一种VAD法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置和方法与流程

本发明涉及光纤制备的技术领域，更具体地讲，涉及一种vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置和方法。

背景技术：

稀土元素掺杂特种光纤在光纤激光器、放大器和传感器中有着广泛的应用，并且最近几年得到了很大的发展。

光纤预制棒是制作光纤、光缆的重要基础材料，是光纤生产流程中的关键核心技术。目前国内制备预制棒的工艺来讲主要有汽相轴向沉积法(vad)、外部汽相沉积法(ovd)、改进的化学外部汽相沉积法(mcvd)和等离子体沉积法(pcvd)，其中mcvd和pcvd属于管内沉积法，vad和ovd方法属于外部沉积法。管内沉积法虽然控制精度上有一定优势，但是其因为在管内沉积，制备的预制棒无论是纤芯和包层尺寸都受到沉积石英管尺寸限制。外部沉积法则摆脱了石英管尺寸限制，可以制备大尺寸光纤预制棒，使其在制造成本上有很大优势。

其中，vad法以其沉积速率高，制造成本低等特点，已经被广泛用于通讯光纤预制棒的制造。但是在稀土掺杂特种光纤预制棒制备领域vad和ovd法应用很少，专利cn102108008b一种制造稀土元素掺杂光纤预制棒的方法公布了利用vad法制备稀土掺杂光纤的方法，该方法是利用vad沉积的大尺寸的纤芯粉体，然后在将纤芯粉体浸没在含有稀土离子的溶液中，实现大尺寸纤芯粉体的稀土元素掺杂，但是该方法同mcvd溶液法一样在卸下粉体和浸泡稀土溶液过程中容易引入杂质。

稀土元素掺杂光纤预制棒目前制备方法主要有溶液法和气相法、溶胶凝胶法等，其中被广泛采用的主要是溶液掺杂法以及它的演变方法。虽然mcvd溶液掺杂技术具有操作简单、灵活性高等优点，然而随着其他掺杂技术的不断兴起和技术优化，利用该方法在光纤中掺杂稀土离子已经越来越显现出其局限性，尤其是其重复性难以控制和不具备大纤芯预制棒制备能力。溶胶凝胶法由于其杂质难以控制，一直被较高的光纤损耗问题困扰，目前未得到广泛应用。稀土离子气相法掺杂因为具备和光纤预制棒基础原料气相掺杂一致性，在掺杂均匀性、掺杂可控性、界面优化、背景损耗、光纤可靠性以及制备工艺的简化和可重复性上都得到较大的提高，在目前大部分稀土离子气相掺杂都结合mcvd或pcvd使用，其制备的预制棒尺寸很小，造成单根预制棒拉制的光纤较短，在稀土掺杂光纤产品批次性能一致性较差。而且因为稀土掺杂预制棒制备成品率低且预制棒尺寸小，都是造成稀土掺杂光纤成本较高的原因，这些都是稀土掺杂光纤产品亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明旨在于解决背景技术中提出的大纤芯稀土掺杂预制棒制备问题，同时克服稀土离子溶液掺杂的局限性问题，提出一种vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置和方法。

本发明的一方面提供了一种vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置，包括掺杂装置和vad装置，其中，

所述掺杂装置包括稀土化合物挥发单元、共掺物挥发单元以及高温传输单元，所述稀土化合物挥发单元和共掺物挥发单元的输出管路分别穿过高温传输单元与vad装置相连；

所述vad装置包括内层喷灯、中层喷灯、外层喷灯和控制单元，所述稀土化合物挥发单元和共掺物挥发单元的输出管路分别通过高温传输单元与内层喷灯的中心供料孔相连，所述内层喷灯、中层喷灯和外层喷灯的中心供料孔还与vad装置的基础原料供给单元的输出管路相连；所述控制单元控制vad装置中引棒的移动并控制内层喷灯、中层喷灯和外层喷灯完成引棒上芯层、中间层和包层或者芯层和包层的粉体沉积以及移动过程中的脱水和烧结。

根据本发明所述vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置的一个实施例，所述稀土化合物挥发单元和共掺物挥发单元均包括料罐、加热器、载气输入管路和输出管路，其中，稀土化合物挥发单元的料罐中盛装的稀土化合物原料是原子序数为57～71的稀土元素离子的有机金属螯合物，共掺物挥发单元的料罐中盛装的共掺物原料是al、ce、na、k、ti或ba元素的有机金属螯合物，所述载气输入管路输入的载气是氮气或氧气。

