能可靠进行防窃听传输的光纤结构的制作方法

专利名称：能可靠进行防窃听传输的光纤结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传输系统，尤其是涉及能防止光信号被盗用的光纤。
发明的
背景技术：
从光纤传输线中进行未授权和未发现的光信号窃听涉及到各种用户。传输电缆即使载有非常敏感的信息，也通常要穿过很长的不安全区域。当光纤被实际切断，并接入一窃听装置时，因为接收站的信号中断，因此很容易检测到该可能存在的不希望的接收者。不过，可以采用更高级的方法，该方法能够在不中断信号的情况下以非常小的功率损耗来窃取一部分信号，该非常小的功率损耗使得该窃听不会被检测到。一个这样的方法涉及在光纤芯中形成折射率光栅(refractive index grating)。通常，其中写入有光栅的光纤具有对光诱导折射率变化敏感的掺杂剂。一旦写入，光栅使一部分穿过光纤侧壁的波长信号衍射，这样，它很容易由位于该光纤附近的光电检测器“读出”。通过使很短的一段光纤芯暴露在合适激光辐射下以产生折射率扰动带，可以形成光栅。这对光纤的大量传输特性的损害并不足以被检测到。
另一种方法简单地说是在光纤中形成一个弯头。这使得信号“泄漏”到光纤覆层内，在该光纤覆层中，能够在不被发送源或接收站检测到的情况下对该信号进行窃听。
发明简介根据本发明，通过使光纤构成有高吸收的UV涂层来对付第一种侵入。这防止形成光栅所需的“写”辐射接近光纤芯。在该实施例的一种变化形式中，在光纤中有一条或多条用于监测信号的光通路。该附加的光通路使得监测信号能够以与信息信号分离的方式在光纤中传输，以便对于任意试图使光纤覆层产生裂口的企图都发出信号。
通过使光纤对微弯(microbending)损耗的敏感程度增加到光纤的弯曲能引起非常高的信号衰减，以便使接收站能够检测到该弯曲，从而解决第二种侵入。
附图的简要说明

图1是一种未授权的光纤窃听方法的示意图；图2是用于实现图1的方案的方法和根据本发明的一个实施例的预防方法的示意图；图3是光功率对光纤半径的曲线图，表示光纤内的功率分布；图4是光纤的折射率分布图，该光纤设计为防止利用微弯法进行未授权的窃听；图5是对于5种不同光纤系数分布的弯曲损耗对弯曲半径的曲线图；以及图6是光纤的示意剖视图，该光纤根据本发明设计成防止未授权的窃听。
发明的详细说明从光纤中窃听电磁辐射的方法是本领域所已知的。例如见美国专利5061032、5832156和5850302，这些文献被本文参引。当未授权时，这些已知的电线窃听结果在本文中可以统称为光纤窃听。这些专利所述的方法需要在将进行窃听的光纤芯中写入闪烁(blazed)和发出线性调频脉冲(chirped)的折射率光栅。在很长传输线上载有敏感信息的光纤很容易为未授权的用户接近物理光纤提供机会。然后能很容易的剥去电缆护套和将窃听光栅写入暴露的光纤芯中。该操作中也能很容易地除去光纤涂层。通过光纤涂层写入光栅的方法是已知的，因此，在光纤窃听时甚至不需要剥去光纤涂层。因为从主信号中窃取的功率大小可以保持得较低(但仍足够能读出该信号)，接收站的信号功率损耗可能在系统的正常极限内，因此不能检测到该功率损失。
光纤窃听方法如图1所示，其中，光纤12如图所示有芯20和覆层21。所示的光纤部分剥去了普通光纤涂层。未授权用户将Bragg光栅14写入光纤的暴露部分。在芯20中传送的信号辐射的很小部分通过光栅而从芯中衍射，并利用透镜或棱镜23进行检测，以便将窃听的光束26聚焦到光电检测器24中。折射率匹配介质22可以用于增加窃听效率。
根据本发明，一种防止该形式的光纤窃听的方法是防止形成光栅14所需的UV辐射接近光纤芯。在一个实施例中，可以通过在光纤上形成高UV吸收覆层而实现。如前所述，光纤涂层很容易除去。覆层则不是这样。覆层在物理上与芯连续，两者形成整个玻璃体，同时还有很少量的添加杂质，该杂质使得覆层与芯区别开。因此，当UV辐射不能透过覆层时，形成光纤窃听所需的装置将很难接近光纤芯。这可以通过用强不透性材料例如金属涂覆光纤而实现。但是该方法不能抵抗包括除去不透性涂层的窃听方法。除去涂层可以在不被检测到的情况下很容易地实现。
