專利名稱：裝有摻以稀土或過渡金屬的光纖的產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及裝有摻雜Ge、Al和稀土金屬(例如Er)或過渡金屬(例如Cr)的光纖制品，包括通信系統(tǒng)在內(nèi)。
大多數(shù)現(xiàn)行和預(yù)期的光纖通信系統(tǒng)都采用以二氧化硅為主要原料的光纖，一般是纖芯為摻雜以Ge的單模光纖。
在家知道這類光纖暴露在H2氣氛中時(shí)會增加光纖中信號輻射的衰減幅度。但在一般工作條件下，這類H2引起的損耗對一般以二氧化硅為主要原料摻以Ge雜質(zhì)的單模光纖來說并不是大問題。參看例如A.Tomita等人在1985年第21卷的Electronics Letters第71頁上發(fā)表的文章，該文章預(yù)計(jì)，經(jīng)20年之后，光纖在1.3和1.55微米波發(fā)射的衰減損耗小于0.01分貝/千米。還可以參看，P.Jemaire等人在1984年在德國斯圖加特舉行的第十屆光通信歐洲會議的會議科研報(bào)告集上發(fā)表的文章，該文章揭示了“傳統(tǒng)的”含Ge P和/或垢單模光纖對光纖因在高溫下暴露在氫氣氛中而形成的OH的抵抗力極強(qiáng)，但……“摻以氧化鋁雜質(zhì)的光纖則反應(yīng)很快，形成Al-OH”大家還知道，光纖可以配備H2和H2O基本上滲不進(jìn)去的被覆層。參看，例如，美國專利5，000，541。之類“氣密性”光纖用在油井測井或海底系統(tǒng)中有利。該美國專利還公開了利用“吸氣劑”部分來吸收擴(kuò)散入光纖包層材料的氫，從而使氫達(dá)不到光學(xué)作用部位(這包括纖芯和可能的話包殼層緊挨纖芯的次要部分。還可參看P.J.Lemaire等人在1990年第172卷的Materials Reseach Society Symposium Proceedings第85頁上發(fā)表的文章，該文章在第96頁上特別公開了”……H2在氣密式光纖的非光學(xué)作用部位所起的應(yīng)在可有利地加發(fā)利用來清除可能存在的痕量氫，從而進(jìn)一步改進(jìn)光纖的可靠性”。
P.J.Lemaire等人在美國科羅拉多州博爾德美國科學(xué)技術(shù)協(xié)會1990年9月出版的792號特刊有關(guān)光纖測量的技術(shù)文摘專題討論會上特別公開了氫在帶有反應(yīng)(吸氣)部分的氣密式光纖中擴(kuò)散的模型，并展示了傳統(tǒng)光纖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
美國專利5，059，229提出了“瞬態(tài)氫敏感性衰減現(xiàn)象”并公開了在拉制爐有含氫氣體的情況下從預(yù)成型坯垃制光纖的作法。
A.Oyobe等人在1992年2月在美國加利福尼亞州桑迪哥舉行的光纖通信會議出版的《技術(shù)文摘》中公開了一種緊密氣密式摻鉺光纖(摻雜鉺的鍺-二氧化硅中芯，鍺Ge-二氧化硅側(cè)芯和摻鐵的鍺-二氧化硅包層)。為防止200米長的光纖機(jī)械疲勞，加設(shè)了氣密氣的碳被覆層。這種圖形光纖是為用在小巧的光纖放大器而設(shè)計(jì)的。
在家知道，摻Er雜質(zhì)的放大器光纖可以同時(shí)再摻以Al雜質(zhì)。尤其是一般認(rèn)為，中心纖芯中有氧化鋁可以使該部位的Er摻雜水平高于不含Al的光纖。參看例如美國專利5，058，976。
本發(fā)明的范圍如權(quán)利要求書中所限定的那樣。本發(fā)明的一些實(shí)施例涉及我們這樣的一個(gè)意外發(fā)現(xiàn);以二氧化硅為主要原料摻以Ge、Al雜質(zhì)并摻以稀土(RE;原子序數(shù)57-71)元素雜質(zhì)的光纖(為簡單起見，這類光纖以下稱之為“摻RE雜質(zhì)”光纖，若RE為Er，則這類光纖稱之為“摻Er雜質(zhì)”光纖)比在其它方面完全相同但不含Re和Al的光纖在對氫引入的衰減變化的敏感性方面高許多倍。舉例說，我們發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，某些摻Er雜質(zhì)的光纖在氫引起的損耗增加速率方面在20℃下是一般以氧化硅為主要原料的單模光纖的106倍。這可與只摻以Al雜質(zhì)、以二氧化硅為主要原料的光纖相比較。這種光纖因氫引起的損耗比一般光纖大，但比摻Re雜質(zhì)的光纖小得多。
