DE60224833T2

DE60224833T2 - Vorrichtung zur selektiven fotosensitivisierung einer optischen faser

Info

Publication number: DE60224833T2
Application number: DE60224833T
Authority: DE
Inventors: James B. Austin CARPENTER; John P. c/o 3M In Saint Paul STEDMAN; James R. Austin BYLANDER; Gordon Austin WIEGAND; Nicholas A. c/o 3M I Saint Paul STACEY; Anthony W. c/o 3M I Saint Paul GATICA; Dale E. c/o 3M I Saint Paul ELDER; James F. Austin BRENNAN
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: TW200304906A; ATE384967T1; CN1606708A; CA2471012A1; WO2003054600A1; EP1459114A1; EP1459114B1; US20030115911A1; AU2002356918A1; US6898360B2; US6857293B2; US20030152345A1; DE60224833D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum selektiven Erhöhen der Fotosensitivität von ausgewählten Abschnitten von optischen Fasern. Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung für ein rasches Diffundieren von Wasserstoff oder Deuterium in ausgewählte Bereiche von Quarzgläsern bzw. Silicagläsern, um die Fotosensitivität dieser gläsernen Materialien und insbesondere von optischen Fasern zu erhöhen. In einer besonderen Ausführungsform wird die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung bei einem Reihensystem (in-line system) für die Herstellung von Bragg-Gittern verwendet.
Optische Fasern und optische Fasereinrichtungen werden häufig bei Signalübertragungs- und Hantierungsanwendungen verwendet. Optische faserbasierte Einrichtungen sind nützliche Komponenten in heutigen expandierenden hochvolumenoptischen Kommunikationsinfrastrukturen. Viele dieser Vorrichtungen beruhen auf Faser-Bragg-Gittern (FBGs, fiber Bragg gratings), um eine Lichtführung durchzuführen. Ein FBG ist eine optische Faser mit periodischen, aperiodischen oder pseudoperiodischen Variationen des Brechungsindex entlang seiner Länge im lichtführenden Bereich des Wellenleiters. Die Fähigkeit, diese Brechungsindexstörungen in einer Faser zu erzeugen, ist notwendig, um FBGs zu erzeugen und somit eine Vielzahl optischer Komponenten, so wie optische Sensoren, Wellenlängen-selektive Filter und Dispersionskompensatoren.
Gitter sind in einer optischen Faser gewöhnlich mittels des Phänomens einer Fotosensitivität geschrieben. Eine Fotosensitivität ist definiert als der Effekt, wo der Brechungsindex des Glases durch aktinische (actinic) strahlungsbedingte Änderungen der Glasstruktur geändert wird. Der Ausdruck „aktinische Strahlung" beinhaltet sichtbares Licht, UV, IR-Strahlung und andere Formen von Strahlung, welche Brechungsindexänderungen in dem Glas hervorrufen. Ein vorgegebenes Glas wird als fotosensitiver als ein anderes betrachtet, wenn eine größere Brechungsindexänderung in ihm mit der gleichen bereitgestellten Strahlungsdosis hervorruft wird.
Das Niveau einer Fotosensitivität eines Glases bestimmt, wie stark eine Indexänderung in ihm hervorgerufen werden kann, und setzt daher Grenzen bei Gittereinrichtungen, die praktisch hergestellt werden können. Eine Fotosensitivität beeinflusst auch die Geschwindigkeit, dass eine gewünschte Brechungsindexänderung in dem Glas mit einer vorgegebenen Strahlungsintensität hervorgerufen werden kann. Durch Erhöhen der Fotosensitivität eines Glases kann man größere Indexstörungen in ihm bei einer schnelleren Rate hervorrufen.
Die intrinsische Fotosensitivität von quarzbasierten Gläsern der Hauptkomponenten von optischen Fasern hoher Qualität ist nicht sehr hoch. Typischerweise sind nur Indexänderungen von ungefähr 10^–5 möglich, wobei eine Germanium-dotierte Standard-Faser verwendet wird.
Jedoch wurde festgestellt, dass man durch Laden des Glases mit molekularem Stickstoff vor einem Bestrahlen mit aktinischer Bestrahlung, die Fotosensitivität des Glases signifikant erhöhen kann. Ein Aussetzen von Ge-dotierten quarzoptischen Fasern an Wasserstoff- oder Deuterium-Atmosphären bei gewissen Temperaturen und Drücken fotosensibilisiert die Fasern. Indexänderungen, so groß wie 10^–2 wurden in hydrogenisierten quarzoptischen Fasern festgestellt.
Frühere Referenzen haben obere Limits bei der Temperatur für eine derartige Wasserstoffladung betont. Beispielsweise diskutieren die US-Patentnummern 5,235,659 und 5,287,427 ein Verfahren zum Aussetzen mindestens eines Abschnitts eines Wellenleiters bei einer Temperatur von mindestens 250°C an H₂ (partieller Druck größer als eine Atmosphäre (14,7 PSI)), so dass eine Strahlung in einer normalisierten Indexänderung von mindestens 10^–5 resultieren kann. Das US-Patent 5,500,031 , eine Teilfortführung des vorher erwähnten '659-Patents, spricht von einem Verfahren eines Aussetzens des Glases an Wasserstoff oder Deuterium bei einem Druck in dem Bereich von 14–11.000 PSI und bei einer Temperatur in dem Bereich von 21–150°C. Die in diesen Referenzen beschriebenen Parameter sind wahrscheinlich typisch für ein Wasserstoffladen einer optischen Faser.
Die '031-, '659- und '427-Referenzen zeigen Probleme mit Wasserstoff-Ladeverfahren, in welchen Temperaturen 250°C oder sogar 150°C überschreiten. Beim Weglehren von höheren Temperaturen zeigt das '659-Patent an, dass bei höheren Temperaturen „typische Polymerfaserbeschichtungen zerstört werden würden oder schwer beschädigt werden würden" (Spalte 1, Zeilen 51 bis 54). Es wird weiter betont, dass die Tatsache, dass „die Hochtemperatur-Sensibilisierungsbehandlung des Standes der Technik oft den optischen Verlust in der Faser erhöht und/oder die Faser aufweichen kann" (Spalte 1, Zeilen 54 bis 56). Schließlich unterscheidet das '659-Patent selbst von dem Stand der Technik durch Feststellen, dass eine Hochtemperaturbehandlung „einen unterschiedlichen physikalischen Mechanismus" involviert, als es eine Niedertemperaturbehandlung vollführt. Beispielsweise zeigt das US-Patent Nr. 5,235,659 explizit an, dass Temperaturen von „mindestens 250°C" verwendet werden sollten.
Es wurde festgestellt, dass bei höheren Temperaturen die Polymerbeschichtung (üblicherweise ein Acry lat-Material), welches das Glas vor nachteiligen chemischen Reaktionen in einer normalen Umgebung schützt, degradiert oder oxidieren wird (brennt). Beschichtungen, die degradiert oder oxidiert wurden und ihren schützenden Wert verloren haben, müssen entfernt werden und ersetzt werden, was ein schwieriger und teurer Prozess sein kann. Eine unbeschichtete Faser ist zerbrechlich und benötigt große Sorgfalt während eines Hantierens.
Die meisten Gitter, die heute durch die Industrie geschrieben werden, involvieren ungefähr 5 cm (2 Zoll oder weniger) des Stücks einer Faser, abhängig von der Art eines Gitters, das geschrieben werden soll. Traditionell wurde gelehrt, ein gesamtes Stück einer optischen Faser in einem Behälter anzuordnen, welches Wasserstoff- oder Deuterium-Atmosphären bei gewissen Temperaturen und Drücken enthält. Der Gitterherstellungsprozess bringt gewöhnlich einen ersten Prozess eines Anordnens einer Faserspule in einem Wasserstoff- oder Deuterium-enthaltenden Behälter mit sich, eines Platzierens des Behälter in einem Ofen und eines Ladens der gesamten Faser durch die Polymerbeschichtung.
Um das gewünschte Niveau von Wasserstoff in einer Faser mit herkömmlichen hydrogenisierenden Verfahren (ungefähr 1 ppm) zu erzielen, wird man typischerweise eine Faser an eine Wasserstoffatmosphäre für mehrere Tage aussetzen und, in einigen Fällen für einige Wochen. Beispielhafte Aussetzungen, so wie 600 Stunden (25 Tage), 21°C, bei 738 Atm oder 13 Tage, 21°C bei 208 Atm werden als typisch berichtet. Offensichtlich weiten derartig lange Aussetzungen die benötigte Zeit zum Herstellen optischer Vorrichtungen aus, welche auf fotosensitiven Gläsern beruhen. Aufgrund der langen Dauer, die für eine traditionelle Faserhydrogenisierung benötigt wird, werden mehrere Druckbehälter in einer Hochvolumenherstellungsumgebung benötigt, um einen Durchsatz zu erhöhen und eine Leerzeit zu verhindern.
Diese Behälter sind teuer um sicher installiert zu werden, und erhöhen das Potential für schwere Unfälle, insbesondere, wenn mehrere Behälter mit getrennten Steuerungsventilen und Gasversorgungszylindern involviert sind. Obwohl ein Installieren mehrerer Behälter einen Produktionsdurchsatz erhöhen kann, erschwert der Hydrogenisierungsprozess eine Gitterherstellungszykluszeit, wobei somit eine neue Produkt- und Spezialprodukt-Entwicklungszeit ernst gefährdet sein kann.
Wenn einmal das Stück einer Faser Wasserstoffgeladen wurde, wird die Beschichtung abgestreift (mechanisch, chemisch oder durch andere Mittel) von dem Bereich, wo das Gitter geschrieben werden soll. Ein Techniker verwendet anschließend eine Quelle einer aktinischen Strahlung, um jedes Gitter individuell zu schreiben. Die Fasern werden anschließend durch erneutes Erhitzen der Faser gehärtet, um die Degradationskurve der Gitter zu reduzieren. Der Abschnitt der Faser, welcher abgestreift wurde, wird anschließend erneut beschichtet.
Die traditionellen Bragg-Gitter-Herstellungsprozesse sind langsam und bieten sich nicht für eine Massenherstellung an. Die traditionellen Wasserstoffladetechniken benötigen, dass das gesamte Stück einer Faser den Wasserstofflade- und Heizzyklen ausgesetzt ist. Der Bedarf, die gesamte Faser auszusetzen, kann in optischen Effekten auf der Faser resultieren und ergibt Einschränkungen auf Materialien, so wie Faserbeschichtungen, die verwendet werden können. Ein negativer Effekt eines Wasserstoffladens bei höheren Temperaturen ist, dass es die optischen Verlustcharakteristiken einer optischen Faser erhöhen kann. Darüber hinaus können Hochtemperatur-Heizzyklen optische Faserbeschichtungen verschlechtern.
Die Druckschrift US 6 146 713 offenbart eine Vorrichtung für ein selektives Wasserstoffladen von Faserabschnitten, wobei thermische und/oder Druckbarrieren verwendet werden.
