(57)【要約】  実施形態の態様は、低重力環境において光ファイバーを形成するためのシステム及び方法及び低重力環境において形成される光ファイバーを対象とする。システムは、プリフォームを固定するように構成されるプリフォーム保持器と、加熱素子ステージに固定され、プリフォーム保持器に隣接して存在する加熱素子と、加熱素子ステージを移動するように構成される加熱素子ステージモーターと、張力センサーと、スプールと、スプールに結合され、スプールを回転させるように構成されるスプール張力モーターと、加熱素子ステージモーター及びスプール張力モーターに伝達可能に結合され、スプールの回転速度に基づき加熱素子ステージの動きを制御するように構成される制御システムとを含み得る。光ファイバーは、ＺｒＦ４−ＢａＦ２−ＬａＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ（ＺＢＬＡＮ）のようなフッ化物の組成を含み得、１３ｄＢ／１０００ｋｍから１２０ｄＢ／１０００ｋｍまでの範囲の挿入損失によって特徴づけられ得る。
2019506361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低重力環境において光ファイバーを形成するためのシステムであって、
プリフォームを固定するように構成されるプリフォーム保持器と、
加熱素子ステージに固定され、前記プリフォーム保持器に隣接して存在する加熱素子と、
前記加熱素子ステージを移動するように構成される加熱素子ステージモーターと、
張力センサーと、
スプールと、
前記スプールに結合され、前記スプールを回転させるように構成されるスプール張力モーターと、
前記加熱素子ステージモーター及び前記スプール張力モーターに伝達可能に結合され、前記スプールの回転速度に基づき前記加熱素子ステージの動きを制御するように構成される制御システムと
を備えるシステム。
【請求項２】
前記プリフォーム保持器に固定されるプリフォームをさらに備え、前記張力センサーは、前記プリフォーム保持器に結合され、前記プリフォームにかかる張力を監視するように構成される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記加熱素子は、前記プリフォームを取り囲む、
請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記スプールの長軸に沿って前記スプールを並進させるように構成されるスプール並進モーターをさらに備える、
請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記制御システムは、前記加熱素子の温度を制御するように構成される、
請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記制御システムは、プリフォームにかけられる張力を制御すべく前記スプール張力モーターを制御するように構成される、
請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記張力センサーは、ロードセルを有する、
請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記加熱素子により取り囲まれる表面コーティング保持要素をさらに備え、前記表面コーティング保持要素は、ファイバーにコーティングを塗布するように構成される、
請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
低重力環境において光ファイバーを形成する方法であって、
前記低重力環境において、プリフォーム線引き装置にプリフォームを提供する段階と、
初期の温度下で前記プリフォームをスプールと係合させる段階と、
前記プリフォームにかかる所望の張力に達するまでスプールを回転させる段階と、
所望のスプール速度に達するまで、前記プリフォームの温度を上昇させる段階と
前記プリフォームの前記温度を固定する段階と
を備える方法。
【請求項１０】
前記プリフォームと共にコーティング材料を加熱する段階と、
前記光ファイバーの形成中に前記コーティング材料で前記光ファイバーをコーティングする段階と
さらに備える
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記プリフォームの前記温度を上昇させる段階は、前記プリフォームを取り囲むオーブンにおいて前記プリフォームを加熱する段階を有する、
請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記プリフォームが変化するにつれて、前記オーブンの位置を調整する段階をさらに含み、前記オーブンの前記位置を調整する段階は、少なくとも部分的に、前記スプール速度に基づいている、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記プリフォームを前記スプールと係合する前に、初期温度に前記プリフォームを加熱する段階を
