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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Lichtleitfasergitters (Optikbauteils), das eine Lichtleitfaser und
ein Bragg-Gitter aufweist, das in dem Kernbereich der Lichtleitfaser entlang
deren Längsrichtung
vorgesehen ist.
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Zugehöriger Stand
der Technik
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In
den vergangenen Jahren haben sich Optikkommunikationssystemkonfigurationen
weiterentwickelt, entsprechend den jüngsten Entwicklungen von Lichtleitfaserkommunikationstechniken,
wodurch fortgeschrittene Netzwerke und ein Signalwellenlängenmultiplex
erzielt wurden. Bei diesen optischen Kommunikationssystemen nimmt
die Bedeutung optischer Schaltungselemente (Optikbauteile) zu.
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Ein
Fasertypelement als allgemeines Beispiel für die optischen Schaltungselemente
weist den Vorteil auf, dass es kompakt ist, und einen geringen Einführungsverlust
aufweist, und einfach an eine Lichtleitfaser angeschlossen werden
kann, die als Übertragungsleitung
dient. Ein Beispiel für
ein derartiges Optikbauteil des Fasertyps ist ein Fasertypfilter. Bekanntlich ändert sich,
wenn Ultraviolettstrahlung auf Glas einfällt, das mit Germaniumoxid
(GeO2) dotiert ist, der Brechungsindex in
dem bestrahlten Abschnitt.
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In
den vergangenen Jahren wurden Versuche und Entwicklungen in Bezug
auf ein Lichtleitfasergitter durchgeführt, bei welchem ein Bragg-Gitter in
dem Kernbereich einer Lichtleitfaser vorgesehen ist, als Beispiel
für ein
Fasertypfilter, welches eine lichtinduzierte Brechungsindexänderung
einsetzt. In der vorliegenden Beschreibung ist ein Lichtleitfasergitter
festgelegt als ein Optikbauteil, das zumindest eine Lichtleitfaser
aufweist, die einen Kernbereich aufweist, der einen vorbestimmten
Brechungsindex aufweist, und dotiert mit GeO2 ist,
sowie einen Mantelbereich, der um den Kernbereich herum vorgesehen
ist, und einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als der Kernbereich,
sowie ein Bragg-Gitter, das in dem Kernbereich der Lichtleitfaser
entlang deren Längsrichtung
vorgesehen ist. Das Gitter ist festgelegt als ein Bereich, in welchem
sich der Brechungsindex des Kernbereichs periodisch entlang der
Längsrichtung
des Kernbereiches ändert,
der mit Ultraviolettstrahlung oder dergleichen bestrahlt wird.
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Spezieller
weist das Lichtleitfasergitter die Funktion auf, eine Lichtkomponente
zu reflektieren, die eine bestimmte Wellenlänge aufweist (die nachstehend
als Reflexionswellenlänge
des Gitters bezeichnet wird), von Licht, das sich entlang der Lichtleitfaser
ausbreitet, und die verbleibende Lichtkomponente (also eine Lichtkomponente,
die eine Wellenlänge
aufweist, die gegenüber
der Reflexionswellenlänge
des Gitters verschoben ist) durchzulassen. Die Reflexionswellenlänge des
Gitters wird durch die Teilung einer Brechungsindexänderung
hervorgerufen, die in dem Kernbereich vorhanden ist. Ein Verfahren
zur Ausbildung eines durch Licht induzierten Gitters in einer Lichtleitfaser
nach Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlung weist den Vorteil auf,
dass ein hoher Produktionswirkungsgrad vorhanden ist.
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Bei
einem derartigen Lichtleitfasergitter dient dessen Reflexionsvermögen R als
wesentlicher Eigenschaftsfaktor. Das Reflexionsvermögen R hängt von
der Länge
des Gitters (also der Länge
eines Bereichs, in welchem sich der Brechungsindex des Kernbereiches
periodisch entlang der Längsrichtung des
Kernbereiches ändert)
und dem Ausmaß der durch
Licht hervorgerufenen Brechungsindexänderung ab. Diese Beziehung
wird folgendermaßen
ausgedrückt: R = tanh2(LπΔn(λR)wobei
- R:
- das Reflexionsvermögen ist
- L:
- die Länge des
Gitters ist
- Δn:
- das Ausmaß der lichtinduzierten
Brechungsindexänderung
ist
- λR:
- die Bragg-Wellenlänge ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Wie
allgemein bekannt ist, entsteht eine Brechungsindexänderung,
die durch Ultraviolettbestrahlung hervorgerufen wird, auf Grundlage
von Glasfehlern, die mit Germanium zusammenhängen, das in Glas entsprechend
dem Kernbereich enthalten ist. Entsprechend den Ermittlungen der
vorliegenden Erfinder ist jedoch, infolge der Tatsache, dass Glasdefekte
bei einer herkömmlichen
Lichtleitfaser (Glasfaser) gering sind, die einen Kernbereich aufweist,
der mit Germaniumoxid dotiert ist, das Ausmaß Δn der durch Lichteinwirkung
hervorgerufenen Brechungsindexänderung
klein, selbst bei Bestrahlung mit Ultraviolettlicht. Wie aus der
voranstehenden Gleichung deutlich wird, ist auch das Reflexionsvermögen R niedrig.
Im Einzelnen beträgt
die Brechungsindexänderung
in dem Kernbereich, die durch Ultraviolettbestrahlung hervorgerufen
wird, etwa 10–5,
wobei das Reflexionsvermögen
so niedrig ist, dass es einige Prozent beträgt.
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Die
Länge L
des Gitters kann dazu erhöht werden,
um das Reflexionsvermögen
R des Gitters zu erhöhen,
wie dies aus der voranstehenden Gleichung hervorgeht. Allerdings
ist in diesem Fall eine hervorragende Gleichförmigkeit eines Ultraviolettlaserstrahlsystems
erforderlich, das zur Bestrahlung dient. Aus diesem Grund ist ein
optisches System zum Einstrahlen von Ultraviolettstrahlung in unerwünschter
Art und Weise kompliziert. Darüber
hinaus führt,
da die Anzahl an Glasdefekten gering ist, dies zu einer Verringerung
der durch Licht induzierten Brechungsindexänderung. Die Erhöhung des
Reflexionsvermögens
R unter diesen Umständen
erfordert eine lange Bestrahlungszeit, was zu einer niedrigen Produktivität führt.
