CN101558338B - 聚合物包层光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种聚合物包层光纤，其中，如果将内芯的直径取作a₁，外芯的直径取作a₂，如果内芯的截面面积与外芯的截面面积之间的比值X(＝a₂ ²/a₁ ²)在1.8≤X≤2.2的范围内，以及如果将内芯与外芯之间的相对折射率差取作Δ₁，如果将外芯与包层之间的相对折射率差取作Δ₂，则对于被定义为Y＝Δ₂/Δ₁的参数Y，当在高温取作Ymax而在低温取作Ymin时，满足如下关系：当X在1.8≤X≤2.0的范围内时，0.25≤Ymin≤0.84X-0.68，而Ymax为0.25≤Ymax≤0.84X-0.68，以及，当X在2.0≤X≤2.2的范围内时，Ymin为0.48X-0.71≤Ymin≤-2/9X+13/9，而Ymax是0.48X-0.71≤Ymax≤-2/9X+13/9。

Description

聚合物包层光纤 

技术领域

本发明涉及具有双层芯阶跃折射率分布的聚合物包层光纤(以下称为PCF)在光学特性的温度依赖性方面的改进。PCF主要用于短距离通信例如室内布线、办公室局域网(LAN)、设备内部布线、车载通信等等。 

背景技术

在由石英玻璃芯和提供在该石英玻璃芯周围的聚合物包层所形成的PCF中，特别地，具有阶跃折射率型(下面称为SI型)的折射率分布的PCF的优点在于，因为无需对其添加例如锗的掺杂物，所以它们可以低成本制造。此外，因为它们具有大口径和高数值孔径(NA)，所以它们还具有以下特征：与光源的耦合效率高。 

传统上，为了改进SI型多模光纤的特性，例如传输频带和弯曲损耗，在专利文献1中公开了一种技术，其中将芯形成为两层或更多层。此外，在专利文献2和专利文献3中公开了将芯形成为梯度折射率(GI)型的折射率分布。 

特别地，为了改进PCF的聚合物包层材料的折射率的温度特性，在专利文献3中还公开了双芯结构，其中，掺氟玻璃包层被提供在玻璃芯上，然后在其外周上形成聚合物包层。 

[专利文献1]特开2005-321686号公报 

[专利文献2]特开平11-64665号公报 

[专利文献3]特开平11-119036号公报 

发明内容

技术问题 

通常，在具有SI型折射率分布的光纤中，为了扩大传输频带，必须减少芯与包层之间的相对折射率差(一般地由符号Δ表示)。 

然而，如果Δ较小，则有如下缺点：在传输路径弯曲的情况下，光的泄漏(即弯曲损耗)增加。 

同时，如果光从芯到包层的泄漏量增加，则在具有低透射率的聚合物包层中产生光功率损耗，并且还产生传输损耗增加的缺点。 

为了改进这些特性，已经采取了将芯形成为多层结构，或者将芯形成为梯度折射率(GI)型结构的措施。然而，这些措施涉及复杂的制造工艺，因此有导致增加成本的缺点。 

此外，因为聚合物材料的折射率的温度依赖性比石英玻璃的折射率的温度依赖性大，所以存在Δ根据工作温度而改变并且光学特性也改变的缺点。根据聚合物包层材料在常温时的折射率和折射率的温度依赖性，芯和包层之间的Δ在低温范围中可能是零，这可能导致无法导光。为了避免这种情况，提出了包括双层石英玻璃芯的结构。然而，未记载合适的参数，并且没有提及在整个工作温度范围上的频带和弯曲损耗等特性。 

考虑到上述情况构思出本发明，其目的在于提供一种PCF，所述PCF可以低成本制造，并且在整个工作温度范围上没有频带的恶化和弯曲损耗的增加。 

技术方案 

为了实现上述目的，本发明提供一种聚合物包层光纤，其包括：在由石英玻璃形成的内芯的外周上提供的外芯，所述外芯由具有小于所述内芯的折射率的折射率的掺氟玻璃形成；在所述外芯的外周上提供的、由聚合物形成的聚合物包层，其中，如果将内芯的直径取作a₁，外芯的直径取作a₂，内芯的截面面积取作(πa₁ ²)/4，外芯的截面面积取作(πa₂ ²)/4，则被定义为X＝a₂ ²/a₁ ²的参数X在1.8≤X≤2.2的范围内，以及其中， 