Der Bedarf bleibt bestehen für einen Prozess und eine Durchführungsausrüstung, die für ein höheres Geschwindigkeitsmassenherstellen zugänglich ist und schädliche Effekte auf das optische Medium reduziert.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Vorrichtung für ein selektives Aussetzen nur eines ausgewählten Abschnitts einer optischen Faser an einen Wasserstoffatmosphären-Ladeprozess gerichtet, wie er in Anspruch 1 beansprucht wird. Die Vorrichtung beinhaltet eine Ladekammer, welche mindestens einen ausgewählten Abschnitt der optischen Faser umschließt und enthält eine gasförmige Wasserstoff-Atmosphäre. Die Kammer beinhaltet ein Heizelement, welches lokal die Wasserstoffatmosphäre erhitzt, welche den gewählten Abschnitt umgibt. In Hochtemperatur-Ausführungsformen erhitzt das Heizelement die Wasserstoffatmosphäre auf eine Temperatur von mindestens 250°C. Ebenso kann die Ladekammer eine Druckkammer sein, welche ein Aufnehmen einer unter Druck gesetzten Atmosphäre ermöglicht. In einer besonderen Ausführungsform ist die Kammer ausgeführt, um Drücke von bis zu 3.000 PSI zu enthalten.
Der ausgewählte Abschnitt kann ein Feldmittenabschnitt eines kontinuierlichen Stücks einer Faser sein, wo die Ladekammer nur den ausgewählten Abschnitt der kontinuierlichen optischen Faser umschließt.
Die Ladekammer umfasst ein Rohr, welches nur den ausgewählten Abschnitt der optischen Faser konzentrisch umgibt. Glasdichtungen, die bei Enden des Rohres positioniert sind, enthalten die Wasserstoffatmosphäre, während sie einen Durchgang des Stücks der optischen Faser erlauben. Glasdichtungen sind an Endabschnitten des ausgewählten Abschnitts der optischen Faser befestigt, wobei so das Rohr abgedichtet wird, wenn die Faser in Position gebracht wird. In einer weiteren Ausführungsform weist die Ladekammer einen Behälter auf, welcher die gesamte optische Faser umgibt. Der Behälter kann weiter eine Spule-zu-Spule-Anordnung (reel-to-reel arrangement) beinhalten, wobei Endabschnitte des Stücks der optischen Faser auf lateral beabstandete Spulen gewickelt werden, und der ausgewählte Abschnitt eine unterbrochene Feldmitte ist. Wo die optische Faser in einer Spule-zu-Spule-Anordnung gehalten wird, kann der Heizbereich bei dem Feldmittenabschnitt der optischen Faser positioniert werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die Vorrichtung einen ersten und einen zweiten Klemmbehälterblock. Die Behälterblöcke weisen Taschen auf, welche die Ladekammer definieren, wenn die Behälterblöcke zusammengeklemmt werden. Die Faser wird zwischen den Blöcken positioniert und die Blöcke schließen sich um den ausgewählten Abschnitt der Faser, die geladen werden soll. Eine elastomere wiederverschließbare Dichtung kann verwendet werden, um die Enden des ausgewählten Abschnitts zu klemmen, und um die Gasatmosphäre zu beinhalten. Alternativ kann mindestens eine Druckdichtung, die zum Unterstützen eingerichtet ist, eine gasförmige Atmosphäre innerhalb der Ladekammer zu beinhalten, physikalisch an der optischen Faser angebracht sein.
Das Elastomer kann ein aushärtbares Elastomer sein. Die Druckdichtung kann an einer Grenze zwischen dem ausgewählten Abschnitt der optischen Faser und einem nicht ausgewählten Abschnitt und/oder bei den Enden eines kühlenden Bereiches angeordnet sein.
Gaseinlass- und Entlüftungsleitungen können die Wasserstoffatmosphäre in die Ladekammer einspeisen und entlüften. Eine Vorheizkammer kann verwendet werden, um die Wasserstoffatmosphäre vor dem Einführen der Wasserstoffatmosphäre in die Ladekammer zu erhitzen.
Besondere Ausführungsformen beinhalten kühlende Bereiche, welche Wärme entlang der Abschnitte der Faser benachbart zu dem ausgewählten Abschnitt kühlen oder dissipieren. Eine Kühlvorrichtung kann die Temperatur des kühlenden Bereiches regulieren. In einer Ausführungsform sind Kühlrohre an Enden eines Ladekammerrohrs befestigt. Die Kühlrohre können Dichtungen beinhalten, welche die kühlenden Bereiche von der Ladekammer trennen. Eine Ausführungsform beinhaltet weiter einen Mechanismus, welcher der Faser ermöglicht von der Ladekammer zu dem kühlenden Bereich entfernt zu werden. In einer spezifischen Ausführungsform weist der Mechanismus einen beweglichen Magneten und einen magnetischen Körper auf, welcher an der Faser angebracht ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenaufrissansicht einer ersten Ausführungsform einer Wasserstoff-Ladeeinrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Seitenaufrissansicht einer zweiten Ausführungsform einer Wasserstoff-Ladevorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Ansicht eines Kühlmittel-Zirkulationssystems für die Ausführungsform einer Wasserstoff-Ladevorrichtung, die in 1 oder 2 dargestellt ist.
4 ist eine Seitenquerschnitts-Aufrissansicht einer dritten Ausführungsform einer Wasserstoff-Ladevorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine longitudinale Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform einer Wasserstoff-Ladevorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine ebene Querschnitts-Detailansicht eines Heizblocks und einer Faser der Ladevorrichtung, die in 5 dargestellt ist.
7 ist eine Querschnitts-Aufrissansicht einer fünften Ausführungsform einer Ladevorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in einer offenen Position.
8 ist eine Querschnitts-Aufrissansicht der Vorrichtung, die in 7 dargestellt ist, in einer geschlossenen Position.
9 ist eine Querschnitts-Detailaufrissansicht der Wasserstoff-Ladekammer der Vorrichtung, die in 7 dargestellt ist.
10 ist eine Querschnitts-Aufrissansicht eines Endabschnitts der Wasserstoff-Ladekammer, die in 9 dargestellt ist.
11 ist eine Querschnitts-Aufrissansicht einer ersten Ausführungsform eines Klemmmechanismus für die Ladevorrichtung, die in 7 dargestellt ist.
12 ist eine Querschnitts-Aufrissansicht einer zweiten Ausführungsform eines Klemmmechanismus für den Behälter, der in 7 dargestellt ist.
13 ist eine obere ebene Ansicht des unteren Blocks der Wasserstoff-Ladevorrichtung, die in 7 dargestellt ist.
14 ist eine Querschnitts-Aufrissansicht einer dritten Ausführungsform eines Klemmdichtungs-Mechanismus für den Behälter, welcher in 7 dargestellt ist.
15 ist eine Seitenquerschnittsansicht einer sechsten Ausführungsform einer Wasserstoff-Ladevorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
16 ist eine Seitenquerschnittsansicht der Vorrichtung, die in 15 in der geschlossenen Position dargestellt ist.
17 ist eine Rückansicht und Querschnittsrückansicht der Hülse, die in 15 dargestellt ist.
18 ist eine Folgeschrittdarstellung von Verfahren zum Erhöhen der Fotosensitivität einer optischen Faser in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die anhängige, gemeinsam zugeteilte US-Patentanmeldung, Seriennummer 09/960174, mit dem Titel „Accelerated Method For Increasing The Photosensitivity Of A Glassy Material", eingereicht am 14. Juli 2000, welche hier durch Bezug aufgenommen wurde, beschreibt ein beschleunigtes Verfahren für ein Wasserstoffladen eines optischen Mediums in einer Hochtemperaturumgebung. Die Anmeldung diskutiert, wie die Temperatur, welcher die Faser in der Wasserstoffumgebung ausgesetzt wird, die Zeit beeinflussen wird, die in einer Diffusion der Wasserstoffmoleküle in die Faser involviert ist. Je höher die Temperatur ist, umso schneller ist im Allgemeinen die Diffusionsrate von Wasserstoff in das gläserne Material (zum Beispiel eine optische Faser).
Ein Vergleichen ähnlicher Fasern, unter optimalen Bedingungen, ergibt eine typische Gitter-Qualitätsfaser, welche bei 60°C für drei Tage geladen wurde, eine Indexänderung von 1 × 10^–3. Unter ähnlich optimalen Bedingungen weist die gleiche Faser, die bei einer Hochtemperatur, 260°C, für 10 Minuten geladen wurde, eine Indexänderung von 4 × 10^–4 auf.
Jedoch weist ein Erhitzen der gesamten Faser bei hohen Temperaturen das Potential auf, beide zu beeinflussen, die physikalische Integrität der optischen Fasern (insbesondere von Fasern, die Beschichtungen aufweisen, die anfällig für eine Beschädigung bei hohen Temperaturen sind) und die optischen Eigenschaften der Faser. Darüber hinaus stellt ein Erhitzen der gesamten Faser Herausforderungen, wie ein Faserhantieren und eine Temperatur-Anfahrsteuerung dar.
Die vorliegende Erfindung lädt Wasserstoff und/oder Deuterium nur in den bestimmten Abschnitt der Faser, wo das Gitter geschrieben werden soll, und wo eine höhere Fotosensitivität gewünscht wird. In einer besonderen Ausführungsform wird das Laden bei hohen Temperaturen (> 250 Grad C) und/oder hohen Drücken durchgeführt, was den Ladeprozess beschleunigt und der Vorrichtung erlaubt, als eine Stufe in einer Reihen-Prozesslinie verwendet zu werden.
Der Rest der Faser wird nicht erhitzt. Benachbarte Abschnitte der Faser können sogar an einen Wärmeumwandler oder -Senke befestigt werden, oder gekühlt werden, um eine Kühlertemperatur aufrechtzuerhalten. Dies ist insbesondere nützlich für Fasern, welche Beschichtungen aufweisen, welche bei höheren Temperaturen degradieren.
Die 1 und 2 stellen eine erste Ausführungsform 100 und eine zweite Ausführungsform 200 von selektiven Ladebehältern dar. Die selektiven Ladebehälter beinhalten die folgenden Elemente: 1) eine gesteuerte Druck- und Temperaturkammer, welche einer hohen Temperatur (> 250 Grad C) und hohen Drücken widerstehen kann, wo ein ausgewähltes spezifisches Stück einer Faser mit Wasserstoff oder Deuterium geladen werden kann; 2) eine strukturelle Integrität, um die Hochdruckgase (zum Beispiel mehrere hundert Atmosphären von Wasserstoff oder Deuteriumgas) zu enthalten; 3) Eingabe- und Ausgabeanschlüsse für ein Einführen und Entlüften von unter Druck gesetzten Gasen, und 4) Mechanismen für ein sicheres Installieren und Entfernen von Fasern aus den Behältern. Wie offensichtlich werden wird, sind ähnliche Elemente in diesen Ausführungsformen im Allgemeinen durch die gleichen letzten zwei Bezugszeichen bezeichnet.
Die Behälter 100 und 200 sind symmetrisch und beinhalten jeweils ein Hauptheizrohr oder Ladekammer 102 und 202, welche ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist. In den dargestellten Ausführungsformen sind beide der Rohrbehälter aus einem Standardhochdruckgaszuführrohr gebildet. Ein derartiges Rohr ist kommerziell erhältlich und wird aus einem 316-rostfreien Stahl hergestellt.
Die Heizrohre 102 und 202 werden jeweils durch Heizblöcke 110 und 210 umgeben. Die bestimmten Heizblöcke 110 und 210 sind aus Aluminium oder einem anderen thermisch leitfähigen Material hergestellt. Die Heizblöcke 110 und 210 sind ausgeführt, um auf den Außen-Durchmesser eines Mittelabschnittes des großen oder kleinen Durchmessers von Wärmerohrbehältern 102 und 202 zu klemmen. Die Heizblöcke 110 und 210 nehmen eine Vielzahl von elektrischen Kartuschenheizelementen 112 und 212 auf, welche mittels eines programmierbaren logischen Steuerungssystems 114 und 214 gesteuert werden, so wie das Auto-Tuning-Leistungs-Steuerungssystem, welches durch Watlow aus St. Louis, Missouri, ausgeführt und hergestellt wird. Alternative Ausführungsformen können andere Arten elektrischer Heizelement, eine Folie, heißes Öl, Induktionsheizelemente oder andere Arten von Heizelementen beinhalten.
