CN105899982B - 表现出损耗降低的具有梯形纤芯的单模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单模光纤，其中该单模光纤具有纤芯和包层，该纤芯的折射率分布具有梯状的形状。根据本发明的一方面，梯状的纤芯的折射率分布的过渡部是通过将至少两个掺杂物的浓度从所述纤芯的所述中心部中的浓度改变为与所述纤芯邻接的包层部中的浓度所获得的。

Description

表现出损耗降低的具有梯形纤芯的单模光纤
技术领域
本发明涉及光传输***中所使用的单模光纤、包括这种单模光纤的光传输***、以及这种单模光纤的制造方法。
更具体地，本发明涉及散射损耗有所降低的单模光纤。
背景技术
电信***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***经常使用地面传输***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***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(2009年11月)具有用于定义具有阶跃折射率分布的单模光纤的光纤属性的多个属性(即，A、B、C和D)。ITU-TG.657推荐更精确地关注于弯曲不敏感的单模光纤。
可以容易理解，损耗是用于评估这种单模光纤的性能的关键参数，并且能够在1550nm波长处使损耗降低了0.001dB/km的任何解决方案均将显著改进这种单模光纤，只要这些光纤的其它技术属性和制造成本保持大致相同即可。实际上，标准阶跃折射率单模光纤在1550nm波长处的典型损耗为0.19dB/km，这样使损耗降低了0.001dB/km将会引起-0.5％的损耗改进。
众所周知，对于这种单模光纤，约90％的损耗是由于1550nm处的瑞利散射(Rayleigh scattering)所引起的。其余的10％的损耗一方面涵盖了吸收机制所引起的损耗(OH峰、红外线损耗、紫外线损耗)，另一方面涵盖了额外的散射机制(诸如，专利文献US7,171,090中所描述的SAS(“Small Angle Scattering(小角散射)”))所引起的损耗。
此外，众所周知，急剧的折射率分布过渡引起这种额外散射损耗。作为示例，呈现出约5×10-3的纤芯折射率阶跃的G.652阶跃折射率分布在1550nm波长处引起约数千分之一dB/km(约0.005dB/km)的额外散射。
实际上，必须重申，光纤传统上包括：光纤芯，用于传输光信号；以及光包层，用于将光信号限制在光纤芯内。为此，纤芯的折射率nc大于包层的折射率nC1。光纤的特征通常在于使折射率(n)与光纤的半径(r)相关联的折射率分布：在x轴上示出相对于光纤中心的距离r，并且在y轴上示出半径r处的折射率n(r)和光包层的折射率nC1之间的差Δn。阶跃折射率单模光纤表现出纤芯和包层之间的急剧的折射率分布过渡。
因而，过去已研究了设计具有平滑的折射率过渡的纤芯分布，以试图限制额外损耗。
因而，专利文献US 7,171,090描述了设计有从纤芯向包层的折射率分布的平缓过渡的光导纤维，其中该光导纤维至少部分由于低阿尔法(alpha，α)分布(即，阿尔法小于2.5)而具有低衰减和低小角散射(SAS)。实际上，低阿尔法分布产生折射率的逐渐变化，从而有助于减小由于小角散射(SAS)而产生的损耗。
专利文献US 6,625,360还描述了在纤芯和包层之间具有折射率变化充分的界面区域的单模光纤，从而使得能够实现低损耗的光传输。
在专利文献EP 2 369 379和US 7,876,990中还描述了具有阿尔法形状的纤芯分布的G.652单模光纤。尽管这种阿尔法分布使得能够实现从纤芯向包层的折射率的平缓过渡，但在诸如纤芯直径约为10μm(因而比经常使用阿尔法渐变折射率分布的多模光纤的纤芯直径(50μm或62.5μm)小得多)的G.652SMF等的单模光纤的制造过程中不容易进行控制。
因而，将期望设计相对于现有技术表现出改进的单模光纤。
更精确地，将期望设计一种单模光纤，其中该单模光纤容易制造，并且在该单模光纤中，在不会使瑞利散射劣化的情况下，降低由于折射率变化而产生的散射损耗。
发明内容
在本发明的一个特定实施例中，提出一种单模光纤，其具有纤芯和包层，所述纤芯的折射率分布具有梯状的形状。所述纤芯的梯状的折射率分布的过渡部是通过将至少两个掺杂物的浓度从所述纤芯的中心部中的浓度逐渐改变为与所述纤芯邻接的包层部中的浓度所获得的。
