用于光纤的选择性感光作用的方法技术

一种用于提高光纤的一个经选择部分的感光作用和在光纤的一个经选择部分中制造光栅的方法。此方法包括将光纤的经选择的部分置于氢气氛中。只包围此光纤经选择部分的氢气氛的容积立即加热至温度至少为２５０℃。只有光纤的经选择部分暴露于加热的温度至少为２５０℃的氢气氛的容积中一段预定的时间。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及用于选择性地增强光纤的经选择的部分的感光性的设备和方法。更具体地说，本专利技术包括一种用于快速将氢或氘扩散进二氧化硅玻璃以增强该玻璃材料，具体地说是增强光纤的感光性的设备。在一个具体实施例中，本专利技术的设备被应用在一个制造布拉格光栅的在线系统中。光纤和光纤设备广泛用于信号传输和处理各种应用。以光纤为基础的设备是目前不断发展的高容量光学通讯基础设施中的极其重要的元件。很多这样的设备依赖于光纤布拉格光栅(FBG)进行光的传播。FBG是在波导的光引导区域中折射率沿其长度有周期性，非周期性或拟周期性变化的光纤。在光纤中产生这种折射率扰动的能力是制造FBG，进而制造许多光学元件(诸如光学传感器)波长选择以及色散补偿器所必须的。光栅通常通过感光性的现象被写入光纤。感光性定义为玻璃的折射率随玻璃结构的光化辐射诱导的改变而发生变化的效应。术语“光化辐射”包括可见光，UV，IR辐射以及在玻璃中诱导折射率变化的其他形式的辐射。当用同样传播的辐射剂量在其中诱导出更大的折射率变化时，该特定的玻璃就认为比其他的玻璃更有感光性。玻璃的感光性水平确定了在玻璃中怎样大的折射率变化可被诱导出来，以及因此而对可以被实际制造出来的光栅设备作出限制。感光性也影响了在玻璃中用给定的辐射强度可以诱导出所需要的折射率变化的速度。通过提高玻璃的感光性，可以在玻璃中以更快的速度诱导更大的折射率扰动。作为高品质光纤的主要成分的二氧化硅基玻璃的固有感光性不是很高。通常用标准的掺锗光纤只可能有约10-5的折射率变化。但是，已经观察到，通过在用光化辐射照射玻璃前对玻璃掺以分子氢可以明显提高玻璃的感光性。在一定的温度和压力下将掺Ge二氧化硅光纤暴露于氢或氘的气氛下可使光纤具有感光性。在经氢处理的二氧化硅光纤中已经显示出10-2那样大的折射率变化。先前的参考材料都强调了对于进行这样的掺氢处理的温度的上限。例如，美国专利5235659和5287427讨论了用于将波导的至少一部分在最大250℃的温度下暴露于H2的方法(部分压力大于1大气压(14.7psi))，这样照射可以导致至少10-5的标准化的折射率变化。作为上述5235659专利的部分继续的美国专利5500031叙述了在14-11000psi范围内的压力以及在21℃到150℃范围内的温度下将玻璃暴露到氢或氘的方法。在这些参考材料中的参数对于向光纤掺氢或许是典型的。5500031，5235659以及5287427专利的参考材料指出了对于温度超过250℃或甚至是超过150℃的掺氢方法的问题。在披露的内容中5235659专利指出，不谈更高的温度，在高温下“通常的聚合物光纤涂层将被破坏或严重损坏”(第1栏，第51-54行)。该专利还强调这样的事实，“先有技术的高温灵敏化处理经常要增加光纤的光学损耗和/或可能削弱光纤”(第1栏，第54-56行)。最后，5235659专利通过叙述指出其本身和先有技术的不同在于，高温处理包括了“不同于”低温处理包括的“物理机制”。例如，美国专利5235659明确地指出应该用“最高250℃”的温度。已经观察到，在更高的温度下，在正常环境下保护玻璃免受有害的化学反应的聚合物涂层(通常是丙烯酸酯)将被降解或氧化(燃烧)。已经降解或氧化并失去其保护价值的涂层必须被去除和更换，这是一个困难和昂贵的过程。没有涂覆的光纤易碎，在处理时需特别小心。当前通过工业生产写入的大部分光栅包括约5cm(2英寸或更小)的光纤长度，取决于被写入的光栅的类型。通常，已经被指出的是，将全部长度的光纤放入一个含有在一定温度和压力下的氢或氘气氛的容器中。光栅制造工艺通常具有这样的第一过程，将光纤卷轴放入含氢或氘的容器中，将该容器放入炉子中，使全部光纤涂覆上聚合物的涂层。