CN103154790B

CN103154790B - 保偏光纤

Info

Publication number: CN103154790B
Application number: CN201180046597.8A
Authority: CN
Inventors: 林和幸; 井添克昭; 远藤丰; 爱川和彦; 工藤学
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2031-10-03
Also published as: US20130308914A1; JPWO2012046696A1; EP2626730A1; DK2626730T3; CN103154790A; EP2626730A4; US8958677B2; EP2626730B1; JP5409928B2; WO2012046696A1

Abstract

本发明涉及保偏光纤。本发明的保偏光纤（10）具备纤芯（11）、设置于纤芯（11）两侧的一对应力赋予部（12、12）、包围这些纤芯（11）以及应力赋予部（12、12）的包层（13），在400～680nm的波长范围内被使用，包层（13）的直径是125μm，应力赋予部（12）的直径是33μm～37μm，一对应力赋予部（12、12）间的间隔是8.6μm～15.4μm，纤芯（11）与包层（13）的相对折射率差是0.35%～0.45%，截止波长在400nm以下。

Description

保偏光纤

技术领域

本发明涉及适用于利用了主要在可见光波长范围内使用的激光二极管等的光传输系统的保偏光纤，特别是，涉及能够在400nm～680nm的波长范围的整个区域使用，在该波长范围的整个区域中减少了弯曲偏振串扰（polarizationcrosstalk）以及弯曲损耗的保偏光纤。

本申请基于2010年10月5日在日本提出申请的专利申请2010-225797号主张优先权，并在此处引用其内容。

背景技术

保偏光纤是能够保持并传输线偏振光的单模光波导（单模光纤）。

保偏光纤大致由纤芯、设置于纤芯的两侧的一对应力赋予部和包围这些纤芯以及应力赋予部的包层构成。

应力赋予部用于在引导光的纤芯内引起双折射，是按照夹持纤芯而互相隔离并且在保偏光纤的直径方向对置的方式配置在包层内的一对玻璃区域。而且，应力赋予部遍及保偏光纤的长度方向全长而设置。

构成该应力赋予部的玻璃区域的热膨胀系数与构成包层的玻璃的热膨胀系数不同。另外，众所周知，对于保偏光纤而言，至少1个构成应力赋予部的玻璃区域的与其长度方向垂直的剖面的尺寸（直径）大于纤芯的直径。

这样的构造的保偏光纤被称作熊猫（Polarization-maintainingandabsorptionreducing：偏振保持和吸收还原）型保偏光纤。

保偏光纤不仅应用于光通信，还用于具有偏振依赖性的光学元件彼此的连接、光纤光栅和光纤耦合器等光传输用光学元件等。

考虑到制作的方便性、品质的稳定性、与一般的石英系光波导光纤的连接性等，作为光传输用光学元件使用的保偏光纤被设计成在使用的光的波长附近的狭窄的波长范围内为单模光波导构造（例如，参照专利文献1、2，非专利文献1、2）。

专利文献1：日本特开2003-337238号公报

专利文献2：日本特开2008-76655号公报

非专利文献1：フジクラ技報第85号、p1－9、1993年10月発行

非专利文献2：フジクラPANDAファイバご紹介と偏波保持ファイバの基礎（URL：http：／／www．fujikura．co．jp／products／tele／o＿device／data／16pnb04j．pdf）

对于以往的保偏光纤而言，考虑到其制作的方便性、品质的稳定性、与一般的石英系光波导光纤的连接性等，被设计成在使用的波长附近的狭窄的波长范围内为单模光波导构造。换句话说，没能提供在400nm～680nm的波长范围的整个区域中，弯曲损耗以及弯曲偏振串扰良好的光纤构造。

例如，在以向长波长侧偏离截止波长的波长（例如，680nm）使用以往的400nm用的保偏光纤的情况下，存在若以直径60mm等较小的弯曲直径将该保偏光纤缠绕10次，则损耗、偏振串扰增加这一问题。

