CN1606707A - 分段感光的光学波导 - Google Patents

Abstract

一种光学波导，诸如一种光纤包括一个长度的波导和至少一个分离的纵向部分，该纵向部分具有相对于该波导的其他部分经提高的感光性。

Description

分段感光的光学波导

发明背景

本发明涉及感光光学波导。更具体地说，本发明涉及具有经选择的和分离的高感光性纵向区域的光纤。

光纤和光纤设备广泛用于信号传输和处理的各种用途。以光纤为基础的设备是目前不断发展的高容量光学通讯基础设施中的极其重要的元件。很多这样的设备依赖于光纤布拉格光栅(FBG)进行光的传播。FBG是在波导的光引导区域中折射率沿其长度有周期性，非周期性或拟周期性变化的光纤。在光纤中产生这种折射率扰动的能力是制造FBG，进而制造不少光学元件，诸如光学传感器，波长选择光纤以及色散补偿器所必须的。

光栅通常通过感光性的现象被写入光纤。感光性被定义为玻璃的折射率由于玻璃结构的光化辐射诱导的改变而发生变化的效应。术语“光化辐射包括可见光，UV，IR辐射以及在玻璃中诱导折射率变化的其他形式的辐射。当用同样传播的辐射剂量在其中诱导出更大的折射率变化时，该特定的玻璃就被认为比其他的玻璃更有感光性。

玻璃的感光性水平确定了在玻璃中怎样大的折射率变化可被诱导出来，以及因此而对可以被实际制造出来的光栅设备作出限制。感光性也影响了在玻璃中用给定的辐射强度可以诱导出所需要的折射率变化的速度。通过提高玻璃的感光性，可以在玻璃中以更快的速度诱导更大的折射率扰动。

作为高品质光纤的主要成分的二氧化硅基玻璃的固有感光性不是很高。通常用标准的掺锗光纤只可能有约10^-5的折射率变化。

但是，已经观察到，通过在用光化辐射照射玻璃前对玻璃掺以分子氢可以明显提高玻璃的感光性。在一定的温度和压力下将掺Ge二氧化硅光纤暴露于氢或氘的气氛下可使光纤具有感光性。在经氢处理的二氧化硅光纤中已经显示出10^-2那样大的折射率变化。

先前的参考材料都强调了对于进行这样的掺氢处理的温度的上限。例如，美国专利号5235659和5287427讨论了用于将波导的一部分在最大250℃的温度下最小量地暴露于H₂的方法(部分压力大于1大气压(14.7psi或9.65×10⁴Pa))，这样照射可以导致至少10^-5的标准化的折射率变化。作为上述5235659专利的部分继续的美国专利号5500031叙述了在14psi(9.65×10⁴Pa)到11000psi(7.58×10⁷Pa)范围内的压力以及在21℃到150℃范围内的温度下将玻璃暴露到氢或氘的方法。在这些参考材料中的参数对于向光纤掺氢或许是典型的。

5500031，5235659以及5287427专利的参考材料指出了对于温度超过250℃或甚至是超过150℃的掺氢方法的问题。在披露的内容中5235659专利指出，不谈更高的温度，在高温下“通常的聚合物光纤涂层将被破坏或严重损坏”(第1栏，第51-54行)。该专利进一步强调这样的事实，“先有技术的高温灵敏化处理经常要增加光纤的光学损耗和/或可能削弱光纤”(第1栏，第54-56行)。最后，5235659专利通过叙述指出其本身和先有技术的不同在于，高温处理包括了“不同于”低温处理包括的“物理机制”。例如，美国专利号5235659明确地指出应该用“最高250℃”的温度。

已经观察到，在更高的温度下，在正常环境下保护玻璃免受有害的化学反应的聚合物涂层(通常是丙烯酸酯)将被降解或氧化(燃烧)。已经降解或氧化并失去其保护价值的涂层必须被去除和更换，这是一个困难和昂贵的过程。没有涂覆的光纤易碎，在处理时需特别小心。

当前通过工业生产写入的大部分光栅包括约5cm(2英寸或更小)的光纤长度，取决于被写入的光栅的类型。通常，已经被指出的是，将全部长度的光纤放入一个含有在一定温度和压力下的氢或氘气氛的容器中。光栅制造工艺通常具有这样的第一过程，将光纤卷轴放入含氢或氘的容器中，将该容器放入炉子中，使全部光纤涂覆上聚合物的涂层。

为了用常规的氢化方法(约1ppm)在光纤中达到需要的氢化水平，通常将光纤暴露到氢气氛中几天，有些情况下要暴露几星期。示范的暴露作为典型的报告有600小时(25天)，21℃，738atm(10800psi或7.48×10⁷Pa)或13天，21℃，208atm(3060psi或2.11×10⁷Pa)。很明显，这样长的暴露延长了制造依赖于感光玻璃的光学设备需要的时间。因为传统光纤氢化所需要的长持续时间，在高产量生产环境下就需要几个压力容器以增加产量和避免时间的闲置。这些容器的安全安装代价高昂并产生严重的不测事件的潜在问题，尤其是包括多个带有分离的控制阀和气体提供气罐时更是这样。虽然安装多个容器可提高产量，氢化过程还是妨碍了光栅制造的时间周期，因此新产品以及特殊产品的开发时间可能受到严重损害。

一旦该长度的光纤被掺以氢，涂层要被从光栅将被写入的区域剥离(机械的，化学的或其他的手段)。然后技术人员用光化辐射源个别地写每个光栅。然后光纤通过再次加热而被退火以降低光栅的降解曲线。然后光纤被剥离的部分被重新涂覆。

传统的布拉格光栅的制造过程既慢又不能使其大量生产。传统的掺氢技术需要使全部长度的光纤经受掺氢和加热的周期。暴露全部光纤的需要可能在光纤上导致光学效应，并限制了可以被使用的诸如光纤涂层的材料。在高温下掺氢的一个负面效应是可能增加光纤的光学损耗特性。而且高温加热周期可能恶化光纤的涂层。

具有提供既能实现光栅的感光写入，又能减小强加到全部光纤上的恶化效应的光纤的能力将是非常理想的。

发明概述

本发明涉及一种分段高感光性的具有分离的以及局部定位的掺氢区域的光学波导。这样的波导提供了超过传统的掺氢大长度光纤的明显的优点。这些优点包括经减小的光学损耗以及布拉格光栅生产上的灵活性。

根据本发明的光学设备包括一个长度的波导和至少一个具有相对于其他部分增加的感光性的分离的纵向部分。该纵向部分可以有至少两倍于该波导的其余长度的感光性。该波导可以包括多个分离的纵向部分，其中至少一个部分有与其他部分不同的感光性。

在具体的实施例中，该波导是一种有一个核心区域和至少一个包覆层的光纤，该纵向部分沿核心区域和/或包覆层有增加的感光性。

高感光性纵向部分可以通过羟基带的存在而识别。羟基带具有在1410nm吸收区域的吸收作用。波导可以包括一个在短于或等于800nm的波长上具有数量＞0.1dB/cm的短波长吸收带。波导的至少一个的纵向部分之外既不存在羟基带，也不存在短波长带。

纵向部分可以互相分离或相邻。在每个部分的掺氢的数量可以相同也可以不同。在一个具有一个第一和一个第二分离的纵向部分的实施例中，第一部分中的羟基带具有比第二部分中的羟基带更大的衰减。在另一个具有多个分离的纵向部分的实施例中，每个部分在各自的羟基带中有不同的衰减值。在还有一个实施例中，多个分离的纵向部分相继互相相邻并且衰减值遵循一个预先确定的函数。

根据本发明的光学设备则可以包括一个长度的光纤，沿该长度的光纤的一个增加折射率的部分，以及沿光栅的一个羟基吸收带。光栅可以是布拉格光栅。在一个具体的实施例中，由于在300℃退火10分钟，光栅具有其变化＜20％的折射率。