如果将内芯与外芯之间的相对折射率差取作Δ₁，如果将外芯与聚合物包层之间的相对折射率差取作Δ₂，如果将在高温时外芯与聚合物包层之间的相对折射率差取作Δ₂max，如果将在低温时外芯与聚合物包层之间的相对折射率差取作Δ₂min，并且如果参数Y被定义为Y＝Δ₂/Δ₁，在高温时Ymax＝Δ₂max/Δ₁，以及在低温时Ymin＝Δ₂min/Δ₁，则满足如下关系：当参数X在1.8≤X≤2.0的范围内时，Ymin为0.25≤Ymin≤0.84X-0.68，而Ymax为0.25≤Ymax≤0.84X-0.68，以及， 

当X在2.0≤X≤2.2的范围内时，Ymin为0.48X-0.71≤Ymin≤- 2/9X+13/9，而Ymax是0.48X-0.71≤Ymax≤-2/9X+13/9。 

优选地，对于所述参数Y，满足Ymin＜Ymax。 

此外，优选地，内芯的折射率基本上为纯石英玻璃的级别，而外芯的折射率大于或等于1.42并且小于或等于纯石英玻璃的级别。 

有益效果 

本发明的PCF可以低成本制造，其在整个工作温度范围上没有频带的恶化和弯曲损耗的增加。 

根据下面记载的附图和本发明的实施例，本领域技术人员应当清楚本发明的上述目的、作用和效果以及任何其它目的、作用和效果。 

附图说明

图1是示意地示出由聚合物包层材料中的温度变化而导致在PCF的径向方向上的折射率变化的视图。 

具体实施方式

在本发明的PCF(聚合物包层光纤)中，通过在双层玻璃芯PCF中满足下面描述的结构来实现温度特性的改进，所述双层玻璃芯PCF包括由石英玻璃或掺杂了添加物的玻璃所形成的双层玻璃芯(即内芯和外芯)，并包括在双层玻璃芯的外周上提供的聚合物包层。在此，内芯和外芯必须是以石英玻璃作为其主要成分的玻璃，并且内芯和外芯的折射率的温度依赖性必须充分小于聚合物包层的折射率的温度依赖性。因此，尤其在外芯中不可能使用聚合物包层材料。将内芯的直径取作a₁，外芯的直径取作a₂，内芯的截面面积(πa₁ ²)/4与外芯的截面面积(πa₂ ²)/4的比值取作X(＝a₂ ²/a₁ ²)。图1示出由温度变化导致的假定的折射率分布的变化。 

假定PCF被使用的最高温度取作Tmax，最低温度取作Tmin。如果将聚合物包层材料在常温(为20℃)时的折射率取作n₀，而将折射率的温度系数取作dn/dT，则聚合物包层材料在X℃的折射率n_x可以由下面给出的公式(1)表示。 

(公式(1)) 

$n_x=n_0+\underset{20}{\overset{x}{\∫}}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}\mathrm{dT}...\left(1\right)$

在这种情况下，如果将内芯与外芯的折射率之间的差取作Δ₁，而将外芯与聚合物包层的折射率之间的差取作Δ₂，则Δ₁和Δ₂可由下面的公式(2)和公式(3)表示。 

(公式(2)) 

${\mathrm{\Δ}}_1=\frac{{n_{\mathrm{core}1}}^2-{n_{\mathrm{core}2}}^2}{2{n_{\mathrm{core}1}}^2}...\left(2\right)$

(公式(3)) 

${\mathrm{\Δ}}_2=\frac{{n_{\mathrm{core}2}}^2-{n_x}^2}{2{n_{\mathrm{core}2}}^2}...\left(3\right)$

(core：芯) 

本发明的PCF的特征在于，如果将Δ₁与Δ₂之间的比值设置为Y(＝Δ₂/Δ₁)，并且如果将Y取作Ymax＝Δ₂max/Δ₁，Ymin＝Δ₂min/Δ₁，其中，将在Tmax时的X取作Δ₂max，并且将在Tmin时的X取作Δ₂min，则 

X在1.8≤X≤2.2的范围内，并且 

当X在1.8≤X≤2.0的范围内时，Ymin为0.25≤Ymin≤0.84X-0.68，而Ymax为0.25≤Ymax≤0.84X-0.68，以及 

当X在2.0≤X≤2.2的范围内时，Ymin为0.48X-0.71≤Ymin≤-2/9X+13/9，而Ymax为0.48X-0.71≤Ymax≤-2/9X+13/9。 

