CN1237356C - 具有功率限制凹陷的光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明针对一种单模光波导纤维分布曲线(18、20、22、24)，该分布曲线提供相对大的有效面积，同时限制了宏弯曲损耗。有效面积大是由于波导纤维的纤芯使传播的光功率偏离波导中心。利用波导中央纤芯区周围的功率限制凹陷(24)，将利用销钉或20毫米心轴试验测得的宏弯曲损耗保持得很低。此外，还实现了低衰减并控制了截止波长，从而提供波长范围为1250～1700纳米的电信工作窗口。

Description

具有功率限制凹陷的光纤
本申请要求1999年7月27日提交的美国临时专利申请号60/145,759和1999年11月16日提交的美国临时申请号60/165,833的优先权。
                       发明背景
1.发明领域
本发明一般涉及抗弯曲性提高的光波导纤维，尤其涉及有效面积大的波导纤维，在1550纳米工作窗口内具有负总色散的的波导纤维，以及抗宏弯曲性与抗微弯曲性提高的波导纤维。
2.技术背景
具有较大有效面积的波导可以减少非线性的光学作用，包括自相位调制、四波混频、交叉相位调制和非线性散射过程等，这些作用都会使高功率系统中的信号减小。一般地说，对这些非线性作用的数学描述包括比值P/Aeff，其中P是光功率。非线性光学作用通常遵循含有[P×Leff/Aeff]项的方程，其中Leff是有效长度。因此，Aeff的增大会降低减小光信号的非线性作用。
电信产业中，需要在无再生器情况下，远距离传输较大的信息量，这导致了对单模光纤折射率分布设计的重新评价。
重新评价的关键是提供这样的光波导，它们能减少诸如上述的非线性作用；并为在1550纳米周围的波长范围(即，1250nm-1700nm)内工作时有较低的衰减而进行优化。此外，波导应与光放大器兼容；并且保持现已部署的光波导中诸如高强度、耐疲劳和抗弯曲等所需特性。
已经发现至少具有两个不同折射率分层的波导纤维具有足够的柔软性，可以满足和超过对高性能波导纤维系统的标准。授予Bhagavatula的美国专利第4,715,679号详细揭示了分层纤芯设计的类型。
增大波导有效面积的方法通常是将折射率分布曲线设计成使光纤内的光功率分布从波导纤维中心线向外偏移，从而减小功率密度。然而，在将功率分布向外朝纤芯边缘移动时，由于光纤弯曲，波导更容易损耗功率。
在光缆架设与安装过程中，已发现会出现弯曲损耗。在有些波导纤维应用中，至少一部分波导被安装成线圈状，例如装在接线盒里。
因此，要求光波导纤维能通过增大有效面积Aeff而减少折射率的非线性项，同时保持期望的抗宏弯曲性与抗微弯曲性。
                         定义
以下定义符合本领域常用定义。
-折射率分布曲线是折射率与波导纤维半径之间的关系。
-分层纤芯至少具有第一和第二波导纤芯部分或分层。每一部分或分层沿一特定的径向长度定位，基本上相对于波导纤维中心线对称，且具有相关的折射率分布曲线。
-纤芯分层的半径用各分层的起点和终点处的相应折射率来定义。本文使用的半径定义参照图1进行说明。在图1中，中央折射率分层10的半径是长度2，它是从波导中心线延伸到分布曲线变成分层12之α分布曲线的点，该点是折射率与半径曲线开始遵循下面对α分布曲线建立的公式的点。分层12的外半径4从中心线延伸到α分布曲线的外推下降部分与分布曲线分层14的外推延伸相交的径向点。这一定义适用于诸如α分布曲线或阶跃折射率分布曲线等其它中央分层。另外，该定义还适用于那些第二分层的形状不同于α分布形状的情况。在应用其它中央分层形状时，用一单独的图来表示半径。分层14的半径6是从中心线延伸到其Δ％为分层16之半Δ％最大值的半径点。其它分层半径的定义类似于分层14的定义，一直到最后的纤芯分层。分层16(即，图1所示纤芯的最后一分层)的中点半径8是从中心线测量至该分层宽度的中点。某一分层(如分层16)的宽度在分层16两端Δ％半值之间延伸。光纤的包层在图1中示为17。
这里所述的定义符合计算机模拟，这种模拟可以在给定一折射率分布曲线的情况下预测功能波导性能。模拟还可反过来提供一族具有预选功能特性组的折射率分布曲线。
-有效面积为：
Aeff＝2π(∫E2r dr)2/(∫E4r dr)，其中积分限为0至∞，并且E是与波导中传播的光有关的电场。有效直径Deff可定义为：
Aeff＝π(Deff/2)2。
-相对折射率百分比为Δ％＝100×[(ni 2-nc 2)/2ni 2]，其中除非特别指明，ni为区域i的最大折射率，并且除非特别指明，nc为包层区域的平均折射率。
-术语α分布曲线是指遵循下述等式的折射率分布曲线，该式用Δ(b)％表示，其中b是半径：
