光ファイバ
発明の一例にしたがえば、光ファイバは、(ｉ)Ａｌドープシリカを含むが、ＥｒまたはＹｂは実質的に含まない、第１の屈折率ｎ１を有するコア、(ii)コアを囲む、ｎ１＞ｎ２であるような、第２の屈折率ｎ２を有する、少なくとも１つのＦドープシリカ系クラッド層であって、実質的にＳｉＯ２及び０.２５〜５重量％のＦを含むクラッド層、(iii)クラッド層を囲む気密炭素系コーティングであって、厚さが２００〜１０００Åである気密コーティング、及び(iv)気密コーティングを囲む第２のコーティングであって、厚さが５μｍから８０μｍである第２のコーティング、を有する。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２０１０年１月２６日に出願された米国仮特許出願第６１/２９８３２４号の優先権の恩典を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は全般的に、苛酷な環境におけるセンシング用途での使用に適する光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００３】
光ファイバは、その高い伝送容量及び電気雑音不感性により、遠距離通信に好んで用いられる媒体となっている。過去１０年間にわたり、光ファイバは単点センシング及び／または分布センシングの用途にも用いられている。ファイバは石油及びガス事業において石油探査、鑿井及び生産に不可欠な情報を得るために用いられている。これらの石油／ガス井戸において、光ファイバは地球物理学的井戸の深さに沿う温度、圧力及び流量の情報をモニタ／計測するための分布センサとして用いられる。しかし、苛酷な坑井内環境のため厳しい信頼性問題に直面する。代表的な坑井内環境において、光ファイバには、(３００℃までの)高温、(１０００気圧(１.０１３×１０８Ｐａ)までの)高圧及び湿気がかかり、水素や、ＣＯ２及びＨ２Ｓのような、その他の有害な化学種が作用する。
【０００４】
そのような苛酷な環境において用いられる光ファイバを保護するために、特殊なファイバコーティング構造が開発されている。例えば、非晶質炭素系コーティング(いわゆる「気密コーティング」)及び金属コーティングが用いられている。しかし、フッ素ドープクラッド層を有する純シリカコアファイバまたは、さらに一般的には、Ｇｅドープシリカからなるコアを有するファイバを用いる以外に、ファイバの石英ガラスの組成の領域において重立ったことはなされていない。
【０００５】
気密コーティングは、ファイバの石英ガラス内への水分子または水素分子の侵入を防止する、保護層を提供する。気密コーティングは小コイル径の下でファイバの極めて信頼性が高い布設も可能にする。気密コーティングの存在は機械的一体性が改善された光ファイバを提供する。Ｇｅドープファイバは可視波長及び近ＩＲ波長に吸収ピークを有する。さらに、発明者等の最近の研究により、ＧｅＯ２ドープファイバ上に気密コーティングを施すと、１５０℃までの温度についてＨ２の侵入は完全に妨げられるが、１７０℃をこえるとそうはならないことが明らかになった。例えば、１２４０ｎｍ及び１３８１ｎｍにおける高い減衰ピーク並びに背景損失の全体的増大が見られる。これは、１７０℃をこえる温度ではもはや気密層が真に気密ではないことを示す。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の範囲は添付される特許請求の範囲によって定められる。
【０００７】
本発明の一例にしたがえば、光ファイバは、(ｉ)第１の屈折率ｎ１を有する、Ａｌドープシリカを含むコア、(ii)コアを囲む、ｎ１＞ｎ２であるような、第２の屈折率ｎ２を有する、少なくとも１つのシリカ系クラッド層、及び(iii)クラッド層を囲む、厚さが５μｍから８０μｍの、コーティングを有する。クラッド層とクラッド層を囲む被覆の間に気密コーティングがあることが好ましい。いくつかの実施形態において、光ファイバは単一モードコアを有する。他のいくつかの実施形態において、光ファイバは多モードコアを有する。多モードコアを有するファイバにおいては、コアの少なくとも一部が分布屈折率を有することが好ましい。少なくともいくつかの実施形態において、クラッド層に対するコアの相対屈折率Δは０.５％と２.０５％の間(例えば０.８〜１.２％)であり、シリカに対するコアの相対屈折率Δは≦０.８である。いくつかの実施形態において、クラッド層は、０.２〜５重量％のＦ，例えば１.４〜５重量％のＦを含む。いくつかの実施形態において、クラッド層内のＦの量は０.７〜３重量％である。いくつかの実施形態において、コアは５.５〜１０重量％のＡｌ２Ｏ３を含む。
【０００８】
本明細書に開示される光ファイバの利点のいくつかは、１７０℃をこえる温度における高信頼性である。これらのファイバは、Ｇｅドープファイバまたは純シリカコアファイバがセンシング用途に利用されている、その他の苛酷な環境においても用いることができる。本発明の実施形態にしたがう光ファイバの利点の１つは、１０６４ｎｍ近傍の波長におけるＨ２老化がかなり小さいことである。１０６４ｎｍの波長範囲は、ガス／石油センシング用途に対する温度分布センシング(ＤＴＳ)応用における主動作ウインドウであることに注意されたい。
【０００９】
本発明のさらなる特徴及び利点は、以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から明らかであろうし、あるいは、以下の詳細な説明特許請求の範囲を含み、また添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。
【００１０】
上述の全般的説明及び以下の詳細な説明がいずれも本発明の実施形態を提示し、特許請求されるような本発明の本質及び特質の理解のための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。図面は本発明の様々な実施形態を示し、記述とともに本発明の原理及び動作の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は本発明の一実施形態の簡略な断面図である。
【図２】図２は本発明にしたがう光ファイバの第１の例の屈折率プロファイルである。
【図３Ａ】図３Ａは本発明にしたがう光ファイバの第２の例の屈折率プロファイルである。
【図３Ｂ】図３Ｂは本発明にしたがう光ファイバのいくつかの例の屈折率プロファイルを示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは本発明にしたがう光ファイバのいくつかの例の屈折率プロファイルを示す。
【図３Ｄ】図３Ｄは本発明にしたがう光ファイバのいくつかの例の屈折率プロファイルを示す。
【図４】図４は既製Ｇｅドープ単一モードファイバの、Ｈ２／高温エージング試験の前(実線)及び後(破線)に測定された、スペクトル減衰のグラフである。
【図５】図５は、本発明の一実施形態にしたがう既製Ａｌ２Ｏ３ドープ単一モードファイバの、Ｈ２／高温エージング試験の前(実線)及び後(破線)に測定された、スペクトル減衰のグラフである。
【図６】図６は既製Ｇｅドープ多モードファイバの、Ｈ２／高温エージング試験の前(実線)及び後(破線)に測定された、スペクトル減衰のグラフである。
【図７】図７は、本発明の一実施形態にしたがう既製Ａｌ２Ｏ３ドープ多モードファイバの、Ｈ２／高温エージング試験の前(実線)及び後(破線)に測定された、スペクトル減衰のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
