JP2002508856A - 光導波路の炭素被覆 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 クラッドガラス層（２）上に薄い炭素被膜（４）を有する光導波路ファイバが開示される。炭素被覆導波路は、優れた耐動的疲労性、環境試験における改善された高分子外装被覆（６）密着性、環境試験における優れた損失安定性、及び着色容易性を示す。

Description

【発明の詳細な説明】 光導波路の炭素被覆 発明の背景 本発明は光導波路ファイバ上の薄い炭素被膜に関する。本被膜は導波路ファイ バの性能を改善するはたらきをする。より詳しくは、導波路ファイバのクラッド ガラス層上に形成された薄い炭素被膜は、導波路ファイバの動的疲労性能を改善 することが判明した。さらに炭素被膜は、水中浸漬のような過酷な環境条件下に おける、高分子被覆と導波路ファイバとの間の耐離層強度を著しく改善する。 光導波路ファイバを被覆するという概念は技術上既知である。導波路ファイバ を取扱い時の損傷から保護するだけでなく、曲げによる導波路損失への影響を軽 減するためにも、高分子被覆が開発されてきている。また、導波路が応力下にあ る場合に導波路表面の傷を大きくするＯＨ^-イオンに対して導波路ファイバを密 封するために気密性被覆が開発されてきた。気密性被覆はまた、腐食性材料及び 、ガス、特に導波路内に拡散して損失を大きくさせる水素から導波路を保護する 上で重要である。 気密被覆の研究で試験されたいくつかの種類の被覆材料の中では、炭素が導波 路の製造、外装及び使用に最も適合することが判明している。 気密性を与えるに十分な炭素層厚さは、１０００Å以上の範囲にあることが判 明している。オオハシ（Ｏｏｈａｓｈｉ）等の米国特許第４，９６４，６９４号 においては、膜厚が１０００ないし６０００Åの範囲の炭素被膜が教示されてい る（第３欄、第２９〜３４行）。膜厚が１０００Åより薄いと、被膜にピンホー ルが生じやすい。膜厚が６０００Åより厚いと亀裂が生じやすく、導波路表面か ら剥がれやすい。気密性はまた、水素の被膜通過に対する抵抗に関して測定され る。例えば、デマルチェロ（ＤｅＭａｒｃｅｌｌｏ）等の米国特許第５，０００ ，５４１号、第４欄、第１９〜３９行を参照されたい。デマルチェロ特許第５， ０００，５４１号の第５欄、第１１〜１５行に、１０００Å厚の炭素層が水素拡 散に対するバリアになると記されている。 導波路ファイバ製造プロセスへの炭素被覆工程の導入により生じる製造上及び コスト上の不利益は： −炭素被膜の厚さ及び完全性の必要条件により線引き速度が制限されること； −線引きフィードバック制御ループに炭素被膜厚さのオンライン測定をさらに 付加しなければならないこと； −気密性に関する品質管理試験をさらに行わなければならないこと；及び −黒色の導波路は高分子被覆を着色してマルチプルファイバ集成体にカラーコ ードをつけるプロセスを複雑にすること； である。 発明の概要 本発明は、気密性の利点のいくつかを維持したままで気密性を達成する上での 欠点を克服する。さらに、薄い炭素被膜の存在により予期しない利点も導かれる 。 すなわち、本発明の第１の態様は、厚さが約１００Å以下の炭素層で被覆され た光導波路ファイバである。５０Å以下の厚さで十分であることが予想される。 炭素被膜が薄くなるとともに、導波路特性は炭素被膜をもたない導波路ファイバ の特性に近づくと考えられる。炭素被覆導波路ファイバ性能に関して期待される 利点には、厚さが約１０μｍはないと得られないものがある。薄い炭素層は、水 素のような流体に対する透過性により気密性炭素被膜と識別される。しかし、シ リカクラッド導波路については約２０である動的疲労定数は、炭素薄層を有する 導波路の場合、約２５より大きい。