CN101627327A

CN101627327A - 高数值孔径光纤

Info

Publication number: CN101627327A
Application number: CN200780050591A
Authority: CN
Inventors: D·C·布克班德; M·-J·李; M·T·穆塔格; D·A·诺兰; P·坦登; 王吉
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2010-01-13
Also published as: WO2008094234A2; EP2108134A2; US20080181567A1; WO2008094234A3; JP2010517112A; EP2108134A4; US7526166B2

Abstract

一种光纤，包括：折射率n_i的硅基纤芯；至少一层包裹纤芯的硅基包层，所述至少一层硅基包层包含能降低折射率的、非周期性的、包含气体的空穴，其中至少80％的空穴横截面最大尺寸小于2000nm，与该至少一层带有空穴的硅基包层紧邻并在其内部的光纤层的数值孔径至少为0.2。

Description

高数值孔径光纤

发明背景

技术领域

本发明主要涉及高数值孔径光纤，包括用于短程通信***的具有高数值孔径大纤芯的光纤，或者在带有高功率光源的情况下使用或用在光纤激光器和光放大器中的双包层光纤中具有大数值孔径包层的光纤。

技术背景

由于光纤容量大、不受电噪声的影响的特点，它已经成为通信中最受欢迎的介质。光纤也已经在汽车用品中使用，因为光纤能提供高带宽并且价格相对便宜，能够使用在汽车光学数据***中为信息***、娱乐、发动机管理和安全***提供光学数据。在这些情况下使用的光纤要求有高数值孔径和粗纤芯，以便将光有效地耦合进光纤。目前有两种光纤在汽车用品中使用。分别是聚合物光纤(POF)和聚合物包层硅(PCS)光纤。正是聚合物的折射率相对较低才造就了大纤芯的数值孔径。聚合物光纤的主要缺点在于其对于感兴趣波段的光有较高的衰减(对630nm＜λ＜650nm，衰减达0.3dB/m到0.4dB/m)，并且操作温度范围较窄(-45℃到80℃)。对于诸如在安全传感***、发动机管理***等应用来说，比较适宜采用有较大操作温度范围的光纤，而在诸如视频处理***等应用中，需要光纤有更好的衰减。与POF光纤相比，PSC光纤能够在较宽的温度范围(-65℃到125℃)内操作并且有相对较低的衰减。然而，在较高的温度上，光纤的PCS温度很高，外包层表面的聚合物材料会碳化或者点燃，从而导致设备故障，尤其是在光纤弯曲时。即使是温度在85℃到125℃之间，聚合物包层老化相对较快，丧失其机械和光学特性，变得十分易碎，因而缩短了设备寿命。还有一点就是这两种光纤都容易受弯曲损耗的影响。

单包层稀土掺杂光纤在光放大器和光纤激光器领域广泛使用。由于很难有效的将高功率光(灯)源(本发明中也称作光泵浦或泵浦)发出的多模光耦合进稀土掺杂光纤纤芯，这种类型的光纤处理高功率多模光源的能力较差。

为了解决上述问题并且增加光纤激光器的输出功率，本领域技术人员采用双包层结构(本发明称作双包层光纤)的光纤。双包层稀土掺杂光纤是指有纤芯、包裹该纤芯的内包层和包裹该内包层的外包层的光纤。

双包层光纤已经应用在需要采用能提供10到100瓦功率光源的应用中，因为与单包层光纤相比，双包层光纤能够更有效地保持和利用泵浦提供的光能量。这种效率的提高是因为光纤利用了光泵浦功率的内包层-纤芯耦合。更具体地说，稀土掺杂双包层光纤将来自泵浦的光接收到内包层中，然后沿着光纤的长度通过纤芯-内包层界面将光传输到稀土掺杂纤芯中去。这样，通过将光耦合到稀土掺杂纤芯中去，这种光纤可以将通过内包层传输的大部分多模光转化为在较长波长上的单模输出。

双包层光纤的内包层比外包层具有更高的折射率，因此泵浦能量被限制在内包层中并且被重新定向引入纤芯中。由于在纤芯中掺杂稀土，该光纤具有旋光性，当该光纤被强光泵浦源泵浦时能够被激发到高电场能级。包层泵浦能够在光纤放大器中使用，或者被用来制造高功率单模光纤泵浦激光器。

在双包层激光器中，光纤的外包层将光泵浦源所提供的泵浦光限制在光纤多模内包层中。光纤纤芯小得多的横截面区域通常至少掺杂一种稀土元素，比如钕或镱，以便在单模输出信号中提供振荡能力。双包层结构便于对光纤进行泵浦，使用第一多模包层接收并沿着设备的长度将泵浦能量传输到纤芯中去。

泵浦光耦合进双包层光纤的内包层中去的数量取决于包层的大小和数值孔径NA。通常，希望内包层的数值孔径大，这与内外包层的折射率之差有关。在众所周知的设计中，第一包层(内包层)是由玻璃材料制成而第二包层(外包层)由折射率较低的塑料(例如氟化聚合物)制成，以便提高内包层数值孔径NA。对于许多的应用而言，这种塑料并不具有理想的热稳定性，会从第一包层脱落，容易受到潮气的破坏。此外，这类双包层光纤仅仅适合用在相对较低的光源功率(低于20瓦)下持续使用。当利用高功率的光源(高于100瓦)时，这类光纤温度升高，外包层的聚合物材料方式碳化或者点燃，从而导致设备故障，尤其是在光纤弯曲时。在中等功率(20瓦到100瓦之间)时，聚合物外包层老化得较快，丧失其机械和光学特性，变得十分易碎，因而缩短了设备寿命。