それらの例が添付図面に示される、本発明の現在好ましい実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、同じ参照数字が図面を通して同じかまたは同様の要素を指して用いられる。本発明にしたがう光ファイバの一実施形態が図１に簡略に示され、全体として参照数字１０で指定される。図１に示される光ファイバ１０は、第１の屈折率ｎ１を有するシリカ系Ａｌドープコア１２，コアを囲む、ｎ１＞ｎ２であるような第２の屈折率ｎ２を有する少なくとも１つのクラッド層１４，クラッド層１４を囲む気密コーティング１６(例えば炭素コーティング)、及び気密コーティング１６を囲む第２のまたは外装のコーティング１８を有する。第２のまたは外装のコーティング１８は用途及び使用温度に依存して、例えば、金属材(例えば、ＣｕまたはＡｕのコーティング)、アクリル材、シリコーン材またはポリイミド材で作製することができる。第２のまたは外装のコーティング１８の厚さは５μｍから８０μｍ(例えば、１０μｍ厚，１５μｍ厚，２０μｍ厚，３０μｍ厚，４０μｍ厚，５０μｍ厚，５０μｍ厚または７０μｍ厚)とすることができる。例えば、アクリルコーティングは約１２０℃までの温度において、シリコーンコーティングは約１７５℃までの温度において、ポリイミドコーティングは約５００℃までの温度において、Ｃｕ及びＡｕは約１０００℃までの温度において、十分よくはたらく。すなわち、説明される二重コーティング構造はＨ２エージング及び高温に対して特に優れた保護を提供する。気密コーティングの存在は好ましいが、いくつかの応用では必ずしも必要ではないことに注意されたい。そのような用途において、ファイバは、コア１２，クラッド層１４及びコーティング１８を有することになろう。
【００１３】
これらの実施形態において、シリカ系コア１２はＡｌドープシリカからなる。コアは、ＥｒまたはＹｂのような活性ドーパント(すなわち希土類ドーパント)を実質的に全く、例えば重量で＜１ｐｐｍしか、含んでいない。光ファイバコア１２は円形または楕円形(図示せず)とすることができる。クラッド層１４に囲まれるコアは(クラッド層に対して)約０.２％Δから約２.０５％Δまでの相対屈折率Δを有することが好ましい。コアの開口数ＮＡは(ｎ１２−ｎ２２)１/２と定義される。コアの開口数ＮＡは０.０９と０.３０の間であることが好ましく、０.１２と０.２の間であることがさらに好ましい。
【００１４】
コア１２は単一モードコアまたは多モードコアとすることができる。コア１２は約４〜約２４重量％のＡｌ２Ｏ３を含有する(残りはシリカである)ことが好ましく、クラッド層は純シリカまたは、クラッド層のＦ含有量が０重量％と５重量％の間、例えば、０.７重量％と３重量％または０.７重量％と２.２重量％の間であるような、Ｆドープシリカからなることが好ましい。クラッド層を囲む気密炭素系コーティング１６の厚さは２００〜１０００Å(２０〜１００ｎｍ)、例えば３００〜１０００Åまたは３０〜５０ｎｍであることが好ましく、気密コーティングを囲む第２のコーティング１８の厚さは５μｍから８０μｍであることが好ましい。フッ素(Ｆ)が用いられる場合、１重量％より多くのＦを有することが好ましく、２重量％より多くのＦを有することがさらに好ましい。
【実施例】
【００１５】
本発明は以下の実施例によってさらに明解になるであろう。
【００１６】
実施例１
図２は本発明の光ファイバの第１の例の屈折率プロファイル(コア及びクラッド層)を示す。この光ファイバは図１に示される断面を有する。さらに詳しくは、図２はこの光ファイバの(クラッド層の屈折率に対する)屈折率％Δ対コア中心から測った距離(半径)を示す。屈折率％Δは(ｎ１２−ｎ２２)/２ｎ２２と定義される。
【００１７】
このモデル化された光ファイバは、Ａｌドープコア１２及びシリカクラッド層１４を有する。本実施例のＡｌドープコア１２は、Ａｌはクラッド層内に全くまたは極めて僅かしか拡散しないから、非常に明確に定められたステップインデックスを有する。すなわち、石英ガラス内のＡｌイオンの易動度が低いことから、Ｇｅドープ光ファイバに比較して、Ａｌは屈折率プロファイル制御に対する優れたドーパントになる。図２は、コア１２の相対屈折率差(％Δ)が約０.３８であり、コアＮＡが約０.１３であることを示す。本例において、Ａｌ(５重量％のＡｌ２Ｏ３)ドープファイバコア１２は約１２９０ｎｍの波長に対して単一モードである。単一モードコアは直径が５μｍから１２μｍであることが好ましく、本例では８μｍである。コアＮＡが高ければ(例えば０.２０であれば)、単一モードとするためにはコア直径を小さく(例えば約５μｍに)しなければならないであろう。コアＮＡが小さくなるほど、コア直径を大きくしてもコア１２は単一モードのままでいることが可能になる。
【００１８】
図２のファイバは外付け(ＯＶＤ)プロセスで作製することができる。ＯＶＤプロセスは、ファイバスートプリフォームを作製するための、火炎内で酸素と反応する(シリカ及び所望のドーパントを含む)所望の蒸気成分からスート粒子を形成してベイトロッド上に堆積させることによる、光ファイバ作製の一方法である。スートプリフォームは次いで、ベイトロッドが取り外された後に、高温炉内で固結されて中実透明ガラスにされる。スートプリフォーム形成プロセスにおいてそれぞれの層に対し異なる蒸気成分を用いることにより、コア／クラッド層組成が達成される。初めにコア／クラッド層スートプリフォームが形成され、次いで固結されて最終プリフォームになる。最終プリフォームは次いで既知のファイバ線引き方法によって線引きされて光ファイバ１０になる。
【００１９】
第１の例の光ファイバに対する組成仕様は、
コア１２：５重量％のＡｌ２Ｏ３を含むＳｉＯ２，
クラッド層１４：純シリカ，
気密コーティング１６：炭素，
第２コーティング：ポリイミド，
である。
【００２０】
実施例２
図３Ａは本発明の光ファイバの第２の例の屈折率プロファイル(コア及びクラッド層)を示す。この光ファイバは図１に示される断面を有する。図３Ａはこの光ファイバの(クラッド層の屈折率に対する)屈折率％Δ対コア中心から測った距離を示す。このモデル化された光ファイバはＡｌドープ多モードコア１２及びシリカクラッド層１４を有する。異なるコア位置における精確なＡｌドーパント量はＧｅドープファイバにおけるＧｅ量より制御が容易であることに注意されたい。すなわち、石英ガラス内のＡｌイオンの易動度が低いことから、Ｇｅドープ光ファイバに比較して、Ａｌは屈折率プロファイル制御に対する優れたドーパントになる。純シリカコアファイバはステップインデックスファイバとしてしか作製できないが、Ａｌドーパントの添加により分布屈折率多モードプロファイルが可能になることに注意されたい。分布屈折率プロファイルは多モードファイバの広帯域幅化に不可欠であり得る。また、分布屈折率プロファイルにより長距離／高分解能測定が可能になる。
【００２１】
図３Ａはコア１２の相対屈折率差(％Δ)が約１.０であることを示す。本例において、Ａｌ(１２重量％のＡｌ２Ｏ３)ドープファイバコア１２は多モードである。多モードコアの直径は３５μｍから６５μｍであることが好ましく、本例では５０μｍであり、クラッド層の外径は１２５μｍである。
【００２２】
