CN1198412A - 确定光纤栅时效条件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种确定光纤栅时效条件的方法,该方法包括将光纤栅的时效变劣曲线设定为正比于t-n形式的步骤,其中t表示时间,n表示与温度有关的参数;以及根据时效变劣曲线确定时效条件的步骤。

Description

确定光纤栅时效 条件的方法
本发明涉及在光纤网络中用于滤波器、多路调制器或多路解调器、色散补偿器等的光纤栅的时效。
光纤栅是一种沿着光纤的纵向在其中心区部位提供周期性变化折射率的光纤。被称为光栅的折射率改变的区域根据光波长的不同可以传输或反射所传播的光。因此,光纤栅可用于各种光学元件,例如,滤波器、多路调制或多路解调器,色散补偿器等。
如图1所示,形成光栅20的方法通常包括多步制取硅基光纤10的步骤,光纤10中GeO2(二氧化锗)至少加到纤芯区,采用由预定波长的光30所形成的干涉条纹照射光纤10,根据这种干涉条纹的光能强度分布产生折射率的相应变化。由于光纤10通常具有一层塑料涂层(未图示),所以需将一部分涂层去除,而使光纤10的外露部分用光30予以照射。在图1中,数字22表示受到照射时引起折射率较大量增加的部分,而数字24表示引起折射率较小量增加的部分。光栅20是一个沿着光纤10纵向的交替和周期性地配置部分22和24的区域。
现已考虑用某种波长的光照射硅基光纤的掺氧区使其产生一些锗缺陷,由此引起折射率的改变。也已知锗缺陷的多少随时间而变化,因而光纤的光栅特性也随时间变劣。鉴于此,已提出许多技术设想,在光纤栅制备后对其马上进行加速时效处理,以便在投入市场运行过程中足以抑制光纤栅的性能随着时间变化而变差。这些处理技术的例子公开在USP 5,287,427和5,620,496,在本文用作参考。
在USP 5,620,496公开的技术中,假定归一的折射率差η用下式表示: η = 1 1 + C · t α - - - ( 1 ) 式中,t表示时间,C和α是温度的函数。该归一的折射率差η是从光栅形成之后一个预定时间点(即,基准时间)经过时间t时该光栅的折射率差值,这个值对于该光栅在这个时间点的折射率差是归一化的,即,η=(在该基准时间之后t时的折射率差)/(在该基准时间的折射率差)。在上述该专利公开的技术中,采用光栅形成后即刻这个时间作为基准时间。折射率差指的是在光栅中最大和最小折射率之间的差。
在常规技术中,从温度越高η变化越快这一事实,为了抑制光纤栅运作过程性能的变劣,可将它在温度高于其工作温度的环境中热处理从而进行加速的时效处理。
在对上述常规技术研究之后,本发明者发现下列诸问题。即,在上述的这些技术中,由于式(1)中的二个参数C和α与温度有关,它表示归一的折射率差η的缓慢变化,因此很难确定用于时效的热处理温度和时间。实际上,上述这些专利没有完全公开这些时效的条件。
本发明的目的在于提出一种比较容易确定时效条件的方法。
具体说,本发明的方法包括设定光纤栅的随时效变劣曲线以正比于t-n的形式变化的步骤,这里t表示时间,n表示一个与温度有关的参数;以及按照所述的时效变劣曲线确定时效条件的步骤。采用上述形式设定时效变劣曲线,可很容易地确定时效条件。在一个实施方案中,在完成时效时测定的归一的折射率差值η1作为时效条件。用于进行时效的热处理温度T1和时间t1也可以从η1值来测出。
本发明的另一目的在于包括一种制做光纤栅的方法,这种光纤栅设计成在操作温度为T2、操作时间为t3条件下应用时,它的性质变差可以抑制在一个预定的允许限度内。这种方法包括在光纤的某一区内形成一种光栅的步骤;以及在由上述时效测定方法测定时效条件下对该光栅进行时效处理的步骤。在一个实施方案中,时效处理包括对光栅进行热处理直至光栅的归一折射率η达到上述的值η1。
由下面的详细说明和附图将更充分地了解本发明,它们只是举例说明,并不是对本发明的限定。
