CN102782541A - 低弯折损耗光纤 - Google Patents

Abstract

具有低宏观弯折损耗和低微观弯折损耗的光纤。该光纤具有第一内包层区域和第二外包层区域，第一内包层区域具有外半径r₂>8微米和折射率Δ₂，第二外包层区域围绕内包层区域且具有折射率Δ₃，其中Δ₁>Δ₃>Δ₂。Δ₃与Δ₂之间的差大于0.01。光纤具有小于或等于1260nm的22m光缆截止，且r₁/r₂大于或等于0.25。

Description

低弯折损耗光纤

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求对2010年2月26日提交的美国临时专利申请序列号61/308625的优先权。

技术领域

本发明涉及具有低弯折损耗的光纤。

背景技术

存在对低弯折损耗光纤的需求，尤其是对用在所谓“通路”中的纤维以及光纤接入（FTTx）光学网络中的光纤的需求。可在这些网络中部署光纤，而该部署的方式通过光纤传递的光信号中会引起弯折损耗。会强加诸如紧密弯折半径、光纤压缩等等之类的物理要求的会引入弯折损耗的某些应用包括在光学地下光缆组件中、工厂安装端接系统（FITS）和松弛环路中部署光纤、位于机柜中连接馈电装置和配电电缆的小弯折半径多端口、以及配电电缆与地下电缆之间网络接入点内的跳线。在某些光纤设计中很难同时实现低弯折损耗和低电缆截止波长。

发明内容

本文揭示了一种波导光纤，包括：掺杂有氧化锗的中心芯线区域，具有外半径r₁和折射率Δ₁；包层区域，包括第一内包层区域和第二外包层区域，所述第一内包层区域的外半径r₂>8微米且折射率为Δ₂，所述第二外包层区域折射率为Δ₃，其中Δ₁>Δ₃>Δ₂，且Δ₃与Δ₂之间的差大于0.01，所述光纤具有小于或等于1260nm的22m光缆截止，且r₁/r₂大于或等于0.25、更佳地大于0.3。

本文还揭示一种单模光纤，包括：中心芯线区域，具有外半径r₁和折射率Δ₁；包层区域，所述包层区域包括掺杂氟的二氧化硅，所述包层包括第一内部保持区域和第二外部保持区域，所述第一内包层区域具有外半径r₂且折射率为Δ₂，所述第二外包层区域折射率为Δ₃，其中r₁/r₂大于或等于0.25。本文所揭示的光纤可以符合ITU G.657A和G.657B。

较佳地，1550nm处的20mm直径弯折损耗不大于0.75dB/圈。较佳地，1550nm处的30mm直径弯折损耗不大于0.025dB/圈。在某些较佳实施例中，1550nm处的20mm直径弯折损耗不大于0.3dB/圈。在其它较佳实施例中，1550nm处的20mm直径弯折损耗不大于0.1dB/圈。在某些实施例中，1550nm处的30mm直径弯折损耗不大于0.003dB/圈。

在某些实施例中，1550nm处的15mm直径弯折损耗不大于1dB/圈。在某些实施例中，1550nm处的15mm直径弯折损耗不大于0.5dB/圈。

在某些实施例中，折射率分布还提供小于1325nm的零色散波长。在较佳实施例中，折射率分布还提供1300至1325nm之间的零色散波长。

较佳地，折射率分布还提供小于或等于1260nm的电缆截止。

在某些较佳实施例中，折射率分布还提供1310nm处8.2和9.5μm之间的模场直径。在其它较佳实施例中，折射率分布还提供1310nm处8.2和9.0μm之间的模场直径。

本文所使用的MAC数的意思是1310（μm）处的模场直径除以22m电缆截止波长（μm）。在某些较佳实施例中，折射率分布还提供6.6至7.5的MAC数。在其它较佳实施例中，折射率分布还提供不大于7.3的MAC数。

