CN109121432B - 低弯曲损耗光纤 - Google Patents

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Abstract

本文揭示的波导光纤包括：(I)纤芯，其包括外半径r1、折射率Δ百分比Δ1最大值、和纤芯α，α大于5；以及(II)围绕纤芯的包层，所述包层包含：(i)内包层区域，其具有外半径r2和折射率Δ百分比Δ2，其中，Δ1最大值>Δ2；(ii)围绕内包层区域的凹槽区域，所述凹槽区域具有外半径r3，其中，r3≥10微米，和折射率Δ百分比Δ3；和(iii)围绕凹槽区域的外包层区域，所述外包层区域具有氯浓度≥1.2重量％且包括折射率Δ百分比Δ4，其中，Δ1最大值>Δ4和Δ2>Δ3和Δ4>Δ3，以及其中，Δ4与Δ3之间的差异≥0.12％。

Description

低弯曲损耗光纤
本申请根据35U.S.C.§119，要求2016年03月29日提交的美国临时申请系列第62/314,607号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及具有低弯曲损耗的光纤。
背景技术
存在对于低弯曲损耗的光纤的需求，特别是用于所谓的接入“(acces)”的光纤以及前体(FTTx)光学网络的光纤。可以在此类网络中以诱发传输通过光纤的光信号中的弯曲损耗的方式配置光纤。一些施加诱发弯曲损耗的物理需求(例如紧弯曲半径、光纤的压缩等)的应用包括光纤在光学下降电缆组件中的配置，具有工厂安装终端系统(FITS)和膨胀圈的分布电缆，位于连接馈电线和分布电缆的机柜内的小弯曲半径多端口，以及分配器和下降电缆之间的网络接入点中的跳线。
发明内容
根据至少一些实施方式，本文揭示的光波导光纤包括：(I)纤芯，其包括外半径r1、折射率Δ百分比Δ1最大值、和纤芯α，α>5；以及(II)围绕纤芯的包层，所述包层包含：(i)内包层区域，其具有外半径r2和折射率Δ百分比Δ2，其中，Δ1最大值>Δ2；(ii)围绕内包层区域的凹槽区域，所述凹槽区域具有外半径r3，其中，r3≥10微米，和折射率Δ百分比Δ3；和(iii)围绕凹槽区域的外包层区域，所述外包层区域具有氯浓度≥1.2重量％且包括折射率Δ百分比Δ4，其中，Δ1最大值>Δ4和Δ2>Δ3和Δ4>Δ3，以及其中，Δ4与Δ3之间的差异≥0.12％。光纤具有：在1310nm波长处的模场直径MFD>9微米，小于1260nm的光缆截止，对于15mm直径心轴在1550nm处小于0.5dB/圈的弯曲损耗，以及1300nm≤λ0≤1324nm，其中，λ0是零色散波长。
在一些实施方式中，凹槽区域的分布体积|V3|至少是30％Δ微米2。在一些实施方式中，凹槽区域的分布体积|V3|至少是45％，以及在一些实施方式中，至少是50％Δ微米2。根据一些实施方式，纤芯α至少是10。
在包层中具有凹槽区域(凹陷折射率区域)的光纤具有改进的(降低的)微弯曲损耗。可以通过对凹槽区域进行负掺杂(例如通过氟(F)掺杂或者通过非周期性空穴掺杂)或者通过外包层区域的正掺杂形成包层中的凹槽区域。在其他实施方式中，光纤可同时包括凹槽区域和相对于二氧化硅(SiO2)进行了正掺杂的外包层区域，即包层区域包含增加折射率的掺杂剂，例如氧化锗(GeO2)或氯(Cl)，其含量足以显著提升二氧化硅的折射率。
在一些实施方式中，1.2≤r2/r1≤2.5，例如，1.2≤r2/r1≤2.35，在1.25至2.3，或者在1.25至2.15。在本文所述的至少一些示例性实施方式中，1.6≤r2/r1≤2.4。
在一些实施方式中，Δ4与Δ3之间的差异至少是0.15％。在一些实施方式中，Δ1最大值与Δ2之间的差异大于或等于至少0.25％，Δ1最大值与Δ3之间的差异大于或等于至少0.35；以及Δ2与Δ3之间的差异大于或等于至少0.08。
在一些实施方式中，Δ4和Δ2具有相同值。在一些实施方式中，Δ4与Δ2之间的差异大于0.01％。在一些实施方式中，Δ4与Δ3之间的差异是0.15％至0.4％，在一些实施方式中，Δ4与Δ3之间的差异是0.15％至0.2％；以及在一些实施方式中，0.38≤Δ1最大值-Δ3≤0.65，例如，0.4≤Δ1最大值-Δ3≤0.5。在一些实施方式中，0.15≤Δ1最大值-Δ2≤0.45；0.38≤Δ1最大值-Δ3≤0.6；0.1≤Δ2-Δ3≤0.3；以及0.1≤Δ4-Δ3≤0.2。在一些实施方式中，0.25≤Δ1最大值-Δ2≤0.35，和0.4≤Δ1最大值-Δ3≤0.5，以及0.14≤Δ2-Δ3≤0.2。在一些实施方式中，0.15≤Δ4-Δ3≤0.2。
光纤实施方式具有如下光学性质：符合G.652，在1310nm处的MFD是9.0至9.5微米，零色散波长λ0的范围是1300nm≤λ0≤1324nm，光缆截止小于或等于1260nm(例如，1000nm至1260nm)，以及1550nm处的衰减≤0.185dB/km，以及在至少一些实施方式中，1550nm处的衰减≤0.181dB/km(例如，0.17至0.18dB/km)。
本文所揭示的示例性光纤能够展现出如下1550nm处的丝网覆盖鼓微弯曲损耗(1550nm处的WMCD)：小于或等于0.07dB/km，以及在一些实施方式中小于或等于0.05dB/km(例如，0.005至0.05dB/km)(即，来自未弯曲状态的衰减的增加)。本文所揭示的示例性光纤能够展现出1550nm处、-60℃时小于或等于0.05dB/km，以及在一些实施方式中小于或等于0.02dB/km，以及在一些实施方式中，小于或等于0.01dB/km(例如，0.001至0.01dB/km)的织篮微弯损耗(即，来自未弯曲状态的衰减的增加)。