对于本发明的应用范围,通过下面的说明将会更清楚。然而,应当理解,采用本发明的优选实施例进行的详细说明和举例,只是举例说明的方式,因为对于本技术领域的技术人员来说从这种详细的说明显然可以在本发明的构思和范围内作出各种改变和改进。
图1是表示一种将光栅照相记录在光纤中的方法示图;
图2是表示分别在温度为120℃,170℃,220℃和280℃时光栅的归一折射率差η的时效变劣曲线图;
图3是表示分别在温度为75℃,85℃,100℃和120℃时光栅的归一折射率差η的时效变劣曲线图;
图4是表示图2和3中与每个温度的相应曲线有关的参数C1和n的表格;
图5是表示参数n和温度之间关系的曲线图;
图6是表示在温度为100℃,120℃,140℃,170℃,220℃和280℃时光栅的归一折射率差η的时效变劣曲线图;
图7是表示在温度为400℃,500℃,600℃,700℃和800℃时光栅的归一折射率差η的时效变劣曲线图;
图8是表示与图6和图7的相应曲线有关的温度和参数C1之间关系的曲线图;
图9是表示不进行时效处理时归一折射率差的预示的时效变劣曲线图;
图10是表示在温度为80℃进行时效处理48小时之后预示的归一折射率差的时效变劣曲线图;
图11是表示在受到时效处理之后对一种预示时效变劣的解释方法示意图;
图12是表示在时效处理后归一折射率差η1值与由于经过操作时间t3所产生折射率差改变的比率之间的关系,它们在每个操作温度下所得到的关系图;
图13是表示如果操作时间t3是25年在时效处理后对于折射率(1-H)的改变率为1%或以下时所需的归一折射率差的η1值曲线图;
图14是表示时效处理温度T1和时间t1之间关系的曲线图;
图15是表示参数n和温度之间关系的曲线图;
图16是表示参数τ和温度之间关系的曲线图。
下文将参照附图对本发明的几个实施方案予以详细说明。在说明制做光纤栅的方法之前,先介绍一种预测光纤栅的时效变劣和测定时效处理条件的方法。
在本发明中,采用下式(2)表示光栅的归一折射率差η的缓慢变化。
η=C1·t-n    (2)式(2)可以表示具有足够精度的归一折射率差η的时效变劣,对此将在下面进行详述。
通常,归一的折射率差η是光栅形成后,当从一个预定的时间点(即,基准时间)经过一段时间t时该光栅的折射率差值,并且该值相对于该光栅在这个时间点的折射率差是归一化的。即,η=(在基准时间后的t时刻的折射率差)/(在基准时间的折射率差)。这里,折射率差是指光栅中最大和最小值折射率值之间的差。在多数情况下,如果光栅形成后的相当短时间间隔测定折射率差,该折射率差的缓慢变化是十分小的,而且所测量的折射率差可认为等于在光栅完全形成的这一时刻的折射率差。于是,可以把相对于上述测量的折射率差的归一折射率差η认为是代表了在完全形成光栅之后t时刻的折射率差与该光栅完全形成时折射率差的比值。
图2和3表示在不同温度时光栅的归一折射率差η的测量值曲线图,以及根据式(2)拟合这些测量值的曲线。用于这种测量的光栅被光录入硅基光纤中,它具有用GeO2通过用紫外光照射光纤的方式而掺杂的纤芯,如图1所示。
图2表示在温度为120℃,170℃,220℃和280℃时光栅的归一折射率差η的时效变劣曲线,图3表示在温度为75℃,85℃,100℃和120℃时在一个较长的时间周期内光栅的η的时效变劣曲线。在这些图中,圆点表示η的测量值,而实线表示根据式(2)拟合这些测量值的曲线。这里,η可用光栅的归一折射率差Δn相对于在光纤栅加热到上述温度之前在光录入光栅之后所测量的折射率差Δn0之比值来确定。即, η = Δn Δn 0 - - - ( 3 )
如这些图所示,测量值和拟合曲线相互非常一致。尤其,在温度为100℃或以上,测量值和式(2)的曲线之间的相关系数是0.94或以上能得到相当有利的结果。因此,归一折射率差η的温度关系和时间关系可以用式(2)很好地表达。
图4是对于每个温度有关图2和3所示拟合曲线的参数C1和n的列表。表中的各栅相继表示摄氏温度,绝对温度,绝对温度的倒数,参数n和参数C1。如表中所示,参数C1是常数(在本实施方案中约为1),与温度大小无关。
