RU2463266C2 - Оптическое волокно с легированной оловом переходной частью между сердцевиной и оболочкой - Google Patents

Оптическое волокно с легированной оловом переходной частью между сердцевиной и оболочкой Download PDF

Info

Publication number
RU2463266C2
RU2463266C2 RU2009147821/03A RU2009147821A RU2463266C2 RU 2463266 C2 RU2463266 C2 RU 2463266C2 RU 2009147821/03 A RU2009147821/03 A RU 2009147821/03A RU 2009147821 A RU2009147821 A RU 2009147821A RU 2463266 C2 RU2463266 C2 RU 2463266C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical fiber
core
doped
quartz
tin
Prior art date
Application number
RU2009147821/03A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2009147821A (ru
Inventor
Даниел С. ХОМА (US)
Даниел С. ХОМА
Original Assignee
Бейкер Хьюз Инкорпорейтед
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Бейкер Хьюз Инкорпорейтед filed Critical Бейкер Хьюз Инкорпорейтед
Publication of RU2009147821A publication Critical patent/RU2009147821A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2463266C2 publication Critical patent/RU2463266C2/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/036—Optical fibres with cladding with or without a coating core or cladding comprising multiple layers
    • G02B6/03616—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference
    • G02B6/03622—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference having 2 layers only
    • G02B6/03627—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference having 2 layers only arranged - +
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B37/00—Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
    • C03B37/01—Manufacture of glass fibres or filaments
    • C03B37/012—Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments
    • C03B37/014—Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments made entirely or partially by chemical means, e.g. vapour phase deposition of bulk porous glass either by outside vapour deposition [OVD], or by outside vapour phase oxidation [OVPO] or by vapour axial deposition [VAD]
    • C03B37/018—Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments made entirely or partially by chemical means, e.g. vapour phase deposition of bulk porous glass either by outside vapour deposition [OVD], or by outside vapour phase oxidation [OVPO] or by vapour axial deposition [VAD] by glass deposition on a glass substrate, e.g. by inside-, modified-, plasma-, or plasma modified- chemical vapour deposition [ICVD, MCVD, PCVD, PMCVD], i.e. by thin layer coating on the inside or outside of a glass tube or on a glass rod
    • C03B37/01807—Reactant delivery systems, e.g. reactant deposition burners
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C13/00—Fibre or filament compositions
    • C03C13/04—Fibre optics, e.g. core and clad fibre compositions
    • C03C13/045—Silica-containing oxide glass compositions
    • C03C13/046—Multicomponent glass compositions
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
    • G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
    • G02B6/0208—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by their structure, wavelength response
    • G02B6/021—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by their structure, wavelength response characterised by the core or cladding or coating, e.g. materials, radial refractive index profiles, cladding shape
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
    • G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
    • G02B6/02114—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by enhanced photosensitivity characteristics of the fibre, e.g. hydrogen loading, heat treatment
    • G02B6/02119—Photosensitivity profiles determining the grating structure, e.g. radial or longitudinal
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
    • G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
    • G02B6/02171—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by means for compensating environmentally induced changes
    • G02B6/02176—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by means for compensating environmentally induced changes due to temperature fluctuations
    • G02B6/0219—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by means for compensating environmentally induced changes due to temperature fluctuations based on composition of fibre materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B2201/00—Type of glass produced
    • C03B2201/06—Doped silica-based glasses
    • C03B2201/08—Doped silica-based glasses doped with boron or fluorine or other refractive index decreasing dopant
    • C03B2201/12—Doped silica-based glasses doped with boron or fluorine or other refractive index decreasing dopant doped with fluorine
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B2201/00—Type of glass produced
    • C03B2201/06—Doped silica-based glasses
    • C03B2201/30—Doped silica-based glasses doped with metals, e.g. Ga, Sn, Sb, Pb or Bi

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)
  • Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)