此外，本文所揭示的光纤当绕着15mm直径心轴卷绕时，展现出1550nm处不超过0.5dB/圈的弯曲损耗。在其他实施方式中，1550nm处的15mm直径弯曲损耗不超过0.3dB/圈，以及在一些实施方式中，不超过0.2dB/圈，或者甚至小于0.1dB/圈(例如，0.075dB/圈至0.29dB/圈，或者0.09dB/圈至0.25dB/圈)。在一些实施方式中，1550nm处的30mm直径弯曲损耗(绕着30mm直径心轴卷绕光纤)不超过0.02dB/圈，例如，在1550nm处，不大于0.01dB/圈，以及在一些实施方式中，不超过0.005dB/圈，或者在一些实施方式中，不超过0.003dB/圈。
同时，这些光纤实施方式能够提供1550nm处小于或等于0.185dB/km的衰减，例如，小于0.182dB/km(例如，0.17dB/km至0.182dB/km或者0.17dB/km至0.18dB/km)，以及1310nm处小于或等于0.34dB/km的衰减，例如，不超过0.32dB/km。
可采用施涂到光纤的第一涂层和第二涂层来获得此类弯曲损耗和衰减性能数值，其中，第一涂层的杨氏模量小于2MPa，在一些实施方式中小于1MPa，以及在一些实施方式中小于0.5MPa。第二涂层的杨氏模量大于500MPa，在一些实施方式中，大于1000MPa，以及在一些实施方式中，大于1500MPa。在一些实施方式中，第二涂层的外直径是242微米。在一些其他实施方式中，第二涂层的外直径是200微米。
下面详细参考本文实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。
附图说明
图1显示对应本文所揭示的光波导光纤的一个实施方式的折射率分布。
图2显示本文所揭示的光纤的一个实施方式的折射率分布。
图3显示本文所揭示的光纤的一个实施方式的折射率分布。
图4显示本文所揭示的光纤的一个实施方式的折射率分布。
图5显示本文所揭示的光纤的一个实施方式的折射率分布。
图6显示本文所揭示的光纤的一个实施方式的折射率分布。
图7显示本文所揭示的光纤的一个实施方式的折射率分布。
具体实施方式
在以下的详细描述中提出了附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言由所述内容就容易理解，或按下面的描述和权利要求书以及附图所述实施而被认识。
根据至少一些实施方式，光纤具有低的衰减诱发的损耗，特别是对于紧弯曲(例如，15mm直径弯曲)，对于数据中心和家庭安装的光纤应用而言。根据至少一些实施方式，本文所揭示的光纤与现有安装的光纤网络系统是向下兼容的。根据至少一些实施方式，本文所揭示的光纤具有>9微米的1310模场直径，从而与现有安装的光纤具有低的接头损耗。本文所揭示的光纤可以是有线的，并且可以是具有发射器和接收器的网络系统的一部分。
“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。折射率分布的每个区段的半径具有缩写r1、r2、r3、r4a、r4等，本文中大小写可互换使用(例如，r1等于R1)。
“相对折射率百分比”(本文也称作“折射率Δ％”、“相对折射率”、“折射率Δ”和“相对折射率Δ”)定义为Δ％＝100x(ni 2-nc 2)/2ni 2，并且如本文所用，nc是未掺杂的二氧化硅的平均折射率。除非另有说明，否则，本文所用的相对折射率用Δ表示，其数值以“％”为单位。术语：delta、Δ、Δ％、％Δ、delta％、％delta和百分比Δ在本文中可互换使用。对于本文所述的实施方式，可以通过使光纤的整个折射率分布向上或向下移动，来获得等效的相对折射率分布。在区域的折射率小于未掺杂的二氧化硅的平均折射率的情况下，相对折射率百分比是负的，并且被称作具有凹陷区域或凹陷折射率。在区域的折射率大于包覆区域的平均折射率的情况下，相对折射率百分比是正的。在本文中，“正掺杂剂”视为相对于纯的未掺杂SiO2倾向于提高折射率的掺杂剂。在本文中，“负掺杂剂”视为相对于纯的未掺杂SiO2倾向于降低折射率的掺杂剂。正掺杂剂的例子包括：GeO2(氧化锗)、Al2O3、P2O5、TiO2、Cl、Br。负掺杂剂的例子包括氟和硼。在一些实施方式中，纤芯包含氧化锗掺杂的二氧化硅。在一些实施方式中，以重量％计，纤芯区域中的氧化锗最大浓度[GeO2]纤芯-最大值是4重量％≤[GeO2]纤芯-最大值≤13重量％，在一些实施方式中，6重量％≤[GeO2]纤芯-最大值≤12重量％，以及在一些实施方式中，7重量％≤[GeO2]纤芯-最大值≤11重量％。在一些实施方式中，纤芯包含氯掺杂的二氧化硅。在一些实施方式中，以重量％计，纤芯区域中的氯最大浓度[Cl]纤芯-最大值是1重量％≤[Cl]纤芯-最大值≤7重量％，在一些实施方式中，1重量％≤[Cl]纤芯-最大值≤6重量％，以及在一些实施方式中，1.5重量％≤[Cl]纤芯-最大值≤6重量％。
除非另外说明，否则在本文中，将“色分散”称作“色散”，波导光纤的色散是材料色散、波导色散和模间色散之和。对于单模波导光纤的情况，模间色散为零。零色散波长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。
