CN103135164A

CN103135164A - 多模光纤

Info

Publication number: CN103135164A
Application number: CN2012104825199A
Authority: CN
Inventors: 星野寿美夫; 米泽和泰
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-06-05
Also published as: US20130129291A1; JP2013109350A; US8565567B2

Abstract

本发明涉及一种多模光纤，该多模光纤具有可以以良好稳定性制造的结构，该结构具有比现有结构的通信带宽更宽的通信带宽，其中，该多模光纤的芯层中添加有GeO₂和氯，并且该多模光纤的包层中也添加有氯。包层含有氯，从而使包层中的平均氯浓度变得高于芯层中的平均氯浓度。

Description

多模光纤

技术领域

本发明涉及多模光纤。

背景技术

已知在长距离光通信中，由于结构上的原因，多模光纤具有比单模光纤的传输损耗更高的传输损耗。同时，由于多模光纤容易连接并且可以使用性能要求低的装置来容易地组建网络，所以这种光纤已被广泛地应用于例如LAN（局域网）等局域信息通信中。

近年来，为了提高上述局域信息通信的信号质量，积极地研究了用于降低上述多模光纤中的传输损耗的技术以及扩展通信带宽（转换成宽带通信）的技术。

发明内容

本发明的发明人检验了用于制造具有良好稳定性的宽带多模光纤的技术。在本说明书中，除非另有说明，术语“光纤”指的是“多模光纤”。

因此，为了制造具有良好稳定性的宽带多模光纤，需要使光纤的径向上的折射率分布与期望的形状精确地匹配。为了获得期望形状的折射率分布，首先，需要添加GeO₂以获得合适的径向浓度，但这一措施未必总是充分的。例如，在拉伸预制件之后获得的光纤中，折射率分布在光纤内部的残余应力的影响下稍有变化。在这种情况下，重要的是，在一定程度上降低残余应力对折射率波动的影响或者在光纤制造过程中始终保持相同的折射率分布。残余应力受如下因素影响：拉伸预制件时施加至光纤的张力以及拉伸后光纤的固化条件。期望将残余应力降为零，但实际上这是困难的。例如，当在拉伸之后冷却光纤时，光纤温度从光纤的表面向其内部降低，用作光纤材料的玻璃随着光纤冷却过程的进行而固化，结果，在一些固化条件下，光纤内部可能残留有应力。具体地说，由于芯层添加有GeO₂并且芯层的膨胀系数比包层的膨胀系数高，所以芯层在光纤冷却期间显著地收缩，由这种收缩导致的应力也残留在所获得的光纤中。

鉴于上述事实，本发明的发明人发现：通过特意控制正在制造的多模光纤中的氯浓度分布，可以使径向上的各部分中的玻璃固化的定时彼此非常接近。该发现导致了本发明的做出。

做出了本发明来解决上述问题。本发明旨在提供如下多模光纤：该多模光纤具有可以以良好稳定性制造的结构，该结构具有比现有结构的通信带宽更宽的通信带宽。这里，该多模光纤包括具有标准结构的多模光纤，还包括具有抗弯性能的多模光纤，其中，具有标准结构的多模光纤由具有高折射率的芯层和具有低折射率的包层构成，具有抗弯性能的多模光纤在芯层与包层之间设有沟槽部分。

本发明涉及GI（渐变折射率）型多模光纤，这种多模光纤与用于长距离传输的单模光纤有明显的区别。

也就是说，根据本发明的多模光纤包括：芯层，其沿着预定的轴线延伸，并掺杂有二氧化锗（GeO₂）；以及包层，其设置在所述芯层的外周上，并具有比所述芯层的折射率低的折射率。在所述多模光纤的径向上的折射率分布中，与所述芯层相对应的部分的α值在1.9至2.2范围内，所述芯层中心与所述包层中的基准区域之间的相对折射率差Δ（所述芯层的最大折射率差）在0.8%至1.2%范围内，并且所述芯层的直径2a在47.5μm至52.5μm范围内。当将所述芯层的中心处的折射率设为n₁并将距所述芯层的中心的距离设为r时，所述多模光纤的折射率n(r)用下面的表达式来限定：

