KR100281255B1 - 희토류 또는 전이 금속으로 도핑된 광섬유를 구비하는 제품 - Google Patents

희토류 또는 전이 금속으로 도핑된 광섬유를 구비하는 제품 Download PDF

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Abstract

희토류 또는 전이금속으로 도핑된 광섬유를 구비하는 제품
우리는 게르마늄, 알루미늄 및 희토류(예, Er)로써 도핑된 실리카-기반의 광섬유(예, 33)가 수소 촉진된 감쇠 변화에 매우 민감하게 될 수 있다는 것을 알았다. 예를 들어, 상기 섬유는 20℃에서 표준 단일 모드 섬유 보다 106배 큰 손실 증가율을 보일 수 있다. 우리는 전이금속-도핑된 실리카-기반의 섬유가 커다란 수소-촉진된 감쇠 변화를 보일 수 있다는 것을 믿는다. 많은 환경에 있어서(예, 증폭기 섬유, 감쇠기 섬유) 광섬유의 현저한 감쇠 변화는 바람직하지 못하다. 우리는 상기 변화가 수소 게터링 재료 및/또는 “밀봉한” 섬유 코팅의 제공에 의해서 상당히 게거될 수 있다는 것을 제시한다. 현재로는 수소 게터가 되는 실리카 클래딩 재료를 제공하고 또한 “밀봉한”섬유 코팅을 제공하는 것이 바람직하다. 본질적으로 밀봉한 인클로저내에 일정량의 게터링 재료(예, ErFe2)와 함께, 섬유의 봉쇄가 또한 개시된다.

Description

희토류 또는 전이 금속으로 도핑된 광섬유를 구비하는 제품
제1도는 수소-촉진된 손실 증가에 대한 민감성에 관하여 종래의 실리카-기반의 섬유와 RE-도핑된 섬유간의 커다란 차이를 나타내는 데이타도.
제2도는 파장의 함수로써 수소-촉진된 손실 증가에 대한 예시적인 데이타도.
제3도는 본 발명의 예시적인 실시예의 개략도.
제4도는 두 개의 코팅된 섬유에 대한 예측된 손실 증가를 보여주는 도면.
제5도 및 제6도는 시간의 함수로써 손실 증가에 대한 예시적인 데이타를 보여 주는 도면.
제7도는 본 발명의 예시적인 실시예, 즉 광 증폭을 포함하는 광섬유 통신 시스템의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
30 : 진입하는 광 신호 32 : 펌프 레이저
33 : 증폭기 섬유 37 : 수소 게터링 재료
[본 발명의 분야]
본 발명은 게르마늄 알루미늄 및 희토류(rare earth)(예, 엘비움) 또는 전이금속(예, 크로미움)으로 도핑된(doped) 광섬유를 포함하는, 통신 시스템을 포함하여 제품에 관한 것이다.
[본 발명의 배경]
가장 최근의 그리고 기대되는 광섬유 통신 시스템은 실리카-기반의 광섬유를 이용하며, 일반적으로는 게르마늄-도핑된 코어를 가진 단일 모드 섬유를 이용한다.
H2에 대한 상기 섬유의 노출은 상기 섬유내에서 신호 방사의 감쇠의 증가를 초래할 수 있다는 것은 공지되어 있다. 그러나, 일반적인 작동 조건하에서 상기 H2-촉진된 손실은 표준 단일 모드 게르마늄-도핑된 실리카-기반의 섬유에 있어서 중요한 문제가 아니다. 예를 들어, 20년 후에 1.3 및 1.55㎛에서 0.01dB/km 보다 더 적은 손실 증가를 예측한 A. Tomita et al., Electronics Letters, Vol. 21,p.71(1985)를 보라. 게르마늄, 인, 및/또는 플루오린(F)을 포함하는 “종래의” 단일 모드 섬유는 부양된 온도에서 수소에 대한 상기 섬유의 노출에 있어서 OH 형성에 대해 매우 내성이 있지만, “알루미나(alumina) 도핑된 섬유는 빠르게 반응해서, 41-OH를 형성했다. “고 발표한 P.J. Lemaire et al., Conference Proceedings, 10th European Conference on Optical communications, September 1984, Stuttgart를 또한 보라.