Die Heizblöcke 110 und 210 können aus zwei Hälften hergestellt sein und auf das Rohr geklemmt werden, oder als eine einzelne Schlitzhülsen-Ausführung, welche auf dem Außen-Durchmesser des Rohrs klemmt. In einer weiteren Ausführungsform beinhalten die Heizblöcke 110 und 210 einen konzentrischen Kragen, welcher sich um die Heizrohre windet. Die Länge des Heizblockes 110 und 210 beträgt ungefähr 5 cm (ungefähr 2 Zoll), wobei die ungefähre Größe des größten „Kurz"-Gitters, welches im Moment geschrieben wird, von irgendeiner anderen gewünschten Länge sein kann.
Es muss angemerkt werden, dass in den vorliegenden Ladebehältern 100 und 200 die Faser, die geladen werden soll, 140 und jeweils 240, von einer kontinuierlichen Länge ist, mit dem Mittelfeldabschnitt, welcher mit Wasserstoff geladen werden soll, innerhalb der Ladekammern 102 und 202 zwischen Enden dieses Faserstücks angeordnet ist.
In gewissen Ausführungsformen werden die benachbarten Längen einer Faser, die an beiden Seiten der Hochtemperatur-Ladezone angeordnet sind, kühl genug gehalten, um zu verhindern, dass eine thermische Energie von der Ladekammer geleitet oder abgestrahlt wird, um die benachbarten Beschichtungen zu degradieren. Die Ausführungsformen, die in den 1 und 2 dargestellt sind, beinhalten entsprechende optionale Kühlrohre oder Kühlkammern 104 und 204. Die Kühlrohre 104 und 204 sind mit jedem der Enden des entsprechenden Mittelheizrohrs 102 und 202 verbunden.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform wird das Stück einer Faser, welches nicht geladen ist, nicht in einer Hochtemperatur-Wasserstoffatmosphäre angeordnet, sondern wird durch eine Niedertemperatur-Atmosphäre umgeben. In alternativen Ausführungsformen können Gasdichtungen die Ladekammer und die Kühlkammern voneinander trennen. Ein inertes Gas, so wie Stickstoff, welches gekühlt werden kann, kann in das Kühl rohr eingeführt werden, um eine Verbrennung organischer Polymerbeschichtungen zu unterdrücken.
Die Behälter 100 und 200 sind im Grunde in den Unterschieden ähnlich, welche die Durchmesser der erhitzten und gekühlten Rohre sind. Der Behälter 100 weist ein geringes Durchmesser-Heizrohr 102 und ein großes Durchmesser-Kühlrohr 104 auf. Der Behälter 200 weist ein großes Durchmesser-Heizrohr 202 und ein geringes Durchmesser-Kühlrohr 204 auf.
Die Heizrohre 102 und 202 sind mit den jeweiligen Kühlrohren 104 und 204 durch Verbindungsausstattungen 106 und 206 verbunden. Die Verbindungsausstattungen 106 und 206 sind kommerziell erhältlich und werden ebenso aus 316-rostfreiem Stahl hergestellt. Die Länge des gesamten Behälters 100 beträgt ungefähr 107 cm (ungefähr 42 Zoll). Diese Länge wurde gewählt, da traditionelle Gitter auf ein Ein-(1)-Meter-Stück einer Faser geschrieben werden. Alternative Ausführungsformen können länger oder kürzer sein, abhängig von dem gewünschten Bereich eines Aussetzens, der Art eines gewünschten Gitters und der optischen Faser, die verwendet werden soll.
Verschlussausstattungen 108 und 208 werden bei Außen-Enden der Kühlrohre 104 und 204 angeordnet. Alternativ können die Verschlussausstattungen auch bei dem Ende der Heizrohre 102 und 202 angeordnet sein. Eine der Verschlussausstattungen beinhaltet einen Gaseinlass, 120 und 220, zum Einführen des Ladegases in den Behälter. Die andere Verschlussausstattung beinhaltet eine Gasentlüftung oder einen Auslass 122 und 222 zum Ausströmen der Ladegase. Die Verschlussausstattungen 108 und 208 sind mit gesteuerten Nadelventilen verbunden, um die Einführung von Wasserstoff und inerten Gasen in den Behälter und aus dem Behälter bei dem Entlüftungsende des Behälters zu ermöglichen. Das Leitungssystem zu irgendeinem derartigen System kann auch Hochdruckausbruchscheiben (als eine Sicherheitseinrichtung) beinhalten, welche bei Drücken von 10 bis 20 höher als der höchste Druck eingestuft sind, der während eines Herstellens erwartet wird.
Der Ladeprozess besteht aus einem Läutern bzw. Klären (purging) des Behälters mit Stickstoff 3 bis 5 Minuten vor dem Einführen von Wasserstoff bei hohem Druck (ungefähr 2.000 PSI). Der Behälter kann mit elektrisch- betätigten Magnet-Ventilen angepasst sein, welche mit einem PLC-System für eine automatische Gaszufuhr und -Entlüftung gesteuert werden.
Obwohl es nicht in allen Ausführungsformen notwendig ist, können die vorliegenden exemplarischen Ausführungsformen 100 und 200 jeweils Kühlblöcke 130 und 230 beinhalten. Die Kühlblöcke 130 und 230 sind zwischen dem geheizten Abschnitt des Rohrbehälters und dem Ende des Behälters an beiden Seiten des geheizten Abschnitts des Behälters angeordnet. Ihre exakte Länge und präzise Anordnung kann variieren, um den Prozess anzupassen. Die Kühlblöcke 130 und 230 werden aus Aluminium oder einem anderen thermisch leitfähigen Material hergestellt und sind ausgebildet, um auf den Außendurchmesser der Außen-Abschnitte der Kühlrohre 104 und 204 zu klemmen. Das Design des Klemmmechanismus ist ähnlich zu den Ausführungen, die für die Heizblöcke 112 und 212 verwendet werden. Die Kühlblöcke 130 und 230 können in Reihen-Herstellungsanwendungen nützlich sein, wo Heizzyklen häufig wiederholt werden und eine Restwärme die Temperatur des gesamten Behälters erhöht.
Die Kühlblöcke 130 und 230 enthalten eine Serie von Löchern oder Kanälen 132 und 232, welche einem kühlen Fluid ermöglichen, durch sie hindurchgepumpt zu werden. Der Fluiddruck und eine Temperatur können mittels eines programmierbaren Logiksteuerungssystems 114 und 214 gesteuert werden. Die Kühlblöcke 130 und 230 sind konzentrische Krägen oder Blöcke, welche darauf klemmen oder die über die Wasserstoff-Behälterkühlkammern 104 und 204 gleiten. In alternativen Ausführungsformen können die Kühlblöcke aus zwei Hälften hergestellt sein und auf das Rohr 104 und 204 geklemmt sein oder als eine einzelne Schlitzhülsen-Ausführung hergestellt sein, welche auf den Außen-Durchmesser der Kühlrohre geklemmt wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Länge der Kühlblöcke 130 und 230 jeweils 7,6 cm (ungefähr 3 Zoll), könnte jedoch eine andere Länge sein, solange ein Verbrennen oder Degradieren der Faserbeschichtung verhindert wird.
3 zeigt eine übliche Anordnung, welche Kühlbereiche nahe des Heizbereichs erzeugt, um einen Schaden auf die optische Faserbeschichtung außerhalb des ausgewählten Wasserstoff-geladenen Abschnitts der optischen Faser zu minimieren. Das exemplarische Diagramm wird mit Bezug auf die erste Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die in 1 dargestellt ist, wobei die gleichen Prinzipien aber leicht auf irgendeine der Ausführungsformen, die hier offenbart sind, angewendet werden kann. Das optische Fasersegment 140 (nicht dargestellt) ist in ein Rohr eingeschlossen, welches ein Hauptheizrohr 102 zwischen Kühlrohren 104 aufweist. Wasserstoffgas wird in das Rohr mit der Faser eingeführt, und die Außen-Enden der Kühlrohre 104 werden mit Verschlussausstattungen 108 abgedichtet. Ein Heizblock 110 wird um ein Heizrohr 102 geklemmt, um den Heizbereich zu bilden. Entlang des Rohrs, bei jeder Seite des Heizblocks 110, ist ein Kühlblock 130 befestigt, welcher innerhalb seines Körpers einen oder mehrere Kühlfluidkanäle 132 umschließt. Die Kühlfluidkanäle 132 können durch eine externe Rohrleitung mit einem kommerziellen Wasserkühler oder einer anderen Flüssigkühlvorrichtung 145 verbunden sein. Ein beispielhaftes Kühlfluid-Rezirkulationssystem ist ein Polyscience-Modell 5005 Mini-Kühler, welcher ein kommerziell erhältliches vollständig enthaltenes System ist, welches Temperaturen bis +/–0,5°C regulieren kann und in programmierbare Temperatureinstellungen zwischen –5 bis +50°C reicht. Bevorzugt ist der gekühlte Fluidauslass 146 des Kühlers mit dem Ende eines Kühlfluidkanals 132 verbunden, welcher am nächsten zu einem Heizblock 110 ist. Das äußere Ende eines Kühlfluidkanals 132 ist mit dem warmen Fluideinlass 147 des Kühlers 145 verbunden. Diese Anordnung verursacht, dass das kälteste Kühlfluid am nächsten zu dem Heizblock gerichtet wird. Dies erzeugt einen steilen Temperaturgradienten zwischen dem Heizblock und den Kühlblöcken entlang des Rohrs 104/102, welches die Faser einschließt, die mit Wasserstoff geladen wurde. Der steile Temperaturgradient hilft, die Beschichtung auf der Faser außerhalb des Wasserstoff-ladenden Bereichs zu schützen. Eine programmierbare Logiksteuerung 114 kann den gesamten Ladeprozess durch Steuern der Temperatur des Heizblockes 110, der Temperatur und eines Druckes des Kühlfluids in den kühlenden Blöcken mittels des Kühlers 145 und des Ausgangs und Entlüftens von Wasserstoff und Klär-Gasen durch ventilierte Endkappen 108 koordinieren.
Die Behälter 100 und 200 erlauben einem Stück einer Faser 140 und 240 in die Kühl- und Heiz-Rohre eingeführt zu werden, während zusätzlicher Raum bereitgestellt wird, um die Faser 140 und 240 zu bewegen, wenn sie sich einmal innerhalb des Rohrbehälters befindet. In dieser Ausführungsform werden Fasersegmente, die nicht länger als das Stück des Behälters sind, von dem Rohr durch Entfernen von einer der Ausstattungen eingeführt und entfernt, die sich auf dem Ende des Rohrbehälters befinden, welche eine Einführung oder ein Herausziehen der Faser, oder Fasern, in oder aus dem Behälter ermöglichen.
