JP5921445B2 - ストリップ部がシールされた二重クラッド光ファイバ - Google Patents

Description

関連出願への言及
本出願は、米国仮特許出願６１／２９５，３５３（発明の名称：環境上頑丈な光ファイバ保護アセンブリ）に基づく優先権を主張している。当該出願６１／２９５，３５３は、本件出願人により２０１０年１月１５日に出願されたもので、その内容は言及することにより本件明細書の一部を構成する。

図１は、二重クラッド光ファイバ１１の例を示している。一般的に、二重クラッド光ファイバ１１は、導波コア１０、内側導波クラッド１４、外側導波クラッド１８、ジャケット２２を含んでいる。
導波コア１０は、コア屈折率１２を有する。導波コア１０の周囲の内側導波クラッド１４は、内側クラッド屈折率１６を有する。内側導波クラッド１４の周囲の外側導波クラッド１８は、外側クラッド屈折率２０を有する。外側導波クラッド１８の周囲のジャケット２２は、ジャケット屈折率２４を有する。ジャケット屈折率２４は、一般的に、外側クラッド屈折率２０よりも大きい。

高出力の光信号を伝達するにおいて、および高出力ファイバ・レーザおよびアンプを製造するにおいて、コア１０は、ドープしたシリカとすることができる。内側クラッド１４は、石英ガラスあるいはドープした石英ガラスの１または複数の層を有することができる。また、非シリカ材の外側クラッド１８は、非常に小さな屈折率２０を有することで、光がコア１０および内側クラッド１４から出て行くことを防止できる。
外側クラッド１８は、屈折率の低いポリマーから作ることができる。例えば、シリコーン、フッ素化エチレン性シクロオキシ脂肪族置換エチレン性コポリマー、または他の材料である。しかし、フルオロアクリレート光ファイバを用いることが一般的である。フルオロアクリレート光ファイバは、次の事実により特徴付けられる。すなわち、第２の導波クラッド１８の材料が、ＳＳＣＰ ＣＯ．社が製造する製品番号ＰＣ３６３、ＰＣ３７３、ＰＣ３７５、ＰＣ４０９、あるいは、ＤＳＭ Ｄｅｓｏｔｅｃｈ社の製品ＤｅＳｏｌｉｔｅ（登録商標） ＤＦ０００７等のフルオロアクリレートである。
あるケースでは、コア１０および内側クラッド１４が同じ材料で構成され、したがって、同じ屈折率を有していてもよい。完全な例を提供するために、保護ジャケットを屈折率の高いアクリレートで作ってもよい。例えば、ＤＳＭ Ｄｅｓｏｔｅｃｈ社の製品番号ＤＳ−２０１５、製品番号３４７１−２−１３６、あるいは、ＳＳＣＰ ＣＯ．社の製品番号ＵＶＦ−ＨＴＳ−００１である。ジャケットの主な機能は、ファイバの機械的性能を改善することである。

ある場合には、二重クラッド光ファイバは、長さ方向に沿う一部分において、外側クラッドおよびジャケットが除去されている。例えば図２に示すように、その部分は、ストリップ部２６と呼ぶことができる。ストリップ部２６では、対応する２つの端部に、外側クラッドの２つの面２８、３０が露出している。このことは、例えば、継ぎ目やウインドウの箇所において生じる。
例えば図２に示すように、ストリップ部が剥き出しになったままとされる場合もある。他の場合には、例えば図３に示したように、使用に先立って、ストリップ部は、再コート材３１を用いて再コートされる。これにより、例えば機械耐性が向上する。再コートは、外側クラッドと同じ材料を用いて行うことが一般的である。

その１または複数の部分に沿って外側クラッドおよびジャケットが除去されていて、そこに再コートが施された、あるいは施されていない、ある種のフルオロアクリレート二重クラッド光ファイバは、大きな光学的減衰を示すことを、我々は観察した。
この問題は、科学的な方法で研究された。そして、その後の実験により、外側クラッドのフルオロアクリレートが水にさらされることに起因して減衰が生じる、という仮説が得られた。この仮説を検証するために、我々は、ストリップ部を有する二重光ファイバを、４２９時間、８５°Ｃおよび相対湿度８５％の環境に置いた。図４は、生じた光学的ロスを示している。

