CN111694092A - 光纤 - Google Patents

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铃木雅人
川口雄挥
佐久间洋宇
田村欣章
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Abstract

根据本发明实施例的光纤具有用于使得能够在预制件阶段确定传输损耗的改善的结构。该光纤包括：包含Cl并且平均折射率低于纯石英玻璃的折射率的芯部；包含F的第一包层；第二包层；以及树脂涂层，其中，在波长为1550nm时的有效面积为135μm2以上且170μm2以下，有效面积与截止波长λC的比率为85.0μm以上，在波长为1550nm且弯曲半径R为15mm时的LP01模的弯曲损耗为每10匝小于4.9dB，并且树脂涂层包括杨氏模量为0.3MPa以下的初级树脂层。

Description

光纤
技术领域
本公开涉及光纤。
本申请要求2019年3月14日提交的日本专利申请No.2019-047245的优先权，并且该日本专利申请中描述的所有内容并入本文。
背景技术
专利文献1(日本专利申请公开No.2014-238526)、专利文献2(日本专利申请公开No.2015-166853)和专利文献3(日本专利申请公开No.2017-62486)公开了具有W型折射率分布的光纤。W型折射率分布由芯部、构成凹陷包层结构的第一包层和第二包层来实现。第一包层的折射率低于芯部中的折射率，并且第二包层的折射率低于芯部中的折射率且高于第一包层中的折射率。
在用于获得具有这种W型折射率分布的光纤的预制件的制造中，使用诸如杆塌缩(rod-in collapse method)法、气相轴向沉积(VAD)法、外部气相沉积(OVD)法之类的方法在将要成为芯部和第一包层的玻璃区域的外周面上形成将要成为第二包层的玻璃区域。
发明内容
根据本公开实施例的光纤包括芯部、第一包层、第二包层以及树脂涂层。芯部至少包括包含氯(Cl)的区域，并且芯部的平均折射率低于纯石英玻璃的折射率。第一包层布置成包围芯部。第一包层至少包含氟(F)，并且第一包层的折射率低于芯部的平均折射率。第二包层布置成包围第一包层，并且第二包层的折射率高于第一包层中的折射率。树脂涂层布置成包围第二包层。特别地，在波长为1550nm时的有效面积Aeff为130μm2以上且170μm2以下。有效面积Aeff与截止波长λC的比率(Aeff/λC)为85.0μm以上。在波长为1550nm且弯曲半径R为15mm时的LP01模的弯曲损耗为每10匝小于4.9dB。树脂涂层至少包括杨氏模量为0.3MPa以下的初级树脂层。
附图说明
图1是示出光纤的横截面结构的实例的图；
图2A是示出光纤的折射率分布的实例的图；
图2B是示出光纤的折射率分布的另一实例的图；
图3A是汇总了根据本实施例的样品1至13的光纤的规格的表格；
图3B是汇总了根据本实施例的样品1至13的光纤的弯曲损耗的表格；
图4A是汇总了根据比较例1至11的光纤的规格的表格；
图4B是汇总了根据比较例1至11的光纤的弯曲损耗的表格；
图5是示出基于样品1的传输损耗的在波长为1550nm时的传输损耗增加(dB/km)与Aeff/λC(μm)之间的关系的图表；
图6是示出基于样品1的传输损耗的在波长为1550nm时的传输损耗增加(dB/km)与ΔD(％)之间的关系的图表；
图7是示出基于样品1的传输损耗的在波长为1550nm时的传输损耗增加(dB/km)与ΔP(％)之间的关系的图表；
图8是示出在弯曲半径R设定为15mm的情况下的波长为1550nm时的LP01模的弯曲损耗(dB/10匝)与Aeff/λC(μm)之间的关系的图表；
图9是示出具有某一弯曲半径的光纤的等效折射率分布的曲线图；
图10是示出光纤的每个参数的图；
图11是示出RC,eff(R＝15mm，λ＝1550nm)与ΔD(％)之间的关系的图；
图12是示出RC(R＝15mm，λ＝1550nm)(μm)与外径比率T(a.u.)之间的关系的图表；
图13是示出ΔJ(％)与Δn×(D–d)(％·μm)之间的关系的图表；
图14是汇总了光纤的每个参数的优选范围和更优选范围的表格；
图15是示出适用于芯部10的各种折射率分布的实例的图；
图16是示出适用于第一包层20的各种折射率分布的实例的图；以及
图17是示出适用于第二包层30的各种折射率分布的实例的图。
具体实施方式
[技术问题]
本发明的发明人通过检查传统光纤发现了以下问题。
即，在预制件制造阶段中，为了获得具有W型折射率分布的光纤，与杆塌缩法相比，使用VAD法或OVD法在将要成为第一包层的玻璃区域外侧提供将要成为第二包层的玻璃区域可以降低成本。另一方面，通过拉伸预制件而获得的光纤在第二包层内侧具有增加的折射率，从而导致在信号光波长下光纤的传输损耗劣化的可能性。另外，通过VAD法或OVD法难以向第二包层内侧(第一包层与第二包层之间的界面附近)添加足够的氟，从而导致第二包层内侧的折射率分布以突起的形状变形。折射率分布中出现的突起部的存在促进了高阶模存留在光纤中，从而导致所获得的光纤中的传输损耗劣化的问题。
此外，专利文献1描述了，通过抑制折射率分布中出现的突起部的相对折射率差ΔP的增大，可以抑制传输损耗的增大。但是，仍然存在对低传输损耗的更高需求。由于在预制件的纵向上ΔP可能是变化的，因此从预制件中ΔP高的区域获得的光纤将增加传输损耗(不能维持高生产率)。另外，难以通过VAD法或OVD法高精度地控制ΔP。因此，在传统的光纤制造技术中，ΔP有可能变大。当ΔP大时，如上所述，高阶模趋向于存留在第二包层的内侧区域(与折射率分布的突起部相对应的区域)中(使得在信号光波长下的光纤的传输损耗劣化)。
为了解决上述问题而做出了本公开，并且其目的是提供一种具有如下结构的光纤：其与传统光纤相比能够在预制件阶段判断传输损耗的改善。
