JP2014181175A - 大口径コアマルチモード光ファイバ - Google Patents

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Abstract

【課題】本明細書は、製造コストを削減する改善された方法で生産されるマルチモード光ファイバについて記載する。
【解決手段】これらの方法は、パワー損失の観点からもより効率的である可能性がある。実施形態の1つでは、改善された設計は、ロッドインチューブ方式により生成される純シリカの大口径コアを有する。この実施形態では、等温ラジオ周波数プラズマ堆積を用いて、フッ素ドープされたシリカをシリカ出発管の内部に堆積させることによって、ダウンドープされたクラッディングが生成される。シリカコアが挿入され、出発管はコラプスされる。シリカ出発管は取り除かれて、フッ素ドープされたガラスを被覆されたシリカロッドから光ファイバが線引きされる。
【選択図】図1

Description

本発明は、大口径コアを有する光ファイバのための一群の設計に関する。より詳細には本発明は、費用効率の高い製造のために設計されたマルチモード光ファイバに関する。
光信号の媒体および長距離伝送には、非常に低損失の光ファイバが使用される。これらは一般的に、小口径コアでシングルモードを伝送する。低損失のための最適な導光特性を提供するために、光ファイバの屈折率プロファイルは多くの場合複雑であり、通常(純シリカに対して)アップドープされた(up−doped)コア、および複数のクラッド層を有する。対照的に、例えば数メートルから数十メートルの、短距離用途の多くの光ファイバは、より単純な設計、およびそれに伴うより低コストのマルチモードファイバである。これらの光ファイバは、典型的にはより大きいコアを有し、より高い光パワーを搬送するが、最適な光伝送効率を必要としない。これらの設計の主な目標は、より低い単位コストに通じる製造の容易さである。
これらの単純なマルチモード設計の1つに、純シリカコアおよび単一のダウンドープされた(down−doped)クラッディングを備えたステップインデックスがある。この設計は、段階的アップドープされたコアおよびクラッディングの複数の層を有する大部分のシングルモードの光ファイバ設計と対照をなす。したがって、この光ファイバは、製造にかかる費用が非常に少ない。
このステップインデックスマルチモード光ファイバは、本質的に単純で、製造のコスト効率が高いが、さらなるコスト削減が継続的な目標である。
米国特許第8,252,387号
製造コストを削減する改善された方法で生産することができるマルチモード光ファイバを設計した。これらの方法は、パワー損失の観点からもより効率的である可能性がある。実施形態の1つでは、改善された設計は、ロッドインチューブ方式により生成される純シリカの大口径コアを有する。この実施形態では、等温ラジオ周波数プラズマ堆積(isothermal radio frequency plasma deposition)を使用して、フッ素ドープされたシリカの管内部堆積によって、ダウンドープされたクラッディングが生産される。便宜上、この方法を、本明細書では等温RFプラズマ内部堆積(Isothermal RF Plasma Inside Deposition)すなわちIRFPIDと呼ぶ。シリカコアが挿入され、出発管がコラプス(collapse)される。シリカ出発管を取り除くことができ、フッ素ドープされたガラスを被覆されたシリカロッドから、光ファイバが線引き(drawn)される。
発明のIRFPID方法の説明に役立つ一般的なプロファイルパラメータを示す本発明の一実施形態としての光ファイバ屈折率プロファイルの図である。 光ファイバ母材を製造するためのIRFPID方法のロッドインチューブ工程の概略図である。 光ファイバ母材を製造するためのIRFPID方法のロッドインチューブ工程の概略図である。 IRFPID出発管の内壁に高純度ガラスを堆積させることを示すIRFPID工程の概略図である。 IRFPID工程後のコラプスステップを表す図である。 光ファイバを線引きするためのステップインデックス母材を残して、IRFPID出発管を取り除く発明の工程におけるオプションステップを表す図である。 IRFPID方法によって作成された母材を線引きして長尺の光ファイバにするために役立つファイバ線引き装置の概略図である。
