Способ получения волоконных световодов

Способ получения волоконных световодов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: в волоконной оптике Сущность изобретения: получают волоконные световоды гидролизом SiCU с легирующими добавками летучих соединений редкоземельных элементов в пламени кислородно-водородной горелки. В качестве легирующей добавки используют з.чмещенные циклопентадиенильные соединэния редкоземельных элементов предварительно очищенные ректификацией при 19С-210°С 1 табл. чается в следующем Сначала плгменным гидролизом тетрахлорида кремния либо его окислением внутри кварцевой труэы получают на подложке осадок пористсго кварцевого стекла Затем пористое кварцевое стекло пропитывают раствором соединения легирующего элемента, растворитепь отгоняют , соединение переводят в оксид, который сплавляется с пористым кварцевым стеклом с образованием прозрачного легированного кварцевого стекла. Подобным способом получают юлоконные световоды на основе кварцевого стекла, легированного оксидами редкоземельных элементов (2). Недостатком метода пропитки является использование растворителя, который является источником загрязнения кварцевого стекла, Загрязнить кварцевое стекло можег как сам растворитель, адсорбирующийся на большой поверхности пористого материала. XI О О 00 сл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s С 03 В 37/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4901695/33 (22) 11,01.91 (46) 07,10,92, Бюл. М 37 (71) Институт химии высокочистых веществ

АН СССР (72) А.А.Абрамов. М.M.Áóáíoâ, А.K,Ãóðüÿíîâ, Г.Г.Девятых, Е,M,Äèàíoâ, Ю,Б.Зверев, Н.С,Карпычев, С,М.Мазавин и А,М,Прохоров (56) 1.Schultz P.S. Optical Absorption of the

Transition Elements in vitreous Silica. — j. Am.

Ceram Soc. 1974. v.57, Мо 7. р. 309 — 313.

2.Townsend J,Å. Poole S.P.Payen 0.N, Solition — Doping technique for fabricacation

of rarearth doped optiacal fibers. Electron.

Len, Vol 23, No 7, р.328-331.

З.Thompson D,А.,Bocko P.L.Gannon>,R.

Nem Sourse compaunds for fabrication of

doped optical Wavequide Fibers, SPIE Vol, 506, Fibers Optics in Adverse Ehviraiments, 1984, р. 170 — 173 (прототип) Изобретение относится к волоконной оптике и может быть использовано для получения высокочистого кварцевого стекла, легированного оксидами редкоземельных элементов, и волоконных световодов на его основе.

Получение активных волоконных световодов на основе кварцевого стекла базируется на легировании его оксидами редкоземельных элементов. Среди неорганических соединений редкоземельных элементов нет летучих. таких как хлориды кремния, германия, фосфора, обычно используемых в технологии волоконных световодов. Поэтому для получения кварцевого стекла, легированного оксидами редкоземельных элементов, используется метод пропитки. Он был разработан как универсальный способ введения в кварцевое стекло малых количеств легирующих добавок (1), Метод двухстадийный, сущность его заклю„„SU „„1766854 А1 (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКОННЫХ

СВ ЕТО ВОДО В (57) Использование: в волоконной оптике.

Сущность изобретения: получают волоконные световоды гидролизом SiCI4 с легирующими добавками летучих соединений редкоземельных элементов в пламени кислородно-водородной горелки. В качестве легирующей добавки используют замещенные циклопентадиенильные соединения редкоземельных элементов. предварительно очищенные ректификацией при 19".— 210 С.

1 табл. чается в следующем. Сначала пл.-менным гидролизом тетрахлорида кремния. либо его окислением внутри кварцевой трузы. получают на подложке осадок пористс го кварцевого стекла. Затем пористое кварцевое стекло пропитывают раствором соединения легирующего элемента, растворитель отгоняют, соединение переводят в оксид, который сплавляется с пористым кварцевым стеклом с образованием прозрачного легированного кварцевого стекла.

Подобным способом получают волоконные световоды на основе кварцевого стекла. легированного оксидами редкозе отельных элементов (2).

Недостатком метода пропитки является использование растворителя, котог.ый является источником загрязнения кварце ого стекла. Загрязнлть кварцевое стекло может как сам растворитель, адсорбирующийся на большой поверхности пористого материала, 1766854 так и примеси, содержащиеся в нем. Источником загряз:-..ния служат недостаточно чистые нелетучие соединения легирующих элементов, так как для нелетучих веществ не разработаны достаточно эффективные методы разделения. В данном методе трудно воспроизводить содержание легирующей добавки в конечном продукте, так как кбличество введенной в стекло добавки зависит не только от исходной ее концентрации в растворе, но и от таких трудно контролируемых параметров как плотность и удельная площадь поверхности пористого стекла, распределения частиц стекла по размерам, соотношения открытых и закрытых пор, От указанных выше недостатков свободен метод легирования кварцевого стекла окислением соединений редкоземельных элементов в паровой фазе. В этом способе исходные вещества для получения легированного кварцевого стекла испаряются в потоке газа-носителя и переносятся по нагретым трубопроводам в зону реакции, Реакционной зоной может быть нагретая кварцевая трубка, пламя горелки, плазменная струя, В реакционной зоне исходные вещества окисляются в паровой фазе, а сконденсировавшиеся частицы оксидов осаждаются на подложке, образуя пористое стекло, Подложкой может бьг ь стенка кварцевой трубки, боковая поверхность или торец затоавочного стержня. Пористое стекло переводят в прозрачное зонным сплавлением.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ получения волоконных световодов гидролизом

