CN102411168B - 低损耗光纤的设计及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及低损耗光纤的设计及其制造方法。说明了一种借助混合VAD/MCVD处理过程生产的改进的光纤。光纤的纤芯用VAD生产，而内包层有凹陷的折射率并用MCVD生产。在优选的实施例中，光功率包络基本上全部包含在VAD生产的纤芯材料和MCVD生产的凹陷折射率包层材料中。借助把绝大部分光功率限制在低OH的VAD纤芯，以及借助使无掺杂石英区中的光功率最大化，使光损耗达到最小。MCVD衬底管材料中基本上没有光功率。

Description

低损耗光纤的设计及其制造方法
本申请是申请日为2006年3月28日、发明名称为“低损耗光纤的设计及其制造方法”的中国专利申请No.200610071692.4的分案申请。
技术领域
本发明涉及一系列光纤的设计，及采用这些改进光传输特性的设计来生产光纤的方法。更具体说，本发明涉及一种混合的生产方法，其中，光纤预制棒用组合的MCVD和VAD技术制作，其中的VAD-MCVD界面，在折射率分布设计的波导形成区之内。
背景技术
已经为光纤的生产提出并开发了广泛的各种方法。随着光纤技术的成熟，已经出现三种主要的生产方法，即MCVD、VAD、和OVD。所有这些方法都要把玻璃微粒(常常称为“微粉(soot)”)沉积在起始的衬底上，然后使这些微粒固结成固态的玻璃体。这些技术要用到现场汽相反应来生产微粒。用喷灯引起汽相反应，并把喷灯的火焰引到起始的衬底。在MCVD方法中，喷灯被引到玻璃起始管的外侧，而玻璃的原始气体被引进玻璃管内部。微粒沉积在管的内表面。在VAD和OVD方法中，喷灯和原始气体被引到起始棒的外表面，微粒分别沉积在棒的一端或侧面。各技术效率是高的，且已广泛应用，各有各熟知的优点。
要生产非常高质量的中心纤芯和内包层材料，MCVD处理过程似乎是理想的。在MCVD技术中，微粒层沿径向递增地生长。由于该递增的径向生长，MCVD比VAD方法能生产更复杂的折射率分布。复杂的折射率分布，是通过对每种分布特性，改变微粒层的径向组分生产的。此外，复杂的折射率分布，常常有一种或多种凹陷折射率(相对于纯石英)的特性。凹陷折射率区一般是对微粒掺杂氟形成的。下面还要更详细说明，管内沉积方法(MCVD)比棒外两种方法(VAD或OVD)中任一种更适合氟的沉积。
但是，在MCVD方法中，必需使用起始管是个限制因素。对大的最新技术的预制棒，一种限制是MCVD起始管中的玻璃质量不良和没有低的损耗(因为光功率的某些部分将由起始管材料传送)。如果要避免起始管质量的限制，使用超纯(通常也是昂贵的)材料制作起始管，则暴露在MCVD通常用作热源的氢氧焰喷灯中的管，由于羟基离子添加至颇深的深度，可能损害有效的起始管质量。最后，要求的折射率分布，可能在起始管玻璃提供的区中，需要一定的掺杂物浓度，但该起始管玻璃与结果良好的MCVD处理(从粘滞性、管的稳定性、或热传导考虑)不相容。
在VAD方法中，石英微粉沿起始饵棒的轴向沉积和生长。VAD技术的显著优点，是它能作为连续的处理过程实施。这样能实现一列式的沉积、纯化、干燥、和烧缩。沉积完成后，把起始棒与沉积体分离，因此与常规的MCVD法不同，整个预制棒可以用CVD沉积的材料制作。作为一般的建议，VAD方法是有效的并被广泛运用，但它们仍然比不上MCVD精确控制折射率变化的掺杂物沿径向沉积的能力，从而精确控制径向折射率分布的能力。由于这一原因，VAD方法，和其他的微粉沉积/随后烧缩方法，诸如Outside Vapor Deposition(OVD)(外部汽相沉积)，在高效地生产复杂的光纤设计方面，受到限制。此外，VAD方法不十分适合用于氟掺杂。特别是在一列式VAD处理过程的情形。
