CN112099134A - 光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤，该光纤包括芯部和包围芯部的包层。包层包括包围芯部的内包层和包围内包层的外包层。芯部的相对折射率差的最大值Δn1max、内包层的相对折射率差的最小值Δn2min以及外包层的相对折射率差的最大值Δn3max满足关系：Δn2min＜Δn3max＜Δn1max。在包层中，在径向位置处的残余应力σ(r)满足|dσ(r)/dr|≤30MPa/μm。

Description

光纤

技术领域

本发明涉及一种光纤。

背景技术

期望用于传输信号光的光纤具有低传输损耗。在通用光纤中，波导结构由通过添加锗(Ge)而增加折射率的芯部形成。然而，在这种芯部中，由于Ge的出现而引起散射损耗，因此难以充分地降低传输损耗。这里，为了降低芯部的散射损耗，提出了一种结构，其中将基本上不含添加物的石英玻璃用作芯部，并且通过添加氟(F)来降低包层的折射率。顺便提及，即使在这种结构中，也不能获得充分的传输损耗降低效果。这是因为石英玻璃芯部和含F的包层之间的粘度差异大。结果，由于拉制时应力集中在芯部上，所以出现玻璃缺陷。

在美国专利申请公开No.2016/0170137(专利文献1)和美国专利申请公开No.2017/0219770(专利文献2)披露了在芯部不含Ge的光纤中，通过减小芯部以及与芯部邻接的包层之间的粘度差(应力差)来降低传输损耗的方法。专利文献1中描述的光纤包括含有氯(Cl)而不含Ge的芯部以及含有F的包层。该光纤还包括在芯部和包层之间含有F的应力缓和层。专利文献2中描述的光纤包括软化点之差被调节为50℃以下以使粘度匹配的芯部和包层。

发明内容

根据本公开的实施例的光纤包括芯部和包围芯部的包层。包层包括包围芯部的内包层以及包围内包层的外包层。芯部的相对折射率差的最大值Δn1max、内包层的相对折射率差的最小值Δn2min、以及外包层的相对折射率差的最大值Δn3max满足关系：Δn2min＜Δn3max＜Δn1max。在包层中，在径向位置r处的残余应力σ(r)满足|dσ(r)/dr|≤30MPa/μm。

根据本发明的另一实施例的光纤包括芯部和包围芯部的包层。包层包括包围芯部的内包层以及包围内包层的外包层。芯部的相对折射率差的最大值Δn1max、内包层的相对折射率差的最小值Δn2min、以及外包层的相对折射率差的最大值Δn3max分别满足关系：-0.15％<Δn1max<0.05％，-0.5％<Δn2min<-0.2％，并且0.02％<Δn3max-Δn2min<0.2％。芯部和内包层含有碱金属元素或碱土金属元素。外包层不含有碱金属元素和碱土金属元素。内包层和外包层中相对折射率差相对于径向的导数的绝对值为0.2％/μm以下。在包层中，在径向位置r处的残余应力σ(r)满足|dσ(r)/dr|≤30MPa/μm。

附图说明

通过下面参考附图对本发明优选实施例的详细描述，将更好地理解前述和其它目的、方面和优点，其中：

图1是根据实施例的光纤的截面图；

图2是示出根据第一实例的光纤的折射率分布的图；

图3A是示出根据第一实例的光纤的残余应力分布的图；

图3B是示出根据第一实例的光纤的残余应力相对于径向的导数的绝对值的分布的图；

图4是示出根据第二实例的光纤的折射率分布的图；

图5A是示出根据第二实例的光纤的残余应力分布的图；

图5B是示出根据第二实例的光纤的残余应力相对于径向的导数的绝对值的分布的图；

图6是示出传输损耗与残余应力的最大导数的绝对值之间的关系的曲线图；

图7是示出根据第三实例和第四实例的光纤的折射率分布和钾分布的图；

图8A是示出根据第三实例的光纤的残余应力分布的图；

图8B是示出根据第三实例的光纤的残余应力相对于径向的导数的绝对值相的分布的图；

图9A是示出根据第四实例的光纤的残余应力分布的图；并且

图9B是示出根据第四实例的光纤的残余应力相对于径向的导数的绝对值的分布的图。

具体实施方式

[本发明所要解决的问题]

