CN107850728A - 具有大有效面积和低弯曲损耗的光纤 - Google Patents

具有大有效面积和低弯曲损耗的光纤 Download PDF

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Abstract

光纤具有大有效面积、低弯曲损耗和低衰减。光纤包括纤芯、内包层区域和外包层区域。纤芯区域包括空间上均匀的正掺杂剂以使得低瑞利散射最小化，以及构造成提供大有效面积的相对折射率和半径。内包层区域具有大凹槽体积的特征，从而使得弯曲损耗最小化。纤芯可以用Cl掺杂，以及内包层区域可以用F掺杂。

Description

具有大有效面积和低弯曲损耗的光纤
本申请根据35U.S.C.§119，要求2015年06月30日提交的美国临时申请系列第62/186,768号以及2016年04月01日提交的美国临时申请系列第62/316,767号的优先权，本文以其为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
本说明书涉及具有大有效面积和低衰减的光纤。更具体来说，本说明书涉及展现出高纤芯掺杂浓度、高纤芯掺杂均匀性和低纤芯应力的光纤。
背景技术
许多应用(包括长距离上的信号传输)需要低衰减光纤。为了实现波导，光纤需要高折射率纤芯和低折射率包层，具有足够的纤芯-包层折射率差异。大多数光纤在用于纤芯的二氧化硅中结合氧化锗(GeO2)作为正掺杂剂(增加折射率的掺杂剂)，以及包层使用未掺杂的二氧化硅。但是，氧化锗的浓度波动导致由于瑞利散射引起的高衰减，并且限制了将氧化锗掺杂的光纤用于低损耗应用。
一种替代方法是将光纤设计成具有未掺杂的二氧化硅纤芯以及在二氧化硅包层中包含负掺杂剂，从而实现有效波导所需的纤芯-包层折射率差异。对于二氧化硅，最常用的负掺杂剂是氟。该方法存在两个缺点。首先，未掺杂的二氧化硅具有高熔融粘度，并且在以实践中的速率使得熔体冷却之后，产生具有高假想温度的纤芯。高假想温度意味着纤芯二氧化硅玻璃的未松弛结构状态，并且增加了经由瑞利散射的光纤衰减。其次，用氟掺杂二氧化硅包层降低了包层的熔体粘度。但是，为了通过未掺杂的二氧化硅纤芯实现有效波导所需的纤芯-包层差异，需要包层中的高浓度氟掺杂。虽然能实现高浓度氟，但是在所需浓度结合氟作为掺杂剂导致包层的熔体粘度的明显下降。作为结果，在拉制期间，在纤芯和包层区域之间建立起了大的粘度失配。大粘度失配导致冷却过程中纤芯的明显应力，并且对于降低了纤芯的折射率的应力-光学效应负责，从而由于降低了限制(confinement)有损光纤的波导特性。缓解纤芯应力和应力光学效应需要以足够缓慢的速度拉制光纤从而松弛应力和使得光纤结构平衡。但是，所需的速度对于实际制造而言太过于缓慢了。
仍然需要可以以高速制造的具有低衰减的光纤。
发明内容
本文揭示了光波导光纤。光纤具有低衰减、大有效面积和低弯曲损耗的特征。
光纤包括纤芯和包层。纤芯是正掺杂的二氧化硅玻璃，以及包层包括内包层区域和外包层区域。内包层区域是负掺杂的二氧化硅玻璃或者未掺杂的二氧化硅玻璃。外包层区域是二氧化硅玻璃，并且可以未经掺杂、经过正掺杂或者经过负掺杂。
在一个实施方式中，纤芯是用氯掺杂的二氧化硅玻璃，内包层区域是用氟掺杂的二氧化硅玻璃，以及外包层区域是未掺杂的二氧化硅玻璃。在另一个实施方式中，纤芯是用氯掺杂的二氧化硅玻璃，内包层区域是用氟掺杂的二氧化硅玻璃，以及外包层区域是用氯掺杂的二氧化硅玻璃。在另一个实施方式中，纤芯是用氯掺杂的二氧化硅玻璃，内包层区域是用氟掺杂的二氧化硅玻璃，以及外包层区域是用氟掺杂的二氧化硅玻璃，其掺杂浓度低于内包层区域。在另一个实施方式中，纤芯是用氯掺杂的二氧化硅玻璃，内包层区域是未掺杂的二氧化硅玻璃，以及外包层区域是用氯掺杂的二氧化硅玻璃。
在一个实施方式中，氯掺杂的二氧化硅玻璃纤芯不含Ge。在另一个实施方式中，氯掺杂的二氧化硅玻璃纤芯不含K。在另一个实施方式中，氯掺杂的二氧化硅玻璃纤芯不含Ge和K。
纤芯中的Cl掺杂浓度可以是如下范围：1.1-3.0重量％、或者1.5-3重量％、或者1.5-2.75重量％、或者1.5-2.5重量％、或者1.75-3.0重量％、或者1.75-2.75重量％、或者1.75-2.5重量％、或者大于1.5重量％、或者大于1.75重量％、或者大于2.0重量％、或者大于2.25重量％。内包层区域中的F掺杂浓度可以是如下范围：0.10-0.50重量％、或者0.15-0.45重量％、或者0.20-0.40重量％、或者至少0.10重量％、或者至少0.15重量％、或者至少0.20重量％。在优选实施方式中，纤芯中的氯浓度大于1.5重量％。
二氧化硅玻璃纤芯中的Cl掺杂浓度可以是2.0-3.0重量％以及内包层区域可以是未掺杂的二氧化硅玻璃，或者二氧化硅玻璃纤芯中的Cl掺杂浓度可以是2.2-2.8重量％以及内包层区域可以是未掺杂的二氧化硅玻璃，或者二氧化硅玻璃纤芯中的Cl掺杂浓度可以是2.3-2.7重量％以及内包层区域可以是未掺杂的二氧化硅玻璃。
在一个实施方式中，外包层区域是用Cl掺杂的二氧化硅玻璃，以及Cl浓度是0.10-0.60重量％或者0.20-0.50重量％。在另一个实施方式中，外包层区域是用F掺杂的二氧化硅玻璃，以及F浓度是0.05-0.30重量％或者0.10-0.25重量％。
纤芯的相对折射率Δ1可以是如下范围：0.08％至0.30％、或0.10％至0.25％、或0.12％至0.20％、或0.14％至0.18％。纤芯的半径r1可以是如下范围：5.0μm至9.0μm、或者6.0μm至10.0μm、或者6.0μm至9.0μm、或者6.0μm至8.0μm、或者6.5μm至7.5μm、或者7.0μm至10.0μm。
内包层区域的相对折射率Δ2可以是如下范围：0％至-0.25％、或-0.05％至-0.20％、或-0.10％至-0.20％。内包层区域的半径r2可以是如下范围：15μm至40μm、或者15μm至38μm、或者20μm至38μm、或者20μm至35μm、或者20μm至30μm、或者22μm至38μm、或者22μm至35μm、或者24μm至38μm、或者24μm至35μm。
外包层区域的相对折射率Δ3可以是如下范围：-0.20％至0.10％、或-0.15％至0.10％、或-0.10％至0.05％、或-0.05％至0.05％。外包层区域的半径r3可以是至少55μm、或至少60μm、或55-70μm、或60-65μm、或者约62.5μm。
相对折射率差Δ1-Δ2可以是至少0.15％、或者至少0.20％、或者至少0.25％、或者至少0.30％。相对折射率差Δ3-Δ2可以是至少0.05％、或者至少0.06％、或者至少0.08％、或者至少0.10％、或者至少0.12％、或者至少0.15％、或者至少0.20％。
光纤在1550nm波长处的模场直径可以是至少10.0μm、或者至少11.0μm、或者至少11.5μm、或者至少12.0μm、至少12.5μm、或者至少13.0μm、或者至少13.5μm、或者至少14.0μm、或者10.0μm至15.0μm、或者11.0μm至14.0μm。
本文光纤在1550nm波长处的有效面积可以是至少100μm2、或者至少110μm2、或者至少120μm2、或者至少130μm2、至少140μm2、或者至少150μm2、或者100μm2至180μm2、或者110μm2至165μm2或者120μm2至155μm2。
本文光纤在1550nm处通过直径为20mm的心轴的心轴缠绕测试确定的弯曲损耗可以小于4.0dB/圈、或者小于3.5dB/圈、或者小于3.0dB/圈、或者小于2.5dB/圈、或者小于2.0dB/圈、或者小于1.5dB/圈、或者小于1.0dB/圈。
本文光纤在1550nm处通过直径为30mm的心轴的心轴缠绕测试确定的弯曲损耗可以小于1.5dB/圈、或者小于1.0dB/圈、或者小于0.8dB/圈、或者小于0.6dB/圈、或者小于0.4dB/圈、或者小于0.3dB/圈、或者小于0.2dB/圈。