Die Extralänge des Rohrbehälters (zum Beispiel 105 cm) verglichen mit der Zielfaserlänge (zum Beispiel 90 cm) erlaubt der Faser, sich innerhalb des Rohrs um eine Distanz zu bewegen, die größer als die erhitzte Länge des Rohrsystems ist (welches 5 cm in diesem Fall beträgt), um einen raschen Übergang einer Temperatur innerhalb der Faser von heiß nach kalt in der Wärmebeeinflussten Zone bereitzustellen. Ein rascher Übergang von dem erhitzten Bereich zu dem gekühlten Bereich verringert die Diffusion von Wasserstoff aus der Faser heraus, wenn ein Ladegasdruck freigegeben wird.
Eine Vielzahl von Mechanismen kann implementiert werden, um diese Bewegung hervorzurufen. In dieser Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, wird ein magnetischer Körper 116, so wie ein magnetischer oder eisenhaltiger Ring, bei einem Abschnitt der Faser 140 befestigt. Durch Bewegen eines Magneten 118, welcher eine ausreichend magnetische Kraft aufweist, entlang des Äußeren des Rohres in der axialen Richtung des Rohres, wird somit die Faser innerhalb des Rohres bewegt. Ein weiteres Verfahren bringt ein Befestigen eines Gewichts 216 auf dem Ende der Faser und Kippen des Rohres mit sich, welches das Gewicht und die befestigte Faser veranlassen wird, sich aufgrund von Gravitationskräften in Richtung des unteren Endes des Rohres zu bewegen.
Es folgen Beschreibungen exemplarischer Vorgänge, die verwendet werden können, um Wasserstoff in eine optische Faser zu laden, wobei der Behälter 100 verwendet wird. Der Ausdruck Wasserstoffatmosphäre in der vorliegenden Beschreibung ist beabsichtigt, um Atmosphären zu beinhalten, welche H₂, D₂, Tritium oder Moleküle, so wie HD, beinhalten, welche diese Isotope von Wasserstoff kombinieren. Der erste Prozess weist den Schritt eines Einführens (Windens für nicht klemmende Rohre) der optischen Faser 140 in den Behälter 100 und eines Dichtens des Behälters 100 auf. Mehrere Kreisläufe von Stickstoff, welcher durch den Gaseinlass 120 eingeführt und durch den Gasentlüfter 122 freigegeben wird, werden durch der Behälter 100 geklärt, um zu gewährleisten, dass Umgebungsluft aus dem Behälter 100 evakuiert wurde. Wasserstoff wird exemplarisch bei hohen Drücken, so wie zwischen 1000 und 2000 + PSI eingeführt.
Nachdem ein vollständiger Druck erreicht wurde, wird bevorzugt der Heizblock 110 aktiviert. Das programmierbare logische Steuerungssystem 114 steuert die Temperatur in der Kammer durch Steuern der Heizblöcke. In Anwendungen, wo eine beträchtliche Wärme in andere Abschnitte der Faser wandern kann, können die Kühlblöcke 130 ebenso aktiviert werden.
Für Hochtemperatur-Ladeprozesse wird in einem exemplarischen Prozess der Abschnitt der Faser 140, die geladen werden soll, von seiner Beschichtung vor einem Einführen in der Behälter 100 abgestreift. In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die Faser eine hochtemperaturbeständige, Wasserstoff-durchlässige Beschichtung, welche geeignet ist, um der Ladetemperatur standzuhalten.
In einem weiteren alternativen Verfahren kann die Beschichtung gewählt sein, so dass sie in gasförmige Produkte, bei oder unterhalb hoher Ladetemperaturen depolymerisiert. Die Wasserstoffatmosphäre wird bevorzugt gewählt, um nicht Sauerstoff zu beinhalten, um einen Oxidations-/Verbrennungs-Prozess zu vermeiden. Die resultierenden Gase werden aus der Kammer mit dem erhitzten Wasserstoff entlüftet. Dies erlaubt für beide ein Laden und Abstreifen der Beschichtung in einem Schritt. Ein weiteres Detail bezüglich polymerisierbarer Beschichtungen kann in dem gemeinsam zugeordneten US-Patent Nr. 5,939,136 , „Process For Preparation of Optical Fiber Devices Using Optical Fibers With Thermally Removable Coatings" und dem gemeinsam zugeordneten US-Patent Nr. 5,596,669 „Radiation Curable Coating Composition and Coated Optical Fiber" gefunden werden, welche hier durch Bezug aufgenommen wurden.
Wenn die Wasserstoffatmosphäre die gewünschte Temperatur erreicht, wird ein Timer gestartet, um die Zeit zu verfolgen, welcher die Faser 140 der erhitzten Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt wird. Das ebenso zugeordnete US-Patent, Nr. 6,311,524 , welches hier durch Bezug aufgenommen wurde, beschreibt eine exemplarische Aussetzung und Temperatureinstellungen für ein Hochgeschwindigkeits-Hochtemperatur-Wasserstoffladen. Die US-Patente, Nummern 5,235,659 und 5,287,427 , bieten Beispiele weiterer Wasserstoff-Ladeparameter.
Nachdem eine gewünschte Aussetzungszeit erreicht ist, werden die Heizblöcke 110 deaktiviert. Abhängig von Faktoren, so wie Ladeerfordernisse oder die Wärmesensitivität der Beschichtung der Faser, kann die Faser sofort in das Kühlrohr 104 bewegt werden. Ein Wasserstoffdruck kann entlüftet werden und Stickstoff oder andere inerte Gase können in den Behälter 100 gedrückt werden. Der Behälter 100 wird geöffnet und die Faser 140 wird entfernt.
Ein Gitter kann anschließend durch Aussetzen des gewählten Abschnittes auf ein Muster von aktinischer Strahlung geschrieben werden. Der ausgewählte Abschnitt kann anschließend gehärtet werden. Falls die beschichtete Faser mit einem bereichsmäßigen Laden verwendet wurde, wird nur der geladene Abschnitt ein erneutes Beschichten benötigen, welcher der gleiche Abschnitt ist, auf welchen das Gitter geschrieben wurde. Kein Wasserstoffausheizen wird mit einem bereichsmäßigen Laden, so wie einer starren geladenen Faser benötigt, da der Härtungs-Prozessschritt Wasserstoff von dem geladenen Bereich entfernt.
In einem Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können die vorhergehenden Schritte in einem Schritt-Reihen-Prozess (step in-line process) durchgeführt werden. Die Faser kann in einer Spule-zu-Spule-Anordnung eingestellt werden, die durch eine optionale Beschichtungs-Entfernstation, eine Wasserstoff-Ladestation, eine Gitterschreibstation, eine Härtungs-Station und eine optionale erneute Beschichtungsstation gewunden wird.
Der zweite exemplarische Prozess ist ähnlich, unterscheidet sich jedoch in einem Punkt. Das Verfahren weist wieder den Schritt eines Einführens der Faser 140 in den Behälter 100 auf, und eines Dichtens des Behälters 100. Mehrere Stickstoffkreisläufe werden durch den Behälter gedrückt, um zu gewährleisten, dass Umgebungsluft aus dem Behälter 100 geklärt wurde. Der Wärmeblock 110 (und Kühlblöcke 130, falls benötigt) werden aktiviert, um die gewünschte Temperatur zu erreichen. Nachdem die Stickstoffatmosphäre die gewünschte Temperatur erreicht, wird Stickstoff durch Wasserstoff ersetzt, welcher bei hohen Drücken, so wie 1000 bis 2000 + PSI eingeführt werden kann. Da die Masse des eingeführten Wasserstoffes sehr gering mit Bezug auf die Masse des Behälters ist, wird der Wasserstoff sehr rasch die gewünschte Temperatur erreichen.
In noch einem weiteren dritten exemplarischen Prozess wird der Wasserstoff in einem zweiten Druckbehälter vor einem Einführen in den „Rohr"-Art-Behälter vorgeheizt. Eine Vorheizkammer kann sogar verwendet werden, um die Wasserstoffatmosphäre vor einem Einführen der Wasserstoffatmosphäre in eine Ladekammer zu erhitzen, welche kein Heizelement aufweist. Der Wasserstoff kann auf die gleiche gewünschte Temperatur vorerhitzt werden, um irgendeine „Wärmeverzögerung" zu bewerkstelligen. Alternativ kann der Wasserstoff auf eine niedrigere Temperatur (um die Heizzeit zu verringern, um noch ein leichtes Hantieren zu ermöglichen, wenn die gewünschte Temperatur hoch ist) vorgeheizt werden oder sogar auf eine höhere Temperatur, um den erwarteten Wärmeverlust bei einem Einführen zu kompensieren.
Wenn der gewünschte Druck und/oder die Temperatur erreicht ist, verfolgt ein Timer die Zeit, welcher die Faser 140 zu der Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt ist. Nachdem diese vorherbestimmte Zeit erreicht ist, werden die Heizblöcke 110 deaktiviert. Falls gewünscht, kann die Faser 140 sofort wieder zu dem Kühlrohr 104 bewegt werden. Sogar während die Faser 140 in ihre neue Position bewegt wird, kann Wasserstoffdruck entlüftet werden, und Stickstoff oder eine andere inerte Atmosphäre kann in den Behälter 100 gedrückt werden, um irgendeinen verbleibenden Wasserstoff zu verdrängen und zu klären. Nach dem Klären kann der Behälter 100 geöffnet werden und die Faser 140 entfernt werden. Bei alternativen Prozessflüssen, falls es eine Sicherheit und Ausstattung ermöglicht, kann die Faser sogar sofort nach dem Ende des Ladeprozesses entfernt werden (zum Beispiel für Anwendungen, welche eine Niedertemperatur und geringe Volumina von Wasserstoff verwenden).
Die 4 ist eine schematische Darstellung einer Spule-zu-Spule-Produktionsanordnung 300. Die Produktionsladeanordnung 300 beinhaltet einen Mittelladebehälter 301, welcher ähnliche Merkmale wie die Behälter 100 und 200 beinhaltet. Die Anordnung 300 beinhaltet weiter eine Faserabwicklungsrolle 350 und eine Faseraufwicklungsrolle 352. Jede Spule beinhaltet eine Rolle, jeweils eine Abwicklungsrolle 354 und eine Aufwicklungsrolle 356. Die Rotation der Aufwicklungsrolle oder beider der Rollen wird durch einen Rollenmotor aktiviert, so wie einem elektrischen Servomotor 358. Eine programmierbare logische Steuerung (PLC, Programmable Logic Control) 360 kann elektronisch mit dem Motor 358 verbunden sein, um den gesamten Prozess zu steuern.
Der Vorgang eines Ladens einer optischen Faser, welche die Anordnung 300 verwendet, weist ein Laden eines Stücks einer Faser 340 in die Abwicklungsspule 350 auf. Die Faser 340 wird durch den Rohrbehälter 301 gewunden und bei der Aufwicklungsspule 352 befestigt. Der Ladeprozess ist ähnlich zu jenen, die vorhergehend beschrieben wurden; mit dem Zusatz, dass eine zeitliche Koordinierung und ein genaues Faserfortschreiten automatisch mittels programmierter vorherbestimmter Rezepturen oder Eingaben stattfindet, die durch die PLC 360 überwacht werden. Mit dieser Vorrichtung können mehrere Abschnitte eines längeren kontinuierlichen Stücks einer Faser mit Wasserstoff geladen werden, der Betrag an Arbeit reduziert werden und die Konsistenz des Wasserstoff-Ladeprozesses erhöht werden. Falls gewünscht, kann die Anordnung 300 weiter Kennzeichnungsstationen beinhalten, welche so wie durch sichtbare Kennzeichen, unterschiedliche Beschichtungen und/oder maschinenlesbare Codes der Bereiche identifizieren, welche mit Wasserstoff geladen werden. Falls gewünscht, kann dann ein Gitter in dem Wasserstoff-geladenen Bereich geschrieben werden.