发明内容

本发明的一个方面是激活光纤，包括：具有第一折射率n₁的石英基纤芯；至少一层包裹该纤芯的石英基包层，所述至少一层石英基包层具有第二折射率n_i，使得n₁＞n_i；所述至少一层石英基包层包含能降低折射率的非周期性的含气空穴，其中空穴中的至少80％横截面的最大尺寸小于2000nm。与该至少一层带有空穴的石英基包层紧邻并位于其内的光纤层的数值孔径至少为0.2，优选至少为0.25，更优选至少为0.3，再优选至少为0.35，最优选至少为0.4或者更高。较佳地，光纤的横截面包含至少50个空穴。

较佳地，在这种光纤中有λ_NA/D_i＞2，更优选的是λ_NA/D_i＞4，其中的λ_NA是测量NA所用的波长，D_i是指空穴的直径。同样，较佳地，所述空穴中至少80％横截面最大尺寸低于500nm。

在本发明的一个具体实施方式中，光纤为激活光纤，包括：(i)具有第一折射率n₁的石英基稀土掺杂纤芯；(ii)具有第二折射率n₂、包裹着该纤芯的石英基内包层，使得n₁＞n₂；(iii)包裹着该内包层的石英基外包层，该外包层还包含能降低折射率的含气空穴，其中空穴的至少80％最大的(横截面)尺寸小于2000nm。较佳地，内包层数值孔径在0.2到0.8之间或者更高，例如0.3、0.4、0.5、0.6、0.7或0.8。

在接下来的详细说明中陈述本发明的其他特征和优点，部分的其他特征和优点容易从该说明中为本领域技术人员所显见，或者通过实施在此，包括以下的详细说明、权利要求书和附图中所描述的本发明来认识。

要理解，上述一般说明和下面的详细说明给出了本发明的具体实施方式，都旨在提供理解权利要求书中的本发明的本质和特征所要求的纵览和框架。包含附图是为了进一步提供对本发明的理解，其构成说明书中的一组成部分。附图描述了本发明的各种具体实施方式，与说明书结合起来可以解释本发明的原理和运作。

附图概述

图1A是本发明一个具体实施方式的横截面示意图；

图1B是对应于图1A中光纤的折射率分布示意图；

图1C是本发明另一具体实施方式的横截面示意图；

图1D和图1E是本发明两个具体实施方式的纵向截面示意图；

图2A-2C是本发明光纤的其他具体实施方式的横截面示意图；

图3是根据本发明的一个具体实施方式的包含充气空穴的示例光纤和不包含此类空穴的光纤的弯曲性能曲线图。

较佳实施方式的详细说明

下面详细参照本发明的当前优选实施方式，其示例如附图所示。只要可能，在所有附图中都用相同的附图标记指代相同的或者相似的部件。有高数值孔径层光纤10的两个具体实施方式示意性地示于附图1A和1C。

附图1A-1E中的光纤10包括具有第一折射率n₁的石英基纤芯12；包裹纤芯12的至少一层石英基包层16。所述至少一层石英基包层包含能降低折射率的含气空穴，其中的空穴有至少80％其横截面的最大尺寸小于2000nm。较佳地，光纤横截面包括至少50个空穴。与该至少一层带有空穴的石英基包层16紧邻并位于其内的光纤层的数值孔径优选至少为0.2，更优选至少为0.3，再优选至少为0.35，最优选至少为0.5或者更高。通过定义能被接受并通过光纤传播的光对于光纤轴的最大角度，光纤的数值孔径NA确定了其“光线收集能力”。数值孔径NA＝sinθ，其中θ是例如耦合进纤芯或者内包层(参见图1D和1E)的光线的入射角的1/2。对于处于折射率为n₂的另一均质材料层内部、折射率为n₁的匀质材料层(即无空穴的固体玻璃)，在而言，数值孔径NA可以用(n₁ ²-n₂ ²)^1/2来计算。然而对于处于包含空穴的层内部的均质材料层而言，这个简单的公式并不适用。相反，该光纤层的数值孔径可以通过测量该光纤层的最大光线接收角2θ，或者耦合出该光纤的最大扩散角2θ。测得的NA是接收角或者扩散角2θ(参见图1D和1E)的一半的正弦值，在这个角度内包含了能被光纤层(纤芯或者内包层)捕获的光线能量中的90％。较佳地，目标波长(即，信号、泵浦波长、或者测量NA所用的波长)对空穴平均直径之比至少为2，更优选至少为3，再优选至少为4，在某些实施方式中至少为5，在有些实施方式中大约为10(即，λ_NA/D_i＞2，其中λ_NA是测量NA所用的波长，D_i是指空穴的平均直径)。

在图1A的光纤中，高数值孔径层是内包层14，其与外包层16相邻并被外包层16包裹。图1B对应于图1A的光纤，示意性地示出了其折射率分布。该图显示，包层16折射率的相对百分比在n₁＝-28％(在本例中为空穴气体相对于硅的折射率)和空穴周围玻璃的折射率(本例中为硅，折射率n₅的折射率相对百分比为0％)之间波动。典型的相对折射率n₅百分数在-2％到3％之间，这个值是相对于硅而言，并且取决于空穴周围玻璃中的掺杂剂。也就是说，包层16的折射率有波动，在图1B的例子中，充气空穴的宽度和/或充气空穴之间填充了玻璃的空间S_V是随机分布的，以及/或者彼此并不相等。也就是说，空穴是非周期性的。优选空穴间的平均距离小于5000nm，更优选为小于2000nm，再优选小于1000nm，例如为750nm、500nm、400nm、300nm、200nm或100nm。相对折射率n₅对应于包层17。在汽车领域应用中的示例性光纤(如图1C所示)中，高数值孔径层是纤芯层12，该层与包含空穴的外包层16相邻且被该外包层包裹。较佳地，在这两种光纤中，至少80％的空穴，更优选至少90％的空穴其横截面最大尺寸Di小于500nm。更优选的是空穴的平均直径小于500nm，小于300nm更好。空穴16A是封闭的(被硅材料环绕)并且是非周期性的。也就是说，空穴16A可以有相同的大小或者大小各异。空穴之间的距离可以是均匀的(即相同的)或者是有差异的。

