CN112955792A - 光纤 - Google Patents

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Abstract

本公开的一个实施方式涉及传输损耗更低的光纤。该光纤为硅基玻璃形成的光纤，其具有包含中心轴的芯部以及包层。包层包围芯部并且具有比该芯部的折射率低的折射率。芯部含有磷、氯以及氟。芯部还含有碱金属元素或碱土金属元素。在与中心轴正交的该光纤的剖面中，含磷区域的半径Rp与芯部的半径Ra的比Rp/Ra为0.3以上。

Description

光纤
技术领域
本发明涉及光纤。
本申请要求2018年12月13日提交的日本专利申请第2018-233536号的优先权，基于其内容并参照其全文而加入本说明书。
背景技术
为了获得硅基玻璃形成的光纤的低损耗化，已知芯部含有氯(Cl)或者氟(F)的结构、芯部含有钾(K)等碱金属元素的结构等。当光纤母材的芯部含有这些元素时，通过对该光纤母材进行拉丝而得到的光纤的芯部粘性变小。当芯部的粘性变小时促进该芯部的玻璃的重排，因此制造出的光纤的瑞利散射所引起的传输损耗减少。
此外，已知通过芯部进一步含有磷(P)的结构可以得到传输损耗低的光纤(参照专利文献1)。专利文献1记载了在石英玻璃含有适量的磷的情况下，由D2线强度表示的玻璃结构的缺陷减少，该玻璃结构的缺陷减少使传输损耗减少。另一方面，记载了在石英玻璃含有大量的磷的情况下，磷氧化物的红外吸收导致传输损耗变大。记载了在考虑这些情况的平衡时，石英玻璃的合适的磷浓度为0.2％以上且2％以下。在专利文献1中，还记载了能够实现在波长1550nm的传输损耗为0.16dB/km的光纤。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-27050号公报；
专利文献2：日本特表2009-541796号公报。
发明内容
本公开的光纤为硅基玻璃形成的光纤，其具有包含中心轴的芯部以及其包围该芯部的包层。包层具有比芯部的折射率低的折射率。芯部含有磷、氯以及氟。芯部还含有碱金属元素或碱土金属元素。此外，含有磷的含磷区域设定在该光纤内，并且设定为在与中心轴正交的该光纤的剖面中，含磷区域的半径Rp与芯部的半径Ra的比Rp/Ra为0.3以上。
附图说明
图1为表示本公开的一个实施方式涉及的光纤的光纤结构(剖面结构、折射率分布、质量分数分布)的一个例子的图。
图2为试制的13种试样(光纤1至光纤13)各自的参数的汇总表。
图3为绘制了试制的8种试样(光纤1至光纤8)在波长1550nm的传输损耗与比Rp/Ra之间的关系的图表。
图4为绘制了试制的4种试样(光纤10至光纤13)在波长1550nm的传输损耗与芯部中磷的质量分数的平均值之间的关系的图表。
具体实施方式
[本申请发明的实施方式的说明]
本公开提供一种与上述现有技术相比传输损耗更低的光纤。在以下分别具体列举本公开的实施方式的各个内容来进行说明。
(1)作为本公开的一个方面，本公开的光纤为硅基玻璃形成的光纤，具有包含中心轴的芯部以及包围该芯部的包层。包层具有比芯部的折射率低的折射率。芯部含有磷、氯以及氟。芯部还含有碱金属元素或碱土金属元素。此外，含有磷的含磷区域是设定在该光纤内并且沿中心轴设定在该光纤内的区域，其设定为在与中心轴正交的该光纤的剖面中，含磷区域的半径Rp与芯部的半径Ra的比Rp/Ra为0.3以上。
(2)作为本公开的一个方面，比Rp/Ra优选为0.6以上，更优选为1.0以上。此外，作为本公开的一个方面，比Rp/Ra优选为1.4以下。作为本公开的一个方面，芯部所含有的磷的质量分数(mass fraction)的平均值优选为0.005以上(重量浓度的平均值为0.5wt％以上)。作为本公开的一个方面，芯部所含有的磷的质量分数的平均值优选为0.06以下。
