CN113009619A - 具有氟和氯共掺杂芯区域的低损耗光纤 - Google Patents

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Abstract

提供了共掺杂的光纤，其在1550nm波长具有小于约0.17dB/km的衰减。光纤在光纤中包括纤芯区域，其具有α大于5的分级折射率分布。光纤还在光纤中包括第一包覆区域，其围绕纤芯区域。此外，相比于纯二氧化硅，纤芯区域的有效折射率是约为‑0.10％至约为+0.05％。此外，纤芯区域包括用大于或等于约1.2重量％的氯和约0.1‑1重量％的氟共掺杂的二氧化硅。

Description

具有氟和氯共掺杂芯区域的低损耗光纤
分案申请说明
本申请系申请日为2016年04月07日、国际申请号为PCT/US2016/026336、进入中国国家阶段后的国家申请号为201680034510.8、题为“具有氟和氯共掺杂芯区域的低损耗光纤”的发明专利申请的分案申请。
本申请根据35 U.S.C.§119，要求2015年4月15日提交的美国临时申请系列第62/147777号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
背景技术
本公开一般地涉及低成本、低衰减光纤用于数据传输，更具体地，涉及具有共掺杂芯区域的光纤设计。
低衰减(例如，衰减值≤0.17dB/km的光纤)是配置成高效传输数据的光纤的重要特性。
光纤的非线性特性也是限制了用于高速、远距离传输应用的光纤性能的因素。通常来说，可以通过增加光纤的有效面积来降低光纤的非线性特性。这是因为功率密度与有效面积成反比。虽然构造成用于单模运行的一些光纤设计聚焦于增加有效面积，但是通过这些设计所实现的有效面积受到微弯曲损耗和宏弯曲损耗的限制。随着近来数字信号加工(DSP)的进步，传输***的线性损伤(例如，色散和偏振模色散(PMD))不再是重要的问题。但是，即使具有DSP的发展，仍然应该使得模间色散水平最小化。
多种机制造会导致光纤中的衰减和损耗特性。这些机制会包括瑞利散射、小角散射、金属和杂质相关的吸收效应，以及其他UV和IR相关的效应。光纤中的密度和浓度波动会导致瑞利散射。通常理解的是，光纤区域(例如，纤芯和包覆)的组成以及它们各自的加工条件，可能影响这些机制。
发明内容
本公开的一个方面涉及单模光纤，其在1550nm波长的衰减小于约0.17dB/km。光纤在光纤中包括纤芯区域，其具有α大于约5的分级折射率分布。光纤还在光纤中包括第一包覆区域，其围绕纤芯区域。此外，相比于纯二氧化硅，纤芯区域的有效折射率是约为-0.10％至约为+0.05％。此外，纤芯区域包括用大于或等于约1.2重量％的氯和约0.1-1重量％的氟共掺杂的二氧化硅。
本公开的另一个方面涉及单模光纤，所述单模光纤包括光纤，其在1550nm波长的衰减小于约0.17dB/km。光纤在光纤中包括纤芯区域，其包括：用氟和氯共掺杂的二氧化硅；以及在光纤中的围绕纤芯区域的第一包覆区域。此外，纤芯区域具有α大于5的分级折射率分布。此外，第一包覆包括凹陷区域，其相对折射率低于纤芯区域的相对折射率。
在某些方面，这些光纤的共掺杂纤芯区域可以具有α大于约5且小于约12的分级折射率分布。在某些情况下，共掺杂纤芯区域可以具有α大于约12的步阶式或步阶状折射率分布。
在前述光纤的某些实践方式中，第一包覆区域包括凹陷区域，其相对折射率低于纤芯区域的相对折射率。例如，凹陷区域的相对折射率可以比纤芯区域的相对折射率低约0.35％Δ。根据一个方面，纤芯与第一包覆区域之间的相对折射率差异是0.2％Δ至0.5％Δ。
在另一个方面，光纤可以包括构造成少模(few-mod)运行的光纤。该光纤在光纤中包括纤芯区域，其包括用氟和氯共掺杂的二氧化硅。少模光纤还包括如下纤芯区域，其相比于纯二氧化硅的有效折射率是约为-0.10％至约为+0.05％；半径约为6.0微米至约为50微米，以及构造成在1550nm波长以大于2且小于8的模式传输光数据。光纤还在光纤中包括第一包覆区域，其围绕纤芯区域。第一包覆区域包括凹陷区域，其相对折射率基本恒定且低于纤芯区域的相对折射率。此外，光纤在1550nm波长的衰减小于约0.17kB/km。
在本公开的其他方面，在1550nm波长测量时，具有共掺杂纤芯区域的光纤可以展现出小于约0.16dB/km的衰减，以及这些光纤中的某些还具有低至小于约0.15dB/km的衰减水平。在一些情况下，这些共掺杂的光纤还具有小于或等于约1400℃、小于或等于约1300℃、小于或等于约1200℃的假想温度。
在本公开的某些方面，共掺杂的光纤具有如下二氧化硅纤芯区域，其经过氟和氯的共掺杂，使得氟和氯之和(重量％)除以氟(重量％)是大于约1.5的因子。在某些共掺杂光纤构造中，光纤中的纤芯区域包括用大于或等于约1.2重量％的氯和约0.1-1重量％的氟共掺杂的二氧化硅。在其他共掺杂的光纤构造中，光纤中的纤芯区域包括用氟和氯共掺杂的二氧化硅，氯是大于或等于约1.2重量％、大于或等于约1.5重量％、大于或等于约2重量％、大于或等于约2.5重量％或大于或等于约3重量％，以及氟是大于或等于约0.1重量％、大于或等于约0.2重量％、大于或等于约0.4重量％、大于或等于约0.6重量％、大于或等于约0.8重量％、最高至约1重量％。
在以下的详细描述中提出了本文的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。
应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方式，并与文字描述一起用来解释各个实施方式的原理和操作。
附图说明
图1的示意图显示对于具有共掺杂纤芯区域和包覆的光纤，折射率与光纤半径的关系。
图1A是图1所示光纤的横截面图。
图2的示意图显示对于具有共掺杂纤芯区域、第一包覆层和第二包覆层的光纤，折射率与光纤半径的关系。
图2A的示意图显示对于图2所示光纤，在1650℃的粘度与光纤半径的关系。
图3的示意图显示对于具有共掺杂纤芯、第一包覆层、第二包覆层和第三包覆层的光纤，折射率与光纤半径的关系。
图4的示意图显示对于具有共掺杂纤芯、内包覆和外包覆的光纤，折射率与光纤半径的关系。
图5是适用于拉制成共掺杂光纤的芯坯棒内的掺杂剂浓度与半径距离关系图。
图6是对于比较例单掺杂芯坯棒与本公开方面的共掺杂芯坯棒的芯坯棒粘度与温度关系图。
图7是处于刚形成状态和退火后状态的比较例单掺杂芯坯棒与本公开方面的共掺杂芯坯棒的假想温度柱状图。
具体实施方式
下面详细参考本文的优选实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。
“折射率分布”是折射率或相对折射率与光纤半径之间的关系。
术语“μm”和“微米”在本文中可互换使用。
“相对折射率百分比”由如下等式(1)所定义：
Δ％＝100×(ni 2-nc 2)/2ni 2 (1)
其中，nc是未掺杂的二氧化硅的折射率，以及ni是在光纤的特定区域中的点i处的平均折射率。
除非另有说明，否则，本文所用的相对折射率用Δ表示，其数值以“％”为单位。术语Δ、％Δ、Δ％、Δ折射率、百分比折射率、百分比Δ折射率和％在本文可互换使用。在区域的折射率小于未掺杂的二氧化硅的折射率的情况下，相对折射率百分比是负的，并被称作具有凹陷区域或者凹陷折射率。在折射率大于未掺杂的二氧化硅的折射率的情况下，相对折射率百分比是正的。在本文中，“正掺杂剂”视为相对于纯的未掺杂二氧化硅倾向于提高折射率的掺杂剂。在本文中，“负掺杂剂”视为相对于纯的未掺杂二氧化硅倾向于降低折射率的掺杂剂。正掺杂剂的例子包括：GeO2、Al2O3、P2O5、TiO2、Cl和Br。负掺杂剂的例子包括F和B。