n(r)=n₁(1-2Δ(r/a)^α)^1/2。

在具有上述结构的多模光纤中，所述芯层和所述包层二者都掺杂有氯，具体地说，所述包层掺杂有氯，从而使所述包层中的平均氯浓度变得高于所述芯层中的平均氯浓度。

如上所述，芯层掺杂有GeO₂，因而芯层的玻璃粘度降低。因此，在这种多模光纤中，作为使得包层的玻璃粘度更接近芯层的玻璃粘度的结构，向包层添加氯，从而使包层的平均氯浓度高于芯层中的平均氯浓度。利用这种构造，可以使拉伸预制件之后的芯层与包层之间的玻璃固化温度差异较小。结果，减小了拉伸预制件之后获得的多模光纤中的应力，因此，可以使由残余应力导致的光弹效应所引起的玻璃固化之前和之后的折射率变化较小。这样，可以更容易地实现期望的折射率分布，然后可以实现通信带的扩展。

此外，在根据本发明的多模光纤中，优选的是，所述包层中的氯浓度是基本恒定的，或者从所述包层的最靠近所述芯层的内周面向所述包层的与内周面相对的外周面沿着所述多模光纤的径向升高。

在多模光纤的径向上的氯浓度分布中，当与包层相对应的部分具有使氯浓度从多模光纤的中心起沿着径向升高的形状时，在拉伸预制件之后的冷却工序期间，使内侧区域（靠近芯层的区域）和外侧区域中的玻璃固化的时间更加接近，其中，内侧区域包括包层的内周面，外侧区域包括包层的外周面。结果，可以减小光纤中的残余应力，因而可以获得多模光纤的带宽稳定性。

如上所述，在根据本发明的多模光纤中，在拉伸预制件之前和之后的折射率变化保持较小，因而可以尤其适用于宽带多模光纤。更具体地说，本发明可以用于由国际标准ISO/IEC 11801规定的名为OM3和OM4的宽带多模光纤。例如，OM3多模光纤表示如下光纤：其中，被称为最小有效带宽的带宽等于或大于2000MHz·km，全模式振荡时的带宽（由国际标准IEC 60793-1-41规定的OFL带宽）在850nm时等于或大于1500MHz·km并且在1300nm时等于或大于500MHz·km。

根据以下给出的详细描述和附图，可以更加全面地理解本发明，给出以下描述和附图只是为了示例的目的，而不应认为是为了限制本发明。

根据以下详细描述，本发明的进一步应用范围将变得显而易见。然而，应该理解的是，在描述本发明的优选实施例时，给出以下详细描述和具体实例只是为了示例的目的，这是因为对于本领域的技术人员而言能够容易地根据以下详细描述在本发明的范围之内作出多种变型和修改。

附图说明

图1A示出根据本发明的多模光纤的典型横截面结构；图1B示出多模光纤的折射率分布；

图2是应用于根据本发明的多模光纤的氯浓度分布的实例；

图3是应用于根据本发明的多模光纤的氯浓度分布的另一个实例；

图4是解释VAD法以及用于芯层预制件制造工序的装置构造的示意图；

图5A是解释脱水工序（氯添加工序）以及装置构造的示意图；

图5B是解释烧结（透明化）工序以及装置构造的示意图；

图6A示出拉伸之后的芯层预制件的结构；图6B是解释VAD法以及应用于使预制件的外周部分变成包层的制造工序中的装置构造的示意图；

图7A示出所获得的光纤预制件的结构；图7B示出沿着用于根据第一实施例的多模光纤的预制件的径向的氯浓度分布；图7C示出沿着用于根据第二实施例的多模光纤的预制件的径向的氯浓度分布；