另外，对于以往的保偏光纤而言，为了在减小弯曲直径时不使偏振串扰增加，会增大应力赋予部的直径或者减小间隔，但若其直径过大，则包层的非圆率会变大。因此，在将保偏光纤与连接器连接的情况下、或在将保偏光纤与其他的光纤、光学元件连接的情况下，存在难以定位、工作效率降低这样的问题。若减小应力赋予部的间隔，则模场非圆化，与其他光纤的连接损耗增加、由于应力赋予部的影响而光纤自身的损耗增加。

发明内容

本发明是鉴于上述的情况而完成的，目的在于提供抑制了弯曲损耗的增加量以及偏振串扰的保偏光纤。

本发明的保偏光纤具备：纤芯；一对应力赋予部，设置于该纤芯的两侧；以及包层，包围上述纤芯以及上述应力赋予部，并且上述保偏光纤在400～680nm的波长范围内被使用，上述包层的直径是125μm，上述应力赋予部的直径是33μm～37μm，上述一对应力赋予部间的间隔是8.6μm～15.4μm，上述纤芯与上述包层的相对折射率差是0.35%～0.45%，截止波长在400nm以下。

优选上述包层包括第一包层和第二包层，其中，上述第一包层由掺氟的石英玻璃形成，上述第二包层设置于上述第一包层的外周，并由纯石英玻璃形成。

优选在施加了10次直径为60mm的弯曲后，400～680nm的波长范围内的损耗增加量在0.1dB以下，偏振串扰在-30dB以下。

根据本发明的保偏光纤，能够在施加了10次直径为60mm的弯曲后，使400nm～680nm的波长范围内的损耗增加量在0.1dB以下，使偏振串扰在-30dB以下。

附图说明

图1是表示本发明的保偏光纤的第一实施方式的简要剖面图。

图2是表示本发明的保偏光纤的第二实施方式的简要剖面图。

图3是表示将本发明的实施例1的保偏光纤缠绕在外径不同的线轴上，按每个弯曲直径测量出的在400～680nm的波长范围内的弯曲损耗的结果的曲线图。

具体实施方式

以下，对本发明的保偏光纤的实施方式进行说明。

应予说明，该实施方式是为了更好地理解发明的主旨而具体地说明的方式，只要不是特别指定，就不限定本发明。

（1）第一实施方式

图1是表示本发明的保偏光纤的第一实施方式的简要剖面图。

该实施方式的保偏光纤10大致由纤芯11、在纤芯11的两侧相对于纤芯11设置在点对称的位置上的一对应力赋予部12、12、包围这些纤芯11以及应力赋予部12、12的包层13构成。

该保偏光纤10是与长度方向垂直的剖面形状即直径方向的剖面形状为圆形的光纤。

纤芯11使用与包层13相比折射率高的材料，应力赋予部12使用与包层13相比热膨胀系数大的材料。

作为这些材料，只要是用于以往的熊猫型保偏光纤的材料，就可以使用。

例如，作为纤芯11的材料使用添加（掺杂）了锗（Ge）的石英玻璃。

作为应力赋予部12的材料使用以三氧化二硼（B₂O₃）的剖面重量浓度换算添加（掺杂）了17～21mol%左右的硼而成的B₂O₃-SiO₂玻璃。

作为包层13的材料使用纯石英玻璃。

纤芯11的折射率是1.462～1.464。另外，纤芯11的热膨胀系数是21×10^-7/℃～22×10^-7/℃。

应力赋予部12的热膨胀系数是14×10^-7/℃～15×10^-7/℃。

包层13的折射率是1.456～1.458。另外，包层13的热膨胀系数是4×10^-7/℃～6×10^-7/℃。

纤芯11与包层13的相对折射率差为0.35%～0.45%，优选为0.37%～0.43%。

通过将相对折射率差设为上述的范围内，纤芯11对光的封闭作用增强，即使以较小的弯曲直径弯曲保偏光纤10，损耗也不会增加。

若相对折射率差小于0.35%，则纤芯11对光的封闭作用减弱，若以较小的弯曲直径弯曲保偏光纤10，则损耗增加。

相对折射率差越大，纤芯11对光的封闭作用越强，即使以较小的弯曲直径弯曲保偏光纤10，损耗也不会增加。但是，若相对折射率差超过0.45%，则模场直径（MFD）减小，从而与其他的光纤、光学元件的连接性降低。