さらに備える請求項９から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記所望のスプール速度は、少なくとも部分的に、前記光ファイバーの所望の直径に基づいている、
請求項９から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記スプールを回転させる段階は、コンピュータ制御モーターにより前記スプールにトルクをかける段階を有する、
請求項９から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記低重力環境において、プリフォーム線引き装置に前記プリフォームを提供する段階は、地球の周りを回るプラットフォーム又は輸送船に前記プリフォームを提供する段階を有する、
請求項９から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
請求項９から１６のいずれか一項に記載の方法に記載の低重力環境において線引きされる光ファイバー。
【請求項１８】
前記光ファイバーは、フッ化物を含む、
請求項１７に記載の光ファイバー。
【請求項１９】
前記光ファイバーは、ＺｒＦ４−ＢａＦ２−ＬａＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ（ＺＢＬＡＮ）を含む、
請求項１８に記載の光ファイバー。
【請求項２０】
光ファイバーは、１０００ｋｍ当たり１３ｄＢから１０００ｋｍ当たり１２０ｄＢまでの範囲の挿入損失を備える、
請求項１７から１９のいずれか一項に記載の光ファイバー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本特許出願は、米国特許法（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ））の下で、２０１６年２月１５日に出願された「宇宙における光ファイバーの製造」と題した米国仮特許出願第６２／２９５，４７８号の利益を主張し、その全体の内容が本明細書に参照によって組み込まれる。
【０００２】
本開示は、宇宙における光ファイバーの製造に関し、これを達成するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
光ファイバー（又はｆｉｂｒｅ）は、フレキシブルで透明なファイバーであり、多くの場合、ガラス（シリカ）又は樹脂でできている。光ファイバーは、その両端の間で光を伝送するために使用され、光ファイバー通信分野において実際の応用があり、そこで、光ファイバーは、長距離にわたってワイヤケーブルより高い帯域幅（データレート）で伝送を可能にする。光ファイバーは、金属ワイヤと比較して、低減衰特性及び低電磁干渉を呈する。それゆえ、光ファイバーは、上述のように、より高い帯域幅及び／又はより長い伝送距離に適応できる。光ファイバーは、例えば、レーザー応用、イメージング応用及び照明応用などの他の用途がある。
【発明の概要】
【０００４】
実施形態の態様は、低重力環境において光ファイバーを形成するためのシステムを対象とする。システムは、プリフォームを固定するように構成されるプリフォーム保持器と、加熱素子ステージに固定され、プリフォーム保持器に隣接して存在する加熱素子と、加熱素子ステージを移動するように構成される加熱素子ステージモーターと、張力センサーと、スプールと、スプールに結合され、スプールを回転させるように構成されるスプール張力モーターと、加熱素子ステージモーター及びスプール張力モーターに伝達可能に結合され、スプールの回転速度に基づき加熱素子ステージの動きを制御するように構成される制御システムとを含み得る。
【０００５】
実施形態の態様は、低重力環境において、光ファイバーを形成するための方法を対象とする。方法は、低重力環境において、プリフォーム線引き装置のプリフォームを提供する段階と、初期温度下でプリフォームをスプールと係合する段階と、プリフォームにかかる所望の張力に達するまでスプールを回転させる段階と、所望のスプール速度に達するまでプリフォームの温度を上昇させる段階と、前記プリフォームの温度を固定する段階と含み得る。実施形態の態様は、低重力環境において、線引きされる光ファイバーを対象とする。いくつかの実施形態において、光ファイバーは、例えば、ＺｒＦ４−ＢａＦ２−ＬａＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ（ＺＢＬＡＮ）などのフッ化物を備える。いくつかの実施形態において、光ファイバーは、１０００ｋｍ当たり１３ｄＢから１０００ｋｍ当たり１２０ｄＢの範囲の挿入損失を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本開示の実施形態に係る低重力環境における材料加工のための例示的な装置の概略図である。
【０００７】
【図２】本開示の実施形態に係る低重力環境における材料加工のための別の例示的な装置の概略図である。
