[发明专利]制造纳米结晶玻璃陶瓷纤维的方法

说明书

要求的优先权

本申请要求以George H.Beall、Linda R.Pinckney、William Vockroth和Ji Wang的名义于1999年10月18日提交的题为“纳米结晶玻璃陶瓷纤维和其制造方法”的美国临时申请No.60/160,052的权利。

发明的领域

一种制造玻璃陶瓷光电材料的方法，所述材料包含掺杂有至少一种光学活性金属的纳米晶体(nanocrystal)。

发明的背景

在过去几十年中，纤维光学系统已成为长途通讯的标准。这种占优势的地位归因于其光学连接相对于较传统的金属基系统来说有若干优点，它们包括较低的损耗、较高的信息容量、每个通道上的成本低、对串话和电干扰的抗性以及较小的物质质量。目前，光纤系统在大于1000km的距离上每秒钟可传递数百万亿比特。即使光纤的容量在数量级上超过金属连接的容量，但全球通讯的要求正推动着该系统的容量每年都翻倍。

很久以来过渡金属用作结晶基质中的光学活性的掺杂剂，因为它们在近红外(1000-1500nm)区域内发荧光，同时具有相应大的带宽。例如，在Alfano等的美国专利No.4,987,575中所披露的是能在接近1.3μm波长发出激光的Cr⁴⁺掺杂晶体。另一个例子是钛掺杂的蓝宝石(Ti∶Al₂O₃)，它在约650-1100nm的范围内提供光学增益。

在给出了许多过渡金属掺杂剂的有用波长范围和带宽的情况下，人们可以明白其有利的特性能很好地应用于电讯用途。然而，专利4,987,575的结晶基质过渡金属技术并不适用于这些用途，因为主要的光通讯介质是玻璃基的光纤。尽管合乎逻辑的扩充可以是将过渡金属掺杂剂加到玻璃中，但不幸地发现它们的性能(尤其是它们的效率)在非晶态基质中下降，其中晶体场强度比单晶基质中的小得多。过渡金属离子都是仅散布在非晶态物质中，对提供或促进放大或传送质量的作用很小。

Alfano等在美国专利No.5,717,517中曾提出过另一种方法，即制造许多颗粒状的激光活性的Cr⁺⁴(或V⁺³)掺杂晶体，将其分散在“非气态”介质中。这样，掺杂剂在结晶基质中保持激光活性，而较大的周围介质与光纤技术相适应。为了使这种复合介质中的光学损耗降至最小，颗粒和其与周围介质的折射率之差必须小。这些要求在Alfano等的专利中已经认识到，因而将粒度规定为0.05-500μm，同时规定折射率之差小于0.1。

尽管将结晶颗粒分散在非晶态介质中的想法是有效的，但这种方法有几个严重的缺陷，主要困难是微细颗粒的制造和其在合适基体中的均匀分布。损耗确实是随着粒度减小而减小的，所以希望颗粒最小(0.05μm)。对材料加以研磨通常难以产生小于1μm的颗粒，然而，即使是制造镁橄榄石的溶胶凝胶法也难以获得小于此粒度的颗粒。尽管某些方法获得了大约0.5μm的颗粒，然而再小一个数量级看来难以获得。即使对于0.05μm这个最小的粒度，散射损失的简单分析也显示此方法有另一个主要的缺点。

为了克服上述材料和方法的缺陷，我们提出了一种制造玻璃陶瓷光纤的方法。玻璃陶瓷具有的优点披露在以George H.Beall、Nicholas F.Borrelli、Linda R.Pinckney、Eric J.Mozdy的名义在2000年10月11日提交的题为“过渡金属玻璃陶瓷增益介质(TRANSITION-METAL GLASS-CERAMIC GAINMEDIA)”的美国专利申请中，该申请的全部内容参考结合于此。内部成核的过程形成了玻璃陶瓷，其中结晶位点又小又均匀地分布在整个玻璃芯中。如美国专利No.5,717,517所述，是从原始玻璃熔体的构成材料形成晶体，而无需加入新的材料。而且，光学活性的掺杂剂分布在整个介质中，与仅仅散开的颗粒相对照。

从玻璃陶瓷材料制造光纤时，玻璃陶瓷材料的本性通常需要先将该材料拉制成玻璃纤维，随后对纤维进行合适的热处理，以便形成结晶相。目前已知的大部分玻璃陶瓷纤维是采用“双坩埚法”制得的。因此，在拉伸玻璃使其转变成玻璃陶瓷的过程中，通常使用称为双坩埚的设备。双坩埚含有用于纤维的芯玻璃的中心管。围绕中心管的较大直径的管则提供包层玻璃。这两种玻璃在各自的坩埚中保持熔融状态，从管状出口流出，拉成包层纤维。