CN100476470C - 光纤、光纤制造装置以及光纤制造方法 - Google Patents

光纤、光纤制造装置以及光纤制造方法 Download PDF

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Abstract

一种光纤制造方法，对通过加热软化的光纤基材进行抽丝而得到光纤，当光纤温度为1200～1400℃时以小于或等于4000℃/秒的冷却速度冷却所述光纤，当光纤温度为850～1200℃时以小于或等于8000℃/秒的冷却速度冷却所述光纤。抽丝速度大于或等于1000m/分。

Description

光纤、光纤制造装置以及光纤制造方法
技术领域
本发明涉及在波长1300～1600nm的波长范围中的低损失光纤、该光纤制造装置以及该光纤制造方法。
背景技术
以前，关于光纤的低损失化，例如有在抽丝炉正下方设置缓冷光纤的加热炉，加热炉以500～1500℃的温度缓冷光纤，由此来实现光纤的低损失化的技术(参照日本专利特开平4-59631号公报)。此外，还可能即使有使用该技术也不会实现光纤的低损失化的情况，此时，通过调整芯、包层的粘度也可以实现光纤的低损失化(参照日本特开2002-148466号公报)。
然而，具有下述问题：不易于通过控制添加在芯和包层内的杂质(F、Cl等)的种类和其含量来管理芯和包层的粘度、折射率，此外还需要专用装置，从而使光纤的制造装置复杂且大规模化，同时，增加了制造工序，延长了光纤的制造时间。
发明内容
本发明鉴于上述内容而开发的，其目的在于提供一种向芯上掺Ge，即使包层实质上是由SIO2构成的光纤，损失也非常低的光纤，同时，其目的在于提供一种制造该光纤的光纤制造装置以及其制造方法。
本发明的一个方式的光纤制造方法是对通过加热软化的光纤基材进行抽丝而得到光纤的光纤制造方法，当光纤温度为1200～1400℃时以小于或等于4000℃/秒的冷却速度冷却所述光纤，当光纤温度为850～1200℃时以小于或等于8000℃/秒的冷却速度冷却所述光纤。
本发明的其他方式的光纤制造装置是对通过加热软化的光纤基材进行抽丝而得到光纤的光纤制造装置，当从所述光纤基材抽丝的光纤的光纤温度为1200～1400℃时以小于或等于4000℃/秒的冷却速度冷却所述光纤的第一缓冷装置，当所述光纤温度为850～1200℃时以小于或等于8000℃/秒的冷却速度冷却所述光纤的第二缓冷装置。
如上所述，对于本发明其他的目的、特征、优点以及技术且产业意义来说，通过结合附图来阅读本发明的详细说明而能够进一步理解。
附图说明
图1是该发明实施方式的光纤制造装置的简要结构的示意图；
图2是光纤基材的折射率曲线图形的示意图；
图3是由图1所示的光纤制造装置所制造的光纤的波长1300～1600nm的传送损失的示意图；
图4是使用氩气使第二缓冷装置温度为25℃时的A值以及B值的第一缓冷装置温度依赖性的示意图；
图5是在第一缓冷装置温度为1000℃时改变第二缓冷装置温度时的光纤的冷却速度的光纤温度依赖性的示意图；
图6是在第一缓冷装置温度为1000℃时的A值以及B值的第二冷却温度依赖性的示意图；
图7是在第一缓冷装置温度为1000℃时的A值以及B值的光纤冷却装置入口的光纤温度依赖性的示意图；
图8是在第二缓冷装置开放于空气中时的A值以及B值的第一缓冷装置温度依赖性的示意图；
图9是使用He气体使第二缓冷装置温度为25℃时的A值以及B值的第一缓冷装置温度依赖性的示意图。
具体实施方式
以下，对用于实施该发明的最优方式的光纤、光纤制造装置以及光纤制造方法进行说明。
