光纤的制作方法

本公开涉及用于需要高的系统光学信噪比性能和低的由非线性损伤引起的退化的应用的光纤。

背景技术：

光纤通常包括芯区域和包层区域，并且还可以包括在包层区域上的一个或多个涂层。光纤可以捆绑在管道内以形成电缆。可能需要高信号功率来满足针对长途光缆传输系统(例如海底光缆传输系统)中的高级调制方案的光信噪比(osnr)要求。然而，高信号功率可能导致非线性传播损伤。提供具有高有效面积(aeff)的光纤是帮助最小化非线性传播损伤的一种方式。然而，与微弯曲相关的信号衰减的可能性通常随着有效面积的增加而增加。

在光缆中通常需要高包装密度。包装密度是纤维(包括涂层)的总横截面积与容纳纤维的管内部的横截面积之比。由于管内容纳的纤维之间的机械相互作用和相关效应，与微弯曲相关的过度信号衰减的可能性通常随着包装密度的增加而增加。因此，最小化总涂覆的纤维直径可有助于在电缆内纤维数量增加时保持低包装密度。由于包括可能需要相对大的有效面积并且纤维的玻璃(芯和包层)部分的直径相对标准化的原因，通常不希望减小这些直径。因此，已经开发出具有相对大的有效面积但具有减小的涂层厚度的纤维。然而，这种涂层厚度减小的纤维可能遭受不可接受的与微弯曲相关的信号衰减。

可以仔细地选择涂层性质以帮助减轻微弯曲的不良影响。用具有低弹性模量(也称为杨氏模量)的厚材料层来涂覆纤维可以提供具有低横向刚性的“缓冲”层，其可以减少对纤维轴线的机械扰动，这些机械扰动产生微弯曲损耗。然而，在与光纤和光缆制造相关的正常处理期间，这种低模量涂层材料可能容易被损坏。因此，包括与外部或“次”涂层配对的内部或“主”涂层的复合的双层涂层系统可有助于最小化微弯曲敏感度，同时在与光纤和电缆制造相关的正常处理过程中提高抗损坏性，其中该内部或“主”涂层包括具有低横向刚性的低模量材料，而外部或“次”涂层具有高抗弯刚度的高模量材料。

技术实现要素：

本发明的实施例涉及一种光纤，其具有芯区域、包层区域、主涂层和次涂层。芯区域、包层区域、主涂层和次涂层一同限定具有微弯曲敏感度的总纤维结构。次涂层的弹性模量高于主涂层的弹性模量。将次弹性模量和主弹性模量之间的比与微弯曲敏感度相关(绘制在相应的x轴和y轴上)的曲线具有由正斜率区域和负斜率区域限定的基本上山峰形状。纤维的次涂层的弹性模量与纤维的主涂层的弹性模量之比在正斜率区域内。

在研究了下面的附图和详细描述之后，其他的系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员将是或将变得显而易见。所有这些附加的系统、方法、特征和优点都应包括在本说明书中，在说明书的范围内，并受所附权利要求的保护。

