CN114660703A - 光纤和光纤滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由硅基玻璃形成的光纤。光纤具有芯部、包围芯部的光学包层、以及包围光学包层的物理包层。光学包层具有与芯部相接并包围芯部的第一区域。芯部和第一区域添加有光敏材料。第一区域中的光敏材料的浓度为芯部中的光敏材料的浓度的30％以上。在添加了光敏材料的区域对在波长1310nm处的LP₀₁模的光强度进行积分的值为在光纤的全部区域对光强度进行积分的值的87％以上。

Description

光纤和光纤滤波器

技术领域

本发明涉及光纤和光纤滤波器。

本申请要求2020年12月23日提交的日本专利申请第2020-214109号的优先权，基于其内容并参考其全文而加入本说明书。

背景技术

光纤光栅有效地用作在PON(Passive Optical Network，无源光网络)系统中用于进行波长选择终止的监视用滤波器。用于该用途的光纤光栅被称为TFG(terminal fibergrating，终端光纤光栅)。为了实现更大容量的传输，优选仅反射监视用的以1650nm波段为中心±5nm左右的波段，能够传输除该波段以外的波长，例如不仅能够传输C波段(1530nm以上且1565nm以下)而且也能够传输L波段(1565nm以上且1625nm以下)。

WO2019/177114中记载了一种光纤光栅，其能够可靠地反射约1650nm波段的光，同时还能够抑制约1520nm波段的透射损耗。在该光纤光栅中，为了减小芯部与包层的边界部的光纤径向上的折射率变化与传播模式变化的差，折射率分布形状为单峰型且为指数α分布。

[本发明要解决的问题]

在WO2019/177114所记载的光纤光栅中，没有充分降低L波段的透射损耗。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种能够可靠地反射约1650nm波段的光并且能够进一步降低L波段的透射损耗的光纤和光纤光栅。

本发明的一个实施方式的光纤由硅基玻璃形成。光纤具有芯部、包围芯部的光学包层、以及包围光学包层的物理包层。光学包层具有与芯部相接并包围芯部的第一区域。芯部和第一区域中添加有光敏材料。第一区域中的光敏材料的浓度为芯部中的光敏材料的浓度的30％以上。在添加了光敏材料的区域对在波长1310nm处的LP01模的光强度进行积分的值为在光纤的全部区域对光强度进行积分的值的87％以上。

本发明的一个实施方式的光纤滤波器在光纤的芯部中沿长度方向形成了周期性折射率调制。

[本发明的效果]

根据本发明，提供一种能够可靠地反射约1650nm波段的光并且能够进一步降低L波段的透射损耗的光纤和光纤滤波器。

附图说明

图1是表示比较例的光纤光栅的透射特性的图。

图2是图1的局部放大图。

图3是将第一实施方式的光纤的折射率分布与掺杂物的浓度和LP₀₁模的光强度一起表示的图。

图4是表示第一实施方式的光纤光栅的透射特性的图。

图5是将第二实施方式的光纤的折射率分布与掺杂物的浓度和LP₀₁模的光强度一起表示的图。

图6是将第三实施方式的光纤的折射率分布与掺杂物的浓度和LP₀₁模的光强度一起表示的图。

图7是将第四实施方式的光纤的折射率分布与掺杂物的浓度和LP₀₁模的光强度一起表示的图。

图8是将第五实施方式的光纤的折射率分布与掺杂物的浓度和LP₀₁模的光强度一起表示的图。

具体实施方式

首先，列举本发明的实施方式进行说明。一个实施方式的光纤由硅基玻璃形成。光纤具有芯部、包围芯部的光学包层、以及包围光学包层的物理包层。光学包层具有与芯部相接并包围芯部的第一区域。芯部和第一区域中添加有光敏材料。第一区域中的光敏材料的浓度为芯部中的光敏材料的浓度的30％以上。在添加了光敏材料的区域对在波长1310nm处的LP₀₁模的光强度进行积分的值为在光纤的全部区域对光强度进行积分的值的87％以上。

在上述实施方式的光纤中，在波长1310nm处的LP₀₁模的光与添加了光敏材料的区域的重叠比例高。因此，由该光纤制造的光纤光栅能够可靠地反射约1650nm波段的光，并且能够进一步降低L波段的透射损耗。

