CN101663604A - 具有大有效面积的光纤 - Google Patents

Abstract

一种光纤，包括：玻璃芯，其从中心线延伸至半径R₁；玻璃包层，其包围该芯且与该芯接触，该包层包括：第一环形区，其从半径R₁延伸至半径R₂，该第一环形区包括径向宽度W₂＝R₂－R₁，第二环形区，其从半径R₂延伸至半径R₃，该第二环形区包括径向宽度W₃＝R₃－R₂，以及第三环形区，其从R₃延伸至最外的玻璃半径R₄；其中(i)该芯包括相对于第三环形区的最大相对折射率Δ_1MAX；(ii)其中该第一环形区包括径向宽度W₂；以及(iii)该第二环形区包括相对于第三环形区的最小相对折射率Δ_3MIN；其中Δ_1MAX＞Δ_2MAX＞Δ_3MIN以及Δ_2MIN＞Δ_3MIN以及该芯和包层提供具有小于1500nm的光缆截止、在1550nm下小于12ps/nm/km的色散以及在1550nm下大于60μm²、优选大于70μm²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。

Description

具有大有效面积的光纤

发明背景

发明领域

本发明一般涉及光纤，更具体涉及适用于密集波分复用的低和中等色散光纤。

技术背景

诸如在1550nm波长下的色散为约6至12ps/nm/km的中等色散光纤(MDF)适用于密集波分复用(DWDM)。这些色散光纤(MDF)通常具有中芯10，该中芯10具有中央内芯区11、正折射率环区12。该芯有时候包括毗邻环的至少一个下陷折射率区14。该芯是容纳至少90％信号光的纤维区。这些MDF提供6至12ps/nm/km，但可具有不超过60μm²的有效面积，而且因为紧密容限和芯设计复杂程度而制造较为昂贵。

诸如在所谓的“密集波分复用条件”下使用的中等色散光纤(MDF)之类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会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、大温度变化引起的弯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。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种光纤包括：

玻璃芯，其从中心线延伸至半径R₁；

玻璃包层，其包围芯并与芯接触，该包层包括：

第一环形区，其从半径R₁延伸至半径R₂，该第一环形区包括径向宽度W₂＝R₂-R₁，

第二环形区，其从半径R₂延伸至半径R₃，且包括径向宽度W₃＝R₃-R₂，以及

第三环形区，其包围第二环形区，并从半径R₃延伸至最外的玻璃半径R₄；

其中该芯包括相对于第三环形区的最大相对折射率Δ_1MAX；其中所述第一环形区包括相对于第三环形区的折射率增量Δ₂(r)；第二环形区包括相对于第三环形区的最小相对折射率Δ_3MIN；

其中Δ_1MAX＞Δ_2MAX＞Δ_3MIN，Δ_2MIN＞Δ_3MIN，而Δ_3MIN＜-0.025；以及

其中该芯和该包层提供具有小于1500nm的电缆截止、在1550nm下小于12ps/nm/km的色散、以及在1550nm下大于60μm²的有效面积的光纤。

根据一个实施方式，一种光纤包括：玻璃芯，其从中心线延伸至半径R₁；玻璃包层，其包围该芯且与该芯接触，该包层包括：(i)第一环形区，其从半径R₁延伸至半径R₂，内区包括径向宽度W₂＝R₂-R₁，(ii)第二环形区，其从半径R₂延伸至半径R₃，第二环形区包括径向宽度W₃＝R₃-R₂，以及(iii)第三环形区，其从半径R₃延伸至最外玻璃半径R₄；

其中该芯包括相对于第三环形区的最大相对折射率Δ_1MAX，且0.2％＜Δ_1MAX＜0.8％；

其中第一环形区包括径向宽度W₂，以使W₂＞2/3R₁，而且折射率增量|Δ₂(r)|＜0.025％；

其中第二环形区包括：

相对于第三环形区的最小相对折射率Δ_3MIN，其中Δ_3MIN＜-0.3％；

其中Δ_1MAX＞Δ_2MAX＞Δ_3MIN以及Δ_2MIN＞Δ_3MIN；以及

其中该芯和该包层提供具有小于1500nm的光缆截止、在1550nm下小于12ps/nm/km的色散以及在1550nm下大于60μm²的有效面积的光纤。

在一组实施方式中，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。

在另一组实施方式中，第二环形区包括具有多个闭合孔的二氧化硅玻璃，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。

