JP2020037492A - Optical fiber member for fiber bragg grating and manufacturing method thereof - Google Patents

Optical fiber member for fiber bragg grating and manufacturing method thereof Download PDF

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Abstract

To provide an optical fiber member which suppresses a deviation of a temperature dependence of a reflection wavelength of an FBG caused by thermal expansion of a silica glass core and is suitable as a material for temperature measurement of a structure whose temperature has been difficult to measure so far.SOLUTION: There is provided an optical fiber member for fiber Bragg grating comprising a silica glass core that has a fluorine content of 1 wt.% or more and 5 wt.% or less and has a change of the thermal expansion coefficient between 0°C to 100°C of Δ0.02×10/K or less.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、電気的なセンサーでは測温の難しい構造物の温度測定に用いる光ファイバー型の温度センサーに関する。   The present invention relates to an optical fiber type temperature sensor used for measuring the temperature of a structure that is difficult to measure temperature with an electric sensor.

従来、装置や構造物などの温度を測定するためには電気的なセンサーを用いることが一般的であり、熱電対や測温抵抗体が用いられてきた。しかし、これら電気センサーでは精度が不十分であったり、電気的なノイズの影響を受ける場面では使用が困難であったり、使用可能な環境は限られていた。   Conventionally, an electric sensor is generally used to measure the temperature of an apparatus, a structure, or the like, and a thermocouple or a resistance temperature detector has been used. However, these electric sensors have insufficient accuracy, are difficult to use in a situation affected by electric noise, or have a limited usable environment.

これに対して、光センサーとしてファイバーブラッググレーティング(FBG)が注目されている。FBGは、光ファイバーのコアに周期的な屈折率変化が生じるように回折格子を形成した素子であり、入射した光のうち、この屈折率変調の周期に合致した波長は反射され、それ以外の光は透過する。この特徴を活かして測温環境に温度変化が生じた場合には、コアに形成した周期的な屈折率変化が生じることで反射波長が変化し、これを測定することでグレーティングに加えられた温度変化を計測することができる。   On the other hand, a fiber Bragg grating (FBG) has attracted attention as an optical sensor. The FBG is an element in which a diffraction grating is formed so that a periodic change in the refractive index occurs in the core of the optical fiber. Of incident light, a wavelength that matches the period of the refractive index modulation is reflected, and other light is reflected. Is transmitted. If a temperature change occurs in the temperature measurement environment by taking advantage of this feature, the reflection wavelength changes due to the periodic change in the refractive index formed in the core, and the temperature applied to the grating is measured by measuring this. Changes can be measured.

光ファイバーは、典型的には、コアと、該コアを覆う同心円状のクラッドとからなる二層構造を有している。コアおよびクラッドは、それぞれ異なる透明ガラスまたはプラスチックでできており、コアはクラッドと比較して屈折率が高く設計され、コアおよびクラッドの相対的な屈折率を調整することにより、光が全反射という現象によりコア内に閉じ込められた状態で伝播する。このような光ファイバーを用いた例として、特許文献1には、光ファイバー分散型センサー及び該光ファイバー分散型センサーを使用したパラメータの測定方法や測定値の較正方法が開示されている。   The optical fiber typically has a two-layer structure including a core and a concentric clad covering the core. The core and clad are made of different transparent glass or plastic, respectively, and the core is designed to have a higher refractive index than the clad.By adjusting the relative refractive index of the core and the clad, light is referred to as total internal reflection. Due to the phenomenon, the light propagates while being confined in the core. As an example using such an optical fiber, Patent Document 1 discloses an optical fiber distributed sensor and a method for measuring parameters and a method for calibrating a measured value using the optical fiber distributed sensor.

特許文献2には、塩素ドープシリカコア領域と、コア領域を取り囲むとともに、Clドープコア領域と類似の粘度を示すのに必要な濃度のフッ素ドーパントでドープされる環状応力調節領域と、環状応力調節領域を取り囲むように設けられるFを多量にドープさせたクラッド層とを含み、クラッド層におけるドーパント濃度が、コア領域内において光学モードの閉じ込めをもたらすのに十分なものである、光ファイバーが開示されている。引用文献2には、前記光ファイバー中の環状応力調節領域が、コアおよびクラッドの間の粘度の適合性を改善することにより線引き中に生じる応力を低減し、クラッドに存在する光パワーの量を最小限に抑えることが開示されている。   U.S. Pat. No. 6,064,097 discloses a chlorine-doped silica core region, an annular stress-adjusting region surrounding the core region and doped with a fluorine dopant at a concentration required to exhibit a similar viscosity as the Cl-doped core region. And a heavily doped F cladding layer provided surrounding the optical fiber, wherein the dopant concentration in the cladding layer is sufficient to provide optical mode confinement in the core region. . Patent Document 2 discloses that an annular stress adjusting region in the optical fiber reduces stress generated during drawing by improving viscosity compatibility between the core and the cladding, and minimizes the amount of optical power present in the cladding. Is disclosed.

