CN1340470A - 光纤、光纤母材的制造方法、及光纤的制造方法 - Google Patents

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Abstract

形成具有纤芯区域100和包层区域200的包层201的光纤,该纤芯区域100掺入了提高折射率的Cl,该包层区域200设于纤芯区域100的外周,并掺入了降低折射率的F。对于成为最外包层的包层201,在包含其外周的外缘部205内,使掺F量逐渐减少到作为包层201内最小掺F量的规定掺入量。这样,可使光纤内的应力分散到粘性大的外缘部205,减小纤芯的应力集中。此时,由于拉丝时的适当张力值范围变宽,所以张力控制变得容易。

Description

光纤、光纤母材的制造方法、及光纤的制造方法
技术领域
本发明涉及一种传输光光纤、光纤母材的制造方法、及光纤的制造方法。
背景技术
在使用光纤的光传输过程中，由光纤内的瑞利散射产生的瑞利散射损耗和由光纤内构造的紊乱产生的构造不规则损耗等传输损失成为问题。
对光纤母材进行加热拉丝制作光纤时加在光纤上的张力对这些传输损耗产生的影响很大。即，对于拉丝时适当的张力值范围，当加在光纤上的张力过小或张力过大时，可能由此使光纤内的瑞利散射损耗或构造不规则损耗等增大。更为具体地说，在低张力下，构造不规则损耗增大。另一方面，在大张力下，瑞利散射损耗和构造不规则损耗都增大。另外，这样的拉丝时的张力对传输损耗以外的光纤的传输特性及其构造、机械强度等也产生影响。
此时加在光纤的张力通常在对光纤母材加热拉丝时随拉丝的时间经过而产生变化。因此，当在该状态下对光纤母材拉丝时，加在光纤母材的全长的张力变化很大，不能制作大长度低传输损耗的光纤。为此，在光纤的拉丝工序中，需要用于将该张力保持在适当张力值范围内的张力控制。
发明内容
光纤拉丝时的上述适当张力值范围随光纤母材的构造、材质、或具体的拉丝条件等而不同。在这里，作为获得适当的光纤的拉丝条件，当可容许的张力值范围成为狭窄的数值范围时，沿光纤母材的全长以足够的精度进行张力控制极为困难。
例如，在具有纯SiO2(纯石英)的纤芯的光纤(光纤母材)中，纤芯区域的粘性比掺F等的包层区域大(参照例如文献“土高等，电子信息通信学会论文刊物1989/3 Vol.J72-C-I No.3，pp.167-176”)。为此，在光纤母材拉丝时，产生于光纤内的应力集中在纤芯，成为传输损耗增大的原因。在该场合，为了减小纤芯的应力集中导致的传输损耗的增大，需要进行高精度、严格的张力控制，或者不能进行张力控制以充分地减小传输损耗。
另外，在文献“坂口，电子信息通信学会论文刊物“2001/1Vol.J83-C No.1，pp.30-36”中记载有通过使拉丝后的光纤缓冷降低光纤的瑞利散射损耗的内容。即，玻璃内的瑞利散射强度不随材料而确定为一定值，而是与表示玻璃内的原子排列状态的杂乱性的假想温度Tf(Fictive Temperature)有关。具体地说，玻璃内的假想温度Tf越高(杂乱性越大)，则瑞利散射强度越大。
为此，当对光纤母材进行加热拉丝时，将加热炉设置到拉丝炉的后段，当拉丝后的光纤经过加热炉时，被加热到规定的范围内。这样，可由使用加热炉的加热防止拉丝后的光纤的急剧冷却，使光纤缓冷。此时，通过由原子再排列使玻璃构造缓和，可降低光纤内的假想温度Tf，减小光纤内的瑞利散射强度。
然而，本发明人发现，在这样的使用可获得降低瑞利散射损耗效果的制造方法的场合，当光纤母材拉丝时的张力不在适当的张力值范围内时，纤芯的应力集中使构造不规则损耗增大等，使得整体上不能降低传输损耗。
本发明就是为了解决上述问题而作出的，其目的在于提供一种容易控制拉丝时的张力的光纤、光纤母材的制造方法、及光纤的制造方法。
为了达到这样的目的，本发明的光纤的特征在于，在上述光纤中，具有纤芯区域和包层区域，该包层区域设于纤芯区域外周，具有降低了折射率的掺氟的1个或多个包层，该1个或多个包层中处于最外侧的最外包层在包含其外周的外缘部内使掺氟量逐渐减少到作为层内最小掺氟量的规定掺氟量。
在上述光纤中，使掺F(氟)形成的包层中的最外包层内具有这样的掺氟量分布地构成最外包层，即，在最外包层的外缘部(外周及其近旁部分)内从内侧朝外侧使掺F量缓慢减少。此时，在掺F量小的最外包层的外缘部，由于其粘性大，所以，加在光纤内的应力被分散到该最外包层的外缘部，减小了纤芯的应力集中。另外，该应力分散还可使光纤拉丝时容许的适当张力值范围为宽的数值范围。
这样，本发明的光纤成为容易控制拉丝时的张力的构成的光纤。同时，可防止由纤芯的过度应力集中等产生的传输损耗增大和传输特性的劣化，实现沿全长具有稳定传输特性的光纤。
关于上述掺F量的分布，由于减少掺F量的区域为最外包层的外缘部，所以，不会影响在纤芯区域内及其近旁的包层区域内传输的光的传输特性。因此，可适当地保持光纤的传输特性等，同时可实现张力控制的容易化或由此获得的传输损耗的降低。
另外，本发明的光纤母材制造方法的特征在于：具有(1)合成工序、(2)脱水工序、及(3)烧结工序，该(1)合成工序用于在至少包含纤芯区域的纤芯母材的外周上堆积玻璃微粒子，合成玻璃微粒子层，该玻璃微粒子层成为设于纤芯区域外周的包层区域所具有的1个或多个包层中处于最外侧的最外包层，该(2)脱水工序用于对合成的玻璃微粒子层进行加热脱水，该(3)烧结工序用于对脱水后的玻璃微粒子层进行加热烧结，作为最外包层从而形成包括纤芯区域和具有1个或多个包层的包层区域的光纤母材；另外，(4)在加热烧结玻璃微粒子层之前，向玻璃微粒子层中掺氟，并从包含其外周的外缘部除去掺入的氟的一部分。