Δ(b)％＝Δ(b0)(1-[|b-b0|/(b1-b0)]α)，其中b0是Δ(b)％为最大值的点，b1是Δ(b)％为零的点，b在bi≤b≤bf的范围内，Δ如上定义，bi是α分布曲线的起点，bf是α分布曲线的终点，α是实数的指数。选择α分布曲线的起点和终点，并将其输入计算机模拟中。如这里所使用的，如果在α分布曲线之前是阶跃型折射率分布曲线或任何其它分布形状，那么α分布曲线的起点是α分布曲线与阶跃型或其它分布曲线的交点。
在模拟中，为了使α分布曲线与相邻分布分层的分布曲线光滑连接，可以将等式重写成：
Δ(b)％＝Δ(ba)+[Δ(b0)-Δ(ba)]{(1-[|b-b0|/(b1-b0)]α)}，其中ba是相邻分层的第一点。
-销钉阵列弯曲测试用于比较波导纤维的相对抗弯曲性。为了进行该测试，对基本上不发生感生弯曲损耗的波导纤维测量其衰减损耗。然后把波导纤维绕销钉阵列弯曲，再次测量衰减。弯曲带来的损耗是两次衰减测量结果的差。销钉阵列是一组按单行排列并在一平面上保持固定垂直位置的十个圆柱销钉。销钉的中心至中心间距为5毫米。销钉直径为0.67毫米。使波导纤维穿过相邻销钉的两侧。在测试期间，对波导纤维施加足以使波导与销钉周边一部分贴合的张力。
-其它弯曲测试包括将一根光纤围绕一根或多根具有预选半径的心轴。在本场合中，所用的宏弯曲测试是波导围绕20mm直径心轴一周所引起的损耗。
-这里所述的另一种弯曲测试是横向负载测试。在该微弯曲测试中，将一根规定长度的波导纤维放在两个平板之间。将一个#70铁丝网固定于其中一个平板。(销售代码为#70的网是用0.178毫米直径的金属丝做的筛网，筛孔为方形，边长为0.185毫米)。把已知长度的波导纤维夹在平板之间。用30牛顿的力压板，测量参考衰减。然后对板加70牛顿的力，并测量衰减的增量，其单位为dB/m。此衰减增量是波导的横向负载衰减。
                          发明内容
依照本发明，提供了一种单模光波导纤维。该单模光波导纤维包括：纤芯区，周围包裹与接触一包层，纤芯区与包层具有各自的折射率分布曲线，并被构成将光引导通过光波导纤维。纤芯区包括：中央区和功能限定凹陷。其中中央区至少包含三个分层，每个分层具有各自的折射率分布曲线、内外半径以及从波导中心开始向外计的相对折射率百分比Δ0％、Δ1％与Δ2％，相对折射率百分比是正值并且满足Δ0％＞Δ2％＞Δ1％。功能限定凹陷包裹着中央区，并具有内、外半径，功率限制凹陷的相对折射率Δp％为负值。在本发明中，被引导通过光波导纤维的光在1550纳米处具有功率分布，波导25微米半径点的功率与10微米半径点的功率之比小于约1×10-4。
在本发明的单模光波导纤维中，所述单模光波导纤维的衰减可以小于或等于约0.22dB/km。
在本发明的单模光波导纤维中，光波导纤维可以被设计成工作于1250～1700纳米的波长范围内。
在本发明的单模光波导纤维中，光波导纤维可以被设计成工作于1520～1650纳米波长范围内。
在本发明的单模光波导纤维中，功率限制凹陷的宽度可以在约0.75～13微米范围内，内半径不小于约1 2微米，相对折射率在-0.05％～-0.80％的范围内。另外，功率限制凹陷从波导中心线到功率限制凹陷几何中心的半径在12.5～22微米的范围内。
在本发明的单模光波导纤维中，有效面积不小于约60微米2，光波导纤维截止波长在约1450～1900纳米的范围内。
在本发明的单模光波导纤维中，所述中央区的各条折射率分布曲线可以选自由α分布曲线、阶跃型分布曲线、带圆角的阶跃型分布曲线、梯形与带圆角梯形组成的组。
在本发明的单模光波导纤维中，光波导纤维的有效面积大于或等于75微米2。较佳的，光波导纤维的有效面积大于或等于80微米2。
在本发明的一个实施例中，Δ0％在0.35～0.45％的范围内，Δ1％在0～0.05％的范围内，Δ2％在0.06～0.15％的范围内，Δp％在-0.05～-0.80％的范围内。从波导中心起向外计，第一分层半径在3～5微米的范围内，第二分层外半径在7～9微米的范围内，第三分层外半径在9～13微米的范围内，功率限制凹陷的几何中心半径在19～21微米的范围内，功率限制凹陷宽度在3～10微米的范围内。离中心线25微米处的功率与10微米半径点处的功率之比小于约3×10-5。有效面积不小于约75微米2。
在本发明的另一个实施例中，Δ0％在0.5～0.6的范围内，Δ1％在-0.025～0.01％的范围内，Δ2％在0.06～0.30％范围内，Δp％在-0.05～-0.80％的范围内，并且从波导中心起向外计，第一分层半径在2.0～4.5微米的范围内，第二分层外半径在5～9微米的范围内，第三分层外半径在11～16微米的范围内，功率限制凹陷的几何中心半径在14～20微米的范围内，功率限制凹陷宽度在3～10微米的范围内。有效面积不小于约65微米2。离中心线25微米处的功率与10微米半径点处的功率之比小于约1.4×10-5。
