CN103048732B - 抗弯曲光纤 - Google Patents

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Abstract

所提供的是抗极端弯曲光纤。光纤包括：核心，包含所述光纤中的最大折射率差Δn1；内层，包含比所述核心的所述最大折射率要小并且沿离开所述核心的方向减小的折射率差Δn2，所述内层定位在所述核心外部；以及沟槽层，包含比所述内层的折射率差要小的内圆周折射率差Δn3以及作为所述光纤中的最小折射率差的外圆周折射率差Δn4，所述沟槽层定位在所述内层外部。

Description

抗弯曲光纤
技术领域
以下描述涉及光纤，以及更具体来说，涉及具有极低弯曲损耗的光纤。
背景技术
光纤接入(FTTx)是按照光纤端接的位置来分类的各种光纤传输拓扑的统称。近来，连同光纤接入(FTTx)市场的持续扩大，各国正投资于包括FTTx的基础设施。例如，由于智能电话对无线数据的使用量的增加、三维(3D)电视的广泛传播、电视便携服务的引入、诸如长期演进(LTE)和WiMAX之类的无线因特网第四代(4G)的增长等，要求光骨干网的容量的增加。
所述FTTx的有效网络安装和操作取决于电缆分布站点的环境限制。相应地，服务运营商和光纤提供商持续尝试克服特别是在极度弯曲环境中在站点处的物理力产生的弯曲损耗。
为了防止因单模光纤的弯曲损耗的降级，已经提出模场直径(MFD)控制技术、凹陷包层制造技术、低指数沟槽制造技术、具有包层中的各向同性环结构的纳米尺寸气孔的制造技术等。但是，能够保持与现有单模光纤(ITU-T G.652.D)的连接的兼容性、同时满足国际标准ITU-TG.656.B3的光学特性和可靠性规范的商业化技术受到极大限制。
在尝试满足上述光学特性和可靠性特性中，已经商业化一种包括其中包含核心、内层和最小指数沟槽层的低指数沟槽的制造技术。由于低指数沟槽技术采用固体玻璃结构而具有优良机械和环境可靠性，并且由于它适合于大批量生产，所以低指数沟槽制造技术作为用于实现极强抗弯曲光纤的方法已经引起极大关注。近来，由于分布站点中所需的弯曲特性已变得更为严格，所以已经努力通过形成深沟槽来加强弯曲损耗特性。
但是，低指数沟槽制造技术的一个难题是在保持短截止波长的同时使弯曲损耗为最小。光纤中的截止波长的特性与弯曲损耗特性成反比。相应地，随着弯曲特性加强，高阶模式变得难以控制。例如，引导光纤中的波的高阶模式、例如LP11或更高因深沟槽区的界面条件、即指数差而更为集中，使得在保持高阶模式特性的同时跨长距离引导波。
为了解决上述问题，执行对于核心和沟槽层的掺杂浓度以及核心和沟槽层的尺寸的控制，这通常降低实际制造过程的产量。
发明内容
在一方面，提供了一种光纤，包括：核心，包含所述光纤中的最大折射率差Δn1；内层，包含比所述核心的所述最大折射率要小并且沿离开所述核心的方向减小的折射率差Δn2，所述内层定位在所述核心外部；以及沟槽层，包含比所述内层的折射率差要小的内圆周折射率差Δn3以及作为所述光纤中的最小折射率差的外圆周折射率差Δn4，所述沟槽层定位在所述内层外部，其中，所述沟槽层的折射率差从所述沟槽层的内表面到外表面逐渐减小，所述内圆周折射率差Δn3与所述外圆周折射率差Δn4的比率(Δn3/Δn4)大于0.6但小于1，所述核心的半径‘a’与所述内层的厚度‘b’的比率(a+b)/b为2.8以下，并且所述光纤包括1260nm以下的截止波长、在波长为1550nm、半径为10mm以下的弯曲中的1.0dB以下的弯曲损耗α1以及小于2.7的在1625nm的弯曲损耗α2与在1550nm的所述弯曲损耗α1的比率(α2/α1)。