现有技术认识到，在单模光纤中，纤芯和内包层共同传输的光功率，大于95％，但包括的光纤质量，通常却小于5％，现有技术的这一认识，导致在制作过程中对该区的制作给予特别的关注。已经发展的方法，是用相对先进和昂贵的方法，生产预制棒的纤芯和内包层区，而外包层、预制棒整体，则用较少要求、较不昂贵的处理过程生产。纤芯棒和包层的整合，则在外包层技术过程中完成。外包层技术过程，在美国专利No.6,105,396(Glodis等人)及PCT/EPT00/02651(2000年3月25日)中有一般的说明，本文引用这些文献，作为一般技术细节供参考。
外包层技术(overcladding)过程，克服了用VAD技术生产预制棒复杂性方面受到的一些限制。外包层技术过程，可能牵涉到多个外包层管，每一个添加性质不同的包层区，以获得需要的光纤折射率分布的复杂性。
普通使用的该种过程，是所谓的管内棒方法，纤芯棒用非常高质量的通用掺杂物的处理过程制成，而包层管由较不昂贵、纯度较低的玻璃制成。在一些情形下，有单一组分的玻璃提供低成本的选择。在管内棒的外包层技术过程中，把纤芯棒插入包层管中，然后，使管包围棒收缩，形成统一体。可以再次使用多个外包层技术步骤，并在一些情形下，一个或多个最后外包层技术步骤可以与光纤拉制操作组合。
如果使用管外包层技术过程，合适的包层管可以用微粉沉积或熔融石英挤出生产。基于微粉合成玻璃的过程制作这些大的包层体，导致高质量的玻璃，但要求扩展处理并相对昂贵。大的熔融石英体较不昂贵，但一般纯度不高。
总之，VAD方法当与管内棒外包层技术组合，提供快速和经济的方法，用于形成有相对简单折射率分布的大玻璃纤芯棒。但是，对包括凹陷折射率特性的包层，市场上可购得的现有技术凹陷折射率的包层管，不能提供整个预制棒体需要的光学质量。
发明内容
我们设计了一组光纤折射率分布，可以降低与附加的散射损耗有关的掺杂物浓度，并发展了用MCVD及VAD组合生产光纤的混合方法，在损耗及高出产率方面极大地提升现有技术。本混合方法组合每种处理技术的特性。我们也已经注意到用这些方法生产的光纤的损耗特征。认识了这些损耗特征的不同，我们组合了MCVD及VAD技术，使合成的损耗特征优化。能够优化分配光功率的折射率分布设计，以降低Rayleigh散射，同时获得近于零水峰(zero water peak)的1385nm损耗性能，并保持良好的宏弯曲性能。在本发明的优选实施例中，用VAD方法生产的纤芯棒，有上掺杂(up-doped)的内纤芯和较不重掺杂或无掺杂的外纤芯。用MCVD方法生产的包层，有一个或多个凹陷折射率区。使用该基本预制棒制作方法，我们改变该分布和光功率包络，使所有光功率基本上不是包含在VAD材料中就是包含在MCVD材料中，并且使大部分功率包络包含在VAD材料中，例如通常有60％的功率包含在VAD内纤芯中，其中该VAD内纤芯的Ge掺杂浓度，通常小于标准单模光纤纤芯浓度的60％，又例如有20-40％的功率包含在无掺杂或轻掺杂的VAD外纤芯中。
本方法的一种变化，是以超高纯度的OVD管取代MCVD包层管来生产类似的预制棒。
根据本公开的一个方面，提供一种通过光纤发送1550nm波长区中的光信号的方法，该光纤包括：内纤芯；最小半径为5微米的外纤芯；以及最大半径为25微米的凹槽；其中功率包络按如下分布：(i)50-80％的光功率在内纤芯中，(ii)20-40％的光功率在外纤芯中，并且(iii)少于5％的光功率在凹槽中。
根据一个实施例，内纤芯的半径在2-8微米之间；内纤芯和外纤芯的组合半径在5-12微米之间；并且凹槽的半径在5-25微米之间。
根据一个实施例，内纤芯的折射率Δ在0.001与0.003之间；外纤芯的折射率Δ在0.000与0.001之间；并且凹槽的折射率Δ在-0.0035与-0.0007之间。
根据一个实施例，1550nm的衰减小于0.175dB/km。
根据一个实施例，1383nm的衰减小于0.31dB/km。
根据一个实施例，光缆的截止波长小于1260nm。
根据一个实施例，光缆的截止波长小于约1530nm。
根据一个实施例，20mm直径的宏弯曲损耗小于2dB/m。