本文光纤在1550nm处通过直径为40mm的心轴的心轴缠绕测试确定的弯曲损耗可以小于0.6dB/圈、或者小于0.4dB/圈、或者小于0.2dB/圈、或者小于0.1dB/圈、或者小于0.05dB/圈、或者小于0.025dB/圈、或者小于0.01dB/圈。
本文光纤在1550nm处通过直径为50mm的心轴的心轴缠绕测试确定的弯曲损耗可以小于0.25dB/圈、或者小于0.10dB/圈、或者小于0.05dB/圈、或者小于0.02dB/圈、或者小于0.01dB/圈、或者小于0.005dB/圈、或者小于0.002dB/圈。
本文光纤在1550nm处通过直径为60mm的心轴的心轴缠绕测试确定的弯曲损耗可以小于5dB/100圈、或者小于3dB/100圈、或者小于2dB/100圈、或者小于1dB/100圈、或者小于0.5dB/100圈、或者小于0.2dB/100圈、或者小于0.1dB/100圈。
本文光纤在1550nm处的衰减可以小于0.18dB/km、或者小于0.175dB/km、或者小于0.17dB/km、或者小于0.165dB/km、或者小于0.16dB/km。
本文光纤的光缆截止波长可以小于1550nm、或者小于1500nm、或者小于1450nm、或者小于1400nm。
本文延伸至：
一种光纤，其包括：
纤芯区域，其包括氯浓度大于1.5重量％的Cl掺杂的二氧化硅玻璃，所述纤芯区域具有6.0-10.0微米的外半径r1和相对折射率Δ1；
围绕所述纤芯区域的内包层区域，所述内包层区域具有22-38微米的外半径r2和相对折射率Δ2；以及
围绕所述内包层区域的外包层区域，所述外包层区域具有相对折射率Δ3，所述相对折射率Δ3超过所述相对折射率Δ2至少0.06％；
其中，所述光纤具有小于1550nm的光缆截止，在1550nm处至少100微米2的有效面积，以及在1550nm处通过直径为20mm的心轴的心轴缠绕测试确定的小于3.5dB/圈的弯曲损耗。
本文延伸至：
一种制造光纤的方法，其包括：
从有机硅化合物形成烟炱；以及
用Cl掺杂所述烟炱，以及
烧结所述经掺杂的烟炱，所述经烧结、经掺杂的烟炱的Cl浓度至少为0.8重量％。
在以下的详细描述中给出了其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域技术人员而言是容易理解的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。
应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图是对本说明书所选择方面的示意，并且与说明书一起用来对属于本说明书的方法、产品和组合物的原理与操作进行解释。附图中所示的特征是所选择的本文的实施方式的示意，不必按比例绘制。
附图说明
尽管说明书以及权利要求书得出结论并具体指出和明确要求保护本说明书的主题，但是相信结合附图，能够更好地理解以下说明书，其中：
图1是具有纤芯、内包层区域、外包层区域、第一涂层和第二涂层的光纤的截面示意图。
图2显示光纤的玻璃部分的示意性折射率分布。
图3是经由OVD工艺的烟炱预成形件沉积的示意图。
图4显示用于掺杂和固结烟炱预成形件的设备。
图5-18显示示意性相对折射率分布。
图中所示的实施方式的性质为举例说明，不是用来限定详细说明或权利要求的范围。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的特征。
具体实施方式
下面将详细参见本说明书的示意性实施方式。
本说明书提供了展现出低衰减、低弯曲损耗和高有效面积的光纤。光纤包括纤芯和围绕纤芯的包层。包层包括内包层区域和外包层区域。
下面给出所选择的本文所用术语的解释：
“径向位置”或者径向坐标“r”指的是相对于光纤的中心线(r＝0)的径向位置。长度尺度“微米”在本文中可以被称作um或μm。基于微米的面积尺度在本文中可以被称作微米2或者μm2。
“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。对于本文所示的在相邻纤芯和/或包层区域之间具有阶梯式边界的相对折射率分布，处理条件的正常变化可排除在相邻区域的界面处获得锋利阶梯式边界。要理解的是，虽然本文可能将折射率分布的边界显示为折射率的阶梯式变化，但是实际上，边界可能是圆化的或者任意其他方式偏离完美阶梯式功能特性。还要理解的是，在纤芯区域和/或任意包层区域内，相对折射率值可能随着径向位置发生变化。当在光纤的特定区域(纤芯和/或任意包层区域)内，相对折射率随着径向位置发生变化时，它可以用其实际或近似的函数依赖性表示，或者以适用于该区域的平均值进行表示。除非另有说明，否则如果区域(纤芯区域和/或任意包层区域)的相对折射率表述为单值，则要理解的是，区域内的相对折射率是恒定或者近似恒定的，并且对应该单值，或者该单值表示依赖于区域内的径向位置的非恒定的相对折射率的平均值。无论是通过设计还是正常制造变化的结果，相对折射率对于径向位置的依赖性可能是倾斜的、弯曲的、或者任意其他方式非恒定的。
光纤的“相对折射率”或“相对折射率百分比”定义如下：
其中，n(r)是光纤在距离光纤的中心线的径向距离r处的折射率(除非另有说明)，并且nc是1.444，这是未掺杂的二氧化硅玻璃在波长为1550nm处的折射率。除非另有说明，否则，如本文所用的相对折射率用Δ(或“Δ”)或者Δ％(或“Δ％”)表示，其数值的单位是“％”。相对折射率也可表示为Δ(r)或Δ(r)％。
光纤的一个区域的平均相对折射率由如下决定：
式中，r内是该区域的内半径，r外是该区域的外半径，以及Δ(r)是该区域的相对折射率。
“术语α-分布”(也称作“α分布”)指的是相对折射率分布Δ(r)，其具有如下功能形式：
式中，ro是Δ(r)为最大值的点，r1是Δ(r)％为零的点，r的范围是ri≤r≤rf，其中，ri是α-分布的起点，rf是α-分布的终点，α是实数。在一些实施方式中，本文所示的例子可以具有如下纤芯α：1≤α≤100。在一些实施方式中，本文所示的例子可以具有如下纤芯α：1≤α≤10。在一些实施方式中，本文所示的例子可以具有如下纤芯α：10≤α≤100。在一些实施方式中，本文所示的例子可以具有如下纤芯α：10≤α≤30。
光纤的“有效面积”定义如下：
其中，f(r)是导光学信号的电场的横向分量，r是光纤中的径向位置。“有效面积”或者“A有效”取决于光学信号的波长，并且要理解的是，其在本文中指的是1550nm波长。当本文涉及“有效面积”或“A有效”时，会具体指出波长。
光纤的“模场直径”或“MFD”定义如下：
MFD＝2W
其中，f(r)是导光学信号的电场分布的横向分量，r是光纤中的径向位置。“模场直径”或“MFD”取决于光学信号的波长，并且要理解的是，其在本文中指的是1550nm波长。
“凹槽体积”定义如下：
其中，r凹槽，内是折射率分布的凹槽区域的内半径，r凹槽，外是折射率分布的凹槽区域的外半径，Δ凹槽(r)是折射率分布的凹槽区域的相对折射率，以及r是光纤中的径向位置。凹槽体积是绝对值并且是正数，在本文中表述为单位％Δ微米2、％Δ-微米2、％Δ-μm2或％Δμm2，这些单位在本文中可互换使用。
除非另外说明，否则在本文中，将“色散”称作“分散”，光纤的色散是材料色散、波导色散和模间色散之和。对于单模波导光纤，模间色散为零。双模体质中的色散值假设模间色散的色散值为零。零色散波长(λ0)是色散值等于零的波长。色散斜率表示色散相对于波长的变化率。在本文中，记录的色散和色散斜率是1550nm波长处的，并且表述的单位是nm/ps/km。
光纤的截止波长是光纤仅会支持一种传播模式时的最小波长。对于低于截止波长的波长，可能发生多模传输，并且可能产生额外的分散源来限制光纤的信息运载能力。截止波长在本文中会被记录为光纤截止波长或者光缆截止波长。光纤截止波长是基于2米光纤长度，以及光缆截止波长是基于22米光缆化的光纤长度。由于光缆环境中较高水平的弯曲和机械压力，22米光缆截止波长通常低于2米截止波长。
