CN117642367A - 光纤的制造方法以及光纤 - Google Patents

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榎本正
斋藤崇广
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Abstract

一种光纤制造方法，具备将光纤母材加热熔融并进行拉丝的工序。在该光纤制造方法中，光纤形成为具备芯部、包围芯部的周围的周边包层、以及包围周边包层的外侧包层。在拉丝而成的光纤中，对至少包含芯部的光波导区域施加的最大压缩应力为至少100MPa以上。

Description

光纤的制造方法以及光纤
技术领域
本公开涉及光纤的制造方法以及光纤。
本申请要求基于2021年7月13日提出的日本申请第2021-115656号的优先权，并且援引了所述日本申请中所记载的全部记载内容。
背景技术
专利文献1公开了一种用于降低光纤的传输损耗的光纤制造方法。在该光纤制造方法中，将作为加压介质的流体(例如惰性气体)输送到压力容器内以提高压力，在高压的压力容器内进行光纤的拉丝。在使用该加压介质的制造方法中，进行光纤母材中的玻璃网络结构的缓和，从而降低了影响光纤的传输损耗的瑞利散射损耗。专利文献2公开了一种通过在高温下对光纤母材加压后对光纤进行拉丝，从而降低光纤的传输损耗的光纤制造方法。专利文献3公开了通过减小玻璃结构中的空隙来减小瑞利散射系数的处理方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2020-169113号公报
专利文献2：日本特开2020-158349号公报
专利文献3：国际公开第2015/022966号
发明内容
本公开提供一种光纤的制造方法。该光纤的制造方法具备将光纤母材加热熔融并进行拉丝的工序。在该光纤的制造方法中，光纤形成为具备芯部、包围芯部的周围的周边包层、以及包围周边包层的外侧包层。在拉丝而成的光纤中，对至少包含芯部的光波导区域施加的最大压缩应力为至少100MPa以上。
本公开提供一种光纤。该光纤是形成为具备芯部、包围芯部的周围的周边包层、以及包围周边包层的外侧包层的光纤。在该光纤中，至少包含芯部的光波导区域的最大压缩应力为100MPa以上。
附图说明
[图1]图1是示出在一个实施方式涉及的光纤制造方法中使用的拉丝装置的构成的图。
[图2]图2是示出光纤母材的剖面形状的一个例子的剖面图。
[图3]图3是示出光纤的剖面形状的一个例子的剖面图，一并示出光纤的折射率分布、功率分布、以及应力分布。
[图4]图4是示出光纤的折射率分布、功率分布以及功率分布×
半径的图，是用于说明光波导区域的图。
具体实施方式
[本公开所要解决的课题]
在将专利文献1所记载的光纤制造方法及制造装置应用于量产的情况下，需要用加压容器覆盖光纤的拉丝装置整体的构成。而且，
在这种情况下，需要尽量消除来自加压介质的泄漏等，在维持高压状态的状态下高速地进行拉丝。因此，根据专利文献1的制造方法及制造装置，导致装置的大型化或复杂化。另外，由于存在大型化等可能性，因此在将专利文献1所记载的光纤制造方法应用于量产的情况下，实用上可能的压力范围例如设想为0.15MPa至0.2MPa左右。当设为这种程度的加压时，难以充分地进行光纤母材中的玻璃网络结构的缓和从而充分地降低光纤的传输损耗。另外，在专利文献2中记载的光纤制造方法中，需要将光纤母材保持为高温高压的设备。而且，在对光纤母材本身进行高温加压的方法中，通过在其下一个拉丝工序中加热熔融，压缩后的玻璃体被热缓和，因此恢复到常压状态的玻璃。因此，在制成光纤时，降低散射损耗的效果消失的可能性高。
[本公开的效果]
根据本公开，能够在不依赖于制造装置的构成的情况下降低光纤的传输损耗。
[本公开的实施方式的说明]
首先，列举本公开的实施方式的内容并进行说明。一个实施方式涉及的光纤制造方法具备将光纤母材加热熔融并进行拉丝的工序。在该光纤制造方法中，光纤形成为具备芯部、包围芯部的周围的周边包层、以及包围周边包层的外侧包层。在拉丝而成的光纤中，对至少包含芯部的光波导区域施加的最大压缩应力为至少100MPa以上。
