TWI410683B - 容許三頻帶曲波之光學波導 - Google Patents

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Description

容許三頻帶曲波之光學波導
本發明係關於一種在1300至1650 nm窗口中運轉的光學波導。特定言之，本發明係關於一種具有三波長頻帶設計之深凹陷光纖，其能夠在密閉曲波環境中採用最小曲波降低損失運轉。此外，該光纖可以具有一模場直徑(MFD)，其接近與大模場直徑光纖(例如一般長距離電信光纖)匹配。
光纖形成某些主要線路，透過該等線路可在全球連接電信資料。光纖通常包含由包層以同心方式包圍的核心區域。某些光纖設計(例如「雙包層」設計)採用內部包層包圍核心區域，依次由外部包層包圍該內部包層。同樣地由外部媒介包圍外部包層。
此類雙包層波導設計中的參數通常為：
相干參數
MFD：運轉模場直徑
λ：運轉波長
λc ：第二模式截止波長
不相干參數
rco ：從接近核心區域之單一有效步進(折射率)產生的核心半徑
ric ：內部包層半徑
W：從接近內部包層區域之單一有效步進產生的內部包層寬度(ric -rco )
roc ：外部包層半徑
nco ：從接近核心區域之單一有效步進產生的核心折射率
nic ：從接近內部包層區域之單一步進產生的內部包層折射率
noc ：外部包層折射率
next ：外部媒介折射率
+△=(nco -noc )/noc
-△=(nic -noc )/noc
△Tot =|(+△)|+|(-△)|
早期大型商用系統係設計成在約1300 nm之運轉波長λ情況下運轉，此為具有相對較低光學吸收及用於矽土光纖之很低色散的區域。此外，已知矽土光纖中的固有光學吸收損失在1550 nm情況下更低。
光纖供應商開始製造可以在1300 nm或1550 nm情況下運轉的電信光纖，例如Corning SMF-28TM 單一模式光纖。此光纖在從1300 nm至1550 nm之窗口內具有8.2微米的典型核心直徑及約9至10微米的MFD。此光纖係瞭解為「匹配包層」設計，有效步進指數核心具有(標準化或相對)核心折射率，其超過約0.0035之外部包層折射率(+△=(nco -noc )/noc )。
早期光纖光學光電系統涉及到從一個電話公司中心辦公室至另一辦公室的「長距離」應用。通常在較大多光纖電纜中將長距離電信光纖保持為相對較直，從而預防由於超過光纖設計之臨界曲波半徑(通常在25 mm至12.5 mm的範圍內)而造成光彎曲損失。
最近的趨向已使光纖光學從中心辦公室向外延伸，從而提供商用建築物中的「光纖到校園」及「光纖到桌面」，與住宅區中的「光纖到近鄰」及最終「光纖到家」，有時稱為「光纖到X」或「FTTX」。用於上述應用之一個傳統範例為由St.Paul，MN之3M公司製造的VolitionTM VF-45光纖光學連接器及「線路」系統，如包含US 5,757,997之數個專利所示。
為了最小化諸如此類連接器中的光學損失，將光纖設計成在相同波長下運轉並且在該波長情況下具有接近相同的模場直徑(MFD)。對於此類連接器而言，實務上並非藉由核心摻雜物之高溫擴散來調整二個光纖端部(用於雙重應用)之MFD，因為可在對用於長距離電纜之二光纖進行熔化編街時調整該MFD(參見EP 1094346 A1)。
隨著光信號在光纖中行進，信號會由於材料效應及波導效應而減弱。波導效應包含二類光學彎曲損失，即微彎曲損失與大彎曲損失。大彎曲損失出現在下列情況下：將光纖之長度彎曲成曲線，以便某些光從核心輻射至光纖之包層並損失。大彎曲損失會產生施加在光纖表面上的集中式壓力或應力。微彎曲損失出現在下列情況下：將光纖曝露於局部壓力及應力點，好比(例如)將光纖與粗糙紋理表面(例如砂紙)壓合。當將光纖之外部表面與突出點壓合時，太硬的塗層可能會將該等應力傳輸給核心，從而引起散射損失。對於長度較短的光纖而言，通常可忽略微彎曲損失。
藉由在玻璃光纖之表面上提供相對較軟、低模量內部塗 層，可減小此類應力。然而，通常從光纖端部移除此類塗層，以便將單一模式光纖與連接器中的另一光纖精確地對準。接著允許裸露光纖端部擺脫磨蝕與濕氣。
對此問題的解決辦法係採用具有玻璃核心、玻璃包層、聚合物包層結構之光纖(在本文中稱為「GGP」光纖)，如美國專利第RE 36,146號所說明，該專利係以引用的方式併入本文中。RE 36,146專利說明數個聚合物塗層及可用於製造GGP光纖之其他塗層材料。其他聚合物塗層及/或塗層材料係說明在美國專利第6,895,156、6,587,628號、5,644,670號及6,269,210號中(其全部係以引用的方式併入本文中)。
