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揭示一种具有氧化硅基芯的光纤，该芯包含选自K2O、Na2O、LiO2、Rb2O、Cs2O及其混合物的碱金属氧化物，这些碱金属氧化物在所述芯中的平均浓度约为10-10000重量ppm，该光纤还具有氧化硅基覆层，该覆层包围该芯并与其直接相邻，该覆层包括折射率低于该覆层其余部分的区域。通过适当选择该芯中碱金属氧化物掺杂剂的浓度和覆层，可获得低损耗光纤，其显示小于1400纳米的光缆截止、1550纳米时约13-19皮秒/纳米/千米的色散、以及小于约1324纳米的零色散波长。

1.  一种光纤，该光纤包括：
氧化硅基芯，所述芯包含选自K₂O、Na₂O、LiO₂、Rb₂O、Cs₂O及其混合物的碱金属氧化物，这些碱金属氧化物在所述芯中的平均浓度约为10-10000重量ppm，和
包围该芯的氧化硅基覆层，所述氧化硅基覆层包括至少一个其折射率Δ低于所述覆层其余部分的环形区域，该环形区域包含随机分布的空隙、氟或它们的混合物，所述环形区域与所述芯隔开。

2.  如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述碱金属氧化物在所述芯中的浓度约为50-1000ppm。

3.  如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述环形区域与所述芯间隔的距离至少为5微米。

4.  如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述环形区域包含平均直径小于约2000纳米的随机分布的空隙。

5.  如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述碱金属氧化物是K₂O。

6.  如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯基本不含锗。

7.  如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤显示小于1260纳米的光缆截止，小于1350纳米的零色散波长，1310纳米时小于0.09皮秒/平方纳米/千米的色散斜率，1550纳米时小于0.18分贝/千米的衰减，以及1550纳米时大于70平方微米的有效面积。

8.  如权利要求7所述的光纤，其特征在于，所述光纤显示在1550纳米时20毫米宏观弯曲引发损耗小于1分贝/圈。

9.  如权利要求8所述的光纤，其特征在于，所述光纤显示在1550纳米时20毫米宏观曲折引发损耗小于0.5分贝/圈。

10.  如权利要求7所述的光纤，其特征在于，所述光纤显示小于1324纳米的零色散波长。

11.  如权利要求7所述的光纤，其特征在于，所述光纤显示在1550纳米时色散斜率小于0.07皮秒/平方纳米/千米。

12.  如权利要求7所述的光纤，其特征在于，所述光纤显示在1550纳米时有限面积大于90平方微米和衰减小于0.17分贝/千米。

13.  如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯进一步包含平均量大于约500重量ppm的氟。

14.  如权利要求1所述的光纤，其特征在于，该芯具有的折射率曲线，相对于外部覆层，峰值相对折射率Δ_MAX大于0.2％。

15.  如权利要求7所述的光纤，其特征在于，所述环形区域与所述芯间隔的距离至少为5微米。

16.  如权利要求12所述的光纤，其特征在于，所述环形区域与所述芯间隔的距离至少为10微米。

17.  如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述覆层包括含氟掺杂氧化硅的第一环形区域、以及包围所述第一环形区域的第二环形区域，所述第二环形区域包含随机分布的空隙。

18.  如权利要求17所述的光纤，其特征在于，所述覆层包括第一环形区域以及包围所述第一环形区域的第二环形区域，所述第一环形区域包含大于500ppm的氟掺杂氧化硅，所述第二环形区域包含随机分布的空隙。

19.  如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第二环形区域进一步包含大于3重量％的氟。

20.  如权利要求17所述的光纤，其特征在于，所述覆层包括含氟掺杂氧化硅的第三环形区域，该第三环形区域包围所述第二环形区域。

21.  一种光纤，该光纤包括氧化硅基芯，其中所述芯基本不含氧化锗，和
包围该芯并与其相邻的第一氧化硅基覆盖区域，所述第一氧化硅基覆盖区域包括低于所述芯的折射率Δ，和
包围所述第一氧化硅基覆盖区域的第二氧化硅基覆盖区域，所述第二氧化硅基覆盖区域具有低于所述第一氧化硅基覆盖区域的折射率Δ，所述第二氧化硅基覆盖区域与所述芯间隔的距离至少为5微米。