根据一个实施例，外纤芯区的折射率，如果不计VAD或OVD微粉处理自然出现的锗扩散尾的话，基本上等于无掺杂石英的折射率。
根据本公开的另一个方面，提供一种用于发送1550nm波长区中的光信号的光纤，该光纤包括：内纤芯；最小半径为5微米的外纤芯；以及最大半径为25微米的凹槽；其中功率包络按如下分布：(i)50-80％的光功率在内纤芯中，(ii)20-40％的光功率在外纤芯中，并且(iii)少于5％的光功率在凹槽中。
根据一个实施例，内纤芯的半径在2-8微米之间；内纤芯和外纤芯的组合半径在5-12微米之间；并且凹槽的半径在5-25微米之间。
根据一个实施例，内纤芯的折射率Δ在0.001与0.003之间；外纤芯的折射率Δ在0.000与0.001之间；并且凹槽的折射率Δ在-0.0035与-0.0007之间。
根据一个实施例，1550nm的衰减小于0.175dB/km。
根据一个实施例，1383nm的衰减小于0.31dB/km。
根据一个实施例，光缆的截止波长小于1260nm。
根据一个实施例，光缆的截止波长小于约1530nm。
根据一个实施例，20mm直径的宏弯曲损耗小于2dB/m。
附图说明
图1是光纤的示意截面图，画出可以用本发明方法制作的折射率分布的例子；
图2是图1的分布的曲线；
图3和4是管内棒处理过程的示意表示；
图5是光纤拉制设备的示意图；
图6是各种例子的衰减对功率加权Ge和F浓度的曲线；
图7对图6中以63表示的光纤，画出衰减对波长的曲线，该曲线常被称为衰减谱；
图8是损耗对功率百分比曲线，表明管内棒界面不同特征的影响。
具体实施方式
具有低的或零水峰的低损耗光纤，可以通过VAD或OVD方法有效地生产大的经济的预制棒尺寸(大于90mm的OD)。最低的1385nm损耗(指定低于0.31dB/km，通常是0.275dB/km)，几乎与用VAD方法生产的纤芯棒获得的一致，预制棒的大小可达150mm。MCVD方法通常用于生产较小的预制棒(60到90mm)，比VAD有较不严格的水峰值指标。这种商业化的实地应用，是因为VAD或OVD沉积的纤芯材料，由于烧缩前微粉的脱水，常常本性上更加干燥([OH]＜1ppb)。第二个成因是，用VAD或OVD能制作有大D/d比值的大的纤芯体；这意味着在大的纤芯体中(大大地大于90mm)，第一外包层界面能够远离纤芯(即低的光功率)。除非预制棒的尺寸小(＜70mm)，否则MCVD处理过程通常生产较低的D/d比值，使它在大预制棒中更难获得经济的、低或零水峰光纤。
商业化生产的光纤，在1550nm有近似17到20ps/nm/km的色散，而零色散在1310nm波长附近，这种光纤一般能够分成两类：有石英包层的Ge掺杂纤芯与有F掺杂包层的石英纤芯光纤。在这两类的任一类中，波导总的相对Δ，接近0.35％。前一类光纤一般亦称匹配包层或标准单模光纤，并有量级为0.185到0.195dB/km的光损耗。后一类光纤亦称纯石英纤芯光纤，并因纯的比掺杂的石英有更低的Rayleigh散射，所以有非常低的接近0.168dB/km的商品化光学损耗值。
虽然已经表明，石英纤芯光纤有优良的损耗特征，但遗憾的是，要获得这种水平的性能，要求拉制速度比匹配包层光纤慢5到10倍。对拉制速度的这种限制，影响制造厂的生产能力和生产量，使石英纤芯光纤的制造更为昂贵。这一点已经在实际上阻止它广泛的商业化采用，使它处于适量生产的状态，供海底或长距离无中继的单跨接应用。
下面将要讨论本发明的一类折射率分布，该折射率分布针对现有技术两个受限制的方面。在现有技术中，要么1)，光纤损耗更低的极限，如同常规Ge掺杂的SSMF那样，由重Ge掺杂纤芯的附加的Rayleigh散射水平确定，要么2)，如同纯石英纤芯光纤那样，该种光纤的实际应用范围，受与非常低速度的光纤拉制必然的特别成本限制。当前公开的一类折射率分布，提供一种获得损耗值接近纯石英光纤的手段，同时保持以标准单模光纤的正常速度拉制这些光纤的能力。此外，本文公开的混合VAD-MCVD处理过程，是制造该类折射率分布的优选方法。