“有效面积”如下等式1所定义：
A有效＝2π(∫f2r dr)2/(∫f4r dr) 等式1
式中，积分限为0至∞，r是距离纤芯中心的径向距离，以及f是与波导中所传播的光相关的电场的横向分量。如本文所用，“有效面积”或“A有效”指的是波长为1550nm的光学有效面积，除非另有说明。
术语“α分布”指的是折射率分布，用Δ(r)表示，单位为“％”，其中，r为半径，该参数符合如下等式(2)：
Δ(r)＝Δ(ro)(1-[|r-ro|/(r1-ro)]α) 等式2
式中，ro是纤芯中Δ(r)为最大值的点(径向位置)，r1是Δ(r)％为零的点，以及r的范围是ri≤r≤rf，其中，Δ如上文所定义，ri是α-分布的起点，rf是α-分布的终点，以及α是指数，为实数(本文称作“纤芯α”、“纤芯alpha”、“alpha值”或“α值”)。
采用彼得曼II方法测量模场直径(MFD)，其中，2w＝MFD，以及w2＝(2∫f2r dr/∫[df/dr]2r dr)，积分限是0至∞。
波导光纤的抗弯曲性可以通过规定测试条件下所诱发的衰减进行度量，例如通过将光纤绕着规定直径的心轴配置或缠绕，例如绕着6mm、10mm或20mm或者类似直径的心轴缠绕1圈(例如，“1x 10mm直径宏弯曲损耗”或“1x 20mm直径宏弯曲损耗“”)，并测量每圈的衰减增加。
一种弯曲测试类型是横向负荷微弯曲测试。在这种所谓的“横向负荷”测试(LLWM)中，将指定长度的波导光纤放置在两块平板之间。将70号金属丝网连接到其中一块板上。将已知长度的波导光纤夹在所述板之间，用30牛的力将所述板压在一起的同时，测量参比衰减。然后向板施加70牛顿的作用力，并测量衰减增加，单位为dB/m。衰减的增加是规定波长(通常在1200-1700nm范围内，例如，1310nm或1550nm或1625nm)处的波导的横向负荷衰减，单位dB/m。
另一种类型的弯曲测试是丝网覆盖的鼓微弯曲测试(WMCD)。在该测试中，用丝网缠绕400mm直径的铝鼓。网是没有拉伸情况下的紧密缠绕，并且不应该有孔、下沉或损坏。丝网材料规格：麦克马斯特-卡尔供应公司(McMaster-Carr Supply Company)(俄亥俄州克利夫兰市(Cleveland,OH))，部件编号85385T106，抗腐蚀型304不锈钢编织丝布，每线性英寸网为165x 165，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(750米)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0.050厘米的拉紧节距。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。在具体波长(通常在1200-1700nm范围内，例如，1310nm或1550nm或1625nm)测量光纤的衰减；测量绕到光滑鼓上的光纤的参比衰减。衰减的增加是规定波长(通常在1200-1700nm范围内，例如，1310nm或1550nm或1625nm)处的波导的丝网覆盖的鼓衰减，单位dB/km。
另一种弯曲测试类型是织篮微弯曲损耗测试。在织篮微弯曲损耗测试中，将光纤以高张力卷绕到玻璃线轴上，并暴露于温度循环。测试设备包括固定直径的二氧化硅鼓。鼓表面是光滑的。在该测试中，鼓直径是110mm。以70克的缠绕张力和2mm的节距(pitch)(相邻光纤卷之间的距离)将光纤缠绕到玻璃鼓上。以该张力和节距缠绕多层光纤。缠绕的各层的节距角相反。来自相邻层的张紧光纤的交叉产生微弯曲机制。使用2.5km的光纤长度。在约23°、约45％RH(相对湿度)进行初始光纤衰减测量，织篮构造中布置的光纤具有70克张力。在1310nm、1550nm和1625nm波长处进行初始衰减损耗测量。使用OTDR(光时域反射仪)来取得衰减损耗数据。
在23℃进行初始衰减损耗测量之后，光纤经受热循环。在热循环中，光纤首先以1℃/分钟的速率从23℃冷却到-60℃。光纤在-60℃维持20小时，然后以1℃/分钟的速率加热回到23℃。光纤在23℃维持2小时，然后以1℃/分钟的速率加热到70℃并在70℃维持20小时。然后，光纤以1℃/分钟的速率冷却到23℃，并在23℃维持2小时。然后，光纤经受第二次热循环，其与第一次热循环相同，即，从23℃冷却到-60℃，然后加热回到23℃，在该温度维持2小时，然后从23℃加热到70℃，之后，将其冷却回到23℃。最后，在将光纤在23℃的温度维持2小时之后，在第二次循环之后，光纤再一次以1℃/分钟的速率冷却到-60℃，在-60℃保持20小时，然后以1℃/分钟的速率进一步冷却到-60℃。光纤在-60℃维持20小时，然后以1℃/分钟的速率加热回到23℃并在23℃保持2小时。在此时终止热循环。
在光纤的热循环过程中，连续测量光纤的衰减损耗。确定在下降到-60℃的两次热循环期间的最大衰减损耗，本文中，将该最大衰减损耗与23℃时的初始衰减损耗之差记录为光纤在-60℃至70℃的温度范围上的织篮微弯曲损耗。在下降到-60℃的热循环中，在本文中，将-60℃时测得的衰减损耗与23℃时的初始衰减损耗之差记录为光纤在-60℃至23℃的温度范围上的织篮微弯曲损耗。