因而，本发明依赖于设计具有从纤芯向包层的折射率分布的平缓过渡的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包括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。这种梯形形状使得能够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。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。
这种梯形形状是通过逐渐改变从纤芯的中心部到包层的过渡部中的两个或更多个掺杂物的浓度所实现的。关于等效的阶跃折射率型单模光纤，纤芯的这种精心设计使得能够实现相同的光学特性(诸如模场直径、线缆截止波长和色度色散等)。
在本发明的第一实施例中，所述包层包括至少一个被称为槽的折射率呈凹陷的区域。
在本发明的另一实施例中，所述单模光纤如下：
所述纤芯的所述中心部具有半径r0和折射率n0，
所述过渡部在半径r0～半径r1的范围内，其中r1＞r0，以及
所述包层包括：
中间包层，其在半径r1～半径r2的范围内，并且具有折射率n2，其中r2＞r1；
槽，其在半径r2～半径r3的范围内，并且具有折射率n3，其中r3＞r2；以及
外包层，其在从半径r3起的范围内，并且具有折射率n4。
在本发明的又一实施例中，所述纤芯的所述中心部的半径r0相对于所述过渡部的半径r1的比r0/r1约为0.25～0.75。
在本发明的还一实施例中，所述纤芯的面积分V01约为19.10-3μm～25.10-3μm，其中面积分V01是根据以下等式所定义的：其中，Δn0＝n0-n4是所述纤芯的所述中心部相对于所述外包层的折射率差，并且Δn2＝n2-n4是所述中间包层相对于所述外包层的折射率差。
在本发明的还一实施例中，所述槽的面积分V03约为-55.10-3μm～0，其中面积分V03是根据以下等式所定义的：其中，Δn3＝n3-n4是所述槽相对于所述外包层的折射率差。
在本发明的还一实施例中，所述纤芯的体积分V11约为80.10-3μm2～105.10-3μm2，其中体积分V11是根据以下等式所定义的：其中，Δn0＝n0-n4是所述纤芯的所述中心部相对于所述外包层的折射率差，并且Δn2＝n2-n4是所述中间包层相对于所述外包层的折射率差。
在本发明的还一实施例中，所述槽的体积分V13约为-1200.10-3μm2～0，其中体积分V13是根据以下等式所定义的：其中，Δn3＝n3-n4是所述槽相对于所述外包层的折射率差。
在本发明的还一实施例中，所述至少两个掺杂物属于包括以下内容的组：
-氧化锗；
-氟；
-氧化磷；
-氧化硼。
在本发明的还一实施例中，所述包层包括与二氧化硅相比引起更低折射率的掺杂物，并且该掺杂物引起-0.2×10-3以下的折射率减小。
在本发明的还一实施例中，所述纤芯的所述中心部包括与二氧化硅相比引起更高折射率的掺杂物，并且该掺杂物引起0.6×10-3以上的折射率增大。
在本发明的还一实施例中，所述单模光纤在1310nm波长处的模场直径为8.6μm～9.5μm，并且所述单模光纤的最大线缆截止波长为1260nm。
此外，本发明涉及一种用于制造单模光纤的方法，所述单模光纤包括纤芯和包层，所述纤芯的折射率分布具有梯状的形状，所述方法包括以下步骤：第一步骤，用于进行化学气相沉积以形成纤芯棒；第二步骤，用于对所述纤芯棒进行包覆以获得预制件；以及第三步骤，用于从所述预制件拉制出光纤，
其中，进行化学气相沉积的所述第一步骤包括以下步骤：将过渡部中的至少两个掺杂物的浓度从所述纤芯的中心部中的浓度逐渐改变为与所述纤芯邻接的包层部中的浓度。
在本发明的实施例中，包括逐渐改变浓度的步骤的进行化学气相沉积的所述第一步骤是通过利用炉内化学气相沉积工艺即FCVD工艺或利用等离子体化学气相沉积工艺即PCVD工艺向纤芯棒内引入所述掺杂物来执行的。
本发明还涉及一种光纤传输***，其包括至少一个根据本发明所述的单模光纤。
附图说明
根据以下利用指示性而非穷尽性的示例给出的说明并且根据附图，本发明的实施例的其它特征和优点将变得明显，其中：
-图1示出根据本发明的示例性光纤的折射率分布。该折射率分布是表示光纤的理论分布的设计分布；
-图2示出根据本发明的另一示例性光纤的折射率分布。该折射率分布也是表示光纤的理论分布的设计分布；
-图3示出使得能够实现图1的折射率分布的共掺杂方案的第一情况；
-图4示出使得能够实现图1的折射率分布的共掺杂方案的第二情况；
