CN101597144B - 掺磷光纤的加速老化 - Google Patents

Abstract

通过使用氘钝化处理来钝化多掺杂光纤，来克服这些光纤中的不利的氢老化限制。该处理本质上使玻璃与氘起预反应，以使得使用中活性最大的玻璃部分不再能与氢起反应。最感兴趣的光纤掺杂有锗及磷的混合物。描述了最佳钝化处理条件。

Description

掺磷光纤的加速老化

技术领域

本发明涉及针对850nm左右以及更宽的带宽上的高容量传输而优化的多模光纤、以及使用该光纤的光纤传输系统。更具体地说，本发明涉及用于确定钝化多掺杂光纤相对于氢的效果的条件的方法。

背景技术

尽管单模光纤是一种非常高效、损耗低的光波传输介质并因此而广泛地用于要求损耗非常低的如长距离通信的应用中，但是多横模光纤(下文中的多模光纤)具有针对短距离应用以及特种光纤而建立的状态。例如，局域网(LAN)应用传统上是以基于低成本多模光纤的系统为基础的。这种系统通过利用串行传输、源与光纤端之间的不严格的对准容差、以及连接及结合中的大的对准容差，来使得能够实现低成本。为了有效地服务于这些应用，产业界已经针对可接受的最小传输距离以及对于该距离的最低光纤性能而设定了标准。对于单个楼宇内光链路，当前所使用的距离为300米。楼宇内光链路包括绝大多数当今所使用的光链路。

由于数据速率已增加到10Gb/s，因此在使用低成本的基于多模的串行系统的情况下，传统的阶跃折射率多模光纤的距离仅限于26米至33米的距离。

针对10GBASE-LX4的IEEE草案协议是在1310nm左右工作的四信道WDM系统，该系统在标准级多模光纤上可以支持长达300米。该10GBASE-LX4解决方案由于光学复杂性高且单模容差严格而导致成本很高，因此在市场中仅获得有限的成功。

作为结果，与850nm优化的OM3多模光纤并行地发展了在850nm处工作的10GBASE-SR(近程)基于垂直腔面发射激光器(基于VCSEL)的串行收发器。根据国际标准组织(ISO)11801规定，OM3光纤是850nm处的有效模带宽(EMB)为2000MHz.km的光纤。VCSEL注入(launch)与OM3光纤的集成为10Gbps LAN或Gbps存储区网络(SAN)传输提供了低成本的300米解决方案，并在2002年由IEEE802.3对其进行了标准化。现有技术水平的遵从OM3的光纤的典型距离为1.1km。由于OM3光纤上的10GBASE-SR是成本最低的10Gb/s 300米系统，因此它是新的光纤安装的优选的系统。

然而产业界仍缺乏对已安装的非OM3多模光纤的在成本上有效的解决方案。

受到发送器端或接收器端中所内置的色散补偿方案(光模滤波或电子色散补偿)的发展的刺激，IEEE已建立了针对已安装的光纤分布式数据接口(FDDI)级光纤、OM2级光纤及OM3级光纤上的1300nm处的10Gbps单信道传输的802.3 10GBASE-LRM(远距离多模)协议。然而，FDDI级光纤、OM2级光纤以及OM3级光纤中的任一个都不是针对激光源的1300nm性能来优化的。迄今为止，在IEEE投稿人的模拟中，表明99％的10GBASE-LRM距离对于FDDI级仅为220m，而对于使用电子色散补偿及偏移注入条件的OM3光纤而言，为可接受的300m。预期10GBASE-LRM的成本高于10GBASE-SR但低于10GBASE-LX4(四信道复用系统)，使得其在现有的多模光纤安装的市场中潜在地可行。

多模光纤上的更高速传输的合理的下一步将是40Gbps。两个最有可能的候选是(其将被称作)在OM3光纤上支持300米的40GBASE-SX4，以及在FDDI级光纤、OM2光纤及OM3光纤上支持220米的40GBASE-LRM。40GBASE-SX4将是与未成功的10GBASE-LX4解决方案相似的CWDM(粗波分复用)解决方案，但是具有一些关键的优点：1)将使用成本较低的850nm的VCSEL来替代DFB(分布反馈)激光器；2)利用比LX-4所需的单模容差宽松10倍的多模容差而使得能够实现较低的封装成本；3)与用于40Gb/s串行解决方案的40GHz IC所需的更昂贵的硅锗材料相比，在10GHz频率处工作的SX-4解决方案使得能够使用传统的低成本的CMOS集成电路。

有可能收归于IEEE标准中的下一以太网速度不是40GbE而是100GbE，至少包括一个多模光纤解决方案。一个解决方案将是带状多模光纤上的10×10Gb并行传输。该解决方案直到100m在成本上是非常有效的，但是超过200m时将变得比CWDM解决方案更昂贵。具有保留低成本优势的发送器选项的、允许宽带光纤上的多个10Gb波长的多模光纤可能是100GbE的最吸引人的解决方案。然而，这种光纤应当保持当今对850nm处的1GbE及10GbE传输所提供的最低的成本值。

