CN112513700B - 光纤线路、模块及光纤线路制造方法 - Google Patents

光纤线路、模块及光纤线路制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一个实施方式的光纤线路包括HNLF、SMF和MFD转变部。MFD转变部由在HNLF和SMF的熔接点对接的该HNLF和该SMF二者的端部构成，并且是在100μm距离上MFD以最大值和最小值之间的差为0.3μm以上的方式变化的区间。HNLF和SMF在1550nm波长的连接损耗为HNLF及SMF两者的恒定部的理想对接损耗的五分之一以下。MFD转变部具有10mm以下的全长。在HNLF的端部中位于熔接点的一个端面和距该一个端面50μm以上且300μm以下的另一个端面之间的区域中，MFD从另一个端面向一个端面单调增大。

Description

光纤线路、模块及光纤线路制造方法
技术领域
本公开涉及光纤线路、模块以及光纤线路制造方法。
本申请要求2018年8月24日提交的日本专利申请第2018-157023号的优先权，基于其内容并且参照其全文而加入本说明书。
背景技术
作为通过将不同种类的光纤的端部熔融连接而得到的光纤线路的结构，已知有各种结构。
专利文献1中记载的光纤线路是将具有增大的有效面积的单模光纤(single modeoptical fiber having an enlarged effective area)与色散补偿光纤(DCF：DispersionCompensating optical Fiber)熔融连接起来的线路。在专利文献1所记载的光纤线路制造方法中，在基于放电进行熔融连接后，通过在施加张力的同时对熔接部分进行加热，降低了连接损耗。
专利文献2中记载的光纤线路是将单模光纤(SMF：Single Mode optical Fiber)和DCF熔融连接起来的线路。在专利文献2所记载的光纤线路的制造方法中，通过在熔融连接后用火焰加热熔接部位来形成TEC(Thermally-diffused Expanded Core：热扩散膨胀芯部)，试图减少连接损耗。
专利文献3和专利文献4中记载的光纤线路是在SMF和DCF之间插入短的桥接光纤的状态下将这些光纤之间熔融连接起来的线路。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-214467号公报；
专利文献2：日本特表2006-506686号公报；
专利文献3：日本特开平8-190030号公报；
专利文献4：日本特开2006-99147号公报。
非专利文献
非专利文献1：D.Marcuse,“Loss Analysis of Single-Mode Fiber Splices”,The Bell System Technical Journal,第56卷,第5号,第703-718页，1977年.
发明内容
本公开的一个实施方式的光纤线路具有：高非线性光纤(HNLF：Highly Non-Linear optical Fiber)、单模光纤(SMF)和传播光的模场直径(MFD：Mode FieldDiameter)沿着光纤长度方向变化的MFD转变部。HNLF包括：芯部、凹陷部和包层。凹陷部包围芯部并且具有比该芯部的折射率低的折射率。包层包围凹陷部并且具有比芯部的折射率低且比凹陷部的折射率高的折射率。SMF与HNLF熔融连接，并且包括芯部和包围该芯部并且具有比该芯部的折射率低的折射率的包层。MFD转变部由夹着HNLF和SMF的熔接点而对接的该HNLF和该SMF二者的端部构成。另外，MFD转变部是在沿光纤长度方向(该光纤线路的长度方向)100μm距离上所使用波长的MFD以最大值和最小值之间的差为0.3μm以上的方式变化的区间。HNLF和SMF在1550nm波长的连接损耗是理想对接损耗的五分之一以下，所述理想对接损耗是基于在HNLF和SMF二者的除了MFD转变部以外的恒定部在1550nm波长的MFD间的失配计算而得到的。MFD转变部的沿着光纤长度方向规定的全长为10mm以下。另外，在HNLF的端部中位于熔接点的第一面和距该第一面50μm以上且300μm以下的第二面之间的区域中，所使用波长的MFD从第二面向第一面单调增大。
附图说明
图1是表示测量光纤线路在HNLF及SMF间熔融连接前后的连接损耗的实验系统的图。
图2是表示HNLF和SMF的熔接点的加强结构的例子的图。
图3是表示HNLF(恒定部)的折射率分布的图。
图4是汇总了SMF的各参数的表。
图5是汇总了HNLF的各参数的表。
图6是用于说明光纤线路制造方法的流程图。
图7是汇总了本公开的样品的光纤线路的制造条件及连接损耗、以及比较例1至比较例3的光纤线路各自的制造条件及连接损耗的表。
图8是针对本公开的样品、比较例2及比较例3各自的光纤线路示出附加放电工序中的附加放电总时间与每个连接点的连接损耗之间的关系的曲线图。
图9是针对本公开的样品、比较例1及比较例2各自的光纤线路示出沿光纤长度方向(光纤线路的长度方向)的MFD的变化的曲线图。
图10是表示作为代表性的掺杂材料的GeO2及F各自的扩散速度的温度依赖性的图。
图11是表示在假定了扩散速度比(vF/vG)为20或30时的加热时间与HNLF的MFD之间的关系的曲线图。
图12是用于说明在图11中的由曲线G1110和曲线G1120所示的加热状态下HNLF的折射率分布的形状变化的图。
图13是将评价本公开的样品及比较例2的光纤线路各自的机械强度特性的结果以威布尔分布曲线表示的图。
具体实施方式
[本公开要解决的问题]
DCF为了抑制非线性而优选有效面积(Aeff：Effective area)大。与此相对，HNLF(高非线性光纤)为了高效地激发非线性效应而优选Aeff小。因此，HNLF的MFD(模场直径)通常小于DCF的MFD。HNLF与SMF之间的MFD差大于DCF与SMF之间的MFD差。因此，HNLF和SMF难以进行低损耗的熔融连接。
