CN116710821A - 光纤 - Google Patents
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Abstract
一种光纤，具备由二氧化硅玻璃构成的芯(10)、和包围芯(10)并由二氧化硅玻璃构成的包层(20)。对芯照射波长532nm的激发光而得的拉曼散射光谱中的拉曼散射光ω4(T0)的峰的中心波数kω4与半值半宽kH4的积为38000cm‑2以下。
Description
技术领域
本公开涉及光纤。
本申请要求基于2020年1月7日提出的日本申请第2021-001521号的优先权，并援引了所述日本申请中记载的全部记载内容。
背景技术
作为瑞利散射小且传输损耗低的光纤，已知有具备含有碱金属元素的芯的光纤(例如，专利文献1)。当光纤母材的芯部含有碱金属元素时，在对光纤母材进行拉丝时，可以降低芯部的粘性，从而缓和石英玻璃的网状结构。由此，光纤内的玻璃的假想温度降低，能够降低光纤的传输损耗。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2005-537210号公报
专利文献2：日本特开2016-130786号公报
非专利文献
非专利文献1：R.P.Wang et al.,“Fluorine-doping concentrationand fictivetemperature dependence of self-trapped holes in glasses”,J.Appl.Phys.98,023701(2005)
非专利文献2：D.J.Little et al.,“Femtosecond laser modificationof fusedsilica:the effect of writing polarization on Si-O ring structure”,Opt.Express16,24,20029,(2008)
发明内容
本公开的光纤具备由二氧化硅玻璃构成的芯、和包围芯并由二氧化硅玻璃构成的包层，对芯照射波长532nm的激发光而得的拉曼散射光ω4(T0)的峰的中心波数kω4与半值半宽kH4的积为38000cm-2以下。
附图说明
[图1]图1为实施方式涉及的光纤的剖面图。
[图2]图2为示出二氧化硅玻璃的拉曼散射光谱的图。
[图3]图3为示出中心波数kω4与半值半宽kH4的关系的图。
[图4]图4为示出积kω4×kH4与强度比Iratio的关系的图。
[图5]图5为示出传输损耗与积kω4×kH4的关系的图。
具体实施方式
[本公开所要解决的课题]
除了瑞利散射以外，红外吸收和基于OH基团的吸收也有助于作为通信频带使用的近红外区域中的光纤的传输损耗增加。红外吸收所引起的传输损耗随着红外吸收峰向短波长侧位移和红外吸收峰的半值宽的增加而增加。在非专利文献1中记载了由于添加元素的不同而产生红外吸收峰的波数位移的情况。红外吸收峰的位置和半值宽受Si-O键的强度和键角的影响较大，因此对添加元素的种类和添加量、以及玻璃的结晶转变敏感地产生反应。因此，即使在假想温度低的情况下，通过部分地结晶化和添加元素的分布也不一定能够降低红外吸收所引起的传输损耗，从而传输损耗可能会劣化。
本公开的目的在于提供传输损耗低的光纤。
[本公开的效果]
根据本公开，能够提供传输损耗低的光纤。
[本公开的实施方式的说明]
首先，列举本公开的实施方式并进行说明。一个实施方式涉及的光纤具备由二氧化硅玻璃构成的芯、和包围芯并由二氧化硅玻璃构成的包层，对芯照射波长532nm的激发光而得的拉曼散射光ω4(T0)的峰的中心波数kω4与半值半宽kH4的积为38000cm-2以下。
在上述光纤中，能够降低传输损耗。
在上述光纤中，半值半宽kH4可以为36cm-1以下。在这种情况下，拉曼散射光ω4(T0)的峰的中心波数kω4与半值半宽kH4的积容易成为38000cm-2以下。
在上述光纤中，中心波数kω4可以为1070cm-1以下。在这种情况下，拉曼散射光ω4(T0)的峰的中心波数kω4与半值半宽kH4的积容易成为38000cm-2以下。
在上述光纤中，芯可以含有碱金属元素。在这种情况下，由于抑制了瑞利散射，因此能够进一步降低传输损耗。
[本公开的实施方式的详细情况]
以下，参照附图对本公开的光纤的具体例进行说明。需要说明的是，本发明不限于这些示例，而是由权利要求书表示，并且意图包括与权利要求书等同的含义和范围内的所有变更。在附图的说明中，对相同的要素标注相同的符号，并省略重复的说明。
图1为实施方式涉及的光纤的剖面图。如图1所示，实施方式涉及的光纤1具备芯10和包层20。芯10由二氧化硅玻璃构成，例如含有钾等碱金属元素、氟或氯。芯10通过含有碱金属元素，可以抑制瑞利散射，从而降低传输损耗。芯10实质上不含Ge，Ge质量分数为0.1％以下。芯10的直径(芯径)例如为6μm以上18μm以下。包层20包围着芯10。包层20由二氧化硅玻璃构成，例如含有氟、氯。包层20具有比芯10的折射率低的折射率。
