CN113552666A - 光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有结构不完善少的折射率分布形状的光纤。一种光纤，其由芯、第一包层、第二包层和第三包层构成，前述芯位于中心部且半径为r1，前述第一包层在半径位置r1处与该芯邻接并覆盖其外周、且最外周半径为r2，前述第二包层在半径位置r2处与该第一包层邻接并覆盖其外周、且最外周半径为r3，前述第三包层在半径位置r3处与该第二包层邻接并覆盖其外周。前述第一包层的折射率从内侧向外侧连续且平稳地下降，在半径位置r1处为最大值，在半径位置r2处为最小值。前述第二包层的折射率从内侧向外侧连续且平稳地上升，在半径位置r2处为最小值，在半径位置r3处为最大值。

Description

光纤
技术领域
本发明涉及光通信用光纤，尤其涉及与现有的单模光纤具有同等的截止波长、模场直径、零色散波长等传输特性的同时，弯曲引起的传输损耗小、且各波长下的传输损耗降低的光纤。
背景技术
现有的单模光纤具有如下特征：信号光在光纤的芯部传送，即使光纤为有些弯曲的状态，也能传输信号。一般在单模光纤中，随着其弯曲半径变小，未完全传送而从芯中泄漏的光的比例呈指数增大，表现出传输损耗增加。这就是弯曲损耗。近年来，光纤有可能在以曲率半径15mm以下～10mm的程度弯曲的状态下使用，而另一方面需要更低损耗的光纤。
为了降低弯曲损耗，提高芯的折射率使光更集中于芯是有效的。其可以通过减小模场直径(MFD)来改善。因此，现有技术中多使用约8.2～8.8μm的MFD的光纤。由此，可实现例如在将光纤卷绕于r10mm的芯棒(圆筒)时的弯曲损耗在波长1550nm下为0.5dB/turn以下。
但是，长距离型的光通信中一般使用的ITU-TG.652.D标准的光纤的MFD为8.8～9.6μm左右，因此，将上述这种降低了弯曲损耗的光纤和符合标准的光纤连接时，会存在由于MFD的不同引起的连接损耗增大的问题。
为了解决该问题，专利文献1中公开了通过使用沟槽(trench)型光纤，可设计大的MFD的同时降低弯曲损耗。这是早已公知的技术，但近年来其优秀的弯曲损耗特性受到关注。
但是，在具有沟槽型的折射率分布的光纤的情况下，由于存在玻璃组成大幅变化的界面，因此会在折射率大幅变化的区域中产生残留应力，成为传输损耗增加的原因。该传输损耗由于波长依赖性小，并非由特定的杂质导致的吸收损耗，一般被称为结构不完善损耗。
专利文献2公开了对沟槽的包覆部的斜率进行限定而降低结构不完善损耗的尝试。但是，专利文献2所记载的方法中仅限定了部分包覆，未能充分降低结构不完善损耗。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第4852968号
专利文献2：日本专利第5799903号
发明内容
发明要解决的问题
鉴于上述现有技术，本发明的目的在于提供一种具有结构不完善少的折射率分布形状的光纤。
用于解决问题的方案
本发明的第一方式中的光纤由芯、第一包层、第二包层和第三包层构成，前述芯位于中心部且半径为r1，前述第一包层在半径位置r1处与该芯邻接并覆盖其外周、且最外周半径为r2，前述第二包层在半径位置r2处与该第一包层邻接并覆盖其外周、且最外周半径为r3，前述第三包层在半径位置r3处与该第二包层邻接并覆盖其外周。前述第一包层的折射率从内侧向外侧连续且平稳地下降，在半径位置r1处为最大值，在半径位置r2处为最小值。前述第二包层的折射率从内侧向外侧连续且平稳地上升，在半径位置r2处为最小值，在半径位置r3处为最大值。
本发明中，优选在r为0～r1的范围满足|dΔ(r)/dr|≤0.3％/μm，并且，在r为r1～r2的范围满足|dΔ(r)/dr|≤0.05％/μm，并且，在r为r2～r3的范围满足|dΔ(r)/dr|≤0.1％/μm。
本发明中，优选前述芯具有最大相对折射率差Δ1max，前述第一包层在半径位置r1处具有相对折射率差Δ2且在半径位置r2处具有最小相对折射率差Δ3min，前述第二包层在半径位置r3处具有相对折射率差Δ4，其中，Δ1max＞Δ2，Δ2＞Δ3min，Δ4＞Δ3min，Δ2＝Δ4。