根据本发明所述vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置的一个实施例，与内层喷灯、中层喷灯和外层喷灯的中心供料孔相连的基础原料供给单元提供的基础原料包括sicl4、gecl4、c2f6、pocl3和/或o2。

根据本发明所述vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置的一个实施例，所述内层喷灯的中心供料孔尾部位置包含3个孔且端口位置仅设置1个孔，来自稀土化合物挥发单元、共掺物挥发单元和基础原料供给单元的原料分别从内层喷灯的中心供料孔尾部位置的3个孔进入，汇合后经过内层喷灯的中心供料孔端口位置的1个孔喷出并完成所有原料的混合。

根据本发明所述vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置的一个实施例，所述内层喷灯从内向外依次布置有中心供料孔、加热层、芯层隔离气孔、芯层火焰孔、外层火焰孔和外层隔离气孔，所述中层喷灯和外层喷灯从内向外依次布置有中心供料孔、芯层隔离气孔、芯层火焰孔、外层火焰孔和外层隔离气孔。

根据本发明所述vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置的一个实施例，所述芯层火焰孔包括芯层火焰氢气孔和芯层火焰氧气孔，所述外层火焰孔包括外层火焰氢气孔和外层火焰氧气孔。

根据本发明所述vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置的一个实施例，所述高温传输单元由内至外设置有传输腔、加热层和隔热层，所述稀土化合物挥发单元和共掺物挥发单元的输出管路穿过所述传输腔与vad装置的内层喷灯的中心供料孔相连，所述稀土化合物挥发单元和共掺物挥发单元的数量均为至少一个。

根据本发明所述vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置的一个实施例，所述vad装置还包括设置在外层喷灯下游的脱水气氛炉和烧结炉，所述引棒在完成芯层、中间层和包层或者芯层和包层的粉体沉积后依次通过脱水气氛炉和烧结炉完成脱水和烧结。

本发明的另一方面提供了一种vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的方法，采用上述vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置进行稀土元素掺杂光纤预制棒的制备。

根据本发明vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的方法的一个实施例，所述方法包括以下步骤：

第一步：准备基础原料供给单元、掺杂装置和vad装置并使其处于待运行状态；

第二步：将需要掺杂的稀土化合物原料和共掺物原料分别添加到稀土化合物挥发单元和共掺物挥发单元的料罐中，完成气体吹扫后将稀土化合物挥发单元、共掺物挥发单元和高温传输单元升温；

第三步：通过内层喷灯在引棒上完成芯层的稀土元素掺杂纤芯粉体沉积，通过中层喷灯完成中间层的粉体沉积并通过外层喷灯完成包层的粉体沉积或者直接通过外层喷灯完成包层的粉体沉积；

第四步：将完成沉积后的预制棒粉体进行脱水处理，随后使预制棒粉体在向上的移动过程中烧结形成透明的稀土元素掺杂光纤预制棒。

与现有技术相比，本发明能够实现稀土离子直接通过气相掺杂直接进入预制棒纤芯区域，采用的vad方法可以制备大尺寸预制棒纤芯和包层，有效满足掺杂预制棒大芯包层比例问题，可以极大降低稀土掺杂光纤预制棒制备成本，且由于单根预制棒尺寸变大，拉制光纤长度也增加，极大提高了稀土掺杂光纤产品性能一致性。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例的vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置的整体结构示意图。

图2示出了根据本发明示例性实施例的vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置中掺杂装置的结构示意图。

图3示出了根据本发明示例性实施例的vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置中vad装置的内层喷灯、中层喷灯、外层喷灯的结构示意图。

图4示出了根据本发明示例性实施例的vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置中vad装置的中层喷灯和外层喷灯的端口位置的剖面结构示意图。

图5示出了根据本发明示例性实施例的vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置中vad装置的内层喷灯的端口位置的剖面结构示意图。

图6示出了根据本发明示例性实施例的vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置中vad装置的内层喷灯中心供料孔的端口位置的结构示意图。

图7示出了根据本发明示例性实施例的vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置中vad装置的内层喷灯中心供料孔的尾部位置的结构示意图。