섬유는 H2와 H2O 에 실질적으로 불침투성인 코팅(예로 탄소질의)을 제공받을 수 있다는 것이 또한 공지되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 제5,000,541호를 보라. 상기 “밀봉한” 섬유는 유전 개발 또는 해저 시스템같은 응용에 유리하게 이용될 수 있다. 또한, 상기 제′541 특허는 수소가 섬유의 광학적 활성 영역(코어 및, 가능하게는, 코어에 바로 인접하여 있는 클래딩의 작은 부분으로 구성되는)에 도달하지 앉도록 섬유의 클래딩(cladding) 재료내로 확산하고 있는 수소를 접착시키는 “게터(gatter)”사이트의 이용을 또한 개시한다. 또한, p. J. Lemaire et al., Materials Research Society Symposium Proceedings, Vol.172, p.85(1990)을 보면, 특히 96쪽에서 “밀봉한 섬유의 광학적으로 불활성 부분내의 H2의 반응은 존재될 수 있는 수소의 잔여량을 제거하는데 유리하게 이용될 수 있으며, 이것은 섬유 신뢰성의 커다란 개선에 이바지한다”고 개시한다.
P. J. Lemaire et al., Technical Digest-Symposium on Optical Fiber Measurement, National Institute of Science and Technology, Boulder, colorado, September 1990, Special Publication No.792는 특히, 반응(게터링(gettering)) 사이트를 가진 밀봉한 섬유내의 수소의 확산에 대한 모델을 개시하고, 종래의 섬유에 대한 실험 결과를 제시한다.
미국 특허 제5,059,229는 “일시적 수소 민감 감쇠 현상”을 설명하고, H2-함유 가스가 당김 노(draw furnace)에 존재하는 동안 예비적 형성품으로부터 섬유를 끌어내는 것을 기술한다.
A. Oyobe et al., Technical Digest, Conference on Optical Fiber Communication, San Diego, California, February 1992는, 빈틈없이 감겨진 밀봉한 앨비움-도핑된 섬유(erbium-doped fiber)(Er-도핑된 Ge-실리카 중심 코어, Ge-실리카 측부 코어, F-도핑된 실리카 클래딩)를 개시한다. 밀봉한 탄소 코팅은 200m 길이 섬유의 기계적 피로(fatigue)를 방지하기 위해 제공되어졌다. 상기 코일은 조밀한 광섬유 증폭기에서의 이용을 위하여 설계되었다.
Er-도핑된 증폭기 섬유를 알루미늄으로 함께 도포한다는 것은 공지되어 있다. 특히, 중심 코어 영역내의 알루미나의 존재가, 알루미늄이 없는 섬유에서 달성되어 지는 것보다 상기 영역에서 더 높은 Er-레벨을 달성하게 하는 것을 가능하게 한다고 믿어진다. 예를 들어, 미국 특허 제5,058,976호를 보라.
[본 발명의 요약]
본 발명은 청구범위에 의해 정의된 것과 같다. 본 발명의 실시예는, 게르마늄, 알루미늄 및 희토류(RE; 원자 번호 57-71) 원소(단순함을 위해서, 상기 섬유들은 “RE-도핑된”섬유로써 언급될 것이다. 만약 RE가 Er이면, 그들은 “Er-도핑된” 섬유로써 언급될 것이다.)로 도핑된 실리카-기반의 광섬유가, 다른 점에서는 동일한, RE 및, Al이 없는 섬유보다 수소-촉진된 감쇠 변화에 대해 수 배 더 민감하다는 우리의 예기치 않은 발견 관한 것이다. 예를 들면, 우리는 어떤 조건하에서 어떤 Er-도핑된 섬유가 20℃에서, 표준 단일 모드 실리카-기반의 광섬유에 있어서보다 약 106배 더 빠른 수소-촉진된 손실 증가율을 보여 줄 수 있다는 것을 발견했다. 이것은, 오로지 알루미늄으로 도핑된 실리카-기반의 섬유와 비교되어져야 한다. 상기 섬유는 표준 섬유의 손실보다는 더 큰 수소-촉진된 손실을 가지지만, RE-도핑된 섬유보다는 훨씬 적은 수소-촉진된 손실을 가진다.
통신 시스템내의 광학 증폭기 섬유의 길이는 일반적으로 상기 시스템내의 종래의 섬유의 길이와 비교하여 매우 작다.(예를 들어, 매 30km 마다 30m의 증폭기 섬유) 따라서, 일견하여, 전체 섬유 길이의 단지 약 0.1% 만이 그 문제에 지배되고, 일반적으로 펌프되지 않은 증폭기 섬유에서의 신호 감쇠는 상대적으로 높기 매문에, H2-촉진된 손실에 대한 RE-도핑된 섬유의 새롭게 발견된 민감도는 중요한 문제를 야기하지 않는 것처럼 보인다. 그러나, H2-촉진된 손실에 대한 RE-도핑된 섬유의 매우 높은 민감도 때문에, 증폭기 섹션 당 대개 1-10dB 정도의 감쇠 증가가 가능하다. 물론, 이것은 근사적으로 동일한 양만큼의 증폭기 이득의 감소와 동등하고 증폭 레벨에서의 매우 현저한 변화이다.(당업자는 일반적인 광학적으로 증폭된 섬유 통신 시스템에 있어서, 증폭기 섹션당 이득이 10-3OdB 정도로 예상된다는 것을 인식할 것이다.)