-图5示出使得能够实现图1的折射率分布的共掺杂方案的第三情况；
-图6示出使得能够实现图1的折射率分布的共掺杂方案的第四情况；
-图7示出使得能够实现图1的折射率分布的共掺杂方案的第五情况；
-图8示出使得能够实现图1的折射率分布的共掺杂方案的第六情况；
-图9示出根据本发明的用于制造单模光纤的方法的实施例。
附图中的组件没有必要按比例绘制，而是强调示出本发明的原理。
具体实施方式
图1和图2示出构成本发明的第一实施例(称为Ex1)和第二实施例(称为Ex2)的光纤的折射率分布的图；在这些实施例中，折射率分布是具有环的梯形折射率分布，并且该折射率分布从光纤中心起呈现：
-纤芯的中心部，其具有大致恒定的折射率，其中该折射率大于包层的折射率；
-纤芯的第一环形部，其中从纤芯的中心部的折射率向中间包层的折射率，折射率以大致线性方式减小。在本文中，纤芯的这种环形部还被称为纤芯的梯状折射率分布的“过渡部”；
-中间包层；
-槽(例如，凹陷包层)；
-外包层。
由此，光纤整体构成具有所谓的“梯状”分布的光纤。
纤芯的中心部具有半径r0和相对于外包层的折射率差Δn0。在纤芯的过渡部中，折射率差大致呈线性减小。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)依赖于相对于光纤中心的距离r(例如，随着相对于光纤中心的距离的增大而减小)。如这里所使用的，术语“折射率差”没有排除折射率差0。
中间包层具有半径r2和通常恒定的相对于外包层的折射率差Δn2。埋槽具有半径r3和通常恒定的相对于外包层的折射率差Δn3。如这里所使用的，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。这种槽的折射率低于或等于第一中间包层的折射率。
外包层的范围是从半径r3至单模光纤的玻璃部分的末端。
图1和2的相互不同之处主要在于埋槽的折射率差Δn3，其中该折射率差Δn3在图2的典型实施例Ex2中更加重要。
在图1和2这两者中，相对于外包层的折射率n4，在633nm波长(即，利用商用设备而测量分布的波长)处给出折射率n(r)。因而将这些折射率称为“折射率德尔塔”(indexdelta，折射率Δ)。更通常地，在本文中，所有的折射率都是在波长λ＝633nm处给出的。
将图1和2中的各典型实施例与如下的单模光纤进行比较，其中该单模光纤具有阶跃纤芯折射率分布并且表现出等效的光学特性(诸如模场直径、截止(光纤截止(FCO)和线缆截止(CCO))波长、以及零色散波长(ZDW))。这些阶跃折射率分布分别在图1中被表示为Comp Ex1(比较例1)且在图2中被表示为Comp Ex2(比较例2)，并且是以虚线示出的。
光纤截止波长(FCO)与诸如IEC 60793-1-44标准中的国际电工委员会的小组委员会86A所定义的波长等的有效截止波长λCeff相对应。线缆截止波长(CCO)与诸如IEC 60793-1-44标准中的国际电工委员会的小组委员会86A所定义的波长等的线缆中截止波长λcc相对应。
以下的表1描绘了以下内容：图1和2的典型实施例Ex1和Ex2的折射率设计与等效的阶跃折射率单模光纤Comp Ex1和Comp Ex2的比较以及本发明的第三典型实施例Ex3的折射率设计与等效的阶跃折射率单模光纤Comp Ex3的比较。表1中的值与理论折射率分布相对应。
表1
表1的第一列列出了示例性光纤和相比较的光纤。后续的列针对第一列中所列出的各单模光纤提供以下内容：
-纤芯的中心部的半径相对于纤芯的过渡部的外半径的比r0/r1；
-以μm为单位表示的纤芯的中心部的半径r0；
-以μm为单位表示的纤芯的过渡部的外半径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Δn3。
表1中(以及本文的所有其它表中)的折射率差已乘以了1000，作为图1和2中的纵坐标值(例如，对于本发明的第一典型实施例Ex1，纤芯的中心部的折射率德尔塔是5.51×10-3)。折射率值是在波长633纳米处所测量到的。
(以下的)表2示出具有表1所示的折射率分布的光学单模光纤的光传输特性。第一列标识了示例性光纤和相比较的光纤。接下来的列针对各光纤提供以下内容：
-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为单位表示的光纤截止波长(FCO)；
-以nm为单位表示的线缆截止波长(CCO)；
