KR20070064404A - Apparatus and method for fabricating glass bodies using an aerosol delivery system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명과 이의 다양한 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조로 하여 후술되는 상세한 설명으로부터 용이하게 이해될 수 있다.The present invention and its various features and advantages can be readily understood from the following detailed description with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 한 양태에 따라 희토류(RE)-도핑된 광섬유를 제조하기 위한 장치를 도시한 부분 등각 투영도이다.1 is a partially isometric view illustrating an apparatus for making rare earth (RE) -doped optical fibers in accordance with an aspect of the present invention.
도 2는 본 발명의 또 다른 양태에 따르는 에어로졸 생성기의 측면도 2개[파트(A) 및 파트(B)]와 말단도[파트(C)]를 도시한 것이다. 파트(A)는 파트(C)의 화살표 A를 따라 본 측면도인 반면, 파트(B)는 파트(C)의 화살표 B를 따라 본 측면도이다. 파트(A)의 가열기(12.4a, 12.4b)는 도시적으로 도시되어 있다.Figure 2 shows two side views (part (A) and part (B)) and an end view (part (C)) of an aerosol generator according to another aspect of the invention. Part A is a side view along arrow A of part C, while part B is a side view along arrow B of part C. FIG. The heaters 12.4a and 12.4b of part A are shown illustratively.
도 3은 본 발명의 또 다른 양태에 따라 에어로졸이 MCVD 모재 튜브에 도입되기 전에 증기화되도록 내장된 동심원 내부 튜브를 갖는 공급 튜브의 부분 등각 투영도이다.3 is a partial isometric view of a feed tube having a concentric inner tube embedded to vaporize before the aerosol is introduced into the MCVD matrix tube in accordance with another aspect of the present invention.
도 4는 상이한 두 가지의 경우에 대해 Yb-도핑된 실리카 섬유의 투광율이 시간 경과에 따라 어떻게 취화(광노화: photodarkening)되는지를 나타내는 그래프이 다.4 is a graph showing how the light transmittance of Yb-doped silica fibers is embrittled (photodarkening) over time for two different cases.
관련 출원에 대한 상호 참조Cross Reference to Related Application
본 출원은 2005년 12월 16일자로 출원되어 계류 중이며 발명의 명칭이 "광섬유용 에어로졸 전달 방법 및 섬유 모재 제조방법{Aerosol delivery method for optical fiber and fiber preform fabrication}"인 미국 가특허원 제60/750,966호에 대한 우선권을 주장한다.This application is filed on December 16, 2005 and is pending. US Provisional Patent Application No. 60 / entitled "Aerosol delivery method for optical fiber and fiber preform fabrication". Claims priority on 750,966.
발명의 분야Field of invention
본 발명은 유리 바디(예: 광섬유, 평면형 도파로, 유리 수트)에 관한 것이며, 보다 특히 희토류(RE) 도핑된 광섬유를 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to glass bodies (eg, optical fibers, planar waveguides, glass soot), and more particularly to apparatus and methods for making rare earth (RE) doped optical fibers.
관련 기술의 논의Discussion of related technologies
광섬유를 제조하기 위한 표준 MCVD 기술에서, 모재는 비교적 고증기압(HVP) 전구체 유리(예: SiCl4, GeCl4 및 POCl3)와 산소를 회전 실리카 기재 관 아래로 유동시켜 제조한다. 외부 수소-산소 토치가 서서히 튜브 길이 방향을 횡단하여 튜브 의 소구획을 국부적으로 가열한다. 토치보다 훨씬 빨리 이동하는 가스 스트림이 토칭된 구획에 접근함에 따라 가열되어, 전구체가 산소와 반응하여 산화물 에어로졸 입자들을 형성하기에 충분한 정도로 뜨거워진다. 이들 입자는 콜로이드화되어 서로 합체되어 크기가 커진다. 가스 스트림이 토칭된 구획을 떠남에 따라, 이는 튜브 벽에 비해 뜨거운 상태를 유지한다. 튜브와 가스 스트림 사이의 이러한 온도 구배로 인해, 에어로졸 입자들이 튜브 벽을 따라 이동하여 튜브 벽에 증착되어 수트 층을 형성한다. 토치가 이러한 수트 층을 통과함에 따라, 당해 수트는 소결되어 고체 유리 층으로 전환된다. 당해 공정을 반복수행하여 튜브 내벽 위에 다수의 유리 층을 증착시키며, 예를 들면, 수백 개의 층이 증착하여 통상적인 실리카 섬유의 코어가 제조될 수 있지만, 통상 다수의 보다 적은 개수의 층(예를 들면, 3 내지 15층)이 증착하여 RE-도핑된 섬유 코어가 제조된다. 층 증착이 종결된 후, 당해 튜브를 가열 붕괴시켜 모재(preform)로서 공지된 고체 막대를 형성시킨다. 표준 기술을 사용하여 당해 모재로부터 광섬유를 인출한다.In standard MCVD techniques for making optical fibers, the substrate is made by flowing a relatively high vapor pressure (HVP) precursor glass (eg, SiCl 4 , GeCl 4 and POCl 3 ) and oxygen down a rotating silica substrate tube. An external hydrogen-oxygen torch slowly crosses the tube length to locally heat the small compartment of the tube. The gas stream, which travels much faster than the torch, is heated as it approaches the torch compartment, causing the precursor to be hot enough to react with oxygen to form oxide aerosol particles. These particles colloid and coalesce with each other to increase in size. As the gas stream leaves the torch compartment, it remains hot relative to the tube wall. Due to this temperature gradient between the tube and the gas stream, aerosol particles travel along the tube wall and deposit on the tube wall to form a soot layer. As the torch passes through this soot layer, the soot is sintered and converted to a solid glass layer. The process is repeated to deposit a number of glass layers on the inner wall of the tube, for example hundreds of layers can be deposited to produce a core of conventional silica fibers, but typically a smaller number of layers (e.g. For example, 3 to 15 layers) are deposited to produce a RE-doped fiber core. After layer deposition is terminated, the tube is heat collapsed to form a solid rod known as a preform. Standard techniques are used to withdraw optical fibers from the substrate.
적합한 HVP 전구체가 존재하지 않기 때문에 당해 표준 MCVD 방법을 사용하여 모든 바람직한 도펀트를 전달할 수 있는 것은 아니다. 적합한 전구체는 비교적 높은 증기압(실온에서 약 1torr 이상)을 가져야 하며, 증착된 유리의 특성에 악영향을 미칠 어떠한 화학 물질(예: 수소, 물)도 함유하지 않아야 한다. RE 원소[특히 에르븀(Er) 및 이테븀(Yb)]과 같은 일부 바람직한 도펀트는 증기압이 낮은(LVP) 전구체를 가지며, 표준 MCVD와 같은 편리한 증기상 접근법을 사용하여 전달될 수 없다.Not all suitable dopants can be delivered using this standard MCVD method because no suitable HVP precursor is present. Suitable precursors should have a relatively high vapor pressure (about 1 torr or more at room temperature) and contain no chemicals (eg hydrogen, water) that will adversely affect the properties of the deposited glass. Some preferred dopants such as RE elements (particularly erbium (Er) and ytterbium (Yb)) have low vapor pressure (LVP) precursors and cannot be delivered using convenient vapor phase approaches such as standard MCVD.
이러한 문제를 해결하기 위해, LVP RE 전구체를 사용하는 몇 가지 제조방법이 선행 기술에서 개발되었으나, 이들은 모두 현저한 한계를 갖는다. 아래에 가장 일반적인 방법과 이들 방법의 가장 현저한 한계점을 간단하게 설명하였다.To solve this problem, several manufacturing methods using LVP RE precursors have been developed in the prior art, but they all have significant limitations. Below is a brief description of the most common methods and their most significant limitations.
용액 도핑법: 수트 층이 표준 도펀트를 사용하는 기재 튜브의 내벽에 증착되지만, 수트 층이 소결되지는 않는다. 수트 층이 LVP RE 전구체를 함유하는 액상 용액으로 침지된다. 당해 용액을 튜브로부터 배수시키는 경우, 당해 수트 층은 수트의 공극 속에 소정량의 용액을 보유하는 스폰지와 같이 작용한다. LVP 전구체를 함유하는 수트 층을 건조시키고, LVP 전구체를 산화시키며, 수트 층을 소결시킨다. 용액 도핑법은 다음과 같은 한계점을 갖는다: (i) LVP 도펀트 농도의 재현성이 모재에 따라 불량하다; (ii) 수트 층에 의해 보유된 액체의 양이 다공도에 의존하는데, 이를 제어하기가 매우 어렵다; (iii) 당해 공정은 표준 MCVD 유리 층의 경우 소요되는 약 10분에 비해 증착된 유리 층 당 1 내지 2시간이 소요되어 매우 시간 소모적이다. Solution Doping Method : The soot layer is deposited on the inner wall of the substrate tube using a standard dopant, but the soot layer is not sintered. The soot layer is immersed in a liquid solution containing the LVP RE precursor. When the solution is drained from the tube, the soot layer acts like a sponge that retains a predetermined amount of solution in the pores of the soot. The soot layer containing the LVP precursor is dried, the LVP precursor is oxidized and the soot layer is sintered. The solution doping method has the following limitations: (i) the reproducibility of the LVP dopant concentration is poor depending on the base material; (ii) the amount of liquid held by the soot layer depends on porosity, which is very difficult to control; (iii) The process is very time consuming, taking 1-2 hours per deposited glass layer compared to about 10 minutes required for a standard MCVD glass layer.
킬레이트법: 모재는 RE 원소의 킬레이트 전구체를 사용하여 제조된다. 킬레이트는 비교적 높은 증기압을 갖는 거대 유기-금속 화합물이다. 킬레이트 공정은 다음 한계점을 갖는다: 킬레이트는 수소와 같은 바람직하지 않은 원소를 함유하며, 현재까지 고품질 광섬유에 요구되는 순도를 갖는 유리를 생산한 바가 없다. Chelating method : A base material is manufactured using the chelate precursor of RE element. Chelates are large organo-metallic compounds with relatively high vapor pressures. Chelate processes have the following limitations: Chelates contain undesirable elements, such as hydrogen, and to date have not produced glass with the purity required for high quality optical fibers.
증기 전달법: 목적하는 LVP RE 전구체를 함유하는 앰플이 MCVD 기재 튜브 내부에 배치된다. 당해 앰플을 외부 가열원(예: 화염 또는 노)을 사용하여 필요한 증기압을 얻기에 충분히 높은 온도로 가열한다. 본원 명세서에 참조로 인용되는, 1987년 5월 19일자로 맥체스니(MacChesney, J.B.) 등에게 허여된 미국 특허 제4,666,247호를 참고한다. 앰플 접근법은 다음 한계점을 갖는다: (i) 전구체 증기압(및 이의 전달량)이 온도에 매우 민감한데, 몇 개의 동심원 유리 튜브 내에 배치된 RE 공급원 물질을 외부 가열원이 가열하기 때문에 공정의 제어가 매우 어렵다; (ii) 가스 스트림을 유동시키면 튜브가 냉각되며, 이로 인해 실제 가열원 온도가 불확실해진다; (iii) 전구체와 캐리어 가스 사이에 작은 표면적만이 존재하여, 전구체가 캐리어 가스에서 포화되지 않을 것이다. 이는, 표면 크기가 변하거나 표면이, 예를 들면, RE 산화물 층에 의해 피복되는 경우 전달된 전구체의 양을 변화시킨다; (iv) 전구체가 앰플을 떠나는 경우, 전구체의 일부 또는 전부가 주변 산소와 반응하여 금속 산화물 에어로졸 입자를 형성한다. 이들 에어로졸 입자의 크기는 제어되지 않는다. 거대 입자가 형성되는 경우, 현재의 기술은 이들이 클러스터를 형성하여 RE-도핑된 모재 및 섬유에 유해할 수 있음을 제시한다. Vapor Delivery Method : An ampoule containing the desired LVP RE precursor is placed inside an MCVD substrate tube. The ampoule is heated to a temperature high enough to achieve the required vapor pressure using an external heating source (eg flame or furnace). See US Pat. No. 4,666,247, issued to MacChesney, JB, et al., May 19, 1987, which is incorporated herein by reference. The ampoule approach has the following limitations: (i) The precursor vapor pressure (and its delivery rate) is very sensitive to temperature, which is very difficult to control because the external heating source heats the RE source material disposed in several concentric glass tubes. ; (ii) flowing the gas stream cools the tubes, which leads to uncertainty of the actual heating source temperature; (iii) There is only a small surface area between the precursor and the carrier gas so that the precursor will not be saturated in the carrier gas. This changes the amount of precursor delivered when the surface size changes or the surface is covered by, for example, an RE oxide layer; (iv) When the precursor leaves the ampoule, some or all of the precursor reacts with the surrounding oxygen to form metal oxide aerosol particles. The size of these aerosol particles is not controlled. If large particles are formed, current techniques suggest that they form clusters that can be detrimental to RE-doped substrates and fibers.
