CN103168261A

CN103168261A - 耐弯曲单模光纤

Info

Publication number: CN103168261A
Application number: CN2010800682208A
Authority: CN
Inventors: A·埃迪哥拉特; F·科基尼; A·克拉罗; A·斯奇阿弗
Original assignee: Prysmian SpA
Current assignee: Prysmian SpA
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2013-06-19
Also published as: EP2596393A1; US9069114B2; WO2012010212A1; US20130121655A1

Abstract

本发明涉及一种用于传输光信号的单模光纤，该单模光纤包括：用于引导光信号的中央芯区，和包围芯区的包层区，该包层区包括包含随机分布的空隙的含空隙环形层，其中，该含空隙层掺杂有浓度小于1wt%的氟，并且具有等于或小于3μm的径向厚度。

Description

耐弯曲单模光纤

技术领域

本发明涉及单模光纤，并且具体来说，涉及展现出低弯曲损耗的单模光纤。

背景技术

在光纤到房屋（FTTP）应用（包括光纤到户（FTTH）和光纤到楼（FTTB）应用）中使用单模光纤通常要求通过光纤传输的光信号具有低弯曲损耗，并且处于可能施加严格弯曲半径的苛刻安装限制下，这例如是由于建筑物中的急剧转角或者挤压光纤而造成的。具体来说，旨在使无源现场设备小型化的布缆和硬件应用（例如，局部汇聚柜或存储箱）和多住户单元（MDU）的开发需要具有优越弯曲性能的光纤设计。另外，粗波分复用系统（CWDM）和无源光网络（PON）系统可能也需要采用弯曲不敏感光纤。

近来，已经针对单模传输和低弯曲损耗开发了微结构光纤。这些光纤通常包括由含孔的二氧化硅包层包围的实心中央芯，其中，这些孔随机地或按非周期性空间分布方式排列。

WO2008/005233公开了一种微结构光纤，其包括芯区和包围该芯区的包层区，包层区包括由非周期性布置的孔所组成的环形含孔区。据说该芯区和包层区提供改进的耐弯曲性，和在大于或等于1500nm（在一些实施例中，大于1260nm）的波长处的单模工作。该文献中公开的光纤据说可以通过相对较低成本的制造工艺来生产，因为若希望的话，可以在含孔区中避免诸如氟和/或锗之类的昂贵掺杂剂，而且若希望的话，同样可以避免在光纤的玻璃部分中排列空间周期性布置的孔的堆叠和拉制制造工艺。还提到的是，另选地，在其中公开的方法可以被简单地用于向光纤的包层添加孔或空隙，其中该光纤掺杂有锗、磷、铝、镱、铒、氟或其它常规光纤掺杂材料中的一种或更多种，或者其还在包层中包含空间周期性布置的孔，以增加其耐弯曲性。

在WO2009/099579中还描述了这样的微结构光纤，其中，包层区包括由非周期性布置的空隙所组成的环形含空隙区。

可以针对许多不同的应用特制掺氟光纤。US2009/0185780涉及具有改进的耐高剂量辐射性能的传输光纤，其具有相对于标准单模光纤的折射率分布均匀下陷的折射率。

US2003/0200770公开了一种制造掺氟烟灰（soot）的方法。在预制件中包括氟的能力通常被认为是生产具有掺氟区的光纤的重要方面。沉积氟已经表明是一种挥发性化合物，并且展现出从关注区的显著迁移。该文献中描述的溶液（solution）据说可以被用于增加气氛中氟掺杂物种的浓度，以在沉积期间对烟灰颗粒进行氟掺杂。

US7555187涉及这样的光纤，其具有大于95μm²的有效面积，和在20mm直径心轴上≤0.7dB/匝的弯曲损耗。所公开的光纤包括玻璃芯和玻璃包层，该玻璃包层包括第一和第二环形区以及第三环形区（外侧区），其中，第二环形区包括相对于第三环形区低于零的最小相对折射率，优选地等于或低于-0.3%。该文献记载，在一组实施例中，第二环形区包括具有多个封闭随机分散孔的、基于二氧化硅的玻璃（纯二氧化硅，或者是掺杂有例如锗、铝、磷、钛、硼和氟的二氧化硅），其提供例如与纯二氧化硅相比较低的有效折射率。

大有效面积光纤已经被用于长距离电信系统，因为一般而言，大的有效面积会减小非线性光学效应。然而，已经知道，有效面积的增加通常会造成宏弯曲（macrobending）所致损耗的增加。