-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)。
表2
MFD 1310 MFD 1550 FCO CCO ZDW ZDS
(μm) (μm) (nm) (nm) (nm) (ps/nm<sup>2</sup>-km)
Comp Ex1 9.03 10.19 1260 1199 1316 0.086
Ex1 9.03 10.17 1261 1203 1316 0.087
Comp Ex2 8.77 9.85 1232 1182 1320 0.089
Ex2 8.76 9.82 1235 1182 1320 0.090
Comp Ex3 8.76 9.80 1369 1232 1317 0.089
Ex3 8.77 9.80 1375 1232 1317 0.090
(以下的)表3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纳米处具有表1所示的折射率分布的光纤的诸如以下弯曲损耗等的弯曲损耗：
-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3
根据(以上的)表2和3，根据本发明的实施例的光纤表现出与具有阶跃折射率分布的所比较的光纤相比变小的弯曲损耗。此外，本光纤通常具有与所比较的光纤大致相同的(i)线缆截止波长、(ii)零色度色散波长(ZDW)、(iii)零色散斜率(ZDS)和(iv)模场直径(MFD)。
在表1～3中以及在针对Ex1和Ex2的图1和2中所述的根据本发明的实施例的三个折射率分布示例Ex1、Ex2和Ex3符合ITU-T G.652推荐。
在此提醒，推荐ITU-T G.652描述了在1310nm附近具有零色散波长的单模光纤和线缆的几何、机械和传输属性。ITU-T G.652光纤原本最适合用在1310nm波长区域中，但还可以用在1550nm区域中。以下的表4总结了被称为G.652.D(源ITU-T G.652推荐，2009年11月)的G.652光纤的最佳类别的光纤属性。折射率分布设计对该表中的以下参数起作用：1310nm处的模场直径(MFD1310)、线缆截止(CCO)、1625nm处的R30mm宏弯曲损耗(R30BL1625)、零色散波长(λ0或ZDW)和零色散斜率(S0或ZDS)。
表4
本发明的第二典型实施例Ex2和第三典型实施例Ex3还符合ITU-T推荐G.657.A2弯曲不敏感光纤类别。本发明的第三典型实施例Ex3还符合ITU-T推荐G.657.B3弯曲不敏感光纤类别。
如以上在发明内容部分中已经说明的，图1和2中以及表1～3中详述的折射率分布是通过谨慎地逐渐改变梯形纤芯的过渡部中的多个掺杂物的浓度所实现的。
在本发明的上下文中可以使用许多掺杂物，例如均能够使折射率增大的锗和磷以及均能够使折射率减小的硼和氟等。
本领域技术人员将容易理解，除氟以外的这些掺杂物均采用氧化物的形式存在于二氧化硅(SiO2)基质中。因而，在本文中，使用锗作为掺杂物例如意味着使用二氧化锗(GeO2)。
以下示例关注于在根据本发明实施例的单模光纤中使用锗和氟作为掺杂物。
(以下的)表5示出针对根据本发明的十二个示例性梯形纤芯光纤分布的在1550纳米处的瑞利散射损耗。在考虑不同的掺杂物情况、即不同的共掺杂方案的情况下，这十二个示例性纤芯光纤分布与以上所述的三个典型实施例Ex1～Ex3相对应。
表5给出的值与瑞利散射损耗相对应，其中这些瑞利散射损耗是根据KyozoTsujikawa等人于2000年11月在Journal of Lightwave Technology,Vol.18,No.11中的文献“Rayleigh Scattering Reduction Method for Silica-Based Optical Fiber”中的等式(1)所计算出的。在该文献中，共掺杂有GeO2和氟的石英玻璃AGeO2-F的瑞利散射系数被记录为以下：
AGeO2-F＝ASiO2(1+0.62[GeO2]+0.60[F]2+0.44[GeO2][F]2)
其中，ASiO2是纯石英玻璃的瑞利散射系数，并且[GeO2]和[F]与作为掺杂剂浓度的度量的、由GeO2和氟分别引起的样本和纯石英玻璃之间的相对折射率差相对应。
在表5中，纯石英玻璃的瑞利散射系数的值ASiO2是0.81dB/km-μm4，并且考虑在+0.4×10-3的拉丝时的折射率增大。第一列标识了示例性光纤和相比较的光纤。第三列～第十四列分别与已研究的被称为情况1～情况12的十二个共掺杂方案相对应。表5的上部即第二行～第八行突出显示了在光纤的不同部分中存在掺杂物。因而：