Die 5 zeigt eine vierte Ausführungsform 400 eines Hochtemperatur-Wasserstoff-Ladebehälters. 5 zeigt einen Querschnitt des Behälter-400-Schnittes durch seine axiale Mittellinie (der Behälter ist in der Form eines Zylinders). Der Behälter 400 beinhaltet einen zylindrischen glockenförmigen Körper 402, welcher hohen Temperaturen und internen Drücken widerstehen kann. Eine Behälterkappe 404, die an dem Körper 402 durch Behälterklemmen 406 gesichert ist, schließt das offene Ende des Körpers 402. Die Behälterkappe 404 beinhaltet vier Durchgangsanschlüsse 408 für einen Gaseinlass/Entlüftung 410 und für elektrische Steuerungsanschlüsse 414. Die elektrischen Steuerungsanschlüsse sind mit einem programmierbaren Heizsteuerungssystem verbunden, welches verwendet werden kann, um mehrere elektrische Kartuschenheizelemente innerhalb des Ladebehälters zu steuern. Der Boden des Behälters 400 beinhaltet einen Thermoelementanschluss 412.
Eine Faserrollenanordnung 416, die aus einem Material hergestellt ist, welches hohen Temperaturen widerstehen kann, und thermische Energie rasch leitet, so wie Aluminium, wird innerhalb des Körpers 402 angeordnet. Die Aluminium-Faserrollenanordnung 416 der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet eine Vielzahl von optischen Faseraufnahmestationen 418. Die vorliegende Ausführungsform hält ungefähr zehn (10) Stationen, welche 10 Fasersegmenten erlauben, sensibilisiert zu werden. Jede Station beinhaltet zwei individuelle Faserspulen 420, welche ein optisches Fasersegment 422 zurückhalten. Die Fasern sind um den Außen-Durchmesser jeder Spule 420 gewickelt und werden in einer Position mit Flanschen gehalten, welche sich hinter den Durchmesser der Spule erstrecken. Ein präzise gekrümmter Schlitz ist in die Flansche gefräst (auf beiden, den oberen und unteren Spulen), die auf dem Flansch angeordnet sind, welche näher zu dem Mittelpunkt der Aluminiumfaserrolle angeordnet sind, und erlauben der Faser 422, von dem Speicherspulendurchmesser weggeleitet zu werden.
Jede Station beinhaltet auch einen Heizblock 424, welcher ungefähr bei dem Mittelfeldabschnitt jedes Fasersegments 422 angeordnet ist. Die Faser wird aus der oberen Speicherspule geleitet und zurück in die untere Speicherspule. Zwischen den zwei Speicherspulen wird sie parallel zu der Achse der Aluminiumfaserrolle positioniert und verläuft durch einen Heizblock, welcher in dem Mittelpunkt der Spule angeordnet ist.
Die Aluminiumfaserrollenanordnung 416 ist an der Behälterkappe 404 befestigt, wo elektrische Drahtverlaufsanschlüsse 414 angeordnet sind. Diese Befestigung erlaubt eine leichtere Einführung und Entfernung der Rollenanordnung 416 und liefert einen Drahtbiegungsschutz für die elektrischen Drähte. Ein Thermoelement 428 verläuft durch den Thermoelementanschluss 412 und überwacht die Temperatur der Rollenanordnung.
6a stellt eine Querschnittsansicht (von oben nach unten gesehen) der Faser 422 dar, welche durch einen U-förmigen Kanal läuft, welcher in den Heizblock 424 geschnitten ist. In der vorliegenden Ausführungsform hält der Heizblock 424 ein elektrisches Widerstands-Kartuschenheizelement 426, wo ungefähr 60° des Heizkörpers in dem Boden des U-förmigen Kanals ausgesetzt ist. Dieser ausgesetzte Abschnitt des Kartuschenheizelements 426 liefert extrem rasche Temperaturrampen der Atmosphäre, welche die Faser 422 in diesem U-förmigen Kanal nahe umgibt.
Die 6b stellt eine zweite Form des Heizblockes 424 dar, welcher das Kartuschenheizelement 426 aufweist, das vollständig in dem Heizblock 424 eingebettet ist. Der äußere Abschnitt des Heizblockes 424 weist mehrere Rippen 427 auf, die eingefräst sind, um die Wärme auf eine effizientere Weise abzuleiten. Zusätzlich zu einem Thermoelement 428 überwachen individuelle Thermoelemente die Temperatur jedes Heizblocks 424, wobei sie das Heizelement 426 berühren, um Temperatursignale für eine PLC bereitzustellen, welche eine präzise Temperaturregelung des Heizelements 426 bereitstellt. Zusätzliche Thermoelemente können zu der Aluminiumrolle hinzugefügt sein, die in einer Ausrichtung positioniert ist, um die Wasserstoff-Temperatur zu überwachen.
Es folgen exemplarische Prozesse, die verwendet werden können, um Wasserstoff in eine optische Faser zu laden, wobei der Behälter 400 verwendet wird. Der erste weist die Schritte eines Installierens eines Stücks einer Faser 422 auf der Aluminiumfaserrollenanordnung 416 auf, eines Einführens der Rollenanordnung 416 (welche an der Kappe 404 befestigt ist) in den Behälterkörper 402, und eines Dichtens des Behälters 400. In Hochtemperaturprozessen kann die Faser 422 vorher wieder abgestreift werden, oder Hochtemperatur- oder gasförmige depolymerisierbare Beschichtungen aufweisen.
Mehrere Stickstoffkreisläufe werden durch den Gaseinlass/Entlüfter 410 geklärt, um zu gewährleisten, dass Luft aus dem Behälter 400 evakuiert wurde. Für Hochtemperaturrezepturen wird Wasserstoff bei hohen Drücken zwischen 1.000 bis 2.000 + PSI eingeführt. Abhängig von der Art von Faser, die verwendet wird und der Art eines Gitters, welches geschrieben wird, können Drücke zwischen 500 PSI und 2.100 PSI verwendet werden. Höhere Drücke (ungefähr 3.000 PSI) ermöglichen, dass mehr Wasserstoff in die Faser diffundiert und können für einige Anwendungen wünschenswert sein. Die Heizelemente 426 werden aktiviert, bevorzugt, nachdem der volle Druck erreicht wurde. Wenn die Wasserstoffatmosphäre die gewünschte Temperatur um die Faser erreicht (wie durch das Thermoelement gemessen wird), verfolgt ein Timer die Zeit des ausgewählten Abschnittes der Faser 422, die der Hochtemperatur-Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt ist.
Nachdem die ausgewählte Zeit erreicht wird, werden die Heizelemente 426 deaktiviert, und dem ausgesetzten Abschnitt der Faser 422 wird ermöglicht abzukühlen. Ein Wasserstoffdruck wird entlüftet und Stickstoff oder andere passende Gase werden in den Behälter gedrückt. In einer exemplarischen Ausführungsform wird abgekühlter Stickstoff in den Behälter gedrückt, um die Faser und Beschichtungen abzukühlen und die Diffusionsrate des Wasserstoffs aus der optischen Faser aufgrund des Entlüftens des Wasserstoffdrucks zu reduzieren. Der Behälter 400 wird anschließend geöffnet, und die Aluminium-Faserrollenanordnung 416 entfernt, und die Fasersegmente 422 von der Faserrollenanordnung 416 entfernt.
In gewissen Ausführungsformen sind die optischen Faseraufnahmestationen 418 Kartuschen, so wie jene, die in der anhängigen und gemeinsam zugeordneten US-Anmeldung, Seriennummer 09/804781, „Filament Organizer", US-Seriennummer 09/841015 „Carrier For Coiled Filaments", oder US-Seriennummer 09/907406 „An Apparatus For Holding And Protecting Several Precision Aligned Optical Fibers" beschrieben werden, welche hier durch Referenz aufgenommen wurden. In diesen Ausführungsformen wird die gesamte Kartusche von der Faserrollenanordnung 416 entfernt.
Der zweite exemplarische Prozess ist ähnlich zu dem ersten, jedoch bei einem Punkt unterschiedlich. Er beinhaltet wieder ein Installieren der Fasersegmente 422 (oder der Faserhaltekartusche) auf die Faserrollenanordnung 416, eines Einführens der Rollenanordnung 416 in den Behälterkörper 402, und eines Dichtens des Behälters 400. Der Behälter 400 wird durch mehrere Stickstoffkreisläufe geklärt, um zu gewährleisten, dass Umgebungsluft evakuiert wurde. Bei diesem Punkt werden die Heizkartuschen 426 aktiviert. Wenn die Stickstoffatmosphäre um die Fasersegmente 422 die gewünschte Temperatur erreicht hat, wird der Stickstoff geklärt und durch Wasserstoff ersetzt. Es muss verstanden werden, dass in diesem und einem anderen Beispiel der Ausdruck Wasserstoff H₂, D₂ oder andere isotopische Moleküle von Wasserstoff und/oder eine oder mehrere Gase, bevorzugt Inertgase, mit H₂ und/oder anderen isotopischen Wasserstoffspezien bedeuten. Es ist bevorzugt, die Verwendung von Sauerstoff zu vermeiden, um eine Oxidation/Verbrennungsreaktion zu vermeiden.
Der Wasserstoff wird exemplarisch bei hohen Drücken zwischen 1.000 bis 2.000 + PSI eingeführt. In einer alternativen Ausführungsform kann der Wasserstoff wieder vorgeheizt werden. Ein Timer verfolgt die Zeit, welcher die Fasersegmente 422 bei einer hohen Temperatur einer Hochdruck-Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt werden. Aufgrund seiner geringen Masse in Bezug auf den Heizblock erreicht der Wasserstoff beinahe gleichzeitig die gewünschte Ladetemperatur. Wenn eine vorher bestimmte Aussetzungszeit erreicht ist, werden die Heizelemente deaktiviert. Eine Aussetzungszeit kann berech net werden, wobei die Gleichungen verwendet werden, die in der US 6,311,524 gefunden werden.
Die Wasserstoffgase können entlüftet werden, und Stickstoff oder ein anderes inertes Gas kann in den Behälter gedrückt werden. Wieder kann das Klärgas gekühlt oder gefrostet werden. Sobald der Wasserstoffdruck freigegeben wird, beginnt Wasserstoff aus der Faser heraus zu diffundieren. Die Rate einer Diffusion ist eine Funktion einer Temperatur. Der Behälter kann dann geöffnet werden, wobei die Faserrollenanordnung 416 entfernt wird und die Fasersegmente 422 (oder Faserkartuschen) von der Rollenanordnung 416 entfernt werden.
Die 7 bis 13 stellen eine fünfte Hochtemperatur-Wasserstofflade-Behälterausführungsform 500 dar. Der Behälter 500 verwendet eine einzelne Splitbehälterausführung, wobei die Kammer, welche den Hochdruckwasserstoff bei hohen Temperaturen zurückhält, aus zwei Hälften hergestellt ist.
Die offene Position eines Behälters 500 ist in 7 dargestellt und die geschlossene Position in 8. Die Hauptbehälterhälften sind der obere Behälterblock 502 und der untere Behälterblock 504. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Blöcke 502 und 504 aus einem weichen 400er-Serien rostfreien Stahl hergestellt und werden nach einem Bearbeiten gehärtet. Beide der Blöcke 502 und 504 weisen Taschen auf, jeweils eine obere Tasche 506 und eine untere Tasche 508 in ihren Mittelbereichen. Wenn sie geschlossen sind, wie in 8 dargestellt ist, bilden die Taschen eine Ladekammer 510.