US2008/0279515涉及包括基于二氧化硅的芯和包层的光纤，其中，芯包括从由K₂O、Na₂O、LiO₂、Rb₂O、Cs₂O及其混合所组成的组中选择的碱金属氧化物，其在所述芯中的平均浓度按重量处于大约10ppm与10000ppm之间。包围芯的包层至少包括第一环形区和第二环形区，其中第一环形区的折射率增量百分比低于芯的折射率增量百分比，而第二环形区的折射率增量百分比低于第一环形区的折射率增量百分比。第二环形区据说优选地包括随机分布的空隙、氟、或其混合。

包括具有随机空隙分布的含空隙区的光纤可以通过烧结工艺在形成预制件期间制造，其中，在形成光纤的材料（通常为基于二氧化硅的材料）中具有低可溶性的气体保留被俘获并且形成空隙。该预制件可以按两个主要步骤来制造：第一，通过沉积产生包括预制件芯的玻璃芯棒（其优选地无空隙）并接着被强化（consolidate），第二，通过沉积而绕玻璃芯棒形成预制件外包层并接着被强化，以在预制件包层内形成空隙。所得到的强化预制件典型地展现出包括随机分布空隙的环形含空隙区，其大致从玻璃芯棒的外表面开始，并且在包层内径向延伸一定径向厚度。含空隙环形区的径向厚度（或宽度）和该环形区内的局部空隙密度可以根据烧结工艺条件（如强化时间、炉中的温度梯度以及强化期间低可溶性气体的体积百分比）而广泛地改变。

在形成预制件之后的拉制工艺（其中，预制件玻璃从该预制件的原始截面积流动成希望的光纤截面积）对空隙具有影响。典型地讲，将预制件拉伸成光纤的过程使空隙形状从球形变成细长形。

在具有随机空隙分布的微结构光纤中，耐弯曲性可以取决于含空隙区的厚度和/或取决于所述区中的空隙密度。具体来说，耐弯曲性已经被认为与含空隙区的截面积与局部空隙密度的乘积相关联。一般来说，空隙密度越高，折射率相对于外包层区（其作为基准折射率值）的深度就越大，换句话说，折射率下陷的含空隙区的最小相对折射率的绝对值就越大。

US7450807公开了一种具有相对折射率较低的环形环形区的耐弯曲单模光纤。在一组实施例中，该环形环形区包括二氧化硅玻璃，其具有从由锗、铝、磷、钛、硼、以及氟所组成的组中选择的掺杂剂。在另一组实施例中，该环形环形区包括具有多个孔的二氧化硅玻璃。

在US7450807中，从内半径R₂向外延伸至环形环形区半径R₃的环形环形区的轮廓体积V₃被定义为：

V_{3} = 2 {&Integral;}_{R_{2}}^{R_{3}} Δ_{3} (r) dr - - - (1)

其中，Δ₃是在该区域中的相对折射率。

发明内容

申请人已经观察到，为了获得满足FTTP应用的典型需求的宏弯曲性能，微结构光纤中的含空隙区的厚度应当足够大。从例如US7450807的教导，申请人已经注意到，在包层区中需要至少-0.63%的相对折射率百分比，以获得耐宏弯曲性的一定改进。

申请人已经认识到，包括具有相对较大厚度的含空隙区的光纤通常在制造期间受直径不稳定性影响，尤其是在预制件的拉制期间。制造具有厚度大于5μm的含空隙区的微结构光纤可能受直径不稳定性影响，其例如根据ITU-T652(03/2003)，不能高于125±0.7μm。在存在相对较大的直径不稳定性的情况下（如振荡超过大约1μm，或者直径具有大频率空间变化（例如，在小于1m的光纤长度内的直径变化）），不容易实现由在线监控系统进行的直径控制，该在线监控系统通常被采用以在拉制工艺期间测量光纤的外径。

申请人已经考虑到，在烟灰预制件中需要相对较高的氟含量，以生成实现满足FTTP应用的典型需要的宏弯曲性能的下陷包层区。例如，与非掺杂二氧化硅相比，平均折射率百分比为-0.6%（约对应于大约2wt%的氟含量）的掺氟下陷包层区可能不足以获得在1550nm处在直径10mm心轴上的低于0.1dB/匝的损耗。另一方面，烟灰中的高氟含量（其提供光纤包层中折射率的较大下陷）通常不容易达到，其归因于难以将氟保持高水平地进入经历加热的二氧化硅烟灰预制件中。环境和经济上的考虑也可能成为大量采用氟的制造厂的担忧。

申请人已经发现，可以通过对含空隙区进行轻度氟掺杂，在包括含空隙区的光纤中获得低弯曲损耗。具体来说，申请人已经发现，轻度氟掺杂的存在可以在包含具有减小的径向厚度（等于或小于3μm）的含空隙区的光纤中实现非常低的弯曲损耗，其中减小的径向厚度使得可以避免在光纤制造期间的大的直径振荡。轻度氟掺杂含量可以容易地通过标准制造技术来获得，如通过将预制件烟灰在强化工艺期间暴露至含氟气体来获得。

