專利名稱：用于形成摻雜玻璃材料的反應(yīng)物氣流的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種依照所附的權(quán)利要求1前序部分所述的，一種摻雜玻璃材料、特別是一種用于光頻放大光波導(dǎo)的玻璃材料的制造方法。本發(fā)明也涉及一個(gè)依照所附的權(quán)利要求11前序部分所述的，一種摻雜玻璃材料、特別是一種用于光頻放大光波導(dǎo)的玻璃材料的制造系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
摻雜玻璃材料的一項(xiàng)重要應(yīng)用是光頻放大波導(dǎo)，例如激活光導(dǎo)纖維，其光頻放大性質(zhì)是基于利用受激發(fā)射。為使受激發(fā)射變成可能，將激活光導(dǎo)纖維中心部分的玻璃材料，并且可能還有圍繞中心部分的鍍層用稀土元素例如鉺的摻雜劑摻雜。除光纖之外，摻雜玻璃材料也可用于各種光學(xué)平面波導(dǎo)。
激活光導(dǎo)纖維是通過將玻璃從光纖預(yù)制品拉制為光纖制得，而該光纖預(yù)制品可通過幾種不同途徑制造。制造光纖預(yù)制品通常使用的方法是通過火焰水解沉積(FHD)，圍繞芯棒、或相應(yīng)準(zhǔn)備好的用于旋轉(zhuǎn)的基材沉積玻璃材料。當(dāng)從光纖預(yù)制品的外圍進(jìn)行上述沉積時(shí)，所謂的OVD方法(外部蒸汽沉積)是本文中經(jīng)常使用的術(shù)語。FHD方法也用于形成在平面基材上的光學(xué)平面波導(dǎo)所需的玻璃層。
在FHD方法中，氫氧焰典型地用作熱反應(yīng)器，用于玻璃材料生產(chǎn)的成玻璃原料，例如四氯化硅或四氯化鍺，一般以蒸汽的形式投入到燃燒爐和火焰中。玻璃材料的摻雜劑例如鉺，分別通過蒸發(fā)或噴射，典型地以蒸汽或由含有摻雜劑的液體形成的氣溶膠小滴的形式，隨載氣一起運(yùn)送到燃燒爐和火焰中。
在FHD或液體火焰噴射方法中用作熱反應(yīng)器的火焰內(nèi)，原料和摻雜劑進(jìn)一步形成氣溶膠微粒，該氣溶膠微粒被引導(dǎo)到待涂覆的基材上，這樣形成摻雜的多孔玻璃材料涂層。在現(xiàn)有技術(shù)的英文參考文獻(xiàn)中，這些氣溶膠微粒經(jīng)常被稱為“玻璃煙灰”(glass soot)。當(dāng)適合的多孔玻璃材料涂層已經(jīng)在芯棒或其它基材上沉積時(shí)，上述涂層通過將上述基材在適合的高溫下進(jìn)行熱處理而被燒結(jié)，形成致密玻璃。
一種所謂溶液摻雜方法也是已知的。在這種方法中，沉積光纖預(yù)制品之后，于燒結(jié)前首先將僅沉積了原料的光纖預(yù)制品浸入含有摻雜劑的溶液中。
稀土金屬很難溶解到石英玻璃中，并且需要例如，通過向玻璃中混入適合的氧化物來改變SiO2基玻璃的結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)此目的的適合的氧化物包括，例如Al2O3、La2O3、Yb2O3或P2O5。優(yōu)選的，此氧化物為氧化鋁Al2O3，它可同時(shí)提高玻璃的折射率。
當(dāng)光纖(或另一種波導(dǎo)材料)的中心部分摻入稀土金屬時(shí)，相對于鍍層，氧化鋁同時(shí)提高中心部分的折射率，這對于滿足光纖的操作原理是必要的。
液體向周圍空氣排出蒸汽的能力通過物質(zhì)的蒸汽壓力來表征，其中所使用的單位是atm、kPa或mmHg。具有高蒸汽壓力的液體容易蒸發(fā)，物質(zhì)溫度越高，其蒸汽壓力越高。從而，在密閉容器中且處于平衡狀態(tài)時(shí)，在液面上會形成飽和蒸汽，并可通過例如計(jì)算平衡位置的濃度，確定蒸汽濃度。此濃度取決于物質(zhì)的蒸汽壓力，其中濃度隨著溫度的升高而增加?？諝庵姓羝问降奈镔|(zhì)的濃度通常以每百萬份中含有的份數(shù)給出(單位ppm)。從而同樣已知的是，載氣的組成以由蒸汽壓力來確定的方式而發(fā)生改變。
