CN114641714A - 光纤 - Google Patents

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CN114641714A CN202180006220.3A CN202180006220A CN114641714A CN 114641714 A CN114641714 A CN 114641714A CN 202180006220 A CN202180006220 A CN 202180006220A CN 114641714 A CN114641714 A CN 114641714A
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Abstract

本发明涉及的光纤具有芯部(10)、包围芯部的内包层(21)、以及包围内包层的外包层(22)。芯部相对于纯二氧化硅的平均相对折射率差Δ1、内包层相对于纯二氧化硅的平均相对折射率差Δ2、以及外包层相对于纯二氧化硅的平均相对折射率差Δ3满足Δ1＞Δ3≥Δ2的关系。内包层半径r2相对于芯部半径r1的比r2/r1为4.5以上且5.5以下。相对于纯二氧化硅的相对折射率差的最小值Δmin为‑0.030％以上且‑0.010％以下。相对折射率差为最小值Δmin的半径rmin为r1＜rmin＜r2。当将芯部半径r1处的相对折射率差设为Δ(r1)时，(Δmin‑Δ(r1))/(rmin‑r1)为‑0.002％/μm以下。

Description

光纤
技术领域
本发明涉及光纤。本申请要求基于2020年3月17日提出的日本申请第2020-46648号的优先权，引用所述日本申请记载的全部记载内容。
背景技术
在ITU-T(International Telecommunication Union TelecommunicationStandardization Sector，国际电联电信标准化部门)G.657中，规定了耐弯曲性优异的光纤的标准。在该标准中，设想在FTTx(Fiber To The x，光纤到某地)等接入系统中在对弯曲条件要求严格的情况下使用光纤。例如，在ITU-T G.657 A1中，规定了弯曲半径10mm和15mm的弯曲损耗的上限值。在ITU-T G.657 A2中，规定了弯曲半径7.5mm、10mm以及15mm的弯曲损耗的上限值。
为了提高耐弯曲性，已知有采用在包层中具有凹陷结构的折射率分布的方法。根据凹陷结构，能够一边将截止波长限制在规定的波长以下，一边增大芯部和包层的折射率差，因此耐弯曲性提高。在专利文献1中，作为实现凹陷结构的方法之一，公开了在外包层部添加氯(Cl)的方法。
在专利文献2中，公开了通过在芯部与包层间的边界采用折射率从芯部向包层逐渐降低的折射率分布来改善耐弯曲性的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2019/0119143号说明书；
专利文献2：日本特开2017-26698号公报。
发明内容
本发明的一个实施方式的光纤具有芯部、包围芯部的内包层、以及包围内包层的外包层。芯部相对于纯二氧化硅的平均相对折射率差Δ1、内包层相对于纯二氧化硅的平均相对折射率差Δ2、以及外包层相对于纯二氧化硅的平均相对折射率差Δ3满足Δ1＞Δ3≥Δ2的关系。内包层半径r2相对于芯部半径r1的比r2/r1为4.5以上且5.5以下。相对于纯二氧化硅的相对折射率差的最小值Δmin为-0.030％以上且-0.010％以下。相对折射率差为最小值Δmin的半径rmin为r1＜rmin＜r2。当将芯部半径r1处的相对折射率差设为Δ(r1)时，(Δmin-Δ(r1))/(rmin-r1)为-0.002％/μm以下。
附图说明
图1为表示实施方式的光纤的剖面和折射率分布的图。
图2为表示相对折射率差的第一斜率与弯曲损耗的关系的图表。
图3为表示相对折射率差的第二斜率与弯曲损耗的关系的图表。
图4为表示内包层半径相对于芯部半径的比与传输损耗的关系的图表。
具体实施方式
[本发明要解决的问题]
从提高耐弯曲性的观点出发，需要加强将光波封闭到芯部中的能力。也就是说，在凹陷结构中，为了增大芯部和包层的折射率差，需要在芯部和内包层中添加使折射率发生变化的大量的掺杂物。在专利文献1公开的方法中，也需要在外包层部添加大量的Cl。因此，传输损耗恶化。
专利文献2记载的方法实质上等价于增大芯径，光的功率分布与掺杂物的重叠增大。因此，传输损耗恶化。
因此，本发明的目的在于提供一种能够兼顾低弯曲损耗和低传输损耗的光纤。
[本发明的效果]
根据本发明，可以提供一种能够兼顾低弯曲损耗和低传输损耗的光纤。
[本发明的实施方式的说明]