所述核心的最大折射率差小于0.48Δ％，并且所述沟槽层的所述外圆周折射率差可小于-0.21Δ％。
所述光纤还可包括具有比所述沟槽层的所述折射率差要大但比所述核心的所述最大折射率要小的折射率差的外层，所述外层定位在所述沟槽层外部。
所述内层的所述折射率差Δn2的范围可以是-0.07Δ％至0.1Δ％。
所述核心的所述半径的范围可以是3.0μm至7.0μm。
所述内层的所述厚度的范围可以是4.5μm至17.5μm。
在1625nm的所述弯曲损耗α2与在1550nm的所述弯曲损耗α1的比率(α2/α1)可以是2.5以下。
所述光纤可具有范围为1300nm至1324nm的零色散波长并且零色散波长的斜率小于0.092ps/(nm2·km)。
所述内层可包括：第一内子层，具有沿离开所述核心的方向减小的折射率差；以及第二内子层，具有恒定折射率差。
所述沟槽层可通过改进化学汽相沉积(MCVD)过程来形成，以及所述沟槽层可通过将SiO2以及F掺杂剂沉积在基底管上并且增加所述F掺杂剂的流率来形成。
所述沟槽层可通过外部汽相沉积过程来形成，以及所述沟槽层可通过依次降低形成所述沟槽层的碳烟密度来形成。
通过以下详细描述、附图和权利要求书，其它特征和方面会是显而易见的。
附图说明
图1A和图1B是示出光纤的示例的简图。
图2是示出折射率差分布的示例的简图。
图3是示出相对于沟槽层的内圆周折射率差的变化的MFD的变化和扩散值的变化的示例的简图。
图4A和图4B是示出在光纤弯曲时光纤中的折射率差分布的变化的示例的简图。
图5A至图5C是示出沟槽层的各种折射率差分布的示例的简图。
图6是示出相对于第三光纤中的沟槽层的内圆周折射率差Δn3与外圆周折射率差Δn4的比率(Δn3/Δn4)的弯曲损耗的变化的示例的简图。
图7是示出第一至第三光纤的弯曲损耗和截止波长的示例的简图。
图8是示出相对于按照改进化学汽相沉积(MCVD)方法来制造核心基本材料的过程中的诸如CF4或SiF4之类的包含F的掺杂剂的流率的沟槽层的内圆周折射率差Δn3的变化的示例的简图。
图9是示出相对于按照外部汽相沉积方法来制造核心基本材料的过程中的碳烟密度(soot density)的沟槽层的内圆周折射率差Δn3的变化的示例的简图。
除非另加说明，否则在全部附图和详细描述中，相同附图参考标号将被理解为表示相同元件、特征和结构。为了清楚、方便起见和便于说明，这些元件的相对尺寸和说明可经过放大。
具体实施方式
提供以下详细描述以帮助读者获得对本文所述方法、设备和/或系统的全面理解。相应地，本文所述方法、设备和/或系统的各种变更、修改和等效方案将是本领域的技术人员会想到的。另外，为了增加的清晰性和准确性，可省略众所周知的功能和构造的描述。
图1A和图1B示出光纤的示例，以及图2示出图1A和图1B的光纤中所示的折射率差分布的示例。
图1A示出光纤100的截面，以及图1B是示出按照光纤100的截面的折射率差分布的示例的图表。参照图1A和图1B，光纤100包括核心110和包层115。核心110定位在光纤100的中心，具有较大折射率差，并且可通过全内反射来传送光信号。在这个示例中，包层115定位在核心110外部的周围，并且具有较小折射率差。例如，包层115可定位成沿核心110的外圆周完全包围核心110。核心110处于实心圆柱形状，并且包层115处于圆管形状，使得核心110和包层115相互同心地定位。
