纤芯共掺杂了两种或更多种卤素的低损耗光纤的制作方法

相关申请的交叉参考

本申请根据35u.s.c.§119，要求2017年11月20日提交的美国临时申请第62/588,594号的优先权，其全文通过引用结合入本文。

背景技术：

本公开内容一般地涉及用于数据传输的低成本低衰减光纤，更具体地，涉及具有共掺杂纤芯的光纤设计。

低衰减(例如，衰减值≤0.17db/km的光纤)是配置成高效传输数据的光纤的重要特性。

光纤的非线性特性也是限制了用于高速、远距离传输应用的光纤性能的因素。通常来说，可以通过增加光纤的有效面积来降低光纤的非线性特性。这是因为功率密度与有效面积成反比。虽然构造成用于单模运行的一些光纤设计聚焦于增加有效面积，但是通过这些设计所实现的有效面积受到微弯曲损耗和宏弯曲损耗的限制。随着近来数字信号加工(dsp)的进步，传输系统的线性损伤(例如，色散和偏振模色散(pmd))不再是重要的问题。

多种机制造会导致光纤中的衰减和损耗特性。这些机制会包括瑞利散射、小角散射、金属和杂质相关的吸收效应，以及其他uv和ir相关的效应。

技术实现要素：

根据一个实施方式，单模光纤包括：

纤芯，其具有α小于5的分级折射率分布；和

围绕纤芯的包层，

包层包括凹陷包层区域和外包层区域，所述外包层区域接触和围绕了所述凹陷包层区域；

其中，相比于外包层区域，纤芯的相对折射率大于+0.25％，其中，纤芯区域包括共掺杂了第一卤素和第二卤素的二氧化硅，其中，纤芯内的所述第一和所述第二卤素的浓度是不均匀的，使得：

(a)纤芯内的第一卤素的最大浓度与最小浓度之比是至少3，

(b)纤芯内的第二卤素的最大浓度与最小浓度之比是至少3，

(c)随着相对于纤芯的中心的距离增加，一种卤素在纤芯内的浓度增加；以及

(d)随着相对于中心的距离增加，另一种卤素在纤芯内的浓度减小；其中

(e)光纤具有1550nm波长处小于约0.17db/km的衰减。

根据一些实施方式，纤芯内的第一卤素的最大浓度与最小浓度之比是至少10。根据一些实施方式，纤芯内的第二卤素的最大浓度与最小浓度之比是至少10。

根据一些实施方式，纤芯内的第二卤素的最大浓度与最小浓度之比是至少10。

根据一些实施方式，第一卤素是氯(cl)或溴(br)，而第二卤素是氟(f)。

根据一些实施方式，纤芯内的氯(或溴)的最大浓度与最小浓度之比是至少3，例如至少10。根据一些实施方式，纤芯内的氯(或溴)的最大浓度与最小浓度之比小于1000。

根据一些实施方式，纤芯内的氟的最大浓度与最小浓度之比是至少5，例如至少10。根据一些实施方式，纤芯内的氯的最大浓度与最小浓度之比小于1000。根据一些实施方式，在纤芯的中心处，氯(或溴)与氟的浓度比是3至1000。

本公开内容的一个方面涉及单模光纤，其在1550nm波长的衰减小于约0.17db/km。光纤包括在光纤中的纤芯，其具有α小于约5的分级折射率分布。光纤还包括在光纤中围绕纤芯的包层。此外，根据一些实施方式，相比于二氧化硅，纤芯的最大相对折射率δ1最大值大于0.05％(例如，0.3％至0.55％)。此外，纤芯包括共掺杂的二氧化硅，使得纤芯内的氟和氯的浓度是不均匀的，以及：

(a)纤芯中的最大氯浓度与最小氯浓度之差是至少0.4重量％，

(b)纤芯中的最大氟浓度与最小氟浓度之差是至少0.45重量％，

(c)纤芯中的最大氯量是至少0.7重量％，以及

(d)纤芯中的氟最大值是至少0.75重量。

本公开内容的另一个方面涉及单模光纤，所述单模光纤包括光纤，其在1550nm波长的衰减小于约0.17db/km。光纤包括在光纤中的纤芯，其包括：用氟和氯共掺杂的二氧化硅；以及围绕纤芯区域的包层。此外，纤芯具有α小于5(例如，1.8至3或者1.8至2.2)的分级折射率分布。此外，包层包括凹陷折射率包层区域(本文也称作凹陷包层区域)，它的相对折射率低于纤芯的相对折射率和外包层区域的相对折射率。

在前述光纤的某些实践方式中，包层包括凹陷区域，它的相对折射率低于纤芯的相对折射率。例如，在一些实施方式中，凹陷区域的相对折射率比纤芯的最大相对折射率低了至少0.4％。根据一个方面，纤芯与外包层区域之间的相对折射率差异是0.3％至0.5％。在一些其他实施方式中，纤芯与外包层区域之间的相对折射率差异是0.3％至0.65％。

根据一些实施方式，包层包括凹陷区域，它的相对折射率是基本恒定的且低于纤芯的最大相对折射率。此外，光纤具有1550nm波长处小于约0.17db/km的衰减。

在本公开内容的其他方面中，在1550nm波长测量时，具有共掺杂纤芯的光纤可以展现出小于约0.16db/km的衰减，以及这些光纤中的某些还具有低至约0.15db/km或者甚至更低的衰减水平。

在本公开内容的某些方面中，共掺杂的光纤具有二氧化硅纤芯，其共掺杂了氟和氯，使得纤芯中的氯的最大浓度与最小浓度之差是至少1重量％(例如，至少2重量％或者至少3重量％)，和/或纤芯中的氯的最大浓度与最小浓度之比是至少3(例如，至少10或者甚至100、3至1000、5至1000或者5至100)。

在本公开内容的某些方面中，共掺杂的光纤具有二氧化硅纤芯，其共掺杂了氟和氯，使得纤芯中的氟的最大浓度与最小浓度之差是至少1重量％(例如，至少2重量％或者至少3重量％)，和/或纤芯中的氟的最大浓度与最小浓度之比是至少5(例如，至少10、至少100或者3至1000、5至1000或者5至100)。

根据一个实施方式，单模光纤包括：

纤芯，其具有α小于5的分级折射率分布；和

围绕纤芯的包层，

其中，相比于纯二氧化硅，纤芯的相对折射率大于+0.05％，其中，纤芯包括共掺杂了氯和氟的二氧化硅，其中，纤芯中的氟和氯的浓度是不均匀的，使得：

(a)纤芯中的最大氯浓度与最小氯浓度之差是至少0.4重量％，

(b)纤芯中的最大氟浓度与最小氟浓度之差是至少0.45重量％，

(c)纤芯中的最大氯量是至少0.7重量％，以及

(d)纤芯中的氟最大值是至少0.75重量；

其中，光纤具有1550nm波长处小于约0.17db/km的衰减。

在以下的详细描述中提出了本文的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。

要理解的是，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方式，并与文字描述一起用来解释各个实施方式的原理和操作。

附图说明

图1的示意图显示对于具有共掺杂纤芯和包层的光纤，折射率与光纤半径的关系。

图1a是图1所示光纤的横截面图。

图2是适用于拉制成共掺杂光纤的纤芯坯棒内的掺杂剂浓度与半径距离关系图。

图3是从与图2相关的光纤坯棒拉制的光纤的光纤纤芯折射率δ与光纤半径的关系图。

具体实施方式

下面详细参考本文的优选实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要可能，在附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部分。

“折射率分布”是折射率或相对折射率与光纤半径之间的关系。

术语“μm”和“微米”在本文中可以互换使用。

“相对折射率百分比”由如下等式(1)所定义：

δ％＝100×(ni²-nc²)/2ni²(1)

式中，nc是未掺杂的二氧化硅的折射率，以及ni是在光纤的特定区域中的点i处的平均折射率。

此外，除非另有说明，否则如本文所用的相对折射率用δ表示，并且其数值以“％”为单位。术语δ、％δ、δ％、δ折射率、百分比折射率、百分比δ折射率和％在本文中可以互换使用。在区域的折射率小于未掺杂的二氧化硅的折射率的情况下，相对折射率百分比是负的，并被称作具有凹陷区域或者凹陷折射率。在折射率大于未掺杂的二氧化硅的折射率的情况下，相对折射率百分比是正的。在本文中，“正掺杂剂”视为相对于纯的未掺杂二氧化硅倾向于提高折射率的掺杂剂。在本文中，“负掺杂剂”视为相对于纯的未掺杂二氧化硅倾向于降低折射率的掺杂剂。正掺杂剂的例子包括：geo2、al2o3、p2o5、tio2、cl和br。负掺杂剂的例子包括f和b。

除非另外说明，否则在本文中，将“色散”称作“分散”，光纤的色散是材料色散和波导色散之和。零色散波长是色散值等于零的波长。色散斜率表示色散相对于波长的变化率。

“有效面积”如下等式(2)所定义：

式中，积分限为0至∞，f是与波导(即，光纤)中所传播的光相关的电场的横向分量，以及r是光纤的半径。如本文所用，除非另有说明，否则“有效面积”或“a有效”(aeff)指的是波长为1550nm(即，基模)处的光学有效面积。

术语“α”或“α-分布”指的是相对折射率分布，表述为δ(r)。δ(r)的单位是“％”，其中，r是半径，并且其符合如下等式(3)：

式中，δ1最大值是光纤中心的峰值折射率变化(即，纤芯δ)，以及r1是纤芯半径。本文所记录的α是在1550nm测量的。α＝1对应于三角形相对折射率分布，α为1.5<α<5对应明显分级的折射率分布，其中，α＝2描述了抛物线分布，以及α>12对应接近步阶式折射率分布(即，如本文所用的“步阶状折射率分布”)的分布。采用本公开内容所处领域所理解的彼得曼ii方法，根据如下等式(4)来测量模场直径(mfd)：

mfd＝2w；以及

式中，w是模场半径，以及积分限是0至∞。除非另有说明，否则对于根据本公开内容的g.652和g.654共掺杂光纤构造，1310nm处的mfd分别是约8.2μm至约9.5μm和约9.0μm至约12μm。对于根据本公开内容的g.652和g.654共掺杂光纤构造，1550nm处的mfd分别是约9.0μm至约11μm和约9.0μm至约14μm。

v3是由如下关系式定义的槽区域的体积：

其中，δ3-4是内包层区域与外包层区域之间的相对折射率差异。

对于给定模式，“理论光纤截止波长”、“理论光纤截止”或者“理论截止”是高于该波长导光无法以该模式发生传播的波长。数学定义可参见“单模光纤光学件(singlemodefiberoptics)”，jeunhomme，第39-44页，marceldekker，纽约，1990，其中，将理论光纤截止描述为模式传播常数变得等于外包层中的平面波传播常数的波长。这种理论波长适用于不具有直径变化的无限长的完美直光纤。

光纤截止采用标准2m光纤截止测试(fotp-80(eia-tia-455-80))测量，得到“光纤截止波长”，也被称作“2m光纤截止”或者“测量截止”。通过进行fotp-80标准测试从而使用受控量的弯曲提取出较高级的模式，或者将光纤的光谱响应标准化至多模光纤的光谱响应。

如本文所用，“光缆截止测量”是采用eia-455-170cablecutoffwavelengthofsingle-modefiberbytransmittedpower(eia-455-170传输功率的单模光纤的光缆截止波长)或者“fotp-170”所述的标准22m测试进行。

除非本文另有说明，否则光学性质(例如，色散、衰减等)所记录的是lp01模式的。

“有效群折射率”(也称作“群折射率”(ngeff))是光的速度(c)与群速度(vg)之比，如下等式(5)所示：

光纤中的导模的vg对于电磁场、折射率、波长和传播常数的数学表达来自于麦克斯韦方程(或者更具体来说，来自于标量波动方程)。群速度vg由如下等式(6)定义：

式中，ω是波的角频率，以及β是导模的传播常数。传播常数β也被称作有效折射率，是与场传播速度相关的电磁场参数，并且其是对选定波导的标量波动方程求解得到的。因为β取决于波导几何形貌，可以预期弯曲波导会改变β。参见例如，美国专利第6,134,367号，3:14-29，其全文通过引用结合入本文。

对光纤纤芯(例如，含有基于二氧化硅的玻璃组合物的纤芯)进行掺杂通常降低了玻璃的假想温度，因为以个体引入到纤芯中的合适的掺杂剂倾向于降低玻璃的粘度。降低玻璃的假想温度的许多掺杂剂还倾向于增加纤芯中的浓度波动，这导致瑞利散射效应增加。因此，仅可以使用数种掺杂剂来降低玻璃的假想温度而不明显引入浓度波动，从而可以使得掺杂的光纤获得净降低的衰减。

本公开内容所描述的光纤设计构造成纤芯共掺杂了两种或更多种卤素且具有分级折射率分布(纤芯α≤5)区域，这导致以前述原理和考虑(包括但不限于瑞利散射效应)而言低损耗的光纤。如本文所用，“共掺杂”指的是向光纤的纤芯中引入两种或更多种卤素掺杂剂。在一些实施方式中，纤芯中共掺杂的卤素是氟和氯。在一些其他实施方式中，纤芯中共掺杂的卤素是氯和溴。在其他实施方式中，纤芯中共掺杂的卤素是溴和氟。具有共掺杂纤芯的光纤构造以及开发此类共掺杂纤芯的方法导致可感知的纤芯的粘度下降、瑞利散射效应下降，并且最终导致光纤衰减的下降。

可以通过根据本公开内容方面的共掺杂光纤来获得低衰减水平。具体来说，通过对这些光纤的纤芯进行共掺杂，可以得到在1550nm处小于约0.18db/km以及在一些实施方式中小于约0.17db/km的衰减水平。根据一些共掺杂光纤实施方式，甚至可以获得小于约0.16db/km以及小于约0.15db/km的更低的衰减水平。用氟和氯这两者同时对纤芯进行共掺杂，导致纤芯中的低粘度水平。这些低粘度水平导致纤芯中的假想温度和密度波动的下降，从而降低了瑞利散射效应。此外，向光纤中添加氯和氟掺杂剂导致这些光纤的纤芯中的浓度波动的增加最小化，进一步对这些光纤中观察到的低衰减水平做出贡献。

在一些实施方式中，纤芯中共掺杂的卤素是氟和氯。在一些其他实施方式中，纤芯中共掺杂的卤素是氯和溴。在其他实施方式中，纤芯中共掺杂的卤素是溴和氟。本公开内容所陈述的共掺杂的光纤设计还可以通过如下方式对低衰减性能进行优化：使得纤芯是geo2受限的sio2纤芯或者是不含geo2的，以及使得纤芯是用至少两种卤素共掺杂的且具有的折射率分布是分级折射率，纤芯α小于或等于5。光纤中氧化锗受限的纤芯或者不含氧化锗的纤芯可以通过减少瑞利散射效应来改善光纤的衰减性能。如本文所用，“geo2受限的sio2纤芯”指的是光纤含有小于约1.0重量％的geo2或geo，以单独或组合计。优选地，本文所揭示的共掺杂的光纤含有小于约0.5重量％以及更优选小于约0.1重量％的geo2或geo，以单独或组合计。在某些共掺杂光纤的实践方式中，geo2和/或geo的浓度可以接近或者设定为零。

在一些实施方式中，光纤的共掺杂纤芯包括氟和氯掺杂的二氧化硅。在一些其他实施方式中，纤芯中共掺杂的卤素是氯和溴。在其他实施方式中，纤芯中共掺杂的卤素是溴和氟。在一些其他实施方式中，纤芯中共掺杂的卤素是氯以及溴和氟。本文所揭示的光纤的纤芯可以额外地包含氧化钾和五氧化二磷中的一种或多种。由于较少的瑞利散射贡献，此类在它们各自的纤芯中具有少量geo2和geo的光纤可以展现出甚至更低的衰减水平。通过优化geo2受限的sio2纤芯中的氟和氯掺杂剂分布，可以实现衰减的进一步改善。

优选本公开内容的共掺杂光纤的外包层直径是约80微米至约150微米。在一些方面中，共掺杂的光纤可以具有约120微米至约130微米的外包层直径。光纤的某些优选实施方式的外包层直径约为125微米。

优选地，这些光纤的共掺杂纤芯可以具有α小于5或者在一些情况下小于约3的分级折射率分布。α小于5的分级折射率纤芯有助于降低导致光纤衰减的小角散射。分级折射率纤芯还实现了以减少的步骤和较低的制造成本来制造光纤。对于分级折射率纤芯分布，实现了工艺步骤数量和制造成本的下降，以及即使当内包层与光纤纤芯相邻时，光纤仍然符合g.652色散性质(零色散波长)。在一些实施方式中，这些光纤的共掺杂纤芯(2种或更多种不同的卤素掺杂剂)可以具有α为1.5至3(例如，1.8至3、1.5至2.5或者1.8至2.3)的分级折射率分布。根据一些实施方式，光纤在geo2受限的纤芯中包含氟和氯掺杂，以提供分级折射率。任选地，纤芯可以引入k2o和/或p2o5掺杂剂以增加光学性能益处。

示例性光纤实施方式降低了纤芯内以及纤芯与包层之间的热膨胀系数(cte)相关的失配，这可以降低纤芯中的内应力，导致更好的光纤衰减特性。

可以采用各种方法实现共掺杂纤芯分级折射率纤芯中的α分布。一种方案依赖于不均匀固结技术，用氟掺杂成分级折射率。不均匀固结技术依赖于外部气相沉积(ovd)和气相轴沉积(vad)方法。第二种方案依赖于改性的化学气相沉积(mcvd)方案。第三种方案依赖于等离子体辅助的化学气相沉积(pcvd)方案。在mcvd和pcvd方案中，通过逐层玻璃沉积来制造光纤纤芯，并且可以对用于掺杂每层的工艺进行独立控制。

根据一些实施方式，在ovd或vad的烟炱到玻璃过程中，通过如下方式实现分级折射率折射率分布：在预制件固结和/或光线预制件制造的掺杂步骤的过程中，用至少两种卤素进行掺杂。例如，采用ovd或vad二氧化硅烟炱沉积工艺来制造二氧化硅烟炱纤芯预制件。但是，也可以通过其他方法来制造用于制造光纤的烟炱预制件。

在用于制造本文所揭示的共掺杂的光纤的方法的某些方面中，可以采用高烟炱表面积预制件(即，相对于常规光纤加工所用的预制件的表面积而言)，用sicl4对纤芯进行掺杂。在一些实施方式中，烟炱预制件的表面积大于10m²/gm、大于20m²/gm、大于25m²/gm或者甚至大于50m²/gm。在某些其他实施方式中，烟炱预制件的表面积可以大于90m²/gm。在本文所述的实施方式中，烟炱是二氧化硅烟炱。可以采用布鲁诺尔–埃米特–泰勒(bet)表面积表征技术来测量预制件的表面积，这是本公开内容操作领域所能理解的。根据一个实施方式，烟炱预制件的密度是约0.5g/cm³(例如，0.4-0.6g/cm³)，以及是通过如下方式制备的：在车床中，将二氧化硅烟炱火焰沉积到包含二氧化硅把手的10mm直径的可移除的氧化铝转动饵棒上。

然后，将纤芯烟炱预制件装载到固结炉或烧结炉中，以及采用包含4个步骤的工艺实现用氯和氟(或者溴和氟，或者溴、氯和氟)对预制件进行共掺杂。

在制造共掺杂了至少两种卤素的光学预制件的第一个步骤中，用脱水剂(例如，氯、socl2、sicl4或co)处理二氧化硅烟炱预制件，以去除水和金属杂质。通过将预制件暴露于900℃至1300℃的温度来进行脱水步骤。

在用两种卤素对二氧化硅烟炱预制件进行共掺杂的第二步骤中，在900℃至1350℃的温度下，将预制件暴露于氯掺杂剂和/或溴掺杂剂前体(例如，sicl4、sibr4)，其中，氯或溴掺杂剂前体的分压大于0.5atm。在一些实施方式中，在氯掺杂剂前体大于1atm的条件下，进行预制件共掺杂的第二步骤。在一些其他实施方式中，在氯掺杂剂或溴掺杂剂前体大于2atm的条件下，进行预制件共掺杂的第二步骤。在一些其他实施方式中，在氯或溴掺杂剂前体大于5atm的条件下，进行用至少两种不同卤素对预制件进行共掺杂的第二步骤。在其他实施方式中，在氯或溴掺杂剂前体大于10atm的条件下，进行预制件共掺杂的第二步骤。

在用至少两种卤素对预制件进行共掺杂的第三步骤中，在1275℃至1450℃的温度下，将预制件暴露于氟掺杂剂前体(例如，sif4)，其中，氟掺杂剂前体的分压大于0.1atm。在一些实施方式中，在大于1300℃的温度下，将预制件暴露于氟掺杂剂前体。在一些其他实施方式中，在大于1350℃的温度下，将预制件暴露于氟掺杂剂前体。在一些其他实施方式中，在氟掺杂剂前体大于2atm的条件下，进行预制件共掺杂的第三步骤。在其他实施方式中，在氟掺杂剂前体大于0.5atm的条件下，进行预制件共掺杂的第三步骤。在其他实施方式中，在氯掺杂剂前体大于1atm的条件下，进行预制件共掺杂的第二步骤。在一些其他实施方式中，在氟掺杂剂前体大于2atm的条件下，进行预制件共掺杂的第三步骤。

在制造包含至少两种卤素的共掺杂预制件的第四步骤中，将共掺杂的预制件暴露于高于1400℃的温度以使得共掺杂的预制件完全烧结和澄清，从而得到不含晶种的透明玻璃共掺杂预制件。在一些实施方式中，在存在氟掺杂剂前体(例如，sif4)的情况下，进行制造包含至少两种卤素的共掺杂预制件的第四步骤。

根据一些实施方式，制造纤芯坯棒的方法包括：

(i)将二氧化硅烟炱预制件暴露于以下至少一种情况：

氯掺杂剂前体、溴掺杂剂前体或其组合，所处的温度是900℃至1350℃，其中，氯或溴掺杂剂前体的分压大于0.5atm，从而形成cl和/或br掺杂的烟炱预制件；

(ii)将cl和/或br掺杂的烟炱预制件暴露于氟掺杂剂前体，所处的温度是1275℃至1450℃，其中，氟掺杂剂前体的分压大于0.1atm，从而形成含有cl和/或br以及f的共掺杂的预制件；

(iii)将共掺杂的预制件暴露于高于1400℃的温度，从而使得共掺杂的预制件完全烧结并形成经烧结的纤芯预制件。

在气体的混合物中，每种气体具有分压，所述分压是如果该气体在相同温度下单独占据原始混合物的全部体积时的该气体的假定压力。理想气体混合物的总压力是混合物中的气体的分压之和。要注意的是，气体的分压是气体混合物中的气体的摩尔(或体积)分数乘以总压力。

根据一些实施方式，制造纤芯坯棒的方法还包括对经过烧结的纤芯预制件进行再拉制以形成纤芯坯棒的步骤。

根据方法的一些实施方式，氯掺杂剂或溴掺杂剂前体的分压大于1atm、大于2atm、大于5atm或者甚至大于10atm，并且例如小于50atm。

根据方法的一些实施方式，氟掺杂剂前体的分压大于0.5atm、大于1atm或者甚至大于2atm，并且例如小于20atm。

根据一些实施方式，经过烧结的纤芯预制件包含cl、br或其组合，并且还包含氟，以及

(a)经过烧结的纤芯预制件中的最大氯浓度与最小氯浓度之差或者最大溴浓度与最小溴浓度之差是至少0.4重量％，

(b)经过烧结的纤芯预制件中的最大氟浓度与最小氟浓度之差是至少0.45重量％，

(c)经过烧结的纤芯预制件中的最大氯量是至少0.7重量％，以及

(d)经过烧结的纤芯预制件中的氟最大值是至少0.75重量。

根据一些实施方式，纤芯坯棒包含cl、br或其组合，并且还包含氟，以及

(a)纤芯坯棒中的最大氯浓度与最小氯浓度之差或者最大溴浓度与最小溴浓度之差是至少0.4重量％，

(b)纤芯坯棒预制件中的最大氟浓度与最小氟浓度之差是至少0.45重量％，

(c)纤芯坯棒中的最大氯量是至少0.7重量％，以及

(d)纤芯坯棒中的氟最大值是至少0.75重量。

根据一些实施方式，由于本公开内容的示例性光纤实施方式的纤芯同时含有f和cl这两种掺杂剂(例如，氟、f和氯、cl)，有利的是可以使得氯和氟两者的浓度以相对于从纤芯的中心到纤芯的外半径的径向距离的函数发生变化。例如，氯浓度可以在纤芯的中心处或者靠近纤芯的中心处最高以及作为相对于纤芯的外半径的径向距离的函数下降，而氟浓度可以在纤芯的边缘处(例如，纤芯的外半径处)最高并且在纤芯的中心处或者靠近纤芯的中心处最低。使得氯掺杂剂以非均匀的分级状折射率分布引入到纤芯中以及使得氟也以非均匀分布引入到纤芯中也会是有利的。具体来说，氯浓度可以在纤芯的中心处最高，在纤芯的外半径处较低，使得掺杂分布近似与通过氟掺杂剂实现的分级分布相反。因此，氟掺杂剂在纤芯的中心处的浓度可以相对较低，但是朝向纤芯的外半径发生增加，从而形成分级折射率分布。可以在下驱炉中，在纤芯的烧结相期间或者在烟炱沉积的纤芯的干燥相期间，或者用mcvd或pcvd加工技术来产生这些各种共掺杂的分级折射率分布。可以将cl2或sicl4用作氯掺杂剂的源前体。可以将br气体、br2或sibr4用作氯掺杂剂的源前体。可以将sif4用作氟掺杂剂的源前体。

根据一些实施方式，光纤纤芯中的氯的最大量(峰值量)是至少1重量％，例如至少2重量％、至少3重量(例如1重量％至4重量％)。根据一些实施方式，光纤纤芯中的氟的最大量(峰值量)是至少1重量％，例如至少2重量％、至少3重量(例如1重量％至4重量％)。

根据这些实施方式，纤芯中的氯的最大量位于纤芯的靠内1/3中(innerthirdofthecore)(即，位于纤芯的外半径的1/3内(within1/3oftheouterradiusofthecore))。根据一些实施方式，纤芯中的氯的最大量位于纤芯的靠内1/4中。根据一些实施方式，纤芯中所存在的氟的最小量位于纤芯的靠内1/3中(innerthirdofthecore)(即，位于纤芯的外半径的1/3内(within1/3oftheouterradiusofthecore))。根据一些实施方式，纤芯中的氟的最小量位于纤芯的靠内1/4中。

根据一些实施方式，纤芯中存在的氯的最小量位于纤芯的靠外1/4中。根据一些实施方式，纤芯中存在的氯的最小量位于纤芯的外边缘中。根据一些实施方式，纤芯内的氯的最大浓度与最小浓度之差是至少1重量％，例如至少2重量％或者甚至至少3重量％。在一些实施方式中，纤芯内的氯的最大浓度与最小浓度之差是1重量％至4重量％。例如，在一些实施方式中，纤芯内的氯的最大浓度与最小浓度之比是至少5、至少7或者甚至至少10。在一些实施方式中，纤芯中的氯的最大浓度与最小浓度之比是10至1000(例如，10至100)。

根据一些实施方式，纤芯中存在的氟的最大量位于纤芯的靠外1/4中。根据一些实施方式，纤芯中存在的氟的最大量位于纤芯的外边缘中。根据一些实施方式，纤芯内的氟的最大浓度与最小浓度之差是至少1重量％，例如至少2重量％、至少3重量％。在一些实施方式中，纤芯内的氟的最大浓度与最小浓度之差是1重量％至4重量％。在一些实施方式中，纤芯内的氟的最大浓度与最小浓度之比是至少5、至少7或者甚至至少10。在一些实施方式中，纤芯中的氯的最大浓度与最小浓度之比是5至1000(例如，7.5至100)。

根据本公开内容的某些方面，(随着半径的增加)纤芯中的cl浓度以径向从大于0.7重量％下降到小于0.25重量％。根据一些实施方式，纤芯中的cl浓度以径向从大于0.7重量％下降到小于0.15重量％。例如，根据一些实施方式，纤芯中的cl浓度从(位于纤芯半径的靠内1/3的位置处)大于0.7重量％以径向下降到纤芯边缘处的小于0.05重量％。

包层的组成对于实现所需的低衰减性质也会是重要的，并且包层可以掺杂氟以使得折射率下降到低于纤芯的折射率。在共掺杂光纤的某些方面中，(例如，通过氟掺杂实现的)包层内的凹陷区域的相对折射率可以是比纤芯的最大相对折射率低了至少0.25％。类似地，在一些实施方式中，纤芯与外包层区域之间的相对折射率差异可以是0.2％至0.5％。任选地，包层还可以掺杂三氧化二硼和氯中的一种或多种。

任选地，氯和/或b2o3可以单独用作包层中的掺杂剂，或者作为已经存在于包层中的氟掺杂剂的补充。

在本公开内容的光纤设计的一些实施方式中，纤芯和包层可以构造成最小化或消除其他碱性元素(例如，钾)的存在。相比较而言，碱性掺杂比用于其他掺杂剂的掺杂工艺(例如，氟掺杂)更为昂贵。因此，本文所揭示的共掺杂的不含碱性光纤设计对于降低工艺和制造成本是特别适宜的。

图1分别显示根据本公开内容的方面，卤素共掺杂光纤310和的示例性实施方式的相对折射率分布与光纤半径的函数关系。相对于外包层区域(即，相对于折射率δ(δ4％))绘制这个相对折射率分布。示例性光纤310在1550nm处是单模的(sm)。图1a还显示了光纤310的横截面，用于进一步显示这些光纤的重要特征。

如图1所示，光纤310具有纤芯101。纤芯101的α分布的α值是约1.5至约5，从而形成分级相对折射率分布1。优选地，纤芯101所展现出的α分布的α值小于3，例如1.5至3或者1.8至2.5，以及更优选1.9至2.3。纤芯101的相对折射率δ1作为纤芯半径(r)的函数变化，并且具有最大相对折射率δ1最大值。纤芯101具有纤芯半径100(本文也称作r1)。根据一些实施方式，纤芯101从其中心到其半径100(r1)主要含有掺杂了f和cl的sio2。根据一些其他实施方式，纤芯101从其中心到其半径100(r1)主要含有掺杂了f和br的sio2。任选地，纤芯101可以额外地用k2o和/或p2o5掺杂。可以通过ovd、vad、mcvd和pcvd加工方法，将这些掺杂剂引入sio2纤芯101。在一些实施方式中，纤芯不含氧化锗以及包含至少两种卤素掺杂剂。在一些实施方式中，纤芯中共掺杂的卤素是氟和氯。在一些其他实施方式中，纤芯中共掺杂的卤素是氯和溴。在其他实施方式中，纤芯中共掺杂的卤素是溴和氟。

共掺杂的光纤310具有包层141(图1和1a)，其包括两个包层区域或者三个包层区域。所有的包层区域都可以主要含有掺杂了f的sio2。任选地，在各个包层区域中，cl和/或b2o3可以用作除了f掺杂剂之外的掺杂剂。

再次参见图1和1a，共掺杂的光纤310具有包层141，其具有厚度200。包层141包括至少两个包层区域：具有相对折射率分布3(其包括δ3最小值并且在本文中称作凹槽)和具有外半径110(r3)的凹陷包层区域，以及具有相对折射率分布4和外半径(r4)的外包层区域。在图1中，外半径r4显示为120(如果不存在任选的最外区域的话)，或者显示为150(如果存在任选的最外包层区域的话)。

在一些实施方式中，包层141包括位于凹陷折射率包层区域相对折射率分布3与纤芯之间的具有相对折射率分布2(图1未显示)的额外(任选的)区域。在这些实施方式中，这个额外任选的包层区域具有外半径r2<r3。在一些实施方式中，优选地，包层141的相对折射率4(δ4)向外到外半径120、150(r4)是基本恒定的。在一些实施方式中，包层141的相对折射率4具有步阶状分布。

在一些实施方式中，包层141包括任选的最外包层区域，其具有(应力释放区域)，具有相对折射率分布5和最大折射率δ5。例如，图1显示这个区域(为虚线)。在这些实施方式中，最外包层区域围绕外包层区域以及与外包层区域接触(最外包层区域是例如纯sio2)。

这些包层区域分别围绕纤芯101。如图1所示，凹陷包层区域的相对折射率分布3的折射率δ低于外包层区域的相对折射率分布4。结合在一起，这些包层区域具有总厚度200，对应包层141的厚度。包层141中的相对折射率分布3和4可以分别具有步阶形状分布。

此外，如图1所示，共掺杂的光纤310中的凹陷包层区域3的相对折射率分布的值可以近似等于δ3最小值。在图1中，凹陷包层区域的相对折射率分布3展现出宽度m1的凹槽，使其相对折射率(δ3)低于纤芯101的相对折射率以及下一个外包层区域的相对折射率(δ4)(其对应相对折射率分布4)。如图1所示，具有相对折射率分布3的凹陷包层区域延伸到半径110(本文也称作r3)。要注意的是，可以在凹陷包层区域中包含br和/或f和/或cl或其组合作为改变折射率的掺杂剂，以促进产生相对于(对应于相对折射率分布4)的外包层区域的宽度为m1的凹槽。优选地，外包层的相对折射率4(δ4)向外到其外半径(r4)150、120是基本恒定的。

当构造用于单模运行时，共掺杂的光纤310可以具有小于5的α，例如约1.5至4.5。α值也可以设定在约1.7至约3的范围内。此外，光纤310的纤芯101可以具有相对于外包层区域是约0.2％δ至约+0.65％(例如，0.3至0.5％)的峰值相对折射率δ1最大值。纤芯的峰值(最大)相对折射率δ(δ1最大值)也可以是约+0.25％至0.45％(相对于外包层而言)。此外，光纤310的纤芯101构造成单模运行，以及可以具有约4至12微米的纤芯半径100(r1)。纤芯101的有效面积(a有效)可以是约60μm²至约150μm²。

相比于其他掺杂剂选项(包括氧化锗)，构造成单模运行的共掺杂的光纤310包含较低成本的氟和氯掺杂剂。这些共掺杂的光纤设计仍然具有反常的低衰减，在1550nm波长处小于约0.17db/km。在某些方面中，共掺杂的光纤可以展现出小于约0.16db/km以及甚至小于约0.15db/km的非常低的衰减水平。光纤310构造成1550nm的单模运行，并且特别适用于g.652和g.654光纤应用。例如，此类共掺杂的光纤310可以展现出如下光缆截止：小于1530nm、更优选小于1500nm和甚至更优选小于1260nm，以及1300-1324nm之间的零色散波长。对于g.652或g.657应用，光纤可以构造成在1550nm处具有小于或等于约22ps/nm/km的色散。

用氟和氯进行掺杂的低衰减共掺杂的光纤310仍然可能倾向于具有“应力-光学”效应。具体来说，尽管使用了分级折射率纤芯，这些光纤仍会倾向于具有与它们的生产相关的高内部应力，这会使得光学性能劣化。具体来说，在这些光纤的生产过程中产生的内应力会以一种危及它们的光学传输性能的方式影响它们的折射率分布。任选的最外包层区域降低了内应力并改善了光纤的衰减性能。

可以用拉制张力小于约90g的拉制工艺来制造本文所述的共掺杂的光纤。优选地，拉制张力设定为小于约45g，更优选地，设定为约30g至约45g。以这些加工参数形成的光纤甚至更不容易受到拉制诱发的应力影响，该应力对于光纤的光学传输性质(包括波导传播性能)会是不利的。当根据上文所述进行加工和配置时，估计共掺杂的光纤在1550nm的运行波长具有小于约0.17db/km、小于约0.16db/km、以及甚至小于约0.15db/km的衰减。

在光纤310的某些实施方式中，包层141中的刚性最外包层区域(即，应力释放层)(即，r5与r4之间)(例如，在图1中显示为具有相对折射率分布5的最外包层区域)具有纯二氧化硅玻璃组成。在其他方面中，刚性外包层区域具有氧氮化硅玻璃组成。根据某些实践方式，相比于纤芯101的组成中的cl和f的总量(例如，cl和f的总摩尔数)，包层141的刚性最外包层区域的组成具有较少的f(例如，较少的f摩尔数)。包层141的刚性最外包层区域的cl和f的摩尔数也可以小于纤芯101中的cl和f的总摩尔数。在额外实施方式中，刚性外包层部分的cl的摩尔数小于纤芯区域101中的cl和f的总摩尔数。在一些实施方式中，最外包层区域的相对折射率大于纤芯101的相对折射率。

构造成用于单模运行的共掺杂的光纤310还会具有低弯曲损耗。如本文所用，“弯曲损耗”指的是对于光纤在1550nm测得的宏弯曲损耗值，单位是db/圈。在一些实施方式中，构造成光纤300的光纤设计在15mm直径心轴上会具有≤5db/圈的宏弯曲损耗。根据某些实施方式，光纤的宏弯曲损耗如下：在15mm直径心轴上≤2db/圈，在20mm直径心轴上≤1.5db/圈，在20mm直径心轴上≤0.5db/圈，在30mm直径心轴上≤0.025db/圈，以及在30mm直径心轴上≤0.01db/圈。在一些实施方式中，构造成光纤310的光纤设计可以展现出如下宏弯曲损耗：在10mm直径心轴上≤1.5db/圈，在10mm直径心轴上≤1db/圈，在15mm直径心轴上≤1.5db/圈，在15mm直径心轴上≤1db/圈，在15mm直径心轴上≤0.5db/圈，在20mm直径心轴上≤0.5db/圈，在20mm直径心轴上≤0.2db/圈，在20mm直径心轴上≤0.1db/圈，在30mm直径心轴上≤0.025db/圈，以及在30mm直径心轴上≤0.01db/圈。

可以从采用常规制造技术制造的光纤预制件和使用已知光纤拉制方法和设备拉制得到本文所揭示的光纤(包括光纤310)，例如，如美国专利第7,565,820号、第5,410,567号、第7,832,675号和第6,027,062号所公开的，其说明书通过引用结合入本文。具体来说，可以通过拉制炉内的牵引器从光纤预制件的根部部分牵拉出共掺杂的光纤310600。在离开拉制炉之后，裸光纤遭遇直径监测器(d)，所述直径监测器(d)提供用于反馈控制回路的信号，以调节牵引器的速度来维持恒定的光纤直径。然后，裸光纤通过光纤张力测量装置(t)，其测量的由于从预制件牵拉光纤所导致的光纤的张力。取决于光纤拉制速度、预制件的根部的温度和粘度等，这个张力会发生增加。欧洲专利号ep0479120a2公开了光纤张力测量装置的一个例子，其通过引用结合入本文。可以从此类预制件拉制本文所揭示的光纤(包括光纤300、310、320和600)并涂覆标准第一和第二氨基甲酸酯丙烯酸酯涂层。

虽然本文所揭示的光纤310的共掺杂的纤芯101可以任选地含有一定水平的碱性，但是本文所揭示的实施方式可以采用基本不含碱性的纤芯，以及在许多实施方式中，纤芯优选不含碱性。

再次参见图1，光纤310的共掺杂的纤芯可以分别构造成在1500nm波长展现出小于约0.17db/km的衰减。这些共掺杂的光纤(即，具有共掺杂纤芯的光纤)在光纤中包含纤芯101，其包括用氟和氯进行共掺杂的二氧化硅。光纤还在光纤中包括围绕纤芯101的包层141。此外，相比于外包层区域，纤芯101具有至少0.25％的有效折射率。在一些实施方式中，相比于外包层，纤芯101的有效折射率是至少+0.35％。在其他实施方式中，相比于纯二氧化硅，纤芯101的有效折射率是至少0.4％。此外，包层141可以包括凹陷区域(本文也称作凹槽)，其相对折射率基本恒定且低于纤芯101的相对折射率分布1。例如，图1所示的共掺杂的光纤310的相对折射率分布3对应于此类凹陷区域。

具有如图1所示的至少两种卤素共掺杂的纤芯的光纤310可以构造成在1500nm波长展现出小于约0.17db/km的衰减。这些共掺杂的光纤在光纤中包括纤芯101，其包含用氟和氯共掺杂的二氧化硅。光纤还在光纤中包括围绕纤芯101的包层141。此外，如图1所示，纤芯101具有α小于5(例如，1.5至5)的分级折射率分布。此外，如上文所述，包层141包括凹陷折射率区域(本文也称作凹陷区域、凹陷包层区域或凹槽)，它的相对折射率是基本恒定的且低于外包层区域的相对折射率(外包层区域具有如图1所示的相对折射率分布δ4)。本文所揭示的共掺杂的光纤310以及与这些实施方式一致的其他共掺杂的光纤采用约0.7重量％或更高(例如，1重量％或更高)的峰值(最大)氯浓度，这反映在氯浓度水平明显高于一些常规光纤中所采用的氯水平。包层141可以包括围绕凹槽和外包层区域的任选的最外包层区域，其中，最外包层区域的粘度低于外包层区域的粘度。在一些实施方式中，在1650℃，最外包层区域的粘度至少是外包层区域的粘度的1.5倍那么高。在其他实施方式中，在1650℃，最外包层区域的粘度至少是外包层区域的粘度的2倍那么高。在其他实施方式中，在1650℃，最外包层区域的粘度是外包层区域的粘度的1.5至10倍那么高。

参见图2，提供了测得的掺杂剂浓度(重量％)与共掺杂的纤芯坯棒中的径向距离(μm)的函数关系，所述共掺杂的纤芯坯棒适用于拉制成根据本公开内容方面的共掺杂的光纤(例如，光纤310)的纤芯(例如，纤芯101)。根据本文所述的类似条件对纤芯坯棒进行加工和掺杂。

如图2所示，显示从纤芯坯棒的中心到约7000μm的外半径的cl和f的掺杂剂浓度水平，重量％。在这个实施方式中，cl浓度水平从(靠近纤芯中心的)约0.9重量％变化为(靠近边缘的)约0.15重量％，以及f浓度从约0.9％(最大浓度，靠近边缘)变化为约0.1重量％(靠近中心或者位于中心)。还注意到的是，这些浓度水平与纤芯坯棒径向距离的函数关系表现出分级α分布，α是1.5至5。在这些纤芯坯棒掺杂浓度，预期纤芯与外包层之间0.35％的相对折射率差异(δ差异)对于适用于光纤的单模运行的有效波导特性会是优选的。在这个具体实验中，纤芯烟炱预制件在温度为1175℃的包含83％sicl4/17％he混合物的环境中进行掺杂持续90分钟，之后暴露于1325℃的9％sif4/91％he的气体混合物持续15分钟。后续通过将温度增加到高于1450℃，将烟炱预制件烧结成不含空穴的玻璃预制件。

图3显示由图2的纤芯坯棒制造的光纤纤芯所测得的相对折射率分布。如所示，共掺杂的纤芯的总纤芯α小于5(以及在一些实施方式中，纤芯α小于3)。根据一些实施方式，纤芯中的最大相对折射率与最小相对折射率之差是0.25％至0.55％。例如，图3显示来自对应于图2的纤芯坯棒的光纤的相对折射率。更具体来说，图3显示在这个实施方式中，光纤纤芯的分级折射率分布具有约0.3％的相对折射率差异(最大-最小)。

实施例

下面将通过如下建模光纤实施例进一步阐述前述光纤的各种实施方式。对本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离本公开内容的精神或范围的情况下进行各种修改和变化。下文所列的所有实施例都具有62.5微米的外包层半径和125微米的光纤包层直径。此外，除非另有说明，否则下文光纤建模所提供的所有光学参数都是1550nm和lp01模式。

建模的基于二氧化硅的卤素(例如，氯和氟或者溴和氟)共掺杂的纤芯、氟掺杂的包层、单模(sm)光纤的例子和性质如表下1a-2b所示，这与本公开内容的上述方面所述的共掺杂的光纤310中的一个或多个是一致的。更具体来说，下表1a-2b所述是各种共掺杂的sm光纤的如下参数和光纤尺寸：纤芯的δ1最大值(％)，纤芯α，卤素纤芯掺杂剂浓度(例如，cl和f或者br和f)(重量％)，纤芯的半径100(r1)，凹槽的外半径110(r3，μm)，包层外半径120(r4，μm)，凹槽δ(δ3(％))，外包层δ(δ4(％))，22米光缆截止波长(nm)，1310nm处的模场直径mfd(μm)，1310nm处的有效面积a有效(μm²)，1310nm处的色散(ps/nm/km)和色散斜率(ps/nm²/km)，零色散波长，λ0(nm)，1550nm处的模场直径mfd(μm)，1550nm处的有效面积a有效(μm²)，1550nm处的色散(ps/nm/km)和色散斜率(ps/nm²/km)，以及1310和1550nm处的衰减(db/km)。表1a-2b还包括了对于20mm直径心轴，1550nm处的弯曲损耗值(单位db/圈)。示例性实施方式的凹槽体积v3是30％微米²至70％微米²。

最后，标记“n/a”表示该参数不适用于特定光纤实施例。

下表1a列出了具有cl和f共掺杂纤芯的sm光纤(例如，图1的共掺杂光纤310)的性质。

表1a

下表1b显示类似于表1a光纤的光纤参数，但是表b光纤的卤素是br和f。

表1b

下表2a列出了具有cl和f共掺杂纤芯的sm光纤的性质。

表2a

表2a显示包含cl和f共掺杂纤芯、凹槽或凹陷折射率区域和外包层区域的sm其他光纤的性质。这些光纤的光学性能符合g.652推荐，15mm心轴直径的弯曲损耗小于0.5db/圈，以及零色散波长是1300nm至1324nm。图1所示和表1a-2b所揭示的相对折射率分布是相对于外包层区域的最小折射率而言。

下表2b列出了具有br和f共掺杂纤芯的sm光纤(例如，图1的共掺杂光纤310)的性质。

表2b

表1-3中的单模(sm)光纤的光学性质证实了与g.657、g.652和g.654规格相兼容的低衰减、优秀的弯曲性能和其他性质。本文所述的单模光纤的光学性质证实了低衰减和优异的弯曲性能。

下面详细描述氯和氟共掺杂的纤芯坯棒的制造和加工条件和性质的例子。这些纤芯坯棒适用于拉制与本公开内容方面一致的共掺杂的光纤，包括但不限于共掺杂的光纤310。

应理解，前述描述仅是示例性的并且旨在提供权利要求书所限定的光纤的性质和特性的总体理解。包括的附图提供了对优选实施方式的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了各个特征和实施方式，并与其说明书一起用来解释原理和操作。本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离要求权利要求的精神和范围的情况下，对本文所述的优选实施方式进行各种修改和变动。