如果蒸汽從熱的容器中被引入到比容器溫度低的空間或管道系統(tǒng)中，則蒸汽會開始冷凝變?yōu)橐后w，這是由于溫度低于飽和蒸汽的溫度?？紤]到流程的操作，不希望蒸汽冷凝成液體，因?yàn)樗鼘φ羝臐舛炔亩鴮d氣輸送的物質(zhì)的質(zhì)量流有直接影響，同樣，考慮到反應(yīng)器的操作，這些參數(shù)又是重要的。在分離的反應(yīng)物流或摻雜劑流混合的情況下特別容易出現(xiàn)問題，其中所使用的管道系統(tǒng)是復(fù)雜的，同時(shí)溫度控制也變得復(fù)雜。
現(xiàn)有技術(shù)中US4,826,288公開的一種設(shè)備，包括幾個(gè)汽化摻雜劑源。向在其中產(chǎn)生蒸汽的該設(shè)備中供應(yīng)載氣，并且所有源的出口聯(lián)合在一起通向反應(yīng)器。每個(gè)源的溫度以及連接管道的溫度是通過現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)加熱系統(tǒng)來控制。蒸發(fā)設(shè)備、即容器是分開的，每一個(gè)都具有單獨(dú)的載氣入口和出口。由于這個(gè)原因，載氣和摻雜劑的控制還需要一個(gè)進(jìn)料系統(tǒng)，對其控制是困難的；還需要大量的閥門，其也必須是充分耐熱的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一個(gè)完全新的用于混合原料和摻雜劑的系統(tǒng)，由此避免現(xiàn)有技術(shù)方法中存在的上述問題。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明方法的特征在于獨(dú)立權(quán)利要求1的特征部分。本發(fā)明系統(tǒng)的特征在于獨(dú)立權(quán)利要求11的特征部分。
其它從屬權(quán)利要求會提供一些本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。
本發(fā)明的基本原則特別地在于集中摻雜劑至相同的載氣流中，其中將蒸發(fā)設(shè)備串聯(lián)結(jié)合。另一個(gè)基本原則是按提高溫度條件的順序集中摻雜劑。溫度條件反過來由蒸汽壓力和要求的摻雜劑含量確定。
由于蒸汽發(fā)生器以使蒸汽總是轉(zhuǎn)移到比起始點(diǎn)更溫暖的空間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內(nèi)表面上變?yōu)橐后w。同時(shí)，可以避免由于溫度和蒸汽壓力的降低而導(dǎo)致的載氣組成的改變。連接容器的管道也被加熱，但對它們的溫度作適合的選擇，以使其溫度高于在前容器的溫度，并低于(或等于)在后容器的溫度。由于本發(fā)明，使得進(jìn)料系統(tǒng)變得相當(dāng)簡單，避免了冷凝的發(fā)生，并且溫度控制也變得更容易。載氣的組成現(xiàn)在主要通過控制溫度、而不是通過使用閥門來進(jìn)行控制。


下面參考附圖，對本發(fā)明及它的一些優(yōu)選實(shí)施方案作更詳細(xì)的描述，其中圖1 顯示了一個(gè)應(yīng)用本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的系統(tǒng)，圖2 對于一些物質(zhì)舉例說明在蒸汽壓力和溫度之間的相互關(guān)系，圖3 顯示了一個(gè)熱反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和操作。
具體實(shí)施例方式
