CN101893732B - 光纤 - Google Patents

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Abstract

一种光纤，在中心部设置第1芯，邻接于所述第1芯而设置覆盖所述第1芯的外周的第2芯，邻接于所述第2芯而设置覆盖所述第2芯的外周的第3芯，且邻接于所述第3芯而设置覆盖所述第3芯的外周的包层，所述光纤的特征在于：将以包层的折射率为基准时的所述第1芯的比折射率差设为Δ1，将所述第2芯的比折射率差设为Δ2，将所述第3芯的比折射率差设为Δ3，且以第1芯的中心为基准，将第1芯与第2芯的边界的半径设为a，将第2芯与第3芯的边界的半径设为b，将第3芯与包层的边界的半径设为c时，满足0.28％≤Δ1≤0.4％、-0.05％≤Δ2≤0.05％、-1.0％≤Δ3≤-0.5％，并且满足3.8μm≤a≤4.5μm、12μm≤b≤21μm、1.5μm≤c-b≤10μm，而且在直径20mm的芯棒上缠绕光纤时的波长1625nm时的损耗增加为0.1dB/turn以下。

Description

光纤
技术领域
本发明涉及一种光通信用光纤，尤其涉及一种适宜作为传送数十km长度的长距离线路以及光纤到户(FTTH，Fiber To The Home)或局域网(LAN，Local Area Network)的室内外配线用的光纤。
背景技术
光纤因其宽带特性而适合远距离通信，广泛用于数十km以上的长距离的干线线路的通信。
另一方面，随着因特网的快速普及，各种个人计算机要发送接收的信息量也飞跃性地增大。这里，广泛使用的技术是同轴电缆或非屏蔽双绞线(UTP，unshielded twisted-pair)电缆等的铜线电缆。然而，电缆因波段窄、且易受到电磁波噪音的影响，而难以传送庞大的信息量。
由此，不仅电信局间的长距离通信使用光纤，而且电信局与各用户间的通信也使用光纤，作为增大传送容量的技术，FTTH正在普及。FTTH采用如下方式：利用光纤的宽带特性，直到用户群(user group)的附近为止，由多个用户共用1根光纤，从这里开始先将光信号分支给每个用户，再将光纤的引入线分配给各用户。
光纤虽有各种各样的类型，但用于长距离通信的主要是ITU-T(InternationalTelecommunication Union Telecommunication Standardization Sector，国际电信联盟-电信标准部)G.650规格的单模光纤(Single-Mode Fiber)。所述光纤的传送损耗小，而且比较廉价。截止波长约为1300nm以下，以便使1300nm段的信号成为单模。另外，模场直径(MFD，mode field diameter)在规格上约为8～10μm，但为了抑制光学非线性(opticalnonlinearity)等，MFD通常约为9～10μm。
FTTH使用与所述种类相同的单模光纤，从分支点引入到各用户的室内。这是因为若在分支点将MFD差异较大的光纤彼此连接，则会导致传送损耗。这里列举弯曲损耗来作为室内配线的另一个重要的要求特性。这只是因为长距离干线电缆敷设在地下管等难以受到外力影响的场所，故而假设施加给光纤本体的弯曲是终端容器内的直径60mm的缠卷(最多100次)。相对于此，为了使室内外的配线具有可挠性且轻量化，而在比较细的软线(直径数mm)的状态下进行配线，所以大多情况下易受到外力的影响，且光纤接受的弯曲半径也在20mm以下。
最初在光纤中信号光是沿着光纤的芯而传播，所以具有即便在光纤弯曲的状态下也能进行传送的特征，但是随着弯曲半径变小，无法完全传播而从芯泄漏的光的比例呈指数函数地增大，成为传送损耗。所述传送损耗是弯曲损耗。为了减少弯曲损耗，有效的是使光进一步汇集在芯上，且可以通过减小MFD来改善弯曲损耗。因此，通常在大多情况下是使用MFD约为6～8μm的光纤，如此一来，例如在直径20mm的芯棒(mandrel)(圆筒)上缠绕光纤时的弯曲损耗，在波长1550nm时实现为0.5dB/turn以下。
然而，存在若将MFD约为6μm的光纤与MFD约为10μm的光纤连接则损耗较大的问题，如果不采取其他措施就必须分为干线系的单模光纤与用户系的单模光纤来加以使用。
