專利名稱：：摻磷光纖的加速老化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及針對850nm左右以及更寬的帶寬上的高容量傳輸而優(yōu)化的多模光纖、以及使用該光纖的光纖傳輸系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及用于確定鈍化多摻雜光纖相對于氫的效果的條件的方法。
背景技術(shù)：
：盡管單模光纖是一種非常高效、損耗低的光波傳輸介質(zhì)并因此而廣泛地用于要求損耗非常低的如長距離通信的應(yīng)用中，但是多橫模光纖(下文中的多模光纖)具有針對短距離應(yīng)用以及特種光纖而建立的狀態(tài)。例如，局域網(wǎng)(LAN)應(yīng)用傳統(tǒng)上是以基于低成本多模光纖的系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。這種系統(tǒng)通過利用串行傳輸、源與光纖端之間的不嚴格的對準容差、以及連接及結(jié)合中的大的對準容差，來使得能夠?qū)崿F(xiàn)低成本。為了有效地服務(wù)于這些應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)針對可接受的最小傳輸距離以及對于該距離的最低光纖性能而設(shè)定了標準。對于單個樓宇內(nèi)光鏈路，當前所使用的距離為300米。樓宇內(nèi)光鏈路包括絕大多數(shù)當今所使用的光鏈路。由于數(shù)據(jù)速率已增加到10Gb/s，因此在使用低成本的基于多模的串行系統(tǒng)的情況下，傳統(tǒng)的階躍折射率多模光纖的距離僅限于26米至33米的距離。針對10GBASE-LX4的IEEE草案協(xié)議是在1310nm左右工作的四信道WDM系統(tǒng)，該系統(tǒng)在標準級多模光纖上可以支持長達300米。該10GBASE-LX4解決方案由于光學復(fù)雜性高且單模容差嚴格而導(dǎo)致成本很高，因此在市場中僅獲得有限的成功。作為結(jié)果，與850nm優(yōu)化的OM3多模光纖并行地發(fā)展了在850nm處工作的10GBASE-SR(近程)基于垂直腔面發(fā)射激光器(基于VCSEL)的串行收發(fā)器。根據(jù)國際標準組織(ISO)11801規(guī)定，OM3光纖是850nm處的有效模帶寬(EMB)為2000MHz.km的光纖。VCSEL注入(launch)與OM3光纖的集成為10GbpsLAN或Gbps存儲區(qū)網(wǎng)絡(luò)(SAN)傳輸提供了低成本的300米解決方案，并在2002年由IEEE802.3對其進行了標準化?，F(xiàn)有技術(shù)水平的遵從OM3的光纖的典型距離為1.1km。由于OM3光纖上的10GBASE-SR是成本最低的10Gb/s300米系統(tǒng)，因此它是新的光纖安裝的優(yōu)選的系統(tǒng)。然而產(chǎn)業(yè)界仍缺乏對已安裝的非OM3多模光纖的在成本上有效的解決方案。受到發(fā)送器端或接收器端中所內(nèi)置的色散補償方案(光模濾波或電子色散補償)的發(fā)展的刺激，IEEE已建立了針對已安裝的光纖分布式數(shù)據(jù)接口(FDDI)級光纖、OM2級光纖及OM3級光纖上的1300nm處的10Gbps單信道傳輸?shù)?02.310GBASE-LRM(遠距離多模)協(xié)議。然而，F(xiàn)DDI級光纖、OM2級光纖以及OM3級光纖中的任一個都不是針對激光源的1300nm性能來優(yōu)化的。迄今為止，在IEEE投稿人的模擬中，表明99%的10GBASE-LRM距離對于FDDI級僅為220m，而對于使用電子色散補償及偏移注入條件的OM3光纖而言，為可接受的300m。預(yù)期10GBASE-LRM的成本高于10GBASE-SR但低于10GBASE-LX4(四信道復(fù)用系統(tǒng))，使得其在現(xiàn)有的多模光纖安裝的市場中潛在地可行。多模光纖上的更高速傳輸?shù)暮侠淼南乱徊綄⑹?0Gbps。兩個最有可能的候選是(其將被稱作)在OM3光纖上支持300米的40GBASE-SX4，以及在FDDI級光纖、OM2光纖及OM3光纖上支持220米的40GBASE-LRM。