为了提高通信容量，提出了通过增大有效面积来降低非线性的光纤、以及将多个模式传播到芯部的光纤。这些传输光纤还需要具有低弯曲损耗特性。为了改善弯曲损耗特性，一般使用具有被称为W型或沟槽型的折射率分布的光纤，其中包层由两层或多层构成。

通过粘性匹配来降低传输损耗的传统方法集中在光功率集中的芯部和包层之间的粘性(应力)的差异，但是光功率实际上具有宽的分布。特别是，在具有多层包层的光纤中，包层中的应力差可能较大。在这种情况下，由于结构的不规则性，传输损耗增加。因此，在这样的光纤中，若不考虑包层的粘性(应力)差，则不能得到充分的传输损耗降低效果。

本发明的目的在于提供一种光纤，其在改善弯曲损耗特性的同时具有低传输损耗。

[本公开的有利效果]

根据本公开，能够提供一种光纤，其在改善弯曲损耗特性的同时具有低传输损耗。

[本公开的各实施例的描述]

首先，将列出和描述本公开的各实施例。根据实施例的光纤包括芯部和包围芯部的包层。包层包括包围芯部的内包层以及包围内包层的外包层。芯部的相对折射率差的最大值Δn1max、内包层的相对折射率差的最小值Δn2min、以及外包层的相对折射率差的最大值Δn3max满足关系：Δn2min＜Δn3max＜Δn1max。在包层中，在径向位置r处的残余应力σ(r)满足|dσ(r)/dr|≤30MPa/μm。

在根据上述实施例的光纤中，可以改善弯曲损耗特性。此外，由于在包层中残余应力以|dσ(r)/dr|≤30MPa/μm的方式平缓变化，因此可以抑制由于玻璃缺陷或结构不规则性引起的传输损耗的增加。

在包层中，残余应力σ(r)可以满足|dσ(r)/dr|≤20MPa/μm。在这种情况下，可以进一步抑制传输损耗的增加。

在1550nm波长下基模的有效面积可以为100μm²以上。在这种情况下，可以增加通信容量。

光缆截止波长可以为1530nm以下。在这种情况下，可以在整个C波段中执行单模操作。

可以在芯部的整个区域中保持有压应力。当在芯部中保持拉应力时，包括芯部的外围玻璃被拉伸。结果，玻璃缺陷增加，从而传输损耗增加。在这种情况下，由于在芯部的整个区域中保持有压应力，因此抑制了传输损耗的增加。

芯部可以含有碱金属元素或碱土金属元素。在这种情况下，当通过拉制光纤预制件制造光纤时，可以降低芯部的粘度。因此，促进了玻璃结构的松弛，并且可以降低传输损耗。

在1550nm波长下传输损耗可以为0.174dB/km以下，0.164dB/km以下，或0.154dB/km以下。

根据另一实施例的光纤包括芯部和包围芯的包层。包层包括包围芯部的内包层以及包围内包层的外包层。芯部的相对折射率差的最大值Δn1max、内包层的相对折射率差的最小值Δn2min、以及外包层的相对折射率差的最大值Δn3max分别满足关系：-0.15％<Δn1max<0.05％，-0.5％<Δn2min<-0.2％，并且0.02％<Δn3max-Δn2min<0.2％。芯部和内包层含有碱金属元素或碱土金属元素。外包层不含有碱金属元素和碱土金属元素。内包层和外包层中相对折射率差相对于径向的导数的绝对值为0.2％/μm以下。在包层中，在径向位置r处的残余应力σ(r)满足|dσ(r)/dr|≤30MPa/μm。

