CN106536434A - 具有黏度匹配的纤芯和内包覆层的低衰减光纤 - Google Patents
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Abstract
一种单模光纤，其所含纤芯由二氧化硅和小于或等于约6.5重量％的氧化锗制成，且具有最大相对折射率Δ1最大。该光纤还具有包围纤芯的内包覆层，该内包覆层具有最小相对折射率Δ2最小。纤芯的软化点与内包覆层的软化点之差小于或等于约20℃，且Δ1最大＞Δ2最小。该单模光纤还可具有由二氧化硅或SiON制成的包围内包覆层的外包覆层。该外包覆层具有最大相对折射率Δ3最大，且Δ3最大＞Δ2最小。制造光纤的方法包括向第一炉提供预制件，预制件，由该预制件拉制光纤，并且在第二炉中冷却拉制的光纤。
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相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求2014年6月24日提交的美国临时专利申请系列号62/016192的优先权，本申请基于其内容并通过引用将其内容整体结合于此。
背景
技术领域
本公开一般涉及光纤，具体涉及低衰减光纤。
技术背景
具有低衰减的玻璃光纤近来在通信领域受到明显关注。用于改善衰减性质的技术可对许多类型的光纤发挥重要作用，包括远程应用中使用的传输光纤，正在兴起的光纤到户应用中使用的多模光纤，以及许多设计的实际应用受到弯曲损耗限制的色散补偿光纤。在诸如远程应用这样的一些应用中，通过光信号准确传输数据需要低衰减。针对此问题提出的许多方案涉及对光纤及其折射率分布的显著改进。
概述
根据本申请所图示和描述的一个或多个实施方式，单模光纤具有由二氧化硅和小于或等于约6.5重量％的氧化锗制成的纤芯，所述纤芯具有最大相对折射率Δ1最大。该光纤还具有包围纤芯的内包覆层，该内包覆层具有最小相对折射率Δ2最小。纤芯的软化点与内包覆层的软化点之差小于或等于约20℃，且Δ1最大＞Δ2最小。
根据本申请所图示和描述的一些实施方式，单模光纤还具有由二氧化硅或SiON制成的包围内包覆层的外包覆层。外包覆层具有最大相对折射率Δ3最大，且Δ3最大＞Δ2最小。
根据本申请所图示和描述的实施方式，制备单模光纤的方法包括：向第一炉中提供预制件，所述预制件具有包含二氧化硅和小于或等于约6.5重量％的氧化锗的纤芯以及包围纤芯的内包覆层；由预制件拉制光纤；在第二炉中冷却拉制的光纤，其中纤芯的软化点与内包覆层的软化点之差小于或等于约50℃。
将在以下详细描述中阐述各实施方式的附加特征和优点，这些特征和优点部分地对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的实施方式可认识到。
应当理解的是，前面的总体描述和以下的详细描述给出了实施方式，并且意为提供概览或框架，以便理解所要求保护的实施方式的性质和特征。包括的附图提供了对各实施方式的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图示出各实施方式并与说明书一起用于解释各实施方式的各种原理和操作。
附图简要说明
图1A是根据本申请所图示和描述的一个或多个实施方式的光纤的横截面示意图；
图1B通过图线描述了图1A所示光纤的折射率-半径关系；
图2是根据本申请所图示和描述的一个或多个实施方式的光纤的拉制系统的示意图；
图3通过图线描述了根据本申请所图示和描述的一个或多个实施方式的光纤的Δ％-半径关系；以及
图4通过图线描述了根据本申请所图示和描述的一个或多个实施方式的光纤的轴向应力-半径关系。
详细描述
图1A示意性描述了根据本申请所图示和描述的一个或多个实施方式的光纤100的横截面。本申请所述光纤100的实施方式一般包含单模光纤，所述单模光纤具有由二氧化硅和小于或等于约6.5重量％的氧化锗制成的纤芯102。图1B通过图线描述了图1A所示光纤100的折射率分布-半径关系。纤芯102具有最大相对折射率Δ1最大。光纤100还具有包围纤芯102的内包覆层104，该内包覆层具有最小相对折射率Δ2最小。纤芯102的软化点与内包覆层104的软化点之差小于或等于约20℃，且Δ1最大＞Δ2最小。在一些实施方式中，光纤100还具有包围内包覆层104的外包覆层106。
本申请所用的“折射率分布”是光纤的折射率或相对折射率与光纤的径向横截面上的光纤半径之间的关系。
本申请所用的“相对折射率”定义为：