[本发明的有益效果]
如上所述，根据本公开的实施例，可以获得一种与传统光纤相比充分改善传输损耗的光纤。另外，由于可以在预制件阶段判断传输损耗的改善，因此可以期待光纤生产率的改善。
[本发明的实施例的描述]
在下文中，将单独地描述本公开的实施例。
(1)在一方面，根据本公开实施例的光纤包括构成W型折射率分布的芯部、第一包层和第二包层。另外，光纤进一步包括整体地覆盖芯部、第一包层和第二包层的树脂涂层。芯部至少包括掺杂Cl的区域，并且芯部的平均折射率低于纯石英玻璃的折射率。第一包层布置成包围芯部。此外，第一包层至少包含F，并且第一包层的折射率低于芯部的平均折射率。第二包层布置成包围第一包层，并且第二包层的折射率高于第一包层中的折射率。树脂涂层布置成包围第二包层。特别地，在波长为1550nm时的有效面积Aeff为130μm2以上且170μm2以下。有效面积Aeff与截止波长(2m截止波长)λC的比率(Aeff/λC)为85.0μm以上。在波长为1550nm且弯曲半径R为15mm时的LP01模的弯曲损耗小于4.9dB/10匝。树脂涂层至少包括杨氏模量为0.3MPa以下的初级树脂层。注意，上述弯曲损耗的单位(dB/10匝)是指在将具有预定弯曲半径R的心轴缠绕所需匝数(例如，10匝)的状态下测量的损耗值。
(2)在本公开的一方面，第二包层优选地由纯石英玻璃或至少包含F的石英玻璃构成。特别地，用纯石英包层形成第二包层能够降低制造成本。在本说明书中，在具有由至少包含F的石英玻璃构成的第二包层的构造中，第二包层的“内侧区域”和“外侧区域”是根据第二包层中的折射率分布的形状而定义的。具体地，第二包层的“内侧区域”是包括第一包层与第二包层之间的界面附近的区域，并且被定义为沿光纤的半径方向在折射率分布中具有第一局部最大值(折射率峰值)的位置。此外，将折射率分布的跟随局部最大值位置的局部最小值位置定义为“内侧区域”与“外侧区域”之间的界面。
(3)在本公开的一方面，有效面积Aeff优选地为135μm2以上且165μm2以下。由于这种情况可以抑制非线性影响，因此可以进一步增加跨度长度。
(4)在本公开的一方面，截止波长优选地为1630nm以下。在这种情况下，可以防止线缆成型后C波带或L波带的通信波长带中的多模传输(使得能够实现单模传输)。
(5)在本公开的一方面，比率(Aeff/λC)的下限值优选地为85μm或95μm。此外，比率(Aeff/λC)的上限值优选地为120μm或130μm。在这种情况下，光纤中的比率(Aeff/λC)的适当范围优选地为85μm以上且120μm以下，85μm以上且130μm以下，95μm以上且120μm以下，以及95μm以上且130μm以下。此外，比率(Aeff/λC)的上限值可以是120μm或130μm。特别地，在比率(Aeff/λC)为95μm以上的情况下，可以进一步减小传输损耗。此外，在比率(Aeff/λC)为120μm以下的情况下，可以抑制宏弯损耗的增加。另外，当比率(Aeff/λC)为95μm以上且130μm以下时，可以实现对宏弯损耗增加的抑制、对非线性影响的抑制以及防止线缆成型后C波带和L波带通信波长带中的多模传输。
(6)在本公开的一方面，在波长为1550nm时的LP01模的模场(以下称为“MFD”)直径优选地为12.5μm以上且14.0μm以下。这使得可以减小标准单模光纤(以下称为“SMF”)与本公开的光纤之间的连接损耗，从而导致跨度损耗的减小。此外，在本公开的一方面，在波长为1550nm且弯曲半径R为40mm时的LP11模的弯曲损耗优选地为每2匝0.10dB以上。在这种情况下，即使弯曲半径很可能允许高阶模与基模之间的耦合，高阶模也被迅速释放，从而造成抑制了因高阶模与基模之间的耦合而引起的基模的损耗。
(7)在本公开的一方面，第一焦散半径与第二焦散半径之间的差为0.90μm以上。第一焦散半径被定义为在波长为1550nm且弯曲半径R为25mm时的LP01模的焦散半径RC(R＝25mm，λ＝1550nm)，并且在波长为1550nm且弯曲半径R为15mm时的LP01模的焦散半径Rc(R＝15mm，λ＝1550nm)为0.90μm以上。在这种情况下，可以将弯曲损耗控制到在实际使用中的弯曲半径下的实用大小。
(8)在本公开的一方面，RC,eff和ΔD(％)满足以下关系：
RC,eff>1.46+ΔD(％)×1.93(1/％)，
其中，RC,eff是在波长为1550nm且弯曲半径R为15mm时的焦散半径RC(R＝15mm，λ＝1550nm)(μm)与在波长为1550nm时的LP01模的模场直径(以下称为“MFD”)的比率，并且ΔD(％)是第一包层的平均折射率与第二包层中的内侧区域的最大折射率之间的相对折射率差。
满足上述关系使得无论第二包层的内侧区域中是否存在折射率峰值，都可以减少传输损耗并有助于光纤的设计。在本说明书中，具有折射率n1的区域与具有折射率n2的区域之间的相对折射率差由下式定义：|n1 2-n2 2|/2n1 2。作为分母的折射率n1，可以近似使用纯石英玻璃的折射率1.45。
(9)在本公开的一方面，作为用于实现上述所有方面的形状，光纤的W型折射率分布优选地满足以下关系：
0.15≤Δn≤0.29；
0.02≤ΔD≤Δn+0.05；
2.0(μm)≤D/d≤3.7；
2.55≤T≤3.05；和
-0.22≤ΔJ-0.056(μm-1)×Δn×(D(μm)–d(μm))，
其中，Δn是芯部的平均折射率与第一包层的折射率之间的相对折射率差，ΔD是第一包层的折射率与第二包层的内侧区域中的最大折射率之间的相对折射率差，d是芯部的半径，D是第一包层的外径，T是第二包层的外径与第一包层的外径的比率，并且ΔJ是第一包层的折射率与第二包层的外侧区域的最小折射率之间的相对折射率差。根据这样的折射率分布，可以满足上述条件：RC,eff>1.46+ΔD×1.93(1/％)，并且可以将在波长为1550nm且弯曲半径R为15mm时的LP01的弯曲损耗调节为小于4.9dB/10匝。