在光纤的制造方法中，在拉丝而成的光纤中，对至少包含芯部的光波导区域施加的最大压缩应力为至少100MPa以上。在将光纤母材拉丝而制成光纤时，在拉丝而成的光纤中，残留有因玻璃组成等材料的径向的热膨胀率(也称为热膨胀系数)之差或粘度之差而产生的应变。在该制造方法中，通过控制该应变，在光波导区域产生大的压缩应力。在这种情况下，通过在光波导区域产生的压缩应力来压缩在光传播的光波导区域的材料(例如玻璃)中引起散射的空隙成分，从而光纤的光波导区域的玻璃密度提高。由此，能够降低由散射引起的传输损耗。另外，在该制造方法中，在用于拉丝的光纤母材或被拉丝的光纤中产生上述压缩应力。在这种情况下，由于不需要在光纤的拉丝装置上设置加压容器等，因此能够在不依赖于光纤的制造装置的构成的情况下制造上述低传输损耗的光纤。如上所述，根据该制造方法，能够在不依赖于制造装置的构成的情况下降低光纤的传输损耗。另外，如果是简易的构成，也可以利用设置有加压容器等的制造装置来实施该实施方式涉及的制造方法。需要说明的是，光波导区域是指在光纤中传输光的区域，包括芯部和包围该芯部的包层的一部分(周边包层)。光波导区域是在将传输的光的基模的直径(r)方向的功率分布设为P(r)的情况下，相对于r×P(r)的峰值，直到r×P(r)小于1/100的半径的区域。光波导区域可以是在将传输的光的基模的直径(r)方向的功率分布设为P(r)的情况下，相对于r×P(r)的峰值，直到r×P(r)小于1/10000的半径的区域。具体而言，如图4所示，当设为半径方向的功率分布P(r)和折射率分布时，r×P(r)为1/100的区域大致为芯部半径的2倍，r×P(r)为1/10000的区域为芯部半径的3倍左右。
作为一个实施方式，在上述的光纤制造方法中，构成光波导区域的材料在1500℃的粘度即第1粘度可以低于构成外侧包层的材料在1500℃的粘度即第2粘度。这样，通过使光波导区域的粘性相对于作为非波导区域的外侧包层的粘性降低，使拉丝时施加于光纤的拉伸张力集中于粘性高的外侧包层，拉丝后其被释放，由此，外侧的拉伸应变被释放，在没有保持拉伸张力的光波导区域中残留压缩应变。即，根据该制造方法，利用光波导区域与外侧包层的粘度差，能够在所制造的光纤中更可靠地产生上述压缩应力。如上所述，根据该制造方法，能够在不依赖于制造装置的构成的情况下更可靠地降低光纤的传输损耗。需要说明的是，在该实施方式中，第1粘度可以低于第2粘度的1/5。这样，通过大幅度降低光波导区域的粘性，能够在光波导区域中产生更大的压缩应变，能够进一步降低光纤的传输损耗。
作为一个实施方式，在上述任意一个实施方式涉及的光纤制造方法中，构成外侧包层的材料的热膨胀率即第1热膨胀率可以大于构成光波导区域的材料的热膨胀率即第2热膨胀率。在这种情况下，由于位于光波导区域的外侧的外侧包层的材料的第1热膨胀率大于光波导区域的材料的第2热膨胀率，因此当将光纤母材加热熔融并拉丝后进行玻璃固化时，外侧包层向进一步减小体积的方向收缩，因此对位于光纤内部的光波导区域产生压缩应力。即，根据该制造方法，利用光波导区域与外侧包层的热膨胀率之差，能够在被拉丝的光纤中更可靠地产生上述压缩应力。如上所述，根据该制造方法，能够在不依赖于制造装置的构成的情况下更可靠地降低光纤的传输损耗。需要说明的是，在该实施方式中，第1热膨胀率可以是第2热膨胀率的1.3倍以上。另外，在该实施方式中，构成外侧包层的材料的第1热膨胀率可以大于构成光波导区域的材料的第2热膨胀率，并且构成光波导区域的材料在1500℃的第1粘度可以低于构成外侧包层的材料在1500℃的第2粘度。这样，通过组合两个实施方式，能够进一步提高在光波导区域中产生的压缩应力，并且还能够提高在光波导区域或外侧包层区域中添加的材料的选择自由度。
作为一个实施方式，在上述任意一个实施方式涉及的光纤制造方法中，在构成光波导区域的材料中，可以添加碱金属元素、碱土类金属元素、卤素元素、磷中的至少一者，在构成外侧包层的材料中，可以添加氧化锗、氧化铝、氧化硼中的至少一者。通过在光波导区域中添加碱金属元素、碱土类金属元素、卤素元素、磷中的至少一者，能够容易地降低作为光波导区域的材料的玻璃的粘性(粘度)。可以在光波导区域中添加碱金属元素、碱土类金属元素、卤素元素、磷当中的2个或3个或全部。另外，通过在外侧包层中添加氧化锗、氧化铝、氧化硼中的至少一者，能够容易地增大外侧包层的热膨胀率。可以在外侧包层中添加氧化锗、氧化铝、氧化硼当中的2个或3个。