对于汽车领域应用而言，优选纤芯直径在50μm到400μm之间。典型的示例性汽车用的包层有空穴的光纤在1550nm波长上的衰减低于20dB/km，优选低于10dB/km，更优选低于5dB/km。较佳的是，当将光纤绕在直径10mm的轴(对于芯径为125微米的光纤而言)上时，光纤的弯曲损耗为1dB/圈。对于高功率激光器和放大器应用，光纤芯径更小(5μm到50μm)并且掺杂一种或更多种激活(稀土)掺杂剂。

更具体地，图1A所示的光纤10包括：具有第一折射率n₁的石英基稀土掺杂纤芯12；包裹纤芯且具有第二折射率n₂的第一包层14(这里也称作内包层)，使得n₁＞n₂；包裹着内包层的石英基外包层，其具有第三折射率n_R，n_R＝是波动的、且包括折射率为n₅(玻璃)和n₃(气体)的区域。这些折射率示意性地用图1B表示。

对于在激光器或放大器应用中的光纤，纤芯12、内包层14和外包层16都是由玻璃制成的。例如，在图1A和1B所示的具体实施方式中，石英基纤芯12掺杂了Yb，但也可以使用其它的稀土材料，比Er。纤芯12还可包括至少一种提升折射率的掺杂剂。在本激活光纤实施方式中，优选的纤芯相对折射率(相对于氧化硅)变化是0.1％-0.5％，优选的纤芯轴宽或半径是4μm到25μm。在本具体实施方式中，内包层14数值孔径大于0.2。较佳地，内包层14数值孔径大于0.2，优选在0.25到0.9之间，例如等于或者大于0.3、0.33、0.35、0.38、0.4、0.45、0.48、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8或0.85。外包层16包含能降低折射率的含气(也称作气泡、充气空穴、气孔或气线)的空穴。其中的气体可包含Ar或N₂或O₂或CO₂、或其混合物，例如可以是空气。最优选的气体为氩气或者氦气。优选的是，空穴16A的最大横截面尺寸D_i小于2000μm。(这里所称的横截面是与光纤轴向垂直的横截面)。较佳地，为了尽可能地减小泵浦光散射、提高泵浦效率，外包层16有含气空穴16A，其最大(横截面)尺寸D_i小于泵浦波长，例如小于1480nm或980nm，更优选小于750nm，再优选小于500nm，在部分具体实施方式中更优选小于200nm，在部分实施方式中更优选小于100nm，在实施方式中最优选小于50nm。由于更多的泵浦光进入了纤芯12，其结果是能够提高激光振荡或放大效率。如果需要，还可以使用额外的光学玻璃包层17。外包层16和光学玻璃包层17外包裹保护涂层18。外涂层18可以是例如有机涂层，诸如聚酰亚胺或者紫外固化的丙烯酸酯或聚氨酯丙烯酸酯。

如上所述，石英基纤芯12可以掺杂Yb，但也可以使用其它诸如Er的稀土材料掺杂。掺杂Yb的纤芯光激射作用范围在1.03到1.11微米范围内。纤芯12还可包括至少一种提升折射率的掺杂剂。

较佳地，在激光器光纤应用中，内包层直径D_IN至少为90μm，更优选至少为125μm。如果内包层不具有环形的横截面，则D_IN定义为从内包层横截面的一边到相对的另一边的最小距离。优选的是内包层直径D_IN是90μm到2000μm，更优选是在100μm到1700μm之间，再优选是在100μm到1500μm。甚至更优选的D_IN是在100μm到350μm之间，例如是125μm、150μm或者200μm。优选的是内包层的横截面面积是纤芯12的横截面面积的至少200倍。更优选的则是内包层14的横截面面积是纤芯12的横截面面积的100倍到3000倍。例如，内包层14的横截面面积可以是纤芯12的横截面面积的300、500、700、1000、1200、1500、1600、2000或2500倍。厚的内包层14，外包层16的含气空穴16A，以及光纤的全玻璃结构共同作用使得光纤能够耦合高能量的光源、并且在不损坏光纤的情况下将高功率耦合进入纤芯。因此，这样的光纤特别适合高功率光源应用。

较佳的是本具体实施方式中石英基外包层16相对较薄，优选其厚度等于或者小于100μm，更优选小于80μm，再优选甚至小于50μm。例如，外包层16的示例性厚度是等于或者大于10μm、15μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、95μm、或99μm。优选的外包层16的壁厚在10μm到50μm之间，更优选在10μm到30μm之间。优选的外包层直径(D_OUT)在约120μm到2100μm之间，更优选为约125μm到1600μm之间，再优选在约130μm到500μm之间。还应指出，外包层可能不是圆形的。如果外包层不是圆形的，D_OUT定义为从外包层横截面的一边到相对的另一边的最小距离.

根据一个具体实施方式，按照重量百分数，激活纤芯12包括：

稀土元素0.1到2.5重量％；

P 0到5重量％；

Al 0.5到15重量％；

Ge 0到15重量％；

F 0到1重量％.

