特表 2024-534199 クラッド内バリア層を含む光ファイバ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-09-18

(54)【発明の名称】クラッド内バリア層を含む光ファイバ

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/036 20060101AFI20240910BHJP

   G02B 6/02 20060101ALI20240910BHJP

【ＦＩ】

G02B6/036 501

G02B6/02 376B

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024513456

(86)(22)【出願日】2022-08-29

(85)【翻訳文提出日】2024-04-24

(86)【国際出願番号】 US2022041937

(87)【国際公開番号】W WO2023034237

(87)【国際公開日】2023-03-09

(31)【優先権主張番号】63/238,600

(32)【優先日】2021-08-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】509094034

【氏名又は名称】オーエフエス ファイテル，エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100094112

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 讓

(74)【代理人】

【識別番号】100106183

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 弘司

(74)【代理人】

【識別番号】100114915

【弁理士】

【氏名又は名称】三村 治彦

(74)【代理人】

【識別番号】100125139

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 洋

(74)【代理人】

【識別番号】100209808

【弁理士】

【氏名又は名称】三宅 高志

(72)【発明者】

【氏名】クレンプ，トリスタン

(72)【発明者】

【氏名】リ，ジエ

(72)【発明者】

【氏名】ルオ，ジアウェイ

(72)【発明者】

【氏名】ストロフ，アンドレイ，エー．

【テーマコード（参考）】

2H250

【Ｆターム（参考）】

2H250AB03

2H250AB05

2H250AB66

2H250AD01

2H250AD08

2H250AD13

2H250AD17

2H250AH38

(57)【要約】

水素拡散バリアは、光ファイバ構造内のクラッド内層（すなわち「リング」）として含まれる。水素拡散バリアリングはアルミナ（または他のガラス酸化物）で構成されてもよく、光ファイバの中心コア領域に対して最適な位置でファイバクラッド内に配置される。バリアリングの厚さは、水素透過性などの特性を制御するために、製造プロセスによって制御されてもよい。他のアルカリおよびアルカリ土類金属酸化物は、バリアリングの組成に含まれてもよく、ファイバ製造プロセスでの結晶形成を防止するのに有用である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

中心Ｃおよび半径Ｒ_ｃｏｒｅを有すると定義される光コア領域と、
シリカ材料を含み、光コア領域を囲む内側クラッド層と、
前記内側クラッド層を囲むとともに、前記光コア領域の中心から距離Ｒ_１に配置された内側半径および前記光コア領域の中心から距離Ｒ_２（＞Ｒ_１）に配置された外側半径を有し、シリカより高い密度を有する酸化物材料を含むシリケートガラスを含む、バリアリングと、
前記バリアリングを囲む外側クラッド層とを、
備えることを特徴とする光ファイバ。

【請求項2】

前記バリアリングは、前記光コア領域の前記中心Ｃへの水素拡散性を低下させるのに十分な濃度の酸化物材料を含むシリケートガラス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】

Ｒ_１は約１０μｍから約６０μｍまでの値を示すことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ。

【請求項4】

前記バリアリングは、ＵＶ照射に対して透明な材料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5】

前記バリアリングに含まれる前記酸化物材料は、少なくとも酸化アルミニウム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6】

前記バリアリングの組成は、ゼロでない濃度のアルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ。

【請求項7】

前記バリアリングは、前記バリアリングと前記外側クラッド層との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）に差を生じさせるのに十分な前記酸化物材料の濃度を含むことにより、前記外側クラッド層をファイバ線引後に圧縮状態に維持す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8】

前記バリアリングの前記ＣＴＥは、少なくとも－４０°Ｃから＋８５°Ｃまでの温度範囲にわたって前記光ファイバの機械的信頼性を提供するのに十分であることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバ。

【請求項9】

前記バリアリングの前記ＣＴＥが、＋３００°Ｃを超える温度において前記光ファイバの機械的信頼性を提供するのに十分であることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバ。

【請求項10】

前記バリアリングは、クラッド材料によって分離された複数の層を含み、各層は、所定の濃度の前記酸化物材料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11】

前記バリアリングは、Ｒ_１からＲ_２までの均一な前記酸化物材料の濃度を示すことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。

【請求項12】

前記バリアリングは、Ｒ_１からＲ_２までの放射状に変化する前記酸化物材料の濃度を示すことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。

【請求項13】

前記酸化アルミニウムの濃度は、約２０モル％までの非ゼロ量であることを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ。

【請求項14】

選択される前記アルカリ金属酸化物は、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、およびＫ_２Ｏからなる群から選択される１つであり、
前記アルカリ土類金属酸化物は、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびＢａＯからなる群から選択される１つであることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバ。

