CN113678039B - 光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明的光纤在长度方向具有相同的结构。该光纤具有芯部和包层，芯部具有含碱金属元素的石英玻璃；包层具有石英玻璃，并在与长度方向垂直的剖面中包围芯部。包层的折射率比芯部的折射率低。包层在剖面中具有圆环形状的内侧包层和圆环形状的外侧包层，内侧包层包含包层的内周面，外侧包层包含包层的外周面。内侧包层含有氟。内侧包层和外侧包层具有彼此不同的折射率。外侧包层含有残余应力为拉伸应力且大小为极大的极大部。极大部与外侧包层的内周面之间的径向距离为10μm以下。
Description
技术领域
本发明涉及光纤。
本申请要求2019年4月10日提交的日本申请第2019-074782号的优先权，并引用所述日本申请所记载的全部记载内容。
背景技术
长距离光通信用的光纤由石英玻璃构成，经过拉丝工序而制造。在拉丝工序中，将作为光纤原料的玻璃母材(预制棒)以一边加热一边对玻璃施加50gf(0.49N)以上的拉伸张力的方式拉长成纤维状。作为要求传输损耗降低的长距离光通信用的光纤，已知有在芯部添加了碱金属元素的光纤(例如参考专利文献1、2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-157726号公报；
专利文献2：日本特开2013-107792号公报。
发明内容
本发明的光纤在长度方向具有相同的结构。该光纤具有芯部和包层，上述芯部具有含碱金属元素的石英玻璃，上述包层具有石英玻璃，并在与长度方向垂直的剖面中包围芯部。包层的折射率比芯部的折射率低。包层在剖面中具有圆环形状的内侧包层和圆环形状的外侧包层，上述内侧包层包含包层的内周面，上述外侧包层包含包层的外周面。内侧包层含有氟。内侧包层和外侧包层具有彼此不同的折射率。外侧包层含有残余应力为拉伸应力且大小为极大的极大部。极大部与外侧包层的内周面之间的径向距离为10μm以下。另外，在本说明书中，只要没有特别说明，假定光纤围绕沿长度方向延伸的中心轴是轴对称的。
附图说明
图1是表示实施方式的光纤的剖面图的图。
图2A是表示在芯部不含有碱金属元素的情况下的残余应力分布的图表。
图2B是表示在芯部含有碱金属元素的情况下的残余应力分布的图表。
图3A是表示碱浓度、第一残余应力差和在波长1550nm的传输损耗的关系的表。
图3B是表示第一残余应力差和在波长1550nm的传输损耗的关系的图表。
图4A是表示拉丝张力和第一残余应力差的关系的表。
图4B是表示拉丝张力和第一残余应力差的关系的图表。
图5A是表示碱浓度和最大拉丝张力的关系的表。
图5B是表示碱浓度和最大拉丝张力的关系的图表。
图6A是表示碱浓度为1ppm和30ppm时的拉丝张力和传输损耗的关系的表。
图6B是表示碱浓度为1ppm和30ppm时的拉丝张力和传输损耗的关系的图表。
图7A是表示应力赋予部的径向位置和在波长1550nm的传输损耗的关系的表。
图7B是表示应力赋予部的径向位置和在波长1550nm的传输损耗的关系的图表。
图8A是表示外侧包层的残余应力的峰值和氢损耗的增加的关系的表。
图8B是表示外侧包层的残余应力的峰值和氢损耗的增加的关系的图表。
图9A是内侧包层和外侧包层的界面的OH浓度为10ppm以上的光纤的残余应力分布。
图9B是内侧包层和外侧包层的界面的OH浓度小于1ppm的光纤的残余应力分布。
图10A是表示第一区域的OH浓度和第二残余应力差的关系的表。
图10B是表示第一区域的OH浓度和第二残余应力差的关系的图表。
图11A是表示氟浓度的差、残余应力的峰值和在1550nm的传输损耗的关系的表。
图11B是表示氟浓度的差和残余应力的峰值的关系的图表。
图11C是表示氟浓度的差和在1550nm的传输损耗的关系的图表。
图12A是表示残余应力的积分值和传输损耗的关系的表。
图12B是表示残余应力的积分值和传输损耗的关系的图表。
具体实施方式
发明要解决的问题