纤芯11构成保偏光纤10的中心部，保偏光纤10的直径方向的剖面形状呈圆形。

纤芯11的直径优选是1.5μm～3.5μm，更优选的是2μm～3μm。

若纤芯11的直径小于2μm，则必须增大纤芯11和包层13的折射率差，MFD也会减小，所以与其他的光纤的连接、来自其他的光学元件的光的入射等变难。另一方面，若纤芯11的直径超过3μm，则不减小纤芯11和包层13的折射率差就无法实现，所以往往由保偏光纤10的弯曲引起的损耗增大。

包层13的直径是125μm。

应力赋予部12、12以夹持纤芯11的方式相互隔离而配置，保偏光纤10的直径方向的剖面形状呈圆形。

应力赋予部12的直径D是33μm～37μm，优选是34μm～36μm。

若应力赋予部12的直径D小于33μm，则施加在纤芯11上的应力减小，偏振串扰特性降低。另一方面，若应力赋予部12的直径D超过37μm，则包层13非圆化，与连接器连接的加工性降低。

另外，2个应力赋予部12、12间的间隔R是8.6μm～15.4μm，优选是10μm～14μm。

若应力赋予部12、12间的间隔R小于8.6μm，则应力赋予部12与纤芯11的间隔过小，有可能模场非圆化而连接损耗增大，所以不优选。另外，若应力赋予部12与模场重叠，则损耗增加。另一方面，若应力赋予部12、12间的间隔R超过15.4μm，则偏振保持特性降低，所以不优选。

以下，说明将本发明的保偏光纤的上述构造参数设为上述范围内的理由。

对于应力赋予部12的直径、以及应力赋予部12、12间的间隔，通过利用上述专利文献1中提示的方法，不会使纤芯11的非圆率增大，而能够计算出确定最佳的偏振串扰特性的模式双折射率。

并且，根据该方法确定出的应力赋予部的直径是38.75μm。此处，在制作出应力赋予部的直径是38.75μm，除此以外的构造参数位于上述范围内的保偏光纤后，包层的非圆率超出了规格（2%以下）。因此，本发明者等在改变应力赋予部的直径而制作出保偏光纤后发现，若应力赋予部的直径在33μm～37μm的范围内，则表示最佳的偏振串扰的特性，并且包层的非圆率满足规格。

另外，保偏光纤10为能够在400nm～680nm的波长范围的整个区域中使用的光纤，所以截止波长是400nm以下。

根据该实施方式的保偏光纤10，在施加10次直径60mm的弯曲后，400nm～680nm波长范围中的损耗增加量为0.1dB以下，偏振串扰为-30dB以下。

因此，通过将该保偏光纤10用作在光纤放大器、半导体激光器、调制器等光传输用光学元件、光测量设备中使用的连接用光纤，能够以一种光纤来应对，而以往需要使用按波长的三种左右的光纤来应对。

（2）第二实施方式

图2是表示本发明的保偏光纤的第二实施方式的简要剖面图。

该实施方式的保偏光纤20大致由纤芯21、在纤芯21的两侧相对于纤芯21设置于点对称的位置的一对应力赋予部22、22、包围这些纤芯21以及应力赋予部22、22的包层23构成。