액체 에어로졸 전달법: 유기 용매에 바람직한 모든 도펀트에 대한 유기-금속 전구체를 함유하는 용액이 액상 에어로졸(액적)로 분무되어 기재 튜브 속으로 전달된다. 액상 에어로졸이 가열 영역에 접근함에 따라, 용매가 증발하며, 생성된 고체 에어로졸 입자는 산화하여 수트 층으로서 기재 튜브 위에 증착된다. 수트 층이 소결되지 않도록 주의를 기울인다. 본원 명세서에 참조로 인용된 2개의 문헌[T.F.Morse, et al., J.Non-Crystal.Solids, Vol.129, pp.93-100(1991); 및 J. Aerosol Sci., Vol,22, No.5, pp.657-666(1991)]을 참조한다. 문헌[참조: Morse et al., J. Non-crystal. Solids, supra at page 96, column 2]에 따르면, "용액은 미시적 균일성을 보장하여 유리 내의 결정질 내포물을 최소화하도록 각각의 에어로졸 입자 내에 유리 구조의 모든 성분을 함유해야 한다"(밑줄친 "각각의"와 "모든"은 문헌에는 없으나 강조를 위해 부가 기술한 것이다). "모든 성분"이라는 구절은, 예를 들면, 표준 HVP 도펀트의 전구체(예: Ge 및/또는 P) 뿐만 아니라 소정의 LVP RE 원소(예: Nd 및/또는 Er)를 포함한다. 이러한 액상 에어로졸 접근법은 다음 한계점을 갖는다: (i) 용액이 가연성이어서 폭발할 수 있다; (ii) 상이한 유리 조성물이 요구될 때마다 새로운 용액을 제조해야 한다; (iii) 당해 공정은 시간 소모적이다; 및 (iv) 당해 공정은, 반응 생성물이 H2O 및 H2와 같은 오염물 뿐만 아니라 바람직한 유리 산화물을 포함하는 한, 유리 손실이 매우 낮을 것으로 예측되지 않는다. Liquid Aerosol Delivery Method : A solution containing organo-metallic precursors for all dopants desired for organic solvents is sprayed into the liquid aerosol (droplets) and delivered into the substrate tube. As the liquid aerosol approaches the heating zone, the solvent evaporates and the resulting solid aerosol particles are oxidized and deposited onto the substrate tube as a soot layer. Care is taken not to sinter the soot layer. Two documents, which are incorporated herein by reference: TOMorse, et al., J. Non-Crystal. Solids, Vol. 129, pp. 93-100 (1991); And J. Aerosol Sci., Vol, 22, No. 5, pp. 657-666 (1991). See Morse et al., J. Non-crystal. Solids, supra at page 96, column 2], "The solution must contain all the components of the glass structure in each aerosol particle to ensure microscopic uniformity to minimize crystalline inclusions in the glass" (underlined "each "And" all "are not in the literature but are added for emphasis). The phrase “all components” includes, for example, precursors of standard HVP dopants (eg Ge and / or P) as well as certain LVP RE elements (eg Nd and / or Er). This liquid aerosol approach has the following limitations: (i) the solution is flammable and can explode; (ii) a new solution must be prepared each time a different glass composition is required; (iii) the process is time consuming; And (iv) the process is not expected to have a very low glass loss as long as the reaction product contains not only contaminants such as H 2 O and H 2 , but also the preferred free oxides.
따라서, 상술한 액체 에어로졸 전달 시스템의 결함 중의 하나 이상을 갖지 않는 RE 전구체와 같은 LVP 전구체를 핸들링할 수 있는 에어로졸 전달 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.Accordingly, it would be desirable to provide an aerosol delivery system capable of handling LVP precursors such as RE precursors that do not have one or more of the deficiencies of the liquid aerosol delivery system described above.
또한, MCVD 시스템 뿐만 아니라 기타 광섬유 제조 시스템(예: OVD 및 VAD)에도 적용될 수 있는 전달 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.It would also be desirable to provide a delivery system that can be applied to MCVD systems as well as other optical fiber manufacturing systems such as OVD and VAD.
마지막으로, 통상 광섬유 및 평면형 도파로 뿐만 아니라 유리 수트도 포함하는 유리 바디의 제조에 적용될 수 있는 전달 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.Finally, it is desirable to provide a delivery system that can be applied to the manufacture of glass bodies that typically include glass soot as well as optical fibers and planar waveguides.
[발명의 간단한 요지][Simple summary of invention]
본 발명의 한 양태에 따라, 본 출원인은, 다수의 성분들을 포함하며 하나 이상의 성분이 제1 LVP 전구체를 갖는 제1 도펀트(예: RE 원소)인 유리 바디(glass body; 예를 들면, 광 도파로, 명면상 도파로 또는 유리 수트)의 제조방법을 청구한다. 당해 유리 바디의 제조방법은, In accordance with one aspect of the present invention, Applicant is directed to a glass body (eg, optical waveguide) comprising a plurality of components, wherein at least one component is a first dopant (eg, RE element) having a first LVP precursor. , A waveguide or a glass soot on the surface. The manufacturing method of the said glass body,
LVP 전구체로부터의 제1 단일 성분 에어로졸(SCA)(즉, 각각의 제1 에어로졸 입자는 제1 도펀트의 LVP 전구체만을 포함한다)을 생성시키는 단계(a),(A) producing a first single component aerosol (SCA) from the LVP precursor (ie each first aerosol particle comprises only the LVP precursor of the first dopant),
기타 성분의 증기를 별도로 생성시키는 단계(b)[생성 단계(a)와 생성 단계(b)는 유리 바디를 형성하는 데 사용되는 증착 시스템으로부터 멀리 떨어진 위치에서 수행된다],Step (b) of separately generating steam of the other components (the step of producing (a) and (b) is carried out at a location remote from the deposition system used to form the glass body),
단계(a)의 에어로졸과 단계(b)의 증기를 증착 시스템으로부터 멀리 떨어진 위치로부터 도관 시스템을 통해 증착 시스템으로 대류시키는 단계(c) 및(C) convection the aerosol of step (a) and the vapor of step (b) through the conduit system to the deposition system from a location remote from the deposition system and
하나 이상의 도핑된 층을 기재의 표면 위에 형성시키는 단계(d)를 포함한다.(D) forming at least one doped layer over the surface of the substrate.
한 양태에서, 유리 바디는 제2 LVP 전구체를 갖는 제2 도펀트를 포함하고, 당해 방법은 제2 LVP 전구체로부터의 제2 단일 성분 에어로졸(SCA)(즉, 각각의 제2 에어로졸 입자는 제2 도펀트의 LVP 전구체만을 포함한다)을 생성시키는 추가 단계를 포함한다. 당해 2개의 에어로졸은 증착 시스템으로 대류되면서 서로 별개로 유지될 수 있다. 또는, 이들은 서로 및/또는 기타 성분의 증기와 혼합될 수 있으며, 이후 당해 혼합물이 증착 시스템으로 대류될 수 있다.In one aspect, the glass body comprises a second dopant having a second LVP precursor and the method includes a second single component aerosol (SCA) from the second LVP precursor (ie, each second aerosol particle is a second dopant). And only includes LVP precursors). The two aerosols can be kept separate from each other while convection to the deposition system. Alternatively, they may be mixed with each other and / or vapor of other components, which may then be convection to the deposition system.
본 발명의 또 다른 양태에 따라, 본 출원인은,According to another aspect of the present invention, the applicant,
다수의 성분들을 포함하며 하나 이상의 성분이 제1 LVP 전구체를 갖는 제1 도펀트인 유리 바디의 제조방법으로서,A method of making a glass body comprising a plurality of components and wherein at least one component is a first dopant having a first LVP precursor,
LVP 전구체의 증기를 제공하는 단계(a1) 및 LVP 증기를 과포화시켜 에어로졸을 형성하는 단계(a2)를 포함하여, 제1 LVP 전구체를 포함하는 제1 입자들을 포함하는 제1 에어로졸을 생성시키는 단계(a),Generating a first aerosol comprising first particles comprising a first LVP precursor, including providing a vapor of the LVP precursor (a1) and supersaturating the LVP vapor to form an aerosol (a2) a),
기타 성분의 증기를 별도로 생성시키는 단계(b),(B) separately generating vapors of other components,
단계(a)의 에어로졸과 단계(b)의 증기를 기재를 포함하는 증착 시스템으로 대류시키는 단계(c) 및(C) convection the aerosol of step (a) and the vapor of step (b) to a deposition system comprising a substrate and
단계(c)에서 대류시킨 에어로졸과 증기에 함유된 도펀트를 포함하는 하나 이상의 도핑된 층을 기재의 표면 위에 형성시키는 단계(d)를 포함하는, 유리 바디의 제조방법을 청구한다.Claimed is a method of making a glass body, comprising the step (d) of forming at least one doped layer comprising aerosol convection in step (c) and a dopant contained in vapor on the surface of the substrate.
본 발명의 또 다른 양태에 따라, 에어로졸 생성기는 서로 유체 전달식으로 커플링된 제1 챔버와 제2 챔버를 갖는 용기를 포함한다. 한 양태에서, 제1 챔버는 기포발생기 챔버이고, 제2 챔버는 응축기 챔버이다. 가열기가 제1 챔버를 에워싸서 이의 온도를 기본적으로 일정하게 유지시킨다. 제1 유입구를 통해 1차 캐리어 가스를 기포발생기 챔버로 공급하고, 제2 유입구를 통해 보다 저온의 2차 캐리어 가스를 응축기 챔버로 공급한다. 배출구는 응축기 챔버에 커플링된다. 작동시 당해 전구체(통상 실온에서 고체)를 기포발생기 챔버 속에 배치하고, 이를 전구체를 액화시키고 전구체의 바람직한 증기압을 수득하기에 충분한 비교적 고온으로 가열 한다. 1차 캐리어 가스는 전구체 증기를 전구체 액체로부터 응축기 챔버 속으로 대류시킨다(바람직하게는, 당해 전구체 증기는 1차 캐리어 가스를 완전히 포화시킨다). 전구체 증기가 이러한 고온에서 전달될 수 없으므로(즉, 전구체 증기는 증기를 증착 시스템으로 전달하는 데 사용되는 표준 튜브의 벽 위에 응축될 것이다), 이를 제2 유입구 속으로 공급된 보다 저온의 2차 캐리어 가스에 의해 신속하게 냉각시킨다. 결과적으로, 전구체의 에어로졸은 응축시 챔버에서 형성되고 배출구를 통해 추출된다. 당해 에어로졸은 실온 또는 이보다 약간 높은 온도에서 현저한 응집이나 침착 없이 표준 튜브를 통해 전달될 수 있으며, 이로써 당해 에어로졸이 표준 증기 종과 함께 표준 증착 시스템 속으로 대류될 수 있다.According to another aspect of the present invention, an aerosol generator comprises a container having a first chamber and a second chamber fluidly coupled to each other. In one aspect, the first chamber is a bubbler chamber and the second chamber is a condenser chamber. The heater surrounds the first chamber to keep its temperature essentially constant. The primary carrier gas is supplied to the bubbler chamber through the first inlet, and the colder secondary carrier gas is supplied to the condenser chamber through the second inlet. The outlet is coupled to the condenser chamber. In operation, the precursor (usually a solid at room temperature) is placed in a bubbler chamber and heated to a relatively high temperature sufficient to liquefy the precursor and obtain the desired vapor pressure of the precursor. The primary carrier gas convections the precursor vapor from the precursor liquid into the condenser chamber (preferably, the precursor vapor completely saturates the primary carrier gas). Since precursor vapor cannot be delivered at this high temperature (ie, precursor vapor will condense on the walls of the standard tubes used to deliver the vapor to the deposition system), the colder secondary carrier fed into the second inlet Cool by gas quickly. As a result, the aerosol of the precursor is formed in the chamber upon condensation and extracted through the outlet. The aerosol can be delivered through a standard tube without significant aggregation or deposition at room temperature or slightly higher, thereby allowing the aerosol to convex with the standard vapor species into a standard deposition system.