本发明中，优选在前述第一包层与前述第二包层相接的半径位置r2附近，折射率分布形状曲线的斜率由负变为正。
本发明中，优选前述芯中添加的正掺杂物在半径方向具有浓度分布，所述正掺杂物以如下方式添加：使得前述芯的以第三包层的平均折射率为基准的相对折射率差的最大值为0.30～0.50％。
本发明中，优选前述第一包层以及第二包层中添加的负掺杂物以如下方式添加：使得前述第一包层以及第二包层的以第三包层的平均折射率为基准的相对折射率差为-0.20～-0.03％。
本发明中，优选前述正掺杂物为锗和/或氯，负掺杂物为氟。
本发明中，优选光纤在1550nm的波长下具有约小于0.1845dB/km的衰减。另外，优选光纤在施加半径10mm的弯曲时在波长1550nm下的弯曲损耗为0.5dB/turn以下。另外，优选光纤的零色散波长为1300～1324nm。另外，优选光纤在1310nm下的模场直径为8.8～9.6μm。另外，优选光纤以22m的纤长测定的截止波长为1260nm以下。
需要说明的是，上述发明内容并非本发明特征的穷举。另外，这些特征组的进一步组合也可另行构成发明。
发明的效果
根据本发明，能够得到传输损耗低、保持8.8～9.6μm的MFD且弯曲损耗小的光纤。
附图说明
图1示出本实施方式的光纤1的截面结构。
图2示出本实施方式的光纤1的折射率分布结构的一个例子。
图3示出由图2的折射率分布结构计算出的|dΔ(r)/dr|。
附图标记说明
1 光纤
2 芯
3 第一包层
4 第二包层
5 第三包层
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边对本发明的实施方式进行说明。
图1示出了本实施方式的光纤1的截面结构。另外，图2示出了本实施方式的光纤1的折射率分布结构的一个例子。本实施方式的光纤具备与现有的单模光纤相比同等以上的低损耗的传输特性和弯曲损耗。
如图1所示，光纤1具有包含三层包覆结构的沟槽型的折射率分布结构。即，光纤1由芯2、第一包层3、第二包层4和第三包层5构成，前述芯2位于中心部且半径为r1，前述第一包层3在半径位置r1处与该芯2邻接并覆盖其外周、且具有最外周半径r2，前述第二包层4在半径位置r2处与该第一包层3邻接并覆盖其外周、且具有最外周半径r3，前述第三包层5在半径位置r3处与该第二包层4邻接并覆盖其外周。第三包层5的半径位置rf为其外周。第三包层5的外周成为光纤1的最外侧表面。如图2所示，光纤1的折射率分布在芯2、第一包层3以及第二包层4上不存在急剧的折射率变化区域。即，不存在急剧的组成变化区域。
本说明书中，各层的半径如下定义。将纤材中的任意位置(距离中心的距离)r处的折射率设为n(r)。r2为折射率分布中最低折射率的位置。设纤材的外径为rf时，将1/2rf～rf的平均折射率设为n0。r3为折射率分布中，从r2朝向外侧最先达到n(r)＝n0的r。r1为从折射率分布的中心朝向外侧最先达到n(r)＝n0的r。
如图2所示，前述第一包层的折射率从内侧向外侧连续且平稳地下降，在半径位置r1处为最大值，在半径位置r2处为最小值。前述第二包层的折射率从内侧向外侧连续且平稳地上升，在半径位置r2处为最小值，在半径位置r3处为最大值。即，在第一包层和第二包层相接的半径位置r2处附近，折射率分布形状曲线的斜率由负变为正。
另外，各层的相对折射率差如下定义：r的相对折射率差Δ(r)＝100×(n(r)-n0)/n(r)。Δ1max为轮廓内的最大相对折射率差。另外，Δ2＝Δ(r1)，Δ3min＝Δ(r2)，Δ0为Δ(1/2rf)～Δ(rf)的平均相对折射率差。
为了将芯的相对折射率差调整至ITU-TG.652.D规定的MFD内，芯的相对折射率差为0.30～0.50％是理想的。相对折射率差小于0.3％时，与包层的折射率差变小，无法获得规定的弯曲损耗(例如施加半径10mm的弯曲时波长1550nm下的弯曲损耗为0.5dB/turn以下)。另外，成为0.5％以上时，芯部中掺杂物浓度升高，存在由瑞利散射增加引起的传输损耗恶化的担忧。
