CN109562977A - 光纤预制件制造方法和光纤制造方法 - Google Patents

光纤预制件制造方法和光纤制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于使芯部预制件的折射率分布的形状与理想曲线在短时间内高精度地一致的制造方法。在将包括预定量的折射率调节剂的多个玻璃层层叠在用于玻璃沉积目标的内周表面或外周表面上的玻璃合成步骤之前，根据过去制造的玻璃预制件的制造条件数据以及从玻璃预制件获得的芯部预制件的折射率分布数据生成玻璃合成实际结果数据。在执行玻璃合成步骤的每个玻璃合成部分中，基于玻璃合成实际结果数据调节所添加的折射率调节剂的量。

Description

光纤预制件制造方法和光纤制造方法
技术领域
本发明的实施例涉及光纤预制件制造方法和光纤制造方法。
背景技术
通常，光纤预制件是通过预制件制造方法制造的，该预制件制造方法包括制造在拉制后作为芯部的芯部预制件的步骤，以及制造设置在芯部预制件的外周表面上并在拉制后作为包层的包层预制件(外周部分)的步骤。
制造芯部预制件的步骤包括：玻璃合成步骤；以及后处理步骤，诸如在玻璃合成步骤之后进行的脱水、烧结(包括收缩)和伸长等。具体地说，在玻璃合成步骤中，例如，通过堆叠多个玻璃层来制造玻璃预制件。作为制造玻璃预制件的方法，已知将玻璃层形成在玻璃沉积目标(对象)的外周表面上的外部接近型化学气相沉积(CVD)方法，以及将玻璃层形成在玻璃沉积目标的内周表面上的内部接近型化学气相沉积(CVD)方法。
具体地说，已知专利文献1中披露的外部气相沉积(OVD)方法作为外部接近型CVD方法的实例，并且通过使供应到被制备为玻璃沉积目标的芯棒的外周表面的玻璃原料气体经氢氧燃烧器进行火焰水解反应并将所合成的玻璃颗粒沉积在芯棒的外周表面上，堆叠多个玻璃层。
另一方面，已知专利文献2中披露的变型的化学气相沉积(MCVD)方法和专利文献3中描述的等离子体激活化学气相沉积(PCVD)作为内部接近型CVD方法的实例。在MCVD方法和PCVD方法中，使用中空玻璃管作为玻璃沉积目标，并且引入玻璃管中的玻璃原料气体进行氧化反应，使得合成的玻璃颗粒沉积在玻璃管的内周表面上。在MCVD方法的情况下，通过用氢氧燃烧器加热玻璃管来加速玻璃管中的氧化反应，并且在PCVD方法的情况下，通过布置在玻璃管外部的高频腔而在玻璃管中生成等离子体来加速氧化反应。
经由上述玻璃合成步骤获得具有遵从期望α分布(α-profile)的折射率分布的芯部预制件，并通过拉制包括芯部预制件的光纤预制件获得具有期望光学特性的多模光纤(下文称为“MMF”)。
例如，专利文献4披露了用于略微修改遵从α分布的芯部的折射率分布并获得具有更宽带宽特性的MMF的技术。专利文献5披露了用于将芯部中的折射率分布与α分布之间的偏差控制为小于0.0015％并且获得在包括在800nm以上的波长范围中的任意波长下具有5000MHz·km以上的带宽特性的MMF的技术。此外，专利文献6披露了一种MMF制造方法，该方法基于芯部预制件的沿径向的折射率分布的形状(拟合形状)来调节包层合成以及拉制张力和芯部直径的调节。
引用文献列表
专利文献
专利文献1：美国专利No.8815103
专利文献2：美国专利No.7155098
专利文献3：美国专利No.7759874
专利文献4：美国专利No.6292612
专利文献5：美国专利申请公开No.2014/0119701
专利文献6：美国专利申请公开No.2013/0029038
发明内容
技术问题
作为检查常规光纤预制件制造方法的结果，发明人发现了以下问题。即，上述专利文献1至6中披露的所有制造方法需要很长时间来使所制造的芯部预制件中的折射率分布的形状与理想曲线高精度地一致。具体地说，预制件制造者根据经验频繁地调节折射率调节剂的掺杂量，并且掺杂量的调节是不明确的。此外，如果基本制造条件不同，则需要再次累积大量数据(经验)以调节折射率调节剂的掺杂量。
本发明的实施例是为了解决上述问题而作出的，并且其目的在于提供一种光纤预制件制造方法和使用光纤预制件的光纤制造方法，光纤预制件制造方法具有使芯部预制件中的折射率分布的形状与理想曲线在短时间内高精度地一致的结构。
问题的解决方案
为了实现上述目的，根据本实施例的光纤预制件制造方法至少包括玻璃合成步骤，以及在玻璃合成步骤之前执行的预处理步骤，以制造芯部预制件。在玻璃合成步骤中，制造芯部预制件，所述芯部预制件沿中心轴线延伸并且构成光纤预制件的一部分，并且在所述芯部预制件中，在与所述中心轴线垂直的横截面上沿径向限定的折射率分布被调节为预定形状。
具体地说，在玻璃合成步骤中，作为芯部预制件的玻璃预制件，在沿与所述中心轴线一致的方向延伸的玻璃沉积目标的内周表面或外周表面上，依次堆叠通过对折射率调节剂M的掺杂量进行调节的同时合成的玻璃颗粒。结果，制造玻璃预制件，所述玻璃预制件具有这样的横截面：在该横截面中，多个玻璃层同心布置成与所述芯部预制件的横截面一致并围绕所述中心轴线。此外，在预处理步骤中，对于过去制造的芯部预制件样品的任意设定的调节区域执行：将划分部分设定为控制折射率调节剂M的掺杂量的单元、生成玻璃合成实际结果数据、计算相关性、并且确定玻璃合成步骤中折射率调节剂M的理论掺杂量。