In der vorliegenden Ausführungsform werden die Blöcke 502 und 504 in einem Präzisionslaminations-Härtevorlade-Kugellagerpräzisions-Stempelsatz 505 (precision lamination grade preloaded ball bearing precission die set) befestigt, um eine präzise Block ausrichtung und Parallelität während eines Betriebs zu gewährleisten. Die Stempelsätze 505 werden in einer hydraulischen Presse 507 befestigt, welche genug verdichtende Kraft erzeugt, um die zwei Blöcke 502 und 504 abgedichtet zu halten, wenn der Behälter 500 mit Wasserstoff unter Druck gesetzt wird, und kann die Behälterblöcke 502 und 504 weit genug öffnen, um eine einfache Einführung und Entfernung optischer Fasern 526 zwischen Kreisläufen zu gewährleisten.
Die 9 und 10 stellen vergrößerte Querschnittsansichten der Wasserstoffladekammer 510 dar. Die vergrößerten Ansichten stellen das geringe Volumen einer Ladekammer 510 in größerem Detail dar. Die Heizblöcke 512 und 514, die durch keramische Isolierung 516 umgeben sind, werden jeweils innerhalb einer der Taschen 506 und 508 in den jeweiligen Behälterblöcken 502 und 504 angeordnet. Die Isolierung 516 hilft, die heiße Ladezone von dem Rest der optischen Faser zu trennen, um die Möglichkeit eines Schadens auf die Polymerbeschichtung der Faser zu reduzieren. Jeder Heizblock 512 und 514 beinhaltet eines oder mehrere Heizelemente 518, so wie elektrische Kartuschenheizelemente. Die optische Faser 526 spannt den Mittelabschnitt der Ladekammer 510 und ist axial zwischen zwei Kartuschenheizelementen 518 in der Ladekammer angeordnet. Wie in 10 dargestellt ist, befinden sich die Kartuschenheizelemente 518 in unmittelbarer Nähe zu der Faser 526 und liefern ein schnelles Heizen des umgebenden Gases und der Faser 526. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Kartuschenheizelemente 518 in jedem Heizblock 512 und 514 angeordnet, so dass ungefähr 60° des Umfanges der Heizkartusche 518 an die Atmosphäre der Ladekammer 510 ausgesetzt ist.
Die Behälterblöcke 502 und 504 beinhalten einen Gaseinlass/Entlüftungs-Anschluss 520, um Gase in die Ladekammer bereitzustellen und zu klären. Der Gaseinlass/Entlüftungsanschluss 520 kann auch als ein Draht kanal verwendet werden, um Steuerungs- und Datenverbindungen zu leiten. Alternativ kann ein zweiter Satz von Anschlüssen 522 verwendet werden, um elektrischen und Thermoelementdrähten zu ermöglichen, die Heizelemente 518 und eines oder mehrere Thermoelemente 528 in der Ladekammer 510 zu leiten. Wie in 11 besser gesehen werden kann, weisen die gegenüberliegenden Seiten, die in Kontakt mit den oberen und unteren Blöcken 502 und 504 in Kontakt kommen, einen radialen Rillenschnitt 524 nach unten von der X-Achsen-Mittellinie auf, welche verwendet wird, um rund um eine Faser 526 zu positionieren und abzudichten, welche sensibilisiert werden soll. Zwei Führungsstifte 523, welche in Öffnungen in dem gegenüberliegenden Behälterblock passen, liefern eine genaue Endausrichtung der zwei Blöcke 502 und 504, wenn sie zusammentreffen, um eine Dichtung herzustellen.
Unter gewissen Umständen, so wie bei sehr hohen Wärmeanwendungen, oder wo eine wiederholte Verwendung des Behälters einen Wärmeaufbau verursacht hat (zum Beispiel in einer Reihen-Anwendung), können die Behälterblöcke 502 und 504 flüssige Kühlleitungen 530 beinhalten. Die Kühlleitungen 530 sind entlang der Y-Achse nahe dem oberen Rand der Mitteltaschen 506 und 508 angeordnet und werden verwendet, um die Faserpolymerbeschichtung während eines Ladens kühl zu halten. Die Kühlleitungen helfen, das Risiko zu verringern, dass die Polymerbeschichtung bei nicht geladenen Abschnitten der optischen Faser 526 unter der Temperatur bleibt, welche eine Degradation oder Oxidation hervorrufen würde.
Mehrere Faserführungsplatten 532 werden auf den linken und rechten Seiten des unteren Behälterblockes befestigt, um eine Führung der Faser in die radialen Dichtungsrillen bereitzustellen. Eine optionale Elastomerseitendichtung 534 kann auf den Behälterblockkontaktflächen verwendet werden, um die Möglichkeit eines Gasaustritts während eines Ladens zu verringern.
Die 11 und 12 stellen zwei alternative Wege dar, um die Faser 526 abzudichten, wenn sie in die Ladekammer 510 eintritt und austritt. Die Faser 526 weist eine Beschichtung 527 auf, welche einen Glasmittelabschnitt 529 umgibt. In der Ausführungsform, die in 11 dargestellt ist, welche als das „Stahl-auf-Stahl-Klemmverfahren" bezeichnet wird, durchquert das Paar von präzisionsverarbeiteten radialen Rillen 524 nach unten die X-Achsen-Mittellinie der Blöcke 502 und 504. Der Radius der Rille 524 ist ein wenig kleiner (zum Beispiel mehrere 10.000stel eines Zentimeters), als der Radius der Beschichtung 527 der Faser 526. Eine Interferenzanpassung zwischen der Rille 524 und der Faser 526 bewirkt, dass sich die Beschichtung 527 leicht komprimiert, wenn die zwei Behälterhälften zusammengebracht werden, wobei eine dichte Dichtung zwischen der Faser 526 und den gerillten Behälteroberflächen entsteht. Der Glasabschnitt 529 der optischen Faser 526 bleibt unbeschädigt. Die Außen-Oberfläche der Beschichtung 527 kann aufgrund der aufgebrachten Verdichtungskräfte verdichtet werden, jedoch sollte dies keine optischen Leistungs-Probleme ergeben.
Die 12 stellt ein „Dichtung-auf-Dichtung-Klemmverfahren" dar. Das Verfahren kann mit beschichteten optischen Fasern wie auch mit losen glasoptischen Fasern verwendet werden, welche keine polymeren Außen-Beschichtungen aufweisen. Die Ausführungsform beinhaltet Elastomerdichtungen 534, die in den Seiten beider Behälterblöcke 502 und 504 installiert sind (der Elastomerdichtungsquerschnitt ist nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet). Wenn die Behälterseiten unter hydraulischer Kraft zusammengebracht werden, wird das Elastomermaterial um die optische Faserbeschichtung verdichtet, wobei eine dichte Dichtung erzeugt wird. Die obere Oberfläche der Elastomerdichtungen kann vorgeformt sein, um eine Rille aufzu weisen, welche eingerichtet ist, um die optischen Fasern aufzunehmen, ähnlich zu der bei 524 in 11 gezeigten, um eine bessere Dichtung entlang der Linien zu erhalten, wo die Seiten der Faser 526 und die oberen und unteren Elastomerdichtungen 534 bei Anwendung einer hydraulischen Kraft aneinander treffen.
Die 13 ist eine obere ebene Ansicht des unteren Behälterblockes 504. Diese Ansicht zeigt klarer den optischen Faserweg in der Mitte der Behälterblock-X-Achse einer oberen Oberfläche. Die Faserführungen 532 außerhalb der Blockränder liefern eine grobe Ausrichtung der Faser 526 zu den radialen Rillen 524, welche in der Behälterblock-504-Oberseite gefertigt sind. Der Heizblock 514 mit umgebender keramischer Isolierung 516 ist in beiden Achsen in der Mitte des Behälterblockes 504 zentriert. Die Kühlleitungen 530 werden in der Y-Achse sehr nahe zu dem Punkt bearbeitet, wo die optische Faser 526 die Ladekammer 510 schneidet. Die zwei Führungsstifte 523 sind an gegenüberliegenden Ecken des Blocks 504 angeordnet, um eine genaue Endausrichtung der Behälterblöcke 502 und 504 bereitzustellen, bevor ein Klemmen um die optische Faser 526 stattfindet. Die Elastomerdichtung 534 ist angeordnet, um einen Gasaustritt während des Ladeprozesses zu minimieren oder auszuschalten.
Die 14 zeigt eine Querschnitts-Aufrissansicht einer dritten Ausführungsform eines Klemm-/Dichtungsmechanismus für den Behälter, welcher in 7 dargestellt ist. Der Abschnitt einer optischen Faser 526, welcher Wasserstoff-geladen werden soll, ist in einer Spritzform 536 angeordnet, welche typischerweise ein Paar von Formhöhlungen 538 bildet. Diese Formhöhlungen 538 passen die Höhlungen in einem oberen Behälterblock 502 und einem unteren Behälterblock 504 an, die eingerichtet sind, um die Elastomerdichtungen 534 aufzunehmen, wie in 13 dargestellt ist. Ein aushärtbares Dichtungsmaterial (typischerweise ein Elasto mer) wird anschließend in die Formhöhlungen gegossen und rund um die Faser ausgehärtet, wobei geformte Dichtungen 540 auf einer Faser 526 gebildet werden. Die Faser wird anschließend von der Spritzform entfernt und auf einem unteren Behälterblock 504 positioniert, mit den geformten Dichtungen auf den Fasern, welche in den Aushöhlungen eingefügt sind, welche eingerichtet sind, um Elastomerdichtungen 534 aufzunehmen, wie in 13 dargestellt ist. Ein oberer Behälterblock 502 wird anschließend in Kontakt mit einem unteren Behälterblock 504 gebracht und gedrückt, um eine Dichtung um eine Faser 526 und geformte Dichtungen 540 zu bilden, in Vorbereitung für ein Wasserstoffladen der Faser. Alternativ können geformte Dichtungen 540 an der Stelle hergestellt werden, wobei ein oberer und unterer Behälterblock 502, 504 als die Spritzform verwendet wird, und das Dichtungsmaterial in-situ ausgehärtet wird. Ein Aushärten kann während eines Vorheizens der Wasserstoff-Ladehöhlung durchgeführt werden, bevor ein Hochdruck innerhalb einer Wasserstoff-Ladehöhlung 510 angewandt wird. Wie in 13 dargestellt ist, kann die Höhlung zum Halten von Elastomerdichtungen 534 oder 540 von einem Heizblock 514 durch eine Wasserstoff-Ladehöhlung 510 und eine keramischen Isolierung 516 getrennt sein, welche durch flüssige Kühlleitungen 530 gekühlt wird, wobei so das Elastomer durch die sehr hohe Temperatur einer Wasserstoff-Ladehöhlung 510 während des Ladezyklus nicht beschädigt wird.
Es folgen unterschiedliche exemplarische Prozesse, welche verwendet werden können, um Wasserstoff in eine optische Faser 526 zu laden, wobei dieser Behälter 500 verwendet wird. Der erste Prozess beinhaltet den Schritt eines Anordnens der Faser 526 auf dem Faserkanal/-Rille 524 auf der Seite des unteren Behälterblockes 504. Die Blöcke 502 und 504 werden anschließend geklemmt, so wie durch die Verwendung eines hydraulischen Drucks. Mehrere Stickstoffkreisläufe können die Ladekammer 510 klären, um Umgebungsluft zu evakuie ren.
