一種摻雜稀土光纖預制棒及其制備方法
【專利摘要】本申請提供了一種摻雜稀土光纖預制棒的制備方法，包括以下步驟：1)將石英沉積管的內表面沉積疏松芯層；2)將所述步驟1)得到的內表面沉積有疏松芯層的石英沉積管浸泡在含稀土元素的溶液中，待石英沉積管的頭部完成浸泡后，將所述含稀土元素的溶液按照式a得到的釋放速度進行釋放；釋放速度(mm/min)＝L/(3h×L/400mm-280h·(mm/min)/V)/60式a；3)對所述步驟2)浸泡后的石英沉積管依次進行干燥、燒結和熔縮，得到摻雜稀土光纖預制棒。本發明按照式a控制含稀土元素的溶液的釋放速度，提高了稀土元素摻雜的縱向均勻性，還避免了稀土離子團簇帶來的能量損耗，從而提高光纖預制棒的縱向光纖均勻性。
【專利說明】一種摻雜稀土光纖預制棒及其制備方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于光纖預制棒領域，尤其涉及一種摻雜稀土光纖預制棒及其制備方法。

【背景技術】
[0002] 光纖由光纖預制棒按比例拉絲而成，光纖預制棒通常由折射率較高的芯層和折射 率較低的包層組成。目前，光纖主要用于通信傳輸。
[0003] 在現有技術中，已存在幾種生產光纖預制棒的工藝方法，按光纖折射率剖面 的制造方法劃分，可以分為兩大類：管外沉積法，包括軸向氣相沉積法（vapor axial deposition, VAD)和外部氣相沉積法（outside vapor deposition, OVD);管內沉積法：包括 改進的化學氣相沉積法（modified chemical vapor deposition, MCVD)和等離子體化學氣相 沉積法（plasma chemical vapor deposition,PCVD)。制造光纖預制棒所需的原料在常溫下 通常都是氣體（如〇2、Cl 2等），或者是具有較高蒸汽壓的液體（如SiCl4、GeCl4等）。而制 造摻雜稀土光纖所需的稀土摻雜劑（一般為稀土鹵化物）只有加熱到500°C?1000°C時， 才能保證有足夠的蒸汽壓，使其能夠與其他常規反應物氣體參加氣相沉積反應。因此，采用 常規的光纖預制棒制造技術難以實現稀土摻雜?，F有技術中，用于制造稀土摻雜光纖預制 棒的方法包括氣相摻雜法、溶液摻雜法、納米粒子直接沉積法、溶液凝膠法和溶液霧化法。 其中，應用最廣泛的是溶液摻雜法。J. E. Townsend等采用溶液摻雜法制備摻雜稀土預制棒， 該方法包括以下步驟：用常規方法在石英沉積管內沉積形成含Si02-P 205-F的光纖內包層； 降低溫度沉積疏松煙灰芯層；將石英沉積管浸泡在含稀土元素的溶液中lh左右；浸泡完畢 后用丙酮清洗疏松煙灰芯層，并重新安裝到車床上；升溫至600°C，同時通入Cl 2進行脫水 干燥；燒結疏松煙灰芯層為透明玻璃層；將脫水干燥的石英沉積管在高溫下熔縮得到實心 預制棒。將該方法制備得到的摻雜稀土光纖預制棒經過拉絲后用在激光器上，發現存在漏 光，損耗大，效率低，發熱量大，光子暗化等問題；另外，該法制備光纖預制棒的縱向均勻性 較低，減少了光纖預制棒的有效長度。


【發明內容】

[0004] 有鑒于此，本發明的目的在于提供一種摻雜稀土光纖預制棒及其制備方法，本發 明提供的光纖預制棒具有較高的縱向光纖均勻性。
[0005] 本發明提供了一種摻雜稀土光纖預制棒的制備方法，包括以下步驟：
[0006] 1)將石英沉積管的內表面沉積疏松芯層；
[0007] 2)將所述步驟1)得到的內表面沉積有疏松芯層的石英沉積管浸泡在含稀土元素 的溶液中，待所述石英沉積管的頭部完成浸泡后，將所述含稀土元素的溶液按照式a得到 的釋放速度進行釋放；
[0008] 釋放速度(mm/mi n) = L/(3hXL/400mm_280h · (mm/mi η) /V) /60 式 a ;
[0009] 式a中，L為所述步驟1)中石英沉積管的長度，單位為mm ;
[0010] V為所述步驟1)中在石英沉積管的內表面沉積疏松芯層的沉積速度，單位為_/ min ；
[0011] 3)對所述步驟2)浸泡后的石英沉積管依次進行干燥、燒結和熔縮，得到摻雜稀土 光纖預制棒。
[0012] 優選地，將石英沉積管的頭部按照式b得到的浸泡時間進行浸泡：
