DE69312822T2

DE69312822T2 - Mit Seltenen Erden oder Übergangsmetallen dotierter optische Fasern enthaltender Gegenstand

Info

Publication number: DE69312822T2
Application number: DE69312822T
Authority: DE
Inventors: Sungho Jin; Paul Joseph Lemaire; Kenneth Lee Walker
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1993-08-20
Publication date: 1997-11-27
Anticipated expiration: 2013-08-21
Also published as: KR100281255B1; US5274734A; DK0585088T3; JP2872544B2; EP0585088A3; CA2099946A1; EP0585088A2; DE69312822D1; EP0585088B1; CN1044040C; JPH06211544A; MX9305096A; CN1084641A; CA2099946C; KR940004998A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Gegenstände, einschließlich Nachrichtensysteme, die mit Ge, Al und einer seltenen Erde (z.B. Er) oder mit einem Übergangsmetall (z.B. Cr) dotierte Faseroptik beinhalten.

Allgemeiner Stand der Technik

In den meisten gängigen und abzusehenden Faseroptiknachrichtensystemen wird Faseroptik auf Siliciumdioxidbasis, typischerweise Einmodenfaser mit einem Gedotierten Kern, eingesetzt.
Bekannt ist, daß die Einwirkung von H&sub2; auf derartiges Fasermaterial zu einer erhöhten Abschwächung der Signalstrahlung in der Faser führen kann. Unter typischen Betriebsbedingungen stellt ein derartiger H&sub2;-induzierter Verlust jedoch bei üblichen Ge-dotierten Einmodenfasern auf Siliciumdioxidbasis kein wesentliches Problem dar. Siehe beispielsweise A. Tomita et al., Electronics Letters, Band 21, S. 71 (1985), wo zusätzliche Verluste bei 1,3 und 1,55 µm von weniger als 0,01 dB/km nach 20 Jahren vorausgesagt werden. Siehe auch P.J. Lemaire et al., Conference Proceedings, 10th European Conference on ootical Communications, September 1984, Stuttgart, wo offenbart wird, daß "herkömmliche", Ge, Pe und/oder F enthaltende Einmodenfasern sehr beständig gegen OH- Bildung bei der Einwirkung von Wasserstoff auf die Faser bei erhöhten Temperaturen sind, daß jedoch "... an alumina doped fiber reacted quickly to form Al-OH" [... es bei einer mit Aluminiumoxid dotierten Faser zu einer raschen Reaktion unter Bildung von Al-OH kam].
Bekannt ist auch, daß Fasermaterial mit einer (beispielsweise kohlenstoffhaltigen) Beschichtung versehen werden kann, die im wesentlichen H&sub2;- und H&sub2;O-undurchlässig ist. Siehe zum Beispiel US-Patent 5,000,541. Derartiges "hermetisches" Fasermaterial kann günstig für Anwendungszwecke wie die Datenerfassung bei Ölquellen oder für unterseeische Systeme eingesetzt werden. Aus dem 541er Patent ist auch die Verwendung von "Getter-"Zentren zur Bindung von in das Mantelmaterial der Faser eindiffundierendem Wasserstoff bekannt, so daß der Wasserstoff nicht in den optisch aktiven Bereich (der aus dem Kern und eventuell einem geringfügigen Teil des dem Kern unmittelbar benachbarten Mantels besteht) der Faser gelangt. Siehe auch P.J. Lemaire et al., Materials Research Society Symposium Proceedings, Band 172, s. 85 (1990), wo unter anderem auf s. 96 offenbart wird, daß "...the reaction of H&sub2; in optically inactive portions of a hermetic fiber can be advantageously used to scavenge trace amounts of hydrogen that might be present, leading to further improvements in fiber reliability" [...die Reaktion von H&sub2; in optisch nicht aktiven Teilen einer hermetischen Faser vorteilhaft zum Abfangen von eventuell vorhandenen Wasserstoffspuren eingesetzt werden kann, was zu weiter verbesserter Funktionssicherheit der Fasern führt].
P.J. Lemaire et al., Technical Digest-Symposium on Optical Fiber Measurements, National Institute of Science and Technology, Boulder, Colorado, September 1990, Sonderveröffentlichung Nr. 792, offenbaren unter anderem ein Modell für die Diffusion von Wasserstoff in hermetischem Fasermaterial mit reaktiven (Getter-)Zentren und geben Versuchsergebnisse für herkömmliches Fasermaterial an.
US-Patent 5,059,229 befaßt sich mit dem "vorübergehenden wasserstoffempfindlichen Abschwächungsphänomen" und offenbart das Faserziehen aus dem Vorformling in Gegenwart eines H&sub2;-haltigen Gases im Ziehofen.
Aus A. Oyobe et al., Technical Digest, Conference on Optical Fiber Communication, San Diego, Kalifornien, Februar 1992, ist eine straff gewickelte hermetische erbiumdotierte Faser (Er-dotierter Ge-Siliciumdioxid zentralkern, Ge-Siliciumdioxid-Kernrandbereich, F-dotierter Siliciumdioxidmantel) bekannt. Mit der hermetischen Kohlenstoffbeschichtung wurde die 200 m lange Faser versehen, um eine mechanische Ermüdung zu verhindern. Die Wendel war zur Verwendung in einem kleinbauenden Faseroptikverstärker vorgesehen.
Es ist bekannt, Er-dotierte Verstärkerfasern mit Al zu kodotieren. Angenommen wird unter anderem, daß durch die Gegenwart von Aluminiumoxid im Zentralkernbereich höhere Er-Gehalte in diesem Bereich zu erzielen sind als in einer Al-freien Faser. Siehe beispielsweise US-Patent 5,058,976.

