(57)【要約】【課題】高い帯域幅用途に適する少ないリップル構造をする、望ましい近放物線形の屈折率プロファイルを備えたＧＩ  ＭＭファイバのガラス層を、再現性良くかつ制御可能に形成する費用効率の高いＭＣＶＤ法を提供する。【解決手段】本願発明のＭＣＶＤ法は、光ファイバが形成されるスートの部分層の蒸着時にガス流の中にＮ２Ｏ、ＣＯ、またはＮＦ３を組み入れることによってグレーデッドインデックス型でマルチモードの光ファイバの屈折率プロファイル内のリップル構造を減少する。スートの部分層はその後に続くスートの部分層の蒸着時に焼結させられてガラスの部分層を形成し、蒸着中に各々のスートの部分層にドーパント種が組み入れられる。ドープされたガラスの部分層から作られるファイバは、放物線に近い形状であるグレーデッド屈折率プロファイルを有し、従来の手法で製造されたファイバのプロファイルと比較して大幅に小さくされたリップルを有する。【選択図】図１
2006232665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチモード光ファイバの屈折率プロファイル内のリップルを減少させる方法であって、
（ａ）基材を供給する工程と、
（ｂ）Ｏ２、気体でケイ素を有する化合物、気体でドーパントを有する化合物、およびＮ２Ｏを含むガス混合物を前記基材に沿って流す工程と、
（ｃ）前記ケイ素を有する化合物および前記ドーパントを有する化合物に、前記基材上で第１のドープされたスート層として堆積する酸化物スート粒子を形成させるために前記基材に沿って熱源を移動させる工程と、
（ｄ）前記基材に沿って流れる前記Ｏ２、前記気体でケイ素を有する化合物、前記気体でドーパントを有する化合物、および前記Ｎ２Ｏのうちの１つまたは複数の量を調節することによって前記ガス混合物を調節する工程と、
（ｅ）前記調節されたガス混合物のうちの前記ケイ素を有する化合物および前記ドーパントを有する化合物に異なったドーパント濃度で酸化物スート粒子を形成させるために前記基材に沿って前記熱源を移動させる工程とを含み、前記異なったドーパント濃度を備えた前記スート粒子が、前記第１のドープされたスート層から形成された第１のドープされたガラス層の上に第２のドープされたスート層として堆積し、
前記熱源が前記基材に沿って移動させられると、前に堆積したスート層が焼結させられてガラス層を形成する方法。
【請求項２】
マルチモード光ファイバの屈折率プロファイル内のリップルを減少させるための方法であって、
（ａ）基材を供給する工程と、
（ｂ）Ｏ２、気体でケイ素を有する化合物、気体でドーパントを有する化合物、およびＮＦ３を含むガス混合物を前記基材に沿って流す工程と、
（ｃ）前記ケイ素を有する化合物および前記ドーパントを有する化合物に、前記基材上で第１のドープされたスート層として堆積する酸化物スート粒子を形成させるために前記基材に沿って熱源を移動させる工程と、
（ｄ）前記基材に沿って流れる前記Ｏ２、前記気体でケイ素を有する化合物、前記気体でドーパントを有する化合物、および前記ＮＦ３のうちの１つまたは複数の量を調節することによって前記ガス混合物を調節する工程と、
（ｅ）前記調節されたガス混合物のうちの前記ケイ素を有する化合物および前記ドーパントを有する化合物に異なったドーパント濃度で酸化物スート粒子を形成させるために前記基材に沿って前記熱源を移動させる工程とを含み、前記異なったドーパント濃度を備えた前記スート粒子が、前記第１のドープされたスート層から形成された第１のドープされたガラス層の上に第２のドープされたスート層として堆積し、
前記熱源が前記基材に沿って移動させられると、前に堆積したスート層が焼結させられてガラス層を形成する方法。
【請求項３】
マルチモード光ファイバの屈折率プロファイル内のリップルを減少させるための方法であって、
（ａ）基材を供給する工程と、
（ｂ）Ｏ２、気体でケイ素を有する化合物、気体でドーパントを有する化合物、およびＣＯを含むガス混合物を前記基材に沿って流す工程と、
（ｃ）前記ケイ素を有する化合物および前記ドーパントを有する化合物に、前記基材上で第１のドープされたスート層として堆積する酸化物スート粒子を形成させるために前記基材に沿って熱源を移動させる工程と、
（ｄ）前記基材に沿って流れる前記Ｏ２、前記気体でケイ素を有する化合物、前記気体でドーパントを有する化合物、および前記ＣＯのうちの１つまたは複数の量を調節することによって前記ガス混合物を調節する工程と、
（ｅ）前記調節されたガス混合物のうちの前記ケイ素を有する化合物および前記ドーパントを有する化合物に異なったドーパント濃度で酸化物スート粒子を形成させるために前記基材に沿って前記熱源を移動させる工程とを含み、前記異なったドーパント濃度を備えた前記スート粒子が、前記第１のドープされたスート層から形成された第１のドープされたガラス層の上に第２のドープされたスート層として堆積し、
前記熱源が前記基材に沿って移動させられると、前に堆積したスート層が焼結させられてガラス層を形成する方法。
【請求項４】
さらに、
（ｆ）前記基材上で複数のガラス層を形成するために工程（ｄ）および（ｅ）を繰り返す工程と、
