一種光纖預制棒的摻雜裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種光纖預制棒的摻雜裝置，其包括加熱系統、傳輸系統和改進的化學氣相沉積系統。加熱系統包括加熱蒸發罐、連通加熱蒸發罐的進氣導管和出氣導管，傳輸系統包括加熱保溫傳輸管和加熱保溫板，用以通入高純氧氣的氧氣管和出氣導管分別接入設有相應接口的加熱保溫傳輸管中；加熱保溫傳輸管的輸出端與改進的化學氣相沉積系統的旋轉部分連通，各個加熱蒸發罐內裝有不同的有機金屬螯合物；其中，至少有一個加熱蒸發罐內的有機金屬螯合物作為摻雜劑。應用本摻雜裝置可以實現全氣相摻雜，全程保溫，使氣體不易凝結，使用本實用新型的摻雜方法使得產品的摻雜均勻性、一致性均有提高，產品的性能也得到相應的保證。
【專利說明】一種光纖預制棒的摻雜裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于光纖制備技術，涉及一種光纖預制棒的摻雜裝置，具體涉及一種利用有機金屬螯合物作為摻雜劑和共摻劑的全氣相光纖預制棒摻雜裝置。
【背景技術】
[0002]稀土摻雜特種光纖在光纖激光器、放大器和傳感器中有著廣泛的應用，并且最近幾年得到了很大的發展，所用的摻雜劑是Nd、Er、Ge、Pr、Ho、Eu、Yb、Dy、Tm等原子序數在57?71的元素，可以單獨摻雜某種稀土元素進行單摻，也可以聯合摻雜多種稀土元素進行共摻。其特點是具有圓柱形波導結構，小芯徑易實現高密度泵浦激射閾值低，比表面大散熱性能好，其芯徑大小與通信光纖匹配，稱合容量及效率極高，可使得傳輸光纖與有源光纖一體化。因此，稀土摻雜光纖對于包括光纖激光器、放大器和傳感器在內的各種應用十分具有吸引力。隨著集成光學、光纖通信、光纖傳感、激光加工、激光武器、激光醫療等光纖激光應用領域的發展，對光纖激光的波長范圍、光束質量、光束能量、偏振特性、頻率線寬、穩定特性等性能提出了越來越高的要求。為了追求光纖激光更多性能的統一以及簡化光源的設計和使用，使得作為光纖激光產生核心部分的稀土摻雜光纖已經不僅僅局限于普通的單模和多模光纖，出現了雙包層稀土摻雜光纖、偏振保持稀土摻雜光纖、光子晶體稀土摻雜光纖、大模場稀土摻雜光纖、布拉格稀土摻雜光纖、多組分玻璃稀土摻雜光纖等。種類繁多、結構復雜和成分多樣的稀土摻雜光纖在豐富和擴大激光器和放大器的應用范圍和應用深度，推動稀土摻雜光纖及其產品不斷產業化的同時，也對稀土摻雜光纖的性能提出了更高的要求，特別是要求摻雜光纖具有合適可控的摻雜濃度、更高的摻雜均勻性、更低的損耗、更好的界面特性、更精確的分布控制等。對稀土摻雜光纖提出更高的性能要求，就必然要求其制備方法和制備裝置也隨之有所改進，尤其是摻雜方法和摻雜裝置。
[0003]稀土摻雜光纖預制棒的制備大體分為不含摻雜稀土成分的包層部分制備和摻雜稀土成分的纖芯部分制備兩個步驟。雖然可以作為稀土離子摻雜基質的玻璃有石英玻璃、氧化物玻璃、氟化物玻璃、鹵化物玻璃、硫系玻璃等多種，然而真正產業化發展的光纖材料也主要是石英玻璃，它以獨特的綜合性能優勢被廣泛應用在各種結構的光纖中。目前，石英光纖預制棒的制備主要采用化學氣相沉積(CVD)的工藝，具體包括改進的化學氣相沉積系統(MCVD )、等離子體化學氣相沉積(PCVD )、管外氣相沉積(OVD )、軸向氣相沉積(VAD )。選擇上述一種或者數種沉積工藝結合適當的稀土摻雜方法就能夠制備出稀土摻雜光纖預制棒。為了研究和制備稀土摻雜光纖，各種各樣的稀土摻雜預制棒制備方法以及他們的演變方法相繼被開發出來，其中國外的一些制備方法公布如下=Miller等人的美國專利US4501602，MacChesney等人的美國專利US4616901, Berkey等人的美國專利US5236481, Bruce等人的美國專利 US5609665, Mansfield 等人的美國專利 US4826288, DiGiovanni DavidJohn 等人的歐洲專利 EP1101744A2, Boivin David 等人的歐洲專利 EP233845A1, HarkerAndrew Thomas等人的歐洲專利EP0822429 ;中國的一些方法公布如下:CN102153276和CN102086089A公開了一種基于MCVD的稀土摻雜預制棒制備方法；CN102108008A公開了一種基于VAD的稀土摻雜預制棒制備方法；CN1010331133A公開了一種利用溶膠凝膠法來制備稀土摻雜預制棒的方法；CN1558873A和CN102815866A公開了一種氣液混合稀土摻雜預制棒制備方法。
