大有效面积光纤 发明背景技术领域 本发明一般涉及非零色散光纤， 更具体地涉及适用于密集波分复用的具有大有效 面积的光纤。
技术背景 诸如在 1550nm 波长下的色散低于 6ps/nm/km 的非零色散光纤 (NZDF) 之类的光纤 适用于密集波分复用 (DWDM)。这些光纤通常具有中芯， 该中芯具有中央内芯区和正折射率 环。 该芯有时包括毗邻且接触该环的至少一个低折射率区。 该芯是容纳至少 90％信号光的 纤维区。这些 NZDF 在 1550nm 下通常提供 3 到 6ps/nm/km 的色散， 且在 1550nm 下具有小于 2 75μm 的有效面积。
在所谓的 “密集波分复用条件” 下使用的光纤会经受多种弯曲环境， 这种情况下会 在通过光纤传输的光信号中引入弯曲损耗。会强加诸如紧密弯曲半径、 光纤压缩等等之类 的物理要求的引入弯曲损耗的某些应用包括在光学地下光缆组件中部署光纤、 大温度变化 引起的翘曲以及位于机柜中连接馈电装置和配电电缆的小弯曲半径多端口。 诸如常规 NZDF 光纤之类的光纤在弯曲至小曲率半径时呈现相对较大的弯曲损耗 ( 例如当弯曲约 15mm 半 径时弯曲损耗为 5dB/m 到 6dB/m)。
概要
本发明的一个方面涉及一种光纤， 其包括 ：
(i) 从中心线延伸的玻璃芯 (20)， 其包括 ： α 值小于 2 且最大相对折射率百分比 为 ΔCMAX 的芯区 (22)， 该中心芯区 (22) 具有体积 V22 包围该中心芯区 (22) 的第一环形芯区 (24) ； 以及包围该第一环形芯区 (24) 的第二环形芯区 (26)， 其具有体积 V26， 其中该第二环 形芯区 (26) 的最大相对折射率百分比 Δ26MAX 高于该第一环形芯区 (24) 的最大相对折射率 百分比 Δ24MAX ； 以及
(ii) 玻 璃 包 层 (30)， 其 包 围 所 述 芯 并 与 所 述 芯 接 触， 所述包层包括 ： 从半径 R32 延伸至半径 R34 的第一环形包层区 (32)， 其中 R34 ≥ 13μm 且包括相对折射率百分比 Δ32(r)％、 最大相对折射率百分比 Δ32MAX 以及最小相对折射率百分比 Δ32MIN ； 第二环形包层 区 (34)， 其从半径 R34 延伸至半径 R36， 且包括相对折射率百分比 Δ34(r)％和最小相对折射 率百分比 Δ34MIN ； 第三环形包层区 (36)， 其包围第二环形区 (34) 且从半径 R34 延伸至最外玻 璃半径 R36 ；
其中 ΔCMAX ＞ Δ26MAX ＞ Δ32MAX、 Δ32MIN ＞ Δ34MIN 以及 Δ34MIN ＜ -0.1 ； 以及该芯和该包 层提供具有小于 1500nm 的光缆截止、 在 1550nm 下的 3 ≤ D ≤ 8ps/nm/km 的色散 D、 以及在 2 1550nm 下大于 80μm 的有效面积的光纤。第二环形包层区可包含多个随机散布的孔。当 缠绕在 15mm 半径的芯棒周围时， 这些光纤在 1550nm 下的弯曲损耗优选小于 5dB/m、 甚至更 优选小于 2dB/m、 更优选小于 1dB/m， 以及最优选小于 0.5dB/m。优选体积 V26 ＜ 4.5％ μm2，
且值 V22+V26 之和小于 6.5％ μm2。
在一组实施例中， 第二环形区包括二氧化硅玻璃， 其具有从由锗、 铝、 磷、 钛、 硼以 及氟组成的组中选择的掺杂剂。
在另一组实施例中， 第二环形区包括具有多个随机分布的密封孔的二氧化硅玻 璃， 这些孔是空的 ( 真空 ) 或充气的， 其中这些孔提供光的内反射， 从而对沿芯传播的光提 供波导。例如与纯二氧化硅相比， 这些孔可提供低的有效折射率。
根据一组实施例， 该光纤包括 ：
(i) 玻璃芯 (20)， 其从中心线延伸且包括 ： α 值小于 2 的中心芯区 (22)， 所述中心 2 芯区 (22) 具有体积 V22 ＜ 2％ μm 以及外半径 Rc1 且 2.5μm ≤ Rc1 ≤ 4μm ； 第一环形芯区 (24)， 其包围中心芯区 (22) ； 以及第二环形芯区 (26)， 其包围第一环形芯区 (24)， 其中第二 环形芯区 (26) 的最大相对折射率百分比 Δ26MAX 高于第一环形芯区 (24) 的最大相对折射率 百分比 Δ24MAX， 所述第二环形芯区具有宽度 W26 ≤ 4.2μm ； 以及
(ii) 玻璃包层 (30)， 其包围所述芯并与所述芯接触， 所述包层包括 ：
第一环形包层区 (32)， 其从半径 R32 延伸至半径 R34， 其中 R34 ≥ 15μm ；
第二环形包层区 (34)， 其从半径 R34 延伸至半径 R36， 且具有最小相对折射率百分比 Δ34MIN， 该第二环形包层区包括其中设置有至少 50 个随机散布的密封孔的二氧化硅基玻璃， 且 (i) 这些孔之间的平均距离小于 5000nm， 以及 (ii) 这些孔的至少 80％具有小于 1500nm 的最大截面尺寸 Di ； 以及
第三环形包层区 (36)， 其包围该第二环形区 (34)， 并从半径 R34 延伸至最外玻璃半 径 R36 ；
其中芯 (20) 包括最大相对折射率百分比 ΔCMAX ； 其中所述第一环形包层区 (32) 包 括相对折射率百分比 Δ32(r)％、 最大相对折射率百分比 Δ32MAX 以及最小相对折射率百分比 Δ32MIN ；