通过使用上述设计，由于温度依赖性导致Δ变化，这种变化的量使得与Δ不变的情况相比玻璃内芯与玻璃外芯之间的传输特性可被保持等同，获得的效果是：可以忽略由于温度而导致的折射率的变化。在该范围之外，因为调整Δ₁是不实际的，因为存在传输特性的恶化，或者因为外芯与包层的折射率变得反转，所以使用双层芯没有优点。 

为了调整Δ₁，希望内芯的折射率为纯石英玻璃的水平，并且希望外芯的折射率为1.42或更大。 

还使参数Y满足Ymin＜Ymax。 

优选地，本发明应用于其聚合物包层的折射率的温度依赖性如下的材料：折射率随着温度上升而变低，折射率随着温度下降而变高。以此方式，通过使用这类结构，形成与石英玻璃的折射率的温度依赖性(石英玻璃的折射率随温度上升而增加)相反方向的温度依赖性，并且应用本发明的效果增强。 

图1是示意地示出在折射率随着温度上升而变低的聚合物包层材料的情况下由温度变化导致的在PCF的径向方向上的折射率变化的视图。在常温、低温以及高温之间，由石英玻璃制成的内芯和外芯的折射率基本未呈现出变化。然而，聚合物包层的折射率相对于常温的情况下在低温和高温的情况下都变化，使得外芯与聚合物包层之间的Δ变化。 

在模式(1)中，在常温时，中央的内芯的折射率最高，内芯外部的外芯的折射率最低，而外芯外部的聚合物包层的折射率介于内芯折射率和外芯折射率之间。因为聚合物包层的折射率根据温度而变化，所以聚合物包层的折射率在低温时最高，而外芯和聚合物包层的折射率在高温时彼此相等。 

模式(2)示出一种情况，其中使用在常温时具有与外芯折射率相等的折射率的聚合物包层。在这种情况下，在低温时，聚合物包层的折射率成为内芯折射率和外芯折射率之间的中间值。在高温时，聚合物包层的折射率小于外芯的折射率。 

模式(3)示出一种情况，其中使用在常温时具有小于外芯折射率的折射率的聚合物包层。在这种情况下，在低温时，聚合物包层的折射率等于外芯的折射率。在高温时，聚合物包层的折射率小于外芯的折射率。 

模式(4)示出一种情况，其中使用在常温时具有小于外芯折射率的折射率的聚合物包层并且折射率的变化大于模式(3)中的变化。在这种情况下，在低温时，聚合物包层的折射率小于外芯的折射率。在高温时，聚合物包层的折射率小于外芯的折射率。 

(实施例) 

如表1所示，通过以下步骤来制造PCF：由直径为a₁的石英玻璃(折射率n₁)形成玻璃内芯，在内芯的外周上提供直径为a₂的石英玻璃(折 射率n₂)以形成外芯，然后还在外芯的外周上形成聚合物包层(折射率n₃)。使用例如氯、氟、锗和磷的掺杂物来调整内芯的折射率。使用例如氟和硼的掺杂物来调整外芯的折射率。此外，通过考虑材料在常温时的折射率及其折射率的依赖于温度的变化来适当地选择用于聚合物包层材料的材料，然后进行评估。 

制备了十一种实验光纤，即实施例1至5的光纤以及比较例1至6的光纤。 

(表1) 