本发明也致力于写光学光栅的方法。在一个示范实施例中，该方法包括提供一个包括光学波导的至少一个分离的纵向部分的一个长度的光学波导的步骤。该部分有一个带有在1410nm吸收区域的吸收作用的羟基带和一个在小于或等于800nm波长有数量＞0.1dB/cm的短波长吸收带。波导的至少一个的纵向部分之外既不存在羟基带，也不存在短波长带。该至少一个的纵向部分中的一个或多个被暴露到形成图形的光化辐射源。

对于具有多个分离的纵向部分的波导，其中一个部分的羟基带有不同于另一个部分的羟基带的衰减，暴露的步骤可以包括在每个部分用相同的写入条件以产生多个具有不同的中心波长和百分比反射率的光栅。

附图简叙

图1是根据本发明的光学波导的示意图。

图2是根据本发明的光纤的写入时间对感光性的曲线图。

图3是根据本发明的光纤的退火温度对NICC(标准化的集成耦合系数)的曲线图。

图4是根据本发明的掺氢设备的第一实施例的侧立视图。

图5是根据本发明的掺氢设备的第二实施例的侧立视图。

图6是图4或5描绘的掺氢设备的实施例的冷却剂循环系统的示意图。

图7是根据本发明的掺氢设备的第三实施例的侧剖面立视图。

图8是根据本发明的掺氢设备的第四实施例的纵向剖面图。

图9是图8描绘的掺氢设备的加热器块和光纤的平面剖面详图。

图10是根据本发明的掺氢设备的第五实施例在打开位置的剖面立视图。

图11是图10描绘的设备在关闭位置的剖面立视图。

图12是图10描绘的设备的掺氢腔的详细剖面立视图。

图13是图12描绘的掺氢腔的端部的剖面立视图。

图14是图10描绘的掺氢设备的夹持机构的第一实施例的剖面立视图。

图15是图10描绘的容器的夹持机构的第二实施例的剖面立视图。

图16是图10描绘的掺氢设备的下容器块的平面顶视图。

图17是图10描绘的容器的夹持/密封机构的第三实施例的剖面立视图。

图18是根据本发明的掺氢设备的第六实施例的侧剖面图。

图19是图18描绘的设备在关闭位置的侧剖面图。

图20是图18描绘的弹簧夹头的端视和剖面端视图。

图21是提高根据本发明的光纤的感光性的方法的顺序步骤的图示说明。

发明详述

图1示意性地描绘了根据本发明的光学波导。参考图1A，该波导是一个二氧化硅光纤10，具有一个光纤芯12和一个或多个包覆层14。本发明的光纤芯12被掺以多于或等于3摩尔％的锗和/或其他已知的感光掺杂剂以增加其感光性。包覆层也可以掺以相似的掺杂剂以及掺到相似的水平。

如图1B所示，在一个示范的实施例中，光纤10包括一个或多个分离的和局部定位的高感光性的纵向区域20。定位位置可以在诸如重新涂覆过程中用彩色染料做上标记。该长度的光纤10可以被储存在卷轴或转动台30上。

如图1C所示，在另一个示范的实施例中，多个掺氢的或高感光的区域120，122，124和126可以互相相邻。

图1A-C的光纤10可以包括一个外涂层以保护裸露的玻璃。在一个具体的实施例中，光纤10被涂覆一种对紫外线辐射透明的固化的成分，即透光写入涂层，诸如在共同待批共同转让的题为“Cured Compositions Transparent toUltra-Violet Radiation”的美国专利申请号10/116778中讨论的涂层，该专利申请通过引用被结合在本文中。该感光部分的位置可以用可视标记材料诸如U.V.透明彩色染料或其他已知技术的方法做上标记。透光写入涂层的使用使诸如布拉格光栅的光栅在该部分的写入不必去除涂层。

在一个示范的实施例中，可固化的涂层成分包括有机氢化聚硅氧烷，链烯基功能聚硅氧烷和其数量适合于在有机氢化聚硅氧烷和链烯基功能聚硅氧烷之间形成交叉链的紫外线辐射吸收硅氢化作用光催化剂。可固化的涂层成分在紫外线辐射的影响下形成交叉链以提供具有对紫外线辐射的高水平透明性的固化涂层，对可固化涂层成分施加热加速了固化涂层形成的速率。固化涂层的高透明性水平允许从约70％到约90％的波长从约240nm到约275nm的辐射通过该涂层用于写入折射率光栅以产生光纤布拉格光栅。

向光纤掺氢对提高光纤的感光性提供了极大的好处。但是传统的掺氢有增加光纤的光学损耗的有害的效应。虽然很多过分的损耗可以通过将氢烘烤掉而去除，但在1500nm和1600nm之间的波长范围内还存在残余的损耗，通常有几十到及千dB/km，这将在光学网络中影响设备的性能。本发明提供了一种分段掺氢的光纤，通过仅对一个用于写入光栅的短段光纤掺氢而减小和氢有关的有害的损耗。

下面，参考图4-21，讨论用高压容器在提升的温度下将氢掺入光纤。对于很多所叙述的容器设计而言，其共同的主题是仅有足够写入光栅的短长度的光纤在提升的温度下被暴露于氢气氛，而光纤的其余部分仍保持低温和低压，这样，在光纤的其他部分就不包括上述掺氢的缺陷。虽然这些局部的容器承受了提升的温度，但其也可在低温下工作。局部定位掺氢的方法的一个重要优点是避免了作为暴露于高温下的结果的沿涂层的全部长度的损坏。另外，对于仅在一个短长度的光纤上掺氢还有明显的另外的光学性能和制造上的优点。

制造布拉格光栅的传统的工艺包括下面的步骤：

^*卷轴光纤的整体掺氢(例如21℃13天)

^*冷储存光纤卷轴以保持H₂容量

^*分段去除涂层

^*将光纤连接到检测设备

^*通过UV曝光进行光栅写入

^*在提升的温度下对具有光栅的光纤部分进行退火，通常在300℃10分钟

^*重新涂覆被剥离的部分

^*在最后的烘烤步骤中在稍许提升的温度下去除全部卷轴(或仅是被掺氢部分)的氢(80℃3天)

^*包装光栅产品

应用仅在一个短长度的光纤上掺氢的本发明可使几个步骤变得更灵活或全部取消这些步骤。例如，用于通过去除额外的氢稳定光纤的烘烤步骤可以不再需要，因为在短长度的光纤中被掺进的任何有意义数量的氢可能在高温退火步骤中被去除。

另外，当光纤含有氢时就不能被熔化拼接，因为光纤中的氢在暴露到电弧中期间会造成玻璃的变形，就不可能达到有用的拼接。如果仅是短长度的光纤被掺氢，就可以在制造工艺的任何点上采用不掺氢部分的熔化拼接，不需要从光纤的端部去除氢的额外的步骤。在检测光栅或在最后的包装步骤最可能采用熔化拼接。在制造工艺的任何点上进行熔化拼接的能力提高了包装和包装工艺的设计的灵活性。

本发明允许氢化光纤的“恰好及时”的提供。通过引用而结合到本文中的共同所有的美国专利号6311524讨论了在提升温度(大于250℃)下的掺氢，在该过程中氢扩散时间相当短，和几小时和几天相比，氢被扩散到光纤中仅几分钟。仅仅这些数量被需要的短长度的光纤可以在提升的温度下用例如下文将叙述的蛤壳容器分段地掺氢以在光纤的每个掺氢部分达到受控的感光性。