应对所述问题的策略之一是增大截止波长。若MFD相同，则弯曲损耗随着截止波长的增大而呈指数函数地减少。假设以ITU-T G.650定义的光纤截止波长为1350nm，电缆截止波长通常会短约100nm而变成约1250nm，因此实用方面在1300nm段的使用中没有问题。同时，通过将MFD设计为接近G652的下限即设为约8～9μm，可以改善弯曲损耗。
并且，通过文献“Shojiro Kawakami and Shigeo Nishida，ochCharacteristics of aDoublyClad Optical Fiber with a Low-Index Inner Cladding.ochIEEE Jounal ofQuantumElectronics，(vol.QB-10，No.12，pp.879-887，Dec.1974)”等所报告的使内侧包层折射率变小的双包层型光纤，可以将MFD设计得较大且可减少弯曲损耗。利用此种结构来减少杂质吸收损耗，使零散射波长(Zero dispersion wavelength)最佳化的光纤揭示于日本专利特开2002-47027号公报中，将低折射包层的比折射率差设计为约-0.021～-0.0007％左右，将MFD设计为9.2μm左右。而且，弯曲特性得到改善的光纤揭示于日本专利特开2006-133496号公报中，将低折射率包层的比折射率差设计为更低的-0.08～-0.02％，将MFD设计为略小的8.2～9.0μm。
另一方面，利用光纤在电子设备间进行配线的技术也在不断普及，就代表性的LAN通信规格IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers，电气与电子工程师协会)802.3而言可以列举各种光纤。实际上，由于波长1300nm段中使用的激光光源或光接收器比较昂贵，因此就所述用途而言大多情况下是使用廉价的850nm段的发光二极管(LED，light emitting diode)或面发光激光器(VCSEL(Vertical Cavity Surface EmittingLaser，垂直空腔表面发射激光器))。此时所使用的光纤为多模光纤(multimode fiber)，典型的芯径为50μm。多模光纤的光传播速度通常来说针对每种模态而不同，因此将折射率分布设计成抛物线形状(α型)而不是单纯的阶跃形状，从而减少模态间的光传播速度的差异。如此一来，传播速度例如变成500MHz·km。
另外，为了利用共同规格的光纤来涵盖长距离传送路径到FTTH、LAN的用途，在日本专利特表2004-508600号公报中，将芯的折射率分布设计成大致α形状，以减少850nm段的模态延迟，从而保证在850nm段中的使用。然而，关于直径20mm左右的小弯曲直径的弯曲损耗并未提及。
发明内容
因此，本文所述革新的一态样的目标为提供一种光纤，该光纤能够克服以上以往技术中所述的缺点。上述目标及其他目标可由独立项中所描述的组合而达成。附属项定义了本文所述革新的其他优势与例示性组合。
本发明鉴于所述以往技术，目的在于提供一种MFD处在G652规格内、优选为9μm以上且同时改善弯曲特性的光纤，以及提供一种可以实现1310nm时的单模动作、且传送带宽较宽的光纤。
本发明的第一态样的光纤在中心部设置第1芯，邻接于所述第1芯而设置覆盖所述第1芯的外周的第2芯，邻接于所述第2芯而设置覆盖所述第2芯的外周的第3芯，且邻接于所述第3芯而设置覆盖所述第3芯的外周的包层，所述光纤的特征在于：将以包层的折射率为基准时的所述第1芯的比折射率(specific refractivity)差设为Δ1，将所述第2芯的比折射率差设为Δ2，将所述第3芯的比折射率差设为Δ3，而且以第1芯的中心为基准，而将第1芯与第2芯的边界的半径设为a，将第2芯与第3芯的边界的半径设为b，将第3芯与包层的边界的半径设为c时，满足0.28％≤Δ1≤0.4％、-0.05％≤Δ2≤0.05％、-1.0％≤Δ3≤-0.5％，并且满足3.8μm≤a≤4.5μm、12μm≤b≤21μm、1.5μm≤c-b≤10μm，且将光纤缠绕于直径20mm的芯棒上时的波长1625nm时的损耗增加(Loss Increase)在0.1dB/turn以下。
具有所述构成的光纤在波长为1310nm时的LP01模态的MFD可为8μm以上、10μm以下。ITU-T G.650规格中规定的长度2m的光纤所测定的光纤截止波长可为1650nm以下，长度22m的光纤所测定的电缆截止波长可为1450nm以下。
