掺杂以还原的金属离子和/或稀土离子的光学纤维或光学设备的制造方法.pdf

本发明公开了一种制造掺杂还原的金属离子和/或稀土离子的光学纤维或光学设备的方法，包括步骤：在用于制造光学纤维或光学设备的基材中形成部分烧结细结构；在所选时间内将细结构浸入包含还原剂以及金属离子和稀土离子的掺杂溶液；干燥其中金属离子和/或稀有离子已被浸入的细结构；和加热该细结构使得细结构被烧结。

权利要求书
1.  一种制造掺杂还原的金属离子和/或稀土离子的光学纤维或光学设备的方法，其包括步骤：
在用于制造光学纤维或光学设备的基材中形成部分烧结细结构；
在所选时间内将细结构浸入包含还原剂以及金属离子和稀土离子的掺杂溶液；
干燥其中金属离子和/或稀有离子已被浸入的细结构；和
加热该细结构使得该细结构被烧结。

2.  权利要求1的方法，其中还原剂是烃化合物。

3.  权利要求2的方法，其中烃化合物是选自葡萄糖、蔗糖、甘油、糊精、苯、苯酚、己烷、甲苯、苯乙烯和萘的任何一种。

4.  权利要求1的方法，其中还原剂是醇化物化合物。

5.  权利要求4的方法，其中醇化物化合物是选自TEOS(原硅酸四乙酯)、TMOS(原硅酸四甲酯)、TEOC(原碳酸四乙酯)和TMOC(原碳酸四甲酯)的任何一种。

6.  权利要求1的方法，其中金属离子和/或稀土离子是选自Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi和其混合物的至少一种。

7.  权利要求1的方法，其中用于制造光学纤维或光学设备的基材具有包含氧化硅和氧化物的复合氧化物的基本组成；其中所述氧化物是选自氧化锗(GeO2)、氧化硼(B2O3)、氧化磷(P2O5)和氧化钛(TiO2)的至少一种。

8.  权利要求1的方法，其中用于制造光学纤维或光学设备的基材具有选自硅石(SiO2)、锗硅酸盐(SiO2-GeO2)、磷硅酸盐(SiO2-P2O5)、磷锗硅酸盐(SiO2-GeO2-P2O5)、硼硅酸盐(SiO2-B2O3)、硼磷硅酸盐(SiO2-P2O5-B2O3)、硼锗硅酸盐(SiO2-GeO2-B2O3)、钛硅酸盐(SiO2-TiO2)、磷钛硅酸盐(SiO2-TiO2-P2O5)或硼钛硅酸盐(SiO2-TiO2-B2O3)的基本组成。

9.  权利要求1的方法，其中在基材中形成部分烧结细结构的步骤通过选自MCVD(改进化学蒸气沉积)、VAD(蒸气-相轴沉积)、VOD(外部蒸气沉积)和FHD(火焰水解沉积)的工艺进行。

10.  一种制造掺杂还原的金属颗粒和/或稀土元素的光学纤维或光学设备的方法，包括步骤：
在用于制造光学纤维或光学设备的基材中形成部分烧结细结构；
将细结构在所选时间内浸入包含具有强还原电势的还原剂以及金属离子和稀土离子的掺杂溶液，
干燥其中金属离子和/或稀土离子已被浸入的细结构；和
加热该细结构使得细结构被烧结，这样形成金属颗粒和/或稀土元素。