第一包层和第二包层的相对折射率差设为-0.20～-0.03％是理想的。相对折射率差大于-0.03％时，与芯的折射率差变小，无法获得规定的弯曲损耗(例如施加半径10mm的弯曲时波长1550nm下的弯曲损耗为0.5dB/turn以下)。另外，相对折射率差小于-0.20％时，包层中的负掺杂物浓度升高，存在由瑞利散射增加引起的传输损耗恶化的担忧。
接下来对本发明的单模光纤的制造方法进行说明。首先，用VAD法一体地合成由芯和中间层构成的多孔质玻璃母材。此时，向芯中掺杂用于提升折射率的锗。
此时，通过控制烟灰沉积温度，能够调节玻璃微粒(烟灰)的堆密度。堆密度越高，则在作为后续工序的氟气氛下的烧结工序中越能抑制氟掺杂量。
接着，按照以下步骤烧结该烟灰母材。首先，作为烟灰母材的脱OH处理和氟掺杂处理，在炉内气体Ar＝20L/min、Cl2＝0.5L/min、SiF4＝0.1L/min的混合气体气氛下，以烧结温度1200℃、送入速度10mm/min对烟灰母材全长进行加热处理。接着，作为透明玻璃化处理，在炉内气体He＝20L/min的气体气氛下，以烧结温度1500℃、送入速度5mm/min对烟灰母材全长进行加热处理。
将由此得到的透明玻璃芯母材用玻璃转盘拉伸为规定的直径，使长度方向上的外径一致。此时，在玻璃转盘的氧氢火焰的影响下，OH基会进入母材的表面，但通过将该透明玻璃芯母材浸入氢氟酸水溶液而溶解表面来对其进行去除。需要说明的是，用玻璃转盘拉伸时，其加热源也可使用等离子体火焰。此时，芯母材的表面不会混入OH基，因此可省略基于氢氟酸的处理。
将如此制得的透明芯母材作为对象，实施OVD，得到多孔质母材。接着，对得到的多孔质母材进行烧结，通过使其透明玻璃化而制作光纤母材。通过将得到的光纤母材加热至约2100℃进行拉丝，能够得到直径125μm的光纤。
在此，在光纤中，大量的光在中心位置通过，随着偏离中心位置，光的通过量会变少。但是，一部分传送光也会泄漏至包覆区域。通过减小芯、包覆区域中的折射率变化，可降低结构不完善损耗。本申请中，将折射率变化用|dΔ(r)/dr|、即相对折射率差Δ(r)的半径方向的微分值的大小进行定义而标准化，并且明确了各部位处的|dΔ(r)/dr|的合适值的范围。
图3示出由图2的折射率分布结构计算出的|dΔ(r)/dr|。折射率分布结构可通过以下方式得到：准备直径125μm的光纤，以0.15μm的间距求出相对折射率差Δ(r)，将其绘图。接着，可通过对相对折射率差的径向分布Δ(r)进行微分来求出dΔ(r)/dr。并且，为了不考虑变化的方向(增加或减少)而仅着眼于折射率变化的剧烈程度，取dΔ(r)/dr的绝对值|dΔ(r)/dr|。
以下对各部位的|dΔ(r)/dr|的合适值的范围和为实现前述范围的制造方法上的注意事项进行说明。
首先，|dΔ(r)/dr|(0～r1)优选为0.3％/μm以下。通过使折射率不发生剧烈变化、即通过抑制玻璃组成的大幅变化，可降低结构不完善损耗。
为了降低|dΔ(r)/dr|(0～r1)，优选调整烧结时的送入速度。具体而言，可通过减缓下降速度来促进中心的Ge向包层扩散，降低|dΔ(r)/dr|(0～r1)。另外，也可通过提升脱水时的氯浓度来降低|dΔ(r)/dr|(0～r1)。
|dΔ(r)/dr|(r1～r2)优选为0.05％/μm以下。|dΔ(r)/dr|(r1～r2)大于0.05时，由于急剧的折射率变化，结构不完善损耗会增加。
为了降低|dΔ(r)/dr|(r1～r2)，优选调整烧结时的送入速度。具体而言，可通过减缓送入速度来促进中心的Ge向包层扩散，降低|dΔ(r)/dr|(r1～r2)。另外，也可通过提升脱水时的氯浓度来降低|dΔ(r)/dr|(r1～r2)。另外，也可通过调整脱水时的四氟化硅的浓度来降低|dΔ(r)/dr|(r1～r2)。另外，还可通过将脱水工序和氟掺杂工序分开来降低|dΔ(r)/dr|(r1～r2)。