因此，需要针对到至少300米的波长的以及1Gb/s、10Gb/s及100Gb/s的数据速率的、符合适当的激光器注入条件的、在宽的波长范围上优化的多模光纤。目的是设计在打开10Gbps及20Gbps传输的CWDM的其他波带的同时保持850nm处的1Gbps或10Gbps的当前的低成本的光纤。

已设计了针对宽的波长范围上的操作而优化的新的一类多模光纤。这些是针对使用850nm处的1Gb/s、10Gb/s及100Gb/s数据速率以及至少300米的长度的应用。

改进的多模光纤的芯掺杂有铝和/或磷。在优选的实施方式中，它们掺杂有锗和磷，或者锗和铝。具有这些多掺杂芯的光纤表现出提供了满足短距离光纤链路的新的标准所必需的光传输质量。美国专利申请序列号11/511174中阐述了关于这些多掺杂光纤的更多的细节，这里通过引用将其并入。

然而，已经观察到，尽管这些光纤设计为低成本、高性能多模光纤应用提供了非常有效的解决方案，但是一些具有磷或铝掺杂的光纤对氢污染的敏感度出乎意料地高。因此，掺杂有磷和/或铝的光纤的长期老化质量可能限制这些光纤对于一些应用的有效性。

发明内容

针对刚刚概述的观察及发现，我们提出通过使用氘钝化处理来对这些光纤进行钝化，从而克服不利的氢老化限制。该处理本质上利用氘对玻璃进行预反应，以使得活性最大的玻璃部位不再能与现场中的氢反应。

然而，利用氘的钝化通常增加光纤的初始衰减，并且对于一些光纤类型或某些钝化方案，所得到的光纤在寿命终止时的衰减可以显著地高于未经处理的光纤。由钝化及寿命期间的氢暴露引起的损耗取决于玻璃成分而大大地变化，因此在商用上重要的光纤类型(如单模光纤、掺铒光纤及多模光纤)都表现得不同。存在最佳钝化条件，但是由于未很好地理解缺陷钝化的理论，因此尚未很好地建立对钝化条件的选择。

为了推进氘钝化技术，已发展了使得可以改进对由于钝化的以及安装寿命期间的光纤损耗的预测的新的动力学理论。该理论使得可以优化暴露温度、暴露压力及暴露时间的钝化条件。一个重要的方面是对氢活性及氘活性的计算以及用于平衡氘与氢之间的损耗的方法。这使得可以限定用于对光纤的氘钝化的新方法。

附图说明

借助于附图可以更容易地理解这些方法，在附图中：

图1例示了玻璃光纤中的活性部分之间的活化能的分布；

图2是示出起反应的部分随时间的增长的代表性的图；

图3是示出经钝化的光纤中的活性部分之间的活化能的分布的图；

图4是对经钝化的光纤与未经钝化的光纤进行比较的、与图2的图相似的图；

图5是对利用氘来钝化、接着在氢中长时间操作的三个不同的假定条件的结果进行比较的、损耗相对于时间的图；

图6是给出针对不同的处理时间的比较模拟数据的、损耗相对于时间的图；以及

图7示出了对未经钝化的光纤与在具体化到操作条件的加速条件下经钝化的光纤进行比较的实验数据。

具体实施方式

传统的阶跃折射率多模光纤具有使得光纤的模式以接近相同的速度行进的准抛物线形的折射率分布，使得模式色散最小化并在特定波长处给出最大带宽。远离该波长，光纤模式的传播速度变得不同。在长于最佳波长的波长处，较高阶的模式与较低阶的模式相比行进得慢。在短于最佳波长的波长处，较高阶的模式与较低阶的模式相比行进得快。在实际的光纤中，由于偏离理想折射率分布，因此模式延迟也可能不同。所谓的“中心缺陷”的同类(common family)在多模光纤折射率分布中的r＝0附近出现。改进的化学汽相淀积(MCVD)、等离子增强化学汽相淀积(PCVD)或外汽相淀积(OVD)处理都需要中空体的塌陷，以使得沿多模光纤的中心线的折射率分布经受塌陷处理的过程中所引入的扰动。这些中心缺陷使在光纤的中心附近注入的能量的高速传输劣化。其他非理想情况包括“扭曲(kink)”，即，折射率分布上的任意位置处的凸起或凹陷引起模式延迟的突然偏移。