11.  权利要求10的方法，其中还原剂是烃化合物。

12.  权利要求10的方法，其中还原剂是醇化物化合物。

说明书掺杂以还原的金属离子和/或稀土离子的光学纤维 或光学设备的制造方法
发明领域
本发明总体涉及一种制造光学纤维或光学设备的技术，更具体地涉及一种制造掺杂以还原的金属离子和/或稀土离子的光学纤维或光学设备的方法。
技术背景
包含金属离子和/或稀土离子的光学纤维作为一种特殊光学纤维被提出，因为它可以各种方式应用于光学放大器或光学转换设备等。因此，在该领域进行了许多研究。
研究课题之一是还原掺杂金属离子和/或稀土离子的技术。一般来说，原子因为其化合价而具有不同的能级分布，因此具有不同的光谱特性如光吸收和光发射。因此，可通过改变化合价获得不同的光吸收和光发射，这样可得到具有各种光学放大和光学转换特性的光学纤维和光学设备。
例如，对于稀土离子，如果稀土离子具有3+价，由于4f电子轨道和5d电子轨道之间的电子跃迁而产生的光吸收特性仅出现在紫外波长区域，而如果稀土离子的化合价变化至2+离子，这种光吸收特性出现在可见和红外波长区域两个区域。为此，相应地需要一项制造具有所需化合价的掺杂金属离子和稀土离子的技术。另外，每个原子具有其自己的化合价态，其中原子主要以自然状态存在，因此需要一种特定工艺将化合价转化成其他化合价。
例如，大多数稀土离子具有3+化合价。为了稳定地将3+化合价转化成2+、1+或0化合价，需要还原稀土离子。已经提出如下所述的各种还原处理方法。
第一，有一种方法是将γ射线施加至具有3+化合价的稀土金属离子。例如，如果γ射线被施加至包含Tm3+的CaF2晶体，据报道可得到Tm2+。
但该方法的问题在于，γ射线源处置时危险，因此其安全处置所需的成本昂贵。
第二，另一方法是采用气溶胶型材料。在该方法中，MCVD(改进化学蒸气沉积)工艺是必要的。换句话说，该方法包括MCVD工艺，其中使用产生碳的具有气溶胶配方的材料以及在燃烧时产生稀土离子和玻璃的粉末，在石英玻璃管中沉积包含稀土离子的玻璃层。然后，随后进行去除碳和OH自由基、烧结玻璃和塌陷玻璃管的工艺，这样得到光学纤维预成型品。例如，在具有SiO2-Al2O3组分的玻璃光学纤维中，Eu3+和Sm3+还原为Eu2+和Sm2+。
这种采用具有气溶胶配方的材料的方法迄今仅通过MCVD工艺而进行。需要具有气溶胶配方的所需稀土离子材料和用于供给具有气溶胶配方的材料的附加装置。
另外，有一种在熔化玻璃过程中注射H2和Ar气体的混合物、得到还原的稀土离子的方法。例如，在具有SiO2-Al2O3组分或SiO2-B2O3组分的玻璃中，Sm3+还原为Sm2+。
该方法的问题在于，制造光学纤维预成型品的工艺与常规工艺相比复杂，而且尚未商业化。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种制造光学纤维或光学设备的方法，其中与已有技术方法相比金属离子和/或稀土离子被安全地和容易地还原，而且利用了制造光学纤维和/或光学设备的已有技术工艺。
为了实现本发明的前述目的，本发明方法的特征在于，在用于制造光学纤维或光学设备的基材中形成部分烧结细结构和将细结构在所选时间内浸入包含还原剂以及金属离子和/或稀土离子的掺杂溶液中，因此细结构被掺杂以金属离子和/或稀土离子以及还原剂。因此，通过还原剂得到还原的金属离子和/或稀土离子。
本发明的一种制造掺杂以还原的金属离子和/或稀土离子的光学纤维或光学设备的方法包括以下步骤：在用于制造光学纤维或光学设备的基材中形成部分烧结细结构；将细结构在所选时间内浸入包含还原剂以及金属离子和稀土离子的掺杂溶液；干燥其中金属离子和稀有离子被浸入的细结构；和加热该细结构使得细结构被烧结。
制造掺杂以还原的金属颗粒和/或稀土元素的光学纤维或光学设备的另一方法包括以下步骤：在用于制造光学纤维或光学设备的基材中形成部分烧结细结构；将细结构在所选时间内浸入包含具有强还原电势的还原剂以及金属离子和稀土离子的掺杂溶液；干燥其中金属离子和/或稀土离子被浸入的细结构；和加热该细结构使得细结构被烧结，这样形成金属颗粒和/或稀土元素。
优选，还原剂是烃化合物，例如葡萄糖、蔗糖、甘油、糊精、苯、苯酚、己烷、甲苯、苯乙烯、萘和类似物。
