CN1218198C - 光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及抗氢性提高了的光纤。光纤包括高浓度锗层和低浓度锗层。高浓度锗层在光纤的中心位置，其含氧化锗，相对于高浓度锗层总重量，浓度为0.1%(重量)或更多。低浓度锗层在高浓度锗层周围，其含氧化锗，相对于低浓度锗层总重量，浓度小于0.1%(重量)。从高浓度锗层漏进低浓度锗层的光功率与经光纤传播的总光功率的比率是0.4%或更小。

Description

光纤

1.发明领域

本发明涉及抗氢(hydrogen-resistance)性能提高了的光纤。

2.相关技术说明

抗氢性能是二氧化硅玻璃光纤维的一个重要性能，它对光纤的传输性能很重要。

图11是在30℃光纤暴露于100％的氢21小时的条件下典型的光纤在氢暴露前后的波长与光纤关系曲线图。以下相同条件下进行光纤暴露。

图11中，曲线A是暴露前的损耗量。曲线B是暴露后的损耗量。为了说明暴露在氢中的效果，用图12中的曲线C表示暴露在氢中前后的损耗增加情况。

通过暴露在氢中，在1530nm附近出现损耗增加高峰，在1580nm附近出现损耗增加低峰。1580nm附近的峰只是氢的作用引起的，而1530nm附近的峰值则是氢和光纤中产生的过氧化氢基共同作用引起的。这在以下会说明。

曲线D表示以曲线C所示损耗增加中减去只由氢的作用引起的损耗增加而计算出的损耗增加情形。其中，几乎消除了1580nm附近的低峰值。而相对地留下了1530nm附近的高峰值。

由于常规的光通信系统在所谓的C频段区(1530-1560nm)波长用于多种目的，由氢在1530nm附近引起的损耗的相继变化明显影响对光纤传输性能。

近年来，常利用中心在1550nm波长区波长分割复用(WDM)系统。

该系统中先前使用在例如1530至1560nm的宽的区域中补偿光纤的损耗波长性能的放大器系统。

但是，当氢进入光纤引起损耗波长性能相继变化时，该放大器系统不能补偿光纤的损耗波长性能，结果它明显地影响整个系统。

1530nm附近的损耗峰值由以下的影响产生。

在过量的氧气氛中光纤预制件中存在下式(1)表示的过氧化氢键时，在一定的条件下，使从光纤预制件中通过熔化和拉长制得的光纤中的过氧化氢键分解产生下式(2)所示的过氧化氢基。当氢进入光纤时，它与过氧化氢基反应，生成Si-O-O-H物质。它引起1530nm附近的损耗。Si-O-O-H物质最终失去一个氧原子，形成在1380nm被吸收的Si-OH物质。一旦形成了Si-OH，即使露在氢中也不会引起在1530nm吸收。

≡Si-O-O-Si≡         …………化学式(1)

≡Si-O-O·               …………化学式(2)

为了抑制损耗增加，熔化和拉长条件被优化来减少光纤中产生过氧氢基。而且，提供了在氢气中预处理光纤的方法。

但是，这些方法有各种问题，例如受制造设备限制，制造光纤需要多个复杂的步骤。

关于光纤的结构已进行了各种研究。例如日本未审专利，第一公开号平成9-15464号公开了一种光纤，它包括有顺序叠压制成的芯，气相淀积的包覆层和引出包覆层的管，其中，引出包覆层的管有氢吸气剂位置，它包含收集氢气所选择的材料，以便能基本上防止在制造光纤时氢气扩散进气相淀积的包覆层中。

但是光纤有各种问题，因为制造方法受到限制，而且它不能提供有多种用途的折射率分布。

日本未审申请平成9-171120公开了一种光纤，它包括顺序叠压制成的芯，内包覆层，外包覆层，其中，内包覆层加锗，光功率从光纤芯传播到内包覆层，可防止形成过氧化氢键，其上述化学式(1)表示，并由过量氧引起，因而能防止氢和过氧化氢键反应引起的损耗。

但是，日本未审申请平成9-171120只是含糊地公开有相当多光传播到掺杂的内包覆区。而且只研究了特定的折射率分布，其中，用基本相同的材料制成内包覆区和外包覆区。因此，日本未审申请，第一公开号平成9-171120所公开的光纤目前不能简单应用于现在推荐的用于各种折射率分布情况中。

