JP2017534752A - 金属コート光学ファイバーの製造のための方法及び装置並びに結果的に生じる光学ファイバー - Google Patents

Abstract

金属コート光学ファイバーを生産するための方法及び装置は、無電解堆積を介してガラスファイバー上に第一の所定の金属をメッキするために第一溶液バスを通してある長さのガラスファイバーを供給することを含む。少なくともいくらかの第二の所定の金属が適用された後でのみ光学ファイバーが電極に接触するように、第一溶液バスから電解メッキを介してその上に第二の所定の金属をメッキするのに適合された第二溶液バスへと上記長さのガラスファイバーが連続的に通される。上記長さのガラスファイバーは、第二溶液バスから電解メッキを介して第三の所定の金属をその上にメッキするのに適合された第三溶液バスへと連続的に通されてよい。

Description

本発明は光学ファイバーに関する。より詳細には、本発明は金属コート光学ファイバーとそれを製作するための技術に関する。

光学ファイバーは典型的にはポリマーコートを有して構成されるが、金属コート光学ファイバーの使用を必要とする用途もある。例えば、温度、音響振動及び歪み用の分散型ファイバーセンシング技術は、油井及びガス井の監視において普及している。熱的抽出強化が頻繁に適用されるので、油砂または超重油リザーバ中の井戸温度は３００度を超えることがある。現在のポリマーコートファイバーは、そのような高温に対してその元々の機械的特性を維持しない。従って、ポリマーコートファイバーの代わりに金属コートファイバーが高温環境に適用される。

アルミニウム、銅及び金等の金属コートファイバーが市販されている。しかし、これらのファイバーは全て浸漬法がその製作に適用されているので２０ミクロン超の厚い金属層を有する。特に、溶融金属で満たされたコーティングダイを通過する際にむきだしのファイバーが溶融金属へと浸され、その後、ファイバー表面で凍結する。約２０〜３０ミクロンのより厚いコート厚さ及び凍結による熱収縮は追加的な損失を引き起こすので、これらのファイバーの一つの欠点は大きな減衰である。例えばガラスの直径が１２５ミクロンであり銅の厚さが２０ミクロンである銅コートファイバーの典型的な損失は、１３１０ｎｍで約１０ｄＢ／ｋｍである。

金属コートファイバーの代替的な製作方法として、低損失金属コートファイバーがメッキ法によって作られたことが報告されている（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｉｒｅ ＆ Ｃａｂｌｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、１９９１年、１６７−１７１頁）。１２５ミクロンのガラス及び２．５ミクロンのニッケル層を有する報告されたファイバーの減衰は１３００ｎｍで０．７ｄＢ／ｋｍである。メッキによって作られた金属コートファイバーの構造は米国特許第５，０９３，８８０号に記述されており、これは全ての目的のために参照により本願に取り込まれる。しかし、むきだしのファイバーの取り扱いが困難なので、メッキによって作られた長い金属コートファイバーは未だに商品化されていない。機械的信頼性を劣化させないメッキによる金属コートファイバーの製作方法は出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０２８１５１（２０１４年９月２５日にＷＯ２０１４／１５２８９６として公開）に開示されている。米国特許第５，０９３，８８０号及び出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０２８１５１は両方とも全ての目的のために参照によって完全に本願に組み込まれる。

耐温度性能について、高温下における損失性能のみがこれまで記述された。熱処理後の曲げ性能または高温環境に対する延性は報告されなかった。しかし、熱処理後に延性を保持することはダウンホールケーブルにとって重量な機械的性能特性である。この点について、搬出のためにセンシングケーブルが井戸へと繰り返し取り付けられる。従って、センシングケーブルに繰り返し機械的な動きが適用される。そして永久的に取り付けられたセンシングケーブルでさえ、井戸の生産及び運転中に生じる機械的振動及び他の機械的な動きによって影響される。従って、損失性能に加えて熱処理後の延性を維持することはダウンホール用途における重要な基準である。

本発明は前述の考察、及び従来技術の他の考察を認識する。

米国特許第５，０９３，８８０号 国際公開第２０１４／１５２８９６号

Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｉｒｅ ＆ Ｃａｂｌｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、１９９１年、１６７−１７１頁

一態様によれば、本発明は金属コート光学ファイバーを生産する方法を提供する。この方法は、無電解堆積を介してガラスファイバー上に第一の所定の金属をメッキするために、ある長さのガラスファイバーを第一溶液バスを通して供給するステップを備える。それからその長さのガラスファイバーは第一溶液バスから電解メッキによってその上に第二の所定の金属をメッキするのに適合された第二溶液バスへと連続的に渡され、少なくともいくらかの第二の所定の金属が適用された後でのみ光学ファイバーは電極に接触する。例示的な方法によると、その長さのガラスファイバーは第二溶液バスから電解メッキによってその上に第三の所定の金属をメッキするのに適合された第三溶液バスへと連続的に渡されてもよい。例えば、第一及び第二の所定の金属は銅であり、第三の所定の金属はニッケルであり得る。