(10)在本公开的一方面，树脂涂层可以进一步包括包围初级树脂层的次级树脂层。具体地，在本公开的一方面，次级树脂层的杨氏模量优选地为800MPa以上。在这种情况下，可以抑制微弯损耗。在本公开的一方面，在波长为546nm时的初级树脂层与次级树脂层之间的折射率差的绝对值优选地为0.15以下。在这种情况下，可以抑制因初级树脂与次级树脂之间的界面处的反射而引起的传输损耗的增加。此外，在本公开的一方面，在波长为546nm时的第二包层的外侧区域与初级树脂层之间的折射率差(在外侧区域的折射率在半径方向上是变化的情况下为平均折射率)的绝对值优选地为0.08以下。在这种情况下，还可以抑制因第二包层与初级树脂之间的界面处的反射而引起的传输损耗的增加。
如上所述，在[本发明的实施例的描述]中列出的每个方面适用于所有其余方面或这些其余方面的所有组合。
[本发明的实施例的细节]
下面将参考附图详细描述根据本发明的光纤的具体实例。本发明不限于这些实例，而是由权利要求的范围指示，并且意图包括与权利要求等同的含义以及该范围内的所有修改。此外，相同的附图标记被赋予相同的部件，并且在附图的描述中将省略重复的描述。
图1是示出根据本实施例的光纤的横截面结构的实例的图。即，光纤100包括：芯部10，其沿光轴AX延伸(光轴AX基本穿过芯部10的横截面的中心)；第一包层20，其包围芯部10；第二包层30，其包围第一包层20；以及树脂涂层，其包围第二包层30。在图1的实例中，树脂涂层包括：初级树脂层40，其包围第二包层30；以及次级树脂层50，其包围初级树脂层40。
芯部10由石英玻璃构成，该石英玻璃掺杂有诸如F之类的折射率降低剂，并且该石英玻璃的折射率被调节为低于纯石英玻璃(PS)的折射率。特别地，将Cl掺杂到芯部10的至少一部分中。由于这种Cl掺杂，在芯部10的折射率分布中提供了沿半径方向r的倾斜。第一包层20由掺杂有F的石英玻璃构成，并且第一包层20的平均折射率被调节为低于芯部10的平均折射率。第二包层30由纯石英玻璃或掺杂有F的石英玻璃构成，并且第二包层30的折射率被调节为高于第一包层的平均折射率且低于芯部10的平均折射率。具有这种构造的第一包层20和第二包层30形成凹陷包层结构。凹陷包层结构使得能够实现在信号光波长下的单模传播，并实现了低传输损耗。
图2A是示出光纤的折射率分布的实例的图。图2B是示出光纤的折射率分布的另一实例的图。在图2A和图2B中分别示出的折射率分布150和160中，第二包层30由掺杂有F的石英玻璃构成，并且第二包层30的除了第一包层20与第二包层30之间的界面附近以外的其余区域被折射率分布150和160的局部最大值位置和局部最小值位置划分为内侧区域30A和外侧区域30B。
在图2A所示的折射率分布150中，“Δncore(％)”是芯部10的平均折射率与纯石英玻璃的折射率(纯石英水平，以下称为“PS”)之间的相对折射率差。“d”是芯部10的半径(μm)。“Δn(％)”是芯部10的平均折射率与第一包层20的平均折射率之间的相对折射率差。“D”是第一包层20的外半径(μm)(第一包层20与第二包层30之间的界面位置)。“ΔD(％)”是第一包层20的平均折射率与内侧区域30A的最大折射率(折射率峰值)之间的相对折射率差。“R-in”是内侧区域30A在光纤100的半径方向r上的长度(μm)。“ΔP(％)”是内侧区域30A的最大折射率与外侧区域30B的最小折射率(折射率分布150的局部最小值)之间的相对折射率差(折射率分布中的突起部处的相对折射率差)。“ΔJ(％)”是第一包层20的平均折射率与外侧区域30B的最小折射率之间的相对折射率差。
如上所述，在图2A所示的折射率分布150中，第二包层30被划分成在半径方向r上具有基本均一折射率的外侧区域30B、以及存在于外侧区域30B的内侧且折射率比外侧区域30B中的折射率高的内侧区域30A。在本说明书中，“基本均一”是指第二包层30中的外侧区域30B在半径方向r上的折射率变化相对于平均值为±0.01％以下。
同时，在图2B所示的折射率分布160中，每个部分的结构参数的定义类似于图2A所示的折射率分布150的情况，而在折射率分布160中外侧区域30B处的分布形状与折射率分布150的情况不同。即，折射率分布160具有在第二包层30中在半径方向r上具有凹部的形状。在折射率分布160中，将凹部的峰值位置(折射率分布160在第二包层30中取局部最小值的位置)内侧的区域定义为内侧区域30A，并且将比该区域更外侧的一侧定义为外侧区域30B。此时，内侧区域30A的最大折射率与外侧区域30B的最小折射率之间的相对折射率差为ΔP。
接下来，将描述检查各种光纤中的结构参数与传输特性之间的关系的结果。
图3A是汇总了根据本实施例的样品1至13的光纤的规格的表格。图3B是汇总了根据本实施例的样品1至13的光纤的弯曲损耗的表格。图4A是汇总了根据比较例1至11的光纤的规格的表格。图4B是汇总了根据比较例1至11的光纤的弯曲损耗的表格。
