专利名称：用于形成掺杂玻璃材料的反应物气流的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种依照所附的权利要求1前序部分所述的，一种掺杂玻璃材料、特别是一种用于光频放大光波导的玻璃材料的制造方法。本发明也涉及一个依照所附的权利要求11前序部分所述的，一种掺杂玻璃材料、特别是一种用于光频放大光波导的玻璃材料的制造系统。
背景技术：
掺杂玻璃材料的一项重要应用是光频放大波导，例如激活光导纤维，其光频放大性质是基于利用受激发射。为使受激发射变成可能，将激活光导纤维中心部分的玻璃材料，并且可能还有围绕中心部分的镀层用稀土元素例如铒的掺杂剂掺杂。除光纤之外，掺杂玻璃材料也可用于各种光学平面波导。
激活光导纤维是通过将玻璃从光纤预制品拉制为光纤制得，而该光纤预制品可通过几种不同途径制造。制造光纤预制品通常使用的方法是通过火焰水解沉积(FHD)，围绕芯棒、或相应准备好的用于旋转的基材沉积玻璃材料。当从光纤预制品的外围进行上述沉积时，所谓的OVD方法(外部蒸汽沉积)是本文中经常使用的术语。FHD方法也用于形成在平面基材上的光学平面波导所需的玻璃层。
在FHD方法中，氢氧焰典型地用作热反应器，用于玻璃材料生产的成玻璃原料，例如四氯化硅或四氯化锗，一般以蒸汽的形式投入到燃烧炉和火焰中。玻璃材料的掺杂剂例如铒，分别通过蒸发或喷射，典型地以蒸汽或由含有掺杂剂的液体形成的气溶胶小滴的形式，随载气一起运送到燃烧炉和火焰中。
在FHD或液体火焰喷射方法中用作热反应器的火焰内，原料和掺杂剂进一步形成气溶胶微粒，该气溶胶微粒被引导到待涂覆的基材上，这样形成掺杂的多孔玻璃材料涂层。在现有技术的英文参考文献中，这些气溶胶微粒经常被称为“玻璃烟灰”(glass soot)。当适合的多孔玻璃材料涂层已经在芯棒或其它基材上沉积时，上述涂层通过将上述基材在适合的高温下进行热处理而被烧结，形成致密玻璃。
一种所谓溶液掺杂方法也是已知的。在这种方法中，沉积光纤预制品之后，于烧结前首先将仅沉积了原料的光纤预制品浸入含有掺杂剂的溶液中。
稀土金属很难溶解到石英玻璃中，并且需要例如，通过向玻璃中混入适合的氧化物来改变SiO2基玻璃的结构。实现此目的的适合的氧化物包括，例如Al2O3、La2O3、Yb2O3或P2O5。优选的，此氧化物为氧化铝Al2O3，它可同时提高玻璃的折射率。
当光纤(或另一种波导材料)的中心部分掺入稀土金属时，相对于镀层，氧化铝同时提高中心部分的折射率，这对于满足光纤的操作原理是必要的。
液体向周围空气排出蒸汽的能力通过物质的蒸汽压力来表征，其中所使用的单位是atm、kPa或mmHg。具有高蒸汽压力的液体容易蒸发，物质温度越高，其蒸汽压力越高。从而，在密闭容器中且处于平衡状态时，在液面上会形成饱和蒸汽，并可通过例如计算平衡位置的浓度，确定蒸汽浓度。此浓度取决于物质的蒸汽压力，其中浓度随着温度的升高而增加。空气中蒸汽形式的物质的浓度通常以每百万份中含有的份数给出(单位ppm)。从而同样已知的是，载气的组成以由蒸汽压力来确定的方式而发生改变。
如果蒸汽从热的容器中被引入到比容器温度低的空间或管道系统中，则蒸汽会开始冷凝变为液体，这是由于温度低于饱和蒸汽的温度。考虑到流程的操作，不希望蒸汽冷凝成液体，因为它对蒸汽的浓度并从而对载气输送的物质的质量流有直接影响，同样，考虑到反应器的操作，这些参数又是重要的。在分离的反应物流或掺杂剂流混合的情况下特别容易出现问题，其中所使用的管道系统是复杂的，同时温度控制也变得复杂。
现有技术中US4,826,288公开的一种设备，包括几个汽化掺杂剂源。向在其中产生蒸汽的该设备中供应载气，并且所有源的出口联合在一起通向反应器。每个源的温度以及连接管道的温度是通过现有技术的一个加热系统来控制。蒸发设备、即容器是分开的，每一个都具有单独的载气入口和出口。由于这个原因，载气和掺杂剂的控制还需要一个进料系统，对其控制是困难的；还需要大量的阀门，其也必须是充分耐热的。
发明内容
本发明的主要目的是提供一个完全新的用于混合原料和掺杂剂的系统，由此避免现有技术方法中存在的上述问题。
为达到上述目的，本发明方法的特征在于独立权利要求1的特征部分。本发明系统的特征在于独立权利要求11的特征部分。