核心110具有光纤100中的最大折射率差。核心110的折射率差Δn1可在核心110的整个区域之上保持为恒定。例如，核心110的折射率差Δn1可在0.24Δ％～0.48Δ％(其中Δ％可简单地表示为％)的范围之内，以及具体来说可包含在0.31Δ％～0.41Δ％的范围之内。作为另一个示例，核心110的半径可在3.0μm～7.0μm的范围之内，以及具体来说可包含在4.0μm～5.0μm的范围之内。核心110的半径可在与核心110的最大折射率差的1/2对应的位置来测量。例如，光纤100的层之间的折射率差可定义为每层的折射率与包层115中定位在最外面的外层140的折射率之间的差。在这里，Δ％表示折射率差以百分比来表示。外层140的折射率差为0。
包层115包括内层120、外层140以及定位在内层120与外层140之间的沟槽层130。内层120可具有沿离开核心110的外圆周到光纤100的边缘的方向逐渐减小的折射率差Δn2。外层140可具有与内层120的最小折射率差相似的折射率差。沟槽层130可具有光纤100的层之间的最小折射率差。例如，内层120、沟槽层130和外层140可依次沉积在核心110的外圆周表面上，具有圆管形状，并且可相对于核心110同心地定位。
内层120包括第一和第二内子层121、122，第一和第二内子层121、122可依次沉积在核心110的外圆周表面上，具有圆管形状，并且可相对于核心110同心地定位。
第一内子层121可具有折射率差分布，其中折射率差沿从接触核心110的外圆周表面的内圆周到第一内子层121的外圆周的方向逐渐减小。例如，第一内子层121的内圆周折射率差可比核心110的折射率差要小，并且可比外层140的折射率差要大。第一内子层121的外圆周折射率差可等于外层140的折射率差。作为一个示例，第一内子层121可具有折射率差分布，使得折射率差沿从第一内子层121的内圆周到其外圆周的方向线性减小。第二内子层122可具有与第一内子层121的外圆周折射率差相等的恒定折射率差。
例如，内层120的折射率差Δn2可包含在-0.07Δ％～0.1Δ％的范围之内。为了使弯曲所引起的光损耗为最小并且得到最大或改进模场直径(MFD)，内层120的折射率差可包含在-0.07Δ％～0.02Δ％的范围之内。内层120的范围可定义为沿从核心110到外圆周的方向从对应于0.05Δ％的折射率差的位置到对应于-0.05Δ％的折射率差的位置的区域。
内层120自接触核心110的位置的厚度b可以是4.5μm至17.5μm。本文中，核心110的半径a与内层120的厚度b的比率(a+b)/b可以是2.8以下，以及具体来说可小于2.7。
沟槽层130可沉积在内层120的外圆周表面上，具有圆管形状，并且可相对于核心110和内层120同心地定位。沟槽层130可具有折射率差分布，使得折射率差沿从沟槽层130的内圆周到其外圆周的方向线性减小。
沟槽层130的外圆周折射率差可对应于光纤100的最小折射率差，并且沟槽层130可具有折射率差分布，其中折射率差沿从沟槽层130的内圆周到其外圆周的方向逐渐减小。
外层140包围沟槽层130，并且可具有与一般纯硅玻璃的折射率近似相等的例如1.456的折射率。
图3示出相对于沟槽层130的内圆周折射率差的变化的MFD的变化和扩散值的变化的示例。参照图3，水平轴表示沟槽层130的内圆周折射率差Δn3，左垂直轴表示相对于波长1310nm的光线的MFD，以及右垂直轴表示扩散值。随着沟槽层130的内圆周折射率差Δn3与内层120的最小折射率差之间的差减小，MFD增加而扩散值减小。MFD的增加扩大穿透沟槽层130的光波的分布，由此降低核心110的有效折射率差。漏模是高阶模式LP11的一个示例。例如，通过将沟槽层130的内圆周折射率差Δn3保持为尽可能大，漏模的损耗可增加，由此保证在短距离使用波长的单模条件。
通常，当一般光纤弯曲时，包层的折射率显著变化。由于折射率的这种变化，光纤中传播的光线的损耗增加，使得光线的长距离传输是困难或者甚至是不可能的。对于光线的长距离传输，弯曲损耗必须降低，为此，包层相对于弯曲的的折射率的变化必须降低。