이득의 그러한 커다란 변화는 실제통신 시스템에 있어서 즉, 해저 대륙 연결 섬유 통신 시스템에 있어서 종종 허용될 수 없을 것이다. 본 출원은 상기 중대한 예상치 않은 문제의 발견을 보고하는 것 외에, 또한 이러한 문제의 해결책을 개시 한다.
우리는 현재 전이 금속으로 도핑된 실리카-기반의 광섬유(A1 도핑이 있거나 없는)가 또한 H2-촉진된 손실에 큰 민감성을 보일 것이라는 것을 또한 믿는다. 상기 섬유는 예를 들어, 감쇠기에 대해 중요하다. 명백히, 감쇠기의 손실값은 고정 되어야 하고, 수소에 대한 노출의 결과로써 변화되어서는 안된다 여기에서 개시된 해결책은 또한 전이 금속 도핑된 섬유에 응용될 수 있다.
포괄적으로 말해서, 본 발명의 한 실시예는 코어 영역과 상기 코어 영역을 둘러싸는 클래딩 영역을 포함하되 상기 코어 영역은 게르마늄, 알루미늄, 및 희토류(원자번호 57-71)에서 선택된 원소를 포함하는, 일정 길이의 실리카-기반의 제1광섬유를 포함하는 제품 또는 시스템(집합적으로 “제품”)이다. 상기 제품은 클래딩 영역으로부터 제1광섬유의 코어 영역으로 들어가는 수소 원자 또는 분자(집합적으로 “원자”)의 수를 감소시키는 수단을 더 포함하며, 이것은 상기 수단을 포함하지 않는 다른 모든 조건은 동일한 제품에 있어서의 변화율과 비교해서, 상기 제품의 작동 파장에서 수소-촉진된 광감쇠 변화율의 적어도 90%의 감소에 의해 입증되어진다. 상기 수단의 예는 적절한 섬유 코팅 및/또는 수소를 게터링할 수 있는 재료를 포함하는 수단이다. 상기 비율은 상기 제품의 적절한 작동 온도에서 일반적으로 비교될 것이다.
또다른 실시예에 있어서, 제1광섬유는 예를 들어, 티타늄(Ti) 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe) 코발트(Co) 니켈(Ni), 구리(Cu). 알겐듐(Ag) 및 오륨(Au)으로부터 선택된 전이금속을 포함하는 코어 영역을 포함한다. 일반적으로, 상기 코어 영역은 또한 게르마늄을 포함하고, 또한 알루미늄(Al) 또는 다른 종래의 도펀트(dopant)를 포함할 수 있다.
“게터링(gettering)”이란, 우리는 여기에서, 일반적으로 그러나 필요적으로는 아니고, 광섬유의 광학적 불활성 부분의 결함에 의해서 또는 광섬유 외부의 수소화물-형성 또는 수소-용해성 물질에 의해서 제거하는 것을 의미한다. 전자는 섬유의 유리내의 결함 사이트에서 수소의 빠른 반응을 포함하며, 따라서 상기 반응은 관심있는 파장에서 유해한 손실 변화를 일으키지 않는다.
일반적으로 이것은 결함 사이트를 섬유의 광-안내(광학적으로 활성인)영역으로부터 멀리 위치시키는 것에 의해 달성되는데 또한 그것은 결함이 수소와 반응할 때 결함의 손실 기여가 변화하지 않는 결함을 광학적 활성 영역내에 제공함으로써 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 제품은 광섬유 증폭기 또는 섬유 감쇠기와 같은 콤포넌트일 수 있거나, 또는 상기 콤포넌트를 포함하는 시스템이 될 수 있다. 예를 들어, 상기 시스템은 파장 λs(작동 파장)의 광신호를 제공하도록 적용된 신호 발생 수단과, 광 신호를 수신하도록 적용되고, 상기 발생 수단으로부터 일정한 간격이 있는 신호 검출 수단과, 상기 발생 수단과 상기 검출 수단을 신호-전송되도록 연결하기위해 적용되는 광섬유 수단을 포함한다. 상기 광섬유 수단은 상기 제1광섬유를 포함한다. 예시적으로, 상기 시스템은 또한 λs보다 작은 파장의 펌프(pump) 방사의 소오스와 제1광섬유 내로 상기 펌프(pump) 방사를 결합시키기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 모범적인 실시예에 있어서, 제1광섬유와 적어도 일부분이 실질적으로 밀봉한 인클로저(enclosure)내에 둘러싸여지며, 일정량의 수소 게터링 재료(예컨대 일반적으로 분말(powder) 또는 다공성 체적 재료와 같은 큰 표면적을 제공하는 형태의, 수소화물-형성 또는 수소 흡수 금속, 합금, 금속간 화합물, 또는 금속 유기 화합물)가 또한 상기 인클로저내에 함유된다.