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Als
Verfahren zur Erhöhung
des Reflexionsvermögens
R des Gitters beschreibt das offengelegte Japanische Patent Nr.
7-244210 eine Vorgehensweise
zum Eindotieren von Wasserstoff in den Kernbereich einer Lichtleitfaser,
um das Ausmaß der
durch Lichteinwirkung hervorgerufenen Brechungsindexänderung
in Bezug auf die Bestrahlungsleistung der Ultraviolettstrahlung
zu erhöhen.
Bei diesem Verfahren wird Wasserstoff der Lichtleitfaser hinzugefügt, unter
Verwendung eines Hochdruck-Wasserstoffdruckbeaufschlagungsvorgangs.
Um eine durch Licht hervorgerufene Brechungsindexänderung
zu erhöhen,
wird vorzugsweise Wasserstoff in hoher Konzentration eindotiert.
Zu diesem Zweck wird, um eine Lichtleitfaser zu erhalten, die in
hoher Konzentration mit Wasserstoff dotiert ist, die Lichtleitfaser über einen
vorbestimmten Zeitraum einer Atmosphäre ausgesetzt, welche Wasserstoff
enthält
(die nachstehend als Wasserstoffatmosphäre bezeichnet wird), in welcher
Wasserstoff so mit Druck beaufschlagt wird, dass er sich auf einem
hohen Druck befindet.
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Die
vorliegenden Erfinder haben die voranstehend geschilderte Wasserstoffdotiervorgehensweise
untersucht, und das folgende Problem festgestellt. Im Einzelnen
nimmt, wenn Wasserstoff in eine Glasfaser aus Siliziumdioxid durch
die herkömmliche Wasserstoffdotiervorgehensweise
eindotiert wird, die Zugfestigkeit des Glases abrupt ab, infolge
einer Beeinträchtigung
der Glasoberfläche.
Wenn ein Bragg-Gitter in einer Glasfaser (Lichtleitfaser) mit verschlechterter
Oberfläche
ausgebildet wird, um ein Lichtleitfasergitter (Optikbauteil) herzustellen,
nimmt die mechanische Festigkeit ab, was die Verlässlichkeit
verringert.
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Die
vorliegende Erfindung wurde zur Lösung des voranstehend geschilderten
Problems entwickelt, und ihr Ziel besteht in der Bereitstellung
eines Verfahrens zur Herstellung eines Lichtleitfasergitters mit
hoher Verlässlichkeit,
bei dem keine Verringerung der mechanischen Festigkeit oder dergleichen
vorhanden ist, selbst wenn Wasserstoff in eine Lichtleitfaser auf
hohem Druck eindotiert wird. Spezieller betrifft die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtleitfasergitters,
bei welchem ein Reflexionsgitter in einer beschichteten Lichtleitfaser (nachstehend
als beschichtete Faser bezeichnet) vorgesehen ist, die eine Glasfaser
als freigelegte Lichtleitfaser aufweist (nachstehend bezeichnet
als freigelegte Faser), die einen mit GeO2-dotierten Kernbereich
und einen Mantelbereich aufweist, und eine Harzschicht, welche die äußere Oberfläche der freigelegten
Faser abdeckt, und ein Lichtleitfasergitter, das durch das Verfahren
erhalten wird. Speziell wird, gemäß dem Herstellungsverfahren
der vorliegenden Erfindung, ein Wasserstoffdotiervorgang durchgeführt, bevor
eine Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlung erfolgt. Das erstrebte
Ergebnis des Wasserstoffdotierprozesses ist eine beschichtete Faser, die
dadurch erhalten wird, dass die äußere Oberfläche einer Glasfaser
(einer freigelegten Faser) durch eine Harzschicht abgedeckt wird.
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Spezieller
weist das Verfahren zur Herstellung eines Lichtleitfasergitters
gemäß der vorliegenden
Erfindung die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Eine
freigelegte Faser weist einen Kernbereich auf, der einen vorbestimmten
Brechungsindex hat, und mit GeO2 dotiert
ist, in einer vorbestimmten Menge, und einen Mantelbereich, der um
die äußere Oberfläche des
Kernbereichs herum vorgesehen ist, und einen niedrigeren Brechungsindex
aufweist als der Kernbereich, sowie eine Harzschicht, welche die äußere Oberfläche der
freigelegten Faser abdeckt. Dieses Herstellungsverfahren umfasst
den ersten Schritt, die vorbereitete, beschichtete Faser über einen
vorbestimmten Zeitraum einer Wasserstoffatmosphäre auszusetzen (also einem
Behälter,
welchem Wasserstoffgas zugeführt wird),
wobei Wasserstoff auf einen vorbestimmten Druck eingestellt wird,
wodurch Wasserstoff in die beschichtete Faser eindotiert wird, einen
zweiten Schritt des Entfernens eines Teils des Harzes der beschichteten
Faser, die mit Wasserstoff dotiert ist, um die Oberfläche eines
vorbestimmten Bereiches freizulegen (also eines Bereiches, in welchem
ein Bragg-Gitter
hergestellt werden soll), der freigelegten Faser, und den dritten
Schritt der Bestrahlung, mit Ultraviolettstrahlung, des vorbestimmten
Bereiches der freigelegten Faser, der nach Entfernen der Harzschicht in
dem zweiten Schritt freigelegt wurde, und die Änderung des Brechungsindex
des Kernbereiches, der sich in dem freigelegten, vorbestimmten Bereich
entlang der Längsrichtung
des Kernbereiches erstreckt. Bei dem Lichtleitfasergitter, das durch
das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wird, wird ein freiliegender Bereich (ein Bereich,
aus welchem die Harzschicht nach dem Wasserstoffdotierprozess entfernt
wurde) erneut durch eine Harzschicht beschichtet, um eine Verschlechterung
zu verhindern.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
angegeben.
