CN103308979A - 多模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种GI型多模光纤，其中芯部的外径2a为47.5μm至52.5μm或60μm至65μm。在多模光纤中，残留在包层的最外周部中的沿光轴方向的应力是0至25MPa的拉应力，并且当包层的直径为2b时，包层的最外周部定义为具有1.8b以上的直径的区域。

Description

多模光纤
技术领域
本发明涉及多模光纤。
背景技术
已知一种用于长距离光通信的与单模光纤相比在结构上具有较大传输损耗的多模光纤。同时，多模光纤广泛地应用于短距离信息通信，例如LAN（局域网），这是因为连接损耗小而使得光纤间连接容易并且能够使用性能要求低的设备来容易地构建网络。
发明内容
本发明的发明人已经考察了上述现有技术，结果发现了下面的问题。
即，从提高短距离信息通信速度的角度看，过去已经积极地进行了与适于高速传输的多模光纤有关的研究。尽管如此，几乎没有进行与下述有关的研究：从在通信基站内利用熔接法执行连接工序的角度看，物理上可靠的多模光纤。
参考多模光纤的横截面结构，例如，芯部掺杂有大量的Ge元素而包层未掺杂有Ge元素，因此，芯部和包层具有不同的玻璃粘度。而且，由于具有不同玻璃粘度的芯部或沟部的占据面积增大，所以由于拉伸装置的构造或拉伸条件，趋于在包层中出现大的拉应力。当拉应力残留在所制造的多模光纤的最外周部（多模光纤的表面附近的区域以及与包层的外部对应的区域）中时，在处置这种主要由石英玻璃构成的多模光纤期间，特别是在利用熔接法执行连接工序期间或者在以小曲率半径弯曲多模光纤期间，多模光纤将容易受到损坏。
而且，在多模光纤的情况下，包层的占据面积在结构上是小的。因此，作为处理前述残余拉应力的应对措施，如果将不同的掺杂剂添加到最外周部或者在涉及加热的处理期间提供压缩应力层以使沿光轴方向的压缩应力残留在包层的最外周部中，则存在如下的可能性：这也会影响决定光传输特性的芯部。
开发出本发明以消除上文所述的问题。本发明的目的是提供一种如下的物理上可靠的多模光纤：即，能够通过调节包层中最接近光纤表面的包层最外周部中残留的拉应力来有效地降低在处置期间（例如在利用熔接法执行连接工序期间）受到损坏的可能性。
本发明涉及一种GI（渐变折射率）型多模光纤，并且该多模光纤在结构方面明显不同于用于长距离传输的单模光纤。而且，GI型多模光纤除了包括具有由高折射率的芯部和低折射率的包层构成的普通结构的多模光纤之外，还包括具有设在芯部和包层之间的低折射率的沟部的GI型多模光纤（下文称为“BI型多模光纤”）。应该注意，沟部具有比包层的折射率低的折射率，并且为多模光纤提供抵抗弯曲所引起的传输特性波动的抗性。另外，当本说明书简单地使用术语“多模光纤”时，该术语指代GI型多模光纤以及属于GI型多模光纤的BI型多模光纤。
也就是说，根据本发明的多模光纤，作为GI型多模光纤包括：芯部，其沿着光轴方向延伸并且掺杂有GeO2（二氧化锗）；以及包层，其设置在所述芯部的外周上并且具有比芯部的折射率低的折射率。此外，根据本发明的多模光纤，作为BI型多模光纤包括：芯部，其沿着光轴方向延伸并且掺杂有GeO2（二氧化锗）；沟部，其设置在所述芯部的外周上并且具有比所述芯部的折射率低的折射率；以及包层，其设置设置在所述沟部的外周上并且具有比所述芯部的折射率低但是比所述沟部的折射率高的折射率。应该注意，所述沟部具有大于2a的内径以及小于1.8b的外径。
在根据本发明的多模光纤中，在多模光纤的沿径向的折射率分布中，与芯部对应的部分的α值为1.9至2.2，并且芯部的直径2a为47.5μm至52.5μm或者60μm至65μm。而且，优选地，芯部的中心相对于包层的基准区域的相对折射率差Δ（芯部的最大相对折射率差）为0.8%至2.4%。应该注意，当包层由多个区域构成时，位于最外侧的区域定义为基准区域。