在为了谋求减少熔融连接的光纤之间的连接损耗而在熔融连接后利用火焰加热进行掺杂扩散的情况下，难以提高生产率。这是因为火焰的最高达到温度低。即，这是因为通过使光纤含有的掺杂物扩散来增大该光纤的MFD所需的时间、以及使MFD在被熔融连接的光纤之间匹配所需的时间长。
另一方面，基于放电加热的掺杂扩散与基于火焰加热的掺杂扩散相比，能够提高最高达到温度，因此处理时间短且生产率高。但是，为了降低熔接损耗，需要在位于光纤连接区域的MFD转变部中使MFD的变化成为锥形形状(MFD沿着光纤长度方向单调变化的状态，以下记作“MFD锥”)。基于放电加热的掺杂扩散与基于火焰加热的掺杂扩散相比，不易形成该MFD锥，难以降低连接损耗。
当每单位长度的F量(添加有F的部分的剖面积×浓度)(本说明书中记为“氟(F)面积浓度”)小时，由F的热扩散产生的MFD的增大效果是有限的。由于芯部含有的Ge的扩散速度比F慢，所以为了降低熔接损耗需要花费时间。在芯部和包层中实质上不含有用于降低折射率的掺杂物(折射率降低材料)，如果凹陷部所含有的F量受到限制，则为了降低连接损耗需要花费时间。
在要连接的光纤间插入短的桥接光纤的情况下，虽然在降低连接损耗这一点上是有效的，但由于又增加了一处熔融连接部位，所以生产率降低。
本公开提供一种光纤线路，其具有HNLF与SMF彼此熔融连接的结构，连接损耗小且能够以高生产率进行制造。另外，本公开提供了一种能够制造这种光纤线路的方法。
[本公开的效果]
本公开的光纤线路具有HNLF与SMF彼此熔融连接的结构，连接损耗小且能够以高生产率进行制造。
[本公开的实施方式的说明]
首先，分别单独列举本申请发明的实施方式的内容来进行说明。
(1)本公开的一个实施方式的光纤线路的一个方面，具有HNLF(高非线性光纤)、SMF(单模光纤)以及MFD转变部。HNLF包括：芯部、凹陷部和包层。凹陷部包围芯部并且具有比该芯部的折射率低的折射率。包层包围凹陷部并且具有比芯部的折射率低且比凹陷部的折射率高的折射率。SMF与HNLF熔融连接，并且包括芯部和包围该芯部并且具有比该芯部的折射率低的折射率的包层。MFD转变部由在HNLF和SMF的熔接点对接的该HNLF和该SMF二者的端部构成。另外，MFD转变部是在沿光纤长度方向(该光纤线路的长度方向)的100μm距离上所使用波长的MFD以最大值和最小值之间的差为0.3μm以上的方式变化的区间。HNLF和SMF在1550nm波长的连接损耗是理想对接损耗的五分之一以下，所述理想对接损耗是基于HNLF和SMF二者的MFD转变部以外的恒定部在1550nm波长的MFD间的失配而计算得到的。MFD转变部的沿着光纤长度方向规定的全长为10mm以下。另外，在HNLF的端部中的位于熔接点的第一面和距离该第一面为50μm以上且300μm以下的第二面之间的区域中，所使用波长的MFD从第二面向第一面单调增大。
此外，在本公开中，“HNLF(高非线性光纤)”是指在1550nm波长的非线性系数为7W-1·km-1以上且Aeff(有效面积)为30μm2以下的光纤。“恒定部”是指在沿着光纤长度方向的100μm距离上所使用波长的MFD的最大值与最小值之差收敛于小于0.3μm的范围的区间；“MFD转变部”是指在100μm距离上所使用波长的MFD以最大值与最小值之差成为0.3μm以上的方式变化的区间。掺杂物的“浓度”用质量比率(对象物的质量相对于整体的质量的比)来表示。另外，“理想对接损耗αideal[dB]”是仅由夹着熔接点的两根光纤各自的在1550nm波长的MFD的失配引起的损耗，使用将一方的光纤的恒定部的基准波导模式在1550nm波长的MFD除以另一方的光纤的恒定部的基准波导模式在1550nm波长的MFD而得到的值W12，用以下的式(1)来表示：
αideal＝-10LOg10{4W12 2/(W12 2+1)2} (1)
(参照上述非专利文献1)。
(2)作为本公开的一个方面，HNLF由石英玻璃构成。另外，在HNLF的恒定部中，芯部实质上不含有作为在1550nm波长使玻璃折射率降低的掺杂物的折射率降低剂，而含有作为在1550nm波长使玻璃折射率升高的掺杂物的折射率升高剂。凹陷部实质上不含有折射率升高剂而含有折射率降低剂。包层实质上不含有折射率降低剂。另外，即使在仅凹陷部实质上含有用于使折射率降低的掺杂物的情况下，也能够高效地将HNLF和SMF以低损耗的方式熔融连接。在此，“实质上不含有掺杂物”是指掺杂物的质量比率小于100ppm。只要在此范围内，则各种掺杂物不会产生能够影响光纤的光学特性的折射率变化。
(3)作为本公开的一个方面，在HNLF的恒定部中，芯部优选含有作为折射率升高剂的GeO2。凹陷部优选含有作为折射率降低剂的面积浓度为0.4×106ppm·μm2以上且3.2×106ppm·μm2以下的氟。在这种情况下，即使在凹陷部所含有的作为用于使折射率降低的掺杂物的F的面积浓度是有限的量的情况下，也能够高效地将HNLF和SMF以低损耗的方式熔融连接。
(4)作为本公开的一个方面，优选在HNLF的端部中，HNLF的包层的外径从该HNLF的恒定部向SMF的恒定部单调减小或增大。在这种情况下，在该包层的表面没有凹陷，因此能够确保机械强度。
(5)作为本公开的一个方面，MFD转变部的全长可以为2mm以下。另外，MFD转变部中构成HNLF的一部分的部分沿光纤长度方向规定的长度也可以为1.5mm以下。在这种情况下，由于能够减少形成MFD转变部所需的热量，所以能够高效地进行低损耗连接。
(6)作为本公开的一个方面，SMF优选为符合ITU-T的G.657.A1标准的光纤。由于符合G.657.A1标准的光纤与通用的SMF相比更耐弯曲，所以能够以较小的半径收容在模块中(能够使模块容积减小)。