图1表示的是该发明实施方式的光纤制造装置的简要结构的示意图。该光纤制造装置1是通过抽丝来制造在波长1300～1600nm的波长范围内低损失的光纤的装置，对于作为该光纤基材的光纤基材10来说，其经加热炉11被加热至大于或等于2000℃以上，通过经由沿光纤抽丝方向依次配置的第一缓冷装置12、第二缓冷装置13、光纤冷却装置14、包覆层涂敷装置15、包覆层固化装置16、以及卷绕装置17的各个装置而被制造出期望的光纤。此外，由控制装置C控制上述各装置。
对于第一缓冷装置12来说，例如有镍铬合金线、炭加热器、康塔尔铁铬铝电热丝(kanthal)加热器等加热体，在该加热体周围是具有隔热材料、炉罩的加热炉，在中心部分具有由石英玻璃制成的炉心管，沿着光纤的抽丝方设置。该第一缓冷装置12约为1.5m左右。虽然对导入在炉心管内的气体种类没有特别限制，但是因为如果使用He等热传导率大的气体则会夺取热能，所以最好使用空气、氮气、氩气等。从该加热炉11被抽丝的光纤在经由该第一缓冷装置12的加热炉时被加热，与经由室温、空气相比能够进一步被缓冷。若该加热炉的温度在小于或等于700℃左右，则缓冷效果小，不能如后所述地实现作为结果的低损失化的光纤制造。此外，虽然考虑到了在大于或等于1100℃左右能进一步降低光纤的冷却速度来实现低损失化效果，但是，因为在1000℃附近得到充分的缓冷效果，实施高温化，花销了加热炉、附带设备的费用，并且光纤制造装置1的高度本身有限，而且在向光纤上涂敷包覆层时有必要实现充分冷却，所以最好不要对第一缓冷装置12进行超过必要的高温化。
通过该第一缓冷装置12中的光纤温度被设定在1000～1500℃之间。在第一缓冷区域内含有高于该温度地带的地带，即使缓慢冷却也得不到低损失化效果。此外，光纤温度在小于或等于1000℃，以比小于或等于4000℃/秒更快的速度，例如以小于或等于8000℃/秒的速度来冷却，也能得到足够的低损失化效果。
第二缓冷装置13具有与第一缓冷装置12相同的约1.5m程度的长度，使用与第一缓冷装置12相同的炉心管来控制温度。因为该第二缓冷装置13是进一步冷却由第一缓冷装置12所冷却的光纤的装置，所以进入到第二缓冷装置13内的光纤的温度与进入到第一缓冷装置12内的光纤相比要低。对于第二缓冷装置13来说，通过降低炉心管的设定温度能够实现该冷却，所以没有必要具有第一缓冷装置12那样的发热体的加热炉。通过该第二缓冷装置13而将光纤温度设定为500～1100℃。即，通过该第二缓冷装置13的光纤的温度区域与通过第一缓冷装置12的光纤的温度区域相比温度低，此外，因为扩大如后述那样在低损失化中所必要的冷却速度的许可范围，所以可以不使用具有发热体的加热炉，通过这样来抑制设备的高成本化以及设备的大型化。
例如，当输入到第二缓冷装置13内的光纤温度为1000℃时，在第二缓冷装置13内所要求的冷却速度与在空气中的光纤的冷却速度(5000℃/秒前后)相比没有很大差别。
具体地说，对于第二缓冷装置13来说，沿着光纤的抽丝方向，在筒状结构物例如石英玻璃管以及其周围，使温度被控制在常温附近的温水循环，导入空气、氮气、氩气等气体。同时，因为若使用热传导率大的He气作为环境气体则会形成急剧冷却条件，所以此时最好设置加热体，并且加热体的温度要接近通过第二缓冷装置13中的光纤温度的温度，例如为500℃。此时，因为比第一缓冷装置12的所需温度低，所以不需要与第一缓冷装置12相同的加热装置以及进行控制，可以使用来自锅炉的蒸汽作为热源。