[0004]現如今國內外的專利和文獻中報道過的稀土摻雜光纖制備方法主要有:溶液摻雜法、在線溶液摻雜法、無水溶液摻雜法、氯化物氣相摻雜法、溶膠凝膠法、納米粒子直接沉積法、原子層沉積法等。在這些方法中，被廣泛采用的主要是溶液摻雜法以及它的演變方法，其主要工藝過程為:先沉積疏松多孔易吸附離子的SOOt層，然后在稀土溶液中浸泡或者噴霧，接著升溫通入Cl2干燥含有稀土成分的SOOt層，最后燒縮成棒。雖然溶液摻雜技術具有操作簡單、靈活性高等優點，然而隨著其他摻雜技術的不斷興起和技術優化，利用該方法在光纖中摻雜稀土離子已經越來越顯現出其局限性，主要表現在:背景損耗大、重復性差、摻雜濃度較低、均勻性較差、折射率分布不均光纖芯部容易析晶、芯棒尺寸很難做大、生產周期長效率低、成本高等方面。氯化物氣相摻雜法和溶膠凝膠法的摻雜濃度都比較低，而且摻雜過程都比較復雜，稀土氯化物的熔點很高飽和蒸汽壓低很難產生高濃度的氣相摻雜劑，而且高溫下的氣流難以監測和控制，預反應也比較嚴重摻雜均勻性也不好；納米粒子直接沉積法和原子層沉積法雖然摻雜均勻性和濃度都比較高，但是摻雜成本高、技術復雜，難以大規模生產和推廣。傳統的氣相摻雜技術和混合摻雜技術均使用稀土氯化物作為摻雜劑，其蒸發溫度普遍在800-1100°C，而且飽和蒸汽壓普遍偏低，與02反應后的氧化物顆粒也容易團聚，隨著光纖通信、機械加工、光纖傳感、激光醫療、激光雷達、激光測距等領域對光纖激光光源和光纖放大器性能要求的不斷提升，就必然促使作為核心部件的稀土摻雜光纖其性能也不斷優化，未來具有高質量高綜合性能優勢的光纖激光器和放大器，需要摻雜光纖從摻雜濃度、摻雜均勻性、摻雜可控性、界面優化、背景損耗、光纖可靠性以及制備工藝的簡化和可重復性上都得到較大的改善，那么如何從摻雜裝置和摻雜方法上簡化摻雜工藝，提高有源光纖的摻雜濃度、摻雜均勻性、穩定性以及一致性就是亟待解決的問題。
實用新型內容
[0005]為解決上述【背景技術】中存在的缺陷，本實用新型旨在提供一種光纖預制棒的摻雜裝置，能夠實現制備光纖預制棒時摻雜劑和共摻劑的全氣相摻雜，全程保溫并提高了摻雜濃度的均勻性和一致性，保證了光纖的性能穩定性。
[0006]本實用新型的技術方案如下:
[0007]—種光纖預制棒的摻雜裝置，包括加熱系統、傳輸系統和改進的化學氣相沉積系統，其特殊之處在于:
[0008]所述加熱系統包括多個加熱單元，所述加熱單元包括加熱蒸發罐、設置于加熱蒸發罐下部的用于通入運載氣體的進氣導管、設置于加熱蒸發罐上部的出氣導管；
[0009]所述傳輸系統包括加熱保溫傳輸管和加熱保溫板，用以通入高純氧氣的氧氣管和所述出氣導管分別接入設有相應接口的加熱保溫傳輸管中；所述加熱保溫傳輸管的輸出端與改進的化學氣相沉積系統的旋轉部分連通，所述加熱保溫板靠近連通位置固定設置于改進的化學氣相沉積系統旋轉部分的內壁；
[0010]各個加熱蒸發罐內裝有不同的有機金屬螯合物；其中，至少有一個加熱蒸發罐內的有機金屬螯合物作為摻雜劑，其螯合環中間連接所要摻雜的稀土元素，其有機物部分為碳氫基團。
[0011]上述加熱蒸發罐有2-6個，加熱蒸發罐包括由內到外依次嵌套的盛料部分、加熱部分和保護部分，所述有機金屬螯合物裝于盛料部分內。
[0012]上述作為摻雜劑的有機金屬螯合物，其螯合環中間所連接的金屬元素選自原子序數在57?71的稀土金屬元素中的任一種，其有機物部分為碳氫基團；
[0013]作為共摻劑的有機金屬螯合物，其螯合環中間所連接的金屬元素選自原子序數在57?71的稀土金屬兀素以及Al、Ba、Zn、Ca、Bi中的任一種，其有機物部分為碳氫基團。
[0014]上述運載氣體為氦氣；所述進氣導管開口于略高于盛料部位的位置，所述盛料部分的頂端呈圓錐狀平面。
[0015]上述對于每一路進氣導管均設置有用以調節運載氣體流量的流量控制器。
[0016]上述加熱保溫傳輸管包括由內到外依次嵌套的包裹固定層、加熱保溫層、護套保護層，其中，包裹固定層由金屬材料制成，加熱保溫層采用包裹有加熱電阻絲的保溫材料，護套保護層由絕緣橡膠制成。
[0017]上述氧氣管和出氣導管均軸向伸入加熱保溫傳輸管中，其中氧氣管處于包裹固定層內部腔室的中心位置，出氣導管環繞在氧氣管周圍均勻分布，各個出氣導管之間以及出氣導管與氧氣管之間的間隙用導熱保溫材料填充。
[0018]上述加熱蒸發罐與加熱保溫傳輸管均為圓柱狀結構，加熱蒸發罐出口處與加熱保溫傳輸管接口處之間的出氣導管上包裹有加熱保溫層和護套保護層。
[0019]采用本實用新型光纖預制棒的摻雜裝置實現摻雜方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0020]I)將拋光干燥氣體通入改進的化學氣相沉積系統的石英沉積管中，對石英沉積管進行拋光和干燥；
[0021]2)拋光干燥完畢后，將基體沉積氣體通入改進的化學氣相沉積系統的石英沉積管中，通過沉積作用形成光纖預制棒的包層部分；
[0022]3)待完成包層沉積后，暫停改進的化學氣相沉積系統；
[0023]4)開啟加熱系統和傳輸系統,將預先稱量好的有機金屬螯合物裝入相應的加熱蒸發罐中，調節加熱蒸發罐的溫度，使加熱蒸發罐中產生有機金屬螯合物蒸汽，做好加熱蒸發罐的密封工作后連接好對應的出氣導管，待所有的有機金屬螯合物蒸汽流穩定后，重新開啟改進的化學氣相沉積系統；
[0024]5)經進氣導管向加熱蒸發罐中通入運載氣體，同時調節運載氣體的流量、加熱保溫傳輸管的溫度、加熱保溫板的溫度；有機金屬螯合物蒸汽隨運載氣體經加熱保溫傳輸管進入石英沉積管中；
[0025]6)將高純氧氣通入石英沉積管中，使得所有有機金屬螯合物蒸汽以及基體沉積氣體在石英沉積管中發生反應，反應生成物沉積在光纖預制棒包層上形成光纖預制棒纖芯部分；