22.  如权利要求21所述的光纤，其特征在于，该第二覆盖区域包含随机分布的空隙，所述第二氧化硅基覆盖区域与所述芯间隔的距离至少为10微米。

23.  如权利要求21所述的光纤，其特征在于，该第二覆盖区域不含随机分布的空隙，所述第二覆盖区域显示小于-0.2％的相对折射率Δ。

24.  如权利要求21所述的光纤，其特征在于，该第二覆盖区域不含随机分布的空隙，所述第二覆盖区域的轮廓体积V₃的绝对值大于20。

含碱金属氧化物的光纤
相关申请交叉引用
本申请要求2007年5月7日提交的美国临时专利申请第60/928052号的权益和优先权，以其内容为依据并将其全部内容通过参考结合于此。
发明领域
本发明一般涉及掺杂有碱金属氧化物的光纤及其制造方法和设备。
技术背景
衰减是光纤的一个主要限制属性。例如，光纤损耗在设定光纤放大器之间的限制距离时起到重要作用。这在长距离和超长距离网络(例如海底应用)中尤其重要，这时，这些放大器代表了明显的系统成本，以及系统可靠性中的主要因素。因此，在开发具有降低衰减的光纤方面存在巨大商业利益。
发明概述
本发明的一个宽泛方面涉及包括氧化硅基芯和覆层的光纤，其中，该芯包含选自K₂O、Na₂O、LiO₂、Rb₂O、Cs₂O及其混合物的碱金属氧化物，这些碱金属氧化物在所述芯中的平均浓度约为10-10000重量ppm。包围芯的覆层优选至少包括折射率Δ％低于芯的第一环形区域，以及折射率Δ％低于第一环形区域的第二环形区域。优选该第二环形区域包含随机分布的空隙、氟或其混合物。术语“孔”和“空隙”在本文中可交换使用。优选第二环形区域与芯(被第一环形区域)间隔的距离至少为5微米，最优选至少10微米。优选第二环形区域被第三环形覆盖区域包围，该第三环形覆盖区域的折射率Δ高于第二环形覆盖区域。优选该第二环形区域的折射率Δ比第一环形区域低至少0.1Δ％、更优选至少0.2Δ％，并且优选比第一和第三环形区域都低。在一些优选的实施方式中，所述芯中碱金属氧化物的浓度约为50-1000ppm。在第二环形区域包含多个随机分布空隙的实施方式中，这些空隙优选具有小于约2000纳米的平均直径。
在一些优选的实施方式中，芯基本不含锗，更优选无锗。这时，通过在优选与芯紧邻的第一环形区域中采用氟掺杂，将使芯折射率相比邻近区域为正。优选可采用随机分布的空隙、氟或其混合物形成第二环形区域。在优选的实施方式中，覆层包括含有氟掺杂氧化硅的第三环形区域，该第三环形区域包围所述第二环形区域。根据本发明的一个方面，一种光纤包括：从中线延伸至半径R₁的玻璃芯；包围该芯并与其接触的玻璃覆层，该覆层包括：(i)从R₁延伸至半径R₂的第一环形区域，其内部区域包括径向宽度W₂＝R₂-R₁，(ii)从R₂延伸至半径R₃的第二环形区域，该第二环形区域包括径向宽度W₃＝R₃-R₂，和(iii)从R₃延伸至最外玻璃半径R₄的第三环形区域。该芯优选包括相对于第三环形覆盖区域的最大相对折射率Δ_1MAX，0.2％＜Δ_1MAX＜0.6％。第一环形覆盖区域优选包括折射率|Δ₂(r)|＜0.05％。第二环形区域优选包括相对于第三环形区域的最小相对折射率Δ_3MIN，其中Δ_3MIN＜-0.1，更优选＜-0.3％。换言之，在该实施方式中，Δ_1MAX＞Δ_2MAX＞Δ_3MIN且Δ_1MAX＞Δ_2MIN＞Δ_3MIN。本实施方式的芯和覆层能够提供具有以下性质的光纤：光缆截止(cable cutoff)小于1500纳米，1550纳米时的衰减小于0.18分贝/千米，1550纳米时的有效面积大于72平方微米、较优选大于75平方微米、甚至更优选大于85平方微米、最优选大于95平方微米。第二环形区域可包含掺杂有氟或随机分布的空隙或其组合的氧化硅玻璃。