Darstelluug der Erfindung

Die Erfindung ist wie in den Patentansprüchen umschrieben. Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf unsere unerwartete Erkenntnis, daß mit Ge, Al und einem Seltenerd-(SE-; Ordnungszahlen 57-71) Element (der Einfachheit halber seien derartige Fasern als "SE- dotierte" Fasern bezeichnet. Handelt es sich bei SE um Er, dann seien sie als "Er-dotierte" Fasern bezeichnet) dotierte Lichtleitfasern auf Siliciumdioxidbasis um ein Vielfaches empfindlicher gegenüber wasserstoffinduzierter Abschwächungsveränderung sind als sonst identische SE- und Al-freie Fasern. Beispielsweise haben wir gefunden, daß unter bestimmten Bedingungen bei manchen Er-dotierten Fasern die wasserstoffinduzierten Verluste mit Geschwindigkeiten ansteigen, die bei 20ºC etwa 10&sup6;mal so hoch sind wie bei üblichen Einmodenlichtleitfasern auf Siliciumdioxidbasis. Dies ist mit nur mit Al-dotiertem Fasermaterial auf Siliciumdioxidbasis vergleichbar. Bei derartigem Fasermaterial liegt der wasserstoffinduzierte Verlust über jenem von üblichem Fasermaterial, aber weit unter jenem von SE-dotiertem Fasermaterial.
Die Länge von Lichtverstärkerfaser in einem Nachrichtensystem ist typischerweise sehr gering im Vergleich zur Länge des herkömmlichen Fasermaterials im System (beispielsweise 30 Meter Verstärkerfaser je km). Auf den ersten Blick mag die neu aufgefundene Empfindlichkeit von SE-dotiertem Fasermaterial gegenüber H&sub2;-induzierten Verlusten daher nicht als wesentliches Problem erscheinen, da nur etwa 0,1% der Gesamtfaserlänge von dem Problem betroffen ist und da die Signalabschwächung in nicht gepumptem Verstärkerfasermaterial in der Regel verhältnismäßig hoch ist. Wegen der sehr hohen Anfälligkeit des SE-dotierten Fasermaterials gegenüber H&sub2;-induzierten Verlusten sind jedoch um 1 bis 10 dB je Verstärkerabschnitt erhöhte Abschwächungen möglich. Das ist natürlich gleichbedeutend mit einer Verringerung des Verstärkungsfaktors um etwa den gleichen Betrag, was eine ganz erhebliche Veränderung des Verstärkungspegels darstellt. (Dem Fachmann ist bekannt, daß man in einem typischen optisch verstärkten Fasernachrichtensystem mit einer Verstärkung je Verstärkerabschnitt um 10-30 dB rechnet).
Bei praktisch verwendbaren Nachrichtensystemen, z.B. einem unterseeischen interkontinentalen Fasernachrichtensystem, können derart große Veränderungen der Verstärkung vielfach nicht einfach hingenommen werden. Die vorliegende Anmeldung berichtet einerseits über die Entdeckung dieses ernstlichen, unerwarteten Problems, offenbart aber auch Wege, das Problem zu lösen.
Wir halten derzeit auch dafür, daß mit einem Übergangsmetall dotierte Lichtleitfaser (mit oder ohne Al-Dotierung) auf Siliciumdioxidbasis gleichfalls eine große Anfälligkeit gegenüber H&sub2;-induzierten Verlusten aufweisen wird. Derartiges Fasermaterial ist z.B. für Abschwächer von Interesse. Selbstverständlich sollte der Verlustwert eines Abschwächers konstant sein und nicht mit Einwirkung von Wasserstoff variieren. Die hier offenbarten Lösungen gelten auch für mit Übergangsmetall dotierten Fasern.
Allgemein gesprochen handelt es sich bei einer Ausführungsform der Erfindung um einen Gegenstand oder ein System (kollektiv "Gegenstand"), der bzw. das einen ersten Lichtleitfaserabschnitt auf Siliciumdioxidbasis beinhaltet, die aus einem Kernbereich und einem den Kernbereich umgebenden Mantelbereich besteht, wobei der Kernbereich Ge, Al und ein aus der Reihe der seltenen Erden (Ordnungszahlen 57-71) gewähltes Element enthält. Ferner beinhaltet der Gegenstand Mittel, um die Anzahl von aus dem Mantelbereich in den Kernbereich der ersten Lichtleitfaser eintretenden Wasserstoffatomen oder -molekülen (kollektiv "Atome") zu vermindern, wie aus einer Verringerung der Geschwindigkeit, mit der sich die wasserstoffinduzierte optische Abschwächung bei der Betriebswellenlänge des Gegenstandes gegenüber der entsprechenden Geschwindigkeit in einem sonst identischen Gegenstand, der diese Mittel nicht beinhaltet, um mindestens 90% hervorgeht. Beispielhaft für derartige Mittel sind eine entsprechende Faserbeschichtung und/oder Wasserstoffgettermaterial enthaltende Mittel. Der Geschwindigkeitsvergleich erfolgt typischerweise bei der entsprechenden Betriebstemperatur des Gegenstandes.
Bei einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die erste Lichtleitfaser einen Kernbereich, der ein beispielsweise aus der Reihe Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag und Au gewähltes Übergangsmetall enthält. Typischerweise enthält der Kernbereich auch Ge und gegebenenfalls auch Al oder einen anderen herkömmlichen Dotierstoff.
