CN104254793B - 低弯曲损耗光纤 - Google Patents

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Abstract

根据某些实施例，一种单模光纤包括：掺杂氧化锗的中芯区，具有外半径r1和相对折射率Δ1；和包层区，包括(i)第一内包层区，具有外半径r2>6微米、和相对折射率Δ2且0.3≤r1/r2≤0.85；和(ii)和第二内包层区，具有外半径r3>9微米且包括最小相对折射率德尔塔Δ3，其中所述第二内包层区具有至少一个区，该区具有随着半径增加变得更负的相对折射率德尔塔；和(iii)外包层区，围绕内包层区且包括相对折射率Δ4，其中Δ1>Δ2>Δ3,Δ3<Δ4。

Description

低弯曲损耗光纤
相关申请交叉引用
本申请要求2011年11月30日提交的美国临时申请系列号No.61/564902的优先权，且依赖于其内容并将其内容整体援引包含于此。
技术领域
本申请涉及具有低弯曲损耗的光纤。
技术背景
对于低弯曲损耗光纤、特别是对于用在所谓“接入(access)”和光纤到驻地(FTTx)光网络中使用的光纤，存在需求。可以以减少通过光纤传输的光信号的弯曲损耗的方式，在这样的网络中部署光纤，。一些光纤应用可强加引起光纤弯曲损耗的诸如紧密弯曲半径、或光纤压缩等等之类的物理要求。强加这些要求的这些应用，例如，包括将光纤部署在光分接缆线组件、具有工厂安装的终端系统(FITS)和膨胀圈的分配缆线、位于连接馈送器和分配缆线的机柜内的小弯曲半径多端口、以及分配和分接缆线之间的网络接入点中的跳接器中。在一些单模光纤设计中难以同时实现在较小和较大弯曲直径处的低弯曲损耗。
例如，在包层中具有低折射率沟槽的单模光纤可被用于制作具有低弯曲损耗性能的光纤。这些光纤具有其中沟槽深度在整个沟槽宽度上相对恒定的沟槽。在这些设计中，尽管光纤性能在较小直径处(～10mm心轴直径)处较为卓越(<0.25dB/匝)，但是在较大直径处(～30mm心轴直径)的性能并不如在已经对较大弯曲直径优化的弯曲优化光纤中那么好。为了改进在较小和较大弯曲半径两者处的弯曲性能，已经提出了包括多个沟槽的光纤设计。然而，这样的方法导致在处理过程中的附加步骤且使得制作光纤成本更高。
发明内容
根据一些实施例，一种单模光纤包括：
中芯区域，具有外半径r1和相对折射率德尔塔Δ1最大；
包层区，包括(i)第一内包层区，具有外半径r2>6微米、和相对折射率德尔塔Δ2且0.3≤r1/r2≤0.85；(ii)和第二内包层区，具有外半径r3>9微米且包括最小相对折射率德尔塔Δ3最小，其中所述第二包层区具有至少一个区，该区具有随着半径增加变得更负的相对折射率德尔塔；和(iii)外包层区，围绕内包层区且包括相对折射率德尔塔Δ4，其中Δ1最大>Δ2>Δ3最小,Δ3最小<Δ4。
根据一些实施例，此处公开了光纤，包括中芯区，具有外半径r1和最大折射率德尔塔Δ1最大；包层，包括具有外半径r2>8微米和相对折射率德尔塔Δ2的第一内包层区，具有相对折射率德尔塔Δ3和最小相对折射率德尔塔Δ3最小的第二内包层区，其中Δ1>Δ2>Δ3最小，以使得Δ2和Δ3最小之间的差异大于0.15％；以及围绕这两个内包层区的外包层区。此处公开的光纤实施例优选地展示出小于或等于1260nm的22m光缆截止、在1310nm处在8.2到9.6微米之间的模场直径(MFD)、以及在1300和1324nm之间的零波长色散。在至少一些光纤实施例中，r1/r2大于或等于0.25，更优选大于0.3。优选地│Δ4-Δ2│≥0.01。
根据一些其他实施例，一种单模光纤包括：
掺杂氧化锗的中芯区，具有外半径r1、且在中芯区中的峰值(最大)相对折射率德尔塔Δ1最大；和芯区，具有折射率阿尔法分布，α芯，其中α芯在1和100之间(且例如，1.8≤α芯≤100；1.8≤α芯≤2.2；2≤α芯≤100；5≤α芯≤100；2≤α芯≤20、或5≤α芯≤20)；
包层区，包括(i)第一内包层区，具有外半径r2>6微米、和相对折射率Δ2且0.3≤r1/r2≤0.85；(ii)和第二内包层区，具有外半径r3>9微米且包括最小相对折射率德尔塔Δ3最小，其中所述第二包层区具有至少一个区，该区具有随着半径增加变得更负的相对折射率德尔塔；和(iii)外包层区，围绕内包层区且包括相对折射率Δ4，其中Δ1>Δ2>Δ3,Δ3<Δ4。
此处公开了光纤实施例，包括中芯区，具有外半径r1和最大相对折射率德尔塔Δ1；包层区，包括第一内包层区和第二内包层区，其中第一内包层区具有外半径r2>8微米和相对折射率德尔塔Δ2，且第二内包层区围绕第一内包层区且具有相对折射率Δ3，其中Δ1最大>Δ2>Δ3最小，且Δ2-Δ3最小≥0.15。此处公开的光纤优选地展示出小于或等于1260nm的22m光缆截止、在1310nm处在8.2到9.6微米之间的模场直径(MFD)、以及在1300和1324nm之间的零波长色散。在一些光纤实施例中，r1/r2大于或等于0.25，更优选大于0.3。优选地，│Δ4-Δ2│≥0.01。