纤芯12中的稀土掺杂剂提供了激活离子，以便能够产生增益或者激光振荡作用。示例性稀土掺杂剂是Yb、Er、Nd、Tm、Sm和Tb。优选的纤芯12中稀土掺杂剂的用量是0.5重量％到1.5重量％之间。还可以在纤芯原料中添加磷以便降低纤芯玻璃的软化温度，这对于用内气相沉积工艺(后文将描述)生产的纤芯是有利的。还可以用磷来提高折射率。然而，优选使用少于10％的磷，因为过多的磷(10％或者更多)会产生受激拉曼散射等非线性效应，这会抑制激光振荡作用。可以在纤芯中添加铝作为解团簇剂(例如，作为Yb的解团簇剂，优选的Al与Yb之比为5∶1到10∶1)。纤芯12还可包括提高折射率的掺杂剂锗元素，和/或作为降低折射率同时作为解团簇剂的氟元素。

优选激活光纤内包层14包含5重量％到20重量％的Ge以便提供高NA(数值孔径)，但是，如果含气空穴16A充分降低了外包层16的折射率，则内包层14也可以是无掺杂(纯)氧化硅。

选择外包层16中气泡16A的数量，以使内包层的NA在0.2到0.8之间(例如，至少为0.3、0.35、0.4、0.45、0.5或者更高)。外包层也可以掺杂降低折射率的掺杂剂，例如，氟或者硼(F，B)，或者两者兼用，以有助于在外包层16中建立所需的低折射率，因而相应地提高内包层14的NA。

制造外包层中含有气体空穴的光纤的一种方法包括用化学气相沉积法(CVD)获得包含玻璃微珠(soot)的光纤预制棒。更具体地，可以在固化了的包含纤芯和内包层的光纤棒上沉积一个对应于外包层16的玻璃微珠层，因而形成最终的包含玻璃微珠的预制棒。最终的预制棒在包围着预制棒的气体环境中进行固化，固化的条件是在固化步骤中可以有效地将一部分的气体捕获在预制棒中。固化步骤的结果是在固化后的预制棒的外包层中形成非周期性分布的孔或空穴，每个孔都相应于一个包括至少一个含气空穴的区域。然后，再使用这种固化的、在第二层(外层)带有空穴16A(含气空穴)的预制棒制造光纤。在固化步骤中形成在光纤预制棒外层之中的含气空穴，至少有一部分保留在了拉伸光纤的第二包层16中。通过设计含空穴的区域对应于光纤外包层，所得到的这些光纤呈现出具有第一折射率的第一包层和具有显著低于第一包层折射率的第二折射率的第二包层，而第二包层的折射率较低至少部分是因为在第二(外)包层中存在含气空穴16A。

如上所述，预制棒的玻璃微珠区域是包围着预制棒的气体环境中，在能够在固化步骤中有效地将一部分环境气体捕获在预制棒中的条件下被固化的。这可以通过控制捕获在预制棒中的气体(包括Ar或N₂或O₂或CO₂、或其混合物)的量和压力、玻璃微珠厚度、烧结速率、和/或固化温度来实现；结果是得到具有封闭孔隙的包含空穴的烧结预制棒。该包含空穴的预制棒可以直接用作光纤预制棒，或者任选地再次拉伸，进一步用含SiO₂的玻璃微珠包覆(overcladded)，然后置于固化炉中烧结成最终的光纤预制棒。捕获空穴的固化步骤的结果是在固化预制棒的一个层中形成非周期性分布的孔或空穴，每一个孔都对应于一个包括至少一个含气空穴的区域。在其第二(外)层中有空穴(含气的孔)的固化预制棒，随后通过在可以改变光纤拉伸速率和温度的光纤拉伸熔炉中拉伸此包含空穴的固化预制棒，被用来制造光纤。制造含气空穴16A的示例性烧结和固化步骤在下列两个美国专利中详细描述，其中一件于2006年10月18日提出申请，申请号为11/583，另一件于2005年11月8日提出申请，申请号为60/734，这里通过引用纳入本申请。

本发明双包层光纤10的其他实施方式示意性地示于图2A-2C，在这里参考若干示例性、有代表性的实施方式做一般性描述和图示，用相同的附图标记指代相似的或者功能相近的部件。图2A-2C所示的光纤横截面与图1A所示的光纤横截面类似，但是内包层14是非圆环状的结构。非圆环状结构的优点在于这种非圆环状结构可以提高泵浦光在纤芯12中的吸收。

光纤纤芯12或者是圆形的(图2A)或者是椭圆形的，如图2B、2C所示。由于椭圆纤芯使得光纤具有保偏特性，首选椭圆纤芯12。优选椭圆纤芯12的纵横比为至少1.5∶1，更优选在2∶1到5∶1之间，因为这些纵横比能改善纤芯12的双折射性，这样光纤就是保偏光纤。例如，纵横比(长轴和短轴之比)为2∶1的椭圆纤芯如图2C所示。这样，如果稀土掺杂光纤是椭圆结构，光纤10就是保偏(PM：polarization maintaining)光纤。本发明中，术语“保偏”是指光纤能在至少50米的长度上提供偏振保持。

为了获得保偏单模放大/激光器光纤，纤芯12的纵横比值至少应为1.5比1，数值孔径在0.05(对于高功率激光器)到0.2(对于低功率应用)之间。纤芯的数值孔径NA定义为(n₁ ²-n₂ ²)^1/2。如果纤芯12不是圆形的，优选其纵横比在3∶1到10∶1之间。

多包层光纤的石英基内包层14可以具有圆环状外周，如图1A(优选处于非同心位置的纤芯)所示，或者具有非圆环状的外周。上面所定义的内包层14的(泵浦)数值孔径NA优选为大于0.2。