該等聚合物塗層通常具有約55或較大之肖氏D硬度、在室溫下從50 kg/mm2 至250 kg/mm2 之楊氏模量，並且該等塗層可以嚴密地黏著於光纖之最外面的玻璃表面。在範例中將該等塗層施加於光纖，以便其外部表面係充分地與光纖之核心同心，此時將GGP光纖放置在典型光纖光學機械連接器中並以光學方式將其連接至第二光纖，光學損失並非明顯大於使用具有與GGP光纖相同的外部直徑之未塗布光纖的類似連接。
此外，GGP光纖之玻璃部分可以小於標準125微米外部直徑，並且添加黏性、很濃且相對較硬的聚合物層(塗層)以使光纖直徑達到標準125微米直徑，同地維持用於連接的同心度。結構係在低模量塗層內以電纜連接以最小化微彎曲損失，但是當因連接而剝離低模量塗層時，光纖之外部玻璃表面不會遭到曝露或損壞。
在光纖當中，具有最嚴格彎曲損失要求的應用一直係用於軍事的光纖光學導彈(FOG-M)及繫留武器應用。用於繫留武器應用的光纖設計已藉由設計具有較小MFD(在1550 nm情況下為~4至7微米)的光纖而集中在使光信號保持很嚴密地限制在光纖核心內。某些設計包含核心周圍的深凹陷折射率(所謂的「W」光纖)，其提供較大範圍的運轉波長。若將光纖設計成在單一波長情況下運轉，則高匹配包層指數設計還可提供合理的曲波容差。深凹陷、小MFD光纖之範例係說明在美國專利第4,838,643與5,032,001號。
雖然該等光纖提供低曲波損失，但是其較小的MFD使其不適合於連接低成本、大(>8.0微米)MFD電信光纖。該等光纖之多波長版本具有最小的MFD，因此具有最大的MFD失配以及使其不能實際用於上述應用之相關聯的連接器損失。該等光纖僅可加以熔化編街或熱處理以消除MFD失配，此對於多插入/斷開應用而言為不實際程序。
一般而言，具有較小MFD的光纖設計在給定波長情況下具有較高的數字孔徑(NA)，因為二參數皆指示更嚴密限制的光學模式，此將受到大彎曲或其他外部影響的較小影響。MFD、大彎曲損失與第二模式截止波長之間的關係係說明在美國專利第5,608,832與5,278,931號及其中的參考中。MFD、大彎曲損失與第二模式截止波長之間的關係之另外的說明係說明在美國專利第號6,895,156中(其係全部以引用的方式併入本文中)。
依據本發明之一方面，一光纖包括一核心、橫向包圍該核心之一內部包層與橫向包圍該內部包層之一外部包層，其中該核心、內部包層與外部包層具有一深凹陷組態。該光纖在三或多個波長頻帶中運轉，其中一第一波長頻帶的中心係處於約1300 nm，並且其中一第二波長頻帶的中心係處於約1625 nm。此外，該光纖具有曲波損失，當在1625 nm情況下於10 mm半徑曲波上測量時該損失係小於或等於0.7 dB/轉。用於光纖的第三運轉波長頻帶的中心可以處於約1550 nm。
依據本發明之另一方面，一光纖包括一核心、橫向包圍該核心之一內部包層與橫向包圍該內部包層之一外部包層，其中該核心、內部包層與外部包層具有一深凹陷組態。該光纖在三或多個波長頻帶中運轉，其中一第一波長頻帶的中心係處於約1300 nm，並且其中一第二波長頻帶的中心係處於約1625 nm。此外，該光纖具有當在1625 nm情況下於5 mm半徑曲波上測量時小於或等於1.0 dB/轉的曲波損耗，以及當在1650 nm情況下於5 mm半徑曲波上測量時小於或等於1.5 dB/轉的曲波損耗。用於光纖的第三運轉波長頻帶的中心可以係處於約1550 nm。
依據本發明之另一方面，一光學波導包含：一核心，其具有折射率nco 與半徑rco ；橫向包圍該核心之一內部包層，該內部包層具有折射率nic 與外部半徑ric ；與橫向包圍該內部包層之一外部包層，該外部包層具有折射率noc 。該核心、內部包層與外部包層具有較窄的深凹陷組態，其中nco >noc >nic 。內部深凹陷包層半徑ric 與核心半徑rco 比率的範圍從約3.0至5.0不等，並且在某些方面該比率係大於或等於約3.6。波導具有約0.0030至0.0036之+△，約-0.0018至-0.0012之-△與約0.0048至0.0052之△Tot 。在另一示範性方面，波導具有約0.0020至0.0035之+△，約-0.001至-0.0015之-△與約0.0030至0.0045之△Tot 。
在一項示範性具體實施例中，光學波導具有約3.7至約3.8之深凹陷包層與核心半徑比率、約0.0031之+△、約-0.0017之-△與約0.0049之△Tot 。在另一項示範性具體實施例中，波導具有約3.6之深凹陷包層與核心半徑比率、約0.0032之+△、約-0.0011之-△與約0.0043之△Tot 。用於依據本發明之波導的示範性核心直徑為約9至12微米。示範性運轉波長範圍係在約1300至1650 nm之間，而第二模式電纜截止波長係小於1260 nm。當在1550 nm情況下測量時，示範性MFD係大於或等於約9.6微米。