光学包层还具有包围第一区域的第二区域，第一区域的折射率可以为第二区域的折射率以上。在这种情况下，能够通过第二区域形成沟槽结构。

第一区域的外径d₁与芯部的外径d_CO的比d₁/d_CO可以为1.5以上且3.0以下。在这种情况下，能够避免因紫外线照射而折射率增加的第一区域扩大、光纤剖面内的折射率分布的平坦性被破坏、相对于波长的透射特性变差，和制造成本增加。

光学包层的外径d_CL与芯部的外径d_CO的比d_CL/d_CO可以为2.5以上且4.5以下。在这种情况下，能够减少通过MCVD、PCVD等管内法所制造的部分的比例。

光敏材料可以为GeO₂。

芯部与第一区域的相对折射率差可以为0.36％以上且小于0.41％。

芯部可以含有F。在这种情况下，能够提高芯部中的光敏材料添加量的自由度。

芯部的F浓度可以是使相对折射率降低0.01％以上的量。在这种情况下，Ge在芯部中的添加量按照相对折射率换算能够增加0.01％以上。

芯部可以具有阶跃型的折射率分布形状。在这种情况下，有利于与SMF耦合。

一个实施方式的光纤滤波器是在上述光纤的芯部中沿长度方向形成了周期性折射率调制的光纤滤波器。

在上述实施方式的光纤滤波器中，由于使用本发明的光纤，因此能够可靠地反射约1650nm波段的光，并且能够进一步降低L波段的透射损耗。

[本发明的实施方式的详细内容]

以下，一边参考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，意图包含与权利要求的范围等同的含义及在其范围内的全部变更。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。

例如在JP2003-004926A和JPH11-119041A中记载了作为光纤滤波器的光纤光栅的制造方法。通过对如下光纤照射可提高折射率的特定波长的紫外光，能够增大含有光敏材料的硅基玻璃的折射率，该光纤的芯部和包层两者或其中任一者由含有光敏材料的硅基玻璃形成。作为特定波长的紫外光，使用例如氩离子激光的二次谐波(波长244nm)。在将规定周期的折射率调制光栅刻写到光纤内的方法中，有基于使用了光栅相位掩模的正负一级衍射光进行的曝光、UV激光直接曝光、双光束干渉曝光。其中特别是使用相位掩模的方法可举出以下优点：能够再现性良好地制作同一特性的光栅，与其他方法相比比较容易对准。

制造光纤光栅所使用的光纤的代表性的折射率分布为阶跃型。仅在芯部添加光敏材料，周期性折射率调制仅在芯部。作为光敏材料，代表性的有GeO₂(参考例如JunjiNishii,等,“Ultraviolet-radiation-induced chemical reactions through one-andtwo-photon absorption process in GeO₂-SiO₂ glasses”,OPTICS LETTERS,第20卷,第10号,1995年5月15日,第1184-1186页)。

图1是表示比较例的光纤光栅的透射特性的图。图2是图1的局部放大图。图1和图2的横轴表示波长λ(nm)、纵轴表示透射率(dB)。在图2中，纵轴被放大。比较例的光纤光栅具有：具有阶跃型的折射率分布的芯部，以及围绕芯部周围的包层。光敏材料仅添加在芯部，仅在芯部形成周期性折射率调制。光透射阻断波段的波长为1640nm以上且1655nm以下。在该光透射阻断波段中所要求的以分贝表示的透射率为-30.0dB以下。

在比较例的光纤光栅中，虽然能够在监视用的波段形成所期望的反射，但变成透射率减少的区域向短波长侧偏态分布的特性。因此，在L波段的长波长端(1625nm)附近，光纤光栅的损耗变成不能忽略的程度的大小。为了实现L波段的大容量通信，需要使1625nm波段的透射率大于-1.0dB。在比较例中，产生这样的偏态分布的理由是因为在形成了光栅的区域的长度方向上，存在仅芯部的折射率增加的剖面和折射率未变化的剖面，在这些剖面中LP₀₁模(基模)的形状不同。

