具有深抑制环的低弯曲损耗光纤.pdf

光学波导光纤是抗弯的，并且在1260nm和更高波长处是单模的。该光纤包括芯以及包层，该包层具有环形的内部区域、环形的环区域以及环形的外部区域。环形的环区域具有较低的相对折射率。该光纤具有介于1300和1324nm之间的零色散、在1310nm处介于8.20和9.50μm之间的模场直径、以及小于1.0dB/圈的10nm直径芯棒弯曲损耗。

1.  一种光纤，包括：
从中心线延伸到半径R₁的玻璃芯；
围绕着芯且与之相接触的玻璃包层，所述包层包括：
从R₁延伸到半径R₂的环形的内部区域，所述内部区域包括径向宽度W₂＝R₂-R₁，
从R₂延伸到半径R₃的环形的环区域，所述环区域包括径向宽度W₃＝R₃-R₂，和
从R₃延伸到最外围玻璃半径R₄的环形的外部区域；
其中芯包括相对于外部区域的最大相对折射率Δ_1MAX，并且Δ_1MAX<0.45％；
其中环形的内部区域包括径向宽度W₂、相对于外部区域的最小相对折射率Δ_2MIN、以及相对于外部区域的最大相对折射率Δ_2MAX，其中Δ_2MIN>-0.05％，Δ_2MAX<0.05％，且W₂>2/3R₁；
其中环形的环区域包括：
相对于环形的外部区域的最小相对折射率Δ_3MIN，其中Δ_3MIN<-0.63％；
其中Δ_1MAX>Δ_2MAX>Δ_3MIN，并且Δ_MAX>Δ_2MIN>Δ_3MIN；和
其中芯和包层提供了小于1260nm的光纤截止波长、介于1300和1324nm之间的零色散、在1310nm处介于8.20和9.50μm之间的模场直径、以及小于1.0dB/圈的10mm直径芯棒弯曲损耗。

2.  如权利要求1所述的光纤，其特征在于，
芯和包层提供了小于0.05dB/圈的20mm直径芯棒弯曲损耗。

3.  如权利要求1所述的光纤，其特征在于，
芯和包层提供了在1550nm处小于10dB的针阵列弯曲损耗。

4.  如权利要求1所述的光纤，其特征在于，
环形的环区域包括分布体积V₃，V₃等于：
2 &Integral; R 2 R 3 Δ ( r ) dr ; ]]>
其中|V₃|>20％-μm²。

5.  如权利要求1所述的光纤，其特征在于，

0.  2<R₁/R₂<0.6。

6.  一种光纤，包括：
从中心线延伸到半径R₁的玻璃芯；
围绕着芯且与之相接触的玻璃包层，所述包层包括：
从R₁延伸到半径R₂的环形的内部区域，所述内部区域包括径向宽度W₂＝R₂-R₁，
从R₂延伸到半径R₃的环形的环区域，所述环区域包括径向宽度W₃＝R₃-R₂，和
从R₃延伸到最外围玻璃半径R₄的环形的外部区域；
其中芯包括相对于外部区域的最大相对折射率Δ_1MAX，并且Δ_1MAX<0.45％；
其中环形的内部区域包括径向宽度W₂、相对于外部区域的最小相对折射率Δ_2MIN、以及相对于外部区域的最大相对折射率Δ_2MAX，其中Δ_2MIN>-0.05％，Δ_2MAX<0.05％，且W₂>2/3R₁；
其中环形的环区域包括：
相对于环形的外部区域的最小相对折射率Δ_3MIN，其中Δ_3MIN<-0.63％；和
分布体积V₃，V₃等于：
2 &Integral; R 2 R 3 Δ ( r ) dr ; ]]>
其中|V₃|>20％-μm²；
其中Δ_1MAX>Δ_2MAX>Δ_3MIN，并且Δ_MAX>Δ_2MIN>Δ_3MIN；和
其中0.2<R₁/R₂<0.6。