作为一个实施方式，在上述任意一个实施方式涉及的光纤制造方法中，在拉丝工序中，对光纤母材进行拉丝的拉丝张力可以大于150gf。在这种情况下，能够使在光波导区域产生的压缩应力更大，例如能够容易地产生100MPa以上的压缩应力。需要说明的是，对光纤母材进行拉丝的拉丝张力也可以为200gf以上。
一个实施方式涉及的光纤是形成为具备芯部、围绕芯部的周围的周边包层、以及围绕周边包层的外侧包层的光纤。在该光纤中，至少包含芯部的光波导区域的最大压缩应力为100MPa以上。
在该光纤中，至少包含芯部的光波导区域的最大压缩应力为100MPa以上。在将光纤母材拉丝而制成光纤时，在拉丝而成的光纤中，残留因玻璃组成等材料的径向的热膨胀率之差或粘度之差而产生的应变。在该光纤中，该应变被控制，在光波导区域中产生大的压缩应力。在这种情况下，通过在光波导区域中产生的压缩应力来压缩在光传播的光波导区域的材料(例如玻璃)中引起散射的空隙成分，从而能够提高光纤的光波导区域的玻璃密度。由此，在该光纤中，能够降低由散射引起的传输损耗。
作为一个实施方式，在上述光纤中，光波导区域可以是芯部直径的至少2倍以下的区域。另外，光波导区域也可以是芯部直径的至少3倍以下的区域。由此，相对于单模传输光功率整体为99％以上的区域能够在低损耗的玻璃部中传播，有助于传输损耗降低。
作为一个实施方式，在上述任意一个实施方式涉及的光纤中，在构成光波导区域的材料中，可以添加碱金属元素、碱土类金属元素、卤素元素、磷中的至少一者。通过添加这样的碱金属等，容易降低作为光波导区域的材料的玻璃的粘性，从而能够利用光波导区域与外侧包层的粘度差更可靠地产生光纤中的上述压缩应力。另外，在上述光纤中，在构成外侧包层的材料中，可以添加氧化锗、氧化铝、氧化硼中的至少一者。通过添加该氧化锗等，容易增大外侧包层的热膨胀率，从而能够利用光波导区域与外侧包层的热膨胀率之差更可靠地产生光纤中的上述压缩应力。如上所述，根据该光纤，能够更可靠地降低传输损耗。
作为一个实施方式，在上述任意一个实施方式涉及的光纤中，可以对外侧包层的一部分施加拉伸应力。在这种情况下，由于增加了拉丝张力而产生的残余应变可以被加载到包层的一部分上，因此可以预期由于拉丝温度的低温化而产生的传输损耗降低效果。
[本公开的实施方式的详细情况]
以下参照附图对本公开的实施方式涉及的光纤制造方法的具体例进行说明。需要说明的是，本发明不限于这些示例，而是由权利要求书所表示，并且意图包含与权利要求书同等的含义和范围内的所有变更。在以下的说明中，对于相同要素或具有相同功能的要素，使用相同的符号，并省略重复的说明。
(光纤的制造装置)
图1是在一个实施方式涉及的光纤制造方法中使用的拉丝装置的构成图。图1所示的拉丝装置10是用于从光纤母材30经由玻璃纤维而制造光纤40的装置。拉丝装置10具备把持部11、加热炉12、测定器14、冷却器15、模具16、紫外线照射机17、直下引导辊18、绞盘19、卷取机20以及控制装置21。需要说明的是，在加热炉12与测定器14之间也可以有保温炉13。
把持部11是用于把持光纤母材30并以一定的速度送入加热炉12的部件。光纤母材30具有由把持部11把持的基端部30a和插入至加热炉12内部的前端部30b。把持部11作为向加热炉12供给光纤母材30的供给部发挥功能。
加热炉12具有光纤母材30插入的开口12a、和与开口12a相对并作为玻璃纤维状的光纤40a而被引出的开口12b。加热炉12加热供给到加热炉12内部的光纤母材30的前端部30b并使其熔融(软化)。从通过加热而熔融了的前端部30b引出玻璃纤维状的光纤40a。玻璃纤维状的光纤40a通过开口12b而被引出到加热炉12的外部。
保温炉13对玻璃纤维状的光纤40a进行保温，缓和玻璃的结构。测定器14测定玻璃结构被缓和后的状态下的光纤40a的外径(玻璃外径)。测定器14例如对光纤40a照射激光以测定玻璃外径。由测定器14进行的玻璃外径的采样的时间间隔例如为100ms以下。虽然也依赖于拉丝速度，但是当采样间隔变长时，有可能无法检测玻璃外径的短周期的变动。测定器14将测定出的玻璃外径发送给控制装置21。
