[发明专利]一种掺稀土光纤预制棒的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种掺稀土光纤预制棒的制备方法，属于特种光纤制造技术领域。

背景技术

掺稀土光纤在光放大器、激光器和传感领域已具有广泛的应用。光纤纤芯中的稀土元素作为活性介质发挥作用。不同的稀土元素如Er、Yb、Tm、Ho、Nd、Sm等可以产生覆盖大范围波长的激光输出。光纤放大器的高量子效率和宽增益带宽在通信领域具有革命性的应用。光纤激光器适于材料加工、测距、医疗、传感及军事应用。各国研究机构对掺稀土光纤的制备工艺做了大量的研究，以期改进稀土掺杂浓度、分布均匀性、光纤光学性能。

目前，稀土光纤预制棒大都采用溶液法进行制造，它是通过制备石英粉体再将粉体浸入含稀土元素的溶液，然后干燥、烧结成预制棒。典型的溶液法是利用MCVD工艺以氧气作为载体，将四氯化硅原料及掺杂剂送入旋转并被加热的石英管内，气体混合物在高温下发生反应生成石英粉体沉积在石英管内壁上，再将反应管浸入含有稀土的溶液中使稀土离子均匀地吸附在粉体上，最后进行干燥并烧结成实心透明预制棒。该方法由于烧结困难，容易出现管内气泡、结晶、管软化变形，导致烧结失败，并且溶液法制备的预制棒轴向及径向均匀性都很难控制。此外，溶液法的制备工艺相对复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足提供一种不仅掺杂均匀，光纤光学性能好，而且工艺较为简单的掺稀土光纤预制棒的制备方法。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案是：

将石英玻璃衬管安装于沉积机床，石英玻璃衬管的两端被旋转夹盘夹持，石英玻璃衬管两端端头密封，且一端与原料气体输入管道相通，另一端与残余气体输出管道连通，在石英玻璃衬管外安设能沿石英玻璃衬管轴线进行相对平行移动的热源，沉积加工时，石英玻璃衬管旋转，热源沿石英玻璃衬管相对往复移动，原料气体输入管道向石英玻璃衬管内孔输入一定流量的原料气体，在热源的作用下原料气体在石英玻璃衬管内壁沉积成多层掺杂石英玻璃粉体，先沉积内包层，后沉积芯层，最后将沉积完毕的石英玻璃衬管进行加热烧结熔缩，制成透明实心的光纤预制棒，其特征在于沉积芯层时所述的原料气体主要包括有四氯化硅、氧气和气态稀土化合物，沉积加工时石英玻璃衬管的外壁温度控制在1400℃~1600℃，加热烧结熔缩时石英玻璃衬管的外壁温度控制在1800℃~2200℃，所述掺杂石英玻璃粉体的粒径为10nm~1000nm。

按上述方案，沉积芯层时，所述的四氯化硅、氧气和气态稀土化合物同时输入石英玻璃衬管内孔，直接沉积成稀土掺杂石英玻璃粉体；或者先输入四氯化硅和氧气沉积成石英玻璃粉体，再输入气态稀土化合物对石英玻璃粉体进行稀土掺杂；或者输入四氯化硅和氧气沉积与输入气态稀土化合物稀土掺杂相互交替重复进行。

按上述方案，所述的石英玻璃衬管两端设有保温装置，温度设定为200~250℃，所述的四氯化硅以氧气为载气输入石英玻璃衬管，载气流量为100~1000sccm。

按上述方案，所述的气态稀土化合物由加热载气流经稀土螯合物而成，气态稀土化合物加热至150~300℃，载气流量为100~2000sccm，所述的载气为氦气或氮气。

按上述方案，所述的原料气体还包括四氯化锗、氯化铝或含铝的气态有机化合物、三氯氧磷，上述原料的一种或多种。

按上述方案，沉积加工前先对石英玻璃衬管内壁表面进行刻蚀，即石英玻璃衬管内孔在加热条件下通入含氟气体，所述的含氟气体为六氟化硫或氟氯烷，或氟与氯气的混合物。

含氟气体和氯气都是参与化学反应的工艺气体。氟气作用是清洗衬管的内壁，使之更为干净。沉积完毕后，通入氯气的作用是为了降低预制棒内羟基（-OH）的含量，减少水峰。

按上述方案，所述的掺杂石英玻璃粉体的粒径为10nm~100nm。

按上述方案，所述的熔缩成的石英玻璃芯层掺杂的稀土元素为元素周期表中57~71号稀土元素，以氧化物计算，其稀土元素摩尔含量为0.01mol%~1.5mol%，铝元素氧化物摩尔含量为0.1mol%~5mol%，磷元素氧化物摩尔含量为0.01mol%~ 0.5mol%。

按上述方案，沉积过程中石英玻璃衬管绕轴线旋转，转速为30~50 r/min；所述的热源为火焰或电加热器，热源从石英玻璃衬管的原料气体输入端相对移动至残余气体输出端的移动速度为100~150 mm/min，从残余气体输出端返还至原料气体输出端的移动速度为500~1500 mm/min。

按上述方案，所述的光纤预制棒有效长度70%以上部分的芯区折射率波动小于或等于5%。