诸如图1B所示的示范实施例可以包括一个或多个分离的高温掺H₂的单个的短段。其他替代的示范实施例包括具有几个分离的纵向部分的波导，其中至少一个部分具有不同于其他部分的感光性。在还有一个示范的实施例中，诸如图1C所示的实施例，根据本发明的波导具有多个互相相邻的分离的纵向部分，120-126，其中在第一部分120中的羟基带有不同于第二部分122中的羟基带的衰减。具有经增强的感光性的分离的纵向部分可以按次序互相相邻，其衰减值遵循一个预先确定的函数。能够提供沿连续长度具有不同的已知感光性的相邻的周期性的或非周期性的部分的波导就允许写入不同规格的和/或中心波长的光栅，不需改变写入的设定。这样的能力对于新的连续在线写入工艺诸如卷轴到卷轴光纤光栅的写入特别有利。另外，也可能实现诸如分段步进的线性调频光栅的新型设备。

另外，用于对个别的短长度光纤掺氢的高温分段掺氢方法具有在光纤中的氢容量能精确控制的好处。应用蛤壳容器，光纤可以在规定的温度和压力下在精确数量的时间内掺氢。当容器打开时，单个的光纤被迅速地(几秒)极端冷却，同时仍保持氢。如果光纤在一个合理短数量的时间(可以用衰减曲线计算)内被使用，被感光化的程度可以估计的非常精确。最大的氢容量可以由作为用在掺氢工艺中的温度和压力的函数的氢在玻璃中的溶解性确定。应用分段掺氢容器，可以精确地停止工艺过程而控制光纤的感光性。光纤的构成千变万化，某些构成比其他的要更有感光性。事实上，有良好感光性的光纤的掺氢可能产生光栅的复杂性，这些光栅的生长过快，以致不能在写入的过程中精确地检测光栅的性能，使得难以精确地符合生产设定中的各种规格。感光性的控制可以被用于修改光栅的写入时间，也可用于完全不同的光纤的感光性的均衡，因此同样的写入条件可以方便地用于各种不同的光纤。

作为比较，传统的整体掺氢光纤在一个长时间周期被储存和使用。光纤被在低温下冷冻，通过减慢氢扩散出光纤而保持氢的含量。甚至作为低温储存的预防措施，光纤要被间歇地暴露于室温，这样导致了非量化的氢的损失，反过来产生了光纤在写入光栅时的被感光化程度的更高水平的不确定性。

在高温条件下掺氢的光纤比在更低温度下掺氢的光纤由于在高掺氢温度下产生的对地点的经提高的稳定性而产生在折射率上的更稳定的变化。图2显示了标准的以及用同样的初始H₂浓度高温掺氢的光纤的光栅生长曲线。虽然在每个光纤中光栅的生长是相似的，但如图3所示，退火行为相当不同。当和如在图3中由更小的NICC(标准化的集成耦合系数)变化显示的标准掺氢的光纤比较时，在高温下掺氢的光纤中写入的光栅显示了更良好的热稳定性。NICC是对由光纤退火前在室温下的光栅的强度标准化的传输中测量的最后光栅的强度的测量。该参数的计算在技术上已知。当光纤布拉格光栅退火时，未反应的氢向外扩散，较不稳定的地点被清除出光纤外，这样，折射率的变化被稳定。在标准掺H₂光纤中写入的光栅的退火过程通常导致在光栅写入过程中产生的UV诱导的折射率变化的大于15％的下降，主要是因为过多的未反应的氢留在光纤中。但是在在高温掺H₂光纤中，刚好足够的氢被扩散进光纤以将光栅写成需要的规格。结果，按照氢的数量，光纤中的大部分H₂参加反应以产生充分的折射率变化，该诱导的折射率变化比在带有低温下掺氢的可比较的氢容量的光纤中诱导的折射率变化更稳定。在高温下掺氢的光纤的情况下，折射率变化的损失小于15％。用退火产生的诱导折射率的变化具有减少写入光栅需要的时间和/或激光功率的优点。高温掺氢工艺的另一个好处是较少的氢需要被掺入光纤以达到和传统掺氢的光纤同样的最后光栅的强度，因为在写入光栅之前较少的氢将从光纤中损失。

甚至在光栅写入以后，根据本发明的示范光纤也可以通过其残余的损耗测量识别。高温掺氢的掺锗硅化物(GS)和硼-GS光纤在小于800nm和大约1400nm的波长区域有因为形成了和锗有关的缺陷和羟基种类造成的可测量的残余损耗。吸收带的强度强烈地取决于光纤的类型的掺杂剂。该特性特征可以利用来精确确定掺氢条件因此而识别分段掺氢的光纤。

实例

对在标准(60℃，2000psi(1.38×10⁷Pa)，3天)和高温(260℃，2000psi(1.38×10⁷Pa)，10分钟)掺氢的SMF-28(GS)和TF-45(硼-GS)光纤中的吸收损耗进行了测量，其结果概括如下：

1.在标准掺H₂的SMF-28光纤中没有羟基带(在约1400nm处)。

2.由于在高温掺H₂的SMF-28光纤中形成的羟基而有很微弱(大约10dB/km)的吸收带以及在小于800nm处的短波长吸收边缘(SWE)。当在最后的烘烤步骤(80℃，68小时)中从光纤中去除过多的氢时，SWE带的强度减小到约几个dB/km。

3.由于在TF-45光纤中形成的羟基而有约2500dB/km的大吸收峰，最后烘烤步骤之后被减小到约1000dB/km。

题为“Accelerated Method for Increasing the Photosensitivity of a GlassyMaterial”的共同转让美国专利号6311524叙述了一种在高温环境下向光学媒介掺氢的加速方法，该专利通过引用被结合在本文中。该应用讨论了在氢环境下光纤被暴露的温度将怎样影响包括在氢分子扩散进光纤的时间。通常，温度越高，氢扩散进玻璃材料(例如光纤)的速率越快。

和相似的光纤比较，在优化的条件下，在60℃3天下掺氢的典型的光栅品质光纤导致1×10^-3的折射率变化。在相似的优化条件下，在高温260℃10分钟下掺氢的同样的光纤显示出4×10^-4的折射率变化。

但是，在高温下加热全部光纤有影响光纤的(具体地说，具有对在提升温度下的损坏敏感的涂层的光纤的)物理完整和光纤的光学性能的潜在问题。而且，加热全部光纤也对于光纤处理和温度的提升控制提出了挑战。

本发明仅将氢或氘掺入光纤的光栅将要写入的以及需要更高的感光性的特定部分。在具体的实施例中，掺氢在高温(高于250℃)和/或高压下进行，高温和高压加速了掺氢的过程，并允许设备用作在线工艺线中的一级。

光纤的其余部分不加热。光纤的相邻部分甚至可以附接到散热器或散热阱或被冷却以保持一个更冷的温度。这对具有在高温下会降解的涂层的光纤特别有用。

图4和5说明了选择性掺氢容器的第一实施例100和第二实施例200。选择性掺氢容器包括下列元件：1)一个受控压力和温度腔，该腔能经受高温(大于250℃)和高压，经选择的特定长度的光纤可在此掺以氢或氘；2)用于容纳高压气体(例如几百大气压的氢气或氘气)的完整结构体；3)用于引入和排放高压气体的输入和输出口；4)和用于安全地向容器安装和从容器拆卸光纤的机构。如下文将表明的那样，在这些实施例中相似的元件通常用相同的后两位数表示。

容器100和200都对称，每个都包括一个中心加热管或有地个第一端和一个第二端的掺氢腔102和202。在描绘的实施例中，两个管状容器都由标准的高压气体提供管构成。这样的管件都商业可购并用316不锈钢制成。

加热管102和202分别由加热器块110和210包围。具体的加热器块110和210由铝或其他传热材料制成。加热器块110和210被设计成夹在大或小直径的加热管容器101和201的中心部分的外径上。加热器块110和210容纳多个电加热器筒112和212，这些加热器通过可编程逻辑控制稀114和214控制，诸如由Watlow，of St.Louis，Mssouri设计和制造的自动调整功率控制系统。替代的实施例可包括其他类型的电加热器，箔加热器，热油加热器，感应加热器或其他类型的加热器。