또 다른 양태에서, 제1 챔버는 반응 챔버이다. 이러한 경우, 아전구체(sub-precursor)는 제1 챔버에 배치되고, 1차 가스는 아전구체와 반응하여 증기 형태로 전구체 화합물을 생성시키는 가스이다. 당해 증기는 응축기 챔버 속으로 대류하며, 보다 저온의 2차 캐리어 가스는 응축기 챔버 속으로 유동하고, 에어로졸은 상술한 방식으로 형성된다.In another embodiment, the first chamber is a reaction chamber. In this case, a sub-precursor is placed in the first chamber, and the primary gas is a gas that reacts with the precursor to produce the precursor compound in vapor form. The vapor convection into the condenser chamber, the colder secondary carrier gas flows into the condenser chamber, and the aerosol is formed in the manner described above.
본 발명의 전달 시스템은 MCVD, OVD 및 VAD와 같은 다양한 유리 증착 시스템과 연계해서 사용될 수 있다.The delivery system of the present invention can be used in conjunction with various glass deposition systems such as MCVD, OVD and VAD.
[발명의 상세한 설명]Detailed description of the invention
전달 시스템Delivery system
본 발명은 기재 상에 유리 바디를 제조하는 방법에 적용될 수 있다. 유리 바디는 가열된 기재의 표면에 증착된 후 소결되어 유리 층을 형성하는 유리 수트 층의 형태를 취할 수 있다. 이러한 유리 층은, 예를 들면, 광 섬유를 형성하는 데 사용될 수 있다. 또는, 본 발명에 의해 형성된 유리 바디는 가열된 기재에 의도적으로 증착되어 소결되지 않는 대신 적합한 수집기로 유동되는 유리 수트의 형태를 취할 수 있다(예를 들면, 당해 유리 수트는 가열되지 않은 기재로서 작용하는 진공 백의 표면 위에 수집된다). 이러한 수트는 수집기로부터 용이하게 제거된 다음, 예를 들면, 광섬유 제조용 졸-겔 공정에서 사용될 수 있다. 임의 경우에서, 당해 유리 바디는 LVP 전구체를 갖는 하나 이상의 도펀트를 포함한다. 이러한 도펀트는 RE-원소(예: Er, Yb, Nd, Tm, Ho 및 La, 또는 이들의 혼합물) 뿐만 아니라 알루미늄(Al) 및 알칼리 토금속(예: Be, Mg 및 Ca)을 포함한다.The invention can be applied to a method of making a glass body on a substrate. The glass body may take the form of a glass soot layer that is deposited on the surface of the heated substrate and then sintered to form the glass layer. Such glass layers can be used, for example, to form optical fibers. Alternatively, the glass body formed by the present invention may take the form of a glass soot that is intentionally deposited on a heated substrate and not sintered but instead flows to a suitable collector (eg, the glass soot acts as an unheated substrate). Collected on the surface of the vacuum bag). Such a soot can be easily removed from the collector and then used, for example, in a sol-gel process for making optical fibers. In any case, the glass body includes one or more dopants having LVP precursors. Such dopants include RE-elements such as Er, Yb, Nd, Tm, Ho and La, or mixtures thereof, as well as aluminum (Al) and alkaline earth metals such as Be, Mg and Ca.
예시적으로는, 본 발명은 MCVD에 의한 광섬유의 제조에 적용될 수 있고, 이는 수트 유리 층을 가열된 기재 튜브의 내부 표면에 증착시키고, 층을 소결시키고, 튜브를 모재로 붕괴시키고, 모재로부터 광 섬유를 인출시키는 단계를 수반한다. 또한, 본 발명은 VAD 및 OVD로 제조된 광섬유의 제조에 적용될 수 있고, 이는 수트 유리 층을 회전 실린더의 외부 또는 말단 표면에 증착시키고, 수트 층을 소결시키고, 광섬유를 모재로부터 인출시킴을 필요로 한다. 반면, 본 발명은 또한 평면형 광 도파로의 제조에 적용될 수 있고, 이는 유리 층을 평면 기판의 주표면에 증착시키는 단계를 수반한다. 단지 단순화 및 예시 목적으로만, 하기 설명은 가열된 기재 튜브를 사용한 광섬유의 제조에 초점을 둔다.By way of example, the present invention can be applied to the manufacture of optical fibers by MCVD, which deposits a soot glass layer on the inner surface of a heated substrate tube, sinters the layer, collapses the tube into the substrate, and light from the substrate. Drawing the fibers together. In addition, the present invention can be applied to the production of optical fibers made of VAD and OVD, which requires the soot glass layer to be deposited on the outer or distal surface of the rotating cylinder, the soot layer is sintered and the optical fiber drawn out of the substrate. do. In contrast, the present invention can also be applied to the manufacture of planar optical waveguides, which involves depositing a glass layer on the major surface of the planar substrate. For simplicity and illustrative purposes only, the following description focuses on the manufacture of optical fibers using heated substrate tubes.
본 발명의 다양한 측면은 LVP 전구체의 하나 이상의 에어로졸의 생성 및 이 의 증착 시스템으로의 전달을 포함한다. "에어로졸"은 고체 또는 액체 LVP 전구체 입자가 캐리어 가스 속에 현탁된 입자-가스 조합을 의미한다. 각각의 입자는 다수(일반적으로 수천개)의 LVP 전구체의 분자를 함유한다. 일반적으로, 에어로졸은 단일 성분 에어로졸(SCA) 또는 다성분 에어로졸(MCA)일 수 있다. SCA에서 각각의 입자는 단일 LVP 전구체로만 이루어진 분자를 함유한다. 2개 이상의 에어로졸을 혼합하더라도, 입자는 이의 별개의 독립성을 유지한다. 즉, 각각의 입자는 단일 전구체로만 이루어진 분자를 함유한다. 반면, MCA에서 각각의 입자는 도펀트 또는 호스트 물질의 전구체 및/또는 도펀트 또는 호스트 물질의 산화물을 함유하는 2개 이상의 화합물을 포함한다.Various aspects of the present invention include the generation of one or more aerosols of LVP precursors and their delivery to a deposition system. "Aerosol" By particle-gas combination, solid or liquid LVP precursor particles are suspended in a carrier gas. Each particle contains a large number (usually thousands) of molecules of LVP precursors. In general, the aerosol may be a single component aerosol (SCA) or a multicomponent aerosol (MCA). Each particle in the SCA contains a molecule consisting of only a single LVP precursor. Even if two or more aerosols are mixed, the particles retain their separate independence. That is, each particle contains a molecule consisting only of a single precursor. In contrast, each particle in the MCA comprises two or more compounds containing a precursor of the dopant or host material and / or an oxide of the dopant or host material.
단일 성분 에어로졸Single ingredient aerosol
본 발명의 하나의 측면에 따라서, 도 1에 도시된 바대로, 광섬유를 제조하기 위한 장치(10)는, 광섬유의 다양한 성분(예: 실리카와 같은 호스트 물질, 상기 기재된 LVP 도펀트, 및 Ge 및 P와 같은 표준 HVP 도펀트)의 전구체를 생성시키는 다수의 전구체 공급원(12)을 함유한다. 공급원(12)은 LVP 전구체(예: RE 클로라이드)의 SCA를 제공하는 하나 이상의 에어로졸 생성기(12a)를 함유한다. (생략부호(12a')로 표시된 별개의 에어로졸 생성기는, 또 다른 LVP 전구체의 SCA를 생성시키는 데 사용할 수 있다.) 또한, 공급원(12)은 다른 섬유 성분의 증기를 제공하는 하나 이상의 종래의 증기 생성기(또는 기포발생기)(12b, 12c, 12d), 일반적으로 HVP 전구체(예: Si, Ge 및 PO의 클로라이드)를 갖는 것을 함유한다. According to one aspect of the present invention, as shown in FIG. 1, an
공급원(12)은 유리-층 증착 시스템(16)으로부터 멀리 위치한다. 예시적으로는, 전구체 공급원(12)은 서로 병렬의 유체-유동 전달로, 아니면 증착 시스템(16)과 직렬 유체-유동 전달로 연결되어 있다. 당해 분야의 숙련된 당업자는, 시스템(16)이 본 발명의 전구체 전달 시스템과 상용성인, 예를 들면, MCVD 시스템, OVD 시스템, VAD 시스템, 또는 임의의 다른 증착 시스템일 수 있다는 것을 인식할 것이다. 단지 예시 목적으로만, 하기 설명은 증착 시스템(16)이 표준 MCVD 시스템인 것으로 가정한다.Source 12 is located far from glass-
따라서, MCVD 시스템(16)은 일반적으로 서로 직렬 배열된 공급 튜브(16.1), 기재 튜브(16.2), 및 배출 튜브(16.3)를 함유한다. 공급 튜브, 기재 튜브 및 배출 튜브는 이의 공통의 종축 주위로 화살표(16.4) 방향으로 회전하고, 가열원(즉, 토치)(16.5)은 상기 종축을 따라 화살표(16.6) 방향으로 이동하여 기재 튜브를 가열시킨다. 증기 및 에어로졸 전구체는 표준 회전 결합체(도시되지 않은)를 통해 공급 튜브(16.1)로 진입한다. 상기 결합체는 전달 튜브(18)가 정지된 채로 공급 튜브가 MCVD 선반에서 회전하도록 한다. 에어로졸 전구체는 동일한 포트를 사용하여 증기 전구체로서 시스템(16)으로 전달시킬 수 있거나, 별개의 포트를 통해 전달시킬 수 있다. 본 발명자들은, 에어로졸 전구체를 전구체 자신의 포트를 사용하여 전달하는 것이 편리하다는 것을 발견했다. 또한, 본 발명자들은, 최소량의 튜브 굽힘이 필요하도록 증기 전구체를 공급 튜브와 축 상에 있는 포트를 통해 전달하는 것이 바람직하다는 것을 발견했다. 상기한 설계는 또한 도 3의 양태에서 튜브(16.7)에 도시된 바대로, 동심원 튜브가 공급 튜브(16.1) 내에 용이하게 위치하 도록 한다.Thus, the
"전달"은 전구체를 생성시키고 관련된 가스를 도관 시스템(예: 튜브(18))을 통해 생성기(12)로부터 증착 시스템(16)으로 이송하는 것을 의미한다.“Delivery” means generating a precursor and transferring the associated gas from generator 12 to
MCVD 공급 튜브(16.1)로 전달된 후, 에어로졸 및 증기 전구체는 기재 튜브(16.2)의 고온 영역에서 산화되고, 산화물은 기재 튜브(16.2)의 내부에 증착된 수트를 형성하고, 증착된 수트는 소결되고, 기재 튜브는 모재로 붕괴되고, 모재는 광섬유로 인출된다.After delivery to the MCVD feed tube 16.1, the aerosol and vapor precursor are oxidized in the high temperature region of the substrate tube 16.2, the oxide forms a deposited soot inside the substrate tube 16.2, and the deposited soot is sintered. The base tube collapses into the base material, and the base material is drawn out to the optical fiber.
