具有低损耗和纳米级结构均匀的芯部的光学纤维制造技术

本申请具有低损耗和纳米级结构均匀的芯部的光学纤维。具体地，一种具有芯部区域的光学纤维，该芯部区域以各自的量掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量经配置以使得在具有大约600cm

【技术实现步骤摘要】
具有低损耗和纳米级结构均匀的芯部的光学纤维相关申请的交叉引用本申请要求于2015年7月24日提交的美国临时专利申请序列号62/196,465的优先权权益,该美国临时专利申请为本申请的受让人所有,且通过引用将其以其全文并入本文中。专利技术背景专利
本专利技术整体上涉及纤维光学领域，且特别涉及具有低损耗和纳米级结构均匀的芯部的改进的光学纤维。
技术介绍
由于互联网服务的迅速普及，对于能够在长距离内传输大量数据的低损耗光学纤维的需求呈指数增加。芯部均匀性对于光学传输性能有显著影响。当前生产的纤维具有掺杂有锗(Ge)的芯部且典型地具有超过0.18dB/km的衰减。这样的高衰减是由于来自Ge掺杂剂以及纳米级晶体缺陷的散射。虽然具有无Ge芯部的纤维可以去除一个衰减源，但是重要的是减少纤维芯部中的纳米级晶体缺陷浓度，从而将衰减进一步降低至低于0.18dB/km。通过降低拉制纤维时的速度可减小纳米级晶体缺陷的浓度。然而，使用较低的拉制速度增加了制造纤维所需的时间量，导致增加的制造成本。专利技术概述通过本专利技术的多方面解决了这些和其它问题，这些方面涉及具有低损耗和纳米级结构均匀的芯部的光学纤维。根据该专利技术的一个方面，光学纤维包括多个同轴纤维区域，该多个同轴纤维区域包括芯部区域和周围的包层区域，其中该同轴纤维区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种改变折射率的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以产生所选择的折射率分布。该芯部区域以各自的量掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量经配置以使得在具有大约600cm-1的频移的拉曼光谱中，该纤维具有纳米级结构，该纳米级结构具有小于0.025的积分D2线缺陷强度。根据该专利技术的又一个方面，该芯部区域以各自的量掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量经配置以使得该纤维具有残余轴向压缩应力，该残余轴向压缩应力具有大于20MPa的应力幅值和芯部半径的2倍和7倍之间的应力径向范围。根据该专利技术的另一个方面，通过该纤维的光传播的大部分由确定的组的纤维区域所支持，该确定的组的纤维区域包括该芯部区域和一个或多个邻近的包层区域。该纤维区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以获得在该确定的组中的纤维区域之间的粘度匹配。附图简要说明图1显示了示例性阶跃折射率光学纤维的等角(isometric)视图。图2显示了图1中所示纤维的折射率分布。图3显示了具有内圆周的基管的等角视图，在该内圆周上根据改进的化学气相沉积技术沉积了一系列化学烟灰层。图4显示了由图3中所示的基管的烧结和固结得到的预制体的等角视图。图5显示了说明由图4中所示的预制体拉制纤维的图。图6是示例性二氧化硅分子网络的三维示意图。图7和8显示了在两组纤维中测得的拉曼光谱：第一组具有掺杂有卤素掺杂剂的芯部，且第二组具有掺杂有卤素和碱金属掺杂剂二者的芯部。图9显示了示出图7和8的两组纤维中的积分D2线强度的表。图10显示了说明在1550nm处的纤维衰减和D2缺陷线强度的一般关联的图。图11显示了列出碱金属和卤素的离子半径和电荷的表。图12和13显示了对于包含相对低的K掺杂剂浓度的两个示例性预制体的钾和氯掺杂剂浓度与预制体径向位置。图14和15显示了对于包含相对高的K掺杂剂浓度的两个示例性预制体的钾和氯掺杂剂浓度与预制体径向位置。图16显示了预制体样品的显微图，对于该预制体样品，在图14中绘制了氯和钾掺杂剂浓度。图17A显示了在无碱金属的纤维中折射率与径向位置的关系。图17B显示了纤维的轴向应力分布与径向位置的关系。