7.  如权利要求6所述的光纤，其特征在于，

0.  4<R₁/R₂<0.6。

8.  如权利要求6所述的光纤，其特征在于，
20％-μm²<|V₃|<80％-μm²。

9.  如权利要求6所述的光纤，其特征在于，

0.  28％<Δ_1MAX<0.45％。

10.  如权利要求6所述的光纤，其特征在于，
R₁<5.0μm。

11.  如权利要求6所述的光纤，其特征在于，
R₂>8μm。

12.  如权利要求6所述的光纤，其特征在于，
R₃>10μm。

13.  如权利要求6所述的光纤，其特征在于，
W₃介于2和5μm之间。

14.  如权利要求1所述的光纤，其特征在于，
芯包括分布体积V₁，V₁等于：
2 &Integral; 0 R 1 Δ ( r ) dr ; ]]>
其中V₁大于0且小于6.2％-μm²。

15.  如权利要求6所述的光纤，其特征在于，
芯和包层提供了小于1260nm的光纤截止波长。

16.  如权利要求6所述的光纤，其特征在于，
芯和包层提供了介于1300和1324nm之间的零色散。

17.  如权利要求6所述的光纤，其特征在于，
芯和包层提供了在1310nm处介于8.20和9.50μm之间的模场直径。

18.  如权利要求6所述的光纤，其特征在于，
芯和包层提供了小于1.0dB/圈的10mm直径芯棒弯曲损耗。

19.  如权利要求6所述的光纤，其特征在于，
芯和包层提供了小于0.05dB/圈的20mm直径芯棒弯曲损耗。

20.  如权利要求6所述的光纤，其特征在于，
芯和包层提供了在1550nm处小于10dB的针阵列弯曲损耗。

具有深抑制环的低弯曲损耗光纤
有关申请的交叉参照
本申请要求2006年8月31日提交的美国临时专利申请60/841,458的优先权，其内容与本文相关且全部引用在此作为参考。
技术领域
本发明一般涉及光纤，尤其涉及抗弯单模光纤。
背景技术
所谓的“接入”光网络和光纤到户(FTTx)光网络中所使用的光纤可能会经受各种弯曲环境。在这种网络中使用光纤时可能在通过该光纤传输的光信号中引入弯曲损耗。一些应用可能强加一些会引入弯曲损耗的物理要求，比如紧密的弯曲半径、光纤压缩等，这些应用包括将光纤部署在下列环境中：光学分支缆线组件；具有工厂安装终端系统(FITS)和松弛回路(slack loop)的配线缆线；位于连接馈电线和配线缆线的机柜中的小弯曲半径多端口；以及在配线缆线和分支缆线之间的网络接入点中的跨接线。
发明内容
本文揭示了一种光波导光纤，它是抗弯曲的并且在1260nm和更高的波长处是单模的。该光纤具有很大的有效面积，例如，这特别有益于抑制高比特率时的信号非线性。较佳地，该光纤具有很低的宏弯曲引起的衰减损耗以及很低的微弯曲引起的衰减损耗。
本文所揭示的光纤包括玻璃芯和玻璃包层，包层围绕着芯且与芯相接触，芯是围绕着中心线设置的，并且从中心线径向延伸。包层包括：环形的内部区域，该内部区域围绕着芯区域并且与之接触；环形的环区域，该环区域围绕着环形的内部区域并且与之接触；以及环形的外部区域，该外部区域围绕着环形的环区域并且与之接触，还延伸到玻璃半径的最外围。环形的外部区域是光纤的最外围的玻璃部分。在较佳的实施方式中，环形的外部区域被一个或多个涂层覆盖，比如聚氨酯丙烯酸酯材料。环形的环区域具有较低的相对折射率。在一些实施方式中，本文所揭示的光纤具有包层，该包层具有环形的环区域，该环区域具有带较窄且较深抑制的相对折射率。