使用“销杆阵列(pin array)”弯曲测试比较波导光纤对弯曲的相对耐受性。为了进行该测试，对于处于基本无诱发弯曲损耗的波导光纤，测量衰减损耗。然后将波导光纤绕着销杆阵列编织，并再次测量衰减。由于弯曲诱发的损耗是两次测得的衰减之差。销杆阵列是一组十个圆柱形的销杆，它们排成单排，在平坦的表面上保持固定的垂直位置。销杆的中心-中心间距为5mm。销杆直径为0.67mm。在测试过程中，施加足够的张力，使得波导光纤顺应一部分的销杆表面。衰减的增加是规定波长(通常在1200-1700nm范围内，例如，1310nm或1550nm或1625nm)处的波导的销杆阵列衰减，单位dB。
对于给定模式，理论光纤截止波长或者“理论光纤截止”或“理论截止”是高于该波长导光就无法以该模式发生传播的波长。数学定义可参见“单模光纤(Single Mode FiberOptics)”，Jeunhomme，第39-44页，Marcel Dekker，纽约，1990，其中，将理论光纤截止描述为模式传播常数变得等于外包层中的平面波传播常数的波长。该理论波长适用于不具有直径变化的无限长的完美直光纤。
光纤截止采用标准2m光纤截止测试(FOTP-80(EIA-TIA-455-80))测量，得到“光纤截止波长”，也被称作“2m光纤截止”或者“测量截止”。通过进行FOTP-80标准测试从而使用受控量的弯曲提取出较高级的模式，或者将光纤的光谱响应标准化至多模光纤的光谱响应。
对于本文所用的光缆截止波长(“光缆截止”、“光缆截止波长”、或者“有线截止”)，指的是EIA-445光纤光学测试步骤所述的22m光缆截止测试所确定的光缆截止波长，其是EIA-TIA光纤光学标准的一部分，即电子工业联盟-电信工业联盟光纤光学标准(Electronics Industry Alliance-Telecommunications Industry Association FiberOptics Standards)。
除非本文另有说明，否则光学性质(例如，色散、色散斜率等)报道是LP01模式的。
本文所揭示的光纤能够在1550nm处展现出大于约70微米2，在一些实施方式中75至95微米2，例如约80至90微米2的有效面积。在一些实施方式中，1550nm处的光学模式有效面积约为82至88微米2。
(参见例如图1)光纤10的实施方式包括纤芯12(其包括最大折射率Δ百分比Δ1)和围绕纤芯12的包层20。在本文所揭示的至少一些实施方式中，纤芯α大于5(即，α>5)。根据本文所述的示例性实施方式，光纤10优选是单模光纤。
包层20包括：与纤芯12接触并且围绕纤芯12的内包层区域21，围绕内包层区域21的凹陷折射率包层区域22(本文也称作凹槽区域)。包层区域22具有折射率Δ百分比Δ3。外包层区域24围绕凹槽区域22并且包括折射率Δ百分比Δ4。凹槽区域是低折射率区域，被较高的折射率区域围绕。例如，如图1所示，包层20中的凹槽区域22被两个较高折射率包层区域(即，包层区域21和24)所围绕。
在本文所述的实施方式中，Δ1最大值>Δ4，Δ3<Δ2，以及Δ4>Δ3。在图1-7所示的实施方式中，包层区域21、22和24相互紧邻。但是，并不要求是这样，作为替代，可以采用额外的包层区域。
纤芯12包括外半径r1(其定义为从中心纤芯12的折射率Δ百分比的最大斜率绘制的切线与零Δ线相交的位置)，所述外半径r1是2.75-6微米，在一些实施方式中，约为3-5.75微米，例如，3.5-5.6微米，以及在一些实施方式中，4-5微米。纤芯12展现出折射率Δ百分比Δ1(相对于纯二氧化硅而言)。例如，纤芯的最大折射率Δ(Δ1最大值)可以是0％(如果是由纯二氧化硅制造的话)至0.65％，或者0.15-0.5％，以及在一些实施方式中，约为0.2-0.5％。在一些实施方式中，Δ1最大值≥0.38，例如，0.5≥Δ1最大值≥0.38。
在一些实施方式中，纤芯12展现出纤芯α(α)，其中，α大于5，例如，至少是10。在一些实施方式中，纤芯α大于或等于15。在一些实施方式中，纤芯12可以包括约为10-100的α，例如，在一些实施方式中，纤芯α(α)可以是15-100，以及在一些实施方式中，15-40。例如，在图1中显示了具有约为20的α1的示例性光纤实施方式的折射率分布。
在图3-7所示的实施方式中，内包层区域21与纤芯12相邻且包括内半径r1和外半径r2。内包层区域21优选展现出折射率Δ百分比Δ2≤0.3(相对于纯二氧化硅而言)。如上文所述，Δ1≥Δ2。在本文所述的示例性实施方式中，0.15％≤Δ1最大值-Δ2≤0.5％，例如，0.2％<Δ1最大值-Δ2<0.4％，或者，0.25％<Δ1最大值-Δ2<0.35。在一些实施方式中，Δ2是0-3％，例如，约为0-0.25％，或者约为0.1-0.2％。或者，例如如果纤芯区域12(本文也称作纤芯)是由纯二氧化硅制造的话，则内包层区域21相对于纯二氧化硅进行负掺杂，使得Δ1最大值-Δ2≤0.5％。内包层区域21的外半径r2是5-17微米，在一些实施方式中，约为7-15微米，例如，6-12微米或者6-10微米。在一些实施方式中，r2/r1之比>1.2。在一些实施方式中，r2/r1之比≥1.25，例如，1.25≤r2/r1≤2.5。在本文所述的至少一些示例性实施方式中，1.6≤r2/r1≤2.4。在本文所述的至少一些示例性实施方式中，1.8≤r2/r1≤2.35。上文所述半径r1的值、Δ1最大值与Δ2之间的差异、以及r2/r1之比帮助使得光纤具有1300nm≤λ0≤1324nm以及1310nm波长处8.2微米至9.5微米的MFD。