根据一些实施例，0.15≤│Δ4-Δ3│≤0.7且Δ3和Δ2之间的绝对差异大于0.03。在一些实施例中，0.20≤│Δ4-Δ3│≤0.7，或者0.25≤│Δ4-Δ3│≤0.7，再或者0.35≤│Δ4-Δ3│≤0.7。
申请人发现，使得光纤具有沟槽且沟槽具有非恒定相对折射率德尔塔有助于在较小(<10mm)和较大(>20mm)直径处都实现较好的宏弯曲性能。接下来的单模光纤实施例具有偏置沟槽，且偏置沟槽具有在其至少一个区域中随着半径增加而减少的非恒定相对折射率德尔塔，导致与ITU-G.652标准兼容的低宏弯曲损耗和光学特性(光学性能参数)。在至少一些实施例中，第二内包层区的折射率随着径向位置增加而减少。
在至少一些实施例中，由参数来定义沟槽的形状，其中是第二内包层区中的平均折射率斜率，通过平均在R2和R3之间的不同径向位置处的折射率斜率而确定该平均折射率斜率。在一些实施例中，参数β大于0.25，更优选大于0.5，且甚至更优选大于0.75。优选地β<1.5。对于具有三角形沟槽的光纤实施例而言，参数β的值为1。
在至少一些实施例中，αt≤50，其中αt是沟槽阿尔法参数。对于一些实施例，0.5≤αt≤5。
壕沟体积比，V3a3比被定义如下：
V3a3比＝V3a3/[Δ3最小(r3 2-r2 2)]
优选地，此处的光纤具有壕沟体积比0.3≤V3a3比≤0.8。
现在将具体参考现有优选实施例，其示例在附图中示出。
附图简述
图1A-1G示出对应于此处公开的光纤的数个实施例的相对折射率分布；
图2示出对应于此处公开的光纤的三个实施例的相对折射率分布，以及比较光纤的相对折射率分布；
图3示出弯曲损耗因变于相关于图2中所示的相对折射率分布的光纤的弯曲直径；
图4示出对应于此处公开的光纤的三个实施例的相对折射率分布，以及另一个比较光纤的相对折射率分布；
图5示出弯曲损耗相关于对应于图4中所示的相对折射率分布的光纤的弯曲直径；和
图6示出模制的光纤实施例的相对折射率分布。
具体实施方式
将在以下详细描述中陈述附加特征和优点，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可认识到。
“折射率分布”是折射率或相对折射率与光纤半径之间的关系。相对折射率分布的每一段的半径由简写r1,r2,r3,r4等给出，且此处互换使用大小写(如，r1等效于R1)。
“相对折射率百分比”被定义为Δ％＝100x(ni 2–nc 2)/2ni 2，且如此处所使用地，nc是外包层区的平均折射率，且除非另外指明，否则是纯二氧化硅的折射率。如本文中使用地，相对折射率以Δ表示，而且其值以“％”单位给出，除非另外指明。术语：相对折射率德尔塔、德尔塔、Δ、Δ％、％Δ、德尔塔％、％德尔塔、和百分比德尔塔此处可互换地使用。在其中区域的折射率小于外包层的平均折射率的情况下，相对折射率百分比为负且被认为具有下陷区或下陷折射率。在其中区的折射率大于外包层区的平均折射率的情况下，相对折射率百分比为正。“上掺杂剂”在这里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。“下掺杂剂”在这里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。上掺杂剂的示例包括GeO2(氧化锗)、Al2O3、P2O5、TiO2、Cl、Br。下掺杂剂的示例包括氟和硼。对于本领域技术人员，明显地，可修改此处公开的相对折射率分布以使得整个折射率分布相对于纯氧化硅的折射率线性上升或下降，且导致所得光纤的类似光学性质。
除非另作说明，以下将“色散现象”称为“色散”，光纤的色散是材料色散、波导色散以及模间色散的总和。在单模光纤的情况下，模间色散为零。零色散波长是色散具有零值的波长。色散斜率是色散相对于波长的变化率。
“有效面积”定义为：
Aeff＝2π(∫f2r dr)2/(∫f4r dr),
其中积分上下限为0到∞，而f是与光纤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“Aeff”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”指的是区域(如，芯区)的相对折射率分布，以单位为“％”的项Δ(r)表示，其中r是半径。芯的α分布(本文中由芯阿尔法或α芯所定义)遵循如下式，
Δ(r)＝Δ(ro)(1-[|r-ro|/(r1-ro)]α),
其中ro是Δ(r)为最大值的点，半径r从中心线径向向外移动，r1是Δ(r)％第一次达到值0.03％的径向位置，且r在ri≤r≤rf范围内，其中Δ如上定义，ri是α分布的起点，rf是α分布的终点，且α是作为实数的指数。
使用Peterman(彼得曼)II方法测量模场直径(MFD)，其中2w＝MFD，且w2＝(2∫f2rdr/∫[df/dr]2r dr)，积分上下限为0到∞。
可通过在规定的测试条件下诱发的衰减来量测光纤的抗弯性，例如通过将光纤围绕预定直径的心轴部署或缠绕，例如，围绕6mm、10mm、20mm、30mm、或类似直径心轴缠绕1匝(如，“1x10mm直径宏弯曲损耗”或“1x30mm直径宏弯曲损耗”)并测量每匝的衰减增加。