(3)作为本公开的一个方面，芯部所含有的碱金属元素或碱土金属元素的质量分数的平均值优选为0.0002以下(重量浓度的平均值为200wt·ppm以下)。此外，作为本公开的一个方面，芯部所含有的碱金属元素或碱土金属元素优选为选自钠、钾、铷以及铯的任一种或者两种以上的组合。
(4)作为本公开的一个方面，在该光纤的剖面中，在夹着距中心轴的距离为半径Ra的芯部/包层界面的两侧0.5μm范围内的磷的质量分数的平均值，与含磷区域内的磷的峰值质量分数的比，优选为0.9以下，更优选为0.8以下。
在以上的该[本公开的实施方式的说明]栏中列举出的各方面，都能够分别适用于其余的所有方面，或者这些其余的方面的所有组合。
[本公开的实施方式的详细内容]
以下，参照附图详细说明本公开的实施方式涉及的光纤的具体结构。另外，本发明不限于这些示例，而是由权利要求的范围表示，应该包含与权利要求的范围等同的含义和范围内的所有变更。此外，在附图的说明中，对相同的要素采用相同的标记并省略重复的说明。
本发明人对光纤的低损耗化进行了深入研究，结果得到了以下见解。在硅基玻璃形成的光纤的芯部含有磷的情况下，不仅磷的质量分数的平均值(磷平均浓度)，含有磷的区域的半径Rp也对光纤的传输损耗产生大的影响。即，为了光纤的低损耗化，将含磷区域的半径Rp设为适当的范围也是重要的。
在含磷区域的半径Rp小于芯部的半径Ra的情况下，不能够在芯部全部区域充分减少玻璃结构的不均匀。因此，不能够充分地减少传输损耗，例如，难以使在波长1550nm的传输损耗小于0.148dB/km。
另一方面，在含磷区域的半径Rp大于芯部的半径Ra的情况下，根据玻璃结构的不均匀、红外吸收造成衰减的增加、含磷区域与非含磷区域的边界附近因粘性差而产生的形变所导致的散射损耗增加之间的平衡，决定了传输损耗。
此外，在含磷区域的半径Rp大于芯部的半径Ra的情况下，由于包层的粘性下降，压缩应力残留在包层内。在这样的状况下，当以相同的制造条件制造光纤时，芯部的压缩应力减少。因此，有时芯部的玻璃结构的不均匀减少得不充分，不能够充分减少传输损耗。
因此，为了光纤的进一步低损耗化，重要的是将含磷区域的半径Rp设定在适当的范围，特别是将含磷区域的半径Rp与芯部的半径Ra的比Rp/Ra设定在适当的范围尤为重要。本公开的实施方式是基于上述本发明人等的见解而完成的。
图1为表示本公开的一个实施方式涉及的光纤100的光纤结构的一个例子的图。在图1中，上层表示光纤100的剖视图，中层表示该光纤100的折射率分布，下层表示该光纤100的磷的质量分数分布。光纤100由硅基玻璃构成，具有包含中心轴的芯部110以及包围该芯部110的外径2Rc的包层120。芯部110具有外径2Ra，其折射率比包层120的折射率大。芯部110含有磷、氯以及氟，在该光纤100内设有外径2Rp的含磷区域130。芯部110还含有碱金属元素或碱土金属元素。以下，在本说明书中将碱金属元素和碱土金属元素两者记作“碱金属元素组”。
芯部110所含有的碱金属元素组的质量分数的平均值为0.0002以下。芯部110所含有的碱金属元素组为选自钠、钾、铷以及铯的任一种或者两种以上的组合。
含磷区域130的半径Rp与芯部110的半径Ra的比Rp/Ra为0.3以上。比Rp/Ra更优选为0.6以上，进一步优选为1.0以上。比Rp/Ra的上限值为1.4。芯部110所含有的磷的质量分数的平均值优选为0.005以上，此外优选为0.06以下。另外，虽然在图1示出了Rp＜Ra的例子，但Rp与Ra的大小关系不限定于Rp＜Ra，既可以为Rp＝Ra也可以为Rp＞Ra。