另外，包层23由直接包围纤芯21以及应力赋予部22、22的第一包层23A、和设置于第一包层23A外周的第二包层23B构成。

该保偏光纤20是与长度方向垂直的剖面形状即直径方向的剖面形状是圆形的光纤。

纤芯21使用与包层23相比折射率高的材料，应力赋予部22使用与包层23相比热膨胀系数大的材料。

作为这些材料，只要是用于以往的熊猫型保偏光纤的材料就可以使用。

例如，作为纤芯21的材料使用纯石英玻璃。

作为应力赋予部22的材料使用以三氧化二硼（B₂O₃）的剖面重量浓度换算添加（掺杂）了17～21mol%左右的硼而成的B₂O₃-SiO₂玻璃。

作为第一包层23A的材料使用掺氟石英玻璃，作为第二包层23B材料使用纯石英玻璃。

纤芯21的折射率是1.456～1.458。而且，纤芯21的热膨胀系数是4×10^-7/℃～6×10^-7/℃。

应力赋予部22的热膨胀系数是14×10^-7/℃～15×10^-7/℃。

第一包层23A的折射率是1.450～1.452。而且，第一包层23A的热膨胀系数是4×10^-7/℃～6×10^-7/℃。

第二包层23B的折射率是1.456～1.458。而且，第二包层23B的热膨胀系数是4×10^-7/℃～6×10^-7/℃。

纤芯21与包层23的相对折射率差是0.35%～0.45%，优选是0.37%～0.43%。

通过将相对折射率差设为上述的范围内，纤芯21对光的封闭作用增强，即使在向长波长侧偏离截止波长的波长下，以较小的弯曲直径弯曲保偏光纤20，损耗也不增加。

若相对折射率差小于0.35%，则纤芯21对光的封闭作用减弱，若以较小的弯曲直径弯曲保偏光纤20，则损耗增加。

相对折射率差越大，则纤芯21对光的封闭作用越强，即使以较小的弯曲直径弯曲保偏光纤20，损耗也不增加。但是，若相对折射率差超过0.45%，则模场直径（MFD）减小，从而与其他的光纤、光学元件的连接性降低。

纤芯21构成保偏光纤20的中心部，保偏光纤20的直径方向的剖面形状呈圆形。

纤芯21的直径优选是1.5μm～3.5μm，更优选是2μm～3μm。

若纤芯21的直径小于2μm，则必须增大纤芯21和包层23的折射率差，MFD也减小，所以与其他的光纤的连接、使用了透镜等的光的入射变难。另一方面，若纤芯21的直径超过3μm，则不减小纤芯21和包层23的折射率差就无法实现，所以往往因保偏光纤20的弯曲引起的损耗增大。

第一包层23A的直径优选是30μm～95μm，更优选是60μm～90μm。

第二包层23B的直径是125μm。另外，第二包层23B的厚度优选是15μm～32.5μm，更优选是17.5μm～32.5μm。

设置第二包层23B的理由是如果纤芯21是纯石英玻璃、包层23是掺氟石英玻璃，则包层23的熔点低，所以在拉成丝时，张力会施加于纤芯21，从而光学特性会变得不稳定。

第一包层23A的厚度是30μm以上的理由是因为如果与纤芯21折射率相等的第二包层23B接近纤芯21，则在纤芯21中传播的光会向第二包层23B泄露。另外，如果第二包层23B的厚度在15μm以下，则施加于纤芯21的张力增大，光学特性会变得不稳定。

应力赋予部22、22以夹持纤芯21的方式相互隔离而配置，保偏光纤20的直径方向的剖面形状呈圆形。

应力赋予部22的直径D是33μm～37μm，优选34μm～36μm。

若应力赋予部22的直径D小于33μm，则施加于纤芯21的应力减小，偏振串扰特性降低。另一方面，若应力赋予部22的直径D超过37μm，则包层23非圆化，与连接器连接的加工性降低。

另外，2个应力赋予部22、22间的间隔R是8.6μm～15.4μm，优选10μm～14μm。

若应力赋予部22、22间的间隔R小于8.6μm，则应力赋予部22与纤芯21的间隔过小，有可能模场非圆化而连接损耗增大，所以不优选。另一方面，若应力赋予部22、22间的间隔R超过15.4μm，则偏振保持特性降低，所以不优选。

另外，保偏光纤20能够在400nm～680nm的波长范围的整个区域中被使用，所以截止波长是400nm以下。

根据该实施方式的保偏光纤20，在施加10次直径60mm的弯曲后，400nm～680nm波长范围中的损耗增加量为0.1dB以下，偏振串扰为-30dB以下。

因此，通过将该保偏光纤20用作在光纤放大器、半导体激光器、调制器等光传输用光学元件、光测量设备中使用的连接用光纤，能够以一种光纤来应对，而以往需要使用按波长的三种左右的光纤来应对。