[0026]7)關閉加熱系統和傳輸系統，其他的氣態反應生成物以及通入的未反應的氣體作為尾氣排出石英沉積管；
[0027]8)待光纖預制棒纖芯部分沉積完畢后，將光纖預制棒熔縮為實心預制棒。
[0028]上述拋光干燥氣體為Cl2和SF6的一種或其任意混合，所述基體沉積氣體為SiCl4、GeCl4, P0C13、02、CF2Cl2, BBr3, BCl3 的一種或其任意混合。
[0029]上述步驟2)中，調節改進的化學氣相沉積系統中石英沉積管的溫度在1300-1850°C之間，形成光纖預制棒的包層部分，根據包層部分沉積層數多少的需求，包層部分沉積l_4h ；
[0030]步驟6)中，形成光纖預制棒的纖芯部分中石英沉積管的溫度高于形成光纖預制棒包層部分中石英沉積管的溫度；
[0031]步驟8)中，熔縮實心預制棒中石英沉積管的溫度高于形成光纖預制棒纖芯部分石英沉積管的溫度。
[0032]上述加熱蒸發罐的溫度調節在100-300°C之間，進氣導管中運載氣體的流量調節為50—400標況暈升每分之間。
[0033]本實用新型的有益效果如下:
[0034]1、全氣相摻雜:本實用新型所使用的有機金屬螯合物的蒸發溫度在100-300°C之間，低于稀土氯化物800-1100°C的蒸發溫度，方便蒸發以實現全氣相摻雜。
[0035]2、全程保溫、高精度控制:采用有機金屬螯合物作為摻雜劑和共摻劑，其較低的氣化溫度和該系統完善的加熱系統和傳輸系統，有利于蒸發和傳輸，并能高精度控制全程的溫度。
[0036]3、均勻性、一致性提高:稀土有機金屬螯合物的飽和蒸汽壓比稀土氯化物高出一個數量級左右，在降低蒸發控制溫度的同時，有利于摻雜濃度和摻雜均勻性的提高。
[0037]4、工藝簡化，降低損耗:摻雜劑和共摻劑全氣相同步的摻雜方法避免了液相引入水分的同時，也免去了制作工藝上的浸泡和除水等環節，降低損耗的同時也簡化了制作工藝。
[0038]5、有效防止預反應的發生:加熱保溫傳輸管的三層結構的設計，使得可以在各個導管間隙中填充導熱保溫材料以使各個導管受熱均勻。采用全程保溫控制的傳輸系統和加熱保溫板旋轉加熱的加熱方式，有效預防了蒸汽的凝結和預反應的發生，并且提高了均勻性。
[0039]6、摻雜濃度可調節性提高:進氣導管中控制板的獨立設計有利于精確控制每一路的蒸發速率和蒸發濃度，多個加熱單元的設計有利于摻雜濃度配比的調節，同時保證了傳輸的一致性和均勻性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1是本實用新型摻雜裝置的部分示意圖；
[0041]圖2是本實用新型摻雜裝置的另一部分示意圖；
[0042]圖3是出氣導管與加熱保溫傳輸管接口連接示意圖；
[0043]圖4為加熱保溫傳輸管結構示意圖；
[0044]其中，圖4A是加熱保溫傳輸管的橫向結構示意圖；
[0045]圖4B是加熱保溫傳輸管內各個導管分布圖；
[0046]圖5是本實用新型中使用的有機金屬螯合物化學結構示意圖；
[0047]圖6是利用本摻雜裝置制作的芯徑2mm的摻鐿光纖預制棒芯部濃度分布圖；
[0048]圖7是利用本摻雜裝置制作的芯徑4mm的摻鐿光纖預制棒芯部濃度分布圖；[0049]圖8是利用本摻雜裝置制作的芯徑7mm的摻鐿光纖預制棒芯部濃度分布圖；
[0050]圖9是利用本摻雜裝置制作的芯徑2_的高濃度摻鐿光纖預制棒芯部濃度分布圖；
[0051]其中附圖標記為:105—加熱蒸發罐；101—流量控制器；102—進氣導管；112—出氣導管；114一氧氣管；111一盛料部分；110—加熱部分；109—保護部分；120—加熱保溫傳輸管；119一包裹固定層；118—加熱保溫層；117—護套保護層；203—加熱噴燈；201—石英沉積管；202—加熱保溫板；204—導管接口 ；208—不旋轉部分；210—旋轉部分；207—有機金屬螯合物蒸汽；209—旋轉連接處；301—接口 ；401—加熱電阻絲；402—耐熱保溫材料。
【具體實施方式】
[0052]本實用新型提供的摻雜裝置包括加熱系統、傳輸系統和改進的化學氣相沉積系統，其中圖1為加熱系統與傳輸系統結構示意圖，圖2為將傳輸系統連接入改進的化學氣相沉積系統示意圖，如圖1、圖2、圖3所示，加熱系統包括A、B、C、D四個相互獨立的加熱蒸發罐105，每一個加熱蒸發罐105的材質及尺寸可以不同，但結構均由內到外依次嵌套的盛料部分111、加熱部分110和保護部分109組成，對于每一個加熱蒸發罐105均有對應的金屬材質制成的進氣導管102和出氣導管112，進氣導管102開口于略高于盛料部位的位置，盛料部分111的頂端呈略帶有角度的圓錐狀平面，出氣導管112設置在圓柱狀盛料部分111的頂部；
