專利名稱：用于光纖的選擇性感光作用的方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于選擇性地增強(qiáng)光纖的經(jīng)選擇的部分的感光性的設(shè)備和方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明包括一種用于快速將氫或氘?dāng)U散進(jìn)二氧化硅玻璃以增強(qiáng)該玻璃材料，具體地說(shuō)是增強(qiáng)光纖的感光性的設(shè)備。在一個(gè)具體實(shí)施例中，本發(fā)明的設(shè)備被應(yīng)用在一個(gè)制造布拉格光柵的在線系統(tǒng)中。
光纖和光纖設(shè)備廣泛用于信號(hào)傳輸和處理各種應(yīng)用。以光纖為基礎(chǔ)的設(shè)備是目前不斷發(fā)展的高容量光學(xué)通訊基礎(chǔ)設(shè)施中的極其重要的元件。很多這樣的設(shè)備依賴于光纖布拉格光柵(FBG)進(jìn)行光的傳播。FBG是在波導(dǎo)的光引導(dǎo)區(qū)域中折射率沿其長(zhǎng)度有周期性，非周期性或擬周期性變化的光纖。在光纖中產(chǎn)生這種折射率擾動(dòng)的能力是制造FBG，進(jìn)而制造許多光學(xué)元件(諸如光學(xué)傳感器)波長(zhǎng)選擇以及色散補(bǔ)償器所必須的。
光柵通常通過(guò)感光性的現(xiàn)象被寫入光纖。感光性定義為玻璃的折射率隨玻璃結(jié)構(gòu)的光化輻射誘導(dǎo)的改變而發(fā)生變化的效應(yīng)。術(shù)語(yǔ)“光化輻射”包括可見(jiàn)光，UV，IR輻射以及在玻璃中誘導(dǎo)折射率變化的其他形式的輻射。當(dāng)用同樣傳播的輻射劑量在其中誘導(dǎo)出更大的折射率變化時(shí)，該特定的玻璃就認(rèn)為比其他的玻璃更有感光性。
玻璃的感光性水平確定了在玻璃中怎樣大的折射率變化可被誘導(dǎo)出來(lái)，以及因此而對(duì)可以被實(shí)際制造出來(lái)的光柵設(shè)備作出限制。感光性也影響了在玻璃中用給定的輻射強(qiáng)度可以誘導(dǎo)出所需要的折射率變化的速度。通過(guò)提高玻璃的感光性，可以在玻璃中以更快的速度誘導(dǎo)更大的折射率擾動(dòng)。
作為高品質(zhì)光纖的主要成分的二氧化硅基玻璃的固有感光性不是很高。通常用標(biāo)準(zhǔn)的摻鍺光纖只可能有約10-5的折射率變化。
但是，已經(jīng)觀察到，通過(guò)在用光化輻射照射玻璃前對(duì)玻璃摻以分子氫可以明顯提高玻璃的感光性。在一定的溫度和壓力下將摻Ge二氧化硅光纖暴露于氫或氘的氣氛下可使光纖具有感光性。在經(jīng)氫處理的二氧化硅光纖中已經(jīng)顯示出10-2那樣大的折射率變化。
先前的參考材料都強(qiáng)調(diào)了對(duì)于進(jìn)行這樣的摻氫處理的溫度的上限。例如，美國(guó)專利5235659和5287427討論了用于將波導(dǎo)的至少一部分在最大250℃的溫度下暴露于H2的方法(部分壓力大于1大氣壓(14.7psi))，這樣照射可以導(dǎo)致至少10-5的標(biāo)準(zhǔn)化的折射率變化。作為上述5235659專利的部分繼續(xù)的美國(guó)專利5500031敘述了在14-11000psi范圍內(nèi)的壓力以及在21℃到150℃范圍內(nèi)的溫度下將玻璃暴露到氫或氘的方法。在這些參考材料中的參數(shù)對(duì)于向光纖摻氫或許是典型的。
5500031，5235659以及5287427專利的參考材料指出了對(duì)于溫度超過(guò)250℃或甚至是超過(guò)150℃的摻氫方法的問(wèn)題。在披露的內(nèi)容中5235659專利指出，不談更高的溫度，在高溫下“通常的聚合物光纖涂層將被破壞或嚴(yán)重?fù)p壞”(第1欄，第51-54行)。該專利還強(qiáng)調(diào)這樣的事實(shí)，“先有技術(shù)的高溫靈敏化處理經(jīng)常要增加光纖的光學(xué)損耗和/或可能削弱光纖”(第1欄，第54-56行)。最后，5235659專利通過(guò)敘述指出其本身和先有技術(shù)的不同在于，高溫處理包括了“不同于”低溫處理包括的“物理機(jī)制”。例如，美國(guó)專利5235659明確地指出應(yīng)該用“最高250℃”的溫度。
已經(jīng)觀察到，在更高的溫度下，在正常環(huán)境下保護(hù)玻璃免受有害的化學(xué)反應(yīng)的聚合物涂層(通常是丙烯酸酯)將被降解或氧化(燃燒)。已經(jīng)降解或氧化并失去其保護(hù)價(jià)值的涂層必須被去除和更換，這是一個(gè)困難和昂貴的過(guò)程。沒(méi)有涂覆的光纖易碎，在處理時(shí)需特別小心。
當(dāng)前通過(guò)工業(yè)生產(chǎn)寫入的大部分光柵包括約5cm(2英寸或更小)的光纖長(zhǎng)度，取決于被寫入的光柵的類型。通常，已經(jīng)被指出的是，將全部長(zhǎng)度的光纖放入一個(gè)含有在一定溫度和壓力下的氫或氘氣氛的容器中。光柵制造工藝通常具有這樣的第一過(guò)程，將光纖卷軸放入含氫或氘的容器中，將該容器放入爐子中，使全部光纖涂覆上聚合物的涂層。
為了用常規(guī)的氫化方法(約1ppm)在光纖中達(dá)到需要的氫化水平，通常將光纖暴露到氫氣氛中幾天，有些情況下要暴露幾星期。示范的暴露作為典型的報(bào)告有600小時(shí)(25天)，21℃，738atm或13天，21℃，208atm。很明顯，這樣長(zhǎng)的暴露延長(zhǎng)了制造依賴于感光玻璃的光學(xué)設(shè)備需要的時(shí)間。因?yàn)閭鹘y(tǒng)光纖氫化所需要的長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間，在高產(chǎn)量生產(chǎn)環(huán)境下就需要幾個(gè)壓力容器以增加產(chǎn)量和避免時(shí)間的閑置。這些容器的安全安裝代價(jià)高昂并產(chǎn)生嚴(yán)重的不測(cè)事件的潛在問(wèn)題，尤其是包括多個(gè)帶有分離的控制閥和氣體提供氣罐時(shí)更是這樣。雖然安裝多個(gè)容器可提高產(chǎn)量，氫化過(guò)程還是妨礙了光柵制造的時(shí)間周期，因此新產(chǎn)品以及特殊產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間可能受到嚴(yán)重?fù)p害。
一旦該長(zhǎng)度的光纖被摻以氫，涂層要被從光柵將被寫入的區(qū)域剝離(機(jī)械的，化學(xué)的或其他的手段)。然后技術(shù)人員用光化輻射源個(gè)別地寫每個(gè)光柵。然后光纖通過(guò)再次加熱而被退火以降低光柵的降解曲線。然后光纖被剝離的部分被重新涂覆。
傳統(tǒng)的布拉格光柵的制造過(guò)程既慢又不能使其大量生產(chǎn)。傳統(tǒng)的摻氫技術(shù)需要使全部長(zhǎng)度的光纖經(jīng)受摻氫和加熱的周期。需要暴露全部光纖可能在光纖上導(dǎo)致光學(xué)效應(yīng)，并限制了可以被使用的諸如光纖涂層的材料。在高溫下?lián)綒涞囊粋€(gè)負(fù)面效應(yīng)是可能增加光纖的光學(xué)損耗特性。而且高溫加熱周期可能惡化光纖的涂層。
因此，一直存在著對(duì)于工藝的需要且對(duì)于實(shí)現(xiàn)經(jīng)得起更高速度的批量制造的考驗(yàn)和減少對(duì)光學(xué)媒介有害影響的機(jī)器設(shè)備的需要。
發(fā)明概述本發(fā)明致力于用于選擇性地只將光纖的經(jīng)選擇的部分暴露于氫氣氛的摻氫工藝的設(shè)備和方法。該設(shè)備包括一個(gè)摻氫腔，該摻氫腔至少將光纖的被選擇部分包封在內(nèi)并包含氫氣的氣氛。摻氫腔包括一個(gè)加熱元件，該加熱元件局部地加熱包圍經(jīng)選擇的部分的氫氣氛。在高溫實(shí)施例中，加熱元件將氫氣氛加熱到至少250℃的溫度。此外，摻氫腔可以是一個(gè)壓力腔，該壓力腔能保持一個(gè)經(jīng)加壓的氣氛。在一個(gè)具體實(shí)施例中，摻氫腔被設(shè)計(jì)成能保持直至3000psi的壓力。
經(jīng)選擇的部分可以是連續(xù)長(zhǎng)度的光纖的一個(gè)中間部分，摻氫腔僅將連續(xù)光纖的經(jīng)選擇的部分包封在內(nèi)。