除非另外说明，否则在本文中，将“色散”称作“分散”，光纤的色散是材料色散和波导色散之和。零色散波长是色散值等于零的波长。色散斜率表示色散相对于波长的变化率。
“有效面积”如下等式(2)所定义：
Figure BDA0003024580210000041
其中，积分限为0至∞，f是与波导(即，光纤)中所传播的光相关的电场的横向分量，以及r是光纤的半径。如本文所用，“有效面积”或“A有效”指的是波长为1550nm(即，基模)处的光学有效面积，除非另有说明。
术语“α”或“α-分布”指的是相对折射率分布，表述为Δ(r)。Δ(r)的单位是“％”，其中，r是半径，并且其符合如下等式(3)：
Figure BDA0003024580210000051
其中，Δ1最大值是光纤中心的峰值折射率变化(即，纤芯Δ)，以及r1是纤芯半径。本文所记录的α是在1550nm测量的。α＝1对应于三角形相对折射率分布，α＝2描述了抛物线分布，以及α>12对应接近步阶式折射率分布(即，如本文所用的“步阶状折射率分布”)的分布。因此，α＝∞对应纯步阶折射率分布。
采用本公开内容所处领域所理解的彼得曼II方法，根据如下等式(4)来测量模场直径(MFD)：
MFD＝2w；以及
Figure BDA0003024580210000052
其中，w是模场半径，以及积分限是0至∞。除非另有说明，否则对于根据本公开的G.652和G.654共掺杂光纤构造，1310nm处的MFD分别约为8.2-9.5μm和约为9.0-12μm。对于根据本公开的G.652和G.654共掺杂光纤构造，1550nm处的MFD分别约为9.0-11μm和约为9.0-14μm。
对于给定模式，“理论光纤截止波长”、“理论光纤截止”或者“理论截止”是高于该波长导光无法以该模式发生传播的波长。数学定义可参见单模光纤“(Single Mode FiberOptics)”，Jeunhomme，第39-44页，Marcel Dekker，纽约，1990，其中，将理论光纤截止描述为模式传播常数变得等于外包覆中的平面波传播常数的波长。该理论波长适用于不具有直径变化的无限长的完美直光纤。
光纤截止采用标准2m光纤截止测试(FOTP-80(EIA-TIA-455-80))测量，得到“光纤截止波长”，也被称作“2m光纤截止”或者“测量截止”。通过进行FOTP-80标准测试从而使用受控量的弯曲提取出较高级的模式，或者将光纤的光谱响应标准化至多模光纤的光谱响应。
本文所用“光缆截止测量”是采用EIA-455-170Cable Cutoff Wavelength ofSingle-mode Fiber by Transmitted Power(EIA-455-170传输功率的单模光纤的光缆截止波长)或者“FOTP-170”所述的标准22m测试进行。
除非本文另有说明，否则光学性质(例如，色散、衰减等)所记录的是LP01模式的。
“有效群折射率”(也称作“群折射率(ngeff)”)是光的速度(c)与群速度(vg)之比，如下等式(5)所示：
Figure BDA0003024580210000061
光纤中的导模的vg对于电磁场、折射率、波长和传播常数的数学表达来自于麦克斯韦方程(或者更具体来说，来自于标量波动方程)。群速度vg由如下等式(6)定义：
Figure BDA0003024580210000062
其中，ω是波的角频率，以及β是导模的传播常数。传播常数β也被称作有效折射率，是与场传播速度相关的电磁场参数，并且其是对选定波导的标量波动方程求解得到的。因为β取决于波导几何形貌，可以预期弯曲波导会改变β。参见例如，美国专利第6,134,367号，3:14-29，其全文通过引用结合入本文。
对光纤纤芯区域(例如，含有基于二氧化硅的玻璃组合物的纤芯区域)进行掺杂通常降低了玻璃的假想温度，因为以个体引入到纤芯区域中的合适的掺杂剂倾向于降低玻璃的粘度。降低玻璃的假想温度的许多掺杂剂还倾向于增加纤芯区域中的浓度波动，这导致瑞利散射效应增加。因此，仅可使用数种掺杂剂来降低玻璃的假想温度而不明显引入浓度波动，从而可以使得掺杂的光纤获得净降低的衰减。
本公开所描述的光纤设计构造成具有共掺杂纤芯区域，其导致以前述原理和考虑而言(包括但不限于瑞利散射效应)低损耗的光纤。如本文所用，“共掺杂”指的是向光纤的纤芯区域中引入两种或更多种掺杂剂。具有共掺杂的纤芯区域的光纤构造以及开发此类共掺杂的纤芯区域的方法产生可感知的纤芯区域的粘度下降、瑞利散射效应下降，最终产生光纤衰减的下降。本文的共掺杂方法和光纤构造还导致接近二氧化硅的有效折射率；因此，可以在包覆中采用典型掺杂水平，以实现与光纤的目标运行(例如，单模、少模和多模)一致的波导行为。
可以通过根据本公开方面的共掺杂光纤来获得低衰减水平。具体来说，通过对这些光纤的纤芯区域进行共掺杂，可以在1550nm处获得小于约0.18dB/km以及在一些实施方式中小于约0.17dB/km的衰减水平。根据一些共掺杂光纤实施方式，甚至可以获得小于约0.16dB/km以及小于约0.15dB/km的更低的衰减水平。用氟和氯这两者同时对纤芯区域进行共掺杂，导致纤芯中的低粘度水平。这些低粘度水平导致纤芯区域中的假想温度和密度波动的下降，从而降低了瑞利散射效应。此外，向光纤中添加氯和氟掺杂剂导致这些光纤的纤芯区域中的浓度波动的增加最小化，进一步对这些光纤中观察到的低衰减水平做出贡献。除此之外，在纤芯区域中同时包含氟和氯这两者倾向于导致纤芯区域中的有效折射率接近纯二氧化硅的折射率。这样，可以通过经由包覆组合物和掺杂调节来控制包覆中的相对折射率，从而用这些共掺杂光纤构造容易地实现各种所需的波导特性(例如，单模、少模和多模)。
通过限制光纤中的GeO2含量，还可优化本公开所描绘的共掺杂的光纤设计的单模和少模这两种配置中的低衰减性能。此外，光纤中氧化锗受限的纤芯可以通过减少瑞利散射效应来改善的衰减性能。本文所用“GeO2受限的SiO2纤芯”指的是光纤含有小于约1.0重量％的GeO2或TiO2，以单独或组合计。优选地，本文所揭示的共掺杂的光纤含有小于约0.5重量％、更优选小于约0.1重量％的GeO2或TiO2，以单独或组合计。在某些共掺杂的光纤实践方式中，GeO2和/或TiO2的浓度可以接近或者设定为零。
在一些实施方式中，光纤的共掺杂纤芯区域包括氟和氯掺杂的二氧化硅。本文所揭示的光纤的纤芯区域可额外地包含氧化钾和五氧化二磷中的一种或多种。由于较少的瑞利散射贡献，此类在其各自纤芯区域中具有少量GeO2和TiO2的光纤可以展现出甚至更低的衰减水平。
优选本公开的共掺杂光纤的外直径约为80-150微米。在一些方面，共掺杂的光纤可以具有约120-130微米的外直径。光纤的某些优选实施方式的外直径约为125微米。
通过优化GeO2受限的SiO2纤芯中的氟和氯掺杂分布，可以实现衰减的进一步改善。优选地，这些光纤的共掺杂纤芯区域可以具有中等分级的折射率分布，α大于约5或者在一些情况下甚至大于约10，从而改善衰减性能。在某些情况下，共掺杂纤芯区域可以具有α大于约12的步阶式或步阶状折射率分布。在其他方面，在纤芯中可以使用更为分级的折射率分布来替代步阶式折射率纤芯。具体来说，此类分级分布可以展现出约为0.5-5的α值，将氟和氯掺杂在GeO2受限的纤芯中，以提供分级折射率。任选地，可以在步阶式、步阶状或者分级纤芯区域中引入K2O和/或P2O5掺杂剂，以增加光学性能益处。