Abstract

Настоящее изобретение относится к волоконно-оптическим технологиям, в частности к оптическим волокнам, легированным оловом. Оптическое волокно содержит сердцевину из по существу чистого кварца, концентрическую переходную часть, легированную оловом, между сердцевиной и оболочкой и концентрическую депрессированную оболочку (т.е. с уменьшенным показателем преломления), легированную фтором. Способ получения оптического волокна включает осаждение множества слоев депрессированной оболочки вдоль внутренней поверхности трубчатой стеклянной заготовки, осаждение на открытой поверхности слоев депрессированной оболочки нескольких слоев кварца, легированного оловом, и слоя чистого кварца. Трубку сжимают для формирования заготовки со сплошной сердцевиной и вытягивают оптическое волокно. В переходной части оптического волокна может быть сформирована по меньшей мере одна волоконная решетка Брэгга. Переходный слой между сердцевиной и оболочкой с низким градиентом концентрации обеспечивает минимальное изменение показателя преломления, стойкость к диффузии водорода и термическую устойчивость любой волоконной решетки Брэгга, записанной в переходной части волокна. 2 н. и 21 з.п ф-лы, 11 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится в целом к волоконно-оптическим технологиям. Более конкретно, изобретение относится к оптическим волокнам, легированным оловом, с улучшенными характеристиками потерь на затухание при высоких температурах.
Уровень техники
Существующие электронные датчики обеспечивают измерение таких величин, как, например, рН, цвет, температура или давление. Для систем, в которых используется связка электронных датчиков, имеющая большую длину, например 20-30 км и более, обеспечение питания датчиков представляет большую проблему. Традиционно, для питания электронных датчиков используется электрический провод, соединяющий источник питания с каждым электронным датчиком. В нефтегазовой промышленности существует проблема с обеспечением надежного питания электронных датчиков. Так, длинные электрические провода подвержены высоким уровням помех и шумов, в результате чего снижается точность измерений таких датчиков.
Волоконные световоды получили широкое распространение в качестве среды передачи сигналов на большие расстояния благодаря их великолепным характеристикам передачи света и легкости изготовления многокилометровых оптических кабелей. При этом могут передаваться световые сигналы, используемые для опроса датчиков, что позволяет отказаться от использования длинных электрических проводов. Это особенно важно в нефтегазовой промышленности, где используются связки электронных датчиков для контроля условий в скважине.
Для получения измерений различных параметров скважины, таких как, например, давление или температура, используются пассивные волоконно-оптические датчики. Волоконно-оптическая система может содержать пучок оптических волокон, используемых для получения информации как из скважин, в которых ведутся буровые работы, так и из законченных скважин. Оптический кабель может быть развернут с одним точечным волоконно-оптическим датчиком давления и температуры. Также по длине оптического волокна может быть записан ряд слабо отражающих волоконных решеток Брэгга, или в оптическое волокно может быть введен один точечный датчик Фабри-Перо. По волокну передается оптический сигнал, который отражается и/или рассеивается назад в приемник, и анализ этого принятого сигнала позволяет получать характеристики внешних параметров вдоль оптического волокна. Эта информация может быть использована для получения таких внутрискважинных параметров, как, например, температура, давление и химические характеристики.
Однако если традиционные оптические волокна, например кварцевые волокна, легированные германием, подвергаются интенсивному действию тепла, давления и богатой водородом среды нефтяной скважины, то потери на затухание возрастают. Это увеличение потерь оптического сигнала частично происходит в связи с диффузией водорода в структуру стекла. Атомы водорода присоединяются к любым открытым или ослабленным связям в структуре стекла, таким как некоторые атомы германия возле кислородно-дефицитных центров или SiOH и/или GeOH. Для волокон, легированных германием, затухание быстро увеличивается при повышении температуры. Поскольку температура в типичной нефтяной или газовой скважине обычно изменяется от температуры поверхности до 90-250°С и даже до 350°С, то стандартные оптические волокна, легированные германием, как правило, недостаточно стабильны для продолжительного использования в глубокой скважине. Хотя покрытие кварцевых волокон, легированных германием, углеродом или сходными материалами с плотной упаковкой молекул, является эффективным способом снижения диффузии водорода в стекло при невысоких температурах, не превышающих 120°С, однако его эффективность быстро падает по мере повышения температуры.
Известно, что сердцевина волокна, имеющая чередующиеся структуры стекла, может быть более стойкой в отношении факторов окружающей среды, действующих в скважине. Например, сердцевина стеклянного волокна из чистого кварца особенно подходит для использования в нефтяных скважинах, поскольку чистый кремнезем устойчив к диффузии водорода при повышенных температурах. Однако при пониженных температурах, которые могут быть в верхней части скважины, потери на затухание, вызываемые молекулярным водородом, могут быть достаточно большими.
Поэтому существует потребность в оптическом волокне, которое стойко к диффузии водорода и, соответственно, не имеет вызываемых им потерь на затухание в широком диапазоне температур.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении предлагается оптическое волокно, содержащее: сердцевину из по существу чистого кварца; оболочку, имеющую уменьшенный показатель преломления (так называемая депрессированная оболочка), и концентрически окружающую сердцевину; и переходную часть, находящуюся между сердцевиной и оболочкой, причем в переходной части имеется фоточувствительная легирующая добавка, содержащая олово.
