DE69833515T2

DE69833515T2 - Verfahren zur Bestimmung einer Alterungsbedingung für faseroptisches Gitter

Info

Publication number: DE69833515T2
Application number: DE69833515T
Authority: DE
Inventors: Shinji c/o Yokohama Works Sakae-kuYokohama-shi Ishikawa; Toru c/o Yokohama Works Sakae-kuYokohama-shi Iwashima; Michiko c/o Yokohama Works Sakae-kuYokohama-shi Harumoto; Akira c/o Yokohama Works Sakae-kuYokohama-shi Inoue
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-05-01
Filing date: 1998-04-29
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2018-04-30
Also published as: CN1198412A; AU732416B2; CA2236347A1; KR19980086677A; DE69833515D1; KR100251611B1; EP0877263A3; US6137931A; EP0877263A2; AU6371298A; TW434193B; EP0877263B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Alterung optischer Fasergitter, die für Filter, Multi-/Demultiplexer, Dispersionskompensatoren und ähnliches in optischen Fasernetzwerken verwendet werden.
Stand der Technik
Ein optisches Fasergitter ist eine optische Faser, die in sich einen Bereich aufweist (meistens in ihrem Kernbereich), der mit einer periodischen Veränderung des Brechungsindex entlang der Längsrichtung der optischen Faser versehen ist. Der Bereich, in dem sich der Brechungsindex verändert, welcher als das Gitter bekannt ist, kann propagierendes Licht entsprechend seiner Wellenlänge transmittieren oder reflektieren. Entsprechend wird das optische Fasergitter auf unterschiedliche Arten optischer Elemente angewendet, wie beispielsweise Filter, Multi-/Demultiplexer, Dispersionskompensatoren und dergleichen.
Wie in 1 gezeigt, wird ein Gitter 20 häufig durch ein Verfahren ausgebildet, das die Schritte des Herstellens einer Silizium basierten optischen Faser 10 umfasst, der GeO₂ (Germaniumdioxid) zumindest im Kernbereich hinzugefügt ist, Bestrahlen dieser optischen Faser 10 mit einem Interferenzmuster, das durch Licht 30 einer vorbestimmten Wellenlänge ausgeformt wird, und Erzeugen einer Veränderung des Brechungsindex korrespondierend zu einer optischen Energieintensitätsverteilung dieses Interferenzmusters. Da die optische Faser 10 üblicherweise mit einer Plastiklage (nicht gezeigt) umkleidet ist, wird ein Teil der Umkleidung entfernt und daher wird der freigelegte Teil der optischen Faser 10 mit dem Licht 30 bestrahlt. In 1 bezeichnet das Referenzzeichen 22 Teile, in denen durch die Bestrahlung ein größerer Betrag des Ansteigens des Brechungsindex eingebracht wird, wobei das Referenzzeichen 24 Teile bezeichnet, in denen ein geringerer Betrag des Ansteigens des Brechungsindex eingebracht wird. Das Gitter 20 ist ein Bereich, in dem die Teile 22 und 24 alternierend und periodisch entlang der Längsrichtung der optischen Faser 10 angeordnet sind.
Es wurde erwogen, dass die Bestrahlung mit einer bestimmten Lichtwellenlänge Ge-Defekte in dem GeO₂ dotierten Bereich der Silizium basierten optischen Faser erzeugt, wodurch die Veränderung in dem Brechungsindex hervorgerufen wird. Es ist ebenso bekannt, dass sich die Menge der Ge-Defekte über die Zeit verändert, wodurch sich die Charakteristika der optischen Fasergitter über die Zeit verschlechtern. In Anbetracht dieser Punkte wurden Techniken vorgeschlagen, die ein beschleunigtes Altern von optischen Fasergittern unmittelbar nach ihrer Herstellung durchführen, um ihre alterungsbedingte Verschlechterung beim Betrieb auf dem Markt hinreichend herabzusetzen. Beispiele solcher Techniken sind in den US-Patenten mit den Nummern 5,287,427 und 5,620,496 offenbart.
Bei der Technik, die im US-Patent Nr. 5,620,469 offenbart ist, wird angenommen, dass die normierte Brechungsindexdifferenz η durch den folgenden Beziehungsausdruck repräsentiert wird:
wobei t die Zeit repräsentiert und C und α Funktionen der Temperatur sind. Die normierte Brechungsindexdifferenz η ist ein Wert der Brechungsindexdifferenz eines Gitters, wenn die Zeit t von einem vorbestimmten Zeitpunkt aus(beispielsweise der Referenzzeit) nach der Ausbildung des Gitters verstrichen ist, und dieser Wert wird bezüglich der Brechungsindexdifferenz des Gitters zu diesem Zeitpunkt normiert. Nämlich ist η = (Brechungsindexdifferenz bei t nach der Referenzzeit)/(Brechungsindexdifferenz zur Referenzzeit). Bei der Technik, die in dem obigen Patent offenbart ist, wird die Zeit unmittelbar nach der Gitterausbildung als Referenzzeit übernommen. Die Brechungsindexdifferenz bezieht sich auf die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Werten des Brechungsindex in dem Gitter.
Bei den herkömmlichen Techniken werden aufgrund der Tatsache, dass sich η schneller verändert, wenn die Temperatur höher ist, die optischen Fasergitter in einer Umgebung bei einer Temperatur hitzebehandelt, die höher ist als ihre Betriebstemperatur, um das beschleunigte Altern durchzuführen, um eine Verschlechterung bei ihrem Betrieb zu unterdrücken.