图4A和图4B示出在光纤100弯曲时光纤100中的折射率差分布的变化的示例。图4A示出正常状态中的光纤100的折射率差分布的示例，以及图4B示出光纤100绕半径为5mm以下的圆筒盘绕一圈时的光纤100的折射率差分布的示例。
参照图4A和图4B，当光纤100弯曲时，包层的折射率显著变化。在正常状态中，沟槽层130的外圆周折射率差Δn4比内圆周折射率差Δn3要小，使得尽管光纤100弯曲，沟槽层130的折射率差分布也变得均匀。也就是说，按照各个方面，当光纤100弯曲时，可得到沟槽层130中的最小折射率变化。另外，通过使沟槽层130的外圆周折射率差Δn4小于内圆周折射率差Δn3，短波长与长波长之间的弯曲损耗差可降低2.5倍或更低。由于波长相关性的这种改进，能够在订户网络操作中促进长波长的利用。光纤100可满足关系Δn1＞Δn2＞Δn3＞Δn4。
图5A至图5C示出沟槽层的各种折射率差分布的示例。图5A示出具有彼此相等的内圆周折射率差Δn3和外圆周折射率差Δn4的第一光纤的折射率差分布的示例。图5B示出具有内圆周折射率差Δn3和外圆周折射率差Δn4的第二光纤的折射率差分布的示例，其中内圆周折射率差Δn3比外圆周折射率差Δn4要小。图5C示出具有内圆周折射率差Δn3和外圆周折射率差Δn4的第三光纤的折射率差分布的示例，其中内圆周折射率差Δn3比外圆周折射率差Δn4要大。
本文中的表1示出光纤特性的比较的示例。在这个示例中，具有条件Δn3＝Δn4的第一光纤保持具有小折射率差的大沟槽层，因而具有小弯曲损耗和小的每波长损耗，但是因高阶模式浓度而具有大截止波长。具有条件Δn3＜Δn4的第二光纤因包层的显著折射率变化而在弯曲损耗较弱。同时，具有条件Δn3＞Δn4的第三光纤因高阶模式浓度而具有小弯曲损耗和较小截止波长。
[表1]
图6示出相对于第三光纤中的沟槽层的内圆周折射率差Δn3与外圆周折射率差Δn4的比率(n3/n4)的弯曲损耗的变化的示例。参照图6，水平轴表示内圆周折射率差Δn3与外圆周折射率差Δn4的比率(Δn3/Δn4)，以及垂直轴表示相对于1550nm的波长的光线的弯曲损耗。图6所示的是当第三光纤绕半径为5.0mm的圆筒盘绕时的弯曲损耗曲线以及当第三光纤绕半径为2.5mm的圆筒盘绕时的弯曲损耗曲线。在这个示例中，随着内圆周折射率差Δn3与外圆周折射率差Δn4的比率(Δn3/Δn4)减小，光纤的弯曲所引起的损耗也降低。
图7示出第一至第三光纤的弯曲损耗和截止波长的示例。参照图7，左垂直轴表示当光纤绕半径为5.0mm的圆筒盘绕时相对于1550nm的波长的光线的弯曲损耗，以及右垂直轴表示涂层光纤的截止波长。第三光纤具有内圆周折射率差Δn3比外圆周折射率差Δn4要大的折射率差分布，第三光纤具有比第一光纤和第二光纤要小的弯曲损耗，并且第三光纤具有比第一光纤要短的截止波长。
按照各个方面，沟槽层130的外圆周折射率差Δn4优选地可小于-0.21Δ％，以及具体来说可小于-0.27Δ％。例如，内圆周折射率差Δn3与外圆周折射率差Δn4的比率(Δn3/Δn4)可大于0.6但小于1，以及具体来说可包含在0.8～0.98的范围之内。
沟槽层130的厚度c可小于9.6μm，以及具体来说可小于7.2μm。
表2和表3示出光纤的核心材料的特性。按照各个方面，沟槽层可通过各种沉积方法来实现，例如用于沉积作为基本材料的SiO2以及控制基底管内部的折射率、同时使管绕其中心轴旋转的掺杂剂的改进化学汽相沉积(MCVD)方法，外部汽相沉积方法，等等。核心基本材料的制造过程基于尺寸为31(内径)×36(外径)×I1200(长度)[mm]的基底管。
