一種光纖制備設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖的制備領(lǐng)域，特別涉及一種光纖制備設(shè)備及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖波導(dǎo)理論是現(xiàn)代光通信的理論基礎(chǔ)，光纖則是光纖通信實(shí)現(xiàn)光信號(hào)傳輸?shù)拿劫|(zhì)，是光通信系統(tǒng)的材料基礎(chǔ)，更是各種光纖器件如光纖放大器、光纖激光器等的核心組件。一種光纖器件性能的優(yōu)劣，直接取決于光纖的性能。而光纖的制備方法直接決定光纖的性能。傳統(tǒng)的光纖是基于石英玻璃，必須要經(jīng)過(guò)石英光纖預(yù)制棒制備、預(yù)制棒拉絲工藝。石英光纖預(yù)制棒的工藝主要有金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積法(MOCVD)、等離子體化學(xué)氣相沉積法、管外氣相沉積法、軸向氣相沉積法。這些方法都需要用到原料氣體如SiCl4, 6冗14等鹵化物，都需要在2000度左右高溫?zé)龑?shí)，光纖拉制則需要更高一些的溫度。這些原料氣的分解物會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染，需要額外的設(shè)備加以處理，增加了生產(chǎn)成本。用這些方法制備的稀土石英光纖，活性離子摻雜濃度低，增益低。不容易利用這種光纖制備高性能超窄線(xiàn)寬、超高重頻光纖激光器。
[0003]另外一種流行的光纖制備方法是管棒法。這種方法需要(I)先分別制備大塊包層玻璃、纖芯玻璃，(2)然后將包層與纖芯玻璃加工成棒狀、拋光，(3)在包層玻璃棒中心沿軸向打孔，(4)將纖芯玻璃棒塞入包層玻璃棒中心孔道，制得光纖預(yù)制棒，(5)將光纖預(yù)制棒放到光纖拉絲塔進(jìn)行拉制，得到光纖。這種方法的缺點(diǎn)是:
[0004](I)浪費(fèi)大量玻璃:大塊玻璃中只有中間一小部分被利用，其他部分被浪費(fèi)，這不適合制備原料成本高的玻璃光纖，如鍺酸鹽玻璃光纖；
[0005](2)需要包層與纖芯玻璃性能匹配:如膨脹系數(shù)、玻璃軟化溫度、析晶溫度等必須匹配。這也是氣相沉積法制備光纖要求必須滿(mǎn)足的。
[0006]最近有一些新型有源玻璃光纖的報(bào)道，如利用MOCVD方法制備的鉍石英光纖，具有寬帶近紅外發(fā)光，可以實(shí)現(xiàn)紅外波段可調(diào)諧激光輸出，但這種制備方法必須在超過(guò)2000度的高溫下進(jìn)行，如此高的溫度將會(huì)導(dǎo)致鉍大量揮發(fā)，所以制得的鉍石英光纖，活性離子摻雜濃度低，增益低。利用這種傳統(tǒng)的制備方法無(wú)法獲得高鉍濃度摻雜、高增益光纖，也無(wú)法控制鉍價(jià)態(tài)。再如量子點(diǎn)摻雜玻璃，具有近中紅外發(fā)光，是一類(lèi)優(yōu)異的發(fā)光玻璃，但利用管棒法制備光纖時(shí)發(fā)現(xiàn)，拉制過(guò)程中量子點(diǎn)迅速長(zhǎng)大，從而失去發(fā)光。如何控制量子點(diǎn)基團(tuán)晶體生長(zhǎng)，是研制這類(lèi)光纖的核心問(wèn)題，也是阻止這類(lèi)玻璃實(shí)用的致命傷。
[0007]無(wú)論是上述的氣相沉積法，還是管棒法，都無(wú)法控制光纖中活性離子的價(jià)態(tài)，無(wú)法控制光纖拉制過(guò)程中玻璃光纖中的晶體生長(zhǎng)，無(wú)法控制活性離子的揮發(fā)，而且必須要求包層玻璃與纖芯玻璃熱學(xué)性質(zhì)匹配。這些方法都需要固態(tài)光纖預(yù)制棒制備過(guò)程與光纖拉制過(guò)程；光纖拉制過(guò)程需要先將玻璃光纖預(yù)制棒在玻璃軟化點(diǎn)溫度長(zhǎng)時(shí)間保溫，再軟化變形為光纖；雖然是軟化，但仍然是在固態(tài)材料范疇形變。所以這些方法從本質(zhì)上講，都是從固相到固相的物理變化過(guò)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于液相直接到固相的光纖制備設(shè)備，適用于易變價(jià)摻雜離子，可有效控制活性基團(tuán)如量子點(diǎn)等生長(zhǎng)。
