 로의 머플이 산화되는 것을 방지하기 위해 그래파이트 유도로에서의 도파관 섬유 인발은 불활성 보호 대기내에서 실시되어야만 한다고 제안되었다. 하기된 반응식에 따라, 주변 대기로부터 기체가 상기 고상 탄소 머플과 고온에서 반응할 때 산화가 발생한다.Typically, the graphite induction furnace has a graphite muffle which is less susceptible to cracking, but the graphite muffle is oxidized at a high drawing temperature. In order to prevent the furnace muffle from oxidizing, it has been proposed that waveguide fiber drawing in the graphite induction furnace must be carried out in an inert protective atmosphere. According to the reaction scheme described below, oxidation occurs when gas from the ambient atmosphere reacts with the solid carbon muffle at high temperature.
인발로에 사용되는 그래파이트급에 대하여 반응식 1을 위한 통상적 개시 온도는 약 700℃이다. 반응식 2는 900℃를 훨씬 넘게 된다. 산소 및 탄소 산화물과의 로 머플의 이와 같은 반응으로 인해, 상기 로 머플은 특히 높은 섬유 인발온도에서 소실된다.Typical graphite temperatures for Scheme 1 for the graphite grade used in the drawing furnace are about 700 ° C. Scheme 2 is well above 900 ° C. Due to this reaction of the furnace muffle with oxygen and carbon oxides, the furnace muffle is lost at particularly high fiber drawing temperatures.
상기 그래파이트 머플 물질은 탄소 바인더 매트릭스에 의해 서로 결합된 그래파이트 입자를 포함한다. 상기 바인더 물질이 그래파이트 입자보다 산화에 더 영향을 받는 것으로 여겨진다. 따라서, 상기 두 물질의 합성물이 산화 개시온도이상의 온도에서 산소에 노출되는 경우, 상기 매트릭스 바인더 물질이 우선적으로 산화된다. 유지할 바인더가 없는 상기 그래파이트 입자는 합성물 구조로부터 자유롭게 떨어져 나온다. 이와 같은 메카니즘으로 인하여, 그래파이트 입자는 인발과정중에 머플 벽체로부터 섬유 모재 및/또는 섬유로 확산된다.The graphite muffle material comprises graphite particles bonded to each other by a carbon binder matrix. It is believed that the binder material is more affected by oxidation than graphite particles. Thus, when the composite of the two materials is exposed to oxygen at temperatures above the onset of oxidation, the matrix binder material is preferentially oxidized. The graphite particles without binder to retain freely escape from the composite structure. Due to this mechanism, the graphite particles diffuse from the muffle wall into the fiber matrix and / or fibers during the drawing process.
인발과정중에 섬유로 합체되는 그래파이트 입자는 점결합으로 인한 생산손실을 야기하게 된다. 점결함은 상기 섬유를 통해 전송되는 신호에서 샤프 감쇠(sharp attenuation)가 증가할 때 나타난다. 인발로 손실로부터 그래파이트 입자로 인한 점결함 생산손실은 약 5% 이상이 될 수 있으며, 이는 수용할 수 없는 높은 손실이다. 또한, 인발과정중에 섬유에 점착된 그래파이트 입자도 섬유 파손의 원인이 된다.Graphite particles coalescing into the fiber during the drawing process cause production loss due to the point bonding. Point defects appear when sharp attenuation increases in the signal transmitted through the fiber. The point defect production loss due to graphite particles from the draw losses can be about 5% or more, which is an unacceptably high loss. In addition, graphite particles adhering to the fiber during the drawing process also cause fiber breakage.