现在参考图1，图上画出有掺杂区12-16的光纤预制棒11的截面。这些区代表在各自的层中5种不同的折射率，这些层从光纤中心沿径向伸延。该种分布以上面讨论的复杂的折射率分布为代表。区13和10代表纯石英折射率，而区14和15是下掺杂(down-doped)的。
光纤的纤芯区12有较重的掺杂，典型的是用GeO2。第二纤芯区13是较轻的掺杂区，且在优选的例子中，是本征的。(在这里的讨论中，假定玻璃是石英基玻璃，术语“本征”是指无掺杂石英。)包层区14是凹陷(下掺杂)区。包层区15是稍为不重的掺杂凹陷区，而本实施例画出的区16，是本征区，但也可以是区15的伸延。
由于本分布中存在凹陷的折射率区，制备光纤的整个预制棒的方法，通常选择MCVD。这是因为，在MCVD方法中，用氟掺杂凹陷区14是比较直接了当的。氟的掺杂通常是把微粉微粒暴露在SiF4(通过引入SiF4、SF6、C2F6等等，本领域是公知的)中获得的。在样能使氟扩散进多孔的玻璃结构和扩散进微粒的表面。因为MCVD微粉是以逐层的方式沉积并烧结，所以F不会因扩散而消失。因此，可以获得相对高浓度的F掺杂以及对浓度分布的精确控制。关于氟掺杂更详细的信息，请见共同待决的申请，该申请的序列号是09/755,914，申请日期01/05/01。
这种处理过程可能与某些优选的VAD处理过程不相容，特别是微粉沉积后在整个毛坯上采取的那些纯化和固结步骤。因此，MCVD常常是制作分布中有凹陷折射率特性的优先选择。上述的分布对低色散斜率光纤和其他最新技术的光纤产品，是至关重要的。
虽然这些因素都指出，要使用全MCVD制作有凹陷折射率区的预制棒，但我们发现，用VAD制作的预制棒和用MCVD制作的预制棒，OH污染本征浓度存在的重要差别，改变了上述结论。OH含量与相应的传输或Raman泵浦频带中，特别是1460与1530nm间的S波长频带中和在1385nm窗口中的损耗有关。GeO浓度和其他产生的缺陷的损耗，VAD材料比MCVD材料也可以更低。在两种情形中，我们已经从VAD制作的预制棒拉制的光纤中，测量到更佳的损耗结果。因此，我们已经指出用VAD制作光纤预制棒纤芯区，例如图1的区12和13，和用MCVD制作包层区14和15的效果。
图2画出从图1表示预制棒拉制的光纤的折射率分布21。请注意，图1表示预制棒的设计分布(预制棒OD通常为63mm)，而图2中特定的分布是光纤的折射率分布。一般说，从预制棒生产的光纤，基本上复制预制棒的分布，只是有更小的尺寸。
图2光纤是由图1预制棒中的区12-16得到的，在图2的顶部标出区12-16。内纤芯区12以Ge掺杂，在纤芯中心产生折射率Δ≈+0.002。Δ是偏离石英本征折射率的折射率。图2中的坐标以绝对折射率的差画出，但常常以百分比表示，需要用100乘以图示值。本领域熟练人员当能识别，内纤芯区12的折射率高度，与常规单模光纤比较是较低的，且能用小于2wt％的Ge获得。在典型的单模纤芯中，纤芯中心的掺杂浓度为3.5wt％或更大。在本发明的光纤中，纤芯较低的掺杂浓度，降低了光纤中的光损耗。在本例中，内纤芯的宽度接近4微米。在本例中，外纤芯区13是本征石英。或者，外纤芯可以是轻掺杂的。例如，它可以用Ge掺杂到小于+0.001的标称浓度。在又一个另外的实施例中，它可以用氟稍稍下掺杂。一个目的是生产有相对低掺杂的外纤芯层，从而得到非常低损耗的纤芯材料。从-0.001到+0.0005的Δ范围是合适的。图上画出的外纤芯区宽度，与内纤芯区宽度相同，即接近4微米。下一个区是凹陷折射率区14，折射率Δ约-0.002，宽度约8微米。该区用MCVD生产。该区的折射率作为半径的函数，通常是接近恒定的，但不要求平坦。凹陷折射率区一般包括用合适量的氟掺杂的SiO2，以获得需要的折射率。在本例中，区15是用MCVD起始管形成的。该起始管稍稍下掺杂到接近0.008的折射率。该区的宽度由起始管的厚度确定，接近16微米。图2所示最后一层，是无掺杂区16。用无掺杂外包层管形成该层是方便的。但是，为降低光纤对弯曲损耗的敏感度，它可以改为包括与区15相同的稍稍下掺杂的材料，但仍然保持本发明的低的损耗、高的拉制生产率特性。因为基本上没有光功率在该区传播，所以该区的光传输性质是较不重要的。
