CN105700068A - 多模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多模光纤，其具有在设想为实际使用的长度中，用于将其出射端处的数值孔径抑制为较小的构造。该多模光纤具有纤芯部、沟槽部、以及包层部。此外，该多模光纤设计为，光纤长度越长，其出射端处的数值孔径越小，并且设想为实际使用的长度中的数值孔径满足特定条件。由此，将该多模光纤的出射端处的数值孔径抑制为较小，并显著提高该多模光纤和其它光学部件的耦合效率。

Description

多模光纤

技术领域

本发明涉及一种多模光纤。

背景技术

作为减小单模光纤中的弯曲损耗的方法，当前已知在纤芯部的周围设置沟槽部的构造。沟槽部会带来光封闭效果的提高。其结果，在弯曲该单模光纤时不易漏光。

另一方面，多模光纤与单模光纤不同，是具有多个传输模式的光传送介质，因此是在其构造以及应用领域上与单模光纤有明确区别的光纤。然而，与单模光纤同样地，在多模光纤中，也通过在纤芯部的周围设置沟槽部，而使有效折射率上升，提高各模式光的封闭效果。因此，在多模光纤中，由于沟槽部的存在，弯曲时的漏光也会减少。

发明人们对上述的现有技术进行了研究，其结果发现如下述的课题。

即，由于沟槽部具有提高有效折射率的效果，因此在应用于多模光纤的情况下，具有减小弯曲损耗的效果。另一方面，如果与不具有沟槽部的通用的多模光纤相比，则具有沟槽部的多模光纤有下述特征，即，表示光的入射角、出射角的数值孔径(NA)变大。因此，在数值孔径NA大的多模光纤中，也能够将从入射角大的光源发出的光封闭在内部，因此光源侧的耦合效率提高。另一方面，关于与光接收器的耦合，与通用的多模光纤相比较，存在耦合效率降低这样的课题。这是由于从光纤端面发出的光的辐射角较大。

发明内容

本发明就是为了解决如上所述的课题而提出的，其目的在于提供一种多模光纤，该多模光纤具有下述构造，即，在设想为实际使用的长度中，通过将其出射端处的数值孔径抑制为较小，而用于使与其它光学部件的耦合效率显著提高。

本发明涉及一种纤芯部的折射率分布例如如US2009/0154888A1公报的第“0034”段记载的以α次方分布(α-profile)的形状限定的GI(GradedIndex)型的多模光纤，该多模光纤在构造上与长距离传输用的单模光纤有明确的区别。

即，本发明涉及的多模光纤具有：纤芯部，其沿规定轴线延伸，并且添加有GeO₂(二氧化锗)；沟槽部，其设置在纤芯部的外周，该沟槽部的折射率比该纤芯部的折射率低；以及包层部，其设置在沟槽部的外周，该包层部的折射率比纤芯部的折射率低而比沟槽部的折射率高。在该多模光纤的径向的折射率分布中，相当于纤芯部的部分的α值为1.9～2.2，纤芯部中心相对于包层部的相对折射率差Δ(纤芯部的最大相对折射率差)为0.8％～1.2％，纤芯部的直径2a为47.5μm～52.5μm。此外，纤芯部相对于包层部的最大相对折射率差与沟槽部相对于包层部的最小相对折射率差之间的差小于或等于1.6％。

在具有如上所述的构造的该多模光纤中，表示其数值孔径和长度的关系的曲线图具有以下形状，即其倾斜度的绝对值在长度2m～700m之间成为最大。而且，在将纤芯部的最大折射率设为n1，将沟槽部的最小折射率设为n2，将包层部的折射率设为n3时，该多模光纤在长度700m处的数值孔径NA(700m)满足以下条件，

$\mathrm{Na}\left(700m\right)\≤\sqrt{{n1}^2-{n3}^2}.$

通常，已知多模光纤在构造上与长距离光通信用的单模光纤相比，传送损耗较大。另一方面，由于易于进行光纤间连接，因此广泛使用于LAN(LocalAreaNetwork)等近距离信息通信的用途中。例如，用于连接在建筑物内设置的设备而所需的多模光纤的长度最多为700m左右。因此，在本发明中，作为代表光出射侧的数值孔径的参数，定义出测定长度700m处的数值孔径NA(700m)。