为了抑制透射损耗，需要在形成了光栅的区域和未形成光栅的区域使LP₀₁模的光强度分布相等。为此，需要在光纤剖面中LP₀₁模的光传输的整个区域中、即存在LP₀₁模的光强度的整个区域中形成光栅。

在WO2019/177114所记载的光纤光栅中，除了在芯部添加了光敏材料，在与芯部相邻的内包层中也添加了光敏材料。然而，内包层中的光敏材料的浓度比芯部中的光敏材料的浓度低。因此，由紫外线照射引起的内包层的折射率增加比芯部的折射率增加小。结果，芯部-包层间的折射率的差在形成了光栅的区域的长度方向上在折射率增加的剖面和折射率未变化的剖面不同。因此，为了抑制透射损耗，还需要在内包层和芯部使光敏材料的浓度相等。

(第一实施方式)

图3是将第一实施方式的光纤1A的折射率分布与掺杂物的浓度和LP₀₁模的光强度一起表示的图。图3的横轴表示光纤1A的径向位置。图3的纵轴表示光纤1A的相对折射率。光纤1A的相对折射率是以纯二氧化硅的折射率为基准而标准化的折射率。

如图3所示，光纤1A具有芯部10、包围芯部10的光学包层20和包围光学包层20的物理包层30。光纤1A中的芯部10具有阶跃型的折射率分布形状。光纤1A由硅基玻璃形成。

光学包层20具有包围芯部10的环状的第一区域21。在本实施方式中，光学包层20整体由第一区域21形成。第一区域21设置成与芯部10的外周面相接。第一区域21与芯部10相邻。在本实施方式中，第一区域21的外径d₁与光学包层20的外径d_CL相等。外径d_CL与芯部10的外径d_CO的比d_CL/d_CO为2.5以上且4.5以下。

物理包层30设置成与光学包层20的外周面相接。物理包层30与光学包层20相邻。物理包层30例如实质上不含有杂质。物理包层30中的杂质浓度为10ppm以下。

在芯部10和第一区域21中添加有光敏材料。即，芯部10和第一区域21含有光敏材料。作为光敏材料，可举出例如Ge、B，以GeO₂、B₂O₃的形式添加。在本实施方式中，光敏材料为Ge。在第一区域21中还添加有氟(F)。即，第一区域21还含有F。芯部10未添加F。在图3中，按照相对折射率换算来表示光纤1A中的Ge浓度和F浓度。在图3中，Ge浓度用点画线表示，F浓度用双点画线表示。

第一区域21中的光敏材料的浓度为芯部10中的光敏材料的浓度的30％以上。在本实施方式中，第一区域21中的Ge浓度与芯部10中的Ge浓度相等，按照相对折射率换算为ΔGe_1st。因此，第一区域21中的Ge浓度为芯部10中的Ge浓度的100％。由于第一区域21含有F，因此第一区域21的相对折射率比芯部10的相对折射率低。芯部10与第一区域21的相对折射率差(即，芯部10的相对折射率与第一区域21的相对折射率的差)为0.36％以上且小于0.41％。芯部10的相对折射率为例如0.37％以上且小于0.46％。第一区域21的相对折射率为例如大于-0.05％且-0.01％以下。

当以绝对值进行比较时，对第一区域21中的F浓度进行相对折射率换算而得到的ΔF_max大于ΔGe_1st。因此，第一区域21的折射率比物理包层30的折射率低。像这样，在光纤1A中，由于在第一区域21添加了抵消Ge后还有余量的F，因此能够实现被赋予了沟槽结构的阶跃型的折射率分布。沟槽的宽度(沟槽的径向厚度)与第一区域21的宽度(第一区域21的径向厚度)相等。沟槽的宽度为5μm以上且10μm以下。阶跃型的折射率分布有利于与SMF耦合，能够抑制连接损耗。此外，可避免难以控制截止波长(λc)的问题。根据沟槽结构，耐弯曲损耗提高。

在图3中，用虚线表示在波长1310nm处的LP₀₁模的光强度I(r)。在添加了光敏材料的区域对光强度I(r)进行积分的值V1为在光纤1A的全部区域对光强度I(r)进行积分的值V2的87％以上。在本实施方式中，V1为V2的99％以上。即，光强度I(r)的积分值仅在Ge添加区域就为整体的99％以上。V1与V2的比V由下式表示。