將用于生產(chǎn)本發(fā)明的摻雜玻璃材料的所有所需反應(yīng)物、以及原料(例如硅或鍺化合物)和摻雜劑(例如鋁化合物和稀土金屬化合物)首先通過適當(dāng)提高所述材料的溫度并對每種反應(yīng)物選擇適合的化學(xué)組成使其變?yōu)檎羝问?，即氣相。從工藝上來說，反應(yīng)物容器的加熱同樣可以通過已知的方法來實(shí)現(xiàn)。對于玻璃材料，例如用四氯化硅SiCl4作為基料、鋁和鉺以硝酸鹽或氯化物的形式作為摻雜劑。作為鋁和鉺源使用的化合物，例如，溶解在合適的液體中，并通過加熱溶液進(jìn)一步蒸發(fā)為氣相。利用合適的載氣運(yùn)送變?yōu)闅庀嗟姆磻?yīng)物。
然后氣態(tài)并以還原形式且相互混合的原料和摻雜劑以氣流導(dǎo)入反應(yīng)器，同時(shí)保持溫度在使原料和摻雜劑保持在其蒸汽形式的程度。作為實(shí)例，圖2說明了用于生產(chǎn)摻雜玻璃材料的一些鹵化物。如圖2所示，蒸汽壓力(單位atm)隨溫度(單位℃)提高。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，原料和摻雜劑保持相互分離，其相互比率如果需要，可以通過例如以控制閥門、如質(zhì)量流控制器或以其它適合的方式改變氣流之間的相互比例而進(jìn)行調(diào)節(jié)。在本發(fā)明中，至少一部分原料和摻雜劑混入相同氣流中，但也可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，例如借助于控制閥門混入其它摻雜劑。也可通過聯(lián)合分離的氣流形成載氣。具有反應(yīng)控制功能的氣體也以分離氣流的形式通過分離的管道供給到反應(yīng)器中。
在圖1的實(shí)施方案中，摻雜玻璃材料特別地被用于光頻放大光波導(dǎo)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，載氣9是四氯化硅SiCl4和氮?dú)釴2的混合物(或者是四氯化硅SiCl4和氧氣O2的混合物)，其通過管線或管道2輸入第一個(gè)容器1中。將容器1加熱到溫度T1，其中容器1中的摻雜劑10例如氯化鋁具有由容器1的氣體空間的溫度T1確定的蒸汽壓力p1。同樣已知的是，載氣9的組成以由蒸汽壓力來確定的方式發(fā)生改變。含有摻雜劑10的載氣9，即氣體混合物12進(jìn)一步通過管道4直接進(jìn)入下一個(gè)容器3中。容器3被加熱到高于T1的溫度T3。而管道4被加熱到低于T3但高于T1的溫度T4來避免使蒸汽狀的混合物12在管道4的內(nèi)表面上冷凝。通過例如圍繞各自管道安置的加熱元件8和15來加熱不同的管道。同樣，通過例如圍繞各自容器安置的加熱元件14和17來加熱不同的容器。如果需要，管道2也可封套在加熱元件16中來保持氣體混合物在適當(dāng)?shù)臏囟萒2，其優(yōu)選低于T1。
每個(gè)管道和容器都包括通過例如中央控制系統(tǒng)控制的一個(gè)單獨(dú)控制的加熱系統(tǒng)。系統(tǒng)的操作還通常裝備有溫度傳感器來提供溫度信息。此外，載氣供給的控制還可裝備有控制閥門和用于接收運(yùn)載氣流信息的必要的傳感器設(shè)備。在本發(fā)明系統(tǒng)中，可以應(yīng)用同樣已知的測量和傳感器系統(tǒng)。
氣體混合物12通過管道4被輸入至含有摻雜劑11(在這種情況下為氯化鉺ErCl3)的容器3中。載氣即氣體混合物12的組成以由摻雜劑11的蒸汽壓力來確定的方式再次改變，獲得氣體混合物13。氣體混合物13從容器3中被輸入至管道5。而管道5被加熱到高于T3的溫度T5來避免蒸汽狀的氣體混合物13在管道5的內(nèi)表面上冷凝。而溫度T3高于T1，以防止蒸汽狀的氣體混合物12在容器3內(nèi)冷凝，并防止載氣12中有于氯化鉺ErCl3的組成發(fā)生改變。
