CN111512200B - 具有浅槽的弯曲损耗不敏感单模光纤和相应的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种弯曲损耗单模光纤，其在1310nm处的模场直径大于或等于9微米，并且具有纤芯和包层，该纤芯的折射率分布具有类似梯形的形状。根据本发明的方面，包层包括折射率差Δnt在‑2×10‑3和‑0.9×10‑3之间的浅槽，并且：纤芯的梯形比r0/r1在0.1和0.6之间，优选在0.2和0.5之间，更优选在0.25和0.45之间；纤芯的面积分
Figure DDA0002548148880000011
在20×10‑3μm和24×10‑3μm之间，并且包层的面积分
Figure DDA0002548148880000012
在‑25×10‑3μm和‑9×10‑3μm之间，其中Δn(r)是作为半径r的函数的相对于外包层的折射率差；以及单模光纤实现以下标准：25.7×10‑3≤V01‑0.2326V02≤26.8×10‑3。

Description

具有浅槽的弯曲损耗不敏感单模光纤和相应的光学系统
技术领域
本发明涉及光传输系统中所使用的单模光纤、包括这样的单模光纤的光传输系统、以及这样的单模光纤的制造方法。更具体地，本发明涉及弯曲损耗不敏感且符合ITU-TG.657.A2标准的单模光纤。
背景技术
电信系统需要能够在无劣化的情况下长距离传输信号的光纤。这种光纤传输系统经常使用地面传输系统中所使用的、例如所谓的“标准”单模光纤(SSMF)等的单模光纤(SMF)。
为了便于来自不同制造商的光学系统之间的兼容性，国际电信联盟(ITU)定义了标准光传输光纤应符合的多个标准。在这些标准中，ITU-T G.652推荐(2016年11月的最后一次修订)描述了单模光纤和基于线缆的网络的特性，这可以满足对宽带服务的不断增长的需求。ITU-T G.652推荐具有定义单模光纤的光纤属性的数个属性(即，A、B、C和D)。
由于光接入网中的具体使用对光纤和线缆提出了不同的要求、这会影响光接入网的最佳性能特性，因此ITU-T G.657推荐更准确地关注于弯曲损耗不敏感单模光纤，其与现有的ITU-T G.652的单模光纤和线缆相比，表现出大大提高的弯曲性能。实际上，由于接入网中的分布线缆和引出线缆的高密度网络、以及所需的有限空间和许多操作，因此需要这样改进了的弯曲性能，这要求对操作员友好的光纤性能和低弯曲灵敏度。
ITU-T G.652标准和ITU-T G.657标准这两者的全部内容通过引用而被包含于此。
ITU-T G.657推荐描述了适合于用在接入网(包括在这些网络的末端的建筑物内部)中的两类(A和B)单模光纤线缆。A类和B类这两者都包含宏弯曲损耗不同的两个子类。
A类光纤与ITU-T G.652.D光纤相比被优化以实现减少的宏弯曲损耗和更严格的尺寸规格，并且可以在整个接入网中部署。这些光纤适合于用在O、E、S、C和L波段中(即，在1260～1625nm的整个范围中)。该类的光纤和要求是ITU-T G.652.D的子集，因此符合ITU-TG.652.D光纤并且具有相同的传输和互连性质。
子类ITU-T G.657.A1光纤适合于10mm的最小设计半径。子类ITU-T G.657.A2光纤适合于7.5mm的最小设计半径。
ITU-T G.657推荐(ITU-T G.657A类属性；2016年11月发布)中的表1提供与单模光纤特性的值有关的范围或限制，以使这些单模光纤特性符合ITU-T G.657.A推荐。
在未成缆光纤中观察到的宏弯曲损耗随着波长、弯曲半径和绕具有指定半径的芯轴的匝数而变化。为了使SMF符合ITU-T G.657.A推荐，宏弯曲损耗不应超过下表中针对所指定的波长、弯曲半径和匝数所给出的最大值。
尽管ITU-T G.657.A推荐不提供关于光纤的折射率分布的任何特定要求(其根据该标准是无需知晓的)，但必须注意，市场上已引入了具有槽辅助折射率分布的单模光纤。由于该设计，与传统的阶跃折射率设计相比，可以达到改进了的宏弯曲损耗。目前，该单模光纤是用于制造符合ITU-T G.657.A2推荐的光纤的该分布设计类型。
表1-ITU-T G.657.A属性
Figure GDA0002548148940000031
更确切地，至今，为了符合最严格的ITU-T G.657.A2规格，弯曲不敏感单模光纤在包层中需要深槽。实际上，目前，在包层中无这样深槽的单模光纤由于针对7.5mm和10mm弯曲半径的高宏弯曲损耗水平，因而可能符合最差的G.657.A类即G.657.A1而不是符合G.657.A2类。
此外，如上表所示，ITU-T G.657.A2规格接受包括在8.6μm和9.2μm之间的波长1310nm处的标称模场直径(MFD)。ITU-T G.652.D标准也接受包括在8.6μm和9.2μm之间的波长1310nm处的标称模场直径(MFD)。然而，尽管商业化的G.652.D光纤通常以规格的高端的1310nm处的标称MFD(即，在9.0μm和9.2μm之间)为目标，但目前商业化的G.657.A光纤通常被设计为具有规格的低端的模场直径(即，在8.6μm和8.8μm之间)。实际上，大部分的G.657.A光纤制造商必须利用模场直径并降低模场直径，以实现G.657.A标准的关于宏弯曲损耗的不断增长的要求。