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Bei
dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung ist das Ziel, bei welchem ein Bragg-Gitter ausgebildet
werden soll, eine beschichtete Faser, die eine Harzschicht aufweist,
die sich um die äußere Oberfläche der
Glasfaser erstreckt. Die Harzschicht wird zum Teil nach dem Dotieren
mit Wasserstoff entfernt. Die Oberfläche der Glasfaser wird nicht
verschlechtert, selbst wenn die beschichtete Faser der Wasserstoffatmosphäre über einen
langen Zeitraum ausgesetzt wird. Darüber hinaus kann die mechanische
Festigkeit der freigelegten Faser selbst beibehalten werden.
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Bei
der vorliegenden Erfindung können, wenn
ein Wasserstoffdotierprozess bei einer beschichteten Faser durchgeführt wird,
bei welcher die äußere Oberfläche einer
freigelegten Faser, die mit einem Bragg-Gitter versehen werden soll,
durch eine Harzschicht abgedeckt ist, sich Blasen ausbilden, oder
können
Abblätterungen
auftreten, an der Grenzfläche
zwischen der Glasfaser (der freigelegten Faser) und der Harzschicht.
Selbstverständlich
nimmt die mechanische Festigkeit oder dergleichen ab, so dass die
Verlässlichkeit
beeinträchtigt
wird, wenn ein Bragg-Gitter bei einer derartigen beschichteten Faser
ausgebildet wird, bei welcher sich Blasen ausgebildet haben, oder
Abblätterungen
aufgetreten sind, bei der Herstellung eines Lichtleitfasergitters
(eines Optikbauteils).
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Bei
der vorliegenden Beschreibung sind Blasen, die an der Grenzfläche zwischen
der Harzschicht und der freigelegten Faser (einschließlich eines
Kernbereichs, der GeO2 zur Ausbildung eines Bragg-Gitters
enthält),
als Zwischenraum zu verstehen (der solche Abmessungen aufweist,
dass die Zugfestigkeit der freigelegten Faser selbst beeinträchtigt wird),
mit einer Dicke von 1 µm
bis 20 µm
in Radialrichtung der freigelegten Faser, und einer Minimallänge von
1 µm bis
10 mm, sowie als kleiner Zwischenraum. Andererseits bedeutet eine
Abblätterung einen
Zwischenraum mit großen
Abmessungen von einer Größe von 10
mm aus, bis zu einer Abmessung, welche das gesamte Lichtleitfasergitter
abdeckt. Insbesondere kann, wenn eine Abblätterung vorhanden ist, da die
Lichtstreuung in dem Zwischenraum größer werden kann, eine Außenoberfläche eines
Abschnitts des erhaltenen Lichtleitfasergitters, bei welchem die
Abblätterung
hervorgerufen wird, heller wahrgenommen werden als eine äußere Oberfläche eines
Abschnitts, in welchem die Abblätterung nicht
hervorgerufen wird. Daher ist in der vorliegenden Beschreibung die
Abblätterung
als ein Zwischenraum zu verstehen, der größer ist als die Blase, und ist
dieser Begriff nicht von dem Begriff einer Blase bei der vorliegenden
Beschreibung umfasst.
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Das
Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst weiterhin, zwischen dem ersten und dem zweiten
Schritt, einen vierten Schritt der Verringerung des Drucks der Wasserstoffatmosphäre mit einer
vorbestimmten Rate. Wie voranstehend geschildert, wird der Druck
der Wasserstoffatmosphäre
mit einer vorbestimmten Rate verringert, damit allmählich der
Wasserstoff diffundiert, welcher der freigelegten Faser zugeführt wird,
wodurch die Erzeugung von Blasen verhindert wird. Spezieller haben
die vorliegenden Erfinder herausgefunden, dass die wirksame maximale
Druckverringerungsrate 12,2 MPa/min (120 atm/min) oder weniger ist,
und vorzugsweise 0,2 bis 1,0 MPa/min (2 bis 10 atm/min), bei der
Verringerung des Drucks der Wasserstoffatmosphäre von dem Druckbeaufschlagungszustand
zum normalen Druckzustand. Mit Druckbeaufschlagungszustand ist ein
Zustand gemeint, bei welchem ein Druck von zumindest 4,1 bis 40,5
MPa (40 bis 400 atm) aufgebracht wird. Der normale Druckzustand
ist nicht auf 0,1 MPa (1 atm) beschränkt, sondern umfasst einen
Druck gleich dem Außendruck
des Behälters,
welchem Wasserstoff zugeführt
wird.
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Bei
dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung weist die Wasserstoffatmosphäre in dem Druckbeaufschlagungszustand
in dem ersten Schritt vorzugsweise einen Druck von 10,1 bis 30,4
MPa (100 bis 300 atm) auf, und liegt die Umgebungstemperatur im
Bereich von 0°C
(vorzugsweise Zimmertemperatur) bis 100° C. Wenn die Wasserstoffatmosphäre auf diese
Bedingungen eingestellt wird, kann Wasserstoff wirksam dem Kernbereich
in einem kurzen Zeitraum hinzugefügt werden, ohne eine Wärmebeschädigung des
Beschichtungsharzes.
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Als
Harz zum Abdecken der freigelegten Faser kann Silikonharz eingesetzt
werden, jedoch ist im Vergleich hierzu ein bei Ultraviolettbestrahlung
aushärtendes
Harz vorzuziehen, angesichts der Druck- und Temperaturbeständigkeit.