Unter Gettern ist hier entweder Gettern durch Fehlstellen, typischerweise, wenn auch nicht unbedingt, im optisch inaktiven Teil der Lichtleitfaser, oder durch Hydridbildung oder wasserstofflösende Materialien außerhalb der Lichtleitfaser zu verstehen. Im ersten Fall erfolgt eine rasche Reaktion von Wasserstoff an Fehlstellenzentren im Glas der Faser auf solche Weise, daß es durch die Reaktion nicht zu schädlichen Veränderungen der Verlustwerte bei einer interessanten Wellenlänge kommt. Erreicht wird dies typischerweise dadurch, daß die Fehlstellenzentren außerhalb des lichtleitenden (optisch aktiven) Bereichs der Faser angeordnet werden, gegebenenfalls aber auch, indem im optisch aktiven Bereich Fehlstellen vorgesehen werden, deren Beitrag zum Verlust sich bei ihrer Umsetzung mit Wasserstoff nicht ändert.
Bei einem erfindungsgemäßen Gegenstand kann es sich um ein Bauteil wie einen Lichtfaserverstärker oder einen Faserabschwächer oder aber um ein das Bauteil beinhaltendes System handeln. Beispielsweise beinhaltet ein derartiges System zur Lieferung eines Lichtsignals der Wellenlänge λs (einer Betriebswellenlänge) geeignete Signalerzeugungsvorrichtungen, zum Empfang des optischen Signals geeignete, von den Erzeugungsvorrichtungen beabstandete Signalerfassungsvorrichtungen sowie für die signalübertragende Verbindung der Erzeugungsvorrichtungen und der Erfassungsvorrichtungen geeignete Faseroptikein richtungen. Die Faseroptikeinrichtungen beinhalten die erste Lichtleitfaser. Beispielsweise beinhaltet das System auch eine Quelle für Pumpstrahlung einer Wellenlänge < λs und Vorrichtungen zur Einkopplung der Pumpstrahlung in die erste Lichtleitfaser.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zumindest ein Teil der ersten Lichtleitfaser in einer im wesentlichen hermetischen Umhüllung eingeschlossen, wobei sich auch noch eine gewisse Menge an Wasserstoffgettermaterial (z.B. hydridbildende oder wasserstoffabsorbierende Metalle, Legierungen, intermetallische Verbindungen oder metallorganische Verbindungen, typischerweise in einer eine große Oberfläche vermittelnden Form wie etwa einem Pulver oder porösem Schüttgut) in der Umhüllung befindet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel beinhaltet das den Kern der ersten Faser umgebende Mantelmaterial ein sich zum Gettern von Wasserstoff eignendes Glas. Bei bevorzugten Ausführungsformen besteht der Mantel im wesentlichen aus sich zum Gettern von Wasserstoff eignendem Siliciumdioxid. Es wurde von uns gefunden, daß manche handelsübliche Quarzgläser (z.B. Siliciumdioxidrohre des Typs Heraeus F300 sowie Wellenleiterqualität-Quarzglasrohre des Typs General Electric 982 WGY) nach herkömmlicher Faserverarbeitung als Wasserstoffgetter wirken können, während andere handelsübliche Quarzgläser (z.B. manches Rohrmaterial aus durch Flammenschmelzen verarbeitetem Naturquarz) im allgemeinen nicht nur kein Gettermaterial darstellen, sondern sogar als Wasserstoffdonor wirken können. Die entsprechende Wahl eines Quarzglassubstrats oder eines übermantelten Rohres stellt daher einen Aspekt der Erfindung dar. Mantelmaterial muß sich jedoch nicht unbedingt aus einem bereits bestehenden Quarzglassubstrat und/oder übermantelten Rohr herleiten, sondern kann beispielsweise auch Sol-Gel-Material darstellen oder an Ort und Stelle gebildet werden. Dabei können beispielsweise Getterzentren im Mantelmaterial vorliegen, vorzugsweise im Außenmantel, wenn es sich bei dem Material um unter hoher Spannung gezogenes reines Siliciumdioxid mit niedrigem OH-Gehalt handelt.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beinhaltet die Faser eine "hermetische" Beschichtung, d.h. eine Beschichtung, die in einer getterfreien Faser bei 70ºC den maximalen Wasserstoffvolumenfluß aus der Umgebung in den Faserkern gegenüber dem Volumenfluß in den Kern einer sonst identischen, keine Beschichtung aufweisenden Faser wesentlich (um mindestens 90%, vorzugsweise um 99% oder mehr) verringert.
Dem Fachmann wird klar sein, daß gegebenenfalls die erste der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen mit der zweiten und/oder dritten Ausführungsform kombiniert werden kann. Bevorzugt wird von uns derzeit eine Kombination der zweiten und der dritten Ausführungsform.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die in Figur 1 dargestellten Daten veranschaulichen den großen Unterschied in der Anfälligkeit gegen wasserstoffinduzierte Verlustzunahme zwischen herkömmlichem Fasermaterial auf Siliciumdioxidbasis und SE- dotiertem Fasermaterial;
in Figur 2 sind beispielhafte Daten über die wasserstoffinduzierte Verlustzunahme als Funktion der Wellenlänge dargestellt;
Figur 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
in Figur 4 sind Vorhersagen über die erhöhten Verluste bei zwei beschichteten Fasern dargestellt; die Figuren 5 und 6 zeigen beispielhafte Daten über die Verlustzunahme als Funktion der Zeit; und
in Figur 7 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung abgebildet, nämlich ein Lichtleitfasernachrichtensystem mit optischer Verstärkung.