【０００８】
【図３】本開示の実施形態に係る低重力環境における光ファイバーの製造のためのコントローラの概略図である。
【０００９】
【図４】本開示の実施形態に係る光ファイバー線引き装置のための論理ダイアグラムの概略図である。
【００１０】
【図５】本開示の実施形態に係る低重力環境において光ファイバーを線引きするためのプロセスフロー図である。
【００１１】
【図６】本開示の実施形態に係る光ファイバーを用いたデータ送信器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
この開示は、例えば、乗せられて宇宙空間を移動している輸送船（ｖｅｈｉｃｌｅ）又はプラットフォーム等の、低重力環境において形成される光ファイバーを説明し、低重力環境において光ファイバーを作るための方法及びデバイスを説明する。この開示において、用語「低重力」は、２分以上の間、ｇ≦１０−２Ｇである重力を含み得る。例示的な宇宙空間を移動している輸送船／プラットフォームは、国際宇宙ステーション（ＩＳＳ）、他の軌道プラットフォーム又は軌道船を含み得る。
【００１３】
例えば、ＺＢＬＡＮ（ＺｒＦ４−ＢａＦ２−ＬａＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ）を含むフッ化物ベースの光ファイバーなどの、赤外線スペクトル域において低い挿入損失を有するガラスからできた光ファイバーは、従来の溶融シリカベースの光ファイバーの挿入損失より低く光通信を向上させる可能性を有する。例えば、溶融シリカからできた非フッ化物ベースの光ファイバーは、実際の挿入損失が１０００ｋｍ当たり２００ｄＢ未満の状態で、０．１４ｄＢ／ｋｍ又は１０００ｋｍ当たり１４０ｄＢという挿入損失の理論上の限界に現在近づいている。ＺＢＬＡＮ光ファイバーは、１０００ｋｍ当たり１３〜２２ｄＢの理論上の最小挿入損失を有するものとして特徴付けされている。しかしながら、ＺＢＬＡＮ光ファイバーは、製造中に誤った結晶化及び有害な相分離を被り得、これらの結晶化及び相分離の要因は、理論上の低損失に達するのを妨げる場合がある。こうした結晶化及び相分離現象は、低重力環境において抑制される。この開示は、その非ドープ形態において０．１２ｄＢ／ｋｍ未満の赤外線スペクトルでの挿入損失を達成し得る光ファイバーを製造するためのシステム及び方法を説明する。
【００１４】
紫外線波長から中赤外波長に至るまでの独自の透明窓と組み合わせたＺＢＬＡＮ光ファイバーの低挿入損失は、このフッ化物ベースの光ファイバーを、既存の最も良い遠隔通信ファイバーと比較して、桁違いに光通信に革命をもたらすであろう伝送損失を低減する可能性により、医療及び軍事要求のためのブロードバンドスペクトルシグネチャ記録、環境監視、中赤外ファイバーレーザーに対する有力候補にしている。
【００１５】
その高い値対質量（ｖａｌｕｅ−ｔｏ−ｍａｓｓ）比とゼロ重力における比類のない向上とに起因して、光ファイバーの製造は、軌道プラットフォームのための商業的に魅力あるプロセスに対する明るい見通しを示す。この開示は、低重力においてＺＢＬＡＮ（ＺｒＦ４−ＢａＦ２−ＬａＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ）光ファイバー（及び／又はＺＢＬＡＮ光ファイバーと同様の性質を有する光ファイバー）の形成を説明する。
【００１６】
［低重力環境のための材料加工装置］
例えば、軌道宇宙飛行の微小重力環境などの低重力環境は、地球上の通常の重力環境で様々なプロセスに広く使用されている複数の化学的プロセス、物理的プロセス、生物的プロセス及び他のプロセスを変え得る。低重力と通常重力との間で生じる加工の差異の良い実例は、燃焼プロセスである。低重力で燃焼すると、対流プロセス（すなわち、熱気が上昇し、炎を形成する場合）の欠如に起因して、丸い形状で均一な輝きが生じる。そのような差異が及ぼす影響の１つは、地球上で可能ではない製造プロセスのために低重力軌道環境を使用する可能性である。さらに、低重力環境は、欠陥を有する多成分ガラス又は結晶などの多成分材料システムにおける大きな（ｂｏｕｎｃｙ）差異の除去を助長し得、加工中のより良い材料の均一性をもたらし、地球上で利用可能でないかもしれない独自の材料特性を得ることを可能にする。製造プロセスの例は、欠陥除去及び結晶成長を含むガラスファイバーの線引き及び結晶加工である。本開示は、微小重力環境の最適な利用を可能にする装置及びプロセスの詳細を説明する。 
【００１７】