다수의 공급원(12)은 형성될 광섬유의 성분 각각에 대해 하나의 공급원(12)을 함유한다. 예를 들면, RE, Ge 및 P와 도핑된 실리카 광섬유를 제조하기 위해, 에어로졸 생성기(12a)는 RE 전구체(예: ErCl3 또는 YbCl3와 같은 RE-클로라이드)의 SCA를 제공하고, 증기 생성기(12b)는 실리카 전구체(예: SiCl4)의 증기를 제공하고, 증기 생성기(12c)는 Ge 전구체(예: GeCl4)의 증기를 제공하고, 증기 생성기(12d)는 P 전구체(예: POCl3)의 증기를 제공한다.Multiple sources 12 contain one source 12 for each component of the optical fiber to be formed. For example, to produce doped silica optical fibers with RE, Ge, and P, the
일반적으로, 전구체 공급원(12)에 사용되는 캐리어 가스는 불활성이어야 하고(예: He, Ar), 고품질 유리의 제조시 유리하거나(예: O2), 섬유에 해로운 영향을 주지 않는다는 다른 가공상 이유로 유용하다(예: N2, Cl2). 에어로졸 생성기(12a)에서, He은 소결 동안 거품 형성을 최소화하는 데 도움을 주므로 일반적으로 사용된다. 반면, O2는 생성기(기포발생기)(12b, 12c, 12d)에서 일반적으로 사용된다. (기포발생기가 비교적 저온(예: 100℃ 미만)에서 유지되므로, 금속 클로라이드 전구체는 기포발생기에서 산화되지 않는다.)Generally, the carrier gas used in precursor source 12 should be inert (e.g. He, Ar), advantageous in the manufacture of high quality glass (e.g. O 2 ), or for other processing reasons that do not have a detrimental effect on the fiber. Useful (e.g. N 2 , Cl 2 ). In the
도시되지는 않았지만, 전달 시스템으로 직접적으로 커플링될 수 있는, 즉, 에어로졸 생성기(12a) 또는 기포발생기(12b, 12c, 12d)를 통해 연결되지 않는 캐리어 가스(예: He, O2)의 추가의 공급원(i) 및/또는 실온에서 증기인 도펀트 가스(예: SiF4)의 추가의 공급원이 당해 분야의 숙련된 당업자에게 널리 공지되어 있고, 따라서 기포발생기가 필수적인 증기압을 생성시킬 필요가 없다.Although not shown, the addition of a carrier gas (eg He, O 2 ) that can be coupled directly to the delivery system, ie not connected via
중요하게는, 에어로졸 생성기(12a, 12a')는 LVP 도펀트(예: RE 도펀트)가 저온에서 MCVD 시스템으로 전달되도록 하고 표준 증착 속력을 유지할 정도로 농도가 높다.Importantly, the
각각의 공급원(12)은 전구체 가스를 목적하는 증기압에서 생성시키기 위해 실온보다 훨씬 높은 온도로 전구체를 가열한다. 예를 들면, 실리카 및 통상의 도펀트(예: Ge 및 P와 같은 지수 상승 도펀트)에서, 전구체는 일반적으로 30 내지 50℃(예: 38℃)로 가열하다. 더욱이, LVP 전구체(예: Er 및 Yb와 같은 RE 도펀트)로부터 유도된 도펀트에서 일반적으로 800 내지 1,100℃(예: 전구체 ErCl3에 대해 900℃; YbCl3에 대해 950℃)로 가열하는 정도로 훨씬 더 심한 경우도 있다. 그러나, 생성기를 MCVD 시스템(16)에 연결시키는 튜브(18)가 일반적으로 생성기(12a)에서의 LVP 도펀트 공급원보다 훨씬 낮은 온도[예: 50 내지 100℃; 가열기(널리 공지되어 있지만, 도시되지 않음)에 의해]에서 유지되고, 고온 LVP 전구체 가스가 농축되고 튜브의 내부 벽에 증착되므로, 상기한 고온 가스는 상당히 낮은 온도의 튜브를 통해 MCVD 시스템으로 전달될 수 없다. 상기한 문제점에 대한 해결책은, LVP 섬유 성분을 실온에서 또는 실온 보다 약간 높은 온도에서 유지되는 튜브(18)를 통해 MCVD 시스템(16)으로 전달할 수 있는 에어로졸로서 생성시키는 것이다. 모든 경우에, 도 1에 도시된 바대로 에어로졸이 HVP 증기와 혼합된다면, 튜브(18)는 가장 뜨거운 기포발생기(12b, 12c, 12d)의 온도(예: 38℃)보다 높은 온도(예: 70℃)에서 유지되어야 한다. 반면, 에어로졸이 먼저 HVP 증기와 혼합되지 않고 직접적으로 증착 시스템(16)으로 전달된다면, 에어로졸 생성기(예: 12a)의 출력에 연결된 모든 튜브가 실온에서 존재할 수 있다.Each source 12 heats the precursor to a temperature much higher than room temperature to produce the precursor gas at the desired vapor pressure. For example, in silica and conventional dopants (eg, exponentially rising dopants such as Ge and P), the precursors are generally heated to 30-50 ° C. (eg 38 ° C.). Moreover, in dopants derived from LVP precursors (e.g., RE dopants such as Er and Yb), the temperature is generally much higher to 800 to 1,100 ° C (e.g., 900 ° C for precursor ErCl 3 ; 950 ° C for YbCl 3 ). Some are severe. However, the
본 발명이 하기의 공정 이론에 구애되지 않더라도, 본 발명자들은 하기의 현상이 발생할 것으로 믿는다. RE 클로라이드 에어로졸이 산소가 또한 공급된 MCVD 시스템의 고온 영역으로 진입하는 경우, 대부분의 에어로졸은 RE 클로라이드 증기로 증기화된다. 이어서, 증기화된 RE 클로라이드 (가스) 분자는 형성된 RE 산화물 분자를 산화시키고, 당해 산화물 분자는 다른 산화물 분자(예: SiO2 분자)와 충돌하고 기재 튜브의 벽 내부에 수트로서 증착된다. 소결 후, 상기 공정은 매우 균질한 유리를 형성한다. 중요하게는, 본 발명은 2개의 중요한 공정(도펀트 전달 및 산화)을 독립적으로 제어하게 한다. 에어로졸 생성기에서, 소정의(예: 최적의 또는 거의 최적의) 크기 범위를 갖고, 목적하는 LVP 도펀트 농도가 적은 손실로 헤드스톡 관으로 전달되도록 하는 입자를 제조하기 위한 공정을 설정한다. 에어로졸 입자가 고온 영역에 도달함에 따라, 이들의 대부분이 각각의 분자로 증기화됨에 따 라, 입자로서 이의 이전의 크기에 대한 정보를 잃는 것으로 믿어진다. 고온 영역에서, 이들 증기화된 분자는 산화된다. 모든 도펀트가 함께 반응하여 필수적으로 균질한 유리를 형성하도록 고온 영역에서의 조건을 (예: 모든 에어로졸 생성기 조건과 무관하게 최적화하거나 거의 최적화시켜) 설정할 수 있다.Although the present invention is not bound by the following process theory, the inventors believe that the following phenomenon will occur. When the RE chloride aerosol enters the hot zone of an MCVD system that is also supplied with oxygen, most of the aerosol is vaporized with RE chloride vapor. The vaporized RE chloride (gas) molecules then oxidize the formed RE oxide molecules, which collide with other oxide molecules (eg SiO 2 molecules) and deposit as soot inside the walls of the substrate tube. After sintering, the process forms a very homogeneous glass. Importantly, the present invention allows for independent control of two important processes (dopant delivery and oxidation). In an aerosol generator, a process is set up to produce particles that have a predetermined (eg, optimal or near optimal) size range and allow the desired LVP dopant concentration to be delivered to the headstock tube with low loss. As the aerosol particles reach the high temperature region, it is believed that as most of them vaporize into their respective molecules, they lose information about their previous size as particles. In the high temperature region, these vaporized molecules are oxidized. Conditions in the high temperature region can be set (eg optimized or nearly optimized regardless of all aerosol generator conditions) such that all dopants react together to form an essentially homogeneous glass.
LVP 도펀트의 클러스터가 유리에서 바람직한 드문 경우가 있을 수 있음에 주의해야 한다. 이러한 상황에서, 에어로졸 입자는 고온 영역에 도달하기 전에 산화되어야 한다. 이어서, LVP 산화물 입자는 최적의 클러스터 크기가 유리에서 형성되도록 전달되기 전에 여과시켜야 한다. 입자가 고온 영역에서 증기화(크기 변화)되지 않으므로 클러스터 크기는 이러한 경우에 전달된 도펀트 산화물로 측정한다.It should be noted that clusters of LVP dopants may be desirable in glass rare cases. In this situation, the aerosol particles must be oxidized before reaching the high temperature region. The LVP oxide particles must then be filtered before they are delivered so that optimal cluster sizes are formed in the glass. Since the particles do not vaporize (change in size) in the high temperature region, the cluster size is measured with the dopant oxide delivered in this case.
에어로졸 입자 크기Aerosol Particle Size
에어로졸 입자의 크기는 바람직하게는 대략 0.01㎛ 내지 1.0㎛의 범위이다. 반면, 10㎛의 입자를, 필요한 경우, 전달할 수 있되, 에어로졸 생성기와 기재 튜브 사이의 거리를 최소화시키기 위해 주의를 기울어야 한다. 입자가 1㎛보다 상당히 클 때, 당해 입자는 중량으로 인해 전달 튜브의 내벽에서 침강할 수 있다. 입자가 0.01㎛보다 상당히 작을 때, 당해 입자는 브라운 운동으로 인해 튜브 벽에 증착할 수 있다. 본 발명의 한 양태에 있어서, 전달 동안 큰 입자들이 제거되는 데, 대부분의 경우 큰 입자들이 RE-도핑된 섬유에서 클러스터를 생성시키고, 클러스터가 바람직하지 않은 공정, 예를 들면, 주파수상향변환(up-conversion)을 유발하는 것으로 알려져 있으므로, 이는 상당히 유리하다.The size of the aerosol particles is preferably in the range of approximately 0.01 μm to 1.0 μm. On the other hand, particles of 10 μm can be delivered, if necessary, but care must be taken to minimize the distance between the aerosol generator and the substrate tube. When the particles are significantly larger than 1 μm, the particles may settle on the inner wall of the delivery tube due to their weight. When the particles are significantly smaller than 0.01 μm, they can deposit on the tube wall due to Brownian motion. In one aspect of the invention, large particles are removed during delivery, in most cases large particles create clusters in RE-doped fibers, and clusters are undesirable processes, for example, frequency up (up). -conversion), which is quite advantageous.