В настоящем изобретении также предлагается способ изготовления оптического волокна с использованием процесса модифицированного химического парофазного осаждения (из паровой/газовой фазы), включающий следующие стадии: обеспечение трубки стеклянной заготовки; осаждение слоев оболочки с уменьшенным показателем преломления по внутренней поверхности трубки стеклянной заготовки; осаждение относительно меньшего количества (нескольких) слоев кварца, легированного оловом, на открытой поверхности слоев оболочки с уменьшенным показателем преломления; осаждение одного относительно толстого слоя чистого кварца на открытой поверхности слоев кварца, легированных оловом; сжатие трубки для формирования заготовки со сплошной сердцевиной и вытягивание оптического волокна из сжатой заготовки.
Краткое описание чертежей
На прилагаемых чертежах, составляющих часть описания и рассматриваемых в связи с ним, используются одинаковые ссылочные номера для указания одинаковых частей, и на чертежах показано:
на фиг.1 - схематический вид поперечного сечения предлагаемого в настоящем изобретении оптического волокна;
на фиг.2 - схематический график зависимости концентрации оксида олова от расстояния по радиусу от центра сердцевины оптического волокна;
на фиг.3 - вид в перспективе сечения предлагаемого в настоящем изобретении оптического волокна, выполненного таким образом, что по переходной части, легированной оловом, сформирована по меньшей мере одна решетка Брэгга;
на фиг.4 - график ухода длины волны решетки Брэгга в среде водорода при давлении 1 атм и температуре 200°С для предлагаемого в изобретении оптического волокна, легированного оловом;
на фиг.5 - график ухода длины волны решетки Брэгга в среде водорода при давлении 1 атм и температуре 200°С для стандартного оптического волокна, легированного германием;
на фиг.6 - графики отражательной способности решеток, записанных на предлагаемом в изобретении волокне, легированном оловом, и на стандартном волокне, легированном германием;
на фиг.7 - график затухания, вызываемого водородом, для предлагаемого в изобретении волокна, легированного оловом, и для стандартного волокна, легированного германием;
на фиг.8 - блок-схема алгоритма осуществления способа получения предлагаемого в настоящем изобретении оптического волокна;
на фиг.9 - блок-схема алгоритма осуществления другого варианта способа получения предлагаемого в настоящем изобретении оптического волокна;
на фиг.10 - схема осуществления способа формирования волоконных решеток Брэгга в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.11 - график, иллюстрирующий улучшение характеристик затухания, вызываемого УФ-излучением, для предлагаемого в изобретении волокна, легированного оловом, и для стандартного волокна, легированного германием.
Осуществление изобретения
Как показано на прилагаемых чертежах и описывается ниже, в настоящем изобретении предлагается оптическое волокно. Как показано на фиг.1, оптическое волокно 10 в общем случае содержит: стеклянную сердцевину 12, состоящую из по существу чистого кварца; концентрическую переходную часть 14, легированную оловом, между сердцевиной и оболочкой; концентрическую оболочку 16, легированную фтором, с уменьшенным показателем преломления; и дополнительную (необязательную) внешнюю оболочку 18. Переходная часть 14 раздела между сердцевиной и оболочкой содержит диоксид олова с низким градиентом концентрации, что обеспечивает минимальное изменение показателя преломления, стойкость к диффузии водорода и термическую устойчивость любой волоконной решетки Брэгга, записанной в переходной части 14.
Оптическое волокно 10, используемое в настоящем изобретении, может быть любым подходящим оптическим волокном, одномодовым или многомодовым. Сердцевина 12 может быть любой известной стеклянной сердцевиной, изготовленной из по существу чистого кварца. В одном из вариантов осуществления изобретения сердцевина может быть не содержащей дефектов сердцевиной из чистого кварца. Переходная часть 14 между сердцевиной и оболочкой предпочтительно является частью сердцевины 12, и образование 12, 14 может иметь диаметр, равный диаметру обычной сердцевины оптического волокна. В альтернативном варианте переходная часть 14 может быть отдельным от сердцевины 12 слоем. Сердцевина 12 (и образование 12, 14) может иметь любой диаметр, используемый в аналогичных конструкциях, однако предпочтительно ее диаметр находится в диапазоне от примерно 3 мкм до примерно 20 мкм и более предпочтительно составляет примерно 8 мкм для работы в диапазоне длин волн 1000-1700 нм.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения концентрическая переходная часть 14, легированная оловом, между сердцевиной и оболочкой является частью сердцевины и предпочтительно составляет от примерно 1% до примерно 35% сердцевины. Более конкретно, как показано на фиг.2, переходная часть 14, легированная оксидом олова, начинается на расстоянии по радиусу, составляющем примерно 2/3 от центра сердцевины из чистого кварца. Концентрация оксида олова постепенно увеличивается в направлении наружу от центра сердечника 12. Таким образом, в концентрической переходной части 14 между сердцевиной и оболочкой имеется градиент концентрации оксида олова, что является признаком, ранее неизвестным в конструкциях оптических волокон. В альтернативных вариантах градиент концентрации оксида олова в переходной части 14 может иметь противоположный знак, или же он может быть постоянным.