在所述划分部分的设定中，对于过去制造的m(2以上的整数)个芯部预制件样品中的第i(＝1至m)个芯部预制件样品的横截面和构成已变为所述第i个芯部预制件样品的第i个玻璃预制件样品的玻璃层的数量中的一者，将调节区域沿所述径向划分成n(2以上的整数)个部分，并且对于所述第i(＝1至m)个芯部预制件样品的横截面和所述第i个玻璃预制件样品的玻璃层的数量中的另一者，将与所述调节区域对应的区域沿所述径向划分，以与如上划分的n个划分部分一一对应。玻璃合成实际结果数据包括作为折射率分布数据的所述第i个芯部预制件样品中的第k(＝1至n)个划分部分的相对折射率差的实际测量数据，并且包括作为制造条件数据的掺杂到所述第i个玻璃预制件样品中的所述第k个划分部分的所述折射率调节剂M的掺杂量数据。在相关性的计算中，根据m个芯部预制件样品中每一个的所述第k个划分部分的玻璃合成实际结果数据，计算所述相对折射率差的实际测量数据相对于目标值的偏差与所述折射率调节剂M的所述掺杂量数据之间的相关性。在所述理论掺杂量的确定中，根据所述m个芯部预制件样品中的每一个的所述第k个划分部分中的所述相关性，获得使所述偏差的绝对值最小化的所述折射率调节剂M的理论掺杂量。
在所述玻璃合成步骤中，在合成所述玻璃颗粒时所供应的所述折射率调节剂M的所述掺杂量被调节为所述理论掺杂量的状态下，在所述玻璃沉积目标的内周表面或外周表面上依次地形成属于与所述m个芯部预制件样品中的每一个的所述第k个划分部分对应的第k个玻璃合成部分的一个或多个玻璃层。
通过以下详细描述和附图可以更加充分地理解本发明的每个实施例。这些实施例仅是示例性的，并且不应视为限制本发明。
从以下详细描述中，本发明的另外的应用范围将是显而易见的。然而，应该理解的是，示出本发明的优选实施例的详细描述和具体实例仅仅是示例性的，并且本发明范围内的各种变型和改进对于本领域技术人员来说根据详细描述将是显而易见的。
本发明的有益效果
根据本实施例，可以使芯部预制件中的折射率分布的形状与理想曲线在短时间内高精度地一致。此外，由于抑制了所制造的光纤之间的期望的光学特性的变化，因此可以提高光纤的产量。
附图说明
图1A是示出光纤预制件的结构的示图。
图1B示出了沿图1A的光纤预制件的径向的折射率分布。
图1C是示出图1A的光纤预制件的拉制步骤的示图。
图1D是示出通过图1C的拉制步骤获得的光纤的横截面结构的示图。
图2是示出根据本实施例的光纤预制件制造方法中的芯部预制件制造步骤ST100的流程图。
图3是示出图2所示的芯部预制件制造步骤ST100中的后处理步骤ST130的流程图。
图4A是示出OVD制造设备的结构的示图，OVD制造设备通过作为获得用于芯部预制件的玻璃预制件的外部接近型CVD方法的OVD方法执行玻璃合成步骤ST120。
图4B是示出图4A的OVD制造设备中的原料气体供应系统(material gas supplysystem)的结构的示图。
图5A是示出玻璃合成步骤ST120之后的玻璃预制件的横截面与通过对玻璃预制件进行后处理步骤ST130而获得的芯部预制件的横截面之间的对应关系的示图。
图5B是示出图5A的玻璃预制件的横截面中的划分部分与图5A的芯部预制件的横截面中的划分部分之间的对应关系的实例的示图。
图6A是示出用于通过内部接近型CVD方法(MCVD方法或PCVD方法)制造光纤预制件(具体地，用于芯部预制件的玻璃预制件)的内部接近型CVD制造设备的结构的示图。
图6B是示出图6A的内部接近型CVD制造设备中的原料气体供应系统的结构的示图。
图7A是示出图6A的内部接近型CVD制造设备中的用于执行MCVD方法的加热系统的结构的示图。
图7B是示出图6A的内部接近型CVD制造设备中的用于执行PCVD方法的加热系统的结构的示图。
图8是示出图2所示的芯部预制件制造步骤ST100中的预处理步骤ST110的流程图。
图9A是示出在预处理步骤ST110中生成的玻璃合成实际结果数据的结构的(第一)示图。
图9B是示出在预处理步骤ST110中生成的玻璃合成实际结果数据的结构的(第二)示图。
图10是示出基于图9B的玻璃合成实际结果数据而计算的Ge的理论掺杂量的示图。
图11是示出图2所示的芯部预制件制造步骤ST100中的玻璃合成步骤ST120的流程图。
具体实施方式
[本发明的实施例的描述]
首先，将单独地列举和描述本发明的实施例的内容。
(1)作为一个方面，根据本实施例的光纤预制件制造方法至少包括玻璃合成步骤，以及在玻璃合成步骤之前执行的预处理步骤，以制造芯部预制件。在玻璃合成步骤中，制造作为芯部预制件的玻璃预制件，芯部预制件沿中心轴线延伸并且构成光纤预制件的一部分，并且在芯部预制件中，在与中心轴线垂直的横截面上沿径向限定的折射率分布被调节为预定形状。
具体地说，在玻璃合成步骤中，作为玻璃预制件，在沿与中心轴线一致的方向延伸的玻璃沉积目标的内周表面或外周表面上，依次堆叠在对折射率调节剂M的掺杂量进行调节的同时合成的玻璃颗粒。结果，制造玻璃预制件，该玻璃预制件具有这样的横截面：在该横截面中，多个玻璃层同心布置成与芯部预制件的横截面一致并围绕中心轴线。此外，在预处理步骤中，对于过去制造的芯部预制件样品的任意设定的调节区域执行：将划分部分设定为控制折射率调节剂M的掺杂量的单元、生成玻璃合成实际结果数据、计算相关性、并且确定玻璃合成步骤中折射率调节剂M的理论掺杂量。在划分部分的设定中，对于过去制造的m(2以上的整数)个芯部预制件样品中的第i(＝1至m)个芯部预制件样品的横截面和构成已变为第i个芯部预制件样品的第i个玻璃预制件样品的玻璃层的数量中的一者，将调节区域沿径向划分成n(2以上的整数)个部分，并且对于第i(＝1至m)个芯部预制件样品的横截面和第i个玻璃预制件样品的玻璃层的数量中的另一者，将与调节区域对应的区域沿径向划分，以与如上划分的n个划分部分一一对应。可以将芯部预制件样品沿径向的整个范围，或者可以将芯部预制件样品沿径向的一部分设定为调节区域。被设定的调节区域中的划分部分可以是沿径向被等分的部分或沿径向具有不同尺寸的部分。此外，多个调节区域可以被设定为连续或分离的状态。多个调节区域中的某一调节区域的划分部分尺寸不需要与其它调节区域的划分部分尺寸一致。在这种情况下，可以在要制造的芯部预制件的中心轴线一侧进行粗略的掺杂量调节(划分尺寸被设定为较大)，而可以在外侧进行精细的掺杂量调节(划分尺寸被设定为较小)。
