CN100476471C - 单模光纤 - Google Patents

Abstract

一种单模光纤目，其能够实现减少弯曲损耗和连接损耗这两种损耗，同时能够进行高速光传输。该单模光纤以单模动作传输波长1310nm光信号，在波长1310nm的模场径等于或大于6.6μm，在波长1650nm中的曲率半径7.5mm的弯曲损耗等于或小于0.1dB/10匝，并且，具有纤芯和包层，该纤芯形成包括第一纤芯和第二纤芯的层叠结构，该第一纤芯包括中心轴，该第二纤芯围住该第一纤芯，当形成上述第一纤芯对上述包层的比折射率差为Δ1、上述第二纤芯对上述包层的比折射率差为Δ2时，Δ1＞0＞Δ2。

Description

单模光纤

技术领域

本发明涉及具有纤芯和包层的单模光纤。

背景技术

现在，通信服务作为支承高度信息化社会的基础，要求其更便宜地提供以互联网为代表的具有多种速度的通信服务。而且，向办公室、家庭和公寓引入光纤的事业(FTTH：Fiber To The Home光纤入户)正在快速进展，要求在进行FTTH时所用光缆与金属电缆一样容易处理。即，要求能够把多余长的光缆紧凑地收纳在终端箱和柜内以及要求在受到拉挂等产生瞬间弯曲时也不致于被损伤等。当考虑这些要求时，使用在ITU-T(国际电信联盟电信标准部)G.652规定的普通单模光纤(SMF)，会产生大的弯曲损耗，因而，不能满足上述要求。

一般，当光纤受到外部应力造成弯曲时，发生传输损耗增大的现象。称这种由于弯曲造成的传输损耗增加为弯曲损耗，弯曲半径越小或波长越长弯曲损耗就越增大，而且是以指数函数关系增加。ITU-T定义1260nm～1625nm波长范围作为PON(无源光网络)系统用光纤的传输波长带区域，在FTTH中也用相同的波长带区域进行光通信。进而，当在该波长带区域中加上监控光的波长带区域时，也能够良好地传输最长达到1650nm的光波信号是理想的。即，作为用于FTTH的光纤，其条件是：即使在传输波长1650nm的光信号时，弯曲损耗也要小到没有问题的程度。

作为与此条件相对应的光纤，发表了在普通SMF的包层部分具有比包层的折射率低的部分，形成沟槽形折射率分布的光纤。(例如，非专利文献1)。

另外，在向一般家庭内引入FTTH系统时，设想光纤是迂回配线的路径，预测在从干线光缆分出分支光缆引导到ONU(光网络单元)的路径中，施加相当于10匝(タ一ン)曲率半径为7.5mm的扭弯程度的弯曲。

对于上述预测，例如，ITU-T G.652标准的普通SMF在10匝曲率半径7.5mm弯曲时，在波长1550nm发生约40dB的弯曲损耗、在波长1650nm发生接近120dB的弯曲损耗。另外，即使在上述非专利文献1中记载的光纤中也不能充分减少弯曲损耗。从这样的情况考虑，减少光纤的弯曲损耗对于FTTH的普及是不可缺少的基础技术。如果在施加10匝曲率半径为7.5mm的扭弯曲时，弯曲损耗等于或小于0.1dB，弯曲损耗就充分地减少，就能够应用于FTTH中。

[非专利文献1]株式会社フジクラ、光电子技术研究所、光处理(プロセス)研究部、池田真拳、松尾昌一郎、姬野邦治“连接损耗减低型低弯曲损耗光纤”电子情报信学会，信学技报OCS21003-43，OFT2003-25(2003-8)

在用石英玻璃制作的普通SMF中，为了减小弯曲损失必须要提高基本模的有效折射率。通过在光纤的折射率分布中增大纤芯-包层之间的比折射率差Δ，实现高的有效折射率。该比折射率差Δ用下式(1)定义：

Δ＝{(n<SUB>core</SUB>-n<SUB>clad</SUB>/n<SUB>core</SUB>}×100％    (1)