本発明の他の態様はコア及びクラッドを含むガラスファイバーを備える光学ファイバーを提供する。光学ファイバーは、銅の第一層、銅の第二層、ニッケルの第三層を備える多層金属コートを更に含む。第一層は無電解プロセスを通して適用され、第二及び第三層はそれぞれ電解プロセスを通して適用される。例えば、銅の第一層及び銅の第二層の合わせた厚さは少なくとも約５ミクロンでよく、銅の第一層の厚さは約０．５ミクロン以下である。更に、ニッケルの第三層の厚さは少なくとも約０．５ミクロンでよい。好ましくは、光学ファイバーは、長さ１〜１０キロメートルの長さ等の１メートル超の長さを有する。

本発明の他の目的、特徴、及び態様は開示された要素の様々なコンビネーション及びサブコンビネーション、並びにその実施方法によって提供され、以下でより詳細に議論される。

本発明の最良の形態を含む、当業者にとって本発明の完全かつ可能にする開示が、添付図面への参照を含む、明細書の残りの部分でより詳細に示される。

層が切断されているが個々の金属層は示されていない金属コート光学ファイバーの斜視図を示す図である。 金属コート光学ファイバーの様々な実施例の特性及び性能を示す表である。 金属コート光学ファイバーの様々な実施例の特性及び性能を示す表である。 光学ファイバーを引出し、それに一時的なコートを適用するための例示的なプロセスを描写する図である。 本発明に係る中間製作ステップでの光学ファイバーの概略端面図である。 本発明に係る製作プロセスの結末での図４Ａの光学ファイバーの概略端面図であり、個々の金属層を示す図である。 本発明の実施形態に係る光学ファイバーを金属でコートする例示的なプロセスを描写する図である。 本発明の実施形態に係る図６のプロセスで使用され得るバス配置の図表示である。

本明細書及び図面中における参照符号の繰り返しの使用は、同じまたは類似した発明の特徴又は要素を表すことが意図される。

当業者には、本議論は例示的な実施形態の記述のみであり、本発明のより広範な態様の限定として意図されておらず、より広範な態様は例示的な構成で具体化されていることが理解されるだろう。

本発明は金属コート光学ファイバー及びその作成方法において様々な改善を提供する。ここで図１を参照すると、例示的な金属コートファイバー１０が描かれている。ファイバー１０はコア１２及びクラッド１４を有するガラスファイバーを含む。金属コート１６がクラッド／コアの組合せを囲み、含んでいる。以下でより完全に記述されるように、金属コート１６は、無電解メッキ及び電解メッキの組合せによって適用された複数の金属層からしばしば形成され得る。典型的には、無電解銅、電解銅、及び電解ニッケルの組合せを用いることができる。結果的に生じるファイバーは、低い伝送損失及び良好な延性の望ましい組み合わせを典型的には有する。

更なる背景として、本発明者らは、低損失性能と熱処理後に延性を維持することとの二つの要求を満たすためにメッキ法に基づく金属コートの最適構造を調査した。この点について、ダウンホールケーブルの要求を満たすための最適な金属構造を見つけるために炭素コートファイバーを用いて金属コートファイバーの短片をつくり、加熱後に試験した。炭素コートはメッキの水溶液からの湿気の透過及びメッキ中に生じた水素の透過を保護することによって機械的劣化を抑制するので、炭素コートはしばしば望ましい。しかし、当業者は、炭素コートなしのファイバーも適用可能であることを理解するだろう。

［Ｉ．単一層構造］
光学ファイバーは、非導電性である溶融石英からなる。炭素層がガラス上にコートされていたとしても、１００ｎｍ未満の厚さのために電解メッキにはコンダクタンスが十分でない。第一金属層は金属種に関係なく無電解メッキでむきだしの光学ファイバー上に適用されるべきである。我々は、以下のプロセスに従って無電解メッキによってニッケルリン合金または銅を形成した。

［実施例１（ニッケルリン合金無電解メッキ）］
ステップ１（一時的なコートの除去）：炭素コート（具体的に、アモルファス炭素コート）でコートされ、第二に、機械的保護のために水溶性である一時的なプラスチックコートでコートされた、光学ファイバーが提供された（出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０２８１５１に記述されている）。一時的なコートを除去し、炭素コート上に堆積された任意の不純物を除去するために、ファイバーは、約６０℃の脱イオン水を有する容器へと５分間浸された。

