KR19990044289A - 탄탈로 도핑된 클래드를 갖는 광섬유 - Google Patents
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Abstract
향상된 광도파관 섬유(1)는 내부 클래드 영역(12)에 의해 감싸인 중심 코어(10) 영역을 포함한다. 제 2의 환상 영역(14)은 탄탈로 도핑된다. 코어(10)는 게르마늄으로 도핑된다. 제 1의 환상 영역(20)은 굴절률이 상대적으로 높은 두 개의 인접 영역들사이에 위치한다. 상기 인접하는 영역(10, 20)의 굴절률은 중심 영역(20)보다 크다.
Description
미합중국 특허 제 4,715,679호는 광대역의 파장에 걸쳐 거의 또는 완전히 분산이 없는 광섬유를 개시하고 있다. 광섬유는 외부 클래드에 의해 차례차례 감싸인 내부 클래드에 의해 감싸인 중심 코어를 갖는다. 상기 코어 및 클래드는 인접한 영역과 비교하여 감소된 굴절률을 갖는 하나 또는 그 이상의 영역을 갖는다. 상기 코어는 중심으로부터의 거리를 감소시키는 최대의 굴절률을 갖는다. 감소된 굴절률을 갖는 내부 클래드의 제 1의 환상 영역이 코어에 인접해 있다. 감소된 제 1의 환상 영역보다 큰 굴절률을 갖는 제 2의 환상 영역이 상기 감소된 영역에 인접해 있다. 상기 감소된 굴절률은 섬유의 광에너지 전파 특성을 변경시켜 도파관의 분산 및 파장 사이의 바람직한 관계를 제공한다. 따라서, 분산은 중심 코어에 인접한 내부 클래드 영역의 굴절률을 감소시키도록 조정된다. 굴절률의 감소는 불소 또는 붕소와 같은 적합한 감소성 도펀트를 첨가시킴으로써 일어나게 된다.
그러나 불소 및 붕소 도펀트로 이루어진 감소된 영역은 바람직하지 않은 한계를 갖는다. 불소로 이루어진 감소된 영역은 통상적으로는 0.3%를 갖지만 약 0.5%(델타, delta)의 최대 굴절률 감소량을 나타낸다. 불소는 부식성이고, 통상적인 외부 증기 증착(OVD, outside vapor deposition)을 위한 건조 불소의 통상적인 소스가 현재 이용되지 않기 때문에, 불소는 제조시 문제를 갖는다. 붕소는 약 1200nm이상의 파장을 갖는 광의 전파에 큰 악영향을 미친다. 상기 붕소는 일반적으로 약 1500nm에서 빛을 전송하는 단일 모드의 광섬유에는 사용할 수 없다.
또 다른 방법으로는 영역의 굴절률을 낮추는 대신에, 게르마늄으로 클래드의 굴절률을 증가시키는 방법이 제안되어 왔다. 그러나, 게르마늄은 클래드의 굴절률을 증가시키기에 적합하지 않다. 게르마늄은 건조 및 고화되는 동안 염소와 반응하여 일산화 게르마늄(germanium monooxide)을 생성한다. 일산화물은 비교적 휘발성(volatile)이어서, 염소의 건조 및 고화 단계 동안 클래드의 밖으로 이동된다. 따라서, 클래드에 게르마늄을 유지시켜 용융된 실리카와 같은 감소된 굴절률의 인접한 영역에 대해 클래드의 굴절률을 증가시키기 어렵다.
따라서, 용융된 실리카 유리에 상용성이 있고, 초기 위치로부터 이동하지 않은 도펀트를 갖는 클래드 영역의 굴절률을 증가시키고, 광섬유를 통해 전송된 파장에서 빛을 흡수하지 않는, 광섬유 구조물을 위한 충족치 못한 요구가 존재한다.