在本发明的又一个实施例中，所述中央区还包括第四分层，所述第四分层具有折射率分布曲线、内半径与外半径，以及相对折射率百分比Δ3％，其中，所述中央区各分层的折射率分布曲线选自由α分布曲线、阶跃型分布曲线、带圆角的阶跃型分布曲线、梯形分布曲线与带圆角的梯形分布曲线组成的组，且Δ0％＞Δ2％＞Δ1％≥Δ3％。Δ0％在0.53～0.65％的范围内，Δ1％在0～0.065％的范围内，Δ2％在0.10～0.70％的范围内，Δ3％在0～0.05％的范围内，Δp％在-0.05～-0.80％的范围内。光波导纤维的有效面积大于或等于65微米2。较佳的，光波导纤维的有效面积大于或等于70微米2。从波导中心开始向外计，第一分层半径在2.0～2.5微米的范围内，第三分层中心半径在8.8～11.8微米的范围内，第三分层宽度在0.30～9微米的范围内，功率限制凹陷的内半径在12～19.5微米的范围内，功率限制凹陷的外半径在17～25微米的范围内。
在本发明的又一个实施例中，所述中央区还包括第四分层，所述第四分层具有折射率分布曲线、内半径与外半径，以及相对折射率百分比Δ3％，其中，所述中央区各分层的折射率分布曲线选自由α分布曲线、阶跃型分布曲线、带圆角的阶跃型分布曲线、梯形分布曲线与带圆角的梯形分布曲线组成的组，且Δ0％＞Δ2％＞Δ1％≥Δ3％。Δ0％在0.50～0.60％的范围内，Δ1％在0～0.10％的范围内，Δ2％在0.20～0.30％的的范围内，Δ3％在0～0.05％的范围内，Δp％在-0.05～-0.80％的范围内。Δp％在-0.2～-0.8％的范围内。较佳的，Δp比-0.25％更负。从波导中心开始向外计，第一分层半径在2.4～3.0微米的的范围内，第二分层外半径在8.4～9.7微米的范围内，第三分层外半径在10.3～12.6微米的范围内，第四分层外半径在14.5～16.5微米的范围内，功率限制凹陷的中心半径在16.5～20.2微米的范围内，功率限制凹陷宽度在0.75～13微米的范围内。
在本发明的单模光波导纤维中，有效面积可以不小于约60微米2，销钉阵列弯曲损耗小于约65dB。
在本发明的单模光波导纤维中，衰减可以不大于约0.25dB/km。
在本发明的单模光波导纤维中，模场直径可以大于约9微米。
在本发明的单模光波导纤维中，所述功率限制凹陷的外半径可以在17～25微米的范围内。
在本发明的单模光波导纤维中，有效面积可以不小于约60微米2，销钉阵列弯曲损耗小于22dB，20毫米心轴的弯曲损耗小于约11dB/m。衰减可以不大于约0.25dB/km。
在本发明的单模光波导纤维中，功率限定凹陷的宽度可以在0.75～13微米的范围内；并且纤芯和包层的各自折射率分布曲线被设计成可以引导1520～1650纳米波长范围内的信号。功率限制凹陷从波导中心线开始测得的外半径在可以17～25微米的范围内。有效面积可以不小于约60微米2。
在本发明的单模光波导纤维中，光波导纤维截止波长可以在1450～1900纳米的范围内。
在本发明的单模光波导纤维中，光波导纤维还可以包括至少一个包裹在所述包层周围的聚合物涂层，其直径在250-310微米的范围内。
本发明的一个方面是一种具有分层纤芯和包绕包层的单模光波导纤维，分层纤芯包括的纤芯中央区具有被功率限制凹陷(PLD)包绕的至少两分层。该功率限制凹陷是最后的纤芯分层，所以同包层接触。PLD的相对折射率小于形成PLD内边界的纤芯部分的折射率，且小于形成PLD外界的包层部分的折射率。纤芯与包层曲线，特别是限定PLD曲线的诸参数，在波长为1550±10纳米时，较佳地选择成可提供的功率比值不大于1×10-4，更佳的是地不大于5×10-5。再佳地不大于5×10-6，功率比值是在波导中离波导中心线25微米的径向位置传播的光功率除以在波导离中心线10微米的径向位置传播的光功率。工作波长范围较佳为1250～1700纳米，更佳的是为1520～1650纳米。PLD的内侧半径较佳为大于约12微米。从波导纤维中心线到PLD宽度中点的半径范围较佳为12.5～22微米。PLD宽度范围为0.75～13微米，较佳为3～10微米。
PLD宽度和相对折射率各自的范围较佳为0.75～13微米和-0.05％～0.80％。应该理解，对纤芯与包含形成PLD边界的部分掺以提高折射率的物质，可以使PLD实现负的相对折射率。根据选用的基准折射率，可将PLD的相对折射率做成正值，不过这只是一种数字上的习惯，并不影响折射率分布曲线形状或功能。更佳的是的PLD参数是宽度范围为3～10微米，相对折射率为-0.2％～-0.8％。实际上，PLD相对折射率的负下限通常取决于是否有可能，而不是更优先。PLD还可用该PLD与折射率分布曲线图水平轴所包封的面积来表征。如在PLD为阶跃折射率的情况中，包封的面积是阶跃宽度乘上阶跃深度。因此，应用上述更佳的是的宽度与相对折射率，与阶跃折射率有关的较佳包封面积为0.2μm％(1μm×相对折射率幅值的0.2％)～3.2μμm％(4μm×相对折射率幅值的0.8％)。