芯-包层边界附近的折射率分布的偏离在OVD处理中也是常见，在该OVD处理中，在脱水过程中，在灰状体中容易地发生掺杂剂的扩散。

可以按多种方式对光纤的光波功率容量进行量化。满注入带宽(OFL-BW)的使用限于表征用于激光注入应用的光纤。(最大-最小)质心延迟的值或者得自差分模式延迟(DMD)测量的掩模宽度的值更加适当。DMD 0至23微米掩模宽度值＜0.33ps/nm对于利用其中模式功率分布(MPD)受到限制以满足IEEE 802.3ae 10GBASE-SR标准的VCSEL的300m上的10Gbps传输是优选的。等同的目的是在某种激光注入条件下＞2GHz-km的模式带宽。对于被限制成环型通量在r＜4.5um处小于30％且在r＜19um处小于86％的850nm 10Gbps传输，在TIA/EIA-492AAAC-A中发展了可以应用于高分辨率DMD测量以得出“计算出的有效模式带宽”即EMBc的一组权重函数。该组10个值中的最低EMBc值应当在2GHz-km以上，以保证给出的光纤在满足802.3ae规范的任意发送器上提供10Gbps容量。

可以通过考虑称为折射率分布色散的现象来理解模式延迟随着远离最佳波长而快速地改变的效果。折射率分布色散由掺杂剂的成分来确定。当仅有Ge掺杂剂用于多模光纤时，折射率分布色散的变化较大，在宽的波长范围(750nm至1600nm)上的斜率很大。对于Ge较少且混合有其他掺杂剂(例如，P或Al)的情况，折射率分布色散变得平坦，并且在宽的波长范围上给出高带宽光纤。

本发明的多模光纤设计包括多掺杂光纤，其中，通常，使用诸如Al或P的掺杂剂来减小用于实现光纤的必需的数值孔径(NA)所需的Ge的浓度。在光纤包层中也可以使用氟，以减少所需的正折射率掺杂剂的量。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。掺Ge的二氧化硅的色散通常高于掺Al或掺P的二氧化硅的色散，使得当Al₂O₃或P₂O₅替代GeO₂作为折射率升高掺杂剂时，光纤模式色散降低。通常，诸如Ge、Al或P氧化物的正掺杂剂的掺杂剂分布是准抛物线形的，其特征由参数“alpha”(α)来表征，其中，α通常约为2(例如，2+/-0.3)。

对其中掺杂剂单独地由Al组成、或单独地由P组成，或掺杂剂是包括Ge及Al、或Ge及P、或Ge及Al及P的多种组合的光纤进行描述。光纤的包层也可以包括掺F的玻璃，从而减小实现目标NA所必需的折射率升高掺杂剂的总量。出于一个或更多个理由而混合掺杂剂可能是有利的。例如，对掺杂剂的混合将比单独地利用任一掺杂剂产生更好的模式色散；在具有混合掺杂剂的光纤中，在一些情况下，散射或老化损耗可能会增加。

表1描述了下面进一步描述的具有期望的性质的50微米光纤设计参数。

表1

光纤样本	Alpha	Ge(Delta)	P(Delta)	Al(Delta)	F包层(Delta)
						F1	2.04	0.01	0	0	0
F2	2.04	0	0	0.01	0
						F3	2.04	0	0	0.008	-0.002
F4	2.04	0.006	0	0.002	-0.002
						F5	2.04	0.004	0	0.004	-0.002
F6	2.03	0.0025	0.0075	0	0
						F7	2.04	0.0025	0.0075	0	0
F8	2.05	0.0025	0.0075	0	0
						F9	2.06	0.0025	0.0075	0	0
F10	2.07	0.0025	0.0075	0	0
						F11	2.08	0.0025	0.0075	0	0

通过使用多种掺杂剂来增加多模带宽的一般方法已公知多年。例如，参见Kamínow and Presby，AO，Vol.16，No.1，p.108，Jan，1977；R.Olshansky，AO，Vol.18，No.5，p.683，Jan，1979。然而，这些光纤出于各种原因而未获得商用上的成功。在激光器注入出现之前尚未很好地理解高速传输的要求时针对多掺杂光纤进行了很多工作。我们基于新的理解来描述特定光纤设计以及光纤与源的特定组合，使得能够以新颖且独特的方式来实现多个波长上的高速传输。

多模光纤的模式带宽取决于其所使用的激光器注入条件。当注入要求允许激光器与光纤之间的对准容差宽松时实现最低的成本。VCSEL注入的+/-5微米容差对于现有的1Gbps及10Gbps的850nm发送器的成本非常有利。除了850nm之外的其他波长处的VCSEL发送器应当满足与802.3ae的模式功率分布相似的模式功率分布。因此，通过应用十个TIA权重函数作为本发明的在一波长范围上的宽带多模光纤的带宽的测量来实现最不利的EMBc。