在本发明涉及的多模光纤中，优选沟槽部的折射率，沿该多模光纤的半径方向从纤芯部朝向包层部而增加。在该情况下，与仅设置沟槽部的构造相比，该多模光纤的出射端处的数值孔径的减小效果显著。

在本发明涉及的多模光纤中，也可以在纤芯部和沟槽部之间设置宽度0～10μm的平坦部(折射率沿半径方向大致相同的部分)。在该情况下，即使沟槽部相对于包层部的最小相对折射率差的绝对值减小，也能够期待充分的光封闭效果。

此外，在本发明涉及的多模光纤中，沟槽部的最大宽度小于或等于10μm，优选小于或等于5μm。

此外，在本发明涉及的多模光纤中，优选该多模光纤在长度2m处的数值孔径NA(2m)满足以下条件，

$0.9\×\sqrt{{n1}^2-{n3}^2}\≤\mathrm{NA}\left(2m\right)\≤\sqrt{{n1}^2-{n2}^2}.$

另外，优选沟槽部的沿半径方向的折射率分布具有以下形状，即使高阶模式以较短的传输距离易于从纤芯部侧朝向包层部侧脱离。具体而言，优选沟槽部具有以下形状的折射率分布，即折射率n3处的第1宽度W1大于折射率(n3+n2)/2处的第2宽度W2。此外，第2宽度W2相对于第1宽度W1的比(W2/W1)大于或等于0.5而小于1.0，优选大于或等于0.5而小于0.9，更优选大于或等于0.6而小于0.9。

另外，通过以下的详细说明以及附图能够进一步充分理解本发明涉及的各实施例。

本发明的进一步的应用范围能够根据以下的详细说明明确。然而，详细的说明以及特定的事例表示本发明的优选实施例，只是为了例示而给出的例子，根据该详细的说明，本领域技术人员能够容易想到本发明范围内的各种变形以及改良，这是显而易见的。

附图说明

图1A是示出本发明涉及的多模光纤的代表性剖面构造的图，图1B表示其折射率分布。图1B是将图1A径向放大表示的图。

图2是示出本发明涉及的多模光纤的测定长度和数值孔径的关系的曲线图。

图3A是更详细地示出图1B所示的折射率分布中的相当于沟槽部附近的部分的图，图3B是作为能够应用在本发明涉及的多模光纤中的折射率分布的变形例，更详细地示出该变形例的折射率分布中的相当于沟槽部附近的部分的图。

图4A是为了对测定长度和数值孔径的关系进行测定而准备的实施例1涉及的多模光纤的折射率分布，图4B是实施例2涉及的多模光纤的折射率分布，图4C是实施例3涉及的多模光纤的折射率分布。

图5是示出具有图4A～图4C所示的折射率分布的实施例1～实施例3涉及的多模光纤的测定结果的曲线图。

具体实施方式

以下，参照图1A～1B、图2～3、图4A～4C、以及图5，详细地说明本发明涉及的多模光纤的各实施例。另外，在附图说明中，对同一部位、同一要素标注相同标号而省略重复说明。

图1A是示出本发明涉及的多模光纤的代表性剖面构造的图，图1B是其折射率分布。特别地，本实施例涉及的多模光纤100(图1A)是以石英玻璃作为主材料的GI型的多模光纤，其至少具有：纤芯部110，其沿规定轴线(与光轴AX一致)延伸；沟槽部120，其设置在纤芯部110的外周；以及包层部130，其设置在沟槽部120的外周。此外，在图1A所示的多模光纤100中，纤芯部110添加有用于调整折射率分布的形状(α次方分布形状)的GeO₂，具有直径2a和最大折射率n1。沟槽部120具有比纤芯部110的折射率低的最小折射率n2。包层部130具有直径2b，并且具有比纤芯部110的折射率低，并且比沟槽部120的折射率高的折射率n3。