【請求項15】

前記光ファイバは、マルチモードファイバであり、前記光コア領域は、グレーデッドインデックスゲルマニウム添加シリカ材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［関連出願の参照］
本出願は、米国仮出願６３／２３８，６００（２０２１年８月３０日）の利益を主張し、参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本発明は、概して、光ファイバ設計の分野に関し、より詳細には、クラッド内バリアリングを組み込んで、例えば、光ファイバのコア領域に向かう水素の拡散を制限するとともに、ファイバの機械的および熱的特性を改善する構成に関する。

【背景技術】

【0003】

光ファイバベースのセンサは、石油およびガス生産における分散型ファイバ光センシング（例えば、環境条件に関する情報を提供する「ダウンホール」センサとして）のような様々な過酷な環境用途のために広く使用される技術でとなっている。したがって、光ファイバは、特に長期間にわたって過酷な環境にさらされる場合に、減衰および機械的強度などのパラメータの著しい劣化なしにその機能を実行することが不可欠である。多数の過酷な環境用途における１つの問題は、光ファイバの性能に対する水素侵入の影響である。

【0004】

光ファイバのコア領域への水素分子の侵入は、様々な波長で水素誘起損失をもたらすことが知られており、最も顕著な吸収ピークは１２４０ｎｍ付近に中心がある。実際、水素拡散は、上述の過酷な環境センシング用途にとって周知の問題であった。分子状水素誘起ピークの重要な特徴はその可逆性であり、すなわち、水素分子がファイバから拡散すると、ピークは減少し、おそらく消失さえする。

【0005】

そのような分子状水素の外方拡散は、いくつかの改善をもたらすことができるが、これらの過酷な環境用途における別の損失メカニズムは、典型的な高温条件に関する。特に、充分な熱エネルギーが利用可能である場合、ＯＨ基の形成は、水素および酸素反応の生成物として生じ得、この場合、約１３８０ｎｍで不可逆的な吸収ピークを生成する。

【0006】

現在の解決策は、炭素コーティングが使用される、線引中にファイバ上に外側コーティングを形成することを含む。しかしながら、水素拡散バリアとしての有効性は、１５０°Ｃ未満の温度に限定される。水素誘起減衰を軽減するために、線引のままの光ファイバを重水素に富む環境に曝すことができ、重水素との反応は、Ｏ－Ｈ基よりも低い周波数で光を吸収するＯ－Ｄ基の発生をもたらす。したがって、消費された反応部位は、Ｈ_２とのさらなる相互作用にあまり利用可能でなくなる。しかしながら、Ｈ－Ｄ交換は重水素不動態化の利益を減少させる。さらに、重水素不働態化は、使用可能な帯域幅の短波長端の変動、または格子間Ｈ_２減衰の存在を妨げず、これは、その使用を非常に特定の場合に限定される。

【発明の概要】

【0007】

上述の必要性は、光ファイバ設計の分野に関し、より詳細には、光ファイバのコア領域に向かう水素の拡散を制限する構成に関する本発明によって対処される。

【0008】

本発明の原理によれば、水素拡散バリアをクラッド内層（すなわち、「リング」）としてファイバ構造内に含むことが提案される。以下では時々「バリアリング」と呼ばれるが、クラッド内層は、好ましくはアルミナを含み、光ファイバの中心コア領域に対して最適な位置でファイバクラッド内に配置される。バリアリングの厚さはまた、水素透過性などの特性を制御するために製造プロセスによって制御されてもよい。他のアルカリおよびアルカリ土類金属酸化物がバリアリングの組成に含まれてもよく、ファイバ製造プロセス中の結晶形成を防止するのに有用である。

【0009】

アルミナは、（従来のシリカクラッド材料の２．１９ｇ／ｃｍ^３の密度と比較して）３．９８ｇ／ｃｍ^３のオーダーの密度を有する、クラッド層を形成するために使用される従来のシリカ材料よりも高い密度を示すので、バリアの好ましい成分である。アルミナはまた、シリカよりも低い不純物多孔性（約４％低い）および低い水素透過性を示す。形成において、バリアリングは、典型的には、最大２０モル％のアルミナを含有するシリケートガラス組成物（ゼロではない量のアルミナを含有する組成物）である。

