CN109791250A - 包覆物折射率变化的光纤及其形成方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有低衰减的光纤及其制造方法。所述光纤具有芯体、围绕芯体的内包覆物以及围绕内包覆物的外包覆物。所述外包覆物是掺氯的，使得相对折射率根据半径而变化。外包覆物的径向变化的相对折射率降低了芯体和内包覆物中的过量应力，这有助于减少光纤衰减，同时还减少了宏弯和微弯损耗。制造光纤的方法包括用氯掺杂烟炱预制件的烟炱包覆物层，然后从烟炱包覆物层的最外部区域移除一部分氯掺杂剂。随后对具有经过修正的氯掺杂剂分布的烟炱预制件进行烧结以形成玻璃预制件，其可随后用于拉制光纤。

Description

包覆物折射率变化的光纤及其形成方法

本申请依据35U.S.C.§119要求于2016年9月21日提交的系列号为62/397,506的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并通过引用将其全文纳入本文。

技术领域

本公开一般涉及光纤，具体地涉及具有变化的包覆物折射率的低衰减光纤及其形成方法。

背景技术

具有低衰减的玻璃光纤最近在电信领域受到大量关注。用于改进衰减性质的技术在许多类型的光纤中可起到重要作用，这些光纤包括用于长距离应用的传输光纤，用于光纤到家应用新兴领域的多模光纤，以及其中弯曲损耗限制许多设计无法用于实际应用的色散补偿光纤。

发明内容

本公开的一个方面为一种具有径向坐标r的光纤，其包括：具有外半径r₁和相对折射率Δ₁(r)的芯体，所述相对折射率Δ₁(r)具有最大值Δ_1最大，所述芯体以中心轴为中心并且α值大于1；内包覆物，其直接围绕芯体，具有相对折射率Δ₂且外半径r₂大于9微米；外包覆物，其直接围绕内包覆物并且具有外半径r₃和相对折射率Δ₃(r)，所述相对折射率Δ₃(r)在半径r＝r_最大处包含最大相对折射率Δ_3最大>Δ₂，并且在半径r＝r_最小处包含最小相对折射率Δ_3最小，其中r_最小>r_最大；其中：i)Δ_1最大>Δ_3最大>Δ₂；ii)Δ_3最大–Δ₂>0.005Δ％；且iii)Δ_3最大–Δ_3最小≥0.01Δ％；并且其中，外包覆物包含掺氯二氧化硅，并且氯浓度C随着径向坐标而变化。

本公开的另一个方面是如上所述的光纤，其中，α值小于10。

本公开的另一个方面是如上所述的光纤，其中，氯浓度C在处于r₂至40微米之间的径向坐标r_C-最大处具有最大氯浓度C_最大，并且在处于r＝40微米至r₃＝62.5微米之间的径向坐标r_C-最小处具有最小氯浓度C_最小，其中C_最大比C_最小高至少百万分之1000(1000ppm)。

本公开的另一个方面是如上所述的光纤，其中，C_最大比C_最小高至少1500ppm。

本公开的另一个方面是如上所述的光纤，其中，C_最大比C_最小高至少2,000ppm。

本公开的另一个方面是如上所述的光纤，其在1550nm的波长处具有小于0.185dB/km的衰减。

本公开的另一个方面是如上所述的光纤，对于20mm直径的卷轴，所述光纤的弯曲损耗小于0.5dB/圈(dB/turn)。

本公开的另一个方面是如上所述的光纤，其具有零色散波长λo，其中，1300nm≤λ_o≤1324nm。

本公开的另一个方面是如上所述的光纤，其在1310nm的波长处具有8.8微米至9.5微米之间的模场直径(MFD)。

本公开的另一个方面是如上所述的光纤，其具有小于或等于1260nm的光缆截止波长。

本公开的另一个方面是一种形成具有芯体和包覆物的光纤的方法。所述方法包括：a)在芯棒上进行包覆物沉积工艺以形成二氧化硅烟炱预制件，该预制件具有围绕芯棒设置的烟炱包覆物层，其中，所述二氧化硅烟炱预制件具有定制的径向烟炱密度分布；b)使用包覆物固结工艺用氯掺杂烟炱包覆物层以形成掺氯且部分固结的二氧化硅烟炱预制件；c)进一步固结掺氯且部分固结的二氧化硅烟炱预制件以形成无空隙的掺氯且固结的玻璃预制件；以及d)拉制无空隙的掺氯且固结的玻璃预制件以形成光纤。

本公开的另一个方面是如上所述的方法，其进一步包括：从掺杂且部分固结的二氧化硅烟炱预制件的烟炱包覆物层最外部区域移除一部分氯，从而在烟炱包覆物层中限定径向变化的氯浓度。

本公开的另一个方面是如上所述的方法，其中，移除一部分氯的操作通过将烟炱包覆物层的最外部区域暴露于氧和水中的至少一者来完成。

本公开的另一个方面是如上所述的方法，其中，移除一部分氯的操作通过将烟炱包覆物层的最外部区域暴露于具有氦气、氮气和氩气中的至少一者的干燥气氛来完成。

本公开的另一个方面是如上所述的方法，其中，用氯掺杂的操作b)包括将烟炱包覆物层暴露于Cl₂和SiCl₄中的至少一者。

本公开的另一个方面是如上所述的方法，其中，用氯掺杂的操作b)包括将烟炱包覆物层暴露于一氧化碳。

本公开的另一个方面是如上所述的方法，其中，形成烟炱包覆物层的操作a)包括：i)将由预制件形成的测试光纤的折射率参数的折射率分布与具有所需折射率分布的参比光纤进行比较以确定分布拟合误差，所述预制件具有第一烟炱包覆物层，并且该第一烟炱包覆物层具有环形烟炱密度分布；ii)将分布拟合误差除以折射率参数对烟炱密度的灵敏度，以限定烟炱密度误差；iii)从环形烟炱密度分布中减去烟炱密度误差以限定经过修正的环形烟炱密度分布；和iv)利用经过修正的烟炱密度分布来形成烟炱包覆物层以形成二氧化硅烟炱预制件。