在一個(gè)示范的實(shí)施例中，摻氫腔包括一個(gè)管狀容器，該管狀容器僅將光纖的經(jīng)選擇的部分同軸地包圍在內(nèi)。位于管狀容器兩端的氣體密封件保持管內(nèi)的氫氣氛，同時(shí)允許連續(xù)長(zhǎng)度的光纖通過(guò)。氣體密封件也可以附接到光纖的經(jīng)選擇部分的端部，因此當(dāng)光纖就位時(shí)管狀容器被密封。在另一個(gè)實(shí)施例中，摻氫腔包括一個(gè)包封全部光纖的容器。該容器可以還包括一個(gè)卷軸到卷軸的配置，其中連續(xù)長(zhǎng)度的光纖的端部被繞在側(cè)向隔開(kāi)的卷軸上，經(jīng)選擇的部分被懸掛在中間。在光纖被保持在卷軸到卷軸的配置的地方，加熱區(qū)域可以位于光纖的中間部分。
在另一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)備包括一個(gè)第一和一個(gè)第二夾持容器塊。該容器塊具有當(dāng)容器塊被夾在一起時(shí)限定摻氫腔的貯器。光纖位于容器塊之間，容器塊在將被摻氫的光纖的經(jīng)選擇的部分周圍關(guān)閉。彈性體的可重新密閉的密封件可被用于夾住經(jīng)選擇部分的兩端并且保持氣體氣氛。或者，至少一個(gè)適合于幫助在摻氫腔中保持氣體氣氛的壓力密封件可被實(shí)體性地附著到光纖上。
彈性體可以是一種可固化彈性體。壓力密封件可以位于光纖的經(jīng)選擇部分和非經(jīng)選擇部分之間的邊界線上，和/或在冷卻區(qū)域的兩端。
氣體進(jìn)口以及排氣線可以在摻氫腔中注入以及排放氫氣氛。預(yù)加熱腔可以被用來(lái)在氫氣氛被引入摻氫腔之前加熱氫氣氛。
具體的實(shí)施例包括沿相鄰于光纖的經(jīng)選擇部分的部分冷卻或散熱的冷卻區(qū)域。一個(gè)冷卻裝置可以調(diào)節(jié)冷卻區(qū)域的溫度。在一個(gè)實(shí)施例中，冷卻管被附接到摻氫腔管的兩端。冷卻管可以包括將冷卻區(qū)域和摻氫腔分開(kāi)的密封件。一個(gè)實(shí)施例還包括一個(gè)使光纖從摻氫腔移動(dòng)到冷卻區(qū)域的機(jī)構(gòu)。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，該機(jī)構(gòu)包括一個(gè)可移動(dòng)的磁鐵以及一個(gè)附接到光纖上的磁性體。
根據(jù)本發(fā)明的用于提高光纖的經(jīng)選擇部分的感光性的方法包括至少將光纖的經(jīng)選擇的部分置于含氫氣氛中的步驟。本說(shuō)明書中的術(shù)語(yǔ)氫氣氛意圖包括各種氣氛，這些氣氛包括H2，D2，氚，或諸如HD的結(jié)合氫的這些同位素的分子。大量的直接僅包圍光纖的經(jīng)選擇部分的含氫氣氛被加熱到至少250℃的溫度。光纖的經(jīng)選擇的部分被暴露到經(jīng)加熱的至少250℃溫度的大量含氫氣氛中一個(gè)預(yù)先確定的時(shí)間。
在該工藝的一個(gè)具體實(shí)施例中，只有光纖的經(jīng)選擇的部分被置于含氫氣氛中。壓力密封件可以位于光纖的經(jīng)選擇的部分和非經(jīng)選擇的部分之間的分界線上。壓力密封件甚至可以實(shí)體附接到光纖上以幫助在摻氫腔中保持氣體氣氛。在一個(gè)具體實(shí)施例中，密封件是可重新密閉的密封件，包括一種彈性體的彈簧夾頭。
光纖的相鄰部分的溫度可以通過(guò)散熱或通過(guò)積極的冷卻受到控制。
暴露步驟以后，該方法可還包括迅速改變包圍在暴露步驟以后的經(jīng)選擇部分的氣氛的步驟。這可以通過(guò)從摻氫腔排放含氫氣氛，或通過(guò)從摻氫腔實(shí)體移去該經(jīng)選擇部分而實(shí)現(xiàn)。
該方法可還包括在預(yù)先確定的時(shí)間以后迅速冷卻光纖的經(jīng)選擇的部分的步驟。這可以通過(guò)例如用冷卻的惰性氣體代替氫氣氛，或通過(guò)實(shí)體地將經(jīng)選擇部分從摻氫腔移進(jìn)冷卻腔來(lái)實(shí)現(xiàn)。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是根據(jù)本發(fā)明的摻氫設(shè)備的第一實(shí)施例的側(cè)立視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的摻氫設(shè)備的第二實(shí)施例的側(cè)立視圖。
圖3是圖1或2描繪的摻氫設(shè)備的實(shí)施例的冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)的示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的摻氫設(shè)備的第三實(shí)施例的側(cè)剖面立視圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的摻氫設(shè)備的第四實(shí)施例的縱向剖面圖。
圖6是圖5描繪的摻氫設(shè)備的加熱器塊和光纖的平面剖面詳圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的摻氫設(shè)備的第五實(shí)施例在打開(kāi)位置的剖面立視圖。
圖8是圖7描繪的設(shè)備在關(guān)閉位置的剖面立視圖。
圖9是圖7描繪的設(shè)備的摻氫腔的詳細(xì)剖面立視圖。
圖10是圖9描繪的摻氫腔的端部的剖面立視圖。
圖11是圖7描繪的摻氫設(shè)備的夾持機(jī)構(gòu)的第一實(shí)施例的剖面立視圖。
圖12是圖7描繪的容器的夾持機(jī)構(gòu)的第二實(shí)施例的剖面立視圖。
圖13是圖7描繪的摻氫設(shè)備的下容器塊的平面頂視圖。
圖14是圖7描繪的容器的夾持/密封機(jī)構(gòu)的第三實(shí)施例的剖面立視圖。
圖15是根據(jù)本發(fā)明的摻氫設(shè)備的第六實(shí)施例的側(cè)剖面圖。
圖16是圖15描繪的設(shè)備在關(guān)閉位置的側(cè)剖面圖。
圖17是圖15描繪的彈簧夾頭的端視和剖面端視圖。
圖18是提高根據(jù)本發(fā)明的用于提高光纖的感光性的方法的順序步驟的圖示說(shuō)明。
發(fā)明的詳細(xì)描述題為“Accelerated Method for Increasing the Photosensitivity of a GlassyMaterial”，申請(qǐng)于2000年7月14日的共同待批共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利申請(qǐng)09/960174敘述了一種在高溫環(huán)境下向光學(xué)媒介摻氫的加速方法，該專利通過(guò)引用被結(jié)合在本文中。該應(yīng)用討論了在氫環(huán)境下光纖被暴露的溫度將怎樣影響包括在氫分子擴(kuò)散進(jìn)光纖的時(shí)間。通常，溫度越高，氫擴(kuò)散進(jìn)玻璃材料(例如光纖)的速率越快。
和相似的光纖比較，在優(yōu)化的條件下，在60℃溫度、3天的情況下?lián)綒涞牡湫偷墓鈻牌焚|(zhì)光纖導(dǎo)致1×10-3的折射率變化。在相似的優(yōu)化條件下，在高溫260℃、10分鐘下?lián)綒涞耐瑯拥墓饫w顯示出4×10-4的折射率變化。
但是，在高溫下加熱全部光纖會(huì)有影響光纖的(特別對(duì)于具有提升溫度時(shí)易受損壞的涂層的光纖)物理完整和光纖的光學(xué)性能的潛在問(wèn)題。而且，加熱全部光纖也對(duì)于光纖處理和溫度的提升控制提出了挑戰(zhàn)。
本發(fā)明僅將氫和/或氘只摻入光纖的光柵將要寫入的以及需要更高的感光性的特定部分。在具體的實(shí)施例中，摻氫在高溫(＞250℃)和/或高壓下進(jìn)行，高溫和高壓加速了摻氫的過(guò)程，并允許設(shè)備用作在線工藝線中的一級(jí)。
光纖的其余部分不加熱。光纖的相鄰部分甚至可以附接到散熱器或散熱槽或被冷卻以保持一個(gè)更冷的溫度。這對(duì)涂層在高溫下會(huì)降解的光纖特別有用。
