CN102144181B - 光纤的连接结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抑制MPI发生的光纤的连接结构。在第一单模光纤(10a)和第二单模光纤(20)之间配置有归一化频率不足2.405且长度在2mm以上30mm以下的连接用光纤(30)，第二单模光纤(20)与连接用光纤(30)熔接在一起。传输光从第一单模光纤(10a)输入第二单模光纤(20)，但在第二单模光纤(20)中不产生高次模。

Description

光纤的连接结构
技术领域
本发明涉及一种光纤的连接结构，尤其涉及使传输光从第一单模光纤输入第二单模光纤的光纤的连接结构。
背景技术
随着互联网的普及和发展，大量的信息通过通信网进行交换，因此需要更高速地传送和接收更大量的信息。在这种信息的传送和接收中通常使用光纤。尤其是由石英玻璃构成的单模光纤(SMF)适合于信息的大容量传输，作为通信用光纤而被大量使用。
普通的单模光纤具有中心部具备折射率较高的纤芯、折射率较低的包层覆盖纤芯周围的结构，是纤芯部分只传输基模的光纤。这种单模光纤作为从信息的中继点到各用户(例如企业或家庭)的主光纤，沿输电线等设置，而用于引入各建筑物内的光纤或者在中继器内进行布线的光纤则使用其它光纤，这些其它光纤与主光纤由连接器等连接在一起。此时，有时使用结构与主光纤不同且已提高耐弯曲性的光纤作为用于引入建筑物内的光纤或者在中继器内进行布线的光纤。这是因为在建筑物内或中继器内需要在狭窄的空间内使光纤绕行。
非专利文献1：Journal of lightwave technology，vol.9，No.8，August 1991，pp954-958
发明内容
但是，在光纤相互连接的情况下，如果在光纤的连接部分发生纤芯偏离，则会出现在已输入传输光的光纤内产生高次模的光，该高次模的光在该光纤出口与基模再结合时发生干涉(多径干涉：MPI(Multi Path Interference))而产生输出变化。已明确：该现象在若干条件同时满足时才会成为问题，如果连接在主光纤上的光纤是具备耐弯曲性的光纤，就容易产生这样的问题。
本发明是鉴于上述各点而完成的，其目的在于提供一种抑制MPI发生的光纤的连接结构。
为解决上述课题，本发明的光纤的连接结构是为了使传输光从第一单模光纤输入第二单模光纤而将两条光纤连接起来的部分的结构，其构成为：所述第二单模光纤从中心起呈同心圆状依次具有纤芯、第一包层和在所述传输光的波长下折射率比该第一包层低的第二包层，并且该第二单模光纤的归一化频率在2.405以上3.9以下；在所述第一单模光纤和所述第二单模光纤之间，在所述第二单模光纤的末端熔接配置有归一化频率不足2.405且长度在2mm以上30mm以下的连接用光纤。
此处，纤芯是让传输光通过的部分，第一包层和第二包层是起到将传输光封闭的作用的部分。另外，即使少量传输光渗出到第一包层和第二包层中也无妨。归一化频率v由下式表示：
v2＝k2(n12-n02)a2：式1
k为传输光的波数，n1为纤芯折射率，n0为包层折射率，a为纤芯半径。
优选所述第二单模光纤在所述第二包层的外侧还具有第三包层；所述纤芯的直径在8.2μm以上10.2μm以下；所述第一包层在所述传输光的波长下折射率比所述纤芯小，并且外径在30μm以上45μm以下；所述第二包层的厚度在7.4μm以上；所述第一包层与所述第二包层的相对折射率差在0.5％以上。这是因为如果第一包层与第二包层的相对折射率较小，弯曲损耗就会较大。
所述第一单模光纤和所述第二单模光纤由连接器连接在一起；所述连接用光纤可构成为收纳在所述连接器内部。
在有些实施方式中，在所述连接用光纤的所述第一单模光纤一侧的端部，还熔接配置有长度在2mm以上30mm以下的第三单模光纤。所述第三单模光纤可构成为纤芯直径与所述第一单模光纤相同。
本发明的光纤的连接结构由于使归一化频率不足2.405的连接用光纤熔接在第二单模光纤上，并配置于第一和第二单模光纤之间，所以能够抑制高次模的光在第二单模光纤中的传输，从而能够抑制MPI。
附图说明
图1是第一实施方式所涉及的光纤的连接示意图；