通过对由这样的光纤母材制造方法获得的光纤母材进行拉丝，可获得在包层区域的包层中最外侧的最外包层的外缘部内掺入和除去F使掺F量逐渐减少到作为层内最小掺F量的规定掺入量的光纤。
或者，本发明的光纤母材制造方法的特征在于：具有(1)合成工序、(2)脱水工序、及(3)烧结工序，该(1)合成工序用于在至少包含纤芯区域的纤芯母材的外周上堆积玻璃微粒子，合成玻璃微粒子层，该玻璃微粒子层成为设于纤芯区域外周的包层区域所具有的1个或多个包层中处于最外侧的最外包层，该(2)脱水工序用于对合成的玻璃微粒子层进行加热脱水，该(3)烧结工序用于对脱水后的玻璃微粒子层进行加热烧结，作为最外包层，从而形成包括纤芯区域和具有1个或多个包层的包层区域的光纤母材；另外，(4)在合成工序中，使用含氟原料气体向玻璃微粒子层中掺氟，并调整含氟原料气体进行玻璃微粒子层的合成，使得在包含其外周的外缘部内掺氟量逐渐减少。
通过对由这样的光纤母材制造方法获得的光纤母材进行拉丝，同样也可获得在最外包层的外缘部内使掺F量逐渐减少到作为层内最小掺F量的规定掺入量的掺F光纤。
另外，本发明的光纤制造方法的特征在于：制作的光纤具有纤芯区域和包层区域，该包层区域设于纤芯区域外周，具有降低了折射率的掺氟的1个或多个包层，该1个或多个包层中处于最外侧的最外包层在包含其外周的外缘部内使掺氟量逐渐减少到作为层内最小掺氟量的规定掺氟量；另外，当对光纤母材进行加热拉丝时，在0.05～0.20N的范围内的张力下进行母材的拉丝。
通过形成使加应力分散到该最外包层的外缘部的光纤的构成，并进行张力控制使拉丝时的张力保持在0.05～0.20N的适当张力范围内，可获得在全长上传输损耗低而且具有良好的传输特性的光纤。
或者，本发明的光纤制造方法的特征在于：制作的光纤具有纤芯区域和包层区域，该包层区域设于纤芯区域外周，具有降低了折射率的掺氟的1个或多个包层，该1个或多个包层中处于最外侧的最外包层在包含其外周的外缘部内使掺氟量逐渐减少到作为层内最小掺氟量的规定掺氟量；另外，当对光纤母材进行加热拉丝时，由设于拉丝炉后段的加热炉将在拉丝炉中拉丝获得的光纤加热到规定的温度范围内。
这样，当对光纤母材进行加热拉丝时，利用设于拉丝炉后段的加热炉使光纤缓冷，从而可减小上述构造产生的应力集中和降低传输损耗，并可降低光纤内的假想温度Tf，减少瑞利散射损耗。
在上述光纤的制造方法中，对于具有由树脂覆盖拉制的光纤的树脂涂覆部的场合，最好将设于拉丝炉后段的加热炉设置在拉丝炉和树脂涂覆部之间。
附图说明
图1为示出光纤的第1实施形式的断面构造和折射率分布曲线的示意图。
图2为示出光纤的第2实施形式的断面构造和折射率分布曲线的示意图。
图3为示意地示出光纤制造方法的流程图。
图4为示出光纤的制造方法和用于光纤制造的拉丝装置的一实施形式的示意构成图。
图5为示出光纤的第1比较例的折射率分布曲线的图。
图6为示出光纤的第2比较例的折射率分布曲线的图。
图7为示出光纤的传输损耗与张力的相关性的图。
图8为示出光纤的传输损耗与张力的相关性的图。
图9为示出光纤的传输损耗与弯曲直径的相关性的图。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的光纤、光纤母材的制造方法、及光纤的制造方法的优选实施形式。在附图的说明中，相同要素采用相同符号，省略重复说明。另外，附图的尺寸比例不一定与说明一致。
在以下说明中，表示各部分的折射率的值的相对折射率差定义为将纯SiO2(纯石英)的折射率作为基准(相对折射率差为0)以百分比表示与纯SiO2折射率的差的值。另外，各区域、各层的平均掺F(氟)量或平均相对折射率差分别定义为在该区域内(层内)由面积对掺F量或相对折射率差进行加权平均获得的值。
首先说明光纤的构成。图1为示出本发明的光纤在第1实施形式下的断面构造和光纤径向(图中的线L示出的方向)的折射率分布曲线的示意图。图1所示折射率分布曲线(相对折射率差分布)的横轴虽然比例尺不同，但与沿着图中断面构造所示线L的、相对光纤中心轴垂直的断面上的各位置对应。
该光纤为SiO2玻璃(石英)玻璃系的光纤，由包含光纤中心轴的纤芯区域100和设置于纤芯区域100外周的包层区域200构成。在这样的构成中，传输于光纤内的光在纤芯区域100内和包层区域200内周侧的位于纤芯区域100近旁的部位内传输。
纤芯区域100的外周半径形成为r0。在该纤芯区域100将规定量的Cl(氯)作为提高折射率的掺杂物掺入到纯SiO2玻璃。这样，纤芯区域100内的平均相对折射率差为Δn0(Δn0＞0)。在本实施形式中，如图1所示那样，形成纤芯区域100，并且具有在光纤中心轴近旁Cl的掺杂量和相对折射率差为最大的渐变型的折射率分布。
另一方面，包层区域200在本实施形式中由单一的包层201构成。包层201的外周半径形成为r1。在该包层201将规定量的F(氟)作为降低折射率的掺杂物掺入到纯SiO2玻璃。这样，包层201内的平均相对折射率差为Δn1(Δn1＜0)。
另外，该包层201在本实施形式的构成中成为在包层区域200内位于最外侧的最外包层。在包含其外周(半径r1的部分)的区域的、从半径ra(r0＜ra＜r1)到半径r1的区域范围为外缘部205，在该外缘部205内，掺F量和相对折射率差成为规定的分布。
即，在作为最外包层的包层201中的、处于外缘部205内侧的从半径r0到半径ra的区域范围，掺入作为包层内最大掺F量的大体一定的掺入量的F。这样，外缘部205内侧部分的相对折射率差为成为层内F的最小相对折射率差(与F的最大掺入量相当，绝对值最大)的Δnb。