図１は、本開示の実施形態に係る、低重力環境での材料加工のための装置１００である。装置１００は、装置１００の構造上の完全性を提供する支持台１０５上に取り付けられる。支持台は、ロケット打ち上げ時の装置を、宇宙で作業中の宇宙プラットフォームに取り付けるためのマウント１０７を有する。大量の（ｖｏｌｕｍｅ）低重力加工のための最適プラットフォームは、国際宇宙ステーションなどの軌道ステーションである。マウント１０７の設計は、信頼できる機械的な接続を確立し、取り付け位置からの振動伝達を低減（減衰）させるためにも使用され得る。装置は、作業中の宇宙環境から、そして宇宙への打ち上げの準備中及びロケットに載って宇宙へ移動中のロケット環境から、装置を分離するために提供されるシールド１１０を有する。シールド１１０は、装置のための加工特定の環境の確立を可能にする。そのような環境の例は、低圧環境である。そのような環境の別の例は、酸化を防止する、水素の含有があり酸素がないギ酸ガス（ｆｏｒｍｉｃ  ｇａｓ）又は水関連の反応を抑制する塩素ガス等のガス充填である。別の例は、水蒸気含有量が低減した乾燥空気環境である。
【００１８】
材料サンプル１１５は、低重力での加工のために装置内部に配置される。そのような材料の例は、例えば、ＺｒＦ４−ＢａＦ２−ＬａＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦの組成を有するＺＢＬＡＮガラスのようなフッ化物ガラス組成などの多成分ガラスである。この材料サンプル１１５（プリフォームとも呼ばれる）は、テフロン（登録商標）のようなフッ化物ポリマーなどの保護材料でコーティングされ得る。好ましくは、ポリマーなどのコーティング材料の軟化温度は、ガラスプリフォームの加工温度より低い。そのような材料サンプル１１５の別の例は、例えば、ウェハの形になり得、欠陥を有し得るガリウム窒化物結晶又はケイ素炭化物結晶といった結晶である。材料サンプル１２０の部分（帯域）は、トランスフォーメーション（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を受けたサンプルの部分を表す。トランスフォーメーションの例は、プリフォームを軟化させる熱が加えられた状態で、ファイバープリフォームからの光ファイバーの線引きである。トランスフォーメーションの別の例は、結晶の性質の変化であり、遷移帯域１２０は、例えば、結晶化又は再結晶化が生じるサンプルの部分である。別の構成において、部分１２０は、結晶構造の欠陥が、低重力における加工中に除去される結晶の部分である。帯域溶融のための別の構成において、この部分は、サンプルから不純物を追い出す溶融材料帯域である。トランスフォームされた（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ）材料１２２は、トランスフォーメーション部分を通り越した材料サンプルの続きである。ファイバー線引きの場合、トランスフォームされた材料は、光ファイバーになる。結晶成長の場合、トランスフォームされた材料は、結晶である。欠陥を有する結晶の場合、トランスフォームされた材料の加工により、欠陥が少量の結晶となる。帯域溶融の場合、これは、不純物が少量の有する加工材料である。材料サンプル１１５に、プリフォーム保持器１２５が取り付けられる。マウントは、最適な加工のために材料サンプル１１５の方位調整及び位置決めを提供する位置合わせ要素を有するサンプル保持器であり得る。プリフォーム保持器１２５は、装置１００を低重力環境へ運ぶ間、材料サンプル１１５を保護するためのロック機構を有し得る。プリフォーム保持器１２５は、接合部分１３０で支持台１０５に取り付けられる。この接合部分１３０は、材料転換の監視を容易にする張力ロードセルを有し得る。
【００１９】
トランスフォーメーションアクチュエータ１３５は、材料１１５の結果として生じる材料１２２への遷移を促進する。アクチュエータの最も一般的な例は、加熱オーブンである。あるいは、アクチュエータは、レーザーである可能性がある。アクチュエータ１３５に対してファイバープリフォーム１１５の位置を合わせることができる追加の位置合わせ要素が、アクチュエータ１３５上に取り付けられ得る。この位置合わせ要素は、オーブン壁に接触することなく、オーブンの中央部分にプリフォーム１１５を保持する芯出し冶具であり得る。トランスフォーメーションアクチュエータ１３５は、支持台１５０上に取り付けられる。支持台１５０は、トランスフォーメーションアクチュエータ１３５を調整するメカニズムを含み得る。例えば、支持台は、最適なトランスフォーメーションのために遷移帯域１２０にわたって加熱オーブンの位置を調整できる。センサー素子１５５は、調節機能も有し得る取り付け要素１６０で支持台１５０上に取り付けられる。センサー素子１５５は、遷移帯域１２０を監視するために使用される。この監視は、トランスフォーメーションアクチュエータ１３５のパフォーマンスの調整を通じて遷移プロセスを制御すべくトランスフォーメーションアクチュエータ１３５内で行われ得る。トランスフォーメーションアクチュエータ１３５は、例えば、温度カメラ又はレーザーポインタを有する遠隔温度計のような温度計測デバイスであり得る。取り付け接合部分１４５は、支持台１５０を支持台１０５に取り付けるために使用される。取り付け接合部分１４５は、要素１１５に沿ったトランスフォーメーションを促進すべく、材料１１５の長さに沿ってトランスフォーメーションアクチュエータ１３５を移動するための並進ステージを含み得る。
【００２０】
