低直徑光纖的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請根據(jù)35U.S.C. §120,要求2013年4月15日提交的美國申請序列第 13/862, 755號的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請為基礎(chǔ)并將其全文通過引用結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明一般地涉及光纖。更具體地，本發(fā)明涉及經(jīng)涂覆的光纖，其具有凹陷折射率 包層區(qū)域的折射率分布以及薄的低模量第一涂層。最具體地，本發(fā)明涉及小半徑的、經(jīng)涂覆 的光纖，其展現(xiàn)出高模場直徑和低彎曲損耗。
【背景技術(shù)】
[0003] 具有小半徑的經(jīng)涂覆的光纖是吸引人的，這是由于光纜尺寸的下降、光纜成本的 降低以及有效地利用現(xiàn)有管道基礎(chǔ)設(shè)施來進(jìn)行光纜安裝。半徑降低的光纖通常具有與標(biāo)準(zhǔn) 光纖相同的玻璃半徑（125μπι)，但是使用較薄的層作為第一和/或第二涂層。但是，涂層 厚度的下降，損害了涂層的保護(hù)功能。作為結(jié)果，本領(lǐng)域已經(jīng)做出許多努力來開發(fā)新的涂層 材料，其在小的厚度下維持充分的保護(hù)，以及新的玻璃組合物或折射率分布，其能夠容忍更 明顯的彎曲而不損害信號強(qiáng)度或質(zhì)量。雖然現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)提出了直徑下降的彎曲不敏感的 經(jīng)涂覆的光纖設(shè)計(jì)（參見例如，美國專利申請公開第20100119202號），這些光纖在1310nm 處的標(biāo)稱模場直徑（MFD)通常僅僅約為8. 6-8. 8μm。此類模場直徑導(dǎo)致直徑下降的光纖與 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SMF)(其標(biāo)稱MFD約為9. 2μm)連接之后的高接合/連接器連接損耗。
[0004] 為了避免低直徑光纖與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)單模光纖連接之后的信號損失，會希望開發(fā)一種 具有降低的半徑和模場直徑的光纖，其與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖是相容的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供經(jīng)涂覆的光纖，其半徑小于或等于ΙΙΟμπι，或者小于或等于105μπι， 或者小于或等于1〇〇μL?，所述經(jīng)涂覆的光纖具有大的模場直徑，而不經(jīng)受明顯的彎曲誘發(fā) 的信號退化。半徑下降的經(jīng)涂覆的光纖可包括半徑至少為50μm，或者至少55μm，或者至 少60μπι，或者至少62. 5μπι的內(nèi)玻璃區(qū)域，其與圍繞的第一和第二涂層相結(jié)合。以同心順 序，代表性光纖可包括：玻璃纖芯、玻璃包層、第一涂層和第二涂層。纖芯可以是較高折射率 的玻璃區(qū)域，并且可以被較低折射率的包層圍繞。包層可以包括一個(gè)或多個(gè)內(nèi)包層區(qū)域和 外包層區(qū)域，其中，內(nèi)包層區(qū)域中的至少一個(gè)可具有比外包層區(qū)域低的折射率。第一涂層可 以由較低模量的材料形成，第二涂層可以由較高模量的材料形成。
[0006] 纖芯可包括石英玻璃或者基于石英的玻璃。基于石英的玻璃可以是由堿金屬（例 如，Na、Κ)、堿土金屬（例如，Mg、Ca)、第III列元素（例如，Β)或者第V列元素（例如，Ρ) 或者摻雜劑改性的石英玻璃。纖芯上的折射率可以是恒定或者變化的。纖芯折射率可以是 在纖芯的中心處或者靠近中心處最大，并以較外纖芯邊界的方向連續(xù)下降。纖芯折射率分 布可以是或者近似高斯分布、超高斯分布、α分布或階梯式分布。
[0007] 包層可包括石英玻璃或者基于石英的玻璃?；谑⒌牟ＡЭ梢允怯蓧A金屬（例 如，Na、K)、堿土金屬（例如，Mg、Ca)、第III列元素（例如，B)或者第V列元素（例如，P) 或者摻雜劑改性的石英玻璃。包層可以包括內(nèi)包層區(qū)域和外包層區(qū)域，其中，內(nèi)包層區(qū)域的 折射率可以低于外包層區(qū)域。內(nèi)包層區(qū)域可以具有恒定或連續(xù)變化的折射率。內(nèi)包層區(qū)域 的折射率可以從其內(nèi)邊界向其外邊界連續(xù)下降。連續(xù)下降可以是線性下降。內(nèi)包層區(qū)域的 折射率可以在經(jīng)涂覆的光纖的折射率分布中形成凹陷（trench)。折射率凹陷可以是矩形或 三角形。外包層區(qū)域可以具有恒定折射率。