40GBASE-SX4將是與未成功的10GBASE-LX4解決方案相似的CWDM(粗波分復(fù)用)解決方案，但是具有一些關(guān)鍵的優(yōu)點1)將使用成本較低的850nm的VCSEL來替代DFB(分布反饋)激光器；2)利用比LX-4所需的單模容差寬松10倍的多模容差而使得能夠?qū)崿F(xiàn)較低的封裝成本；3)與用于40Gb/s串行解決方案的40GHzIC所需的更昂貴的硅鍺材料相比，在10GHz頻率處工作的SX-4解決方案使得能夠使用傳統(tǒng)的低成本的CMOS集成電路。有可能收歸于IEEE標準中的下一以太網(wǎng)速度不是40GbE而是100GbE，至少包括一個多模光纖解決方案。一個解決方案將是帶狀多模光纖上的10x10Gb并行傳輸。該解決方案直到100m在成本上是非常有效的，但是超過200m時將變得比CWDM解決方案更昂貴。具有保留低成本優(yōu)勢的發(fā)送器選項的、允許寬帶光纖上的多個10Gb波長的多模光纖可能是100GbE的最吸引人的解決方案。然而，這種光纖應(yīng)當保持當今對850nm處的1GbE及10GbE傳輸所提供的最低的成本值。因此，需要針對到至少300米的波長的以及1Gb/s、10Gb/s及100Gb/s的數(shù)據(jù)速率的、符合適當?shù)募す馄髯⑷霔l件的、在寬的波長范圍上優(yōu)化的多模光纖。目的是設(shè)計在打開10Gbps及20Gbps傳輸?shù)腃WDM的其他波帶的同時保持850nm處的1Gbps或10Gbps的當前的低成本的光纖。已設(shè)計了針對寬的波長范圍上的操作而優(yōu)化的新的一類多模光纖。這些是針對使用850nm處的1Gb/s、10Gb/s及100Gb/s數(shù)據(jù)速率以及至少300米的長度的應(yīng)用。改進的多模光纖的芯摻雜有鋁和/或磷。在優(yōu)選的實施方式中，它們摻雜有鍺和磷，或者鍺和鋁。具有這些多摻雜芯的光纖表現(xiàn)出提供了滿足短距離光纖鏈路的新的標準所必需的光傳輸質(zhì)量。美國專利申請序列號11/511174中闡述了關(guān)于這些多摻雜光纖的更多的細節(jié)，這里通過引用將其并入。然而，已經(jīng)觀察到，盡管這些光纖設(shè)計為低成本、高性能多模光纖應(yīng)用提供了非常有效的解決方案，但是一些具有磷或鋁摻雜的光纖對氬污染的敏感度出乎意料地高。因此，摻雜有磷和/或鋁的光纖的長期老化質(zhì)量可能限制這些光纖對于一些應(yīng)用的有效性
發(fā)明內(nèi)容針對剛剛概述的觀察及發(fā)現(xiàn)，我們提出通過使用氖鈍化處理來對這些光纖進行鈍化，從而克服不利的氫老化限制。該處理本質(zhì)上利用氖對玻璃進行預(yù)反應(yīng)，以使得活性最大的玻璃部位不再能與現(xiàn)場中的氫反應(yīng)。然而，利用氘的鈍化通常增加光纖的初始衰減，并且對于一些光纖類型或某些鈍化方案，所得到的光纖在壽命終止時的衰減可以顯著地高于未經(jīng)處理的光纖。由鈍化及壽命期間的氫暴露引起的損耗取決于玻璃成分而大大地變化，因此在商用上重要的光纖類型(如單模光纖、摻鉺光纖及多模光纖)都表現(xiàn)得不同。存在最佳鈍化條件，但是由于未很好地理解缺陷鈍化的理論，因此尚未很好地建立對鈍化條件的選擇。為了推進氘鈍化技術(shù)，已發(fā)展了使得可以改進對由于鈍化的以及安裝壽命期間的光纖損耗的預(yù)測的新的動力學理論。該理論使得可以優(yōu)化暴露溫度、暴露壓力及暴露時間的鈍化條件。一個重要的方面是對氬活性及氖活性的計算以及用于平衡氘與氫之間的損耗的方法。這使得可以限定用于對光纖的氘鈍化的新方法。借助于附圖可以更容易地理解這些方法，在附圖中圖1例示了玻璃光纖中的活性部分之間的活化能的分布；圖2是示出起反應(yīng)的部分隨時間的增長的代表性的圖3是示出經(jīng)鈍化的光纖中的活性部分之間的活化能的分布的圖4是對經(jīng)鈍化的光纖與未經(jīng)鈍化的光纖進行比較的、與圖2的圖相似的圖5是對利用氘來鈍化、接著在氫中長時間操作的三個不同的假定條件的結(jié)果進行比較的、損耗相對于時間的圖6是給出針對不同的處理時間的比較模擬數(shù)據(jù)的、損耗相對于時間的圖；以及圖7示出了對未經(jīng)鈍化的光纖與在具體化到操作條件的加速條件下經(jīng)鈍化的光纖進行比較的實驗數(shù)據(jù)。具體實施例方式傳統(tǒng)的階躍折射率多模光纖具有使得光纖的模式以接近相同的速度行進的準拋物線形的折射率分布，使得模式色散最小化并在特定波長處給出最大帶寬。遠離該波長，光纖模式的傳播速度變得不同。在長于最佳波長的波長處，較高階的模式與較低階的模式相比行進得慢。