또다른 실시예에 있어서 제1섬유의 코어를 둘러싸는 클래딩 재료는 수소를 게터링할 수 있는 유리를 포함한다. 바람직한 실시예에 있이서, 상기 클래딩은 수소를 게터링할 수 있는 실리카로 실질적으로 구성된다. 우리는 몇몇 상업적으로 이용가능한 퓨즈드 실리카(예, Heraeus F3OO 실리카 관, 및 General Electric 982 WGY 도파관에 융합된 석영관)는, 종래의 섬유 프로세싱 후에 수소 게터(getter)로 써 작용할 수 있으며, 반면에 다른 상업적으로 이용가능한 퓨즈드 실리카(예컨대, 약간의 화염 융합 프로세스된 천연 석영관)는 일반적으로 게터 재료가 아닐뿐 아니라 수소 도우너(donor)로써 작용할 수 있다는 것을 발견했다. 따라서, 퓨즈드 실리카 기판 또는 오버클래드(overclad) 관의 적절한 선택은 본 발명의 한 양상이다.
그러나, 클래딩 재료는 이미-존재하는 퓨즈드 실리카 기판 및/또는 오버클래드 관으로부터 반드시 획득되는 것은 아니고, 예를 들어, 졸-겔(sol-gel) 물질이 될 수 있거나, 원위지에서 형성될 수 있다. 이러한 경우들에 있어서, 만약 상기 재료가 높은 장력(tension)에서 끌어내진, 낮은 OH 함유량의 순수한 실리카이면, 게터링 중심은 상기 글래딩 재료내에, 바람직하게는 외부 클래딩에 존재될 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예에 있어서, 상기 섬유는 “밀봉한”코팅을 포함하는데, 즉 이러한 코팅은, 코팅을 갖지 않으면서 다른 조건은 동일한 섬유의 코어내로의 플럭스(flux)와 비교하여, 게터가 없는 섬유에서 주위로부터 섬유 코어내로의 수소의 최대 플럭스를 70℃에서 상당히 감소시킨다(적어도 90%, 바람직하게는 99% 또는 그 이상) 당업자는, 요구된다면, 상기 기술된 제1실시예가 상기 제2 및/또는 제3실시예와 결합될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 현재 우리의 바람직한 접근은 제2 및 제3실시예의 결합이다.
[상세한 설명]
제1도는(dαOH/dt)initial(섬유내의 OH 에 의한 초기 섬유 손실 증가율) 대역 절대온도를 도시한다. 상기 초기율은 수소-촉진된 손실에 대한 섬유의 민감도의 공지된 측정값이다 예를 들어, A. Tomita et al., op.cit를 보라. 상기 데이타는 다양한 온도에서 H21 기압에 종래의 단일 모드 전송 섬유(AT&T로부터 이용가능한 %D 섬유; 곡선10)와 단일 모드 Er-도핑된 증폭기 섬유(코어 도핑 18% GeO2; 2% Al203및 200 ppm Er; 곡선 11)를 노출함으로써, 그리고 λ∼1.4㎛에서 섬유 손실 증가율을 측정함으로써 얻어진다. 제1도는, 70℃에서, 상기 5D 및 Er-도핑된 섬유의 초기 증가율이 각각 10-4및 3 dB/km·hour 가량이고, 7℃에서 각각 3×10-8및 6×10-2dB/km·hour 가량이었다는 것을 보여준다. 따라서 제1도는, 특히 기대된 작동 온도(예, 3-70℃)에서, Ge-도핑된 종래의 전송 섬유와 Er-도핑된 증폭기 섬유사이에서 수소-촉진된 손실에 대한 민감도의 커다란 차이를 명확히 입증한다.
우리는 이제, 적절히 선택되고 위치된 게터 재료 및/또는 “밀봉한” 섬유 코팅에 의해서, RE-도핑된 섬유의 수소-촉진된 손실에 대한 민감도가 현저히 감소될 수 있고, 종종 중요하지 않은 레벨로 감소될 수 있다는 것을 보여줄 것이다. 상기 관련된 논의의 나머지는 기본적으로 Er-도핑된 섬유에 의할 것이지만, 본 발명이 그렇게 제한되는 것은 아니다. 희토류의 공지된 매우 유사한 화학적 특성에 비추어, Er(예, 프레소디미움(Pr), 노오디미움(Nd), 유터비움(Yb), 홀미움(Ho))이 아닌 다른 희토류로 도핑된 섬유가 Er-도핑된 섬유와 매우 유사하게 작용할 것이라는 것이 기대될 수 있다. 더욱이 전이 금속(또는 금속들)으로 도핑된 실리카-기반의 섬유가 수소-촉진된 감쇠 변화(감쇠의 증가 또는 감소)에 또한 상당한 민감도를 나타낼 것이고, 이러한 민감도가 Er-도핑된 섬유의 그것과 동일한 방법으로 감소될수 있다는 것이 기대된다.