同时，第二缓冷装置13的温度最好从设备表面开始就为低温，最好小于或等于500℃。第二缓冷装置13的温度可以为常温(25℃)附近，例如若有可能控制温度，则也可以向大气开放。
光纤冷却装置14将从第二缓冷装置13输出的光纤冷却至常温。包覆层涂敷装置15在由光纤冷却装置14冷却至常温的光纤上涂敷作为包覆层的树脂，包覆层固化装置16将该被涂敷的树脂固化。例如，当被涂敷的树脂为紫外线硬化树脂时，包覆层固化装置16为紫外线照射装置，由该紫外线来硬化树脂。卷绕装置17卷取从包覆层固化装置16输出的光纤，并将其卷绕在未图示的线轴上。抽丝的速度由该卷绕旋转速度所决定，为大于或等于1000m/分。
由该光纤制造装置制造的光纤是通过对具有如图2所示的折射率曲线图形的光纤基材10进行抽丝而得到的，最终得到的光纤也具有相同的折射率图表。该光纤具有芯21和包层22，在芯21上至少掺Ge，包层22实质上是由SiO2构成的单一物质。这里，包层22实质上是由SiO2构成的，这就意味着不必添加例如F等调整折射率的搀杂物。芯21相对包层22的折射系数率(比屈折率)差为0.3～0.5％，若比0.3％小则曲折损失增加、若比0.5％大则因瑞利散射损失的增加而导致在短波长一侧的损失增大。
此外，制造出的光纤的波长1310nm的模场直径为大于或等于8μm。若模场直径比8μm小，则易于因光纤连接时的轴偏移而增大连接损失。此外，该光纤的电缆截止波长λcc小于或等于1270nm。因为该电缆截止波长λcc是基于22m法的，所以规定是在电缆使用状态时的截止波长。因此，该光纤在比1270nm长的波长区域内可以作为单独型光纤来使用。此外，对于该光纤来说，波长1383的传送损失为小于或等于0.35dB/km，若比其大则形成比1300nm大的传导损失，所以对在1300～1600nm的广的波长区域内的使用有影响。
这里，光纤的传送损失α由
α＝A/λ4+B
来表示。该式子的第一项A/λ4是瑞利散射损失，由光纤中的玻璃组成以及密度的波动产生。由于在该第一项中含有1/λ4，所以得知主要对短波长一侧传送损失的影响大。第二项B若是结构不完全损失，则在整波长区域中对传送损失有影响。该A值以及B值通常能够通过逆转法从波长-损失值中算出。
理想的是，在该计算中使用的波长区域不受1.38μm的吸收损失的影响，且由于截止波长而没有峰值的部分。电缆截止在小于或等于1270nm，并且在具有引入作为滤模器的60φ×1圈的弯曲的充分长度的光纤时，截止的峰值(カツトオフのピ一ク)出现在小于或等于1200nm的区域。考虑到这点，这里，通过最小二乘方法估计波长区域1230～1320nm之间的波长-损失值并从倾斜度以及切片分别算出A值以及B值作为算出A值以及B值的一个例子。
上述光纤装置1所制造的光纤的A值为小于或等于0.905、B值为小于或等于0.015。其相当于通常使用的波长1310nm损失值为0.321dB/km，与至今为止的掺Ge的芯、SiO2包层的光纤相比而被低损失化。
这里，对用于实现光纤低损失化的第一缓冷装置12以及第二缓冷装置13的条件进行说明。使上述第二缓冷装置13的长度方向的长度与第一缓冷装置12的长度方向的长度大体相同，大约为1.5m。此外，上述第一缓冷装置12的加热体使用康塔尔铁铬铝电热丝加热器，加热体的温度为400～1200℃。而且，使作为第二缓冷装置保温体的25℃的温水循环。第一缓冷装置12以及第二缓冷装置13都具有石英玻璃制成的炉心管，分别以35公升/分供给氩气。此外，抽丝速度为1200m/分。