理论上，注入具有相似的宽松的容差的单模激光器将是期望的低成本的注入选项(在光纤被优化的波长处)。然而，具有工业可靠性的边发射激光器并不针对850nm而被优化，而耦合到1300nm优化的光纤的10Gbps单模且经直接的调制的法布里珀罗(FP)或DFB激光器过去并未被标准体系所接纳。虽然如此，为了低成本传输，宽带光纤的未来的应用可以有利地使用约980nm至1120nm的范围内的边发射InP激光器。对于完美的中心注入，以非常高的成本来制造，没有中心缺陷的多模光纤固有地为宽带，这是由于若干个最低阶模式的模式延迟的差异很小。然而，为了低成本以及解决同样将远离中心地注入的连接器的效果而考虑将单模激光器耦合到多模光纤的宽松的容差是有用的。约7微米偏移的两个最差情况的连接可以通过单个9微米偏移注入来近似。我们使用9微米单模偏移注入的模式带宽作为这里描述的本发明的光纤的所期望的性能的一个度量。

表1中所描述的掺Al光纤具有由0至23微米掩模宽度(下表2)、VCSEL注入的最不利的模式带宽(下表3)、以及9微米单模偏移注入模式带宽(下表4)所描述的10Gbps传输所期望的性质。

表2

MW23(ps/m)	750nm	775nm	800nm	825nm	850nm	875nm
							F1	0.29	0.23	0.17	0.09	0.02	0.05
F2	0.14	0.12	0.10	0.05	0.02	0.02
							F3	0.08	0.06	0.05	0.04	0.02	0.02
F4	0.15	0.11	0.09	0.03	0.02	0.05
							F5	0.19	0.16	0.14	0.10	0.06	0.04

MW23(ps/m)	900nm	925nm	980nm	1120nm	1300nm	1550nm
							F1	0.10	0.15	0.26	0.48	0.76	1.12
F2	0.04	0.06	0.10	0.18	0.25	0.34
							F3	0.02	0.03	0.05	0.09	0.13	0.18
F4	0.08	0.11	0.17	0.30	0.44	0.63
							F5	0.02	0.03	0.07	0.17	0.27	0.41

表3

EMBc(GHz.km)	F1	F2	F3	F4	F5
						750nm	1.29	2.48	4.01	2.46	1.99
775nm	1.70	3.21	5.03	3.32	2.41
						800nm	2.46	4.25	6.24	4.78	2.95
825nm	4.49	6.71	7.74	8.49	4.10
						850nm	10.70	10.64	10.66	10.36	6.32
875nm	6.68	10.73	11.17	6.69	9.15
						900nm	3.50	7.59	10.99	4.63	13.24
925nm	2.46	5.79	9.40	3.46	10.26
						980nm	1.41	3.69	6.96	2.18	4.97
1120nm	0.77	2.04	4.04	1.24	2.17
						1300nm	0.49	1.48	2.79	0.83	1.37
1550nm	0.33	1.05	2.06	0.59	0.89

表4

SML9(GHz.km)	F1	F2	F3	F4	F5
						750nm	1.67	1.74	1.75	1.73	1.72
775nm	1.91	1.96	1.97	1.97	1.95
						800nm	2.19	2.22	2.22	2.21	2.20
825nm	2.48	2.50	2.50	2.50	2.48
						850nm	2.81	2.81	2.81	2.81	2.81
875nm	3.12	3.15	3.16	3.12	3.17
						900nm	3.34	3.50	3.53	3.40	3.56
925nm	3.49	3.89	3.97	3.75	4.00
						980nm	3.22	4.57	5.05	4.01	4.90
1120nm	1.87	4.23	6.73	2.90	4.63
						1300nm	1.01	2.67	4.76	1.64	2.49
1550nm	0.53	1.51	2.83	0.88	1.28

表1中所描述的掺P光纤具有由0至23微米掩模宽度(下表5)、VCSEL注入的最不利的模式带宽(下表6)、以及9微米单模偏移注入模式带宽(下表7)所描述的10Gbps传输所期望的性质。

表5

MW23(ps/m)	750nm	775nm	800nm	825nm	850nm	875nm
							F6	0.212	0.202	0.177	0.177	0.146	0.146
F7	0.126	0.116	0.091	0.081	0.061	0.061
							F8	0.040	0.030	0.015	0.015	0.020	0.025
F9	0.035	0.051	0.066	0.081	0.091	0.101
							F10	0.111	0.136	0.146	0.162	0.177	0.187
F11	0.202	0.222	0.232	0.247	0.253	0.268

MW23(ps/m)	900nm	925nm	980nm	1120nm	1300nm	1550nm
							F6	0.101	0.096	0.101	0.081	0.081	0.111
F7	0.025	0.020	0.025	0.015	0.015	0.051
							F8	0.040	0.045	0.051	0.061	0.045	0.005
F9	0.111	0.121	0.131	0.136	0.111	0.051
							F10	0.187	0.197	0.212	0.207	0.177	0.111
F11	0.258	0.273	0.288	0.283	0.247	0.167