示例   号	聚合物  包层  材料	工作环境  温度  [℃]	a1  [μm]	a2 [μm]	n1	n2	常温n3  低温   高温	Δ1[％]	常温Δ2  [％]  低温  高温	X	常温Y  低温  高温	在X时  Y的规定  范围	常温频带  [MHz km]  低温  高温	低温  弯曲损耗  [dB]
															实施例  1	A	-40～85	88	125	1.453	1.421	1.402  1.413  1.391	2.2	1.3  0.55  2.2	2	0.59  0.25  1.0	0.25-1	13.3  11.1  11.3	○
实施例  2	B	-10～60	149	200	1.462	1.436	1.424  1.429  1.417	1.8	0.8  0.45  1.34	1.8	0.53  0.25  0.74	0.25-  0.832	17.1  15.4  15.9	○
															实施例  3	C	0～50	67	100	1.457	1.442	1.433  1.436  1.428	1.06	0.62  0.415  1.01	2.2	0.58  0.391  0.953	0.346-  0.956	27.1  24.5  24.4	○
比较例  1	D	-40～85	88	125	1.453	-	1.421  1.432  1.410	-	2.2  1.4  3.0	2	-	-	11.0  16.9  8.13	×
															比较例  2	E	-10～60	149	200	1.462	-	1.436  1.441  1.429	-	1.8  1.4  2.3	1.8	-	-	13.6  16.9  10.7	×
比较例  3	F	0～50	67	100	1.457	-	1.442  1.446  1.437	-	1.06  0.80  1.43	2.2	-	-	23.8  32.5  17.8	×
															比较例   4	G	-40～85	88	125	1.454	1.425	1.407  1.418     1.396	2.0	1.3  0.48     2.1	2	0.65  0.24     1.05	0.25-1	14.6  12.15  12.0     (12.2)	○
比较例  5	H	-10～60	153	200	1.458	1.435	1.424  1.430  1.413	1.57	0.8  0.35  1.52	1.7	0.51  0.22  0.97	0.25-  0.748	19.6  13.3  15.3     (15.4)	○
															比较例  6	1	0～50	66	100	1.458	1.442	1.433  1.437  1.426	1.08	0.62  0.336  1.1	2.3	0.574  0.311  1.02	0.394-  0.933	24.7  20.7  21.9     (22.3)	○

(实施例1) 

使用聚合物包层材料A，假定-40～+85℃的工作温度范围来进行评估。根据表1可见，因为芯截面面积比值X和相对折射率差比值Y处在适当的范围内，所以频带的依赖于温度的变化小。此外，获得了在低温环境中具有强弯曲损耗的优质光纤。而且，还将频带保持为等于或大于在比较例1中所示的单层芯结构光纤在常温时的频带。 

(实施例2) 

使用聚合物包层材料B，假定-10～+60℃的工作温度范围来进行评估。根据表1可见，因为芯截面面积比值X和相对折射率差比值Y处在适当的范围内，所以频带的依赖于温度的变化小。此外，获得了在低温环境中具有强弯曲损耗的优质光纤。而且，还将频带保持为等于或大于在比较例2中所示的单层芯结构光纤在常温时的频带。 

(实施例3) 

使用聚合物包层材料C，假定0～+50℃的工作温度范围来进行评估。根据表1可见，因为芯截面面积比值X和相对折射率差比值Y处在适当的范围内，所以频带的依赖于温度的变化小。此外，获得了在低温环境中具有强弯曲损耗的优质光纤。而且，还将频带保持为等于或大于在比较例3中所示的单层芯结构光纤在常温时的频带。 

(表2) 

(实施例4) 

使用聚合物包层材料J，假定-40～0℃的工作温度范围来进行评估。根据表2可见，因为芯截面面积比值X和相对折射率差比值Y处在适当的范围内(因为常温在假定的温度范围之外，所以频带较窄)，所以频带的依赖于温度的变化小。此外，获得了在低温环境中具有强弯曲损耗的优质光纤。而且，还将频带保持为等于或大于在常温时具有27.5MHz km的 频带的单层芯结构光纤(在常温时具有包层折射率1.44)的频带。 

(实施例5) 

使用聚合物包层材料K，假定60～100℃的工作温度范围来进行评估。根据表2可见，因为芯截面面积比值X和相对折射率差比值Y处在适当的范围内(因为常温在假定的温度范围之外，所以频带较窄)，所以频带的依赖于温度的变化小。此外，获得了在低温环境中具有强弯曲损耗的优质光纤。而且，还将频带保持为等于或大于在常温时具有13.1MHzkm的频带的单层芯结构光纤(在常温时具有包层折射率1.43)的频带。 

(比较例1) 

使用聚合物包层材料D作为用于与实施例1进行比较的比较例，假定-40～+85℃的工作温度范围来进行评估。为了进行比较，使用具有内芯和聚合物包层的单层芯结构光纤。根据表1可见，因为结构是单层芯结构，所以频带存在较大的依赖于温度的变化，尤其在高温时频带显著下降。此外，获得了在低温环境中具有弱弯曲损耗的光纤。 

(比较例2) 

使用聚合物包层材料E作为用于与实施例2进行比较的比较例，假定-10～+60℃的工作温度范围来进行评估。为了进行比较，使用具有内芯和聚合物包层的单层芯结构光纤。根据表1可见，因为结构是单层芯结构，所以频带存在较大的依赖于温度的变化，尤其在高温时频带显著下降。此外，获得了在低温环境中具有弱弯曲损耗的光纤。 