现在将具体参考本发明的优选实施方式，其示例在附图中示出。

附图简述

图1A示出如本文中所公开的光波导纤维的实施方式的相对折射率分布。

图1B示出如本文中所公开的光波导纤维的实施方式的示意性剖面图。

图2是光波导纤维的实施方式的示意性剖面图。

图3示出如本文中所公开的光波导纤维的另一实施方式的相对折射率分布。

图4A示出光波导纤维的又一实施方式的相对折射率分布。

图4B是图4A的光波导纤维的实施方式的示意性剖面图。

优选实施方式的详细描述

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”定义为Δ％＝100×(n_i ²-n_c ²)/2n_i ²，其中n_i是区域i中的最大折射率，除非另作说明，而n_c是包层的第三环形区60(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。在其中一区域的折射率小于第三环形区60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：

A_eff＝2π(∫f² r dr)²/(∫f⁴ r dr)，

其中积分上下限为0到∞，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“A_eff”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”指的是以“％”为单位的Δ(r)表示的相对折射率分布，其中r是半径，其遵循以下方程，

Δ(r)＝Δ(r_o)(1-[|r-r_o|/(r₁-r_o)]^α)，

其中r_o是Δ(r)为最大值的点，r₁是Δ(r)％为零的点，而r在r_i≤r≤r_f范围内，其中Δ如上定义，r_i是α分布的起点，r_f是α分布的终点，而α是实数的指数。

使用彼得曼II方法测量模场直径(MFD)，其中2w＝MFD，且w²＝(2∫f²r dr/∫[df/dr]² r dr)，积分上下限为0到∞。

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”是超过其被导光不能在该模式中传播的波长。可在1990年纽约出版的Marcel Dekker的单模光纤光学的Jeunhomme的39-44页(Single Mode FiberOptics，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。

可通过标准的2m光纤截止测试即FOTP-80(EIA-TIA-455-80)来测量实际的光纤截止以产生“光纤截止波长”，也称为“2m光纤截止”或“测量的截止”。执行FOTP-80标准测试以使用受控的弯曲量去除较高阶的模式，或将该光纤的光谱响应归一化为多模光纤的光谱响应。

成缆的截止波长，或“成缆截止”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成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FOTP’s。通过发射功率的单模光纤的EIA-455-170光缆截止波长或“FOTP-170”中描述了成缆截止测量。

除非在本文中另作说明，针对LP01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。

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)200。该包层200具有折射率分布Δ_包层(r)。在某些实施方式中，包层200由纯二氧化硅组成。在某些实施方式中，包层200的一个或多个区域包括附加的掺杂剂。优选至少一个包层区包括多个空隙(在本文中也称为孔)。这些孔可注入气体。

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；“E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。

在某些实施方式中，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。

在某些实施方式中，本文中公开的光纤的折射率分布从中心线到环形分层的内半径R₂是非负的。在某些实施方式中，光纤的芯中不包含降低折射率的掺杂剂。

参考图1A和1B，本文中公开了光波导纤维10，其包括：芯20，其从中心线沿径向向外延伸至中央分层外半径R₁，且具有以％为单位的相对折射率分布Δ₁(r)，其最大相对折射率百分比为Δ_1MAX；以及包层200，其包围芯20且直接毗邻芯20，即直接接触芯20。包层200包括：第一环形区30，其包围芯20且直接毗邻芯20，沿径向向外延伸至第二环形区50，且通过半径R₂表征，此区30具有设置在中点R_2MID处的宽度W₂，和以％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Δ_2MAX，最小相对折射率百分比为以％表示的Δ_2MIN，最大绝对值相对折射率百分比为|Δ₂(r)|_MAX；第二环形区50，其包围区30并直接毗邻区30，且沿径向从R₂向外延伸至半径R₃，该区50具有设置在中点R_3MID处的宽度W₃，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Δ_3MIN，其中Δ_1MAX＞0＞Δ_3MIN；以及第三环形区60，其包围区50且直接毗邻区50，且具有以％表示的相对折射率百分比Δ_包层(r)。R₁定义为在Δ₁(r)首次达到+0.05％的半径处出现。即，在相对折射率在半径R₁处首先达到+0.05％(沿径向向外)时芯20结束而环形区30开始，而且区30被定义为在相对折射率Δ₂(r)沿径向向外首先达到-0.05％的半径R₂处结束。对于这组实施方式，第二环形区50在R₂处开始，在R₃处结束。R₃被定义为在相对折射率Δ₃(r)(沿径向向外)达到-0.05％的值处、在Δ₃(r)已经下降到至少-0.05％之后出现。环形分层的宽度W₃是R₃-R₂，而其中点R_3MID是(R₂+R₃)/2。在某些实施方式中，中央分层的超过90％的径向宽度具有正的相对折射率，而且在某些实施方式中，对于从0到R₁的所有半径，Δ₁(r)均为正。在某些实施方式中，对于第一环形区30的超过50％的径向宽度，|Δ₂(r)|＜0.025％或|Δ_2max-Δ_2min|＜0.05％，而在其它实施方式中，对于第一环形区30的超过50％的径向宽度，|Δ₂(r)|＜0.01％。对于从R₂到R₃的所有半径，Δ₃(r)为负。对于大于30μm的所有半径，优选Δ_包层(r)＝0％。在半径R_芯处，芯结束而包层开始。包层200延伸至半径R₄，其也是光纤的玻璃部分的最外围。同样，Δ_1MAX＞Δ_2MAX＞Δ_3MIN以及Δ_MAX＞Δ_2MIN＞Δ_3MIN。