共掺杂的纤芯区域的折射率分布中的各种分级水平会导致纤芯与包覆之间的粘度下降的失配。类似地，中等至高度分级的折射率分布(例如，α为0.5至约12)还可降低纤芯内以及纤芯与包覆之间的热膨胀系数相关(CTE)的失配。结合在一起，这些影响可以降低纤芯中的内应力，导致更好的衰减特性。
可以采用各种方法实现共掺杂纤芯中的α分布(即，分级、步阶状或步阶式折射率分布)。一种方法依赖于不均匀固结技术，用氟掺杂成分级折射率。不均匀固结技术依赖于外部气相沉积(OVD)和气相轴沉积(VAD)方法。第二种方法依赖于改性化学气相沉积(MCVD)方法。第三种方法依赖于等离子体辅助化学气相沉积(PCVD)方法。在MCVD和PCVD方法中，通过逐层玻璃沉积来制造光纤纤芯，并且可以对用于掺杂每层的工艺进行独立控制。
由于本公开的光纤的纤芯区域同时含有F和Cl掺杂剂(例如，氟、F和氯、Cl)，有利的是可以使得氯和氟两者的浓度相对于从纤芯的中心到纤芯的外半径的径向距离以大致相同的量变化。例如，氟和氯两者都可以是在纤芯区域的中心处最高，随着距离纤芯的外半径的径向距离略微下降。以非均匀、分级或步阶状折射率分布将每种掺杂剂引入纤芯中也会是有利的。具体来说，氯浓度可以在纤芯的中心处最高，在纤芯的外半径处较低，使得掺杂分布近似与通过氟掺杂剂实现的分级或步阶状分布相反。因此，氟掺杂剂在纤芯的中心处的浓度可以较低，但是朝向纤芯的外半径发生增加，以形成分级或步阶状折射率分布。可以在下驱炉中，在纤芯的烧结相期间或者在烟炱沉积的纤芯的干燥相期间，或者用MCVD或PCVD加工技术来产生这些各种共掺杂的分级或步阶状分布。可以将Cl2或SiCl4用作氯掺杂剂的源前体。可以将SiF4用作氟掺杂剂的源前体。
在本公开的某些方面，共掺杂的光纤具有如下二氧化硅纤芯区域，其经过氟和氯的共掺杂，“共掺杂比例”使得氟和氯之和(重量％)除以氟(重量％)是大于约1.5的因子。在一个具体的示例性共掺杂光纤构造中，光纤中的纤芯区域包括分别用约1.5重量％和约0.6重量％的氯和氟共掺杂的二氧化硅。该实施方式的共掺杂比例约为3.5(即，3.5＝(约1.5重量％Cl+约0.6重量％F)/约0.6重量％F)。在一些共掺杂光纤方面，纤芯区域用大于或等于约1.2重量％的氯和约0.1-1重量％的氟共掺杂。在其他共掺杂的光纤构造中，光纤中的纤芯区域包括用氟和氯共掺杂的二氧化硅，纤芯区域中的氯浓度大于或等于约1.2重量％、大于或等于约1.3重量％、大于或等于约1.4重量％、大于或等于约1.5重量％、大于或等于约2重量％、大于或等于约2.5重量％、或者大于或等于约3％；以及氟大于或等于约0.1重量％、大于或等于约0.2重量％、大于或等于约0.4重量％、大于或等于约0.6重量％、大于或等于约0.8重量％、最高至约1重量％。从而，共掺杂的光纤在纤芯区域中采用的氯掺杂剂浓度高于纤芯区域中氟的相应浓度水平。在一些实施方式中，纤芯区域包括用大于或等于约1.5重量％的氯以及约0.1重量％≤氟≤约0.6重量％共掺杂的二氧化硅。
包覆的组成对于实现所需的低衰减性质也会是重要的，并且其可以掺杂氟以使得折射率下降到低于纤芯区域的折射率。在共掺杂光纤的某些方面，(例如，通过掺杂实现的)包覆内的凹陷区域的相对折射率可以是纤芯区域的相对折射率的约0.35％Δ或更低。类似地，在一些实施方式中，纤芯与包覆的第一包覆区域的相对折射率差异可以是0.2％Δ至0.5％Δ。任选地，包覆还可掺杂三氧化二硼和氯中的一种或多种。
对于根据本公开的共掺杂光纤，纤芯与包覆之间的步阶式折射率是可接受的。任选地，氯和/或B2O3可以单独用作包覆中的掺杂剂，或者作为已经存在于包覆中氟掺杂剂的补充。
在本公开光纤设计的一些实施方式中，纤芯和包覆可以构造成最小化或消除碱性元素(例如，钾)的存在。相比较而言，碱性掺杂比用于其他掺杂剂的掺杂工艺(例如，氟掺杂)更为昂贵。因此，本文所揭示的共掺杂的、不含碱性光纤设计对于降低工艺和制造成本是特别适宜的。
图1-3分别显示对于根据本公开方面的三种共掺杂光纤设计(300、310和320)，相对折射率分布与光纤半径的关系。采用纯的未掺杂SiO2作为等于零的基线相对折射率，绘制光纤300、310和320的这些相对折射率分布。根据本公开的一些方面，这些光纤设计300、310和320分别可以构造成用于1550nm处的单模和少模(即，多个模式)的运行方案。图1A还显示了光纤300的横截面，用于进一步显示这些光纤的重要特征。
如图1-3所示，共掺杂的光纤300、310和320分别具有纤芯101。在一些方面，纤芯101可以具有约为0.5-5、大于约10和大于约20的α分布，以形成分级或步阶状相对折射率分布1。优选地，纤芯101展现出约为10-20的α分布。纤芯101的相对折射率1(Δ1)随着光纤半径(r)变化。纤芯101具有纤芯半径100(r1)。纤芯101从其中心到其半径100(r1)主要含有掺杂了F和Cl的SiO2。任选地，纤芯101可以用K2O和/或P2O5掺杂。可以通过OVD、VAD、MCVD和PCVD加工方法，将这些掺杂剂引入SiO2纤芯。
共掺杂光纤300、310和320具有：单层包覆141(图1和1A)、两层包覆层的包覆(图2)或者三层包覆层的包覆(图3)。所有的包覆层都可以主要含有掺杂了F的SiO2。任选地，在各种包覆层中，Cl和/或B2O3可以用作除了F掺杂剂之外的掺杂剂。
参见图1和1A，共掺杂的光纤300具有包覆141，其具有厚度200和外半径140(r4)。优选地，包覆141的相对折射率4(Δ4)在到外半径140(r4)是基本恒定的。包覆141的相对折射率4可以是步阶形状分布，并且可以包括Δ2最小值。
参见图2，共掺杂的光纤310具有包覆141，其具有两层包覆层，包括凹陷包覆层相对折射率分布3和外包覆层相对折射率分布4。这些包覆层分别围绕纤芯区域101。如图2所示，凹陷包覆层的相对折射率分布3的折射率Δ低于外包覆层的相对折射率分布4。结合在一起，这两层包覆层具有总厚度200，对应包覆141的厚度。包覆层141中的相对折射率分布3和4可以分别具有步阶形状分布。
还如图2所示，共掺杂的光纤310中的凹陷包覆层3的相对折射率的值可以近似等于Δ3最小值。在图2中，凹陷包覆层的相对折射率分布3展现出宽度m1的下陷，使其相对折射率(Δ3)低于纤芯区域101的相对折射率以及外包覆层的相对折射率(Δ4)(其对应相对折射率分布4)。如图2所示，具有相对折射率分布3的凹陷包覆层延伸到半径110(r3)。可以在凹陷包覆层中包含F、Cl和/或B2O3或其组合作为降低折射率的掺杂剂，以促进产生相对于外包覆层(对应于相对折射率分布4)的宽度为m1的下陷。优选地，外包覆的相对折射率4(Δ4)在到其外半径120(r4)是基本恒定的。
参见图3，共掺杂的光纤320具有包覆141，其具有三层包覆层，对应内包覆层相对折射率分布2、凹陷包覆层相对折射率分布3和外包覆层相对折射率分布4，全都绕着纤芯区域101(其对应相对折射率分布1)。结合在一起，对应于相对折射率分布2、3和4的包覆层具有总厚度200。此外，内包覆区域延伸到半径r2(110)，凹陷包覆层在半径r2(110)和半径r3(120)之间延伸，以及外包覆层在半径r3(120)和外半径r4(130)之间延伸。
再次参见图3，具有其相对折射率分布3的凹陷包覆层展现出相对折射率Δ3最小值。具有其相对折射率分布4的外包覆层展现出相对折射率Δ4，其会在到外半径r4(130)是基本恒定的。