スプール１６５は、トランスフォームされた材料１２２を収集するための収集要素としての機能を果たす。このスプール１６５は、ファイバー線引きの場合、ファイバースプールであり得る。１つの実施形態において、このファイバースプール１６５は、ファイバー１２２が破損した場合に収集されたファイバー１２２が脱スプールするのを防止できる。スプール１６５は、結晶成長の場合の結晶保持容器である。スプール１６５は、保持要素１７０を用いて取り付け接合部分１７５に取り付けられる。保持要素１７０は、結果として得られるファイバー１２２を巻き取るためのスプール１６５を回転させるスプールメカニズムであり得る。取り付け接合部分１７０は、スプールにわたってファイバーの均一な巻き取りを提供する並進ステージであり得る。 
【００２１】
装置１００は全体として、加工容器の形に作られ得る。あるいは、装置１００の要素セットは、低重力環境まで移動し戻るためのカセットに類似した容器の形状に作られ得る一方、装置１００の残りの部品セットは、カセット（又は複数のカセット）を受け入れ、材料トランスフォーメーションのためのカセットを再生する（ｐｌａｙ）カセットデッキと同様に低重力環境において固定されたままである。加工後、装置１００のカセット部分が、軌道材料使用のために地球に戻される。
【００２２】
図２は、本開示の実施形態に係る低重力環境のための別の例示的なファイバー線引き装置２００の概略図である。装置２００は、装置１００に類似している。装置２００は、プリフォーム容器２０２を含む。プリフォーム容器２０２は、プリフォーム２０４を保持するプリフォーム保持器２０６を含む。プリフォーム２０４は、フッ化物ベースの光ファイバー２１６を形成するためのフッ化物ベースの材料であり得る。１つの例において、プリフォーム２０４は、ＺＢＬＡＮプリフォームであり得る。
【００２３】
プリフォーム容器２０２は、オーブンステージ２０８を含み得る。オーブンステージ２０８は、オーブンステージモーター２１４に結合され得る。オーブンステージモーター２１４は、プリフォーム２０４がファイバー２１６へと線引きされることに起因して短くなるにつれて、プリフォーム２０４の長さに沿ってオーブンステージ２０８を移動するように制御され得る。オーブンステージモーター２１４は、オーブンステージ２０８の並進速度を制御すべく一定の入力を使用するコントローラ（図３により詳細に示される）により駆動され得る。コントローラはまた、オーブンの温度を制御できる。オーブンステージモーター２１４はまた、プロファイルセンサー２１０及び／又はオーブンカメラ２１２からの情報に基づき制御され得る。オーブンカメラ２１２は、トランスフォーメーション帯域におけるプリフォーム状態の先端を記録する。プリフォーム２０４はさらに、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザー等の光源を用いて裏面から照らされ得る。オーブン２０９内部のプリフォーム先端の画像が、結晶化と光散乱を生じさせる非均一性の欠陥とを検出するために使用される。製造プロセスパラメータが、最小量の欠陥を有するために、オーブンカメラ画像を用いて最適化される。オーブンステージモーター２１４はまた、さらに下記に説明されるように、ファイバー２１６のスプーリングを制御し得る。
【００２４】
装置２００はまた、スプーリング前にファイバー２１６の張力を監視する張力センサー２１８を含む。張力センサー２１８は、１又は複数のパラメータを制御するオーブンステージモーター制御などのコントローラに入力を提供し得る。装置２００において、張力センサー２１８は、プリフォーム２０４とスプール２２０との間に示される。張力センサー２０７はまた（又は、代わりに）、プリフォーム２０４に接触すべくプリフォーム保持器２０６上に存在し得る。
【００２５】
実施形態において、オーブン温度は、固定され得る。線引きの測定張力は、オーブンステージモーター２１４を制御するために使用される。それゆえ、スプール２２０の速度は、オーブンステージ２０８の速度を制御する。スプール２２０がオーブンステージ２０８の速度を制御するのを可能にすることにより、ファイバー２１６の直径は、オーブンステージ２０８の移動に対するスプーリングの速度の比により制御される。初めに、スプール２２０は、露出されたプリフォーム２０４上に初期張力を提供すべく係合され得る。コントローラ（図３）は、線引き張力を作り出すべくスプール張力モーター２２２を制御し得る。コントローラは、張力センサー２０７により示されるように、ファイバー２１６上の線引き張力を維持しながら、目標の線引き張力に達した後、スプール張力モーター２２２がスプールを回転させるのを止めさせ得る。目標張力に達した場合、オーブン２０９は、プリフォーム２０４を加熱すべく作動し得る。オーブン温度は、所望のスプール速度に達するまで、徐々に上昇し得る。ファイバー２１６は、プリフォーム２０４が最小の線引き温度に到達した場合、線引きし始めることとなる。この温度は、プリフォーム２０４を軟化すべく必要とされる最小温度により規定され、それによりファイバー２１６は、目標張力でプリフォーム２０４から線引きされ得る。スプール２２０は、スプール張力モーター２２２によるトルク負荷状態にあるので、スプール２２０は、ファイバー２１６を線引きするように回転することとなる。