제2도는 H210-4기압, 213℃ 에서 24 시간 후에 Er-도핑된 실리카-기반의 섬유에서의 수소-촉진된 손실 증가를 도시한다. 상기 섬유는 “밀봉한”코팅을 가지지 않고, 따라서 클래딩내에 존재하는 게터링 사이트는 수소와의 반응에 의해서 빠르게 소모된다. 약 1.43㎛에서 주요 손실 피크는 섬유 코어내의 OH의 형성에 의한 것이라고 믿어진다. 상기 피크는 1.48㎛(Er-도핑된 섬유 증폭기에 대한 가능한 펌프 파장)와 1.55㎛(비슷한 신호 파장)에서 상당한 손실 증가를 일으킨다는 것을 주목해야한다.
우리는 제2도의 데이타를 얻기 위하여 사용된 것과 같은 섬유에 대해서, λ=1.43㎛에서 초기 OH 손실 증가율이 다음과 같은 공식으로부터 예측될 수 있다는 것을 결정했다.
여기에서 PH는 대기의 수소 압력이고,
여기에서, CAl은 ppm(1ppm= Al 10-16몰/SiO21 몰)단위의 섬유 코어내의 Al 농도이며, R은 일반적인 기체 상수이며, T는 절대 온도이다. 1.48 및 1.55㎛에서 손실 증가는 2×104Al을 가진 섬유에 대해서 1.43㎛에서의 손실의 각각 약 0.5 및 0.2배이다. 상기 공식은 우리의 현재 이해를 대표하지만, 더 나아간 연구는 변화를 가져올 수도 있다. 상기 공식은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 설명되었지만 본 발명의 범위는 공식의 정확성에 의존하지 않는다.
상기 공식으로부터, 75℃의 작동 온도 및 장비의 25년 수명을 가정하여 20m 섬유 섹션내의 펌프 손실(1.48㎛에서)은, 만약 상기 섬유가 1.4×10-7기압의 수소 부분압을 가지는 대기와 접촉한다면, 약 0.25dB 만큼 증가할 것이다. 그밖의 다른 모든 것이 같다면, 3℃의 작동 온도에 대해서, 동일한 증가는 1.9×10-5기압의 수소 부분압으로부터 나올 것이다. 더 높은 수소 압력은 더 높은 손실을 초래할 것이다.
대기내에 통상적으로 순환하는 수소 압력은 약 10-6기압이다. 만약 어떤부식 셀이 그안에 존재한다면, 또는 만약 어떤 H2-방출 중합체가 제공된다면, 훨씬 높은 수소 압력(가능하게는 몇 기압만큼 높은)이 인클로저(enclosure)내에 일어날 수 있다. 인클로저내에 있을 수 없는 레벨로 형성된 수소는 인클로저내로 적절한 수소 게터 재료를 배치하는 것에 의해서 막을 수 있다. 따라서, 본 발명의 예시적인 실시예는, 제3도에서 개략적으로 도시된 것처럼, 인클로저내에 어떤 길이의 RE(또는 전이금속)-도핑된 섬유와 일정량의 수소 게터 재료를 포함한다. 가능한 게터 재료의 예시는, 티타니움(Ti) 또는 지코니움(Zr)같은 수소 게터 금속, 상기 금속의 합금, Zr(V1-xFex)2, ZrMnxFey, LaNi5-xAlx, Mg2Ni, ErFe2, DyFe2, YFe2, CeCo2, CeNi2, NdCo3같은 금속간 화합물, 금속-유기 화합물, 즉, 안트라센(anthracene) 또는 패리랜(perylene)같은 조직 화합물과 반응된 SmMg3같은 금속간 화합물로 알려져 있다. 가능한 게터 재료에 대한 더 많은 정보에 대해서는, 예를 들어, K.H.J. Buschow in “Handbook of the Physics and Chemistry of Rare Earths”, Vol.6,pp90-97; “Hydrogen in Intermetallic compounds”, Vol. 1, 1988, L. Schlapbach.editor, pp.66-67;and Vol. II, 1991,pp.226-227; M.H.Mendelsohn et al., Journal of the Less Common Metals, Vol.74,pp.449-453(1980);C.Boffito et al, J. of the Less Common Metals, Vol.104,pp.149-157(1984); H. lmamura et al., J. of the Less Common Metals, Vol.106,pp.229-239,(1985); R. M. van Essen et al., Materials Research Bulletin, Vol.15,pp.1149-1155(1980)을 보라.