构成包覆141的包覆层的相对折射率分布2、3、4分别可以具有步阶形状分布。如图3所示，内包覆层的相对折射率分布2可以包括相对恒定的折射率，而凹陷包覆层的相对折射率分布3可以包括宽度wc2的凹槽，其相对折射率Δ3低于纤芯区域101的相对折射率Δ1、低于内包覆层的Δ2(即，对应相对折射率分布2)、以及低于外包覆层的相对折射率Δ4(即，对应相对折射率分布4)。凹陷包覆层的相对折射率分布3可以相对于纤芯区域101和其相对折射率分布1偏移，偏移的距离为wc1，这对应内包覆区域的宽度(其对应相对折射率分布2)。F、Cl和/或B2O3及其组合可以添加到构成包覆141的任意包覆层(即，分别对应相对折射率分布2、3和4)作为降低折射率的掺杂剂，以有助于产生这些包覆区域。
当构造成单模运行时，共掺杂的光纤300、310和320(参见图1-3)可以具有约为10-20的α。在某些方面，纤芯区域101的相对折射率分布1可以展现出具有大于或等于约20的α的步阶状形状。在一些其他方面，共掺杂的光纤300、310和320可以具有约为0.5-5的α。α值还可以设定在约为1-3的范围内。除此之外，光纤300、310和320的纤芯101可以具有约为-0.2％至约为+0.1％的峰值相对折射率Δ1最大值。峰值相对折射率Δ1最大值的范围也可以是约-0.05％至约+0.05％。此外，当构造成单模运行时，光纤300、310和320的纤芯101可以具有约为4-12微米的纤芯半径100(r1)。纤芯101的有效面积(A有效)可以约为60-100μm2。
相比于其他掺杂剂选项(包括氧化锗)，构造成单模运行的共掺杂的光纤300、310和320包含较低成本的氟和氯掺杂剂。这些共掺杂的光纤设计仍然具有反常低衰减，在1550nm波长处小于约0.17dB/km。在某些方面，共掺杂的光纤可以展现出小于约0.16dB/km以及甚至小于约0.15dB/km的非常低的衰减水平。当构造成1550nm的单模运行时，光纤300、310和320特别适用于G.652和G.654光纤应用。构造成单模运行的此类共掺杂光纤300、310和320可以展现出，例如：小于1530nm、更优选小于1500nm、和甚至更优选小于1260nm的光缆截止，以及1300-1324nm之间的零色散波长。对于G.654应用，光纤可以构造成在1550nm处具有小于或等于约22ps/nm/km的色散。
当构造成以少模传播运行时(即，能够在约为1400-1700nm、更优选约1500-1625nm、最优选约1530-1570nm传输多个模式)，共掺杂的光纤300、310和320(参见图1-3)可以具有大于或等于约10、大于或等于约20、以及优选约为10-20的α。在其他方面，共掺杂的光纤300、310和320可以构造成以少模传播运行，α的范围约为0.5-5。如本文所用的“少模传播”和“能够传输少模”定义为在特定波长传输大于2个且小于8个模式。本文所揭示此类光纤可以传输2-6个、更优选2-4个模式。
除此之外，当使用纯SiO2作为基线时，少模、共掺杂光纤300、310和320的纤芯101可以具有约为-0.2％至约为+0.1％的峰值相对折射率Δ1最大值。峰值相对折射率Δ1最大值的范围也可以是约-0.05％至约+0.05％。此外，当构造成少模运行时，共掺杂的光纤300、310和320的纤芯101(即，纤芯区域)可以具有约为5-50微米的纤芯半径100(r1)。纤芯101的有效面积(A有效)可以约为90μm2到至少约525μm2。
相比于其他掺杂剂选项(包括氧化锗)，构造成少模运行的共掺杂的光纤300、310和320包含较低成本的氟和氯掺杂剂。这些光纤设计仍然具有低衰减，在1550nm波长处小于约0.17dB/km。在一些方面，这些少模、共掺杂光纤在1550nm处具有小于约0.16dB/km或者甚至小于约0.15dB/km的非常低的衰减水平。少模构造的光纤300、310和320适用于G.652和G.654光纤应用。它们还良好地适用于需要大光纤有效面积和多模运行的低衰减应用，特别是需要在长距离上具有高数据传输速率的那些。
用氟和氯进行掺杂的低衰减共掺杂的光纤300、310和320仍然可能倾向于具有“应力-光学”效应。具体来说，这些光纤会倾向于具有与它们的生产相关的高内部应力，尽管使用了步阶式、步阶状或者中等等级折射率的纤芯，这仍然会劣化光学性能。具体来说，在这些光纤的生产过程中产生的内应力会以一种危及它们的光学传输性能的方式影响它们的折射率分布。
通过如图4所示的共掺杂光纤600阐述了共掺杂光纤300、310和320(参见图1-3)的改进版本。光纤600构造成使得“光学-应力”效应最小化，并且以单模或多模运行。如所示，光纤600具有半径100(r1)的纤芯101。如图4所示，纤芯101的相对折射率分布的α分布的α大于或等于约12、大于或等于约20以及优选约为12-20。在某些方面，纤芯101的α分布是α约为0.5-5的更为高度分级的分布的指示。在其他方面，纤芯101的相对折射率1(Δ1)随着光纤半径(r)变化。相对折射率分布1在纤芯半径100处抵达其峰值折射率变化(即，纤芯Δ或Δ1最大值)。注意到的是，在图4中，采用纯的未掺杂SiO2作为等于零的基线相对折射率，绘制光纤600的相对折射率分布。
除此之外，图4所示的共掺杂的光纤600的纤芯100从其中心到其外半径100(r1)主要含有共掺杂了氟和氯的SiO2。优选地，纤芯101包括掺杂了氟和氯的GeO2受限的SiO2。任选地，纤芯101还可以用K2O和/或P2O5掺杂。可以通过OVD、VAD、MCVD和PCVD加工方法，将这些掺杂剂引入纤芯101中，如上文所述。
如图4进一步所示，共掺杂的光纤600具有内包覆，其具有相对折射率分布2和半径110(r2)。对应于相对折射率分布2的内包覆的厚度是其半径110与纤芯101的半径100之差。优选地，内包覆主要含有掺杂了F的SiO2以形成步阶形状折射率分布2(Δ2)。在共掺杂的光纤600的一些方面，内包覆的氟浓度(F内包覆)超过纤芯区域101中的氟浓度。此外，内包覆的相对折射率分布2的相对折射率(Δ2)小于纤芯区域101的最大相对折射率(Δ1最大值)。在某些方面以及如图4所示，内包覆的相对折射率2还小于或等于纤芯区域101的相对折射率分布1的最小相对折射率。任选地，在对应相对折射率分布2的内包覆中，Cl和/或B2O3可以用作掺杂剂。
如图4所示，共掺杂的光纤600还包括具有外半径120(r4)的外包覆。内包覆和外包覆结合在一起构成包覆141，并且分别对应相对折射率分布2和5。对应于相对折射率分布5的外包覆的厚度是其外半径120(r4)与内包覆的外半径100(r3)之差。对应于相对折射率分布5的外包覆主要含有SiO2，具有氟浓度(F外包覆)等于或小于纤芯区域101中的氟的最小量。外包覆具有相对折射率Δ5和外半径r4(120)。外包覆的相对折射率5(Δ5)通常分别大于纤芯101的相对折射率Δ1和内包覆(即，对应于相对折射率分布2的区域)的相对折射率Δ2。在光纤600的一些方面，包覆141的外包覆部分的相对折射率5可以超过0％和纯二氧化硅的折射率(参见图4)。此外，外包覆可以包含掺杂了氟的二氧化硅，所述氟的浓度近似等于或小于纤芯区域101中的氟的最小浓度。在一些实施方式中，绝对值|Δ1最大值-Δ5|可以约为0.0-0.5，以及在其他实施方式中，绝对值|Δ1最大值-Δ5|可以约为0.0-0.2。
在本公开的某些方面，图4所示的共掺杂的光纤600的外包覆是刚性的，在光纤加工温度下，其粘度大于纤芯101和内包覆(即，对应于相对折射率分布2的区域)的粘度。还优选制造外包覆是基本不含氯的。由于在用于固结外包覆的工艺过程中引入一氧化碳，在外包覆中存在氯会是受到限制的。