另外，光纤截止波长可为1430nm以下，电缆截止波长可为1300nm以下。在光纤截止波长与电缆截止波长的差为120nm以上，且长度1km的光纤中传播的信号实质上可为单模。另外，长度1km的光纤所测定的波长1310nm时的传送带宽测定值为2GHz·km以上。零散射波长可为1290nm以上、1345nm以下。
此外，波长为1310nm时同时传播LP01模态的信号与LP11模态的信号时的两者的传播时间差可为每1m光纤20微微秒以下，波长为1310nm时同时传播LP01模态的信号与LP02模态的信号时的两者的传播时间差可为每1m光纤20微微秒以下。波长1383nm时的传送损耗可为0.4dB/km以下。
另外，第1芯具有α型形状或阶跃型形状，且所述半径b可为MFD的1.8倍以上。
发明内容的条款未必描述了本发明的实施例的所有必需特征。本发明也可为以上所述特征的子组合。本发明的以上特征及优势将借助于结合随附图式对实施例进行的以下描述而变得更加明显。
附图说明
图1是说明实施例1中制作的光纤的折射率分布的图。
图2是表示实施例1中制作的光纤的截止波长与光纤长度的关系的图。
图3是表示实施例1中制作的光纤的波长与传送损耗的关系的图。
图4是表示实施例2中制作的光纤的截止波长与光纤长度的关系的图。
图5是表示脉冲响应的图。
图6是表示实施例3中制作的光纤母材的折射率分布的图。
图7是表示比较例1中制作的光纤母材的折射率分布的图。
[符号的说明]
a    第1芯与第2芯的边界的半径
b    第2芯与第3芯的边界的半径
c    第3芯与包层的边界的半径
Δ1  第1芯的比折射率差
Δ2  第2芯的比折射率差
Δ3  第3芯的比折射率差
具体实施方式
现将基于实施例来描述本发明的一些态样，该等实施例并非意欲限制本发明的范畴，而是为了例示本发明。实施例中所描述的所有特征及特征的组合未必是本发明所必要的。
[实施例1]
图1表示本实施例的光纤的折射率分布。
首先，利用VAD(vapor phase axial deposition，汽相轴向沉积)法制作图1所示的第1芯，将其延伸为所需直径而形成核心芯材，在所述核心芯材上外设附加第2芯。在上面添加氟而形成折射率比二氧化硅水平低的第3芯，并且在上面附加包层，从而制作光纤母材。对所述母材进行拉丝而形成包层直径为125μm的光纤，利用聚氨酯丙烯酸酯(urethane acrylate)加以包覆而获得直径为250μm的光纤裸线。
所述光纤的第1芯的半径a＝3.8μm，第2芯的半径b＝18μm，折射率低的第3芯的半径c＝27μm，第1芯的比折射率差的最大值Δ1为0.39％，第2芯的比折射率差的最大值Δ2为0.01％，且第3芯的比折射率差的最小值Δ3为-0.75％。
确认具有此种构成的光纤的光纤截止波长为1417nm，电缆截止波长为1276nm，光纤截止波长与电缆截止波长的差为141nm，且波长1310nm时进行单模动作。波长1310nm时的MFD为9.21μm，零散射波长为1321nm，零散射斜率(Zero dispersion slope)为0.085ps/nm2·km。在直径20mm的圆筒上缠绕所述光纤时的损耗增加为0.05dB/turn。
图2表示所述光纤的截止波长与光纤长度的关系。根据图2可知，截止波长随着光纤长度的增加而变短，如果光纤长度超过10m，当波长为1310nm时大体上进行单模动作。
接下来，测定传送损耗，并将其结果表示在图3中。可知波长1383nm时的传送损耗为0.42dB/km，且通过将第2芯层(半径b)设为MFD的约1.9倍即18μm，因第3芯层(半径c)附近含有的OH基所引起的损耗会减少。
[实施例2]
将实施例1中制作的光纤母材的表面削除，并对其进行拉丝而制作包层直径为125μm的光纤。并且，利用聚氨酯丙烯酸酯加以包覆而形成直径为250μm的光纤裸线。
所制作的光纤的各芯的比折射率差Δ1、Δ2、Δ3与实施例1相同，各芯的半径是实施例1的1.15倍。即，第1芯的半径a＝4.4μm，第2芯的半径b＝21μm，且第3芯的半径c＝31μm。
图4表示光纤长度与截止波长的关系。根据图4可知，光纤截止波长为1625nm，电缆截止波长为1430nm，光纤截止波长与电缆截止波长的差为195nm。