(7)作为本公开的一个方面，优选在HNLF的恒定部中，芯部的外径为2.5μm以上且4.0μm以下。优选凹陷部与芯部的外径比为1.8以上且3.2以下。优选芯部的最大折射率与包层的平均折射率的相对折射率差为1.3％以上且2.0％以下。优选凹陷部的最小折射率与包层的平均折射率的相对折射率差为-1.0％以上且-0.5％以下。进而，优选HNLF的恒定部具有：在1550nm波长为10μm2以上且30μm2以下的Aeff、在1550nm波长为3.5μm以上且5.0μm以下的MFD、在1550nm波长为-3.0ps·km-1·nm-1以上且1.5ps·km-1·nm-1以下的波长色散(Chromatic dispersion)、以及在1550nm波长为7W-1·km-1以上且20W-1·km-1以下的非线性系数。在这种情况下，由于在C带的波长色散具有平坦的光学特性，所以能够在C带内的宽频带得到非线性现象的相位匹配。
(8)作为本公开的一个方面，优选在HNLF的端部所包含的区域(第一面和与该第一面相距50μm的第二面之间的区域)中，氟的扩散速度vF与GeO2的扩散速度vG之比(vF/vG)为22以上且40以下。能够不使包含HNLF和SMF的熔接点的熔接部熔化，从而避免MFD转变部的变形(凹陷)。
(9)作为本公开的一个方面，优选由HNLF的端部和SMF的端部构成并且包含熔接点的对接区域通过被树脂覆盖或收容在加强套管来保护。在此，优选被树脂或加强套管保护的对接区域具有200kpsi(＝1.4MPa)以上的强度。该结构对于防止高功率通光时(例如1W以上)的断裂是有效的。
(10)作为本公开的一个方面，HNLF和SMF二者或其中一者可以具有包围包层并且含有着色剂的覆盖树脂层。特别是，在HNLF和SMF二者具有上述覆盖树脂层的结构中，HNLF和SMF的覆盖树脂层也可以分别含有颜色彼此不同的着色剂。在这种情况下，能够防止错误地进行SMF彼此间的连接或HNLF彼此间的熔接。另外，也容易进行这些光纤被收容在模块时的外观检查。
(11)作为本公开的一个方面，优选在拉伸强度试验中的50％断裂强度为4.5N以上。
(12)本公开的一个实施方式的模块包括具有上述那样的结构的光纤线路(本公开的一个实施方式的光纤线路)和收容该光纤线路的金属壳体。根据该结构，能够防止在实际使用时因来自外部的冲击或热等造成的光纤外伤。另外，能够将在光纤连接部产生的热有效地向外部释放。
(13)本公开的一个实施方式的光纤线路制造方法包括：配置工序、熔接工序以及附加放电工序。在配置工序中，将HNLF及SMF中的一者的端部与另一者的端部以对接的状态相对配置。在此，HNLF包括：芯部、凹陷部和包层。凹陷部包围芯部并且具有比该芯部的折射率低的折射率。包层包围凹陷部并且具有比芯部的折射率低且比凹陷部的折射率高的折射率。熔接工序在配置工序之后实施。在该熔接工序中，HNLF和SMF各自的被对接的端部通过加热而被熔融。由此，HNLF和SMF各自的端部被熔接。附加放电工序在熔接工序之后实施。在该附加放电工序中，相对于HNLF与SMF的熔接点位于该HNLF侧的区域通过放电而被再加热。通过该附加放电工序，能够得到具有上述那样的结构的光纤线路(本公开的一个实施方式的光纤线路)。
(14)作为本公开的一个方面，优选在附加放电工序中，对相对于熔接点位于HNLF侧的区域以不使该HNLF的包层熔融并且使该HNLF所含有的氟扩散的放电功率持续再加热50秒以上。通过以HNLF的包层不会熔融的程度的温度来加热该HNLF，能够有效地避免由于包层的变形引起的熔接损耗的增大。
(15)作为本公开的一个方面，优选在附加放电工序中，在使加热部相对于被熔融连接的HNLF的端部及SMF的端部相对移动的同时，对被熔融连接的HNLF的端部及SMF的端部进行基于放电的再加热。根据该结构，即使是基于加热范围为局部的放电加热的掺杂物扩散，实质上也能够在宽范围进行加热。
(16)作为本公开的一个方面，优选在附加放电工序中，在沿着光纤长度方向的长度为包层的外径的1倍以上的范围(HNLF的端部)中进行基于放电的再加热。根据该结构，通过增大放电电极棒的间隔或加粗放电电极棒等，从而能够在宽范围内进行放电。由此，能够缩短附加放电所需的时间。
以上，该[本公开的实施方式的说明]一栏中列举的各方面能够应用于其余的所有方面的每一个，或者能够应用于这些其余的方面的所有组合。
[本公开的实施方式的细节]
以下，参照附图对本公开的一个实施方式的光纤线路、模块及光纤线路制造方法的具体结构进行详细说明。另外，本发明不限于这些示例，而是由权利要求的范围表示，意图包含与权利要求的范围等同的含义以及在范围内的所有变更。另外，在附图的说明中，对相同的要素标注相同的附图标记并省略重复的说明。
本实施方式的光纤线路具有高非线性光纤(HNLF)与SMF彼此被熔融连接的结构。图1是表示测量光纤线路在HNLF及SMF间熔融连接前后的连接损耗的实验系统的图。
图1的结构1(熔接前)表示用于测量基准功率(Reference Power)的实验系统。在结构1的实验系统中，从LD(Laser Diode：激光二极管)光源41输出的1550nm波长的光入射到SMF(单模光纤)10的入射端。通过光功率计42接收在SMF10中导波后从SMF10的出射端射出的光，由此来检测该接收的光的光功率(基准功率)。另外，在图1的结构1中，箭头C1所指示的位置是在测量基准功率之后切断的SMF10的切断位置。
接着，通过在箭头C1所示的位置切断SMF10而将该SMF10分割为SMF11和SMF12，在SMF11和SMF12之间插入高非线性光纤(HNLF)20，HNLF20的一端和SMF11的端部在熔接点31处被熔融连接，并且HNLF20的另一端和SMF12的端部在熔接点32处被熔融连接。经过这样的切断、熔接工序，得到图1的结构2(熔接后)。在结构2的实验系统中，从LD光源41输出的1550nm波长的光入射到SMF11的入射端。按照SMF11、HNLF20、SMF12的顺序依次导波之后从SMF12的出射端射出的光被光功率计42接收(检测接收光功率)。另外，如结构2所示，通过将由SMF11、HNLF20及SMF12构成的光纤线路收容在金属壳体50内，从而构成HNLF模块。
