CN106842412A - 具有低损耗和纳米级结构均匀的芯部的光学纤维 - Google Patents

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Abstract

本申请具有低损耗和纳米级结构均匀的芯部的光学纤维。具体地，一种具有芯部区域的光学纤维，该芯部区域以各自的量掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量经配置以使得在具有大约600cm‑1的频移的拉曼光谱中该纤维具有纳米级结构，该纳米级结构具有小于0.025的积分D2线缺陷强度。可替代地，该芯部区域以各自的量掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量经配置以使得该纤维具有残余轴向压缩应力，该残余轴向压缩应力具有大于20MPa的应力幅值和芯部半径的2倍和7倍之间的应力径向范围。根据该发明的另一个方面，通过该纤维的光学传播的大部分由确定的组的纤维区域所支持，该确定的组的纤维区域包括芯部区域和一个或多个邻近的包层区域。该纤维区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以获得在该确定的组中的纤维区域之间的粘度匹配。

Description

具有低损耗和纳米级结构均匀的芯部的光学纤维
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年7月24日提交的美国临时专利申请序列号62/196,465的优先权权益,该美国临时专利申请为本申请的受让人所有,且通过引用将其以其全文并入本文中。
发明背景
发明领域
本发明整体上涉及纤维光学领域，且特别涉及具有低损耗和纳米级结构均匀的芯部的改进的光学纤维。
背景技术
由于互联网服务的迅速普及，对于能够在长距离内传输大量数据的低损耗光学纤维的需求呈指数增加。
芯部均匀性对于光学传输性能有显著影响。当前生产的纤维具有掺杂有锗(Ge)的芯部且典型地具有超过0.18dB/km的衰减。这样的高衰减是由于来自Ge掺杂剂以及纳米级晶体缺陷的散射。虽然具有无Ge芯部的纤维可以去除一个衰减源，但是重要的是减少纤维芯部中的纳米级晶体缺陷浓度，从而将衰减进一步降低至低于0.18dB/km。
通过降低拉制纤维时的速度可减小纳米级晶体缺陷的浓度。然而，使用较低的拉制速度增加了制造纤维所需的时间量，导致增加的制造成本。
发明概述
通过本发明的多方面解决了这些和其它问题，这些方面涉及具有低损耗和纳米级结构均匀的芯部的光学纤维。
根据该发明的一个方面，光学纤维包括多个同轴纤维区域，该多个同轴纤维区域包括芯部区域和周围的包层区域，其中该同轴纤维区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种改变折射率的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以产生所选择的折射率分布。该芯部区域以各自的量掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量经配置以使得在具有大约600cm-1的频移的拉曼光谱中，该纤维具有纳米级结构，该纳米级结构具有小于0.025的积分D2线缺陷强度。
根据该发明的又一个方面，该芯部区域以各自的量掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量经配置以使得该纤维具有残余轴向压缩应力，该残余轴向压缩应力具有大于20MPa的应力幅值和芯部半径的2倍和7倍之间的应力径向范围。
根据该发明的另一个方面，通过该纤维的光传播的大部分由确定的组的纤维区域所支持，该确定的组的纤维区域包括该芯部区域和一个或多个邻近的包层区域。该纤维区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以获得在该确定的组中的纤维区域之间的粘度匹配。
附图简要说明
图1显示了示例性阶跃折射率光学纤维的等角(isometr ic)视图。
图2显示了图1中所示纤维的折射率分布。
图3显示了具有内圆周的基管的等角视图，在该内圆周上根据改进的化学气相沉积技术沉积了一系列化学烟灰层。
图4显示了由图3中所示的基管的烧结和固结得到的预制体的等角视图。
图5显示了说明由图4中所示的预制体拉制纤维的图。
图6是示例性二氧化硅分子网络的三维示意图。
图7和8显示了在两组纤维中测得的拉曼光谱：第一组具有掺杂有卤素掺杂剂的芯部，且第二组具有掺杂有卤素和碱金属掺杂剂二者的芯部。
图9显示了示出图7和8的两组纤维中的积分D2线强度的表。
