CN1849270B - 光纤预制件的制造方法、光纤的制造方法以及光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明提供制造光纤预制件和光纤的方法，以及用该制造光纤的方法而制成的光纤，所述光纤预制件具有所需的折射率分布并能抑制由OH基的吸收所引起的损耗的增大。通过管内汽相沉积法形成管，使得将要形成为芯的玻璃层和将要形成为包层的一部分的玻璃层沉积在起始管中，每一个所述玻璃层都包含氟、锗、磷和氯中的至少一种，所述起始管由石英玻璃制成，其外径在20mm至150mm的范围内，壁厚在2mm至8mm的范围内。由此形成的管被塌缩成玻璃棒，在该玻璃棒中，在从所述玻璃棒的表面起至离该表面1mm深的区域内羟基的浓度为10重量ppm或更低。

Description

光纤预制件的制造方法、光纤的制造方法以及光纤
技术领域
本发明涉及制造光纤预制件的方法、由该预制件制造光纤的方法、以及由该方法制成的光纤，所述制造光纤预制件的方法包括以下步骤：将玻璃层沉积在由石英玻璃制成的起始管内；以及对该起始管进行塌缩。
背景技术
在最近的光通信系统中，波分复用(WDM)传输技术已经日益重要。在WDM传输技术中，人们殷切地希望能精确调整光纤色散的波长依赖性，这是因为通过减小所用波段中的色散差异来为每一波长提供均匀的传输特性是很重要的缘故。其中色散的波长依赖性被调整的光纤是(例如)色散位移光纤、非零色散位移光纤、色散平坦光纤和色散补偿光纤。这些光纤具有复杂的折射率分布，其中存在多个最大点和多个最小点。
为了在上述这些光纤中获得所需的色散特性，重要的是精确形成折射率分布。适于精确形成折射率分布的方法是(例如)管内汽相沉积法比如MCVD(改进型化学汽相沉积)法或PCVD(等离子体激活化学汽相沉积)法。如由McGraw-Hill图书公司出版的《光纤通信》(国际版1991)的第66页至第67页中所述，MCVD法已经被广泛使用，这是因为利用该方法能够相对容易地获得高质量的光纤预制件的缘故。
此外，美国专利No.4820322披露了一种制造光纤的方法，在该方法中，在玻璃棒和作为包层的一部分的外层部分成为一体的同时，对它们一起进行拉丝，所述玻璃棒是通过塌缩由MCVD法沉积有玻璃的管而形成的。
顺便提及的是，为了获得高质量的光纤，重要的是防止羟基(OH基)在制造过程中进入玻璃。由于其中色散的波长依赖性被调整的光纤具有复杂的折射率分布，因此该光纤经过复杂的制造过程而形成，从而OH基很可能进入玻璃。如果OH基存在于光纤的光传播区域内，那么光被OH基吸收，从而传输损耗增大。
发明内容
本发明的目的是提供制造光纤预制件和光纤的方法，并且提供由该方法制造的光纤，用所述方法可以实现所需的折射率分布并抑制由于被OH基吸收而导致的损耗增大。
为达到该目的，提供一种制造光纤预制件的方法，该方法包括以下步骤：对起始管进行管内汽相沉积，使得将要形成为芯的玻璃层和将要形成为包层的一部分的玻璃层沉积在起始管内，每一个所述玻璃层包含氟、锗、磷和氯中的至少一种，所述起始管由石英玻璃制成，其外径在20mm至150mm的范围内，壁厚在2mm至8mm的范围内，从而形成具有将要形成为芯的玻璃层的管；以及塌缩所述管以便形成玻璃棒，在该玻璃棒中，在从所述玻璃棒的表面起至离该表面1mm深的区域内OH基的浓度为10重量ppm(按重量计的百万分率)或更低。
所述OH基的浓度优选为1重量ppm或更低。
所述起始管可以是由包含氟的石英玻璃制成的管。所述起始管可以通过沉积细小的玻璃颗粒并随后脱水和固结而形成，并且存在于所述起始管中的OH基的浓度可以是0.01重量ppm或更低。所述起始管沿其整个长度的壁厚不均匀度可以是0.3％或更低，所述起始管的内径不圆度和外径不圆度可以是1％或更低。
管内汽相沉积法可以是MCVD法，沉积玻璃层的沉积速率可以是0.4g/min或更高。沉积速率优选是1.0g/min或更高。将要形成为芯的玻璃层与将要形成为包层的一部分的玻璃层的总厚度可以是1mm或更高，并且具有将要形成为芯的玻璃层的管的壁厚可以是8mm或更低。
所述玻璃棒的芯的不圆度可以是0.4％或更低，并且存在于所述玻璃棒的中轴线上每10mm长度内的气泡数量可以是一个或更少。所述玻璃棒的用管内汽相沉积法沉积的部分的不圆度可以是1.5％或更低，并且存在于所述玻璃棒的中轴线上每10mm长度内的气泡数量可以是一个或更少。
所述塌缩步骤可包括第一加热步骤和第二加热步骤，在第一加热步骤中，具有将要形成为芯的玻璃层的管的一个端部被加热并塌缩，在第二加热步骤中，具有将要形成为芯的玻璃层的管从所述一个端部向另一端被加热并塌缩，并且在第一加热步骤中所述一个端部的表面加热温度T1可以高于在第二加热步骤中所述管的被加热部分的表面加热温度T2。
用于MCVD法的热源可以是感应电炉、电阻电炉以及等离子体炬中的一种。此外，用于所述塌缩步骤的热源可以是感应电炉、电阻电炉以及等离子体炬中的一种。