問題を分析した結果、水は、主として２つの方法でフルオロアクリレートに浸入することが理解された。１つは、ファイバの長さ方向を横切る方向における半径方向の拡散３４であり、他の１つは、ファイバの長さ方向に平行な方向における長手方向拡散３２である。図５は、これを図式化したものである。
ジャケット（代表的には、水を通さない材料でできている）は、あまりに早い劣化からフルオロアクリレートを顕著に保護する、大きな水バリア効果を与えることが分かった。しかしながら、光ファイバが剥き出しのままである場合には、ストリップ部の両端において、外側クラッドの面が水にさらされ、その結果、長手方向拡散により水が外側クラッド層内に浸入する。
さらに、ストリップ部が、例えば図３に示したように、フルオロアクリレートで再コートされている場合であっても、水は、まず半径方向拡散によってフルオロアクリレート再コート３１内に浸入することができ、その後、長手方向拡散によって、フルオロアクリレート再コートから外側クラッド内へと移動することができる。その場合、フルオロアクリレート再コート３１および外側クラッドは、水にさらされることによって劣化する。

ストリップ部の両端における外側クラッドの２つの面に水がアクセスするのをブロックするような方法でシーラントを塗布することで、外側クラッド内へ水が浸入することを顕著に防止できることが分かった。これにより、光ファイバが多量の水にさらされる環境で使用される場合において、減衰量を顕著に減じることができる。

本発明の１局面により、次のような二重クラッド光ファイバが提供される。
すなわち、
導波コアと、
導波コアの周囲に配置され、内側クラッド屈折率を有する、内側導波クラッドと、
内側導波クラッドの周囲に配置され、内側クラッド屈折率よりも低い外側クラッド屈折率を有する、外側導波クラッドと、
上記第２導波クラッドの周囲に配置され、ジャケット屈折率を有する、ジャケットと、を有する二重クラッド光ファイバであって、
当該光ファイバの長手方向に沿って、第２導波クラッドおよびジャケットが存在しない部分を有しており、当該部分は、長手方向に対向する両端において第２導波クラッドの対応する面をそれぞれ有するとともに、当該部分にシーラントを有しており、
上記シーラントは、周囲環境の水が第２導波クラッドの上記面を通して長手方向に拡散することを防止している、二重クラッド光ファイバ。

本発明の他の局面により、次のような方法が提供される。
すなわち、
二重クラッド光ファイバを保護する方法であって、

上記二重クラッド光ファイバは、
導波コアと、
導波コアの周囲に配置された内側導波クラッドと、
内側導波クラッドの周囲に配置され、フルオロアクリレートで作られた外側導波クラッドと、
上記第２導波クラッドの周囲に配置されたジャケットと、を有するとともに、
当該光ファイバの長手方向に沿って、第２導波クラッドおよびジャケットが存在しない部分を有しており、当該部分は、長手方向に対向する両端において第２導波クラッドの対応する面をそれぞれ有しており、

当該方法は、水が第２導波クラッドの上記面に影響を及ぼすことを防止するように、上記部分にシーラントを施している、方法。

本発明のさらに他の局面により、次のような光ファイバ・パッケージが提供される。
すなわち、
剥き出しになった光ファイバに対する環境上頑丈な光ファイバ・パッケージであって、

上記剥き出しになった光ファイバは、
ドープされたシリカで作られていて、コア屈折率を有するコア領域と、
シリカまたはドープされたシリカの一方で作られた内側クラッド領域と、
屈折率の低い非シリカ材料で作られていて、外側クラッド屈折率を有する外側クラッド領域層と、
保護ジャケット層と、を有しており、

外側クラッド領域層は、保護ジャケット層の存在しない露出部分を有しており、当該露出部分において汚染物質が外側クラッド領域層にアクセス可能となっており、

当該光ファイバ・パッケージは、シーラント屈折率を有するシール層によって少なくとも上記露出部分をカバーするキャップを含んでおり、
上記シーラント屈折率は、外側クラッド屈折率よりも低い、あるいは等しいのいずれか一方であり、
上記シール層は、上記汚染物が外側クラッド領域層に到達するのを防ぐバリア特性を有している、光ファイバ・パッケージ。

