光纤的制作方法

本发明涉及能够通过热扩散扩大纤芯的光纤。

背景技术：

对于以硅光波导为代表的半导体光波导而言，作为有助于光通信用设备集成化的技术，被给予很大期待。例如，具有光调制器、光检测器、光开关等功能的硅导波路得以实现，向光通信的利用已经开始。

为了传播向半导体光波导输入的光或者从半导体光波导输出的光，半导体光波导常与csmf(conventionalsinglemodefiber：常规单模光纤)连接。然而，与半导体光波导的模场直径为1μm程度相对地，csmf的模场直径为10μm程度。因此，若将csmf与半导体光波导对接连接，则由模场直径之差引起的连接损失过大，不耐用。

为此，提出了在半导体光波导形成ssc(spotsizeconverter：光斑尺寸转换器)并将csmf与ssc连接的方案(参照专利文献1)。然而，若使用ssc将半导体光波导的模场直径扩大至与csmf的模场直径相同的程度，则存在ssc处的损失增大的问题。因此，研究了如下方案，即，(1)将模场直径为4μm的桥接光纤(bridgefiber)的一端与使用scc模场将直径扩大为4μm的半导体光波导对接连接，(2)并将模场直径为10μm的csmf与该桥接光纤的另一端熔接连接。

对于这种桥接光纤，使用具有tec(thermallydiffusedexpandedcore：热扩散膨胀芯)的光纤，即，使用能够通过热扩散扩大纤芯的光纤(参照专利文献2、3)。这样的话，由于桥接光纤的纤芯因与csmf熔接时或者之后的加热而扩大，所以减轻模场直径在桥接光纤与csmf之间的不整合。其结果是，能够将桥接光纤与csmf的熔接点处的连接损失抑制得小。

此外，通过热扩散对纤芯进行的扩大，是为了形成纤芯而添加的上升掺杂剂(用于提高石英玻璃的折射率的添加物)因加热而向周围扩散而产生的。已知在为了形成纤芯而添加的上升掺杂剂为锗(ge)时通过在周围共同添加锗、磷(p)和氟(f)能够促进纤芯的扩大(参照专利文献4)。

专利文献1：日本公开专利公报“专利第5900484号(2016年4月6日发行)”

专利文献2：日本公开专利公报“特开平3－130705号(1991年6月4日公开)”

专利文献3：日本公开专利公报“特开2003－75677号(2003年3月12日公开)”

专利文献4：日本公开专利公报“专利第3993198号(2007年10月17日发行)”

技术实现要素：

然而，本申请发明人发现：对于纤芯由添加有锗的石英玻璃构成、内侧包层由添加有锗、磷和氟的石英玻璃构成的光纤，仅通过以公知浓度添加这些掺杂剂，与csmf熔接的熔接点处的连接损失不会充分变小(例如不会成为0.2db以下)。这意味着通过热扩散进行的纤芯的扩大不充分。

本发明是鉴于上述课题完成的，其目的在于实现一种光纤，纤芯通过热扩散扩大，与csmf的熔接点处的连接损失充分变小(例如为0.2db以下)。

为了解决上述课题，本发明的光纤的特征在于，具备：纤芯，其由添加有上升掺杂剂的石英玻璃构成；内侧包层，其覆盖上述纤芯的侧面，由添加有上升掺杂剂和降低掺杂剂这两者的石英玻璃构成；和外侧包层，其覆盖上述内侧包层的外侧面，由石英玻璃构成，上述内侧包层的折射率与上述外侧包层的折射率实质上相等，上述上升掺杂剂在上述内侧包层中的浓度被规定为，基于该上升掺杂剂的折射率上升率为0.25％以上且0.5％以下。

发明的效果

根据本发明，能够实现通过热扩散能够扩大纤芯，并且与csmf熔接的熔接点处的连接损失充分变小的光纤。

附图说明

图1是表示实施方式的光纤的构造和折射率分布的图。上段是表示该光纤的构造的剖视图，下段是表示该光纤的折射率分布的图。

图2是表示在图1所示的光纤中添加于纤芯的上升掺杂剂的浓度分布的图表。(a)表示加热处理前的浓度分布。(b)表示加热处理中的浓度分布。(c)表示加热处理后的浓度分布。

