CN106908897A - 光学纤维 - Google Patents

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Abstract

一种具有降低的衰减的光学纤维，其包括石英玻璃芯和石英玻璃包层。该石英玻璃芯基本上不含锗并且包括第一芯和第二芯。所述第二芯包围所述第一芯，所述第二芯的折射率大于所述第一芯的折射率，并且所述第二芯的卤素浓度的平均值为5000ppm以上。该石英玻璃包层包围所述第二芯并且基本上不含锗。所述包层的折射率小于所述第一芯的折射率。

Description

光学纤维
技术领域
本发明涉及一种光学纤维。
背景技术
光学纤维的衰减包括瑞利(Rayleigh)散射损耗、结构缺陷损耗、OH吸收损耗以及红外吸收损耗。在这些损耗之中，瑞利散射损耗占在1550nm波长处的衰减的约80％，该衰减包括由密度波动引起的衰减和由浓度波动引起的衰减(参见M.E.Lines,J.Appl.Phys.55,4052(1984))。
设计了一种具有纯石英芯(其基本上不包含用于增加折射率的金属掺杂剂，如GeO2)的光学纤维以使其具有光波导结构，其中通过向包层中添加氟使得包层的折射率小于芯的折射率。在这种具有纯石英芯的光学纤维中，由于芯仅包含氯(Cl)并且除了氯之外基本上不含其他掺杂剂，所以降低了由浓度波动导致的散射损耗(参见日本专利待审查公开No.2005-202440)。另一方面，已知的是，如果芯具有环形式的折射率分布，则能够降低熔接损耗(参见日本专利待审查公开No.2013-61620)。为了获得环形式的分布，有必要用锗和氟等掺杂剂对芯进行掺杂以改变折射率。
发明内容
发明目的
本发明的目的在于提供一种衰减降低的光学纤维。
达到目的的手段
本发明的光学纤维包括：(1)石英玻璃芯，该石英玻璃芯基本上不含锗并且包括第一芯和第二芯，所述第二芯包围所述第一芯，所述第二芯的折射率大于所述第一芯的折射率，并且所述第二芯的卤素浓度的平均值为5000ppm以上；和(2)石英玻璃包层，该石英玻璃包层包围所述第二芯并且基本上不含锗，所述包层的折射率小于所述第一芯的折射率。
在本发明的光学纤维中，基于纯石英玻璃的折射率，所述第二芯的相对折射率差为-0.05％以上+0.05％以下。所述第二芯的氟浓度为500ppm以上10000ppm以下。所述第二芯的氯浓度为4500ppm以上15000ppm以下。此外，在所述第二芯中，所述氯浓度高于所述氟浓度。
在本发明的光学纤维中，所述第一芯的氟浓度为5000ppm以上15000ppm以下。所述第一芯的氯浓度为10ppm以上1000ppm以下。所述第一芯和所述第二芯之间的相对折射率差优选为0.05％以上0.15％以下。设定H2为所述第二芯的卤素浓度且H1为所述第一芯的卤素浓度，则比值H2/H1优选为1以上2以下。此外，所述芯包含碱金属和碱土金属这两者、或者包含碱金属和碱土金属中的任一者。
在本说明书中使用的术语“石英基玻璃”是指包含SiO2作为主要组分的玻璃。术语“原子ppm”是指在1百万单元的SiO2中的掺杂原子的数量。
发明效果
根据本发明，能够提供一种衰减降低的光学纤维。
附图简要说明
图1为示出了根据本发明实施方案的光学纤维的折射率曲线的示意图。
图2为示出了对于图1中的光学纤维，第二芯的平均卤素浓度和在1550nm波长处的衰减的增加量/减少量之间的关系的图。
图3为示出了对于图1中的光学纤维，第二芯的平均氟浓度和在1550nm波长处的衰减的增加量/减少量之间的关系的图。
图4为示出了对于图1中的光学纤维，第二芯的平均氯浓度和在1550nm波长处的衰减的增加量/减少量之间的关系的图。
图5为示出了对于图1中的光学纤维，第一芯的氟浓度和在1550nm波长处的衰减的增加量/减少量之间的关系的图。
图6为图1中的光学纤维的表，其归纳了光学纤维母材的芯区域的平均钾浓度、第一芯的平均氟浓度和平均氯浓度、第二芯的平均氟浓度和平均氯浓度、以及在1550nm波长处的衰减。
图7为示出了光学纤维母材的芯区域的平均钾浓度和所得光学纤维在1550nm波长处的衰减之间的关系的图。