图10显示了说明在1550nm处的纤维衰减和D2缺陷线强度的一般关联的图。
图11显示了列出碱金属和卤素的离子半径和电荷的表。
图12和13显示了对于包含相对低的K掺杂剂浓度的两个示例性预制体的钾和氯掺杂剂浓度与预制体径向位置。
图14和15显示了对于包含相对高的K掺杂剂浓度的两个示例性预制体的钾和氯掺杂剂浓度与预制体径向位置。
图16显示了预制体样品的显微图，对于该预制体样品，在图14中绘制了氯和钾掺杂剂浓度。
图17A显示了在无碱金属的纤维中折射率与径向位置的关系。图17B显示了纤维的轴向应力分布与径向位置的关系。
图18A显示了折射率与径向位置的关系，其中在预制体的中心沉积有K掺杂剂，且由该预制体拉制纤维。图18B显示了纤维轴向应力分布与径向位置的关系。
图19显示了纤维的光谱损耗，该纤维在芯部区域中掺杂有钾，导致减小的纳米级晶体缺陷浓度；以及
图20和21分别显示了根据本发明的又一个方面的光学纤维的侧视图和前视图。
图22显示了图20和21中所示纤维的折射率分布。
图23显示了列出用于图20和21中所显示的纤维的多个参数和掺杂制度的表。
图24显示了列出根据该发明的各个方面的示例性芯部掺杂制度的表。
图25和26显示了拉曼光谱解卷积为单个高斯、洛伦兹和多项式光谱分量以确定D2缺陷线强度的实例。
详细说明
本发明涉及呈现高度芯部均匀性的低损耗光学纤维，及用于制造这类纤维的技术。以下描述的该发明的示例性实践提供了纤维设计，甚至在以3米每秒或更大的速度拉制时，该纤维设计在1550nm处仍能达到0.18dB/km或更低的衰减。
根据该发明的一方面，根据包括一种或多种降低粘度的掺杂剂的掺杂剂制度，通过对纤维预制体的芯部区域进行掺杂来获得上述纤维特性。在以下描述的该发明的多种实践中，采用碱金属作为降低粘度的掺杂剂。如以下所讨论的，仅向该纤维预制体的芯部区域加入的碱金属掺杂剂的降低粘度的性质延伸出该芯部区域，且导致当将该预制体拉制为纤维时纳米晶缺陷的形成的显著降低。
图1显示了示例性阶跃折射率光学纤维100的图，其提供了用于本讨论的上下文。将理解的是，本文中所描述的技术适用于其它纤维设计。
由二氧化硅(SiO2)制造纤维100，已向该二氧化硅加入化学掺杂剂以产生多个同轴区域，每个同轴区域是以各自的折射率为特征。纤维100包括芯部区域101、内部沟槽区域102、肩部区域103和外部包层区域104。
图2显示了纤维100的示例性的折射率分布110，其显示了上掺杂(up-doped)的芯部111、下掺杂(down-doped)的沟槽112、上掺杂的肩部113和下掺杂的外部包层区域114。需要注意的是，在阶跃折射率光学纤维设计中，通常该用分数折射率差(fractionalrefractive index difference)Δn区域来表示折射率：
其中n区域是给定纤维区域的折射率，且n0是参比折射率(一般是未掺杂的二氧化硅的折射率)。
为了本讨论的目的，假设采用改进的化学气相沉积(MCVD)技术来制造纤维100。然而，显然的是，本文中所描述的该发明的方面通常可适用于其它纤维制造技术。
在MCVD技术中，将大直径二氧化硅基基管装载在车床中，且围绕其纵轴持续旋转。当该管旋转时，向该管的内圆周上沉积化学烟灰层。逐层建立每个预制体区域(对应于各自的纤维区域)，需要时加入化学掺杂剂。
图3显示了在烧结和固结之前的MCVD预制体120的等角图。已向对应于纤维100的外部包层104的基管124的内圆周上逐层建立了预制体区域121、122和123，其分别对应于纤维100的芯部101、内部沟槽102和肩部103。需要注意的是，首先建立预制体区域123，且最后建立预制体的芯部区域121。
在形成所有的预制体区域之后，将基管加热，以使得烟灰层烧结，且使得该管和烟灰层熔合并固结为柱形预制体130，如图4中所示。如图5中示意性地说明的，随后将该预制体130装载到拉制塔中，且拉制为光学纤维140，该光学纤维140具有芯部和周围区域，其对应于预制体区域131、132、133和134(图4)(且还对应于图3中的烟灰区域121、122、123和基管124)。如由重物标志141和箭头142所指示的，在拉制纤维时，向该纤维140施加受控的张力。
如以下所讨论的，当与之前的掺杂制度结合使用时，图5中所示的纤维拉制过程导致拉制纤维中相对高的纳米晶缺陷浓度，这进而导致相对高的衰减水平。
本发明的方面涉及导致光学纤维具有以下特性的掺杂制度：
(a)纳米级结构均匀的芯部；
(b)在纤维芯部和邻近区域中广泛的压缩轴向应力；和
(c)在支持大百分比的光传播通过纤维的纤维的径向区域之间的粘度匹配。
以下阐述该发明的理论基础，随后是该发明的多种示例性实践的说明。