在短于最佳波長的波長處，較高階的模式與較低階的模式相比行進得快。在實際的光纖中，由于偏離理想折射率分布，因此模式延遲也可能不同。所謂的"中心缺陷"的同類(commonfamily)在多模光纖折射率分布中的r=0附近出現(xiàn)。改進的化學汽相淀積(MCVD)、等離子增強化學汽相淀積(PCVD)或外汽相淀積(OVD)處理都需要中空體的塌陷，以使得沿多模光纖的中心線的折射率分布經(jīng)受塌陷處理的過程中所引入的擾動。這些中心缺陷^f吏在光纖的中心附近注入的能量的高速傳輸劣化。其他非理想情況包括"扭曲(kink)"，即，折射率分布上的任意位置處的凸起或凹陷引起模式延遲的突然偏移。芯-包層邊界附近的折射率分布的偏離在OVD處理中也是常見，在該OVD處理中，在脫水過程中，在灰狀體中容易地發(fā)生摻雜劑的擴散?？梢园炊喾N方式對光纖的光波功率容量進行量化。滿注入帶寬(OFL-BW)的使用限于表征用于激光注入應(yīng)用的光纖。(最大-最小)質(zhì)心延遲的值或者得自差分模式延遲(DMD)測量的掩模寬度的值更加適當。DMD0至23微米掩模寬度值〈0.33ps/nm對于利用其中模式功率分布(MPD)受到限制以滿足IEEE802.3ae10GBASE-SR標準的VCSEL的300m上的10Gbps傳輸是優(yōu)選的。等同的目的是在某種激光注入條件下>2GHz-km的模式帶寬。對于被限制成環(huán)型通量在r<4.5um處小于30%且在r<19um處小于86%的850nm10Gbps傳輸，在TIA/EIA-492AAAC-A中發(fā)展了可以應(yīng)用于高分辨率DMD測量以得出"計算出的有效模式帶寬，，即EMBc的一組權(quán)重函數(shù)。該組10個值中的最低EMBc值應(yīng)當在2GHz-km以上，以保證給出的光纖在滿足802.3ae規(guī)范的任意發(fā)送器上提供10Gbps容量?？梢酝ㄟ^考慮稱為折射率分布色散的現(xiàn)象來理解模式延遲隨著遠離最佳波長而快速地改變的效果。折射率分布色散由摻雜劑的成分來確定。當僅有Ge摻雜劑用于多模光纖時，折射率分布色散的變化較大，在寬的波長范圍(750nm至1600nm)上的斜率4艮大。對于Ge較少且混合有其他摻雜劑(例如，P或Al)的情況，折射率分布色散變得平坦，并且在寬的波長范圍上給出高帶寬光纖。本發(fā)明的多模光纖設(shè)計包括多摻雜光纖，其中，通常，使用諸如Al或P的摻雜劑來減小用于實現(xiàn)光纖的必需的數(shù)值孔徑(NA)所需的Ge的濃度。在光纖包層中也可以使用氟，以減少所需的正折射率摻雜劑的量。Al及P使二氧化硅的折射率升高，而F使二氧化硅的折射率降低。摻Ge的二氧化硅的色散通常高于摻Al或摻P的二氧化硅的色散,使得當A1203或P205替代Ge02作為折射率升高摻雜劑時，光纖模式色散降低。通常，諸如Ge、A1或P氧化物的正摻雜劑的摻雜劑分布是準拋物線形的，其特征由參數(shù)"alpha"(a)來表征，其中，a通常約為2(例如，2+/-0.3)。對其中摻雜劑單獨地由Al組成、或單獨地由P組成，或摻雜劑是包括Ge及Al、或Ge及P、或Ge及Al及P的多種組合的光纖進行描述。光纖的包層也可以包括摻F的玻璃，從而減小實現(xiàn)目標NA所必需的折射率升高摻雜劑的總量。出于一個或更多個理由而混合摻雜劑可能是有利的。例如，對摻雜劑的混合將比單獨地利用任一摻雜劑產(chǎn)生更好的模式色散；在具有混合摻雜劑的光纖中，在一些情況下，散射或老化損耗可能會增加。表l描述了下面進一步描述的具有期望的性質(zhì)的50微米光纖設(shè)計參數(shù)。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>通過使用多種摻雜劑來增加多模帶寬的一般方法已公知多年。例如，參見KaminowandPresby，AO,Vol.16,No.l，p.108，Jan,1977;R.Olshansky，AO，VoU8，No.5，p.683，Jan，1979。然而，這些光纖出于各種原因而未獲得商用上的成功。在激光器注入出現(xiàn)之前尚未很好地理解高速傳輸?shù)囊髸r針對多摻雜光纖進行了很多工作。我們基于新的理解來描述特定光纖設(shè)計以及光纖與源的特定組合，使得能夠以新穎且獨特的方式來實現(xiàn)多個波長上的高速傳輸。多模光纖的模式帶寬取決于其所使用的激光器注入條件。當注入要求允許激光器與光纖之間的對準容差寬松時實現(xiàn)最低的成本。