冷却器15配置在测定器14的后段，冷却玻璃纤维状的光纤40a。模具16在呈线状的光纤40a的外周面涂布树脂，形成被覆树脂。树脂包含丙烯酸酯系的紫外线固化性树脂。紫外线照射机17对形成在光纤40a上的被覆树脂照射紫外线，使被覆树脂固化。由此，玻璃纤维被树脂被覆而形成光纤40b。光纤40b由直下引导辊18而被输送到绞盘19。
绞盘19以预定的速度和张力牵引光纤40b。卷取机20卷取由绞盘19牵引的光纤40b。控制装置21从测定器14接收由测定器14测得的玻璃外径，并根据该玻璃外径控制卷取机20等。控制装置21也可以控制整个拉丝装置10。
控制装置21例如可以构成为包括CPU(Central Processing Unit)等处理器、RAM(Random Access Memory)及ROM(Read Only Memory)等存储器、触摸面板、鼠标、键盘、显示器等输入输出装置、网卡等通信装置的计算机系统。控制装置21在基于存储在存储器中的计算机程序的处理器的控制下使各硬件动作，由此实现控制装置21的功能。
(光纤母材以及光纤的构成)
图2是示出光纤母材的剖面构成的剖面图。图3是示出由光纤母材形成的光纤的剖面构成的剖面图，一并示出了光纤的折射率分布、功率分布以及应力分布。如图2所示，光纤母材30具备芯部31、周边包层32以及外侧包层33。另外，如图3所示，光纤40具备芯部41、周边包层42以及外侧包层43。在将光纤母材30拉丝而形成光纤40时，光纤母材30的芯部31成为光纤40的芯部41，光纤母材30的周边包层32成为光纤40的周边包层42，光纤母材30的外侧包层33成为光纤40的外侧包层43。需要说明的是，光纤40的芯部41和周边包层42是在光纤40中传输光的区域即光波导区域。在这样的光纤40中，如图3所示，构成为芯部41的折射率比周边包层32和外侧包层33高，在芯部41传播的光的功率比在周边包层32和外侧包层33传播的光的功率强。另一方面，在本实施方式中，通过在光纤母材30的径向的材料构成中设置热膨胀率之差和粘度之差，如图3所示，在成为光纤40时，在芯部41和周边包层42中产生压缩应力。另外，在外侧包层43的一部分中产生拉伸应力。这些详细情况将在后面叙述。
光纤母材30的芯部31例如由二氧化硅系的玻璃(SiO2)形成。在由这样的玻璃材料形成的芯部31中，可以添加碱金属元素、碱土类金属元素、卤素元素、磷中的至少一者。例如，通过在芯部31中添加碱金属元素、碱土类金属元素、卤素元素、磷，可以降低构成芯部31的玻璃的粘性。作为添加到芯部31中的碱金属元素，可以示例出钾(K)、钠(Na)、锂(Li)、铷(Rb)或铯(Cs)。作为添加到芯部31中的碱土类金属元素，可以示例出镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)。作为添加到芯部31中的其他元素，可以示例出磷(P)。添加到芯部31中的金属元素优选为金属氧化物，添加到芯部31中的碱金属氧化物可以选自由K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O组成的组，碱土类金属氧化物可以选自由MgO、CaO、SrO、BaO组成的组，磷氧化物可以为P2O5，以及它们的混合物。相对于二氧化硅系的玻璃，添加到芯部31中的碱金属、碱土类金属、磷元素的浓度可以为50原子ppm以上10000原子ppm以下、更优选为100原子ppm以上1000原子ppm以下。
另外，作为添加到芯部31中的卤素元素，可以示例出氟(F)或氯(Cl)。相对于二氧化硅系的玻璃，添加到芯部31中的卤素元素的浓度可以为0.01原子％以上5原子％以下、更优选为0.025原子％以上1原子％以下。作为一个例子，芯部31可以通过在二氧化硅系的玻璃中添加K2O、F和Cl而形成。
周边包层32是覆盖芯部31并且与芯部31一起构成光波导区域的部分，例如由二氧化硅系的玻璃(SiO2)形成。在周边包层32中，与芯部31同样地，也可以添加碱金属元素、碱土类金属元素、卤素元素、磷中的至少一者。添加的材料可以使用与上述芯部31的材料相同的材料，可以适当选择。作为一个例子，周边包层32可以通过在二氧化硅系的玻璃中添加K2O和F而形成。