图6是示例性二氧化硅分子网络150的三维示意图。纳米晶缺陷源自另外的无定形网络中的4元环结构和3元环结构151、152的形成。这些环结构的缺陷结构由A.E.Geissberger和F.L.Galeener在Phys.Rev.B,第28卷，第6期，第3266-3271页(1983)“Raman studies of vitreous SiO2versus fictive temperature”中报道，且在来自ASME2008International Manufacturing Science and Engineering Conference,第1卷，Evanston,IL,USA,2008年10月7-10日、Vukelic等人的“Structural Modification ofAmorphous Fused Silica Under Femtosecond Laser Irradiation”的图1中得到说明。
在这些环结构中，O-Si-O键角(φ)是大约102°，这比在几乎完美的SiO4四面体中的大约109°的键角小。用以形成更小的O-Si-O键角的SiO4四面体的畸变源自在拉制工艺期间引入且在纤维冷却时存储在缺陷结构中的应变能。
可以采用拉曼光谱法来量化光学纤维内的纳米晶缺陷的存在。由于二氧化硅网络的无定形属性，在光学纤维芯部测得的拉曼光谱相对宽。在这个宽的拉曼光谱内，探测到相对尖锐的峰，其表示在该无定形网络内的具有高应变能的纳米晶缺陷。在块体玻璃质二氧化硅的拉曼光谱中，出现在大约500cm-1和600cm-1的拉曼位移处的尖锐的D1和D2“缺陷”线。这些缺陷线的强度随着纳米晶缺陷的浓度而增加。
纳米晶缺陷在光学纤维中形成散射中心，且增大纤维衰减。在暴露于氢和环境辐射时，这些结构缺陷还诱发增加的损失，因为其更倾向于色心形成。高速纤维拉制，特别是在低拉制温度下，进一步增大了这些纳米晶缺陷的数量，导致较高的衰减。减少这类结构缺陷的尝试要求在低速度下拉制纤维，但是这招致较高的纤维制造成本。因此，期望的是，减少纳米晶结构缺陷的浓度，特别是在纤维芯部中。
在光学纤维中的拉曼光谱测量提供了对纤维芯部(即在承载大于80％的光传输功率的纤维部分之内)处的纳米晶缺陷的直接测量。纳米晶缺陷的类型和浓度受纤维芯部的玻璃组成以及在预制体制作期间的加工条件(例如在致密化和固结期间的环境和温度，包括管塌陷)和在纤维拉制期间的加工条件(例如拉制张力、速度和温度)的影响。因此，对于纳米晶缺陷的拉曼光谱测量提供了与传输纤维的光学性能最相关的数据。
图7和8显示了在13种不同光学纤维中测得的拉曼光谱160、170，每个都属于两组之一：A组，其中纤维芯部掺杂有卤素掺杂剂；和B组，其中纤维芯部掺杂有卤素和碱金属掺杂剂二者。图7显示了D1缺陷线161和D2缺陷线162二者。图8关注于D2缺陷线172。
在图7和8中的拉曼光谱测量显示了典型的二氧化硅芯部纤维具有相对大的D2强度。在该拉曼光谱中的D2线由嵌在无定形网络中的规则纳米级晶体平面三元环缺陷的对称伸展所导致。
在图7中，相对于在1.55μm的波长激发时的频率向下位移，测量了不同纤维中的拉曼散射强度。将不同纤维的拉曼光谱相对于其各自在440cm-1附近的ω1主线处的峰高归一化。
图8显示了在515cm-1和815cm-1之间的频移之间的拉曼光谱，以更清晰地显示D2缺陷线附近的强度水平。在图8中，可以看到，在D2缺陷线处，存在A组中的纤维的各自的强度(即上组轨迹171A)和B组中的纤维的强度(即下组轨迹171B)之间的可容易识别的差异。两组纤维之间的差异表示这些纤维中不同的纳米晶缺陷浓度。因此，为了本讨论的目的，采用在纤维的拉曼光谱中的D2缺陷线处的强度水平来量化给定纤维中的纳米晶缺陷浓度。
图9是显示A组和B组中的纤维的积分D2线强度的表180。(以下在题为“方法学”的章节中描述了用于量化该积分D2线强度且由此量化各自的纳米晶芯部缺陷浓度的技术。)
该包含卤素芯部掺杂剂的A组纤维具有0.04的积分D2线强度。该包含碱金属和卤素芯部掺杂剂二者的B组纤维具有0.022-0.026的积分D2线强度。因此，该B组纤维的积分D2线强度是A组纤维的积分D2线强度的大约60％(±5％)。
图10显示了图190，其中曲线191说明了在1550nm处的纤维衰减和D2缺陷线强度之间的一般关系。观察到，具有结构均匀芯部的纤维(例如B组中的纤维)倾向于具有较低的纤维衰减。
通过向该纤维芯部(大于70％的光功率在其中传播)加入碱金属和卤素共掺杂剂来获得B组纤维中的纳米级结构均匀的芯部。因为其芯部提高的均匀性，该B组纤维显示出显著减小的D2线强度，如图8中所示。