图8分别示出了(a)：yb螯合物结构；(b)：al螯合物结构；(c)ce螯合物结构。

附图标记说明：

1-预制棒粉体、2-掺杂装置、3-外层喷灯、4-中层喷灯、5-内层喷灯、6-高温传输单元、7-稀土化合物挥发单元和共掺物挥发单元、8-脱水气氛炉、9-烧结炉、10-引棒、11-料罐、12-加热器、13、22-中心供料孔、14、24-芯层隔离气孔、15、25-芯层火焰氢气孔、16、26-芯层火焰氧气孔、17、27-外层火焰氢气孔、18、28-外层火焰氧气孔、19、29-外层隔离气孔、20-喷灯的尾部位置、21-喷灯的端口位置、22-内层喷灯的中心供料孔、23-加热层、30-中心供料孔a、31-中心供料孔b、32-中心供料孔c。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

图1示出了根据本发明示例性实施例的vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置的整体结构示意图。

如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置包括掺杂装置2和vad装置，其中，掺杂装置用于产生稀土化合物气相及共掺物气相并传送到vad装置，以完成沉积；vad装置则可以采用现有的装置进行相应的改造即可实现相应的vad沉积。

图2示出了根据本发明示例性实施例的vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置中掺杂装置的结构示意图。

如图2所示，根据本发明，掺杂装置2包括稀土化合物挥发单元和共掺物挥发单元7以及高温传输单元6，稀土化合物挥发单元和共掺物挥发单元7的输出管路分别穿过高温传输单元6与vad装置相连。

其中，稀土化合物挥发单元和共掺物挥发单元7均包括料罐11、加热器12、载气输入管路和输出管路，其中，稀土化合物挥发单元的料罐11中盛装的稀土化合物原料是原子序数为57～71的稀土元素离子的有机金属螯合物，如nd、er、ge、pr、ho、eu、yb、dy、tm等的有机金属螯合物；共掺物挥发单元的料罐中盛装的共掺物原料是al、ce、na、k、ti或ba元素的有机金属螯合物，载气输入管路输入的载气是氮气或氧气。稀土化合物挥发单元和共掺物挥发单元的数量均为至少一个，操作者可以根据需制备的产品来具体调整。

图8分别示出了几种金属螯合物结构图，(a)：yb螯合物结构；(b)：al螯合物结构；(c)ce螯合物结构，具体可以采用图8中示出的稀土化合物原料或共掺物原料。

本发明的高温传输单元6由内至外设置有传输腔、加热层和隔热层，稀土化合物挥发单元和共掺物挥发单元的输出管路传输腔与vad装置的内层喷灯的中心供料孔相连，

本发明的vad装置包括内层喷灯5、中层喷灯4、外层喷灯3和控制单元(未示出)，稀土化合物挥发单元和共掺物挥发单元7的输出管路分别通过高温传输单元6与内层喷灯5的中心供料孔相连，内层喷灯5、中层喷灯4和外层喷灯3的中心供料孔还与基础原料供给单元的输出管路相连。也即，内层喷灯的中心供料孔连接稀土化合物挥发单元的输出管路、共掺物挥发单元的输出管路和基础原料供给单元的输出管路，以通过内层喷灯供给稀土化合物原料、共掺物原料和基础原料；而中层喷灯和外层喷灯的中心供料孔连接基础原料供给单元的输出管路，以通过中层喷灯和外层喷灯提供基础原料。具体地，本发明中与内层喷灯、中层喷灯和外层喷灯的中心供料孔相连的基础原料供给单元提供的基础原料可以包括sicl4、gecl4、c2f6、pocl3和/或o2等常规原料。

控制单元控制vad装置中引棒10的移动并控制内层喷灯5、中层喷灯4、外层喷灯3完成引棒上芯层、中间层和包层或者芯层和包层的粉体沉积以及移动过程中的脱水和烧结。如图1所示，vad装置还包括设置在外层喷灯3下游的脱水气氛炉8和烧结炉9，引棒10在完成沉积后依次通过脱水气氛炉8和烧结炉9完成脱水和烧结。其中，脱水过程是指去除预制棒粉体中含有的oh^-离子，脱水过程在芯层、中间层和包层沉积完成之后和预制棒粉体烧结之前进行；烧结过程则是在高温作用下使预制棒粉体1烧结形成透明的光纤预制棒。

图3示出了根据本发明示例性实施例的vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置中vad装置的内层喷灯、中层喷灯、外层喷灯的结构示意图，图6示出了根据本发明示例性实施例的vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置中vad装置的内层喷灯中心供料孔的端口位置的结构示意图，图7示出了根据本发明示例性实施例的vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置中vad装置的内层喷灯中心供料孔的尾部位置的结构示意图。