圖1和2說(shuō)明了選擇性摻氫容器的第一實(shí)施例100和第二實(shí)施例200。選擇性摻氫容器包括下列元件1)一個(gè)受控壓力和溫度腔，該腔能經(jīng)受高溫(＞250℃)和高壓，經(jīng)選擇的特定長(zhǎng)度的光纖可在此摻以氫或氘；2)用于容納高壓氣體(例如幾百大氣壓的氫氣或氘氣)的完整結(jié)構(gòu)體；3)用于引入和排放高壓氣體的輸入和輸出口；4)和用于安全地向容器安裝和從容器拆卸光纖的機(jī)構(gòu)。如下文所述，在這些實(shí)施例中相似的元件通常用相同的后兩位數(shù)字表示。
容器100和200是對(duì)稱的，每個(gè)都包括一個(gè)中心加熱管或有兩個(gè)第一端和一個(gè)第二端的摻氫腔102和202。在所述實(shí)施例中，兩個(gè)管狀容器都由標(biāo)準(zhǔn)的高壓氣體提供管構(gòu)成。這樣的管件都可購(gòu)買到并由不銹鋼316制成。
加熱管102和202分別由加熱器塊110和210包圍。具體的加熱器塊110和210由鋁或其他傳熱材料制成。加熱器塊110和210被設(shè)計(jì)成夾在大或小直徑的加熱管容器102和202的中心部分的外徑上。加熱器塊110和210容納多個(gè)電加熱器筒112和212，這些加熱器通過(guò)可編程邏輯控制系統(tǒng)114和214控制，諸如由Watlow，of St.Louis，Mssouri設(shè)計(jì)和制造的自動(dòng)調(diào)整功率控制系統(tǒng)。替代的實(shí)施例可包括其他類型的電加熱器，箔片加熱器，熱油加熱器，感應(yīng)加熱器或其他類型的加熱器。
加熱器塊110和210可被制成兩半，被夾在管上，或被制成夾在管的外直徑上的單槽筒夾的結(jié)構(gòu)。在另一個(gè)實(shí)施例中，加熱器塊110和210包括一個(gè)穿過(guò)加熱管周圍的同心的套筒。加熱塊110和210的長(zhǎng)度約5cm(～2英寸)，大致為當(dāng)前被寫入的最大的“短”光柵的尺寸，但也可以是任何需要的尺寸。
必須注意，在本摻氫容器100和200中，分別為140和240的被摻氫的光纖為一個(gè)該段光纖兩端之間的連續(xù)的長(zhǎng)度，被摻氫的中間部分位于摻氫腔102和202內(nèi)部。
在某些實(shí)施例中，位于高溫?fù)綒鋮^(qū)域的兩側(cè)的光纖的相鄰長(zhǎng)度被保持足夠冷以防止從摻氫腔傳導(dǎo)或輻射的熱能降解相鄰的涂層。圖1和2所示的實(shí)施例分別包括任選的冷卻管或冷卻腔104和204。冷卻管104和204被連接到各自的中心加熱管102和202的兩端的每一端。
在圖1所示的實(shí)施例中，未被摻氫的該長(zhǎng)度的光纖不置于高溫氫氣氛中，而是被一個(gè)低溫氣氛包圍。在替代的實(shí)施例中，氣體密封件可將摻氫腔和冷卻腔隔開(kāi)?？梢詫⒅T如氮?dú)庵惖目杀焕鋮s的惰性氣體注入冷卻管，以防止有機(jī)聚合物涂層燃燒。
容器100和200基本相似，其差異為加熱管和冷卻管的直徑。容器100有小直徑的加熱管102和大直徑的冷卻管104。容器200有大直徑的加熱管202和小直徑的冷卻管204。
加熱管102和202分別通過(guò)連接器附件106和206連接到冷卻管104和204。連接器附件106和206都可購(gòu)買到，并且也用316不銹鋼制成。整個(gè)容器100的長(zhǎng)度約為107cm(～42英寸)。之所以選該長(zhǎng)度是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的光柵被寫在1米長(zhǎng)的光纖上。替代的實(shí)施例可以做得更長(zhǎng)或更短，這取決于所需要的暴露區(qū)域，所需要光柵的類型以及被使用的光纖。
封閉附件108和208被置于冷卻管104和204的外端。或者，封閉附件也可以置于加熱管102和202的端部。封閉附件之一包括氣體進(jìn)口120和220，用于將摻氫氣體引入容器。另一封閉附件包括氣體排氣或出口122和222，用于排放摻氫氣體。封閉附件108和208被連接到受控針閥以允許氫氣和惰性氣體引入容器和從容器的排氣端排出。通向任何這樣的系統(tǒng)的管線也可以包括高壓噴氣碟(作為安全裝置)，其額定壓力高于操作時(shí)所需最高壓力10％到20％。
摻氫過(guò)程由用氮?dú)?到5次清洗容器，然后引入高壓氫氣(～2000psi)構(gòu)成。容器可以安裝由PLC系統(tǒng)控制的電磁閥，用于自動(dòng)的氣體傳輸和排放。
雖然不是在所有的實(shí)施例中必須這樣，但本示范的實(shí)施例100和200可以分別包括冷卻塊130和230。冷卻塊130和230位于管狀容器的加熱部分和容器的端部之間，在容器的加熱部分的兩側(cè)。冷卻塊的確切的長(zhǎng)度和精確的位置可以變化以適合于工藝過(guò)程。冷卻塊130和230用鋁或其他熱傳導(dǎo)材料制成并被設(shè)計(jì)成夾在冷卻管104和204的外部的外徑上。夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)相似于用于加熱器塊112和212的設(shè)計(jì)。冷卻塊130和230可有助于在線生產(chǎn)的應(yīng)用，在這樣的應(yīng)用中加熱循環(huán)頻繁重復(fù)，殘余的熱量將提高全部容器的溫度。
冷卻塊130和230包含一系列孔或通道132和232，使冷卻液被泵壓而通過(guò)這些通道。液體壓力和溫度可通過(guò)可編程邏輯控制系統(tǒng)114和214控制。冷卻塊130和230為同心的套筒或塊，夾在或滑在氫容器冷卻腔104和204上。在替代的實(shí)施例中，冷卻塊可以做成兩半并夾在管104和204上，或做成夾在冷卻管的外直徑上的單槽筒夾的結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，每個(gè)冷卻塊130和230的長(zhǎng)度為7.6cm(～3英寸)，但只要能防止光纖涂層燃燒或降解，也能是不同的長(zhǎng)度。
為了最大限度地減小光纖的選擇性摻氫部分外面的光纖涂層的損壞，圖3顯示了在加熱區(qū)域附近產(chǎn)生冷卻區(qū)域的常規(guī)的配件。示范圖將參考圖1顯示的本發(fā)明的第一實(shí)施例而顯示，但同樣的原理可方便地應(yīng)用到本文揭示的任何實(shí)施例。光纖節(jié)段140(未顯示)被封閉在包括冷卻管104之間的中心加熱管102的管中。氫氣被引入裝有光纖的管中并且冷卻管104的外端用封閉附件108密封。加熱器塊110被夾在加熱管102周圍以形成加熱區(qū)域。沿管在加熱器塊的每側(cè)附接一個(gè)在其塊體內(nèi)封閉一個(gè)或多的冷卻液體通道132的冷卻塊130。冷卻液體通道132可通過(guò)外部管道設(shè)備連接到商業(yè)水冷卻器或其他液體冷卻裝置145。一種示范的冷卻液體再循環(huán)系統(tǒng)是Polyscience5005型的微型冷卻器，該冷卻器是一種商業(yè)可購(gòu)買的全能系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在-5℃到+50℃之間的可編程溫度設(shè)定范圍內(nèi)將溫度調(diào)整到+/-0.5℃的精度。冷卻器的冷卻液出口146最好連接到最靠近加熱器塊110的冷卻液通道132的終端。冷卻液通道132的另一端連接到冷卻器145的熱液體進(jìn)口147。這樣的安排使最冷的冷卻液流到最靠近加熱器塊的地方。這樣就在加熱器塊和冷卻塊之間沿封閉將被摻氫的光纖的管104/102產(chǎn)生陡峭的溫度梯度。該陡峭的溫度梯度有利于保護(hù)光纖摻氫區(qū)域外的涂層?？删幊踢壿嬁刂破?14能通過(guò)控制加熱器塊110的溫度，冷卻塊中通過(guò)冷卻器的冷卻液的溫度和壓力，以及通過(guò)閥的端蓋108的氫氣和清洗氣體的輸入和排放協(xié)調(diào)全部摻氫過(guò)程。
容器100和200允許一個(gè)長(zhǎng)度的光纖140和240插入冷卻和加熱管，同時(shí)提供額外的空間以移動(dòng)在管狀容器內(nèi)的光纖140和240一次。在該實(shí)施例中，不長(zhǎng)于容器長(zhǎng)度的光纖節(jié)段通過(guò)移去位于管狀容器端部的一個(gè)附件被插入和從容器移去，這樣光纖或多個(gè)光纖被允許插入該容器或從容器取出。