其中，n<SUB>core</SUB>、n<SUB>clad</SUB>分别是纤芯区和包层区的折射率。

在图1中，表示模拟求出的在具有单峰型折射率分布的普通SMF的光纤中，比折射率差Δ和在波长1650nm中的弯曲半径为7.5mm的弯曲损耗和在波长1310nm的模场径(MFD)之间的关系的结果。另外，在该模拟中，设定光纤截止波长λc为1280nm，此时，光缆截止波长λcc等于或小于1260nm。

另外，本说明书中的光纤截止波长λc和光缆截止波长λcc为ITU-TG.650中规定的光纤截止波长λc和光缆截止波长λcc，关于在本说明书中没特别定义的其他用语规定按照ITU-TG.650中的定义、测量方法。

关于比折射率差Δ，当使比折射率差Δ高于0.7％以上时，在波长1650nm的弯曲损耗等于或小于0.1dB/10匝，为足够小的值，用于FTTH能够得到良好的弯曲损耗特性。

另外，关于MFD等于或小于6.3μm，比普通SMF的MFD减少3μm或减少更多。一般，当增大纤芯-包层之间的比折射率差Δ时波导模的封闭效果增强，具有MFD减小的倾向。

另外，在进行FTTH中实际地敷设光纤时，必须要与既存敷设的普通SMF连接，当考虑需要由许多施工人员频繁地进行与这些已经敷设的普通SMF连接，就希望能够简单地低成本并且低损耗地连接。

连接光纤时产生的连接损耗T取决于耦合效率η，而且，由下式(2)～(4)理论地计算该连接损耗T。

T＝10×logη    (2)；

η＝κ×exp{-κ[(1/w<SUB>1</SUB><SUB>2</SUP>+1/w<SUB>2</SUB><SUP>2</SUP>)×<SUB>0</SUB><SUP>2</SUP>/2]}    (3)；

κ＝4/{(w<SUB>1</SUB>/w<SUB>2</SUB>+w<SUB>2</SUB>/w<SUB>1</SUB>)<SUP>2</SUP>+((z/(w<SUB>1</SUB>w<SUB>2</SUB>)<SUP>2</SUP>}    (4)

在这里，w<SUB>1</SUB>、w<SUB>2</SUB>代表互相连接的两光纤的MFD；x<SUB>0</SUB>代表光轴的偏移量；使用波长；z代表光纤端面间距离。此时，假设两光纤的光轴轴心一致。由上式求出的MFD和连接损耗的关系(波长1310nm时)表示于图2。另外，这里的计算的前提是：在MTD＝9.3μm的普通SMF上连接具有与其不相同的MFD的光纤。以该具有不同MFD的光纤的MFD作为图2的横轴，表示其与连接损耗的关系。以连接的光纤端面距离z为0进行该计算。由图2可知，连接光纤之间的MFD差越大产生的连接损耗越大。

在图2中，可知对于把具有MFD＝6.3μm的比折射率差Δ＝0.7％的单峰型折射率分布的光纤和MFD为约9.3μm的普通SMF连接，在波长1310nm光信号会产生约0.7dB连接损耗。在进行FTTH系统施工时，连接损耗等于或小于0.5dB为理想。另外，在实际的连接操作中，由于机械的连接尺寸精度和光纤包层径的尺寸精度而造成光轴不能完全一致。因此，必须要考虑由于轴心位移产生耦合效率降低，必须要考虑最坏的条件进行光纤的设计，使所设计的光纤能够达到在机械的连接轴心位移0.5μm时的理想的连接损耗水平。而且，条件是：为了使连接损耗达到等于或小于0.5dB，MFD等于或大于6.6μm。

在如上所述地进行光纤折射率分布设计中，当为了减小弯曲损耗而增加比折射率差Δ时，会造成MFD减小，连接损耗增加。使具有单峰型折射率分布的光纤的比折射率差Δ变化时的弯曲损耗和连接损耗的关系示于图3。图中，横轴代表在MFD＝9.3μm的普通SMF上连接与其MFD不同的光纤时，在波长1310nm光波的连接损耗，纵轴表示所示连接损耗值对应的该不同的MFD的光纤在以曲率半径＝7.5mm弯曲时，对1650nm波长的光波产生的弯曲损耗。如图3所示弯曲损耗和连接损耗之间存在权衡关系。