在一组实施方式中，如图1A和1B所示，第二环形区50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。在另一组实施方式中(图2)，第二环形区50包括具有多个闭合的随机散布的孔16A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，在利用具有散布的孔16A的第二环形区50的某些实施方式中，Δ_3min是-0.5％到-3％，例如-0.7％、-0.7％或-0.9％。

更具体地，参考图2，纤芯20(具有阶跃折射率n₁)被第一环形区30(具有折射率n₂)包围，第一环形区30毗邻第二环形区50且被其包围，第二环形区50具有径向宽度w₃，第二环形区50还被第三环形区60(其具有平均或有效折射率n₄和径向宽度w₄)包围，第三环形区60可选地被一个或多个聚合物覆盖层65包围。第二环形区50中的相对折射率百分比Δ₃(r)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。第二环形区50相对于纯二氧化硅玻璃的典型平均相对折射率百分比Δ₃将在-2％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50的折射率变动，而且在图2的实施例中，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1000nm，例如750nm、500nm、400nm、300nm、200nm或100nm。优选至少80％、更优选至少90％的空隙具有小于1500nm，更优选小于1000nm，甚至更优选小于500nm的最大剖面尺寸Di。甚至更优选空隙的平均直径小于1500nm，优选小于1000nm，更优选小于500nm，甚至更优选小于300nm。空隙16A是封闭的(被固态材料包围)而且是非周期性的。即，空隙16A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50包含至少50个孔。

芯20具有分布体积V₁，其在本文中定义为：

$2\underset{0}{\overset{R_1}{\∫}}{\mathrm{\Δ}}_1\left(r\right)\mathrm{rdr}.$

第二环形区50具有分布体积V₃，其在本文中定义为：

$2\underset{R_2}{\overset{R_3}{\∫}}{\mathrm{\Δ}}_3\left(r\right)\mathrm{rdr}.$

优选Δ_1MAX＜0.95％、Δ_2MIN＞-0.05％、Δ_2MAX＜0.05％、Δ_3MIN＜-0.3％、0.15＜R₁/R₂＜0.6，并且第二环形区的分布体积的绝对值|V₃|大于20％-μm²。更优选Δ_3MIN＜-0.45％，甚至更优选≤-0.7％。优选0.1＜R₁/R₂＜0.6。在某些实施方式中，0.1＜R₁/R₂＜0.5。例如，当我们说Δ＜-0.63％时，我们的意思是Δ比-0.63％更负。

在某些实施方式中，优选W₂＞2/3R₁，而且在某些实施方式中，W₂＞2μm。

在某些实施方式中，20％-μm²＜|V₃|＜80％-μm²。在其它实施方式中，30％-μm²＜|V₃|＜70％-μm²。在其它实施方式中，40％-μm²＜|V₃|＜60％-μm²。

在某些情况下，优选0.2％＜Δ_1MAX＜0.8％，在其它情况下，优选0.20％＜Δ_1MAX＜0.50％或0.2％＜Δ_1MAX＜0.45％

优选R₁＜5.0μm，更优选1.6μm＜R₁＜3.50μm，甚至更优选2.7μm＜R₁＜5.0μm，而在其它实施方式中，2.7μm＜R₁＜3.5μm。

优选R₂＞5μm，更优选＞8μm，甚至更优选＞12μm，而在某些实施方式中，25μm＞R₂＞5μm，例如15.0μm＜R₂＜25.0μm。在某些实施方式中，0.1＜R₁/R₂＜0.4。