【００２６】
実施形態において、線引き張力及び線引き温度は、独立して最適化され得る。例えば、高温及び低い線引き張力は、光ファイバーの純度を増大させ得、線引き中に余分なひずみがファイバーにかかる可能性を減少させ得る。さらに、光ファイバー２１６の直径はまた、スプール速度のオーブンステージ移動速度に対する比を最適化することにより独立して制御され得る。低重力環境において、光ファイバーを線引きする１つの利点は、プリフォーム２０４の重量の変化を監視する必要がないことである。
【００２７】
スプール張力モーター２２２は、モーターがスプール２２０上にかかり得るトルクを制限する安全用制限器を含む。安全用制限器は、スプール張力モーター２２２がスプール２２０を酷使し、ファイバー２１６を破損するのを防止し得る。
【００２８】
実施形態において、コーティング材料は、加熱前にプリフォーム２０４上にあり得る。実施形態において、オーブンステージ２０８は、例えば、テフロン（登録商標）などのコーティング材料を保持し得るコーティング材料保持器２１０を含み得る。コーティング材料は、ファイバー線引き中にオーブン２０８において加熱され得る。コーティング材料保持器２１０は、オーブンステージモーター２１４によりオーブンステージ２０８と共に移動すべく、オーブンステージ２０８に結合され得る。形成中に、例えば、テフロン（登録商標）などのコーティングをファイバーに加えることは、２００２年４月２４日に出願された「光ファイバー上に保護コーティングを形成するための方法」と題した米国特許出願第１０／１３１，９７０号に説明されるものと同様な態様において行われ得、その全体の内容が参照により組み込まれる。
【００２９】
装置２００はまた、スプール線形ステージ２２４及びスプールステージモーター２２６を含む。スプール線形ステージ２２４は、スプールステージモーター２２６により移動することができ、スプール２２０がスプール２２０の周りに線引きされたファイバー２１６を巻き付けるのを可能にする。
【００３０】
図３は、本開示の実施形態に係る低重力環境における光ファイバーの製造のための制御システム３００の概略図である。制御システムは、マイクロコントローラ３０２を含み得る。マイクロコントローラ３０２は、一定の入力に基づき装置１００又は２００の様々なモーターを制御できるマイクロプロセッサ又は他のコンピューティング要素であり得る。例えば、マイクロコントローラ３０２は、入力として、オーブン温度計からのオーブン温度３０４、張力センサーからのファイバー張力３０６、スプール張力モーターからのスプール速度３０８及びオーブンステージモーターからのオーブンステージ速度３１０を受け取り得る。
【００３１】
図４は、本開示の実施形態に係る光ファイバー線引き装置のための論理ダイアグラム４００の概略図である。論理ダイアグラム４００は、低重力光ファイバー線引き装置（例えば、装置１００又は装置２００など）の様々な態様間の例示的な論理伝達経路を示す。制御システム３００は、張力センサー（例えば、張力センサー２０７など）、オーブン２０９（又は、より具体的には、オーブン温度を制御するオーブン温度計）、スプール張力モーター２２２（ファイバーの張力を制御する）、オーブンステージモーター２０８（オーブン２０９のプリフォーム２０２に対する動きを制御する）、及びスプールステージモーター２２６（スプール全体にわたる光ファイバーの巻き取りを収容できるスプールステージの並進を制御する）に伝達可能に結合され得る。
【００３２】
図５は、本開示の実施形態に係る低重力環境において光ファイバーを線引きするためのプロセスフロー図５００である。初めに、プリフォームが、例えば、軌道プラットフォーム又は軌道船などの低重力環境において提供され得る（５０２）。軌道プラットフォーム又は軌道船への輸送中に、プリフォーム（プリフォーム保持器の）及びスプールが所定の位置にロックされる。作業の準備ができた場合、インターロックが、外され得る。プリフォームは、スプールへの係合のためにプリフォームを軟化すべくあらかじめ決定された初期温度に加熱され得る（５０４）。コーティング材料はまた、加熱され得（５０６）、コーティングは、線引きされたファイバーを被覆する。次に、プリフォームは、線引きのためにスプールと係合され得る（５０８）。トルクがスプールにかけられて、ファイバーを引っ張り、プリフォーム上に初期張力がかかり得る（５１０）。トルクがかけられている間、スプールは、所望の張力が満たされるまで回転する（５１２）。スプールは、所望の張力が満たされた場合、回転を停止することとなる。次に、コントローラは、プリフォームに熱を次第に加え（例えば、オーブンにより）、プリフォームをさらに軟化させ得、プリフォームが軟化するとスプールを回転させ得る（５１４）。スプール速度は、一定の張力で温度を上げながら所望のスプール速度に達するまで監視される（５１６）。所望のスプール速度に一度達すると、温度は固定される（５１８）。スプール速度は、プリフォーム／ファイバー接合部分が変化するにつれて、オーブンステージモーターがオーブンステージを移動させるのを制御するために使用され得る（５２０）。例えば、所望のファイバーの直径について、スプール速度のオーブンステージ移動速度に対する比が決定され得る。プロセスは、プリフォームが使い果たされるまで継続し得る。実施形態において、張力、オーブン温度、スプール速度及びオーブンステージ速度は、異なる特性を有する光ファイバーを得るべく、単一のプリフォームに対して変わり得る。