其中ni是区域i中的最大折射率，除非另有规定；nref是纯二氧化硅玻璃的折射率，除非另有规定。因此，如本申请中所用，相对折射率百分数是相对于纯二氧化硅玻璃。术语德尔塔、德尔塔折射率、德尔塔折射率百分数、Δ、Δ％在本申请中可互换使用。
更具体而言，如本申请所用，Δ1最大是指光纤纤芯的最大相对折射率，Δ2最小是指光纤内包覆层的最小相对折射率，Δ3最大是指光纤外包覆层的最大相对折射率。相对折射率用基于纯二氧化硅玻璃的折射率的百分数表示。
应当理解，本申请所用的词语“纯二氧化硅玻璃”是指光纤中包含“纯二氧化硅玻璃”的区域或层不包含其含量会明显改变该二氧化硅玻璃区域或部分的折射率的物质，如掺杂剂和/或其他痕量物质。然而，在不是“纯二氧化硅”的区域或部分可存在少量掺杂剂(例如各自含量小于1500ppm的氯和/或氟)。
波导光纤的“色散现象”(在本申请中可称作“色散”，除非另有注明)是材料色散和波导色散之和。零色散波长是色散值为零的波长，在本申请中也称作拉姆达0或λ0。色散斜率是色散相对于波长的变化率。
“有效面积”用方程式1定义为：
Aeff＝2π(∫f2r dr)2/(∫f4r dr) (方程式1)
其中积分范围是0到∞，f是与波导中传播的光有关的电场的横向分量。如本申请所用，“有效面积”或“Aeff”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”(在本申请中也称作阿尔法分布或仅称作阿尔法)是指纤芯区域的相对折射率分布，用Δ(r)表示，单位为“％”，其中r是半径。r用方程式2表达：
Δ(r)＝Δ(ro)(1-[|r-ro|/(r1-ro)]α) (方程式2)
其中ro是Δ(r)为最大值的点，r1是Δ(r)为零的点，r在ri<r<rf的范围内，其中Δ定义如上，ri是α分布的起点，rf是α分布的终点，α是实数指数。
分别使用方程式3和4所示的彼得曼(Peterman)II方法测量模场直径(MFD)，其中
2w＝MFD (方程式3)
以及
w2＝(2∫f2r dr/∫[df/dr]2r dr) (方程式4)
其中积分范围是0到∞。
波导光纤的抗弯性可用规定测试条件下的诱导衰减来测量，如绕着具有规定直径的心轴展开或包绕光纤，例如绕着6mm,10mm,20mm,30mm或类似直径的心轴包绕1圈(例如“1x10mm直径宏弯损耗”或“1x30mm直径宏弯损耗”)并测量每圈衰减的增加量。
一类弯曲测试是侧向负荷微弯测试。在所谓的“侧向负荷丝网”测试(LLWM)中，将规定长度的波导光纤置于两块平板之间。将#70丝网附连到其中一块板上。已知长度的波导光纤夹在两块板之间，在用30牛顿的力将两块板压到一起的同时测量参比衰减。然后对板施加70牛顿的力，测量衰减的增加值，单位为dB/m。衰减增加值是波导在规定波长(通常在1200-1700nm的范围内，例如1310nm或1550nm或1625nm)的侧向负荷衰减，单位为dB/m。
“针脚阵列”弯曲测试用于比较波导光纤的相对抗弯性。为进行该项测试，在基本上不引入弯曲损耗的情况下测量波导光纤的衰减损耗。然后，围绕针脚阵列编织波导光纤，并再次测量衰减。弯曲诱导损耗是两次测量的衰减之差。在多个实施方式中，针脚阵列是在平坦表面上排成单行并保持在固定的竖直位置上的一组10个圆柱形针。针的中心-中心间距是5mm，针的直径是0.67mm。在测试过程中施加足够的张力，使波导光纤贴紧针的一部分表面。衰减增加值是波导在规定波长(通常在1200-1700nm的范围内，例如1310nm或1550nm或1625nm)的针脚阵列衰减，单位为dB/m。
给定模态的理论光纤截止波长，“理论光纤截止值”或“理论截止值”，是指这样的波长，即大于该波长时导光不能在该模态下传播。数学定义可参见“Single Mode FiberOptics”(单模光纤光学)，Jeunhomme,第39-44页,Marcel Dekker,纽约,1990年，其中理论光纤截止值被描述为这样的波长，即在该波长处，模态传播常数变为等于外包覆层中的平面波传播常数。此理论波长适用于有限长度的没有直径变化的直线光纤。
光纤截止值用标准2m光纤截止值测试方法FOTP-80(EIA-TIA-455-80)测量，得到“光纤截止波长”，也称作“2m光纤截止值”或“测量截止值”。实施FOTP-80标准测试，利用受控数量的弯曲剔除更高级别的模态，或者相对于多模光纤的光谱响应对光纤的光谱响应进行归一化。
本申请所用的成缆(cabled)截止波长或者“成缆截止值”是指EIA-445光纤光学测试程序中描述的22m成缆截止测试，该测试程序是EIA-TIA光纤光学标准的一部分，该标准即电子工业联盟-电信行业协会光纤光学标准。