【0010】

クラッド層に対する熱膨張係数（ＣＴＥ）の差などのバリアリングの他の特性は、高温（例えば、３００°Ｃ超）での光ファイバの機械的強度および疲労特性を改善することが見出されている。例えば、ＣＴＥの差は、ファイバの外側クラッド層をファイバ線引後に圧縮状態に維持させ、機械的に安定したファイバを提供する。バリアリングの存在はまた、外側クラッド内の亀裂の伝播を排除しないまでも低減し、したがってファイバのコア領域がこれらの機械的欠陥の存在によって影響を受けるのを防止するように機能し得る。本発明の原理によるバリアリングの包含は、広い温度範囲（例えば、－４０°Ｃ未満から＋８５°Ｃを超える範囲にわたる）にわたって熱安定性を維持する光ファイバを提供することも見出されており、熱安定性は、モード安定性（例えば、減衰、分散など）と機械的信頼性の両方を促進することが知られている。上述のように、このタイプのファイバがダウンホールセンシング用途に使用される場合、この過酷な環境におけるモード特性および物理的特性の安定性は極めて重要である。

【0011】

有利には、アルミナ添加シリカ材料はＵＶ透過性であり、ファイバコア領域内のブラッグ格子（Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ）または長周期格子などのＵＶ誘起構造の形成に関連する製造ステップに影響を及ぼさない。関心のある他の波長範囲（例えばＩＲ）内の透明性は、特定の用途に有用であり得る。本発明の目的のために、特定の波長における透明性は、１００％の透明性を必要としないが、刻印ビームが通過し、ファイバのコアに沿って格子の書き込みを行うことを可能にするのに充分な値である。

【0012】

本発明の例示的な実施形態は、光コア領域と、内側クラッド層と、内側クラッドを取り囲むバリアリングと、バリアリングを取り囲む外側クラッド層とを備える光ファイバの形態をとることができる。バリアリングの内縁は、光学コア領域の中心から距離Ｒ_１で配置され、その外径は、所望の断面積を提供する距離Ｒ_２（＞Ｒ_１）に配置される。バリアリングは、シリカよりも密度の高い酸化物材料を含むシリケートガラスで形成される。

【0013】

特定の実施形態は、バリアリングが光コア領域の中心に向かう水素の拡散率を低減するように特に構成される光ファイバとして定義され得る。好適な水素拡散バリアリングは、定義されたレベルの拡散率低減を達成するように選択された濃度の酸化アルミニウムを含むシリケートガラスを含み得る。

【0014】

本発明の他の実施形態およびさらなる実施形態は、以下の議論の過程において、および関連する図面を参照することによって明らかになるであろう。

【0015】

ここで図面を参照すると、いくつかの図において、同様の数字は同様の部分を表す。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の原理に従ってバリアリングを含むように形成された例示的な光ファイバの断面を示す。

【図2】バリアリングの配置およびバリアリングとして使用されるように選択された材料の拡散係数を含む要因に基づく、ファイバのコア領域への水素拡散の差を示すプロットである。

【図3】リングの厚さの関数としてバリアリングに侵入する伝搬光パワーフラクションを示すグラフである。

【図4】バリアリングの配置とその断面積との関係を、ファイバ断面積と比較して示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１は、クラッド内バリアリングを含むように本発明の原理に従って形成された例示的な光ファイバ１０の切欠側面図である。図示のように、光ファイバ１０は、内側クラッド層１４によって囲まれたコア領域１２を含む。バリアリング１６は、内側クラッド層１４を取り囲む層として形成されるように示され、外側クラッド層１８はバリアリング１６を取り囲むように形成される。保護コーティング２０は、外側クラッド層１８を取り囲むものとして示されている。この図には示されていないが、完全なファイバ設計は、その最終形態において追加のコーティングおよびジャケット層をさらに含み得ることを理解されたい。コア領域１２は、シリカ、又は特定の導波用途に有用な添加シリカ（Ｇｅ添加ＳｉＯ２は１つの可能な選択である）を含み得る。内側クラッド層１４および外側クラッド層１８は、一般に、「シリカ」とも呼ばれる二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を含む。バリアリング１６は、好ましくは、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を含有するシリケートガラスであり、おそらく、比較的高濃度のＡｌ_２Ｏ_３を有する高品質ガラスの形成を支援するために含まれ得る追加のガラス系酸化物（例えば、上記のアルカリおよびアルカリ金属酸化物）である。

【0018】

以下で詳細に論じるように、本発明の態様は、光ファイバ１０の導波コア領域１２への水素の内方拡散を遅らせるバリアリング１６の能力である。水素の内方拡散を遅くすることに関してバリアリング１６の有効構成を決定するのに有用なパラメータは、コア半径（Ｒ_ｃｏｒｅ）、バリアリング１６の内側半径（Ｒ_１）、およびバリアリング１６の外側半径（Ｒ_２）として図１に示される。したがって、バリアリング１６の断面積（ＣＳＡ）は、以下によって定義される。