图7D示出沿着用于根据比较例的多模光纤的预制件的径向的氯浓度分布，根据比较例的多模光纤是为了与第一实施例和第二实施例中的光学特性进行比较而制备的；以及

图8是解释用于拉伸所获得的光纤预制件的工序和装置构造的示意图。

具体实施方式

下面，参考图1A至图1B、图2至图4、图5A至图7D以及图8来详细解释根据本发明的多模光纤的实施例。在描述附图时，用相同的附图标记表示相同或相应的部件，并省略重复的描述。

图1A示出根据本发明的多模光纤的典型的横截面结构，图1B示出该多模光纤的折射率分布。具体地说，根据本实施例的多模光纤100（图1A）是主要由石英玻璃构成的GI型多模光纤，并至少包括：芯层110，其沿着预定的轴线（与光轴AX相对应）延伸；以及包层120，其设置在芯层110的外周上。在图1A所示的多模光纤100中，使芯层110掺杂有作为主要掺杂物的GeO₂以便调节折射率分布的形状，并且芯层110具有直径2a和最大折射率n2。包层120具有直径2b和折射率n1，折射率n1比芯层110的折射率n2低。除了掺杂有上述GeO₂之外，芯层110和包层120还都掺杂有浓度经过调节的氯，以便形成期望的浓度分布形状。

此外，根据本实施例的多模光纤100具有图1B所示的折射率分布150。图1B所示的折射率分布150表示与图1A中的光轴AX正交的线L（与多模光纤100的径向相对应）上的各部分的折射率，更具体地说，示出芯层110的沿着区域151中的线L上的不同部分的折射率以及包层120的沿着区域152中的线L上的不同部分的折射率。

具体地说，图1B的折射率分布150中的区域151具有拱形形状，从而折射率在芯层110的与光轴AX重合的中心处最大。因此，为了调节折射率而添加的GeO₂的浓度也随着从芯层110的中心向包层120移动而快速降低。用于调节拱形形状的α值在1.9至2.2范围内。芯层110的中心相对于包层120（图1A的实例中的单层，其用作限定相对折射率差的基准区域）的相对折射率差Δ（芯层110相对于包层120的最大相对折射率差）在0.8%至1.2%的范围内，芯层110的直径2a在47.5μm至52.5μm的范围内。

添加到芯层110和包层120二者中的氯的浓度分布具有图2所示的形状。即，如图2所示的氯浓度分布250所示，包层120中的平均Cl浓度比芯层110中的平均Cl浓度分布高，并且芯层110和包层120二者中的Cl浓度是被特意控制的。在图2中，横轴与具有直径2a的芯层110以及具有直径2b的包层120的线L上的不同部分相对应，并表示以线L与光轴的交点为原点的坐标。

从图2中可以看出，一个实例中的氯浓度分布250沿着多模光纤100的径向（与光轴AX正交的方向）分布，其形状是这样的：在从光轴AX到距离a的范围内，也就是在芯层110中，Cl浓度（单位：ppm）是基本恒定的，并且平均Cl浓度为P_C2。另一方面，在从光轴AX到距离b的范围内，换句话说，在设置于具有直径2a的芯层的外周上的包层120中，Cl浓度（单位：ppm）是基本恒定的，并且平均Cl浓度为P_C1（>P_C2）。如上所述，包层120中的平均Cl浓度比芯层110中的平均Cl浓度高，因而可以降低芯层110与包层120之间的玻璃粘度差。结果，降低了预制件拉伸工序之后获得的多模光纤中的残余应力，并且可以减小玻璃固化工序之前和之后的折射率变化。

图3示出应用于多模光纤100的氯浓度分布的另一个实例。也就是，包层120中的氯浓度分布可以具有如下形状：从包层120的最靠近芯层110的内周面向与包层120的该内周面相对的外周面沿着多模光纤100的径向升高。也就是说，包层120中的Cl浓度可以从包层120的内周面（即，沿着多模光纤100的径向与光轴AX相距距离a的表面）向包层120的外周面（沿着多模光纤100的径向与光轴AX相距距离b的表面）单调升高。在这种情况下，包层120中的平均Cl浓度还是P_C1。芯层110中的Cl浓度可以从光轴AX起沿着多模光纤100的径向波动。然而，即使存在这种浓度波动，芯层110中的平均Cl浓度还是P_C2（<P_C1）。