Zusammenfassung der Erfindung
Nachdem sie die herkömmlichen Techniken, die oben genannt wurden, studiert haben, haben die Erfinder die folgenden Probleme gefunden. Bei den oben genannten herkömmlichen Techniken ist es nämlich schwierig, da die zwei Parameter C und α von der Temperatur im Ausdruck (1) abhängen, die eine langfristige Veränderung der normierten Brechungsindexdifferenz η angibt, die Temperatur und die Zeit für die Wärmebehandlung für das Altern zu bestimmen. Tatsächlich nennen die oben genannten Patente nicht vollständig diese Bedingungen der Alterung.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, durch das eine Bedingung der Alterung einfacher bestimmt werden kann.
Genauer ist das Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in Anspruch 1 definiert. Durch das Festlegen der Fit-Kurve der Alterungsverschlechterung in der Form, die in Anspruch 1 definiert ist, können die Alterungsbedingungen einfacher bestimmt werden. In einem Ausführungsbeispiel bestimmt der Wert η1 der normierten Brechungsindexdifferenz nach dem Abschluss des Alterns die Alterungsbedingungen, nämlich die Temperatur T1 und die Zeit t1 der Wärmebehandlung für die Alterung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Fasergitters, das so ausgelegt ist, dass, wenn es für eine Betriebszeit von t3 bei einer Betriebstemperatur von T2 verwendet wird, dessen Verschlechterung in eine vorbestimmte Toleranz herabgesetzt wird. Dieses Verfahren umfasst einen Schritt des Ausformens eines Gitters in einem Bereich einer optischen Faser und einen Schritt des Alterns des Gitters unter den Alterungsbedingungen, die durch die oben genannte Bestimmungsmethode bestimmt wurden. In einem Ausführungsbeispiel umfasst das Altern eine Hitzebehandlung des Gitters bis die normierte Brechungsindexdifferenz η des Gitters den oben genannten Wert η1 erreicht.
Die vorliegende Erfindung wird vollständiger verstanden werden durch die detaillierte Beschreibung, die nachfolgend angegeben wird und die beigefügten Zeichnungen, die nur zur Illustration angegeben werden und nicht als Beschränkung der vorliegenden Erfindung betrachtet werden sollen.
Der weitere Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung klar werden, die nachfolgend gegeben wird. Jedoch sollte weiterhin verstanden werden, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, obwohl sie bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung angeben, nur zu illustrativen Zwecken angegeben sind, da den Fachleuten aus dieser detaillierten Beschreibung verschiedene Veränderungen und Modifikationen innerhalb des Umfangs der Erfindung klar werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zum Fotoeinschreiben eines Gitters in eine optische Faser zeigt;
2 ist ein Graph, der eine Alterungsverschlechterung der normierten Brechungsindexdifferenz η eines Gitters bei jeweils den Temperaturen 120°C, 170°C, 220°C und 280°C zeigt;
3 ist ein Graph, der eine Alterungsverschlechterung einer normierten Brechungsindexdifferenz η eines Gitters bei jeweils den Temperaturen 75°C, 85°C, 100°C und 120°C zeigt;
4 ist eine Tabelle, die die Parameter C1 und n bezüglich der Fit-Kurven, die in 2 und 3 gezeigt sind, bezüglich jeder Temperatur zeigt;
5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Parameter n und der Temperatur zeigt;
6 ist ein Graph, der die Alterungsverschlechterung der normierten Brechungsindexdifferenz η eines Gitters bei jeweils den Temperaturen 100°C, 120°C, 140°C, 170°C, 220°C und 280°C zeigt;
7 ist ein Graph, der die Alterungsverschlechterung einer normierten Brechungsindexdifferenz η eines Gitters bei jeder der Temperaturen von 400°C, 500°C, 600°C, 700°C und 800°C zeigt;
8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Temperatur und den Parametern C1 und n zeigt, welche die Fit-Kurven, die in den 6 und 7 gezeigt sind, betrifft,
9 ist ein Graph, der die vorhergesagte Alterungsverschlechterung der normierten Brechungsindexdifferenz zeigt, wenn keine Alterung bewirkt wird;
10 ist ein Graph, der die vorhergesagte Alterungsverschlechterung der normierten Brechungsindexdifferenz zeigt, nachdem eine Alterung für 48 Stunden bei einer Temperatur von 80°C durchgeführt wurde;
11 ist ein Diagramm zur Erklärung eines Verfahrens zum Vorhersagen von einer Alterungsverschlechterung, nachdem eine Alterung hervorgerufen wurde;
12 ist ein Graph, der für jede Betriebstemperatur die Beziehung zwischen dem Wert η1 der normierten Brechungsindexdifferenz nach der Alterung und einer Veränderungsrate der Brechungsindexdifferenz aufgrund des Verstreichens der Betriebszeit t3 zeigt;
13 ist ein Graph, der den Wert η1 der normierten Brechungsindexdifferenz nach der Alterung zeigt, der für das Verhältnis der Veränderung des Brechungsindex (1-H) 1% oder weniger sein muss, wenn die Betriebszeit t3 25 Jahre ist;
14 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Alterungstemperatur T1 und der Alterungszeit t1 zeigt;
15 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Parameter n und der Temperatur zeigt; und
16 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Parameter τ und der Temperatur zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden unterschiedliche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erklärt werden. Bevor das Verfahren zur Herstellung eines optischen Fasergitters erklärt wird, werden ein Verfahren zur Vorhersage einer Alterungsverschlechterung des optischen Fasergitters und die Bestimmung einer Bedingung eines Alterungsprozesses erklärt werden.
In der vorliegenden Erfindung wird der folgende Ausdruck: η = C1·t–n (2)als Ausdruck verwendet, der eine langfristige Veränderung der normierten Brechungsindexdifferenz η eines Gitters darstellt. Dieser Ausdruck (2) kann eine Alterungsverschlechterung der normierten Brechungsindexdifferenz η mit angemessener Genauigkeit darstellen, wie im Folgenden in größerem Detail erklärt werden wird.