除非本申请中另有注明，光学性质(如色散、色散斜率等)是针对LP01模态报告的。
参见图1A和1B，根据本申请所述的实施方式呈现了光纤100的横截面。光纤100一般包含玻璃纤芯102和包围该纤芯102的内包覆层104。在一些实施方式中，外包覆层106可包围该内包覆层104。纤芯102、内包覆层104和外包覆层106可包含二氧化硅，具体是二氧化硅基玻璃。纤芯102和内包覆层104可包含如本申请所更详细描述的掺杂剂。光纤100的横截面可以是相对于纤芯102的中心大体上呈圆形对称的，纤芯102可具有半径r1。内包覆层104包围纤芯102，并从半径r1延伸到半径r2，使得内包覆层具有半径厚度T2＝r2-r1。外包覆层106包围内包覆层104，并从半径r2延伸到半径r3，使得外包覆层具有半径厚度T3＝r3-r2。因此，光纤100(例如纤芯102，内包覆层104和外包覆层106)可具有外直径2r3。
如本申请所述，光纤100的纤芯102具有半径r1和半径厚度T1＝r1。在一些实施方式中，光纤100可以是单模光纤。纤芯的半径厚度可大于或等于约3.0微米，如大于或等于约4.0微米。纤芯的半径厚度可小于或等于约7.0微米，如小于或等于约6.0微米。因此，在一些实施方式中，半径厚度T1可大于或等于约3.0微米至小于或等于约7.0微米，如大于或等于约4.0微米至小于或等于约6.0微米。在其他实施方式中，半径厚度T1可约为5.0微米。然而，应当理解，纤芯102可具有不同尺寸，以利于其他各种单模实施方式。
在一些实施方式中，纤芯102包含二氧化硅玻璃(SiO2)和一种或多种提高折射率的掺杂剂(以下称作“向上掺杂剂”)，例如GeO2,Al2O3,P2O5,TiO2,ZrO2,Nb2O5和/或Ta2O5。不受限于任何特定理论，据信光纤100的纤芯102中诸如GeO2这样的掺杂剂造成在光纤100的纤芯102内传导的光发生瑞利散射，导致沿着光纤长度衰减。具有更高浓度的掺杂剂的光纤通常会具有更多的瑞利散射，这导致衰减增加。因此，本申请所述的光纤的实施方式具有低纤芯掺杂剂浓度，这改善了光纤的衰减性质。
在一些实施方式中，纤芯102是用GeO2向上掺杂的。例如，纤芯102可用小于或等于约6.5重量％的GeO2，如小于或等于约6.0重量％的GeO2向上掺杂。纤芯102可用小于或等于约5.5重量％的GeO2，如小于或等于约5.0重量％的GeO2向上掺杂。在一些实施方式中，纤芯102可用大于或等于约2.0重量％的GeO2，如大于或等于约2.5重量％的GeO2向上掺杂。在一些实施方式中，纤芯102可用大于或等于约3.0重量％的GeO2，如大于或等于约3.5重量％的GeO2向上掺杂。因此，在一些实施方式中，纤芯102可包含等于或大于约2.0重量％至小于或等于约6.5重量％的GeO2，或者等于或大于约2.5重量％至小于等于约6.0重量％的GeO2。纤芯102可包含大于或等于约3.0重量％至小于或等于约5.5重量％的GeO2，或者大于或等于约3.5重量％至小于等于约5.0重量％的GeO2。
在纤芯102被向上掺杂的实施方式中，纤芯102的最大相对折射率Δ1最大可大于或等于约0.13％，如大于或等于约0.15％。在一些实施方式中，最大相对折射率Δ1最大可大于或等于约0.20％，如大于或等于约0.23％。在一些实施方式中，最大相对折射率Δ1最大可小于或等于约0.37％，如小于或等于约0.35％。在一些实施方式中，最大相对折射率Δ1最大可小于或等于约0.30％，如小于或等于约0.27％。因此，在一些实施方式中，最大相对折射率Δ1最大可为大于或等于约0.13％至小于或等于约0.37％，如大于或等于约0.15％至小于或等于约0.35％。纤芯102的最大相对折射率Δ1最大可为大于或等于约0.20％至小于或等于约0.30％，如大于或等于约0.23％至小于或等于约0.27％。
如上文所述，光纤100可进一步包含内包覆层104。在一些实施方式中，内包覆层104具有半径厚度T2＝r2-r1。内包覆层104的半径厚度T2可取决于纤芯102所需的尺寸以及光纤100的玻璃部分所需的尺寸和性质。在一些实施方式中，内包覆层的半径厚度可大于或等于约12.0微米，如大于或等于约25.0微米。内包覆层的半径厚度可大于或等于约30.0微米，如大于或等于约35.0微米。内包覆层的半径厚度可小于或等于约55.0微米。因此，在一些实施方式中，内包覆层的半径厚度可大于或等于约12.0微米至小于或等于约55.0微米，如大于或等于约25.0微米至小于或等于约55.0微米。内包覆层的半径厚度可大于或等于约30.0微米至小于或等于约55.0微米，如大于或等于约35.0微米至小于或等于约55.0微米。
