制造鐿摻雜的光學(xué)纖維的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過氣相摻雜技術(shù)制造鐿(Yb)摻雜的光學(xué)纖維的方法。更特別地，本發(fā)明涉及通過氣相沉積技術(shù)制造Yb/Al摻雜的光學(xué)纖維。
【背景技術(shù)】
[0002]稀土 (RE)摻雜的光學(xué)纖維已在光學(xué)放大器、纖維激光器和傳感器領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)有前景的應(yīng)用。摻雜到此類纖維的芯中的RE元素充當(dāng)活性介質(zhì)?？蓳诫s不同的RE如Er、Nd、Yb、Sm、Ho和Tm以得到覆蓋寬的波長范圍的激光發(fā)射和放大。在大多數(shù)應(yīng)用中，由于其緊湊性、優(yōu)異的光束品質(zhì)和易操作能力，RE摻雜的纖維激光器正替代基于氣體的激光器或固態(tài)激光器。因此，纖維激光器已有約16%的市場增長，如Industrial Laser Solut1ns所報(bào)道的，2012年的總銷售達(dá)到13.5億美元。纖維激光器裝置適合于各種應(yīng)用，即材料加工(切割、研磨和雕刻)、測距、醫(yī)療和軍事應(yīng)用。因此，制造具有不同設(shè)計(jì)、組成和適宜RE濃度的RE摻雜纖維吸引了大量的研究興趣。纖維性能的改進(jìn)和工藝重復(fù)性的提高仍是主要目標(biāo)。
[0003]可參見1?.了.]\&1118打61(1，8.(:.]\^(:01111111，1?.?.1\111111^1^111的美國專利號4，826，288(1989)“Method for fabricating optical fibers having cores with high rareearth content”，其中采用具有氣相螯合物遞送技術(shù)的改進(jìn)型化學(xué)氣相沉積(MCVD)工藝來在纖維的芯處引入高水平的RE離子。芯層沉積用二氧化硅及折射率提高的摻雜劑如A1203和RE氧化物如Nd203或Yb203和Ε?03進(jìn)行。Al2Cl6和RE(thd)3分別充當(dāng)A1和RE引入劑。氦用作A1和RE化合物的載氣。RE蒸汽源由填充了固體RE-螯合物與惰性化合物如粒狀高純度Si02或A1203的玻璃柱制成。將柱加熱至200°C的最高溫度。用于Nd(thd)3的輸送管線的溫度在210°C_225°C的范圍內(nèi)。各種氣體組分被輸送至最多大約250°C的反應(yīng)區(qū)。玻璃芯中優(yōu)選的物質(zhì)濃度為:2-20重量%的Α?2θ3，0.1-4重量%的Nd203，余量為Si02玻璃。另一纖維還用Yb3+和Er3+離子的組合制成?？偟腞E203濃度超過5重量％。
[0004]缺點(diǎn):他們認(rèn)為在預(yù)制體的芯中具有約0.1至10重量％或更高的RE含量。但在權(quán)利要求部分中，他們僅要求約0.5重量％的1?203。但未談及預(yù)制體的長度和摻雜劑在縱向以及徑向上的分布。
[0005]可參見Yong-wooLee,Α.Ν.Guryanov,V.F.Khopin,D.D.Gusovsky的美國專利號5，961，682(1999)“Method of fabricating optical fiber doped with rare earthelement using volatile complex”，其中發(fā)生揮發(fā)性RE-螯合物化合物與SiCU和O2的反應(yīng)。加熱管的表面并冷卻水以沉積多孔芯層，其上吸附A12C16或SiF4蒸汽。揮發(fā)性有機(jī)金屬配體由用于RE引入的金屬離子Er、Dy或Yb的三-環(huán)戊二烯基或三-異丙基環(huán)戊二烯基化合物組成。有機(jī)配體鼓泡器溫度在150-300°C的范圍內(nèi)變化而A12C16鼓泡器溫度在140-150°C的范圍內(nèi)。使用氟利昂氣體來減少纖維中的0H含量。獲得大于0.025的覆蓋層(claddinglayer)與芯層間的折射率差異。
[0006]可參見C.E.Crossland, Gang Qi 的美國專利號 US 6，474，106B1 (2002) “Rareearth and Alumina-doped optical fiber preform process”，其中米用0VD工藝來沉積Si02-Ge02-Al203-Er203的多孔煙灰芯層，然后以煙灰上煙灰(soot-on-soot)工藝來沉積其上的覆蓋層，并然后按照玻璃上煙灰(soot-on-glass)工藝進(jìn)行煙灰的固結(jié)，其中芯軸被移走而留下中空的圓柱形煙灰空白芯。然后在某些步驟中固結(jié)和燒結(jié)煙灰空白芯以形成稱為莖(cane)的芯棒。含固體A1C13的升華器的溫度優(yōu)選在150°C_170°C之間變化，氦/氬流率為約0.5至0.7slm以在最終的預(yù)制體中引入各種濃度的A1203。在鼓泡器中將含Er前體如Er(F0D)3或Er(C3QH3QF2106)3加熱至130°C_200°C的溫度范圍。含較高A1的預(yù)制體據(jù)報(bào)告不含夾雜物。每個(gè)預(yù)制體中的Er203濃度為約500ppm，但Ge02和A1203的濃度分別在10至20重量％和2至10重量％之間變化。