根据一方面，本发明涉及一种用于传输光信号的单模光纤，该单模光纤包括：用于引导光信号的中央芯区，和包围芯区的包层区，该包层区包括包含随机分布的空隙的含空隙环形区，其中，含空隙区掺杂有浓度小于1wt%的氟，并且具有等于或小于3μm的径向厚度。

优选的是，含空隙区的厚度为1.5μm至3μm。在一些特定优选实施例中，含空隙区的厚度为2μm至3μm。

优选的是，含空隙区中按重量百分比的氟浓度等于或大于0.1wt%并且小于1wt%。更优选的是，氟浓度为0.1wt%至0.7wt%。

出于本说明书和所附权利要求书的目的，除另有指明者外，表示数额、量、百分比等的所有数字都应被理解为在所有情况下可以用术语“大约”来修改。而且，所有范围包括所公开最大和最小点的任何组合，并且包括其中任何中间范围，其在此可能或者可能不具体列举。

附图说明

下面，对本发明的当前优选实施例进行详细说明，附图中例示了其示例。

图1是根据本发明一些优选实施例的光纤的相对折射率分布的示意图。

图2是在光学测量台上拍摄的根据本发明一实施例的光纤的截面的图像。

图3是示出针对卷绕在线轴上的光纤的第一长度部分所测量的、根据本发明一实施例的光纤的外径的累积分布函数（CDF）的标绘图。

图4是示出针对卷绕在线轴上的光纤的第二长度部分所测量的、图3中引用的实施例的光纤的外径的累积分布函数（CDF）的标绘图。

图5是示出根据本发明一实施例的光纤的衰减作为波长（nm）的函数（dB/km）的标绘图。

具体实施方式

在本描述中，光纤的光缆截止波长是根据在IEC-60793-1-44(2001-07)标准中描述的截止测试方法A测量出的截止波长值。

光纤的模场直径（MFD）是在1310nm波长处根据IEC60793-1-45(2001-07)标准来测量的。

MAC数被定义为在1310nm处测量的模场直径（MFD）（微米）与光缆截止波长（微米）之比。

宏弯曲损耗（dB）是在环绕心轴缠绕五匝的光纤中，在室温下测量的在给定波长（1625nm或1550nm)处的衰减增长，该心轴具有如将在示例中指定的15mm或10mm直径。接着，测量结果将针对单匝宏弯曲而被规格化。

在本上下文中，相对折射率百分比被定义为Δ_i％＝100x(n_i ²-n₀ ²)/2n_i ²，其中，n_i是折射率分布的i区中的最大折射率（正或负），而n₀是通常由非掺杂二氧化硅制成的外包层的折射率。相对折射率被定义为Δ_i＝(n_i-n₀)。非掺杂二氧化硅指的是二氧化硅玻璃未被有意掺杂。如果小于基准折射率n₀，则相对折射率或相对折射率百分比被说成是负的。具有负相对折射率的区域被称为折射率下陷区。具有正相对折射率的区域的值被作为该区域内的最大值。

图1是示意性地例示根据本发明一些实施例的光纤的相对折射率分布的图，其示意性地示出了该分布的不同区域作为距离光纤中心的径向距离r的函数，即，垂直轴表示光纤的中心线（r=0）。光纤包括被包层区包围的芯区1。包层区包括：内环形区2，其从芯区1径向向外延伸并且与芯区相接触；中间环形区3，其从内环形区2径向向外延伸；以及外环形区4，其从中间环形区3径向向外延伸。优选的是，中间环形区3与内环形区2相接触。优选的是，外环形区4与中间环形区3相接触。在许多实施例中，外环形区4是延伸出去达光纤外径的外包层。由于用于传输的单模光纤的外包层通常由非掺杂二氧化硅制成，因而相对折射率分布将外包层的折射率视为基准（Δ₀=0）。中间环形区3是含空隙区，其包括在该区域中随机分布的多个空隙并且掺杂有氟。中间环形区中空隙的存在以及掺杂氟降低了折射率，从而导致具有绝对值Δ₃的平均负相对折射率，其幅度一般取决于局部空隙密度并且取决于氟含量。因而，中间环形区是折射率下陷区。

根据本发明的优选实施例，中间环形区具有低的氟掺杂。优选的是，中间环形区由掺杂有氟的二氧化硅制成，氟按重量百分比的浓度小于1wt％,更优选为等于或大于0.1wt%并且小于1wt%。

芯区1具有正相对折射率百分比Δ₁，并且是从光纤中心线起延伸至外芯半径r_C的中心区，该外芯半径r_C根据IEC60793-1-20(2001-09),Annex C定义。中间环形区3在外包层内从内环形区2的外半径r₁径向延伸至外半径r₂，径向厚度为t₂=(r₂-r₁)，其在此被称为折射率下陷区或含空隙区的径向厚度。在优选实施例中，内环形区2从外芯半径r_C延伸至第一外包层半径r₁，限定径向厚度t₁=(r₁-r_C)。