加热器块110和210可被制成两半，被夹在管上，或被制成夹在管的外直径上的单槽筒夹的结构。在另一个实施例中，加热器块110和210包括一个穿过加热管周围的同心的套筒。接热块110和210的长度约5cm(～2英寸)，大致为当前被写入的最大的“短”光栅的尺寸，但也可以是任何需要的尺寸。

必须注意，在本掺氢容器100和200中，分别为140和240的被掺氢的光纤为一个该段光纤两端之间的连续的长度，被掺氢的全长的中间部分位于掺氢腔102和202内部。

在某些实施例中，位于高温掺氢区域的两侧的光纤的相邻长度被保持足够冷以防止从掺氢腔传导或辐射的热能降解相邻的涂层。图4和5所示的实施例分别包括任选的冷却管或冷却腔104和204。冷却管104和204被连接到各自的中心加热管102和202的两端的每一端。

在图4所示的实施例中，未被掺氢的该长度的光纤不置于高温氢气氛中，而是被一个低温气氛包围。在替代的实施例中，气体密封件可区分掺氢腔和冷却腔。诸如氮气的可被冷却的惰性气体可被注入冷却管防止有机聚合物涂层燃烧。

容器100和200基本相似，其差异为加热管和冷却管的直径。容器100有小直径的加热管102和大直径的冷却管104。容器200有大直径的加热管202和小直径的冷却管204。

加热管102和202分别通过连接器附件106和206连接到冷却管104和204。连接器附件106和206都商业可购并也用316不锈钢制成。整个容器100的长度约为107cm(约42英寸)。之所以选该长度是因为传统的光栅被写在1米长的光纤上。替代的实施例可以做得更长或更短，取决于所需要的暴露区域，所需要光栅的类型以及被使用的光纤。

封闭附件108和208被置于冷却管104和204的外端。或者，封闭附件也可以置于加热管102和202的端部。封闭附件之一包括气体进口120和220，用于将掺氢气体引入容器。另一封闭附件包括气体排气或出口122和222，用于排放掺氢气体。封闭附件108和208被连接到受控针阀以允许氢气和惰性气体引入容器和从容器的排气端排出。通向任何这样的系统的管线也可以包括高压喷气碟(作为安全装置)，其被设置成高于操作时所需最高压力10％到20％。

掺氢过程由用氮气3到5次清洗容器，然后引入高压氢气(约2000psi或1.38×10⁷Pa)构成。容器可以安装由PLC系统控制的电磁阀，用于自动的气体传输和排放。

虽然不是在所有的实施例中必须，但本示范的实施例100和200可以分别包括冷却块130和230。冷却块130和230位于管状容器的加热部分和容器的端部之间，在容器的加热部分的两侧。冷却块的确切的长度和精确的位置可以变化以适合于工艺过程。冷却块130和230用铝或其他热传导材料制成并被设计成夹在冷却管104和204的外部的外径上。夹持机构的设计相似于用于加热器块112和212的设计。冷却块130和230可有助于在线生产的应用，在这样的应用中加热循环频繁重复，残余的热量将提高全部容器的温度。

冷却块130和230包含一系列孔或通道132和232，使冷却液被泵压而通过这些通道。液体压力和温度可通过可编程逻辑控制系统114和214控制。冷却块130和230为同心的套筒或块，夹在或滑在氢容器冷却腔104和204上。在替代的实施例中，冷却块可以做成两半并夹在管104和204上，或做成夹在冷却管的外直径上的单槽筒夹的结构。在本实施例中，每个冷却块130和230的长度为7.6cm(～3英寸)，但只要能防止光纤涂层燃烧或降解，也能是不同的长度。

为了最大限度地减小光纤的选择性掺氢部分外面的光纤涂层的损坏，图6显示了在加热区域附近产生冷却区域的常规的配件。示范图将参考图4显示的本发明的第一实施例而显示，但同样的原理可方便地应用到本文揭示的任何实施例。光纤节段140(未显示)被封闭在包括冷却管104之间的中心加热管102的管中。氢气被引入装有光纤的管中并且冷却管104的外端用封闭附件108密封。加热器块110被夹在加热管102周围以形成加热区域。沿管在加热器块的每侧附接一个在其块体内封闭一个或多的冷却液体通道132的冷却块130。冷却液体通道132可通过外部管道设备连接到商业水冷却器或其他液体冷却装置145。一种示范的冷却液体再循环系统是Polyscience5005型的微型冷却器，该冷却器是一种商业可购的全能系统，该系统能在-5℃到+50℃之间的可编程温度设定范围内将温度调整到+/-0.5℃的精度。冷却器的冷却液出口146最好连接到最靠近加热器块110的冷却液通道132的终端。冷却液通道132的另一端连接到冷却器145的热液体进口147。这样的安排使最冷的冷却液流到最靠近加热器块的地方。这样就在加热器块和冷却块之间沿封闭将被掺氢的光纤的管104/102产生陡峭的温度梯度。该陡峭的温度梯度有利于保护光纤掺氢区域外的涂层。可编程逻辑控制器114能通过控制加热器块110的温度，冷却块中通过冷却器的冷却液的温度和压力，以及通过加阀的端盖108的氢气和清洗气体的输入和排放协调全部掺氢过程

容器100和200允许一个长度的光纤140和240插入冷却和加热管，同时提供额外的空间以移动已经在管状容器内的光纤140和240。在该实施例中，不长于容器长度的光纤节段通过移去位于管状容器端部的一个附件被插入和从容器移去，这样光纤或多个光纤被允许插入该容器或从容器取出。

和目标光纤长度(例如90cm)比较，管状容器的额外长度(例如105cm)使光纤被移进管的热影响区域中一个大于管的加热长度的距离(在该情况下为5cm)，在光纤内提供一个从热到冷的迅速的温度过渡。从加热区域到冷却区域的迅速过渡减慢了当掺氢气体压力被释放时氢向光纤外的扩散。

各种变化的机构可被实施来实现该运动。在图4所示的实施例中，诸如一个磁铁或铁圈的磁体116被附接到光纤140的一个部分。通过沿管的外面在管的轴向转移有充分磁力的磁铁118而在管内移动光纤。另一种方法包括将一个配重216附接到光纤的端部并且倾斜该管，这将使配重以及附接的光纤因为重力而移向管的低端。

下文是对可利用来用容器100将氢掺入光纤的示范过程的叙述。本叙述中的术语氢气氛意图包括H₂，D₂，氚，或诸如结合这些氢同位素的HD分子的气氛。第一过程包括将光纤140插入(穿过无夹持管)容器100以及密封容器100的步骤。通过气体进口120引入和通过气体排出口122排放的氮气的几个循环对容器100进行清洗保证环境空气从容器100抽空。氢在诸如在1000psi(6.89×10⁶Pa)和2000+psi(1.38×10⁷+Pa)之间的示范高压下引入。

最好在完全的压力达到以后，加热器块再被通电。可编程逻辑控制系统114通过控制加热器块而控制腔中的温度。在相当多的热量可能转移到光纤的其他部分的应用中，冷却块130也可以通电。

对于高温掺氢过程，在一个示范的过程中，光纤140的将要掺氢的部分在插入容器100之前先剥去其涂层。在还有一个实施例中，光纤包括一个适合于抵抗掺氢温度的抗高温可渗透氢的涂层。

在还有一个替代的方法中，涂层可经过选择，这样它在掺氢高温下或低于该温度下解聚为气体产物。为了避免氧化/燃烧过程，氢气氛最好经过选择而使其不包括氧。结果的气体排放到含有经加热的氢的腔体外。这使掺氢和涂层剥离在一个步骤中进行。有关解聚涂层的进一步的细节可在题为“Processfor Preparation of Optical Fiber Device Using Optical Fibers with ThermallyRemovable Coatings”的共同转让的美国专利号5939136和题为“RadiationCurable Coating Composition and Coated Optical Fiber”的共同转让的美国专利号5596669中找到，该两个专利通过引用被结合在本文中。