纤维芯部中的碱金属和卤素掺杂剂分别具有+1和-1的离子电荷价。通过释放应变能和将O-Si-O键角恢复为非常类似于无定形二氧化硅中的稳定四面体网络中的O-Si-O键角的较高键角，这些带电荷的碱金属和卤素掺杂剂破坏了平面三元环结构。该键角弛豫释放了在该平面缺陷内的应变能，导致较低的散射，且由此导致在该纤维芯部中传播的光学信号的较低衰减。
除了离子电荷价外，碱金属和卤素掺杂剂的离子尺寸对于去除纳米级晶体缺陷也起到作用。
图11显示了列出碱金属和卤素的离子半径和电荷的表200。表200列出了“晶体”离子半径，其更接近地对应于固体中离子的物理尺寸。
可以向二氧化硅中引入少量(例如<4,000ppm)的大多数碱金属,而不导致反玻璃化(即结晶)。在卤素当中，只有氟和氯可以被容易地以显著的浓度掺杂入二氧化硅中。
基于碱金属和卤素共掺杂的匹配的离子半径，优选在二氧化硅芯部共掺杂以下碱金属-卤素组合以去除纳米晶缺陷：
(1)钾(K)+氯(Cl)
(2)铷(Rb)+氯(Cl)
(3)钠(Na)+氟(F)
虽然这表明为了电价平衡，优选大约相等摩尔浓度的碱金属和卤素掺杂剂，但是在降低玻璃粘度和提高玻璃弛豫速率以获得具有较小原子波动的较低能态及由此获得较低的散射损耗方面，过量的卤素掺杂剂浓度可以是有益的。
根据该发明的方面，纤维芯部共掺杂有显著的氯浓度和合适的碱金属共掺杂剂。(如上所述，用于氯的合适的碱金属共掺杂剂包括钾和铷。)在降低纤维衰减方面，可以有利地与碱金属掺杂剂一起采用高得多的氯共掺杂水平(大于500ppm，且优选大于1,000ppm)。
相对于氟掺杂剂的使用，可以使用氯掺杂剂以增强纤维设计灵活度。这是因为在二氧化硅纤维芯部处掺杂氯增大了折射率，而掺杂氟降低了芯部折射率。特别地，10,500ppm氯使二氧化硅折射率增大了0.001Δn，且3,450ppm氟掺杂剂使二氧化硅折射率降低了0.001Δn。对于给定的包层折射率，氯掺杂增大了芯部区域内的光学功率，且由此可以用于例如减小宏观弯曲损耗。存在对于纤维设计者而言公知的许多这样的实例，其中需要的是用以提高玻璃的折射率的掺杂剂。同样地，在一些例子中，需要采用氟来改进玻璃(例如在具有减小的折射率的区域中)的结构均匀性。
此外，氯掺杂，特别是通过无氧SiCl4的方式，在脱水和净化方面具有额外的好处。首先，SiCl4与SiO2表面分子反应的侵蚀性，使得能向二氧化硅基体中纳入高水平的氯浓度。这还产生在OH、过渡金属和其它污染的净化方面的优点。可以以强调氧化产物SiO2的形式写出典型反应：
4(O1.5Si-O0.5(表面))+SiCl4→4(1.5OSiCl)+SiO2
此外，通过与OH、杂质类金属和金属氧化物反应以形成氯化物，较高的氯纳入的优点将进一步辅助净化。这些氯化物具有显著的挥发性。因此，无氧SiCl4掺杂的使用增强了发展良好的二氧化硅的氯净化的净化方法以及在二氧化硅内纳入较高水平的氯，这可以用于有利地改进折射率分布。
SiCl4与杂质金属氧化物和类金属氧化物(通过氧化而形成的二氧化硅基体中的杂质的最常见形式)的反应相对于氧化物是置换(substitional)的。非常稳定的SiO2的形成在几乎所有情况中都产生热力学优点。实例是：
类金属：GeO2+SiCl4→GeCl4+SiO2
金属：Fe2O3+1.5SiCl4→2FeCl3+1.5SiO2
通过采用SiCl4在室温下是可观察到的脱水获得类似的优点，而分子Cl2直到>800℃才有效。因此，通过在无氧SiCl4环境中烧结未掺杂的二氧化硅烟灰所制造的掺杂SiCl4的二氧化硅芯部可以导致所得纤维中的非常低的OH含量；且在这类纤维中的OH峰在1385nm波长处可以小于0.33dB/km。
该采用SiCl4的整体脱水反应给作：
4(O1.5Si-OH(表面))+SiCl4＝>5SiO2+4HCl。
如在以下“方法学”章节中所讨论的，可以由纤维芯部中心的峰浓度或芯部半径以内径向平均的浓度来表征该碱金属掺杂剂浓度；且可以采用实验确定的比例因子1/βi，由在预制体中进行的测量来评估纤维中报道的这样的浓度量。
如以下进一步讨论的，更合适的是，通过纤维芯部半径以内的径向平均的浓度来表征卤素掺杂剂浓度，因为卤素浓度可能在预制体和纤维芯部中心处不具有最大值。此外，可以采用实验确定的比例因子1/βi，由在预制体中的所报道的测量来评估在纤维中所报道的平均掺杂剂浓度。
图12和13是一对图210、220，其显示了对于包含相对低的K掺杂剂浓度(即小于200ppm的峰浓度)的两个示例性预制体而言钾和氯掺杂剂浓度与预制体径向位置的关系。在每个图210、220中，钾浓度绘制在右侧纵坐标上，且氯浓度绘制在左侧纵坐标上。
图14和15是一对图230、240，其显示了对于包含相对高的K掺杂剂浓度(即大于3,000ppm的峰浓度)的两个示例性预制体而言钾和氯掺杂剂浓度与预制体径向位置的关系。在每个图中，钾浓度绘制在右侧纵坐标上，且氯浓度绘制在左侧纵坐标上。