光纤芯区1优选地由掺杂有会增大折射率的掺杂元素（如锗）的二氧化硅制成，以形成具有正相对折射率Δ₁的台阶折射率轮廓。优选的是，Δ₁为0.29%至0.35%，更优选为0.30%至0.34%。

在一些实施例中，芯区1可以由具有正相对折射率的多个区域形成。

内环形区2优选地由和外环形区4的材料相同的材料制成，其优选地由非掺杂二氧化硅制成。

表示从折射率下陷区至芯区的径向距离的几何参数是芯与包层比，其被定义为芯的外半径（r_c）与含空隙环形区的内半径（r₁）之比。一般来说，在所拉制光纤中维持预制件的芯与包层比。

优选的是，芯与包层比为0.33至0.40，更优选为0.36至0.38。

优选的是，微结构光纤的局部空隙密度为1%至10%，更优选为1%至4%。局部空隙密度（即，含空隙区内的）在此被定义为，当沿垂直于光纤纵轴截取的截面观看光纤时，该区域中的空隙的总面积与该区域的总面积之比。

优选的是，折射率下陷区的径向厚度t₂等于或小于3μm，更优选为等于或大于1.5μm并且等于或小于3μm。在一些优选实施例中，如果希望高性能光纤（例如，在直径10mm的心轴上在1550nm处小于0.1dB/匝），则该厚度t₂为2μm至3μm。

空隙的随机分布通常指的是，空隙在该区域中的位置无规律。在此，术语空隙可以指空孔、充空气孔、或包含俘获在其中的气体的气泡，而且，一般来说，指具有比周围基质的折射率显著更小的折射率的缺陷。一般来说，但非排它地，空隙具有等于或接近1的折射率。

优选的是，在在预制件的芯坯料（即，芯玻璃棒）上进行二氧化硅层的烟灰沉积之后的强化工艺期间，执行氟掺杂。该强化工艺可以利用含氟气体（如SF₆、CF₄、SiF₄）来执行。含氟气体扩散到烟灰预制件中并且与烟灰反应，由此向二氧化硅烟灰掺杂氟。在将二氧化硅暴露至含氟气体之后或与之同时，在大分子气体（例如，Ar、O₂或N₂）的气氛中执行烟灰预制件的烧结。该大分子保留被俘获在玻璃预制件中，从而导致拉制之后光纤中的微米级或亚微米级的随机孔，其可以沿着光纤延伸达几米以上。

在一些优选实施例中，在强化工艺期间采用Cl₂流。优选的是，Cl₂流在强化工艺期间保持相对较低，例如，低于1.7l/min，以获得具有非常低的含水量的光纤。优选的是，光纤表现为在1380nm处的水峰小于0.05dB/km，更优选地小于0.03dB/km。

示例

示例1

光纤预制件根据下面的工艺来生成。利用外汽相沉积（OVD）工艺，将大约110克的二氧化硅烟灰沉积到长度大约1米而直径为10.6mm的掺杂有GeO₂的二氧化硅玻璃棒上，玻璃棒的台阶折射率轮廓具有大约0.31%的相对折射率百分比Δ₁，和大约0.38的芯与包层直径比。掺杂有GeO₂的玻璃棒的包围Ge掺杂层的外层由非掺杂二氧化硅玻璃制成，并且将形成图1中用2指示的包层区的内环形区。将由沉积在玻璃棒上的二氧化硅烟灰形成的预制件保持在强化炉的大约1000°C的热区中，在15l/min（升/分钟）He+1.7l/min Cl₂流中达120分钟，并接着在15l/min Ar+0.25l/min SF₆+1.7l/min Cl₂流中达30分钟。接着，在强化炉的1490°C的热区中，在15l/min Ar+0.25l/min SF₆+1.7l/min Cl₂流中，以100°C/min的温升，通过向下驱动来烧结烟灰包层。接着，仍在15l/min Ar+0.25l/min SF₆+1.7l/min Cl₂流中，以50°C/min的温升，将该组合体重新向下驱动（即，第二次）通过热区。接着，在15l/min Ar+1.7l/min Cl₂流中，以26°C/min的温升，将该组合体重新向下驱动（即，第三次）通过热区。Ar+Cl₂气氛被保持直到该工艺结束。接着，以13°C/min的温升，将该组合体重新向下驱动（即，第四次）通过热区。接着，以7°C/min的温升，将该组合体重新向下驱动（即，第五次）通过热区。