另外，还原剂是醇化物化合物。例如有TEOS(原硅酸四乙酯)、TMOS(原硅酸四甲酯)、TEOC(原碳酸四乙酯)、TMOC(原碳酸四甲酯)和类似物。
优选，金属离子和/或稀土离子是至少一种选自Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi和其混合物的离子。
另外，用于制造光学纤维或光学设备的基材具有包含氧化硅或硅氧烷氧化物和氧化物的复合氧化物的基本组成；其中所述氧化物是选自氧化锗(GeO2)、氧化硼(B2O3)、氧化磷(P2O5)和氧化钛(TiO2)的至少一种。
优选，用于制造光学纤维或光学设备的基材具有选自硅石(SiO2)、锗硅酸盐(SiO2-GeO2)、磷硅酸盐(SiO2-P2O5)、磷锗硅酸盐(SiO2-GeO2-P2O5)、硼硅酸盐(SiO2-B2O3)、硼磷硅酸盐(SiO2-P2O5-B2O3)、硼锗硅酸盐(SiO2-GeO2-B2O3)、钛硅酸盐(SiO2-TiO2)、磷钛硅酸盐(SiO2-TiO2-P2O5)或硼钛硅酸盐(SiO2-TiO2-B2O3)的基本组成。
优选，在制造光学纤维或光学设备的基材中形成部分烧结细结构的步骤，通过一种选自MCVD(改进的化学蒸气沉积)、VAD(蒸气-相轴沉积)、VOD(外部蒸气沉积)、FHD(火焰水解沉积)等地工艺而进行。
本发明的光学设备包括平面光学放大器、光学通讯激光和平面光学转换设备等。
本发明的以上目的和其它优点通过在其详细的优选实施方案中参考附图进行描述而变得更显然，其中：
图1是显示用于进行本发明工艺的装置示意图；
图2给出了通过本发明第一实施方案制成的掺杂以还原的稀土离子(Tm+2)的光学纤维的光吸收光谱；
图3给出了通过没有使用还原剂的对比例1而制成的光学纤维的光吸收光谱；
图4给出了通过本发明第二实施方案制成的掺杂以还原的稀土离子(Eu+2)的光学纤维的光吸收光谱；
图5给出了通过没有使用还原剂的对比例2制成的光学纤维的光吸收光谱。
现参考附图详细描述本发明的优选实施方案。
本发明的一种方法包括，在用于制造光学纤维或光学设备的基材中形成部分-烧结细结构的步骤，和将该细结构浸入包含作为还原剂的烃化合物以及金属离子和/或稀土离子的掺杂溶液中1至1.5小时的步骤。即，基材的细结构被掺杂以还原剂以及金属离子和/或稀土离子，这样得到被所掺杂还原剂还原的金属离子和/或稀土离子。
本发明的方法是对将稀土离子和/或金属离子加入光学纤维或光学设备的溶液掺杂技术的一种改进。该溶液掺杂技术是一种在光学纤维核中掺杂金属离子或稀土离子的方法，可与制造光学纤维预成型品的任何常规方法一起使用，后者如MCVD(改进的化学蒸气沉积)、VAD(蒸气-相轴沉积)、OVD(外部蒸气沉积)等。溶液掺杂技术也用作可掺杂能够形成为溶液型的所有的稀土离子和/或金属离子的技术，即使在通过FHD(火焰水解沉积)工艺制造平板玻璃光学设备的方法中也可以使用。
例如，通过MCVD工艺进行的溶液掺杂技术(请参见J.E.Townsend等人“用于制造稀土掺杂光学纤维的溶液”，Electron.Lett.，Vol.23，p.p.329-331，1987)如下所述。在此技术中，为了得到还原的稀土离子，其中蔗糖作为强还原剂与稀土氯化物一起溶解的水溶液用作掺杂溶液。首先，被部分烧结并随后具有多个孔的核层使用常规MCVD工艺(请参见MacChesney等人，“光学纤维制造和所得产品”，美国专利，1997)在硅石管中形成。然后，将其中蔗糖与稀土氯化物一起溶解的水溶液填充到硅石管中。水溶液保持1至1.5小时以使溶液充分渗入核层的孔中，随后排弃溶液。结果，掺杂溶液留在孔中。将掺杂以水溶液的核层干燥，此时将硅石管保持在温度100至250℃下，并仅流过惰性气体如氦气(使用MCVD工艺)。此时，乙醇和水分被去除。然后，使用氢-氧火焰将核层在高温2000℃下加热直至由蔗糖产生的碳被去除，随后核层被完全烧结(参见M.F.Yan，等人，“光学波导玻璃的烧结”，J.of Mater.Sci.，p.p.1371-1378，1980)。在此之后，光学纤维预成型品通过塌陷步骤而制成，其中管使用氢-氧火焰在惰性气体连续清洗的同时被加热至超过2200℃。将光学纤维预成型品拉伸以得到掺杂以还原的稀土离子的光学纤维。