此外，本发明提供了一种制造光纤的方法，该方法包括对根据本发明的方法制造的光纤预制件进行拉丝的步骤。在该拉丝步骤中，玻璃棒被插入套管中，并且在所述玻璃棒和所述套管被加热而成一体的同时对它们一起进行拉丝。所述套管是通过沉积细小的玻璃颗粒并随后脱水和固结而形成的，并且存在于所述套管中的OH基的浓度可以是0.01重量ppm或更低。
此外，本发明提供了一种用本发明的制造方法制造的光纤。光纤的偏振模色散可以是0.15ps/km1/2或更低，并且在波长1.38μm处由于被OH基吸收而导致的损耗可以是0.2dB/km或更低。
下文将参照附图对本发明加以详细说明。为了说明的目的示出了附图，这些附图并不意味着限制本发明的范围。
附图说明
图1示出用本发明的方法制造的光纤的横截面图，该横截面垂直于光纤预制件的中轴线。
图2是显示图1所示光纤预制件的折射率分布的示意图；
图3是示出制造光纤预制件的步骤的流程图，说明了根据本发明的实施方式的方法。
图4是用于说明MCVD法的示意图。
图5是用于说明制造起始管的方法的一个例子的示意图；
图6是说明第一加热步骤的示意图；
图7是说明第二加热步骤的示意图；
图8是示出芯不圆度与用于塌缩的热源类型之间的关系的图；
图9是示出关于六氟化硫(SF6)与氯气(C12)的混合气体的流速与它的露点之间的关系以及它的流速与OH基浓度之间的关系的图；
图10是用于说明测量存在于玻璃棒中的气泡数量的方法的示意图；
图11是示出玻璃棒的芯不圆度与光纤预制件的芯不圆度之间的关系的图；
图12是示出光纤预制件的芯不圆度与光纤的偏振模色散之间的关系的图；
图13是用于说明在使插入套管中的玻璃棒与该套管成为一体的同时进行拉丝的方法的示意图；
图14是示出在利用起始管制造光纤且损耗是由OH基的吸收所引起的情况下起始管中氯的浓度与光纤在1.4μm波段的损耗之间的关系的图；
图15是示出起始管壁厚与光纤损耗掉的不依赖于波长的成分之间的关系的图；
图16是示出过渡金属的吸收谱的一个例子的图；
图17是示出用于五重包层光纤的光纤预制件的折射率分布的示意图；
图18是示出用于六重包层光纤的光纤预制件的折射率分布的示意图；
图19是用于说明玻璃管的壁厚、燃烧器的横动速度(traversespeed)以及沉积在内表面的玻璃层的状态之间的关系的图；
图20是示出关于玻璃棒表面上的OH基浓度与由OH基的吸收所引起的在1.4μm波段的损耗之间的关系的计算结果的图；
具体实施方式
下文将参照附图说明本发明的实施方式。在附图中，为了避免重复描述，相同的附图标记表示相同的部分。附图中的尺寸比例并不总是精确的。
图1示出用本发明的方法制造的光纤预制件的横截面图，该横截面垂直于光纤预制件的中轴线。图2是示出光纤预制件1的折射率分布的示意图。光纤预制件1是将要形成为具有复杂折射率分布的光纤(比如色散位移光纤、色散平坦光纤或色散补偿光纤)的光纤预制件。光纤预制件1按照从中心到外部的顺序依次有中心芯14、第一凹陷部分13、环形部分12、第二凹陷部分11以及外包层15。由光纤预制件1形成的光纤的横截面结构与光纤预制件1的横截面结构相同。
在图2中，折射率分布曲线14n、13n、12n、11n和15n分别是中心芯14、第一凹陷部分13、环形部分12、第二凹陷部分11和外包层15的折射率分布曲线。折射率分布曲线14n具有最大的折射率Nc，折射率分布曲线13n具有最小的折射率Nd1，折射率分布曲线12n具有最大的折射率Nr，折射率分布曲线11n具有最小的折射率Nd2，折射率分布曲线15n具有最大的折射率No，其中各折射率满足关系式Nc≥Nr＞No＞Nd2≥Nd1。除此以外，各折射率Nc、Nd1、Nr或Nd2相对于外包层的折射率No的相对折射率差分别由Δc、Δd1、Δr或Δd2表示。
除此以外，在图2中，附图标记2c表示中心芯14的直径，附图标记2d1表示第一凹陷部分1 3的外径，附图标记2r表示环形部分12的外径，附图标记2d2表示第二凹陷部分11的外径，附图标记2o表示外包层15的外径。在光纤预制件1中，虽然除中心芯14以外的各区域的折射率分布曲线中每一个都具体阶梯状的形状，但中心芯14的折射率分布曲线在该曲线的中部存在下陷的现象。
图3是示出制造光纤预制件的步骤的流程图，说明了根据本发明实施方式的方法。在该实施方式中，光纤预制件1的中心芯14、第一凹陷部分13和环形部分12通过管内汽相沉积法比如MCVD法形成在起始管内，该起始管将要形成为第二凹陷部分11。
制造开始(步骤SS)以后，玻璃层被沉积到起始管内(步骤S1)。对于玻璃层的沉积，可使用MCVD法。图4是用于说明MCVD法的示意图。在MCVD法中，当源材料气体(四氯化硅(SiCl4)和氧气(O2))与氦气(He)等输送到起始管20内的同时，起始管20的外部由燃烧器22等加热以便沉积细小的玻璃颗粒21，随后固结这些颗粒，从而形成玻璃层23。在该实施方式中，首先，锗(Ge)或磷与氯(Cl)中的一种包含在源材料气体中以形成将要形成为环形部分12的玻璃层。其次，氟包含在源材料气体中以便形成将要形成为第一凹陷部分13的玻璃层。再次，Ge或磷与Cl中的一种又包含在源材料气体中以便形成将要形成为中心芯14的玻璃层。