しかしながら、これまでのFBGでは、測温環境に温度変化が生じた場合に、実効屈折率の変化のみならず、コア材が全体的に熱膨張するという問題があった。   However, the conventional FBG has a problem that, when a temperature change occurs in the temperature measurement environment, not only does the effective refractive index change, but also the core material thermally expands as a whole.

FBGの場合、波長の温度依存性は下記式(1)で表されることが知られている。

Figure 2020037492
(ただし、式(1)中、λBはブラッグ波長、λは入射波長、αは熱膨張係数、ζは実効屈折率変化、Tは温度を表す。) In the case of FBG, it is known that the temperature dependence of the wavelength is represented by the following equation (1).
Figure 2020037492
(However, in the equation (1), λ B is a Bragg wavelength, λ is an incident wavelength, α is a coefficient of thermal expansion, ζ is a change in effective refractive index, and T is a temperature.)

シリカガラスをコアとして用いるシングルモードファイバーを用いてFBGを形成した場合、α=0.443×10-6/K、ζ=8.75×10-6/K、λ=1550nmのとき、温度依存性はΔλB=14.6pm/Kとなると想定することができる(Reports Res. Lab. Asahi Glass Co., Ltd., 56(2006))。しかしながら、シリカガラスの熱膨張係数αは温度毎で異なり、一定の値とならない(Reports Res. Lab. Asahi Glass Co., Ltd., 56(2006))。つまり、前記熱膨張係数αは測定すべき温度によって異なるために、極僅少の温度差を計測する場合は無視できるものの、例えば、0℃から100℃の範囲で測定に用いる場合は熱膨張係数が0.4×10-6/Kから0.6×10-6/Kまで変化する。この場合の熱膨張率の変化はΔ0.2×10−6/Kとなり、FBGの反射波長に対する温度依存性は14.2pm/Kから14.5pm/Kに変化し、約2%のずれが生じる。これは高感度、信頼性に優れた光センサーとしては計測誤差に繋がるため、改善が求められている。 When forming the FBG using a single mode fiber using silica glass as the core, α = 0.443 × 10 -6 /K,ζ=8.75×10 -6 / K, when lambda = 1550 nm, temperature dependence Can be assumed to be Δλ B = 14.6 pm / K (Reports Res. Lab. Asahi Glass Co., Ltd., 56 (2006)). However, the thermal expansion coefficient α of the silica glass differs depending on the temperature and does not become a constant value (Reports Res. Lab. Asahi Glass Co., Ltd., 56 (2006)). In other words, since the coefficient of thermal expansion α differs depending on the temperature to be measured, it can be ignored when measuring a very small temperature difference, but when used for measurement in the range of 0 ° C to 100 ° C, for example, the coefficient of thermal expansion is It changes from 0.4 × 10 −6 / K to 0.6 × 10 −6 / K. In this case, the change in the coefficient of thermal expansion is Δ0.2 × 10 −6 / K, the temperature dependency of the FBG on the reflection wavelength changes from 14.2 pm / K to 14.5 pm / K, and the deviation of about 2% Occurs. Since this leads to a measurement error as a highly sensitive and highly reliable optical sensor, improvement is required.

特開2004−69685号公報JP-A-2004-69685 特開2016−81067号公報JP-A-2006-81067

本発明は、シリカガラスコアの熱膨張に起因して生じる、FBGの反射波長に対する温度依存性のずれを抑制し、これまで測温が難しかった構造物の温度測定用の材料として好適な光ファイバー部材を提供することを目的とする。   The present invention suppresses temperature-dependent deviation of the reflection wavelength of FBG caused by thermal expansion of a silica glass core, and is an optical fiber member suitable as a material for temperature measurement of a structure that has been difficult to measure the temperature. The purpose is to provide.