ステップ２（スズ付着）：１２５ミクロンの直径を有するむきだしの炭素コートファイバーが、１００ｍｌ／Ｌのスズ付着溶液（この場合、Ｏｋｕｎｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓによって製造された２０−３３０００１「増感剤」）を含む水溶液を有する次の容器に、約５０℃で２分間浸された。

ステップ３：光学ファイバー上に堆積されたスズ付着溶液（「増感剤」）が水で洗い流された。

ステップ４（Ｐｄ付着）：炭素コートでコートされた光学ファイバーが、７０ｍｌ／Ｌの活性化剤（この場合、Ｏｋｕｎｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓによって製造されたＥ２０−３３０００３「活性化剤」）を含む水溶液で満たされた容器に、約５０℃で２分間浸された。

ステップ５：活性化剤が水で洗い流された。

ステップ６（無電解メッキプロセスによるニッケルコート形成）：炭素コートでコートされた光学ファイバーが、１２０ｍｌ／ＬのＩＰＣ ｎｉｃｏｒｏｎ ＧＭ−ＮＰ−Ｍと、７０ｍｌ／ＬのＩＰＣ ｎｉｃｏｒｏｎ ＧＭ−ＮＰ−１（ＧＭ−ＮＰ−Ｍ及びＧＭ−ＮＰ−１はＯｋｕｎｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ製）とのニッケルリン溶液で満たされた容器に、約８０℃で２７分間浸された。その結果、約３ミクロンの厚さを有するＮｉ合金コートが炭素コート上に形成された。

ステップ７：Ｎｉコート上に堆積された無電解メッキ溶液が水で洗い流された。

ステップ８：その後、Ｎｉコートを有する光学ファイバーが適切に乾燥された。

得られた光学ファイバーは、１０ミクロンのコア直径及び１２５ミクロンの外径を有するクラッドを有するシリカ系ガラス光学ファイバーを備えた。クラッド上にコートされたアモルファス炭素コートは５００Åの厚さを有し、Ｎｉコートは約３ミクロンの厚さを有した。即ち、約１３１ミクロンの直径を有する、導電性金属、つまりＮｉ層、によってコートされた光学ファイバーが形成された。炭素コート及びＮｉコートは互いに接触が良好であり、それによって光学ファイバーが曲げられた時にＮｉコートは炭素コートから剥がれなかった。Ｎｉコートを有する光学ファイバーは、炉内で、空気雰囲気下、５００℃で５時間加熱された。加熱後、光学ファイバーは脆くなった。ファイバーが曲げられると、ファイバーは壊れた。同じファイバーが、窒素雰囲気下、５００℃で５時間加熱され、それから曲げ試験を行った。このファイバーもまた曲げることによって壊れた。

［実施例２（銅無電解メッキ）］
この試料では、無電解メッキプロセスによってファイバーの炭素コート上に銅（Ｃｕ）コートが形成された。従って、ステップ２及びステップ４の温度以外は、ステップ１〜５は実施例１とほぼ同じであった。具体的に、５０℃の代わりに、４５℃の温度が両方のステップに適用された。ステップ５の後に以下のステップが実行された。

ステップ６（無電解メッキプロセスによる銅コート形成）：炭素コートでコートされた光学ファイバーが、７２ｍｌ／ＬのＯＰＣ銅ＨＦＳ−Ａ、１５０ｍｌ／ＬのＯＰＣ銅ＨＦＳ−Ｍ、４ｍｌ／ＬのＯＰＣ銅ＨＦＳ−Ｃｎｉｃｏｒｏｎ ＧＭ−ＮＰ−Ｍ、及び７．３ｍｌ／Ｌの無電解銅Ｒ−Ｈ（ＨＦＳ−Ａ、ＨＦＳ−Ｍ、ＨＦＳ−Ｃ、Ｒ−ＨはＯｋｕｎｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ製）の銅水溶液で満たされた容器に、約４５℃で１５分間浸された。

ステップ７：Ｃｕコート上に堆積された無電解メッキ溶液が水で洗い流された。

ステップ８：Ｃｕコートを有する光学ファイバーが乾燥された。

その結果、約３ミクロンの厚さを有するＣｕコートが炭素コート上に形成された。即ち、約１３１ミクロンの直径を有する、導電性金属、つまりＣｕ層、によってコートされた光学ファイバーが形成された。炭素コート及びＣｕコートは互いに接触が良好であり、その結果、直径１０ｍｍで光学ファイバーが曲げられた時に、Ｃｕコートは炭素コートから剥がれなかった。Ｃｕコートを有する光学フィルムは、炉内で、空気雰囲気下、５００℃で５時間加熱された。加熱後、光学ファイバーのコートはひび割れし、剥れた。金属コートが保護コートとして働かなかったので、１０ｍｍの直径でファイバーを曲げた時、ファイバーは壊れた。実施例１及び２の結果によると、加熱前の初期の曲げ性能は良好であったが、空気中での熱処理後に延性を失い、ファイバーは曲げることで壊れた。光学ファイバーは窒素雰囲気下で加熱され、直径１０ｍｍの曲げを与えた。再びファイバーは曲げによって壊れた。しかしひび割れた炭素は多孔性であり、まだ柔らかかったが、部分的に剥離した。従って、コートなしのガラスファイバーを扱うことによって破損が生じた。