通过VAD(汽相轴向沉积)法，OVD(管外汽相沉积)法等等来沉积细小的玻璃颗粒并随后脱水和固结来形成起始管20，并且保留在起始管中的OH基的浓度为0.1重量ppm或更低，优选为0.01重量ppm或更低。因此，能够缩减起始管的成本，并能降低所得光纤中由OH基的吸收所引起的损耗。
在起始管20中，脱水步骤中所使用的Cl残留下来。图14是示出在利用起始管制造光纤且损耗是由OH基的吸收所引起的情况下起始管中Cl的浓度与光纤在1.4μm波段的损耗之间的关系的图。在允许残留0.1％(按重量计)的氯的条件下进行脱水时，由OH基的吸收所引起的光纤在1.4μm波段的损耗能降低到0.05dB/km或更低，如果在允许残留0.25％(按重量计)的氯的条件下进行脱水，所述损耗就能够降低到0.01dB/km或更低。在脱水步骤中，除了氯气(Cl2)外，也优选包含能与O2反应的材料，比如SiCl4。
起始管20的外径在20至150mm的范围内，壁厚在2至8mm的范围内。当外径设定在20至150mm的范围内时，能制造出大的光纤预制件。
图15是示出起始管的壁厚与光纤损耗掉的不依赖于波长的成分(即所谓B值)之间的关系的图。如图15所示，当管的壁厚设为8mm或更低时，在管内形成的各玻璃层之间的界面变得光滑，从而能够降低B值。此外，当管的壁厚设为2mm或更高时，在后续的塌缩步骤中能防止管形成为椭圆形。
起始管20优选是由加入氟的石英玻璃制成的管。对于制造含氟石英玻璃的方法，优选使通过沉积细小玻璃颗粒而形成的主体在至少包含氟原子或含氟化合物的气氛中固结。或者，优选在这样一种气氛中进行固结过程，在该气氛中氦被加入到至少包含氟原子或含氟化合物的气体中。通过加入氦，可以调整加入到所述玻璃中的氟的量。
此外，起始管20沿其整个长度的壁厚不均匀度优选为0.3％或更低，起始管20的内径不圆度和外径不圆度均优选为1％或更低。这里所用的术语“壁厚不均匀度”定义为((管的最大厚度)-(管的最小厚度))/(管的平均厚度)。类似地，不圆度定义为((最大直径)-(最小直径))/(平均直径)，其中管的横截面的周边形状被近似地看作椭圆形。在上述条件下，能够容易地获得具有小的偏振模色散(PMD)的光纤。
表I示出在包含氧化锗的细小玻璃颗粒被沉积在管内的情况下进行固结所得到的结果，在这些管中壁厚不均匀度互不相同。
表I
Figure DEST_PATH_G13786549150138000D000031
即使如果管的平均壁厚相等，由于位置的不同壁厚也不同，如果壁厚不均匀度很大，那么在具有较大壁厚的一侧固结细小玻璃颗粒层就需要较高的温度。当壁厚不均匀度超过0.3％时，不能形成优良的玻璃膜，这是因为包含在细小玻璃颗粒中的一氧化锗在固结所需的超过1,820℃的温度下会起泡的缘故。
表II示出样品11至19的PMD，其中壁厚不均匀度、芯偏心度以及芯不圆度互不相同。
表II
Figure DEST_PATH_G13786549150138000D000041
这里所用的术语“芯偏心度”定义为((棒中心与芯中心之间的距离)/(棒的半径))。如表II所示，当壁厚不均匀度、芯偏心度和芯不圆度在轴向方向上分别设为具有1.5％或更低的平均值时，PMD可以降低到0.15ps/km1/2或更低。
此外，优选的是，在步骤S1中沉积的玻璃层23的厚度为1mm或更高，起始管20与玻璃层23的总厚度(具有将要形成为芯的玻璃层的管的厚度)为8mm或更低。当所要形成的玻璃层的厚度小于1mm时，就难以获得能够拉制成长度为400km或更长的长光纤的光纤预制件。此外，当起始管20与玻璃层23的总厚度超过8mm时，其上沉积有玻璃层的表面的温度在自沉积开始至沉积结束的期间会发生明显的变化。从而，添加剂的浓度可能会偏离理想值，或者可能难以形成厚度均匀的玻璃层。
此外，当起始管20与玻璃层23的总厚度增大时，为了沉积优良的玻璃层，燃烧器22必须以缓慢的横动速度移动。图19是说明玻璃管壁厚、燃烧器横动速度以及沉积在玻璃管内的玻璃层状态之间的关系的图。本实施方式所使用的管具有42mm的直径，玻璃层的沉积速率为1.5g/min。在这种情况下，若横动速度太慢，则每一层的细小玻璃颗粒的沉积量就会变得过大，从而细小的玻璃颗粒无法固结；因此，不管玻璃管的壁厚为多少，横动速度都必须设为100mm/min或更高。例如，当细小的玻璃颗粒沉积在厚度为5mm的玻璃管内时，能够在燃烧器横动速度为100至220mm/min的条件下获得优良的玻璃层，该玻璃层的表面粗糙度为10nm。当玻璃管的壁厚超过8mm时，无论横动速度如何都不能获得优良的玻璃膜。例如，当玻璃管的壁厚为10mm时，玻璃层的表面粗糙度超过100nm。
当玻璃层的表面粗糙度增大时，光纤传输损耗的B值增大。因此，为了形成具有小的传输损耗的光纤，起始管20与玻璃层23的总厚度很重要。
