(57)【要約】  光ファイバおよび光ファイバケーブルが提供される。光ファイバは光ファイバを含み、光ファイバはコアおよびクラッド、並びにクラッドを取り囲む金属被覆を含み、金属被覆は光ファイバの軸長全体に沿って延びている。光ファイバは、金属被覆の外面に被覆された粉体をさらに含み、粉体は、鉱物、セラミック、または黒鉛のうちの１つである。
2018530784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバであって、
コアおよびクラッドを含む光ファイバと、
前記クラッドを取り囲む金属被覆であって、前記光ファイバの軸長全体に沿って延びている金属被覆と、
前記金属被覆の外面に被覆された粉体であって、鉱物、セラミック、または炭素のうちの１つである粉体と、
を含む光ファイバ。
【請求項２】
前記粉体が鉱物である、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記粉体が鉱物のケイ酸塩である、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記粉体がケイ酸マグネシウムである、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記粉体が鉱物の酸化物である、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項６】
前記粉体が鉱物の炭酸塩である、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項７】
前記粉体が、少なくとも３００℃の温度で劣化しない、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項８】
前記金属が、ニッケル、銅、金、銀、アルミニウム、ルテニウム、ロジウム、白金またはそれらの合金のうちの１つである、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項９】
光ファイバケーブルであって、
金属管と、
前記金属管内に配置された少なくとも１つの金属被覆光ファイバと、
前記少なくとも１つの金属被覆光ファイバの外面の少なくとも１つ、または前記金属管の内面に被覆された粉体であって、鉱物、セラミックまたは炭素の１つである粉体と、
を含む光ファイバケーブル。
【請求項１０】
前記金属管がステンレス鋼管である、請求項９に記載の光ファイバケーブル。
【請求項１１】
前記管が、前記管内部に真空が存在するように排気されている、請求項９に記載の光ファイバケーブル。
【請求項１２】
前記粉体が、前記少なくとも１つの金属被覆光ファイバの前記外面にのみ被覆されている、請求項９に記載の光ファイバケーブル。
【請求項１３】
前記粉体が、前記少なくとも１つの金属被覆光ファイバの前記外面および前記金属管の前記内面の両方に被覆されている、請求項９に記載の光ファイバケーブル。
【請求項１４】
前記粉体が鉱物である、請求項９に記載の光ファイバケーブル。
【請求項１５】
前記粉体が鉱物のケイ酸塩である、請求項９に記載の光ファイバケーブル。
【請求項１６】
前記粉体がケイ酸マグネシウムである、請求項９に記載の光ファイバケーブル。
【請求項１７】
前記粉体が鉱物の酸化物である、請求項９に記載の光ファイバケーブル。
【請求項１８】
前記粉体が鉱物の炭酸塩である、請求項９に記載の光ファイバケーブル。
【請求項１９】
前記粉体が、少なくとも３００℃の温度で劣化しない、請求項９に記載の光ファイバケーブル。
【請求項２０】
前記金属は、ニッケル、銅、金、銀、アルミニウム、ルテニウム、ロジウム、白金またはそれらの合金のうちの１つである、請求項９に記載の光ファイバケーブル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１５年１０月１６日に出願された、発明の名称を「高温用途のための光ファイバケーブルおよびその製造方法」とする米国特許出願第６２／２４２，３４１号の優先権を主張する。
【０００２】
本開示は、光ファイバケーブルに関する。より詳細には、本開示は、高温用途での使用に適した光ファイバケーブル、およびその製造技術に関する。
【背景技術】
【０００３】
金属管（例えば、ステンレス鋼管）内の１つ以上のファイバからなる光ファイバケーブルは、ある種の用途に対して一般的である。例えば、光学グラウンドワイヤケーブル（「ＯＰＧＷ」としても知られている）は、典型的には、ケーブル構成要素の中で、複数の光ファイバを含むステンレス鋼管を含む。加えて、油田やガス田のためのダウンホールケーブルおよび耐火ケーブルなどの過酷な環境用途での使用を目的したケーブルはまた、１つ以上の光ファイバを含むステンレス鋼管をしばしば有している。ほとんどのステンレス鋼管ケーブルでは、水の侵入を防ぎ、重力、振動、熱膨張などに起因した管に沿ったファイバの移動を低減させるために、管内部の充填化合物としてゲルが使用されている。