【数1】

比較的高濃度の酸化アルミニウム（例えば、非ゼロ濃度の酸化アルミニウム、最大約２０モル％のＡｌ_２Ｏ_３である）を含有するシリケートガラスは、主にその物理的特性の結果として、特にその高密度、低いイオン多孔性、および低い水素透過性（全て純粋なシリカの特性と比較して）の点で、好ましい水素拡散バリア材料である。バリアリング１６の１つの例示的な組成は、非ゼロ濃度の酸化アルミニウム、最大約２０モル％のＡｌ_２Ｏ_３（例えば）、および追加の２５モル％のアルカリ金属酸化物（例えば、Ｎａ_２ＯまたはＫ_２Ｏ）またはアルカリ土類金属酸化物（例えば、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ）を有するシリケートガラスを含み得る。２０モル％のＡｌ_２Ｏ_３は、使用され得る実際の濃度に対する制限と見なされるべきではない。むしろ、２０モル％は、光ファイバ１０のコア領域１２に沿って伝搬する光信号のモード特性を乱し得る高屈折率（Ａｌ_２Ｏ_３の含有に関連する）を示すことなく、水素拡散率を低減する所望の効果を提供する許容可能なレベルであることが見出されている。少なくとも光学プリフォーム製造プロセスの能力、シリケートガラスに含まれる追加の金属酸化物の組み合わせなどに基づいて、Ａｌ_２Ｏ_３の他の濃度を使用することができると考えられる。

【0019】

クラッド層を形成するためのシリカ（ＳｉＯ_２）ガラスの使用に対するＡｌ_２Ｏ_３（および上記の他の金属酸化物）のより高い密度およびより小さいイオン多孔性は、分子状水素（ならびに水素イオン）の移動を妨げ、より低い水素透過性をもたらすことが見出されている。高いＡｌ_２Ｏ_３濃度を含有するシリケートガラスにおいても同様の挙動が起こることが分かっている。例えば、例示的なアルミナ系バリアリングの密度は、純粋なシリカガラスよりも１１％まで高くてもよく、同じ材料のイオン多孔性は、純粋なシリカガラスよりも４％低くてもよい。バリアリング自体は、標準的なシリカクラッド材料の水素透過性よりも約４桁低い水素透過性を有し得る。

【0020】

コアに対するバリアリングの配置に関して、リングの所与のＣＳＡに対して、リングによって提供される水素拡散率の低減は、リングがコアにより近く位置付けられるにつれて増加することが見出されている。１つのシミュレーションにおいて、Ｒ_１（図１参照）の位置を５０μｍから１５μｍに（バリアリングのＣＳＡおよびファイバ直径を同じに維持しながら）シフトさせると、水素拡散時間が２倍減少することが分かった。約１０μｍまたは約６０μｍまでの低いＲ_１の値は、選択肢の１つである。しかしながら、コアのモードガイド特性がバリアリング中のかなりのアルミナ含有量の比較的高い屈折率特性によって影響を受けないように、コアの外縁（図１にＲ_ｃｏｒｅとして示す）とバリアリングとの間に間隔ギャップが必要であることを理解されたい。すなわち、伝搬モードの光場閉じ込めを維持するために、コア領域１２を取り囲むために、内側クラッド層１４のある程度の厚さが必要である。

【0021】

バリアリングの全体的な特性は、主として、ファイバを通ってコア領域への（望ましくない）水素の拡散速度を制御することに関連する。Ｈ_２透過性、バリア材料の拡散速度、コアに対するバリア開始半径および終了半径、ならびにバリアリングのＣＳＡは、バリアリングの重要な設計因子であると考えられる。環境中のＨ_２が理論的分析においてファイバコアに到達するための全体的な拡散時間は、バリアリングの有効性を説明するのに有用であると考えられる。

【0022】

Ｈ_２透過性（または拡散速度）はまた、環境Ｈ_２がファイバコアと相互作用するのを防止する上で重要な役割を果たす。例えば、所与のバリアリングの同じ物理的特性について、Ｈ_２拡散時間は、拡散速度が１０００倍低い場合の８０倍の遅延と比較して、バリアリング材料の拡散速度が１０倍低い場合に２倍の遅延を受けることができる。シリカとバリアリングとの間のＨ_２透過性の差は、バリアリング材料（例えば、バリアリングのシリケートガラスに含まれるＡｌ_２Ｏ_３のモル％である）の作用として約２～５桁で変動し得る。