较佳地，该光纤在经受持续至少144小时的0.01大气压的氢气分压后，在1383nm处具有小于0.03dB/km的最大氢感应衰减变化。较佳地，光纤在1383nm处具有比1310nm处高出不大于0.10dB/km的光学衰减，甚至更佳地，1383nm处的光学衰减小于1310nm处的光学衰减。

现将参照附图中所示的示例详细描述本发明的较佳实施例。

附图说明

图1示出对应于本文所揭示的波导光纤的较佳实施例的折射率分布线。

具体实施方式

将在以下详细描述中陈述附加的特征和优点，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_c是无掺杂二氧化硅的平均折射率。如同这里所使用的那样，除非另有规定，相对折射率用Δ来表示，其值用单位“%”来给定。在一区域的折射率小于无掺杂二氧化硅的平均折射率的情况下，相对折射率百分比为负，而且可以称为具有抑制区域（depressed region）或抑制折射率。在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。此处的“上升掺杂剂（updopant）”被认为是具有相对于纯的无掺杂SiO₂提高折射率的倾向的掺杂剂。此处的“下降掺杂剂（downdopant）”被认为是具有相对于纯的无掺杂SiO₂降低折射率的倾向的掺杂剂。上升掺杂剂的示例包括GeO₂、Al₂O₃、P₂O₅、TiO₂、Cl、Br。下降掺杂剂的示例包括氟和硼。

除非另有注明而这里称为“色散”的波导光纤的“彩色消散”是材料色散、波导色散和模间（inter-modal）色散的总和。在单模波导光纤的情况下，模间色散为零。零色散波长是色散值为零处的波长。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(∫f²r dr)²/(∫f⁴r dr),

其中，积分限是0至∞，f是与波导中所传播的光相关联的电场横向分量。如同这里所使用的那样，“有效面积”或“A_eff”是指在1550nm波长处的光学有效面积，除非另有注明。

术语“α分布”是指相对折射率分布，用项Δ(r)来表述，其单位是“%”，其中，r是半径，其遵从以下等式，

Δ(r)=Δ(r_o)(1-[|r-r_o|/(r₁-r_o)]^α),

其中，r_o是Δ(r)为最大值的位置，r₁是Δ(r)％为零的位置，r处在范围r_i≤r≤r_f，其中Δ已如上定义，r_i是α分布的起点，r_f是α分布的终点，α是为实数的指数。

模场直径（MFD）是用Peterman II方法测量的，其中，2w=MFD，w²=(2∫f²r dr/∫[df/dr]²r dr)，积分限是0至∞。

可在规定的测试条件下用感应衰减来测量波导光纤的抗弯性，例如，通过围绕规定直径的芯棒展开或缠绕光纤，例如通过围绕6mm、10mm或20mm或类似直径的芯棒缠绕一圈（例如“1×10mm直径宏弯折损耗”或“1×20mm直径宏弯折损耗”）并测量每圈的衰减增加。

对于给定的模式的理论光纤截止波长、或“理论光纤截止”、或“理论截止”是如下波长：在该波长以上，所引导的光无法在该模式中传播。可在Jeunhomme的Single Mode Fiber Optics（单模纤维光学）第39-44页（Marcel Dekker出版,纽约,1990）中找到数学定义，其中，理论光纤截止被描述成如下波长：在该波长处，模传播常数变成等于外包层中的平面波传播常数。该理论波长适合于无限长、完全直的光纤，其没有直径变化。

光纤截止是通过标准2m光纤截止测试来测得（按FOTP-80(EIA-TIA-455-80)），从而产生“光纤截止波长”，也称为“2m光纤截止”或“测得截止”。实施FOTP-80标准测试以使用受控量的弯折来抽出高阶模，或者使光纤的光谱响应标准化至多模光纤。

对于成缆截止波长、或本文所使用的“成缆截止”，表示EIA-445光纤测试程序中所描述的22m成缆截止测试，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。

除非这里另有注明，光学性质（诸如色散、色散斜率等）报告为LP01模式。

本文所揭示的光纤能够在1550nm处呈现大于约55μm²、较佳地55至90μm²之间、甚至更佳地65至85μm²之间的有效面积。在某些较佳实施例中，1550nm处的光学有效面积在约65至75μm²之间。