Ausführliche Beschreibung

In Figur 1 ist (dαOH/dt)anfänglich (die anfängliche Geschwindigkeit der durch OH in der Faser bedingten Faserverlustzunahme) gegen den Kehrwert der absoluten Temperatur dargestellt. Die anfängliche Geschwindigkeit ist bekanntlich ein Maß für die Anfälligkeit einer Faser gegen wasserstoffinduzierten Verlust. Siehe beispielsweise A. Tomita et al., op. cit. Erhalten wurden die Daten durch Beaufschlagung herkömmlicher Einmodenübertragungsfasern (5D-Faser von AT&T; Kurve 10) und Erdotierten Einmodenverstärkerfasermaterials (Kerndotierung 18% GeO&sub2;; 2% Al&sub2;O&sub3; und 200 ppm Er; Kurve 11) mit 1 Atmosphäre H&sub2; bei verschiedenen Temperaturen und Messen der Geschwindigkeit der Faserverlustzunahme bei λ-1,4 µm.
Figur 1 ist zu entnehmen, daß bei 70ºC die anfängliche Zunahmegeschwindigkeit der 5D-Fasern und der Er-dotierten Fasern etwa 10&supmin;&sup4; bzw. 3 dB/km Stunde und bei 7ºC etwa 3 x 10&supmin;&sup8; bzw. 6 x 10&supmin;² dB/km Stunde beträgt. Figur 1 zeigt daher deutlich den enormen Unterschied bei der Anfälligkeit gegen wasserstoffinduzierten Verlust zwischen Gedotiertem herkömmlichem Übertragungsfasermaterial und Erdotiertem Verstärkerfasermaterial, besonders bei zu erwartenden Betriebstemperaturen (z.B. 3-70ºC).
Nun zeigen wir auf, daß man durch entspechende Wahl und Anordnung von Gettermaterial und/oder "hermetischer" Faserbeschichtung die Anfälligkeit gegen wasserstoffinduzierte Verluste von SE-dotierten Fasern erheblich verringern kann, oft auch auf ein unbedeutendes Niveau. Der übrige Teil der einschlägigen Erörterungen ist in erster Linie Er-dotiertem Fasermaterial gewidmet, doch beschränkt sich die Erfindung nicht auf dieses. Angesichts der bekannten recht ähnlichen chemischen Eigenschaften der seltenen Erden ist zu erwarten, daß mit einer anderen seltenen Erde als Er (z.B. Pr, Nd, Yb, Ho) dotierte Fasern sich ganz ähnlich wie Er-dotiertes Fasermaterial verhalten. Zu erwarten ist auch, daß mit einem Übergangsmetall (oder Übergangsmetallen) dotiertes Fasermaterial auf Siliciumdioxidbasis gleichfalls erhebliche Anfälligkeit gegenüber wasserstoffinduzierten Veränderungen der Abschwächung (abnehmende oder zunehmende Abschwächung) aufweist und daß diese Anfälligkeit ebenso verringert werden kann wie jene von Er-dotiertem Fasermaterial.
In Figur 2 ist die wasserstoffinduzierte Verlustzunahme in einer Er-dotierten Faser auf Siliciumdioxidbasis nach 24 Stunden bei 213ºC in 10&supmin;&sup4; Atmosphären H&sub2; dargestellt. Die Faser war nicht mit einer "hermetischen" Beschichtung versehen, und es erfolgte daher eine rasche Erschöpfung der im Mantel vorhandenen Getterzentren durch Umsetzung mit Wasserstoff. Der wichtigste Verlustpeak bei ungefähr 1,43 µm dürfte auf die Bildung von OH im Faserkern zurückgehen. Dazu ist zu bemerken, daß dieser Peak eine erhebliche Verlustzunahme bei 1,48 µm (einer möglichen Pumpwellenlänge für Verstärker mit Er-dotiertem Fasermaterial) und bei 1,55 µm (der voraussichtlichen Signalwellenlänge) bewirkt.
Unseren Ermittlungen zufolge kann für Fasermaterial wie das zur Gewinnung der Daten in Figur 2 herangezogene die anfängliche Geschwindigkeit der OH- Verlustzunahme bei λ = 1,43 µm aus der Formel
(dαOH/dt) anfänglich = (k /2kL) [ - 1 +(1+4(kL/kH)²PH)1/2]
vorausgesagt werden, in der PH den Wasserstoffdruck in Atmosphären bedeutet,
kL =CAlx6, 9x10³ exp (-8,30kcal Mol &supmin;¹/RT) dB/(km Stunde atm ppm)
und
kH = x1, 17x10&sup6; exp (-12,4kcal Mol &supmin;¹/RT) dB/(km Stunde atm1/2 ppm1/2),
wobei CAl die Al-Konzentration im Faserkern in ppm (1 ppm = 10&supmin;&sup6; Mol Al/Mol SiO&sub2;), R die Gaskonstante und T die absolute Temperatur bedeutet. Die Verlustzunahmen bei 1,48 bzw. 1,55 µm betragen bei einer Faser mit 2 x 10&supmin;&sup4; ppm Al ungefähr das 0,5- bzw. 0,2-fache des Verlustes bei 1,43 µm. Die vorstehenden Formeln verkörpern den derzeitigen Stand unserer Erkenntnisse, durch weitere Untersuchungen können sich aber Veränderungen ergeben. Die Offenlegung der Formeln soll dem besseren Verständnis der Erfindung dienen, ohne aber den Schutzbereich der Erfindung von der Richtigkeit der Formeln abhängig machen zu wollen.