［ＩＩ．二重層構造］
［実施例３（無電解銅及び電解ニッケルメッキ）］
この試料では、無電解メッキプロセスによって炭素コート上に銅（Ｃｕ）コートが形成され、電解メッキによってＣｕコート上にニッケル（Ｎｉ）コートが形成された。従って、実施例２のステップ１〜６の後に、以下のステップが実行された。

ステップ６ａ（無電解メッキプロセスによるＣｕコート形成）：炭素コートでコートされた光学ファイバーが、７２ｍｌ／ＬのＯＰＣ銅ＨＦＳ−Ａ、１５０ｍｌ／ＬのＯＰＣ銅ＨＦＳ−Ｍ及び４ｍｌ／ＬのＯＰＣ銅ＨＦＳ−Ｃｎｉｃｏｒｏｎ ＧＭ−ＮＰ−Ｍ及び７．３ｍｌ／Ｌの無電解銅Ｒ−Ｈ（ＨＦＳ−Ａ、ＨＦＳ−Ｍ、ＨＦＳ−Ｃ、Ｒ−ＨはＯｋｕｎｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ製）の銅水溶液で満たされた容器に、約４５℃で１２分間浸された。その結果、２．５ミクロンの厚さを有する銅コートが炭素コート上に形成された。

ステップ７ａ：光学ファイバーが水で洗浄された。

ステップ８ａ（酸活性化）：炭素コート及びＣｕコートでコートされた光学ファイバーが、活性化のために室温（ＲＴ）で０．５分間、酸溶液（硫酸１００ｇ／Ｌ）で満たされた容器に浸された。

ステップ９ａ（電解メッキプロセスによるＮｉコート形成）：炭素コート及びＣｕコートでコートされた光学ファイバーが、水溶液（３００ｇ／Ｌのスルファミン酸ニッケル（ＩＩ）四水和物、５ｇ／Ｌの塩化ニッケル（ＩＩ）六水和物、及び４０ｇ／Ｌのホウ酸）で満たされた容器内に、約４０℃で９分間、１Ａ／ｄｍ２の電流を伴って浸された。

ステップ７：Ｎｉコート上に堆積された電解メッキ溶液が水で洗い流された。

ステップ８：Ｎｉコートを有する光学ファイバーが乾燥された。

結果として、１．７ミクロンの厚さを有するＮｉコートがＣｕコート上に形成された。即ち、約１３３ミクロンの直径を有する、導電性金属、つまりＣｕ及びＮｉ層、でコートされた光学ファイバーが形成された。炭素コート及びＣｕ／Ｎｉコートは互いに接触が良好であり、従って、光学ファイバーが１０ｍｍの直径で曲げられた時にＣｕ／Ｎｉコートは炭素コートから剥がれなかった。Ｃｕ／Ｎｉコートを有する光学ファイバーは炉内で空気雰囲気下、５時間、５００℃で加熱された。空気下での熱処理後に曲げることでファイバーは壊れた。しかし、５時間、５００℃、窒素雰囲気下での熱処理後に同じファイバーは曲げ試験に合格した。

［実施例４（無電解銅及び電解銅メッキ）］
この試料では、銅（Ｃｕ）コートは無電解メッキプロセスによって炭素コート上に形成され、銅（Ｃｕ）コートは電解メッキによって銅コート上に形成された。従って、実施例２のステップ１〜６の後で、以下のステップが実行された。

ステップ６ｂ（無電解メッキプロセスによるＣｕコート形成）：炭素コートでコートされた光学ファイバーが、７２ｍｌ／ＬのＯＰＣ銅ＨＦＳ−Ａ、１５０ｍｌ／ＬのＯＰＣ銅ＨＦＳ−Ｍ及び４ｍｌ／ＬのＯＰＣ銅ＨＦＳ−Ｃｎｉｃｏｒｏｎ ＧＭ−ＮＰ−Ｍ及び７．３ｍｌ／Ｌの無電解銅Ｒ−Ｈ（ＨＦＳ−Ａ、ＨＦＳ−Ｍ、ＨＦＳ−Ｃ、Ｒ−ＨはＯｋｕｎｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ製）の銅水溶液で満たされた容器に、９分間、約４５度で浸された。結果として、１ミクロンの呼び厚さを有する銅コートが炭素コート上に形成された。