为了用常规的氢化方法(约1ppm)在光纤中达到需要的氢化水平，通常将光纤暴露到氢气氛中几天，有些情况下要暴露几星期。示范的暴露作为典型的报告有600小时(25天)，21℃，738atm或13天，21℃，208atm。很明显，这样长的暴露延长了制造依赖于感光玻璃的光学设备需要的时间。因为传统光纤氢化所需要的长持续时间，在高产量生产环境下就需要几个压力容器以增加产量和避免时间的闲置。这些容器的安全安装代价高昂并产生严重的不测事件的潜在问题，尤其是包括多个带有分离的控制阀和气体提供气罐时更是这样。虽然安装多个容器可提高产量，氢化过程还是妨碍了光栅制造的时间周期，因此新产品以及特殊产品的开发时间可能受到严重损害。一旦该长度的光纤被掺以氢，涂层要被从光栅将被写入的区域剥离(机械的，化学的或其他的手段)。然后技术人员用光化辐射源个别地写每个光栅。然后光纤通过再次加热而被退火以降低光栅的降解曲线。然后光纤被剥离的部分被重新涂覆。传统的布拉格光栅的制造过程既慢又不能使其大量生产。传统的掺氢技术需要使全部长度的光纤经受掺氢和加热的周期。需要暴露全部光纤可能在光纤上导致光学效应，并限制了可以被使用的诸如光纤涂层的材料。在高温下掺氢的一个负面效应是可能增加光纤的光学损耗特性。而且高温加热周期可能恶化光纤的涂层。因此，一直存在着对于工艺的需要且对于实现经得起更高速度的批量制造的考验和减少对光学媒介有害影响的机器设备的需要。专利技术概述本专利技术致力于用于选择性地只将光纤的经选择的部分暴露于氢气氛的掺氢工艺的设备和方法。该设备包括一个掺氢腔，该掺氢腔至少将光纤的被选择部分包封在内并包含氢气的气氛。掺氢腔包括一个加热元件，该加热元件局部地加热包围经选择的部分的氢气氛。在高温实施例中，加热元件将氢气氛加热到至少250℃的温度。此外，掺氢腔可以是一个压力腔，该压力腔能保持一个经加压的气氛。在一个具体实施例中，掺氢腔被设计成能保持直至3000psi的压力。经选择的部分可以是连续长度的光纤的一个中间部分，掺氢腔仅将连续光纤的经选择的部分包封在内。在一个示范的实施例中，掺氢腔包括一个管状容器，该管状容器仅将光纤的经选择的部分同轴地包围在内。位于管状容器两端的气体密封件保持管内的氢气氛，同时允许连续长度的光纤通过。气体密封件也可以附接到光纤的经选择部分的端部，因此当光纤就位时管状容器被密封。在另一个实施例中，掺氢腔包括一个包封全部光纤的容器。该容器可以还包括一个卷轴到卷轴的配置，其中连续长度的光纤的端部被绕在侧向隔开的卷轴上，经选择的部分被悬挂在中间。在光纤被保持在卷轴到卷轴的配置的地方，加热区域可以位于光纤的中间部分。在另一个实施例中，设备包括一个第一和一个第二夹持容器块。该容器块具有当容器块被夹在一起时限定掺氢腔的贮器。光纤位于容器块之间，容器块在将被掺氢的光纤的经选择的部分周围关闭。弹性体的可重新密闭的密封件可被用于夹住经选择部分的两端并且保持气体气氛。或者，至少一个适合于帮助在掺氢腔中保持气体气氛的压力密封件可被实体性地附着到光纤上。弹性体可以是一种可固化弹性体。压力密封件可以位于光纤的经选择部分和非经选择部分之间的边界线上，和/或在冷却区域的两端。气体进口以及排气线可以在掺氢腔中注入以及排放氢气氛。预加热腔可以被用来在氢气氛被引入掺氢腔之前加热氢气氛。具体的实施例包括沿相邻于光纤的经选择部分的部分冷却或散热的冷却区域。一个冷却装置可以调节冷却区域的温度。在一个实施例中，冷却本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在光纤的所选部分制作光栅的方法，其特征在于，该方法包括步骤：ａ）在氢气氛中放置光纤的所选部分；ｂ）只将包围光纤所选部分的氢气氛迅速地加热到至少２５０℃的温度；并ｃ）在至少２５０℃的温度下，只将光纤所选部分暴露到氢 气氛中一段预定的时间。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JB卡彭特，JP斯台德曼，JR白兰德，G维甘德，NA斯塔西，AW加迪卡，DE艾尔德，JF布里南三世，BJ克朗克，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]