首先列述本发明的实施方式进行说明。一个实施方式的光纤具有芯部、包围芯部的内包层、以及包围内包层的外包层。芯部相对于纯二氧化硅的平均相对折射率差Δ1、内包层相对于纯二氧化硅的平均相对折射率差Δ2、以及外包层相对于纯二氧化硅的平均相对折射率差Δ3满足Δ1＞Δ3≥Δ2的关系。内包层半径r2相对于芯部半径r1的比r2/r1为4.5以上且5.5以下。相对于纯二氧化硅的相对折射率差的最小值Δmin为-0.030％以上且-0.010％以下。相对折射率差为最小值Δmin的半径rmin为r1＜rmin＜r2。当将芯部半径r1处的相对折射率差设为Δ(r1)时，(Δmin-Δ(r1))/(rmin-r1)为-0.002％/μm以下。另外，作为本发明中记载的折射率，能够使用将各半径处的折射率的测量值例如以0.5μm区间进行移动平均后的值。
在上述实施方式的光纤中，由于Δ1＞Δ3≥Δ2，所以能够设置芯部和内包层的相对折射率差。由于比r2/r1为4.5以上，所以能够抑制传输损耗。如果比r2/r1为5.5以下，则能够抑制弯曲损耗。由于折射率分布的斜率(以下称为“第一斜率”。)(Δmin-Δ(r1))/(rmin-r1)为-0.002％/μm以下，所以能够抑制弯曲损耗。因此，能够兼顾低弯曲损耗和低传输损耗。
当将相对于纯二氧化硅的相对折射率差为零的半径设为r0时，在r0≥r1的情况下，斜率(以下称为“第二斜率”。)Δmin/(rmin-r0)也可以为-0.002％/μm以下。
平均相对折射率差Δ2可以为-0.025％以上且-0.010％以下。在此情况下，容易增大芯部和内包层的相对折射率差。
外包层中的氯的平均浓度可以为500wtppm以下。在此情况下，能够抑制Cl引起的发泡。
平均相对折射率差Δ1可以为0.35％以上且0.45％以下。在此情况下，容易增大芯部和内包层的相对折射率差。
半径rmin可以为7μm以上且15μm以下。在此情况下，容易兼顾低弯曲损耗和低传输损耗。
芯部半径r1可以为4μm以上且5μm以下。在此情况下，第一斜率(Δmin-Δ(r1))/(rmin-r1)或第二斜率Δmin/(rmin-r0)容易成为-0.002％/μm以下。
[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子。另外，本发明不限于这些示例，而是由权利要求的范围表示，意在包含与权利要求的范围等同的含义和范围内的所有变更。在附图的说明中，对相同的要素附加相同的标记并省略重复的说明。
如上所述，在凹陷结构中，存在由于在芯部和内包层中添加的大量的掺杂物而使传输损耗恶化的问题。进而，根据本发明人的经验和研究，在专利文献1公开的方法中，有时会由于Cl产生气泡。因此，也存在生产率显著受损的问题。
即使在专利文献2公开的方法中，在芯部添加了Ge等的情况下，将光封闭到芯部中的能力增强，相应地Ge的分布与光功率分布的重叠增大，因此传输损耗也恶化。
图1为表示实施方式的光纤的剖面和折射率分布的图。如图1所示，本实施方式的光纤1具有芯部10和包围芯部10的包层20。图1的剖视图表示与光纤1的中心轴C垂直的剖面。在图1的折射率分布图中，横轴为光纤1的径向位置，纵轴为光纤1相对于纯二氧化硅(SiO2)的相对折射率差。
芯部10由含有Ge的石英玻璃构成。包层20具有包围芯部10的内包层21和包围内包层21的外包层22。内包层21由含有氟(F)的石英玻璃构成。外包层22由实质上不含掺杂物的石英玻璃构成。外包层22中的氯(Cl)的平均浓度以质量分数计为500wtppm以下。
包层20的外径(直径)与外包层22的外径(直径)相等，例如为124μm以上且126m以下。芯部10的半径即芯部半径r1为例如4μm以上且5μm以下。内包层21的半径即内包层半径r2为例如18μm以上且28μm以下。
芯部10相对于纯二氧化硅的平均相对折射率差Δ1、内包层21相对于纯二氧化硅的平均相对折射率差Δ2、以及外包层22相对于纯二氧化硅的平均相对折射率差Δ3满足Δ1＞Δ3≥Δ2的关系。也可以满足Δ1＞Δ3＞Δ2的关系。平均相对折射率差Δ1为例如0.35％以上且0.45％以下。平均相对折射率差Δ2为例如-0.025％以上且-0.010％以下。平均相对折射率差Δ3为例如-0.015％以上且0.035％以下，优选为-0.010％以上且0.010％以下，进一步优选为-0.005以上且0.005％以下。像这样，通过在芯部10与外包层22之间设置内包层21作为折射率低的区域，能够维持期望的截止波长，同时增强基模光波的封闭能力。芯部10与内包层21的边界和内包层21与外包层22的边界通过测量折射率分布来检测出。例如，能够将径向的折射率的测量结果在径向上进行微分，将该微分值为固定值以下的位置作为芯部10与内包层21的边界，将该微分值为固定值以上的位置作为内包层21与外包层22的边界。