利用长度5km的光纤来测定波长1310nm时的传送带宽，结果为3000MHz·km，脉冲响应(impulse response)是如图5所示。这表示波长1310nm时进行单模动作。并且，波长1310nm时的MFD为9.74μm，零散射波长为1301nm，零散射斜率为0.087ps/nm2·km。并且，在直径20mm的圆筒上缠绕所述光纤时的损耗增加为0.01dB/turn。波长1383nm时的传送损耗为0.345dB/km。
另外，也可以更精密地调整包层厚度，使其处于实施例1与实施例2的中间，由此将零散射波长设计成例如1310nm。
[实施例3]
利用VAD法来制作将第1芯及第2芯一体化的多孔玻璃(porous glass)母材，使其透明玻璃化，并且延伸为所需直径，从而形成核心芯材。在上面外设多孔玻璃并添加氟，形成折射率比二氧化硅水平低的第3芯，并在上面附加包层从而制作光纤母材。图6是利用市售的预型体分析仪(preform analyzer)测量所述母材的折射率分布的结果。
对所述母材进行拉丝而形成包层直径为125μm的光纤，利用聚氨酯丙烯酸酯加以包覆而获得直径为250μm的光纤裸线。以此方式获得的光纤保持了与母材相似的形状且直径缩小，因此其折射率分布除了半径方向的尺寸以外与母材相同。
所述光纤的第1芯的半径a＝4.2μm，第2芯的半径b＝12.5μm，折射率低的第3芯的半径c＝14.3μm，第1芯的比折射率差的平均值Δ1为0.28％，第2芯的比折射率差的平均值Δ2为-0.05％，且第3芯的比折射率差的最小值Δ3为-0.88％。另外，Δ1是比第1芯的折射率最大的半径位置更靠内侧的折射率的平均值，Δ2是第2芯的ab间的折射率的平均值，Δ3是第3芯的bc间的折射率在半径方向上的平均值。另外，a是相对于第1芯的Δ1的半频宽(half bandwidth)的位置，b是第2芯与第3芯的边界的折射率分布变得最陡峭的位置，c是第3芯与包层的边界的折射率变得最陡峭的位置(参照图6)。
所述光纤的光纤截止波长为1310nm，电缆截止波长为1269nm，因此波长1310nm时实质上进行单模动作。并且，波长1310nm时的MFD为9.61μm，零散射波长为1308nm，零散射斜率为0.089ps/nm2·km。而且，在直径20mm的圆筒上缠绕所述光纤时的损耗增加在波长1625nm时为0.055dB/turn。另外，波长1383nm时的传送损耗为0.342dB/km。
[比较例1]
利用VAD法来制作将第1芯及第2芯一体化的多孔玻璃母材，使其透明玻璃化，并且延伸为所需直径从而形成核心芯材。在上面外设多孔玻璃并添加氟，形成折射率比二氧化硅水平低的第3芯，然后在上面附加包层而制作光纤母材。图7是利用市售的预型体分析仪测量所述母材的折射率分布的结果。
对所述母材进行拉丝而形成包层直径为125μm的光纤，利用聚氨酯丙烯酸酯加以包覆而获得直径为250μm的光纤裸线。以此方式获得的光纤保持了与母材相似的形状且直径缩小，因此其折射率分布除了半径方向的尺寸以外与母材相同。
所述光纤的第1芯的半径a＝3.5μm，第2芯的半径b＝9.6μm，折射率低的第3芯的半径c＝14.2μm，第1芯的比折射率差的平均值Δ1为0.32％，第2芯的比折射率差的平均值Δ2为-0.05％，且第3芯的比折射率差的最小值Δ3为-0.42％。另外，Δ1是比第1芯的折射率最大的半径位置更靠内侧的折射率的平均值，Δ2是第2芯的ab间的折射率的平均值，Δ3是第3芯的bc间的折射率在半径方向上的平均值。而且，a是相对于第1芯的Δ1的半频宽的位置，b是第2芯与第3芯的边界的折射率分布变得最陡峭的位置，c是第3芯与包层的边界的折射率变得最陡峭的位置(参照图7)。
所述光纤的光纤截止波长为1205nm，电缆截止波长为1115nm，且波长1310nm时进行单模动作。并且，波长1310nm时的MFD为8.87μm，零散射波长为1327nm，大于G652规格。零散射斜率为0.087ps/nm2·km。而且，在直径20mm的圆筒上缠绕所述光纤时的损耗增加在波长1625nm时为0.15dB/turn，弯曲损耗略大。另外，波长1383nm时的传送损耗为0.964dB/km。