当氢气氛达到需要的温度时，一个定时器被启动以跟踪光纤140被暴露于加热的氢气氛的时间。通过引用而结合在本文中的共同转让的美国专利号6311524叙述了高速，高温掺氢的暴露和温度设定。美国专利号5235659和5287427提供了其他掺氢参数的实例。

达到需要的暴露时间以后，加热器块被断电。取决于诸如掺氢要求或光纤的涂层的热敏感度光纤可以被立即移到冷却管104。氢气压可以被释放，使氮气或其他惰性气体进入容器100中。容器100被打开，光纤140被取出。然后可通过将经选择的部分曝光到形成图形的光化辐射下而写入光栅。

然后该经选择的部分被退火。如果用经涂覆的光纤，随着分段的掺氢，只有光栅被写入的同一个部分的经掺氢的部分将需要重新涂覆。随着分段的掺氢，不需要如整体掺氢的光纤那样的将氢烘烤除去，因为退火的过程步骤将氢从掺氢的区域去除。

在根据本发明的方法中，上述步骤可以在一个在线工艺步骤中进行。光纤可以悬挂在一个卷轴到卷轴的配件中穿过任选的涂层去除站，掺氢站，光栅写入站，退火站和任选的重新涂覆站。

第二示范过程与此相似，但在一点上不同。该方法再次包括将光纤140插入容器100的步骤以及密封容器100的步骤。使几个循环的氮气通过容器，保证环境空气从容器100中清除。加热器块110(如果需要还有冷却块130)被通电以达到所需要的温度。在氮气氛达到需要的温度以后，氮气由以诸如1000psi(6.89×10⁶)和2000+psi(1.38×10⁸)之间的高压引入的氢气替换。因为被通入的氢的质量相对于容器的质量非常小，氢将很快地达到需要的温度。

在还有一个第三示范过程中，在被引入“管”型容器之前，氢在一个第二压力容器中被预先加热。该预先加热腔甚至可以用于在氢气氛被引入一个没有加热元件的掺氢腔之前加热该氢气氛。氢可被预先加热到相同的需要温度以处理任何“加热滞后”问题。或者，氢可以被预先加热到一个较低的温度(以减少加热时间，当需要的温度较高时易于处理)，或甚至预先加热到一个较高的温度以补偿插入光纤时预期的热损耗。

当达到需要的压力和/或温度时，定时器跟踪光纤140暴露到氢气氛的时间。该预先确定的时间达到以后，加热器块断电。如果需要，光纤140可再次立即移到冷却管104。甚至在光纤140被移到其新的位置的同时，氢的压力可被释放，使氮或其他惰性气氛进入容器100替代和清楚遗留的氢气。清洗之后，容器100被打开，光纤140被取出。在替代的工艺流程中，如果安全和设备允许，在掺氢过程终结以后光纤甚至可以立即取出(例如对于由低温和小量氢气的应用场合)。

图7是卷筒到卷筒的生产组件300的示意图。生产掺氢组件300包括一个由和容器100和200相似特征的中间掺氢容器301。组件300进一步包括一个光纤展开卷轴354和一个光纤卷绕卷轴352。每个卷筒都包括一个卷轴，分别是展开卷轴和卷绕卷轴。卷绕卷轴或两个卷轴的转动由卷轴电机促动，诸如伺服电机358。可编程逻辑控制器(PLC)360可以电子方式连接到电机358以控制全部过程。

用组件300向光纤掺氢的过程包括将一个长度的光纤340装载到展开卷筒350。光纤340被穿过管状容器301并附接到卷绕卷筒352。掺氢过程相似于上述过程；增加的部分是，通过经编程的预先确定的方法或由PLC360监视的输入自动进行时间控制和精确的光纤推进。通过这样的设备，可以向更长的连续长度的光纤的多个分段部分掺氢，减少了劳动量，提高了掺氢过程的协调性。如果需要，组件300可以进一步包括标记站，该标记站通过诸如可视标记，不同的涂层和/或机器可读的代码识别被掺氢的区域。如果需要，然后光栅可被写入在被掺氢的区域。

图8说明了高温掺氢容器的第四实施例400。图8显示了通过容器400的中心轴线剖切得到的剖面图(容器为圆柱形)。容器400包括一个能承受高温和内部压力的圆柱的钟形体402。通过容器夹持件406紧固到钟形体402的容器帽404关闭了钟形体402的开口端。容器帽404包括四个穿通口408用于气体进口/排气口410，以及用于电气控制口414。电气控制口连接到可编程加热器控制系统，可用于控制几个在掺氢容器中的电加热器筒。容器400的底部包括一个热电偶口412。

用耐高温，快速传热的诸如铝制成的光纤卷轴组件416被置于钟形体402内部。本实施例的铝光纤卷轴组件416包括若干光纤接纳站418。本实施例保持约10个接纳站，将使10个光纤节段被感光化。每个站包括保持一个光纤节段422的两个个别的光纤卷筒420。光纤被绕在每个卷筒420的外径周围并且用从卷筒的直径向外延伸的凸缘保持在适当的位置。一个精确的曲槽被铣在凸缘中(在顶和底两个卷筒上)，这些凸缘位于被定位在靠近铝光纤卷轴的中心的凸缘上，并允许光纤422离开储存卷轴直径按规定路线发送。

每个站也包括一个位于每个光纤节段422的大约中间部分的加热器块424。光纤被按规定路线发送出上储存卷筒并回到下储存卷筒。在两个储存卷筒之间，光纤被定位成平行于铝光纤卷轴的轴线并通过位于卷轴中心的加热器块。

铝光纤卷轴组件416被附接到电线通过口414被定位在其上的容器帽404。这样的附接易于卷轴组件416的插入和取出，并向电线提供导线弯曲保护。热电偶428穿过热电偶口412并监视卷轴组件的温度。

图9a显示了通过一个被切进加热器块424的U形的通道的光纤422的剖面图(从顶朝底看)。在本实施例中，加热器块424保持一个电阻加热器筒426，其处约60度的加热器体被暴露在U形通道的底部。加热器筒426的被暴露部分向密切包围在U形通道中的光纤422的气氛提供极其快速的温度提升倾斜度。

图9b显示了具有全埋入加热器块424中的加热器筒426的加热器块424的第二种设计。加热器块424的外部有几个被铣入块内的肋部427以更有效率的方式发散热量。除了热电偶428以外，接触加热器426的个别的热电偶监视了每个加热器块424的温度，为提供加热器426的精确温度调节的PLC提供温度信号。另外的热电偶可添加到铝卷轴，定位成监视氢温度的取向。

下面是可以利用来用容器400将氢掺入到光纤的示范的过程。首先包括将一个长度的光纤422安装到铝光纤卷轴组件416，将卷轴组件416(其被附接到帽404)插入到容器体402，以及密封容器400的步骤。再有，在高温过程中，光纤422可以被预先剥离或包括高温的或可气体解聚的涂层。

通过气体进口/排气口410通入几个循环的氮气进行清洗以保证空气从容器400抽除。对于高压方法，氢在1000psi(6.89×10⁶Pa)和2000+psi(1.38×10⁷Pa)之间的高压下引入。取决于所用光纤的类型以及所写入的光栅的类型，可以用在500psi(3.44×10⁶Pa)和2100psi(1.45×10⁷Pa)之间的压力。更高的压力(约3000psi或2.07×10⁷Pa)将使更多的氢扩散进光纤，对某些用途将是理想的。加热器426最好在全部压力达到以后被通电。当围绕光纤的氢气氛达到需要的温度时(如通过热电偶测量)，一个定时器跟踪光纤422的被选择部分暴露到高温氢气氛的时间。

