光导纤维和光导纤维制造方法技术

描述了光导纤维包裹体，其包括具有芯直径的光传导芯、围绕所述芯的包覆层，和其中光传导芯区域中的氯的量是均匀的且占至少3000ppm。纤维包裹体是这样的：光导纤维芯表现出氢致衰减损耗的减少。还公开了光导纤维包裹体的制作方法，其包括在基体管中进行化学气相沉积反应和使所述管在Cl2气氛中坍缩以形成预制件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及表现出氢致损耗的减少的光导纤维(光纤，opticalfiber)。本专利技术的实施方式涉及在1000nm-1600nm范围内的工作(operating)和传导(transmitting)波长下表现出氢致衰减的减少的光导纤维包裹体(package)和光导纤维包裹体制造方法。定义如本文所使用的，“光”包括所有形式的电磁辐射，无论其对于人眼是可见的或者不可见的。“光传导”包括所有形式的电磁辐射的传导，无论该电磁辐射对于眼睛是可见的或不可见的。提到的吸收和传导包括所有波长的电磁波谱的吸收和传导。
技术介绍
光导纤维在油气工业中经常用于向下打眼(down-hole)监控工作(操作，operation)以收集和分析钻孔数据。所述纤维被包在各种设计的缆线中以保证机械坚固性。由于油气工业中的高温、压力和在包含烃(多碳，polycarbon)的气氛内的工作，以及在向下打眼环境中存在气体和其它潜在的腐蚀性条件，对于耐受这些极端条件且保持高性能水平的光导纤维存在需求。在海底环境中，光导纤维用于感测和通讯两者，且还存在氢。光导纤维的衰减和性能损耗可归因于很多不同因素，例如吸收、散射、弯曲损耗、以及在纤维连接处。各损耗机制与光导纤维的受纤维材料性质和纤维结构影响的衰减性质有关。吸收按说是光导纤维的衰减和性能损耗的最主要原因。吸收可定义为由光能转化为另一种能量形式(例如热)所导致的衰减部分。光导纤维的原子结构中的瑕疵由于存在空位缺陷或氧缺陷(点缺陷)而诱发吸收。二氧化硅纤维由于其在工作波长下低的固有材料吸收而通常用在光导纤维中。吸收还由于氢分子扩散到玻璃纤维中而被诱发。氢进入二氧化硅玻璃纤维中的吸收具有两种机制。第一种吸收机制是通过其中氢扩散到玻璃纤维的二氧化硅网络中的间隙位点中的暂时扩散。已经发现，该现象影响所有基于二氧化硅的玻璃纤维(单模和多模两者)。暂时氢扩散的最显著的影响是在1.24μm处的强吸收。还在更长的波长下观察到另外的峰(超过约1.5μm的上升损耗限(边缘))。实践中，氢扩散到纤维芯中可通过1.24μm峰的增长而测量。随着氢浓度的增大，各吸收带的宽度也增加。总而言之，这些吸收阻止光在所需波长下沿着光导纤维的传导。氢在块状二氧化硅中的溶解度与压力是线性的；然而，其随着温度提高而降低。应注意，可被吸收到光导纤维中的氢的饱和水平大于使所述纤维光导变暗(darken)所需的水平，且因此温度的影响不显著。由暂时扩散机制所导致的氢吸收而引起的损耗是可逆的。当移除外部压力和/或氢源时，所吸收的氢从所述芯扩散出去，且光传导特性随时间而恢复。氢吸收到二氧化硅玻璃纤维中的第二种机制是由扩散的氢和二氧化硅玻璃成分的化学反应而形成例如羟基(OH)基团所导致的化学诱发吸收机制。这些羟基基团具有导致所传导的光的高衰减(称为“氢致变暗(hydrogendarkening)”的现象)的独特吸收带。全部化学诱发吸收的强度由于化学反应的进行随时间增加。在较高的温度(例如在向下打眼环境中)和在增大的氢浓度下反应速率还被加快。所述化学反应是不可逆的，且因此化学诱发衰减一旦已经造成就无法消除。现在将描述在二氧化硅纤维中导致氢致变暗的氢的化学诱发吸收的一些实例。与二氧化硅的反应甚至对于纯二氧化硅纤维，在纤维芯中的二氧化硅也不包含纯的硅-氧三维矩阵(–Si–O–Si–O–)。残留有其中氧对硅形成共价双键(Si＝O)的一些末端位点，特别是在纤维芯的边缘处。在某些条件下，这些可与氢反应而产生末端“悬摆的(dangling)”羟基基团(Si–OH)。替代地，氢可与非桥接的(自由基)氧空穴中心(Si-O·)或过氧自由基(-Si-O-O·)反应而产生OH基团。羟基基团在感兴趣的1.38、0.95和0.72μm的传导区域中强烈地吸收，最强的吸收为1.38μm。在1.24μm处也存在吸收，但是其经常被由分子氢所导致的更大峰(如上所述)所遮蔽。与掺杂剂的反应二氧化硅纤维通常掺杂有锗(Ge)、磷(P)或者其它第III族或第V族元素。氢不仅与纤维的二氧化硅芯反应，而且还可与这些掺杂剂进行化学反应。这可导致例如在约1.4μm处强烈吸收的Ge–OH位点的形成。Ge掺杂的纤维对于氢致变暗比纯二氧化硅芯纤维更敏感，且当GeO2和P2O5两者均存在于纤维的芯中时化学诱发衰减更严重，因为P2O5催化与氢的反应而产生末端的锗羟基(Ge–OH)物种。另外，氢与GeO2掺杂的纤维的反应还可在较短的波长区域(<1μm)中诱发衰减。本质上，经掺杂的纤维即使当它们具有来自缆线包覆或外壳的进一步保护时也不适宜在极端环境中长时间使用。其它反应氢还可与包含碱性杂质(例如Na、Li、K等)的纤维芯中的缺陷反应。这表现为长波长吸收限的增长。另外，氢在未掺杂的纤维(纯二氧化硅芯)(包括具有氟掺杂的包层的那些)中可诱发衰减。在该情况下，可检测到由于HF(1.44μm)和SiH(1.53μm)而引起的吸收。减少氢衰减损耗已知几种阻止氢到达二氧化硅纤维的芯的方法。碳包覆是既定的技术，例如专利No.US5,000,541公开了一种在玻璃和保护性“塑料”俘获物(capture)之间施加外部碳质包覆的方法。然而，在油气工业环境中(例如向下打眼工作中)的周围温度经常远高于碳的外涂层阻止氢进入的温度。在高于170℃的温度下碳包覆的有效性降低，因为氢分子和原子非常小，它们的运动性和扩散随温度而显著提高且碳变成愈加多孔的。在300℃的典型工作温度下存在一定的剩余有效性，但是由于所概述的化学反应，足够的氢扩散通过使纤维变暗必然发生。在本领域中还已知使用添加剂对芯进行内部保护。已知通过在温度下用氘处理拉制的纤维而实现纤维钝化。所述技术描述于AlexisMendez和T.T.Morse的‘SpecialityOpticalfibersHandbook’，AcademicPress(2007)中。氘与氢在反应中竞争而形成Si–OD或Si-D物种，其吸收损耗发生在正常工作范围以外的长得多的波长(>1625nm)处且因此是无害的。然而，已知氘处理是昂贵的、在制作期间可能是有害的、且是困难的，因为用氘进行钝化的后加工将使用保证氘扩散到纤维中的温度。因此，暴露于氘的时间必须长，以保证在纤维可忍受的最高温度下的充分扩散和饱和。在工作环境中例如在油气工业中的氢(H2)浓度因所使用的材料以及固有环境氢存在于油气工业中。氢按体积计以小于1ppm存在于气氛中。在油/气环境(例如向下打眼环境)中，氢的天然浓度可显著更大，但是仍将是相对少的组分。因此，在最小1大气压(1巴)的氢压力和最大15大气压的氢之间的范围内测试氢致变暗是一般的实践。尽管可能有过多的测试，但是油井中的压力高且在氢使纤维变暗之前不总是知晓氢的浓度。通过缆线中金属元素之间的电解反应、通过水与金属组分的腐蚀和通过由纤维包覆材料的分解或化学反应放出气体也可形成氢。这些中最显著的可为通过置于向下打眼环境中的不同金属之间的电解反应。这是当对材料进行选择时不总是被认识到的因素。差的选择和基于水的制造或环境流体的存在组合可导致产生原电池和结果生成显著水平的氢。在油/气环境中经常发现硫化氢(H2S)且其可导致显著的问题。例如，在水中的H2S只是略微酸性的，但是它将还本文档来自技高网...