（ｇ）前記複数のガラス層を備えた前記基材を壊すことによってプリフォームを作製する工程とを含む、請求項１、２、および３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記プリフォームが放物線に近い形状で半径方向の屈折率プロファイルを有する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記プリフォームの屈折率プロファイルが、Ｎ２Ｏ、ＮＦ３、またはＣＯを伴なわずに作られ、かつ前記プリフォームと同じ数のガラス層を有するように作られた従来式のプリフォームのリップル構造よりも小さい大きさを備えたリップル構造を有する、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記気体でドーパントを有する化合物がＧｅＣｌ４であり、前記気体でケイ素を有する化合物がＳｉＣｌ４である、請求項１、２、および３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記第１のドープされたスート層が前記基材上のクラッド層の上に堆積させられる、請求項１、２、および３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
マルチモード光ファイバの屈折率プロファイル内のリップルを減少させるための方法であって、
（ａ）チューブ状の基材を供給する工程と、
（ｂ）前記基材を通してＯ２、気体でケイ素を有する化合物、気体でドーパントを有する化合物、およびＮ２Ｏを含むガス混合物を流す工程と、
（ｃ）前記ケイ素を有する化合物および前記ドーパントを有する化合物に、前記基材上でドープされたスート層として堆積する酸化物スート粒子を形成させるために前記ガス混合物を加熱する工程と、
（ｄ）前記ドープされたスート層を焼結させてガラス層を形成する工程と、
（ｅ）前記基材に沿って流れる前記Ｏ２、前記気体でケイ素を有する化合物、前記気体でドーパントを有する化合物、および前記Ｎ２Ｏのうちの１つまたは複数の量を調節することによって前記ガス混合物を調節する工程と、
（ｆ）前記調節されたガス混合物のうちの前記ケイ素を有する化合物および前記ドーパントを有する化合物に異なったドーパント濃度で酸化物スート粒子を形成させるために前記調節されたガス混合物を加熱する工程であって、前記異なったドーパント濃度を備えた前記スート粒子がドープされたスート層として前記ガラス層の上に堆積する工程と、
（ｇ）前記基材上で複数のガラス層を形成するために工程（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）を繰り返す工程とを含む方法。
【請求項１０】
マルチモード光ファイバの屈折率プロファイル内のリップルを減少させるための方法であって、
（ａ）チューブ状の基材を供給する工程と、
（ｂ）前記基材を通してＯ２、気体でケイ素を有する化合物、気体でドーパントを有する化合物、およびＮＦ３を含むガス混合物を流す工程と、
（ｃ）前記ケイ素を有する化合物および前記ドーパントを有する化合物に、前記基材上でドープされたスート層として堆積する酸化物スート粒子を形成させるために前記ガス混合物を加熱する工程と、
（ｄ）前記ドープされたスート層を焼結させてガラス層を形成する工程と、
（ｅ）前記基材に沿って流れる前記Ｏ２、前記気体でケイ素を有する化合物、前記気体でドーパントを有する化合物、および前記ＮＦ３のうちの１つまたは複数の量を調節することによって前記ガス混合物を調節する工程と、
（ｆ）前記調節されたガス混合物のうちの前記ケイ素を有する化合物および前記ドーパントを有する化合物に異なったドーパント濃度で酸化物スート粒子を形成させるために前記調節されたガス混合物を加熱する工程であって、前記異なったドーパント濃度を備えた前記スート粒子がドープされたスート層として前記ガラス層の上に堆積する工程と、
（ｇ）前記基材上で複数のガラス層を形成するために工程（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）を繰り返す工程とを含む方法。
【請求項１１】
マルチモード光ファイバの屈折率プロファイル内のリップルを減少させるための方法であって、
（ａ）チューブ状の基材を供給する工程と、
（ｂ）前記基材を通してＯ２、気体でケイ素を有する化合物、気体でドーパントを有する化合物、およびＣＯを含むガス混合物を流す工程と、
（ｃ）前記ケイ素を有する化合物および前記ドーパントを有する化合物に、前記基材上でドープされたスート層として堆積する酸化物スート粒子を形成させるために前記ガス混合物を加熱する工程と、
（ｄ）前記ドープされたスート層を焼結させてガラス層を形成する工程と、
（ｅ）前記基材に沿って流れる前記Ｏ２、前記気体でケイ素を有する化合物、前記気体でドーパントを有する化合物、および前記ＣＯのうちの１つまたは複数の量を調節することによって前記ガス混合物を調節する工程と、
（ｆ）前記調節されたガス混合物のうちの前記ケイ素を有する化合物および前記ドーパントを有する化合物に異なったドーパント濃度で酸化物スート粒子を形成させるために前記調節されたガス混合物を加熱する工程であって、前記異なったドーパント濃度を備えた前記スート粒子がドープされたスート層として前記ガラス層の上に堆積する工程と、
（ｇ）前記基材上で複数のガラス層を形成するために工程（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）を繰り返す工程とを含む方法。
【請求項１２】
さらに、