在拉丝工序中，由于光纤的粘度具有因剖面内的组成、温度的分布而引起的不均匀性，所以在光纤的剖面内，在粘度高的区域比粘度低的区域容易产生拉伸张力。该拉伸张力有时会导致在玻璃的分子结构中产生形变，产生因形变导致的散射和玻璃缺陷损耗。当这样的散射和玻璃缺陷损耗在芯部或芯部附近的包层产生时，光纤的传输性能降低。作为抑制这样的传输性能降低的一个方法，可以举出通过在芯部添加降低粘度的碱金属元素来抑制产生形变的方法。然而，即使在芯部添加了碱金属元素的光纤中，有时也会产生形变导致的散射损耗。例如，在通过代替在芯部中添加提高折射率的GeO2而在包层中添加降低折射率的氟(F)来抑制因添加GeO2导致的传输损耗的光纤中，由于在包层中添加的F也会降低粘度，所以有时在芯部或芯部附近的包层中会产生拉伸张力和形变。
因此，本发明的目的在于提供一种能够实现传输损耗降低的光纤。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够实现传输损耗降低的光纤。
[本发明的实施方式的说明]
首先，列举本发明的实施方式进行说明。实施方式的光纤在长度方向具有相同的结构。该光纤具有芯部和包层，上述芯部具有含碱金属元素的石英玻璃，上述包层具有石英玻璃，并在与长度方向垂直的剖面中包围芯部。包层的折射率比芯部的折射率低。包层在剖面中具有圆环形状的内侧包层和圆环形状的外侧包层，上述内侧包层包含包层的内周面，上述外侧包层包含包层的外周面。内侧包层含有氟。内侧包层和外侧包层具有彼此不同的折射率。外侧包层含有残余应力为拉伸应力且大小为极大的极大部。极大部与外侧包层的内周面之间的径向距离为10μm以下。
在上述实施方式的光纤中，能够在极大部中积极地生成玻璃缺陷，使来自环境的氢与玻璃缺陷反应。结果在芯部中抑制了因来自环境的氢与玻璃缺陷反应而产生的氢导致的传输损耗劣化。因此，能够实现传输损耗的降低。以下，将氢导致的传输损耗劣化简称为“氢劣化”。
在温度80℃、含有分压1kPa的氢气的环境中，暴露24小时而造成的在波长1380nm的传输损耗的增加可以为0.0001dB/km以上且0.1dB/km以下。在该情况下，因为抑制了氢劣化，所以能够切实可靠地实现传输损耗的降低。此外，由于即使在更高浓度的氢中也能够使用光纤而不会产生损耗的劣化，所以从氢产生量的观点出发，光缆材料的选择面广泛。其结果是能够实现光缆的低成本化。
极大部的残余应力可以为5MPa以上且30MPa以下的拉伸应力。在该情况下，能够进一步降低传输损耗。
外侧包层可以具有包含外侧包层的内周面的第一区域。第一区域的径向的厚度可以为10μm。第一区域的OH浓度可以为5ppm以下。在该情况下，由于在第一区域切实可靠地形成拉伸张力的极大部，所以能够切实可靠地实现传输损耗的降低。
外侧包层可以具有包含外侧包层的内周面的第二区域。第二区域的径向的厚度可以为0.1μm以上且小于3μm。第二区域中的氟浓度可以比外侧包层的除第二区域以外的区域中的氟浓度低100ppm以上且10000ppm以下。该情况下，在第二区域或者包含第二区域的区域中也切实可靠地形成拉伸张力的极大部，因此能够可靠地实现传输损耗的降低。另外，外侧包层中包含外侧包层的内周面的区域可以是第一区域并且是第二区域。
用从光纤的中心轴起的径向距离的函数表示残余应力，在夹着极大部的上限位置和下限位置之间的区间，以径向距离对上述残余应力进行积分的值可以为20MPa·μm以上且小于120MPa·μm，上述上限位置为自外侧包层的内周面起距离为10μm的位置，上述下限位置为赋予与上限位置的残余应力相等的残余应力的位置。在该情况下，能够进一步降低传输损耗。
[本发明的实施方式的详细内容]
以下，一边参照附图一边说明本发明的光纤的具体例。另外，本发明并不限定于这些示例，而是由权利要求的范围所表示的，意在包含与专利请求的范围等同的含义和范围内的全部变更。在附图的说明中，对相同的要素标注相同的标记，省略重复的说明。
图1是表示实施方式的光纤的剖面图的图。如图1所示，本实施方式的光纤1具有芯部10和包层20。图1的剖面图表示与光纤1的中心轴(光轴)垂直的剖面。光纤1在长度方向具有相同的结构。在此，相同的结构也包含在制造误差范围内不同的结构。也就是说，光纤1在长度方向具有实质上相同的结构。