实现本发明的预防方法的优选方法是使覆层玻璃体中包括UV吸收中心(center)。在不除去覆层自身至少一部分的情况下将不能除去该UV吸收中心，而除去覆层自身的至少一部分将损害或削弱光纤的光引导特性，并能很容易检测到。在一个实施例中，该吸收中心是金属离子，例如过渡或难熔(refractory)金属离子例如Ti、Zr、Fe、Ta、Ni、Co。金属离子可以选择为具有很高的吸收用于写光栅的UV波长的能力，且吸收光信号波长的波段的能力较低，该光信号波长通常为1.3-1.6微米。
图2表示了用于形成普通折射率光栅的方法和用于预防该方法的本发明装置。光纤31部分如图所示，一部分光纤涂层32被剥去以暴露出光纤。为了清楚，芯和覆层并没有在图中表示。通过光纤传输的信号用箭头36表示。
光纤的剥去部分受到由33表示并直接穿过相位屏蔽(phase mask)34的UV激光辐射。这是普通和公知的形成光栅的方法。这导致在光纤芯中形成折射率光栅35。该光栅对应于图1中的光栅14，是该类型光纤窃听所必须的特征。
光栅35以虚线表示，因为在本发明的实施例中，通过UV阻挡层39来防止由UV源33发出的UV辐射接近光纤内部或芯。
各种离子的吸收特性是公知的。还已知吸收光谱在所关心的波长之间有很大的不同。一个所关心的波长区域是用于在掺杂有锗(germania)的光纤中形成光栅的波长区域，即200-300nm。普通的掺杂有锗(germania)的光纤的吸收峰值为242nm。因此，为了防止采用在该波长区域内的辐射来有效写入光栅，吸收层在200-300nm的波长范围内将有相对高的吸收率。因此，优选是该吸收层在信号波长范围内有较低的吸收率，该信号波长范围通常为1300至1600nm。
下面将为掺杂剂给出满足这些准则的实例。
实验数据显示，在碱-硅酸盐玻璃中，镍在220nm时的吸收系数为大约1.5×1010dB/km每％镍，在330nm时为大约1.4×109dB/km。(其它金属也可以发现类似吸收光谱。)因此，200nm的UV辐射在穿过1微米厚的、掺杂有1％的Ni的二氧化硅后将衰减大约10-15dB。
在信号波长1300nm至1600nm时，Ni的吸收系数为大约3.6×107dB/km每％镍，这比阻挡波长即200nm时的吸收率低大约400倍。
因此，屏蔽层(图2中的39)的厚度例如为1-20微米，并掺杂有0.1％至5％的Ni以有效防止写入进行光纤窃听所必须的光栅。掺杂水平和屏蔽层厚度可以进行折衷，屏蔽层的厚度越大允许掺杂水平越低，而掺杂水平越高允许屏蔽层的厚度越薄，并使得屏蔽层和芯之间以及屏蔽层和覆层表面之间间距更大。
UV阻挡离子的选择准则还包括阻挡离子在高(纯度)二氧化硅或纯二氧化硅、基质材料中的扩散系数。这是因为在通常情况下，使阻挡离子有效包含到光纤覆层中需要在预制阶段引入该离子。尽管可以将离子扩散到拉出的光纤中以形成阻挡涂层，尤其是对于短光纤部分，但是在商业上更愿意对预制品进行处理。优选是使包含于预制品外部处的阻挡离子在加热(2000-2400℃)该预制品以便进行光纤拉出时缓慢扩散。普通光纤的覆层厚度为几十微米。因此，在没有损害的情况下，阻挡离子的扩散距离可以高达20微米，但优选是低于10微米。普通的过渡金属离子具有满足该规定的扩散特性。
重要的是，UV阻挡层39可以布置在光纤覆层中的任意位置处，只要其厚度足以吸收足够的UV辐射，以防止有效写入光栅。对于阻挡层的位置，还要考虑在阻挡层和芯之间的间距以及将该阻挡层埋入的深度之间进行平衡，该阻挡层和芯之间的间距防止信号衰减，该阻挡层埋入的深度为能够防止在不中断信号的情况下除去该阻挡层。对横过光纤直径的不同位置处的功率进行计算，以有助于适当地布置该阻挡层。图3表示了在普通光纤结构中，在1550nm时光功率分布对径向位置的曲线图。