为了改善与标准阶跃折射率G.652.D光纤的(特别是关于拼接并利用OTDR(“光时域反射计”)减少错误判读)向后兼容性，优选具有无槽且以9.0和9.2μm之间的1310nm处的标称MFD为目标的G.657.A2光纤。
以申请人的名义的专利文献WO2015/092464描述了一种具有纤芯和包层的单模光纤，其中纤芯的折射率分布具有类似梯形的形状。类似梯形的纤芯的折射率分布的过渡部分是通过将至少两个掺杂物的浓度从纤芯的中心部分的浓度逐渐改变为与该纤芯相邻的包层部分的浓度所获得的。
实际上，梯形纤芯形状是用以控制额外损耗或设计非零色散偏移光纤的众所周知的解决方案，并且与用于多模光纤的众所周知的阿尔法(α)纤芯形状相比也更容易制造。然而，本专利文献中所公开的分布设计不符合ITU-T G.657.A2推荐，并且其在1310nm处的模场直径低于9.0μm。
专利文献US 7,187,833公开了一种具有由包层包围的多段纤芯的光波导光纤，该纤芯具有中心段和包围中心段的环形段。中心段具有正的相对折射率分布，并且环形段具有负的相对折射率分布。该光纤表现出：在约1550nm的波长处，有效面积大于约75μm2；在约1550nm的波长处，色散斜率小于0.07ps/nm2/km；零色散波长在约1290和1330nm之间；以及在约1550nm的波长处，衰减小于0.20dB/km，并且优选小于0.19dB/km。
与专利文献WO2015/092464相反，本文献未公开梯形纤芯。此外，本文献所公开的各个纤芯和槽体积不允许实现满足以上列出的要求的单模光纤分布。
专利文献US 8,849,082公开了一种光纤，包括：锗掺杂中央纤芯区域，其具有(I)外半径r1和(II)最大相对折射率Δ1max；以及包层区域，其包括(i)具有外半径r2>5微米和折射率Δ2的第一内包层区域、(ii)具有外半径r3>9微米且包括折射率Δ3的第二内包层区域、以及(iii)包围内包层区域且包括折射率Δ4的外包层区域，其中Δ1max>Δ4，Δ2>Δ3，以及其中0.01％≦Δ4-Δ3≦0.09％，所述光纤表现出小于或等于1260nm的22m线缆的截止波长，并且0.25≦r1/r2≦0.85。
与专利文献WO2015/092464相反，本文献未公开梯形纤芯。此外，尽管本文献所公开的单模光纤符合ITU-T G.652标准，但不清楚这些单模光纤是否也符合ITU-T G.657.A2标准的关于宏弯曲损耗的要求。
总之，这些现有技术设计均不对应于将符合ITU-T G.657.A2推荐的单模光纤，其中包层将不包括深槽，并且将以范围为从9.0μm到9.2μm的1310nm处的标称MFD为目标。
因此，需要改进了的单模光纤分布，其将符合ITU-T G.657.A2推荐，同时容易与符合ITU-T G.652.D标准的无槽的标准单模光纤拼接。
发明内容
在本发明的实施例中，公开了一种弯曲损耗不敏感单模光纤，其在1310nm波长处的模场直径大于或等于9.0μm。这种光纤具有由包层包围的纤芯，所述纤芯的折射率分布具有类似梯形的形状。
所述纤芯的中心部分具有半径r0和折射率n0，并且类似梯形的纤芯的折射率分布的过渡部分的范围为从半径r0到半径r1>r0，其中所述纤芯的中心部分的半径r0与所述过渡部分的半径r1的梯形比r0/r1在0.1和0.6之间，优选在0.2和0.5之间，并且更优选在0.25和0.45之间。
所述包层包括：至少一个被称为槽的凹型折射率的区域，其范围为从半径r2≥r1到半径r3>r2，并且具有折射率nt；以及外包层，其范围为从半径r3到所述单模光纤的玻璃部分的端部，并且具有折射率n4。所述槽相对于所述外包层的折射率差Δnt＝nt-n4在-2×10-3和-0.9×10-3之间。所述纤芯的面积分V01在约20×10-3μm和24×10-3μm之间，所述面积分是根据以下等式定义的：
Figure GDA0002548148940000061
其中，Δn(r)是作为半径r的函数的所述纤芯相对于所述外包层的折射率差。
所述包层的面积分V02在-25×10-3μm和-9×10-3μm之间，所述面积分是根据以下等式定义的：
Figure GDA0002548148940000062
其中，Δn(r)是作为半径r的函数的所述包层相对于所述外包层的折射率差。
此外，所述单模光纤满足以下的标准：
25.7×10-3≤V01-0.2326V02≤26.8×10-3。
因而，本发明依赖于设计弯曲损耗不敏感单模光纤的新颖的创造性方法。实际上，根据本发明实施例的单模光纤具有代替更为常见的阶跃形状而是表现出梯形形状的折射率分布的纤芯。众所周知，这种梯形形状允许在不会使瑞利散射劣化的情况下降低单模光纤中的额外散射损耗，或者设计非零色散偏移光纤。然而，这种梯形形状在这里用于使得单模光纤能够符合ITU-T G.657.A2标准，同时避免在包层中添加深槽。作为代替，纤芯的这种梯形形状与(如由V02的允许值的范围定义的)包层中的大且浅的槽组合，从而有利地替代迄今为止为了实现符合ITU-T G.657.A2标准所需的深槽。
用浅且大的槽替代深槽使得容易与无槽的符合ITU-T G.652.D标准的SMF拼接。
此外，与来自现有技术的对于单模光纤的小纤芯直径而言不足够的阿尔法形状的折射率分布相比，这种梯形形状更容易制造。
