Внутриволоконная брэгговская решетка с повышенной устойчивостью к воздействию водорода

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ Дата публикации и выдачи патента ВНУТРИВОЛОКОННАЯ БРЭГГОВСКАЯ РЕШЕТКА С ПОВЫШЕННОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ВОДОРОДА В изобретении описано решение для значительного снижения вызванных водородом потерь в оптических волокнах с легирующей добавкой германия за счет увеличения концентрации кислорода в области сердцевины волокна. Увеличение концентрации кислорода "излечивает" дефекты типа вакансий в германии, тем самым существенно уменьшая число мест структуры,в которые может внедриться водород. Преимущество изобретения заключается в том, что присутствие избыточного кислорода не снижает возможности образования решеток в области сердцевины волокон ультрафиолетовым излучением. Действительно было установлено, что устойчивость стекла даже возрастает при воздействии ультрафиолетового излучения. Таким образом, может быть сформирована внутриволоконная брэгговская решетка, пригодная для использования в суровых высокотемпературных окружающих условиях. 015661 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к внутриволоконной брэгговской решетке и, в частности, к внутриволоконной брэгговской решетке, особенно пригодной для работы в неблагоприятных окружающих условиях. Предшествующий уровень техники Внутриволоконная брэгговская решетка представляет собой изменение с постоянным периодом показателя преломления сердцевины одномодового оптического волокна из кварцевого стекла на длине,составляющей обычно 1-100 мм. Она может быть образована в фоточувствительном волокне (то есть в волокне, содержащем фоточувствительную легирующую добавку, такую как германий) облучением его в поперечном направлении периодической интерференционной картиной, создаваемой излучением ультрафиолетового лазера. Можно полагать, что изменение показателя преломления в стандартной внутриволоконной брэгговской решетке, формируемой ультрафиолетовым облучением, создается за счет разрыва электронных связей в дефектной структуре на основе германия, при котором высвобождающиеся электроны затем снова захватываются другими связями в структуре стекла. Это перераспределение связей приводит к изменению в спектре поглощения волокна и плотности, что меняет показатель преломления стекла. Общеизвестно, что внутриволоконная брэгговская решетка отражает свет в узком диапазоне длин волн (обычно 0,1-0,3 нм) с центром у брэгговской длины волны B=neff, где neff - эффективный показатель преломления для распространяющегося в волокне света, и- физический период изменения показателя преломления. Известно, что отраженная от внутриволоконной брэгговской решетки брэгговская длина волны В изменяется при любом внешнем возмущающем воздействии, таком как температура или деформация,приводящем к изменению эффективного показателя преломления для распространяющегося света и(или) физического периода . При измерении отраженной брэгговской длины волны В (с использованием, например, широкополосного источника света и спектрометра) внутриволоконная брэгговская решетка может быть использована в качестве сенсора для измерения таких внешних воздействий. Стандартная внутриволоконная брэгговская решетка, полученная с использованием ультрафиолетового излучения, может быть сделана термостабильной при температурах вплоть до 150-200 С. К сожалению, при более высоких температурах изменение показателя преломления, полученное при ультрафиолетовом облучении, исчезает, и решетка стирается. Внутриволоконные брэгговские решетки могут быть также использованы как сенсоры давления путем измерения сдвига брэгговской длины волны, обусловленного сжатием волокна из кварцевого стекла гидростатическим давлением. Сенсор давления на внутриволоконной брэгговской решетке может быть сделан относительного малого размера, с хорошей воспроизводимостью результатов и долговременной стабильностью, обеспечиваемыми целиком состоящей из кварца конструкцией сенсора. Сенсор с внутриволоконной брэгговской решеткой, обладающий повышенной чувствительностью к давлению и внутренней температурной компенсацией, может быть построен с использованием пассивной или активной лазерной внутриволоконной брэгговской решетки, записанной в двупреломляющем волокне, имеющем два открытых канала (отверстия), симметрично расположенных на каждой из сторон сердцевины волокна. См., например, патенты US 5828059 и 5841131. Можно также построить сенсоры давления с внутриволоконной брэгговской решеткой, обладающие повышенной чувствительностью к давлению, с использованием