光纤的抗弯曲性可以通过规定测试条件下弯曲诱发的衰减进行度量。在本说明书中，通过心轴缠绕测试确定弯曲损耗。在心轴缠绕测试中，光纤缠绕到具有具体直径的心轴上，以及确定1550nm处缠绕构造中的光纤的衰减。弯曲损耗记录为在缠绕构造中的光纤衰减相对于未缠绕(笔直)构造中的光纤衰减的增加。本文的弯曲损耗记录的单位是dB/圈，其中，一圈对应于光纤绕着心轴圆周的单次卷绕。确定了心轴直径为20mm、30mm、40mm、50mm和60mm的弯曲损耗。
在用于测量微弯曲的丝网覆盖鼓测试中，用丝网缠绕400mm直径的铝鼓。网是在没有拉伸情况下的紧密缠绕。丝网应该是完好的，没有孔、下沉或损坏。用于本文所述的测量的丝网材料由抗腐蚀型304不锈钢编织丝布制造，具有如下特征：每线性英寸网为165x165，丝直径为0.0019”，宽度开口为0.0041”，开放区域％为44.0。将规定长度(750m)的波导光纤以1m/s绕到丝网鼓上，当施加80(+/-1)克的张力时，具有0.050cm的拉紧间距。规定长度光纤的端部胶带固定，以维持张力，并且没有光纤交叉。在选定的波长(通常在1200-1700nm范围内，例如，1310nm或1550nm或1625nm)测量光纤的衰减。测量绕到光滑鼓(即没有丝网的鼓)上的光纤的参比衰减。在具有丝网的鼓上所进行的测量中，相对于在光滑鼓上进行测量的光纤衰减的增加(单位dB/km)记录作为光纤在选定的波长处的丝网覆盖鼓衰减。
本文光纤包括纤芯和围绕纤芯的包层。光纤还可包括环绕了包层区域的第一涂层和环绕了第一涂层的第二涂层。包层可以与纤芯直接相邻。第一涂层可以与包层直接相邻。第二涂层可以与第一涂层直接相邻。包层区域可包含内包层区域和外包层区域。外包层区域可以与内包层区域直接相邻。内包层区域可以与纤芯直接相邻。第一涂层可以与外包层区域直接相邻。如本文所用，“直接相邻”指的是直接物理接触，其中，直接物理接触表述触摸关系。在替代实施方式中，居间层或者居间区域可以存在于：纤芯与包层之间，或者包层与第一涂层之间，或者第一涂层与第二涂层之间，或者内包层区域与纤芯之间，或者外包层区域与内包层区域之间，或者第一涂层与外包层区域之间。光纤中被一个或多个居间区域或居间层分隔开的元件在本文中被称作“相邻”，它们相互没有直接物理接触。
纤芯区域的折射率分布可设计成使得衰减损耗最小化同时维持光纤的大有效面积。可以对第一和第二涂层进行选择，以保护纤芯和包层的机械完整性，并且使得外部机械扰动对于光纤中引导的光学信号特性的影响最小化。第一和第二涂层可确保由于弯曲和其他扰动作用力所导致的损耗的最小化。包层区域的折射率分布也可以设计成起到降低弯曲损耗的作用。
如本文所用，半径r1和相对折射率Δ1(r)涉及纤芯，半径r2和相对折射率Δ2(r)涉及内包层区域，以及半径r3和相对折射率Δ3(r)涉及外包层区域。要理解的是，纤芯形成光纤的中心部分并且是基本圆柱形形状。还要理解的是，围绕的内包层区域和围绕的外包层区域是基本环形形状。环状区域可以用内半径和外半径进行表征。在本文中，径向位置r1、r2和r3分别涉及纤芯、内包层区域和外包层区域的最外半径。当两个区域相互直接相邻时，两个区域中靠内那个的外半径与两个区域中靠外那个的内半径是一致的。例如，在一个实施方式中，光纤包括内包层区域，其被外包层区域围绕且直接相邻。在该实施方式中，半径r2对应内包层区域的外半径和外包层区域的内半径。
在某些实施方式中，相对折射率分布可以包括纤芯与内包层区域之间的抵消区域(offset region)。半径r4和相对折射率Δ4(r)涉及的是抵消区域。半径r4指的是抵消区域的最外半径。当在相对折射率分布中存在抵消区域时，r1对应纤芯的外半径和抵消区域的内半径，而r4对应抵消区域的外半径和内包层区域的内半径。
如下文进一步详述，纤芯、内包层区域和外包层区域的相对折射率可以是不同的。每个区域可分别由二氧化硅玻璃或者基于二氧化硅的玻璃形成。基于二氧化硅的玻璃是用一种或多种元素进行掺杂或改性的二氧化硅玻璃。可以采用本领域技术人员已知的技术，通过结合正掺杂剂或负掺杂剂，以已知的水平提供目标折射率或折射率分布，从而完成折射率的变化。正掺杂剂是增加了玻璃相对于未掺杂的玻璃组合物的折射率的掺杂剂。负掺杂剂是降低了玻璃相对于未掺杂的玻璃组合物的折射率的掺杂剂。在一个实施方式中，正掺杂剂是纯二氧化硅玻璃。当未掺杂的玻璃是纯二氧化硅玻璃时，正掺杂剂包括Cl、Br、Ge、Al、P、Ti、Zr、Nb、和Ta，以及负掺杂剂包括F和B。可以通过不掺杂或者以均匀的浓度进行掺杂，来形成恒定折射率的区域。可以通过掺杂剂的不均匀空间分布，来形成变化的折射率的区域。
根据本公开的许多经涂覆的光纤中的第一种的示意性截面图如图1所示。光纤11包括纤芯12、包层13、第一涂层16和第二涂层17。包层13包括内包层区域14和外包层区域15。
图2呈现的是光纤的玻璃部分(纤芯和包层区域)的代表性折射率分布。图2显示如下光纤的相对折射率分布，所述光纤具有：纤芯(1)，其具有外半径r1和相对折射率Δ1；内包层区域(2)，其从径向位置r1延伸到径向位置r2且具有相对折射率Δ2；以及外包层区域(3)，其从径向位置r2延伸到径向位置r3且具有相对折射率Δ3。纤芯区域(1)在分布中具有最高相对折射率。纤芯区域(1)可以在中心线或者靠近中心线处具有较低折射率区域(现有技术中已知为“中心线下沉”)(未示出)。在图2所示的实施方式中，外包层区域3与内包层区域2直接相邻，所述内包层区域2与纤芯1直接相邻。
相对折射率Δ1、Δ2和Δ3的相对排序满足如下条件：
Δ1>Δ3>Δ2
其中，Δ1大于0，以及Δ2和Δ3可以分别等于0、小于0、或者大于0。当在相对折射率分布中存在抵消区域时，相对折射率Δ1、Δ4和Δ2满足如下条件：
Δ1>Δ4>Δ2
其中，Δ1大于0，以及Δ4和Δ2可以分别等于0、小于0、或者大于0。
在一个方面，本文光纤提供了低衰减和高有效面积(A有效)。低衰减部分是通过掺杂剂的空间均匀性使得瑞利散射最小化从而实现的。高A有效光纤部分是通过将纤芯的相对折射率Δ1控制到如下文所述范围实现的。但是，如本领域已知的是，具有高A有效的光纤对于弯曲更为敏感，并且由于弯曲损耗展现出比具有低A有效的光纤更高的衰减。为了抵消本文的高A有效光纤预期的弯曲损耗的增加，将本文光纤的相对折射率分布设计成包括具有大槽体积(moat volume)的内包层区域。
还希望实现具有高A有效、低衰减、低弯曲损耗和低应力-光学效应的光纤。应力-光学效应指的是在光纤拉制过程期间在纤芯中产生的应力。应力起到了降低光纤的相对折射率的作用，从而降低了纤芯与包层之间的相对折射率差异。由于高效限制和波导需要纤芯与包层之间的相对折射率的充分差异，因此希望使得应力-光学效应最小化。
纤芯中的应力-光学效应由两个主要因素决定：(1)由于纤芯与包层的粘度差异所产生的纤芯应力；和(2)由于纤芯与包层的热膨胀系数差异所产生的纤芯应力。对于具有多个区域的包层的光纤，与纤芯直接相邻的包层最为相关。出于本说明书的目的，对具有纤芯和内包层区域和外包层区域的包层的光纤描述应力-光学效应。因此，讨论会着重于应力-光学效应，因为他们与纤芯和直接相邻的内包层区域相关。
光纤拉制过程包括：将具有纤芯和包层(包括内包层区域和外包层区域)的光纤预成形件加热到软化点温度或者靠近软化点温度，以及拉制光纤。在拉制温度，由于组成不同，导致纤芯与内包层区域的粘度不同。粘度差在纤芯与内包层区域的界面处产生应力。应力传递到纤芯，并且随着拉制过程中光纤的冷却和固结，得到保留。由于纤芯与内包层区域之间的粘度失配产生的纤芯应力是应力-光学效应的一种原因。