或者，第二环形区域可包含具有许多随机分布的闭合孔的氧化硅玻璃，这些孔是中空(真空)或填充气体的，这些孔提供光的内部反射，从而为光沿着芯行进提供波导。这些孔优选填充有氮和氦的混合物。这些孔可提供与例如纯氧化硅相比低的有效折射率。第二环形区域20具有下式定义的轮廓体积(profilevolume)V₃：
2∫R2R3Δ3(r)rdr]]>
优选Δ_1MAX＜0.6％、Δ_2MIN＞-0.05％、Δ_2MAX＜0.05％、Δ_3MIN＜-0.1％，更优选小于-0.25％，第二环形区域的轮廓体积绝对值|V₃|大于20％-平方微米。甚至更优选Δ_3MIN＜-0.45％，并且在一些情况下可能Δ_3MIN≤-0.7％。
在一些实施方式中，20％-平方微米＜|V₃|＜80％-平方微米。在其他实施方式中，30％-平方微米＜|V₃|＜70％-平方微米。在其他实施方式中，40％-平方微米＜|V₃|＜60％-平方微米。
在一些情况中，优选0.2％＜Δ_1MAX＜0.6％，在其他情况中，优选0.20％＜Δ_1MAX＜0.40％。
在一些实施方式中W₃＞1.0微米，在其他实施方式中1.0＜W₃＜10.0微米，在一些实施方式中W₃＜8.0微米，在其他实施方式中2.0＜W₃＜4.0微米。
通过对第二环形区域的体积进行选择，可改善弯曲损耗，弯曲损耗定义为第二环形区域的横截面面积与ΔV_3MIN的绝对值的乘积(百分比乘平方微米，％-平方微米)。第二环形区域的体积影响实际光纤和光缆截止波长。要使光缆截止波长小于1500纳米，则优选|V₃|(第二环形区域的体积绝对值)小于80％-平方微米。
使用本文揭示的光纤设计，可得到表现出以下性质的光纤：光缆截止小于1300纳米、更优选小于1260纳米，1550纳米时的色散约为13-19皮秒/纳米/千米(ps/nm/km)、更优选为14-18皮秒/纳米/千米，零色散波长小于约1420纳米、更优选小于约1350纳米、最优选小于约1324纳米；优选表现出以下性质：1310纳米时的色散斜率小于约0.092皮秒/纳米/千米、更优选小于或等于约0.090皮秒/纳米/千米，1550纳米时的色散斜率小于约0.07皮秒/平方纳米/千米。
本文揭示的光纤还能表现出以下性质：1550纳米时的有效面积大于约70平方微米、较优选大于75平方微米、甚至更优选大于85平方微米、最优选大于95平方微米，同时，1550纳米时的衰减小于0.18分贝/千米、更优选小于0.175分贝/千米、最优选小于0.17分贝/千米。这种光纤还表现出以下性质：1550纳米时的15毫米弯曲损耗小于5分贝/圈，20毫米弯曲引发损耗小于1分贝/圈(Db/turn)、优选小于0.5分贝/圈、更优选小于0.1分贝/圈，30毫米弯曲损耗小于0.04分贝/圈。
所述芯中存在的碱金属氧化物的平均浓度优选约为50-500重量ppm，更优选约100-300重量ppm。光纤的芯优选基本不含氧化锗，更优选不含氧化锗掺杂剂。该芯可包含氟，在一些实施方式中，所述芯中氟的平均浓度优选大于所述芯中碱金属氧化物的平均浓度。光纤的芯以及光纤的覆层可另外包含氯，在一些优选的实施方式中，所述芯中氯的平均浓度优选大于所述芯中碱金属氧化物的平均浓度。本文所用“平均浓度”表示就整个芯而言的平均浓度。因此，例如，如果芯内部的50％表现出300重量ppm的K₂O，芯外部的50％表现出400重量ppm的K₂O，则该芯中K₂O的平均浓度将为350ppm。K₂O是根据本发明掺杂的最优选碱金属氧化物。