図３Ａのファイバ(ファイバ実施例＃２)も外付け(ＯＶＤ)プロセスで作製することができる。ＯＶＤプロセスは、ファイバスートプリフォームを作製するための、火炎内で酸素と反応する(シリカ及び所望のドーパントを含む)所望の蒸気成分からスート粒子を形成してベイトロッド上に堆積させることによる、光ファイバ作製の一方法である。スートプリフォームは次いで、ベイトロッドが取り外された後に、高温炉内で固結されて中実透明ガラスにされる。スートプリフォーム形成プロセスにおいてそれぞれの層に対し異なる蒸気成分を用いることにより、コア／クラッド層組成が達成される。初めにコア／クラッド層スートプリフォームが形成され、次いで固結されて最終プリフォームになる。最終プリフォームは次いで既知のファイバ線引き方法によって線引きされて光ファイバ１０になる。
【００２３】
第２の例の光ファイバに対する組成仕様は、
コア１２：１２重量％のＡｌ２Ｏ３を含むＳｉＯ２，
クラッド層１４：純シリカ，
気密コーティング１６：炭素，
第２コーティング：ポリイミド，
である。
【００２４】
温度分布センシング(ＤＴＳ)は、光ファイバ線に沿う温度分布を測定するための手法を提供する技術である。光ファイバ長は約３０ｋｍまでのいかなる長さにもすることができる。光ファイバは電気火花が大火災の元になり得る環境における使用に対して本質的に安全である。したがって、ＤＴＳは石油／ガス環境に適用されるモニタリング手法として他に例を見ないほど適している。ＤＴＳには分布屈折率Ｇｅドープファイバ(５０μｍ径コア及び１２５μｍ径クラッド層)が(小コア径、小受入角及び単一モードファイバの極小後方散乱エネルギー(単一モードファイバはＤＴＳには一般に用いられないが、他の用途には用いることができる)により)現在最も普通に用いられている。ＤＴＳシステムにおける温度評価には一般にラマン信号が用いられる。ラマン信号は十分に強く、一意的な温度依存性を有する。ラマン信号は「ストークス」バンド及び「反ストークス」バンドを含む。長波長側(赤方遷移)ストークスバンドは僅かな温度変化に対して安定である。短波長側(青方遷移)反ストークスバンドは感温性を示し、バンド内のエネルギーが高くなるほど温度が高い。ストークスバンドのエネルギーまたは面積に対する反ストークスバンドのエネルギーまたは面積の比を、その信号が発生した深さにおける光ファイバ線の温度に関係付けることができる。１０６４ｎｍレーザがＤＴＳシステムにおける光源として広く用いられている。この場合、ラマン後方散乱信号は、１０２４ｎｍ及び１１０４ｎｍのような、１０６４ｎｍを中心とするスペクトル範囲(約±４０ｎｍ)内に入るであろう。したがって、ＤＴＳシステムの信頼性を高めるには、光ファイバはこの波長範囲においてＨ２エージングに対し頑健であるべきである。本発明の実施形態にしたがう多モードＡｌドープコアファイバは、注目する波長範囲(すなわち、１０００ｎｍから１２００ｎｍ)においてＧｅドープファイバより頑健であるから、ＤＴＳシステムにおける使用に他に例を見ないほど適している。
【００２５】
実施例３及び４
図３Ｂ及び３Ｃは本発明の光ファイバの第３及び第４の例(ファイバ＃３及び＃４)の、実施例２の光ファイバの屈折率プロファイルと同様の、屈折率プロファイル(コア及びクラッド層)を示す。これらの２つの光ファイバ(ファイバ＃３及び＃４)は図１に示される断面を有する。多モードコア１２は１０重量％未満のアルミナを含むことが好ましい。これらの実施形態において、コア１２は５.５〜１０重量％のＡｌ２Ｏ３を含む。
【００２６】
図３Ｂ及び３Ｃは(クラッド層の屈折率に対する)屈折率％Δ対コア中心から測った距離を示す。このモデル化された光ファイバはＡｌドープ多モードコア１２及びフッ素ドープシリカ系クラッド層１４を有する。本実施例のＡｌドープ多モードコアは分布屈折率を有する。さらに、実施例２の光ファイバに比較して、コアのドーパントとしてのＡｌ２Ｏ３の量が減じられていることにより、図３Ｂ及び３Ｃのファイバの背景減衰が低められている。出願人等は、ドーパントとしてのＡｌ２Ｏ３を１０重量％以下まで減じるとファイバの背景減衰による損失は低くなるであろうが、ファイバが純シリカクラッド層を有している場合、Ａｌ２Ｏ３濃度の低下はファイバのＮＡも変化させ、結合損失に強い影響を与えることを見いだした。さらに、石油及びガスの探査では、温度センサとして布設されるファイバを、ＤＴＳ計測器に用いられる結合損失または挿入損失が低いファイバ(一般に、１％Δ，５０μｍＭＭＦ)との結合を可能にしたいと要求されることが多い。したがって、総合(クラッド層対コア)Δを１％に維持することが望ましい。これは、シリカ系クラッド層により多くのＦを添加し、同時にＡｌ２Ｏ３濃度を所望の大きさまで低めることで達成することができる。そのような分布屈折率ファイバのさらなる利点は、非常に長い距離にわたり高分解能測定を可能にする、ステップインデックスファイバより広い全モード励振(ＯＦＬ)帯域幅を示すことである。
【００２７】
図３Ｂ及び３Ｃは、ファイバ実施例３及び４においてはコア１２のＦドープクラッド層１４に対する相対屈折率差(％Δ)が約１.０％であるが、純シリカに対しては約０.６であることを示す(純シリカは０.０の線に相当する)。本実施例において、Ａｌ(７.１重量％のＡｌ２Ｏ３)ドープファイバコアは多モードである。これらのファイバ(ファイバ＃３及び＃４)の多モードコア１２の直径は３５μｍから６５μｍであることが好ましく、本実施例では５０μｍであり、クラッド層の外径は１２５μｍである。実施例３及び４の光ファイバは、例えば、石油探査、鑿井及び生産に不可欠な情報を提供するために石油及びガスシステムにおいて用いることができ、及び／または同様の開口数及び同様の(例えばクラッド層に対して約１％の)コアΔを有する他の多モードコアファイザに容易に結合させることができる。例えば、本明細書に説明される光ファイバは地球物理学的井戸の深さに沿う温度、圧力及び流量の情報をモニタ／計測するための分布センサとして用いることができる。別の注目する属性は、(純シリカＳｉＯ２の屈折率に対する)屈折率％Δが０.８％より、さらに好ましくは０.７％小さいか、またはそれほど有利ではないがＯＦＬ帯域幅が非常に大きい、アルミナドープ多モードコアをもつファイバでは、さらに長い距離にわたる高分解能測定が可能になり、同時にコア内のアルミナ量がさらに多いファイバより総合減衰が低くなることである。
【００２８】
図３Ｃのファイバプロファイルは外付け(ＯＶＤ)プロセスによって形成することができる。実施例３の光ファイバ(図３Ｂを見よ)は実施例４の光ファイバ(図３Ｃを見よ)よりも広い帯域幅を有するであろう。しかし、与えられた現行のＯＶＤプロセス手法(固結におけるＦのフラッドドーピング)によって図３Ｂのファイバプロファイルを達成するためにゼロから−０.４％までの分布屈折率にわたって微調整を施すことは一層困難であり得る。実施例４の光ファイバ(図３Ｃを見よ)において、αプロファイルはゼロΔ線(純シリカ)で途切れて、フッ素ドープクラッド層まで一気に低下するステップをなす。この構造は、作製は一層容易であるが、ファイバのαプロファイルがそれほど最適ではないことから、図３Ｂのファイバプロファイルをもつファイバの帯域幅より狭い帯域幅を示すであろう。
【００２９】
第３及び第４の実施例の光ファイバに対する組成仕様は、
コア１２：７.１重量％のＡｌ２Ｏ３を含むＳｉＯ２，
クラッド層１４：Ｆドープ純シリカ，
気密コーティング１６：炭素，
第２コーティング：ポリイミド，
である。
【００３０】
その他の実施例