凹槽区域22(本文也称作凹陷折射率包层区域)围绕内包层区域21。凹陷区域22的折射率Δ3小于Δ2。在一些实施方式中，Δ3是-0.4％≤Δ3≤0.1％。例如，在一些实施方式中，凹槽是由纯二氧化硅形成的，以及Δ3是0。在一些实施方式中，凹槽区域22中的相对折射率Δ百分比是基本平坦的，即，凹槽区域22中的任意两个半径处的相对折射率Δ百分比之间的差异小于0.03％，以及在一些实施方式中，小于0.01％。在其他实施方式中，可以存在作为小的分布设计或工艺变化结果的波动。在一些实施方式中，凹槽区域22包含基本未掺杂氟或氧化锗的二氧化硅，即，使得该区域基本不含氟和氧化锗，即，小于0.1重量％F或GeO2。在一些实施方式中，凹槽区域是纯二氧化硅，在其他实施方式中，是掺杂了氟的二氧化硅，从而使得-0.4％≤Δ3≤0.1％。在一些实施方式中，0.35％≤Δ1最大值-Δ3≤0.65％。
凹槽区域22优选展现出约4微米至22微米(在一些实施方式中，8-22微米)的宽度Wt(其中，Wt＝r3-r2)。在一些实施方式中，凹槽区域的外半径r3可以不小于10微米，例如，大于12微米且小于27微米，或者约14.5微米至约25.5微米，从而实现良好的弯曲性能和光缆截止≤1260nm。外包层区域24围绕凹槽区域22并且包括折射率Δ百分比Δ4，其高于凹槽区域22的折射率Δ百分比Δ3，从而形成相对于凹陷折射率包层区域22的“正掺杂”外包层区域24，例如通过将掺杂剂(例如氧化锗或氯)的量增加至足以增加外包层区域的折射率。在一些实施方式中，在凹槽区域22中不存在氟或其他负掺杂剂，以及外包层区域24包含正掺杂剂(例如氯)。在一些实施方式中，外包层区域24中的氯浓度是≥1重量％。在一些其他实施方式中，外包层区域24中的氯浓度是≥1.2重量％。在其他实施方式中，外包层区域24中的氯浓度是≥1.5重量％。在其他实施方式中，外包层区域24中的氯浓度是≥2重量％。外包层区域24包括的折射率高于凹槽区域22的折射率，并且例如可以具有0.12％至0.4％的折射率Δ百分比Δ4。在一些实施方式中，0.12％≤Δ4–Δ3≤0.4％，例如在一些实施方式中，0.12％<Δ4–Δ3<0.3％。在一些实施方式中，外包层区域24包括第一外包层区域24a(其具有外半径r4a)和第二外包层区域24b(其具有外半径r4)，其中，第一外包层区域24a从r3到40微米的氯浓度≥1.2重量％。在一些实施方式中，第一外包层区域24a从r3到40微米的氯浓度≥1.5重量％，以及在一些实施方式中，第一外包层区域24a从r3到40微米的氯浓度≥2重量％。在一些实施方式中，第二外包层区域24b的粘度高度第一外包层。也就是说，第二外包层区域24b的玻璃粘度大于第一外包层区域24a的玻璃粘度。在这个实施方式中，第二外包层区域24b是张力吸收层。在一些实施方式中，第二外包层区域24b从r4a到r4的氯浓度≤0.5重量％(其中，r4a是高的(例如，≥1.2重量％Cl)正掺杂区域的外半径，例如如图2所示，以及r4是玻璃光纤的外半径，例如62.5微米)。在一些实施方式中，第二外包层区域24b从其内半径r4a到外半径r4的氯浓度≤0.25重量％。在一些实施方式中，第二外包层区域24b从r4a到r4的氯浓度[Cl]是0.0重量％[Cl]≤0.2重量％。在一些实施方式中，40微米≤r4a≤55微米，例如，r4a是40微米、45微米、50微米、或者55微米。优选地，外包层区域24(相比于凹槽区域22)较高的折射率部分至少延伸到传输通过光纤的光功率会大于或等于90％的传输的光功率的点，更优选延伸到传输通过光纤的光功率会大于或等于95％的传输的光功率的点，最优选延伸到传输通过光纤的光功率会大于或等于98％的传输的光功率的点，这对于实现良好的弯曲性能和光缆截止≤1260nm是优选的。在一些实施方式中，这是通过使得“正掺杂的”第三环形区域(即，第一外包层区域24a)至少延伸到约30微米的径向点来实现的。在一些实施方式中，“正掺杂的”第三环形区域24a至少延伸到约40微米的径向点，使得第四环形区域(即，第二外包层区域24a)基本上包含围绕第三环形区域的二氧化硅。在一些实施方式中，包层20的外直径是约125微米的最大半径R最大值的两倍。如图2所示，外包层24的正掺杂区域24a(即，第一外包层区域)具有折射率Δ百分比Δ4，以及包层区域24b(即，第二外包层区域)具有折射率Δ百分比Δ5，以及Δ4>Δ5。
采用半径r2和r3之间的Δ(4-3)(r)rdr来计算凹槽区域22的分布体积V3，从而定义为如下等式3：
Figure GDA0002457994830000111
所有的体积是绝对量(即，V3＝|V3|)。为了实现良好的弯曲性能，凹槽区域22的体积V3优选大于30％Δ微米2，并且可以大于45％Δ微米2，以及在一些实施方式中，大于50％Δ微米2，以及在一些实施方式中，可以大于55％Δ微米2。在一些实施方式中，凹槽区域22的体积V3是30％Δ微米2至90％Δ微米2，例如，40至80％Δ微米2。
在本文所揭示的示例性实施方式中，纤芯12整个具有正的折射率。纤芯区域12的最大折射率Δ百分比Δ1最大值位于r＝0和r＝3微米之间。在这些实施方式中，Δ1最大值是约0.38％至约0.5％。