（ｈ）形成された前記複数のガラス層を備えた前記基材を壊すことによってプリフォームを作製する工程を含む、請求項９、１０、および１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記プリフォームが放物線に近い形状で半径方向の屈折率プロファイルを有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記プリフォームの屈折率プロファイルが、Ｎ２Ｏ、ＮＦ３、またはＣＯを伴なわずに作られ、かつ前記プリフォームと同じ数のガラス層を有するように作られた従来式のプリフォームのリップル構造よりも小さい大きさを備えたリップル構造を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記気体でドーパントを有する化合物がＧｅＣｌ４であり、前記気体でケイ素を有する化合物がＳｉＣｌ４である、請求項９、１０、および１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１、２、および３のいずれか１項の方法を使用して形成されたマルチモード光ファイバ。
【請求項１７】
請求項９、１０、および１１のいずれか１項の方法を使用して形成されたマルチモード光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、化学蒸着（Ｃhemical Ｖapor Ｄeposition：ＣＶＤ）法によって作られる改良型マルチモード（ＭultiＭode：ＭＭ）光ファイバに関する。より詳細には、本発明は内付けＣＶＤ（Ｍodified ＣＶＤ：ＭＣＶＤ）法によって作られるグレーデッドインデックス（Ｇraded Ｉndex：ＧＩ）型ＭＭ光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムは電磁スペクトルの可視領域または近可視領域（near-visible region）で概して動作し、通信媒体としてクラッド層付きガラス・ファイバを概して利用する。そのようなファイバは普通、少なくとも２つの区分、すなわちコアおよびコアを取り囲むクラッド層を有する。概して、クラッド層はコアに相対して低い屈折性の率（本願明細書では屈折率と称する）を有する。コアとクラッド層の間の屈折率の差は約０．００５から０．０５の範囲であることが可能である。
【０００３】
単一モードの伝送のためのファイバは、一次モードだけに効率的に適応するために充分に小さい直径のコアによって特徴付けられる。ＭＭ伝送のためのファイバは、多数のモードに適応するために充分に大きい直径のコアによって特徴付けられる（通常のＭＭのコアの直径は５０μｍから１００μｍの範囲にあり、通常のクラッド層の直径は１２５μｍから１５０μｍの範囲にある）。現在、ＭＭ伝送のためのファイバは、それらのより大きいコア直径がスプライシング（splicing：継ぎ合わせ）を容易にし、かつ電源およびリピータ装置のような装置への効率的なエネルギ結合を可能にすることが理由で関心の対象である。
【０００４】
伝送線の中の多数のモードの存在は分散効果に結び付き、それが普通では異なった多数のモードの異なった速度に起因して伝送信号の汚染または拡散を引き起こす。すなわち、場所Ａから送信される信号パルスは最も速いモードと最も遅いモードの到着時間の間の差に対応する時間間隔または広がり全体にわたって場所Ｂで受信されるであろう。パルスの拡散は、信号伝送の帯域幅を減少させることによって光通信に悪影響を与える。
【０００５】
モード分散の効果は途切れることなく焦点を集束させるＧＩファイバの使用を通じて下げられてきた。そのようなファイバは、コアの中心の高い値から、コアの中心からコア／クラッド層界面への半径方向距離と共に減少する低い値へと勾配を設けられる屈折率を有する。基本モードの信号は概して最も高い屈折率（最も低速度）の領域に限定される。さらに高次モードの信号は概してさらに低い屈折率（さらに高速度）の領域で伝搬する。
【０００６】
クラッド層付きのガラス・ファイバを生産するための多くの従来式の方法は蒸気源材料の使用を含む。通常、ファイバは塩化ケイ素および水素化ケイ素といった気体でケイ素を有する化合物から形成される。１つまたは複数の層のプリフォームを作製または堆積させるらめにこれらの化合物が酸素と反応させられ、そこからファイバが線引きされる。ファイバの屈折率を調整するために、下記でさらに詳しく検討されるように、例えば（複数の）ガラス層の形成時に気体でドーパントを有する化合物を酸素と反応させること、または液体でドーパントを有する溶液で（複数の）ガラス層をコーティングし、その後、コーティングされた（複数の）層を熱処理することによって望ましいドーパントが（複数の）ガラス層に組み入れられる。ドーパント材料は、例えば屈折率を下げるためのフッ素および／またはホウ素、および屈折率を上げるためのゲルマニウム、チタン、アルミニウム、および／またはリンの化合物を含む。ＧＩファイバを作製するために、屈折率の勾配付けは複数のガラス層の蒸着時に組み入れられるドーパントのタイプ、および／またはドーパントの量を選択的に変えることによって達成されることが可能である。しかしながら、溶液によるドーピングはＧＩファイバを作製するための高収率で費用効果の高い方式ではない。
【０００７】
光ファイバを形成するための従来式のＣＶＤ法では、気体でケイ素を有する化合物と酸素が加熱された表面の上を通過させられ、そこでこれらの気体が反応してガラス状の酸化ケイ素物質を形成する。この表面は普通ではガラス・チューブの内側表面である。場合によっては、ドープされた酸化ケイ素ガラス物質を形成するために、気体でドーパントを有する化合物が反応の中に含められることもやはり可能である。加熱された表面の温度および反応に使用される気体の流量は、反応が単に加熱表面を介して（すなわち不均一に）進むように調節および制御され、それにより、堆積した物質はガラスの連続層となる。
