CN101622561B - 抗弯曲多模光纤 - Google Patents

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Abstract

本文中公开了抗弯曲多模光纤。本文中公开的多模光纤包括芯区和包围且直接毗邻芯区的包层区，该包层区包括折射率下陷的环形部分，其包括下陷的相对折射率。

Description

抗弯曲多模光纤
发明背景
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年1月8日提交的美国临时专利申请No.60/879,164的优先权，且基于其内容，该申请的全部内容通过引用结合于此。
发明领域
本发明一般涉及光纤，更具体地涉及多模光纤。
技术背景
康宁股份有限公司制造和销售InfiniCor62.5μm光纤，该光纤为多模光纤，其纤芯具有2％的最大相对折射率和62.5μm芯直径；以及InfiniCor
Figure G2008800060132D00012
50μm光纤，该光纤为多模光纤，其纤芯具有1％的最大相对折射率和50μm芯直径。
发明概述
本文中公开了抗弯曲多模光纤。本文中公开的多模光纤包括折射率渐变的芯区和包围且直接毗邻该芯区的包层区，该包层区包括折射率下陷的环形部分，或“下陷包层环”或“环”，其包括相对于包层的另一部分下陷的相对折射率。优选该芯的折射率分布具有抛物线形状。下陷折射率环形部分包括含有多个孔的玻璃、或掺氟玻璃、或含有多个孔的掺氟玻璃。
在包括有孔的包层的某些实施例中，孔可非周期性地设置在折射率下陷的环形部分中。对于“非周期性设置”或“非周期性分布”，我们的意思是当对该光纤取截面(诸如垂直于纵轴的截面)时，非周期性设置的孔在光纤的一部分上随机或非周期性地分布。沿该光纤的长度的不同点处所取的类似的截面将揭示不同的截面孔图案，即多个截面将具有不同的孔图案，其中孔的分布和孔的大小不匹配。即，孔隙或孔是非周期性的，即它们在光纤结构内非周期性地设置。这些孔沿光纤的长度(即平行于纵轴)伸展(延长)，但不会延伸典型长度的传输光纤的整个长度。
在某些实施例中，该包层包括周期性设置的孔。本文中公开的多模光纤呈现出非常低的弯曲引入的衰减，特别是非常低的宏弯曲。在某些实施例中，通过芯中的低最大相对折射率提供了高带宽，而且还提供了低弯曲损耗。
例如，利用本文中公开的设计，能制造出在850nm波长下提供大于750MHz-km带宽、优选大于1.0GHz-km带宽、甚至更优选大于2.0GHz-km带宽、以及最优选大于3.0GHz-km带宽的光纤。在1550nm波长下可实现这些高带宽，同时仍保持绕10mm直径芯棒缠绕1匝的衰减增加小于0.5dB、更优选小于0.3dB、以及最优选小于0.2dB。同样，在1550nm波长下呈现这样令人印象深刻的弯曲性能的这些高带宽也能保持在850nm波长下绕10mm直径芯棒缠绕1匝的衰减增加小于1.5dB、更优选小于1.0dB、以及最优选小于0.62dB。这样的光纤还能在1550nm波长下呈现以dB表示的绕10mm直径芯棒缠绕1匝的衰减增加小于或等于两倍(1/Δ1MAX)2的乘积。
在某些实施例中，芯半径大(例如大于20μm)，芯折射率低(例如小于1.0％)，而且弯曲损耗低。优选本文中公开的多模光纤在850nm下呈现小于3dB/km的光谱衰减。我们还发现旋转该多模光纤能进一步提高具有有孔的包层的光纤的带宽。对于旋转，我们表示对光纤施加或给予旋转，其中在光纤从光纤预成型件中被拉出时，即当光纤的至少某种程度仍被加热且能够承受非弹性转动位移、而且能够在光纤完全冷却后基本保持转动位移时给予旋转。
光纤的数值孔径(NA)优选大于将信号导入光纤的光源的NA；例如，光纤的NA优选大于VCSEL源的NA。该多模光纤的带宽随Δ1MAX的平方逆向地变化。例如，Δ1MAX为0.5％的多模光纤能产生的带宽是除芯Δ1MAX为2.0％外其它方面相同的多模光纤能产生的带宽的16倍。
在某些实施例中，芯从中心线径向地向外延伸至半径R1，其中12.5≤R1≤40微米。在某些实施例中，25≤R1≤32.5微米，而且在这些实施例中的某些中，R1大于或等于约25微米且小于或等于约31.25微米。
在某些实施例中，芯具有小于或等于1.0％的最大相对折射率。在其它实施例中，芯具有小于或等于0.5％的最大相对折射率。
在某些实施例中，该光纤在800与1400nm之间的所有波长下呈现不大于1.0dB、优选不大于0.5dB、更优选不大于0.25dB、甚至更优选不大于0.1dB、还优选不大于0.05dB的绕10mm直径芯棒1匝的衰减增加。
在第一方面中，本文中公开的多模光纤包括围绕纵中心线设置的折射率渐变的玻璃芯和包围该芯的玻璃包层。该包层包括内环形部分、折射率下陷的环形部分以及外环形部分。内环形部分直接毗邻该芯，而折射率下陷的环形部分直接毗邻内环形区，而且内环形部分具有最大绝对值|Δ|小于0.05％的相对折射率分布。在某些实施例中，内环形部分具有小于0.05％的最大相对折射率分布。
在第二方面中，本文中公开的多模光纤包括围绕纵中心线设置的折射率渐变的玻璃芯和包围该芯的玻璃包层。该包层包括：包围该芯且与其接触的折射率下陷的环形部分；和包围该折射率下陷的环形部分且与其接触的外环形部分。
将在以下详细描述中阐述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点在某种程度上对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的本发明可认识到。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者给出本发明的实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质和特性的概观或框架。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。附图示出本发明的各个实施例，并与本描述一起用于说明本发明的原理和操作。
附图简述
图1示出本文中公开的多模光纤的第一方面的实施例的玻璃部分的截面的折射率分布的示意图(未按比例)，其中折射率下陷的环形部分偏离该芯而且被外环形部分包围。
图2是图1的光波导光纤的截面图的示意图(未按比例)。
图3示出本文中公开的多模光纤的第一方面的实施例的玻璃部分的截面的折射率分布的示意图(未按比例)，其中折射率下陷的环形部分偏离该芯而且折射率下陷的环形部分延伸至最外围。
图4是图3的光波导光纤的截面图的示意图(未按比例)。
图5示出本文中公开的多模光纤的第二方面的实施例的玻璃部分的截面的折射率分布的示意图(未按比例)，其中折射率下陷的环形部分直接毗邻该芯。
图6是图5的光波导光纤的截面图的示意图(未按比例)。
图7示出示例1-3在各个波长下测得的1×10mm宏弯曲衰减增加。
图8示出示例4-5在各个波长下测得的1×10mm宏弯曲衰减增加。
图9示出示例6-8在各个波长下测得的1×10mm宏弯曲衰减增加。
具体实施方式
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”被定义为Δ％＝100×(ni 2-nREF 2)/2ni 2，其中ni是区域i中的最大折射率，除非另外指明。相对折射率百分比在850nm下测得，除非另外指明。在第一方面中，基准折射率nREF是芯/包层界面处的折射率。在第二方面中，nREF是包层的外环部分的平均折射率，例如，它可通过在包层的外环部分中进行“N”次折射率测量(nC1、nC2、…、nCN)来计算，并通过以下计算平均折射率：
n C = ( 1 / N ) Σ i = 1 i = N n Ci .