【0023】

バリア材料の位置およびＣＳＡは、ファイバ幾何学形状および導波路設計における実世界の制限により、Ｈ_２拡散時間を増加させる際に二次的役割を果たすと推定される。所与のバリア材料およびＣＳＡについて、バリアリングをコアに近づけることによって、Ｈ_２拡散時間を３倍まで増加させることができる。

【0024】

図２は、本発明のこの態様を示すプロットのセットを含む。特に、図２は、時間（時間で測定）の関数としてコア領域１２の中心における相対水素濃度をグラフ化している。プロットＩは、バリアリングを含まない従来技術の従来のファイバに関連する。プロットＩＩ、ＩＩＩ、およびＩＶは、コア領域１２の中心からの分離（バリアリング１６の内側半径位置Ｒ_１によって定義される）およびバリアリングの拡散係数Ｄ（バリアリング内のＡｌ_２Ｏ_３の濃度の既知の関数）の両方に関して、バリアリング１６の異なる構成に関連する。

【0025】

予想通り、Ａｌ_２Ｏ_３濃度の増加（すなわち、拡散係数Ｄの低下）は、コア領域１２へのＨ_２の拡散を遅らせることが見出されている。定量的には、従来技術のプロットＩと比較して、値Ｄ＝７．３×１０^－１６ｍ^２／ｓ（標準シリカより１００倍低い）を有するバリアリング１６は、正確なリング位置に応じて、拡散時間を１桁以上増加させる。特に、プロットＩＩは、バリアリング１６がコア領域１２から比較的離れて位置する（Ｒ_１＝５０μｍ）場合のＨ_２拡散を、バリアリング１６がコア領域１２により近く位置する（Ｒ_１＝１５μｍ）場合のプロットＩＩＩと比較して示す。ここで示されるデータは、バリアリング１６をコア領域１２に比較的近接して配置すること（プロットＩＩＩ）が、コア内のＨ_２濃度があるレベルに達するまでの時間を延長するという結論につながる。また、内側半径Ｒ_１を５０μｍから１５μｍに減少させると、拡散係数（Ｄ）の値を７．３×１０^－１６ｍ^２／ｓから３．０×１０^－１６ｍ^２／ｓに減少させるよりも水素拡散の初期段階を阻止するのに効率的な構成が得られるという事実にも興味深い。これは、プロットＩＩＩに示される結果をプロットＩＶの結果と比較することによって明らかである。したがって、固定されたＤおよびＣＳＡを有する設計を仮定すると、本発明の好ましい実施形態は、コア領域１２を通って伝搬する信号の光学モードを損なうことなく、バリアリング１６を可能な限りコア領域１２の近くに配置するべきである。上述のように、約１０μｍから約６０μｍ以上のオーダーのＲ_１の値も使用することができる。

【0026】

クラッド内バリアリングを含むことの利点を要約すると、リングをできるだけ厚くし、非拡散性にすると最適な結果が得られる。また、（伝搬モードに干渉することなく）できるだけコアの近くにリングを配置することは、水素がコア領域に到達するのを防止するという点で最適な結果を提供する。拡散バリアとしての改善の研究は、Ｈ_２／Ｄ_２の所定の濃度（Ｃ_{ｏｕｔｅｒ}）がコア領域１２の中心Ｃに到達するのにかかる時間を測定することによって行うことができる。バリアリングのない従来のファイバでは、外径Ｒ_{ｏｕｔｅｒ}＝６２．５μｍにおいて、コア１２の中心が、それぞれ５％レベルの濃度Ｃ_{ｏｕｔｅｒ}までＴ_５％＝１．０３時間を要する。周囲のクラッドよりも１０倍大きい拡散定数を示すようにバリアリング１６を形成することは、Ｔ_５％時間を倍増させることが分かっている。拡散定数を数千倍以上にさらに増加させると、約８５．８時間のＴ_５％値がもたらされる。

【0027】

あるいは、バリアリング材料の拡散定数を変更する代わりに、リング面積を２倍にすることにより、Ｔ_５％値が１０～２２時間の範囲に増加することが見出された。これらのパラメータのすべてを検討する際、バリアリング１６のＣＳＡが固定量として留まる場合、バリアリング１６をできるだけコア領域１２の近くに配置することが最良であり得る。