其中 ΔCMAX ＞ Δ26MAX ＞ Δ32MAX、 Δ32MIN ＞ Δ34MIN 以及 Δ34MIN ＜ -0.1。
优选该芯和该包层为一光纤提供小于 1500nm 的光缆截止、 1550nm 下 3 ≤ D ≤ 8ps/ 2 2 nm/km 的色散 D、 1550nm 下大于 80μm 的有效面积、 小于 0.12ps/nm /km 的色散斜率、 1550nm 下小于 80nm 的 κ、 以及当光纤在 15mm 半径的芯棒周围缠绕时小于 5dB/m 的弯曲损耗。
现在将具体参考本发明的优选实施例， 其示例在附图中示出。
附图简述
图 1 示出如本文中所公开的光波导纤维的实施例的相对折射率分布。
图 2 示出如本文中所公开的光波导纤维的实施例的示意性截面图。
图 3 示出康宁 LEAF 光纤和如本文中所公开的光波导纤维的另一实施例的相对折 射率分布。
图 4 示出如本文中所公开的光波导纤维的其他实施例的相对折射率分布。
详细描述
将在以下详细描述中陈述本发明的附加特征和优点， 这些特征和优点对于本领域 的技术人员来说根据该描述将是显而易见的， 或者通过实施在以下详细描述以及权利要求 书和附图中描述的本发明可认识到。
“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” ( 也称为 “折射率 Δ” ) 被定义为 Δ％＝ 100×(ni2-nc2)/2ni2， 其中 ni 是区域 i 中的折射率， 除非另作说明， 而 nc 是包层的第三环形区 36( 外区 ) 的平均 折射率。如此处所使用地， 相对折射率以 Δ 表示， 而且它的值以 “％” 单位给出， 除非另外 指明。相对折射率在 1550nm 波长下测得， 除非另外指明。在其中一区域的折射率小于外环 形区的平均折射率的情况下， 相对折射率百分比为负， 且可称为下陷区或下陷折射率， 而且 在相对折射率最负的点处计算最小相对折射率， 除非另外指明。在其中一区域的折射率大 于包层区的平均折射率的情况下， 相对折射率百分比为正， 而且可以认为该区域被升高或 具有正折射率。此处的 “提高掺杂剂” 被认为是相对于纯的未掺杂 SiO2 具有提高折射率的 倾向的掺杂剂。此处的 “降低掺杂剂” 被认为是相对于纯的未掺杂 SiO2 具有降低折射率的 倾向的掺杂剂。提高掺杂剂在伴随有不是提高掺杂剂的一种或多种其它掺杂剂时， 可存在 于具有负的相对折射率的光纤的区域中。同样， 不是提高掺杂剂的一种或多种其它掺杂剂 可存在于具有正的相对折射率的光纤的区域中。 降低掺杂剂在伴随有不是降低掺杂剂的一 种或多种其它掺杂剂时， 可存在于具有正相对折射率的光纤的区域中。 同样， 不是降低掺杂 剂的一种或多种其它掺杂剂可存在于具有负相对折射率的光纤的区域中。
除非另作说明， 以下将 “色散现象” 称为 “色散” ， 波导光纤的色散是材料色散、 波导 色散以及模间色散的总和。在单模波导纤维的情况下， 模间色散为零。色散斜率是色散相 对于波长的变化率。 “有效面积” 定义为 ：
Aeff ＝ 2π( ∫ f2rdr)2/( ∫ f4rdr)，
其中积分上下限为 0 到∞， 而 f 是与波导中传播的光相关联的电场的横向分量。 如 本文中所使用， “有效面积” 或 “Aeff” 指的是 1550nm 波长下的光学有效面积， 除非另作说明。
术语 “α 分布” 或 “阿尔法分布” 指的是相对折射率分布， 以单位为 “％” 的项 Δ(r) 表示， 其中 r 是半径， 其遵循以下方程，
Δ(r) ＝ Δ(ro)(1-[|r-ro|/(r1-ro)]α)，
其中 ro 是 Δ(r) 为最大值的点， r1 是 Δ(r)％为零的点， 而 r 在 ri ≤ r ≤ rf 范围 内， 其中 Δ 如上定义， ri 是 α 分布的起点， rf 是 α 分布的终点， 而 α 是指数且 α 为实数。
使 用 彼 得 曼 II 方 法 测 量 模 场 直 径 (MFD)，其 中 2w ＝ MFD，且 w2 ＝ (2 ∫ f2rdr/ ∫ [df/dr]2rdr)， 积分上下限为 0 到∞。
可在预定的测试条件下用引入的衰减来测量波导光纤的抗弯性。
对一给定模式而言， 理论光纤截止波长或 “理论光纤截止” 或 “理论截止” 是一波 长， 超过该波长则被导光不能在该模式中传播。可在 1990 年纽约出版的 Marcel Dekker 的 单模光纤光学的 Jeunhomme 的 39-44 页 (SingleMode Fiber Optics， Jeunhomme， pp 39-44， Marcel Dekker， New York， 1990) 中找到一种数学定义， 其中理论纤维截止被描述为模式传 播常数变得等于外包层中的平面波传播常数时的波长。 此理论波长适合于无直径变化的无 限长的完美直光纤。
光缆截止波长， 或 “光缆截止” 甚至比测得的光纤截止更低， 这是由光缆环境中更 高级别的弯曲和机械压力造成的。可通过 EIA-445 光纤测试程序中描述的光缆截止测试估 算实际的成缆状态， 该 EIA-445 光纤测试程序是 EIA-TIA 光纤标准——即电子工业协会 - 电 信工业协会光纤标准——的一部分， 更一般地已知为 FOTP’ s。通过发射功率的单模光纤的