形成供給到反應(yīng)器6的反應(yīng)物的氣流13的氣體混合物沿管道5進(jìn)入到烘箱狀反應(yīng)器6中，并在其中以同樣已知的方式進(jìn)行處理。如果需要，可沿單獨(dú)的管道向反應(yīng)器6中通入氧氣O2，惰性氣體例如氮?dú)釴2和氫氣H2，其使用取決于熱反應(yīng)器和采用的方法，其目的是控制反應(yīng)。而反應(yīng)器6通過例如感應(yīng)線圈7加熱到高于T5并優(yōu)選也高于反應(yīng)器運(yùn)轉(zhuǎn)所需溫度的溫度T6。載氣、摻雜劑及輔助氣體以同樣已知的方式在反應(yīng)器6中反應(yīng)，生產(chǎn)光纖預(yù)制品。
于氣流中呈還原形式的加熱并混合的氣體/蒸汽在反應(yīng)器中氧化并冷凝為氧化物，形成玻璃材料。氧化方法取決于預(yù)期的最終結(jié)果。特別地當(dāng)要求均質(zhì)生時(shí)，氧化/冷凝在一定的溫度及一定的氣體條件下進(jìn)行以使所有的反應(yīng)物達(dá)到多重過飽和狀態(tài)(烘箱溫度1000-2000℃)。結(jié)果是，所有成分的快速冷凝產(chǎn)生了微滴并進(jìn)一步快速形成了具有均質(zhì)并內(nèi)在交互的組成的玻璃微粒。快速冷凝通過例如反應(yīng)物的快速氧化和/或反應(yīng)物氣流的快速絕熱膨脹來引發(fā)。而快速氧化通過氧化氣體(O2)的強(qiáng)烈噴射來實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)生產(chǎn)摻雜的玻璃材料時(shí)，使用的原料也可為不含氯的反應(yīng)物，例如適合形態(tài)的TEOS(原硅酸四乙基酯)或GEOS(四乙氧基鍺)。除上述提到的摻雜劑外，也可以使用其它稀土金屬和鑭系元素，例如釹，以及磷、硼和/或氟。
現(xiàn)在我們將更詳細(xì)地討論本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，其中的反應(yīng)器6是一個(gè)OVD燃燒器。OVD燃燒器以簡化的橫截面視圖顯示在圖3中，并且它大體上是一個(gè)具有至少一個(gè)管道的圓柱形氣體燃燒器。管道通過在彼此內(nèi)部的石英玻璃管構(gòu)建。如圖3所示，管道5通過管道18延伸穿過反應(yīng)器6，氣體混合物13從一個(gè)燃燒器噴嘴19排出。管道18用例如石英玻璃制成的殼20封套。此外，加熱元件即例如由石墨制成的加熱圓筒21設(shè)置在烘箱室的殼20的內(nèi)部，和管道18的周圍。加熱元件21也可置于管道18的內(nèi)部。加熱圓筒21和管道18同時(shí)通過加熱元件7的作用加熱至高于溫度T5的溫度T6。加熱元件7通常是包括電源的感應(yīng)線圈。反應(yīng)器6封在熱絕緣體25中。
分別通過氣體入口22和24向燃燒器6通入氧氣O2以供進(jìn)行燃燒，并通入燃料氣體例如氫氣H2。通過氣體入口23供給例如氮?dú)釴2的惰性氣體來防止燃料氣體和氧氣O2在燃燒器6的表面上混合。燃料氣體和氧氣O2在燃燒器6的外部進(jìn)行反應(yīng)，混合物通過例如電火花點(diǎn)燃。管道18所提供的反應(yīng)物在火焰中進(jìn)行反應(yīng)形成玻璃微粒，并可通過例如熱遷移至用于制造光纖預(yù)制品的第一芯棒表面上的方式進(jìn)一步收集。
在一個(gè)實(shí)施方案中，反應(yīng)器6還包括形成圖3所示的管道18和殼20的兩個(gè)石英玻璃管。反應(yīng)器還包括用加熱元件7加熱的加熱圓筒21，及絕緣體18。但是，氣體入口22、23和24仍然直接導(dǎo)入管道18中。
本發(fā)明并不僅局限于上述實(shí)施方案，它可在附加的權(quán)利要求保護(hù)的范圍內(nèi)變通。
權(quán)利要求