Anschließend wird Wasserstoff eingeführt. Wieder ist der Behälter 500 ausgeformt, um hohe Drücke zu bewerkstelligen. Abhängig von der Art einer Faser, wurde die Konzentration von Wasserstoff oder Deuterium in der eingefüllten Ladeatmosphäre, die gewünschte Indexänderung, Drücke zwischen ungefähr 500 PSI und ungefähr 2.200 PSI experimentell verwendet. Die Kammer ist ausgelegt, um Drücken bis zu 3.000 PSI standzuhalten. Höhere Drücke sind abhängig von der Ausführung und Herstellung des Behälters möglich. Das vorliegende exemplarische Verfahren verwendet Drücke zwischen 1.000 bis 2.000 + PSI. Nachdem ein voller Druck erreicht wurde, werden die Heizelemente 518 aktiviert. Wenn die Wasserstoffatmosphäre die gewünschte Temperatur rund um die Faser 526 erreicht, verfolgt ein Timer die Zeit, welcher die Faser 526 zu der Hochtemperatur-Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt wird. Nach dem gewünschten Zeitaussetzen werden die Heizelemente 518 deaktiviert. Ein Wasserstoffdruck kann entlüftet werden und Stickstoff oder ein anderes passendes inertes Gas (gekühlt oder anders) kann in die Ladekammer 510 gedrückt werden, wobei der Behälter 500 geöffnet und die Faser 526 entfernt wird. Eine weitere Option für den Faserentfernungszyklus ist es, den Behälter 500 genau nach der erreichten Zeit zu öffnen, während der Behälter noch unter Druck stand, wobei ein sofortiges Entlüften des Wasserstoffs und ein Kühlen der Faser ermöglicht wird, welches einen maximalen Wasserstoffgehalt in der Faser gewährleistet. Das Volumen des Behälters ist so gering, dass diese Prozedur mit begründeter Vorsicht sicher sein sollte, so wie eine geringfügige Abschirmung um der Behälter.
Das Volumen einer experimentellen Ladekammer, so wie der dargestellten, betrug 0,3125 Zoll zum Quadrat (2,02 cm²), wobei die Gaszuführungslöcher nicht enthalten waren, die in den Block gebohrt wurden, oder das Leitungssystem außerhalb des Blocks. Das gesamte Gasvolumen für eine optimierte Einzelfaser-Ladestation kann so gering wie 0,15 Zoll zum Quadrat (0,97 cm²) sein. Die endgültige Konfiguration des Behälters wird das gesamte Gasvolumen bestimmen.
Die Durchschnittszeit, die es für die elektrischen Kartuschenheizelement benötigte, um den Temperatureinstellungspunkt zu erreichen (275°C), betrug 45 Sekunden, +/–3 Sekunden. Die Zeit, die es für das Wasserstoffgas benötigte, um den gewünschten Einstellungspunkt zu erreichen (260°C), hing von dem verwendeten Druck ab. Bei Drücken zwischen 1.400 PSI und 2.000 PSI betrug die Zeit zwischen 1,5 bis 2 Minuten. Bei Drücken zwischen 1.100 PSI und 1.400 PSI betrug die Zeit zwischen 3 bis 4 Minuten.
Eine Beschichtungs-Delamination trat während keinem der experimentellen Durchläufe auf. Eine Massen-Delamination tritt aufgrund der abschnittsweise unter Druck gesetzten Zone in dem Zweistückbehälter nicht auf.
In dem zweiten exemplarischen Prozess folgen im Allgemeinen die gleichen Schritte mit der Ausnahme, dass Wasserstoff in die vorgeheizte Ladekammer 510 eingeführt wird. Während die geringe Masse des Gasvolumens der Kammer 510 verglichen zu der Masse der Heizblöcke zu einem raschen Erhitzen führen wird, kann in alternativen Ausführungsformen der Wasserstoff sogar bei oder nahe bei der gewünschten Temperatur vorgeheizt werden.
Falls die Faser beschrieben wird, kurz nachdem die Faser geladen wurde, benötigt sie keine kühle Lagerung. Irgendeine Wasserstoff-geladene Faser, unabhängig von dem Ladeverfahren, wird langsam Wasserstoff aus der Faser über eine Zeit bei Raumtemperatur diffundieren. Der Vorteil mit einem bereichsmäßigen Laden einer Faser, verglichen zu einer Massenladung, hängt von der Faseranzahl ab, die geladen wurde. Mit der Geschwindigkeit eines Hochtemperatur-bereichsmäßigen Ladens kann man nur den genauen Betrag einer Faser, die beschrieben werden soll, in einer spezifischen Zeitperiode laden. Mit der langen Kreislaufzeit eines Massenladens wird dies schwieriger.
Die 15 bis 17 stellen eine sechste Hochtemperatur-Wasserstoff-Ladebehälter-Ausführungsform dar. Der Behälter verwendet eine einzigartige rohrförmige Behälterausführung, welche übereinstimmende Hülsen aufweist, die bei beiden Enden des Rohres angeordnet sind, welche das Ende des Rohres abdichten und um die Faser abdichten, welche durch das Rohr verläuft. Wenn die Hülsen das Rohrende abgedichtet haben, und um die Faser abgedichtet haben, wird das Rohr den Hochdruckwasserstoff bei hohen Temperaturen zurückhalten, um Wasserstoff zu ermöglichen, in die Faser zu diffundieren, welche durch das Rohr verläuft.
Die offene Position des Behälters ist in 15 dargestellt und die geschlossene Position in 16. Der Primärbehälter ist ein zylindrisches rostfreies Stahlrohr oder Röhre 602, welche eine Präzisionswinkelkerbe 603 bei jedem Ende und Gaseintritts-(620) und Gasentlüftungs-(622)-Anschlüsse nahe dem Ende des Rohres oder Rohr enthält. Das Rohr oder die Röhre weist eine Heizumhüllung 610 auf, welche es umgibt, und kann elektrisch oder mit heißen Fluiden oder Gasen erhitzt werden. Das Rohr oder das Rohr mit einer Heizumhüllungsanordnung ist innerhalb eines Hauptbasisblocks 636 enthalten, welcher auf einer Basisplatte 638 befestigt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist eine elastomere Hülse 660 an einer Hülsenaktuatorplatte 665 befestigt, welche eine lineare Bewegung der Hülsenplattenanordnung ermöglicht. Die Form der Hülse ist ein Kegelstumpf, wo der Winkel des Kegels der Kerbe 603 in dem Rohr oder Röhre entspricht. Die lineare Bewegung der Hülsenaktuatorplattenanordnung ermöglicht der Hülse 660, in das Ende des Rohres oder der Röhre 602 einzutreten, wobei der Winkeloberfläche der Hülse 660 ermöglicht wird, gegen die Winkeloberfläche der Kerbe 603 in dem Rohr oder der Röhre 602 abzudichten. Es ermöglicht der Hülse 660 auch, von dem Rohr oder der Röhre 602 weggezogen zu werden. Eine Bewegung der Hülsenaktuatorplatte 665 wird mittels hydraulischer Zylinder bewerkstelligt, die bei der Platte befestigt sind. Diese sind nicht dargestellt, können jedoch mittels mehrerer Mittel befestigt werden, welche Bolzen, Stifte, etc. in unterschiedlichen Konfigurationen, ein Drücken oder Ziehen beinhalten. Luftzylinder können ersetzt werden. Elektrische oder mechanische Aktuatoren können auch verwendet werden.
Die elastomere Hülse 660, die in einer Rückansicht und in einer Querschnittsrückansicht in 17 dargestellt ist, weist ein kleines Loch 661 in der Mitte auf, welches 10 bis 20 größer als der Außendurchmesser der beschichteten Faser ist, die geladen werden soll. Es gibt acht rechteckig geformte rostfreie Stahlrippen 662, welche in einer radialen 45°-Orientierung um das Mittelloch beabstandet sind. Da die Hülse 660 in das Rohr oder das Rohr 602 gedrückt wird, wird die winkelförmige Oberfläche der Hülsenrippe 662 die Winkeloberfläche der Kerbe 603 an dem Ende des Rohres oder die Röhre 602 kontaktieren, wobei diese Kraft auf das Elastomermaterial übertragen wird, welches die Faser 626 umgibt, wobei eine Dichtung zwischen dem Elastomer und einer Faser hergestellt wird. Wenn die Hülse 660 von dem Rohr oder der Röhre 602 herausgezogen wird, gelangt das elastomere Material zurück in seinen spannungsfreien Zustand, wobei dem Loch 661 ermöglicht wird, sich zu seiner ursprünglichen Größe zu öffnen, wobei die Faser 626 freigegeben wird. Die elastomere Hülse liefert somit eine wiederverschließbare Dichtung rund um die optische Faser, welche ermöglicht, die Wasserstoffatmosphäre während des Ladeprozesses zu enthalten. Diese wiederverschließbare Dichtung kann erneut geöffnet werden, um die Faser zu entfernen und optional die Faser voranzutreiben, erneut abzudichten, anschließend einen zweiten ausgewählten Abschnitt der gleichen Faser Wasserstoff zu laden (die Dichtungsmechanismen in den 7, 11 und 12 werden auch als erneut schließbare Dichtungen betrachtet).
Eine Aufwicklungs-(656)-Spule (die durch einen programmierbaren elektrischen Motor/Kodierer oder ein Servosystem angetrieben wird), in welcher eine Rotation des Motors präziser gesteuert wird, liefert genaue lineare Stücke einer Faser, welche durch die Kammer 602 zu der gewünschten Zeit befördert werden soll. Es gibt auch eine Abwickel-(654)-Spule, die in Verbindung mit einer Bremse einer Kupplung verwendet werden kann (welche durch Luft, Magneten, Elektrizität, Fluide, etc. betätigt werden kann), um eine präzise Spannung auf der Faser bereitzustellen, wenn sie in oder aus der Kammer 602 transportiert wird. Der Prozesszyklus beinhaltet die folgenden Schritte:

• Transport einer nicht geladenen Faser in das Rohr oder das Rohr zu dem gewünschten Abstand.
• die Hülsenaktuatorplatten positionieren die Hülsen in den Enden des Rohres oder der Röhre, welche den Behälter dichten, und Erzeugen einer Dichtung um die Fasern.
• Der Behälter wird mit Stickstoff oder anderen passenden Gasen geklärt.
• Der Behälter wird mit Wasserstoff unter Druck gesetzt (die Heizelemente sind bereits heiß).
• Die Faser wird bei einem Druck für einen gewünschten Zeitbetrag gehalten.
• Der Wasserstoff wird entlüftet, und der Behälter wird mit Stickstoff geklärt.
• Die Hülsenaktuatorplatten werden zurückgezogen.
• Die Faser wird vorgeschoben.
• Optional kann der neue geladene Abschnitt einer optischen Faser ein Bragg-Gitter aufweisen, welches auf ihn geschrieben ist, und das Gitter kann optional gehärtet sein.
• Falls die Beschichtung von dem geladenen Abschnitt einer Faser durch den Hochtemperatur-Ladeprozess abgestreift wurde, kann der abgestreifte Abschnitt optional erneut beschichtet werden, bevor er die Aufwicklungsspule erreicht.