此外，本实施例涉及的多模光纤100具有图1B所示的折射率分布150。另外，图1B所示的折射率分布150示出在图1A中与光轴AX正交的线L(与该多模光纤100的径向一致)上的各部分的折射率，更具体而言，区域151示出沿线L的纤芯部110的各部分的折射率，区域152示出沿线L的沟槽部120的各部分的折射率，区域153示出沿线L的包层部130的各部分的折射率。

特别地，图1B的折射率分布150中的区域151是使其中心与光轴AX一致的纤芯部110，在其中心处折射率成为最大，且具有所谓的α次方分布形状。因此，用于折射率调整而添加的GeO₂的浓度也从纤芯部110的中心向沟槽部120急剧降低。用于对该α次方分布形状进行限定的α值为1.9～2.2。纤芯部110的中心相对于包层部130(在图1A的例子中是单层的区域153，整个区域成为用于对相对折射率差进行限定的基准区域)的相对折射率差Δ⁺(纤芯部110相对于包层部130的最大相对折射率差)是0.8％～1.2％，纤芯部110的直径2a是47.5μm～52.5μm。沟槽部120相对于包层部130的最小相对折射率差Δ-大于或等于-0.4％，调整为纤芯部110的最大相对折射率差和沟槽部120的最小相对折射率差之间的差小于或等于1.6％。另外，作为使纤芯部110内的传输模式中的高阶模式以较短的传输距离易于朝向包层部130侧的构造，沟槽部120的半径方向的折射率分布具有以下形状，即折射率n3处的第1宽度W1大于折射率(n3+n2)/2处的第2宽度W2。具体而言，第2宽度W2相对于第1宽度W1的比(W2/W1)大于或等于0.5而小于1.0，优选大于或等于0.5而小于0.9，更优选大于或等于0.6而小于0.9。

图2是示出本发明涉及的多模光纤中的测定长度和数值孔径的关系的曲线图。

表示该多模光纤100的数值孔径和长度(以下，称为用于测定数值孔径的测定长度)的关系的曲线图160具有以下形状，即其倾斜度的绝对值在测定长度2m～700m之间成为最大。即，在该多模光纤100中，曲线160的切线161的斜率在位于大于或等于2m而小于或等于700m的范围内的测定长度a(m)处成为最大。由此入射端的数值孔径和出射端的数值孔径能够满足式(2a)、(2b)。而且，在设想为实际使用的长度中，将该多模光纤100的出射端处的数值孔径抑制为较小，其结果具有提高与光接收器的耦合效率的效果。

此外，在将纤芯部110的最大折射率设为n1，将沟槽部的最小折射率120设为n2，将包层部130的折射率设为n3时，纤芯-包层构造中的数值孔径由以下式(1a)给出，此外，纤芯-沟槽构造中的数值孔径由以下式(1b)给出。

$\sqrt{{n1}^2-{n3}^2}...\left(1a\right)$

$\sqrt{{n1}^2-{n2}^2}...\left(1b\right)$

因此，为了使与光接收器等的耦合效率提高，需要使该多模光纤100的设想为实际使用的测定长度700m处的数值孔径NA(700m)满足以下的条件(2a)。另一方面，为了在与光源侧之间得到充分的耦合效率，优选该多模光纤100的较短的测定长度2m处的数值孔径NA(2m)满足以下的条件(2b)。

$\mathrm{NA}\left(7000m\right)\≤\sqrt{{n1}^2-{n3}^2}---\left(2a\right)$

$0.9\×\sqrt{{n1}^2-{n3}^2}\≤\mathrm{NA}\left(2m\right)\≤\sqrt{{n1}^2-{n2}^2}...\left(2b\right)$