经选择的时间达到以后，加热器426断电，使光纤422的被暴露的部分冷却。氢气压力被释放，使氮气或其他适当的气体进入容器。在一个示范的实施例中，使经冷却的氮气进入容器以冷却光纤和涂层，减少氢因氢压力的释放扩散出光纤的速率。然后容器400被打开，取出铝光纤卷轴组件416，光纤节段422从光纤卷轴组件416取出。

在某些实施例中，诸如共同待批和共同转让的题为“Filament Organizer”的美国申请系列号09/804781，题为“Carrier for Coiled Filament”的美国申请系列号09/841015，或题为“An Apparatus for Holding and Protecting SeveralPrecision Aligned Optical Fibers”的美国申请系列号09/907406中叙述的那样，光纤接收站是筒状的，这些申请均通过引用而结合在本文中。在这些实施例中，全部筒从光纤卷轴组件416取出。

第二示范过程相似于第一示范过程，但在一点上有差别。其再次包括将光纤节段422(或光纤保持筒)安装在光纤卷轴组件416上，将卷轴组件416插进容器体402以及密封容器400。容器400由几循环的氮气清洗以保证环境空气被抽除。当包围光纤节段422的氮气氛达到需要的温度时，氮气被清楚，代之以氢气。必须理解，在该实例和其他实例中，术语氢意为H₂，D₂，或氢的其他同位素分子和/或一种或多种含有H₂和/或其他同位素氢种类的气体，最好是惰性气体。最好避免使用氧气以避免氧化/燃烧反应。

作为示范，氢以1000psi(6.89×10⁶Pa)和2000+psi(1.38×10⁷Pa)之间的高压引入。还有，在替代的实施例中，氢可以预先加热。定时器跟踪了光纤节段422暴露到高温高压的氢气氛中的时间。因为其相对于加热器块的低质量，氢几乎是立即达到需要的掺氢温度。当预先确定的暴露时间达到以后，加热器断电。暴露时间可以用美国专利号6311524中的方程式计算。

氢气可以被释放，使氮气或其他惰性气体进入容器。还有，该清洗气体可以被冷却。一旦氢压力被释放，氢就开始扩散出光纤。扩散的速率是温度的函数。然后容器被打开，光纤卷轴组件416被取出，光纤节段422(或光纤筒)从光纤卷轴组件416取出。

图10-17说明了高温掺氢容器的第五实施例。容器500用一个独特的分裂的容器结构，其中在高温下保持高压氢的腔体由两半构成。

图10显示了容器500的打开位置，图11显示其关闭位置。原始的容器两半为上容器块502和下容器块504。在该实施例中，块502和504由软系列的不锈钢制成，并在机械加工后进行退火。块502和504在其中心区域分别有上贮器506和下贮器508。在关闭时，如图11所示，贮器形成掺氢腔510。

在该实施例中，块502和504被紧固在一个精密层叠级预装载滚珠轴承的精密模具组505中以保证在运作中块的精密对准和平行度。模具组505被紧固成一个液压机507，当容器500内的氢气加压时，该液压机产生足够大的压力保持块502和504保持密封，同时也可将容器块打开得足够宽以易于在个循环之间插入和取出光纤526。

图12和13显示了掺氢腔510的放大的剖面图。放大的视图以更详尽的方式显示了掺氢腔510的小容积。每个由陶瓷绝缘516包围的加热器块512和514分别被置于容器块502，504中的一个贮器506和508中。绝缘516有助于将热掺氢区域和光纤的其他部分分开，以减小光纤的聚合物涂层损坏的可能性。每个加热器块512和514包括一个或多个加热器518，诸如电加热器筒。光纤跨越掺氢腔510的中心部分，并在掺氢腔中被轴向定位在两个加热器筒518之间。如图13所示，加热器筒518紧密接近于光纤526并对周围的气体和光纤526提供快速的加热。在该实施例中，加热器筒518位于每个加热器块512和514中，因此加热器筒518的大约60度的圆周暴露到掺氢腔510的气氛中。

容器块502和504包括一个气体进口/排气口520，用于向掺氢腔供气和排气。气体进口/排气口520也可以用作导线通道以设置控制和数据连接线路的走向。或者，可以用第二组接线口522使电气和热电偶导线通到掺氢腔中的加热器518以及一个或多个热电偶528。如图14中更清楚可见，上下块502和504的互相接触的相对面具有刻在x轴中心线上的径向槽524，用于定位和在周围封闭将被感光化的光纤526。在两个块502和504合在一起进行密封时，两个匹配相对的容器块中的开口的引导销523提供对两个块502和504的精密的最后对准。

在某些情况下，诸如在非常高热量的应用中，或容器的重复应用导致热量积聚(即处在在线应用中)，容器块502和504可以包括液体冷却线530。冷却线530靠近中心贮器506和508的顶边缘沿y轴定位，用于在掺氢期间保持光纤聚合物涂层冷却。冷却线有助于将危险降低到最小程度，将光纤526的非掺氢部分的聚合物涂层保持在引起降解或氧化的温度之下。

几个光纤引导板532被紧固在下容器块的左右侧面以为光纤进入径向密封槽提供引导。可以在容器块接触面上应用任选的弹性体面密封件534以减小掺氢期间气体泄漏的可能性。

图14和15说明了两个当光纤526进出掺氢腔510时在周围密封光纤的替代的方法。光纤526在包围其玻璃的中心部分529的周围有一个涂层527。在图14显示的称为“钢对钢夹持方法”的实施例中，一对精密机械加工的径向槽524越过块502和504的x轴中心线。槽524的半径稍许小于光纤526的涂层527的半径(例如几十微米)。槽524和光纤526之间的静配合使容器的两半合上时涂层527稍许受压，在光纤526和开槽的容器表面之间产生紧密的密封作用。光纤526的玻璃部分529保持不受损坏。涂层527的外表面可以因施加的压力而受压，但是不会引起光学性能的问题。

图15说明了“密封对密封夹持方法”。该方法可以用于涂覆的光纤，也可以用于没有聚合物外涂层的裸露的玻璃光纤。该实施例包括安装进两个容器块502，504的容器面的弹性体密封件534(弹性体密封件的剖面不必按比例画出)。当容器面杂液压力下合上时，弹性体材料压在光纤涂层的周围产生紧密的密封。为了在施加液压力时沿光纤526的侧面和上下弹性体密封件534相遇的线获得更好的密封，弹性体密封件的顶表面可以预先模制成有一个适合于配合光纤的槽，相似于图14中的524显示的槽。

图16是下容器块504的顶视平面图。该视图更清楚地显示了在容器块中心x轴上表面上的光纤通道。块边缘外侧的光纤引导532提供了光纤526到机械加工在容器块504的上表面的径向槽524的粗对准。带有周围的陶瓷绝缘516的加热器块514处于容器块504的中心，在两个轴线上都居中。冷却线530被机械加工在y轴上非常靠近光纤和掺氢腔510相交的点。两个引导销523位于块504的相对的角上，在包围光纤526的夹持发生前提供容器块502和504的精密的最后对准。弹性体密封件534的定位最大程度地减小或消除了在掺氢过程中气体的泄漏。

图17显示了图10描绘的容器的夹持/密封机构的第三实施例的剖面立视图。光纤526的将被掺氢的部分被置于注塑模具536中，该模具典型地形成一对模腔538。这些模腔和上下容器块502和504中适合于接纳如图16所示的弹性体密封件534的腔匹配。然后一种可固化的密封材料(通常是一种弹性体)被注入模腔并在光纤周围固化，在光纤526上形成模制的密封件540。然后光纤从注塑模具中取出并定位在下容器块504上，光纤上的注塑密封件适配进适合于接纳弹性体密封件534的腔，如图16所示。然后使上容器块502和下容器块504接触，经加压在光纤526和注塑密封件540周围形成密封，准备进行光纤的掺氢。或者，注塑密封件540可以将上下容器块502，504用作注塑模具，再用固化的密封材料原地形成在适当的位置。固化可以在高压被施加在掺氢腔510之前预先加热掺氢腔期间完成。如图16所示，用于保持弹性体密封件534和540的腔可以由掺氢腔510和陶瓷绝缘516与加热器块514分开，它们由液体冷却线530冷却，因此在掺氢循环期间弹性体不会因掺氢腔510很高的温度而损坏。