요약
본 발명자들은 코어의 인접한 감소영역 이상으로 클래드의 굴절률을 높이기 위해 탄탈(tantalum)로 클래드를 도핑함으로써 예상되지 못했던 매우 바람직한 결과를 발견하였다. 본 발명은 색분산(chromatic dispersion)을 변경시켜 굴절률만을 증가시키는 도펀트를 이용하는 광섬유에 의해 얻을 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 광섬유는 붕소 및 불소와 같은 굴절률을 낮추는 도펀트들을 필요로 하지 않기 때문에 이러한 도펀트의 원하지 않는 부작용을 제거한다.
탄탈은 여러 가지 기술적인 잇점을 갖는다. 첫째, 탄탈은 초기의 위치로부터 이동하지 않는다. 탄탈은 휘발성이 적어서 심지어 섬유가 건조 및 고화되는 동안 고온에 적용될 때도 이동하지 않는다. 이동하지 않으므로 탄탈로 도핑된 영역의 도핑 프로파일은 날카롭게 제한된다. 탄탈의 두 번째 잇점은 탄탈은 전송을 위해 선택된 파장에서 낮은 빛의 감쇠를 갖는다. 이러한 파장은 약 1300nm 내지 1550nm이다. 상기 파장에서 탄탈은 상대적으로 낮은 빛의 감쇠를 갖는다. 또한, 탄탈에 의한 레일리 스케터링(Rayleigh scattering)이 상기 파장에서 비교적으로 낮다. 세 번째 잇점은 탄탈로 도핑된 유리는 게르마늄으로 도핑된 유리보다 더 낮은 열팽창을 나타낸다는 것이다. 네 번째 잇점은 게르마늄에 의한 것보다 중량에 의해 굴절률상에 더 큰 효과를 갖는다는 것이다. 따라서, 게르마늄에 의해 생산되는 동일한 굴절을 생산하는데 더 적은 탄탈이 필요하다. 또한 감쇠도 품질과 관련이 있어서, 탄탈을 이용하는 광섬유의 감쇠는 탄탈이 적게 사용되기 때문에 더 적다. 다섯 번째 잇점은 탄탈이 화학적으로 안정하다는 것이다. 탄탈은 물과, 대부분의 산과 염기에 불용성이고, 강한 불소화 수소산에 의해서만 서서히 영향받는다. 본 발명은 단일 모드 섬유 뿐만 아니라 다중 모드 섬유, 분산 이동 섬유, 큰 효율 면적을 갖는 섬유, 조정된 선형 분산을 갖는 초장거리 섬유를 포함하는 모든 섬유에 적용될 수 있다.
광섬유의 제조방법에 있어서, 광섬유의 코어 및 클래드(내부 및 외부) 영역을 위한 물질은 최소의 빛 감쇠 특성을 갖는 유리에 의해 제조된다. 비록 광학적 특성의 유리가 사용될지라도, 용융된 실리카는 특히 적합한 유리이다. 코어 및 클래딩 유리를 위한 유리는 구조적 및 다른 실질적인 고려대상을 위한 유사한 물리적 특성을 가져야 한다. 코어 유리는 클래드 유리보다 더 높은 굴절률을 가져야 하기 때문에, 코어 유리는 클래드용으로 사용되는 유리와 동일한 형태로 제조되고, 코어의 굴절률을 극미하게 증가시키기 위해 적은 양의 물질로 도핑된다. 따라서, 코어는 게르마니아로 도핑된다. 제 1의 환상의 감소된 영역은 내부 클래드의 초기 부분에, 코어 및 내부 클래드의 인접한 부분, 또는 코어의 외부 환형내에 전체적으로 형성될 수 있다. 바람직한 구현체에서, 코어의 중심 영역은 게르마늄으로 도핑된다. 코어의 외부 환형은 도핑되지 않은채로 남는다. 도핑되지 않은 코어 환형에 인접하고 코어를 감싸는 클래드 영역은 탄탈로 도핑되어 굴절률을 증가시킨다. 탄탈로 도핑된 클래드 영역은 도핑되지 않은 코어 환형으로부터 섬유의 바깥쪽으로 펼쳐진다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 광섬유의 횡단면도이고,
도 2는 본 발명의 하나의 광섬유의 도핑 프로파일이며,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따라 제조된 다른 광섬유들의 도핑 프로파일이고,
도 5는 탄탈로 도핑된 실리카 오버클래드 섬유의 분산결과를 도시하는 그래프이며,
도 6은 탄탈 및 용융된 실리카에 대하여 파장에 대한 굴절률을 도시한 그래프이다.