【００３３】
第１の例において、本開示の実施形態は、プリフォーム保持器により所定の位置に保持されているプリフォーム材料を含む装置を含み得る。プリフォームは、ガラス材料又は結晶材料を含み得、コーティングにより被覆され得る。装置はまた、プリフォーム保持器に隣接して存在するトランスフォーム装置（例えば、オーブン）を含み、プリフォームは、オーブンに少なくとも部分的に存在し得る。トランスフォーム（ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）装置は、移動可能ステージ（プリフォーム保持器に対して移動可能）上にあり得る。トランスフォーム装置は、開始プリフォームとは異なる材料組成を有するファイバー材料へのプリフォームのトランスフォーメーションを容易にするレベルまでプリフォームを加熱するように構成される。装置はまた、プリフォーム保持器、トランスフォーム装置及び他のコンポーネントを収容する気密室を作り出し得るシールド又はカバーを含む。
【００３４】
いくつかの実施形態において、装置はファイバー材料を巻き付けるスプールを含む。
【００３５】
いくつかの実施形態において、装置は、スプールするときに、プリフォームおよびファイバー上にかかる張力を測定すべく、プリフォーム保持器に結合されるロードセルを含む。
【００３６】
いくつかの実施形態において、装置は、カセットフォームファクター筐体に収容され得る。
【００３７】
いくつかの実施形態において、装置は、プリフォームコーンの温度を監視する温度カメラを含む。
【００３８】
いくつかの実施形態において、装置は、例えば、テフロンコーティングなどの高フッ素材料をコーティングした状態で、ファイバーが線引きされるのを可能にする表面仕上げコーティング（ｓｕｒｆａｃｉｎｇ  ｃｏａｔｉｎｇ）実施デバイスを含む。
【００３９】
宇宙における光ファイバーの製造は、プリフォーム塊の宇宙プラットフォームへの配送と、結果として生じた光ファイバーの地上でのその後の回復とを含むコストのかかるプロセスであり得る。フッ化物ガラスなどの低損失の赤外線材料が環境上の影響を受けやすいことは、プリフォーム及び結果として生じる光ファイバーの保護を必要とする。電気通信用の従来の光ファイバーにおいて、ポリマーコーティングの重量は、ファイバーそれ自体の重量とだいたい同じである。宇宙製造に関して、宇宙でのファイバーの加工は、一次コーティングを含む。一次コーティングは、赤外線ガラス材料の重量の何分の１かを示し、例えば、赤外線ガラスプリフォーム重量の半分より少ない。次に、宇宙において製造される光ファイバーは、地球への帰還時の二次コーティングでコーティングされ得る。この二次コーティングは、一次コーティング上に塗布される可能性がある。
【００４０】
いくつかの実施形態において、一次コーティングは、二次コーティングを塗布する前に除去され得る。ファイバーの保護は、軟化温度がファイバープリフォームに類似するポリマー材料でプリフォームをコーティングすることによって達成され得る。そのような材料は、テフロンポリマーコーティングであり得る。ファイバー線引きは、宇宙においてコーティング線引きと共に起こり、テフロンコーティングされた光ファイバーとなる。好ましくは、コーティングの軟化温度は、ガラスの軟化温度未満であるべきである。あるいは、低損失の赤外線材料のプリフォームは、同様な軟化温度を有するガラス材料でコーティングされ得る。ガラス層の保護を使用する利点は、ガラス層が、ポリマーコーティングと比較してより良好な環境保護を提供することである。
【００４１】
［例示的な実施］
［遠隔エネルギー配給システム］
光ファイバーは、長距離にわたって高レーザーエネルギーを配給するための媒体として使用され得る。ファイバーベースのレーザーのコストの減少と共に、ファイバーエネルギー配給の使用は、遠隔地の設備に電力を供給することから、エネルギー産業の削岩及びパイプ穿孔を含む遠隔材料加工までの複数の用途に対して魅力的なソリューションになっている。
【００４２】
溶融シリカに基づく既存のファイバー材料の課題は、おおよそ１．６ミクロンの制限された動作波長と、おおよそ５ｋｍのファイバーの到達距離とを含む。ファイバーにおける非線形効果及び挿入損失は、そのようなシステムの有効長及び最大出力を制限し得る。
【００４３】