通信系統(tǒng)中光放大器光纖的長度比系統(tǒng)中普通光纖的長度小得多(例如，每30千米只有30米的放大器光纖)。因此，初看起來，新發(fā)現(xiàn)的摻RE雜質(zhì)的光纖對H2引起的損耗的敏感性看來不會構(gòu)成大問題，因?yàn)橛袉栴}的只是光纖總長的0.1%左右，且因?yàn)橐话阏f來來抽運(yùn)的放大器光纖中的信號衰減相對比較大。然而，由于摻RE雜質(zhì)的光纖非常容易遭受因H2所引起的損耗，因而每一放大器段的衰減可能會達(dá)到1-10分貝的數(shù)量級。這當(dāng)然就等于放大器的增益下降到大致同樣的量，即放大水平的變化很大。(熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的行家們都知道，在一般光放大光纖通信系統(tǒng)中，每段放大器段的增益預(yù)計(jì)在10-30分貝左右)。
增益如此之大的變化往往實(shí)際通信系統(tǒng)中(例如在洲際海底光纖通信系統(tǒng)中)是不能容許的。本專利申請除報(bào)道此重大意料之外的問題外，還公開了解決這個(gè)問題的方法。
最近我們相信，以二氧化硅為主要原料摻以過渡金屬雜質(zhì)的(摻或不摻Al的)光纖看來也對因H2引起的損耗非常敏感。這類光纖對衰減器有用。顯然，衰減器的損耗值應(yīng)不變，且不應(yīng)受到氫的影響而變化。這里所公開的解決方法也適用于摻過渡金屬雜質(zhì)的光纖。
一般說來，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例涉及一種這樣的產(chǎn)品或系統(tǒng)(總起來叫“產(chǎn)品”)，該產(chǎn)品有一定長度以二氧化硅為主要原料的第一光纖，該第一光纖有一個(gè)纖芯區(qū)和圍繞著纖芯區(qū)的包層區(qū)，所述纖芯區(qū)含有Ge、Al和選自稀土元素(原子序數(shù)57-71)的一種元素。該產(chǎn)品還包括減少氫原子或分子數(shù)裝置，用以減少從第一光纖的包層區(qū)進(jìn)入纖芯區(qū)的氫原子或分子(總起來叫“原子”)的數(shù)目，這表現(xiàn)在在產(chǎn)品工作波長下氫引起的光衰減變化速率比起沒有所述裝置的另一個(gè)同樣的產(chǎn)品起碼降低90%。這類裝置的例子有含有能吸收氫氣的物質(zhì)的適當(dāng)光纖被覆層和/或裝置。衰減變化速率一般是在產(chǎn)品有關(guān)的工作溫度下進(jìn)行比較的。
在另一實(shí)施例中，第一光纖的纖芯區(qū)含有例如選自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ag和Au的過渡金屬。一般說來，纖芯區(qū)還含有Ge，還可以含鋁或其它一般的摻雜劑。
“吸收”一詞，這里我們是指由缺陷(一般但不一定非要在光纖的非光學(xué)作用部位)的吸收，或由光纖外部形成氫化物的物質(zhì)或溶解氫的物質(zhì)的吸收。前者涉及氫在光纖玻璃缺陷處的快速反應(yīng)，從而使該反應(yīng)不致在有關(guān)波長下引起損耗有害的變化。這一般是通過將有缺陷的部位安置在遠(yuǎn)離光纖導(dǎo)光(光作用)區(qū)實(shí)現(xiàn)的，但也可以通過在光作用區(qū)形成與氫反應(yīng)時(shí)其引起損耗的因素不致變化的缺陷來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的產(chǎn)品可以是象光纖放大器或光纖衰減器一類的元件，也可以是裝有這類元件的系統(tǒng)。舉例說，這種系統(tǒng)裝有適宜提供波長為λS(工作波長)的光信號的信號發(fā)生裝置、適宜接收光信號且與信號發(fā)生裝置間隔一段距離的信號檢測裝置和傳送信號時(shí)與信號發(fā)生裝置和檢測裝置相連接的光纖裝置。