实施例

以下，通过实施例以及比较例更具体地说明本发明，但本发明并不限于以下实施例。

[实施例1～3]

在制作保偏光纤时，首先，准备成为由纯石英玻璃构成的纤芯部的芯棒。

接下来，为了得到规定的截止波长，在芯棒的外周堆积纯石英玻璃微粒后，在规定浓度的氟气气氛中烧结该堆积部件，以便使得相对折射率差Δ为0.35%（实施例2）、0.40%（实施例1）、0.45%（实施例3）。

接下来，在该烧结体的外周堆积石英玻璃微粒后进行烧结，以便使其成为纯石英玻璃，从而得到熊猫型保偏光纤的纤芯包层母材。

接下来，在该纤芯包层母材的纤芯部的两侧，以规定的位置以及直径利用超声波钻孔机钻孔，通过磨削以及研磨该孔的内表面来进行镜面化，而制作出开孔母材。

另外，利用MCVD法，在石英玻璃管的内侧堆积以三氧化二硼（B₂O₃）的剖面重量浓度换算添加了21mol%左右的硼的石英玻璃，从而得到成为应力赋予部的应力赋予部件。

并且，通过磨削除去该原母材的外周的石英管，并进行研磨直到外表面成为镜面，从而得到成为保偏光纤的应力赋予部的应力赋予部件。该应力赋予部件的直径比上述开孔母材的孔的直径细。

将该应力赋予部件插入上述开孔母材，利用拉丝炉进行加热，并按照使包层直径为125μm的方式进行拉丝。

对拉丝后的光纤覆盖2层紫外线硬化型丙烯酸酯树脂，得到实施例1～3的保偏光纤素线。此时，第一层被覆直径约为185μm，第二层被覆直径为250μm。

对这样得到的实施例1～3的保偏光纤，进行了传输损耗、弯曲损耗、缠绕在直径160mm的线轴上时的偏振串扰以及弯曲偏振串扰的评价。

将这些结果与各个保偏光纤的构造参数一起表示在表1中。

[表1]

	实施例1	实施例2	实施例3
				相对折射率差（%）	0.40	0.35	0.45
纤芯直径（μm）	2.6	2.5	2.2
				应力赋予部的直径（μm）	35	35	35
应力赋予部的间隔（μm）	11	11	11
				包层直径（μm）	125	125	125
被覆直径（μm）	250	250	250
				MFD[405nm]（μm）	2.3	2.7	2.4
拍长[405nm]（mm）	0.69	0.7	0.65
				模式双折射率（×10^-4）	0.59	0.58	0.62
截止波长（nm）	390	390	390
				损耗[400nm]（dB/km）	38	38	38
弯曲损耗[680nm]（dB/φ60mm10次）	0.005	0.005	0.005
				偏振串扰[680nm]（dB）	-42	-42	-42
弯曲偏振串扰[680nm]（dB/φ60mm10次）	-42	-42	-42
				连接特性	良好	良好	良好

根据表1的结果，实施例1～3的保偏光纤在长度为2m时测定的截止波长是390nm。

另外，在直径60mm的线轴上缠绕了10次的情况下，波长680nm的损耗是0.005dB，偏振串扰是-42dB，得到了良好的结果。

另外，将实施例1的保偏光纤缠绕在直径不同的线轴上，按其弯曲直径，评价了在400～680nm的波长范围中的弯曲损耗以及偏振串扰。

将结果表示在表2以及表3中。

[表2]

单位：dB

缠绕次数：10次

根据表2的结果，在弯曲直径是20mm～60mm的情况下，400～680nm的波长范围中的偏振串扰在-41dB以下。

根据图3的结果，在弯曲直径是20mm～60mm的情况下，400～680nm的波长范围中的弯曲损耗在0.1dB以下。

[比较例1]

