DE60012157T2

DE60012157T2 - Optische systeme, vorrichtungen mit bragg-gitter und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60012157T2
Application number: DE60012157T
Authority: DE
Inventors: J. Thomas CULLEN; E. Timothy HAMMON; M. John STOCKHAUSEN
Original assignee: Acme Grating Ventures LLC
Current assignee: Acme Grating Ventures LLC
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2020-03-25
Also published as: US6327406B1; US6238485B1; CA2367050A1; US20020018623A1; AU3772400A; EP1163546B1; EP1163546A1; ATE271229T1; US6238729B1; WO2000057225A1; CA2367050C; DE60012157D1; AU773400B2; US6702897B2; US6146713A

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist allgemein auf Bragg-Gitter gerichtet. Spezieller betrifft die Erfindung optische Systeme einschließlich optischer Komponenten bzw. Bauteile, die Bragg-Gitter verwenden, sowie Verfahren zur Herstellung von Bragg-Gittern zur Verwendung darin. Diese Anmeldung ist eine Continuation-In-Part ("CIP") des gemeinsam übertragenen US-Patentes mit der Seriennummer 09/271,015, angemeldet am 25. März 1999.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Optische Kommunikationssysteme übertragen Information durch Erzeugen und Senden optischer Signale, welche der Information entsprechen, durch optische Übertragungsfasern. Von den optischen Systemen transportierte Information kann Audio-, Video, Daten- oder jegliches andere Informationsformat aufweisen. Die optischen Systeme können bei Fern- und Nahtelefonieren, Kabelfernsehen, LAN-, WAN- und MAN-Systemen, wie auch anderen Kommunikationssystemen verwendet werden.
Information kann optisch übertragen werden durch Verwendung eines breiten Bereichs an Frequenzen/Wellenlängen bei hohen Datenraten und relativierten Kosten, die wünschenswerte Attribute für Übertragungssysteme hoher Kapazität bzw. Leistung sind. Auch kann Information geführt werden unter Verwendung mehrerer optischer Wellenlängen, die kombiniert werden unter Ausnützung von Wellenlängenmultiplexierungstechniken ("WDM") zu einem optischen Signal, das durch eine optische Faser übertragen werden kann, was weiter die Datenbeförderkapazität optischer Systeme erhöht. Als solche sind Lichtleitfaserübertragungssysteme hervorgetreten als kosteneffektive Alternati ve zu elektrischen Systemen zum Vorsehen hochleistungsfähiger Kommunikationssysteme.
Eine Schwierigkeit, die bei optischen Systemen besteht, ist, daß die verschiedenen Wellenlängen von Signalen oft getrennt werden müssen zwecks Routen/Schalten und anderer Verarbeitung während der Übertragung und/oder dem Empfang am Bestimmungsort des Signals. Bei frühen WDM-Systemen war das Wellenlängenbeabstanden teilweise limitiert durch die Fähigkeit, effektiv Wellenlängen aus dem WDM-Signal beim Empfänger zu trennen. Die meisten optischen Filter bei früheren WDM-Systemen verwendeten einen Breitbandpaßfilter, der die minimale Beabstandung der Wellenlängen in dem WDM-System effektiv einstellte.
Zur Verwendung in vielen Übertragungsvorrichtungen wurden Brechungsgitter vorgeschlagen. Jedoch war die Verwendung separater optischer Komponenten in Freiraumkonfigurationen mühsam und stellte bei der Anwendung ernsthafte Probleme dar. In ähnlicher Weise erwiesen sich geätzte Lichtleitfasergitter als schwer effektiv zu implementieren in Betriebssystemen, wenngleich sie eine Verbesserung gegenüber Brechungsgittern darstellten.
Die Entwicklung holographisch induzierter Faser-Bragg-Gitter hat die kosteneffektive Verwendung der Gittertechnologie beim Betrieb optischer Übertragungssysteme vereinfacht. Bragg-Gitter in Fasern lieferten ein billiges und zuverlässiges Mittel zum Trennen eng benachbarter Wellenlängen. Die Verwendung von Bragg-Gittern in Fasern hat des weiteren die Lebenfähigkeit bzw. Anlegbarkeit von WDM-Systemen verbessert, indem eine direkte Erfassung der individuell getrennten Wellenlängen ermöglicht wurde. Siehe beispielsweise das für Glomb et al. erteilte US-Patent Nr. 5,077,816.
Holographisch geschriebene optische Fasern mit Bragg-Gittern sind im Stand der Technik wohlbekannt. Siehe beispielsweise US-Patente Nr. 4,725,110 und 4,807,950, die hier durch Bezug nahme beinhaltet sind. Holographische Gitter werden im allgemeinen erzeugt, indem ein Lichtwellenleiter wie beispielsweise eine auf Siliciumoxid basierende Lichtleitfaser oder ein ebener Lichtwellenleiter und insbesondere Ge-dotierte Siliciumoxidfasern einem Interferenzmuster ausgesetzt werden, das erzeugt wurde durch sich schneidende Strahlungsstrahlen, typischerweise im ultravioletten Frequenzbereich. Die sich schneidenden Strahlen können interferometrisch erzeugt werden unter Verwendung einer oder mehrerer Strahlungsquellen oder unter Verwendung einer Phasenmaske. Siehe hierzu beispielhaft obige Referenzschriften, wie auch die US-Patente Nr. 5,327,515, 5,351,321, 5,367,588 und 5,745,617 sowie PCT-Veröffentlichungen Nr. WO 96/36895 und WO 97/21120, die hier durch Bezugnahme beinhaltet sind.
Bragg-Gitter liefern ein vielseitiges Mittel zur Trennung von Wellenlängen, da der Wellenlängenbereich oder die Bandbreite, über die das Gitter reflektiert, wie auch die Reflexion, gesteuert werden können. Anfänglich jedoch konnten unter Verwendung holographischer Verfahren nur Bragg-Gitter mit relativ schmaler Bandbreite und geringer Reflexion hergestellt werden.