Поскольку часть, содержащая SnO2, относительно тонкая, то большая часть оптического сигнала будет распространяться внутри сердцевины 12 из чистого кварца, и его затухание, вызываемое водородом, будет незначительным. Для такой конструкции можно считать, что основной вклад в затухание, вызываемое водородом, вносит процесс присоединения атомов водорода к любым открытым или ослабленным связям в структуре стекла, таким как атомы олова возле кислородно-дефицитных центров. Поэтому, поскольку атомы олова имеются только в переходной части 14 между сердцевиной и оболочкой, затухание, вызываемое водородом, внутри сердцевины 12 из чистого кварца будет минимизироваться. В волокнах, легированных оловом, этот эффект будет усиливаться, поскольку по сравнению с другими легирующими добавками требуются существенно меньшие уровни легирующей добавки для получения фоточувствительности, необходимой для формирования решеток. Дальнейшее рассмотрение процесса затухания, вызываемого водородом, можно найти в заявке US 2006/0222306 этого же заявителя, которая рассматривается патентным ведомством одновременно с настоящей заявкой и полное содержание которой вводится здесь ссылкой в настоящую заявку.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг.3, в сравнительно тонкой переходной части 14, легированной оловом, формируются волоконные решетки 20 Брэгга, в которых достаточная часть энергии распространяющегося оптического сигнала выполняет функцию измерения без нарушения прохождения основной части оптического сигнала по сердцевине 12. Как это хорошо известно в данной области техники, структура 20 волоконной решетки Брэгга может быть сформирована на протяжении определенной части оптического волокна с использованием УФ-излучения, которое обеспечивает периодическое изменение показателя преломления волокна. На фиг.3 период структуры 20 волоконной решетки Брэгга указан символом "Λ". Однако специалисту в данной области техники будет ясно, что на одном и том же волокне могут быть записаны разные решетки Брэгга с разными периодами структуры (физически перекрывающиеся или последовательно сформированные по длине волокна) для выполнения нескольких различных измерений.
В другом предпочтительном варианте настоящего изобретения переходная часть 14, легированная оловом, между сердцевиной и оболочкой содержит менее 0,10 молей SnO2, предпочтительно менее 0,07 молей SnO2 и более предпочтительно менее 0,03 молей SnO2. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения концентрация легирующего олова настолько мала, что изменение показателя преломления переходной части 14, легированной оловом, между сердцевиной и оболочкой по сравнению с чистым кварцем минимально (показатель преломления ≈1,444 для длины волны 1550 нм). Для сравнения, когда концентрация легирующего олова составляет 0,15 молей SnO2, то изменение показателя преломления переходной части 14, легированной оловом, между сердцевиной и оболочкой по сравнению с чистым кварцем составляет 0,006. Такие незначительные концентрации легирующей добавки, однородно распределенной в переходной части 14 между сердцевиной и оболочкой, достаточны для получения слабых волоконных решеток 20 Брэгга, записанных в этой переходной части 14.
Сравнительно малая концентрация легирующей добавки является существенным продвижением вперед в технике оптических волокон, поскольку получаемая при этом фоточувствительность сравнима с фоточувствительностью волокон, легированных германием в концентрациях, превышающих 10-1000 раз концентрацию легирующего олова, используемую в настоящем изобретении. Кроме того, в ранее делавшихся попытках получения оптических волокон, легированных оловом, использовались более высокие концентрации SnO2, или же олово использовалось в сочетании с германием или фосфором. Поскольку в настоящем изобретении ионы германия не используются, а лишь используется минимальная концентрация (<0,10 молей) ионов олова, то характеристики получаемого оптического волокна сравнимы с характеристиками волокна из чистого кварца, то есть оно стойко к диффузии водорода, и при этом улучшается термическая устойчивость волоконных решеток 20 Брэгга.
График, приведенный на фиг.4, показывает, что предлагаемое в изобретении оптическое волокно 10 стойко к диффузии водорода. Более конкретно, на фигуре 4 приведена зависимость ухода (дрейфа) длины волны Брэгга в среде водорода при давлении 1 атм и температуре 200°С. Обычно, когда такие газы, как водород, диффундируют в оптическое волокно, то возникающее изменение показателя преломления пропорционально концентрации водорода, и, что более важно, происходят непрерывные реакции с водородом при повышенных температурах, которые вызывают уход длины волны Брэгга. Поскольку сдвиги длины волны Брэгга используются для измерения изменений таких физических величин, как температура и механические напряжения, то важно свести такой уход к минимуму. Как можно видеть на фиг.4, при температуре 200°С уход длины волны Брэгга для предлагаемого в изобретении оптического волокна 10, легированного оловом, составляет всего лишь - 9 промилле/год. Как можно видеть на фиг.5, уход длины волны Брэгга в среде водорода при давлении 1 атм и температуре 200°С для стандартного волокна, легированного германием, составляет 35 промилле/год. Термин "стандартное волокно, легированное германием", как он используется в настоящем описании, относится к сравнительному оптическому волокну, содержащему переходную часть, легированную германием, между сердцевиной и оболочкой, раскрытому в заявке 11/807151 этого же заявителя с названием "Стойкая к действию водорода структура решетки/оптического волокна, пригодная для использования в скважинных датчиках", которая имеет такую же дату подачи, что и настоящая заявка, и находится на рассмотрении патентного ведомства одновременно с настоящей заявкой, и полное содержание указанной заявки вводится здесь ссылкой в настоящую заявку. Таким образом, данные, приведенные на фиг.4 и 5, показывают, что использование настоящего изобретения позволяет минимизировать затухание, вызываемое водородом, и соответствующий уход длины волны Брэгга. Исходя из того, что сдвиг длины волны решетки Брэгга составляет 12 промилле на 1°С, можно сказать, что оптическое волокно 10 в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает улучшение в 3,7°С/год по температурному уходу.