Aus den vorstehenden Formeln läßt sich feststellen, daß bei einer Betriebstemperatur von 75ºC und unter Annahme einer 25-jährigen Lebensdauer der Einrichtungen der Pumpverlust (bei 1,48 µm) in einem Meter langen Faserabschnitt bei Beaufschlagung der Faser mit einer Atmosphäre mit einem Wasserstoffpartialdruck von 1,4 x 10&supmin;&sup7; Atmosphären um etwa 0,25 dB zunähme. Unter sonst gleichen Bedingungen ergäbe sich die gleiche Zunahme bei einer Betriebstemperatur von 3ºC aus einem Wasserstoffpartialdruck von 1,9 x 10&supmin;&sup5; Atmosphären. Höhere Wasserstoffdrücke ergäben höhere Verluste.
Typische Umgebungswasserstoffdrücke in der Atmosphäre liegen um 10&supmin;&sup6; Atmosphären. In einem umschlossenen Bereich können auch viel höhere Wasserstoffdrücke (gegebenenfalls bis zu mehreren Atmosphären) auftreten, wenn in demselben irgendwelche Korrosionselemente oder H&sub2;-entwickelnde Polymere vorhanden sind. Unerwünscht hohe Anstiege des Wasserstoffgehalts in einem umschlossenen Raum lassen sich durch Einbringen eines entsprechenden Wasserstoffgettermaterials in den umschlossenen Raum verhindern. So beinhaltet ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Stück SE- (oder übergangsmetall-)dotierte Faser und eine bestimmte Menge an Wasserstoffgettermaterial in einem umschlossenen Raum, wie schematisch in Figur 3 abgebildet. In Frage kommen als Gettermaterialien beispielsweise bekannte Wasserstoffgettermetalle wie Ti oder Zr, Legierungen solcher Metalle, intermetallische Verbindungen wie Zr(V1-xFex)&sub2;, ZrMnxFey, LaNi5-xAlx, Mg&sub2;Ni, ErFe&sub2;, DyFe&sub2;, YFe&sub2;, CeCo&sub2;, CeNi&sub2;, NdCo&sub3; sowie metallorganische Verbindungen, z.B. eine mit einer organischen Verbindung wie Anthracen oder Perylen umgesetzte intermetallische Verbindung wie SmMg&sub3;. Weitere Informationen über mögliche Gettermaterialien sind z.B. K.H.J. Buschow im "Handbook of the Physics and Chemistry of Rare Earths", Band 6, S. 90-97; "Hydrogen in Intermetallic Compounds", Band 1, 1988, Herausgeber L. Schlapbach, S. 66-67, sowie Band II, 1991, S. 226-227; M.H. Mendelsohn et al., Journal of the Less Common Metals, Band 74, S. 449-453 (1980); C. Boffito et al., J. of the Less Common Metals, Band 104, S. 149-157 (1984); H. Imamura et al., J. of the Less Common Metals, Band 106, S. 229-239, (1985); sowie R.M. van Essen et al., Materials Research Bulletin, Band 15, S. 1149-1155 (1980) zu entnehmen.
Erstrebenswert ist bei einem derartigen Wasserstoffgettermaterial eine verhältnismäßig hohe (beispielsweise > 0,01, vorzugsweise > 0,1 Mol H&sub2; je Mol des Gettermaterials) Löslichkeit für Wasserstoff bei Partialdrücken weit unter einer Atmosphäre (z.B. < 10&supmin;³ Atmosphären) und bei Temperaturen nahe der Zimmertemperatur (z.B. 0-80ºC) sowie einem Plateaudruck weit unter 1 Atmosphäre (z.B. ≤0,1 Atmosphären, vorzugsweise < 10&supmin;³ oder sogar < 10&supmin;&sup5; Atmosphären) im gleichen Temperaturbereich. Das Gettermaterial kann in jeder gewünschten Form vorliegen, z.B. als Pulver, poröser Feststoff oder Dünnschicht, wobei diese auf jedem geeigneten Substrat einschließlich der Faseroberfläche aufgebracht sein kann. Das Gettermaterial kann nackt vorliegen oder mit einer Schutzschicht versehen sein, vorausgesetzt daß die Schicht wasserstoffdurchlassig ist. Gegebenenfalls wird das Gettermaterial kurz vor Fertigstellung der Umhüllung durch eine geeignete, bekannte Wärmebehandlung "aktiviert".
In Figur 3 sind schematisch einschlägige Aspekte einer beispielhaften, hermetisch abgeschlossenen, Wasserstoffgettermaterial enthaltenden Lichtverstärkerbaugruppe aufgezeigt. Das optische Eingangssignal 30 in der Übertragungsfaser 36 tritt in den Wellenlängenmultiplexer 31 ein. Pumplaser 32 strahlt Pumpstrahlung 39 aus, die gleichfalls in 31 eintritt und zusammen mit der Signalstrahlung in Verstärkerfaser 33 eingekoppelt wird. Nach der Verstärkung tritt die Signalstrahlung in Übertragungsfaser 36' ein. Ziffer 35 bezieht sich auf die Signalausgangsstrahlung. Innerhalb der hermetischen Umhüllung 38 ist eine gewisse Menge Wasserstoffgetter material 37 angeordnet, beispielsweise ein leicht gesinterter Körper aus ErFe&sub2;-Pulver in einem Drahtgeflechthalter. Die Ziffern 34 beziehen sich auf Faserspleißstellen. Elektrische Bauelemente und Verbindungen, aber auch wahlfreie optische Komponenten (z.B. Isolatoren, Abgriffe) sind nicht dargestellt. Gegebenenfalls enthält die Baugruppe eine verhältnismäßig inerte Atmosphäre, z.B. Ar oder N.