상세한 설명
도 1은 본 발명에 따라 제조된 단일 모드 광섬유(1)의 횡단면도이다. 광섬유는 외부면(11)으로 한정된 중심 코어(10)를 갖는다. 내부 클래드 영역(12)은 코어(10)의 외부면(11)상에 형성된 내부면을 갖는다. 내부 클래드 영역(12)은 외부면(13)을 갖는다. 내부 클래드 영역(12)은 외부면(15)을 갖는 외부 클래드(14)에 의해 감싸진다.
코어(10)의 물질은 게르마늄으로 도핑된 용융된 실리카이다. 내부 클래드 영역(12)은 실질적으로 순수한 용융된 실리카의 적어도 하나의 환상 영역(20)을 갖는다. 점선(21)은 영역(20 및 22) 사이의 경계를 나타낸다. 탄탈 도핑은 점선(21)로부터 외부면(15)으로 펼쳐진다. 본 발명에서는 도핑되지 않은 영역(20)과 탄탈로 도핑된 영역(22)을 갖는 내부 클래드를 예시하고 있지만, 본 발명은 또한 내부 클래드(12) 전체가 도핑되지 않고, 외부 클래드(14)가 탄탈로 도핑된 섬유도 포함한다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 광섬유에 있어서의 전형적인 도핑 프로파일을 도시한 것이다. 코어 영역(10)은 게르마늄 및 탄탈의 조합 또는 게르마늄으로 도핑되어, 코어(10)의 외부면(11)에서 중심에서 최대로부터 제로(0)로 그래디언트 굴절률(gradient refractive index)을 제공한다. 실질적으로 순수한 용융된 실리카의 제 1의 환상 영역(20)이 코어(10)에 인접하게 된다. 제 2의 환상 영역(22)은 탄탈로 도핑된다. 탄탈로 도핑된 영역(22)은 코어(10)의 최대값보다 적지만 영역(20)보다 큰 굴절률을 갖는다. 이와 같이 하여, 영역(20 및 22) 사이에서 커다란 굴절률의 변화가 존재한다. 따라서, 영역(20)은 두 개의 인접한 영역(10, 22) 사이에 위치하는 감소된 환상 영역을 형성하고, 상기 두 영역들 각각은 감소된 영역(20)보다 큰 굴절률을 갖는다. 도핑되지 않은 영역 및 탄탈로 도핑된 영역 사이의 경계(21)는 내부 클래드(12)의 외부면(13)과 일치할 수도 있다.
광섬유(1)에서, 코어는 최대의 굴절률 I0 를 갖는다. 굴절률 I1 을 갖는 제 1의 환상 영역(20)이 코어에 인접하게 위치한다. 제 2의 환상 영역(22)은 제 1의 환상 영역(20)을 감싸고, 굴절률 I2 를 갖는다. 감소된 굴절률 I1 을 갖는 제 1의 환상 영역(20)은 코어(10)의 외부 환형을 따라 전체적으로 형성되는데 코어 및 내부 클래드의 환상 영역들에 인접하거나, 내부 클래드 내에 전체적으로 인접한다. 따라서, I0>I2>I1 이다.
본 발명의 특징은 가장 바깥쪽의 환형 A의 바깥쪽 모서리로부터 광섬유 B의 바깥쪽 모서리로 범위지어진 클래드 영역이다. 이 클래드 영역은 통상적으로 순수한 실리카인 적어도 하나의 내부 환형 이상으로 클래드의 굴절률을 증가시키는 탄탈 및 SiO2 를 포함한다. 또한 클래드는 증가된 응력을 위해 티타늄과 같은 다른 도펀트를 포함한다. 다른 유용한 프로파일은 도 3 및 4에 도시된다.