在一些实施方式中，内包覆层可包含二氧化硅基玻璃和减小内包覆层折射率的掺杂剂(以下称作“向下掺杂剂”)，如氟。内包覆层可用大于或等于约0.10重量％的氟，如大于或等于约0.12重量％的氟向下掺杂。在一些实施方式中，内包覆层可用大于或等于约0.20重量％的氟，如大于或等于约0.30重量％的氟向下掺杂。内包覆层可用小于或等于约0.65重量％的氟，如小于或等于约0.50重量％的氟向下掺杂。在一些实施方式中，内包覆层可用小于或等于约0.45重量％的氟，如小于或等于约0.40重量％的氟向下掺杂。因此，在一些实施方式中，内包覆层可用大于或等于约0.10重量％的氟至小于或等于约0.65重量％的氟，如大于或等于约0.12重量％的氟至小于或等于约0.50重量％的氟向下掺杂。内包覆层可用大于或等于约0.20重量％的氟至小于或等于约0.45重量％的氟，如大于或等于约0.30重量％的氟至小于或等于约0.40重量％的氟向下掺杂。
在一些实施方式中，内包覆层具有小于纯二氧化硅玻璃的相对折射率的最小相对折射率Δ2最小。例如，内包覆层的最小相对折射率Δ2最小可小于或等于约-0.040％，如小于或等于约-0.050％。内包覆层的最小相对折射率Δ2最小可小于或等于约-0.100％，如小于或等于约-0.125％。内包覆层的最小相对折射率Δ2最小可大于或等于约-0.210％，如大于或等于约-0.200％。内包覆层的最小相对折射率Δ2最小可大于或等于约-0.175％，如大于或等于约-0.150％。因此，在一些实施方式中，内包覆层的最小相对折射率Δ2最小可为小于或等于约-0.040％至大于或等于约-0.210％，如小于或等于约-0.050％至大于或等于约-0.200％。内包覆层的最小相对折射率Δ2最小可为小于或等于约-0.100％至大于或等于约-0.175％，如小于或等于约-0.125％至大于或等于约-0.150％。
用向上掺杂剂掺杂纤芯102和用向下掺杂剂掺杂内包覆层104在纤芯的最大相对折射率Δ1最大与内包覆层的最小相对折射率Δ2最小之间提供关系Δ1最大＞Δ2最小。此外，纤芯102中向上掺杂剂的浓度和内包覆层104中向下掺杂剂的浓度可用来匹配纤芯/内包覆层边界的黏度。使纤芯102的黏度与内包覆层104的黏度匹配减少了纤芯102与包覆层104的边界处的界面波动，所述界面波动会造成光在光纤内的小角度散射，进一步增大在光纤100的纤芯102内行进的光的衰减。在传统光纤中，纤芯和包覆层的黏度通常不匹配。传统光纤中这些黏度的不匹配导致纤芯在给定温度下向内包覆层位移，所述给定温度是例如纤芯的软化点与内包覆层的软化点之间的温度。所述位移导致界面波动，当玻璃冷却时，这些界面波动变成永久性的，从而增大衰减。
纤芯102的黏度与内包覆层104的黏度的匹配可利用纤芯102的软化点与内包覆层104的软化点之间的差异来评估。应当理解，纤芯102和内包覆层104的软化点是指相应的组合物具有107.6泊的黏度时的温度。在一些实施方式中，纤芯软化点与内包覆层软化点之差可小于或等于约15℃，如小于或等于约12℃。纤芯软化点与内包层软化点之差可小于或等于约10℃，如小于或等于约8℃。
如上文所述且如图1A和1B所示，光纤100可包含外包覆层106。外包覆层106具有半径厚度T3＝r3-r2。在一些实施方式中，外包覆层106的半径厚度T3可小于或等于约47.5微米，如小于或等于约34.5微米。在其他实施方式中，外包覆层106的半径厚度T3可小于或等于约29.5微米，如小于或等于约24.5微米。在一些实施方式中，外包覆层106是可选的。
在一些实施方式中，外包覆层106包含纯二氧化硅或SiON。因此，外包覆层的最大相对折射率Δ3最大约为0.0％，因为如本申请所述，相对折射率是基于纯二氧化硅玻璃的折射率。此外，外包覆层106相比于纤芯102和内包覆层104是硬的，因为它没有掺杂。虽然不受限于任何特定理论，但是外包覆层106通过减小纤芯102与内包覆层104的不匹配的CTE所导致的热应力而有助于减小衰减。纤芯102与内包覆层的不匹配的CTE会引起纤芯102和包覆层104中的一者相对于另一者膨胀或收缩得更厉害，从而在纤芯102和/或内包覆层104中产生应力，这会导致波动，增大衰减。不过，当外包覆层比纤芯102和内包覆层104更硬时，它将比纤芯102或内包覆层104膨胀或收缩得更少。由此，纤芯102与包覆层104之间不匹配的CTE所导致的应力转移到外包覆层106，纤芯102和内包覆层104中的波动减少。因此，在一些实施方式中，将外包覆层106设置为不干扰从光纤100中穿进的光。