VCSEL注入的+/-5孩t米容差對于現(xiàn)有的1Gbps及10Gbps的850nm發(fā)送器的成本非常有利。除了850nm之外的其他波長處的VCSEL發(fā)送器應(yīng)當滿足與802.3ae的模式功率分布相似的模式功率分布。因此，通過應(yīng)用十個TIA權(quán)重函數(shù)作為本發(fā)明的在一波長范圍上的寬帶多模光纖的帶寬的測量來實現(xiàn)最不利的EMBc。理論上，注入具有相似的寬松的容差的單模激光器將是期望的低成本的注入選項(在光纖被優(yōu)化的波長處)。然而，具有工業(yè)可靠性的邊發(fā)射激光器并不針對850nm而被優(yōu)化，而耦合到1300nm優(yōu)化的光纖的10Gbps單模且經(jīng)直接的調(diào)制的法布里珀羅(FP)或DFB激光器過去并未被標準體系所接納。雖然如此，為了低成本傳輸，寬帶光纖的未來的應(yīng)用可以有利地^f吏用約980nm至1120nm的范圍內(nèi)的邊發(fā)射inP激光器。對于完美的中心注入，以非常高的成本來制造，沒有中心缺陷的多模光纖固有地為寬帶，這是由于若干個最低階模式的模式延遲的差異很小。然而，為了低成本以及解決同樣將遠離中心地注入的連接器的效果而考慮將單模激光器耦合到多模光纖的寬松的容差是有用的。約7微米偏移的兩個最差情況的連接可以通過單個9微米偏移注入來近似。我們使用9微米單模偏移注入的模式帶寬作為這里描述的本發(fā)明的光纖的所期望的性能的一個度量。表1中所描述的摻Al光纖具有由0至23微米掩模寬度(下表2)、VCSEL注入的最不利的模式帶寬(下表3)、以及9微米單模偏移注入模式帶寬(下表4)所描述的10Gbps傳輸所期望的性質(zhì)。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表3<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表1中所描述的摻P光纖具有由0至23微米掩模寬度(下表5)、VCSEL注入的最不利的模式帶寬(下表6)、以及9微米單模偏移注入模式帶寬(下表7)所描述的10Gbps傳輸所期望的性質(zhì)。表5MW23(ps/m)750腿775隨800nm825腿850nm875應(yīng)F60.2120.2020.1770.1770.1460.146F70.1260.1160.0910.0810.0610.061F80.0400細0.0150.0150.0200.025F90.0350.0510.0660.0810.0910.101F100.1110.1360.1460.1620.1770.187Fll0.2020.2220.2320.2470.2530.268MW23(ps/m)900rnn925應(yīng)980nm1120腿1300nm1550讓F60.1010.0960.1010.0810.0810.111F70.0250.0200.0250.0150.0150.051F80.0400.0450.0510.0610.0450.005F90.1110.1210.1310.1360.1110.051F100.1870.1970.2120.2070.1770.111Fll0.2580.2730.2880.2830.2470.16713<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>多摻雜光纖可以具有由多個alpha拋物線指數(shù)來表征的折射率分布，以將模式色散均衡為注入^=莫式功率分布的函數(shù)，以及/或者添加有諸如臺階、深度、扭曲的精細特征以進一步抑制特定模式群，以及/或者縱向周期結(jié)構(gòu)以增加模式混合效果。光纖的尺寸可以是62.5um/125um、50um/125um或其他尺寸。從降低損耗的觀點來看，芯鍺濃度較小的較小的芯可以是優(yōu)選的。多摻雜光纖的OFL帶寬在850nm處>1200MHz.km且在1300nm處>500MHz.km?？梢栽诎l(fā)送器端或接收器端中使用諸如電子色散補償、光模濾波及空間分段檢測的色散補償方案以增加傳輸比特率及延伸距離。具體地說，1310nm左右的才莫式帶寬>1GHz.km的光纖比標準OM3光纖更易于利用EDC以低成本來均衡。這里所討論的多摻雜玻璃成分及光纖折射率分布是由傳統(tǒng)的方法來處理，以形成預(yù)制棒并拉制出光纖。在對這些多摻雜光纖的研究中發(fā)現(xiàn)，盡管它們提供了超乎尋常的光學特性，但是它們較預(yù)期更易于因氫污染而劣化。