图2是表示HNLF和SMF的熔接点的加强结构的例子的图。具体而言，是表示SMF11与HNLF20的熔接点31、以及HNLF20与SMF12的熔接点32的加强结构的例子的图。
图2中的结构0表示加强前的状态(形成MFD转变部之前的状态)，具体而言，表示SMF11的一个端部与HNLF20的一个端部沿着中心轴AX被熔融连接后的状态，或者HNLF20的另一个端部与SMF12的一个端部沿着中心轴AX被熔融连接后的状态。另外，由于SMF11与HNLF20的连接结构和HNLF20与SMF12的连接结构实质上相同，所以在以下的说明中仅提及HNLF20与SMF11的连接关系。
SMF10是符合ITU-T的G.657.A1标准的光纤，从SMF10分割出的SMF11和SMF12也是符合G.657.A1标准的光纤。SMF11(SMF12)由石英玻璃构成，并具有沿着中心轴AX延伸的芯部101、包围芯部101的包层102以及包围包层102的覆盖树脂层103。包层102的折射率比芯部101的折射率(最大折射率)低。在SMF11及SMF12各自的端部，为了与HNLF20熔融连接而除去了覆盖树脂层103的一部分。
另一方面，HNLF20由石英玻璃构成，并具有沿中心轴AX延伸的芯部201、包围芯部201的凹陷部202、包围凹陷部202的包层203以及包围包层203的覆盖树脂层204。凹陷部202的折射率低于芯部201的折射率(最大折射率)。包层203的折射率低于芯部201(最大折射率)的折射率且高于凹陷部202的折射率(最小折射率)。在HNLF20的两端部，为了分别与SMF11和SMF12熔融连接而除去了覆盖树脂层204的一部分。
另外，在图2的例子中，在HNLF20和SMF11(SMF12)二者设置有覆盖树脂层204、103，但也可以仅在任一者设置覆盖树脂层。覆盖树脂层204和覆盖树脂层103均优选含有着色剂，在HNLF20和SMF11(SMF12)二者设置了覆盖树脂层204、103的结构中，覆盖树脂层204和覆盖树脂层103优选分别含有颜色彼此不同的着色剂。
图2中结构0所示的区域SP表示SMF11(SMF12)的恒定部和HNLF20的恒定部。特别是HNLF20的恒定部SP具有图3所示的W型折射率分布。另一方面，图2中的结构0所示的区域TP表示要成为MFD转变部的区域(MFD锥形成区域)。实质上，区域TP与表示形成有MFD锥的MFD转变部的区域一致。
针对HNLF20及SMF11(SMF12)的熔接点31(32)，通过放电对位于HNLF20侧的区域(区域TP所包含的区域)进行再加热，从而在区域TP形成MFD转变部。另外，基于放电的再加热优选为以不使HNLF20的包层203熔融而使该HNLF20所含有的F(氟)扩散的放电功率持续进行50秒以上。另外，优选使加热部相对于HNLF20及SMF11(SMF12)的端部相对移动的同时进行基于放电的再加热。被再加热的区域的沿光纤长度方向的长度优选为包层203的外径的1倍以上。
如上所述，形成在区域TP的MFD转变部由夹着HNLF20与SMF11(SMF12)的熔接点31(32)而对接的HNLF20及SMF11(SMF12)二者的端部构成。另外，在HNLF20的端部中由位于熔接点31(32)的第一面(HNLF20与SMF11(SMF12)的抵接面)和距离该第一面为50μm以上且300μm以下的第二面之间的区域中，所使用波长的MFD从第二面向第一面单调增大(MFD锥)。
MFD转变部规定为在沿着光纤长度方向(与中心轴AX一致)的100μm距离上所使用波长的MFD以最大值与最小值之差成为0.3μm以上的方式变化的区间。MFD转变部的沿光纤长度方向的全长为10mm以下，优选为2mm以下。另外，在MFD转变部的全长为2mm以下的结构中，该MFD转变部中构成HNLF20的一部分的部分沿光纤长度方向规定的长度优选为1.5mm以下。另外，通过以上那样形成的MFD转变部，HNLF20和SMF11(SMF12)在1550nm波长的连接损耗变成理想对接损耗的五分之一以下，所述理想对接损耗是基于HNLF20和SMF11(SMF12)二者的恒定部SP中在1550nm波长的MFD之间的失配而计算得到的。在图2中的结构0中，示出了在HNLF20的包层203的外径为固定的例子，但在该端部的包层203的外径也可以从HNLF20的恒定部SP向SMF11(SMF12)的恒定部SP单调地减小或增大。
在图2中的结构1中，在由HNLF20端部和SMF11(SMF12)端部构成并且包含熔接点31(32)的对接区域，形成有MFD转变部。通过用重涂树脂300覆盖该对接区域来保护该光纤线路的熔接点附近。另一方面，在图2的结构2中，对接区域被收容在加强套管400中。在任何结构中，被重涂树脂300或加强套管400保护的对接区域都具有200kpsi以上的强度。
图3是表示HNLF20(特别是恒定部SP)的折射率分布的图。HNLF20具有W型折射率分布。即，HNLF20的恒定部SP具有芯部201(外径a)、包围芯部201的凹陷部202(外径b)、包围凹陷部202的包层203(外径c)以及包围包层203的覆盖树脂层204。凹陷部202具有比芯部201的折射率低的折射率。包层203具有比芯部201的折射率低且比凹陷部202的折射率高的折射率。典型地，HNLF20在1550nm波长的非线性系数γ为7W-1·km-1以上，在1550nm波长的Aeff为30μm2以下。
SMF10(实质上为SMF11、12)及HNLF20由石英玻璃构成。在HNLF20及SMF11(SMF12)的任一者中，恒定部SP规定为在沿着光纤长度方向的100μm距离上所使用波长的MFD的变化被限制成最大值与最小值之差小于0.3μm的区间。特别是在HNLF20的恒定部SP中，芯部201实质上不含有在1550nm波长使玻璃折射率降低的掺杂物(折射率降低剂)，且含有作为在1550nm波长使玻璃折射率升高的掺杂物(折射率升高剂)的例如GeO2。另一方面，凹陷部202实质上不含有折射率升高剂，并且含有作为折射率降低剂的例如面积浓度为0.4×106ppm·μm2以上且3.2×106ppm·μm2以下的氟。另外，包层203实质上不含有折射率降低剂。