図３Ｄは、ファイバの他の２つの実施形態(表２のファイバ＃７及び＃１０)の屈折率Δプロファイルを示し、ファイバ＃２(実施例２のファイバ)及びファイバ＃４の屈折率プロファイルも示す。これらのファイバは相異なるピーク屈折率(純シリカに対する相異なるコアΔ)を有するが、クラッド層に対しては同じコアΔ(１％)を有する。これらのファイバは、相異なる大きさの損失改善を提供し、帯域幅との間の損失改善のトレードオフを有する。損失及び帯域幅はいずれも、ファイバ＃２→ファイバ＃７→ファイバ＃４→ファイバ＃１０と移るにしたがって減少すると考えられる。ファイバ損失が減少するにつれて、それにわたってＤＴＳが正確に測定する距離は長くなる。ＯＦＬ帯域幅が減少するにつれて、分解能対距離は減少する。これらの相反する傾向があるから、目標とするＯＦＬ帯域幅対損失に対する最適バランスをつくるには、総多重反射損失及びラマン利得の対ＯＦＬ帯域幅を計算することが好ましく、ファイバが水素エージングに掛けられた後にこの最適バランスを計算することがさらに好ましい。
【００３１】
図面の全てはαが２の公称分布屈折率を有するが、プロファイルのαは、特定の波長において最善の帯域幅を与えるために最適化することができる−最適性能に期待される範囲は１.８と２.２の間である−ことが当業者には明白なはずである。同様に、これらの実施形態例においてクラッド層に対するコアΔは約１％であるが、その他のクラッド層に対するコアΔも用いることができる。同様に、全ての実施例においてコア半径は２５μｍとして示されるが、コア半径は１５〜３５μｍとすることができる。下の表１はこれらのファイバのコア及びクラッド層内のＡｌ２Ｏ３及びＦの概算濃度及びそれぞれの純シリカに対するコアΔへの寄与を示す。
【表１】
【００３２】
下の表２はファイバのいくつかの例と、それぞれのファイバのコア及びクラッド層内のＡｌ２Ｏ３及びＦの概算濃度を示す。
【表２】
【００３３】
解析
図４及び５は既製ＧｅドープＳＭ(単一モード)ファイバ(図４)及びＡｌドープＳＭファイバ(図５)に対するＨ２/高温エージングの前及び後に測定されたスペクトル減衰を示す。全てのファイバはアクリル樹脂コーティングだけで被覆されている(気密コーティングが施されていない)ことに注意すべきである。このコーティング構造は、コーティングによるのではなく、ガラス組成によるＨ２エージング効果を明瞭に示す。全てのファイバを１００％１気圧(１.０１３×１０５Ｐａ)Ｈ２内１５０℃で１７０時間エージング(処理)した。全てのファイバにおいて１２００ｎｍ近傍にある大きなバンプは高次モードカットオフに対応することに注意すべきである。
【００３４】
図４は、Ｇｅドープコアをもつ既製単一モード光ファイバのスペクトル減衰を示す(処理前の結果は実線で示され、処理後(すなわちエージング後)の結果は破線で示される)。図４は、Ｇｅドープファイバが可逆的及び非可逆的なＨ２エージング特徴のいずれをも有することを示す。格子間Ｈ２分子の倍音吸収の徴証が１２４０ｎｍに表れ、ＩＲ損失端のかなりの増大が見られる。ＯＨ基形成のような、ガラス網状組織内のＨ２反応の非可逆的プロセスが、１３８１ｎｍ(Ｓｉ-ＯＨ結合)及び１４１０ｎｍ(Ｇｅ-ＯＨ結合)に見られ、またＵＶ領域にかなりの吸収テール(Ｇｅ-Ｈ結合)が見られる。
【００３５】
図５は、図２に示される屈折率プロファイルと同様の屈折率プロファイルを有するＡｌドープコアをもつ既製単一モード光ファイバのスペクトル減衰を示す(処理前の結果は実線で示され、処理後の結果は破線で示される)。図５はこの既製単一モードＡｌドープファイバにも１２４０ｎｍ及び１３８０ｎｍにかなり大きいピークがあることを示す。しかし、図４のＧｅドープファイバに比較して、このＡｌドープファイバの１０６４ｎｍ近傍のＨ２エージング効果は非常に小さい。これは、Ａｌドープ単一モードファイバの、ＤＴＳ用途に用いる場合における、有利な特徴である。
【００３６】
図６は、Ｇｅドープコアをもつ既製多モード光ファイバのスペクトル減衰を示す(処理前の結果は実線で示され、処理後(すなわちエージング後)の結果は破線で示される)。図６は、この既製Ｇｅドープ多モードファイバが、８００ｎｍから１４００ｎｍの波長において減衰を高める、可逆的及び非可逆的なＨ２エージング特徴のいずれをも有することを示す。
【００３７】
図７は、図３に示される屈折率プロファイルと同様の屈折率プロファイルを有するＡｌドープコアをもつ既製多モード光ファイバのスペクトル減衰を示す(処理前の結果は実線で示され、処理後(すなわちエージング後)の結果は破線で示される)。図７は、図３に示される屈折率プロファイルと同様の屈折率プロファイルを有するＡｌドープ多モードファイバにも同様に１２４０ｎｍ，１２８０ｎｍ及び１３８０ｎｍにかなりの大きさのピークがあることを示す。しかし、図６に示されるＧｅドープ多モードファイバに比較すると、１０６４ｎｍ近傍のＨ２エージング効果は非常に小さい。すなわち、ＤＴＳ用途にはＡｌドープ多モードファイバを用いることが有利である。
【００３８】
本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価形態の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 光ファイバ
１２ Ａｌドープコア
１４ シリカ系クラッド層
１６ 気密コーティング
１８ 第２(外装)コーティング
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２０１０年１月２６日に出願された米国仮特許出願第６１/２９８３２４号の優先権の恩典を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は全般的に、苛酷な環境におけるセンシング用途での使用に適する光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００３】
光ファイバは、その高い伝送容量及び電気雑音不感性により、遠距離通信に好んで用いられる媒体となっている。過去１０年間にわたり、光ファイバは単点センシング及び／または分布センシングの用途にも用いられている。ファイバは石油及びガス事業において石油探査、鑿井及び生産に不可欠な情報を得るために用いられている。これらの石油／ガス井戸において、光ファイバは地球物理学的井戸の深さに沿う温度、圧力及び流量の情報をモニタ／計測するための分布センサとして用いられる。しかし、苛酷な坑井内環境のため厳しい信頼性問題に直面する。代表的な坑井内環境において、光ファイバには、(３００℃までの)高温、(１０００気圧(１.０１３×１０８Ｐａ)までの)高圧及び湿気がかかり、水素や、ＣＯ２及びＨ２Ｓのような、その他の有害な化学種が作用する。
【０００４】
そのような苛酷な環境において用いられる光ファイバを保護するために、特殊なファイバコーティング構造が開発されている。例えば、非晶質炭素系コーティング(いわゆる「気密コーティング」)及び金属コーティングが用いられている。しかし、フッ素ドープクラッド層を有する純シリカコアファイバまたは、さらに一般的には、Ｇｅドープシリカからなるコアを有するファイバを用いる以外に、ファイバの石英ガラスの組成の領域において重立ったことはなされていない。
【０００５】
気密コーティングは、ファイバの石英ガラス内への水分子または水素分子の侵入を防止する、保護層を提供する。気密コーティングは小コイル径の下でファイバの極めて信頼性が高い布設も可能にする。気密コーティングの存在は機械的一体性が改善された光ファイバを提供する。Ｇｅドープファイバは可視波長及び近ＩＲ波長に吸収ピークを有する。さらに、発明者等の最近の研究により、ＧｅＯ２ドープファイバ上に気密コーティングを施すと、１５０℃までの温度についてＨ２の侵入は完全に妨げられるが、１７０℃をこえるとそうはならないことが明らかになった。例えば、１２４０ｎｍ及び１３８１ｎｍにおける高い減衰ピーク並びに背景損失の全体的増大が見られる。これは、１７０℃をこえる温度ではもはや気密層が真に気密ではないことを示す。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の範囲は添付される特許請求の範囲によって定められる。