[0009]本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0010]一種光纖制備設(shè)備，包括電爐及光纖制備容器；所述光纖制備容器位于電爐內(nèi)部，光纖制備容器的上部延伸出電爐的恒溫區(qū)外；
[0011]所述光纖制備容器包括內(nèi)容器和外容器，所述內(nèi)容器和外容器均為中通的管狀結(jié)構(gòu)，底部的尺寸由上到下逐漸變??；所述內(nèi)容器位于外容器的內(nèi)部，內(nèi)容器的底部與外容器的底部接觸時(shí)，內(nèi)容器的底部伸入外容器的底部的內(nèi)部，同時(shí)內(nèi)容器的底部將外容器的底部的開(kāi)口堵住，避免熔體在熔制、均化、澄清時(shí)外流；
[0012]所述內(nèi)容器的上部通過(guò)夾持裝置安裝在電爐的上部，所述外容器由位于電爐底部的爐底磚支撐，所述爐底磚設(shè)有中通孔，外容器的底部穿過(guò)爐底磚；所述爐底磚下方設(shè)有活動(dòng)磚；
[0013]所述內(nèi)容器的上部開(kāi)口通過(guò)三通開(kāi)關(guān)分別與真空泵、反應(yīng)氣氛源通過(guò)管道連接；所述外容器的上部開(kāi)口通過(guò)三通開(kāi)關(guān)分別與真空泵、反應(yīng)氣氛源通過(guò)管道連接。
[0014]所述內(nèi)容器底部呈錐形；
[0015]所述外容器的底部的尺寸由上到下逐漸變小；所述外容器的底部由兩部分組成；底部的上部為類(lèi)圓柱狀，直徑由上到下逐漸變??；底部的下部為圓錐狀；所述內(nèi)容器的底部的最小外徑小于所述外容器的底部的上開(kāi)口的直徑，所述內(nèi)容器的底部的最大外徑大于所述外容器的底部的上開(kāi)口的直徑。
[0016]所述外容器的底部出口與爐底磚的下表面位于同一水平面。
[0017]所述爐底磚的中通孔的形狀與所述外容器的底部的形狀相匹配。
[0018]所述內(nèi)容器和外容器由黃金、白金、石英或剛玉制成。
[0019]基于上述的光纖制備設(shè)備的光纖制備方法，包括以下步驟:
[0020](I)將包層玻璃與纖芯玻璃同一溫區(qū)下熔融、保溫，得到包層玻璃熔體和纖芯玻璃熔體；分別將包層玻璃熔體和纖芯玻璃熔體置于外容器和內(nèi)容器中；此時(shí)外容器和內(nèi)容器的底部相接觸；調(diào)節(jié)夾持裝置，使外容器和內(nèi)容器的中軸線(xiàn)重合；此時(shí)，外容器和內(nèi)容器上部均與真空泵連接，開(kāi)啟真空泵，使壓力為負(fù)壓；
[0021](2)包層玻璃熔體和纖芯玻璃熔體均化、澄清后，移除活動(dòng)磚，露出外容器的底部開(kāi)口，此時(shí)外容器和內(nèi)容器的底部分離；通過(guò)控制開(kāi)通開(kāi)關(guān)，往外容器中通入反應(yīng)氣氛，加壓使包層玻璃熔體流出后，通過(guò)控制開(kāi)通開(kāi)關(guān)，往內(nèi)容器中通入反應(yīng)氣氛，加壓使纖芯玻璃熔體流出，玻璃熔體和纖芯玻璃熔體流出后經(jīng)涂覆、固化、牽引后得到光纖。
[0022]步驟(2)之后還進(jìn)行以下步驟:對(duì)步驟(2)得到的光纖進(jìn)行熱處理。
[0023]步驟(2)中通過(guò)增加往內(nèi)容器中通入的反應(yīng)氣氛的氣壓或減小外容器氣壓，增加芯徑比例。
[0024]所述纖芯玻璃為鉍摻雜玻璃或量子點(diǎn)摻雜光纖。
