(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバにおいて、
光伝送媒質から成るコアと、
前記コアの外周面を囲むクラッドと、
インジウム−錫−銀の合金から成り、前記クラッドの外周面を囲む合金コーティング層を含むことを特徴とする合金コーティング光ファイバ。
【請求項２】
光ファイバの製造方法において、
インジウムと錫と銀とを混合して溶融状態の合金を形成する溶融合金形成過程と、
前記過程から形成した溶融合金をコーターの内部に詰める溶融合金供給過程と、
前記コーターに光ファイバを通過させて、光ファイバ外周面に合金をコーティングする光ファイバコーティング過程と、を含む合金コーティング光ファイバの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバに関し、特に、クラッドの外周面に合金がコーティングされた光ファイバ及び製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常的な光ファイバのコーティング方法は、コーティング材料の種類によって大分してポリマーコーティングと、金属コーティングと、無機物コーティングと、に分けられる。特に、金属コーティングは、ろう付け(brazing)や熔接ができて密閉性が高いので、海底光ケーブルなどに有用に使用できるし、他のコーティングに比べて強度及び耐熱性が高いので、劣悪な環境でも使用できる。代表的な金属コーティングの材料としては錫、アルミニウム、亜鉛、インジウム、鉛、金及びニッケルなどが使用されている。
【０００３】
図１は、一般的な光ファイバの金属コーティングの原理を示した概略図であって、領域Iは光ファイバを、領域IIは凍った金属(frozen metal)を、領域IIIは溶けた金属(molten metal)を、Ｖは光ファイバの引き出し速度を、ｒは光ファイバの中心からの距離を、ｚは光ファイバ軸方向距離、Ｈはコーター(coater)の底面からの高さを、Ｃはコーティング材料である溶融された金属をそれぞれ示している。
【０００４】
図１に示すように、光ファイバと金属との間には何の物理的な結合もないのに、光ファイバの外周面に金属のコーティングができるのは、光ファイバと金属との温度差による冷凍効果(freezing effect)のためである。つまり、光ファイバがコーターに入る前の温度は常温に近いことに反して、溶融された金属の温度は２００℃程度で相対的に高く、このような大きな温度差のために、光ファイバの外周面に金属が瞬間的に凍り付いて金属コーティングが行われる。
【０００５】
金属コーティングは、内部コーティング(subcoating)と外部コーティング(Outercoating)とに区別されて、前記内部コーティングは前記冷凍効果によって行われ、前記外部コーティングはコーターの出口部分(Exit zone)でのメニスカス形成(meniscus formation)によって行われる。この時、内部コーティングと外部コーティングとの間には以下の数式のような関係が成立する。
【数１】
0003676239.tif 000002
(ここで、ｈoは外部コーティングの厚さ、ｂは内部コーティングの厚さ、ηは粘度、σは表面張力、Ｖは光ファイバの引き出しの速度)
【０００６】
前記のような金属コーティングの光ファイバのコーティングの原理及びコーティング方法に対しては、次の論文などに記載されたことがある。
【０００７】
Ｒ.Ｇ.Ｃ. Ａｒｒｉｄｇｅ、Ａ.Ａ.Ｂａｋｅｒ及びＤ.Ｃｒａｔｃｈｌｅｙによって発表された論文“Metal Coated Fibers and Fibre Reinforced Metals”(J. Sci. Insts., vol.41, p.447, 1967)−初めてディップ(Dip)方式を使用して光ファイバの上に金属コーティングを試し、光ファイバのコーティングの原理が冷凍効果であることを説明している。
【０００８】
Ｄ.Ａ.Ｐｉｎｎｏｗ、Ｇ.Ｄ.Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ及びＪ.Ａ.Ｗｙｓｏｃｋｉによって発表された論文“Reductions in Static Fatigue of Silica Fibers by Hermetic Jacketting”(Appl. Phys. Lett., vol.34, p.17, 1979)−光ファイバの寿命が主に静的疲労によって制限され、アルミニウムでコーティングされた光ファイバが、常用ポリマーでコーティングされた光ファイバの寿命より５倍ほど長いということを実験で証明した。