具体地说，1530nm附近的损耗累进变化会影响WDM系统。相反，尽管认为相对复杂的折射率分布的光纤适合于WDM系统，但该复杂的折射率分布不能用于常规方法也不能提供稳定系统。

发明概述

考虑到上述情况，提出本发明。本发明的目的是提供一种抗氢性能提高了的光纤。

本发明的目的是，提供一种抑制了具体是在1530nm附近因过氧化氢基和氢之间的键合引起的损耗峰值的光纤。

另外，本发明的又一目的是提供一种能应用各种折射率分布，能抑制具体是1530nm附近的损耗峰值的抗氢性能的光纤。

为克服上述缺点，本发明提供包括高浓度锗层和低浓度锗层的的光纤，其中，高浓度锗层位于在光纤的中心位置，在高浓度锗层中含有氧化锗的浓度为相对于高浓度锗层的总重量为0.1％或更多，低浓度锗层置于在高浓度锗层周围，并且含氧化锗的浓度为相对于低浓度锗层的总重量低于0.1％(重量)，在所使用波段内，从高浓度锗层漏到低浓度锗层的光功率与经光纤传播的总光功率之比为0.4％以下。

另外，本发明提供包括高浓度锗层和低浓度锗层的光纤，其中，高浓度锗层放置在光纤中心区，它包含的氧化锗的浓度为相对于高浓度锗层的总重量为0.1％或以上；低浓度锗层放置于在高浓度锗层周围，它含的氧化锗浓度是相对于低浓度锗层总重量为0.1％(重量)以下。高浓度锗层的外径是所用波长段中的模式场直径的至少2.6倍。

光纤中，低浓度锗层可包括包覆层，高浓度锗层可包括芯和置于芯与包覆层之间的中间层，芯的最大折射率比中间层的最大折射率高0.25％或更多。

光纤中，不同于氧化锗的杂质可和氧化锗一起加到高浓度层中。

附图的简要说明

图1A和1B是按本发明第一实施例的光纤结构示意图；图1C是光纤中氧化锗的浓度分布；图1D示出了光纤中氧化锗的浓度分布。

图2A和2B是按本发明第二实施例的光纤结构示意图；图2C是光纤的折射率分布；图2D是光纤中氧化锗的浓度分布；

图3A至3C是用于检查泄漏光功率之比与损耗峰值之间的关系的光纤的折射率分布；

图4是泄漏光功率之比与损耗峰值之间的关系曲线图；

图5A是实例1中光纤的折射率分布曲线图；图5B是光纤中氧化锗的浓度分布曲线图；

图6是实例1的光纤中的波长和损耗增加大小之间的关系曲线图；

图7A是实例2中的光纤的折射率分布曲线图；图7B是光纤中氧化锗的浓度分布曲线图；

图8是实例2的光纤中波长与损耗增加大小之间的关系曲线图；

图9A是实例3中光纤的折射率分布曲线图；

图9B是光纤中的氧化锗浓度分布曲线图；

图10是实例3的光纤中的波长与损耗增加大小之间关系曲线图；

图11是暴露在氢前后典型的光纤波长与损耗的关系曲线图；

图12是图11中所示的光纤露在氢气中前后，从光纤的损耗增加量减去只由氢作用引起的损耗增加量所计算出的损耗增加量与波长的关系曲线图。

发明详述

本发明中，按预定的目的选择所用的波长带；例如，它选自155μm附近的波长区。所用波长带的具体实例包括上述的C段区(1530nm至1560nm)。

首先用两个实施例说明本发明。

(1)第1实施例

图1A至1D是用VAD(气相轴向淀积，Vapor-phase Axial Deposition)法制成的有分段芯型折射率的分布的光纤。

尽管实际折射率分布曲线有发圆的峰和波谷形，但图1C展示出折射率分布曲线的典型例。该折射率分布曲线适合于WDM传输线中要求的放大的有效芯横截面积(A_eff)，也适合于抑制色散斜率。