舉例說，該系統(tǒng)還裝有小和小于λS的輻射源和將泵輻射耦合入第一光纖的耦合裝置。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一光纖的至少一部分封閉在基本上密封的外殼中，外殼中還裝有一定量的吸氫材料(例如，形成氫化物或吸收氫的金屬、合金、金屬互化物或金屬有機(jī)化合物，一般呈大表面積的形式，例如粉狀或多孔疏松材料)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，圍繞第一光纖纖芯的包層材料包括能吸收氫的玻璃。在一些最佳實(shí)施例中，包層基本上由能吸收氫的二氧化硅組成。我們發(fā)現(xiàn)，有些市面出售的熔融二氧化硅(例如HeraeusF300二氧化硅管和通用電氣公司出品的982WGY波導(dǎo)優(yōu)質(zhì)熔融石英管)在光纖經(jīng)過一般的處理之后能起氫吸收劑的作用，而其它市面上出售的熔融二氧化硅(例如某些火焰熔化處理的天然石英管)不僅通常不是吸氣物質(zhì)而且甚至起氫施體的作用。因此，熔融二氧化硅或外包層的適當(dāng)選擇是本發(fā)明的一個(gè)方面。但包層材料不一定要從現(xiàn)有的熔融二氧化硅襯底和/或外包管獲取，而可以是例如溶膠凝膠物質(zhì)或就地制取。在這些情況下，若原料是在高拉力下接制的OH含量低的純二氧化硅，則吸氣中心可以在例如色層材料中，最好在外包層中。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，光纖有一個(gè)“氣密性”被覆層，即在沒有吸氣劑的光纖中在70℃下能大大減少(起碼90%，最好99%或以上)從環(huán)境最大限度滲入光纖纖芯的被覆層的氫，這是與滲入沒有這種被覆層的另一同樣光纖纖芯的氫比較而說的。
熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們會懂得，必要時(shí)，可以把第一上述實(shí)施例與第二和/或第三實(shí)施例結(jié)合起來。我們目前值得推薦的作法是將第二實(shí)施例與第三實(shí)施例結(jié)合起來。


圖1示出了說明傳統(tǒng)的以二氧化硅為主要原料的光纖與摻RE雜質(zhì)的光纖在其易受氫引起的損耗增加的影響方面的差別頗大的數(shù)據(jù)。
圖2給出了作為波長的函數(shù)的氫引起的損耗增量的數(shù)據(jù)的例子。
圖3示意出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
圖4示出了對兩種被覆光纖預(yù)計(jì)的損耗增量曲線。
圖5和6示出了作為時(shí)間函數(shù)的損耗增量的數(shù)據(jù)的例子。
圖7示意示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，即帶光放大的光纖通信系統(tǒng)。
圖1示出了(dαOH/dt)初始(光纖中因氫引起的光纖初始損耗率)對絕對溫度的數(shù)倒數(shù)的關(guān)系曲線。初始損耗率是光纖對氫引起的損耗的敏感度的已知量度。參看A.omita等人在所引的書中的文章。圖1的數(shù)據(jù)是通過將傳統(tǒng)的單模傳輸光纖(從AT&T購得的5D光纖，曲線10)和單模摻Er雜質(zhì)的放大器光纖(纖芯摻以18%的GeO、2%的Al2O3和200百萬分率的Er雜質(zhì);曲線11)在各種不同的溫度下暴露在H2氣氛中然后測出在λ-1.4微米來下測出光纖損耗增加的速率得出的。從圖1中可以看到，5D光纖和摻Er雜質(zhì)的光纖在70℃下的初始增加速率分別為大約10-4和3分貝/千米小時(shí)，在7℃下分別為大約3×10-8和6×10-2分貝/千米小時(shí)。因此圖1清楚地顯示了摻Ge雜質(zhì)的傳統(tǒng)輸光纖和摻Er雜質(zhì)的放大器光纖對氫引起的損耗大不相同的敏感性，特別是在預(yù)期的工作溫度(例如3-70℃)的情況下。