表2示出使用CF4或SiF4作为折射率控制材料的基本材料的核心。
[表2]
表3示出使用BCl3作为折射率控制材料的基本材料的核心。
[表3]
图8示出相对于按照MCVD方法来制造的诸如CF4或SiF4之类的包含F的掺杂剂的流率的沟槽层的内圆周折射率差Δn3的变化的示例。参照图8，沟槽层可具有折射率差分布，其中折射率差通过在MCVD方法中增加F掺杂剂的流率来减小。
在作为用于实现沟槽层的另一个示例的外部汽相沉积方法中，碳烟密度能够按照如下方式来控制。首先，形成沟槽层的碳烟(soot)可通过外部汽相沉积方法沉积在通过MCVD和汽相轴沉积(VAD)方法已经制造了核心和内层的玻璃基本材料上。例如，当碳烟通过经由外部汽相沉积方法的水解反应数十次附于玻璃基本材料时，碳烟密度可从沟槽层的内圆周到其外圆周依次降低。
图9示出相对于按照外部汽相沉积方法来制造的基本材料的核心中的碳烟密度的沟槽层的内圆周折射率差Δn3的变化的示例。如图所示，F掺杂剂的掺杂密度与碳烟密度成比例，并且因而沟槽层的折射率差分布可易于通过调整碳烟密度来控制。碳烟是多孔层，并且可通过烧结和玻璃化来进行玻璃化。例如，可通过在1.0slpm的Cl2、20slpm的He和大约1～5slpm的F掺杂剂(CF4、SiF4等)的气氛中将碳烟加热到1500℃大约300分钟，来实现玻璃化。可在1550～1650℃的温度下以及在1×10-2托的真空下执行烧结。可在15～20slpm的He的气氛中执行烧结。
通过上述两个示例所制造的基本材料的核心可经过外包覆过程(over cladding process)以用于使用其中提供原材料和燃烧气体的沉积喷灯将碳烟沉积在基本材料的核心的外圆周上。一旦外包覆碳烟沉积在具有恒定外径和重量的基本材料的核心上，终止沉积，并且缓慢冷却基本材料的核心，此后可执行烧结和玻璃化。可采用外护套来取代在核心基本材料外部所沉积、烧结和烧结的外包覆层。
通过上述玻璃化所完成的光纤基本材料可从拉丝塔拉取到光纤。
按照各个方面的光纤具有1260nm以下的截止波长、在1550nm的波长、半径为10mm以下的弯曲中的1.0dB以下的弯曲损耗以及小于2.7的在1625nm的弯曲损耗α2与在1550nm的弯曲损耗α1的比率(α2/α1)。光纤在波长为1550nm、半径为2.5mm的弯曲中可具有1.0dB/圈以下的弯曲损耗。光纤可包括1300nm～1324nm的范围之内的零扩散波长，并且零扩散波长的斜率小于0.092ps/(nm2·km)。
例如，按照各个方面的光纤可具有8.7μm的MFD(1310nm)、1312nm的零扩散波长以及1240nm的电缆截止波长。
例如，当光纤绕半径为5mm的圆筒盘绕一圈时，在1550nm的光学损耗为0.04dB；当光纤绕半径为2.5mm的圆筒盘绕一圈时，在1550nm的光学损耗为0.43dB；以及相对于1625nm的每波长损耗比率为2.2。
光纤可通过作为COMMUNICATIONS INC.的标准的多住户单元(MDU)应用测试，并且相对于具有2kg和13.5kg的负荷、10mm直径弯曲的2倍、应用电缆打钉器(T-25)的30倍和高温/低温/老化的90°垂直弯曲的损耗变化的合计小于0.4dB。用于评估与常规一般单模光纤的兼容性的融合连接损耗可测量为大约0.08dB1310、1550nm。按照各个方面，光纤可降低FTTx的室内系统的安装成本和时间，并且甚至在极端环境下也保持最佳传输特性(连接器插入损耗、电缆内部弯曲、温度特性等)。
按照各个方面的光纤保持内层的外圆周折射率差与沟槽层的内圆周折射率差之间的小差异，因而具有短截止波长。另外，通过具有沟槽层的外圆周折射率差与外层的折射率差之间的大差异，还能够满足最小弯曲特性。