在图4中表示，对于具有单峰型折射率分布的光纤设定光纤截止波长λc为1280nm，使表示折射率分布形状的α值变化，并且通过模拟求出在波长1310nm的MFD和在波长1650nm(m中的弯曲损耗的关系的结果。由下式(5)定义表示折射率分布形状的α值。另外，“α值”是表示折射率分布形状的指数，表示值越大第一层(纤芯)的折射率分布的中央部越具有圆形(从三角形向四边形转变)。

n<SUP>2</SUP>(r)＝n<SUB>core</SUB><SUP>2</SUP>{1-2(Δ/100)×(2r/a)α}    (5)    (其中，0＜r＜a/2)

式中，r代表从光纤的中心的半径方向的位置，n(r)代表在位置r的折射率。如图4所示，可知在单峰型折射率分布中，上述条件，也就是即使对光纤截止波长λc进行固定为1280nm，使比折射率差Δ和α值变化，弯曲损耗和MFD的关系也不受α值影响，也就是，知道了即使改变比折射率差Δ和α值也不能改善弯曲损耗和连接损耗的权衡关系。总之，用单峰型折射率分布不能同时满足弯曲损耗等于或小于0.1dB/10匝并且连接损耗等于或小于0.5dB这个目标值。

发明内容

本发明借鉴上述问题，目的是提供实现减少弯曲损耗和连接损耗这两种损耗，同时能够进行高速光传输的单模光纤。

为了解决上述课题，达到目的，涉及本发明的第一项的单模光纤，其用单模动作传输波长1310nm的光信号，在波长1310nm的模场径等于或大于6.6μm；在波长1650nm中的曲率半径7.5mm弯曲损耗等于或小于0.1dB/10匝，并且具有纤芯和包层，该纤芯形成包括第一纤芯和第二纤芯的层叠结构，该第一纤芯包括中心轴，该第二纤芯围住该第一纤芯；当设上述第一纤芯对上述包层的比折射率差为Δ1、上述第二纤芯对上述包层的比折射率差为Δ2时，Δ1＞0＞Δ2。

涉及本发明的第二项的单模光纤，其上述第一纤芯对上述包层的折射率Δ1等于或大于0.55％且等于或小于0.70％；表示上述第一纤芯的折射率分布形状的α值等于或大于1.5且等于或小于4.0；上述第二纤芯对上述包层的比折射率差Δ2等于或小于-0.2％。

涉及本发明的第三项的单模光纤，其上述纤芯和上述包层是用石英玻璃制成。

涉及本发明的第四项的单模光纤，其用单模动作传输波长1310nm的光信号，在波长1310nm的模场径等于或大于6.6μm；在波长1650nm中的曲率半径7.5mm的弯曲损耗等于或小于0.1dB/10匝；并且具有纤芯和包层，该纤芯形成包括第一纤芯和第二纤芯和第三纤芯的层叠结构，该第一纤芯包括中心轴，该第二纤芯围住该第一纤芯，该第三纤芯围住该第二纤芯；当设上述第一纤芯对上述包层的比折射率差为Δ1，上述第二纤芯对上述包层的比折射率差为Δ2，上述第三纤芯对上述包层的比折射率差为Δ3时，Δ1＞Δ3＞0＞Δ2。

涉及本发明的第五项的单模光纤，其上述第一纤芯对上述包层的比折射率差Δ1等于或大于0.55％且等于或小于0.7％；表示上述第一纤芯的折射率分布形状的α值等于或大于1.5且等于或小于4.0；上述第二纤芯对上述包层的比折射率差Δ2等于或小于-0.2％；上述第三纤芯对上述包层的比折射率差Δ3等于或小于0.2％。

