专利名称：单模光纤及其制造方法
技术领域：
本发明涉及在光传送系统中使用的单模光纤及其制造方法。
背景技术：
单模式等的光纤的构成为具有作为传送光的区域的纤芯区域和在其外周设置的包层区域，采用把纤芯区域的折射率设定为比包层区域的折射率稍微大一点的值来形成光纤的办法，就可以实现在纤芯区域中的光传送。特别是在单模光纤中，光功率也向纤芯区域附近的包层区域扩展地进传送光。
在这里，在作为纤芯区域和包层区域的边界部分的界面区域内，该折射率实际上并不是不连续地进行变化，而是具有从纤芯区域向着包层区域折射率不断减小下去的一定的连续的折射率分布地进行变化。关于这样的在界面处的折射率的变化，例如，在日本特开昭49-17246号公报中，讲述了在界面处设置折射率连续地变化的层的做法。
另一方面，在例如日本特开昭57-27934号公报和特开平3-8737号公报中，讲述了减少这样的界面区域(尾部拉长或尾部扩展)的厚度的光纤用玻璃母材的制造方法。
发明的公开对于这样的折射率连续地变化的界面区域来说，当折射率的变化率小、界面区域的厚度增大时，特别是在单模光纤中，会存在着这样的问题可以传送的光功率将受折射率的尾部扩展的影响，零色散波长将变得比使用波长还长。另一方面，当折射率的变化率大、界面区域的厚度变小时，归因于纤芯区域和包层区域的材质的黏度差，结果成为在拉成线后在光纤内部会残留下畸变和不均匀等的部分，因此招致传送损耗的增加。
就是说，对于界面区域来说，来自实用方面的尾部扩展的影响的限制、和来自制造方面的光纤内部的畸变的发生的限制，处于一种彼此妥协的关系，要兼顾两者是困难的。
本发明就是鉴于上述的那些问题而发明的，目的是提供可以形成具有合适的折射率变化的界面区域以实现低损耗的光传送的单模光纤及其制造方法。
为了实现上述那样的目的，本发明的单模光纤具备折射率为n1的纤芯区域、在上述纤芯区域的外周设置的折射率为满足n2＜n1的n2的包层区域，各个部分的相对折射率差以上述包层区域的折射率n2为基准，把上述纤芯区域的相对折射率差定义为Δn，在上述纤芯区域和上述包层区域之间的界面附近折射率连续地变化的界面区域内，上述相对折射率差从0.8×Δn变化到0.3×Δn的光纤直径方向的厚度为d，用上述相对折射率差为0.5×Δn的纤芯半径r进行了归一化的相对折射率差变化率(0.5×Δn)/(d/r)在0.4％以上4.0％以下。
此外，单模光纤的制造方法，是具备折射率为n1的纤芯区域、在上述纤芯区域的外周设置的折射率为满足n2＜n1的n2的包层区域的单模光纤的制造方法，其特征是具有用VAD法或OVD法形成上述纤芯区域的形成工序、和分选含有上述纤芯区域的单模光纤的透明玻璃母材的分选工序，在上述分选工序中，各个部分的相对折射率差以上述包层区域的折射率n2为基准，把上述纤芯区域的相对折射率差定义为Δn，对在上述纤芯区域和上述包层区域之间的界面附近折射率连续地变化的界面区域内，上述相对折射率差从0.8×Δn变化到0.3×Δn的光纤直径方向的厚度为d，用上述相对折射率差为0.5×Δn的纤芯半径r进行了归一化的相对折射率差变化率(0.5×Δn)/(d/r)在0.4％以上4.0％以下的透明玻璃母材进行分选。
在决定折射率从相对折射率差为Δn纤芯区域向相对折射率差为0的包层区域不断减小下去的界面区域内的折射率变化的适宜的条件时，把该评价基准定作对于相对折射率差从0.8×Δn变化到0.3×Δn的领域范围定义的相对折射率差变化率，采用对于其值把允许范围的下限值定为0.4％，把上限值定为4.0％的办法，就可以分别降低尾部扩展的影响和光纤内的畸变的发生，就可以实现具有合适的诸特性且可以进行低损耗的光传送的单模光纤及其制造方法。
就是说，为了实现可以进行低损耗的光传送的单模光纤，对于作为折射率变化的区域的界面区域来说，关于折射率分布和厚度，和由它们产生的折射率的变化率，确立其合适的评价和分选方法，从实用方面和制造方面决定合适的条件是重要的。但是，在关于上边所说的边界面和尾部扩展的各个文献中，这样的条件都是不明确的，没有进行具体的记述或探讨。
