具有减小的残余应力不连续性的光纤

摘要

一种具有减小的残余应力不连续性的光纤被公开。所述光纤包括光学传输介质的纤芯和围绕所述纤芯的包层。纤芯和包层之间的界面上的残余应力不连续性是20.0MPa或者更小，者通过(r/a)＝0.8－1.1上最小轴向应力和在(r/a)＝1.0－1.2上的最大轴向应力之间的差值的绝对值来进行表示，其中a是纤芯的半径，r是从纤芯的中心所测量的半径。

说明书

技术领域

本发明涉及光传输介质，具体而言涉及光纤。

背景技术

用于制造光纤的传统过程通常被分为预成形制造过程和拉制过程。在拉制过程中，被使用的拉制温度对残余应力有较大的影响，所述残余应力发生在光纤的纤芯和包层之间的界面上。各种残余应力影响各种光学特征。因此，使用拉制温度控制残余应力非常重要。否则，光纤的合成物必须按照残余应力不受拉制温度的影响的方式来设计。

但是，主要用作存取网络、FITH(光纤至家庭)、LAN或者WAN的光学传输介质光纤(包括10Mbps、100Mbps、1Gbps和10Gbps的以太网光纤)在它们被安置到电缆沟道、建筑或者用于安装和操作的复杂办公房间时将会通过许多弯曲的区域。这样的弯曲的区域必须不能影响损耗，所述损耗是通讯中一个很重要的因素。

图1显示了具有渐变折射率分布的典型的光纤。所述光纤110包括纤芯120和围绕所述纤芯120的包层130。纤芯120的折射率的分布用公式1在如下给出，光纤110的模态带宽(modal bandwidth)受到等式中的α的很大影响，所述模态带宽也是重要的光学特征之一。

n＝n₁(1-2Δ(r/a)^α)^1/2    (公式1)

在上述的公式中，n是光纤110的纤芯120的折射率；n₁是纤芯120的中心(r＝0)上的折射率；Δ是相对折射率差值；a是纤芯120的半径；r是从纤芯120的中心所测量的半径；以及α是纤芯波形因数。所述α对纤芯120和包层130之间的界面(r/a＝1)上的残余应力不连续性敏感。特别是，残余应力不连续性极大地受到纤芯120和包层130之间的合成物的差异或者通过光纤的拉制条件影响，例如加热温度、冷却速度和拉制速度。

传统关于光纤的弯曲损耗的技术包括用于减小单模光纤的弯曲损耗的方法，这主要通过修改它们的纤芯和包层的折射率结构来进行。但是，现有技术中没有用于控制残余应力不连续性的方法。

Carnevale等的标题为“Single-mode fiber with graded index ofrefraction”的美国专利No.4,412,722公开了一种制造单模光纤的方法，所述单模光纤具有渐变的折射率分布的纤芯。Hodges等的标题为“Single-mode bend insensitive fiber for use in fiber optic guidanceapplications”的美国专利No.4,838,643公开了一种在包层区域的部分中具有凹陷区域或隔离沟槽的结构。Shang的标题为“Optical fiber havingenhanced bend resistance”的美国专利No.5,032,001公开了一种在包层区域中具有凸起的区域和凹陷的区域结构。Antos等的标题为“Low bend losssingle-mode optical waveguide fiber”的美国专利No.5,278,931公开了一种方法，其中内纤芯的折射率被增加以减小MFD(模场直径)，同时维持零扩散波长；漫射尾端效应在纤芯和包层之间的界面上减小以抑制不必要的截止波长和MFD的增加；或者环结构被施加到外部区域以抑制零扩散波长的增加，所述零扩散波长通过外纤芯折射率的增加所导致。Dabby的标题为“Optical waveguides having reduced bending loss and method of making thesame”的美国专利No.5,175,785公开了一种能够通过使用虚拟单模结构而支持双模或者多模的结构，其截止波长基本上大于零扩散波长，并减小纤芯和包层之间的折射率差值。

如上所述，传统的光纤的问题在于，根据拉制条件在它们的纤芯和包层之间的界面上的残余应力产生严重改变。此外，即使在较小的弯曲(直径大约是10mm)的情况下，传统的光纤具有较大的弯曲损耗，而所述弯曲发生在近来的存取网络、FTTH、LAN和WAN上。

发明内容

本发明的一方面涉及在其纤芯和包层之间的界面上具有较低的残余应力不连续性的光纤。

本发明的另外一方面涉及与传统的光纤相比具有较小弯曲损耗的光纤。

本发明的另外一方面涉及提供一种对拉制条件不敏感的光纤，所述光纤拉制条件包括加热温度、拉制速度和冷却速度。

本发明的一个实施例提供一种光纤，所述光纤包括光学传输介质的纤芯和围绕所述纤芯的包层。纤芯和包层之间的界面上的残余应力不连续性是20.0MPa或者更小，这通过(r/a)＝0.8-1.1上最小轴向应力和在(r/a)＝1.0-1.2上的最大轴向应力之间的差值的绝对值来进行表示，其中a是纤芯的半径，r是从纤芯的中心所测量的半径。