ステップ７ｂ：光学ファイバーが水で洗浄された。

ステップ８ｂ（酸活性化）：炭素コート及びＣｕコートでコートされた光学ファイバーが、酸溶液（硫酸１００ｇ／Ｌ）で満たされた容器に、０．５分間、室温で活性化のために浸された。

ステップ９（電解メッキプロセスによるＣｕコート形成）：炭素コート及びＣｕコートでコートされた光学ファイバーが、水溶液（７０ｇ／Ｌの硫酸銅、２００ｇ／Ｌの硫酸、塩酸５０ｍｌ／Ｌ、２．５ｍｌ／Ｌのトップルチナ８１ＨＬ、及び１０ｍｌ／Ｌのトップルチナメイクアップ（トップルチナ８１ＨＬ、トップルチナメイクアップはＯｋｕｎｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ製）で満たされた容器内に、２４分間、室温付近で、１Ａ／ｄｍ２の電流を伴って浸された。結果として、無電解銅を含む合計で４．４ミクロンの厚さを有するＣｕコートが形成された。即ち、約１３４ミクロンの直径を有する、導電性金属、つまりＣｕ層、でコートされた光学ファイバーが形成された。炭素コートとＣｕ／Ｃｕコートは互いに接触が良好であり、従って、光学ファイバーが１０ｍｍの直径で曲げられた時にＣｕ／Ｃｕコートは炭素コートから剥がれなかった。Ｃｕ／Ｃｕコートを有する光学ファイバーは炉内で、空気雰囲気下、５時間、５００℃で加熱された。空気下の熱処理後にファイバーは曲げによって壊れた。しかし、窒素雰囲気下、５時間、５００℃での熱処理後に同じファイバーは曲げ試験に合格した。また金属層の表面はひび割れ、部分的にはがれた。

ファイバーの特性が図２の表１に纏められた。示されるように、実施例２及び実施例４は熱処理後の曲げに対して破損を示さなかったが、コート表面はひび割れ、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）の観察によるとガラス部分が部分的に露出した。無電解メッキによって作られたニッケルリン合金は再び加熱することによってその脆性を変えることが知られている（Ｗｏｌｆｇａｎｇ Ｒｉｅｄｅｌ著、Ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ Ｎｉｃｋｅｌ Ｐｌａｔｉｎｇ参照）。一般に、無電解ニッケルは電解ニッケルの延性よりも低い延性を有する。熱処理の空気及び窒素の効果を比較すると、窒素熱処理がより小さな延性の劣化を与えた。ニッケルの酸化速度は銅の酸化速度よりも遅いことが知られている。これは実施例３及び実施例４を比較して確認された。

参照によって本願にその全体が全ての目的のために取り込まれる日本国特許２０１１−６４７４６Ａは、金属コートの三層構造、つまり無電解銅、電解銅、及びアモルファスニッケル、を含む。上記特許で記述されたアモルファスニッケルはニッケルリン合金またはニッケルホウ素合金として無電解ニッケルメッキによって作られている。アモルファスニッケルは純粋ニッケルとして電解ニッケルメッキによって作られる嚢胞性ニッケル（ｃｙｓｔａｌｉｃ ｎｉｃｋｅｌ）とは異なる。

空気下での熱処理後の延性を改善するために、各金属層の選択された厚さを有する三層構造が有利に採用されてよい。例えば、好ましい実施形態によると、無電解銅が第一金属層として炭素コート上にコートされ得る。その後、無電解銅の層上に電解銅層が堆積されてよい。そして最後に、電解銅上に外表面として電解ニッケルが堆積されてよい。好ましくは、無電解銅の堆積速度は電解銅の堆積速度よりも遅いので、無電解銅層の厚さは最小化されてよい。無電解銅の厚さを最小化することによって、プロセス時間を改善することができる。更に、合計の銅の厚さ（無電解銅及び電解銅を含む）が熱処理後の延性のために最適化される。銅の酸化を保護するためにニッケル層が適用される。

銅及びニッケルの厚さのパラメータとしての加熱後の延性性能が図３に示されている。それぞれの丸または「×」は、様々な厚さのＣｕ及びＮｉを有する金属コートファイバーが作られ、加熱後に曲げ試験が行われたことを示す。指摘された通り、５ミクロン超の電解銅及び０．５ミクロン超の電解ニッケルを有する構造が、５００℃、５時間の大気加熱に対して良好な延性を示したことを試験結果は実証した。