外侧包层33是包围周边包层32并且覆盖芯部31和周边包层32的部分，例如由二氧化硅系的玻璃(SiO2)形成。外侧包层33构成为外侧包层43的折射率比芯部41的折射率低(参照图3)。在外侧包层33中添加(例如)氟等卤素元素。另外，为了使热膨胀率(例如)比芯部31或周边包层32大，在外侧包层33中添加氧化锗(GeO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化硼(B2O3)。相对于二氧化硅系的玻璃，添加到外侧包层33中的GeO2等的浓度可以为1原子％以上20原子％以下、更优选为1原子％以上10原子％以下。作为一个例子，外侧包层33可以通过在二氧化硅系的玻璃中添加GeO2和F而形成。
这样，在光纤母材30中，在芯部31或周边包层32中添加例如碱金属、碱土类金属、卤素元素、磷中的至少一者的元素，从而构成为芯部31和周边包层32的粘度相对于外侧包层33的粘度降低。即，预先形成光纤母材30，使得成为光纤40时的芯部41和周边包层42的粘度(构成光波导区域的区域的粘度的平均值即第1粘度)相对于外侧包层43的粘度(第2粘度)降低。需要说明的是，这里所说的光纤40的粘度例如是1500℃下的粘度。对芯部41等的粘度与外侧包层43的粘度之差或比率没有特别地限定，例如，芯部41等光波导区域的粘度可以低于外侧包层43的粘度的1/5、还可以为1/10以下。这样，通过大幅度降低光波导区域的粘性，在将光纤母材30拉丝并进行玻璃固化时，能够在光纤40的光波导区域中产生更大的压缩应变。
另外，在光纤母材30中，在外侧包层33中添加使热膨胀率变大的GeO2或Al2O3等，从而构成为构成外侧包层33的材料的热膨胀率大于构成芯部31和周边包层32的材料的热膨胀率。即，预先形成光纤母材30，使得成为光纤40时的外侧包层43的材料的热膨胀率(第1热膨胀率)大于芯部41和周边包层42的材料的热膨胀率(构成光波导区域的区域的热膨胀率的平均值即第2热膨胀率)。对外侧包层43的材料的热膨胀率与芯部41等材料的热膨胀率之差或比率没有特别地限定，例如，外侧包层43的材料的热膨胀率可以是作为光波导区域的芯部41或周边包层42的材料的热膨胀率的1.3倍以上、还可以是1.5倍以上。这样，通过提高外侧包层的热膨胀率，在将光纤母材30拉丝并进行玻璃固化时，能够在光纤40的光波导区域中产生更大的压缩应变。
需要说明的是，上述构成的光纤母材30例如可以通过VAD(Vapor Phase AxialDeposition)法制造。也可以通过其他方法，例如MCVD(Modified Chemical VaporDeposition)法或OVD(Outside Vapor Deposition)法来制造。
(光纤的制造方法)
接下来，对使用上述的拉丝装置10通过从上述构成的光纤母材30拉丝来制造光纤40的方法进行说明。
首先，利用拉丝装置10的把持部11把持光纤母材30。然后，将光纤母材30的前端部30b插入到加热炉12(拉丝炉)中，对光纤母材30的前端部30b进行加热。之后，当光纤母材30的前端部30b被充分地加热而熔融时，从前端部30b拉出玻璃纤维状的光纤40a。对利用拉丝装置10进行拉丝的拉丝张力没有特别地限定，例如可以是大于150gf的拉丝张力，可以以200gf以上的拉丝张力对光纤母材30进行拉丝。
在该拉丝时，在光纤40中，在与芯部31对应的芯部41中，在二氧化硅系玻璃中添加例如K2O、F和Cl。通过添加K2O、F和Cl，芯部41的粘性与外侧包层43相比大幅度降低。另外，在与周边包层32对应的周边包层42中，与芯部31、41同样地，在二氧化硅系玻璃中添加例如K2O和F。通过添加K2O和F，周边包层32的粘性与外侧包层33相比大幅度降低。需要说明的是，周边包层32的粘性也可以小于芯部31的粘性。
另一方面，在与外侧包层33对应的外侧包层43中，在二氧化硅系玻璃中添加例如GeO2和F。通过添加GeO2等，使外侧包层43的热膨胀率比芯部41的热膨胀率高。需要说明的是，芯部41的热膨胀率和周边包层42的热膨胀率大致相同。
接着，用保温炉13对拉出的玻璃纤维状的光纤40a进行保温。由此，缓和了玻璃的结构。需要说明的是，也可以不具有该保温工序。当光纤40a通过保温而缓和了玻璃结构时，利用测定器14测定光纤40a的外径，并且利用冷却器15冷却光纤40a。然后，利用模具16在光纤40a上形成被覆层，利用紫外线照射机17对被覆层进行紫外线固化从而成为光纤40b。然后，形成有被覆层的光纤40b经由直下引导辊18和绞盘19而被卷取机20卷取。由此，制造了光纤40。