代表图2例子光纤中光功率分布的光功率包络，以22表示。竖直尺度是任意的。光功率大部分在内纤芯12的中心区中引导，并呈基本的Gauss形状，按指数下降通过内纤芯外部和通过外纤芯。在纤芯和凹陷包层区14之间的界面，功率衰减到低的值。本发明的一个目的，是把整个功率包络基本上限制于低损耗的VAD和MCVD区。在MCVD起始管开始的界面，即区14与15间的界面，基本上没有光功率。因此，区15的光损耗及其他的光特征，不如那些基本包含整个标称功率包络的内层那样重要。在某些情形下，例如当光纤被弯曲时，外面的区起作用，并帮助防止损耗。因此，MCVD凹槽层14以外的区的设计，可以比图示那些设计，有不同的组分和性质。例如，区16可以是下掺杂的，以控制弯曲损耗。或者，MCVD起始管可以掺杂到与区14相当浓度。其他区可以包括例如上掺杂材料的一个或多个环形区。
现在回头参考图2中的功率包络22，该光纤有关性质的测量值，在下表给出。功率包络的这些数据，是在1550nm上测量的。
表1
Figure GDA00002994751900091
在1385nm上功率包络的测量，得到的纤芯功率容量值为97.8％，和MCVD层功率包络接近2.2％。众所周知，光功率在整个结构中是指数下降的，所以包含在VAD/MCVD组合区中的功率包络，将不会是100％，但对本发明的设计，至少应是99％。
对有下表说明的结构的光纤，本发明的目的一般都能满足：
表2
Figure GDA00002994751900101
在优选实施例中，组合的内纤芯和外纤芯半径，等于5-12微米。
具有这些一般设计分布的特性是，除了把基本上所有功率包络限制于VAD/MCVD区外，主要份额，即＞90％，最好＞96％，包含在VAD区内，在该VAD区中，OH含量和可能的OH界面污染，两者都是小的。本征石英的使用，对设计的整个有效性有显著贡献，因为纤芯的基本部分，在理论上有优化的低损耗和能传送光功率的主要份额。
由VAD纤芯棒和MCVD包层管制成的预制棒，可以用管内棒方法组装。典型的管内棒方法结合图3和4说明。应当指出，所指的图不一定按比例画出。表示实际商品化使用尺寸特征的包层管，有代表性的10-15的长度对直径比值。画出的纤芯棒32，是插入包层管31中的。管31可以代表单根管或几根同心的管。此时的棒通常已经固结。棒可以是已经固结的或仍然是多孔的。正常情况下，纤芯棒的构成有若干常见的选择。它可以仅是中心纤芯，它也可以包括一层或多层另外的层。本发明的主要实施例中，在纤芯棒用VAD制作的情形下，纤芯包括层12和13。以非常高质量的玻璃形成技术制作的包层管，可以用作层14。但是，有鉴于可在市场上购到的超高纯管，有受限制的可用性，层14最好用MCVD生产。下掺杂的层14，由衬底管15内表面上的下掺杂的MCVD层形成。
现在参考图4，在棒32和管31组装之后，通过收缩把它们组合，生产最后的预制棒，在最后的预制棒上，棒的外表面和管的内表面之间的界面，基本上是不能察觉的。这一步骤可以在拉制处理过程之前或之中进行。
对添加的包层的操作，例如对生产层16而添加的包层管，可以基本上遵从与刚说明的管内棒方法相同的过程。或者，可以通过使外包层管、MCVD管、及纤芯棒，在一次操作中收缩，完成该预制棒的组装。
然后，如上所述，是用光纤预制棒拉制光纤。图5画出的光纤拉制设备，有预制棒51和代表加热炉(未画出)的接受器52，后者用于使玻璃预制棒软化并开始光纤的拉制。已拉制的光纤在53画出。然后，使初生的光纤表面通过一般以54表示的涂覆杯，涂覆杯有室55，内含要涂覆的预聚合物56。被液体涂覆的光纤，通过模具61从涂覆室离开。模具61与预聚合物的流体动力学组合，控制涂层的厚度。然后，被预聚合物涂覆的光纤62暴露在UV灯63下，使预聚合物固化并完成涂覆的处理过程。只要合适，也可以用其他的固化辐射。然后，涂层已经固化的光纤，用卷线盘64卷取。卷线盘控制光纤的拉制速度。通常用1-30m/sec范围的拉制速度。重要的是，光纤应在涂覆杯的中心，特别是在出口模具61的中心，以保持光纤与涂层的同心度。市场上的设备通常有控制光纤对准的滑轮。模具自身中的水动压力，可以帮助光纤的对心。由微步分度器(micro-step indexer)(未画出)控制的步进电机，控制卷线盘。