劣化作為公知的水峰(作為氫鍵結(jié)合的結(jié)果而形成)的形成的結(jié)果而出現(xiàn)。水峰(OH-鍵)吸收信號的典型波長范圍中的光。在磷及/或鋁的濃度超過2%時，劣化變得尤其嚴重。為了克服該問題，通過將具有上述成分的光纖在加熱的氘氣氛中進行處理而將該光纖鈍化。處理條件決定鈍化處理的效果。處理條件主要為處理時間、氘的濃度及處理溫度。我們已經(jīng)詳細地分析了氳污染處理，從而使得能夠確定最佳鈍化處理。氫污染本質(zhì)上是三階段處理。首先，氫從周圍的材料或氣氛擴散到光纖中。然后，該間隙的氫變成能夠起反應(yīng)的活性形式以形成缺陷。通常，這種到活性形式的轉(zhuǎn)變是可逆的處理，并且可以將其模擬為氫分子的分裂以形成基、或者與Langmuir等溫相類似的吸收等溫。最后，氫的活性形式與玻璃中的現(xiàn)有的部分起反應(yīng)，以形成損耗導(dǎo)致的缺陷。到此為止的數(shù)據(jù)指示活化能的寬的分布上發(fā)生的反應(yīng)。這在圖l中進行了例示，圖1示出了活化能為Ea的部分的數(shù)密度。由于可以將反應(yīng)速率表示為遽舉~狄/7/-五/)4:77，因此活化能最低的部分首先被消耗，并且反應(yīng)速率逐漸地變慢。該反應(yīng)由圖1中的陰影區(qū)來表示，該陰影區(qū)指示由于在某溫度暴露某時間而與可用的氫起反應(yīng)的缺陷的群組(population)。隨著時間的經(jīng)過，更多的部分被消耗，并且起反應(yīng)的部分的群組的增長增大到某漸近極限，這是由于存在氫可以占據(jù)的有限組的玻璃部分。反應(yīng)的程度及損耗產(chǎn)生的缺陷的創(chuàng)建隨著時間而增加，如圖2中所例示的。諸如傳輸光纖及摻鉺光纖的光纖可以足夠敏感以在典型的工作溫度及氫水平與氫起反應(yīng)，使得光學損耗隨時間的變化是不可接受的。為了補救該問題，發(fā)展了鈍化過程以制造隨時間更加穩(wěn)定的光纖。成功的鈍化使位于最低的部分起反應(yīng)，從而在操作條件使后續(xù)的反應(yīng)變慢，而不引入不可接受的初始背景損耗。為了減小鈍化過程中的背景損耗的初始增加，可以由氘來替代氫。由于氘在化學上與氫相似，因此與可用的玻璃部分的反應(yīng)的動力學也非常相似。然而，因為原子量的增加，與玻璃中的氘種相關(guān)聯(lián)的吸收光譜從根本上與氫不同。具體地說，作為造成1.55微米左右的電信窗口中的大部分光學損耗的原因的、二氧化硅中的1.38微米左右的氫氧基諧波從該窗口移開。這減小了對與氘的反應(yīng)的損耗的影響。因此，利用氘的鈍化可以引入信號波長的相對小的衰減。圖3及圖4中例示了典型的鈍化的效果，圖3及圖4示出了鈍化過程中與氘起反應(yīng)的部分的群組。在實踐中，所引入的損耗很小，并且可以在將光纖投入使用之前得到解決。在使用中，剩余的氫部分(未被鈍化的部分)比在鈍化過程中被消耗的那些具有更高的活化能，因此反應(yīng)速率進行得更慢。因此，盡管氫的摩爾吸收較高，但是使用中的附加的光學損耗應(yīng)當很小。這致使光纖隨時間比未經(jīng)鈍化的光纖穩(wěn)定得多。鈍化本質(zhì)上使用加速條件(即，比使用中所期望的高得多的溫度和氣壓)來促進位于最低的部分的消耗，并利用損耗相對小的種來填充這些部分。該行為意味著由于光纖暴露于氫或氘而導(dǎo)致的損耗的增加由可用的缺陷部分的活化能的分布以及時間、溫度及氫活性或氘活性的歷史來規(guī)定。污染處理的簡單的近似模型為可以按比例決定給定的溫度-壓力條件的時間，以使用以下變換來產(chǎn)生單個主曲線(1)其中，^為活化能，v為頻率因子，k為玻爾茲曼常數(shù)，r為絕對溫度，[〃*,為包括到玻璃中的擴散、氫在玻璃中的溶解度、及氫分子隨時間的化學活化的綜合氫活性項(例如參見SPIEV3848，pp260-271，LuValleetal.，通過引用將其合并于此)。主曲線的創(chuàng)建使得可以使來自寬的溫度、壓力及時間范圍上的加速測試的實驗數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，并且使得能夠?qū)Σ煌臏囟?、壓力及時間組進行準確的預(yù)測。所討論的概念可以用于使得可以準確地預(yù)測光纖在其使用壽命期間的光學損耗的增長。由于與氘的反應(yīng)將起反應(yīng)的缺陷的光學吸收從工作波長移開，因此利用氘的鈍化過程中所引入的損耗相對地小。