图2(a)是第二单模光纤的横截面示意图，图2(b)是折射率的分布图；
图3是连接器的示意图；
图4是第二实施方式所涉及的光纤的连接示意图；
图5是用于说明MPI的三条光纤的连接示意图。
附图标记说明
10a       第一单模光纤
11        纤芯
20        第二单模光纤
21        纤芯
22        包层
23        第一包层
24        第二包层
25        第三包层
30        连接用光纤
40        第三单模光纤
41        纤芯
61、62    连接器
具体实施方式
在对本发明的实施方式进行说明之前，参照图5说明将光纤相互连接时MPI是怎样产生的。
当已将两条单模光纤连接在一起，并从一条单模光纤向另一条单模光纤输入光时，基模LP01(1)从第一条光纤10a’输入第二条光纤20’。此处，如果在两条光纤10a’、20’的连接部分C6，两条纤芯11、21的截面未互相完全对准地连接而存在偏离，就会在连接部分C6产生少量高次模即LP11(2)。如果第二条光纤20’是只有一层包层22的普通单模光纤，则LP11(2)在前进极短的距离期间消失，只有LP01(1)继续传输。
此处，纤芯的相互连接部分偏离是指，当两条纤芯的截面形状相同大小相等时，存在截面未互相重合的部分的状态；当两条纤芯的截面的大小不同时，较小的纤芯截面存在未与较大的纤芯截面相重合的部分的状态。
另一方面，当第二条光纤20’为已使弯曲损耗降低的光纤时，为了提高耐弯曲性，由折射率不同的多层包层构成包层22，并且包层22构成为：在与纤芯接触的包层和与该包层相邻的外侧包层中，后者的折射率比前者低。如果是这样的结构则LP11(2)难以衰减，若是在建筑物内或中继器内使用的距离，LP11(2)就会传输到出口侧端部。第二条光纤20’在出口侧端部与机器侧单模光纤10b’等连接，LP11(2)在该连接部C3’与LP01(1)再结合，发生MPI。另外，因为LP01(1)在光纤20’内的传输速度与LP11(2)不同，所以由于再结合而产生噪声。
这样一来当干涉发生时，光输出I如非专利文献1所记载的那样表示为：
I＝A+Bcos(Φ)，Φ＝2πL·Δn/λ：式2
A、B：系数，L：光纤长，Δn：LP01和LP11的群折射率差，λ：传输光的波长。
从式2中可知，如果温度变化则Δn也变化，因此光输出I就会变化。
为了不让这种输出变化产生，最好在连接部C6不让纤芯发生偏离，但由于在用连接器连接的情况下将已由连接器固定的光纤的端面相互对接固定，所以在现有的连接器的机械精度下无法使纤芯的端面互相完全对准，并且由于有时光纤本身的中心会偏离纤芯的中心所以无法完全消除连接部的纤芯偏离。如果在显微镜下观察纤芯并进行熔接则能够防止纤芯偏离，但若对引入各建筑物内的光纤或者在中继器等内的布线光纤进行熔接则成本增加，而且操作空间也难以保障，因此在现实中很难应用。
本发明人鉴于上述课题进行了各种研究，从而完成了本发明。
以下，根据附图对本发明的实施方式进行详细说明。在以下附图中，为了简化说明，实质上具有相同功能的构成要素用同一参照符号来表示。
(第一实施方式)
如图1所示，第一实施方式是在输入侧单模光纤即第一单模光纤(以下称为第一SMF)10a和出口侧SMF 10b之间夹着第二SMF 20的光纤连接结构。第一SMF 10a和出口侧SMF 10b是包层12为单一结构且弯曲损耗较大的普通单模光纤，二者均为纤芯直径、包层直径相同的同种光纤。第二SMF 20是与第一SMF 10a和出口侧SMF 10b相比弯曲损耗较小的耐弯曲光纤，在与第一SMF 10a的连接端一侧熔接有连接用光纤30。
如图2所示，第二SMF 20的包层22由同心圆状的多个包层构成。第二SMF20的结构从中心起依次为纤芯21、第一包层23、第二包层24和第三包层25。