在特定示範性具體實施例中，光學波導具有玻璃核心與包層，並且進一步包含永久性焊接至或黏著於玻璃波導之外部表面的聚合物塗層，例如硬聚合物塗層。波導可進一步包含塗布硬聚合物之一軟聚合物材料，其中該軟聚合物材料可包括選自由Desolite 3471-3-14、Desolite 3471-1-152A與Shin-Etsu OF-206組成的群組之塗層。
示範性具體實施例之內部包層可包含氟矽酸鹽、硼矽酸鹽、氟矽酸磷、硼矽酸磷、氟矽酸鍺與硼矽酸鍺。
光學波導可以為光纖，例如單一模式、三頻帶光纖。亦 預期包含依據本發明之波導的光學裝置。
依據本發明之具體實施例的光纖提供小曲波容差設計，此使光纖可採用最小編街損失加以熔化編街或機械連接至其他高MFD光纖。
因此，本發明之波導可用於上述線路與插線電纜，其係用於連接設備至可在1300 nm及/或1500 nm頻帶之波長情況下運轉的上述線路，並可進一步包含超過1650 nm的系統監視信號輸出。波導可以具有接近與電信光纖(例如Corning SMF-28TM 單一模式光纖)之直徑匹配的模場直徑，並可以採用機械及光學方式容允延長的曲波，曲波半徑係小於四分之一英寸(或12 mm)。插線光纖實施方案將較佳從1300 nm至1650 nm(及更長)運行，因為在插線折衷之短波長中，由於氫氧離子污染所引起的1380 nm範圍損失將可以忽略。將與插線連接的本地通訊系統可以在任何(或全部)波長情況下運轉，尤其係在該等系統係基於諸如通訊系統所用的Corning SMF-28TM 或類似跨距光纖之光纖的情況下。對於可包含較小單一或雙重光纖光學電纜的此類上述線路與插線電纜而言，將光纖設計成(採用光學及機械方式)容允較小的半徑曲波，用於壁內的選路及跨接電纜，其可連接光纖光學壁式插座至電腦或其他設備件。
如以上所說明，某些傳統光纖(例如SMF-28)之低衰減設計會在小曲波應用中產生高曲波損失。本發明係關於光學波導(例如光纖)，其在模式上與傳統光纖(例如SMF-28)緊密 匹配，並具有橫跨包含1300 nm至1650 nm的運轉頻帶之合格的曲波損失。依據本發明，尤其重要的三波長頻帶包含中心約1300 nm(例如1300 nm±20 nm)之第一波長頻帶、中心約1550 nm(例如1550 nm±50 nm)之第二波長頻帶、以及中心約1625 nm(例如1625 nm±50 nm)之第三波長頻帶。中心約1550 nm之重要的第二波長頻帶可以包含鉺發送之短、中及長頻帶(即S、C與L頻帶)。此外，亦可以利用從約1360 nm至約1460 nm之波長頻帶，尤其係在涵蓋較短距離之插線應用中。
圖1顯示依據本發明所構建之一光纖10。光纖10包含一保護塗層20與一緩衝層30。光纖10進一步包含一核心12、內部包層14與一外部包層16。該核心12、內部包層14與外部包層16係在範例中由玻璃構建，但是也可由任何合適的材料構建。該等包層14與16還可採用除玻璃以外的材料(例如氟聚合物、氟彈性物與矽樹脂)構建。一個額外的玻璃層18以同心方式包圍玻璃核心與包層。層18為從一般包括矽土玻璃之初始盤料管緊縮的初始支撐材料。
保護塗層20為以下說明的塗層並包圍層18。保護塗層可以包含共同擁有的美國專利第6,587,628號所揭示的以聚合物為主之塗層配方。該等材料一般為用於GGP光纖之塗層，其包含UV固化成分，該等成分係採用光引發劑(例如不會水解成釋放HF或氟化物離子的碘鎓甲基化合物鹽)或碘鎓甲基化合物光引發劑所固化。該等以聚合物為基礎的保護塗層還可保護玻璃表面免遭刮傷及減小機械強度時所引 起的濕氣。
在解說的特定具體實施例中，縱向封裝光纖10之緩衝層30包含內部彈性層22與外部剛性層24。內部彈性層22為光纖10提供對微彎曲損失的保護，而外部剛性層24保護底層免遭磨蝕與機械損壞。
圖2概略地解說沿依據本發明之一光纖10之一具體實施例的直徑之折射率輪廓。對於此具體實施例而言，將光纖10構建為如以下圖3所說明。
圖3顯示針對10 mm曲波半徑的衰減對波長之比較曲線圖，其將相同示範性三波(TW)光纖與雙波(DW)光纖進行比較，該光纖如共同擁有、目前待審的美國專利申請案第10/172,093號(以引用的方式併入本文中)所說明的光纖，以及傳統SMF-28光纖。應注意與用於1550 nm與1625 nm頻帶之SMF-28相比，示範性TW光纖提供曲波損失性能方面的數量等級改良。與用於1550 nm與1625 nm波長頻帶的DW設計相比，TW設計亦可提供曲波損失性能方面的明顯改良。
光纖10可以為具有圓形斷面之單一模式未塗布光纖。應瞭解本發明之其他具體實施例可包含多模式光纖、具有塗層之光纖、以及具有該技術中已知的不同斷面幾何結構之光纖。