除使相对折射率差Δ为0.23%以外与实施例1相同地得到比较例1的保偏光纤素线。

对于这样得到的比较例1的保偏光纤，进行了传输损耗、弯曲损耗、缠绕在直径160mm的线轴上时的偏振串扰以及弯曲偏振串扰的评价。另外，进行了连接性的评价。

将这些结果与各个保偏光纤的构造参数一起表示在表3中。

[表3]

	实施例1	实施例2	实施例3
				相对折射率差（%）	0.23	0.6	0.4
纤芯直径（μm）	3	1.9	2.3
				应力赋予部的直径（μm）	35	35	38.75
应力赋予部的间隔（μm）	15.4	11	11
				包层直径（μm）	125	125	125
被覆直径（μm）	250	250	250
				MFD[405nm]（μm）	3.3	2.07	2.6
拍长[405nm]（mm）	0.75	0.58	0.68
				模式双折射率（×10^-4）	0.54	0.7	0.59
截止波长（nm）	370	390	390
				损耗[400nm]（dB/km）	32	46	38
弯曲损耗[680nm]（dB/φ60mm10次）	7	0.001	0.005
				偏振串扰[680nm]（dB）	-35	-42	-42

弯曲偏振串扰[680nm]（dB/φ60mm10次）	不能测定	-42	-42
				连接特性	良好	差	良好
包层非圆	良好	良好	差

根据表3的结果，比较例1的保偏光纤在长度为2m时测定的截止波长是370nm。

另外，在直径60mm的线轴上缠绕了10次的情况下，波长680nm的损耗是7dB，偏振串扰差，不能测定。

[比较例2]

除使相对折射率差Δ为0.60%以外与实施例1相同地得到比较例2的保偏光纤素线。

对于这样得到的比较例2的保偏光纤，进行了传输损耗、弯曲损耗、缠绕在直径160mm的线轴上时的偏振串扰以及弯曲偏振串扰的评价。另外，进行了连接性的评价。

将这些结果与各个保偏光纤的构造参数一起表示在表3中。

根据表3的结果，比较例2的保偏光纤在长度为2m时测定的截止波长是390nm。

另外，在直径60mm的线轴上缠绕了10次的情况下，波长680nm的损耗是0.005dB，偏振串扰是-42dB，得到良好的结果。

但是，由于模场直径（MFD）较小，所以在轴偏差较大的情况下，与其他光纤的连接损耗增大。

[比较例3]

除使相对折射率差Δ为0.40%以外与实施例1相同地得到比较例3的保偏光纤素线。

对于这样得到的比较例3的保偏光纤，进行了传输损耗、弯曲损耗、缠绕在直径160mm的线轴上时的偏振串扰以及弯曲偏振串扰的评价。另外，进行了连接性的评价。

将这些结果与各个保偏光纤的构造参数一起表示在表3中。

根据表3的结果，比较例3的保偏光纤在长度为2m时测定的截止波长是390nm。

但是，应力赋予部的直径是38.75μm，虽然其他构造参数与实施例1基本相同，但是模式双折射率与实施例1相同，包层非圆率增大。

根据本发明的保偏光纤，能够抑制弯曲损耗的增加量以及偏振串扰。

附图标记的说明：

10、20…保偏光纤；11、21…纤芯；12、22…应力赋予部；13、23…包层；23A…第一包层；23B…第二包层。

Claims

1.一种保偏光纤，具备：纤芯；一对应力赋予部，设置于该纤芯的两侧；以及包层，包围所述纤芯以及所述应力赋予部，所述保偏光纤在400～680nm的波长范围内被使用，其中，

所述包层的直径是125μm，所述应力赋予部的直径是33μm～37μm，所述一对应力赋予部间的间隔是10μm～14μm，所述纤芯与所述包层的相对折射率差是0.35％～0.45％，截止波长在400nm以下，

在施加了10次直径为60mm的弯曲后，400～680nm的波长范围内的损耗增加量在0.1dB以下，偏振串扰在-30dB以下。

2.根据权利要求1所述的保偏光纤，其中，

所述包层包括第一包层和第二包层，

其中，所述第一包层由掺氟的石英玻璃形成，所述第二包层设置于该第一包层的外周，并由纯石英玻璃形成。