和目標(biāo)光纖長(zhǎng)度(例如90cm)比較，管狀容器的額外長(zhǎng)度(例如105cm)使光纖在熱影響區(qū)域中移進(jìn)管內(nèi)的距離大于管的加熱長(zhǎng)度的距離(在該情況下為5cm)，以在光纖內(nèi)提供一個(gè)從熱到冷的快速溫度遷移。從加熱區(qū)域到冷卻區(qū)域的迅速遷移減慢了當(dāng)摻氫氣體壓力被釋放時(shí)氫向光纖外的擴(kuò)散。
多種機(jī)構(gòu)可被實(shí)施來(lái)實(shí)現(xiàn)該運(yùn)動(dòng)。在圖1所示的實(shí)施例中，諸如一個(gè)磁鐵或鐵圈的磁體116附接到光纖140的一個(gè)部分。通過(guò)沿管的外面按管的軸向移動(dòng)有充分磁力的磁鐵118，從而移動(dòng)管內(nèi)光纖。另一種方法包括將一個(gè)平衡塊216附接到光纖的端部且使該管傾斜，這將使平衡塊以及附接的光纖因?yàn)橹亓Χ葡蚬艿牡投恕?br> 下文是對(duì)可利用來(lái)用容器100將氫摻入光纖的示范過(guò)程的敘述。本敘述中的術(shù)語(yǔ)氫氣氛意圖包括H2，D2，氚，或諸如結(jié)合這些氫同位素的HD分子的氣氛。第一過(guò)程包括將光纖140插入(穿過(guò)無(wú)夾持管)容器100以及密封容器100的步驟。通過(guò)氣體進(jìn)口120引入和通過(guò)氣體排出口122排放的氮?dú)獾膸讉€(gè)循環(huán)對(duì)容器100進(jìn)行清洗保證環(huán)境空氣從容器100抽空。氫在諸如在1000psi和2000+psi之間的示范高壓下引入。
最好在完全的壓力達(dá)到以后，加熱器塊再被通電?？删幊踢壿嬁刂葡到y(tǒng)114通過(guò)控制加熱器塊而控制腔中的溫度。在相當(dāng)多的熱量可能轉(zhuǎn)移到光纖的其他部分的情況中，冷卻塊130也可以通電。
對(duì)于高溫?fù)綒溥^(guò)程，在一個(gè)示范的過(guò)程中，光纖140的將要摻氫的部分在插入容器100之前先剝?nèi)テ渫繉?。在另一個(gè)實(shí)施例中，光纖包括一個(gè)適合于抵抗摻氫溫度的抗高溫可滲透氫的涂層。
在另一個(gè)替代的方法中，涂層可經(jīng)過(guò)選擇，這樣它在摻氫高溫下或低于該溫度下解聚為氣體產(chǎn)物。為了避免氧化/燃燒過(guò)程，氫氣氛最好經(jīng)過(guò)選擇而使其不包括氧。結(jié)果的氣體排放到含有經(jīng)加熱的氫的腔體外。這使摻氫和涂層剝離在一個(gè)步驟中進(jìn)行。有關(guān)解聚涂層的還的細(xì)節(jié)可在題為“Process forPreparation of Optical Fiber Device Using Optical Fibers with ThermallyRemovable Coatings”的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利5939136和題為“Radiation CurableCoating Composition and Coated Optical Fiber”的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利5596669中找到，該兩個(gè)專利通過(guò)引用被結(jié)合在本文中。
當(dāng)氫氣氛達(dá)到需要的溫度時(shí)，一個(gè)定時(shí)器被啟動(dòng)以跟蹤光纖140被暴露于加熱的氫氣氛的時(shí)間。通過(guò)引用而結(jié)合在本文中的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利6311524敘述了高速，高溫?fù)綒涞谋┞逗蜏囟仍O(shè)定。美國(guó)專利5235659和5287427提供了其他摻氫參數(shù)的實(shí)例。
達(dá)到需要的暴露時(shí)間以后，加熱器塊被斷電。取決于諸如摻氫要求或光纖的涂層的熱敏感度光纖可以被立即移到冷卻管104。氫氣壓可以被釋放，使氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w進(jìn)入容器100中。容器100被打開(kāi)，光纖140被取出。
接著可通過(guò)將經(jīng)選擇的部分曝光到形成圖形的光化輻射下而寫入光柵。然后該經(jīng)選擇的部分被退火。如果用經(jīng)涂覆的光纖，隨著分段的摻氫，只有光柵被寫入的同一個(gè)部分的經(jīng)摻氫的部分將需要重新涂覆。隨著分段的摻氫，不需要如整體摻氫的光纖那樣的將氫烘烤除去，因?yàn)橥嘶鸬倪^(guò)程步驟將氫從摻氫的區(qū)域去除。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，上述步驟可以在一個(gè)在線工藝步驟中進(jìn)行。光纖可以懸掛在一個(gè)卷軸到卷軸的配件中穿過(guò)任選的涂層去除站，摻氫站，光柵寫入站，退火站和任選的重新涂覆站。
第二示范過(guò)程與此相似，但在一點(diǎn)上不同。該方法再次包括將光纖140插入容器100的步驟以及密封容器100的步驟。使幾個(gè)循環(huán)的氮?dú)馔ㄟ^(guò)容器，保證環(huán)境空氣從容器100中清除。加熱器塊110(如果需要還有冷卻塊130)被通電以達(dá)到所需要的溫度。在氮?dú)夥者_(dá)到需要的溫度以后，氮?dú)庥梢灾T如1000psi和2000+psi之間的高壓引入的氫氣替換。因?yàn)楸煌ㄈ氲臍涞馁|(zhì)量相對(duì)于容器的質(zhì)量非常小，氫將很快地達(dá)到需要的溫度。
在另一個(gè)第三示范過(guò)程中，在被引入“管”型容器之前，氫在一個(gè)第二壓力容器中被預(yù)先加熱。該預(yù)先加熱腔甚至可以用于在氫氣氛被引入一個(gè)沒(méi)有加熱元件的摻氫腔之前加熱該氫氣氛。氫可被預(yù)先加熱到相同的需要溫度以處理任何“加熱滯后”問(wèn)題?；蛘?，氫可以被預(yù)先加熱到一個(gè)較低的溫度(以減少加熱時(shí)間，當(dāng)需要的溫度較高時(shí)易于處理)，或甚至預(yù)先加熱到一個(gè)較高的溫度以補(bǔ)償插入光纖時(shí)預(yù)期的熱損耗。
當(dāng)達(dá)到需要的壓力和/或溫度時(shí)，定時(shí)器跟蹤光纖140暴露到氫氣氛的時(shí)間。該預(yù)先確定的時(shí)間達(dá)到以后，加熱器塊斷電。如果需要，光纖140可再次立即移到冷卻管104。甚至在光纖140被移到其新的位置的同時(shí)，氫的壓力可被釋放，使氮或其他惰性氣氛進(jìn)入容器100替代和清楚遺留的氫氣。清洗之后，容器100被打開(kāi)，光纖140被取出。在替代的工藝流程中，如果安全和設(shè)備允許，在摻氫過(guò)程終結(jié)以后光纖甚至可以立即取出(例如對(duì)于由低溫和小量氫氣的應(yīng)用場(chǎng)合)。
圖4是卷筒到卷筒的生產(chǎn)組件300的示意圖。生產(chǎn)摻氫組件300包括一個(gè)由和容器100和200相似特征的中間摻氫容器301。組件300還包括一個(gè)光纖展開(kāi)卷軸350和一個(gè)光纖卷繞卷軸352。每個(gè)卷筒都包括一個(gè)卷軸，分別是展開(kāi)卷軸和卷繞卷軸。卷繞卷軸或兩個(gè)卷軸的轉(zhuǎn)動(dòng)由卷軸電機(jī)促動(dòng)，諸如伺服電機(jī)358?？删幊踢壿嬁刂破?PLC)360可以電子方式連接到電機(jī)358以控制全部過(guò)程。
用組件300向光纖摻氫的過(guò)程包括將一個(gè)長(zhǎng)度的光纖340裝載到展開(kāi)卷筒350。光纖340被穿過(guò)管狀容器301并附接到卷繞卷筒352。摻氫過(guò)程相似于上述過(guò)程；增加的部分是，通過(guò)經(jīng)編程的預(yù)先確定的方法或由PLC360監(jiān)視的輸入來(lái)自動(dòng)進(jìn)行時(shí)間控制和精確的光纖推進(jìn)。通過(guò)這樣的設(shè)備，可以向更長(zhǎng)的連續(xù)長(zhǎng)度的光纖的多個(gè)分段部分摻氫，減少了勞動(dòng)量，提高了摻氫過(guò)程的協(xié)調(diào)性。如果需要，組件300可以還包括標(biāo)記站，該標(biāo)記站通過(guò)諸如可視標(biāo)記，不同的涂層和/或機(jī)器可讀的代碼識(shí)別被摻氫的區(qū)域。如果需要，然后光柵可被寫入在被摻氫的區(qū)域。