Bekanntlich können "hermetische" Beschichtungen dazu verwendet werden, die an einen Wasserstoffkern gelangenden Wasserstoffmengen in Grenzen zu halten. Man erreicht dies, indem man die aus der mit der Faser in Berührung stehenden Atmosphäre in den Fasermantel eintretende Wasserstoffmenge in Grenzen hält. Hier sei eine Beschichtung dann als "hermetische" Beschichtung bezeichnet, wenn sie bei 70ºC den maximalen Wasserstoffvolumenfluß in den Kern einer getterfreien Faser auf höchstens 10% (vorzugsweise höchstens 1%) des maximalen Volumenflusses in den Kern einer sonst identischen unbeschichteten Faser verringert. Bekannt sind Kohlenstoffbeschichtungen, die bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen, z.B. 40ºC und darunter, im wesentlichen wasserstoffundurchlässig sind und bei etwas höheren Temperaturen (z.B. 40-100ºC) den Volumenfluß wesentlich herabsetzen.
Man nimmt an, daß die Wasserstoffdiffusion durch eine hermetische Beschichtung in zwei Stufen erfolgt. Bei der ersten Stufe dringt Wasserstoff nur in das Beschichtungsmaterial ein, ohne den Fasermantel zu erreichen. Im ersten Stadium tritt daher im wesentlichen keine Verlustzunahme auf. Die Länge des ersten Stadiums wird durch eine Zeitkonstante τi gekennzeichnet. Nach der anfänglichen Verzögerungszeit gelangt etwas Wasserstoff in den Mantel und kann daher (wenn das Mantelmaterial keine Getterzentren enthält) in verhältnismäßig kurzer Zeit den Faserkern erreichen. Die Geschwindigkeit, mit der Wasser stoff im zweiten Stadium in die Faser eindringt, kann durch eine Zeitkonstante τf charakterisiert werden. Die Verlustzunahme zum Zeitpunkt (t) größer als τi und kleiner als τf kann durch die Formel
ΔαOH,anfänglich [kLPH,ext (t-τi)²]/2τf,
ausgedrückt werden, in der PH/ext den Umgebungswasserstoffdruck darstellt und alle anderen Symbole schon früher definiert worden sind. Die Zeitkonstanten τi und τf sind Eigenschaften der hermetischen Beschichtung und hängen nicht von der darunterliegenden Faserzusammensetzung ab.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die mit SE (oder Übergangsmetall) dotierte Faser mit einer hermetischen Beschichtung versehen. Bei der Beschichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Kohlenstoffbeschichtung.
Dem Fachmann wird einleuchten, daß die Bereitstellung einer hermetischen Beschichtung typischerweise nicht vorteilhaft ist und sogar schädlich sein könnte, wenn die Faser Material enthält, das Wasserstoff oder eine wasserstoffhaltige Spezies freisetzen kann. Es wurde nun gefunden, daß manche Quarzglastypen tatsächlich Wasserstoff freisetzen können. Beispielsweise wird zumindest bei manchen durch Vakuumlichtbogenentgasung hergestellten Siliciumdioxidfasern absichtlich wasserstoffentwickelndes Außenmantelmaterial eingesetzt, um die Verarbeitung zu vereinfachen und Übertragungseigenschaften zu verbessern. Ein derartiges Material sollte man in einer Faser des hier in Frage kommenden Typs im allgemeinen nicht einsetzen. Ob ein bestimmter Quarzglastyp als Wasserstoffgetter fungieren kann oder nicht, läßt sich leicht feststellen, wie nachstehend erörtert sei.
In Figur 4 sind vorausgesagte Verlustzunahmen bei 1,43 µm für zwei 20 m lange Stücke Er-dotierten Fasermaterials mit verschiedenen hermetischen Beschichtungen dargestellt. Angenommen wurde dabei, daß die Fasern keine Getterzentren enthalten. Angenommen wurde weiter eine Temperatur von 40ºC, ein Wasserstoffaußendruck von 10&supmin;³ Atmosphären und kL = 136 dB/km Stunde Atmosphäre. Durch Beschichtung B (Kurve 40), bei der davon ausgegangen wurde, daß ihre Bildung unter typischen Bedingungen (Einsatz von C&sub2;H&sub2;, Cl&sub2; und N&sub2;, Stärke etwa 40 nm; siehe das 541er Patent) erfolgt war, wird die wasserstoffinduzierte Verlustzunahme gegenüber einer sonst identischen unbeschichteten Faser erheblich verringert. Bei Beschichtung A (Kurve 41) wurde davon ausgegangen, daß sie unter Bedingungen gebildet wurde, deren die Hermetizität weiter verbessernde Wirkung bekannt ist (unter Einsatz von C&sub2;H&sub2; und H&sub2;; Stärke über 60 nm; derartige Beschichtungen können jedoch zu etwas geringerer Faserfestigkeit führen und sind daher nicht immer bevorzugt). Wie Figur 4 zeigt, tritt bei einer Faser mit Beschichtung A unter den angenommenen Bedingungen während einer typischen, auf 25 Jahre ausgelegten Standzeit im wesentlichen keine wasserstoffinduzierte Verlustzunahme auf.