因此，關(guān)注于對操作過程中預(yù)期的損耗增長的計算以及對適當?shù)拟g化水平的確定，以獲得適當?shù)膲勖K止特性。由于鈍化而導(dǎo)致的任何衰減相對地較少，并且將其視為必要成本。由于典型的鈍化條件可能必需使溫度超過100。C多個小時，因此在一些情況下，鈍化處理受到包層劣化或僅僅光纖處理成本的限制，而不是受到所引入的光纖損耗的限制。然而，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)先前的方法在確保穩(wěn)定的操作方面并不適當?shù)那闆r。具體地說，對于這些情況中的一些情況，鈍化過程中招致的損耗可能過高。例如，最近發(fā)展的芯成分包含鍺及磷的多模光纖(參見申請第11/511174號)表現(xiàn)出的與氫的反應(yīng)性非常高。這指示需要比傳統(tǒng)的摻Ge單模光纖所需的鈍化程度高得多的鈍化程度。結(jié)果是在玻璃中起反應(yīng)的氘的量大大增加。另外，在期望的工作波長范圍較寬的情況下，例如從850nm至1300nm,該波長范圍至少包括一個OD、及收峰。在這種情況下，在標準的鈍化過程中所引入的損耗可以超過未經(jīng)鈍化的光纖的損耗。其他的光纖表現(xiàn)出相似的由鈍化所導(dǎo)致的額外的損耗，例如，預(yù)期暴露于苛刻的環(huán)境或用于高可靠性應(yīng)用的摻鉺光纖。這些光纖可能具有高濃度的鋁。在這些情況下，期望一種平衡的方法來使來自鈍化的損耗與來自操作的損耗的組合最小化。為了實現(xiàn)該目的，必需理解并利用基礎(chǔ)反應(yīng)動力學。對上面所討論的鈍化效果的分析意味著，通過氣壓、暴露溫度及暴露持續(xù)時間的無限的組合，利用與氫或氘的反應(yīng)，可以消耗給定群組的反應(yīng)部分。例如，在固定的氫氣壓下，短時間保持在高溫的光纖會招致與長時間保持在低溫的光纖相同的光學損耗。這種情況的發(fā)生是由于存在具有單一的活化能分布的單個群組的反應(yīng)部分，并且等同的處理消耗相同群組的反應(yīng)玻璃部分。這種行為已經(jīng)針對多種玻璃進行了驗證。在一些情況下，如果存在多于一個群組的部分、且這些群組具有不同的活化能分布，則不能保持這種行為。我們已經(jīng)在研究致電離輻射對復(fù)雜的玻璃系統(tǒng)的效果時發(fā)現(xiàn)這種情況。盡管預(yù)處理與操作的多個組合可以接近相同群組的反應(yīng)部分，但是最終的光學損耗可能由于由氫所引入的光學損耗比由氘所引入的光學損耗大得多的事實而不同。因此，對于其中實際上存在單個群組的反應(yīng)部分的玻璃及化學機制，以上討論意味著，如果限定了使用期限操作的持續(xù)時間及條件，則可以對鈍化條件進行優(yōu)化，以使壽命終止時的光學損耗的量最小化。這在圖5中進行了例示，圖5示出了利用氖來鈍化、接著在氬中長時間操作的兩個不同的假定條件的結(jié)果。在曲線(a)中，光纖在低溫經(jīng)處理，盡管鈍化過程中的初始損耗較低，但是在長時間使用之后，總衰減顯著地增長。曲線(b)示出了更強烈的鈍化(例如，在更高的溫度)，導(dǎo)致招致更多的鈍化損耗，但是使后續(xù)的反應(yīng)性變得足夠慢，以使得在長時間的使用之后，所招致的總損耗低于曲線U)中的損耗。曲線(c)中的更劇烈的鈍化致使光纖對使用中的劣化相當?shù)胤€(wěn)定，但是這不能補償高的鈍化損耗，壽命終止損耗高于曲線(b)。因此，示出鈍化處理可能過于劇烈以及過于溫和。盡管通常假設(shè)有效的鈍化處理可能僅需要考慮鈍化閾值，但是前述理解指示，最佳鈍化條件具有最大值以及最小值。因此，在設(shè)計氘鈍化處理時，期望不僅計算處理條件的下限，而且計算處理條件的上限。除了由氘及氫所引起的光學損耗量級及光鐠的差異之外，分子種通過聚合物包層及玻璃包層的擴散速率顯著地不同。相反的是，氘與氫之間的動力學行為的差異相對地較小?？梢詫⑦@些差異中的各差異與主曲線中的適當?shù)目s放比例合并。典型的過程是使用溫度、壓力及時間的加速條件來進行一組實驗測試，以確定主曲線，可以才艮據(jù)該主曲線來確定[開*,函數(shù)。因而，JJ*1,函數(shù)的使用使得可以確定氘鈍化的溫度-壓力-時間條件，以使最終壽命損耗最小化。應(yīng)當注意，[好*,一已知為溫度及壓力的函數(shù)，就可以4吏用測得的光學損耗的變化來回算現(xiàn)場中光纖對其暴露的氫的濃度。這可以是用于監(jiān)視光纖安裝或裝置以檢測設(shè)備問題或緊急故障的有用的工具。本發(fā)明的一個方面是用于確定[i/、的實驗規(guī)程?？