如图3所示，这样制造的光纤40具备芯部41、包围芯部41的周围的周边包层42、以及包围周边包层42的外侧包层43。而且，在该光纤40中，通过对添加了上述各种材料的光纤母材30进行拉丝而形成，从而包含芯部41和周边包层42的光波导区域的最大压缩应力成为100MPa以上。
更详细而言，芯部41对应于芯部31，因此例如由二氧化硅系的玻璃(SiO2)形成，与芯部31同样地，添加有碱金属元素、碱土类金属元素、卤素元素、磷中的至少一者。另外，周边包层42对应于周边包层32，因此例如由二氧化硅系的玻璃(SiO2)形成，与周边包层32同样地，添加有碱金属元素、碱土类金属元素、卤素元素、磷中的至少一者。通过在芯部31和周边包层32中添加碱金属元素、碱土类金属元素、卤素元素、磷中的至少一者，从而在光纤40中，构成芯部41和周边包层42的玻璃的粘性降低。
另一方面，外侧包层43例如由二氧化硅系的玻璃(SiO2)形成，与外侧包层33同样地，构成为外侧包层43的折射率比芯部41的折射率低。在外侧包层43中添加例如氟等卤素元素。另外，为了使热膨胀率(例如)比芯部41或周边包层42大，在外侧包层43中添加氧化锗(GeO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化硼(B2O3)。通过添加该氧化锗等，从而在光纤40中，外侧包层43的热膨胀率增大。这样，在光纤40中，利用光波导区域与外侧包层43的粘度差，并且利用光波导区域与外侧包层43的热膨胀率之差，从而更可靠地在光纤40中产生上述压缩应力。
以上，在本实施方式涉及的光纤制造方法中，如上所述，使芯部41和周边包层42的粘性相对于作为非波导区域的外侧包层43的粘性大幅度降低。利用该粘性之差，使在加热熔融光纤母材30而进行拉丝时施加在光纤40上的拉伸张力集中于粘性高的外侧包层43，并且在拉丝后该状态被释放，由此外侧的拉伸应变被释放，在没有保持拉伸张力的芯部41和周边包层42中残留压缩应变。即，根据该制造方法，利用光波导区域与外侧包层的粘度之差，能够在制造的光纤40中更可靠地在芯部41和周边包层42中产生压缩应力。而且，在该光纤的制造方法中，外侧包层43的热膨胀率大于芯部41和周边包层42的热膨胀率。因此，当将光纤母材30加热熔融后进行玻璃固化时(即，成为光纤40a、40b时)，外侧包层43向进一步减小体积的方向收缩，因此在位于光纤40的内部的光波导区域(芯部41和周边包层42)中产生压缩应力。即，根据该制造方法，利用光波导区域与外侧包层43的热膨胀率差，在拉丝而成的光纤40中在芯部41等中进一步产生压缩应力，该压缩应力的值为100MPa以上。另外，在光纤40中，在光波导区域中添加有碱金属元素、碱土类金属元素、卤素元素、磷中的至少一者，在外侧包层43中添加有氧化锗、氧化铝、氧化硼中的至少一者。
这样，在本实施方式涉及的光纤制造方法中，利用光纤的径向的热膨胀率之差或粘度之差，在光纤40的内部的芯部41等中产生压缩应力。根据这样的制造方法，能够容易地在光纤40的芯部41等中产生100MPa以上的压缩应力。即，在将光纤母材30拉丝而成为光纤40时，在拉丝而成的光纤40中，残留有因分布在材料(玻璃组成)的径向上的热膨胀率之差或粘度之差而产生的应变。在该实施方式涉及的制造方法中，通过控制这样的应变，在作为光波导区域的芯部41和周边包层42中产生大的压缩应力。通过在光波导区域中产生这样的压缩应力，通过在光波导区域中产生的压缩应力来压缩在光传播的光波导区域的材料(例如玻璃)中引起散射的空隙成分，从而提高光纤40的玻璃密度。即，能够缓和光纤40的玻璃中的疏密，降低瑞利散射损耗。结果，可以降低由光纤中的散射引起的传输损耗。
而且，在该光纤制造方法中，如上所述，通过在用于拉丝的光纤母材30和被拉丝的光纤40的径向构成上下功夫，产生上述压缩应力，从而降低光纤的传输损耗。因此，不需要在光纤40的拉丝装置侧设置加压容器等，因此能够在不依赖于光纤制造装置的构成的情况下制造低传输损耗的光纤40。
如上所述，根据本实施方式涉及的制造方法，能够在不依赖于制造装置的构成的情况下降低光纤40的传输损耗。