本発明のファイバーブラッググレーティング用光ファイバー部材は、フッ素の含有量が1wt%以上5wt%以下であり、かつ、0℃から100℃の間での熱膨張率の変化がΔ0.02×10-6/K以下であるシリカガラスコアを備えることを特徴とする。
本発明のファイバーブラッググレーティング用光ファイバー部材の製造方法は、フッ素の含有量が1wt%以上5wt%以下であり、かつ、0℃から100℃の間での熱膨張率の変化がΔ0.02×10-6/K以下であるシリカガラスコアを800℃以上1000℃以下の温度域から500℃/sec以上の降温速度で冷却する工程を有することを特徴とする。
The optical fiber member for a fiber Bragg grating of the present invention has a fluorine content of 1 wt% or more and 5 wt% or less, and a change in thermal expansion coefficient between 0 ° C. and 100 ° C. of Δ0.02 × 10 −6 /. It is characterized by having a silica glass core having K or less.
In the method for producing an optical fiber member for a fiber Bragg grating according to the present invention, the content of fluorine is 1 wt% or more and 5 wt% or less, and a change in a coefficient of thermal expansion between 0 ° C. and 100 ° C. is Δ0.02 × 10 A step of cooling the silica glass core having a temperature of -6 / K or less from a temperature range of 800 to 1000 ° C. at a temperature decreasing rate of 500 ° C./sec or more.

本発明の光ファイバー部材では、シリカガラスコアの熱膨張に起因して生じる、FBGの反射波長に対する温度依存性のずれを効果的に抑制することができる。すなわち、温度変化によっても伝搬する光に対する実効屈折率の変化を調節することができる。
本発明の光ファイバー部材を用いれば、低熱膨張は0℃から100℃の範囲に限らず、約350℃まで持続するため、約350℃までの範囲で従来の光ファイバー部材より精度の良い測定をすることができる。
よって、本発明の光ファイバー部材では、FBGが温度変化に比例して反射波長をシフトするため、これまで測温が難しかった複雑な構造物の温度測定用の材料として好適である。例えば、前記光ファイバー部材を用いた温度センサーは、高感度かつ信頼性に優れる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION In the optical fiber member of this invention, the shift | offset | difference of the temperature dependence with respect to the reflection wavelength of FBG which arises due to the thermal expansion of a silica glass core can be suppressed effectively. That is, it is possible to adjust the change in the effective refractive index for the propagating light even by the temperature change.
When the optical fiber member of the present invention is used, the low thermal expansion is not limited to the range of 0 ° C. to 100 ° C., but lasts up to about 350 ° C. Therefore, it is necessary to perform more accurate measurement than the conventional optical fiber member in the range of about 350 ° C. Can be.
Therefore, in the optical fiber member of the present invention, since the FBG shifts the reflection wavelength in proportion to the temperature change, the FBG is suitable as a material for measuring the temperature of a complicated structure which has been difficult to measure the temperature. For example, a temperature sensor using the optical fiber member has high sensitivity and excellent reliability.

図1は、本発明の光ファイバー部材の作製フローチャートである。FIG. 1 is a flowchart for producing the optical fiber member of the present invention.

本発明のファイバーブラッググレーティング(FBG)用光ファイバー部材(以下単に「光ファイバー部材」という。)は、フッ素の含有量が1wt%以上5wt%以下であり、かつ、0℃から100℃の間での熱膨張率の変化がΔ0.02×10-6/K以下であるシリカガラスコアを備える。 The optical fiber member for a fiber Bragg grating (FBG) of the present invention (hereinafter simply referred to as “optical fiber member”) has a fluorine content of 1 wt% or more and 5 wt% or less, and a heat content of 0 ° C. to 100 ° C. A silica glass core having a change in expansion coefficient of not more than Δ0.02 × 10 −6 / K is provided.

本発明の光ファイバー部材は、典型的には、前記したようなフッ素を添加した低熱膨張シリカガラスからなるシリカガラスコアと、該コアを覆う同心円状のクラッドとからなる二層構造を有している。   The optical fiber member of the present invention typically has a two-layer structure including a silica glass core made of a low thermal expansion silica glass to which fluorine is added as described above, and a concentric clad covering the core. .