Es wurde bald herausgefunden, daß die Empfindlichkeit des Wellenleiters gegenüber ultravioletter Strahlung und die resultierende Bandbreite und das Reflexionsvermögen stark verbessert werden konnten, indem der Wellenleiter Wasserstoff und seinen Isotopen ausgesetzt wurde, bevor das Gitter (ein-) geschrieben bzw. erzeugt wurde. Es ist bekannt, einen Wellenleiter Wasserstoff innerhalb eines geschlossenen Behälters auszusetzen, in dem Temperatur, Druck und Wasserstoffkonzentration gesteuert werden können. Es ist auch bekannt, die Wasserstoffkonzentration des Wellenleiters innerhalb des Behälters zu überwachen durch Anschließen von Überwachungswellenleiter an beiden Enden des Wellenleiters innerhalb des Behälters und Verwenden dieser Überwachungswellenleiter zur Übertragung von Licht durch den Wellenleiter innerhalb des Behälters und Messen seiner Eigenschaften. Siehe PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Band 1997, Nr. 03, 31. März 1997 (1997-03-31) & JP 08 286054 A (SUMITOMO ELECTRIC IND. LTD., 1. November 1996 (1996-11-01)).
Das Hydrieren der Faser wurde ursprünglich als Hochtemperatur-Ausglühprozeß durchgeführt. Siehe beispielsweise F. Ouellette et al., Applied Physics Letters, Band 58(17), Seite 1813 (4 Stunden bei 400°C in 12 atm. H₂) oder G. Meltz et al., SPIE International Workshop on Photoinduced Self-Organization in Optical Fibre, 10.-11. Mai 1991, Quebec City, Canada, Paper 1516-18 (75 Stunden bei 610°C in 1 atm H₂). Es wurde später herausgefunden, daß das Hydrieren bei niedrigeren Temperaturen ≤ 250°C bei H₂-Drucken ≥ 1 atm. durchgeführt werden konnte, falls für den Wasserstoff eine ausreichende Zeitspanne zugelassen wurde, um in die Faser zu gelangen. Siehe US-Patent Nr. 5,235,659 und seinen Vorgänger.
Während ein Hydrieren bei niederer Temperatur länger in der Durchführung dauert, vermutlich zumindest zum Teil aufgrund langsamerer Wasserstoffdiffusionsgeschwindigkeiten, liefert es Vorteile, die typischerweise den Zeitnachteil ausgleichen. Beispielsweise beschädigt das Hydrieren bei niederer Temperatur im allgemeinen Polymerbeschichtungen nicht, die typischerweise dazu verwendet werden, um die Umhüllung und den Kern der Lichtleitfaser zu schützen. Auch bestehen weniger Sicherheitsprobleme bei der Handhabung von Wasserstoff bei niedereren Temperaturen und Drucken.
Obgleich ein Niedertemperaturhydrieren wirkungsvoll bei dem Einführen von Wasserstoff in die Faser ist, müssen die in die Faser eingeschriebenen Gitter immer noch bei höheren Temperaturen ausgeglüht werden, um das Reflexionsvermögen des Gitters zu stabilisieren. Siehe US-Patente Nr. 5,235,659 und 5,620,496. Eine Technik, welche die Stabilität von Gittern erhöhen kann, die in bei niederer Temperatur hydrierte Fasern geschrieben wurden, ist in dem OFC'99 PostDeadline Paper PD20 (1999 ("PD20") beschrieben. Im PD20 wurde eine bei niederer Temperatur hydrierte Faser vor dem Schreiben bzw. Einschrei ben des Gitters einem gleichförmigen UV-Strahl ausgesetzt, um die Faserstruktur zu verändern. Zudem wurde die Faser bei niederer Temperatur ausgeglüht von 125°C über 24 Stunden vor dem Einschreiben des Gitters, um zumindest einigen Wasserstoff aus der Faser auszutreiben. Die Gitter mit hohem Reflexionsvermögen, die in die bei Niedertemperatur ausgeglühte Faser eingeschrieben wurden, waren nicht stark unterschiedlich, wenn sie einer darauffolgenden Niedertemperaturausglühung bei 125°C ausgesetzt wurden.
Ein Nachteil des Einschreibens von Bragg-Gittern in Wasserstoff beladene Fasern ist der, daß die Faser schwerer zu spleißen ist. Dadurch werden die Spleißeffektivitäten gemindert und verbesserte Prozesse müssen anstelle dessen verwendet werden, um eine richtige Handhabung der Faser sicherzustellen. Ein Hochtemperaturausglühen der Faser zwecks Entfernung von Wasserstoff ist lediglich auf Abschnitte der Faser beschränkt, in denen die Beschichtung entfernt wurde, um das Gitter einzuschreiben. Bei Techniken, bei denen es nicht erforderlich ist, daß die Beschichtung entfernt wird, ist das Ausglühen des Gitters ebenfalls auf Temperaturen beschränkt, welche die Beschichtungen nicht beschädigen.