現(xiàn)在我們要證實(shí)，通過適當(dāng)選擇和安置吸氣物質(zhì)和/或“氣密性”光纖被覆層，可以大大降低摻RE雜質(zhì)的光纖對氫引起的損耗的敏感性，往往可減小到微不足道的水平。其余的有關(guān)論述主要是關(guān)于摻Er雜質(zhì)的光纖方面，但本發(fā)明并不局限于這種光纖。鑒于稀土元素在化學(xué)性能方面周知的極其相似性，因而可以預(yù)料，摻以Er以外的稀土元素(例如Pr、Nd、Yb、Ho)雜質(zhì)的光纖其性能會與摻Er雜質(zhì)的光纖非常相似。此外，還可以預(yù)料，摻以一種(或多種)過渡金屬以二氧化硅為主要原料的光纖對氫引起的衰減變化(衰減幅度的減少或增加)也會表現(xiàn)出極大的敏感性，且這種敏感性可加以減小使其達(dá)到與摻Er雜質(zhì)的光纖同樣的情況。
圖2示出了摻Er雜質(zhì)以二氧化硅為主要原料的光纖在213℃、10-4大氣壓的H2中24小時(shí)之后因氫引起的損耗增加情況。該光纖沒有“氣密性”被覆層，因而包層中的吸氣劑部分因與氫的反應(yīng)而很快耗盡。在大約1.43微米波長處的損耗主峰相信是由于光纖纖芯中有OH形成引起的。應(yīng)該指出的是，這個(gè)損耗峰使1.48微米波長處(摻Er雜質(zhì)光纖放大器的可能泵激波長)和1.55微米小長處(可能的信號波長)的損耗顯著增加。
我們已確定，對于用以獲取圖2數(shù)據(jù)的那種光纖，其OH損耗在1.43微米時(shí)增加的初始速率可根據(jù)下式預(yù)計(jì)出來(dαoH/dt)初始＝(K2H/2KL)〔-1+(1+4(KL/KH)2PH)1/2〕
其中P為氫以大氣壓計(jì)的壓力，KL＝CAl×6.9×103exp(-8.30千克·克分子-1/RT)dB/(千米·小時(shí)·大氣壓·百分率)且KH＝C1/2Al×1.37×106exp(-12.4千克·克分子/RT)dB/(千米·小時(shí)·大氣壓·百萬分率)其中CAl是纖芯中以百萬分率計(jì)(1百萬分率＝10-6克分子的Al/克分子的SiO2)的Al密集度，R是通用氣體常數(shù)，T是絕對溫度。在1.48和1.55微米波長的損耗增量分別約為含2×104百萬分率Al的光纖在1.43微米的損耗的大約0.5和0.2倍。以上諸式是在我們目前理解的基礎(chǔ)上提出的，但以后通過進(jìn)一步研究可能還會有所變動。以上諸式是為了幫助理解本發(fā)明而加以公開的，但本發(fā)明的范圍并不取決于這些式了的正確與否。
從以上諸式可以確定，在75℃的工作溫度下，并假設(shè)設(shè)備的使用壽命為25年，若光纖與氫分壓為1.4×10-7大氣壓的大氣接觸，則20米光纖段中(在1.48微米)的泵激損耗會增加0.25分貝左右。在其它條件相同的情況下，工作溫度為3℃時(shí)，氫分壓要在1.9×10-5大氣壓才能得出同樣的增量。氫的壓力越高，損耗越大。
大氣環(huán)境中的氫分壓一般約為10-6大氣壓。在密閉的空間中如果有任何受腐蝕的元件或有任何能產(chǎn)生氫的聚合物，則氫的壓力還會高得多(可能達(dá)若干大氣壓)。要避免密閉空間中的氫累積到不能容許的程度，可以在該空間中加入適當(dāng)?shù)奈鼩湮镔|(zhì)。因此，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是一定長度摻RE(或過渡金屬)雜質(zhì)的光纜和一定量的吸氫物質(zhì)裝在一個(gè)密閉箱中，如圖3的示意圖所示?？刹捎玫奈鼩湮镔|(zhì)的例子周知的有象Ti或Zr及其合金一類的吸氫金屬，諸如Zr(V1-xFex)2、ZrMnxFey、LaNi5-xAlx、Mg2Ni、ErFe2、DyFe2、YFe2、CeCO2、CeNi2、NdCo3之類的金屬互化物和金屬有機(jī)化合物，例如與象蒽或一類的有機(jī)化合物反應(yīng)的象SmMg3一類的金屬互化物。有關(guān)制取吸氣物質(zhì)的其它資料可參看例如，K.H.J.Buschorw《稀土元素的物理和化學(xué)手冊》第6卷第90-97頁上的文章;1988年L.Schlapbach主編的《金屬互化物中的氫》第1卷第66-67頁;和1991年第2卷第226-227頁;M.H.Mendelsohn等人在1980年第74卷的JournaloftheLessCommonMetals雜志第第449-453頁上發(fā)表的文章;C.Boffito等人在1984年第104卷的上述雜志第149-159頁上發(fā)表的文章;H.Imamura等人在1985年第106卷的上述同一雜志第229-239頁上發(fā)表的文章，和R.M.ranEssen等人在1980年第15卷的MaterialsResearchBulletin第1149-1155頁上發(fā)表的文章。