Im Allgemeinen ist eine normierte Brechungsindexdifferenz η ein Wert der Brechungsindexdifferenz eines Gitters, wenn die Zeit t von einem vorbestimmten Zeitpunkt (beispielsweise der Referenzzeit) aus nach der Ausbildung des Gitters verstrichen ist, und dieser Wert wird bezüglich der Brechungsindexdifferenz des Gitters zu diesem Zeitpunkt normiert. Nämlich ist η = (Brechungsindexdifferenz bei t nach der Referenzzeit)/(Brechungsindexdifferenz zur Referenzzeit). Hier bezieht sich die Brechungsindexdifferenz auf die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Werten des Brechungsindex in dem Gitter. In den meisten Fällen ist eine langfristige Veränderung der Brechungsindexdifferenz hinreichend klein, wenn die Brechungsindexdifferenz nach einem hinreichend kleinen Intervall, nachdem das Gitter ausgeformt wurde, gemessen wird, und die gemessene Brechungsindexdifferenz kann zu der Brechungsindexdifferenz zu dem Zeitpunkt, zu dem die Ausbildung des Gitters abgeschlossen war, als gleich angenommen werden. Entsprechend kann die normierte Brechungsindexdifferenz η bezüglich der oben gemessenen Brechungsindexdifferenz so angenommen werden, dass sie ein Verhältnis der Brechungsindexdifferenz bei t nach der Fertigstellung der Ausbildung des Gitters zu der Brechungsindexdifferenz bei der Fertigstellung der Ausbildung des Gitters repräsentiert.
2 und 3 sind Graphen, die die gemessenen Werte einer normierten Brechungsindexdifferenz η eines Gitters bei unterschiedlichen Temperaturen zeigen, ebenso wie Kurven, die diese gemessenen Werte gemäß dem Ausdruck (2) anfitten. Das Gitter, das für diese Messung verwendet wurde, war in eine Silizium basierte optische Faser, die einen Kern aufweist, der mit GeO₂ dotiert ist, durch Bestrahlen der optischen Faser mit ultraviolettem Licht, fotoeingeschrieben, wie in 1 gezeigt.
Spezifisch zeigt die 2 eine Alterungsverschlechterung der normierten Brechungsindexdifferenz η des Gitters bei jeder Temperatur von 120°C, 170°C, 220°C und 280°C, und 3 zeigt die Alterungsverschlechterung von η des Gitters jeweils bei Temperaturen von 75°C, 85°C, 100°C und 120°C über eine längere Zeitperiode. In diesem Graphen zeigen gedruckte Punkte die gemessenen Werte von η an, wobei durchgezogene Linien die Kurven sind, die diese Werte gemäß dem Ausdruck (2) anfitten. Hier kann η bestimmt werden durch ein Normalisieren der Brechungsindexdifferenz Δn des Gitters bezüglich der Brechungsindexdifferenz Δn0, die nach dem Fotoeinschreiben des Gitters vor dem Erhitzen des optischen Fasergitters auf die oben genannten Temperaturen gemessen ist. Nämlich:
Wie in diesen Graphen gezeigt, korrespondieren die gemessenen Werte und die Fit-Kurven sehr gut miteinander. Insbesondere ist, wenn die Temperatur 100°C oder höher ist, der Korrelationskoeffizient zwischen den gemessenen Werten und den Kurven des Ausdrucks (2) 0,94 oder größer, wodurch bevorzugte Resultate erhalten werden. Daher sind die Temperaturabhängigkeit und die Zeitabhängigkeit der normierten Brechungsindexdifferenz η durch den Ausdruck (2) gut repräsentiert.
4 ist eine Tabelle, die Parameter C1 und n zeigt, welche die Fit-Kurven, die in 2 und 3 für jede Temperatur gezeigt sind, betreffen. Die Spalten dieser Tabelle geben nacheinander die Temperatur in Celsius, die absolute Temperatur, den reziproken Wert der absoluten Temperatur, den Parameter n und den Parameter C1 an. Wie in dieser Tabelle gezeigt ist, ist der Parameter C1 ein konstanter Wert (ungefähr 1 in diesem Ausführungsbeispiel), unabhängig von der Temperatur.
In dem Folgenden wird die Temperaturabhängigkeit des Parameters n erklärt werden. 5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Parameter n und der absoluten Temperatur T zeigt, diese Beziehung wurde durch die oben genannte Messung ermittelt. In diesem Graphen zeigt die Ordinate logarithmisch den Parameter n an, wobei die Abszisse den reziproken Wert der absoluten Temperatur T, also 1/T, anzeigt. Für Referenzzwecke zeigt die obere Skala dieses Graphen ebenso die Celsius Temperatur an. wie dieser Graph zeigt, stimmt der Parameter n gut mit dem Arrhenius Gesetz bezüglich der absoluten Temperatur T überein. Entsprechend kann der Parameter n näherungsweise durch den folgenden allgemeinen Ausdruck repräsentiert werden: n = A·exp(–B/T) (4)wobei A und B von der Temperatur unabhängige Konstanten sind. Gemäß den Resultaten der oben genannten Messungen sind A und B jeweils 2,7914 und 1963,2. Daher wird eine Aktivierungsenergie von 16,32 kJ/mol erhalten.