도 3의 섬유는 섬유의 환상부를 게르마늄으로 도핑하여 제조된 계단형 굴절률 영역(30)을 갖는다. 탄탈로 도핑된 영역(32)은 계단형 굴절률 영역(30)으로부터 섬유의 외부면으로 펼쳐진다. 도 4의 섬유는 두 개의 계단형 굴절률 영역(30, 31)을 갖는데, 각각은 게르마늄으로 섬유의 환상부를 도핑하여 형성된다. 영역(30)은 영역(31)에서 보다 더욱 두껍게 도핑된다. 탄탈로 도핑된 영역(32)은 영역(30)보다 적지만 영역(31)보다 더 큰 굴절률을 갖는다. 이는 섬유의 외부까지 확장된다.
도 5는 탄탈로 도핑된 실리카 오버클래드 섬유의 분산 결과를 나타낸다. 이러한 결과는 탄탈로 도핑된 실리카 물질 분산이 게르마늄으로 도핑된 실리카의 물질 분산과 매유 유사하다는 것을 나타낸다.
이와 같은 예상은 그후의 실험에 의해 확인되었다. 7.26중량%의 탄탈로 도핑된 실리카에서의 실험 결과는 5.9중량% GeO2및 9.26중량% GeO2로 도핑된 실리카 및 용융 실리카와 비교되었다. 도 6에 도시된 데이터는 탄탈로 도핑된 실리카가 7.5중량%의 게르마늄으로 도핑된 실리카의 예상된 굴절과 거의 유사함을 나타낸다.
또한 본 발명은 일정하거나 변화하는 굴절률 중의 하나를 갖는 코어를 갖는 광도파관에 관한 것이다. 코어(10) 및 클래드(5, 12 및 14)의 프로파일에 대한 변형, 변경 및 변화는 본원에 참고로 첨부한 미합중국 특허 제 4,715,679호의 내용에 따라 이루어질 수 있다. 예를 들어, 코어(10)는 계단형 굴절률 프로파일, α-굴절률 프로파일, 일정한 속도로 변하는 프로파일 또는 하나 또는 그 이상의 속도의 조화로 변하는 프로파일을 갖는다. 또한, 감소된 영역은 코어가 완전해지기 전에 게르마늄 도핑을 종결함으로써 코어내에 형성될 수도 있다. 코어의 발란스(balance)는 도핑되지 않은 실리카이다.
본 발명은 클래드의 굴절률을 상승시키기에 바람직한 적당한 광섬유에 사용된다. 따라서, 본 발명은 단일 모드 섬유 뿐만 아니라 다중 모드 섬유, 분산 이동 섬유, 큰 효율 면적을 갖는 섬유 및 조정된 선형 분산을 갖는 고성능, 초장거리 섬유에 적용할 수 있다. 본 발명에 있어서, 어떤 섬유의 분산은 변형될 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 광섬유가 상기 도펀트를 필요로 하지 않기 때문에 본 발명은 붕소 및 불소와 같은 굴절률이 낮은 도펀트의 원하지 않는 효과를 제거한다.
상기 설명한 바와 같이, 탄탈을 이용함으로써 여러 가지의 기술적인 잇점이 있다. 탄탈은 낮은 휘발성을 가져서 심지어 섬유가 건조 및 고화되는 동안 고온의 적용될 때도 이동하지 않는다. 탄탈로 도핑된 영역의 도핑 프로파일은 비교적 날카롭다. 탄탈은 전송을 위해 선택된 파장에서 낮은 레일리 스케터링(Rayleigh scattering) 및 낮은 빛의 감쇠를 갖는다. 이러한 파장은 약 1300nm 내지 1550nm이다. 탄탈로 도핑된 유리는 게르마늄으로 도핑된 유리보다 더 낮은 열팽창을 갖는다. 탄탈은 게르마늄보다 빛에 대해 중량으로 더 큰 영향을 미치므로 게르마늄에 의해 생산되는 동일한 굴절을 생산하는데 더 적은 탄탈이 필요하다. 또한 감쇠가 품질에 비례하기 때문에 탄탈을 이용하는 광섬유의 감쇠는 탄탈이 적게 사용되기 때문에 더 적다. 탄탈은 화학적으로 안정하다. 물에 불용성이고, 대부분의 산과 염기에 불용성이고, 강한 불소화 수소산에 의해서만 서서히 영향받는다.