由于光敏材料添加在芯部10和第一区域21，所以V1与在芯部10和第一区域21对光强度I(r)进行积分的值相等。更具体而言，V1等于在径向位置的范围为-d1≤r≤d1的径向区域对光强度I(r)进行积分的值。比值V表示LP₀₁模的区域与添加了光敏材料的区域(光敏区域)重叠的比例。

图4是表示第一实施方式的光纤光栅的透射特性的图。在图4中，为了进行比较，用点画线表示比较例的光纤光栅的透射特性。第一实施方式的光纤光栅在光纤1A的芯部10和光学包层20中沿长度方向形成了周期性折射率调制。折射率调制的周期可以在长度方向上连续地变化。

如图4所示，第一实施方式的光纤光栅的透射率从光透射阻断波段(1640nm以上且1655nm以下)向1630nm波段陡峭地上升，在1625nm以下(至少1550nm以上)的波段的透射率增大到-0.2dB以上。

根据图4的结果可知，为了在1625nm以下的波段中谋求低损耗化且损耗平坦化，增大比值V并且使光敏材料的添加量在光敏区域中均匀化是极其有效的。由于在上述比较例中比值V为86％，所以重要的是使比值V超过87％。在阶跃型的光纤1A中，为了使比值V超过87％，需要在芯部10的周围也添加Ge。

为了使光敏材料的添加量在光敏区域中均匀化，在将光敏材料的添加量的最大值设定为ΔGe_1st时使最小值为ΔGe_1st×30％以上是有效的，更有效的是使最小值为ΔGe_1st×60％以上，最有效的是使最小值为ΔGe_1st×80％以上。在第一实施方式中，最小值为ΔGe_1st×99％以上。

如上所述，在光纤1A中，值V1为值V2的87％以上，在波长1310nm处的LP₀₁模的光与添加了光敏材料的区域的重叠比例高。因此，由光纤1A制造的光纤光栅能够可靠地反射约1650nm波段的光，并且能够进一步降低L波段的透射损耗。在光纤1A中，能够使模场直径(MFD)和λc处于设计范围的同时使1625nm波段的透射率大于-1.0dB。

在光纤1A中，芯部10与第一区域21的相对折射率差调节成0.36％以上且小于0.41％。

(第二实施方式)

接下来，以与光纤1A(参考图3)的不同点为中心对第二实施方式的光纤1B进行说明。

图5是将第二实施方式的光纤1B的折射率分布与掺杂物的浓度和LP₀₁模的光强度一起表示的图。如图5所示，光纤1B具有未被赋予沟槽结构的阶跃型的折射率分布形状。在光纤1B中，光学包层20还具有包围第一区域21的环状的第二区域22。在第一区域21中添加有作为光敏材料的Ge，与此相对，在第二区域22中未添加光敏材料。即，第二区域22不含光敏材料。第二区域22中的光敏材料的浓度按照相对折射率换算为0.01％以下。

外径d_CL与外径d_CO的比d_CL/d_CO为2.5以上且4.5以下。更有效的是比d_CL/d_CO为3.0以上且4.0以下。

在本实施方式中，外径d₁与外径d_CO的比d₁/d_CO为1.5以上且3.0以下。第二区域22的外径d₂与外径d_CL相等。

在第二实施方式中，第一区域21的折射率与第二区域22的折射率相等。第二区域22的折射率与物理包层30的折射率相等。在第一区域21中添加有按照相对折射率换算为ΔGe_2nd的Ge。ΔGe_1st为光敏区域中的光敏材料的添加量的最大值，ΔGe_2nd为光敏区域中的光敏材料的添加量的最小值。ΔGe_2nd为ΔGe_1st×30％以上是有效的，更有效的是ΔGe_1st×60％以上，最有效的是ΔGe_1st×80％以上。ΔGe_2nd是充分发挥光敏功能的添加量，为例如0.15％以上(ΔGe_2nd≥0.15％)。