具有上述光纤结构的光纤例如能够通过对上述专利文献2所记载的扩散法制造出的光纤母材进行拉丝而制造。作为一个例子，光纤母材的芯部由MCVD(Modified ChemicalVapor Deposition，改进的化学气相沉积)法或者PCVD(Plasma Activated ChemicalVapor Deposition，等离子体激活化学气相沉积)法制作。具体而言，在向玻璃管的内壁面添加掺杂物时，向玻璃管的内部供给含有磷、氯、氟以及碱金属元素组的蒸气。通过将该玻璃管熔缩(collapse)来制作芯棒。其后，通过OVD(Outside Vapor Deposition Method，外部气相沉积)法等在芯棒周围添加包层部，制作光纤母材。通过对该光纤母材进行拉丝而得到光纤。
图2是试制的13根试样(光纤1至光纤13)的参数的汇总表。另外，在所有试样中，芯部所含有的碱金属元素组的质量分数的平均值都为0.0002以下。在图2中，依次表示的是各试样的光纤的如下参数：芯部的半径Ra(图中记作“芯部半径Ra”)、含磷区域的半径Rp(图中记作“含P区域半径Rp”)、含磷区域的半径Rp与芯部的半径Ra的比(图中记作“Rp/Ra”)、在波长1550nm的传输损耗α(图中记作“α1.55[dB/km]”)、截止波长(图中记作“截止波长[nm]”)、在波长1550nm的有效剖面面积Aeff(图中记作“Aeff[μm2]”)、芯部所含有的钾的质量分数的平均值(图中记作“芯部内K的质量分数(平均值)”)、芯部所含有的磷的质量分数的平均值(图中记作“芯部内P的质量分数(平均值)”)、在波长1550nm且弯曲直径20mm的弯曲损耗(图中记作“弯曲损耗[dB/m]”)、磷的光纤全部区域(含磷区域)的峰值浓度与夹着芯部/包层界面(半径Ra)的两侧0.5μm的范围的质量分数的平均值的比(图中记作“P的比(半径Ra的位置处的质量分数/峰值质量分数)”)、以及芯部所含有的氟的质量分数的平均值(图中记作“芯部内F的质量分数(平均值)”)。
当设沿半径方向距光纤中心轴(与图1中所示出的中心轴AX)为距离r的位置处的折射率为n(r)时，芯部与包层的边界定义为：在直径20μm以下且相对折射率差为-0.2％以上的范围内，折射率n(r)的微分值最小(最陡的下降梯度)的位置。
当设沿半径方向距光纤中心轴为距离r的位置处的磷的质量分数为P(r)、并且设芯部的半径为c时，芯部的磷的质量分数的平均值由以下的式(1)表示：
[式1]
Figure BDA0003026558110000051
其他元素的质量分数的平均值也同样表示。在测量元素的质量分数时，使用EPMA(Electron Probe Micro Analyzer，电子探针显微分析仪)从光纤的中心轴沿半径方向，对光纤的抛光了的剖面进行测量。测量条件例如设为加速电压为20kV、探针束直径为1μm以下、测量间隔为100nm以下，利用测量值和预先求得的标准曲线求出质量分数。
图3为绘制了试制的8根试样(光纤1至光纤8)在波长1550nm的传输损耗α[dB/km]与比Rp/Ra之间的关系的图表。从该图表可以得知，在比Rp/Ra为0.7以上且0.9以下的范围中，在波长1550nm的传输损耗为0.144dB/km以下的最小的值。在比Rp/Ra为0.4以上且1.2以下的范围中，在波长1550nm的传输损耗为0.148dB/km以下，充分地小。即使在比Rp/Ra为0.3以上的范围中，在波长1550nm的传输损耗也比上述专利文献1所记载的传输损耗小。
在除此以外的比Rp/Ra的范围中，传输损耗无法充分地小。可以认为其原因如下。在含磷区域的半径Rp小的情况(比Rp/Ra小于0.3)下，不能够在芯部的全部区域减少玻璃结构的不均匀。因此，不能够减少传输损耗。在含磷区域的半径Rp大的情况(比Rp/Ra大于1.4)下，包层的粘性下降导致压缩应力残留在该包层内。在该情况下，可以认为这是由于当以相同的制造条件制造光纤时芯部的压缩应力减少。因此，有时不能够充分减少芯部的玻璃结构的不均匀，不能够充分地减少传输损耗。因此，为了将在波长1550nm的传输损耗抑制在0.148dB/km以下，比Rp/Ra优选为0.3以上且1.4以下。