圖5說(shuō)明了高溫?fù)綒淙萜鞯牡谒膶?shí)施例400。圖5顯示了通過(guò)容器400的中心軸線剖切得到的剖面圖(容器為圓柱形)。容器400包括一個(gè)能承受高溫和內(nèi)部壓力的圓柱的鐘形體402。通過(guò)容器夾持件406緊固到鐘形體402的容器帽404關(guān)閉了鐘形體402的開(kāi)口端。容器帽404包括四個(gè)穿通口408用于氣體進(jìn)口/排氣口410，以及用于電氣控制口414。電氣控制口連接到可編程加熱器控制系統(tǒng)，可用于控制幾個(gè)在摻氫容器中的電加熱器筒。容器400的底部包括一個(gè)熱電偶口412。
用耐高溫，快速傳熱的諸如鋁制成的光纖卷軸組件416被置于鐘形體402內(nèi)部。本實(shí)施例的鋁光纖卷軸組件416包括若干光纖接納站418。本實(shí)施例保持約10個(gè)接納站，將使10個(gè)光纖節(jié)段被感光化。每個(gè)站包括保持一個(gè)光纖節(jié)段422的兩個(gè)個(gè)別的光纖卷筒420。光纖被繞在每個(gè)卷筒420的外徑周圍并且用從卷筒的直徑向外延伸的凸緣保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。一個(gè)精確的曲槽被銑在凸緣中(在頂和底兩個(gè)卷筒上)，這些凸緣位于被定位在靠近鋁光纖卷軸的中心的凸緣上，并允許光纖422離開(kāi)儲(chǔ)存卷軸直徑按規(guī)定路線發(fā)送。
每個(gè)站也包括一個(gè)位于每個(gè)光纖節(jié)段422的大約中間部分的加熱器塊424。光纖被按規(guī)定路線發(fā)送出上儲(chǔ)存卷筒并回到下儲(chǔ)存卷筒。在兩個(gè)儲(chǔ)存卷筒之間，光纖被定位成平行于鋁光纖卷軸的軸線并通過(guò)位于卷軸中心的加熱器塊。
鋁光纖卷軸組件416被附接到電線通過(guò)口414被定位在其上的容器帽404。這樣的附接易于卷軸組件416的插入和取出，并向電線提供導(dǎo)線彎曲保護(hù)。熱電偶428穿過(guò)熱電偶口412并監(jiān)視卷軸組件的溫度。
圖6a顯示了通過(guò)一個(gè)被切進(jìn)加熱器塊424的U形的通道的光纖422的剖面圖(從頂朝底看)。在本實(shí)施例中，加熱器塊424保持一個(gè)電阻加熱器筒426，其處約60度的加熱器體被暴露在U形通道的底部。加熱器筒426的被暴露部分向密切包圍在U形通道中的光纖422的氣氛提供極其快速的溫度提升傾斜度。
圖6b顯示了具有全埋入加熱器塊424中的加熱器筒426的加熱器塊424的第二種設(shè)計(jì)。加熱器塊424的外部有幾個(gè)被銑入塊內(nèi)的肋部427以更有效率的方式發(fā)散熱量。除了熱電偶428以外，接觸加熱器426的個(gè)別的熱電偶監(jiān)視了每個(gè)加熱器塊424的溫度，為提供加熱器426的精確溫度調(diào)節(jié)的PLC提供溫度信號(hào)。另外的熱電偶可添加到鋁卷軸，定位成監(jiān)視氫溫度的取向。
下面是可以利用來(lái)用容器400將氫摻入到光纖的示范的過(guò)程。首先包括將一個(gè)長(zhǎng)度的光纖422安裝到鋁光纖卷軸組件416，將卷軸組件416(其被附接到帽404)插入到容器體402，以及密封容器400的步驟。再有，在高溫過(guò)程中，光纖422可以被預(yù)先剝離或包括高溫的或可氣體解聚的涂層。
通過(guò)氣體進(jìn)口/排氣口410通入幾個(gè)循環(huán)的氮?dú)膺M(jìn)行清洗以保證空氣從容器400抽除。對(duì)于高壓方法，氫在1000psi和2000+psi之間的高壓下引入。取決于所用光纖的類型以及所寫入的光柵的類型，可以用在500psi和2100psi之間的壓力。更高的壓力(～3000psi)將使更多的氫擴(kuò)散進(jìn)光纖，對(duì)某些用途將是理想的。加熱器426最好在全部壓力達(dá)到以后被通電。當(dāng)圍繞光纖的氫氣氛達(dá)到需要的溫度時(shí)(如通過(guò)熱電偶測(cè)量)，一個(gè)定時(shí)器跟蹤光纖422的被選擇部分暴露到高溫氫氣氛的時(shí)間。
經(jīng)選擇的時(shí)間達(dá)到以后，加熱器426斷電，使光纖422的被暴露的部分冷卻。氫氣壓力被釋放，使氮?dú)饣蚱渌m當(dāng)?shù)臍怏w進(jìn)入容器。在一個(gè)示范的實(shí)施例中，使經(jīng)冷卻的氮?dú)膺M(jìn)入容器以冷卻光纖和涂層，減少氫因氫壓力的釋放擴(kuò)散出光纖的速率。然后容器400被打開(kāi)，取出鋁光纖卷軸組件416，光纖節(jié)段422從光纖卷軸組件416取出。
在某些實(shí)施例中，諸如共同待批和共同轉(zhuǎn)讓的題為“Filament Organizer”的美國(guó)申請(qǐng)系列號(hào)09/804781，題為“Carrier for Coiled Filament”的美國(guó)申請(qǐng)系列號(hào)09/841015，或題為“An Apparatus for Holding and Protecting SeveralPrecision Aligned Optical Fibers”的美國(guó)申請(qǐng)系列號(hào)09/907406中敘述的那樣，光纖接收站是筒狀的，這些申請(qǐng)均通過(guò)引用而結(jié)合在本文中。在這些實(shí)施例中，全部筒從光纖卷軸組件416取出。
第二示范過(guò)程相似于第一示范過(guò)程，但在一點(diǎn)上有差別。其再次包括將光纖節(jié)段422(或光纖保持筒)安裝在光纖卷軸組件416上，將卷軸組件416插進(jìn)容器體402以及密封容器400。容器400由幾循環(huán)的氮?dú)馇逑匆员ＷC環(huán)境空氣被抽除。當(dāng)包圍光纖節(jié)段422的氮?dú)夥者_(dá)到需要的溫度時(shí)，氮?dú)獗磺宄?，代之以氫氣。必須理解，在該?shí)例和其他實(shí)例中，術(shù)語(yǔ)氫意為H2，D2，或氫的其他同位素分子和/或一種或多種含有H2和/或其他同位素氫種類的氣體，最好是惰性氣體。最好避免使用氧氣以避免氧化/燃燒反應(yīng)。
作為示范，氫以1000psi和2000+psi之間的高壓引入。還有，在替代的實(shí)施例中，氫可以預(yù)先加熱。定時(shí)器跟蹤了光纖節(jié)段422暴露到高溫高壓的氫氣氛中的時(shí)間。因?yàn)槠湎鄬?duì)于加熱器塊的低質(zhì)量，氫幾乎是立即達(dá)到需要的摻氫溫度。當(dāng)預(yù)先確定的暴露時(shí)間達(dá)到以后，加熱器斷電。暴露時(shí)間可以用美國(guó)專利6311524中的方程式計(jì)算。
氫氣可以被釋放，使氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w進(jìn)入容器。還有，該清洗氣體可以被冷卻。一旦氫壓力被釋放，氫就開(kāi)始擴(kuò)散出光纖。擴(kuò)散的速率是溫度的函數(shù)。然后容器被打開(kāi)，光纖卷軸組件416被取出，光纖節(jié)段422(或光纖筒)從光纖卷軸組件416取出。
圖7-13說(shuō)明了高溫?fù)綒淙萜鞯牡谖鍖?shí)施例。容器500用一個(gè)獨(dú)特的分裂的容器結(jié)構(gòu)，其中在高溫下保持高壓氫的腔體由兩半構(gòu)成。
圖7顯示了容器500的打開(kāi)位置，圖8顯示其關(guān)閉位置。原始的容器兩半為上容器塊502和下容器塊504。在該實(shí)施例中，塊502和504由軟400系列的不銹鋼制成，并在機(jī)械加工后進(jìn)行退火。塊502和504在其中心區(qū)域分別有上貯器506和下貯器508。在關(guān)閉時(shí)，如圖8所示，貯器形成摻氫腔510。
在該實(shí)施例中，塊502和504被緊固在一個(gè)精密層疊級(jí)預(yù)裝載滾珠軸承的精密模具組505中以保證在運(yùn)作中塊的精密對(duì)準(zhǔn)和平行度。模具組505被緊固至一個(gè)液壓機(jī)507，當(dāng)容器500內(nèi)的氫氣加壓時(shí)，該液壓機(jī)產(chǎn)生足夠大的壓力保持塊502和504保持密封，同時(shí)也可將容器塊打開(kāi)得足夠?qū)捯砸子谠趲讉€(gè)循環(huán)之間插入和取出光纖526。