图5是用于说明穿孔法的示意图，该穿孔法是制造起始管的方法的一个例子。如图5所示，圆柱形石英玻璃棒30被插入加热装置31比如加热器中，该加热装置31被设置成覆盖该石英玻璃棒，然后对该玻璃棒30的一个端部(图5中的左侧端部)加热并软化。石英玻璃棒被插入模具(dice)34中，然后石英玻璃棒30由图中未示出的可动装置进给到图中的左侧。接着，使穿孔工具32的头部33与石英玻璃棒30的被加热和软化的端部的端面中心相接触。随后，在进给石英玻璃棒30的同时，将头部33插到石英玻璃棒30内，穿孔工具32的头部33在其轴向方向上穿透石英玻璃棒30，从而获得了石英玻璃管。
图16是示出在光传输区域中包含10重量ppb(按重量计的十亿分率)的铁的光纤的吸收谱的图。如图16所示，即使少量杂质存在于光传输区域中，也会增大传输波段的损耗。因此，当管由穿孔法形成时，穿孔工具32优选是例如按重量计纯度为99％或更高的高纯碳棒，从而降低在管内壁处除添加剂以外的其他杂质的浓度。因此，当石英玻璃管通过穿孔形成时能够防止金属杂质比如铁、铬和镍的掺入，从而能够防止光纤损耗增加。在管内壁处除添加剂以外的杂质的浓度优选设定为1重量ppm或更低。杂质的浓度优选设定为10重量ppb或更低。在这种情况下，管的内壁被定义为从管的内表面起到离该表面1mm深的区域。
可以用具有刀片的钻头代替穿孔法在石英玻璃棒中形成孔。不过，与这种钻孔法相比，穿孔法能够以高的成孔速率进行，比如每分钟几十个毫米，除此以外，它还能避免可能由钻孔所导致的玻璃材料的损耗。
优选地，在进行管内汽相沉积之前，通过汽相蚀刻对由此形成的玻璃管的内表面进行加工。通过这种蚀刻，能够除去粘附在管内表面上的外来物质、OH层等等。
在步骤S1中，沉积玻璃层23的速率优选设为0.4g/min或更高。更优选地，该速率设为1.0g/min或更高。因此，能以低成本制造光纤预制件或光纤。
MCVD的热源可以是氢氧燃烧器、电阻电炉、等离子体炬或感应电炉。优选地，使用感应电炉、电阻电炉或等离子体炬。使用这种不产生湿气的热源使得能够制造在1.4μm波段具有低损耗的光纤，所述损耗由OH基的吸收所引起。当使用电阻电炉或感应电炉时，可以在干燥气体填充于电炉内的同时进行加热。在使用等离子体炬的情况下，用作工作气体的气体可以是氧气、氮气、氩气或其混合物，该工作气体的露点预先通过使该气体经过可市购到的吸收过滤器而降低。
在使用管内汽相沉积法的情况下，为了提高沉积速率，起始管的内部必须被充分加热。因此，起始管的壁厚应该优选降低。不过，当使用氢氧燃烧器作为热源时，该热源在加热起始管外周的同时产生湿气，从而OH基的吸收随着起始管壁厚的减小而增大。
当使用包含氟的起始管时，优选使用不产生湿气的热源。例如，当使用不产生湿气的热源时，在起始管含有氟和起始管不含氟的两种情况下(每一根管的外径均为25mm，内径均为17mm)，光纤在波长1.38μm处的由OH基的吸收所导致的损耗都是0.11dB/km。另一方面，当利用氢氧燃烧器对包含0.2重量ppm的氟的起始管进行管内汽相沉积时，在波长1.38μm处由OH基的吸收所引起的损耗为0.8dB/km，当利用氢氧燃烧器为不含氟(氯的浓度为200重量ppm)的起始管进行汽相沉积时，在波长1.38μm处由OH基的吸收所引起的损耗为0.5dB/km。
这样形成的玻璃管被塌缩以形成玻璃棒(图3中的步骤S2)。步骤S2具有第一加热步骤和第二加热步骤，在第一加热步骤中，对具有将要形成为芯的玻璃层的管的一个端部进行加热和塌缩，在第二加热步骤中对具有将要形成为芯的玻璃层的管从所述一个端部向另一端加热和塌缩。图6是说明第一加热步骤的示意图，而图7是说明第二加热步骤的示意图。
当进行塌缩步骤时，如图6所示，热源(在该情形下，以举例方式示出喷射出氢氧火焰的燃烧器22)加热玻璃管24，以便首先在一部分上进行塌缩，该部分与将用作玻璃棒的有效部分的端部靠近。接下来，如图7所示，使燃烧器22和玻璃管从所述先被塌缩的部分向另一端发生相对移动从而连续地塌缩玻璃管。这样，形成了玻璃棒10。
优选地，在第一加热步骤中该一个端部的表面加热温度T1设为高于在第二加热步骤中管的被加热部分的表面加热温度T2，所述管具有将要形成为芯的玻璃层。例如，在包含2重量ppm的氟的起始管中，T1＝1,250℃，T2＝1,150℃是合适的。在这些条件下，当塌缩过程开始即当对该管进行密封时该管能够迅速被塌缩，在后续的塌缩过程中，管能够以适当的速度被塌缩。因此，能防止中心芯和整个玻璃棒发生变形，这样能抑制在芯和包层的形成过程中出现不圆度，从而能获得具有小的PMD的光纤。
此外，当进行塌缩时，优选的是，正被塌缩的管的内部的绝对压强为10kPa或更低，管的表面加热温度在1,000至1,600℃的范围内。当管内的压强降低到低于大气压时，存在于管中的水分含量会减少，从而减少了在1.4μm波段由OH基的吸收所引起的损耗；此外，能够提高塌缩速度。