바람직하게는, 상기 수소 게터링 재료는 1 기압보다 훨씬 적은 부분압(예를들어, ＜10-3기압)에서 그리고 실내 온도(예를 들어 0-80℃)에 가까운 온도에서 수소에 대해 상대적으로 큰(게터링 재료의 몰당 예시적으로는 ＞0.01몰 H2, 양호하게 는 >0.1몰 H2) 용해도를 가지며, 1 기압보다 훨씬 작은 플라토 압력(예로, ≤0.1 기압, 양호하게는 <10-3또는 ＜10-5기압까지)을 가진다. 상기 게터링 재료는, 예컨대, 파우더, 다공질 고체 또는 박막 같은 어떤 의도된 형태가 될 수 있으며 후자는 섬유 표면을 포함하는 적절한 기판상에 침적된다. 만약 상기 코팅에 수소가 침투할 수 있다면, 상기 게터 재료는 벗겨지거나 보호 코팅이 제공될 수 있다. 선택적으로 상기 게터 재료는 인클로저의 완성 바로 전에 적절히 알려진 열처리에 의해서 “활성화”된다.
제3도는 수소 게터링 재료를 함유한 예시적으로 밀봉되게 봉해진 광 증폭기 모듈의 적절한 측면을 개략적으로 도시한다. 전송 섬유(36)내의 진입하는 광신호(30)는 파장 분말 멀티플렉서(31)로 들어간다. 펌프 레이저(32)는 펌프 방사(30)를 방출하고 이러한 방사는 또한(31)로 들어가고, 상기 신호 방사와 함께 증폭기 섬유(35)으로 결합된다. 증폭 후에 상기 신호 발사는 전송 섬유(36′)로 들어 간다. 번호(35)는 외부로 나가는 신호 방사를 언급한다. 밀봉한 인클로저(38) 내부에 일정량의 수소 게터링 재료(37)가 위치되며, 전형적으로는 와이어 매쉬 홀더(wire mesh holder)내의 ErF2파우더의 가볍게 소결된 몸체이다. 번호(34)는 섬유 스플라이스(splice)를 나타낸다. 선택적인 광 콤포넌트(예를 들어, 절연체, 탭(taps))뿐만 아니라 전기적인 콤포넌트와 접속도 도시되지 않았다. 상기 모듈은 예를 들어, 아르곤 또는 질소와 같은 상대적으로 불활성 대기를 포함한다.
“밀봉만” 코팅이 섬유 코어에 도달하는 수소의 양을 제한하는데 이용될 수 있다는 것이 알려져 있다. 이것은 섬유와 접촉한 대기로부터 섬유 클래딩으로 들어가는 수소의 양을 제한하는 것에 의해 달성된다 70℃에서 코팅이 게터-없는 섬유의 코어내로의 수소의 최대 플럭스(flux)를, 다른 조건은 동일한 코팅되지 않은 섬유의 코어내로의 최대 플럭스의 많아야 10%(양호하게는 많아야 1%)로 감소시킨다면 여기에서 코팅은 “밀봉한” 코팅으로 언급될 것이다. 탄소 코팅은 비교적 낮은 온도에서, 예를 들어 40℃ 이하에서 본질적으로 수소에 의해 투과되지 않고, 약간 더 높은 온도(예를 들어, 40-100℃)에서 플럭스를 상당히 감소시키는 것으로 알려져 있다.
밀봉한 코팅을 통한 수소 확산은 두 단계에서 일어나는 것으로 믿어진다.
제1단계는 단지 코팅 재료로만 수소 관통을 포함하고 어떤 수소도 섬유 클래딩에 도달하지 않는다. 따라서, 제1단계동안 실질적으로 어떤 손실 증가도 일어나지 않는다. 제1단계의 기간은 시상수 τi에 의해 특징지워진다. 초기 지연 기간후에, 약간의 수소는 클래딩에 들어가고 따라서(클래딩 재료가 게터링 중심을 함유하지 앉는다고 가정하면) 비교적 짧은 시간내에 섬유 코어에 도달할 수 있다. 제2단계에서 섬유내로 수소 침투율은 시상수 τf에 의해 특징지워질 수 있다. τi보다 크고, τf보다 적은 시간(t)에서, 손실 증가는 다음 공식에 의해 표현될 수 있다.
ΔαOH. inital= [kLPH, ext(t-τi)2]/2τf,
여기에서, PH.ext는 순환하는 수소 압력이고, 다른 모든 기호들은 이미 정의되어졌다. 시상수 τi및 τf는 밀봉한 코팅의 특성이고, 밑에 있는 섬유 합성물에 의존하지 않는다.