另一方面，在外缘部205掺F，使掺入量由内侧往外侧逐渐从上述F最大掺入量减少到成为层内F最小掺入量的规定掺入量。这样，外缘部205的相对折射率差由内侧往外侧从上述最小相对折射率差Δnb变化到成为层内最大相对折射率差(与F最小掺入量相当，绝对值最小)的Δna。
在本实施形式的光纤中，如上述那样构成包层201，成为包层区域200的最外包层的包层201内的掺F量分布如图1所示那样，在其外缘部205掺F量逐渐减少。
本光纤的纤芯区域100由掺Cl的SiO2纤芯构成。在该纤芯区域100中，虽然粘性随Cl的掺入而稍变小，但基于该掺入量等，纤芯区域100具有比包层区域200大的粘性。因此，当使设于其外周的包层201为以大体一定的掺入量掺F的通常构成时，在纤芯产生过度的应力集中。
与此不同，通过如上述那样在包层201的外缘部205减少F的掺入量，可使外缘部205的粘性变大，应力朝该外缘部205分散，减小了纤芯的应力集中。
通过减小该纤芯的应力集中，光纤拉丝时容许的适当张力值范围成为更宽的数值范围，拉丝时的张力控制容易进行。另外，可实现能够防止由纤芯的过度应力集中和不充分的张力控制等产生的传输损耗增大和传输特性劣化并且沿全长具有稳定传输特性的光纤。
对于外缘部205内侧的部位的最小相对折射率差Δnb和外缘部205外周近旁的最大相对折射率差Δna，最好相对折射率差Δna比Δnb高0.05％以上(Δna≥Δnb＋0.05％)。或者，最好高0.1％以上(Δna≥Δnb＋0.1％)。
这样，通过使包层201的外缘部205的掺F量的减少量在以相对折射率差表示时为0.05％以上或0.1％以上，可使外缘部205外周近旁的粘性为与纤芯区域100的粘性相同的程度等，从而可充分提高使应力朝外缘部205分散的效果。
另外，对于Cl在纤芯区域100的掺入，为了充分确保光在纤芯区域100的封闭效果等，最好使其平均相对折射率差在0.01％≤Δn0≤0.12％的范围内。对于该Cl的掺入，由于对传输损耗等的影响小，所以可与纯SiO2纤芯同样地对待，另外，具有减小纤芯区域100的粘性的效果。另外，对于纤芯区域100内的折射率分布，可如图1所示那样形成渐变型，也可形成在纤芯区域100内大体一定的折射率分布。
另外，对于通过纤芯的应力集中减小或由此带来的制造时(拉丝时)的张力控制的容易化等所获得传输损耗的降低，具体地说，瑞利散射系数A最好在0.81dB/km·μm4以下，或波长1.00μm的传输损耗α1.00最好在0.82dB/km以下。
瑞利散射系数A和传输损耗α1.00最好在具有通常构成的纯SiO2纤芯(或以纯SiO2纤芯为标准的掺Cl的SiO2纤芯)的光纤中分别大体为0.85dB/km·μm4、0.86dB/km(基准值)。与此不同，按照本实施形式的光纤，瑞利散射系数A或传输损耗α1.00可在这些基准值分别减小5％的上述数值范围内。
这样的瑞利散射系数A或传输损耗α1.00的降低由上述光纤的构成来实现，或由上述光纤的构成与可减小瑞利散射损耗等导致的传输损耗的制造方法的组合等实现。利用制造方法获得的传输损耗的降低将在后面说明。
下面，说明瑞利散射系数A。瑞利散射系数A为成为包含于光纤的传输损耗中的瑞利散射损耗的指标的量。光纤在波长λ的传输损耗αλ(dB/km)一般由瑞利散射损耗和此外的构造不规则损耗等传输损耗成分表示成下式。
αλ＝A/λ4＋B＋C(λ)
其中，第1项A/λ4(dB/km)表示瑞利散射损耗，其系数A为瑞利散射系数  (dB/km·μm4)。由上式可知，瑞利散射损耗与瑞利散射系数A成比例，因此，作为瑞利散射损耗降低的指标，可使用瑞利散射系数A。该瑞利散射系数A可根据上式从传输损耗与波长的相关性数据(例如曲线1/λ4的倾斜)求出。
另外，关于本发明的光纤的传输损耗，在上述条件下可对波长1.00μm的传输损耗α1.00提供数值范围。这是因为，波长1.00μm的传输损耗的值比用于光传输的1.55μm带等大，在1～10km左右的较短的光纤试样中，可以足够的精度进行评价。
另外，波长1.00μm的传输损耗α1.00与波长1.55μm的传输损耗α1.55以一定的关系对应，通过降低传输损耗α1.00，对于传输损耗α1.55，也可同样地确认其减小。具体地说，传输损耗α1.00和α1.55根据上式可分别成为
α1.00＝A＋B＋C(1.00)
α1.55＝A×0.17325＋B＋C(1.55)
其关系为
α1.00＝α1.55＋A×0.82675＋C(1.00)－C(1.55)
图2为示出本发明光纤的第2实施形式中的断面构造和光纤径向折射率曲线的示意图。
该光纤与第1实施形式同样，为SiO2玻璃(石英玻璃)系的光纤，具有包含光纤中心轴的纤芯区域100和设于纤芯区域100外周的包层区域200。其中，纤芯区域100的构成与图1所示光纤的纤芯区域100大体相同。
另一方面，包层区域200在本实施形式中由设于纤芯区域100外周的内包层201和设于内包层201外周的外包层202这样2个包层构成。
内包层201的外周半径形成为r1。在该内包层201将规定量的F(氟)作为降低折射率的掺杂物掺入到纯SiO2玻璃。这样，内包层201内的平均相对折射率差为Δn1(Δn1＜0)。
外包层202的外周半径形成为r2。在该外包层202将规定量的F(氟)掺入到纯SiO2玻璃。这样，外包层202内的平均相对折射率差为Δn2(Δn2＜0)。外包层202的平均掺F量比内包层201的平均掺F量小，因此，包层区域201和202的平均相对折射率差具有0＞Δn2＞Δn1的关系。