图3是表示在图1所示的光纤中添加于内侧包层的上升掺杂剂的浓度分布的图表。(a)表示加热处理前的浓度分布。(b)表示加热处理中的浓度分布。(c)表示加热处理后的浓度分布。

图4是表示在图1所示的光纤中添加于内侧包层的降低掺杂剂的浓度分布的图表。(a)表示加热处理前的浓度分布。(b)表示加热处理中的浓度分布。(c)表示加热处理后的浓度分布。

图5是表示图1所示的光纤的折射率分布的图表。(a)表示加热处理前的折射率分布。(b)表示加热处理中的折射率分布。(c)表示加热处理后的折射率分布。

图6是表示在实施例和比较例的光纤中由添加于内侧包层的上升掺杂剂所带来的折射率上升率δ与波长1550nm的连接损失的相关性的图表。

图7是表示第一变形例的光纤(保偏光纤)的构造和折射率分布的图。

图8是表示第二变形例的光纤(保偏光纤)的构造和折射率分布的图。

图9中的(a)是比较例的光纤(保偏光纤)的母材的剖视图，图9中的(b)是拉丝后的该光纤的剖视图。

图10是表示包含图1所示的光纤在内的光学设备的结构的俯视图。

具体实施方式

(光纤的构造)

参照图1说明本发明的一个实施方式的光纤1的构造。图1的上段是表示光纤1的构造的剖视图，图1的下段是表示光纤1的折射率分布的图。

如图1的上段所示，光纤1具备：纤芯11，其具有圆形剖面；内侧包层12，其覆盖纤芯11的侧面，并且具有圆环状的剖面；和外侧包层13，其覆盖内侧包层12的外侧面，并且具有圆环状的剖面。光纤1也可以还具备覆盖外侧包层13的外侧面并且具有圆环状的剖面的保护覆盖层(未图示)。

在本实施方式中，将纤芯11的直径d1设为4μm，将内侧包层12的直径(外径)d2设为16μm，将外侧包层13的直径(外径)d3设为80μm。这里，将外侧包层13的直径d3设为80μm是为了在弯曲状态下也能够确保有关机械强度的可靠性。根据使用目的和/或者使用环境，也可以将外侧包层13的直径d3设为125μm。

纤芯11由添加有作为上升掺杂剂的锗(ge)的石英玻璃构成。因此，如图1的下段所示，纤芯11的折射率n1比外侧包层13的折射率n3(如后所述，与纯石英玻璃的折射率实质上相同)高。在本实施方式中，为了使1550nm波长下的模场直径为3.5μm以上且6.5μm以下，以纤芯11相对于外侧包层13的相对折射率差δ1＝{(n1－n3)/n1}×100成为1.0％以上且2.8％以下的方式确定添加于纤芯11的上升掺杂剂的浓度。

此外，在本实施方式中，采用了将锗作为上升掺杂剂添加于纤芯11的结构，但本发明不限定于此。即，可以采用取代锗而是将磷(p)作为上升掺杂剂添加于纤芯11的结构，也可以采用不仅将锗还将磷作为上升掺杂剂添加于纤芯11的结构。

内侧包层12由石英玻璃构成，在该石英玻璃中添加有(1)作为降低掺杂剂的氟(f)和(2)作为上升掺杂剂的锗(ge)和磷(p)，其中的氟(f)用于促进添加于纤芯11的上升掺杂剂的扩散，锗(ge)和磷(p)用于抵消由上述降低掺杂剂引起的折射率降低。因此，如图1的下段所示，内侧包层12的折射率n2与外侧包层13的折射率n3实质上相同。在本实施方式中，(1)以基于上升掺杂剂的折射率上升率δ成为0.25％以上且0.50％以下的方式确定添加于内侧包层12的上升掺杂剂的浓度；(2)以内侧包层12相对于外侧包层13的相对折射率差δ2＝{(n2－n3)/n2}×100的绝对值成为0.10％以下的方式确定降低掺杂剂在内侧包层12中的浓度。这里，所谓基于上升掺杂剂的折射率上升率δ是指，将添加该上升掺杂剂之前的石英玻璃的折射率设为n，将添加该上升掺杂剂之后的石英玻璃的折射率设为n’时，由{(n’－n)/n’}×100定义的量。