玻璃芯的最大相对折射率小于0.45％。环形的环区域的最小相对折射率小于-0.63％，小于-0.65％较佳，小于或等于-0.7％则更佳。环形的内部区域的相对折射率的大小是很低的，小于0.05％。环形的内部区域的大部分径向宽度的相对折射率可以是正的、负的、和/或零。芯的最大相对折射率是整个光纤的最大相对折射率。环形的内部区域的最大相对折射率大于或等于环形的内部区域的最小相对折射率。环形的内部区域的最小相对折射率大于或等于环形的环区域的最小相对折射率。
本文所揭示的光纤的折射率分布提供了：在1310nm处介于8.20～9.50μm之间的模场直径，8.40～9.20μm较佳；1300～1324nm的零色散波长；小于1260nm的2米光纤截止波长；以及针对宏弯曲和微弯曲的优越的抗弯性。较佳地，本文所揭示的光纤在1550nm处呈现出小于0.05dB/圈的20mm弯曲损耗(即当光纤绕着20mm直径芯棒缠绕时因宏弯曲而导致的衰减增量)，小于0.03dB/圈更佳。较佳地，本文所揭示的光纤在1550nm处呈现出小于1.0dB/圈的10mm弯曲损耗(即当光纤绕着10mm直径芯棒缠绕时因宏弯曲而导致的衰减增量)，小于0.75dB/圈更佳。较佳地，本文所揭示的光纤呈现出不大于15dB的针阵列弯曲损耗，小于10dB更佳，小于5dB尤佳。在一些实施方式中，横向负载丝网损耗小于0.5dB，较佳地小于0.25dB。
在一组实施方式中，环形的环区域包括二氧化硅玻璃，其中的掺杂剂选自锗、铝、磷、钛、硼和氟所构成的组。
在另一组实施方式中，环形的环区域包括具有多个孔的二氧化硅玻璃，这些孔是空的(真空)或填有气体，其中这些孔提供了内部光反射，由此为沿着芯前进的光提供了波导。这些孔也可以提供比纯净二氧化硅要低的有效折射率。
现在，详细参照本发明的较佳实施方式，在附图中示出其示例。
附图说明
图1示出了本文所描述的光波导光纤的实施方式的相对折射率分布。
图2示出了本文所描述的光波导光纤的实施方式的测得的相对折射率分布。
图3是本文所描述的光波导光纤的实施方式的示意性横截面图。
图4示意性示出了本文所描述的使用光纤的光纤通信系统。
图5示意性地示出了本文所描述的光纤通信系统的另一个实施方式。
具体实施方式
本发明的其它特征和优点将在下面的详细描述中得到阐明，并且本领域技术人员从说明书中将很容易看得出或通过按详细描述、权利要求书和附图所描述的那样来实施本发明而认识到这些特征和优点。
“折射率分布”是折射率或相对折射率与波导光纤半径之间的关系。
相对折射率百分比被定义为Δ％＝100x(n_i²-n_c²)/2n_i²，其中n_i是区域i中的最大折射率，除非另有说明，n_c是包层的环形外部区域的平均折射率。在本文中，相对折射率由Δ表示，其值是以“％”为单位给出的，除非另有说明。当一个区域的折射率小于环形外部区域的平均折射率时，相对折射率百分比是负的并且被称为具有抑制的区域或抑制的折射率，并且最小相对折射率是在折射率为最小的负值的那一点处计算的，除非另有说明。当一个区域的折射率大于包层区域的平均折射率时，相对折射率百分比是正的并且该区域可以被说成升高了或具有正折射率。本文中的“上掺杂剂”被视为一种能使折射率相对于纯净未掺杂二氧化硅而有所提升的掺杂剂。本文中的“下掺杂剂”被视为一种能使折射率相对于纯净未掺杂二氧化硅而有所下降的掺杂剂。当伴有一种或多种不是上掺杂剂的其它掺杂剂时，上掺杂剂可以存在于具有负相对折射率的光纤区域中。同样，一种或多种不是上掺杂剂的其它掺杂剂也可以存在于具有正相对折射率的光纤区域中。当伴有一种或多种不是下掺杂剂的其它掺杂剂时，下掺杂剂可以存在于具有正相对折射率的光纤区域中。同样，一种或多种不是下掺杂剂的其它掺杂剂也可以存在于具有负相对折射率的光纤区域中。