[0013] 頭部浸泡時間（h) = 280h · (mm/min)/V 式 b ;
[0014] 式b中，V為在石英沉積管的內表面沉積疏松芯層的沉積速度，單位為mm/min。
[0015] 優選地，所述步驟1)中沉積的溫度為1580°C?1620°C。
[0016] 優選地，所述步驟2)中含稀土元素的溶液包括共摻雜劑和稀土化合物；
[0017] 所述共摻雜劑包括硝酸鋁和/或氯化鋁；
[0018] 所述稀土化合物包括稀土氯化物和稀土硝酸鹽中的一種或多種。
[0019] 優選地，所述燒結的溫度為2000°C?2150°C。
[0020] 優選地，所述稀土化合物中稀土元素包括Er、Tm、Yb和Ce中的一種或多種。
[0021] 優選地，所述稀土化合物的摩爾濃度為0· 02mol/L?0· 05mol/L。
[0022] 優選地，所述共摻雜劑的摩爾濃度為0· lmol/L?0· 8mol/L。
[0023] 優選地，所述干燥的溫度為600°C?850°C ;
[0024] 所述干燥的時間為30min?90min。
[0025] 本發明提供了一種上述技術方案所述的制備方法制備得到的摻雜稀土光纖預制 棒。
[0026] 本發明提供了一種摻雜稀土光纖預制棒的制備方法，包括以下步驟：1)將石 英沉積管的內表面沉積疏松芯層；2)將所述步驟1)得到的內表面沉積有疏松芯層的 石英沉積管浸泡在含稀土元素的溶液中，待所述石英沉積管的頭部完成浸泡后，將所 述含稀土元素的溶液按照式a得到的釋放速度進行釋放；釋放速度（mm/min) = L/ (3hXL/400mm-280h · (mm/min)/V)/60式a ;式a中，L為所述步驟1)中石英沉積管的長 度，單位為mm ;V為所述步驟1)中在石英沉積管的內表面沉積疏松芯層的沉積速度，單位為 mm/min ;3)對所述步驟2)浸泡后的石英沉積管依次進行干燥、燒結和熔縮，得到摻雜稀土 光纖預制棒。本發明按照式a得到的釋放速度控制含稀土元素的溶液的釋放速度，提高了 稀土元素摻雜的縱向均勻性，還避免了稀土離子團簇帶來的能量損耗，從而提高了光纖預 制棒的縱向光纖均勻性。實驗結果表明：本發明提供的光纖預制棒的長度位置為100mm? 700mm時，芯層折射率均集中在1. 4630?1. 4637。

【具體實施方式】
[0027] 本發明提供了一種光纖預制棒的制備方法，包括以下步驟：
[0028] 1)將石英沉積管的內表面沉積疏松芯層；
[0029] 2)將所述步驟1)得到的內表面沉積有疏松芯層的石英沉積管浸泡在含稀土元素 的溶液中，待所述石英沉積管的頭部完成浸泡后，將所述含稀土元素的溶液按照式a得到 的釋放速度進行釋放；
[0030] 釋放速度（mm/min) = L/(3hXL/400mm_280h · (mm/min) /V) /60 式 a ;
[0031] 式a中，L為所述步驟1)中石英沉積管的長度，單位為mm ;
[0032] V為所述步驟1)中在石英沉積管的內表面沉積疏松芯層的沉積速度，單位為_/ min ；
[0033] 3)對所述步驟2)浸泡后的石英沉積管依次進行干燥、燒結和熔縮，得到摻雜稀土 光纖預制棒。
[0034] 本發明按照式a控制含稀土元素的溶液的釋放速度，提高了稀土元素摻雜的縱向 均勻性，還避免了稀土離子團簇帶來的能量損耗，從而提高了光纖預制棒的縱向光纖均勻 性。實驗結果表明：本發明提供的摻雜稀土光纖預制棒的芯層為100mm?700mm時，折射率 均集中在1. 4630?1. 4637。
[0035] 本發明將石英沉積管的內表面沉積疏松芯層。本發明優選將石英沉積管進行蝕 亥IJ、沉積內包層和預縮后，再進行沉積疏松芯層。本發明對所述石英沉積管的來源沒有特 殊的限制，采用本領域技術人員熟知的石英沉積管即可，如可以采用其市售產品。在本發 明中，所述石英沉積管的外徑為30mm?40mm ;所示石英沉積管的管壁厚度優選為2mm? 3mm。本發明對所述蝕刻的方法沒有特殊的限制，采用本領域技術人員熟知的蝕刻技術方 案即可。本發明對所述石英沉積管沉積內包層的方法沒有特殊的限制，采用本領域技術人 員熟知的制備光纖預制棒時沉積內包層的技術方案即可。在本發明中，所述內包層的層數 優選為9層；所述內包層的每層的厚度優選為0· 1mm?3mm，更優選為0· 5mm?1. 