表6

EMBc(GHz.km)	F6	F7	F8	F9	F10	F11
							750nm	1.74	2.75	5.72	6.05	2.96	1.84
775nm	1.89	3.17	7.10	5.26	2.61	1.70
							800nm	2.15	3.94	8.88	4.67	2.39	1.60
825nm	2.28	4.42	9.75	4.08	2.19	1.50
							850nm	2.57	5.66	9.78	3.67	2.06	1.48
875nm	2.71	6.29	9.00	3.39	1.99	1.39
							900nm	3.45	9.78	7.49	3.23	1.98	1.44
925nm	3.68	11.58	7.00	3.02	1.89	1.37
							980nm	3.75	13.49	6.50	2.74	1.77	1.30
1120nm	4.67	21.18	5.53	2.65	1.78	1.31
							1300nm	4.48	21.68	7.51	3.28	2.09	1.51
1550nm	3.24	6.70	36.55	6.65	3.24	2.19

表7

SMCL(GHz.km)	F6	F7	F8	F9	F10	F11
							750nm	1.76	1.76	1.76	1.76	1.76	1.76
775nm	1.98	1.98	1.98	1.98	1.98	1.98
							800nm	2.22	2.22	2.22	2.22	2.22	2.22
825nm	2.50	2.50	2.50	2.50	2.50	2.50
							850nm	2.81	2.81	2.81	2.81	2.81	2.81
875nm	3.17	3.17	3.17	3.17	3.17	3.17
							900nm	3.57	3.57	3.57	3.57	3.57	3.57
925nm	4.04	4.04	4.04	4.04	4.04	4.04
							980nm	5.35	5.35	5.35	5.35	5.35	5.35
1120nm	12.00	13.06	12.03	9.54	7.56	5.97
							1300nm	14.39	57.34	18.38	7.96	5.69	4.01
1550nm	5.10	8.99	10.79	7.19	4.67	3.36

多掺杂光纤可以具有由多个alpha抛物线指数来表征的折射率分布，以将模式色散均衡为注入模式功率分布的函数，以及/或者添加有诸如台阶、深度、扭曲的精细特征以进一步抑制特定模式群，以及/或者纵向周期结构以增加模式混合效果。光纤的尺寸可以是62.5um/125um、50um/125um或其他尺寸。从降低损耗的观点来看，芯锗浓度较小的较小的芯可以是优选的。多掺杂光纤的OFL带宽在850nm处＞1200MHz.km且在1300nm处＞500MHz.km。

可以在发送器端或接收器端中使用诸如电子色散补偿、光模滤波及空间分段检测的色散补偿方案以增加传输比特率及延伸距离。具体地说，1310nm左右的模式带宽＞1GHz.km的光纤比标准OM3光纤更易于利用EDC以低成本来均衡。

这里所讨论的多掺杂玻璃成分及光纤折射率分布是由传统的方法来处理，以形成预制棒并拉制出光纤。

在对这些多掺杂光纤的研究中发现，尽管它们提供了超乎寻常的光学特性，但是它们较预期更易于因氢污染而劣化。劣化作为公知的水峰(作为氢键结合的结果而形成)的形成的结果而出现。水峰(OH-键)吸收信号的典型波长范围中的光。在磷及/或铝的浓度超过2％时，劣化变得尤其严重。

为了克服该问题，通过将具有上述成分的光纤在加热的氘气氛中进行处理而将该光纤钝化。处理条件决定钝化处理的效果。处理条件主要为：处理时间、氘的浓度及处理温度。

我们已经详细地分析了氢污染处理，从而使得能够确定最佳钝化处理。

氢污染本质上是三阶段处理。首先，氢从周围的材料或气氛扩散到光纤中。然后，该间隙的氢变成能够起反应的活性形式以形成缺陷。通常，这种到活性形式的转变是可逆的处理，并且可以将其模拟为氢分子的分裂以形成基、或者与Langmuir等温相类似的吸收等温。最后，氢的活性形式与玻璃中的现有的部分起反应，以形成损耗导致的缺陷。到此为止的数据指示活化能的宽的分布上发生的反应。这在图1中进行了例示，图1示出了活化能为E_a的部分的数密度。由于可以将反应速率表示为速率～exp[-E_a/kT]，因此活化能最低的部分首先被消耗，并且反应速率逐渐地变慢。该反应由图1中的阴影区来表示，该阴影区指示由于在某温度暴露某时间而与可用的氢起反应的缺陷的群组(population)。随着时间的经过，更多的部分被消耗，并且起反应的部分的群组的增长增大到某渐近极限，这是由于存在氢可以占据的有限组的玻璃部分。反应的程度及损耗产生的缺陷的创建随着时间而增加，如图2中所例示的。