Die entscheidende Rolle, die angenommen wird bei holographisch induzierten Bragg-Gittern in Fasern und anderen Bauteilen und Systemen von Lichtwellenleitern, erfordert, daß verbesserte Techniken zur Herstellung von Bragg-Gittern fortwährend entwickelt werden. In gleicher Weise liefern die Verbesserungen der Bragg-Gitter-Technologie eine stetige Entwicklung zunehmend flexiblerer, höher leistungsfähigerer und billigerer optischer Systeme.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung, wie es in den Ansprüchen 1 und 6 wiedergegeben ist, widmet sich obiger Notwendigkeit nach verbesserten Bragg-Gitter-Herstelltechniken und optische Bauteile und Systeme, welche die Bragg-Gitter aufweisen. Optische Bauteile und Übertragungssysteme, die wenigstens ein Bragg-Gitter aufweisen, können in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bereitet werden. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen werden Bragg-Gitter vorgesehen, um optische Signale und/oder Pumpquellen zu stabilisieren, eine selektive Filterung bei der Übertragung und/oder dem Empfang durchzuführen, sowie andere Gitter-basierende Anwendungen, beispielsweise Sensoranwendungen, wie es im Stand der Technik bekannt sein kann.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet das selektive Hydrieren eines oder mehrerer ausgewählter Abschnitte eines Lichtwellenleiters im allgemeinen und inbesondere einer Lichtleitfaser. Ein selektives Hydrieren wird durchgeführt durch selektives Einrichten lokaler Zustände in einer ersten Umgebung, was zuträglicher ist beim Einführen größerer Mengen an Wasserstoff in ausgewählte Abschnitte als in nicht-ausgewählte Abschnitte, die in einer zweiten Umgebung aufrechterhalten sind. Das Ausmaß selektiver Hydrierung und der Wasserstoffkonzentrationsdifferenz zwischen ausgewählten und nichtausgewählten Abschnitten des Wellenleiters ist eine Funktion der Temperatur, des Drucks und der Zeit des Aussetzens, wie es in der ersten und zweiten Umgebung vorliegt.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist die lokale Temperatur in der ersten Umgebung angehoben, um die Geschwindigkeit bzw. Rate des Wasserstoffeintritts in den ausgewählten Bereich des Wellenleiters zu erhöhen. Erhöhte Eintrittsgeschwindigkeiten bzw. -raten können erreicht werden durch Aufrechterhalten der lokalen Konzentration des Wasserstoffs in der ersten Umgebung, während lokal angehobene Temperaturen eingestellt werden. Die lokale Konzentration in der ersten Umgebung kann auf angehobenen Temperaturen gehalten werden durch Konfigurieren einer Hydriervorrichtung, derart, daß sie einen wesentlichen Abschnitt ihres Volumens innerhalb der ersten Umgebung hat. Alternativ kann eine mit Kompartimenten versehene Hydriervorrichtung verwen det werden, um die Umgebungsbedingungen in der ersten und zweiten Umgebung innerhalb der Vorrichtung zu verändern.
Mit Kompartiment versehene Vorrichtungen können eine Änderung des Drucks, der Wasserstoffkonzentration und/oder der Zeit des Aussetzens in der ersten und zweiten Umgebung vorsehen.
Die Differenz zwischen der lokalen Konzentration und Temperatur entlang der Abschnitt der Faser und der Länge, die ausgesetzt wird, bestimmt im allgemeinen das relative Ausmaß der Hydrierung. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Hydriervorrichtung derart konfiguriert sein, daß das erwärmte Volumen der ersten Umgebung in der Nähe des ausgewählten Abschnitts mehr als 90% des Gesamtvolumens der Vorrichtung darstellt. Ein Erhöhen des Prozentsatzes des erwärmten Volumens und/oder der lokalen Temperatur erhöht die Differenz der Hydrierung zwischen dem ausgewählten Abschnitt und dem Rest der Faser.
Ein selektives Hydrieren kann über einen breiten Temperaturbereich durchgeführt werden. Die Verfahren sind nicht auf niedere Temperaturen beschränkt, um ein Beschädigen der Faserbeschichtung zu verhindern, da eine selektive Hydrierung bei Hochtemperatur eingeschränkt werden kann auf lediglich diejenigen Abschnitte, bei denen die Beschichtung entfernt wird, um das Gitter einzuschreiben.
Es ist wünschenswert, die selektive Hydrierung bei Temperaturen über 250°C durchzuführen, da die Zeit des Aussetzens verglichen mit niederen Temperaturen um mehrere Größenordnungen gemindert werden kann. Zudem können hohe Drucke, beispielsweise > 200 atm. ausgeübt werden, um weiter die Zeit des Aussetzens zu verringern durch Erhöhen der Wasserstoffkonzentration in der Vorrichtung. Als solches kann ein höherer Durchsatz erreicht werden und Hydriervorrichtungen müssen nicht mit Wasserstoff über ausgedehnte Zeitspannen beladen sein.
Ein zusätzlicher Vorteil der selektiven Hydrierung bei Hochtemperatur ist der, daß viele Beschichtungen leichter entfernbar sind nach dem Aussetzen gegenüber erhöhten Temperaturen. Das Entfernen der Beschichtung zum Zwecke des Einschreibens des Gitters vereinfacht auch ein Hochtemperaturausglühen zwecks Erhöhung der Langzeitstabilität der Gittereigenschaften.
Zudem kann die zweite Umgebung gesteuert bzw. kontrolliert werden, um veränderliche Hydrierniveaus in den nichtausgewählten Abschnitten des Wellenleiters herzustellen. In der Tat können extrem niedere Wasserstoffkonzentrationen in den nicht-ausgewählten Bereichen erzielt werden aufgrund der kurzen Zeiten des Aussetzens, wenn eine selektive Hydrierung bei Hochtemperatur Verwendung findet. Dadurch können die nicht-ausgewählten Abschnitte der Faser leichter gespleißt werden als bei herkömmlichen Verfahren, was zu weiteren Effizienzverbesserungen führt.
Demgemäß widmet sich die vorliegende Erfindung den zuvor erwähnten Notwendigkeiten nach verbesserten Bragg-Gitter-Herstellverfahren zur Erhöhung der Effizienz und Kapazität optischer Bauteile und Kommunikationssysteme ohne daran angepaßte Erhöhung der Kosten optischer Bauteile. Diese Vorteile und andere werden offensichtlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielhaft beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen zum Zwecke nur der Darstellung gegenwärtiger Ausführungsbeispiele und nicht zum Zwecke deren Einschränkung, wobei gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen tragen:
1-2 zeigen optische Bauteile und Systeme der vorliegenden Erfindung; und
3-4 zeigen beispielhafte Hydriervorrichtungen der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie er hier verwendet wird, sollte der Begriff "Information" breit verstanden werden als daß er jede Art von Audiosignal, Videosignal, Daten, Instruktionen, etc. umfaßt, die als optische Signale übertragen werden können. Auch soll der Begriff "Wasserstoff" bedeuten, daß er einatomigen und zweiatomigen Wasserstoff, H bzw. H₂ umfaßt, wie auch Wasserstoffisotope wie beispielsweise Deuterium.