[0053]對于每一路進氣導管102均設置有用以控制運載氣體流量的流量控制器101。工作中，通過調節加熱蒸發罐105的加熱溫度和對應進氣導管102載氣流量的大小，進而調節與之對應的加熱蒸發罐105中有機金屬螯合物的蒸發速率和蒸發量。而且所有的加熱控制和流量控制均實現數字化電腦控制和手動控制結合的控制模式，實際工作時可根據需要調節相應的控制程序也可以人工手動控制。根據不同的摻雜劑以及摻雜濃度的需求，每一路加熱蒸發罐105的溫度均調節在100-300°C之間，進氣導管102中運載氣體的流量均調節在 50-400 標況毫升每分(standard-state cubic centimeter per minute, SCCM)。傳輸系統包括加熱保溫傳輸管120和加熱保溫板202，用以通入高純氧氣的氧氣管114和出氣導管112分別接入設有相應接口 301的加熱保溫傳輸管120中，只需要根據所需傳輸的氣流路數對應連接在相應的接口 301上，而且為防止蒸汽管道的污染某一個接口，一旦連接通過某一種蒸汽氣流后一般就只能特定用來傳輸這一種蒸汽，那么只使用一個加熱保溫傳輸管120即可實現多路蒸發氣流保溫傳輸時的方便切換。改進的化學氣相沉積系統包括旋轉部分210、不旋轉部分208、加熱噴燈203和石英沉積管201，不旋轉部分208上設有用于將拋光干燥氣體和基體沉積氣體傳輸到旋轉部分210的導管接口 204，加熱保溫傳輸管120的輸出端與改進的化學氣相沉積系統的旋轉部分210連通，加熱保溫板202靠近連通位置固定設置于改進的化學氣相沉積系統旋轉部分210的內壁。
[0054]各個加熱蒸發罐105內裝有不同的有機金屬螯合物；其中，至少有一個加熱蒸發罐105內的有機金屬螯合物作為摻雜劑；作為摻雜劑的有機金屬螯合物，其螯合環中間所連接的金屬元素選自原子序數在57?71的稀土金屬元素中的任一種，其有機物部分為碳氫基團；作為共摻劑的有機金屬螯合物，其螯合環中間所連接的金屬元素選自原子序數在57?71的稀土金屬兀素以及Al、Ba、Zn、Ca、Bi中的任一種，其有機物部分為碳氫基團。[0055]如圖4A、圖4B所示加熱保溫傳輸管120包括由內到外依次嵌套的包裹固定層119、加熱保溫層118、護套保護層117，其中，包裹固定層119由金屬材料制成，加熱保溫層118采用包裹有加熱電阻絲401和保溫材料，護套保護層117由絕緣橡膠制成，三層之間相互緊密包裹在一起，包裹固定層119采用導熱性較好的金屬材料以便于熱量及時地傳進各個導管內。其中，氧氣管114和出氣導管112均軸向伸入加熱保溫傳輸管120中，其中氧氣管114處于包裹固定層119內部腔室的中心位置，出氣導管112環繞在氧氣管114周圍均勻分布，各個出氣導管112之間以及出氣導管112與氧氣管114之間的間隙用導熱保溫材料402填充以便于各個導管能夠均勻受熱。
[0056]如圖1示，加熱系統包括四個加熱蒸發罐105，根據所摻雜材料的實際操作要求，加熱蒸發罐105的數量可以隨要求而變動。進氣導管102通過流量控制器101調節運載氣體流量通入加熱蒸發罐105中；加熱蒸發罐105包括盛料部分111、加熱部分110和保護部分109三層結構，四種不同的有機金屬螯合物A、B、C、D依次盛放在加熱蒸發罐105的盛料部分111中，升溫加熱蒸發罐105中的有機金屬螯合物A、B、C、D均至100-300°C使其逐漸融化和汽化，所產生的有機金屬螯合物A、B、C、D蒸汽就可以被進氣導管102中的運載氣流帶出加熱蒸發罐105。通過調節加熱蒸發罐105的加熱溫度和對應載氣流量的大小，就可以調節加熱蒸發罐105中有機金屬螯合物的蒸發速率；每個蒸發罐和對應流量器均相互獨立開，可以單獨調節每種有機金屬螯合物的蒸發速率和蒸發量；而且所有的加熱控制和流量控制均實現數字化電腦控制和手動控制結合的控制模式，實際工作時可根據需要調節相應的控制程序也可以人工手動控制。加熱蒸發罐105中的氣體由連接在頂部的出氣導管112導入加熱保溫傳輸管120中；加熱保溫傳輸管120由包裹固定層119、加熱保溫層118、和護套保護層117這三部分構成。另有一路氧氣導管114連同出氣導管112 —起進入加熱保溫傳輸管120中，其中出氣導管112均勻分布在包裹固定層119中，而氧氣導管114被出氣導管112包圍在包裹固定層中部。在出氣導管112進入加熱保溫傳輸管120中時，由于各個加熱蒸發罐105與加熱保溫傳輸管120有一定的體積和間距,連接在加熱蒸發罐105上的各個出氣導管112將不可避免的有5-20cm的長度無法包裹在加熱保溫傳輸管120的包裹固定層119中，為了防止高溫蒸汽流此段間距時發生凝結，從加熱蒸發罐105出氣接口至加熱保溫傳輸管120的間距，各個出氣導管112均包裹有加熱保溫層118和相應的護套保護層117，其加熱保溫的溫度與加熱保溫傳輸管120中的溫度保持一致。
[0057]導入加熱保溫傳輸管120中的有機金屬螯合物A、B、C、D蒸汽經過150_300°C的保溫傳輸進入改進的化學氣相沉積系統的不旋轉部分208，如圖2所示，包裹著出氣導管112的加熱保溫傳輸管120，其包裹固定層119和加熱保溫層118 —直延續到改進的化學氣相沉積系統的不旋轉部分208和旋轉部分210的旋轉連接處209。保溫傳輸至旋轉連接處209的各路氣流迅速通過旋轉連接處209的同時，有機金屬螯合物A、B、C、D蒸汽207被氧氣導管114中運載的氧氣吹散開來混合均勻，進入旋轉部分210后立即被固定放置在沉積管201上的加熱保溫板202繼續加熱保溫，向前傳輸至石英沉積管201的加熱反應區。