下面是可以利用来用该容器500将氢掺入光纤526的不同的示范过程。第一过程是将光纤526放入下容器块504的表面上的光纤通道/槽524的步骤。然后块502和504通过诸如液压被夹住。几个循环的氮气可用来清洗掺氢腔以抽除环境空气。

然后引入氢。还有，容器500被设计成能处理高压。取决于光纤的类型，在引入的掺氢气氛中的氢或氘的浓度，需要的折射率的变化，实验性地应用约500psi(3.44×10⁶Pa)和约2200psi(1.52×10⁷Pa)之间的压力。腔被设计成耐受直至3000psi(2.07×10⁷Pa)的压力。取决于容器的设计和制造可以用更高的压力。本示范方法用1000psi(6.89×10⁶Pa)和2000+psi(1.38×10⁷Pa)之间的压力。当全部压力达到以后，加热器518通电。当光纤526周围氢气氛达到需要的温度时，定时器跟踪光纤526暴露到高温氢气氛的时间。需要时间的暴露之后加热器518断电。氢压力可被释放，使氮气或其他适当的惰性气体(冷却的或未冷却的)进入掺氢腔510，容器500打开，光纤526取出。另一种光纤的取出循环的选项是时间一到以后在容器还在压力下即打开容器500，进行即刻的氢气排气，冷却光纤，这样能保证光纤中有最大的氢容量。容器的容积是这样小，以致在合理的安全预防措施下，诸如包围容器的较小的保护装置，这样的程序就是安全的。

实验性的掺氢腔的容积，如所显示的实例，为0.3125平方英寸(2.02cm²)，不包括钻在块上的气体馈送孔或块外的管道。经优化的单光纤掺氢站的全部气体容积可以为0.15平方英寸(0.97cm²)那样低。容器的最后结构将规定全部的气体容积。

用来使电加热器筒达到温度设定点(275℃)的平均时间为45秒，+/-3秒。使氢气达到需要的设定点(260℃)的时间取决于所用的压力。在1400psi(9.56×10⁶Pa)和2000psi(1.38×10⁷Pa)之间的压力，该时间在1.5分钟到2分钟之间。在1100psi(7.58×10⁶Pa)和1400psi(9.56×10⁶Pa)之间的压力，该时间在3分钟到4分钟之间。

在任何实验性的运行过程中都未发生涂层的分层剥离。因为在两件型的容器中的分段的加压区域的缘故，整体的分层剥离不会发生。

在第二示范过程中，除了氢被引入预先加热的掺氢腔510外，总体上遵循相同的步骤。和加热块的质量相比，虽然腔510的气体容量的小质量将导致迅速的加热，但在替代的实施例中，氢甚至还可能要预先加热到或接近达到需要的温度。

如果光纤被掺氢以后立即写入光栅，将不需要冷储存。任何掺氢的光纤，不管是用什么掺氢方法，在室温下随着时间都将缓慢地向光纤外扩散氢。和整体掺氢相比，光纤的分段掺氢的优点取决于被掺氢的数量。对于高温分段掺氢的速度，只能对在一个特定的时间周期中将被写入的正确数量的光纤掺氢。对于整体掺氢的长时间周期，这是更难以做到的。

图18-20显示了高温掺氢容器的第六实施例。该容器采用了独特的管形容器设计，具有相适应的位于该管两端的弹簧夹头，该弹簧夹头密封管的端头以及密封通过该管的光纤的周围。当弹簧夹头密封管端以及密封光纤周围时，该管将在高温下保持高压氢气，使氢能扩散进通过该管的光纤。

图18显示了容器的打开位置，图19显示了关闭位置。原始的容器是圆柱形的不锈钢管602，在每端包含一个精确的倒角面603，在靠近管端有气体进口(620)和排气口(622)。管由一个包围其的加热套610，可以用电加热，或用热液体或气体加热。带有加热器套组件的管被包容在一个安装在基础板638上的主基础块638中。

在该实施例中，一个弹性的弹簧夹头660被安装到弹簧夹头促动器板665上，该促动器使弹簧夹头板组件作线性运动。弹簧夹头的形状是一个截顶的圆锥，其中圆锥角匹配管中的倒角603。弹簧夹头促动器板组件的线性运动使弹簧夹头660进入管602的端头，使弹簧夹头660的角面和管602中的倒角603的角面抵靠而密封。促动器也使弹簧夹头660从管602收回。弹簧夹头促动器板665的运动用附接到该板的液压缸完成。这些缸未显示，但可以通过几种手段附接，包括螺栓，销等，在几种结构中，液压缸可以是推的或拉的。可用汽缸代替，也可用电的或机械的促动器。

图20的端视图和剖面端视图中显示的弹性弹簧夹头660在中心有一个小孔661，该孔比将掺氢的的经涂覆的光纤的外径大10％到20％。绕中心孔径向取向有八个间隔45度的矩形不锈钢肋662。因为弹簧夹头660被压进管602，弹簧夹头肋662的角面将接触管602端头的倒角603的角面，将该力传输到包围光纤626的弹性体材料，产生弹性体和光纤之间的密封。当弹簧夹头660从管602收回时，弹性体材料回到其无应力状态，使孔661打开到其初始的尺寸，使光纤626松开。这样，弹簧夹头围绕光纤提供了可重新关闭的密封，有助于在掺氢过程期间保持氢气氛。该可重新关闭的密封可重新打开以取出光纤以及任选地向前移动光纤，重新密封，然后对同一个光纤的第二个选择部分掺氢。(图10，14和15的密封机构也可以考虑为可重新关闭的密封。)

缠绕卷筒(656)，(由可编程电动机/编码器或伺服系统驱动)，其中电机的转动受到精确控制，在需要的时间内向将被传送通过腔602的光纤提供精确的线性长度。还有一个可以和离合制动装置结合使用的退缠绕卷筒(654)，(该制动装置可用空气，磁，电，液体等促动)，在光纤被传送进腔602或传送出腔602时在光纤上提供精确的张力。循环过程将包括下面的步骤：

^*将未掺氢的光纤传送进管到所需要的间隔。

^*弹簧夹头促动器板将弹簧夹头定位进管的端头，密封容器，在光纤周围产生密封。

^*用氮气或其他适当的气体清洗容器。

^*用氢气向容器加压(加热器已经发热)。

^*光纤被在压力中保持需要数量的时间。

^*释放氢气，容器用氮气清洗。

^*弹簧夹头促动器板收回。

^*光纤被向前移动。

^*任选地，光纤的新掺氢的部分可以进行布拉格光栅的写入，光栅可任选地进行退火。

^*如果光纤的掺氢部分的涂层因掺氢过程的高温被剥离，在其达到缠绕卷筒之前可任选地重新涂覆。

图21显示了根据本发明提高光纤的感光度以及在光纤上写入一个或多个光栅的方法的相继步骤的图示。该图相应于图1的题为“Incremental Method ofProducing Multiple UV-induced Gratings on a Single Optical Fiber”的共同转让美国专利号6272886B1，该专利通过引用被结合在本文中。本发明的具有可重新关闭的卷筒的实施例，诸如图10或18所示，可以用来替代美国专利号8272886B1中显示的光纤光栅制造设备和工艺中的涂层去除站20。该掺氢和(任选的)涂层去除站720从张力控制的展卷卷轴714和对准带轮716接纳光纤712。当光纤712的经选择部分定位在掺氢(和任选的涂层去除)站720时该光纤被停止。然后进行如上所述的掺氢过程。然后光纤712的经掺氢的选择部分722由主动轮718镶嵌移动到光栅写入站724，该处在写入过程期间光纤被夹在夹子726和728之间。光栅被写入选择部分722以后，现在包含光栅的该部分被向前移动到任选的退火单元730，该处光栅被加热以稳定其反射性。如果涂层被从选择的部分去除，该部分可以被向前移动到任选的重新涂覆材料施加或包装站740，然后到任选的重新涂覆固化站750。然后光纤722的包含光栅的经选择部分可通过任选的驱动主动轮718和对准带轮760的手段向前移动到接收卷轴762使处理和运输更便利。当光纤722的一个选择部分向前移动通过该系统时，该光纤的下一个第二部分也可以逐步向前移动，以装配线的形式通过该系统。如果沿单个光纤的光栅之间的间隔必须改变，则任选的未缠绕光纤积聚站可以位于各个加工站之间。