本公开的另一个方面是如上所述的方法，其还包括另外的操作v)使用操作iv)的二氧化硅烟炱预制件形成另一个测试光纤，然后重复操作i)至v)直到烟炱密度误差下降到低于烟炱密度误差阈值。

本公开的另一个方面是如上所述的光纤，其中，折射率分布包括相对折射率分布，并且折射率参数为相对折射率。

本公开的另一个方面是如上所述的光纤，其中，折射率分布包括归一化折射率分布，并且折射率参数为归一化折射率。

在以下的具体实施方式中将阐述本发明的另外的特征和优点，其中的部分特征和优点对于本领域的技术人员而言，根据所作描述即容易理解，或者通过实施包括以下具体实施方式、权利要求书以及附图在内的本文所述的实施方式而被认识。

应当理解的是，前面的一般性描述和以下的具体实施方式都呈现了实施方式，且都旨在提供用于理解所要求保护的实施方式的性质和特性的总体评述或框架。包括附图以提供对实施方式的进一步理解，附图结合于本说明书中并构成本说明书的一部分。附图例示了各个实施方式，并与说明书一起用来解释实施方式的原理和操作。

附图说明

图1A是根据本文所示及所述的一个或多个实施方式的光纤的侧视图，图1B是该光纤的截面示意图；

图2A和2B是本文公开的示例性光纤的相对折射率分布Δ％相对于径向坐标r(任意单位)的理想化图；

图3A至3C分别是示例性分布P0、P1和P2的相对折射率分布Δ％相对于径向坐标r(μm)的图；

图4A和4B是模拟截止信号SCS(dB)相对于波长λ(nm)的图，其示出了基线分布P0以及分布P1(图4A)和分布P2(图4B)的模拟截止迹线；

图5是根据本文所示及所述的一个或多个实施方式的用于拉制光纤的示例性系统的示意图；

图6在左边的纵轴上绘制了外包覆物的归一化相对折射率N，在右边的纵轴上绘制了光纤预制件的环形烟炱密度ρ(g/cm³)，并且横轴为光纤半径r(μm)；

图7是针对不同光纤半径r(μm)的853nm下的归一化折射率N对比烟炱密度ρ(g/cm³)的测量数据的最佳拟合线的图；

图8是归一化折射率灵敏度(dΝ/dρ)根据光纤半径r(μm)的变化的图；

图9是相比于测试光纤(PT)，参比光纤(PR)的853nm下的归一化相对折射率N对比光纤半径r(μm)的图，以确定在形成基本上匹配参比光纤的分布的光纤的过程中，测试光纤与参比光纤的分布匹配情况；

图10绘制了烟炱密度ρ(g/cm³)根据光纤半径r(μm)的变化情况，并且示出了原始的环形烟炱密度分布(实线)、经过校正的环形烟炱密度分布(虚线)和烟炱密度误差ε_ρ(点线)；

图11示出了包含芯棒以及围绕芯棒的烟炱包覆物的示例性二氧化硅烟炱预制件的截面图；

图12示出了在固结炉中形成掺杂且部分固结的烟炱预制件；

图13类似于图12，并且示出了掺杂且部分固结的烟炱预制件的氯掺杂剂分布是如何改变的，以相比于烟炱包覆物的最内部区域，烟炱包覆物的最外部区域的氯掺杂剂有所降低；

图14示出了一种光纤预制件，其由掺杂且部分固结的烟炱预制件形成，并且氯掺杂剂分布对应于图13的掺杂且固结的烟炱预制件的氯掺杂剂分布。

具体实施方式

定义

如本文中所使用的，正掺杂剂(updopant)为使玻璃的折射率相对于纯二氧化硅有所增加的材料或掺杂剂。这样的正掺杂剂可以为，例如，氯、氧化锗、N、含磷物质、二氧化钛或氧化铝。

如本文中所使用的，“相对折射率分布”是相对折射率(下文有定义)与光纤的径向截面中的光纤半径之间的关系。

如本文中所使用的，“相对折射率”定义如下：

Δ_i(％)＝100·[n_i ²–n_r ²]/(2n_i ²)

其中，除另有规定外，n_i是区域i中的最大折射率，n_r是参比折射率，除另有规定外，n_r是纯二氧化硅玻璃的折射率。因此，如本文中所使用的，相对折射率是相对于纯二氧化硅玻璃而言。术语德尔塔、德尔塔折射率、德尔塔折射率百分比、Δ、Δ％在本文中可互换使用。术语Δ_i最大和Δ_i最小分别指光纤的区域i的最大相对折射率和最小相对折射率。

归一化折射率表示为N，并且定义为Ν＝n_i–n_参比，其中n_参比是分布的最小折射率。

本文所用的术语“折射率分布”意为折射率分布、相对折射率分布、归一化折射率分布或基于折射率的任何其他分布。

术语“折射率参数”用于表示用于描述折射率分布的参数。例如，对于相对折射率分布，折射率参数为Δ——相对折射率，而对于归一化折射率分布，折射率参数为归一化折射率N。

应理解，本文所用的短语“纯二氧化硅玻璃”意为包含“纯二氧化硅玻璃”的光纤的区域或层不含有例如掺杂剂之类的材料和/或其他痕量材料，这些材料的量会显著改变二氧化硅玻璃区域或部分的折射率。然而，在被称为“二氧化硅”或“纯二氧化硅”的光纤区域或部分中可以存在少量的掺杂剂(例如氯和/或氟，它们各自的量小于1500ppm)。