其它从属权利要求会提供一些本发明的优选实施方案。
本发明的基本原则特别地在于集中掺杂剂至相同的载气流中，其中将蒸发设备串联结合。另一个基本原则是按提高温度条件的顺序集中掺杂剂。温度条件反过来由蒸汽压力和要求的掺杂剂含量确定。
由于蒸汽发生器以使蒸汽总是转移到比起始点更温暖的空间或容器中的方式排列，因此可以避免蒸汽冷凝到容器或管道的内表面上变为液体。同时，可以避免由于温度和蒸汽压力的降低而导致的载气组成的改变。连接容器的管道也被加热，但对它们的温度作适合的选择，以使其温度高于在前容器的温度，并低于(或等于)在后容器的温度。由于本发明，使得进料系统变得相当简单，避免了冷凝的发生，并且温度控制也变得更容易。载气的组成现在主要通过控制温度、而不是通过使用阀门来进行控制。
下面参考附图，对本发明及它的一些优选实施方案作更详细的描述，其中图1 显示了一个应用本发明的一个实施方案的系统，图2 对于一些物质举例说明在蒸汽压力和温度之间的相互关系，图3 显示了一个热反应器的结构和操作。
具体实施例方式
将用于生产本发明的掺杂玻璃材料的所有所需反应物、以及原料(例如硅或锗化合物)和掺杂剂(例如铝化合物和稀土金属化合物)首先通过适当提高所述材料的温度并对每种反应物选择适合的化学组成使其变为蒸汽形式，即气相。从工艺上来说，反应物容器的加热同样可以通过已知的方法来实现。对于玻璃材料，例如用四氯化硅SiCl4作为基料、铝和铒以硝酸盐或氯化物的形式作为掺杂剂。作为铝和铒源使用的化合物，例如，溶解在合适的液体中，并通过加热溶液进一步蒸发为气相。利用合适的载气运送变为气相的反应物。
然后气态并以还原形式且相互混合的原料和掺杂剂以气流导入反应器，同时保持温度在使原料和掺杂剂保持在其蒸汽形式的程度。作为实例，图2说明了用于生产掺杂玻璃材料的一些卤化物。如图2所示，蒸汽压力(单位atm)随温度(单位℃)提高。
根据现有技术，原料和掺杂剂保持相互分离，其相互比率如果需要，可以通过例如以控制阀门、如质量流控制器或以其它适合的方式改变气流之间的相互比例而进行调节。在本发明中，至少一部分原料和掺杂剂混入相同气流中，但也可根据现有技术，例如借助于控制阀门混入其它掺杂剂。也可通过联合分离的气流形成载气。具有反应控制功能的气体也以分离气流的形式通过分离的管道供给到反应器中。
在图1的实施方案中，掺杂玻璃材料特别地被用于光频放大光波导。根据本发明的一个实施方案，载气9是四氯化硅SiCl4和氮气N2的混合物(或者是四氯化硅SiCl4和氧气O2的混合物)，其通过管线或管道2输入第一个容器1中。将容器1加热到温度T1，其中容器1中的掺杂剂10例如氯化铝具有由容器1的气体空间的温度T1确定的蒸汽压力p1。同样已知的是，载气9的组成以由蒸汽压力来确定的方式发生改变。含有掺杂剂10的载气9，即气体混合物12进一步通过管道4直接进入下一个容器3中。容器3被加热到高于T1的温度T3。而管道4被加热到低于T3但高于T1的温度T4来避免使蒸汽状的混合物12在管道4的内表面上冷凝。通过例如围绕各自管道安置的加热元件8和15来加热不同的管道。同样，通过例如围绕各自容器安置的加热元件14和17来加热不同的容器。如果需要，管道2也可封套在加热元件16中来保持气体混合物在适当的温度T2，其优选低于T1。
每个管道和容器都包括通过例如中央控制系统控制的一个单独控制的加热系统。系统的操作还通常装备有温度传感器来提供温度信息。此外，载气供给的控制还可装备有控制阀门和用于接收运载气流信息的必要的传感器设备。在本发明系统中，可以应用同样已知的测量和传感器系统。
气体混合物12通过管道4被输入至含有掺杂剂11(在这种情况下为氯化铒ErCl3)的容器3中。载气即气体混合物12的组成以由掺杂剂11的蒸汽压力来确定的方式再次改变，获得气体混合物13。气体混合物13从容器3中被输入至管道5。而管道5被加热到高于T3的温度T5来避免蒸汽状的气体混合物13在管道5的内表面上冷凝。而温度T3高于T1，以防止蒸汽状的气体混合物12在容器3内冷凝，并防止载气12中有于氯化铒ErCl3的组成发生改变。