芯部10以含有碱金属元素的石英玻璃为主成分(基材)。作为碱金属元素可以举出例如钠(Na)、钾(K)、铯(Cs)、铷(Rb)。芯部10例如被设置在光纤1的包含中心轴的区域。芯部10具有外周面10a。芯部10的中心轴例如与光纤1的中心轴一致。芯部10的外径(芯部直径)为例如8μm以上且15μm以下。
包层20以石英玻璃为主成分(基材)。包层20在与光纤1的中心轴方向(长度方向)垂直的剖面中包围芯部10，覆盖芯部10的外周面10a。包层20具有外周面20a和内周面20b。外周面20a构成光纤1的外周面。内周面20b与芯部10的外周面10a相接。包层20的外径(包层直径)与光纤1的外径(纤维直径)相等，例如为124μm以上且126μm以下。包层20的径向的长度(厚度)例如为55μm以上且59μm以下。光纤1的外周面可以被紫外线固化树脂包覆，在本说明书和附图中，只要没有特别说明，则省略了该包覆。如本领域技术人员所公知的，通过包覆能够防止光纤1的外周面产生损伤，并且能够使光纤1的刚性最优化。
包层20具有内侧包层21和外侧包层22。在与光纤1的中心轴方向(长度方向)垂直的剖面中，内侧包层21和外侧包层22均呈圆环形状。内侧包层21和外侧包层22具有彼此不同的折射率。另外，如以下所说明的，在本实施方式中，内侧包层21与外侧包层22相接，但包层20也可以在内侧包层21与外侧包层22之间具有除内侧包层21和外侧包层22以外的包层。
内侧包层21在与光纤1的中心轴方向(长度方向)垂直的剖面中包围芯部10，覆盖外周面10a。内侧包层21具有外周面21a和内周面21b。外周面21a与外侧包层22相接。内侧包层21的内周面21b构成包层20的内周面20b。即，内侧包层21包含内周面20b。内侧包层21为最内层的包层。内侧包层21的外径为例如20μm以上且70μm以下。内侧包层21的径向的厚度为例如5μm以上且30μm以下。在一个例子中，内侧包层21的外径为35μm，其径向的厚度为12.5μm。
外侧包层22在与光纤1的中心轴方向(长度方向)垂直的剖面中包围内侧包层21，覆盖内侧包层21的外周面21a。外侧包层22具有外周面22a和内周面22b。外周面22a构成包层20的外周面20a。即，外侧包层22包含外周面20a。外侧包层22为最外层的包层。外侧包层22的内周面22b与内侧包层21的外周面21a相接。外侧包层22的外径与包层20的外径相等。外侧包层22的径向的厚度为例如27μm以上且53μm以下。在一个例子中，内侧包层21的外径为35μm，外侧包层22的厚度为45μm。
外侧包层22具有包含内周面22b的第一区域。第一区域包围内侧包层21。第一区域的径向的厚度为10μm。第一区域的残余应力为拉伸应力。在本说明书中，在没有特别记载的情况下，残余应力是指拉丝后的纤维在冷却至室温后所残余的应力中，作用在与中心轴方向(纤维的拉丝方向)垂直的剖面的应力的中心轴方向的分量。残余应力为拉伸的情况用正号表示，为压缩的情况用负号表示。残余应力为径向位置的函数，只要没有特别说明，将残余应力的值定义为以直径1μm的区域平均化的值，1μm是典型的残余应力的测量分辨率。进而，只要没有特别说明，在残余应力的方向为拉伸的情况下，将其绝对值称作拉伸应力。外侧包层22的残余应力在第一区域中为极大。即，外侧包层22在第一区域中包含残余应力为拉伸应力且其大小为极大的极大部30。极大部30与内周面22b之间的径向距离为10μm以下。
极大部30的残余应力为例如5MPa以上且30MPa以下的拉伸应力。如后所述，通过使极大部30的残余应力为30MPa以下，可抑制光纤1的传输损耗的恶化。此外，如后所述，通过使极大部30的残余应力为5MPa以上，可抑制芯部10的氢劣化。氢劣化被抑制的结果是，光纤1在温度80℃、含有分压1kPa的氢气的环境中暴露24小时而造成的在波长1380nm的传输损耗的增加为0.1dB/km以下。虽然可能产生0.0001dB/km以上的传输损耗的增加，但在多数用途中并不造成妨碍。
众所周知，氢劣化是使光纤的传输损耗恶化的主要原因。氢劣化通过来自环境的氢分子与玻璃缺陷的反应而产生。来自环境的氢分子是来自树脂等玻璃的外侧环境的氢。玻璃缺陷是由于玻璃受到拉伸应力，结果玻璃分子的键断裂而产生。众所周知，玻璃缺陷特别是光纤的传输损耗随时间劣化的主要原因。由玻璃缺陷而生成的OH基的吸收导致的在波长1380nm的传输损耗的峰随着时间而增加。