Wie schon erwähnt, wurde gefunden, daß manche Arten von Quarzglas einschließlich handelsüblichen Materials wie Heraeus F300 Wasserstoffgetterzentren enthalten können. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung beinhaltet daher eine mit SE (oder Übergangsmetall) dotierte Lichtleitfaser mit wasserstoffgetterndem Quarzglas (typischerweise als Mantelmaterial). Ob ein bestimmter Quarzglastyp Wasserstoffgettereigenschaften aufweist oder nicht, läßt sich leicht durch Beaufschlagung einer nichthermetischen Faser (mit aus dem jeweiligen Siliciumdioxid bestehenden Mantel) mit niedrigen Wasserstoffgehalten bestimmen. Ist das Siliciumdioxid ein Wasserstoffgetter, so kommt es zu einer Verzögerungszeit vor einsetzender Verlustzunahme, wie dies in Fig. 5 beispielhaft dargestellt ist. Ist diese Verzögerung auf Getterreaktionen zurückzuführen, so ist ihre Dauer umgekehrt proportional dem Wasserstoffdruck. Die Daten der Figur 5 wurden bei 262ºC bei PH,ext von 10&supmin;&sup4; bzw. 10&supmin;&sup5; Atmosphären ermittelt.
Bei einer nichthermetischen Faser mit einem Außenradius b und Kernradius a kann die Konzentration der Getterzentren Cg im Mantel aus der folgenden Formel
Cg = 4DHCstg[2a²ln(a/b) -a²+b²]&supmin;¹
bestimmt werden, in der DH den Diffusionskoeffizienten für H&sub2; in SiO&sub2;, Cs die Gleichgewichtslöslichkeit von H&sub2; and SiO&sub2; und tg die Getterverzögerungszeit darstellt. Es wurde gefunden, daß im oben erwähnten F300-Siliciumdioxid die Konzentration an Getterzentren etwa 90 ppb beträgt. Nach unserem Dafürhalten kann Siliciumdioxid mit mehr als 10 ppb an Wasserstoffgetterzentren vorteilhaft zur Umsetzung der Erfindung in die Praxis herangezogen werden. Mit Konzentrationen unterhalb dieses Werts dürften keine wesentlichen Vorteile zu erzielen sein.
Eine wasserstoffinduzierte Änderung des Verlusts in den für die vorliegende Erfindung interessanten Fasern läßt sich am sichersten unterdrücken, indem zugleich gegettert und eine hermetische Beschichtung eingesetzt wird. Das Gettern kann mit Hilfe von außenliegendem Gettermaterial und/oder mit Hilfe von Gettereigezischaften aufweisendem Siliciumdioxidmantelmaterial erfolgen.
In Figur 6 sind Daten zur wasserstoffinduzierten Verlustzunahme bei 1,43 µm bei mit Er dotiertem hermetischem Fasermaterial mit einem etwa 94 ppb an Getterzentren enthaltendem Siliciumdioxidmantel dargestellt, das in einer H&sub2;-Atmosphäre und einem Druck von 1 atm auf einer Temperatur von 263ºC gehalten wurde. Die geringfügige Verlustzunahme für Zeiten < 6 Stunden ist auf Wasserstoffreaktionen in den nichthermetischen 5D-Anschlußfasern zurückzuführen, die aus experimentellen Gründen mit der Er-Faser verspleißt worden waren. Die beobachtete anfängliche Verzögerungszeit setzt sich aus der Diffusionsverzögerungszeit τi und einer Reaktionsverzögerungszeit tgh zusammen. Nach der Verzögerungszeit steigt der Wasserstoffgehalt innerhalb der Faser mit einer von der Zeitkonstanten τf abhängigen Geschwindigkeit an und nähert sich einem Gleichgewichtswert.
In der Tabelle 1 sind voraussichtliche Verzögerungszeiten (in Jahren) fur eine mit Er dotierte Faser mit 80 ppb an Getterzentren und mit bereits besprochenen hermetischen Beschichtungen A und B bei unterschiedlichen Temperaturen in 10&supmin;³ Atmosphären Wasserstoff aufgeführt. Tabelle I
Durch die offenbarte Vorgehensweise kann, wie ersichtlich, die Möglichkeit einer wesentlichen wasserstoffinduzierten Verlustzunahme in den für die vorliegende Erfindung interessanten Fasern unter im wesentlichen allen realistischen Betriebsbedingungen weitgehend ausgeschaltet werden.