图3A和图4A所示的项目如下。即，“波长为1550nm时的传输损耗增加(与样品1相比)”是在波长为1550nm时基于样品1的传输损耗而言样品或比较例中每一个中的损耗的增加。“波长1550nm时的MFD”是波长为1550nm时的MFD。“波长1550nm时的Aeff”是波长为1550nm时的有效面积。“λC”是ITU-T G.650.1中定义的2m截止波长。“MFD(波长1550nm)/λC＝MAC值”是波长为1550nm时的MFD与2m截止波长λC的比率(MAC值)。“Aeff(波长1550nm)/λC”是有效面积Aeff与2m截止波长λC的比率。“λCC”是ITU-T G.650.1定义的线缆截止波长(22m截止波长)。“MFD(波长1550nm)/λCC”是波长为1550nm时的MFD与线缆截止波长λCC的比率。“Aeff(波长1550nm)/λCC”是有效面积Aeff与线缆截止波长λCC的比率。“Δn”是芯部10的平均折射率与第一包层20的平均折射率之间的相对折射率差。“ΔD”是第一包层20的平均折射率与内侧区域30A的最大折射率(折射率峰值)之间的相对折射率差。“ΔP”是内侧区域30A的最大折射率与外侧区域30B的最小折射率(折射率分布150的局部最小值)之间的相对折射率差。“ΔJ”是第一包层20的平均折射率与外侧区域30B的最小折射率之间的相对折射率差。“ΔJ-Δn”是ΔJ与Δn之间的差。“d”是芯部10的半径。“D”是第一包层20的外半径。“D/d”是第一包层20的外半径D与芯部10的半径d的比率。“T”是第一包层20的外半径与第二包层30的外半径的比率。“R-in”是内侧区域30A的宽度。
图3B和图4B所示的项目如下。即，“LP01模弯曲损耗(R＝15mm，λ＝1550nm)”是波长为1550nm且弯曲半径为15mm时的LP01模的弯曲损耗。“LP01模弯曲损耗(R＝25mm，λ＝1550nm)”是波长为1550nm且弯曲半径为25mm时的LP01模的弯曲损耗。“LP11模弯曲损耗(R＝40mm，λ＝1550nm)”是波长为1550nm且弯曲半径为40mm时的LP11模的弯曲损耗。“LP01模RC(R＝15mm，λ＝1550nm)”是波长为1550nm且弯曲半径为15mm时的LP01模的焦散半径。“LP01模RC(R＝25mm，λ＝1550nm)”是波长为1550nm且弯曲半径为25mm时的LP01模的焦散半径。“LP01模RC(R＝25mm，λ＝1550nm)-LP01模RC(R＝15mm，λ＝1550nm)”是波长为1550nm且弯曲半径为25mm时的LP01模的焦散半径与波长为1550nm且弯曲半径为15mm时的LP01模的焦散半径之间的差。“LP01模RC,eff(R＝15mm，λ＝1550nm)”是通过将波长为1550nm且弯曲半径为15mm时的LP01模的焦散半径除以波长为1550nm时的LP01模的MFD而获得的值。
在图3A和图3B所示的每个样品1至11中，波长为1550nm时的有效面积Aeff为135μm2以上且170μm2以下，有效面积Aeff与截止波长λC的比率(Aeff/λC)为85.0μm以上，并且波长为1550nm且弯曲半径R为15mm时的LP01模的弯曲损耗小于4.9dB/10匝。相比之下，在图4A和图4B所示的每个比较例1至10中，波长为1550nm且弯曲半径R为15mm时的LP01模中的弯曲损耗超过4.98dB/10匝。在比较例11中，有效面积Aeff与截止波长λC的比率(Aeff/λC)小于85.0μm。
关于具有如上所述的结构参数和传输特性的光纤100，将参考图5来描述波长为1550nm时的传输损耗与通过将波长为1550nm时的LP01模的有效面积Aeff(μm2)除以2m截止波长λC(μm)而获得的值Aeff/λC(μm)之间的关系。2m截止波长是ITU-T G.650.1中定义的LP01模的光纤截止波长。注意，在图5中，纵轴表示基于样品1的传输损耗而言在波长为1550nm时的传输损耗增加(dB/km)。横轴是Aeff/λC(μm)。另外，图5中绘制的符号“○”表示样品1至13，其中在波长为1550nm且弯曲半径R为15mm时的LP01模的弯曲损耗(以下称为“LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)”)小于4.9dB/10匝，并且有效面积Aeff与截止波长λC的比率(Aeff/λC)为85.0μm以上。符号“△”表示比较例11，其中LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)小于4.9dB/10匝，并且比率(Aeff/λC)小于85.0μm。符号“□”表示比较例1至10，其中LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)为4.9dB/10匝以上。
如图5所示，当LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)小于4.9dB/10匝且比率Aeff/λC为85.0μm以上(符号“○”)时，相对于比率Aeff/λC变化而言的传输损耗增加要比当LP01模弯曲损耗(R＝15mm，λ＝1550nm)为4.9dB/10匝以上(符号“□”)时的传输损耗增加更为平缓。由于传输损耗更不容易因有效面积Aeff和λC的变化(归因于在光纤的纵向上的结构性波动)而改变，因此可以制造出纵向上的传输损耗变化小的光纤。
图6是示出基于样品1的传输损耗而言在波长为1550nm时的传输损耗增加(dB/km)与ΔD(％)之间的关系的图表。图6中绘制的符号“○”表示样品1至7和样品10至12，其中LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)小于4.9dB/10匝，并且比率(Aeff/λC)为95.0μm以上。符号“△”表示比较例11，其中LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)小于4.9dB/10匝，并且比率(Aeff/λC)小于85.0μm。“◇”(空心菱形)表示样品8、9和13，其中LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)小于4.9dB/10匝，并且比率(Aeff/λC)为85.0μm以上且小于95μm。符号“□”表示比较例1至10，其中LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)为4.9dB/10匝以上。
