專利名稱：摻稀土光纖預制棒的制備方法
技術領域：
本發明涉及光纖制造方法技術領域，具體講的是一種摻稀土光纖預制棒的制備方法。
背景技術：
英國學者1985年成功發明了采用MCVD工藝試制摻稀土光纖。二十多年來，各國學者對其制備工藝做了諸多改進和創新。在提高光纖的光學性能、稀土摻雜濃度，及分布均勻性等方面取得了巨大進展。現在美國、日本、加拿大實現了產業化生產，占領了國際市場。 當今摻稀土光纖主要應用于制備光纖放大器、光纖激光器、光纖傳感器等。全球光纖放大器銷量從2000年的30億美元，到2004年增至70億美元。中國2002年進口用于制備光纖放大器的摻稀土光纖約200公里，隨著中國通信網每年超過10%的速度增長，用于制備光纖放大器的摻稀土光纖也隨之每年雙位數劇增，但現在基本上仍依賴進口。光纖激光器是當今光電子領域研究開發的前沿技術，高功率光纖激光器早己被軍事大國列入重大攻關項目。現在它不僅用于醫療、切割、焊接等技術領域，更重要的是用于戰場，攻擊敵方目標。光纖激光器具有高效，體積小等一系列無可比擬的優點。它的應用價值之大，范圍之廣，經濟效益之高，早以引起全世界的關注，現在國際市場對稀土的激烈競爭，用于制備摻稀土光纖是其中的一部分。摻稀土光纖研制技術1987年傳入天津四十六所。經過十多年的研究開發，完成了多種稀土光纖試制產品。主要供給高校、科研院所用于研制光纖放大器、光纖激光器、光纖傳感器。但因光纖芯部摻雜濃度及均勻性控制等難題困憂，末能完成產業化生產。
發明內容
本發明的目的是根據現有測試方法的不足，提供一種摻稀土光纖預制棒的制備方法，該方法采用MCVD工藝，通過三級載氣混合通道，提高了稀土光纖的性能。本發明目的實現由以下技術方案完成
一種摻稀土光纖預制棒的制備方法，采用MCVD工藝，其特征在于該方法包括以下制備步驟
(1)選擇石英基管，內通CCl2F2及O2，燃燒拋光，及沉積阻擋層；
(2)制備稀土金屬氯化物，并對其進行脫水處理；選擇中間體AlCl3并對其脫水處理； 及對脫水后的稀土金屬氯化物、AlCl3加熱氣化并混合；
(3)將玻璃生成組份物SiCl4、GeSl4和POCl3加熱氣化；
(4)將步驟(2)所生成之金屬氯化物氣體與步驟(3)中生成之玻璃組份氣體經旋轉攪拌混合并在石英基管內沉積形成摻稀土的芯層；
(5)將步驟(4)所生成之產物縮棒以形成光纖預制棒；
所述步驟(1)、(2)、(3)不分先后順序并與步驟(4)前完成。所述步驟(2)中稀土金屬氯化物脫水、氣化在石英載料室進行，所述AlCl3氣體和
3稀土金屬氯化物氣體混合在混合通道進行，所述石英載料室和混合通道為一體結構，并置于一電阻爐內。所述石英載料室數量為二個，并對稱設置于所述電阻爐內。所述石英載料室內通過石英隔板分為2-3層，所述石英載料室內稀土金屬氯化物的氣化面積高于20cm2。所述混合通道由二個隔板分隔為三個混合室，所述任一混合室容積不低于120ml， 其中第一混合室內設有所述稀土氯化物氣化爐、AlCl3氣化爐的出口端，第三混合室內設有輸送氣體通道的入口端；所述第一混合室、第二混合室之間的第一隔板中心處穿設有一管路，所述第二混合室、第三混合室之間的第二隔板近外緣處對稱穿設有二管路。所述步驟(4)中旋轉攪拌混合方法如下將金屬氯化物氣體、玻璃組份氣體送入反應管，并在反應管入口端通過石英攪拌板攪拌混合。所述步驟(4)中金屬氯化物氣體與玻璃組份氣體通過輸送氣體通道送至反應爐，所述輸送氣體通道由內向外依次分布的金屬混合氣體加熱爐、保護氣體管、玻璃組份氣體管組成，其中所述金屬混合氣體加熱爐輸送步驟(2)所生成之金屬氯化物氣體，氣體流速 1500-2000mm/秒；所述保護氣體管輸送400°C -600°C的He氣體；所述玻璃組份氣體管輸送步驟(3)中生成之玻璃組份氣體。本發明的優點是可精確控制各稀土摻物質的濃度和均勻性，從而使稀土光纖的性能進一步優化。