在根据本发明的纤维中，通过增大散射损耗的二氧化硅反玻璃化来确定碱金属和卤素掺杂剂浓度的所需上限。
有趣的是注意到钾和氯浓度对二氧化硅反玻璃化的影响。图16显示了预制体样品的显微图250，对于该预制体样品，在图14中绘制了氯和钾掺杂剂浓度。当这个样品在芯部中心处具有约3,400ppm的K2O峰浓度时，该中心区域251仍然透明而没有反玻璃化，这主要是因为通过钾掺杂工艺，在相同区域处的氯被消耗至<100ppm。然而，清晰的中心区域252由反玻璃化区域252所包围，因为光散射，该反玻璃化区域252显示为暗环。在该反玻璃化区域中，钾浓度是大约2,000ppm，同时氯浓度是大概大约800ppm。对二氧化硅反玻璃化的这种观察确立了约2,000ppm的钾掺杂浓度的上限。通过降低氯浓度，这个上限提高。
实验数据显示，当将预制体拉制为纤维时，碱金属掺杂剂造成在纤维芯部和邻近区域中的残余轴向应力方面的显著改变。
图17A是图260，其中轨迹261显示了在无碱金属的纤维中折射率与径向位置的关系。图17B是图270，其中轨迹271显示了纤维的轴向应力分布与径向位置的关系。
图18A是图280，其中轨迹281和282显示了在一对纤维中折射率与径向位置的关系，在这对纤维中，在由其拉制纤维的预制体的中心处沉积K掺杂剂。轨迹281和282分别显示了在34gm的施加张力下拉制的第一纤维和在122gm的施加张力下拉制的第二纤维的折射率分布。图18B是图290，其中轨迹291和292显示了第一纤维和第二纤维的轴向应力分布与径向位置的关系。
如图17B所示，在无碱金属的纤维的芯部区域中发现了拉伸(即正性)应力。如图18B所示，在掺杂碱金属的纤维中发现了压缩(即负性)应力。更显著地，在由预制体尺寸衡量时，在掺杂碱金属的纤维中的压缩应力分布的径向宽度比原始掺杂区域延伸出远得多。
如图18B所示，在掺杂K的纤维中，在以34gm拉制的纤维和以122gm拉制的相同纤维二者中，轴向压缩应力延伸大约25μm的半径，或者芯部半径的大约5倍。该压缩应力纤维的径向延伸由主要是在纤维拉制期间的掺杂剂扩散所致。
在从预制体到纤维的转变工艺期间，碱金属掺杂剂分布的相对径向范围增大了约5倍。因此，预期在所拉制的纤维中的碱金属浓度为预制体中的碱金属浓度的大约1/25。
如以下在“方法学”章节中所讨论的，对于钾，β≈25。由此，如图12-15所示的从预制体拉制的纤维中的钾浓度可以为预制体中测得的钾浓度的1/25。在纤维中K掺杂的浓度和径向范围，与任何掺杂剂一样，取决于在玻璃中的扩散程度，且由此受热历史、预制体中的初始掺杂空间分布和玻璃组成影响。
此外，具有大于20MPa的足够幅值连同优选芯部半径的1.2倍、更优选2倍的应力径向范围的残余轴向压缩应力导致对于光学传输性能而言关键的邻近区域和芯部中的良好结构均匀性，因为显著的光学功率在这个径向范围中传播。该压缩应力的径向范围中的下限由保证在结构均匀且由此低衰减的区域中的大部分光学功率传播的需求所限定。由于不同纤维设计具有不同的空间功率分布，该压缩应力分布应具有较低的径向限制，大于99％、且优选大于99.9％的总光学功率在该径向限制内传播。
在该压缩应力的径向范围中的上限由几个因素确定。首先，通过将压缩应力区域延伸至极少的光学功率传播的径向区域，对于降低光学衰减而言不存在显著的优点。第二，该轴向压缩应力区域不应延伸过宽，其表明由在纤维加工期间碱金属扩散至大半径所产生的过多的碱金属稀释。第三，已知的是，在释放拉制张力后，贯穿该纤维横截面建立了轴向应力σz平衡，使得芯部中央区域中的轴向压缩应力必须由外部包层区域中的轴向拉伸应力所平衡，即
其中，压缩应力在r＝0和r＝R1之间，且拉伸应力在r＝R1和r＝R＝包层半径之间。
通过增大R1且对于r<R1内的给定的压缩应力，预期的是，在外部包层处的较高拉伸应力导致光学纤维的较低机械强度。这个考虑还将上限强加于轴向压缩应力区域的径向范围。
图19是图300，其显示了纤维的光谱损耗，该纤维在芯部区域掺杂有钾，导致减小的纳米级晶体缺陷浓度。该纤维在1550nm处具有0.16dB/km的衰减，且在1560和1580nm之间具有0.159dB/km的衰减。
由于磷(P3+或P5+)相对于硅(Si4+)的异价(aliovalency)及其离子半径(P3+是58pm，P5+是52pm)与Si4+的54pm离子半径的非常接近的匹配，在该纤维芯部中的磷掺杂剂加入也降低了纳米级晶体缺陷的浓度，如由较低的D2线强度所示。然而，与二氧化硅相比，由于氧化磷在更短的波长处具有红外吸收边，所以高的磷掺杂剂浓度导致在通信波长(特别是在1.3μm和1.55μm之间)处增加的损耗。因此，在0.2％和2％之间的磷掺杂剂浓度是在D2缺陷减少和由红外损失边导致的衰减增大之间的优化平衡。