在根据另一实施例的光纤中，可以改善弯曲损耗特性。此外，由于在包层中残余应力以|dσ(r)/dr|≤30MPa/μm的方式平缓变化，因此可以抑制由于玻璃缺陷或结构不规则性引起的传输损耗的增加。

[本公开的各实施例的详细描述]

下面将参考附图描述本公开的光纤的详细实例。另外，本发明并不限于这些实例，而是由权利要求书来表达。其旨在包括在与权利要求等同的含义和范围内的所有修改。在附图的描述中，相同的部件将由相同的附图标记表示，并且将省略重复的描述。

图1是根据实施例的光纤的截面图。如图1所示，本实施例的光纤1包括芯部10、包围芯部10的包层20、以及包围包层20的树脂涂层。在图1中未图示树脂涂层。在光纤1中，包层20具有两层以上的多层结构。在该实施例中，包层20包括包围芯部10的内包层21以及包围内包层21的外包层22。图1的截面图示出了垂直于光纤1的轴向的截面。

芯部直径(芯部10的外径)例如为15μm。内包层直径(内包层21的外径)例如为50μm。外包层直径(外包层22的外径)例如为125μm。在本实施例中，外包层直径也是包层直径(包层20的外径)。

在芯部10的整个区域中保持有压应力。在光纤1中，当芯部10的相对折射率差的最大值为Δn1max、内包层21的相对折射率差的最小值为Δn2min并且外包层22的相对折射率差的最大值为Δn3max时，满足Δn2min<Δn3max<Δn1max的关系并且得到W型折射率分布。相对折射率差以纯石英玻璃的折射率为基准。此外，可以满足-0.15％<Δn1max<0.05％，-0.5％<Δn2min<-0.2％，以及0.02％<Δn3max-Δn2min<0.2％的关系。因此，可以改善弯曲损耗特性。光纤1可以具有“沟槽型”折射率分布，“沟槽型”折射率分布包括芯部10和内包层21之间的凸台(pedestal)。该凸台具有与外包层22的相对折射率差基本相等的相对折射率差。光纤1可以具有内包层21包括孔隙的“空位赋予型”折射率分布。

如P.L.Chu和T.Whitbread在“Measurementofstressesinopticalfiberandpreform”Appl.Opt.21，4241，1982中所述，可以使用通过光纤传输的光的相变来测量光纤的残余应力。特别地，该文献通过引用的方式并入本文。除非另有说明，这里，残余应力是指作用于与光纤的轴线垂直的截面上的应力分量。

在光纤1中，在1550nm波长下的基模的有效面积(Aeff)(以下简称为“有效面积”)例如为100μm²以上。因此，可以增加通信容量。光缆截止波长例如为1530nm以下。为此，可以在整个C波段中执行单模操作。在1550nm波长下的传输损耗可以为0.174dB/km以下、或0.164dB/km以下或0.154dB/km以下。

芯部10含有碱金属元素或碱土金属元素。可以说，芯部10含有选自包括碱金属元素和碱土金属元素的元素族的至少一种或多种元素。芯部10含有例如钾(K)。内包层21含有碱金属元素或碱土金属元素。可以说，内包层21含有选自包括碱金属元素和碱土金属元素的元素族的至少一种或多种元素。内包层21含有例如钾(K)。外包层22不含有碱金属元素和碱土金属元素。

内包层21和外包层22中的相对折射率差相对于径向的导数的绝对值为0.2％/μm以下。即，当光纤1的相对折射率差为Δn且径向位置为r时，内包层21和外包层22具有|dΔn/dr|≤0.2％/μm的关系。因此，由于内包层21和外包层22之间几乎不出现粘度差，所以残余应力的急剧变化被抑制。结果，由于玻璃缺陷或结构不规则性被抑制，所以可以抑制传输损耗的增加。