圖1為本發明裝置結構總裝圖； 圖2為圖1中A-A視圖3為本發明中AlCl3氣化爐軸向剖面圖； 圖4為本發明中AlCl3氣化爐周向剖面圖； 圖5為圖1中B-B視圖； 圖6為圖1中C-C視圖； 圖7為圖1中D-D視圖。
具體實施例方式以下結合附圖通過實施例對本發明特征及其它相關特征作進一步詳細說明，以便于同行業技術人員的理解
如圖1-7所示，標號1 一 17分別表示石墨電阻加熱爐1、A1C13氣化爐2、稀土氯化物氣化爐3、載氣混合通道4、輸送氣體通道5、反應管6、石英載料室7、石英隔板8、第一混合室9、第二混合室10、第三混合室11、隔板12、管路13、金屬混合氣體加熱爐14、保護氣體管 15、玻璃組份氣體管16、石英攪拌板17。參見圖1，本方法中所涉及的裝置結構主要包括石墨電阻加熱爐1、AlCl3氣化爐 2、輸送氣體通道5、反應管6及氣體控制柜(圖中未標示)，其中石墨電阻加熱爐1內的一端對稱設置有兩個石英載料室7，構成常規意義上的稀土氯化物氣化爐3，而此石墨電阻加熱爐1內還設有載氣混合通道4，即載氣混合通道4和稀土氯化物氣化爐3共用一套加熱器件。此載氣混合通道4連通有AlCl3氣化爐2的出口端，以實現組份化合物在進入反應管高溫區之前混合均勻。混合后，組分氣體通過輸送氣體通道5送入反應管6內，同時玻璃組分氣體也通過氣體通道5送入反應管6內，并在反應管6內混合沉積芯層。結合以上對于本裝置結構的大體描述，上述幾個組成的改動對于本方法的影響如下
一、稀土氯化物(MCl3)加熱氣化與載氣在爐內混合均勻。所采用的石墨電阻加熱爐1， 內容積Φ80* 250mm，放置在設計軌道上可縱橫方向移動。以便準確定位及方便管道連接。 爐內Ar保護。設計溫升100-1200°C，(0. 5%溫差)，正常使用恒溫控制士 3°C以內。二、石墨電阻加熱爐1及輸送氣體通道5
①石英載料室7為Φ32Μ. 5M60-300mm石英材質，管式。室內中間隔開分為A、B室， 并通過石英隔板8內分兩層(見圖7)。可方便兩種稀土共摻，也可用摻一種元素。室內可同時放幾個載料容器，氣化面積可控。為提高摻雜濃度而設計。載氣入口由四氟閥門控制，操作方便。②中間體AlCl3的沸點溫度為194°C，通過AlCl3氣化爐2實現。見圖3、圖4。由于AlCl3摻雜量是稀土(MCl3)的數倍，所以載料容器和氣化面積要有余地。由于氣化溫度低，調節爐溫和載氣流量控制AlCl3氣化量也很有效。爐溫恒控偏差為< 士 2.5°C。③載氣混合通道4
摻稀土光纖制備的關鍵技術之一，是纖芯稀土摻雜的均勻性，而重要的是要將各組份化合物在進入反應管6高溫區之前混合均勻。本設計在載氣混合通道4中經過三次攪動混合。其具體結構如下載氣混合通道4由二個隔板12分隔為三個混合室，其中任一混合室容積不低于120ml。第一混合室9內設有所述稀土氯化物氣化爐3、AlCl3氣化爐2的出口端，第三混合室11內設有輸送氣體通道5中金屬混合氣體加熱爐14的入口端；所述第一混合室9、第二混合室10之間的第一隔板12中心處穿設有一管路13，所述第二混合室10、第三混合室11之間的第二隔板12近外緣處對稱穿設有二管路13。由此結構可以看出，稀土氯化物氣體和AlCl3氣體分別送入第一混合室9中，進行混合后通過管路13送入第二混合室10 ；再進一步混合后通過管路13送入第三混合室11中，第三次混合后送入金屬混合氣體加熱爐14內。④輸送氣體通道5