图8为示出了对于图1中的光学纤维，在1550nm波长处的衰减和比值H2/H1之间的关系的图，其中H2表示第二芯的卤素浓度且H1表示第一芯的卤素浓度。
具体实施方式
以下，将参照附图详细地描述本发明优选的实施方案。本发明并不限于这些实施方案，并且本发明由权利要求的范围示出，包括权利要求的等同体和本发明的范围内的所有变形。
图1为示出了根据本发明实施方案的光学纤维1的折射率曲线的示意图。光学纤维1具有由石英基玻璃制成的芯10和包围芯10且由石英基玻璃制成的包层20。芯10由第一芯11和包围第一芯11的第二芯12组成。第二芯12的折射率大于第一芯11的折射率。包层20的折射率小于第一芯11的折射率。芯10和包层20基本上不含锗。
芯10包含氟和氯。包层20包含氟。通过用氟掺杂玻璃，能够降低玻璃的粘度并且能够减小玻璃的折射率。此外，通过用氯掺杂玻璃，能够降低玻璃的粘度，并且能够增大玻璃的折射率。能够通过拉伸光学纤维母材而制备光学纤维1，其中该母材与图1的光学纤维具有相同的折射率曲线。
图2示出了第二芯12的平均卤素浓度和在波长为1550nm处的衰减的增加量/减少量之间的关系图。表1总结了第二芯12的平均卤素浓度和在波长为1550nm处的衰减的增加量/减少量之间的关系。卤素浓度为玻璃中的氟浓度和氯浓度之和。基于光学纤维1的第一芯11包含5000ppm的氟且第二芯12基本上不含卤素的情况下的衰减，示出了光学纤维的衰减的增加量/减少量。
表I
第二芯中的卤素浓度[ppm] 1550ppm处的损耗增加[dB/km]
0 0.000
500 0.000
2000 0.000
5000 -0.001
8000 -0.002
10000 -0.020
15000 -0.001
20000 0.000
25000 0.003
如图2和表I所示，与当光学纤维1的第二芯12的平均卤素浓度为5000原子ppm以上20000原子ppm以下时的标准情况相比，光学纤维1在波长为1550nm处的衰减降低。当光学纤维1的第二芯12的平均卤素浓度为20000原子ppm以上时，随着卤素浓度变大，由浓度波动导致的散射损耗变大，因此光学纤维1的衰减增加。因此，光学纤维1的第二芯12的平均卤素浓度的最佳范围为5000原子ppm至20000原子ppm。
可以根据以下式(1)进行积分，从而计算光学纤维1的各区域的光功率：
∫2πrP(r)dr (1)
其中距光学纤维1的中心轴线的径向距离为r，并且光功率的分布为P(r)。计算结果为：第二芯12的光功率的积分值大于第一芯11的光功率的积分值，并且据推测第二芯12的玻璃的影响显著影响了光学纤维1的衰减。
因此，为了降低由第二芯12中的掺杂剂的折射率波动导致的散射损耗，第二芯12的折射率优选更接近于纯石英玻璃的折射率。事实上，当与纯石英玻璃的折射率相比，第二芯的相对折射率差为-0.05％以上+0.05％以下时，未见由折射率波动导致的衰减。此外，与基本上不含卤素的纯石英玻璃相比，当第二芯12的相对折射率差的绝对值大于0.05％时，光学纤维1的衰减与具有由纯石英玻璃制成的第二芯的光学纤维的衰减大0.001dB/km。
图3为示出了第二芯12的平均氟浓度和在1550nm波长处的衰减的增加量/减少量之间的关系的图。表II归纳了第二芯12的平均氟浓度和在1550nm波长处的衰减的增加量/减少量之间的关系。第二芯12的平均氯浓度为11000ppm。光学纤维1的衰减的增加量/减少量是基于光学纤维1的第二芯12的平均氟浓度为零原子ppm的情况下的衰减。
表II
第二芯中的氟浓度[ppm] 1550ppm处的损耗增加[dB/km]
0 0.000
500 -0.001
2000 -0.002
5000 -0.002
10000 -0.001
15000 0.002
20000 0.008
如图3和表II中所示，当第二芯12的平均氟浓度为500ppm以上10000ppm以下时，与标准情况相比，光学纤维1在1550nm波长处的衰减降低了0.001dB/km。此外，当第二芯12的平均氟浓度为2000ppm以上5000ppm以下时，与标准情况相比，光学纤维1在1550nm波长处的衰减降低了0.002dB/km。在第二芯12的氟浓度增加的情况下，由于玻璃的粘度降低，所以减少了由于玻璃变形导致的衰减。另一方面，在第二芯12的氟浓度为5000ppm以上的情况下，由于氟的掺杂，使得由折射率的波动导致的衰减增加。当第二芯12的氟浓度为10000ppm以上(其超过了由于粘度的降低导致的衰减降低的有效范围)时，通常加重了衰减。