Die 18 zeigt eine sequentielle Schrittdarstellung von Verfahren zum Erhöhen der Fotosensitivität einer optischen Faser in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und zum Schreiben eines oder mehrerer Gitter in eine optische Faser. Diese Figur entspricht einer 1 in einem ebenso zugeordneten US-Patent 6,272,886 B1 , „Incremental Method Of Producing Multiple UV-Induced Gratings On A Single Optical Fiber", welche hier durch Bezug aufgenommen wurde. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine wiederverschließbare Dichtung aufweist, so wie jene, die in den 7 oder 15 dargestellt ist, kann für eine Beschichtungs-Entfernungsstation 20 in der Fasergitter-Herstellungsvorrichtung und einen Prozess, der in der US 6,272,886 B1 gezeigt wird, ersetzt werden. Die Wasserstofflade- und (optionale) Beschichtungs-Entfernungsstation 720 nimmt eine Faser 712 von einer spannungsgesteuerten Abgabespule 714 und Ausrichtungsrollen 716 auf. Die Faser wird gestoppt, wenn ein ausgewählter Abschnitt einer optischen Faser 712 in einer Wasserstoff-Ladestation (und optional in einer Beschichtungs-Entfernungsstation) 720 positioniert wird. Der Wasserstoffladeprozess wird dann wie vorhergehend beschrieben durchgeführt. Der Wasserstoff-geladene ausgewählte Abschnitt 722 einer Faser 712 wird anschließend mittels eines Magnetbandantriebs 718 (drive capstan) zu der Gitterschreibstation 724 befördert, wo er zwischen Klemmen 726 und 728 während des Schreibprozesses eingeklemmt ist. Nachdem ein Gitter in einen ausgewählten Abschnitt 722 geschrieben wird, wird dieser Abschnitt, welcher jetzt das Gitter enthält, einer optionalen Härtungs-Einheit 730 zugeführt, wo das Gitter erhitzt wird, um seine Reflektivität zu stabilisieren. Falls eine Beschichtung von dem ausgewählten Abschnitt entfernt wurde, kann der Abschnitt zu einer erneuten Beschichtungsmaterialanwendungs- oder Packstation 740 befördert werden, anschließend zu einer optionalen erneuten Beschichtungsaushärtstation 750. Der ausgewählte Abschnitt einer Faser 720, welche das Gitter enthält, kann anschließend mittels eines optionalen Magnetbandantriebs 718 und Ausrichtungsrollen 760 zu einer Aufnahmerolle 762 für ein einfacheres Hantieren und Versenden befördert werden. Da ein ausgewählter Abschnitt einer Faser 722 durch das System geleitet wird, kann ein folgender zweiter ausgewählter Abschnitt der Faser ebenso schrittweise durch das System in einer Anordnungs-Leitungsweise befördert werden. Optionale Schlupfanhäufungsstationen können zwischen den unterschiedlichen Prozessstationen angeordnet werden, falls der Abstand zwischen Gittern entlang der einzelnen Faser variiert werden muss.
Die vorliegende Erfindung bietet signifikante Vorteile. Ein selektives Laden ermöglicht für nur einen Abschnitt der Faser, welcher ein gasförmiges Laden benötigt, ausgesetzt zu sein. Wasserstoff-geladene herkömmliche Polymer-beschichtete Fasern bei hohen Temperaturen > 250°C können eine Verbrennung oder teilweise zerstörerische Depolymerisierung herkömmli cher Beschichtungen verursachen. Falls die Faser mit dem herkömmlichen Massenladeverfahren Wasserstoffgeladen wird, muss die gesamte Faser erneut beschichtet werden. Dieses bereichsmäßige Laden nur des geladenen Abschnitts, welcher der gleiche Abschnitt ist, auf welchen das Gitter geschrieben wird, muss erneut beschichtet werden.
Es besteht kein Bedarf für einen Stickstoff-Ausheizprozessschritt mit einem bereichsmäßigen Laden, wie bei der massen-geladenen Faser. Wenn das Stück der Faser, wo das Gitter geschrieben wurde, und der bereichsmäßig geladene Bereich ungefähr die gleiche Länge aufweisen, entfernt der Härtungs-Prozessschritt Wasserstoff aus dem geladenen Bereich.
Eine Faser, die Wasserstoff enthält, kann nicht fusionsverbunden sein. Der Wasserstoff verursacht eine Deformation in dem Glas, wenn es zu einem elektrischen Bogen ausgesetzt wird, wobei es unmöglich ist, eine nutzbare Verbindung zu erzielen. Mit einem bereichsmäßigen Laden kann eine Fusionsverbindung irgendwo außerhalb des Gitterbereichs vor einem Entfernen von Wasserstoff von der Faser durchgeführt werden. Dies kann nützlich sein, wenn das Gitter während eines Schreibens überwacht wird oder während eines Endverpackungsschrittes. Die Fähigkeit eines Fusionsverbindens bei irgendeinem Punkt während des Herstellungsprozesses erhöht die Flexibilität der Prozesse und Produkt(e), die hergestellt werden.
Ein bereichsmäßiges Laden einer Faser ermöglicht weiter dem Hersteller, die Fotosensitivität jeder Faser maßzuschneidern, die durch ein präzises Steuern der Temperatur und eines Drucks des Wasserstoffs geladen wird, und die Zeit, mit der die Faser zu dieser Atmosphäre ausgesetzt wird. Wenn der Behälter geöffnet ist, kühlt sich die Faser rasch ab (< 5 Sekunden), wobei der Faser ermöglicht wird, den gesamten Betrag von Wasser stoff zurückzubehalten. Falls die Faser sofort verwendet wird, kann der exakte Grad einer Fotosensibilisierung bekannt sein. Diese genaue Steuerung ermöglicht dem Hersteller, den Wasserstoffgehalt in jeder Faser durch Variieren entweder der Temperatur, eines Drucks und/oder einer Aussetzungszeit zu variieren. Eine Faser-Fotosensitivität kann dann verwendet werden, um die Laserschreibzeiten von Gittern maßzuschneidern. Sie kann auch verwendet werden, um die Fotosensitivität unterschiedlicher Fasern anzugleichen, so dass die gleichen Schreibbedingungen einfach auf eine Vielzahl von Fasern angewendet werden können.
Eine Faser, welche unter Hochtemperaturbedingungen geladen wird, erleidet weniger einen Brechungsindexänderung der Faser, verglichen mit einer Faser, die bei Niedertemperaturbedingungen geladen wird. Wenn ein Faser-Bragg-Gitter gehärtet wird, wird der Wasserstoff in der Faser heraus diffundiert, wobei sich der Brechungsindex der Faser verändert und stabilisiert. Dieser Prozess resultiert oft in einer 50%-Abnahme in der UV-hervorgerufenen Indexänderung bei Fasern, welche bei niedrigeren Temperaturen geladen werden. Der Hochtemperatur-Ladeansatz ermöglichte Indexänderungen von weniger als 15 Eine reduzierte Indexänderung bei dem Härtungsprozess weist den Vorteil eines Reduzierens der Zeit und/oder einer Laserleistung auf, die zum Schreiben eines Gitters benötigt wird.
Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, kann die Erfindung auch in anderen spezifischen Formen ausgeführt sein, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Demgemäß sollte es verstanden werden, dass Ausführungsformen, die hier beschrieben und dargestellt wurden, nur exemplarisch sind und nicht als beschränkend für den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung anzusehen sind. Weitere Variationen und Modifikationen können in Übereinstimmung mit dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung gemacht werden.

Claims

Vorrichtung zum Aussetzen nur eines ausgewählten Abschnitts eines Stücks optischer Faser (140, 240, 340, 422, 526, 626, 712) einem Wasserstoffatmosphäre-Ladeprozess, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: a) eine Ladekammer (102, 202, 402, 510, 602), die mindestens den ausgewählten Abschnitt der optischen Faser einschließt und eine Wasserstoffatmosphäre enthält, b) mindestens ein Heizelement (110, 210, 610), das bereichsweise die Wasserstoffatmosphäre erhitzt, die den ausgewählten Abschnitt umgibt, und c) Gasdichtungen (534, 540), die an Endteilen des ausgewählten Abschnitts der optischen Faser befestigt sind, so dass die Röhre abgedichtet wird, wenn die Faser in Position gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladekammer (102, 202, 402, 510, 602) eine erste Röhre aufweist, die nur den ausgewählten Abschnitt der optischen Faser konzentrisch umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Heizelement (110, 210, 610) die Wasserstoffatmosphäre auf eine Temperatur von mindestens 250°C erhitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ladekammer (102, 202, 402, 510, 602) eine Druckkammer ist, die eine Hochdruckatmosphäre enthalten kann und ausgelegt ist, um Drücke bis zu 3000 psi zu enthalten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend Gasdichtungen (534, 540), die an den Enden der ersten Röhre angeordnet sind, die die Wasserstoffatmosphäre enthalten und dabei den Durchgang des Stücks optischer Faser zu erlauben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend Kühlröhren (104, 204), die an Enden der ersten Röhre befestigt sind, wobei die Kühlröhren (104, 204) Kühlzonen festlegen und die Kühlröhren (104, 204) Dichtungen aufweisen, welche die Kühlzonen von der Ladekammer (102, 202, 402, 510, 602) trennen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ladekammer (102, 202, 402, 510, 602) einen Behälter (100, 200, 301, 400, 500) aufweist, der das ganze Stück optischer Faser einschließt, wobei das Heizelement (110, 210, 610) neben dem ausgewählten Abschnitt der optischen Faser angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, ferner aufweisend eine Zweispulenanordnung, wobei die Endabschnitte des Stücks der optischen Faser auf seitlich beabstandeten Spulen aufgewickelt sind und der ausgewählte Abschnitt in Feldmitte hängt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, aufweisend einen ersten und einen zweiten Klemmbehälterblock (502, 504), wobei die Behälterblöcke Taschen haben, welche die Ladekammer (102, 202, 402, 510, 602) festlegen, wenn die Behälterblöcke zusammengeklemmt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Kühlbereich und einen Mechanismus, der die Faser von der Ladekammer (102, 202, 402, 510, 602) zum Kühlbereich bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Vorheizkammer, welche die Wasserstoffatmosphäre erhitzen kann, bevor die Wasserstoffatmosphäre in die Ladekammer (102, 202, 402, 510, 602) eingeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Heizelement (110, 210, 610) in der Ladekammer (102, 202, 402, 510, 602) ein steuerbares Heizgerät aufweist, wobei das Heizelement neben dem Platz für den ausgewählten Abschnitt der Faser angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Druckdichtung, die dazu geeignet ist, dazu beizutragen, eine Wasserstoffatmosphäre in der Ladekammer (102, 202, 402, 510, 602) zu enthalten, physisch an der optischen Faser befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Druckdichtung ein aushärtbares Elastomer aufweist, das sich an einer Grenze zwischen dem ausgewählten Abschnitt der optischen Faser und einem nicht ausgewählten Abschnitt befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend mindestens eine wiederverschließbare Dichtung, die in Kontakt mit der optischen Faser steht, wenn die Wasserstoffatmosphäre in der Ladekammer (102, 202, 402, 510, 602) enthalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die mindestens eine wiederverschließbare Dichtung sich an einer Grenze zwischen dem ausgewählten Abschnitt der optischen Faser und einem nicht ausgewählten Abschnitt befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die mindestens eine wiederverschließbare Dichtung eine Elastomerhülse aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Mechanismus, um den ausgewählten Abschnitt der optischen Faser aus der Ladekammer (102, 202, 402, 510, 602) vorzuschieben, nachdem das Laden beendet ist.