如例如在通过引用而全部并入于此的以本申请人的名义的专利文献WO2015/092464中所公开的，这种梯形形状可以通过从纤芯的中心部分向着包层的过渡部分中的两个或更多个掺杂物的浓度的逐渐变化来实现。
此外，根据本发明实施例的这种弯曲损耗不敏感单模光纤的在1310nm波长处的标称模场直径在9.0和9.2μm之间，即在ITU-T G.657.A2标准化范围的高端：因而，这些标称MFD值与商业化的符合ITU-T G.652.D的单模光纤的这些标称MFD值兼容。这两者的拼接对于用户而言更容易，因为该拼接不会在OTDR中引入伪像。
另外，对于9.0和9.2μm之间的1310nm处的标称MFD，本发明人已观察到，需要具有25.7×10-3≤V01-0.2326V02，以实现符合ITU-T G.657.A2推荐的要求的弯曲半径15mm和10mm处的宏弯曲损耗。
在1310nm处的模场直径为9.0μm时，本发明人还已观察到，需要具有V01-0.2326V02≤26.8×10-3，以确保作为目标的线缆截止波长低于1240nm。
实际上，已知在纤芯面积分V01增大时以及在包层面积分V02减小时，宏弯曲损耗减小。因而，本发明人得出结论，必须存在正数k，从而允许通过以下类型的数学函数来描述宏弯曲损耗：
f＝V01-k×V02。
相同的推理适用于线缆截止波长，其在纤芯面积分V01增大时以及在包层面积分V02减小时趋于增大。因而，也必须存在正数g，从而允许通过以下类型的数学函数来描述线缆截止波长的行为：
f＝V01-g×V02。
通过试错法，发明人已发现，对于k＝g＝0.2326，一方面在弯曲半径为15mm和10mm处并且另一方面在线缆截止波长处，在f函数和宏弯曲损耗之间存在强的相关性。
因而，本发明人已得出，本发明的光纤应满足标准25.7×10-3≤V01-0.2326V02≤26.8×10-3，以使该光纤符合ITU-T G.657.A2推荐的1310nm处的MFD在9.0和9.2微米之间的要求。
此外，要求在0.1和0.6之间的比r0/r1的范围具有在1300nm和1324nm之间的零色度色散波长(ZDW)(其是符合ITU G657.A2标准所需的)。r0/r1的优选范围在0.2和0.5之间，而在0.25和0.45之间的甚至更窄的范围提供稳健的工作范围。
根据本发明的第一实施例，r2＝r1，并且范围为从r2到r3的槽包围纤芯。因而，纤芯面积分可被近似为
Figure GDA0002548148940000081
其中Δn0＝n0-n4是纤芯的中心部分相对于外包层的折射率差，并且包层面积分可被近似为V02≈(r3-r2)×Δnt。
根据本发明的第二实施例，包层包括范围为从半径r1到半径r2>r1且具有折射率n2,的中间包层，并且槽包围中间包层。
这种中间包层在其依赖于OVD(“外部气相沉积”)技术时，简化了光纤制造工艺。
根据本第二实施例，因而纤芯面积分可被近似为
Figure GDA0002548148940000082
其中Δn0＝n0-n4是所述纤芯的所述中心部分相对于所述外包层的折射率差，并且其中Δn2＝n2-n4是所述中间包层相对于所述外包层的折射率差，并且包层面积分可被近似为V02≈(r2-r1)×Δn2+(r3-r2)×Δnt。
根据本第二实施例的优选方面，中间包层相对于外包层的折射率差为Δn2＝0。因而，中间包层呈现与外包层的折射率等同的折射率。这种中间包层无任何掺杂物，并且构成上掺杂纤芯和下掺杂槽之间的缓冲区。
根据本发明的实施例，纤芯外半径r1在5.4μm和8.0μm之间。
根据本发明的实施例，槽外半径r3在16μm和22μm之间。
根据本发明的实施例，纤芯的中心部分相对于外包层的折射率差Δn0＝n0-n4在5×10-3和6×10-3之间。
根据本发明的实施例，这种光纤在1310nm处的模场直径在9.0μm和9.2μm之间。
根据本发明的实施例，所述光纤的最大线缆截止波长为1240nm。
实际上，ITU-T G.657.A2推荐指定了线缆截止波长的最大值为1260nm。然而，以约1240nm的更低最大线缆截止波长为目标似乎是合理的，以确保所制造的所有光纤都将通过线缆截止波长推荐。以1260nm处的线缆截止波长为目标不够稳健，因为其将由于制造缺陷而引起所生产光纤的50％在G.657.A2推荐之外。需要以低于1240nm的线缆截止波长为目标以确保稳健产量。
在本文中，线缆截止波长(CCO)对应于诸如由IEC 60793-1-44标准中的国际电工委员会的小组委员会86A定义等的线缆中截止波长λcc。
根据本发明的实施例，所述光纤符合ITU-T G.657.A2标准的要求。
本发明还设计一种光纤传输系统，其包括至少一个根据本发明的单模光纤。
附图说明
根据通过示意性且非穷举性示例给出的以下说明以及根据附图，本发明的实施例的其它特征和优点将显现，其中：
-图1示意性描述根据本文所述的一个或多个实施例的示例性单模光纤的等距视图；
-图2以图形提供根据本发明第一实施例的单模光纤的例示性折射率分布；
-图3以图形提供根据本发明第二实施例的单模光纤的例示性折射率分布；
-图4A、4B和4C提供针对表示为f＝V01的函数的示例性光纤的宏弯曲损耗和线缆截止波长的模拟结果；
-图5A、5B和5C提供针对表示为f＝V01-V02的函数的示例性光纤的宏弯曲损耗和线缆截止波长的模拟结果；