应力-光学效应的第二种原因源自纤芯与内包层区域的热膨胀系数差异。热膨胀系数差异导致随着拉制过程中纤芯从软化点开始冷却并固结，纤芯相对于内包层区域的体积变化的差异。在冷却之后，具有高的热膨胀系数的材料经受的体积收缩大于具有低的热膨胀系数的材料。在软化点，纤芯和内包层区域是足够粘性的，允许结构松弛和应力消散，并且热膨胀系数的差异是不重要的。但是，随着拉制过程中光纤冷却形成固结光纤，由于纤芯与内包层区域的热膨胀系数的差异所导致的不同收缩产生界面应力，这导致在纤芯中建立起了应力。
取决于组成，应力-光学的两个主要应力贡献可能对纤芯的应力状态具有更大或更小的影响。在一些情况下，两个效应可以累积作用，增加纤芯中的应力水平；而在其他情况下，两个效应可以部分弥补或相互抵消，以提供小于单独每种效应的应力的净纤芯应力。
本文光纤的纤芯和内包层区域的组成已经经过选择，从而使得纤芯中的应力水平最小化。具体来说，用于纤芯和内包层区域的掺杂剂、掺杂浓度和相对折射率分布经过选择，从而使得应力-光学效应最小化，还同时提供了高有效面积和/或低弯曲损耗。
在一个实施方式中，纤芯是用Cl(氯)掺杂的二氧化硅玻璃。在另一个实施方式中，内包层区域是未掺杂的二氧化硅玻璃或者用F(氟)掺杂的二氧化硅玻璃。在另一个实施方式中，外包层区域是未掺杂的二氧化硅玻璃或者用F或Cl掺杂的二氧化硅玻璃。在另一个实施方式中，纤芯是用Cl掺杂的二氧化硅玻璃，并且不含Ge和K。
在一个实施方式中，纤芯是用Cl掺杂的二氧化硅玻璃，内包层区域是用F掺杂的二氧化硅玻璃，以及外包层区域是未掺杂的二氧化硅玻璃。在另一个实施方式中，纤芯是用Cl掺杂的二氧化硅玻璃，内包层区域是用F掺杂的二氧化硅玻璃，以及外包层区域是用Cl掺杂的二氧化硅玻璃。在另一个实施方式中，纤芯是用Cl掺杂的二氧化硅玻璃，内包层区域是用F掺杂的二氧化硅玻璃，以及外包层区域是用F掺杂的二氧化硅玻璃，其掺杂浓度低于内包层区域。在另一个实施方式中，纤芯是用Cl掺杂的二氧化硅玻璃，内包层区域是未掺杂的二氧化硅玻璃，以及外包层区域是掺杂的二氧化硅玻璃，其掺杂浓度低于纤芯的Cl浓度。在每种前述实施方式中，纤芯可以不含Ge和K。
在二氧化硅玻璃中使用Cl作为正掺杂剂优于使用Ge。难以均匀地在二氧化硅玻璃中结合Ge，并且易于发生浓度波动，这起到了经由瑞利散射导致衰减增加的作用。Cl可以在二氧化硅玻璃中作为掺杂剂以均匀浓度结合，并且导致降低的瑞利散射和降低的衰减。
Cl掺杂的二氧化硅玻璃优于未掺杂的二氧化硅玻璃作为光纤纤芯材料，因为Cl掺杂的二氧化硅玻璃的粘度低于未掺杂的二氧化硅玻璃，并且与经掺杂的二氧化硅玻璃包层材料的粘度更为紧密匹配，从而降低了对于由于纤芯与内包层区域之间的粘度差异所产生的纤芯应力的贡献。光纤的有效波导要求纤芯与内包层区域之间的相对折射率的充分差异。当二氧化硅玻璃是光纤的基础玻璃时，可以通过对纤芯进行正掺杂和对包层进行负掺杂，来实现纤芯与内包层区域的相对折射率差异。对于二氧化硅玻璃可能的负掺杂剂而言，F是优选的，因为可以控制其浓度分布，并且可以用F实现相对均匀掺杂。如同Cl掺杂的情况，用F掺杂二氧化硅玻璃导致软化点的粘度下降。
对于热膨胀对纤芯应力的影响，Cl掺杂的二氧化硅玻璃的热膨胀系数高于未掺杂的二氧化硅玻璃，以及F掺杂的二氧化硅玻璃的热膨胀系数类似于未掺杂的二氧化硅玻璃且小于Cl掺杂的二氧化硅玻璃。
可以改变Cl和F的掺杂浓度，以分别控制纤芯和内包层区域的热膨胀系数。在本文掺杂方案的一个实施方式中，纤芯和内包层区域分别用足够浓度的Cl和F掺杂，以确保纤芯与包层之间足够的折射率差异，同时通过以如下方式控制热膨胀系数和粘度的影响使得应力-光学效应最小化：通过两种效应产生的应力至少部分相互抵消以降低纤芯中的净应力。另一方面，随着纤芯的Cl掺杂浓度增加，纤芯的热膨胀系数增加。作为结果，对于内包层区域中给定的F掺杂浓度，热膨胀对于纤芯应力的贡献增加。另一方面，对于纤芯中给定的Cl掺杂浓度，随着内包层区域的F掺杂浓度增加，内包层区域的粘度相对于纤芯下降，并且对于纤芯应力的粘度失配的贡献增加。但是，随着氟掺杂增加，由于内包层区域的粘度相对于纤芯的粘度的增加，由于粘度失配导致的应力效应抵消了与纤芯相对于内包层区域较大的热膨胀系数相关的应力效应。通过平衡两者对于纤芯应力的贡献，可以实现低纤芯应力并使得应力-光学效应最小化。本文所揭示的纤芯中的Cl和内包层区域中的F的掺杂浓度经过选择，以促进两者贡献的平衡。还控制了纤芯中的Cl掺杂浓度和纤芯半径r1，以确保大的有效面积(A有效)。
纤芯中的Cl掺杂浓度可以是至少0.5重量％、或者至少0.8重量％or至少1.0重量％、或者至少1.25重量％、或者至少1.5重量％、或者至少1.75重量％、或者至少2.0重量％、或者至少2.25重量％、或者0.5重量％至3.0重量％、或者1.0重量％至2.75重量％、或者1.5重量％至2.5重量％。内包层区域中的F掺杂浓度可以是如下范围：0.10-0.50重量％、或者0.15-0.45重量％、或者0.20-0.40重量％。纤芯中的Cl掺杂浓度可以是0.5-3.0重量％，以及内包层区域中的F掺杂浓度可以是0.10-0.50重量％。纤芯中的Cl掺杂浓度可以是1.0-2.75重量％，以及内包层区域中的F掺杂浓度可以是0.15-0.45重量％。纤芯中的Cl掺杂浓度可以是1.5-2.5重量％，以及内包层区域中的F掺杂浓度可以是0.20-0.40重量％。在每种前述实施方式中，纤芯可以不含Ge和K。
在其他实施方式中，纤芯是用Cl掺杂的二氧化硅玻璃，以及内包层区域是未掺杂的二氧化硅玻璃。在这些实施方式中，通过抵消热膨胀系数失配和粘度失配对于纤芯应力的贡献，使得应力-光学效应最小化。Cl掺杂的纤芯的热膨胀系数高于未掺杂的二氧化硅包层区域，以及Cl掺杂的纤芯的粘度低于未掺杂的二氧化硅包层区域。作为结果，由于热膨胀产生的纤芯应力抵消或者部分抵消由于粘度差异产生的纤芯应力，从而提供减小的净纤芯应力并降低了应力-光学效应。
二氧化硅玻璃纤芯中的Cl掺杂浓度可以是2.0-3.0重量％以及内包层区域可以是未掺杂的二氧化硅玻璃，或者二氧化硅玻璃纤芯中的Cl掺杂浓度可以是2.2-2.8重量％以及内包层区域可以是未掺杂的二氧化硅玻璃，或者二氧化硅玻璃纤芯中的Cl掺杂浓度可以是2.3-2.7重量％以及内包层区域可以是未掺杂的二氧化硅玻璃。在每种前述实施方式中，纤芯可以不含Ge和K。
外包层区域是未掺杂的二氧化硅玻璃、正掺杂的二氧化硅玻璃或者负掺杂的二氧化硅玻璃。在一个实施方式中，外包层区域是用Cl掺杂的二氧化硅玻璃，以及Cl浓度是0.10-0.60重量％或者0.20-0.50重量％。在另一个实施方式中，外包层区域是用F掺杂的二氧化硅玻璃，以及F浓度是0.05-0.30重量％或者0.10-0.25重量％。
可以控制纤芯、内包层区域和外包层区域的组成，以提供与具有高有效面积(A有效)和低弯曲损耗的光纤相一致的相对折射率分布。
可以通过纤芯的相对折射率Δ1、纤芯的半径r1、和/或纤芯与内包层区域之间的相对折射率差异Δ1-Δ2部分地控制有效面积。通过内包层区域的相对折射率Δ2、内包层区域的半径r2、半径差r2-r1、内包层区域的凹槽体积、纤芯与内包层区域之间的相对折射率差异Δ1-Δ2、和/或内包层区域与外包层区域之间的相对折射率差异Δ3-Δ2，部分地控制弯曲损耗。
纤芯的相对折射率Δ1可以是如下范围：0.08％至0.30％、或0.10％至0.25％、或0.12％至0.20％、或0.14％至0.18％。纤芯的半径r1可以是如下范围：5.0μm至9.0μm、或者6.0μm至10.0μm、或者6.0μm至9.0μm、或者6.0μm至8.0μm、或者6.5μm至7.5μm、或者7.0μm至10.0μm。
内包层区域的相对折射率Δ2可以是如下范围：0％至-0.25％、或-0.05％至-0.20％、或-0.10％至-0.20％。内包层区域的半径r2可以是如下范围：15μm至40μm、或者15μm至38μm、或者20μm至38μm、或者20μm至35μm、或者20μm至30μm、或者22μm至38μm、或者22μm至35μm、或者24μm至38μm、或者24μm至35μm。