该光纤由含氧化锗为0.1％(重量)或以上的高浓度锗层1和放置在高浓度锗层1周围并含氧化锗为0.1％(重量)以下的有恒定折射率的低浓度锗层2构成。

以下说明高浓度锗层1中含的氧化锗浓度的上限。低浓度锗层2中含的氧化锗浓度为0。

本实施例中，只有氧化锗作为杂质掺杂到纯二氧化硅玻璃中。由于锗引起折射率增加，如图1C中的折射率分布和图1D中的氧化锗的浓度分布所示，折射率分布图形与氧化锗的浓度分布图形是相同的，并且高浓度锗层1的折射率大于低浓度层锗层2的折射率。

高浓度锗层1由芯7构成，中间部分4，环形芯5和芯7的周边上形成的中间层6构成，其中，芯7包括由从中心位置叠压形成的中心芯3。

低浓度锗层2由包覆层8构成。中间层6形成在芯7与包覆层8之间。

中间部分4中的折射率小于中心芯3中的折射率，环形芯5中的折射率小于中心芯中的折射率但高于中间部分4中的折射率。

中间层6中的折射率向外逐渐减小，并且在中间层6与低浓度锗层2的界面处的折射率变得与低浓度锗层2中的折射率几乎相同。

低浓度锗层2包括内层2a和外层2b。高浓度层1和内层2a按VAD法的顺序步骤制成。外层2b用外气相淀积法制成，其中，把二氧化硅二氧化物(silicadioxide)颗粒淀积在内层2a的外边。

典型的光纤中，折射率高的中心区是芯区及其周围的区域，其中折射率分布保持几乎恒定的水平，且包覆区的折射率低于芯区中的折射率。本实施例中，芯区包括从中心芯3到环形芯5的区域，包覆区包括低浓度锗层2的区域。而且，中间层6形成在芯7和包覆层8之间。

为了把光纤用作传输线，把芯7的最大折射率设为高于中间层6中的折射率0.25％(用相对折射率差)或以上。对芯7的折射率最大值无具体限制。例如，尽管用于WDM传输的光纤的相对折射率差通常设定在1.0％或以下，但用于色散补偿的光纤的相对折射率差可设定在1.0％以上。

因此，在高浓度锗层1和低浓度锗层2之间形成其最大折射率小于芯7的最大折射率的中间层6，中间层6的折射率和直径规定与芯7无关，使得能控制从高浓度锗层1漏到低浓度锗层2的光功能比率，并得到所需的光性能。

最好能把中间层6的折射率和折射率分布控制到能适当地制成有所需光性能的光纤。例如，当中间层6的折射率高于包覆区8的折射率时，截止波长变得更长，这可能引起不希望的折射率分布展开。因此，要求控制中间层6的折射率。

芯7的外径和中间层6的宽度可按要求的折射率或者按折射率引起的所要求的电场分布来确定，并能按要求的条件适当地变化。

图1C和1D中的曲线E(r)表示出所用波长带中在1550nm的光纤中的电场展宽情形。如这些附图所示，尽管光主要在光纤的中心传播，即在高浓度锗层1中传播，但也有少量光漏进高浓度锗层1周围，即，漏进低浓度锗层2。

按本发明的光纤中，从高浓度锗层1漏进低浓度锗层2中的光功率相对于通过光纤传播的总光功率的比率设定在0.4％或以下，0.2％或以下更好。如下述的实例结果所示，当光功率泄漏率大于0.4％时，就不可能改善抗氢性能。

或者用表示通过光纤传播光的电场程度的模场直径(以下叫做MFD)来表示光功率泄漏率。即，高浓度锗层1的外径D设定为MFD的直径的至少2.6倍，至少2.8倍更好。以便形成如上所述的与通过把光功率泄漏率设定为0.4％或以下、最好为0.2％或以下所产生的相同的结构。在影响光功率泄漏率和外径D的这些条件中，当一个条件被满足时，其它条件也有必要满足。

因此，本发明的光纤可用光功率的泄漏率来说明，或者也可用高浓度锗层1的外径D与MFD之比来说明，可根据需要的条件来选择。

可按高浓度锗层1的折射率分布适当地控制光功率泄漏率和MFD。折射率分布包括每层的折射率或者外径。由于折射率的值随所用波长带变化，因而最好设定先前选择的所用波长带的最佳条件。

(2)第2实施例

图2A至2D画出了用MCVD(改进的化学气相淀积)法制成的分段芯型光纤。图2A至2D所示组成部分中与图1A至1D所示相同的组成部分用与图1A至1D中相同的符号指示，而且不再说明。