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Bei
dem Lichtleitfasergitter, das durch das voranstehend geschilderte
Herstellungsverfahren hergestellt wird, sind die äußere Oberfläche der
freigelegten Faser, in welcher das Gitter ausgebildet wird, und
die übrige
Harzschicht in engem Kontakt miteinander, und kann eine ausreichende
Zugfestigkeit dieser Bestandteile erzielt werden. Bei dem erhaltenen
Lichtleitfasergitter ist die Anzahl an Blasen, die erzeugt wird,
auf unter 1000 pro Bezugslänge
von 1 m beschränkt,
selbst wenn sowohl Abblätterungen (Zwischenräume mit
einer Dicke von 1 µm
oder mehr in Radialrichtung und einer maximalen Länge von
10 mm oder mehr) und Blasen (Zwischenräume mit einer Dicke von 1 µm bis 20 µm und einer
Maximallänge
von 1 µm
bis 10 mm) daran vorhanden sind.
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Daher
ist das Lichtleitfasergitter, bei welchem die Rate der Blasenerzeugung,
wie voranstehend festgelegt, auf unter 1000 Blasen/m beschränkt ist,
von dem Lichtleitfasergitter gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst, selbst wenn dort gemischt Blasen und Abblätterungen
auftreten.
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Die
vorliegende Erfindung wird besser verständlich aus der nachstehenden,
detaillierteren Beschreibung, und den beigefügten Zeichnungen, die nur zur
Erläuterung
dienen, und nicht die vorliegende Erfindung einschränken sollen.
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Der übrige Umfang
der Einsetzbarkeit der vorliegenden Erfindung wird aus der nachstehenden, detaillierten
Beschreibung deutlicher werden. Allerdings wird darauf hingewiesen,
dass die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele,
die anhand bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt werden, nur zum Zwecke der Erläuterung dienen,
da verschiedene Änderungen
und Modifikationen innerhalb des Umfangs der Patentansprüche Fachleuten
auf diesem Gebiet auffallen werden, anhand dieser detaillierten
Beschreibung.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Ansicht des schematischen Aufbaus einer Druckbeaufschlagungseinrichtung
zur Durchführung
eines Verfahrens zur Herstellung eines Lichtleitfasergitters gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine Ansicht des Aufbaus einer beschichteten Faser;
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3 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Druckverringerungsrate
(atm/min) und der Blasenerzeugungsrate nach dem Wasserstoffdotierprozess
bei dem Verfahren zur Herstellung eines Lichtleitfasergitters gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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4 ist
eine Ansicht, die eine beschichtete Faser (bei welcher ein Teil
der Beschichtungsschicht entfernt ist) zeigt, die bei dem Verfahren
zur Herstellung eines Lichtleitfasergitters gemäß der vorliegenden Erfindung
eingesetzt wird;
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5 ist
eine Ansicht zur Erläuterung
des Schrittes (Phasengitterverfahrens) zum Einschreiben eines Bragg-Gitters
bei dem Verfahren zur Herstellung eines Lichtleitfasergitters gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 ist
eine Schnittansicht des Aufbaus eines Lichtleitfasergitters gemäß der vorliegenden
Erfindung, das durch das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurde;
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7 ist
eine Ansicht des Aufbaus eines Messsystems zum Messen des Reflexionsvermögens des
Lichtleitfasergitters; und
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8 ist
eine Ansicht des Aufbaus eines Messsystems zum Messen der Anzahl
an Blasen, die in dem erhaltenen Lichtleitfasergitter erzeugt wurden.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines Lichtleitfasergitters gemäß der vorliegenden
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 beschrieben.
In den sämtlichen
Figuren werden gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher Teile
verwendet, und wird insoweit auf eine erneute Beschreibung verzichtet.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung eines Lichtleitfasergitters gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine beschichtete Faser vorbereitet, und wird die
vorbereitete, beschichtete Faser in eine Wasserstoffatmosphäre eingebracht,
während
die Temperatur eingestellt wird. Die Wasserstoffatmosphäre wird
auf einen hohen Druck gesetzt, um Wasserstoff dem Kernglas der beschichteten
Faser hinzuzufügen.
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Im
Einzelnen wird, wie in 1 gezeigt, Wasserstoffgas (H2) über
ein Ventil 21 einem Druckbehälter 20 zugeführt, in
welchem eine beschichtete Faser 15 angeordnet ist (siehe 2),
die durch Beschichtung einer freigelegten Faser 10 mit
einer Harzschicht 14 erhalten wird. In diesem Fall wird
das Innere des Druckbehälters 20 auf
eine vorbestimmte Temperatur durch Temperaturregler 23a und 23b erwärmt, beispielsweise
Heizvorrichtungen.
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Wie
in 2 gezeigt, weist die beschichtete Faser 15 eine
Lichtleitfaser auf Grundlage von Siliziumdioxid (freigelegte Faser) 10 auf,
die einen Kernbereich 12 aufweist, welcher Germaniumoxid
(GeO2) enthält, und eine Harzschicht 14,
welche die äußere Oberfläche der
freigelegten Faser 10 abdeckt. Die freigelegte Faser 10 weist
einen Mantelbereich 11 auf, der einen niedrigeren Brechungsindex
aufweist als der Kernbereich 12. Silikonharz kann zur Herstellung
der Harzschicht 14 eingesetzt werden, jedoch wird vorzugsweise
ein bei Ultraviolettbestrahlung aushärtendes Harz eingesetzt, das
eine hohe Druckbeständigkeit
aufweist. Der Wasserstoffdotierprozess wird mit der beschichteten
Faser 15 durchgeführt,
welche die Harzschicht 14 aufweist. Aus diesem Grund wird
dieser Prozess vorzugsweise in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer
Temperatur (Umgebungstemperatur in dem Behälter 20) durchgeführt, die
von 0° C
(vorzugsweise Zimmertemperatur) bis 100° C reicht.
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Die
Konzentration von Wasserstoffgas, das zugeführt werden soll, ist vorzugsweise
höher,
unter Berücksichtigung
des Wirkungsgrades des Wasserstoffdotierprozesses, und liegt notwendigerweise oberhalb
von 75%, um eine Explosion zu verhindern.