内包层区域的凹槽体积可以大于20％Δμm2、或者大于30％Δμm2、或者大于40％Δμm2、或者大于60％Δμm2、或者大于80％Δμm2、或者大于100％Δμm2、或者20-200％Δμm2、或者30-170％Δμm2、40-140％Δμm2。
外包层区域的相对折射率Δ3可以是如下范围：-0.20％至0.10％、或-0.15％至0.10％、或-0.10％至0.05％、或-0.05％至0.05％。外包层区域的半径r3可以是至少55μm、或至少60μm、或55-70μm、或60-65μm、或者约62.5μm。
相对折射率差Δ1-Δ2可以是至少0.15％、或者至少0.20％、或者至少0.25％、或者至少0.30％。相对折射率差Δ3-Δ2可以是至少0.05％、或者至少0.06％、或者至少0.08％、或者至少0.10％、或者至少0.12％、或者至少0.15％、或者至少0.20％。
相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.15％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.05％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.15％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.06％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.15％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.08％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.15％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.10％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.15％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.12％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.15％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.15％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.15％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.20％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.15％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.25％。
相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.20％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.05％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.20％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.06％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.20％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.08％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.20％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.10％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.20％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.12％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.15％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.20％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.20％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.20％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.20％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.25％。
相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.25％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.05％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.25％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.06％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.25％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.08％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.25％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.10％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.25％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.12％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.25％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.15％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.25％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.20％。相对折射率差异Δ1-Δ2可以是至少0.25％，以及相对折射率差异Δ3-Δ2可以是至少0.25％。
具有本文所述的掺杂方案和相对折射率分布的光纤具有高模场直径、大有效面积、低衰减和低弯曲损耗的特征。
光纤在1550nm波长处的模场直径可以是至少10.0μm、或者至少11.0μm、或者至少11.5μm、或者至少12.0μm、至少12.5μm、或者至少13.0μm、或者至少13.5μm、或者至少14.0μm、或者10.0μm至15.0μm、或者11.0μm至14.0μm。
本文光纤在1550nm波长处的有效面积可以是至少100μm2、或者至少110μm2、或者至少120μm2、或者至少130μm2、至少140μm2、或者至少150μm2、或者100μm2至180μm2、或者110μm2至165μm2或者120μm2至155μm2。