诸如传输光纤及掺铒光纤的光纤可以足够敏感以在典型的工作温度及氢水平与氢起反应，使得光学损耗随时间的变化是不可接受的。为了补救该问题，发展了钝化过程以制造随时间更加稳定的光纤。成功的钝化使位于最低的部分起反应，从而在操作条件使后续的反应变慢，而不引入不可接受的初始背景损耗。为了减小钝化过程中的背景损耗的初始增加，可以由氘来替代氢。由于氘在化学上与氢相似，因此与可用的玻璃部分的反应的动力学也非常相似。然而，因为原子量的增加，与玻璃中的氘种相关联的吸收光谱从根本上与氢不同。具体地说，作为造成1.55微米左右的电信窗口中的大部分光学损耗的原因的、二氧化硅中的1.38微米左右的氢氧基谐波从该窗口移开。这减小了对与氘的反应的损耗的影响。因此，利用氘的钝化可以引入信号波长的相对小的衰减。

图3及图4中例示了典型的钝化的效果，图3及图4示出了钝化过程中与氘起反应的部分的群组。在实践中，所引入的损耗很小，并且可以在将光纤投入使用之前得到解决。在使用中，剩余的氢部分(未被钝化的部分)比在钝化过程中被消耗的那些具有更高的活化能，因此反应速率进行得更慢。因此，尽管氢的摩尔吸收较高，但是使用中的附加的光学损耗应当很小。这致使光纤随时间比未经钝化的光纤稳定得多。

钝化本质上使用加速条件(即，比使用中所期望的高得多的温度和气压)来促进位于最低的部分的消耗，并利用损耗相对小的种来填充这些部分。

该行为意味着由于光纤暴露于氢或氘而导致的损耗的增加由可用的缺陷部分的活化能的分布以及时间、温度及氢活性或氘活性的历史来规定。污染处理的简单的近似模型为：可以按比例决定给定的温度-压力条件的时间，以使用以下变换来产生单个主曲线：

E_a＝kTlog(v[H^＊]_t)               (1)

其中，E_a为活化能，v为频率因子，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，[H^＊]_t为包括到玻璃中的扩散、氢在玻璃中的溶解度、及氢分子随时间的化学活化的综合氢活性项(例如参见SPIE V 3848，pp260-271，LuValle et al.，通过引用将其合并于此)。主曲线的创建使得可以使来自宽的温度、压力及时间范围上的加速测试的实验数据相互关联，并且使得能够对不同的温度、压力及时间组进行准确的预测。

所讨论的概念可以用于使得可以准确地预测光纤在其使用寿命期间的光学损耗的增长。由于与氘的反应将起反应的缺陷的光学吸收从工作波长移开，因此利用氘的钝化过程中所引入的损耗相对地小。因此，关注于对操作过程中预期的损耗增长的计算以及对适当的钝化水平的确定，以获得适当的寿命终止特性。由于钝化而导致的任何衰减相对地较少，并且将其视为必要成本。由于典型的钝化条件可能必需使温度超过100℃多个小时，因此在一些情况下，钝化处理受到包层劣化或仅仅光纤处理成本的限制，而不是受到所引入的光纤损耗的限制。

然而，我们已经发现先前的方法在确保稳定的操作方面并不适当的情况。具体地说，对于这些情况中的一些情况，钝化过程中招致的损耗可能过高。例如，最近发展的芯成分包含锗及磷的多模光纤(参见申请第11/511174号)表现出的与氢的反应性非常高。这指示需要比传统的掺Ge单模光纤所需的钝化程度高得多的钝化程度。结果是在玻璃中起反应的氘的量大大增加。另外，在期望的工作波长范围较宽的情况下，例如从850nm至1300nm，该波长范围至少包括一个OD^-吸收峰。在这种情况下，在标准的钝化过程中所引入的损耗可以超过未经钝化的光纤的损耗。

其他的光纤表现出相似的由钝化所导致的额外的损耗，例如，预期暴露于苛刻的环境或用于高可靠性应用的掺铒光纤。这些光纤可能具有高浓度的铝。

在这些情况下，期望一种平衡的方法来使来自钝化的损耗与来自操作的损耗的组合最小化。为了实现该目的，必需理解并利用基础反应动力学。

对上面所讨论的钝化效果的分析意味着，通过气压、暴露温度及暴露持续时间的无限的组合，利用与氢或氘的反应，可以消耗给定群组的反应部分。例如，在固定的氢气压下，短时间保持在高温的光纤会招致与长时间保持在低温的光纤相同的光学损耗。这种情况的发生是由于存在具有单一的活化能分布的单个群组的反应部分，并且等同的处理消耗相同群组的反应玻璃部分。这种行为已经针对多种玻璃进行了验证。