如上文所述，根据一些实施方式，纤芯102、内包覆层104和外包覆层106的相对折射率满足以下关系：Δ1最大＞Δ3最大＞Δ2最小。
本申请所公开的光纤的实施方式具有减小的衰减。例如，所述光纤在1550nm波长的衰减可小于或等于约0.19dB/km。在一些实施方式中，所述光纤在1550nm波长的衰减可小于或等于约0.18dB/km，如在1550nm波长的衰减可小于或等于约0.175dB/km。所述光纤在1550nm波长的衰减可小于或等于约0.17dB/km，如在1550nm波长的衰减可小于或等于约0.165dB/km。此外，所述光纤在1310nm波长的衰减可小于或等于约0.32dB/km，如在1310nm波长的衰减可小于或等于约0.31dB/km。本申请所公开的光纤设计得到具有以下光学性质的光纤：符合G.652(ITU-T标准)，MFD在1310nm处为大于或等于约8.2微米至小于或等于约9.5微米，如在1310nm处为大于或等于约9.0微米至小于或等于约9.4微米，零色散波长λ0为1300nm≤λ0≤1324nm，成缆截止值小于或等于约1260nm。本申请所公开的其他光纤设计得到具有以下光学性质的光纤：符合G.652(ITU-T标准)，并且例如成缆截止值小于或等于约1530nm，如小于或等于约1500nm。应用G.654，光纤可构造成在1550nm处具有色散，该色散小于或等于22ps/nm/km。
在一些实施方式中，光纤可以是大有效面积光纤。例如，所述光纤在1550nm波长的有效面积可大于或等于约70微米2，如在1550nm波长的有效面积可大于或等于约80微米2。所述光纤在1550nm波长的有效面积可大于或等于约90微米2，如在1550nm波长的有效面积可大于或等于约100微米2。所述光纤在1550nm波长的有效面积可小于或等于约145微米2，如在1550nm波长的有效面积可小于或等于约135微米2。所述光纤在1550nm波长的有效面积可小于或等于约125微米2，如在1550nm波长的有效面积可小于或等于约155微米2。因此，在一些实施方式中，光纤的有效面积可为大于或等于约70微米2至小于或等于约145微米2，如大于或等于约80微米2至小于或等于约135微米2。光纤的有效面积可为大于或等于约90微米2至小于或等于约125微米2，如大于或等于约100微米2至小于或等于约115微米2。
在一些实施方式中，光纤100的纤芯102、内包层104和外包层106可通过外部气相沉积(OVD)法形成。OVD法是制备光纤的一种方法，它利用CH4+O2火焰中的水解过程，通过所需蒸气成分(包括二氧化硅和其他所需的向上掺杂剂前体)的反应形成烟炱粒子(如直径在约2nm至5μm的范围内，在一些实施方式中，直径在约50-500nm的范围内)。然后，利用热迁移手段将烟炱粒子收集到饵棒(用于制备纤芯烟炱预制件)或玻璃纤芯坯棒或玻璃纤芯棒(用于制备外包覆层烟炱预制件)上。然后在高温炉中干燥烟炱预制件并将其致密化为实心透明玻璃(将饵棒从纤芯预制件中取出之后)，该过程一般称作固结。在烟炱预制件的制造过程中，为各层采用不同数量的各种气相成分，得到所需的纤芯和包覆层组成。例如，先生成纤芯/内包覆层/外包覆层预制件，然后固结，并通过已知的光纤拉制方法将最终(固结)的预制件拉制成光纤100。
更具体地，在一些实施方式中，用于制备烟炱预制件的与纤芯相关的部分的蒸气前体材料是SiCl4,GeCl4,AlCl3,TiCl4或POCl3。如本申请实施方式所述，纤芯可包含GeO2掺杂的二氧化硅玻璃。将烟炱预制件置于炉中，干燥(例如在包含氯气的气氛中)，然后将未掺杂的SiO2烟炱固结为纤芯预制件(本申请中也称作纤芯玻璃预制件或无孔玻璃纤芯预制件)。然后可选地将固结的纤芯预制件置于空气、氮气或氩气吹扫的炉子中，并在约800-1200℃加热，以使溶解于玻璃的氦气排出，然后可选地置于另一炉子中，并且再拉制成一个或多个坯棒(也称作纤芯坯棒)。将纯SiO2烟炱沉积在纤芯预制件上，形成具有实心玻璃纤芯坯棒的烟炱预制件。然后将此烟炱/坯棒组件置于炉子中，干燥，然后用氟掺杂(例如在包含SiF4的气氛中)。此后将该组件固结为完全致密的玻璃。然后可选地将固结的预制件置于空气、氮气或氩气吹扫的炉子中，并在约800-1200℃加热，以使溶解于玻璃的氦气排出，然后可选地置于另一炉子中，并且再拉制成一个或多个坯棒，该坯棒具有被掺F二氧化硅包覆层包围的掺GeO2纤芯。在固结的预制件上沉积额外的烟炱、干燥、掺杂和烧结成完全致密的玻璃这样一些过程可重复进行。在一些实施方式中，预制件包含二氧化硅，其含有GeO2掺杂的纤芯/F掺杂的内包覆层和F掺杂的、未掺杂的SiO2或SiON掺杂的外包覆层。然后，可选地将固结的预制件置于空气、氮气或氩气吹扫的炉子中，并在约800-1200℃加热，以使溶解于玻璃的氦气排出。然后由预制件拉制光纤，并涂覆标准的一次和二次氨基甲酸酯丙烯酸酯涂层。