【０００４】
高温（約３００℃より高い）用途では、ゲルは高温で気体に分解し得るので、ゲルの使用が問題となる。結果として、３００℃より高い温度での高温用途のための金属管ケーブルはしばしば、ゲルを含まない。さらに、ポリマーは温度要件を満たさないので、ファイバ自体は一般的にはポリマーではなく金属で被覆される。
【０００５】
温度が上昇するにつれて、ゲルが存在しないことはさらなる問題を生じる。例えば、持続的な高温（例えば、５００℃から６００℃の範囲）は、（ゲルを含まない）金属被覆されたファイバを内側に有するステンレス管ケーブルにおいて金属の相互拡散をもたらし得る。結果として、金属被覆ファイバは、それらが接触するところでステンレス管壁に固着することがある。管内に複数のファイバを含む場合、ファイバは、それらが接触するところで互いに固着することもある。この融着現象は、ファイバの金属表面上での損傷、損失の増加およびファイバの破損を引き起こす。
【０００６】
金属被覆光ファイバが空気または酸素中で高温に露出されると、ほとんどの金属（金または貴金属を除く）が酸化される。結果として、金属は脆くなり、剥がれる傾向がある。そのため、管ケーブルは不活性ガスで満たされ、端部で封止される。このようにして、ケーブルの耐用年数の間に、雰囲気は不活性に保たれる。しかしながら、封止された管の温度が上昇すると、気体の高圧のために両端で封止することが困難になる。
【０００７】
従って、改善された光ファイバおよびケーブルが望まれる。本開示は、先行技術の上記の考察およびその他を認識している。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の態様および利点は、以下の説明において部分的に記載されるか、または明細書の記載から明らかとなるか、または本発明の実施を通して学ぶことができる。
【０００９】
一態様によれば、本開示は、コアおよびクラッドを含む光ファイバを含む金属被覆光ファイバを提供する。金属被覆は、クラッドを取り囲み、光ファイバの実質的に軸長全体に沿って延びている。粉体材料は、金属被覆の外面上に被覆され、粉体材料は、少なくとも約３００℃の温度に実質的に劣化することなく耐えることができる。例えば、粉体材料は、本明細書で説明するように、黒鉛粉体および／またはシリカ粉体、または他の適切な材料の粉体の少なくとも１つを含み得る。
【００１０】
本開示の別の態様は、金属管と、金属管に包含された少なくとも１つの光ファイバとを含む光ファイバケーブルを提供する。粉体材料が光ファイバの外面の少なくとも１つおよび金属管の内面に被覆される。例えば、粉体材料は、光ファイバの外面および金属管の内面の両方に被覆されてもよい。好ましくは、粉体材料は、少なくとも約３００℃の温度に実質的に劣化することなく耐えることができる。例示的な実施形態によれば、粉体材料は、本明細書で説明するように、黒鉛粉体および／またはシリカ粉体、または他の適切な材料の粉体の少なくとも１つを含むことができる。
【００１１】
管は、いくつかの実施形態では、一端が封止され、管の内部で真空を維持するために一端が排気される。管の開口部は、両端で気密封止されている。高温で酸化は発生しない。あるいは、そのような封止および真空は必要とされない。
【００１２】
別の態様によれば、光ファイバが提供される。光ファイバは、光ファイバを含み、光ファイバは、コアおよびクラッド、並びにクラッドを取り囲む金属被覆を含み、金属被覆は、光ファイバの軸長全体に沿って延びている。光ファイバは、金属被覆の外面上に被覆された粉体をさらに含み、粉体は、鉱物、セラミック、または炭素のうちの１つである。
【００１３】
いくつかの例示的な実施形態では、粉体は、少なくとも３００℃の温度で劣化しない。
【００１４】
別の態様によれば、光ファイバケーブルが提供される。光ファイバケーブルは、金属管と、金属管内部に配置された少なくとも１つの金属被覆光ファイバとを含む。光ファイバケーブルは、少なくとも１つの金属被覆光ファイバの外面の少なくとも１つまたは金属管の内面に被覆された粉体をさらに含み、粉体は、鉱物、セラミックまたは炭素のうちの１つである。
【００１５】
いくつかの例示的な実施形態では、粉体は、少なくとも３００℃の温度で劣化しない。
【００１６】
いくつかの実施形態では、管は、管内に真空が存在するように排気される。あるいは、そのような排気は必要でない。
【００１７】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照することにより、よりよく理解されるであろう。本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を示し、明細書と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