몇몇 RE-에어로졸 입자가 본래 튜브(18) 또는 전달 시스템(예: 축합 챔버(12.1)(후술))의 다른 성분에서 제거되더라도, 이러한 형태의 입자 여과 공정은 용이하게 제어되지 않는다. 따라서, 본 발명의 하나의 양태에 따라서, 상기한 입자는 필터(14)를 통해 통과하고, 필터(14)는 에어로졸 생성기(12a, 12a')와 증착 시스템(16) 사이에 위치한다. 필터는 작은 입자(예: 0.01㎛ 이하의 입자)를 제거하기 위해 널리 공지된 확산 배터리를 함유할 수 있다. 또한, 큰 입자(예: 1.0㎛ 이상의 입자)를 제거하기 위해, 필터(14)는 사용자가 큰 입자를 얼마나 효과적으로 제거하기를 원하지에 따라 널리 공지된 사이클론, 또는 몇몇 벤드(예: 코일)를 갖는 일련의 튜브, 또는 침강 챔버를 함유할 수 있다.Although some RE-aerosol particles are originally removed from the
소정의 입자 크기에 대한 튜브 코일의 수집 효율은 튜브의 내부 직경, 코일에서 루프의 수, 유동 속도, 및 가스 및 입자 특성의 함수이다. 예를 들면, 내부 직경이 1.5, 2, 3 및 4mm인 4개의 튜브를 통해 유동하는 He에서 YbCl3 입자를 살펴보면, 각각의 관은 2개 반의 루프를 갖는다. 1.0㎛의 입자에 대해 상이한 직경 코일의 수집 효율은 각각 약 92%, 65%, 27% 및 12%이고, 1.4㎛의 입자에 대해 상응하는 효율은 각각 약 99%, 84%, 48%, 및 26%이고, 2.0㎛의 입자에 대해 상응하는 효율은 각각 약 100%, 100%, 72%, 및 42%이다. 따라서, 직경이 작은 (1.5mm 및 2mm) 튜브가 크기가 약 2㎛ 이상인 입자 거의 모두를 수집하는 반면, 입자 크기가 약 4㎛(3mm 튜브)에 도달하고 5㎛(4mm 튜브) 이상일 때까지 직경이 큰 (3mm 및 4mm) 튜브은 거의 모든 입자를 수집하지 않는다. 본원에 참조 문헌으로 인용된 문헌[참조: D. Y. H. Pui et al., Aerosol Sci. and Tech., Vol.7, pp. 301-315(1987)]을 참조한다. The collection efficiency of a tube coil for a given particle size is a function of the inner diameter of the tube, the number of loops in the coil, the flow rate, and the gas and particle properties. For example, looking at the YbCl 3 particles in He flowing through four tubes with internal diameters of 1.5, 2, 3 and 4 mm, each tube has two and a half loops. The collection efficiencies of the different diameter coils for the particles of 1.0 μm are about 92%, 65%, 27% and 12%, respectively, and for the particles of 1.4 μm the corresponding efficiencies are about 99%, 84%, 48%, and 26% and the corresponding efficiencies for the 2.0 μm particles are about 100%, 100%, 72%, and 42%, respectively. Thus, small diameter (1.5 mm and 2 mm) tubes collect almost all of the particles having a size of about 2 μm or more, while diameters until the particle size reaches about 4 μm (3 mm tube) and are at least 5 μm (4 mm tube) These large (3mm and 4mm) tubes collect almost no particles. See DYH Pui et al., Aerosol Sci. and Tech., Vol. 7, pp. 301-315 (1987).
에어로졸 입자 크기는 통상적으로 입자 충돌 및 융합 시간으로 제어하고, 이는 도 2의 에어로졸 생성기(12a)의 설명과 관련하여 하기에 보다 자세히 기재되어 있다.Aerosol particle size is typically controlled by particle impingement and fusion time, which is described in more detail below in connection with the description of the
에어로졸 입자 크기가 LVP 도펀트의 효과적인 전달에 중요하므로, 증착 시스템으로 전달되는 입자의 크기 및/또는 수를 모니터링하고, 이에 대한 응답으로, 생성기(12a, 12a') 및/또는 필터(14)의 작동 매개변수를 제어하기 위해 전달 시스템에서 피드백 하부시스템(30)을 함유하는 것이 유리할 수 있다. 도 1에 도시된 바대로, 피드백 하부시스템(30)은 에어로졸 생성기(12a)에 의해 생성된 입자의 크기 및/또는 수를 탐지하는 센서(30.1)를 함유한다. 모니터(30.2)는 센서(30.1)에 의해 생성된 시그날을 가공하고 제어(예: 에러) 시그날을 제어기(30.3)로 송신시켜, 교대로 출력 버스(30.4)에서 하나 이상의 제어 시그날을 송신시킨다. 차후의 제어 시그날은 에어로졸 입자의 크기 및 수를 변경시키는 전달 시스템의 성분을 제어한다. 상기한 성분은 다양한 가스의 유동 속도를 제어하는 질량 유동 제어기 및/또는 에어로졸 생성기(12a)의 온도(들)을 제어하는 가열기를 함유한다.Since aerosol particle size is important for effective delivery of LVP dopants, the size and / or number of particles delivered to the deposition system can be monitored and, in response, the operation of
모니터(30.2)는, 예를 들면, 상업적으로 이용 가능한 입자 크기 분광계(도시되지 않음)를 함유할 수 있다.The monitor 30.2 may, for example, contain a commercially available particle size spectrometer (not shown).
에어로졸 생성기Aerosol generator
본 발명에서 사용하기에 적합한 에어로졸을 생성시키기 위한 여러 방법이 선 행 기술에 교시되어 있더라도, 에어로졸 생성기(12a, 12a')의 바람직한 설계도가 도 2에 도시되어 있다. 본 발명의 상기한 측면에 따라, 에어로졸 생성기(12a, 12a')는 서로 유체-유동 전달에서 연결된 용기(12.1), 제1 챔버(12.2) 및 제2 챔버(12.3)를 포함한다. 하나의 양태에 있어서, 제1 챔버는 제1 (예: 하부) 부분에 위치한 기포발생기 챔버(12.2)이고, 제2 챔버는 제2 (예: 상부) 부분에 위치한 냉각기 챔버(12.3)이다. 전구형 구역(12.S)은 기포발생기 챔버(12.2)의 바닥에 연결된다. 제1 가열기(12.4a)는 하부 부분을, 즉, 기포발생기 챔버(12.2) 및 전구형 구역(12.8) 둘 다를 둘러 싼다. 제1 유입구(12.5)는 1차 캐리어 가스(예: He)가 튜브(22)를 통해 전구형 구역(12.8)으로 공급되도록 하고, 제2 유입구(12.6)는 보다 차가운 제2 캐리어 가스(예: 실온 He)가 튜브(24)를 통해 냉각기 챔버(12.3)로 유동하도록 한다. 바람직하게는 제2 가열기가 냉각기 챔버(12.3)의 모든 부분(또는 상당 부분)을 둘러 싼다. 제2 가열기(12.4b)는 유리 벽에서 축합을 최소화하고 목적하는 에어로졸 입자 크기(들)을 생성시키기 위해 냉각기 챔버(12.3)를 기포발생기 챔버(12.2)보다 낮은 온도에서 유지시킨다. 배출 튜브(26)은 배출구(12.7)를 통해 냉각기 챔버(12.3)에 연결시킨다. Although several methods for producing aerosols suitable for use in the present invention are taught in the prior art, a preferred schematic of the
상기한 설명이 기포발생기 챔버(12.2) 및 냉각기 챔버(12.3)가 각각 생성기(12a)의 하부 및 상부에 위치하는 것으로 제안되어 있더라도, 당해 분야의 숙련된 당업자는 2개의 챔버가 다른 부분(예: 측면 대 측면으로)에 위치할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.Although the above description suggests that the bubbler chamber 12.2 and the cooler chamber 12.3 are located at the bottom and top of the
공정시, 전구형 구역(12.8)을 고순도 LVP 전구체 고체(12.9)(예: 상업적으로 이용 가능한 6개 내지 9개의 순수한 RE-클로라이드)로 충전하고, 당해 고체를 전구체를 액화시키고 목적하는 증기압을 수득하기에 충분한 비교적 높은 온도(예: 800 내지 1,100℃)로 가열하다. 1차 캐리어 가스는 전구체 액체(고온 영역)로부터 냉각기 챔버(12.3)(보다 찬 구역)로 전구체 증기를 반출시키면서 액화된 전구체를 통해 거품이 인다. (바람직하게는, 전구체 증기는 전구형 구역(12.8)에서 1차 캐리어 가스를 충분히 포화시킨다.) 그러나, 상당히 저온(예: 500℃)에서 유지되는 냉각기 챔버(12.3)에서, 전구체 증기는 과포화된다. 결과적으로, RE 에어로졸(12.0)이 냉각기 챔버(12.3)에서 형성되고 배출구(12.7)를 통해 용기를 빠져 나간다. 배출구는 실온에서 또는 실온 보다 약간 높은 온도에서 유지되는 배출 튜브(26) 및 전달 튜브(18)(도 1)를 통해 MCVD 시스템(16)과 유체-유동 전달로 연결된다. 보다 상세하게는, HVP 전구체가 전달 동안 튜브에서 축합되는 것을 막기 위해 튜브(18)는 HVP 기포발생기의 최고 온도(예: 도 1의 양태에서 SiCl4 기포발생기(12b)에 대한 38℃)보다 약간 높은 온도(예: 70℃)로 가열해야 한다. 상술한 바대로, 전달 시스템 설계에 따라, 에어로졸은 실온에서 또는 실온 보다 약간 높은 온도에서 배달될 수 있다. 일단 에어로졸이 기재 튜브(16.2)에서 증착이 발생하는 MCVD 시스템의 고온 영역에 도달하면, 에어로졸은 상술한 바대로 증기화되고 산화물로 전환된다. In the process, the precursor zone 12.8 is charged with high purity LVP precursor solids 12.9 (e.g., 6 to 9 pure RE-chlorides commercially available), and the solids are liquefied to obtain the desired vapor pressure. Heating to a relatively high temperature (eg 800-1100 ° C.) sufficient to The primary carrier gas bubbles through the liquefied precursor, withdrawing the precursor vapor from the precursor liquid (hot zone) to the cooler chamber 12.3 (cold zone). (Preferably, the precursor vapor sufficiently saturates the primary carrier gas in the global zone 12.8.) However, in the cooler chamber 12.3, which is maintained at a significantly low temperature (eg 500 ° C.), the precursor vapor is supersaturated. . As a result, an RE aerosol 12.0 is formed in the cooler chamber 12.3 and exits the vessel through the outlet 12.7. The outlet port is in fluid-flow transfer with the
생성기(12a)의 또 다른 양태에 있어서, 제1 챔버(12.2)는 반응 챔버이다. 이러한 경우에, 아전구체(sub-precursor)(예: Al 금속)를 제1 챔버에 위치시키고 가열하고, 1차 가스는 아전구체와 반응하여 증기 형태로 전구체 화합물(예: Al2Cl6) 을 생성시키는 가스(예: Cl2)이다. 상기한 증기를 냉각기 챔버로 대류 순환시키고, 보다 저온의 2차 캐리어 가스(예: He)를 냉각기 챔버를 통해 유동시키고, 에어로졸을 상술한 방식으로 형성한다. In another aspect of the
임의의 양태에서, 제2 (냉각기) 챔버(12.3)로 대류 순환된 증기는 LVP 물질(전구체 또는 아전구체)로부터 유도된 하나 이상의 화학 원소를 함유하고, 당해 원소는 궁극적으로 형성된 유리 바디에서 도펀트가 된다. 전구체 공급원(12)과 MCVD 시스템(16) 사이의 연결은 예시적으로는 3방향 밸브(13a-d)에 의해 제어한다. 각각의 밸브는 오프 벤트 및 런 포지션을 갖는다. 도시된 바대로, 밸브는 생성기가 계속 움직이고, 필요한 경우에만, 전구체를 MCVD 시스템(16)으로 전달하도록 하는 벤트 위치에 있다. 이러한 특징은 시작시 변동을 감소시킨다. 장치(10)가 전구체 에어로졸을 MCVD 시스템(16)으로 전달할 준비가 될 때, 사전 선택된 밸브를, 상응하는 선택된 공급원(12)을 시스템(16)과 유체-유동 전달로 위치시키는 이의 런 포지션으로 회전시킨다.In some embodiments, the vapor convection circulated to the second (cooler) chamber 12.3 contains one or more chemical elements derived from LVP material (precursor or subprecursor), which element ultimately forms a dopant in the formed glass body. do. The connection between precursor source 12 and
상기 기재된 바대로, 에어로졸 입자 크기는 통상적으로 입자 충돌 및 융합 시간으로 측정한다. 용적 충전량(캐리어 가스 용적당 에어로졸 용적)에 따라 변하는 충돌 시간은 가열기(12.4a)의 온도(즉, RE 클로라이드(12.9)의 온도), 1차 캐리어 가스의 튜브(22)로의 유동 속도 및 희석 가스의 튜브(24)로의 유동 속도로 제어한다. 반면, 융합 시간은 가열기(12.4b)의 온도(즉, 냉각기 챔버(12.3)의 온도), 가열기(12.4b)로 둘러싸이지 않은 냉각기 챔버의 비율, 냉각기 챔버 배출구(12.7)의 형태, 희석 가스의 튜브(24)로의 유동 속도, 및 희석 가스의 온도로 제어된다.As described above, aerosol particle size is typically measured by particle collision and fusion time. The impact time, which depends on the volume fill (aerosol volume per carrier gas volume), depends on the temperature of the heater 12.4a (ie, the temperature of RE chloride (12.9)), the flow rate of the primary carrier gas into the