光ファイバーによるエネルギー配給はまた、遠隔光学センシングのために使用され、長距離にわたる遠隔の構造モニタリングの利点をもたらす。
【００４４】
中空コアのフォトニックバンドギャップファイバーを介した高出力の赤外光配給などのボイドを有するファイバーを介したエネルギー配給には、有望なソリューションが存在する。しかしながら、ファイバーガラスの接合部分が存在し、そのようなファイバーの光路にボイドが存在することは、高出力配給のための重大な課題である。接合部分の材料欠陥は品質を下げ得、伝送不良となるさらなる損失を生み出し得る。
【００４５】
本明細書に説明される光ファイバーはエネルギー配給のための光ファイバー材料及び製造技術を説明する。ハロゲン元素を含むファイバーは、１０００ｋｍ当たり１ｄＢと低い挿入損失の保証がある。
【００４６】
例えば、フッ化物ガラスに基づくそのようなファイバーは、エネルギー配給システムのためにより長い動作長を提供する。新たなファイバーの動作波長は、１．７ミクロンより長く、好ましくは２．０〜６．５ミクロンの範囲にある。非線形効果の低減と、より低い挿入損失の保証とにより、エネルギー配給の長さを延長し、配給された光出力を増大させるまたとない機会を表示する。低重力環境における損失作出効果の抑制は、低軌道プラットフォームにおいて作られる低損失光ファイバーを用いてその必要性に取り組むまたとない機会を表示する。
【００４７】
電力供給用のシリカベースの光ファイバーについての典型的な挿入損失は、１キロメートル当たり０．２ｄＢである。１ｄＢ（〜２０％）という許容可能な出力損失に対して、そのような光ファイバーのための配給距離は、１．５ミクロン周辺の動作波長で５ｋｍである。
【００４８】
本明細書に説明される、フッ化物ベースの光ファイバーなどのより低損失のファイバーは、１．７ミクロンより長い動作波長において１ｋｍ当たり０．０２ｄＢ以下のレベルまでの挿入損失の低減を証明し得る。１ｄＢの許容可能な損失を有するそのような低損失ファイバーシステムで得られる動作距離は、１０ｋｍを超えて増大する。より長い波長を有する光の送出は、１．７ミクロンから６．５ミクロンの波長範囲で材料のより高い吸収に起因して、エネルギー利用にさらなる利点を提供する。そのような向上した吸収の例は、３ミクロン周辺の波長範囲で様々な材料及び岩に広く示される水の吸収である。
【００４９】
［より長い動作波長及び波長変換を用いた光通信システム］
図６は、本開示の実施形態に係る光ファイバーを使用するデータ伝送システムの概略図である。データ伝送システム６００は、光ファイバー６０２を含み、それは、本明細書に開示されるように、低重力環境において製造されるフッ化物又はハロゲンベースの光ファイバーであり得る。データ伝送システム６００はまた、波長変換ユニット６０４ａ及び６０４ｂを含み得る。波長変換は、非線形光変換であり得る。データ伝送の増大により駆動される光ファイバーの帯域幅に対する需要が飛躍的に増大している。データ伝送のための容量スケーリングの取り組みにおいて直近の課題は、非線形シャノン限界などの既存のファイバーの基本的限界に直面していることである。データ伝送レートにおけるさらなる増大は、より長い動作波長及びより低損失の光ファイバーを必要とする。
【００５０】
既存の光ファイバーに対して桁外れの挿入損失を保証した低重力環境において製造されるファイバーは、データ伝送の非線形効果が低減された状態で、挿入損失の低減とより長い動作波長との両方を提供する。
【００５１】
新たな低損失ファイバーは、波長変換を伴った新たな光通信システムのための機会を表示する。このシステムは、既存の光通信の典型的な波長より長い波長範囲で動作する。最新タイプの光通信システムは、１．５ミクロンあたりの波長範囲で動作し、典型的なファイバー挿入損失は、１ｋｍ当たり０．１５〜０．２５ｄＢの範囲にある。本発明のシステムは波長変換器を使用し、より短い波長におけるデータ伝送で低損失光ファイバーを接続する。より短い波長は、より低いノイズ及びより低いコストの光検出と、容易に利用可能な高速光送信器とによる利益を受ける。
【００５２】
光ファイバーにおける全光波長変換は、以下の潜在的な利点を有する：
１）光−電気−光の変換を取り除き、従ってトランスペアレントな全光ネットワークを可能にし；
２）変調フォーマット及びビットレートの両方に対して超高速でトランスペアレントであり；
３）チャープノイズ又は付加ノイズはわずかなので信号劣化は無視できるほどに誘導する；及び、
４）光ファイバーそれ自体は、低コスト、低損失であり、伝送ファイバーと継ぎ目なく適合する。
【００５３】
新たな低損失ファイバーの動作波長は、おおよそ１．７ミクロンから６．５ミクロンである。波長変換器後の光信号の波長は、好ましくは、０．７ミクロン〜１．５ミクロンの範囲にあり、既存の光通信システム及び低ノイズレシーバーに適合する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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