另外，该外包层202在本实施形式的构成中成为在包层区域200内位于最外侧的最外包层。在包含其外周的区域，将从半径ra(r1＜ra＜r2)到半径r2的区域范围为外缘部205，在该外缘部205内，掺F量和相对折射率差成为规定的分布。
即，在作为最外包层的外包层202中的、处于外缘部205内侧的从半径r1到半径ra的区域范围，掺入成为包层内最大掺F量的大体一定的掺入量的F。这样，外缘部205内侧部分的相对折射率差为成为层内的最小相对折射率差的Δnb。
另一方面，在外缘部205掺F，使掺入量从内侧朝外侧逐渐从上述F的最大掺入量减少到成为层内F最小掺入量的规定掺入量。这样，外缘部205的相对折射率差由内侧往外侧从上述最小相对折射率差Δnb变化到成为层内最大相对折射率差的Δna。
在本实施形式的光纤中，与第1实施形式同样，包层区域200的最外包层即外包层202内的外缘部205形成掺F量逐渐减少的掺F量分布。因此，外缘部205的粘性变大，应力朝该外缘部205分散，减小了纤芯的应力集中。
通过减小该纤芯的应力集中，光纤拉丝时容许的适当张力值范围成为更宽的数值范围，拉丝时的张力控制容易化。另外，可防止由纤芯的过度应力集中和不充分的张力控制等产生的传输损耗的增大和传输特性的劣化，实现沿全长具有稳定传输特性的光纤。
另外，第1实施形式的光纤的包层区域200由单一的包层201构成，与此不同，本实施形式的光纤的包层区域200由掺F量大的(相对折射率差小的)内包层201和掺F量小的(相对折射率大的)外包层202这样2个包层构成。
按照这样的2层构造的包层区域200，由位于纤芯区域100外周的内包层201可将传输的光有效地封入到纤芯区域100和其近旁。另外，外包层202具有调整光纤的传输特性的效果和减小纤芯的应力集中的效果等。由该外包层202和其内部的外缘部205的构成可确实地减小纤芯区域100的应力集中。
对于外包层202的平均相对折射率差Δn2，为了充分获得减小纤芯区域100的应力集中的效果，最好满足Δn2≥-0.26％。或者，最好满足Δn2≥-0.22％。
下面，说明光纤母材和光纤的制造方法。图3为示意地示出获得具有上述构成的光纤母材和光纤的光纤制造方法(包含光纤母材制造方法)的流程图。
在图3所示制造方法中，制作的光纤母材(步骤S100：包含步骤S101-106)如在第1和第2实施形式的光纤例示那样，具有在最外包层的外缘部205使掺F量逐渐减小(相对折射率差逐渐增大)到作为最外包层内最小掺F量的规定掺F量的构成。对获得的光纤母材进行加热拉丝(S107)，获得具有图1和图2所示那样构成的光纤(S108)。
在这里，从光纤母材的制作(S100)开始说明。首先，制作至少包含纤芯的纤芯母材(S101)。作为纤芯母材，可使用通常的纤芯母材，例如可使用将形成纤芯区域或还形成包层区域一部分的母材拉伸规定长度后获得的纤芯母材。另外，在纤芯区域，例如可使用纯SiO2的纤芯或掺Cl的SiO2纤芯。
对于在纤芯母材(纤芯延伸体)形成包层区域一部分的场合，具有在如图1所示那样形成1个包层201的构成中由纤芯母材形成其一部分的方法。但在该场合，需要使至少包含外缘部205的区域范围不包含于纤芯母材中。另外，具有在如图2所示那样形成2个包层201、202的构成中由纤芯母材形成内包层201的方法。对于形成于纤芯母材上的包层区域的一部分，可与后述的最外包层同样地由合成、脱水、烧结形成，或也可用洛多因考拉普斯(ロシドィンコラプス)法。
对于这样的纤芯母材，使用VAD法或OVD法等合成方法，在其外周上合成玻璃微粒子层(S102，合成工序)。具体地说，由供给规定气体组成的原料气体的玻璃合成用燃烧器的火焰生成玻璃微粒子，在纤芯母材的外周上堆积该玻璃微粒子，合成玻璃微粒子层。该玻璃微粒子层为在加热烧结后成为最外包层(或至少包含其外缘部的最外包层的外侧规定部分)的层。
接着，对合成的玻璃微粒子层进行加热脱水(S103，脱水工序)，然后对脱水后的玻璃微粒子层进行加热烧结(S105，烧结工序)，制作由玻璃微粒子层形成最外包层的光纤母材(S106)。
如必要，也可在脱水工序(S103)和烧结工序(S105)之间的工序中，使F浸渍掺入到玻璃微粒子层(S104，浸渍工序)。在浸渍工序中，使烧结炉中的气氛为以规定浓度含F的气体氛围，在该气体氛围中使F浸渍到玻璃微粒子层中。
在这样的光纤母材的制造方法中，作为获得如图1和图2所示那样在玻璃微粒子层(最外包层)的外缘部掺入量逐渐减少的构成的掺F量分布的方法，例如可在加热烧结玻璃微粒子层之前向玻璃微粒子层中掺F，并在该掺入后从包含玻璃微粒子层的外周的外缘部(相当于最外包层的外缘部)除去F的一部分。
具体地说，例如在纤芯母材的外周上合成SiO2构成的玻璃微粒子层作为套层(涂黑(スス付け)、合成工序)。接着，在SiCl4气氛中于1200℃加热脱水(脱水工序)，然后，在SiF4气氛中于1200℃加热，使F浸渍掺入到玻璃微粒子层(浸渍工序)。
接着，在1500℃加热该玻璃微粒子层(玻璃微粒子体)使其烧结(烧结工序)，但在这里，从加热烧结时的气体氛围中除去F(SiF4)或形成比浸渍时的浓度低的浓度(例如微量的浓度)。此时，在加热烧结过程中从与上述气体氛围接触的玻璃微粒子层(最外包层)的外缘部除去掺入的F的一部分，在外缘部形成掺F量逐渐减少的构成的掺入量分布。