玻璃合成实际结果数据包括作为折射率分布数据的第i个芯部预制件样品中的第k(＝1至n)个划分部分的相对折射率差的实际测量数据，并且包括作为制造条件数据的添加到第i个玻璃预制件样品中的第k个划分部分的折射率调节剂M的掺杂量数据。在相关性的计算中，根据m个芯部预制件样品中每一个的第k个划分部分的玻璃合成实际结果数据，计算相对折射率差的实际测量数据相对于目标值的偏差与折射率调节剂M的掺杂量数据之间的相关性。在理论掺杂量的确定中，根据m个芯部预制件样品中的每一个的第k个划分部分中的相关性，获得使偏差的绝对值最小化的折射率调节剂M的理论掺杂量。
在玻璃合成步骤中，在合成玻璃颗粒时所供应的折射率调节剂M的掺杂量被调节为理论掺杂量的状态下，在玻璃沉积目标的内周表面或外周表面上依次地形成属于与m个芯部预制件样品中的每一个的第k个划分部分对应的第k个玻璃合成部分的一个或多个玻璃层。
(2)作为本实施例的一个方面，作为表示第i个芯部预制件样品中的第k个划分部分的指标的第k个划分部分的外周半径rk与第i个玻璃预制件样品中的第k个玻璃合成部分lk优选地满足预定函数f的以下式子(1)的关系。
作为第i个芯部预制件样品的玻璃合成实际结果数据的第i个芯部预制件样品的第k个划分部分中的折射率调节剂M的掺杂量被设定为M(rk)i，并且第i个芯部预制件样品的第k个划分部分中的相对折射率差的偏差被设定为ε(rk)i，要制造的芯部预制件的第k个划分部分中的折射率调节剂M的理论掺杂量M(rk)opt优选地由以下式子(2)给出，并且要在作为芯部预制件的玻璃预制件中制造的第k个玻璃合成部分lk中的折射率调节剂M的理论掺杂量M(lk)opt通过上述式子(1)而优选地由与lk相关联的rk中的折射率调节剂M的理论掺杂量M(rk)opt给出。
(3)作为本实施例的一个方面，折射率调节剂M优选地包括一种掺杂剂。此外，作为本实施例的一个方面，折射率调节剂M优选地包括锗。
(4)作为本实施例的一个方面，折射率调节剂M可以包括一种第一掺杂剂和一种或多种第二掺杂剂。在这种情况下，玻璃合成步骤中，在形成n个玻璃合成部分期间第二掺杂剂的掺杂条件被固定的状态下，优选地对于要形成的每个玻璃合成部分调节第一掺杂剂的掺杂量。作为本实施例的一个方面，折射率调节剂M优选地包括选自锗、磷、氟和硼的两种以上的掺杂剂。作为本实施例的一个方面，第一掺杂剂优选地包括锗。
(5)作为本实施例的一个方面，光纤预制件制造方法还可以包括：烧结步骤，烧结玻璃预制件以使由玻璃合成步骤制造的玻璃预制件透明。
(6)作为一个方面，根据本实施例的光纤制造方法通过制备包括由光纤预制件制造方法制造的芯部预制件的光纤预制件，并且在加热光纤预制件的一端的同时拉制该一端来制造期望的光纤。在这种情况下，要制造的光纤包括沿中心轴线延伸的芯部，以及沿中心轴线覆盖芯部的外周表面的包层。另外，作为相对于纯石英玻璃的折射率的相对折射率差，光纤的芯部中的折射率分布与目标折射率分布的偏差优选为0.002％以下。
(7)作为一个方面，根据本实施例的光纤制造方法可以通过制备光纤预制件并且在加热光纤预制件的一端的同时拉制该一端来制造MMF，光纤预制件通过光纤预制件制造方法来制造并且包括芯部预制件，芯部预制件具有遵从沿垂直于中心轴线的径向的α分布的折射率分布。在这种情况下，要制造的MMF包括沿中心轴线延伸的芯部，以及沿中心轴线覆盖芯部的外周表面的包层。为了保证宽带光传输，在MMF中，限定α分布的形状的α值优选地在1.9到2.3的范围内。另外，包括在800至1000nm范围内的任意波长λ(nm)的有效带宽EMB(λ)优选为-20·λ+21700MHz·km或更大。
“本发明的实施例的描述”中列举的每个方面可以应用于其余全部方面的全部或这些其余方面的全部组合。
[本发明的实施例的细节]
下面将参考附图对根据本发明的实施例的光纤预制件制造方法和光纤制造方法的各具体实例进行详细描述。应当注意，本发明的实施例不限于这些实例，而是由权利要求表示，并且旨在包括与权利要求等同的含义和范围内的所有变化。在附图的描述中，相同的元件由相同的附图标记表示，并且省略冗余的说明。
图1A是示出光纤预制件的结构的示图，图1B示出了沿图1A的光纤预制件的径向的折射率分布，图1C是示出图1A的光纤预制件的拉制步骤的示图，并且图1D是示出通过图1C的拉制步骤获得的光纤的横截面结构的示图。
图1A所示的光纤预制件100构造为包括沿中心轴线AX延伸并且具有半径a的芯部预制件10，以及设置在芯部预制件10的外周表面上的包层预制件(外周部分)20。芯部预制件10与通过拉制光纤预制件100获得的光纤110的芯部110A(图1D)对应，并且包层预制件20与光纤110的包层110B(图1D)对应。
此外，如图1B所示，形状被限定在与中心轴线AX垂直的横截面上的芯部预制件10的折射率分布150具有遵从α分布的形状。在下文的描述中，某一区域的相对折射率被设定为n，纯石英玻璃的折射率被设定为n0，并且该区域的相对折射率差Δ由以下式子(3)表示。