具体地说，在根据本发明的多模光纤中，残留在包层的最外周部中的沿光轴方向的应力（残余应力）是0至25MPa的拉应力，当包层的直径（与玻璃的外径同义）为2b时，最外周部定义为具有1.8b以上的直径的区域。更优选地，残留在包层的最外周部中的沿光轴方向的应力是0至10MPa的拉应力。如果将包层的最外周部中的拉应力抑制为0至10MPa，则多模光纤的物理可靠性将提高，因此，更容易对其进行处置。
应该注意，一般而言，光纤中残留的应力根据拉伸装置（光纤的制造设备）的构造、条件等而急剧地变化。因此，例如，通过有意地改变在拉伸处理期间施加到预制件的一端（由于加热而软化的部分）上的张力（拉伸张力），能够容易地调节在拉伸之后获得的光纤内部所残留的沿光轴方向的应力（拉应力或压缩应力）。
从下文给出的详细说明以及附图将更加全面地理解本发明，附图仅以示例的方式给出并且不应视为用于限制本发明。
从下文给出的详细说明将容易理解到本发明的进一步应用范围。然而，应当理解的是，因为本领域技术人员能根据以下详细说明容易地在本发明的范围内作出各种变型和修改，所以尽管以下详细说明和具体实例表明了本发明的优选实施例，但其仅仅是以示例的方式作出的。
附图说明
图1A是示出用于获得GI型多模光纤的预制件的代表性横截面结构的视图，并且图1B是示出其折射率分布的视图，GI型多模光纤作为根据本发明的多模光纤的一个实例；
图2A是示出用于获得BI型多模光纤的预制件的代表性横截面结构的视图，并且图2B是示出其折射率分布的视图，BI型多模光纤作为根据本发明的多模光纤的另一实例；
图3是示出用于获得多模光纤的拉伸装置的示意性结构的视图；
图4A示出了利用图3所示的拉伸装置获得的GI型多模光纤的代表性横截面结构，并且图4B示出了作为GI型多模光纤的另一构造的BI型多模光纤的代表性横截面结构；
图5是示出通过用200g的拉伸张力拉伸图1A所示的预制件所获得的GI型多模光纤的各个部分中的残余应力（拉应力或压缩应力）的视图；
图6是示出通过用100g的拉伸张力拉伸图1A所示的预制件所获得的GI型多模光纤的各个部分中的残余应力（拉应力或压缩应力）的视图；以及
图7是示出通过用50g的拉伸张力拉伸图1A所示的预制件所获得的GI型多模光纤的各个部分中的残余应力（拉应力或压缩应力）的视图。
具体实施方式
下面，将参考图1A至图2B、图3、图4A至图4B以及图5至图7详细地说明根据本发明的多模光纤的实施例。在附图的说明中，相同或相应的部件用相同的附图标记表示，并且省略重复的说明。
图1A是示出用于获得GI型多模光纤的预制件（下文称为“GI型预制件”）的代表性横截面结构的视图，并且图1B是示出其折射率分布的视图，GI型多模光纤作为根据本发明的多模光纤的一个实例。而且，图4A是示出利用图3所示的拉伸装置300制造的GI型多模光纤的代表性横截面结构的视图。图1A所示的GI型预制件100主要由石英玻璃构成，并且包括沿光轴AX延伸的第一区域110以及设置到第一区域110外周上的第二区域120。图4A所示的GI型多模光纤500A包括沿光轴方向（AX表示光轴）延伸的直径为2a的芯部510A、以及设置到芯部510A的外周上的直径（外径）为2b的包层520A，其中，芯部510A对应于第一区域110，并且包层520A（图1A的实例中的单层且用作限定相对折射率差的基准区域）对应于第二区域120。在图1A所示的GI型预制件100中，对应于芯部510A的第一区域110掺杂有用于调节折射率分布形状的GeO2，并且具有最大折射率n1。对应于包层520A的第二区域120为由纯石英玻璃构成或掺杂有用于调节折射率的杂质的玻璃区域，并且具有比第一区域110的折射率低的折射率n2。
通过拉伸GI型预制件100使玻璃的外径变为2b，能够获得图4A所示的GI型多模光纤500A。结果，应力残留在GI型多模光纤500A的包层520A中，并且沿光轴方向（沿着光轴AX的方向）产生拉应力。因此，在该实施例中，直径（与玻璃的外径同义）为2b的包层520A中的最外周部521A定义为包层520A内的具有内径1.8b和外径2b的圆形区域，并且将最外周部521A中产生的沿光轴方向的残余应力调节为25MPa以下的拉应力，优选地为10MPa以下的拉应力（毋庸置疑，残余应力还可以为0MPa）。