下面将介绍参数n与温度关系。图5是参数n和绝对温度T之间的关系曲线图,该关系由上述测量来确定。在图中,对数纵坐标表示参数n,而横坐标表示绝对温度T的倒数,即1/T。图中的上部标记表示摄氏温度,作参照用。如图所示,对于绝对温度T,参数n非常符合Arrhenius定律。由此,参数n可用下式通式(4)近似表示:
n=A·exp(-B/T)    (4)
式中A和B是一个常数,与温度无关。按照上述测量的结果,A和B分别是2.7914和1963.2。由此得到活化能是16.32kj/mol。
图6和7是表示在比图2和3所示的更宽温度范围测量的光栅归一折射率差η的缓慢变化的曲线图。具体说,图6表示在温度为100℃,120℃,140℃,170℃,220℃和280℃的每个温度时光栅的归一折射率差η的时效变劣的情况,图7表示在温度为400℃,500℃,600℃,700℃和800℃的每个温度时光栅的归一折射率差η的时效变劣的情况。在这些图中,圆点表示测量值η,而实线是按照式(2)与这些测量值拟合的曲线。由于图6和7中的纵坐标和横坐标是用对数表示的,所以拟合测量值的线是直线。
图8是表示相应于图6和7的拟合线的温度T和参数C1之间的关系曲线。如图所示,在温度为300℃或以下时,参数C1是基本上与温度无关,近似地等于1。同样,相对于绝对温度T,n非常符合Arrbhenius定律,并可用上述式(4)来表示。根据图6和7的测量值,A和B分别为1.4131和1633。这些值不同于由图2和3的测量值所确定的值,因为用在拟合的各个温度范围互相不同之故。
如图2至8所示,上述式(2)可适当地表示在温度70℃至800℃的范围内光纤栅的时效变劣。同样,在式(2)中包括的参数n表示在这个温度范围内Arrhenius型的温度关系。还有,在用式(2)表示的光纤栅的时效变劣时,参数C1可以认为是一个常数值(在本实施方案中约为1),它在温度为300℃或以下时与温度无关。于是,在该实施方案中,可以将归一的折射率差n表示为以下形式:
η=t-n    (5)使用式(4),可将式(5)变为:
η=t-A·exp(-B/T)    (6)
在该实施方案中,式(6)用于预测光栅的时效变劣。A和B值用在下面的表达中分别为2.7914和1963.2。
图9和10是表示用光栅的归一折射率差预测有关时效变劣结果的曲线图。这种预测是依据式(6)进行。其中,图9是在无时效处理时用归一折射率差预测时效变劣的曲线图。图10是在光纤栅受到80℃和48小时时效热处理,然后保持在这些温度时预测在这些不同温度下用归一折射率差表示的时效变劣。每个曲线分别表示在温度20℃,40℃,60℃和80℃下预测的时效变劣。在图9中所示的纵坐标表示上述归一的折射率差η,而图10中的纵坐标表示一种新的归一折射率差H。参数H相对于在完成时效处理时刻的折射率差是归一化的。该参数H在下面将予以详述。
图9中的每一曲线表示在没有时效处理时所预测的时效变劣的结果,它可通过将每个温度代入式(6)而很容易确定。下面是说明在受到时效处理时如何得到表示时效变劣的预测结果的图10所示曲线。
图11是表示进行时效处理之后预测时效变劣的一种方法说明图。在图中,T1表示进行时效处理的热处理温度,T2表示光纤栅的操作温度。图11中实线表示在光纤栅于加热温度T1受到时效处理,然后放在工作温度T2的环境内的情况下归一折射率差η的缓慢变化。另一方面,图11中的二个点划线表示在光纤栅分别放置在T1和T2温度的环境时根据式(6)预测的η的缓慢变化。
首先,确定在完成时效处理时刻的η值(加热温度T1=80℃,加热时间t1=48小时)和使用式(7)确定η1:
η1=t1-A·exp(-B/T1)    (7)
式(7)是依据式(6)得到,经计算η1=0.92。之后,在假设光纤栅在形成光栅而未经时效处理之后放置在温度T2的环境下确定从η至η1所需的时间t2。该时间t2可由下式(8)确定: t 2 = exp ( ln ( η 1 ) - A · exp ( - B / T 2 ) ) - - - ( 8 )