图4为示出了第二芯12的平均氯浓度和在1550nm波长处的衰减的增加量/减少量之间的关系的图。表III为示出了第二芯12的平均氯浓度和在1550nm波长处的衰减的增加量/减少量之间的关系的图。将光学纤维1的芯10的平均氟浓度设为2000原子ppm。光学纤维1的衰减中的增加量/减少量是基于在光学纤维1的第二芯12的平均氯浓度为2000原子ppm的情况下的衰减。
表III
从图4和表III中可以看出，与标准情况相比，当光学纤维1的第二芯12的平均氯浓度为4500原子ppm以上15000原子ppm以下时，光学纤维1在1550nm波长处的衰减降低了0.001dB/km至0.015dB/km。这是因为通过将氯添加到第二芯12而降低了玻璃粘度以及减少了由于玻璃变形导致的衰减。当第二芯12的氯浓度增加时，当加入15000ppm的氯时可能的衰减低于不添加氯的情况下可能的衰减。据推测，当氯以较高的浓度添加到第二芯12中时，将会获得较低的损耗。然而，从玻璃的制造工艺的观点来看，以较高的浓度添加将会很困难。
为了制备具有环状折射率曲线的光学纤维1，使第一芯11包含氟是可取的。然而，如上所述，已知当第一芯11包含太多氟时，由于添加氟导致的折射率波动使衰减增加。因此，第一芯11的氟浓度优选为5000ppm以上15000ppm以下。为了使第一芯11相对于第二芯12的相对折射率差低于-0.5％，需要将氟以高于5000ppm的浓度添加至第一芯11中。
图5为示出了第一芯11的氟浓度和在1550nm波长处的衰减的增加量/减少量之间的关系的图。表IV总结了第一芯11的氟浓度和在1550nm波长处的衰减的增加量/减少量之间的关系。从图5和表IV中可以看出，由于第一芯11中的浓度波动导致衰减的增加(其中光功率的积分较小)往往低于第二芯12中的衰减增加，并且第一芯11的最高氟浓度能够高达15000ppm。
表IV
在第二芯12中，氯浓度优选高于氟浓度。已知由于氯浓度导致的折射率的变化低于由于氟浓度导致的折射率的变化。另一方面，关于与浓度相关的粘度的减少量，氟和氯彼此相当，因此适合将氯作为掺杂剂来降低粘度并同时抑制由于折射率波动导致的衰减。因此，如果通过使第二芯12中的氯浓度高于氟浓度从而达到用于降低玻璃的粘度的卤素浓度，则衰减变小是可预期的。
第一芯11的氯浓度优选为10ppm以上1000ppm以下。氯为用于增加折射率的掺杂剂，因此为了形成环形折射率曲线，优选将氯的浓度设定为较低水平。在这种情况下，当第一芯11的氯浓度为1000ppm以下时，氯对折射率的影响将会在0.01％以下，这是可忽略的。另一方面，当第一芯11的氯浓度被设定为0时，会发生由于玻璃缺陷导致的衰减的明显增加，因此需要添加10ppm以上的氯。
优选的是碱金属元素和碱土金属元素这二者或碱金属元素和碱土金属元素中的任一者包含在光学纤维母材的芯区域的至少一部分中，该光学纤维母材用于通过拉伸制备本发明实施方案的光学纤维1。优选地，碱金属元素包括钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)、镁(Mg)、钙(Ca)和锶(Sr)中的任一者。在这种情况下，能够进一步降低光学纤维母材的芯区域的粘度，并且能够进一步降低光学纤维1的衰减。优选地，光学纤维母材的芯区域由包括中心轴的第一芯区域、以及包围该第一芯区域的第二芯区域构成，并且在这样的第一芯区域和第二芯区域中，第一芯区域包含碱金属元素或碱土金属元素。
图6为归纳了光学纤维母材的芯区域的平均钾浓度、光学纤维1中的第一芯11的平均氟浓度和平均氯浓度、光学纤维1中的第二芯12的平均氟浓度和平均氯浓度、以及光学纤维1在1550nm波长处的衰减的表。光学纤维母材的芯区域的平均钾浓度是指通过以下方式获得的浓度：其中将加入到第一芯区域的钾浓度平均在第一芯区域和第二芯区域这两者中。在纤维制造工艺中，碱金属通过热扩散而扩散到整个芯中，因此在上述扩散之后得到的浓度(而不是在起始阶段的浓度)显示出与衰减具有高度相关性。光学纤维1的第一芯11和第二芯12对应于光学纤维母材的第一芯区域和第二芯区域。优选地，光学纤维1的包层20包含平均浓度为20000原子ppm以上的氟。图7为示出了光学纤维母材的芯区域的平均钾浓度和光学纤维在1550nm波长处的衰减之间的关系的图。