优选R₃＞15.0μm，而在某些实施方式中，18.0μm＜R₃＜28.0μm。

在某些实施方式中，W₃＞1.0μm，而在其它实施方式中，1.0＜W₃＜10μm，在某些实施方式中小于8.0μm，而在其它实施方式中2.0＜W₃＜5.0μm。

优选R₄＞40μm。在某些实施方式中，R₄＞50μm。在其它实施方式中，R₄＞60μm。在某些实施方式中，60μm＜R₄＜70μm。

在某些实施方式中，芯的中央分层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，该中央分层的折射率分布可在小于1μm的半径处具有局部最小值，其中相对折射率的更高值(包括芯分层的最大相对折射率)在大于r＝0μm的半径处出现。

优选本文中公开的光纤提供：在1310nm下的模长直径为8.20μm到9.50μm，更优选为8.4μm到9.20μm；零色散波长在1380nm与1445nm之间(例如1400nm、1410nm、1420nm、1425nm、1430nm)；以及光缆截止波长小于1500nm，更优选小于1400nm，甚至更优选小于1300nm，更优选小于1260nm，例如1100nm或更小。因为该光缆截止波长不超过(而且在某些实施方式中约等于)2m光纤截止波长，所以小于1260nm的2m光纤截止波长导致小于1260nm的光缆截止波长。

第一组实施方式

表1-2列出了第一组实施方式的说明性实施例1-8的特性。实施例2-8的折射率分布类似于图1A，具有以下的相应值。

表1
									实施例	1	2	3	4	5	6	7	8
Δ1MAX(％)	0.3646	0.364	0.3646	0.377	0.329	0.335	0.329	0.321
									R1(μm)	2.91	2.94	2.91	2.7	3	3.13	3	2.95
V1(μm2％)	3.09	3.15	3.09	2.75	2.96	3.28	2.96	2.79
									R2(μm)	19.98	19	19.98	14	19	18	22	18
R1/R2	0.15	0.15	0.15	0.19	0.16	0.17	0.14	0.16
									R2MID(μm)	11.45	10.97	11.45	8.35	11.00	10.57	12.50	10.48
W2(μm)	17.07	16.06	17.07	11.30	16.00	14.87	19.00	15.05
									W3(μm)	3.68	2.5	3.68	2.5	2.5	3.5	7	4.5
Δ3MIN(％)	-0.4159	-0.5	-0.5	-0.5	-0.5	-0.5	-0.5	-0.5
									R3MID	21.82	20.25	21.82	15.25	20.25	19.75	25.5	20.25
|V3|(μm2％)	66.8	50.6	80.3	38.1	50.6	69.1	178.5	91.1

表2
									实施例	1	2	3	4	5	6	7	8
理论截止(nm)	929	923	929	869	906	894	907	848
									零色散波长(nm)	1415	1415	1415	1428	1407	1408	1407	1416
1310nm下的MFD(μm)	8.4	8.4	8.4	8.3	8.9	8.8	8.9	9.1
									1310nm下的Aeff(μm2)	52.7	52.9	52.7	51.6	58.7	58.2	58.7	61.8
1310nm下的色散(ps/nm/km)	-7.8	-7.9	-7.8	-9.6	-7.3	-7.7	-7.4	-8.6
									1310nm下的斜率(ps/nm2/km)	0.082	0.082	0.082	0.087	0.084	0.084	0.083	0.087
1550nm下的MFD(μm)	10.4	10.4	10.4	10.4	11.1	11.1	11.1	11.6
									1550nm下的Aeff(μm2)	80.3	80.8	80.4	80.5	90.9	90.7	91.4	100.8
1550nm下的色散(ps/nm/km)	8.8	8.9	8.8	9.2	10	10	9.6	10
									1550nm下的斜率(ps/nm2/km)	0.063	0.064	0.063	0.074	0.066	0.068	0.064	0.073
1550nm下的κ(Kappa)(nm)	141	139	140	125	150	146	150	137
									1440nm下的色散(ps/nm/km)	1.7	1.7	1.7	0.9	2.4	2.3	2.4	1.8
1550nm下在20mm直径芯棒上缠绕1周的弯曲损耗	2.1	2.4	1.1	1.0	5.2	1.4	0.3	0.9
									1550nm下的20mm相对弯曲损耗	2.1	2.4	1.1	1.0	5.2	1.4	0.3	0.9

通过改变这五个参数，可获得期望的光学性能。我们已经使用计算机建模分布设计工具以以下范围扫描了参数空间：Δ_1MAX＝0.255％到0.95％，R₁＝1.68μm到3.42μm，Δ_3MIN＜-0.30％，R₂＝5μm到25μm，W₃＝2μm到10μm。