图2A是示出用于获得BI型多模光纤的预制件（下文称为“BI型预制件”）的代表性横截面结构的视图，并且图2B是示出其折射率分布的视图，BI型多模光纤作为根据本发明的多模光纤的另一实例。而且，图4B是示出利用图3所示的拉伸装置300制造的BI型多模光纤的代表性横截面结构的视图。图2A所示的BI型预制件200主要由石英玻璃构成，并且包括沿光轴AX延伸的第一区域210、设置到第一区域210的外周上的具有低折射率的第二区域220、以及设置到第二区域220的外周上的第三区域230。图4B所示的BI型多模光纤500B包括沿光轴方向（AX表示光轴）延伸的直径为2a的芯部510B、设置到芯部510B的外周上的沟部520B、以及设置到沟部520B的外周上的包层530B，其中，芯部510B对应于第一区域210，沟部520B对应于第二区域220，并且包层530B（用作限定相对折射率差的基准区域）对应于第三区域230。应该注意，在图2A所示的BI型预制件200中，对应于芯部510B的第一区域210掺杂有用于调节折射率分布形状的GeO2，并且具有最大折射率n1。对应于沟部520B的第二区域220掺杂有折射率降低掺杂剂，诸如用于为所获得的BI型多模光纤500B提供抗弯性的氟，并且具有折射率n3（<n1）。对应于包层530B的第三区域230是由纯硅石构成或掺杂有用于调节折射率的杂质的玻璃区域，并且具有比第一区域210的折射率低且比第二区域220的折射率高的折射率n2（n3<n2<n1）。
通过拉伸BI型预制件200使玻璃的外径变为2b，能够获得图4B所示的BI型多模光纤500B。结果，应力残留在BI型多模光纤500B的包层530B中，并且沿光轴方向（沿光轴AX的方向）产生拉应力。因此，在本实施例中，直径（与玻璃的外径同义）为2b的包层530B中的最外周部531B定义为包层530B内的具有内径1.8b和外径2b的圆形区域，并且将最外周部531B中产生的沿光轴方向的残余应力调节为25MPa以下的拉应力，优选地为10MPa以下的拉应力（毋庸置疑，残余应力还可以为0MPa）。
另外，GI型预制件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示出了在与图1A中的光轴AX正交的线L1（与GI型预制件100的径向一致）上的各部分的折射率，并且更具体地，区域151（在拉伸之后变为芯部510A的区域）示出了第一区域110的沿着线L1的各部分的折射率，并且区域152（在拉伸之后变为包层520A的区域）示出了第二区域120的沿着线L1的各部分的折射率。
具体地说，图1B的折射率分布150中的区域151具有拱顶形形状，使得折射率在第一区域110的与光轴AX一致的中心处变得最大。因此，为调节折射率而添加的GeO2的浓度也从第一区域110的中心向第二区域120急剧地下降。用于限定该拱顶形形状的α值为1.9至2.2。第一区域110的中心相对于第二区域（图1A的实例中的单层并且用作限定相对折射率差的基准区域）120的相对折射率差Δ（与芯部510A相对于包层520A的最大相对折射率差对应）为0.8%至2.4%。应该注意，所获得的GI型多模光纤500A中的芯部510A的直径2a为47.5μm至52.5μm或60μm至65μm（参见图4A）。
同时，BI型预制件200具有图2B所示的折射率分布250。应该注意，图2B所示的折射率分布250示出了在与图2A中的光轴AX正交的线L2（与BI型预制件200的径向一致）上的各部分的折射率，并且更具体地，区域251（在拉伸之后变为芯部510B的区域）示出了第一区域210的沿着线L2的各部分的折射率，区域252（在拉伸之后变为沟部520B的区域）示出了第二区域220的沿着线L2的各部分的折射率，并且区域253（在拉伸之后变为包层530B的区域）示出了第三区域230的沿着线L2的各部分的折射率。应该注意，在GI型多模光纤500A和BI型多模光纤500B中，芯部510A、510B的折射率分布形状是相同的。