[0008] 包層可包括與纖芯相鄰的第一內(nèi)包層區(qū)域和布置在第一內(nèi)包層區(qū)域和外包層區(qū) 域之間的第二內(nèi)包層區(qū)域。第二內(nèi)包層區(qū)域的折射率可以低于第一內(nèi)包層區(qū)域的折射率。 第二內(nèi)包層區(qū)域的折射率可以低于外包層區(qū)域的折射率。第二內(nèi)包層區(qū)域的折射率可以低 于第一內(nèi)包層區(qū)域和外包層區(qū)域的折射率。
[0009] 第二內(nèi)包層區(qū)域的折射率可以是恒定或者連續(xù)變化的。第二內(nèi)包層區(qū)域的折射率 可以從其內(nèi)邊界向其外邊界連續(xù)下降。連續(xù)下降可以是線性下降。第二內(nèi)包層區(qū)域的折射 率可以在經(jīng)涂覆的光纖的折射率分布中形成凹陷。凹陷是下陷（expressed)折射率的區(qū) 域，并且可以是矩形或三角形的。外包層區(qū)域可以具有恒定折射率。
[0010] 可以通過石英或基于石英的玻璃中的正摻雜劑和/或負(fù)摻雜劑的空間分布的控 制，來實(shí)現(xiàn)纖芯和包層的折射率分布。
[0011] 第一涂層可以由包含低聚物和單體的可固化組合物形成。低聚物可以是氨基甲酸 酯丙烯酸酯或具有丙烯酸酯取代的氨基甲酸酯丙烯酸酯。具有丙烯酸酯取代的氨基甲酸酯 丙烯酸酯可以是氨基甲酸酯甲基丙烯酸酯。低聚物可以包含氨基甲酸酯基團(tuán)。低聚物可以 是包含一個(gè)或多個(gè)氨基甲酸酯基團(tuán)的氨基甲酸酯丙烯酸酯。低聚物可以是包含一個(gè)或多個(gè) 氨基甲酸酯基團(tuán)的具有丙烯酸酯取代的氨基甲酸酯丙烯酸酯?？梢宰鳛楫惽杷狨セ鶊F(tuán)和醇 基團(tuán)的反應(yīng)產(chǎn)物形成氨基甲酸酯基團(tuán)。
[0012] 第一涂層的原位彈性模量可以小于或等于IMPa，或者小于或等于0. 5MPa，或者小 于或等于0. 25MPa，或者小于或等于0. 20MPa，或者小于或等于0. 19MPa，或者小于或等于 0. 18MPa，或者小于或等于0. 17MPa，或者小于或等于0. 16MPa，或者小于或等于0. 15MPa。 第一涂層的玻璃轉(zhuǎn)化溫度可以小于或等于-15°C、或者小于或等于-25 °C、或者小于或 等于-30°C、或者小于或等于_40°C。第一涂層的玻璃轉(zhuǎn)化溫度可以大于_60°C、或者大 于-50°C、或者大于-40°C。第一涂層的玻璃轉(zhuǎn)化溫度可以是-60°C至-15°C，或者-60°C 至-30°C，或者-60°C至-40°C，或者-50°C至-15°C，或者-50°C至-30°C，或者-50°C 至-4(TC〇
[0013] 第二涂層可以由包含一種或多種單體的可固化第二組合物形成。所述一種或多種 單體可以包括雙酚A二丙烯酸酯、或者取代的雙酚A二丙烯酸酯、或者烷氧基化的雙酚A二 丙烯酸酯。烷氧基化的雙酚A二丙烯酸酯可以是乙氧基化的雙酚A二丙烯酸酯。可固化第 二組合物還可包含低聚物。低聚物可以是氨基甲酸酯丙烯酸酯或具有丙烯酸酯取代的氨基 甲酸酯丙烯酸酯。第二組合物可以不含氨基甲酸酯基團(tuán)、氨基甲酸酯丙烯酸酯化合物、氨基 甲酸酯低聚物或者氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物。
[0014] 第二涂層可以是彈性模量和玻璃轉(zhuǎn)化溫度高于第一涂層的材料。第二涂層的原位 彈性模量可以大于或等于1200MPa，或者大于或等于1500MPa，或者大于或等于1800MPa，或 者大于或等于2100MPa，或者大于或等于2400MPa，或者大于或等于2700MPa。第二涂層的原 位模量可以約為1500-10000MPa，或者1500-5000MPa。第二涂層的原位玻璃轉(zhuǎn)化溫度可以 至少為50°C，或者至少55°C，或者至少60°C，或者55-65°C。
[0015] 經(jīng)涂覆的光纖的半徑與第二涂層的外直徑一致。經(jīng)涂覆的光纖的半徑可以小于或 等于110μm，或者小于或等于105μm，或者小于或等于100μm。在經(jīng)涂覆的光纖內(nèi)，玻璃 半徑（與包層的外直徑一致）可以至少為50μm，或者至少55μm，或者至少60μm，或者至 少62.5μπι。玻璃可以被第一涂層圍繞。第一涂層的外半徑可以是小于或等于85μπι，或 者小于或等于82. 5μm，或者小于或等于80μm，或者小于或等于77. 5μm，或者小于或等于 75μπι。經(jīng)涂覆的光纖的剩余直徑由第二涂層提供。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的經(jīng)涂覆的光纖可以是小半徑光纖，其展現(xiàn)低彎曲損耗同時(shí)提供使得 與接合和連接到標(biāo)準(zhǔn)單模光纖相關(guān)的損耗最小化的模場直徑。模場直徑可以是在1310nm 處大于或等于9. 0μm，或者大于或等于9. 1μm，或者大于或等于9. 2μm。