【０００７】
本発明の一例にしたがえば、光ファイバは、(ｉ)第１の屈折率ｎ１を有する、Ａｌドープシリカを含むコア、(ii)コアを囲む、ｎ１＞ｎ２であるような、第２の屈折率ｎ２を有する、少なくとも１つのシリカ系クラッド層、及び(iii)クラッド層を囲む、厚さが５μｍから８０μｍの、コーティングを有する。クラッド層とクラッド層を囲む被覆の間に気密コーティングがあることが好ましい。いくつかの実施形態において、光ファイバは単一モードコアを有する。他のいくつかの実施形態において、光ファイバは多モードコアを有する。多モードコアを有するファイバにおいては、コアの少なくとも一部が分布屈折率を有することが好ましい。少なくともいくつかの実施形態において、クラッド層に対するコアの相対屈折率Δは０.５％と２.０５％の間(例えば０.８〜１.２％)であり、シリカに対するコアの相対屈折率Δは≦０.８である。いくつかの実施形態において、クラッド層は、０.２〜５重量％のＦ，例えば１.４〜５重量％のＦを含む。いくつかの実施形態において、クラッド層内のＦの量は０.７〜３重量％である。いくつかの実施形態において、コアは５.５〜１０重量％のＡｌ２Ｏ３を含む。
【０００８】
本明細書に開示される光ファイバの利点のいくつかは、１７０℃をこえる温度における高信頼性である。これらのファイバは、Ｇｅドープファイバまたは純シリカコアファイバがセンシング用途に利用されている、その他の苛酷な環境においても用いることができる。本発明の実施形態にしたがう光ファイバの利点の１つは、１０６４ｎｍ近傍の波長におけるＨ２老化がかなり小さいことである。１０６４ｎｍの波長範囲は、ガス／石油センシング用途に対する温度分布センシング(ＤＴＳ)応用における主動作ウインドウであることに注意されたい。
【０００９】
本発明のさらなる特徴及び利点は、以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から明らかであろうし、あるいは、以下の詳細な説明特許請求の範囲を含み、また添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。
【００１０】
上述の全般的説明及び以下の詳細な説明がいずれも本発明の実施形態を提示し、特許請求されるような本発明の本質及び特質の理解のための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。図面は本発明の様々な実施形態を示し、記述とともに本発明の原理及び動作の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は本発明の一実施形態の簡略な断面図である。
【図２】図２は本発明にしたがう光ファイバの第１の例の屈折率プロファイルである。
【図３Ａ】図３Ａは本発明にしたがう光ファイバの第２の例の屈折率プロファイルである。
【図３Ｂ】図３Ｂは本発明にしたがう光ファイバのいくつかの例の屈折率プロファイルを示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは本発明にしたがう光ファイバのいくつかの例の屈折率プロファイルを示す。
【図３Ｄ】図３Ｄは本発明にしたがう光ファイバのいくつかの例の屈折率プロファイルを示す。
【図４】図４は既製Ｇｅドープ単一モードファイバの、Ｈ２／高温エージング試験の前(実線)及び後(破線)に測定された、スペクトル減衰のグラフである。
【図５】図５は、本発明の一実施形態にしたがう既製Ａｌ２Ｏ３ドープ単一モードファイバの、Ｈ２／高温エージング試験の前(実線)及び後(破線)に測定された、スペクトル減衰のグラフである。
【図６】図６は既製Ｇｅドープ多モードファイバの、Ｈ２／高温エージング試験の前(実線)及び後(破線)に測定された、スペクトル減衰のグラフである。
【図７】図７は、本発明の一実施形態にしたがう既製Ａｌ２Ｏ３ドープ多モードファイバの、Ｈ２／高温エージング試験の前(実線)及び後(破線)に測定された、スペクトル減衰のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
それらの例が添付図面に示される、本発明の現在好ましい実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、同じ参照数字が図面を通して同じかまたは同様の要素を指して用いられる。本発明にしたがう光ファイバの一実施形態が図１に簡略に示され、全体として参照数字１０で指定される。図１に示される光ファイバ１０は、第１の屈折率ｎ１を有するシリカ系Ａｌドープコア１２，コアを囲む、ｎ１＞ｎ２であるような第２の屈折率ｎ２を有する少なくとも１つのクラッド層１４，クラッド層１４を囲む気密コーティング１６(例えば炭素コーティング)、及び気密コーティング１６を囲む第２のまたは外装のコーティング１８を有する。第２のまたは外装のコーティング１８は用途及び使用温度に依存して、例えば、金属材(例えば、ＣｕまたはＡｕのコーティング)、アクリル材、シリコーン材またはポリイミド材で作製することができる。第２のまたは外装のコーティング１８の厚さは５μｍから８０μｍ(例えば、１０μｍ厚，１５μｍ厚，２０μｍ厚，３０μｍ厚，４０μｍ厚，５０μｍ厚，５０μｍ厚または７０μｍ厚)とすることができる。例えば、アクリルコーティングは約１２０℃までの温度において、シリコーンコーティングは約１７５℃までの温度において、ポリイミドコーティングは約５００℃までの温度において、Ｃｕ及びＡｕは約１０００℃までの温度において、十分よくはたらく。すなわち、説明される二重コーティング構造はＨ２エージング及び高温に対して特に優れた保護を提供する。気密コーティングの存在は好ましいが、いくつかの応用では必ずしも必要ではないことに注意されたい。そのような用途において、ファイバは、コア１２，クラッド層１４及びコーティング１８を有することになろう。
【００１３】
これらの実施形態において、シリカ系コア１２はＡｌドープシリカからなる。コアは、ＥｒまたはＹｂのような活性ドーパント(すなわち希土類ドーパント)を実質的に全く、例えば重量で＜１ｐｐｍしか、含んでいない。光ファイバコア１２は円形または楕円形(図示せず)とすることができる。クラッド層１４に囲まれるコアは(クラッド層に対して)約０.２％Δから約２.０５％Δまでの相対屈折率Δを有することが好ましい。コアの開口数ＮＡは(ｎ１２−ｎ２２)１/２と定義される。コアの開口数ＮＡは０.０９と０.３０の間であることが好ましく、０.１２と０.２の間であることがさらに好ましい。
【００１４】
コア１２は単一モードコアまたは多モードコアとすることができる。コア１２は約４〜約２４重量％のＡｌ２Ｏ３を含有する(残りはシリカである)ことが好ましく、クラッド層は純シリカまたは、クラッド層のＦ含有量が０重量％と５重量％の間、例えば、０.７重量％と３重量％または０.７重量％と２.２重量％の間であるような、Ｆドープシリカからなることが好ましい。クラッド層を囲む気密炭素系コーティング１６の厚さは２００〜１０００Å(２０〜１００ｎｍ)、例えば３００〜１０００Åまたは３０〜５０ｎｍであることが好ましく、気密コーティングを囲む第２のコーティング１８の厚さは５μｍから８０μｍであることが好ましい。フッ素(Ｆ)が用いられる場合、１重量％より多くのＦを有することが好ましく、２重量％より多くのＦを有することがさらに好ましい。