优选色散是1-12ps/nm/km，更优选为6-12ps/nm/km，其对应于约60μm²到约140μm²或更大的有效面积范围(1550nm下)。优选光纤的有效面积是至少70μm²，更优选至少75μm²，甚至更优选至少80μm²，或至少100μm²。典型的有效面积范围是约80μm²到约100μm²或到约110μm²。κ是色散与色散斜率之间的比率，优选κ在1550nm下大于120nm。对于在拉曼应用中使用该光纤，优选1440nm下的色散大于0.8ps/nm/km。在60到140μm²的有效面积范围中，色散斜率在0.055与0.1ps/nm²/km之间。该设计的一个优点是芯的理论截止波长(优选)小于1200nm，从而使此设计适用于1310nm和1550nm窗口。然而，实际设计选择还取决于弯曲损耗要求。可通过选择第二环形区的体积来改善弯曲损耗，该体积定义为第二环形区的横截面的横截面积与以百分比表示的ΔV_3min的绝对值之积。第二环形区的体积影响实际的光纤和光缆截止波长。为得到小于1500nm的光缆截止波长，优选e|V₃|，即第二环形区的体积的绝对值小于80％-μm²。如果第二环形区的体积|V₃|大于80％-μm²，则光缆截止波长可长于1500nm，或甚至长于1550nm。然而，因为芯的理论截止波长低于1200nm，所以通过使用标准的单模光纤发射和接收技术以确保单模操作，仍可在单模光纤系统中使用此类光纤。这些光纤在约1400与1445nm之间的波长下具有零色散。

在诸如实施例1-8之类的某些实施方式中，示例性光纤在1310nm下呈现出8.30μm到9.10μm的模场直径；零色散波长在1407与1428nm之间；以及优选地，理论截止波长小于1100nm，在1440nm下的色散大于0.8ps/nm/km，更优选在0.9与2.4ps/nm/km之间，以及κ在1550nm下大于120，例如在约125nm与150nm之间。所有这些实施例的光缆截止波长均小于1500nm。实施例1-8的光纤在1550nm下的有效面积呈现出约80μm²与约100μm²之间的值。

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，

$n_{\mathrm{eq}}(x,y)=n(x,y)\exp \left(\frac{p}{R}\right)---\left(1\right)$

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， $\mathrm{\β}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_{\mathrm{eff}}.$ 传播常数的虚部与泄漏模式损耗有关，如以下方程所定义，

$\mathrm{\α}=\frac{20}{\ln \left(10\right)}\mathrm{Im}\left(\mathrm{\β}\right)---\left(2\right)$

泄漏模式损耗α以dB/m为单位。建模结果显示出围绕20mm直径的芯棒缠绕的光纤在1550nm下测得的弯曲损耗小于6dB/匝。在某些实施方式中，如实施例1-8所呈现，预测的弯曲损耗在0.3与5.2dB/匝之间。在某些实施方式中，当在20mm直径芯棒上在1550nm下测量时，该弯曲损耗小于2.5dB/匝，在某些实施方式中小于1dB/匝，以及在某些实施方式中小于0.5dB/匝。我们还将建模结果与对诸如SMF-

之类的光纤的现有测试结果进行了比较，以洞察我们能如何使用弯曲建模来判断光纤相对于诸如由康宁有限公司制造的SMF-

之类的标准单模光纤的相对弯曲性能。注意，可买到的SMF-光纤的弯曲损耗良好地得到表征，其在20mm的弯曲直径和1550nm波长下的引入损耗约为1dB/匝。因此使用所提出的光纤相对于商用SMF-光纤的相对弯曲损耗来测量所提出的光纤的弯曲性能。例如，当相对弯曲损耗为1时，它意味着光纤在指定的弯曲直径和波长下具有与SMF-