本明細書において、水という表現は、液状またはガス状のH₂Oを意味する。

図１Ａ（従来技術）は、二重クラッド光ファイバの一例を示している。 図１Ｂ（従来技術）は、二重クラッド光ファイバの代表的な屈折率プロファイルを示している。 図２は、ストリップ部を有する二重クラッド光ファイバの一例を示している。 図３は、再コートされたストリップ部を有する二重クラッド光ファイバの一例を示している。 図４は、フルオロアクリレートをコートした光ファイバについて、フルオロアクリレートを水にさらした後における光学的減衰を示すグラフである。 図５は、外側クラッドへの水の浸入を図式化したものである。 図６は、シーラントを有する光ファイバの第１例を示しており、シーラントは、再コートの上に施されている。 図７は、シーラントを有する光ファイバの第２例を示しており、シーラントは、剥き出しになったストリップ部の上に直接施されている。 図８は、シーラントの第３例を示しており、シーラントは、外側クラッドの露出した面上に直接施されている。 図９は、剥き出しになったままのストリップ部と、シーラントを施したストリップ部と、について行われたテストの結果を示すグラフである。

添付図面の全体において、同様の特徴は、同様の参照数字で示されている。

図２に示したようなストリップ部は、例えば、継ぎ目において発生する。２つのファイバを接合するために、まずファイバが剥出しにされるが（ストリッピング）、これは、機械的、熱的、あるいは化学的に行うことができる。機械的なストリッピングは、例えばマイクロストリップ・ファイバ・ストリッパを用い、保護ジャケット２２および外側クラッド１８を除去することで、これを行うことができる。
熱的なストリッピングは、ストリッピング刃が加熱される点、あるいはコーティングがオーブンで加熱される点を除いて、機械的なストリッピングと同様である。化学的なストリッピングは、塩化メチレンまたはアセトンのような化学物質にファイバを浸すことで行われる。レーザや熱風等のストリッピングを行う他の方法も同じように採用することが可能である。
ストリッピングが完了した後、露出したガラスの２つの部分が、例えばイソプロピルアルコールを用いてクリーニングされ、これにより、埃あるいはコーティング／クラッド残留物のような汚れが除去される。
２つのファイバのガラス端部は、例えばＹｏｒｋ ＦＫ１１等のファイバ・クリーバを用いて裂かれる。その後、Ｆｕｊｉｋｕｒａ ＦＳＭ−４５Ｆ等の標準的な溶解スプライサを用いて２つのファイバが接合される。
例えばウインドウ・ストリップ等の継合せを要しない用途であっても、ストリップ部分（剥き出しになった部分）が含まれる場合が存在する。ウインドウ・ストリップの用途においては、ファイバを裂いて接合する必要は無く、ファイバの一定領域を剥いてウインドウが形成される。例えば、パワー接合の用途においては、一般的に、ストリップ部は剥出しのままである。

しかしながら、他の用途において、ストリップ部を再度コーティングすることが好ましい場合がある。それは、例えば機械的耐性を高めるためである。例えばＶｙｔｒａｎ ＰＴＲ−２００等のファイバ再コータを使用して、露出したガラス面が、ＵＶ硬化フルオロアクリレートで再コーティングすることができる。

上で説明したように、フルオロアクリレート層の光学性能は、水に接することで影響を受ける。これは、層間剥離または結晶化等の現象に起因することがある。
剥き出しになっていないファイバ部分では、保護ジャケットは、重要な環境上の役割を果たすと考えることができる。すなわち、水の浸入を遅くし、フルオロアクリレート層の劣化を減じるバリアを与える。