所述光纤的芯优选包含平均浓度大于约750重量ppm的氯。覆层是包围芯并优选与其直接相邻的氧化硅基覆层。该覆层优选包含大于10000ppm的氟。该芯优选基本不含锗，更优选该芯无锗。
在一种优选的实施方式中，所述光纤的芯包括沿着芯中线的第一区域，该区域包含小于100ppm的氯，所述光纤的芯还包括包围所述第一区域的第二芯区域，其中所述氯含量大于100ppm。该第一区域还优选包含大于所述第二区域中最低氟含量的最大氟量。
在不含作为掺杂剂的锗的实施方式中，芯中氯的平均浓度优选大于500ppm、较优选大于750ppm、甚至更优选大于1000ppm。芯中氟的平均浓度优选大于500ppm、较优选大于750ppm、甚至更优选大于1000ppm、最优选大于约1500ppm。
使用本文揭示的光纤设计，可制造表现出以下性质的光纤：1310纳米时衰减小于约0.30分贝/千米，1550纳米时小于约0.18分贝/千米；优选1550纳米时小于约0.175分贝/千米，更优选1550纳米时小于约0.17分贝/千米。同时，本文揭示的光纤在1550纳米时20毫米弯曲引发损耗小于1分贝/圈、优选小于0.5分贝/圈、更优选小于0.25分贝/圈。
优选光纤的芯和覆层都包含碱金属氧化物掺杂剂。该光纤具有至少一个芯段；但是，这并非关键，该光纤或可包括多个芯段。
该光纤的芯优选包含小于20ppb的OH。
以下详细说明中将提出本发明的其他特征和优点，这些其他特征和优点中的一部分对于了解以下说明的本领域技术人员而言将是显而易见的，或者本领域技术人员按本文所述、包括以下详细说明、权利要求以及附图通过实施本发明将部分地认识到这些其他特征和优点。
应当理解，以上一般说明和以下详细说明都提出本发明的实施方式，意在提供理解要求权利的本发明性质和特征的概述或框架。包括附图以提供对本发明的进一步理解，附图结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图图示本发明的各种实施方式，以及用于解释本发明原理和操作的描述。适当地用相同的附图标记表示相同的特征。
附图简要说明
图1是根据本发明的阶跃折射率光纤折射率曲线图。
图2显示沉积玻璃烟炱(glass soot)的方法。
图3示出用碱金属氧化物掺杂玻璃管的方法。
图4说明拉制玻璃棒的过程。
发明详述
本发明涉及低损耗光纤及其制造方法。更具体地说，本发明涉及掺杂有碱金属氧化物掺杂剂的光纤以及制造该光纤的方法和相关预制品。本文使用的以下术语具有以下含义：
-“模场直径”是对在单模光纤端面上的光功率的量度，表示为：
2ω₀＝(λ/π)[2∫I(Φ)sinΦcosΦdΦ)/∫I(Φ)sin³ΦcosΦdΦ]^1/2    (1)
其中2ω₀是模场直径(因此ω₀是模场半径)，λ是光的平均波长，Φ是相对于辐射图中心的角度，优选从0°至90°进行积分。例如可根据测试方法ANSI/TIA/EIA-455-191-A-2001测量模场直径。
-“有效面积”是
Aeff=2π(∫0∞E2rdr)2/(∫0∞E4rdr)---(2)]]>
其中积分限是0至∞，E是与传播光相关的电场。
