微结构传输光纤的制作方法

专利名称：微结构传输光纤的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及光纤，更具体地，涉及微结构光纤。
2.
背景技术：
由玻璃材料形成的光纤的商业应用已有二十多年。虽然，这种光纤代表着 电信领域的一大飞跃，但是关于备选光纤的工作设计仍在继续。 一类有前途的 备选光纤是微结构光纤，其包括纵向穿过光纤轴的孔或空隙。所述孔通常含有 空气或惰性气体，但是也可能含有其它物质。大多数微结构纤维在纤芯的周围 具有多个孔，其中，这些孔沿着纤维的长度方向延续较长的距离(比如好几十 米或更长)，并且，这些孔通常都贯穿光纤的整个长。另外，这些鞘孔一般都 以有规则的、周期性的构造排列在光纤纤芯的周围。即，如果沿光纤的长度方 向获取光纤的截面，那么在周期相互基本相同的孔结构中可以发现相同的单 孔。这种微结构纤维的例子包括美国专利第6243522号中描述的那些。
微结构光纤可以设计成具有各种性质，可以用于各种应用。比如，人们已 经构造了具有实心玻璃芯和分布在纤芯周围的鞘区中的多个孔的微结构光纤。 可以设计孔的位置和大小以获得色散范围位于大的负值至大的正值之间的任 何位置的微结构光纤。这种光纤可以用于比如色散补偿。实心微结构光纤也可 以被设计成在广泛的波长范围内为单模模式。大多数实心微结构光纤通过全内 折射机制传导光线；低折射率的孔用于降低其所在鞘区的有效折射率。
6通常，微结构光纤通过所谓的"堆积-和-拉伸法"生产，其中， 一束氧化 硅棒和/或管被紧密堆积排列以形成塑坯，使用常规的塔装置可以将该塑坯拉 成纤维。堆积-拉伸法有几个缺点。聚集数百根非常细的长条(被称为棒或管) 十分不便，并且，在堆积和拉伸圆柱形长条时可能出现间隙空穴，这两点可能 会通过引入可溶性杂质和颗粒杂质和不需要的界面以及通过引发初始孔的再 成形或变形而严重影响纤维损耗。而且，较低的生产率和高成本使该方法不适 合于工业生产。

发明内容
本文公开的微结构光纤含有芯区和围绕着芯区的鞘区，所述鞘区含有包含 非周期性分布的孔的环状含孔区，使得所述光纤能够在一个或多个工作波长范 围内的一种或多种波长下进行单模传输。所述芯区和鞘区提供改善的抗弯性，
使光纤在较优地大于或等于1500纳米、在一些实施方式中大于1400纳米、在 其它实施方式中大于1260纳米的波长下单模运作。较优地，该光纤在1310纳 米波长下提供优选大于8. 0微米、更优地8.0至10.0微米的模场。因此，在 优选的实施方式中，本文公开的光纤是单模传输光纤。较优地，孔或空隙基本 上、更优地完全位于纤维的鞘区，使得它们在含空隙的区域中围绕着芯，较优 地，空隙基本上不存在于芯区中，即纤芯优选是实心的和无空隙的。在一些优 选的实施方式中，空隙位于与光纤芯隔开的含空隙区。比如，较细的含空隙环 区(比如径向宽度小于40微米，更优地小于30微米)与光纤的芯相间隔，但
并不完全扩展至光纤的外圆周。光纤可以包括或不包括氧化锗或氟以便调节光 纤的芯和/或鞘的折射率，但是，也可以避免使用或替代这些掺加物，可以仅 利用空隙来调节鞘相对芯的折射率，以便光线被导向光纤的芯内。虽然可以避 免使用调节折射率的掺加剂，但是，优选与位于光纤的鞘区的非周期性分布的 空隙一起，使用至少一种氧化锗或氟或类似的调节折射率的掺加剂。然而，氧 化锗和/或氟的使用不是关键，比如，如果需要，纤维可以完全或基本上不含 氧化锗和氟两者。
在一些实施方式中，本文公开的微结构光纤包含围绕纵向中线排布的芯区 和围绕该芯区的鞘区，所述鞘区含有包含非周期性分布的孔的环状含孔区，其
7中，该环状含孔区的最大径向宽度小于12微米，该环状含孔区的局部空隙面 积小于30%，非周期性分布的孔的平均直径小于1550 nm。
"非周期性排列"或"非周期性分布"是指，当我们获取光纤的横截面(诸 如与纵轴垂直的横截面)时，非周期性排列的孔无规则地或非周期性地分布在 纤维的一部分上。在沿纤维长度的不同点获取的类似的横截面将显示不同的截 面孔图案，即，各种横截面将具有不同的孔图案，其中，孔的分布和孔径不一 致。也就是，空隙或孔是非周期性的，即它们并非周期性地排列在纤维结构中。 这些孔沿着光纤的长度(即，与纵轴平行)被拉伸(拉长)，但是，对于一般 长度的传输纤维，它们不延伸至整个纤维的整个长度。虽然不希望受理论的约 束，但是，我们认为，孔沿纤维长度延伸的距离小于数米，在许多情况下小于 l米。
隔离含孔区(含孔环或中间环状区)与芯有助于减少1550 nm下光纤的衰 减。而且，限制含孔区的径向范围有助于在光纤内进行单模传输。
本文公开的光纤可以用一种成本比较低的生产方法来制造，因为如果需 要，含孔区可以避免使用昂贵的掺加剂，诸如氟和/或氧化锗，如果需要，同 样可以避免使用堆积-拉伸生产法，该方法使空间周期性排列的孔排列在光纤 的玻璃部分内。或者，本文公开的方法可以被简单地用于在纤维的鞘中加入孔 或间隙以便增加其抗弯性，所述纤维掺加了氧化锗、磷、铝、镱、铒、氟或其 它常规纤维掺加剂材料中的一种或多种，或该纤维在鞘中也含有空间周期性排 列的孔。在本文公开的一些实施方式中，光纤不含或基本不含氟或硼。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体描述中叙述，本领域的技术人员 会从这些描述中或通过实施本文描述的发明(包括随后的具体描述、权利要求 以及附图)容易地明白其中的一部分。
应该理解，以上的综述和随后的详细描述都展示了本发明的实施方式，并 意在为理解要求保护的本发明的本质和特征提供一种概观或框架。附图被包括 在内以提供对本发明的进一步理解，附图被包括在本说明中并构成本说明的一 部分。附图举例说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用于解释本发明
的构思和操作。


图l举例说明用于形成烟贫塑坯的0VD方法。
图2举例说明本发明的熔凝法的侧剖视图。
图3举例说明用于形成纤芯长条的再拉伸工艺。
图4举例说明用于已经被沉积到纤芯长条上的烟炱的熔凝过程。
图5说明由图4中所示的熔凝步骤产生的完全熔凝的塑坯。
图6显示根据本发明的一个实施方式制作的纤维的横截面照片。
图7说明可以用于本发明的方法的拉伸工艺和装置。
图8示意性地说明根据本发明制作的具有涂层的光纤的横截面。
具体实施例方式
本文公开的光纤可以用下述的方法制造，这些方法使用的塑坯熔凝条件能 有效地使大量气体被截留在熔凝的玻璃毛坯中，由此造成在熔凝的玻璃光纤塑 坯中形成空隙。我们并不采取步骤除去这些空隙，而是将所得的塑坯用于形成 其中具有空隙或孔的光纤。如本文使用的，孔的直径是指，当从与纤维的纵轴
垂直的横向截面观察光纤时，其端点排列在限定该孔的氧化硅内表面上的最长 的线段。
"相对折射率百分数"定义为A。/^100x(rii、ne2)/211,2，其中，化是区I 中最大的折射率，除非另有说明，ne是纯(无掺杂的)氧化硅的折射率。术语 "a-分布曲线"或"阿尔法分布曲线"是指相对折射率分布曲线(profile)， 以A(r)表示，单位是"％"，其中r是半径，遵循以下方程， △ (r) = A(r0)(l-[|r-ro|/(rrr。)]a)，
其中，r。是A(r)为最大值的点，r,是A(r)y。为零的点，r的范围是fi <r <r f， 其中，A的定义如上，r,是a-曲线的初始点，rf是ot-曲线的终点，a是指数，为实数。
实际的纤维截止可以通过标准2 m纤维截止试验FOTP-80(EIA-TIA-455-80)
来测量，得到"纤维截止波长"，也称为"2米纤维截止"或"测量截止"或 "光纤截止"。
9光缆截止测量使用EIA-455-170单模光纤截止波长的光缆发射功率或 "FOTP-170"中描述的标准22 ni试验进行。
模场直径(MFD) (mode field diameter)用Peterman II法测量，其中， 2w = MFD和w2 = (2 / f2r dr/工[df/dr]2 r dr)，整数限制是0至oo。除非另有说明， 本文中报道的所有光学性质(诸如色散、色散斜率、弯曲性等)都是在1550 nm 下产生的。
在通过常规的烟炱沉积法(诸如外气相沉积(OVD)法或轴向气相沉积(VAD) 法)制造传输光纤的过程中，火焰中高热产生氧化硅和掺杂的氧化硅颗粒，并 作为烟良沉积。在0VD的情况下，通过使圆柱形靶棒沿其轴线穿过含烟炱的火 焰，颗粒一层一层地沉积在圆柱形靶棒的外部，由此形成氧化硅烟炱塑坯。然 后，用千燥剂(比如氯)处理这种多孔的烟炱塑坯以便除去水分和金属杂质， 然后在IIOCTC至150(TC的温度下使其熔凝或烧结成为玻璃毛坯。烧结的主导 机制是表面能驱动的粘性流动烧结，其导致烟炱孔的压实和封闭，由此形成熔 凝的玻璃塑坯。在烧结的最后阶段，当开孔被封闭时，熔凝过程中使用的气体 被截留。如果截留在玻璃中的气体的溶解性和渗透性在烧结温度下很高，那么， 在熔凝过程中气体能够通过玻璃迁移并离开玻璃。或者，在纤维生产过程的熔 凝阶段之后仍然被截留的气体可以通过使纤维塑坯保留一段时间直到气体迁 移到玻璃塑坯外而被排出，由此在塑坯内留下一个或多个真空的空隙。在拉伸 的操作中，当由塑坯拉成光纤时，这些空隙闭合，得到无空隙或基本上无空隙 的光纤。在用于制造常规传输光纤的熔凝过程中，人们的目的是得到在光纤的 芯区和鞘区完全不含空隙的光纤。氦气是一种经常在常规的光纤塑坯的熔凝过 程中被用作气体的气体。因为氦气在玻璃中的渗透性非常好，所以在熔凝过程 中它非常易于离开烟炱塑坯和玻璃，使得玻璃在氦气中熔凝后没有孔或空隙。
本文公开的光纤由经受塑坯熔凝条件的塑坯制成，所述塑坯熔凝条件能有 效地使大量气体被截留在熔凝的玻璃毛坯中，由此导致形成在熔凝的玻璃光纤 塑坯中非周期性分布的空隙。我们并不采取步骤除去这些空隙，而是将所得的 塑坯有目的地用于形成其中具有空隙的光纤。具体地，通过使用渗透性较小的 气体和/或较高的烧结速度，孔可以在熔凝过程中被截留在熔凝的玻璃中。烧 结速度可以通过增加烧结温度和/或加快通过熔凝炉的烧结区的烟炱塑坯的向下给料速度来提高。在某些烧结条件下，有可能在获得的玻璃中，被截留气体 的面积部分占塑坯总面积或总体积的较大部分。
在本文公开的光纤中，因使用本文公开的方法而非周期性地分布在光纤中 的孔或空隙位于光纤的鞘中。可以使用这种空隙使折射率降低。通过使用熔凝 参数，使得孔或空隙的最大直径小于沿光纤的长传输的光线的波长(比如，电 信应用中使用的光纤的最大直径小于1550 nm)，纤维可以被有效地用于以特 定波长传输信息。
图1举例说明一种生产烟炱光纤塑坯20的方法，该塑坯可以用于制造本 文公开的光纤。在图l所示的实施方式中，通过使含氧化硅的烟炱22沉积到 正在旋转和平移的芯棒或铒棒24的外部，形成烟炱塑坯2。该方法被称为OVD 或外气相沉积法。优选芯棒24为锥形。烟炱22的形成是通过向火炉26的火 焰30提供气体形式的玻璃前体28以使其氧化来实现的。燃料32，诸如甲垸 (CH4)，和助燃气体34，诸如氧气，被提供给火炉26，并点火以形成火焰30。 质量流量控制器(标记为V)向火炉26计量供给适当量的合适的掺加剂化合物 36、氧化硅玻璃前体28、燃料32和助燃气体34，所有这些物质都优选为气体 形式。玻璃气体化合物28和36在火焰30中被氧化以便形成通常为圆柱形的 烟炱区23。特别地，如果需要，可以包括掺加剂化合物36。比如，锗化合物 可以作为增加折射率的掺加剂(比如在光纤的芯中)被包括，或含氟化合物可 以被包括以降低折射率(比如在纤维的鞘区和/或含空隙区中)。
如图2中所示，包括圆柱形烟炱区23的烟炱塑坯20可以在熔凝炉29中 熔凝以便形成熔凝的毛坯31 (显示在随后的图3中)。在熔凝前，图l中所示 的芯棒24被除去以便形成中空的圆柱形烟炱半成品塑坯。在熔凝过程中，烟 炱塑坯20通过悬吊机构21被悬吊在比如火炉29的纯石英包覆的管子27内。 较优地，在熔凝步骤前，使塑坯20曝露于干燥气氛。比如，合适的干燥气氛 可以包括处于95(TC至125(TC温度下的约95X至99X的氦气和1%至5%的氯 气，合适的干燥时间的范围是约0.5至4. O小时。如果需要，也可以比如使用 其中具有氟或其它光纤掺加剂的掺加剂气体来使烟炱塑坯中掺入杂质。比如，
为了掺加氟，可以使用SiF4和/或CF4气体。采用这种掺加剂气体时，可以使 用常规的掺加温度，比如约95(TC至125(TC，作用时间为0. 25至4小时。
11在继烟炱干燥步骤之后发生的熔凝步骤中，炉温被提高，塑坯20在合适
的温度，比如约139(TC至1535'C下熔凝，以便形成熔凝的塑坯。或者，更优 地，可以采用梯度烧结，其通过引导烟炱塑坯20向下通过火炉29的热区来实 现，其中，火炉热区的温度保持在1225"C至1550°C，更优地约139(TC至1535 °C。比如，可以将塑坯悬吊在保持在所需干燥温度(950-125(TC)下的等温区 中，之后，以一定速度引导烟炱塑坯通过保持在所需熔凝温度(比如1225'C至 1550°C，更优地1390。C至1535"C)的区域，该速度足够允许塑坯20的温度以 大于rC/min的速度增加。火炉的上部区域可以保持较低的温度，这有助于干 燥步骤和去杂质步骤。下部区域可以保持熔凝所需的较高的温度。在一个优选 的实施方式中，含烟炱的塑坯以第一向进料速度被向下供给以通过熔凝热区， 然后以第二进料速度被向下供给以通过第二热区，该第二进料速度小于第一进 料速度。这种熔凝技术造成，塑坯的外部在塑坯的其余部分烧结前先烧结，由 此有助于截留气体，这继而有助于在所得熔凝的玻璃中保留和形成空隙。比如， 可以以第一速度使塑坯曝露于这种合适的熔凝温度(比如，大于约139(TC)下， 该速度足够使塑坯温度以大于15。C/min、更优地大于17'C/min增加，然后实 施至少第二进料速度/熔凝温度的组合，该组合足够以至少约12tVmin、更优 地大于14。C/min加热塑坯。较优地，第一熔凝速度造成塑坯外部温度增加的 速度以比第二熔凝速度的加热速度快大于2，更优地大于3，最优地大于约4 。C/min。如果需要，可以采用第三熔凝步骤，其以更慢的速度(比如小于IO 。C/min)进行加热。或者，通过引导烟炱塑坯通过温度大于1550°C、更优地大 于1700。C、甚至更优地大于190(TC的火炉热区，可以使烟炱塑坯以甚至更快 的速度烧结以便产生更多的空隙。或者，通过使用明火或等离子炬接触烟炱， 可以在火炉外使烟炱塑坯以更快的速度烧结。
可以用于熔凝步骤的优选烧结气体是包含至少一种选自以下气体的气体， 氮气、氩气、C02、氧气、氯气、CF4 、 CO、 S02、氪气、氖气和它们的混合 物。这些气体中的每一种在熔凝温度或低于熔凝温度下在氧化硅玻璃中的渗透 性都较低，根据本发明的方法，所述温度适合于形成空隙。较优地，这些产生 空隙的气体被单独使用，或以5体积％至100体积％、更优地约20-100体积 %、最优地约40-100体积％的量组合使用。烧结气氛的其余物质由合适的稀释剂或载气组成，比如氦气、氢气、氘或它们的混合物。 一般来说，烧结气体
中使用的产生空隙的气体(氮气、C02、 02、 Cl2、 CF4、 CO、 S02、氪气、氖 气或它们的混合物)的体积百分数越大，所得熔凝玻璃中的空隙就越大越多。 更优地，在熔凝步骤中用于形成空隙的烧结气体包含至少一种选自以下的气 体，氮气、氩气、C02、氧气、氪气、氖气和它们的混合物。这些气体可以完 全单独使用或与载气(诸如氦气)混合使用。 一种特别优选的产生空隙的气体 是氮气。申请人发现，无论单独使用或联合使用氮气和/或氩气作为产生空隙 的烧结气体，优选用于烧结气氛中的氮气和/或氩气的量大于10体积％，更优 地大于'30体积％，甚至更优地大于约50体积％，最优地大于约65体积％， 其余的烧结气氛是载气，诸如氦气。这些气体已经以大于85体积％的浓度被 成功使用。实际上，最大100%氮气、最大100%氩气、最大100%氧气己经被 成功使用。空隙也能通过在部分真空(例如塑坯浸入压力为约40-750托的烧 结气氛中)下于低可渗透性的气体(比如，氮气、氩气、C02、氩气、氯气、 CF4、 CO、 S02)中使烟炱烧结来产生，在这种情况下，不必使用渗透性较高 的气体稀释剂，诸如氦气。使用本文中公开的产生空隙的熔凝技术，可能制造 出具有包含含空隙区的鞘的光纤，所述含空隙区的局部空隙面积百分数在一些
实施方式中大于0.5%，在其它实施方式中大于约1%，在另外一些实施方式 中大于约5%，在再一些实施方式中大于约10。％。如本文使用的，局部空隙面 积百分数是指含空隙区中的空隙的总面积除以该含空隙区的总面积(当从垂 直于光纤轴的横截面观察光纤时)乘以IOO，该含空隙区由该含空隙区的内部 和外部边界确定。比如，如果沿光纤径向最内部的空隙的径向最内边缘处于离 开光纤的轴中心线4微米的径向位置，而且，该沿光纤径向最内部的空隙的径 向最外边缘处于离开中心线60微米的径向位置，那么该含空隙区的面积约为 11309-50= 11259平方微米。如果该含空隙区中含有的空隙的总横截面面积是 1100平方微米，那么该含空隙区的空隙面积百分数就是约9. 8%。
结合上述其它烧结气体，优选采用的熔凝法包括以一定速度和温度向下供 给塑坯，该速度和温度足以使至少部分熔凝气体被故意截留。比如，可以通过 使至少部分烟炱塑坯以大于约lCTC/min、更优地大于约12。C/min、甚至更优 地大于约14°C/min加热来实现这一点。本发明中采用的烧结温度优选为1100。C至1600°C，更优地约140(TC至1550°C，最优地约1480。C至155CTC. —个特 别优选的烧结温度约为149(TC。在比如美国申请11/583098中可以找到关于生 产这种位于光纤的鞘内的含空隙区的其它信息，该申请的说明以其全部通过引 用结合于此。
图3说明可以被用于拉伸用于本发明的芯长条的方法。例如，在一个这样 的实施方式中，烟炱塑坯以上述方式参照图l形成，然后，烟炱塑坯釆用常规 熔凝技术被熔凝(例如在100X氦气气氛中采用高于130(TC的熔凝温度)，以 便形成无空隙的芯塑坯。比如，对于将被用于制造纯氧化硅芯纤维的纤维塑坯， 芯塑坯由无有效调整折射率的掺加剂存在的较纯的氧化硅组成。或者，对于将 被用于制造掺加纯氧化锗的纤芯的光纤塑坯，纤芯塑坯可以由掺加氧化锗的芯 区和任选的部分鞘(比如，为掺加氧化硅的鞘)组成。所得的熔凝的芯毛坯31 被置于芯长条拉伸炉37中，由此至少拉出一根外径减小的棒状芯长条线段33。 半成品毛坯31被加热至比如170(TC至200CTC的温度。控制器38通过发送至 拉伸机构(此处显示为两个牵引轮)的合适的控制信号控制被应用于所述长条 的拉力，以便以合适的速度向下拉伸长条33。通过这种方式，可能获得一定长 度的外径尺寸为比如约l咖至16 mm的芯长条33。然后，这种芯长条被用作 用于沉积其它烟炱的靶或饵24，或用作成管过程中的棒中棒，如以下进一步所 述。
在一个优选的实施方式中，以上参考图3所述的过程可以被用于形成芯长 条，其随后被用作用于沉积其它烟炱的靶或饵，这些沉积的烟炱将使用本文所 述的空隙成形技术被熔凝，由此最终成为光纤的鞘。在一个这种实施方式中， 比如，完全熔凝的无空隙的玻璃芯长条可以被用作烟炱沉积步骤中的铒棒24，
如图1所示。玻璃芯长条可以是无掺杂的氧化硅，使得所得的光纤成为其芯基 本由纯氧化硅组成的氧化硅芯光纤。或者，芯长条可以由一种或多种掺杂质的 区组成，这些区共同形成光纤的传输光线的芯区。在烟炱被沉积到玻璃芯长条 上之后，外部烟炱区120在熔凝炉129中可以完全熔凝，如图4所示。较优地， 在该熔凝步骤中，上述形成空隙的熔凝过程被实施以便形成熔凝的光纤塑坯 150，如图5所示。如上所述，用于形成空隙的熔凝步骤的优选气体包含至少一种选自以下的
气体，氮气、氩气、C02、氧气、氯气、CF4 、 CO、 S02、氪气、氖气和它们 的混合物。较优地，这些产生空隙的气体被单独使用，或以5体积％至100体 积％、更优地约20-100体积％、最优地约40-100体积％的量组合使用。烧结 气体气氛的其余物质由合适的稀释剂或载气组成，比如氦气、氢气、氖或它们 的混合物。 一般来说，烧结气体中使用的产生空隙的气体(氮气、Ar、 C02、 Kr、 02、 Cl2、 CF4、 CO、 S02、 Ne)的百分数越大，所得熔凝玻璃中的空隙就 越大越多。 一个特别优选的产生空隙的气体是氮气，其使用量优选大于10体 积％，更优地大于30体积％，甚至更优地大于约50体积％，最优地大于约65 体积％，其余的烧结气氛是载气，诸如氦气。空隙也能通过在部分真空下(比 如，其中烧结气氛的压力约为40至750托)于渗透性较低的稀释剂气体(比 如，氮气、氩气、C02、氧气、氯气、CF4、 CO、 S02)中使烟炱烧结来产生， 在这种情况下，不必使用渗透性较高的气体稀释剂，诸如氦气。使用本文中公 开的产生空隙的熔凝技术，可能制造出其鞘包含含空隙区的光纤，所述含空隙 区的局部空隙面积百分数大于0.5%，更优地大于约1%，甚至更优地大于约5 %，最优地大于约10%。最优地，该含孔区不扩展至鞘的外边缘而使得在光纤 的外部具有开放的空隙或孔。
本发明中采用的烧结温度优选为IIO(TC至1550°C，更优地约130(TC至 150(TC，最优地135(TC至150(TC。 一个优选的烧结温度是约M90'C。选择熔 凝过程中使用的气态气氛、熔凝炉中的温度和塑坯熔凝速度，使得在烟炱熔凝 过程中，气体故意地被截留在塑坯中，从而在熔凝的玻璃中形成孔。较优地， 在纤维拉伸过程之前或之中，这些含气空隙被非完全排气，使得纤维被拉伸后 空隙保留在纤维中。可以控制各种工艺参数以控制和改变空隙的大小。比如， 增加熔凝时间或温度可以增加空隙尺寸，因为增加温度造成截留在空隙中的气 体膨胀。类似地，空隙的尺寸和面积百分数受到拉伸条件的影响。比如，拉伸 炉中的热区更长和/或拉伸的速度更快易于增加孔的尺寸和面积百分数。选择 在熔凝温度下对玻璃的渗透性更好的气体将导致产生更小的空隙。烧结速度也 对孔径和孔量产生重要的影响。更快的烧结速度将导致形成更多、更大的空隙。 然而，使用太慢的烧结速度将导致无空隙形成，因为气体有足够的时间离开玻
15璃。因此，优选采用的塑坯的进料速度和/或熔凝温度足够高以便使至少部分 塑坯以大于约lCTC/min、更优地大于约12XVmin、甚至更优地大于约14°C/min 的速度加热。 一般来说，烟炱密度更小的光纤塑坯将形成更多的空隙。然而， 可以改变沉积于具体光纤塑坯中的烟炱的密度以便在需要的位置安置更多的 孔(高于局部空隙面积百分数)。比如，高密度第一烟炱区可以直接沉积在熔 凝的玻璃(比如，纯氧化硅)芯长条上，随后沉积密度低于第一烟炱区的第二 烟炱区。我们发现，这导致在芯附近(即，在高密度烟炱区中)形成更高的空 隙面积百分比。优选该含氧化硅的烟炱的体积密度为约0. 10 g/cc至1. 7 g/cc， 更优地约0. 30 g/cc至1. 0 g/cc。这种作用也可以用于形成熔凝的含空隙的塑 坯，所述塑坯具有交替的低密度含空隙区或无空隙区和高密度含空隙区；其中， 初始烟炱密度在至少100微米距离内的径向变化大于30Z。比如，这种塑坯可 以用于制造具有鞘区的光纤，其鞘区具有交替的无空隙玻璃区和含空隙玻璃 区。具有这种交替的含空隙区和无空隙区的光纤显示出布拉格光栅的性质。
参考图5，使用上述技术，可以形成光纤塑坯150，其包含无空隙的芯区 151，芯区151周围围绕着包含多个空隙的鞘152。通过在鞘152中形成具有足 够数量的尺寸合适的空隙的含空隙区，在光纤塑坯被拉长成为光纤后，鞘152 将用作引导光线沿芯区151传播的光学鞘。或者，含空隙区可以用于改善光线 的弯曲性能。如果需要，在将塑坯150拉成光线之前，附加的烟炱可以被沉积 在鞘区152上并熔凝。附加的沉积的鞘可以按需要径向熔凝以含有或不含空隙。
图6中例举了由这种塑坯拉成的光纤的一个例子。图6中的光纤包含被鞘 区围绕的芯区，该鞘区包含的空隙所在的位置能有效地沿氧化硅芯引导光线。
或者，除了使烟炱沉积在已经形成的芯长条上，上述空隙成形法可以用于 形成其中具有含空隙区的熔凝玻璃管，如以上参考图2所述，该玻璃管可以用
于套住芯长条。
在本文公开的任何实施方式中，通过如图7所示将塑坯安置在拉伸炉52 中，然后使用常规方法和装置加热和拉伸光纤54，所得的最终熔凝光纤塑坯 50可以被拉成光纤。然后，在冷却室55中使光纤54冷却并用非接触传感器 56测量最终的直径。可以施涂一种或多种涂料并通过涂布装置58使涂层固化。 在拉伸过程中，光纤54通过拉伸组件60，由此而被施加拉力以便由塑坯50拉出光纤54。通过控制装置61控制拉力以便使纤维直径保持在预设定点。最
后，涂布的光纤54通过供给头62被缠绕在纤维储存线轴64上。
或者，可以使用与以上参考图3所述的形成芯长条的方法相同的方法来重
新拉伸含空隙的熔凝管。这种重拉过程可以用于改变所述管内含有的空隙的尺
寸。比如，含空隙的塑坯被重新拉伸时发生的直径縮减的幅度越大，该塑坯中
未来的空隙尺寸就越小。
使用本文公开的产生空隙的熔凝技术，已经获得包含具有第一折射率的芯
区和具有第二折射率的鞘区的光纤，所述第二折射率小于第一折射率，使得传
输通过光纤的光总体上被保留在芯中，由此，所述空隙位于所述光纤的鞘中并 由此形成鞘，并且空隙的空隙面积百分数基本上是非零。
使用本文所述的技术，可以制造这样的纤维，其中，在光能分数大于80 %的区域中，任何空隙的最大尺寸小于被传输的光的波长。我们所述的最大尺 寸是指，当从垂直于光纤的纵轴的横向截面观察光纤时，任何具体空隙的最大 直径。比如，我们已经制造出这样的光纤，其中，在光能分数大于80%、甚至 更优地在光能分数大于90%的区域中，所有所述空隙的最大尺寸都小于5微 米，更优地小于2微米，甚至更优地小于l微米，最优地小于O. 5微米。
使用本文公开的技术，可以制造具有含空隙区的纤维，在一些实施方式中， 该含空隙区的局部空隙面积百分数大于0.5。Z，在另一些实施方式中大于1%， 在其它一些实施方式中大于10%。
如果需要，可以单独或组合使用调节折射率的掺加剂，诸如锗和氟，以便 进一步调节相对于鞘的折射率或相对于纯氧化硅的折射率的芯的折射率。比 如，在一个这种优选的实施方式中，锗芯长条可以用作起始棒，优选使用如上 所述的OVD沉积技术在其上沉积另外的烟炱鞘。然后，烟炱鞘区如上所述被熔 凝以形成围绕着掺杂氧化锗的氧化硅芯区的含空隙区，在另一个涉及调节折射 率的掺加剂的可替代的实施方式中，氧化硅芯长条被用作形成烟炱鞘区的起始 棒。然而，在产生空隙的熔凝步骤中，除了产生空隙的掺加剂气体，还提供氟 掺加剂以同时使氟被掺入含空隙区中。通过这种方式，可以在氧化硅芯区的周 围形成惨氟的含空隙区。掺氟的含空隙区的优点包括改善纤维中的各个区域之 间的粘性匹配。使用本文中公开的产生空隙的熔凝技术，可能制造出具有鞘区的光纤，该鞘区的局部空隙面积百分数在一些实施方式中大于0.5%，在其它实施方式中 大于约1%，在另外一些实施方式中大于约5%，在再一些实施方式中大于约 10%。虽然使用本文公开的技术可以避免使用调节折射率的掺加剂，但是，在 采用位于光纤的鞘区中的非周期性分布的空隙的同时，优选在含孔区的外部采 用至少一种氧化锗或氟或类似的调节折射率的掺加剂。所述方法能在光纤的径 向分布内将大量或较小量的空隙安置在各个位置。比如，使用本文公开的方法， 相比光纤中的其它区域(比如光纤的芯或外部鞘区中)，更高局部空隙面积分 数的空隙可以被安置在与光纤的芯相邻的区域中。同样地，可以沿光纤的径向 和轴向(即沿长度方向)控制含空隙区的平均孔径和孔径分布。因此，均匀的 非周期性排列的孔可以被定位在在纤维的一个区域中，该区域中的相对空隙面 积百分数和平均孔径沿纤维的长度保持恒定。虽然纤维不被限制于任何特定的 直径，但是，优选纤维的外径为约120至130微米，更优地约125微米。这种光纤可用于电信网络(通常在850、 1310和/或1550 nm窗下运作)， 包括长传输、地铁、通道、机房和数据中心，以及数据通讯应用和应用于建筑 物和移动交通工具(汽车、公共汽车、火车、飞机)内的控制器局域网络。这 种电信网络通常包括与光纤光学连接的发送器和接收器。因此，为了用于各种 应用，优选形成的孔满足，光纤的鞘中的最大孔尺寸小于1550 nm，更优地小 于775 nm，最优地小于约390 nra。使用本文公开的方法制造的光纤可以在1000 nm、更优地750 nm、最优地500 nm的标准偏差范围内达到这些平均直径。在 一些实施方式中，本文公开的光纤具有小于5000个孔，在一些实施方式中小 于1000个孔，在一些实施方式中，在给定的光纤垂直横截面中，孔的总数小 于500个。比如，本文公开的光纤与现有技术的光纤相比具有优越的抗弯性，同时， 它们还都显示出优良的模场直径。我们所述的"优越"是指，使用本文公开 的方法，可能制造这样的光纤，其在一些实施方式中于1550 nm下为单模式， 在其它的实施方式中于1400 nm下也是单模式，在另外的实施方式中于1260 nm 下也是单模式，并且，这些光纤在1550 nm下对于20mm直径的弯曲的衰减增 加小于O. 5分贝，同时在1550 nni下，其模场直径大于10微米，更优地大于18ll微米。这种优良的弯曲性能使这些光纤成为光纤到户、接入光纤、户内光纤应用和光纤跳线(它们通常是短的纤维片段(1-20米)，每一端都带有连接头以便与光学系统或设备连接)的具有吸引力的备选产品。比如，本文公开的光 纤可以被用于包含发送器、接收器的光学电信系统，光纤与所述发送器和接收 器以光学方式连接。较优地，在这些应用中(即当光纤用作电信系统中的传输 光纤时)，光纤中无任何活性元素，诸如铒等。使用本文中公开的产生空隙的熔凝技术，可能制造出具有鞘区的光纤，该 鞘区的总空隙面积百分数(即空隙的总横截面积除以光纤的总横截面积乘以100)在一些实施方式中大于0.05%，在其它实施方式中大于约O. 1%，在另 外一些实施方式中大于约0. 5%。我们已经制造总空隙面积百分数大于约1%， 大于约5%和大于10%的光纤。然而，在一些实施方式中，总空隙面积百分数 小于l、甚至小于0.7会造成弯曲性能极大的改善。这种含空隙的鞘区可以用 于降低相对于芯的折射率，并因此形成能沿光纤芯引导光的鞘区。通过选择合 适的烟炱熔凝条件(以下将叙述这一点)可以得到各种有用的光纤设计方案。 比如，通过选择使鞘中的最大空隙尺寸小于被传输的光线的波长(比如，用于 一些电信系统的波长小于1550 rnn)，较优地，小于沿光纤传输的光线的波长 的一半，可以得到衰减小的光纤而无须使用昂贵的掺加剂。因此，为了用于各 种应用，优选形成的孔满足，大于95%、优选所有的光纤的鞘中的孔的平均孔 径小于1550 nm，更优地小于775 nm，最优地小于约390 nm。同样地，优选光 纤中的孔的最大直径小于7000 nm，更优地小于2000 nm，甚至更优地小于1550 nm，最优地小于775 nra，使用本文公开的方法，所有这些直径都能被制造。在 一些实施方式中，本文公开的光纤具有小于5000个孔，在一些实施方式中小 于1000个孔，在其它实施方式中，给定的光纤垂直横截面中的孔的总数小于 500个。当然，最优选的纤维显示这些特征的组合。因此，尽管采用更大的、 数量更多的孔，我们可以获得有用的、抗弯性的光纤，但是，比如， 一个特别 优选的光纤实施方式在光纤中具有小于200个孔，这些孔的最大直径小于1550 nm，平均直径小于775 nm。在放大倍数约为800X的扫描电子显微镜和图像分 析软件的帮助下，孔的数量、平均直径、最大直径和总空隙面积百分数都可以被计算出来，图像分析软件比如ImagePro，其可以从Media Cybernetics银泉公 司(Inc. of Silver Spring)，美国马里兰州，购买。本文公开的光纤可以包括或不包括氧化锗或氟，以便再调节光纤的芯和/ 或鞘的折射率，但是，也可以避免在中间的环状区中使用这些掺加物，改为利用孔(与被安排在孔内的任何气体的组合)来调节光线沿光纤芯传导的方式。 含孔区可以由无掺杂的(纯)氧化硅组成，由此完全避免在含孔区使用任何掺 加剂，以获得降低的折射率，或者，含孔区可以包含惨杂的氧化硅，比如具有 多个孔的掺氟的氧化硅。在一组实施方式中，芯区包括掺杂的氧化硅以便提供相对于纯氧化硅的正 折射率，比如掺氧化锗的氧化硅。芯区优选无孔。如图8中所示，在一些实施 方式中，芯区170包含单芯部分，其具有相对于纯氧化硅的正最大折射率A,(表 示为％)，该单芯部分从中心线延伸至半径R,。在一组实施方式中，0.30% <0.40%， 3.0pnKR, <5.0|am。在一些实施方式中，单核部分具有阿尔法形的 折射率曲线，其中阿尔法是6或更大，在一些实施方式中，阿尔法是8或更大。 在一些实施方式中，内环形无孔区182从芯区扩展至半径R2，其中，内环形无 孔区的径向宽度为W12，等于R2-Rl， W12大于lpm。半径R2优选大于5 pm， 更优地大于6pm。中间环形含孔区184从R2沿径向向外扩展至R3，径向宽 度为W23，等于R3-R2。外环形区186沿径向向外从R3扩展至半径R4。半径 R4是光纤氧化硅部分的最外部的半径。在光纤的氧化硅部分的外表面上可以施 涂一种或多种涂料，从纤维的玻璃部分的最外部直径或最外部圆周，即R4处 开始。芯区170和鞘区180优选包含氧化硅。芯区170优选为掺杂一种或多种 掺加剂的氧化硅。芯区170优选无孔。含孔区184的内径R2不大于20 pm。 在一些实施方式中，R2不小于10 pm和不大于20 pm。在其它实施方式中， R2不小于10 pm和不大于18 nm。在另一些实施方式中，R2不小于10 和不大于14 pm。含孔区184的径向宽度W23不小于0.5pm。在一些实施方 式中，W23不小于0. 5 pm和不大于20 pm。在其它实施方式中，W23不小 于2 pm和不大于12 pm。在另外一些实施方式中，W23不小于2 pm和不大 于10 ,。鞘区180扩展至半径R4， ！U尤选不小于40 在一些实施方式中，R^约 为40 在其它实施方式中，R不小于60 |im;在另外一些实施方式中，R4 约为62. 5|imi。在一些实施方式中，外环形区180的径向宽度不小于20pm。 在一些实施方式中，外无孔区186的径向宽度不小于30pm。在另一些实施方 式中，外无孔区186的径向宽度不小于40 pm。在一些实施方式中，芯区170 包含掺氧化锗的氧化硅。在一些实施方式中，芯区170包含掺氟的氧化硅。
芯区优选包含从中心线沿径向向外扩展的中心芯部分。
在一组实施方式中，芯区170包含具有相对折射率A1的单芯部分，该折 射率相对于纯氧化硅为正值。单芯部分的折射率曲线可以是阶梯形或圆阶形或 其它形状。在部分这些实施方式中，单芯部分具有阿尔法形的折射率曲线，优 选阿尔法不小于8。较优地，芯部分扩展至不小于3.8m的半径Rl，在一些实 施方式中，Rl不小于4. 0m并不大于4.5m。在一些实施方式中，芯区扩展至 半径R1，其中，含孔区的内径为R2，其中，Rl/R2之比为2.5至4.5。
芯区170可以包含多个芯部分，因此，在本文公开的任何实施方式中，芯 区包含至少一个芯部分。
在一些实施方式中，芯区170的折射率曲线在1550 nm下提供单模传输的 光信号，更优地，在1300至1324 mn波长下提供零色散波长，更优地，在1310 nm下提供大于8.6 pm的模场直径。
在一些实施方式中，A1不大于0.40X，在另一些实施方式中，Al不大于 0.38%。
在一些实施方式中，含孔区包含约25至200个孔。 在一些实施方式中，在所述含孔区中的孔的最大直径小于775 nm。 较优地，本文公开的光纤还包含围绕鞘区并与鞘区直接相邻的涂层，在一
些实施方式中，光纤包含单层包围鞘区并与鞘区直接相邻的涂层。
在一些实施方式中，至少部分孔含有至少一种选自下组的气体，氩气、氮
气、 一氧化碳、二氧化碳、氯气、氧气、CF4、 C2F6、 S02、 Kr、 Ne和它们的
混合物。
本发明的一方面，公开了一种光学传输系统，其包含微结构光纤、与该光 纤以光学方式连接的光源、与该光纤以光学方式连接的接收器，其中，所述光
21源产生包含传输波长下的光的光信号，所述光纤将该光信号从光源传输至接收 器，其中，所述光纤包含折射率曲线为第一折射率的芯区和围绕着该芯区的具 有第二折射率的鞘区，该第二折射率小于芯区的第一折射率，使得通过光纤传 输的光总体上被保留在芯区中，其中，所述鞘区包含围绕着芯区的中间环形含 孔区和一个围绕着该含孔区并与该含孔区直接相邻的外环形无孔区，其中，该 含孔区含有的孔的最大(横截面)直径小于传输波长。较优地，孔的平均直径 都不大于传输波长。
实施例
我们将通过一些实施例进一步说明本发明。除非另有说明，在以下的每一 个实施例中，当纤维被拉伸时，其采用常规涂敷方式被施涂涂层(即常规丙烯 酸酯基一次涂层和二次涂层)。
实施例1:
通过0VD法使4600克Si02 (密度为0.42 g/cc)烟炱沉积在完全熔凝的1 米长xlOmm直径的阶跃折射率型(A为0.35X，芯/包覆层直径比为0.33) Ge02-Si02芯-Si02包层芯条上，由此产生包含被熔凝的氧化硅鞘区包围的熔凝 的芯芯区的塑坯，该鞘区继而被氧化硅烟炱区所包围。然后，按如下方法使该 烟炱鞘的组合件烧结。该组合件首先于100(TC下在由氦气和3。％氯气组成的气 氛中干燥2小时，然后在100体积％氧气气氛中以6 mm/min被引导通过1500 °C (相当于在向下引导过程中烟炱塑坯的外部以3'C/min升温)的热区，以便 使烟炱烧结成一种含有氧气的过包覆毛坯。该毛坯在一个100(TC的持续通氩气 的炉中放置24小时，以便将氦气排出毛坯。
在一个设定于200(TC、热区长度为8"的炉中，以18米/秒的速度将光纤 塑坯拉成直径为125微米的纤维。所得光纤显示在图6中。光纤端面的SEM分 析显示， 一个约4微米半径的Ge02-Si02芯被相邻的约12微米外径的无空隙 包覆区所包围，包覆区被18微米外径的含空隙鞘区(环厚约为6微米)包围， 鞘区外围绕着外径为125微米的无空隙的纯氧化硅外鞘(所有的径向尺寸都是 从光纤的中心开始计算)。环形含空隙区包含局部面积百分数为4. 2%的孔(100体积％氧气)，孔的平均直径为0.53微米，最小孔直径为O. 18微米，最大孔 直径为1.4微米，在纤维横截面上共有约85个孔。由于向下引导速度和烧结 速度较慢，这些孔的位置靠近熔凝过程中Ge02-Si02芯-Si02包层芯条对应的 区，并且它们在纤维的横截面上从离开纤维中心线12微米径向距离处扩展至 18微米径向距离处。总纤维空隙面积百分数(孔的面积除以光纤横截面的总面 积乘以100)约为0. 21%。在1310 nm和1550 nm下，该光纤的光学性质分别 为0.34和0.21分贝/千米，光纤截止波长约为1230 nm，由此，使得光纤在 1230 nm以上的波长下为单模式。在直径为10 mm的心轴上测量该纤维的一部 分的弯曲性能，纤维在1550 nm下显示出约0.7分贝/转弯的衰减增加，由此 表明，绕直径为IO mm的心轴，衰减增加甚至小于5分贝/转弯、甚至小于l 分贝/转弯。在直径为20 mm的心轴上测量纤维的相同部分的弯曲性能，纤维 在1550 nm下显示出约0.08分贝/转弯的衰减增加，由此表明，绕直径为20 ram 的心轴，衰减增加可达到小于1分贝/转弯、甚至小于0.5分贝/转弯、甚至小 于0.1分贝/转弯。
实施例2:
通过OVD法使200克Si02 (密度为0.42 g/cc)烟炱沉积在完全熔凝的1米 长xl0.6mm直径的阶跃折射率型"为0.35%，芯/包覆层直径比为0.33) GeCVSi02芯-Si02包层芯条上(类似于实施例l)，由此产生包含被熔凝的氧 化硅鞘区包围的熔凝的芯芯区的塑坯，该鞘区继而被氧化硅烟炱区所包围。然 后，按如下方法使该烟炱鞘的组合件烧结。该组合件首先于IOO(TC下在由氦气 和3%氯气组成的气氛中干燥2小时，然后在100体积％氧气烧结气氛中以200 mm/min被引导通过设定在149(TC (相当于向下引导过程中烟炱塑坯的外部以 约100tVmin升温)的热区。然后，该塑坯组合件以100誦/min (相当于向下 引导过程中烟炱塑坯的外部以约50。C/min升温)被再次向下引导以通过该热 区。然后，该塑坯组合件以50 mm/min (相当于向下引导过程中烟炱塑坯的外 部以约25tVmin升温)被再次(即第三次)向下引导以通过该热区。然后， 该塑坯组合件以25匪/min (相当于向下引导过程中烟炱塑坯的外部以约12. 5 。C/min升温)被再次(即第四次)向下引导以通过该热区，然后最终以6mm/min(约3'C/min的加热速度)烧结，以便使烟炱被烧结成含氧气的过包覆毛坯。 采用第一系列的更快下喂料速度以便对光纤塑坯的外部施釉，这有助于将气体 截留在塑坯中。然后，该毛坯在一个100(TC的持续通氩气的炉中放置24小时。 然后，该毛坯被重新放回车床，在那里通过OVD法使4700克附加SiO"密度为 0.53g/cc)烟炱沉积。然后，按如下方法使该组合件的烟炱鞘(可以称为过鞘) 烧结。该组合件首先于IOO(TC下在由氦气和3%氯气组成的气氛中干燥2小时， 然后在100体积％氦气气氛中以6 ram/rain被引导通过15(XTC的热区以便使烟 炱烧结成含氧化锗的无空隙芯芯、氧化硅无空隙内鞘、氧化硅含氧环(即具有 含氧孔的氧化硅)和无空隙的过包覆毛坯。该毛坯在一个设定于IOO(TC的持续 通氩气的炉中放置24小时以便将氦气排出毛坯。在一个设定于200(TC、热区 长度为8"的炉中，以20米/秒的速度将光纤塑坯拉成直径约为125微米的纤维。 光纤端面的SEM分析显示， 一个约4微米半径的Ge02-Si02芯被相邻的12微 米外径的无空隙包覆区所包围，包覆区被16微米外径的含空隙的鞘区(环厚 约为4微米)包围，鞘区外围绕着外径为125微米的无空隙的纯氧化硅外鞘(所 有的径向尺寸都是从光纤的中心开始计算)。环形含空隙区包含局部面积百分 数为2.0%的孔(100体积％氧气)，孔的平均直径为0.3微米，最小孔直径 为0.05微米，最大孔直径为0.72微米，在纤维横截面上共有约80个孔。总 光纤空隙面积百分数(孔的面积除以光纤横截面的总面积乘以100)约为0. 06 %。在1310 nm和1550 nm处该光纤的光学性质分别为0. 35和0. 19分贝/千 米，光纤截止波长约为1357 nm，由此，使得光纤在1357 ran以上的波长下为 单模式。在直径为10 mm的心轴上测量部分纤维的弯曲性能，纤维在1550 nm 下显示出约0.2分贝/转弯的衰减增加，这表明绕直径为10 mm的心轴，衰减 增加甚至小于1分贝/转弯、较优地小于0.5分贝/转弯。在直径为20mra的心 轴上测量相同部分纤维的弯曲性能，纤维在1550訓下显示出约0. 02分贝/转 弯的衰减增加，由此表明，绕直径为20mm的心轴，衰减增加可达到小于l分 贝/转弯、更优地小于O. l分贝/转弯、甚至更优地小于0.05分贝/转弯。在直 径为8 mm的心轴上测量相同部分纤维的弯曲性能，纤维在1550 nm下显示出 约2分贝/转弯的衰减增加，由此表明，绕直径为8mm的心轴，衰减增加可达到小于10分贝/转弯、更优地小于5分贝/转弯、甚至更优地小于3分贝/转弯的。
实施例3:
通过OVD法使290克Si02 (密度为0.47 g/cc)烟炱沉积在完全熔凝的1米长xl0.4mm直径的阶跃折射率型(A为0.35X，芯/包覆层直径比为0.33)Ge02-Si02芯-Si02包层芯条上(类似于实施例l)，由此产生包含被熔凝的氧化硅鞘区包围的熔凝的芯芯区的塑坯，该鞘区继而被氧化硅烟炱区所包围。然后，按如下方法使该烟炱鞘的组合件烧结。该组合件首先于100(TC下在由氦气和3%氯气组成的气氛中干燥2小时，然后在100体积％氧气烧结气氛中以200mm/min被引导通过设定在1490'C (相当于向下引导过程中烟炱塑坯的外部以约10(TC/min升温)的热区。然后，该塑坯组合件以100 mm/min (相当于向下引导过程中烟炱塑坯的外部以约50'C/min升温)被再次(即第二次)向下引导以通过该热区。然后，该塑坯组合件以50腿/min (相当于向下引导过程中烟炱塑坯的外部以约25。C/min升温)被再次(即第三次)向下引导以通过该热区。然后，该塑坯组合件以25 mm/min (相当于向下引导过程中烟炱塑坯的外部以约12. 5。C/min升温)被再次(即第四次)向下引导以通过该热区，然后最终以6mm/min (约3°C/min的加热速度)烧结，以便使烟炱被烧结成含氧气的过包覆毛坯。采用第一系列加快进料速度以便对光纤塑坯的外部施釉，这有助于将气体截留在塑坯中。然后，该毛坯在一个IOO(TC的持续通氩气的炉中放置24小时。然后，该毛坯被重新放回车床，在那里通过OVD法沉积3600克附加Si02(密度为0.42g/cc)烟炱。然后，按如下方法使该组合件的烟炱鞘(可以称为过鞘)烧结。该组合件首先于100(TC下在由氦气和3%氯气组成的气氛中干燥2小时，然后在100体积％氦气气氛中以6 mm/rain被引导通过设定于150(TC的热区以便使烟炱烧结成含氧化锗的无空隙芯芯、氧化硅无空隙内鞘、氧化硅含氧环(即具有含氧孔的氧化硅)和无空隙的过包覆毛坯。该毛坯在一个设定于IOO(TC的持续通氩气的炉中放置24小时以便将氦气排出毛坯。在一个设定于2000。C、热区长度为8"的炉中，以20米/秒的速度将光纤塑坯拉成直径约为125微米的纤维。光纤端面的SEM分析显示， 一个约4微米半径的
25Ge02-Si02芯被相邻的12微米外径的无空隙包覆区所包围，包覆区被18微米外径的含空隙的鞘区(环厚约为6微米)包围，鞘区外围绕着外径为125微米的无空隙的纯氧化硅外鞘(所有的径向尺寸都是从光纤的中心开始计算)。环形含空隙区包含局部面积百分数为2. 7%的孔(100体积％氧气)，孔的平均直径为0.36微米，最小孔直径为0.05微米，最大孔直径为0.8微米，在纤维横截面上共有约105个孔。总纤维空隙面积百分数(孔的面积除以光纤横截面的总面积乘以IOO)约为O. 11%。在1310 nm和1550 nm下，该光纤的光学性质分别是0.33和0.19分贝/千米，光纤截止波长约为1250 nm，由此，使得光纤在1250 nm以上的波长下为单模式。在直径为10 mm的心轴上测量部分纤维的弯曲性能，纤维在1550 mn下显示出约0.2分贝/转弯的衰减增加，这表明绕直径为10 mm的心轴，衰减增加甚至小于1分贝/转弯、较优地小于0. 5分贝/转弯。在直径为20 mm的心轴上测量相同部分纤维的弯曲性能，纤维在1550nm下显示出约0. 02分贝/转弯的衰减增加，由此表明，绕直径为20 mm的心轴，衰减增加可达到小于l分贝/转弯、更优地小于O. l分贝/转弯、甚至更优地小于0. 05分贝/转弯的。在直径为8 mm的心轴上测量相同部分纤维的弯曲性能，纤维在1550 nm下显示出约2分贝/转弯的衰减增加，由此表明，绕直径为8 mm的心轴，衰减增加达到小于10分贝/转弯、更优地小于5分贝/转弯、甚至更优地小于3分贝/转弯的。
根据类似于以上实施例2和3中公开的方法(即OVD沉积法的步骤)实施以下的实施例4-9。在所有情况下，芯芯170是掺氧化锗的氧化硅，并使含孔区184离开芯芯直径的外部隔开一定距离。在芯芯170和环形含孔区184之间采用无掺杂的内环形无孔区182。由纯的无掺杂的氧化硅制成的外环形区186被沉积在含孔区184外。所有这些实施例的纤芯或鞘中都不使用氟。在100%氮气(代替氧气)中使实施例4、 5和6烧结，因此，所得纤维的环形含空隙区184中含有的非周期性定位的空隙中存在氮气。在100%氩气(代替氧气)中使实施例7、 8和9烧结，因此，所得纤维的环形含空隙区184中含有的非周期性定位的空隙中存在氩气。另外要说明的是每个实施例纤维的芯包层比率，芯包层比率是掺氧化锗的芯区170的外直径除以含孔区184的内直径的比率。通过芯区和鞘区184之间的内环形无孔区182中沉积和熔凝的无掺杂氧化硅的量来调节芯包层区。在实施例4至实施例9的每一个实施例中，孔的局部面积百分数大于1%并小于10%，总纤维空隙面积百分数大于0. 05%并小于0. 25%，平均孔直径大于0. 1微米并小于1微米，(横截面上获取的)孔的总数大于10并小于200。从以下的表中可以看到，使用本文公开的纤维设计方案有可能生产在所有方面都符合ITU-T G.652的、抗弯性很强的光纤。具体地，有可能生产这样的纤维，其在1310nm下的衰减小于0.34分贝/千米，在1550nm下的衰减小于0.21分贝/千米，更优地小于0.20分贝/千米，光缆(22m测试)截止波长小于1260 nm，更优地小于1200 nm，在1310 nra下的模场直径大于7.8微米，更优地大于8.0微米，最优地大于8.2微米，在1550 nra下的模场直径大于9微米，更优地大于9.5微米，最优地大于10微米，在1300至1324的波长下为零色散，在1550 nm下的色散为约15至19 ps/nmkm， 10 mm弯曲损耗达到小于5.0分贝/转弯，更优地小于2.0分贝/转弯，甚至更优地小于1.0分贝/转弯，最优地小于0.5分贝/转弯，20臓弯曲损耗达到小于0.2分贝/转弯，更优地小于O. l分贝/转弯，甚至更优地小于0.05分贝/转弯，最优地小于0.03分贝/转弯。实际上，从以下的表中可以看到，20 mm弯曲损耗达到小于0. 02分贝/转弯和小于0. 01分贝/转弯。
《254.44-24.54.254.25
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27在一组实施方式中，本文公开了用于传输包含光线的光学信号的微结构的光纤，所述光纤包含围绕纵向中心线分布的芯芯区，其折射率曲线具有第一折射率；围绕该芯芯区的鞘区，所述鞘区含有包含非周期性分布的孔的环状含孔区；其中，该光纤的光纤截止波长小于1500 nm，在部分这些实施方式中小于1400 nm，在部分这些实施方式中小于1310 nm。
在一些实施方式中，该光纤的光缆截止波长小于1300 nm，更优地小于1260nra，最优地小于1200 nm。
在一些实施方式中，非周期性排列的孔的最大直径小于2000 mn。在一些实施方式中，非周期性排列的孔的平均直径小于2000 nm。在一些实施方式中，该光纤的20 mm宏弯曲诱导损耗小于l分贝/转弯，较优地小于0. 1分贝/转弯，更优地小于0. 05分贝/转弯，甚至更优地小于0. 02分贝/转弯。
在一些实施方式中，该光纤的12 mm宏弯曲诱导损耗小于5分贝/转弯，较优地小于l分贝/转弯，更优地小于.5分贝/转弯。
在一些实施方式中，该光纤的8mm宏弯曲诱导损耗小于5分贝/转弯，较优地小于l分贝/转弯，更优地小于0.5分贝/转弯。
在一个实施方式子集中，该光纤的光纤截止波长小于1400 nm，其20 mm宏弯曲诱导损耗小于1分贝/转弯，较优地小于0. 1分贝/转弯，更优地小于.05分贝/转弯。
在另一个实施方式的子集中，光纤的光纤截止波长小于1400 mn，其12 mm宏弯曲诱导损耗小于5分贝/转弯，较优地小于1分贝/转弯，更优地小于.5分
贝/转弯。
在又一个实施方式的子集中，光纤的光纤截止波长小于1400 nm，其8 mm宏弯曲诱导损耗小于5分贝/转弯，较优地小于1分贝/转弯，更优地小于.5分贝/转弯。
在另一个实施方式子集中，该光纤的光纤截止波长小于1310nm，其20mm宏弯曲诱导损耗小于1分贝/转弯，较优地小于0. 1分贝/转弯，更优地小于.05分贝/转弯甚至更优地小于0.03分贝/转弯。在另一个实施方式的子集中，光纤的光纤截止波长小于1310mn，其12mm 宏弯曲诱导损耗小于5分贝/转弯，较优地小于1分贝/转弯，更优地小于.5分 贝/转弯。
在另一个实施方式的子集中，光纤的光纤截止波长小于1310 rnn，其8mm 宏弯曲诱导损耗小于5分贝/转弯，较优地小于1分贝/转弯，更优地小于.5分 贝/转弯。
在一些实施方式中，该环形含孔区的最大径向宽度小于12微米，较优地 小于10微米，更优地大于2微米并小于10微米。
在一些实施方式中，该环形含孔区的局部空隙面积百分数小于30%，在另 一些实施方式中小于20%，在又一些实施方式中小于10%，在其它实施方式 中小于5%。
在一些实施方式中，非周期性排列的孔的平均直径小于2000 mn，在有些 实施方式中小于1550 nra，在有些实施方式中小于1500 nm，在其它实施方式 中小于850 nm，在有些实施方式中小于750 nm，在有些实施方式中小于360 nm， 在另一些实施方式中小于250 nm。
在一个实施方式子集中，非周期性排列的孔的平均直径小于1550 nm，环 形含孔区的最大径向宽度小于12微米，局部空隙面积百分数小于30%。
在另一个实施方式子集中，非周期性排列的孔的平均直径小于1550 mn，
环形含孔区的最大径向宽度为2至12微米，局部空隙面积百分数小于30% 。
在又一个实施方式子集中，非周期性排列的孔的平均直径小于1550 nm， 环形含孔区的最大径向宽度为2至5微米，局部空隙面积百分数小于约15%。
在另一个实施方式子集中，非周期性排列的孔的平均直径小于1550 nm， 环形含孔区的最大径向宽度为2至10微米，局部空隙面积百分数小于约5% 。
在另一个实施方式子集中，非周期性排列的孔的平均直径小于1550 nm， 环形含孔区的最大径向宽度为2至8微米，局部空隙面积百分数小于约10%， 更优地小于约8%。
在另一个实施方式子集中，非周期性排列的孔的平均直径小于750 nm，环 形含孔区的最大径向宽度为2至6微米，局部空隙面积百分数小于约5% 。在又一个实施方式子集中，非周期性排列的孔的平均直径小于750 mn，环 形含孔区的最大径向宽度为2至10微米，局部空隙面积百分数小于约3%。
在另一个实施方式子集中，非周期性排列的孔的平均直径小于360 nm，环 形含孔区的最大径向宽度为2至6微米，局部空隙面积百分数小于约3%。
在又一个实施方式子集中，非周期性排列的孔的平均直径小于1550 rnii， 环形含孔区的局部空隙面积百分数为A，最大径向宽度W为约2至12微米，其 中，A < 39.4-5.36 *W，其中W以微米为单位。
在一些实施方式中，环形含孔区的局部空隙面积百分数大于0. 05%。
在另一组实施方式中，本文公开了用于传输包含光线的光学信号的微结构 的光纤，该光纤包含围绕纵向中心线分布的芯芯区和围绕该芯芯区的鞘区， 所述鞘区含有包含非周期性排列的孔的环状含孔区；其中，该环状含孔区的最 大径向宽度小于12微米；其中，该环状含孔区的局部空隙面积百分数小于30 %;其中，非周期性排列的孔的平均直径小于1550 nm。
在一些实施方式中，该环形含孔区的最大径向宽度大于0. 5微米并小于12 微米，在其它实施方式中大于2微米并小于12微米。
在一些实施方式中，环形含孔区的局部空隙面积百分数大于0. 05%并小于 30%。
在一些实施方式中，非周期性排列的孔的平均直径大于l nm并小于1550腦。
在一些实施方式中，非周期性排列的孔的最大直径小于2000 nm。
在一些实施方式中，芯区的最大相对折射率小于0.40%，在另一些实施方 式中为0. 30%至0. 40%。
在一些实施方式中，芯区沿径向向外扩展至小于5微米的芯半径处，在另 一些实施方式中，所述半径为3. 0 )imi至5.0 pm。
在一些实施方式中，鞘区扩展至最外部玻璃半径处不小于40pm、不小于 60 ,。
在一些实施方式中，该光纤的光纤截止波长小于1550 nm，在另一些实施 方式中小于1400 nm，在又一些实施方式中小于1310 mn。在这些实施方式的一个子集中，鞘区还包含排列在芯芯区和芯芯含孔区 之间的内环形无孔区；围绕着该环形含孔区并与之直接相邻的外环形无孔区。
在一些实施方式中，所述内环形无孔区的径向宽度大于l微米，较优地大于5 微米，更优地大于6微米。在一些实施方式中，含孔区的内径不大于20 pm， 在另一些实施方式中不小于10 pm并不大于20 pm，在又一些实施方式中不小 于10 )im并不大于18 pm，在其它实施方式中不小于10 pm并不大于14 pm。 在一些实施方式中，外环形无孔区的径向宽度不小于20pm，在另一些实施方 式中不小于30 nm，在又一些实施方式中不小于40 pm。
本领域的技术人员明白，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以对 本发明作各种修改和变化。因此，本发明意欲涵盖本发明的修改形式和变化形 式，只要这些修改形式和变化形式落在附加的权利要求和它们的等同物的范围 内。
权利要求
1. 一种用于传输包含光的光学信号的微结构光纤，该光纤包含围绕纵向中心线排布的芯区，其折射率分布曲线具有第一折射率；围绕该芯区的鞘区，所述鞘区含有包含非周期性分布的孔的环状含孔区；其中，该光纤的纤维截止波长小于1500nm。
2. 如权利要求l所述的光纤，其特征在于，所述光纤的光缆截止波长 小于1300 nm。
3. 如权利要求l所述的光纤，其特征在于，所述光纤的光缆截止波长 小于1260 nm。
4. 如权利要求l所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550 nm下的 20 mm宏弯曲诱导损耗小于0.2分贝/转弯。
5. 如权利要求l所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550 nm下的 10 mm宏弯曲诱导损耗小于5分贝/转弯。
6. 如权利要求l所述的光纤，其特征在于，所述非周期性排列的孔的 最大直径小于2000 nm。
7. 如权利要求l所述的光纤，其特征在于，所述非周期性排列的孔的 平均直径小于2000 nm。
8. 如权利要求l所述的光纤，其特征在于，所述环形含孔区的最大径 向宽度小于12微米。
9. 如权利要求l所述的光纤，其特征在于，所述环形含孔区的局部空 隙面积百分数小于30%。
10. 如权利要求l所述的光纤，其特征在于，所述非周期性排列的孔的 平均直径小于1550 nm。
11.如权利要求l所述的光纤，其特征在于，所述非周期性排列的孔的 平均直径小于1550 nm，环形含孔区的最大径向宽度为2至10微米，局部 空隙面积百分数小于约5%。
12.如权利要求l所述的光纤，其特征在于，所述非周期性排列的孔的平均直径小于750 nm,环形含孔区的最大径向宽度为2至10微米，局部空 隙面积百分数小于约3%。
13. 如权利要求l所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1310nm波长 下的模场直径大于8微米。
14. 一种用于传输包含光的光学信号的微结构光纤，该光纤包含围绕 纵向中心线分布的芯区和围绕该芯区的鞘区，所述鞘区含有包含非周期性 排列的孔的环状含孔区；其中，所述环状含孔区的最大径向宽度小于12微米；其中，所述环状 含孔区的局部空隙面积百分数小于30%;其中，所述非周期性排列的孔的 平均直径小于1550 nm。
15. 如权利要求14所述的光纤，其特征在于，所述环形含孔区的最大 径向宽度大于O. 5微米并小于12微米。
16. 如权利要求14所述的光纤，其特征在于，所述环形含孔区的局部 空隙面积百分数大于0. 05%并小于30%。
17. 如权利要求14所述的光纤，其特征在于，所述非周期性排列的孔 的平均直径大于1咖并小于1550 nm。
18. 如权利要求14所述的光纤，其特征在于，所述非周期性排列的孔 的最大直径小于2000 nm。
19. 如权利要求14所述的光纤，其特征在于，所述鞘区还含有排列 在芯区和环形含孔区之间的内环形无孔区；围绕着该环形含孔区并与之直 接相邻的外环形无孔区。
20. 如权利要求14所述的光纤，其特征在于，所述内环形无孔区的径 向宽度大于1 ^m。
21. 如权利要求14所述的光纤，其特征在于，所述含孔区的内径为IO jLim至20jnm。
22. 如权利要求14所述的光纤，其特征在于，所述鞘区扩展至不小于 40 pm的最外部玻璃半径处。
23. 如权利要求14所述的光纤，其特征在于，所述外环形无孔区的径 向宽度不小于20 pm。
24. 如权利要求14所述的光纤， 射率小于0. 40%。
25. 如权利要求14所述的光纤， 展至小于5微米的芯半径处。
26. 如权利要求14所述的光纤， 长小于1550 nm。
27. —种光学传输系统，其包括 微结构光纤；与该光纤光学连接的光源;. 与该光纤光学连接的接收器；其中，所述光源产生包含传输波长下的光的光信号，所述光纤将该光 信号从光源传输至接收器； 其中，所述光纤包含折射率分布曲线中有第一折射率的芯区，和围绕着该芯区的具有第二折射率的鞘区，该第二折射率小于芯区的第 一折射率，使得通过光纤传输的光总体上被保留在芯区中； 其中，所述鞘区包含 围绕着芯区的含孔区，和一个围绕着该含孔区并与该含孔区直接相邻的外无孔区， 其中，该含孔区含有最大直径小于传输波长的孔。
28. —种光纤，其包括芯区和围绕该芯区的鞘区，其中，所述光纤在 1550 nm下的20 mm宏弯曲诱导损耗小于0. 5分贝/转弯，1550 nm的模场 直径大于10微米，光纤截止波长小于1400 nm，其中，所述光纤基本上不含氟。
29. 如权利要求28所述的光纤，其特征在于，所述鞘区含有环形含孔区。
30. 如权利要求28所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550 nm波长下的模场直径大于11微米。
31. 如权利要求28所述的光纤，其特征在于，所述光纤基本上不含氟。其特征在于，所述芯区的最大相对折 其特征在于，所述芯区沿径向向外扩 其特征在于，所述光纤的光纤截止波
32. —种光纤，其包括芯区和围绕该芯区的鞘区，其中，所述光纤在1550 nm下的光谱衰减小于0. 20分贝/千米，在1550画下的20鹏宏弯曲 诱导损耗小于O. 5分贝/转弯，1550 nm的模场直径大于9.0微米，光缆截 止波长小于1300 nm，其中，所述光纤包含环形含孔区。
33. 如权利要求32所述的光纤，其特征在于，所述环形含孔区与所述 芯是隔开的。
全文摘要
用于单模传输光学信号的微结构光纤，该光纤包括芯区(170)和鞘区(180)，所述鞘区包括含有非周期性排列的孔的环形含孔区(184)。该光纤提供单模传输和低弯曲损耗。
文档编号G02B6/02GK101506702SQ200780024413
公开日2009年8月12日 申请日期2007年6月26日 优先权日2006年6月30日
发明者D·A·诺兰, D·C·布克宾德, M·-J·李, P·坦登, S·R·比克汉姆 申请人:康宁股份有限公司