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Der
Druck der Wasserstoffatmosphäre
in dem Behälter 20 beträgt 20 bis
400 atm. Wenn der Druck der Wasserstoffatmosphäre kleiner ist als 20 atm,
kann die Auswirkung einer Dotierung mit Wasserstoff im Wesentlichen
nicht erzielt werden. Um die Auswirkung der Wasserstoffdotierung
zu erhöhen,
ist der Wasserstoffdruck vorzugsweise gleich 100 atm oder größer. Wenn
der Druck der Wasserstoffatmosphäre
einen Wert von 40,4 MPa (400 atm) überschreitet, tritt eine Sättigung
in Bezug auf die Wasserstoffdotierung auf. Die Sättigung des Effekts tritt anscheinend
auf, wenn der Druck der Atmosphäre
30,4 MPa (300 atm) überschreitet.
Daher liegt der wirksame Bereich des Drucks für die Atmosphäre zwischen 10,1
bis 30,4 MPa (100 bis 300 atm).
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Wenn
Wasserstoff der beschichteten Faser 15 durch den voranstehend
geschilderten Wasserstoffdotierprozess hinzugefügt wird, neigt das Germaniumoxid,
das in dem Kernbereich 12 der freigelegten Faser 10 vorhanden
ist, dazu, durch den dotierten Wasserstoff reduziert zu werden,
so dass der Anteil an Sauerstoff, der mit Ge und Si verbunden ist, verringert
wird. Wenn Ge und Si, die von verbundenem Sauerstoff befreit wurden,
sich miteinander verbinden, werden neu Sauerstoffmangeleffekte hervorgerufen.
Daher nehmen die Sauerstoffmangeleffekte zu, die normalerweise in
sehr geringem Ausmaß in dem
Kernbereich 12 der freigelegten Faser 10 vorhanden
sind.
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Der
voranstehend geschilderte Wasserstoffdotierprozess wird bei der
beschichteten Faser 15 durchgeführt, bei welcher die freigelegte
Faser 10 mit dem Harz abgedeckt ist. Die Oberfläche der
freigelegten Faser 10 wird nicht in direkte Berührung mit Luft
versetzt, um eine Beeinträchtigung
der Oberfläche
der freigelegten Faser 10 zu verhindern. Daher kann die
Festigkeit der freigelegten Faser 10 aufrechterhalten werden.
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Der
Druck des Druckbehälters 20,
der auf einem hohen Druckzustand nach Zufuhr von Wasserstoffgas
zu ihm gehalten wird, wird auf Normaldruck (0,1 MPa) (1 atm) (oder
auf einen Druck gleich jenem des Außendrucks des Behälters 20)
versetzt, und dann wird die beschichtete Faser 15 aus dem
Behälter 20 entnommen.
In der beschichteten Faser 15, die mit Wasserstoff dotiert
wurde, können
sich Blasen an der Grenzfläche
zwischen der Harzschicht 14 und der Oberfläche der
freigelegten Faser 10 ausbilden, oder kann sich die Harzschicht 14 von
der Oberfläche der
freigelegten Faser 10 abschälen. Es lässt sich überlegen, dass die Ausdehnung
von Wasserstoffgas, das in der freigelegten Faser 10 und
der Harzschicht 14 in großer Menge enthalten ist, infolge
einer abrupten Druckabnahme beim Behälter 20 nach Entfernen
der beschichteten Faser 15, für derartige Effekte verantwortlich
ist.
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In
Bezug auf das Entfernen der mit Wasserstoff dotierten, beschichteten
Faser 15 wird die Verringerungsrate des Drucks der Wasserstoffatmosphäre in dem
Druckbehälter 20 auf
den Außendruck untersucht.
Die Beziehung zwischen der Verringerungsrate des Drucks des Druckbehälters 20 zum Außendruck
(etwa 0,1 MPa (1 atm)) und der Anzahl an Blasen, die an der Grenzfläche zwischen
der Harzschicht 14 und der Oberfläche der freigelegten Faser 10 hervorgerufen
werden, wird unter den Bedingungen untersucht, dass die Temperatur
in dem Druckbehälter 20 25° C beträgt (Zimmertemperatur) und
der Druck der Wasserstoffatmosphäre
in dem Druckbehälter 20 gleich
30,4 MPa (300 atm) ist. Wie im Diagramm von 3 gezeigt,
haben die vorliegenden Erfinder herausgefunden, dass die Rate der Blasenerzeugung
gleich einer Blase/min bei einer Druckverringerungsrate von 1,01
MPa/min (10 atm/min) oder weniger ist, und annähernd gleich Null bei einer
Druckverringerungsrate von 0,2 MPa/min (2 atm/min) oder weniger
ist. Auf Grundlage des Diagramms von 3 lässt sich
weiterhin verstehen, dass die maximale Druckverringerungsrate so
sein muss, dass sie kleiner ist als 12,2 MPa/min (120 atm/min),
um die Blasenerzeugungsrate auf unterhalb von 1000 Blasen/min zu
verringern.
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Vor
der Ausbildung eines Bragg-Gitters auf der länglichen, beschichteten Faser 15,
mit welcher der Wasserstoffdotierprozess durchgeführt wurde, wird
die Harzschicht 14 von einem Abschnitt entfernt, an welchem
das Gitter ausgebildet werden soll, wie in 4 gezeigt.
Das Entfernen der Harzschicht 14 ermöglicht eine wirksame Bestrahlung
mit Ultraviolettstrahlung zur Ausbildung des Gitters. Der übrige Abschnitt
der Harzschicht 14 kann die mechanische Festigkeit (insbesondere
die Zugfestigkeit) der freigelegten Faser 10 aufrechterhalten.
Die Harzschicht 14 wird in ausreichend engem Kontakt mit
der Oberfläche
der freigelegten Faser 10 gehalten (die Rate der Blasenerzeugung
liegt unter 1000 Blasen/min).