总体来说，可以用于光纤激光器或者放大器的双包层结构包括两个包层。第一(内)多模包层14作为多模泵浦纤芯。内包层14与纤芯12相邻，而第二(外)包层16包裹第一包层14。纤芯12在纤芯激光振荡波长上可以是多模的也可以是单模的。内包层14作为输入(泵浦)光的高数值孔径NA波导。内包层半径越大，从光源耦合进内包层的泵浦光就越多。第一多模内包层横截面(如图2A-2C所示，D_IN是内包层横截面较小的维度)可以设计成所需的形状，例如与泵浦源的近场外形匹配或者是具有能够提高从光源耦合进内包层的(泵浦)光效率的形状。内包层14的数值孔径要大到足以捕获诸如激光器二极管等光源的输出。外包层16中的含气空穴16A显著地提高了内包层14的数值孔径NA。较佳地，气体填充区域的比例，亦即外包层16中气体填充的比例(也就是空穴的总横截面面积除以包含空穴区域的光纤总横截面面积，再乘以100)在1％到75％之间，更优选为2％到55％，最优选为6％到50％，通常在6％到20％。气体填充比例(％)越高，内包层14的NA就越大。典型的光纤含空穴区域的气体填充比例在8％到50％之间，其对应的内包层的NA为0.2到0.8——假如外包层未进行下降性掺杂。如果外包层还进行了下降性掺杂，例如掺杂硼或氟，则内包层的NA会更大。

例如，一个相对较薄(例如，径向宽度小于40微米，更优选小于30微米)的环型空穴区域16可以环绕着光纤的内包层14，但是却并不完全延伸到光纤的外周。光纤可以掺杂了锗或氟，也可以没有同时掺杂锗或氟来调节纤芯或者光纤包层的折射率，但可以避免这些掺杂剂，而是相反地单独使用空穴来调节外包层相对于内包层的折射率，从而使泵浦光被限制在内包层14中，于是泵浦光就不会泄漏出内包层。采用所揭示的固化技术，可以得到其横截面非周期性地分布着含气空穴的光纤。所谓“非周期性分布”是指从光纤横截面来看，含气空穴随机地或非周期性地分布在外包层16的至少一个区域上。沿光纤的长度在不同点所取的横截面具有不同的空穴横截面图案，也就是说，不同的横截面具有略有不同的随机取向的空穴-例如，不同的孔图案、分布和大小。这些孔(空穴16A)沿着光纤长度(即与光纤纵轴平行)伸展(细长)，但是并不延伸到整个光纤的这个长度。尽管希望不受理论的约束，但是据信空穴或孔延伸不超过数米，在许多情况下沿光纤长度延伸不足1米。

采用所述的产生孔(空穴)的固化技术，有可能得到包层区域所含总光纤空穴面积的百分比(即，空穴的总横截面面积除以光纤的总横截面面积，再乘以100)大于0.01％，更优选大于0.05％，更优选大于0.1％，再优选大于1％。例如，光纤中总空穴面积百分比大于约5％，或者大于约8％甚至10％。外包层或第二包层中的含气空穴16A(本发明中也称作孔或空穴)可以被用来减小外包层16相对于内包层14的折射率，这样形成能在光纤内包层中引导泵浦光的包层区域。通过选择合适的玻璃微珠固化条件，正如下面作为例子所描述的，可以实现多种有用的光纤设计结构。例如，通过选择包层中的最大空穴尺寸使之小于提供给内包层14的泵浦光波长(例如小于980nm或者1680nm)，优选小于泵浦光波长的一半，无需使用昂贵的掺杂剂即可获得非常高效率的激光器和/或放大光纤。因此，对于很多应用来说，优选以这样的方式来形成孔，使得光纤10外包层16中的孔中有至少80％以上(更优选的是大于95％)的或者优选全部的孔的最大孔宽(即最大横截面D_i)小于2000nm，更优选为1480nm或980nm，更优选小于500nm，再优选小于400nm，在某些实施方式中优选小于300nm，在某些实施方式中优选小于200nm，甚至在某些实施方式中更优选小于100nm，在某些实施方式中优选小于50nm。同样的，优选光纤中孔的平均直径小于2000nm，更优选小于1000nm，更优选小于500nm，在某些实施方式中甚至更优选小于350nm，在某些实施方式中最优选小于200nm，这里所说的平均直径都可以通过所述的方法实现。使用本发明揭示的方法所制得的光纤能实现这些平均直径，其标准偏差小于1000nm，更优选标准偏差在500nm以内，再优选的标准偏差在200nm以或更小。在某些实施方式中，所揭示的光纤在对光纤长度上的横截面所测得的孔数小于5000，在某些实施方式中孔数小于1000，而在某些实施方式中在光纤垂直横截面上孔总数小于500。当然，绝大多数光纤综合了这些特性。这样，例如一个最优选的光纤的具体实施方式中，在光纤中的孔数小于200，孔的最大直径小于1500nm，平均直径小于750nm，虽然可以使用更大和数目更多的可来实现有效的、抗弯曲的光纤。孔的数目、平均半径、最大半径、包含空穴的光纤部中空穴面积的百分比、以及孔的总空穴面积百分百都可以借助于800倍放大率的扫描电子显微镜和图像分析软件如美国马里兰州银春市的MediaCybernetics公司的ImagePro来计算。

如在下面的例4中所述，为了分析空穴16A对纤芯12的数值孔径NA的影响，我们比较了没有含气空穴的纯氧化硅外包层光纤(光纤样品A)和具有含氧空穴(光纤空穴总面积百分比6.8％，空穴平均半径0.45μm，标准偏差为0.21μm)，的类似光纤(光纤样品B，参见图1C和1D)来。没有含氧空穴的光纤其纤芯NA为0.262(在波长1380nm下测得)。有空穴16A的光纤其纤芯NA为0.344(在波长1380nm下测得)。如此，当增加了充氧空穴后，纤芯的数值孔径NA提高了31％(从0.262到0.344)。