现在参考图2，该图呈现了用于制备光纤的系统200的一个实施方式。系统200可包含用于加热光纤预制件204的拉制炉202，使得可从光纤预制件204拉制光纤100。该预制件204可用OVD法生产，具有上文所述的组成和结构。可对拉制炉202进行取向，使从光纤预制件204拉制的光纤100沿着基本上竖直的路径离开炉子。
在光纤100离开拉制炉202之后，可使用非接触传感器206a,206b测量光纤100的直径和施加到光纤100上的牵拉张力。张力可通过任何合适的张力施加机构210施加到光纤上。如图2所示，在测量了光纤的直径和张力之后，光纤100可通过冷却机构208，该冷却机构为光纤100提供缓慢冷却。冷却机构208可以是本领域目前已知或将来要开发的用于冷却光纤的任何机构。在一个实施方式中，冷却机构208中填充有帮助冷却光纤100的气体，其冷却速率慢于在常温空气中冷却光纤100的速率。如上文所讨论，一些实施方式的光纤包含低浓度的向上掺杂剂如GeO2，这意味着玻璃具有更高浓度的二氧化硅。纯二氧化硅玻璃比包含向上掺杂剂的二氧化硅玻璃更硬，并且向上掺杂剂浓度越高，二氧化硅基玻璃的硬度越小。因此，根据一些实施方式，比常规光纤纤芯具有更低浓度的向上掺杂剂的纤芯比常规光纤中的纤芯更硬。在光纤冷却时，这种增大的硬度造成应力，因为光纤没有充分收缩以吸收该应力。光纤冷却得越快，光纤中产生的应力越大，因为光纤不能足够快地收缩。这些应力导致波动，而波动增加衰减。因此，根据一些实施方式，光纤可缓慢冷却以使应力松弛，从而减少光纤中的波动和衰减。
在一些实施方式中，冷却机构208可以小于或等于约5000℃/s，如小于或等于约4750℃/s的冷却速率将拉制的光纤从约1600℃的温度冷却到约1250℃的温度。在一些实施方式中，冷却机构208可以小于或等于约4500℃/s，如小于或等于约4250℃/s的冷却速率将拉制的光纤从约1600℃的温度冷却到约1250℃的温度。在一些实施方式中，冷却机构208可以小于或等于约12000℃/s，如小于或等于约11500℃/s的冷却速率将拉制的光纤从约1250℃的温度冷却到约1050℃的温度。在一些实施方式中，冷却机构208可以小于或等于约11000℃/s，如小于或等于约10500℃/s的冷却速率将拉制的光纤从约1250℃的温度冷却到约1050℃的温度。在一些实施方式中，冷却机构208可以小于或等于约4500℃/s，如小于或等于约4250℃/s的冷却速率将拉制的光纤从约1400℃的温度冷却到约1050℃的温度。在一些实施方式中，冷却机构208可以小于或等于约12000℃/s，如小于或等于约11500℃/s的冷却速率将拉制的光纤从约1050℃的温度冷却到约850℃的温度。在一些实施方式中，冷却机构208可以小于或等于约11000℃/s，如小于或等于约10500℃/s的冷却速率将拉制的光纤从约1050℃的温度冷却到约850℃的温度。
在一些实施方式中，张力施加机构210可对光纤100施加小于或等于约100gf(gf在本申请中指克力)，如小于或等于约95gf的张力。张力施加机构208可对光纤100施加小于或等于约90gf，如小于或等于约85gf的张力。通过最大程度减小光纤100的张力，光纤中形成的机械应力得以减小。
实施例
通过以下实施例进一步阐明实施方式。
形成五种光纤，即样品1-5，其包含Δ1最大为0.256％的掺氧化锗纤芯。这五种光纤具有Δ2最小为-0.094％的掺氟内包覆层。光纤样品2-5具有纯二氧化硅玻璃外包覆层。光纤以100gf的张力拉制。