本文光纤在1550nm处通过直径为20mm的心轴的心轴缠绕测试确定的弯曲损耗可以小于4.0dB/圈、或者小于3.5dB/圈、或者小于3.0dB/圈、或者小于2.5dB/圈、或者小于2.0dB/圈、或者小于1.5dB/圈、或者小于1.0dB/圈、或者0.2-4.0dB/圈、或者0.3-3.5dB/圈、或者0.4-3.0dB/圈、或者0.5-2.5dB/圈。
本文光纤在1550nm处通过直径为30mm的心轴的心轴缠绕测试确定的弯曲损耗可以小于1.5dB/圈、或者小于1.0dB/圈、或者小于0.8dB/圈、或者小于0.6dB/圈、或者小于0.4dB/圈、或者小于0.3dB/圈、或者小于0.2dB/圈、或者0.05-1.5dB/圈、或者0.1-1.5dB/圈、或者0.15-1.0dB/圈、或者0.2-0.8dB/圈。
本文光纤在1550nm处通过直径为40mm的心轴的心轴缠绕测试确定的弯曲损耗可以小于0.6dB/圈、或者小于0.4dB/圈、或者小于0.2dB/圈、或者小于0.1dB/圈、或者小于0.05dB/圈、或者小于0.025dB/圈、或者小于0.01dB/圈、或者0.005-0.6dB/圈、或者0.005-0.5dB/圈、或者0.01-0.5dB/圈、或者0.01-0.4dB/圈。
本文光纤在1550nm处通过直径为50mm的心轴的心轴缠绕测试确定的弯曲损耗可以小于0.25dB/圈(25dB/100圈)、或者小于0.10dB/圈(10dB/100圈)、或者小于0.05dB/圈(5.0dB/100圈)、或者小于0.020dB/圈(2.0dB/100圈)、或者小于0.010dB/圈(1.0dB/100圈)、或者小于0.005dB/圈(0.5dB/100圈)、或者小于0.002dB/圈(0.2dB/100圈)、或者小于0.001dB/圈(0.1dB/100圈)、或者0.0005dB/圈至0.25dB/圈、或者0.001dB/圈至0.20dB/圈、或者0.001dB/圈至0.15dB/圈或者0.002dB/圈至0.15dB/圈。
本文光纤在1550nm处通过直径为60mm的心轴的心轴缠绕测试确定的弯曲损耗可以小于0.15dB/圈、或者小于0.10dB/圈、或者小于0.05dB/圈、或者小于0.02dB/圈、或者小于0.01dB/圈、或者小于0.005dB/圈、或者小于0.002dB/圈、或者0.001-0.15dB/圈、或者0.001-0.10dB/圈、或者0.002-0.15dB/圈、或者0.002-0.10dB/圈。
本文光纤在1550nm处通过丝网覆盖鼓微弯曲测试确定的弯曲损耗小于2.0dB/km、或者小于1.0dB/km、或者小于0.5dB/km、或者0.25-2.0dB/圈、或者0.25-1.0dB/圈、或者0.5-2.0dB/圈、或者0.5-1.5dB/圈。
本文光纤在1550nm处的衰减可以小于0.20dB/km、或者小于0.19dB/km、或者小于0.18dB/km、或者小于0.17dB/km、或者小于0.16dB/km。
本文光纤的光缆截止波长可以小于1600nm、或者小于1550nm、或者小于1500nm、或者小于1450nm、或者小于1400nm。
本文光纤在1550nm处的色散可以不超过26ps/nm/km、或者不超过24ps/nm/km、或者不超过22ps/nm/km、或者不超过22ps/nm/km。
本文光纤的纤芯和包层可以通过本领域众所周知的方法经由单步操作或多步操作生产。合适的方法包括：火焰燃烧法、火焰氧化法、火焰水解法、OVD(外部气相沉积)、IVD(内部气相沉积)、VAD(气相轴向沉积)、双坩埚法、管中棒过程、烟炱中杆过程和掺杂沉积二氧化硅过程。各种CVD工艺是已知的，并且适用于生产用于本发明的光纤的纤芯、内包层区域和外包层区域。它们包括外部CVD工艺、轴向气相沉积工艺、改性CVD(MCVD)、内部气相沉积和等离子体强化CVD(PECVD)。
用于二氧化硅的合适前体包括SiCl4和有机硅化合物。有机硅化合物是包含碳的硅化合物。有机硅化合物还可包含氧和/或氢。有机硅化合物的例子包括OMCTS(八甲基环四硅氧烷)、硅醇盐(Si(OR)4)、有机硅烷(SiR4)和Si(OR)xR4-x，其中，R是含碳有机基团或氢，以及其中，在每处的R可以是相同或不同的，前提是至少一个R是含碳有机基团。用于氯掺杂的合适前体包括Cl2、SiCl4、Si2Cl6、Si2OCl6、SiCl3H、和CCl4。用于氟掺杂的合适前体包括F2、CF4和SiF4。
可以通过形成预成形件、固结预成形件和拉制光纤，来制造本文所揭示的光纤。作为例子而非旨在进行限制，如图3和4显示了根据OVD方法形成二氧化硅(或者掺杂二氧化硅)烟炱预成形件。在图3中，可以通过将含二氧化硅烟炱22沉积到进行转动和平移的饵棒24的外表面上来形成烟炱预成形件20。饵棒24优选是逐渐变细的。通过向燃烧器26的火焰30提供气体形式的玻璃/烟炱前体28，对其进行氧化，从而形成烟炱22。向燃烧器26提供燃料32(例如甲烷(CH4))和支持燃烧的气体34(例如氧气)，并引燃，从而形成火焰30。标作为V的质量流量控制器向燃烧器26计量加入适量的玻璃/烟炱前体28、燃料32和支持燃烧的气体34，所有这些物质都优选是气体形式。玻璃/烟炱前体28是玻璃成形剂化合物，其在火焰30中氧化形成大致圆柱形形状的烟炱区域23，这可对应于光纤预成形件的纤芯。
在如图4所示形成烟炱纤芯预成形件之后，包含圆柱形烟炱区域23的烟炱纤芯预成形件20可以(例如用氯)掺杂并在炉29中烧结或固结以形成经烧结或固结的烟炱纤芯预成形件。在烧结或固结之前，去除图3所示的饵棒24，以形成空心圆柱形烟炱纤芯预成形件。在氯掺杂和烧结或固结过程期间，通过保持机制21，将烟炱纤芯预成形件20悬浮在例如炉29的纯石英马弗管27内部。在烧结或固结步骤之前，将预成形件20暴露于含氯气氛。例如，合适的氯掺杂气氛可以包含约0-70％的氦和30-100％的氯气，在一些实施方式中，包含50-100％的氯气，所处的温度约为950-1500℃，以及合适的掺杂时间约为0.5-10小时。
本文所揭示的光纤采用高氯掺杂浓度。可以通过控制多种变量来实现高氯掺杂水平。例如，可以使用较高温度来蒸发液体SiCl4(氯掺杂前体)，导致气相中SiCl4浓度的增加。在一些实施方式中，蒸发器温度高于40℃，在一些实施方式中，高于45℃，在一些其他实施方式中，高于50℃，以及在其他实施方式中，高于57℃。作为结果，在固结炉中可采用浓度增加的SiCl4。在一些实施方式中，通过蒸发器/起泡器的气体与到达炉的总流量的比例高于30％，在其他实施方式中，通过蒸发器/起泡器的气体与到达炉的总流量的比例高于50％，以及在其他实施方式中，通过蒸发器/起泡器的气体与到达炉的总流量的比例高于80％。余下的气体可以是氦气。在某些其他实施方式中，通过蒸发器/起泡器的气体与到达炉的总流量的比例是100％。
在一些实施方式中，在烧结过程期间用SiCl4或者其他Cl掺杂前体进行掺杂，即在烟炱预成形件进入封闭孔状态并变成完全烧结的预成形件之前和/或最晚至烟炱预成形件进入封闭孔状态并变成完全烧结的预成形件，对烟炱预成形件进行掺杂，这是在存在SiCl4或者其他Cl掺杂前体的情况下进行的，所处温度高于1300℃，在其他实施方式中，所处温度高于1375℃。在一些实施方式中，在烧结过程期间，在高于1400℃的温度进行氯掺杂。
使用较高烟炱表面积预成形件进行SiCl4或其他Cl掺杂前体的掺杂，是用于增加烟炱预成形件中的Cl掺杂浓度的另一种策略。在一些实施方式中，烟炱预成形件的表面积大于10m2/g；在其他实施方式中，烟炱预成形件的表面积大于20m2/g；在其他实施方式中，烟炱预成形件的表面积大于25m2/g；以及在其他实施方式中，烟炱预成形件的表面积大于50m2/g。在某些其他实施方式中，烟炱预成形件的表面积大于90m2/g。可以采用BET表面积表征技术来测量预成形件的表面积。