实施例

通过下面的实施例来进一步澄清本发明。

实施例1

实施例1中的光纤10示意性地示于图1A和1B，包括Yb掺杂的纤芯12、GeO₂-SiO₂内包层(折射率百分比Δ≈0.46)和掺杂了氟和硼的外包层16。“折射率百分比Δ”定义为(n_i ²-n_S ²)/2n_i ²，其中i＝1、2或3，n_S是纯氧化硅的折射率。纤芯12(相对于内包层14)相对折射率差(百分比Δ)大约为0.56。光纤外包层16掺杂了氟/硼并且包含含氮空穴(孔隙度16％)。掺杂Yb纤芯12对于波长1μm以上是单模。如果纤芯12掺杂Er，则光纤在1.55μm的光激射波长是单模的。光纤10的纤芯12的NA相对较低(大约0.065)，内包层NA较高(在1380nm波长下测得为0.39)。内包层NA优选高于泵浦源，使泵浦源耦合效率达90％或者更高。纤芯的NA小(0.065)就能够在大纤芯(直径10.5微米)条件下进行单模作业。如果纤芯的NA变大(例如0.13)，为了获得单模方式，纤芯的直径必须要减小(例如5微米)。较大的纤芯直径和较小的纤芯NA，使得纤芯12可以维持在单模状态，同时使纤芯能够从内包层获得更多的泵浦能量，而且还提高光纤功率处理能力。在本示例性光纤的具体组成是：

纤芯12：0.6重量％Yb₂O₃；4.5重量％Al₂O₃；3.0重量％GeO₂；

内包层14：8.5重量％GeO₂；

外包层16：9重量％的硼和2.7重量％的氟，外包层的孔隙度(充氮空穴)16％，空穴平均直径为200nm，标准偏差为100nm。在本实施例中，诸相对折射率Δn₅和n₃分别约为-1.5％和-28％(相对于纯氧化硅)。

光纤10可以用外气相沉积法(OVD)来制造。OVD法是制造光纤的一种方式，具体是从在火焰中与氧气发生反应的所需气体成分中通过沉积在饵棒上形成玻璃微珠粒子，得到光纤玻璃微珠-预制棒。然后，将饵棒去掉，将玻璃微珠-预制棒在高温熔炉中固化成实心透明玻璃。在玻璃微珠-预制棒形成过程中利用针对各个不同层的不同气体成分实现纤芯/内包层/外包层的组成。首先生成纤芯/内包层预制棒，然后将其固化，接着是外包层外气相沉积过程，然后再次进行固化。正如说明书中所描述，至少利用一个固化步骤将含气空穴引入固化的光纤预制棒中去。然后将最终的预制棒用已知的光纤拉伸法拉伸成双包层光纤。

实施例2

本实施例中的光纤示意性地示于图1A和1B，包括在1100μm的激光振荡波长上为多模的Yb掺杂的石英基纤芯12、、纯氧化硅内包层14(Δ％≈0)和在包含空穴(氩气)的区域孔隙度为16％的纯氧化硅外包层16。在本实施例中，诸相对折射率Δn₅和n₃分别约为0％和-28％(相对于纯氧化硅)。内包层14的NA为0.3(在1380nm波长下测得)。纤芯12相对于内包层14的折射率差(Δ％)约为0.7。纤芯12和内包层14的第一部分是通过内气相沉积法(IVD)制造。纤芯的GeO₂-SiO₂玻璃微珠沉积在玻璃管的内部(内包层的第一部分)，然后是纤芯玻璃微珠的溶腋Yb掺杂。然后将该结构烧结成实心预制棒。接着将该预制棒作为OVD过程的饵棒用于外包层沉积。正如说明书中所描述，至少利用一个固化步骤将含气空穴引入固化的光纤预制棒。

实施例2中光纤的具体组成是：

纤芯12：0.8重量％Yb₂O₃；9.5重量％P₂O₃；5.4重量％GeO₂；

内包层14：纯氧化硅

外包层16：纯氧化硅，其外包层内孔隙度(含氩空穴)为16％，平均孔径为300nm，标准偏差为150nm。在本实施例中，诸相对折射率Δn₅和n₃分别是约0％和-28％(相对于纯氧化硅)。

实施例3

实施例3的激活光纤(同样示意性地示于图1A和1B)包括Yb掺杂的纤芯12、NA为0.3(在1380nm波长下测得)的GeO₂掺杂的石英基内包层14、以及掺杂氟/硼且含有空穴的外包层16。纤芯12(相对于内包层)的折射率差(Δ％)是约0.7。本光纤实施例的具体组成是：

纤芯12：0.8重量％Yb₂O₃；9.5重量％P₂O₃；5.4重量％GeO₂；

内包层14：6重量％GeO₂；

外包层16：9重量％的硼和2.7重量％的氟，在外包层内的孔隙度(含氩空穴)为5％，平均孔径为300nm，标准偏差为150nm。在本实施例中，诸相对折射率Δn₅和n₃分别是约-1.5％和-28％(相对于纯氧化硅)。充气空穴16A改善了内包层16的NA，这样就获得了高得多的激光泵浦效率，而且因为泵浦光被限制在了光纤内，这些空穴能够防止泵浦光泄漏带来的灾难性故障，如果发生泄漏，会致使聚合物涂层点燃并引起火灾。

实施例4

实施例4中的光纤(样品B)示意性地示于图1C和1D。对照光纤(样品A)与样品B光纤类似，但是外包层中没有空穴。下面详述样品A和样品B光纤及其性能。样品B制造如下：1200克SiO₂(密度0.47g/cc)玻璃微珠被火焰沉积(flame deposited)至长1米、直径15毫米的GeO₂-SiO₂递变折射率(抛物线型，峰值为2％Δ折射率(相对于氧化硅))实心玻璃棒上。这个组合件首先在由氦气和3％的氯气组成的气氛中于1000℃干燥2小时，然后以32mm/min的速度向下驱动通过温度设定在1500℃、处于100％氧气氛中的高温区，然后以25mm/min的速度重新向下驱动(re-downdriven)通过处于同样气氛中的高温区，最后在100％的氧气氛中以6mm/min的速度烧结，以便将玻璃微珠烧结成有小氧气泡的包层毛坯。将所得玻璃毛坯在设定于1000℃的氩气净化夹持炉中放置24小时。