可以用拉制张力小于约90g的拉制工艺来制造共掺杂的光纤600(参见图4)。优选地，拉制张力设定为小于约45g，更优选地，设定为约为30-45g。以这些加工参数形成的光纤600甚至较不容易受到拉制诱发的应力影响，该应力对于光纤的光学传输性质(包括波导传播性能)是不利的。当根据上文所述进行加工和配置时，估计共掺杂的光纤600在1550nm的运行波长具有小于约0.17dB/km、小于约0.16dB/km、以及甚至小于约0.15dB/km的衰减。
没有刚性外包覆部分的共掺杂光纤可能具有会对其折射率分布造成负面影响的拉制诱发的应力。因此，此类光纤的纤芯区域中的较高内部拉伸应力会导致光纤的纤芯与内包覆之间的折射率差异的下降。进而，这些效应会导致波导传播性能的下降。相反地，可以在此类光纤中采用刚性外包覆(例如，对应于图4所示的共掺杂光纤600的相对折射率分布5)，如上文所述。例如，当在光纤600中存在具有半径120(r4)的外包覆时，光纤可以展现出改进的应力水平和光学特性。作为存在刚性外包覆的结果，纤芯101中的最大轴向应力水平会下降(从约200MPa至约250MPa下降到小于或等于约100MPa)。此外，最大纤芯折射率Δ1最大值与内包覆折射率Δ2之间的差异会增加到大于或等于约0.3％Δ的水平。
图4所示的共掺杂的光纤600也可在较低拉制张力下加工，以进一步改善其光学传输性能属性。作为较低拉制张力的结果，纤芯101中的最大轴向拉伸应力水平会下降到低于约50MPa张力的水平。此外，最大纤芯折射率Δ1最大值与内包覆折射率Δ2之间的差异会增加到大于或等于约0.35％Δ。
图4所示的共掺杂的光纤600的外包覆(即对应于相对折射率分布5)也可构造成包括如下SiO2，其用小的重量％的氮(N)进行掺杂，从而将部分SiO2转化成氧氮化硅(SiOxNy)，其中，1<x<2且0<y<1。具体来说，外包覆可以用大于或等于约0.1重量％的N进行掺杂。在一些实施方式中，外包覆包含大于约0.1重量％至约1.0重量％的氮。用氮掺杂外包覆还可进一步增加其刚度。对于光纤而言，作为结果，在外包覆中使用SiOxNy可以分别地降低共掺杂的光纤600中的轴向拉伸应力水平(单位，MPa)，和增加相对折射率(％)与光纤半径(μm)的关系。
类似于含有刚性外包覆部分的光纤600的那些实施方式(参见图4)，本公开的某些方面还涉及具有包覆141的刚性外包覆部分(即，应力减轻层)的光纤300、310和320(参见图1-3)。具体来说，光纤300、310和320的这些方面的应力减轻层可以是包覆141的较外部分，其在半径150(r5)与相应的半径140、120或130(r4)之间延伸，并且对应于相对折射率5(参见图1-3)。考虑纤芯区域101以及如果存在的话还有与相对折射率分布2和3相关的包覆141的其他部分(例如，宽度m1的下陷或宽度Wc2的凹槽)的组成和尺寸来构造该外包覆部分(参见图2和3)。相比于这些其他区域(例如，纤芯区域101和包覆141的其他部分)，该应力减轻层是刚性外包覆层。因此，包覆141内的应力减轻层减轻了来自光纤的载光部分的应力，从而降低了光纤衰减。
在光纤300、310和320的某些实施方式中，包覆141(即，r5和r4之间)中的刚性外包覆部分(即，应力释放层)具有纯二氧化硅玻璃组成。在其他方面，刚性外包覆部分具有氧氮化硅玻璃组成。根据某些实践方式，包覆141的刚性外包覆部分的组成中的F是(例如，较少的F摩尔数)纤芯区域101的组成中的Cl和F的总量(例如，较少的Cl和F的总摩尔数)。包覆141的刚性外包覆部分的Cl和F的摩尔数也可小于纤芯区域101中的Cl和F的总摩尔数。在一个额外实施方式中，刚性外包覆部分的Cl的摩尔数小于纤芯区域101中的Cl和F的总摩尔数。
如本文所用，包覆141中的刚性外包覆部分(即，应力减轻层)是“刚性”的，其在加工过程中的粘度高于光纤300、310和320的其他区域。因此，相比于纤芯区域101和包覆141的其他部分(如果存在的话，例如，对应于相对折射率分布2和3的包覆部分)中的至少一个，在1650℃，包覆141的刚性外包覆部分的粘度可以较高。例如，图2A显示对于具有刚性外包覆部分的共掺杂的光纤310，粘度与光纤径向距离的关系。在图2A中，刚性外包覆部分(即，对应于相对折射率分布5)的粘度是5.3x107泊，包覆141对应于折射率分布3和4的其他部分的粘度分别是1.3x107泊和1.7x107泊，以及纤芯101的粘度是2.6x107泊。在一些实施方式中，包覆141中的刚性外包覆部分与纤芯区域101的粘度比(η(oc/纤芯))(即，η(oc/纤芯)＝(应力减轻层的粘度)/(纤芯区域101的粘度))大于或等于1.1。在一些实施方式中，粘度比η(oc/纤芯)≥1.5。在一些实施方式中，粘度比η(oc/纤芯)≥2。
再次参见光纤300、310、320和600(参见图1-4)，在一些实施方式中，对应于相对折射率分布5的刚性外包覆部分(在1650℃)的粘度与纤芯101和包覆141对应于相对折射率分布2、3和4的部分中的任意一个或其组合(在1650℃)的粘度的差异是≥0.1e7泊。在一些实施方式中，对应于相对折射率分布5的刚性外包覆部分(在1650℃)的粘度与纤芯101和包覆141对应于相对折射率分布2、3和4的部分中的任意一个或其组合(在1650℃)的粘度的差异是≥0.2e7泊。在一些实施方式中，对应于相对折射率分布5的刚性外包覆部分(在1650℃)的粘度与纤芯101和包覆141对应于相对折射率分布2、3和4的部分中的任意一个或其组合(在1650℃)的粘度的差异是≥0.5e7泊。在一些实施方式中，对应于相对折射率分布5的刚性外包覆部分(在1650℃)的粘度与纤芯101和包覆141对应于相对折射率分布2、3和4的部分中的任意一个或其组合(在1650℃)的粘度的差异是≥1e7泊，以及在某些实践方式中，是≥1e8泊。在一些额外方面，对应于相对折射率分布5的刚性外包覆部分(在1650℃)的粘度与纤芯101和包覆141对应于相对折射率分布2、3和4的部分中的任意一个或其组合(在1650℃)的粘度的差异是≥0.1e7泊且≤1.6e8泊。在一些其他实践方式中，对应于相对折射率分布5的刚性外包覆部分(在1650℃)的粘度与纤芯101和包覆141对应于相对折射率分布2、3和4的部分中的任意一个或其组合(在1650℃)的粘度的差异是≥0.1e7泊且≤1e7泊。如本文所用，“1e7”和“1e8”分别是对应于1x107和1x108的科学计数法。
对于给定光纤层，根据局部玻璃组成来估计在光纤300、310和320的任意径向位置的局部粘度(1650℃，单位泊)。例如，根据如下等式(7)来得到局部粘度：
η(单位，泊)＝10^[log[η0]-0.0319[GeO2]-0.058[Cl]-0.4424[F]+3.02[N]] (7)
其中，log是底数为10的对数，[GeO2]、[Cl]、[F]和[SiON]分别是氧化锗、氯、氟和SiON掺杂剂的局部重量％。此外，η0是纯二氧化硅(即，没有掺杂剂的二氧化硅玻璃)的粘度，其符合如下等式(8)：
Figure BDA0003024580210000171
其中，T是温度，单位是开尔文度，K。