在本文中，除非另有说明，否则这里称为波导光纤的“色散”的“色散”是指材料色散、波导色散和模间色散的总和。对于单模波导光纤而言，模间色散是零。色散斜率是色散相对于波长的变化率。
“有效面积”被定义为：
A_eff＝2π(∫f² r dr)²/(∫f⁴ r dr)，
其中积分限是0到∞，并且f是与波导中所传播的光有关的电场的横向分量。在本文中，除非另有说明，否则“有效面积”或“A_eff”是指在波长1550nm处的光学有效面积。
术语“α-分布”或“阿尔法分布”是指相对折射率分布，是用Δ(r)表达的，单位是“％”，其中r是半径，符合下列方程，
Δ(r)＝Δ(r_o)(1-[|r-r_o|/(r₁-r_o)]^α)，
其中r_o是Δ(r)达到最大时的点，r₁是Δ(r)％等于零时的点，r介于r_i≤r≤r_f范围中，其中Δ是上文所定义的那样，r_i是α-分布的初始点，r_f是α-分布的末点，并且α是本身为实数的指数。
模场直径(MFD)是用Peterman II方法测量的，其中2w＝MFD，w²＝(2∫f²r dr/∫[df/dr]²r dr)，积分限是0到∞。
通过在规定的测试条件下引入衰减，就可以测量波导光纤的抗弯性。
一种弯曲测试是横向负载微弯曲测试。在这种所谓的“横向负载”测试中，将规定长度的波导光纤置于两个平板之间。将#70丝网附接到这两个板之一。已知长度的波导光纤被夹在这两个板之间，并且在用30牛顿的力将这两个板压到一起的同时，测量参考衰减。然后，向这两个板施加70牛顿的力，并且测量以dB/m为单位的衰减增量。该衰减增量就是该波导的横向负载衰减。
“针阵列”弯曲测试被用于比较波导光纤对弯曲的相对耐受性。为了执行这种测试，在基本上不引入弯曲损耗的情况下对波导光纤测量衰减损耗。然后，绕着针阵列编织该波导光纤，并且再次测量衰减。因弯曲而引入的损耗就是这两次测得的衰减之差。上述针阵列是一组10个圆柱形的针，它们排列在单个行中并且保持在平面上固定的垂直位置处。针间距是5mm，即中心到中心的间距。针直径是0.67mm。在测试期间，施加足够大的张力以使波导光纤符合针表面的一部分。
对于给定模式，理论上的光纤截止波长(或“理论上的光纤截止”、或“理论上的截止”)是这样一个波长，在该波长以上所引导的光无法按该模式进行传播。在“Single Mode Fiber Optics”(Jeunhomme，pp.39-44，Marcel Dekker，New York，1990)一书中可以找到数学定义，其中理论上的光纤截止波长被描述成这样一个波长，在该波长处模式传播常数变得等于外包层中的平面波传播常数。对于长度有限、笔直且没有直径变化的光纤而言，这种理论上的波长是合适的。
可以通过标准2m光纤截止波长测试，FOTP-80(EIA-TIA-455-80)，来测量实际上的光纤截止波长，以产生“光纤截止波长”，也被称为“2m光纤截止波长”或“测得的截止波长”。执行FOTP-80标准测试，以利用受控的弯曲量来除去更高阶的模式，或者使该光纤的光谱响应除以多模光纤的光谱响应从而归一化。
因缆线环境中有高度弯曲和机械压力，所以缆线截止波长(或“线缆截止”)甚至低于测得的光纤截止波长。EIA-445光纤测试程序中所描述的缆线截止波长测试可以接近实际的缆线条件，这些测试程序是EIA-TIA(即ElectronicsIndustry Alliance-Telecommunications Industry Association)光纤光学器件标准的一部分，通常称之为FOTP。在EIA-455-170通过发射的功率来测量单模光纤的缆线截止波长(Cable Cutoff Wavelength of Single-mode Fiber byTransmitted Power)，即“FOTP-170”中，描述了缆线截止波长测试。本文中所使用的缆线截止波长是指利用近似测试而获得的值。