上式(8)可以从时间t2的定义以及上述式(7)推导得到。
时刻t1之前,由图11的实线所示的η的缓慢变化是与在温度T1时的缓慢变化相一致的。在时刻t1之后,它基本上与η变成η1之后,即t2时刻之后T2的缓慢变化相一致。于是,在时刻t2之后的温度T2时的缓慢变化可以预测得到图10的曲线。
在此,引入对于完成时效处理时的折射率差归一化的新的归一折射率差H,并在温度T2下经过的在时间t2和附加时间t3内的时刻测定H值。在本文中归一折射率差H也称为“折射率差参数”,为了使它与η相区别。假设光栅的折射率差为Δn,在完成时效处理时光栅的折射率差值为Δn1,则作为η的归一化基础的折射率差值为Δn0,折射率差参数H表示为:
H=Δn/Δn1
  =(Δn/Δn0)/(Δn1/Δn0)
  =η/η1    (9)
利用式(6)和(9),在T2温度经过的时间t2和t3时的某时刻的H值确定为:
H=(t3+t2)-A·exp(-B/T2)/η1      (10)图10表示对于每个操作温度T2(T2=20℃,40℃,60℃和80℃),时间t3和由式(10)表示的参数H之间的关系。由此,可以预测经时效处理后光栅的时效变劣。
见图9,在没实施时效处理时,即使在相当低的操作温度20℃下只经过一年时间,预期归一折射率差具有4%或稍多一些的变劣,随着操作温度的升高时效变劣也逐渐增加。相比之下,如图10所示,经过时效处理之后,即使在操作温度20℃下经过25年之后归一折射率差也没有实质性变劣,即使在操作温度为40℃,经过25年之后所述变劣也只是0.5%左右。由此可见,受到时效处理的光纤栅的使用可靠性可得到足够保证。然而,即使在80℃时效处理48小时,在操作温度60℃时,经过25年后约有4%的性能变劣,在操作温度80℃时,经过25年后约为9%的性能变劣。因此,不宜统一设定时效处理的条件,而不考虑实际的光纤栅的操作温度和操作时间。
所以,在本实施方案的方法中,根据上述式(6),考虑到光纤栅实际使用的场合和操作温度和时间以及折射率差参数H的允许值来合适地确定一个或多个时效处理条件(即,在完成时效处理时的归一折射率差值η1、时效处理温度T1和时效处理时间t1中至少一个)。下面将专门介绍一种确定时效处理条件的方法。
按照本实施方案的方法,其目的在于将光纤栅设计成用于操作温度T2下操作时间t3时使折射率差参数H的降低被抑制在一个预定的容许范围内。由此,时效处理条件的确定,在时效处理于操作温度为T2、操作时间为t3的环境中进行时,时效的参数H应不低于预定的最低允许值Hm。根据光纤栅的使用情况、使用环境等条件来预设其操作温度T2、操作时间t3和最低允许值Hm
在上述方法中,完成时效处理的归一折射率差值η1的确定要满足下述两式(11a),(11b):
Hm≤(t3+t2)-A·exp(-B/T2)/η1    (11a) t 2 = exp ( ln ( η 1 ) - A · exp ( - B / T 2 ) ) - - - ( 11 b )
在设定操作温度T2、操作时间t3和最低允许值Hm后可计算上述两式的解。
图12是表示在时效处理之后即时的归一折射率差值η1与经过25年的操作时间t3而引起折射率差改变的比值之间的关系(每个操作温度T2分别是20℃,40℃,60℃和80℃),该关系即是(Δn1-Δn)/Δn1,如用上述参数H,可表示为(1-H)。图13表示,对每个操作温度T2,如果操作时间t3是25年,对比值(1-H)所需的η1值约为1%或以下。
从上述这些曲线图可见,为了获取一种通常所需的可靠性标准(该标准是比值(1-H)≤1%,即,如果操作时间t3是25年,Hm=0.99),就需要时效处理,使完成时效处理时的归一折射率差η1,在操作温度20℃时η1≤95.5%,在操作温度40℃时η1≤92.5%,在操作温度60℃时η1≤89.0%,在操作温度80℃时η≤84.5%。