【実施例】
【００１５】
本発明は以下の実施例によってさらに明解になるであろう。
【００１６】
実施例１
図２は本発明の光ファイバの第１の例の屈折率プロファイル(コア及びクラッド層)を示す。この光ファイバは図１に示される断面を有する。さらに詳しくは、図２はこの光ファイバの(クラッド層の屈折率に対する)屈折率％Δ対コア中心から測った距離(半径)を示す。屈折率％Δは(ｎ１２−ｎ２２)/２ｎ２２と定義される。
【００１７】
このモデル化された光ファイバは、Ａｌドープコア１２及びシリカクラッド層１４を有する。本実施例のＡｌドープコア１２は、Ａｌはクラッド層内に全くまたは極めて僅かしか拡散しないから、非常に明確に定められたステップインデックスを有する。すなわち、石英ガラス内のＡｌイオンの易動度が低いことから、Ｇｅドープ光ファイバに比較して、Ａｌは屈折率プロファイル制御に対する優れたドーパントになる。図２は、コア１２の相対屈折率差(％Δ)が約０.３８であり、コアＮＡが約０.１３であることを示す。本例において、Ａｌ(５重量％のＡｌ２Ｏ３)ドープファイバコア１２は約１２９０ｎｍの波長に対して単一モードである。単一モードコアは直径が５μｍから１２μｍであることが好ましく、本例では８μｍである。コアＮＡが高ければ(例えば０.２０であれば)、単一モードとするためにはコア直径を小さく(例えば約５μｍに)しなければならないであろう。コアＮＡが小さくなるほど、コア直径を大きくしてもコア１２は単一モードのままでいることが可能になる。
【００１８】
図２のファイバは外付け(ＯＶＤ)プロセスで作製することができる。ＯＶＤプロセスは、ファイバスートプリフォームを作製するための、火炎内で酸素と反応する(シリカ及び所望のドーパントを含む)所望の蒸気成分からスート粒子を形成してベイトロッド上に堆積させることによる、光ファイバ作製の一方法である。スートプリフォームは次いで、ベイトロッドが取り外された後に、高温炉内で固結されて中実透明ガラスにされる。スートプリフォーム形成プロセスにおいてそれぞれの層に対し異なる蒸気成分を用いることにより、コア／クラッド層組成が達成される。初めにコア／クラッド層スートプリフォームが形成され、次いで固結されて最終プリフォームになる。最終プリフォームは次いで既知のファイバ線引き方法によって線引きされて光ファイバ１０になる。
【００１９】
第１の例の光ファイバに対する組成仕様は、
コア１２：５重量％のＡｌ２Ｏ３を含むＳｉＯ２，
クラッド層１４：純シリカ，
気密コーティング１６：炭素，
第２コーティング：ポリイミド，
である。
【００２０】
実施例２
図３Ａは本発明の光ファイバの第２の例の屈折率プロファイル(コア及びクラッド層)を示す。この光ファイバは図１に示される断面を有する。図３Ａはこの光ファイバの(クラッド層の屈折率に対する)屈折率％Δ対コア中心から測った距離を示す。このモデル化された光ファイバはＡｌドープ多モードコア１２及びシリカクラッド層１４を有する。異なるコア位置における精確なＡｌドーパント量はＧｅドープファイバにおけるＧｅ量より制御が容易であることに注意されたい。すなわち、石英ガラス内のＡｌイオンの易動度が低いことから、Ｇｅドープ光ファイバに比較して、Ａｌは屈折率プロファイル制御に対する優れたドーパントになる。純シリカコアファイバはステップインデックスファイバとしてしか作製できないが、Ａｌドーパントの添加により分布屈折率多モードプロファイルが可能になることに注意されたい。分布屈折率プロファイルは多モードファイバの広帯域幅化に不可欠であり得る。また、分布屈折率プロファイルにより長距離／高分解能測定が可能になる。
【００２１】
図３Ａはコア１２の相対屈折率差(％Δ)が約１.０であることを示す。本例において、Ａｌ(１２重量％のＡｌ２Ｏ３)ドープファイバコア１２は多モードである。多モードコアの直径は３５μｍから６５μｍであることが好ましく、本例では５０μｍであり、クラッド層の外径は１２５μｍである。
【００２２】
図３Ａのファイバ(ファイバ実施例＃２)も外付け(ＯＶＤ)プロセスで作製することができる。ＯＶＤプロセスは、ファイバスートプリフォームを作製するための、火炎内で酸素と反応する(シリカ及び所望のドーパントを含む)所望の蒸気成分からスート粒子を形成してベイトロッド上に堆積させることによる、光ファイバ作製の一方法である。スートプリフォームは次いで、ベイトロッドが取り外された後に、高温炉内で固結されて中実透明ガラスにされる。スートプリフォーム形成プロセスにおいてそれぞれの層に対し異なる蒸気成分を用いることにより、コア／クラッド層組成が達成される。初めにコア／クラッド層スートプリフォームが形成され、次いで固結されて最終プリフォームになる。最終プリフォームは次いで既知のファイバ線引き方法によって線引きされて光ファイバ１０になる。
【００２３】
第２の例の光ファイバに対する組成仕様は、
コア１２：１２重量％のＡｌ２Ｏ３を含むＳｉＯ２，
クラッド層１４：純シリカ，
気密コーティング１６：炭素，
第２コーティング：ポリイミド，
である。
【００２４】
温度分布センシング(ＤＴＳ)は、光ファイバ線に沿う温度分布を測定するための手法を提供する技術である。光ファイバ長は約３０ｋｍまでのいかなる長さにもすることができる。光ファイバは電気火花が大火災の元になり得る環境における使用に対して本質的に安全である。したがって、ＤＴＳは石油／ガス環境に適用されるモニタリング手法として他に例を見ないほど適している。ＤＴＳには分布屈折率Ｇｅドープファイバ(５０μｍ径コア及び１２５μｍ径クラッド層)が(小コア径、小受入角及び単一モードファイバの極小後方散乱エネルギー(単一モードファイバはＤＴＳには一般に用いられないが、他の用途には用いることができる)により)現在最も普通に用いられている。ＤＴＳシステムにおける温度評価には一般にラマン信号が用いられる。ラマン信号は十分に強く、一意的な温度依存性を有する。ラマン信号は「ストークス」バンド及び「反ストークス」バンドを含む。長波長側(赤方遷移)ストークスバンドは僅かな温度変化に対して安定である。短波長側(青方遷移)反ストークスバンドは感温性を示し、バンド内のエネルギーが高くなるほど温度が高い。ストークスバンドのエネルギーまたは面積に対する反ストークスバンドのエネルギーまたは面積の比を、その信号が発生した深さにおける光ファイバ線の温度に関係付けることができる。１０６４ｎｍレーザがＤＴＳシステムにおける光源として広く用いられている。この場合、ラマン後方散乱信号は、１０２４ｎｍ及び１１０４ｎｍのような、１０６４ｎｍを中心とするスペクトル範囲(約±４０ｎｍ)内に入るであろう。したがって、ＤＴＳシステムの信頼性を高めるには、光ファイバはこの波長範囲においてＨ２エージングに対し頑健であるべきである。本発明の実施形態にしたがう多モードＡｌドープコアファイバは、注目する波長範囲(すなわち、１０００ｎｍから１２００ｎｍ)においてＧｅドープファイバより頑健であるから、ＤＴＳシステムにおける使用に他に例を見ないほど適している。
【００２５】
実施例３及び４