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。在一区域的折射率小于基准折射率nREF的情况下，相对折射率百分比为负且被称为具有下陷区或折射率下陷，而且最小相对折射率在相对折射率负值最大的点处计算得出，除非另外指明。在一区域的折射率大于基准折射率nREF的情况下，相对折射率百分比为正，而且该区域可被认为是升高的或具有正折射率。此处的“提高掺杂剂”被认为是具有相对于纯的未掺杂SiO2提高折射率的倾向的掺杂剂。此处的“降低掺杂剂”被认为是具有相对于纯的未掺杂SiO2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。
宏弯曲性能根据FOTP-62(IEC-60793-1-47)通过围绕10mm或20mm直径的芯棒缠绕一匝(“1×10mm直径宏弯曲损耗”或“1×20mm直径宏弯曲损耗”)并利用过满注入条件测量由弯曲引起的衰减增加来确定。对于具有低宏弯曲损耗的光纤，该测量通过在芯棒上缠绕多匝来进行，以提高精确度。通过将总损耗除以缠绕芯棒的圈数，可将宏弯曲损耗归一化为1匝/m。根据FOTP-204利用过满注入来测量带宽，除非另外注明。在某些情况下，可利用受限模式注入(RML)来测量带宽。在这些情况下，仅将光信号注入测试光纤的芯中。可通过使用光斑大小小于或等于测试光纤的芯的直径的光源来实现RML。例如，1)利用限制孔径的光；2)光斑大小小于或等于测试纤芯直径的发光二极管或激光光源；或3)利用来自纤芯大小小于或等于测试纤芯大小的常规多模光纤(无下陷包层)的光。在某些情况下，通过使用受限模式注入条件，包含下陷包层的多模光纤的RML带宽(例如在850nm或1300nm下测得)会比利用过满注入测得的这些光纤的带宽更高。例如，某些光纤在利用受限模式注入时在850nm具有大于1GHz-Km的带宽，而当利用过满注入测试时它们具有小于750MHz-Km的带宽。
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(ro)(1-[|r-ro|/(rl-ro)]α)，
其中ro是Δ(r)为最大值的点，rl是Δ(r)％为零的点，以及r在ri≤r≤rf范围内，其中Δ如上定义，ri是α分布的起点，rf是α分布的终点，以及α是指数且为实数。
折射率下陷的环形部分具有由下式定义的分布体积V3：
Figure G2008800060132D00061
其中R内是折射率下陷的环形部分的内半径，而R外是折射率下陷的环形部分的外半径，如下所定义。
此处公开的多模光纤包括芯和包围且直接毗邻芯的包层。在某些实施例中，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。在某些实施例中，此处所公开的光纤的折射率分布从芯的中心线到外半径是非负的。在某些实施例中，光纤的芯中不包含降低折射率的掺杂剂。
通过降低芯折射率(Δ)可提高多模光纤的带宽，因为该带宽与Δ2成反比。例如，如果芯Δ从1％减至0.5％，则带宽将提高4倍。然而，降低芯折射率将导致光纤弯曲性能的降级。可进一步减小芯直径以改善弯曲性能，但减小芯直径增加了使光纤到连接器的损耗或联接损耗增大的风险，因为光纤对与连接器或另一光纤的失准的容差减小，即由横向失准引起的给定偏移对于较小的芯直径成为更高百分比的误差。
此处公开的多模光纤提供低弯曲损耗，而且在某些实施例中能在不将芯半径减小到增大连接损耗风险的程度的情况下提供降低的芯折射率。
在此处公开的多模光纤中，芯是折射率渐变的芯，而且优选芯的折射率具有抛物线(或基本为抛物线)形状；例如，在某些实施例中，芯的折射率分布具有α形状，其中在850nm下测出的α值约为2，优选在1.8与2.3之间；在某些实施例中，芯的折射率可具有中心线下降，其中芯的最大折射率和整个光纤的最大折射率离中心线有一小距离，但是在其它实施例中，芯的折射率没有中心线下降，芯的最大折射率和整个光纤的最大折射率位于中心线处。抛物线形状延伸至半径R1，而且优选从光纤的中心线延伸至R1。如此处所使用，“抛物线”因此包括基本为抛物线形状的折射率分布，其可能在芯中的一个或多个点处稍稍偏离2.00的α值；以及具有小变化和/或中心线下降的分布。参考附图，芯20被定义为在抛物线形状结束的半径R1处终结，与包层200的最内半径重合。
包层200的一个或多个部分可由包覆材料构成，该包覆材料例如可在沉积工艺期间被沉积，或以诸如套管型光学预成型装置中的管之类的封套的形式来提供，或沉积材料和封套的组合。包层200被至少一种涂层210包围，涂层210在某些实施例中可包括低模量主涂层和高模量二次涂层。
优选的是，此处公开的光纤具有二氧化硅基的芯和包层。在某些实施例中，该包层具有约125μm的外径，2倍Rmax。优选包层的外径沿光纤的长度具有恒定直径。在某些实施例中，光纤的折射率具有径向对称性。优选芯的外径沿光纤的长度具有恒定直径。在某些实施例中，一个或多个涂层包围包层且与其接触。该涂层可以是诸如丙烯酸酯基聚合物之类的聚合物涂层。在某些实施例中，该涂层径向地和沿光纤长度具有恒定直径。
在某些实施例中，折射率下陷的环形部分包括非周期性设置或周期性设置或两者兼而有之的孔。关于“非周期性设置”或“非周期性”分布，我们的意思是当对该光纤取截面(诸如垂直于纵轴的截面)时，非周期性设置的孔在光纤的一部分上随机或非周期性地分布。沿该光纤的长度的不同点处所取的类似的截面将揭示不同的截面孔图案，即各截面将具有不同的孔图案，其中孔的分布和孔的大小不匹配。即孔或多个孔是非周期性的，即它们在光纤结构内不是周期性设置。这些孔沿光纤的长度(即平行于纵轴)伸展(延长)，但不会延伸典型长度的传输光纤的整个光纤整个长度。虽然不希望受理论限制，但认为孔沿光纤长度延伸小于几米，而且在许多情况下小于1米。此处公开的光纤可通过利用预成型固化条件的方法来制造，这能有效地使大量气体被捕获在固化的玻璃坯料中，从而在固化的玻璃光纤预成型件中形成孔。不是设法去掉这些孔，而是使用所得的预成型件来形成其中具有孔或多个孔的光纤。如此处所使用，当从横切光纤的纵轴的垂直截面观察光纤时，孔的直径是端点设置在限定孔的二氧化硅内表面上的最长线段。在美国专利申请S/N 11/583098中描述了制造有孔的此类光纤的方法，该申请的说明书通过引用整体结合在此处。
I.偏移折射率下陷的环形部分
参考图1-4，在本文的第一方面中公开了多模光波导光纤，其包括：芯20，其从中心线径向向外延伸至芯外半径R1，而且具有以％表示的相对折射率分布Δ1(r)，其中最大相对折射率百分比为Δ1MAX；以及包层200，其包围芯20且与芯20直接毗邻，即与其直接接触。在第一方面中，基准折射率nREF是芯/包层界面处即R1处的折射率。
图1示出了包括玻璃芯20和玻璃包层200的多模光纤的实施例的玻璃部分的截面的折射率分布的示意图，该包层包括内环形部分30、折射率下陷的环形部分50以及外环形部分60。图2是图1的光波导光纤的截面图的示意图(未按比例)。示出内环形部分30使折射率下陷的环形部分50从芯20偏离或隔开。环形部分50包围并接触内环形部分30。外环形部分60包围并接触环形部分50。内环形部分30具有折射率分布Δ2(r)，其最大相对折射率为Δ2MAX，最小相对折射率为Δ2MIN，其中在某些实施例中Δ2MAX＝Δ2MIN。折射率下陷的环形部分50具有折射率分布Δ3(r)，其最小相对折射率为Δ3MIN。外环形部分60具有折射率分布Δ4(r)，其最大相对折射率为Δ4MAX，最小相对折射率为Δ4MIN，其中在某些实施例中Δ4MAX＝Δ4MIN。而且，Δ1MAX＞Δ2MAX≥Δ2MIN＞Δ3MIN，且Δ1MAX＞Δ4MAX≥Δ4MIN＞Δ3MIN。在某些实施例中，内环形部分30具有基本恒定的折射率分布，如图1所示具有常数Δ2(r)；在这些实施例中的某些中，Δ2(r)＝0％。在某些实施例中，外环形部分60具有基本恒定的折射率分布，如图1所示具有常数Δ4(r)；在这些实施例中的某些中，Δ4(r)＝0％。芯20具有全部为正的折射率分布，其中Δ1(r)＞0％。在某些实施例中，内环形部分30具有最大绝对值小于0.05％的相对折射率分布Δ2(r)，Δ2MAX＜0.05％且Δ2MIN＞-0.05％，而且折射率下陷的环形部分50在包层的相对折射率第一次到达小于-0.05％的值的位置开始，从中心线径向地向外延伸。在某些实施例中，外环形部分60具有最大绝对值小于0.05％的相对折射率分布Δ4(r)，Δ4MAX＜0.05％且Δ4MIN＞-0.05％，而且折射率下陷的环形部分50在包层的相对折射率第一次到达大于-0.05％的值的位置结束，从出现Δ3MIN的半径处径向地向外延伸。在某些实施例中，内环形部分30包括纯二氧化硅。在某些实施例中，外环形部分60包括纯二氧化硅。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分50包括含有多个孔的纯二氧化硅。优选折射率下陷的环形部分50的最小相对折射率或平均有效相对折射率——诸如将任何孔的存在考虑进来——优选地小于-0.1％。孔可包含诸如氩气、氮气或氧气的一种或一种以上气体，或孔可包含基本没有气体的真空；不管任何气体存在或是不存在，环形部分50的折射率因为孔的存在而被降低。孔可随机地或非周期性地设置在包层200的环形部分50中，而在其它实施例中，孔周期性地设置在环形部分50中。在某些实施例中，多个孔包括多个非周期性设置的孔和多个周期性设置的孔。替代地或另外，还可通过降低掺杂环形部分50(诸如用氟)或提高掺杂包层和/或芯中的一个或多个部分来设置环形部分50中的折射率下陷，其中折射率下陷的环形部分50是例如纯二氧化硅或不像内环部分30一样掺杂那么重的二氧化硅。