На фиг.6 приведены данные, полученные с помощью рефлектометра Luna® Optical Backscatter, которые показывают, что предлагаемое в настоящем изобретении оптическое волокно 10, легированное оловом, имеет улучшенную термическую устойчивость волоконных решеток 20 Брэгга (показано на кривой А) по сравнению со стандартным волокном, легированным германием (показано на кривой В). Более конкретно, тысячи волоконных решеток 20 Брэгга, записанных на предлагаемом в изобретении волокне 10, легированном оловом, демонстрируют минимальное разрушение в течение десяти дней при температуре 200°С в среде аргона и водорода при давлении 1 атм по сравнению с решетками, записанными в стандартных волокнах, легированных германием. Кривая А показывает, что уменьшение амплитуды решетки для волокна, легированного оловом, которое выражается изменением отражательной способности, измеренной для длины волны 1550 нм, составляет примерно 2-4% в аргоне и 3-5% в водороде. Таким образом, полученные данные дают возможность считать, что температурное ухудшение характеристик волоконных решеток 20 Брэгга, записанных в предлагаемом в изобретении волокне 10, легированном оловом, минимально. Кривая В показывает, что уменьшение амплитуды решетки для стандартного волокна, легированного германием, которое выражается изменением отражательной способности, измеренной для длины волны 1550 нм, составляет примерно 10% в аргоне и 50% в водороде. Таким образом, полученные данные позволяют считать, что характеристики волоконных решеток Брэгга, записанных в стандартных волокнах, легированных германием, при изменении температуры ухудшаются больше.
На фиг.7 также можно видеть, что затухание, вызываемое водородом, которое было измерено в нижней части длин волн, 1040-1200 нм, существенно снижается для предлагаемого в изобретении оптического волокна 10, легированного оловом (показано на кривой С), по сравнению со стандартным оптическим волокном, легированным германием (показано на кривой D), в атмосфере водорода при давлении 1 атм и температуре 200°С. Таким образом, в отличие от стандартного оптического волокна, которое чувствительно к затуханию, вызываемому водородом, в нижней части длин волн, 1040-1200 нм, предлагаемое в изобретении оптическое волокно характеризуется минимальным затуханием, вызываемым водородом, что указывает на минимальный уровень реакции между структурой стекла и водородом при повышенных температурах.
Кроме сердцевины 12, состоящей из чистого кварца, и переходной части 14 оптическое волокно 10 также содержит оболочку 16, в качестве которой может использоваться любая оболочка, известная в технике, которая пригодна для использования вместе с сердцевинами из чистого кварца. Для удерживания световых сигналов внутри сердцевины 12 показатель преломления оболочки 16 существенно отличается от показателя преломления сердцевины 12 благодаря разному составу материала стекла в разных частях волокна 10. Например, для снижения показателя преломления оболочки 16 кварцевое стекло легируют фтором. В других вариантах в качестве легирующих добавок, снижающих показатель преломления, может использоваться бор или другие материалы. Оболочка 16 может иметь любую толщину, используемую в технике оптических волокон, и предпочтительно ее величина изменяется в диапазоне от нескольких микрон до примерно одной тысячи микрон. Оболочка 16 может быть окружена дополнительной концентрической внешней оболочкой 18.
Оптическое волокно может быть изготовлено с использованием любого известного способа, такого как, например, установка, вытягивающая волокно 10 из заготовки, полученной из кварцевого стекла. Заготовка может быть получена любым известным способом, таким как внешнее парофазное осаждение, химическое парофазное осаждение с использованием плазмы или осевое парофазное осаждение. Предпочтительный способ получения заготовки базируется на технологии модифицированного химического парофазного осаждения (МХПО), которая описана в заявке US 2006/0222306, а также в заявке 11/807151 этого же заявителя с названием "Стойкая к действию водорода структура решетки/оптического волокна, пригодная для использования в скважинных датчиках", которая имеет такую же дату подачи, что и настоящая заявка, и находится на рассмотрении патентного ведомства одновременно с настоящей заявкой, и полное содержание указанной заявки уже было введено ссылкой в настоящую заявку.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения заготовка из кварцевого стекла имеет такие же относительные размеры, что и вытянутое оптическое волокно 10 (например, отношение диаметра сердцевины к внешнему диаметру), хотя абсолютные размеры могут отличаться. Например, если заготовка имеет сердцевину диаметром 1 мм и внешний диаметр 10 мм, то вытянутое оптическое волокно может иметь диаметр сердцевины 12,5 мкм и внешний диаметр 125 мкм. Даже если абсолютные размеры заготовки изменяются (например, диаметр сердцевины - 2 мм и внешний диаметр - 20 мм), относительные размеры (отношение диаметра сердцевины к внешнему диаметру - 1:10) заготовки и вытянутого волокна 10 останутся теми же самыми.