第2实施例的折射率分布曲线与第1实施例中的折射分布曲线相同，只是环形芯5周围的中间层6′的折射率分布保持恒定水平，它与低浓度锗层2(包覆层8)的折射率匹配。

按MCVD法，例如，在纵向水平地将起始二氧化硅管中放入这里，其中二氧化硅四氯化物、四氯化锗等被送入气相中并用放在起始二氧化硅管外边的燃烧器加热使它们相互反应。使二氧化硅二氧化物颗粒、二氧化锗颗粒等淀积在起始二氧化硅管的内壁上，产生光纤预制品。

如图2A和2B所示，低浓度锗层2由起始二氧化硅管2d，起始二氧化硅管2d的内壁上形成的内层2c，和起始二氧化硅管2d外壁处形成的外层2e构成。用MCVD法将高浓度锗层1和内层2c形成于起始二氧化硅管2d的内壁，用外气相淀积法形成外层2e。

图2c是表示折射率分布，图2D是表示氧化锗的浓度分布。在高浓度锗层中，用于减小折射率的氟与氧化锗一起被加入。

高浓度锗层1的折射率分布几乎与氧化锗的浓度成正比，而且，通过加氟使中间层6′的折射率与低浓度锗层2的折射率匹配。

第2实施例中，按与第1实施例中所述的相同方式，从高浓度锗层1泄漏到低浓度锗层2中的光功率相对于经光纤传播的总光功率之比率是0.4％或以下，且更优选地是0.2％或更小。高浓度锗层1的外径D是MFD的至少2.6倍。至少是2.8倍更好。

加入上述氟，以控制每层的折射率。因此，氟可以只加到需要减小折射率的高浓度锗1的部分中。或者，在高浓度锗层的全部中加氟，同时调节要加的氟量。对所加氟的浓度没有特别限定，可按需要确定适当的添加量。

能加入高浓度锗层1中的杂质不限于氟，其它物质，如硼，也能用作杂质。由于锗有加大折射率的作用，氟是公知的能减小折射率的材料，所以，氟通常用作杂质。

因此，通过杂质和氧化锗一起加入，可制成有复杂的折射率分布的光纤。例如，能在高浓度锗层1内形成折射率比包覆层8的折射率小的部分。而且能抑制因加锗引起的中间层6′中的折射率的增加，并能控制漏进低浓度层2的光功率比率，而不影响芯7中折射率分布确定的光学性能。

尽管上面只说明了用MCVD法制造的光纤中同时加氟的一个实例，但用例如VAD法的其它方法制造的光纤中也能同时加氟。

以下将用对实际制做的光纤进行检验的方式详细说明由于暴露在氢中引起的从高浓度锗层1漏进低浓度锗层2中的光功率比率和1530nm附近的损耗峰值之间的关系。

图3A至3C示出了这些实验中用的光纤的折射率分布图。这些光纤全是用上述第2实施例中用的MCVD法制造的。

图3A中，中间部分4、中间层6′和中间层6′外边的低浓度锗层2中的折射率彼此相等。图3B中，中间层6′和低浓度锗层2中的折射率彼此相同，而中间部分4中的折射率高于中间层6′和低浓度锗层2中的折射率。图3C中，中间层6′和低浓度锗层2(包覆层8)中的折射率彼此相同，中间部分4中的折射率小于中间层6′和低浓度锗层2中的折射率。为了制成有各种折射率分布的光纤，可按需要给高浓度锗层1和中间层6′中同时加氟。

本发明中，对折射率高的部分如中心芯3和环形芯5中氧化锗添加量的上限无具体限制。但是，在图3C中如中间部分4的部分中的氧化锗添加量的上限要求是1.0％(重量)，其中，基于低浓度锗层2的折射率的相对折射率差小于-0.1％。当氧化锗添加量重量百分数在0.1至1.0％范围内时，能提高抗氢性能。氧化锗添加量重量百分数大于1.0％时，过量锗引起的瑞利散射导致传输损耗明显增加。当用加氟来减小因添加重量百分数为1.0％或以上的锗而增加的折射率时，氟的添加量增加，这还会使因瑞利散射损耗引起的传输损耗明显增加。