従来、ファイバー用のシリカガラスは気相軸付け法(VAD法)で作製されており、フッ素を添加したシリカガラスも報告されている。しかし、VAD法では多孔質シリカ(通称スート)をフッ素雰囲気中で焼成することでフッ素添加をしているが、ガラス内部までフッ素を添加することは難しく、せいぜい約1wt%程度の含有量である(特開2000−239040号公報)。このフッ素添加量は、通信用の光ファイバーとしてコア・クラッドの屈折率差を設けるという目的に対しては十分であるが、熱膨張係数の温度に対する変化を抑制するためには、フッ素添加量としては1wt%以上5wt%以下を必要とする。シリカガラス中のフッ素含有量が前記範囲にある場合には、フッ素が含まれていない場合と比較してガラス中の密度が低下する(NEW GLASS, 27, p.49(2012))。シリカガラスを低密度化すると、熱膨張係数の温度に対する変化を小さくすることができる。これは熱膨張に伴うガラス骨格の振動運動が生じた場合に、格子間の空隙を利用して、振動運動に伴う膨張が抑制されるためである。   Heretofore, silica glass for fibers has been produced by a vapor phase axial method (VAD method), and silica glass added with fluorine has also been reported. In the VAD method, however, fluorine is added by baking porous silica (so-called soot) in a fluorine atmosphere, but it is difficult to add fluorine to the inside of the glass, and the content is at most about 1 wt%. (JP-A-2000-239040). This amount of fluorine addition is sufficient for the purpose of providing a refractive index difference between the core and the clad as an optical fiber for communication, but in order to suppress a change in the coefficient of thermal expansion with respect to temperature, the amount of fluorine addition is 1 wt% or more and 5 wt% or less are required. When the fluorine content in the silica glass is within the above range, the density in the glass is lower than that when no fluorine is contained (NEW GLASS, 27, p. 49 (2012)). When the density of the silica glass is reduced, the change in the coefficient of thermal expansion with respect to the temperature can be reduced. This is because, when vibrational movement of the glass skeleton occurs due to thermal expansion, the expansion accompanying the vibrational movement is suppressed by utilizing the gap between the lattices.

シリカはSi−O−Si結合が非常にフレキシブルなために結晶化が起こり難く、シリカ融液は600℃以上という広い温度範囲で安定な過冷却液体状態を保つことが知られている。本発明に係るシリカガラスの仮想温度は、シリカガラスの仮想温度は高い方が、そのネットワーク中に存在する空隙が大きいという点、および、ガラス中の歪を考慮すると、800℃以上1000℃以下が好ましい。なお、仮想温度とは、シリカガラスの冷却開始温度を低くしたときの過冷却液体の凍結温度をいう。仮想温度の合わせこみは、ガラス体のクエンチおよびアニールを適時追加することで任意に調整することができる。   It is known that crystallization hardly occurs in silica because the Si—O—Si bond is very flexible, and the silica melt maintains a stable supercooled liquid state in a wide temperature range of 600 ° C. or more. The fictive temperature of the silica glass according to the present invention is such that the higher the fictive temperature of the silica glass is, the larger the voids present in the network are, and the strain in the glass is taken into account. preferable. The virtual temperature refers to the freezing temperature of the supercooled liquid when the cooling start temperature of the silica glass is lowered. The adjustment of the virtual temperature can be arbitrarily adjusted by adding quench and anneal of the glass body as appropriate.

本発明に係るシリカガラスコアは、低温焼成が可能なゾルゲル法を用いて作製することが好ましい。図1は、ゾルゲル法による工程を含む、本発明の光ファイバー部材の作製フローチャートである。ゾルゲル法では、シリカ原料およびフッ素化合物を水やアルコールなどの溶媒に混合し、得られる溶液中で加水分解と重合反応を起こさせて、溶液をゾルに変え、さらに反応を進めてゲルに変え、乾燥させる。本発明のようにガラスをつくる場合は、乾燥後、さらに加熱する。   The silica glass core according to the present invention is preferably manufactured using a sol-gel method that can be fired at a low temperature. FIG. 1 is a flow chart for producing an optical fiber member of the present invention, including a step by a sol-gel method. In the sol-gel method, a silica raw material and a fluorine compound are mixed in a solvent such as water or alcohol, and hydrolysis and a polymerization reaction are caused in the resulting solution. dry. When the glass is made as in the present invention, it is further heated after drying.