一类弯曲测试是横向负载微弯曲测试。在所谓的“横向负载”测试(LLWM)中，将规定长度的光纤置于两个平板之间。将#70线网附连到平板之一。将已知长度的光纤夹在板之间，并且在用30牛顿的力挤压平板的同时测量参考衰减。然后，向平板施加70牛顿的力，并且以dB/m测量衰减的增大。衰减的增大是在特定波长处(典型地在1200-1700nm范围内，如1310nm或1550nm或1625nm)以dB/m为单位的光纤的横向负载衰减。
另一个类型的弯曲测试是由线网覆盖鼓的微弯曲测试(WMCD)。在这个测试中，用线网来缠绕400mm直径的铝鼓。在不拉伸的情况下紧密地缠绕线网，且线网应该不具有孔洞、下陷(dip)、或损伤。线网材料规格：McMaster-CarrSupply公司(克利夫兰,俄亥俄州),零件号85385T106,抗腐蚀型304不锈钢金属丝编织网,每个线性英尺的网：165x165,线直径:0.0019”,宽度开口:0.0041”,开口面积(％):44％。在施加80(+/-1)克张力的同时，以0.05厘米卷绕间距在线网鼓上以1m/s缠绕预定长度(750米)的光纤。预定长度光纤的端部被捆绑(taped)以维持张力且不存在任何光纤交叉。在指定波长处(一般在1200-1700nm范围内，如1310nm或1550nm或1625nm)测量光纤的衰减；在缠绕在平滑的鼓上的光纤上测量参考衰减。衰减的增加是在指定波长处(典型地在1200-1700nm范围内，如1310nm或1550nm或1625nm)以dB/m为单位的光纤的线网覆盖鼓衰减。
“引脚阵列”弯曲测试用于比较光纤对弯曲的相对抵抗。为了实现该测试，对基本上不具有诱导弯曲损耗的光纤测量衰减损耗。随后绕引脚阵列编织光纤，并且再次测量衰减。由弯曲引起的损耗是两次测量的衰减之差。引脚阵列是一组十个圆柱引脚，它们被配置成单排并在平坦表面上保持固定垂直位置。引脚间距为5mm，从中心到中心。引脚直径为0.67mm。在测试期间，施加足够的张力以使光纤顺应引脚表面的一部分。衰减的增加是在特定波长处(典型地在1200-1700nm范围内，如1310nm或1550nm或1625nm)以dB为单位的光纤的引脚阵列衰减。
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”是超过其被传导光不能在该模式中传播的波长。数学定义可以在1990年Jeunhomme在纽约的MarcelDekker出版的“Single Mode Fiber Optics(单模光纤光学)”第39-44页找到，其中理论光纤截止被描述为模式传播常数变成与外包层中的平面波传播常数相等时所处的波长。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，FOTP-80(EIA-TIA-455-80)来测量光纤截止以产生“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来去除较高阶模式，或将该光纤的光谱响应对多模光纤的光谱响应进行归一化。
通过此处使用的成缆截止波长，或“成缆截止”，我们是指在EIA-445光纤测试程序中描述的22m成缆截止，EIA-445光纤测试程序是EIA-TIA光纤标准的一部分，EIA-TIA光纤标准即是电子工业协会－电信工业协会光纤标准。
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)。
申请人发现，将具有非恒定深度的偏置沟槽设置单模光纤的分布中，可同时改进在较小(≤5mm)和较大(≥10mm)弯曲半径处的弯曲性能。如下的光纤实施例导致在较小和较大弯曲直径处的低弯曲性能且具有符合G.652标准的光学特性(在1310nm处在8.2和9.6微米之间的MFD、在1300和1324nm之间的零色散波长、小于或等于1260nm的光缆截止波长)。此处公开的光纤能在1310nm处表现出52和72微米2之间的有效面积。此处公开的光纤能在1550nm处表现出75和90微米2之间的有效面积。
优选地光纤10的MFD(在1310nm波长处)在8.2μm和9.6μm之间。例如，8.2微米≤MFD≤且9.6微米、或8.5μm≤MFD≤9.4微米(如，8.6、8.8、9、9.2、9.4、9.6微米、或在其之间)。
示例性光纤10的一些相对折射率分布被图示于1A-1G中。图1A-1G的光纤10包括中心的玻璃芯区1(或芯)，包括最大相对折射率德尔塔百分比Δ1最大。该芯可具有阶跃折射率分布或渐变折射率分布(此处也被称为梯度折射率分布)。第一内包层区2围绕中芯区1，第一内包层区2包括折射率德尔塔百分比Δ2。第二内包层区3(此处也称为沟槽)围绕第一内包层区2，第二内包层区3包括最小折射率德尔塔百分比Δ3最小。第二内包层区3并不具有常数Δ3(r)。优选地，Δ3(r)随着半径增加而减少，且具有三角形截面。因此，在一些实施例中，这个区域的最小相对折射率Δ3出现在r＝r3处(即，Δ3(r＝r3)＝Δ3最小)。外包层区4围绕第二内包层区3且包括相对折射率德尔塔百分比Δ4。