〖图3中的曲线38、39之间的区别〗功率分布数据显示，1550nm时，在离光纤中心距离大于40微米处传输的光功率小于总光功率的10-11。因此，1.3-1.6微米时衰减至少为108dB/km的阻挡层布置在离光纤中心距离大于40微米处，它所引起的在传输波长方向上的衰减小于0.001dB/km。另一方面，因为光纤芯通常小于10微米，因此，当芯和阻挡层之间的间距至少为10微米，或者离光纤中心的距离至少20微米时，将很容易地充分防止过多信号衰减，同时使得阻挡层有相对较大的空间以及使得阻挡层和覆层表面之间有相对较大的空间。
如上所述，制造阻挡层的优选方法包括在拉出光纤之前将离子吸收到预制品内。具有40mm直径和1米长的普通预制品能够拉成大约100km的125微米直径的光纤。在预制品中320微米厚的UV阻挡层将在拉出的纤维中形成大约1微米厚的阻挡层。因此，在预制品阶段，阻挡层的厚度为几百微米至8mm，优选范围为100微米至8mm，或者甚至16mm。后者将转变成大约50微米的阻挡层。
可以利用任意已知的预制品制备方法来将用于阻挡层的吸收离子引入预制品中。下面简单介绍典型的制备方法。
在溶液掺杂处理中，多孔煤烟(soot)层沉积在二氧化硅管内。见美国专利No.5123940，该专利被本文参引。用包含所需过渡金属离子的溶液浸透该多孔煤烟层。通过干燥，使煤烟层烧结，过渡金属离子以合适浓度包含在固结的二氧化硅层中。根据阻挡层的厚度和所希望的金属离子浓度，该操作可以以一个步骤或以几个步骤进行。为了掩埋阻挡层，第二层煤烟沉积在上述固结材料上，并在没有添加金属离子的情况下固结。制成具有阻挡层的覆层后，将芯杆插入，并进行普通的压缩(collapse)处理。当通过该预制品拉出光纤时，该光纤包含所希望的阻挡层。
也可以用溶胶-凝胶方法来制备包含阻挡层的预制品。通过溶胶-凝胶制成的普通覆层(overclad)管的外径例如为40mm，同时内径一般为24-32mm。通过将金属盐或金属氢氧化物加入溶胶溶液中，能够使过渡金属离子很容易地包含到溶胶-凝胶中。然后使该掺杂的凝胶管烧结，并用于覆盖在芯杆上，以便形成预制品。使二氧化硅溶胶-凝胶体内含有杂质可以按照用于锗掺杂的公知方法进行。例如见美国专利No.5379364，该专利被本文参引。
如上所述，采用弯曲方法也可以实现未授权和不被检测到的纤维窃听。纤维以足够小的弯曲半径进行弯曲，该小弯曲半径使得辐射能够通过覆层而从纤维芯中泄漏。这是公知的纤维损耗机理，并可以采用多种方法来防止微弯损耗。不过，对于几乎所有市场上有售的光纤，故意以小弯曲半径进行弯曲都将引起光纤内的信号损耗。
本发明的目的与通常的目的相反。这里，希望增加光纤的弯曲敏感性，这样，任何将引起足够大的泄漏以便在信号中检测到该信息的弯曲都将引起在接收站中很容易检测到的较大信号衰减。已经发现，通过在离光纤芯较远距离处引入未掺杂的外环区域，可以生成高弯曲敏感性的光纤。而且，只要该光纤缆安装成具有较大的最小弯曲半径，这样的弯曲敏感性设计对传输性能就没有不利影响。
图4示意表示了弯曲敏感性光纤设计。在普通的扩散处理光纤设计中，径向折射率(index)分布通常包括一个向上掺杂(up-doped)的芯区域，该芯区域由一个向下掺杂(down-doped)的沟槽区域环绕，然后是一个向上掺杂的环区域。在所示分布中，芯、沟槽区域和环区域的延伸半径为大约8微米。在这些区域中的折射率的特征由Δ表示，Δ通常可以定义成(N-No)/No，其中N是某一区域的折射率，而No是未掺杂二氧化硅的折射率。在普通的扩散处理设计中，各区域的Δ分别确定为Δ1、Δ2和Δ3，该Δ值为0.003＜Δ1＜0.012-0.007＜Δ2＜-0.00020.001＜Δ3＜0.006图中的下一个区域为未掺杂层，该区域在8微米和14微米之间延伸。根据本发明实施例的目的，通过添加一个外部的向上掺杂区域，能够使该光纤设计的弯曲敏感性更大。在图4中，外部的向上掺杂区域以41表示。区域41的优选折射率范围为0.0005＜Δ4＜0.0034，优选的位置范围为离光纤中心12至26微米之间。