波导纤维的“色度色散”(除非另有说明，否则其在本文中可以称为“色散”)是材料色散和波导色散的总和。零色散波长是色散值为零时的波长，在本文中也被称为兰布达0或λ₀。色散斜率是色散相对于波长的变化率。

术语“α分布”(在本文中也被称为阿尔法分布或就称为α)是指芯体区域的相对折射率分布，其用Δ(r)表示，单位为“％”，其中r为半径。Δr表示为：

式中r_o为Δ(r)是最大值时的点，r₁是Δ(r)为零时的点，并且r在r_i<r<r_f的范围内，

其中Δ如上文所定义，r_i是α分布的起点，r_f是α分布的终点，α是指数，为实数。

模场直径(MFD)基于以下等式，使用彼得曼(Petermann)II方法来测量：

2w＝MFD，其中

并且f(r)如上文所定义。

可通过规定测试条件下的感应衰减来判定波导纤维的抗弯性。卷轴缠绕是宏弯测试，横向载荷和引脚阵列(pin array)是微弯测试。表1中的数据包括两种损耗类型的值。卷轴缠绕测试是一种用于确定宏弯损耗(宏BL)的测试。在卷轴缠绕测试中，光纤围绕具有规定直径的卷轴缠绕，例如，光纤围绕直径为6mm、10mm、20mm、30mm或其他特定直径的卷轴缠绕一圈(例如“1x 10mm直径的宏弯损耗”或“1x 30mm直径的宏弯损耗”)，并测量特定波长(通常在1200-1700nm的范围内，例如1310nm或1550nm或1625nm)下的每圈的衰减增加。

用于测量微弯损耗(微BL)的一种测试是线网转鼓测试。在线网转鼓测试中，在室温下确定波长为1310nm、1550nm和1625nm的光通过长度为750m的涂覆光纤的衰减。通过线网转鼓上的零张力部署与高张力部署之间的差确定微弯诱导的衰减。对两种绕卷构造进行单独的测量。在第一种构造中，将光纤以零张力构造绕卷在具有光滑表面且直径为约400mm的铝转鼓上。零张力绕卷构造提供了通过光纤的光的无应力参比衰减。在足够的停留时间后，进行初始衰减测量。在第二种绕卷构造中，将光纤样品绕卷到用细线网缠绕的铝转鼓上。对于这种部署，铝转鼓的桶表面覆盖有线网，并且围绕线网缠绕光纤。网被紧紧地缠绕在桶周围但没有拉伸，并且保持完整而没有孔、凹陷、撕裂或损坏。用于测量的线网材料由耐腐蚀的304型不锈钢编织线布制成，并且具有以下特征：每线性英寸网孔：165x165，线直径：0.0019”，宽口：0.0041”以及开口面积％：44.0。以1m/s将750m长度的涂覆光纤以0.050cm的卷取间距(take-up pitch)绕卷在线网覆盖的转鼓上，同时施加80(+/-1)克的张力。将光纤的末端用胶带粘住以保持张力，并且没有光纤交叉。绕卷的光纤与网的接触点赋予光纤应力，并且通过绕卷光纤的光的衰减是光纤的应力诱导(微弯)损耗的量度。在1小时的停留时间后，进行线转鼓测量。对于每个波长，确定相对于第一种构造(光滑的转鼓)，以第二种构造(线网覆盖的转鼓)来进行测量时的光纤衰减的增加(单位为dB/km)。确定每个波长下的三次试验的平均值，在表1中以涂覆光纤的线网微弯损耗来报告。

就本文所使用的光缆截止波长或“光缆截止”而言，其意为在EIA-445纤维光学测试程序中描述的22m光缆截止测试，所述程序是EIA-TIA纤维光学标准，即电子工业协会-电信工业协会联盟纤维光学标准的部分。

除非本文另有说明，否则光学性质(例如色散、色散斜率等)是针对LP01模式报告的。

例如用于描述区域B直接围绕区域A的术语“直接围绕”意为区域B直接接触区域A。

如本文中所使用的，术语“芯棒”是指用于制造光纤的掺杂的二氧化硅棒。在一些实施方式中，芯棒具有掺杂的中心芯体区域，其被二氧化硅包覆物包围。芯棒是固结的玻璃。

本文所用的术语“μm”是指以微米为单位的距离。

本文所用的术语“低折射率沟槽区域”和“沟槽区域”是指光纤预制件或光纤的一部分，其包含使折射率相对于纯二氧化硅有所降低的掺杂剂。还应理解，本文所用的术语“低折射率沟槽区域”和“沟槽区域”还包括光纤或预制件的临时区域，其含有尚未被固结，但最终会限定含有使折射率降低的掺杂剂的固结区域的掺杂烟炱。

除非另有规定，否则光纤预制件和/或光纤中的掺杂剂浓度在本文中基于重量来表示[例如以重量计的ppm、ppm(以重量计)、重量百分比、重量％]。

气相中的组分浓度在本文中基于体积来表示[例如以体积计的ppm、ppm(以体积计)、体积百分比、体积％]。

术语“基于二氧化硅的玻璃烟炱”、“基于二氧化硅的烟炱”和“烟炱”在本文中可互换使用，并且是指SiO₂颗粒或掺杂的SiO₂颗粒。还应理解的是，各烟炱颗粒一般具有直径为约5nm至约10微米的尺寸，在一些实施方式中，具有直径为约5nm至约1微米的尺寸。