在实施例的一个集合中，该多模光纤包括如图1所示的优选为抛物线(基本为抛物线)的折射率渐变的玻璃芯20和玻璃包层200，其中芯在半径R1处终结，该处标记折射率渐变的芯或抛物线形状的终结。芯20被内环部分30包围且与其直接接触，内环部分30具有基本恒定的折射率分布Δ2(r)。内环部分30被折射率下陷的环形部分50包围且与其直接接触，而折射率下陷的环形部分50被外环形部分60包围且与其直接接触，外环形部分60具有基本恒定的折射率分布Δ4(r)。折射率下陷的环形部分50可包括多个孔。在此实施例集合的某些中，芯20包括二氧化锗掺杂的二氧化硅，内环形部分30包括纯二氧化硅，以及外环形部分60包括纯二氧化硅；在这些实施例的某些中，折射率下陷的环形部分50包括无孔的氟掺杂的二氧化硅；在这些实施例的其它中，折射率下陷的环形部分50包括有多个孔的纯二氧化硅；以及在这些实施例的再其它中，折射率下陷的环形部分50包括有多个孔的氟掺杂的二氧化硅。在其中内环形部分30包括纯二氧化硅且折射率下陷的环形部分50包括具有多个孔的纯二氧化硅的实施例中，折射率下陷的环形部分50在最内部的孔的最内半径处开始。在其中外环形部分60包括纯二氧化硅且折射率下陷的环形部分50包括具有多个孔的纯二氧化硅的实施例中，折射率下陷的环形部分50在最外部的孔的最外半径处终结。
优选内环形部分30具有大于4微米的径向宽度。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分50的最小相对折射率Δ3MIN小于-0.10％；在其它实施例中，Δ3MIN小于-0.20％；在再其它实施例中，Δ3MIN小于-0.30％；在又其它实施例中，Δ3MIN小于-0.40％。
Δ1MAx优选小于或等于2.0％，更优选小于或等于1.0％，甚至更优选小于1.0％，还优选小于或等于0.8％；在某些实施例中，Δ1MAX大于或等于0.4％且小于或等于1.0％，以及在其它实施例中，Δ1MAX大于或等于0.5％且小于或等于0.75％。
光纤的数值孔径(NA)优选大于将信号导入光纤的光源的NA；例如，光纤的NA优选大于VCSEL源的NA。多模光纤的带宽关于Δ1MAX的平方逆向地变化。例如，Δ1MAX为0.5％的多模光纤能产生的带宽是除芯Δ1MAX为2.0％外其它方面相同的多模光纤能产生的带宽的16倍。
在某些实施例中，芯外半径R1优选不小于12.5μm且不大于40μm，即芯直径在约25与80μm之间。在其它实施例中，R1＞20微米；在再其它实施例中，R1＞22微米；以及在又其它实施例中，R1＞24微米。
图2是此处公开的光波导光纤100的截面图的示意图(未按比例)，该光波导光纤100具有芯20和直接毗邻且包围芯20的包层200，包层200由内环形部分30、折射率下陷的环形部分50以及外环形部分60构成。
参考图1，作为此处公开的多模光纤的折射率分布的一个示例性描述，包层200包括：内环形部分30，其包围芯20且与其直接接触，且径向地向外延伸至内环形部分外半径R2，而且具有设置在中点R2MID处的宽度W2，该部分30具有以％表示的相对折射率分布Δ2(r)，其最大相对折射率百分比为以％表示的Δ2MAX，最小相对折射率百分比为以％表示的Δ2MIN，以及相对折射率百分比的最大绝对值|Δ2(r)|MAX；折射率下陷的环形部分(或“环”)50，其包围且直接毗邻部分30，且从R2径向地向外延伸至折射率下陷的环形部分半径R3，该部分50具有设置在中点R3MID处的宽度W3，而且具有以％表示的相对折射率分布Δ3(r)，其最小相对折射率百分比为以％表示的Δ3MIN，其中Δ1MAX＞0＞Δ3MIN；以及外环形部分60，其包围且直接毗邻部分50，而且具有以％表示的相对折射率百分比Δ4(r)。R1被定义为在抛物线芯终结的半径处出现。即，芯20在半径R1处终结而内环形部分30在半径R1处开始，且部分30被定义为在半径R2处终结。折射率下陷的环形部分50在R2处开始且在R3处终结。环形部分50的宽度W3是R3-R2，而其R3MID中点是(R2+R3)/2。在某些实施例中，对于内环形部分30超过50％的径向宽度，|Δ2(r)|＜0.025％；而在其它实施例中，对于内环形部分30超过50％的径向宽度，|Δ2(r)|＜0.01％。包层200延伸至半径R4，其也是光纤的玻璃部分的最外围。在某些实施例中，R4＞40μm；在其它实施例中，R4＞50μm；且在其它实施例中，R4＞60μm；以及在某些实施例中，60μm＜R4＜70μm。
在某些实施例中，W3大于0小于30μm。在其它实施例中，W3大于0.1μm小于30μm。在其它实施例中，W3大于1.0μm小于10.0μm。
在某些实施例中，Δ3MIN小于(即更负的数)-0.1％。在其它实施例中，Δ3MIN小于-0.2％。在其它实施例中，Δ3MIN小于-0.1％且大于-3.0％。
在实施例的一个集合中，该光纤包括被包层200包围和接触的芯20，该包层包括内环形部分30、折射率下陷的环形部分50以及外包层部分60。内环形部分30使折射率下陷的环形部分50从芯20偏离或隔开。环形部分50包围并接触内部分30。外包层部分60包围并接触环形部分50。在某些实施例中，外包层部分60具有基本恒定的折射率分布，且在这些实施例中的某些中包括纯二氧化硅；以及在那些实施例中的某些中，外包层部分60由纯二氧化硅组成。芯20具有完全为正的折射率分布，其中Δ1(r)＞0％，而且芯的折射率分布具有α形状，其中α约为2，且优选α在1.8与2.3之间，更优选α在1.95与2.05之间。内环形部分30具有相对折射率分布Δ2(r)，其最大绝对值小于0.05％，即Δ2MAX＜0.05％且Δ2MIN＞-0.05％，而且在某些实施例中包括纯二氧化硅。折射率下陷的环形部分50具有全为负的折射率分布，其中Δ3(r)＜0％且Δ3MIN＜-0.1％。
在诸实施例的另一个集合中，该光纤包括被包层200包围和接触的芯20，该包层包括内环形部分30、折射率下陷的环形部分50以及外包层部分60。内环形部分30使折射率下陷的环形部分50从芯20隔开。环形部分50包围并接触内部分30。外包层部分60包围并接触环形部分50。外包层部分60具有基本恒定的折射率分布，且在这些实施例中的某些中包括纯二氧化硅；以及在那些实施例中的某些中，外包层部分60由纯二氧化硅组成。在某些实施例中，芯20具有完全为正的折射率分布，其中Δ1(r)＞0％，而且芯的折射率分布具有α形状，其中α约为2，且优选α在1.8与2.3之间，更优选α在1.95与2.05之间。内环形部分30具有相对折射率分布Δ2(r)，其最大绝对值小于0.05％，即Δ2MAX＜0.05％且Δ2MIN＞-0.05％，而且在某些实施例中包括纯二氧化硅。折射率下陷的环形部分50包括多个孔，在某些实施例中这些孔遍及环形部分50非周期性地设置。在这些实施例的某些中，环形部分50包括纯二氧化硅。内环形部分30和外包层部分60都是无孔的。
图3是此处公开的多模光纤的第一方面的实施例的另一集合的示意图。折射率下陷的环形部分延伸至包层200的最外围并形成包层200的最外围，即延伸至光纤的玻璃部分的最外围，因此在该情况下R3＝R4，外环形部分60不存在。在其中在折射率下陷的环形部分50中存在孔的实施例中，优选至少一薄二氧化硅层形成最外玻璃表面，因此孔不会展现到包层的最外围上。图4是图3的光波导光纤的截面图的示意图(未按比例)。