стеклянного преобразовательного элемента, окружающего оптическое волокно, преобразовывая давление в деформацию либо сжатие волокна, или преобразовывая давление в изменение показателя преломления. При этом диффузия газов (например водорода) в сердцевину оптического волокна приведет к искажению показателя преломления, пропорционального концентрации водорода, и, следовательно, изменит значение брэгговской длины волны внутриволоконной брэгговской решетки, записанной в сердцевине оптического волокна. Водород вызовет также увеличение потерь сигнала в оптическом волокне, что было определенно установлено для волоконно-оптических лазеров, построенных на внутриволоконной брэгговской решетке с редкоземельной добавкой. Наконец, диффузия газов в отверстия волокон с боковыми каналами изменяет давление в каналах, и, следовательно, разность давлений, что влияет на результаты измерения наружного гидростатического давления. В патенте US 5925879 раскрыто использование углеродного покрытия сенсора на внутриволоконной брэгговской решетке, защищающего оптическое волокно и сенсоры от воздействия суровых окружающих условий. Показано, что углерод образует хорошее химическое покрытие оптического волокна,делая его в основном недоступным как для воды, так и для водорода, что сохраняет механическую прочность и снижает потери в волокне. Углеродное покрытие может быть нанесено на оптическое волокно в процессе изготовления до этапа охлаждения стекла волокна в пиролитическом процессе (смотри, например, патент US 5000541). Углеродное покрытие по аналогичной технологии может быть также нанесено на места склейки герметичных нитей с целью сохранения герметичности после соединения оптических волокон, снабженных углеродным покрытием, как описано в патенте US 4727237. В более позднем патенте пиролитическая технология используется с нагревом областей соединения оптических волокон с-1 015661 помощью СО 2 лазера в камере, заполненной газообразным реагентом, что приводит к образованию углеродного покрытия на стеклянной поверхности за счет пиролиза участвующего в реакции газа. Однако при этом температуру волокна необходимо поднимать выше 1000 С, чтобы создать надежно герметичные покрытия. Стандартная внутриволоконная брэгговская решетка, записанная в кварцевом волокне с добавкой германия, не может быть покрыта с использованием такого процесса, так как решетка сотрется,как было рассмотрено выше, при высокой температуре, используемой в процессе. Таким образом, в настоящее время сохраняется необходимость в технологии получения защищенных внутриволоконных брэгговских решеток, которые можно использовать при высокой температуре и суровых окружающих условиях при отсутствии вызванных водородом потерь, присущих предшествующему уровню техники. Краткое изложение сущности изобретения Сохраняющиеся в предшествующем уровне техники проблемы призвано решить настоящее изобретение, относящееся к внутриволоконной брэгговской решетке и, в частности, к внутриволоконной брэгговской решетке, особенно пригодной для использования в суровых окружающих условиях. В соответствии с настоящим изобретением вызванные водородом потери в оптических волокнах с добавкой германия значительно снижаются за счет увеличения концентрации кислорода в области сердцевины волокна. Было установлено, что увеличение концентрации кислорода "излечивает" дефекты типа вакансий в германии, тем самым существенно уменьшая число мест структуры, в которые может внедриться водород (водородная связь). Преимущество изобретения заключается в том, что присутствие избыточного кислорода не снижает возможности образования решеток в области сердцевины волокон путем ультрафиолетового облучения. Действительно, было установлено, что устойчивость стекла даже возрастает при воздействии ультрафиолетового облучения. Таким образом, может быть сформирована структура внутриволоконной брэгговской решетки, пригодная для использования в суровых, высокотемпературных окружающих условиях. Легирующей добавкой в сердцевине может служить германий или альтернативно любой из материалов, выбираемый из группы, состоящей из Al, Ga, Zn, In, Zr, Bi, Sn, Pb,Sb, P, В или подобного фоточувствительного материала, используемого для формирования решетки в оптическом волокне. В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения увеличение содержания кислорода достигается за счет изменения отношения кислорода к четыреххлористому германию в модифицированном процессе химического осаждения из газовой фазы, хорошо известном в производстве оптических волокон. Могут быть также использованы соединения иные, чем