附图说明

参考以下附图可以更好地理解本发明。附图中的组件不一定按比例绘制，而是将重点放在清楚地说明本发明的原理上。

图1是大量纤维的微弯曲敏感度相对于有效面积的图。

图2是纤维的横截面图。

图3是示例性纤维的主涂层的弹性模量与次涂层的弹性模量之比与微弯曲敏感度的关系的概念图。

图4是关于代表主涂层厚度不同的纤维的多个纤维设计曲线的次涂层弹性模量与微弯曲敏感度的图。

图5是多个示例性纤维的主涂层弹性模量与次涂层弹性模量之比与微弯曲敏感度的关系的图。

图6类似于图3，但展示了通过过渡区域连接到负斜率区域的正斜率区域。

具体实施方式

图1示出了petermann(彼得曼)微弯曲敏感度相对于具有不同折射率轮廓的大量纤维的有效面积的图100。对于具有范围从约100μm²至约160μm²的有效面积的纤维绘制了约64000种不同纤维的解(由“+”符号表示)。有效面积(aeff)是电场中能量分布的面积的定量测量。使用基于k.petermann的1976年的出版物(k.petermann.“theoryofmicrobendinglossinmonomodefibreswitharbitraryrefractiveindexprofile”，archivfürelektronikundvol.30，no.9(1976)，pp.337-342)的微弯曲损耗模型计算每根纤维的微弯曲敏感度。定义用于模拟微弯曲敏感度和aeff的这些值的折射率轮廓形状的参数(例如，芯半径、芯delta(芯相对折射率差)、沟槽厚度等)包括一系列值，这些值通常被本领域普通技术人员认为对于使用标准实践的光纤制造是实用的，并且如本领域普通技术人员所理解的，这些值产生在所需值的范围内的其它关键属性(例如截止波长、宏弯曲敏感度等)的值。

图1描绘了已知的微弯曲前沿(mbf)曲线102，其表示一系列光纤设计中的针对光纤设计的最小微弯曲敏感度和aeff。也就是说，对于任何给定的aeff值，图100表明存在微弯曲敏感度的可能的最小值。沿着微弯曲前沿102定位并且还满足为其他关键参数设定的要求的光纤将代表优化的设计解。因此，位于微弯曲前沿102上的光纤代表了在实现大aeff和低微弯曲敏感度之间可能的最佳折衷。

如图2所示，示例性光纤200可包括具有芯直径204的芯区域202、具有包层直径208的包层区域206、具有主涂层厚度212的主涂层210和具有次涂层厚度216的次涂层214。未涂覆的纤维直径(即包层区域206的直径)可以是约125μm。因此，光纤200具有主涂层直径218和次涂层直径220。次涂层直径等于由芯区域202、包层区域206、主涂层210和次涂层214组成的总纤维结构的外径。次涂层直径可为约250μm。注意，本文对直径的所有引用都是外径。光纤200的aeff可以在约110和170μm²之间。

本领域技术人员已经建模了petermann微弯曲敏感度、主涂层210的弹性模量(这里可以简称为主模量)和次涂层214的弹性模量(这里可以简称为次模量)之间的关系。这项工作起源于由gloge开发的模型，该模型涉及纤维的微弯曲敏感度、横向刚性和抗弯刚度。(参见d.gloge，“opticalfiberpackaginganditsinfluenceonfiberstraightnessandloss”bellsystemtechnicaljournal，vol.54，no.2，1975年2月，第245-262页。)grasso等人提出了gloge和petermann模型的一种形式，其中微弯曲敏感度δα以以下形式表示：

δα～横向压力xc(公式1)

其中c大约是：

d/h²*p(ωf)/(ωf⁶xw²)(公式2)

其中p(ωf)是以弧度频率ωf评估的光纤被按压的表面粗糙度的功率谱ωf＝1/(kxn1xw²)；k是自由空间波数；n1是芯折射率；w是模场半径；d是横向刚性；h是纤维的抗弯刚度。弧度频率ωf是表面粗糙度功率谱通过基模和高阶有损模之间的耦合导致损耗的频率。(参见g.grasso等人，“microbendinglosssesofcabledsinglemodefibers”，proc.iooc-ecoc'88，1988，pp.526-532)。grasso等人的模型涉及具有单一涂层的纤维，即没有次涂层。cocchini开发了针对双涂层纤维(即，具有主涂层和次涂层)的横向刚性(d)和抗弯刚度(h)的表达式：

d＝e1+(e2-e1)(e1/e2)^2/3(2(r2-r1)/(r2-r0))^3/2(公式3)

和

h＝πr0⁴e0+π(r2⁴-r1⁴)e²(公式4)

其中e1是主涂层的模量，e2是次涂层的模量，r1是主涂层的半径，r2是次涂层的半径，并且r0是无涂层的纤维的半径(即，芯加上包层)。如果涂层尺寸在(r2-r1)/(r2-r0)≤0.5的范围内，则公式3成立。(参见f.cocchini，“thelateralrigidityofdouble-coatedopticalfibers”，j.lightwavetechnology，ieee，vol.13，no.8，1995年8月，第1706-1710页，公式19。)