图1示出一个示例性光纤10，包括具有最大折射率Δ百分比Δ₁的中心玻璃芯线区域1。第一抑制内包层区域2包围中心芯线区域1，第一内包层区域2具有折射率Δ百分比Δ₂。外包层区域3包围第一内包层区域2并包括Δ₃。较佳实施例中，Δ₁>Δ₂>Δ₃。图1所示实施例中，区域1、2、3和4彼此紧邻。但是，这并不是必须的，而可替代地采用附加的芯线区域或包层区域。例如，可采用包围环形区域3并包括比环形区域3低的折射率Δ百分比Δ₄的外包层区（未示出）。

中心芯线区域1包括外半径r₁，外半径r₁定义为经中心芯线区域1的折射率最大斜率画出的切线与零Δ线相交的位置。芯线区域1较佳地呈现在约0.3至0.5之间、更较佳地在0.32至0.48之间的折射率Δ百分比Δ₁。在某些实施方式中，Δ₁较佳地在0.36至0.46之间。芯半径r₁较佳地在3至6微米之间，更佳地在约3.5至5.0微米之间。中心芯线区域1可包括单段阶梯状折射率分布线。中心芯线区域1较佳地包括约10-100之间的α，且在某些情况下，α可在15-40之间。

在图1中所示的实施例中，内包层区域2围绕中心芯线区域1并包括内半径r₁和外半径r₂，r₁如上所述地定义，而r₂定义为折射率分布曲线与零Δ线相交处。某些情况中，区域2中的折射率是基本上平的。其他情况中，可以有梯度折射率分布。此外，在其他情况中，可以由于小的分布设计或工艺变化而是波动的。某些实施例中，内包层区域2包括二氧化硅，其基本未掺杂氟或氧化锗，即，使得该区域基本上没有氟或氧化锗。内包层区域2包括折射率Δ百分比Δ₂，其使用如下公式计算：

${\mathrm{\Δ}}_2=\underset{r1}{\overset{r2}{\∫}}\mathrm{\Δ}\left(r\right)\mathrm{dr}/(r_2-r_1)$

内包层区域2较佳地宽度为约3-13微米、更佳地为4至12微米、甚至更佳地为约7至9微米。芯半径r₁与内包层区域2的半径r₂的比率较佳地大于0.25，更佳地在约0.3至0.55之间。

外包层区域3包围抑制环形区域3，且例如通过添加足以增加外包层区域的折射率的上掺杂剂（诸如氧化锗或氯）量，以包括折射率Δ百分比Δ₃高于内包层区域2的折射率Δ₂，由此形成相对于内包层区域2为“上升掺杂”外包层区域3的区域。但是，要注意并不苛求为在区域3中必须包括增加折射率的掺杂剂而对区域3进行上升掺杂。实际上，可通过相对于外包层区域3而对内包层区域2进行下降掺杂而实现外包层区域3内相同类型的折射率提高的效果。外包层区域3具有比内包层区域2高的折射率，且较佳地包括大于0.01的折射率Δ百分比Δ₃，且可大于0.02或0.03的Δ百分比。较佳地，外包层区域3的较高折射率部分（相比于内包层区域2）至少延伸到其中通过光纤传递的光功率大于或等于所传递的光功率的90%的点，更佳地延伸到其中通过光纤传递的光功率大于或等于所传递的光功率的95%的点，且最佳地延伸到其中通过光纤传递的光功率大于或等于所传递的光功率的98%的点。在多个实施例中，这通过使“上升掺杂”第三环形区域至少延伸到约30微米的径向位置来实现。因此，第三环形区域3的体积V₃在这里被定义为使用r₂与r₃₀（30微米处的半径）之间的Δ(3-2)dr/rdr来计算，且因此定义为

$V_3=2\underset{r2}{\overset{r30}{\∫}}{\mathrm{\Δ}}_{(3-2)}\left(r\right)\mathrm{rdr}$