当残余应力为σ并且径向位置为r时，在包层20中残余应力相对于径向的导数的绝对值|dσ/dr|为30MPa/μm以下。即，在包层20中满足|dσ/dr|≤30MPa/μm的关系。这样，由于包层20中残余应力的变化(梯度)变得平缓，所以可以抑制由于玻璃缺陷或结构不规则性引起的传输损耗的增加。在包层20中，|dσ/dr|可以为20MPa/μm以下。即，在包层20中可以满足|dσ/dr|≤20MPa/μm的关系。在这种情况下，由于包层20中残余应力的变化(梯度)平缓，所以可以进一步抑制传输损耗的增加。

光纤1例如是单模光纤(SMF)。光纤1不限于单模光纤，而可以是将多个模式作为信号光传播的光纤。在高阶模中，有效截面积大。因此，在高阶模的传输损耗中，包层20的残余应力分布所引起的传输损耗的影响有增大的倾向。结果，模式相关损耗趋于增加。然而，根据光纤1，可以减小模式相关损耗。

芯部10可以具有环形芯部形状，该环形芯部形状具有设置在中心的折射率降低部和围绕折射率降低部的环。通过采用环形芯部形状，可以在保持模场直径(MFD)的同时增大有效面积。即，利用通用的单模光纤，能够在抑制连接损耗的增加的同时降低非线性。包层20可以具有三个或更多的层，如在沟槽型折射率分布那样。

以下，将描述各实例。图2是示出根据第一实例的光纤的折射率分布的图。在图2中，水平轴线表示径向位置r，并且竖直轴线表示基于纯石英玻璃的折射率的相对折射率差。作为参考，在图2中，附图标记“10”、“20”、“21”和“22”被赋予与芯部、包层、内包层和外包层相对应的位置。第一实例的光纤具有W型折射率分布。在第一实例的光纤中，有效面积为150μm²，并且光缆截止波长为1420nm以下。芯部含100ppm质量的钾。芯部直径为15μm，并且内包层直径为50μm。

图3A是示出根据第一实例的光纤的残余应力分布的图。在图3A中，水平轴线表示径向位置(r)，并且竖直轴线表示残余应力(σ)。图3B是示出根据第一实例的光纤的残余应力相对于径向的导数的绝对值的分布的图。在图3B中，水平轴线表示径向位置(r)，并且竖直轴线表示残余应力相对于径向的导数的绝对值(|dσ(r)/dr|)。在图3A中，负号对应于压应力，而正号对应于拉应力。

如图3A所示，在芯部的整个区域中保持有压应力。在内包层中保持有压应力，而在外包层中保持有拉应力。如图3B所示，|dσ(r)/dr|的最大值为42MPa/μm。

在第一实例的光纤中，通过调节氟浓度，在内包层和外包层之间提供折射率差。同时，在内包层和外包层中也出现粘度差。因此，在内包层和外包层之间(在界面中)残余应力急剧变化。残余应力的急剧变化增加了由于玻璃缺陷或结构不规则性导致的传输损耗。第一实例的光纤的传输损耗为0.156dB/km。

图4是示出根据第二实例的光纤的折射率分布的图。在图4中，水平轴线表示径向位置r，并且竖直轴线表示基于纯石英玻璃的折射率的相对折射率差。作为参考，在图4中，附图标记“10”、“20”、“21”和“22”被赋予与芯部、包层、内包层和外包层相对应的位置。如图4所示，第二实施例的光纤是由这样的预制件制造的：该预制件的氟浓度分布被调节，以使内包层和外包层之间的残余应力逐渐变化。第二实例的光纤具有W型折射率分布。在第二实例的光纤中，有效面积为150μm²，并且光缆截止波长为1420nm以下。芯部含100ppm质量的钾。芯部直径为15μm，并且内包层直径为50μm。