然后，在热区长度为20cm、温度设定在约2000℃的拉伸熔炉中，以20m/s的速度将毛坯拉成10km长、直径125微米的光纤(样品B光纤)。对光纤端面以800倍的放大倍数进行SEM图像分析表明，实心氧化硅-氧化锗纤芯直径为62.5微米，氧化硅包层(相对于氧化硅，n₅约为0％)直径125微米，氧化硅包层包含体积比为约9.0％的气线(airlines)(氧气，相对于氧化硅，n₃＝-28％)，自纤芯的边缘开始，分别在整个包层之中直至逼近光纤的外径，平均孔径为0.45微米，最小直径的气线(airline)为0.21微米，最大直径为1.2微米，标准偏差为150nm，在光纤横截面上大约包含3000个孔。光纤总空穴面积百分比(空穴的横截面总面积除以光纤的横截面总面积，再乘以100)约为6.8％。在测定多模衰减时，该光纤的光性能是小于20dB/km，更具体的是3.00dB/km、0.74dB/km和0.45dB/km，分别对应于波长850nm、1310nm和1550nm。当将光纤绕半径为5mm(直径10mm)的心轴绕一周时，其光学弯曲性能数据(图3)在850nm和1550nm波长的衰减分别增加了不足0.03dB和0.01dB。

对市售的对照光纤也进行了抗弯曲测试，其芯径(GeO₂-SiO₂递变折射率(为抛物线形，(相对于氧化硅)峰值为2％Δ折射率)为62.5微米、实心氧化硅外包层直径为125微米、无空穴(样品A光纤)。该对照光纤(样品A光纤)光学弯曲性能(图3)表明，当光纤绕半径为5mm的心轴绕一周时，在850nm和1550nm波长的衰减分别增加1.13dB和1.20dB。这个结果验证了包层中包含空穴的光纤具有优异的抗弯曲特性。没有含氧空穴的对照光纤(样品A光纤)，其纤芯NA为0.262(在约1380nm下测得)。具有空穴16A的光纤(上述样品B)其纤芯NA为0.344(在约1380nm下测得)。这样，当增加了充填了空气的空穴后，纤芯的数值孔径NA增大了31％(从0.262到0.344)。

因此，采用本发明所揭示的光纤设计和制造方法，有可能得到一种光纤，当其绕直径为10mm的心轴绕一周时，其在目标波长(例如915nm、976nm、980nm、1480nm和1550nm)的衰减增加值小于1dB/圈，优选小于0.5dB/圈，再优选小于0.25dB/圈，最优选小于0.15dB/圈。

实施例4中制造光纤的光学毛坯还被拉伸成直径为300微米的光纤，其氧化锗掺杂氧化硅的纤芯没有空穴、半径为75微米。该纤芯被上述含空穴的氧化硅包层所包裹，这样得到一种具有大纤芯和高NA的光纤。直径为125或300微米的光纤都适用于汽车数据通信应用。

实施例5

实施例5中的光纤10示意性地示于图1C和1D，是设计用于汽车数据通信应用的。该光纤包括一个无空穴的氧化硅纤芯12，纤芯半径为90微米并且被包含空穴、径向厚度为20微米的氧化硅包层16所包裹，该包层包括16％的含氮气空穴16A，空穴平均直径为200nm，标准偏差为150nm，该包层又被无空穴的径向厚度为10微米的氧化硅外包层17所包裹。光纤总的空穴面积百分比(空穴的横截面总面积除以光纤的横截面总面积，再乘以100)大约为4.4％。纤芯的NA为0.3(在1380nm波长下测得)。该光纤适用于汽车数据通信应用。

较佳地，气体充填区域的比例，即包含空穴的包层中充填了气体的比例(也就是空穴的横截面总面积除以光纤的横截面总面积，再乘以100)在1％到75％之间，更优选在2％到55％之间，更优选在6％到50％之间。充填了气体的比例(％)越高，纤芯12的NA就越大。本发明人还发现，相对于目标波长(例如光源波长)而言空穴的尺寸越小，光纤的光学性能越好，高数值孔径层(在本实施例中为纤芯12)的NA越大，光纤10的弯曲性能越好。因此，优选λ_NA/D_i＞2，更优选大于3，更优选大于4，甚至更优选大于5，最优选大于10(λ_NA是测量NA所用的波长，D_i是平均空穴直径)。在本实施例中，诸相对折射率Δn₅和n₃分别约为0％和-28％(相对于纯氧化硅)。

实施例6

实施例6中的光纤10示意性地示于图1C和1D，设计用于汽车数据通信应用。该光纤制造如下：500克SiO₂(密度0.46g/cc)玻璃微珠(soot)被火焰沉积至长1米、半径15微米的纯氧化硅纤芯棒上。然后对该组合件进行烧结，更具体地说，这个组合件在由氦气和3％氯气组成的氛围中于1000℃干燥2小时，接着以32mm/min的速度向下驱动通过温度设定于1500℃、处于70％氮气和30％SiF₄(体积比)气氛下的高温区，再以25mm/min的速度重新向下驱动(re-down driven)通过处于相同气氛下的高温区，最后在100％氮气中以6mm/min的速度进行烧结，以便将玻璃微珠烧结成氟掺杂且有氮气小泡(nitrogen-deeded)的包层毛坯。将该毛坯在设定于1000℃的氩气净化夹持炉中放置24小时。