【０００８】
光ファイバを形成するための別の従来式の方法で、一般に「スート(soot)」法と称される方法では、酸素、気体でケイ素を有する化合物、および場合によっては気体でドーパントを有する化合物を含む前駆体の反応物質のガス流がガラス・チューブに通される。火炎のような移動性の熱源がチューブに沿って送られることで移動性の高温ゾーンを作り出し、それがチューブおよび移動性高温ゾーンを通って流れるガス流の部分を加熱する。高温ゾーンを通過する前駆体反応物質は均一な反応を受け、そこでガラスの粒子（本願明細書では「スート」とも称される）が気相中で、すなわち媒介表面を伴なわずに形成される。ガス流がガラス粒子を移動させ、それらが形成される場所から下流のチューブ上で堆積させられる。チューブに付着するスートはその後、チューブ上でガラスの層を形成するために焼結処理される。
【０００９】
従来式のＣＶＤ法は、従来式のスート法によって作り出されるそれらよりも高い純度のガラス層を作り出すが、しかし概してさらに長い蒸着時間を必要とする。他方で、スート法は異物混入する傾向がある。また、スート法によって形成されるガラス層は水和の難題を抱える傾向があり、それはスート法を使用して作られるファイバの光学特性で水の吸収に関係するピークに結果としてつながり、それが今度は他方でそのようなファイバの電磁スペクトルの赤外領域で信号伝送に影響を及ぼす。
【００１０】
光ファイバは通常、ドープされるかまたは未ドープの中にガラス層が堆積しているガラス・チューブを壊すことによって作られるプリフォームから形成（線引き）される。それらのファイバは通常、それらが線引きされるプリフォームのそれと同じ半径方向の組成を有し、コアおよびクラッド層に対応する組成的に区別される領域を含む。
【００１１】
従来式のＭＣＶＤ法はＣＶＤ法とスート法の態様を組み合わせる。プリフォームを作製するための従来式のＭＣＶＤ法では、ＳｉＣｌ４およびＧｅＣｌ４のような１つまたは複数の試薬ガスが回転するガラス・チューブの中に酸素と共に導入される。このチューブが外部から加熱されることで、加熱されたガラス・チューブの内壁での（複数の）試薬ガスと酸素の不均一酸化反応（heterogeneous oxidation reaction）（ＣＶＤ法）、ならびにチューブの内側での（複数の）試薬ガスと酸素の均一酸化反応（homogeneous oxidation reaction）（スート法）を引き起こす。反応によって形成されたスートはチューブの内部表面上に薄く多孔質の層として堆積する。多数の蒸着またはＭＣＶＤの経過がプリフォームのクラッド層および／またはコアを形成するために使用されることが可能である。クラッド層のための材料はコアのための材料の前に蒸着される。気体の形で（例えばＧｅＣｌ４を）ドーパントを反応に導入することによってコアおよび／またはクラッド層中にそれらが組み入れられることが可能である。
【００１２】
望まれるドーパントすべてが周囲条件で気体の形で利用可能であるとは限らない。例えば、ある希土類元素は室温では気体の化合物として存在しない。そのようなドーパントは溶液ドーピング法を通じて組み入れられることが可能である。溶液ドーピングは所望のドーパントを含む溶液で多孔質のスート層を浸漬する工程、およびその後、所望のドーパントを含む残留物（residue）を残すために溶液を排出する工程を含む。残留物で覆われたスート層が焼結処理されることで結果的に得られるガラス層の中に所望のドーパントが組み入れられる。
【００１３】
従来式のＭＣＶＤ法によって形成されたガラス層の溶液ドーピングはいくつかの困難を伴なう。浸漬の前のガラス層の焼結処理は、とりわけ望ましいドーパントの組み入れの程度を減少させるので望ましくない。また、空隙率またはガラス・チューブに沿った浸漬の程度のばらつきは溶液残留物の濃度および均一性に不本意なばらつきを作り出し、それが今度は他方でプリフォーム毎のドーパント濃度のばらつき、ならびにそのようなプリフォームから線引きされるファイバの長さに沿ったドーパント濃度のばらつきに結果としてつながる。
【００１４】
現状の技術のＭＭファイバは、コア／クラッド層境界からコアの中心へと放物線に近い方式で増大する屈折率プロファイルを伴なったグレーデッドインデックスを有するように設計される。これは普通、徐々に変化するドーパント濃度の多数のガラス層（部分層（sub-layer））を形成することによって達成される。当業者によって理解されるであろうが、溶液ドーピングを通じて再現性のある近放物線形のプロファイル（near-parabolic profile）を達成する工程は困難と連動させられる。さらに、個々の部分層が別々に浸漬される必要があるので、溶液ドーピングは近放物線形の屈折率プロファイルを備えたＧＩファイバを達成するために効率的な方法ではない。
【００１５】
ドーパントを有する気体の酸化を通じてドープするために、従来式のＭＣＶＤ法では結果的に得られるプリフォームはしばしば、プリフォームのコア部分を作り出すために使用される多数の蒸着経過の中で形成される層に境界を定めるリップルを伴なって望ましくない層構造を有するドーパント濃度プロファイルを有する。ドーパント濃度のそのような不均一性は同様の望ましくない層構造またはリップル発生を有する屈折率プロファイルに反映される。リップルの大きさは普通ではプリフォームがＧＩ  ＭＭ光ファイバに使用不可能になる点まで光伝送パラメータが影響を受ける閾値よりも下であるが、それでもやはりリップルはファイバの帯域幅、およびそのプリフォームに関して正確な屈折率情報を信頼性良く予測する能力もやはり制限する可能性が高い。現在、屈折率プロファイルのいずれかの信頼性のある調節が可能となる前にファイバから屈折率データを得ることが必要である。