Im allgemeinen weist ein optisches Kommunikationssystem 10 nach der vorliegenden Erfindung wenigstens einen optischen Sender 12 auf, der über ein optisches Transmissionsmedium 16 wie beispielsweise eine Lichtleitfaser – wie dies in 1 gezeigt ist – optisch mit wenigstens einem optischen Empfänger 14 kommuniziert. Jeder Sender 12 ist derart ausgestaltet, daß er über eine oder mehrere Information tragende Wellenlängen λ_i,k Information überträgt, wobei eine Kombination zu einem wellenlängengemultiplexten ("WDM") optischen Signal erfolgt. Der Sender 12 kann eine oder mehrere kohärente oder inkohärente optische Quellen 18 wie beispielsweise Halbleiter und Faserlaser aufweisen, sowie dazugehörige elektronische Steuerkreise und Optiken, d.h. Linse 20, wie dies im Stand der Technik bekannt ist.
Die von den optischen Quellen 18 emittierte Wellenlänge kann unter Verwendung Bragg'scher Gitter 22 stabilisiert oder eingerichtet werden, um eine interne und/oder externe Laserkavität zu bilden. Beispielsweise können Distributed Feedback-("DFB") und Bragg Reflexions ("DBR")-Laser und andere Laser Bragg-Gitter 22 sowohl in der Laserkavität wie auch der externen Kavität aufweisen. In gleicher Weise können Bragg-Gitter 22 verwendet werden, um Wellenlängen aus dem Breitbandquellen, wie beispielsweise lichtemittierende Dioden, auszuwählen. Die optische Quelle 18 kann direkt mit zu übertragender Information moduliert werden oder ein externer Modulator 24 kann dazu verwendet werden, um die Information auf eine optische Trägerwellenlänge zu modulieren, die vorgesehen wird durch die Quelle 18. Alternativ kann der externe Modulator 24 ersetzt werden durch einen optischen Aufwärtsumsetzer, um einen modulierten elektrischen Träger auf eine optische Wellenlänge aufwärts umzusetzen, die unterschiedlich ist zu der von der optischen Quelle 18 emittierten Wellenlänge des optischen Trägers.
Der Empfänger 14 kann Bragg'sche Gitter 22 in Demultiplexern 26 und/oder Filtern 28 aufweisen, um eine oder mehrere Wellenlängen eines wellenlängenmultiplexierten ("WDM") optischen Signals zu trennen. Der Empfänger 14 kann so ausgestaltet sein, daß er kohärent oder direkt die ausgewählten Wellenlängen in Abhängigkeit von dem System 10 erfaßt.
Des weiteren können der Sender 12, die Empfänger 14, wie auch andere Bauteile wellenlängenmäßig abgestimmt sein, um in dem System 10 zusätzliche Flexibilität vorzusehen. Eine Wellenlängenabstimmung kann vorgenommen werden durch Veränderung der Reflexionswellenlänge der Bragg'schen Gitter 22 unter Verwendung von Techniken wie denjenigen, wie sie im US-Patent Nr. 5,007,705 beschrieben sind und anderen Techniken, wie sie im Stand der Technik bekannt sind.
In gleicher Weise können die Bragg'schen Gitter 22 in einem Multiplexer 30 verwendet werden zum Kombinieren mehrerer optischer Signale und möglicherweise zum spektralen Formen der optischen Signale. Bragg'sche Gitter 22 können auch bei optischen Schaltern 32 verwendet werden, einschließlich optischen Routern und Kreuzverbindungen, um Wellenlängen von Signalen zwischen optischen Bahnen zu schalten, addieren oder abfallen zu lassen. Die optischen Schalter 32 können weiter so ausgestaltet sein, daß sie als Addier- und/oder Abfallvorrichtung 34 wirken. Kombinatoren 36 und Verteiler 38 wie beispielsweise Koppler und Zirkulatoren, können eingesetzt werden in ver schiedenen Kombinationen in der Addier-/Abfallvorrichtung 34, um eine Wellenlängenwiederverwendung je nach Eignung vorzusehen und wie dies im Stand der Technik bekannt ist.
Das System 10 kann einen oder mehrere optische Verstärker wie beispielsweise seltene Erden, d.h. Erbium oder andere dotierte Faser, Raman gepumpte Faser oder Halbleiter aufweisen, um optische Signale in dem Wellenleiter 16 zu regenerieren. Bragg'sche Gitter 22 können verwendet werden, um wellenlängenmäßig über einen Pumplaser 42 gelieferte optische Pumpenergie zu stabilisieren, wie auch zum Verstärkungsabflachen der verstärkten Signalwellenlängen in Verstärkung abflachenden Filtern 44. Dispersion kompensierende Vorrichtungen oder Filter 46 für verstärkte Spontanemulsion "ASE" einschließlich Bragg-Gittern 22, können in dem System 10 Verwendung finden.
Bragg-Gitter-Filter nach der vorliegenden Erfindung können auch bei Sensoranwendungen eingesetzt werden, wie beispielsweise bei Bohrungs- und seismischen Aufzeichnungen. Bei Sensoranwendungen kann die Reflexionsbandbreitenempfindlichkeit der Bragg'schen Gitterfilter verwendet werden zur Erfassung von Umgebungsbedingungen wie beispielsweise der Temperatur, des Drucks, der Last und der Spannung. Die Reflexionswellenlänge des Bragg-Gitters kann korreliert werden mit den Umgebungsbedingungen, um Einschätzungen in Bezug auf die tatsächlichen Umgebungsbedingungen zu liefern. Siehe beispielsweise US-Patent Nr. 5,986,749.