形成供给到反应器6的反应物的气流13的气体混合物沿管道5进入到烘箱状反应器6中，并在其中以同样已知的方式进行处理。如果需要，可沿单独的管道向反应器6中通入氧气O2，惰性气体例如氮气N2和氢气H2，其使用取决于热反应器和采用的方法，其目的是控制反应。而反应器6通过例如感应线圈7加热到高于T5并优选也高于反应器运转所需温度的温度T6。载气、掺杂剂及辅助气体以同样已知的方式在反应器6中反应，生产光纤预制品。
于气流中呈还原形式的加热并混合的气体/蒸汽在反应器中氧化并冷凝为氧化物，形成玻璃材料。氧化方法取决于预期的最终结果。特别地当要求均质生时，氧化/冷凝在一定的温度及一定的气体条件下进行以使所有的反应物达到多重过饱和状态(烘箱温度1000-2000℃)。结果是，所有成分的快速冷凝产生了微滴并进一步快速形成了具有均质并内在交互的组成的玻璃微粒。快速冷凝通过例如反应物的快速氧化和/或反应物气流的快速绝热膨胀来引发。而快速氧化通过氧化气体(O2)的强烈喷射来实现。
当生产掺杂的玻璃材料时，使用的原料也可为不含氯的反应物，例如适合形态的TEOS(原硅酸四乙基酯)或GEOS(四乙氧基锗)。除上述提到的掺杂剂外，也可以使用其它稀土金属和镧系元素，例如钕，以及磷、硼和/或氟。
现在我们将更详细地讨论本发明的一个实施方案，其中的反应器6是一个OVD燃烧器。OVD燃烧器以简化的横截面视图显示在图3中，并且它大体上是一个具有至少一个管道的圆柱形气体燃烧器。管道通过在彼此内部的石英玻璃管构建。如图3所示，管道5通过管道18延伸穿过反应器6，气体混合物13从一个燃烧器喷嘴19排出。管道18用例如石英玻璃制成的壳20封套。此外，加热元件即例如由石墨制成的加热圆筒21设置在烘箱室的壳20的内部，和管道18的周围。加热元件21也可置于管道18的内部。加热圆筒21和管道18同时通过加热元件7的作用加热至高于温度T5的温度T6。加热元件7通常是包括电源的感应线圈。反应器6封在热绝缘体25中。
分别通过气体入口22和24向燃烧器6通入氧气O2以供进行燃烧，并通入燃料气体例如氢气H2。通过气体入口23供给例如氮气N2的惰性气体来防止燃料气体和氧气O2在燃烧器6的表面上混合。燃料气体和氧气O2在燃烧器6的外部进行反应，混合物通过例如电火花点燃。管道18所提供的反应物在火焰中进行反应形成玻璃微粒，并可通过例如热迁移至用于制造光纤预制品的第一芯棒表面上的方式进一步收集。
在一个实施方案中，反应器6还包括形成图3所示的管道18和壳20的两个石英玻璃管。反应器还包括用加热元件7加热的加热圆筒21，及绝缘体18。但是，气体入口22、23和24仍然直接导入管道18中。
本发明并不仅局限于上述实施方案，它可在附加的权利要求保护的范围内变通。
权利要求
1.一种掺杂玻璃材料，特别是一种用于光频放大光波导的玻璃材料的生产方法，这种方法包括下述步骤—将玻璃材料的至少一个第一掺杂剂(10)和一个第二掺杂剂(11)变为蒸汽相，—使每种掺杂剂(10，11)到达所希望的、同时可用于控制其气相(10，11)组成的温度(T1，T3)来控制每种掺杂剂(10，11)气相的蒸汽压力(p1，p3)，和—将每种蒸汽状掺杂剂(10，11)混入到玻璃材料原料的气流(9)中，该原料也是气相，并作为掺杂剂(10，11)的载气，其中所述的原料(9)和所述掺杂剂(10，11)一同组成所谓反应物的所需气流(12，13)，以用于制造玻璃材料，其特征在于进行混合，使得所述掺杂剂(10，11)以掺杂剂(10，11)的所希望的温度相互提高的顺序混入到原料的相同气流(9)中。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于—在至少一个第一容器(1)和一个第二容器(3)中形成掺杂剂(10，11)的气相，—将载气(9)输入第一容器(1)中，在其中使其与第一掺杂剂(10)混合，和—将载气(9)和第一掺杂剂(11)的气体混合物(12)从第一容器(1)输入第二容器(3)，在其中使其与第二掺杂剂(11)混合，和—将载气(9)、第一掺杂剂(10)和第二掺杂剂(11)的气体混合物(13)从第二容器(3)中放出。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，每个容器(1)的温度(T1)都低于下一个容器(3)的温度(T3)。