另外，在本实施方式涉及的光纤制造方法中，对光纤母材30进行拉丝的拉丝张力可以大于150gf。在这种情况下，能够使在光波导区域中产生的压缩应力更大，例如能够容易地产生100MPa以上的压缩应力。
以上，对本公开涉及的实施方式进行了详细地说明，但是本发明不限于上述实施方式，可以适用于各种实施方式。例如，在上述实施方式中，利用光纤母材30和光纤40的径向上的粘性之差和热膨胀率之差这两者，在光纤40的芯部41等光波导区域中产生100MPa以上的压缩应力来降低传输损耗，但是不限于此。例如，可以利用光纤母材30和光纤40的径向上的粘性之差，在光纤40的芯部41等光波导区域中产生100MPa以上的压缩应力；也可以利用光纤母材30和光纤40的径向上的热膨胀率之差，在光纤40的芯部41等光波导区域中产生100MPa以上的压缩应力。另外，也可以对这些差调整拉丝张力(例如，赋予更大的拉丝张力)，使光纤40的芯部41等光波导区域中产生100MPa以上的压缩应力。
另外，在上述实施方式中，示例了使用以往的装置作为对光纤母材30进行拉丝的装置的情况，但是不限于此。例如，也可以在对光纤母材30进行拉丝的装置上设置对光纤进行加压的机构(压力容器)，对具有上述径向组成的光纤母材30进行拉丝，从而降低光纤40的传输损耗。通过将两者结合，能够进一步降低光纤40的传输损耗。
[实验例]
以下，基于实验例更具体地说明本公开的内容，但是本发明不限于以下的实验例。
首先，准备成为表1所示的玻璃构成的光纤母材30。在该光纤母材30中，芯部31由二氧化硅系玻璃构成，并且添加了K2O、F、Cl。相对于SiO2(基准)，各自的添加浓度为100原子ppm、0.2原子％、0.01原子％。周边包层32由二氧化硅系玻璃构成，并且添加了K2O、F。相对于SiO2(基准)，各自的添加浓度为80原子ppm、1.5原子％。外侧包层33由二氧化硅系玻璃构成，并且添加了GeO2、F。相对于SiO2(基准)，各自的添加浓度为2.5原子％、0.7原子％。需要说明的是，在表1中，芯部31、周边包层32及外侧包层33的粘度和热膨胀率以芯部31的值为1时的比率来表示。粘度例如为1500度下的粘度。另外，以在将光纤母材30拉丝而成为光纤40的情况下，外侧包层43在径向上距离光纤40的芯部41的外周20μm以上的方式来设定外侧包层33。拉丝而成的光纤40的芯部41的直径为10μm，周边包层42的直径为50μm，外侧包层43的直径为125μm。
[表1]
芯部 周边包层 外侧包层
材料 SiO2/K2O/F,Cl SiO2/K2O/F SiO2/GeO2/F
粘度比 1 0.90 10
热膨胀比 1 0.99 1.5
然后，使用拉丝装置10，以50gf、150gf、250gf及500gf这4种拉丝张力对上述光纤母材30进行拉丝，从而制作了光纤40。如下表2所示，由各拉丝张力拉丝而制作的光纤40分别对应于实验例1至实验例4。在制作的各光纤40的芯部41和周边包层42中产生的压缩应力、以及波长1.55μm的光传输时的传输损耗如表2所示。需要说明的是，应力的测定通过应用光弹性效应(折射率随着介质中残余的应力的方向而变化的现象)的方法来进行。
[表2]
如表2所示，在实验例1至实验例4中，可以确认：通过在芯部31和周边包层32中添加K2O、F及Cl并且在外侧包层33中添加GeO2，从而在芯部41和周边包层42中产生了充分的压缩应力。此外，在实验例3和实验例4中，通过使拉丝张力为250gf和500gf，比通常的高，能够使在芯部41中产生的压缩应力为100MPa以上即160MPa和350MPa。这样确认了：通过使在光纤40的芯部41中产生的压缩应力为100MPa以上，如实验例3和实验例4所示，与作为一个基准的0.148dB/km相比，能够降低光纤的传输损耗。