-图6A～6G提供针对表示为f＝V01-0.2326×V02的函数的示例性光纤的宏弯曲损耗和线缆截止波长的模拟结果；
-图7例示根据本发明实施例的光链路。
附图中的组件没有必要按比例绘制，而是重点在于例示本发明的原理。
具体实施方式
现在将详细参考在附图中例示了示例的单模光纤的实施例。只要有可能，在所有附图中将使用相同的附图标记以指代相同或相似的部分。
在图1中以等距视图示意性描述根据本发明的弯曲损耗不敏感单模光纤的一个实施例。光纤10通常具有由玻璃包层包围的玻璃纤芯101。更确切地，光纤10包括三个或四个邻接同心区域，即：
-梯形纤芯101，其具有外半径r1；
-可选的中间包层102，其具有内半径r1和外半径r2；
-槽或凹型包层103，其具有内半径r2和外半径r3；
-外包层104，其范围为从内半径r3到光纤的玻璃部分的端部，具有折射率nCl。
在无中间包层102的本发明的实施例中，槽103直接邻接纤芯101，并且范围为从内半径r1到外半径r3。
在本发明的实施例中，玻璃纤芯101的外半径r1通常在5.4μm和8.0μm之间。此外，凹型包层103的外半径r3在16μm和22μm之间。纤芯101具有包括小基底半径r0和大基底半径r1的梯形形状。小基底相对于大基底的梯形比r0/r1的范围为从0.1到0.6，通常范围为从约0.2到约0.5，优选为从约0.25到约0.45。
在本文所示和所述的实施例中，纤芯101和包层通常包括二氧化硅、具体为二氧化硅玻璃。光纤10的截面相对于纤芯101的中心通常可以呈圆对称。在本文所述的一些实施例中，光纤10的玻璃部分的半径约为62.5μm。然而，应当理解，可以调整包层的尺寸，使得光纤的玻璃部分的半径可以大于或小于62.5μm。光纤10还包括包围包层的涂层。这种涂层可以包括数个层，并且这种涂层特别地可以是双层涂层，尽管在图1中没有示出这些不同的层。
包层中的不同部分可以包括纯二氧化硅玻璃(SiO2)、诸如在包层的一部分(例如，针对中间包层102)为“上掺杂(up-doped)”的情况等的具有使折射率增加的一个或多个掺杂物(例如，GeO2或任何其它已知的掺杂物)的二氧化硅玻璃、或者诸如包层的一部分(例如，针对槽103)为“下掺杂(down-doped)”的情况等的具有使折射率减小的掺杂物(诸如氟等)的二氧化硅玻璃。
可以通过逐渐调整纤芯的中心部分的至少两个掺杂物的浓度来获得纤芯101的梯形形状。
图2和图3示出构成本发明的第一实施例(称为Ex1)和第二实施例(称为Ex3)的光纤的折射率分布的图。
在图2所示的第一实施例中，折射率分布是具有槽的梯形型折射率分布，并且该折射率分布从光纤的中心开始呈现：
-纤芯的中心部分，其具有比包层n4的折射率大的基本上恒定的折射率n0；
-纤芯的第一环形部分，其中折射率从纤芯的中心部分的折射率n0起直到凹型包层103的折射率nt为止以基本上线性的方式减小。在整个本文中，纤芯的这种环形部分也被称为纤芯的类似梯形的折射率分布的“过渡部分”；
-凹型包层或槽103；
-外包层104。
因而，光纤整体构成具有所谓的“类似梯形”分布的光纤。
纤芯101的中心部分具有半径r0和相对于外包层的折射率差Δn0。在纤芯的过渡部分中，折射率差基本上线性地减小。纤芯的折射率通常具有梯形形状。因此，中央纤芯和外包层之间的折射率差Δn(r)取决于从光纤的中心起的距离r(例如，随着从光纤的中心起的距离的增大而减小)。如本文所使用的，术语“折射率差”不排除折射率差为零。
凹型包层或埋槽103具有半径r3和通常恒定的相对于外包层的折射率差Δnt。如本文所使用的，术语“埋槽”用于指定光纤中的折射率低于外包层的折射率的径向部分。
外包层104的范围为从半径r3到单模光纤的玻璃部分的端部。
在图3所示的第二实施例中，折射率分布是具有槽的梯形型折射率分布，并且该折射率分布从光纤的中心开始呈现：
-纤芯的中心部分，其具有比包层n4的折射率大的基本上恒定的折射率n0；
-纤芯的第一环形部分，其中折射率从纤芯的中心部分的折射率n0起直到中间包层102的折射率n2为止以基本上线性的方式减小。在整个本文中，纤芯的这种环形部分也被称为纤芯的类似梯形的折射率分布的“过渡部分”；
-中间包层102；
-凹型包层或槽103；
-外包层104。
因而，光纤整体构成具有所谓的“类似梯形”分布的光纤。
如在图2的实施例中那样，纤芯101的中心部分具有半径r0和相对于外包层的折射率差Δn0。在纤芯的过渡部分中，折射率差基本上线性地减小。纤芯的折射率通常具有梯形形状。因此，中央纤芯和外包层之间的折射率差Δn(r)取决于从光纤的中心起的距离r(例如，随着从光纤的中心起的距离的增大而减小)。如本文所使用的，术语“折射率差”不排除折射率差为零。
中间包层102具有半径r2和通常恒定的相对于外包层的折射率差Δn2。在图3所示的特殊实施例中，Δn2＝0。然而，在其它实施例中，该折射率差可以不同于零(参见本文中后面所述的示例性实施例Ex4)。凹型包层或埋槽103具有半径r3和通常恒定的相对于外包层的折射率差Δnt。如本文所使用的，术语“埋槽”用于指定光纤中的折射率低于外包层的折射率的径向部分。
外包层104的范围为从半径r3到单模光纤的玻璃部分的端部。
图2和图3相对于彼此的不同之处在于：在梯形纤芯和槽之间存在中间包层102。