図４は、この劣化を図示している。図４は、代表的なフルオロアクリレート光ファイバが水と接した場合に生じる光学的減衰を示している。結果は、Ｙｂ、ＹｂＥｒ、およびＥｒファイバ・レーザの典型的なポンピング波長域で示されている。
図４において、主に２つの劣化要素が見られる。まず、９５５ｎｍにピークが存在する。これは、フルオロアクリレート層を通して拡散するＯＨ⁻の分子吸収から生じると思われる。さらに、散乱要素が存在するが、これは、フルオロアクリレート層の層間剥離あるいは結晶化に起因すると思われる。

図５は、フルオロアクリレート層における２つの主要な水の浸入メカニズムを示している。最初の１つは、保護ジャケットを通した水の半径方向拡散３４である。これにより、水は外側クラッドに達する。このメカニズムは極めて遅く、保護ジャケットが良好な状態である場合には、多分無視することができる。
２つめのメカニズムは、長手方向における水の浸入３２である。これは、外側クラッド表面が直接、水にさらされることに起因する。この後者の浸入メカニズムは、幾つか例を挙げると、接合ポイント、剥き出しになったウインドウ・ポイント、フルオロアクリレートで再コートされた部分、保護ジャケットが除去された部分、において生じ得る。
この後、水は、化学反応によって外側クラッドを直接攻撃することができる。さらに、毛管現象によってさらに水が浸入することができ、外側クラッドの層間剥離をもたらす場合がある。

図６は第１の例示的な実施形態を示している。この場合、露出したガラス４０は、その後、ＵＶ硬化フルオロアクリレート再コート層４２で再コートされる。これは、Ｖｙｔｒａｎ ＰＴＲ−２００等のファイバ再コータを用いて行うことができる。
再コート層が水と直接接触している場所においては、シーラント・キャップ４４が加えられて、外側クラッドおよび再コート層の中へ水が浸入するのを強く防ぐ。さらに、シーラント・キャップは、８５°Ｃの温度までその光学的および機械的パラメータが著しく下がらないという意味で、耐熱性を有する。さらに、シーラント・キャップは、−４０°Ｃ〜８５°Ｃの温度範囲において水と接触した場合には、化学的に安定している。
シーラント・キャップとして使用できる材料として、次のものを例示できる。ＤＳＭ社のＤＳ−２０１５、３４７１−２−１３６、あるいはＳＳＣＰ ＣＯ．社のＵＶＦ−ＨＴＳ−００１等のアクリレート。シリコーン（例えば、Ｎｕｓｉｌ Ｌｉｇｈｔｓｐａｎ ＬＳ−３）。フッ素化エチレン性シクロオキシ脂肪族置換エチレン性コポリマー（例えば、Ｄｕｐｏｎｔ社から入手可能なテフロンＡＦ）。屈折率が低い光学エポキシ（例えば、ＡｎｇｓｔｒｏｍＢｏｎｄ ＥＸ１１２８）、その他。
このシーラント材料は、再コート層が硬化した後で塗布される。続いて、再コート層は、シーラント材料で満たすことができるモールド内に配置される。場合によっては、シーラント材料をオーブン内に配置したり、赤外線（ＩＲ）ソースを使用することで、硬化を促進することができる。ＩＲ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社のＩＣｕｒｅＩＲが赤外線ソースの一例である。別例として、例えばＤｙｍａｘ ５０００−ＥＣ硬化系のようなＵＶ光源で硬化する材料もある。

図７は別の例示的な実施形態を示している。当該部分は、フルオロアクリレート材料で再コートされてはおらず、より安定的なシーラント・キャップ４６で再コートされている。シーラント・キャップ４６は、例えば、屈折率が低い光学エポキシ、シリコーン、あるいはフッ素化エチレン性シクロオキシ脂肪族置換エチレン性コポリマーの材料からなる。これは、上述したのと同様の方法で行うことができる。この場合、シーラント・キャップの屈折率は、外側クラッド４８の屈折率と等しいか、またはそれよりも劣っているべきであり、また、内側クラッド１４およびコア１０内を伝わる光に対して透明であるべきである。