术语“烟炱预制件”是指由烟炱颗粒制成并且具有至少一些开孔孔隙率的制品。

术语“部分固结的烟炱预制件”是指已经经受固结步骤而具有部分闭孔的烟炱预制件。随着固结程度增加，孔变得逐渐关闭，并且孔的体积逐渐减小。

术语“固结的玻璃”是指呈闭孔状态的玻璃。在一些实施方式中，玻璃是无空隙的。

术语“固结”是指从多孔玻璃状态变到闭孔状态的步骤。在一些实施方式中，玻璃在固结步骤中变成无空隙。

术语“光纤预制件”、“固结的预制件”和“空白件”是指可拉制出光纤的玻璃制品。术语“光纤预制件”和“光纤空白件”可互换使用。

光纤

图1A是本文公开的示例性光纤6的等距视图，图1B是该光纤6的截面示意图。本文所述的光纤6的实施方式一般包括单模光纤，其具有以中心轴AC为中心的芯体10。光纤6还具有直接包围芯体10的内包覆物20(在本文中也被称为内包层)，以及直接包围内包覆物的外包覆物30(也被称为外包层)。内包覆物20和外包覆物30构成了总包覆物40。

芯体10(在本文中也被称为芯体层和芯体部分)具有相对折射率Δ₁，其随着径向坐标(半径)r的变化而变化，因此可以表示为Δ₁(r)。相对折射率Δ₁包括最大相对折射率Δ_1最大(相对于纯二氧化硅而言)，在一个实例中，其出现在r＝0处(参见图2A，在下文有所介绍和论述)。

芯体10具有半径r₁，其限定了内包覆物20的内半径。在一个实例中，芯体半径r₁在6微米至8微米的范围内。芯体10还具有从中心轴AC开始测量的厚度T₁，使得芯体10的直径d₁＝2r₁＝T₁。内包覆物20从半径r₁延伸到半径r₂，使得内包覆物的径向厚度T₂＝r₂-r₁。外包覆物30从半径r₂延伸到半径r₃，使得外包覆物的径向厚度T₃＝r₃-r₂。光纤6的外直径D＝2r₃。在一个实例中，r₃＝62.5μm。在一个实例中，厚度T₂在8微米至9微米的范围内。在另一个实例中，径向厚度T₃在45微米至48微米的范围内。半径r₁、r₂和r₃分别是芯体10、内包覆物20和外包覆物30的外半径。在一些实施方式中，r₂大于9微米。在一些实施方式中，r₂大于或等于12微米。在一些实施方式中，r₂大于或等于15微米。在一些实施方式中，r₂小于或等于25微米。在一些实施方式中，r₂大于9微米且小于或等于25微米。

图2A和2B是示出了光纤6的实例的相对折射率Δ％对比光纤半径r(μm)的理想化折射率分布图。为了突出相对折射率分布的选定特征，该图未按比例绘制。

内包覆物20具有相对折射率Δ₂，其中Δ_1最大>Δ₂。相对折射率Δ₂还可根据半径r的变化而变化，因此可以表示为Δ₂(r)。相对折射率Δ₂还可以分别具有最大值Δ_2最大和最小值Δ_2最小。在一个实例中，Δ_2最小＝0，即，进行相对折射率Δ的计算，使得Δ的最小值为Δ_2最小。

外包覆物30具有相对折射率Δ₃，其根据半径r的变化而变化，因此可以表示为Δ₃(r)。相对折射率Δ₃包括最大值Δ_3最大，其中Δ_1最大>Δ_3最大>Δ₂。在一个实例中，Δ_3最大出现在r＝r₂处。在一个实例中，外包覆物30的相对折射率Δ₃包括最小值Δ_3最小。另外，在实例中，最小值Δ_3最小出现在r＝r₃处。在一些实施方式中，Δ_3最大–Δ_3最小≥0.01Δ％。在一些实施方式中，Δ_3最大–Δ_3最小≥0.03Δ％。在一些实施方式中，Δ_3最大–Δ_3最小≥0.05Δ％。在一些实施方式中，Δ_3最大–Δ_3最小≥0.08Δ％。

如本文更具体描述的，芯体10、内包覆物20和外包覆物30可以包含掺杂剂。光纤6的截面相对于中心轴AC可以为大致圆形对称。

在一些实施方式中，具有渐变折射率(graded index)的芯体10具有小于10的芯体α，在一些实施方式中，具有渐变折射率的芯体10具有小于5的芯体α，在一些实施方式中，具有渐变折射率的芯体10具有小于3的芯体α。在一些实施方式中，具有渐变折射率的芯体10具有小于3且大于1的芯体α。在一些实施方式中，具有渐变折射率的芯体10具有小于2.5且大于1.5的芯体α。外包覆物30的相对折射率Δ_3最大与内包覆物20的相对折射率之间的差为Δ₃-Δ₂，其优选为正数，并且大于0.005Δ％，或者更优选大于或等于0.015Δ％，或者甚至更优选大于或等于0.025％。在一个实例中，Δ₃-Δ₂定义为Δ_3最大-Δ_2最小，其中Δ_2最小为零。

图2A和2B的分布示出了外包覆物30的相对折射率Δ₃的弯曲形状。在图2A中，最大值Δ_3最大出现在r＝r₂＝r_最大处，且最小值Δ_3最小出现在r＝r₃＝r_最小处。在图2B中，最大值Δ_3最大出现在r＝r_最大处，其中r₂<r_最大<r₃，同时最小值Δ_3最小出现在r＝r₃＝r_最小处。在一个实例中，r_最小>r_最大。