Bei Sensoranwendungen wird ein Lichtleiter, der ein oder mehrere Bragg-Gitter beinhaltet, in der Umgebung angeordnet, in welcher die Bedingungen gemessen werden sollen. Licht einer bekannten Wellenlänge oder bekannter Wellenlängen kann von einer oder mehreren Lichtquellen 62 aus in den Lichtleiter gestrahlt werden. Eine oder mehrere Photodioden 64 können dazu verwendet werden, um die Intensität und/oder Wellenlänge des durch das Bragg'sche Gitter reflektierten Licht zu erfassen. Die Intensitäts- und Wellenlängeninformation wird im allgemeinen einem Signalprozessor 66 zugeführt, welcher die Information bei einer bekannten Eichung des Bragg'schen Gitters mit den zu messenden Umgebungsbedingungen korreliert. Beispielsweise kann ein abstimmbarer bzw. einstellbarer Filter wie beispielsweise ein Bragg'sches Gitter oder ein Fabry-Perot-Filter in Kombination mit der Photodiode 64 verwendet werden, um dem Signalprozessor 66 wellenlängenselektive Information zuzuführen. In gleicher Weise kann eine abstimmbare Lichtquelle 62 verwendet werden, um die Reflexionsbandbreite des Bragg'schen Gitters in situ zu scannen.
Es ist erkennbar, daß mehrere Bragg-Gitter-Sensoren, Photodioden 64 und Filter und Lichtquellen 62 verwendet werden können, um verschiedenste Arten von Information zu extrahieren. Beispielsweise können mehrere Bragg-Gitter-Sensoren mit gleichen oder unterschiedlichen Reflexionsprofilen kaskadenartig in dem Lichtleiter vorgesehen sein, um Temperaturinformation entlang der Länge des Lichtleiters zu liefern. Bei Öl- und Gasbohrungen, seismischen oder ähnlichen Anwendungen, kann Licht einer vorgegebenen Wellenlänge in den Lichtleiter gepulst und die Zeit der Flug- bzw. Fortbewegungsinformation dazu verwendet werden, um die Temperatur an verschiedenen Stellen entlang des Lichtleiters zu bestimmen.
Bragg-Gitter 22 nach der vorliegenden Erfindung werden hergestellt durch selektives Hydrieren eines oder mehrerer ausgewählter Abschnitte eines Wellenleiters 48. Der Wellenleiter 48 kann verschiedene Wellenleiterstrukturen aufweisen, in die holographische Gitter eingeschrieben werden können, wie beispielsweise planare oder Faserwellenleiter. Die Wellenleiter können verschiedene photoempfindliche Materialien unterschiedlicher Zusammensetzungen aufweisen, wie beispielsweise Ge und Ge/B dotierte, Siliciumoxid-basierende Fasern und Wellenleiter. Die Wellenleiter 48, in welche die Drahtgitter 22 holographisch eingeschrieben sind, können die gleiche oder eine unterschiedliche Geometrie und/oder Zusammensetzung wie die Übertragungswellenleiter 16 haben. Spezielle Beispiele in Bezug auf selektiv hydrierte optische Faser werden vorgese hen, um die Erfindung vollständiger zu erläutern und diese nicht einzuschränken.
3 und 4 liefern Ausführungsbeispiele selektiv hydrierter Vorrichtungen 50 nach der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtungen 50 sind im allgemeinen derart ausgestaltet, daß sie die Einrichtung mehrerer Umgebungen innerhalb der Vorrichtung 50 vereinfachen. Beispielsweise können innerhalb der Vorrichtung 50 eine oder mehrere Heißzonen 50_H und eine oder mehrere Kalt- bzw. Kühlzonen 50_C vorgesehen sein.
Einer von mehreren Wellenleitern 48 ist in die Vorrichtung 50 eingesetzt, wobei die ersten Abschnitte des Wellenleiters 48, die selektiv hydriert werden sollen, innerhalb der heißen Zonen 50_H liegen. In gleicher Weise sind zweite Abschnitte, die in einem geringeren Ausmaß hydriert werden sollen, innerhalb der Kaltzonen 50_C positioniert. Eine erste Umgebung kann eingerichtet werden, um das Hydrieren des Wellenleiters innerhalb der Heißzone 50_H zu vereinfachen, während eine zweite Umgebung eingerichtet werden kann, um ein unterschiedliches Niveau an Hydrierung des Lichtleiters innerhalb der Kaltzone 50_C zu vereinfachen.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird die lokale Temperatur in der ersten Umgebung angehoben, um die Geschwindigkeit des Wasserstoffeintritts in den selektierten Abschnitt des Wellenleiters zu erhöhen. Erhöhte Eintrittsgeschwindigkeiten bzw. -raten können erreicht werden durch Aufrechterhalten der lokalen Konzentration des Wasserstoffs in der ersten Umgebung während des Einstellens lokal erhöhter Temperaturen. Die lokale Konzentration in der ersten Umgebung kann beibehalten werden bei erhöhten Temperaturen durch Ausgestaltung einer Hydriervorrichtung, derart, daß ein wesentlicher Abschnitt ihres Volumens innerhalb der ersten Umgebung beinhaltet ist. Die Konzentrationsänderung innerhalb der ersten Umgebung bei angehobener Temperatur ist proportional zu dem Prozentsatz des Gesamtvolumens innerhalb der ersten Umgebung. Daher ist es im allgemeinen wünschenswert, so viel des Gesamtvolumens wie möglich in der ersten Umgebung vorzusehen. Ist beispielsweise das Volumen in der ersten Umgebung zehnmal größer als das Volumen in der zweiten Umgebung, so wird die lokale Konzentration in der ersten Umgebung bei 300°C relativ zu der der zweiten Umgebung bei Umgebungstemperaturen um weniger als etwa 10% abnehmen.