图3是第一缓冷装置12的温度(第一缓冷装置温度)为800℃时的波长1300～1600nm的传送损失变化的示意图。此外，图4是第二缓冷装置13的温度(第二缓冷装置温度)为25℃时的上述传送损失α的A值以及B值的第一缓冷装置温度依赖性的示意图。
如图3所示，得到的光纤波长1383nm的传送损失为0.283dB/km。此外，光纤的相对包层22的芯21的折射系数率Δ1为0.35％，1310nm的MFD为9.3μm，电缆截止波长λcc为1180nm，这些值即使在第一缓冷装置温度变化时也几乎不变化。同时，折射系数率差Δ1由
Δ1＝{(n12-nc2)/2n12}×100
所表示，n1为芯21的折射率，nc是包层22的折射率。此外，电缆截止波长λcc是由ITU-T(国际电气通信联合)G.650所定义的电缆截止波长λcc。此外，对于在本说明书中没有特别定义的用语来说，以ITU-TG.650的定义以及测定方法为依据。
另一方面，如图4所示，当第一缓冷装置的温度为800℃以及1000℃时，传送损失的A值为小于或等于0.905，B值为小于或等于0.015，通过使第一缓冷装置温度为700℃～1100℃左右而能够降低传送损失。同时，此时的第一缓冷装置12入口的光纤温度为1450℃，出口为1050～1120℃，第二缓冷装置13入口的光纤温度为980～1080℃，第二缓冷装置13出口的光纤温度为540～620℃。从而，第一缓冷装置温度最好为700℃～1100℃，未到700℃的强制制冷对低损失化不好。
图5是设定第一缓冷装置温度为1000℃、第二缓冷装置为25℃、300℃、500℃、800℃时的对于光纤温度的光纤冷却速度的关系的示意图。在图5中，从光纤温度高的一侧开始，最初显示为“下面凸起”的形状是第一缓冷装置12所冷却的期间，进而显示为光纤温度变低的下一个“下面凸起”的形状是第二缓冷装置13所冷却的期间。其间，形成“上面凸出”的情况在从第一缓冷装置12向第二缓冷装置13进入时，表示被暴露在空气中而被急剧冷却。即，第一缓冷装置12和第二缓冷装置13物理上是分开的。如图5所示，随着第二缓冷装置温度的降低而增大冷却速度，从第二缓冷装置13出来的光纤温度变高。这里，当第二缓冷装置温度小于或等于500℃时，光纤温度为850℃～1200℃的冷却速度为小于或等于8000℃/秒，光纤温度为1200℃～1400℃的冷却速度小于或等于4000℃/秒。
图6表示将第一缓冷装置温度设定为1000℃时的A值以及B值的第二缓冷装置温度依赖性，图7表示进入图6的光纤冷却装置14内时的光纤温度依赖性。在图6以及图7中，B值是第二缓冷装置温度为800℃和1000℃时的最大值，此时进入到光纤冷却装置14的光纤温度大约分别为900℃以及970℃。因此，为了得到B值的改善效果，最好将第二缓冷装置温度设定为小于或等于700℃，即进入光纤冷却装置14内的光纤温度大约为小于或等于850℃。
若第二缓冷装置温度超过700℃，则如图5所示，尽管将第二缓冷装置13的冷却速度抑制在小于或等于4000℃/秒来进行缓冷，但是进入光纤冷却装置14时的光纤的温度超过850℃，此时的冷却速度为12000℃/秒。因此认为B值恶化。因为进入该光纤缓冷装置14内时的光纤温度降低，所以第二缓冷装置温度必须小于或等于700℃。该要求还包括抑制光纤冷却装置14的冷却速度大约为小于或等于8000℃。
同时，在图5中的第二缓冷装置温度为800℃时，进入光纤冷却装置14内的光纤温度超过850℃，冷却速度为12000℃/秒，因此B值变大，但是若能够增加第二缓冷装置13长度方向的长度，也能够降低光纤温度，并且降低进入光纤冷却装置14内的光纤温度，冷却速度能够满足小于或等于8000℃。即，图5是以具有上述相同长度的第二缓冷装置13为前提，适用于长度约为1.5m、抽丝速度为1200m/分的情况。