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Interferenzlicht
von Ultraviolettstrahlung wird auf den Bereich der mit Wasserstoff
dotierten, beschichteten Faser 15 aufgestrahlt, von welcher
die Harzschicht 14 entfernt wurde. 5 ist eine
Darstellung zur Erläuterung
der Bestrahlung von Interferenzlicht der Ultraviolettstrahlung gemäß einem
Phasengitterverfahren. Ultraviolettstrahlung mit vorbestimmter Wellenlänge wird
auf einen vorbestimmten Bereich aufgestrahlt (also einem Bereich
der beschichteten Faser 15, von welchem die Harzschicht 14 entfernt
wurde), der beschichteten Faser 10, so dass der Brechungsindex
des freigelegten Bereichs in dem Kernbereich 12, der mit
Germaniumoxid dotiert wurde, sich ändert. Momentan wird der Mechanismus der
Brechungsindexänderung,
die durch Ultraviolettbestrahlung hervorgerufen wird, noch nicht
vollständig
verstanden. Allerdings wird allgemein angenommen, dass Sauerstoffmangeleffekte,
die bei Ge vorhanden sind, das normalerweise in sehr geringem Ausmaß in dem
Kernbereich 12 der freigelegten Faser 10 vorhanden
ist, mit der durch Licht induzierten Brechungsindexänderung
zusammenhängen.
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Da
die Sauerstoffmangeleffekte, die normalerweise in sehr geringem
Ausmaß in
dem Kernbereich 12 der freigelegten Faser 10 vorhanden
sind, der mit Wasserstoff bei dem Wasserstoffdotierprozess dotiert
wurde, zunehmen, nimmt die durch Licht hervorgerufene Brechungsindexänderung
in dem Bereich zu, welcher der Ultraviolettstrahlung ausgesetzt
ist.
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Die
Ultraviolettstrahlung zum Hervorrufen der Brechungsindexänderung
wird von einer Lichtquelle 30 in einem Winkel θ in Bezug
auf die Normalrichtung auf ein Phasengitter 60 aufgestrahlt,
in welchem Phasenmuster in regelmäßiger Anordnung mit vorbestimmtem
Abstand λ' vorhanden sind.
Aus diesem Grund ist ein Interferenzstreifenabstand λ folgendermaßen definiert: λ = λ'
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Daher
sind Bereiche, welche unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen,
mit dem Interferenzstreifenabstand λ als Periode entlang der Axialrichtung
(Längsrichtung
des Kernbereiches 12) der freigelegten Faser 10 angeordnet,
wodurch mittels Lichteinwirkung ein Bragg-Gitter 13 eingeschrieben wird.
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Auf
Grundlage der bekannten Bragg-Beugungsbeziehung ergibt sich die
Reflexionswellenlänge
(Bragg-Wellenlänge λR)
des Gitters 13 folgendermaßen: λR =
2nλ
=
2nλ'wobei n der
Brechungsindex des Kernbereiches 12 ist, und λ die Periode
des Gitters 13 ist. Das Reflexionsvermögen R des Gitters ist folgendermaßen: R = tanh2(LπΔn/λR)wobei
L die Länge
des Gitters 13 ist, und Δn
das Ausmaß der
durch Lichteinwirkung hervorgerufenen Brechungsindexänderung
in dem Kernbereich 12. Da das Gitter 13 so ausgebildet
ist, dass es eine durch Lichteinwirkung hervorgerufene Brechungsindexänderung
aufweist, die so groß ist
wie etwa 10–4 bis
10–3, in
dem Kernbereich 12 der freigelegten Faser 10,
erreicht das Reflexionsvermögen
R in Bezug auf die Lichtkomponente mit der Wellenlänge λR annähernd 100
%. Die Ultraviolett-Interferenzstreifen können auch mittels Holographie
ausgebildet werden.
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Bei
dem wie geschildert hergestellten Lichtleitfasergitter wird der
Bereich, von welchem die Harzschicht 14 entfernt wurde,
und in welchem das Gitter ausgebildet wurde, erneut durch ein Harz 140 beschichtet.
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Das
Reflexionsvermögen
R des Lichtleitfasergitters, wie es in 6 gezeigt
ist, wird folgendermaßen
gemessen: 7 ist eine Ansicht, welche die Anordnung
eines Messsystems zum Messen des Reflexionsvermögens des sich ergebenden Lichtleitfasergitters
zeigt.
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Wie
in 7 gezeigt, ist dieses Messsystem so ausgebildet,
dass optisch eine Lichtquelle 70, die beschichtete Faser 15,
und ein Spektrum-Analyzer 90 über einen Fotokoppler 80 verbunden
werden.
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Die
Lichtquelle 70 ist normalerweise eine Lichtemitterdiode
oder dergleichen, zum Aussenden von Licht, das eine Lichtkomponente
enthält,
die eine Wellenlänge
aufweist, die mit der Reflexionswellenlänge λR des
Bragg-Gitters 13 übereinstimmt,
das in der beschichteten Faser 15 vorhanden ist. Der Fotokoppler 80 ist
ein normaler schmelzgesponnener Faserkoppler zur Ausgabe von Einfallslicht
von der Lichtquelle 70 an die beschichtete Faser 15 und
zum Ausgeben von reflektiertem Licht von der beschichteten Faser 15 an
den Spektrum-Analyzer 90. Der Spektrum-Analyzer 90 stellt
die Beziehung zwischen der Wellenlänge und der Lichtintensität des reflektierten
Lichts von der beschichteten Faser 15 fest. Es wird darauf
hingewiesen, dass das offene Ende der beschichteten Faser 15 in
Anpassungsöl 100 eingetaucht
ist. Diese Anpassungsöl 100 ist
eine den normalen Brechungsindex anpassende Lösung, und schaltet unerwünschte,
reflektierte Lichtkomponenten aus.
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Bei
dem in 7 gezeigten Messsystem fällt Licht, das von der Lichtquelle 70 ausgesandt
wird, auf die beschichtete Faser 15 über den Fotokoppler 80 ein.
Das Gitter 13, das in dem Kernbereich 12 der beschichteten
Faser 15 vorhanden ist, reflektiert eine Lichtkomponente,
die eine bestimmte Wellenlänge aufweist.