在本发明一实施例中，把纤芯和包层折射率分布曲线(包括PLD结构)选成可提供60微米2的有效面积，并保持光纤波导截止波长为1450～1990纳米。因而1450～1900纳米的范围可在1500纳米以上波长范围内实现单模操作。该波导的衰减保持适合高性能电信系统的水平。按本发明制作并设计用于1520～1650纳米较佳波长范围的光纤的衰减量在1550纳米测量。然而，1550纳米与较佳范围内其它波长的衰减之间的关系，在本领域是已知的。按本发明制造的波导，在1550纳米处的衰减小于0.25dB/km，通常小于0.22dB/km。具有这里揭示的分布曲线的光纤，曾测得1550纳米处的衰减小于0.20dB/km。
在本发明另一实施例中，纤芯中央区有三分层，每分层有自己的相对折射率(分层的这一相对折射率是该分层的最大相对折射率值)，离波导中心线最近的分层标为Δ0％，第二分层(从中心线向外计)标为Δ1％，第三分层标为Δ2％。这些相对折射率选成Δ0％＞Δ2％＞Δ1％。包括PLD在内的各分层各自的分布形状可以是α曲线、阶跃、带圆角阶跃、梯形或带圆角梯形。斜率锐变的曲线带圆角一般是掺杂物从高浓度区向低浓度区扩展造成的。根据这里使用的基准折射率定义，分布曲线实施例具有PLD相对折射率Δp％，它为负值。如上所述，包层的平均折射率被用作计算相对折射率的基准折射率。该实施例更详细的实例在下述实例中给出。
在本发明再一个实施例中，纤芯中央区有四分层，各分层有自己的相对折射率(分层的这一相对折射率是该分层的最大相对折射率值，除非另有说明)，离波导中心线最近的分层标为Δ0％，从中心线向外计，第二分层标为Δ1％，第三分层标为Δ2％，第四分层标为Δ3％，这些相对折射率选成Δ0％＞Δ2％＞Δ3％，较佳地Δ1％≥Δ3％。环形的第三分层将较高折射率的环形第二分层与PLO分开。对于制造波导纤维预制件而言，这种结构的优点可以避免掺锌基轴承合金区与掺氟区之间的界面，抑制界面气泡的形成。包括PLD在内的各分层的分布曲线形状，可以是α分布曲线、阶跃、带圆角阶跃、梯形或带圆角梯形。斜率锐率的曲线带圆角一般是掺杂物从较高浓度区向较低浓度区扩散造成的。该实施例的一实例在下面提出。
本发明的另一个方面是一种与第一方面同样构成的单模波导光纤，它具有三四个分层中心纤芯区，特定的纤芯与包层折射率分布曲线提供的有效面积大于60微米2，销钉阵列弯曲损耗小于65dB，较佳小于30dB，更佳的是小于20dB。该方面的一实施例包括的波导，衰减不大于0.25dB/km，一般不大于0.22dB/km，模场不小于9微米。本发明该方面的另一实施例中，PLD外半径为15～25微米。
本发明的再一个方面与第一方面一致，有效面积大于60微米2，销钉阵列弯曲损耗小于22dB，20毫米心轴弯曲损耗小于11dB/m。本发明该方面诸实施例的衰减不大于0.25dB/km，一般不大于0.22dB/km。
本发明的还有一个方面是按本发明第一方面制造的单模波导光纤，其PLD的宽度为0.75～8微米。波导纤芯折射率分布曲线构成工作于1 520～1659纳米的波长窗口。该方面的一实施例具有范围在14～20微米的PLD外半径。
在以衰减电平或有效面积为表征的每个方面或实施例中，应该理解，小于0.22或0.20dB/km的较低衰减或者大于65微米2、68微米2、70微米2、80微米2的较大有效面积都是可能而且优先的。
下面的详细描述将提供本发明的其它特征与优点，本领域的技术人员将从描述中部分地获得理解，或通过实践这里描述的本发明而加以认识，包括下面地详细描述、权利要求与附图。
应该理解，上述一般说明与下面的详细描述仅为了示明本发明，为理解权利要求提出的本发明的特征与特点提供一概要或框架。包含的附加可进一步理解本发明，并结合在此构成本说明书的一部分。附图示出本发明的各种实施例，与描述一起说明本发明的原理与工作。
                             附图概述
图1概括示出一种分层纤芯的分布曲线，提出了本文使用的对半径的定义。
图2和3是本发明绘制的折射率分布曲线。
图4是功率比与PLD面积相依性的曲线图。
图5是本发明绘制的折射率分布曲线图，其中纤芯中央区有四分层。
                      本发明的详细描述
现在详细参照本发明的诸较佳实施例，实例示于附图。只要可能，附图中将用同样的标号表示同样的部件。图2是本发明单模波导纤维的一示例实施例。虽然图2中折射率分布曲线的各分层示成接近于阶跃形状，具有斜边，但是分层40、43、46与50也可具有α分布曲线形状或带圆角的阶跃折射率、梯形或带圆角的梯形状。纤芯具有若干分层，可调节折射率分布曲线的形状与大小，此灵活性足以实现波导特性的多种组合。图2分布曲线代表的一组分布曲线可产生下述实例1提出的所需特性。该组曲线由下述较佳范围的相对折射率与半径来确定。中央分层40的相对折射率百分比Δ0％约为0.35～0.45％，半径42约为3～5微米。第一环形分层43的相对折射率百分比Δ1％约为0～0.05％，外半径44约为7～9微米。第二环形分层46的相对折射率百分比约Δ2％为0.06～0.20％，外半径48约为9～13微米。PLD 50的相对折射率百分比约Δp％为-0.05～-0.80％，中心半径约为19～21微米。PLD宽度52约为3～10微米。波导纤维用Δ％对半径的这些范围制造，有效面积大于70微米2，更佳的是大于75微米2，最佳的是大于80微米2，1550纳米处的衰减小于0.25dB/km，更佳的是小于0.22dB/km，在1520～1650纳米波长范围内的总色散斜率小于0.09ps/nm2-km，更佳的是小于0.075ps/nm2-km，销钉阵列弯曲损耗小于100dB，更佳的是小于65dB。