감소된 굴절률 영역을 갖는 본 발명의 섬유(1)는 통상적인 섬유 제조 공정에 의해 제조된다.
본 발명에 따라, 결국 클래드(14)를 형성하는 수트(soot)의 제 2 코팅의 잔류물의 응용을 위한 공정은 TaCl5 와 같은 탄탈의 전구체의 적합한 농도의 투입에 의해 통상적인 기술로부터 변경된다. 또한 당업자들은 다른 물질들이 굴절률을 증가시킨다는 것을 인지할 것이다. 상기 다른 물질들은 지르코늄, 란타늄, 이트륨, 세륨, 및 게르마늄을 포함한다. 또한, 플로리드(florid), 지르코늄, 테트라클로라이드 및 헥사플로린, 헥사플로로아세틸아세토네이트, 및 란타늄, 이트륨, 및 세륨의 유사체 화합물들은 OVD공정과 상용성이 있다. 적당한 농도로 상기 어느 하나를 영역(14)에 굴절률이 증가된 도펀트로 생산할 수 있다. 바람직한 구현체에서, SiO2 수트 전구체의 조성물에서 Ta2O5 전구체의 농도는 약 10중량%까지의 범위이고, 바람직하게는 약 3∼5중량%의 범위이다. 상기 설명이 비록 본 발명의 공정을 예시하더라도, 내부 클래드 영역(12)에 탄탈을 첨가하는 것을 제외한 공정은 전체적으로 통상적이다. 그러므로, 당업자들에게 공지된 통상의 공정 단계에 어떠한 변형도 적용될 수 있다. 예를 들어, 외부 증기 증착 뿐만 아니라 내부 증기 증착, 증기 축 증착, 변형된 화학 증기 증착 또는 플라즈마 외부 내부 증착을 포함하는 다양한 레이다운 공정의 하나가 사용될 수 있다.
통상적인 광섬유 도파관 기술은 본 발명의 실시예에 있어서 당업자들에 의해 쉽게 적용되고, 모든 것은 본 발명의 참고로서 다음의 비제한적인 실시예에 의해 포함된다.
수트 전구체로서 유용한 원료에 대하여 Dobbins의 미합중국 특허 제 5,043,002호; 및 Blackwell의 미합중국 특허 제 5,152,819호를 참고한다.
수트 전구체의 증발 또는 분무를 위한 공정에 대하여 Antos의 미합중국 특허 제 5,078,092호; Cain의 미합중국 특허 제 5,356,451호; Blankenship의 미합중국 특허 제 4,230,744호; Blankenship의 미합중국 특허 제 4,314,837호; 및 Blankenship의 미합중국 특허 제 4,173,305호를 참고한다.
코어 및 클래딩의 수트 전구체 및 레이다운을 연소하는 것에 대하여 Abbott의 미합중국 특허 제 5,116,400호; Abbott의 미합중국 특허 제 5,211,732호; Berkey의 미합중국 특허 제 4,486,212호; Powers의 미합중국 특허 제 4,568,370호; Powers의 미합중국 특허 제 4,639,079호; Berkey의 미합중국 특허 제 4,684,384호; Powers의 미합중국 특허 제 4,714,488호; Powers의 미합중국 특허 제 4,726,827호; Schultz의 미합중국 특허 제 4,230,472호; 및 Sarkar의 미합중국 특허 제 4,233,045호를 참고한다.