如图1A-1G中所示，第二内包层区3与芯区1偏置，以使得第一内包层区2夹在中心玻璃芯区1和第二内包层区3之间。外包层区4围绕第二内包层区3(沟槽)且包括Δ4。图1A示出具有三角形沟槽分布的光纤10的实施例的相对折射率分布Δ3(r)。这个图示出随着半径增加单调递减的第二内包层区3的相对折射率，且Δ3(r2)>Δ3(r3)。在图1A的实施例中，Δ2＝Δ4。然而，Δ2并不需要与Δ4一样(如，Δ2可大于或小于Δ4)。优选地Δ4≥Δ2。例如，图1D示出光纤10的实施例的相对折射率分布，该实施例也具有三角形沟槽分布且类似于图1A的分布，但是在图1D中Δ4>Δ2。在一些实施例中，Δ4-Δ2在0.01％到0.1％之间，在其他实施例中在0.02％到0.05％之间。图1B示出具有梯形沟槽分布的光纤10的实施例的相对折射率分布。在这个实施例中，第二内包层区3的折射率也随着半径增加而单调减小，且Δ3(r2)>Δ3(r3)。在图1B的实施例中Δ2＝Δ4，但是在一些实施例中Δ2和Δ4具有不同值(如，Δ2>Δ4,或Δ2<Δ4)。图1C示出光纤10的另一个实施例的相对折射率分布。在这个实施例中，第二内包层区3的相对折射率随着半径增加而单调递减直到它达到值r＝r3A，且然后在半径r＝r3A和r3之间为常数。在这个实施例中，Δ3(r2)>Δ3(r3)。在图1C的实施例中Δ2＝Δ4，但是在一些实施例中Δ2和Δ4具有不同值(如，Δ2>Δ4,或Δ2<Δ4)。在一些实施例中0.05％≥│Δ2-Δ4│≥0.01％。图1E示出光纤10的实施例的相对折射率分布，该实施例也具有三角形沟槽分布且类似于图1A的分布，但是在图1E中，中芯区具有最大折射率德尔塔百分比Δ1最大和折射率阿尔法分布α芯。光纤10具有芯，芯具有范围为1≤α芯≤100之间的阿尔法值。在一些优选实施例中，5≤α芯≤100，在其他优选实施例中，2≤α芯≤20,or 5≤α芯≤20。
在至少一些实施例中，αt≤50，其中αt是沟槽阿尔法参数。对于一些实施例，0.5≤αt≤5。图1F示出也具有类似于图1A的分布的沟槽分布的光纤10的实施例的相对折射率分布，但是在图1F中第二内包层区3的相对折射率分布具有凸起的形状。图1G示出也具有沟槽分布且类似于图1的分布的光纤10的实施例的相对折射率分布，但是在图1G中第二内包层区3的相对折射率分布具有凹入的形状。
在该示例性实施例中，Δ1最大>Δ2>Δ3最小且Δ3最小<Δ4。优选地，Δ2-Δ3最小≥0.1％；更优选地Δ2-Δ3最小≥0.15％，甚至更优选地Δ2-Δ3≥0.2％。在图1A到图1G所示的实施例中，区域1、2、3彼此紧邻。然而，但并非要求，且可选地，可采用任选的芯或包层区。例如(未示出)，另一区域(2A)可位于芯和区域3之间。任选的内包层区2A可与芯区1直接相邻并且围绕芯区1，且包括比环形区2更高或更低的相对折射率德尔塔百分比Δ2A(即，Δ2A<Δ2,或Δ2A>Δ2)。
第二内包层区3(沟槽)的折射率(和因此的相对折射率德尔塔)优选地随着径向位置增加而减小。第二内包层区3的形状由参数定义，其中是第二内包层区中的平均折射率斜率，通过平均在R2和R3之间的不同径向位置处的折射率斜率而确定该平均折射率斜率。对于三角形沟槽，参数β的值为1。对于矩形沟槽，参数β的值为0。在光纤10的其他实施例中，参数β大于0.25，更优选大于0.5，且甚至更优选大于0.75。优选地，β小于1.5，且更优选地小于1.1。
可用于定义第二内包层区3中的沟槽形状的另一个参数是参数αt，是指第二内包层区3中的相对折射率分布，用以单位为“％”的项Δ(r)表示，其中r是半径，其遵循以下方程，
Δ(r)＝Δ3,最小(1-[|r3-r|/(r3-r2)]αt),
其中αt是沟槽阿尔法参数。对于矩形沟槽，参数αt的值大于100，而对于三角形沟槽，参数αt的值是1。优选地αt≤50。在光纤10的某些实施例中，参数αt为0.5≤αt≤5，在某些实施例中0.5≤αt≤3，且在某些实施例中0.75≤αt≤2。
优选地，根据此处公开的示例性实施例，光纤具有壕沟体积比0.3≤V3a3比≤0.8,其中V3a3比,为
V3a3比＝V3a3/[Δ3最小(r3 2-r2 2)]
中芯区1包括外半径r1，r1是当从中心线径向向外移动的半径r对应于Δ(r)％首次达到0.03％的值时的点。芯区1(此处也称为芯)优选地表现出最大相对折射率德尔塔百分比，Δ1最大，在约0.3到0.5之间、更优选地在约0.31到0.48之间，例如在约0.31到0.45之间。在某些实施例中，Δ1最大在0.31和0.43之间。在某些实施例中，Δ1最大小于0.42。芯半径r1优选地在3和10微米之间，更优选地在约3.5到8.0微米之间，例如3.5≤r1≤7.0微米、或3.5≤r1≤5.0微米。中芯区1可包括单段、阶跃折射率分布。在某些实施例中，中芯区1表现出具有阿尔法(α芯)值大于0.5且小于10(在某些实施例中小于7.5、小于5、或小于3(例如，在1.8和2.2之间，诸如1.85、1.95、2、2.05、2.1、或这些之间))的阿尔法分布，。然而，在其他实施例中，中芯区1可包括在约2到约100之间或10和40之间(诸如15、20、30、或之间)的阿尔法，α芯，且在某些实施例中5≤α芯≤20。