본 발명의 또다른 실시예에서, RE(또는 전이금속)-도핑된 섬유는 밀봉한 코팅을 제공받는다. 상기 코팅은 양호하게는 탄소 코팅이다.
당업자들은, 만약 섬유가 수소 또는 수소-함유 종류를 방출할 수 있는 물질을 포함한다면, 밀봉한 코팅의 제공이 일반적으로는 유리하지 않고 또한 실제로 유해할 수 있다는 것을 인정할 것이다. 우리는 어떤 종류의 퓨즈드 실리카는 수소를 정말로 방출할 수 있다는 것을 발견했다. 예시적으로, 적어도 어떤 VAD-생성된 실리카 섬유는, 프로세싱을 단순화하고 전송 특성을 개선하기 위해서, 수소를 방출하는 외부 클래딩 재료를 일부러 이용한다. 여기에서 적절한 종류의 섬유내에 상기 재료의 이용은 일반적으로 피하여야 한다. 특정한 타입의 퓨즈드 실리카가 수소의 게터가 될 수 있는지는 쉽게 결정될 수 있으며, 이하에서 논의될 것이다.
제4도는 다른 밀봉 코팅을 가진 두개의 20m 길이의 Er-도핑된 섬유에 대한 1.43㎛ 에서의 예측된 손실 증가를 도시한다. 상기 섬유는 게터 사이트를 포함하지 앉는 것으로 가정된다. 온도는 40℃ 외부 수소 압력은 10-3기압, kL=136 dB/km·hour·atmosphere으로 가정된다. 코팅 B(곡선 40)는 일반적인 조건(C2H2및 H2를 이용하고, 40nm 가량의 두께; ′541 특허를 보라)하에서 형성된 것으로 가정되었고, 다른 조건은 동일한 코팅되지 않은 섬유와 비교하여 수소-촉진된 손실 증가를 현저히 감소시킨다. 코팅 A(곡선 41)는 더 개선된 밀봉력으로 알려진 조건(C2H2및 H2를 이용하고 60nm 보다 두꺼운 두께; 그러나, 이러만 코팅은 다소 더 낮은 섬유 강도를 초래할 수 있고, 따라서 항상 양호한 것은 아니다. )하에서 형성된 것으로 가정되었다. 제4도에 도시한 것처럼, 가정된 조건하에서, 코팅 A를 구비한 섬유는 25년의 일반적인 디자인 수명에 대해 수소-촉진된 손실 증가가 실질적으로 없다.
위에서 이미 언급된 것처럼, 우리는 헤라에우스(Heraeus)F3OO과 같은 상업적으로 이용가능한 재료를 포함하는 퓨즈드 실리카의 어떤 타입은 수소 게터링 사이트(sites)를 함유할 수 있다는 것을 발견했다. 따라서 본 발명의 또다른 실시예는 수소 게터링 퓨즈드 실리카(일반적으로 클래딩 재료의 형태로)를 포함하는 RE(또는 전이금속)-도핑된 광섬유를 포함한다. 주어진 타입의 퓨즈드 실리카가 수소 게터링 특성을 가질 수 있는지는, 예를 들어 수소의 낮은 레벨에 밀봉되지 않은 섬유(주어진 실리카로 구성된 클래딩을 가지는)의 노출에 의해서 쉽게 결정될 수 있다. 제5도에 예시된 것같이, 실리카가 수소 게터라면, 손실이 증가하기 시작하기 전에 지연 기간이 존재한다. 만약 그러한 지연이 게터링 반응에 의한 것이라면, 그것의 기간은 수소 압력에 역으로 비례한다. 제5도의 데이타는 각각 262°C, 10-4및 10-5기압의 PH,ext에서 얻어졌다.
외부 반경 b 와 코어 반경 a의 비-밀봉 섬유에 대해서 클래딩내의 게터링 사이트의 농도 Cg는 다음 공식으로부터 결정될 수 있다.
Cg= 4 DHCstg[2a2ln(a/b)-a2+b2]-1,
여기에서, DH는 SiO2내의 H2에 대한 확산 계수이고, Cs는 SiO2내의 H2의 평형용해도이며, tg는 게터링 지연 시간이다. 우리는 상기 언급된 F3OO 실리카내에서 게터링 사이트의 농도가 약 90ppb 라는 것을 발견했다. 우리는 약 10ppb 이상의 수소 게터링 사이트를 가지는 실리카가 본 발명의 실시에 유리하게 이용될 수 있다고 믿는다. 상기 값 이하의 농도는 현저한 이익을 제공하는 것으로 기대되지 않는다.