5mm ;所 述內包層的作用是防止石英沉積管中的雜質沉積到下述技術方案所述疏松芯層中去。在 本發明中，沉積內包層的原料包括31(：1 4、5^和？0(：13 ;所述內包層組分中Si、F和P的物質 的量比優選為15:1:3?30:1 :1;沉積內包層時的壓力優選為1.21'〇1^?1.41'〇1^，更優選 為1. 26Torr?1. 38Torr ;沉積內包層的溫度優選為1960°C?1990°C，更優選為1970°C? 1980°C ;沉積內包層的時間優選為15min?40min，更優選為20min?30min。本發明對所 述預縮的方法沒有特殊的限制，采用本領域技術人員熟知的預縮技術方案即可。在本發明 中，所述預縮的過程優選具體為：
[0036] 完成內包層沉積后，關閉沉積內包層的原料氣體，向沉積有內包層的石英沉積管 內通02和He,降低石英沉積管內部壓力至1. OOTorr?1. lOTorr，升高溫度至2100°C? 2200°C，將石英沉積管的外徑優選預縮為22_?24_。在本發明中，所述0 2和He作為輔 助型氣體，保證石英沉積管內微正壓。
[0037] 本發明將完成蝕刻、沉積內包層和預縮后的石英沉積管的內表面沉積疏松芯層。 在本發明中，所述疏松芯層的原料為SiCl 4，也可以為SiCl4和P0C13的混合物，所述SiCl4和 P0C13的物質的量比優選為15:1?20:1，更優選為16:1?18:1 ;沉積疏松芯層時的溫度 不宜過高，以避免疏松芯層燒結成玻璃層，導致疏松芯層的孔隙率過低，無法吸附足夠的含 稀土元素的溶液；同時，沉積溫度也不宜過低，以保證疏松芯層具有足夠的強度，防止溶液 浸泡過程中，疏松芯層脫落，因此，沉積溫度是制造光纖預制棒的關鍵參數。在本發明中，所 述沉積的溫度優選為1580°C?1620°C，更優選為1585°C?1615°C;所述疏松芯層的孔隙率 優選為10 %?50 %。沉積疏松芯層時，沉積的疏松芯層相對較薄的一端為石英沉積管的頭 部，另一端為石英沉積管的尾部。在本發明中，不同的沉積速度、不同的沉積溫度，在相同的 流量時，沉積的疏松芯層的厚度是不一樣的。在本發明中，石英沉積管的頭部的沉積厚度= 140mm · (mm/min)/V，所述V為在石英沉積管的內表面沉積疏松芯層的沉積速度，單位為mm/ min ;在1600°C下，當所述沉積速度一定時，石英沉積管的尾部的疏松芯層的沉積厚度由石 英沉積管的長度決定，石英沉積管的尾部的沉積厚度=3X石英沉積管長度/800。在本發 明的實施例中，當疏松芯層的沉積速度為140mm/min時，石英沉積管頭部的疏松芯層的厚 度為1_ ;當石英沉積管的長度為400_時，石英沉積管的尾部的疏松芯層的厚度為1. 5_。
[0038] 在本發明中，所述疏松芯層的長度為石英沉積管的長度，優選為300mm?1200mm。
[0039] 完成疏松芯層的沉積后，將得到的內表面沉積有疏松芯層的石英沉積管浸泡在含 稀土元素的溶液中，待所述石英沉積管的頭部完成浸泡后，將所述含稀土元素的溶液按照 式a得到的釋放速度進行釋放；
[0040] 釋放速度(mm/mi n) = L/(3hXL/400mm_280h · (mm/mi η) /V) /60 式 a ;
[0041] 式a中，L為所述石英沉積管的長度，單位為mm ;
[0042] V為在石英沉積管的內表面沉積疏松芯層的沉積速度，單位為mm/min。
[0043] 本發明優選將所述含稀土元素的溶液置于石英沉積管中，對所述疏松芯層進行浸 泡。在本發明中，所述含稀土元素的溶液包括共摻雜劑和稀土化合物；所述共摻雜劑包括 硝酸鋁和/或氯化鋁；所述稀土化合物包括稀土氯化物和/或稀土硝酸鹽中的一種或多 種；所述含稀土元素的溶液中的溶劑為水或乙醇。在本發明中，所述稀土化合物中稀土元素 優選包括Er、Tm、Yb和Ce中的一種或多種；所述共摻雜劑的摩爾濃度優選為0. lmol/L? 0· 8mol/L，更優選為0· 25mol/L?0· 55mol/L ;所述稀土化合物的摩爾濃度優選為0· 02mol/ L ?0· 05mol/L，更優選為 0· 025mol/L ?0· 045mol/L。
[0044] 在本發明中，將所述石英沉積管的頭部優選按照式b得到的浸泡時間進行浸泡：