在某些优选实施例中，中芯区1表现出5≤α芯≤20，且芯区1具有相对折射率德尔塔百分比Δ1在0.30到0.48之间(如，0.32≤Δ1≤0.4)。在某些优选实施例中，中芯区1表现出5≤α芯≤20的α，且芯区1具有折射率德尔塔百分比Δ1最大在0.3到0.48之间(如，0.32≤Δ1≤0.4)，以及在约3.5到7微米之间的芯半径。在某些优选实施例中，中芯区1表现出大于0.5且小于10的阿尔法，且在某些实施例中小于7.5、小于5、或小于3，且芯区1具有相对折射率德尔塔百分比，Δ1在0.30到0.48之间(如，0.32≤Δ1≤0.4)。在某些实施例中，中芯区1表现出大于0.5且小于10的阿尔法，且在某些实施例中小于7.5、小于5、或小于3，且芯区1具有折射率德尔塔百分比，Δ1最大在0.3到0.48之间(如，0.32≤Δ1≤0.4)，以及在约3.5到7微米之间的芯半径。
在图1所示的实施例中，内包层区2围绕中芯区1且包括内半径r1和外半径r2，r1被如上定义且r2被定义为从r1向径向向外移动的第一径向位置，此处相对折射率等于0.03(Δ3最小)。在某些情况下，区域2内的折射率基本是平的，在其他情况下可存在梯度折射率分布，且在某些实施例中，当半径增加时，区域2折射率减小。又在其他情况下，作为较小的分布设计或工艺变化的结果，可存在波动(见例如，图6)。在一些实施例中，第一内包层区2包含小于0.02wt％的氟。在某些实施例中，内包层区2包括基本未掺杂氟或氧化锗的氧化硅，即，使得该区域基本没有氟和氧化锗。在某些其他实施例中，区域2被掺杂小于0.2wt％的氟。内包层区2优选地表现出在约1到13微米之间的宽度，更优选2到10微米，甚至更优选在约2到7微米之间。优选地，6微米≤r2≤15微米，更优选地6.5微米≤r2≤12微米。芯半径r1与内包层区2半径r2的比值优选地至少0.3且小于1，更优选地大于0.3，例如在约0.33和0.85之间，或0.33和0.7之间，或在0.4到0.6之间。
内包层区2包括折射率德尔塔百分比Δ2，使用下式来计算：
在某些实施例中，第一内包层区2包括基本未掺杂氟或氧化锗的氧化硅，即，使得该区基本没有氟和氧化锗。内包层区3优选地包括下掺杂剂，例如氟，来提供低于区域2的相对折射率德尔塔的最小相对折射率德尔塔。在图1A-1G所示的实施例中，第二内包层区3(也被称为沟槽)围绕第一内包层区2且包括内半径r2和外半径r3，r2如上定义且r3被定义为从半径r2径向向外移动的第一径向位置处，其中相对折射率分布曲线再次穿过零德尔塔线(Δ4)。在某些情况下，区域3中的相对折射率可以是梯度折射率分布，在某些情况中(优选地)，区域3中的相对折射率在区域的内部部分中具有较浅的凹陷且在区域的外部部分中具有较深的凹陷。此外，作为较小的分布设计或工艺变化的结果，可存在波动。在某些实施例中，第二内包层区3包括氟和/或硼。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分包括非周期性设置或周期性设置或两者兼而有之的孔。关于“非周期性设置”或“非周期性分布”，我们的意思是当对该光纤取截面(诸如垂直于纵轴的截面)时，非周期性设置的孔在光纤的一部分上随机或非周期性地分布。沿该光纤长度的不同点处所取的类似截面将揭示不同的截面孔洞图案，即不同截面将具有不同的孔洞图案，其中孔的分布和孔的大小不匹配。即，孔是非周期性的，即它们在光纤结构内非周期性地设置。这些孔沿光纤的长度(即平行于纵轴)伸展(延长)，但对于典型的传输光纤的长度而言不会延伸整个光纤的整个长度。孔可包含一种或多种气体，诸如氩、氮、氪、CO2、SO2或氧，或孔可包含基本没有气体的真空；不管是否存在任何气体，环形部分3的相对折射率因为孔的存在而被降低。虽然不希望受理论限制，但认为这些孔沿光纤长度而延伸小于几米，而且在许多情况下小于1米。此处公开的光纤可通过利用预制棒固化条件的方法来制造，这能有效地使大量气体被捕获在固化的玻璃坯料中，从而在固化的玻璃光纤预制棒中形成孔。不是设法去掉这些孔，而是使用所得的预制棒来形成其中具有孔的光纤。如此处所使用，当从横切光纤的纵轴的垂直截面观察光纤时，孔洞的直径是端点设置在限定孔洞的氧化硅内表面上的最长线段。内包层区3包括相对折射率德尔塔百分比Δ3(r)，以及最小相对折射率德尔塔Δ3最小。第二内包层区中的最小折射率Δ3最小优选地小于-0.1％(即，Δ4-Δ3≥0.1％)，在某些实施例中小于-0.25％，且在某些其他实施例中小于-0.35％。
第二内包层区3(沟槽)的体积V3，被定义在式2中所示，且以百分比德尔塔微米平方(％Δ微米2)为单位给出
在图1A-1D的实施例中，内包层区3的绝对体积V3为10Δ％微米2≤V3≤105Δ％微米2，在某些实施例中20Δ％微米2≤V3≤95Δ％微米2。内包层区3优选地表现出具有约5≤(r3-r2)≤20微米的宽度W3,(即,r3-r2)，在某些实施例中5≤(r3-r2)≤15微米。在图1A-1D的某些实施例中，内包层区3的绝对体积V3为35Δ％微米2≤V3≤105Δ％微米2，例如，50Δ％微米2≤V3≤95Δ％微米2(如，大于70Δμm2，且在某些实施例中大于85Δμm2)。内包层区3优选地表现出宽度W在约5到20微米之间，更优选在5到15微米。半径r3与内包层区2半径r2的比值优选地大于1.3，更优选地在1.5和约4之间。