본 발명의 시스템은 다수의 중요한 특징 및 이점을 갖는다. (1) 고순도 전구체, 예를 들면, 금속 클로라이드를 이용하는 능력은, 추가의 정제 단계를 필요하지 않게 한다. (2) 본 발명의 에어로졸 생성기의 크기 및 설계는 캐리어 가스가 전구체와 접촉시 기포가 발생하는 비교적 긴 시간(예: 긴 체류 시간) 동안 에어로졸 생성기가 필수적으로 동일한 중량 출력을 생성시키도록 하고 작은 기포(큰 표면-대-용적 비)를 생성시키는 능력은 전구체 증기가 캐리어 가스와 평형에 도달하도록 한다. 생성기는 용이하게는 수천 시간의 사용 후에만 재충전이 필요하도록 설계될 수 있고, 이는 HVP 도펀트로만 제조된 모재와 같이 MCVD 모재들 사이의 설정 시간을 빠르게 만든다. (3) 본 발명의 에어로졸 생성기는 시스템의 다른 부품들과 독립적이다. 이러한 특징은 임의의 수의 에어로졸 생성기(많은 잠재 도펀트)가 증착 시스템에 첨가되도록 한다. (상기 언급된 바대로, 에어로졸 생성기는 예시적으로는 병렬로, 아니면 연속으로 첨가된다.) 또한, 본 발명의 전달 시스템, 및 이에 따른 전달 시스템이 혼입된 전체 섬유 제조 시스템은 시스템 작동자 또는 장치 그 자체의 성능에 덜 의존적이다. 즉, 본 발명의 에어로졸 전구체는 캐리어 가스로 포화에 도달하고, 온도는 제어하기에 보다 용이하고 선행 기술의 접근법보다 보다 명확히 공지되어 있다. 더욱이, 3방향 스위치는 본 발명의 LVP 전구체 생성기(및 표준 기포발생기)가 항상 평형 상태에 도달하도록 한다. (전구체 증기압은 시간에 따라 상당히 변하지 않는다.)The system of the present invention has a number of important features and advantages. (1) The ability to use high purity precursors, for example metal chlorides, eliminates the need for additional purification steps. (2) The size and design of the aerosol generator of the present invention allows the aerosol generator to produce essentially the same weight output for a relatively long time (e.g. long residence time) when the carrier gas is bubbled in contact with the precursor. The ability to produce (large surface-to-volume ratio) allows precursor vapors to reach equilibrium with the carrier gas. The generator can be easily designed to require recharging only after thousands of hours of use, which speeds up the settling time between MCVD substrates, such as substrates made only with HVP dopants. (3) The aerosol generator of the present invention is independent of the other parts of the system. This feature allows any number of aerosol generators (many latent dopants) to be added to the deposition system. (As mentioned above, the aerosol generators are exemplarily added in parallel or in series.) Furthermore, the delivery system of the present invention, and thus the entire fiber production system incorporating the delivery system, is a system operator or device. It is less dependent on its performance. That is, the aerosol precursor of the present invention reaches saturation with the carrier gas, and the temperature is easier to control and is more clearly known than the prior art approach. Moreover, the three-way switch ensures that the LVP precursor generator (and standard bubble generator) of the present invention always reaches equilibrium. (The precursor vapor pressure does not change significantly over time.)
작동 조건Operating conditions
본 단락은 본 발명의 하나의 양태에 따르는 Yb-도핑된 광섬유의 MCVD 제조에 대한 예시적인 작동 조건을 기재한다. 에어로졸 생성기(12a)는 전구체 YbCl3를 함유한다. YbCl3의 양 및 생성기의 형태는, 튜브(22)를 통한 1차 He 유동이 튜브(22)를 통해 유동(버블링) 될 때, YbCl3가 이의 평형 증기압에 도달하도록 한다. 생성기의 표준 작동 온도는 950℃이지만, 높거나 낮은 에어로졸 용적 충전량이 바람직한 경우, 목적하는 바대로 승온시키거나 감온시킬 수 있다(예: 800℃ 내지 1,100℃). 상기 기재된 바대로, 일반적으로 2개의 He가 튜브(22, 24)를 통해 에어로졸 생성기(12a)로 유동하는 경우가 있다. 튜브(22)를 통한 1차 He 유동이 액화된 YbCl3(12.9)를 통해 버블링되는 전구형 구역(12.8)의 바닥으로 유동한다. 임의이지만 바람직한, 튜브(24)를 통한 2차 He 유동은 실온 내지 950℃(예: 500℃)에서 일어나고 포화된 YbCl3 증기를 냉각시키고, YbCl3 증기를 과포화시키고 에어로졸을 형성하는 냉각기 챔버(12.3)로 유동한다. 또한, 2차 He 유동은 에어로졸 용적 충전물을 희석시킨다. 일반적으로 총 유동량(기포발생기양 및 희석양)은 일정하고 약 0.5 내지 2ℓ/min의 범위이다. 표준 유동량은 He 유동량 각각에 대해 약 0.5ℓ/min이다. 일반적인 범위는 약 0.2 내지 1ℓ/min이지만, 이보다 높거나 낮은 유동 속도를 사용할 수 있다. This paragraph describes exemplary operating conditions for MCVD fabrication of Yb-doped optical fibers in accordance with one aspect of the present invention.
시스템이 평형 조건에서 실행되도록 가열기(12.4a, 12.4b)의 온도 및 He 캐이러 가스의 유동 속도는 실행 시작 전에 설정한다. 시작 동안 또는 YbCl3 에어로 졸이 MCVD 시스템(16)으로 전달되지 않을 때마다, 에어로졸을 3방향 밸브(13a)를 사용하여 시스템(16) 대신에 벤트로 보낸다.The temperature of the heaters 12.4a and 12.4b and the flow rate of the He Kaer gas are set before the start of the run so that the system runs at equilibrium conditions. During startup or whenever no YbCl 3 aerosol is delivered to the
MCVD 시스템(16)은 표준 방식으로 설정하고 작동시킨다. 비-Yb 도핑된 유리 층이, 예를 들면, 섬유 클래딩에서 바람직하다는 것을 가정하여, 상기 층들을 폐쇄 밸브(13a)로, 달리 표준 MCVD 기술을 사용하여 제조한다. 예시적으로는, Yb 도핑은 섬유 코어에만 존재하고, Yb 분포는 필수적으로 방사상 균일하다. 마지막 클래딩 층의 말단에서, YbCl3 에어로졸이 전달 튜브로 유동하도록 밸브(13a) 스위치를 킨다. 에어로졸은 다른 선택된 증기 도펀트 모두와 함께 회전 실(seal)로 유동한다. 밸브(13b, 13c) 스위치를 키고 밸브(13d) 스위치를 끔으로써, 예를 들면, SiCl4 및 GeCl4를 선택한다. 표준 MCVD 방법 및 온도를 사용하여 기재 튜브(16.2)의 벽 내부에 수트를 형성시키고, 증착시키고, 소결시킨다. 추가의 정제 공정이 필요하지 않다. 목적하는 수의 Yb-도핑된 코어 층이 증착될 때, 모든 에어로졸 및 증기 도펀트의 유동을 각각 3방향 밸브(13a 내지 13d)를 사용하여 중지시킨다. 기재 튜브(16.2)에서의 압력은 감소하고, 튜브(16.2)는 표준 MCVD 기술을 사용하여 모재로 붕괴시킨다. 이어서, 모재를 표준 섬유 인출 기술을 다시 사용하여 적합한 길이의 광섬유로 인출시킨다. The
코어 층의 증착에 대한 예시적인 조건 및 유동 속도 다음과 같다. (1) YbCl3 에어로졸 생성기(12a): 가열기(12.4a)의 온도 = 950℃; 가열기(12.4b)의 온도 = 500℃(일반적으로 실온 내지 가열기(12.4a)의 온도); 1차 He의 유동 속도(기포발 생기 유동 속도) = 0.5ℓ/min; 및 2차 He의 유동 속도(희석 유동 속도) = 0.5ℓ/min 및 (2) SiCl4 생성기(12b): 가열기의 온도 = 38℃(적합한 범위: 25 내지 60℃); 또는 증기 생성기(12b)를 통한 유동 속도 = 100sccm(적합한 범위: 50 내지 2,000sccm); 및 생성기(12b)를 통한 추가의 O2 유동 속도 = 900sccm(적합한 범위: 0 내지 2,000sccm); 토치(16.5)의 횡단 속도 = 80mm/min(적합한 범위: 40 내지 200mm/min); 및 모재 튜브(16.2)의 증착/소결 온도 = 2,000℃(적합한 범위: 1,700 내지 2500℃).Exemplary conditions and flow rates for deposition of the core layer are as follows. (1) YbCl 3 aerosol generator 12a: temperature of heater 12.4a = 950 ° C .; Temperature of heater 12.4b = 500 ° C. (typically from room temperature to heater 12.4a); Flow rate of primary He (bubble flow rate) = 0.5 l / min; And flow rate (dilution flow rate) of secondary He = 0.5 L / min and (2) SiCl 4 generator 12b: temperature of heater = 38 ° C. (suitable range: 25 to 60 ° C.); Or flow rate through steam generator 12b = 100 sccm (suitable range: 50-2,000 sccm); And additional O 2 flow rate through generator 12b = 900 sccm (suitable range: 0-2,000 sccm); Traverse speed of torch 16.5 = 80 mm / min (suitable range: 40 to 200 mm / min); And deposition / sintering temperature of the base tube 16.2 = 2,000 ° C. (suitable range: 1,700 to 2500 ° C.).
상응하는 5개 이상의 RE-도핑된 코어 층이 증착되도록 일반적으로 5개 이상의 코어가 통과한다(기재 튜브(16.2)를 따르는 가열원(16.6)이 전환된다). 물론 5개 이상의 또는 5개 이하의 층이 증착될 수 있다. Five or more cores are generally passed through so that the corresponding five or more RE-doped core layers are deposited (heating source 16.6 along substrate tube 16.2 is switched). Of course, more than five or less than five layers can be deposited.
에어로졸 및 증기를 생성기(12)로부터 회전 실로 전달하기 위해 적합한 튜브는 외부 직경이 3/8inch인 테플론 튜브(18)를 함유한다. 큰 YbCl3 입자를 여과시키기 위한 (임의의 필터(14)로서의) 적합한 침강 챔버는 내부 직경이 3inch인 튜브를 포함하고, 당해 튜브는 큰 입자가 중량으로 인해 캐리어 가스 스트림으로부터 침강되도록 충분히 유동량을 감소시킨다.Suitable tubes for delivering aerosol and vapor from the generator 12 to the rotating chamber contain
훨씬 또 다른 양태에 있어서, 본 발명의 방법은 임의의 유기 화합물(예: 용매 또는 전구체)을 사용하지 않고, 그 자체로 또한 선행 기술의 당해 화합물의 사용에 따른 부산물인 바람직하지 않은 오염물질(예: H2O 및 다른 수소 함유 종류)을 포함하지 않는다. 특히, LVP 에어로졸 입자 및 캐리어 가스는 유기 화합물을 포함 하지 않는다. 결과적으로, 본 발명의 공정은 상기한 오염물질을 제거하기 위한 임의의 추가의 정제 단계를 필요로 하지 않는다.In yet another embodiment, the process of the present invention does not use any organic compounds (such as solvents or precursors), and by itself is also an undesired contaminant (such as a byproduct of the use of such compounds of the prior art). : H 2 O and other hydrogen-containing species). In particular, the LVP aerosol particles and the carrier gas do not contain organic compounds. As a result, the process of the present invention does not require any further purification steps to remove the above contaminants.