[0058]用于拋光干燥的氣體和基體沉積氣體由固定在不旋轉部分208上的接口 204從加熱保溫傳輸管120的外部經過旋轉連接處209進入到反應區，在左右移動的加熱噴燈203的加熱下連同有機金屬螯合物A、B、C、D蒸汽一同發生反應，生成反應物。
[0059]首先，將用于拋光干燥的氣體由接口 204從加熱保溫傳輸管120的外部經過旋轉連接處209進入改進的化學氣相沉積系統的石英沉積管201中，左右移動加熱噴燈203對石英沉積管201內部先進行拋光、除水和干燥；接著將基體沉積氣體由接口 204從加熱保溫傳輸管120的外部經過旋轉連接處209進入改進的化學氣相沉積系統的石英沉積管201中，左右移動加熱噴燈203使得這些氣體發生反應，反應生成物作為包層部分；待包層部分沉積至所需要的量后，再通入基體沉積氣體由接口 204從加熱保溫傳輸管120的外部經過旋轉連接處209進入改進的化學氣相沉積系統的石英沉積管201中，同時將所需要的有機金屬螯合物蒸汽以預定的摻雜速率均勻穩定地通入改進的化學氣相沉積系統石英沉積管201中,連同基體沉積氣體一同發生反應后均勻的摻雜在纖芯中。
[0060]圖5為本實用新型所使用的有機金屬螯合物摻雜劑和共摻劑的結構示意圖，有機金屬螯合物是一種金屬離子與多價配位體形成的環狀結構有機配合物，難溶于水而易溶于有機溶劑，其所形成的螯合環以五元環和六元環最為穩定，能在較高的溫度下汽化而不發生分解。本實用新型所使用的有機金屬螯合物，其螯合環中間所連接的金屬元素Ln為Nd、Er、Ge、Pr、Ho、Eu、Yb、Dy、Tm等原子序數在57?71的稀土金屬元素以及Al、Ba、Zn、Ca、Bi等金屬元素，其有機物R部分為碳氫基團，一般形成五元環狀或者六元環狀。稀土有機金屬螯合物的蒸發溫度一般在100-300°C之間，低于稀土氯化物800-1100°C的蒸發溫度，而且稀土有機金屬螯合物的飽和蒸汽壓普遍比稀土氯化物高出一個數量級左右，在降低蒸發控制溫度的同時也大大的有利于摻雜濃度的提高和摻雜均勻性的保證。
[0061]本實用新型所述的摻雜劑和共摻劑均為有機金屬螯合物，而且所有的摻雜劑和共摻劑均通過本實用新型的摻雜裝置以氣相方式摻進光纖預制棒中，其中摻雜劑提供的稀土有源離子為原子序數57-71的稀土離子。
[0062]本實用新型所述的共摻劑不僅包括鋁、鋇、鋅等元素的有機金屬螯合物，還包括不同于主摻雜劑的其他稀土兀素有機金屬螯合物。
[0063]以下結合具體實施例對應用本實用新型制成的光纖預制棒進行詳細描述。
[0064]實例I芯徑2mm的摻鐿光纖預制棒制備
[0065]首先將拋光干燥氣體SF6和Cl2通入石英沉積管201中，調節加熱噴燈203溫度對沉積管201進行拋光和干燥；接著將基體沉積氣體SiCl4、02、SF6, He從導管接口 204通入石英沉積管201中，設定加熱噴燈203溫度在1350-1850°C之間，本實施例選擇加熱噴燈203溫度調節在1550°C，沉積6層SiO2粉末層作為光纖預制棒的包層部分，沉積1.5小時；然后將基體沉積氣體SiCl4、02、SF6, He、POCl3從導管接口 204通入石英沉積管201的同時，調節加熱蒸發罐105的溫度為210°C、與之對應的進氣導管102的運載氣體He的流量為150SCCM、加熱保溫傳輸管120溫度240°C、加熱保溫板202溫度260°C，將作為摻雜劑的有機金屬螯合物三(2，2，6，6-四甲基-3，5-庚二酮酸)鐿蒸汽通入石英沉積管201，并調節另一個加熱蒸發罐105溫度為230°C、與之對應的進氣導管102的運載氣體He的流量為200SCCM、將作為共摻劑的有機金屬螯合物乙酰丙酮鋁蒸汽通入石英沉積管201 ;將高純O2通入石英沉積管201，調節加熱噴燈203的溫度在1550-1950°C之間，此時調節加熱噴燈203的溫度為1850°C分為4趟沉積光纖預制棒纖芯部分，那么在石英沉積管201中主要發生如下化學反應:
[0066]SiCl4+02=Si02+2Cl2
[0067]4P0C13+302=2P205+6C12[0068]2C33H63Yb06+9002=66C02+63H20+Yb203
[0069]2C15H21A106+3602=30C02+2 IH2CHAl2O3
[0070]反應生成物Si02、P205、A1203、Yb2O3同步沉積在前一步所沉積的光纖預制棒包層上，其他的氣態反應生成物C12、H20和CO2及未反應氣體O2和He作為尾氣排出石英沉積管201 ;待光纖預制棒纖芯部分沉積完畢后，升高加熱噴燈203溫度至1980-2100°C，本實施例將加熱噴燈溫度此時調節至2000°C，分5趟將石英沉積管201熔縮為實心預制棒，預制棒纖芯部分直徑為2mm其濃度分布如圖6所示，經測定纖芯摻雜濃度7600ppm。從圖6可以看出，該光纖預制棒的纖芯部分不僅摻雜均勻而且摻雜范圍精確可控，摻雜濃度也較高。
[0071]實例2芯徑4mm的摻鐿光纖預制棒制備