在一些情况下，如果存在多于一个群组的部分、且这些群组具有不同的活化能分布，则不能保持这种行为。我们已经在研究致电离辐射对复杂的玻璃系统的效果时发现这种情况。

尽管预处理与操作的多个组合可以接近相同群组的反应部分，但是最终的光学损耗可能由于由氢所引入的光学损耗比由氘所引入的光学损耗大得多的事实而不同。因此，对于其中实际上存在单个群组的反应部分的玻璃及化学机制，以上讨论意味着，如果限定了使用期限操作的持续时间及条件，则可以对钝化条件进行优化，以使寿命终止时的光学损耗的量最小化。这在图5中进行了例示，图5示出了利用氘来钝化、接着在氢中长时间操作的两个不同的假定条件的结果。在曲线(a)中，光纤在低温经处理，尽管钝化过程中的初始损耗较低，但是在长时间使用之后，总衰减显著地增长。曲线(b)示出了更强烈的钝化(例如，在更高的温度)，导致招致更多的钝化损耗，但是使后续的反应性变得足够慢，以使得在长时间的使用之后，所招致的总损耗低于曲线(a)中的损耗。曲线(c)中的更剧烈的钝化致使光纤对使用中的劣化相当地稳定，但是这不能补偿高的钝化损耗，寿命终止损耗高于曲线(b)。因此，示出钝化处理可能过于剧烈以及过于温和。尽管通常假设有效的钝化处理可能仅需要考虑钝化阈值，但是前述理解指示，最佳钝化条件具有最大值以及最小值。因此，在设计氘钝化处理时，期望不仅计算处理条件的下限，而且计算处理条件的上限。

除了由氘及氢所引起的光学损耗量级及光谱的差异之外，分子种通过聚合物包层及玻璃包层的扩散速率显著地不同。相反的是，氘与氢之间的动力学行为的差异相对地较小。可以将这些差异中的各差异与主曲线中的适当的缩放比例合并。典型的过程是使用温度、压力及时间的加速条件来进行一组实验测试，以确定主曲线，可以根据该主曲线来确定[H^＊]_t函数。因而，[H^＊]_t函数的使用使得可以确定氘钝化的温度-压力-时间条件，以使最终寿命损耗最小化。

应当注意，[H^＊]_t一已知为温度及压力的函数，就可以使用测得的光学损耗的变化来回算现场中光纤对其暴露的氢的浓度。这可以是用于监视光纤安装或装置以检测设备问题或紧急故障的有用的工具。

本发明的一个方面是用于确定[H^＊]_t的实验规程。可以从文献(例如，Lemaire，Optical engineering，June 1981，V30，no 6，pp 781中的式2及式3)中获得作为温度及压力的函数的、H₂在二氧化硅中的扩散常数及溶解度。因此，我们可以求得H₂在光纤中的局部浓度，并且使用实验测得的损耗随时间的增长，可以确定氢活性。

我们已发现氢的化学活化强烈地依赖于玻璃成分。在大量地掺杂了周期表的IIIA栏中的元素的情况下，活性由氢到氢基的分裂来主导。例如，铝掺杂将分裂的活化能从4.48eV减小到约1eV。该催化作用可能是铝(如同硼)的杂化其空轨道以创建3中心键的能力的结果。

作为另一种选择，在没有IIIA元素的光纤中，主导活性是H₂直接在损耗产生部分上的吸收接着氢-氢键的分裂。在这种情况下，活性具有吸收等温线的形式，一般形式为

其中，根据扩散及溶解度来直接地确定[H₂]，A及B以实验的方式来估计。

光纤中的引入氢的暗化的一般形式可以由以下方程组来描述：

$\frac{d\left[H_2\right]}{\mathrm{dt}}=-k_1\left[H_2\right]+k_2{\left[\stackrel{\·}{H}\right]}^2$

$\frac{d\left[\stackrel{\·}{H}\right]}{\mathrm{dt}}=k_1\left[H_2\right]-k_2{\left[\stackrel{\·}{H}\right]}^2-\underset{i=1,...,n}{\mathrm{\Σ}}{k}_{3i}\left[\stackrel{\·}{H}\right]$

$\frac{d\left[D_i\right]}{\mathrm{dt}}=-k_{3i}\left[D_i\right]\left(p\right[\stackrel{\·}{H}]+(1-p)\frac{1+A}{1+\frac{A}{B\×\left[H_2\right]}}),$ i＝1，...，n    (2)

$\frac{d\left[L_{\mathrm{\λ}}\right]}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ}}\underset{i=1,...,n}{\mathrm{\Σ}}{k}_{3i}\left[D_i\right]\left(p\right[\stackrel{\·}{H}]+(1-p)\frac{1+A}{1+\frac{A}{B\×\left[H_2\right]}})$

其中，

$k_j=v_j\exp (-\frac{E_{\mathrm{aj}}}{\mathrm{kT}}),$ j＝1，2

$k_{3i}=v_3\exp (-\frac{E_{a3i}}{\mathrm{kT}}),$ i＝1，...，n

这里，

为氢基的浓度，v项为Arrheniuos关系的频率因子，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，[L_λ]为波长λ处的每单位长度的光学损耗，D_i项代表玻璃中的最终变成有损耗的部分的群组。D_i项在时间0的浓度给出了活化能在活化能分布中的权重。参数p使得可以给出两个活化形式的相对权重。