6 und 7 sind Graphen, die langfristige Veränderungen in der normierten Brechungsindexdifferenz η des Gitters zeigen, die über Temperaturbereiche gemessen sind, die größer sind als die, die in 2 und 3 gezeigt sind. Insbesondere zeigt 6 eine Alterungsverschlechterung der normierten Brechungsindexdifferenz η jedes der Gitter bei einer Temperatur von 100°C, 120°C, 140°C, 170°C, 220°C und 280°C, und 7 zeigt eine Alterungsverschlechterung von η des Gitters bei einer Temperatur von 400°C, 500°C, 600°C, 700°C und 800°C. In diesen Graphen zeigen die gedruckten Punkte die gemessenen Werte von η, wobei die durchgezogenen Linien diejenigen sind, die diese Messwerte gemäß dem Ausdruck (2) anfitten. Da die Ordinate und die Abszisse in jeder der 6 und 7 logarithmisch gezeigt sind, sind die Linien, die die gemessenen Werte fitten, linear.
8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Temperatur T und den Parametern C1 und n korrespondierend zu den Fitlinien der 6 und 7 zeigt. Wie in diesem Graph gezeigt ist, ist, wenn die Temperatur ungefähr 300°C oder geringer ist, der Parameter C1 im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur und ungefähr gleich 1. Ebenso stimmt n gut mit dem Arrhenius Gesetz bezüglich der absoluten Temperatur T überein und kann durch den oben genannten Ausdruck (4) repräsentiert werden. Gemäß den gemessenen Werten in 6 und 7 sind A und B jeweils 1,4131 und 1633. Diese Werte unterscheiden sich von denen, die aus den gemessenen Werten in den 2 und 3 ermittelt wurden, da sich deren Temperaturbereiche, in denen das Fitten durchgeführt wurde, voneinander unterscheiden.
Wie in 2 bis 8 gezeigt, kann der oben genannte Ausdruck (2) angemessen die Altersverschlechterung eines optischen Fasergitters über einen großen Temperaturbereich von 75°C bis 800°C angeben. Ebenso zeigt der Parameter n, der in dem Ausdruck (2) eingeschlossen ist, den Arrhenius-Typus der Temperaturabhängigkeit in diesem Temperaturbereich. Weiterhin kann, wenn die Alterungsverschlechterung eines optischen Fasergitters durch den Ausdruck (2) repräsentiert ist, der Parameter C1 als ein konstanter Wert ohne eine Temperaturabhängigkeit bei einer Temperatur von 300°C oder geringer angenommen werden (1 in diesem Ausführungsbeispiel). Entsprechend wird in diesem Ausführungsbeispiel die normierte Brechungsindexdifferenz η in der folgenden Form repräsentiert: η = t–n (5)
Durch die Verwendung des Ausdrucks (4), kann der Ausdruck (5) modifiziert werden zu: η = t–A·exp(–B/T) (6)
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Ausdruck (6) zur Vorhersage der Alterungsverschlechterung des Gitters verwendet. Die Werte von A und B, die im Folgenden verwendet werden, sind jeweils 2,7914 und 1963,2.
9 und 10 sind Graphen, die die Resultate der Vorhersage über die Alterungsverschlechterung der normierten Brechungsindexdifferenz in Gittern zeigt. Diese Vorhersage ist basiert auf dem Ausdruck (6). Spezifisch ist 9 ein Graph, der die vorhergesagte Alterungsverschlechterung bei der normierten Brechungsindexdifferenz zeigt, wenn keine Alterung hervorgerufen wird. 10 ist ein Graph, der die vorhergesagte Alterungsverschlechterung der normierten Brechungsindexdifferenz bei unterschiedlichen Temperaturen zeigt, wenn das optische Fasergitter einer Wärmebehandlung zur Alterung bei 80°C für 48 Stunden ausgesetzt ist und dann bei dieser Temperatur gehalten wird. Jeder Graph zeigt die vorhergesagte Alterungsverschlechterung bei jeder der Temperaturen von 20°C, 40°C, 60°C und 80°C. Während die Ordinate des Graphen in 9 die oben genannte normierte Brechungsindexdifferenz η zeigt, zeigt die Ordinate des Graphen in 10 eine neue normierte Brechungsindexdifferenz an, H. Der Parameter H ist bezüglich der Brechungsindexdifferenz zu dem Zeitpunkt, zu dem die Alterung abgeschlossen ist, normiert. Dieser Parameter H wird später in größerem Detail beschrieben werden.
Jede Linie in 9, die die vorhergesagten Resultate der Alterungsverschlechterung vorhersagen wenn keine Alterung hervorgerufen wird, können durch Substitution jeder Temperatur in den obigen Ausdruck (6) einfach ermittelt werden. Im Folgenden wird erklärt, wie der Graph der 10 abgeleitet werden kann, der die vorhergesagten Resultate der Alterungsverschlechterung zeigt, wenn eine Alterung hervorgerufen wird.
11 ist ein Diagramm zur Erklärung eines Verfahrens zum Vorhersagen der Alterungsverschlechterung, nachdem eine Alterung hervorgerufen wurde. In diesem Diagramm zeigt T1 eine Temperatur einer Hitzebehandlung für die Alterung an, und T2 zeigt eine Betriebstemperatur des optischen Fasergitters an. Eine durchgezogene Linie in 11 zeigt die langfristige Veränderung der normierten Brechungsindexdifferenz η an, wenn das optische Fasergitter bei einer Erhitzungstemperatur von T1 gealtert wird und dann in eine Umgebung bei der Betriebstemperatur von T2 gebracht wird. Andererseits zeigen zwei punktierte Linien in 11 die Vorhersagen der langfristigen Veränderungen von η gemäß dem Ausdruck (6) an, wenn das optische Fasergitter jeweils in Umgebungen bei Temperaturen T1 und T2 gebracht wird.