当業者に向けられた、その最良の形態を含む本発明の完全かつ実施可能な開示は、添付の図面を参照する明細書に記載されている。
【００１９】
【図１】充填化合物としてのゲルを含むステンレス鋼管の内部の複数のファイバを示す従来技術の光ファイバケーブルの概略図である。
【図２】ゲル充填化合物を含まないステンレス鋼管の内部の複数のファイバを示す従来技術の光ファイバケーブルの概略図である。
【図３】層が切り取られた金属被覆光ファイバの斜視図である。
【図４】本開示の一実施形態による、ステンレス鋼管の内部の複数のファイバを示す光ファイバケーブルの概略図である。
【図５】本開示の一実施形態による、層が切り取られた金属被覆光ファイバの斜視図である。
【図６】粉体の適用の１つの方法を図式的に示している。
【００２０】
本明細書および図面における参照符号の繰り返しの使用は、本発明の同一または類似の特徴または要素を表すことが意図されている。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
ここで、本発明の実施形態を詳細に参照して、その１つ以上の実施例が図面に示されている。各実施例は、本発明の説明のために提供され、本発明を限定するものではない。実際に、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明において様々な変更および変形が可能であることが、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または説明される特徴は、さらなる実施形態をもたらすために他の実施形態と共に使用され得る。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内に入るそのような変更および変形を包含することが意図されている。
【００２２】
図１および図２は、ステンレス鋼管１４に含まれる複数の金属被覆光ファイバ１２を有する従来技術の例示的な光ファイバケーブル１０を示している。図１では、管１４の内部の残りの空間（すなわち、ファイバ１２自身によって占められていない空間）は、ゲル１６で満たされている。図２では、ケーブル１０が高温用途での使用を目的としている場合として、ゲルが存在していない。
【００２３】
ここで図３を参照して、金属被覆光ファイバ１２に関するさらなる詳細を説明する。見て分かるように、ファイバ１２は、コア１８およびクラッド２０を有するガラス（すなわちシリカ）ファイバを含む。金属被覆２２は、クラッド／コアの組合せを取り囲んで包含している（場合によっては、炭素または他の適切な層がクラッドの外層と金属被覆との間に配置されてもよく、一方で、他の場合には金属被覆はクラッドに直接接触している）。金属被覆２２は、ファイバ１２の軸長全体に沿って延在し得る。
【００２４】
上述したように、相互拡散は、金属が高温（例えば、３００℃以上）で互いに接触する界面点または他の領域で生じることがわかっている。そのような相互拡散を避けるために、本開示の実施形態は、そうしなければ互いに接触するであろう金属表面上で適切な粉体被覆を利用している。被覆のために選択される材料は、それが暴露される高温に対して安定でなければならない。例えば、本開示のいくつかの実施形態は、黒鉛粉体を利用している。黒鉛粉体は炭素で作られているため、熱分解によって酸素および水の生成がない。もう１つの選択肢は、２０００℃までの高温で安定なシリカ粒子を使用することである。
【００２５】
他の粉体も、水素などのような不純物が高温で出てこない限り、絶縁に適している。そのような不純物は、管内の雰囲気を劣化させ、ひいてはファイバおよびステンレス鋼管の有効寿命を短くする。従って、例示的な実施形態では、本開示による粉体は、少なくとも３００℃の温度で劣化しない。粉体、例えばグラファイト粉体、シリカ粉体または他の適切な粉体は、粉体アプリケータを用いて金属被覆ファイバに適用することができる。
【００２６】
適切な粉体の例には、適切な鉱物、セラミック、および炭素、すなわち様々な形態の炭素（天然または合成のいずれか）が含まれる。適切な鉱物の例には、ケイ酸塩、酸化物、炭酸塩、およびリン酸塩が含まれる。適切な鉱物のケイ酸塩の例には、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、三ケイ酸マグネシウム、アルミノケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウムアルミニウム、アルミノケイ酸カルシウム、ケイ酸アルミニウム、マイカ、およびタルクなどの粘土鉱物が含まれる。適切な鉱物の酸化物の例には、アルミナおよび二酸化ケイ素が含まれる。適切な鉱物の炭酸塩の例には、炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、および炭酸カルシウムが含まれる。特定の硫酸塩には石膏が含まれる。