用与实施例1相似的方法将该毛坯拉伸成直径135微米的光学。对光纤端面的200倍和500倍放大率下的光学图像分析表明，实心氧化硅纤芯直径为82微米，掺氟氧化硅(约1.2重量％的氟，相对于纯氧化硅，n₅＝-0.4％)包层包含大约9.0体积％的气线(氮气)，平均孔径为0.73微米，最小气线直径是0.03微米，最大气线直径是2.0微米，标准偏差为0.40微米，在光纤横截面内包含大约1200个孔。本实施例中，相对折射率Δn₃约为-28％(相对于纯氧化硅)。总空穴面积百分比(空穴的横截面总面积除以光纤的横截面总面积，再乘以100)大约为5.1％。当测量多模衰减时，该光纤的光学性能在波长850nm、1310nm和1550nm分别为小于16.1dB/km、14.5dB/km和13.2dB/km。当将光纤绕半径为5mm的心轴绕一周时，其光学弯曲性能数据在850nm和1550nm波长衰减增加值分别是1.85dB和0.67dB。制作了一条无空穴的对照光纤；在包层中采用了SiF₄和He烧结气氛，得到的是无空穴的光纤。对该对照光纤端面的200倍和500倍放大率下的光学图像分析表明，实心氧化硅纤芯直径为82微米，掺氟氧化硅包层(大约1.2重量％的氟)无空穴。当将光纤绕半径为5mm(直径10mm)的心轴绕一周时，其光学弯曲性能在850nm和1550nm波长的衰减增加值分别是8.06dB和9.33dB。这些结果验证了在包层中含有空穴的光纤抗弯曲性能更好。具有空穴16A(上述)的光纤内包层NA为0.258(在约1380nm测得)。无空穴的对照光纤内包层NA为0.13(在约1380nm测得)。因此，当增加了充填空气的空穴16A时，内包层的数值孔径NA提高了98％(从0.13到0.258)。还上述光学毛坯拉伸成直径300微米的光纤，其无空穴纤芯径向距离大约为100微米，并且被含有空穴的氟掺杂氧化硅包层所包裹，如上所述，从而得到的光纤纤芯大、NA高。直径125或300微米的光纤都适用于汽车数据通信应用。

对于本领域技术人员显而易见，可以对本发明做出各种修改和变动而不背离本发明的精髓和范围。因此，本发明目的在于涵盖本发明的这些修改和变动，只要它们落在所附权利要求书和其等效方案的范围之内。

Claims

1.一种光纤，包括：

(i)具有第一折射率为n₁的石英基纤芯；以及

(ii)至少一层包裹所述纤芯的石英基包层，所述至少一层石英基包层具有第二折射率n_i，使得n₁＞n_i；所述至少一层石英基包层包含能降低折射率的、非周期性的、包含气体的空穴，其中所述空穴中的至少80％具有小于2000nm的横截面最大尺寸，与所述至少一层石英基包层紧邻并在其内部的光纤层的数值孔径至少为0.2。

2.如权利要求1所述的光纤，其中与所述至少一层石英基包层紧邻并在其内部的光纤层的数值孔径至少为0.5。

3.如权利要求1所述的光纤，其中与所述至少一层石英基包层紧邻并在其内部的光纤层是纤芯，且所述纤芯的直径在50μm到400μm之间。

4.如权利要求1所述的光纤，其中与所述至少一层石英基包层紧邻并在其内部的光纤层是纤芯，且纤芯的数值孔径至少是0.4，纤芯的直径在50μm到400μm之间。

5.如权利要求1所述的光纤，其中λ_NA/D_i＞2，其中λ_NA是测量所述NA所用的波长，D_i是平均空穴直径。

6.如权利要求5所述的光纤，其中所述空穴中至少80％具有小于500nm的横截面最大尺寸。

7.如权利要求1所述的光纤，其中所述空穴的平均直径小于500nm。

8.如权利要求2所述的光纤，其中λ_NA/D_i＞5。

9.如权利要求1所述的光纤，其特征在于充填气体的区域比例至少为1％。

10.如权利要求1所述的光纤，其特征在于充填气体的区域比例至少为5％。

11.如权利要求1所述的光纤，其中所述纤芯直径至少为200nm。

12.如权利要求1所述的光纤，其中当所述光纤绕直径为10mm的心轴一周时，其弯曲衰减小于0.25dB/km。

13.如权利要求1所述的光纤，其中所述光纤在λ＝850nm时，其纤芯衰减小于20dB/km。

14.如权利要求1所述的光纤，其中所述气体包括Ar、N₂、O₂、CO₂、或它们的混合物。

15.如权利要求1所述的光纤，其中所述纤芯是稀土掺杂的纤芯；所述光纤进一步包括包裹纤芯的石英基内包层，所述石英基内包层具有第二折射率n₂，使得n₁＞n₂；其中所述至少一层包含能降低折射率的非周期性空穴的石英基包层是包裹所述第一包层的外包层。

16.如权利要求15所述的光纤，其中所述内包层直径至少为125μm。

17.如权利要求15所述的光纤，其中：

(i)按重量百分比，所述纤芯包括：

Yb和/或Er 0.1到2.5重量％；

P 0到5重量％；

Al 0到15重量％；

Ge 0到15重量％；；和

F 0到1重量％；和

(ii)所述内包层包括0到20重量％的Ge。

18.如权利要求15所述的光纤，其中所述纤芯是伸长形的，纤芯的纵横比至少为1.5比1，纤芯直径(沿短轴)为5μm到50μm，所述光纤为保偏(PM)光纤。

19.如权利要求15所述的光纤，其中所述纤芯是圆形的，纤芯的直径为9μm到30μm。

20.如权利要求15所述的光纤，其中所述内包层直径为100μm到350μm，外包层直径为120μm到500μm。

21.如权利要求15所述的光纤，其中石英基内包层数值孔径在0.25到0.9之间。

22.如权利要求15所述的光纤，其中包含能降低折射率的非周期性分布空穴的外包层厚度在10μm到100μm之间。