[0025]所述反應(yīng)氣氛為氧化性氣氛、惰性氣氛或還原氣氛。
[0026]本發(fā)明的原理如下:傳統(tǒng)光纖制備采用固態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變方法制備，本發(fā)明采用由液態(tài)到固態(tài)方法制備。液態(tài)熔體，經(jīng)內(nèi)外容器流出，速冷，固化，由卷繞系統(tǒng)將固化后的光纖牽引。熔體流出速度通過(guò)容器上部氣壓控制。內(nèi)部與外部分別控壓，利于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部纖芯玻璃熔體與外部包層玻璃熔體流速不同，流速不同可控制纖芯與包層半徑比例，通過(guò)調(diào)節(jié)卷繞速度，可調(diào)節(jié)光纖直徑。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0028](I)本發(fā)明不采用傳統(tǒng)的由固態(tài)，加熱軟化，再形變?yōu)楣虘B(tài)的方法，而是采用由液態(tài)直接到固態(tài)方法制備。本發(fā)明不再要求包層玻璃與纖芯玻璃必須熱學(xué)性質(zhì)匹配，如膨脹系數(shù)，軟化溫度等；本發(fā)明不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害；
[0029](2)本發(fā)明可以節(jié)省原料用量，可以在較低溫度750?1700°C之間制備鉍光纖，可有效避免鉍揮發(fā)，在光纖中可實(shí)現(xiàn)高濃度鉍摻雜；
[0030](3)本發(fā)明采用氣氛氣壓控制，有利于控制易變價(jià)離子價(jià)態(tài)，易于控制熔體流速；
[0031](4)本發(fā)明避免使用玻璃二次加熱軟化工藝，從而可有效避免加熱過(guò)程中活性離子變價(jià)，有效抑制活性基團(tuán)如量子點(diǎn)在光纖制備過(guò)程中生長(zhǎng)問(wèn)題。
[0032](5)采用本發(fā)明制備的光纖，通過(guò)控制后續(xù)熱處理工藝，可實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)基團(tuán)可控析出。
[0033](6)本發(fā)明可推廣至其他可變價(jià)離子摻雜玻璃光纖、稀土或過(guò)渡金屬摻雜透明玻璃陶瓷光纖的制備。
【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的光纖制備設(shè)備的示意圖。
[0035]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的光纖制備容器在內(nèi)容器和外容器分離時(shí)的剖面示意圖。
[0036]圖3為本發(fā)明的實(shí)施例的光纖制備容器在內(nèi)容器和外容器接觸時(shí)的剖面示意圖。
[0037]圖4為本發(fā)明的實(shí)施例的光纖制備容器的電路爐底側(cè)面剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0039]實(shí)施例1
[0040]如圖1所示，本實(shí)施例的光纖制備設(shè)備，包括電爐I及光纖制備容器；所述光纖制備容器位于電爐內(nèi)部，光纖制備容器的上部延伸出電爐的恒溫區(qū)外；
[0041]如圖2?3所示，所述光纖制備容器包括內(nèi)容器2和外容器3，所述內(nèi)容器2和外容器3由黃金、白金、石英或剛玉制成。所述內(nèi)容器2和外容器3均為中通的管狀結(jié)構(gòu)，底部的尺寸由上到下逐漸變小；內(nèi)容器底部21呈錐形；外容器的底部由兩部分組成:底部的上部31為類(lèi)圓柱狀，直徑由上到下逐漸變小；底部的下部32為圓