(比较例3) 

使用聚合物包层材料F作为用于与实施例3进行比较的比较例，假定0～+50℃的工作温度范围来进行评估。为了进行比较，使用具有内芯和聚合物包层的单层芯结构光纤。根据表1可见，因为结构是单层芯结构，所以频带存在较大的依赖于温度的变化，尤其在高温时频带显著下降。此外，获得了在低温环境中具有弱弯曲损耗的光纤。 

(比较例4) 

使用聚合物包层材料G，假定-40～+85℃的工作温度范围来进行评估。根据表1可见，因为芯截面面积比值X和相对折射率差比值Y不在适当的范围内，所以在低温和高温时与在常温时的单层芯光纤(示于括号内)相比，频带较窄。然而，因为结构是双层芯结构，所以获得了在低 温环境中具有强弯曲损耗的光纤。 

(比较例5) 

使用聚合物包层材料H，假定-10～+60℃的工作温度范围来进行评估。根据表1可见，因为芯截面面积比值X和相对折射率差比值Y不在适当的范围内，所以在低温和高温时与在常温时的单层芯光纤(示于括号内)相比，频带较窄。然而，因为结构是双层芯结构，所以获得了在低温环境中具有强弯曲损耗的光纤。 

(比较例6) 

使用聚合物包层材料I，假定0～+50℃的工作温度范围来进行评估。根据表1可见，因为芯截面面积比值X和相对折射率差比值Y不在适当的范围内，所以在低温和高温时与在常温时的单层芯光纤(示于括号内)相比，频带较窄。然而，因为结构是双层芯结构，所以获得了在低温环境中具有强弯曲损耗的光纤。 

根据上述结果，可见，如果X和Y处在适当的范围内，则与单层芯Δ1光纤相比，频带在整个工作温度范围上是好的，并且获得具有改善的弯曲损耗的光纤。 

上面参照具体实施例详细描述并图示了本发明，然而，这种描述不应被理解为具有限制性意义，并且如果本领域技术人员参照本说明书，则应当清楚本发明的其它实施例等等。也就是说，可以对所公开的内容进行各种修改，因此在不脱离本发明的如在该申请的权利要求的范围内所描述的范围的情况下，可以进行各种修改。 

产业应用性 

有可能提供一种聚合物包层光纤，其可以低成本制造，并且在整个工作温度范围上没有频带的恶化和弯曲损耗的增加。 

Claims (3)

1.一种聚合物包层光纤，包括：在由石英玻璃形成的内芯的外周上提供的外芯，所述外芯由掺氟玻璃形成，其具有小于所述内芯的折射率；以及在所述外芯的外周上提供的、由聚合物形成的聚合物包层，其中，

当将所述内芯的直径取作a₁，所述外芯的直径取作a₂，所述内芯的截面面积取作(πa₁ ²)/4，所述外芯的截面面积取作(πa₂ ²)/4时，被定义为X＝a₂ ²/a₁ ²的参数X在1.8≤X≤2.2的范围内；并且，

当所述参数X在1.8≤X≤2.0的范围内时，Ymin为0.25≤Ymin≤0.84X-0.68，而Ymax为0.25≤Ymax≤0.84X-0.68，以及，

当所述参数X在2.0≤X≤2.2的范围内时，所述Ymin为0.48X-0.71≤Ymin≤-2/9X+13/9，而所述Ymax为0.48X-0.71≤Ymax≤-2/9X+13/9，

其中，所述Ymin以及所述Ymax的定义如下：

当将所述内芯与所述外芯之间的相对折射率差取作Δ₁，将所述外芯与所述聚合物包层之间的相对折射率差取作Δ₂时，

而且将在高温时所述外芯与所述聚合物包层之间的相对折射率差取作Δ₂max，将在低温时所述外芯与所述聚合物包层之间的相对折射率差取作Δ₂min时，

将被定义为Y＝Δ₂/Δ₁的参数Y，在高温时取作Ymax＝Δ₂max/Δ₁，在低温时取作Ymin＝Δ₂min/Δ₁。

2.根据权利要求1所述的聚合物包层光纤，其中，

对于所述参数Y，满足Ymin＜Ymax。

3.根据权利要求2所述的聚合物包层光纤，其中，

所述内芯的折射率为纯石英玻璃的折射率，而所述外芯的折射率大于或等于1.42并且小于纯石英玻璃的折射率。

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