Als erstes wird der Wert von η zu dem Zeitpunkt, zu dem die Alterung abgeschlossen ist (Erhitzungstemperatur T1 = 80°C und Erhitzungszeit t1 = 48 Stunden), η1, ermittelt. Unter Verwendung des folgenden Ausdrucks: η1 = t1–A·exp(–B/T1) (7)der auf dem Ausdruck (6) basiert, η1 wird als η1 = 0,92 berechnet. Danach wird die Zeit t2 bestimmt, die dafür benötigt wird, dass η zu η1 wird, wenn angenommen wird, dass das optische Fasergitter in eine Umgebung bei der Betriebstemperatur T2 nach der Ausbildung des Gitters ohne Alterung gebracht wird. Die Zeit t2 kann aus dem folgenden Ausdruck ermittelt werden:
Dieser Ausdruck kann aus der Definition der Zeit t2 und dem obigen Ausdruck (7) abgeleitet werden.
Vor dem Zeitpunkt t1 stimmt die langfristige Veränderung von η, die durch die durchgezogene Linie in 11 angedeutet ist, mit der langfristigen Veränderung der Temperatur T1 überein. Nach dem Zeitpunkt t1 stimmt sie im Wesentlichen mit der langfristigen Veränderung bei der Temperatur T2 überein, nachdem η zu η1 wird, also nach dem Zeitpunkt t2. Entsprechend kann die langfristige Veränderung bei der Temperatur T2 nach dem Zeitpunkt t2 vorhergesagt werden, um den Graphen in 10 zu erhalten.
Hier wird die neue normierte Brechungsindexdifferenz H, die bezüglich der Brechungsindexdifferenz beim Abschluss der Alterung normiert ist, eingeführt, und der Wert von H zu dem Zeitpunkt, zu dem der Zeitabschnitt t2 und der zusätzliche Zeitabschnitt t3 bei der Temperatur T2 verstrichen sind, wird ermittelt. Die normierte Brechungsindexdifferenz H wird in dieser Beschreibung auch als „Brechungsindexdifferenzparameter" bezeichnet, um sie von η zu unterscheiden. Unter der Annahme, dass die Brechungsindexdifferenz des Gitters Δn ist, ist der Wert der Brechungsindexdifferenz des Gitters bei der Beendigung der Alterung Δn1, und der Wert der Brechungsindexdifferenz, der die Basis der Normalisierung für η ist, ist Δn0, wobei der Brechungsindexdifferenzparameter H repräsentiert wird durch: H = Δn/Δn1 = (Δn/Δn0)/(Δn1/Δn0) = η/η1(9)
Unter Verwendung der Ausdrücke (6) und (9) wird der Wert von H zu dem Zeitpunkt, zu dem die Zeitabschnitte t2 und t3 bei der Temperatur T2 verstrichen sind bestimmt als: H = (t3 + t2)–A·exp(–B/T2)/η1 (10)
10 zeigt die Beziehung zwischen der Zeit t3 und dem Parameter H, der durch diesen Ausdruck (10) repräsentiert wird, jeder bezüglich der Betriebstemperatur T2 (jeweils = 20°C, 40°C, 60°C und 80°C). Daher kann die Alterungsverschlechterung des Gitters nach der Alterung vorhergesagt werden.
Wie in 9 gezeigt, wird erwartet, wenn keine Alterung hervorgerufen wird, dass sich die normierte Brechungsindexdifferenz um 4% oder mehr während des Verstreichens von nur 1 Jahr verschlechtert, selbst bei einer relativ niedrigen Betriebstemperatur von 20°C, und die Altersverschlechterung wird größer, wenn die Betriebstemperatur höher ist. Im Kontrast dazu wird, wie in 10 gezeigt, vorhergesagt, dass sich die normierte Brechungsindexdifferenz nach der Alterung im Wesentlichen nicht verschlechtert, selbst nach dem Verstreichen von 25 Jahren bei der Betriebstemperatur von 20°C, und dass die Verschlechterung nur ungefähr 0,5% ist, selbst nach dem Verstreichen von 25 Jahren bei einer Betriebstemperatur von 40°C. Entsprechend kann gesehen werden, dass eine hinreichende Zuverlässigkeit für das optische Fasergitter sichergestellt werden kann, wenn die Alterung durchgeführt wird. Selbst wenn das Altern (bei 80°C für 48 Stunden) durchgeführt wird, wird jedoch bei der Betriebstemperatur von 60°C für die Verschlechterung nach dem Verstreichen von 25 Jahren vorhergesagt, dass sie ungefähr 4% ist, und bei der Betriebstemperatur von 80°C wird vorhergesagt, dass die Verschlechterung nach dem Verstreichen von 25 Jahren ungefähr 9% ist. Daher ist es nicht angemessen, die Bedingungen für die Alterung und die Betriebszeit für die optischen Fasergitter gleichmäßig festzulegen, ohne die tatsächliche Betriebstemperatur und die Betriebszeit des optischen Fasergitters zu berücksichtigen.
Daher werden bei dem Verfahren in Übereinstimmung mit diesem Ausführungsbeispiel eine oder mehrere Alterungsbedingungen (also zumindest der Wert η1 der normierten Brechungsindexdifferenz bei Abschluss des Alterns, die Alterungstemperatur T1 oder die Alterungszeit t1) gemäß dem obigen Ausdruck (6) unter Berücksichtigung der Betriebstemperatur bei der, und der Betriebszeit für die das optische Fasergitter tatsächlich verwendet wird, sowie des möglichen Werts des Brechungsindexdifferenzparameters H angemessen bestimmt. Im Folgenden wird ein Verfahren zum Bestimmen der Alterungsbedingungen spezifisch erklärt werden.