构造成用于单模运行的共掺杂的光纤300、310、320和600还会具有低弯曲损耗。如本文所用，“弯曲损耗”指的是对于光纤在1550nm测得的宏弯曲损耗值，单位dB/圈。在一些实施方式中，构造成光纤300的光纤设计在15mm直径心轴上会具有≤5dB/圈的宏弯曲损耗。根据某些实施方式，光纤的宏弯曲损耗如下：在15mm直径心轴上≤2dB/圈，在20mm直径心轴上≤1.5dB/圈，在20mm直径心轴上≤0.5dB/圈，在30mm直径心轴上≤0.025dB/圈，以及在30mm直径心轴上≤0.01dB/圈。在一些实施方式中，构造成光纤310和320的光纤设计可展现出如下宏弯曲损耗：在10mm直径心轴上≤1.5dB/圈，在10mm直径心轴上≤1dB/圈，在15mm直径心轴上≤1.5dB/圈，在15mm直径心轴上≤1dB/圈，在15mm直径心轴上≤0.5dB/圈，在20mm直径心轴上≤0.5dB/圈，在20mm直径心轴上≤0.2dB/圈，在20mm直径心轴上≤0.1dB/圈，在30mm直径心轴上≤0.025dB/圈，以及在30mm直径心轴上≤0.01dB/圈。
可以从采用常规制造技术以及使用已知光纤拉制方法和设备制造的光纤预成形件拉制得到本文所揭示的光纤(包括光纤300、310、320和600)，例如，如美国专利第7,565,820号、第5,410,567号、第7,832,675号和第6,027,062号，其说明书通过引用结合入本文。具体来说，可以通过拉制炉内的牵引器从光纤预成形件的根部部分牵拉出共掺杂的光纤300、310、320和600。在离开拉制炉之后，裸光纤遭遇直径监测器(D)，所述直径监测器(D)提供用于反馈控制回路的信号，以调节牵引器的速度来维持恒定的光纤直径。然后，裸光纤通过光纤张力测量装置(T)，其测量由于从预成形件牵拉光纤所导致的光纤的张力。该张力可取决于光纤拉制速度、预成形件的根部的温度和粘度等发生增加。欧洲专利号EP 0479120A2公开了光纤张力测量装置的一个例子，其通过引用结合入本文。可以从此类预成形件拉制本文所揭示的光纤(包括光纤300、310、320和600)并涂覆标准第一和第二氨基甲酸酯丙烯酸酯涂层。
虽然本文所揭示的光纤300、310、320和600的共掺杂的线性区域101可任选地含有一定水平的碱性，但是本文所揭示的实施方式可以采用基本不含碱性的纤芯区域，以及在许多实施方式中，纤芯区域优选不含碱性。
再次参见图1-4，共掺杂的光纤300、310、320和600可分别构造成在1500nm波长展现出小于约0.17dB/km的衰减。这些共掺杂的光纤在光纤中包括纤芯区域101，其包含用氟和氯共掺杂的二氧化硅。光纤还在光纤中包括第一包覆区域141，其围绕纤芯区域101。此外，相比于纯二氧化硅，纤芯区域101的有效折射率是约为-0.10％至约为+0.05％。此外，第一包覆141可以包括凹陷区域，其相对折射率基本恒定且低于纤芯区域101的相对折射率分布1。例如，图1所示的共掺杂的光纤300的相对折射率分布4对应于此类凹陷区域。类似地，图2和3所示的共掺杂的光纤310和320的相对折射率分布3对应于此类凹陷区域。此外，图4所示的共掺杂的光纤600的相对折射率分布2对应于此类凹陷区域。
如图1-4中的示例性方式所示，共掺杂的光纤300、310、320和600可分别构造成在1500nm波长展现出小于约0.17dB/km的衰减。这些共掺杂的光纤在光纤中包括纤芯区域101，其包含用氟和氯共掺杂的二氧化硅。光纤还在光纤中包括第一包覆区域141，其围绕纤芯区域101。此外，如图1-4所示的纤芯区域101的步阶状折射率分布的α大于或等于约12。此外，第一包覆141包括凹陷区域，其相对折射率基本恒定且小于纤芯区域101的相对折射率(例如，图1所示的共掺杂的光纤300的相对折射率分布4)。
进一步参见图1-4，共掺杂的光纤300、310、320和600可分别构造成用于少模运行。此类光纤分别包括如下纤芯区域101，其包括用氟和氯共掺杂的二氧化硅。这些少模光纤还包括如下纤芯区域101，其构造成：(a)在1550nm波长以大于2且小于8的模式传输光数据，(b)相比于纯二氧化硅的有效折射率是约为-0.10％至约为+0.05％，以及(c)半径约为6.0微米至约为50微米。光纤还在光纤中包括第一包覆区域141，其围绕纤芯区域101。第一包覆区域141包括凹陷区域，其相对折射率基本恒定且小于纤芯区域101的相对折射率(例如，图1所示的共掺杂的光纤300的相对折射率分布4)。此外，这些构造成用于少模运行的共掺杂的光纤在1550nm波长的衰减小于约0.17kB/km。
本文所揭示的共掺杂的光纤300、310、320和600以及与这些实施方式一致的其他共掺杂的光纤采用约1.2重量％或更高的氯浓度，这反映在氯浓度水平明显高于一些常规光纤中所采用的氯水平。在本文所揭示的共掺杂的光纤中的此类高的氯水平可以通过对同样由本文所揭示的光纤加工方法的多个变量进行优化得以实现。例如，可以使用更高的温度来蒸发SiCl4液体(例如，用于将氯掺杂到光纤的二氧化硅纤芯区域内的前体)，得到气相中SiCl4浓度水平的增加。在一些实施方式中，蒸发器温度高于40℃，以及在一些其他实施方式中，其高于45℃。在其他方面，蒸发器温度高于50℃，以及在一些其他实施方式中，其高于57℃。作为结果，SiCl4浓度水平的增加可以被用于(例如，常用于光纤加工的)固结炉。在本文所揭示方法的一些实施方式中，通过蒸发器/起泡器的气体与到达炉的总流量的比例高于30％，在其他实施方式中，通过蒸发器/起泡器的气体与到达炉的总流量的比例高于50％，以及在其他实施方式中，通过蒸发器/起泡器的气体与到达炉的总流量的比例高于80％。余下的气体可以是He气体。在某些其他实施方式中，通过蒸发器/起泡器的气体与到达炉的总流量的比例是100％或者接近100％。
在本文所揭示的共掺杂的光纤加工的一些实施方式中，可以在烧结过程期间，进行用SiCl4对纤芯区域进行氯掺杂。也就是说，在烟炱预成形件转化成为封闭孔状态之前和/或直到这时才对烟炱预成形件进行掺杂，并且在高于1300℃的温度下，在SiCl4存在的情况下，变成完全烧结的预成形件。在其他实施方式中，在高于1375℃的温度下进行氯掺杂。在一些其他实施方式中，在烧结过程期间，在高于1400℃的温度进行氯掺杂。
在用于制造本文所揭示的共掺杂的光纤的方法的某些方面，可以采用高烟炱表面积预成形件(即，相对于常规光纤加工的预成形件表面积而言)，用SiCl4对纤芯区域进行掺杂。在一些实施方式中，烟炱预成形件的表面积大于10m2/gm、大于20m2/gm、大于25m2/gm、或者甚至大于50m2/gm。在某些其他实施方式中，烟炱预成形件的表面积可以大于90m2/gm。可以采用BET表面积表征技术来测量预成形件的表面积，这是本文操作领域所能理解的。
还可以通过如下方式来增加本文所揭示的光纤的纤芯区域内的SiCl4的掺杂量：对二氧化硅烟炱预成形件进行多次连续暴露循环，暴露于SiCl4和H2O(和/或O2)的混合物，之后使得预成形件完全固结。不希望受限于理论，相信用SiCl4处理二氧化硅烟炱表面导致氯掺杂，这是由于在二氧化硅烟炱表面上的OH基团的位置处吸引SiCl3基团和/或Si-O-Si基团与二氧化硅烟炱表面反应形成SiCl+基团和SiOCl3)。通过用水处理，吸附的SiCl3基团中的每个Cl分子可以被转变成为OH基团(或者用氧处理，在表面上形成另一个SiO2分子)，这进而变成后续SiCl4掺杂剂前体处理用于吸附额外SiCl3基团的反应性位点。通过工艺开发，将预成形件暴露于连续SiCl4和H2O(和/或O2)环境的多次循环，可以产生级联结构(cascading structure)并将高氯量结合到烟炱颗粒表面上。这导致相比于先前文献中所记载和/或常规光纤加工方法中所采用的氯掺杂水平明显更高的氯掺杂水平。