図1を参照すると、本発明のIRFPID方法で作成することができる例示的寸法の設計パラメータが示されている。この図は、マルチモードの光ファイバのステップ屈折率プロファイルを示し、光ファイバコア11は純シリカ、またはほぼゼロのデルタで示される低濃度ドープされたシリカである。デルタは、屈折率と、純シリカの屈折率を表す基準値ゼロとの一般的に使用されるパーセント差である。コアサイズは2rである。この実施形態の光ファイバ全体のコア/クラッド半径は、Rで表される。クラッディング12は、フッ素ドープされたシリカであり、図に示すように負のデルタを有する。ダウンドープされたクラッディングの一般的な負のデルタ値、nは、−0.05%未満、好ましくは−0.05%と−3.0%との間の範囲、最も好ましくは−0.15%と−2.2%との間とすることができる。大口径コアの半径は、rで表され、一般的には5ミクロンから1000ミクロン、好ましくは24ミクロンから100ミクロンで変化する。ダウンドープされたクラッディングの厚さR−rは、0.5ミクロンから1000ミクロン、好ましくは1ミクロンから200ミクロンで変化することがある。
点線14で表す第2の実施形態では、光ファイバ全体のコア/クラッド半径はR2である。領域14は、厚さR2−Rを有するアップドープされていないクラッディング層である。このクラッディング層を生成するステップを以下に示す。半径R2は、大きく変化する可能性がある。
当技術ではよく知られているように、異なる絶対値を有して、同じ比例のプロファイルは、IRFPID光ファイバを製造するために使用される母材を特徴付けることになる。
本発明により、変更されたロッドインチューブ方法で、IRFPID光ファイバ母材が作成される。ロッドインチューブ方法について、図2および3と併せて説明する。参照される図は必ずしも縮尺通りに描かれていないことを理解されたい。
コアロッド22は、クラッディング管21に挿入されて示されている。本発明の好ましい実施形態によれば、コアロッドは純シリカ、またはほぼゼロのインデックスデルタを有する低濃度ドープされたシリカである。好ましくは、最適な低損失のために、コアロッドは、ドープされていない。純シリカロッドは、様々な供給元から市販されている。コアロッドの製造は、本明細書に記載するIRFPID方法の一部ではない。主要なIRFPID方法からコアロッドの生成をこのように分岐させることにより、生成シーケンスに柔軟性および費用効果が追加される。純シリカロッドは好ましいコアロッドであるが、マルチモード光ファイバに好適な任意のガラスコアロッドを使用することができる。例えば、様々なタイプの屈折率分布型(graded index)ガラスコアロッドを、本発明のIRFPID方法により作成される母材のガラスコアとして使用することができる。
また、非常に大きい製造済みコアロッドを使用すると、それに応じて、母材の製造に時間および複雑さを追加することなく、大コア直径を作成できること、およびコア材料がスート(soot)として堆積される従来の技術の方法に比べて母材サイズを実質的に増やすことができることを、当業者には理解されるであろう。
ロッド22および管21を組み立てた後に、管がロッドにコラプスされて、図3に示すように、わずかな屈折率の差以外、コアロッド34をクラッディング管と区別することができない、中実ロッド33を作成する。
IRFPID方法の管は、ダウンドープされたガラスをガラス管基体内に堆積させることによって作成される。実際に使用される寸法を表すガラス管基体は、商業的見地から、10〜15の一般的な長さと直径の比を有する。管内部堆積は、保護された環境を提供し、堆積環境の純度および組成を高度に制御することができる。堆積方法は、等温RF生成プラズマを使用して、管内に狭い反応ゾーンを形成する。プラズマの上流の狭い堆積ゾーン(すなわち、反応物質の導入部とプラズマとの間の位置)を生成する等温低圧プラズマ動作状態が利用される。プラズマ動作状態は一般的に、いくつかの相互作用パラメータによって決まる。本質的には、主要な目的は、基体管の内部表面を蒸発させないように熱レベルを十分に低く保ちながら、狭い反応ゾーンの作成に十分なエネルギー密度を提供することである。