シリカ原料としては、一般にテトラメトキシシランまたはテトラエトキシシランなどのアルコキシシランが用いられる。反応場としての溶媒には、メタノール、エタノールまたは2−プロパノールなどのアルコールが用いられる。その他、加水分解に供する水およびフッ素化合物が用いられる。フッ素化合物は、加水分解を促進するための触媒としての働きもする。このような触媒としては、フッ化物系の酸触媒または塩基性触媒が用いられ、具体的には、以下に限定はしないが、フッ酸(HFaq)、ケイフッ化水素酸(H2SiF6aq)、ホウフッ化水素酸(HBF4aq)、フッ化アンモニウム(NH4F)、ヘキサフルオロケイ酸アンモニウム(F682Si)などが挙げられる。これらのうち、酸性下のため、柔軟な鎖状のシリカオリゴマーを形成できることに加え、フッ化物イオン(F-)がSiを攻撃する求核反応も同時に進行し、三次元的に重縮合が進んだ架橋重合体からなる細孔径の大きいゲル体を形成できる点で、フッ酸がより好ましい。 As a silica raw material, an alkoxysilane such as tetramethoxysilane or tetraethoxysilane is generally used. An alcohol such as methanol, ethanol, or 2-propanol is used as a solvent as a reaction field. In addition, water and fluorine compounds used for hydrolysis are used. The fluorine compound also functions as a catalyst for promoting hydrolysis. As such a catalyst, a fluoride acid catalyst or a basic catalyst is used, and specific examples thereof include, but are not limited to, hydrofluoric acid (HFaq), hydrofluoric acid (H 2 SiF 6 aq). Borofluoric acid (HBF 4 aq), ammonium fluoride (NH 4 F), ammonium hexafluorosilicate (F 6 H 8 N 2 Si), and the like. Of these, under acidic conditions, in addition to being able to form a flexible chain-like silica oligomer, a nucleophilic reaction in which fluoride ions (F ) attack Si proceeds simultaneously, and polycondensation proceeds three-dimensionally. Hydrofluoric acid is more preferable in that a gel having a large pore diameter composed of a crosslinked polymer can be formed.

アルコキシシランおよびフッ素化合物を水やアルコールなどの溶媒に混合し、フッ化含有シリカゾルを調製する(図1のステップS1)。ゾルゲル反応では、原料や触媒のモル比により反応速度や曵糸性などが決まるため、アルコキシシラン、フッ素化合物、水およびアルコールの配合比の適正な範囲を定めることは重要である。   The alkoxysilane and the fluorine compound are mixed with a solvent such as water or alcohol to prepare a fluorinated silica sol (Step S1 in FIG. 1). In the sol-gel reaction, since the reaction rate and spinnability are determined by the molar ratio of the raw materials and the catalyst, it is important to determine an appropriate range of the mixing ratio of alkoxysilane, fluorine compound, water and alcohol.

ここで、アルコキシシランとフッ素化合物との割合は、モル比で1:0.05〜1:0.3、好ましくは1:0.1〜1:0.15である。フッ素化合物の割合が0.05より小さいと、得られるシリカガラスコアが十分に低密度化せず、熱膨張係数の温度に対する変化を小さくできないことがある。   Here, the molar ratio of the alkoxysilane to the fluorine compound is 1: 0.05 to 1: 0.3, preferably 1: 0.1 to 1: 0.15. When the proportion of the fluorine compound is less than 0.05, the density of the obtained silica glass core is not sufficiently reduced, and the change in the thermal expansion coefficient with respect to the temperature may not be reduced.

一方、フッ素化合物の割合が0.3より大きいと、ゾルゲル反応の進行が早くなり、シリカガラスコア中のフッ素の分布の均一性が低下する。その結果、シリカガラスコア内でシリカガラスとフッ素との屈折率差が生じて脈理が生じたり、ガラス化のための焼成時にフッ素が脱離したりして、熱膨張係数の温度に対する変化の小さいシリカガラスコアが得られないことがある。本発明において、原料や触媒の配合比の好適な具体例は、テトラエトキシシランは1モルに対して、水は1〜4モル、エタノールは1〜3モル、フッ酸0.05〜0.3モルである。   On the other hand, when the ratio of the fluorine compound is larger than 0.3, the progress of the sol-gel reaction is accelerated, and the uniformity of the distribution of fluorine in the silica glass core is reduced. As a result, a difference in the refractive index between silica glass and fluorine occurs in the silica glass core, resulting in striae, or fluorine is desorbed during firing for vitrification, and the change in thermal expansion coefficient with respect to temperature is small. A silica glass core may not be obtained. In the present invention, preferred specific examples of the mixing ratio of the raw materials and the catalyst are 1 to 4 mol of water, 1 to 4 mol of ethanol, 1 to 3 mol of ethanol, and 0.05 to 0.3 mol of hydrofluoric acid per mol of tetraethoxysilane. Is a mole.

調製したゾルは、吐出部とターゲット部に電界をかける電界紡糸法や、細孔からゾルを吐出させ伸長する紡糸法により、目的の径を有するコアファイバーを形成する。紡糸工程中に、さらに反応が進行してゾルがゲルに変わる(図1のステップS2)。   The prepared sol forms a core fiber having a desired diameter by an electrospinning method in which an electric field is applied to a discharge portion and a target portion, or a spinning method in which the sol is discharged from pores and elongated. During the spinning process, the reaction further proceeds to change the sol into a gel (step S2 in FIG. 1).