在第一区域21中，添加有按照相对折射率换算为ΔF_1st的F。当以绝对值进行比较时，ΔGe_2nd与ΔF_1st彼此相等，因此相互抵消。因此，第一区域21的相对折射率与第二区域22的相对折射率和物理包层30的相对折射率相等。由此，在光纤1B中能够实现阶跃型的折射率分布。如上所述，阶跃型的折射率分布有利于与SMF耦合。此外，可避免难以控制λc的问题。假设在第一区域21中未添加F的情况下，在芯部10的周围以宽度w₁存在相对折射率为ΔGe_2nd的环状的区域，因此难以控制λc。

在第二实施方式的光纤1B中，值V1也为值V2的87％以上。因此，在由光纤1B制造的光纤光栅中，也能够可靠地反射约1650nm波段的光，并且能够降低L波段的透射损耗。在光纤1B中，由于未被赋予沟槽结构，因此能够削减制造沟槽结构的成本。在例如产品长度短、不需要考虑弯曲损耗的情况下，光纤1B是有效的。

(第三实施方式)

接下来，以与第二实施方式的光纤1B(参考图5)的不同点为中心对第三实施方式的光纤1C进行说明。

图6是将第三实施方式的光纤1C的折射率分布与掺杂物的浓度和LP₀₁模的光强度一起表示的图。如图6所示，在光纤1C中，芯部10的Ge浓度比光纤1B的芯部10的Ge浓度高，按照相对折射率换算为ΔGe_max。在光纤1C中，芯部10含有F以使得芯部10具有所期望的相对折射率ΔGe_1st。芯部10中的F浓度按照相对折射率换算为ΔF_2nd。即，ΔGe_max和ΔF_2nd的绝对值的差为ΔGe_1st。ΔF_2nd为例如-0.05％以上且-0.01％以下。

为了使约1650nm波段的光的透射率为-25dB以下，使ΔGe_max为0.41％以上是有效。ΔF_2nd调节成芯部10的相对折射率的范围为0.36％以上且小于0.41％。例如，在ΔGe_max＝0.41％的情况下，ΔF_2nd为-0.05％以上且-0.01％以下。

在光纤1C中，值V1也为值V2的87％以上。因此，在由光纤1C制造的光纤光栅中，也能够可靠地反射约1650nm波段的光，并且能够降低L波段的透射损耗。

与光纤1C不同，在光纤1A、1B中，芯部10未添加F。因此，将Ge添加量换算成相对于纯二氧化硅的相对折射率的ΔGe_1st，直接贡献给芯部10的相对折射率。为了使MFD和λc处于设计范围，不能够随机地增大芯部10的相对折射率。因此，在光纤1A、1B中，对芯部10的Ge添加量的自由度低。与此相对，在光纤1C中，由于芯部10中添加有F，所以能够在提高了Ge添加量的自由度的同时，谋求光纤制造成本的降低。

在光纤1C中，ΔF_2nd为-0.05％以上且-0.01％以下。因此，能够使芯部10中Ge的添加量仅增加与ΔF_2nd相当的量。在光纤1C中，由于与光纤1B同样地未被赋予沟槽结构，所以能够削减沟槽结构的制造成本。在光纤1C中，比d₁/d_CO也为1.5以上且3.0以下。外径d_CL与外径d_CO的比d_CL/d_CO为2.5以上且4.5以下。

(第四实施方式)

接下来，以与第三实施方式的光纤1C(参考图6)的不同点为中心对第四实施方式的光纤1D进行说明。

图7是将第四实施方式的光纤1D的折射率分布与掺杂物的浓度和LP₀₁模的光强度一起表示的图。如图7所示，在光纤1D中，第二区域22含有F。第二区域22中的F浓度按照相对折射率换算为ΔF_T。由此，第二区域22的折射率比第一区域21的折射率和物理包层30的折射率低。ΔF_T为例如-0.40％以上且-0.20％以下。在光纤1D中，由于像这样在第二区域22中添加有F，所以能够实现被赋予了沟槽结构的阶跃型的折射率分布。第二区域22的宽度w₂为沟槽宽度。沟槽宽度为3.0μm以上且5.5μm以下。