上述模型已经使本领域技术人员寻求设计具有比现有纤维更高的aeff的纤维，以增加次涂层模量并降低主涂层模量，从而帮助减轻由于增加的aeff而导致的微弯曲的不良影响。图3是将微弯曲敏感度与次(s)模量和主(p)模量的比相关联的概念图300。图3并非旨在准确地反映经验数据或模型，而是仅用于概括地说明本领域中的传统观点，即为了满足增加aeff，微弯曲敏感度的变化与次/主模量比的变化之间存在反比关系。也就是说，将与图1中绘制的光纤设计在特性上相似的光纤设计的微弯曲敏感度与次/主模量比(在相应的y和x轴上)相关的曲线302将具有通常负斜率，其中设计在它们接近微弯曲前沿102时aeff增加(图1)。换句话说，增加aeff的期望(由箭头304表示)已经向本领域技术人员建议实际上随着aeff的增加而相应地增加次/主模量比，以帮助减轻微弯曲的不良影响。

以下模型可用于生成光纤设计。对于给定的光纤波导设计和表面粗糙度，公式2中的p(ωf)/(ωf⁶xw²)将是恒定的，因此涂层特性对微弯曲敏感度的影响可以简化为：

δα～d/h²(公式5)

这种简化的微弯曲损耗模型可用于比较涂层材料特性和尺寸对微弯曲敏感度的影响。

图4是使用公式2中所述的模型获得的十个光纤设计曲线402、404、406、408、410、412、414、416、418和420的图400。每个光纤设计曲线402-420基于相同的次涂层外径220(图2)，其可以是250μm。在图4中，x轴表示次模量，y轴表示微弯曲敏感度。每个光纤设计曲线402-420基于相同的主模量，其可以是1兆帕(mpa)。每个光纤设计曲线402-420基于相同的未涂覆光纤直径(或参考图2，包层区域206的直径208)，其可以是约125μm。然而，每个纤维设计曲线402-420基于不同的主涂层外径(pod)：纤维设计曲线402基于180μm的主涂层外径218(图2)；纤维设计曲线404基于185μm的主涂层外径218(图2)；纤维设计曲线406基于190μm的主涂层外径218(图2)；纤维设计曲线408基于主涂层外径218(图2)为195μm；纤维设计曲线410基于200μm的主涂层外径218(图2)；纤维设计曲线412基于外涂层外径218(图2)为205μm；纤维设计曲线414基于210μm的主涂层外径218(图2)；纤维设计曲线416基于215μm的主涂层外径218(图2)；纤维设计曲线418基于220μm的主涂层外径218(图2)；以及纤维设计曲线420基于225μm的主涂层外径218(图2)。

根据本发明，已经观察到在较高aeff的纤维设计中，不仅可以通过增加次/主模量比来减轻微弯曲的不良影响，而且还可以通过降低次/主模量比来减轻微弯曲的不良影响。注意，在图4中，在约1000mpa的次模量以上(因此在约1000的次/主模量比以上，因为图400中的主模量是恒定的1mpa)，许多纤维设计曲线402-420表现出随着次/主模量比的增加，微弯曲敏感度降低，并且在纤维设计曲线402-420中基于较低的主涂层直径(pod)的那些纤维设计曲线中和在较高的次/主模量比下，该效果最明显。也就是说，纤维设计曲线402-420的次模量高于约1000mpa(并且因此高于约1000的次/主模量比)的大部分表现出至少略微负的斜率。该效果与上面关于图3描述的已知效果相符。

然而，在图4中还注意到，在约1000mpa的次模量以下(并且因此在约1000的次/主模量比以下)，大多数纤维设计曲线402-420表现出随着次/主模量比降低而降低的微弯曲敏感度，并且在纤维设计曲线402-420中基于较低的主涂层直径(pod)的那些纤维设计曲线中和在较低的次/主模量比下，该效果最明显。也就是说，纤维设计曲线402-420的次模量低于约1000mpa(因此次/主模量比低于约1000)的大部分表现出至少略微正的斜率。更具体地，纤维设计曲线402-420的次模量低于约500mpa(因此次/主模量比低于约500)的部分表现出特别陡的正斜率。更特别地，相应地具有在180-200μm范围内的主涂层直径的纤维设计曲线402、404、406、408和410在约500mpa的次模量以下(并且因此在约500的次/主模量比以下)，例如在约100和500mpa的次模量之间(因此在约100-500的次/主模量比之间)，表现出陡峭的正斜率。尽管未在图4中示出，但是另一个这样的纤维设计曲线可以具有155μm的主涂层直径和比纤维设计曲线402更陡的正斜率部分。这些纤维设计曲线因此限定了155-225μm的主涂层直径的范围，优选范围为155-200μm。