【0028】

上述のように、バリアリング１６の内側半径Ｒ_１の値およびリング１６の厚さδ（δ＝Ｒ_２－Ｒ_１）は、（コア領域１２に沿って伝搬する光信号に関連する）バリアリング１６内の許容可能な光場の存在によって制限される。図３は、異なるδの値のバリアリング内の基本モードＬＰ０１パワーフラクションを示すグラフであり、所与の厚さδ内のＬＰ０１パワーフラクション（ｐｏｗｅｒ ｆｒａｃｔｉｏｎ）は、半径方向位置ｒにおける基本モードの複素値電場Ｅ（ｒ）の弾性率｜Ｅ（ｒ）｜に基づいて、以下のように定義される。

【数2】

【0029】

図示されるデータは、８．２μｍのコア直径およびクラッドの屈折率より高い０．００５２であるコア屈折率を有する従来のステップインデックスシングルモードファイバ（ＳＭＦ）と関連付けられる。表示されたデータを検討する際に、バリアリング１６における１０^－５の相対電力限界が所望される場合、バリアリングは、コアの中心から約２０μｍに位置するべきである。δ＝２μｍとδ＝２０μｍとの間の層厚では、バリアリング内に存在するパワーフラクションの変化はごくわずかであることに留意されたい。

【0030】

図４は、コア領域１２の中心Ｃに対するバリアリング位置の関数として、上記で特定されたδの例示的な厚さ値に対するＣＳＡフラクションをプロットする。データは、直径１２５μｍの従来の光ファイバについて開発されたものである。「ＣＳＡフラクション（ＣＳＡ ｆｒａｃｔｉｏｎ）」は、ここでは、バリア層ＣＳＡとファイバ自体の総ＣＳＡとの比として定義される。

【数3】

【0031】

図４のデータは、比較的厚いバリアリングをファイバコアから遠くに配置することは、効果的な水素バリアとして機能するために比例してより高いＣＳＡフラクションを必要とすることを示す。フラクショナルＣＳＡは、δとバリアリング中心半径（Ｒ_１＋Ｒ_２）／２の両方に比例する。

【0032】

バリアリングの物理的特性（すなわち、その厚さ、コアからの距離、およびクラッドの外縁に対する配置）に加えて、Ｈ_２拡散の減速に関するバリアリングの有効性は、バリアリング材料自体の選択によって影響を受ける。したがって、上述のように、アルミナが好ましい選択であるが、アルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物を使用してもよい。後者の場合、特定の用途に重要なバリアリング１６の他の特性を考慮する必要がある。上記で述べられ、以下で詳細に論じられるように、周囲のクラッド層のＣＴＥに対するバリアリングのＣＴＥは、ファイバ線引後に外側層が残留圧縮応力を示すことが望ましい場合に重要であり得る。用途がコア領域内での格子の形成を必要とする場合、ＵＶ（および／またはＩＲ）透明性も重要である。

【0033】

バリアリング１６はまた、追加の利益をもたらす方法でＨ_２と反応するゲッターとして機能することができる。特に、Ｓｉ－ＯおよびＡｌ－Ｏネットワークの両方からの非架橋酸素正孔中心（ＮＢＯＨＣ）欠陥、および（Ｓｉ－Ｏ、Ａｌ－Ｏ、Ｓｉ－Ｆ、Ｓｉ－Ｃｌ、Ａｌ－Ｆ、Ａｌ－Ｃｌなど。）などの歪み結合など、ファイバ線引中にバリアリングに生成される点欠陥がある。これらの点欠陥は、Ｈ_２分子と反応して、不動の－ＯＨ、Ｓｉ－Ｈなどを形成することができる。これらの点欠陥の濃度は、生成されたバリアリングとＨ_２との化学反応性を決定する。上述の結果と同様のシミュレーション結果に基づいて、バリアリングが１２５μｍ直径のシリカファイバにおけるシリカクラッド材料よりも２桁小さいＨ_２拡散率を有する場合、約２２００μｍ^２のリング面積で、Ｈ_２がコア中心で特定の濃度に達するのにかかる時間を１０分の１に短縮することができる。バリアリングが３桁低い拡散率を有する場合（同じ２２００μｍ^２面積を維持しながら）、時間遅延は８０倍増加し得る。

【0034】

本発明の構造のバリアリングは、おそらく異なる材料組成および／またはＣＳＡの隣接層の連続セットの形態をとり得ることを理解されたい。隣接層（多層バリアリングを形成する）の使用は、水素拡散率ならびにファイバの構造特性に影響を及ぼすように制御され得る。