塌缩步骤所要使用的热源可以是感应电炉、电阻电炉、氢氧火焰或等离子体炬。在上述这些热源中，优选使用不产生湿气的热源比如感应电炉、电阻电炉、等离子体炬。具体而言，当使用含有氟的起始管时，优选使用不产生湿气的热源。
如上所述，当用于管内汽相沉积或塌缩的热源为不产生湿气的热源时，存在于从玻璃棒表面起至离该表面1mm深的区域内的OH基浓度能降到10重量ppm或更低。此外，OH基的浓度能降到1重量ppm或更低。此外，在为了降低由OH基的吸收所引起的损耗而除去附着了水分的玻璃层时，除去的量能够降低。因此，能以低成本制造优良的光纤预制件和光纤。
图20是示出玻璃棒表面上的OH基浓度与在1.4μm波段由OH基的吸收所引起的损耗之间的关系的图。在该情形下，透过玻璃棒表面的光功率的渗透率假定为2％。当OH基的浓度设为10重量ppm或更低时，由OH基的吸收所引起的在1.4μm波段的损耗是0.05dB/km或更低。该值等于低OH光纤所要求的值。
作为热源，特别优选使用感应电炉。图8是示出芯不圆度与用于塌缩的热源类型之间的关系的图。与使用仅能从管的一侧加热该管的氢氧燃烧器的情况相比，在使用能沿管的整个外周均匀地加热该管并均匀地软化玻璃管的整个外周的感应电炉的情况下，能够降低芯不圆度。
当进行玻璃管的塌缩时，在Cl2以0.1slm(标准升/分钟)或更高的流速被引入该玻璃管的同时，优选在800℃或更高的管表面加热温度下进行脱水和烘烤。因此，能够除去吸收在玻璃管内壁上的水分。此外，在进行塌缩以前，优选通过汽相蚀刻对管的内表面进行处理。因此，能除去附着到管表面上的外来物质和OH层。
图9是示出关于六氟化硫(SF6)与氯气(Cl2)的混合气体的流速与它的露点之间的关系以及它的流速与OH基浓度之间的关系的图。在图9中，线27A表示混合气体的流速及其露点之间的关系，线27B表示混合气体的流速与OH基的浓度之间的关系。如图9所示，通过增大SF6和Cl2的流速，能降低露点，并能降低OH基的浓度。其原因是当混合气体的流速增大时，能防止水分从下游扩散。气体本身的水分含量也优选小于10ppb。在蚀刻过程中，优选的是，允许Cl2和SF6分别以0.1slm或更高和50sccm(标准立方厘米/分钟)的流速流动，管表面加热温度设为1,500℃或更高。从而，能除去附着到管表面上的外来物质和OH层。
当光纤预制件的芯不圆度较高时，经拉丝后所得到的PMD增大，从而传输信号的质量降低。此外，当在玻璃棒中沿其中轴线包含许多气泡时，气泡在后续的加热步骤比如拉丝步骤中膨胀，从而堵塞中心芯，使得信号光的传输损耗增大或者信号光的传输被中断。此外，在存在许多气泡的点处光纤的机械强度降低。
由此，就气泡数量和芯不圆度对通过塌缩获得的玻璃棒进行检查，如结构检查(图3所示的步骤S3)。如果玻璃棒沿其中轴线每10mm长度内有一个以上的气泡或者其芯不圆度为0.4％或更高，则该玻璃棒被判定为在拉丝步骤中会引起麻烦(步骤S4)，因此不使用这种玻璃棒(步骤S5)。此外，如果玻璃棒的已经利用管内汽相沉积法完成沉积的部分的不圆度为1.5％或更高，那么确定这种玻璃棒会在后续步骤中会引起麻烦而不使用它是更合适的。
图10是用于说明测量存在于玻璃棒中的气泡数量的方法的示意图。利用光源L比如卤素灯使光从一个方向照射到玻璃棒10上，并通过目测来测量存在于玻璃棒10的中轴线X上的气泡B的数量。随后，在沿玻璃棒10的中轴线每10mm长度存在一个或更多个气泡B的情况下，废弃包含气泡B的区域D。
图11是示出玻璃棒的芯不圆度与光纤预制件的芯不圆度之间的关系的图。如图11所示，作为用于形成护套部分等的高温处理步骤的结果，芯不圆度超过0.4％的玻璃棒往往会形成芯不圆度超过1.5％的光纤预制件。此外，当玻璃棒的通过利用管内汽相沉积法而沉积形成的部分的不圆度设为1.5％或更低时，能很容易地使光纤预制件的芯不圆度设定在1.5％或更低。
图12是示出光纤预制件的芯不圆度与光纤的PMD之间的关系的图。如图12所示，当光纤预制件具有超过1.5％的芯不圆度时，该光纤预制件能容易地形成为PMD超过0.15ps/km1/2的光纤。一般地，对于超过40Gb/s的高速光通信，一直需要PMD为0.15ps/km1/2或更低的光纤。通过仅使用芯不圆度为0.4％或更低的玻璃棒，能够有效地制造具有优良的PMD且适用于高速光通信的光纤。
完成结构检查以后，可通过围绕玻璃棒外周进行火焰抛光来处理该玻璃棒(图3中的步骤S6)。通过火焰抛光，玻璃棒的表面层被汽化以便除去存在于表面上的损伤或应变或者除去附着于其上的外来物质，由此能获得高质量的玻璃棒。
此外，围绕玻璃棒的外周形成将要形成为外包层的护套部分以生产具有所设计的特性以及所需的芯直径和外径的光纤(图3中的步骤S7)。因此，例如，可以利用多个燃烧器通过VAD法、OVD法或管外汽相沉积法来制造护套部分，从而能降低工艺的成本。
通过以上步骤，完成了制造过程(图3中的步骤SE)，并且能获得这样一种光纤预制件，该光纤预制件能够形成具有所需的折射率分布且由OH基的吸收所引起的损耗较小的光纤。