如图6所示，当LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)小于4.9dB/10匝且比率Aeff/λC为85.0μm以上(符号“○”和符号“◇”)时，相对于ΔD的变化而言的传输损耗增加的变化要比当LP01模弯曲损耗(R＝15mm，λ＝1550nm)为4.9dB/10匝以上(符号“□”)时的传输损耗增加更为平缓。即，即使当第二包层30中的F掺杂量较小时(即使当ΔD较大时)，也可以将传输损耗的增加保持在实际可接受的范围内(可以降低制造成本)。另外，当LP01模弯曲损耗(R＝15mm，λ＝1550nm)小于4.9dB/10匝并且比率(Aeff/λC)为95.0μm以上(符号“○”)时，不论ΔD的大小如何，都可以将传输损耗增加(与样品1相比)抑制到0.002dB/km以下。
图7是示出基于样品1的传输损耗而言在波长为1550nm时的传输损耗增加(dB/km)与ΔP(％)之间的关系的图表。注意，图7中绘制的符号“○”表示样品1至7和样品10至12的情况，其中LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)小于4.9dB/10匝，并且比率(Aeff/λC)为95.0μm以上。符号“△”表示比较例11，其中LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)小于4.9dB/10匝，并且比率(Aeff/λC)小于85.0μm。“◇”(空心菱形)表示样品8、9和13，其中LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)小于4.9dB/10匝，并且比率(Aeff/λC)为85.0μm以上且小于95μm。符号“□”表示比较例1至10，其中LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)为4.9dB/10匝以上。此外，图8是示出在波长为1550nm且弯曲半径R设定为15mm时的LP01模的弯曲损耗(dB/10匝)与Aeff/λC(μm)之间的关系的图表。注意，图8包括样品1至13和比较例1至11的绘图，尽管它们在显示上部分重叠。
如图7所示，当LP01模弯曲损耗(R＝15mm，λ＝1550nm)小于4.9dB/10匝并且比率(Aeff/λC)为95.0μm以上(符号“○”)时，无论ΔP的大小如何，都可以将传输损耗增加(与样品1相比)抑制到0.002dB/km以下。为了提高在将光纤用作传输信号光的传输路径的光传输系统中的信噪比，要求光纤抑制非线性并实现低损耗。因此，具有大的光纤有效面积Aeff使得可以改善光纤的非线性。另一方面，已知具有过大的有效面积Aeff会增加微弯损耗。因此，优选将有效面积Aeff设定为130μm2以上且170μm2以下。更优选将有效面积Aeff设定为135μm2以上且165μm2下。2m截止波长优选地为1630nm以下。在这种情况下，当光纤形成为线缆时，可以防止在C波带通信波长带和L波带通信波长带中发生多模传输。
比率(Aeff/λC)是与表示芯部中的光学限制大小的V参数(V数)相关的物理量，因此具有与弯曲损耗的相关性。如在图8所观察到的，弯曲损耗随着比率(Aeff/λC)的增加而增加。因此，优选地，比率(Aeff/λC)被设定为不太大的值，例如120μm以下是优选的。更优选地，比率(Aeff/λC)被设定为110μm以下，进一步优选地为105μm以下。注意，在波长为1550nm且弯曲半径R为15mm时获得的LP01模的弯曲损耗约为0.1dB/10匝。另外，通过将有效面积Aeff除以22m截止波长λCC(μm)获得的值(Aeff/λCC)设定为95μm以上且130μm以下，可以抑制非线性并防止诸如C波带或L波带等通信波长带的多模传输。这里，22m截止波长是ITU-T G.650.1中定义的LP01模的线缆截止波长。
通过具有在预制件状态下预测比率(Aeff/λC)和LP01模弯曲损耗(R＝15mm，λ＝1550nm)的值的能力，使得可以在拉伸过程之前选择出传输损耗将增加的预制件或传输损耗很可能在纵向上变化的预制件。这使得可以降低制造成本。众所周知，测量在预制件完成时从预制件的中心开始在半径方向上的折射率分布，然后基于该折射率分布通过有限元法(FEM)进行数值计算，将能够对Aeff和λC进行估计。即，可以在预制件阶段容易地预测比率(Aeff/λC)。另外，在可以预测LP01模弯曲损耗(R＝15mm，λ＝1550nm)将为4.9dB/10匝以上或小于4.9dB/10匝的情况下，可以使用图5来预测传输损耗增加(与样品1相比)的值或预测传输损耗是否很可能在光纤的纵向上是变化的。特别地，如上所述，当LP01模弯曲损耗(R＝15mm，λ＝1550nm)小于4.9dB/10匝并且比率(Aeff/λC)为95.0μm以上时，无论ΔP的大小如何，都可以将传输损耗增加(与样品1相比)抑制到0.002dB/km以下。利用这种构造，即使当ΔP在预制件的纵向上是变化的时，也可以在拉伸过程之前预测传输损耗增加(与样品1相比)是否为0.002dB/km以下。即，可以防止有缺陷的预制件(预料其具有大的传输损耗增加)被传送到拉伸过程中。结果，可以抑制制造成本的增加。
注意，在通常使用比率(Aeff/λC)的弯曲损耗预测中，如图8所示，由于在LP01模弯曲损耗(R＝15mm，λ＝1550nm)中存在相对于比率(Aeff/λC)的一定相关性的同时存在大的变化，因此不容易进行预测。关于这个问题，存在被称为焦散半径的值，作为与比率(Aeff/λC)相比在物理上与光纤的弯曲损耗更密切相关的参数。