这样，按照在掺F后除去外缘部的F的一部分的方法，可如上述例那样在加热烧结时除去F等，不追加新的工序即可在外缘部获得掺F量逐渐减少的掺入量分布。因此，不提高制造成本即可获得上述构成的光纤。
这样的方法不受掺F方法影响，例如在不进行F的浸渍地在玻璃微粒子层的合成时掺F的场合，也可同样适用。另外，F的除去不限于在烧结工序进行的方法，可利用脱水工序、浸渍工序、及烧结工序的各设定温度、气体成分、气体流量、处理时间等的组合，由多种方法实现F的除去。另外，按照这些诸条件的设定，还可调整F除去量和掺入量分布的减少斜率等。
另外，作为同样在玻璃微粒子层(最外包层)的外缘部获得掺入量逐渐减少的掺F量分布的方法，也可不在掺F后除去，而是在将F掺入到玻璃微粒子层时逐渐减少掺入的F的掺入量。
具体地说，例如在纤芯母材的外周上合成玻璃微粒子层作为套层(合成工序)时，向玻璃合成用燃烧器供含F的原料气体，在堆积的玻璃微粒子中掺F。此时，如包含于供给的原料气体的F量随着玻璃微粒子的堆积而减少，则可在外缘部形成掺F量逐渐减少的构成的掺入量分布。
另外，也可在玻璃微粒子层合成时掺Cl，然后，将Cl置换为F。在该场合，可同样地减少包含于原料气体中的Cl量。
下面，说明光纤母材的加热拉丝(图3中的步骤S107)。图4为示出本发明的光纤制造方法和用于光纤制造的拉丝装置的一实施形式的示意构成图。
图4所示拉丝装置1为石英系光纤的拉丝装置，具有拉丝炉11、缓冷用加热炉21、及树脂硬化部31，拉丝炉11、加热炉21、及树脂硬化部31在光纤母材2的拉丝方向(图4中为从上到下的方向)按拉丝炉11、加热炉21、树脂硬化部31的顺序配置。
将保持于母材供给装置(图中未示出)的光纤母材2供给到拉丝炉11，由拉丝炉11内的加热器12对光纤母材2的下端进行加热使其软化，拉制光纤3。在拉丝炉11的炉心管13连接惰性气体供给部14的惰性气体供给通道15，使拉丝炉11的炉心管13内成为惰性气体氛围。
在这里，从母材供给装置供给的光纤母材2如上述那样，制作成在最外包层的外缘部内掺F量逐渐减少到作为层内最小掺F量的规定掺入量的构成。
进行加热拉丝获得的光纤3在炉心管13内由惰性气体急冷至1700℃左右。之后，光纤3被从炉心管13的下部引出到拉丝炉11外，在拉丝炉11与加热炉21之间空冷。惰性气体例如可使用氮气，该氮气的热传导系数λ(T＝300K)为26mW/(m·K)。空气的热传导系数λ(T＝300K)为26mW/(m·K)。
将空冷后的光纤3送到在拉丝炉11后段设于拉丝炉11与树脂硬化部31之间的缓冷加热炉21。接着，将光纤3的规定区间加热到规定温度范围内的温度，然后在规定的冷却速度下缓冷。加热炉21具有光纤3通过其中的炉心管23。该炉心管23在光纤母材2的拉丝方向(图4中为上下方向)的全长L2(m)最好满足关系
L2≥V/8
其中，V为拉丝速度(m/s)。
另外，加热炉21的炉心管23的位置设定成使即将进入炉心管23的光纤3的温度(进丝温度)处于1400-1800℃的范围的位置，相对于拉丝炉11，最好满足关系
L1≤0.2×V
其中，L1为从拉丝炉11的加热器12下端到炉心管23上端的距离(m)，V为拉丝速度(m/s)。对于加热炉21的加热器22的温度，最好将炉中心(光纤3通过的部分)的温度设定为1100-1600℃的范围内的温度，而且，随着设定为1200-1600℃或1250-1500℃或1300-1500℃范围内的温度，其理想度依次进一步提高。
通过设定上述加热炉21(炉心管23)的位置和长度，在缓冷用加热炉21中，将经过加热拉丝后获得的光纤3加热到温度1100-1700℃(如加热到1200-1700℃的范围内的温度时则更好)。光纤3的温度为1100-1700℃的部分中光纤3的温度差在50℃以上的区间，例如光纤3的温度为1250-1500℃(1300-1500℃时更好)的部分(温度差为200℃的区间)，以1000℃/s以下的冷却速度缓冷。
通过将炉中心的温度设定为1100-1600℃(1200-1600℃时更好)范围内的温度，使经过加热拉丝后的光纤3的、温度为1100-1700℃(1200-1700℃更好)的部分中光纤3的温度差在50℃以上的区间以1000℃/s以下的冷却速度缓冷。
在加热炉21的炉心管23中，连接氮气供给部24的氮气供给通道25，加热炉21的炉心管23内成为氮气氛围。也可不用氮气，而是使用空气或氩气这样的分子量较大的气体等。当然，在使用石墨加热器的场合，需要使用惰性气体。
从加热炉21出来的光纤3由作为外径测量手段的外径测量仪41对外径进行在线测量，其测量值被反馈到驱动卷筒42回转的驱动马达43，使外径成为一定地进行控制。外径测量仪41的输出信号被送到作为控制手段的控制装置44，由计算求出卷筒42(驱动马达43)的转速，使光纤3的外径为预先设定的规定值。
从控制装置44将表示计算求出的卷筒42(驱动马达43)的转速的输出信号输出到驱动马达用驱动器(图中未示出)，该驱动马达用驱动器根据控制装置44的输出信号，控制驱动马达43的转速。
之后，用涂覆模51在光纤3涂覆UV树脂52，由树脂硬化部31的UV灯32使涂覆的UV树脂52硬化，成为光纤丝坯4。光纤丝坯4经过导向辊61由卷筒42卷取。卷筒42支承在回转驱动轴45，该回转驱动轴45的端部连接到驱动马达43。
在本实施形式中，由涂覆模51和树脂硬化部31构成将树脂涂覆到光纤的树脂涂覆部。但该树脂涂覆部不限于上述构成，也可为涂覆热硬化树脂并由加热炉硬化的构成。