通过如上所述的在含氟气氛中的强化工艺，获得掺杂有氟并且包含被俘获在烟灰中的形成随机分布空隙的气体的二氧化硅烟灰。估计中间环形区中的氟掺杂等于或大于0.4wt%并且小于0.7wt%。

随后，将约6950克的二氧化硅烟灰沉积在预制件上，并且按标准方式在He+Cl₂气氛中烧结。该二氧化硅烟灰将形成光纤的外包层。接着，将该预制件与Ar一起在1000°C下放置在保持炉中达12h。

根据上述工艺制造的预制件被放置在标准拉制塔中，该拉制塔配备有光纤外径的测量装置。特别地，外径借助于用于光纤在线控制的系统来测量，如在WO2010/031420中所描述的系统。该控制系统被设置成，例如通过调节拉制速度将外径保持在125±1μm。

该拉制塔配备有具有25cm高度的热区（部件高度）的感应炉，并且光纤以16m/s的拉制速度和180克的拉制张力来拉制。针对缠绕在线轴上并且具有至少几千米的典型长度的几个光纤长度部分，通过标准光学测量技术来确定通过上述工艺获得的光纤的光学性质。所估计的平均值为：

零色散波长=1316nm

MFD=8.5μm

光缆截止波长=1283nm

MAC数=6.65

在15mm直径的心轴上，1625nm处的宏弯曲=0.009dB/匝

在10mm直径的心轴上，1550nm处的宏弯曲=0.015dB/匝

在完成拉制工艺之后，离线测量所拉制光纤的几个跨段。光纤的内部结构，并且尤其是含空隙环形区的径向厚度和该环形区内的局部空隙密度，通过将光纤切断以便以大约2m长度的部分进行检查并且通过显微镜或电视摄像机观察其截面来执行。特别地，使用由PhotonKinetics公司生产的PK2400测量仪器，其中，根据由欧洲标准IEC-793-1-A2规定的测量过程，将来自光源的633nm的光会聚在光纤的芯中。图2中报告了截面的图像。平均光纤直径为124.81μm，相对于平均值具有0.45μm的标准偏差，由此表明在拉制工艺期间的低的直径不稳定性。

在含空隙区中随机分布的空隙具有小于1μm的平均直径。根据对光纤的离线结构测量，观察到工艺已经生成具有2%局部空隙密度的光纤。包含空隙的区域的径向厚度从2.5μm至2.8μm变动。

因此，本示例的光纤表现出优秀的宏弯曲性能和低的直径不稳定性。

示例2

通过利用OVD工艺，将大约120克的二氧化硅烟灰沉积到长度大约1米而直径为10.6mm的掺杂有GeO₂的二氧化硅玻璃棒上，芯的台阶折射率轮廓具有等于大约0.30%的相对折射率百分比Δ₁，和大约0.36的芯与包层直径比。使该预制件经历和示例1的强化工艺相同的强化工艺。估计因将烟灰暴露至含氟气体而得到的氟含量在含空隙区中等于或大于0.4wt%并且低于0.7wt%。

在强化工艺之后，将约6150克的二氧化硅烟灰沉积在预制件上，并且按标准方式在He+Cl₂气氛中烧结。接着，将该预制件与氩气一起在1000°C下放置在保持炉中达12h。

以22m/s的拉制速度和180克的拉制张力，将该预制件在示例1的相同装置上拉制。通过示例1的在线控制系统控制光纤外径，其被设置成将光纤的外径保持在125±1μm。根据对缠绕在各自线轴上的几个光纤长度部分的测量而平均的光学性质为：

零色散波长=1318nm

MFD=8.8μm

光缆截止波长=1220nm

MAC数=7.25

在15mm直径的心轴上，1625nm处的宏弯曲=0.063dB/匝

在10mm直径的心轴上，1550nm处的宏弯曲=0.075dB/匝

利用示例1中描述的测量方法，在完成拉制工艺之后，离线测量拉制光纤的几个跨段。平均光纤外径为124.75μm，相对于平均值具有0.35μm的标准偏差。光纤截面示出了由随机分布的孔形成的环，在该截面上具有大约1μm或更小的平均直径。观察到含空隙区的径向厚度从2.9μm至3.0μm变动。

图3和4是示出针对缠绕在各自线轴上的两个不同长度部分测量出的、光纤外径（d）的累积分布函数（CDF）的标绘图。图3中报告的数据具有0.44μm的标准偏差，而图4中报告的数据具有0.25μm的标准偏差，两个值都表明低的直径不稳定性，完全符合125±0.7μm规范。

利用商用PK2200测量台，针对几个线轴的光纤执行光谱衰减测量。测量平均衰减值为：

1310nm处的衰减=0.333dB/km

1380nm处的衰减=0.293dB/km

1550nm处的衰减=0.199dB/km。

图5是示出利用PK2200测量台测量的、衰减（dB/km）作为波长（nm）的函数的标绘图。1380nm处的水峰（该图中表示为两个箭头之间的峰）小于0.03dB/km，这主要通过在强化工艺期间将Cl₂流保持低于1.7l/min而获得。