図８はさらに別の例示的な実施形態を示している。ストリップ領域５０は、再コートされないままとなっている。そのような場合、外側クラッドは、適切な環境特性を有する低屈折率エポキシ等からなるシーラント・キャップ５４を用いてシールすることができ、その一方で、接合ジョイント部あるいはウインドウが露出した状態にあることを確実とすることができる。
注射器を用いて、露出した外側クラッド層にシーラント材料のドロップを塗布することができる。その場合、シーラント材料の屈折率は、外側クラッド５２の屈折率に等しいか、またはそれよりも劣っているべきであり、また、内側クラッド１４およびコア１０内を伝わる光に対して透明であるべきである。

すべての実施態様において、シールしたファイバを、その後、封止体の中に置いて、機械的、熱的、あるいは環境的に保護することができる。

図９は、１２５ミクロンの標準的なフルオロアクリレート・ファイバ（５ｃｍ剥き出しにしている）について得られたテスト結果を示している。第１のそのようなファイバは、まったく再コートしないままであった。第２のそのようなファイバは、フルオロアクリレートで再コートし、ファイバのジャケットと同タイプのアクリレートからなるシーラント・キャップ層が塗布された。
両方のファイバを、相対的湿度８５％で８５°Ｃの実験ルームに、３００時間置いた。結果は、再コートしていないファイバについては、０．４ｄＢレベルの減衰を示しているが、シールしたファイバについては、大きな減衰は見られない。

以上に説明した実施態様は、例示することだけを意図したものである。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (20)