この疲労定数は破損までの時間を予測する方 程式において指数として表われるという事実に照らしてみれば、疲労定数のその ような増大は極めて重要である。 炭素薄層は厚さによって特徴づけられるだけでなく、この炭素層は約４メグオ ーム／ｃｍ（ＭΩ／ｃｍ）以下の単位長あたりの電気抵抗によっても特徴づけら れる。炭素薄層は導波路のクラッドガラス層に密着する。この層は淡灰色である 。 本発明の第２の態様は、前記炭素薄層が高分子被覆の離層を実質的に防止する ようにはたらくという驚くべき発見である。保護高分子被覆を有する導波路ファ ィバのこの保全性は、例えば、炭素及び高分子被覆導波路を長時間水中浸漬して も損失が実質的に大きくならないというものである。規定の環境試験は、３０日 間に亘る、室温の水浸漬及び約６５℃の温水浸漬を必要とする。本発明の炭素被 覆導波路ファイバに対する前記試験は室温水及び温水のいずれについても１２８ 日間まで延長され、それでも損失増加は実質的に見られなかった。 本発明の被膜のさらなる利点は、気密性黒色被膜とは対照的に、技術上既知の 方法及び顔料を用いて導波路ファイバをカラーコード化することができる、淡灰 色であることから得られる。着色及び試験に成功した色は、黄色、白色、赤色、 及び緑色であった。これらの色は着色が最も困難であり、環境試験においておそ らく変色すると考えられる。図面の簡単な説明 図１は、薄い炭素被膜及び高分子被覆を有する光導波路ファイバの端面図であ る。 図２は、破損確率対印加応力を示すワイブル強度グラフである。 図３は、環境試験における導波路の損失対時間のグラフである。 発明の詳細な説明 本発明の薄い炭素被膜を有する光導波路ファイバは： −約２５より大きい動的疲労定数； −過酷な環境下における優れた高分子被覆密着性；及び −炭素層をもたない高分子被覆導波路と同様の着色容易性； を特徴とする。すなわち、炭素被覆導波路の強度に関する利点が実現され、一方 気密性被覆にともなう処置が必要な欠点は実質的にない。着色容易性に加えて、 薄い炭素被膜は気密性被覆プロセスより線引き速度を大きくして施すことができ ると考えられる。線引き制御ループにさらにオンライン測定を連結する必要がな く、被膜電気抵抗の統計的に有意な数のオフライン測定を行うことにより品質管 理を継続することができる。上記の主張は、以下に述べる、メグオームレベルの 単位長あたりの電気抵抗により適当な薄さの被膜が得られていることが示される という結果に基づいている。極めて対照的に、気密性炭素被膜、すなわち約５０ ０Å以上の厚さを有する被膜に対する電気抵抗の必要条件はキロオーム範囲であ り、３桁小さい。 本発明の導波路の端面図が図１に示される。クラッドガラス層２が炭素薄層４ に取り囲まれ、これに密着している。外層６は１つ以上の層を含む高分子保護被 覆を表わす。本炭素層が導波路ファイバのガラス表面上に直接形成されることに 注意されたい。 被膜形成方法は、導波路ファイバが線引き炉の高温域から現れる際の導波路フ ァイバ上への炭素の熱分解被着を含む。ファイバは高温域を通り、炭素含有化合 物が反応して導波路表面に炭素層をつくる、環境が制御されたチャンバに入る。 上記反応はおそらく導波路ファイバからの熱により推進される。気密性被膜ある いは本出願の薄い炭素被膜を施すに適したプロセスは、ミーボン（Ｍｅａｂｏｎ ）等の米国特許第５，３４６，５２０号（'５２０号特許）に見られる。 薄い被膜プロセスでは反応炉における炭素含有化合物の濃度が低いので、前記 熱分解反応はやや不安定になる傾向があった。熱分解反応は、比較的不活性なガ スを反応ガス流に加えることにより安定化された。アルゴンのようなガスを用い た。炭素被覆層の厚さに応じて、アルゴン流量を反応槽への全ガス流量の０ない し７５体積％とした。 実施例−炭素被覆導波路の強度試験 クラッドガラス表面に薄い炭素被膜を有する導波路ファイバを作成した。