在上述方式中,以某一时效条件完成时效处理时归一折射率差值η1是依据操作温度T2、操作时间t3、和折射率差参数H的最少可允许值来确定。时效处理,即光栅的热处理,可以进行到使归一折射率差η达到所确定的值η1,以取得在操作温度T2和操作时间t3条件下,将光纤栅中折射率差抑制在预定的允许限度内。
作为时效处理的更具体的条件,还需确定用于时效处理的热处理温度和时间。也就是说,时效温度T1和时效时间t1可以由式(7)来确定,而由T1和t1可以取得上述的η1。在这种情况下,时效温度T1和时效时间t1不能单一测定。图14是表示时效温度T1和时效时间t1之间的关系曲线;它可由式(7)确定。如果操作时间t3是25年,操作温度是20℃,以及折射率差变化的可允许的最大比值是1%时,图中的曲线则表示该关系。图的纵坐标表示时效时间t1,横坐标表示时效温度T1和操作温度T2之间的差,即(T1-T2)。由图可见,时效温度T1越高,时效时间t1就越短。例如,如果时效温度T1是40℃,或超过操作温度T2,则优选的时效时间t1只需40小时或以下。同样,如果时效温度T1是50℃,或超过操作温度T2,则优选的时效时间t1只需13小时或以下。
下面将说明本发明测定时效条件的其它方法。在所述方法中,首先设定加热温度T1和加热时间t1的暂定值T1p和t1p。之后,在以加热温度T1p和加热时间t1p进行时效处理时完成时效处理时归一折射率差的预测值η1p。再把T1p和t1p代入式(6),得到如下式(12)所示的预测值η1p
η1p=t1p -A·exp(-B/T1p)    (12)然后,从下式(13)确定由于在操作温度T2时的时效变劣所致的使归一折射率差η变成预测值η1p所需的时间t2p t 2 p = exp ( ln ( η 1 p ) - A · exp ( - B / T 2 ) ) - - - ( 13 )
此后,假设时效处理在温度T1p进行t1p时间,则在这种时效处理后对于已在操作温度T2和操作时间t3下使用的光纤栅的参数H的预定值Hp可用下式(14)确定:
Hp=(t3+t2p)-A·exp(-B/T2)/η1p    (14)
然后,将预定值Hp与在操作温度T2和操作时间t3条件下可允许的H参数的最小值Hm作比较。在判断Hp,Hm,η1p,T1p和t1p为合适的时效条件时,则完成了确定时效条件的过程。在Hp<Hm时,则上述确定的η1p被判断为不合适的,由此重新设置假定的加热温度T1p和加热时间t1p。最好,实施这种设置操作是使η1p较小而使预定的折射率差值参数Hp较大。之后,重复进行上述的步骤。直至确定合适的η1p,T1p,和t1p为止。
下面,根据本发明实施方案对制做光纤栅的方法予以说明。参见图1,所示的方法中制取一种在芯区掺有GeO2的硅基光纤10(SiO2+GeO2)。在本实施方案中,虽然光纤10的包层区14基本上是纯的二氧化硅(SiO2),但其中可掺有GeO2。光纤10受到由一定波长(例如,短于260nm的波长)的光30所形成的干涉条纹进行照射。这引起与光纤中干涉条纹的光能量大小的分布相应的折射率变化,由此形成光栅20。之后,光栅20受到热处理,从而造成光栅20的加速变劣,于是完成了时效处理。
这种热处理可以按照由上述方法中的任一种所确定的一个条件或多个条件来实施。例如,可以用光栅20的归一折射率差η受到监控的方法热处理光栅20,直至η达到按本发明确定的η1值(或η1p值)。另一种方式,可以采用按本发明确定以温度T1(或T1p)和时间t1(或t1p)来进行热处理。从而,可以不用监控归一折射率差η就能进行热处理。在已经受到这样一种热处理的光栅20中,当将其用在操作温度T2,操作时间t3条件下时其折射率差值参数H的下降可抑制在一个预定的允许限度内。完成这种热处理,就完成了本发明实施方案中光纤的制做。
如上述详细的说明,由于本发明中只使用一个与温度有关的参数来表达本发明的归一折射率差η,所以可以相当容易地确定时效处理的条件。
同样,在按本发明制做光纤栅的方法中,有可能产生一种具有所要求可靠性的光纤栅,使其在预定操作温度和时间下的时效变劣被抑制在一个预定的允许限度之内。