II.无偏移折射率下陷的环形部分
参考图5和6，在本文的第二方面中公开了多模光波导光纤，其包括：芯20，其从中心线径向地向外延伸至芯外半径R1，而且具有以％表示的相对折射率分布Δ1(r)，其中最大相对折射率百分比为Δ1MAX；以及包层200，其包围且直接毗邻芯20，即与其直接接触。
图5示出包括玻璃芯20和玻璃包层200的多模光纤的实施例的玻璃部分的截面的折射率分布的示意图，该包层包括折射率下陷的环形部分50和外环形部分60。在第二方面中，nREF是包层200的外环形部分60的平均折射率。示出折射率下陷的环形部分50包围芯20且与芯20直接接触(即直接毗邻)。外环形部分60包围并接触环形部分50。折射率下陷的环形部分50具有折射率分布Δ3(r)，其最小相对折射率为Δ3MIN。外环形部分60具有折射率分布Δ4(r)，其在某些实施例中在整个部分60上Δ4(r)恒定，且在这些实施例的某些中在整个部分60上Δ4(r)＝0％，例如图6中所示。而且，Δ1MAX＞0＞Δ3MIN。芯20具有全部为正的折射率分布，其中Δ1(r)＞0％。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分50在包层的相对折射率第一次达到大于-0.05％的值处终结，从出现Δ3MIN的半径处径向地向外延伸。在某些实施例中，外环形部分60包括纯二氧化硅。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分50包括含有多个孔的纯二氧化硅。优选的是，折射率下陷的环形部分50的最小相对折射率或平均有效相对折射率——诸如将任何孔的存在考虑进来——优选地小于-0.1％。孔可包含诸如氩气、氮气或氧气的一种或一种以上气体，或孔可包含基本没有气体的真空；不管气体存在或是不存在，环形部分50的折射率因为孔的存在而被降低。孔可随机地或非周期性地设置在包层200的环形部分50中，而在其它实施例中，孔周期性地设置在环形部分50中。在某些实施例中，多个孔包括多个非周期性设置的孔和多个周期性设置的孔。替代地或另外，还可通过降低掺杂环形部分50(诸如用氟)或提高掺杂包层和/或芯的外环形部分来设置环形部分50中的折射率下陷。
在实施例的一个集合中，该多模光纤包括如图5所示的优选为抛物线(基本为抛物线)的渐变折射率的玻璃芯20和玻璃包覆层200，其中芯在半径R1处终结，该处标记渐变折射率芯或抛物线形状的终结。芯20被折射率下陷的环形部分50包围且与其直接接触，而折射率下陷的环形部分50被外环形部分60包围且与其直接接触，外环形部分60具有基本恒定的折射率分布Δ4(r)。折射率下陷的环形部分50可包括多个孔。在此实施例集合的某些中，芯20包括二氧化锗掺杂的二氧化硅，且外环形部分60包括纯二氧化硅；在这些实施例的某些中，折射率下陷的环形部分50包括无孔的氟掺杂的二氧化硅；在这些实施例的其它中，折射率下陷的环形部分50包括有多个孔的纯二氧化硅；以及在这些实施例的再其它中，折射率下陷的环形部分50包括有多个孔的氟掺杂的二氧化硅。在其中外环形部分60包括纯二氧化硅且折射率下陷的环形部分50包括具有多个孔的纯二氧化硅的实施例中，折射率下陷的环形部分50在最外部的孔的最外半径处终结。
在某些实施例中，W3大于0且小于30μm。在其它实施例中，W3大于0.1μm且小于30μm。在其它实施例中，W3大于1.0μm且小于10.0μm。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分50的最小相对折射率Δ3MIN小于-0.10％；在其它实施例中，Δ3MIN小于-0.20％；在再其它实施例中，Δ3MIN小于-0.30％；在又其它实施例中，Δ3MIN小于-0.40％。在又其它的实施例中，折射率下陷的环形部分50没有孔，Δ3MIN小于-0.40％，且W3小于或等于4.0μm。
在某些实施例中，Δ1MAX小于或等于0.80％；在其它实施例中，Δ1MAX小于或等于0.70％；在又其它的实施例中，Δ1MAX小于或等于0.60％；以及在某些实施例中，Δ1MAX大于或等于0.40％且小于或等于0.80％，且在其它实施例中Δ1MAX大于或等于0.50％且小于或等于0.75％。
光纤的数值孔径(NA)优选大于将信号导入光纤的光源的NA；例如，光纤的NA优选大于VCSEL源的NA。多模光纤的带宽随Δ1MAX的平方逆向地变化。例如，Δ1MAX为0.5％的多模光纤能产生的带宽是除芯Δ1MAX为2.0％外其它方面相同的多模光纤能产生的带宽的16倍。
在某些实施例中，芯外半径R1优选不小于12.5μm且不大于40μm，即芯直径在约25与80μm之间。在其它实施例中，R1＞20微米；在再其它实施例中，R1＞22微米；以及在又其它实施例中，R1＞24微米。
图6是此处公开的光波导光纤100的截面图的示意图(未按比例)，该光波导光纤100具有芯20和直接毗邻且包围芯20的包覆层200，包覆层200由折射率下陷的环形部分50以及外环形部分60构成。
参考图5，作为此处公开的多模光纤的折射率分布的示例性描述，包覆层200包括：折射率下陷的环形部分(或“环”)50，其包围芯20且直接毗邻芯20，且从R1径向地向外延伸至折射率下陷的环形部分半径R3，该部分50具有设置在中点R3MID处的宽度W3，而且具有以％表示的相对折射率分布Δ3(r)，其最小相对折射率百分比为以％表示的Δ3MIN，其中Δ1MAX＞0＞Δ3MIN；以及外环形部分60，其包围部分50且直接毗邻部分50，且具有以％表示的相对折射率百分比Δ4(r)。R1被定义为在抛物线芯终结的半径处出现。即，芯20在半径R1处终结而环形部分50在半径R1处开始，且部分50被定义为在半径R3处终结。环形部分50的宽度W3是R3-R1，而其中点R3MID是(R1+R3)/2。包覆层200延伸至半径R4，其也是光纤的玻璃部分的最外围。在某些实施例中，R4＞40μm；在其它实施例中，R4＞50μm；且在其它实施例中，R4＞60μm；以及在某些实施例中，60μm＜R4＜70μm。
在某些实施例中，W3大于0且小于30μm。在其它实施例中，W3大于0.1μm且小于30μm。在其它实施例中，W3大于1.0μm且小于10.0μm。
在某些实施例中，Δ3MIN小于(即更负的数)-0.1％。在其它实施例中，Δ3MIN小于-0.2％。在其它实施例中，Δ3MIN小于-0.1％且大于-3.0％。
在实施例的一个集合中，该光纤包括被包层200包围和接触的芯20，该包层包括折射率下陷的环形部分50以及外包层部分60。折射率下陷的环形部分50直接毗邻芯20。环形部分50包围并接触芯20。外包层部分60包围并接触环形部分50。在某些实施例中，外包层部分60具有基本恒定的折射率分布，且在这些实施例中的某些中包括纯二氧化硅；以及在那些实施例中的某些中，外包层部分60由纯二氧化硅组成。芯20具有完全为正的折射率分布，其中Δ1(r)＞0％，而且芯的折射率分布具有α形状，其中α约为2，且优选α在1.8与2.3之间，更优选α在1.95与2.05之间。折射率下陷的环形部分50具有全为负的折射率分布，其中Δ3(r)＜0％且Δ3MIN＜-0.1％。
在实施例的另一个集合中，该光纤包括被包层200包围和接触的芯20，该包层包括折射率下陷的环形部分50以及外包层部分60。折射率下陷的环形部分50直接毗邻芯20。环形部分50包围并接触芯20。外包层部分60包围并接触环形部分50。外包层部分60具有基本恒定的折射率分布，且在这些实施例中的某些中包括纯二氧化硅；以及在那些实施例中的某些中，外包层部分60由纯二氧化硅组成。在某些实施例中，芯20具有完全为正的折射率分布，其中Δ1(r)＞0％，而且芯的折射率分布具有α形状，其中α约为2，且优选α在1.8与2.3之间，更优选α在1.95与2.05之间。折射率下陷的环形部分50包括多个孔，在某些实施例中这些孔遍及环形部分50非周期性地设置。在这些实施例的某些中，环形部分50包括有孔的纯二氧化硅。外包层部分60是无孔的。
制作了此处公开的光纤的多个示例并对它们以及若干比较性光纤进行了弯曲性能测量。
示例1-比较例
第一示例是康宁股份有限公司的InfiniCor
Figure G2008800060132D00161
50μm光纤，其具有125微米玻璃直径，包括50微米直径的具有抛物线(α＝2)形状的折射率渐变的GeO2-SiO2芯(相对于纯二氧化硅包层的最大Δ为1％)和固体二氧化硅包层(无下陷环形区)。
示例2