HNLF20的各种特性的优选范围如下所述。芯部201的外径a是从HNLF20的中心(中心轴AX)到第一位置的距离的2倍，所述第一位置是折射率分布的微分值最初变为极小值的位置。凹陷部202的外径b是从HNLF20的中心到第二位置的距离的2倍，该第二位置是在距HNLF20的中心的距离大于a/2的区域中该折射率分布的微分值成为极大值的位置。具体而言，芯部201的外径a为2.5μm以上且4.0μm以下。凹陷部202和芯部201的外径比(b/a)为1.8以上且3.2以下。芯部201的最大折射率与包层203的平均折射率的相对折射率差Δcore为1.3％以上且2.0％以下。凹陷部202的最小折射率与包层203的平均折射率的相对折射率差Δdep为-1.0％以上且-0.5％以下。在1550nm波长的Aeff为10μm2以上且30μm2以下。在1550nm波长的MFD为3.5μm以上且5.0μm以下。在1550nm波长的波长色散(chromatic dispersion)为-3.0ps·km-1·nm-1以上且1.5ps·km-1·nm-1以下。在1550nm波长的非线性系数γ为7W-1·km-1以上且20W-1·km-1以下。
另外，图4是汇总了在后述的实验中使用的SMF10(实质上是SMF11和SMF12)的各参数的表。SMF10是符合ITU-T的G.657.A1标准的光纤。图5是汇总了在后述的实验中使用的HNLF20的各参数的表。
图6是光纤线路制造方法的流程图。图6所示的光纤线路制造方法是将相当于本公开的HNLF20的HNLF的端部与分别相当于SMF11及SMF12的SMF的端部进行连接的方法，依次进行准备工序S1、配置工序S2、调芯工序S3、熔接工序S4、附加放电工序S5以及加强工序S6。在图1的结构2(熔接后)所示的熔接点31和熔接点32处，也通过该光纤线路制造方法来连接。
在准备工序S1中，在包含准备好的SMF及HNLF各自的端部的一定范围内，将各覆盖树脂层的一部分除去之后，使用光纤切割刀切割SMF及HNLF各自的端部。端面的切割角度优选为1.0°以下，更优选为0.5°以下。
在配置工序S2中，SMF及HNLF各自的端部以使被切割的端面彼此相向的状态配置在电弧放电型熔接机。
在调芯工序S3中，利用电弧放电型熔接机所具有的调芯功能，进行SMF和HNLF的调芯。在该调芯作业中，为了防止SMF的芯部与HNLF的芯部的由于连接部的偏移而引起的连接损耗增大，进行基于利用了图像处理来估计芯部位置的芯部调芯、或者进行使用了功率计的功率计调芯。
在熔接工序S4中，在电弧放电型熔接机中通过电弧放电，SMF和HNLF各自的端部在彼此对接的状态下通过加热而被熔融。其结果是该对接部分被一体化。以下，将此时的电弧放电功率记作主放电功率。
在附加放电工序S5中，在电弧放电型熔接机中通过电弧放电，对包含SMF与HNLF的连接点(相当于图2的结构0所示的熔接点31(32))的沿光纤长度方向的一定范围(图2的结构0所示的区域TP中的HNLF20侧的区域)通过放电进一步加热。另外，被加热的区域的沿光纤长度方向的长度优选为HNLF的包层的外径的1倍以上。在通过该放电进行加热时，为了基于由功率计得到的光功率测量值来确认连接损耗的变化，预先在包含已被一体化的SMF及HNLF的光纤线路的一端光学连接光源，并且在该光纤线路的另一端光学连接该功率计。然后，进行多次固定时间的附加放电，反复进行附加放电直至一次附加放电前后的在1550nm波长的连接损耗的变化成为0.01dB以下(优选为0.005dB以下)。在一次附加放电前后的连接损耗的变化成为0.01dB以下(优选为0.005dB以下)时，判断为连接损耗变为极小，结束附加放电工序S5。另外，将此时的电弧放电功率记作附加放电功率。
在加强工序S6中，对包含SMF与HNLF的熔接点的区域的玻璃，进行如图2中的结构1所示那样的利用重涂树脂300的覆盖(重涂)、或者向加强套管400内的收容。通过该加强工序S6，所得到的光纤线路能够具有在光纤全长承受200kpsi以上的张力的强度。
图7是汇总了本公开的样品的光纤线路的制造条件及连接损耗、以及比较例1至比较例3的光纤线路各自的制造条件及连接损耗的表。另外，图8是针对本公开的样品、比较例2和比较例3各自的光纤线路示出附加放电工序中的附加放电总时间与每个连接点的连接损耗之间的关系的曲线图。另外，在图8中，曲线G810表示本公开的样品的放电－损耗的关系，曲线G820表示比较例2的放电－损耗的关系，曲线G830表示比较例3的放电－损耗的关系。
在比较例1制造中，没有进行附加放电工序，进行到熔接工序中的光纤连接为止。关于比较例1，熔接工序刚结束后的在1550nm波长的每个熔接点的连接损耗为0.75dB。该连接损耗小于根据恒定部SP的MFD失配而计算得到的理想对接损耗2.1dB，但是并不能说是实用上足够小的连接损耗。
在比较例2制造中，在与比较例1相同的条件下进行到熔接工序，进而进行附加放电工序。附加放电工序中的附加放电功率相对于熔接工序中的主放电功率为50％。在该比较例2(图8的曲线G820)中，熔接工序刚结束后的在1550nm波长的每个连接点的连接损耗为0.77dB。在附加放电工序中，以1000秒的附加放电总时间，在1550nm波长的每个连接点的连接损耗为0.36dB(极小值)。可知通过进行附加放电工序，连接损耗降低到熔接工序刚结束后的连接损耗的一半以下。在此，使连接损耗降低到根据恒定部的MFD失配而计算得到的理想对接损耗的五分之一以下所需的附加放电总时间为580秒。另外，将在后面说明关于比较例3和本公开的样品各自的制造条件及评价。