梢詮奈墨I(例如，Lemaire，Opticalengineering,June1981，V30,no6,pp781中的式2及式3)中獲得作為溫度及壓力的函數(shù)的、H2在二氧化硅中的擴散常數(shù)及溶解度。因此，我們可以求得H2在光纖中的局部濃度，并且使用實驗測得的損耗隨時間的增長，可以確定氫活性。我們已發(fā)現(xiàn)氫的化學活化強烈地依賴于玻璃成分。在大量地摻雜了周期表的IIIA欄中的元素的情況下，活性由氫到氫基的分裂來主導(dǎo)。例如，鋁摻雜將分裂的活化能從4.48eV減小到約1eV。該催化作用可能是鋁(如同硼)的雜化其空軌道以創(chuàng)建3中心鍵的能力的結(jié)果。作為另一種選擇，在沒有IIIA元素的光纖中，主導(dǎo)活性是H2直接在損耗產(chǎn)生部分上的吸收接著氫-氫鍵的分裂。在這種情況下，活性具有吸收等溫線的形式，一般形式為1+^1+爿，其中，根據(jù)擴散5x[//2]及溶解度來直接地確定[/72，A及B以實驗的方式來估計。光纖中的引入氬的暗化的一般形式可以由以下方程組來描述:d「A&,2]—剩-J",4a]-Ma]i+爿i+爿/=l，...,w(2)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage20</formula>、■=exp=v3exp五，；=1，2:1,…，W這里，[片]為氫基的濃度，v項為Arrheniuos關(guān)系的頻率因子，A為玻爾茲曼常數(shù)，r為絕對溫度，[ui為波長x處的每單位長度的光學損耗，A項代表玻璃中的最終變成有損耗的部分的群組。A項在時間O的濃度給出了活化能在活化能分布中的權(quán)重。參數(shù)p使得可以給出兩個活化形式的相對權(quán)重?？梢曰趤碜赃m當?shù)膶嶒灥膶嶒灁?shù)據(jù)來適合以上模型，以估計活性。后續(xù)實驗在細化活性以提高長期預(yù)測的精度時是有用的。示例為了表明上述概念的有效應(yīng)用，制造了具有摻Ge-P的芯的多模光纖。在具有混合有氮的氘氣氛的加熱爐中對該光纖進行處理。名義上的總壓力為1大氣壓。在進行多個實驗以確定氫活性及氘活性以及上式(1)中的v的適當?shù)闹抵?，進行模擬以預(yù)測在72C及l(fā)atm的氖鈍化不同的時間之后的光纖壽命終止性能。圖6中繪制了4小時、8小時及12小時的暴露持續(xù)時間。在使用中，假定條件為25C及10-4atm的氫，操作壽命為10年。短的鈍化(4小時)不足以使足夠群組的反應(yīng)部分起反應(yīng)，而長的鈍化(12小時)是過度的。在8小時的鈍化持續(xù)時間處找到最小壽命終止損耗?；谠搶嶒灱捌渌麑嶒?，建立了三個處理參數(shù)的最佳范圍。優(yōu)選的處理包括在加熱的氘中的初始處理，接著是在惰性氣體(例如，氮氣)中的趨入退火。在初始處理中，可以利用惰性氣體來將氘沖淡成所期望的氘壓力。惰性氣體趨入使得所吸收的氘可以擴散通過光纖，并且使得可以發(fā)生所期望的反應(yīng)。氘的壓力優(yōu)選地為0.25至0.75大氣壓，優(yōu)選的總處理時間段在18小時至30小時的范圍中，其中，氖處理時間段為2小時至6小時。相對應(yīng)的處理溫度范圍為65攝氏度至IOO攝氏度。從實際商品及其他考慮的觀點來看，被推薦的處理條件為0.4+/-0.2大氣壓的氘達3+/-1小時，接著在溫度在82攝氏度至92攝氏度的范圍內(nèi)的惰性氣氛中加熱21+/-5小時。圖7提供了在70。C、0.3大氣壓H2的加速條件下在1310nm處測得的、從未經(jīng)鈍化的光纖測得的原始數(shù)據(jù)對比于從經(jīng)鈍化的光纖測得的原始數(shù)據(jù)。光纖成分為14%的P205、13%的Ge02，主要為73%的SK)2。水平軸為加速條件下的時間(以小時為單位)。垂直軸為每公里增加的損耗(以dB為單位)。接近5小時處的垂直線是與在40C、0.01atm氫氣暴露35年的壽命終止相對應(yīng)的加速條件下的時間的粗略估計。圖例中給出了各光纖的壽命終止損耗的估計?？梢郧宄乜吹解g化的效果為一超過測量的噪聲本底，未經(jīng)鈍化的光纖(三角符號A)就嚴格地在經(jīng)鈍化的光纖以上。可以利用這里所描述的處理來處理的光纖的摻雜水平可能大大地改變。主要感興趣的成分以及最易受來自氘鈍化的額外損耗影響的那些，為共摻雜有Ge02及P20s的基于二氧化硅的光纖。通常，Ge02與P20s的摩爾比可以寬范圍地變化，例如，從0.5至10?？