[0072]首先將拋光干燥氣體SF6和Cl2通入石英沉積管201中，調節加熱噴燈203溫度對沉積管201進行拋光和干燥；接著將基體沉積氣體SiCl4、SF6、02、He、Cl2、P0Cl3通入石英沉積管201中，設定加熱噴燈203溫度在1450-1750°C之間，本實施例選擇加熱噴燈203溫度調節在1600°C，沉積8層SiO2粉末層作為光纖預制棒的包層部分，沉積2小時；然后將基體沉積氣體SiCl4、GeCl4、SF6、02、He、POCl3通入石英沉積管201的同時，將其中兩個加熱蒸發罐105的溫度分別設定在200°C和220°C，調整與之對應的進氣導管102流量控制器的流量大小分別為160SCCM和200SCCM，將加熱保溫傳輸管120和加熱保溫板202的溫度分別控制在240°C和260°C，把(2，2，6，6-四甲基-3，5-庚二酮酸)鐿蒸汽和乙酰丙酮鋁蒸汽通入石英沉積管201中；將高純O2通入石英沉積管201，調節加熱噴燈203的溫度在1550_1900°C之間，此時調節加熱噴燈的溫度為1800°C分10趟沉積光纖預制棒的芯層部分，那么在石英沉積管201的反應區將主要發生如下的化學反應:
[0073]SiCl4+02=Si02+2Cl2
[0074]GeCl4+02=Ge02+2Cl2
[0075]4P0C13+302=2P205+6C12
[0076]2C33H63Yb06+9002=66C02+63H20+Yb203
[0077]2C15H21A106+3602=30C02+2 IH2CHAl2O3
[0078]反應生成物Si02、GeO2, P2O5, A1203、Yb2O3同步沉積在前一步所沉積的光纖預制棒包層上，其他的氣態反應生成物C12、H20和CO2及未反應氣體O2和He作為尾氣排出沉積管201 ;待光纖預制棒芯層部分沉積完畢后，升高加熱噴燈203的溫度至2000-215(TC分8趟將石英沉積管201熔縮為實心預制棒，預制棒纖芯部分直徑為4_其濃度分布如圖7所示，經測定纖芯摻雜濃度為4800ppm。從圖7可見，該光纖預制棒的纖芯部分不僅摻雜均勻而且摻雜范圍精確可控，摻雜濃度也較高。
[0079]實例3芯徑7_的摻鐿光纖預制棒制備
[0080]首先將拋光、干燥氣體SF6和Cl2通入石英沉積管201中，調節加熱噴燈203溫度對沉積管201進行拋光和干燥；接著將基體沉積氣體SiCl4、SF6, 02、He、Cl2, BBr3通入石英沉積管201中，設定加熱噴燈203溫度在1550-1850°C之間，本實施例選擇加熱噴燈203溫度調節在1650°C，沉積6層SiO2粉末層作為光纖預制棒的包層部分，沉積1.5小時；然后將基體沉積氣體SiCl4、GeCl4、SF6、02、He通入石英沉積管201的同時，將其中兩個加熱蒸發罐105的溫度分別設定在100°C和210°C，調整與之對應的進氣導管102的流量控制器的流量大小分別為350SCCM和160SCCM，將加熱保溫傳輸管120和加熱保溫板202的溫度分別控制在220°C和240°C，把其中之一加熱蒸發罐105中的乙酰丙酮鐿蒸汽和另一個加熱蒸發罐105中的雙(2，2，6，6，-四甲基-3，5-庚二酮酸)鋇蒸汽通入石英沉積管201中；將高純O2通入石英沉積管201，調節加熱噴燈203的溫度在1650-1900°C之間，此時調節加熱噴燈203的溫度為1850°C分12趟沉積光纖預制棒的芯層部分，那么在石英沉積管201的反應區將主要發生如下的化學反應:
[0081]SiCl4+02=Si02+2Cl2
[0082]4BBr3+302=2B203+6Br2
[0083]GeCl4+02=Ge02+2Cl2
[0084]C22H42Ba04+4202=22C02+42H20+Ba02
[0085]2C15H21Yb06+3602=30C02+2 IH2CHYb2O3
[0086]反應生成物Si02、GeO2> BaO2> B2O3> Yb2O3同步沉積在前一步所沉積的光纖預制棒包層上，其他的氣態反應生成物C12、H20和CO2及未反應氣體O2和He作為尾氣排出沉積管201 ;待光纖預制棒芯層部分沉積完畢后，升高加熱噴燈203的溫度至2000-2200°C分10趟將石英沉積管201熔縮為實心預制棒，預制棒纖芯部分直徑為7_其濃度分布如圖8所示，經測定纖芯摻雜濃度為5000ppm。從圖8可見，該光纖預制棒的纖芯部分不僅摻雜范圍大而且摻雜范圍精確可控，其摻雜濃度也較高，該摻雜裝置及方法具有的大芯徑高濃度摻雜能力在制備大模場摻雜光纖中的優勢將特別明顯。
[0087]實例4芯徑2_的高濃度摻鐿光纖預制棒制備
[0088]首先將拋光、干燥氣體SF6和Cl2通入石英沉積管201中，調節加熱噴燈203溫度對沉積管201進行拋光和干燥；接著將基體沉積氣體SiCl4、SF6, 02、He、Cl2, POCl3通入石英沉積管201中，設定加熱噴燈203溫度在1500-1850°C之間，本實施例選擇加熱噴燈203溫度調節在1600°C，沉積10層SiO2粉末層作為光纖預制棒的包層部分，沉積2.5小時；然后將基體沉積氣體SiCl4、GeCl4、P0Cl3、SF6、02、He通入石英沉積管201的同時，將其中四個加熱蒸發罐105的溫度分別設定在190°C、220°C、100°C和210°C，調整與之對應的進氣導管102的流量控制器101的流量大小分別為100SCCM、400SCCM、400SCCM和200SCCM將加熱保溫傳輸管120和加熱保溫板202的溫度分別控制在230°C和250°C，把第一加熱蒸發罐105中的三(2，2，6，6，-四甲基-3，5-庚二酮酸)鐿蒸汽、第二加熱蒸發罐105中的乙酰丙酮鋁蒸汽、第三加熱蒸發罐105中的乙酰丙酮鐿蒸汽和第四加熱蒸發罐中的雙(2，2，6，6，_四甲基-3，5-庚二酮酸)鋇蒸汽通入石英沉積管201中；將高純O2通入石英沉積管201，調節加熱噴燈203的溫度在1650-1900°C之間，此時調節加熱噴燈的溫度為1800°C分6趟沉積光纖預制棒的芯層部分，那么在石英沉積管201的反應區將主要發生如下的化學反應:
[0089]SiCl4+02=Si02+2Cl2
[0090]GeCl4+02=Ge02+2Cl2[0091 ] 4P0C13+302=2P205+6C12
[0092]2C33H63Yb06+9002=66C02+63H20+Yb203
[0093]2C15H21A106+3602=30C02+2 IH2CHAl2O3
[0094]C22H42Ba04+4202=22C02+42H20+Ba02
[0095]2C15H21Yb06+3602=30C02+2 IH2CHYb2O3
[0096]反應生成物Si02、GeO2> BaO2> P2O5> A1203、Yb2O3同步沉積在前一步所沉積的光纖預制棒包層上，其他的氣態反應生成物C12、H20和CO2及未反應氣體O2和He作為尾氣排出沉積管201 ;待光纖預制棒芯層部分沉積完畢后，升高加熱噴燈203的溫度至2000-220(TC分6趟將石英沉積管201熔縮為實心預制棒，預制棒纖芯部分直徑為2_其濃度分布如圖9所示，經測定纖芯摻雜濃度為12000ppm。從圖9可見，該光纖預制棒的纖芯部分摻雜范圍精確可控，摻雜濃度十分高，該摻雜裝置及方法具有的高濃度高精度的摻雜能力在制備高性能高增益的稀土摻雜光纖中優勢將十分明顯。
[0097]實例5鉺和鐿共摻光纖預制棒制備
[0098]首先將拋光、干燥氣體SF6和Cl2通入石英沉積管201中，調節加熱噴燈203溫度對沉積管201進行拋光和干燥；接著將基體沉積氣體SiCl4、SF6、02、He、Cl2、P0Cl3通入石英沉積管201中，設定加熱噴燈203溫度在1600-1850°C之間，本實施例選擇加熱噴燈203溫度調節在1700°C，沉積8層SiO2粉末層作為光纖預制棒的包層部分，沉積2小時；然后將基體沉積氣體SiCl4、GeCl4、P0Cl3、SF6、02、He通入石英沉積管201的同時，將四個加熱蒸發罐105的溫度分別設定在200°C、220°C、210°C、210°C，調整與之對應的進氣導管102的流量控制器101的流量大小分別為100SCCM、800SCCM、600SCCM、300SCCM將加熱保溫傳輸管120和加熱保溫板202的溫度分別控制在240°C和260°C，把第一加熱蒸發罐105中的三(2，2，6，6，-四甲基-3，5-庚二酮酸)鉺蒸汽、第二加熱蒸發罐105中的三(2，2，6，6，-四甲基-3，5-庚二酮酸)鐿蒸汽、第三加熱蒸發罐中的乙酰丙酮鋁蒸汽和第四加熱蒸發罐中的雙(2，2，6，6，-四甲基-3，5-庚二酮酸)鋇蒸汽通入石英沉積管201中；將高純O2通入石英沉積管201，調節加熱噴燈203的溫度在1750-1900°C之間，此時調節加熱噴燈203的溫度為1850°C分8趟沉積光纖預制棒的芯層部分，那么在石英沉積管201的反應區將主要發生如下的化學反應:
[0099]SiCl4+02=Si02+2Cl2
[0100]GeCl4+02=Ge02+2Cl2[0101 ] 4P0C13+302=2P205+6C12
[0102]2C33H63Er06+9002=66C02+63H20+Er203
[0103]2C33H63Yb06+9002=66C02+63H20+Yb203
[0104]2C15H21A106+3602=30C02+2 IH2CHAl2O3
[0105]C22H42Ba04+4202=22C02+42H20+Ba02
[0106]反應生成物Si02、GeO2> BaO2> P2O5> A1203、Yb2O3同步沉積在前一步所沉積的光纖預制棒包層上，其他的氣態反應生成物C12、H20和CO2及未反應氣體O2和He作為尾氣排出沉積管201 ;待光纖預制棒芯層部分沉積完畢后，升高加熱噴燈203的溫度至2000-220(TC分6趟將石英沉積管201熔縮為實心預制棒，經測定纖芯中的鉺和鐿摻雜濃度比精確控制在1:8左右。
[0107]實例6鉺、鐿、銩共摻光纖預制棒制備