전술한 바와 같이, 상기 그래파이트 로 머플의 산화는 불활성 보호 가스 대기에서 인발함으로써 극복될 수 있다는 것이 제안되었다. 상기 머플을 하우징 내부에 봉입하고 불활성 가스를 상기 하우징과 머플의 외벽사이로 흘려보냄으로써, 그래파이트 머플의 외표면을 절연시킬 수 있다. 그러나, 로 머플에서 산소를 모두 제거하는 것은 어려우며, 특히 도파관 섬유 모재를 장착 및 탈거하는 과정중에 상기 로 속으로 누설될 수 있는 주변 공기중의 산소에 노출된 머플의 내표면으로부터 산소를 제거하는 것은 매우 어렵다. 또한, 상기 로에서 산화제를 제거하는 것이 어렵기 때문에 상기 로에는 산소가 존재하는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 상기 머플의상부는 블랭크를 로에 장착하는 과정중에 로 머플에 남아있는 광섬유 블랭크의 산소함유 다공성 검댕부에 의한 산화에 영향을 받는다. 상기 블랭크의 다공부에 존재하는 산소는 머플을 산화시키고, 그래파이트 입자를 생성하는 것으로 여겨진다.As mentioned above, it has been proposed that the oxidation of the graphite furnace muffle can be overcome by drawing in an inert protective gas atmosphere. The outer surface of the graphite muffle can be insulated by encapsulating the muffle inside the housing and flowing an inert gas between the housing and the outer wall of the muffle. However, it is difficult to remove all of the oxygen from the furnace muffle, and in particular, removing oxygen from the inner surface of the muffle exposed to oxygen in ambient air that may leak into the furnace during the mounting and removal of the waveguide fiber substrate. Very difficult. It is also believed that oxygen is present in the furnace because it is difficult to remove the oxidant from the furnace. For example, the upper portion of the muffle is subjected to oxidation by the oxygen-containing porous soot of the optical fiber blank remaining in the furnace muffle during the process of mounting the blank in the furnace. Oxygen present in the porous portion of the blank is believed to oxidize the muffle and produce graphite particles.
이와 같은 사정을 고려하여, 그래파이트 입자를 생성하지 않으므로서 섬유의 점결함손실을 크게 줄이는 그래파이트 섬유 인발로 머플을 제공하는 것이 바람직하다.In view of such circumstances, it is desirable to provide a muffle with graphite fiber drawing, which greatly reduces the point defect loss of fibers without producing graphite particles.
본 발명은 도파관 섬유 인발방법 및 그 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 인발과정중에 발생되는 섬유에서의 점결함 손실을 크게 감소시키는 용융로에 관한 것이다.The present invention relates to a waveguide fiber drawing method and apparatus therefor. In particular, the present invention relates to a melting furnace which greatly reduces the loss of point defects in the fibers generated during the drawing process.
도 1은 본 발명의 광섬유 인발로의 실시예를 도시한 개략도이다.1 is a schematic view showing an embodiment of the optical fiber drawing furnace of the present invention.
따라서, 본 발명은 섬유 인발온도로 글라스 도파관 섬유 모재를 가열하기 위한 가열장치로서, 고순도 실리콘 카바이드 피막이 형성된 내표면을 가진 관상 그래파이트 머플을 포함하는 가열장치를 제공한다. 바람직하게, 상기 피막은 적어도 약 2mils의 두께와 10억개 당 약 900개 이하의 불순물을 포함한다.Accordingly, the present invention provides a heating apparatus for heating a glass waveguide fiber base material at a fiber drawing temperature, the apparatus including a tubular graphite muffle having an inner surface on which a high purity silicon carbide film is formed. Preferably, the coating includes a thickness of at least about 2 mils and less than about 900 impurities per billion.
다른 특징으로, 본 발명은 내표면을 가진 관상 그래파이트 머플을 포함하는 인발로에서 도파관 섬유를 제조하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 상기 그래파이트 머플의 내표면에 고순도 실리콘 카본 피막을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 로 머플 내부에 도파간 섬유 모재를 배치하는 단계, 상기 로를 섬유 인발온도로 가열하는 단계 및 상기 블랭크로부터 섬유를 인발하는 단계를 더 포함한다.In another aspect, the present invention provides a method for producing waveguide fibers in an drawing furnace comprising a tubular graphite muffle having an inner surface. The method includes providing a high purity silicon carbon film on the inner surface of the graphite muffle. The method further includes disposing a waveguide fiber base material inside the furnace muffle, heating the furnace to a fiber drawing temperature, and drawing fibers from the blank.