EIA-455-170 光缆截止波长或 “FOTP-170” 中描述了成缆截止测量。
除非在本文中另作说明， 针对 LP01 模式报告光学特性 ( 诸如色散、 色散斜率等 )。 除非在本文中另作说明， 1550nm 波长是基准波长。
各种波段或工作波长范围或波长窗口可如下地定义 ： “1310nm 波段” 是 1260 至 1360nm ； “E 波 段”是 1360 到 1460nm ； “S 波 段”是 1460 到 1530nm ； “C 波 段”是 1530 到 1565nm ； “L 波段” 是 1565 到 1625nm ； 以及 “U 波段” 是 1625 到 1675nm。
本文中所公开的光纤 10 包括芯 20 和包围芯且直接毗邻芯的包覆层 ( 或包层 )30。 该芯 20 具有折射率分布 Δ 芯 (r)。该包层 30 具有折射率分布 Δ 包层 (r)。芯 20 和包层 30 二者都包括多个区。优选至少一个包层区包括多个空隙 ( 在本文中也称为孔 )。这些空隙 可被诸如例如空气、 氮气、 氩气、 氪气之类的气体或它们的组合填充。
在一些实施例中， 芯包括锗掺杂的二氧化硅， 即氧化锗掺杂的二氧化硅。 可在本文 所公开的光纤的芯内， 具体在其中心线处或其附近单独或组合地采用除锗之外的掺杂剂， 以获得期望的折射率和密度。
参照图 1 和 2， 此处公开的光波导纤维 10 包括 ： 芯 20， 其从中心线径向地向外延 伸至外半径 R 芯， 且具有以％表示的相对折射率分布 Δ 芯 (r)， 其最大相对折射率百分比为 ΔCMAX ； 以及包层 30， 其包围且直接毗邻即直接接触芯 20。 包层 30 可任选地被一个或多个聚 合物涂层包围。 芯 20 包括 ： 以外半径 Rc1 为特征的中心区 22 ； 包围该中心区 22 且直接毗邻 该中心区 22 的第一环形芯区 24， 其沿径向向外延伸至第二环形芯区 26， 且以外半径 Rc2 为 特征。优选 2.5μm ≤ Rc1 ≤ 4.0μm、 3.5μm ≤ Rc2 ≤ 6.5μm、 7μm ≤ Rc3 ≤ 10.5μm。最优 选 2.8μm ≤ Rc1 ≤ 3.8 且 0.6 ≤ ΔCMAX ≤ 0.85。优选 Rc3 ≤ 10.5μm ； 更优选 Rc3 ≤ 10μm。 中心区 22 的至少一部分具有 α 分布值 α ＜ 2 的折射率分布。第二环形芯区 26 以外半径 Rc3 为特征， 其中 Rc3 ＝ R 芯。优选 Rc1 ＜ 5.0μm， 更优选 1.6μm ＜ Rc1 ＜ 4.0μm， 甚至更优 选 2.7μm ＜ Rc1 ＜ 4.0μm， 且在一些实施例中， 2.7μm ＜ Rc1 ＜ 3.5μm。优选 RC2 ＞ 4μm， 更优选＞ 4μm， 以及在一些实施例中 6μm ＞ Rc2 ＞ 4μm。优选 RC3 ＞ 7.0μm， 更优选 7μm ＜ RC3 ＜ 10.5μm， 甚至更优选 7.5μm ＜ RC3 ＜ 10μm。
该中心芯区 22 可包括具有外半径 RC1a 的中心线区 22a， 以及包围该中心线区 22a 的具有 α 分布和外半径 Rc1 的区 22b。芯区 22 具有最大相对折射率百分比 ΔCMAX。在表 1 所列出的光纤实施例中， 中心线区 22a 对应于 ΔCMAX， 而区 22a 具有略微更小的折射率 Δ， 其最大 Δ 为 Δ22bMAX。第一环形芯区 24 具有宽度 W24 和中点半径 R24MID 以及按照％表示的 相对折射率分布 Δ24(r)， 其以％表示的最大相对折射率百分比为 Δ24MAX， 且最小相对折射 率百分比为 Δ24MIN。第二环形芯区 26 具有宽度 W26 和中点半径 R26MID 以及按照％表示的相 对折射率分布 Δ26(r)， 其以％表示的最大相对折射率百分比为 Δ26MAX， 且以％表示的最小 相对折射率百分比为 Δ26MIN。根据本发明诸实施例， ΔCMAX ＞ Δ24MAX、 Δ24MAX ＜ Δ26MAX 以及 ΔCMAX ＞ Δ26MAX。优选 0.9 ≥ ΔCMAX ≥ 0.6、 Δ24MIN ≤ 0.05、 0.17 ＜ Δ26MAX ＜ 0.25。更优选 0 ＜ Δ24MIN ≤ 0.05。优选 Δ26MAX 小于 0.2％， 更优选小于 0.15％。优选 1μm ≤ W24 ≤ 3μm 且 2μm ≤ W26 ≤ 5μm。最优选地， 为提供非常大的有效面积， 2μm ≤ W26 ≤ 4.2μm。更优选 W26 ≤ 4μm， 甚至更优选 W26 ≤ 3.8μm。 优选该芯的有效面积大于 75μm， 更优选大于 80μm， 甚至更优选大于 85μm， 以及甚至更优选大于 90μm。