将490克的SiO2(密度为0.36g/cc)微粒火焰沉积到1m长×25.8mm直径的固体玻璃棒上，该固体玻璃棒具有折射率渐变(具有抛物线(α＝2)形状，且相对于纯二氧化硅具有1％最大折射率)的GeO2-SiO2芯和薄二氧化硅包层，其中该棒的芯/包层(包层＝棒直径)比为0.98。然后此组件如下地烧结。首先在由氦气和3％的氯气组成的氛围下在1000℃下将该组件干燥2小时，接着在100％氧气氛围下以32mm/min将其传动通过设置为1500℃的热区，然后在同样的氛围下以25mm/min将其再传动通过热区，最终在100％氧气下以6mm/min烧结，以将微粒烧结成“含氧籽(oxygen-seeded)”的第一过包层预成型件。将该预成型件放置在设置为1000℃的氩气净化的保温炉中24小时。然后将预成型件放置在车床上，其中包含2.1％重量百分比的GeO2微粒的4900克的SiO2(密度为0.44g/cc)被火焰沉积到1米长的折射率渐变的无孔GeO2-SiO2芯、靠近包层的无孔二氧化硅、“含氧籽”的第一过包层预成型件上。然后此组件如下地烧结。首先在由氦气和3％的氯气组成的氛围下在1000℃下将该组件干燥2小时，接着在100％氦气氛围下以6mm/min将其传动通过设置为1500℃的热区，以将微粒烧结至无孔的GeO2-SiO2折射率渐变的芯，该芯被无孔二氧化硅近包层包围，该近包层被“含氧籽”的二氧化硅环包围，该二氧化硅环部被含氧籽的二氧化硅-二氧化锗环包围然后被无孔的二氧化硅-二氧化锗(在850nm最大Δ为0.1％)纯净玻璃的最终过包层光学预成型件包围。然后将该预成型件放置在设置为1000℃下的氩气净化的保温炉中24小时。利用具有约20cm长的热区且设置为约2000℃的回火炉将该预成型件拉成三段10km长度的125微米直径的光纤，其中第一段10Km长度在无旋转的情况下以10m/s拉成，而第二和第三段10Km长度分别以10m/s和20m/s拉成，接着在缠绕到存放线轴之前对光纤进行常规的双向旋转。
对这些光纤的端面的900倍放大的SEM图像分析示出25微米半径的无孔固体二氧化硅-二氧化锗芯被约0.5微米的无孔二氧化硅内包层包围(轴向上的总环形厚度W2约为0.5微米)，该内包层被包含约0.3微米直径的孔的29.5微米外半径的含孔隙近包层区包围，该近包层区被包含约3微米直径的孔的33.5微米外半径的含孔隙包层区包围(轴向上的总环形厚度W3约为8微米)，该包层区被具有约125微米外径的无孔的二氧化硅-二氧化锗外包层包围(所有轴向尺寸从光纤的中心测量)。总的包含孔隙的环形区域包含3.4％的区域面积百分比的孔(100％体积的O2)，在该区域中平均直径为0.65微米，而最小孔直径为0.025微米，最大直径5.2微米，从而导致在光纤截面中有总数约为300的孔。总的光纤孔隙区域百分比(孔的面积除以光纤截面的总面积乘以100)是约0.65％。对于20m/s的旋转光纤，在850nm下测得的带宽大于2.00GHz-km(具体是2.03GHz-km)，10mm直径芯棒缠绕1匝的弯曲衰减增加在1550nm时为0.1dB，在850nm下约为0.5dB。因此，0.1的弯曲损耗小于两倍(1/Δ1MAX)2的乘积，或2(1/1)2＝2dB。纤芯具有50微米直径的折射率渐变(具有抛物线(α＝2)形状(1％最大Δ))的GeO2-SiO2芯。对于10m/s的旋转光纤，在850nm下测得的带宽大于1.50GHz-km(具体是1.86GHz-km)，10mm直径芯棒缠绕1匝的弯曲衰减增加在1550nm时为0.1dB，在850nm下约为0.5dB。对于10m/s的未旋转光纤，在850nm下测得的带宽大于0.75GHz-km(具体是1.47GHz-km)，绕10mm直径芯棒缠绕1匝的弯曲衰减增加在1550nm时为0.1dB，在850nm下约为0.5dB。
示例3
将520克的SiO2(密度为0.27g/cc)微粒火焰沉积到1m长×26.4mm直径的折射率渐变(具有抛物线(α＝2)形状，且相对于纯二氧化硅具有1％最大Δ折射率)的GeO2-SiO2固体玻璃棒上，该固体玻璃棒具有薄二氧化硅包层，其中该棒的芯/包层(包层＝棒直径)比为0.98。然后此组件如下地烧结。首先在由氦气和3％的氯气组成的氛围下在1125℃下将该组件干燥2小时，接着在由氦气和20％SiF4组成的氛围下在1125℃下对微粒预成型件掺氟4小时，然后在100％氦气氛围中以14mm/min将其传动通过设置为1480℃的热区，以将该微粒烧结至二氧化锗-二氧化硅芯、掺氟的二氧化硅环形第一过包层预成型件。然后将该预成型件放置在设置为1000℃的氩气净化的保温炉中24小时。然后将此预成型件放置回车床上，其中将包含2.1％重量百分比的GeO2微粒的4900克的SiO2(密度为0.44g/cc)火焰沉积到1米长的折射率渐变的GeO2-SiO2芯棒、掺氟的二氧化硅环形第一过包层预成型件上。然后此组件如下地烧结。首先在由氦气和3％的氯气组成的氛围下在1000℃下将该组件干燥2小时，接着在100％氦气氛围下以6mm/min将其传动通过设置为1500℃的热区，以将微粒烧结至无孔的GeO2-SiO2折射率渐变的芯，该芯被薄的无孔二氧化硅内包层包围，该内包层被无孔的氟掺杂的二氧化硅环包围，该二氧化硅环又被无孔的二氧化硅-二氧化锗(Δ为0.1％)纯净玻璃的最终过包层光学预成型件包围。然后将该预成型件放置设置为1000℃的氩气净化的保温炉中24小时。利用具有约20cm长的热区且设置为约2000℃的回火炉以20m/s将该预成型件拉成10km长的125微米直径的光纤。对光纤端面的光学分析示出无孔光纤，其包括25微米半径的固体无孔二氧化硅-二氧化锗芯，其被约0.5微米的无孔二氧化硅内包层包围(轴向上的总环形厚度W2约为0.5微米)，该内包层被30.5微米外半径(总环形厚度W3为5μm厚的轴向距离)的无孔隙含氟环形部(相对于二氧化硅的Δ为-0.4％)和包含无孔二氧化锗-二氧化硅的最终包覆层包围。850nm和1550nm下的光纤衰减分别是2.6dB/Km和0.35dB/Km。10mm直径芯棒缠绕1匝的弯曲衰减增加在850nm和1550nm时分别约为0.42dB和0.45dB。因此，在1550nm时0.5的弯曲损耗小于两倍(1/Δ1MAX)2的乘积，或2(1/1)2＝2dB。纤芯具有50微米直径的折射率渐变(具有抛物线(α＝2)形状(1％最大Δ))的GeO2-SiO2芯。
示例4-比较例
第四示例是康宁股份有限公司的InfiniCor
Figure G2008800060132D00191
62.5μm光纤，其具有125微米玻璃直径，包括62.5微米直径的具有抛物线(α＝2)形状的渐变折射率GeO2-SiO2纤芯(相对于纯二氧化硅包层的最大Δ为2％)和无孔固体二氧化硅包层(无下陷环形区)。
示例5
将1200克SiO2(密度为0.47g/cc)微粒火焰沉积到1米长×15mm直径的折射率渐变(具有抛物线(α＝2)形状，相对于纯二氧化硅的最大折射率为2％)的GeO2-SiO2固体玻璃棒上。然后此组件如下地烧结。首先在由氦气和3％的氯气组成的氛围下在1000℃下将该组件干燥2小时，接着在100％氧气氛围下以32mm/min将其传动通过设置为1500℃的热区，然后在同样的氛围下以25mm/min将其再传动通过热区，最终在100％氧气下以6mm/min烧结，以将微粒烧结成“含氧籽”的过包层预成型件。然后将该预成型件放置在设置为1000℃的氩气净化的保温炉中24小时。利用具有约20cm长的热区且设置为约2000℃的回火炉以20m/s将该预成型件拉成10km长的125微米直径的光纤。对光纤的端面的800倍放大的SEM图像分析示出62.5微米直径的无孔二氧化硅-二氧化锗芯和包含约9.0体积百分比的孔(包含氧气)的125微米直径的二氧化硅包层，这些孔在芯边缘处开始并遍及包层分布至接近光纤的外径，其宽度W3约为60微米，其中平均孔直径为0.45微米，最小孔直径为0.03微米，最大孔直径为1.2微米，标准差为0.21微米，而且在光纤截面中包含约3000个孔。总的光纤孔面积百分比(孔的面积除以光纤截面的总面积乘以100)是约6.8％。测得的此光纤在850、1310以及1550nm下的多模衰减是3.00、0.74以及0.45dB/Km。当该光纤围绕半径为5mm的芯棒缠绕一次时，光学弯曲性能测量结果显示出在850和1550nm下的衰减增加分别小于0.03dB和0.01dB。纤芯具有62.5微米直径的折射率渐变(具有抛物线(α＝2)形状(2％最大Δ))的GeO2-SiO2芯。
示例6-比较例