图4为绘制了试制的4根试样(光纤10至光纤13)在波长1550nm的传输损耗α[dB/km]与芯部所含有的磷的质量分数的平均值之间的关系的图表。从该图表可以得知，当芯部所含有的磷的质量分数的平均值逐渐变大时，在波长1550nm的传输损耗逐渐变小，当芯部所含有的磷的质量分数的平均值超过0.04时，传输损耗开始增加。可以认为这是由于玻璃结构的不均匀导致红外吸收变大。
此外，可以得知，夹着半径Ra的位置(芯部/包层界面)的两侧0.5μm的范围的磷的质量分数的平均值与光纤全部区域(与中心轴AX正交的光纤剖面)的磷的峰值质量分数的比越小，越能够减少弯曲损耗。推测这是因为在添加有磷的玻璃区域中折射率上升，导致芯部的折射率分布成为了已知能够减少弯曲损耗的α值大的折射率分布。因此，为了减少弯曲损耗，上述质量分数的比优选为0.9以下，更优选为0.8以下。
传输损耗也取决于芯部所含有的碱金属元素组的质量分数。但是，在图2示出的13根试样(光纤1至光纤13)中，由于芯部所含有的碱金属元素组的质量分数的平均值一律为约0.00003，可以认为其影响较小。在以MCVD或PCVD制作的芯部所含有的氯、氟等各种元素中，有时含有被称作条纹(striae)的折射率不同的不均质部分。然而，在本实施方式的光纤中也含有条纹，但即使含有条纹，对于低传输损耗来说也没有问题。
附图标记说明
100：光纤；
110：芯部；
120：包层；
130：含磷区域。

Claims (10)

1.一种光纤，由硅基玻璃形成，具有：
包含中心轴的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，
所述芯部含有磷、氯以及氟，并且含有碱金属元素或碱土金属元素，
含有所述磷的含磷区域设定为：在与所述中心轴正交的该光纤的剖面中，所述含磷区域的半径Rp与所述芯部的半径Ra的比Rp/Ra为0.3以上。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中，
所述比Rp/Ra为0.6以上。
3.根据权利要求1所述的光纤，其中，
所述比Rp/Ra为1.0以上。
4.根据权利要求1所述的光纤，其中，
所述比Rp/Ra为1.4以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤，其中，
所述芯部所含有的所述磷的质量分数的平均值为0.005以上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光纤，其中，
所述芯部所含有的所述磷的质量分数的平均值为0.06以下。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光纤，其中，
所述芯部所含有的所述碱金属元素或所述碱土金属元素的质量分数的平均值为0.0002以下。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光纤，其中，
所述芯部所含有的所述碱金属元素或所述碱土金属元素为选自钠、钾、铷以及铯的任一种或者两种以上的组合。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光纤，其中，
在所述剖面中，在夹着距所述中心轴的距离为所述半径Ra的芯部/包层界面的两侧0.5μm范围内的所述磷的质量分数的平均值，与所述含磷区域内的所述磷的峰值质量分数的比为0.9以下。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的光纤，其中，
在所述剖面中，在夹着距所述中心轴的距离为所述半径Ra的芯部/包层界面的两侧0.5μm范围内的所述磷的质量分数的平均值，与所述含磷区域内的所述磷的峰值质量分数的比为0.8以下。
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