На фиг.8 приведена блок-схема алгоритма осуществления способа 100 с процессом МХПО, который может использоваться для получения предлагаемого в настоящем изобретении волокна 10, стойкого к действию водорода. Процесс начинается со стадии 110, на которой несколько отдельных газов пропускаются через стеклянную трубку для формирования слоев SiO2, легированных фтором. В одном из вариантов осуществления изобретения на внутренней стенке стеклянной трубки осаждается шестьдесят отдельных слоев, легированных фтором. В конечно счете, стеклянная трубка формирует внешнюю оболочку 18 волокна 10, а слои SiO2, легированные фтором, становятся оболочкой 16. Как это понятно специалисту в данной области техники, если используется альтернативный способ производства, в котором не требуется стеклянная трубка, например, в способах внешнего или осевого парофазного осаждения, то дополнительный слой 18 внешней оболочки может быть исключен.
Затем процесс МХПО продолжается на стадии 120 осаждением слоев, легированных оловом, на открытой поверхности материала, легированного фтором, внутри стеклянной трубки. В конечном счете, слои, легированные оловом, формируют переходную часть 14. Для получения сравнительно малой толщины этой части 14 осаждают всего лишь несколько слоев, легированных фтором. В одном из вариантов осаждают три таких слоя. Специалисту в данной области техники будет ясно, что в дополнение к циклам МХПО, осуществляемым на стадиях 110 и 120, легирующие добавки могут также вводиться с использование других способов, таких как введение добавок в растворе или циклы золь-гель.
После осаждения переходной части 14, легированной оловом, формируется сердцевина 12 путем осаждения одного слоя кварца (стадия 130) на открытую поверхность переходной части 14, легированной оловом. В соответствии с настоящим изобретением слой сердцевины из чистого кварца наносится таким образом, чтобы его толщина была существенно больше толщины слоев, легированных оловом.
На завершающей стадии 140 формирования "заготовки" оптического волокна с использованием процесса МХПО осуществляют сжатие (усадку) трубки, например, с использованием нагрева, для получения заготовки со сплошной сердцевиной, из которой может быть вытянуто оптическое волокно с использованием известных технологий.
На фиг.9 приведена блок-схема алгоритма осуществления альтернативного способа 200 МХПО, который может использоваться для получения предлагаемого в настоящем изобретении волокна 10, стойкого к действию водорода. Стадии 210, 220 и 240 аналогичны вышеописанным стадиям 110, 120 и 140, соответственно, способа 100, представленного на фиг.8. Однако осаждение материала сердцевины, состоящего из чистого кварца, заменяется трехступенчатым процессом, включающим: (1) осаждение ультрадисперсного кварцевого порошка, стадия 232, (2) выдерживание порошка в газообразном или сжиженном растворе SiCl4, который может формироваться, например, пропусканием N2 сквозь SiCl4 и направлением его во вращающуюся трубку, стадия 234, и (3) спекание пропитанного порошка для формирования чистого кварца, стадия 236. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения перед выполнением стадий 232-236 большая часть кислорода удаляется для создания восстановительной среды с минимальным содержанием кислорода.
В одном из вариантов предлагаемого в изобретении способа внутри переходной части 14, легированной оловом, могут быть сформированы структуры 20 решеток Брэгга при вытягивании оптического волокна 10 из заготовки со сплошной сердцевиной. На фиг.10 показан в упрощенной форме один из вариантов волочильной установки 300, в которой заготовка 310 со сплошной сердцевиной сначала пропускается через высокотемпературную печь 320 для "размягчения" заготовки, после чего становится возможным вытягивание стеклянного волокна. Затем вытягиваемое волокно опускается вниз к натяжному барабану 330 и приемной катушке 340, и процесс вытягивания регулируется натяжением/тягой барабана 330 и приемной катушки 340 (а также их скоростью). В соответствии с настоящим изобретением источник 350 УФ-излучения находится в определенном положении вдоль пути вытягиваемого волокна для обеспечения записи нужной структуры решетки в переходной части 14, легированной оловом, когда волокно проходит через источник 350. Предпочтительно УФ-излучение должно проходить без помех через оболочку 16, легированную фтором для уменьшения показателя преломления, чтобы решетка формировалась только в переходной части 14. Кроме того, в предпочтительном варианте настоящего изобретения потери на затухание, вызываемые УФ-излучением, используемым для получения решетки, существенно снижаются по сравнению со стандартными волокнами, легированными германием, с таким же коэффициентом отражения, как это показано на фиг.11. Более конкретно, на фигуре 11 показано уменьшение затухания, вызванного УФ-излучением, для предлагаемого в изобретении оптического волокна 10, легированного оловом (показано кривой Е) по сравнению со стандартным оптическим волокном, легированным германием (показано кривой F) в диапазоне длин волн 700-900 нм для решеток, распределенных с шагом 1 м.
Дальнейшие описания того, как решетки Брэгга могут быть записаны последовательно на оптическом волокне, приведены в публикациях заявок US 2006/0140529 (тот же заявитель, что и в настоящей заявке; рассматривается в патентном ведомстве одновременно с настоящей заявкой), US 2006/0222306, а также в патентах US 5367588, US 5327515, US 5351321 и US 5400422, полные содержания которых также вводятся здесь ссылкой в настоящую заявку.
Хотя понятно, что иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения, рассмотренные в настоящем описании, позволяют выполнить цели изобретения, однако необходимо понимать, что специалистами в данной области техники могут быть предложены многочисленные модификации рассмотренных вариантов и другие варианты. Кроме того, признаки и/или элементы из любого варианта могут использоваться по отдельности или в сочетании с признаками и/или элементами других вариантов. Поэтому необходимо понимать, что такие модификации и варианты, находящиеся в рамках сущности и объема настоящего изобретения, охватываются его формулой, которая приводится ниже.