【０００９】
Ｖ.Ｖ.Ｂｏｇａｔｒｙｒｊｏｖ、Ｅ.Ｍ.Ｄｉａｎｏｖ、Ｓ.Ｄ.Ｒｕｍｙａｎｔｓｅｖ、 Ａ.Ｙ.Ｍａｋｅｒｅｎｋｏ、Ｓ.Ｌ.Ｓｅｍｅｎｏｖ及びＡ.Ａ.Ｓｙｓｏｌｊａｔｉｎによって発表された論文“Super High Strength Hermetically Metal Coated Optical Fibers”−光ファイバが母材から引き出されたとたん空気の接近を防ぎ、その代わりに窒素を投入して製造された光ファイバが、理論的な強度である約１４ＧＰａを持つことを示している。
【００１０】
従来の光ファイバの金属コーティングの材料としては、アルミニウムなどのような単一金属だけが使用された。しかしながら、このような単一金属を金属コーティングの材料で使用する場合、単一金属自体の制限された物理的な特性のために物性調節が不可能であるので、光ファイバの適用環境に合うコーティング性能を提供することが難しかった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、光ファイバの適用環境及び特性に合うコーティング性能が調節でき、相分離現状がなく高い曲げ強さを持つ合金コーティング光ファイバ及びその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【発明を解決するための手段】
前記のような目的を解決するための本発明による光ファイバは、光伝送媒質から成るコアと、前記コアの外周面を囲むクラッドと、インジウム−錫−銀の合金から成り、前記クラッドの外周面を囲む合金コーティング層を含むことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による光ファイバの製造方法は、インジウムと錫と銀とを混合して溶融状態の合金を形成する溶融合金形成過程と、前記過程から形成した溶融合金をコーターの内部に詰める溶融合金供給過程と、前記コーターに光ファイバを通過させて、光ファイバ外周面に合金をコーティングする光ファイバコーティング過程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図２は、 本発明の望ましい実施形態による合金コーティング光ファイバを示した構成図である。図２に示すように、本発明の望ましい実施形態による合金コーティング光ファイバ５００は、光伝送媒質からなるコア５１０と、前記コア５１０の外周面を囲むクラッド５２０と、インジウム−錫−銀の合金からなって前記クラッド５２０の外周面を囲む合金コーティング層５３０と、を含む。
【００１５】
前記合金コーティング層５３０は、例えば、海底や高温多湿な所のような劣悪な環境に設置された光ファイバを高温や湿気から保護し、過度な曲がりによって光ファイバが損傷されないように曲げ強さを提供する。前記合金コーティング層５３０の組成比及び厚さは、それぞれ溶融合金の混合比率と、光ファイバコーティング時の光ファイバと溶融合金との接続長さと、によって決定される。
【００１６】
図３は、本発明の望ましい実施形態による光ファイバの引き出し装置を示した概略図であり、図４は、本発明の望ましい実施形態による光ファイバコーターを示した断面概略図である。
【００１７】
本発明の望ましい実施形態による合金コーティングされた光ファイバの製造方法は、大分して溶融合金形成過程と、溶融合金供給過程と、合金コーティング過程と、からなる。
【００１８】
前記溶融合金形成過程は、インジウムと錫と銀とを混合して溶融状態の合金を形成する過程である。前記インジウムと錫と銀との混合比率は、生産しようとする光ファイバの適用環境及び特性に合わせて調節する。
【００１９】
前記溶融合金供給過程は、溶融合金形成過程から形成した溶融合金を、図３に示されたような光ファイバコーター１５０の内部に詰める過程である。この時、使用されるコーターとしては、溶融合金の高さが一定に維持されて安定化し、合金コーティングが均一に行われるように十分な容量を持つコーターを使用する。つまり、コーターの内部に貯蔵された溶融合金の貯蔵高さがあまりに低い場合は、光ファイバの長さの方向にかけてコーティングが不均一に行われ、溶融合金の貯蔵の高さがあまりに高い場合は、溶融合金がコーティングされなくて水玉のように落ちる不良コーティング現象が起こるので、これに対した調節が要求される。