在图2和图3这两者中，折射率n(r)是相对于外包层折射率n4在633nm波长(即，由于商业设备而测量分布的波长)处给出的。因而，这些折射率也被称为“折射率德尔塔(Δ)”。更一般地，在本文中，所有的折射率都是在波长λ＝633nm处给出的。
以下的表2进行图2的两个示例性实施例Ex1和Ex2的折射率设计与等效阶跃折射率单模光纤Comp Ex的比较。表2中的值对应于理论折射率分布。
比 r<sub>1</sub> r<sub>3</sub> Δn<sub>0</sub> Δn<sub>t</sub>
r0/r1 (μm) (μm) ×1000 ×1000
Comp Ex 1 4.34 17.50 5.29 -0.16
Ex1 0.35 6.90 17.50 5.54 -1.23
Ex2 0.35 6.88 20.00 5.41 -1.35
表2
表2的第一列列出示例性光纤和比较性光纤。接下来的列针对第一列中所列出的各单模光纤提供：
-纤芯的中心部分的半径与纤芯的过渡部分的外半径的比r0/r1；
-以μm为单位表示的纤芯的过渡部分的外半径r1；
-以μm为单位表示的槽的外半径r3；
-纤芯的中心部分的折射率德尔塔Δn0；
-槽的折射率德尔塔Δnt。
如图2和图3中的纵坐标值一样，表2中(以及本文中的所有其它表中)的折射率差已乘以1000(例如，对于本发明的第一示例性实施例Ex1，纤芯的中心部分的折射率德尔塔为5.29×10-3)。折射率值是在633纳米的波长处测量的。
以下的表3详述图3的示例性实施例Ex3和Ex4的折射率设计。表3中的值对应于理论折射率分布。必须注意，除了中间包层的折射率差不为零这一事实以外，示例性实施例Ex4的总体折射率分布对应于图3所示的折射率分布。
比 r<sub>1</sub> r<sub>2</sub> r<sub>3</sub> Δn<sub>0</sub> Δn<sub>2</sub> Δn<sub>t</sub>
r<sub>0</sub>/r<sub>1</sub> (μm) (μm) (μm) ×1000 ×1000 ×1000
Ex3 0.35 5.91 10.00 17.50 5.77 0.00 -1.75
Ex4 0.35 5.78 10.00 17.50 5.87 0.20 -2.00
表3
表3的第一列给出示例性光纤的参考。接下来的列针对第一列中所列出的单模光纤提供：
-纤芯的中心部分的半径与纤芯的过渡部分的外半径的比r0/r1；
-以μm为单位表示的纤芯的过渡部分的外半径r1；
-以μm为单位表示的中间包层的外半径r2；
-以μm为单位表示的槽的外半径r3；
-纤芯的中心部分的折射率德尔塔Δn0；
-中间包层的折射率德尔塔Δn2；
-槽的折射率德尔塔Δnt。
在图2和图3的实施例这两者中，纤芯折射率Δn0的范围通常为从约5.0×10-3到约6.0×10-3；槽折射率Δnt的范围通常为从约-2.0×10-3到约-0.9×10-3。
(以下的)表4示出与ITU-T G.657.A2中所推荐的光传输特性进行比较的、具有表2和表3所示的折射率分布的光学单模光纤的光传输特性。第一列标识最小和最大G.657.A2推荐范围、以及示例性光纤和比较性光纤。接下来的列针对各光纤提供：
-以nm为单位表示的线缆截止波长(CCO)；
-以μm为单位表示的1310nm处的模场直径(MFD 1310)；
-以μm为单位表示的1550nm处的模场直径(MFD 1550)；
-以nm为单位表示的零色度色散波长(ZDW)；
-以ps/nm2-km为单位表示的零色散斜率(ZDS)；
-以ps/nm-km为单位表示的在各个1550nm(DC 1550)和1625nm(DC 1625)波长处的色度色散。
Figure GDA0002548148940000151
表4
与阶跃折射率单模光纤相对应的比较示例Comp Ex呈现出与示例Ex1～Ex3相同的1310nm处的MFD和线缆截止波长。然而，示例Ex1～Ex4全部符合ITU-T G.657.A2推荐，这不是比较示例Comp Ex的情况。
必须注意，线缆截止波长目标需要大大低于1260nm的最大接受水平。以1260nm的线缆截止波长为目标是不稳健的，因为根据定义，这将引起产量的50％在G.657.A2标准所推荐的值的范围之外。在上述示例中，线缆截止波长的目标是确保稳健生产的约1210nm，即几乎所有的光纤都可以通过线缆截止波长推荐。更一般地，推荐以低于1240nm的线缆截止波长为目标以确保稳健产量。
如在表4中可以观察到，所有示例性光纤Ex1～Ex4都以1310nm处的标称模场直径为9微米为目标。
(以下的)表5示出针对曲率半径15毫米、10毫米、7.5毫米和5毫米、在波长1550纳米和波长1625纳米具有表2和表3所示的折射率分布的光纤的诸如以下宏弯曲损耗等的宏弯曲损耗：
-以dB/10T为单位表示的1550nm处的R15mm宏弯曲损耗(1550处的R15BL)，其中10T代表10匝；
-以dB/1T为单位表示的1550nm处的R10mm宏弯曲损耗(1550处的R10BL)，其中1T代表1匝；
-以dB/1T为单位表示的1550nm处的R7.5mm宏弯曲损耗(1550处的R7.5BL)，其中1T代表1匝；
-以dB/1T为单位表示的1550nm处的R5mm宏弯曲损耗(1550处的R5BL)，其中1T代表1匝；