除非另有说明，否则光学性质(比如色散、色散斜率等)都是针对LP01模式而报道的。除非另有说明，否则1550nm的波长就是参考波长。这里所使用的光学传输线路包括一段光纤、或多个串联熔接在一起的光纤，它们在多个光学器件之间延伸，例如，在两个光放大器之间或在多路复用器件和光放大器之间延伸。该光学传输线路可以包括传输光纤和色散补偿光纤，其中可以在模块(DC模块)中部署色散补偿光纤或纵向地铺设，或两者皆可，选定成实现一种期望的系统性能或参数，比如光学传输线路末端的剩余色散。
本文所揭示的光纤10包括芯100和包层(或包覆)200，包层200围绕着芯100且与其直接相邻。包层200具有折射率分布Δ_CLAD(r)。在一些实施方式中，包层200包括纯净的二氧化硅。
可以定义各种波段或工作波长范围或波长窗口如下：“1310nm波段”是1260—1360nm；“E-波段”是1360—1460nm；“S-波段”是1460—1530nm；“C-波段”是1530—1565nm；“L-波段”是1565—1625nm；并且“U-波段”是1625—1675nm。
在一些实施方式中，芯包括掺有锗的二氧化硅。单独或组合形式的、除了锗以外的掺杂剂可以应用于芯中，特别是在本文所揭示的光纤的中心线处或其附近，以获得期望的折射率和密度。
在一些实施方式中，从环形部分的中心线到内半径R₂，本文所揭示的光纤的折射率分布是非负的。在一些实施方式中，光纤在芯中不包含折射率-减小的掺杂剂。
参照图1，本文揭示的光学波导光纤100包括：芯20，从中心线径向向外延伸到中心部分的外半径R₁，并且具有以百分比计算的相对折射率分布Δ₁(r)，具有最大的相对折射率百分比Δ_1MAX；以及包层200，该包层200围绕着芯20并且与芯20直接相邻，即直接接触。包层200包括：环形的内部区域30，该区域30围绕着芯20且与其直接相邻，该区域30径向向外延伸到环形的内部区域的外半径R₂，具有设置于中点R_2MID处的宽度W₂，该区域30具有以百分比计算的相对折射率分布Δ₂(r)，具有最大的相对折射率百分比Δ_2MAX％，最小的相对折射率百分比Δ_2MIN％，以及最大绝对值相对折射率百分比|Δ₂(r)_MAX|；环形的环区域50，该区域50围绕着区域30并且直接与其相邻，从R₂向环形的环区域半径R₃向外径向延伸，该区域50具有设置于中点R_3MID处的宽度W₃，并且具有以百分比计算的相对折射率分布Δ₃(r)，具有最小相对折射率百分比Δ_3MIN％，其中Δ_1MAX>0>Δ_3MIN；以及环形的外部区域60，该区域60围绕着区域50并且与其直接相邻，并且具有以百分比计算的相对折射率百分比Δ_CLAD(r)％。R₁被定义成出现在Δ1(r)首先达到+0.05％的半径处。即，在半径R₁处，相对折射率首先达到+0.05％(径向向外)，这也是芯20结束且环形的环区域30开始之处，并且区域30被定义成在半径R₂处结束，相对折射率Δ₂(r)在半径R₂处首次达到-0.05％(径向向外)。对于这组实施方式而言，环形的环区域50开始于R₂并结束于R₃。R₃被定义成出现在Δ₃(r)下降至少-0.1％之后相对折射率Δ₃(r)首次达到-0.05％(径向向外)之处。