对于至今为止的抽丝方法来说，其是在普通玻璃制造中进行缓冷的技术的延伸，其本质上是通过缓冷玻璃转移点以上的温度区域来降低玻璃密度波动并降低假设温度(确定玻璃内的原子排列的温度)，上述A值与该假设温度存在比例关系。一般地，光纤玻璃的玻璃转移点为1200℃前后，对达到该温度的高温光纤进行缓冷，即，因为光纤温度为1200℃～1400℃的冷却速度小于或等于4000℃/秒，所以改善A值是可能的。在该实施方式中，得知在比该温度区域更低的温度区域内存在对B值的改善有效果的温度区域，此外，也可以得知其温度区域的冷却速度。即，除了光纤温度1200℃～1400℃的冷却速度小于或等于4000℃/秒，还需要光纤温度850℃～1200℃的冷却速度小于或等于8000℃/秒。通过使其光纤温度850℃～1400℃的冷却速度小于或等于8000℃/秒，能够减低芯、包层界面的应变的残留，能够改善B值。即使延缓光纤温度850℃～1200℃的冷却速度(例如小于或等于4000℃/秒)，因为光纤本身的温度降低，所以对A值的改善贡献小。相反，若过于延缓，则因为设备的制约、温度充分地降低后(小于或等于850℃后)，光纤难以进入到光纤冷却装置14内。
在该实施方式中，设抽丝速度大于或等于1000m/分，当第一缓冷装置12以及第二缓冷装置13大约分别为1.5m时，设第一缓冷装置温度为700℃～1100℃、第二缓冷装置温度为小于或等于700℃而能够得到低损失化的光纤。
同时，在上述实施方式中，第二缓冷装置13采用的是使温水循环，但是并不局限于此，也可以使第二缓冷装置13在空气中开放而保持在室温(25℃)。图8表示使第二缓冷装置13在空气中开放时的A值以及B值的第一缓冷装置温度依赖性，虽然第一缓冷装置温度为1000℃的B值增加0.001，但是能够得到与图4所示结果相同的结果。
另外，此时第一缓冷装置12的出口温度是1080℃～1150℃、光纤冷却装置14的入口温度是520℃～600℃。此外，相对得到的光纤的包层的芯的折射系数率差Δ1为0.35％，1310nm的MFD是9.3μm，电缆截止波长λcc为1170nm、1383nm的传送损失为0.283dB/km，即使在第一缓冷装置温度为400℃～1200℃之间使这些值改变也几乎没有变化。
同时，作为比较例，图9表示向第二缓冷装置13的炉心管内供给He气体时的A值以及B值的第一缓冷装置温度依赖性，其他表示与该实施方式相同结构时的结果。虽然A值被改善，但是B值的改善效果少。此时，光纤的冷却速度在光纤温度为1000℃时为14000℃/秒。此外，相对得到的光纤的包层的芯的折射系数率差Δ1为0.36％，1310nm的MFD是9.2μm，电缆截止波长λcc为1160nm、1383nm的传送损失为0.283dB/km，即使在第一缓冷装置温度为400℃～1200℃之间变化这些值也没有变化。
此外，在上述实施方式中，第一缓冷装置12与第二缓冷装置13是物理分开的结构，但是并不局限于此，第一缓冷装置12和第二缓冷装置13也可以是连续的结构。但是，此时也可以是光纤温度在850℃～1200℃的光纤的冷却速度为小于或等于8000℃/秒，而且1200℃～1400℃的冷却速度为小于或等于4000℃/秒。
同时，使第二缓冷装置13的温度上升，即使减缓光纤的冷却温度，因为与第一缓冷装置12相比光纤本身的温度低，所以对A值改善的贡献小。相反，由于若第二缓冷装置13的温度过高，则通过第二缓冷装置13后的光纤的温度变高，对B值的改善具有效果的温度区域进入到光纤冷却装置14内，所以B值恶化。