从图4可以看出，在低的次模量下，微弯曲敏感度可以比在高的次模量下更低。现有技术的次涂层通常具有高的次模量(例如，大于500mpa)，并且现有技术中的传统观点或动机已经使本领域技术人员开发出具有尽可能高的次模量的纤维。然而，根据本发明并且与现有技术中的传统观点或动机相反，已经发现降低次模量可以改善微弯曲敏感度的降低。这是因为虽然低的次模量降低了弯曲刚度h，这提高了微弯曲敏感度(因为它在公式2的分母中)，但是横向刚性d以更快的速率减小，并且微弯曲敏感度降低。这表明在一些较高aeff的纤维设计中，通过与增加aeff关联地降低次/主模量比，可以减轻微弯曲的不良影响。在图4中，约1000的次/主模量比表示正斜率区域和负斜率区域之间的峰值或过渡。

图5是所选择的纤维设计的图500，该纤维设计不仅具有不同的次/主模量比，而且具有不同的涂层固化技术，包括通常本领域普通技术人员认为对于使用标准实践的纤维制造而言实用的范围。在图5中，x轴表示次/主模量比，y轴表示微弯曲敏感度。这种类型的图的优点是可以从相同的拉伸试验中收集数据，即，使用相同的玻璃预制件，而不必更换涂层材料。绘制的点504、505、506和507是通过使用相同涂层材料并使用不同的固化条件获得的，其中总uv剂量随着次/主模量比降低而降低，其效果是降低次模量和略微增加主模量。绘制点508和509是通过使用不同的涂层材料获得的。图500的“山峰”形状比上述图400的山峰形状更明显。在图500中，随着次/主模量比降低到约1000以下，可以观察到微弯曲敏感度的急剧下降。即，在约1000的次/主模量比以下，图500具有正斜率。类似地，随着次/主模量比增加到约1750以上，可以观察到微弯曲敏感度的急剧下降。即，在约1750的次/主模量比以上，图500具有负斜率。在正斜率和负斜率的这些区域之间是峰区域502。这里使用的术语“峰区域”是指正斜率的主区域和负斜率的主区域之间的相对小的过渡区域。如图5所示的示例，峰区域可以具有不同斜率的局部子区域。以连接正斜率区域和负斜率区域的峰区域为特征的任何曲线都具有“山峰形状”。

图6以概念或概括的形式示出了曲线600，其将一系列纤维的微弯曲敏感度与它们的次/主模量比相关联。注意，曲线600具有由正斜率区域602和负斜率区域604限定的基本上上峰形状。因此，这一系列纤维包括具有在正斜率区域602内的次/主模量比的那些纤维。正斜率区域602和负斜率区域604之间的过渡区域606(以虚线表示)可以具有任何形状，包括例如具有变化斜率的局部子区域。由图4-图6表示的这一系列纤维的特征可以部分地在于在约110与170μm²之间的有效面积。由图4-图6表示的这一系列纤维的特征可以部分地在于小于约1000的次/主模量比。例如，纤维可具有约1mpa的主模量和在100mpa与500mpa之间的次模量。

由图4-图6表示的这一系列纤维的特征也可以部分地在于在约190与260μm之间的外径220(图2)。

上面已经描述了本发明的一个或多个说明性或示例性实施例。然而，应理解，本发明由所附权利要求限定，并且不限于所描述的具体实施方案。

相关申请的交叉引用

在此要求2017年11月16日提交的名称为“opticalfiberforapplicationsrequiringhighsystemosnrperformanceandlowdegradationfromnonlinearimpairmentsandhighcabledfiberdensity”的美国临时专利申请no.62/587,160的权益和优先权，并且其内容通过引用以其整体并入本文，就如同将其在下文中完全阐述并用于所有适用的目的。