-以dB/10T为单位表示的1625nm处的R15mm宏弯曲损耗(1625处的R15BL)，其中10T代表10匝；
-以dB/1T为单位表示的1625nm处的R10mm宏弯曲损耗(1625处的R10BL)，其中1T代表1匝；
-以dB/1T为单位表示的1625nm处的R7.5mm宏弯曲损耗(1625处的R7.5BL)，其中1T代表1匝；
-以dB/1T为单位表示的1625nm处的R5mm宏弯曲损耗(1625处的R5BL)，其中1T代表1匝。
表5还提供ITU-T G.657.A2标准的最大推荐值。
Figure GDA0002548148940000161
Figure GDA0002548148940000171
表5
根据(以上的)表4和表5，根据本发明实施例的光纤表现出与具有阶跃折射率分布的比较性光纤相比变小的弯曲损耗。
在表2～5中以及在图1和图2中所述的根据本发明实施例的四个折射率分布示例Ex1、Ex2、Ex3和Ex4符合ITU-T G.657.A2推荐。
以下的表6提供另外三个示例性光纤Ex5～Ex7的特征，其折射率分布对应于图2所示的折射率分布，但与表2的示例性光纤相反，以1310nm处的MFD为9.2微米为目标。
比 r<sub>1</sub> r<sub>3</sub> Δn<sub>0</sub> Δn<sub>t</sub>
r<sub>0</sub>/r<sub>1</sub> (μm) (μm) ×1000 ×1000
Ex5 0.35 7.00 17.50 5.5 -0.93
Ex6 0.35 6.99 20.00 5.41 -1
Ex7 0.35 6.97 20.00 5.29 -1.1
表6
表6的结构和单位与表2的结构和单位相同，因此这里不进行详述。同样，以下的表7对应于以上的表4，并且提供示例性光纤Ex5～Ex7的光学特性；以下的表8对应于以上的表5，并且提供示例性光纤Ex5～Ex7的宏弯曲损耗。
Figure GDA0002548148940000172
Figure GDA0002548148940000181
表7
Figure GDA0002548148940000182
表8
现在呈现用于定义根据本发明的单模光纤的可接受分布范围的值得关注的工具和方法。
可以使用面积分来定义光纤分布的各截面。术语“面”不应从几何角度进行理解，而应被理解为具有两个维度的值。
因此，如通过以下等式分别定义的，中央纤芯可以定义面积分V01，并且包层可以定义面积分V02：
Figure GDA0002548148940000183
Figure GDA0002548148940000184
对于折射率分布对应于图2的第一实施例的示例性光纤，包层面积分可被表示为：
V02≈(r3-r2)×Δnt
(以下的)表9以上述针对本发明的典型实施例Ex1～Ex7以及针对这些典型实施例的比较用阶跃折射率单模光纤Comp Ex所述的面积分V01和V02的值来完成(以上的)表2、表3和表6。因而，表9中的所有示例均与表2、表3和表6中相同。表9中的值对应于理论折射率分布。
表9的第一列列出示例性光纤和比较性光纤。另外三列分别提供针对面积分V01和V02以及针对多项式V01-0.2326V02的值。表9中的积分已乘以了1000。
Figure GDA0002548148940000191
表9
(以下的)表10～13提供根据本发明实施例的进一步的示例性光纤Ex8～Ex35的特征，其中折射率分布对应于图2所示的折射率分布。更确切地，表10对应于表6，并且提供：
-纤芯的中心部分的半径与纤芯的过渡部分的外半径的比r0/r1；
-以μm为单位表示的纤芯的过渡部分的外半径r1；
-以μm为单位表示的槽的外半径r3；
-纤芯的中心部分的折射率德尔塔Δn0；
-槽的折射率德尔塔Δnt。
Figure GDA0002548148940000192
Figure GDA0002548148940000201
表10
同样，以下的表11对应于以上的表4，并且提供示例性光纤Ex8～Ex35的光学特性；以下的表12对应于以上的表5，并且提供示例性光纤Ex8～Ex35的宏弯曲损耗。最后，以下的表13对应于以上的表9，并且提供以上针对本发明的典型实施例Ex8～Ex35所述的面积分V01和V02的值。表10～13中的结构和单位与前面所述的相应表中的结构和单位相同。
Figure GDA0002548148940000202
Figure GDA0002548148940000211
表11
Figure GDA0002548148940000212
Figure GDA0002548148940000221
表12
Figure GDA0002548148940000222
Figure GDA0002548148940000231
表13
根据本发明实施例的光纤通常以1310nm处的MFD大于或等于9微米为目标，并且具有以下性质：
-纤芯的中心部分的半径与纤芯的过渡部分的半径的比r0/r1的范围在0.10和0.60之间(使零色度色散波长ZDW保持在1300和1324nm之间所需的)，优选其范围在0.20和0.50之间，更优选其范围在0.25和0.45之间(其提供稳健的工作范围)；
-纤芯面积分V01的范围优选在约20×10-3μm和约24×10-3μm之间；