在图2A和2B的理想化图中，Δ₂具有恒定值，但是如上所述，Δ₂也可以根据径向坐标r的变化而变化，在实际中，由于制造效果的原因，对于实际制造的光纤6，Δ₂可以根据径向坐标的变化而变化。

下表1列出了用实例0、实例1和实例2表示的三种示例性光纤6的示例性参数，它们分别具有图3A-3C所示的相对折射率分布P0、P1和P2。在表1中，“BL”代表“弯曲损耗”。使用上文所述的卷轴缠绕测试获得宏BL数据，使用上文所述的线网转鼓测试获得微BL数据。“C_最大”和“C_最小”分别代表“最大氯浓度”和“最小氯浓度”。

图3A是对于示例性光纤实例0的示例性基线分布(P0)的Δ％相对于光纤半径r(μm)的图。图3B和3C是类似于图3A的图，其包括基线分布P0和针对示例性光纤实例1和实例2的相应的另外的分布P1和P2，其中Δ％轴被放大以显示外包覆物30的分布的形状中的细节。图4A和4B是模拟截止信号SCS(dB)相对于波长(nm)的图，其示出了基线分布P0以及分布P1(图4A)和分布P2(图4B)的模拟截止迹线。图4A和4B的图示出了针对基线分布P0的SCS信号中的隆起在分布P1和P2中显著减小。SCS信号中的隆起的存在是不期望的，因为其导致截止波长的确定中的误差，并且使得难以将MAC数(模场直径与截止波长的比值)作为弯曲损耗的预测因子。

氯浓度

可以制造出光纤6，使得外包覆物30的变化的相对折射率Δ₃由氯浓度C限定，该氯浓度C随着径向坐标r的变化而变化，即，C＝C(r)。因此，氯浓度C(r)具有梯度浓度分布，并且具有最大值C_最大和最小浓度C_最小。在一个实例中，最大氯浓度C_最大在r＝r_{C_最大}＝r₂处，即，在外包覆物30的内部部分(表面)处，而最小氯浓度C_最小在r＝r_{C_最小}＝r₃处，即，在外包覆物的外部部分(表面)处(图2A)。在另一个实例中，r_{C_最大}在r₂与r₂+T₃/2之间(图2B)。在另一个实例中，r_{C_最小}在r₂+T₃/2与r₃之间。

在r₃＝62.5微米的实例中，最大氯浓度C_最大在位于r₂与40微米之间的径向坐标r_{C_最大}处，最小氯浓度C_最小在位于r＝40微米与r₃之间的径向坐标r_{C_最小}处。

在一个实例中，C_最大比C_最小大至少1000ppm。在另一个实例中，C_最大比C_最小大至少百万分之1500(1500ppm)。在另一个实例中，C_最大比C_最小大至少百万分之1700(1700ppm)。在另一个实例中，C_最大比C_最小大至少2,000ppm。

在一个实例中，光纤6在1550nm的波长下具有小于0.185dB/km的衰减。同样在一个实例中，对于20mm直径的卷轴而言，光纤6在1550nm的波长下具有小于0.2dB/圈的宏弯损耗。同样在一个实例中，光纤6具有零色散波长λ₀，其中1300nm≤λ₀≤1324nm。在另一个实例中，光纤6在1310nm的波长下具有8.8微米至9.5微米之间的MFD。在另一个实例中，光纤6具有小于或等于1260nm的光缆截止。光纤6可以具有一个或多个上文确认的特征，包括上文确认的全部特征。

在一个实施方式中，本发明包括一种形成具有芯体和包覆物的光纤的方法，其包括：a)在芯棒上进行包覆物沉积工艺以形成二氧化硅烟炱预制件，该预制件具有围绕芯棒设置的烟炱包覆物层，其中，所述二氧化硅烟炱预制件具有定制的径向烟炱密度分布；b)使用包覆物固结工艺用氯掺杂烟炱包覆物层以形成掺杂且部分固结的二氧化硅烟炱预制件；c)固结掺杂且部分固结的二氧化硅烟炱预制件以形成无空隙的掺氯且固结的玻璃预制件；以及d)拉制无空隙的掺氯且固结的玻璃预制件以形成光纤。

术语“定制的径向烟炱密度分布”在本文中是指对应于光纤预制件的烟炱部分的二氧化硅或掺杂的二氧化硅烟炱的预定径向密度分布。

在一个实施方式中，本发明进一步包括：从掺杂且部分固结的二氧化硅烟炱预制件的烟炱包覆物层最外部区域移除一部分氯，从而在烟炱包覆物层中限定径向变化的氯浓度。

在一个实施方式中，本发明还包括，其中，所述移除通过将烟炱包覆物层的最外部区域暴露于氧和水的至少一种来完成。

在一个实施方式中，本发明还包括，其中，所述移除通过将烟炱包覆物层的最外部区域暴露于具有氦气、氮气和氩气中的至少一种的干燥气氛来完成。

在一个实施方式中，本发明还包括，其中，用氯掺杂的操作b)包括将烟炱包覆物层暴露于Cl₂和SiCl₄中的至少一种。

在一个实施方式中，本发明还包括，其中，用氯掺杂的操作b)包括将烟炱包覆物层暴露于一氧化碳。

制造方法

本文公开的光纤6可使用拉制工艺来形成。图5是用于生产本文公开的光纤6的一种示例性拉制系统200的示意图。系统200可以包括拉制炉202，其用于加热玻璃光纤预制件(“玻璃预制件”)204，以由玻璃预制件拉制成光纤100。玻璃预制件204可以通过外气相沉积(OVD)方法来生产，并且可以如下文所述形成。玻璃预制件204的构造以及各个拉制参数(拉制速度、温度、张力、冷却速率等)决定光纤6的最终形式。用于形成玻璃预制件204的示例性技术描述于第9,108,876号美国专利和第9,290,405号美国专利以及第2003/0079504号美国授权前公开，所述文献通过引用纳入本文。拉制炉202可以被定向成使得由玻璃预制件204拉制成的光纤6沿着基本上垂直的路径离开炉。