图9是示出当对光纤(分别具有图2A和图2B所示的折射率分布150和160)施加某一半径的弯曲时的用于分析光传播的等效折射率分布151的曲线图。在等效折射率分布151中，与光纤弯曲的外侧相对应的每个位置处的折射率较高，而与内侧相对应的每个位置处的折射率较低。通过使用等效折射率，可以将弯曲光纤中传播的光的行为替换为在直光纤中传播的光的行为，以进行分析。在图9中，还用虚线表示了在某一波长λ处的LP01模的有效折射率水平。焦散半径是从光纤的中心位置到如下位置的距离：在该位置处，在等效折射率分布中，在与已施加某一半径弯曲的光纤的弯曲半径平行的光纤半径方向上，等效折射率和有效折射率彼此相等。
这里，在波长λ处的LP01模的有效折射率neff(λ)是通过将光纤未弯曲时在波长λ处的LP01模的传播常数除以在波长λ处的波数而获得的值。此外，将光纤的等效折射率分布nbend(R，λ，r，θ)以如下公式(1)定义：
Figure BDA0002406128720000141
其中，n(λ，r)是波长λ处的光纤横截面中的折射率分布，并且R(mm)是弯曲半径。
此外，图10是示出光纤的每个参数的图。r(mm)是从光纤中心位置(与光轴AX相交的位置)到光纤横截面中的某一点的距离。将连接弯曲半径的中心位置和光纤中心位置的直线定义为x轴，将光纤中心位置定义为x＝0，并将从弯曲半径的中心位置朝向光纤中心位置的方向定义为正向。此时，θ是由将光纤横截面中的某一点连接到光纤中心位置的线段和由x为0以上的区域所定义的半线所成的角度。
以下，在x轴上的多个值(其中，在θ＝0的情况下(即，在轴上满足x≥0的区域内)，光纤的等效折射率nbend(R，λ，r，0)等于LP01模的有效折射率neff(λ))之中，x轴上的一些值满足以下公式(2)：
nbend(R,λ,0.95x＜r＜0.99x,0)＜nbend(R,λ,1.01x＜r＜1.05x,0) (2)
这些值定义为当光纤以弯曲半径R弯曲时的波长λ处的焦散半径RC(R，λ)。在存在多个这样的RC(R，λ)的情况下，其中的最小值将被采用。
注意，在光纤的横截面中，在焦散半径之外的光被发射到光纤的外部，从而造成弯曲损耗(参见专利文献2)。
图11是示出RC,eff(R＝15mm，λ＝1550nm)和ΔD(％)之间的关系的图表；注意，RC,eff是通过将波长为1550nm且弯曲半径R为15mm时的焦散半径RC(R＝15mm，λ＝1550nm)除以波长为1550nm时的LP01的模场直径而得到的值(μm)。图11中绘制的符号“○”表示样品1至13和比较例11，其中LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)小于4.9dB/10匝，并且符号“□”表示比较例1至10，其中LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)为4.9dB/10匝以上。图11所示的虚线示出了RC,eff(R＝15mm，λ＝1550nm)＝1.46+ΔD×1.93(1/％)。
如图11所示，当RC,eff(R＝15mm，λ＝1550nm)>1.46+ΔD×1.93(1/％)成立时，LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)小于4.9dB/10匝。相反，当RC,eff(R＝15mm，λ＝1550nm)≤1.46+ΔD×1.93(1/％)成立时，LP01模弯曲损耗(R＝15mm，波长λ＝1550nm)为4.9dB/10匝以上。
图12是示出RC(R＝15mm，λ＝1550nm)(μm)和外径比率T(a.u.)之间的关系的图表。注意，RC(R＝15mm，λ＝1550nm)是波长为1550nm且弯曲半径R为15mm时的焦散半径，并且外径比率是第二包层30的外半径(光纤100的外半径)与第一包层20的外半径的比率。图8包括样品1至13和比较例1至11的绘图，尽管它们在显示上部分重叠。
如从图12所观察到的，RC(R＝15mm，λ＝1550nm)与比率T之间具有高度相关性。该比率T是与如下比率基本一致的参数：即，预制件的外径(与第二包层30相对应的区域的外半径)和与预制件状态下的第一包层20相对应的区域的外径(或外半径)的比率。因此，RC(R＝15mm，λ＝1550nm)可以根据在预制件完成时从预制件的中心开始在半径方向上折射率分布来估计。
注意，可以通过基于折射率分布的有限元方法(FEM)的数值计算来预测MFD。因此，可以预测预制件完成时LP01模弯曲损耗(R＝15mm，λ＝1550nm)是4.9dB/10匝以上还是小于4.9dB/10匝。
此外，在海底光缆系统中的中继器中，通常将符合ITU-T G.652的单模光纤用作馈通件(feedthrough)。因此，当波长为1550nm时的LP01模的MFD为12.5μm以上且14.0μm以下时，可以降低与符合ITU-T G.652的单模光纤的熔接损耗，从而使得海底光缆系统中的跨度损耗减少。
此外，高阶模趋向于存留在第二包层30的折射率分布中与内侧区域30A相对应的突起部中，因此，传输损耗增加被认为是由作为基模的LP01与高阶模之间的相互作用引起的。LP01模弯曲损耗(R＝15mm，λ＝1550nm)的大小被认为与LP01模和高阶模之间的有效折射率差有关。因此，减小LP01模弯曲损耗(R＝15mm，λ＝1550nm)将增加LP01模和高阶模之间的有效折射率差。这使得即使当突起部较大时也可以减小从LP01模到高阶模的耦合系数。据此，认为可以抑制传输损耗增加。此外，当LP11模的弯曲损耗(R＝40mm，λ＝1550nm)为0.10dB/2匝以上时，即使光从LP01模被耦合到高阶模，高阶模光也(因为衰减)立即被发射到光纤外部，使得可以抑制LP01模与高阶模之间的相互作用。优选地，LP11模的弯曲损耗(R＝40mm，λ＝1550nm)为0.50dB/2匝以上，并且更优选为1.00dB/2匝以上。