【００１６】
ドーパント濃度、それゆえに屈折率のリップルはいくつかの効果の組み合わせによって引き起こされると考えられる。第１に、Ｇｅがドープされた石英ガラスのケースでは、異なるＧｅＯ２濃度を有するシリカ粒子は酸化反応中の気相全域にわたる熱的差異から結果的に生じる。ＧｅＯ２酸化反応の平衡は、従来式のＭＣＶＤ法で使用される蒸着温度で基材の近く、すなわち相対的に高い温度にあるガラス・チューブの内側表面近くで形成するスートが基材からさらに離れて、すなわち相対的に低い温度にあるチューブの中心近くで形成するスートよりも低いＧｅＯ２濃度を有するようにされる。したがって、従来式のＭＣＶＤ法によって作り出されるプリフォームでは、各々のスートの部分層の中のＧｅＯ２濃度はチューブの中心に向かって（したがって結果として得られるコア部分の中心に向かって）半径方向で減少する。
【００１７】
チューブの中心は概して、チューブの内側表面付近よりも低い温度を有する。この半径方向の温度分布はチューブの内側で異なった半径方向の位置で形成される粒子の屈折率に影響を与える。また、単一のＭＣＶＤ経過、すなわちチューブの長さに沿った１回の高温ゾーンの経過によって蒸着される所定のスートの部分層の中で、底の（遠い下流の）領域はチューブの中心付近で酸化された粒子で形成され、頂上の（近い下流の）領域はチューブの内側表面付近で酸化された粒子で形成される。チューブ中心の中心付近で酸化される粒子は一層速い軸方向速度で移動し、したがってさらに遠い下流に移動して底近くで堆積し、それに対してチューブの内側表面付近で酸化される粒子はさらに遅い軸方向速度で移動し、頂上近くで堆積するのでこれが生じる。
【００１８】
以前に蒸着されたスートの部分層が後に続くＭＣＶＤ経過中に焼結させられるときに別の効果が生じる。すなわち、スートの部分層を蒸着するためのガラス・チューブの長さに沿った高温ゾーンの各々の経過の中で、前に蒸着された部分層の表面領域から少量のＧｅＯ２が「焼き払われる」。これは、チューブの中心に向かって半径方向にＧｅＯ２の濃度が減少する部分層（前に蒸着された部分層）を生じさせる。その結果、ＧｅＯ２の表面濃度がＭＣＶＤ経過中に焼き払われる各々の部分層に関して、屈折率プロファイルのピークまたはリップルが存在する。
【００１９】
【特許文献１】米国特許第６，１０９，０６５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
上記の観点から、高い帯域幅用途に適した小さくされたリップル構造を有して望ましい近放物線形の屈折率プロファイルを備えたＧＩ  ＭＭファイバのためのガラス層を再現性良くかつ制御可能に形成する費用効率の高いＭＣＶＤ法に関するニーズが当該技術に存在する。
【００２１】
現在の帯域幅需要に必要とされる矛盾しない高帯域幅の光ファイバを達成するために、ファイバの屈折率を正確に制御し、それにより、ファイバが形成されるガラス層を蒸着するための処理を制御することが必要である。本発明はＭＭファイバに使用するために適したガラス層を蒸着するための改善されたＭＣＶＤ法に関し、そこではドーパント濃度の不均一性から結果として生じるファイバの屈折率プロファイルの中のリップルの存在は従来式のＭＣＶＤ法を使用して作られるＭＭファイバと比較して大幅に少なくされる。
【００２２】
リップル発生の程度を下げるために使用されてきた１つの方法は、蒸着される各々の部分層の厚さを削減することであった。しかしながらこの方法は、所望のプリフォームのサイズを達成するために蒸着経過の数の増加を必要とする。明らかに、経過の数が増加するにつれて合計の蒸着時間が増加するので、そのような従来式の技術は生産性を下げる。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の改善されたＭＣＶＤ法は蒸着経過の数を増加することなくリップル発生効果、すなわち結果として得られるガラス・ファイバの屈折率プロファイルのばらつきを少なくする。したがって、本発明は高帯域幅用途のためのＧＩ  ＭＭファイバを作るために使用されるプリフォームを作製する費用効率の高い方法を提供する。本発明の改善されたＭＣＶＤ法は小さい粒子サイズおよび均一なドーパント濃度を有するスートを作り出し、それは結果として、従来法で可能であるそれよりも大幅に滑らかな近放物線形の屈折率プロファイルにつながる。
【００２４】
本発明の実施形態によると、ガラス・ファイバの屈折率の制御された勾配は、蒸着されたスート層がスート形成中に気体でドーパントを有する化合物によってドープされるＭＣＶＤ法によって達成され、それが結果として、純ＳｉＯ２石英のそれよりも高い屈折率を有するガラス層（スート層から形成される）につながる。選択肢のドーパントはゲルマニウムであることが好ましい。ドーピングは、蒸着されるスート層に関して所望の屈折率を生じることに適した比でＧｅＣｌ４とＳｉＣｌ４で蒸気飽和させられたＯ２の蒸気流を開始時の石英またはガラスのチューブ（基材チューブ）に供給することによって達成される。この蒸気流はＮ２Ｏガスもやはり含む。場合によっては、Ｎ２Ｏの代わりにＮＦ３もしくはＣＯが使用されることも可能である。熱は基材チューブの外側に供給され、チューブの中に加熱ゾーンを作り上げる。加熱ゾーンの中の熱はＳｉＣｌ４およびＧｅＣｌ４をそれぞれＳｉＯ２およびＧｅＯ２のスートへと変換するチューブ内部の反応を開始させ、それが熱から下流で堆積する。加熱ゾーンが堆積したばかりのスート層に向かってチューブを横切ると、その熱は、スート層を適切な濃度のＧｅＯ２を含む高純度のガラス層へと焼結させることでその特定のガラス層に関して所望の屈折率を生じさせるために充分である。各々が独自の望ましい屈折率を備えた多くの連続したガラス層が蒸着されることで、形成されるべき特定のタイプのＭＭファイバのために屈折率プロファイルの所望の勾配を備えた多層複合材料を作り出す。屈折率プロファイルは、所定のスペクトル波長範囲のために適合される高帯域幅ファイバが作製されるように調節可能である。