在光纤6离开拉制炉202后，可以使用非接触式传感器206a和206b测量光纤的直径和施加于光纤6的拉制张力。可以通过任何合适的施加张力的机构210向光纤6施加张力。

待测量了光纤6的直径和张力后，可以使光纤通过冷却机构208，该冷却机构208向光纤提供缓慢冷却。冷却机构208可以为用于冷却光纤的任何机构，如本领域目前已知的或后续开发的。在一个实施方式中，冷却机构208填充有气体，该气体有助于以比在环境温度下在空气中冷却光纤更慢的速率来冷却光纤。

玻璃预制件204的一种示例性类型由二氧化硅烟炱形成，然后固结，这描述于例如第4,906,268号美国专利和第5,656,057号美国专利，所述文献通过引用纳入本文。用于增加外包覆物30的相对折射率Δ₃的一种示例性方法包括在固结步骤期间用氯正掺杂二氧化硅烟炱预制件。可以利用氯气(Cl₂)，或优选利用四氯化硅(SiCl₄)蒸汽作为前体将氯包含到二氧化硅基质中。该掺杂技术称为“充斥掺杂”(flood doping)(参见，例如第4,629,485号美国专利，其通过引用纳入本文)，并且氯的包含水平高度取决于温度、前体浓度和烟炱孔隙率或密度。下文更具体地论述用于形成玻璃预制件204以具有选定的氯掺杂剂分布的这种方法和其他方法。

制备三种另外的示例性纤维并在本文中认定为“实验1”、“实验2”和“实验3”。图6在左边的纵轴上绘制了示例性光纤实验1的外包覆物30的归一化折射率N(点线)、实验2的外包覆物30的归一化折射率N(虚线)和实验3的外包覆物30的归一化折射率N(实线)。图6的右边纵轴示出了用于形成示例性光纤实验1、实验2和实验3的烟炱预制件的环形烟炱密度ρ(g/cm³)。各预制件用于制造示例性光纤实验1、实验2和实验3。图6所示的环形烟炱密度ρ对应于每种预制件在掺杂时的烟炱密度。掺杂后，使各个预制件在相同的条件下烧结形成致密化预制件。由各致密化预制件拉制成光纤。图6的水平轴是光纤半径r(μm)，其相对于光纤的中心线(r＝0)测得。图6的图示出了外包覆物30的归一化折射率N的分布是如何取决于用于制造光纤的预制件的烟炱密度分布的。

图6的图示出了具有较低的孔隙率且包含较少的氯的较高的烟炱密度ρ得到了较低的相对折射率Δ。较低的烟炱密度ρ显示出相反的性质。可以对这些数据进行转换以显示外包覆物相对折射率Δ₃对烟炱密度ρ的依赖性。例如，图7绘制了对于不同光纤半径r(μm)，853nm下的归一化折射率N对比烟炱密度ρ(g/cm³)的情况。下表2示出了对于图7的r＝16μm、20μm、25μm和30μm的半径值，与每个最佳拟合线相关的最佳拟合线参数斜率S、y截距Y-INT和R²值。

图8绘制了归一化折射率N对烟炱密度ρ的灵敏度(即，dΝ/dρ，单位为cm³/g)根据光纤半径r(μm)的变化情况，所述光纤半径r来自图7、表2呈现的斜率数据以及图7或表2未包含的类似的数据。dΝ/dρ的量在下文中被称为“N灵敏度”。注意，也可以采用对应的量dΔ/dρ，即，“Δ灵敏度”。更一般地，任何形式的折射率图可以与对应的折射率灵敏度一起使用，本文通过例示的方式引用了相对折射率Δ和归一化折射率N。

形成烟炱预制件的方法

知晓了折射率分布灵敏度，例如Δ灵敏度或Ν灵敏度，则可形成烟炱预制件，可以“调整”该烟炱预制件以包含校正量的氯，从而获得选定的(参比)折射率分布，例如相对折射率分布Δ％(r)(或Ν分布等)，例如上文所述的分布P1和P2中的一种。因此，在一个实例中，可以在一组现有光纤中识别与参比分布相近的匹配，并且可以确定误差(即，各分布的差异)。

图9是示出了参比分布PR(实线曲线)以及具有测试分布PT的示例性测试光纤(虚线曲线)的示例性归一化折射率N对比半径r(μm)的折射率图。在超过约r＝40μm的光纤半径时，相比于参比分布PR，测试光纤具有过高的包覆物归一化折射率Ν₃。在各光纤半径r处将分布拟合误差EP(r)＝N_PT(r)–N_PR(r)除以N灵敏度(dN/dρ)，以计算在用于形成测试光纤PT的原始(未固结)预制件中的烟炱密度误差ε_ρ。需要强调的是，图9也可以使用相对折射率Δ和Δ灵敏度或任何其他折射率分布和对应的折射率灵敏度来绘制，以计算烟炱密度误差ε_ρ。

然后从原始预制件的烟炱密度分布中减去烟炱密度误差ε_ρ，以提供用于形成新的预制件的目标烟炱密度分布，从而生产出具有所需折射率分布的光纤，即，该所需折射率分布充分接近参比分布PR(例如，在测得的分布误差EP(r)的公差TP内，即EP(r)<TP)。图10绘制了烟炱密度ρ(g/cm³)根据光纤半径r(μm)的变化情况，并且示出了原始预制件的环形烟炱密度分布(实线)、设计用于提供具有参比分布PR的光纤的经过校正的环形烟炱密度分布(虚线)以及原始预制件与经过校正的预制件之间的烟炱密度误差ε_ρ(点线)。还以两条平行虚线示出了烟炱密度误差ε_ρ的公差TS。