圖9和10顯示了摻氫腔510的放大的剖面圖。放大的視圖以更詳盡的方式顯示了摻氫腔510的小容積。每個(gè)由陶瓷絕緣516包圍的加熱器塊512和514分別被置于容器塊502，504中的一個(gè)貯器506和508中。絕緣516有助于將熱摻氫區(qū)域和光纖的其他部分分開(kāi)，以減小光纖的聚合物涂層損壞的可能性。每個(gè)加熱器塊512和514包括一個(gè)或多個(gè)加熱器518，諸如電加熱器筒。光纖跨越摻氫腔510的中心部分，并在摻氫腔中被軸向定位在兩個(gè)加熱器筒518之間。如圖10所示，加熱器筒518緊密接近于光纖526并對(duì)周圍的氣體和光纖526提供快速的加熱。在該實(shí)施例中，加熱器筒518位于每個(gè)加熱器塊512和514中，因此加熱器筒518的大約60度的圓周暴露到摻氫腔510的氣氛中。
容器塊502和504包括一個(gè)氣體進(jìn)口/排氣口520，用于向摻氫腔供氣和排氣。氣體進(jìn)口/排氣口520也可以用作導(dǎo)線通道以設(shè)置控制和數(shù)據(jù)連接線路的走向。或者，可以用第二組接線口522使電氣和熱電偶導(dǎo)線通到摻氫腔中的加熱器518以及一個(gè)或多個(gè)熱電偶528。如圖11中更清楚可見(jiàn)，上下塊502和504的互相接觸的相對(duì)面具有刻在x軸中心線上的徑向槽524，用于定位和在周圍封閉將被感光化的光纖526。在兩個(gè)塊502和504合在一起進(jìn)行密封時(shí)，兩個(gè)匹配相對(duì)的容器塊中的開(kāi)口的引導(dǎo)銷523提供對(duì)兩個(gè)塊502和504的精密的最后對(duì)準(zhǔn)。
在某些情況下，諸如在非常高熱量的應(yīng)用中，或容器的重復(fù)應(yīng)用導(dǎo)致熱量積聚(即處在在線應(yīng)用中)，容器塊502和504可以包括液體冷卻線530。冷卻線530靠近中心貯器506和508的頂邊緣沿y軸定位，用于在摻氫期間保持光纖聚合物涂層冷卻。冷卻線有助于將危險(xiǎn)降低到最小程度，將光纖526的非摻氫部分的聚合物涂層保持在引起降解或氧化的溫度之下。
幾個(gè)光纖引導(dǎo)板532被緊固在下容器塊的左右側(cè)面以為光纖進(jìn)入徑向密封槽提供引導(dǎo)?？梢栽谌萜鲏K接觸面上應(yīng)用任選的彈性體面密封件534以減小摻氫期間氣體泄漏的可能性。
圖11和12說(shuō)明了兩個(gè)當(dāng)光纖526進(jìn)出摻氫腔510時(shí)在周圍密封光纖的替代的方法。光纖526在包圍其玻璃的中心部分529的周圍有一個(gè)涂層527。在圖11顯示的稱為“鋼對(duì)鋼夾持方法”的實(shí)施例中，一對(duì)精密機(jī)械加工的徑向槽524越過(guò)塊502和504的x軸中心線。槽524的半徑稍許小于光纖526的涂層527的半徑(例如幾十微米)。槽524和光纖526之間的靜配合使容器的兩半合上時(shí)涂層527稍許受壓，在光纖526和開(kāi)槽的容器表面之間產(chǎn)生緊密的密封作用。光纖526的玻璃部分529保持不受損壞。涂層527的外表面可以因施加的壓力而受壓，但是不會(huì)引起光學(xué)性能的問(wèn)題。
圖12說(shuō)明了“密封對(duì)密封夾持方法”。該方法可以用于涂覆的光纖，也可以用于沒(méi)有聚合物外涂層的裸露的玻璃光纖。該實(shí)施例包括安裝進(jìn)兩個(gè)容器塊502，504的容器面的彈性體密封件534(彈性體密封件的剖面不必按比例畫出)。當(dāng)容器面在液壓力下合上時(shí)，彈性體材料壓在光纖涂層的周圍產(chǎn)生緊密的密封。為了在施加液壓力時(shí)沿光纖526的側(cè)面和上下彈性體密封件534相遇的線獲得更好的密封，彈性體密封件的頂表面可以預(yù)先模制成有一個(gè)適合于配合光纖的槽，相似于圖11中的524顯示的槽。
圖13是下容器塊504的頂視平面圖。該視圖更清楚地顯示了在容器塊中心x軸上表面上的光纖通道。塊邊緣外側(cè)的光纖引導(dǎo)532提供了光纖526到機(jī)械加工在容器塊504的上表面的徑向槽524的粗對(duì)準(zhǔn)。帶有周圍的陶瓷絕緣516的加熱器塊514處于容器塊504的中心，在兩個(gè)軸線上都居中。冷卻線530被機(jī)械加工在y軸上非常靠近光纖和摻氫腔510相交的點(diǎn)。兩個(gè)引導(dǎo)銷523位于塊504的相對(duì)的角上，在包圍光纖526的夾持發(fā)生前提供容器塊502和504的精密的最后對(duì)準(zhǔn)。彈性體密封件534的定位最大程度地減小或消除了在摻氫過(guò)程中氣體的泄漏。
圖14顯示了圖7描繪的容器的夾持/密封機(jī)構(gòu)的第三實(shí)施例的剖面立視圖。光纖526的將被摻氫的部分被置于注塑模具536中，該模具典型地形成一對(duì)模腔538。這些模腔和上下容器塊502和504中適合于接納如圖13所示的彈性體密封件534的腔匹配。然后一種可固化的密封材料(通常是一種彈性體)被注入模腔并在光纖周圍固化，在光纖526上形成模制的密封件540。然后光纖從注塑模具中取出并定位在下容器塊504上，光纖上的注塑密封件適配進(jìn)適合于接納彈性體密封件534的腔，如圖13所示。然后使上容器塊502和下容器塊504接觸，經(jīng)加壓在光纖526和注塑密封件540周圍形成密封，準(zhǔn)備進(jìn)行光纖的摻氫?；蛘撸⑺苊芊饧?40可以將上下容器塊502，504用作注塑模具，再用固化的密封材料原地形成在適當(dāng)?shù)奈恢?。固化可以在高壓被施加在摻氫?10之前預(yù)先加熱摻氫腔期間完成。如圖13所示，用于保持彈性體密封件534和540的腔可以由摻氫腔510和陶瓷絕緣516與加熱器塊514分開(kāi)，它們由液體冷卻線530冷卻，因此在摻氫循環(huán)期間彈性體不會(huì)因摻氫腔510很高的溫度而損壞。
下面是可以利用來(lái)用該容器500將氫摻入光纖526的不同的示范過(guò)程。第一過(guò)程是將光纖526放入下容器塊504的表面上的光纖通道/槽524的步驟。然后塊502和504通過(guò)諸如液壓被夾住。幾個(gè)循環(huán)的氮?dú)饪捎脕?lái)清洗摻氫腔以抽除環(huán)境空氣。
然后引入氫。還有，容器500被設(shè)計(jì)成能處理高壓。取決于光纖的類型，在引入的摻氫氣氛中的氫或氘的濃度，需要的折射率的變化，實(shí)驗(yàn)性地應(yīng)用～500psi和～2200psi之間的壓力。腔被設(shè)計(jì)成耐受直至3000psi的壓力。取決于容器的設(shè)計(jì)和制造可以用更高的壓力。本示范方法用1000psi和2000+psi之間的壓力。當(dāng)全部壓力達(dá)到以后，加熱器518通電。當(dāng)光纖526周圍氫氣氛達(dá)到需要的溫度時(shí)，定時(shí)器跟蹤光纖526暴露到高溫氫氣氛的時(shí)間。需要時(shí)間的暴露之后加熱器518斷電。氫壓力可被釋放，使氮?dú)饣蚱渌m當(dāng)?shù)亩栊詺怏w(冷卻的或未冷卻的)進(jìn)入摻氫腔510，容器500打開(kāi)，光纖526取出。另一種光纖的取出循環(huán)的選項(xiàng)是時(shí)間一到以后在容器還在壓力下即打開(kāi)容器500，進(jìn)行即刻的氫氣排氣，冷卻光纖，這樣能保證光纖中有最大的氫容量。容器的容積是這樣小，以致在合理的安全預(yù)防措施下，諸如包圍容器的較小的保護(hù)裝置，這樣的程序就是安全的。
實(shí)驗(yàn)性的摻氫腔的容積，如所顯示的實(shí)例，為0.3125平方英寸(2.02cm2)，不包括鉆在塊上的氣體饋送孔或塊外的管道。經(jīng)優(yōu)化的單光纖摻氫站的全部氣體容積可以為0.15平方英寸(0.97cm2)那樣低。容器的最后結(jié)構(gòu)將規(guī)定全部的氣體容積。
用來(lái)使電加熱器筒達(dá)到溫度設(shè)定點(diǎn)(275℃)的平均時(shí)間為45秒，+/-3秒。使氫氣達(dá)到需要的設(shè)定點(diǎn)(260℃)的時(shí)間取決于所用的壓力。在1400psi和2000psi之間的壓力，該時(shí)間在1.5分鐘到2分鐘之間。在1100psi和1400psi之間的壓力，該時(shí)間在3分鐘到4分鐘之間。