光纤相同的弯曲损耗。在某些实施方式中，如实施例1-8所呈现，相对于SMF-光纤的预测弯曲损耗在0.3与5.2dB/匝之间。还可通过改变第二环形区50的位置来优化该弯曲性能。在实施例4中，第二环形区50在14μm径向位置处开始。虽然第二环形区50的体积小于实施例3，但弯曲损耗大约相同。然而，将第二环形区移动至更接近芯的中心可具有增大色散和斜率的效果。实施例1-4具有约80μm²的有效面积。可通过减小芯增量来进一步增大有效面积。这在芯Δ为0.329％的实施例5中示出。实施例5的光纤的有效面积是90.9μm²。此光纤具有与实施例2的光纤相同的第二环形区，但实施例5的光纤的弯曲损耗比实施例2的光纤的弯曲损耗高2.5倍。通过增大实施例6和7的光纤中所示的第二环形区50的体积可改善弯曲损耗。实施例6和7对应于其芯类似于实施例5的光纤的芯的光纤，但具有更厚的第二环形区(分别为3.5μm和7μm)。这些光纤(实施例6和7)的20mm直径相对弯曲损耗分别被降低至1.4和0.3。然而，当第二环形区的体积太高时，它会将光局限在内部，从而使该光纤多模化。在此情况下，因为芯仍为单模，我们仍可使用单模发射技术来确保单模工作。通过单模发射技术，我们表示通过标准单模光纤将光信号发射至传输光纤中，并使用另一单模光纤来将传输光纤的输出端耦合至接收器。优选将标准单模和传输光纤充分地良好对齐，以产生小于0.5dB、优选小于0.3dB的接续损耗。

示例性光纤的LP11理论截止波长小于1300nm，优选小于1250nm，更优选小于1200nm。如实施例1-8所示，LP11理论截止波长小于1100nm。我们还发现，对于给定的芯分布，无限地增大分布体积的量值|V₃|会使截止波长增大至光纤在1310nm或甚至在1550nm下多模化的程度。因此，在某些实施方式中，20％-μm²＜|V₃|＜80％-μm²，在其它实施方式中，30％-μm²＜|V₃|＜70％-μm²，以及在其它实施方式中，40％-μm²＜|V₃|＜60％-μm²。

我们还发现，较高的芯体积一般不仅倾向于增大模场的大小，而且会提高LP11理论截止波长，从而倾向于提高2m光纤截止波长。在某些实施方式中，芯的分布体积V1大于0且小于6.5％-μm²，在其它实施方式中小于6.2％-μm²，以及在诸如实施例1-7之类的某些实施方式中V1在5.50与6.00％-μm²之间。

图1A、1B中所示的光纤10的纤芯20具有阶跃形状或圆形阶跃形状或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α₁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。

实施例9

参考图3，在光纤10的此实施例中，纤芯被分成两部分20A和20B，其中第一分层20A具有较高Δ，而余下的芯分层20B成α形状，其中α约为10。此光纤在1550nm下的色散为8.0ps/nm/km，在1310nm下的色散为-9.4ps/nm/km。此光纤的MFD在1550nm下为10.1μm，在1310nm下为8.2μm。有效面积在1550nm下为75.8μm²，在1310nm下为49.0μm²。零色散波长为1431nm。色散斜率在1550nm下为0.0657ps/nm²/km，在1310nm下为0.087ps/nm²/km。κ值在1550nm下为124nm，在1310nm下为-108nm。此光纤的色散在1440nm下为0.68ps/nm/km。在1550nm下在20mm弯曲直径下的相对弯曲损耗为0.31dB/匝。

实施例10

参考图2，其描述了光纤区50(对应于W₃)中的空气管路(空隙)，此示例性光纤的Δ_1MAX为0.377％；R₁为2.7微米；V₁为2.75微米2％；R₂为14微米；R₁/R₂为0.19；R_2MID为8.35微米；W₂为11.30微米；W₃为2.5微米。环形区50的空隙16A包含氩气。环形区50在14微米半径的半径处开始，且具有2.5微米的径向宽度。此区50包括截面积中含有6％空隙(平均孔直径为300nm，标准偏差为100nm)和在光纤截面有约200个孔的二氧化硅。此光纤的光学特性是：理论截止波长为869nm；零色散波长为1428nm；1310nm下的MFD为8.3微米；1310nm下的Aeff为51.6μm²；1310nm下的色散为-9.6ps/nm/km；1310nm下的斜率为0.087ps/nm²/km；1550nm下的MFD为10.4μm；1550nm下的Aeff为80.5μm²；1550nm下的色散为9.2ps/nm/km；1550nm下的斜率为0.074ps/nm²/km；1550nm下的κ为125nm；1440nm下的色散为0.9ps/nm/km；1550nm下的20mm弯曲损耗为0.3dB/匝。

实施例11-14

参考图4A、4B，其描述了光纤区50(对应于W₃)中的空气管路(空隙)，这组示例性光纤具有分层的芯20。更具体地，芯20具有三个环形分层：中心分层20a，其由最大折射率增量Δ_1aMAX(与Δ_1MAX相同)和半径R_1a表征；芯分层20b，其包围分层20a且由Δ_1bMAX和半径R_1b表征；以及分层20c，其包围分层20b且由Δ_1cMAX和与R₁相同的半径R1c表征。芯分层20c毗邻光纤包层200且被包层200包围。