在上述方法的一个实施方式中，形成烟炱包覆物层的操作a)包括：i)将由预制件形成的测试光纤的相对折射率分布与具有所需相对折射率分布的参比光纤进行比较以确定分布拟合误差，所述预制件具有第一烟炱包覆物层，并且该第一烟炱包覆物层具有环形烟炱密度分布；ii)将分布拟合误差除以相对折射率对烟炱密度的灵敏度，以限定烟炱密度误差；iii)从环形烟炱密度分布中减去烟炱密度误差以限定经过修正的环形烟炱密度分布；和iv)利用经过修正的烟炱密度分布来形成烟炱包覆物层以形成二氧化硅烟炱预制件。

在一个实施方式中，所述方法还包括另外的步骤或操作v)：使用通过操作i)-iv)形成的二氧化硅烟炱预制件来形成另一个测试光纤，然后重复操作i)至v)直到烟炱密度误差下降到低于烟炱密度误差的公差值。

第一种示例性方法

一旦知晓了烟炱预制件的目标烟炱密度分布，则在芯棒上进行包覆物沉积工艺以形成烟炱-包覆物预制件或“二氧化硅烟炱预制件”。图11示出了示例性二氧化硅烟炱预制件100的截面图，该二氧化硅烟炱预制件100包含芯棒110和烟炱包覆物120，所述烟炱包覆物120包括位于外表面126附近的最外部区域122以及位于芯棒附近的最内部区域124。

外包覆物沉积工艺包括多个变量，例如前体流动速率、预制件表面速度、以及燃烧器与预制件表面的距离，可以对它们进行调整以生产出具有所需目标烟炱密度分布的预制件。实验显示出，在沉积期间，烟炱密度ρ主要根据预制件表面的温度而变化，其中，较高的温度得到较高的密度，较低的温度产生较低的密度。为了调节烟炱密度ρ以进行正掺杂，估计表面温度控制范围为标称温度+/-300℃是期望的。

在包覆物沉积工艺期间，可以利用一个或多个工艺变量来控制二氧化硅烟炱预制件100的表面温度，所述工艺变量包括用于包覆物沉积方案的工艺气体和流量，车床空气流以及车床移动控制变量。车床移动控制变量包括燃烧器与饵棒的距离、轴速度和燃烧器行进速度。

第二种示例性方法

在图12例示的第二种示例性方法中，可以将图11的二氧化硅烟炱预制件100布置在固结炉152的内部150中。将烟炱包覆物120暴露于由气体源161提供的至少一种含氯物质160中，以使烟炱包覆物变为被氯162掺杂而形成掺杂且固结的二氧化硅烟炱预制件101。在一个实例中，为了有助于掺杂工艺，在掺杂工艺期间，在炉中包含不含氯的气体，例如一氧化碳，即，在氯掺杂期间，在烟炱包覆物120周围的气氛中存在不含氯的气体。在一个实例中，所述至少一种含氯物质160包括Cl₂或SiCl₄。

然后可以从烟炱包覆物的外部部分122移除位于烟炱包覆物120中的一部分氯162，如图13所示。在一个实例中，这通过使气体170扫掠通过炉内部150来完成，其中，在一个实例中，气体170包含少量的氧气和/或水。结果得到具有改进的Cl掺杂分布的掺杂且部分固结的二氧化硅烟炱预制件101，该改进的Cl掺杂分布具有如上所述的径向变化的Cl浓度。

随后，改进的预制件101进一步固结形成无空隙的掺杂且固结的玻璃预制件204，如图14所示以及如上文结合图5所论述的。玻璃预制件204具有玻璃芯体210和玻璃包覆物220，所述玻璃包覆物220具有位于外表面226附近的最外部区域222和位于玻璃芯体附近的最内部区域224。玻璃预制件204具有径向氯浓度分布C(r)，相比于玻璃包覆物的最内部区域224，其在玻璃包覆物220的最外部区域222中的氯浓度更低。

第三种示例性方法

在第三种示例性方法中，烟炱-包覆物预制件100可以如上所述在固结炉中进行氯掺杂，从而形成掺杂且部分固结的二氧化硅烟炱预制件101。在一个实例中，含氯物质160包括Cl₂和SiCl₄中的至少一种。然后关闭含氯物质160的源161。通过使气体170扫掠通过炉内部并通过掺杂且部分固结的二氧化硅烟炱预制件，可从掺杂且部分固结的二氧化硅烟炱预制件101的最外部区域移除氯162，其中，在一个实例中，气体170包含干燥氦气、氮气和氩气中的至少一种。掺氯的二氧化硅烟炱颗粒，尤其是位于烟炱包覆物120的最外部区域122中的那些，通过Cl迁移到二氧化硅颗粒上形成SiCl₄气体，且该气体被扫掠出炉152的内部150而失去氯。

随后如上所述进一步固结得到的改进的掺杂且部分固结的二氧化硅烟炱预制件101，以形成图14的无空隙的掺杂且固结的玻璃预制件204。玻璃预制件204具有径向氯浓度分布C(r)，相比于玻璃包覆物的最内部区域222，其在玻璃包覆物220的最外部区域222中的氯浓度更低。