示例3

将约75克的二氧化硅烟灰通过OVD工艺沉积到长度大约1米而直径大约10.5mm的掺杂有GeO₂的二氧化硅玻璃棒上，芯的台阶折射率轮廓具有大约0.31%的相对折射率百分比Δ₁，和大约0.38的芯/包层直径比。使预制件经受和示例1与2的强化工艺相同的强化工艺，以便生成包含随机分布空隙的掺氟含空隙区。估计含空隙区中的氟掺杂等于或大于0.4wt%并且小于0.7wt%。

接着，将约6400克的二氧化硅烟灰沉积在预制件上，并且按标准方式在He+Cl₂气氛中烧结。接着，将该预制件与氩气一起在1000°C下放置在保持炉中达12h。

以22m/s的拉制速度和180克的拉制张力，将该预制件在示例1中所述的相同装置上拉制。通过示例1的在线控制系统控制光纤外径，其被设置成将光纤的外径保持在125±1μm。平均光纤外径为124.8μm，具有0.25μm的标准偏差，如通过在线控制系统测量出的。光纤截面示出由随机分布孔形成的环形区，其具有大约1μm或更小的平均直径。观察到含空隙区的厚度从1.8μm至1.9μm变动。缠绕在各自线轴上的几个光纤长度部分的平均光学性质为：

零色散波长=1316nm

MFD=8.4μm

光缆截止波长=1140nm

MAC数=7.75

在10mm直径的心轴上，1550nm处的宏弯曲=1.5dB/匝

本示例的光纤的MAC数大于针对示例1和2的光纤的MAC数。宏弯曲损耗与MAC数有关，并且一般来说，MAC数的减小导致宏弯曲损耗降低，例如在WO2010/031420中所述，其在图13中示出了宏弯曲损耗与MAC数之间的线性关系。因此，对于与本示例的光纤具有相同光学性质但MAC数更低（即，更低的MFD和/或更大的截止波长）的光纤，预计宏弯曲损耗将降低。例如，对于MAC数7.2并且假定MAC数与宏弯曲损耗之间为线性关系，估计10mm直径的心轴上在1550nm处的宏弯曲损耗大约为0.3dB/匝。

因此，本示例的光纤表现出良好的宏弯曲性能和低的直径不稳定性。

比较例

示例4

将约100克的二氧化硅烟灰通过OVD沉积到长度大约1米而直径大约10.4mm的掺杂有GeO₂的二氧化硅玻璃棒上，玻璃棒的台阶折射率轮廓具有大约0.31%的相对折射率百分比Δ₁，和大约0.35的芯/包层直径比。将预制件保持在强化炉的大约1000°C的热区中，在15l/minHe+1.7l/min Cl₂流中达120分钟，并接着在15l/min Ar+1.7l/min Cl₂流中达30分钟，该流被保持直到整个工艺结束。在强化炉的1490°C的热区中，以100°C/min的温升（在Ar+Cl₂气氛中），通过向下驱动来烧结烟灰包层。接着，以50°C/min的温升，将该组合体重新向下驱动（即，第二次）通过热区。接着，以26°C/min的温升，将该组合体重新向下驱动（即，第三次）通过热区。接着，以13°C/min的温升，将该组合体重新向下驱动（即，第四次）通过热区。接着，以7°C/min的温升，将该组合体重新向下驱动（即，第五次）通过热区。

通过上述强化工艺，获得二氧化硅烟灰并且包含俘获在烟灰中的气体，形成随机分布的空隙。强化期间的气氛包含惰性气体和Cl₂，尤其是不采用含氟气体。

随后，将约5800克的二氧化硅烟灰沉积在预制件上，并且按标准方式在氦+Cl₂气氛中烧结。接着，将该预制件在1000°C下放置在其中流动氩气的保持炉中达12h。

以22m/s的拉制速度和180克的拉制张力，将该预制件在示例1的相同装置上拉制。通过示例1的在线控制系统控制光纤外径，该系统被设置成将光纤的外径保持在125±1μm。所拉制光纤包括包含随机分布空隙的环形区，并且截面上的平均直径小于1微米。含空隙环形区的厚度从2.8μm至3.0μm变动。缠绕在各自线轴上的几个光纤长度部分的光学性质为：

零色散波长=1320nm

MFD=8.6μm

光缆截止波长=1200nm

MAC数=7.17

在15mm直径的心轴上，1625nm处的宏弯曲=0.35dB/匝

在10mm直径的心轴上，1550nm处的宏弯曲=1.2dB/匝

因此，当前光纤的宏弯曲损耗比示例2的光纤的宏弯曲损耗更大，而示例2具有与本示例的MAC数接近的MAC数的值。

利用用于先前示例的几何测量的PK2400台测量光纤的几个长度跨段。平均外径为124.85μm，相对于平均值具有0.30μm的标准偏差，其表明低的直径不稳定性，符合125±0.7μm规范。