本发明具有显著的优点。选择性的掺氢使只有光纤的需要气态掺氢的部分才被暴露。对常规的聚合物涂覆的光纤进行高于250℃的高温掺氢可能使传统的涂层发生燃烧或部分破坏性的解聚合。如果光纤用传统的整体掺氢的方法进行掺氢，全部光纤就需要重新涂覆。而用分段掺氢，只有被掺氢的部分，也就是光栅将被写入的部分才需要再涂覆。

用分段掺氢不需要整体掺氢那样的将氢烘烤出去的过程步骤。而是光纤的光栅将被写入的长度以及被分段掺氢的区域大致是同一个长度，退火的过程步骤将氢从被掺的区域去除。

含有氢的光纤不能被熔化拼接。当暴露到电弧时氢造成玻璃的变形，使达到可应用的拼接变得不可能。用分段掺氢的方法，将氢从光纤去除之前在光栅外的任何区域都可以进行熔化拼接。这在写入光栅或最后的包装步骤期间检测光栅时可以是很有用的。制造过程中在任何点进行熔化拼接的能力提高了工艺过程和被制造产品的灵活性。

通过精确控制氢的温度和压力以及光纤暴露到该气氛的时间，对光纤的分段掺氢进一步在制造光纤时满足每个光纤的感光性的要求。当容器打开时，光纤迅速冷却(短于5秒)使光纤保持全部容量的氢。如果光纤被立即使用，则精确的感光性的程度可以是已知的。这样的精确控制使制造光纤时能通过改变温度，压力和/或暴露的时间变化每个光纤中氢的容量。然后光纤的感光性可被用于满足光栅的激光写入次数的要求。也可以被用于均衡完全不同的光纤的感光性，因此同样的写入条件可以方便地用于不同的光纤。

和低温条件下掺氢的光纤比较，高温条件下掺氢的光纤对光纤的折射率只产生较少的改变。当光纤布拉格光栅被退火时，光纤中的氢被扩散出，改变了和稳定了光纤的折射率。该过程经常导致减少对低温掺氢的光纤50％的UV诱导折射率变化。高温掺氢方法使折射率变化低至15％。在退火过程中减少的折射率变化具有减少写入光栅所需要的时间和/或激光功率的优点。

在本技术领域熟练的人员将理解的是，除了光栅的写入以外，根据本发明的光学波导可以用于各种不同的光学用途。虽然本发明通过参考示范的优选实施例进行了叙述，本发明还可以以其他的具体形式实施而不背离本发明的范围。因此，应该理解的是，本文所叙述和说明的实施例仅是示范性的不应被认为是对本发明的范围的限制。根据本发明的范围可以作出其他各种变化和修改。

Claims (28)

1.一种光学波导包括：

(a)一个长度的波导(10)；和

(b)至少一个具有相对于该波导的其他部分经提高的感光性的分离的纵向部分(20)。

2.如权利要求1所述的波导，其特征在于，其中纵向部分具有至少比该长度的波导的其他部分大两倍的感光性。

3.如权利要求1所述的波导，其特征在于，其中该波导包括多个分离的纵向部分，至少一个部分具有和其他部分不同的感光性。

4.如权利要求1所述的波导，其特征在于，其中该波导是一种光纤，该光纤具有一个光纤芯区域(12)和至少一个包覆层(14)，以及纵向部分沿光纤芯区域具有经提高的感光性。

5.如权利要求1所述的波导，其特征在于，其中该波导是一种光纤，该光纤具有一个光纤芯区域和至少一个包覆层，以及纵向部分沿光纤芯区域和至少一个包覆层具有经提高的感光性。

6.如权利要求1所述的波导，其特征在于，其中纵向部分包括一个羟基带。

7.如权利要求6所述的波导，其特征在于，其中羟基带在1410nm吸收区域具有吸收性；该波导进一步包括：

a)在小于或等于800nm的波长具有＞0.1dB/cm数量的短波长吸收带；

b)在波导的至少一个纵向部分外既不存在羟基带又不存在短波长带。

8.如权利要求6所述的波导，其特征在于，该波导包括一个在小于或等于800nm的波长具有大于0.1dB/cm数量的短波长吸收带。

9.如权利要求7所述的波导，其特征在于，其中在波导的至少一个具有经提高的感光性的纵向部分外既不存在羟基带又不存在短波长带。

10.如权利要求6所述的波导，其特征在于，其中该波导具有一个第一和一个第二分离的纵向部分，第一部分中的羟基带具有比第二部分中的羟基带更大的衰减。

11.如权利要求10所述的波导，其特征在于，其中第一和第二部分(120，122)互相相邻。

12.如权利要求6所述的波导，其特征在于，该波导具有多个分离的纵向部分，每个部分在各自的羟基带中具有不同的衰减值。

13.如权利要求10所述的波导，其特征在于，其中多个分离的纵向部分相继互相相邻，衰减值遵循一个预先确定的函数。

14.一种光学设备包括：

a)一个长度的光纤；和

b)折射率沿该长度的光纤提高的一个部分。

15.如权利要求14所述的光学设备，其特征在于，该设备沿折射率提高的部分包括一个羟基吸收带。

16.一种光学设备包括：

a)一个长度的光纤；

b)沿该长度的光纤的至少一个光栅；和

c)沿该光栅的一个羟基吸收带。

17.如权利要求16所述的光学设备，其特征在于，其中光栅是布拉格光栅。

18.如权利要求16所述的光学设备，其特征在于，羟基带包括一个吸收峰。

19.如权利要求16所述的光学设备，其特征在于，其中光栅和羟基带被限制在一个分离的纵向部分。

20.如权利要求16所述的光学设备，其特征在于，其中光栅因为在300℃中退火10分钟而具有其变化＜20％的折射率。

21.用于写入光栅的方法包括的步骤为：

a)提供一个长度的光学波导，该波导包括该光学波导的至少一个分离的纵向部分，该部分有：

i)具有在1410nm吸收区域的吸收性的一个羟基带；

ii)具有在小于或等于800nm的波长的＞0.1dB/cm数量的短波长吸收带；

iii)在波导的至少一个纵向部分外既不存在羟基带又不存在短波长带。

b)仅将至少一个的纵向部分中的一个或多个暴露到形成图形的光化辐射源。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，

a)其中提供的步骤包括提供一个具有一个第一和一个第二分离的纵向部分的波导，其中第一部分中的羟基带具有比第二部分中的羟基带更大的衰减；和

b)其中暴露的步骤包括在两个部分使用相同的写入条件。

23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，其中提供一个波导的步骤包括提供具有多个分离的纵向部分，每个部分在各自的羟基带具有不同的衰减值的波导。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，其中暴露的步骤包括在每个部分使用相同的写入条件以产生多个具有不同的中心波长和百分比反射性的光栅。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，其中多个分离的纵向部分相继互相相邻，衰减值遵循一个预先确定的函数。

26.如权利要求1所述的波导，进一步包括一个写透涂层。

27.如权利要求26所述的波导，其特征在于，其中的部分包括识别其在该长度的波导中的位置的标记。

28.如权利要求14所述的光学设备，其特征在于，该光纤包括一个写透涂层。

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