一个示例性光纤10的Δ_1aMAX为0.431％；R_1a为3.6μm；Δ_1bMAX为0.0％；R_1b为5.7μm；Δ_1cMAX为0.125％；R₁为8.8μm；R₂为15.7μm；R₁/R₂为0.57；R_2MID为12.4μm；W₂为6.8μm；W₃为2.1μm。在此示例性光纤10中，环形区50的空隙16A包含氩气。环形区50在14微米半径的半径处开始，且具有2.5微米的径向宽度。此区50包括面积中含有6％空隙(区域50的截面积的百分比)或孔(平均孔直径为300nm，标准偏差为100nm的空隙)和在光纤截面中观察有约200个孔的二氧化硅。此光纤的光学特性是：理论截止波长为1324nm；零色散波长为1415nm；1310nm下的MFD为8.18微米；1310nm下的Aeff为50.5μm²；1310nm下的色散为-8.2ps/nm/km；1310nm下的斜率为0.082ps/nm²/km；1550nm下的MFD为10.0μm；1550nm下的Aeff为75.3μm²；1550nm下的色散为9.6ps/nm/km；1550nm下的斜率为0.070ps/nm²/km；1550nm下的κ为137nm；1440nm下的色散为1.8ps/nm/km。

以下的表3和4列出了说明性实施例11-14的参数，其实施例类似于图4A-4B中所示的实施例。

表3
					实施例	11	12	13	14
Δ1aMAX(％)	0.433	0.431	.445	.417
					R1a(μm)	3.869	3.434	3.372	3.49
Δ1bMAX(％)	0	0	0	0
					R1b(μm)	6.16	5.67	5.98	5.99
Δ1cMAX(％)	0.101	0.125	0.115	0.119
					R1(μm)	9.69	8.81	9.45	9.19
V1(μm2-％)	9.8	9.1	9.6	9.2
					R2(μm)	13.61	15.98	14.11	15.97
R1/R2	0.71	0.55	0.67	0.58
					R2MID(μm)	11.65	12.4	11.78	12.58
W2(μm)	3.92	7.17	4.66	6.78
					W3(μm)	1.99	1.49	1.68	2.01
Δ3MIN(％)	-1.0	-1.0	-1.0	-1.0
					R3MID	14.6	16.73	14.95	16.98
|V3|(μm2％)	58.2	49.8	50.2	68.2

表4
					实施例	11	12	13	14
理论截止(nm)	1290	1324	1291	1316
					零色散波长(nm)	1377	1415	1422	1411
1310nm下的MFD(μm)	8.2	8.2	7.9	8.3
					1310nm下的Aeff(μm2)	50.7	50.5	47.7	51.7
1310nm下的色散(ps/nm/km)	-5.3	-8.2	-8.3	-7.8
					1310nm下的斜率(ps/nm2/km)	0.082	0.082	0.079	0.082
1550nm下的MFD(μm)	9.7	10.0	9.7	10.1
					1550nm下的Aeff(μm2)	70.7	75.3	70.6	77.1
1550nm下的色散(ps/nm/km)	11.7	9.55	8.9	9.75
					1550nm下的斜率(ps/nm2/km)	0.065	0.070	0.069	0.069
1550nm下的κ(nm)	180	137	129	141
					1440nm下的色散(ps/nm/km)	4.4	1.8	1.3	2.1

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.WO01/47822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。光传输线还可包括在约1550nm波长下具有负色散的第二光纤部分，例如在光传输线中实行色散补偿。光传输线100包括第一光纤和第二光纤，其中第一光纤是如本文所公开的低衰减大有效面积光纤，而第二光纤在1550nm下具有负色散。第一光纤和第二光纤可通过熔接、光连接器等光学地连接。光传输线还可包括一个或多个组件和/或其它光纤(例如在光纤和/或组件之间的结合部的一个或多个“尾纤”)。在优选实施方式中，第二光纤的至少一部分可选地设置在色散补偿模块中。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。

在某些优选实施方式中，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。在一个优选实施方式中，系统在1530nm与1565nm之间的一个或多个波长下工作。在一个实施方式中，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，根据某些实施方式，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方式，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 (20)