将看到，根据该发明的多个方面的粘度匹配技术利用了如下事实：碱金属掺杂剂在从初始掺杂位置开始的大径向范围内降低二氧化硅粘度。例如，图18A-B显示了：即使仅在该预制体的芯部区域内沉积钾，该压缩轴向应力仍延伸出该纤维芯部半径的约5倍。
图20-23是根据该发明的又一个方面的光学纤维310的一系列图。图20和21分别显示了该纤维310的侧视图和前视图；图22显示了该纤维的示例性折射率分布320；及图23显示了列出每个纤维区域的以下参数的表330：外部半径，折射率差，在碱金属掺杂之前的粘度级别，第一示例性碱金属掺杂制度，及第二示例性碱金属掺杂制度。
纤维310包括层叠在彼此顶部的五个同轴区域：芯部区域311A，基座区域311B，内部沟槽311C，外部沟槽311D和外部包层311E(对应于折射率分布320的以下区域：上掺杂的芯部321A，上掺杂或略微掺杂的基座321B，下掺杂的内部沟槽321C，下掺杂的外部沟槽321D和包层321E)。根据该发明的方面，通过在纤维拉制期间在纤维的径向区域311A-311E之间采用碱金属掺杂以产生粘度匹配来获得低衰减。
在碱金属掺杂之前：
区域311A包含非碱金属掺杂剂(例如卤素)，其减小了该区域的粘度(至等级3)且增大了该区域的芯部折射率。
在示例性设计中，区域311B不包含大量掺杂剂，且具有比邻近区域311A和311C更高的粘度(等级5)。在可替代的设计中，区域311B在掺杂碱金属之前掺杂有卤素(例如氟)，这降低了折射率以及二氧化硅粘度。
区域311C(粘度等级1)、311D(粘度等级2)和311E(粘度等级3)包含不同浓度的F掺杂剂。二氧化硅粘度随着更高的F浓度而单调地降低。
在第一碱金属掺杂制度中：
区域311B掺杂有显著浓度的碱金属，导致较低的粘度以匹配区域311A和311C中的浓度。(该碱金属掺杂的粘度降低效果在区域311B中最为显著，该区域在掺杂之前具有高粘度。然而，碱金属掺杂对于进一步减小区域311C和311A的粘度不那么有效，这两个区域已由其它掺杂剂的存在而被软化。)
在区域311B在碱金属掺杂之前已包含卤素掺杂(例如氟)的该发明的那些实践中，将需要较低的碱金属掺杂浓度以获得粘度匹配。
通过有意掺杂和通过在预制体加工和纤维拉制期间的碱金属扩散，区域311A包含少量碱金属。
主要通过在纤维拉制期间的碱金属扩散，区域311C包含痕量碱金属。
区域311D和311E不具有大量碱金属掺杂。(在纤维拉制期间，在区域311D和311C之间的粘度匹配对于衰减和其它光学性质不具有很大影响，因为非常少的光学功率在这些区域之间的界面处传播。)
在第二示例性碱金属掺杂制度中：
区域311A和311B掺杂有显著量的碱金属，导致较低的粘度以匹配区域311C的粘度。
在区域311B在碱金属掺杂之前已包含卤素掺杂(例如氟)的该发明的那些实践中，将需要较低的碱金属掺杂浓度以获得粘度匹配。
区域311C包含痕量碱金属，这主要源自在纤维拉制期间的碱金属扩散。
区域311D和311E不具有很多碱金属掺杂。
图24显示了列出以上讨论的根据该发明的多个方面的多种示例性芯部掺杂制度的表。
在示例性掺杂制度1中，用氟(0ppm至150,000ppm)、氯(0ppm至15,000ppm)和磷(0.2％至2％)掺杂纤维芯部。
在示例性掺杂制度2中，用钾(5ppm至2,000ppm)、氯(100ppm至15,000ppm)和磷(0％至2％)掺杂纤维芯部。
在示例性掺杂制度3中，用铷(5ppm至2,000ppm)、氯(100ppm至15,000ppm)和磷(0％至2％)掺杂纤维芯部。
在示例性掺杂制度4中，用钠(5ppm至2,000ppm)、氟(100ppm至15,000ppm)和磷(0％至2％)掺杂纤维芯部。
方法学
D2缺陷线强度的量化
现在描述用于量化D2线缺陷强度的方法学。
可以通过将围绕D2频移所测得的拉曼光谱解卷积为单独的高斯、洛伦兹和多项式光谱分量来量化D2缺陷线的强度。
图25和26是一对图350、360，其显示了拉曼光谱解卷积为单独的高斯、洛伦兹和多项式光谱分量以确定D2缺陷线强度的实例。通过最佳匹配D2频移的线形状的积分强度来给出该D2线强度。
可替代地，可以通过下式来量化该D2缺陷的强度：
其中I(f)是在频移f处的拉曼散射的强度；且I(f)是由邻近频率区域外推的散射强度，以给出背景拉曼散射强度。积分区间f2-f1是频移范围，在该范围中在上述等式的被积函数中，I(f)>Io(f)。
为了提供D2线缺陷强度的一致测量，将以上δI值相对于相同纤维的宽拉曼光谱归一化。
掺杂剂浓度的量化
因为预制体具有比从预制体所拉制的纤维大得多的外部直径，所以在预制体中的掺杂剂浓度测量典型地给出比所拉制的纤维中的测量更精确的数据。因为在预制体中心附近沉积掺杂剂，且因为在所有可想得到的热历史中所沉积的掺杂剂不从该预制体或纤维蒸发，所以保存了给定掺杂剂的平均掺杂剂浓度。