IRFPID方法について、図4の概略図を用いて詳細に説明する。IRFPIDでは、いくつかの動作パラメータを制御して、生み出されたプラズマのすぐ上流に極めて狭い堆積ゾーンを形成することができる。堆積状態は、狭い堆積ゾーンが従来の基体管の長さの約1%だけを占めるように制御することができる。これは、従来の技術のMCVD工程およびPCVD工程と関連する10〜30%の値と対照的である。大ざっぱに言えば、一般に使用される状況は、1センチメートル以下の狭い堆積ゾーンを生じる。シリカ管41は、基体管として使用される。43において、ガラス前駆体が管41に導入される。この実施形態では、反応物は、基体管の内壁にフッ素ドープされたガラス44を作成するのに好適であるケイ素化合物およびフッ素化合物を含む。これらは、SiClおよびCを含むことができる。しかしながら、ダウンドープされたガラスを作成するために当業者によく知られている他の前駆体物質を同様に使用して、基体管内にダウンドープされた堆積を生み出すことができる。
プラズマ生成器を使用して、フッ素ドープされたガラスの堆積を形成するための十分なエネルギー密度の等温RFプラズマ42を生み出す。「等温」プラズマとは、プラズマ中のイオンと電子の両方が、ほぼ同じ温度であることを意味する。対照的に、従来のPCVDシステムは、電子がイオンよりも非常に高いエネルギーを有する非等温プラズマを使用する。本発明の装置で等温プラズマを使用することにより、図4に示すようにプラズマの「上流」で反応および堆積を迅速に起こすことができる。上流堆積メカニズムは、スートとは対照的に、均質粒子の形成および成長により、溶融ガラス粒子の形成をもたらす。こうした溶融ガラス粒子は次に、プラズマの上流に熱泳動によって(thermophoretically)堆積される。堆積は、反応物がプラズマ領域に入る前に行われる。プラズマの中心の数インチ内の狭い加熱ゾーンは、反応および熱泳動堆積のために熱を高度に集中させ、一方、プラズマは下流で管壁をさらに加熱し、それによって管41の基体の側壁の温度を上げる。したがって、プラズマ生成器が管41を横切るとき、プラズマの「上流の」加熱ゾーンは、堆積が行われるエリアである。内壁の温度は、ガラス粒子を溶かし、均一なガラスフィルムを形成するのに十分なものである。IRFPID工程のパラメータは、基体が融解ではなく気化または分解し始めることになる温度まで反応ゾーンが加熱されないように制御される。例えば、RFプラズマが2〜20kWのパワー範囲で動作し、管基体の温度が1000Cから1600Cの範囲に維持されることが推奨される。IRFPID方法の圧力は、大気圧未満であり、例えば、100トル未満、好ましくは0.1から50トルの範囲である。低気圧は、等温プラズマと併せて、例えば管の長さの約1%、典型的には約1センチメートル以下の極めて狭い堆積ゾーンをもたらす。低気圧はまた、基体および反応物が気化しないように、非常に高温のプラズマの熱含有量を低減するのに役立つ。IRFPID方法はまた、他の工程よりも高い堆積効率を生み出し、さらなるコスト削減に通じる。
IRFPID方法の重要な特徴は、低気圧、等温プラズマ工程が、プラズマに入る前に(すなわち、プラズマの「上流で」)基体の壁に堆積される溶融ガラス粒子を作成することである。本発明の工程では、スートは作成/堆積されない。さらに、プラズマ領域にさらなる堆積が行われる根拠がなく、すべての堆積は、プラズマのすぐ上流の狭いゾーンで行われる。また、堆積される粒子は、堆積時に固められるガラス粒子であるので、プラズマは、硬化ステップに使用されない。
等温プラズマ堆積ステップのさらなる詳細は、2012年8月28日に発行され、本出願の譲受人に譲渡された、米国特許第8,252,387号に見つけることができる。この特許は全体として、参照により本明細書に組み込まれている。
図1で表す屈折率プロファイルに加えて、IRFPID方法は、1つまたは複数のダウンドープされた領域を必要とする、現在知られている、または開発されることになる、多様な屈折率プロファイルの変形を生み出すように実施可能であることは、当業者には理解されるであろう。また、厚みを増やしてコア材料を形成できることは、コア設計における広範な多用途性を可能にすることは理解されるであろう。