例如，图3所示的浓度分布251具有如下形状：从包层120的内周面（与光轴AX相距距离a的位置）到包层120的外周面（与光轴AX相距距离b的位置），浓度分布251具有恒定的氯浓度（Cl浓度）增加率。浓度分布252和253具有如下形状：其中，从包层120的内周面到外周面，氯浓度（Cl浓度）增加率是波动的。作为包层120中的氯浓度分布，可以采用浓度分布251至253中的任意一者。

下面，作为根据本实施例的多模光纤100的制造方法的实例，对用于根据第一实施例的具有图2所示的氯浓度分布的多模光纤的预制件的制造进行描述。虽然在下文中描述了利用汽相轴向沉积（VAD）法制造芯层部件及其外周部分的实例，但用于沉积玻璃颗粒的方法不限于该方法。可以使用外部汽相沉积（OVD）法、改进化学汽相沉积（MCVD）法、等离子体化学汽相沉积（PCVD）法等制造芯层部件。

为了获得多模光纤100，首先，制造光纤预制件600（参见图7A和图8）。光纤预制件600利用如下步骤来获得：首先使用VAD法制造添加有GeO₂（二氧化锗）的芯层预制件，然后在脱水、烧结、拉伸以及其它工序之后，使用同样的VAD法在所获得的芯层预制件的外周上制造外周部分。利用VAD法制造的前述的芯层预制件是将变成芯层110的部分，该芯层110的折射率分布具有1.9至2.2范围内的拉伸后α值。利用VAD法制造的后述的外周部分是将在拉伸之后变成包层120的部分。

具体地说，在利用VAD法制造芯层的工序中，利用图4所示的烟灰（soot）沉积装置形成多孔玻璃体510。该烟灰沉积装置至少包括：容器315，其设有排气口315a；以及支撑机构310，其支撑多孔玻璃体510。也就是说，支撑机构310设有支撑棒，支撑棒可以朝箭头S 1所示的方向旋转，支撑棒的末端安装有起始棒以诱发多孔玻璃体510（烟灰体（soot body））的生长。

图4的烟灰沉积装置设有燃烧器320，以使多孔玻璃体510（烟灰体）沉积；气体供应系统330将期望的起始材料气体（例如GeCl₄、SiCl₄或类似物）、燃烧气体（H₂和O₂）、以及例如Ar、He或类似物等载体气体供应至燃烧器320。

在制造多孔玻璃体510期间，利用从气体供应系统330供应来的起始材料气体的水解反应，在燃烧器320的火焰中产生微小玻璃颗粒，并且将这些微小玻璃颗粒沉积在起始棒的下表面上。在此期间，支撑机构310首先使安装在末端的起始棒朝箭头S2a所示的方向移动，然后使起始棒在朝箭头S1所示的方向旋转的同时朝箭头S2b所示的方向（多孔玻璃体510的纵向）执行上升动作。利用这种操作，多孔玻璃体510在起始棒的下表面上朝起始棒的向下方向生长，并最终获得将变成芯层110的多孔预制件（烟灰预制件）。

下面，对利用上述VAD法制造的多孔预制件510执行图5A所示的脱水工序（氯添加工序）。也就是说，多孔预制件510安装在加热容器350中，加热容器350设有图5A所示的加热器360，在含有氯的氛围中执行脱水工序。该加热容器350设有用于供应含有氯的气体的进气口350a和排气口350b。在该脱水工序期间，支撑机构340通过使整个多孔预制件510在朝箭头S4的方向围绕多孔预制件510的中心轴线旋转的同时沿箭头S3a和S3b所示的方向移动，来改变多孔预制件510相对于加热器360的位置。通过这种工序，获得了添加有预定量氯的多孔预制件520。

然后，在上述加热容器350中对上述脱水工序之后获得的多孔预制件520进行烧结（透明化（rarefaction））。也就是说，如图5B所示，多孔预制件520在由支撑机构340支撑的状态下被容纳在容器350中。此时，容器350中的温度（加热器温度）被设成约1500℃，并经由进气口350a将He气以及含有He和氯的混合气体供应到容器350中。