还可以通过如下方式来增加使用SiCl4或者其他Cl掺杂前体的氯掺杂量：在预成形件完全固结之前，用连续SiCl4(或其他Cl掺杂前体)和H2O/O2的暴露的多次循环来处理二氧化硅烟炱预成形件。不希望受限于理论，相信用SiCl4处理二氧化硅烟炱表面导致二氧化硅烟炱表面上的Si-OH位点处的氯掺杂，这是由于通过SiCl4与OH反应释放HCl并形成Si-O-Cl3基团。此外，SiCl4可以与二氧化硅烟炱预成形件的表面上的Si-O-Si键反应，以产生Si-Cl基团和Si-O-SiCl3基团。通过用水(和/或氧)处理，吸附的SiCl3基团中的每个Cl分子可以被转变成为OH基团，这进而变成后续SiCl4处理用于吸附额外SiCl3基团的反应性位点。通过工艺开发，将预成形件暴露于连续SiCl4和H2O(和/或O2)处理的重复循环，可以产生级联(cascading)(支化或不规则碎片状)表面结构，其结合了高的氯含量。相比于现有技术中所记录的氯掺杂水平，这导致固结玻璃中明显更高的氯掺杂水平。类似考虑适用于其他Cl掺杂前体。
可以用来增加预成形件的烟炱表面积的其他方法包括：1)低密度沉积；2)压制的高表面积烟炱；以及3)用溶胶凝胶二氧化硅(例如TEOS，在水解之前或之后)或纳米颗粒二氧化硅(例如，胶体二氧化硅)浸渍烟炱。
在氯掺杂步骤之后，可以对纤芯烟炱预成形件进行烧结。本发明采用的烧结温度可以优选为1100-1600℃、更优选约为1400-1550℃、以及最优选约为1480-1550℃。一种特别优选的烧结温度约为1490℃。在烧结之后，可以将芯预成形件拉制成较小直径并切割成一定长度，从而形成固结的氯掺杂玻璃芯杆。
可以在存在SiCl4或者其他Cl掺杂前体的情况下进行烧结。在Cl掺杂和/或烧结过程中，SiCl4或者其他Cl掺杂前体的分压可以大于0.5个大气压、或者大于1.0个大气压、或者大于2.0个大气压、或者大于5.0个大气压。
经烧结的Cl掺杂烟炱可以用作光纤制造中的玻璃纤芯或者玻璃芯杆。然后可以采用上文关于纤芯烟炱沉积工艺相同的方法，将形成内包层区域的额外烟炱沉积到玻璃纤芯或玻璃芯杆上。然后可以使用其中具有氟或者其他光纤掺杂剂的掺杂剂气体对内包层烟炱掺杂氟。例如，可以使用SiF4和/或CF4气体。这些掺杂剂气体的使用可以是常规掺杂温度，例如约为950-1250℃，持续0.25-4小时。本发明采用的烧结温度可以优选为1100-1600℃、更优选约为1400-1550℃、以及最优选约为1480-1550℃。一种特别优选的烧结温度约为1490℃。
可以从采用常规制造技术以及使用已知光纤拉制方法和设备制造的光纤预成形件拉制得到本文所述的光纤，例如，如美国专利第7,565,820号、第5,410,567号、第7,832,675号、第6,027,062号所公开，其说明书通过引用结合入本文。具体来说，通过牵引器从光纤预成形件的根部拉出光纤。在离开拉制炉之后，裸光纤遭遇直径监测器(D)，所述直径监测器(D)提供用于反馈控制回路的信号，以调节牵引器的速度来维持恒定的光纤直径。然后，裸光纤通过光纤张力测量装置(T)，其测量的由于从预成形件牵拉光纤所导致的光纤的张力。该张力可取决于光纤拉制速度、预成形件的根部的温度和粘度等发生增加。EP0479120 A2公开了光纤张力测量装置的一个例子，其通过引用结合入本文。
实施例
下面描述根据本说明书的示例性光纤，并进行建模以说明本文所揭示的一个或多个优选特征。
示例性光纤具有图5-18所示的相对折射率分布。示例性光纤包括纤芯区域、内包层区域和外包层区域。示例性光纤的不同区域的半径和相对折射率如表1a、1b和1c所示。外包层区域的半径延伸到62.5μm的半径r3，但是在图5-18所示的图中截去了外包层区域。表1a、1b和1c还包括每种示例性光纤的内包层区域的凹槽体积。列出了每种参数和对应附图的单位。分别通过在二氧化硅玻璃中包含Cl作为正掺杂剂和在二氧化硅玻璃中包含F作为负掺杂剂，获得了Δ>0和Δ<0的区域。相对折射率的值对于掺杂浓度基本呈线性，并且可以通过1重量％F～-0.32Δ％和1重量％Cl～0.10Δ％来估算。Δ＝0的区域对应未掺杂的二氧化硅玻璃。表1a、1b和1c所示的实施例具有纤芯α等于20。符号“Ex”表示“实施例”，并且对于示例性光纤1-14分别提供了区分参考。示例性光纤1-12不含纤芯与内包层区域之间的抵消区域。示例性光纤13和14在纤芯与内包层区域之间包含抵消区域。
表1a
参数 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
图 5 6 7 8 9
Δ1(％) 0.2 0.16 0.155 0.2 0.25
r1(μm) 6.2 6.7 7.4 7.3 7.4
Δ2(％) -0.12 -0.12 -0.1 -0.05 0
r2(μm) 22 25 22 25 25
V凹槽(％Δμm2) 107 139 85 57 62
Δ3(％) 0 0 0 0.02 0.055
r3(μm) 62.5 62.5 62.5 62.5 62.5
表1b
表1c
对示例性光纤1-14的光学性质进行建模，结果见表2a、2b和2c。
表2a
表2b
表2c
在表2a、2b和2c中，MFD指的是模场直径、A有效指的是有效面积，光缆截止波长指的是LP11模式，以及弯曲损耗是采用具有特定直径的心轴的心轴缠绕测试的建模。表1a、1b、1c、2a、2b和2c所示的光纤设计具有：1550nm处大于100μm2的有效面积，小于1550nm的光缆截止波长，1550nm处小于22ps/nm/km的色散，对于20mm芯轴直径在1550nm处小于3.5dB/圈的弯曲损耗，对于60mm芯轴直径在1550nm处小于2dB/100圈的弯曲损耗，以及小于0.17dB/km的衰减。这些光纤具有在1550nm波长处小于2dB/km的丝网鼓微弯曲损耗。这些光纤具有在1550nm波长处小于1dB/km的丝网鼓微弯曲损耗。在表1a、1b、1c、2a、2b和2c的本发明例子中，定义为(Δ2-Δ3)*(R2 2-R1 2)的凹槽体积(V凹槽)大于50％Δμm2。在一些实施方式中，凹槽体积(V凹槽)大于100％Δμm2。在其他一些实施方式中，凹槽体积(V凹槽)大于150％Δμm2。在某些实施方式中，光纤包括第一涂层(其杨氏模量小于1MPa)和第二涂层(其杨氏模量大于1200MPa)。在一些实施方式中，光纤包括第一涂层(其杨氏模量小于0.5MPa)和第二涂层(其杨氏模量大于1500MPa)。
除非另有表述，否则都不旨在将本文所述的任意方法理解为需要使其步骤以具体顺序进行。因此，当方法权利要求实际上没有陈述为其步骤遵循一定的顺序或者其没有在权利要求书或说明书中以任意其他方式具体表示步骤限于具体的顺序，都不旨在暗示该任意特定顺序。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不背离所示实施方式的精神或范围的情况下作出各种修改和变动。因为本领域的技术人员可以想到结合了所示实施方式的精神和实质内容的所揭示的实施方式各种改良、组合、子项组合和变化，应认为本说明书包括所附权利要求书范围内的全部内容及其等同内容。

Claims (57)

1.一种光纤，其包括：
纤芯区域，其包括氯浓度大于1.5重量％的Cl掺杂的二氧化硅玻璃，所述纤芯区域具有6.0-10.0微米的外半径r1和相对折射率Δ1；
围绕所述纤芯区域的内包层区域，所述内包层区域具有22-38微米的外半径r2和相对折射率Δ2；以及
围绕所述内包层区域的外包层区域，所述外包层区域具有相对折射率Δ3，所述相对折射率Δ3超过所述相对折射率Δ2至少0.06％；
其中，所述光纤具有：小于1550nm的光缆截止，在1550nm处至少100微米2的有效面积，以及在1550nm处通过直径为20mm的心轴的心轴缠绕测试确定的小于3.5dB/圈的弯曲损耗。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光缆截止小于1500nm。