光纤1相对于纯二氧化硅的相对折射率差在内包层21中成为最小值Δmin。最小值Δmin为-0.030％以上且-0.010％以下。光纤1相对于纯二氧化硅的相对折射率差为最小值Δmin的半径rmin为例如7μm以上且15μm以下。此外，r1＜rmin＜r2。
为了增强将光波封闭的能力，需要增大Δ1与Δ2的差。即，需要提高Δ1或降低Δ2。通常情况下，为了提高Δ1，使用GeO2作为提高掺杂物，为了降低Δ2，使用F作为降低掺杂物。然而，在任一种情况下，结果都会由于瑞利散射损耗的增加导致传输损耗增加。
因此，在光纤1中，在凹陷(内包层21)的内侧部分(芯部10附近)降低F浓度。由此抑制了瑞利散射，因此抑制了传输损耗的增加。此外，如图1所示，通过在内包层21的芯部10附近降低F浓度，使折射率分布具有斜率。
图2为表示相对折射率差的第一斜率与弯曲损耗的关系的图表。在图2中，横轴为第一斜率(Slope1)，纵轴为弯曲损耗。在此，第一斜率是指内包层21的芯部10附近的折射率分布的斜率，具体而言，定义为半径(径向位置)从r1至rmin之间的折射率分布的斜率。即，当将芯部半径r1处的光纤1相对于纯二氧化硅的相对折射率差设为Δ(r1)时，第一斜率以(Δmin-Δ(r1))/(rmin-r1)表示。此外，这里的弯曲损耗表示将光纤在直径15mm的芯轴上卷绕10次时在波长1550nm的损耗的增加量。
图3为表示相对折射率差的第二斜率与弯曲损耗的关系的图表。在图3中，横轴为第二斜率(Slope2)，纵轴为弯曲损耗。在此，第二斜率也是内包层21的芯部10附近的折射率分布的斜率，具体而言，定义为从相对于纯二氧化硅的相对折射率差为零的半径(径向位置)r0至rmin之间的折射率分布的斜率。即，第二斜率以Δmin/(rmin-r1)表示。
通过适当设计折射率分布的斜率，能够抑制弯曲光纤时的电磁场分布的扩大，因此能够维持耐弯曲性。如图2和图3所示，当第一斜率和第二斜率为-0.002％/μm以下时，弯曲损耗维持在0.03dB/10turn以下。因此，在光纤1中，斜率被设定为-0.002％/μm以下。由此，可抑制弯曲损耗。
如上所述，内包层21由含有F的石英玻璃构成，与此相对，外包层22由实质上不含掺杂物的石英玻璃构成。因此，在内包层21与外包层22的边界产生大的应力差。由此，传输损耗恶化，但是通过设计成内包层21与外包层22的边界远离中心轴C，能够抑制传输损耗的恶化。
图4为表示内包层半径相对于芯部半径的比与传输损耗的关系的图表。在图4中，横轴为内包层半径相对于芯部半径的比r2/r1，纵轴为在波长1550nm的传输损耗。也就是说，图4为表示在波长1550nm的传输损耗与比r2/r1的相关性的图表。如图4所示，通过使比r2/r1为4.5以上，能够使传输损耗为0.184dB/km以下。因此，在光纤1中，比r2/r1设定为4.5以上且5.5以下。由此，抑制传输损耗。
由以上所述可知，根据光纤1，能够兼顾低弯曲损耗和低传输损耗。此外，外包层22中的Cl的平均浓度为500wtppm以下。因此，在光纤1中，能够抑制Cl引起的发泡。因此，能够提高生产率。
[实施例]
以下，示出使用了本发明的实施例和比较例的评价试验的结果，对本发明进一步详细说明。另外，本发明不限定于这些实施例。
表1表示实施例和比较例的光纤的折射率参数、截止波长λcc、以及在1310nm的模场直径(MFD1.31)。
[表1]
Figure BDA0003623472900000071
表2表示实施例和比较例的光纤在波长1550nm的传输损耗(α1.55)和弯曲损耗。在此，弯曲损耗是指将光纤在直径7.5mm的芯轴上卷绕1次时、在直径10mm的芯轴上卷绕1次时、以及在直径15mm的芯轴上卷绕10次时在波长1550nm和波长1625nm的损耗的增加量。
[表2]
Figure BDA0003623472900000081
实验例1至16以及24为实施例。实验例17至23为比较例。在实施例的实验例1至8和比较例的实验例17至21中，在波长1310nm的MFD被包含在8.5μm以上且8.8μm以下的范围中。在实施例的实验例9至16以及24、和比较例的实验例22和23中，在波长1310nm的MFD被包含在9μm以上且9.2μm以下的范围中。
在实验例1至16以及24的光纤中，比r2/r1均被包含在4.5以上且5.5以下的范围中。与此相对，在实验例19的光纤中，比r2/r1小于4.5，在波长1550nm的传输损耗高达0.185dB/km。此外，在实验例20至22的光纤中，比r2/r1均大于5.5，弯曲损耗的各个值高。通常当MFD大时弯曲损耗增大，因此在此使用在波长1310nm的MFD为相同程度的光纤彼此来比较弯曲损耗。即，实验例20和21的光纤与实验例1至8的光纤相比，弯曲损耗的各个值大体上变高。实验例22的光纤与实验例9至16以及24的光纤相比，弯曲损耗的各个值均变高。