Das von der beschichteten Faser 15 ausgehende Licht wird
von dem Spektrum-Analyzer 90 über den Fotokoppler 80 empfangen.
Der Spektrum-Analyzer 90 erfasst das Reflexionsspektrum
der beschichteten Faser 15, welches die Beziehung zwischen
der Wellenlänge
und der Lichtintensität
des reflektierten Lichts wiedergibt.
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Bei
der mit Wasserstoff dotierten, beschichteten Faser wird das Ausmaß des Kontakts
zwischen einer freigelegten Faser und einer Harzschicht unter Verwendung
eines Messsystems gemessen, wie es in 8 gezeigt
ist, wobei die Anzahl an Blasen (welche nicht Abblätterungen
umfassen) an einer Grenzfläche
zwischen der Oberfläche
der freigelegten Faser und der Harzschicht gemessen wird.
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Das
Messsystem von 8 weist eine Lichtquelle (He-Ne-Laser) 500 und
einen CCD-Sensor 400 auf, die so angeordnet sind, dass
sie sandwichartig zwischen sich einen Beobachtungsbehälter 110 einschließen. Die
beschichtete Faser 113 (welche Wasserstoff enthält) als
Ziel der Messung weist eine Länge
von 1 m auf, und wird in den Behälter 110 eingesetzt,
der mit einem Anpassungsöl 112 gefüllt ist.
Das Messsystem weist weiterhin ein Treibersystem 300 auf,
um jeweils die Lichtquelle 500 bzw. den CCD-Sensor 400 entlang
der Längsrichtung
(durch Pfeile in A und B in der Figur gezeigt) des Beobachtungsbehälters 110 zu
bewegen, und eine Hauptsteuerung 200 zum Steuern der Lichtquelle 500 und des Treibersystems 300,
und zum Empfang von Bilddaten (elektrischer Signale) von dem CCD-Sensor 400,
wodurch die Anzahl an Blasen gezählt
wird, die in dem Ziel der Messung erzeugt werden. Die Hauptsteuerung 200 weist
eine Bildverarbeitungseinheit 210 auf, um Helligkeitsinformation
auf Grundlage elektrischer Signale zu erhalten, die von dem CCD-Sensor 400 eingegeben
werden, und die Bildverarbeitungseinheit 210 weist einen
Zähler 220 zum Zählen der
Anzahl an Positionen (Blasen) auf, an welchen sich die Helligkeit ändert, innerhalb
eines Aufnahmebereiches des CCD-Sensors 400.
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Speziell
wird, wenn eine Blase (ein Zwischenraum mit solcher Größe, dass
die Zugfestigkeit ausreichend beeinflusst wird) zwischen der Harzschicht
und der Oberfläche
der freigelegten Faser in der vorhandenen, beschichteten Faser 113 vorhanden
ist, Streulicht an dem Ort stark, an welchem der Zwischenraum vorhanden
ist. Daher empfängt
der CCD-Sensor 400 einen Laserstrahl (ein Bild des Ziels 113)
von der Lichtquelle 500, der durch das Messziel 113 hindurchgeht,
wodurch die Bildverarbeitungseinheit 210 in der Hauptsteuerung 200 exakt
Helligkeitsunterschiede auf Grundlage der erhaltenen CCD-Bilder erkennen kann.
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Die
Koordinatenachse im Diagramm von 3 gibt Mittelwerte
der Anzahl an Blasen (zu zählendes
Ziel) an, die in zwanzig vorbereiteten Lichtleitfasergittern erzeugt
werden, die durch das Messsystem von 8 gemessen
werden, in dem jeweiligen Druckverringerungszustand. Weiterhin werden
Abblätterungen
(Zwischenräume
mit einer Dicke von 1 µm
oder mehr und einer Maximallänge
von 10 mm oder mehr) bei den Zielen ausgeschlossen, die von dem
Messsystem von 8 gemessen werden sollen.
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Ausführungsform 1
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Eine
beschichtete Faser mit einem Durchmesser von 250 µm und einer
Länge von
100 m, die durch Beschichtung einer Lichtleitfaser auf Siliziumdioxidgrundlage
(einer freigelegten Faser) mit einem Durchmesser von 125 µm durch
ein bei Ultraviolettbestrahlung aushärtendes Harz erhalten wurde,
wurde vorbereitet. Diese beschichtete Faser wurde in einen Druckbehälter 20 eingegeben,
der auf einer Temperatur von 25° C
gehalten wurde, und blieb dem Wasserstoffgas über eine Woche ausgesetzt,
während
der Druck des Wasserstoffgases (welches eine Konzentration von 99%
oder mehr aufwies), das dem Behälter 20 zugeführt wurde,
auf 24,3 MPa (240 atm) gehalten wurde. Der Druck des Wasserstoffgases wurde
auf den Außendruck
bei einer Druckverringerungsrate von 0,41 MPa/min (4 atm/min) verringert, und
dann wurde der Druckbehälter 20 geöffnet. Die mit
Wasserstoff dotierte, beschichtete Faser wurde entnommen. Nachdem
die Harzschicht der entnommenen, beschichteten Faser entfernt wurde,
wurde ein Zugfähigkeitstest
bei der Glasfaser (beschichteten Faser) durchgeführt, und erhielt man eine Zugfestigkeit
von 4,0 GPa.
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Weiterhin
erzeugten die vorliegenden Erfinder ein Bragg-Gitter in dem Kernbereich dieser freigelegten
Faser (jenem Bereich, aus welchem das Harz der beschichteten Faser
entfernt wurde), und wurde die Festigkeit der sich ergebenden, freigelegten
Faser untersucht. In der Praxis ergab sich kein Problem.
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Vergleichsbeispiel 1
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Es
wurde ein Wasserstoffdotierprozess für eine Glasfaser, die nicht
durch ein Harz abgedeckt war, unter Verwendung der gleichen Prozeduren
wie beim Beispiel 1 durchgeführt.