Rc1 被定义为在 Δ 芯 (r) 首次达到 +0.05％的半径处出现。 即， 在相对折射率首先达到 +0.05％ ( 沿径向向外 ) 处， 中心芯 22 结束而第一环形芯区 24 开始， 而且区 24 被定义为 在相对折射率 Δ 芯 (r) 沿径向向外再次达到 0.05％的半径 Rc2 处结束。 注意 Δ24MIN ＜ 0.05。 第二环形区 26 在 Rc2 处开始且在 Rc3 处结束。对于该组实施例， 在 Δ 芯 (r) 已经达到 Δ26MAX 之后， Rc3 被定义为在该相对折射率下降至值 0.05％ ( 沿径向向外 ) 处出现。第一环形芯 区 24 的宽度 W24 为 Rc2-Rc1， 且其中点 R2MID 为 (Rc2+Rc1)/2。第二环形芯区 26 的宽度 W26 为 R3C-R2C， 且其中点 R3MID 为 (R2C+Rc3)/2。在一些实施例中， 对于第一环形芯区 24 的超过 50％ 的径向宽度， |Δ24(r)| ＜ 0.025％或 |Δ24max-Δ24min| ＜ 0.05％， 而在其它实施例中， 对于第 一环形芯区 24 的超过 50％的径向宽度， |Δ24(r)| ＜ 0.01％。对于从 R2C 到 Rc3 的所有半 径， 折射率 Δ 即 Δ26(r) 为正。优选 0.05 ＜ Δ26MAX ＜ 0.25( 例如 0.27 ＜ Δ26MAX ＜ 0.25)。 在半径 RC3 处， 芯 20 结束而包层 30 开始。优选 RC3 ＜ 10.5μm。
中心芯区 22 具有分布体积 V22(％ μm2)， 其在本文中定义为 ：
优选中心芯区 22 具有小于 2％ μm2、 更优选不大于 1.95％ μm2 的体积 V22。 第二环形芯区 26 具有分布体积 V26(％ μm2)， 其在本文中定义为 ：在以下实施例中， 第二环形芯区 26 的体积 V26 小于 4.5， 更优选小于 4.4。优选第 2 二环形芯区 26 的体积在 2％与 5.5％ μm 之间， 更优选在 2.4％与 4.4％ μm2 之间。优选 V22+V26 ＜ 6.5％ μm2。
优选 0.5％≤ ΔCMAX ＜ 0.9％， 在其他情况下， 优选 0.6％≤ ΔCMAX ≤ 0.8％或 0.7％ ≤ ΔCMAX ≤ 0.8 ％。优选中心芯区的 α 值为 1 ≤ α ≤ 2， 更优选 1 ≤ α ≤ 1.6， 更优选 1 ≤ α ≤ 1.5， 以及甚至更优选 1 ≤ α ≤ 1.4。
在相对折射率在半径 RC3 达到 +0.05 ％ ( 沿径向向外 ) 之处， 芯 20 结束且包层 30( 环形区 32) 开始。 包层 30 包括 ： (i) 第一环形包层区 32， 其包围芯 20 且直接毗邻芯 20， 并沿径向向外延伸至第二环形包层区 34 且以外半径 R32 为特征， 该区域 32 设置于中点 R32MID 且具有宽度 W32 和以％表示的相对折射率分布 Δ32(r)， 其最大相对折射率百分比为以％表 示的 Δ32MAX， 最小相对折射率百分比为以％表示的 Δ32MIN ； (ii) 包围区 32 且直接毗邻区 32 的第二环形包层区 34， 并从 R32 沿径向向外延伸至半径 R34 ； 以及 (iii) 包围区 34 且直接毗 邻区 34 的第三环形区 36。第二环形包层区 34 设置于中点 R34MID 且具有宽度 W34， 以及以％
表示的相对折射率分布 Δ34(r)， 其最小相对折射率百分比为以％表示的 Δ34MIN， 其中 0 ＞ Δ34MIN。第三环形区 36 具有相对折射率百分比 Δ36(r)。优选第三环形区 36 由二氧化硅制 成。
在这些实施例中， 区 32 在半径 R32 处结束， 在该处相对折射率 Δ32(r) 沿径向向外 首次达到 -0.05％。对于这组实施例， 第二环形包层区 34 在 R32 处开始， 在 R34 处结束。R34 被定义为在相对折射率 Δ34(r)( 沿径向向外 ) 达到 -0.05％的值、 在 Δ34(r) 已经下降到至 少 -0.2％之后出现。 第一环形包层区的宽度 W32 为 R32-RC3， 且其中点 R32MID 为 (RC3+R32)/2。 在 一些实施例中， 第一环形包层区部分的超过 90％的径向宽度具有正或零相对折射率， 而且 在某些实施例中， 对于从 RC3 到 R32 的所有半径， Δ32(r) 均为正或零。在一些实施例中， 对于第一环形区 32 的超过 50％的径向宽度， |Δ32(r)| ＜ 0.025％或 |Δ32max-Δ32min| ＜ 0.05％， 而在其它实施例中， 对于第一环形区 32 的超过 50％的径向宽度， |Δ32(r)| ＜ 0.01％。Δ34 的平均值为负， 且区域 34 的有效相对折射率对于从 R32 到 R34 的所有半径均为负。对于大 于 25μm 的所有半径， 优选 Δ 包层 (r) ＝ 0％。包层 30 穿过第三环形包层区 36 延伸至半径 R36， 其也是光纤的玻璃部分的最外围。此外， Δ32MIN ＞ Δ34MIN ； Δ34MIN ＜ Δ36MIN 且优选 Δ32MAX ＝ Δ36MAX。优选 -0.9 ≥ Δ34MIN ≥ -0.1。更优选 -0.6 ≥ Δ34MIN ≥ -0.2。在一组实施例中， 第二环形区 34 包括二氧化硅玻璃， 其具有从由锗、 铝、 磷、 钛、 硼以及氟组成的组中选择的 掺杂剂。在另一组实施例中， 第二环形区 34 包括具有多个随机散布的密封孔 34A 的二氧化 硅基玻璃 ( 纯二氧化硅或用锗、 铝、 磷、 钛、 硼以及氟掺杂的二氧化硅 )， 这些孔是空的 ( 真 空 ) 或充气的， 其中这些孔可提供光的内反射， 从而对沿芯传播的光提供波导。与纯二氧化 硅相比， 这些孔可提供低的有效折射率。例如， 在利用具有散布孔 34A 的第二环形区 34 的 一些实施例中， Δ34min 为 -0.3％ to-3％， 优选为 -0.5％ to-3％， 更优选为 -1％ to-3％ ( 例 如 -0.2％、 -0.3％、 -0.35％、 -0.4％、 -0.45％、 -0.5％、 -0.6％、 -0.7％、 -0.9％、 -1％、 -1.25 ％、 -1.5％、 -1.75％、 -2％、 -2.25％、 -2.5％或 -3％ )。