“光缆截止波长”或“光缆截止”甚至低于测得的光纤截止，因为光缆环境中存在更高水平的弯曲和机械压力。使用例如在EIA-455-170传输功率导致的单模光纤光缆截止波长或FOTP-170中描述的22米测试进行光缆截止测量。本文所用“光缆截止”表示使用EIA-445光纤测试方法中所述的测试获得的值。-“相对折射率Δ”用等式Δ_i＝(n_i²-n_c²)/2n_i²定义，其中n_i是折射率曲线段i的最大折射率，n_c是外覆层的折射率。相对折射率一般表示为百分比，例如在本文中表示为“Δ百分比”或“％Δ”。
-“芯”表示具有一般高于覆层的折射率的光纤的部分，因此传输的光功率主要通过芯传播。芯可包括一个或多个段。单独的芯段可具有大于纯氧化硅、等于纯氧化硅、或小于纯氧化硅的折射率。
-“ppm”，除非有另外的指明，否则表示“每百万分之的重量份数”。
如图1所示，在优选的实施方式中，本文揭示的光纤优选包括芯和包围芯的覆层。优选覆层包围芯并与其直接相邻。优选芯基本不含氧化锗，更优选芯不含氧化锗。在一些优选的实施方式中，芯由单个芯段(即中央芯段14)和包围该中央芯段并与其直接相邻的覆层16构成，如图1以及图1中各示例轮廓所示，如具有阶梯状、圆形、α或三角形形状的轮廓，其中该中央芯段具有相对于覆层为正的折射率Δ₁(r)。在其他优选的实施方式中，该芯包括多个芯段，例如中央芯段、包围中央芯段并与其直接相邻的第一环形芯段、以及包围第一环形芯段并与其直接相邻的覆层，其中该中央芯段具有相对于覆层为非负、优选为正的相对折射率Δ₁％(r)，该第一环形芯段为纯氧化硅，具有相对于覆层为非负、优选为正的相对折射率Δ₂％(r)。
在图1所示的实施方式中，芯段14优选从光纤中心延伸至约2-8微米、更优选3-6微米、最优选3.5-4.5微米，覆层部分16从芯的外半径延伸至光纤的最外半径。如图1所示，优选的实施方式至少采用第一芯区域14A(其包括折射率Δ₁)和覆层区域16(其包括低于Δ₁的折射率Δ)。整个芯段14上的平均折射率优选约为0.1-0.5％Δ、更优选约为0.3-0.4％Δ。区域14A的优选Δ₁值约为0.25-0.45％Δ，更优选约为0.30-0.35％Δ。区域14A可在整个光纤中线上持续其斜率，或者芯区域14还可任选包括区域14B，如果采用区域14B，则其包括优选大于Δ₁的Δ₀。如果沿着光纤中线采用芯区域14B，则区域14B的峰值折射率Δ₀的优选值约为0.25-0.60％Δ，更优选约为0.36-0.46％Δ，采用区域14B时优选其峰值折射率高于芯区域14A。因此，在优选的实施方式中，芯段14沿着光纤中线的折射率高于芯区域14最外部附近的折射率。
包围芯的覆层16优选至少包括其折射率Δ₂％低于芯14的第一环形区域18、以及其折射率Δ₃％低于第一环形区域18的Δ₂的第二环形区域20。优选该第二环形区域20包含随机分布的空隙、氟或它们的混合物。优选该第二环形区域20与芯(例如被第一环形区域18的宽度)间隔的距离至少为5微米，最优选至少为10微米。优选第二环形区域20被具有Δ₄的外部覆盖区域22包围，在优选的实施方式中，该外部覆盖区域掺杂有氟，并优选延伸至玻璃光纤的最外围。
在第二环形区域20包含许多随机分布的空隙的实施方式中，这些空隙或孔优选非周期性地位于环形区域20中。“非周期性地设置”或“非周期性的分布”表示在光纤横截面(例如垂直于纵轴的横截面)观察时，非周期性设置的孔随机或非周期性地分布在含孔区域中。沿着光纤长度在不同点截取的横截面将显示不同的横截面孔图案，即，各横截面将具有不同的孔图案，其中，各孔的分布以及各孔的尺寸并不相符。即，这些空隙或孔是非周期性的，它们非周期性地位于光纤结构内。这些孔沿着光纤长度(即平行于纵轴)伸展(拉长的)，所以它们沿着光纤纵轴比横跨光纤直径更长，但是对于传输光纤的典型长度，它们并未延伸至光纤的整个长度。