环形部分的宽度W₃是R₃-R₂，其中点R_3MID是(R₂+R₃)/2。在一些实施方式中，中心部分的径向宽度的90％以上具有正的相对折射率，在一些实施方式中，对于0到R₁所有的半径而言，Δ₁(r)是正的。在一些实施方式中，对于环形的内部区域30的径向宽度的50％以上，|Δ₂(r)|<0.025％，并且在其它实施方式中，对于环形的内部区域30的径向宽度的50％以上，|Δ₂(r)|<0.01％。对于从R₂到R₃所有的半径而言，Δ₃(r)是负的。较佳地，对于大于30μm的所有的半径而言，Δ_CLAD(r)＝0％。在半径R_CORE处，芯结束了并且包层开始了。包层200延伸到半径R₄，半径R₄也是光纤的玻璃部分的最外围。此外，Δ_1MAX>Δ_2MAX>Δ_3MIN，并且Δ_MAX>Δ_2MIN>Δ_3MIN。
芯具有分布体积V₁，定义如下：
2 &Integral; 0 R 1 Δ 1 ( r ) dr . ]]>
环形的环区域具有分布体积V₃，定义如下：
2 &Integral; R 2 R 3 Δ 3 ( r ) dr . ]]>
较佳地，Δ_1MAX<0.45％，Δ_2MIN>-0.05％，Δ_2MAX<0.05％，Δ_3MIN<-0.63％，0.2<R₁/R₂<0.6，并且环形的环区域的分布体积的绝对值|V₃|大于20％-μm²。更佳地，Δ_3MIN<-0.65％，≤-0.7％则更佳。在一些实施方式中，0.35<R₁/R₂<0.5。例如，当我们说Δ<-0.63％时，我们意味着Δ比-0.63％负得更厉害。
较佳地，W₂>2/3R₁，在一些实施方式中，W₂>2μm。
在一些实施方式中，20％-μm²<|V₃|<80％-μm²。在其它实施方式中，30％-μm²<|V₃|<70％-μm²。在其它实施方式中，40％-μm²<|V₃|<60％-μm²。
较佳地，0.28％<Δ_1MAX<0.45％，更佳地，0.30％<Δ_1MAX<0.40％，在一些实施方式中，0.31％≤Δ_1MAX≤0.38％。
较佳地，R₁<5.0μm，3.0μm<R₁<5.0μm则更佳，在一些实施方式中，4.0μm<R₁<5.0μm。
较佳地，R₂>8.0μm，在一些实施方式中，8.0μm<R₂<15.0μm。
较佳地，R₃>10.0μm，在一些实施方式中，10.0μm<R₃<20.0μm。
在一些实施方式中，W₃>1.0μm，在其它实施方式中，1.0<W₃<6.0μm，在其它实施方式中，1.0<W₃<5.0μm。
较佳地，R₄>40μm。在一些实施方式中，R₄>50μm。在其它实施方式中，R₄>60μm。在一些实施方式中，60μm<R₄<70μm。
在一些实施方式中，芯的中心部分可以包括一种具有所谓的中心线降低的相对折射率分布，这可能是一种或多种光纤制造技术所导致的。例如，该中心部分在小于1μm的半径处可以具有局部的折射率分布最小值，其中在比r＝0μm大的半径处出现更高的相对折射率值(包括芯部分的最大相对折射率)。
较佳地，本文所揭示的光纤提供了：1310nm处的模场直径是8.20μm到9.50μm，8.4μm到9.20μm更佳；零色散波长介于1300和1324nm之间；以及缆线截止波长小于1260nm。因为缆线截止波长不大于(在一些实施方式中约等于)2米光纤截止波长，所以小于1260nm的2米光纤截止波长产生了小于1260nm的缆线截止波长。
第一组实施方式
表格1—2列出了第一组实施方式的示例1-7的说明性示例的特征。示例2-7的折射率分布相似于图1，但具有下列相应的数值。