-包层面积分V02的范围优选在-25×10-3μm和-9×10-3μm之间；
-纤芯面积分和包层面积分之间的关系V01-0.2326×V02的范围优选在25.7×10-3μm和26.8×10-3μm之间。
实际上，已知：在纤芯面积分V01增大时以及在包层面积分V02减小时，宏弯曲损耗减少。因此，发明人已得出必须存在正数k，从而允许通过以下类型的数学函数描述宏弯曲损耗：
f＝V01-k×V02。
同样的推理也适用于线缆截止波长，其在纤芯面积分V01增大时以及在包层面积分V02减小时趋于增加。因此，还必须存在正数g，从而允许通过以下类型的数学函数描述线缆截止波长的行为：
f＝V01-g×V02。
通过试错法，发明人已发现，对于k＝g＝0.2326，一方面在弯曲半径为15mm和10mm处并且另一方面在线缆截止波长处，在f函数和宏弯曲损耗之间存在强的相关性。
图4至图6使得能够示出该发现。更确切地，图4A和4B分别根据x轴上的在k＝0时的上述f函数在y轴示出针对根据本发明实施例的光纤的宏弯曲损耗(1550处的R15BL和1550处的R10BL)(其以dB/10T为单位表示，其中10T代表10匝)，该光纤针对曲率半径15毫米和10毫米在波长1550纳米，以1310nm处的MFD为9微米为目标。图4C根据x轴上的在g＝0时的上述f函数示出针对根据本发明实施例的以1310nm处的MFD为9微米为目标的光纤的以nm为单位表示的线缆截止波长(CCO)。
如可以观察到，宏弯曲损耗和线缆截止波长的值是分散的。
除了k和g参数被设置为1这一事实以外，在与图4A～4C类似的图5A～5C上可以观察到相同的情况。
然而，图6A～6G示出如下事实：在k＝g＝0.2326时，在上述f函数与宏弯曲损耗和线缆截止波长这两者之间存在强的相关性。所有这些图都是通过针对根据本发明的示例性光纤执行的模拟所标绘的，这些光纤都以与本发明的下限和上限相对应的1310nm处的MFD为9微米或9.2微米为目标。
图6A根据x轴上的在k＝0.2326时的上述f函数提供以dB/10T为单位表示的针对曲率半径15毫米在波长1550纳米的这种光纤的宏弯曲损耗(1550处的R15mm BL)，其中10T代表10匝。
图6B根据x轴上的在k＝0.2326时的上述f函数提供以dB/10T为单位表示的针对曲率半径10毫米在波长1550纳米的这种光纤的宏弯曲损耗(1550处的R10mm BL)，其中10T代表10匝。
图6C根据x轴上的在k＝0.2326时的上述f函数提供以dB/10T为单位表示的针对曲率半径7.5毫米在波长1550纳米的这种光纤的宏弯曲损耗(1550处的R7.5mm BL)，其中10T代表10匝。
图6D根据x轴上的在k＝0.2326时的上述f函数提供以dB/10T为单位表示的针对曲率半径15毫米在波长1625纳米的这种光纤的宏弯曲损耗(1625处的R15mm BL)，其中10T代表10匝。
图6E根据x轴上的在k＝0.2326时的上述f函数提供以dB/10T为单位表示的针对曲率半径10毫米在波长1625纳米的这种光纤的宏弯曲损耗(1625处的R10mm BL)，其中10T代表10匝。
图6F根据x轴上的在k＝0.2326时的上述f函数提供以dB/10T为单位表示的针对曲率半径7.5毫米在波长1625纳米的这种光纤的宏弯曲损耗(1625处的R7.5mm BL)，其中10T代表10匝。
图6G根据x轴上的在k＝0.2326时的上述f函数提供以纳米为单位表示的这种光纤的线缆截止波长。
因而，如在图6D和6E上可以观察到，对于在9.0和9.2μm之间的1310nm处的标称MFD，需要具有25.7×10-3≤V01-0.2326V02，以实现符合ITU-T G.657.A2推荐的要求的弯曲半径15mm和10mm处的宏弯曲损耗，其最大接受水平由水平虚线示出。
图7示出根据本发明实施例的光链路70。这样的光链路包括拼接到一起的p段光纤，其中p≥2。图7仅示出光纤701和光纤70p，其中利用虚线来表示光链路中的所有其它可能的光纤。光链路70内的光纤中的至少一个光纤如下：该光纤包括上述的一个实施例的特征。换句话说，光纤至少之一符合ITU-T G.657.A2推荐的要求，以1310nm处的模场直径大于或等于9微米为目标，并且表现出以上与图2和图3有关地所述的折射率分布的特定设计、以及特别是具有大且浅的槽的梯形纤芯。该光纤可以与符合ITU-T.G.652.D推荐的要求的标准单模光纤拼接在光链路70中。
现在说明根据本发明实施例的制造光纤的示例性方法。这种制造方法包括用于进行化学气相沉积以形成纤芯棒的第一步骤。在化学气相沉积期间，沉积了掺杂或未掺杂的玻璃层。所沉积的玻璃层形成最终光纤的纤芯折射率分布。在第二步骤中，对纤芯棒设置外部的外包覆(overcladding)以增大其直径，从而形成预制件。该外包覆可以是根据预先形成的石英管、或者通过在纤芯棒的外周上沉积玻璃层所得到的。可以使用诸如外部气相沉积(OVD)或改进的等离子体气相沉积(APVD)等的各种技术来通过沉积玻璃层提供外包覆。在第三步骤中，通过在光纤拉丝塔中对预制件进行拉制来获得光纤。
为了制造纤芯棒，通常在玻璃制造车床中水平地安装并保持管或基板。之后，使管或基板转动并对该管或基板进行局部加热或通电，以使确定纤芯棒的组成的成分进行沉积。本领域普通技术人员将理解，纤芯棒的组成确定了光纤的光学特性。