Nachdem die Glasfaser aus einem Druckbehälter 20 entnommen
wurde, wurde ein Zugfestigkeitstest durchgeführt, und war die erhaltene
Zugfestigkeit gleich 0,5 GPa. Es wird angenommen, dass infolge der
Tatsache, dass die Glasfaser der Luft über einen längeren Zeitraum ausgesetzt
war, sich die Eigenschaften der Oberfläche verschlechterten, und die
Festigkeit verringert wurde.
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Ausführungsform 2
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Die
beschichtete Faser, die mit Wasserstoff bei der voranstehend geschilderten
Ausführungsform 1
dotiert wurde, wurde durch das in 8 gezeigte Messsystem
untersucht, jedoch zeigten sich keine Blasen. Es wird angenommen,
dass das Wasserstoffgas, das in der Glasfaser (der freigelegten
Faser) und dem Beschichtungsharz (der Harzschicht) enthalten war,
in den Druckbehälter 20 diffundierte,
infolge einer allmählichen
Abnahme des Drucks des Wasserstoffgases in dem Druckbehälter 20.
Die vorliegenden Erfinder stellten ein Bragg-Gitter in dem Kernbereich
dieser freigelegten Faser her, und untersuchten die Festigkeit der
freigelegten Faser. Es ergab sich kein Problem. Als ein Zugfestigkeitstest
der beschichteten Faser durchgeführt
wurde, betrug die gemessene Zugfestigkeit etwa 4,8 GPa.
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Ausführungsform 3
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Es
wurde ein Wasserstoffdotierprozess für eine Glasfaser (freigelegte
Faser) unter Verwendung der selben Prozedur wie beim Einsatz einer
beschichteten Faser gemäß Ausführungsform
1 durchgeführt.
Bei der Ausführungsform
3 wurde die Druckverringerungsrate eingestellt auf 10,1 MPa/min
(100 atm/min). Die beschichtete Faser wurde aus dem Druckbehälter 20 entnommen,
und mit dem Messsystem gemäß 8 untersucht.
Es wurden 50 bis 300 Blasen pro Länge von 1 m festgestellt.
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Die
Zugfestigkeit dieser beschichteten Faser stellte sich als etwa 2,4
GPa heraus.
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Vergleichsbeispiel 2
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Es
wurde ein Wasserstoffdotierprozess für eine Glasfaser (freigelegte
Faser) unter Verwendung der selben Prozedur wie beim Einsatz einer
beschichteten Faser gemäß Ausführungsform
1 durchgeführt.
Beim Vergleichsbeispiel 2 betrug die Druckverringerungsrate 20,3
MPa/min (200 atm/min). Die beschichtete Faser wurde aus dem Druckbehälter 20 entnommen,
und von dem in 8 gezeigten Messsystem untersucht.
1500 bis 2000 Blasen pro Länge von
1 m wurden aufgefunden. Die Zugfestigkeit dieser beschichteten Faser
wurde als etwa 2,0 GPa ermittelt. Wenn allerdings ein Qualitätsverlusttest
dadurch durchgeführt
wurde, dass jede der Proben dieses Vergleichsbeispiels 2 in warmes
Wasser mit 85° C
240 Tage lang eingetaucht wurde, so stellte sich heraus, dass deren
Zugfestigkeit auf 0,6 GPa abnahm. Ein Fasertyp-Optikbauteil wie
das vorliegende Optikfasergitter muss eine Zugfestigkeit von 0,8
GPa oder mehr aufweisen. Unter Berücksichtigung der Abnahme der
Festigkeit über
längere
Zeiträume muss
die Zugfestigkeit über
einen langen Zeitraum sichergestellt werden.
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Wie
einfach auf Grundlage der voranstehenden Erläuterungen verständlich wird,
muss notwendigerweise bei dem Lichtleitfasergitter, das durch das Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung erhalten wird, die Anzahl an Blasen (einschließlich eines Zustands,
in welchem Blasen und Abblätterungen gemischt
vorhanden sind) unterhalb von 1000 pro Länge von 1 m liegen (bei einer
Druckverringerungsrate von 12,2 MPa/min (120 atm/min) oder weniger), unter
Berücksichtigung
von Herstellungsfehlern, der Zugfestigkeit in der Praxis, und dergleichen,
bei dem sich ergebenden Lichtleitfasergitter.
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Wie
voranstehend geschildert, wird gemäß der vorliegenden Erfindung
ein Wasserstoffdotierprozess bei einer beschichteten Faser durchgeführt, die mit
einem Harz abgedeckt ist. Aus diesem Grund kann die Festigkeit (insbesondere
die Zugfestigkeit) der freigelegten Faser aufrechterhalten werden,
da die Glasfaser nicht in direkten Kontakt mit der Luft gelangt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird, nachdem ein Wasserstoffdotierprozess für die beschichtete
Faser über
einen vorbestimmten Zeitraum durchgeführt wurde, während die
beschichtete Faser in einem Zustand mit hohem Druck gehalten wird,
der Druck des Wasserstoffgases allmählich verringert, bis auf den
Außendruck
(beispielsweise den Normaldruck). Aus diesem Grund weiten sich der
Wasserstoff, mit dem die Glasfaser dotiert ist, und die Beschichtungsschicht
(Harzschicht) nicht abrupt auf, sondern erfolgt eine allmähliche Diffusion
nach außerhalb.
Daher bilden sich keine Blasen auf der Oberfläche der Glasfaser, und blättert die
Glasfaser nicht von der Harzschicht ab.
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Weiterhin
kann ein Lichtleitfasergitter, das durch das voranstehend geschilderte
Herstellungsverfahren hergestellt wird, eine gewünschte Festigkeit erzielen,
selbst wenn sowohl Blasen und/oder Abblätterungen darin gemischt enthalten
sind.
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Angesichts
der voranstehend geschilderten Erfindung wird offensichtlich, dass
die Erfindung auf zahlreiche Arten und Weisen abgeändert werden kann.
Alle derartigen Abänderungen,
wie sie Fachleuten auf diesem Gebiet offensichtlich sind, sollen vom
Umfang der folgenden Patentansprüche
umfasst sein.