上記のように、熱処理後の延性に加えて伝送損失性能がダウンホール用途用の重要な特性である。伝送特性の評価のために、発明者らは長い金属コートファイバーを製造した。例として、６ミクロンの電解銅と１ミクロンのニッケルの金属コートの厚さを利用することができる。ここで図４を参照すると、炭素層及び水溶性ポリマーを有する長い光学ファイバーが、描写された装置を使用して生産され得る。この点について、シングルモードファイバープリフォーム２０がヒーター２２で適切な温度（例えば２０００℃）に加熱される。引き出されたファイバー２４は引き出し炉に沿った炭素コート炉２６に入る。アセチレン又は他の炭化水素が熱的に分解され、チャンバーを通過しながらガラス表面上にアモルファス炭素が堆積される。それから炭素コートファイバー２８は水溶性ポリマーを適用するためにコーティングダイ３０を通る。一例では、水溶性ポリマーはＯＫＳ ８０４９、Ｎｉｃｈｉｇｏ ２０％水溶液でよい。コートされたファイバー３２はキュア炉３４を通過し、リール３５へと持ち上げられる。

一時的にコートされた光学ファイバー３２の断面が図５Ａに示されている。示されるように、ファイバー３２は、コア３４、クラッド３６、及び炭素コート３８を有する。中間プロセスステップの間の取り扱いを容易にするために適用された一時的なポリマーコートが４０で示されている。一時的なコート４０は、いくつかの好ましい実施形態によると望ましくは約１０ミクロンの厚さを有し得る。

図５Ｂは、生産される最終的な長い光学ファイバー４２を描写する。ファイバー４２はコア３４、クラッド３６、及び炭素コート３８を保持する。加えて、しかしながら、三層金属コートが炭素コート３８の外側に位置している。上記の通り、この金属コートは、無電解銅層４４、電解銅層４６、及び電解ニッケル層４８をいくつかの現在好ましい実施形態で含んでよい。長い光学ファイバー４２を生産するための装置及びプロセスがこれから記述される。

ここで図６を参照し、光学ファイバー３２（水溶性ポリマーを有する）が、リール３５上等に蓄えられる。必要な場合、ファイバー３２のリール３５はメッキのために供される。具体的に、示されたように、一時的にコートされたファイバー３２がリール３５から支払われる。滑車５０、５２は、各バスの入力ホールに対して正確にファイバーの位置を決定するために好ましく提供され得る。仕上がった光学ファイバー４２用の持ち上げリールが５４で示されている。

メッキプロセスは出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０２８１５１に記述されたものといくつかの点で同様であることが理解されるだろう。例えば、十分な厚さの金属が適用される前のプロセス中、むきだしのファイバーが、硬い材料と接触することなく溶液に曝される。実際に、硬い材料に一切触れることなく光学ファイバーの出入りを可能にするために、記述されるバスのそれぞれは、図７に示されるように好ましくは構成される。記述されるように、滑車５６及び５８は、それらが電解メッキのカソード用に用いられるように、好ましくは導体からなる。

ファイバー３２は、一時的なポリマーコートを除去するための水で満たされたバス６０にまず出会う。バス６２はスズ付着の水溶液で満たされ、バス６４はＰｄ付着の水溶液で満たされる。バス６６、６８、７０、７２及び７４はすすぎ用の水で満たされる。バス７６は活性化溶液を含み、バス７８は無電解銅の水溶液で満たされる。

バス８０及び８２は、それぞれ電解銅水溶液及び電解ニッケル水溶液で満たされる。アノード板８４及び８６はそれぞれバス８０及び８２の内部に位置し、電解メッキのために使用される。ファイバーが等速で通過する場合、当業者は、バス長が浸漬時間を決定することを理解するだろう。従って各バスの相対長さは、（すすぎを除く）バス用の浸漬時間の相対比率に対応するように設計される。

バス６０を通った後、ファイバーの炭素コートが、ポリマーコートを溶かすことによって露出される。むきだしのファイバーは、図７に示されたオーバーフロー設計コンセプトによって、硬い材料と接触することなくバス中の各溶液を通過する。バス７８において、無電解銅が炭素コート上に堆積される。一般に、無電解銅の堆積速度は遅いので、プロセス時間は無電解銅によって支配される。図６に示されたシステムでは、しかし、無電解メッキ及び電解メッキは直列で（ｉｎ ｔａｎｄｅｍ）処理される。従って、銅の厚さはバス７８中の無電解銅だけでなく、カソード滑車５６及び５８と接触する前にバス８０中の電解銅によっても形成される。これは、電解メッキにとって十分な導電性を与えるために無電解銅の厚さをできる限り小さく低減されてよいことを意味する。例えば、滑車５６に到達する前に２ミクロン超の銅の十分な厚さが電解メッキによって形成されるので、無電解銅の厚さは０．５ミクロン未満に低減され得る。示されるように、追加的な銅の電解メッキのために滑車５６の周りを通過した後に光学ファイバーはバス８０に再び入る。このメッキラインは、炭素コート上に形成された薄い無電解銅層から６ミクロンの銅層と１ミクロンのニッケル層を形成するために設計される。バス溶液はホルムアルデヒドバス溶液を含んでよい。