通过所述说明可以明确，根据本发明的实施例，将光纤形成为所述构成，借此实现可易于获得如下光纤等的优良效果：使MFD处于G652规格内，特别是9μm以上，同时可改善弯曲损耗，即便截止波长较大，也可以在波长1310nm时进行单模动作，且传送带宽较宽，进而具有所需零散射波长。
通过使用本发明的光纤，可以提高通信特性。
尽管借助于例示性实施例描述了本发明的一些态样，但应了解，熟习此项技术者可进行许多的改变与替换，而不会脱离仅由所附权利要求来界定的本发明的精神与范畴。

Claims (15)

1.一种光纤，在中心部设置第1芯，邻接于所述第1芯而设置覆盖所述第1芯的外周的第2芯，邻接于所述第2芯而设置覆盖所述第2芯的外周的第3芯，且邻接于所述第3芯而设置覆盖所述第3芯的外周的包层，所述光纤的特征在于：将以包层的折射率为基准时的所述第1芯的比折射率差设为Δ1，将所述第2芯的比折射率差设为Δ2，将所述第3芯的比折射率差设为Δ3，且以第1芯的中心为基准，将第1芯与第2芯的边界的半径设为a，将第2芯与第3芯的边界的半径设为b，将第3芯与包层的边界的半径设为c时，满足0.28%≦Δ1≦0.4%、-0.05%≦Δ2≦0.05%、-1.0%≦Δ3≦-0.5%，并且满足3.8μm≦a≦4.5μm、12μm≦b≦21μm、1.5μm≦c－b≦10μm，而且在直径20mm的芯棒上缠绕光纤时的波长1625nm时的损耗增加为0.1dB/turn以下，所述半径b为波长1310nm时的模场直径的1.8倍以上。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：波长1310nm时的LP01模态的模场直径为8μm以上、10μm以下。
3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：利用ITU-T G.650规格中规定的长度2m的光纤所测定的光纤截止波长为1650nm以下。
4.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：利用ITU-T G.650规格中规定的长度22m的光纤所测定的电缆截止波长为1450nm以下。
5.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：光纤截止波长为1430nm以下。
6.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：电缆截止波长为1300nm以下。
7.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：光纤截止波长与电缆截止波长的差为120nm以上。
8.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：在长度1km的光纤中传播的信号实质上为单模。
9.根据权利要求8所述的光纤，其特征在于：利用长度1km的光纤所测定的波长1310nm时的传送带宽测定值为2GHz·km以上。
10.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：零散射波长为1290nm以上、1345nm以下。
11.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：波长为1310nm时同时传播LP01模态的信号与LP11模态的信号时的两者的传播时间差为每1m光纤20微微秒以下。
12.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：波长为1310nm时同时传播LP01模态的信号与LP02模态的信号时的两者的传播时间差为每1m光纤20微微秒以下。
13.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：所述第1芯具有α型形状。
14.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：所述第1芯具有阶跃型形状。
15.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：波长1383nm时的传送损耗为0.4dB/km以下。
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