在芯部10中，由于受到拉伸应力，玻璃缺陷导致的传输损耗可能增加。因此，在光纤1中设置极大部30作为赋予拉伸应力的应力赋予部，在极大部30积极地使玻璃缺陷生成。由此，来自环境的氢与玻璃缺陷的反应在极大部30增加。设置了极大部30的外侧包层22可以认为是发挥了对芯部10的氢劣化进行了阻隔的阻隔层的作用，能够抑制芯部10的氢劣化。极大部30设置在即使考虑到信号光的扩散、信号光也不会受到影响的程度的充分远离芯部10的位置，例如设置在自芯部10中心起的径向距离为30μm以上的位置。此外，为了避免光纤1的外径过分粗，极大部30设置在自芯部10的外周面10a起径向距离为60μm以下的位置。
通常，为了将光封闭在芯部中传播，需要使包层的折射率比芯部的折射率低。为此，考虑例如在芯部中含有锗(Ge)这样的提高折射率的掺杂物的结构，和例如在包层中含有氟(F)这样的降低折射率的掺杂物的结构。后者的结构也能够应用于例如在芯部中不含有掺杂物的纯石英芯部光纤。当将纯石英芯部的折射率设为no、包层的折射率设为ni时，相对折射率差由式(1)表示。
[式1]
Δ％＝(ni 2-n0 2)/2n0 2×100 (1)
本实施方式的光纤1具有上述后者的结构，在整个包层20中含有1000ppm以上且100000ppm以下的F。由此，包层20的折射率比芯部10的折射率低。在包层20中，至少内侧包层21含有F。包层20的F浓度在内侧包层21中最高。另外，在本发明中，F浓度以F的质量分数、即F的质量相对于整体的质量的比来表述。芯部10与内侧包层21的相对折射率差为0.2％以上。另外，芯部10的折射率与纯石英芯部的折射率同等。
第一区域的OH浓度为5ppm以下。另外，在本发明中，OH浓度以OH的质量分数、即OH的质量相对于整体的质量的比来表述。由此，如后所述，能够在第一区域中形成极大部30。第一区域的OH浓度为例如第一区域的平均OH浓度。
外侧包层22具有包含内周面22b的第二区域。第二区域的径向的厚度为0.1μm以上且小于3μm。第二区域中的F浓度比外侧包层22的除第二区域以外的区域中的F浓度低100ppm以上且10000ppm以下。由此，如后所述，能够形成能抑制光纤1的传输损耗的极大部30。另外，第二区域中的F浓度为例如第二区域中的F浓度的最小值(最低值)。外侧包层22的除第二区域以外的区域中的F浓度为例如外侧包层22的除第二区域以外的区域中的F浓度的最小值(最低值)。
在夹着极大部30的上限位置与下限位置之间的区间，以径向距离对用从光纤1的中心轴起的径向距离的函数表示的残余应力进行了积分的值为20MPa·μm以上且小于120MPa·μm。当将自光纤1的中心轴起的径向距离设为r，残余应力设为P(r)，积分区间设为径向距离r1到r2时，积分值以如下式(2)表示。r1为径向距离的下限值，r2为径向距离的上限值。
[式2]
在此，积分区间的上限位置与第一区域的外缘一致，积分区间的上限位置与内周面22b之间的径向距离为10μm。此外，积分区间的下限位置和上限位置中的残余应力彼此相等。即，P(r1)＝P(r2)。如后所述，通过使设定在这样范围的积分区间内的积分值为20MPa·μm以上且小于120MPa·μm，能够形成能抑制光纤1的传输损耗的极大部30。
图2A是表示在芯部不含有碱金属元素的情况下的残余应力分布的图表。图2B是表示在芯部含有碱金属元素的情况下的残余应力分布的图表。在图2A和图2B中，对于残余应力，用+表示拉伸应力，用-表示压缩应力。在图2A和图2B中，用“A”表示芯部对应的部分，用“B”表示内侧包层对应的部分，用“C”表示外侧包层对应的部分，用“C1”和”C2”表示第一区域对应的部分，用“Δσ”表示第一残余应力差。第一残余应力差是指芯部的残余应力与内侧包层的残余应力的差(芯部的残余应力减去内侧包层的残余应力的值)。
根据图2A和图2B所示的图表，可以预期通过使芯部包含碱金属元素，芯部的粘性降低，芯部的应力成为压缩应力，结果在芯部中不易产生由拉伸应力导致的形变。第一残余应力差通过使芯部包含碱金属元素而降低。然而，如图2B所示，即使在降低了芯部的粘性的情况下，残余应力最低的也不是芯部，而是芯部外侧的内侧包层。因此可知，虽然芯部的残余应力处于不成为拉伸应力的范围内，但与内侧包层的残余应力比较时，有时会向拉伸应力侧突出。