這種吸氫物質(zhì)在小于1大氣壓的分壓(例如＜10-3個(gè)大氣壓)和接近室溫的溫度(例如0-80℃)下其氫溶解度最好較大(例如每克分子的吸氣物質(zhì)＞0.001、最好＞0.1克分子H)，且在同樣的溫度范圍內(nèi)的坪壓遠(yuǎn)小于1大氣壓(例如≤0.1大氣壓);最好＜10-3或甚至＜10-5大氣壓)。吸氣物質(zhì)可取任何形式，例如，粉狀、多孔固體或薄膜，后者淀積在任何適當(dāng)?shù)囊r底上，包括光纖表面在內(nèi)。吸氣物質(zhì)可以是沒有被覆層的，或敷有保護(hù)性被覆層的，但被覆層必須是氫能夠滲透的。吸氣物質(zhì)也可在即將密閉箱封閉之前通過周知的適當(dāng)熱處理加以“激活”。
圖3示意示出了裝有吸氫物質(zhì)的氣密密封光放大器模件一個(gè)實(shí)施例的各有關(guān)方面。傳輸光纜36中進(jìn)來的光信號30進(jìn)入波長劃分路轉(zhuǎn)換器31中。泵激光器32發(fā)射出泵輻射39，泵輻射39也進(jìn)入多路轉(zhuǎn)換器31中，且連同信號輻射一起耦合入放大器光纖33中。信號輻射經(jīng)放大之后進(jìn)入傳輸光纖36′中。編號35表示往外送的信號輻射。氣密性箱38中安置有一定量的吸氫物質(zhì)37，例如略經(jīng)燒結(jié)的ErFe粉，裝在金屬“絲網(wǎng)座中。編號34表示光纖接頭。圖中沒有示出各電氣元件和接線以及所選用的光學(xué)元件(例如隔離器、分接頭等)。模件中可選充較惰性的氣體，例如Ar或N。
大家知道，“氣密性”被覆層可用來限制進(jìn)入纖芯的氫氣量。這是通過限定從與光纖相接觸的大氣中進(jìn)入光纖包層的氫氣量進(jìn)行的。這里被覆層如果在70℃下能將進(jìn)入無吸氣劑光纖芯的氫氣量最多能減少到進(jìn)入完全相同但不帶被覆層的光纖的纖芯中最大氫氣量的10%(最好最多達(dá)1%)，則將這種被覆層稱之為“氣密性”被覆層。大家都知道，有些碳被覆層在較低的溫度下(例如40℃和以下)不讓氫透過，而且在較高的溫度下(例如40-100℃)基本上減少了流入纖芯的氫氣量。
一般認(rèn)為，氫擴(kuò)散入氣密性被覆層中是分兩階段進(jìn)行的。在第一階段，氫氣只滲入被覆材料，沒有氫氣到達(dá)光纖包層。因此在第一階段期間損耗基本上不增加。第一階段的長度用時(shí)間常數(shù)τi表征。在初始滯后時(shí)間之后，有一些氫進(jìn)入包層，因而(假設(shè)包層材料不含吸氣中心)能在較短時(shí)間內(nèi)到達(dá)纖芯。氫氣在第二階段滲入光纖中的速率可用時(shí)間常數(shù)τi表征。在大于τi小于τi的時(shí)間(t)，損耗的增量可用下式表示ΔαOH，初始＝〔KLPH，ext(t-τi)2〕/2τi，其中PH，ext為環(huán)境氫壓，所有其它符號前面已交待過。時(shí)間常數(shù)τi和τf是氣密性被覆層的特性，與下面的光纖組成無關(guān)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，摻RE(或過渡金屬)雜質(zhì)的光纖配備有氣密性被覆層。該被覆層最好是碳被覆層。
熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們都知道，若光纖含有能釋放出氫氣的物質(zhì)或含氫物質(zhì)，則加設(shè)氣密性被覆層通常不但沒有好處，而且實(shí)際上可能是有害的。我們發(fā)現(xiàn)，某些類型的熔融二氧化硅確實(shí)能放出氫氣的。舉例說，起碼某些汽相軸向淀積法(VAD)制成的二氧化硅光纖是有意識地采用含氫的包層材料，為的是簡化加工過程并改進(jìn)傳輸性能。一般應(yīng)避免在這里有關(guān)類型的光纖中采用這類材料。特定類型的熔融二氧化硅是否能吸收氫氣是不難鑒定的，下面即將談到。