炭素 被膜上に高分子被覆を施した。この導波路の強度試験を行い、ワイブル強度分布 及び動的疲労定数を測定した。 図２のワイブルプロットは、前記ファイバの破損確率対印加応力を示す。傾き が急峻な直線にプロットがなっていることは、気密性被覆導波路のこれらの特性 とほとんど全く同様である。 ゲージ長が２０ｍのファイバが破損するまで線形引張応力を加えることにより 図のデータを得た。環境を温度３０℃及び相対湿度１００％に制御した。線１０ は伸長速度を０．００４％／分としたときの破損確率対応力である。線８は伸長 速度が４．０％／分の場合を表わす。伸長速度が高いほど導波路表面のいくつか の傷が大きくなって破損に至る時間が与えられないことから、伸長速度が高いほ ど線が右にシフトすることが予想される。実際、伸長速度が高いほど、より傷の 分布が小さくなる、すなわち傷がより速く発達する。 動的疲労定数は、破壊強度対伸長速度のグラフに直線を当てはめることにより 決定した。前記２つの伸長速度のそれぞれにおいて破損強度を多数測定し、これ らのデータに直線を当てはめることにより動的疲労定数，ｎ_dを求めた。この方 法は技術上既知であり、米国規格団体から刊行されているファイバ光学試験方法 （Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ Ｔｅｓｔ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ（ＦＯＴＰ））の ７６ページに詳しく記されている。 ２０ｍゲージ試験は０．５ｍゲージ試験より信頼性が高い。試験ゲージが短く なるほどｎ_d値が小さくなることはよくある。しかし２３．３のｎ_dを与えるデー タ点は、炭素被膜をどれだけ薄くし得るかの限界近くに、約４ＭΩ／ｃｍの電気 抵抗をもつ炭素被膜があることを示しているのかもしれない。この仮説を検証す るため、さらに３本のファイバをゲージ長をより短くして試験した。得られたデ ータは有意であり、ｎ_dが一般に約２０である炭素被膜をもたない導波路と比較 して、炭素被膜がｎ_dを約２５まで増大させるに有効であることを示す。これに 比べて、より厚い気密性炭素被膜では２００以上のｎ_d値が得られる。 比較例−追加強度試験 クラッドガラス表面上に炭素薄層を有する第２の導波路を作成した。この場合 、単位長あたりの電気抵抗は、炭素層がより厚いことを示す、前例の約１／３の １．２８ＭΩ／ｃｍとした。得られたデータを表２に示す。 このデータもやはり、疲労定数を大きく改善する上での炭素薄層の有効性を示 している。あわせてとられた２組のデータは、約４ＭΩ／ｃｍという目標膜厚が おそらく適切であることを示唆している。 ここで高分子被覆の密着性に関する炭素層の効果へ戻ると、上例で述べた導波 路ファイバはいずれも十分な性能を示したことが注目される。表３は、試験した 導波路には過酷な環境試験下で被覆密着性すなわち導波路機能に実質的に劣化が ないことを示している。 炭素被覆導波路からの前記高分子被覆の離層が見られないことは普通にはない ことである。さらに普通とは異なる点は、表に示した過酷な条件において導波路 損失にごくわずかの変化しか見られないことである。試料Ｂの試験結果は特に重 要である。試料Ｂには密着促進剤が使われておらず、よって離層が見られないこ とは極めて異例なことであり、予想もしなかったことである。シリカ表面に施さ れた高分子被覆であれば極めて迅速に、すなわち数時間もたたない内に離層した であろう。被覆の離層は強度の低下だけでなく損失の増加も生じる。一連の代表 的な環境試験データが図３のグラフに示される。このグラフは６５℃の水に浸漬 された導波路ファイバＡに関する損失対時間のプロットである。