光纖10包含核心12，其具有第一橫向尺寸或直徑2rco ，並具有折射率nco 。橫向包圍核心12者為一內部包層14，其具有寬度W、(ric -rco )、內部包層或阻障層半徑ric 與折射率nic 。具有折射率noc 之外部包層16橫向包圍內部包層14。
將空氣或其他外部媒介或包圍光纖的包層之折射率表示為next 。
不像典型匹配的包層光纖一樣，光纖10具有低壓內部包層組態。從圖2可瞭解，對於光纖10而言，核心之折射率nco 具有大於外部包層之折射率noc 的絕對數值。外部包層之折射率依次具有大於內部包層之折射率nic 的絕對數值。
因此，nco >noc >nic
用於標準化指數δ 之等式為：+△=(nco -noc )/noc ；-△=(nic -noc )/noc ；以及△Tot =|(+△)|+|(-△)|，其中nco 為核心之有效步進指數；nic 為內部包層(深凹陷或槽溝式)之折射率；以及noc 為外部包層之折射率。
依據一示範性具體實施例，圖4顯示用於具有運轉之三頻帶波長的光纖之示範性深凹陷指數輪廓，高曲波半徑環境中的衰減損失較低(例如當在1625 nm情況下於10 mm半徑曲波上測量時小於或等於0.7 dB/轉)。例如，圖4顯示具有約3.0至約5.0之內部包層與核心半徑比率、約0.0020至0.0035之+△、約-0.001至-0.0015之-△與約0.0030至0.0045之△Tot 之光纖結構。
依據另一示範性具體實施例，圖5顯示用於具有運轉之三頻帶波長的光纖之另一示範性深凹陷指數輪廓，而很高曲 波半徑環境中的衰減損失較低(例如在1625 nm情況下為5 mm半徑曲波)。如圖5所示，光纖可以產生為具有1550 nm情況下小於或等於0.7 dB/轉的曲波損失，1625 nm情況下小於或等於1.0 dB/轉的曲波損失，以及1650 nm與5 mm曲波半徑情況下小於或等於1.5 dB/轉的曲波損失。例如，圖5顯示具有大於或等於3.6之內部包層與核心半徑比率、約0.0030至0.0036之+△、約-0.0018至-0.0012之-△與約0.0048至0.0052之△Tot 之光纖結構。結合約9 μm至12 μm之核心直徑，光纖顯示1550 nm9.6 μm情況下的模場直徑，以及電纜截止波長<1260 nm，同時保持良好的曲波性能。
圖6顯示曲波損失對不同低壓內部包層厚度之計算結果。已針對5 mm之光纖曲波半徑，使用FiberCad程序及光束傳播法(BPM)實行此理論計算。所描述的示範性光纖具有約0.0033之+△、約-0.0016之-△、約5 μm之核心半徑(rco )與變化的包層半徑(ric )。曲波半徑為5 mm。此圖指示可針對比率ric /rco 3.6達到合適的曲波性能。曲波損失將隨比率ric /rco 的減小而以加速度增加。調查者已進一步決定曲波損失的增加係與MFD的增加直接相關，其中ric /rco 係小於3.6。圖6還指示測量的曲波損失與計算的曲波損失之間的誤差容限為約0.5 dB/轉。
圖7顯示模型光纖中的曲波損失之計算，此時可以改變光纖核心及低壓包層之折射率位準以產生光纖之合適的曲波性能。在圖7中，已將△Tot 數值固定在0.0049，並且根據計算，MFD在1550 nm情況下具有9.6 μm之恆定值。圖7指示 對於1550 nm而言，所計算的曲波損失具有約0.0036之+△及約-0.0012之-△的最小數值。圖7還指示在5 mm曲波半徑情況下(例如包裹在5 mm心軸周圍之光纖)的最小曲波損失與在1550 nm及1650 nm情況下的曲波損失稍有不同，儘管在不同光纖設計當中曲波損失之數值僅為約0.1 dB/轉。
還可以根據規定的電纜截止波長(例如1260 nm)決定用於合適的曲波運轉之上限數值+△。例如，如圖8所示，已指示約0.0036之+△數值(調整為實驗數值)。
實驗資料 範例1
依據本發明之一光纖的一個示範性具體實施例具有下列材料成分：具有以上說明的材料成分之盤料，係藉由下列方式使用19×25 mm熔化矽土管及改良化學沉積(MCVD)程序加以製造：首先分別採用412、40與19標準cc/min之SiCl4 、POCl3 與SiF4 流量沉積20個披覆層。然後沉積分別由96與90標準cc/min之SiCl4 與GeCl4 組成的7個核心層，接著進行二道緊縮及一道密封，從而產生17.8 mm的盤料直徑。可能需要使用19×25 mm熔化矽土管之一或多次過緊縮，以獲得23 mm的最終盤料直徑。圖2顯示此盤料在過緊縮之前的折射率輪廓。盤料係在抽取之前過緊縮，並抽取為光纖。