图5表示在外部的环区域中具有不同折射率Δ4的光纤设计中1550nm处的弯曲损耗vs弯曲半径。五根线51-55分别给出了N＝0.0025、N＝0.0020、N＝0.0012、N＝0.0和N＝-0.0012时的数据。该图表示当外部环的Δ值从-0.00082增加到+0.00171时，弯曲损耗增加的系数大于500。在通过使光纤弯曲而进行的光纤窃听中，如美国专利No.4802723(该专利被本文参引)所述，弯曲光纤的曲率半径与光纤和弯曲管之间的角度α以及光纤-管接触点和管弯曲接头之间的距离x有关，且R＝x/sin(α/2)。弯曲光纤长度由αR或αx/sin(α/2)表示。当x＝10mm、α＝15度或0.26弧度时，R为76.6mm，弯曲光纤长度为20mm。
通过用掺杂有具有合适折射率的GeO2的管覆盖芯杆，可以经济地形成用于增加弯曲敏感性的向上掺杂层。该向上掺杂的管可以从市场上获得，并可以通过煤烟处理或溶胶-凝胶方法制造。覆盖后，该预制品可以拉伸而具有夹在传输光纤芯和外部覆层之间的弯曲敏感性层。
引起弯曲损耗的向上掺杂层优选是位于UV阻挡层内部，未掺杂的二氧化硅层夹在这两层之间。因此，该向上掺杂的管作为在未掺杂覆盖管后面的第一覆盖管，然后再由包含有高吸收性过渡金属离子的管覆盖。
根据本发明的另一实施例，通过在光纤覆层中布置有裂口检测槽道，可以对光纤结构的物理侵入发出信号。该方法很有利，例如在检测试图除去阻挡层和露出芯部以便写入光栅时。
在优选实施例中，裂口检测通道的直径可以在3至10微米之间，其中心位置距离光纤中心85至95微米之间。裂口检测通道既可以有高折射率和小芯部直径的径向折射率分布形式，也可以有中等折射率和大芯部直径的径向折射率分布形式。
波长计算显示，当裂口检测通道包括了在1.5微米芯半径内的0.025Δ时，在LP01基本模式中，小于10-11的光功率泄漏到16.5微米半径之外。该折射率分布是1.55微米的单个模式，因为该模式的截断波长为1.25微米。
当裂口检测通道包括了在5微米芯半径内的0.015Δ时，在LP01基本模式中，小于10-11的光功率泄漏到17微米半径之外。在1.55微米时，除了LP01基本模式，该折射率分布还支持LP11和LP02高阶模式，该LP11和LP02高阶模式的截断波长分别为3.2微米和2.0微米。
因此，当阻挡层的位置离上述折射率设计的裂口检测通道的中心的距离大于17微米时，阻挡层不会有使裂口检测芯中的辐射衰减的不利作用。不过，较大芯部直径的径向特征具有当光纤绞接时易于对齐的优点。
裂口检测通道可以很容易地通过用于覆盖管的溶胶-凝胶方法制造。覆盖管的凝胶体可以制成有多个平行于纵向管轴线的开口。通过干燥和部分稠化(densification)，充分稠密的GeO2掺杂杆可以布置在这些开口内。通过使整个管完全稠化，GeO2掺杂杆将合为一体以形成裂口检测光通道。该预制品的光纤拉出将导致裂口检测通道环绕光纤外周。
图6表示了利用上述三个机理的光纤设计。该图表示了一种具有剖开的交替层的光纤横截面(为了清楚表示)。光纤芯以61表示，通常掺杂有锗(germania)。主覆层62是二氧化硅层，并由向上掺杂的层63环绕，以便增加光纤的弯曲敏感性。层64是二氧化硅层，并由UV阻挡层65环绕。层66是例如二氧化硅的外部覆层。在本实施例中，层66包含有裂口检测槽道68。
图6所示的光纤结构利用了本发明的全部三个实施例。不过，本发明的光纤可以利用这些实施例中的一个或两个。当推荐使用裂口检测通道以检测试图通过物理除去覆层部分来突破阻挡层的未授权用户时，采用阻挡层与裂口检测通道相结合。
在本发明的发展形式中，显然优选是采用比通常使用的125微米光纤更大的光纤。这部分是由于本发明的增强安全性的方法包括将层添加到基本光纤结构上。尤其是具有图6的光纤结构时更是这样，这时有三个添加的结构部分。裂口检测通道尤其可以利用直径大于125微米的光纤来实现。作为一个实例，200微米光纤可以有通常尺寸的芯、沟槽和环部分，即与125微米光纤中的相同，其中裂口检测通道的中心定位成距光纤中心81.25微米处，高吸收性层的内部半径在离光纤中心大约40微米处。入侵者必须通过研磨平行于光纤纵向轴的光纤表面来除去高吸收性层，这样，可以布置合适的相位屏蔽，以便在光纤芯中形成光栅。通过该光纤尺寸，研磨处理将损坏至少34％的裂口检测通道，并将使通过这些通道传送的光强度减小约4.7dB。