Die Menge an verfügbarem Wasserstoff zum Hydrieren des Wellenleiters 48 ist direkt proportional zu dem Wasserstoff(Gas)-Druck, der in der Hydriervorrichtung 50 herrscht. Daher kann eine Erhöhung des Wasserstoffdrucks in der Vorrichtung 50 die Hydrierzeit reduzieren. Hochdruckhydriervorrichtungen 50 und entsprechende Quellen 52 sind verfügbar, um es zu erlauben, daß ein Wasserstoff-(Gas-)Druck, der 3000 psi überschreitet, in die Vorrichtungen 50 eingeführt und in diesen gehalten wird. Während Wasserstoff unter Hochdruck ein erhöhtes Sicherheitsrisiko darstellt, sind die Zeitdauern, während denen die Vorrichtung 50 unter Druck gehalten werden muß, wesentlich verringert.
Es sei festgehalten, daß eine selektive Hydrierung durchgeführt wurde unter Verwendung herkömmlich verfügbarer Wasserstofftanks als Quelle 52, die typischerweise geladen sind bei 3000 psi ± Kalibrierfehler für die Lieferung. Eine selektive Hydrierung kann bei höheren oder niedrigeren Drücken durchgeführt werden, in Abhängigkeit von den verfügbaren Wasserstoffquellen 52 und der Zeit, die zur Verfügung steht zur Durchführung der selektiven Hydrierung.
Im allgemeinen wird im wesentlichen reines (> 99%) Wasserstoffgas H₂ und/oder D₂ verwendet, um die Hydrierung durchzuführen. Es kann wünschenswert sein, ein gasartiges Gemisch zu verwenden, um die Faser anderen Elementen während der Hydrierung auszusetzen. Sind mit dem Wasserstoff andere Gase beinhaltet, entweder als Additive oder als Verunreinigungen, so hängt die Hydrierung im allgemeinen von dem Wasserstoffpartialdruck in dem Gemisch ab.
Es sei festgehalten, daß innerhalb der Heiß- und Kaltzonen unterschiedliche Umgebungen eingestellt werden können, um unterschiedliche Hydrierniveaus oder Wasserstoffkonzentrationen innerhalb des Wellenleiters 48 in jeder Zone zu erzeugen. Auch können die Kaltzonen 50_C aktiv erwärmt oder abgekühlt werden in Abhängigkeit von den gewünschten Hydrierniveaus.
Es kann auch wünschenswert sein, die Abschnitte klein bemessener Wellenleiter 48 in thermischen Kontakt mit den Wänden der Vorrichtung 50 in der Kaltzone 50_C zu bringen. Ein thermischer Kontakt erlaubt eine präzisere und wirkungsvollere Temperaturkontrolle bzw. -steuerung der Wellenleiter 48 in der Kaltzone 50_C .
Alternativ kann die Vorrichtung 50 derart ausgestaltet sein, daß eine Umgebung innerhalb der Vorrichtung eingerichtet wird und nur der Abschnitt des Lichtleiters 48 innerhalb der Vorrichtung 50 liegt, der selektiv hydriert werden soll.
Die in 3 gezeigte Vorrichtung 50 kann rohrförmige Ausgestaltung haben mit einer Querschnittsgeometrie, die geeignet ist für den (die) Wellenleiter 48, die selektiv hydriert werden sollen. Die Querschnittsform der Vorrichtung 50 hängt auch von dem Systemdruck ab, mit dem die Hydrierung durchgeführt wird. Ein kreisförmiger Querschnitt für die Vorrichtung 50 ist im allgemeinen geeignet für Hochdruckhydrierverfahren.
Beim Betrieb der Vorrichtung 50 wird der Wellenleiter 48 in der Vorrichtung 50 derart plaziert, daß selektiv zu hydrierende Abschnitte innerhalb einer der Heißzonen 50_H angeordnet werden. Die Vorrichtung 50 wird abgedichtet und die Luft innerhalb der Vorrichtung 50 evakuiert und/oder mit einem Gas gereinigt, das im wesentlichen den Wellenleiter 48 nicht beeinflußt, wie beispielsweise Stickstoff. Wasserstoff kann dazu verwendet werden, um die Vorrichtung 50 zu reinigen, ob gleich es im allgemeinen wünschenswert ist, ein weniger teures Reinigungsgas zu verwenden. Der Wasserstoff und Reinigungsgase werden von einer Gasquelle 52 über ein Ventil 54 in die Vorrichtung eingeführt und ein zweites Ventil ist vorgesehen, um die Gase zu entfernen. Zustände in der ersten und zweiten Umgebung werden über eine erforderliche Zeitspanne eingerichtet, um die selektive Hydrierung durchzuführen. Nachfolgend auf die selektive Hydrierung wird die Vorrichtung abgekühlt, der Systemdruck und die -temperatur werden auf Umgebung abgesenkt – falls erforderlich – und die Wellenleiter 48 aus der Vorrichtung 50 entfernt.
Es sei festgehalten, daß der Wasserstoff und die Reinigungsgase je nach Eignung wiederverwertet werden können. Eine Wiederverwertung wird ein wichtigeres wirtschaftliches Thema, wenn teure Wasserstoffisotope wie beispielsweise Deuterium, verwendet werden.
Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel kann zu einem im wesentlichen linearen Abstand zwischen den Heißzonen und den Kaltzonen führen. Bei kleinen Volumen im Zusammenhang mit der Kaltzone, mag eine zusätzliche Temperatursteuerung über die Kaltzone nicht erforderlich sein, falls umgebende Kaltzonentemperaturen annehmbar sind. In der Tat kann es möglich sein, zusätzliche Faserlängen auf einer Spule 56 anzuordnen, um das Laden der Faser in die Vorrichtung 50 zu vereinfachen, ohne daß ein mehrfaches Aussetzen die zusätzliche Faser auf der Spule 56 wesentlich beeinflußt.