在任何實(shí)驗(yàn)性的運(yùn)行過(guò)程中都未發(fā)生涂層的分層剝離。因?yàn)樵趦杉偷娜萜髦械姆侄蔚募訅簠^(qū)域的緣故，整體的分層剝離不會(huì)發(fā)生。
在第二示范過(guò)程中，除了氫被引入預(yù)先加熱的摻氫腔510外，總體上遵循相同的步驟。和加熱塊的質(zhì)量相比，雖然腔510的氣體容量的小質(zhì)量將導(dǎo)致迅速的加熱，但在替代的實(shí)施例中，氫甚至還可能要預(yù)先加熱到或接近達(dá)到需要的溫度。
如果光纖被摻氫以后立即寫入光柵，將不需要冷儲(chǔ)存。任何摻氫的光纖，不管是用什么摻氫方法，在室溫下隨著時(shí)間都將緩慢地向光纖外擴(kuò)散氫。和整體摻氫相比，光纖的分段摻氫的優(yōu)點(diǎn)取決于被摻氫的數(shù)量。對(duì)于高溫分段摻氫的速度，只能對(duì)在一個(gè)特定的時(shí)間周期中將被寫入的正確數(shù)量的光纖摻氫。對(duì)于整體摻氫的長(zhǎng)時(shí)間周期，這是更難以做到的。
圖15-17顯示了高溫?fù)綒淙萜鞯牡诹鶎?shí)施例。該容器采用了獨(dú)特的管形容器設(shè)計(jì)，具有相適應(yīng)的位于該管兩端的彈簧夾頭，該彈簧夾頭密封管的端頭以及密封通過(guò)該管的光纖的周圍。當(dāng)彈簧夾頭密封管端以及密封光纖周圍時(shí)，該管將在高溫下保持高壓氫氣，使氫能擴(kuò)散進(jìn)通過(guò)該管的光纖。
圖15顯示了容器的打開(kāi)位置，圖16顯示了關(guān)閉位置。原始的容器是圓柱形的不銹鋼管602，在每端包含一個(gè)精確的倒角面603，在靠近管端有氣體進(jìn)口(620)和排氣口(622)。管由一個(gè)包圍其的加熱套610，可以用電加熱，或用熱液體或氣體加熱。帶有加熱器套組件的管被包容在一個(gè)安裝在基礎(chǔ)板638上的主基礎(chǔ)塊638中。
在該實(shí)施例中，一個(gè)彈性的彈簧夾頭660被安裝到彈簧夾頭促動(dòng)器板665上，該促動(dòng)器使彈簧夾頭板組件作線性運(yùn)動(dòng)。彈簧夾頭的形狀是一個(gè)截頂?shù)膱A錐，其中圓錐角匹配管中的倒角603。彈簧夾頭促動(dòng)器板組件的線性運(yùn)動(dòng)使彈簧夾頭660進(jìn)入管602的端頭，使彈簧夾頭660的角面和管602中的倒角603的角面抵靠而密封。促動(dòng)器也使彈簧夾頭660從管602縮回。彈簧夾頭促動(dòng)器板665的運(yùn)動(dòng)用附接到該板的液壓缸完成。這些缸未顯示，但可以通過(guò)幾種手段附接，包括螺栓，銷等，在幾種結(jié)構(gòu)中，液壓缸可以是推的或拉的?？捎闷状?，也可用電的或機(jī)械的促動(dòng)器。
圖17的端視圖和剖面端視圖中顯示的彈性彈簧夾頭660在中心有一個(gè)小孔661，該孔比將摻氫的的經(jīng)涂覆的光纖的外徑大10％到20％。繞中心孔徑向取向有八個(gè)間隔45度的矩形不銹鋼肋662。因?yàn)閺椈蓨A頭660被壓進(jìn)管602，彈簧夾頭肋662的角面將接觸管602端頭的倒角603的角面，將該力傳輸?shù)桨鼑饫w626的彈性體材料，產(chǎn)生彈性體和光纖之間的密封。當(dāng)彈簧夾頭660從管602縮回時(shí)，彈性體材料回到其無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，使孔661打開(kāi)到其初始的尺寸，使光纖626松開(kāi)。這樣，彈簧夾頭圍繞光纖提供了可重新關(guān)閉的密封，有助于在摻氫過(guò)程期間保持氫氣氛。該可重新關(guān)閉的密封可重新打開(kāi)以取出光纖以及任選地向前移動(dòng)光纖，重新密封，然后對(duì)同一個(gè)光纖的第二個(gè)選擇部分摻氫。(圖7，11和12的密封機(jī)構(gòu)也可以考慮為可重新關(guān)閉的密封。)纏繞卷筒(656)，(由可編程電動(dòng)機(jī)/編碼器或伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng))，其中電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)受到精確控制，在需要的時(shí)間內(nèi)向?qū)⒈粋魉屯ㄟ^(guò)腔602的光纖提供精確的線性長(zhǎng)度。還有一個(gè)可以和離合制動(dòng)裝置結(jié)合使用的退纏繞卷筒(654)，(該制動(dòng)裝置可用空氣，磁，電，液體等促動(dòng))，在光纖被傳送進(jìn)腔602或傳送出腔602時(shí)在光纖上提供精確的張力。循環(huán)過(guò)程將包括下面的步驟*將未摻氫的光纖傳送進(jìn)管到所需要的間隔。
*彈簧夾頭促動(dòng)器板將彈簧夾頭定位進(jìn)管的端頭，密封容器，在光纖周圍產(chǎn)生密封。
*用氮?dú)饣蚱渌m當(dāng)?shù)臍怏w清洗容器。
*用氫氣向容器加壓(加熱器已經(jīng)發(fā)熱)。
*光纖被在壓力中保持需要數(shù)量的時(shí)間。
*釋放氫氣，容器用氮?dú)馇逑础?br> *彈簧夾頭促動(dòng)器板縮回。
*光纖被向前移動(dòng)。
*任選地，光纖的新?lián)綒涞牟糠挚梢赃M(jìn)行布拉格光柵的寫入，光柵可任選地進(jìn)行退火。
*如果光纖的摻氫部分的涂層因摻氫過(guò)程的高溫被剝離，在其達(dá)到纏繞卷筒之前可任選地重新涂覆。
圖18顯示了根據(jù)本發(fā)明提高光纖的感光度以及在光纖上寫入一個(gè)或多個(gè)光柵的方法的相繼步驟的圖示。該圖相應(yīng)于圖1的題為“Incremental Method ofProducing Multiple UV-induced Gratings on a Single Optical Fiber”的共同轉(zhuǎn)讓美國(guó)專利6272886B1，該專利通過(guò)引用被結(jié)合在本文中。本發(fā)明的具有可重新關(guān)閉的卷筒的實(shí)施例，諸如圖7或15所示，可以用來(lái)替代美國(guó)專利8272886B1中顯示的光纖光柵制造設(shè)備和工藝中的涂層去除站20。該摻氫和(任選的)涂層去除站720從張力控制的展卷卷軸714和對(duì)準(zhǔn)帶輪716接納光纖712。當(dāng)光纖712的經(jīng)選擇部分定位在摻氫(和任選的涂層去除)站720時(shí)該光纖被停止。然后進(jìn)行如上所述的摻氫過(guò)程。然后光纖712的經(jīng)摻氫的選擇部分722由主動(dòng)輪718鑲嵌移動(dòng)到光柵寫入站724，該處在寫入過(guò)程期間光纖被夾在夾子726和728之間。光柵被寫入選擇部分722以后，現(xiàn)在包含光柵的該部分被向前移動(dòng)到任選的退火單元730，該處光柵被加熱以穩(wěn)定其反射性。如果涂層被從選擇的部分去除，該部分可以被向前移動(dòng)到任選的重新涂覆材料施加或包裝站740，然后到任選的重新涂覆固化站750。然后光纖722的包含光柵的經(jīng)選擇部分可通過(guò)任選的驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪718和對(duì)準(zhǔn)帶輪760的手段向前移動(dòng)到接收卷軸762使處理和運(yùn)輸更便利。當(dāng)光纖722的一個(gè)選擇部分向前移動(dòng)通過(guò)該系統(tǒng)時(shí)，該光纖的下一個(gè)第二部分也可以逐步向前移動(dòng)，以裝配線的形式通過(guò)該系統(tǒng)。如果沿單個(gè)光纖的光柵之間的間隔必須改變，則任選的未纏繞光纖積聚站可以位于各個(gè)加工站之間。
本發(fā)明具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。選擇性的摻氫使只有光纖的需要?dú)鈶B(tài)摻氫的部分才被暴露。對(duì)常規(guī)的聚合物涂覆的光纖進(jìn)行＞250℃的高溫?fù)綒淇赡苁箓鹘y(tǒng)的涂層發(fā)生燃燒或部分破壞性的解聚合。如果光纖用傳統(tǒng)的整體摻氫的方法進(jìn)行摻氫，全部光纖就需要重新涂覆。而用分段摻氫，只有被摻氫的部分，也就是光柵將被寫入的部分才需要再涂覆。
用分段摻氫不需要整體摻氫那樣的將氫烘烤出去的過(guò)程步驟。而是光纖的光柵將被寫入的長(zhǎng)度以及被分段摻氫的區(qū)域大致是同一個(gè)長(zhǎng)度，退火的過(guò)程步驟將氫從被摻的區(qū)域去除。