[0007]可參見T.Haruna, S.1shikawa, T.Taru , T.Katayama，N.Taira的美國專利號US2005/0276555A1(2005)“Glass-body-producing method and optical glass body andoptical fiber”，其中將有機(jī)金屬化合物從玻璃管外部到內(nèi)部加熱以便其在反應(yīng)區(qū)的上游分解為有機(jī)成分和金屬成分。有機(jī)部分冷凝并在此沉積而金屬部分氧化并與玻璃層一起沉積。所述分解通過使用熱源或光源在100°C-1000°C的溫度下熱分解或光分解來實(shí)現(xiàn)。在固結(jié)步驟過程中，出于脫水目的使用Cl2氣來減少0H含量。玻璃體中的0H含量已降低至lOppm，甚至至多l(xiāng)ppm。
[0008]可參見R.P.Tumminel 1 i，B.C.McCollum，E.Snitzer，Journal of light waveTechnology，Vol.8，N0.11，(1990)pp.1680-1683，“Fabricat1n of high concentrat1nrare earth doped optical fibers using chelates”，其中使用單獨(dú)的AICI3輸送管線和三個(gè)分開的RE-螯合物源。單獨(dú)地加熱RE-螯合物柱到150至210°C之間的溫度。預(yù)熱載氣氦，并使之通過RE和A1柱和經(jīng)由加熱的輸送系統(tǒng)輸送到旋轉(zhuǎn)機(jī)械密封。RE、A1和其它反應(yīng)物保持分離以防止在加熱的輸送管中過早反應(yīng)。在反應(yīng)區(qū)之前的整個(gè)長度上提供帶式燃燒器。已制備含11重量％Yb203和0.2重量％Er203的纖維。含1.0重量％Nd203的另一纖維在1130nm下具有〈10dB/km的基礎(chǔ)損耗。對于高濃度纖維，在1064nm和80°C下基礎(chǔ)損耗為約150dB/km，0H濃度在15至20ppm之間。
[0009]缺點(diǎn):未談及預(yù)制體的長度及摻雜劑在縱向以及徑向上的分布。對于高濃度纖維，背景損耗和0H濃度要高得多。
[0010]可參見S.D.Jackson，T.Ryan , S.Mossman , Optics Communicat1ns , Vol.216 ,(2003)pp.401-404,“High power Tm+3-doped silica fibre laser fabricated usingchelate delivery deposit1n”，其中單個(gè)摻雜劑室含Tm3+與Al3+螯合物的混合物，其被加熱到200°C，并且蒸汽被夾帶在02、氦和其它前體材料的流中。然后進(jìn)行氧化和沉積多孔層，其使用Cl2氣干燥。然后燒結(jié)該層并以慣常的方式使之熔縮(collapse)。雙覆蓋層纖維具有?12μπι的芯直徑和0.19的NADTm3+濃度為?0.35重量％并且在1300nm下的背景損耗<10dB/kmD
[0011]缺點(diǎn):濃度水平顯著低于通過溶液摻雜方法已獲得的。螯合物加熱系統(tǒng)未經(jīng)優(yōu)化并且其工藝限于批式，使用僅0.3gm化學(xué)品。他們預(yù)期背景損耗較低但未提到數(shù)值。
[0012]可參見E.H.Sekiya，P.Barua，K.Saito，A.J.1kushima，Journal of Non-Crystalline solids，Vol.354，(2008)pp.4737_4742，“Fabricat1n of Yb-doped silicaglass through the modificat1n of MCVD process”，其中在200_250°C的范圍內(nèi)改變Yb(DPM)3爐溫，但A1C13爐溫保持固定于130°C。使輸送管線(包括SiCl4及其它氣態(tài)組分的輸送管線)的溫度保持高于Yb爐的溫度以避免前體材料在噴嘴部分中冷凝。沉積條件如沉積溫度、SiCl4流量和燃燒器速度分別固定為1950°C、0.6g/min和145mm/min。對于僅Yb摻雜的輪次獲得的Yb3+濃度在0.15-1.2重量％的范圍內(nèi)，而Yb和A1摻雜的輪次獲得的Yb3+濃度最大為0.7重量％，A13+濃度為約0.4重量％。折射率的變化在縱向上為±5%，和在徑向上為土10%。
[0013]缺點(diǎn):在二氧化硅管的550mm長度上發(fā)生煙灰層沉積。但在長度僅300mm的預(yù)制體中獲得均勻的芯直徑和摻雜劑分布。Yb3+濃度比常規(guī)方法低得多。自正常MCVD氣柜(gascabinet)輸送的SiCl4及其它氣體還須在比Yb爐高的溫度下發(fā)送，否則摻雜劑將在同心噴嘴部分中冷凝。徑向上摻雜劑分布的變化為約±10%。
[0014]可參見B.Lenardic，M.Kveder，Optical society of America, OSA/0FC/NF0EC2009，“Advanced vapor-phase doping method using chelate precursor forfabricat1n of rare earth-doped fibers”，其中前體蒸汽在 100°C-220°C之間的溫度下汽化并通過加熱的導(dǎo)管系統(tǒng)、特殊構(gòu)造的高溫旋轉(zhuǎn)密封和滑動(dòng)的前體蒸汽噴射管輸送到反應(yīng)區(qū)