芯部的残余应力向拉伸应力侧突出的原因可以认为是如下理由。即，根据碱金属元素的添加浓度和拉丝速度等制造条件，碱金属元素扩散到包层部。由此，内侧包层含有碱金属元素和最大浓度的F两者。在这样的内侧包层中粘性最低。可以认为由于芯部相对硬，所以有时在拉丝工序中，纤维在冷却的过程中会受到拉伸应力。
接下来，通过改变碱浓度来改变第一残余应力差，考察了第一残余应力差与传输损耗的关系。碱浓度是指芯部的平均碱金属元素浓度。另外，在本发明中，碱金属元素浓度以碱金属元素的质量分数、即碱金属元素的质量相对于整体的质量的比来表述。图3A是表示碱浓度、第一残余应力差和在波长1550nm的传输损耗的关系的表。图3B是表示第一残余应力差和在波长1550nm的传输损耗的关系的图表。在此，将拉丝前的母材阶段的芯部中存在碱金属元素的区域的直径(添加直径)设为芯部直径的20％。
添加了碱金属元素的芯部的合成可以参考例如专利文献1的方法，通过扩散法进行。扩散法是通过对预先准备的玻璃管一边供给碱蒸气一边从外侧加热而将碱金属元素扩散添加到玻璃内的方法。添加直径的调整能够通过例如利用套管热熔技术(コラプス法)在芯部的外侧赋予成为第二芯部的不含有碱金属元素的玻璃来实施。添加直径的调整也能够通过将添加了碱金属元素的芯部切削来实施。
在此，作为碱金属元素添加了K。在添加除K以外的碱金属元素的情况下，能够通过根据碱金属元素的扩散速度来改变添加直径，使第一残余应力差为与添加了K的情况相同的程度。在例如将Rb作为碱金属元素以添加直径80％进行添加来制造光纤的情况下，第一残余应力差为15MPa，传输损耗也与添加了K的情况相同。由此可以认为，第一残余应力差与传输损耗之间存在相关而与添加元素无关。
根据图3A和图3B所示的表和图表可知，在第一残余应力差大于15MPa的情况下，传输损耗恶化。由于没有足够的测量精度，难以测量小于5Mpa的第一残余应力差。然而，第一残余应力差越小，芯部的粘性与内侧包层的粘性的差越小，因此可以认为能够减小传输损耗。
作为如上述那样防止对芯部施加拉伸应力的方法，可以考虑例如将拉丝张力抑制得低的方法。图4A是表示拉丝张力和第一残余应力差的关系的表。拉丝张力是在拉丝时对玻璃部分施加的张力。图4B是表示其关系的图表。在此，使用了碱浓度为1ppm的母材。
根据图4A和图4B所示的表和图表可知，通过将拉丝张力设为100g以下，能够使第一残余应力差为15MPa以下。可以认为，在碱浓度高的情况下，能够以更宽的拉丝张力的范围来实现第一残余应力差为15MPa以下。例如，如果碱浓度为30ppm，即使拉丝张力为150g也能够使第一残余应力差为15MPa以下，如果碱浓度为15ppm，即使拉丝张力为130g也能够使第一残余应力差为15MPa以下。像这样，碱浓度与第一残余应力差为15MPa以下的拉丝张力的最大值(最大拉丝张力)之间呈正相关。
图5A是表示碱浓度和最大拉丝张力的关系(即最大拉丝张力的碱浓度依赖性)的表。图5B是表示其关系的图表。根据图5A和图5B所示的表和图表，可以推测出如果拉丝张力为100g以下，无论碱浓度如何，可以实现第一残余应力差为15MPa以下。
图6A是表示碱浓度为1ppm和30ppm时的拉丝张力和传输损耗的关系的表。图6B是表示其关系的图表。如图6A和图6B所示，在拉丝张力小于20g以下时，无论碱浓度如何，传输损耗都迅速增加。当拉丝张力过低时，由于在拉丝工序中纤维振动，所以纤维直径不稳定。可以推测其结果是传输损耗恶化。因此，碱浓度为1ppm以上的光纤的拉丝张力，无论碱浓度如何，可以设定成20g以上且100g以下。
然而，像这样以低的拉丝张力实施拉丝工序时，需要提高母材的加热温度，或者减慢拉丝速度。因此，生产效率可能降低。于是，在本实施方式的光纤1中，由多个包层构成包层20，使最外层的包层即外侧包层22作为赋予了拉伸应力的应力赋予层发挥作用。例如，通过降低外侧包层22的F浓度，能够提高外侧包层22的粘性而将其设为应力赋予层。而且外侧包层22具有粘性不同的界面，由此能够抑制碱金属元素的扩散(参考专利文献2)。