具体而言，作为一个例子，考虑下述多模光纤，在该多模光纤中，纤芯部110的外径是50μm、对纤芯部120中的折射率分布的形状进行限定的α值是2、纤芯部110的最大折射率n1是1.4544(波长633nm)、沟槽部120的最小折射率n2是1.4324(波长633nm)、包层部130的折射率n3是1.440(波长633nm)、沟槽部120的最大宽度是3μm。在该情况下，测定长度2m处的数值孔径NA(2m)是0.220，测定长度700m处的数值孔径NA(700m)是0.202。此外，可知，由于数值孔径(1a)的值是0.204，数值孔径(1b)的值是0.252，因此具有如上所述的构造的多模光纤如下所示，满足上述条件(2a)以及条件(b)这两者。

$\mathrm{NA}\left(700m\right)=0.202\≤\sqrt{{n1}^2-{n3}^2}=0.204$

$0.9\sqrt{{n1}^2-{n3}^2}=0.184\≤\mathrm{NA}\left(2m\right)=0.220\≤\sqrt{{n1}^2-{n2}^2}=0.252$

如以上所述，根据本实施例涉及的多模光纤100，与光源侧的数值孔径相比，能够将受光侧的数值孔径抑制较低。

沟槽部120附近的更详细的折射率分布具有如图3A以及3B所示的形状。即，图3A是更详细地示出图1B所示的折射率分布中的相当于沟槽部附近的部分的图，图3B是作为能够应用在本发明涉及的多模光纤中的折射率分布的变形例，更详细地示出该变形例的折射率分布中的相当于沟槽部附近的部分的图。

在图3A所示的折射率分布150中，相当于纤芯部110的区域151具有α次方分布形状，以使得在与光轴AX一致的中心(纤芯部110的中心)处折射率成为最大，限定该形状的α值是1.9～2.2。纤芯部110相对于包层部130的最大相对折射率差Δ⁺是0.8％～1.2％，纤芯部110的直径2a是47.5μm～52.5μm。优选相当于沟槽部120的区域152的最大宽度小于或等于5μm，但根据折射率分布的构造也可以小于或等于10μm。此外，相当于沟槽部120的区域152的折射率具有下述形状，即，从区域151朝向区域153(相当于包层部130的区域)，沿该多模光纤100的半径方向增加。特别地，相当于沟槽部120的区域152的折射率分布的形状设计为第2宽度W2相对于第1宽度W1的比(W2/W1)大于或等于0.5而小于1.0(此外，也可以是比(W2/W1)大于或等于0.5而小于0.9，进一步可以是大于或等于0.6而小于0.9)。沟槽部120相对于包层部130的最小相对折射率差Δ-是-0.8％～-0.4％。此外，以包层部130作为基准，纤芯部110的最大相对折射率差和沟槽部120的最小相对折射率差之间的差(＝Δ⁺-Δ^-)小于或等于1.6％。

另一方面，如图3B所示的折射率分布250具有：相当于纤芯部110的区域251、相当于沟槽部120的区域252、相当于包层部130的区域253，并且在区域251和沟槽部252之间设有缓冲区域254。该缓冲区域254的宽度(即，纤芯部110和沟槽部120之间的间隔D)是0～10μm。如上所述，在纤芯部110和沟槽部120之间设有缓冲区域的构造中，沟槽部120相对于包层部130的最小相对折射率差Δ-小于或等于-0.1％即可。根据如上所述的设有缓冲区域的构造，也能够期待充分的光封闭效果。在图3B的例子中，沟槽部120的半径方向的折射率分布设定为：第2宽度W2相对于第1宽度W1的比(W2/W1)大于或等于0.5而小于1.0，优选大于或等于0.5而小于0.9，更优选大于或等于0.6而小于0.9。

在图3A或图3B所示的例子中，例如能够设为a＝25μm、W1＝6μm、W2＝4μm。或者，能够设为a＝25μm、W1＝6μm、W2＝5μm。

通过将W2/W1设为大于或等于0.5而小于1.0，能够减少沟槽部的氟的添加量。如果W2/W1小于0.5，则在多模光纤中传送的光的传输模式的弯曲损耗变大，并不优选。