可用来增加用于本文所揭示的高氯纤芯区域掺杂方法的预成形件的烟炱表面积的其他方法包括：1)低密度烟炱沉积步骤；2)高表面积烟炱压制步骤；和/或3)用溶胶凝胶二氧化硅(例如，TEOS，水解前或水解后)或者纳米颗粒二氧化硅(例如，
Figure BDA0003024580210000201
胶态二氧化硅)浸渍烟炱。
采用上文所描绘的方法，这些方法的一些实施方式可以用于生产氯浓度大于或等于约1.2重量％、大于或等于约1.3重量％和大于或等于约1.4重量％的固结玻璃(例如，作为共掺杂光纤的纤芯区域)。在一些实施方式中，固结的玻璃中的掺杂的氯浓度大于或等于约1.5重量％、大于或等于约2重量％、大于或等于约2.5重量％、以及甚至大于或等于约3重量％。
本文所揭示的在纤芯区域中共掺杂高水平的氯和氟的技术对于制造低损耗光纤提供了明显优势。氯是通过起到降低密度波动作用，而不增加纤芯区域内的浓度波动从而导致低瑞利散射损耗的掺杂剂。在一些常规光纤构造中，纤芯区域采用小于1.2重量％的氯浓度(即，作为单一的掺杂剂)。对于此类设计，将氟用于包覆中，从而提供作为光纤运行所需的适当特性的纤芯与包覆之间的折射率差异。但是，由于纤芯与包覆之间的大的粘度失配，在拉制时诱发了明显的应力。由于应力-光学效应以及由于阻碍了玻璃转化区域中的玻璃的结构松弛所导致的对于衰减的负面影响，应力减少了纤芯与内包覆区域之间的有效折射率差异。
例如，芯中具有1.1重量％(1.8摩尔％)的氯以及相邻包覆中具有1.4重量％(4.4摩尔％)的氟的常规光纤会导致0.505％Δ的纤芯与包覆之间的组成折射率差异。但是，当该光纤以150g张力拉制时，由于应力光学效应导致光纤中的有效折射率差异极大减小，以及实现了0.296％Δ的实际折射率Δ％。相信这问题是由于纤芯玻璃比包覆玻璃更为刚性所导致的。相反地，本文所揭示的共掺杂的光纤构造通过降低纤芯区域与包覆之间的粘度失配，更好地适用于使得应力-光学效应最小化。通过本文所揭示的方法实现共掺杂的纤芯区域中的更高氯水平，可以以比常规光纤以较低水平将氟引入包覆，以产生作为光纤运行所需的有效折射率差异。使得包覆中存的氟水平较低，可以降低纤芯区域与包覆之间的粘度失配，导致对于本文所揭示的共掺杂的光纤而言降低的应力光学效应。
参见图5，提供了掺杂剂浓度(重量％)与共掺杂的芯坯棒中的径向距离(μm)的关系，所述共掺杂的芯坯棒用于拉制成根据本公开方面的共掺杂的光纤(例如，光纤300、310、320和600)的纤芯区域(例如，纤芯区域101)。根据下文实施例1中详细描述的用于制造芯坯棒的类似条件对芯坯棒进行加工和掺杂。
如图5所示，显示从芯坯棒的中心到约为4200μm的外半径的Cl(“A1-Cl”)和F(“A1-F”)的掺杂重量％浓度水平。Cl浓度水平约为1.5-1.4重量％，以及F浓度水平约为0.6-0.7％。还注意到的是，这些浓度水平与芯坯棒径向距离的关系表现出步阶状α分布，α大于12。在这些芯坯棒掺杂浓度，预期对于适用于光纤单模运行的有效波导特性，会需要纤芯区域与包覆之间0.35％的Δ差异。
参见图6，提供对于比较例单掺杂芯坯棒实施例(实施例“C1”、“C2”和“C3”)与本公开方面的共掺杂芯坯棒的芯坯棒粘度(log10泊)与温度(℃)关系图。图6所采用的芯坯棒根据下文描述的用于制造实施例1中的芯坯棒的类似条件对芯坯棒进行加工和掺杂。注意到的是，实施例C1-C3(Cl作为单一掺杂剂)仅用Cl2进行加工，SiCl4气体作为掺杂剂源(即，不存在SiF4)。
如图6所示，C1芯坯棒样品的Cl掺杂剂浓度约为2.0重量％，C2芯坯棒样品的Cl掺杂剂浓度约为1.8重量％，以及C3芯坯棒样品的Cl掺杂剂浓度约为0.41重量％。相反地，A2芯坯棒样品反映的是具有约1.6重量％Cl和约0.6重量％F掺杂浓度的共掺杂配置。图6所示的粘度数据证实了比较例氟掺杂的芯坯棒展现出比共掺杂的芯坯棒更高的粘度水平。此外，相比于比较例中的两种情况，共掺杂的芯坯棒具有较低的氯水平，但是仍然展现出比这些芯坯棒更低的粘度。在共掺杂的芯坯棒(“A2”)中所观察到的较低粘度水平导致光纤拉制工艺期间玻璃松弛的增加，导致更低的假想温度和对应的低光纤衰减水平。
参见图7，提供来自图6的处于刚形成状态和退火后状态的比较例单掺杂芯坯棒中的两个(“C1”和“C2”)与本公开方面的共掺杂芯坯棒(“A3”)的假想温度的柱状图。图7所采用的芯坯棒根据下文实施例1中制造芯坯棒所述的条件进行加工和掺杂(即，如上文所述对于比较例单掺杂芯坯棒实施例改进)。此外，根据下文实施例1的芯坯棒制造所述的条件对芯坯棒进行退火。
如图7所示，相对于具有单一氯掺杂剂的比较例芯坯棒样品所观察到的假想温度，氯和氟共掺杂的芯坯棒样品(“A3”)的假想温度在刚形成状态和退火后状态都下降了多达80℃。预期观察到的这些共掺杂芯坯棒样品与具有单一掺杂剂的比较例芯坯棒样品之间的假想温度差异在从这些坯棒拉制成光纤中也会存在，这至少是基于光纤拉制过程期间的玻璃松弛水平的增加。
实施例
下面将通过如下建模光纤实施例进一步阐述前述光纤的各种实施方式。对本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离本公开的精神或范围的情况下进行各种修改和变化。下文所列的所有实施例都具有62.5微米的外半径和125微米的光纤直径。此外，除非另有说明，否则下文光纤建模所提供的所有光学参数都是1550nm和LP01模式。
建模的氯和氟共掺杂纤芯、氟掺杂包覆、单模(SM)和少模(FM)光纤的例子和性质如表1-6所示，这是上文本公开的方面所述的共掺杂的光纤300、310、320和600中的一个或多个是一致的。
下表1-3显示了各种共掺杂的SM光纤的如下参数和光纤尺寸：纤芯的Δ1最大值(％)，纤芯α、纤芯中的Cl和F的纤芯掺杂剂(重量％)，纤芯的半径r1(μm)，包覆外半径r4(μm)，包覆Δ(％)，22米光缆截止波长(nm)，1310nm处的模场直径MFD(μm)，1310nm处的有效面积A有效(μm2)，1310nm处的色散(ps/nm/km)和色散斜率(ps/nm2/km)，零色散波长，λ0(nm)，1550nm处的模场直径MFD(μm)，1550nm处的有效面积A有效(μm2)，155nm处的色散(ps/nm/km)和色散斜率(ps/nm2/km)，以及1310和1550nm处的衰减(dB/km)。此外，在表2中，对于所列出的两个光纤实施例(实施例9和10)都提供了下陷半径r3(μm)，以及对于所列出的光纤实施例之一(实施例10)额外提供了刚性外包覆部分的内半径r5(μm)。表2还包括纤芯、下陷、包覆和刚性外包覆部分(当对于所列出的光纤实施例适用时)的粘度数据(1650℃，单位泊)。在表3中，还提供了凹槽的内外半径r2和r3(μm)。表1-3还包括了对于10、15、20和30mm直径心轴，1550nm处的弯曲损耗值(单位dB/圈)。最后，标记“N/A”表示该参数不适用于特定光纤实施例。
表1：具有Cl和F共掺杂纤芯区域的SM光纤(例如，图1的共掺杂光纤300)的性质
Figure BDA0003024580210000231
Figure BDA0003024580210000241
表2：具有Cl和F共掺杂纤芯区域和下陷的SM光纤(其具有或者不具有刚性外包覆部分，例如图2和2A的共掺杂光纤310)的性质
Figure BDA0003024580210000242
Figure BDA0003024580210000251