当对这样获得的光纤预制件进行拉丝以形成光纤时，优选地在光纤被扭绞的同时进行拉丝，从而能降低PMD。此外，在进行拉丝时，优选地将施加到光纤上的拉力调整到30至300g的范围内。这样，能抑制所拉制的光纤的特性变化。
此外，经拉丝后的玻璃的直径优选为90至250μm。更优选的是直径为90至150μm。直径增大的光纤不太可能受微弯的影响。
此外，光纤在波长1.38μm处的由OH基的吸收所引起的损耗优选为0.2dB/km或更低，较优选为0.1dB/km或更低。此外，0.05dB/km或更低或者0.01dB/km或更低的损耗是更优选的。如上所述，通过对塌缩和管内汽相沉积实施无水化过程(non-moisture process)，可使光纤具有小的OH吸收损耗。
代替针对图3所示的步骤S7所述的上述方法，可以将玻璃棒插入套管，可以在使玻璃棒与套管成一体的同时进行同步拉丝。在这种情况下，所使用的套管是通过以下步骤形成的管：由OVD法沉积细小的玻璃颗粒，固结这样沉积的颗粒，并且通过穿孔法在其中形成孔。
图13是用于说明在使插入套管中的玻璃棒与该套管成为一体的同时进行拉丝的方法的示意图。在玻璃棒10插入圆筒形的套管40中的状态下，玻璃棒10和套管40都由加热装置41比如加热器加热。将加热器的下端侧(图13中的下侧部分)的温度设成高于上端侧的温度。随后，通过对玻璃棒10和套管40在它们下端侧加热而将它们熔为一体，与此同时，通过施加拉力向下进行拉丝，从而形成光纤F。此外，在拉丝过程中，在由图13所示箭头所指的方向上进给玻璃棒10和套管40。在本实施方式中，作为加热装置41的例子所描述的加热器是通过使电流流经电阻材料而发热的加热器；不过，也可以使用由感应电流或等离子体加热的基座。可在玻璃棒10的轴向方向(图13所示的竖直方向)上布置多个加热器。当在如上所述的玻璃棒插入套管中的状态下完成拉丝步骤时，即使该结构能使光透入外包层，也没有水分附着到界面上，因此能容易地制造OH基吸收较小的光纤。
实施例1
实施例1涉及制造具有图2所示的折射率分布的光纤预制件及光纤的方法。实施例1中制造的光纤预制件的相对折射率差Δc、Δd1、Δr和Δd2分别是0.50％、-0.30％、0.27％和-0.15％。此外，中心芯14的直径2c与第一凹陷部分13的外径2d1的比值Ra是0.66，第一凹陷部分13的外径2d1与环形部分12的外径2r的比值Rb是0.57，环形部分12的外径2r与第二凹陷部分11的外径2d2的比值Rc是0.50。在实施例1制造的光纤中，透过第二凹陷部分11外表的透光率是2％。
为了制造如上所述的光纤预制件，首先，由VAD法和穿孔法制造将要形成为第二凹陷部分11的起始管。该起始管的外径为32mm，内径为26mm，长度为1,900mm，并且该管是含氟的石英玻璃管，其中相对于纯石英玻璃的相对折射率差是-0.15％。在该起始管中OH基的含量是0.01重量ppm或更低。此外，所形成的该管在整个长度上的壁厚不均匀度为0.3％或更低，在整个长度上的管偏心度、外径不圆度和内径不圆度的各自值均为1％或更低。
其次，通过加热并使SF6和Cl2的混合气体流入起始管内而进行汽相蚀刻。随后，由MCVD法进行玻璃层的沉积，以便使所沉积的玻璃层形成为包含锗的环形部分12、包含氟的第一凹陷部分13和包含锗的中心芯14，因此获得上述的折射率分布。
为了通过MCVD法以2g/min的沉积速率沉积玻璃，燃烧器横动速度必须提高到例如150mm/min；必须以这样的横动速度沉积细小的玻璃颗粒以便形成较厚的层；并且必须将这样沉积的细小玻璃颗粒固结。为此，重要的是在防止管变形的同时将管在较宽的范围(比如50mm或更大)内加热到较高的温度(比如2,200℃)。在使用等离子体燃烧器，感应电炉和电阻电炉的情况下，由于它们的发热值可通过提高所供应的电能来增加并且可通过设计合适的炉体来加宽加热区，因此与使用氢氧燃烧器的情况相比，上述问题能够相对容易地解决。此外，在使用感应电炉或电阻电炉的情况下，可以从围绕管的整个外周的每一个方向进行加热。此外，与使用氢氧燃烧器的情况相比，在使用等离子体炬的情况下，从等离子体炬喷出的气体的流速可降至1/10至1/100。因而，上述热源可以抑制管的变形，并且当以高速进行玻璃沉积时使用起来更有利。
接下来，该玻璃管被塌缩以形成玻璃棒10。该玻璃棒的直径、不圆度和长度分别为12.5mm、0.2％和1,800mm。当以图10所述的方法测量玻璃棒10中的气泡数量时，观察到沿中轴线每10mm长度内有三个气泡的部分，从而废弃该部分。玻璃棒10呈现出优良的芯不圆度和芯偏心度，比如0.1％.玻璃棒10的外表面通过火焰抛光进行处理。
接着，形成外包层15。外包层15通过VAD法以100g/min的沉积速率沉积由不含杂质的硅石构成的细小玻璃颗粒并随后对所得到的沉积物进行固结而形成。这样形成外包层15，以使其长度为1,280mm，其外径为玻璃棒10的直径的2.9倍。此外，成型后，外包层15的芯不圆度为0.1％，外包层15的外径不圆度为0.2％.