下面，发明人准备具有各种折射率分布的多模光纤，对测定长度(m)和数值孔径的关系进行了测定。其结果，得到图5所示的结果。此外，所准备的多模光纤是具有图4A～图4C所示的折射率分布的多模光纤。即，图4A是为了对测定长度和数值孔径的关系进行测量而准备的实施例1涉及的多模光纤的折射率分布，图4B是实施例2涉及的多模光纤的折射率分布，图4C是实施例3涉及的多模光纤的折射率分布。

如图4A所示，第1实施例涉及的多模光纤的折射率分布351由分别与纤芯部110、沟槽部120、包层部130相对应的区域构成。对纤芯部110的折射率分布的α次方分布形状进行限定的α值是2，纤芯部110的直径2a是50μm。沟槽部120的折射率分布具有从纤芯部110朝向包层部130，沿该第1实施例涉及的多模光纤的半径方向而增加的形状。此外，沟槽部120的折射率分布与图3A的例子同样地，设计为第2宽度W2相对于第1宽度W1的比(W2/W1)大于或等于0.5而小于1.0。以包层部130作为基准的纤芯部110的最大相对折射率差Δ⁺是1.0％。沟槽部120的最小相对折射率差Δ-调整为：纤芯部110的最大相对折射率差Δ⁺和沟槽部120的最小相对折射率差Δ-之间的差小于或等于1.6％。

图5中的曲线451示出具有如上所述的折射率分布351的第1实施例涉及的多模光纤的数值孔径和测定长度的关系。根据该图5也可知，在第1实施例涉及的多模光纤中，测定长度2m处的数值孔径NA(2m)处于从上述式(1a)至上述式(1b)为止的范围内，另一方面，测定长度700m处的数值孔径NA(700m)低于上述式(1a)。即，该第1实施例涉及的多模光纤是满足上述条件(2a)以及条件(2b)这两者的多模光纤。

通过应用该第1实施例涉及的多模光纤，改善与VCSEL(Vertical-CavitySurface-EmittingLaser：垂直腔面发射激光器)等光源的耦合效率、与光接收器即PD(PhotoDiode)的耦合效率这两者。其结果，无需提高光源的出射强度，并能够期待有效地抑制在电力量、数据中心等中成为问题的发热量的效果。

另一方面，如图4B所示，第2实施例涉及的多模光纤的折射率分布352与第1实施例同样地，由分别与纤芯部110、沟槽部120、包层部130相对应的区域构成，但在沟槽部120中的折射率分布的形状以及其宽度上与第1实施例不同。即，对纤芯部110的折射率分布的α次方分布形状进行限定的α值是2，纤芯部110的直径2a是50μm，沟槽部120的宽度W设定为第1实施例的2倍左右。沟槽部120的折射率分布具有从纤芯部110朝向包层部130沿该第2实施例涉及的多模光纤的半径方向平坦的形状。此外，以包层部130作为基准的纤芯部110的最大相对折射率差Δ⁺是1.0％。沟槽部120的最小相对折射率差Δ-调整为：纤芯部110的最大相对折射率差Δ⁺和沟槽部120的最小相对折射率差Δ-之间的差小于或等于1.6％。

图5中的曲线452示出具有如上所述的折射率分布352的第2实施例涉及的多模光纤的数值孔径和测定长度的关系。根据该图5也可知，在第2实施例涉及的多模光纤中，测定长度2m处的数值孔径NA(2m)处于从上述式(1a)至上述式(1b)为止的范围内。然而，测定长度700m处的数值孔径NA(700m)高于上述式(1a)。

另外，在不满足上述条件(2a)的情况下，在数值孔径较大的状态下从多模光纤出射的光中，未进入PD的光变多(与PD的耦合效率恶化)，由于光强度不足而给通信带来障碍的可能性增大。此外，如果为了消除如上所述的光接收器侧的障碍而在VCSEL等光源侧提高光量，则光源自身的电力量、发热量的增大成为问题。

此外，如图4C所示，第3实施例涉及的多模光纤的折射率分布353由分别与纤芯部110、包层部130对应的区域构成(不存在沟槽部120)。对纤芯部110的折射率分布的α次方分布形状进行限定的α值是2，纤芯部110的直径2a是50μm。此外，以包层部130作为基准的纤芯部110的最大相对折射率差Δ⁺是1.0％。