更具体地， 在利用充气孔 34A 的光纤实施例中， 第二环形区 34 中的相对折射率百 分比 Δ34(r) 在 -28％ ( 空隙填充气体相对于二氧化硅的折射率 ) 与包围空隙的玻璃 ( 在 此实施例中为二氧化硅， 其相对％折射率为约 0％ ) 的折射率之间变动。第二环形包层区 34 相对于纯二氧化硅玻璃的典型平均相对折射率百分比 Δ34 将例如小于 -0.8％， 且通常 在 -1％与 -3％之间， 这取决于包围空隙的玻璃中存在的掺杂剂。即， 第二环形区的折射率 变动， 而且充气空隙的宽度和 / 或充气空隙 ( 即孔 ) 之间的玻璃填充的间隔 Sv 随机分布和 / 或彼此不相等。即， 空隙是非周期性的。优选空隙之间的平均距离小于 5000nm， 更优选小 于 2000nm， 甚至更优选小于 1000nm， 例如 750nm、 500nm、 400nm、 300nm、 200nm 或 100nm。 优选 至少 80％、 更优选至少 90％的空隙具有小于 1500nm， 更优选小于 1000nm， 甚至更优选小于 500nm 的最大截面尺寸 Di。甚至更优选空隙的平均直径小于 1500nm， 优选小于 1000nm， 更 优选小于 500nm， 甚至更优选小于 300nm。空隙 34A 是封闭的 ( 被固态材料包围 ) 而且是非 周期性的。即， 空隙 34A 可具有相同大小， 或大小不同。空隙之间的距离可以是均一的 ( 即 相同 ) 或可不同。优选第二环形区 34 包含至少 50 个孔 34A。优选第二环形区 34 的截面包 含至少 50 个空隙， 优选至少 100 个空隙， 甚至更优选超过 200 个空隙。
优选 R32 ＞ 12μm， 更优选＞ 13.0μm， 甚至更优选＞ 15.0μm， 以及甚至更优选 ≥ 18.0μm， 且在一些实施例中 13.0μm ≤ R32 ≤ 22μm。例如， R32 可以是 14μm、 15μm、 16 μ m 、 16.5 μ m 、 17 μ m 、 17.5 μ m 、 18 μ m 、 18.5 μ m 、 19 μ m 、 19.5 μ m 、 20 μ m 、 20.5 μ m 或 21μm。更优选 16.0μm ≤ R32 ≤ 21μm， 且最优选 18.0μm ≤ R32 ≤ 20。在一些实施例中， W34 ＞ 1.0μm， 而在其它实施例中， 1.0μm ＜ W34 ＜ 10μm， 在一些实施例中小于 8.0μm， 而 在其它实施例中 2.0μm ＜ W34 ＜ 6.0μm。优选 3.0μm ＜ W34 ＜ 6.0μm。
优选 R36 ＞ 40μm。在一些实施例中， R36 ＞ 50μm。在其它实施例中， R36 ＞ 60μm。 在一些实施例中， 60μm ＜ R36 ＜ 70μm。
在一些实施例中， 芯 22 的中心部分可包括具有所谓的中心线下降的相对折射率 分布， 该中心线下降会因为一种或多种光纤制造技术而出现。 例如， 该中心部分的相对折射 率分布可在小于 1μm 的半径处具有局部最小值， 其中相对折射率的更高值 ( 包括芯部分的最大相对折射率 ) 在大于 r ＝ 0μm 的半径处出现。
优选本文中公开的光纤提供 ： 在 1550nm 下的模场直径为 9.8μm 到 11.6μm， 更 优选为 10.0μm 到 11.0μm ； 零色散波长在 1460nm 与 1520nm 之间 ( 例如 1470nm、 1480nm、 1490nm、 1500nm、 1510nm) ； 以及光缆截止波长小于 1500nm， 更优选小于 1450nm， 甚至更优选 小于 1350nm， 甚至更优选小于 1260nm。因为该光缆截止波长不超过 ( 而且在某些实施例中 约等于 )2m 光纤截止波长， 所以小于 1450nm 的 2m 光纤截止波长导致小于 1450nm 的光缆截 止波长。
根据光纤的实施例， 1550nm 下的光纤色散优选为 3-6ps/nm/km， 更优选为 4-5ps/ 2 nm/km， 这对应于 1550nm 下的有效面积 (1550nm 下 ) 范围为约 75μm 到约 120μm2 或更大 的光纤。 优选该光纤的有效面积为至少 75μm2， 且更优选为至少 80μm2， 以及更优选为至少 2 2 2 85μm ， 甚至更优选为至少 90μm ， 或至少 100μm 。1550nm 下的有效面积的典型范围为约 2 2 80μm 到约 100μm 或到约 110μm2。κ 是色散与色散斜率之间的比率， 优选 κ 在 1550nm 下在 45nm 与 85nm 之间。例如， κ 值可以是 46、 48、 50、 52、 65、 70 或 76nm。然而， 实际设计 选择还取决于弯曲损耗要求。 在一些实施例中， 示例性光纤在 1550nm 下呈现 9μm 到 12μm 的模场直径 ( 例如 9.5、 10、 10.5 或 11μm) ； 1480 与 1510nm 之间的零色散波长 ； 以及优选小 于 1500nm 的光缆截止波长。