通过对这样形成的光纤预制件进行拉丝来制造光纤。拉丝速度和拉丝力分别设为1,200m/min和50g，并且在刚拉制出的光纤被扭绞的同时进行拉丝。由一个光纤预制件得到的光纤的长度为685km。当检查光纤特性时，PMD为0.11ps/km1/2，B值为0.01dB/km或更低。根据本实施例，能高速合成较大的光纤预制件，并且可以形成低成本的光纤预制件。
实施例2
在实施例2中，不在玻璃棒的周围形成护套部分，而是采用玻璃棒与套管的组合来预制拉丝棒(rod-in-drawing)，从而形成如实施例1的光纤预制件。该套管等同于上述实施方式中的套管并且外径为130mm，内径为31mm。拉丝条件与实施例1中所述的相同。
在本实施例拉丝棒的情况下，其不需要伴有烟灰沉积来形成护套部分，而且也不会在界面处出现另外由水解反应所致的水分扩散，因此即使在光纤被设计成允许光透过护套界面的情况下，也能使由OH基的吸收所引起的损耗能被抑制到更低的水平。此外，因为套管通过高速合成而形成，所以能以低成本获得具有优良特性的光纤。因此，能获得具有优良特性的光纤，比如在波长1.38μm处由OH基的吸收所引起的的损耗为0.05dB/km。
实施例3
实施例3涉及制造具有图17所示的折射率分布的光纤和光纤预制件的方法。图17示出用于形成五重包层光纤的光纤预制件的折射率分布。在图17所示的光纤预制件中，中心芯51、第一凹陷部分52、第一环形部分53、第二凹陷部分54、第二环形部分55以及外包层56的折射率分别由Nc、Nd1、Nr1、Nd2、Nr2和No表示。此外，折射率Nc、Nd1、Nr1、Nd2和Nr2相对于外包层折射率No的相对折射率差分别由Δc、Δd1、Δr1、Δd2和Δr2表示。相对折射率差Δc、Δd1、Δr1、Δd2和Δr2分别为0.5％、-0.3％、0.27％、-0.15％和0.17％，并且满足关系式Nc＞Nr1≥Nr2＞No＞Nd2≥Nd1.
此外，中心芯51的直径51c与第一凹陷部分52的外径52d的比值为0.6，第一凹陷部分52的外径52d与第一环形部分53的外径53r的比值为0.63，第一环形部分53的外径53r与第二凹陷部分54的外径54d的比值为0.61，第二凹陷部分54的外径54d与第二环形部分55的外径55r的比值为0.7。
为了制造该用于五重包层光纤的光纤预制件，起始管用作对应于第二环形部分55的部分，将要形成为第二凹陷部分54、第一环形部分53、第一凹陷部分52和中心芯51的玻璃层通过管内汽相沉积法按照所列举的顺序沉积。随后，将所得到的玻璃管通过塌缩法塌缩。除了上述内容以外，光纤预制件和光纤可以按照与上述实施方式中所述方式相同的方式来制造。
实施例4
实施例4涉及制造具有图18所示的折射率分布的光纤和光纤预制件的方法。图18是示出用于六重包层光纤的光纤预制件的折射率分布曲线的示意图。在图18所示的光纤预制件中，中心芯61、第一凹陷部分62、第一环形部分63、第二凹陷部分64、第二环形部分65、第三凹陷部分66和外包层67的折射率分别由Nc、Nd1、Nr1、Nd2、Nr2、Nd3和No表示。此外，折射率Nc、Nd1、Nr1、Nd2、Nr2和Nd3相对于外包层的折射率No的相对折射率差分别由Δc、Δd1、Δr1、Δd2、Δr2和Δr3表示。相对折射率差Δc、Δd1、Δr1、Δd2、Δr2和Δr3分别为0.5％、-0.3％、0.27％、-0.15％、0.17％和-0.15％，并且满足关系式Nc＞Nr1≥Nr2＞No＞Nd3≥Nd2≥Nd1。
此外，中心芯61的直径61c与第一凹陷部分62的外径62d的比值为0.6，第一凹陷部分62的外径62d与第一环形部分63的外径63r的比值为0.63，第一环形部分63的外径63r与第二凹陷部分64的外径64d的比值为0.61，第二凹陷部分64的外径64d与第二环形部分65的外径65r的比值为0.7，第二环形部分65的外径65r与第三凹陷部分66的外径66d的比值为0.77。
为了制造用于六重包层光纤的光纤预制件，起始管用作将要形成为第三凹陷部分66的部分，将要形成为第二环形部分65、第二凹陷部分64、第一环形部分63、第一凹陷部分62和中心芯61的玻璃层按照所列举的顺序通过管内汽相沉积法进行沉积。随后，将所得到的玻璃管通过塌缩法塌缩。除了上述内容以外，光纤预制件和光纤可以按照与上述实施方式中所述方式相同的方式来制造。
具有多重包层的光纤能由上述方法制造，并不限于如上所述的五重包层光纤和六重包层光纤。当存在多个凹陷部分和多个环形部分时，将每一个凹陷部分的折射率设成小于外包层的折射率，每一个环形部分的折射率设为大于外包层的折射率。在这种情况下，中心芯的折射率Nc、凹陷部分的折射率Nd、环形部分的折射率Nr以及外包层的折射率No满足如下关系：Nc＞Nr＞No＞Nd。