在拉丝炉11的炉心管13如上述那样连接惰性气体供给部14的惰性气体供给通道15，拉丝炉11的炉心管13内成为惰性气体氛围，但作为惰性气体供给部14也可设置氮气供给部，向炉心管13内供给氮气，形成氮气氛围。
在拉丝速度为低速例如100m/min的场合，由于光纤3有可能在氦气氛围中于拉丝炉11(炉心管13)内冷却到1000℃左右，所以，在该场合，使炉心管13内为氮气氛围，使拉丝炉11(炉心管13)出口的光纤3的温度为1700℃左右。另外，也可设置氦气供给部和氮气供给部，相应于拉丝速度向炉心管13内供给氦气和/或氮气。实际上，一旦冷却后由再加热使温度为1100-1700℃(1200-1700℃更好)，则也可使构造缓和。在该场合，为了进行再加热，产生加热器长的损失。
在上述光纤的制造方法中，作为光纤母材2，使用制作成在最外包层的外缘部掺F量逐渐减少的构成的光纤母材。由具有这样构成的光纤母材和光纤，可通过使应力朝外缘部分散减小纤芯的应力集中。此时，在拉丝炉11的加热拉丝的张力控制中，为了获得良好的光纤所容许的张力值范围变宽，张力控制变得容易。另外，拉丝后获得的光纤也可形成为传输损耗和传输特性优良(例如低传输损耗低)的光纤。
即，当拉丝时的张力脱离适当的张力值范围时，在低张力下构造不规则损耗增大，相反，张力大时，瑞利散射损耗增大，成为光纤传输损耗增大的原因。与此不同，按照上述那样使张力控制容易化的制造方法，由于传输损耗对张力依存性变小，所以，可减小张力变化导致的传输损耗的增大和传输损耗以外的传输特性等劣化。另外，张力控制没有必要为高精度，所以，制造工序简化，同时其制造成品率提高。作为适当的张力值范围，最好使张力在0.05～0.20N(5～20gw)的范围内地进行张力控制。
另外，对于该掺F量的分布，由于使掺F量减少的区域为最外包层的外缘部，所以，不会对在纤芯区域和其近旁传输的光的传输特性产生影响。因此，可在适当保持光纤的传输特性等的同时，实现张力控制的容易化。
另外，在图4所示制造方法和拉丝装置1中，对光纤母材2进行拉丝后，使用设于拉丝炉11后段的缓冷用加热炉21对光纤3进行缓冷。这样，可降低光纤内的假想温度Tf，减小瑞利散射损耗。
这样，在使用具有瑞利散射损耗降低效果的制造方法的场合，作为全体的传输损耗，也未必能使传输损耗降低。可以认为其原因在于，虽然瑞利散射损耗减小，但纤芯的过度应力集中使构造不规则损耗等其它传输损耗成分增大，结果整体上不能获得降低传输损耗的效果。另外，当要抑制构造不规则等的发生时，相反不能充分获得瑞利散射损耗降低的效果。
与此不同，通过使用在最外包层的外缘部使掺F量减少的上述构成的光纤母材和光纤，可在降低瑞利散射损耗(例如瑞利散射系数A在0.81dB/km·μm4以下)的同时，抑制纤芯的应力集中导致的构造不规则损耗等的发生，从而可实现整体上的传输损耗低(例如波长1.00μm的传输损耗α1.00在0.82dB/km以下)的光纤。
下面，说明上述光纤及其制造方法的具体的实施例和比较例。以下实施例和比较例的光纤都按照具有图4所示加热炉21的缓冷和没有缓冷双方的制造方法加以制作。另外，对于缓冷用的加热炉21的加热条件，设为约1300℃，丝速25m/分，加热炉的炉长约1.5m。
第1实施例的光纤按图1所示折射率分布曲线制作。另外，各半径r0、ra、r1分别设为2r0＝10μm、2ra＝110μ m、2r1＝125μm。
另外，对于各区域的折射率，使平均相对折射率差为Δn0＝+0.08％地将Cl掺入到纤芯区域100。另一方面，以最小相对折射率差为Δnb＝-0.35％、外缘部205的最大相对折射率差大体为Δna＝-0.05％的掺入量分布将F掺入到包层区域200的包层201。此时，平均大体为Δn1＝-0.28％左右。
第2实施例的光纤按图2所示折射率分布曲线制作。另外，各半径r0、ra、r1、r2分别设为2r0＝10μm、2ra＝55μm、2r1＝110μm、2r2＝125μm。
另外，对于各区域的折射率，使平均相对折射率差为Δn0＝+0.08％地将Cl掺入到纤芯区域100。另一方面，使平均相对折射率差为Δn1＝-0.28％地将F掺入到包层区域200的内包层201。另外，使F的浸渍工序中的SiF4量为1/3，以最小相对折射率差为Δnb＝-0.20％、外缘部205的最大相对折射率差大体为Δn＝-0.05％的掺入量分布将F掺入到外包层202。
另外，作为光纤的第3实施例，对于与第2实施例相同构成的光纤，将缓冷用加热炉的加热条件设定为1100℃，进行光纤的制作。
图5为示出光纤的第1比较例的折射率分布曲线的图。本比较例的光纤的构成除了未形成掺F量减少的外缘部外，其它与上述第1实施例相同，纤芯区域300和包层区域400的包层401的各半径r0、r1分别设为2r0＝10μm、2r1＝125μm。
另外，对于各区域的折射率，使平均相对折射率差为Δn0＝+0.08％地将Cl掺入到纤芯区域300。另一方面，使平均相对折射率差为Δn1＝-0.35％地将F掺入到包层区域400的包层401。
图6为示出光纤的第2比较例的折射率分布曲线的图。本比较例的光纤的构成除了未形成掺F量减少的外缘部外，其它与上述第2实施例相同，纤芯区域300、包层区域400的内包层401、及外包层402的各半径r0、r1、r2分别设为2r0＝10μm、2r1＝55μm、2r2＝125μm。
另外，对于各区域的折射率，使平均相对折射率差为Δn0＝+0.08％地将Cl掺入到纤芯区域300。另一方面，使平均相对折射率差为Δn1＝-0.28％地将F掺入到包层区域400的包层401。另外，使F的浸渍工序中的SiF4量为1/3，使平均相对折射率差为Δn2＝-0.20％地掺F。