外包层区4围绕下陷的环形区3且包括高于内包层区3的折射率Δ3最小的相对折射率德尔塔百分比Δ4。在某些实施例中，外包层区4具有高于第一内包层区2的相对折射率，藉此形成相对于第一内包层区2的“上掺杂”的外包层区4，如通过添加足够量的上掺杂剂(诸如氧化锗或氟)来增加外包层区4的相对折射率。然而，注意，必须在区域4中包括折射率增加的掺杂剂，在此意义上，区域4并非严格上掺杂的。事实上，通过相对于外包层区4来下掺杂第一内包层区2，可实现在外包层区4中的某种提升的折射率的效果。外包层区4包括比第一内包层区2更高的相对折射率，且可包括相对于第一内包层区2中的相对折射率，大于0.01％且在某些实施例中大于0.02％或0.03％的相对折射率德尔塔百分比Δ4。优选地，外包层区4的较高折射率部分(相比第一内包层区2)至少延伸到其中将由光纤传输的光功率大于或等于所传输的光功率的90％的点处，更优选延伸至其中将由光纤传输的光功率大于或等于所传输的光功率的95％的点处，且最优选地延伸至其中将由光纤传输的光功率大于或等于所传输的光功率的98％的点处在很多实施例中，通过具有至少延伸至约30微米的径向点处的“上掺杂的”第三环形区域来实现这一点。因此，第三环形区4的体积V4此处被定义在半径r3和r30(在30微米处的半径)之间计算，且因此被定义为
相比第一内包层区2的体积，外包层区4(在30微米内)的体积V4优选地大于5Δ％微米2、更优选地大于7Δ％微米2，且可大于10％Δ微米2。外包层区(在30微米内)的这个体积V4在某些实施例中小于50％Δ微米2。
在某些实施例中，外包层区4的相对折射率Δ4小于第一内包层折射率Δ2达0.01％，更优选地大于0.02％。在某些实施例中，外包层区4包括氯(Cl)。在某些实施例中，外包层区包括氧化锗(GeO2)。
芯区1优选地整个具有正的相对折射率。芯1包括出现在r＝0和r＝3μm之间的最大相对折射率Δ1最大。Δ1最大优选地在0.30％到0.48％之间，且甚至更优选地在0.3％到0.45％。
第一内包层区2优选地具有基本恒定的相对折射率分布，即，在中间区内任意两个半径处的相对折射率之间的差异小于0.02％，且在某些优选实施例中小于0.01％。因此，第一内包层区2的相对折射率分布优选地具有基本平的形状。在某些实施例中，外包层区4相对于纯氧化硅被上掺杂且在某些实施例中第一内包层区2相对于纯氧化硅被下掺杂。
芯区1可以是阶跃折射率芯，且可包括阿尔法(α)形状。在优选实施例中，r1小于8.0微米，且更优选地在3.5微米到7.0微米之间。光纤能在1310nm处表现出8.2到9.6微米之间的模场直径，在1300和1324mm之间的零色散波长、小于或等于1260nm的光缆截止、以及当缠绕在10mm半径心轴上时小于2dB/匝且优选小于1dB/匝的弯曲损耗。
可从使用常规制造技术制造的光纤预制棒中拉制此处公开的光纤，且使用已知的光纤拉取技术和装置，例如在美国专利No.7,565,820中所公开地，该专利的说明书通过引用结合至此。
各示例性实施例通过以下示例将更为清楚。对本领域普通技术人员明显的是，可作出各种更改和改变而不背离权利要求书的精神和范围。
光纤示例1-6
下列表1A,1B,2A,2B,3-5列出模制的说明性示例1-6和8-27、制造的光纤示例7的特性，以及两个比较性示例光纤的特性。特定地，以下对于表1A和1B的每一个示例设置的是中芯区域1的相对折射率德尔塔Δ1、α、和外半径r1，第一内包层区2的相对折射率德尔塔Δ2和外半径r2，第二内包层区3的相对折射率德尔塔Δ3和体积V3，外包层区4的相对折射率德尔塔Δ4和体积V4，这是在外包层区3的内半径r3和30微米的径向距离之间所计算的，以及壕沟体积比。
表1A
表1B
还列出(表2A、2B)的是模制的数据，包括：以nm为单位的理论截止波长、在1310nm处的色散和色散斜率、在1550nm处的色散和色散斜率、在1310nm和1550nm处的模场直径、在1550nm处的有效面积Aeff、在1550nm处的横向负载线网微弯曲、在1550nm处的引脚阵列宏弯曲、零色散波长、22m光缆截止、1x10和1x30mm直径引起的在1550nm处的以dB每匝为单位的弯曲损耗、以及卡帕值(色散D除以色散斜率)。
更特定地，示例性实施例表1A、1B、2A、和2B具有2到20之间的芯阿尔法值、约4到约5.5微米之间的芯半径、且0.3％<Δ1最大<0.4％。当弯曲围绕10mm直径心轴时，这些光纤实施例的大多数具有小于0.5dB/匝(在1550nm处)的弯曲损耗，且当弯曲围绕30mm直径心轴时小于0.01dB/匝。
表2A
表2B
表3
表4
表5
表6