IRFPID堆積が完了すると、管は、知られている技術を用いて、すなわちガラス軟化温度を超えるまで、すなわち2000〜2400Cを超えるまで管を加熱して、シリカコアロッドにコラプスされて、ガラス管の表面張力が管径をゆっくり縮ませることを可能にし、トーチを複数回通した後に、最終的に中実ロッドを生じる。コラプスされたロッドは、図5に示しており、シリカコアロッドを51に、IRFPIDシリカ出発管を53に、IRFPIDダウンドープ層を52示している。必要に応じて、コラプス前の洗浄ステップを組み込むことができる。また、ロッドと管との間の環境を制御することができる。好適な追加ステップの詳細は、2012年8月28日に発行された、米国特許第8,252,387号に記載されており、これは、本発明に関連する追加技術について、参照により本明細書に組み込まれている。
次に、本発明の好ましい態様に従って、53のIRFPIDシリカ出発管を取り除くことができる。これは、機械的研磨によって、プラズマエッチングによって、化学エッチングによって、またはこれらの技術の組合せによって、行うことができる。いくつかの例では、出発管材料の用途および/または質に応じて、IRFPID堆積ガラスを囲んでいる出発管材料の残存量を保持することができる。しかしながら、好ましい実施形態では、出発管ガラスがすべて取り除かれる。エッチング工程の終点は、コラプスされたロッドの屈折率プロファイルから判断することができる。エッチングされた母材は、研磨またはエッチングが完了した後に測定されて、オーバーエッチングの量を求めることができ、その後出発管の選択にこれを考慮する。この場合はオーバーエッチングがアンダーエッチングよりも好ましいことは明らかであろう。したがって、IRFPID堆積およびエッチング時間は、IRFPID堆積材料の限定の、ただし有限の(limited but finite)エッチングのために設計することができる。好ましくは管の90%より多くが取り除かれ、さらに一般的には管の全部が取り除かれる。
出発管の少なくとも一部が保持される実施形態は、図1の点線14で示している。
IRFPID出発管の少なくとも一部を取り除いた後、IRFPID堆積ガラスコアは、図6に示すように残る。本発明の好ましい実践では、図6のロッドは、線引きされる光ファイバ用のIRFPID母材である。
上述のようにIRFPID光ファイバ母材は、次に光ファイバを線引きするために使用される。IRFPID母材から光ファイバを線引きするための好適な装置は、図7に示している。図7は、母材71と、ガラス母材を軟化し、ファイバの線引きを開始するために使用される炉(図示せず)を表すサセプタ72とを示す。線引きされるファイバを73に示す。発生期のファイバ表面は次に、全体として74に示し、被覆プレポリマ76を含んだチャンバ75を有する被覆カップを通される。被覆チャンバからの液体被覆されたファイバは、ダイ81を通って出る。ダイ81およびプレポリマの流体力学を組み合わせて、被覆の厚さを制御する。プレポリマを被覆されたファイバ84は、次にUVランプ85にさらされて、プレポリマを硬化し、被覆工程を完了する。適切な他の硬化放射線(curing radiation)を使用することもできる。被覆を硬化されたファイバは、次に巻き取りリール87によって巻き取られる。巻き取りリールは、ファイバの線引き速度を制御する。一般的には1〜50m/秒の範囲の線引き速度を使用することができる。ファイバは、ファイバおよび被覆の同心性を維持するように、被覆カップ内で、特に出口ダイ81内で、中心に置かれることが重要である。市販の装置は一般的に、ファイバの位置合わせを制御する滑車を備えている。ダイ自体の動圧が、ファイバを中心に置く際に助けとなる。マイクロステップインデクサ(図示せず)によって制御されるステッピングモータが、巻き取りリールを制御する。