4.根据权利要求2或3的方法，其特征在于，通过温度(T4)高于容器(1)温度的管道(4)在容器(1，3)间输送气体混合物(12)，所述气流(12)从容器(1)输送到温度(T4)低于容器(3)温度的所述管道(4)，其中所述气流(12)从所述管道(4)中转移至容器(3)中。
5.根据权利要求1-4中任一项方法，其特征在于—将反应物的气流(13)输入热反应器(6)中，和—使所述反应器(6)在高于所述希望的温度(T1，T3)的温度(T6)下保温。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，将气体混合物(13)从第二容器(3)输入热反应器(6)中，其中反应器的温度(T6)高于第二容器(3)的温度(T3)。
7.根据权利要求5或6的方法，其特征在于，通过其温度(T5)高于第二容器(3)温度的管道(5)在第二容器(3)和反应器(6)之间输送气体混合物(13)，气流(13)从容器(3)进入其温度(T5)低于反应器(6)温度的管道(5)。
8.根据权利要求5-7中任一项方法，其特征在于，使反应器(6)中的气体混合物(13)达到一定温度，在此温度下，所述气体混合物达到多重过饱和的状态，并尽可能快地氧化该气体混合物，同时促成冷凝并进一步形成均质玻璃材料微粒。
9.根据前述权利要求1-8中任一项方法，其特征在于，使用硅或锗的无机或有机化合物，例如四氯化硅、四氯化锗、TEOS(原硅酸四乙基酯)或GEOS(四乙氧基锗)作为玻璃材料的原料(9)。
10.根据前述权利要求1-9中任一项方法，其特征在于，使用铒、钕、其它稀土金属、铝、磷、硼和/或氟作为玻璃材料的掺杂剂(10，11)。
11.一种掺杂玻璃材料，特别是一种用于光频放大光波导的玻璃材料的制造系统，此系统包括—用于将玻璃材料的至少一个第一掺杂剂(10)和一个第二掺杂剂(11)转变为蒸汽相的第一设备(1，3，14，17)，其中第一设备(1，3，14，17)进行布置以通过使每种掺杂剂(10，11)达到同时用于控制其气相(10，11)组成的所需温度(T1，T3)，来控制每种掺杂剂(10，11)气相的蒸汽压力(p1，p3)，和—用于向玻璃材料原料的气流(9)中混入每种蒸汽状掺杂剂(10，11)的第二设备(2，4，5)，该原料也为气相，并用作掺杂剂(10，11)的载气，其中所述原料(9)和所述掺杂剂(10，11)一起构成所谓反应物的所需气流(12，13)，并用于制造玻璃材料，其特征在于—第一和第二设备以使所述掺杂剂(10，11)能同原料的相同气流(9)混合，并使掺杂剂(10，11)的所述要求温度(T1，T3)能相互提高的顺序布置。
12.根据权利要求11的系统，其特征在于第一设备包括一组串连在一起的容器(1，3)，其中每个容器(1)的温度(T1)都低于下一个容器(3)的温度(T3)。
13.根据权利要求12的系统，其特征在于第二设备包括安装于容器(1，3)间的至少一个管道(4)来在容器(1，3)间输送气体混合物(12)，其中管道(4)的温度(T4)高于所述气流(12)从其中进入所述管道(4)的容器(1)的温度，但低于所述气流(12)从所述管道(4)中转移至其中的容器(3)的温度。
14.根据权利要求13的系统，其特征在于系统包括一个热反应器(6)，包括至少一个管道(5)的第二设备，准备好的反应物气体混合物(13)通过管道(5)可被输入至反应器(6)中，管道(5)的温度(T5)高于气流(13)从其中进入管道(5)的容器(3)的温度，但低于反应器(6)的温度。
15.根据权利要求14的系统，其特征在于热反应器(6)由至少两个在彼此内部的石英玻璃管制成，其中至少最里面的石英玻璃管(18)被由石墨制成的并可通过感应加热的加热元件(21)封套。
全文摘要
一种掺杂玻璃材料，特别是一种用于光频放大光波导的玻璃材料的制造系统和方法。该方法包括以下步骤使玻璃材料的至少一个第一掺杂剂(10)和一个第二掺杂剂(11)变为蒸汽状气相；通过使每种掺杂剂(10，11)达到同时用来控制其气相(10，11)组成的所需的温度(T
文档编号C03C21/00GK1623941SQ20041008747
公开日2005年6月8日 申请日期2004年9月28日 优先权日2003年9月29日
发明者M·拉亚拉, K·延卡, S·塔梅拉, T·图尔纳拉 申请人:利基有限公司