表 1-2 列出了第一组实施例的六个说明性示例的特性以及可从美国纽约州康宁 光纤的特性。这些示例的折射率分布与图 1 相似， 且具有以下 光纤相似的光纤色散值和色散斜率。例如， 表1中市的康宁公司买到的表 1 中所描述的值。如表 1 所示， 为获得期望光学性能， 改变了这些参数中的若干个参数。 更具体地， 这些参数用于获得与 描述的示例性光纤的色散在 1550nm 波长下在 4.35ps/nm/km 与 4.79ps/nm/km 之间。
表1
表2光纤示例 1、 2、 3、 4 以及 6 具有约 91μm2 的高有效面积。表 1 中的所有光纤的零 色散波长均处于约 1500nm 下的零色散波长。虽然不希望受理论束缚， 但申请人认为由于有
效面积大于2光纤， 光纤 1、 2、 3、 4 以及 6 在 1550nm 下的色散斜率比光纤高约由于利用了第二环形包层区 34， 光纤 1、 2、 3、 4 以及 6 的弯曲引入损 0.01ps/km/nm 。此外， 耗被最小化 ( 相对于 光纤 )。诸如色散和光缆截止之类的其他光学性质与 光纤的那些性质相似。
若干特定设计因素被认为与包层区 34 的光学效应有关。一种此类因素与光纤的 截止波长相关。 光纤具有高达 1.82μm 的高理论截止。但是， 因为较高阶模式对 光纤的实际截止或光缆截止波长低于 在实际铺设环境中引入的弯曲的敏感性， 或1500nm。因此， 可优选选择光纤参数以实现新设计光纤的弯曲损耗， 以使 ： (i) 这些光纤中 的较高阶模式在实际铺设条件下可具有足够高的损耗 ( 在 1500nm 下高于 0.85dB/m) 以降 低光缆截止， 同时 (ii) 基模弯曲损耗仍处于可接受的水平， 即在 15mm 半径下小于 5dB/m。 当 光纤缠绕在 15mm 半径的芯棒周围时， 在 1550nm 下， 优选基模弯曲损耗在 15mm 下小于 2dB/ m， 更优选在 15mm 半径下小于 1dB/m， 甚至更优选小于 0.5dB/m。可通过调节以下参数来实 现所需弯曲损耗 ： (i) 包层区 34 的位置， (ii)Δ34MIN ； 和 / 或 (iii) 包层区 34 的宽度 W34。一 般而言， 使 Δ34MIN 负得更少， 和 / 或使 W34 更小能增大光纤的弯曲损耗。包层区 34 的位置的作用更复杂。当将包层区 34 放置得离芯中心更近时， 例如 R32 约低于 13μm 时， 弯曲损耗变 高。优选 R32 ＞ 15μm， 更优选＞ 16μm。当 R32 为 18μm 或更大时， 弯曲损耗具有如表 1 和 表 2 的光纤实施例所示的非常低的值， 但随着芯中心半径 RC1 的增大而增大。优选利用实验 数据的帮助进一步最优化包层区 34 的参数以实现所需弯曲性能， 以符合光缆截止和总体 弯曲损耗性能的要求。
两个其他因素与光纤的光学性质和光学制造的一致性相关。一般而言， 包层区 34 具有增大光纤色散和色散斜率的消极效果。将包层区 34 远离光纤中心放置具有将包层区 34 对色散、 色散斜率以及有效面积的影响降至微小水平的好处。 将包层区 34 远离纤芯放置 的附加好处是提高光纤上的光学性质一致性。取决于具体制造工艺， 包层区 34 的参数可能 沿光纤略有不同， 从而导致光学性质的变化。当包层区 34 被放置得离纤芯足够远时， 包层 区 34 变化对光纤色散、 色散斜率以及有效面积的影响也被减小。
在光纤 1、 2、 3、 4 以及 6 中的每个示例中， 我们集中于略不同的设计方面。例如， 示 例性光纤 2 相对于示例性光纤 1 在区 22a( 中心线高度 ) 中具有略低的 Δ， 从而示例性光纤 2 可能更容易制造。我们精细地调谐示例 2 的光纤分布以达到示例 3 光纤的参数， 以将该 光纤的理论截止波长 ( 即在不考虑区 34 影响情况下计算出的纤芯截止波长 ( 参见表 2 中 的 LP11)) 从 1810nm 降至 1580nm。根据示例 3 的参数制造的光纤将具有低于 1500nm 的光 缆截止波长。示例 6 的光纤具有 1380nm 的理论截止波长 ( 参见表 2 中的 LP02)， 以使根据 示例 6 制造的光纤的光缆截止波长将小于 1300nm， 从而使该设计既适用于 1310nm 又适用于 1550nm 窗口。我们修改了示例 3 的光纤参数以达到示例 4 光纤， 示例 4 光纤在 1550nm 下的 光纤色散比示例 3 光纤的光纤色散低。
示例 5 光纤具有与光纤相当的弯曲损耗， 但具有 105.3μm2 的更大有效面 光纤的性质相似， 除了 0.104ps/nm2/km 的略高的色散斜率。积。其他光纤性质与