在这方面，纤芯的中心部分和过渡部分这两者、中间包层以及槽通常是使用等离子体化学气相沉积(PCVD)或炉内化学气相沉积(FCVD)所获得的，从而使得能够将大量的氟和锗并入二氧化硅、并且使得能够逐渐改变纤芯的过渡部分中的氟和锗的浓度。例如，在专利文献US Re30,635或US 4,314,833中描述了PCVD技术。
还可以使用诸如气相轴向沉积(VAD)或外部气相沉积(OVD)等的其它技术来形成纤芯棒。
根据本发明的光纤非常适合用在各种光通信系统中。这些光纤特别适合用于地面传输系统以及光纤到户(FTTH)系统。
此外，这些光纤通常与传统的光纤兼容，从而使得这些光纤适合用在许多光通信系统中。例如，根据本发明实施例的光纤通常关于模场直径与传统的光纤兼容，由此便于进行良好的光纤到光纤耦合。
在说明书和/或附图中，已公开了本发明的典型实施例。本发明不限于这些典型实施例。

Claims (14)

1.一种弯曲损耗不敏感的单模光纤，其在1310nm波长处的模场直径大于或等于9.0μm，所述光纤具有由包层包围的纤芯，所述纤芯的折射率分布具有类似梯形的形状，
其中，所述纤芯的中心部分具有半径r0和折射率n0，并且类似梯形的纤芯的折射率分布的过渡部分的范围为从半径r0到半径r1，其中r1>r0，所述纤芯的所述中心部分的半径r0与所述过渡部分的半径r1的梯形比r0/r1在0.1和0.6之间，
其中，所述包层包括：至少一个被称为槽的凹型折射率的区域，其范围为从半径r2到半径r3，并且具有折射率nt，其中r2≥r1，r3>r2；以及外包层，其范围为从半径r3到所述单模光纤的玻璃部分的端部，并且具有折射率n4，
其中，所述槽相对于所述外包层的折射率差Δnt＝nt-n4在-2×10-3和-0.9×10-3之间，
其中，所述纤芯的面积分V01在20×10-3μm和24×10-3μm之间，该面积分是根据以下等式定义的：
Figure FDA0002548148930000011
其中，Δn(r)是作为半径r的函数的所述纤芯相对于所述外包层的折射率差，
其中，所述包层的面积分V02在-25×10-3μm和-9×10-3μm之间，该面积分是根据以下等式定义的：
Figure FDA0002548148930000012
其中，Δn(r)是作为半径r的函数的所述包层相对于所述外包层的折射率差，以及
其中，所述单模光纤满足以下的标准：
25.7×10-3≤V01-0.2326V02≤26.8×10-3。
2.根据权利要求1所述的弯曲损耗不敏感的单模光纤，其中，所述纤芯的所述中心部分的半径r0与所述过渡部分的半径r1的所述梯形比r0/r1在0.2和0.5之间。
3.根据权利要求1或2所述的弯曲损耗不敏感的单模光纤，其中，所述纤芯的所述中心部分的半径r0与所述过渡部分的半径r1的所述梯形比r0/r1在0.25和0.45之间。
4.根据权利要求1或2所述的弯曲损耗不敏感的单模光纤，其中，所述包层包括中间包层，所述中间包层的范围为从半径r1到半径r2，并且具有折射率n2，其中，r2>r1以及其中，所述槽包围所述中间包层。
5.根据权利要求4所述的弯曲损耗不敏感的单模光纤，其中，所述纤芯的面积分为
Figure FDA0002548148930000021
其中Δn0＝n0-n4是所述纤芯的所述中心部分相对于所述外包层的折射率差，并且其中Δn2＝n2-n4是所述中间包层相对于所述外包层的折射率差，以及其中，所述包层的面积分为V02≈(r2-r1)×Δn2+(r3-r2)×Δnt。
6.根据权利要求4所述的弯曲损耗不敏感的单模光纤，其中，所述中间包层相对于所述外包层的折射率差为Δn2＝0。
7.根据权利要求1或2所述的弯曲损耗不敏感的单模光纤，其中，r2＝r1，以及其中，所述纤芯的面积分为
Figure FDA0002548148930000022
其中，Δn0＝n0-n4是所述纤芯的所述中心部分相对于所述外包层的折射率差，以及其中，所述包层的面积分为V02≈(r3-r2)×Δnt。
8.根据权利要求1或2所述的弯曲损耗不敏感的单模光纤，其中，所述纤芯的外半径r1在5.4μm和8.0μm之间。
9.根据权利要求1或2所述的弯曲损耗不敏感的单模光纤，其中，所述槽的外半径r3在16μm和22μm之间。
10.根据权利要求1或2所述的弯曲损耗不敏感的单模光纤，其中，所述纤芯的所述中心部分相对于所述外包层的折射率差Δn0＝n0-n4在5×10-3和6×10-3之间。
11.根据权利要求1或2所述的弯曲损耗不敏感的单模光纤，其中，所述光纤的最大线缆截止波长为1240nm。
12.根据权利要求1或2所述的弯曲损耗不敏感的单模光纤，其中，所述光纤在1310nm处的模场直径在9.0μm和9.2μm之间。
13.根据权利要求1或2所述的弯曲损耗不敏感的单模光纤，其中，所述光纤符合ITU-TG.657.A2标准的要求。
14.一种光纤传输系统，其包括至少一个根据权利要求1至13中任一项所述的单模光纤。
CN201780097859.0A 2017-12-21 2017-12-21 具有浅槽的弯曲损耗不敏感单模光纤和相应的光学系统 Active CN111512200B (zh)

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