涉及本发明的第六项的单模光纤，其上述纤芯和上述包层是用石英系玻璃制成。

根据本发明实现减少弯曲损耗和连接损耗两个损耗，同时能够进行高速光传输。

涉及本发明的光纤最适宜作为构建FTTH系统时所必需的光纤，具体说最适宜用作分支光缆、室内光纤软线和室内配线用光纤。

附图说明

图1是表示在具有单峰型折射率分布的光纤中的比折射率差和弯曲损耗(在波长1650nm的值)和MFD(在波长1310nm的值)的关系的曲线图；

图2是表示在普通SMF中的因机械的连接产生的连接损耗(在波长1310nm的值)和MFD(波长1310nm的值)的关系的曲线图；

图3是表示在普通SMF中的因机械的连接造成的连接损耗(在波长1310nm的值)和弯曲损耗(在波长1650nm的值)的关系的曲线图；

图4是表示在具有单峰型折射率分布的光纤中，使表示折射率分布形状的α值和比折射率差Δ变化时的弯曲损耗(在波长1650nm的值)和MFD(在波长1310nm的值)的关系的曲线图；

图5是表示实施例1的W型折射率分布的图；

图6是表示在具有实施例1的W型折射率分布的光纤的各结构参数变化时的特性一览图表(MFD是在1310nm的值，弯曲损耗是在1650nm的值)；

图7是表示实施例2的W段型折射率分布的图；

图8是表示在具有实施例2的W段型折射率分布的光纤的各结构参数变化时的特性一览图表(MFD是在1310nm的值，弯曲损耗是在1650nm的值)；

图9是表示在W型折射率分布和W段型折射率分布中的弯曲损耗和连接损耗的关系的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明涉及本发明的单模光纤的实施例，另外，本发明不局限于该实施例。以下，作为实施例说明涉及本发明的单模光纤的大概特征，然后，以实际的单模光纤为实施例详细说明。

实施例

本实施例的单模光纤是把纤芯区域的折射率分布作为两层结构的W型折射率分布或者三层结构的W段型折射率分布，另外，通过把这些结构参数最优化，改善弯曲损耗-连接损耗的权衡关系。

另外，本实施例的“W型折射率分布”是指：图5所示的折射率分布，对于包括中心轴形成的第一层(在本实施例中，是第一纤芯11)，在第一层周围形成的第二层(在本实施例中，是第二纤芯12)的折射率比第一层小，而且在第二层周围形成的第三层(本实施例是包层15)的折射率比第二层大。

另外，“W段型折射率分布”是指：图7所示的折射率分布，对于包括中心轴形成的第一层(在本实施例是第一纤芯21)，在其周围形成的第二层(在本实施例是第二纤芯22)的折射率比第一层小，在第二层周围形成的第三层(在本实施例是第三纤芯23)的折射率比第二层大，进而，在第三层周围形成的第四层(在本实施例是包层25)的折射率比第三层小。

如上所述，在单峰型折射率分布的通常的SMF，当在截止波长为固定值的条件下改变纤芯径使各特性变化时，相同程度的MFD的光纤显示相同程度的弯曲损耗，几乎不受纤芯形状(α值)影响。但是，在第一纤芯的外周设置比包层折射率低的第二芯，形成W型分布等，在这样的W型分布中，形成与单峰型折射率分布相同的弯曲损耗，截止波长的状态，能够增大MFD。这是因为通过设置比包层折射率低的第二纤芯，即使使中央纤芯的比折射率差Δ增大载止波长也不会向长波侧移动，而没有必要减小纤芯径。另外，在设置比包层折射率低的第二纤芯时，第一纤芯的形状对MFD影响大；表示第一纤芯的折射率分布的形状的α值越小光的封闭效果越小，就越能够增大MFD，另外，不大受第二纤芯的比折射率差Δ的大小，或者幅度影响。

即使在W段型分布中也能够获得大体与W型分布相同的特性，比包层折射率低的第二纤芯的效果与W型折射率分布时相同，通过在外侧设置第三纤芯能够进一步改善弯曲损耗-连接损耗的权衡关系。

尽管具有作为光纤的重要特性之一的分散特性，然而，本发明的光纤以用于FTTH为目的，设想其使用长度最长为约500m，比较短，因而，本发明的光纤一定程度地放弃分散特性，由此，改善弯曲损耗和连接损耗的权衡关系。

[实施例1]

模拟求出了如图5所示的具有W型折射率分布的石英系玻璃制的单模光纤的特性。在本光纤中，作为包括中心轴形成的第一层设置掺入锗的第一纤芯11(直径a)，作为包围该第一纤芯11的第二层设置掺入氟的比包层折射率低的第二纤芯12(直径b)，并且，在第二纤芯12的周围设置包层15。