本发明将用下列作为本发明示例的实例来进一步说明。
实例1
参照图2，对于图示分布曲线中的各个相对折射率40、43、46和50，Δ0％为0.39％，Δ1％为0，Δ2％为0.085％，PLD的Δp％为-0.3，中央分层外半径42为3.5微米，第一环形分层外半径44为8微米，第二环形分层外半径48为17微米，PLD中心半径为20微米，PLD宽度为4微米。
模拟的波导参数是：1550纳米总色散为3.67ps/nm-km，总色散斜率为0.068ps/nm2-km，模场直径为10.6微米，有效面积为86.4微米2，光纤截止波长为1499纳米，销钉阵列弯曲损耗65dB。利用所述曲线，制作1550纳米衰减小于0.20dB/km的光纤。图2所示曲线56表示一功率分布，它与PLD面积约为1.65μm％的模拟曲分布线相关。PLD的作用是锐减纤芯区边缘附近的功率。
比较例1
对应于实例1的分布曲线，模拟第二分布曲线，但不包括PLD。在比较例中，模拟的波导参数是：1550纳米总色散为1.18ps/nm-km，总色散斜率为0.058ps/nm2-km，模场直径为10.8微米，有效面积为90.3微米2，光纤截止波长为2213纳米，销钉阵列弯曲损耗为127dB。与该模拟分布曲线有关的功率分布在图2中示为曲线54。在无PLD时，纤芯边缘的功率相对较高，该特性导致销钉阵列宏弯曲损耗比PLD曲线的损耗大2倍。各功率比值(即，将各功率曲线56和54离中心线25微米处的功率除以10微米处的功率)为3×10-5和7.6×10-4。PLD带来的改进超过了一个数量级，从而降低了宏弯曲损耗。此外，功率内移可以改善宏弯曲，对其它波导特性并无任何大的负面影响。
图3的分布曲线代表一组能产生下面实例2提出的期望特性的分布曲线。该组分布曲线一般具有一中央纤芯区，该纤芯区包括被PLD包绕的三个分层。该设计尤其适合海底应用场合。这里，各纤芯分层的分布曲线仍可以取图2讨论的各种形状。该组分布曲线由下列较佳范围的相对折射率与半径来确定。中央分层18的相对折射率百分比Δ0％约为0.5～0.6％，外半径26约为2.0～4.5微米。中央分层18被第一环形分层20包绕，后者的相对折射率百分比低于中央分层18，Δ1％约为-0.025～0.01％，外半径28约为5～9微米。第一环形分层20被第二环形分层22包绕，后者的相对折射率百分比Δ2％约为0.06～0.30％，外半径约为11～16微米。PLD 24的相对折射率百分比Δp％约为-0.05～-0.80％，中心半径32约为14～20微米。PLD宽度34约为0.75～13微米。Δp％较佳范围约为-0.2～-0.8％，更佳的是为比-0.25％更负。
利用在这些Δ％与半径范围内的折射率分布曲线制造波导纤维，其有效面积大于约65微米2，更佳的是大于68微米2，最佳的是大于70微米2，并且1550纳米处的衰减小于0.25dB/km，较佳的是小于0.23dB/km，更佳的是小于0.21dB/km，在波长范围1520～1650纳米内的总色散斜率小于0.09ps/nm2-km，更佳的是小于0.08ps/nm2-km，销钉阵列弯曲损耗小于50dB，较佳的是小于35dB，更佳的是小于30dB。微弯曲损耗小于约5dB/m，较佳的是小于3.3dB/m。应用这条折射率分布曲线制作的波导纤维，1550纳米处的衰减小于0.22dB/km。通过布置零色散波长，可使1550纳米的总色散具有正值或负值。光缆化的截止值一般小于1500微米。
下面用于说明本发明的实例将进一步示明本发明。
实例2
参照图3，对于图示分布曲线的各相对折射率18、20、22和24，Δ0％为0.54％、Δ1％为-0.02％，Δ2％为0.1％，PLD的Δp％为-0.3％，中央分层半径26为3.0微米，第一环形分层外半径28为5.5微米，第二环形分层外半径30为16微米，PLD的中心半径24为18微米，PLD宽度34为4微米。
模拟的波导参数为：1550微米总色散为-2.91ps/nm-km，在1520～1650纳米范围内的总色散斜率0.077ps/nm2-km，模场直径为9.54微米，有效面积为70.4微米2，光纤截止波长为1675纳米，销钉阵列弯曲损耗为19dB。用这条折射率分布曲线制作的波导纤维在1550纳米处的衰减小于0.22dB/km。与该模拟分布曲线有关的功率分布在图2中示为曲线38。PLD的作用明显减小了纤芯区边缘附近的功率，因而提高了宏弯曲性能。
比较例2