图3通过图线描述了光纤样品1-5的Δ％-半径位置关系。如图3所示，光纤样品1具有达至约5微米半径的掺杂有GeO2的二氧化硅纤芯，以及从约5微米半径至约62.5微米半径的掺杂有F的二氧化硅内包覆层；光纤样品2具有达至约5微米半径的掺杂有GeO2的二氧化硅纤芯，从约5微米半径至约50微米半径的掺杂有F的二氧化硅内包覆层，以及从约50微米半径至约62.5微米半径的纯二氧化硅玻璃外包覆层；光纤样品3具有达至约5微米半径的掺杂有GeO2的二氧化硅纤芯，从约5微米半径至约45微米半径的掺杂有F的二氧化硅内包覆层，以及从约45微米半径至约62.5微米半径的纯二氧化硅玻璃外包覆层；光纤样品4具有达至约5微米半径的掺杂有GeO2的二氧化硅纤芯，从约5微米半径至约40微米半径的掺杂有F的二氧化硅内包覆层，以及从约40微米半径至约62.5微米半径的纯二氧化硅玻璃外包覆层；光纤样品5具有达至约5微米半径的掺杂有GeO2的二氧化硅纤芯，从约5微米半径至约35微米半径的掺杂有F的二氧化硅内包覆层，以及从约35微米半径至约62.5微米半径的纯二氧化硅玻璃外包覆层。
图4通过图线描述了光纤样品1-5的轴向应力-半径位置关系。如图4所示，光纤样品1在其纤芯内具有约26MPa轴向应力；光纤样品2在其纤芯内具有约17MPa轴向应力；光纤样品3在其纤芯内具有约14MPa轴向应力；光纤样品4在其纤芯内具有约12MPa轴向应力；光纤样品5在其纤芯内具有约10MPa轴向应力。因此，实施例表明，含有包围内包覆层的外包覆层减少了光纤纤芯上的轴向应力。此外，外包覆层在径向上越靠近纤芯，纤芯中的轴向应力越小。不过，如上文所揭示，外包覆层可设置为离纤芯足够远，以免干扰从光纤中穿行的光。
表1显示了包含GeO2掺杂的二氧化硅纤芯、氟(F)掺杂的二氧化硅内包覆层和F掺杂或未掺杂的二氧化硅外包覆层的光纤。表1显示了实施例1-37的纤芯折射率Δ1最大(用％表示)(相对于具有0.00％Δ折射率的纯二氧化硅)、纤芯掺杂剂、内包覆层折射率Δ2最小(用％表示)、内包覆层掺杂剂、纤芯折射率与内包覆层折射率的绝对差值(用％表示)、纤芯软化点[软化点定义为玻璃具有Log10(黏度)＝7.6的温度]、内包覆层软化点、纤芯软化点与内包覆层软化点的绝对差值、纤芯中GeO2掺杂剂的重量％[GeO2(纤芯)]、内包覆层中氟掺杂
剂的重量％[F(内包覆层)]以及纤芯中GeO2掺杂剂与内包覆层中氟掺杂剂之比(重量
％/重量％)[GeO2(纤芯)/F(内包覆层)]。
表1
表1(续)
表1所示光纤具有GeO2掺杂的二氧化硅纤芯、氟掺杂的内包覆层和氟掺杂或未掺杂的二氧化硅外包覆层。表中显示光纤具有0.09≤Δ1最大≤0.36，且-0.18≤Δ2最小≤-0.01。表中显示光纤具有0.20≤|Δ1最大-Δ2最小|≤0.45。表中显示，光纤的纤芯软化点与内包覆层软化点的绝对差值≤20℃，在一些实施例中≤15℃，在一些实施例中≤10℃。表中显示，光纤纤芯中GeO2掺杂剂的重量％≤6.5％。表中显示光纤具有1.5重量％≤GeO2(纤芯)≤6.5重量％。表中显示光纤在内包覆层中具有≥0.02重量％的氟掺杂剂。表中显示光纤具有0.02重量％≤F(内包覆层)≤0.6重量％。表中显示，光纤纤芯中GeO2掺杂剂与内包覆层中氟掺杂剂之比(重量％/重量％)为4＜[GeO2(纤芯)/F(内包覆层)]＜190，在一些实施方式中6＜[GeO2(纤芯)/F(内包覆层)]＜50，在一些实施方式中6＜[GeO2(纤芯)/F(内包覆层)]＜35。
表2显示了根据本申请所公开的实施方式的示例性光纤的纤芯、内包覆层和外包覆层的折射率(相对于具有0.00％Δ折射率的纯二氧化硅)，纤芯外半径、α和掺杂剂，内包覆层外半径和掺杂剂，外包覆层半径和掺杂剂。表中还显示了这些光纤的光学性质，包括零色散波长(λ0)、1310nm和1550nm色散、色散斜率、模场直径、理论成缆截止值和22米成缆截止值、1550nm有效面积、侧向负荷和针脚阵列以及1550nm处的衰减(“na”表示不适用)。在表2中，实施例38对应于实施例4；实施例39-40对应于实施例9；实施例41对应于实施例16；实施例42-43对应于实施例23；实施例44对应于实施例30；实施例45对应于实施例36。
表2
表2(续)
表2中的光纤具有GeO2掺杂的二氧化硅纤芯、氟掺杂的内包覆层和氟掺杂或未掺杂的二氧化硅外包覆层。表2显示光纤具有0.15≤Δ1最大≤0.33，且-0.12≤Δ2最小≤-0.05。表2显示光纤具有0.20≤|Δ1最大-Δ2最小|≤0.45。表2显示光纤的1310模场直径在约8.1微米2与9.4微米2之间，λ0在1300nm与1324nm之间，成缆截止值小于或等于1260nm。表2显示光纤的1550模场直径在约9微米2至14微米2之间，成缆截止值小于1500nm。表2中光纤的一些实施例符合G.652和G.654。表2显示光纤具有≤0.19dB/km的低衰减。