如图3、图6和图7所示，本发明中内层喷灯的中心供料孔尾部位置20包含3个孔且端口位置21仅设置1个孔，来自稀土化合物挥发单元、共掺物挥发单元和基础原料供给单元的原料分别从内层喷灯5的中心供料孔尾部位置的3个孔进入，如通过中心供料孔a30、中心供料孔b31和中心供料孔c32汇合后经过内层喷灯5的中心供料孔端口位置的1个孔喷出并完成所有原料的混合。

图4示出了根据本发明示例性实施例的vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置中vad装置的中层喷灯和外层喷灯的端口位置的剖面结构示意图，图5示出了根据本发明示例性实施例的vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置中vad装置的内层喷灯的端口位置的剖面结构示意图。

如图4和图5所示，内层喷灯5从内向外依次布置有中心供料孔22、加热层23、芯层隔离气孔24、芯层火焰孔、外层火焰孔和外层隔离气孔29，其中内层喷灯的加热层用于对高温掺杂的原料进行加热保温；中层喷灯4和外层喷灯3从内向外依次布置有中心供料孔13、芯层隔离气孔14、芯层火焰孔、外层火焰孔和外层隔离气孔19，中层喷灯和外层喷灯输送的基础原料无需太高温度加热，故无需设置加热层。

其中，内层喷灯5、中层喷灯4和外层喷灯3的芯层火焰孔包括芯层火焰氢气孔和芯层火焰氧气孔，外层火焰孔包括外层火焰氢气孔和外层火焰氧气孔，如内层喷灯5包括交替排布的芯层火焰氢气孔25、芯层火焰氧气孔26、外层火焰氢气孔27和外层火焰氧气孔28，中层喷灯4和外层喷灯3包括交替排布的芯层火焰氢气孔15、芯层火焰氧气孔16、外层火焰氢气孔17和外层火焰氧气孔18，内层喷灯5、中层喷灯4和外层喷灯3均利用氢气氧气的燃烧来提供反应热源。

采用掺杂装置使稀土化合物原料及共掺物原料产生气相并传送到vad装置的内层喷灯，完成稀土元素掺杂纤芯粉体沉积。同时，中间层原料通过vad装置的基础原料供给单元传输到中层喷灯，通过中层喷灯完成中间层粉体的沉积，包层原料也通过vad装置的基础原料供给单元传输到外层喷灯，通过外层喷灯完成包层粉体的沉积。完成沉积后的预制棒粉体经过脱水过程后，在向上的移动过程中并在烧结炉的高温作用下烧结形成透明的光纤预制棒。其中，可以只沉积芯层和包层，也可以沉积芯层、中间层和外层，具体根据产品需求来选择。

本发明还提供了vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的方法，采用上述vad法制备稀土元素掺杂光纤预制棒的装置进行稀土元素掺杂光纤预制棒的制备。

优选地，本发明的方法包括以下步骤：

第一步：准备基础原料供给单元、掺杂装置和vad装置并使其处于待运行状态；

第二步：将需要掺杂的稀土化合物原料和共掺物原料分别添加到稀土化合物挥发单元和共掺物挥发单元的料罐中，完成气体吹扫后将稀土化合物挥发单元、共掺物挥发单元和高温传输单元升温；

第三步：通过内层喷灯在引棒上完成芯层的稀土元素掺杂纤芯粉体沉积，通过中层喷灯完成中间层的粉体沉积并通过外层喷灯完成包层的粉体沉积或者直接通过外层喷灯完成包层的粉体沉积；

第四步：将完成沉积后的预制棒粉体进行脱水处理，随后使预制棒粉体在向上的移动过程中烧结形成透明的稀土元素掺杂光纤预制棒。

下面通过借助实例和示意图更加详细地说明本发明，但以下实例仅是说明性的，附图旨在说明本发明的设计结构和理念具体细节并不全部包含在内，本发明的保护范围并也不受这些实施例的限制。

实施例1：yb掺杂预制棒

先将vad装置准备至待运行状态后，再准备制备预制棒所需要的稀土yb螯合物(三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸)镱)200克以及共掺物al螯合物(2,6-乙酰丙酮铝)400克，将稀土yb螯合物与共掺物al螯合物原料分别添加进入掺杂装置2的稀土化合物挥发单元和共掺物挥发单元7中两个料罐11之中，再利用载气he将料罐中空气排尽，完成气体吹扫后将yb螯合物料罐升温至240℃并将al螯合物料罐升温至240℃，将高温传输单元升温至280℃，等待各温度控制稳定2小时后，使掺杂装置处于待运行状态。