図７は、光学ファイバーが水又はプロセス溶液（どのバスかに依存する）以外に何にも接触しないことを保証するために図６のプロセスで使用され得る配置の一構成を描写する。この場合、液体が流出し、液位より下のバスの出口（即ちファイバー入口及び出口）をファイバーは通過する。バス配置は、二つのセル、内側セル（容器）９０及び外側セル（容器）９２を含む。内側セル９０は、（示されたように）各端で出口から流出するように十分な液体を含有する。外側セル９２は再循環用に内側セル９０から流出する液体を受ける。外側セル９２によって受けられた液体は溶液リザーバ９４へと流れる。触れることなく壁のホールまたはスリットをまっすぐ通過するように、ファイバーに少しの引張張力が適用されるのが好ましい。

示されるように、リザーバ９４内の溶液は、ファイバーをセルの液体中に浸したままにしておくために内側セル９０へと汲み上げられる。重力によってファイバー入口とファイバー出口との間でファイバーがたわむ傾向を有するだろうことが理解されるだろう。ポンプから内部セル９０への液体入口がセルの底に位置しているので、液体の流れによってこれはファイバーを押し上げる傾向がある。この上方向への力は重力によるたわみを和らげ、内側セル９０の底または壁等の硬い部品とファイバーが接触するのを防ぐ。位置を監視し、必要であれば流入溶液の流速を調節することによって、ファイバーの垂直位置はたわみに対して一定を保つように制御されるのが好ましい。

記述した配置の結果、一例では、炭素コートと、６ミクロンの銅コートと、１ミクロンのニッケルコートを有する光学ファイバーが得られた。伝送損失は１３１０ｎｍで１．４ｄＢ／ｋｍ及び１５５０ｎｍで１．１ｄＢ／ｋｍであった。伝送損失は従来の金属コートファイバーの１／１０まで非常に向上した。５００℃の空気炉で５時間の加熱後の曲げ試験は良好な延性を示した。

金属コート構造について、内側無電解銅層、電解銅層、及び外側ニッケル層を備える三層構造が、空気環境における耐熱性に良いことが分かった。これは、熱処理後にも銅が良好な延性を維持し、ニッケルの遅い酸化速度によってニッケルが酸化に対する保護コートとして働くからである。加熱後の延性の観点で、純粋な銅は不純物をいくらか有する合金化された銅よりも優れている。従って、無電解銅または電解銅は、十分な延性を得るために、できるだけ純粋な銅から設計されることが好ましい。銅は、高温の空気雰囲気下で容易に酸化される。しかし酸化された銅は多孔性で、柔らかいままであり、一般に加熱後にファイバー表面にダメージを与えない。また、より厚い銅層は外側層のストレスに対してバッファ層として働く。他方、酸化されたニッケルは硬く、脆くなるものの、ニッケルの酸化速度は銅と比べて非常に遅い。酸化されたニッケルは、その硬さのために内側層にとって良くないが、ニッケル層は酸化バリアとして機能するので外側表面にとって良い。硬く脆いニッケルの外側層のひび割れまたは接触の機械的伝播に対して内側の銅は保護層の役割を果たす。

ニッケル及び銅のパラメータ研究として、無電解銅を含む５ミクロン超の銅の厚さと、電解ニッケルの１ミクロン超が、高温下の大気環境で良好に機能する。銅またはニッケルの厚さが増えるにつれて、ガラスと金属との間の界面で熱ストレスが増加し、それからマイクロベンド損失が生じるので、伝送損失が増加する。従って２０ミクロン未満の金属層は、金属凍結法によってつくられた従来の金属コートファイバーよりも良好な損失性能を与える。

三層構造は、無電解銅メッキ及び電解銅プロセスの直列プロセスによって好ましくは形成される。無電解銅層に電解銅層を加えることによって機械的取扱いに十分な厚さが形成されるので、直列プロセスは無電解銅の厚さを最小化することができる。電解メッキプロセスと比較して無電解銅の堆積速度が遅いので、プロセス時間は無電解銅によって支配される。固定された長さのメッキバス及び堆積速度がプロセス時間、つまりメッキ厚さを制限するので、これは生産のライン速度を高めることを可能にする。本発明は、光学ファイバーがカソードと接触するまで硬い材料と接触することなく光学ファイバー上に直列に電解金属堆積物を無電解金属堆積物に加えることによって金属の十分な厚さを形成する製作方法を提供し、従って、生産性の向上に寄与する。

本発明の好ましい実施形態が示され記述されてきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって修正及び変更がなされてもよい。加えて、様々な実施形態の態様は、全体的または部分的に相互に入れ替えられ得ることを理解されたい。更に、当業者であれば、前述の記述は単なる例示であり、添付の特許請求の範囲にさらに記述される本発明を限定するものと意図されないことを理解するだろう。