1. 導波コアと、
   導波コアの周囲に配置され、内側クラッド屈折率を有する、内側導波クラッドと、
   内側導波クラッドの周囲に配置され、内側クラッド屈折率よりも低い外側クラッド屈折率を有する、フルオロアクリレートの外側導波クラッドと、
   外側導波クラッドの周囲に配置され、ジャケット屈折率を有する、ジャケットと、を有する二重クラッド光ファイバであって、
   当該光ファイバの長手方向に沿って、外側導波クラッドおよびジャケットが存在しない部分を有しており、当該部分は、長手方向に対向する両端において外側導波クラッドの対応する面をそれぞれ有するとともに、当該部分の全長に渡って延在するシーラントを有しており、
   上記シーラントは、周囲環境の水が外側導波クラッドの上記面を通して長手方向に拡散し外側導波クラッド内に浸入するのを防止している、二重クラッド光ファイバ。
2. 再コート材が、外側導波クラッドの２つの上記面、およびこれらの面の間における内側導波クラッドの全体をカバーしており、
   当該再コート材の全体を上記シーラントがカバーしている、請求項１記載の二重クラッド光ファイバ。
3. 上記シーラントは、外側導波クラッドの２つの上記面に直接塗布されて、その全体をカバーし、内側導波クラッドの全体をカバーし、少なくとも外側クラッド屈折率と同じくらい低い屈折率を有している、請求項１記載の二重クラッド光ファイバ。
4. 上記外側導波クラッドの２つの上記面、および内側導波クラッドの上記部分における全長に対して、それぞれフルオロアクリレートの再コートが直接塗布され、それら全体をカバーしており、
   上記シーラントは、当該フルオロアクリレートの再コート上に直接塗布されて、その全体をカバーしている、請求項１記載の二重クラッド光ファイバ。
5. 上記シーラントは、ジャケットと同じ材料で作られている、請求項４記載の二重クラッド光ファイバ。
6. 上記シーラントは、ＰＴＦＥ、シリコーン、アクリレート、およびエポキシのいずれか１つである、請求項１〜４のいずれか１つに記載の二重クラッド光ファイバ。
7. 二重クラッド光ファイバを保護する方法であって、
   上記二重クラッド光ファイバは、
   導波コアと、
   導波コアの周囲に配置された内側導波クラッドと、
   内側導波クラッドの周囲に配置され、フルオロアクリレートで作られた外側導波クラッドと、
   外側導波クラッドの周囲に配置されたジャケットと、を有するとともに、
   当該光ファイバの長手方向に沿って、外側導波クラッドおよびジャケットが存在しない部分を有しており、当該部分は、長手方向に対向する両端において外側導波クラッドの対応する面をそれぞれ有しており、
   当該方法は、水が外側導波クラッドの上記面に影響を及ぼすことを防止するように、上記部分の全長に渡ってシーラントを塗布する、方法。
8. 上記塗布する工程においては、外側導波クラッドの２つの上記面にシーラントが直接塗布され、これらの面の全体をカバーする、請求項７記載の方法。
9. 上記塗布する工程においては、さらに、上記部分の全長に渡って、内側導波クラッド上にシーラントが直接塗布され、その全体をカバーする、請求項８記載の方法。
10. 外側導波クラッドの２つの上記面、および内側導波クラッドの上記部分における全長に対して、それぞれフルオロアクリレートの再コート材を用いて、直接再コートし、それら全体をカバーする工程をさらに含んでおり、
    上記塗布する工程においては、フルオロアクリレートの再コート材上にシーラントが直接塗布され、その全体をカバーする、請求項７記載の方法。
11. 剥き出しになった光ファイバに対する環境上頑丈な光ファイバ・パッケージであって、
    上記剥き出しになった光ファイバは、
    ドープされたシリカで作られていて、コア屈折率を有するコア領域と、
    シリカまたはドープされたシリカの一方で作られた内側クラッド領域と、
    フルオロアクリレートで作られていて、外側クラッド屈折率を有する外側クラッド領域層と、
    保護ジャケット層と、を有しており、
    外側クラッド領域層は、保護ジャケット層の存在しない露出部分を有しており、当該露出部分において水が外側クラッド領域層にアクセス可能となっており、
    当該光ファイバ・パッケージは、シーラント屈折率を有するシール層によって少なくとも上記露出部分をカバーするキャップを含んでおり、
    上記シーラント屈折率は、外側クラッド屈折率よりも低い、あるいは等しいのいずれか一方であり、
    上記シール層は、上記水が外側クラッド領域層に到達するのを防ぐバリア特性を有している、光ファイバ・パッケージ。
12. 上記露出部分は、光ファイバの剥き出しになったウインドウ部分の端縁における、外側クラッド領域層の端面であり、それにより、外側クラッド領域層および保護ジャケット層のストリップ長さ部分が除去されて、内側クラッド領域を露出させている、請求項１１記載のパッケージ。
13. 上記露出部分は、保護ジャケット層が除去された外側クラッド領域層の表面部分である、請求項１１記載のパッケージ。
14. 上記シール層は、水バリア特性を有し、屈折率の低いエポキシである、請求項１１〜１３のいずれか１つに記載のパッケージ。
15. 上記シール層は、シリコーンからなる、請求項１１〜１３のいずれか１つに記載のパッケージ。
16. 上記シール層は、フッ素化エチレン性シクロオキシ脂肪族置換エチレン性コポリマーからなる、請求項１１〜１３のいずれか１つに記載のパッケージ。
17. 上記キャップは、少なくとも上記露出部分をカバーするクラッド領域層再コート上に設けられている、請求項１１〜１６のいずれか１つに記載のパッケージ。
18. 上記コア領域および内側クラッド領域は、単一のドープされたシリカ領域内に設けられている、請求項１１〜１７のいずれか１つに記載のパッケージ。
19. 導波コアと、
    導波コアの周囲に配置され、内側クラッド屈折率を有する、内側導波クラッドと、
    内側導波クラッドの周囲に配置され、内側クラッド屈折率よりも低い外側クラッド屈折率を有する、フルオロアクリレートの外側導波クラッドと、
    外側導波クラッドの周囲に配置され、ジャケット屈折率を有する、ジャケットと、を有する二重クラッド光ファイバであって、
    当該光ファイバの長手方向に沿って、外側導波クラッドおよびジャケットが存在しない部分を有しており、当該部分は、長手方向に対向する両端において外側導波クラッドの対応する面をそれぞれ有するとともに、外側導波クラッドの当該２つの面に直接塗布され、その全体をカバーするシーラントを有しており、
    上記シーラントは、周囲環境の水が外側導波クラッドの上記面を通して長手方向に拡散し外側導波クラッド内に浸入するのを防止している、二重クラッド光ファイバ。
20. 上記内側導波クラッドは、シーラントがカバーしている上記２つの面の間において、露出したままとなっている、請求項１９記載の二重クラッド光ファイバ。

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