如果将碱金属添加到平均氯浓度高于500原子ppm的玻璃中，往往容易在玻璃中发生结晶，因此将会降低光学纤维的产率。因此，优选地，添加有碱金属的第一芯区域包含200原子ppm以下的低浓度的氯，以抑制光学纤维母材中的结晶，并且第二芯区域包含高浓度的氯，以抑制在拉伸过程中发生玻璃缺陷。
当将钾仅添加到光学纤维母材中的第一芯区域时，相比于第一芯区域，第二芯区域将会具有更高的粘度。因此，优选第二芯区域的卤素浓度高于第一芯区域。图8示出了在1550nm波长处的衰减和比值H2/H1之间的关系，其中H2表示第二芯12的卤素浓度且H1表示第一芯11的卤素浓度。表V归纳了在1550nm波长处的衰减和比值H2/H1之间的关系。光学纤维母材的芯区域中的平均钾浓度为12ppm。
表V
从图8和表V中可以看出，H2/H1优选为1以上2以下。当H2/H1小于1时，因为第二芯比第一芯变得更硬，所以在第一芯和第二芯之间发生了变形，因此衰减增加。另一方面，当H2/H1大于2时，相反地，第一芯比第二芯变得更硬，并且由变形导致的衰减明显增加。
关于光学纤维母材的芯区域，可以确认随着平均钾浓度的增加，粘度进一步减小，使得在拉伸过程时的假想温度降低，由此所得光学纤维的衰减减少。另一方面，如果平均钾浓度超过50原子ppm，将会在光学纤维母材的芯区域内发生结晶。因此，光学纤维母材的芯区域的平均钾浓度优选为5原子ppm至50原子ppm。此外，芯区域与第一芯区域的比值优选为5至7。

Claims (10)

1.一种光学纤维，包括：
石英玻璃芯，该石英玻璃芯基本上不含锗并且包括第一芯和第二芯，所述第二芯包围所述第一芯，所述第二芯的折射率大于所述第一芯的折射率，并且所述第二芯的卤素浓度的平均值为5000ppm以上；和
石英玻璃包层，该石英玻璃包层包围所述第二芯并且基本上不含锗，所述包层的折射率小于所述第一芯的折射率。
2.根据权利要求1所述的光学纤维，其中
基于纯石英玻璃的折射率，所述第二芯的相对折射率差为-0.05％以上+0.05％以下。
3.根据权利要求1或2所述的光学纤维，其中
所述第二芯的氟浓度为500ppm以上10000ppm以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学纤维，其中
所述第二芯的氯浓度为4500ppm以上15000ppm以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学纤维，其中
所述第二芯中的氯浓度高于氟浓度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学纤维，其中
所述第一芯的氟浓度为5000ppm以上15000ppm以下。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学纤维，其中
所述第一芯的氯浓度为10ppm以上1000ppm以下。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学纤维，其中
所述第一芯和所述第二芯之间的相对折射率差为0.05％以上0.15％以下。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学纤维，其中
比值H2/H1为1以上2以下，H2为所述第二芯的卤素浓度且H1为所述第一芯的卤素浓度。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光学纤维，其中
所述芯包含碱金属和碱土金属这二者、或者包含碱金属和碱土金属中的一者。
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