特别地，给定掺杂剂在预制体中的平均浓度与在纤维中的相同，即：
其中Ci是掺杂剂类型i的浓度；r1和r2分别是指该预制体和纤维的径向位置；且R1和R2分别是预制体和纤维包层半径。
虽然贯穿该纤维的平均掺杂剂浓度与贯穿预制体的平均掺杂剂浓度相同，但是由于掺杂剂扩散，其掺杂剂分布可以是非常不同的。对于光学纤维应用，我们主要的关注是在大部分光功率传播通过的纤维芯部区域的品质。在纤维芯部半径内的平均掺杂剂浓度a是与纤维传输品质最相关的。下列等式通过因子1/βi显示了纤维芯部内的掺杂剂浓度与预制体芯部半径R以内的浓度相关：
当掺杂剂扩散以低扩散率发生非常短的时间时，预期βi≈1。然而，在掺杂剂以高扩散率扩散相当长的时间后，βi接近非常大的值。
如图12-15所示，峰值碱金属掺杂剂浓度通常出现在预制体芯部中心处，r2＝0；且我们预期该纤维芯部中心r1＝0也具有最大碱金属掺杂剂浓度。我们注意到，峰值光学功率和峰值碱金属掺杂剂浓度都出现在纤维芯部中心处。对于一次近似，通过下列关系式，纤维芯部中心处的碱金属掺杂剂浓度与预制体芯部中心处的碱金属掺杂剂浓度相关：
因此，可以通过在纤维芯部内的平均碱金属浓度或在纤维芯部中心处的峰值碱金属浓度来表征该碱金属掺杂剂浓度。
对于给定的掺杂剂和纤维拉制条件，可以实验确定比例因子1/βi，以使在纤维芯部内的掺杂剂浓度与在预制体芯部内测量的掺杂剂浓度关联。
图12-15显示了卤素掺杂剂浓度峰未必出现在预制体芯部中心r2＝0处，主要是因为可能由固结环境(例如氧)导致的卤素掺杂剂消耗。由于我们不能预期在纤维芯部处的最大卤素掺杂剂浓度，因而通过在纤维芯部内的平均卤素浓度来表征卤素掺杂剂浓度是更合适的。
结论
尽管前述说明包括了将使得本领域技术人员能够实践本发明的细节，但是应当认识到，该说明本质上是说明性的，并且其许多改变和变化对于受益于这些教导的本领域技术人员而言是明显的。由此预期的是，本文的发明仅由此处所附的权利要求所限定，并且如由现有技术所允许的那样宽泛地解释所述权利要求。

Claims (25)

1.一种光学纤维，包括：
多个同轴纤维区域，该多个同轴纤维区域包括芯部区域和周围的包层区域，其中该同轴纤维区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种改变折射率的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以产生所选择的折射率分布，
其中该芯部区域以各自的量掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量经配置以使得在具有大约600cm-1的频移的拉曼光谱中，该纤维具有纳米级结构，该纳米级结构具有小于0.025的积分D2线缺陷强度。
2.如权利要求1的光学纤维，
其中该芯部区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以使得该纤维在1550nm处具有低于0.18dB/km的衰减。
3.如权利要求1的光学纤维，
其中该芯部区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以使得该纤维在1550nm处具有低于0.17dB/km的衰减。
4.如权利要求1的光学纤维，
其中以大于3米每秒的速度拉制该纤维。
5.如权利要求1的光学纤维，
其中该芯部区域掺杂有P、Cl和F掺杂剂，
其中P掺杂剂的量在0.2％和2％之间，
其中Cl掺杂剂的量在0和15,000ppm之间，且
其中F掺杂剂的量在0和150,000ppm之间。
6.如权利要求1的光学纤维，
其中该芯部区域掺杂有碱金属、卤素和磷共掺杂剂。
7.如权利要求6的光学纤维，
其中该芯部区域掺杂有K、Cl和P掺杂剂，
其中K掺杂剂的量在5和2,000ppm之间，
其中Cl掺杂剂的量在100和15,000ppm之间，且
其中P掺杂剂的量在0％和2％之间。
8.如权利要求6的光学纤维，
其中该芯部区域掺杂有Rb、Cl和P掺杂剂，
其中Rb掺杂剂的量在5和2,000ppm之间，
其中Cl掺杂剂的量在100和15,000ppm之间，且
其中P掺杂剂的量在0％和2％之间。
9.如权利要求6的光学纤维，
其中该芯部区域掺杂有Na、F和P掺杂剂，
其中Na掺杂剂的量在5和2,000ppm之间，
其中F掺杂剂的量在100和15,000ppm之间，且
其中P掺杂剂的量在0％和2％之间。
10.一种光学纤维，包括：