在烧结工序期间，支撑机构340在使多孔预制件520围绕多孔预制件520的中心轴线朝箭头S4所示的方向旋转的同时使整个多孔预制件520朝箭头S3a所示的方向移动，由此改变多孔预制件520相对于加热器360的位置。利用这种工序，获得了直径为D1的透明玻璃体530。

对如上所述地制造的透明玻璃体530沿其纵向进行拉伸直到直径变成D2（本实例中为20mm）为止，从而获得图6A所示的芯层预制件540。

所获得的芯层预制件540中的平均Cl浓度为280ppm。也可以在同一容器中执行上述多孔预制件制造工序、脱水工序和烧结工序。

通过在利用上述工序获得的芯层预制件540的表面上利用VAD法进一步形成玻璃区域，最终制造出用于多模光纤的预制件。

具体地说，在利用VAD法制造包层的工序中，利用图6B所示的烟灰沉积装置（其具有与图4所示的烟灰沉积装置类似的结构）在芯层预制件540的表面上形成多孔玻璃体550。该烟灰沉积装置至少包括：容器450，其设有排气口450b；以及支撑机构440，其支撑芯层预制件540。也就是说，支撑机构440上设有可以朝箭头S6所示的方向旋转的支撑棒，并且在该支撑棒的末端安装有芯层预制件540，芯层预制件540用于诱发多孔玻璃体550（烟灰体）在芯层预制件540的表面上的生长。

图6B的烟灰沉积装置设有燃烧器460以使多孔玻璃体550（烟灰体）沉积在芯层预制件540的表面上；气体供应系统490将期望的起始材料气体（例如SiCl₄或类似物）、燃烧气体（H₂和O₂）、以及例如Ar或He等载体气体供应至燃烧器460。

在制造多孔玻璃体550期间，利用从气体供应系统490供应来的起始材料气体的水解反应，在燃烧器460的火焰中产生微小玻璃颗粒，并且将这些微小玻璃颗粒沉积在芯层预制件540的表面上。在此期间，支撑机构440首先使安装在末端的芯层预制件540朝箭头S5a所示的方向移动，然后使芯层预制件540在朝箭头S6所示的方向旋转的同时朝箭头S5b所示的方向（芯层预制件540的纵向）执行芯层预制件540的上升动作。利用这种操作，多孔玻璃体550在芯层预制件540的下表面上朝芯层预制件540的向下方向生长，并最终在芯层预制件540的表面上获得将变成包层120的多孔预制件（烟灰预制件）。

使利用上述工序获得的多孔预制件再次经过脱水工序（图5A）和烧结工序（图5B），以获得用于多模光纤600的预制件。在脱水工序之后执行的烧结多孔预制件的工序中，为了使氯有效地添加到芯层预制件540的外周区域（脱水之后的烟灰体）中，将氯气（Cl₂）和He气的混合气体供应至容器350的内部，并且在这种氯气和He气的气体混合物的氛围中执行烧结工序（玻璃透明化）。如图7A所示，通过上述工序获得的光纤预制件600包括：内侧区域610，其在拉伸之后变成芯层110；以及外周区域620，其变成包层120。外周区域620中的平均Cl浓度为800ppm。

如图8所示，光纤预制件600包括在拉伸之后变成芯层110的区域以及变成包层120的外周区域。在图8所示的拉伸工序中，在沿箭头S7所示的方向进行拉伸的同时，用加热器630加热光纤预制件600的一端，以获得具有图1A所示的横截面结构的多模光纤100。

除了根据上述第一实施例的多模光纤之外，为了进一步证实（第二实施例和比较例的）各种其它多模光纤的光学特性，本发明的发明人制造了具有不同氯浓度分布的光纤预制件600（图7C至图7D）。