輸送氣體通道5由內向外依次分布的金屬混合氣體加熱爐14、保護氣體管15、玻璃組份氣體管16組成。由于金屬氯化物氣體(MC13，AlCl3)通過金屬混合氣體加熱爐14時，爐內氣體流速150(T2000mm/秒，此時其爐外保溫室保證工藝過程的關鍵之一。金屬氯化物在入反應管6高溫區之前必須呈氣態。不同氯化物沸點不同，保溫He氣溫度要可調控。故此在金屬混合氣體加熱爐14之外設置保護氣體管15，通過He氣(加熱至40(T60(TC)保護。 一則防止金屬混合氣體加熱爐14金屬組份凝結，而且也可防止玻璃組份氣體管16玻璃組份氧化。He氣也能防止氧氣進入金屬蒸氣的金屬混合氣體加熱爐14中。⑤玻璃生成組份(SiCl4, GeCl4, POCl3, 0廣·)要加熱至400-600°C (防止金屬氯化物蒸氣凝結)。但要<700°C，防止生成SiO2粉塵給沉積層帶來氣泡。金屬蒸氣與玻璃組份經旋轉攪拌混合進入反應管6的高溫區。為實現攪拌，在反應管6入口加石英攪拌板17， 同時提高車床旋轉速度(60-80轉/分)。見圖6，石英攪拌板17沿反應管周向旋轉，此石英攪拌板17上的攪拌葉片垂直于所述反應管6之中軸，且其外端大致貼合所述反應管6的內壁。通過石英攪拌板17的選擇，將入反應管6的反應物組份攪拌混合，讓反應生成的各組份氧化物分布更為均勻。三、摻稀土氣體控制柜用于提供上述裝置中所用到的各種載氣，包括
1.稀土氯化物氣體一一載氣，He(N2)
2.中間體AlCl3載氣-—He(N2)
3.混合氣體(稀釋均化)He(N2)
4.加熱爐外載氣管保護氣體一He(N2)
5.氯氣(Cl2)-----將M2O3, Al2O3 — MCl3，AlCl3以脫水(氯氣管道N2吹掃)
6.一氧化碳——催化氣體。7.各氣體單元(14臺MFC)誤差<1%。其中1、2、3、4中的He氣要經過加熱爐預熱(最高600°C)。結合上述裝置結構，本發明中裝置的具體作業流程如下
1.將MCVD系統調試在待運行狀態
2.摻稀土部分準備
①將備好的稀土 MCl3及AlCl3盛料容器(二維等截面料面)放入AlCl3氣化爐2、稀土氯化物氣化爐3內，將入氣口接(封)好。②在常溫用高純N2吹掃。將AlCl3氣化爐2、稀土氯化物氣化爐3及載氣混合通道4內的空氣吹凈，再用He氣吹掃，將N2趕出(因為N2高溫下與稀土中殘存的稀土單元素反應)。③脫水。A.將稀土氯化物氣化爐3升溫至200°C，通入He (200-300ml/min)和 Cl2(200ml/min),5分鐘后升至500°C，5-10分鐘停止通入Cl2。B.將AlCl3氣化爐2加熱至 100-120°C，給 He (200_250ml/min)禾口 Cl2 (100_150ml/min)，5-10 分鐘停掉 Cl2,效果可由光纖的水峰檢出。④將稀土氯化物氣化爐3升溫至設定溫度(按ErCl3、YbCl3、NdCl3、TbCl3的熔、沸點溫度變化曲線，及摻雜量要求，設計控溫點)。例如摻ErCl3時，可控到1017士3°C，飽和蒸氣壓為76mmHg0⑤AlCl3氣化爐2加熱可升至150-180士2°C (沸點183_194°C )(例如可恒定在 174°C，飽和蒸氣壓為440mmHg)。載氣He在進入載氣混合通道4前要加熱至600°C以上，防止稀土 MCL冷凝。心用于將MCl3和AlCl3均勻混合的He氣要加熱到800°C以上進入載氣混合通道 4。流量為400-800ml/min (流量大小與反應管6的直徑有關)。⑦出石墨電阻加熱爐1到反應管6入口段，金屬混合蒸氣的保溫氣體(He)要加熱到500-600°C，防止MCl3蒸氣凝結。③金屬蒸氣與己加熱的玻璃組分氣體在反應管6入口匯合并經石英攪拌板17混