光ファイバの被覆材料は、一般的にはウレタン、アクリレート、またはUV光開始剤を添加されたウレタンアクリレートである。図7の装置は、単一の被覆カップを備えて示しているが、2つの被覆カップを備えた二重被覆装置が一般的に使用される。二重被覆されるファイバでは、一般的な最初の、または内側の被覆材料は、シリコン、熱溶融性ワックス、または比較的低弾性率を有するいくつかのポリマ材料のいずれかのような、柔らかい、低弾性率材料である。2番目の、または外側の被覆の通常の材料は、高弾性率ポリマ、一般的にはウレタンまたはアクリルである。商業的実践では、両材料は、低弾性率のアクリレートおよび高弾性率のアクリレートとすることができる。被覆の厚さは、一般的には直径が150〜300ミクロンの範囲であり、およそ240ミクロンを標準とする。
さらに、本発明のIRFPID方法を使用して、ダウンドープされた管を製造することができる。フッ素のようなダウンドーパントの堆積後にコアを挿入する代わりに、独立型オーバクラディングチューブ(standalone overcladding tube)としてダウンドープされた管を使用することができる。ダウンドープされた管の用途に応じて、上記の方法のいずれかによって出発管の少なくとも一部を取り除くことができる。本発明のIRFPID方法には様々な出発管を使用することができるが、20mm以上の管内径および3mm以上の管壁の厚さを有する出発管が、ダウンドープされた管の製造に好ましい出発管である。
IRFPID方法における望ましいダウンドーププロファイルを達成するために、シリカおよびダウンドープ化合物の堆積は、注意深く制御されなければならない。例えば、本発明のIRFPID方法を使用したフッ素堆積には、RFプラズマが2〜20kWのパワー範囲で動作し、管内壁温度が1000Cから1600Cの範囲に維持され、管内の圧力が0.1から50トルの範囲に維持されることが推奨される。好ましくは、RFパワーは、3〜15kWの範囲であり、管内壁温度は1100Cから1400Cの範囲であり、管内の圧力が5から20トルの範囲である。
堆積中のいくつかの化合物の流量もまた、注意深く制御される必要がある。例えば、本発明のIRFPID方法を使用したフッ素堆積については、Oが50から15,000cc/分の範囲で供給され、SiCLが0から2000cc/分の間で供給され、SiFまたはCが1から2000cc/分の範囲で供給されることが推奨される。好ましくは、Oが500から10,000cc/分の範囲で供給され、SiClが0から1500cc/分の範囲で供給され、SiFまたはCが10から1000cc/分の範囲で供給される。
好ましくは、生み出される等温プラズマのトラバース速度は、1m/分を超え、最も好ましくは4m/分を超える。また、プラズマのトラバース長は、0.1mを超えることが好ましく、最も好ましくは0.25mと3mとの間である。
本発明のIRFPID方法には様々な出発管を使用することができるが、管内径が20mm以上、および管壁の厚さが3mm以上の出発管が、本発明のIRFPID方法に好ましい出発管である。
本発明のさらなる様々な変更形態を、当業者は思いつくであろう。当技術が発展する手段となった原理およびそれらの同等物に基本的に依存するこの明細書の特定の教示からのあらゆる変更は、厳密には、説明して特許請求の範囲に記載する本発明の範囲内とみなされる。

Claims (15)

  1. (i)等温RFプラズマ内部堆積(IRFPID)によって、IRFPIDシリカ出発管の内部にダウンドープされたガラス層を形成するステップを含み、前記IRFPIDが、
    (i’)前記シリカ出発管をプラズマ生成器の共振コイル内に配置するステップと、
    (ii’)ダウンドーパント含有化学反応物を前記シリカ出発管に導入するステップと、
    (iii’)前記シリカ出発管内の内圧を大気圧未満に維持するステップと、
    (iv’)前記共振コイルに電圧を加えて、前記シリカ出発管内に等温プラズマを生み出すステップと、
    (v’)基体管の内壁を加熱するステップと、
    (vi’)前記等温プラズマ内で堆積が行われず、前記生み出された等温プラズマの上流の狭いゾーン内でのみ、前記シリカ出発管にダウンドープされたガラスを堆積するステップであって、前記狭いゾーンが前記シリカ出発管の長さの1%以下である、ステップと
    を含む、方法。
  2. 前記IRFPID出発管の少なくとも一部を取り除くステップ
    をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記IRFPID出発管の少なくとも一部を取り除く前記ステップが、