在該範例中，在玻璃部分之外部表面上將硬、永久性聚合物放置成125.0微米的直徑。在UV固化原塗層上將第二、較軟塗層施加成接近180微米的直徑。用於此較軟塗層之典 型材料可包含Desolite 3471-3-152A或Desolite 3471-3-14，其可從1122 St.Charles St.，Elgin，IL，60120之DSM Desotech公司購得；或Shin-Etsu OF-206，其可從日本東京100-0004，6-1，Otemachi 2-chome，Chiyoda-ku，Shin-Etsu化學有限公司購得。將第三較硬塗層施加在副塗層上以提供可固化的外部塗層。用作此較硬塗層之典型材料可包含Desolite 3471-2-136、Desolite 3471-3-14，其亦可從DSM Desotech公司購得。(將Desolite 3471-3-14說明為可用作單一塗層應用之中間硬度材料。)共同讓渡的美國專利第RE 36,146、6,587,628與6,895,156號(其全部係以引用的方式併入本文中)說明各種可能的塗層成分。較軟的第二塗層有助於藉由緩衝微應力點而非發送微應力至光載送核心來減小微彎曲損失。
從永久性焊接的原塗層輕易地剝離外部二個塗層，從而產生具有125.0微米之塗布直徑的受保護光纖端部。以剝離的光纖端部將適合於標準125微米連接器套圈的方式控制此直徑。
示範性光纖具有下列特徵：
a.)包層/核心半徑比率為3.6
b.)0.0032之+△
c.)-0.0011之-△
d.)0.0043之△To 。
測量曲波損失之程序依照EIA/TIA-455-62-A(FOTP 62)工業標準測試方法中提出的指南。基本而言，藉由下列方式 測量光纖之曲波損失：將光纖包裹在具有規定半徑、預定轉數之心軸周圍，接著測量相同光纖在直線組態中與彎曲組態中的發送差異。
此設計產生具有下列特性之示範性光纖：截止波長=1280 nm
1300 nm情況下，MFD=7.9微米
1550 nm情況下，MFD=8.8微米
1550 nm情況下，曲波損失(10 mm半徑)<0.004 dB/轉
1625 nm情況下，曲波損失(10 mm半徑)=0.01 dB/轉
1650 nm情況下，曲波損失(10 mm半徑)=0.02 dB/轉
範例2
抽取並測量具有依據本發明之類似設計的光纖之第二樣本，其具有下列特性：
a.)包層/核心半徑比率為3.9
b.)0.0027之+△
c.)-0.0012之-△
d.)0.0039之△Tot 。
此設計產生具有下列特性之示範性光纖：截止波長=1310 nm
1300 nm情況下，MFD=8.1微米
1550 nm情況下，MFD=9.2微米
1550 nm情況下，曲波損失(10 mm半徑)=0.02 dB/轉
1625 nm情況下，曲波損失(10 mm半徑)=0.08 dB/轉
1650 nm情況下，曲波損失(10 mm半徑)=0.12 dB/轉
從光纖抽取之前對光纖盤料進行的測量中取指數δ 之數值。在633 nm情況下採用He-Ne雷射進行測量。在該等光纖中的外部包層之折射率係本質上與純矽土相同，基於計算目的，在633 nm情況下取該折射率為1.458。
範例3
將依據本發明之另一具體實施例的光纖(SMGGP-TW)之曲波性能，與自Corning的商用SMF-28TM 光纖、自明尼蘇達州St.Paul之3M公司的商用VolitionTM 單一波長頻帶光纖(SMGGP-SW)、以及雙波長頻帶光纖(SMGGP-DW，如共同擁有、目前待審的美國專利申請案第10/172,093號所說明)之曲波性能進行比較。表1顯示結果。
在以上表格中，使用10 mm曲波半徑測量行9與10之曲波損失測量，並使用6 mm曲波半徑(1/4轉)測量行11(最後一行)所示的曲波損失測量。以上表格顯示：與SMGGP-SW及SMGGP-DW光纖設計相比，SMGGP-TW光纖在1625 nm情況下具有更低的曲波損失。例如，SW設計之曲波損失在10 mm半徑情況下為約1.6 dB/轉及對於DW設計而言為1.2 dB/轉，而三波長(TW)設計之曲波損失為約0.3 dB。雖然TW光纖之模場直徑(MFD)係稍小於SW及DW設計，但是在1300 nm及1550 nm情況下，增加的連接性損失係每次連接小於0.03 dB。將TW光纖設計成與根據每一EIA/TIA-455-170(FOTP 170)測量的Corning SMF-28TM 之「電纜」截止特徵，而非「光纖」截止特徵匹配，從而產生貢獻較佳曲波性能之較高數字孔徑設計。將SW與DW光纖設計成具有分別小於1260 nm及1280 nm之光纖截止，從而產生小於約1180 nm之電纜截止。在較長波長情況下由於較短電纜截止而擴展的增加模式，在DW設計之快速率情況下產生向外彎曲之基本模式。SW設計遭遇類似困難。
範例4