図３Ｂ及び３Ｃは本発明の光ファイバの第３及び第４の例(ファイバ＃３及び＃４)の、実施例２の光ファイバの屈折率プロファイルと同様の、屈折率プロファイル(コア及びクラッド層)を示す。これらの２つの光ファイバ(ファイバ＃３及び＃４)は図１に示される断面を有する。多モードコア１２は１０重量％未満のアルミナを含むことが好ましい。これらの実施形態において、コア１２は５.５〜１０重量％のＡｌ２Ｏ３を含む。
【００２６】
図３Ｂ及び３Ｃは(クラッド層の屈折率に対する)屈折率％Δ対コア中心から測った距離を示す。このモデル化された光ファイバはＡｌドープ多モードコア１２及びフッ素ドープシリカ系クラッド層１４を有する。本実施例のＡｌドープ多モードコアは分布屈折率を有する。さらに、実施例２の光ファイバに比較して、コアのドーパントとしてのＡｌ２Ｏ３の量が減じられていることにより、図３Ｂ及び３Ｃのファイバの背景減衰が低められている。出願人等は、ドーパントとしてのＡｌ２Ｏ３を１０重量％以下まで減じるとファイバの背景減衰による損失は低くなるであろうが、ファイバが純シリカクラッド層を有している場合、Ａｌ２Ｏ３濃度の低下はファイバのＮＡも変化させ、結合損失に強い影響を与えることを見いだした。さらに、石油及びガスの探査では、温度センサとして布設されるファイバを、ＤＴＳ計測器に用いられる結合損失または挿入損失が低いファイバ(一般に、１％Δ，５０μｍＭＭＦ)との結合を可能にしたいと要求されることが多い。したがって、総合(クラッド層対コア)Δを１％に維持することが望ましい。これは、シリカ系クラッド層により多くのＦを添加し、同時にＡｌ２Ｏ３濃度を所望の大きさまで低めることで達成することができる。そのような分布屈折率ファイバのさらなる利点は、非常に長い距離にわたり高分解能測定を可能にする、ステップインデックスファイバより広い全モード励振(ＯＦＬ)帯域幅を示すことである。
【００２７】
図３Ｂ及び３Ｃは、ファイバ実施例３及び４においてはコア１２のＦドープクラッド層１４に対する相対屈折率差(％Δ)が約１.０％であるが、純シリカに対しては約０.６であることを示す(純シリカは０.０の線に相当する)。本実施例において、Ａｌ(７.１重量％のＡｌ２Ｏ３)ドープファイバコアは多モードである。これらのファイバ(ファイバ＃３及び＃４)の多モードコア１２の直径は３５μｍから６５μｍであることが好ましく、本実施例では５０μｍであり、クラッド層の外径は１２５μｍである。実施例３及び４の光ファイバは、例えば、石油探査、鑿井及び生産に不可欠な情報を提供するために石油及びガスシステムにおいて用いることができ、及び／または同様の開口数及び同様の(例えばクラッド層に対して約１％の)コアΔを有する他の多モードコアファイザに容易に結合させることができる。例えば、本明細書に説明される光ファイバは地球物理学的井戸の深さに沿う温度、圧力及び流量の情報をモニタ／計測するための分布センサとして用いることができる。別の注目する属性は、(純シリカＳｉＯ２の屈折率に対する)屈折率％Δが０.８％より、さらに好ましくは０.７％小さいか、またはそれほど有利ではないがＯＦＬ帯域幅が非常に大きい、アルミナドープ多モードコアをもつファイバでは、さらに長い距離にわたる高分解能測定が可能になり、同時にコア内のアルミナ量がさらに多いファイバより総合減衰が低くなることである。
【００２８】
図３Ｃのファイバプロファイルは外付け(ＯＶＤ)プロセスによって形成することができる。実施例３の光ファイバ(図３Ｂを見よ)は実施例４の光ファイバ(図３Ｃを見よ)よりも広い帯域幅を有するであろう。しかし、与えられた現行のＯＶＤプロセス手法(固結におけるＦのフラッドドーピング)によって図３Ｂのファイバプロファイルを達成するためにゼロから−０.４％までの分布屈折率にわたって微調整を施すことは一層困難であり得る。実施例４の光ファイバ(図３Ｃを見よ)において、αプロファイルはゼロΔ線(純シリカ)で途切れて、フッ素ドープクラッド層まで一気に低下するステップをなす。この構造は、作製は一層容易であるが、ファイバのαプロファイルがそれほど最適ではないことから、図３Ｂのファイバプロファイルをもつファイバの帯域幅より狭い帯域幅を示すであろう。
【００２９】
第３及び第４の実施例の光ファイバに対する組成仕様は、
コア１２：７.１重量％のＡｌ２Ｏ３を含むＳｉＯ２，
クラッド層１４：Ｆドープ純シリカ，
気密コーティング１６：炭素，
第２コーティング：ポリイミド，
である。
【００３０】
その他の実施例
図３Ｄは、ファイバの他の２つの実施形態(表２のファイバ＃７及び＃１０)の屈折率Δプロファイルを示し、ファイバ＃２(実施例２のファイバ)及びファイバ＃４の屈折率プロファイルも示す。これらのファイバは相異なるピーク屈折率(純シリカに対する相異なるコアΔ)を有するが、クラッド層に対しては同じコアΔ(１％)を有する。これらのファイバは、相異なる大きさの損失改善を提供し、帯域幅との間の損失改善のトレードオフを有する。損失及び帯域幅はいずれも、ファイバ＃２→ファイバ＃７→ファイバ＃４→ファイバ＃１０と移るにしたがって減少すると考えられる。ファイバ損失が減少するにつれて、それにわたってＤＴＳが正確に測定する距離は長くなる。ＯＦＬ帯域幅が減少するにつれて、分解能対距離は減少する。これらの相反する傾向があるから、目標とするＯＦＬ帯域幅対損失に対する最適バランスをつくるには、総多重反射損失及びラマン利得の対ＯＦＬ帯域幅を計算することが好ましく、ファイバが水素エージングに掛けられた後にこの最適バランスを計算することがさらに好ましい。
【００３１】
図面の全てはαが２の公称分布屈折率を有するが、プロファイルのαは、特定の波長において最善の帯域幅を与えるために最適化することができる−最適性能に期待される範囲は１.８と２.２の間である−ことが当業者には明白なはずである。同様に、これらの実施形態例においてクラッド層に対するコアΔは約１％であるが、その他のクラッド層に対するコアΔも用いることができる。同様に、全ての実施例においてコア半径は２５μｍとして示されるが、コア半径は１５〜３５μｍとすることができる。下の表１はこれらのファイバのコア及びクラッド層内のＡｌ２Ｏ３及びＦの概算濃度及びそれぞれの純シリカに対するコアΔへの寄与を示す。
【表１】
【００３２】
下の表２はファイバのいくつかの例と、それぞれのファイバのコア及びクラッド層内のＡｌ２Ｏ３及びＦの概算濃度を示す。
【表２】
【００３３】
解析
図４及び５は既製ＧｅドープＳＭ(単一モード)ファイバ(図４)及びＡｌドープＳＭファイバ(図５)に対するＨ２/高温エージングの前及び後に測定されたスペクトル減衰を示す。全てのファイバはアクリル樹脂コーティングだけで被覆されている(気密コーティングが施されていない)ことに注意すべきである。このコーティング構造は、コーティングによるのではなく、ガラス組成によるＨ２エージング効果を明瞭に示す。全てのファイバを１００％１気圧(１.０１３×１０５Ｐａ)Ｈ２内１５０℃で１７０時間エージング(処理)した。全てのファイバにおいて１２００ｎｍ近傍にある大きなバンプは高次モードカットオフに対応することに注意すべきである。
【００３４】
図４は、Ｇｅドープコアをもつ既製単一モード光ファイバのスペクトル減衰を示す(処理前の結果は実線で示され、処理後(すなわちエージング後)の結果は破線で示される)。図４は、Ｇｅドープファイバが可逆的及び非可逆的なＨ２エージング特徴のいずれをも有することを示す。格子間Ｈ２分子の倍音吸収の徴証が１２４０ｎｍに表れ、ＩＲ損失端のかなりの増大が見られる。ＯＨ基形成のような、ガラス網状組織内のＨ２反応の非可逆的プロセスが、１３８１ｎｍ(Ｓｉ-ＯＨ結合)及び１４１０ｎｍ(Ｇｅ-ＯＨ結合)に見られ、またＵＶ領域にかなりの吸収テール(Ｇｅ-Ｈ結合)が見られる。
【００３５】