对应于实例2的分布曲线，模拟第二分布曲线，但不包含PLD。在该比较例中，模拟的波导参数是：1550纳米的总色散为-4.96ps/nm-km，在1520～1650纳米内的总色散斜率0.068ps/nm2-km，模场直径为9.65微米，有效面积为72.4微米2，光纤截止波长为2333纳米，销钉阵列弯曲损耗为31dB。与该模拟分布曲线有关的功率分布在图2中示为曲线36。在无PLD时，纤芯边缘的功率相对较高，该特征导致销钉阵列宏弯曲损耗比有PLD曲线时的损耗大1.65倍。取有各功率曲线38与36的功率比值(即，将离中心线25微米处的功率除以10微米处的功率)为1.4×10-5和1.6×10-4，改进了一个数量级。这一宏弯曲损耗的改善对其它波导特性无负面影响。
图5的分布曲线代表一组能产生以下实例3提出的期望特性的分布曲线。该组分布曲线的纤芯中央区包括被PLD包绕的四个分层，该设计适合海底应用。这里，各纤芯分层的分布曲线仍可取上述图2讨论的任何形状，各分层最好落在下述相对折射率与半径的较佳范围内。中央分层60的相对折射率百分比Δ0％约为0.53～0.65％，外半径71约为2.0～2.5微米。中央分层60被第一环形分层62包绕，后者的相对折射率百分比Δ1％比中央分层60低，较佳约为0～0.065％。分层62的外半径72由第二环形分层64的外半径74与宽度80决定。第一环形分层62被第二环形分层64包绕，后者的相对折射率百分比Δ2％约为0.10～0.70％，中心半径73约为8.8～11.8微米，宽度约为0.30～9.0微米。第三环形分层66包绕着第二环形分层64，相对折射率约为0～0.05％，外半径约为75为14.5～16.5微米。PLD 68的相对所射率百分比Δp％约为-0.05～-0.080％，内半径75约为12～19.5微米，外半径77为17～25微米。因此，PLD的最大宽度为13微米。PLD的较佳宽度范围为3～10微米，虽然其取值范围可以是约0.75～1.3微米。相对折射率百分比Δp％约为-0.2～-0.8％，更佳的是为比-0.20％更负的值。
在另一实施例中，图5的分布曲线代表一组能产生下面实例3提出的期望特性的分布曲线。该组分布曲线的中央纤芯区包括被PLD包绕的四个分层，该设计尤其适合海底应用。这里，各纤芯分层的分布曲线仍可取上述图2讨论的任何形状，各分层最好落在下列相对折射率与半径的较佳范围内。中央分层60的相对折射率百分比Δ0％约为0.5～0.6％，外半径7 1约为2.4～3.0微米。中央分层60被第一环形分层62包绕，后者的相对折射率比中央分层60低，Δ1％约为0～0.1％，外半径72约为8.4～9.7微米。第一环形分层62被第二环形分层64包绕，后者的相对折射率百分比Δ2％约为0.20～0.30％，外半径74约为10.3～12.6微米。第三环形分层66包绕着第二环形分层64，相对折射率约为0～0.05，外半径75约为14.5～16.5微米。PLD 68的相对折射率百分比约为-0.05～-0.80％，中心半径78约为16.5～20.2微米。该实施例中，PLD宽度70约为6.4～7.9微米，尽管如上所述，其宽度值范围可以为0.75～13微米。Δp％较佳范围约为-0.2～-0.8％，更佳的是为比-0.20％更负。
实例3
参照图5，对于图示分布曲线的各相对折射率60、62、64和66，Δ0％为0.55％、Δ1％为0.01％，Δ2％为0.225％，Δ3％为0，PLD的Δp％为-0.25％，中央分层外半径71为2.37微米，第一环形分层外半径72为8.8微米，第二环形分层外半径74为11.4微米。第三环形分层外半径66为15微米。PLD的中心半径78为18.3微米，PLD宽度70为7.1微米。
按这条曲线制作的波导纤维，1560纳米的总色散为-2.4ps/nm-km，总色散斜率为0.079ps/nm2-km，模场直径为9.36微米，有效面积67.4微米2，光缆化后的截止波长为1378纳米，销钉阵列弯曲损耗为29.6dB。利用该分布曲线制成的光纤在1550纳米处的衰减小于0.22dB/km，通常为0.204dB/km。该示例的微弯曲损耗为3.32dB/m。
在上述任一实施例中，结合使用更大直径的聚合物涂层时，微弯曲损耗明显减小，一般小于约1dB/m。在更大直径涂层实施例中，在125微米直径的波导纤维上使用了双层涂层，主层或第一层的直径为190±10微米，辅层直径为285±10微米。涂层外直径的上限由实际因素决定，诸如成本与便于架缆等。对于125微米的玻璃光纤直径，涂层直径合理的上限约为310微米。使用辅层直径目标值低达260±10微米的涂层，例如低达250微米的涂层，可改善微弯曲损耗。典型的光纤聚合物涂层是一种以双层聚氨脂丙烯酸酯为基的材料，其模量对于主层小于1.0MPa，对于辅层大于650MPa。在一实施例中，主层模量约为1.0～1.3MPa，辅层的模量约为650～850MPa。
实例4