【００２０】
前記合金コーティング過程は、図３及び図４に示されたように光ファイバコーター１５０を備えた光ファイバの引き出し装置１００を利用して、前記光ファイバコーター１５０に光ファイバＦを通過させることによって、光ファイバの外周面にインジウム−錫−銀の合金をコーティングする過程である。前記合金コーティング過程においての重要な変数は、光ファイバ整列状態、光ファイバ引き出し速度、コーターの内部の温度、光ファイバと溶融合金との間の接続長さである。
【００２１】
前記光ファイバ整列は、コーターの内部を通過する光ファイバが真中に位置することができるようにすることであり、光ファイバの整列が間違っている場合、合金コーティング光ファイバの断面が楕円あるいは歪んだ円形になって光ファイバの強度が落ちるようになる。前記光ファイバの引き出し速度は光ファイバコーティングの厚さと関連した変数で、光ファイバ引き出し速度が臨界速度まで増加することによってコーティングの厚さは増加し、臨界速度を超過する場合、コーティングの厚さは減少するようになる。前記コーターの温度は、コーティングの品質に関連した変数で、コーターの温度があまりに高い場合は、コーティングは容易に行われるが、光ファイバにコーティングされた金属がまた溶融される可能性が高くなるので、コーターの温度は合金の融点より５℃ほど高く調節することが望ましい。前記光ファイバと溶融合金の接続長さはコーティングの厚さを決定する変数で、接続長さがあまりに長い場合は、コーティングされた合金が溶ける現状が発生する。前記接続長さはコーターの内部の調節用ねじを回転することによって調節できる。
【００２２】
本発明の好適な実施形態による前記合金コーティング過程は、前記のような経済的なディップ方式の以外にもマグネトロンスパッタリング(magnetron sputtering)方式、イオンプラズマ蒸着(ion plasma deposition)及び化学気相蒸着(chemical vapor deposition)方式などによっても行われることができる。
【００２３】
図３に示すように、光ファイバ引き出し装置１００は、光ファイバ母材Ｐをホールディングする母材装着台１１０、前記光ファイバ母材Ｐに熱を加えて溶融させて光ファイバＦを引き出させる加熱炉１２０、前記加熱炉１２０から引き出された光ファイバＦの直径を測定する直径測定器１３０、前記光ファイバＦを冷却させる冷却チューブ１４０、前記光ファイバＦの外周面にコーティング処理するコーティング器１５０、前記光ファイバＦが引き出される時の張力を測定する引き出し張力測定器１６０、前記光ファイバＦの引き出し張力を提供するキャプスタン(capstan)１７０、前記キャプスタン１７０の引き出し張力を調整するアキュムレータ２００及び最終的に生産された光ファイバをスプールに巻くためのワインダー３００と、から構成される。
【００２４】
且つ、図４に示すように、本発明の望ましい実施形態による光ファイバコーター１５０は、溶融合金１５４が貯蔵高さＭの分が含まれているコーターフレーム１５２と、光ファイバ２０と溶融合金１５４の接続長さＨを調節するための調節用ねじ１５６と、コーターの内部の温度を感知してコーターの温度を一定に維持する温度感知器１５８と、から構成される。
【００２５】
図５（ａ）は、本発明の実施形態によるインジウム−錫−銀の合金でコーティングされた光ファイバの断面を走査型電子顕微鏡で撮った写真で、図５（ｂ）は、本発明の実施形態によるインジウム−錫−銀の合金でコーティングされた光ファイバの厚さを走査型電子顕微鏡で撮った写真である。
【００２６】
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、本発明の実施形態によるインジウム−錫−銀の合金コーティング層は、光ファイバの外周面に一定な厚さで片方に偏らないように形成される。この時、前記合金コーティング層の厚さは約５である。前記合金コーティング光ファイバの引き出し速度は３０ｍ／ｍｉｎであった。
【００２７】