在外侧包层的残余应力在整个外侧包层为均匀(平坦)的情况下(例如，外侧包层内的残余应力的最大值和最小值的差为5MPa以下的情况下)，能够抑制在芯部中产生形变。然而，不能够形成对后述的玻璃缺陷损耗进行阻隔的阻隔层。因此，来自于玻璃缺陷的传输损耗增加。
例如，在通过不含F的纯石英形成了外侧包层的情况下，在整个外侧包层，残余应力成为拉伸应力。因此，拉伸力分散在整个外侧包层，单位截面积的拉伸应力变小。因而，在外侧包层中，残余应力成为低拉伸应力，没有形成残余应力的峰(极大)，没有阻隔层的效果。因此，考虑需要通过在外侧包层中添加一些添加物对层内赋予粘性差来设置应力的峰。
作为添加物，可以举出氯(Cl)或F。由于Cl提高了包层的折射率，所以包层的折射率比芯部的折射率高，光有可能泄露到包层。在Cl的添加量(即包层的Cl浓度)超过5000ppm的情况下，外侧包层的粘性变低，芯部受到拉伸应力。因此，Cl的添加量能够设定在5000ppm以下。另外，在本发明中，Cl浓度以Cl的质量分数、即Cl的质量相对于整体的质量的比来表述。Cl的添加量可以为3000ppm以下。在该情况下，能够在外侧包层形成赋予了更高拉伸应力的应力赋予部。但是，如后所述，通过在外侧包层内设置100ppm以上的浓度差，能够形成可降低传输损耗的应力赋予部。
为了降低传输损耗，有时会实施加热工序，即用加热炉对拉丝工序中从拉丝炉拉出后的纤维进行再加热(参考日本特开2014-114195号公报)。根据这样的加热工序，特别是在应力赋予部仅形成在比外侧包层的径向中间靠外侧的情况下，应力赋予部有可能再次熔解而对芯部施加拉伸应力。因此，应力赋予部可以形成在比外侧包层的径向中间靠内侧的位置。
图7A是表示应力赋予部的径向位置和在波长1550nm的传输损耗的关系的表。图7B是表示其关系的图表。径向位置根据应力赋予部与外侧包层的内周面之间的径向距离来确定。应力赋予部的位置例如是残余应力为拉伸应力且其大小为极大的位置。在此，外侧包层的径向的厚度(外侧包层的厚度)为50μm。
如图7A和图7B所示，当应力赋予部和外侧包层的内周面之间的径向距离超过10μm时，随着径向距离增加，传输损耗恶化。特别是在径向上自外侧包层的外周面起的10μm以内的范围(应力赋予部和外侧包层的内周面之间的径向距离为40μm以上且50μm以下的范围)有应力赋予部的情况下，传输损耗急剧恶化。可以认为这是因为在上述加热工序中应力赋予部再次熔解，应力赋予部的残余应力被释放，由此在芯部中产生了拉伸形变。
外侧包层的厚度为根据内侧包层的厚度和折射率而被最优化的值，并不限于50μm。但是，外侧包层的厚度越厚，作为添加物的F浓度低的区域越广，因此能够以低成本生产纤维。另一方面，当外侧包层的厚度超过60μm时，在将包层外径固定为125μm的情况下，应力赋予部接近芯部，因此在芯部中传播的信号光的扩展的一部分到达应力赋予部。因此，受到在应力赋予部产生的玻璃缺陷损耗的影响，传输损耗可能恶化。在外侧包层的厚度小于10μm的情况下，由于上述加热工序，应力赋予部再次熔融。因此，外侧包层的厚度需要为10μm以上。
在将外侧包层的厚度设为60μm而进行了同样的研究的情况下，直到应力赋予部和外侧包层的内周面之间的径向距离为15μm，传输损耗都没有恶化。由此可以推测，在径向距离小于10μm的情况下，无论外侧包层的厚度如何，都能够抑制传输损耗的恶化。
图8A是表示外侧包层的残余应力的峰值和氢损耗的增加的关系的表。图8B是表示其关系的图表。外侧包层的残余应力的峰值(极大值)是应力赋予部的残余应力。氢损耗的增加是在氢劣化试验前后的在波长1380nm的传输损耗(吸收损耗)的变化。在氢劣化试验中，光纤在温度80℃、含有分压1kPa的氢气的环境中暴露24小时。在此，外侧包层从自芯部起的径向距离为30μm的位置开始。应力赋予部被设置在自外侧包层的内周面起的径向距离为10μm以下的位置。
如图8A和图8B所示，当峰值(极大值)为0MPa以上时，氢劣化被大幅抑制。进而，当峰值为5MPa以上时，氢劣化降低至不能够测量的级别。另一方面，当峰值超过30MPa时，传输损耗恶化。推测这是因为拉伸应力过强，由此玻璃缺陷的生成量变得过多。即，推测这是因为即使在外侧包层的自芯部起的径向距离为30μm的情况下，仅稍许扩散了的信号光也受到缺陷损耗的影响而使传输损耗恶化。