    前記IRFPID出発管の一部のみを取り除くステップ、
    前記IRFPID出発管の全部を取り除くステップ、
    機械的研磨によって前記IRFPID出発管の少なくとも一部を取り除くステップ、
    プラズマエッチングによって前記IRFPID出発管の少なくとも一部を取り除くステップ、
    化学エッチングによって前記IRFPID出発管の少なくとも一部を取り除くステップ、および
    機械的研磨、プラズマエッチング、および化学エッチングのいずれかの組合せによって前記IRFPID出発管の少なくとも一部を取り除くステップ
    からなる群から選択される、請求項2に記載の方法。
  4. 前記ダウンドープされたガラス層の負のデルタ値が、
    −0.05%未満、および
    およそ−0.15%と−2.2%との間
    からなる群から選択される範囲である、請求項1に記載の方法。
  5. 前記ダウンドーパント含有化学反応物がフッ素を含む、請求項1に記載の方法。
  6. (ii)ガラスコアロッドを前記IRFPIDシリカ出発管に挿入するステップと、
    (iii)前記IRFPIDシリカ出発管を前記ガラスコアロッドにコラプスして、コア材料、および前記コア材料上にダウンドープされたクラッディング材料を有する第1の中実ガラス体を生成するステップと
    をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  7. 前記第1の中実ガラス体が、光ファイバ母材であり、
    前記光ファイバ母材を軟化温度まで加熱するステップと、
    前記母材から、コアおよびダウンドープされたクラッディングを有する光ファイバを線引きするステップと
    をさらに含む、請求項6に記載の方法。
  8. 前記コアが、5ミクロンから1000ミクロンの半径を有する、請求項7に記載の方法。
  9. 前記ダウンドープされたクラッディングが、0.5ミクロンから1000ミクロンの厚さを有する、請求項7に記載の方法。
  10. 前記ガラスコアロッドが、およそゼロのデルタ値を有するシリカコアロッドである、請求項6に記載の方法。
  11. 前記ガラスコアが、屈折率分布型コアロッドである、請求項6に記載の方法。
  12. 前記ダウンドーパント含有化学反応物がフッ素を含む、請求項1に記載の方法。
  13. 前記プラズマ生成器が、2〜20kWのパワー範囲を有し、
    前記ダウンドーパント含有化学反応物がフッ素ドーパント含有化学反応物であり、前記フッ素ドーパント含有化学反応物が、毎分1から2000cc(cc/分)の範囲で前記シリカ出発管の内部に供給され、
    前記シリカ出発管内の前記内圧が、およそ0.1から50トルの間であり、
    前記基体管の前記内壁が、およそ摂氏1000度(C)から1600Cの間の範囲まで加熱され、
    が50から15,000cc/分の範囲で供給され、
    SiClが0から2000cc/分の範囲で供給され、
    前記等温プラズマのトラバース速度が、1m/分を超え、
    前記等温プラズマのトラバース長が、0.1mを超える、
    請求項1に記載の方法。
  14. 前記プラズマ生成器の前記共振コイルが、3〜15kWのパワー範囲を有し、
    前記シリカ出発管内の前記内圧が、5から20トルの範囲であり、
    前記シリカ出発管内の前記温度が、1100Cから1400Cの範囲であり、
    前記フッ素ドーパント含有化学反応物が、10から1000cc/分の範囲で前記シリカ出発管の前記内部に供給され、
    が500から10,000cc/分の範囲で供給され、
    SiClが0から1500cc/分の間で供給され、
    前記等温プラズマの前記トラバース速度が、4m/分を超え、
    前記等温プラズマの前記トラバース長が0.25mと3mとの間である、
    請求項13に記載の方法。
  15. 前記フッ素ドーパント含有化学反応物が、
    SiF、および

    からなる群から選択された反応物を含む、請求項13に記載の方法。
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