当在海底光纤系统中实际使用光纤时，即使弯曲直径设定得小，也为50mm以上(上述专利文献2)。当RC(R＝25mm，λ＝1550nm)-RC(R＝15mm，λ＝1550nm)较大时，可以将LP01模弯曲损耗(R＝25mm，λ＝1550nm)设定为能够承受实际使用。具体地，当RC(R＝25mm，λ＝1550nm)-RC(R＝25mm，λ＝1550nm)为0.90μm以上并且LP01模弯曲损耗(R＝15mm，λ＝1550nm)小于4.9dB/10匝时，可以将LP01模弯曲损耗(R＝25mm，λ＝1550nm)设定为小于0.5dB/10匝。此外，当RC(R＝25mm，λ＝1550nm)-RC(R＝15mm，λ＝1550nm)为1.60μm以上并且LP01模弯曲损耗(R＝15mm，λ＝1550nm)小于4.9dB/10匝时，可以将LP01模弯曲损耗(R＝25mm，λ＝1550nm)设定为小于0.2dB/10匝。
图13是示出ΔJ(％)与Δn×(D-d)(％·μm)之间的关系的图表。注意，图13中绘制的符号“○”表示样品1、2、6和7，以及比较例3至6和比较例10，其中截止波长λC为1300nm以上且1490nm以下。符号“□”表示样品3至5、样品8至13、比较例7至9以及比较例11，其中截止波长λC为1490nm以上且1630nm以下。图13中的虚线表示由ΔJ(％)＝0.056(μm-1)×Δn×(D(μm)–d(μm))-0.14给出的直线，并且实线表示由ΔJ(％)＝0.056(μm-1)×Δn×(D(μm)–d(μm))-0.22给出的直线。图14是汇总了光纤的每个参数的优选范围和更优选范围的表格。
在图13中，绘制区域的边界可以通过具有0.056(μm-1)的斜率的直线来近似，并且λC越短，截距趋向于越大。截距(即，ΔJ-0.056(μm-1)×Δn×(D(μm)–d(μm)))优选地为-0.22％以上且-0.14％以下，并且更优选地为-0.21％以上且-0.15％以下。图14所示的分布范围可以满足RC,eff(R＝15mm，λ＝1550nm)≥1.46+ΔD(％)×1.93(1/％)。
接下来，在光纤状态(具有图1所示横截面结构的状态)下，优选的是，初级树脂层40的杨氏模量为0.3MPa以下，并且次级树脂层50的杨氏模量为800MPa以上。此外，优选的是，初级树脂层的杨氏模量为0.2MPa以下或0.1MPa以下，并且次级树脂层的杨氏模量为1000MPa以上。在这种情况下，还可以具有抑制主要是在将光纤形成线缆时产生的、由光纤中的随机方向性弯曲引起的光学损耗(称为微弯损耗)的作用。
在制造出的光纤的质量检查中，首先测量LP01模弯曲损耗(R＝15mm，λ＝1550nm)、有效面积Aeff和截止波长λC使得能够确定传输损耗是否增加。因此，可以在不测量传输损耗的情况下辨别被认为传输损耗增加的光纤和没有传输损耗增加的光纤(便于制造管理)。尽管在测量LP01模弯曲损耗时将光纤缠绕在心轴上是高效的，但是存在着当光纤缠绕在心轴上时由横向压力引入微弯损耗的可能性，从而造成测量值大于实际值。这可能导致错误的判断，即，没有传输损耗增加的光纤可能被确定为具有传输损耗增加。从该观点出发，还优选的是，在光纤状态下，初级树脂层的杨氏模量为0.3MPa以下，并且次级树脂层的杨氏模量为800MPa以上。此外，优选的是，初级树脂层的杨氏模量为0.2MPa以下，并且次级树脂层的杨氏模量为1000MPa以上。
如R.Morgan等人在Opt.Lett.Vol.15,947-949(1990)中所述，第二包层30与包围第二包层30的初级树脂层40之间的折射率差导致在第二包层30与初级树脂层40之间的界面处发生菲涅耳反射(Fresnel reflection)。在这种情况下，已知存在着回音壁模现象(whispering gallery mode phenomenon)，其中从LP01模耦合到高阶模的光被反射，并且该反射光再次被耦合到LP01模。这是波长为1550nm时的传输损耗增加的原因之一。为了抑制回音壁模现象，重要的是抑制第二包层30的外侧区域30B与初级树脂层40之间的折射率差的增大。具体地，在波长为546nm时的第二包层30的外侧区域30B的折射率与初级树脂层40的折射率之间的折射率差的绝对值优选地为0.08以下。更优选的是，通过在波长为546nm时从初级树脂层40的折射率中减去第二包层30的外侧区域30B的折射率(当外侧区域的折射率在半径方向r上变化时是平均折射率)而获得的值为0以上且0.06以下。
此外，在这些层的界面处，可能会发生因初级树脂层40与包围初级树脂层40的次级树脂层50之间的折射率差引起的菲涅耳反射(可能发生回音壁模现象)。因此，期望初级树脂层40与次级树脂层50之间的折射率差也是小的。具体地，在波长为546nm时的初级树脂层40与次级树脂层50之间折射率差的绝对值优选地为0.15以下。更优选地，通过在波长为546nm时从次级树脂层50的折射率中减去初级树脂层40的折射率而获得的值为0以上且0.10以下。
接下来，包括芯部10以及包围芯部10的具有凹陷包层结构的包层部分在内的区域的折射率分布不限于如图2A和图2B所示的台阶形式。例如，可以使用如图15至图17所示的各种形状的组合。图15是示出适用于芯部10的各种折射率分布的实例的图。图16是示出适用于第一包层20的各种折射率分布的实例的图。图17是示出适用于第二包层30的各种折射率分布的实例的图。
如图15所示，芯部10可以具有图案1至3之中的任何分布形状。图案1具有芯部10的折射率从光轴AX沿半径方向r线性减小的分布形状。图案2具有如下的分布形状：其包括芯部10的折射率高于PS的部分(整体上具有PS以下的平均折射率就足够了)。图案3具有芯部10的折射率从光轴AX沿半径方向r增加的分布形状。