코어 예비성형품 고화, 코어막대 인발, 및 오버클래드 예비성형품 고화의 단계에 대하여 Lane의 미합중국 특허 제 4,906,267호; Lane의 미합중국 특허 제 4,906,268호; Lane의 미합중국 특허 제 4,950,319호; Blankenship의 미합중국 특허 제 4,251,251호; Schultz의 미합중국 특허 제 4,263,031호; Bailey의 미합중국 특허 제 4,286,978호; Powers의 미합중국 특허 제 4,125,388호; Powers의 미합중국 특허 제 4,165,223호; 및 Abbott의 미합중국 특허 제 5,396,323호를 참고한다.
고화된 오버클래드 예비성형품으로부터의 섬유 인발에 대하여 Harvey의 미합중국 특허 제 5,284,499호; Koening의 미합중국 특허 제 5,314,517호; Amos의 미합중국 특허 제 5,366,527호; Brown의 미합중국 특허 제 4,500,043호; Darcangelo의 미합중국 특허 제 4,514,205호; Kar의 미합중국 특허 제 4,531,959호; Lane의 미합중국 특허 제 4,741,748호; Deneka의 미합중국 특허 제 4,792,347호; Ohls의 미합중국 특허 제 4,246,299호; Claypoole의 미합중국 특허 제 4,264,649호; 및 Brundage의 미합중국 특허 제 5,410,567호를 참고한다.
Claims (16)
- 최대의 굴절률,
I0 I0 I1 상기 제 1의 환상 영역의 굴절률 I 이상으로 제 2의 환상 영역의 굴절률I2 I2 - 제 1항에 있어서, 상기 중심 영역이 코어를 포함하고, 상기 제 2의 환상 영역은
I2 I1 - 제 1항에 있어서, 상기 영역들의 굴절률의 관계가
I0>I2>I1 - 제 1항에 있어서, 상기 제 2의 환상 영역을 위한 도펀트가 탄탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 도파관.
- 제 1항에 있어서, 상기 광섬유가 단일 모드 섬유, 다중 모드 섬유, 분산 이동 섬유, 큰 효율면적을 갖는 섬유, 및 조정된 색분산을 갖는 고성능, 초장거리 섬유로 이루어진 군으로 선택되는 것을 특징으로 하는 광섬유 도파관.
- 최대의 굴절률,
I0 I0 I1 I0 I1 I2 I2 - 제 6항에 있어서, 상기 제 1의 환상 영역이 용융된 실리카를 포함하고, 상기 제 2의 환상 영역이 용융된 실리카로 도핑된 탄탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유.
- 제 6항에 있어서, 상기 코어가 게르마늄으로 도핑된 용융된 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유.
- 제 6항에 있어서, 상기 광섬유가 단일 모드 섬유, 다중 모드 섬유, 분산 이동 섬유, 큰 효율 면적을 갖는 섬유, 및 조정된 선형 분산을 갖는 고성능, 초장거리 섬유로 이루어진 군으로 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 광섬유.
- 코어 영역 및 상기 코어 영역을 각각 감싸는 제 1 및 제 2의 환상 영역을 포함하고, 상기 제 1의 환상 영역의 굴절률이 인접한 코어 및 제 2의 환상 영역에 대해 감소되고, 상기 제 2의 환상 영역이 탄탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유.
- 제 11항에 있어서, 상기 코어 영역이 용융된 실리카 및 탄탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유.
- 제 11항에 있어서, 상기 코어 영역이 용융된 실리카, 게르마늄, 및 탄탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유.
- 제 10항에 있어서, 상기 제 2의 환상 영역이 용융된 실리카 및 탄탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유.
- 제 10항에 있어서, 상기 제 2의 환상 영역에서 탄탈의 양이 약 10중량%까지인 것을 특징으로 하는 광섬유.
- 제 14항에 있어서, 상기 제 2의 환상 영역에서 탄탈의 양이 약 3중량%에서 약 5중량%의 범위인 것을 특징으로 하는 광섬유.
- 제 10항에 있어서, 상기 광섬유가 단일 모드 섬유, 다중 모드 섬유, 분산 이동 섬유, 큰 효율 면적을 갖는 섬유, 및 조정된 선형 분산을 갖는 고성능, 초장거리 섬유로 이루어진 군으로 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 광섬유.
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