图5A是示出根据第二实例的光纤的残余应力分布的图。在图5A中，水平轴线表示径向位置(r)，并且竖直轴线表示残余应力(σ)。在图5A中，负号对应于压应力，而正号对应于拉应力。图5B是示出根据第二实例的光纤的残余应力相对于径向的导数的绝对值的分布的图。在图5B中，水平轴线表示径向位置(r)，并且竖直轴线表示残余应力相对于径向的导数的绝对值(|dσ/dr|)。

如图5A所示，在芯部的整个区域中保持有压应力。在内包层的靠近芯部的部分中保持有压应力。在内包层的靠近外包层的部分中，残余应力从压应力逐渐地变化为拉应力。在外包层中保持有拉应力。如图5B所示，|dσ/dr|的最大值为24MPa/μm。第二实例的光纤的传输损耗为0.152dB/km。

图6是示出传输损耗与残余应力的最大导数的绝对值之间的关系的曲线图。在图6中，水平轴线表示包层的|dσ/dr|的最大值，并且竖直轴线表示传输损耗。如图6所示，通过将|dσ/dr|设定为30MPa/μm以下，可以减小传输损耗。通过将|dσ/dr|设定为20MPa/μm以下，可以进一步减小传输损耗。

在第二实例中，作为将残余应力的变化调节为平缓的方法，调节包层中的氟浓度，但调节残余应力的方法不限于此。可以调节诸如氯或溴等其它卤素元素、锗、磷(P)、碱金属元素、碱土金属元素的浓度分布。此外，例如，通过调节诸如拉制张力或拉制速度等条件以控制扩散，在玻璃中具有高扩散速率的诸如钠(Na)或钾等元素可具有期望的残余应力分布。

考虑光纤预制件(玻璃预制件)的芯部分含钾的情况。钾的扩散速度相对较快。因此，即使钾分布在光纤预制件的芯部的中心部分，钾也会在拉制过程中通过加热而扩散，特别是在拉缩部分(drawdownportion)(外径减小的部分)中。结果，钾以纤维状态分布在整个区域中。

例如，通过提高拉制速度，缩短了钾在容易发生扩散的拉缩部分中的停留时间。因此，可以抑制钾的扩散。此外，通过增加拉制过程中的张力，可以抑制钾的扩散。这是因为当从光纤预制件拉制光纤所需的温度随着张力的升高而降低时，热扩散的影响变弱。

图7是示出根据第三实例和第四实例的光纤的折射率分布和钾分布的图。在图7中，水平轴线表示径向位置r，并且竖直轴线表示基于纯石英玻璃的折射率的相对折射率差。竖直轴线表示钾的浓度(a.u.)。作为参考，在图7中，附图标记“10”、“20”、“21”和“22”被赋予与芯部、包层、内包层和外包层相对应的位置。第三实例和第四实例的光纤的折射率分布由实线表示，第三实例的光纤的钾分布由虚线表示，并且第四实例的光纤的钾分布由单点划线表示。第三实例和第四实例的光纤具有W型折射率分布。在第三实例和第四实例的光纤中，有效面积为150μm²，光缆截止波长为1420nm以下。芯部含100ppm质量的钾。芯部直径为15μm，并且内包层直径为50μm。

在不调节上述拉制条件的情况下制造根据第三实例的光纤(不调节拉制条件)。通过调节上述拉制条件制造根据第四实施例的光纤(调节拉制条件)。根据第三实例和第四实例的光纤具有相同的折射率分布和不同的钾分布。钾具有降低玻璃粘度的作用。因此，通过控制钾的扩散，可以调节包层的残余应力分布，使得钾分布范围变得合适。具体而言，在含钾区域和不含钾区域之间的边界，残余应力不连续。因此，能够使在整个包层中残余应力的变化(梯度)变得平缓。