在W型折射率分布中，第一纤芯11的直径a作为在第一纤芯11和第二纤芯12的交界、位于与包层15相同的折射率位置的直径，第二纤芯12的直径b作为在第二纤芯12和包层15的交界、位于具有后述的比折射率差Δ2的二分之一的比折射率差的位置的直径。

比折射率差Δ1和比折射率差Δ2分别是第一纤芯11对于包层15的比折射率差和第二纤芯12对于包层15的比折射率差，表示于下式(6)、(7)。

Δ1＝{(n<SUB>c1</SUB>-n<SUB>c</SUB>)/n<SUB>c1</SUB>}×100％    (6)

Δ2＝{(n<SUB>c2</SUB>-n<SUB>c</SUB>/n<SUB>c2</SUB>}×100％    (7)

式中，n<SUB>c1</SUB>是第一纤芯11的最大折射率，

n<SUB>c2</SUB>是第二纤芯12的最小折射率，

n<SUB>c</SUB>是包层15的折射率。

把在具有W型折射率分布的光纤中使各结构参数变化的模拟结果表示于图6的光纤A和A1～A2项中。

在光纤A，在波长1310nm MFD为6.88μm，在同波长做单模动作，并且在1650nm波长中的曲率半径7.5mm的弯曲损耗是0.08dB/10匝。

把使第一纤芯11的比折射率差Δ1和表示第一纤芯11的折射率分布形状的α值变化时的特性变化表示于A1～A6。在A1～A6中，波长1310nm中的MFD等于或大于6.6μm，在波长1310nm能够用单模动作传输光信号，除此之外，当以曲率半径7.5mm弯曲时，在波长1650nm的弯曲损耗等于或小于0.1dB/10匝的光纤是A2和A5。因而，从该模拟结果可知，在具有图5所示的W型折射率分布的光纤中，对于纤芯的折射率分布，需要使第一纤芯11的比折射率差Δ1等于或大于0.55％、等于或小于0.70％，使表示折射率分布形状的α值等于或大于1.5、等于或小于4.0。

把使第二纤芯12的比折射率差Δ2变化时的特性变化表示于A7～A12项。可知通过使比折射率差Δ2等于或小于-0.2％能够获得良好的特性，并且，没能够证实当使比折射率差Δ2等于或小于-0.4％时得到更大的特性改善。可知，如上述地在W型折射率分布中，通过使结构参数最优化，能够获得具有希望特性的光纤。

[实施例2]

把模拟求出的如图7所示的具有W段型折射率分布的石英系玻璃制的单模光纤的特性的结果表示于图8的B、B1～B14项中。在本实施例的光纤中，在第一层设置掺入锗的第一纤芯21(直径a)，在第二层设置掺入氟的比包层折射率低的第二纤芯22(直径b)，在第三层设置掺入锗的比包层折射率高的第三纤芯23(直径c)，而且，要围住第三纤芯地设置包层25。

而且，在W段型折射率分布中，第一纤芯21的直径a作为在第一纤芯21和第二纤芯22的交界并且位于与包层25具有相同折射率的位置的径，第二纤芯22的直径b作为在第二纤芯22和第三纤芯23的交界、位于具有比折射率差Δ2的二分之一的比折射率差的位置的直径，第三纤芯的直径c作为在第三纤芯23和包层25的交界、位于后述的比折射率差Δ3的1/10的比折射率差的位置的直径。

比折射率差Δ3是第三纤芯23对于包层25的比折射率差，用下式(8)表示：

Δ3＝{(n<SUB>c3</SUB>-<SUB>nc</SUB>)/n<SUB>c3</SUB>}×100％    (8)

式中，n<SUB>c3</SUB>是W段型分布中的第三纤芯23的最大折射率。另外，把使各结构参数值变化的模拟结果表示于表1的光纤B、B1～B14各项中。在图8的B和B1～B8中，波长1310nm的MFD等于或大于6.6μm，在波长1310nm能够单模传输，并且，在以曲率半径7.5mm弯曲时，在波长1650nm的弯曲损耗等于或小于0.1dB/10匝的是B、B2、B5、B8～B11和B13～B14。