图18A显示了折射率与径向位置的关系，其中在预制体的中心沉积有K掺杂剂，且由该预制体拉制纤维。图18B显示了纤维轴向应力分布与径向位置的关系。图19显示了纤维的光谱损耗，该纤维在芯部区域中掺杂有钾，导致减小的纳米级晶体缺陷浓度；以及图20和21分别显示了根据本专利技术的又一个方面的光学纤维的侧视图和前视图。图22显示了图20和21中所示纤维的折射率分布。图23显示了列出用于图20和21中所显示的纤维的多个参数和掺杂制度的表。图24显示了列出根据该专利技术的各个方面的示例性芯部掺杂制度的表。图25和26显示了拉曼光谱解卷积为单个高斯、洛伦兹和多项式光谱分量以确定D2缺陷线强度的实例。详细说明本专利技术涉及呈现高度芯部均匀性的低损耗光学纤维，及用于制造这类纤维的技术。以下描述的该专利技术的示例性实践提供了纤维设计，甚至在以3米每秒或更大的速度拉制时，该纤维设计在1550nm处仍能达到0.18dB/km或更低的衰减。根据该专利技术的一方面，根据包括一种或多种降低粘度的掺杂剂的掺杂剂制度，通过对纤维预制体的芯部区域进行掺杂来获得上述纤维特性。在以下描述的该专利技术的多种实践中，采用碱金属作为降低粘度的掺杂剂。如以下所讨论的，仅向该纤维预制体的芯部区域加入的碱金属掺杂剂的降低粘度的性质延伸出该芯部区域，且导致当将该预制体拉制为纤维时纳米晶缺陷的形成的显著降低。图1显示了示例性阶跃折射率光学纤维100的图，其提供了用于本讨论的上下文。将理解的是，本文中所描述的技术适用于其它纤维设计。由二氧化硅(SiO2)制造纤维100，已向该二氧化硅加入化学掺杂剂以产生多个同轴区域，每个同轴区域是以各自的折射率为特征。纤维100包括芯部区域101、内部沟槽区域102、肩部区域103和外部包层区域104。图2显示了纤维100的示例性的折射率分布110，其显示了上掺杂(up-doped)的芯部111、下掺杂(down-doped)的沟槽112、上掺杂的肩部113和下掺杂的外部包层区域114。需要注意的是，在阶跃折射率光学纤维设计中，通常该用分数折射率差(fractionalrefractiveindexdifference)Δn区域来表示折射率：其中n区域是给定纤维区域的折射率，且n0是参比折射率(一般是未掺杂的二氧化硅的折射率)。为了本讨论的目的，假设采用改进的化学气相沉积(MCVD)技术来制造纤维100。然而，显然的是，本文中所描述的该专利技术的方面通常可适用于其它纤维制造技术。在MCVD技术中，将大直径二氧化硅基基管装载在车床中，且围绕其纵轴持续旋转。当该管旋转时，向该管的内圆周上沉积化学烟灰层。逐层建立每个预制体区域(对应于各自的纤维区域)，需要时加入化学掺杂剂。图3显示了在烧结和固结之前的MCVD预制体120的等角图。已向对应于纤维100的外部包层104的基管124的内圆周上逐层建立了预制体区域121、122和123，其分别对应于纤维100的芯部101、内部沟槽102和肩部103。需要注意的是，首先建立预制体区域123，且最后建立预制体的芯部区域121。在形成所有的预制体区域之后，将基管加热，以使得烟灰层烧结，且使得该管和烟灰层熔合并固结为柱形预制体130，如图4中所示。如图5中示意性地说明的，随后将该预制体130装载到拉制塔中，且拉制为光学纤维140，该光学纤维140具有芯部和周围区域，其对应于预制体区域131、132、133和134(图4)(且还对应于图3中的烟灰区域121、122、123和基管124)。如由重物标志141和箭头142所指示的，在拉制纤维时，向该纤维140施加受控的张力。如以下所讨论的，当与之前的掺杂制度结合使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学纤维，包括：多个同轴纤维区域，该多个同轴纤维区域包括芯部区域和周围的包层区域，其中该同轴纤维区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种改变折射率的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以产生所选择的折射率分布，其中该芯部区域以各自的量掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量经配置以使得在具有大约600cm