如果在受限制的环形区域20中采用非周期性设置的孔或空隙，则要求所形成的这些孔或空隙中的大于95％、优选全部在光纤覆层中的平均孔径小于1550纳米、更优选小于775纳米、最优选小于约390纳米。类似地，优选光纤中这些孔的最大直径小于7000纳米、较优选小于2000纳米、甚至更优选小于1550纳米，最优选小于775纳米。在一些实施方式中，在横截面观察所述光纤时，环形含孔区域包含大于10个孔、较优选大于100个孔、甚至更优选大于400个孔、最优选大于600个孔。事实上，本文揭示的技术足以在光纤环形环中获得大于1000个、甚至大于2000个孔，即使对于宽度小于10微米、更优选小于7微米的环形环也是如此。因此，例如，光纤的一种特别优选的实施方式将在光纤横截面中表现出大于10个、更优选大于100个孔，这些孔的最大直径小于1550纳米，平均直径小于775纳米。在一些实施方式中，非周期性设置的孔的平均直径小于500、优选小于300、更优选小于200纳米且大于5纳米。在一些其他实施方式中，在指定光纤垂直横截面中，本文揭示的光纤具有小于1000个孔，在其他实施方式中，孔的总数大于10且小于500。对于其中采用随机分布的空隙的实施方式，这些实施方式优选采用约1-10％、更优选1.5-7.5％的空隙填充分数。本文所用“空隙填充分数”是以横截面观察光纤时，含空隙区域中空隙合并总面积除以含随机分布的空隙的区域(例如区域20)的面积的比值。当然，在一些实施方式中，光纤将表现出这些特征的组合。因此，例如，光纤的一种特别优选的实施方式将在光纤横截面中表现出大于10、更优选大于100且小于300个孔，这些孔的最大直径小于1550纳米，平均直径小于775纳米。在一些实施方式中，非周期性设置的孔的平均直径小于500、优选小于300且更优选小于或等于200纳米且大于5纳米。可以在放大倍数约800倍的扫描电子显微镜和图象分析软件(例如ImagePro，可从MediaCybernetics，Inc.，Silver Spring，Maryland，USA获得)的帮助下计算孔数、平均直径、最大直径和孔的总空隙面积百分比。这些随机分布的空隙可包含一种或多种气体，例如氩、氮、氪、CO₂、SO₂或氧，或者这些孔可包含基本无气体的真空；不考虑是否存在任意气体，含孔区域的折射率因为存在这些孔而降低。这些孔可随机或非周期性地设置，但是在其他实施方式中这些孔是周期性设置的。在一些实施方式中，许多孔包括许多非周期性设置的孔和许多周期性设置的孔。或者或另外的，如上所述，还可通过在含孔区域中对玻璃进行递降掺杂(downdoping)(例如用氟)或者在一个或两个包围区域中不进行掺杂(例如用氧化锗)来提供降低的折射率。
可通过利用预制品固结条件的方法制造区域20，这些条件能有效捕获固结的玻璃坯件中的气体，从而导致在固结的玻璃光纤预制品中形成空隙。好于采用步骤去除这些空隙，可采用得到的预制品形成其中含有空隙、或孔的光纤。如本文所用，孔的直径是以垂直于光纤中轴的垂直横截面观察光纤时，其端点设置在限定该孔的氧化硅内表面上的最长线段。以下文献中更全面地描述了光纤中微结构化区域的应用和/或形成：2006年10月18日提交的待审查美国专利申请序列第11/583098号、2006年6月30日提交的美国临时专利申请序列第60/817863号、2006年6月30日提交的美国临时专利申请序列第60/817721号、2006年8月31日提交的美国临时专利申请序列第60/841458号、2006年8月31日提交的美国临时专利申请序列第60/841490号、2007年1月8日提交的美国临时专利申请序列第60/879164号，这些申请都转让给康宁公司，这些文献都通过参考结合于此。