【技术保护点】
光导纤维包裹体，其包括具有芯直径的光传导芯、围绕所述芯的包覆层，其中光传导芯区域中的氯的量是均匀的且为至少3000ppm，和由此光导纤维芯在1000nm‑1600nm范围内的工作和传导波长下表现出氢致衰减损耗的减少。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.29 GB 1409506.11.光导纤维包裹体，其包括具有芯直径的光传导芯、围绕所述芯的包覆层，其中光传导芯区域中的氯的量是均匀的且为至少3000ppm，和由此光导纤维芯在1000nm-1600nm范围内的工作和传导波长下表现出氢致衰减损耗的减少。2.根据权利要求1的光导纤维包裹体，其中所述光导纤维芯在基本1400nm的传导波长下表现出氢致衰减损耗的减少。3.根据权利要求1或权利要求2的光导纤维包裹体，其中所述芯中氯的量在3000ppm-8000ppm的范围内。4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3的光导纤维包裹体，其中所述芯中氯的量在4000ppm-4500ppm的范围内。5.根据权利要求4的光导纤维包裹体，其中所述芯中氯的量的不确定度在+/-120ppm的范围内。6.根据任一前述权利要求的光导纤维包裹体，其中所述芯中的氯以横跨所述芯小于50％的差异均匀地分布。7.根据权利要求6的光导纤维包裹体，其中所述芯中的氯以横跨所述芯小于20％的差异均匀地分布。8.根据任一前述权利要求的光导纤维包裹体，其中所述纤维包裹体由具有包括二氧化硅SiO2的组成的预制件拉制。9.根据权利要求8的光导纤维包裹体，其中所述预制件包括以在0-10000ppm范围内的浓度存在的选自Al、Ge、F、P范围的一种或多种掺杂剂。10.根据任一前述权利要求的光导纤维包裹体，其中纤维直径在50μm-500μm的范围内。11.根据权利要求10的光导纤维包裹体，其中所述纤维直径在75μm-130μm的范围内。12.根据任一前述权利要求的光导纤维包裹体，其中芯直径在3μm-100μm的范围内。13.根据权利要求12的光导纤维包裹体，其中所述芯直径在5μm-50μm的范围内。14.根据任一前述权利要求的光导纤维包裹体，其中所述芯包括SiO2。15.根据任一前述权利要求的光导纤维包裹体，其中所述芯的折射率分布曲线为选自如下范围的...

【专利技术属性】
技术研发人员：C埃姆斯利，P梅顿，L库珀，A伯冈佐，
申请(专利权)人：菲伯科尔有限责任公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB