大有效面积光纤的制作方法

专利名称：大有效面积光纤的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及非零色散光纤，更具体地涉及适用于密集波分复用的具有大有效 面积的光纤。
背景技术：
诸如在1550nm波长下的色散低于6pS/nm/km的非零色散光纤(NZDF)之类的光纤 适用于密集波分复用(DWDM)。这些光纤通常具有中芯，该中芯具有中央内芯区和正折射率 环。该芯有时包括毗邻且接触该环的至少一个低折射率区。该芯是容纳至少90%信号光的 纤维区。这些NZDF在1550nm下通常提供3到6ps/nm/km的色散，且在1550nm下具有小于 75 μ m2的有效面积。在所谓的“密集波分复用条件”下使用的光纤会经受多种弯曲环境，这种情况下会 在通过光纤传输的光信号中引入弯曲损耗。会强加诸如紧密弯曲半径、光纤压缩等等之类 的物理要求的引入弯曲损耗的某些应用包括在光学地下光缆组件中部署光纤、大温度变化 引起的翘曲以及位于机柜中连接馈电装置和配电电缆的小弯曲半径多端口。诸如常规NZDF 光纤之类的光纤在弯曲至小曲率半径时呈现相对较大的弯曲损耗(例如当弯曲约15mm半 径时弯曲损耗为5dB/m到6dB/m)。概要本发明的一个方面涉及一种光纤，其包括(i)从中心线延伸的玻璃芯(20)，其包括α值小于2且最大相对折射率百分比 为Δ Cmax的芯区(22)，该中心芯区(22)具有体积V22包围该中心芯区(22)的第一环形芯区 (24)；以及包围该第一环形芯区(24)的第二环形芯区(26)，其具有体积V26，其中该第二环 形芯区(26)的最大相对折射率百分比Δ26ΜΧ高于该第一环形芯区(24)的最大相对折射率 百分比Δ
24ΜΑΧ ， 以及(ii)玻璃包层(30)，其包围所述芯并与所述芯接触，所述包层包括从半径 R32延伸至半径R34的第一环形包层区(32)，其中R34 > 13 μ m且包括相对折射率百分比 A32 (r)%、最大相对折射率百分比Δ32ΜΑΧ以及最小相对折射率百分比Δ32ΜΙΝ;第二环形包层 区(34)，其从半径R34延伸至半径R36，且包括相对折射率百分比Δ34(Γ)%和最小相对折射 率百分比Δ34ΜΙΝ ；第三环形包层区(36)，其包围第二环形区(34)且从半径R34延伸至最外玻 璃半径R36 ；其中Δ CMAX > Δ 26ΜΑΧ > Δ 32ΜΑΧ、Δ 32ΜΙΝ > Δ 34ΜΙΝ 以及 Δ 34ΜΙΝ < -0. 1 ；以及该芯和该包 层提供具有小于1500nm的光缆截止、在1550nm下的3≤D≤8ps/nm/km的色散D、以及在 1550nm下大于80 μ m2的有效面积的光纤。第二环形包层区可包含多个随机散布的孔。当 缠绕在15mm半径的芯棒周围时，这些光纤在1550nm下的弯曲损耗优选小于5dB/m、甚至更 优选小于2dB/m、更优选小于ldB/m，以及最优选小于0. 5dB/m。优选体积V26 < 4. 5% μ m2，且值 v22+v26i和小于 6. 5% UIIi20在一组实施例中，第二环形区包括二氧化硅玻璃，其具有从由锗、铝、磷、钛、硼以 及氟组成的组中选择的掺杂剂。在另一组实施例中，第二环形区包括具有多个随机分布的密封孔的二氧化硅玻 璃，这些孔是空的(真空)或充气的，其中这些孔提供光的内反射，从而对沿芯传播的光提 供波导。例如与纯二氧化硅相比，这些孔可提供低的有效折射率。根据一组实施例，该光纤包括(i)玻璃芯(20)，其从中心线延伸且包括α值小于2的中心芯区(22)，所述中心 芯区(22)具有体积V22 <2% μ m2以及外半径1^且2. 5μπι彡RCl<4ym;第一环形芯区 (24)，其包围中心芯区(22)；以及第二环形芯区(26)，其包围第一环形芯区(24)，其中第二 环形芯区(26)的最大相对折射率百分比Δ26ΜΧ高于第一环形芯区(24)的最大相对折射率 百分比Δ 24ΜΑΧ，所述第二环形芯区具有宽度W26彡4. 2 μ m ；以及(ii)玻璃包层(30)，其包围所述芯并与所述芯接触，所述包层包括第一环形包层区(32)，其从半径R32延伸至半径R34，其中R34彡15μπι;第二环形包层区(34)，其从半径R34延伸至半径R36，且具有最小相对折射率百分比 Δ 34ΜΙΝ，该第二环形包层区包括其中设置有至少50个随机散布的密封孔的二氧化硅基玻璃， 且(i)这些孔之间的平均距离小于5000nm，以及(ii)这些孔的至少80%具有小于1500nm 的最大截面尺寸Di ；以及第三环形包层区(36)，其包围该第二环形区(34)，并从半径R34延伸至最外玻璃半 径 R36 ；其中芯(20)包括最大相对折射率百分比Acmx ；其中所述第一环形包层区(32)包 括相对折射率百分比Δ32(Γ)%、最大相对折射率百分比A32max以及最小相对折射率百分比 Δ ·
”32ΜΙΝ ‘胃中 Acmax > Δ 26ΜΑΧ > Δ 32ΜΑΧ> Δ 32ΜΙΝ > Δ34μιν 以及 A34min < _0· 1。优选该芯和该包层为一光纤提供小于1500nm的光缆截止、1550nm下3彡D彡8ps/ nm/km的色散D、1550nm下大于80 μ m2的有效面积、小于0. 12ps/nm2/km的色散斜率、1550nm 下小于80nm的κ、以及当光纤在15mm半径的芯棒周围缠绕时小于5dB/m的弯曲损耗。现在将具体参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。附图简述

图1示出如本文中所公开的光波导纤维的实施例的相对折射率分布。图2示出如本文中所公开的光波导纤维的实施例的示意性截面图。图3示出康宁LEAF光纤和如本文中所公开的光波导纤维的另一实施例的相对折 射率分布。图4示出如本文中所公开的光波导纤维的其他实施例的相对折射率分布。详细描述将在以下详细描述中陈述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点对于本领域 的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施在以下详细描述以及权利要求 书和附图中描述的本发明可认识到。“折射率分布”是折射率或相对折射率与波导光纤半径之间的关系。
“相对折射率百分比”(也称为“折射率Δ，，)被定义为Δ 100Χ (η 2-ηε2)/2ηΛ 其中Iii是区域i中的折射率，除非另作说明，而η。是包层的第三环形区36 (外区)的平均 折射率。如此处所使用地，相对折射率以Δ表示，而且它的值以“％”单位给出，除非另外 指明。相对折射率在1550nm波长下测得，除非另外指明。在其中一区域的折射率小于外环 形区的平均折射率的情况下，相对折射率百分比为负，且可称为下陷区或下陷折射率，而且 在相对折射率最负的点处计算最小相对折射率，除非另外指明。在其中一区域的折射率大 于包层区的平均折射率的情况下，相对折射率百分比为正，而且可以认为该区域被升高或 具有正折射率。此处的“提高掺杂剂”被认为是相对于纯的未掺杂SiO2具有提高折射率的 倾向的掺杂剂。此处的“降低掺杂剂”被认为是相对于纯的未掺杂SiO2具有降低折射率的 倾向的掺杂剂。提高掺杂剂在伴随有不是提高掺杂剂的一种或多种其它掺杂剂时，可存在 于具有负的相对折射率的光纤的区域中。同样，不是提高掺杂剂的一种或多种其它掺杂剂 可存在于具有正的相对折射率的光纤的区域中。降低掺杂剂在伴随有不是降低掺杂剂的一 种或多种其它掺杂剂时，可存在于具有正相对折射率的光纤的区域中。同样，不是降低掺杂 剂的一种或多种其它掺杂剂可存在于具有负相对折射率的光纤的区域中。除非另作说明，以下将“色散现象”称为“色散”，波导光纤的色散是材料色散、波导 色散以及模间色散的总和。在单模波导纤维的情况下，模间色散为零。色散斜率是色散相 对于波长的变化率。“有效面积”定义为Aeff = 231 ( / f2rdr)2/( / f4rdr)，其中积分上下限为0到⑴，而f是与波导中传播的光相关联的电场的横向分量。如 本文中所使用，“有效面积”或“Arff”指的是1550nm波长下的光学有效面积，除非另作说明。术语“ α分布”或“阿尔法分布”指的是相对折射率分布，以单位为“ ％ ”的项Δ (r) 表示，其中r是半径，其遵循以下方程，Δ (r) = Δ (r0) (1_ [ | r-r01 / (rrr0) ] α)，其中r。是A (r)为最大值的点，巧是Δ (r) %为零的点，而r在巧彡r彡rf范围 内，其中Δ如上定义，巧是α分布的起点，&是α分布的终点，而α是指数且α为实数。使用彼得曼II方法测量模场直径(MFD)，其中2w = MFD,且w2 = (2 f f2rdr/ f [df/dr]2rdr)，积分上下限为 0 到①。可在预定的测试条件下用引入的衰减来测量波导光纤的抗弯性。对一给定模式而言，理论光纤截止波长或“理论光纤截止”或“理论截止”是一波 长，超过该波长则被导光不能在该模式中传播。可在1990年纽约出版的Marcel Dekker的 单模光纤光学的 Jeunhomme 的 39-44 页(SingleMode Fiber Optics，Jeunhomme，pp 39-44， Marcel Dekker,New York, 1990)中找到一种数学定义，其中理论纤维截止被描述为模式传 播常数变得等于外包层中的平面波传播常数时的波长。此理论波长适合于无直径变化的无 限长的完美直光纤。光缆截止波长，或“光缆截止”甚至比测得的光纤截止更低，这是由光缆环境中更 高级别的弯曲和机械压力造成的。可通过EIA-445光纤测试程序中描述的光缆截止测试估 算实际的成缆状态，该EIA-445光纤测试程序是EIA-TIA光纤标准——即电子工业协会-电 信工业协会光纤标准——的一部分，更一般地已知为F0TP’s。通过发射功率的单模光纤的EIA-455-170光缆截止波长或“F0TP-170”中描述了成缆截止测量。除非在本文中另作说明，针对LPOl模式报告光学特性(诸如色散、色散斜率等)。 除非在本文中另作说明，1550nm波长是基准波长。各种波段或工作波长范围或波长窗口可如下地定义“1310nm波段”是1260至 1360nm ；"Ε 波段”是 1360 到 1460nm ；"S 波段”是 1460 到 1530nm ；"C 波段”是 1530 到 1565nm ；"L 波段”是 1565 到 1625nm ；以及"U 波段”是 1625 到 1675nm。本文中所公开的光纤10包括芯20和包围芯且直接毗邻芯的包覆层(或包层)30。 该芯20具有折射率分布八芯(r)。该包层30具有折射率分布Δ ^jg (r)。芯20和包层30 二者都包括多个区。优选至少一个包层区包括多个空隙(在本文中也称为孔)。这些空隙 可被诸如例如空气、氮气、氩气、氪气之类的气体或它们的组合填充。在一些实施例中，芯包括锗掺杂的二氧化硅，即氧化锗掺杂的二氧化硅。可在本文 所公开的光纤的芯内，具体在其中心线处或其附近单独或组合地采用除锗之外的掺杂剂， 以获得期望的折射率和密度。参照图1和2，此处公开的光波导纤维10包括芯20，其从中心线径向地向外延 伸至外半径Re，且具有以％表示的相对折射率分布Δ E(r)，其最大相对折射率百分比为 Acmax ；以及包层30，其包围且直接毗邻即直接接触芯20。包层30可任选地被一个或多个聚 合物涂层包围。芯20包括以外半径Rc1为特征的中心区22 ；包围该中心区22且直接毗邻 该中心区22的第一环形芯区24，其沿径向向外延伸至第二环形芯区26，且以外半径Rc2为 寺 11。/[尤ife 2. 5 μ m < Rc1 < 4. 0 μ m、3. 5 μ m < Rc2 < 6. 5 μ m、7 μ m < Rc3 < 10. 5 μ m。My[尤 选2.8口111彡1^1彡3.8且0.6彡 Δ·χ<0·85。优选 Rc3 彡 10. 5 μ m ；更优选 Rc3 彡 10 μ m。 中心区22的至少一部分具有α分布值α < 2的折射率分布。第二环形芯区26以外半径 Rc3为特征，其中Rc3 = R芯。优选Rc1 < 5. Ομπι，更优选1.6μπι< Rc1 < 4. 0 μ m，甚至更优 选 2· 7μπι < Rc1 < 4· Ομπι，且在一些实施例中，2· 7μπι < Rc1 < 3. 5 μ m。优选 Rc2 > 4 μ m, 更优选> 4 μ m，以及在一些实施例中6 μ m > Rc2 > 4 μ m。优选Rc3 > 7. 0 μ m，更优选7 μ m
<Rc3 < 10. 5 μ m,甚至更优选 7· 5 μ m < Rc3 < 10 μ m。该中心芯区22可包括具有外半径Raa的中心线区22a，以及包围该中心线区22a 的具有α分布和外半径Rc1的区22b。芯区22具有最大相对折射率百分比Aemx。在表1 所列出的光纤实施例中，中心线区22a对应于Aemx，而区22a具有略微更小的折射率Δ， 其最大Δ为Δ22ΜΑΧ。第一环形芯区24具有宽度W24和中点半径R24mid以及按照％表示的 相对折射率分布Δ24(ι·)，其以％表示的最大相对折射率百分比为Δ24ΜΧ，且最小相对折射 率百分比为Δ24μιν。第二环形芯区26具有宽度W26和中点半径R26mid以及按照％表示的相 对折射率分布Δ26(Γ)，其以％表示的最大相对折射率百分比为Δ26ΜΑΧ，且以％表示的最小 相对折射率百分比为Δ26ΜΙΝ。根据本发明诸实施例，AcmxS Δ24μαχ、Δ24μαχ< Δ26ΜΑΧ以及 Δ CMAX > Δ 26ΜΑΧ。优选 0· 9 彡 Acmax ^ 0.6, Δ 24μιν ^ 0. 05,0. 17 < Δ 26ΜΑΧ < 0· 25。更优选 0
<Δ 24ΜΙΝ ^ 0. 05ο 优选 Δ 26ΜΑΧ 小于 0· 2%，更优选小于 0· 15%。优选且 2 μ m ^ W26 ^ 5 μ m0最优选地，为提供非常大的有效面积，2 μ m ^ W26 ^ 4. 2 μ m0更优选 W26 ^ 4 μ m,甚至更优选W26 < 3. 8 μ m。优选该芯的有效面积大于75 μ m,更优选大于80 μ m， 甚至更优选大于85 μ m,以及甚至更优选大于90 μ m。Rc1被定义为在Δ E (r)首次达到+0. 05%的半径处出现。即，在相对折射率首先达到+0. 05% (沿径向向外)处，中心芯22结束而第一环形芯区24开始，而且区24被定义为 在相对折射率Δε(γ)沿径向向外再次达到0. 05%的半径Rc2处结束。注意Δ24μιν<0. 05。 第二环形区26在Rc2处开始且在Rc3处结束。对于该组实施例，在A芯(r)已经达到Δ26ΜΑΧ 之后，Rc3被定义为在该相对折射率下降至值0.05% (沿径向向外)处出现。第一环形芯 区24的宽度W24为Rc2-Rc1，且其中点R2mid为(RC2+RCl)/2。第二环形芯区26的宽度W26为 R3c-R2c，且其中点R3mid为(R2JRc3)/2。在一些实施例中，对于第一环形芯区24的超过50% 的径向宽度，I Δ24(Γ) < 0.025%或I A24max-A24nJ <0.05%，而在其它实施例中，对于第 一环形芯区24的超过50%的径向宽度，|Δ24(γ)| <0.01%。对于从R2c到Re3的所有半 径，折射率 Δ 即 Δ26(γ)为正。优选 0.05 < Δ26ΜΑΧ<0. 25(例如 0. 27 < Δ 26ΜΑΧ < 0. 25)。 在半径Re3处，芯20结束而包层30开始。优选Re3 < 10. 5 μ m。中心芯区22具有分布体积V22 μ m2)，其在本文中定义为
RcijA22(r)rdr
ο优选中心芯区22具有小于2% μ m2、更优选不大于1. 95% μ m2的体积V22。第二环形芯区26具有分布体积V26 μ m2)，其在本文中定义为
Rc3jA26(r)rdr
Rc2在以下实施例中，第二环形芯区26的体积V26小于4. 5，更优选小于4. 4。优选第 二环形芯区26的体积在2%与5. 5% μ m2之间，更优选在2. 4%与4. 4% ym2之间。优选 V22+V26 < 6. 5% μπι2。优选OK Δ·χ< 0.9%，在其他情况下，优选0.6%彡Δ讀彡0. 8%或0. 7% 彡Acmax彡0.8%。优选中心芯区的α值为1彡α彡2，更优选1彡α彡1. 6，更优选 1 ^ α ^ 1.5,以及甚至更优选1彡α彡1. 4。在相对折射率在半径Rc3达到+0.05% (沿径向向外)之处，芯20结束且包层 30 (环形区32)开始。包层30包括(i)第一环形包层区32，其包围芯20且直接毗邻芯20， 并沿径向向外延伸至第二环形包层区34且以外半径R32为特征，该区域32设置于中点R32mid 且具有宽度W32和以％表示的相对折射率分布Δ 32 (r)，其最大相对折射率百分比为以％表 示的Δ32ΜΑΧ，最小相对折射率百分比为以％表示的Δ32ΜΙΝ ； (ii)包围区32且直接毗邻区32 的第二环形包层区34，并从R32沿径向向外延伸至半径R34 ；以及(iii)包围区34且直接毗 邻区34的第三环形区36。第二环形包层区34设置于中点R34mid且具有宽度W34，以及以％ 表示的相对折射率分布Δ34(Γ)，其最小相对折射率百分比为以％表示的Δ34ΜΙΝ，其中0> Δ34μιν。第三环形区36具有相对折射率百分比Δ36(γ)。优选第三环形区36由二氧化硅制 成。在这些实施例中，区32在半径R32处结束，在该处相对折射率Δ32(γ)沿径向向外 首次达到-0.05%。对于这组实施例，第二环形包层区34在R32处开始，在R34处结束。R34 被定义为在相对折射率Δ34(Γ)(沿径向向外)达到-0.05%的值、在Δ34(γ)已经下降到至 少-0.2%之后出现。第一环形包层区的宽度W32为R32-Rc3，且其中点R32midS (RC3+R32)/2。在 一些实施例中，第一环形包层区部分的超过90%的径向宽度具有正或零相对折射率，而且 在某些实施例中，对于从&3到民2的所有半径，δ32(γ)均为正或零。在一些实施例中，对于第一环形区 32 的超过 50%的径向宽度，I Δ 32(r) I < 0. 025%或 | Δ 32max-Δ 32min| < 0. 05%, 而在其它实施例中，对于第一环形区32的超过50%的径向宽度，I Δ32(Γ) I <0.01%。Δ34 的平均值为负，且区域34的有效相对折射率对于从R32到R34的所有半径均为负。对于大 于25 μ m的所有半径，优选Δ 层(r) =0%。包层30穿过第三环形包层区36延伸至半径 R36，其也是光纤的玻璃部分的最外围。此外，Δ32ΜΙΝ> A34min ； Δ34μιν< Δ36ΜΙΝ且优选A32max =Δ36ΜΑΧ。优选-0.9彡Δ34ΜΙΝ彡-0.1。更优选-0.6彡Δ34ΜΙΝ彡-0.2。在一组实施例中， 第二环形区34包括二氧化硅玻璃，其具有从由锗、铝、磷、钛、硼以及氟组成的组中选择的 掺杂剂。在另一组实施例中，第二环形区34包括具有多个随机散布的密封孔34Α的二氧化 硅基玻璃(纯二氧化硅或用锗、铝、磷、钛、硼以及氟掺杂的二氧化硅)，这些孔是空的(真 空)或充气的，其中这些孔可提供光的内反射，从而对沿芯传播的光提供波导。与纯二氧化 硅相比，这些孔可提供低的有效折射率。例如，在利用具有散布孔34Α的第二环形区34的 一些实施例中，Δ 34min -0.3% to-3%，优选为-0. 5% to-3%，更优选为 _1 % to-3% (例 如-0. 2%,-0. 3%,-0. 35%,-0. 4%,-0. 45%,-0. 5%,-0. 6%,-0. 7%,-0.25
5%,-1. 75%,-2%,-2. 25%,-2. 5%或-3% )。更具体地，在利用充气孔34A的光纤实施例中，第二环形区34中的相对折射率百 分比A34(T)在-28% (空隙填充气体相对于二氧化硅的折射率)与包围空隙的玻璃(在 此实施例中为二氧化硅，其相对％折射率为约0%)的折射率之间变动。第二环形包层区 34相对于纯二氧化硅玻璃的典型平均相对折射率百分比Δ34将例如小于-0.8%，且通常 在-1%与-3%之间，这取决于包围空隙的玻璃中存在的掺杂剂。即，第二环形区的折射率 变动，而且充气空隙的宽度和/或充气空隙(即孔)之间的玻璃填充的间隔Sv随机分布和 /或彼此不相等。即，空隙是非周期性的。优选空隙之间的平均距离小于5000nm，更优选小 于 2000nm，甚至更优选小于 lOOOnm，例如 750nm、500nm、400nm、300nm、200nm 或 lOOnm。优选 至少80%、更优选至少90%的空隙具有小于1500nm，更优选小于lOOOnm，甚至更优选小于 500nm的最大截面尺寸Di。甚至更优选空隙的平均直径小于1500nm，优选小于lOOOnm，更 优选小于500nm，甚至更优选小于300nm。空隙34A是封闭的(被固态材料包围)而且是非 周期性的。S卩，空隙34A可具有相同大小，或大小不同。空隙之间的距离可以是均一的(即 相同)或可不同。优选第二环形区34包含至少50个孔34A。优选第二环形区34的截面包 含至少50个空隙，优选至少100个空隙，甚至更优选超过200个空隙。优选R32 > 12 μ m，更优选> 13. 0 μ m，甚至更优选> 15. Ομπι，以及甚至更优选 彡18. 0 μ m，且在一些实施例中13. Ομπι彡R32彡22 μ m。例如，R32可以是14 μ m、15 μ m、 16 μ m> 16. 5 μ m> 17 μ m> 17. 5 μ m> 18 μ m> 18. 5 μ m> 19 μ m> 19. 5 μ m>20 μ m>20. 5 μ m 或 21 μ m。更优选16. Ομπι彡R32彡21μπι，且最优选18. Ομπι彡R32彡20。在一些实施例中， W34 > 1. O μ m，而在其它实施例中，1. 0 μ m < W34 < 10 μ m,在一些实施例中小于8. 0 μ m，而 在其它实施例中 2. 0 μ m < W34 < 6. 0 μ m。优选 3. 0 μ m < W34 < 6. 0 μ m。优选R36 >40 μ m。在一些实施例中，R36 > 50 μ m。在其它实施例中，R36 > 60 μ m。 在一些实施例中，60μ < R36 < 70μπι。在一些实施例中，芯22的中心部分可包括具有所谓的中心线下降的相对折射率 分布，该中心线下降会因为一种或多种光纤制造技术而出现。例如，该中心部分的相对折射 率分布可在小于Iym的半径处具有局部最小值，其中相对折射率的更高值(包括芯部分的
10最大相对折射率)在大于r = 0 μ m的半径处出现。优选本文中公开的光纤提供在1550nm下的模场直径为9. 8 μ m到11. 6 μ m，更 优选为10. Ομ 到11. Ομ ；零色散波长在1460nm与1520nm之间(例如1470nm、1480nm、 1490nm、1500nm、1510nm)；以及光缆截止波长小于1500nm，更优选小于1450nm，甚至更优选 小于1350nm，甚至更优选小于1260nm。因为该光缆截止波长不超过(而且在某些实施例中 约等于)2m光纤截止波长，所以小于1450nm的2m光纤截止波长导致小于1450nm的光缆截 止波长。根据光纤的实施例，1550nm下的光纤色散优选为3-6pS/nm/km，更优选为4_5ps/ nm/km，这对应于1550nm下的有效面积(1550nm下)范围为约75 μ m2到约120 μ m2或更大 的光纤。优选该光纤的有效面积为至少75 μ m2，且更优选为至少80 μ m2，以及更优选为至少 85 μ m2，甚至更优选为至少90 μ m2，或至少100 μ m2。1550nm下的有效面积的典型范围为约 80 μ m2到约100 μ m2或到约110 μ m2。κ是色散与色散斜率之间的比率，优选κ在1550nm 下在45nm与85nm之间。例如，κ值可以是46、48、50、52、65、70或76nm。然而，实际设计 选择还取决于弯曲损耗要求。在一些实施例中，示例性光纤在1550nm下呈现9μπι到12 μ m 的模场直径(例如9. 5、10、10. 5或11 μ m) ； 1480与15IOnm之间的零色散波长；以及优选小 于1500nm的光缆截止波长。表1-2列出了第一组实施例的六个说明性示例的特性以及可从美国纽约州康宁 市的康宁公司买到的LEAF 光纤的特性。这些示例的折射率分布与图1相似，且具有以下 表1中所描述的值。如表1所示，为获得期望光学性能，改变了这些参数中的若干个参数。 更具体地，这些参数用于获得与LEAF 光纤相似的光纤色散值和色散斜率。例如，表1中 描述的示例性光纤的色散在1550nm波长下在4. 35ps/nm/km与4. 79ps/nm/km之间。表 1 光纤示例1、2、3、4以及6具有约91 μ m2的高有效面积。表1中的所有光纤的零 色散波长均处于约1500nm下的零色散波长。虽然不希望受理论束缚，但申请人认为由于有 效面积大于LEAF 光纤，光纤1、2、3、4以及6在1550nm下的色散斜率比LEAF 光纤高约 O.Olps/km/nm2。此外，由于利用了第二环形包层区34，光纤1、2、3、4以及6的弯曲引入损 耗被最小化(相对于LEAF 光纤)。诸如色散和光缆截止之类的其他光学性质与LEAF 光纤的那些性质相似。若干特定设计因素被认为与包层区34的光学效应有关。一种此类因素与光纤的 截止波长相关。LEAF 光纤具有高达1.82 μ m的高理论截止。但是，因为较高阶模式对 在实际铺设环境中引入的弯曲的敏感性，或LEAF 光纤的实际截止或光缆截止波长低于 1500nm。因此，可优选选择光纤参数以实现新设计光纤的弯曲损耗，以使(i)这些光纤中 的较高阶模式在实际铺设条件下可具有足够高的损耗(在1500nm下高于0.85dB/m)以降 低光缆截止，同时(ii)基模弯曲损耗仍处于可接受的水平，即在15mm半径下小于5dB/m。当 光纤缠绕在15mm半径的芯棒周围时，在1550歷下，优选基模弯曲损耗在15mm下小于2dB/ m，更优选在15mm半径下小于ldB/m，甚至更优选小于0. 5dB/m。可通过调节以下参数来实 现所需弯曲损耗⑴包层区34的位置，(ii) A34min ；和/或(iii)包层区34的宽度W34。一 般而言，使Δ34ΜΙΝ负得更少，和/或使W34更小能增大光纤的弯曲损耗。包层区34的位置的作用更复杂。当将包层区34放置得离芯中心更近时，例如R32约低于13 μ m时，弯曲损耗变 高。优选R32 > 15 μ m，更优选> 16 μ m。当R32为18 μ m或更大时，弯曲损耗具有如表1和 表2的光纤实施例所示的非常低的值，但随着芯中心半径Ra的增大而增大。优选利用实验 数据的帮助进一步最优化包层区34的参数以实现所需弯曲性能，以符合光缆截止和总体 弯曲损耗性能的要求。两个其他因素与光纤的光学性质和光学制造的一致性相关。一般而言，包层区34 具有增大光纤色散和色散斜率的消极效果。将包层区34远离光纤中心放置具有将包层区 34对色散、色散斜率以及有效面积的影响降至微小水平的好处。将包层区34远离纤芯放置 的附加好处是提高光纤上的光学性质一致性。取决于具体制造工艺，包层区34的参数可能 沿光纤略有不同，从而导致光学性质的变化。当包层区34被放置得离纤芯足够远时，包层 区34变化对光纤色散、色散斜率以及有效面积的影响也被减小。在光纤1、2、3、4以及6中的每个示例中，我们集中于略不同的设计方面。例如，示 例性光纤2相对于示例性光纤1在区22a (中心线高度)中具有略低的Δ，从而示例性光纤 2可能更容易制造。我们精细地调谐示例2的光纤分布以达到示例3光纤的参数，以将该 光纤的理论截止波长(即在不考虑区34影响情况下计算出的纤芯截止波长(参见表2中 的LPll))从1810nm降至1580nm。根据示例3的参数制造的光纤将具有低于1500nm的光 缆截止波长。示例6的光纤具有1380nm的理论截止波长(参见表2中的LP02)，以使根据 示例6制造的光纤的光缆截止波长将小于1300nm，从而使该设计既适用于1310nm又适用于 1550nm窗口。我们修改了示例3的光纤参数以达到示例4光纤，示例4光纤在1550nm下的 光纤色散比示例3光纤的光纤色散低。示例5光纤具有与LEAF 光纤相当的弯曲损耗，但具有105. 3 μ m2的更大有效面 积。其他光纤性质与LEAF 光纤的性质相似，除了 0. 104ps/nm2/km的略高的色散斜率。本文中公开的光纤呈现出优良的抗弯性，包括宏弯曲和微弯曲。为预测光纤 的宏弯曲性能，我们使用有限元方法来对光波导的弯曲特性建模。该方案基于全矢量 麦克斯韦方程组。光纤的弯曲被认为是M. Heiblum和J. H. Harris所著的参考文献“通 过保角变换分析弯曲光波导(Analysis of curvedoptical waveguides by conformal transformation)，，(IEEE J. QuantumElectronics (IEEE 量子电子学期刊)，QE-11, (2)， 75-83(1975))中所描述的保角变换所描述的几何形变。以具有等效折射率分布的直光纤代 替弯曲光纤，% O，y) = Φ’ y) exP(f)(^)其中P = X或y，这取决于弯曲方向，而R代表有效弯曲半径。在该建模中，弯曲 方向始终被选择成沿X方向。当光纤弯曲时，折射率倾斜。某些区中的包层折射率可高于 芯中的折射率。这导致芯模式的泄漏模式损耗。可通过光纤外的完美匹配层(PML)仿真由 垂直于光纤外表面的界面的方向的无限大空间引起的光波损耗，该完美匹配层(PML)已经 在Jianming Jin所著的参考文献“电磁学中的有限元方法(The finite element method inelectromagnetics) "(Wiley Inerscience，(2002))中得到描述。在我们的建模中，我们 已经在柱坐标系中实现了 PML。我们获得各个模式的复合有效折射率。然后将各个模式的有效折射率转换成有效传播常数β，β与有效折射率成简单关系，
传播常数的 虚部与泄漏模式损耗有关，如以下方程所定义， 20 泄漏模式损耗A以dB/m为单位。在表2中，针对1550nm下15mm弯曲半径计算示 例性光纤的弯曲损耗。建模结果以绝对值和标准化形式给出。标准化的弯曲损耗是特定光 纤的弯曲损耗与LEAF 的弯曲损耗之比。示例性光纤1-6的建模结果显示出围绕15mm半 径的芯棒缠绕的光纤在1550nm下测得的弯曲损耗小于7dB/匝。在许多实施例中，该弯曲损 耗小于5dB/m。在一些实施例中，当在15mm直径芯棒上在1550nm下测量时，该弯曲损耗小于
3.5dB/m，在一些实施例中小于ldB/m，且在一些实施例中小于0. 5dB/m。在一些实施例中， 如实施例1-4和6-8所呈现地，所预测的弯曲损耗在0. 05dB/m与0. 6dB/m之间。我们还将 建模结果与对诸如LEAF之类的光纤的现有测量结果进行了比较，以洞察我们能如何使用 弯曲建模来判断光纤相比于由康宁有限公司制造的标准LEAF 光纤的相对弯曲性能。注 意，可购得的LEAF 光纤的弯曲损耗良好地得到表征，其在15mm的弯曲直径和1550nm波 长下计算出的引入损耗约为0. 485dB/m。示例性LEAF 光纤的相对弯曲损耗因此用于测量 示例性光纤的弯曲性能。示例性光纤2-6在1550nm下以及15mm半径弯曲下的标准化弯曲 损耗为0. 11与1. 22之间。还可通过改变第二包层区34的位置来进一步最优化弯曲性能。示例性光纤的LPll理论截止波长高。但通常，对于LEAF 光纤，不论理论截止多 高，光缆截止可以低得多，例如低于1500nm。在没有包层区34的情况下，具有较大有效面积 的示例性光纤的弯曲损耗将是LEAF 光纤的弯曲损耗的约50倍。包层区34将表1的大 有效面积光纤的弯曲性能提高至与LEAF 光纤的弯曲性能相似或更佳的水平。更好的弯 曲性质可产生较高的光缆截止，因为较高阶模式的弯曲损耗具有降低光缆截止的作用。因 此，如果需要与LEAF 光纤相似的截止性能，则新设计的光纤的最优弯曲损耗应当与现有 的LEAF 光纤的弯曲损耗相似或相当。如不具有包层34的示例1-5所示，它们的LPll理 论截止波长与LEAF 光纤的理论截止波长相似。因此，在这些示例性光纤在1550nm下的 弯曲损耗相似的情况下，我们预期这些光纤也将具有相似的截止行为。图1A、1B中所示的光纤10的纤芯20具有阶梯形状或圆角阶梯形状或α形状(其 中α取有限值)的折射率分布。然而，芯20可具有其它Ci1值，或芯可具有除α分布之 外的分布形状，诸如多层芯，这将是下文中给出的附加实施例。第二组实施例表3-4列出了第二组实施例的五个说明性示例的特性。这些示例的折射率分布 与图IA相似，且具有以下表3中所描述的值。如表3所示，为获得期望光学性能，我们改 变了这些参数中的若干个参数。更具体地，这些参数用于获得与LEAF 光纤相似的光纤色 散值和色散斜率。例如，表4中给出的示例性光纤7、8以及11的色散在1550nm波长下在
4.69ps/nm/km与5. 17ps/nm/km之间。示例9和10的色散值略高，但1550nm下的κ值仍 小于80nm，且零色散波长大于1470nm。表 3
表4 在光纤示例7、8、9以及10中，示出了具有80 μ m2或更高的高有效面积的若干光 纤。虽然不希望受理论束缚，但申请人认为由于有效面积大于LEAF 光纤，光纤7、8、9以 及10在1550nm下的色散斜率比LEAF 光纤高约0. Olps/km/nm2。示例11的有效面积小 于LEAF 光纤的有效面积，但光缆截止波长小于1260nm，这使该光纤能用于1300nm窗口。 色散斜率也被降低，这通过增大κ值使1550nm窗口(c波段)中的色散补偿更容易。此 外，由于利用了第二环形包层区34，光纤7-11的弯曲引入损耗被最小化(相对于LEAF 光 纤)。图3和4示出了LEAF 光纤以及示例7、9、10以及11的光纤的折射率分布。优选本文中公开的光纤具有低含水量，而且优选是低水峰光纤，即具有在特定波 长区域尤其是E波段中呈现出相对低或无水峰的衰减曲线。可在美国专利No. 6477305、美国专利No. 6904772以及PCT申请公开 No. WOO1/47822中找到制造低水峰光纤的方法。可在光信号传输系统中采用本文中公开的所有光纤，该系统优选包括发射器、接 收器以及光传输线。光传输线光学地耦合至发射器和接收器。光传输线优选包括至少一个 光纤跨度，其优选包括本文中公开的光纤的至少一部分。光传输线允许光信号在发射器与 接收器之间传输。优选系统还包括光学地耦合至光纤部分的至少一个放大器，诸如拉曼放 大器。该系统还优选包括多路复用器，用于将能携带光信号的多个信道互连到光传输线上， 其中至少一个、更优选至少三个以及最优选至少十个光信号在约1260nm与1625nm之间的 波长下传播。优选至少一个信号在以下波长区的一个或多个中传播1310nm波段、E波段、 S波段、C波段以及L波段。在某些优选实施例中，系统能够在粗波分复用模式下工作，其中一个或多个信号 在以下波长区中的至少一个、更优选至少两个中传播1310nm波段、E波段、S波段、C波段 以及L波段。在一个优选实施例中，系统在1530nm与1565nm之间的一个或多个波长下工 作。在一个实施例中，使用该光纤的该传输系统工作于在(i)时分复用(TDM)或(ii)波分复用传输的情况下以至少40吉比特/秒工作。因此，根据某些实施例，该光传输系统包 括发射器、接收器以及放置在它们之间的根据本发明的光纤，该光纤具有至少40吉比特/ 秒的数据传输速率。 应当理解的是，上述描述仅仅是本发明的示例，而且旨在提供用于理解由所附权 利要求限定的本发明的本质和特征的概览。所包括的附图用于提供对本发明的进一步理 解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出本发明的多个特征和实施例，并与它 们的描述一起用于说明本发明的原理和操作。对本领域的技术人员显而易见的是，可对此 处描述的本发明的优选实施方式作各种修改而不偏离由权利要求书限定的本发明的精神 或范围。
权利要求
一种光纤，包括(i)从中心线延伸的玻璃芯(20)，其包括芯区(22)，其具有小于2的α值且包括最大相对折射率百分比ΔCMAX，所述中心芯区(22)具有体积V22；包围所述中心芯区(22)的第一环形芯区(24)；以及包围所述第一环形芯区(24)且具有体积V26的第二环形芯区(26)，其中所述第二环形芯区(26)具有(a)比所述第一环形芯区(24)的最大相对折射率百分比Δ24MAX高的最大相对折射率百分比Δ26MAX，以及(b)体积V26＜4.5％μm2且V22+V26＜6.5％μm2；(ii)玻璃包层(30)，其包围所述芯并与所述芯接触，所述包层包括第一环形包层区(32)，其从半径R32延伸至半径R34，其中R34≥13μm，且包括相对折射率百分比Δ32(r)％、最大相对折射率百分比Δ32MAX以及最小相对折射率百分比Δ32MIN；第二环形包层区(34)，其从半径R34延伸至半径R36，且包括相对折射率百分比Δ34(r)％和最小相对折射率百分比Δ34MIN；第三环形包层区(36)，其包围所述第二环形区(34)，并从半径R34延伸至最外玻璃半径R36；其中ΔCMAX＞Δ26MAX＞Δ32MAX、Δ32MIN＞Δ34MIN以及Δ34MIN＜ 0.1；以及所述芯和所述包层提供当在15mm半径的芯棒周围缠绕时具有小于1500nm的光缆截止、1550nm下3≤D≤8ps/nm/km的色散D、1550nm下大于80μm2的有效面积、以及1550nm下小于5dB/m的弯曲损耗的光纤。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，在1550nm下所述色散D小于6pS/nm/km，且 在1550nm下所述有效面积大于85 μ m2。
3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，在1550nm下所述有效面积大于90μ m2。
4.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述α值小于1.5。
5.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述半径R34大于16μ m。
6.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述半径R34至少为20μ m。
7.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述半径R34至少为18μ m,且在1550nm下 所述有效面积大于90 μ m2。
8.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，Δ26ΜΑΧ小于0.15%。
9.如权利要求8所述的光纤，其特征在于，所述第二环形芯区具有宽度W26，且 2. 5 μ m < W26 < 4 μ m。
10.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，当所述光纤缠绕在具有15mm半径的芯棒周 围时，所述光纤具有小于0. 12ps/nm2/km的色散斜率和在1550nm下小于80nm的κ，以及在 1550nm下小于ldB/m的弯曲损耗。
11.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，当所述光纤缠绕在具有15mm半径的芯棒周 围时，所述光纤具有小于0. 12ps/nm2/km的色散斜率和在1550nm下小于80nm的κ，以及在 1550nm下小于0. 5dB/m的弯曲损耗。
12.如权利要求10所述的光纤，其特征在于，所述半径R34至少为18μ m。
13.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述中心芯区具有外半径Rc1且 μ m ^ Rc1 ^ 4 μ m ；以及其中所述第一环形芯区具有宽度W24且1 μ m彡W24彡3 μ m，且所述第二环形芯区具有宽度W26且2 μ m彡W26彡4 μ m。
14.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第二环形区包括其中设置有多个随机 散布的密封孔的二氧化硅基玻璃。
15.如权利要求14所述的光纤，其特征在于，所述第二环形包层区包括其中设置有至 少50个随机散布的密封孔的二氧化硅基玻璃，而且(i)所述空气孔之间的平均距离小于 5000nm,以及(ii)所述孔的至少80%具有小于1500nm的最大截面尺寸Di。
16.一种光纤，包括(i)玻璃芯(20)，其从中心线延伸且包括具有小于2的α值的中心芯区(22)，所述 中心芯区(22)具有体积V22 <2% μ m2以及外半径1^且2. 5μπι彡RCl<4ym;第一环形 芯区(24)，其包围所述中心芯区(22)；以及第二环形芯区(26)，其包围所述第一环形芯区 (24)，其中所述第二环形芯区(26)的最大相对折射率百分比Δm-高于所述第一环形芯区 (24)的最大相对折射率百分比八24_，所述第二环形芯区具有宽度126<4.24!11;以及 ( )玻璃包层(30)，其包围所述芯并与所述芯接触，所述包层包括 第一环形包层区(32)，其从半径R32延伸至半径R34，其中R34彡15 μ m ； 第二环形包层区(34)，其从半径R34延伸至半径R36，且具有最小相对折射率百分比 A34min，所述第二环形包层区包括其中设置有至少50个随机散布的密封孔的二氧化硅基 玻璃，且⑴这些孔之间的平均距离小于5000nm，以及(ii)这些孔的至少80%具有小于 1500nm的最大截面尺寸Di ；以及第三环形包层区(36)，其包围所述第二环形区(34)，并从半径R34延伸至最外玻璃半径R36 ；其中所述芯(20)包括最大相对折射率百分比Acmx ；其中所述第一环形包层区(32)包 括相对折射率百分比Δ32(Γ)%、最大相对折射率百分比A32max以及最小相对折射率百分比 Δ ·”32ΜΙΝ ‘其中 A CMAX > A 26ΜΑΧ > Δ 32ΜΑΧ、Δ 32ΜΙΝ > Δ 34ΜΙΝ 以及 Δ 34ΜΙΝ < _0· 1 ；以及其中所述芯和所述包层提供当在具有15mm半径的芯棒周围缠绕时具有小于1500nm的 光缆截止、1550nm下3彡D彡8ps/nm/km的色散D、1550nm下大于80 μ m2的有效面积、小于 0. 12ps/nm2/km的色散斜率、1550nm下小于80nm的κ、以及小于5dB/m的弯曲损耗的光纤。
17.如权利要求14所述的光纤，其特征在于，在1550nm下所述有效面积大于85μ m2。
18.如权利要求14所述的光纤，其特征在于，所述α值小于1.5。
19.如权利要求14所述的光纤，其特征在于，所述半径R34至少为18μ m。
20.一种光纤，包括(i)从中心线延伸的玻璃芯(20)，其包括芯区(22)，其具有小于2的α值且包括最 大相对折射率百分比Aqm,所述中心芯区(22)具有体积V22 ；包围所述中心芯区(22)的第 一环形芯区(24)；以及包围所述第一环形芯区(24)的第二环形芯区(26)，其中所述第二环 形芯区(26)具有比所述第一环形芯区(24)的最大相对折射率百分比Δ24ΜΑΧ高的最大相对 折射率百分比Δ26ΜΑΧ,以及体积V26且V22+V26 <6.5% μ m2 ；(ii)玻璃包层(30)，其包围所述芯并与所述芯接触，所述包层包括第一环形包层区(32)，其从半径R32延伸至半径R34，其中R34彡13 μ m，且包括相对折射 率百分比Δ32(Γ)%、最大相对折射率百分比Δ 32ΜΑΧ以及最小相对折射率百分比Δ32ΜΙΝ;第二环形包层区(34)，其从半径R34延伸至半径R36，且包括相对折射率百分比 Δ 34 ω %和最小相对折射率百分比Δ34μιν ；第三环形包层区(36)，其包围所述第二环形区(34)，并从半径R34延伸至最外玻璃半径R36 ；其中 A CMAX > A 26MAX > Δ 32ΜΑΧ、Δ 32ΜΙΝ > Δ 34ΜΙΝ 以及 Δ 34ΜΙΝ < _0· 1 ；以及所述芯和所述包层提供当在具有15mm半径的芯棒周围缠绕时具有小于1500nm的光缆 截止、1550nm下3彡D彡8ps/nm/km的色散D、1550nm下大于80 μ m2的有效面积、以及小于 ldB/m的弯曲损耗的光纤。
全文摘要
一种光纤，包括(i)玻璃芯(20)，其从中心线延伸，且包括具有小于2的α值的中心芯区(22)、包围中心芯区(22)的第一环形芯区(24)、包围第一环形芯区(24)的第二环形芯区(26)，其中该第二环形芯区(26)的最大相对折射率百分比Δ26MAX高于第一环形芯区(24)的最大相对折射率百分比Δ24MAX；以及(ii)玻璃包层(30)，其包围芯(20)且与芯(20)接触，该包层包括(a)从半径R32延伸至半径R34的第一环形包层区(32)、(b)从半径R34延伸至半径R36的第二环形包层区(34)、(c)包围该第二环形区(34)且从半径R34延伸至最外玻璃半径R36的第三环形包层区(36)；其中该芯(20)包括最大相对折射率百分比ΔCMAX；其中所述第一环形包层区(32)包括相对折射率百分比Δ32(r)％，该第二环形包层区(34)包括最小相对折射率百分比Δ34MIN，其中ΔCMAX＞Δ32MAX＞Δ34MIN以及Δ34MIN＜-0.1；以及其中该芯和该包层提供具有小于1500nm的光缆截止、在1550nm下3到6ps/nm/km的色散以及在1550nm下大于75μm2的有效面积的光纤。第二环形包层区可包含多个随机散布的孔。
文档编号G02B6/036GK101910896SQ200880124634
公开日2010年12月8日 申请日期2008年11月17日 优先权日2007年11月28日
发明者M·李, S·K·米什拉, S·R·比克汉姆, X·陈 申请人:康宁股份有限公司