실시예Example
당해 실시예들은 Yb-도핑된 실리카 광섬유의 제조에 대해 기술한다. 다양한 물질, 면적 및 작동 조건이 예시로서만 제공되고, 달리 기재되어 있지 않는 한, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않는다. 당해 실시예들에서, YbCl3은 Yb의 LVP 전구체이고, Yb는 실리카 섬유에서 도펀트로서 사용된다. (Yb는 실제로 산화물로서 섬유로 혼입되지만, 당해 분야에 널리 공지된 바대로, 도핑된 실리카의 입자 특성을 변경하는 것은 Yb 원소이다.) 침강 챔버는 필터(14)로서 사용된다. These examples describe the preparation of Yb-doped silica optical fibers. Various materials, areas and operating conditions are provided by way of example only and are not to be construed as limiting the scope of the invention unless otherwise noted. In these embodiments, YbCl 3 is the LVP precursor of Yb and Yb is used as a dopant in silica fibers. (Yb is actually incorporated into the fiber as an oxide, but as is well known in the art, it is the Yb element that changes the particle properties of the doped silica.) The settling chamber is used as the
실시예Example 1: One:
실시예 1은 본 발명에 따라 제조된 Yb-AI-도핑된 실리카 모재에 대해 기술한다. YbCl3 에어로졸 생성기(12a)는 Yb의 고농도를 성취하기 위해 975℃에서 유지시킨다. 용융된 YbCl3를 통해 버블링된 1차 He 유동을 0.5ℓ/min으로 설정하고, 냉각기 챔버(12.1)에서 포화된 YbCl3 증기를 냉각시키는 2차 He 유동을 0.3ℓ/min으로 설정한다. 시스템이 평형에 도달하도록 하는 전달 전 1시간 동안 에어로졸 생성기를 위한 상기한 조건을 유지시킨다. Example 1 describes a Yb-AI-doped silica matrix prepared according to the present invention. YbCl 3 aerosol generator 12a is maintained at 975 ° C. to achieve high concentrations of Yb. The primary He flow bubbled through the molten YbCl 3 is set to 0.5 l / min and the secondary He flow to cool the saturated YbCl 3 vapor in the cooler chamber 12.1 is set to 0.3 l / min. The above conditions for the aerosol generator are maintained for 1 hour before delivery to allow the system to reach equilibrium.
MCVD 시스템(16)을 일반적인 방식으로 설정하고, Yb-AI-도핑된 실리카 수트 층의 증착 전의 모든 단계를 벤트로 설정된 에어로졸 3방향 밸브(13a)로 표준 MCVD 기술을 사용하여 수행한다. Yb-AI-도핑된 층의 증착을 위해, 에어로졸이 전달 관으로 진입하고 다른 전구체 및 공정 가스(예: He, O2)와 혼합되도록 밸브(13a) 스위치를 낀다. SiCl4 기포발생기(12b)를 38℃에서 유지시킨다. O2 100sccm을 SiCl4 전구체를 통해 버블링시킨다. Al2Cl6 증기를 Al(실리카 속의 산화물로서 혼입됨)을 위한 전구체로서 사용하고, 6.7sccm의 속도에서 기재 튜브(16.2)로 직접 유동한다. 전구체 이외에, O2 900sccm 및 He 400sccm을 산화 및 소결을 각각 돕기 위해 유동한다. 전구체를 H2/O2 토치(16.5)를 기재 튜브(16.2)를 통해 횡단시켜 관의 외부 표면을 2,100℃로 가열함으로써 산화시킨다. The
적합한 수의 클래딩 층을 먼저 증착시킨다. 이어서, 8개의 Yb-AI-도핑된 코어 층이 증착된 후, 밸브(13a)를 벤트 위치로 돌려 보내고, 기재 튜브에서의 압력을 감소시키고, 증착된 층을 함유하는 기재 튜브를 일반적인 방식으로 봉으로 붕괴시킨다. 상기 모재의 Yb-Al-도핑된 구역과 도핑되지 않은 구역과의 상대 지수 차이는 0.007이고, Yb 농도는 대략 1.6중량%이다. 8개의 층은 7mm2의 횡단 면적을 생성시킨다. A suitable number of cladding layers are first deposited. Subsequently, after eight Yb-AI-doped core layers have been deposited, return
실시예Example 2: 2:
실시예 2는 또 다른 Yb-AI-도핑된 실리카 모재, 및 이로부터 인출된 섬유의 제조에 대해 기술한다. 에어로졸 생성기(12a)는 950℃에서 유지시킨다. 용융된 YbCl3를 통해 버블링된 1차 He 유동을 0.38ℓ/min으로 설정하고, 냉각기 챔버(12.1)에서 포화된 YbCl3 증기를 냉각시키는 2차 He 유동을 0.5ℓ/min으로 설정한다. 시스템이 평형에 도달하도록 하는 전달 전 1시간 동안 에어로졸 생성기를 위한 상기한 조건을 유지시킨다. Example 2 describes the production of another Yb-AI-doped silica matrix, and fibers drawn therefrom. The
MCVD 시스템(16)을 일반적인 방식으로 설정하고, Yb-AI-도핑된 실리카의 증착 전의 모든 단계를 벤트로 설정된 에어로졸 3방향 밸브(13a)로 표준 MCVD 기술을 사용하여 수행한다. Yb-AI-도핑된 층의 증착을 위해, 에어로졸이 전달 관으로 진입하고 다른 전구체 및 공정 가스와 혼합되도록 밸브(13a) 스위치를 낀다. SiCl4 기포발생기(12b)를 38℃에서 유지시킨다. O2 100sccm을 SiCl4 전구체를 통해 버블링시킨다. 실시예 1에서와 같이, Al2Cl6 증기를 Al를 위한 전구체로서 사용하고, 5sccm의 속도에서 기재 튜브(16.2)로 직접 유동한다. 전구체 이외에, O2 900sccm 및 He 200sccm을 산화 및 소결을 각각 돕기 위해 유동한다. 전구체를 H2/O2 토치를 기재 튜브(16.2)를 통해 횡단시켜 관의 외부 표면을 2,000℃로 가열함으로써 산화시킨다. The
적합한 수의 클래딩 층을 먼저 증착시킨다. 이어서, 8개의 Yb-AI-도핑된 코어 층이 증착된 후, 밸브(13a)를 벤트 위치로 돌려 보내고, 기재 튜브에서의 압력을 감소시키고, 증착된 층을 함유하는 기재 튜브를 일반적인 방식으로 봉으로 붕괴 시킨다. 상기 모재의 Yb-Al-도핑된 구역과 도핑되지 않은 구역과의 상대 지수 차이는 0.006이고, Yb 농도는 대략 0.8중량%이다. 8개의 층은 7mm2의 횡단 면적을 생성시킨다. A suitable number of cladding layers are first deposited. Subsequently, after eight Yb-AI-doped core layers have been deposited, return
이어서, 상기 모재를 실리카 관으로 자켓팅하고 섬유로 인출하여 975nm의 펌프 파장에서 단일-횡단-모드 작동을 유지하도록 정확한 코어/클래드 기하학을 수득한다.The base material is then jacketed with a silica tube and drawn into a fiber to obtain accurate core / clad geometry to maintain single-cross-mode operation at a pump wavelength of 975 nm.
상기 기재된 바대로 제조된, Yb-AI-도핑된 코어 구역을 갖는 광섬유는 공지된 상업적으로 이용 가능한 최상의 섬유보다 상당히 낮은 감소된 광흑화를 나타낸다. 보다 자세하게는, 도 3은 2가지 경우를 비교한다. 곡선 I - 낮은 광흑화 섬유로서 판촉되고 판매되는 상업적으로 이용 가능한 Yb-도핑된 섬유, 및 곡선 II - YbCl3-전구체가 본 발명의 하나의 양태에 따라 SCA로서 전달되는 표준 MCVD 시스템을 사용하여 제조된 Yb-도핑된 섬유. Optical fibers with Yb-AI-doped core zones, prepared as described above, exhibit reduced light blackening significantly lower than the best known commercially available fibers. More specifically, FIG. 3 compares the two cases. Curve I-a commercially available Yb-doped fiber promoted and sold as low photoblackened fiber, and curve II-YbCl 3 -precursor prepared using a standard MCVD system in which it is delivered as SCA according to one aspect of the present invention. Yb-doped fibers.
상업적으로 이용 가능한 섬유(곡선 I)는 1,000초 후 이의 본래 전력의 약 8%가 손실되지만, 본 발명의 섬유는 동일한 시간 간격에서 이의 본래 전력의 약 2%만이 손실되면서 상기 섬유보다 우수하게 4회 수행된다. 본 발명자들이 아는 한, 본 발명의 섬유는 임의의 고농도 Yb-도핑된 실리카 섬유의 최상의 광흑화 특성을 나타낸다. A commercially available fiber (curve I) loses about 8% of its original power after 1,000 seconds, but the fiber of the invention is four times better than the fiber with only about 2% of its original power lost at the same time interval. Is performed. To the best of our knowledge, the fibers of the present invention exhibit the best photodarkening properties of any high concentration of Yb-doped silica fibers.
대안적인 양태Alternative aspects
상기 기재된 배열은 많은 가능한 특정한 양태의 단지 일례이고, 이를 가정하에 본 발명의 원칙을 응용할 수 있는 것으로 이해된다. 당해 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 원리 및 범위를 벗어남이 없이 수많은 그리고 다양한 다른 배열을 본 발명의 원칙에 따라 가정할 수 있다. The above-described arrangement is only one example of many possible specific embodiments, and it is understood that the principles of the invention can be applied with this assumption. Those skilled in the art can make numerous and various other arrangements in accordance with the principles of the invention without departing from the principles and scope of the invention.
특히, SCA를 형성하는 많은 방법이 있다. 전구체 증기로 포화되는 캐리어 가스 스트림을 빨리 냉각시켜, 고포화를 유발하고, 교대로 전구체를 균질한 뉴클리에이트(nucleate)로 발생시켜 에어로졸 입자를 형성하는 것이 바람직하다. 냉각은 전도 냉각, 방사 냉각 혼합, 또는 단열 팽창으로 발생할 수 있다[참조: S.K. Friedlander, Snore Dust and [laze, John Wiley & Sons, New York, NY, 1977(참조 문헌으로서 본원에 인용되어 있다)]. 그러나, 또한 화학반응을 사용하여 에어로졸을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상술된 바대로, RE 클로라이드가 증기인 온도(예: 950℃)에서 RE 클로라이드를 산소와 반응시킨다. 이러한 고온에서 산화물은 RE 산화물 에어로졸을 형성할 수 있다. 반면, 아전구체, 예를 들면, 알루미늄(Al)은 Cl2와 반응하여 Al2Cl6 증기(예: 350℃에서)를 생성시키고, 이어서 당해 증기는 냉각되어 에어로졸을 형성할 수 있다(참조: 제1 챔버(12.2)가 반응 챔버인 생성기(12a)의 상기 설명).In particular, there are many ways to form SCA. It is desirable to rapidly cool the carrier gas stream saturated with precursor vapors, causing high saturation, and alternately generating precursors into homogeneous nucleates to form aerosol particles. Cooling may occur by conduction cooling, radial cooling mixing, or adiabatic expansion (SK Friedlander, Snore Dust and [laze, John Wiley & Sons, New York, NY, 1977, which is incorporated herein by reference]]. . However, chemical reactions can also be used to form aerosols. For example, as described above, RE chloride is reacted with oxygen at a temperature at which RE chloride is steam (eg, 950 ° C.). At these high temperatures the oxide can form a RE oxide aerosol. On the other hand, a precursor, for example aluminum (Al), may react with Cl 2 to produce Al 2 Cl 6 vapor (eg at 350 ° C.), which may then be cooled to form an aerosol (see: The above description of the generator (12a) wherein the first chamber (12.2) is a reaction chamber.