含有氫的光纖不能被熔接。當(dāng)暴露到電弧時(shí)氫造成玻璃的變形，使達(dá)到可應(yīng)用的拼接變得不可能。用分段摻氫的方法，將氫從光纖去除之前在光柵外的任何區(qū)域都可以進(jìn)行熔接。這在寫入光柵或最后的包裝步驟期間檢測(cè)光柵時(shí)可以是很有用的。制造過(guò)程中在任何點(diǎn)進(jìn)行熔接的能力提高了工藝過(guò)程和被制造產(chǎn)品的靈活性。
通過(guò)精確控制氫的溫度和壓力以及光纖暴露到該氣氛的時(shí)間，對(duì)光纖的分段摻氫還在制造光纖時(shí)滿足每個(gè)光纖的感光性的要求。當(dāng)容器打開(kāi)時(shí)，光纖迅速冷卻(＜5秒)使光纖保持全部容量的氫。如果光纖被立即使用，則精確的感光性的程度可以是已知的。這樣的精確控制使制造光纖時(shí)能通過(guò)改變溫度，壓力和/或暴露的時(shí)間變化每個(gè)光纖中氫的容量。然后光纖的感光性可被用于滿足光柵的激光寫入次數(shù)的要求。也可以被用于均衡完全不同的光纖的感光性，因此同樣的寫入條件可以方便地用于不同的光纖。
和低溫條件下?lián)綒涞墓饫w比較，高溫條件下?lián)綒涞墓饫w對(duì)光纖的折射率只產(chǎn)生較少的改變。當(dāng)光纖布拉格光柵被退火時(shí)，光纖中的氫被擴(kuò)散出，改變了和穩(wěn)定了光纖的折射率。該過(guò)程經(jīng)常導(dǎo)致減少對(duì)低溫?fù)綒涞墓饫w50％的UV誘導(dǎo)折射率變化。高溫?fù)綒浞椒ㄊ拐凵渎首兓椭?5％。在退火過(guò)程中減少的折射率變化具有減少寫入光柵所需要的時(shí)間和/或激光功率的優(yōu)點(diǎn)。
雖然本發(fā)明通過(guò)參考示范的實(shí)施例進(jìn)行了敘述，本發(fā)明還可以以其他的具體形式實(shí)施而不背離本發(fā)明的范圍。因此，應(yīng)該理解的是，本文所敘述和說(shuō)明的實(shí)施例僅是示范性的不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的范圍的限制。根據(jù)本發(fā)明的范圍可以作出其他各種變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種在光纖的所選部分制作光柵的方法，其特征在于，該方法包括步驟a)在氫氣氛中放置光纖的所選部分；b)只將包圍光纖所選部分的氫氣氛迅速地加熱到至少250℃的溫度；并c)在至少250℃的溫度下，只將光纖所選部分暴露到氫氣氛中一段預(yù)定的時(shí)間。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括將所選部分暴露到光化輻射圖樣中的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在暴露步驟后將光纖所選部分推進(jìn)到摻氫腔以外的步驟。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在暴露步驟后快速冷卻所選部分的步驟。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中光纖具有第一所選部分和第二所選部分，還包括當(dāng)?shù)谝凰x部分已完成暴露步驟后將第二所選部分推進(jìn)到摻氫腔中的步驟。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括對(duì)光纖的第二所選步驟重復(fù)步驟(c)的步驟。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，所述光纖具有解聚合涂層，還包括加熱光纖所選部分并解聚合該所選部分的涂層。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，還包括將涂層的所選部分放置到無(wú)氧氣氛中的步驟。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述氣氛包括惰性氣體。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纖裝載到卷軸到卷軸在線系統(tǒng)中。
11.一種提高光纖所選部分感光性的方法，其特征在于，該方法包括步驟a)將光纖所選部分放置到氫氣氛中；b)只將包圍光纖所選部分的氫氣氛迅速地加熱到至少250℃的溫度；并c)在至少250℃的溫度下，只將光纖所選部分暴露到氫氣氛中一段預(yù)定的時(shí)間。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，只將光纖的所選部分放置到氫氣氛中。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，放置步驟包括至少將光纖的所選部分放置到摻氫腔中，該方法還包括在暴露步驟后快速改變圍繞所選部分的氣氛的步驟。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，快速改變氣氛的步驟包括從摻氫腔中排出氫氣氛。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，改變氣氛的步驟包括從摻氫腔中移去所選部分。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括在預(yù)定時(shí)間后快速冷卻光纖所選部分的步驟。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，冷卻步驟包括使用冷卻的氣體替換氫氣氛。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，冷卻步驟包括在冷卻區(qū)域中放置所選部分。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括將至少一個(gè)壓力密封件實(shí)體性地附著到光纖上以助于在摻氫腔中容納氣氛的步驟。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，壓力密封件位于光纖的經(jīng)選擇部分和非經(jīng)選擇部分之間的邊界線上。
21.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，放置步驟包括實(shí)體性地附著至少一個(gè)鄰近光纖所選部分的壓力密封件，該密封適于幫助容納摻氫腔中的氣氛。
22.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在暴露步驟中，至少一個(gè)可重新關(guān)閉的密封與光纖接觸。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，至少一個(gè)可重新關(guān)閉的密封位于光纖所選部分和非經(jīng)選擇部分之間的邊界線上。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，至少一個(gè)可重新關(guān)閉的密封包括彈性?shī)A頭。
全文摘要
一種用于提高光纖的一個(gè)經(jīng)選擇部分的感光作用和在光纖的一個(gè)經(jīng)選擇部分中制造光柵的方法。此方法包括將光纖的經(jīng)選擇的部分置于氫氣氛中。只包圍此光纖經(jīng)選擇部分的氫氣氛的容積立即加熱至溫度至少為250℃。只有光纖的經(jīng)選擇部分暴露于加熱的溫度至少為250℃的氫氣氛的容積中一段預(yù)定的時(shí)間。
文檔編號(hào)C03C25/62GK1605038SQ02825334
公開(kāi)日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2002年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月20日
發(fā)明者J·B·卡彭特, J·P·斯臺(tái)德曼, J·R·白蘭德, G·維甘德, N·A·斯塔西, A·W·加迪卡, D·E·艾爾德, J·F·布里南三世, B·J·克朗克 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司