本文中公开的光纤呈现出优良的抗弯性， 包括宏弯曲和微弯曲。为预测光纤 的宏弯曲性能， 我们使用有限元方法来对光波导的弯曲特性建模。该方案基于全矢量 麦克斯韦方程组。光纤的弯曲被认为是 M.Heiblum 和 J.H.Harris 所著的参考文献 “通 过保角变换分析弯曲光波导 (Analysis of curvedoptical waveguides by conformal transformation)” (IEEE J.QuantumElectronics(IEEE 量 子 电 子 学 期 刊 )， QE-11， (2)， 75-83(1975)) 中所描述的保角变换所描述的几何形变。 以具有等效折射率分布的直光纤代 替弯曲光纤，
其中 p ＝ x 或 y， 这取决于弯曲方向， 而 R 代表有效弯曲半径。在该建模中， 弯曲 方向始终被选择成沿 x 方向。当光纤弯曲时， 折射率倾斜。某些区中的包层折射率可高于 芯中的折射率。这导致芯模式的泄漏模式损耗。可通过光纤外的完美匹配层 (PML) 仿真由 垂直于光纤外表面的界面的方向的无限大空间引起的光波损耗， 该完美匹配层 (PML) 已经 在 Jianming Jin 所著的参考文献 “电磁学中的有限元方法 (The finite element method inelectromagnetics)” (Wiley Inerscience， (2002)) 中得到描述。在我们的建模中， 我们 已经在柱坐标系中实现了 PML。我们获得各个模式的复合有效折射率。然后将各个模式的
有效折射率转换成有效传播常数 β， β 与有效折射率成简单关系， 虚部与泄漏模式损耗有关， 如以下方程所定义，
传播常数的泄漏模式损耗 A 以 dB/m 为单位。在表 2 中， 针对 1550nm 下 15mm 弯曲半径计算示 例性光纤的弯曲损耗。建模结果以绝对值和标准化形式给出。标准化的弯曲损耗是特定光
纤的弯曲损耗与的弯曲损耗之比。示例性光纤 1-6 的建模结果显示出围绕 15mm 半径的芯棒缠绕的光纤在 1550nm 下测得的弯曲损耗小于 7dB/ 匝。 在许多实施例中， 该弯曲损 耗小于 5dB/m。 在一些实施例中， 当在 15mm 直径芯棒上在 1550nm 下测量时， 该弯曲损耗小于 3.5dB/m， 在一些实施例中小于 1dB/m， 且在一些实施例中小于 0.5dB/m。在一些实施例中， 如实施例 1-4 和 6-8 所呈现地， 所预测的弯曲损耗在 0.05dB/m 与 0.6dB/m 之间。我们还将 建模结果与对诸如 LEAF 之类的光纤的现有测量结果进行了比较， 以洞察我们能如何使用 弯曲建模来判断光纤相比于由康宁有限公司制造的标准 意， 可购得的 长下计算出的引入损耗约为 0.485dB/m。 示例性 光纤的相对弯曲性能。注 光纤的弯曲损耗良好地得到表征， 其在 15mm 的弯曲直径和 1550nm 波 光纤的相对弯曲损耗因此用于测量示例性光纤的弯曲性能。示例性光纤 2-6 在 1550nm 下以及 15mm 半径弯曲下的标准化弯曲 损耗为 0.11 与 1.22 之间。还可通过改变第二包层区 34 的位置来进一步最优化弯曲性能。
示例性光纤的 LP11 理论截止波长高。但通常， 对于光纤， 不论理论截止多高， 光缆截止可以低得多， 例如低于 1500nm。 在没有包层区 34 的情况下， 具有较大有效面积 的示例性光纤的弯曲损耗将是 有效面积光纤的弯曲性能提高至与 此， 如果需要与 的 论截止波长与 光纤的弯曲损耗的约 50 倍。包层区 34 将表 1 的大 光纤的弯曲性能相似或更佳的水平。更好的弯曲性质可产生较高的光缆截止， 因为较高阶模式的弯曲损耗具有降低光缆截止的作用。因 光纤相似的截止性能， 则新设计的光纤的最优弯曲损耗应当与现有 光纤的理论截止波长相似。因此， 在这些示例性光纤在 1550nm 下的 光纤的弯曲损耗相似或相当。如不具有包层 34 的示例 1-5 所示， 它们的 LP11 理弯曲损耗相似的情况下， 我们预期这些光纤也将具有相似的截止行为。
图 1A、 1B 中所示的光纤 10 的纤芯 20 具有阶梯形状或圆角阶梯形状或 α 形状 ( 其 中 α 取有限值 ) 的折射率分布。然而， 芯 20 可具有其它 α1 值， 或芯可具有除 α 分布之 外的分布形状， 诸如多层芯， 这将是下文中给出的附加实施例。
第二组实施例
表 3-4 列出了第二组实施例的五个说明性示例的特性。这些示例的折射率分布 与图 1A 相似， 且具有以下表 3 中所描述的值。如表 3 所示， 为获得期望光学性能， 我们改 变了这些参数中的若干个参数。更具体地， 这些参数用于获得与 光纤相似的光纤色 散值和色散斜率。例如， 表 4 中给出的示例性光纤 7、 8 以及 11 的色散在 1550nm 波长下在 4.69ps/nm/km 与 5.17ps/nm/km 之间。示例 9 和 10 的色散值略高， 但 1550nm 下的 κ 值仍 小于 80nm， 且零色散波长大于 1470nm。
表315101910896 A CN 101910902