纤芯粉体沉积：使用o2作为载气将稀土yb及al的螯合物蒸汽，分别从掺杂装置2的料罐11携带出，经过高温传输单元6进入内层喷灯5的中心喷料孔22喷出，同时使用o2作为载气将基础原料sicl4、pocl3，传输进入内层喷灯5的中心供料孔22喷出，稀土螯合物蒸汽、共掺物蒸汽和基础原料蒸汽共同在内层喷灯5的芯层火焰孔和外层火焰孔喷出的氢氧焰作用下，发生气相反应，并沉积形成纤芯粉体。其发生反应如下：

sicl4+2h2o→sio2+4hcl

2pocl3+3h2o→p2o5+6hcl

2c33h57o6yb+90o2→yb2o3+66co2+57h2o

2c15h21o6al+36o2→al2o3+30co2+21h2o

包层粉体沉积：将基础原料sicl4、c2f6、pocl3蒸汽传输进入外层喷灯3的中心供料孔13喷出，基础原料蒸汽共同在外层喷灯3的芯层火焰孔和外层火焰孔喷出的氢氧焰作用下发生气相反应，沉积形成包层粉体。其发生反应如下：

sicl4+2h2o→sio2+4hcl

2pocl3+3h2o→p2o5+6hcl

3sicl4+2c2f6+o2+6h2o→3sif4+4co2+12hcl

最终制得yb掺杂预制棒。

实施例2：yb掺杂纤芯gesi台阶型掺杂预制棒制备

先将vad装置准备至待运行状态后，再准备制备预制棒所需要的稀土yb螯合物(三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸)镱，)200克、共掺物al螯合物(2,6-乙酰丙酮铝)400克和共掺物ce螯合物(乙酰基丙酮铈)200克，将稀土yb螯合物与共掺物al螯合物和共掺物铈螯合物原料分别添加进入掺杂装置2的三个料罐11之中，再利用载气he将料罐中空气排尽，完成气体吹扫后将yb螯合物料罐升温至240℃，将al螯合物料罐升温至240℃，将ce螯合物料罐升温至280℃，将高温传输单元6的高温传输装置升温至300℃，等待各温度控制稳定2小时后，使掺杂装置处于待运行状态。

纤芯粉体沉积：使用o2作为载气分别将稀土yb、al及ce的螯合物蒸汽从掺杂装置2的料罐11携带出，经过高温传输单元6进入内层喷灯5的中心喷料孔22喷出，同时使用o2作为载气将基础原料sicl4、pocl3传输进入内层喷灯5的中心供料孔22喷出，稀土化合物蒸汽、共掺物蒸汽和基础原料蒸汽共同在内层喷灯5的芯层火焰孔和外层火焰孔喷出的氢氧焰作用下发生气相反应并沉积形成纤芯粉体。其发生反应如下：

sicl4+2h2o→sio2+4hcl

2pocl3+3h2o→p2o5+6hcl

2c33h57o6yb+90o2→yb2o3+66co2+57h2o

2c15h21o6al+36o2→al2o3+30co2+21h2o

2c15h21o6ce+36o2→ce2o3+30co2+21h2o

台阶层中间层沉积：将基础原料sicl4和gecl4蒸气传输进入中层喷灯4的中心供料孔13喷出，基础原料蒸汽共同在中层喷灯4的芯层火焰孔和外层火焰孔喷出的氢氧焰作用下发生气相反应，沉积形成包层粉体。其发生反应如下：

sicl4+2h2o→sio2+4hcl

gecl4+2h2o→geo2+4hcl

包层粉体沉积：将基础原料sicl4、c2f6、pocl3蒸汽传输进入外层喷灯3的中心供料孔13喷出，基础原料蒸汽共同在外层喷灯3的芯层火焰孔和外层火焰孔喷出的氢氧焰作用下发生气相反应并沉积形成包层粉体。其发生反应如下：

sicl4+2h2o→sio2+4hcl

2pocl3+3h2o→p2o5+6hcl

3sicl4+2c2f6+o2+6h2o→3sif4+4co2+12hcl

最终制得yb掺杂纤芯gesi台阶型掺杂预制棒。

综上所述，本发明提供了一种有效的制备稀土光纤预制棒的掺杂装置，该方法能够实现稀土离子直接气相掺杂进入预制棒纤芯区域，同时采用的vad方法可以制备大尺寸预制棒纤芯和包层，有效满足掺杂预制棒大芯包层比例问题。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。