|dΔ(r)/dr|(r2～r3)优选为0.1％/μm以下。|dΔ(r)/dr|(r2～r3)大于0.1时，由于急剧的折射率变化，导致结构不完善损耗会增加。
为了降低|dΔ(r)/dr|(r2～r3)，优选在脱水工序和玻璃化工序之间插入去除多孔质玻璃母材表面的氟的工序。
实施例
[实施例1-1]
首先，用VAD法一体地合成由芯和中间层构成的多孔质玻璃母材。向芯中掺杂用于提升折射率的锗。在氯气每分钟1升、四氟硅烷气体每分钟0.1升以及Ar气每分钟20升的混合气体流气氛中，将该多孔质玻璃母材加热至约1200℃，以10mm/min送入多孔质玻璃母材，进行脱水和氟掺杂。接着，加热至约1500℃，制成实心的透明玻璃芯母材。需要说明的是，也可使用四氟甲烷、六氟乙烷等来代替四氟硅烷气体。
将该透明玻璃芯母材用玻璃转盘拉伸为规定的直径，使长度方向上的外径一致。此时，在玻璃转盘的氧氢火焰的影响下，OH基会进入表面，但通过将该透明玻璃芯母材浸入氢氟酸水溶液而溶解表面来对其进行去除。需要说明的是，用玻璃转盘拉伸时，其加热源也可使用氩等离子体火焰。此时，芯母材的表面不会混入OH基，因此可省略基于氢氟酸的处理。
将如此制成的由芯、第一包层和第二包层构成的透明芯母材作为对象，实施OVD。对如此得到的多孔质母材进行烧结，通过使其透明玻璃化而制成光纤母材。将得到的母材加热至约2100℃进行拉丝，得到直径125μm的光纤。
[实施例1-2]
首先，用VAD法一体地合成由芯和中间层构成的多孔质玻璃母材。向芯中掺杂用于提升折射率的锗。在氯气每分钟1.5升、四氟硅烷气体每分钟0.12升以及Ar气每分钟20升的混合气体流气氛中，将该多孔质玻璃母材加热至约1200℃，以10mm/min送入多孔质玻璃母材，进行脱水和氟掺杂。其后，作为去除表面的氟的工序，增加在1300℃下加热多孔质玻璃母材1小时的工序。此时，通入He每分钟20升。接着，加热至约1500℃，制成实心的透明玻璃芯母材。然后基于与实施例1-1同样的方法得到光纤。
[实施例1-3]
首先，用VAD法一体地合成由芯和中间层构成的多孔质玻璃母材。向芯中掺杂用于提升折射率的锗。在氯气每分钟2.0升、四氟硅烷气体每分钟0.14升以及Ar气每分钟20升的混合气体流气氛中，将该多孔质玻璃母材加热至约1200℃，以10mm/min送入多孔质玻璃母材，进行脱水和氟掺杂。其后，作为去除表面的氟的工序，增加在1300℃下加热多孔质玻璃母材4小时的工序。此时，通入He每分钟20升。接着，加热至约1500℃，制成实心的透明玻璃芯母材。然后基于与实施例1-1同样的方法得到光纤。
[比较例1-1]
首先，用VAD法一体地合成由芯和中间层构成的多孔质玻璃母材。向芯中掺杂用于提升折射率的锗。在氯气每分钟0.5升、四氟硅烷气体每分钟0.1升以及Ar气每分钟20升的混合气体流气氛中，将该多孔质玻璃母材加热至约1200℃，以10mm/min送入多孔质玻璃母材，进行脱水和氟掺杂。接着，加热至约1500℃，制成实心的透明玻璃芯母材。然后基于与实施例1-1同样的方法得到光纤。
表1中示出了由实施例、比较例得到的光纤1的各种参数。
[表1]
Figure BDA0003035052730000091
实施例1-1中，波长1550nm下的传输损耗为0.1842dB/km，R10×1turn(弯曲半径10mm，1次卷绕)的弯曲损耗为0.27dB，是足够低的值。Ge扩散至第一包层，通过在玻璃化时从表面去除氟，dΔ(r)/dr降低。
实施例1-2中，波长1550nm下的传输损耗为0.1832dB/km，R10×1turn的弯曲损耗为0.31dB，是比实施例1-1更低的值。通过提升脱水时的氯浓度，Ge向第一包层的扩散得到促进，因此|dΔ(r)/dr|(0～r1)以及|dΔ(r)/dr|(r1～r2)降低。另外，通过设置氟的扩散工序，|dΔ(r)/dr|(r2～r3)降低。基于这些因素，结构不完善损耗下降，波长1550nm下的传输损耗变低了。