说示例 7明示例 8 0.831 0 0.831 2.825 1.27书示例 9 0.785 0 0.785 2.8 1.40 示例 10 0.762 0 0.762 2.875 1.41 示例 11 0.7845 0.5 0.623 3.425 1.5312/14 页ΔCMAX RC1a Δ22bMAX RC10.723 0 0.723 3.225芯α R3MID W26 Δ26MAX Δ24MIN R32 R34 Δ34MIN Δ32MIN W24 V22(％ ×μm2) V26(％ ×μm2)
1.24 6.68 4.105 0.148 0.02 17.63 20.35 -1 0 1.4025 1.4887 4.06 5.95 3.255 0.201 0.02 13.63 16.35 -1 0 0.498 1.3254 3.92 5.89 3.035 0.231 0.019 13.1 16.25 -1 0 1.5725 1.3 4.15 6.38 2.05 0.208 0.018 13.1 16.7 -1 0 2.48 1.3347 2.73 7.64 3.15 0.102 0.0436 17.85 20.1 -1 0 2.64 1.94 2.48表4示例 7 1550nm 下的色散 (ps/nm/km) 1550nm 下的斜率 (ps/nm2/km) 5.46 示例 8 5.17 示例 9 6.69 示例 10 8.28 示例 11 4.690.1070.0940.1070.1040.07516101910896 A CN 101910902说1499 51.01 80.80明1495 54.81 82.54书1487 62.76 85.88 1471 79.35 89.6813/14 页零色散 (nm) κ(nm) 1550nm 下的 2 Aeff(μm2) 1550nm 下的 MFD(μm) 1550nm 衰减 (dB/km) 光缆截止 (μm) 15mm 半径下的弯 曲损耗 (dB/m)
1487 62.95 65.8210.1210.3710.3910.569.430.199 1.40 0.460.196 1.30 0.890.199 1.43 0.290.199 1.45 0.440.195 1.20 0.58在光纤示例 7、 8、 9 以及 10 中， 示出了具有 80μm2 或更高的高有效面积的若干光 光纤， 光纤 7、 8、 9以2纤。虽然不希望受理论束缚， 但申请人认为由于有效面积大于 及 10 在 1550nm 下的色散斜率比 于光纤高约 0.01ps/km/nm 。示例 11 的有效面积小光纤的有效面积， 但光缆截止波长小于 1260nm， 这使该光纤能用于 1300nm 窗口。 光色散斜率也被降低， 这通过增大 κ 值使 1550nm 窗口 (c 波段 ) 中的色散补偿更容易。此 外， 由于利用了第二环形包层区 34， 光纤 7-11 的弯曲引入损耗被最小化 ( 相对于 纤 )。图 3 和 4 示出了
光纤以及示例 7、 9、 10 以及 11 的光纤的折射率分布。优选本文中公开的光纤具有低含水量， 而且优选是低水峰光纤， 即具有在特定波 长区域尤其是 E 波段中呈现出相对低或无水峰的衰减曲线。
可 在 美 国 专 利 No.6477305、美 国 专 利 No.6904772 以 及 PCT 申 请 公 开 No.WO01/47822 中找到制造低水峰光纤的方法。
可在光信号传输系统中采用本文中公开的所有光纤， 该系统优选包括发射器、 接 收器以及光传输线。光传输线光学地耦合至发射器和接收器。光传输线优选包括至少一个 光纤跨度， 其优选包括本文中公开的光纤的至少一部分。光传输线允许光信号在发射器与 接收器之间传输。优选系统还包括光学地耦合至光纤部分的至少一个放大器， 诸如拉曼放 大器。 该系统还优选包括多路复用器， 用于将能携带光信号的多个信道互连到光传输线上， 其中至少一个、 更优选至少三个以及最优选至少十个光信号在约 1260nm 与 1625nm 之间的 波长下传播。优选至少一个信号在以下波长区的一个或多个中传播 ： 1310nm 波段、 E 波段、 S 波段、 C 波段以及 L 波段。
在某些优选实施例中， 系统能够在粗波分复用模式下工作， 其中一个或多个信号 在以下波长区中的至少一个、 更优选至少两个中传播 ： 1310nm 波段、 E 波段、 S 波段、 C 波段 以及 L 波段。在一个优选实施例中， 系统在 1530nm 与 1565nm 之间的一个或多个波长下工 作。在一个实施例中， 使用该光纤的该传输系统工作于 ： 在 (i) 时分复用 (TDM) 或 (ii) 波分复用传输的情况下以至少 40 吉比特 / 秒工作。因此， 根据某些实施例， 该光传输系统包 括发射器、 接收器以及放置在它们之间的根据本发明的光纤， 该光纤具有至少 40 吉比特 / 秒的数据传输速率。
应当理解的是， 上述描述仅仅是本发明的示例， 而且旨在提供用于理解由所附权 利要求限定的本发明的本质和特征的概览。所包括的附图用于提供对本发明的进一步理 解， 且被结合到本说明书中并构成其一部分。 附图示出本发明的多个特征和实施例， 并与它 们的描述一起用于说明本发明的原理和操作。对本领域的技术人员显而易见的是， 可对此 处描述的本发明的优选实施方式作各种修改而不偏离由权利要求书限定的本发明的精神 或范围。