在本发明中，对于可以作为评价基准使用的上述的区域范围(Δn的80％～30％)来说，如后所述，是根据发明人等用实际的测定结果进行的评价，作为对变化率评价最为合适的变化范围而设定的。采用用借助于此进行的评价，如上所述地决定折射率变化的合适的条件以分选透明玻璃母材的办法，就可以确实地得到低损耗的单模光纤。
另外，由于相对折射率差通常可以用百分率表示(在单模光纤的情况下，例如为0.3％左右)对于相对折射率差变化率也同样可以用百分率表示。此外，对于光纤半径r和厚度d来说，虽然可以对光纤的透明玻璃母材进行测定，但是取决于测定结果，或者是用单位mm表示，或者是换算成拉成线后的光纤用单位μm表示。
具有这样的折射率变化的单模光纤，并不限于由单一的纤芯区域和包层区域构成的单模光纤。就是说，本发明的单模光纤也可以具备折射率为n1的内纤芯区域、在上述纤芯区域的外周设置的折射率为满足n2＜n1的n2的外纤芯区域、在上述外纤芯区域的外周设置的包层区域，各个部分的相对折射率差以上述包层区域的折射率n2为基准，把上述内纤芯区域的相对折射率差定义为Δn，在上述内纤芯区域和上述外纤芯区域之间的界面附近折射率连续地变化的界面区域内，上述相对折射率差从0.8×Δn变化到0.3×Δn的光纤直径方向的厚度为d，用上述相对折射率差为0.5×Δn的内纤芯半径r进行了归一化的相对折射率差变化率(0.5×Δn)/(d/r)在0.4％以上4.0％以下。
此外，单模光纤的制造方法，是具备折射率为n1的内纤芯区域、在上述纤芯区域的外周设置的折射率为满足n2＜n1的n2的外纤芯区域、和在上述外纤芯区域的外周设置的包层区域的单模光纤的制造方法，其特征是具有用VAD法或OVD法形成上述内纤芯区域的形成工序、和分选含有上述内纤芯区域的单模光纤的透明玻璃母材的分选工序，在上述分选工序中，各个部分的相对折射率差以上述包层区域的折射率n2为基准，把上述内纤芯区域的相对折射率差定义为Δn，对在上述内纤芯区域和上述外纤芯区域之间的界面附近折射率连续地变化的界面区域内，上述相对折射率差从0.8×Δn变化到0.3×Δn的光纤直径方向的厚度为d，用上述相对折射率差为0.5×Δn的内纤芯半径r进行了归一化的相对折射率差变化率(0.5×Δn)/(d/r)在0.4％以上4.0％以下的上述透明玻璃母材进行分选。
用这样的单模光纤及其制造方法也可以同样地得到低损耗的单模光纤。
附图的简单说明
图1是示出了单模光纤的一个实施例的剖面构造和折射率分布的模式图。
图2的示出了由相对折射率差变化率产生的零色散波长的变化的曲线图。
图3是示出了单模光纤的另一个实施例的剖面构造和折射率分布的模式图。
优选实施例以下，与附图一起对本发明的单模光纤及其制造方法的合适的实施例详细地进行说明。另外，在图面中其尺寸比率与要说明的对象不一定一致。
图1模式性地示出了本发明的单模光纤的一个实施例的剖面构造和光纤径向(图中用线L表示的方向)的折射率分布。另外，图1所示的折射率分布的横轴刻度虽然不同，但相当于沿着图中的剖面构造所示的线L的对纤芯部分1的中心轴垂直的剖面上边的各个位置。因此，在图中的折射率分布中，纤芯区域10、界面区域20和包层区域30分别与纤芯部分1的线L上边的区域、界面部分2的线L上边的区域和包层部分3的线L上边的区域对应。此外，折射率分布的纵轴，表示以包层区域30的折射率为基准的相对折射率差。
另外，存在于纤芯区域10和包层区域30的边界上的界面区域20，实际上并不是对于纤芯区域10的包层区域30另外设置的区域，而是在光纤的制造时，在它们的边界上作为尾部扩展而形成的。因此，没有明确的区域划分，图中所示的那样的界面部分2和界面区域20的区域范围和分区位置，是为了对折射率变化的区域进行区别，明确表示这样的区域的存在而设定定义的，对于其定量性的评价来说，如后所述，可以对于作为界面区域20内的部分的相对折射率差的特定的变化范围进行。
作为图1所示的单模光纤的光传送通道的诸特性，可以由在折射率分布中所示的各个区域的折射率和外径等决定和控制。图中所示的Δn表示以包层区域30的折射率为基准的纤芯区域10的相对折射率差，可以用Δn＝(n1-n2)/n2定义。但是，n1是纤芯区域10的折射率，n，是包层区域30的折射率。此外，在纤芯区域10内，在折射率中存在着分布的情况下，把最大折射率定为n1。