在实施方式涉及的光纤1中，对芯10照射波长532nm的激发光而得的拉曼散射光ω4(T0)的峰的中心波数kω4与半值半宽kH4的积为38000cm-2以下。该积优选为37500cm-2以下、更优选为33000cm-2以下。半值半宽kH4例如为36cm-1以下。中心波数kω4例如为1070cm-1以下。
这里，对拉曼散射光谱进行说明。通常，当对物质照射光时，由于光与物质(分子振动)的相互作用，产生波长与照射光的波长不同的拉曼散射光。通过对该拉曼散射光进行分光而得的拉曼散射光谱，可以分析物质的分子水平的结构。在拉曼散射光谱中，根据物质内的原子键的振动模式的数量，产生多个峰。
图2为示出对石英系玻璃(二氧化硅玻璃)照射波长532nm的激光而得的拉曼散射光谱的图。在图2中，横轴表示拉曼位移(cm-1)，纵轴表示强度。在图2所示的拉曼散射光谱中，可以确认试样台所引起的氟化钙的拉曼散射光ω0的峰在波数300cm-1以上350cm-1以下的范围内。可以确认Si-O伸缩振动所引起的拉曼散射光ω3的峰在波数750cm-1以上875cm-1以下的范围内。可以确认归属于二氧化硅三元环结构的拉曼散射光D2的峰在波数565cm-1以上640cm-1以下的范围内。可以确认Si-O伸缩振动所引起的拉曼散射光ω4(TO)的峰在波数1000cm-1以上1100cm-1以下的范围内。拉曼散射光ω4(TO)的峰来自于Si-O键的振动模式当中的由Si-O的非对称伸缩振动产生的横波的散射光(非专利文献2)。
这些峰的波数位置(即，中心波数)受构成二氧化硅玻璃的Si-O键的强度和键角的影响较大。它们的键合状态根据添加元素的种类、量、或玻璃的部分结晶化而产生若干波数位移。该波数位移反映了原子键的键强度和键角根据添加元素而发生变化的情况。
与拉曼散射同样地，红外吸收也是与原子键的振动和光的相互作用有关的现象。因此，在相同的条件下，在红外吸收中也会产生向与拉曼散射光ω4(TO)相同方向的波数位移。然而，在红外吸收光谱中，通常由于Si-O的振动模式的结合，多个峰容易重叠，从而难以判别峰。另外，从与后述的强度比Iratio比较的观点来看，也认为拉曼光谱的拉曼散射光ω4(TO)更适合定量地评价波数位移和半值宽。因此，在本实施方式涉及的光纤中，通过拉曼散射光谱来评价红外吸收所引起的传输损耗的变化。
为了抑制红外吸收所引起的传输损耗，例如通过调整拉丝条件来制造实施方式涉及的光纤。具体而言，为了抑制SiO2的结晶转变和添加物的析出，提高刚刚纤维化后的冷却速度并进行急冷，以使得光纤不会长时间停留在容易结晶化的温度区域(1200℃以上1700℃以下)。急冷例如在2000℃至1200℃的温度范围内进行。作为急冷时的气氛气体，例如可以使用氦(He)气。急冷后的光纤例如在大气温度下暴露一次后，通过900℃至1200℃左右的加热机构(徐冷炉)进行徐冷。为了提高加热机构的保温性、降低假想温度，作为徐冷时的气氛气体，例如可以使用氮(N2)气。
光纤的拉曼散射光谱例如通过与专利文献2同样的显微镜拉曼分光法来测定。即，通过将从半导体激光装置输出的波长532nm的激光聚光，以约2μm的光斑直径照射到光纤端面。曝光设为2次累计30秒。激光的强度为振荡功率1W(在光纤端面处约为100mW)。然后，对光纤端面垂直照射上述激光，通过背散射配置来测定拉曼散射光谱。
接下来，对定量地导出拉曼散射光谱中的波数位移的方法进行说明。
1.拉曼散射光谱的波数偏差的校正
由于测定条件，拉曼散射光谱的波数位置可能会发生伪影(artifact)偏差。因此，首先，通过规定拉曼散射光ω0的峰位置来校正在测定上产生的伪影。具体而言，利用以下的高斯函数拟合拉曼散射光ω0的峰，通过拟合求出的拉曼散射光ω0的峰的中心波数kω0与321cm-1一致(kω0＝321cm-1)。
I＝I0exp(-α0(k-kω0)＾2)
这里，I为强度，k为波数，I0为拉曼散射光ω0的最大强度(中心波数kω0的强度)，α0为系数。
2.拉曼散射光ω4(TO)的中心波数的确定
接着，在波数1000cm-1以上1100cm-1以下的区域中，利用以下的高斯函数进行拉曼散射光谱的拟合。由于在该波数区域中基线的影响较小，因此不进行基线校正，但是也可以进行。
I＝I1exp(-α4(k-kω4)＾2)
这里，I为强度，k为波数，I1为最大强度(中心波数kω4的强度)，α4为系数。将通过拟合求出的高斯函数的中心值定义为中心波数kω4，将高斯函数的半值半宽作为半值半宽kH4。
图3为示出中心波数kω4与半值半宽kH4的关系的图。在图3中，横轴表示半值半宽kH4(cm-1)，纵轴表示中心波数kω4(cm-1)。这里，通过改变刚刚纤维化后的冷却条件(急冷的有无、徐冷炉的温度、徐冷时间以及气氛气体等)来制造多个光纤，并且对于各光纤，通过上述的方法求出拉曼散射光ω4(T0)的峰的中心波数kω4和半值半宽kH4。在图3中，区别示出了刚刚纤维化后进行急冷而制造的光纤(称为“有急冷的光纤”)和刚刚纤维化后没有进行急冷而制造的光纤(称为“没有急冷的光纤”)。特别期望使用在急冷时和徐冷时改变了气氛气体的制造条件。