четыреххлористый германий. Другие свойства и преимущества настоящего изобретения станут понятны из нижеследующего описания, данного со ссылкой на прилагаемые чертежи. Краткое описание чертежей Далее изобретение более подробно описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано: на фиг. 1 - вид сбоку в разрезе приводимой в качестве примера внутриволоконной брэгговской решетки, выполненной в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 2 - график вызванных водородом потерь в оптическом волокне в функции от длины волны,отражающий снижение потерь в зависимости от возрастания концентрации кислорода в области сердцевины оптического волокна в соответствии с идеями настоящего изобретения; на фиг. 3 - график вызванных водородом потерь для внутриволоконной брэгговской решетки, настроенной на длину волны 1000 нм, отражающий снижение количества связанных с кислородом дефектов в оптическом волокне по мере возрастания концентрации кислорода в области сердцевины; на фиг. 4 - график, аналогичный графику с фиг. 3, который в данном случае построен для длины волны 1550 нм как стандартной рабочей длины волны; на фиг. 5 - кривая, отражающая увеличение ослабления оптического волокна, облученного ультрафиолетовым излучением при формировании внутриволоконной брэгговской решетки; и на фиг. 6 - кривые, отражающие снижение вызванных водородом потерь в устройствах распределенного измерения температуры. Подробное описание осуществления изобретения Как упомянуто выше, волоконно-оптические сенсоры могут быть использованы в нефтегазовой промышленности для проведения скважинных измерений, например давления и(или) температуры в стволе скважины. Протяженные оптические волокна, входящие в волоконно-оптическую систему, могут быть использованы для передачи информации из скважин в процессе их бурения, а также для передачи информации из скважин после их заканчивания. Альтернативно в оптическое волокно может быть введен одноточечный волоконно-оптический сенсор температуры-давления. Дополнительно по длине оптического волокна может быть записана группа слабо отражающих внутриволоконных брэгговских решеток или по длине оптического волокна может быть введен одноточечный сенсор Фабри-Перо. При таком использовании брегговской внутриволоконцой решетки по волокну направляется оптический сигнал,который отражается и (или) рассеивается в обратном направлении, чтобы быть принятым и проанализированным с целью определения распределения его параметров (например, длины волны отраженного-2 015661 оптического сигнала) по длине оптического волокна. С использованием этой информации могут быть получены результаты скважинных измерений, включая, но не ограничиваясь этим, температуру, давление и химический состав среды. Однако, если обычные оптические волокна, такие как волокна из кварцевого стекла с легирующей добавкой германия, подвергать интенсивному нагреву, воздействию давления и химически активной окружающей среды, которые присутствуют в скважине, существенно возрастают потери на поглощение. Это возрастание потерь интенсивности оптического сигнала происходит, в частности, из-за диффузии водорода в структуру стекла. Существует два основных вида устойчивых (то есть возникающих за счет химической реакции) водородных потерь в таких волокнах. Первый вид потерь, называемый далее наведенными потерями у коротковолнового края, связан с образованием по длине волокна дефектов типа вакансий в добавке (например в германии). Другой вид потерь, связанный с образованием ОН формаций,не представляет проблемы на длинах волн, соответствующих используемым в настоящем изобретении. Что касается наведенных потерь у коротковолнового края, то атомы водорода будут внедряться в любую открытую или ослабленную связь в структуре стекла, такую как связь с определенными атомами добавки(например, Ge, Sn, Pb, Sb, В, Р), или образовывать соединения типа SiOH и (или) "добавка" ОН. Для волокон с добавкой германия ослабление быстро возрастает с ростом температуры. Так как температуры в обычной газовой или нефтяной скважине, как правило, меняется от слегка меньшей, чем температура вблизи поверхности, до температуры, лежащей в диапазоне приблизительно от 90 до 250 С, обычные оптические волокна с добавкой германия не обладают достаточно стабильными характеристиками при длительном использовании на глубине в условиях скважины. Хотя покрытие оптических волокон из кварцевого стекла с добавкой германия углеродом или другими материалами с близким молекулярным весом представляет собой эффективный путь снижения диффузии водорода в стекло при низких температурах, эффективность