图7示出对于以上第1、第2实施例和第1、第2比较例在按照没有加热炉缓冷的方法拉丝的场合下波长1.55μm的传输损耗α1.55与张力的相关性。按照该图，分别比较具有1个包层的构成的第1实施例和第1比较例及具有2个包层的构成的第2实施例和第2比较例的传输损耗α1.55与张力的相关性可知，对于所有的场合，在形成掺F量减少的外缘部的第1、第2实施例的场合，传输损耗的值下降，同时，与张力的相关程度变小。
图8示出在按照具有加热炉缓冷的方法拉丝的场合下传输损耗α1.55与张力的相关性。按照该图，分别比较具有1个包层的构成的第1实施例和第1比较例及具有2个包层的构成的第2实施例和第2比较例的传输损耗α1.55与张力的相关性可知，与图7所示没有缓冷的场合同样，对于所有的场合，在形成掺F量减少的外缘部的第1、第2实施例的场合，传输损耗的值下降，同时，与张力的相关程度变小。
例如，在该具有缓冷的场合，比较张力0.10N下的传输损耗α1.55的值可知，在1个的包层的场合，相对于第1比较例的0.166dB/km，在第1实施例中为0.161dB/km。另外，在2个包层的场合，相对于第2比较例的0.160dB/km，在第2实施例中为0.158dB/km。
另外，在第3实施例中，在将张力设为0.10N的条件下制作了光纤，此时的传输损耗α1.55为0.162dB/km。
在该图8中，实施例的传输损耗α1.55相对比较例的降低比图7大。这可以认为是加热炉的缓冷效果。
即，在具有缓冷的场合，对于没有掺F量减少的外缘部的构成的光纤，缓冷使瑞利散射损耗降低，但纤芯的应力集中使构造不规则损耗增大，结果整体上不能充分降低传输损耗。与此不同，通过进行缓冷并形成设置掺F量减少的外缘部的光纤，可在降低瑞利散射损耗同时，抑制纤芯的应力集中导致的构造不规则损耗的发生，所以，可获得整体上的传输损耗低的光纤。
另外，比较具有1个包层的第1实施例和具有2个包层的第2实施例可知，第2实施例的传输损耗较低。这是因为，2个包层中的外侧的外包层的掺F量较小，该外包层自身具有某种程度的应力分散功能。
另外，对于将张力设为0.10N的第1、第2、第3实施例的光纤，分别求出瑞利散射系数A和波长1.00μm的传输损耗α1.00，确认了瑞利散射系数A在0.81dB/km·μm4以下，传输损耗α1.00在0.82dB/km以下。
由以上说明可知，通过形成在最外包层的外缘部减少掺F量的构成，可实现减小了纤芯的应力集中、拉丝时的张力控制容易、并且传输损耗沿全长稳定地降低的光纤。
在具有内包层和外包层这样2个包层的构成的场合，由在外包层(图2所示外包层202)全体使掺F量减少的构成，也可通过使应力向外包层分散，减小纤芯的应力集中。然而，在减小外包层全体的掺F量的场合，虽可获得应力分散的效果，但对光纤的传输特性也产生影响。
图9示出对于没有缓冷的场合的各实施例、比较例的光纤求出其弯曲特性的结果。由该图可知，在具有1个包层的第1实施例(或第1比较例)和具有2个包层的第2实施例(或第2比较例)中，其弯曲损耗的值相差很大。
与此不同，比较除外缘部以外具有相同构成的第1实施例与第1比较例(或第2实施例与第2比较例)可知，其弯曲特性基本上没有变化。这样的倾向对于具有缓冷的场合的各实施例、比较例的光纤也相同。
即，当在包层的全体减少掺F量时，上述弯曲特性或此以外的截止波长或色散特性等诸特性产生变化。与此不同，通过形成仅在最外包层的外缘部减少掺F量的构成，可有效地减小纤芯的应力集中，而且不使光纤的传输特性劣化。
另外，对于应力朝包层区域的外缘部的分散，例如也可在包层区域的最外侧形成由纯SiO2等构成的粘性大的层(例如参照日本特开昭64-87528号公报和特开平2-113205号公报)。然而，在这样的构成中，还需要作为最外层形成新的纯SiO2层的合成、脱水、烧结工序，所以，制造工序复杂化，制造成本变高。
与此不同，按照由仅在最外包层的外缘部减少掺F量的掺入量分布在最外包层内形成粘性大的部分的本发明的构成，可实现不在制造工序中附加新的工序即可减小纤芯的应力集中的构成的光纤母材和光纤。
本发明的光纤、光纤母材的制造方法、及光纤的制造方法不限于上述各实施形式和实施例，可进行多种变形和构成变更。例如，对于包层区域的构成，不限于图1和图2所示构成例，可采用多种构成。另外，对于纤芯区域，在图1和图2中为掺Cl的构成，但也可为由纯SiO2构成的纤芯。
另外，对于最外包层的外缘部的掺F量分布，也可相应于其制造方法，形成为图1和图2所示构成以外的掺入量分布。例如，可在外缘部内的外周侧的规定范围内使掺F量为最小掺入量并且保持一定，在其内侧(外缘部内的内周侧)使掺F量变化。通过这样在外缘部内的外侧部分的外周近旁设置掺F量为最小掺入量而且大体一定的区域，可增大该区域内的粘性，更为有效地实现应力向外缘部的分散。
另外，也可在外包层等最外包层使其内周近旁的掺F量比层内的最大掺F量少。即，当形成最外包层时，在其内周近旁可能掺F量稍减少。即使在成为这样的掺入量分布的场合，也可通过利用上述光纤的构成，实现应力朝外缘部的分散。
如以上详细说明的那样，本发明的光纤、光纤母材的制造方法、及光纤的制造方法可获得以下那样的效果。即，在具有纤芯区域和设于纤芯区域外周的包层区域的光纤中，通过形成在包层区域的最外包层的外缘部内使掺F量逐渐减少的构成，可使外缘部的粘性变大，使应力朝该外缘部分散，减小应力在纤芯的集中。