在这2个区域的边界上形成的界面区域20的折射率，从纤芯区域10一侧向着包层区域30一侧，折射率从n1向n2连续地变化、减小。在这里，如上所述，要想定量性地评价这样的折射率变化的区域的特性，在制造工序中对光纤进行分选，就必须设定作为基准的相对折射率差的变化范围等确实且具体的评价方法。本发明人等根据对种种的光纤的实际的测定结果进行研究的结果，把在评价中使用的相对折射率差的变化范围设定为从0.8×Δn变化到0.3×Δn的区域范围(把纤芯区域10的相对折射率差设为100％时，从80％到30％的范围)。在这样的界面区域20中的折射率变化的评价和以此为依据的光纤的分选，对于光纤的透明玻璃母材(预成型坯)，用折射率分布测定装置(预成型坯分析仪)进行。但是，在把母材拉成线以光纤化时的缩小率，由于常常对每一种母材而异，故如果有必要的话，就用简易步骤近似法(ESI)法等进行修正，也可以求拉成线之后的光纤的折射率变化。
对于这样地求得的折射率分布，以纤芯区域10的相对折射率差为基准设定在评价中使用的折射率的变化范围的上限值和下限值，把对于该变化范围求得的变化率用作折射率变化的评价的指标。这时，必须设定与可以在实际中使用的种种的光纤的特性对应得最好且可以精度良好地进行变化率评价的变化范围。基于测定结果进行的研究的结果，本发明人等把上边所说的80％到30％的变化范围选择设定为对于评价和分选合适的范围。
变化率的评价，可以用图1所示的纤芯半径r和与上边所说的变化范围对应的区域范围的光纤径向的厚度d进行。在这里，纤芯半径r可以用相对折射率差成为Δn的1/e的位置为止的半径来定义，该位置，是界面区域20的相对折射率差成为大约0.37×Δn的位置，因此，纤芯半径r与纤芯区域10的外径不同。变化率，可以用使该纤芯半径r成为1时，就是说用纤芯半径进行了归一化时的相对折射率差进行评价，其值被定义为(0.5×Δn)/(d/r)。
另外，在上述的方法的情况下，是从相对折射率差成为0.8×Δn的位置到成为0.3×Δn的位置的厚度d和在此期间的相对折射率差的变化0.5×Δn来求相对折射率差变化率，但是也可以用别的计算方法。例如，可以对于从0.8×Δn到0.3×Δn为止的范围的多个折射率测定点，例如，用最小二乘法等的近似法进行直线近似，从该直线的斜率求相当的厚度d和相对折射率差变化率。但是，在比较对每一条光纤求得的相对折射率差变化率的情况下，理想的是该变化率的计算方法是同一计算方法。
此外，上边所说的折射率分布的测定，由于是被纤芯半径归一化的测定，故只要纤芯部分已经玻璃化，则评价是可能的。一般地说，虽然使用在对纤芯部分和包层部分进行了合成后，附加上适当的套管层作成为光纤母材的制造方法，但是该折射率分布测定，也可以对套管层附加前后的不论哪一种情况的透明玻璃母材进行。此外，对不进行套管层附加的情况下的透明玻璃母材等也可以同样地进行折射率分布测定。
用上边所说的评价方法，从用VAD法制作的外径70mm的单模光纤的透明玻璃母材求单模光纤的相对折射率差变化率，对本发明的相对折射率差变化率为0.4％以上4.0％以下的单模光纤，进行了诸特性之间的对比。作为进行评价的实施例的光纤，Δn＝0.346％、r＝4.44mm、d＝0.239mm，这时的相对折射率差变化率为3.21％。但是，其中，r和d都是拉成线之前的母材的数值，这相当于拉成线后的光纤直径为125微米时，r＝7.93微米、d＝0.427微米。把该母材拉成线后得到的光纤的诸特性，对于截止波长1262nm、模式场直径9.28微米、零色散波长1316nm，和1.3微米波段的光传送，可以得到良好的特性。此外，在1310nm和1550nm时的传送损耗，分别成为0.331dB/km和0.192dB/km，未发现传送损耗恶化，可以确认在上边所说的相对折射率差变化率的允许范围内，实现了低传送损耗。