与内包层区域2的体积相比，外包层区域（30微米内）的体积V₃较佳地大于5、更佳地大于7、且可大于10%Δμm²。在某些实施例中，外包层区域（30微米内）的体积小于80%Δμm²。

某些实施例中，当相比于内包层区域2的折射率时，外包层区域的折射率Δ₃大于0.01％、更佳地为大于0.02％。某些实施例中，第三环形区域包括氯（Cl），氯的量以重量计算大于1000ppm，更佳地大于1500ppm，且最佳地大于2000ppm（0.2%）。

芯线区域1较佳地整体具有正折射率。芯1包括在r=0与r=3μm之间发生的最大相对折射率Δ_MAX。Δ_MAX较佳地大于0.32-0.48%。

内包层区域2较佳地具有基本恒定的相对折射率分布，即，中间区域内任何两个半径处的相对折射率之差小于0.02%，在某些较佳实施例中小于0.01%。因此，内包层区域20的相对折射率分布具有基本平坦的形状。

芯线区域1可以是阶梯形折射率的芯，并可包括阿尔法（α）形状。在较佳实施例中，R₁小于8.0μm、较佳地小于6.0μm。R₁较佳地在3.50μm与5.6μm之间。当缠绕在用于光纤的20mm半径芯棒上时，所述光纤能够呈现小于0.15dB/圈的弯折损耗，并具有6.6至7.5之间的MAC数。本文所揭示的光纤具有不大于7.3的MAC数和小于1450nm的零散射波长。

通过下述示例来进一步阐释各示例性实施例。对本领域的技术人员来说很明显的是，可进行各种更改和改变而不背离权利要求书的精神或范围。

下面的表1列出具有图1所示的折射率的模型化说明性示例1-9的特征。具体来说，以下对每个示例所列出的是：中心芯线区域1的折射率Δ₁、α₁、和外半径R₁，内包层区域2的折射率Δ₂和外半径R₂，外包层区域3的折射率Δ₃和体积V₃，其是在外包层区域3的内半径R₂与30微米的径向距离之间（折射率Δ₃与Δ₂的位置之间）计算得到。还列出的是以nm计的理论截止波长、1310nm处的模场直径、1310nm处的有效面积、1310nm处的色散、1310nm处的色散斜率、1310nm处的衰减、1550nm处的模场直径、1550nm处的有效面积、1550nm处的色散、1550nm处的色散斜率、1550nm处的衰减、以及1550nm处以dB/圈计的1×10mm直径感应弯折损耗。表1中，这些性能被模型化。

表1

下面的表2列出具有图1所示的折射率的实际制造的说明性示例10-15的特征。具体来说，以下列出的是：中心芯线区域1的折射率Δ₁和外半径R₁，内包层区域2的折射率Δ₂和外半径R₂，外包层区域3的折射率Δ₃和体积V₃，其在外包层区域3的内半径R₂与30微米的径向距离之间（折射率Δ₃与Δ₂的位置之间）计算得到。还列出的是以nm计的理论截止波长、1310nm处的模场直径、1310nm处的有效面积、1310nm处的色散、1310nm处的色散斜率、1310nm处的衰减、1550nm处的模场直径、1550nm处的有效面积、1550nm处的色散、1550nm处的色散斜率、1550nm处的衰减、以及1550nm处以dB/圈计的1×10mm直径感应弯折损耗。在表2中，这些特性是在实际光纤上测量得到的。