Das Verfahren in Übereinstimmung mit diesem Ausführungsbeispiel zielt darauf ab, ein optisches Fasergitter herzustellen, das so ausgelegt ist, dass eine Abnahme des Brechungsindexdifferenzparameters H innerhalb eine vorbestimmte Toleranz herabzusetzen, wenn es für eine Betriebszeit t3 bei einer Betriebstemperatur T2 verwendet wird. Entsprechend werden die Alterungsbedingungen so bestimmt, dass der Parameter H des Gitters nicht niedriger wird als der vorbestimmte minimale zulässige Wert, H_m, wenn das Gitter in eine Umgebung bei der Betriebstemperatur T2 für eine Betriebszeit t3 eingebracht wird. Die Betriebstemperatur T2, Betriebszeit t3 und der minimale zulässige Wert H_m werden vorher unter Berücksichtigung einer Verwendung des optischen Fasergitters, einer Umgebung, in dem es verwendet wird und so fort vorbestimmt.
Bei diesem Verfahren wird der Wert η1 der normierten Brechungsindexdifferenz beim Abschließen der Alterung derart bestimmt, dass er die beiden folgenden Ausdrücke erfüllt: Hm ≤ (t3 + t2)–A·exp–B/T2)/η1 (11a)
Die Lösungen dieser Ausdrücke können berechnet werden, wenn die Betriebstemperatur T2, Betriebszeit t3 und der minimale zulässige Wert H_m eingesetzt werden.
12 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Wert η1 der normierten Brechungsindexdifferenz unmittelbar nach der Alterung und dem Verhältnis der Veränderung der Brechungsindexdifferenz aufgrund des Verstreichens der Betriebszeit t3, wenn die Betriebszeit t3 gleich 25 Jahre ist, bei jeder Betriebstemperatur T2 (jeweils 20°C, 40°C, 60°C und 80°C) zeigt. Das Verhältnis der Veränderung der Brechungsindexdifferenz, also, (Δn1 – Δn)/Δ1, kann als (1-H) mit dem obigen Parameter H repräsentiert werden. 13 ist ein Graph, der den Wert von η1 zeigt, der dafür benötigt wird, dass das Verhältnis (1-H) 1% oder weniger ist, wenn die Betriebszeit t3 gleich 25 Jahre ist, bei jeder Betriebstemperatur T2.
Wie aus diesen Graphen gesehen werden kann, ist es, um einen im Wesentlichen notwendigen Zuverlässigkeitsstandard zu erhalten (der Standard ist derart, dass das Verhältnis (1-H) 1% oder weniger ist, also, H_m = 0,99, wenn die Betriebszeit t3 25 Jahre ist), notwendig, dass die Alterung so ausgeführt wird, dass die normierte Brechungsindexdifferenz bei Abschluss des Alterns, η1, jeweils ungefähr 95,5% oder weniger ist, wenn die Betriebstemperatur 20°C ist, ungefähr 92,5% oder weniger ist bei 40°C, ungefähr 89,0% oder weniger ist, bei 60°C, und ungefähr 84,5% oder weniger, bei 80°C.
Auf die vorgenannte Weise wird der Wert η1 der normierten Brechungsindexdifferenz beim Abschluss des Alterns, was eine der Alterungsbedingungen ist, gemäß der Betriebstemperatur T2, der Betriebszeit t3 und dem minimalen zulässigen Wert H_m des Brechungsindexdifferenzparameters H festgelegt. Das Altern, also die Wärmebehandlung des Gitters, kann ausgeübt werden bis die normierte Brechungsindexdifferenz η den bestimmten Wert η1 erreicht, um ein optisches Fasergitter zu erhalten, in dem die Verschlechterung der Brechungsindexdifferenz innerhalb einer vorbestimmten Toleranz unter den Bedingungen der Betriebstemperatur T2 und der Betriebszeit t3 gehalten wird.
Als spezifischere Bedingungen für die Alterung können ebenso die Temperatur und die Zeit für die Wärmebehandlung der Alterung bestimmt werden. Nämlich können die Alterungstemperatur T1 und die Alterungszeit t1, mit denen das oben ermittelte η1 erreicht werden kann, entsprechend dem Ausdruck (7) bestimmt werden. In diesem Fall können die Alterungstemperatur T1 und die Alterungszeit t1 nicht einheitlich ermittelt werden. 14 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Alterungstemperatur T1 und der Alterungszeit t1 zeigt; diese Beziehung wurde gemäß dem Ausdruck (7) ermittelt. Dieser Graph zeigt die Beziehung, wenn die Betriebszeit t3 25 Jahre ist, die Betriebstemperatur T2 20°C ist, und das zulässige maximale Verhältnis der Veränderung der Brechungsindexdifferenz 1% ist. Die Ordinate dieses Graphen zeigt die Alterungszeit t1 an, wobei die Abszisse die Differenz zwischen der Alterungstemperatur T1 und der Betriebstemperatur T2 angibt, also (T1-T2). Aus diesem Graph kann gesehen werden, dass je höher die Alterungstemperatur T1 ist, desto kürzer die Alterungszeit t1 wird. Zum Beispiel ist, wenn die Alterungstemperatur T1 40°C oder mehr über der Betriebstemperatur T2 liegt, die Alterungszeit t1 nur 40 Stunden oder weniger, wie es bevorzugt ist. Ebenso ist, wenn die Alterungstemperatur T1 50°C oder mehr über der Betriebstemperatur T2 liegt, die Alterungszeit t1 nur 13 Stunden oder weniger, wie es bevorzugter ist.