在实验例1至16以及24的光纤中，第一斜率(Δmin-Δ(r1))/(rmin-r1)和第二斜率Δmin/(rmin-r0)均为-0.002％/μm以下。在实验例17、18以及23的光纤中，第一斜率(Δmin-Δ(r1))/(rmin-r1)均为-0.001％/μm。此外，在实验例17至实验例21的光纤中，第二斜率Δmin/(rmin-r0)均为-0.001％/μm。在此也是使用MFD为相同程度的光纤彼此来比较弯曲损耗。实验例17、18的光纤与实验例1至8的光纤相比，弯曲损耗的各个值大体上变高。此外，实验例23的光纤与实验例9至16以及24的光纤相比，弯曲损耗的各个值均变高。
在实验例1至16以及24的光纤中，满足ITU-T G.657A1或A2规定的弯曲损耗，同时使在波长1550nm的传输损耗为0.184dB/km以下(α1.55≤0.184dB/km)，能够兼顾低弯曲损耗和低传输损耗。
附图标记说明
1：光纤
10：芯部
20：包层
21：内包层
22：外包层
C：中心轴

Claims (15)

1.一种光纤，其具有芯部、包围所述芯部的内包层、以及包围所述内包层的外包层，
所述芯部相对于纯二氧化硅的平均相对折射率差Δ1、所述内包层相对于纯二氧化硅的平均相对折射率差Δ2、以及所述外包层相对于纯二氧化硅的平均相对折射率差Δ3满足Δ1＞Δ3≥Δ2的关系，
内包层半径r2相对于芯部半径r1的比r2/r1为4.5以上且5.5以下，
相对于纯二氧化硅的相对折射率差的最小值Δmin为-0.030％以上且-0.010％以下，
所述相对折射率差为最小值Δmin的半径rmin为r1＜rmin＜r2，
当将芯部半径r1处的所述相对折射率差设为Δ(r1)时，(Δmin-Δ(r1))/(rmin-r1)为-0.002％/μm以下。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中，当将相对于纯二氧化硅的相对折射率差为零的半径设为r0时，r0≥r1，Δmin/(rmin-r0)为-0.002％/μm以下。
3.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述平均相对折射率差Δ2为-0.025％以上且-0.010％以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤，其中，所述外包层中的氯的平均浓度为500wtppm以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤，其中，所述平均相对折射率差Δ1为0.35％以上且0.45％以下。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光纤，其中，所述半径rmin为7μm以上且15μm以下。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光纤，其中，所述芯部半径r1为4μm以上且5μm以下。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光纤，其中，所述平均相对折射率差Δ1、所述平均相对折射率差Δ2、以及所述平均相对折射率差Δ3满足Δ1＞Δ3＞Δ2的关系。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光纤，其中，所述平均相对折射率差Δ3为-0.015％以上且0.035％以下。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光纤，其中，在直径15mm的芯轴上卷绕10次时的在波长1550nm的损耗的增加量为0.03dB/10turn以下。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光纤，其中，在波长1550nm的传输损耗为0.184dB/km以下。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光纤，其中，所述内包层半径r2为18μm以上且28μm以下。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的光纤，其中，所述内包层由含有氟的石英玻璃构成。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的光纤，其中，在1310nm的模场直径为8.5μm以上且8.8μm以下。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的光纤，其中，在1310nm的模场直径为9μm以上且9.2μm以下。
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