如上述说明那样，只通过光纤温度在1200～1400℃时以小于或等于4000℃/秒的冷却速度冷却所述光纤，并且光纤温度在850～1200℃时以小于或等于8000℃/秒的冷却速度冷却所述光纤的热管理而能够得到低损失的光纤。
而且，由技术人员是能够很容易导出这些效果和变形例。因此，比本发明更大范围的方式是指不限制于以上表示且记述的规定内容以及代表的实施方式。因此，在不脱离由附带的权利要求以及其等同物所定义的总括发明的概念以及精神或者范围内，可以是各种变形。

Claims (14)

1.一种光纤制造方法，对通过加热软化的光纤基材进行抽丝而得到光纤，其包括：
当光纤温度为1200～1400℃时、以小于或等于4000℃/秒的冷却速度冷却所述光纤的工序，
当光纤温度为850～1200℃时、以小于或等于8000℃/秒的冷却速度冷却所述光纤的工序。
2.如权利要求1所述的光纤制造方法，其中，
所述光纤的抽丝速度在大于或等于1000m/分。
3.如权利要求1所述的光纤制造方法，其中，
所述光纤具有：至少掺有Ge的芯、由SiO2构成的包层、所述芯相对所述包层为0.3～0.5％的折射系数率差、波长1310nm的大于或等于8μm的模场直径和22m法的小于或等于1270nm的电缆截止波长λcc。
4.如权利要求1所述的光纤制造方法，其中，
以小于或等于8000℃/秒进行的所述光纤的冷却使用温度是小于或等于700℃的第二缓冷装置。
5.如权利要求1所述的光纤制造方法，其中，
以小于或等于8000℃/秒进行的所述光纤的冷却包括在氩气环境中冷却所述光纤。
6.如权利要求1所述的光纤制造方法，其中，
以小于或等于8000℃/秒进行的所述光纤的冷却包括在空气环境中冷却所述光纤。
7.如权利要求1所述的光纤制造方法，其中，
以小于或等于4000℃/秒进行的所述光纤的冷却使用温度是800～1000℃的第一缓冷装置。
8.一种光纤制造装置，是对通过加热软化的光纤基材进行抽丝而得到光纤的光纤制造装置，其包括：
从所述光纤基材抽丝的光纤的光纤温度在1200～1400℃时以小于或等于4000℃/秒的冷却速度来冷却所述光纤的第一缓冷装置，以及
所述光纤温度在850～1200℃时以小于或等于8000℃/秒的冷却速度来冷却所述光纤的第二缓冷装置。
9.如权利要求8所述的光纤制造装置，其中，
所述第二缓冷装置的温度为小于或等于700℃。
10.如权利要求8所述的光纤制造装置，其中，
所述第二缓冷装置在氩气环境中冷却所述光纤。
11.如权利要求8所述的光纤制造装置，其中，
所述第二缓冷装置在空气环境中冷却所述光纤。
12.如权利要求8所述的光纤制造装置，其中，
所述第一缓冷装置的温度为800～1000℃。
13.如权利要求8所述的光纤制造装置，其中，
所述第一缓冷装置和所述第二缓冷装置的至少一方的抽丝方向的长度大约为1.5m。
14.一种利用如权利要求1所述的光纤制造方法所制造的光纤，包括：
至少掺有Ge的芯；
由SiO2构成的包层；
所述芯相对所述包层的0.3～0.5％的折射系数率差；
波长1310nm的大于或等于8μm的模场直径；
22m法中的小于或等于1270nm的电缆截止波长λcc；
波长1383nm的小于或等于0.35dB/km的传送损失；
其满足下述式子
α＝A/λ4+B
这里，α为所述传送损失，A为小于或等于0.905，B为小于或等于0.015，λ为波长。
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