【００２５】
スート層の蒸着時のＮ２ＯまたはＮＦ３またはＣＯの存在は、結果として得られる各々のガラス層の中のＧｅＯ２濃度の向上した均一性に結び付く。Ｎ２Ｏの存在はスート形成反応を発熱性にさせ、それがチューブの中の半径方向の温度の均一性を向上させると考えられる。本発明の改善されたＭＣＶＤによって作り出されるプリフォームは、同じ数のＭＣＶＤ経過から作られる同様のサイズのプリフォームに関して、従来式のＭＣＶＤ法を使用して作製されるプリフォームよりも大幅に滑らかであり、かつ小さい屈折率リップルを有する屈折率プロファイルを備えたコアを有する。
【００２６】
本発明は、添付の図面と結び付けて下記で提示される（複数の）好ましい実施形態の詳細な説明からさらに容易に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は光ファイバ用のプリフォームを作るための改善されたＭＣＶＤ法の概略のフロー図である。工程Ａで基材が供給される。この基材は本方法に使用される温度上昇および化学種（chemical species）に耐えることが可能ないずれの材料であることも可能である。例えば、この基材はガラス、セラミック、半導体材料、または耐熱合金で形成されることが可能である。光ファイバ用のプリフォームを作るために、基材はガラスの中空チューブであることが好ましい。例えば、図２に示されるように、溶融石英で作られたチューブ１０が基材として使用される。通常、チューブ１０は内径≧６ｍｍ、および壁厚≦６ｍｍを有し、ガラス工芸用旋盤１１によって保持されることが可能である。
【００２８】
工程Ｂで、シリカ・スートのクラッド層が基材上に蒸着される。クラッド層は、スート処理法および上記で検討された従来式のＭＣＶＤ法を含めたシリカ・スートを形成するためのいずれの知られている方法を使用して形成されることも可能である。例えば、クラッド層用のシリカ・スートは、気体の前駆体混合物をチューブ１０の内部に流し、チューブの壁に熱を加えることによって従来式のＭＣＶＤに従って蒸着されることが可能である。熱は、チューブ１０の内部にある前駆体混合物を反応させてシリカ・スートを形成させるために充分である。スートを形成している間、チューブ１０が回転していることが望ましい。クラッド層の１つまたは複数の部分層は、例えばＳｉＣｌ４とＯ２の前駆体混合物から形成されることが可能である。場合によっては、クラッド層（またはその部分層のうちのいずれか）は次の種、すなわち（ＰＯＣｌ３前駆体による）リン、（ＧｅＣｌ４前駆体による）ゲルマニウム、（Ｃ２Ｆ６、ＳＦ６、またはＳｉＦ４前駆体による）フッ素、（ＢＣｌ３前駆体による）ホウ素、および（ＡｌＣｌ３前駆体による）アルミニウムのうちの１つまたは複数でドープされることが可能である。加熱は、酸素／水素トーチ１２（図２に示される）を含めたいずれかの知られている可動性熱源であって、４０から３００ｍｍ／ｍｉｎの速度でチューブ１０の長さを縦走してチューブの壁を約１７００℃から約２３５０℃の範囲の温度に加熱する熱源を使用して遂行されることが可能である。場合によっては、往復するプラズマ・トーチ（図示せず）を使用して加熱することも可能である。前駆体混合物中のＯ２は化学量論的酸化反応に必要であるそれよりも多くの量で存在することが可能であり、ヘリウムがキャリヤ・ガスとして、かつ（複数の）部分層の焼結を助成するためにチューブ１０に追加されることが望ましい。ヘリウムの流れは約５０ｃｃ／ｍｉｎから約４０００ｃｃ／ｍｉｎの範囲である。蒸着されたスートの各々の部分層は、それに引き続く部分層の蒸着時に熱源がチューブの壁を加熱するときにガラス層へと焼結させられる。
【００２９】
場合によっては、開始時のガラス・チューブ内側のクラッド層用の蒸着材料に対する別の代替選択肢として、コア層を一体に形成する多数のグレーデッドインデックス型コアの部分層がガラス・チューブの内側表面に直接蒸着される（コア層の形成は下記で詳しく検討される。）。その後、チューブが壊されてロッド形状のコアを形成する。このロッド、すなわちコアが純ガラスのさらに大きいチューブの中にスライド挿入され、それがコア上のクラッド層のための材料の役割りを果たす。その後、さらに大きいチューブがコア上に崩されることでグレーデッドインデックス型コアの周りのクラッド層を形成する。
【００３０】
工程Ｃで、シリカ・スートのコア層がクラッド層上に形成されるか、または、もしも工程Ｂが省略される場合には開始時のガラス・チューブ上の内側表面に形成される。コア層は、気体の前駆体混合物がＳｉＣｌ４、Ｏ２、および少なくとも１つの気体でドーパントを有する化合物、例えば酸化してそれぞれＧｅＯ２およびＰ２Ｏ５のスートを形成するＧｅＣｌ４およびＰＯＣｌ３を含むことを除いて、（上述の）クラッド層を蒸着するために使用された方法と同様の方法で蒸着される。付け加えると、結果として得られるスート中のドーパント濃度の均一性を向上させるためにＮ２Ｏガスが前駆体混合物に加えられる。場合によっては、Ｎ２Ｏの代わりにＮＦ３またはＣＯが使用されることも可能である。