【0035】

バリアおよびゲッターの包括的な効果を最大にするために、バリアリングの化学組成およびファイバ線引条件が重要な役割を果たすことが見出されており、これらの２つの条件の間に固有のトレードオフがあることが理解される。例えば、線引張力を増大させると、欠陥部位の濃度を増大させることができ、同時に、より多孔質な構造によりＨ_２透過性も増大させる。加えて、このクラッド内バリア層を作成するために利用される製造技術は、最終構造の特性に影響を及ぼし得る。有利には、当技術分野で周知の従来の製造プロセスを使用して、バリアリング１６を組み込むことができる（最初にクラッドの生成を中断し、その後クラッド形成プロセスを再開する）。修正化学気相成長（ＭＣＶＤ：ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマ化学気相成長（ＰＣＶＤ：ｐｌａｓｍａ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、気相軸付け成長（ＶＡＤ：ｖａｐｏｒ ａｘｉａｌ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、外部気相成長（ＯＶＤ：ｏｕｔｓｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ゾルゲル（ｓｏｌ ｇｅｌ）、ガラスフリット蒸着（ｇｌａｓｓ ｆｒｉｔ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、または「管内管（ｔｕｂｅ－ｉｎ－ｔｕｂｅ）」プロセスなどであるがこれらに限定されない技法も使用され得る。

【0036】

一実施形態では、バリアリング１６は、典型的には約１０μｍ未満のＲ_ｃｏｒｅの値を有するシングルモードファイバ（ＳＭＦ）の形成に使用することができる。典型的なＳＭＦ設計では、コア領域１２はゲルマニウムドーパントを含む。本発明の教示に従ってバリアリング１６を含むことにより、このようなゲルマニウム添加ＳＭＦは、多くの環境においてこれまで選択肢ではなかった水素含有環境において使用することができる。したがって、クラッド内バリアリングを含むＳＭＦは、従来のＳＭＦよりも改善されたレベルの水素耐性を提供し得、また、純粋なシリカコアファイバよりもコスト競争力があり得る。同様の利益は、バリアリング１６をマルチモードファイバ（ＭＭＦ）構成に組み込むときに見出され得る。

【0037】

さらに本発明の原理によれば、バリアリング１６は、コア領域１２に向かう水素の拡散を遅くすることを越えて、一連の重要な特性を示すように形成することができる。例えば、バリアリング１６は、好ましくは、標準的なライトスループロセスを使用してコア領域１２にブラッグ格子または長周期格子を形成することを可能にするＵＶ（および／またはＩＲ）透明材料で構成される。バリアリング１６はまた、先行技術よりも線引のままのファイバの機械的信頼性を改善し、ファイバ１０の作業可能な温度範囲を増大させるように構成されてもよい（後者は、例えば、ダウンホール感知用途のための重要な特徴である）。これらの重要な特性は、以下のうちの１つまたは複数を含み得る。密度、イオン多孔性、ＣＴＥ、ガラス転移以上の粘弾性挙動、屈折率、およびＵＶ透過性（場合によっては、ＩＲ帯域などの他の波長での透明性も望ましい）。

【0038】

ＣＴＥおよび粘弾性挙動、ならびにファイバ線引条件は、後に線引ファイバ内で「凍結」（すなわち、固定化）される残留応力の生成に影響を及ぼす。バリアリング１６を含むことに起因する圧縮残留応力は、ファイバの強度およびファイバの疲労特性を改善することができる。これは、約３００°Ｃ以上の高温で特に重要であって、化学誘発ガラス腐食が加速される。実際、ファイバ線引後に外側クラッド層１８が圧縮状態に留まることにより、腐食およびファイバ上の表面亀裂の伝播が妨げられ、バリアリング１６は、亀裂伝播ならびに水素拡散に対するバリアと考えられ得る。亀裂形成および伝播の場合、特にリングが引張応力下にある場合、このバリアは必ずしもリング位置と一致しないことがある。

【0039】

過酷な環境内で遭遇し得る高温での本発明の光ファイバの機械的信頼性を評価する際に、その疲労抵抗係数（ｎ値と呼ばれる）はまた、バリアリングの包含に関連するこの圧縮残留応力によって制御され得る。ｎ値は、動的引張強度試験データから導出され、場合によっては、「応力腐食パラメータ」とも呼ばれる。これは、加えられた応力および破損までの時間の測定値から計算される。ｎ値は、特定の環境で応力がかかった場合に、ファイバが破損するまでにかかる時間を予測するためのモデリングに使用される。動的疲労応力腐食係数（ｎ値）の業界最小要件は１８である。この点に関して、動的疲労応力腐食係数は、ガラスファイバのシリカ構造における傷が歪み下でどれだけ速く伝播するかの指標を提供する。本発明のファイバに関して、特定のｎ値は、バリアリング自体の特性の機能であり得る。温度依存性はいくつかの要因によって影響を受け、ｎ＞＞２０の値は、（標準的な従来のｎの値～１８と比較して）高温でのファイバ信頼性を保証するために重要であると考えられる。さらに、一定のｎ値を維持することは、長期間にわたって（特に高温環境において）動作するための要件であると考えられる。この場合、ｎ値は、ガラスコーティング界面の劣化のプロセスおよびバリアリングに関連する応力緩和によって決定される可能性が最も高い。