多个同轴区域，该多个同轴区域包括芯部区域和周围的包层区域，该芯部区域和周围的包层区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种改变折射率的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以产生所选择的折射率分布，
其中该芯部区域以各自的量掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量经配置以使得该纤维具有残余轴向压缩应力，该残余轴向压缩应力具有大于20MPa的应力幅值和芯部半径的2倍和7倍之间的应力径向范围。
11.如权利要求10的光学纤维，
其中该芯部区域以各自的量掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量经配置以使得该纤维在1550nm处具有低于0.18dB/km的衰减。
12.如权利要求10的光学纤维，
其中该芯部区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以使得该纤维在1550nm处具有低于0.17dB/km的衰减。
13.如权利要求10的光学纤维，
其中以大于3米每秒的速度拉制该纤维。
14.如权利要求10的光学纤维，
其中该压缩应力具有由在纤维的芯部区域中的碱金属、卤素和磷共掺杂剂的加入所形成的幅值和径向范围。
15.如权利要求14的光学纤维，
其中该芯部区域掺杂有K、Cl和P掺杂剂，
其中K掺杂剂的量在5和2,000ppm之间，
其中Cl掺杂剂的量在100和15,000ppm之间，且
其中P掺杂剂的量在0％和2％之间。
16.如权利要求14的光学纤维，
其中该芯部区域掺杂有Rb、Cl和P掺杂剂，
其中Rb掺杂剂的量在5和2,000ppm之间，
其中Cl掺杂剂的量在100和15,000ppm之间，且
其中P掺杂剂的量在0％和2％之间。
17.如权利要求14的光学纤维，
其中该芯部区域掺杂有Na、F和P掺杂剂，
其中Na掺杂剂的量在5和2,000ppm之间，
其中F掺杂剂的量在100和15,000ppm之间，且
其中P掺杂剂的量在0％和2％之间。
18.一种光学纤维，包括：
多个同轴纤维区域，该多个同轴纤维区域包括芯部区域和周围的包层区域，该芯部区域和周围的包层区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种改变折射率的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以产生所选择的折射率分布，
其中通过该纤维的光传播的大部分由确定的组的纤维区域所支持，该确定的组的纤维区域包括该芯部区域和一个或多个邻近的包层区域，以及
其中该纤维区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以获得在该确定的组中的纤维区域之间的粘度匹配。
19.如权利要求18的光学纤维，
其中该纤维区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以使得所拉制的纤维在1550nm的透射波长处具有小于0.18dB/km的衰减。
20.如权利要求18的光学纤维，
其中该纤维区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以使得所拉制的纤维在1550nm的透射波长处具有低于0.17dB/km的衰减。
21.如权利要求18的光学纤维，
其中以大于3米每秒的速度拉制该纤维。
22.如权利要求18的光学纤维，
其中该确定的组的纤维区域包括芯部区域、基座区域和内部沟槽区域，且
其中用一种或多种降低粘度的掺杂剂以各自的量和位置处理该纤维区域，所述各自的量和位置经配置以在以所选择的拉制温度下的纤维拉制期间获得在该确定的组的纤维区域中的纤维区域之间的粘度匹配。
23.如权利要求18的光学纤维，
其中该纤维掺杂有降低粘度的K掺杂剂和Cl掺杂剂，
其中K掺杂剂的量在5和2,000ppm之间，且
其中Cl掺杂剂的量在100和15,000ppm之间。
24.如权利要求18的光学纤维，
其中该纤维掺杂有降低粘度的Rb掺杂剂、Cl掺杂剂和P掺杂剂，
其中Rb掺杂剂的量在5和2,000ppm之间，
其中Cl掺杂剂的量在100和15,000ppm之间，且
其中P掺杂剂的量在0％和2％之间。
25.如权利要求18的光学纤维，
其中该纤维掺杂有降低粘度的Na掺杂剂和F掺杂剂，
其中Na掺杂剂的量在5和2,000ppm之间，且
其中F掺杂剂的量在100和150,000ppm之间。
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