여기에서 관심있는 섬유에서의 수소-촉진된 손실 변화는, 만약 게터링이 밀봉한 코팅과 결합된다면, 가장 신뢰성있게 억제될 수 있다. 게터링은 외부 게터링 재료의 수단에 의할 수 있거나 및/또는 게터링 특성을 가지는 실리카 클래딩 재료의 수단에 의할 수 있다.
제6도는 H21 기압하에 263℃에서 지속된, 약 94ppb 게터링 사이트를 함유하는 실리카 클래딩을 가진 Er-도핑된 밀봉한 섬유에 대해 1.43㎛에서 수소-촉진된 손실 증가에 대한 데이타를 보여준다. 6시간보다 적은 시간에 대한 작은 손실 증가는 실험상 이유로 Er-섬유로 스플라이스된 비-밀봉 5D 피그테일(pigtail) 섬유내의 수소 반응에 의한 것이다. 관찰된 초기 지연 기간은 확산 지연 기간 τi과 반응 지연 기간 tgh로 구성된다. 지연 기간후에, 섬유내부의 수소 레벨은, 시상수 τf에 의존하는 속도로 평형 값을 향하여 올라간다.
테이블 I 는, 수소 10-3기압하에 다양한 온도에 대해서, 이전에 논의된 밀봉한 코팅 4와 B를 가지고, 80ppb의 게터링 사이트를 가진 Er-도핑된 섬유에 대한 예측된 지연 시간(년 단위로)을 보여준다.
볼 수 있는 것처럼, 상기 설명된 접근은 실제적으로 모든 현실적인 작동 조건에 대하여 여기에서 관심이 있는 섬유내의 현저한 수소-촉진된 손실 증가의 가능성을 상당히 제거할 수 있다.

Claims (10)

  1. 코어 및 상기 코어를 둘러싸는 클래딩(cladding)을 포함하는 실리카-기반의 제1광섬유(예, 33)를 포함하는 광섬유 수단을 포함하는 제품에 있어서, 상기 제1광섬유의 코어는 i) 게르마늄(Ge), 알루미늄(Al) 및 희토류(rare earths)(원자번호 57-71)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소를 포함하거나, ii) 전이금속 원소를 포함하며, 상기 제품은 작동 파장 및 작동 온도와 관련이 있는 제품으로서, 상기 제품은 상기 작동 파장 및 작동 온도에서 상기 제1섬유내의 수소-촉진된 광감쇠 변화율을 감소시키기 위한 수단을 포함하는데, 상기 수단을 포함하지 않으면서 다른 조건은 동일한 제품의 비율과 비교하여 상기 제1섬유내의 수소-촉진된 광감쇠 변화율을 최소한 90% 감소시키는 것을 특징으로 하는 제품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1수단은 수소 게터링 사이트(gettering sites)를 포함하는 실리카 클래딩 재료를 포함하되 상기 실리카 클래딩 재료는 적어도 제1섬유 클래딩의 일부분을 이루는 제품.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1수단은 수소화물-형성 또는 수소 흡수 금속, 합금, 금속간 화합물, 금속-유기 화합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 일정량의 수소 게터링 재료를 포함하되, 상기 일정량의 재료와 적어도 상기 제1광섬유의 일부분은 실질적으로 밀봉 인클로저(enclosure)내에 둘러싸여진 제품.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1수단은 제1섬유 길이의 적어도 일부분에 배열된 코팅을 포함하되, 상기 코팅은, 코팅을 갖지 않으면서 다른 조건은 동일한 섬유의 코어내로의 최대 플럭스와 비교하여, 70℃에서 코어내로의 최대 수소 플럭스를 적어도 90% 감소시키며, 상기 코팅은 “밀봉한” 코팅으로 정의되는 제품.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1섬유가 적어도 10ppb 수소 게터링 사이트를 포함하는 실리카 클래딩 재료를 포함하는 제품.
  6. 제4항에 있어서, 제1광섬유의 적어도 일부분이, 실질적으로 밀봉한 인클로저내에, 수소-형성 또는 수소 흡수 금속, 합금, 금속간 화합물, 금속 유기화합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 일정량의 수소 게터링 재료와 함께 밀봉되는 제품.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1광섬유는 코어가 게르마늄, 알루미늄, 희토류 원소를 포함하는 증폭기 섬유인 제품.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1광섬유는 코어가 전이금속 원소를 포함하는 감쇠기 섬유인 제품.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제품은 방사 전송 수단과 방사 수신 수단을 포함하는 광섬유 통신 시스템이되, 상기 광섬유 수단은 상기 전송 수단과 상기 수신 수단을 신호-전송적으로 연결하는 제품.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1광섬유는 상기 전송 수단과 상기 수신 수단의 중간에 위치되며, 코어가 게르마늄(Ge), 알루미늄(Al), 엘미움(Er)을 포함하는 증폭기 섬유인 제품.
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