与基于放电的加热相比，基于火焰加热的掺杂物扩散中的最高达到温度低，因此对于一个连接点需要加热30分钟左右。在比较例2制造中，通过10分钟以下的基于放电加热的掺杂物扩散，能够使连接损耗降低至根据恒定部的MFD失配而计算得到的理想对接损耗的五分之一以下。另外，在基于火焰加热的掺杂物扩散中，在利用电弧放电型熔接机进行熔接工序之后，需要将光纤转移到基于火焰加热的掺杂物扩散装置。与此相对，在基于放电加热进行的掺杂物扩散中，具有能够用电弧放电型熔接机连续地进行熔接工序和附加放电工序的优点，能够有助于提高生产率。
在此，如果能够进一步缩短附加放电总时间，则能够进一步提高生产率。此外，当连接损耗高时，为了从HNLF模块(图1的结构2)得到相同的输出光所需的输入光功率需要提高对应的量，HNLF模块的种子光源的可靠性降低。因此，如果能够进一步降低连接损耗，则能够进一步提高搭载HNLF模块的设备的可靠性。
根据以上的考察，针对以与比较例2的制造相比更短的附加放电总时间来实现更低的连接损耗的制造条件进行了研究。首先，对于比较例1及比较例2的光纤线路，研究了沿光纤长度方向的MFD变化。在该研究中，在沿着光纤线路的长度方向的各位置，利用干涉法无损地测量折射率分布。接着，根据测量出的折射率分布，利用有限元法计算而得到基础波导模式的场分布，并计算出MFD。
图9是针对本公开的样品、比较例1及比较例2各自的光纤线路示出沿光纤长度方向(光纤线路的长度方向)的MFD的变化的曲线图。另外，在图9中，曲线G910表示本公开的样品的MFD的变化，曲线G920表示比较例1的MFD的变化，曲线G930表示比较例2的MFD的变化。作为长度方向的位置，0mm的位置设定在光纤的光学特性和组成被认为不连续变化的部位(即熔接点)。在长度方向的位置中，负区域相当于HNLF侧的端部，正区域相当于SMF侧的端部。在MFD彼此不同的光纤彼此的连接中，优选形成实现MFD从MFD小的光纤侧朝向MFD大的光纤侧逐渐增大的MFD锥的MFD转变部。
在比较例1(曲线G920)中，在-0.2mm至-0.05mm的区间，MFD从4.8μm增大到了6.3μm。由该增大的MFD计算出的理想对接损耗是0.8dB，其与比较例1的连接损耗大致一致。即，可以认为通过实现MFD锥的MFD转变部，以比根据恒定部的MFD失配而计算得到的2.1dB的理想对接损耗更小的连接损耗进行了连接。但是，没有形成足以消除MFD的失配的MFD锥。
在比较例2(曲线G930)中，在-0.3mm至-0.15mm的区间MFD逐渐增大，但在-0.15mm至0mm的区间MFD减少，可见形成有MFD锥发生了变形的MFD转变部(沿着光纤长度方向MFD没有单调变化的状态)。由此推测只要以MFD锥不发生变形的方式形成MFD转变部，就能够缩短附加放电总时间且进一步降低连接损耗。
本公开的样品(曲线G910)与上述的比较例1不同，即使在-0.05mm(＝-50μm)至0mm(熔接点)的区间，MFD也增大。进而，本公开的样品在-0.3mm(＝-300μm)至0mm的区间，MFD增大。像这样，根据本公开样品，至少在样品(HNLF)的端部中由位于熔接点的第一面(熔接端面)和距离该第一面为50μm以上且300μm以下的第二面之间的区域中，所使用波长的MFD从第二面向第一面单调增大。另外，MFD转变部(与图2的结构0的区域TP一致的区域)包含上述第一面和第二面之间的区域，并且夹着HNLF与SMF的熔接点而横跨设定在HNLF的端部和SMF的端部。因此，MFD转变部的沿光纤长度方向的全长为10mm以下，优选为2mm以下。特别是，在MFD转变部的全长为2mm以下的结构中，该MFD转变部中构成HNLF的一部分的部分沿光纤长度方向规定的长度优选为1.5mm以下。
为了研究在比较例2中形成MFD锥发生了变形的MFD转变部的原因，计算了考虑到由于热引起的掺杂物的扩散的HNLF的折射率分布的变化和MFD的变化。一般来讲，添加到光纤的掺杂物材料的扩散速度依赖于温度。图10是表示作为代表性的掺杂物材料的GeO2及F各自的扩散速度的温度依赖性的图。另外，在图10中，曲线G1010表示F的扩散速度的温度依赖性，曲线G1020表示GeO2的扩散速度的温度依赖性。在具有如图3所示的W型折射率分布的HNLF中，芯部含有GeO2，凹陷部含有F。由于这些掺杂物材料的扩散速度彼此不同，所以相对于加热时间的折射率分布的变化方式根据加热温度而不同。
将F的扩散速度设为vF，将GeO2的扩散速度设为vG。图11是表示在将扩散速度比(vF/vG)假设为20或30时的加热时间与HNLF的MFD之间的关系的曲线图。另外，图12是用于说明在图11中曲线G1110和曲线G1120所示的加热状态下HNLF的折射率分布的形状变化的图。另外，在图11中，曲线G1110表示扩散速度比(vF/vG)＝30时的关系，曲线G1120表示扩散速度比(vF/vG)＝20时的关系。另外，可以认为在扩散速度比(vF/vG)＝30时对应于加热温度1800℃，在扩散速度比(vF/vG)＝20时对应于加热温度1500℃。图12所示的形状1表示在图11中曲线G1110和曲线G1120二者的时间t0时的HNLF20的折射率分布的形状，图12所示的形状2表示在图11中的曲线G1120从时间t1至时间t3的期间中HNLF20的折射率分布的形状，图12所示的形状3表示在图11中曲线G1110的时间t2和曲线G1120的时间t4二者的HNLF20的折射率分布的形状。
如图12所示，当原本具有W型折射率分布(形状1)的HNLF被加热时，芯部所含有的GeO2扩散到凹陷部侧，而凹陷部所含有的F扩散到芯部侧和包层侧。通过这样的掺杂物材料的扩散，最终HNLF具有单峰型的折射率分布(形状3)。
在曲线G1120所示的扩散速度比(vF/vG)＝20(即，加热温度1500℃时)的情况下，在加热时间的初期(较早的时间段)，在W型折射率分布(图12的形状1)中，F的扩散占主导。这是因为F的扩散速度vF比GeO2的扩散速度vG快。F的扩散结束而成为单峰型的折射率分布(图12的形状3)后，GeO2的扩散成为主导。在扩散速度比(vF/vG)＝20的情况下，在从W型折射率分布转变为单峰型的折射率分布的过程中，即加热时间超过15分钟时，MFD成为极大值7.5μm(折射率分布如图12的形状2那样变形)，之后，存在相对于加热时间经过MFD减少的时间区域。这是由于形成了MFD锥发生变形的MFD转变部的缘故。