図６は、光ファイバの引き出し速度及び光ファイバコーターの温度変化によるトータルのコーティング厚の変化を示すグラフで、前記トータルのコーティング厚は内部コーティングの厚さと外部コーティングの厚さとの和である。また、図７は、光ファイバの引き出し速度及び光ファイバコーターの接続長さの変化による総コーティングの厚さの変化を示したグラフである。
【００２８】
図６及び図７に示すように、他の変数が一定であると仮定すると、光ファイバのコーティングの厚さは、光ファイバの引き出し速度、光ファイバコーターの温度、及び光ファイバと溶融合金の接続長さ、によって決定される。例えば、図６のように、光ファイバの引き出し速度が８０ｃｍ／ｓで同一である場合、光ファイバコーターの温度が２２５℃から２３０℃及び２３５℃で高くなると、光ファイバのコーティングの厚さは２４から１５及び５で薄くなるようになる。また、図７のように、光ファイバの引き出し速度が１００ｃｍ／ｓに同一であると、光ファイバと溶融合金の接続長さがそれぞれ０.１、０.１５、０.２及び０.３ｃｍである時の光ファイバのコーティングの厚さは、２５、２８、２２及び１７.５に変化する。
【００２９】
図８は、ポリマーコーティング光ファイバと本発明の実施形態による合金コーティング光ファイバの曲げ強さを比較するグラフで、各光ファイバの曲げ強さを二点曲げ技術(Two-Point bending technique)によって測定してワイブルプロット(Weibull plot)で示すグラフである。記号“Ｏ”はポリマーでコーティングされた光ファイバの強度を、記号“＊”は本発明の実施形態によるインジウム−錫−銀の合金でコーティングされた光ファイバの強度をそれぞれ示している。
【００３０】
図８に示すように、ポリマーでコーティングされた光ファイバは最大５.５Ｇｐａの曲げ強さを持つのに対して、本発明の実施形態によるインジウム−錫−銀の合金でコーティングされた光ファイバは最大１０Ｇｐａの曲げ強さを持つので、インジウム−錫−銀の合金コーティングされた光ファイバの曲げ強さがポリマーコーティングの光ファイバに比べて２倍ほどの強度を持つ。
【００３１】
【発明の効果】
以上から述べてきたように、本発明の実施形態による合金コーティングされた光ファイバ及びその製造方法において、光ファイバのコーティング材料として組成調節ができるインジウム−錫−銀の合金を使用することは、光ファイバの適用環境及び特性に適合であり、高い曲げ強さを持つ合金コーティング処理された光ファイバ及びその製造方法を実現できるという長所がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一般的な光ファイバの金属コーティングの原理を示す概略図である。
【図２】  本発明の望ましい実施形態による合金コーティング光ファイバを示す構成図である。
【図３】  本発明の望ましい実施形態による光ファイバの引き出し装置を示す概略図である。
【図４】  本発明の望ましい実施形態による光ファイバコーターを示す断面概略図である。
【図５】  （ａ）本発明の実施形態によるインジウム−錫−銀の合金でコーティングされた光ファイバの断面を走査型電子顕微鏡で撮った写真である。（ｂ）本発明の実施形態によるインジウム−錫−銀の合金でコーティングされた光ファイバの厚さを走査型電子顕微鏡で撮った写真である。
【図６】  光ファイバの引き出し速度及び光ファイバコーターの温度変化によるコーティングの厚さの総合の変化を示すグラフである。
【図７】  光ファイバの引き出し速度及び光ファイバコーターの接続長さの変化によるコーティングの厚さの総合の変化を示すグラフである。
【図８】  ポリマーコーティングの光ファイバと本発明の実施形態による合金コーティングされた光ファイバの曲げ強さを比較するグラフである。
【符号の説明】
２０    光ファイバ
２００  アキュムレータ
１５０  光ファイバコーター
５００  光ファイバ
５１０  コア
５２０  クラッド
５３０  合金コーティング層
【図１】
0003676239.tif 000003
【図２】
0003676239.tif 000004
【図３】
0003676239.tif 000005
【図４】
0003676239.tif 000006
【図５】
0003676239.tif 000007
0003676239.tif 000008
【図６】
0003676239.tif 000009
【図７】
0003676239.tif 000010
【図８】
0003676239.tif 000011