表1中列出了对应4种已制成的光纤(样品1至4)的折射率分布曲线的图号和4种光纤的光学性能的测量值。

                                       表1

样品号	折射率分布图号	MFD(1550nm)	波长色散(1550nm)	色散斜率(1550nm)
					μm	Ps/km/nm	ps/km/nm2
		1	FIG.3A	9.4				-2.5	0.110
2	FIG.3A				8.4	-2.5	0.065
		3	FIG.3B	9.3				4.0	0.088
4	FIG.3C				8.4	4.0	0.046

图4示出了从高浓度锗层漏进低浓度锗层的光功率与总光功率之比[P_sio2/P_total(％)]和作为产生于图11中的曲线在暴露于氢之后在1530nm附近产生的损耗峰的大小之间的关系。

泄漏光功率P_sio2和总光功率P_total用下式表示：

$P_{\mathrm{total}}=\underset{0}{\overset{\mathrm{rclad}}{\∫}}{\mathrm{rE}}^2\left(r\right)\mathrm{dr}$

$P_{\mathrm{SiO}2}=\underset{\mathrm{rdoped}}{\overset{\mathrm{rclad}}{\∫}}r{E}^2\left(r\right)\mathrm{dr}$

(式中，r是半径，E(r)是电场分布，r_rdoped是高浓度锗层的半径，r_clad是包覆层厚度的一半)。

如该曲线所示，比率[P_sio2/P_total(％)]与损耗峰值大小成正比。损耗峰值最好小。损耗峰大小为0.01dB/km或以下时，更好是0.005dB/km或以下时，对传输性能和整个光纤系统的影响被抑制到能使光纤实用的程度。

如该曲线所示，为了把损耗峰的大小设定在0.01dB/km或以下，则[P_sio2/P_total(％)]可设定在0.4％或以下，为了把损耗峰大小设在0.005dB/km或以下，则可把[P_sio2/P_total(％)]设在0.2％或以下。

增加高浓度锗层的外径能减小比率[P_sio2/P_total(％)]。所以，高浓度锗层的外径的下限可根据所确定的[P_sio2/P_total(％)]比率值来确定。以生产率考虑，高浓度锗层的外径上限根据制造方法如VAD法或MCVD法或制造装置来确定。

如上所述，MFD能作为一个参数使用，其可有效地用于限定高浓度锗层的外径或替代比率[P_sio2/P_total(％)]。

上述的光功率泄漏比率和高浓度锗层的外径与MFD比率的优选范围用于光纤预制品以及由光纤预制品拉制成的光纤。具体地说，MCVD法或CVD法的工艺中，光功率泄漏比率和高浓度锗层的外径与光纤预制品的MFD之比能以相当的精确地评估。

因此，高浓度锗层的适当范围可设定于光纤预制品的制造步骤中。

尽管用实例说明了有分段芯型折射率分布的光纤，但对光纤的折射率分布的类型无特殊限定。可用各种类型的折射率分布，例如所谓的阶梯型、W型、O环型等。

阶梯型折射率分布用例如由从中心位置叠层制成的中心芯、侧边芯和包覆层构成，它的折射率从中心开始逐渐减小。W型折射率分布由例如从中心位置叠层构成的中心芯、侧边芯和包覆层构成，它的折射率按中心芯、包覆层和侧边芯的顺序减小。O环型折射率分布包括一个芯，其具有两层或更多层，其中周围芯围绕中心芯放置且周围芯的折射率大于中心芯。

为了提高有这些折射率分布的光纤的抗氢性能，最好通过在芯与包覆层之间方置中间层来把光功率泄漏比率控制在本发明中确定的值之下。

按本发明的光纤可用于各种目的，例如，色散补偿，以及传输，如WDM传输。

实例

以下将用实例具体说明本发明的光纤。全部实例中的波长(测到的波长)设定为1550nm。

例1

按MCVD法，用二氧化硅玻璃制成光纤预制品，之后，拉制光纤预制品制成光纤。该光纤的光学性能表1中和图4所示的样品4的光学性能相同。

图5A是折射率分布图。图5B是氧化锗的浓度分布。该光纤中，氧化锗和氟同时加入芯和中间层，且分别控制每层中的氧化锗和氟的浓度，使制成的层中以低浓度锗层(包覆层)为基础的相对折射率是-0.1％或以下，同时使氧化锗的浓度保持在0.1％(重量)或以上。