对此，为进行比较，对相对折射率差变化率为0.4％以下且上述允许范围外的相对折射率差变化率为0.37％的单模光纤求诸特性，在变化率这样地小的情况下尾部扩展对光传送的影响虽然会增大，但是所求得的诸特性，截止波长为1265nm、模式场直径为9.30微米、零色散波长为1324nm。这已大大地移动到长波长一侧，对于1.3微米波段的光传送是不能令人满意的。此外，还对相对折射率差变化率在4.0％以上且同样地上述允许范围外的相对折射率差变化率为5.15％的单模光纤求得了传送损耗。在变化率这样地大的情况下，虽然会产生光纤的内部的畸变，但是所求得的传送损耗，对于1310nm和1550nm分别成为0.338dB/km和0.205dB/km，由界面区域中的急剧的折射率变化所产生的传送损耗的增加已得到确认。
借助于此，在相对折射率差变化率在0.4％以上4.0％以下这一范围，在实现低损耗且具有合适的诸特性的单模光纤方面是理想的。
在这里，采用使相对折射率差变化率变化的办法，使零色散波长与传送损耗一起变化。图2的曲线图示出了零色散波长λo对相对折射率差变化率的变化。在曲线图中，用虚线表示的零色散波长λs，表示出的是设想完美的阶跃形状的情况下的零色散波长。
如图2所示，当相对折射率差变化率的值变小时，单模光纤的零色散波长λo将增大。因此，上边所说的相对折射率差变化率的下限值0.4％，在把该零色散波长保持在合适的范围内方面也是有效的。要想得到稳定的零色散波长，更为理想的是把相对折射率差变化率的范围定为上限值为2.0％以上4.0％以下的值。
另外，可以得到上边所说的构成的单模光纤的制造方法，理想的是具有用VAD法或OVD法形成上述纤芯区域的形成工序、和分选含有上述纤芯区域的单模光纤的透明玻璃母材的分选工序。在该分选工序中，对于透明玻璃母材，如上边所说的那样，进行用相对折射率差变化率实施的评价，使用上边所说的0.4％以上4.0％以下的合适的范围或2.0％以上4.0％以下的更为合适的范围进行光纤的分选，借助于此，就可以确实地得到低损耗的单模光纤。
此外，还可以根据该评价和分选的结果，对透明玻璃母材的制造条件，进行调整等。例如，在VAD法的情况下，为了使纤芯部分一侧的温度升高以增大相对折射率差变化率，可以使用增加燃烧气体的流量或调整各个燃烧器的位置关系等的方法，调整要得到的光纤的相对折射率差变化率。
具有上边所说的那样的条件形成的折射率变化的单模光纤，并不限于上边所说的由单一的纤芯区域和包层区域构成的光纤。图3模式性地示出了本发明的单模光纤的另一个实施例的剖面构造，和光纤径向(图中的用线L表示的方向)的折射率分布。该光纤具有内纤芯部分1a(内纤芯区域10a)、外纤芯部分1b(外纤芯区域10b)和包层部分3(包层区域30)，界面部分2(界面区域20)，在内纤芯部分1a(内纤芯区域10a)和外纤芯部分1b(外纤芯区域10b)的边界内形成。此外，图中所示的Δn表示以外纤芯区域10b的折射率为基准的内纤芯区域10a的相对折射率差Δn＝(n1－n2)/n2。但是，在这里，n1是纤芯区域10a的折射率，n2是外纤芯区域10b的折射率。
在基于这样的折射率分布构造的具有内纤芯区域10a和外纤芯区域10b的单模光纤中，对由如上所述定义的相对折射率差Δn、对于内纤芯与图1中的纤芯半径同样地定义的内纤芯半径r、和从相对折射率差成为0.8×Δn的位置到成为0.3×Δn的位置为止的厚度d定义的相对折射率差变化率(0.5×Δn)/(d/r)，同样地采用把0.4％以上4.0％以下这一范围，更为理想的是把2.0％以上4.0％以下这一范围当作其允许范围的办法，就可以作成为具有合适的诸特性的单模光纤。
此外，除此之外，在具有在纤芯区域的外侧形成有环状的圆环纤芯区域的分段式的纤芯构造的单模光纤中，对于内侧的纤芯区域也同样地可以使用上边所说的由相对折射率差变化率得到的条件。
工业上利用的可能性本发明，可以形成具有合适的折射率变化的界面区域以实现低损耗的光传送的单模光纤，和可以用作能够得到这样的单模光纤的制造方法。特别是采用把对相对折射率差从0.8×Δn变化到0.3×Δn区域范围求得的相对折射率差变化率用作折射率变化的评价的指标，把其变化率的值的允许范围定为0.4％以上4.0％以下，对光纤进行分选的办法，在可以降低尾部扩展的影响和光纤内的畸变，具有合适的诸特性以实现低损耗的单模光纤方面是有用的。