纤芯21由在石英中掺杂锗制成，折射率较大，直径R1在8.2μm以上10.2μm以下的范围内。第一包层23覆盖在纤芯21的外侧，由纯石英形成，折射率比纤芯21低，外径R2在30μm以上45μm以下的范围内。第二包层24形成为覆盖在第一包层23的外侧，折射率比第一包层23低，且第一包层23与第二包层24的相对折射率差在0.5％以上，第二包层24的厚度L1在7.4μm以上(本实施方式中为10μm)。第三包层25形成为覆盖在第二包层24的外侧，第三包层25的折射率比第二包层24大，且第三包层25与第二包层24的相对折射率差在0.5％以上。第三包层25的外径为125μm。以上的折射率是指在传输光的波长下的折射率。
为了使第二包层24与第三包层25的相对折射率差在0.5％以上，可以由纯石英制成第三包层25、并由在石英中掺杂有硼或氟的材料制成第二包层24，还可以采用在第二包层24的一部分区域内设置沿纤芯延伸的空孔以降低第二包层24整个区域的有效折射率的方法。而且，在第二SMF 20中，第三包层25作为支持体而起作用，而封闭光的作用则由第一和第二包层23、24来实现。因此，即使是第二包层24较厚且没有第三包层25的结构也无妨。
因为第一SMF 10a和出口侧SMF 10b以及第二SMF 20是单模光纤，所以归一化频率在2.405以上。优选第二SMF 20的归一化频率在3.9以下。
例如，如果第一SMF 10a和出口侧SMF 10b是，纤芯11由在石英中掺杂有锗的材料制成、包层12由石英制成、二者的相对折射率差为0.35％、且纤芯直径为9μm的光纤，则当传输光的波长为1.31μm时，归一化频率为2.62。
连接用光纤30是归一化频率不足2.405且长度在2mm以上30mm以下的光纤。从式1中可知，归一化频率的大小能够通过调整纤芯31和包层32的折射率、或者调整纤芯31的直径来确定。例如，如果是由在石英中掺杂有锗的材料制成纤芯31、由石英制成包层32、二者的相对折射率差为0.35％、纤芯直径为8μm的光纤，则归一化频率为2.33。即，如果第一SMF 10a的和出口侧SMF10b的纤芯直径相同，并且纤芯直径只比连接用光纤30小1μm，则归一化频率不足2.405。优选连接用光纤30的归一化频率在1.0以上。这是因为如果归一化频率不足1.0则模场直径过小而造成连接损耗增大。
连接用光纤30和第二SMF 20在接合部C2熔接在一起。由于熔接时一边用显微镜观察一边对接合部分的纤芯位置进行调整以使两条光纤的纤芯的端部不会相互偏离，所以该熔接不会发生纤芯偏离。这样一来，因为纤芯在接合部C2不偏离地相互熔接在一起，所以传输光从连接用光纤30输入第二SMF 20时就不会产生LP11模式。而且，因为连接用光纤30的归一化频率不足2.405，所以即使在第一SMF 10a与连接用光纤30的连接部分C1因纤芯偏离而产生LP11模式，LP11模式也会由于在连接用光纤30内被阻断而不进行传输，因此在与第二SMF 20的接合部C2只存在LP01模式。即，因为只有未受到LP11模式的影响的LP01模式的光才会输入第二SMF 20中，而在接合部C2不产生LP11模式，所以在第二SMF 20与出口侧SMF 10b的接合部C3不发生MPI。而且，还抑制了在接合部C2因热扩散而产生掺杂剂的相互扩散从而造成连接损耗的现象。
上述光纤的连接由如图3所示的连接器61、62来进行。在已对第一SMF 10a实施被覆的被覆芯线15和已对第二SMF 20实施被覆的被覆芯线25的一端分别安装有连接器61、62。连接器61、62内收纳有金属箍(ferrule)63、64，在金属箍63、64内支承有第一SMF 10a以及连接用光纤30，两条光纤的端面从金属箍63、64的端部露出。两个连接器61、62将金属箍63、64的端部相互对接，并利用连接固定件65、66进行连接固定。通过该连接固定将第一SMF 10a和连接用光纤30的端面相互对接固定，使中心一致。另外，由于光纤的纤芯有时偏离光纤横截面的中心，并且连接器61、62的制造精度在现状中还未达到准确地使纤芯的中心相互一致的程度，因此有时第一SMF 10a和连接用光纤30的纤芯11、31会相互偏离地连接在一起，但因为在工厂发货时已在光纤上安装了连接器，所以能够在光纤连接的现场简便且快速地进行光纤连接。