углеродного покрытия быстро падает с возрастанием окружающей температуры. Как представлено на сопровождающих чертежах и подробно рассмотрено ниже, задачей изобретения является создание оптического волокна с намеренно увеличенным содержанием кислорода, введенного в сердцевину для минимизации потерь, вызванных водородом, при повышенных температурах. На фиг. 1 в качестве примера изображено выполненное по данному изобретению оптическое волокно 10,включающее обогащенную кислородом область 12 сердцевины, в которую введена легирующая добавка германия, и оболочку 14 из кварцевого стекла, образующую окружение обогащенной кислородом области 12 сердцевины. В области 12 сердцевины путем облучения обычным ультрафиолетовым излучением,как рассмотрено выше, образована внутриволоконная брэгговская решетка 16, которая, как было установлено, изменяет показатель преломления в областях 18, так что волокно 10 отражает свет, распространяющийся на "брэгговской" длине волны В, давая возможность другим длинам волн распространяться дальше по волокну 10. Расстояниемежду областями 18 называют периодом внутриволоконной брэгговской решетки 16. В соответствии с настоящим изобретением вызванные водородом потери в волокне 10 снижаются при увеличении концентрации кислорода в области 12 сердцевины. Например, можно регулировать известным способом отношение потока кислорода к потоку четыреххлористого германия в процессе химического осаждения из газовой фазы, чтобы обеспечить необходимое увеличение концентрации кислорода. На фиг. 2 представлен график вызванных водородом потерь в функции от длины волны оптического сигнала, распространяющегося по оптическому волокну вида, описанного в связи с фиг. 1. В частности,на фиг. 2 представлена группа из трех кривых (I, II and III), причем кривая I соответствует отношениюO2:GeCl4, равному 1:1, кривая II соответствует отношению O2:GeCl4, равному 10:1, и кривая III соответствует отношению O2:GeCl4, равному 20:1, то есть концентрация кислорода возрастает от кривой I к кривой II и далее к кривой III. В общем, с возрастанием концентрации кислорода уменьшается количество дефектов типа кислородных вакансий, что приводит к уменьшению потерь у коротковолнового края (о чем свидетельствует резкое снижение вызванных водородом потерь в коротковолновой области). Из кривых с фиг. 2 очевидно также, что пик поглощения приходится на длину волны 1410 нм. Можно видеть, что пик поглощения становится более размытым по мере увеличения содержания соединений типаGeOH (то есть с возрастанием концентрации кислорода). Как можно видеть далее на фиг. 3, вызванные водородом потери резко снижаются по мере возрастания концентрации кислорода. В частности, на фиг. 3 представлено вызванное водородом ослабление в функции от длины волны для внутриволоконной брэгговской решетки, настроенной на длину волны 1500 нм. Верхняя кривая на графике с фиг. 3 соответствует отношению O2/GeCl4, равному 10:1, а нижняя кривая соответствует увеличенному отношению, равному 20:1. В диапазоне длин волн, соответствующем используемому в скважинном мониторинге, потери,как можно видеть, составляют порядка 10-20 дБ/км. На фиг. 4 представлены аналогичные кривые, соответствующие внутриволоконной брэгговской решетке, настроенной на длину волны 1000 нм, на которых снова можно наблюдать влияние на потери у коротковолнового края возрастания концентрации кислорода. Как также упомянуто выше, увеличение концентрации кислорода в сердцевине волокна предлагаемой в изобретении конструкции приведет к увеличению устойчивости стекла при воздействии радиации в процессе изготовления (радиацией может быть, например, ультрафиолетовое излучение, гамма-3 015661 излучение или излучение в любом другом спектральном диапазоне, достаточное для того, чтобы вызвать изменения в показателе преломления стекла с добавкой). На фиг. 5 представлен график, отображающий увеличенное поглощение в оптическом волокне, подвергнутом воздействию радиации одновременно с вытяжкой волокна для формирования приводимой в качестве примера внутриволоконной брэгговской решетки протяженностью L около 4,5 мм и с периодомоколо 1 мм. Связанное с ультрафиолетовым облучением ослабление в коротковолновой области минимизируется как снижением концентрации германия, так и увеличением отношения O2/GeCl4 в процессе осаждения. Результаты опять показаны для волокон с концентрацией германия приблизительно 4,0 мол.% и 10,0 мол.