【００３１】
Ｎ２Ｏ（またはＮＦ３またはＣＯ）はコア層を蒸着するために使用されるトーチの温度、概して約１６００℃から約２３５０℃の範囲の温度でＳｉＣｌ４およびＧｅＣｌ４といったガスと容易に反応する。コア層の蒸着温度は約１７００℃から約２３５０℃の範囲であることが好ましい。場合によっては、Ｎ２Ｏ（またはＮＦ３またはＣＯ）を希釈し、それにより、酸化反応の制御性を上げるためにヘリウムがキャリヤ・ガスとして加えられる。
【００３２】
本発明は、次の実施例を参照することによってさらによく理解されることが可能である。
【実施例】
【００３３】
８５０ｃｃ／ｍｉｎのＯ２および４００ｃｃ／ｍｉｎのＨｅ中に１．５ｇ／ｍｉｎのＳｉＣｌ４を加えて流すことによって多層の純シリカのクラッド部分層（クラッド層を形成する複合材料）が石英チューブの中に蒸着される。各々のクラッド部分層に関して、チューブを２０５０℃の温度に加熱するためにトーチがチューブを縦走する。ＳｉＣｌ４はシリカ粒子へと酸化し、それが熱泳動によってチューブの内壁に堆積する。トーチがチューブの長さに沿って通過するとシリカ粒子がトーチによる加熱で焼結して薄いガラスの層を形成する。４０００から５０００ｃｃ／ｍｉｎのＯ２、５００から２０００ｃｃ／ｍｉｎのＨｅ、および１０００から５０００ｃｃ／ｍｉｎのＮ２Ｏ中に１．２から３．６ｇ／ｍｉｎのＳｉＣｌ４を加えて流すことによって多層のコア部分層（コア層を形成する複合材料）が蒸着される。蒸着される部分層の所望の屈折率に応じて、０．０４から０．７２ｇ／ｍｉｎの範囲の量のＧｅＣｌ４および０．０３から０．０９ｇ／ｍｉｎの範囲の量のＰＯＣｌ３もやはりチューブの中を流れる。各々のコア部分層に関して、チューブを１７００℃から１９００℃の温度に加熱するためにトーチがチューブを縦走する。ＳｉＣｌ４、ＧｅＣｌ４、およびＰＯＣｌ３はそれぞれシリカ（ＳｉＯ２）、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）、および酸化リン（Ｐ２Ｏ５）粒子へと酸化し、ガラス・チューブの内側表面でクラッド層の上、または前に形成されたコア部分層の上に熱泳動によって堆積する。トーチがチューブの長さに沿って通過するとシリカ、酸化ゲルマニウム、および酸化リンの粒子がトーチによる加熱で焼結してドープされたガラスの薄層を形成する。クラッド層とその上に堆積したコア層を備えたチューブが壊されてプリフォームが作り出され、そこからガラス・ファイバが線引きされることが可能となる。プリフォームから線引きされるガラス・ファイバ内に近放物線形の屈折率を生じさせるドーパント濃度のプロファイルを作り出すために、各々の部分層の蒸着時に流れるＧｅＣｌ４の量が制御される。
【００３４】
図３は従来式のＭＣＶＤ法によって作られたプリフォームのコアの半径に沿った屈折率のばらつき（屈折率プロファイル）を示すチャートである。このコアは２００の部分層で形成される。図に示されるように、この屈折率プロファイルは概して、明確なリップル構造を伴なって規定される近放物線形の形状を有する。
【００３５】
図４は従来式のＭＣＶＤ法によって作られた別のプリフォームのコアの半径に沿った屈折率のばらつきを示すチャートである。このコアは２５０の部分層で形成される。図に示されるように、部分層の数の増加はリップル構造の大きさに明らかな減少を生じさせる。しかしながら、部分層の数の増加はプリフォームを作る時間とコストもやはり増大させる。
【００３６】
図５は本発明による改善されたＭＣＶＤ法によって作られたプリフォームのコア層の半径に沿った屈折率のばらつきを示すチャートである。このコアは１５０の部分層で形成される。図に示されるように、部分層形成中のＮ２Ｏの存在が結果としてリップル構造の大きさの大幅な減少につながり、それにより、リップル構造は図４に示されたそれとほぼ同じ小ささになる。すなわち、改善されたＭＣＶＤ法（すなわちＮ２Ｏを使用する）によって形成され、かつ１５０の部分層しか有さない層は、従来式のＭＣＶＤ法（すなわちＮ２Ｏを伴なわない）によって形成され、かつ２５０の部分層を有するコアのそれと同じ小ささのリップル構造を有する。
【００３７】
図６は、本発明による改善されたＭＣＶＤ法によって作られるがしかし部分層蒸着中のＮ２Ｏの存在が１２４番目の部分層でオフにされるプリフォームのコアの半径に沿った屈折率のばらつきを示すチャートである。部分層の合計数は１５０である。図に示されるように、Ｎ２Ｏの存在を伴なわずに蒸着された部分層に対応して、リップル構造は放物線の中央で有意に大きい。これは滑らかな屈折率プロファイルの作製に与えるＮ２Ｏの影響を明確に実証している。
【００３８】
図７Ａおよび７Ｂはそれぞれ、１５０の部分層で形成され、予め規定された蒸着レシピを使用して従来式のＭＣＶＤ法によって作られたコアに関して屈折率のばらつきを示すチャート、および１５０の部分層で形成され、予め規定された同じ蒸着手法を使用して本発明の実施形態による改善されたＭＣＶＤ法によって作られたコア層に関して屈折率のばらつきを示すチャートである。図７Ｂのプリフォームのケースでは部分層の蒸着中に流れるＯ２の量が、蒸着処理へのＮ２Ｏの添加から与えられる酸素原子を補償するために削減されたことに留意すべきである。図に示されるように、コアの部分層蒸着中のＮ２Ｏの存在はＮ２Ｏを伴なわずに作られたコアのプロファイルと比較して屈折率プロファイル内のリップル構造の大きさを大幅に減少させる。