连接器61、62在连接固定件65、66和与它们相连的保护套67、68的部分限制了其内部的光纤的弯曲，使弯曲半径不会较小。连接用光纤30收纳在该部分(连接固定件66和保护套68，二者合并成为连接器62)中，保护光纤使其不会过度弯曲。该保护光纤以限制其弯曲的部分的长度L3根据连接器的种类而不同，为30～60mm。连接用光纤30收纳在该保护部分(连接器内部)内，弯曲受到限制。因此就不会产生由弯曲造成的损耗。而且，如果连接用光纤30完全收纳在金属箍64内，就能够可靠地限制其弯曲，故优选。另外，虽然连接用光纤30的长度只要在1mm以上就能够除去LP11模式，但如果从易于进行熔接操作等方面考虑，则优选在2mm以上。
优选第二SMF 20和出口侧SMF 10b的连接也同样使用连接器。
如上所述，由于在本实施方式中将连接用光纤30配置于第一SMF 10a和第二SMF 20之间，并与第二SMF 20熔接，所以能够抑制MPI发生。因此，能够降低附加在所传输的信息中的噪声，还能够降低伴随着温度变化的输出变化、噪声变化，从而能够使传输质量提高(错误率等降低)。而且，由于连接用光纤30较短，为2～30mm，所以不会使第二SMF 20的设计自由度降低，并且由于收纳在连接器内部，所以能够使其弯曲受到限制从而让弯曲损耗大致为0。
(第二实施方式)
在第二实施方式中，第二SMF 20与第一SMF 10a的连接部分的结构与第一实施方式不同，除此之外与第一实施方式均相同，因此对与第一实施方式不同的部分进行说明。
如图4所示，在连接用光纤30的、与熔接于第二SMF 20上的端部相反一侧的端部上，熔接有第三SMF 40。接合部C5通过已在第一实施方式中说明的使用显微镜的熔融接合来进行熔接。第三SMF 40可以是与第一SMF 10a相同种类的光纤，也可以是与第二SMF 20相同种类的光纤，还可以是其它种类的SMF。第三SMF 40的纤芯41的直径与第一SMF 10a的纤芯11相同。
在本实施方式中，第三SMF 40和连接用光纤30收纳在连接器内部。第三SMF 40的长度在2mm以上30mm以下。
在本实施方式中，因为第三SMF 40的纤芯41的直径与第一SMF 10a的纤芯11的直径相同，所以能够让连接部C4中的连接损耗比第一实施方式小。此外，在本实施方式中也能发挥与第一实施方式相同的效果。
(其它的实施方式)
上述实施方式是本发明的示例，本发明并不受这些例子的限制。例如，还可以在第二SMF 20与输出侧SMF 10b之间配置连接用光纤30。第一至第三SMF 10a、20、40和连接用光纤30的结构并不限于上述例子，还能够使用不损害本发明主旨的SMF。
-产业实用性-
综上所述，本发明所涉及的光纤的连接结构抑制MPI发生，作为光通信中的光纤的连接部分的结构等有用。

Claims (4)

1.一种光纤的连接结构，该光纤的连接结构使传输光从第一单模光纤输入第二单模光纤，其中：
所述第二单模光纤从中心起呈同心圆状依次具有纤芯、第一包层和在所述传输光的波长下折射率比该第一包层低的第二包层，并且该第二单模光纤的归一化频率在2.405以上3.9以下；
在所述第一单模光纤和所述第二单模光纤之间，在所述第二单模光纤的末端熔接配置有归一化频率不足2.405且长度在2mm以上30mm以下的连接用光纤，
所述第二单模光纤在所述第二包层的外侧还具有第三包层；
所述纤芯的直径在8.2μm以上10.2μm以下；
所述第一包层在所述传输光的波长下折射率比所述纤芯小，并且该第一包层的外径在30μm以上45μm以下；
所述第二包层的厚度在7.4μm以上；
所述第一包层与所述第二包层的相对折射率差在0.5％以上；
所述第二包层与所述第三包层的相对折射率差在0.5％以上；
所述第三包层的外径为125μm。
2.根据权利要求1所述的光纤的连接结构，其中：
所述第一单模光纤和所述第二单模光纤由连接器连接在一起；
所述连接用光纤收纳在所述连接器内部。
3.根据权利要求1所述的光纤的连接结构，其中：
在所述连接用光纤的所述第一单模光纤一侧的端部，还熔接配置有长度在2mm以上30mm以下的第三单模光纤。
4.根据权利要求3所述的光纤的连接结构，其中：
所述第三单模光纤的纤芯直径与所述第一单模光纤相同。
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