另外，对在芯部31和周边包层32中未添加作为碱金属的钾(K)的氧化物的其他实验例进行说明。在这些实验例中，由于没有添加碱金属，因此芯部31和周边包层32的粘性比外侧包层33的粘性高。另外，在这些实验例中，在外侧包层33中没有添加提高热膨胀率的锗(Ge)。更具体而言，在该其他的实验例中，准备了成为表3所示的玻璃构成的光纤母材30。在该光纤母材30中，芯部31由二氧化硅系玻璃构成，仅添加了Cl。相对于SiO2(基准)，Cl的添加浓度为0.7原子％。周边包层32由二氧化硅系玻璃构成，仅添加了F。相对于SiO2(基准)，F的添加浓度为1.5原子％。外侧包层33由二氧化硅系玻璃构成，仅添加了F。相对于SiO2(基准)，该F的添加浓度为1.2原子％。需要说明的是，在表3中，芯部31、周边包层32及外侧包层33的粘度和热膨胀率以芯部31的值为1时的比率来表示。粘度例如为1500度下的粘度。另外，以在将光纤母材30拉丝而成为光纤40的情况下，外侧包层43在径向上距离光纤40的芯部41的外周20μm以上的方式来设定外侧包层33。拉丝而成的光纤40的芯部41的直径等与上述实验例相同。
[表3]
芯部 周边包层 外侧包层
材料 SiO2/Cl SiO2/F SiO2/F
粘度比 1 0.6 0.7
热膨胀比 1 0.99 0.99
然后，使用拉丝装置10，以10gf、50gf、100gf及250gf这4种拉丝张力对上述光纤母材30进行拉丝，从而制作了光纤40。如下表4所示，以各拉丝张力拉丝而制作的光纤40分别对应于实验例5至实验例8。在所制作的各光纤40的芯部41中产生的压缩应力和波长1.55μm的光传输时的传输损耗如下表4所示。
[表4]
如表4所示，在实验例5至实验例8中，由于没有提高外侧包层33的热膨胀率、而且没有大幅度降低芯部31和周边包层32的粘性，因此即使增加拉丝张力，在芯部41中产生的压缩应力也不会提高，反而拉伸应力变高。另外，由于在光纤40的芯部41中产生的应力成为拉伸应力，如实验例5至实验例8所示，确认了光纤的传输损耗劣化。
符号的说明
10…拉丝装置
11…把持部
12…加热炉
12a、12b…开口
13…保温炉
14…测定器
15…冷却器
16…模具
17…紫外线照射机
18…直下引导辊
19…绞盘
20…卷取机
21…控制装置
30…光纤母材
30a…基端部
30b…前端部
31…芯部
32…周边包层
33…外侧包层
40…光纤
41…芯部
42…周边包层
43…外侧包层

Claims (12)

1.一种光纤制造方法，具备将光纤母材加热熔融并进行拉丝的工序，
所述光纤形成为具备芯部、包围所述芯部的周围的周边包层、以及包围所述周边包层的外侧包层，
在拉丝而成的所述光纤中，对至少包含所述芯部的光波导区域施加的最大压缩应力为至少100MPa以上。
2.根据权利要求1所述的光纤制造方法，其中，
构成所述光波导区域的材料在1500℃的粘度即第1粘度低于构成所述外侧包层的材料在1500℃的粘度即第2粘度。
3.根据权利要求2所述的光纤制造方法，其中，
所述第1粘度低于所述第2粘度的1/5。
4.根据权利要求1至权利要求3中任1项所述的光纤制造方法，其中，
构成所述外侧包层的材料的热膨胀率即第1热膨胀率大于构成所述光波导区域的材料的热膨胀率即第2热膨胀率。
5.根据权利要求4所述的光纤制造方法，其中，
所述第1热膨胀率为所述第2热膨胀率的1.3倍以上。
6.根据权利要求1至权利要求5中任1项所述的光纤制造方法，其中，
在构成所述光波导区域的材料中添加碱金属元素、碱土类金属元素、卤素元素、磷中的至少一者，
在构成所述外侧包层的材料中添加氧化锗、氧化铝、氧化硼中的至少一者。
7.根据权利要求1至权利要求6中任1项所述的光纤制造方法，其中，
在所述拉丝工序中，对所述光纤母材进行拉丝的拉丝张力大于150gf。
8.一种光纤，其形成为具备芯部、包围所述芯部的周围的周边包层、以及包围所述周边包层的外侧包层，
至少包含所述芯部的光波导区域的最大压缩应力为100MPa以上。
9.根据权利要求8所述的光纤，其中，
所述光波导区域是芯部直径的至少2倍以下的区域。
10.根据权利要求8所述的光纤，其中，
所述光波导区域是芯部直径的至少3倍以下的区域。
11.根据权利要求8至权利要求10中任1项所述的光纤，其中，
在构成所述光波导区域的材料中添加碱金属元素、碱土类金属元素、卤素元素、磷中的至少一者，
在构成所述外侧包层的材料中添加氧化锗、氧化铝、氧化硼中的至少一者。
12.根据权利要求8至权利要求11中任1项所述的光纤，其中，
对所述外侧包层的一部分施加拉伸应力。
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