本发明的另外一个实施例提供一种光纤，所述光纤包括光学传输介质并主要由SiO₂和GeO₂组成的纤芯以及围绕所述纤芯的包层。

附图说明

本发明的其它方面和/或者优点将部分参照附图的说明和实施例而变得显而易见，或者可以通过实施本发明而了解到，其中：

图1显示了渐变折射率分布的典型光纤；

图2显示了具有渐变折射率分布的光纤的残余应力不匹配；

图3显示了用于测量弯曲损耗的装置；以及

图4-10显示了根据本发明的特征值。

具体实施方式

此后，本发明将参照附图进行详细说明。为了清楚和简洁，对公知的功能和结构将省略说明，因为它们将使得本发明的主题变得模糊。

图2显示了具有渐变折射率分布的光纤的残余应力失配。光纤包括纤芯和包层。在图2中，z是传播轴；ê₁是纤芯模的特征向量；ê₂是包层模的特征向量；₁是纤芯的双折射向量；以及₁是包层的双折射向量。

纤芯模的特征向量满足下述公式：

<ê_i|ê_j>＝0    (公式2)

其中i≠j；i，j＝1或者2；1指的是纤芯模；2指的是包层模。

纤芯模和包层模的特征向量的关系如下：

<ê_i|ê_j>＝0    (公式3)

其中i≠j；并且i，j＝1或者2。

由于双折射在纤芯模和包层模之间的耦合如下：

$>>⟨>ver>>e>>^>>>>i>>|>>H>b>>|>ver>>e>>^>>>>j>>⟩>=>⟨>ver>>e>^>>i>>|sup>>H>b>2sup>>+sup>>H>b>1sup>>|>ver>>e>^>>j>>⟩>=>ver>>e>^>>i>>\times >ver>>b>^>>2>>·>ver>>e>^>>j>>+>ver>>e>^>>j>>\times >ver>>b>^>>1>>·>ver>>e>^>>i>>>s>$

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(公式4)

其中i≠j；并且i，j＝1或者2；H_b是关于双折射的模式耦合哈密而顿算子。

弯曲损耗如下给出：

a_b∝|<ê_i|Hb|ê_j>|²exp(-r/r_b)∝|ê₁|²|ê²|²|²-₁|²exp(-r/r_b)    (公式5)

其中i≠j；并且i，j＝1或者2；r是弯曲半径；r_b是临界弯曲半径。

从等式5，很显然纤芯和包层之间的双折射的区别|₂-₁|越大，弯曲损耗就越大。如果弯曲损耗相同，所述纤芯和包层之间的双折射之间的差别越大，临界弯曲半径越大。随着临界弯曲半径的变大，就更可能在线路的安装和操作的过程中弯曲损耗增大，安装条件将受到限制。因此，纤芯和包层之间的双折射的差异为了较低的弯曲损耗必须减小。总之，|ê₁|²|ê₂|²的值在靠近纤芯和包层之间的界面最大。纤芯和包层之间的双折射的差异|₂-₁|决定弯曲损耗。因此，纤芯和包层之间的双折射的差异为了较低的弯曲损耗必须减小。

光纤之内的双折射的分布可以根据纤芯和包层的成分和残余应力而变化。例如，纤芯和包层可以由于添加了较大的双折射率的物质或者由于在拉制光纤时纤芯和包层之间粘性的差异而显示双折射的差异。纤芯和包层之间的双折射的差异可以如下给出：

|₂-₁|＝b_m+b_s    (公式6)

其中bm是添加的物质对双折射的作用程度，b_s是由于残余应力所导致的对双折射的作用程度。具有较大极化度的物质，例如P和Ge，具有较大的b_m值，同时，光纤的拉制条件，包括加热温度、拉制速度和冷却速度具有较大的b_s。

在溶化和拉制光纤预成形件的工艺的过程中，纤芯和包层之间任何的冷却速度的差异导致拉制张力的差异，所述张力被施加到纤芯和包层。当光纤被冷却和硬化，拉制张力作为残余应力被保留。

加入诸如GE、P、F和Cl的物质减小了玻璃转化温度并延迟了硬化或者增加了热收缩的程度。如果具有不同密度的物质被分别添加到纤芯和包层中，它们之间的界面上的残余应力的不连续将由于硬化速度和热收缩的差异而发生。因此，包括加热速度、拉制速度和冷却速度的拉制条件，以及热收缩、冷却速度和由于纤芯和包层之间的组成的差异所导致的玻璃转化温度的差异导致b_s的分布。

如下给出的表1表示了在具有渐变折射率分布的不同光纤的纤芯和包层之间的界面上的残余应力不连续性的程度。纤芯和包层具有相同的直径，但是具有不同的成分。例如，所述芯部可以具有8.5±1.5μm、25.0±1.5μm或者31.25±1.5μm的半径，并且包层可以具有62.5±2.5μm的半径。