光纤的涂覆材料，通常是氨基甲酸乙酯、丙烯酸酯、或氨基甲酸乙酯-丙烯酸酯，有添加的UV光引发剂。图5的设备画出单个涂覆杯，但常常使用有两个涂覆杯的双涂覆设备。在双涂覆光纤中，典型的最初的或内涂层材料，是软的、低模量材料，诸如硅酮、热熔石蜡、或其他许多有相对低模量的聚合物材料。第二或外涂层常用的材料，是高模量聚合物，典型的是氨基甲酸乙酯或丙烯酸酯。在商业化的实地应用中，两种材料可以是低和高模量的丙烯酸酯。沿直径的涂层厚度，通常在150-300μm范围，以接近245μm为标准。
本发明的积极作用，表现在已知光纤损耗的机制方面。制造和设计基于石英的光纤的目前技术水平，已经推进到这样的地步，使在1550nm区中，来自例如OH或微量(trace)金属污染、或玻璃结构中存在的电子缺陷等的吸收作用，或来自例如弯曲损耗的波导作用，这些作用产生的附加的损耗，已经基本上被消除。因此，先进技术的光纤的更低损耗极限，由纯石英的Rayleigh散射损耗决定。使折射率变化以形成波导结构的掺杂物，如典型的Ge或F的存在，其不利的作用，是使被掺杂玻璃的Rayleigh散射损耗，附加在纯石英的Rayleigh散射损耗之上。Ohashi(“Optical Loss Property of Silica-BasedSingle-Mode Fibers”，JLT Vol10，No.5May1992)确定，Ge掺杂的石英光纤的Rayleigh散射系数是：
AGe＝A0(1+0.44＊ΔGe)，
而对F掺杂的石英光纤的Rayleigh散射系数是：
AF＝A0(1+0.41＊ΔF)，
这里A0是无掺杂石英的Rayleigh散射系数，ΔGe和ΔF分别是与Ge及F掺杂关联的归一化折射率的差。这些公式清楚表明，以锗和氟掺杂的石英，相对于纯石英有升高的Rayleigh散射系数，导致附加的散射损耗。本文公开的折射率分布种类，是在传播光功率绝大部分的光纤区中的设计，与匹配包层光纤的设计相比，有降低浓度的锗和氟掺杂，从而通过降低Rayleigh散射系数，提供一种降低光纤损耗的手段。
为定量表示附加Rayleigh散射损耗对光纤损耗的作用，该额外Rayleigh散射损耗是波导掺杂区的Rayleigh散射损耗，超出本征石英Rayleigh散射损耗的部分，为此，我们把额外散射损耗的度量，定义为光纤截面上被光功率密度加权的Ge及F掺杂浓度的积分。
额外散射损耗度量
Figure GDA00002994751900121
这里Ge(r)和F(r)是作为径向位置r函数的Ge和F掺杂浓度，以重量百分比为单位，E(r)是电场，它作为基模的r的函数。
图6按无色散位移光纤对额外散射损耗度量，画出各种大的有效面积上观察到的损耗曲线。以61和62标记的点，分别代表市场上购得的纯石英纤芯光纤和Ge掺杂纤芯光纤的观察结果。假定光纤损耗主要由Rayleigh散射支配，那么，在这两例光纤值之间有额外散射损耗度量的光纤，其光纤损耗近似落在沿连接该两点的线65上。以63和64标记的点，代表本发明两例光纤的结果。这两例光纤的额外散射损耗度量值，稍稍小于2.0，而测量的损耗值约为0.180dB/km。本发明具有图2所示折射率分布的优选实施例，其额外散射损耗度量值约1.0和期望的光纤损耗为0.174dB/km。本发明的功率加权掺杂浓度的积分值范围，通常落在约1到2的范围内。
图7画出图6中点63代表用18m/s牵引速度拉制的光纤的衰减谱。该光纤在1550nm和1385nm上的衰减，是0.180和0.284dB/km，表明优良的低损耗性能。