발명의 상세한 설명으로부터 여러가지 중요한 장점을 알 수 있을 것이다. 본 발명의 중요한 장점은 그래파이트 머플을 가진 로에서 인발되는 도파간 섬유에서 점결함 손실을 크게 줄이는 것이다. 본 발명의 다른 특징 및 장점이 하기되어 있다. 전술한 일반적인 설명 및 하기된 상세한 설명은 모두 예시적인 것이며 청구범위에 개시된 본 발명을 상세하게 설명하기 위한 것이다. 첨부도면의 여러 구성부품은 척도에 따라 도시되지 않았으며, 설명의 용이함을 위해 의도적으로 변형되었다.Many important advantages will be apparent from the description of the invention. An important advantage of the present invention is that it significantly reduces the point defects in waveguide fibers drawn in a furnace with graphite muffle. Other features and advantages of the present invention are described below. Both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and intended to explain the invention in detail as set forth in the claims. The various components in the accompanying drawings are not drawn to scale and are intentionally modified for ease of explanation.
이하, 첨부도면에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention shown in the accompanying drawings will be described in detail.
본 발명은 섬유 인발온도로 도파관 섬유를 가열하기 위한 장치를 포함한다. 본 발명의 시시예가 도 1에 도시되어 있으며, 참조번호 10으로 표시되어 있다.The present invention includes an apparatus for heating waveguide fibers to a fiber drawing temperature. An exemplary embodiment of the invention is shown in FIG. 1 and indicated by reference numeral 10.
도 1을 참조하면, 로(10)는 측부(14), 상부(16) 및 하부(18)를 가진 실린더형 하우징(12)을 포함한다. 상부(16)는 하부(18)의 개구부(24)와 수직으로 나란한 중앙 개구부(22)를 갖는다. 상기 하우징(12) 내부에는 절연물질(26)이 축방향으로 배치되며, 이는 복수의 세그먼트로 이루어질 수 있다. 관상 그래파이트 머플(28)이 상기 절연물질(26) 내부 중앙에 위치된다. 상기 머플을 하부로부터 절연하기 위하여, 상기 머플(28)과 절연물질은 섬유가 인발되면서 통과하게 되는 통공(21)을 가진 스페이서 링(20)에 의해 하부(18)로부터 분리될 수 있다. 상기 스페이서 링(20)은 실리카로 제조될 수 있다. 상기 로(10)에 열원을 제공하기 위하여, 전원(미도시)에 연결된 유도 코일(30)이 절연물질(26)을 감싸게 된다.Referring to FIG. 1, the furnace 10 includes a cylindrical housing 12 having a side portion 14, an upper portion 16, and a lower portion 18. The upper part 16 has a central opening 22 perpendicular to the opening part 24 of the lower part 18. An insulating material 26 is disposed in the housing 12 in the axial direction, and may be formed of a plurality of segments. A tubular graphite muffle 28 is located centrally in the insulating material 26. To insulate the muffle from the bottom, the muffle 28 and the insulating material may be separated from the bottom 18 by a spacer ring 20 having a through hole 21 through which fibers pass through. The spacer ring 20 may be made of silica. In order to provide a heat source to the furnace 10, an induction coil 30 connected to a power source (not shown) surrounds the insulating material 26.