实施例1-3中，波长1550nm下的传输损耗为0.1820dB/km，R10×1turn的弯曲损耗为0.22dB，是比实施例1-2更低的值。通过提升脱水时的氯浓度，Ge向第一包层的扩散得到促进，因此|dΔ(r)/dr|(0～r1)，|dΔ(r)/dr|(r1～r2)降低。另外，由于延长了氟扩散工序时间，|dΔ(r)/dr|(r2～r3)降低。基于这些因素，结构不完善损耗下降，波长1550nm下的传输损耗变低了。
上述实施例1-1～1-3均落入零色散波长λ0为1300～1324nm的范围。另外，1310nm下的模场直径落入8.8～9.6μm的范围。另外，以22m的纤长测定的截止波长λcc为1260nm以下。这些实施例的各项特性均符合ITU-T G.652.D的推荐。
比较例1中，波长1550nm下的传输损耗为0.1868dB/km，R10×1turn的弯曲损耗为0.25dB，是比各实施例都高的值。

Claims (12)

1.一种光纤，其由芯、第一包层、第二包层和第三包层构成，所述芯位于中心部且半径为r1，所述第一包层在半径位置r1处与该芯邻接并覆盖其外周、且最外周半径为r2，所述第二包层在半径位置r2处与该第一包层邻接并覆盖其外周、且最外周半径为r3，所述第三包层在半径位置r3处与该第二包层邻接并覆盖其外周，其特征在于，
所述第一包层的折射率从内侧向外侧连续且平稳地下降，在半径位置r1处为最大值，在半径位置r2处为最小值；并且，
所述第二包层的折射率从内侧向外侧连续且平稳地上升，在半径位置r2处为最小值，在半径位置r3处为最大值。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，在r为0～r1的范围满足|dΔ(r)/dr|≤0.3％/μm，并且，在r为r1～r2的范围满足|dΔ(r)/dr|≤0.05％/μm，并且，在r为r2～r3的范围满足|dΔ(r)/dr|≤0.1％/μm。
3.根据权利要求1或2所述的光纤，其特征在于，所述芯具有最大相对折射率差Δ1max，所述第一包层在半径位置r1处具有相对折射率差Δ2且在半径位置r2处具有最小相对折射率差Δ3min，所述第二包层在半径位置r3处具有相对折射率差Δ4，其中，
Δ1max＞Δ2，Δ2＞Δ3min，Δ4＞Δ3min，Δ2＝Δ4。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的光纤，其特征在于，在所述第一包层与所述第二包层相接的半径位置r2附近，折射率分布形状曲线的斜率由负变为正。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的光纤，其特征在于，所述芯中添加的正掺杂物在半径方向具有浓度分布，所述正掺杂物以如下方式添加：使得所述芯的以第三包层的平均折射率为基准的相对折射率差的最大值为0.30～0.50％。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的光纤，其特征在于，所述第一包层以及第二包层中添加的负掺杂物以如下方式添加：使得所述第一包层以及第二包层的以第三包层的平均折射率为基准的相对折射率差为-0.20～-0.03％。
7.根据权利要求1～6中的任一项所述的光纤，其特征在于，所述正掺杂物为锗和/或氯，负掺杂物为氟。
8.根据权利要求1～7中的任一项所述的光纤，其特征在于，在1550nm的波长下具有约小于0.1845dB/km的衰减。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的光纤，其特征在于，施加半径10mm的弯曲时在波长1550nm下的弯曲损耗为0.5dB/turn以下。
10.根据权利要求1～9中的任一项所述的光纤，其特征在于，零色散波长为1300～1324nm。
11.根据权利要求1～10中的任一项所述的光纤，其特征在于，在1310nm下的模场直径为8.8～9.6μm。
12.根据权利要求1～11中的任一项所述的光纤，其特征在于，以22m的纤长测定的截止波长为1260nm以下。
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