Δ＝{1-(n0/n)2}/2……(3)
此外，α分布是指这样的折射率分布：在该折射率分布中，以中心轴线AX为原点的半径被设定为r，芯部半径被设定为a，中心轴线AX上的相对折射率差被设定Δ0，芯部外边缘的相对折射率差被设定为Δ0e，包层110B中的相对折射率差被设定为Δ1，并且芯部110A和包层110B之间的相对折射率差Δ由以下式子(4)表示。即使由制造以及因杂质的混合而产生的折射率变化而导致添加剂浓度的变化，折射率分布也可以被认为是大致符合式子(4)的α分布。
在图1B的实例中，中心轴线AX上的芯部110A的折射率为n1，包层110B的折射率为n0，并且芯部外边缘的折射率和包层110B的折射率一致。因此，在图1B的实例中，满足Δoe＝Δ1＝0。
如图1C所示，具有以上结构的光纤110的一端被加热器300加热并被软化。此时，沿由箭头S1所示的方向拉制被软化的一端，从而获得光纤110，光纤110包括沿中心轴线AX延伸的芯部110A以及设置在芯部110A的外周表面上的包层110B。此时，作为相对于纯石英玻璃的折射率的相对折射率差，光纤110的芯部110A中的折射率分布与目标折射率分布的偏差为0.002％以下。此外，所获得的光纤110是具有遵从图1B所示的α分布的梯度折射率(GI)型(graded-index(GI)type)折射率分布的MMF。此时，为了保证宽带光传输，限定α分布的形状的α值优选地在1.9到2.3的范围内。另外，包括在800至1000nm范围内的任意波长λ(nm)处的有效带宽EMB(λ)优选为-20·λ+21700MHz·km或更大。应注意，优选的有效带宽取决于波长，这是因为考虑到材料色散(dispersion)。在800至1000nm的波长下，因为随着波长增加，材料色散几乎线性地降低，所以当波长更长时，有效带宽可以更窄。
MMF的带宽取决于MMF的多个波导模式如何被光源激发。作为表示当通过在短距离信息通信中广泛用作光源的表面发射型半导体激光器(VCSEL：垂直腔面发射激光器)激发该模式时的典型带宽的指标，限定了有效模式带宽(EMB)。通过根据MMF的差模延迟(DMD)的测量结果计算所计算的最小有效模式带宽(minEMBc)，由以下式子(5)获得EMB。在IEC60793-1-49：2006和IEC 60793-2-10：2011中限定了该计算方法的细节。
EMB＝1.13×minEMBc…(5)
接下来，图2是示出根据本实施例的光纤预制件制造方法的流程图。
根据本实施例的光纤预制件制造方法包括芯部预制件制造步骤ST100、获取通过芯部预制件制造步骤ST100获得的芯部预制件10的折射率分布数据的实际测量步骤ST200、在所获得的芯部预制件10的外周表面上形成作为包层110B的包层预制件20的外周部分制造步骤(包层预制件制造步骤)ST300、以及如图1C所示对通过外周部分制造步骤ST300获得的光纤预制件100进行拉制的拉制步骤ST400。外周部分制造步骤ST300包括：烟灰(soot)沉积步骤ST310，通过实际测量步骤ST200在芯部预制件10的外周表面上沉积玻璃颗粒；以及后处理步骤ST320。
芯部预制件制造步骤ST100包括预处理步骤ST110、玻璃合成步骤ST120以及后处理步骤ST130。在预处理步骤ST110中执行：设定预先划分的n(2以上的整数)个玻璃合成部分，其中每个部分用作在玻璃合成步骤ST120中控制折射率调节剂的掺杂量的单元；生成玻璃合成实际结果数据500，以确定每个玻璃合成部分掺杂的折射率调节剂的掺杂量；计算过去的掺杂量数据与其偏差(相对于目标值的掺杂量的误差)之间的相关性；并且确定每个玻璃合成部分的折射率调节剂的理论掺杂量。玻璃合成实际结果数据500包括对过去制造的m(2以上的整数)个芯部预制件样品中的每一个进行的实际测量步骤ST200中测得的折射率分布数据520，以及已变为m个芯部预制件样品的m个玻璃预制件的制造条件数据510。在本说明书中，过去制造的并且制造条件数据已经存储在稍后描述的控制器的存储器(参见图4A等)中的m个玻璃预制件被称为“玻璃预制件样品”，并且通过对m个玻璃预制件样品进行后面描述的后处理步骤而获得的并且折射率分布数据已经存储在控制器的存储器中的m个芯部预制件被称为作为过去制造的芯部预制件的“芯部预制件样品”。
在玻璃合成步骤ST120中，作为芯部预制件10的玻璃预制件，在沿与中心轴线AX一致的方向延伸的玻璃沉积目标的内周表面或外周表面上，依次堆叠通过对折射率调节剂的掺杂量进行调节的同时合成的玻璃颗粒。结果，制造出玻璃预制件，玻璃预制件具有这样的横截面：在该横截面中，多个玻璃层同心布置成与芯部预制件10的横截面一致并围绕中心轴线AX。应注意的是，作为折射率调节剂的掺杂量控制单位的每个玻璃合成部包括一个或多个玻璃层。另外，将玻璃合成步骤ST120中的每个玻璃合成部分中的折射率调节剂的掺杂量与过去数据一起添加到制造条件数据510。