線１２は導波路 Ａの１３１０ｎｍにおける損失の１２８日間にわたる実質的に連続な測定データ を示す。線１４は導波路Ａに関する１５５０ｎｍにおける損失のプロットである 。図に示される損失のわずかな増加は、実質的に全ての用途に対して、本導波路 ファィバを含むシステムの性能を劣化させるほどのものではない。 本発明の炭素被膜の所要厚さは： −導波路ファイバ端でなされる直接測定； −電気抵抗または炭素膜厚に関係するその他の電気的特性の測定； −炭素被覆導波路の色； により定めることができる。 上記３番目の性質は、本発明の薄い炭素被膜に別の利点をもたらす。気密性被 覆ファイバではより厚い炭素層が必要であり、従って黒色を呈する。前記高分子 被覆はおそらくやや透明であり、よって高分子被覆につけられた色はその下の黒 色層により外観が変化することがある。実際問題として、黄色、白色、緑色、及 び赤色の高分子被覆気密性ファイバの製造において、黒色層のためにかなりの困 難が生じている。 本明細書に開示した炭素被覆導波路ファイバの淡灰色は、前記高分子に加えら れるかあるいは塗布される色と干渉しない。さらに上記の色は、規定の環境試験 にさらされたときでも、標準マンセル色票図で定められるような、規格内にある 。 本発明の特定の実施の形態を本明細書に開示し説明したが、それでもなお本発 明は以下の請求の範囲によってのみ限定される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，Ａ Ｔ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ， ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．被覆された光導波路ファイバにおいて： 外部表面を有する光導波路ファイバを含み； 前記外部表面が、炭素を含む、厚さが約１００Å以下の第１の被膜を有し、 前記光導波路ファイバは、前記炭素層を取り囲み、前記炭素層に接する少な くとも１層の高分子被覆を有する： ことを特徴とする被覆された光導波路ファイバ。 ２．前記炭素を含む層の厚さが５０Å以下であることを特徴とする請求の範囲第 １項記載の被覆された光導波路ファイバ。 ３．動的疲労定数が２５以上であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の被 覆された光導波路ファイバ。 ４．前記炭素被膜の導波路長１ｃｍあたりの電気抵抗が約４ＭΩ／ｃｍ以下であ ることを特徴とする請求の範囲第１項記載の被覆された光導波路ファイバ。 ５．前記炭素被膜の前記１ｃｍあたりの電気抵抗が約２．５ＭΩ／ｃｍ以下であ ることを特徴とする請求の範囲第４項記載の被覆された光導波路ファイバ。 ６． 被覆された光導波路ファイバにおいて： 外部表面を有する光導波路ファイバを含み： 前記外部表面が、炭素を含む、厚さが約１００Å以下の第１の被膜及び、前 記炭素層を取り囲み、前記炭素層に接する、高分子を含む少なくとも１層の付 加被覆層を有し； 炭素を含む前記層が、約２０ないし７０℃の範囲の温度を有する水の中に少 なくとも３０日間浸漬された場合にも、前記周囲高分子層と接したままでいる ； ことを特徴とする被覆された光導波路ファイバ。 ７．前記水中浸漬の間及びその後の前記導波路の光損失の変化量が、１３１０ｎ ｍにおいて約０．０４ｄＢ／ｋｍ以下、及び１５５０ｎｍにおいて約０．０３ ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第６項記載の被覆された光 導波路ファイバ。 ８．前記高分子被覆に着色剤をさらに含むことを特徴とする請求の範囲第６項記 載の光導波路ファイバ。 ９．前記着色剤が黄色、白色、緑色、及び赤色の内の１つを有する導波路ファイ バをつくることを特徴とする請求の範囲第８項記載の光導波路。