图7A示出所获得的光纤预制件600的结构，图7B示出沿着用于根据第一实施例的多模光纤的预制件的径向的氯浓度分布260，图7C示出沿着用于根据第二实施例的多模光纤的预制件的径向的氯浓度分布261，图7D示出沿着用于根据比较例的多模光纤的预制件的径向的氯浓度分布262，用于根据比较例的多模光纤是为了与第一实施例和第二实施例中的光学特性进行比较而制备的。

在沿着用于根据第一实施例的多模光纤的预制件的径向的氯浓度分布260中（图7B），将变成芯层110的内侧区域610中的Cl浓度沿着预制件的径向是基本恒定的，将变成包层120的外周区域620中的Cl浓度沿着预制件的径向也是基本恒定的。在该氯浓度分布260中，内侧区域610中的平均Cl浓度P_C2为280ppm，外周区域620中的平均Cl浓度P_C1为800ppm。

通过拉伸具有图7B所示的氯浓度分布260的光纤预制件而最终获得的根据第一实施例的多模光纤具有如下特性：最小有效带宽为2200MHz·km，850nm时的OFL带宽为1650MHz·km；并且该多模光纤被证实适于用作OM3多模光纤。

在沿着用于根据第二实施例的多模光纤的预制件的径向的氯浓度分布261中（图7C），内侧区域610中的Cl浓度沿着预制件的径向是基本恒定的，但外周区域620中的Cl浓度沿着预制件的径向升高。然而，在氯浓度分布261中，同样地，内侧区域610中的平均Cl浓度P_C2为280ppm，外周区域620中的平均Cl浓度P_C1为800ppm。

通过拉伸具有图7C所示的氯浓度分布261的光纤预制件而最终获得的根据第二实施例的多模光纤是宽带多模光纤，该光纤具有如下特性：最小有效带宽为3100MHz·km，850nm时的OFL带宽为2950MHz·km；并且该多模光纤被证实适于用作OM3多模光纤。

另一方面，在沿着用于根据比较例的多模光纤的预制件的径向的氯浓度分布262中（图7D），内侧区域610中的Cl浓度沿着预制件的径向是基本恒定的，但外周区域620中几乎没有添加氯（在烧结多孔预制件550期间未导入氯气）。因此，在氯浓度分布262中，内侧区域610中的平均Cl浓度P_C4大致等于或小于P_C2，外周区域620中的平均Cl浓度P_C3为10ppm（<P_C4）。

通过拉伸具有图7D所示的氯浓度分布262的光纤预制件而最终获得的根据比较例的多模光纤具有如下特性：最小有效带宽为1520MHz·km，850nm时的OFL带宽为1250MHz·km；因而，没有获得OM3多模光纤。

如上所述，根据本发明，可以抑制预制件拉伸之前和之后的状态之间的折射率分布差异。因此，本发明特别适用于宽带多模光纤。更具体地说，本发明可以用于由国际标准ISO/IEC 11801规定的名为OM3和OM4的宽带多模光纤。

根据以上所述的本发明，显而易见的是，可以以多种方式来修改本发明的实施例。不应将这种修改视为脱离了本发明的精神和范围，而且所附权利要求书的范围意图涵盖对于本领域的技术人员而言显而易见的所有这些修改。

Claims

1.一种多模光纤，包括：

芯层，其沿着预定的轴线延伸，并掺杂有二氧化锗；以及

包层，其设置在所述芯层的外周上，并具有比所述芯层的折射率低的折射率，

其中，在所述多模光纤的径向上的折射率分布中，与所述芯层相对应的部分的α值在1.9至2.2范围内，所述芯层与所述包层中的基准区域之间的最大相对折射率差Δ在0.8%至1.2%范围内，并且所述芯层的直径2a在47.5μm至52.5μm范围内；并且

所述芯层和所述包层二者都掺杂有氯，所述包层掺杂有氯从而使所述包层中的平均氯浓度变得高于所述芯层中的平均氯浓度。

2.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，

所述包层中的氯浓度从所述包层的最靠近所述芯层的内周面向所述包层的与所述内周面相对的外周面沿着所述多模光纤的径向升高。

3.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，

所述包层中的氯浓度沿着所述多模光纤的径向是基本恒定的。