【0040】

［実施例］
水素拡散のバリアとしてアルミナリングを組み込むことによる改善は、２つの異なるエージング条件のセットの下で、Ｒ_ｃｏｒｅ＝３１．２５μｍおよびＲ_{ｏｕｔｅｒ}＝６２．５μｍを有するマルチモードファイバに関して研究されている。

【0041】

エージング条件の第１のセットは、以下を含む。（１）５％のＨ_２および９５％のＮ_２のフォーミングガスを使用すること。（２）１０００ｐｓｉのガス圧を使用すること。（３）５０°Ｃの周囲温度。（４）２４時間のエージング時間。エージング条件の第２のセットは、（１）、（２）、および（４）について同じ値を使用したが、条件（３）については、より高い１００°Ｃの周囲温度を使用した。

【0042】

【表1】

【0043】

上記の表は、定義された条件の２つのセット下での水素中でのエージング「前」および「後」の条件に対する３つのサンプルファイバの減衰測定（減衰α（単位ｄＢ／ｋｍ））の結果（同じパラメータを有する３つの個々のファイバの組について平均化された結果）を要約する。１２４５ｎｍにおける減衰ピークは、ファイバのコア中に拡散した分子状水素の濃度に起因することが知られているが、１４２０ｎｍの減衰ピークは、ガラスとの水素相互作用の生成物として形成されるファイバコア中のＯＨ基に関連する。

【0044】

エージング条件の第１のセット下で１２４５ｎｍの減衰ピーク（すなわち、分子状水素ピーク）の振幅の最大の減少は表に示され、図３のプロットにおいて３５％として証明され、一方、１４２０ｎｍの減衰ピーク（ＯＨ）に関連する最大値は２５％である。試験ファイバは、最適化された組成のバリアリングを含むように具体的に作製されておらず、依然として先行技術に対して３５％の増加をもたらすことができたことに留意されたい。

【0045】

本明細書で使用される用語および表現は、特定の意味が本明細書で別段示されている場合を除いて、それらの対応するそれぞれの調査および研究領域に関してそのような用語および表現に与えられる通常の意味を有することが理解されるであろう。第１および第２などの関係用語は、単にあるエンティティまたは動作を別のエンティティまたは動作と区別するために使用されてもよく、必ずしもそのようなエンティティまたは動作間の実際のそのような関係または順序を必要とすることも含意することもない。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、またはそれらの任意の他の変形は、非排他的な含有をカバーすることを意図しており、要素またはステップのリストを含むプロセス、方法、物品、または装置が、それらの要素またはステップのみを含むのではなく、明示的に列挙されていない、またはそのようなプロセス、方法、物品、または装置に固有の他の要素またはステップを含み得る。「ａ」または「ａｎ」が先行する要素は、さらなる制約なしに、その要素を含むプロセス、方法、物品、または装置における追加の同一の要素の存在を排除しない。

【0046】

特に明記しない限り、本明細書（以下の特許請求の範囲を含む）に記載される任意のおよび全ての測定値、値、評価、位置、大きさ、サイズ、および他の仕様は、近似であり、正確ではない。そのような量は、それらが関連する機能およびそれらが関連する技術分野において慣習的なものと一致する妥当な範囲を有することが意図される。例えば、他に明示的に述べられていない限り、パラメータ値などは、程度の用語（例えば、およそ、実質的に、または約）によって認定されるか否かにかかわらず、列挙された量から±１０％も変動し得る。

【0047】

本開示は、その例示的な実施形態を参照して説明されている。本開示において開示されるすべての例示的な実施形態および条件付き図は、本開示が関係する技術分野の当業者による本開示の原理および概念の理解を支援する目的で説明されている。したがって、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を変形して実施できることを理解できるであろう。種々の特徴を有する多数の実施形態が本明細書で説明されているが、本明細書で議論されない他の組み合わせにおけるそのような種々の特徴の組み合わせは、本明細書に添付される請求項によって定義されるような実施形態の範囲内であることが考慮される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】