尽管光纤栅的时效变劣曲线可以用上述式(6)表示,但是本发明者还提出另一个时效变劣曲线,它由式(15)表示:
η=(t/τ)-n=τn·t-n    (15)
对该式(15)与前述的式(2)互相作比较,可见,式(2)中的参数C1与式(15)中的参数τ的第n次方相当。参数τ在本发明者进行测量中所用的温度范围75℃至80℃之内,呈现Arrhenius型的温度关系,它与参数n的相同。即,可以用式(16)表示:
τ=A′·exp(B′/T)    (16)式中A′和B′是常数,与温度无关。
图15是表示参数n和温度之间关系的曲线,图16是表示参数τ和温度之间关系的曲线。在利用式(15)预测光栅的时效变劣时,由于参数τ和n二者有温度依赖关系,所以所需的计算是复杂的。然而,例如,将光纤栅用在一个不足以将式(2)中的参数C1认为是一个常数值的高温环境中时,则可以使时效变劣曲线用由式(15)所表示的方式予以确定。
从已描述的本发明可见,显然它可用多种方式予以改变。这些改变将不认为偏离本发明的精神和范围,所有的这些变更对本技术领域的人来说是显见的,它们均包含在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种测定光纤栅时效条件的方法,所述方法包括下述步骤:
将所述光纤栅的时效变劣曲线设定为正比于t-n的形式,式中t表示时间,n表示与温度有关的参数;以及
根据所述时效变劣曲线确定所述的时效条件。
2.如权利要求1的方法,其中所述参数n由下式表示:
n=A·exp(-B/T)式中,A和B是常数,
T是温度。
3.如权利要求1的方法,其中测定所述条件的步骤包括一个确定满足下述两式的η1值的具体步骤:
Hm≤(t3+t2)-A·exp(-B/T2)/η1 t 2 = exp ( ln ( η 1 ) - A · exp ( - B / T 2 ) )
式中,Hm是预测的最小允许值;
      T2是所述光纤栅的操作温度;
      t3是所述光纤栅的操作时间。
4.如权利要求3的方法,其中确定所述条件的步骤还包括一个根据所述η1值确定用于时效处理的热处理温度T1和时间t1的具体步骤。
5.如权利要求4的方法,其中所述加热温度T1和加热时间t1设定在使他们满足下式:
η1=t1-A·exp(-B/T1)
6.如权利要求4的方法,其中所述加热温度T1是40℃或在所述操作温度T2以上。
7.如权利要求1的方法,其中所述确定时效处理条件的步骤包括下述具体步骤:
设定用于时效热处理的假设温度T1p和假设时间t1p
使用所述的T1p和t1p来确定由下式表示的η1P值;
η1P=t1p -A·exp(-B/T1p)
使用所述η1P值确定由下式表示的时间t2p t 2 p = exp ( ln ( η 1 p ) - A · exp ( - B / T 2 ) ) 式中,T2是所述光纤栅的操作温度;
使用所确定的时间t2p和值η1P,以确定由下式表示的值Hp
Hp=(t3+t2p)-A·exp(-B/T2)/η1p其中t3所述光纤栅的操作时间;
然后将由此所确定的值Hp与预定的最小允许值Hm作比较,并定义所述的η1P、温度T1p和时间t1p作为在Hp≥Hm时的时效条件。
8.如权利要求7的方法,其中所述条件的确定步骤包括在所述比较结果Hp<Hm时,重新设定所述的假设温度T1p和时间t1p,以及重复所述的确定η1P值、确定时间t2p、确定值Hp和将Hp与Hm比较的这些具体步骤。
9.如权利要求7的方法,其中所述假设温度T1p是40℃或在所述操作温度T2之上。
10.一种制做光纤栅的方法,其中所述的光纤栅设计成在用于操作温度T2、操作时间为t3的情况下,它的变劣抑制在一个预定的允许限度内,所述方法包括:
在光纤的预定区域内形成一个光栅;
在由权利要求1的方法确定的条件下进行所述的时效处理。
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