1.一种光纤，包括：

玻璃芯，其从中心线延伸至半径R₁；

玻璃包层，其包围所述芯并与所述芯接触，所述包层包括：

第一环形区，其从半径R₁延伸至半径R₂，所述第一环形区包括径向宽度W₂＝R₂-R₁，

第二环形区，其从半径R₂延伸至半径R₃，且包括径向宽度W₃＝R₃-R₂，以及

第三环形区，其包围所述第二环形区，并从半径R₃延伸至最外的玻璃半径R₄；

其中所述芯包括相对于所述第三环形区的最大相对折射率Δ_1MAX；其中所述第一环形区包括相对于所述第三环形区％的折射率增量Δ₂(r)；所述第二环形区包括：

相对于所述第三环形区的最小相对折射率Δ_3MIN；

其中Δ_1MAX＞Δ_2MAX＞Δ_3MIN，Δ_2MIN＞Δ_3MIN以及Δ_3MIN＜-0.025；以及

其中所述芯和所述包层提供具有小于1500nm的电缆截止、在1550nm下小于12ps/nm/km的色散以及在1550nm下大于60μm²的有效面积的光纤。

2.一种光纤，包括：

玻璃芯，其从中心线延伸至半径R₁；

玻璃包层，其包围所述芯并与所述芯接触，所述包层包括：

第一环形区，其从半径R₁延伸至半径R₂，所述第一环形区包括径向宽度W₂＝R₂-R₁，

第二环形区，其从所述半径R₂延伸至半径R₃，且包括径向宽度W₃＝R₃-R₂，以及

第三环形区，其包围所述第二环形区，并从所述半径R₃延伸至最外的玻璃半径R₄；

其中所述芯包括相对于所述第三环形区的最大相对折射率Δ_1MAX，而且其中Δ_1MAX大于约0.2％且小于约0.8％；

其中所述第一环形区的折射率增量Δ₂(r)小于约0.025％；

其中所述第二环形区包括相对于所述第三环形区的最小相对折射率Δ_3MIN；

其中Δ_1MAX＞Δ_2MAX＞Δ_3MIN，Δ_2MIN＞Δ_3MIN以及Δ_3MIN＜-0.025；以及

其中所述芯和所述包层提供具有小于1500nm的光缆截止、在1550nm下小于12ps/nm/km的色散以及在1550nm下大于60μm²的有效面积的光纤。

3.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述第一环形区具有大于²/₃R₁的径向宽度W₂；而且其中1550nm下的所述有效面积大于70μm²。

4.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，1550nm下的所述有效面积大于70μm²，而且所述芯包括三个芯区，所述第一芯区是最大折射率增量Δ_1aMAX大于约0.2％且小于约0.55％的中心区，第二芯区毗连且包围所述第一芯区，所述第二区具有小于约0.05％的最大折射率增量Δ_1bMAX，第三芯区毗连且包围所述第二芯区，所述第三区具有大于约0.05％且小于约0.2％的最大折射率增量Δ_1cMAX。

5.如权利要求4所述的光纤，其特征在于，所述第二环形区包括其中设置有至少50个闭合的随机散布的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。

6.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述零色散波长在约1400nm与1440nm之间。

7.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，Δ_1MAX大于约0.2％且小于约0.5％。

8.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，相对于所述第三环形区的Δ_3MIN小于约-0.3％。

9.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述第二环形区包括分布体积V₃，其等于：

$\begin{array}{c}{R}_3\\ 2\∫\mathrm{\Δ}\left(r\right)\mathrm{r\; dr};\\ R_2\end{array}$

其中|V₃|至少是20％-μm²。

10.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550nm波长下的κ值大于120，而1440nm波长下的色散值D大于0.8ps/nm/km。

11.如权利要求2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闭合的随机散布的孔的二氧化硅基玻璃。

12.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述第二环形区包括其中设置有至少50个闭合的随机散布的孔的二氧化硅基玻璃，而且(i)所述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。

13.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述芯与所述包层共同在1550nm波长下在20mm直径芯棒上提供小于6dB/匝的弯曲损耗。

14.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，20％-μm²＜|V₃|＜80％-μm²。

15.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，R₁＜5.0μm、R₂＞5μm且R₃＞10μm，以及W₃在1μm与10μm之间。

16.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述有效面积为至少80μm²。

17.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述芯包括分布体积V₁，其等于：

$\begin{array}{c}{R}_1\\ 2\∫\mathrm{\Δ}\left(r\right)\mathrm{r\; dr};\\ 0\end{array}$

其中V₁大于0且小于6.2％-μm²。

18.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述芯和所述包层提供小于1260nm的光纤截止。

19.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述芯和所述包层在1310nm下提供8.2与9.5μm之间的模场直径。

20.一种光传输系统，包括发射器、接收器以及位于它们之间的如权利要求1所述的光纤，所述光纤具有至少40吉比特/秒的数据传输速率。

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