也就是说，图2B的折射率分布250中的区域251具有拱顶形形状，使折射率在第一区域210的与光轴AX一致的中心处变得最大。因此，为调节折射率而添加的GeO2的浓度也从第一区域210的中心向第二区域220和第三区域230急剧地下降。用于限定该拱顶形形状的α值为1.9至2.2。第一区域210的中心相对于第三区域（用作限定相对折射率差的基准区域）230的相对折射率差Δ（与芯部510B相对于包层530B的最大相对折射率差对应）为0.8%至2.4%。应该注意，获得的BI型多模光纤500B中的芯部510B的直径2a为47.5μm至52.5μm或60μm至65μm（参见图4B）。
用图3所示的拉伸装置300拉伸具有上述结构的GI型预制件100（图1A）和BI型预制件200（图2A）中的每个预制件的一端，然后能够获得所期望的GI型多模光纤500A和BI型多模光纤500B。应该注意，图3所示的拉伸装置300至少包括：加热器301，其用于对安放好的GI型预制件100或BI型预制件200的一端进行加热；以及卷收鼓302，其在向预制件100（200）的被加热的一端施加预定张力的同时卷收预制件的该端部。在卷收鼓302朝图3中箭头R所示的方向旋转时，通过调节卷收鼓302的转速来调节包层和芯部的外径。而且，通过调节加热器301的加热温度，来调节施加到预制件100（200）的被加热的一端上的张力（拉伸张力）。
一般而言，沿光纤的光轴方向残留的残余应力根据诸如拉伸装置300等制造设备的构造、条件等而急剧地变化。因此，在该实施例中，作为代表性的实例，现在将参考图5至图7说明通过在拉伸处理期间有意地改变施加到GI型预制件100的一端（由于加热而软化的部分）上的拉伸张力来调节在拉伸之后获得的GI型多模光纤500A的残余应力（拉应力或压缩应力）的情况。由于BI型多模光纤500B具有与下文说明的GI型多模光纤500A的各样品的包层结构相同的包层结构，所以省略其重复说明。
图5至图7是示出通过基于各种拉伸张力拉伸图1A和图1B中所示的GI型预制件所制造出的GI型多模光纤的残余应力的视图。应该注意，在图5至图7各图中，纵轴表示GI型多模光纤500A沿光轴方向的残余应力（MPa），并且横轴表示GI型多模光纤500A的光纤直径（μm），其中横轴与光轴AX交叉的坐标为原点。另外，在图5至图7各图中，正残余应力的范围（由图中的箭头RSa示出的区域）显示出拉应力残留为残余应力的区域。同时，负残余应力的范围（由图中的箭头RSb所示的区域）显示出压缩应力残留为残余应力的区域。
一般而言，在对光纤进行拉伸时，GI型预制件的一部分一度变为熔化状态，并且在拉伸之后从外周部向中心变冷却（固化）。此处，如果拉伸张力高，则首先固化的外周部在受到较大张力的同时沿纵向被拉伸。随后，即使当拉伸后的光纤完全固化并且所获得的光纤不受张力作用时，纵然冷却继续，也会在由于张力而受到显著拉伸的光纤外周部中残留有大拉应力。因此，在光纤拉伸期间所施加的张力（拉伸张力）越大，则在拉伸之后残留在光纤外周部中的拉应力越大。
对基于各拉伸张力制造的GI型多模光纤500A的样品进行检查，并且结果如下。应该注意，为了获得该GI型多模光纤500A，GI型预制件100被制造为使得第一区域110相对于第二区域120的最大相对折射率差Δ为1.17%并且使限定第一区域110中的折射率分布形状的α值为2.10。
图5是示出用图3所示的拉伸装置300以200g的拉伸张力拉伸如上所述制造的GI型预制件100所获得的GI多模光纤500A（样品1）的各部分中的残余应力（拉应力或压缩应力）的视图。