还列出(表4、5、和6)模制的数据，包括：以nm为单位的理论截止(LP11)波长、在1310nm处的色散和色散斜率、在1550nm处的色散和色散斜率、在1310nm和1550nm处的模场直径、在1550nm处的有效面积Aeff、在1550nm处的横向负载线网微弯曲、在1550nm处的引脚阵列宏弯曲、零色散波长、22m光缆截止、MACCab、和1x10、1x20、和1x30mm直径引起的在1550nm处的以dB每匝为单位的弯曲损耗。表4、5、和6的光纤实施例(光纤示例8-27)具有5和15之间的芯阿尔法、约4到约5微米之间的芯半径、且0.3％<Δ1最大<0.4％。当弯曲围绕10mm直径心轴时，这些光纤实施例的大部分具有小于2dB/匝(在1550nm处)的弯曲损耗，当弯曲围绕20mm直径心轴时小于0.5dB/匝(在1550nm处)，且当弯曲围绕30mm直径心轴时小于0.01dB/匝。对应于表4、5、和6的光纤实施例在1310nm处具有约8.5微米到约9.1微米之间的模场直径(MFD)，且在1310nm处约9.6微米到约10.3微米之间的模场直径(MFD)；在1190nm到1250nm之间的光缆截止，以及7.1到7.6之间的MACCab值(MACCab＝1310nm处以微米为单位的MFD/处以微米为单位的光缆截止)。
表1A的比较示例光纤(矩形沟槽)和示例性光纤实施例(示例性光纤实施例1、2、和3)的相对折射率分布被图示于图2中。更具体地，图2示出示例性光纤实施例1和2具有阶跃芯分布(α＝20)，且示例性光纤实施例3具有抛物线分布(α＝2)。示例性光纤实施例1-3具有在沟槽的内部的较浅的凹陷，和在沟槽的外部的较深的凹陷(即，相对折射率德尔塔在沟槽的外部或靠近外部处更负)。示例性实施例1具有与比较示例光纤1的外沟槽半径相同的半径r3，和较小的沟槽体积V3。光纤示例2具有比光纤示例2更大的半径r3，但是沟槽具有比比较光纤更大的体积V3。示例性实施例3具有与示例性实施例2相同的沟槽体积。
图3示出因变于表1的光纤示例1、2、3(即，示例性实施例1-3)和比较示例1光纤的弯曲直径的弯曲损耗。图3示出具有正方形沟槽分布和三角形沟槽分布的光纤在10mm弯曲直径(5mm弯曲半径)处具有类似的弯曲损耗的光纤，但是具有非矩形或三角形沟槽设计的光纤在30mm弯曲直径(15mm弯曲半径)处具有类似或更好的弯曲损耗性能。
表1的另一个比较示例光纤2(矩形沟槽)和三个光纤实施例(光纤示例4、5、和6)的相对折射率分布被图示于图4中。图4中的光纤具有上掺杂的外包层区4。更具体地，图4示出光纤示例4和5具有阶跃芯分布(α＝20)，且光纤示例6具有抛物线分布(α＝2)。光纤示例4-6具有三角形沟槽，在沟槽的内部具有较浅的凹陷且在沟槽的外部具有较深的凹陷。光纤示例4具有比比较示例光纤的外沟槽半径更大的半径r3。光纤示例5具有比光纤示例4更大的半径r3。光纤示例6具有与光纤示例5不同的沟槽形状，但是对于示例5和6而言沟槽体积是类似的。沟槽区3的形状以及外包层区的上掺杂(相对于第一内包层区2)也有助于具有较大的沟槽体积V3(～105％微米2)且同时具有小于1260nm的光缆截止。
图5示出因变于表1B的光纤示例4、5、和6和第二比较示例光纤的弯曲直径的弯曲损耗。申请人发现，具有正方形壕沟和三角形壕沟的光纤在10mm弯曲直径(5mm弯曲半径)处具有类似的弯曲损耗，但是三角形沟槽光纤设计在30mm弯曲直径(15mm弯曲半径)处具有好得多的弯曲损耗性能。如果沟槽体积增加，光纤性能改进得甚至更多。
图6中示出另一个模制光纤的相对折射率分布以及对应于这个分布的制造的光纤。在表3中示出制造的光纤示例7的测得的光纤性质，展示出与G.657和G.652规范相一致的良好的弯曲性能和其他性质。
优选地，示例性光纤实施例10表现出在1550nm处的弯曲损耗，当缠绕在20mm直径心轴上时小于0.5dB/匝，且在某些情况下小于0.25dB/匝。这些光纤还表现出在1550nm处的弯曲损耗，当缠绕在10mm直径心轴上时小于2dB/匝，更优选小于1dB/匝，且更优选地小于0.5dB/匝，且某些光纤最优选地小于0.2dB/匝。光纤还表现出在1550nm处的弯曲损耗，当缠绕在30mm直径心轴上时小于0.01dB/匝，且某些光纤更优选地小于0.003dB/匝。这些示例中的一些在外包层区中采用氟，按重量，量大于2000ppm，且在某些情况下大于3000或甚至大于4000ppm。在某些实施例中，外包层区包括按重量，量大于2000且小于12000ppm的氯。
某些示例性光纤实施例10表现出在1550nm处的弯曲损耗，当缠绕在15mm直径心轴上时小于0.5dB/匝，且在某些情况下小于0.25dB/匝。这些光纤的至少一些还表现出在1550nm处的弯曲损耗，当缠绕在10mm直径心轴上时小于1dB/匝，且更优选地小于0.5dB/匝，且某些光纤最优选地小于0.2dB/匝。光纤表现出在1550nm处的弯曲损耗，当缠绕在15mm直径心轴上时小于0.25dB/匝，且某些光纤更优选地小于0.15dB/匝。光纤表现出在1550nm处的弯曲损耗，当缠绕在20mm直径心轴上时小于0.1dB/匝，且某些光纤更优选地小于0.03dB/匝。