本文揭示的光纤可能包含或可能不包含氧化锗或氟，米调节光纤的芯和/或覆层的折射率，但是也可在环形区域20中避免这些掺杂剂，而是使用孔(以及这些孔内可能设置的任何一种或多种气体)来调节将光引导通过光纤的芯的方式。如果环形区域20包含随机分布的空隙，则该区域可由未掺杂(无锗或氟)的氧化硅构成，从而完全避免在含孔区域中使用任何掺杂剂，以实现折射率的降低，或者该环形区域20可包含随机分布的空隙和掺杂的氧化硅，例如具有许多孔的氟掺杂的氧化硅。
芯区域优选包含选自K₂O、Na₂O、LiO₂、Rb₂O、Cs₂O及其混合物(最优选是K₂O)的碱金属氧化物，这些碱金属氧化物在所述芯中的平均浓度约为50-1000重量ppm。该芯还优选包含氯和氟。该芯优选基本不含锗，更优选不含锗。优选所述芯中氟的平均浓度大于所述芯中碱金属氧化物的平均量，并且所述芯中氯的平均量大于所述芯中碱金属氧化物的平均量。该光纤还优选包括氟掺杂的氧化硅基覆层(例如环形区域18和22)，该覆层包围芯，并且在一些优选的实施方式中与芯直接相邻。优选该第二环形区域表现出至少比第一环形区域低0.1Δ％、更优选至少0.2Δ％的折射率Δ，并且优选比第一和第三环形区域都低。
在一些优选的实施方式中，该芯区域包括沿着芯中线设置的第一中央芯区域(延伸至约1微米)，该第一中央芯区域的氯平均浓度优选低于芯的外部区域(即从约1微米延伸至约4微米)的氯平均浓度。具体地说，中央芯区域中存在的氯的平均浓度可小于100ppm、更优选小于50ppm，包围第一区域的第二或外部芯区域中的氯的平均浓度可大于500ppm、较优选大于750ppm、甚至更优选大于1000ppm、最优选大于1500ppm。芯区域中氯的峰值浓度优选大于500ppm、更优选大于1000ppm、最优选大于1500ppm。
中央芯区域中存在的氟的平均浓度优选大于500ppm、更优选大于750ppm、最优选大于1000ppm，包围第一区域的第二或外部芯区域中的氟的平均浓度类似地优选大于500ppm、更优选大于750ppm、最优选大于1000ppm。
整个芯区域中的氟的平均浓度优选大于500ppm、更优选大于750ppm、最优选大于1000ppm，并且优选小于5000ppm、更优选小于4000ppm。在所述实施方式中，所述第二芯区域中的氯的峰值浓度高于所述第二区域中的氟的峰值浓度，不过这种关系并非关键。优选芯区域中的氯和氟的平均浓度都大于约500ppm、更优选大于约750ppm、最优选大于约1000ppm。
在一些优选的实施方式中，本文揭示的光纤包含单个芯段(即中央芯段14)和包围该中央芯段并与其直接相邻的覆层16，其中该覆层具有相对于纯氧化硅为负的折射率，该芯包含氟以及选自K₂O、Na₂O、LiO₂、Rb₂O、Cs₂O及其混合物的碱金属氧化物，碱金属氧化物的峰值浓度为20-700ppm、优选50-500ppm、甚至更优选100-400ppm。