另一根光纤的损耗性能涉及光纤折射率分布设计的问题，而光纤制造方法在于使光纤满足零水峰(Zero Water Peak，ZWP)特性。ZWP特性要求，在围绕1385nm波长区的OH吸收峰上，有非常低的初始损耗，并在光纤工作的使用期内把它暴露在分子氢中，能有非常低的稳定的长期老化损耗。
提供ZWP特性的一个重要方面，是VAD沉积过程形成的内和外纤芯区，有极其“干燥”的性质(通常＜0.5ppb[OH])。在本发明一个优选实施例中，通常＞95％的光功率在光纤的VAD形成区内传播。提供ZWP特性的再一个重要方面，是与外纤芯区比邻的凹陷折射率区非常干燥的本质。用标准的MCVD处理可获得的干燥度，[OH]浓度通常＜3.0ppb，这样的[OH]浓度为该区提供充足的性能，因为通常只有很小百分比的功率在该区内传播。可以预见，通过用超高纯的、[OH]污染浓度与MCVD处理形成的材料相当的F掺杂管，形成与纤芯棒相邻的整个凹陷折射率凹槽区，可以实现这些有ZWP特性的光纤设计。但是，因为市场上可购得的用合成石英管材的目前技术水平，[OH]污染浓度约为200ppb，所以这些管目前市场上不能购到。本发明在ZWP性能方面的另一个贡献是，大于99％的功率在VAD、MCVD或超高纯管材形成的区内传播。本发明在这方面的第四个贡献是，环绕VAD纤芯棒与第一包层管之间界面1微米厚的区内，包含的光功率百分比小于约2％，最好小于0.5％。最好是，在外包层及外包层步骤之前，纤芯棒的处理，要与环绕该界面的1微米区上的处理一致，就是说，保持平均[OH]污染在20ppb或更小。这一要求可能需要下面的技术，诸如加热炉在干燥环境中持续一段时间、棒和管表面在外包层前进行等离子体和/或化学蚀刻、和外包层过程中在界面空隙采用诸如氯干燥剂来维持干燥环境。图8表明在1385nm上对额外损耗的计算结果，该额外损耗是因界面区的OH污染产生的，并作为围绕界面1μm厚的环中传播的功率百分比的函数。两条曲线表明，当使用上述干燥的外包层处理，又当使用更有代表性的外包层处理时，在典型的OH污染浓度上观察到的额外损耗。要有良好的ZWP性质，优先使用干燥处理技术，并当适当地实施时，将得到小于约2％的“界面”功率。
本文公开的本发明，使级别最好的标准匹配包层光纤的损耗，从0.185降低到～0.175dB，这一点表示，100km的陆上系统，跨距损耗降低1dB，而50-70km的海底系统，跨距损耗降低～0.5到0.7dB。陆上系统中的这一1dB，表示可以用增加的dB余额延伸总的系统长度，或降低其他部件的费用或指标。零(可忽略的)水峰损耗扩展了置于1385nm附近的Raman泵浦的能力，而低Rayleigh散射损耗与低水峰的组合，可使Raman泵浦在从1350到1450nm的整个区上更有效。在海底的情形，增加的0.5到0.7dB，可以用于延伸极其昂贵的深海中继器之间的距离，从而降低跨接给定系统长度需要的中继器总数。这一点表明极大地节省了费用。
按照本发明的光纤，可以结合色散补偿组件使用，色散补偿组件以负色散光纤或高阶模光纤为基础。按照本发明的光纤还可以配置成色散管理跨距单元，在该单元中，具有正色散(如本发明)的成缆光纤与具有负色散及负色散斜率的成缆光纤配成对。色散管理跨距的设计，通常把一段有大有效面积的正色散光纤，紧接发射器之后放置，使当入射功率为最大时的非线性最小。一段较小有效面积的负色散光纤，在光功率已经被正色散光纤中的光损耗衰减之后，接续进跨距内，以便使非线性最小。对Raman放大系统，顺序可以修改为：一段大有效面积的正色散光纤；接着是一段较小有效面积的负色散光纤；接着是第二段大有效面积的正色散光纤。
在偏僻地区，诸如边境或岛屿之间，常常需要无中继(无放大)的系统。在这些系统中，高的入射功率与分布Raman放大的组合，有助于不用一个一列式的光放大器，实现200-300km的传输。这种系统的传输波长，应接近光纤的损耗极小，通常在1570到1580nm。本文公开的这类光纤，有降低的信号频带衰减，比纯石英纤芯光纤制造更为经济。它有可忽略的水峰损耗，能在～1375nm上安排效果良好的二阶Raman泵浦，该波长极其接近水峰。它还能有大于100平方微米的有效面积，可以缓解与更高入射功率关联的非线性。