3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光缆截止小于1450nm。
4.如权利要求1-3中任一项所述的光纤，其特征在于，所述纤芯不含Ge。
5.如权利要求1-4中任一项所述的光纤，其特征在于，所述外半径r1是7.0-10.0μm。
6.如权利要求1-5中任一项所述的光纤，其特征在于，所述相对折射率Δ1是0.08％至0.30％。
7.如权利要求1-6中任一项所述的光纤，其特征在于，所述相对折射率Δ1超过所述相对折射率Δ2至少0.20％。
8.如权利要求1-7中任一项所述的光纤，其特征在于，所述外半径r2是24-35μm。
9.如权利要求1-8中任一项所述的光纤，其特征在于，所述相对折射率Δ2是-0.25％至0％。
10.如权利要求1-9中任一项所述的光纤，其特征在于，所述相对折射率Δ3是-0.20％至0.10％。
11.如权利要求1-10中任一项所述的光纤，其特征在于，所述相对折射率Δ3超过所述相对折射率Δ2至少0.08％。
12.如权利要求1-10中任一项所述的光纤，其特征在于，所述相对折射率Δ3超过所述相对折射率Δ2至少0.10％。
13.如权利要求1-10中任一项所述的光纤，其特征在于，所述相对折射率Δ3超过所述相对折射率Δ2至少0.12％。
14.如权利要求1-10中任一项所述的光纤，其特征在于，所述相对折射率Δ3超过所述相对折射率Δ2至少0.15％。
15.如权利要求1-14中任一项所述的光纤，其特征在于，所述内包层区域与所述纤芯直接相邻。
16.如权利要求1-15中任一项所述的光纤，其特征在于，所述外包层区域与所述内包层区域直接相邻。
17.如权利要求1-16中任一项所述的光纤，其特征在于，在1550nm处的所述有效面积至少是130μm2。
18.如权利要求1-16中任一项所述的光纤，其特征在于，在1550nm处的所述有效面积至少是150μm2。
19.如权利要求1-18中任一项所述的光纤，其特征在于，对于20mm心轴直径，在1550nm处的所述弯曲损耗小于2.0dB/圈。
20.如权利要求1-18中任一项所述的光纤，其特征在于，对于20mm心轴直径，在1550nm处的所述弯曲损耗小于1.0dB/圈。
21.如权利要求1-2中任一项所述的光纤，其特征在于，所述Cl掺杂的纤芯包含1.75-2.75重量％Cl。
22.如权利要求1-21中任一项所述的光纤，其特征在于，所述内包层区域包括氟掺杂的二氧化硅玻璃。
23.如权利要求22所述的光纤，其特征在于，所述氟掺杂的二氧化硅玻璃中的氟浓度是0.10-0.50重量％。
24.如权利要求1-23中任一项所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550nm处的衰减小于0.17dB/km。
25.如权利要求1-24中任一项所述的光纤，其特征在于，所述光纤包括凹槽，所述凹槽的凹槽体积V凹槽大于50％Δ微米2。
26.如权利要求1-25中任一项所述的光纤，其特征在于，所述光纤包括凹槽，所述凹槽的凹槽体积V凹槽大于100％Δ微米2。
27.如权利要求1-25中任一项所述的光纤，其特征在于，所述光纤包括凹槽，所述凹槽的凹槽体积V凹槽大于150％Δ微米2。
28.如权利要求1-27中任一项所述的光纤，其特征在于，所述光纤通过采用60mm直径心轴的心轴缠绕测试确定的1550nm处的弯曲损耗小于2.0dB/100圈。
29.如权利要求1-27中任一项所述的光纤，其特征在于，所述光纤通过采用60mm直径心轴的心轴缠绕测试确定的1550nm处的弯曲损耗小于1.0dB/100圈。
30.如权利要求1-27中任一项所述的光纤，其特征在于，所述光纤通过采用60mm直径心轴的心轴缠绕测试确定的1550nm处的弯曲损耗小于0.5dB/100圈。
31.如权利要求1-27中任一项所述的光纤，其特征在于，所述光纤通过采用60mm直径心轴的心轴缠绕测试确定的1550nm处的弯曲损耗小于0.1dB/100圈。
32.如权利要求1-31中任一项所述的光纤，所述光纤还包括：(i)第一涂层，其杨氏模量小于1MPa；(ii)第二涂层，其杨氏模量大于1200MPa。
33.如权利要求1-31中任一项所述的光纤，所述光纤还包括：(i)第一涂层，其杨氏模量小于0.5MPa；(ii)第二涂层，其杨氏模量大于1500MPa。
34.如权利要求1-31中任一项所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550nm波长的色散不大于22ps/nm/km。
35.如权利要求1-31中任一项所述的光纤，所述光纤在1550nm波长处的丝网鼓微弯曲损耗小于2dB/km。
36.如权利要求1-31中任一项所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550nm波长处的丝网鼓微弯曲损耗小于1dB/km。
37.一种制造光纤的方法，其包括：
从有机硅化合物形成烟炱；以及
用Cl掺杂所述烟炱，以及
烧结所述经掺杂的烟炱，所述经烧结、经掺杂的烟炱的Cl浓度至少为0.8重量％。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述掺杂包括将所述烟炱加热到高于1300℃的温度。
39.如权利要求37或38所述的方法，其特征在于，所述烟炱的表面积大于50m2/g。
40.如权利要求37-39中任一项所述的方法，其特征在于，所述掺杂包括将所述烟炱暴露于Cl掺杂前体，所述Cl掺杂前体包括选自下组的化合物：SiCl4、Si2Cl6、Si2OCl6、SiCl3H、Cl2、和CCl4。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，所述Cl掺杂前体是SiCl4。
42.如权利要求40或41所述的方法，其特征在于，所述掺杂包括将所述Cl掺杂前体的分压维持在大于0.5个大气压。
43.如权利要求40或41所述的方法，其特征在于，所述掺杂包括将所述Cl掺杂前体的分压维持在大于1.0个大气压。
44.如权利要求40或41所述的方法，其特征在于，所述掺杂包括将所述Cl掺杂前体的分压维持在大于2.0个大气压。
45.如权利要求40或41所述的方法，其特征在于，所述掺杂包括将所述Cl掺杂前体的分压维持在大于5.0个大气压。
46.如权利要求40-45中任一项所述的方法，其特征在于，所述Cl掺杂前体是蒸气，所述蒸气是通过加热包含所述Cl掺杂前体的液体形成的。
47.如权利要求46所述的方法，其特征在于，在高于40℃的温度加热所述液体。
48.如权利要求37-47中任一项所述的方法，其特征在于，所述烟炱形成为纤芯烟炱预成形件。
49.如权利要求37-48中任一项所述的方法，其特征在于，所述经烧结、经掺杂的烟炱的Cl浓度至少为1.5重量％。
50.如权利要求37-48中任一项所述的方法，其特征在于，所述经烧结、经掺杂的烟炱的Cl浓度至少为2.0重量％。
51.如权利要求37-48中任一项所述的方法，其特征在于，所述经烧结、经掺杂的烟炱的Cl浓度至少为2.25重量％。
52.如权利要求37-51中任一项所述的方法，其特征在于，所述经烧结、经掺杂的烟炱不含Ge和K。
53.如权利要求37-51中任一项所述的方法，其还包括将第二烟炱沉积到所述经烧结、经掺杂的烟炱上。
54.如权利要求53所述的方法，其还包括用F掺杂所述第二烟炱。
55.如权利要求53或54所述的方法，其还包括固结所述第二烟炱。
56.如权利要求37-55中任一项所述的方法，其还包括拉制所述经烧结、经掺杂的烟炱。
57.如权利要求37-55中任一项所述的方法，其特征在于，所述有机硅化合物是八甲基四硅氧烷。
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