对于MAC数≥7.25的光纤，当绕在15mm直径心轴上的时候，光纤能够展现出小于0.5dB/圈的弯曲损耗。在一些实施方式中，本文所揭示的光纤具有MAC数≥7.6或者甚至≥7.7，以及在一些例子中，7.6≤MAC≤8，以及零色散波长λ0是1324nm≥λ0≥1300nm。如本文所用，MAC数表示1310(nm)处的模场直径除以22m光缆截止波长(nm)。
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。
通过以下实施例进一步阐述本文的各个示例性实施方式。对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不背离权利要求书的精神或范围的情况下作出各种修改和变动。
实施例
下表1列出了光纤实施方式实施例1-3的特性。这些光纤实施方式的折射率分布如图3-5所示。具体来说，以下对于各个实施例所示的是：纤芯12的折射率Δ百分比Δ1、α1(α1)和外半径r1；内包层区域21的折射率Δ百分比Δ2和外半径r2；以及凹槽区域22的折射率Δ百分比Δ3、和外半径r3以及分布体积V3，这是在r2和r3之间进行计算；折射率Δ百分比Δ4。还示出了1310nm处的色散和色散斜率；1550nm处的色散和色散斜率；1310nm和1550nm处的模场直径；1550nm处的横向负荷丝网微弯曲；1550nm处的销杆阵列宏弯曲；零色散波长(λ0)；22m光缆截止；1310nm处的MAC数；1x 15mm直径弯曲损耗(当光纤绕着15mm直径心轴绕一圈时的弯曲损耗)；以及1310和1550nm处的光谱衰减。
表1
Figure GDA0002457994830000121
Figure GDA0002457994830000131
Figure GDA0002457994830000141
从上表1可以看出，表1所示的示例性光纤采用的是：玻璃纤芯区域12，其具有折射率Δ1；内包层区域21，其具有折射率Δ2；和包层凹槽区域22，其具有折射率Δ百分比Δ3；以及外包层区域24，其具有折射率Δ百分比Δ4；其中，Δ1最大值>Δ2，Δ1最大值>Δ4，Δ3>Δ2，Δ4>Δ3，其中，Δ1最大值与Δ2之间的差异大于或等于至少0.15，Δ1最大值与Δ3之间的差异大于或等于至少0.35(例如，0.38≤Δ1最大值-Δ3≤0.65)，Δ2与Δ3之间的差异大于或等于至少0.08(例如，0.08≤Δ2-Δ2≤0.4)，以及Δ4与Δ3之间的差异大于或等于至少0.08(例如，0.1≤Δ4-Δ3≤0.4，或者0.1≤Δ4-Δ3≤0.3)；以及分布体积的绝对值|V3|至少是30％Δ微米2。这些光纤具有：1310nm处9微米至9.5微米(例如，9.2微米至9.5微米)的模场直径(MFD)，以及1300nm至1324nm的零色散波长。这些光纤具有1550nm和1310nm处分别≤0.18dB/km和≤0.32dB/km的衰减。
下表2列出了光纤实施例4实施方式的特性。这个光纤实施方式的折射率分布如图6所示。
表2
Figure GDA0002457994830000151
Figure GDA0002457994830000161
从上表2可以看出，如图2和图6所示的示例性光纤采用的是：玻璃纤芯区域12，其具有折射率Δ百分比Δ1最大值；内包层区域21，其具有折射率Δ百分比Δ2；和凹槽区域22，其具有折射率Δ百分比Δ3；以及第一外包层区域24a，其具有折射率Δ百分比Δ4和第二外包层区域24b，其具有折射率Δ百分比Δ5；其中，Δ1最大值>Δ2，Δ1最大值>Δ4，Δ3>Δ2，Δ4>Δ3，其中，Δ1最大值与Δ2之间的差异大于或等于至少0.15，Δ1最大值与Δ3之间的差异大于或等于至少0.35(例如，0.38≤Δ1最大值-Δ3≤0.65)，Δ2与Δ3之间的差异大于或等于至少0.08(例如，0.08≤Δ2-Δ2≤0.4)，以及Δ4与Δ3之间的差异大于或等于至少0.08(例如，0.1≤Δ4-Δ3≤0.4，或者0.1≤Δ4-Δ3≤0.3)；以及分布体积的绝对值|V3|至少是30％Δ微米2。在这个实施方式中，包层区域24b是相对折射率百分比约为0的二氧化硅层。包层区域24b(即，第二外包层区域)起到刚性张力吸收层的作用。这个光纤实施方式具有：1310nm处9微米至9.5微米的模场直径(MFD)，以及1300nm至1324nm的零色散波长。
本文所述的光纤实施方式展现出小于或等于1260nm的光缆截止，以及当缠绕在15mm直径心轴上的时候，小于0.5dB/转的弯曲损耗。这些光纤还展现出1310nm处约为9-9.5微米的模场直径，1300-1324nm之间的零色散波长，1310nm处小于或等于0.092ps/nm2/km的色散斜率。这些光纤展现出1550nm处小于或等于0.07dB/km(在一些实施方式中，小于或等于0.06dB/km，以及在一些实施方式中，小于或等于0.05dB/km)的丝网覆盖鼓(WMCD)弯曲损耗。这些光纤还展现出1550nm处小于8.5dB、在一些实施方式中小于5dB、以及在一些实施方式中小于4dB的销杆阵列弯曲损耗。这些光纤展现出1550nm处小于或等于0.05dB/km(在一些实施方式中，小于或等于0.025dB/km，以及在一些实施方式中，小于或等于0.01dB/km)的织篮微弯曲损耗。