Im Folgenden wird ein anderes Verfahren zur Bestimmung der Alterungsbedingung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erklärt werden. Als erstes werden in diesem Verfahren vorläufige Werte T1_p und t1_p für die Heiztemperatur T1 und die Heizzeit t1 festgelegt. Danach wird der Wert η1_p der normierten Brechungsindexdifferenz beim Abschluss der Alterung vorhergesagt, wenn die Alterung bei der Heiztemperatur T1_p für die Heizzeit t1_p durchgeführt wird. Insbesondere ergibt ein Substituieren von T1_p und t1_p in den Ausdruck (6) die vorhergesagten η1_p, wie folgt:
Danach wird die Zeit t2_p, die dazu benötigt wird, dass die normierte Brechungsindexdifferenz η aufgrund der Alterungsverschlechterung bei der Betriebstemperatur T2 den vorherbestimmten Wert η1_p annimmt, durch den folgenden Ausdruck bestimmt:
Dann, annehmend dass die Alterung bei einer Temperatur T1_p für die Zeit t1_p durchgeführt wird, wird der vorbestimmte Wert H_p des Parameters H des optischen Fasergitters, das für eine Betriebszeit von t3 bei einer Betriebstemperatur von T2 nach diesem Altern verwendet wurde, unter Verwendung des folgenden Ausdruckes bestimmt: Hp = (t3 + t2p)–A·exp(–B/T2)/η1p (14)
Danach wird der so bestimmte Wert H_p mit dem minimalen Wert H_m des Parameters H verglichen, der unter den Bedingungen der Betriebstemperatur T2 und der Betriebszeit t3 erlaubt ist. Wenn H_p ≥ H_m ist, werden η1_p, T1_p und t1_p als angemessene Alterungsbedingungen betrachtet, wobei der Prozess zur Bestimmung der Alterungsbedingungen dann abgeschlossen ist. Wenn im Kontrast dazu H_p < H_m ist, wird angenommen, dass η1_p, das oben bestimmt ist, unangemessen ist, wobei die vorläufige Heiztemperatur T1_p die vorläufige Heizzeit t1_t zurückgesetzt werden. Bevorzugt wird dieser Zurücksetzungsvorgang so ausgeführt, dass η1_p kleiner gemacht wird, um den vorhergesagten Brechungsindexdifferenzparameter H_p größer zu machen. Danach werden die oben genannten Schritte wiederholt, bis angemessene η1_p, T1_p und t1_p bestimmt sind.
Im Folgenden wird das Verfahren zum Herstellen eines optischen Fasergitters in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erklärt werden. Bezug nehmend auf 1 wird eine Silizium basierte optische Faser 10, bei der der Kernbereich mit Germaniumdioxid (SiO₂ + GeO₂) dotiert ist, mit diesem Verfahren hergestellt. In diesem Ausführungsbeispiel, obwohl der Umfangsbereich 14 der optischen Faser 10 im Wesentlichen pures Silizium ist (SiO₂), kann dort hinein GeO₂ dotiert sein. Die optische Faser 10 wird unter Verwendung von Licht 30, das eine vorbestimmte Wellenlänge aufweist (zum Beispiel eine Wellenlänge kürzer als 260 nm) mit einem Interferenzmuster bestrahlt. Dies ruft eine Brechungsindexveränderung korrespondierend zu der optischen Energieintensitätsverteilung des Interferenzmusters in der optischen Faser 10 auf, wodurch ein Gitter 20 geformt wird. Danach wird das Gitter 20 einer Hitzebehandlung unterzogen, um eine anfängliche beschleunigte Verschlechterung des Gitters 20 hervorzurufen, wodurch die Alterung durchgeführt wird.
Diese Wärmebehandlung kann gemäß einer Bedingung oder Bedingungen, die durch irgendeines der oben genannten Verfahren ermittelt sind, ausgeführt werden. Zum Beispiel kann das Gitter 20 wärmebehandelt werden, wobei die normierte Brechungsindexdifferenz η des Gitters 20 beobachtet wird, bis η den Wert η1 (oder η1_p) erreicht, der gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt ist. η1 (oder η1_p), der gemäß der folgenden Erfindung bestimmt ist. Alternativ kann die Wärmebehandlung mit der Temperatur T1 (oder T1_p) und der Zeit t1 (t1_p), die gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt sind, ausgeführt werden. Entsprechend kann die Wärmebehandlung ohne das Beobachten der normierten Brechungsindexdifferenz η ausgeführt werden. Bei dem Gitter 20, das einer solchen Hitzebehandlung unterzogen wurde, wird ein Verschlechtern des Brechungsindexparameters H innerhalb einer vorbestimmten Toleranz gehalten, wenn es bei einer Betriebstemperatur T2 für eine Betriebszeit t3 verwendet wird. Bei einer Beendigung dieser Wärmebehandlung wird die Herstellung der optischen Faser in Übereinstimmung mit diesem Ausführungsbeispiel abgeschlossen.
Wie im Detail im Vorgehenden beschrieben ist, kann, da nur ein Parameter n, der abhängig von der Temperatur ist, verwendet wird um die normierte Brechungsindexdifferenz η in der vorliegenden Erfindung auszudrücken, die Bedingung des Alterns relativ einfach bestimmt werden.
Ebenso ist es bei dem Verfahren des Herstellens eines optischen Fasergitters in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung möglich, ein optisches Fasergitter zu erhalten, das eine gewünschte Zuverlässigkeit aufweist, so dass es die Altersverschlechterung innerhalb einer vorbestimmten Toleranz bei einer vorbestimmten Betriebstemperatur und Betriebszeit halten kann.
Obwohl die Alterungsverschlechterungskurve des optischen Fasergitters durch den Ausdruck (6) im Vorhergehenden ausgedrückt wird, die nicht durch die Ansprüche abgedeckt sind, schlägt der Erfinder ebenso vor, die Altersverschlechterung der Kurve wie folgt anzugeben: η1 = (t/τ)–n = τn·t–n (15)
Wenn dieser Ausdruck und der oben genannte Ausdruck (2) miteinander verglichen werden, kann gesehen werden, dass der Parameter C1 im Ausdruck (2) mit der n-ten Potenz des Parameters τ im Ausdruck (15) übereinstimmt. Dieser Parameter τ zeigt eine Arrhenius-Typ Temperatur innerhalb des Temperaturbereichs von 75°C bis 800°C, in der der Erfinder die Abhängigkeit von der Messung ausgeführt hat, ebenso wie der Parameter n. Nämlich kann ausgedrückt werden wie folgt: τ = A'·exp(B'/T) (16)wobei A' und B' Konstanten sind, die unabhängig von der Temperatur sind.