1.一種摻雜玻璃材料，特別是一種用于光頻放大光波導(dǎo)的玻璃材料的生產(chǎn)方法，這種方法包括下述步驟—將玻璃材料的至少一個(gè)第一摻雜劑(10)和一個(gè)第二摻雜劑(11)變?yōu)檎羝?，—使每種摻雜劑(10，11)到達(dá)所希望的、同時(shí)可用于控制其氣相(10，11)組成的溫度(T1，T3)來控制每種摻雜劑(10，11)氣相的蒸汽壓力(p1，p3)，和—將每種蒸汽狀摻雜劑(10，11)混入到玻璃材料原料的氣流(9)中，該原料也是氣相，并作為摻雜劑(10，11)的載氣，其中所述的原料(9)和所述摻雜劑(10，11)一同組成所謂反應(yīng)物的所需氣流(12，13)，以用于制造玻璃材料，其特征在于進(jìn)行混合，使得所述摻雜劑(10，11)以摻雜劑(10，11)的所希望的溫度相互提高的順序混入到原料的相同氣流(9)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于—在至少一個(gè)第一容器(1)和一個(gè)第二容器(3)中形成摻雜劑(10，11)的氣相，—將載氣(9)輸入第一容器(1)中，在其中使其與第一摻雜劑(10)混合，和—將載氣(9)和第一摻雜劑(11)的氣體混合物(12)從第一容器(1)輸入第二容器(3)，在其中使其與第二摻雜劑(11)混合，和—將載氣(9)、第一摻雜劑(10)和第二摻雜劑(11)的氣體混合物(13)從第二容器(3)中放出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，每個(gè)容器(1)的溫度(T1)都低于下一個(gè)容器(3)的溫度(T3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的方法，其特征在于，通過溫度(T4)高于容器(1)溫度的管道(4)在容器(1，3)間輸送氣體混合物(12)，所述氣流(12)從容器(1)輸送到溫度(T4)低于容器(3)溫度的所述管道(4)，其中所述氣流(12)從所述管道(4)中轉(zhuǎn)移至容器(3)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)方法，其特征在于—將反應(yīng)物的氣流(13)輸入熱反應(yīng)器(6)中，和—使所述反應(yīng)器(6)在高于所述希望的溫度(T1，T3)的溫度(T6)下保溫。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于，將氣體混合物(13)從第二容器(3)輸入熱反應(yīng)器(6)中，其中反應(yīng)器的溫度(T6)高于第二容器(3)的溫度(T3)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的方法，其特征在于，通過其溫度(T5)高于第二容器(3)溫度的管道(5)在第二容器(3)和反應(yīng)器(6)之間輸送氣體混合物(13)，氣流(13)從容器(3)進(jìn)入其溫度(T5)低于反應(yīng)器(6)溫度的管道(5)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任一項(xiàng)方法，其特征在于，使反應(yīng)器(6)中的氣體混合物(13)達(dá)到一定溫度，在此溫度下，所述氣體混合物達(dá)到多重過飽和的狀態(tài)，并盡可能快地氧化該氣體混合物，同時(shí)促成冷凝并進(jìn)一步形成均質(zhì)玻璃材料微粒。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)方法，其特征在于，使用硅或鍺的無機(jī)或有機(jī)化合物，例如四氯化硅、四氯化鍺、TEOS(原硅酸四乙基酯)或GEOS(四乙氧基鍺)作為玻璃材料的原料(9)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)方法，其特征在于，使用鉺、釹、其它稀土金屬、鋁、磷、硼和/或氟作為玻璃材料的摻雜劑(10，11)。