Claims (23)

1. Оптическое волокно, имеющее
сердцевину из, по существу, чистого кварца,
депрессированную оболочку, концентрически окружающую упомянутую сердцевину, и
переходную часть, находящуюся между сердцевиной и оболочкой и включающую фоточувствительную легирующую добавку, содержащую олово.
2. Оптическое волокно по п.1, представляющее собой одномодовое или многомодовое оптическое волокно.
3. Оптическое волокно по п.1, в котором диаметр сердцевины из, по существу, чистого кварца находится в диапазоне от примерно 3 мкм до примерно 20 мкм.
4. Оптическое волокно по п.1, в котором толщина переходной части меньше диаметра сердцевины из, по существу, чистого кварца.
5. Оптическое волокно по п.1, в переходной части которого сформирована по меньшей мере одна волоконная решетка Брэгга.
6. Оптическое волокно по п.1, в котором фоточувствительная легирующая добавка содержится в концентрации, не превышающей 0,10 молей.
7. Оптическое волокно по п.6, в котором концентрация фоточувствительной легирующей добавки не превышает 0,07 молей.
8. Оптическое волокно по п.7, в котором концентрация фоточувствительной легирующей добавки не превышает 0,03 молей.
9. Оптическое волокно по п.1, в котором переходная часть представляет собой отдельный слой.
10. Оптическое волокно по п.1, в котором переходная часть является частью сердцевины из, по существу, чистого кварца.
11. Оптическое волокно по п.10, в котором переходная часть занимает от примерно 1% до примерно 35% сердцевины из, по существу, чистого кварца.
12. Оптическое волокно по п.11, в котором переходная часть начинается на расстоянии по радиусу, составляющем примерно 2/3 радиуса сердцевины из, по существу, чистого кварца.
13. Оптическое волокно по п.12, в котором концентрация фоточувствительной легирующей добавки постепенно повышается в направлении внешнего периметра сердцевины из, по существу, чистого кварца.
14. Оптическое волокно по п.12, в котором концентрация фоточувствительной легирующей добавки постепенно уменьшается в направлении внешнего периметра сердцевины из, по существу, чистого кварца.
15. Оптическое волокно по п.12, имеющее однородную концентрацию фоточувствительной легирующей добавки.
16. Оптическое волокно по п.1, в котором оболочка с уменьшенным показателем преломления легирована фтором или бором.
17. Оптическое волокно по п.1, дополнительно содержащее внешнюю оболочку.
18. Способ изготовления оптического волокна с использованием модифицированного химического парофазного осаждения, включающий стадии, на которых:
а) обеспечивают трубку стеклянной заготовки,
б) осаждают вдоль внутренней поверхности указанной трубки множество слоев депрессированной оболочки,
в) осаждают на открытой поверхности слоев депрессированной оболочки нескольких слоев кварца, легированного оловом,
г) осаждают на открытой поверхности слоев кварца, легированных оловом, один слой чистого кварца,
д) осуществляют сжатие трубки для формирования заготовки со сплошной сердцевиной и
е) вытягивают оптическое волокно из сжатой заготовки, полученной на стадии (д).
19. Способ по п.18, в котором на стадии (г): осаждают на открытой поверхности легированных слоев кварца слой ультрадисперсного кварцевого порошка,
пропитывают слой осажденного ультрадисперсного порошка раствором SiCl4 и
осуществляют спекание пропитанного слоя ультрадисперсного порошка при температуре, достаточной для формирования чистого кварцевого материала.
20. Способ по п.19, в котором перед указанными операциями стадии (г) осуществляют удаление большей части кислорода.
21. Способ по п.19, в котором осуществляют пропитывание осажденного слоя ультрадисперсного кварцевого порошка газообразным раствором SiCl4.
22. Способ по п.19, в котором осуществляют пропитывание осажденного слоя ультрадисперсного кварцевого порошка сжиженным раствором SiCl4.
23. Способ по п.18, дополнительно включающий стадию, на которой:
ж) формируют по меньшей мере одну волоконную решетку Брэгга путем воздействия УФ-излучением по меньшей мере на часть оптического волокна.
RU2009147821/03A 2007-05-25 2008-05-15 Оптическое волокно с легированной оловом переходной частью между сердцевиной и оболочкой RU2463266C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/753,746 2007-05-25
US11/753,746 US7493009B2 (en) 2007-05-25 2007-05-25 Optical fiber with tin doped core-cladding interface