Eine thermische und/oder Druckbarriere 58 kann dazu verwendet werden, um die Heiß- und Kaltzonen und/oder Hoch- und Tiefdruckzonen in der Vorrichtung 50, wie in 4 gezeigt, zu trennen. Faserabschnitte, die selektiv hydriert werden sollen, werden durch die Barriere 58 in die Heißzone 50_H geführt, während der Rest der Faser 48 in der Kaltzone 50_C verbleibt. Die thermischen Barrieren 48 können hergestellt werden unter Verwendung jeglichen geeigneten isolierenden Materials wie beispielsweise Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid und anderer geeigneter Materialien. Wenn die Barriere 48 ausgestaltet wird als Druckgrenze, so kann eine selektive Hydrierung durchgeführt werden durch Verändern des Drucks, der Wasserstoffkonzentration und der Zeit des Aussetzens, zusätzlich zu oder anstelle der Temperatur.
In der Heißzone 50_H kann ein Wärmetauscher 60 vorgesehen sein, um der Vorrichtung 50 eine Wärmemenge Q zuzuführen. Die Temperatur in der Heißzone 50_H kann aufgezeichnet werden unter Verwendung von Thermopaaren und des Wärmetauschers 60, die gesteuert sind, um eine gewünschte Temperatur aufrechtzuerhalten, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Es kann auch wünschenswert sein, zusätzliche Wärmetauscher 60 vorzusehen, um eine gewünschte Temperatur in der Kaltzone 50_C der Vorrichtung 50 beizubehalten, wie auch jegliche Zonen in Zwischenbereichen.
Die präzisen Bedingungen, bei denen die selektive Hydrierung durchgeführt wird, hängen von den gewünschten Eigenschaften des in den Wellenleiter 48 einzuschreibenden Bragg-Gitters, den Herstellerfordernissen und den Fähigkeiten des Durchschnittsfachmanns ab. Mehrere Beispiele werden geliefert, um eine Einschätzung der Wertigkeit der signifikanten Parameter zu liefern.
Bragg-Gitter können eingeschrieben werden unter Verwendung der verschiedenen Techniken, wie sie in den obigen Bezugsschriften ausgeführt sind. Die präzise Technik, die verwendet wird, um die Gitter 22 einzuschreiben, kann von den Eigenschaften des Gitters 22 abhängen. Die Gitter 22 können eingeschrieben werden unter Verwendung eines stationären Geräts und Lasers mit einer Strahlgröße, die ausreichend groß ist, um das gesamte Gitter auf einmal einzuschreiben. Alternativ können Scangeräte verwendet werden, um die Länge, das Reflexionsvermögen, die Reflexionswellenlängen und/oder andere Eigenschaften der Gitter zu steuern. Beispielsweise können die Gittereigenschaften gesteuert werden durch Vorsehen einer relativen Bewegung, entweder bei konstanter oder sich ändernder Geschwindigkeit, in einer Richtung oder ditherierend bzw. hin und her zwischen dem Wellenleiter 48 und dem Interferenzmuster.
Das Bragg'sche Gitter 22 kann ausgeglüht sein, um die Gittereigenschaften zu pflegen und zu stabilisieren, wie beispielsweise den Reflexionswellenlängenbereich oder die Bandbreite, das Reflexionsprofil über der Bandbreite und die mittlere Reflexionswellenlänge. Im allgemeinen werden die Gitter 22 bei einer ausreichend hohen Temperatur, d.h. 300°C ausgeglüht, um stabile Gittereigenschaften sicherzustellen. Ein Ausglühen wird im allgemeinen die Bandbreite und das Reflexionsvermögen des Gitters reduzieren und die Reflexionswellenlänge verändern. Daher kann es wünschenswert sein, die Bragg-Gitter derart einzuschreiben, daß die gewünschten Gittereigenschaften beim Ausglühen erreicht werden. Selbstverständlich ist ein Hochtemperaturausglühen im allgemeinen keine lebenswichtige Option, wenn Bragg-Gitter-Einschreibtechniken verwendet werden, bei denen keine Entfernung der Schutzschicht auf der Faser erfolgt.
Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 50 wurde aufgebaut unter Verwendung 316 rostfreien Stahlrohrs und von Swagelok^TM fittings, wie dies allgemein in 3 gezeigt ist, jedoch ohne die Faserquelle/-spule 56. Eine selektive Hydrierung verschiedener Faserarten, einschließlich Ge und Ge/B dotierter Siliciumoxid basierender Fasern wurde durchgeführt, wobei die Kaltzone 50_C ohne zusätzliche Kontrolle bzw. Steuerung Umgebungstemperaturen ausgesetzt. Bragg-Gitter 22 wurden in die Faser geschrieben unter Verwendung eines scannenden UV-Strahls mit einer Wellenlänge von 244 nm und einer Phasenmaske unter Verwendung herkömmlicher Techniken, wie zuvor beschrieben.
Bragg-Gitter, die in die unhydrierte Faser geschrieben wurden und Fasern, die der umgebenden zweiten Umgebung ausgesetzt waren, hatten eine Bandbreite von 0,28 nm bei -1 dB von der mittleren bzw. zentralen Wellenlänge. Bragg-Gitter, die in die Faser eingeschrieben waren, die selektiv hydriert wurde bei 300°C und ungefähr 3000 psi, hatten hingegen erhöhte Reflexionsbandbreiten für alle ersten (beheizten) bis zweiten (unbeheizten) getesteten Umgebungsvolumenverhältnisse. Beispielsweise hatten Bragg'sche Gitter, die in Fasern eingeschrieben waren, die selektiv hydriert wurden bei 300°C und ungefähr 3000 psi in Vorrichtungen beheizte und unbeheizte Volumenverhältnissen von 1:20 und 2:1. Die in die selektiv hydrierte Faser eingeschriebenen Gitter hatten Reflexionsbandbreiten von 1,1 nm bzw. 2,2 nm bei -1 dB. Ähnliche Resultate wurden erzielt bei selektiver Hydrierung über 15 und 30 Minuten.
In Abhängigkeit von den Temperatur- und Zeitverhältnissen, die zur Durchführung der Hydrierung gewählt werden, kann es notwendig sein, den zu hydrierenden Abschnitt zu markieren. Dies ist beim Stand der Technik nicht erforderlich, da die gesamte Faser hydriert wurde auf im wesentlichen die gleiche Konzentration. Wenn eine selektive Hydrierung durchgeführt wird bei Temperaturen, welche die Beschichtung auf der Faser beeinflussen, indem sie sie beispielsweise braun werden lassen, so kann (können) der (die) selektiv hydrierte(n) Abschnitt oder Abschnitte einfach identifiziert werden durch Temperatur-induzierte Beschichtungsänderungen.