% и также для отношенийO2/GeCl4, равных 10 и 20. Более того при увеличении содержания кислорода фоточувствительность материала сердцевины буде уменьшаться, приводя к уменьшению отражающей способности (или амплитуды сигнала) решетки. Следовательно, за счет увеличения присутствия кислорода в области сердцевины может быть сформирована решетка со сниженной отражательной способностью без необходимости в изменении или числовой апертуры, или профиля показателя преломления волокна. Введение избыточного кислорода в сердцевину многомодового волокна с добавкой германия также может улучшить параметры волокна при его использовании в устройствах распределенных сенсоров температуры особенно на более коротких длинах волн, таких как 1064 нм. На фиг. 6 представлен график,иллюстрирующий уменьшение вызванного водородом ослабления в функции от длины волны для устройства распределенного сенсора температуры, на котором, в частности, показано снижение вызванных водородом потерь на длине волны 1064 нм по мере возрастания концентрации кислорода. Более того можно видеть, что вызванное водородом увеличение дифференциального ослабления между антистоксовой длиной волны, равной 1016 нм, и стоксовой длиной волны, равной 1116 нм, для внутриволоконной решетки с большой числовой апертурой, равной 0,20, резко падет при возрастании содержания кислорода, как показано в таблице ниже. Кроме того отношение между этими длинами волн также будет уменьшаться с ростом концентрации кислорода. Таким образом, применение предлагаемого в изобретении волокна дает возможность более стабильных измерений с использованием распределенного сенсора температуры в условиях окружающей среды, обогащенной водородом. Хотя данный пример относится к одномодовому волокну, должно быть понятно, что аналогичные результаты могут быть получены для многомодовых волокон, которые наиболее подходят для построения приборов с распределенными сенсорами температуры. Улучшенная устойчивость к влиянию водорода на коротких длинах волн. Хотя очевидно, что приведенные здесь иллюстративные варианты выполнения изобретения позволяют решить задачи настоящего изобретения, нужно понимать, что специалистами в данной области техники могут быть предложены многочисленные модификации рассмотренных вариантов, а также другие варианты выполнения. Дополнительно свойство (свойства) и (или) элемент (элементы) из любого варианта выполнения могут быть использованы отдельно или в сочетании со свойством (свойствами) и(или) элементом (элементами) из другого варианта (других вариантов). Поэтому должно быть понятно,что приложенная формула изобретения нацелена на охват всех таких модификаций и вариантов выполнения, соответствующих сущности и объему настоящего изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Внутриволоконная брэгговская решетка, содержащая сердцевину из кварцевого стекла с легирующей добавкой, со сформированной в ней брэгговской решеткой и имеющей отношение кислорода к легирующей добавке по меньшей мере 10:1, и оболочку, охватывающую сердцевину и ограничивающую распространение оптического сигнала указанной сердцевиной. 2. Решетка по п.1, в которой брэгговская решетка получена ультрафиолетовым излучением. 3. Решетка по п.1, в которой упомянутая легирующая добавка в области сердцевины включает добавку, выбираемую из группы, состоящей из Al, Ga, Zn, In, Zr, Bi, Ge, Sn, Sb, Pb, P и В. 4. Решетка по п.3, в которой упомянутая легирующая добавка включает Ge. 5. Решетка по п.1, в которой отношение кислорода к легирующей добавке составляет по меньшей мере 20:1. 6. Решетка по п.1, в которой отношение кислорода к легирующей добавке выбрано составляющим по меньшей мере 10:1 и увеличивающимся до по меньшей мере 20:1, с возможностью достижения тре-4 015661 буемого уровня отражательной способности вдоль решетки, причем более низкому содержанию кислорода, близкому к 10:1, соответствует большая отражательная способность, а более высокому содержанию кислорода, близкому к 20:1, соответствует меньшая отражательная способность. 7. Решетка по п.1, в которой сердцевина сформирована посредством процесса химического осаждения из газовой фазы с увеличенным потоком кислорода. 8. Многомодовое оптическое волокно для распределенных измерений температуры, содержащее сердцевину из кварцевого стекла с легирующей добавкой, в которой отношение кислорода к добавке составляет по меньшей мере 10:1, и оболочку, охватывающую указанную сердцевину и ограничивающую распространение оптического сигнала сердцевиной. 9. Многомодовое оптическое волокно по п.8, предназначенное для передачи оптического сигнала с длиной волны приблизительно 1064 нм. 10. Многомодовое оптическое волокно по п.8, предназначенное для передачи оптического сигнала с длиной волны приблизительно 1550 нм.