Claims

1. Gegenstand mit Faseroptikeinrichtungen, die eine erste Lichtleitfaser (z.B. 33) auf Siliciumdioxidbasis beinhalten, die aus einem Kern und einem den Kern umgebenden Mantel besteht, wobei der Kern der ersten Lichtleitfaser

i) Ge, Al und ein aus der Reihe der seltenen Erden (Ordnungszahlen 57-71) gewähltes Element enthält oder

ii) ein Übergangsmetallelement enthält; wobei dem Gegenstand eine Betriebswellenlänge und eine Betriebstemperatur zugeordnet sind; DADURCH GEKENNZEICHNET,

daß der Gegenstand erste Mittel beinhaltet, um in der ersten Faser die Geschwindigkeit, mit der sich die wasserstoffinduzierte optische Abschwächung bei der Betriebswellenlänge und Betriebstemperatur verändert, gegenüber der entsprechenden Geschwindigkeit in einem sonst identischen Gegenstand, der diese Mittel nicht beinhaltet, um mindestens 90% zu verringern.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem die ersten Mittel Siliciumdioxidmantelmaterial beinhalten, das Wasserstoffgetterzentren enthält und mindestens einen Teil des ersten Fasermantels ausmacht.

3. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem die ersten Mittel eine gewisse Menge an Wasserstoffgettermaterial aus der Reihe der hydridbildenden oder wasserstoffabsorbierenden Metalle, Legierungen, intermetallischen Verbindungen und metallorganischen Verbindungen enthalten, wobei die gewisse Menge an Material und mindestens ein Teil der ersten Lichtleitfaser in einer im wesentlichen hermetische Umhüllung eingeschlossen sind.

4. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem die ersten Mittel eine auf wenigstens einem Teil der Länge der ersten Faser angeordnete Beschichtung beinhalten, die bei 70ºC den maximalen Wasserstoffvolumenfluß in den Kern gegenüber dem maximalen Volumenfluß in den Kern einer sonst identischen, keine Beschichtung aufweisenden Faser um mindestens 90% verringert, wobei die Beschichtung als "hermetische" Beschichtung bezeichnet sei.

5. Gegenstand nach Anspruch 4, bei dem die erste Faser Siliciumdioxidmantelmaterial beinhaltet, das mindestens 10 ppb an Wasserstoffgetterzentren enthält.

6. Gegenstand nach Anspruch 4, bei dem mindestens ein Teil der ersten Lichtleitfaser, zusammen mit einer gewissen Menge an Wasserstoffgettermaterial aus der Reihe der hydridbildenden oder wasserstoffabsorbierenden Metalle, Legierungen, intermetallischen Verbindungen und metallorganischen Verbindungen, in einer im wesentlichen hermetischen Umhüllung eingeschlossen ist.

7. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem es sich bei der ersten Lichtleitfaser um eine Verstärkerfaser handelt, deren Kern Ge, Al und ein Seltenerdelement enthält.

8. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem es sich bei der ersten Lichtleitfaser um eine Abschwächerfaser handelt, deren Kern ein Übergangsmetallelement enthält.

9. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Gegenstand um ein Faseroptiknachrichtensystem mit Strahlungssendeeinrichtungen und Strahlungsempfangseinrichtungen handelt, wobei die Faseroptikeinrichtungen die Sendeeinrichtungen und die Empfangseinrichtungen signalübertragend verbinden.

10. Gegenstand nach Anspruch 9, wobei die erste Lichtleitfaser zwischen den Sendeeinrichtungen und den Empfangseinrichtungen angeordnet ist und es sich bei ihr um eine Verstärkerfaser handelt, deren Kern Ge, Al und Er enthält.