此外，在本实施方式中，采用了将氟作为降低掺杂剂添加于内侧包层12的结构，但本发明不限定于此。即，可以采用取代氟而是将硼(b)作为降低掺杂剂添加于内侧包层12的结构，也可以采用不仅将氟还将硼作为降低掺杂剂添加于内侧包层12的结构。另外，在本实施方式中，采用了将锗和磷双方作为上升掺杂剂添加于内侧包层12的结构，但本发明不限定于此。即，可以采用仅将锗作为上升掺杂剂添加于内侧包层12的结构，也可以采用仅将磷作为上升掺杂剂添加于内侧包层12的结构。

外侧包层13由石英玻璃构成，在该石英玻璃中，不特意添加除氯(cl)以外的掺杂剂。即，由于在构成外侧包层13的石英玻璃中，既不添加上升掺杂剂，也不添加降低掺杂剂，所以外侧包层13的折射率n3与纯石英玻璃的折射率1.46实质上相同。

如以上所述，在内侧包层12中，充分含有降低掺杂剂(足以抵消由添加于内侧包层12的上升掺杂剂所带来的0.25％以上的折射率上升率δ的量)。该降低掺杂剂具有通过其自身向纤芯11扩散而降低纤芯11的折射率的作用、和通过促进添加于纤芯11的上升掺杂剂向内侧包层12的扩散而降低内侧包层12的折射率的作用。因此，在将光纤1与其他光纤熔接时，能够充分扩大纤芯11在熔接点附近的直径d1，充分抑制熔接点处的连接损失。

特别是，添加于内侧包层12的氟显著促进添加于纤芯11的锗的扩散。因此，通过如本实施方式那样，采用将锗作为上升掺杂剂添加于纤芯11并且将氟作为降低掺杂剂添加于内侧包层12的结构，能够显著扩大纤芯11在熔接点附近的直径d1，显著抑制熔接点的连接损失。

另外，在纤芯11相对于外侧包层13的相对折射率差δ1小于1.0％时，1550nm波长下的模场直径大于6.5μm。因此，在将光纤1与硅导波路连接时，连接损失变大。另一方面，在纤芯11相对于外侧包层13的相对折射率差δ1大于2.8％时，1550nm波长下的模场直径小于3.5μm。因此，在将光纤1与硅导波路连接时，调心变困难(相对于轴向偏移的公差变小)。因此，通过如本实施方式那样，使纤芯11相对于外侧包层13的相对折射率差δ1为1.0％以上且2.8％以下，而在将光纤1与硅导波路连接时，能够将连接损失抑制得小，并且容易调心。

此外，在本实施方式中，使用添加于内侧包层12的上升掺杂剂的浓度、和内侧包层12相对于外侧包层13的相对折射率差δ2，间接规定添加于内侧包层12的降低掺杂剂的浓度。这是因为很难直接测定添加于内侧包层12的作为降低掺杂剂的氟的浓度。

(光纤中的纤芯扩大)

接下来，说明在将光纤1与其他光纤熔接时产生的纤芯扩大。

添加于光纤1的各部分的各掺杂剂，通过加热处理而扩散。在掺杂剂在时刻0的浓度分布u(r，0)＝δ(r)时，掺杂剂在时刻t的浓度分布u(r，t)由(1)式给出。

[式1]

(1)式中的d由(2)式定义，被称为扩散系数。在(2)式中，q是激活能量，r是气体常量，t是绝对温度，d0是实验常量。

[数2]

图2是表示添加于纤芯11的上升掺杂剂(锗)的浓度分布的图表。在图2中，(a)表示加热处理前的上升掺杂剂的浓度分布，(b)表示加热处理中的上升掺杂剂的浓度分布，(c)表示加热处理后的上升掺杂剂的浓度分布。在图2中，r1是加热处理前的纤芯11的半径，r2是加热处理前的内侧包层12的半径。