该光纤的芯区域14A包括峰值相对折射率(相对于覆层)Δ_MAX，该峰值相对折射率Δ_MAX为0.2-0.5％、优选0.3-0.4％。该光纤包含大于90重量％的SiO₂，优选大于或等于95重量％的SiO₂。
在图1所示的实施方式中，该光纤具有单个芯段14，其被覆层段16包围。优选碱金属氧化物浓度随半径变化。优选碱金属氧化物的浓度一般随从光纤中线沿光纤半径的至少一部分的半径的增加而减小。光纤的芯段14可一般具有图1中所示的阶梯形状，或者芯段14可具有圆形、α或三角形形状。
在根据本发明的一种实施方式中，如图1所揭示的光纤折射率曲线经过调整，得到具有以下性质的单模光纤：优选零色散波长λ₀小于1420纳米、较优选小于1350纳米、更优选小于1324纳米、最优选约为1280-1324纳米，1310纳米时的色散斜率小于约0.09皮秒/平方纳米/千米，1550纳米时的色散斜率小于约0.07皮秒/平方纳米/千米、更优选小于约0.065皮秒/平方纳米/千米、最优选小于约0.06皮秒/平方纳米/千米，1550纳米时的总色散约为13-19皮秒/纳米/千米、更优选约为14-18皮秒/纳米/千米。但是，可使用其他折射率曲线以获得这些相同性质。优选光纤的光缆截止波长小于约1300纳米，更优选小于约1260纳米。优选该光纤在1550纳米时的有效面积大于约70平方微米，更优选大于约75平方微米。该光纤的芯直径优选大于约3微米、更优选约为3-5微米，在1550纳米时的模场直径大于约9.5微米、更优选约为10-11微米。通过根据本发明包含碱金属氧化物，可制造具有以下性质的光纤：在1310纳米时的衰减小于约0.30分贝/千米，在1550纳米时的衰减小于约0.18分贝/千米；更优选在1550纳米时的衰减小于约0.175分贝/千米，最优选在1550纳米时的衰减小于约0.17分贝/千米。在本发明的一种优选实施方式中，如实施例9-12的例子所述，本发明光纤显示在1550纳米时衰减小于0.18分贝/千米，更优选小于0.17分贝/千米，并且在1550纳米时的色散/衰减大于80皮秒/纳米/分贝，更优选大于90皮秒/纳米/分贝。在一些优选的实施方式中，在1550纳米时的色散/衰减约为80-110皮秒/纳米/分贝，甚至更优选约为80-100皮秒/纳米/分贝。这些实施方式的光纤的色散优选小于18皮秒/纳米/千米，更优选小于17皮秒/纳米/千米。本文揭示的光纤显示20毫米直径弯曲损耗小于1分贝/圈、更优选小于0.5分贝/圈、最优选小于0.25分贝/圈。
下表1中列出根据本发明的这些光纤的实施例。在表1的各实施例中，在第二环形覆盖区域20中采用随机空隙，从而相对于覆盖区域18或22获得明显的递降掺杂效应。采用氧化硅玻璃的区域20包含随机分布的空隙，平均空隙直径为200纳米。表1提供根据本发明的各实施例的内芯段14B的最大折射率Δ₁，芯段14的平均折射率Δ₁(Δ平均值)，芯区域14的半径R₁，第一环形覆盖区域18的折射率Δ₂，第一环形覆盖区域18的外半径，第二环形覆盖区域20的宽度，以及空隙填充分数。在所有实施例中，芯中没有使用锗，覆层在区域18和22中包含氟掺杂的氧化硅，并区域20中包含随机分布的空隙。因此，相对于外部氟掺杂的覆盖区域22取各段的折射率Δ。还在表1中列出各实施例在1310纳米时的色散，在1310纳米时的色散斜率，零色散波长，在1550纳米时的色散，在1550纳米时的色散斜率，光缆截止波长，在1310纳米和1550纳米时的模场直径，在1310和1550纳米时的有效面积，光缆截止波长，以及在1550纳米时的衰减。
表1