从高浓度锗层漏进低浓度锗层的光功率与总光功率的比率设定为近似0.1％。

该光纤中，芯的外径是16.3μm，中间层外径是23.1μm，中间层外径是MFD的外径(8.4μm)的2.75倍左右。

之后，光纤暴露在氢中，测它的波长损耗性能。

图6示出了和图12一样的曲线图，其中实线是暴露在氢中之后损耗增加量曲线，虚线是从暴露在氢气中之后的损耗增加中减去只由氢作用而引起的损耗增加所计算出的损耗增加量曲线。

在1530nm附近由过氧化氢基与氢之间的键合引起的损耗增加量是0.0001dB/km或以下，因此提高了抗氢性能。

例2

按VAD法，制成光纤预制品，然后拉制光纤预制品制成光纤。该光纤的光学性能和表1和图4所示的样品3的光学性能相似。

图7A是折射率分布，图7B是氧化锗的浓度分布图。该光纤中，由于只有氧化锗加入芯和中间层，所以，折射率分布和氧化锗的对应的浓度彼此相同。从高浓度锗层漏到低浓度锗层的光功率与总光功率的比率设定在0.1％左右。

该光纤中，芯的外径是14.6μm，中间层的外径是25.1μm，中间层外径是MFD的外径(9.3μm)的2.7倍左右。

之后，光纤暴露在氢中且测它的波长损耗性能。图8所示曲线与图6所示曲线相似。如该曲线图所示，由过氧化氢基与氢之间的键合引起的损耗增加量太小以至于观察不到。

例3

按CVD法，用二氧化硅玻璃制成光纤预制品，之后，光纤预制品拉制成光纤，该光纤的光学性能与表1和图4所示样品1的光学性能相同。

图9A是折射率分布，图9B是氧化锗的浓度分布。该光纤中，微量的氟和氧化锗一起加入芯和中间层，控制每层中的氧化锗和氟的相应的浓度。

该光纤中，芯的外径是15.7μm，中间层的外径是24.3μm，中间层外径是MFD的外径(9.3μm)的2.6倍。从高浓度锗层漏进低浓度锗层的光功率与总光功率的比率设定为近似0.4％。

之后，光纤暴露在氢中并测它的波长损耗特性。图10所示曲线与图6中的曲线相似。如该曲线所示，由过氧化氢基与氢之间的键合引起的损耗增加量约为0.008dB/km，它稍大于例1和2中的损耗增加量。对比这些实例，预计高浓度锗层的外径可设定得较大，以抑制附加损耗增加。

如上所述，通过设定从高浓度锗层漏进低浓度锗层的光功率与经光纤传播的总光功率的比率为0.4％或更多，或者，设定高浓度锗层的外径至少是使用波长段的模场直径(MFD)的2.6倍，能提高光纤的抗氢性能。具体说，就是能把过氧化氢基与氢之间的键合引起的在1530nm附近的损耗增加减少到近似可以忽略不计的水平。

不限于所述的折射率分布，可用各种折射率分布。而且，若必要的话，通过将如氟这样的杂质和氧化锗一起加入包括芯和中间层的高浓度锗层中的至少一层中而变成复杂的折射率分布曲线。

Claims (2)

1.一种光纤，包括高浓度锗层和低浓度锗层，

其中，高浓度锗层位于光纤的中心位置，并含有氧化锗，氧化锗的浓度为相对于高浓度锗层总重量的0.1％重量或更多，

低浓度锗层位于在高浓度锗层周围，并含有氧化锗，氧化锗的浓度为相对于低浓度锗层总重量的0.1％重量以下，其特征在于，

在所用波长带，从高浓度锗层漏进低浓度锗层的光功率与经光纤传播的总光功率的比率是0.4％或以下，

在所用波长带，高浓度锗层的外径至少是模场直径的外径的2.6倍，以及

除氧化锗之外的杂质和氧化锗一起加入到高浓度锗层中，此杂质对减小折射率有效用。

2.按权利要求1的光纤，其中，低浓度锗层包括包覆层，高浓度锗层包括芯和位于芯与包覆层之间的中间层，芯的最大折射率至少高于中间层的最大折射率的0.25％。

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