圖4示出了具不同氣密性被覆層的20米長摻Er雜質(zhì)的光纖在1.43微米波長下的損耗增量預(yù)計(jì)值。假設(shè)這些光纖沒有吸氣劑部分。假設(shè)溫度為40℃，外部氫壓力為10大氣壓，且K＝136分貝/千米·小時(shí)·大氣壓。假設(shè)被覆層B(曲線40)是在典型條件下形成的(采用CH，Cl和N，厚約40毫微米;參看美專利5，000，541，且與其它部分完全相同但無被覆層的光纖相比，大大降低了氫引起的損耗增量。假設(shè)被覆層A(曲線41)是按周知的條件下制取以便進(jìn)一步改進(jìn)氣密性能(采用CH和H;厚度大于60毫微米;這類被覆層會使光纖強(qiáng)度有所下降，因而并不總是值得推薦的)。如圖4所示，帶被覆層A的光纖在所假定的各條件下，在一般的25年的使用壽命設(shè)計(jì)值下其氫引起的損耗基本上沒有增加。
上面說過，我們發(fā)現(xiàn)，有些類型的熔融二氧化硅，包括市銷的象Heraeus F300一類的材料在內(nèi)，會含有吸氫部分。因此，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例由含有(一般呈包層材料的形式的)能吸氫的熔融二氧化硅的摻RE(或過渡金屬)雜質(zhì)的光纖組成。已知類型的熔融二氧化硅是否具吸氫性能是不難鑒定的，例如將非氣密性光纖(其包層由該已知的二氧化硅構(gòu)成)暴露在低含量氫中。舉圖5的實(shí)例，若該二氧化硅能吸氫，則在損耗開始增加之前會有一個(gè)滯后時(shí)間。若該滯后是因吸氣反應(yīng)引起的，則其持續(xù)時(shí)間的刻度值與氫壓成反比。圖5的數(shù)據(jù)分別是在262℃、PH，ext為10-4和10-5大氣壓下制取的。
非氣密性光纖的外半徑為b、纖芯半徑為a時(shí)，其包層中吸氣部分的密集度Cg可用下式求出Cg＝4DHCstg〔2a2ln(a/b)-a2+b2〕-1，其中DH是H2在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)，Cs是H2在SiO2的平衡溶解度，tg是吸氣滯后時(shí)間。我們發(fā)現(xiàn)，上述F300二氧化硅中吸氣部分的濃度約為900十億分率。我們認(rèn)為，吸氫部分大于10十億分率左右的二氧化硅用在本發(fā)明的實(shí)踐中可以有好處。濃度小于該值預(yù)期是不會有很大好處的。
如果將吸氣性能結(jié)合到氣密性被覆層中，則能最可靠地抑制這里有關(guān)的光纖中氫引起的損耗變化。吸氣可借助于吸氣物質(zhì)并/或借助于具吸氣性能的二氧化硅包層材料。
圖6示出了二氧化硅包層含大約94十億分率吸氣部分的摻Er雜質(zhì)氣密性光纖在1大氣壓的H中保持263℃在1.43微米下的氫引起的損耗增量。時(shí)間＜6小時(shí)的小損耗增量是出于實(shí)驗(yàn)的原因而分接到Er光纖的非氣密性5D尾光纖中的氫反應(yīng)引起的?？梢杂^測到，初始滯后時(shí)間是由擴(kuò)散滯后時(shí)間τi和反應(yīng)滯后時(shí)間tgh組成。在滯后期之后，光纖內(nèi)的氫含量以與時(shí)間常數(shù)τi有關(guān)的速率朝平衡值上升。
表1示出了帶上述氣密性被覆層A和B含80十億分率的吸氣部分的摻Er雜質(zhì)光纖在10-3大氣壓的氫中在各種不同溫度下的滯后時(shí)間預(yù)計(jì)值(以年計(jì))。
表1溫度被覆層A被覆層B3℃ 5.6×1071.7×10621 5.1×1061.5×10540 5.5×1051.6×10460 6.8×1042.0×10375 1.7×104485可以看出，本發(fā)明公開的方法基本上能在實(shí)質(zhì)上所有實(shí)際工作打件下消除光纖中因氫引起的損耗大幅度增加的可能性。
權(quán)利要求