作为形成由多个不同折射率构成的包层的方法，有对包含芯部的内侧包层的玻璃棒喷射玻璃微粒而形成了松散体之后进行烧结的方法。然而，在该方法中，在合成了母材之后，添加了在玻璃棒表面形成松散体时所利用的燃烧器火焰带来的水分。该水分在拉丝工序中也向外侧包层的方向扩散，因此有时在内侧包层和外侧包层的界面附近的OH浓度变高。在对这样的玻璃母材进行拉丝的情况下，界面附近的粘性局部地降低。因此，在外侧包层中，内周面侧的残余应力降低。
图9A为内侧包层和外侧包层的界面的OH浓度为10ppm以上的光纤的残余应力分布。图9B为内侧包层和外侧包层的界面的OH浓度为1ppm以下的光纤的残余应力分布。在图9A和图9B中，对于残余应力，用+表示拉伸应力，用-表示压缩应力，用虚线表示界面的位置。
在图9B的光纤中，不使用沉积法形成包层，而是通过套管热熔技术(コラプス法)赋予预先添加了F的外侧包层来合成光纤母材，将光纤母材进行拉丝来获得上述光纤。在通过套管热熔技术(コラプス法)来合成光纤母材的过程中，首先，准备预先添加了F的玻璃管，将包含芯部的内侧包层的玻璃棒插入玻璃管。接下来，通过一边真空排气一边进行套管热熔(コラプス)来使玻璃管和玻璃棒一体化，合成在芯部含有K的光纤母材。也可以不通过套管热熔技术(コラプス法)合成光纤母材，而是将包含芯部的内侧包层的玻璃棒插入玻璃管，在一体化的同时进行拉丝。
在图9A的光纤中，残余应力在界面附近降低，外侧包层的残余应力朝内侧包层单调地降低。另一方面，在图9B的光纤中，在外侧包层中在自内侧包层起的径向距离为10μm以内的位置形成应力赋予部。
图10A是表示第一区域的OH浓度和第二残余应力差的关系的表。图10B是表示其关系的图表。第二残余应力差是指第一区域的残余应力和外侧包层的厚度方向的中心部的残余应力的差(第一区域的残余应力减去外侧包层的厚度方向的中心部的残余应力的值)。在此，外侧包层的厚度为60μm。OH浓度通过显微红外分光法设为直径10μm左右的点的平均值。
如图10A和图10B所示，在第一区域的OH浓度高于10ppm的情况下，第二残余应力差为负值。也就是说，第一区域的残余应力比外侧包层的厚度方向的中心部的残余应力小，无法在第一区域形成应力赋予部。另一方面，在第一区域的OH浓度为1ppm以下的情况下，第二残余应力差不受OH浓度的影响，固定为5MPa。也就是说，第一区域的残余应力比外侧包层的厚度方向的中心部的残余应力大5MPa。此外，在第一区域的OH浓度为5ppm以下的情况，第二残余应力差为2MPa以上。也就是说，第一区域的残余应力比外侧包层的厚度方向的中心部的残余应力大2MPa以上。
图11A是表示F浓度的差、残余应力的峰值和在1550nm的传输损耗的关系的表。图11B是表示F浓度的差和残余应力的峰值的关系的图表。图11C是表示F浓度的差和在1550nm的传输损耗的关系的图表。F浓度的差是指在径向上自外侧包层的内周面起的小于3μm的区域的F浓度的最小值和在径向上自外侧包层的内周面起的3μm的位置的F浓度的差(在径向上自外侧包层的内周面起的3μm的位置的F浓度减去在径向上自外侧包层的内周面起的小于3μm的区域的F浓度的最小值的值)。残余应力的峰值是指第一区域的残余应力的峰值。内侧包层和外侧包层的界面的OH浓度为1ppm以下。
如图11A～图11C所示，在F浓度的差为100ppm以上的情况下残余应力的峰值为5MPa以上，传输损耗也示出低的值。另一方面，在F浓度的差为3000ppm以上的情况下残余应力的峰值为30MPa以上，传输损耗急剧恶化。
F是降低玻璃的粘性的掺杂物。因此，在包层的F浓度具有朝光纤的中心轴单调增加的分布的情况下，不能够在外侧包层的第一区域形成应力赋予部。在第一区域形成应力赋予部需要F浓度在第一区域中比外侧包层的其他区域低。在F浓度低的区域的直径超过3μm的情况下，不仅残余应力，相对折射率差自身的峰也表现出像芯部那样的封闭信号的作用，可以认为对信号的传输特性造成了截止波长的长波长化以及弯曲损耗的恶化等的影响。因此，F浓度低的区域的直径需要设为3μm以下。此外，F浓度低的区域的F浓度的最小值需要比其外侧区域的F浓度的最小值低100ppm以上。