수냉식인 하우징(12)은 스테인레스 스틸 또는 그 동등물로 제조될 수 있다. 바람직하게, 하우징(12)은 머플(26)의 전체 길이만큼 축방향으로 연장되어 상기 머플을 완전히 봉입하게 된다. 아르곤과 같은 불활성 기체가 하우징(12) 속으로 흘러들어가 머플(26) 외표면의 산화를 방지하게 된다.The water-cooled housing 12 may be made of stainless steel or equivalent. Preferably, the housing 12 extends axially by the entire length of the muffle 26 to completely enclose the muffle. An inert gas, such as argon, flows into the housing 12 to prevent oxidation of the outer surface of the muffle 26.
제 1 단부(34)가 상기 유도코일(30) 내부의 ″고온영역″에 위치될 때까지, 도파관 섬유 모재(32)(가상선)가 머플(26) 속으로 축방향으로 삽입된다. 상기 고온영역이 바람직하게는 1900℃ 이상인 섬유 인발온도에 도달한 후, 광섬유(36)가 상기 모재(32)의 단부(34)로부터 인발된다. 본 발명의 중요한 특징으로서, 상기 모재(32)에 이웃한 머플(28)의 내표면은 그래파이트 머플의 변질을 방지하기 위해 고순도 실리콘 카바이드 피막을 갖는다. 약 40인치 이상의 긴 머플을 코팅하기는 어렵기 때문에, 상기 그래파이트 머플(28)은 바람직하게는 적어도 2개, 더욱 바람직하게는 3개의 축상 세그먼트를 포함한다.The waveguide fiber base material 32 (virtual wire) is axially inserted into the muffle 26 until the first end 34 is located in the ″ hot area ″ within the induction coil 30. After the high temperature region reaches a fiber drawing temperature of preferably 1900 ° C. or more, the optical fiber 36 is drawn from the end 34 of the base material 32. As an important feature of the present invention, the inner surface of the muffle 28 adjacent to the base material 32 has a high purity silicon carbide film to prevent deterioration of the graphite muffle. Since it is difficult to coat a long muffle of about 40 inches or more, the graphite muffle 28 preferably comprises at least two, more preferably three axial segments.
상기 실리콘 카바이드 피막의 두께는 바람직하게는 적어도 약 2mils로서, 약 100mils 이하이다. 약 2mils 이하의 얇은 피막은 로로부터 인발되는 섬유를 그래파이트 입자가 오염시키는 것을 적절하게 방지하지 못하며, 약 100mils 이상의 두꺼운 피막은 마이크로크랙 및 열충격에 영향을 받는다. 열팽창 부정합에 따른 피막의 박리를 방지하기 위해, 상기 SiC 피막의 열팽창은 머플의 그래파이트 입자를 서로 결속시키는 카본 바인더 매트릭스 물질과 정확하게 일치하여야만 한다.The thickness of the silicon carbide coating is preferably at least about 2 mils, up to about 100 mils. Thin films of about 2 mils or less do not adequately prevent contamination of graphite particles from fibers drawn from the furnace, and thick films of about 100 mils or more are subject to microcracks and thermal shock. In order to prevent peeling of the coating due to thermal expansion mismatch, the thermal expansion of the SiC coating must exactly match the carbon binder matrix material that binds the graphite particles of the muffle to each other.
바람직하게, 상기 머플 내표면의 실리콘 카바이드 피막은 실리콘이 함유된 가스를 이용하여 화학증기적층법으로 형성된다. 이와 같은 피막은 실란과 같이 실리콘이 함유된 가스를 수소와 반응시켜 SiC를 형성함으로써 생성될 수 있으며, 여기에서 상기 실리콘과 카본은 약 1:1의 비율로 존재한다. 상기 SiC는 1000℃ 이상으로 가열된 기판의 내표면에 코팅된다. 본 발명의 로에서 인발되는 섬유의 오염을 방지하기 위해서, 인발로 머플의 내표면에는 고순도 피막이 바람직하다. 상기 실리콘 카바이드 피막에서 불순도는 바람직하게는 10억개 당 약 900 이하이며, 더욱 바람직하게는 10억개 당 약 200 이하이다.Preferably, the silicon carbide film on the inner surface of the muffle is formed by chemical vapor deposition using a gas containing silicon. Such a coating may be produced by reacting a gas containing silicon such as silane with hydrogen to form SiC, wherein the silicon and carbon are present in a ratio of about 1: 1. The SiC is coated on the inner surface of the substrate heated to at least 1000 ℃. In order to prevent contamination of the fibers drawn in the furnace of the present invention, a high purity coating is preferred for the inner surface of the drawing muffle. The impurity in the silicon carbide coating is preferably about 900 or less per billion, more preferably about 200 or less per billion.