-第二行示出表示为折射率德尔塔的纤芯的中心部中的氟的浓度；
-第三行示出表示为折射率德尔塔的纤芯的中心部中的锗的浓度；
-第四行示出表示为折射率德尔塔的中间包层中的锗的浓度；
-第五行示出表示为折射率德尔塔的中间包层中的氟的浓度；
-第六行示出表示为折射率德尔塔的槽中的锗的浓度；
-第七行示出外包层中的氟的浓度；
-第八行示出纤芯的过渡部中的折射率的变化是通过双锗氟斜坡(ramping)(Ge+F)、通过单氟斜坡(仅F)、还是通过单锗斜坡(仅Ge)来实现的。
表5
情况1与如下的单模光纤相对应：在纤芯的中心部中无氟，在中间包层和槽中均无锗，并且在外包层中无氟。纤芯的中心部包含浓度为Δn0-0.4的锗，并且中间包层包含浓度为Δn2-0.4的氟。从纤芯的中心部向中间包层呈线性变化的双锗和氟共掺杂引起了纤芯的过渡部中的折射率的变化。图3示出本发明的第一典型实施例Ex1的情况1的共掺杂分布，并且示出光纤的整体折射率分布以及以折射率为单位给出的锗组成(Ge分布)和氟组成(F分布)。换句话说，在表示+1×10-3的锗浓度的情况下，这意味着锗浓度引起+1×10-3的折射率增大。通过阅读由W.Hermann和D.U.Wiechert于1989年在Mat.Res.Bull.的第24卷第1083-1097页中的“Refractive Index of Doped and Undoped PCVD Bulk Silica”，可以理解光纤的一部分中的掺杂物浓度与该掺杂物浓度所引起的折射率的变化之间的关联。
情况2与如下的单模光纤相对应：纤芯的中心部中的氟浓度引起-2×10-3的折射率减小，在中间包层和槽中均无锗，并且在外包层中无氟。纤芯的中心部包含浓度为Δn0+2-0.4的锗，并且中间包层包含浓度为Δn2-0.4的氟。从纤芯的中心部向中间包层呈线性变化的双锗和氟共掺杂引起了纤芯的过渡部中的折射率的变化。图4示出本发明的第一典型实施例Ex1的情况2的共掺杂分布，并且示出光纤的整体折射率分布以及以折射率为单位给出的锗组成(Ge分布)和氟组成(F分布)。
情况3与如下的单模光纤相对应：在纤芯的中心部中无氟，中间包层中的锗浓度引起+2×10-3的折射率增大，在槽中无锗，并且在外包层中无氟。纤芯的中心部包含浓度为Δn0-0.4的锗，并且中间包层包含浓度为Δn2-2-0.4的氟。从纤芯的中心部向中间包层呈线性变化的双锗和氟共掺杂引起了纤芯的过渡部中的折射率的变化。图5示出本发明的第一典型实施例Ex1的情况3的共掺杂分布，并且示出光纤的整体折射率分布以及以折射率为单位给出的锗组成(Ge分布)和氟组成(F分布)。
情况4与如下的单模光纤相对应：在纤芯的中心部中无氟，在中间包层中无锗，槽中的锗浓度引起+2×10-3的折射率增大，并且在外包层中无氟。纤芯的中心部包含浓度为Δn0-0.4的锗，并且中间包层包含浓度为Δn2-0.4的氟。从纤芯的中心部向中间包层呈线性变化的双锗和氟共掺杂引起了纤芯的过渡部中的折射率的变化。图6示出本发明的第一典型实施例Ex1的情况4的共掺杂分布，并且示出光纤的整体折射率分布以及以折射率为单位给出的锗组成(Ge分布)和氟组成(F分布)。
情况5与如下的单模光纤相对应：在纤芯的中心部中无氟，在中间包层和槽中均无锗，并且在外包层中无氟。纤芯的过渡部中的锗浓度固定为与纤芯的中心部相同的水平。纤芯的中心部包含浓度为Δn0-0.4的锗，并且中间包层包含浓度为Δn2-0.4的氟。从纤芯的中心部向中间包层呈线性变化的单氟掺杂引起了纤芯的过渡部中的折射率的变化。图7示出本发明的第一典型实施例Ex1的情况5的共掺杂分布，并且示出光纤的整体折射率分布以及以折射率为单位给出的锗组成(Ge分布)和氟组成(F分布)。
情况6与在中间包层和槽中均无锗并且在外包层中无氟的单模光纤相对应。纤芯的氟浓度固定为与中间包层相同的水平、即Δn2-0.4。纤芯的中心部包含浓度为Δn0-Δn2的锗。从纤芯的中心部向中间包层呈线性变化的单锗掺杂引起了纤芯的过渡部中的折射率的变化。图8示出本发明的第一典型实施例Ex1的情况6的共掺杂分布，并且示出光纤的整体折射率分布以及以折射率为单位给出的锗组成(Ge分布)和氟组成(F分布)。