图12A是表示残余应力的积分值与传输损耗的关系的表。图12B是表示其关系的图表。如图12A和图12B所示，在残余应力的积分值为20MPa·μm以上的情况下形成足够的应力赋予部，能够保持较低的传输损耗。另一方面，可以得知在残余应力的积分值为120MPa·μm以上的情况下，传输损耗再次恶化。推测这是因为应力赋予部的形变过大，引起缺陷损耗造成传输损耗的恶化。
将上述积分区间(r1≤r≤r2)的残余应力P(r)的图表制成将P(r1)、P(r)的峰值P和P(r2)用直线连结成的三角形状，并将峰值设为30MPa，计算出的积分值为150MPa·μm，即120MPa·μm以上。另外，r2表示自外侧包层的内表面起10μm的位置，r1是P(r1)＝P(r2)的位置。
像这样积分值为120MPa·μm以上，推测是因为在使用以下的式(3)对赋予残余应力的极大值Pmax的半径rmax周边的残余应力分布进行了近似的情况下，当指数α为1以上、积分值大于三角形的面积的分布时，不存在应力的急剧变化，没有形成足够的应力赋予部。因此，作为应力赋予部的分布形状，能够将α设为小于1。像这样应力赋予部不仅需要规定峰值那样的值，还需要规定面积值(即积分值)和指数α的分布。另外，在式(3)中，a为积分区间的上限位置和内周面22b之间的径向距离10(μm)，b用以下的式(4)表示。
[式3]
P(r)＝Pmax·(1-b·[(r-rmax)/a]α) (3)
[式4]
b＝(1-[P(r1)/Pmax])·[a/(r1-rmax)]α (4)
附图标记说明
1：光纤；
10：芯部；
10a：外周面；
20：包层；
20a：外周面；
20b：内周面；
21：内侧包层；
21a：外周面；
21b：内周面；
22：外侧包层；
22a：外周面；
22b：内周面；
30：极大部。
Claims (4)
1.一种光纤，其在长度方向具有相同的结构，
所述光纤具有芯部和包层，
所述芯部具有含碱金属元素的石英玻璃，
所述包层具有石英玻璃，并在与所述长度方向垂直的剖面中包围所述芯部，
所述包层的折射率比所述芯部的折射率低，
所述包层在所述剖面中具有圆环形状的内侧包层和圆环形状的外侧包层，
所述内侧包层包含所述包层的内周面，所述外侧包层包含所述包层的外周面，
所述内侧包层含有氟，
所述内侧包层和外侧包层具有彼此不同的折射率，
所述外侧包层含有残余应力为拉伸应力且其大小为极大的极大部，
所述极大部与所述外侧包层的内周面之间的径向距离为10μm以下，
在温度80℃、含有分压1kPa的氢气的环境中暴露24小时而造成的在波长1380nm的传输损耗的增加为0.0001dB/km以上且0.1dB/km以下，
所述外侧包层具有包含所述外侧包层的内周面的第二区域，
所述第二区域的径向的厚度为0.1μm以上且小于3μm，
所述第二区域中的氟浓度比所述外侧包层的除所述第二区域以外的区域中的氟浓度低了100ppm以上且低了不到3000ppm。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述极大部的残余应力为5MPa以上且30MPa以下的拉伸应力。
3.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述外侧包层具有包含所述外侧包层的内周面的第一区域，
所述第一区域的径向的厚度为10μm，
所述第一区域的OH浓度为5ppm以下。
4.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，
用从所述光纤的中心轴起的径向距离的函数表示残余应力，在夹着所述极大部的上限位置和下限位置之间的区间，以径向距离对所述残余应力进行了积分的值为20MPa·μm以上且小于120MPa·μm，所述上限位置为自所述外侧包层的内周面起的距离为10μm的位置，所述下限位置为赋予与所述上限位置中的残余应力相等的残余应力的位置。
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