[0045] 頭部浸泡時間=280h · (mm/min)/V 式 b ;
[0046] 式b中，V為在石英沉積管的內表面沉積疏松芯層的沉積速度，單位為mm/min。
[0047] 待所述石英沉積管的頭部浸泡完成后，本發明按照式a得到的釋放速度控制釋放 含稀土元素的溶液。本發明優選將石英沉積管的尾部開口，將開口通過一根軟管與帶有體 積測量的儀器連接，測量含稀土元素的溶液的體積釋放速度；所述帶有測量的儀器可以為 微小流量浮子流量計。在本發明中，所述含稀土元素的溶液的體積=3X石英沉積管長度 /20 ；
[0048] 在本發明中，所述含稀土元素的溶液的體積釋放速度（mL/min) = 3L/20/ (3hXL/400mm-280h · (mm/mi η)/V)/60〇
[0049] 完成含稀土元素的溶液的釋放后，本發明對浸泡后的石英沉積管依次進行干燥、 燒結和熔縮，得到摻雜稀土光纖預制棒。本發明對所述干燥的方法沒有特殊的限制，采用 本領域技術人員熟知的干燥技術方案即可。本發明優選采用（：1 2進行干燥，在本發明中， 所述干燥的溫度優選為600°c?850°C，更優選為680°C?780°C ;所述干燥的時間優選為 30min ?90min，更優選為 40min ?70min。
[0050] 完成石英沉積管的干燥后，本發明將干燥后的石英沉積管的疏松芯層燒結。本發 明對所述燒結的方法沒有特殊的限制，采用本領域技術人員熟知的燒結技術方案即可。在 本發明中，所述燒結的溫度優選為2000°C?2150°C，更優選為2050°C?2KKTC，最優選為 210CTC ;所述燒結的時間優選為lOmin?60min，更優選為20min?40min。
[0051] 完成石英沉積管的燒結后，本發明將燒結后的石英沉積管熔縮，得到摻雜稀土光 纖預制棒。本發明對所述熔縮的方法沒有特殊的限制，采用本領域技術人員熟知的熔縮技 術方案即可。在本發明中，所述熔縮的溫度優選為2000°C?2290°C，更優選為2KKTC? 220CTC ;所述烙縮的時間優選為40min?300min，更優選為60min?240min。
[0052] 本發明優選將熔縮后得到的實心預制棒拉絲得到摻雜稀土光纖預制棒。本發明對 所述拉絲的方法沒有特殊的限制，采用本領域技術人員熟知的拉絲技術方案即可。在本發 明中，所述拉絲時的溫度優選為2000°C?2300°C，更優選為2KKTC?2200°C ;拉絲后的摻 雜稀土光纖預制棒的直徑優選為120 μ m?140 μ m，更優選為125 μ m?130 μ m ;拉絲后得 到的摻雜稀土光纖預制棒的纖芯直徑為6 μ m?12 μ m。
[0053] 本發明還提供了上述技術方案所述制備方法制備得到的摻雜稀土光纖預制棒。
[0054] 本發明對得到的摻雜稀土光纖預制棒在PK2600光纖預制棒分析儀上進行檢測， 檢測結果表明：本發明提供的摻雜稀土光纖預制棒的長度位置為100mm?700_時，芯層折 射率均集中在1. 4630?1. 4637。通過折射率可以看出，本發明制備得到的摻雜稀土光纖預 制棒具有較高的縱向均勻性，進一步提高激光器的斜率效率，斜率效率高說明摻雜稀土光 纖預制棒的增益效果好，達到一定增益所需要的光纖長度越短，成本越低。
[0055] 下面將結合具體實施例，對本發明提供的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然， 所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l明中的實施 例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于 本發明保護的范圍。
[0056] 比較例
[0057] 首先將600mm的石英沉積管的一端與把手管熔接，然后將尾管安裝在另一側的卡 盤上，經過矯直后將沉積管另一端與尾管熔接好；將尾座鎖好以免沉積過程移動，將上限、 下限位分別移至相應的位置；
[0058] 開啟配方程序，由PLC控制電腦與設備同步，按照蝕刻，內包層沉積，縮棒，疏松芯 層沉積的順序運行，其中內包層沉積9層，組分為Si-F-P三體系，原料分別為SiCl 4、SF6和 P0C13；