倱诫s劑濃度通常從15mol。/。變化到32mol%，殘余物為Si02。磷含量通常在2mol。/。至2011101%的范圍中。感興趣的特定成分為20%+/-3%的Ge02及3%+/-1%的P2Os、以及13%+/曙3%的GeOz及14%+/-3%的p2o5?？梢詫⒆鳛樯衔牡拿枋鰧ο蟮亩嗄９饫w識別為芯直徑通常相對地較大，通常大于IO微米。該性質(zhì)將該光纖與芯直徑通常為6微米或更小的單模光纖區(qū)分開。在詳細的描述結(jié)束時，應(yīng)當注意，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，在實質(zhì)上不違背本發(fā)明的原理的情況下，可以對優(yōu)選實施方式做出多種變型及修改。這里旨在將所有的這種變型、修改及等同包括在如同權(quán)利要求書中所闡述的本發(fā)明的范圍內(nèi)。權(quán)利要求1、一種用于鈍化光纖的方法，其中，所述光纖是共摻雜有GeO2和P2O5的SiO2，所述方法包括以下步驟在65攝氏度至100攝氏度的范圍內(nèi)的溫度下在包含氘的氣氛中加熱所述光纖達至少2小時。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述光纖共摻雜有Ge02，并且在15mol。/。至30mol。/。的范圍內(nèi)。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，P20s的量至少為2。/。。4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，剩余的mol。/。包含SK)2。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述氣氛包含0.25大氣壓至0.75大氣壓的氖。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述氣氛包含0.25大氣壓至0.75大氣壓的氖，其余物為氮。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述光纖的成分為20%+/畫3%的Ge02和3%+/-1%的P2Os。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述光纖的成分為13%+/誦30/o的Ge02和14%+/-3%的P205。9、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，于IO孩史米。11、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，其后在惰性氣氛中加熱所述光纖。12、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在惰性氣氛中加熱所述光纖達16小時至26小時的范圍內(nèi)的時間段。13、根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，鈍化條件為0.4+/-0.2大氣壓的氘，3+/-1小時，溫度在82攝氏度至92攝氏度的范圍內(nèi)。14、一種用于鈍化光纖的方法，該方法包括以下步驟在P1至P2的范圍內(nèi)的壓力、在Tl至T2的范圍內(nèi)的溫度下在包含氘的氣氛中加熱光纖達tl至t2的范圍內(nèi)的時間，其中，Pl、Tl及tl，以及所述光纖為多模光纖。所述光纖的芯的直徑大P2、T2及t2是通過建立P、T及t的既具有氫活性又具有氫活化能值的至少多個值之間的相關(guān)來確定的。15、根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述光纖的芯摻雜有至少2%的P。全文摘要通過使用氘鈍化處理來鈍化多摻雜光纖，來克服這些光纖中的不利的氫老化限制。該處理本質(zhì)上使玻璃與氘起預(yù)反應(yīng)，以使得使用中活性最大的玻璃部分不再能與氫起反應(yīng)。最感興趣的光纖摻雜有鍺及磷的混合物。描述了最佳鈍化處理條件。文檔編號C03C25/66GK101597144SQ200910005869公開日2009年12月9日申請日期2009年2月10日優(yōu)先權(quán)日2008年2月26日發(fā)明者D·J·迪喬瓦尼,D·S·維迪亞,G·E·歐蘭德森,M·盧瓦利,小R·林格勒申請人:Ofs菲特爾有限責任公司