如从上表1和2中可以看出的，本文的各示例示出各示例性光纤，它们采用具有折射率Δ₁的中心玻璃芯线区域、具有折射率Δ₂的第一内包层区域以及具有折射率Δ₃的外包层区域，其中Δ₁>Δ₃>Δ₂，其中Δ₃与Δ₂之差大于或等于0.01，且分布体积的绝对值|V₃|为至少5%μm²。当缠绕在20mm直径心轴上时，这些光纤的光缆截止小于或等于1260nm且弯折损耗小于0.75dB/圈。这些光纤还在1310nm处具有约8.2至9.2微米的模场直径、1300-1324nm之间的零色散波长、小于0.09ps/nm²/km的色散斜率。当缠绕在15mm直径心轴上时，许多这些光纤具有在1550nm处小于1dB/圈的弯折损耗，且在某些情况下小于0.5dB/圈。缠绕在20mm直径心轴上时，这些光纤具有1550nm处小于0.75dB/圈的弯折损耗，更佳地小于0.3dB/圈，且某些光纤最佳地小于0.1dB/圈。当缠绕在30mm直径心轴上时这些光纤中具有1550nm处小于0.025dB/圈的弯折损耗，且某些光纤更佳地小于0.003dB/圈。这些示例中的某些在外包层区域中采用按重量计大于2000ppm的量的氯，且在某些情况下大于3000或者甚至大于4000ppm。

1550nm处的衰减（光谱）较佳地小于0.21dB/km、更佳地小于0.20dB/km、甚至更佳地小于0.197dB/km。

因此，本文所述的光纤提供突出的弯折性能，且另外提供适于在大于约1260nm的波长处适于单模运行的截止波长。

在某些实施方式中，芯线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。但是，本文揭示的任何折射率分布中的中心线下降是可选的。

本文中所公开的光纤包括芯线和包围芯线且直接毗邻芯线的包覆层（或包层或最外部环形包层区域）。较佳地，芯线包括锗掺杂的二氧化硅，即掺杂氧化锗的二氧化硅。可在本文所公开的光纤的芯线内，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其他掺杂剂，以获得期望的折射率和密度。在较佳实施例中，本文所揭示的光纤的芯具有非负折射率分布、更佳地正折射率分布，其中芯线被包覆层包围或直接毗邻包覆层。

优选地，此处公开的光纤具有基于二氧化硅的芯线和包层。在较佳实施例中，该包层具有约125μm的外径，即2*Rmax。

本文所揭示的光纤可由保护涂层所围绕，例如与外包层区域3接触并围绕外包层区域3的主涂层P，该主涂层P具有小于1.0MPa、较佳地小于0.9MPa的杨氏模量，且在较佳实施例中不大于0.8MPa，并还包括与主涂层P接触并围绕主涂层P副涂层S，副涂层S具有大于1200MPa、且在较佳实施例中大于1400MPa的杨氏模量。

本文所使用的主涂层的固化聚合材料杨氏模量、断裂伸长率和的抗拉强度是使用拉力测试仪器（例如Sintech MTS拉伸测试仪或者INSTRON万用材料测试系统）在成形为厚约0.003英寸(76μm)至0.004英寸(102μm)之间、且宽度约1.3cm、计量长度5.1cm的膜的样品上并在2.5cm/min的测试速度下测得。

可在PCT公开文本WO2005/010589中找到对适当的主涂层和副涂层的附加描述，该公开全文以参见的方式纳入本文。

较佳地，本文中公开的光纤具有低OH含量，而且优选是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。生产低水峰光纤的方法可在PCT申请公开号WO00/64825、WO01/47822以及WO02/051761中找到，每个公开的内容以参见的方式纳入本文。本文所揭示的光纤较佳地在1383nm处比在1310nm处高不大于0.10dB/km的光学衰减（光谱），且更佳地不大于在1310nm处的光学衰减。本文所揭示的光纤较佳地在经受氢气氛后、例如持续至少144小时的0.01大气压的氢气分压，在1383nm处具有小于0.03dB/km的最大氢感应衰减变化。