在所有上述实施例中，除了如上所述的合成护套层的方法以外，护套层可以通过使利用多个燃烧器由VAD或管外汽相沉积法沉积的细小玻璃颗粒脱水和固结而形成。
日本专利申请No.2003-291344(2003年8月11日提交)的全部内容，包括说明书、权利要求、附图和摘要，以引用的方式并入本文中。
工业实用性
根据本发明，制造光纤预制件的方法包括以下步骤：在起始管内沉积折射率互不相同的多个玻璃层；并且塌缩所得到的玻璃管以便形成玻璃棒，该方法能够获得所需的折射率分布，除此以外，能够抑制由OH基的吸收所引起的损耗增大。

Claims (19)

1.一种制造光纤预制件的方法，包括以下步骤：
对起始管进行管内汽相沉积，使得将要形成为芯的玻璃层和将要形成为包层的一部分的玻璃层沉积在所述起始管内，每一个所述玻璃层都包含氟、锗、磷和氯中的至少一种，所述起始管由石英玻璃制成，其外径在20mm至150mm的范围内，壁厚在2mm至8mm的范围内，并且所述起始管沿其整个长度的壁厚不均匀度为0.3％或更低，从而形成了具有将要形成为芯的玻璃层的管；以及
塌缩所述管以便形成玻璃棒，在所述玻璃棒中，在从所述玻璃棒的表面起至离该表面1mm深的区域内OH基的浓度为10重量ppm或更低。
2.根据权利要求1所述的制造光纤预制件的方法，
其中，所述羟基的浓度为1重量ppm或更低。
3.根据权利要求1所述的制造光纤预制件的方法，
其中，所述起始管是由包含氟的石英玻璃制成的管。
4.根据权利要求1所述的制造光纤预制件的方法，
其中，所述起始管是通过沉积细小的玻璃颗粒并随后脱水和固结而形成的，并且存在于所述起始管中的羟基的浓度为0.01重量ppm或更低。
5.根据权利要求1所述的制造光纤预制件的方法，
其中，所述起始管的内径不圆度和外径不圆度均为1％或更低。
6.根据权利要求1所述的制造光纤预制件的方法，
其中，所述管内汽相沉积法是MCVD法，并且沉积所述玻璃层的沉积速率为0.4g/min或更高。
7.根据权利要求6所述的制造光纤预制件的方法，
其中，所述沉积速率为1.0g/min或更高。
8.根据权利要求1所述的制造光纤预制件的方法，
其中，将要形成为芯的玻璃层与将要形成为包层的一部分的玻璃层的总厚度为1mm或更高，并且具有将要形成为芯的玻璃层的管的壁厚为8mm或更低。
9.根据权利要求1所述的制造光纤预制件的方法，
其中，所述玻璃棒的芯的不圆度为0.4％或更低，并且在所述玻璃棒的中轴线上每10mm长度内的气泡数量为一个或更少。
10.根据权利要求1所述的制造光纤预制件的方法，
其中，所述玻璃棒中的由管内汽相沉积法沉积的部分的不圆度为1.5％或更低，并且在所述玻璃棒的中轴线上每10mm长度的气泡数量为一个或更少。
11.根据权利要求1所述的制造光纤预制件的方法，
其中，所述塌缩步骤包括第一加热步骤和第二加热步骤，在第一加热步骤中，具有将要形成为芯的玻璃层的所述管的一端被加热并塌缩，在第二加热步骤中，具有将要形成为芯的玻璃层的所述管从所述一端向另一端被加热并塌缩，并且在第一加热步骤中所述一端的表面加热温度T1高于在第二加热步骤中所述管的被加热部分的表面加热温度T2，所述管具有将形成为芯的玻璃层。
12.根据权利要求6所述的制造光纤预制件的方法，
其中，用于MCVD法的热源是感应电炉、电阻电炉以及等离子体炬中的一种。
13.根据权利要求1所述的制造光纤预制件的方法，
其中，用于所述塌缩步骤的热源是感应电炉、电阻电炉以及等离子体炬中的一种。
14.一种制造光纤的方法，该方法包括对根据权利要求1所述的制造方法制造的光纤预制件进行拉丝的步骤。
15.根据权利要求14所述的制造光纤的方法，
其中，在所述拉丝步骤中，所述玻璃棒被插入套管中，在所述玻璃棒和所述套管被加热而成一体的同时对它们进行拉丝。
16.根据权利要求15所述的制造光纤的方法，
其中，所述套管是通过沉积细小的玻璃颗粒并随后脱水和固结而形成的，并且存在于所述套管中的羟基的浓度为0.01重量ppm或更低。
17.一种用根据权利要求14所述的制造方法制造的光纤。
18.根据权利要求17所述的光纤，
其中，该光纤的偏振模色散为0.15ps/km1/2或更低。
19.根据权利要求17所述的光纤，
其中，该光纤在波长1.38μm处由于OH基而导致的吸收损耗为0.2dB/km或更低。
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