情况7～12与在纤芯的中心部中无氟且在中间包层和槽中均无锗的单模光纤相对应。然而，在这些情况下，利用氟掺杂外包层，由此使得能够改变掺杂物组成，这是因为外包层是折射率德尔塔的基准。这样尤其使得能够显著减小纤芯的中心部中的锗折射率德尔塔，而这众所周知有助于减少瑞利散射。在外包层的末端(即，半径为30μm以上)可以使用纯二氧化硅层。表5中的第3行和第5行针对这些情况7～12各自示出纤芯的中心部中的锗的浓度(表示为纤芯的中心部的折射率德尔塔的函数Δn0)和中间包层中的氟的浓度(表示为中间包层的折射率德尔塔的函数Δn2)。
(以下的)表6在无需考虑拉丝时的折射率增大的情况下，针对相同的12个典型实施例提供了瑞利散射损耗的相同估计值。
表6
在情况1、2、4、5和6中，在比较例中并且在拉丝时的折射率增大不存在的情况下(表6)，中间包层德尔塔略为正。结果，在中间包层中引入了浓度非常小的锗(对于比较例Comp Ex1、Comp Ex2和Comp Ex3分别为0.08、0.22和0.10)。在这些比较例中，中间包层不包括任何氟。
实际上，如表6所示，第4行针对情况1、2、4、5和6表示将中间包层中的锗的浓度设置为Max(Δn2；0)，而第5行针对这些情况表示将中间包层中的氟的浓度设置为Min(Δn2；0)。结果，在中间包层的折射率德尔塔Δn2为正的情况下，将中间包层中的锗的浓度设置为Δn2(Max(Δn2；0)＝Δn2)，并且将中间包层中的氟的浓度设置为0(Μin(Δn2；0)＝0)。在相反情况下，在中间包层的折射率德尔塔Δn2为负的情况下，将中间包层中的锗的浓度设置为0(Max(Δn2；0)＝0)，并且将中间包层中的氟的浓度设置为Δn2(Μin(Δn2；0)＝Δn2)。
通过数值示例，如在图4上可以观察到，纤芯的中心部的折射率德尔塔是包括-2.00×10-3的氟含量的5.51×10-3。在表5中，这是根据锗的+7.11×10-3、氟的-2.00×10-3并且考虑到0.4×10-3的拉丝时的折射率增大(实际为5.51×10-3＝+7.11×10-3-2.00×10-3+0.4×10-3)而得出的。
在表6中，这是根据锗的+7.51×10-3、氟的-2.00×10-3并且不考虑拉丝时的折射率增大(实际为5.51×10-3＝+7.51×10-3-2.00×10-3)而得出的。
如从表5和6可以观察到，在所有的双锗和氟斜坡情况下，针对根据本发明的示例性梯形纤芯单模光纤，与等效的阶跃折射率情况相比，1550nm处的瑞利散射增加的程度小于0.001dB/km。
除表6中的第二典型实施例Ex2的情况6和表5中的情况12外，在单斜坡情况中，该增加高于0.001dB/km。
实际上，如在表5中可以观察到，与比较例Comp Ex1、Comp Ex2和Comp Ex3相比，针对典型实施例Ex1、Ex2和Ex3，情况5和6的单斜坡示例是不可接受的，这是因为这些单斜坡示例导致瑞利散射严重增加。关于情况12，可以观察到单斜坡仅对于纤芯的中心部中的锗的低浓度(即，0.6×10-3以下)是可接受的。
关于表6，(所有的典型实施例Ex1～Ex3的)情况5和第一典型实施例Ex1的情况6的单斜坡示例是不可接受的，这是因为这些单斜坡示例还导致瑞利散射的严重增加。关于情况6的单斜坡示例，仅针对第二典型实施例Ex2和第三典型实施例Ex3的中间包层中的氟的低浓度(即，-0.20×10-3以下)的情况在瑞利散射方面给出了可接受的结果。情况12的单斜坡示例仅针对纤芯的中心部中的锗的低浓度(即，0.6×10-3以下)是可接受的。
因而，优选利用双斜坡情况所获得的分布，这是因为这些分布与等效的阶跃折射率情况相比确保了小于0.002或0.001dB/km的瑞利增加。
因而，应通过应用现有的两个(或更多个)掺杂物的平缓过渡来产生纤芯的过渡部(在半径r0～半径r1的范围内)。
此外，包层中的氟含量优选应为-0.20×10-3以下，这是因为与单斜坡相比、双氟-锗斜坡的瑞利增益为-lmdB/km以下。更通常地，本发明在包层中存在与二氧化硅相比引起更低折射率的掺杂物、并且该掺杂物引起-0.20×10-3以下的折射率减小的情况下是有帮助的。
纤芯的中心部中的锗含量优选还应为+0.60×10-3以上，这是因为与单斜坡相比、双氟-锗斜坡的瑞利增益为-lmdB/km以下。更通常地，本发明在纤芯的中心部中存在与二氧化硅相比引起更高折射率的掺杂物、并且该掺杂物引起+0.60×10-3以上的折射率增大的情况下是有帮助的。
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。
可以使用面积分和体积分来定义光纤分布的各分区。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。同样，术语“体”不应从几何角度进行理解，而应被理解为具有三个维度的值。