低水峰通常提供较低的衰减损耗，尤其对于在约1340nm与约1470nm之间传递信号。此外，低水峰还提供可选地耦合到光纤的泵发光装置（pump lightemitting device）的改进的泵效率（pump efficiency），诸如拉曼泵浦（Ramanpump）或可在一个或多个泵吸波长下运行的拉曼放大器（Raman amplifier）。较佳地，拉曼放大器在比任何所要求的运行波长或波长区域低约100nm的一个或多个波长下进行泵吸。例如，在约1550nm波长下运载信号的光纤可用阿曼放大器以约1450nm的泵吸波长来泵吸。因此，在从约1400nm至约1500nm的波长区域内的较低光纤衰减会降低泵吸衰减并增加泵吸效率，例如泵吸功率的每mW的增益，尤其是对于约1400nm的泵吸波长。

本文所揭示的光纤尤其在用OVD工艺制造时表现出低PMD值。对于本文所揭示的光纤，光纤的旋转也可降低PMD值。

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光纤的本质和特征的概览。包括附图是为了提供对较佳实施例的进一步理解，附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出各特征和实施例并与说明书一起用于解释各种原理和操作。对本领域的技术人员来说很明显，可对在此描述的较佳实施例进行各种修改，而不偏离所附权利要求书的精神或范围。

Claims (17)

1.一种光纤，包括：

掺杂氧化锗的中心芯线区域，具有外半径r₁和折射率Δ₁，

包层区域，包括第一内包层区域和第二外包层区域，所述第一内包层区域包括外半径r₂>8微米和折射率Δ₂，所述第二内包层区域围绕所述内包层区域且包括折射率Δ₃，其中，所述光纤具有小于或等于1260nm的22m光缆截止，且r₁/r₂大于或等于0.25。

2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第一内包层区域包含小于0.02重量%的氟。

3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第一内包层区域基本上不含氟和氧化锗。

4.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，对于从r₂延伸到至少30微米半径的长度，Δ₃>Δ₂。

5.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，r₁/r₂大于0.3。

6.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述外包层区域的分布体积V₃在所述第一内包层区域的外半径与30μm的径向距离之间计算得到，它等于

$V_3=2\underset{r2}{\overset{r30}{\∫}}{\mathrm{\Δ}}_{(3-2)}\left(r\right)\mathrm{rdr}$

且|V₃|至少是5%Δμm²。

7.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，当在20mm半径芯棒上缠绕时，所述光纤呈现小于0.75dB/圈的弯折损耗，并呈现6.6至7.5之间的MAC数。

8.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第一内包层区域的宽度r₂-r₁为3至13微米。

9.如权利要求7所述的光纤，其特征在于，当在15mm半径芯棒上缠绕时，所述光纤呈现小于1dB/圈的弯折损耗。

10.一种单模光纤，包括：

中心芯线区域，具有外半径r₁和折射率Δ₁，

包层区域，所述包层区域包括氟掺杂的二氧化硅，所述包层包括第一内包层区域和第二外包层区域，所述第一内包层区域具有外半径r₂和折射率Δ₂，所述第二外包层区域具有折射率Δ₃，其中r₁/r₂大于0.25。

11.如权利要求10所述的光纤，其特征在于，所述芯线包含少于2重量%的氧化锗。

12.如权利要求10所述的光纤，其特征在于，所述芯线基本上不含氧化锗。

13.如权利要求10所述的光纤，其特征在于，所述光纤呈现小于或等于1260nm的22m光缆截止。

14.如权利要求10所述的光纤，其特征在于，所述外包层区域的分布体积V₃在所述第一内包层区域的外半径与30μm的径向距离之间计算得到，它等于

$V_3=2\underset{r2}{\overset{r30}{\∫}}{\mathrm{\Δ}}_{(3-2)}\left(r\right)\mathrm{rdr}$

且|V₃|至少是5%Δμm²。

15.如权利要求10所述的光纤，其特征在于，当在20mm半径芯棒上缠绕时，所述光纤呈现小于0.75dB/圈的弯折损耗，并呈现6.6至7.5之间的MAC数。

16.如权利要求10所述的光纤，其特征在于，所述第一内包层区域的宽度r₂-r₁为3至13微米。

17.如权利要求15所述的光纤，其特征在于，当在15mm半径芯棒上缠绕时，所述光纤呈现小于1dB/圈的弯折损耗。

Images