此外，按照各个方面的光纤可将沟槽层的内圆周折射率差保持为尽可能大，使得漏模的损耗可增加，由此保证在短距离使用波长的单模条件。同时，通过将沟槽层的外圆周折射率差保持为尽可能小，可使相对于光纤的弯曲的折射率变化所引起的光学损耗为最小。另外，通过使沟槽层的外圆周折射率差较小，短波长与长波长之间的弯曲损耗差可降低2.7倍或更低，并且通过波长相关性的这种改进，在订户网络操作中可促进长波长的利用。
以上描述了多个示例。然而，将会理解，可进行各种修改。例如，如果按照不同顺序来执行所述技术，和/或如果所述系统、架构、装置或电路中的组件按照不同方式相结合和/或由其它组件或其等效体来取代或补充，则可取得适当结果。因此，其它实现落入以下权利要求书的范围之内。

Claims (11)

1.一种光纤，包括：
核心，包含所述光纤中的最大折射率差Δn1；
内层，包含比所述核心的所述最大折射率差要小并且沿离开所述核心的方向减小的折射率差Δn2，所述内层定位在所述核心外部；
沟槽层，包含比所述内层的所述折射率差要小的内圆周折射率差Δn3以及作为所述光纤中的最小折射率差的外圆周折射率差Δn4，所述沟槽层定位在所述内层外部；以及
外层，所述外层具有比所述沟槽层的所述折射率差要大但比所述核心的所述最大折射率差要小的折射率差，所述外层定位在所述沟槽层外部，
其中，所述沟槽层的折射率差从所述沟槽层的内表面到外表面逐渐减小，所述内圆周折射率差Δn3与所述外圆周折射率差Δn4的比率Δn3/Δn4大于0.6但小于1，所述核心的半径‘a’与所述内层的厚度‘b’的比率(a+b)/b小于2.8，并且所述光纤包括1260nm以下的截止波长、在波长为1550nm、半径为10mm以下的弯曲中的1.0dB以下的弯曲损耗α1以及小于2.7的在1625nm的弯曲损耗α2与在1550nm的所述弯曲损耗α1的比率α2/α1，以及
其中，在所述光纤的层间的折射率差定义为每层的折射率与所述光纤的定位在最外面的所述外层的折射率之间的差。
2.如权利要求1所述的光纤，其中，所述核心的所述最大折射率差小于0.48Δ％，并且所述沟槽层的所述外圆周折射率差小于-0.21Δ％。
3.如权利要求1所述的光纤，其中所述内层的所述折射率差Δn2的范围为-0.07Δ％至0.1Δ％。
4.如权利要求1所述的光纤，其中所述核心的所述半径的范围为3.0μm至7.0μm。
5.如权利要求1所述的光纤，其中所述内层的所述厚度的范围为4.5μm至17.5μm。
6.如权利要求1所述的光纤，其中所述光纤在波长为1550nm、半径为2.5mm的弯曲中具有1.0dB/圈以下的弯曲损耗。
7.如权利要求1所述的光纤，其中在1625nm的所述弯曲损耗α2与在1550nm的所述弯曲损耗α1的比率α2/α1为2.5以下。
8.如权利要求1所述的光纤，其中所述光纤具有范围为1300nm至1324nm的零色散波长并且所述零色散波长的斜率小于0.092ps/(nm2·km)。
9.如权利要求1所述的光纤，其中，所述内层包括：
第一内子层，具有沿离开所述核心的方向减小的折射率差；以及
第二内子层，具有恒定折射。
10.如权利要求1所述的光纤，其中，所述沟槽层通过改进化学汽相沉积(MCVD)过程来形成，以及所述沟槽层通过将SiO2以及F掺杂剂沉积在基底管上并且增加所述F掺杂剂的流率来形成。
11.如权利要求1所述的光纤，其中所述沟槽层通过外部汽相沉积过程来形成，以及所述沟槽层通过依次降低形成所述沟槽层的碳烟的密度来形成。
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