因此，如通过以下等式分别定义的，中央纤芯的中心部可以定义面积分V01，并且槽可以定义面积分V03：
此外，如通过以下等式分别定义的，中央纤芯的中心部可以定义体积分V11，并且槽可以定义体积分V13：
(以下的)表7利用以上针对本发明的第一典型实施例Ex1、第二典型实施例Ex2和第三典型实施例Ex3以及这些典型实施例的比较用阶跃折射率单模光纤Comp Ex1、CompEx2和Comp Ex3所述的面积分和体积分V01、V03、V11和V13的值，完成了(以上的)表11。因而，表7中的所有示例均与表1相同。表7中的值与理论折射率分布相对应。
表7的第一列列出了示例性光纤和相比较的光纤。第二列提供纤芯的中心部的半径r0相对于纤芯的过渡部的外半径r1的比r0/r1的值。接下来的四列提供纤芯的中心部、纤芯的过渡部、中间包层和埋槽的半径。接下来的三列提供相对于外包层的相应折射率差。最后，最后四列提供面积分和体积分V01、V03、V11和V13各自的值。与先前相同，表7中的折射率差和积分已乘以了1000。这些折射率值是在波长633纳米处所测量的。
表7
(以下的)表8描述根据本发明的九个示例性梯形形状的纤芯光纤分布。注意，表8中的示例1～3与表7相同。表8中的值与理论折射率分布相对应。表8的结构与表7的结构相同，因而为了简便不进行重述。
在考虑比r0/r1的情况下，获得表8中所给出的新示例。
表8
根据本发明实施例的光纤通常具有以下性质：
-纤芯的中心部的半径相对于纤芯的过渡部的半径的比r0/r1优选在0.25～0.75的范围内；
-中央纤芯的面积分V01优选在约19.10-3μm～约25.10-3μm的范围内；
-埋槽的面积分V03优选在-55.10-3μm～0的范围内；
-中央纤芯的体积分V11优选在80.10-3μm2～105.10-3μm2的范围内；
-埋槽的体积分V13优选在-1200.10-3μm2～0的范围内。
(以下的)表9示出具有表8所示的折射率分布的光纤的光传输特性。
表9
(以下的)表10示出具有表8所示的折射率分布的光纤的弯曲损耗。
表10
图9示意示出用于制造光纤的方法，其中该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10。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、并且可选地形成包层的内部的折射率分布。在第二步骤11中，对纤芯棒设置外包覆(overcladding)以增大其直径，从而形成预制件。该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，通过沉积玻璃层来提供包覆。在第三步骤12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，纤芯的中心部和过渡部这两者、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融入二氧化硅、并且使得能够逐渐改变纤芯的过渡部中的氟和锗的浓度。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***中，并且是特别有利的使用，这是因为这些光纤具有良好的瑞利散射特性，并且由于折射率变化而表现出散射损耗降低。这些光纤特别适合用于地面传输***以及光纤到户(FTTH)***。
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***中。例如，根据本发明实施例的光纤通常在模场直径方面与传统的光纤兼容，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 (16)

1.一种单模光纤，其具有被包层所包围的纤芯，所述纤芯的折射率分布具有梯状的形状，
其中，所述纤芯的梯状的折射率分布的过渡部是通过将至少两个掺杂物的浓度从所述纤芯的中心部中的浓度逐渐改变为与所述纤芯邻接的包层部中的浓度所获得的，
其中，所述至少两个掺杂物包括氧化锗和氟，所述氧化锗的浓度从所述纤芯的中心部向与所述纤芯邻接的所述包层部线性地减小，所述氟的浓度从所述纤芯的中心部向与所述纤芯邻接的所述包层部线性地增大。
2.根据权利要求1所述的单模光纤，其中，所述包层包括至少一个被称为槽的折射率呈凹陷的区域。