表3：具有Cl和F共掺杂纤芯区域和凹槽的SM光纤(例如，图3的共掺杂光纤320)的性质
Figure BDA0003024580210000252
Figure BDA0003024580210000261
表4-6列出了与表1-3中的光纤所提供的参数和尺寸设定一致的各种少模(FM)光纤的光学参数和尺寸。此外，表4-6所描绘的FM光纤还包括如下额外参数和尺寸：LP01截止(μm)、LP11截止(μm)、LP21截止(μm)、LP02截止(μm)、1550nm处的LP01 MFD(μm)、1550nm处的LP01 A有效(μm2)、1550nm处的LP01色散(ps/nm/km)、1550nm处的LP01斜率(ps/nm2/km)、以及1550nm处的LP01衰减(dB/km)。
表4：具有Cl和F共掺杂纤芯区域的FM光纤(例如，图1的共掺杂光纤300)的性质
Figure BDA0003024580210000271
表5：具有Cl和F共掺杂纤芯区域和下陷的FM光纤(例如，图2的共掺杂光纤320)的性质
Figure BDA0003024580210000281
表6：具有Cl和F共掺杂纤芯区域和凹槽的FM光纤(例如，图3的共掺杂光纤320)的性质
Figure BDA0003024580210000291
表1-3中的单模(SM)光纤的光学性质证实了与G.657、G.652和G.654规格相兼容的低衰减、优秀的弯曲性能和其他性质。表4-6中的少模(FM)光纤的光学性质证实了低衰减、优秀的弯曲性能以及大的模场直径和有效面积。
下面详述氯和氟共掺杂的芯坯棒的制造和加工条件和性质的例子。这些芯坯棒适用于拉制与本公开方面一致的共掺杂的光纤，包括但不限于共掺杂的光纤300、310、320和600。
实施例1
在车床中，通过如下方式制备密度约为0.5g/cm3的1米长的3000克二氧化硅烟炱预成形件：将二氧化硅烟炱火焰沉积到10mm直径的可移除的氧化铝转动饵棒上，其包含二氧化硅把手。烟炱预成形件放入固结炉中，以及在约1225℃的气态气氛中进行干燥和掺杂，具有约45体积％He、约12体积％Cl2、约32体积％SiCl4和约11体积％SiF4。然后将组件转移(下驱)通过热区，所述热区的峰值温度约为1500℃，升温速率约为2.5℃/分钟，其处于气态气氛中，具有约44体积％He、约41体积％SiCl4和约15体积％SiF4，从而产生完全致密化的Cl和F共掺杂的二氧化硅玻璃纤芯预成形件。
将该预成形件在设定为1000℃的Ar吹扫保持烘箱中放置约24小时，从而对玻璃中溶解的He进行脱气。然后将预成形件放入设定在约为1900℃的再拉制炉中。然后向炉施加真空，通过把手到预成形件的中心线部分，使得中心线中的孔坍塌。然后将预成形件再拉制成不含空穴的Cl和F共掺杂的二氧化硅玻璃芯坯棒，直径约为8.5mm长度约为1米。
对所得到的芯坯棒进行微探针分析证实每个坯棒含有均匀共掺杂的区域，具有约1.5重量％Cl和约0.58重量％F。测得这些浓度水平在坯棒的直径上是均匀的。
这些坯棒产生了折射率分布。所得到的分布包括约-0.06％Δ折射率(相对于纯二氧化硅)，在这些坯棒的直径上均匀存在。
还通过傅立叶变换红外光谱(FTIR)技术测量了这些坯棒的假想温度。每个坯棒测得约1100℃的假想温度。这些坯棒中的一个进行退火过程。将该坯棒放入炉中，加热至1200℃，在1200℃保持1小时，然后以100℃/小时的冷却速率冷却到900℃。然后使坯棒过夜冷却回至约25℃。测得经过退火的坯棒的假想温度约为890℃，也如图7所示(“A3-退火”)。
应理解，前述描述仅是示例性的并且旨在提供权利要求书所限定的光纤的性质和特性的总体理解。包括的附图提供了对优选实施方式的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了各个特征和实施方式，并与其说明书一起用来解释原理和操作。本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离要求权利要求的精神和范围的情况下，对本文所述的优选实施方式进行各种修改和变动。

Claims (13)

1.一种光纤，其包括：
光纤，其具有1550nm波长处小于约0.17dB/km的衰减，所述光纤包括：
所述光纤中的纤芯区域，其具有α大于0.5的分级折射率分布；以及
所述光纤中的第一包覆区域，其围绕所述纤芯区域，
其中，所述纤芯区域包括用大于或等于约1.2重量％的氯和约0.1-1重量％的氟共掺杂的二氧化硅。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，相比于纯二氧化硅，纤芯区域的相对折射率Δ1是约-0.20％至约+0.1％。
3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第一包覆区域包括：(a)围绕所述纤芯区域并具有相对折射率Δ2的内包覆区域；以及(b)围绕所述内包覆区域并具有相对折射率Δ3的凹陷包覆区域；所述纤芯区域具有相对折射率Δ1，并且Δ1≥Δ2＞Δ3。
4.如权利要求3所述的光纤，其特征在于，所述第一包覆区域还包括具有相对折射率Δ4的外包覆区域，其中Δ4＞Δ3。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的光纤，其特征在于，所述纤芯区域包括用氯和氟共掺杂的二氧化硅，氯大于或等于约2.5重量％。
6.如权利要求1-4中任意一项所述的光纤，其特征在于，所述纤芯区域包括用氟和氯共掺杂的二氧化硅，使得氟和氯的重量％之和除以氟的重量％是大于约1.5的因子。
7.如权利要求1-4中任意一项所述的光纤，其特征在于，所述光纤还具有在1310nm处的约为8.2-9.5μm的模场直径(MFD)。
8.如权利要求7所述的光纤，其特征在于，所述光纤还具有在1550nm处在20mm直径心轴上≤1.5dB/圈的宏弯损耗。
9.一种光纤，其包括：
光纤，其具有1550nm波长处小于约0.17dB/km的衰减，所述光纤包括：
所述光纤中的纤芯区域，其具有α大于0.5的分级折射率分布；相比于纯二氧化硅，所述纤芯区域还具有约-0.20％至约+0.1％的相对折射率Δ1；以及
所述光纤中的第一包覆区域，其围绕所述纤芯区域，
其中，所述纤芯区域包括用氟和氯共掺杂的二氧化硅，以及
其中，所述光纤还具有在1310nm处的约为8.2-9.5μm的模场直径(MFD)。
10.如权利要求9所述的光纤，其特征在于，所述光纤还具有在1550nm处在20mm直径心轴上≤1.5dB/圈的宏弯损耗。
11.如权利要求9所述的光纤，其特征在于，所述光纤还具有在1550nm处在15mm直径心轴上≤5dB/圈的宏弯损耗。
12.如权利要求9所述的光纤，其特征在于，所述光纤还具有在1550nm处在30mm直径心轴上≤0.025dB/圈的宏弯损耗。
13.一种光纤，其包括：
光纤，其具有1550nm波长处小于约0.17dB/km的衰减，所述光纤包括：
所述光纤中的纤芯区域，其具有α大于0.5的分级折射率分布；相比于纯二氧化硅，所述纤芯区域还具有约-0.20％至约+0.1％的相对折射率Δ1；以及
所述光纤中的第一包覆区域，其围绕所述纤芯区域，
其中，所述纤芯区域包括用氟和氯共掺杂的二氧化硅，以及
其中，所述光纤还具有在1550nm处的约为9.0-14μm的模场直径(MFD)。
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