Claims (27)

1. 金属コート光学ファイバーの生産方法であって、
   （ａ）無電解堆積を介してガラスファイバー上に第一の所定の金属をメッキするために、ある長さのガラスファイバーを第一溶液バスを通して供給するステップ；及び
   （ｂ）少なくともいくらかの第二の所定の金属が適用された後にのみ光学ファイバーが電極と接触するように、前記第一溶液バスから電解メッキを介して第二の所定の金属をその上にメッキするように適合された第二溶液バスへと前記長さのガラスファイバーを連続的に通すステップ、
   を備える、方法。
2. （ｃ）前記第二溶液バスから、電解メッキを介してその上に第三の所定の金属をメッキするのに適合された第三溶液バスへと前記長さのガラスファイバーを連続的に通すステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記第二の所定の金属が銅であり、前記第三の所定の金属がニッケルである、請求項２に記載の方法。
4. 前記第一の所定の金属が銅である、請求項３に記載の方法。
5. 前記第一の所定の金属と前記第二の所定の金属との合わせた厚さが少なくとも約５ミクロンである、請求項４に記載の方法。
6. 前記第一の所定の金属の厚さが約０．５ミクロン以下である、請求項５に記載の方法。
7. 前記第三の所定の金属の厚さが少なくとも約０．５ミクロンである、請求項４に記載の方法。
8. 前記ガラスファイバーが炭素層を有する、請求項１に記載の方法。
9. 前記電極が第一滑車ホイールに組み込まれた第一電極を備える、請求項１に記載の方法。
10. 前記第一滑車ホイールと接触後、前記長さのガラスファイバー上に前記第二の所定の金属の追加的な厚さがメッキされる、請求項９に記載の方法。
11. 前記所定の金属の前記追加的な厚さがその上にメッキされた後、前記長さのガラスファイバーが、第二滑車ホイールへと組み込まれた第二電極に更に接触する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記長さのガラスファイバーが前記第一滑車ホイールの周りで曲がり、前記第二溶液バスに再び入る、請求項１０に記載の方法。
13. 前記長さのガラスファイバーが、前記第一溶液バスの前に除去されるポリマーコートで当初コートされている、請求項１に記載の方法。
14. 前記ポリマーコートが水溶性である、請求項１に記載の方法。
15. 前記第一溶液バス及び前記第二溶液バスがそれぞれ、前記長さのガラスファイバーがそこを通って容器に入り、容器から出る、入口ホール及び出口ホールを有する容器を備え、関連した溶液が前記入口ホール及び出口ホールから流出する、請求項１に記載の方法。
16. コア及びクラッドを含むガラスファイバーと；
    銅の第一層、銅の第二層、及びニッケルの第三層を備える多層金属コートであって、前記第一層は無電解プロセスを通して適用され、前記第二層及び前記第三層はそれぞれの電解プロセスを通して適用される、多層金属コートと、
    を備える、光学ファイバー。
17. 前記銅の第一層と前記銅の第二層の合わせた厚さが少なくとも約５ミクロンである、請求項１６に記載の光学ファイバー。
18. 前記銅の第一層の厚さが約０．５ミクロン以下である、請求項１７に記載の光学ファイバー。
19. 前記ニッケルの第三層の厚さが少なくとも約０．５ミクロンである、請求項１７に記載の光学ファイバー。
20. 前記ガラスファイバーが前記クラッドの外側に炭素層を有する、請求項１６に記載の光学ファイバー。
21. 前記光学ファイバーが１メートル超の長さを有する、請求項１６に記載の光学ファイバー。
22. 前記光学ファイバーは、長さが１〜１０キロメートルである、請求項２１に記載の光学ファイバー。
23. コア及びクラッドを含むガラスファイバーと；
    第一金属の第一層、前記第一金属の第二層、及び第二金属の第三層を備える多層金属コートとを備え、前記第一層は無電解プロセスを通して適用され、前記第二層及び前記第三層はそれぞれ電解プロセスを通して適用され、前記第一層及び前記第二層の合わせた厚さが少なくとも約５ミクロンであり、前記第三層の厚さが少なくとも約０．５ミクロンである、光学ファイバー。
24. 前記第一層の厚さが約０．５ミクロン以下である、請求項２３に記載の光学ファイバー。
25. 前記ガラスファイバーが前記クラッドの外側に炭素層を有する、請求項２３に記載の光学ファイバー。
26. 前記光学ファイバーが１メートル超の長さを有する、請求項２３に記載の光学ファイバー。
27. 前記光学ファイバーは、長さが１〜１０キロメートルである、請求項２６に記載の光学ファイバー。

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