对本领域技术人员显而易见的是，可对本文所述实施方式做出各种修改和变化而不偏离所要求保护的主题的精神和范围。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各种实施方式的修改和变化形式，只要这些修改和变化形式落在所附权利要求及其等同内容的范围之内。
Claims (23)
1.一种单模光纤，包含：
包含二氧化硅和小于或等于约6.5重量％的氧化锗且具有最大相对折射率Δ1最大的纤芯；
包围所述纤芯且具有最小相对折射率Δ2最小的内包覆层，其中
所述纤芯的软化点与所述内包覆层的软化点之差小于或等于约20℃，且
Δ1最大＞Δ2最小。
2.如权利要求1所述的单模光纤，其中所述纤芯的软化点与所述内包覆层的软化点之差小于或等于约15℃。
3.如权利要求1所述的单模光纤，其中所述纤芯包含大于或等于约2.0重量％的氧化锗。
4.如权利要求1、2或3所述的单模光纤，其中所述内包覆层包含大于或等于约0.1重量％的氟至小于或等于约0.65重量％的氟。
5.如前述权利要求中的任一项所述的单模光纤，其中
所述纤芯用GeO2掺杂，
所述内包覆层用氟掺杂，且
6＜GeO2(纤芯)/氟(内包覆层)＜35，其中GeO2和F以重量％计。
6.如权利要求1所述的单模光纤，其中所述纤芯的最大相对折射率Δ1最大为大于或等于约0.13％至小于或等于约0.37％。
7.如权利要求1所述的单模光纤，其中所述内包覆层的最小相对折射率Δ2最小为小于或等于约-0.04％至大于或等于约-0.21％。
8.如权利要求1所述的单模光纤，其中所述纤芯的径向厚度为大于或等于约3微米至小于或等于约7微米。
9.如权利要求1所述的单模光纤，其中所述内包覆层的径向厚度为大于或等于约12微米。
10.如权利要求1所述的单模光纤，还包含包围所述内包覆层的外包覆层，其中
所述外包覆层主要由二氧化硅或SiON组成；
所述外包覆层具有最大相对折射率Δ3最大，且
Δ3最大＞Δ2最小。
11.如权利要求10所述的单模光纤，其中所述内包覆层的径向厚度为大于或等于约12微米至小于或等于约55微米。
12.如权利要求1所述的单模光纤，其中所述单模光纤在1550nm波长处具有小于或等于约0.18dB/km的衰减。
13.如权利要求1所述的单模光纤，其中所述单模光纤在1550nm处具有大于或等于约70微米2的有效面积。
14.一种制造单模光纤的方法，所述方法包括：
向第一炉提供预制件，所述预制件包含：
包含二氧化硅和小于或等于约6.5重量％的氧化锗的纤芯，和
包围所述纤芯的内包覆层；
由所述预制件拉制单模光纤；以及
在第二炉中冷却拉制的单模光纤，其中
所述纤芯的软化点与所述内包覆层的软化点之差小于或等于约50℃。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述冷却包括以小于或等于约5000℃/s的冷却速率将所述拉制的单模光纤从约1600℃的温度冷却至约1250℃的温度。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述冷却还包括以小于或等于约12000℃/s的冷却速率将所述拉制的单模光纤从约1250℃的温度冷却至约1050℃的温度。
17.如权利要求14所述的方法，其中所述冷却包括以小于或等于约5000℃/s的冷却速率将所述拉制的单模光纤从约1400℃的温度冷却至约1050℃的温度。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述冷却还包括以小于或等于约12000℃/s的冷却速率将所述拉制的单模光纤从约1050℃的温度冷却至约850℃的温度。
19.如权利要求14所述的方法，其中所述单模光纤在拉制过程中的张力小于或等于约100gf。
20.一种光纤，包含：
具有包含二氧化硅和向上掺杂剂的纤芯的单模光纤；以及
包围所述纤芯的内包覆层，其中
所述纤芯的软化点与所述内包覆层的软化点之差小于或等于约50℃，
所述纤芯具有大于或等于约0.13％至小于或等于约0.37％的最大相对折射率Δ1最大，并且
所述内包覆层具有小于或等于约-0.04％至大于或等于约-0.2％的最小相对折射率Δ2最小。
21.如权利要求20所述的光纤，其中所述纤芯的软化点与所述内包覆层的软化点之差小于或等于约20℃。
22.如权利要求20或所述的单模光纤，其中所述纤芯包含大于或等于约2.0重量％的氧化锗。
23.如权利要求20、21或22所述的单模光纤，其中所述内包覆层包含大于或等于约0.1重量％的氟至小于或等于约0.65重量％的氟。
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