依據本發明之一光纖的另一個示範性具體實施例具有下列材料成分：具有以上說明的材料成分之盤料，係藉由下列方式使用19×25 mm熔化矽土管及改良化學沉積(MCVD)程序加以製造：首先分別採用667、23標準cc/min之SiCl4 及SiF4 流量沉積23個披覆層。然後沉積分別由138與114標準cc/min之SiCl4 與GeCl4 組成的7個核心層，接著進行數道緊縮密封，從而產生15.2 mm之盤料直徑。使用具有適當斷面區域的一個過緊縮管，以獲得約23 mm之最終盤料直徑。
圖9顯示此盤料在過緊縮之前的折射率輪廓。盤料係在抽取之前過緊縮，並抽取為光纖。在該範例中，在玻璃部分 之外部表面上將硬、永久性聚合物塗層放置成125.0微米的直徑。在UV固化原塗層上將第二、較軟塗層施加成接近180微米的直徑。用於此較軟塗層之典型材料可包含Desolite 3471-3-152A或Desolite 3471-3-14，其可從1122 St.Charles St.，Elgin，IL，60120之DSM Desotech公司購得；或Shin-Etsu OF-206，其可從日本東京100-0004，Otemachi 2-chome，Chiyoda-ku，Shin-Etsu化學有限公司購得。將第三、較硬塗層施加在副塗層上以提供可固化的外部塗層。用作此較硬塗層之典型材料可包含Desolite 3471-2-136、Desolite 3471-3-14，其亦可從DSM Desotech公司購得。共同讓渡的美國專利第RE 36,146、6,587,628與6,895,156號(其全部係以引用的方式併入本文中)說明各種可能的塗層成分。較軟的第二塗層有助於藉由緩衝微應力點而非發送微應力至光載送核心來減小微彎曲損失。
從永久性焊接的原塗層輕易地剝離外部二塗層，從而產生具有125.0微米之塗層直徑的受保護光纖端部。以剝離的光纖端部將適合於標準125微米連接器套圈之方式控制此直徑。
此示範性光纖具有下列特徵：
a.)包層/核心半徑比率為3.8
b.)0.0031之+△
c.)為-0.0018之-△
d.)0.0049之△Tot 。
測量曲波損失之程序依照EIA/TIA-455-62-A(FOTP 62)工 業標準測試方法中提出的指南。藉由下列方式測量光纖之曲波損失：將光纖包裹在具有規定半徑、預定轉數之心軸周圍，接著測量相同光纖在直線組態中與彎曲組態中的發送差異。
此設計產生具有下列特性之示範性光纖：截止波長=1263 nm
在1310 nm情況下，MFD=8.8微米
在1550 nm情況下，MFD=9.7微米
在1550 nm情況下，曲波損失(10 mm半徑)=0.1 dB/轉
在1625 nm情況下，曲波損失(10 mm半徑)=0.22 dB/轉
在1650 nm情況下，曲波損失(10 mm半徑)=0.25 dB/轉
在1550 nm情況下，曲波損失(5 mm半徑)=0.66 dB/轉
在1625 nm情況下，曲波損失(5 mm半徑)=1.0 dB/轉
在1650 nm情況下，曲波損失(5 mm半徑)=1.05 dB/轉
範例5
抽取並測量具有依據本發明之類似設計的另一樣本光纖(依據以上說明的一般方法)，其具有下列特性：
a.)包層/核心半徑比率為3.6
b.)0.0033之+△
c.)-0.0018之-△
d.)0.0051之△Tot 。
此設計產生具有下列特性之示範性光纖：截止波長=1265 nm
1310 nm情況下，MFD=8.8微米
1550 nm情況下，MFD=9.6微米
1550 nm情況下，曲波損失(10 mm半徑)=0.11 dB/轉
1625 nm情況下，曲波損失(10 mm半徑)=0.25 dB/轉
1650 nm情況下，曲波損失(10 mm半徑)=0.43 dB/轉
1550 nm情況下，曲波損失(5 mm半徑)=0.71 dB/轉
1625 nm情況下，曲波損失(5 mm半徑)=0.86 dB/轉
1650 nm情況下，曲波損失(5 mm半徑)=1.0 dB/轉
從光纖抽取之前對光纖盤料進行的測量中取指數δ 數值。在約633 nm情況下採用He-Ne雷射進行測量。在該等光纖中的外部包層之折射率係本質上與純矽土相同，基於計算目的，在633 nm情況下取該折射率為1.4573。
範例6
將依據本發明之另一具體實施例的光纖(以下識別為「SMGGP-TW2」)之曲波性能與商用光纖SWCC SM-E，即可從日本Showa電線與電纜有限公司購得之光纖進行比較，後者與標準單一光纖相比，具有步進指數核心輪廓及較小的模場直徑。採用類似於以上說明用於範例4與5的方式形成光纖SMGGP-TW2。表2顯示結果。
在表2中，針對行標頭中指示的半徑進行曲波損失測量。