图3是示出图2所示的芯部预制件制造步骤ST100中的后处理步骤ST130的流程图。在后处理步骤ST130中，如图3所示，对通过玻璃合成步骤ST120获得的玻璃预制件200进行脱水。将脱水玻璃预制件200烧结以使其透明。具体地说，在加热器350沿由箭头S2所示的方向移动的同时加热玻璃预制件200。当玻璃预制件200具有中空结构时，还进行收缩(实心化)。当将内部接近型CVD方法应用于玻璃合成步骤ST120时，在玻璃合成步骤ST120中，每次沉积玻璃层时，使所沉积的玻璃透明，从而在玻璃合成步骤ST120之后不需要脱水步骤。此外，透明预制件延伸到具有期望的外径，从而获得芯部预制件10。通过实际测量步骤ST200测量所获得的芯部预制件10的折射率分布，并且将测量数据与过去数据一起添加到折射率分布数据520。另外，在外周部分制造步骤ST300中的后处理步骤ST320中，对通过烟灰沉积步骤ST310形成在芯部预制件10的外周表面上的烟灰沉积层(玻璃层)进行与后处理步骤ST130相同的处理，并且获得包层预制件20。
例如，在玻璃合成步骤ST120中通过如图4A和图4B所示的制造设备来制造玻璃预制件200。图4A示出了OVD制造设备的结构，该OVD制造设备用于通过使用OVD方法来执行玻璃合成步骤ST120，OVD方法作为用于在玻璃沉积目标的外周表面上形成玻璃层的外部接近型CVD方法，并且图4B示出了图4A的OVD制造设备中的原料气体供应系统的结构。
图4A的OVD制造设备600A包括工作台610A、芯棒620A、氢氧燃烧器630A、原料气体供应系统640A、燃气供应系统650A和控制器660A。芯棒620A是玻璃沉积目标。氢氧燃烧器630A将在火焰中合成的玻璃颗粒沉积在芯棒620A的表面上，从而在芯棒620A的外周表面上形成包括多个玻璃层的中间玻璃预制件200A。工作台610A在支撑芯棒620A的同时使芯棒620A沿箭头S3A所示的方向旋转，并且在支撑氢氧燃烧器630A的同时使氢氧燃烧器630A沿箭头S4Aa和S4Ab所示的方向移动。原料气体供应系统640A向氢氧燃烧器630A供应玻璃原料气体(SiCl4、GeCl4等)。燃气供应系统650A向氢氧燃烧器630A供应用于形成火焰的燃气(H2或O2)。控制器660A对工作台610A、原料气体供应系统640A和燃气供应系统650A中的每一者进行控制。控制器660A具有存储器670A以存储过去制造的m个芯部预制件样品的玻璃合成实际结果数据500。
如图4B所示，原料气体供应系统640A包括O2罐、存储作为玻璃合成材料的SiCl4的SiCl4罐、存储作为折射率调节剂的Ge化合物的GeCl4罐等，并且这些罐经由混合阀641A连接。控制器660A控制混合阀641A的开闭以及流量调节器(附图中未示出)，并且调节玻璃原料气体的流量(具体地说，折射率调节剂的流量(掺杂量))。在图4B的实例中，尽管锗(Ge)被示出为折射率调节剂，但折射率调节剂可以包括选自锗(Ge)、磷(P)、氟(F)和硼(B)的两种以上的掺杂剂。另外，Ge和其它折射率调节剂(P、F和B)可以分别被制备为第一掺杂剂和第二掺杂剂，并且在形成每个玻璃合成部分期间第二掺杂剂的掺杂条件被固定的状态下，控制器660A可以调节要形成的每个玻璃合成部分的第一掺杂剂的掺杂量。
另一方面，如图4B所示，燃气供应系统650A具有O2罐和H2罐，并且控制器660A通过混合阀651A和调节流量调节器(附图中未示出)调节O2的流量和H2的流量。
如图5A的左侧所示，由具有上述结构的OVD制造设备600A制造的玻璃预制件200具有这样的横截面结构：在该横截面结构中，中央设置有空间(移除了芯棒620A的空间)210并且多个玻璃层201堆叠在同心圆上。通过在具有上述横截面结构的玻璃预制件200上进行后处理步骤ST130，获得具有图5A的右侧所示的横截面结构的芯部预制件10。图5B是示出玻璃合成步骤ST120之后的玻璃预制件200的横截面中的划分区间(period)与通过对玻璃预制件200进行后处理步骤ST130而获得的芯部预制件10的横截面中的划分部分之间的对应关系的实例的示图。在下文的描述中，涉及这样的实例，其中，作为要划分的部分的调节区域被设定在芯部预制件10沿径向的整个范围上。
在根据本实施例的光纤预制件制造方法中，在玻璃合成步骤ST120中，折射率调节剂的掺杂量调节部分(玻璃合成部分)的整个区域被划分成作为调节区域的n个部分，并且通过控制器660A对划分的玻璃合成部分中的每一个进行GeCl4的流量(Ge掺杂量)的优化控制。每个玻璃合成部分对应于包括过去制造的m个玻璃预制件200中的每一个的横截面中的一个或多个玻璃层201的层区域。另外，玻璃合成部分可以是通过将构成所制造的玻璃预制件样品200的玻璃层201的数量(例如，500层)沿径向等分成n份而获得的部分，或者可以通过将过去制造的m个芯部预制件样品10的横截面半径等分成n份而获得。图5B示出了这样的示图：其示出当玻璃预制件样品200的横截面沿径向被等分成n份时的玻璃合成部分lk(k＝1至n)与从玻璃预制件200获得的芯部预制件样品10的径向部分rk(k＝1至n)之间的对应关系。应考虑的是，如图5B所示，玻璃预制件样品的玻璃合成部分与芯部预制件样品的径向部分之间的对应关系不是线性的，这是因为烧结时的收缩率在玻璃预制件样品的中央部分与周边部分之间是不同的。另外，rk是芯部预制件样品10的每个径向部分的外径，并且也是表示每个径向部分的指标。因此，表示m个芯部预制件样品10中的第i(＝1至m)个芯部预制件样品中的第k(＝1至n)个划分部分的外周半径rk与已变成第i个芯部预制件样品的第i个玻璃预制件样品中的第k个玻璃合成部分lk满足预定函数f的上述式子(1)的关系。这里，如果考虑rk和lk之间的相互转换的容易性，则函数f优选地是容易得到反函数的函数。