根据图2可知，通过加热处理，偏向于r＜r1的区域(加热处理前的纤芯11)存在的上升掺杂剂向r＞r1的区域(加热处理前的内侧包层12)扩散。

图3是表示添加于内侧包层12的上升掺杂剂(锗和磷)的浓度分布的图表。在图3中，(a)表示加热处理前的上升掺杂剂的浓度分布，(b)表示加热处理中的上升掺杂剂的浓度分布，(c)表示加热处理后的上升掺杂剂的浓度。在图3中，r1是加热处理前的纤芯11的半径。

根据图3可知，偏向于r1＜r＜r2的区域(加热处理前的内侧包层12)存在的上升掺杂剂向r＜r1的区域(加热处理前的纤芯11)和r＞r2的区域(加热处理前的外侧包层13)以非对称方式扩散。之所以上升掺杂剂以非对称方式扩散、即向r＜r1的区域的扩散相比于向r＞r2的区域的扩散被抑制，是因为在r＜r1的区域中添加有上升掺杂剂，与此相对，在r＞r1的区域未添加上升掺杂剂。

图4是表示添加于内侧包层12的降低掺杂剂(氟)的浓度分布的图表。在图4中，(a)表示加热处理前的降低掺杂剂的浓度分布，(b)表示加热处理中的降低掺杂剂的浓度分布，(c)表示加热处理后的降低掺杂剂的浓度。在图4中，r1是加热处理前的纤芯11的半径，r2是加热处理前的内侧包层12的半径。

根据图4可知，偏向于r1＜r＜r2的区域(加热处理前的内侧包层12)存在的降低掺杂剂向r＜r1的区域(加热处理前的纤芯11)和r＞r2的区域(加热处理前的外侧包层13)以大致对称方式扩散(扩散的对称性比上升掺杂剂高)。之所以降低掺杂剂以大致对称方式扩散，是因为降低掺杂剂既没有添加在r＜r1的区域，也没有添加在r＞r2的区域。因此，从r1＜r＜r2的区域向r＜r1的区域扩散的降低掺杂剂的量，比从r1＜r＜r2的区域向r＜r1的区域扩散的上升掺杂剂的量多。

图5是表示根据图2、图3和图4所示的各掺杂剂的分布推断的光纤1的折射率分布的图表。在图5中，(a)表示加热处理前的折射率分布，(b)表示加热处理中的折射率分布，(c)表示加热处理后的折射率分布。在图5中，r1是加热处理前的纤芯11的半径，r2是加热处理前的内侧包层12的半径。

根据图5能够确定作为纤芯发挥功能的折射率相对高的区域通过加热处理而扩大。

(实施例)

以下，针对实施例的光纤a～d和比较例的光纤e～g，说明实际测定与csmf熔接的熔接点处的连接损失而得到的结果。

作为光纤a～g，准备了纤芯的直径为4μm，内侧包层的直径为16μm，外侧包层的直径为80μm的光纤。在各光纤a～g中，添加于纤芯的上升掺杂剂是锗，添加于内侧包层的降低掺杂剂是氟，添加于内侧包层的上升掺杂剂是锗和磷。添加于纤芯的锗的浓度被决定为纤芯相对于外侧包层的相对折射率差为+1.0％以上且+2.8％以下。添加于内侧包层的上升掺杂剂的浓度被决定为内侧包层相对于外侧包层的相对折射率差的绝对值为0.10％以下。作为cmsf，准备了包层的直径为125μm，且1550nm波长下的模场直径为10.6μm的光纤。

首先，使用epma(electronprovemicroanalyzer：电子探针微量分析仪)测定出各光纤a～g的添加于内侧包层的各上升掺杂剂的浓度。另外，根据测定出的各上升掺杂剂的浓度，通过非专利文献3记载的方法计算出各光纤a～g的添加于内侧包层的上升掺杂剂所带来的折射率上升率δ。针对各光纤a～g，分别在表1的第二列和第三列示出测定出的各上升掺杂剂的浓度，在表1的第四列示出计算出的折射率上升率δ。