图6中所示的光纤结构有8个添加的裂口检测通道。显然，可以采用更多或更少的裂口检测通道。并希望至少有三个裂口检测通道。
本领域技术人员可以对本发明进行各种附加变化。所有偏离本说明书中的特别教导但基本根据本发明原理的技术方案及其等效物都应当认为在如权利要求所述的本发明范围内，通过这些等效物使得技术向前发展。
权利要求
1.一种光纤，包括(a)一中心芯，该中心芯可由波长为λ1的信号辐射透过，并有对波长为λ2的辐射敏感的杂质浓度，从而产生光诱导折射率变化；(b)环绕该芯的覆层，该覆层有折射率低于芯的折射率的区域；(c)形成于该覆层内的阻挡层，该阻挡层能够吸收波长为λ2的辐射。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中该阻挡层包括金属离子。
3.根据权利要求1所述的光纤，其中该覆层包括二氧化硅。
4.根据权利要求4所述的光纤，其中阻挡层形成于覆层内部，这样，一部分覆层环绕该芯，一部分覆层环绕该阻挡层。
5.根据权利要求2所述的光纤，其中该金属离子包括Ni离子。
6.根据权利要求1所述的光纤，其中该覆层有至少一个包含在该覆层内的附加芯区域，该附加的芯区域的折射率大于该覆层。
7.根据权利要求6所述的光纤，其中该覆层有至少三个附加的芯区域。
8.根据权利要求1所述的光纤，其中该阻挡层对波长为λ2的吸收能力高于波长为λ1的吸收能力。
9.一种光纤，包括(a)一中心芯，该中心芯可由信号辐射透过；(b)环绕该芯的覆层，该覆层有折射率低于该芯的折射率的区域；且其折射率分布能减小光纤中的微弯损失；(c)至少一个在覆层中并能增加光纤中的微弯损失的区域。
10.根据权利要求9所述的光纤，其中覆层从芯开始沿径向看的折射率分布包括(a)一个未掺杂区域；(b)一个向上掺杂的区域；以及(c)一个未掺杂区域。
11.根据权利要求9所述的光纤，其中光纤从光纤中心沿径向看的折射率分布包括(a)一个向上掺杂的区域；(b)一个向下掺杂的区域；(c)一个向上掺杂的区域；(d)一个未掺杂区域；(e)一个向上掺杂的区域；以及(f)一个未掺杂区域。
12.根据权利要求11所述的光纤，其中区域(a)的Δ在0.003和0.012之间，区域(b)的Δ在-0.007和-0.0002之间，区域(c)的Δ在0.001和0.006之间，区域(d)的Δ在0.005和0.0034之间。
13.根据权利要求11所述的光纤，其中区域(e)离光纤中心的距离为12-26微米。
14.根据权利要求9所述的光纤，还包括形成于覆层内的阻挡层，该阻挡层能够吸收波长范围在200-300nm内的辐射。
15.根据权利要求14所述的方法，其中覆层有包含于其中的至少三个附加的芯区域，该附加的芯区域的折射率大于覆层。
全文摘要
本发明公开了一种光纤，该光纤设置成能防止光纤信号被盗用。一种结构设计成能阻止形成光栅窃听所需的“写”辐射接近光纤芯。在该实施例中，光纤覆层有高吸收UV的层。在该实施例的一种变化形式中，在光纤中提供一种或多种附加的光通道，以容纳监测信号。该附加的光通道允许监测信号在光纤中传输，并与信息信号分离，以便对于试图使光纤外涂层或覆层形成裂口的企图发出信号。侵入的第二种情况通过增加光纤对微弯损失的敏感性来解决，该光纤对微弯损失的敏感性增加到这样的程度，即光纤的弯曲导致信号产生很高的衰减，这样，接收站就检测到该弯曲。
文档编号G02F1/19GK1393706SQ0211915
公开日2003年1月29日 申请日期2002年5月10日 优先权日2001年5月10日
发明者约翰·B·麦克切斯尼, 托马斯·E·施托克特, 帕特里克·W·威斯克, 甄文辉 申请人:菲特尔美国公司