当缠绕在15mm直径心轴上的时候，这些光纤中的大部分还展现出1550nm处小于0.5dB/圈的弯曲损耗，并且在一些情况下小于0.2dB/圈。当缠绕在20mm直径心轴上的时候，这些光纤还展现出1550nm处小于0.2dB/圈的弯曲损耗，在一些实施方式中小于0.15dB/圈，以及在一些实施方式中一些光纤是小于0.1dB/圈。当缠绕在30mm直径心轴上的时候，这些光纤还展现出1550nm处的如下弯曲损耗：小于0.02dB/圈，例如小于0.005dB/圈，或者甚至小于0.003dB/圈。
可采用施涂到光纤的第一涂层和第二涂层来获得此类弯曲损耗和衰减性能数值，其中，第一涂层的杨氏模量小于2MPa，在一些实施方式中小于1MPa，以及在一些实施方式中小于0.5MPa。第二涂层的杨氏模量大于500MPa，在一些实施方式中，大于1000MPa，以及在一些实施方式中，大于1500MPa。在一些实施方式中，第二涂层的外直径是242微米。在一些其他实施方式中，第二涂层的外直径是200微米。
表3提供了制造的光纤实施方式(实施例5光纤)的数据。光纤实施例5光纤的折射率分布如图7所示。
表3：制造的光纤的数据
Figure GDA0002457994830000181
Figure GDA0002457994830000191
在表3的实施方式中，光纤展现出-60℃、1550nm处小于或等于0.05dB/km(例如，小于或等于0.03dB/km)的织篮微弯曲损耗。
在一些实施方式中，光纤纤芯可包括具有所谓的中心线下沉的相对折射率分布，这可能是由于一种或多种光纤制造技术的结果发生的。但是，本文所揭示的任意折射率分布中的中心线下沉是任选的。
本文揭示的光纤包括纤芯12和包围纤芯并与之直接相邻的包层20。根据一些实施方式，纤芯包含掺杂了锗的二氧化硅，即掺杂了氧化锗的二氧化硅。根据一些实施方式，纤芯包含掺杂了氯的二氧化硅，即氯掺杂的二氧化硅。在本文所揭示的光纤中，可以单独或以组合方式使用锗或氯以外的掺杂剂，特别是在中心线处或者中心线附近，以得到所需的折射率和密度。在一些实施方式中，本文所揭示的光纤10的纤芯区域12具有非负的折射率分布，更优选是正的折射率分布，内包层区域21围绕纤芯区域12并与其直接相邻。
本文所揭示的光纤可以围绕有保护涂层，例如，接触并围绕了外包层区域24的第一涂层P，所述第一涂层P具有小于1.0MPa的杨氏模量，在一些实施方式中，小于0.9MPa，以及在一些实施方式中，不超过0.8MPa，并且还包括接触并围绕了第一涂层P的第二涂层S，所述第二涂层S具有大于1200MPa的杨氏模量，以及在一些实施方式中，大于1400MPa。
根据一些实施方式，在具有第一和第二涂层的情况下，第二涂层的外直径小于250微米。根据一些实施方式，光纤还涂覆了第一和第二涂层，以及第二涂层的外直径小于210微米。
如本文所用，第一涂层的固化聚合物材料的杨氏模量、致断伸长和抗张强度是使用张力测试设备(例如Sintech MTS张力测试仪或因斯卓通用材料测试系统(INSTRONUniversal Material Test System))对厚度约为0.003"(76微米)至0.004"(102微米)、宽度约为1.3厘米的膜状材料样品测量的，测量采用的测量长度为5.1cm，测试速度为2.5cm/分钟。
合适的第一和第二涂层的其他描述可参见PCT公开号WO 2005/010589，其全文通过引用结合入本文。
优选地，本文所揭示的光纤具有低含量OH，并且优选具有这样一种衰减曲线，其在特定波长区域(特别是E带)中展现出较低的水峰或者没有展现出水峰。本文所揭示的光纤优选在1383nm处具有的光学衰减(光谱)比1310nm处的光学衰减高不超过0.10dB/km，更优选地，不超过1310nm处的光学衰减。在经受氢气氛之后(例如，0.01atm分压氢气持续至少144小时之后)，本文所揭示的光纤优选具有1383nm处小于0.03dB/km的最大氢诱发的衰减变化。
低水峰通常提供较低的衰减损耗，特别是对于约1340nm至约1470nm的传输信号而言。除此之外，低水峰还为泵浦发光装置提供了改进的泵浦效率，所述泵浦发光装置光学耦合到光纤，例如，可以运行在一个或多个泵浦波长的拉曼泵或拉曼放大器。优选地，拉曼放大器以比任意所需的运行波长或波长区域低约100nm的一个或多个波长泵送一个或多个波长。例如，承载约1550nm波长的运行信号的光纤可以用拉曼放大器以约1450nm的泵浦波长进行泵送。因此，约1400nm至约1500nm的波长区域中的较低光纤衰减会倾向于降低泵衰减并增加泵效率，例如，每毫瓦泵功率增益，特别是对于约1400nm的泵浦波长而言。
本文所揭示的光纤展现出低PMD值，特别是当用OVD工艺制造时。光纤的旋绕还可降低本文所揭示的光纤的PMD值。
应理解，前述描述仅是示例性的并且旨在提供权利要求书所限定的光纤的性质和特性的总体理解。包括的附图提供了对本文实施方式的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了各个特征和实施方式，并与其说明书一起用来解释原理和操作。对于本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离所附权利要求的精神或范围的情况下，对本文所述的实施方式进行各种改动。

Claims (25)

1.一种单模光纤，其包括：
(I)纤芯，其具有外半径r1，最大折射率Δ百分比Δ1最大值，和纤芯α>5；
(II)围绕所述纤芯的包层，所述包层包括：
(i)内包层区域，其具有外半径r2和折射率Δ百分比Δ2，其中，Δ1最大值>Δ2；和