用于执行玻璃合成步骤ST120的OVD制造设备600A是用于通过所谓的外部接近型CVD方法来制造玻璃预制件200的设备。然而，可以通过由MCVD方法或PCVD方法为代表的内部接近型CVD方法来制造用于芯部预制件的玻璃预制件200。图6A是示出内部接近型CVD制造设备的结构的示图，并且图6B是示出图6A的内部接近型CVD制造设备中的原料气体供应系统的结构的示图。另外，图7A是示出图6A的内部接近型CVD制造设备中用于执行MCVD方法的加热系统的结构的示图，并且图7B是示出图6A的内部接近型CVD制造设备中用于执行PCVD方法的加热系统的结构的示图。
图6A的内部接近型CVD制造设备600B包括工作台610B、中空玻璃管620B、加热系统630B、原料气体供应系统640B和控制器660B。中空玻璃管620B是玻璃沉积目标，其中，多个玻璃层堆叠在玻璃沉积目标的内周表面上。加热系统630B在将在后文描述的MCVD方法和PCVD方法中具有不同的结构。然而，不论使用MCVD方法和PCVD方法中的哪一者，中空玻璃管620B中合成的玻璃颗粒都沉积在中空玻璃管620B的内周表面上，从而形成包括多个玻璃层的中间玻璃预制件200B。工作台610B在支撑中空玻璃管620B的同时使中空玻璃管620B沿箭头S3B所示的方向旋转，并且在支撑加热系统630B的同时使加热系统630B沿箭头S4Ba和S4Bb所示的方向移动。原料气体供应系统640B向加热系统630B供应玻璃原料气(SiCl4、GeCl4等)。控制器660B对加热系统630B、工作台610B和原料气体供应系统640B中的每一者进行控制。控制器660B具有存储器670B以存储过去制造的m个芯部预制件样品的玻璃合成实际结果数据500。
如图6B所示，原料气体供应系统640B包括O2罐、存储作为玻璃合成材料的SiCl4的SiCl4罐、存储作为折射率调节剂的Ge化合物的GeCl4罐等，并且这些罐经由混合阀641B连接。控制器660B控制混合阀641B的开闭以及流量调节器(附图中未示出)，并且调节玻璃原料气体的流量(具体地说，折射率调节剂的流量(掺杂量))。与图4B的实例类似，在图6B的实例中，尽管锗(Ge)被示出为折射率调节剂，但折射率调节剂可以包括选自锗(Ge)、磷(P)、氟(F)和硼(B)的两种以上的掺杂剂。另外，Ge和其它折射率调节剂(P、F和B)可以分别被制备为第一掺杂剂和第二掺杂剂，并且在形成每个玻璃合成部分期间第二掺杂剂的掺杂条件被固定的状态下，控制器660B可以调节要形成的每个玻璃合成部分的第一掺杂剂的掺杂量。
当图6A的内部接近型CVD制造设备600B通过MCVD方法制造玻璃预制件200时，内部接近型CVD制造设备600B包括图7A所示的加热系统630Ba。即，加热系统630Ba具有：氢氧燃烧器652，其在被工作台610B支撑的同时沿箭头S4Ba和S4Bb所示的方向移动；以及O2罐和H2罐，其向氢氧燃烧器652供应用于火焰形成的燃气(H2和O2)。控制器660B通过混合阀651B和流量调节器(未在附图中示出)调节O2和/或H2的流量。因此，中空玻璃管620B中合成的玻璃颗粒沉积在中空玻璃管620B的内周表面上，结果，形成中间玻璃预制件200B。
另一方面，当图6A的内部接近型CVD制造设备600B通过PCVD方法制造玻璃预制件200时，内部接近型CVD制造设备600B包括图7B所示的加热系统630Bb。即，加热系统630Bb具有高频腔653，高频腔653在被工作台610B支撑的同时沿箭头S4Ba和S4Bb所示的方向移动。高频腔653布置为围绕中空玻璃管620B的外周，并且根据来自控制器660B的控制信号可以在中空玻璃管620B中生成等离子体654。因此，中空玻璃管620B中合成的玻璃颗粒沉积在中空玻璃管620B的内周表面上，结果，形成中间玻璃预制件200B。
图8是示出图2所示的芯部预制件制造步骤ST100中的预处理步骤ST110的流程图。预处理步骤ST110是通过控制器660A和660B执行的步骤。在预处理步骤ST110中，为了确定作为折射率调节剂的掺杂量控制单位的每个划分部分的折射率调节剂的掺杂量，因此执行：生成玻璃合成实际结果数据(ST111)、计算相关性(ST112)、并且确定折射率调节剂的理论掺杂量(ST113)。根据图5B的实例设定划分部分。在步骤ST111中，根据以下数据来生成如图9A所示的玻璃合成实际结果数据500：构成玻璃预制件样品组250并在过去制造的m个玻璃预制件样品200的制造条件数据510(储存在存储器670A和670B内)，以及构成芯部预制件样品组15并在过去制造的m个芯部预制件样品10的、通过实际测量步骤ST200获得的折射率分布数据520。例如，第i个玻璃合成实际结果数据500是玻璃合成时添加的折射率调节剂为Ge的情况下的实例。对于由分区号(partition No.)和符号lk表示的每个玻璃合成部分，第i个玻璃合成实际结果数据500包括：作为第i个玻璃预制件样品200的制造条件数据510的在玻璃合成时的Ge流量(Ge(lk)i)、与玻璃合成部分lk对应的径向部分rk中的Ge流量(Ge(rk)i)、径向部分rk中相对折射率差Δ的目标值(Δsp(rk))、通过实际测量步骤ST200测得的径向部分rk中的相对折射率差Δ的实际测量值(Δpv(rk)i)、以及径向部分rk中的相对折射率差Δ的偏差(ε(rk)i＝Δpv(rk)i-Δsp(rk))。Ge流量的单位为“slm”。