1.一種裝有光纖裝置的產(chǎn)品，該光纖裝置包括以二氧化硅為主要原料的第一光纖(例如33)，該第一光纖有一個(gè)纖芯和圍繞纖芯的包層，該第一光纖的纖芯。i)含有Ge、Al和選自由稀土元素(原子序數(shù)57-71)組成的元素群的一個(gè)元素；或ii)含有一種過渡金屬元素；與所述產(chǎn)品有關(guān)的是工作波長和工作溫度；其特征在于所述產(chǎn)品含有用以將第一光纖中在工作波長和工作溫度下因氫引起的光衰減速率起碼降低90%的第一裝置，該降低百分率是與其它方面完全相同但不含所述裝置的產(chǎn)品中的速率相比較的基礎(chǔ)上說的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品，其特征在于，第一裝置含有含吸氣部分的二氧化硅包層材料，所述二氧化硅包層起碼是第一光纖包層的一部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品，其特征在于，第一裝置含有一定量的吸氫物質(zhì)，該吸氫物質(zhì)選自由形成氫化物的金屬或吸氫金屬、合金、金屬互化物和金屬有機(jī)化合物組成的物料群，所述一定量的材料和至少一部分所述第一光纖封閉在基本上氣密性的箱中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品，其特征在于，所述第一裝置含有配置在第一光纖起碼一部分，長度上的補(bǔ)覆層，該被覆層能在70℃下將進(jìn)入纖芯的最大氫氣量減少起碼90%，這是與進(jìn)入其它方面完全相同但沒有被覆層的光纖纖心中的最大氫量相比較而說的，所述被覆層叫做“氣密性”被覆層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的產(chǎn)品，其特征在于，第一光纖含有含起碼10十億分率吸氣部分的二氧化硅包層材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的產(chǎn)品，其特征在于，第一光纖的起碼一部分連同一定量的吸氫物質(zhì)一起以氣密的形式封閉起來，所述吸氫物質(zhì)選自由形成氫化物的金屬或吸氫金屬、合金、金屬互化物和金屬有機(jī)化合物組成的物料群。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品，其特征在于，第一光纖是纖心含Ge、Al和一種稀土元素的放大器光纖。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品，其特征在于，第一光纖是纖芯含一種過渡金屬元素的衰減器光纖。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品，其特征在于，所述產(chǎn)品是一種光纖通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括輻射發(fā)射裝置和輻射接收裝置，所述光纖裝置為傳送信號而將發(fā)射裝置與接收裝置連接起來。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的產(chǎn)品，其特征在于，第一光纖安置在所述發(fā)射裝置與所述接收裝置之間且是一個(gè)纖芯含Ge、Al和Er的放大器光纖。
全文摘要
以二氧化硅為主要原料摻以Ge、Al和稀土元素雜質(zhì)的光纖對氫引起的衰減變化非常敏感。其損耗增加的速率在20℃時(shí)是普通單模光纖的10倍。二氧化硅為主要原料摻過渡金屬雜質(zhì)的光纖，其氫引起的衰減變化也大。為減少光纖衰減變化，本發(fā)明加設(shè)吸氫物質(zhì)和/或“氣密性”光纖被覆層，以基本上消除這種變化。較好的作法是設(shè)能吸氫的二氧化硅包層材料，并加設(shè)“氣密性”光纖包層。還公開了將光纖連同吸氣物質(zhì)裝入氣密的封閉箱中。
文檔編號G02B6/00GK1084641SQ9311705
公開日1994年3月30日 申請日期1993年8月27日 優(yōu)先權(quán)日1992年8月28日
發(fā)明者陳成浩, K·L·沃克, P·J·勒梅爾 申請人:美國電話電報(bào)公司