可以使用第一、第二和第三种方法的组合在用于形成本文公开的光纤6的玻璃预制件200中获得所需的氯分布。

外包覆物30的相对折射率Δ₃的形成降低了芯体10和内包覆物20中的过量应力，这有助于减少光纤衰减。外包覆物30的相对折射率Δ₃的分布还使宏弯和微弯损耗比常规分布降低约5至10％。用这种方法制造的光纤6表现出在1550nm处的衰减小于0.185dB/km，并且对于20mm卷轴直径，其在1550nm下的弯曲损耗小于0.5dB/圈。

外包覆物30的相对折射率Δ₃的形成还有助于消除或最大程度地减少截止结构/隆起，如图4A和4B所示。由于包覆物的折射率(分布)形状，高阶模式不与基础模式耦合。高阶模式也是有损耗的。这有助于可靠地测量截止，因为高阶模式被剥离了。

对本领域的技术人员显而易见的是，可以对本文所述的实施方式进行各种修改和变动而不偏离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个实施方式的修改和变化形式，条件是这些修改和变化形式落入所附权利要求及其等同内容的范围之内。

Claims (21)

1.一种光纤，其包含：

具有外半径r₁和相对折射率Δ₁(r)的芯体，所述相对折射率Δ₁(r)具有最大值Δ_1最大，所述芯体以中心轴为中心并且α值大于1；

内包覆物，其围绕芯体，具有相对折射率Δ₂且外半径r₂大于9微米；

外包覆物，其直接围绕内包覆物并且具有外半径r₃和相对折射率Δ₃(r)，所述相对折射率Δ₃(r)在半径r＝r_最大处包含最大相对折射率Δ_3最大>Δ₂，并且在半径r＝r_最小处包含最小相对折射率Δ_3最小，其中r_最小>r_最大；

其中：i)Δ_1最大>Δ_3最大>Δ₂；

ii)Δ_3最大–Δ₂>0.005Δ％；

iii)Δ_3最大–Δ_3最小≥0.01Δ％；并且

其中，外包覆物包含掺氯的二氧化硅且氯浓度C随着径向坐标的变化而变化。

2.根据权利要求1所述的光纤，其中，α值小于10。

3.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，氯浓度C在处于r₂至40微米之间的径向坐标r_{C_最大}处具有最大氯浓度C_最大，并且在处于r＝40微米至r₃＝62.5微米之间的径向坐标r_{C_最小}处具有最小氯浓度C_最小，其中C_最大比C_最小高至少百万分之1000(1000ppm)。

4.根据权利要求3所述的光纤，其中，C_最大比C_最小高至少1500ppm。

5.根据权利要求4所述的光纤，其中，C_最大比C_最小高至少2,000ppm。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的光纤，其还包含在1550nm的波长下的小于0.185dB/km的衰减。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的光纤，还包含针对20mm直径的卷轴，其在1550nm的波长下的弯曲损耗小于0.5dB/圈。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的光纤，其还包含零色散波长λ₀，其中，1300nm≤λ₀≤1324nm。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的光纤，还包含在1310nm的波长下的8.8微米至9.5微米的模场直径。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的光纤，其还包含小于或等于1260nm的光缆截止。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的光纤，其中，内包覆物直接包围芯体。

12.一种形成具有芯体和包覆物的光纤的方法，所述方法包括：

a)在芯棒上进行包覆物沉积工艺以形成二氧化硅烟炱预制件，所述预制件具有围绕芯棒设置的烟炱包覆物层，其中，所述二氧化硅烟炱预制件具有定制的径向烟炱密度分布；

b)使用包覆物固结工艺用氯掺杂烟炱包覆物层以形成掺氯且部分固结的二氧化硅烟炱预制件；

c)进一步固结掺氯且部分固结的二氧化硅烟炱预制件以形成无空隙的掺氯且固结的玻璃预制件；以及

d)拉制无空隙的掺氯且固结的玻璃预制件以形成光纤。

13.根据权利要求12所述的方法，其还包括从掺杂且部分固结的二氧化硅烟炱预制件的烟炱包覆物层的最外部区域移除一部分氯。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述移除通过将烟炱包覆物层的最外部区域暴露于氧和水的至少一种来完成。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述移除通过将烟炱包覆物层的最外部区域暴露于具有氦气、氮气和氩气中的至少一种的干燥气氛来完成。

16.根据权利要求12-15中任一项所述的方法，其中，用氯掺杂的操作b)包括将烟炱包覆物层暴露于Cl₂和SiCl₄中的至少一种。

17.根据权利要求12-15中任一项所述的方法，其中，用氯掺杂的操作b)包括将烟炱包覆物层暴露于一氧化碳。

18.根据权利要求12-17中任一项所述的方法，其中，形成烟炱包覆物层的操作a)包括：

i)将由预制件形成的测试光纤的折射率参数的折射率分布与参比光纤的所需折射率分布进行比较以确定分布拟合误差，所述预制件具有第一烟炱包覆物层，并且该第一烟炱包覆物层具有环形烟炱密度分布；

ii)将分布拟合误差除以折射率参数对烟炱密度的灵敏度，以限定烟炱密度误差；

iii)从环形烟炱密度分布中减去烟炱密度误差以限定经过修正的环形烟炱密度分布；和

iv)利用经过修正的烟炱密度分布来形成烟炱包覆物层以形成二氧化硅烟炱预制件。

19.根据权利要求18所述的方法，其包括另外的操作v)：使用操作iv)的二氧化硅烟炱预制件形成另一个测试光纤，然后重复操作i)至v)直到烟炱密度误差下降到低于烟炱密度误差阈值。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，折射率分布包括相对折射率分布，并且折射率参数为相对折射率。

21.根据权利要求18或19所述的方法，其中，折射率分布包括归一化折射率分布，并且折射率参数为归一化折射率。