制作一波导纤维并对其进行测量。该波导纤维的参数符合实例3的参数，其聚合物涂层包绕上述提出的大直径包层。测得的参数是：1560纳米处的总色散为-2.3ps/nm-km，总色散斜率为0.078ps/nm2-km，模场直径为9.25微米，有效面积为66微米2，光缆化后的截止波长为1435纳米，销钉阵列弯曲损耗为4.7dB，1550纳米处的衰减为0.196，微弯曲损耗为0.64dB/m。
本说明书提出的发明基本上可以适用于任何折射率分布曲线，以改善抗弯曲性，但几乎不改变其它波导纤维特性。图4的曲线58示出了当PLD面积增大时，25微米与10微米功率比的变化。曲线58对不同折射率分布曲线产生的一系列点的最佳拟合。对于较低的PLD值，即约小于1的那些值，围绕拟合线扩展的功率比数据点为7×10-5。在较大PLD面积时，功率比扩展约为2.2×10-5。随着PLD面积的增大，宏弯曲损耗的改善变得很少依赖于PLD分层内侧各纤芯分层的分布细节。对于大量设计在1250～1700微米波长带的分布曲线而言，都可从本发明获益。
本领域的技术人员将明白，可以不背离本发明的精神与范围对本发明作各种修正与变动。因此，只要符合所附权利要求及其等效技术方案的范围，本发明包括对本发明的修正与变动。

Claims (37)

1.一种单模光波导纤维，其特征在于，包括：
纤芯区，周围包裹与接触一包层，纤芯区与包层具有各自的折射率分布曲线，并被构成将光引导通过所述光波导纤维；
所述纤芯区包括：
中央区，所述中央区至少包含三个分层，每个分层具有各自的折射率分布曲线、内外半径以及从波导中心开始向外计的相对折射率百分比Δ0％、Δ1％与Δ2％，所述相对折射率百分比是正值并且满足Δ0％＞Δ2％＞Δ1％；
功能限定凹陷，所述功能限定凹陷包裹着所述中央区，并具有内、外半径，所述功率限制凹陷的相对折射率Δp％为负值；
被引导通过所述光波导纤维的光在1550纳米处具有功率分布，波导25微米半径点的功率与10微米半径点的功率之比小于约1×10-4。
2.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，所述单模光波导纤维的衰减小于或等于约0.22dB/km。
3.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，光波导纤维被设计成工作于1250～1700纳米的波长范围内。
4.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，光波导纤维被设计成工作于1520～1650纳米波长范围内。
5.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，功率限制凹陷的宽度在约0.75～13微米范围内，内半径不小于约12微米，相对折射率在-0.05％～-0.80％的范围内。
6.如权利要求5所述的单模光波导纤维，其特征在于，功率限制凹陷从波导中心线到功率限制凹陷几何中心的半径在12.5～22微米的范围内。
7.如上述任一权利要求所述的单模光波导纤维，其特征在于，有效面积不小于约60微米2，光波导纤维截止波长在约1450～1900纳米的范围内。
8.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，所述中央区的各条折射率分布曲线选自由α分布曲线、阶跃型分布曲线、带圆角的阶跃型分布曲线、梯形与带圆角梯形组成的组。
9.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，Δ0％在0.35～0.45％的范围内，Δ1％在0～0.05％的范围内，Δ2％在0.06～0.15％的范围内，Δp％在-0.05～-0.80％的范围内。
10.如权利要求1的单模光波导纤维，其特征在于，光波导纤维的有效面积大于或等于75微米2。
11.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，光波导纤维的有效面积大于或等于80微米2。
12.如权利要求9所述的单模光波导纤维，其特征在于，从波导中心起向外计，第一分层半径在3～5微米的范围内，第二分层外半径在7～9微米的范围内，第三分层外半径在9～13微米的范围内，功率限制凹陷的几何中心半径在19～21微米的范围内，功率限制凹陷宽度在3～10微米的范围内。
13.如权利要求12所述的单模光波导纤维，其特征在于，离中心线25微米处的功率与10微米半径点处的功率之比小于约3×10-5。
14.如权利要求13所述的单模光波导纤维，其特征在于，有效面积不小于约75微米2。
15.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，Δ0％在0.5～0.6的范围内，Δ1％在-0.025～0.01％的范围内，Δ2％在0.06～0.30％范围内，Δp％在-0.05～-0.80％的范围内，并且从波导中心起向外计，第一分层半径在2.0～4.5微米的范围内，第二分层外半径在5～9微米的范围内，第三分层外半径在11～16微米的范围内，功率限制凹陷的几何中心半径在14～20微米的范围内，功率限制凹陷宽度在3～10微米的范围内。