本文公开的新的一类光纤，对正在浮现的一类10Gbps(和更快)传输系统，也是理想的，这类10Gbps传输系统将利用信号处理的一些形式，减轻由于色散产生的符号间干扰。在这些系统中，光学色散的补偿，要么在发射器上用预加重补充，要么在发射器上用预加重全部更换，和/或在接收器上均衡，所有信号处理都在电域中完成。这些电子色散减轻方案，对线性的、确定性的减损，有最佳的响应。在本范例中，传输系统的性能和费用，将极小依赖于色散减损的减轻，但更多依赖于降低衰减损耗和非线性。本文公开的一类光纤，例如有效面积为110μm2和信号频带损耗为0.175dB/km的光纤，当与该类系统一起使用时，能够计算出比标准匹配包层光纤有2dB的性能改进。
本发明各种另外的修变化，将出现在本领域熟练人员面前。通过本说明书的具体教导，本领域技术已经得到推进，所有偏离本说明书具体教导，但基本上依靠本说明书具体教导的原理和它们的等价叙述，都应恰当地认为在已经说明和要求的本发明范围之内。

Claims (17)

1.一种通过光纤发送1550nm波长区中的光信号的方法，该光纤包括：
内纤芯；
最小半径为5微米的外纤芯；以及
最大半径为25微米的凹槽；
其中功率包络按如下分布：
(i)50-80％的光功率在内纤芯中，
(ii)20-40％的光功率在外纤芯中，并且
(iii)少于5％的光功率在凹槽中。
2.如权利要求1所述的方法，其中：
内纤芯的半径在2-8微米之间；
内纤芯和外纤芯的组合半径在5-12微米之间；并且
凹槽的半径在5-25微米之间。
3.如权利要求1所述的方法，其中内纤芯的折射率Δ在0.001与0.003之间；外纤芯的折射率Δ在0.000与0.001之间；并且凹槽的折射率Δ在-0.0035与-0.0007之间。
4.如权利要求1所述的方法，其中1550nm的衰减小于0.175dB/km。
5.如权利要求1所述的方法，其中1383nm的衰减小于0.31dB/km。
6.如权利要求1所述的方法，其中光缆的截止波长小于1260nm。
7.如权利要求1所述的方法，其中光缆的截止波长小于约1530nm。
8.如权利要求6所述的方法，其中20mm直径的宏弯曲损耗小于2dB/m。
9.如权利要求1所述的方法，其中外纤芯区的折射率，如果不计VAD或OVD微粉处理自然出现的锗扩散尾的话，基本上等于无掺杂石英的折射率。
10.一种用于发送1550nm波长区中的光信号的光纤，该光纤包括：
内纤芯；
最小半径为5微米的外纤芯；以及
最大半径为25微米的凹槽；
其中功率包络按如下分布：
(i)50-80％的光功率在内纤芯中，
(ii)20-40％的光功率在外纤芯中，并且
(iii)少于5％的光功率在凹槽中。
11.如权利要求10所述的光纤，其中：
内纤芯的半径在2-8微米之间；
内纤芯和外纤芯的组合半径在5-12微米之间；并且
凹槽的半径在5-25微米之间。
12.如权利要求10所述的光纤，其中内纤芯的折射率Δ在0.001与0.003之间；外纤芯的折射率Δ在0.000与0.001之间；并且凹槽的折射率Δ在-0.0035与-0.0007之间。
13.如权利要求10所述的光纤，其中1550nm的衰减小于0.175dB/km。
14.如权利要求10所述的光纤，其中1383nm的衰减小于0.31dB/km。
15.如权利要求10所述的光纤，其中光缆的截止波长小于1260nm。
16.如权利要求10所述的光纤，其中光缆的截止波长小于约1530nm。
17.如权利要求10所述的光纤，其中20mm直径的宏弯曲损耗小于2dB/m。
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