接下来，将各光纤a～g与csmf熔接，测定出熔接点处的连接损失。各光纤a～g和cmsf的熔接如以下那样实施。即，在通过光纤清洁器对各光纤a～g和cmsf的端面实施平滑化之后，使用电弧放电型的熔接连接装置(具体而言，藤仓公司制的fsm－100p)对已平滑化的端面彼此进行了熔接。另外，熔接点处的连接损失的测定如以下那样实施。即，一边在熔接点附近实施基于电弧放电的加热处理，一边反复测定1550nm波长下的传送损失，根据测定出的传送损失的最小值计算出连接损失。针对光纤a～g，在表1的第五列示出测定出的连接损失。

[表1]

图6是表示基于上升掺杂剂的折射率上升率δ和1550nm波长下的连接损失的相关性的图表。根据图6所示的图表可知，在基于上升掺杂剂的折射率上升率δ为0.25％以上且0.50％以下时，将1550nm波长下的连接损失抑制为0.2db以下。认为这是因为为了抵消基于上升掺杂剂的折射率上升，在内侧包层添加有足够浓度的降低掺杂剂，其结果是，能够促进上升掺杂剂从纤芯向内侧包层扩散，能够实现纤芯的充分扩大。

在基于上升掺杂剂的折射率上升率δ小于0.25％时，1550nm波长下的连接损失超过0.2db。另外，在基于上升掺杂剂的折射率上升率δ大于0.50％时，无法通过仅基于氟的折射率降低来抵消基于上升掺杂剂的折射率上升，其结果是，无法使内侧包层12相对于外侧包层13的相对折射率差δ2的绝对值为0.10％以下。因此，截止波长变得比所期待的值长，或者弯曲损失变得比所期待的值大。

(变形例)

通过在外侧包层13附加应力施加部14a～14b，使光纤1作为保偏光纤发挥功能。

图7是表示作为保偏光纤发挥功能的光纤1的第一构成例的剖视图。在图7中，一并示出沿aa线的折射率分布(剖视图的下侧)和沿bb线的折射率分布(剖视图的上侧)。

应力施加部14a～14b是被埋入外侧包层13并且具有圆形剖面的构造体。应力施加部14a～14b的折射率n4比外侧包层13的折射率n3低。

在光纤1的各剖面中，应力施加部14a～14b配置为相对于纤芯11对称，并且应力施加部14a～14b的外缘分别与内侧包层12的外缘接触。

图8是表示作为保偏光纤发挥功能的光纤1的第二构成例的剖视图。在图8中，一并示出沿aa线的折射率分布(剖视图的下侧)和沿bb线的折射率分布(剖视图的右侧)。

应力施加部14a～14b是被埋入外侧包层13并且具有圆形剖面的构造体。应力施加部14a～14b的折射率n4比外侧包层13的折射率n3低。

在光纤1的各剖面中，应力施加部14a～14b配置为相对于纤芯11对称，并且应力施加部14a～14b的外缘分别从内侧包层12的外缘分离。

在采用应力施加部和内侧包层重合的结构时，通过对具有图9中的(a)所示的剖面的母材进行拉丝，制造保偏光纤。由于在外侧包层的粘度ηoc、内侧包层的粘度ηic、应力施加部的粘度ηsap之间成立ηoc＞ηic＞ηsap这一关系，所以在拉丝时，外侧包层、内侧包层、应力施加部按照该顺序固化。此时，在母材中剖面为非圆形的内侧包层因表面张力而以剖面形成圆形的方式变形，在母材中剖面为圆形的纤芯随着内侧包层的变形而以形成非圆形的方式变形。其结果是，得到的保偏光纤的剖面如图9中的(b)所示。不管是图7所示的第一构成例，还是图8所示的第二构成例，应力施加部14a～14b都不与内侧包层12重合。因此，能够抑制在拉丝时会产生的纤芯11的非圆化。因此，与应力施加部和内侧包层重合的情况相比，能够实现纤芯11的非圆度低即纤芯11的圆度高的光纤1。

(应用例)