中心波数kω4和半值半宽kH4的值均越大，在近红外通信频带中越对传输损耗产生不良影响。如图3所示，当中心波数kω4变大时，半值半宽kH4倾向于变小。在有急冷的光纤中，与没有急冷的光纤相比，相对于同等程度的中心波数kω4，可以减小半值半宽kH4。在有急冷的光纤中，半值半宽均为36cm-1以下。在没有急冷的光纤中，除了1个以外，所有半值半宽均大于36cm-1。据认为，这种差异是由于急冷抑制了SiO2的结晶转变。
图4为示出积kω4×kH4与强度比Iratio的关系的图。在图4中，横轴表示强度比Iratio，纵轴表示中心波数kω4(cm-1)与半值半宽kH4(cm-1)的积kω4×kH4(cm-2)。强度比Iratio是拉曼散射光ω3的强度Iω3与拉曼散射光D2的强度ID2之比ID2/Iω3。在专利文献2中记载了，在以二氧化硅玻璃为主要成分的光纤中，强度比Iratio越小，二氧化硅玻璃越均匀化，从而瑞利散射减少，传输损耗变得越低。
如图4所示，积kω4×kH4与强度比Iratio不具有强相关性，偏差较大。据认为，这也是因为拉曼散射光的中心波数和半值半宽因结晶化的程度、添加元素的量以及添加元素的种类而发生了很大的变化。在有急冷的光纤中，与没有急冷的光纤相比，通过控制半值半宽kH4和中心波数kω4，可以有意地减小积kω4×kH4的值。据认为，这是在有急冷的光纤中能够减小半值半宽kH4的结果。得到了积kω4×kH4为30000cm-2的光纤。
图5为示出传输损耗与积kω4×kH4的关系的图。在图5中，横轴表示中心波数kω4(cm-1)与半值半宽kH4(cm-1)的积kω4×kH4(cm-2)，纵轴表示传输损耗(dB/km)。如图5所示，随着积kω4×kH4的值减少，传输损耗也倾向于减少。传输损耗也会因杂质等各种因素而增减，其中，积kω4×kH4表示因二氧化硅玻璃的结构而变化的本质损耗变化的因素。在积kω4×kH4为38000cm-2以下的光纤中，实现了0.15dB/km以下的传输损耗。更优选为37500cm-2以下、进一步优选为33000cm-2以下。由此，传输损耗成为0.149dB/km以下、更优选成为0.146dB/km以下。在有急冷的光纤中，积kω4×kH4均为38000cm-2以下，实现了0.15dB/km以下的传输损耗。在没有急冷的光纤中，除了1个以外，所有半值半宽均大于36cm-1，传输损耗高于0.15dB/km。
符号的说明
1…光纤
10…芯
20…包层
Claims (11)
1.一种光纤，具备：
由二氧化硅玻璃构成的芯、和
包围所述芯并由二氧化硅玻璃构成的包层，
对芯照射波长532nm的激发光而得的拉曼散射光ω4(T0)的峰的中心波数kω4与半值半宽kH4的积为38000cm-2以下。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中，
所述半值半宽kH4为36cm-1以下。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的光纤，其中，
所述中心波数kω4为1070cm-1以下。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的光纤，其中，
所述芯含有碱金属元素。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的光纤，其中，
传输损耗为0.15dB/km以下。
6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的光纤，其中，
所述积为37500cm-2以下。
7.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的光纤，其中，
传输损耗为0.149dB/km以下。
8.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的光纤，其中，
所述积为33000cm-2以下。
9.根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的光纤，其中，
传输损耗为0.146dB/km以下。
10.根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的光纤，其中，
所述芯的Ge质量分数为0.1％以下。
11.根据权利要求1至权利要求10中任一项所述的光纤，其中，
所述芯的直径为6μm以上18μm以下。
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