【技术特征摘要】
2015.07.24 US 62/196,465;2016.03.31 US 15/086,1691.一种光学纤维，包括：多个同轴纤维区域，该多个同轴纤维区域包括芯部区域和周围的包层区域，其中该同轴纤维区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种改变折射率的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以产生所选择的折射率分布，其中该芯部区域以各自的量掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量经配置以使得在具有大约600cm-1的频移的拉曼光谱中，该纤维具有纳米级结构，该纳米级结构具有小于0.025的积分D2线缺陷强度。2.如权利要求1的光学纤维，其中该芯部区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以使得该纤维在1550nm处具有低于0.18dB/km的衰减。3.如权利要求1的光学纤维，其中该芯部区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以使得该纤维在1550nm处具有低于0.17dB/km的衰减。4.如权利要求1的光学纤维，其中以大于3米每秒的速度拉制该纤维。5.如权利要求1的光学纤维，其中该芯部区域掺杂有P、Cl和F掺杂剂，其中P掺杂剂的量在0.2％和2％之间，其中Cl掺杂剂的量在0和15,000ppm之间，且其中F掺杂剂的量在0和150,000ppm之间。6.如权利要求1的光学纤维，其中该芯部区域掺杂有碱金属、卤素和磷共掺杂剂。7.如权利要求6的光学纤维，其中该芯部区域掺杂有K、Cl和P掺杂剂，其中K掺杂剂的量在5和2,000ppm之间，其中Cl掺杂剂的量在100和15,000ppm之间，且其中P掺杂剂的量在0％和2％之间。8.如权利要求6的光学纤维，其中该芯部区域掺杂有Rb、Cl和P掺杂剂，其中Rb掺杂剂的量在5和2,000ppm之间，其中Cl掺杂剂的量在100和15,000ppm之间，且其中P掺杂剂的量在0％和2％之间。9.如权利要求6的光学纤维，其中该芯部区域掺杂有Na、F和P掺杂剂，其中Na掺杂剂的量在5和2,000ppm之间，其中F掺杂剂的量在100和15,000ppm之间，且其中P掺杂剂的量在0％和2％之间。10.一种光学纤维，包括：多个同轴区域，该多个同轴区域包括芯部区域和周围的包层区域，该芯部区域和周围的包层区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种改变折射率的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以产生所选择的折射率分布，其中该芯部区域以各自的量掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量经配置以使得该纤维具有残余轴向压缩应力，该残余轴向压缩应力具有大于20MPa的应力幅值和芯部半径的2倍和7倍之间的应力径向范围。11.如权利要求10的光学纤维，其中该芯部区域以各自的量掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量经配置以使得该纤维在1550nm处具有低于0.18dB/km的衰减。12.如权利要求10的光学纤维，其中该芯部区域以各自的量和径向位置掺杂有一种或多种降低粘度的掺杂剂，所述各自的量和径向位置经配置以使得该纤维在1550nm处...

【专利技术属性】
技术研发人员：曼·F·延，皮特·I·波莱尔，汤姆·盖斯勒，拉斯穆斯·V·杨森，奥勒·A·勒弗灵，于尔根·奥斯特加德·奥尔森，戴维·W·派克汉姆，丹尼斯·J·特雷弗，帕特里克·W·韦斯科，B·朱，
申请(专利权)人：OFS菲特尔有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US