(ii)围绕所述内包层区域的凹槽区域，所述凹槽区域具有外半径r3>10微米和折射率Δ百分比Δ3；和
(iii)围绕所述凹槽区域的外包层区域，所述外包层区域具有氯浓度大于1.2重量％且包括折射率Δ百分比Δ4；其中，Δ1最大值>Δ4和Δ2>Δ3和Δ4>Δ3，以及其中，Δ4-Δ3≥0.12％，并且所述光纤展现出：在1310nm波长处的模场直径MFD>9微米，小于1260nm的光缆截止，对于15mm直径心轴在1550nm处小于0.5dB/圈的弯曲损耗，1300nm≤λ0≤1324nm，其中，λ0是零色散波长，以及1550nm处-60℃时小于或等于0.05dB/km的织篮微弯曲损耗。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述凹槽区域的分布体积|V3|至少是30％Δ微米2。
3.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述凹槽区域的分布体积|V3|至少是45％Δ微米2。
4.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，Δ4-Δ3≥0.15％。
5.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，Δ1最大值-Δ2≥0.25％，和Δ1最大值-Δ3≥0.35，和Δ2-Δ3≥0.08％。
6.如权利要求5所述的光纤，其特征在于，0.15％≤Δ4-Δ3≤0.4％。
7.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述纤芯具有小于10重量％的氧化锗。
8.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述凹槽区域含有0至2重量％的氟。
9.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述外包层区域包括Cl浓度≥1.5重量％。
10.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，内包层半径与纤芯半径之比是1.2<r2/r1<2.5。
11.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤还展现出1550nm处小于或等于0.05dB/km的丝网覆盖鼓微弯曲损耗。
12.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤还展现出1550nm处小于或等于0.01dB/km的丝网覆盖鼓微弯曲损耗。
13.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述凹槽区域基本不含氟和氧化锗。
14.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，对于从r3延伸到至少30微米半径的径向位置，Δ4≥Δ2。
15.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550nm处展现出小于或等于0.18dB/km的衰减。
16.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1310nm处展现出小于或等于0.32dB/km的衰减。
17.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，纤芯α大于10。
18.如权利要求1-17中任一项所述的光纤，其特征在于，9微米<1310nm处的MFD<9.5微米。
19.如权利要求1-17中任一项所述的光纤，所述光纤还展现出1550nm处、-60℃时小于或等于0.01dB/km的织篮微弯曲损耗。
20.如权利要求1-17中任一项所述的光纤，所述光纤还涂覆了第一和第二涂层，其中，第二涂层的外直径小于250微米。
21.如权利要求1-17中任一项所述的光纤，所述光纤还涂覆了第一和第二涂层，其中，第二涂层的外直径小于210微米。
22.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述外包层区域包括第一外包层区域和第二外包层区域，所述第一外包层区域具有折射率Δ百分比Δ4和氯浓度大于1.2重量％，所述第二外包层区域围绕所述第一外包层区域并且包括折射率Δ百分比Δ5，使得Δ4>Δ5，所述第二外包层区域的氯浓度小于0.5重量％。
23.如权利要求22所述的光纤，其特征在于，所述第二外包层区域的玻璃粘度大于所述第一外包层区域的玻璃粘度。
24.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，以重量％计，所述纤芯区域中的最大氧化锗浓度[GeO2]纤芯-最大值是4重量％≤[GeO2]纤芯-最大值≤13重量％。
25.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，以重量％计，所述纤芯区域中的最大氯浓度[Cl]纤芯-最大值是1重量％≤[Cl]纤芯-最大值≤7重量％。
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