从这些模拟结果可知，在纤芯的折射率分布中，和W型折射率分布时相同地必须使第一纤芯21的比折射率差Δ1等于或大于0.55％、等于或小于0.70％，表示折射率分布形状的α值等于或大于1.5、等于或小于4.0，第二纤芯22的折射率Δ2等于或小于-0.2％，进而，由B12～B14的特性一览表可知，通过第三纤芯23的比折射率差Δ3等于或大于0.2％，能够改善特性。

从这些模拟结果可知，在如图7所示的具有W段型分布的光纤中，在纤维的折射率分布中，使第一纤芯21的比折射率差Δ1等于或大于0.55％、等于或小于0.70％，使折射率分布α值等于或大于1.5、等于或小于4.0，使第二纤芯22的比折射率差Δ2等于或小于-0.2％，使第三纤芯23的比折射率差Δ3等于或大于0.2％，由此，能够获得具有希望特性的光纤。

在具有W型折射率分布的光纤(图5的折射率分布)和具有W段型折射率分布的光纤(图7的折射率分布)中取得的在1310nm中的MFD和在1650nm中的弯曲损耗值示于图9。

在图9中，为了比较，记载了表示单峰型折射率分布中的MFD和弯曲损耗的关系的曲线，把两折射率分布的光纤与单峰型折射率分布的光纤进行比较，可知改善了MFD和弯曲损耗的权衡的关系。

如上所述，确认了以下的内容：能够制作适宜用于FTTH系统构建的、在传输达到波长1650nm的光信号时的弯曲损耗特性和连接特性这两特性方面优良的单模光纤。

Claims (6)

1.一种单模光纤，其特征在于：用单模动作传输波长1310nm的光信号；在波长1310nm的模场径等于或大于6.6μm；在波长1650nm中的曲率半径是7.5mm的弯曲损耗等于或小于0.1dB/10匝；并且，具有纤芯和包层，该纤芯形成包括第一纤芯和第二纤芯的层叠结构，该第一纤芯包括中心轴，该第二纤芯包住该第一纤芯；当形成上述第一纤芯对上述包层的比折射率差为Δ1、上述第二纤芯对上述包层的比折射率差为Δ2时，Δ1＞0＞Δ2。

2.如权利要求1所述单模光纤，其特征在于：上述第一纤芯对上述包层的比折射率差Δ1等于或大于0.55％且等于或小于0.70％；表示上述第一纤芯的折射率分布的形状的α值等于或大于1.5且等于或小于4.0；上述第二纤芯对上述包层的比折射率差Δ2等于或小于-0.2％。

3.如权利要求1所述单模光纤，其特征在于：上述纤芯和上述包层是用石英系玻璃制成。

4.一种单模光纤，其特征在于：用单模动作传输波长1310nm的光信号；在波长1310nm的模场径等于或大于6.6μm；在波长1650nm中的曲率半径7.5mm的弯曲损耗等于或小于0.1dB/10匝；并且，具有纤芯和包层，该纤芯形成包括第一纤芯和第二纤芯和第三纤芯的层叠结构，该第一纤芯包括中心轴，该第二纤芯包住该第一纤芯；该第三纤芯包住该第二纤芯；当形成上述第一纤芯对上述包层的比折射率差为Δ1、上述第二纤芯对上述包层的比折射率差为Δ2、上述第三纤芯对上述包层的比折射率差为Δ3时，Δ1＞Δ3＞0＞Δ2。

5.如权利要求4所述的单模光纤，其特征在于：上述第一纤芯对上述包层的比折射率差Δ1等于或大于0.55％且等于或小于0.70％；表示上述第一纤芯的折射率分布形状的α值等于或大于1.5且等于或小于4.0；上述第二纤芯对上述包层的比折射率差Δ2等于或小于-0.2％；上述第三纤芯对上述包层的比折射率差Δ3等于或小于0.2％。

6.如权利要求4所述的单模光纤，其特征在于：上述纤芯和上述包层是用石英系玻璃制成。

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