3.根据权利要求2所述的单模光纤，其中，
所述纤芯的所述中心部具有半径r0和折射率n0，
所述过渡部在半径r0～半径r1的范围内，其中r1>r0，以及
所述包层包括：
中间包层，其在半径r1～半径r2的范围内，并且具有折射率n2，其中r2>r1；
所述槽，其在半径r2～半径r3的范围内，并且具有折射率n3，其中r3>r2；以及
外包层，其在从半径r3起至所述单模光纤的玻璃部分的末端的范围内，并且具有折射率n4。
4.根据权利要求3所述的单模光纤，其中，所述纤芯的所述中心部的半径r0相对于所述过渡部的半径r1的比r0/r1约为0.25～0.75。
5.根据权利要求3所述的单模光纤，其中，所述纤芯的面积分V01约为19.10-3μm～25.10-3μm，其中面积分V01是根据以下等式所定义的：
其中，Δn0＝n0-n4是所述纤芯的所述中心部相对于所述外包层的折射率差，并且Δn2＝n2-n4是所述中间包层相对于所述外包层的折射率差。
6.根据权利要求4所述的单模光纤，其中，所述纤芯的面积分V01约为19.10-3μm～25.10-3μm，其中面积分V01是根据以下等式所定义的：
其中，Δn0＝n0-n4是所述纤芯的所述中心部相对于所述外包层的折射率差，并且Δn2＝n2-n4是所述中间包层相对于所述外包层的折射率差。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的单模光纤，其中，所述槽的面积分V03约为-55.10-3μm～0，其中面积分V03是根据以下等式所定义的：
其中，Δn3＝n3-n4是所述槽相对于所述外包层的折射率差。
8.根据权利要求3至6中任一项所述的单模光纤，其中，所述纤芯的体积分V11约为80.10-3μm2～105.10-3μm2，其中体积分V11是根据以下等式所定义的：
其中，Δn0＝n0-n4是所述纤芯的所述中心部相对于所述外包层的折射率差，并且Δn2＝n2-n4是所述中间包层相对于所述外包层的折射率差。
9.根据权利要求3至6中任一项所述的单模光纤，其中，所述槽的体积分V13约为-1200.10-3μm2～0，其中体积分V13是根据以下等式所定义的：
其中，Δn3＝n3-n4是所述槽相对于所述外包层的折射率差。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的单模光纤，其中，所述至少两个掺杂物属于包括以下内容的组：
-氧化锗；
-氟；
-氧化磷；
-氧化硼。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的单模光纤，其中，所述包层包括与二氧化硅相比引起更低折射率的掺杂物，并且该掺杂物引起-0.2×10-3以下的折射率减小。
12.根据权利要求1至6中任一项所述的单模光纤，其中，所述纤芯的所述中心部包括与二氧化硅相比引起更高折射率的掺杂物，并且该掺杂物引起0.6×10-3以上的折射率增大。
13.根据权利要求1至6中任一项所述的单模光纤，其中，所述单模光纤在1310nm波长处的模场直径为8.6μm～9.5μm，并且所述单模光纤的最大线缆截止波长为1260nm。
14.一种用于制造单模光纤的方法，所述单模光纤包括纤芯和包层，所述纤芯的折射率分布具有梯状的形状，所述方法包括以下步骤：第一步骤，用于进行化学气相沉积以形成纤芯棒；第二步骤，用于对所述纤芯棒进行包覆以获得预制件；以及第三步骤，用于从所述预制件拉制出光纤，
其中，进行化学气相沉积的所述第一步骤包括以下步骤：将所述纤芯的梯状的折射率分布的过渡部中的至少两个掺杂物的浓度从所述纤芯的中心部中的浓度逐渐改变为与所述纤芯邻接的包层部中的浓度，
其中，所述至少两个掺杂物包括氧化锗和氟，所述氧化锗的浓度从所述纤芯的中心部向与所述纤芯邻接的所述包层部线性地减小，所述氟的浓度从所述纤芯的中心部向与所述纤芯邻接的所述包层部线性地增大。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，包括逐渐改变浓度的步骤的进行化学气相沉积的所述第一步骤是通过利用炉内化学气相沉积工艺即FCVD工艺或利用等离子体化学气相沉积工艺即PCVD工艺向纤芯棒内引入所述掺杂物来执行的。
16.一种光纤传输***，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。
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