11.一種摻雜玻璃材料，特別是一種用于光頻放大光波導(dǎo)的玻璃材料的制造系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括—用于將玻璃材料的至少一個(gè)第一摻雜劑(10)和一個(gè)第二摻雜劑(11)轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝嗟牡谝辉O(shè)備(1，3，14，17)，其中第一設(shè)備(1，3，14，17)進(jìn)行布置以通過使每種摻雜劑(10，11)達(dá)到同時(shí)用于控制其氣相(10，11)組成的所需溫度(T1，T3)，來控制每種摻雜劑(10，11)氣相的蒸汽壓力(p1，p3)，和—用于向玻璃材料原料的氣流(9)中混入每種蒸汽狀摻雜劑(10，11)的第二設(shè)備(2，4，5)，該原料也為氣相，并用作摻雜劑(10，11)的載氣，其中所述原料(9)和所述摻雜劑(10，11)一起構(gòu)成所謂反應(yīng)物的所需氣流(12，13)，并用于制造玻璃材料，其特征在于—第一和第二設(shè)備以使所述摻雜劑(10，11)能同原料的相同氣流(9)混合，并使摻雜劑(10，11)的所述要求溫度(T1，T3)能相互提高的順序布置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其特征在于第一設(shè)備包括一組串連在一起的容器(1，3)，其中每個(gè)容器(1)的溫度(T1)都低于下一個(gè)容器(3)的溫度(T3)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其特征在于第二設(shè)備包括安裝于容器(1，3)間的至少一個(gè)管道(4)來在容器(1，3)間輸送氣體混合物(12)，其中管道(4)的溫度(T4)高于所述氣流(12)從其中進(jìn)入所述管道(4)的容器(1)的溫度，但低于所述氣流(12)從所述管道(4)中轉(zhuǎn)移至其中的容器(3)的溫度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)包括一個(gè)熱反應(yīng)器(6)，包括至少一個(gè)管道(5)的第二設(shè)備，準(zhǔn)備好的反應(yīng)物氣體混合物(13)通過管道(5)可被輸入至反應(yīng)器(6)中，管道(5)的溫度(T5)高于氣流(13)從其中進(jìn)入管道(5)的容器(3)的溫度，但低于反應(yīng)器(6)的溫度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其特征在于熱反應(yīng)器(6)由至少兩個(gè)在彼此內(nèi)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過感應(yīng)加熱的加熱元件(21)封套。
全文摘要
一種摻雜玻璃材料，特別是一種用于光頻放大光波導(dǎo)的玻璃材料的制造系統(tǒng)和方法。該方法包括以下步驟使玻璃材料的至少一個(gè)第一摻雜劑(10)和一個(gè)第二摻雜劑(11)變?yōu)檎羝麪顨庀啵煌ㄟ^使每種摻雜劑(10，11)達(dá)到同時(shí)用來控制其氣相(10，11)組成的所需的溫度(T
文檔編號C03C21/00GK1623941SQ20041008747
公開日2005年6月8日 申請日期2004年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月29日
發(fā)明者M·拉亞拉, K·延卡, S·塔梅拉, T·圖爾納拉 申請人:利基有限公司