[发明专利]光纤

说明书

相关申请交叉参考

本申请要求2010年1月26日提交的美国临时申请系列第61/298324号的优先权。

技术领域

本发明一般涉及适用于严苛环境中的传感应用的光纤。

背景技术

光纤因传输容量高和不受电噪声干扰而成为受欢迎的远程通信媒介。过去十年，光纤也已用于点式和/或分布式传感应用。在油气行业，光纤已用来为石油的勘探、钻井和生产提供重要信息。在这些油/气井中，光纤用作分布式传感器，沿着地球物理井（geophysical well）的深度监视/测量温度、压力和流动信息。然而，严苛的井下环境对可靠性带来严重挑战。在典型的井下环境中，光纤经历高温（高达300℃）、高压（高达1000大气压），接触湿气、氢气及其他有害物质如CO₂和H₂S。

为了保护在这种严苛环境中使用的光纤，人们开发了特殊的光纤涂层设计。例如，采用无定形碳基薄涂层（所谓的“气密性涂层”）和金属涂层。然而，除了使用具有掺氟包层的纯二氧化硅芯光纤，或者更典型的是使用纤芯由掺Ge二氧化硅组成的光纤外，在光纤的二氧化硅玻璃组成方面尚未做多少工作。

气密性涂层提供保护层，防止水分子或氢气分子侵入光纤的二氧化硅玻璃。气密性涂层还使人们能在卷绕直径更小的情况下高度可靠地布置光纤。气密性涂层的存在提供了具有改进的机械完整性的光纤。掺Ge光纤在可见光和近红外波长范围内具有吸收峰。此外，我们最近的研究表明，在掺GeO₂的光纤上施加气密性涂层可在高达150℃的温度下完全阻止H₂侵入纤芯，但高于170℃就不行。例如，观察到1240nm和1381nm处的峰衰减加剧，并且背景损耗整体上升。这表明气密性层在高于170℃的温度下不再当然具有气密性。

发明内容

本发明的范围根据所附权利要求书确定。

根据本发明的一个例子，光纤包含：（i）含掺Al二氧化硅且具有第一折射率n₁的纤芯；（ii）至少一个包围所述纤芯、具有第二折射率n₂的二氧化硅基包层，使得n₁>n₂；以及（iii）包围所述包层的涂层，所述涂层的厚度为5-80μm。较佳的是，一个气密性涂层位于所述包层与所述涂层之间，包围所述包层。在一些实施方式中，光纤具有单模纤芯。在一些实施方式中，光纤具有多模纤芯。较佳的是，在具有多模纤芯的光纤中，纤芯的至少一部分具有渐变折射率。在至少一些实施方式中，纤芯与包层的相对折射率差值在0.5%-2.05%之间（例如0.8%-1.2%），纤芯与二氧化硅的相对折射率差值≤0.8。在一些实施方式中，包层包含0.2-5重量%的F，例如1.4重量%-5重量%的F。在一些实施方式中，包层中F的含量是0.7重量%-3重量%。在一些实施方式中，纤芯包含5.5重量%-10重量%的Al₂O₃。

本文所揭示的光纤的一些优点是：在高于170℃的温度下可靠性高。这些光纤也可用于其他严苛的环境，用在使用掺Ge光纤或者纯二氧化硅纤芯光纤的传感应用中。根据本发明的一些实施方式的光纤的优点之一是1064nm波长附近的H₂老化小得多。需要指出，1064nm的波长范围是气/油传感应用中的分布式温度传感（DTS）应用的主要工作窗口。

在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都提出了本发明的实施方式，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图图示说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来说明本发明的原理和操作。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的示意性截面视图；

图2是根据本发明的光纤的第一个例子的折射率分布图；

图3A是根据本发明的光纤的第二个例子的折射率分布图；

图3B-3D显示了根据本发明的几个示例性光纤的折射率分布图；

图4是所制造的掺GeO₂单模光纤在H₂/高温老化试验之前（实线）和之后（虚线）测得的光谱衰减图；以及