さらに、得られたコアファイバーを焼成する(図1のステップS3)。このときの焼成温度は600〜1200℃、好ましくは800〜1000℃である。焼成後、さらに、800〜1000℃の温度域から100℃/sec以上、好ましくは500〜1000℃/secの降温速度で冷却する(図1のステップS4)。このようなクエンチングの工程を有することで、0℃から100℃の熱膨張の変化が小さくなるの効果が発揮される。   Further, the obtained core fiber is fired (Step S3 in FIG. 1). The firing temperature at this time is 600 to 1200 ° C, preferably 800 to 1000 ° C. After calcination, it is further cooled from a temperature range of 800 to 1000 ° C. at a rate of 100 ° C./sec or more, preferably 500 to 1000 ° C./sec (Step S4 in FIG. 1). By having such a quenching step, the effect of reducing the change in thermal expansion from 0 ° C. to 100 ° C. is exhibited.

このようにして得られたシリカガラスは、そのフッ素含有量が1wt%以上5wt%以下であり、好ましくは1.5wt%以上3.0wt%以下である。フッ素含有量が前記範囲内であるとき、シリカガラスコアが十分に低密度化し、熱膨張係数の温度に対する変化を小さくすることができる。また、0℃から100℃の間の熱膨張率の変化はΔ0.02×10-6/K以下であり、好ましくはΔ0.01×10-6/K以下である。熱膨張率の変化量が前記範囲内であることは、熱膨張に起因する変化を抑制できることを示唆する。 The silica glass thus obtained has a fluorine content of 1 wt% or more and 5 wt% or less, preferably 1.5 wt% or more and 3.0 wt% or less. When the fluorine content is within the above range, the density of the silica glass core is sufficiently reduced, and the change in the coefficient of thermal expansion with respect to temperature can be reduced. The change in the coefficient of thermal expansion between 0 ° C. and 100 ° C. is Δ0.02 × 10 −6 / K or less, and preferably Δ0.01 × 10 −6 / K or less. The fact that the amount of change in the coefficient of thermal expansion is within the above range suggests that the change caused by the thermal expansion can be suppressed.

本発明の光ファイバー部材は、典型的には、前記シリカガラスであるコアと、該コアを覆う同心円状のクラッドとからなる二層構造を有している。具体的には、上記のシリカガラスコアの外周部を加熱収縮などの方法によりクラッド材で被覆する(図1のステップS5)。クラッドには、コアよりも屈折率の低い樹脂が用いられる。このようにコアおよびクラッドの屈折率を設定することにより、光が全反射という状態でコア内に閉じ込められた状態で伝播し、光ファイバー部材として使用が可能となる。このようなクラッドの材料としては、上記シリカガラスよりも屈折率の低いシリカガラスを用いてもよいし、パーフルオロアルキル(メタ)アクリレートおよびトリフルオロエチルメタクリレートなどのフッ素系ポリマー、シリコーン、ポリイミドおよびポリエチレンテレフタレートなどの熱可塑性樹脂、またはエポキシ樹脂およびフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を用いてもよい。
シリカガラスコアの直径に対して、クラッド被覆層の厚さは、通常400〜600%である。クラッドの材料は使用環境に合わせて選定し、屈折率を制御すればよい。
The optical fiber member of the present invention typically has a two-layer structure including a core made of the silica glass and a concentric clad covering the core. Specifically, the outer peripheral portion of the silica glass core is covered with a clad material by a method such as heat shrinkage (Step S5 in FIG. 1). For the cladding, a resin having a lower refractive index than the core is used. By setting the refractive index of the core and the cladding in this way, light propagates in a state of being totally reflected and confined in the core, and can be used as an optical fiber member. As the material of such a clad, silica glass having a lower refractive index than the above silica glass may be used, or a fluorine-based polymer such as perfluoroalkyl (meth) acrylate and trifluoroethyl methacrylate, silicone, polyimide and polyethylene A thermoplastic resin such as terephthalate or a thermosetting resin such as an epoxy resin and a phenol resin may be used.
The thickness of the cladding coating layer is usually 400 to 600% of the diameter of the silica glass core. The material of the clad may be selected according to the use environment and the refractive index may be controlled.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
[実施例1]
テトラエトキシシラン1モル、水2モル、エタノール3モル、およびフッ酸0.1モルを80℃で混合・攪拌し、その後、50℃の雰囲気で混合液を濃縮することで0.65Pa・sの粘性とした。その後、φ20μmの吐出口を有するダイスを備えた紡糸装置の吐出口からN2ガスを利用して加圧により吐出させ、下流で引張り伸長することでφ18μmのファイバー状のゲルを得た。その後、1200℃で焼成を行い、さらに1000℃から500℃/secの降温速度で、クエンチを行うことでφ10μmのシリカガラスコアを得た。シリカガラスコア中のフッ素濃度は2.0wt%であった。このシリカガラスコアをフッ素化アルキルメタクリレートで被覆することで光ファイバーとした。また、ガラス体の熱膨張係数は0℃で0.30×10-6/K、100℃で0.31×10-6/Kとなり、熱膨張率の変化はΔ0.01×10-6/Kであった。
入射波長1550nmでの0℃から100℃の範囲で測定した場合のファイバーブラッググレーティング(FBG)の反射波長に対する温度依存性は14.03pm/Kから14.04pm/Kに変化し、約0.07%に収まることが分かった。
結果を表1に表す。
Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[Example 1]
1 mol of tetraethoxysilane, 2 mol of water, 3 mol of ethanol, and 0.1 mol of hydrofluoric acid are mixed and stirred at 80 ° C., and then the mixture is concentrated in an atmosphere of 50 ° C. to obtain 0.65 Pa · s. Viscous. Thereafter, the fiber was discharged from the discharge port of a spinning apparatus provided with a die having a discharge port of φ20 μm under pressure using N 2 gas, and stretched downstream to obtain a fiber gel of φ18 μm. Thereafter, firing was performed at 1200 ° C., and quenching was performed at a temperature lowering rate of 1000 ° C. to 500 ° C./sec to obtain a silica glass core having a diameter of 10 μm. The fluorine concentration in the silica glass core was 2.0% by weight. An optical fiber was obtained by coating the silica glass core with a fluorinated alkyl methacrylate. The coefficient of thermal expansion of the glass body is 0.30 × 10 −6 / K at 0 ° C. and 0.31 × 10 −6 / K at 100 ° C., and the change in the coefficient of thermal expansion is Δ0.01 × 10 −6 / K. It was K.
The temperature dependence of the fiber Bragg grating (FBG) on the reflection wavelength when measured in the range of 0 ° C. to 100 ° C. at an incident wavelength of 1550 nm changes from 14.03 pm / K to 14.04 pm / K, and is about 0.07. %.
The results are shown in Table 1.

[実施例2]
実施例1の工程で、フッ酸の量を0.2モルに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、シリカガラスを作製し、φ12μmのシリカガラスコアを得た。シリカガラスコア中のフッ素濃度は2.3wt%であった。このシリカガラスコアにフッ素化アルキルメタクリレートで被覆することで光ファイバーとした。ガラス体の熱膨張係数は0℃で0.27×10-6/K、100℃で0.28×10-6/Kとなり、熱膨張率の変化はΔ0.01×10-6/Kであった。入射波長1550nmでの0℃から100℃の範囲で測定した場合のファイバーブラッググレーティング(FBG)の反射波長に対する温度依存性は13.98pm/Kから13.40pm/Kに変化し、約0.14%に収まることが分かった。
結果を表1に表す。
[Example 2]
Silica glass was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of hydrofluoric acid was changed to 0.2 mol in the process of Example 1, and a silica glass core having a diameter of 12 μm was obtained. The fluorine concentration in the silica glass core was 2.3% by weight. An optical fiber was obtained by coating the silica glass core with a fluorinated alkyl methacrylate. The coefficient of thermal expansion of the glass body is 0.27 × 10 −6 / K at 0 ° C. and 0.28 × 10 −6 / K at 100 ° C., and the change in the coefficient of thermal expansion is Δ0.01 × 10 −6 / K. there were. The temperature dependence of the fiber Bragg grating (FBG) with respect to the reflection wavelength when measured in the range of 0 ° C. to 100 ° C. at an incident wavelength of 1550 nm changes from 13.98 pm / K to 13.40 pm / K, and is about 0.14. %.
The results are shown in Table 1.