Я С!4 с легирующими добавками, которыми являются р -дикетонаты редкоземельных элементов, в пламени горелки, сушкой и спеканием полученной пористой заготовки с последующим вытягиванием из нее волоконного световода (3).

Недостатком способа является достаточно высокие дополнительные оптические потери в световоде, что ограничивает область их практического применения. Объясняется зто тем, что р-дикетонаты редкоземельных элементов практически невозможно очищать традиционными методами до такого содержания примесей переходных металлов, которые вносили бы незначительные загрязнения в кварцевое стекло и тем самым не увеличивали оптические потери в световоде. Так, содержание примесей переходных металлов в р -дикетонатах составляет 10 мас., в полученном кварцевом стекле 10 мас,, и дополнительные оптические потери в све5

55 товоде на 0,85 MKM 3-5 дБ/км, при уровне легирования оксидом РЗЭ 10 вес,, Очистить р -дикетонаты редкоземельных элементов до более низкого содержания примесей переходных металлов не представляется возможным ввиду их специфической природы. р -дикетонаты редкоземельных элементов — это твердые, устойчивые на воздухе вещества, возгоняющиеся при нагревании, Традиционным методом очистки таких веществ является сублимация, но эффективность ее низка.

Целью изобретения является снижение дополнительных оптических потерь в световоде.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения волоконных световодов гидролизом SiCI4 легирующими добавками летучих соединений редкоземельных элементов в пламени горелки. сушксй и спеканием полученной пористой заготовки с последующим вытягиванием из нее волоконного световода, в качестве легирующих добавок используют замещенные циклоп ентадиенильные соединения редкоземельных элементов, предварительно очищенные ректификацией при 190 — 210 С, Очистка ректификацией при 190 — 210 С позволяет получить циклопентадиенильные соединения редкоземельных элементов с содержанием примесей переходных металлов на уровне 10 -10 мас. /о. Используя замещенные циклопентадиенильные соединения редкоземельных элементов с таким содержанием примесей с качестве легирующей добавки, получают волоконные световоды без дополнительных потерь за счет примесей переходных металлов, Циклопентадиенильные соединения редкоземельных элементов — жидкости, которые можно очищать методом ректификации.

Температура, при которой проводят очистку ректификацией. а именно 190-210 С. была подобрана экспериментально и, как показали опыты, является наиболее оптимальной для достижения цели изобретения. При геМпературе ниже 190" и выше 210"С ректификация обеспечивает очистку этих соединений только до уровня содержания примесей переходных металлов 1 10 мас,%.

Использование циклопентадиенильных соединений редкоземельных элементов с содержанием примесей переходных металлов на уровне 1 10 мас.% в качестве легирующей добавки при изготовлении активных световодов повышает дополнительные оптические потери в светоэоде до

1-42 дБ/км на 0,85 мкм, что огранлчивает область их практического применения, 1766854

Пример 1, B пламя кислородно-водородной горелки вводят высокочистый SiCI4 в смеси с легирующей добавкой — три (изопропилциклопентадиенил) эрбием, который был предварительно очищен ректифика- 5 цией при 190 С. По данным спектрального анализа содержание примесей переходных металлов в нем 5 .10 мас.%. В пламени горелки образуются частицы оксидов кремния и эрбия, которые осаждаются на торец 10 вращающегося затравочного стержня, формируя цилиндрическую пористую заготовку, Пористую заготовку осушают в атмосфере хлора при 1000 С, спекают до стеклообразного состояния при 1500 С в 15 вакууме с достаточным давлением 1 10 мм рт.ст. с последующим вытягиванием из заготовки, изготовленной методом "штабик в трубке" волоконного световода. Отражающую оболочку световода наносят методом

MCVD. Дополнительные оптические потери в световоде на длине волны 0,85 мкм за счет примесей переходных металлов менее 0,5 дБ/км.