【００３９】
図３から図７Ｂを通して、実験目的のために屈折率の欠陥がコアの屈折率プロファイルの中に意図的に設計されたことに留意されたい。
【００４０】
図３から図７Ｂのチャートから明らかなように、本発明の改善されたＭＣＶＤ法は（１０Ｇｂ／ｓの伝送に適した）高収率で高帯域幅のＧＩ  ＭＭファイバを作製するために使用されることが可能であり、なぜならばこの改善されたＭＣＶＤ法は上記の従来式のＭＣＶＤ法で可能であるものよりも大幅に小さいリップル構造を備えたプリフォームを作製することが可能であるからである。実際に、従来式のＭＣＶＤ法によって作製されたコア内で観察されるリップル発生はコア内の部分層の数を増加させることによって減少することが可能であり（図３と図４を比較）、改善されたＭＣＶＤ法は、大幅に削減されたリップル発生を備えたコアが削減された数の部分層で作製されることを可能にする（図３と図５を比較）。したがってこの改善されたＭＣＶＤ法は、さらに少ない部分層が大幅に滑らかな屈折率プロファイルを備えたコアを達成するために使用されることを可能にすることによって生産性を高める。
【００４１】
本発明の改善されたＭＣＶＤ法の有利な効果はコアの部分層蒸着中のＮ２Ｏ添加の結果であって、それは温度を上げることを必要とせずにＳｉＣｌ４およびＧｅＣｌ４の酸化を促進し、さらに均一な半径方向温度の反応ゾーンでスート粒子が形成する「予備反応」領域を作り出すと考えられる。これは粒子内および粒子間でさらに優れたＧｅＯ２の均一性を備えたさらに小さいスート粒子の作製につながる。改善されたＭＣＶＤ法でもって、すなわち蒸着中にＮ２Ｏが存在するとき、従来式のＭＣＶＤ法について観察される反応ゾーンよりも上流の反応ゾーンでスート形成が生じることが観察された。すなわち、Ｎ２Ｏでもってスート形成は容易にされ、処理において早期に生じる。
【００４２】
さらに、従来式のＭＣＶＤ法よりも早くスート粒子が形成し始めるので、粒子は高温ゾーンでさらに多くの時間を費やす。これはさらに頻繁な粒子衝突を可能にし、結果としてさらに良好な化学的もしくは組成的均質化を生じる。また、粒子が高温ゾーンでさらに長い滞在時間を有するので、それらはさらに高い温度にもやはり到達する。これは粒子とチューブの壁のさらに低い温度との間の熱泳動を増大させるはずであり、したがって蒸着を促進し、プリフォームの放物線形の屈折率プロファイル内の減少したリップル発生におそらく寄与する。
【００４３】
Ａｔｋｉｎｓらの米国特許第６，１０９，０６５号は一層均一なスート層を作製するためのＮ２ＯおよびＣｌＦＯ３（フッ素化ペルクロリル）の使用を開示しているけれども、その特許で対処される均一性は構造的均一性、すなわち蒸着しただけのスート層（未焼結）の空隙率の均一性に関し、その後それは溶液ドーピングを受けてそれに焼結が引き続くことに留意されたい。Ａｔｋｉｎｓらの特許は蒸着中にドープされる（すなわち溶液ドーピングを受けない）コアの部分層でのリップル発生の削減へのＮ２Ｏの効果に関して述べていない。
【００４４】
現在好ましい（複数の）実施形態であると考えられるものに関して本発明が述べられてきたが、本発明が開示された（複数の）実施形態に限定されないことは理解されるはずである。逆に、本発明は添付の特許請求項の精神と範囲の中に含まれる様々な改造例および同等の構成を網羅するように意図される。請求項の範囲は、すべてのそのような改造例および同等の構造および機能を包含するように最も広い解釈を認められるべきである。
【００４５】
理解されるであろうが、本発明の改善されたＭＣＶＤ法を実践するための多くの構成が存在する。図２は多くの構成のうちの１つを例示しているに過ぎず、本発明がその構成に限定されると決して解釈されてはならない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態による、削減されたリップル発生を備えたＧＩ  ＭＭ光ファイバを作製するための処理工程を示すフローチャートである。
【図２】図１の処理工程を実行するための装置を示す概略図である。
【図３】従来式のＭＣＶＤ法によって作られた２００回経過のプリフォームの半径に沿った屈折率のばらつきを示すチャートである。
【図４】従来式のＭＣＶＤ法によって作られた２５０回経過のプリフォームの半径に沿った屈折率のばらつきを示すチャートである。
【図５】本発明の実施形態による、改善されたＭＣＶＤによって作られた１５０回経過のプリフォームの半径に沿った屈折率のばらつきを示すチャートである。
【図６】本発明の実施形態による、改善されたＭＣＶＤによって作られた１５０回経過のプリフォームの半径に沿った屈折率のばらつきを示すチャートであって、Ｎ２Ｏの供給が１２４回経過で遮断される。
【図７】図７Ａは、予め規定された蒸着レシピを使用して従来式のＭＣＶＤ法によって作られた１５０回経過のプリフォームの半径に沿った屈折率のばらつきを示すチャートであり、図７Ｂは、本発明の実施形態による、改善されたＭＣＶＤによって作られた１５０回経過のプリフォームの半径に沿った屈折率のばらつきを示すチャートであって、酸素補償および図７Ａの予め規定された蒸着手法を使用する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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