可以基于来自适当的实验的实验数据来适合以上模型，以估计活性。后续实验在细化活性以提高长期预测的精度时是有用的。

示例

为了表明上述概念的有效应用，制造了具有掺Ge-P的芯的多模光纤。在具有混合有氮的氘气氛的加热炉中对该光纤进行处理。名义上的总压力为1大气压。在进行多个实验以确定氢活性及氘活性以及上式(1)中的v的适当的值之后，进行模拟以预测在72C及1atm的氘钝化不同的时间之后的光纤寿命终止性能。图6中绘制了4小时、8小时及12小时的暴露持续时间。在使用中，假定条件为25C及10^-4atm的氢，操作寿命为10年。短的钝化(4小时)不足以使足够群组的反应部分起反应，而长的钝化(12小时)是过度的。在8小时的钝化持续时间处找到最小寿命终止损耗。

基于该实验及其他实验，建立了三个处理参数的最佳范围。优选的处理包括在加热的氘中的初始处理，接着是在惰性气体(例如，氮气)中的趋入退火。在初始处理中，可以利用惰性气体来将氘冲淡成所期望的氘压力。惰性气体趋入使得所吸收的氘可以扩散通过光纤，并且使得可以发生所期望的反应。氘的压力优选地为0.25至0.75大气压，优选的总处理时间段在18小时至30小时的范围中，其中，氘处理时间段为2小时至6小时。相对应的处理温度范围为65摄氏度至100摄氏度。

从实际商品及其他考虑的观点来看，被推荐的处理条件为0.4+/-0.2大气压的氘达3+/-1小时，接着在温度在82摄氏度至92摄氏度的范围内的惰性气氛中加热21+/-5小时。

图7提供了在70℃、0.3大气压H₂的加速条件下在1310nm处测得的、从未经钝化的光纤测得的原始数据对比于从经钝化的光纤测得的原始数据。光纤成分为14％的P₂O₅、13％的GeO₂，主要为73％的SiO₂。水平轴为加速条件下的时间(以小时为单位)。垂直轴为每公里增加的损耗(以dB为单位)。接近5小时处的垂直线是与在40C、0.01atm氢气暴露35年的寿命终止相对应的加速条件下的时间的粗略估计。图例中给出了各光纤的寿命终止损耗的估计。可以清楚地看到钝化的效果为：一超过测量的噪声本底，未经钝化的光纤(三角符号Δ)就严格地在经钝化的光纤以上。

可以利用这里所描述的处理来处理的光纤的掺杂水平可能大大地改变。主要感兴趣的成分以及最易受来自氘钝化的额外损耗影响的那些，为共掺杂有GeO₂及P₂O₅的基于二氧化硅的光纤。通常，GeO₂与P₂O₅的摩尔比可以宽范围地变化，例如，从0.5至10。总掺杂剂浓度通常从15mol％变化到32mol％，残余物为SiO₂。磷含量通常在2mol％至20mol％的范围中。感兴趣的特定成分为20％+/-3％的GeO₂及3％+/-1％的P₂O₅、以及13％+/-3％的GeO₂及14％+/-3％的P₂O₅。

可以将作为上文的描述对象的多模光纤识别为芯直径通常相对地较大，通常大于10微米。该性质将该光纤与芯直径通常为6微米或更小的单模光纤区分开。

在详细的描述结束时，应当注意，本领域技术人员显而易见的是，在实质上不违背本发明的原理的情况下，可以对优选实施方式做出多种变型及修改。这里旨在将所有的这种变型、修改及等同包括在如同权利要求书中所阐述的本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种用于钝化光纤的方法，其中，所述光纤是共掺杂有GeO₂和P₂O₅的SiO₂，所述方法包括以下步骤：在65摄氏度至100摄氏度的范围内的温度下在包含氘的气氛中加热所述光纤达至少2小时；以及，其后在65摄氏度至100摄氏度的范围内的温度下在惰性气氛中加热所述光纤。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光纤共掺杂有GeO₂，并且在15mol％至30mol％的范围内。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，P₂O₅的量至少为2mol％。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，剩余的mol％包含SiO₂。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述包含氘的气氛包含0.25大气压至0.75大气压的氘。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述包含氘的气氛包含0.25大气压至0.75大气压的氘，所述包含氘的气氛的其余物为氮。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光纤的成分为20mol％+/-3mol％的GeO₂和3mol％+/-1mol％的P₂O₅。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光纤的成分为13mol％+/-3mol％的GeO₂和14mol％+/-3mol％的P₂O₅。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光纤为多模光纤。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述光纤的芯的直径大于10微米。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，在惰性气氛中加热所述光纤达16小时至26小时的范围内的时间段。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述包含氘的气氛中加热所述光纤持续2至4小时的时间段，并且所述包含氘的气氛包含0.2大气压至0.6大气压的氘。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，在惰性气氛中加热所述光纤发生在82摄氏度至92摄氏度的范围内的温度下。

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