合均勻入反應管6。3. MCVD做棒工藝1 基管火焰拋光，內通Cl2及SF6,在高溫下刻蝕掉基管內壁的雜質。⑵.沉積包層，防雜質向內擴散。(3).沉積芯層在沉積好包層后，沉積一定厚度的摻有Si02、M2O3> A1203、GeO2作為芯層(摻入稀土可按上述程序進行)。⑷.縮棒將沉積好包層和芯層的管在高溫下收縮成摻稀土預制棒。(5).檢測合格的摻稀土預制棒，經套管再次檢測合格后，在低速(200m/min左右) 拉制成摻稀土光纖。綜上所述，本發明提供了一種有效的提高稀土元素在光纖中的濃度和分布的均勻性的制備方法，但這只是舉例而不是限定。從事本領域的技術人員可以對本發明作細節上的修改，而不背離本發明的思路。而是以權利要求及對等的涵義為限定。
權利要求
1.一種摻稀土光纖預制棒的制備方法，采用MCVD工藝，其特征在于該方法包括以下制備步驟選擇石英基管，內通CCl2F2及02，燃燒拋光，及沉積阻擋層；制備稀土金屬氯化物，并對其進行脫水處理；選擇中間體AlCl3并對其脫水處理；及對脫水后的稀土金屬氯化物、 AlCl3加熱氣化并混合；將玻璃生成組份物SiCl4、GeSl4和POCl3加熱氣化；將混合后的金屬氯化物氣體與氣化后的玻璃生成組份物經旋轉攪拌混合并在石英基管內沉積形成摻稀土的芯層；最后將所生成之產物縮棒以形成光纖預制棒。
2.根據權利要求1所述的一種摻稀土光纖預制棒的制備方法，其特征在于所述稀土金屬氯化物脫水、氣化在石英載料室進行，所述AlCl3氣體和稀土金屬氯化物氣體混合在混合通道進行，所述石英載料室和混合通道為一體結構，并置于一電阻爐內。
3.據權利要求2所述的一種摻稀土光纖預制棒的制備方法，其特征在于所述石英載料室數量為二個，并對稱設置于所述電阻爐內。
4.根據權利要求3所述的一種摻稀土光纖預制棒的制備方法，其特征在于所述石英載料室內通過石英隔板分為2-3層，所述石英載料室內稀土金屬氯化物的氣化面積高于 20cm2。
5.根據權利要求2所述的一種摻稀土光纖預制棒的制備方法，其特征在于所述混合通道由二個隔板分隔為三個混合室，所述任一混合室容積不低于120ml，其中第一混合室內設有所述稀土氯化物氣化爐、AlCl3氣化爐的出口端，第三混合室內設有輸送氣體通道的入口端；所述第一混合室、第二混合室之間的第一隔板中心處穿設有一管路，所述第二混合室、第三混合室之間的第二隔板近外緣處對稱穿設有二管路。
6.根據權利要求1所述的一種摻稀土光纖預制棒的制備方法，其特征在于所述旋轉攪拌混合的方法如下將金屬氯化物氣體、玻璃組份氣體送入反應管，并在反應管入口端通過石英攪拌板攪拌混合。
7.根據權利要求1所述的一種摻稀土光纖預制棒的制備方法，其特征在于所述金屬氯化物氣體與玻璃組份氣體通過輸送氣體通道送至反應爐，所述輸送氣體通道由內向外依次分布的金屬混合氣體加熱爐、保護氣體管、玻璃組份氣體管組成，其中所述金屬混合氣體加熱爐輸送金屬氯化物氣體，氣體流速1500-2000mm/秒；所述保護氣體管輸送400°C -600°C 的He氣體；所述玻璃組份氣體管輸送玻璃組份氣體。
全文摘要
本發明涉及光纖制造方法技術領域，具體講的是一種摻稀土光纖預制棒的制備方法，該方法包括以下制備步驟選擇石英基管，內通CCl2F2及O2，燃燒拋光，及沉積阻擋層；制備稀土金屬氯化物，并對其進行脫水處理；選擇中間體AlCl3并對其脫水處理；及對脫水后的稀土金屬氯化物、AlCl3加熱氣化并混合；將玻璃生成組份物SiCl4、GeSl4和POCl3加熱氣化；將混合后的金屬氯化物氣體與氣化后的玻璃生成組份物經旋轉攪拌混合并在石英基管內沉積形成摻稀土的芯層；最后將所生成之產物縮棒以形成光纖預制棒。本發明的優點是可精確控制各稀土摻物質的濃度和均勻性，從而使稀土光纖的性能進一步優化。
文檔編號C03B37/018GK102153276SQ20101061345
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月30日
發明者文燕平, 申云華, 肖蘭 申請人:上海亨通光電科技有限公司