利用商业PK2200测量台，针对几个线轴的光纤执行光谱衰减测量。测得的平均衰减值为：

1310nm处的衰减=0.333dB/km

1380nm处的衰减=0.293dB/km

1550nm处的衰减=0.193dB/km

示例5

将约250克的二氧化硅烟灰经由OVD沉积到长度大约1米而直径大约10.5mm的掺杂有GeO₂的二氧化硅玻璃棒上，玻璃棒的台阶折射率轮廓具有大约0.31%的相对折射率百分比Δ₁，和大约0.38的芯/包层直径比。将预制件保持在强化炉的大约1000°C的热区中，在15l/minHe+1.7l/min Cl₂流中达120分钟，并接着在15l/min Ar+1.7l/min Cl₂流中达30分钟，该流被保持直到整个工艺结束。接着，在强化炉的1490°C的热区中，以100°C/min的温升（在Ar+Cl₂气氛中），通过向下驱动来烧结烟灰包层。接着，以50°C/min的温升，将该组合体重新向下驱动（即，第二次）通过热区。接着，以26°C/min的温升，将该组合体重新向下驱动（即，第三次）通过热区。接着，以13°C/min的温升，将该组合体重新向下驱动（即，第四次）通过热区。接着，以7°C/min的温升，将该组合体重新向下驱动（即，第五次）通过热区。

通过上述强化工艺，获得二氧化硅烟灰并且包含俘获在烟灰中的气体。强化期间的气氛不包含含氟气体。

将约8100克的二氧化硅烟灰沉积在预制件上，并且按标准方式在He+Cl₂气氛中烧结。接着，将该预制件与氩气一起在1000°C下放置在保持炉中达12h。

以22m/s的拉制速度和180克的拉制张力，将该预制件在示例1的相同装置上拉制。通过示例1的在线控制系统控制光纤外径，该系统被设置成将光纤的外径保持在125±1μm。所拉制光纤包括包含随机分布空隙的环形区，并且截面上的平均直径小于1μm。含空隙环形区的厚度从5μm至5.2μm变动。光纤的光学性质（对缠绕在线轴上的光纤的几个长度跨段取平均的值）为：

零色散波长=1320nm

MFD=8.6μm

光缆截止波长=1195nm

MAC数=7.2

在15mm直径的心轴上，1625nm处的宏弯曲=0.075dB/匝

在10mm直径的心轴上，1550nm处的宏弯曲=0.095dB/匝

利用用于几何测量的PK2400台测量光纤的几个跨段。平均光纤外径为124.8μm，相对于平均值具有0.88μm的标准偏差。

因此，本示例的具有厚度大约5μm的含空隙区的光纤表现出很好的宏弯曲性能，但具有大的直径不稳定性，其不符合用于传输光信号的单模光纤通常所需的125±0.7μm规范。

示例6

将约150克的二氧化硅烟灰经由OVD沉积到长度大约1米而直径大约10.9mm的掺杂有GeO₂的二氧化硅玻璃棒上，玻璃棒的台阶折射率轮廓具有大约0.30%的相对折射率百分比Δ₁，和大约0.36的芯/包层直径比。将预制件保持在强化炉的大约1000°C的热区中，在15l/minHe+1.7l/min Cl₂流中达120分钟，并接着在15l/min He+0.25l/minSF₆+1.7l/min Cl₂流中达30分钟。接着，在强化炉的1490°C的热区中，在15l/min He+0.25l/min SF₆+1.7l/min Cl₂流中，以100°C/min的温升，通过向下驱动来烧结烟灰包层。接着，仍在15l/min He+0.25l/minSF₆+1.7l/min Cl₂流中，以50°C/min的温升，将该组合体重新向下驱动（即，第二次）通过热区。接着，仍在15l/min He+0.25l/min SF₆+1.7l/min Cl₂流中，以26°C/min的温升，将该组合体重新向下驱动（即，第三次）通过热区。接着，在15l/min He+1.7l/min Cl₂流中，以13°C/min的温升，将该组合体重新向下驱动（即，第四次）通过热区（He+Cl₂气氛被保持直到该工艺结束）。接着，以7°C/min的温升，将该组合体重新向下驱动（即，第五次）通过热区。

通过如上所述在含氟气氛中的强化工艺，获得掺杂有氟的二氧化硅烟灰。强化的预制件利用商用York P106预制件分析器来进行表征，其揭示，折射率下陷环形区的内径大约为10.9mm，而外径为14.3mm。该折射率下陷区的相对折射率百分比被检测为大约-0.25%，其对应于二氧化硅中大约0.7wt%的氟浓度。强化的预制件基本上无空隙。