                             表1

示例包层的成分沉积包层的成分纤芯的成分纤芯和包层之间的界面上的残余应力不连续性程度1 SiO₂ SiO₂-GeO₂连续2 SiO₂SiO₂ SiO₂-GeO₂连续3 SiO₂ SiO₂-GeO₂ -P不连续4 SiO₂ SiO₂-GeO₂ -F不连续5 SiO₂ SiO₂-GeO₂ -P₂O₅-F不连续6 SiO₂ SiO₂-GeO₂-P₂O₅-F SiO₂-GeO₂ -P₂O₅-F不连续

在表1中，“被沉积的包层”指的是沉积在纤芯和包层之间的包层。“纤芯和包层之间的界面”指的是纤芯和被沉积的包层之间的界面。在示例1中，所述芯部由80-100重量百分比的SiO₂和0-20重量百分比的GeO₂所构成。

当纤芯和包层之间的界面上的残余应力不连续性是20.0MPa或者更小时发生“残余应力匹配”。这是通过在(r/a)＝0.8-1.1上最小轴向应力和在(r/a)＝1.0-1.2上的最大轴向应力之间的差值的绝对值来进行表示。在所述关系中，a是纤芯的半径，r是从纤芯的中心所测量的半径。

Jin-Han Kim的标题为“Apparatus and method for measuring residualstress and photo-elastic effect of optical fiber”的韩国专利申请No.2002-126,944公开了由于这样残余应力用于测量双折射的值的方法(其内容此处并入以供参考)。由此方法所测量的双折射值由于公式6中的纤芯成分的缘故预分布(b_m)成比例，包括Ge、P和残余应力的分布。因此，公式6的双折射值由通过上述方法测量的轴向应力值代替。

图3显示了测量弯曲损耗的装置200。所述装置200包括白光源210、折射率匹配油220、目标光纤230和OSA(光谱分析仪)240。通过在围绕具有半径5mm的圆棒缠绕目标光纤230 15次之前和之后测量各损耗值而测量弯曲损耗。目标光纤230的缠绕数不限制本发明。白光源210输出光，所述光通过折射率匹配油220。在传播到包层的光的模被消除之后，所述光被输入到OSA 240中。目标光纤230的测量长度是3m。但是，这样的长度不限制本发明。

表1中所出现的示例的特征将参照图4-10彼此进行比较。

图4显示了具有较低的残余应力不连续性的光纤的弯曲损耗曲线310和另外的具有较高的残余应力不连续性的光纤的弯曲损耗曲线320。在850±10nm的波段中，具有较低的残余应力不连续性的光纤具有低于所述具有较高的残余应力不连续性的光纤大约1.6dB的弯曲损耗。

图5显示了具有较低的残余应力不连续性的光纤的弯曲损耗曲线410和另外的具有较高的残余应力不连续性的光纤的弯曲损耗曲线420。在1300±10nm的波段中，具有较低的残余应力不连续性的光纤具有低于所述具有较高的残余应力不连续性的光纤大约1.5dB的弯曲损耗。

图6显示了表1中的示例1的残余应力分布。在纤芯和包层之间的界面(r/a＝1.0)上残余应力不连续性是大约2-3MPa。

图7显示了表1中的示例3的残余应力分布。残余应力不连续性在纤芯和包层之间的界面上是大约25-30MPa。

图8显示了表1中的示例4的残余应力分布。残余应力不连续性在纤芯和包层之间的界面上是大约25-30MPa。

图9显示了具有较高的残余应力不连续性的光纤根据拉制温度的残余应力分布曲线。第一曲线530具有拉制温度2100℃，第二曲线520具有2150℃，以及第三曲线510具有2200℃。如果拉制温度被减小，在纤芯和包层之间的界面(r/a＝1.0)上残余应力不连续性从大约25MPa增加到大约80MPa。

图10显示了在拉制光纤的工艺的过程中纤芯的组成相对加热(或者拉制)温度的残余应力不连续性的不同值的影响。当加热温度被增加到2000-2200℃，示例3的残余应力不连续性值620从大约80MPa被改变到大约25MPa，同时示例1的残余应力不连续性值610显示了微量的变化，所述微量的变化小于10MPa。

因此，发明人的结论是：在由于拉制工艺过程中的预成形件的形状的改变，通过变长的服务时间所导致的加热炉的恶化等所导致的加热温度的变化时，示例1的光纤具有最小的残余应力不连续性的变化。这个功能也使得可以均匀和精确的方式控制渐变折射率分布并用1Gbps或者更大的透射功率来制造光纤。

如前所述，根据本发明的光纤具有减小的弯曲损耗，并适于在复杂的垂直或者水平线路内被安装和操作，以及在较窄的管道(例如在存取网络、FTTH、LAN或者WAN)被安装和操作。光纤也具有适于在具有1Gbps或者更大的传输速度的通讯网络中使用的光学特征。

此外，根据本发明具有渐变的折射率分布的光纤与现有光纤相比对拉制条件敏感性减小。

尽管对本发明的一些实施例进行了说明，本领域普通技术人员可以理解在不背离本发明的精神和原则的情况下可以对本发明进行修改和变化，其范围由所附权利要求书所限定。