15 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Parameter n und der Temperatur zeigt, und 16 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Parameter τ und der Temperatur zeigt. Wenn die Alterungsverschlechterung eines Gitters unter Verwendung des Ausdrucks (15) vorhergesagt wird, kann die benötigte Berechnung kompliziert sein, da beide der Parameter τ und n eine Temperaturabhängigkeit aufweisen. Nicht desto trotz, ist es zum Beispiel effektiv, wenn das optische Fasergitter in einer Hochtemperaturumgebung verwendet ist, in der es unangemessen ist, den Parameter C1 im Ausdruck (2) als einen konstanten Wert anzusehen, dass die Alterungsverschlechterungskurve so bestimmt wird, wie sie durch den Ausdruck (15) repräsentiert wird.
Aus der so beschriebenen Erfindung ist es klar, dass die Erfindung auf unterschiedliche Arten ausgeführt werden kann. Solche Variationen werden nicht als ein Abweichen von dem Umfang der Erfindung angesehen und sämtliche dieser Modifikationen, wie sie dem Fachmann klar sind, sollen im Schutzumfang der folgenden Ansprüche eingeschlossen sein.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Zeit und Temperaturalterungsbedingungen für ein optisches Fasergitter, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Festlegen der normierten Brechungsindexdifferenz η des Gitters als proportional zu t^–n als Fit-Kurve für die Verschlechterung des optischen Fasergitters, wobei η die Brechungsindexdifferenz des Gitters zu einem Zeitpunkt t nach einer auf die Brechungsindexdifferenz des Gitters zu der Referenzzeit normierten Referenzzeit ist, wobei die Brechungsindexdifferenz die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Werten des Brechungsindex des Gitters ist und wobei n einen positiven Parameter abhängig von der Temperatur bezeichnet und Bestimmen der Bedingungen der Alterung gemäß der Alterungsverschlechterungsfitkurve.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Parameter n ausgedrückt wird wie folgt: n = A·exp(–B/T),wobei: A und B Konstanten sind und T die Temperatur ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Schritt des Feststellens der Bedingungen einen Unterschritt des Feststellens von Werten η1 und t2 umfasst, die den folgenden zwei Ausdrücke entsprechen: Hm ≤ (t3 + t2)–A·exp(–B/T2)/η1
wobei: H_m ein vorbestimmter minimaler zulässiger Wert der Brechungsindexdifferenz, die auf die Brechungsindexdifferenz nach der Beendigung des Alterns des Fasergitters normiert ist, ist, T2 eine Betriebstemperatur des optischen Fasergitters ist, und t3 ist eine Betriebszeit des optischen Fasergitters ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Schritt des Feststellens des Zustandes weiterhin einen Unterschritt des Feststellens, gemäß dem Wert η1, der Temperatur T1 und der Zeit t1 einer Wärmebehandlung für die Alterung umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Erwärmungstemperatur T1 und die Erwärmungszeit t1 so festgelegt sind, dass sie den folgenden Ausdruck erfüllen: η1 = t1–A·exp(–B/T1)
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Erwärmungstemperatur T1 40°C über der Betriebstemperatur T2 liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Schritt des Festlegens des Zustands den Unterschritt umfasst: Festlegen einer vorläufigen Temperatur T1_p und einer vorläufigen Zeit t1_p einer Wärmebehandlung für die Alterung, Verwenden der Temperatur T1_p und Zeit t1_p dazu, um einen Wert η1_p zu bestimmen, der durch den folgenden Ausdruck repräsentiert wird:
Verwenden des Wertes η1_p, um eine Zeit t2_p, die durch den folgenden Ausdruck repräsentiert ist, zu bestimmen:
wobei T2 eine Betriebstemperatur des optischen Fasergitters ist, Verwendung der so festgestellten Zeit t2_p und des Wertes η1_p, um einen Wert H_p, der durch den folgenden Ausdruck repräsentiert ist, zu bestimmen: Hp = (t3 + t2p)–A·exp(–B/T2)/η1p wobei t3 eine Betriebszeit des optischen Fasergitters ist, und Vergleichen des so bestimmten Wertes H_p mit einem vorbestimmten minimalen zulässigen Wert H_m und Definieren des Wertes η1_p, der Temperatur T1_p und der Zeit t1_p als die Bedingungen für die Alterung, wenn H_p ≥ H_m.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Schritt des Bestimmens des Zustandes das Zurücksetzen der vorläufigen Temperatur T1_p und der vorläufigen Zeit t1_p umfasst, wenn der Vergleich darin resultiert, dass H_p < H_m und Durchführung der Unterschritte der Bestimmung des Wertes η1_p, Bestimmung der Zeit t2_p, Bestimmung des Wertes H_p und Vergleichen von H_p mit H_m.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die vorläufige Temperatur T1_p 40°C oder mehr über der Betriebstemperatur T2 liegt.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Fasergitters, wobei das optische Fasergitter so gestaltet ist, dass wenn es für eine Betriebszeit von t3 bei einer Betriebstemperatur von T2 verwendet wird, wobei seine Verschlechterung innerhalb einer vorbestimmten Toleranz unterdrückt wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Ausformen eines Gitters in einem vorbestimmten Bereich in einer optischen Faser und Altern des Gitters unter den Bedingungen, die gemäß dem Verfahren gemäß des Anspruchs 1 bestimmt wurden.