[0059] 疏松芯層沉積的速度為135mm/min，疏松芯層沉積結束后關閉配方程序，待內部 壓力降為負值，將沉積管與尾管相連接處拉斷，然后往沉積管內注入60mL稀土離子溶液， 其中A1C1 3的濃度為0. 2mol/L，YbCl3的濃度為0. 04mol/L，浸泡2. 07小時后，在尾部開 個小口，將溶液全部倒出，然后將內表面沉積有疏松芯層的石英沉積管重新安裝在卡盤上， 并與尾管熔接，開啟配方程序，先通入氯氣進行干燥，干燥時間為60min，然后升高溫度至 2KKTC燒結，燒結時間25min，將沉積管熔縮成實心預制棒，熔縮溫度為2130°C，熔縮時間 為lOOmin ;將實心預制棒進行拉絲，得到摻雜稀土光纖預制棒。
[0060] 將摻雜稀土光纖預制棒放在檢測設備上檢測，檢測結果如表1所示，表1為本發明 比較例制備得到的摻雜稀土光纖預制棒的檢測結果：其中，光纖預制棒的位置即為摻雜光 纖預制棒相對應的長度。
[0061] 表1本發明比較例制備得到的摻雜稀土光纖預制棒檢測結果
[0062]

【權利要求】
1. 一種摻雜稀土光纖預制棒的制備方法，包括以下步驟： 1) 將石英沉積管的內表面沉積疏松芯層； 2) 將所述步驟1)得到的內表面沉積有疏松芯層的石英沉積管浸泡在含稀土元素的溶 液中，待所述石英沉積管的頭部完成浸泡后，將所述含稀土元素的溶液按照式a得到的釋 放速度進行釋放； 釋放速度(mm/mi n) = L/ (3h X L/400mm-280h · (mm/mi η) /V) /60 式 a ; 式a中，L為所述步驟1)中石英沉積管的長度，單位為mm ; V為所述步驟1)中在石英沉積管的內表面沉積疏松芯層的沉積速度，單位為mm/min ; 3) 對所述步驟2)浸泡后的石英沉積管依次進行干燥、燒結和熔縮，得到摻雜稀土光纖 預制棒。
2. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，將所述石英沉積管的頭部按照式b得 到的浸泡時間進行浸泡； 頭部浸泡時間（h) = 280h · (mm/min)/V式b ; 式b中，V為在石英沉積管的內表面沉積疏松芯層的沉積速度，單位為mm/min。
3. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟1)中沉積的溫度為 1580? ?1620?。
4. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中含稀土元素的溶液包 括共摻雜劑和稀土化合物； 所述共摻雜劑包括硝酸鋁和/或氯化鋁； 所述稀土化合物包括稀土氯化物和稀土硝酸鹽中的一種或多種。
5. 根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述稀土化合物中稀土元素包括Er、 Tm、Yb和Ce中的一種或多種。
6. 根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述稀土化合物的摩爾濃度為 0· 02mol/L ?0· 05mol/L。
7. 根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述共摻雜劑的摩爾濃度為0. lmol/ L ?0· 8mol/L。
8. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟3)中干燥的溫度為 600。。?850。。； 所述干燥的時間為30min?90min。
9. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟3)中燒結的溫度為 2000°C?2150°C。
10. 權利要求1?9任意一項所述的制備方法制備得到的摻雜稀土光纖預制棒。
【文檔編號】C03B37/014GK104058587SQ201410333862
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月14日 優先權日:2014年7月14日
【發明者】馬靜, 楊軍勇, 馮高鋒, 葛錫良, 章海峰, 陳堅盾, 董瑞洪 申請人:富通集團有限公司