图8A是示出根据第三实例的光纤的残余应力分布的图。在图8A中，水平轴线表示径向位置(r)，并且竖直轴线表示残余应力(σ)。图8B是示出根据第三实例的光纤的残余应力相对于径向的导数的绝对值的分布的图。在图8B中，水平轴线表示径向位置(r)，并且竖直轴线表示残余应力相对于径向的导数的绝对值(|dσ/dr|)。在图8A中，负号对应于压应力，而正号对应于拉应力。

图9A是示出根据第四实例的光纤的残余应力分布的图。在图9A中，水平轴线表示径向位置(r)，并且竖直轴线表示残余应力(σ)。图9B是示出根据第四实例的光纤的残余应力相对于径向的导数的绝对值的分布的图。在图9B中，水平轴线表示径向位置(r)，并且竖直轴线表示残余应力相对于径向的导数的绝对值(|dσ/dr|)。在图9A中，负号对应于压应力，而正号对应于拉应力。

如图8A和图9A所示，在第三实例和第四实例的任一光纤中，在芯部的整个区域中保持有压应力。在内包层的靠近芯部的部分中也保持有压应力。在内包层的靠近外包层的部分中，残余应力从压应力变为拉应力。在外包层中保持有拉应力。在第四实例的光纤中，内包层的靠近外包层的部分中的残余应力的变化比第三实例的光纤中的更平缓。

如图8B和图9B所示，在第三实例的光纤中，|dσ/dr|的最大值为45MPa/μm，但在第四实例的光纤中，|dσ/dr|的最大值为28MPa/μm。第三实例的光纤的传输损耗为0.161dB/km，但第四实例的光纤的传输损耗为0.154dB/km。

本申请基于并要求在2019年6月18日提交的日本专利申请No.P2019-112800的优先权，该日本专利申请的全文通过引用的方式并入本文。

Claims (10)

1.一种光纤，包括：

芯部；以及

包层，其包围所述芯部，

其中，所述包层包括包围所述芯部的内包层以及包围所述内包层的外包层，

所述芯部的相对折射率差的最大值Δn1max、所述内包层的相对折射率差的最小值Δn2min、以及所述外包层的相对折射率差的最大值Δn3max满足关系：Δn2min＜Δn3max＜Δn1max，并且

在所述包层中，在径向位置r处的残余应力σ(r)满足|dσ(r)/dr|≤30MPa/μm。

2.根据权利要求1所述的光纤，

其中，在所述包层中，所述残余应力σ(r)满足公式|dσ(r)/dr|≤20MPa/μm。

3.根据权利要求1或2所述的光纤，

其中，在1550nm波长下基模的有效面积为100μm²以上。

4.根据权利要求3所述的光纤，

其中，光缆截止波长为1530nm以下。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤，

其中，在所述芯部的整个区域中保持有压应力。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的光纤，

其中，所述芯部含有碱金属元素或碱土金属元素。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光纤，

其中，在1550nm波长下传输损耗为0.174dB/km以下。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的光纤，

其中，在1550nm波长下传输损耗为0.164dB/km以下。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的光纤，

其中，在1550nm波长下传输损耗为0.154dB/km以下。

10.一种光纤，包括：

芯部；以及

包层，其包围所述芯部，

其中，所述包层包括包围所述芯部的内包层以及包围所述内包层的外包层，

所述芯部的相对折射率差的最大值Δn1max、所述内包层的相对折射率差的最小值Δn2min、以及所述外包层的相对折射率差的最大值Δn3max分别满足关系：-0.15％<Δn1max<0.05％，-0.5％<Δn2min<-0.2％，并且0.02％<Δn3max-Δn2min<0.2％，

所述芯部和所述内包层含有碱金属元素或碱土金属元素，

所述外包层不含有碱金属元素和碱土金属元素，

所述内包层和所述外包层中所述相对折射率差相对于径向的导数的绝对值为0.2％/μm以下，并且

在所述包层中，在径向位置r处的残余应力σ(r)满足|dσ(r)/dr|≤30MPa/μm。

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