将1590克SiO2(密度为0.49g/cc)微粒火焰沉积到1米长×15mm直径的折射率渐变(具有抛物线(α＝2)形状，相对于纯二氧化硅的最大Δ为0.5％)的GeO2-SiO2固体玻璃棒上。然后此组件如下地烧结。首先将该组件在由氦气和3％氯气组成的氛围中在1000℃下干燥2小时，接着在100％氦气氛围下以6mm/min将其传动通过设置为1500℃的热区，以将该微粒烧结至无孔的纯净玻璃光学预成型件过包层预成型件。然后将该预成型件放置在设置为1000℃下的氩气净化的保炉中24小时。利用具有约20cm长的热区且设置为约2000℃的回火炉以10m/s将该光学预成型件拉成10km长的125微米直径的光纤。这产生具有125微米直径纤维的光纤，其包括50微米直径的折射率渐变(具有抛物线(α＝2)形状，最大Δ为0.5％)的无孔隙GeO2-SiO2芯和无孔隙固体二氧化硅包层。
示例7
将120克的SiO2(密度为0.40g/cc)微粒火焰沉积到1m长×14.5mm直径的折射率渐变(具有抛物线(α＝2)形状，且相对于纯二氧化硅最大Δ为0.5％)的GeO2-SiO2固体玻璃棒上，该固体玻璃棒具有二氧化硅包层，其中该棒的芯/包层(包层＝棒直径)比为0.90。然后此组件如下地烧结。首先将该组件在由氦气和3％氯气组成的氛围中在1000℃下干燥2小时，接着在100％氩气烧结氛围下以200mm/min(对应于在传动过程期间微粒预成型件的外部约100℃/min的温度升高)将其传动通过设置为1490℃的热区。然后再以100mm/min将该预成型组件再次(即第二次)传动通过热区(对应于在传动过程期间微粒预成型件的外部约50℃/min的温度升高)。然后再以50mm/min将该预成型组件再次(即第三次)传动通过热区(对应于在传动过程期间微粒预成型件的外部约25℃/min的温度升高)。然后再以25mm/min将该预成型组件再次(即第四次)传动通过热区(对应于在传动过程期间微粒预成型件的外部约12.5℃/min的温度升高)，然后以6mm/min(约3℃/min的升温速率)最终烧结，以将微粒烧结成“含氩籽”的第一过包层预成型件。采用第一系列的较高下给速率来使光纤预成型件的外部光滑，这便于预成型件中气体的捕获。然后将该预成型件放置在设置为1000℃下的氩气净化的保温炉中24小时。然后将此预成型件放置回车床上，其中将1450克的SiO2微粒(密度为0.63g/cc)火焰沉积到1米长的折射率渐变的GeO2-SiO2芯、“含氩籽”的第一过包层预成型件上。然后此组件如下地烧结。首先在由氦气和3％的氯气组成的氛围下在1000℃下将该组件干燥2小时，接着在100％氦气氛围下以6mm/min将其传动通过设置为1500℃的热区，以将微粒烧结至无孔的GeO2-SiO2折射率渐变的芯、无孔二氧化硅内包层、含氩气的有孔隙二氧化硅环、无孔隙的二氧化硅纯净玻璃的最终过包层光学预成型件。然后将该预成型件放置在设置为1000℃下的氩气净化的保温炉中24小时。利用具有约20cm长的热区且设置为约2000℃的回火炉以10m/s将该预成型件拉成10km长的125微米直径的光纤。该光纤具有25微米半径的具有抛物线(α＝2)形状的折射率渐变(0.5％最大Δ)的无孔GeO2-SiO2芯，该芯被约2.5微米的无孔二氧化硅内包层包围(轴向上的总的环厚度W2约为2.5微米)，该内包层又被含有直径约为0.3微米的孔隙且W3约为5微米的环包围，该环又被无孔二氧化硅纯净玻璃外环形部分包围。
示例8
将120克的SiO2(密度为0.40g/cc)微粒火焰沉积到1m长×14.9mm直径的折射率渐变(具有抛物线(α＝2)形状，且相对于纯二氧化硅最大Δ为0.5％)的GeO2-SiO2固体玻璃棒上，该固体玻璃棒具有二氧化硅包层，其中该棒的芯/包层(包层＝棒直径)比为0.90。然后此组件如下地烧结。首先在由氦气和3％的氯气组成的氛围下在1125℃下将该组件干燥2小时，接着在由氦气和20％SiF4组成的氛围下在1125℃下对微粒预成型件氟掺杂4小时，然后在100％氦气环境中以14mm/min将其传动通过设置为1480℃的热区，以将该微粒烧结至二氧化锗-二氧化硅芯、二氧化硅内包层、氟掺杂的二氧化硅环形第一过包层预成型件。然后将该预成型件放置在设置为1000℃的氩气净化的保温炉中24小时。然后将此预成型件放置回车床上，其中将1450克的SiO2微粒(密度为0.49g/cc)火焰沉积到1米长的折射率渐变的GeO2-SiO2芯、二氧化硅内包层、氟掺杂的二氧化硅环形第一过包层预成型件上。然后此组件如下地烧结。首先在由氦气和3％的氯气组成的氛围下在1000℃下将该组件干燥2小时，接着在100％氦气氛围下以6mm/min将其传动通过设置为1500℃的热区，以将微粒烧结至无孔的GeO2-SiO2折射率渐变的芯、无孔隙二氧化硅内包层、无孔隙的掺氟的二氧化硅环、无孔隙的二氧化硅纯净玻璃的最终过包层光学预成型件。然后将该预成型件放置在设置为1000℃的氩气净化的保温炉中24小时。利用具有约20cm长的热区且设置为约2000℃的回火炉以10m/s将该预成型件拉成10km长的125微米直径的光纤。该光纤具有25微米半径的具有抛物线(α＝2)形状的折射率渐变(最大Δ为0.5％)的无孔隙GeO2-SiO2芯，该芯被约2.5微米的无孔隙二氧化硅内包层包围(轴向上的总的环厚度W2约为2.5微米)，该内包层又被无孔隙且W3约为5微米的掺氟二氧化硅环包围，该环又被无孔隙二氧化硅纯净玻璃外环形部分包围。
示例9
将420克的SiO2(密度为0.36g/cc)微粒火焰沉积到1m长×25mm直径的固体玻璃棒上，该固体玻璃棒具有折射率渐变(具有抛物线(α＝2)形状，且相对于纯二氧化硅具有1％最大折射率)的GeO2-SiO2芯和二氧化硅包层，其中该棒的芯/包层(包层＝棒直径)比为0.70。然后此组件如下地烧结。首先在由氦气和3％的氯气组成的氛围下在1000℃下将该组件干燥2小时，接着在100％氩气氛围下以32mm/min将其传动通过设置为1500℃的热区，然后在同样的氛围下以25mm/min将其再传动通过热区，最终在100％氩气下以6mm/min烧结，以将微粒烧结成“含氩籽”的第一过包层预成型件。然后将该预成型件放置在设置为1000℃下的氩气净化的保温炉中24小时。然后将此预成型件放置在车床上，其中将4200克的SiO2微粒(密度为0.44g/cc)火焰沉积到1米长的折射率渐变的GeO2-SiO2芯、二氧化硅内包层、“含氩籽”的第一过包层预成型件上。然后此组件如下地烧结。首先在由氦气和3％的氯气组成的氛围下在1000℃下将该组件干燥2小时，接着在100％氦气氛围下以6mm/min将其传动通过设置为1500℃的热区，以将微粒烧结至无孔隙的GeO2-SiO2折射率渐变的芯，该芯被无空隙的二氧化硅内包层包围，该内包层被“含氩籽”的二氧化硅环包围，该二氧化硅环被无空隙的二氧化硅最终过包层光学预成型件包围。然后将该预成型件放置在设置为1000℃的氩气净化的保温炉中24小时。利用具有约20cm长的热区且设置成为2000℃的回火炉将该预成型件拉成两段10km长度的125微米直径的光纤，其中第一段10Km部分无旋转，而第二段10Km长度在缠绕到存放线轴之前进行常规的双向旋转。
对光纤的端面的光学图像分析示出25微米半径的无孔隙固体二氧化硅-二氧化锗芯，其被约12.5微米半径的无孔隙二氧化硅内包层包围(轴向上的总环形厚度W2约为12.5微米)，该内包层被截面中包含约100个直径为300nm的孔隙的5微米半径的含孔隙近包层二氧化硅环包围(轴向上的总环形厚度W3约为5微米)，该环部被具有约125微米外径的无孔隙的二氧化硅外包层包围(所有轴向尺寸从光纤的中心测得)。未旋转的光纤在850nm和1550nm下的光纤衰减分别是2.3dB/Km和0.47dB/Km，而旋转光纤在850nm和1550nm下的光纤衰减分别是2.5dB/Km和0.48dB/Km未旋转光纤和旋转光纤绕10mm直径芯棒缠绕1匝的弯曲衰减增加在850nm和1550nm时分别为0.8dB和0.3dB。因此，在1550nm时0.3的弯曲损耗小于两倍(1/Δ1MAX)2的乘积，或2(1/1)2＝2dB。纤芯具有50微米直径的折射率渐变(具有抛物线(α＝2)形状(最大Δ为1％))的GeO2-SiO2。
测量了示例1-8的光学性质。根据FOTP-62(IEC-60793-1-47)通过围绕10mm或20mm直径的芯棒缠绕一周(“1×10mm直径宏弯曲损耗”或“1×20mm直径宏弯曲损耗”)并测量弯曲引起的衰减增加，测量了各个光纤的一部分的弯曲性能。根据FOTP-204利用过满注入测量了带宽。