또한, 에어로졸 입자가 수행 튜브(16.2)로 유동하기 전에 이를 증기화시키는 것이 유리할 수 있다. 도 3에 도시된 바대로, 에어로졸(12.0)은 공급 튜브(16.1) 내부에 동심원으로 위치하는 튜브(16.7)로 유동한다. 이의 말단 근처에 내부 튜 브(16.7)을 외부 가열원(16.9)으로 가열하다. 에어로졸(12.0)은 증기화된 후, 증기로서 모재 튜브(16.2)로 유동한다(도 1). 산소는 공급 튜브(16.1)으로 흘러 도 1의 전달 시스템으로 전달되는 에어로졸 및 증기를 산화시킨다. 또는, 산소는 내부 튜브(16.7)로 유동할 수 있고 에어로졸은 공급 튜브(16.1)으로 유동할 수 있다. (내부 관의 1차 목적은 에어로졸이 사전에 산화되지 않도록, 즉 에어로졸이 증기화되기 전에, 에어로졸 및 산소를 각각 유지시키는 것이다.) It may also be advantageous to vaporize the aerosol particles before they flow into the performance tube 16.2. As shown in FIG. 3, the aerosol 12.0 flows into a tube 16.7 located concentrically inside the feed tube 16.1. Near its end, the inner tube (16.7) is heated with an external heating source (16.9). The aerosol 12.0 is vaporized and then flows into the base tube 16.2 as steam (FIG. 1). Oxygen flows into feed tube 16.1 to oxidize the aerosol and vapor that is delivered to the delivery system of FIG. 1. Alternatively, oxygen can flow into the inner tube 16.7 and the aerosol can flow into the feed tube 16.1. (The primary purpose of the inner tube is to maintain the aerosol and oxygen respectively so that the aerosol is not oxidized beforehand, ie before the aerosol is vaporized.)
고중량 충전량에 대해 에어로졸 입자가 보다 커진다면, 또는 에어로졸 입자가 긴 전달 체류 시간으로 인해 (여과에도 불구하고) 너무 많이 응집되고 섬유가 바람직하지 않은 희토류 클러스터링의 신호를 나타내기 시작한다면, 당해 방법은 바람직할 수 있다. 가열된 튜브(16.7)를 사용하지 않을 때, 입자가 이상적인 (HVP 증기와 혼합된 LVP 증기)를 형성하는 MCVD 시스템의 고온 영역에 접근하거나 증기화되기 전에 산화됨으로써 입자는 증기화된다. 입자가 산화되기 전에 완전히 증기화된다면, 전달된 입자의 크기는 전달 효율면에서 중요하지만, 섬유의 광학 특성면에서는 그렇지 않다. YbCl3과 어떠한 현상이 발생하는지에 대한 몇몇 표시가 있다. 그러나, 다른 RE 도펀트로 RE-클로라이드 입자가 우선 산화될 수 있고, 이러한 경우에 입자의 크기는 산화물 입자의 크기에 영향을 미칠 수 있어, 이의 크기는 중요하고 가능한 크기가 작을 필요가 있다. If the aerosol particles are larger for high weight charges, or if the aerosol particles are agglomerated too much (in spite of filtration) due to the long delivery residence time and the fibers begin to signal undesirable rare earth clustering, the method is preferred. can do. When the heated tube 16.7 is not used, the particles are vaporized by being oxidized before they approach or vaporize the hot zone of the MCVD system forming the ideal (LVP vapor mixed with HVP vapor). If the particles are completely vaporized before they are oxidized, the size of the delivered particles is important in terms of transfer efficiency, but not in terms of the optical properties of the fibers. There are several indications of what happens with YbCl 3 . However, the RE-chloride particles may first be oxidized with other RE dopants, in which case the size of the particles may affect the size of the oxide particles, so that their size is important and the size as small as possible needs to be.
에어로졸을 금속 클로라이드로서 증착 시스템에 전달하는 것 대신에, 에어로졸을 산화물로서 전달할 수도 있다. 예를 들면, 임의의 산화제를 각각의 에어로졸 생성기(12a, 12a')와 증착 시스템(16) 사이에 위치시킬 수 있다. 산화제는 도 1에 도시된 바대로 산화 챔버(20)를 분리시킬 수 있거나 단순히 (O2가 튜브(24)로 유동하고 He가 튜브(22)로 유동하는) 생성기(12a)의 상부 챔버(12.3)일 수 있다. 그러나, 산화물은 극히 낮은 증기압을 가질 수 있고, 이는 산화물 입자가 기재 튜브의 고온 영역에서 증기화되지 않아서, 증착된 유리 층에서 덜 균질화될 수 있다는 것을 의미한다. 그럼에도 불구하고, 당해 분야의 숙련된 당업자는, 예를 들면, 산화물의 사용이 에어로졸 입자의 전달을 개선시키거나, 산화물의 사용이 특정 도펀트의 에어로졸을 형성시키기 위한 오직 1가지 방법만을 가질 때, 다른 이유로 에어로졸을 산화물로서 전달시키는 것이 유리하다는 것을 알 수 있을 것이다. Instead of delivering the aerosol as a metal chloride to the deposition system, the aerosol may be delivered as an oxide. For example, any oxidant may be placed between each
마지막으로, 본 발명의 에어로졸 공정의 특정 양태는 광 도파로를 제조하기 위한 방법/장치로서 기재되어 있고 청구되어 있고, 광섬유를 제조하는 경우에, 우선 모재를 제조하고 이로부터 섬유를 후속적으로 인출시키는 세부 공정을 함유하도록 의도된다. Finally, certain aspects of the aerosol process of the present invention have been described and claimed as a method / apparatus for manufacturing an optical waveguide, and in the case of manufacturing optical fibers, firstly preparing a base material and subsequently drawing fibers therefrom. It is intended to contain detailed processes.
다성분Multicomponent 에어로졸 Aerosol
상기 기재된 바대로, 본 발명에서 사용되는 에어로졸은 SCA 또는 MCA일 수 있다. MCA의 경우에, 각각의 에어로졸 입자는 도펀트 또는 호스트 물질의 전구체(예: 클로라이드) 및/또는 도펀트 또는 호스트 물질의 산화물을 함유하는 2개 이상의 화합물을 포함한다. 예를 들면, MCA는 각각의 입자가 2개(또는 2개 이상)의 RE 도펀트 전구체, 예를 들면, YbCl3 및 ErCl3의 복합재인 입자를 포함한다. 또는, MCA는 각각의 입자가 각각 RE 도펀트 전구체 및 비-RE LVP 도펀트, 예를 들면, YbCl3 및 AlO3(알루미나)의 복합재인 입자를 포함한다. 반면, MCA는 각각의 입자가 RE 도펀트 전구체(예: YbCl3) 및 HVP 도펀트(예: Ge2O3)의 산화물 및/또는 호스트 물질(예: SiO2)의 산화물의 복합재인 입자를 포함한다.As described above, the aerosol used in the present invention may be SCA or MCA. In the case of MCA, each aerosol particle comprises two or more compounds containing a dopant or precursor of a host material (eg chloride) and / or an oxide of the dopant or host material. For example, MCA includes particles in which each particle is a composite of two (or more than two) RE dopant precursors, such as YbCl 3 and ErCl 3 . Alternatively, the MCA includes particles in which each particle is a composite of a RE dopant precursor and a non-RE LVP dopant, for example YbCl 3 and AlO 3 (alumina). MCA, on the other hand, includes particles in which each particle is a composite of an oxide of an RE dopant precursor (eg YbCl 3 ) and an HVP dopant (eg Ge 2 O 3 ) and / or an oxide of a host material (eg SiO 2 ). .
MCA 에어로졸은, 예를 들면, 도 2의 생성기(12a)를 사용하여 생성시킬 수 있다. 따라서, 생성기(12a)의 보다 저온의 2차 캐리어 가스는 RE 증기의 축합을 개시시키기 위해 적합한 시드 입자를 함유할 수 있다. 또는, 시드 입자는 그 자체로 또 다른 별개의 생성기에 의해 생성될 수 있다. 일반적으로, 시드 입자는 LVP 전구체 또는 산화물, 예를 들면, RE 클로라이드, 또는 알루미나일 수 있거나, 시드 입자는 HVP 산화물, 예를 들면, SiO2 또는 Ge2O3, 또는 이들의 배합물, 즉, 다성분 시드 에어로졸일 수 있다.The MCA aerosol can be produced, for example, using
후자의 경우에, 시드 입자는 바람직하게는 각각의 에어로졸 성분의 균질한 배합물이고, 이는 균질한 유리 바디, 특히 광섬유의 제조시 유리하다. In the latter case, the seed particles are preferably a homogeneous blend of the respective aerosol components, which is advantageous in the production of homogeneous glass bodies, in particular optical fibers.
따라서, 본 발명의 또 다른 측면에 따라, 본 발명은 다수의 성분을 포함하며 이들 성분 중의 하나 이상의 성분이 제1 LVP 전구체를 갖는 제1 도펀트인 유리 바디를 제조하는 방법으로서, LVP 전구체의 증기를 제공하는 단계(al) 및 LVP 증기를 과포화시켜 에어로졸을 형성하는 단계(a2)를 포함하는, 제1 LVP 전구체를 함유하는 제1 입자를 포함하는 제1 에어로졸을 생성시키는 단계(a); 다른 성분들의 증기를 별개로 생성시키는 단계(b); 단계(a)의 에어로졸 및 단계(b)의 증기를, 기판을 함 유하는 증착 시스템으로 대류 순환시키는 단계(c); 및 단계(c)에서 대류 순환된 에어로졸 및 증기가 함유된 도펀트를 포함하는 하나 이상의 도핑된 층을 기판의 표면에 형성시키는 단계(d)를 포함하는, 유리 바디의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 이러한 측면에서, 에어로졸은 MCA 또는 SCA일 수 있다. Thus, according to another aspect of the invention, the invention is a method of making a glass body comprising a plurality of components, wherein at least one of the components is a first dopant having a first LVP precursor, wherein the vapor of the LVP precursor is produced. Generating (a) a first aerosol comprising first particles containing a first LVP precursor, comprising (a) and supersaturating the LVP vapor to form an aerosol; Separately generating steam of the other components; (C) convection circulating the aerosol of step (a) and the vapor of step (b) to a deposition system containing a substrate; And (d) forming on the surface of the substrate at least one doped layer comprising a dopant containing convection circulated aerosol and vapor in step (c). In this aspect of the invention, the aerosol can be MCA or SCA.
당해 방법은 도 1 내지 도 2와 관련하여 상기 기재된 장치를 사용하여 수행할 수 있다. The method can be carried out using the apparatus described above in connection with FIGS.
본 발명에 따르는 에어로졸 전달 시스템은 RE 전구체와 같은 LVP 전구체를 용이하게 단시간 내에 핸들링할 수 있으며, MCVD, OVD 및 VAD와 같은 다양한 유리 증착 시스템과 연계해서 사용될 수 있고, 광섬유 및 평면형 도파로 뿐만 아니라 유리 수트도 포함하는 유리 바디의 제조에도 적용될 수 있다.The aerosol delivery system according to the present invention can easily handle LVP precursors such as RE precursors in a short time, and can be used in conjunction with various glass deposition systems such as MCVD, OVD and VAD, as well as fiber optic and planar waveguides. It can also be applied to the manufacture of a glass body comprising.
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