16.如权利要求15所述的单模光波导纤维，其特征在于，有效面积不小于约65微米2。
17.如权利要求16所述的单模光波导纤维，其特征在于，离中心线25微米处的功率与10微米半径点处的功率之比小于约1.4×10-5。
18.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，
所述中央区还包括第四分层，所述第四分层具有折射率分布曲线、内半径与外半径，以及相对折射率百分比Δ3％，其中，
所述中央区各分层的折射率分布曲线选自由α分布曲线、阶跃型分布曲线、带圆角的阶跃型分布曲线、梯形分布曲线与带圆角的梯形分布曲线组成的组，且Δ0％＞Δ2％＞Δ1％≥Δ3％。
19.如权利要求18所述的单模光波导纤维，其特征在于，Δ0％在0.53～0.65％的范围内，Δ1％在0～0.065％的范围内，Δ2％在0.10～0.70％的范围内，Δ3％在0～0.05％的范围内，Δp％在-0.05～-0.80％的范围内。
20.如权利要求19所述的单模光波导纤维，其特征在于，光波导纤维的有效面积大于或等于65微米2。
21.如权利要求19所述的单模光波导纤维，其特征在于，光波导纤维的有效面积大于或等于70微米2。
22.如权利要求19所述的单模光波导纤维，其特征在于，从波导中心开始向外计，第一分层半径在2.0～2.5微米的范围内，第三分层中心半径在8.8～11.8微米的范围内，第三分层宽度在0.30～9微米的范围内，功率限制凹陷的内半径在12～19.5微米的范围内，功率限制凹陷的外半径在17～25微米的范围内。
23.如权利要求18所述的单模光波导纤维，其特征在于，Δ0％在0.50～0.60％的范围内，Δ1％在0～0.10％的范围内，Δ2％在0.20～0.30％的的范围内，Δ3％在0～0.05％的范围内，Δp％在-0.05～-0.80％的范围内。
24.如权利要求23所述的单模光波导纤维，其特征在于，Δp％在-0.2～-0.8％的范围内。
25.如权利要求24所述的单模光波导纤维，其特征在于，Δp比-0.25％更负。
26.如权利要求23所述的单模光波导纤维，其特征在于，从波导中心开始向外计，第一分层半径在2.4～3.0微米的的范围内，第二分层外半径在8.4～9.7微米的范围内，第三分层外半径在10.3～12.6微米的范围内，第四分层外半径在14.5～16.5微米的范围内，功率限制凹陷的中心半径在16.5～20.2微米的范围内，功率限制凹陷宽度在0.75～13微米的范围内。
27.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，有效面积不小于约60微米2，销钉阵列弯曲损耗小于约65dB。
28.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，衰减不大于约0.25dB/km。
29.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，模场直径大于约9微米。
30.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，所述功率限制凹陷的外半径在17～25微米的范围内。
31.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，有效面积不小于约60微米2，销钉阵列弯曲损耗小于22dB，20毫米心轴的弯曲损耗小于约11dB/m。
32.如权利要求31所述的单模光波导纤维，其特征在于，衰减不大于约0.25dB/km。
33.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，功率限定凹陷的宽度在0.75～13微米的范围内；并且
纤芯和包层的各自折射率分布曲线被设计成可以引导1520～1650纳米波长范围内的信号。
34.如权利要求33所述的单模光波导纤维，其特征在于，功率限制凹陷从波导中心线开始测得的外半径在17～25微米的范围内。
35.如权利要求33所述的单模光波导纤维，其特征在于，有效面积不小于约60微米2。
36.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，光波导纤维截止波长在1450～1900纳米的范围内。
37.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，光波导纤维还包括至少一个包裹在所述包层周围的聚合物涂层，其直径在250-310微米的范围内。
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