图7示出示例1-3在各种波长下测得的1×10mm宏弯曲衰减增加，每个弯曲性能曲线分别被标记为A、B以及C。虽然比较例1在700与1700nm之间的所有波长下的宏弯曲引入的损耗大于2.5dB/匝，但示例2和3各自在700与1700nm之间的所有波长下的宏弯曲引入的损耗小于1.0dB/匝，而且在800与1700nm之间的所有波长下的宏弯曲引入的损耗小于0.75dB/匝。示例3在850nm下的宏弯曲引入的损耗小于0.5dB/匝。
图8示出示例4-5在各种波长下测得的1×10mm宏弯曲衰减增加，每个弯曲性能曲线分别被标记为4和5。虽然比较例4在700与1700nm之间的所有波长下的宏弯曲引入的损耗大于1.0dB/匝，但示例5在700与1700nm之间的所有波长下的宏弯曲引入的损耗小于1.0dB/匝、甚至在700与1700nm之间的所有波长下小于0.5dB/匝、甚至在700与1700nm之间的所有波长下小于0.25dB/匝、甚至在700与1700nm之间的所有波长下小于0.10dB/匝、以及甚至在700与1700nm之间的所有波长下小于0.05dB/匝。示例5在850nm下的宏弯曲引入的损耗小于0.04dB/匝。
图9示出示例6-8在各种波长下测得的1×10mm宏弯曲衰减增加，每个弯曲性能曲线分别被标记为6、7以及8。虽然比较例6的宏弯曲引入的损耗在800与1700nm之间的所有波长下大于8.5dB/匝，但示例7的宏弯曲引入的损耗在800与1700nm之间的所有波长下小于6dB/匝，而且示例8的宏弯曲引入的损耗在800与1700nm之间的所有波长下小于4dB/匝。示例7在850nm下的宏弯曲引入的损耗小于5dB/匝。示例8在850nm下的宏弯曲引入的损耗小于2dB/匝。相反，比较例1(最大Δ为1.0％，50um芯直径)在850nm下的宏弯曲引入的损耗约为2.75dB/匝，而示例8(最大Δ为0.5％，50μm芯直径，折射率下陷的环形部分)在850nm下的宏弯曲引入的损耗小于2dB/匝。即，示例8具有更低的引入弯曲损耗，同时相比于示例1具有高达四倍的带宽增大。
如从图7-9可见，芯和包层由于弯曲在1550nm的波长下的绕10mm直径芯棒缠绕1匝的衰减增加(以dB表示)小于或等于两倍(1/Δ1MAX)2的乘积。例如，在图7中，Δ1MAX为1％，而(1/Δ1MAX)2两倍的乘积是2(1/1)2＝2(dB)，而示例2的绕10mm直径芯棒缠绕1匝的衰减增加测得小于0.2(即约0.1)dB，其小于2dB，而且示例3的该衰减增加测得小于0.5dB(即约0.45dB)，其也小于2dB。在图8中，Δ1MAX为2％且两倍(1/Δ1MAX)2的乘积是2(1/2)2＝0.5(dB)，且示例5的绕10mm直径芯棒缠绕1匝的衰减增加在1550nm的波长下测得小于0.1dB，其小于0.5dB。在图9中，Δ1MAX为0.5％，而两倍(1/Δ1MAX)2的乘积是2(1/0.5)2＝8(dB)，而示例7的绕10mm直径芯棒缠绕1匝的衰减增加在1550nm的波长下测得小于6(即约5.5)dB，其小于8dB，而且示例8的该衰减增加测得小于4dB(即约3.5dB)，其也小于8dB。
因此，利用此处公开的最大折射率小于或等于1％而且芯直径大于或等于50μm的光纤，可实现围绕10mm直径芯棒的衰减增加小于5dB/匝、而且在某些实施例中小于2dB/匝、以及在其它实施例中小于1dB/匝。
在实施例的一个集合中，此处公开的一种多模光纤包括折射率渐变的玻璃芯和包围和接触芯的玻璃包层，该包层包括折射率下陷的环形部分，其中该芯在850nm下具有以％表示的最大相对折射率Δ1MAX，而且其中芯和包层提供：(a)在850nm波长下大于2.00GHz-km的带宽；以及(b)在1550nm下以dB表示的由弯曲引起的绕10mm直径芯棒缠绕1匝的衰减增加小于或等于两倍(1/Δ1MAX)2的乘积。在某些实施例中，Δ1MAX小于或等于1％。
在某些实施例中，折射率下陷的环形部分包括多个孔。在其它实施例中，折射率下陷的环形部分是无孔的。
在某些实施例中，光纤是旋转光纤。
在某些实施例中，折射率下陷的环形部分包括掺氟的玻璃。在这些实施例中的某些中，折射率下陷的环形部分也是无孔的；在其它实施例中，折射率下陷的环形部分包括多个孔。
在某些实施例中，折射率下陷的环形部分在空间上偏离芯；在其它实施例中，折射率下陷的环形部分与芯接触。
在实施例的另一集合中，在此处公开了一种多模光纤，其包括：从中心线延伸至半径R1的折射率渐变的玻璃芯；以及包围且接触该芯的包层，该包层包括内环形部分和折射率下陷的环形部分。内环形部分包围芯，而且优选与芯接触。折射率下陷的环形部分包围芯，而且优选与内环形部分接触。该芯在850nm下具有最大相对折射率Δ1MAX，内环形部分在850nm下具有最大相对折射率Δ2MAX，且折射率下陷的环形部分在850nm下具有最小相对折射率Δ3MIN，其中Δ1MAX＞Δ2MAX＞Δ3MIN，而且其中内环形部分具有宽度W2＞0.4微米。在某些实施例中，W2＞0.4微米，更优选在0.4与20微米之间，最优选在1与15微米之间。
在这些实施例的某些中，折射率下陷的环形部分包括含有多个孔的玻璃、或掺氟玻璃、或含有多个孔的掺氟玻璃。在某些实施例中，孔随机或非周期性设置在环形部分中；在其它实施例中，孔周期性地设置在环形部分中；在再其它的实施例中，包层包括周期性和非周期性设置的孔。在某些实施例中，Δ3MIN＜-0.10％；在其它实施例中，Δ3MIN＜-0.20％；在再其它实施例中，Δ3MIN＜-0.30％；在又其它的实施例中，Δ3MIN＜-0.40％。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分的分布体积的绝对值大于10％-μm2。在某些实施例中，内环形部分的宽度W2大于5微米，而折射率下陷的环形部分的分布体积的绝对值大于10％-μm2。在某些实施例中，内环形部分的宽度W2大于5微米，而折射率下陷的环形部分的分布体积的绝对值大于50％-μm2。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分的分布体积的绝对值大于60％-μm2。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分延伸至包层的最外围。在某些实施例中，该包层还包括最大相对折射率为Δ4MAX的外环形部分，其中Δ1MAX＞Δ4MAX＞Δ3MIN；在这些实施例的某些中，Δ2MAX基本等于Δ4MAX。在某些实施例中，芯的最大相对折射率Δ1MAX小于或等于0.80％。在某些实施例中，R1＞20微米。
在实施例的另一集合中，此处公开了一种多模光纤，其包括从中心线延伸至半径R1的折射率渐变的玻璃芯和包围芯并接触芯的包层，该包层包括内环形部分和折射率下陷的环形部分，其中内环形部分包围芯且优选与芯接触，折射率下陷的环形部分包围内环形部分且优选与内环形部分接触，内环形部分包括无孔玻璃，而且折射率下陷的环形部分包括含有多个孔的玻璃。在某些实施例中，芯具有最大相对折射率Δ1MAX，内环形部分具有最大相对折射率Δ2MAX，而且Δ1MAX＞Δ2MAX。在某些实施例中，多个孔包括15微米的最大孔直径。在某些实施例中，孔周期性地设置在折射率下陷的环形部分中；在其它实施例中，孔非周期性地设置在折射率下陷的环形部分中；在再其它的实施例中，包层包括周期性和非周期性设置的孔。在某些实施例中，多个非周期性设置的孔中的至少90％包括10微米的最大平均孔直径。在某些实施例中，多个非周期性设置的孔包括小于2000nm的平均孔直径。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分包括大于0.5％的区域孔隙面积百分比。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分包括1％与20％之间的区域孔隙面积百分比。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分包括大于0.05％的总孔隙面积百分比。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分延伸至包层的最外围；在其它实施例中，包层还包括无孔玻璃外环形部分，而且在这些实施例中的某些中，外环形部分延伸至包层的最外围。在某些实施例中，芯的最大相对折射率Δ1MAX小于或等于0.80％。在某些实施例中，R1＞20微米。