【００２７】
図４は、本開示の一実施形態による光ファイバケーブル１１０を示している。ケーブル１１０は、ステンレス鋼または別の適切な金属の管１４内に包含される複数の光ファイバ１２を含む。この場合、ケーブル１１０は、高温用途での使用が意図されており、その内部空間には充填化合物（ゲル）を有していない。しかしながら、見てわかるように、粉体被覆１２４（破線で示す）は、各光ファイバ１２の外面２３上に配置されている。同様に、粉体被覆１２６が、管１４の内面１５上に配置されている。とりわけ、粉体被覆１２４は、（管１４の内面１５ではなく）光ファイバ１２の外面２３のみに、または（光ファイバ１２の外面２３ではなく）管１４の内面１５に、または光ファイバ１２の外面２３および管１４の内面１５の両方に設けることができる。場合によっては、例えば、光ファイバの周りの管１４の内部は、粉体（すなわち、ゲルの代わり）で満たされてもよい。上記のように、粉体被覆は、金属表面を互いに絶縁して、３００℃を超えるような高温で起こり得る金属相互拡散を防止するために、本明細書で説明するように、黒鉛および／またはシリカおよび／または他の適切な材料のような適切な材料から形成されてもよく、これは管状の光ファイバの減衰に影響を及ぼす。
【００２８】
光ファイバ１２の詳細図が図５に示されている。光ファイバ１２と同様に、コア１８およびクラッド２０を有する光ファイバ（すなわちガラスファイバ）が提供される。金属被覆２２は、クラッド／コアの組み合わせ（存在する場合は炭素層）を取り囲んで包含している。金属被覆２２は、ニッケル、銅、金、銀、アルミニウム、ルテニウム、ロジウム、白金またはそれらの適切な合金のような任意の適切な金属のものであってもよい。いくつかの実施形態では、金属被覆２２は、金属および／またはそれらの合金の複数の層を含むことができる。加えて、被覆２２の外面２３は、その上に堆積された適切な粉体の被覆１２４を含み、それ故被覆２２を被覆する。粉体は、被覆２２の外面２３上で点描することによって図５において示されている。
【００２９】
上記のように、粉体被覆は、適切な粉体アプリケータによって適用することができる。例えば、粉体は、粉体で充填された囲いを通過する光ファイバ上で、噴霧され、気流、静電気力、振動などによって吹き付けられる。理解されるように、粉体粒子は、外面全体を完全に被覆しなくてもよいが、それでもなお表面が十分に被覆されている限り効果的であり得る。チュービング（ｔｕｂｉｎｇ）プロセスにおいて、ファイバは溶接の直前に挿入される。図６に示すように、粉体は、静電気力、ガス流、振動などを伴う小さな管を通して管またはファイバ上に運ぶことができる。より具体的には、示されるように、粉体は、粉体フィーダ２０２を通して流され、光ファイバ１２の外面（すなわち、その金属被覆２２の外面２３）および／または管１４の内面１５上に堆積されることができる。粉体は、金属材料のテープ２０４が一緒に溶接されて、例えば溶接点２０６でチューブ１４を形成する直前にフィーダ２０２から解放されてもよい。
【００３０】
本開示の実施形態の試作品を作製し、以下のように試験した。
【００３１】
実験例１  −  ステンレス鋼キャニスターにおける金属被覆ファイバの熱処理
コイル状金属被覆ファイバが不活性ガス雰囲気の下でそれらを維持するためにステンレス鋼キャニスターに置かれた。ステンレス鋼キャニスターは、ファイバおよび不活性ガスの入口用の２つの開口を有していた。窒素がキャニスターの入口に接続された。その後、キャニスターは５００℃の炉に置かれ、５時間の熱処理を受けた。熱処理後、コイル状ファイバはコイル内のいくつかの接点で一緒に結合されたため、金属被覆ファイバを真っ直ぐにほどくことは困難であった。コイル状ファイバの外観は、色が光沢から暗色に変化しており、その表面のＳＥＭ画像は表面金属のスケーリングを示していたことから、酸化を示していた。空気雰囲気を不活性ガスで完全に交換することによって、酸化を抑制することができる。純粋な不活性雰囲気でさえ、金属接触の点での金属相互拡散を避けることはできない。
【００３２】
次に、コイル状ファイバを黒鉛粉体のパッケージに置くことにより黒鉛粉体が金属被覆ファイバ上に被覆された。それから、金属被覆ファイバはステンレス鋼キャニスター内に置かれた。前回のように、５００℃で５時間の熱処理が実施された。熱処理後、金属被覆ファイバの外観は光って見えた。一緒の結合、または巻きがないので、ファイバを真っ直ぐにほどくことは簡単であった。金属被覆ファイバのＳＥＭ画像は、ほとんど酸化を示さなかった。黒鉛粉体は依然として黒色であった。
【００３３】
実験例２  −  管状金属被覆ファイバの熱サイクル試験