在步骤ST112中，对于每个玻璃合成部分，收集如上文所述生成的m个玻璃合成实际结果数据500中的每一个的同一玻璃合成部分的玻璃合成实际结果数据。例如，在图9B的实例中，该数据收集在m个芯部预制件样品10中的每一个中的第k个玻璃合成部分的玻璃合成实际结果数据中。另外，在步骤ST112中，如图9B的实例中那样，针对新收集的玻璃合成实际结果数据中的第k个径向部分rk中的相对折射率差Δ的偏差(ε(rk)i＝1～m)与Ge流量(Ge(rk)i＝1～m来计算每个数据的相关性。图10是在二维坐标系中绘制以Ge流量(slm)作为x坐标分量且以偏差ε(rk)i作为y坐标分量的每个数据的示图。图10所示的点P1至P5示出了用于相关性计算的各个数据。在图10的实例中，通过五个点P1(Ge(rk)i＝1，ε(rk)i＝1)至P5(Ge(rk)i＝5，ε(rk)i＝5)示出m＝5(五个芯部预制件样品)的情况下的相关性。然而，通过m个点P1(Ge(rk)i＝1，ε(rk(i＝1)至点Pm(Ge(rk)i＝m，ε(rk)i＝m)示出m>5的情况下的相关性。
在步骤ST113中，图10所示的相关性是近似线性的，从而可确定第k个玻璃合成部分lk中Ge的理论掺杂量。即，任意点(xi，yi)和直线y＝Ax+B(图10中的G1000)之间的差的平方和S(A，B))由以下式子(6)表示。
展开上述式子(6)以得到近似直线G1000的使平方和S(A，B)最小的斜率(inclination)A和截距B。此时，建立由以下式子(7)表示的两个偏微分方程。这些偏微分方程中的一个偏微分方程是通过将平方和S(A，B)的展开表达式相对于斜率A进行微分并且以斜率A作为变量而获得的线性方程，并且另一偏微分方程是通过将平方和S(A，B)的展开表达式相对于截距B进行微分并且以截距B作为变量而获得的线性方程。因此，根据以斜率A和截距B作为变量的的联立线性方程，获得斜率A和截距B，如以下的式子(8)所示。
具体地说，如图10所示，通过以下式子(9)给出了近似直线G1000和x轴的交点处的x轴分量xy＝0。
如果上述式子(9)中的变量xi和yi分别被设定为过去制造的m个芯部预制件样品中的第i个芯部预制件样品中的第k个划分部分rk中的Ge的掺杂量Ge(rk)i和偏差ε(rk)i，则对于xy＝0，通过以下式子(10)给出了要制造的芯部预制件的第k个划分部分rk中的Ge(折射率调节剂)的理论掺杂量Ge(rk)opt，并且通过上述式子(1)而由与1k相关联的rk中的Ge的理论掺杂量Ge(rk)opt给出了作为芯部预制件的玻璃预制件中的第k个玻璃合成部分1k中的Ge的理论掺杂量Ge(lk)opt。
图11是示出图2所示的芯部预制件制造步骤ST100中的玻璃合成步骤ST120的流程图。
如上所述，如果在预处理步骤ST110中确定了每个玻璃合成部分中的Ge的理论掺杂量，则在玻璃合成步骤ST120中，初始化示出作为处理目标的玻璃合成部分的计数器(ST121)，并且对全部玻璃合成部分进行Ge的流量控制(ST122和ST128)。控制器660A和660B分别控制原料气体供应系统640A和640B的混合阀641A和641B以及流量调节器，使得掺杂量变为作为处理目标的第k个玻璃合成部分lk的理论掺杂量Ge(lk)opt(ST123)。然后，初始化表示属于第k个玻璃合成部分lk的一个或多个玻璃层的计数器(ST124)，并且进行玻璃合成(ST125)，同时对玻璃沉积目标的内周表面或外周表面上沉积的玻璃层的数量进行计数(ST126和ST127)。对属于第k个玻璃合成部分lk的全部玻璃层(ST126)进行玻璃合成(ST125)。如果对全部玻璃合成部分执行上述步骤ST123至ST127，则在玻璃合成步骤ST120之后进行后处理步骤ST130。
在存在属于第k个玻璃合成部分lk的多个玻璃层的情况下，属于玻璃合成部分lk的每个玻璃层中的Ge的理论掺杂量可以与Ge(lk)opt一致。然而，理论掺杂量可以例如线性地改变，从而朝向第(k+1)个玻璃合成部分lk+1逐渐地变化，或可以使用任意函数以弯曲形状改变，从而平滑地连接。
在以上实例中，设定有等分部分的调节区域被设定在芯部预制件样品沿径向的整个范围上。然而，本实施例中调节区域的设定不限于该实例。即，可以将芯部预制件样品沿径向的一部分设定为调节区域。被设定的调节区域中的划分部分可以是沿径向具有不同尺寸的部分。此外，多个调节区域可以被设定为处于连续或分离的状态。多个调节区域中的某一调节区域的划分部分尺寸可以不同于其它调节区域的划分部分尺寸。
根据本发明的以上描述，显而易见的是可以对本发明进行各种修改。不能认为这些变化脱离了本发明的要旨和范围，并且对于本领域技术人员显而易见的改进包括在以下权利要求中。
附图标记列表
10……芯部预制件(芯部预制件样品)；15……芯部预制件样品组；20……包层预制件(外周部分)；100……光纤预制件；110A……芯部；110B……包层；110……光纤；200……玻璃预制件(玻璃预制件样品)；250……玻璃预制件样品组；500……玻璃合成实际结果数据；510……制造条件数据；以及520……折射率分布数据。

Claims (11)

1.一种光纤预制件制造方法，其用于制造芯部预制件，所述芯部预制件沿中心轴线延伸并且构成光纤预制件的一部分，并且在所述芯部预制件中，在与所述中心轴线垂直的横截面上沿径向限定的折射率分布被调节为预定形状，所述方法包括：