1550nm处的衰减(光谱)优选地小于0.21dB/km，更优选地小于0.20dB/km，甚至更优选地小于0.197dB/km。在某些优选实施例中，1550nm处的衰减(光谱)小于或等于0.191dB/km，甚至更优选小于或等于0.189dB/km，甚至更优选小于或等于0.182dB/km。
因此，此处描述的光纤10的实施例提供了卓越的弯曲性能，且附加地提供在大于约1260nm的波长处适于单模操作的截止波长。
在某些实施方式中，芯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。然而，在此处公开的任何相对折射率分布中的中心线下降是任选的。
此处所公开的光纤包括芯和包围且直接相邻芯的包层(或包层或最外环形包层区)。优选地，芯包括锗掺杂的氧化硅，即氧化锗掺杂的氧化硅。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。在优选实施例中，此处公开的光纤的芯具有非负相对折射率分布，更优选地是正的相对折射率分布，其中芯由包层围绕且与包层直接相邻。
优选地，此处公开的光纤具有基于氧化硅的芯和包层。在优选实施例中，该包层具有约125微米的外半径(2倍r4)。
特别是用OVD工艺制造时，此处公开的光纤表现出较低的PMD值。光纤的自旋也可降低此处公开的光纤的PMD值。
应当理解的是，上述描述仅仅是示例，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。所包括的附图用于提供对优选实施例的进一步理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出了多个特征和实施例，并与详细说明一起用来解释其原理和操作。对本领域的技术人员显而易见的是，可在不背离随附权利要求的精神或范围的情况下对本文描述的优选实施例作出各种变型。

Claims (16)

1.一种单模光纤，包括：
中芯区，具有外半径r1和相对折射率Δ1；
包层区，包括(i)第一内包层区，与所述中芯区直接相邻，并且具有外半径r2>6微米、和相对折射率Δ2且0.3≤r1/r2≤0.85；(ii)和第二内包层区，具有外半径r3>9微米且包括最小相对折射率德尔塔Δ3,最小，其中第二内包层区的体积的绝对值V3为35％Δμm2≤V3≤105％Δμm2，其中Δ(2-3)(r)是Δ2与Δ3之差，并且其中所述第二内包层区具有相对折射率德尔塔随着半径增加变得更负的至少一个区，并且1.5≥β≥0.25，其中参数且其中是所述第二内包层区中的平均折射率斜率，并且其中50≥αt,其中αt是沟槽阿尔法参数；和(iii)外包层区，围绕内包层区且包括相对折射率Δ4，其中Δ1>Δ2>Δ3,Δ3<Δ4，且0.25≤│Δ4-Δ3│≤0.7。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，Δ3和Δ2之间的绝对差异大于0.03，所述光纤表现出小于或等于1260nm的22m光缆截止，且具有零色散波长λo且1300nm≤λo≤1324nm。
3.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，0.35≤│Δ4-Δ3│≤0.7。
4.如权利要求1-3中任一项所述的光纤，其特征在于，所述第一内包层区没有氟和氧化锗。
5.如权利要求1-3中任一项所述的光纤，其特征在于，对于从r3延伸到至少30微米的半径的长度，Δ4>Δ2。
6.如权利要求1-3中任一项所述的光纤，其特征在于，0.33≤r1/r2。
7.如权利要求1-3中任一项所述的光纤，其特征在于，在所述第二内包层区的外半径和30um径向距离之间计算出的所述外包层区的分布体积V4，等于：
其中Δ(4-3)(r)是Δ4与Δ3之差，且|V4|为至少5％Δμm2。
8.如权利要求1-3中任一项所述的光纤，其特征在于，当所述光纤缠绕在20mm直径心轴上时表现出小于0.75dB/匝的弯曲损耗且表现出6.6到7.5之间的MAC数。
9.如权利要求1-3中任一项所述的光纤，其特征在于，所述第二内包层区的宽度r3–r2在3到20微米之间。
10.如权利要求8所述的光纤，其特征在于，当所述光纤缠绕在15mm半径心轴上时表现出小于1dB/匝的弯曲损耗。
11.如权利要求1-3中任一项所述的光纤，其特征在于，所述第二内包层区包含小于0.02wt％的氟。
12.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述中芯区包括实质掺杂氧化锗的氧化硅。
13.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，1.1≥β≥0.5。
14.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，5≥αt≥0.5。
15.如权利要求1-3中任一项所述的光纤，其特征在于，所述中芯区具有阿尔法分布α芯，具有2<α芯≤100。
16.如权利要求15所述的光纤，其特征在于，所述中芯区具有阿尔法分布α芯，具有2≤α芯≤20。
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