본 발명의 다른 특징은 내표면을 가진 관상 그래파이트 머플을 포함하는 인발로에서 도파관 섬유를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 그래파이트 머플의 내표면에 고순도 실리콘 카바이드 피막을 제공하는 단계, 상기 머플 내부에 도파관 섬유 모재를 배치하는 단계, 상기 로를 인발온도로 가열하는 단계 및 상기 모재로부터 섬유를 인발하는 단계를 포함한다.Another aspect of the invention relates to a method for producing waveguide fibers in an drawing furnace comprising a tubular graphite muffle having an inner surface. The method includes providing a high purity silicon carbide film on an inner surface of a graphite muffle, disposing a waveguide fiber base material inside the muffle, heating the furnace to a draw temperature and drawing fibers from the base material. do.
상기 도파관 모재의 팁이 연화될 수 있도록 하여 상기 팁으로부터 섬유가 인발될 수 있도록 하기 위해, 상기 로는 바람직하게 적어도 약 1900℃, 더욱 바람직하게는 적어도 약 2000℃의 온도로 가열된다. 상기 고순도 실리콘 카바이드는 바람직하게 약 99.999%순도이며, 더욱 바람직하게는 10억개당 약 900 이하의 불순물을 포함한다. 높은 불순도는 상기 로에서 제조되는 섬유에 광학적 또는 기계적 결함을 유발할 수 있기 때문에, 낮은 불순도가 본 발명의 중요한 특징이 된다.The furnace is preferably heated to a temperature of at least about 1900 ° C., more preferably at least about 2000 ° C., in order to allow the tip of the waveguide base material to soften so that fibers can be drawn from the tip. The high purity silicon carbide is preferably about 99.999% pure, more preferably about 900 or less impurities per billion. Since high impurity can lead to optical or mechanical defects in the fibers produced in the furnace, low impurity is an important feature of the present invention.
본 발명의 로 및 방법을 이용하여 제조된 도파관 섬유는 매우 감소된 점결함 손실을 나타낸다. 종래의 그래파이트 머플 인발로에서 인발된 섬유는 점결함으로 인한 감쇠로부터 약 5%의 생산손실을 나타내었다. 두께가 약 5 내지 8 미크론인 실리콘 카바이드층으로 코팅된 내표면을 가진 관상 그래파이트 머플을 포함하는 본 발명의 로에서 제조된 섬유는 점결함으로 인한 감쇠로부터 약 0.8%의 생산손실을 나타낸다.Waveguide fibers made using the furnaces and methods of the present invention exhibit very reduced point defect losses. The fibers drawn in a conventional graphite muffle drawer showed a production loss of about 5% from attenuation due to caking. Fibers made in the furnace of the present invention comprising a tubular graphite muffle having an inner surface coated with a silicon carbide layer about 5 to 8 microns thick exhibit a production loss of about 0.8% from attenuation due to caking.
본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않고 본 발명의 장치 및 방법에 대한 다양한 변경과 변형이 이루어질 수 있음을 당업자는 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주내에 속하는 본 발명의 변경과 변형 및 그 동등물을 모두 포함한다.It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made to the apparatus and method of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the invention is intended to embrace all such alterations and modifications and equivalents thereof that fall within the scope of the appended claims.
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