在光纤1D中，值V1也为值V2的87％以上。因此，在由光纤1D制造的光纤光栅中，也能够可靠地反射约1650nm波段的光，并且能够降低L波段的透射损耗。光纤1D的芯部具有阶跃型的折射率分布，因此与SMF的连接和光学特性良好。光纤1D具有沟槽结构，因此能够提高耐弯曲损耗。在光纤1D中，比d₁/d_CO也为1.5以上且3.0以下。外径d_CL与外径d_CO的比d_CL/d_CO为2.5以上且4.5以下。

(第五实施方式)

接下来，以与第四实施方式的光纤1D(参考图7)的不同点为中心对第五实施方式的光纤1E进行说明。

图8是将第五实施方式的光纤1E的折射率分布与掺杂物的浓度和LP₀₁模的光强度一起表示的图。如图8所示，在光纤1E中，第一区域21含有与芯部10相等的Ge。即，第一区域21中的Ge浓度与芯部10中的Ge浓度相等，按照相对折射率换算为ΔGe_max。像这样，对芯部10和第一区域21以折射率增大幅度彼此相等的方式添加Ge，使Ge浓度分布在芯部10和第一区域21中平坦化。例如，在芯部10的相对折射率为0.41％的情况下，第一区域21的相对折射率也为0.41％。

在第一区域21中，添加有按照相对折射率换算为ΔF_max的F。当以绝对值进行比较时，ΔGe_max与ΔF_max彼此相等，因此相互抵消。因此，第一区域21的相对折射率与物理包层30的相对折射率相等。与光纤1D同样地，在光纤1E中第二区域22含有F，因此能够实现被赋予了沟槽结构的阶跃型的折射率分布。第一区域21的F浓度比第二区域22的F浓度高，即ΔF_max＜ΔF_T。

在光纤1E中，值V1也为值V2的87％以上。因此，在由光纤1E制造的光纤光栅中，也能够可靠地反射约1650nm波段的光，并且能够降低L波段的透射损耗。光纤1E具有阶跃型的折射率分布，因此与SMF的连接和光学特性良好。光纤1E具有沟槽结构，因此能够提高耐弯曲损耗。在光纤1E中，比d₁/d_CO也为1.5以上且3.0以下。外径d_CL与外径d_CO的比d_CL/d_CO为2.5以上且4.5以下。

在上述各实施方式中，芯部的折射率分布为阶跃型，但并不限于此，还可以为例如单峰型。在芯部的折射率分布不是阶跃型的情况下，将用半径对作为半径函数的折射率n(r)进行微分的值为最小的位置作为芯部10和光学包层20的边界。

Claims (10)

1.一种光纤，其由硅基玻璃形成，所述光纤具有：

芯部、

包围所述芯部的光学包层、以及

包围所述光学包层的物理包层，

所述光学包层具有与所述芯部相接并包围所述芯部的第一区域，

所述芯部和所述第一区域中添加有光敏材料，

所述第一区域中的所述光敏材料的浓度为所述芯部中的所述光敏材料的浓度的30％以上，

在添加了所述光敏材料的区域对在波长1310nm处的LP₀₁模的光强度进行积分的值为在所述光纤的全部区域对所述光强度进行积分的值的87％以上。

2.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述光学包层还具有包围所述第一区域的第二区域，

所述第一区域的折射率为所述第二区域的折射率以上。

3.根据权利要求2所述的光纤，其中，所述第一区域的外径d₁与所述芯部的外径d_CO的比d₁/d_CO为1.5以上且3.0以下。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的光纤，其中，所述光学包层的外径d_CL与所述芯部的外径d_CO的比d_CL/d_CO为2.5以上且4.5以下。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的光纤，其中，所述光敏材料为GeO₂。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的光纤，其中，所述芯部与所述第一区域的相对折射率差为0.36％以上且小于0.41％。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的光纤，其中，所述芯部含有F。

8.根据权利要求7所述的光纤，其中，所述芯部的F浓度是使相对折射率降低0.01％以上的量。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的光纤，其中，所述芯部具有阶跃型的折射率分布形状。

10.一种光纤滤波器，其在权利要求1～9中任一项所述的光纤的所述芯部中沿长度方向形成了周期性折射率调制。

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