图5中的曲线453示出具有如上所述的折射率分布353的第3实施例涉及的多模光纤的数值孔径和测定长度的关系。根据该图5也可知，第3实施例涉及的多模光纤的数值孔径在测定长度2m～700m的整个范围中低于上述式(1b)。即，该第3实施例涉及的多模光纤满足上述条件(2a)，但不满足上述条件(2b)。

另外，多模光纤在数m的短距离中使用的情况也较多，如该第3实施例涉及的多模光纤，如果测定长度2m处的数值孔径NA(2m)低于上述式(1a)，则与VCSEL等光源的耦合效率变差的可能性增大。

由该研究结果可知，在第1～第3实施例中，第1实施例涉及的多模光纤可适用于本发明涉及的多模光纤。

如以上所述，本发明涉及的多模光纤设计为光纤长度(测定长度)越长，其数值孔径越小，并且，数值孔径相对于测定长度的斜率成为最大的测定长度处在大于或等于2m而小于或等于700m的范围内。而且，长度700m处的数值孔径满足式(2a)。其结果，能够在该多模光纤的设想为实际使用的长度中将出射端处的数值孔径抑制为较小，能够提高与光接收器的耦合效率。

根据上述的本发明的说明，能够对本发明进行各种变形，这是理所当然的。如上所述的变形不能认为超出了本发明的思想以及范围，所有对本领域技术人员来说是显而易见的改良均包含在本权利要求书的范围内。

Claims (8)

1.一种多模光纤，其具有：纤芯部，其沿规定轴线延伸，并且添加有GeO₂；沟槽部，其设置在所述纤芯部的外周，该沟槽部的折射率比所述纤芯部的折射率低；以及包层部，其设置在所述沟槽部的外周，该包层部的折射率比所述纤芯部的折射率低而比所述沟槽部的折射率高，

在该多模光纤中，

在该多模光纤的径向的折射率分布中，相当于所述纤芯部的部分的α值为1.9～2.2，所述纤芯部相对于所述包层部的最大相对折射率差Δ为0.8％～1.2％，所述纤芯部的直径2a为47.5μm～52.5μm，所述纤芯部相对于所述包层部的基准区域的最大相对折射率差与所述沟槽部相对于所述包层部的基准区域的最小相对折射率差之间的差小于或等于1.6％，

表示该多模光纤的数值孔径和长度的关系的曲线图具有以下形状，即其倾斜度的绝对值在长度2m～700m之间成为最大，

在将所述纤芯部的最大折射率设为n1，将所述沟槽部的最小折射率设为n2，将所述包层部的折射率设为n3时，该多模光纤在长度700m处的数值孔径NA(700m)满足以下条件，

$\mathrm{NA}\left(700m\right)\≤\sqrt{{n1}^2-{n3}^2}.$

2.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，

所述沟槽部的折射率，沿该多模光纤的半径方向从所述纤芯部朝向所述包层部而增加。

3.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，

所述纤芯部和所述沟槽部之间隔开0μm～10μm。

4.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，

所述沟槽部的半径方向的最大宽度小于或等于10μm。

5.根据权利要求4所述的多模光纤，其中，

所述沟槽部的半径方向的最大宽度小于或等于5μm。

6.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，

该多模光纤在长度2m处的数值孔径NA(2m)满足以下条件，

$0.9\×\sqrt{{n1}^2-{n3}^2}\≤\mathrm{NA}\left(2m\right)\≤\sqrt{{n1}^2-{n2}^2}.$

7.根据权利要求1至6中任一项所述的多模光纤，其中，

所述沟槽部沿半径方向的折射率分布具有以下形状，即折射率n3处的第1宽度W1大于折射率(n3+n2)/2处的第2宽度W2。

8.根据权利要求7所述的多模光纤，其中，

所述第2宽度W2相对于所述第1宽度W1的比即W2/W1大于或等于0.5而小于或等于1.0。