关于“总光纤孔隙面积百分比”，我们表示孔隙的总截面积除以光纤的总截面积再乘以100％。关于“区域孔隙面积百分比”，我们表示含孔隙区域中的孔隙的总面积除以含孔隙区域的总面积(当从垂直于光纤的轴所取的截面观察该光纤时)乘以100％，含孔隙区域由含孔隙区域的内和外边界限定。例如，如果光纤中的最内孔隙的内边具有离光纤的中轴线4微米的轴向位置，而光纤中的最外孔隙的外边具有离中心线60微米的轴向位置，则含孔隙区域的面积约为11309-50＝11259平方微米。如果在此含孔隙区域中包含的孔隙的总截面积是1100平方微米，则该含孔隙区域的孔隙面积百分比约为9.8％。
在实施例的另一集合中，此处公开了一种多模光纤，其包括折射率渐变的玻璃芯和包围芯且与芯接触的包层，该包层包括包围芯的折射率下陷的环形部分，其中该折射率下陷的环形部分包括含有多个孔的玻璃。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分与芯接触。在某些实施例中，该包层还包括包围折射率下陷的环形部分的外环形部分；在这些实施例的某些中，该外环形部分包括无孔玻璃。在某些实施例中，该包层还包括内环形部分，其可以是无孔的，且包围芯；在这些实施例中的某些中，折射率下陷的环形部分包围内环形部分；以及在某些实施例中，该包层还包括包围折射率下陷的环形部分的外环形部分。在某些实施例中，孔非周期性地设置在折射率下陷的环形部分中；在这些实施例中的某些中，折射率下陷的环形部分中的多个孔包括15微米的最大孔直径；在其它实施例中，多个非周期性设置的孔中的至少90％包括10微米的最大平均孔直径；在其它实施例中，多个非周期性设置的孔包括小于2000nm的平均孔直径；在其它实施例中，折射率下陷的环形部分包括大于0.5％的区域孔隙面积百分比；在其它实施例中，折射率下陷的环形部分包括在1％与20％之间的区域孔隙面积百分比；在其它实施例中，折射率下陷的环形部分包括大于0.05％的总孔隙面积百分比。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分延伸至包层的最外围。在某些实施例中，该包层还包括无孔玻璃外环形部分；在这些实施例中的某些中，外环形部分延伸至包层的最外围。在某些实施例中，芯的最大相对折射率Δ1MAX小于或等于0.80％。在某些实施例中，折射率渐变的玻璃芯从中心线延伸至半径R1，其中R1＞20微米。
在实施例的另一集合中，此处公开了一种多模光纤，其包括从中心线延伸至半径R1的折射率渐变的玻璃芯和包围芯并与芯接触的包层，该包层包括折射率下陷的环形部分和外环形部分，其中折射率下陷的环形部分包围芯且与芯接触且包括含有多个孔的玻璃，而且其中外环形部分包围折射率下陷的环形部分且与折射率下陷的环形部分接触。在某些实施例中，芯的最大相对折射率Δ1MAX小于或等于0.80％。在某些实施例中，R1＞20微米。在某些实施例中，多个孔包括15微米的最大孔直径。在某些实施例中，孔周期性地设置在折射率下陷的环形部分中。在某些实施例中，孔非周期性地设置在折射率下陷的环形部分中。在某些实施例中，多个非周期性设置的孔中的至少90％包括10微米的最大平均孔直径。在某些实施例中，多个非周期性设置的孔包括小于2000nm的平均孔直径。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分包括大于0.5％的区域孔隙面积百分比。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分包括在1％与20％之间的区域孔隙面积百分比。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分包括大于0.05％的总孔隙面积百分比。
在实施例的另一集合中，此处公开了一种多模光纤，其包括：从中心线延伸至半径R1的折射率渐变的玻璃芯，其中R1＞20微米；以及包围芯且与芯接触的包层，该包层包括折射率下陷的环形部分和外环形部分，其中折射率下陷的环形部分包围芯并与芯接触，而外环形部分包围折射率下陷的环形部分并与其接触，其中该芯的最大相对折射率Δ1MAX在850nm下小于或等于0.80％，其中折射率下陷的环形部分包围芯且与芯接触，而且具有最小相对折射率Δ2MIN，且其中Δ1MAX＞0＞Δ2MIN。优选芯的相对折射率全部为正。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分的分布体积的绝对值小于200％-μm2。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分的分布体积的绝对值大于10且小于200％-μm2。在某些实施例中，芯具有基本为抛物线的折射率分布。在某些实施例中，芯在850nm波长下具有α形状(α约为2)的折射率分布。在某些实施例中，直接毗邻芯的包层在850nm波长下不具有α形状(α为1.8至2.3)。在某些实施例中，Δ1MAX小于0.70％。在某些实施例中，芯和包层提供：(a)在850nm波长下大于2.00GHz-km的带宽；以及(b)在1550nm波长下以dB表示的由于弯曲引起的绕10mm直径的芯棒缠绕1匝的衰减增加小于或等于两倍(1/Δ1MAX)2的乘积。在某些实施例中，R1≥22微米；在其它实施例中，R1≥24。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分包括含有多个孔的玻璃、或掺氟玻璃、或含有多个孔的掺氟玻璃。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分具有包括最小相对折射率小于-0.10％的折射率分布；在其它实施例中，该最小相对折射率小于-0.20％；在其它实施例中，该最小相对折射率小于-0.30％；在其它实施例中，该最小相对折射率小于-0.40％。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分具有包括绝对值小于200％-μm2的分布体积的折射率分布。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分包括含有多个孔的玻璃；在这些实施例中的某些中，多个孔包括15微米的最大孔直径。在某些实施例中，孔周期性地设置在折射率下陷的环形部分中。在某些实施例中，孔非周期性地设置在折射率下陷的环形部分中。在其它实施例中，折射率下陷的环形部分包括周期性和非周期性设置的孔。在具有非周期性设置的孔的某些实施例中，多个非周期性设置的孔中的至少90％包括10微米的最大平均孔直径。在某些实施例中，多个非周期性设置的孔包括小于2000nm的平均孔直径。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分包括大于0.5％的区域孔隙面积百分比。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分包括1％与20％之间的区域孔隙面积百分比。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分包括大于0.05％的总孔隙面积百分比。
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。

Claims (4)

1.一种多模光纤，包括：
折射率渐变的玻璃芯；以及
包围所述芯且与所述芯接触的玻璃包层，所述包层包括折射率下陷的环形部分；
其中所述芯在850nm下具有以％表示的最大相对折射率Δ1MAX；
其中所述芯和所述包层提供：(a)在850nm波长下大于3GHz-km的带宽；以及(b)在1550nm波长下由于弯曲引起的以dB表示的绕10mm直径的芯棒缠绕1匝的衰减增加小于或等于两倍(1/Δ1MAX)2的乘积；并且
所述折射率下陷的环形部分偏离所述芯。
2.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，所述折射率下陷的环形部分包括含有多个孔的玻璃、或掺氟玻璃、或含有多个孔的掺氟玻璃。
3.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，所述光纤在850nm波长下呈现出小于1.5dB的绕10mm直径芯棒缠绕1匝的衰减增加。
4.如权利要求2所述的多模光纤，其特征在于，所述光纤是旋转光纤。
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