金属被覆ファイバを有する２本の管状ケーブルを作製した。１つは管内に粉体を含まない金属被覆ファイバであり、もう１つは管内に黒鉛粉体を含む金属被覆ファイバであった。リワインド（ｒｅｗｉｎｄｉｎｇ）プロセスの間に黒煙が被覆された。管の大きさは、外径が３．２ｍｍ、内径が２．８ｍｍであった。金属被覆ファイバは、１０ミクロンの厚さを有するシングルモードの銅被覆ファイバであった。管に対するファイバのＥＦＬ（過剰ファイバ長）は約０．３％であった。
【００３４】
チュービング後の損失は、２つのファイバにおいて異なっていた。黒鉛を含む管状金属被覆ファイバの損失は、１．３μｍで１．５ｄＢ／ｋｍであり、１．５５μｍで１．７ｄＢ／ｋｍであり、黒鉛粉体を含まない管状ファイバの損失は、１．３μｍで２．５ｄＢ／ｋｍであり、１．５５μｍで３ｄＢ／ｋｍであった。黒鉛粉体被覆によって低損失が達成された。
【００３５】
２本の管状ケーブルは熱サイクル試験のための炉に置かれた。管ケーブルの一方の端部が炉から取り出され、ファイバは光学時間領域反射率計（ＯＴＤＲ）用のジャンパに接続され、ファイバと管との間の空間は接着剤で封止された。他方の管端部はガスパージのために窒素ガスボンベに接続された。それによって金属被覆ファイバはほとんど窒素雰囲気の下で制御された。その後、室温から５００℃までの加熱の３つのサイクルが２本の管状ケーブルに与えられた。加熱後、損失はＯＴＤＲによって測定された。黒鉛を含む管状ケーブルの損失は、熱サイクル後、１．３μｍで３ｄＢ／ｋｍおよび１．５５μｍで３．５ｄＢ／ｋｍまで増加した。しかし、黒鉛を含まない管状ファイバの損失は、熱サイクル後、両方の波長で１５ｄＢ／ｋｍより多く増加した。従って、粉体被覆は、粉体被覆なしのケーブルと比較して、加熱後に劇的な改善を示した。
【００３６】
このように、本開示は、従来技術と比較して利点を提供する新規な光ファイバケーブルを提供することが分かる。すなわち、
【００３７】
（１）金属表面上の適切な粉体被覆は、両金属が物理的に接触するところの金属被覆ファイバ間、および金属被覆ファイバと金属管との間の相互拡散を防止する。高温暴露の間に、融解に起因して発生し得る損失の増加またはファイバの破損が回避される。
【００３８】
（２）粉体被覆に適したいくつかの材料は、水素などのガス発生を引き起こさない。また、粒子は光ファイバの表面に損傷を与えない。さらに、少量の粉体が絶縁に対して良好に機能する。従って、粉体の導入は、寸法、生産速度、チュービングプロセスなどのケーブリング（ｃａｂｌｉｎｇ）パラメータを変えない。
【００３９】
（３）酸化に起因して表面摩擦が増大する場合、粉体は潤滑剤として働くことができる（雰囲気が管の内部で不活性ガスとなるように制御されない場合の酸化に起因して、金属の外面は高温で粗くなる。これは伝送損失の増加を引き起こす）。
【００４０】
（４）粉体は高温で酸素ゲッターとして作用することができる。このようにして、粉体の導入によって酸化が回避される。金属被覆ファイバは、機械的強度を低下させる酸化を避けるために高温での管内部で不活性ガス雰囲気を必要とする。ほんのわずかな酸素の管内への侵入は、金属を酸化する代わりに、粉体によって消費される。
【００４１】
この記述された説明は、最良の形態を含む本発明を開示するために、並びに任意のデバイスまたはシステムを作製および使用し、および任意の組み込まれた方法を実行することを含む本発明を当業者が実施できるようにするために実施例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に思い付く他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言葉と異ならない構造要素を含む場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言葉と十分に相違していない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。
【符号の説明】
【００４２】
１０  光ファイバケーブル
１２  金属被覆光ファイバ
１４  管
１５  内面
１６  ゲル
１８  コア
２０  クラッド
２２  金属被覆
２３  外面
１１０  光ファイバケーブル
１２４  粉体被覆
１２６  粉体被覆
２０２  粉体フィーダ
２０４  金属材料のテープ
２０６  溶接点
【図１】
2018530784.tif 000003
【図２】
2018530784.tif 000004
【図３】
2018530784.tif 000005
【図４】
2018530784.tif 000006
【図５】
2018530784.tif 000007
【図６】
2018530784.tif 000008
【国際調査報告】
2018530784.tif 000009
2018530784.tif 000010