熟習光學波導技術人士可輕易地確定達到本發明所揭示的指數輪廓之各種化學成分。用於製造依據本發明之改良化學汽相沉積盤料的成分包含氟矽酸磷深凹陷內部包層與矽酸鍺核心。其他設計可以包含在核心中使用磷來軟化玻璃以便於緊縮。
在替代具體實施例中，核心可包含各種指數增加摻雜氧化物，例如磷、鍺、鋁或鑭或者其組合。同樣地，可以藉由使用氟及/或硼或其組合與指數增強成分(例如用於核心之成分)獲得低壓包層。此類多成分玻璃可產生較高損失，但是可用於獲得其需要的光纖特性，例如感光性(用於寫入布拉格光柵)或偏移分散特徵。
可添加實質上與矽土之指數匹配的外部包層而不改變總體性能。其他可能性包含部分低壓外部包層，其可以產生「軟化」基本截止對波長特徵。
依據本發明之具體實施例的光纖能夠容許小曲波，而不會在連接至標準式高MFD光纖(例如Coming公司的SMF-28)時產生不適當的機械應力、曲波感應光學損失或機械編街損失。示範性設計能夠在1300 nm與1550 nm之共同電信運轉波長窗口情況下提供此性能，並且包含可用於系統監視的1625 nm至1650 nm窗口。特殊光纖構造包含較小玻璃直徑，其允許使用較小的曲波而不會在機械上對光纖造成過大的應力，並且可與永久性塗布技術(所謂的「GGP」光纖)結合以建立從80至100微米最多至125微米的玻璃直徑。此 允許使用設計用於125微米玻璃直徑光纖之通用機械連接器來連接光纖。
本發明之具體實施例的光纖設計提供較大光譜範圍內的良好模式限制，從而使一根光纖可採用最小曲波感應損失在1300 nm至1650 nm情況下運轉，同時仍與SMF-28進行充分的模式匹配以提供低損失機械互連。特殊深凹陷設計比匹配的包層設計更能容許曲波並且提供先進技術中的優點以與標準光纖進行模式匹配，而且將可用於光纖到板應用。術語「光纖到板」係指在電子電路板及底板上選路的光纖，如共同讓渡的美國專利第5,902,435與6,390,690號所揭示。
將玻璃設計之三波長窗口特性與「永久性」精確施加的原塗層技術相結合，會產生可用於板上光纖及1300至1650 nm應用(例如VF-45TM 插線連接器，其中需要0.8"(2.03 cm)直徑曲波)的光纖。用於本發明之另一可能的應用為FTTX，其中簡化機械編街與互連之利益將有用，例如用於場終止與下引電纜應用。
熟習技術人士應瞭解，本發明可用於各種光學設計並且依據本發明之光纖可用於各種光學裝置。雖然已參考示範性較佳具體實施例說明本發明，但是可將本發明具體化於其他特定形式中而不脫離本發明之精神。因此，應瞭解本文說明並解說的具體實施例僅為示範性而不應視為限制本發明之範疇。可依據本發明進行其他變更與修改。
14‧‧‧內包層
16‧‧‧外包層
18‧‧‧玻璃層
20‧‧‧保護塗層
22‧‧‧彈性層
24‧‧‧剛性層
30‧‧‧緩衝層
圖1為依據本發明之一波導的斷面圖之等距圖。
圖2為描述沿依據本發明之一具體實施例的一光學盤料之直徑的實際折射率輪廓之曲線圖。
圖3為針對10 mm曲波半徑的衰減對波長之比較曲線圖，其將本發明之一具體實施例與雙波光纖及Corning SMF-28光纖進行對較。
圖4為用於依據本發明之一具體實施例的一示範性光纖之示範性折射率輪廓曲線圖的示意圖。
圖5為用於依據本發明之一具體實施例的另一示範性光纖之示範性折射率輪廓曲線圖的示意圖。
圖6為用於依據本發明之一具體實施例的另一示範性光纖之計算曲波損失之曲線圖，其中光纖具有下列數值：約0.0033之+△、約-0.0016之-△、約5 μm之核心半徑(rco )與變化的內部包層半徑(ric )。
圖7為對於具有△Tot =0.0049之光纖而言，核心上的曲波損失與低壓包層指數位準之計算相干的曲線圖。
圖8為與另一示範性光纖之+△成函數關係的已調整理論電纜截止波長之曲線圖。
圖9為在依據範例4過緊縮之前用於示範性光學盤料的指數輪廓曲線圖。

Claims (20)

  1. 一種光纖，其包含：a)一核心，其具有一折射率nco 與一半徑rco ；b)橫向包圍該核心之一內部包層，該內部包層具有一折射率nic 與一外部半徑ric ；c)橫向包圍該內部包層之一外部包層，該外部包層具有一折射率noc ；d)其中該核心、該內部包層及該外部包層具有一深凹陷組態，其中nco >noc >nic ，而e)該內部、深凹陷包層半徑ric 與核心半徑rco 之比率的範圍變化從3.0至5.0；f)約0.0020至0.0035之一+△；g)約-0.001至-0.0015之一-△；以及h)約0.0030至0.0045之一△Tot ，其中該光纖在三或多個波長頻帶中運作，其中一第一波長頻帶的中心係處於約1300 nm，且其中一第二波長頻帶的中心係處於約1625 nm，其中該光纖具有一玻璃核心與多個玻璃包層，該光纖進一步包含黏著於該外部包層的一聚合物塗層，其中該聚合物塗層包含具有至少為55之一肖氏D硬度值之一材料，且進一步包含塗布該聚合物塗層之一軟聚合物材料，其中該軟聚合物材料包含選自由Desolite 3471-3-14、Desolite 3471-1-152A與Shin-Etsu OF-206組成的群組之一或多個塗層。