Пример 2. Условия опыта, как в примере 1, только три (изопропилциклопентадиенил) эрбия был очищен ректификацией при пониженном давлении при 210 С, По данным спектрального анализа содержание примесей переходных металлов в нем 5 10 мас. /, Дополнительные потери

s свотоводе составляют менее 0,5 дБ/км на длине волны 0,85 мкм, Пример 3. Условия опыта, как в примере

1, только (изопропилциклопентадиенил) эрбия был очищен при 185 С. По данным спектрального анализа содержание поимесей переходных металлов в нем 1 . 10 мас., Минимальные дополнительные оптические потери в световоде составляют 1-2 дБ/км на

0,85 мкм.

Г р и м е р 4, Условия опыта, как в примере 1, только три (изопропилциклопентадиенил) эрбий был очищен ректификацией при 215 С. По данным спектрального анализа содержание примесей переходных металлов в нем 2 10 мас, /. Дополнительные потери в световоде составляют 1-2 дБ!км на длине волны 0,85 мкм.

Пример 5, Условия опыта, как в примере

1, только в качестве легирующей добавки используют три (изопропилциклопентадиенил) иттербий, предварительно очищенный ректификацией при 200 С, По данным спектрального анализа содержание примесей переходных металлов в нем 5 10 мас, /, Минимальные дополнительные оптические потери в световоде составляют 0.5 дБ/км на длине волны 0,85 мкм.

Пример 6. Условия опыта, как в примере 1, в качестве легирующей добавки используют три (изопропилциклопентадиенил) иттербий, предварительно очищенный ректификацией при 185 С. По данным спектрального анализа содержание поимесей переходных металлов в н ем 2 10 мас. /.

Дополнительные потери в световоде составляют 0,5 — 2 дБ!км на длине волны 0,85 мкм, Пример 7. Условия опыта, как в примере 1, только в качестве легирующей добавки используют смесь три (изопропилциклопентадиенил)эрбия и три(циклопентадиенил) иттербия, каждое вещество очищено ректификацией при 190 С. По данным спектрального анализа содержание примесей переходных металлов в каждом из этих соединений 5 10 мас. /. Дополнительные потери в световоде составляют 0.5 дБ/км на длине волны 0,85 мкм.

Пример 8. Условия опыта. как B примере 1, в качестве легирующей добавки используют смесь три(изопропилциклопентадиенил) эрбия и три(изопропилциклопентадиенил)иттербия, каждое вещество очищают ректификацией при 215 С. По данным спектрального анализа содержание примесей переходных металлов в каждом из этих соединений 2 . 10 мас. /. Дополнительные оптические потери в световоде составляют 1-2 дБ/км на длине волны 0,85 мкм, Кроме приведенных вышелегирующихдобавок, могут быть использованы такие соединения. как три(изоп ропил циклопентадиенил)диспрозий, три(изопропилциклопентадиенил) церий и другие циклопентадиенильные соединения редкоземельных элементов с изопропильными заместителями.

Данные примеров приведены в таблице.

Из таблицы видно, что световоды с наименьшими оптическими потерями получают только в том случае, когда легирующие добавки, в качестве которых используют замещенные циклопентадиенильные соединения редкоземельных элементов. предварительно очищают ректификацией при 190-210 С (примеры 1.2,5 и 7). При незначительном повышении или уменьшении температуры ректификации не обеспечивается достаточная эффективность очистки этих соединений. что приводит к резкому, в 3 — 5 раз повышению минимальных дополнительных потерь в световоде (примеры 3.4.6.8), т.е. эти условия являются необходимыми и достаточными для осуществления цели изобретения.

1766854

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет снизить дополнительные потери в активных световодах в 3 — 5 раз.

Формула изобретения

Способ получения волокнистых световодов путем гидролиза SICI4 с легирующими добавками летучих соединений редкоземельных элементов в пламени кислородноводородной горелки, сушки, спекания получаемой пористой заготовки и оследующего вытягивания из нее волоконного световода, отличающийся тем, что, с целью снижения дополнительных оптиче5 ских потерь в световоде, в качестве легирующей добавки используют замещенные циклопентадиенильные соединения редкоземельных элементов, предварительно очищенные ректификацией при 190 — 210 С, Избыточные потери за счет примесей переходных металлов в различных образцах световодов

Содержание примесей переходных металлов в исходном веществе, мас.%

Содержание примесей переходных металлов в стекле, мас., Температура очистки,оС

Избыточные потери, дБ/км, на

Л= 0,85 мкм за счет примесей переходных металлов

Пример

5 10

5 10

3 10

2 10

5 104

2 10

5 10

2 10

15

Составитель С.Мазавин

Техред М.Моргентал Корректор Л.Филь

Редактор C.Êóëàêoâà

Заказ 3517 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно -издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина. 101

По прототипу

2

4

6

215

5 10

5 10

3 10

2 10

5 10

2 10

5 .10

2 10

3 — 5

0,5

0,5

1 — 2

1 — 2

0,5

0.5-2,0

0,5

1 — 2