通过减小纤芯的应力集中，可在光丝拉丝时容许的适当张力值范围成为更宽的数值范围，容易进行拉丝时的张力控制。另外，可防止由纤芯的过度应力集中和不充分的张力控制等产生的传输损耗的增大和传输特性的劣化，实现沿全长具有稳定传输特性的光纤。
由设于拉丝炉后段的加热炉将在拉丝炉内拉制的光纤加热到规定温度范围而获得的光纤具有传输损耗非常低等优良的传输特性。因此，当应用于长距离的光传输系统时，可减少设置了光放大器等的中继器的数量，从而可构筑高效的光传输系统。

Claims (17)

1.一种光纤，其特征在于：具有纤芯区域和包层区域，该包层区域设于纤芯区域外周，具有降低了折射率的掺氟的1个或多个包层，上述1个或多个包层中处于最外侧的最外包层在包含其外周的外缘部内使掺氟量逐渐减少到作为层内最小掺氟量的规定掺氟量。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于：上述包层区域由设于上述纤芯区域外周的内包层和设于上述内包层外周并成为上述最外包层的外包层这样2个包层构成，上述外包层的平均掺氟量比上述内包层的平均掺氟量小。
3.如权利要求2所述的光纤，其特征在于：在以纯SiO2的折射率作为基准用百分比表示并定义各部分的相对折射率差时，上述外包层的平均相对折射率差满足条件Δn2≥-0.26％。
4.如权利要求2所述的光纤，其特征在于：上述外包层的在其内周近旁的掺氟量比层内的最大掺氟量少。
5.如权利要求1所述的光纤，其特征在于：在以纯SiO2的折射率作为基准用百分比表示并定义各部分的相对折射率差时，上述外包层的以上述最小掺入量掺氟的上述外缘部内的部位的最大相对折射率差Δna相对以最大掺入量掺氟的上述外缘部内侧的部位的最小相对折射率差Δnb满足条件Δna≥Δnb＋0.05％。
6.如权利要求1所述的光纤，其特征在于：在上述最外包层的上述外缘部内，上述外缘部内的外周侧规定范围的掺氟量为上述最小掺入量并大体一定。
7.如权利要求1所述的光纤，其特征在于：在以纯SiO2的折射率作为基准用百分比表示并定义各部分的相对折射率差时，使平均相对折射率差满足条件0.01％≤Δn0≤0.12％地掺氯。
8.如权利要求7所述的光纤，其特征在于：上述纤芯区域在区域内具有渐变型的折射率分布。
9.如权利要求1所述的光纤，其特征在于：上述纤芯区域由纯SiO2构成。
10.如权利要求1所述的光纤，其特征在于：瑞利散射系数A在0.81dB/km·μm4以下，或波长1.00μm的传输损耗α1.00在0.82dB/km以下。
11.一种光纤母材的制造方法，其特征在于：具有合成工序、脱水工序、及烧结工序，该合成工序用于在至少包含纤芯区域的纤芯母材的外周上堆积玻璃微粒子，合成玻璃微粒子层，该玻璃微粒子层成为设于上述纤芯区域外周的包层区域所具有的1个或多个包层中处于最外侧的最外包层，该脱水工序用于对合成的上述玻璃微粒子层进行加热脱水，该烧结工序用于对脱水后的上述玻璃微粒子层进行加热烧结，作为上述最外包层，从而形成包括上述纤芯区域和具有上述1个或多个包层的包层区域的光纤母材；另外，在加热烧结上述玻璃微粒子层之前，向上述玻璃微粒子层中掺氟，并从包含其外周的外缘部除去掺入的氟的一部分。
12.如权利要求11所述的光纤母材的制造方法，其特征在于：在上述脱水工序和上述烧结工序之间，还具有在以规定浓度含氟的气体氛围中使氟浸渍到上述玻璃微粒子层中的浸渍工序，在上述烧结工序中，使包含于加热烧结时气体氛围中的氟浓度为比浸渍时的上述规定浓度低的浓度，从上述玻璃微粒子层的上述外缘部除去掺入的氟的一部分。
13.一种光纤母材的制造方法，其特征在于：具有合成工序、脱水工序、及烧结工序，该合成工序用于在至少包含纤芯区域的纤芯母材的外周上堆积玻璃微粒子，合成玻璃微粒子层，该玻璃微粒子层成为设于上述纤芯区域外周的包层区域所具有的1个或多个包层中处于最外侧的最外包层，该脱水工序用于对合成的上述玻璃微粒子层进行加热脱水，该烧结工序用于对脱水后的上述玻璃微粒子层进行加热烧结，作为上述最外包层，从而形成包括上述纤芯区域和具有上述1个或多个包层的包层区域的光纤母材；另外，在上述合成工序中，使用含氟原料气体向上述玻璃微粒子层中掺氟，并调整上述含氟原料气体进行上述玻璃微粒子层的合成，使得在包含其外周的外缘部内掺氟量逐渐减少。
14.如权利要求13所述的光纤母材的制造方法，其特征在于：在上述合成工序中，使用含氯的原料气体代替氟将氯掺入到上述玻璃微粒子层后，将掺入的氯置换成氟。
15.一种光纤制造方法，其特征在于：制作的光纤具有纤芯区域和包层区域，该包层区域设于上述纤芯区域外周，具有降低了折射率的掺氟的1个或多个包层，上述1个或多个包层中处于最外侧的最外包层在包含其外周的外缘部内使掺氟量逐渐减少到作为层内最小掺氟量的规定掺氟量；另外，当对光纤母材进行加热拉丝时，在0.05～0.20N的范围内的张力下进行上述光纤母材的拉丝。
16.一种光纤制造方法，其特征在于：制作的光纤具有纤芯区域和包层区域，该包层区域设于上述纤芯区域外周，具有降低了折射率的掺氟的1个或多个包层，上述1个或多个包层中处于最外侧的最外包层在包含其外周的外缘部内使掺氟量逐渐减少到作为层内最小掺氟量的规定掺氟量；另外，当对上述光纤母材进行加热拉丝时，由设于拉丝炉后段的加热炉将在拉丝炉中拉丝获得的光纤加热到规定的温度范围内。
17.如权利要求16所述的光纤制造方法，其特征在于：上述加热炉将经过上述拉丝后获得的光纤进行加热，使上述光纤的温度为在1100-1700℃范围内的温度。
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