図５は、図２に示される屈折率プロファイルと同様の屈折率プロファイルを有するＡｌドープコアをもつ既製単一モード光ファイバのスペクトル減衰を示す(処理前の結果は実線で示され、処理後の結果は破線で示される)。図５はこの既製単一モードＡｌドープファイバにも１２４０ｎｍ及び１３８０ｎｍにかなり大きいピークがあることを示す。しかし、図４のＧｅドープファイバに比較して、このＡｌドープファイバの１０６４ｎｍ近傍のＨ２エージング効果は非常に小さい。これは、Ａｌドープ単一モードファイバの、ＤＴＳ用途に用いる場合における、有利な特徴である。
【００３６】
図６は、Ｇｅドープコアをもつ既製多モード光ファイバのスペクトル減衰を示す(処理前の結果は実線で示され、処理後(すなわちエージング後)の結果は破線で示される)。図６は、この既製Ｇｅドープ多モードファイバが、８００ｎｍから１４００ｎｍの波長において減衰を高める、可逆的及び非可逆的なＨ２エージング特徴のいずれをも有することを示す。
【００３７】
図７は、図３に示される屈折率プロファイルと同様の屈折率プロファイルを有するＡｌドープコアをもつ既製多モード光ファイバのスペクトル減衰を示す(処理前の結果は実線で示され、処理後(すなわちエージング後)の結果は破線で示される)。図７は、図３に示される屈折率プロファイルと同様の屈折率プロファイルを有するＡｌドープ多モードファイバにも同様に１２４０ｎｍ，１２８０ｎｍ及び１３８０ｎｍにかなりの大きさのピークがあることを示す。しかし、図６に示されるＧｅドープ多モードファイバに比較すると、１０６４ｎｍ近傍のＨ２エージング効果は非常に小さい。すなわち、ＤＴＳ用途にはＡｌドープ多モードファイバを用いることが有利である。
【００３８】
本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価形態の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 光ファイバ
１２ Ａｌドープコア
１４ シリカ系クラッド層
１６ 気密コーティング
１８ 第２(外装)コーティング
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバにおいて、
(ｉ) Ａｌドープシリカを含むが、ＥｒまたはＹｂは実質的に含まない、コアであって、第１の屈折率ｎ１を有するコア、
(ii) 前記コアを囲む、ｎ１＞ｎ２であるような、第２の屈折率ｎ２を有する、少なくとも１つのＦドープシリカ系クラッド層であって、ＳｉＯ２及び０.２５〜５重量％のＦを実質的に含むクラッド層、
(iii)前記クラッド層を囲む気密炭素系コーティング、
−前記気密コーティングの厚さは２００〜１０００Åである、
及び
(iv) 前記気密コーティングを囲む第２のコーティングであって、厚さが５μｍから８０μｍである第２のコーティング、
を有することを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
前記コアの少なくとも一部が５.５〜１０重量％のＡｌ２Ｏ３を含むことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
光ファイバにおいて、
(ｉ) Ａｌドープシリカを含むが、ＥｒまたはＹｂは実質的に含まない、コアであって、第１の屈折率ｎ１を有するコア、
(ii) 前記コアを囲む、ｎ１＞ｎ２であるような、第２の屈折率ｎ２を有する、少なくとも１つのＦドープシリカ系クラッド層であって、ＳｉＯ２及び０.２５〜５重量％のＦを実質的に含むクラッド層、
及び
(iii)前記シリカ系クラッド層を囲む少なくとも１つのコーティングであって、厚さが５μｍから８０μｍであるコーティング、
を有することを特徴とする光ファイバ。
【請求項４】
前記コアが、前記クラッド層に対する相対屈折率Δが０.５％と２.０５％の間にあり、シリカに対する相対屈折率Δが≦０.８であり、コア径が３５〜６５μｍである、多モードコアであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項１】
光ファイバにおいて、
(ｉ) Ａｌドープシリカを含むが、ＥｒまたはＹｂは実質的に含まない、コアであって、第１の屈折率ｎ１を有するコア、
(ii) 前記コアを囲む、ｎ１＞ｎ２であるような、第２の屈折率ｎ２を有する、少なくとも１つのＦドープシリカ系クラッド層であって、ＳｉＯ２及び０.２５〜５重量％のＦを実質的に含むクラッド層、
(iii)前記クラッド層を囲む気密炭素系コーティング、
−前記気密コーティングの厚さは２００〜１０００Åである、
及び
(iv) 前記気密コーティングを囲む第２のコーティングであって、厚さが５μｍから８０μｍである第２のコーティング、
を有することを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
前記コアの少なくとも一部が５.５〜１０重量％のＡｌ２Ｏ３を含むことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
光ファイバにおいて、
(ｉ) Ａｌドープシリカを含むが、ＥｒまたはＹｂは実質的に含まない、コアであって、第１の屈折率ｎ１を有するコア、
(ii) 前記コアを囲む、ｎ１＞ｎ２であるような、第２の屈折率ｎ２を有する、少なくとも１つのＦドープシリカ系クラッド層であって、ＳｉＯ２及び０.２５〜５重量％のＦを実質的に含むクラッド層、
及び
(iii)前記シリカ系クラッド層を囲む少なくとも１つのコーティングであって、厚さが５μｍから８０μｍであるコーティング、
を有することを特徴とする光ファイバ。
【請求項４】
前記コアが、前記クラッド層に対する相対屈折率Δが０.５％と２.０５％の間にあり、シリカに対する相対屈折率Δが≦０.８であり、コア径が３５〜６５μｍである、多モードコアであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２０１３−５１８３１０（Ｐ２０１３−５１８３１０Ａ）
【公表日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５５１２０９（Ｐ２０１２−５５１２０９）
【出願日】平成２３年１月２４日（２０１１．１．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２２１９７
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０９４１４１
【国際公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（３９７０６８２７４）コーニング インコーポレイテッド (1,222)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２４日（２０１１．１．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２２１９７
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０９４１４１
【国際公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（３９７０６８２７４）コーニング インコーポレイテッド (1,222)
【Ｆターム（参考）】
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