  2. 如請求項1之光纖，其中： a)該深凹陷包層與核心半徑比率為約3.6；b)該+△為約0.0032；c)該-△為約-0.0011；以及d)該△Tot 為約0.0043。
  3. 如請求項1之光纖，其中：a)該深凹陷包層與核心半徑比率為約3.9；b)該+△為約0.0027；c)該-△為約-0.0012；以及d)該△Tot 為約0.0039。
  4. 2或3之光纖，其中該光纖為具有約9至12微米之一核心直徑的一單一模式光纖。
  5. 2或3之光纖，其具有在約1300至1650 nm之間的一運轉波長範圍，以及小於或等於1280 nm之一電纜截止波長。
  6. 2或3之光纖，其中該內部包層包括下列成分之一或多個成分：氟矽酸鹽、硼矽酸鹽、氟矽酸磷、硼矽酸磷、氟矽酸鍺與硼矽酸鍺組合物。
  7. 如請求項1之光纖，其中該光纖具有當在1550 nm情況下於一10 mm半徑上測量時小於或等於0.02 dB/轉的曲波損失。
  8. 如請求項1之光纖，其中該光纖具有當在1625 nm情況下於一10 mm半徑上測量時小於或等於0.01 dB/轉的曲波損失。
  9. 如請求項1之光纖，其具有當在1300 nm情況下測量時在 約7.8至約9.0微米之間的一MFD。
  10. 如請求項1之光纖，其具有當在1550 nm情況下測量時在約8.6至約10.2微米之間的一MFD。
  11. 如請求項1之光纖，其具有當在1550 nm情況下於一10 mm半徑上測量時小於或等於0.15 dB/轉的曲波損失，以及在1625 nm情況下於一10 mm半徑上測量時小於或等於0.7 dB/轉的曲波損失。
  12. 如請求項1之光纖，其具有當在1550 nm情況下於一10 mm半徑上測量時小於或等於0.02 dB/轉的曲波損失。
  13. 一種光纖，其包含：a)一核心，其具有一折射率nco 與一半徑rco ；b)橫向包圍該核心之一內部包層，該內部包層具有一折射率nic 與一外部半徑ric ；c)橫向包圍該內部包層之一外部包層，該外部包層具有一折射率noc ；d)其中該核心、該內部包層及該外部包層具有一深凹陷組態，其中nco >noc >nic ，而e)該內部、深凹陷包層半徑ric 與核心半徑rco 之比率的範圍變化約3.0至5.0；f)約0.0030至0.0036之一+△；g)約-0.0018至-0.0012之一-△；以及h)約0.0048至0.0052之一△Tot ，其中該光纖在三或多個波長頻帶中運作，其中一第一波長頻帶的中心係處於約1300 nm，且其中一第二波長頻帶的中心係處於約1625 nm，其中該光纖具有一玻璃核心與多個玻璃包層，該光纖進一步包含黏著於該外部包層的一聚合物塗層，其中該聚合物塗層包含具有至少為55之一肖氏D硬度值之一材料，且進一步包含塗布該聚合物塗層之一軟聚合物材料，其中該軟聚合物材料包含選自由Desolite 3471-3-14、Desolite 3471-1-152A與Shin-Etsu OF-206組成的群組之一或多個塗層。
  14. 如請求項13之光纖，其中：a)該深凹陷包層與核心半徑比率為約3.7至約3.8；b)該+A為約0.0032；c)該-△為約-0.0017；以及d)該△Tot 為約0.0049。
  15. 如請求項13或14之光纖，其中該光纖為具有約9至12微米之一核心直徑的一單一模式光纖。
  16. 如請求項13或14之光纖，其具有在約1300至1650 nm之間的一運轉波長範圍，以及小於或等於1280 nm之一電纜截止波長。
  17. 如請求項13或14之光纖，其中該內部包層包括下列成分之一或多個成分：氟矽酸鹽、硼矽酸鹽、氟矽酸磷、硼矽酸磷、氟矽酸鍺與硼矽酸鍺組合物。
  18. 如請求項13之光纖，其具有當在1625 nm情況下於一5 mm半徑上測量時小於或等於1.0 dB/轉的曲波損失，以及在1650 nm情況下於一5 mm半徑上測量時小於或等於1.5 dB/轉的曲波損失。
  19. 如請求項13之光纖，其具有當在1550 nm情況下於一5 mm半徑上測量時小於或等於0.8 dB/轉的曲波損失。
  20. 一種光學裝置，其包含如前述請求項中任一項之光纖。
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