如图16所示，第一包层20可以具有图案1至4之中的任何分布形状。图案1具有第一包层20具有均一折射率(从光轴AX沿半径方向r的相对折射率差的变化为±0.01％以下)的分布形状。图案2具有第一包层20的折射率沿半径方向r线性增加的分布形状。图案3具有第一包层20的折射率沿半径方向r线性减小的分布形状。图案4具有在第一包层20的内侧区域和外侧区域之间具有不同折射率的分布形状。
此外，如图17所示，第二包层30可以具有图案1至5的任何分布形状。注意，图案1至3具有在第二包层30由掺杂有F的石英玻璃构成的情况下的分布形状。图案4和5具有在第二包层30由纯石英玻璃构成的情况下的分布形状。具体地，图案1具有第二包层30的内侧区域30A中的折射率峰值朝向芯部10偏移并且外侧区域30B具有均一折射率的分布形状。图案2具有第二包层30中的内侧区域30A的分布形状被调节为在半径方向r上对称并且外侧区域30B具有均一折射率的分布形状。图案3类似于图案2，具有如下分布形状：其中，第二包层30的内侧区域30A包括了在第一包层20与第二包层30之间的界面附近沿半径方向r折射率均一的区域。图案4具有在第一包层20与第二包层30之间的界面附近将折射率调节为台阶形式的分布形状。图案5示出了在第一包层20与第二包层30之间的界面附近提供具有均一折射率的区域的分布形状。

Claims (15)

1.一种光纤，包括：
芯部，其至少包括包含氯的区域，并且所述芯部的平均折射率低于纯石英玻璃的折射率；
第一包层，其包围所述芯部，所述第一包层至少包含氟，并且所述第一包层的折射率低于所述芯部的平均折射率；
第二包层，其包围所述第一包层，所述第二包层的折射率高于所述第一包层的折射率；以及
树脂涂层，其包围所述第二包层；
其中，在波长为1550nm时的有效面积Aeff为130μm2以上且170μm2以下，
所述有效面积Aeff与截止波长λC的比率(Aeff/λC)为85.0μm以上，
在波长为1550nm且弯曲半径为15mm时的LP01模的弯曲损耗为每10匝小于4.9dB，并且
所述树脂涂层至少包括杨氏模量为0.3MPa以下的初级树脂层。
2.根据权利要求1所述的光纤，
其中，所述第二包层由纯石英玻璃或至少包含氟的石英玻璃构成。
3.根据权利要求1或2所述的光纤，
其中，所述有效面积Aeff为135μm2以上且165μm2以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤，
其中，所述截止波长为1630nm以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤，
其中，所述比率(Aeff/λC)为95μm以上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光纤，
其中，所述比率(Aeff/λC)为130μm以下。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光纤，
其中，在波长为1550nm时的所述LP01模的模场直径为12.5μm以上且14.0μm以下。
8.根据权利要求7所述的光纤，
其中，在波长为1550nm且弯曲半径为40mm时的LP11模的弯曲损耗为每2匝0.10dB以上。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光纤，
其中，第一焦散半径与第二焦散半径之间的差为0.90μm以上，所述第一焦散半径被定义为在波长为1550nm且弯曲半径为25mm时的所述LP01模的焦散半径RC，所述第二焦散半径被定义为在波长为1550nm且弯曲半径为15mm时的所述LP01模的焦散半径RC。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的光纤，
其中，RC,eff和ΔD(％)满足以下关系：
RC,eff>1.46+ΔD(％)×1.93(1/％)，
RC,eff是在波长为1550nm且弯曲半径为15mm时的所述LP01模的焦散半径RC与在波长为1550nm时的所述LP01模的模场直径的比率，并且ΔD(％)是所述第一包层的平均折射率与所述第二包层中的内侧区域的最大折射率之间的相对折射率差。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的光纤，
其中，所述光纤具有满足以下关系的折射率分布：
0.15≤Δn≤0.29；
0.02≤ΔD≤Δn+0.05；
2.0≤D/d≤3.7；
2.55≤T≤3.05；和
-0.22≤ΔJ-0.056(μm-1)×Δn×(D(μm)–d(μm)),
Δn是所述芯部的平均折射率与所述第一包层的折射率之间的相对折射率差，ΔD是所述第一包层的折射率与所述第二包层的内侧区域中的最大折射率之间的相对折射率差，d是所述芯部的半径，D是所述第一包层的外径，T是所述第二包层的外径与所述第一包层的外径的比率，并且ΔJ是所述第一包层的折射率与所述第二包层的外侧区域的最小折射率之间的相对折射率差。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光纤，
其中，所述树脂涂层进一步包括包围所述初级树脂层的次级树脂层。
13.根据权利要求12所述的光纤，
其中，所述次级树脂层的杨氏模量为800MPa以上。
14.根据权利要求12或13所述的光纤，
其中，在波长为546nm时的所述初级树脂层与所述次级树脂层之间的折射率差的绝对值为0.15以下。
15.根据权利要求1至15中任一项所述的光纤，
其中，在波长为546nm时的所述第二包层的外侧区域与所述初级树脂层之间的折射率差的绝对值为0.08以下。
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