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009147821A RU2009147821A (ru) 2011-07-10
RU2463266C2 true RU2463266C2 (ru) 2012-10-10

Family

ID=40072479

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009147821/03A RU2463266C2 (ru) 2007-05-25 2008-05-15 Оптическое волокно с легированной оловом переходной частью между сердцевиной и оболочкой

Country Status (2)

Country Link
US (1) US7493009B2 (ru)
RU (1) RU2463266C2 (ru)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2675234C (en) * 2007-01-12 2016-12-20 Koheras A/S Lifetime extending and performance improvements of micro-structured fibres via high temperature loading
US8265441B2 (en) * 2007-05-25 2012-09-11 Baker Hughes Incorporated Hydrogen-resistant optical fiber/grating structure suitable for use in downhole sensor applications
EP2348001A2 (en) 2008-07-11 2011-07-27 NKT Photonics A/S Lifetime extending and performance improvements of optical fibers via loading
US8965147B2 (en) * 2009-12-09 2015-02-24 Baker Hughes Incorporated Bend insensitive optical fiber with improved hydrogen resistance
WO2011115683A2 (en) * 2010-03-19 2011-09-22 SensorTran, Inc Multi wavelength dts fiber window with psc fibers
US8638444B2 (en) 2011-01-11 2014-01-28 Baker Hughes Incorporated Sensor array configuration for swept-wavelength interferometric-based sensing systems
US8592747B2 (en) 2011-01-19 2013-11-26 Baker Hughes Incorporated Programmable filters for improving data fidelity in swept-wavelength interferometry-based systems
US9435944B2 (en) * 2011-10-11 2016-09-06 Baker Hughes Incorporated Phase mask period control
US20140158877A1 (en) * 2012-12-11 2014-06-12 Paul F. Wysocki Hydrogen resistant downhole optical fiber sensing
KR102663955B1 (ko) * 2014-12-18 2024-05-09 엔케이티 포토닉스 에이/에스 광결정 섬유, 이의 제조방법 및 초연속 광원
US9546886B2 (en) * 2015-01-26 2017-01-17 Ofs Fitel, Llc Distributed environmental fiber optic sensor and system
CN105955342B (zh) * 2016-05-18 2018-04-24 中国电子科技集团公司第四十一研究所 一种高稳定长度标准光纤
US20210180447A1 (en) * 2019-12-17 2021-06-17 Baker Hughes Oilfield Operations Llc Optimized optical fiber for enhanced scatter in downhole environments

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5033815A (en) * 1979-10-25 1991-07-23 Nippon Telephone & Telegraph Optical transmission fiber and process for producing the same
EP0943936A2 (en) * 1998-03-20 1999-09-22 Polymicro Technologies, Inc. Gamma radiation sterilized fiber optic UV delivery systems
RU2271025C2 (ru) * 2000-06-09 2006-02-27 Драка Файбр Текнолоджи Б.В. Одномодовое оптическое волокно и способ изготовления одномодового оптического волокна

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2301678B (en) * 1995-04-28 1999-02-24 Univ Southampton Optical waveguide device
US5862273A (en) * 1996-02-23 1999-01-19 Kaiser Optical Systems, Inc. Fiber optic probe with integral optical filtering
US6922495B2 (en) * 1997-06-16 2005-07-26 Novera Optics, Inc. Optical fiber cladding with low polarization-dependent coupling
US6009222A (en) * 1997-09-12 1999-12-28 Dong; Liang Optical fibre and optical fibre grating
US6321007B1 (en) * 1999-11-24 2001-11-20 Cidra Corporation Optical fiber having a bragg grating formed in its cladding
US6643442B2 (en) * 2000-03-23 2003-11-04 University Of Southampton Optical waveguides and devices including same
WO2003079077A1 (en) * 2002-03-15 2003-09-25 Crystal Fibre A/S Microstructured optical fibre with cladding recess, a method of its production, and apparatus comprising same
US7369730B2 (en) * 2004-12-23 2008-05-06 Baker Hughes Incorporated Random refractive index modulated optical fibers
US7257301B2 (en) * 2005-03-31 2007-08-14 Baker Hughes Incorporated Optical fiber

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5033815A (en) * 1979-10-25 1991-07-23 Nippon Telephone & Telegraph Optical transmission fiber and process for producing the same
EP0943936A2 (en) * 1998-03-20 1999-09-22 Polymicro Technologies, Inc. Gamma radiation sterilized fiber optic UV delivery systems
RU2271025C2 (ru) * 2000-06-09 2006-02-27 Драка Файбр Текнолоджи Б.В. Одномодовое оптическое волокно и способ изготовления одномодового оптического волокна

Also Published As

Publication number Publication date
US20080292256A1 (en) 2008-11-27
RU2009147821A (ru) 2011-07-10
US7493009B2 (en) 2009-02-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2463266C2 (ru) Оптическое волокно с легированной оловом переходной частью между сердцевиной и оболочкой
US8542967B2 (en) Depressed graded index multi-mode optical fiber
US7257301B2 (en) Optical fiber
AU2008343345B2 (en) Optical fiber bragg grating with improved hydrogen resistance
US7171093B2 (en) Method for preparing an optical fibre, optical fibre and use of such
US20140158877A1 (en) Hydrogen resistant downhole optical fiber sensing
EP2510387B1 (en) Apparatus comprising a bend insensitive optical fiber with improved hydrogen resistance
Resen et al. Review of Recent Optical Bio-Sensor Based FBG.
US8401355B2 (en) Hydrogen-resistant optical fiber/grating structure suitable for use in downhole sensor applications
Pang et al. In-fiber Michelson interferometer based on double-cladding fiber for refractive index sensing
Majid et al. Novel optical fiber design for hydrogen-rich harsh environments

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130516