玻璃合成步骤，在沿与所述中心轴线一致的方向延伸的玻璃沉积目标的内周表面或外周表面上，依次堆叠通过在对折射率调节剂M的掺杂量进行调节的同时合成的玻璃颗粒，从而制造作为所述芯部预制件的玻璃预制件，所述玻璃预制件具有这样的横截面：在该横截面中，多个玻璃层同心布置成与所述芯部预制件的横截面一致并围绕所述中心轴线，
其中，所述光纤预制件制造方法还包括在所述玻璃合成步骤之前执行的预处理步骤，所述预处理步骤包括：
对于过去制造的m(2以上的整数)个芯部预制件样品中的第i(＝1至m)个芯部预制件样品的横截面和构成已变为所述第i个芯部预制件样品的第i个玻璃预制件样品的玻璃层的数量中的一者，将任意设定的调节区域沿所述径向划分成n(2以上的整数)个部分，并且对于所述第i(＝1至m)个芯部预制件样品的横截面和所述第i个玻璃预制件样品的玻璃层的数量中的另一者，将与所述调节区域对应的区域沿所述径向划分，以与n个划分部分一一对应；
生成玻璃合成实际结果数据，所述玻璃合成实际结果数据包括作为折射率分布数据的所述第i个芯部预制件样品中的第k(＝1至n)个划分部分的相对折射率差的实际测量数据，并且包括作为制造条件数据的掺杂于所述第i个玻璃预制件样品中的所述第k个划分部分的所述折射率调节剂M的掺杂量数据；
根据m个芯部预制件样品中每一个的所述第k个划分部分的玻璃合成实际结果数据，计算所述相对折射率差的实际测量数据相对于目标值的偏差与所述折射率调节剂M的所述掺杂量数据之间的相关性；以及
根据所述m个芯部预制件样品中的每一个的所述第k个划分部分中的所述相关性，计算使所述偏差的绝对值最小化的所述折射率调节剂M的理论掺杂量，并且
所述玻璃合成步骤在合成所述玻璃颗粒时所供应的所述折射率调节剂M的所述掺杂量被调节为所述理论掺杂量的状态下，在所述玻璃沉积目标的内周表面或外周表面上依次地形成属于与所述m个芯部预制件样品中的每一个的所述第k个划分部分对应的第k个玻璃合成部分的一个或多个玻璃层。
2.根据权利要求1所述的光纤预制件制造方法，其中，作为表示所述第i个芯部预制件样品中的所述第k个划分部分的指标的所述第k个划分部分的外周半径rk与所述第i个玻璃预制件样品中的第k个玻璃合成部分lk满足预定函数f的以下式子(1)的关系，
作为所述第i个芯部预制件样品的所述玻璃合成实际结果数据的所述第i个芯部预制件样品的所述第k个划分部分中的所述折射率调节剂M的掺杂量被设定为M(rk)i，并且所述第i个芯部预制件样品的所述第k个划分部分中的所述相对折射率差的偏差被设定为ε(rk)i，要制造的所述芯部预制件的所述第k个划分部分中的所述折射率调节剂M的理论掺杂量M(rk)opt由以下式子(2)给出，
并且要在作为所述芯部预制件的所述玻璃预制件中制造的所述第k个玻璃合成部分lk中的所述折射率调节剂M的理论掺杂量M(lk)opt通过所述式子(1)而由与lk相关联的rk中的所述折射率调节剂M的所述理论掺杂量M(rk)opt给出。
3.根据权利要求1或2所述的光纤预制件制造方法，其中，所述折射率调节剂M包括一种掺杂剂。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤预制件制造方法，其中，所述折射率调节剂M包括锗。
5.根据权利要求1或2所述的光纤预制件制造方法，其中，所述折射率调节剂M包括一种第一掺杂剂以及一种或多种第二掺杂剂，并且
所述玻璃合成步骤在形成n个玻璃合成部分期间所述第二掺杂剂的掺杂条件被固定的状态下，对于要形成的每个玻璃合成部分调节所述第一掺杂剂的掺杂量。
6.根据权利要求5所述的光纤预制件制造方法，其中，所述折射率调节剂M包括选自锗、磷、氟和硼的两种以上的掺杂剂。
7.根据权利要求6所述的光纤预制件制造方法，其中，所述第一掺杂剂包括锗。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光纤预制件制造方法，还包括：烧结步骤，烧结所述玻璃预制件以使由所述玻璃合成步骤制造的所述玻璃预制件透明。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光纤预制件制造方法，其中，所述玻璃沉积目标包括中空的玻璃管，并且
所述玻璃合成步骤将所述多个玻璃层依次地堆叠在所述玻璃管的内周表面上。
10.一种光纤制造方法，包括：
制备光纤预制件，所述光纤预制件包括由根据权利要求1至9中任一项所述的光纤预制件制造方法制造的所述芯部预制件；以及
制造光纤，所述光纤包括：芯部，其通过在加热所述光纤预制件的一端的同时拉制所述光纤预制件的所述一端而沿所述中心轴线延伸；以及包层，其沿所述中心轴线覆盖所述芯部的外周表面，并且在所述光纤中，作为相对于纯石英玻璃的折射率的相对折射率差，所述光纤的所述芯部的折射率分布与目标折射率分布的偏差为0.002％以下。
11.一种光纤制造方法，包括：
制备光纤预制件，所述光纤预制件由根据权利要求1至9中任一项所述的光纤预制件制造方法所制造，并且所述光纤预制件包括芯部预制件，所述芯部预制件具有遵从沿垂直于所述中心轴线的径向的α分布的折射率分布；并且
制造多模光纤，所述多模光纤包括：芯部，其通过在加热所述光纤预制件的一端的同时拉制所述光纤预制件的所述一端而沿所述中心轴线延伸；以及包层，其沿所述中心轴线覆盖所述芯部的外周表面，并且在所述多模光纤中，限定所述α分布的形状的α值在1.9至2.3的范围内，并且包括在800至1000nm的范围内的任意波长λ(nm)处的有效带宽EMB(λ)为-20λ+21700MHz·km以上。
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