包含在掺杂溶液中的蔗糖由C、H和O组分组成。在以上干燥步骤过程中，以上组分中的大多数H和O组分被去除和仅留下碳(C)。碳(C)与所留下的氧(O2)在约2000℃的高温下结合形成一氧化碳(CO)，从而一氧化碳还原掺杂的稀土离子。此时，形成一氧化碳(CO)时的反应温度使用Ellingham图确定在还原稀土离子的可能范围内。同时，强还原气氛通过仅将惰性气体注入硅石玻璃管而产生，这样碳(C)可完全参与稀土离子的还原反应。另外，还优选在用于制造光学纤维预成型品的塌陷步骤中仅使惰性气体经过，这样最大地产生还原气氛。
实施方案1
首先，将0.04M六水合氯化铥(TmCl3·6H2O)和2.17M蔗糖(C12H22O11)溶解在去离子水中，制备包含稀土离子(Tm3+)和作为还原剂的蔗糖的掺杂溶液。在此，烃化合物或醇化物用作还原剂。
如图1所示，通过MCVD工艺在具有内径19mm和外径25mm的硅石玻璃管的内壁上形成多孔细结构，这样其用于形成光学纤维核的那部分具有SiO2-GeO2的基本玻璃组成。将所制的掺杂溶液注入以上的玻璃管并随后在1小时之后排出。然后，通过在100至250℃温度下再次使用MCVD装置加热玻璃管、并仅用氦气通过玻璃管清洗而干燥核层。
然后，在2000℃温度下分别重复进行以上的烧结步骤和塌陷步骤8次和15次，这样得到掺杂以Tm2+离子的光学纤维预成型品。拉伸该光学纤维预成型品以制造光学纤维。在此，即使烧结步骤在1600至2200℃温度下进行，也得到相同的结果。
使用包含蔗糖作为还原剂的掺杂溶液制成的光学纤维的光吸收光谱如图2所示。图2的光吸收光谱表明，在465nm、680nm、785nm、1210nm和1600nm处出现的光吸收光谱由Tm3+离子形成，分布在400nm-900nm宽范围内的光吸收光谱由Tm2+离子形成。
对比例1
将0.04M六水合氯化铥(TmCl3·6H2O)和0.19M六水合氯化铝(AlCl3·6H2O)溶解在乙醇中，制备没有包含蔗糖作为还原剂的掺杂溶液。
按照实施方案1的相同方法在硅石玻璃管的内壁上形成具有多孔细结构的核层。将所制的掺杂溶液注入玻璃管并在1小时之后排出。然后，在氦、氧和氯通过该管进行清洗的同时干燥核层。
然后，在2000℃温度下分别重复进行以上的烧结步骤和塌陷步骤3次和7次，这样得到掺杂以Tm3+离子的光学纤维预成型品。该光学纤维预成型品被拉伸以制造光学纤维。
通过使用没有包含蔗糖作为还原剂的掺杂溶液而制成的光学纤维的光吸收光谱在图3中给出。不同于使用还原剂的实施方案1的结果，图3仅显示Tm3+离子的光吸收光谱。
实施方案2
将0.097M氯化铕(EuCl3·xH2O)和0.518M蔗糖(C12H22O11)溶解在去离子水中，制备包含稀土离子(Eu3+)和作为还原剂的蔗糖的掺杂溶液。
然后，通过实施方案1的相同工艺制成掺杂以Eu2+离子的光学纤维。
通过使用包含蔗糖作为还原剂的掺杂溶液而制成的光学纤维的光吸收光谱在图4中给出。在图4的光吸收光谱中，分布在600nm-1200nm宽范围内的光吸收光谱由Eu2+离子形成。该光谱在Eu3+离子的情况下没有显示。
对比例2
将0.097M水合氯化铕(EuCl3·xH2O)和0.518M六水合氯化铝(AlCl3·6H2O)溶解在乙醇中，制备没有包含蔗糖作为还原剂的掺杂溶液。
然后，通过对比例1的相同工艺制成掺杂以Eu3+离子的光学纤维。
通过使用没有包含蔗糖作为还原剂的掺杂溶液而制成的光学纤维的光吸收光谱在图5中给出。不同于使用还原剂的实施方案2的结果，图5仅显示Eu3+离子的光吸收光谱。
以上实施方案1和2说明，通过包含还原剂的掺杂溶液掺杂，分别获得了掺杂以Tm2+离子和Eu+2离子的光学纤维预成型品。根据还原剂所具有的还原电位的强度，具有3+化合价的金属离子或稀土离子被证实变化至2+或1+化合价，在某些情况下变化至“0”化合价。如果金属离子或稀土离子被还原至“0”化合价，形成掺杂以金属颗粒或稀土元素的光学纤维预成型品或光学设备。
如上所述，本发明可通过容易的溶液掺杂技术制造掺杂以具有所需化合价的还原金属离子和/或稀土离子的光学设备。
根据本发明，可制造出掺杂以通过容易的溶液掺杂技术还原的金属离子和/或稀土离子的光学纤维或光学设备，无需改变常规的MCVD、VAD、OVD工艺等。
尽管已对本发明进行了详细描述，应该理解，在不背离由所附权利要求书所确定的主旨和范围的情况下可对其进行各种改变、替代和变化。