[比較例1]
実施例1の工程で、フッ酸の量を0.01モルに変更したこと以外は、実施例1と同様にしてシリカガラスを作製しようとしたが、N2ガスを利用して加圧により吐出させる際に、伸長の途中で切断が生じ、ファイバーを作製することができなかった。
結果を表1に表す。
[Comparative Example 1]
Except that the amount of hydrofluoric acid was changed to 0.01 mol in the process of Example 1, an attempt was made to produce silica glass in the same manner as in Example 1, but discharge was performed under pressure using N 2 gas. During the elongation, a break occurred during the elongation, and a fiber could not be produced.
The results are shown in Table 1.

[比較例2]
テトラエトキシシラン1モル、水2モル、エタノール3モル、およびフッ酸0.1モルを80℃で混合・撹拌し、その後、50℃の雰囲気で混合液を濃縮することで、溶液の粘性を0.65Pa・sとした。その後、φ20μmの吐出口を有するダイスを備えた紡糸装置の吐出口からN2ガスを利用して加圧により吐出させ下流で引張り伸長することでφ18μmのファイバー状のゲルを得た。その後、1200℃で焼成を行い、φ10μmのシリカガラスコアを得た。シリカガラスコア中のフッ素濃度は2.0wt%であった。このシリカガラスコアにフッ素化アルキルメタクリレートで被覆することで光ファイバーとした。ガラス体の熱膨張係数は0℃で0.47×10-6/K、100℃で0.43×10-6/Kとなり、熱膨張率の変化はΔ0.04×10-6/Kであった。
入射波長1550nmでの0℃から100℃の範囲で測定した場合のファイバーブラッググレーティングの反射波長に対する温度依存性は14.29pm/Kから14.23pm/Kに変化し、約0.28%のずれが生じた。
結果を表1に表す。
[Comparative Example 2]
1 mol of tetraethoxysilane, 2 mol of water, 3 mol of ethanol, and 0.1 mol of hydrofluoric acid are mixed and stirred at 80 ° C., and then the mixture is concentrated in an atmosphere of 50 ° C. to reduce the viscosity of the solution to 0. .65 Pa · s. Thereafter, the fiber was discharged by pressurizing using a N 2 gas from a discharge port of a spinning device provided with a die having a discharge port of φ20 μm and stretched downstream to obtain a fiber gel of φ18 μm. Thereafter, firing was performed at 1200 ° C. to obtain a silica glass core having a diameter of 10 μm. The fluorine concentration in the silica glass core was 2.0% by weight. An optical fiber was obtained by coating the silica glass core with a fluorinated alkyl methacrylate. The coefficient of thermal expansion of the glass body is 0.47 × 10 −6 / K at 0 ° C. and 0.43 × 10 −6 / K at 100 ° C., and the change in the coefficient of thermal expansion is Δ0.04 × 10 −6 / K. there were.
The temperature dependence of the fiber Bragg grating on the reflection wavelength when measured in the range of 0 ° C. to 100 ° C. at an incident wavelength of 1550 nm changes from 14.29 pm / K to 14.23 pm / K, and is shifted by about 0.28%. Occurred.
The results are shown in Table 1.

Figure 2020037492
Figure 2020037492

本発明の光ファイバー部材は、電気的なセンサーでは測温の難しい構造物の温度測定に用いるファイバーブラッググレーティングに好適に用いられる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The optical fiber member of the present invention is suitably used for a fiber Bragg grating used for measuring the temperature of a structure that is difficult to measure with an electric sensor.

Claims (2)

フッ素の含有量が1wt%以上5wt%以下であり、かつ、0℃から100℃の間での熱膨張率の変化がΔ0.02×10-6/K以下であるシリカガラスコアを備えることを特徴とするファイバーブラッググレーティング用光ファイバー部材。 A silica glass core having a fluorine content of 1 wt% or more and 5 wt% or less and a change in coefficient of thermal expansion between 0 ° C. and 100 ° C. of Δ0.02 × 10 −6 / K or less. Characteristic optical fiber member for fiber Bragg grating. フッ素の含有量が1wt%以上5wt%以下であり、かつ、0℃から100℃の間での熱膨張率の変化がΔ0.02×10-6/K以下であるシリカガラスコアを800℃以上1000℃以下の温度域から100℃/h以上の降温速度で冷却する工程を有することを特徴とするファイバーブラッググレーティング用光ファイバー部材の製造方法。 A silica glass core having a fluorine content of 1% by weight or more and 5% by weight or less and a change in coefficient of thermal expansion between 0 ° C. and 100 ° C. of Δ0.02 × 10 −6 / K or less is 800 ° C. or more. A method for producing an optical fiber member for a fiber Bragg grating, comprising a step of cooling at a temperature lowering rate of 100 ° C./h or more from a temperature range of 1000 ° C. or less.
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