Wie durch obige Resultate angegeben, kann eine selektive Hydrierung die Hydrierzeit um eine Größenordnung oder mehr verkürzen verglichen mit den Prozessen nach dem Stand der Technik. Der erhöhte Durchsatz, der erreicht werden kann unter Verwendung der vorliegenden Erfindung, kann zu wesentlichen Einsparungen im Sinne von Vereinfachung und Personalbedarf führen.
Es ist offensichtlich, daß die Techniken des selektiven Aussetzens nach der vorliegenden Erfindung bei anderen Anwendungen verwendet werden können. Der Durchschnittsfachmann wird des weiteren erkennen, daß verschiedene Modifikationen und Änderungen an speziellen Aspekten der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, wie sie in den beigefügten Ansprüchen wiedergegeben sind.

Claims

Verfahren zum Einführen von Wasserstoff in einen Lichtwellenleiter, bei welchen ein Lichtwellenleiter in einem Gehäuse wenigstens einer Wasserstoffumgebung ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein erster Abschnitt des Lichtwellenleiters Wasserstoffgas in einer ersten Umgebung in dem Gehäuse ausgesetzt wird und wenigstens ein zweiter Abschnitt des Lichtwellenleiters gleichzeitig Wasserstoffgas in einer zweiten Umgebung in dem Gehäuse ausgesetzt wird, derart, daß eine unterschiedliche Menge an Wasserstoff in die ersten und zweiten Abschnitte eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Aussetzen das Aussetzen des ersten Abschnitts in der ersten Umgebung beinhaltet, daß Temperatur und/oder Druck und/oder Wasserstoffgaskonzentration und/oder (Aufenthalts)-Dauer in der ersten Umgebung unterschiedlich ist zu den in der zweiten Umgebung.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das Aussetzen das Aussetzen des ersten Abschnitts des Wellenleiters einer Temperatur von wenigstens 250°C beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem das Aussetzen das Aussetzen des zweiten Abschnitts des Wellenleiters der zweiten Umgebung bei Umgebungstemperatur beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das Aussetzen das Aussetzen des ersten Abschnitts des Wellenleiters in der ersten Umgebung einem Druck von wenigstens 3000 psi beinhaltet.
Vorrichtung zum Einführen von Wasserstoff in einen Lichtwellenleiter, ein Gehäuse mit wenigstens einer Hydrierzone aufweisend, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Hydrier-Heißzone mit einem ersten Volumen definiert, das Gehäuse auch eine Hydrier-Kaltzone mit einem zweiten Volumen definiert und wobei das erste Volumen wenigstens zweimal so groß ist wie das zweite Volumen und wobei ein Wärmetauscher thermisch mit der Heißzone gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, des weiteren eine Barriere zwischen der Heißzone und der Kaltzone aufweisend.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Barriere ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Druckbarriere und einer Temperaturbarriere.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher die Barriere wenigstens aus einem Material hergestellt ist, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid und Zirconiumdioxid.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher das Gehäuse einen Raum definiert zur Beinhaltung einer Lichtwellenleiterspule.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Barriere konfiguriert ist, um einen Wellenleiter zu halten, der sich sowohl in die Heißzone wie auch die Kaltzone erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher das erste Volumen etwa zehnmal so groß ist wie das zweite Volumen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist: – Einführen eines ersten Abschnitts des Lichtwellenleiters in einen ersten Abschnitt eines Behälters; – Einführen eines zweiten Abschnitts des Lichtwellenleiters in einen zweiten Abschnitt des Behälters; – Erzeugen einer ersten Umgebung in dem ersten Abschnitt des Behälters, wobei die erste Umgebung eine erste Konzentration an Wasserstoff, einen ersten Druck und eine erste Temperatur aufweist; – Erzeugen einer zweiten Umgebung in dem zweiten Abschnitt des Behälters, wobei die zweite Umgebung eine zweite Konzentration an Wasserstoff, einen zweiten Druck und eine zweite Temperatur aufweist und wobei die zweite Umgebung wenigstens die zweite Konzentration an Wasserstoff, die geringer ist als die erste Konzentration an Wasserstoff und/oder den zweiten Druck, der geringer ist als der erste Druck und/oder die zweite Temperatur, die geringer ist als die erste Temperatur, aufweist; und – Aufrechterhalten der ersten und zweiten Umgebungen über eine Zeitdauer, die derart ausreichend ist, daß in den ersten Abschnitt eine andere Menge an Wasserstoffgas eingeführt wird als in den zweiten Abschnitt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die erste Temperatur höher als 250 °C und der erste Druck höher als 200 atm ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die ersten und zweiten Abschnitte des Behälters eine Einzelkammer bilden, die ersten und zweiten Abschnitte des Behälters jeweils ein Volumen haben und das Volumen des ersten Abschnitts des Behälters wenigstens etwa doppelt so groß ist wie das Volumen des zweiten Abschnitts des Behälters.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem das Volumen des ersten Abschnitts des Behälters etwa neunmal so groß ist wie das Volumen des zweiten Abschnitts des Behälters.
verfahren nach Anspruch 13, des weiteren aufweisend: – Erwärmen des ersten Abschnitts des Behälters; und – Abkühlen des zweiten Abschnitts des Behälters.
Verfahren nach Anspruch 13, des weiteren aufweisend: – Überwachen der ersten Temperatur der ersten Umgebung; und – Erwärmen der ersten Umgebung in Reaktion auf die überwachte erste Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 13, des weiteren aufweisend: – Überwachen der zweiten Temperatur der zweiten Umgebung; und – Abkühlen der zweiten Umgebung in Reaktion auf die überwachte zweite Temperatur.