随后，将约5800克的二氧化硅烟灰沉积在预制件上，并且按标准方式在He+Cl₂气氛中烧结，以形成光纤的外包层。接着，将该预制件与氩气一起在1000°C下放置在保持炉中达12h。

以22m/s的拉制速度和180克的拉制张力，将该预制件在示例1中所述的相同装置上拉制。通过示例1的在线控制系统控制光纤外径，该系统被设置成将光纤的外径保持在125±1μm。在该光纤中没有观察到空隙。针对几个线轴的光纤测量出的光学性质为（给出平均值）：

MFD=9.1μm

光缆截止波长=1130nm

MAC数=8.05

在10mm直径的心轴上，1550nm处的宏弯曲=4.7dB/匝

本示例的光纤的MAC数相对较大，并且尤其是大于示例1-3的值。通过假定MAC数与宏弯曲损耗之间的线性关系，对于7.2的MAC数，估计在10mm直径的心轴上在1550nm波长处的损耗值约为1dB/匝。

利用用于几何测量的PK2400台测量光纤的几个跨段。平均外径为124.95μm，相对于平均值具有0.20μm的标准偏差，因而表示非常低的直径不稳定性。然而，本示例的光纤的宏弯曲性能比示例2的光纤（其MAC数的值为7.25）所展现的要差得多。

表1总结了所给出示例的光纤的一些主要参数。

表1

*比较例

ο外推

表1中总结的结果示出了制造微结构光纤（即，设置有含空隙区的光纤）可能易发生直径不稳定性，这可能生成不符合最常见电信标准所需的规范的光纤。在具有径向厚度大于3μm的含空隙区的光纤中观察到拉制工艺期间光纤外径的不稳定性，尤其是在厚度大约5μm的情况下。在不希望束缚于任何理论或解释的情况下，申请人认为，在拉制工艺期间颈缩区（neckdown region）中粘性应力与空隙的表面张力之间的平衡强烈影响最终的空隙形态和直径不稳定性。在预制件的强化工艺期间形成的空隙通常为球形形状。在拉制期间，粘性应力趋于显著延长预制件中的球形空隙，而与较低的每单位面积能量相关联的表面张力趋于保持空隙的球形形状。如果表面张力的力与粘性应力同量级或者比其更大，则空隙在颈缩区中表现为漏斗中的颗粒，即，它们在减小或增加它们的纵向速度的同时拉长，而非挤压。结果，所拉制光纤的体积通量不恒定，而是表现出振荡行为。另一方面，如果表面张力可忽略或者远小于粘性应力，则预期会沿拉制流挤压空隙，并且相对于表面张力对该工艺作出更多相关贡献的拉制光纤的情况，表现出更小的平均空隙直径。

尽管不排除氟掺杂在拉制期间可能对空隙的表面张力具有某些影响，但已知氟掺杂会显著减小二氧化硅玻璃的动态粘性。申请人已经观察到，这种特性可以有利于减小空隙导致的直径不稳定性。在始终不希望被本说明所束缚的情况下，假设通过将氟引入到含空隙区中，该区域的粘性减小，并由此可能不太有效地将应力传递至外包层的周围二氧化硅玻璃，其提供了缓冲效果。结果，与具有非掺杂含空隙区的微结构光纤的情况相比，预期所拉制光纤的外径会保持更不受干扰。

Claims

1.一种用于传输光信号的单模光纤，包括：

用于引导光信号的中央芯区，和

包围芯区的包层区，该包层区包括包含随机分布的空隙的含空隙环形区，

其中，含空隙区掺杂有浓度小于1wt%的氟，并且具有等于或小于3μm的径向厚度。

2.根据权利要求1所述的光纤，其中，氟浓度等于或大于0.1wt%。

3.根据权利要求1所述的光纤，其中，氟浓度为0.1wt%至0.7wt%。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的光纤，其中，含空隙区具有从1.5μm至3μm的径向厚度。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的光纤，其中，包层区还包括：

内环形区，该内环形区与芯区相接触并且从芯区径向向外延伸至含空隙区，和

外环形区，该外环形区与含空隙区相接触并且径向向外延伸。

6.根据权利要求5所述的光纤，其中，内环形区和外环形区由非掺杂二氧化硅制成。

7.根据权利要求5或6所述的光纤，其中，芯区具有第一外芯半径而内环形层具有第二外半径，以限定芯与包层半径比，并且该芯与包层比为0.33至0.40。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的光纤，其中，芯区具有第一相对折射率百分比为0.30%至0.34%的台阶轮廓。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的光纤，其中，局部空隙密度为1vol%至4vol%。