本实施方式的光纤1能够适合作为在半导体光波导与csmf(conventionalsinglemodefiber：常规单模光纤)之间夹设的桥接光纤使用。

即，如图10所示，能够由(1)桥接光纤102、(2)半导体光波导101和(3)csmf103构成低损失的光学设备100，其中，上述桥接光纤102由本实施方式的光纤1构成，上述半导体光波导101与桥接光纤102的一端对接连接，上述csmf103与桥接光纤102的另一端熔接连接。这是因为在熔接连接桥接光纤102和csmf103时，在熔接点附近，桥接光纤102的纤芯被充分扩大，因此能够充分抑制桥接光纤102和csmf103的熔接点处的连接损失。

此外，作为半导体光波导101，例如形成有ssc(spotsizeconverter：光斑尺寸转换器)的硅导波路适合。另外，作为csmf103，例如1550nm波长下的模场直径为10μm程度的单模光纤适合。在itu－t中被分类为g.652或者g.657的光纤是这种单模光纤的一个例子。

(小结)

本发明的光纤的特征在于，具备：纤芯，其由添加有上升掺杂剂的石英玻璃构成；内侧包层，其覆盖上述纤芯的侧面，由添加有上升掺杂剂和降低掺杂剂这两者的石英玻璃构成；和外侧包层，其覆盖上述内侧包层的外侧面，由石英玻璃构成，上述内侧包层的折射率与上述外侧包层的折射率实质上相等，上述上升掺杂剂在上述内侧包层中的浓度被规定为，基于该上升掺杂剂的折射率上升率为0.25％以上且0.5％以下。

根据上述结构，在将该光纤与其他光纤(例如csmf)熔接连接时，在熔接点附近能够充分扩大纤芯，其结果是，能够充分减小各熔接点处的连接损失(例如为0.2db以下)。

在本发明的光纤中，优选上述上升掺杂剂在上述纤芯中的浓度被规定为，1550nm波长下的模场直径为3.5μm以上且6.5μm以下。

根据上述结构，在将该光纤与半导体导波路对接连接时，能够保持相对于轴向偏移的公差，并且将连接损失抑制得小。

在本发明的光纤中，优选上述降低掺杂剂在上述内侧包层中的浓度被规定为，上述内侧包层相对于上述外侧包层的相对折射率差的绝对值成为0.1％以下。

根据上述结构，能够使截止波长和弯曲损失等接近所期待的值(在上述内侧包层的折射率和上述外侧包层的折射率一致的情况下所期待的值)。此外，在内侧包层的折射率相对于上述外侧包层大时，有可能产生截止波长变长，单模动作变得困难这样的问题。

在本发明的光纤中，优选在上述纤芯中，作为上述上升掺杂剂，添加有锗，在上述内侧包层中，作为上述降低掺杂剂，添加有氟。

根据上述结构，在将该光纤与其他光纤熔接连接时，能够在熔接点附近进一步扩大纤芯，其结果是，能够进一步减小熔接点处的连接损失。

在本发明的光纤中，也可以在上述内侧包层中，作为上述上升掺杂剂，例如添加有磷和锗中的一方或者双方。另外，在本发明的光纤中，也可以在上述内侧包层中，作为上述降低掺杂剂，还添加有硼。

优选本发明的光纤还具备相对于纤芯对称配置的一对应力施加部。

根据上述结构，能够使该光纤作为保偏光纤发挥功能。

在本发明的光纤中，优选上述一对应力施加部配置为，其外缘与上述内侧包层的外缘接触，或者其外缘从上述内侧包层的外缘分离。

根据上述结构，能够降低纤芯的非圆度，即，提高纤芯的圆度。

此外，具备上述光纤、与上述光纤的一端对接连接的半导体光波导和与上述光纤的另一端熔接连接的csmf(conventionalsinglemodefiber：常规单模光纤)的光学设备也包含在本发明的范畴中。

(附加事项)

本发明不限定于上述各实施方式，在技术方案所示的范围中能够进行各种变更，适当组合在不同实施方式中分别公开的技术手段得到的实施方式也包含在本发明的技术范围中。

附图标记说明：

1…光纤；11…纤芯；12…内侧包层；13…外侧包层；14a…应力施加部；14b…应力施加部。