在以200g的拉伸张力拉伸的样品1中，包层520A的最外周部521A沿光轴方向的拉应力为大值，最大30MPa。因此，在样品1中，由于30MPa的拉应力残留在光纤表面附近，所以光纤表面（最外周部521A的表面）容易发生断裂。具体地说，存在如下问题：在剥离包层树脂之后对光纤进行处置时，诸如在利用熔接法对光纤执行连接工序期间，光纤表面容易由于物理刮擦或应力而受损。因此，所获得样品1为如下的多模光纤：其不仅具有确保物理可靠性的问题，还存在威胁工人安全的可能性。
图6是示出使用图3所示的拉伸装置300以100g的拉伸张力拉伸如上所述制造的GI型预制件100所获得的GI型多模光纤500A（样品2）的各部分中的残余应力（拉应力或压缩应力）的视图。
在以100g的拉伸张力拉伸的样品2中，包层520A中的最外周部521A沿光轴方向的拉应力已经减小至最大值为18MPa。因此，在样品2中，由于拉应力已经下降至最大值为18MPa，所以样本2为如下的多模光纤：其能够易于处置并且在剥离涂层之后进行处置时不易受损。
图7是示出使用图3所示的拉伸装置300以50g的拉伸张力拉伸如上所述制造的GI型预制件100所获得的GI型多模光纤500A（样品3）的各部分中的残余应力（拉应力或压缩应力）的视图。
在以50g的拉伸张力拉伸的样品3中，包层520A中的最外周部521A沿光轴方向的拉应力已经减小至最大值为9MPa。因此，在样品3中，由于拉应力已经进一步下降至最大值为9MPa，所以样品3为如下的GI型多模光纤：其能够易于处置并且在剥离涂层之后进行处置时不易受损，并且这种多模光纤尤其适用于要求以小曲率进行弯曲的工作。
因此，根据本发明的多模光纤（GI型以及GI型中包括的BI型两种）适于用作诸如LAN等短距离信息通信的传输介质，并且因为芯部的直径较大且为47.5μm至52.5μm或60μm至65μm，所以有利于光纤间连接。
同时，如果大拉应力残留在光纤表面附近（包层的最外周部），则在利用熔接法对光纤执行连接工序期间这种拉应力会造成损伤或断裂。另外，如果在最外周部上设置压缩应力层，则可能会因为包层在多模光纤的横截面中占据的面积小，而对作为光传输区域的芯部造成不利影响。而且，将增加用于提供压缩应力层的处理并且也将增加制造成本。根据本发明的多模光纤还能够解决上述问题。具体地说，根据本发明的多模光纤，因为能够基于拉伸条件（例如，拉伸期间的拉伸张力和热历史变化）控制包层的最外周部（多模光纤的表面附近）中的残余应力，所以将不会显著增加制造成本。
从以上描述的发明可知，显然本发明的实施例可以多种方式进行变型。这些变型不应视为偏离本发明的精神和范围，并且对于本领域技术人员而言显而易见的是所有这些修改旨在落入所附的权利要求书的范围内。

Claims (5)

1.一种多模光纤，包括：
芯部，其沿着光轴方向延伸并且掺杂有GeO2；以及
包层，其设置在所述芯部的外周上并且具有比所述芯部的折射率低的折射率，
其中，在沿所述多模光纤的径向的折射率分布中，与所述芯部对应的部分的α值为1.9至2.2，所述芯部相对于所述包层的最大相对折射率差Δ为0.8%至2.4%，并且所述芯部的直径2a为47.5μm至52.5μm或60μm至65μm，并且
残留在所述包层的最外周部中的沿所述光轴方向的应力为0至25MPa的拉应力，当所述包层的直径为2b时，所述最外周部定义为具有1.8b以上的直径的区域。
2.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，残留在所述包层的最外周部中的沿光轴方向的所述应力为0至10MPa的拉应力。
3.根据权利要求1所述的多模光纤，还包括沟部，所述沟部设置在所述芯部和所述包层之间并且具有比所述包层的折射率低的折射率。
4.根据权利要求3所述的多模光纤，其中，所述沟部具有大于2a的内径以及小于1.8b的外径。
5.根据权利要求3所述的多模光纤，其中，残留在所述包层的最外周部中的沿光轴方向的所述应力为0至10MPa的拉应力。
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