[0108]首先將拋光、干燥氣體SF6和Cl2通入石英沉積管201中，調節加熱噴燈203溫度對沉積管201進行拋光和干燥；接著將基體沉積氣體SiCl4、SF6、02、He、Cl2、P0Cl3通入石英沉積管201中，設定加熱噴燈203溫度在1650-1850°C之間，本實施例選擇加熱噴燈203溫度調節在1700°C，沉積10層SiO2粉末層作為光纖預制棒的包層部分，沉積2.5小時；然后將基體沉積氣體SiCl4、GeCl4、P0Cl3、SF6、02、He通入石英沉積管201的同時，將四個加熱蒸發罐105的溫度分別設定在190°C、230°C、210°C和230°C，調整與之對應的進氣導管102的流量控制器101的流量大小分別為100SCCM、950SCCM、200SCCM、1200SCCM，將加熱保溫傳輸管120和加熱保溫板202的溫度分別控制在250°C和270°C，把第一加熱蒸發罐105中的三(2，2，6，6，_四甲基-3，5-庚二酮酸)鉺蒸汽、第二加熱蒸發罐105中的三(2，2，6，6，_四甲基-3，5-庚二酮酸)鐿、第三加熱蒸發罐105中的三(2，2，6，6，_四甲基-3，5-庚二酮酸)釹和第四加熱蒸發罐105中的乙酰丙酮鋁蒸汽通入石英沉積管201中；將高純O2通入石英沉積管201，調節加熱噴燈203的溫度在1750-1950°C之間，此時調節加熱噴燈203的溫度為1850°C分10趟沉積光纖預制棒的芯層部分，那么石英沉積管201的反應區將主要發生如下的化學反應:
[0109]SiCl4+02=Si02+2Cl2
[0110]GeCl4+02=Ge02+2Cl2
[0111]4P0C13+302=2P205+6C12
[0112]2C33H63Er06+9002=66C02+63H20+Er203
[0113]2C33H63Yb06+9002=66C02+63H20+Yb203
[0114]2C33H63Nd06+9002=66C02+63H20+Nd203
[0115]2C15H21A106+3602=30C02+2 IH2CHAl2O3
[0116]反應生成物Si02、Ge02、Ba02、P205、Al203、Yb2O3同步沉積在前一步所沉積的光纖預制棒包層上，其他的氣態反應生成物C12、H20和CO2及未反應氣體O2和He作為尾氣排出沉積管201 ;待光纖預制棒芯層部分沉積完畢后，升高加熱噴燈203的溫度至2000-220(TC分8趟將石英沉積管201熔縮為實心預制棒，經測定預制棒纖芯中的鉺、鐿、釹摻雜濃度比精確地控制在Er:Yb:Nd=l:22:2左右。
[0117]上述六個實例選擇的稀土摻雜元素有鉺、鐿和釹，其中有某一種稀土元素的單摻也有聯合幾種稀土元素的共摻，但本實用新型可以摻雜的稀土元素并不僅僅局限于上述三種，原子序數在57?71的各個稀土元素都可以作為稀土摻雜元素在光纖預制棒中進行單摻或者共摻，摻雜方法與實施例1至實施例6 —致，在此不再贅述。
[0118]綜上所述，本實用新型有益效果為，應用本摻雜裝置可以實現全氣相摻雜，全程保溫，使氣體不易凝結，使用本實用新型的摻雜方法使得產品的摻雜均勻性、一致性均有提高，產品的性能也得到相應的保證。
【權利要求】
1.一種光纖預制棒的摻雜裝置，包括加熱系統、傳輸系統和改進的化學氣相沉積系統，其特征在于: 所述加熱系統包括多個加熱單元，所述加熱單元包括加熱蒸發罐、設置于加熱蒸發罐下部的用于通入運載氣體的進氣導管、設置于加熱蒸發罐上部的出氣導管； 所述傳輸系統包括加熱保溫傳輸管和加熱保溫板，用以通入高純氧氣的氧氣管和所述出氣導管分別接入設有相應接口的加熱保溫傳輸管中；所述加熱保溫傳輸管的輸出端與改進的化學氣相沉積系統的旋轉部分連通，所述加熱保溫板靠近連通位置固定設置于改進的化學氣相沉積系統旋轉部分的內壁； 各個加熱蒸發罐內裝有不同的有機金屬螯合物；其中，至少有一個加熱蒸發罐內的有機金屬螯合物作為摻雜劑。
2.根據權利要求1所述的光纖預制棒的摻雜裝置，其特征在于:所述加熱蒸發罐有2-6個，加熱蒸發罐包括由內到外依次嵌套的盛料部分、加熱部分和保護部分，所述有機金屬螯合物裝于盛料部分內。
3.根據權利要求1或2所述的光纖預制棒的摻雜裝置，其特征在于:所述運載氣體為氦氣；所述進氣導管開口于略高于盛料部位的位置，所述盛料部分的頂端呈圓錐狀平面。
4.根據權利要求1或2所述的光纖預制棒的摻雜裝置，其特征在于:對于每一路進氣導管均設置有用以調節運載氣體流量的流量控制器。
5.根據權利要求1或2所述的光纖預制棒的摻雜裝置，其特征在于:所述加熱保溫傳輸管包括由內到外依次嵌套的包裹固定層、加熱保溫層、護套保護層，其中，包裹固定層由金屬材料制成，加熱保溫層采用包裹有加熱電阻絲的保溫材料，護套保護層由絕緣橡膠制成。
6.根據權利要求5所述的光纖預制棒的摻雜裝置，其特征在于:所述氧氣管和出氣導管均軸向伸入加熱保溫傳輸管中，其中氧氣管處于包裹固定層內部腔室的中心位置，出氣導管環繞在氧氣管周圍均勻分布，各個出氣導管之間以及出氣導管與氧氣管之間的間隙用導熱保溫材料填充。
7.根據權利要求6所述的光纖預制棒的摻雜裝置，其特征在于:所述加熱蒸發罐與加熱保溫傳輸管均為圓柱狀結構，加熱蒸發罐出口處與加熱保溫傳輸管接口處之間的出氣導管上包裹有加熱保溫層和護套保護層。
【文檔編號】C03B37/014GK203558968SQ201320437525
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年7月22日 優先權日:2013年7月22日
【發明者】林傲祥, 師騰飛, 倪立, 張愛東, 湛歡, 李璐, 何建麗, 周志廣 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所