作为避免MFD锥变形的方法之一，可以考虑通过增大凹陷部的F浓度来延长F扩散结束的时间从而使MFD的极大值增大。然而，作为HNLF的重要的光学特性之一的色散值是根据光纤的折射率分布而变化的值。由于在凹陷部的F浓度的变化与Δdep的变化有关，所以F浓度受到限制。即，必须控制凹陷部所含有的有限的F的扩散来避免MFD锥的变形。
另一方面，得出了如下见解：在扩散速度比(vF/vG)＝30(即，加热温度1800℃时)的情况下，能够缩短从W型折射率分布向单峰型折射率分布转变的时间，相对于加热时间的经过，MFD能够单调增大。即，可以认为无需增大凹陷部的F浓度，只要提高加热温度，就能够避免MFD锥的变形。显然，能够如此避免MFD锥变形的扩散速度比(vF/vG)的临界值存在于20至30之间，在本公开的样品中，将扩散速度比(vF/vG)的合理范围设定为22以上且40以下。
基于该见解，在本公开的样品制造中实施的放电条件下进行了熔接(参照图7和图8)。如图7所示，本公开的样品制造中实施的熔接工序中，在与比较例1及比较例2相同的条件下进行。此外，本公开的样品制造中实施的附加放电工序中的附加放电功率相对于在比较例1制造中实施的熔接工序中的主放电功率为65％(比在比较例2制造中实施的附加放电工序中的附加放电功率高出15％的功率)。
其结果是如图8所示，在本公开的样品(曲线G810)中，熔接工序刚结束后的在1550nm波长的每个连接点的连接损耗为0.73dB，与比较例2大致相等。在本公开的样品制造中实施的附加放电工序中，以500秒的附加放电总时间，在1550nm波长的每个连接点的连接损耗为0.24dB(极小值)。在本公开的样品中，与比较例2相比，能够以一半的附加放电总时间使连接损耗进一步降低0.12dB。
另外，在本公开的样品的情况下，使连接损耗减小至以dB表示的理想对接损耗的五分之一以下所需的附加放电总时间为200秒，所述理想对接损耗是根据SMF和HNLF各自的恒定部的MFD失配而计算得到的。添加到本公开的样品的HNLF的凹陷部中的F面积浓度为1.6×106ppm·μm2。F面积浓度的范围优选为0.4×106ppm·μm2以上且3.2×106ppm·μm2以下，进一步优选为0.8×106ppm·μm2以上且2.4×106ppm·μm2以下。
与比较例1的情况同样地，研究了本公开的样品的光纤线路的MFD转变部(图2的结构0中的区域TP中形成的区域)中的光纤长度方向的MFD变化。在图9中示出其结果。本公开的样品与比较例1相比，形成有MFD从-0.3mm的位置向0mm的位置单调增大的MFD锥。因此，至少在本公开的样品制造中实施的附加放电工序中的再加热需要以不使HNLF包层熔融而使HNLF所含有的F(氟)扩散的放电功率持续进行50秒以上。
另一方面，在比较例3制造中，如图7所示，与本公开的样品相比，将附加放电功率设定得更高，相对于比较例1的主放电功率，附加放电功率为75％。关于在比较例3制造中实施的熔接工序，制造条件与比较例1、比较例2和本公开的样品的任一种情况均相同。其结果如图8所示，在比较例3(曲线G830)中，在附加放电总时间200秒时连接损耗变为0.56dB(极小值)，之后连接损耗增大。这可以认为是当将附加放电功率设定得过高时，在附加放电时在光纤的被加热的区域中被加热到光纤发生变形的温度，其结果是难以使连接损耗降低。即，在比较例3的情况下，不能使连接损耗降低到根据恒定部的MFD失配而计算得到的理想对接损耗的五分之一以下。
熔接部的断裂强度高可以是确保模块的长期可靠性的一个重要因素。图13是将评价了本公开的样品及比较例2的光纤线路各自的机械强度特性的结果(对本公开的样品及比较例2的熔接部分的拉伸强度试验结果)以威布尔分布曲线示出的图。在图13中，符号“□”表示与本公开的样品有关的评价结果，符号“〇”表示与比较例2有关的评价结果。直线L1是利用最小二乘法得到的与本公开的样品相关的评价结果的近似直线，直线L2是与比较例2相关的评价结果的近似直线。直线L1和直线L2的倾斜表示评价结果的偏差，倾斜越大，意味着评价结果的偏差越小。
根据图13可知，在本公开的样品中，50％断裂强度(累积断裂概率F＝0.5时的断裂强度)为7.5N(0.77kgf)。另一方面，在比较例2的情况下，50％断裂强度为4.5N(0.46kgf)。因此，拉伸强度试验中的50％断裂强度优选为4.5N以上。可以认为本公开的样品制造与制造比较例2的情况相比，能够缩短附加放电总时间，因此能够实现高断裂强度。即，本公开的样品的光纤线路能够兼顾低连接损耗和高断裂强度。
附图标记说明
10、11、12：SMF(单模光纤)，20：HNLF(高非线性光纤)，31、32：熔接点(熔接端面)，50：金属壳体，101、102：芯部，202：凹陷部，102、203：包层，103、204：覆盖树脂层，300：重涂树脂，400：加强套管，TP：MFD锥形成区域(与MFD转变部一致)，SP：恒定部。

Claims (15)

1.一种光纤线路，具有：
高非线性光纤，其包括：芯部，包围所述芯部并且具有比所述芯部的折射率低的折射率的凹陷部，和包围所述凹陷部并且具有比所述芯部的折射率低且比所述凹陷部的折射率高的折射率的包层，
单模光纤，其与所述高非线性光纤熔融连接，并且包括：芯部，和包围所述芯部并且具有比所述芯部的折射率低的折射率的包层，以及
MFD转变部，其由在所述高非线性光纤和所述单模光纤的熔接点对接的所述高非线性光纤和所述单模光纤二者的端部构成，并且被规定为在沿光纤长度方向100μm距离上所使用波长的模场直径以最大值与最小值之差为0.3μm以上的方式变化的区间，