权利要求
1.一种单模光纤，其特征是具备折射率为n1的纤芯区域、在上述纤芯区域的外周设置的折射率为满足n2＜n1的n2的包层区域，各个部分的相对折射率差以上述包层区域的折射率n2为基准，把上述纤芯区域的相对折射率差定义为Δn，在上述纤芯区域和上述包层区域之间的界面附近折射率连续地变化的界面区域内，上述相对折射率差从0.8×Δn变化到0.3×Δn的光纤直径方向的厚度为d，用上述相对折射率差为0.5×Δn的纤芯半径r进行了归一化的相对折射率差变化率(0.5×Δn)/(d/r)在0.4％以上4.0％以下。
2.一种单模光纤，其特征是具备折射率为n1的内纤芯区域、在上述纤芯区域的外周设置的折射率为满足n2＜n1的n2的外纤芯区域、在上述外纤芯区域的外周设置的包层区域，各个部分的相对折射率差以上述包层区域的折射率n2为基准，把上述内纤芯区域的相对折射率差定义为Δn，在上述内纤芯区域和上述外纤芯区域之间的界面附近折射率连续地变化的界面区域内，上述相对折射率差从0.8×Δn变化到0.3×Δn的光纤直径方向的厚度为d，用上述相对折射率差为0.5×Δn的内纤芯半径r进行了归一化的相对折射率差变化率(0.5×Δn)/(d/r)在0.4％以上4.0％以下。
3.权利要求1或2所述的单模光纤，其特征是上述相对折射率差变化率(0.5×Δn)/(d/r)在2.0％以上4.0％以下。
4.一种具备折射率为n1的纤芯区域、在上述纤芯区域的外周设置的折射率为满足n2＜n1的n2的包层区域的单模光纤的制造方法，其特征是具有用VAD法或OVD法形成上述纤芯区域的形成工序；分选含有上述纤芯区域的单模光纤的透明玻璃母材的分选工序，在上述分选工序中，各个部分的相对折射率差以上述包层区域的折射率n2为基准，把上述纤芯区域的相对折射率差定义为Δn，对在上述纤芯区域和上述包层区域之间的界面附近折射率连续地变化的界面区域内，上述相对折射率差从0.8×Δn变化到0.3×Δn的光纤直径方向的厚度为d，用上述相对折射率差为0.5×Δn的纤芯半径r进行了归一化的相对折射率差变化率(0.5×Δn)/(d/r)在0.4％以上4.0％以下的透明玻璃母材进行分选。
5.一种具备折射率为n1的内纤芯区域、在上述纤芯区域的外周设置的折射率为满足n2＜n1的n2的外纤芯区域、和在上述外纤芯区域的外周设置的包层区域的单模光纤的制造方法，其特征是具有用VAD法或OVD法形成上述内纤芯区域的形成工序；分选含有上述内纤芯区域的单模光纤的透明玻璃母材的分选工序，在上述分选工序中，各个部分的相对折射率差以上述包层区域的折射率n2为基准，把上述内纤芯区域的相对折射率差定义为Δn，对在上述内纤芯区域和上述外纤芯区域之间的界面附近折射率连续地变化的界面区域内，上述相对折射率差从0.8×Δn变化到0.3×Δn的光纤直径方向的厚度为d，用上述相对折射率差为0.5×Δn的内纤芯半径r进行了归一化的相对折射率差变化率(0.5×Δn)/(d/r)在0.4％以上4.0％以下的上述透明玻璃母材进行分选。
6.权利要求4或6所述的单模光纤的制造方法，其特征是上述相对折射率差变化率在2.0％以上4.0％以下。
全文摘要
在纤芯区域(10)和包层区域(30)的边界间形成界面区域(20)。界面区域(20)的折射率从纤芯区域一侧向着包层区域不断减小。设纤芯区域(10)的相对折射率差为Δn,且已用纤芯半径r归一化,在从0.8×Δn变化到0.3×Δn的区域内得到了相对折射率差变化率。归一化的相对折射率差变化率(0.5×Δn)/(d/r)被用作评价折射率变化的指标。归一化的相对折射率差变化率的允许范围定为下限值为0.4%上限值为4.0%。折射率分布的尾部和光纤的畸变的影响就得以减少,因而可以实现能够进行低损耗的光传送的单模光纤。
文档编号G02B6/036GK1326555SQ99813270
公开日2001年12月12日 申请日期1999年10月29日 优先权日1998年11月2日
发明者京极毅, 伊藤真澄, 鬼头毅彦, 星野寿美夫 申请人:住友电气工业株式会社