所述高非线性光纤与所述单模光纤在1550nm波长的连接损耗是理想对接损耗的五分之一以下，所述理想对接损耗是基于所述高非线性光纤和所述单模光纤二者的所述MFD转变部以外的恒定部在1550nm波长的模场直径间的失配而计算得到的，
所述MFD转变部的沿着所述光纤长度方向规定的全长为10mm以下，
在所述高非线性光纤的所述端部中位于所述熔接点的第一面和距所述第一面50μm以上且300μm以下的第二面之间的区域中，所述使用波长的模场直径从所述第二面向所述第一面单调增大，
在所述高非线性光纤的所述端部中所述第一面和距所述第一面50μm的所述第二面之间的所述区域中，氟的扩散速度vF与GeO2的扩散速度vG之比(vF/vG)为22以上且40以下。
2.根据权利要求1所述的光纤线路，其中，
所述高非线性光纤由石英玻璃构成，
在所述高非线性光纤的所述恒定部中，所述芯部不含有作为在1550nm波长使玻璃折射率降低的掺杂物的折射率降低剂，而含有作为在1550nm波长使所述玻璃折射率升高的掺杂物的折射率升高剂，所述凹陷部不含有所述折射率升高剂而含有所述折射率降低剂，所述包层不含所述折射率降低剂。
3.根据权利要求2所述的光纤线路，其中，
在所述高非线性光纤的所述恒定部中，所述芯部含有作为所述折射率升高剂的GeO2，所述凹陷部含有作为所述折射率降低剂的面积浓度为0.4×106ppm·μm2以上且3.2×106ppm·μm2以下的氟。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤线路，其中，
在所述高非线性光纤的所述端部中，所述高非线性光纤的所述包层的外径从所述高非线性光纤的所述恒定部向所述单模光纤的所述恒定部单调地减小或增大。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤线路，其中，
所述MFD转变部的所述全长为2mm以下，
所述MFD转变部中构成所述高非线性光纤的一部分的部分沿所述光纤长度方向规定的长度为1.5mm以下。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤线路，其中，
所述单模光纤是符合ITU-T的G.657.A1标准的光纤。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤线路，其中，
在所述高非线性光纤的所述恒定部中，所述芯部的外径为2.5μm以上且4.0μm以下，所述凹陷部与所述芯部的外径比为1.8以上且3.2以下，所述芯部的最大折射率与所述包层的平均折射率的相对折射率差为1.3％以上且2.0％以下，所述凹陷部的最小折射率与所述包层的平均折射率的相对折射率差为-1.0％以上且-0.5％以下，
所述高非线性光纤的所述恒定部具有：
在1550nm波长为10μm2以上且30μm2以下的有效面积，
在1550nm波长为3.5μm以上且5.0μm以下的所述模场直径，
在1550nm波长为-3.0ps·km-1·nm-1以上且1.5ps·km-1·nm-1以下的波长色散，以及
在1550nm波长为7W-1·km-1以上且20W-1·km-1以下的非线性系数。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤线路，其中，
由所述高非线性光纤的所述端部和所述单模光纤的所述端部构成并且包含所述熔接点的对接区域通过被树脂覆盖或收容于加强套管来保护，
被所述树脂或所述加强套管保护的所述对接区域具有200kpsi以上的强度。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤线路，其中，
所述高非线性光纤和所述单模光纤中的至少一者具有包围所述包层并且含有着色剂的覆盖树脂层，
在所述高非线性光纤和所述单模光纤二者都具有所述覆盖树脂层的结构中，所述高非线性光纤和所述单模光纤的所述覆盖树脂层分别含有颜色彼此不同的着色剂。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤线路，其中，
所述光纤线路在拉伸强度试验中的50％断裂强度为4.5N以上。
11.一种模块，包括：
权利要求1至10中任一项所述的光纤线路；以及
金属壳体，其收容所述光纤线路。
12.一种光纤线路制造方法，包括：
配置工序，将单模光纤的端部相对于高非线性光纤的端部以对接的状态相向配置，所述高非线性光纤包括：芯部，包围所述芯部并且具有比所述芯部的折射率低的折射率的凹陷部，和包围所述凹陷部并且具有比所述芯部的折射率低且比所述凹陷部的折射率高的折射率的包层，
熔接工序，在所述配置工序之后，通过加热使所述高非线性光纤以及所述单模光纤各自的被对接的所述端部熔融，由此将所述高非线性光纤以及所述单模光纤各自的所述端部熔接；以及
附加放电工序，在所述熔接工序之后，为了制造权利要求1至10中任一项所述的光纤线路，对相对于所述高非线性光纤与所述单模光纤的熔接点位于所述高非线性光纤侧的区域通过放电来进行再加热。
13.根据权利要求12所述的光纤线路制造方法，其中，
在所述附加放电工序中，对相对于所述熔接点位于所述高非线性光纤侧的所述区域，以不使所述高非线性光纤的包层熔融并且使所述高非线性光纤所含的氟扩散的放电功率持续再加热50秒以上。
14.根据权利要求12或13所述的光纤线路制造方法，其中，
在所述附加放电工序中，在使加热部相对于被熔融连接的所述高非线性光纤的所述端部和所述单模光纤的所述端部相对移动的同时，对被熔融连接的所述高非线性光纤的所述端部和所述单模光纤的所述端部进行基于放电的再加热。
15.根据权利要求12或13所述的光纤线路制造方法，其中，
在所述附加放电工序中，在沿光纤长度方向的长度为所述包层的外径的1倍以上的范围中进行基于放电的再加热。
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