[0017] 經(jīng)涂覆的光纖可以展現(xiàn)出：當(dāng)纏繞在15mm直徑的心軸上的時(shí)候，1550nm處小于 0. 5dB/圈的彎曲損耗；或者當(dāng)纏繞在20mm直徑的心軸上的時(shí)候，1550nm處小于0. 5dB/圈 的彎曲損耗；或者當(dāng)纏繞在20mm直徑的心軸上的時(shí)候，1550nm處小于0. 25dB/圈的彎曲損 耗；或者當(dāng)纏繞在30mm直徑的心軸上的時(shí)候，1550nm處小于0.02dB/圈的彎曲損耗，或者 當(dāng)纏繞在30mm直徑的心軸上的時(shí)候，1550nm處小于0. 012dB/圈的彎曲損耗。
[0018] 本發(fā)明的光纖的光學(xué)和機(jī)械特性可以符合G. 652標(biāo)準(zhǔn)。光纖的光纜截止波長可以 小于或等于1260nm。光纖的零色散波長λ。的范圍是1300nm<λ1324nm。
[0019] 在以下的詳細(xì)描述中給出了本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，其中的部分特征和優(yōu)點(diǎn)對 本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是容易理解的，或通過實(shí)施文字描述和其權(quán)利要求書以及附圖中所 述實(shí)施方式而被認(rèn)識。
[0020] 應(yīng)理解，上面的一般性描述和下面的詳細(xì)描述都僅僅是示例性的，用來提供理解 權(quán)利要求書的性質(zhì)和特點(diǎn)的總體評述或框架。
[0021] 所附附圖提供了對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，附圖被結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成說明書 的一部分?！靖綀D說明】了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，并與說明書一起用來解釋各種實(shí)施 方式的原理和操作。
【附圖說明】
[0022] 圖1是具有纖芯、內(nèi)包層區(qū)域、外包層區(qū)域、第一涂層和第二涂層的光纖的截面示 意圖。
[0023] 圖2是具有纖芯、兩層內(nèi)包層區(qū)域、外包層區(qū)域、第一涂層和第二涂層的光纖的截 面示意圖。
[0024] 圖3A和3B是示意性折射率分布的示意圖。
[0025] 圖4顯示具有矩形凹陷的纖芯-包層折射率分布。
[0026] 圖5顯不具有三角形凹陷的纖芯-包層折射率分布。
[0027] 圖6顯示具有三角形凹陷的纖芯-包層折射率分布。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 本發(fā)明涉及經(jīng)涂覆的光纖，其可結(jié)合小的直徑、大的模場直徑和低的微彎曲損耗。 下面顯示本發(fā)明所用的所選擇術(shù)語的簡要解釋：
[0029] "折射率分布"是折射率或相對折射率與光纖半徑之間的關(guān)系。
[0030] "相對折射率百分比"定義如下
[0031]
[0032] 其中，n(r)是光纖在距離光纖的中心線的徑向距離r處的折射率，除非另有說明， 并且ns是純石英在波長為1550nm處的折射率。除非另有說明，否則，本文所用的相對折射 率用A(或"△"）、△ % (或"△%"）或％表示，它們在本文可互換使用，其數(shù)值的單位是 "％"。相對折射率可表示為A(r)或Δ(r) %。
[0033] 將"色散"也稱作"分散"，波導(dǎo)光纖的色散是波長λ處的材料色散、波導(dǎo)色散和模 間色散之和。對于單模波導(dǎo)光纖，模間色散為零。雙模體質(zhì)假設(shè)模間色散的色散值為零。零 色散波長（λ。）是色散值等于零的波長。色散斜率表示色散相對于波長的變化率。
[0034] 術(shù)語"α分布"指的是相對折射率分布△ (r)，其具有如下功能形式：
[0035]
[0036] 式中，r。是Δ(r)為最大值的點(diǎn)，r屬Δ(r) %為零的點(diǎn)，r的范圍是r介〈1>，其 中，巧是α-分布的起點(diǎn)，rf是α-分布的終點(diǎn)，α是實(shí)數(shù)。
[0037] 模場直徑（MFD)采用彼得曼II方法測量，如下方式確定：
[0038] MFD = 2w
[0039]
[0040] 其中，f(r)是導(dǎo)光的橫向電場分布，r是光纖中的徑向位置。
[0041] 波導(dǎo)光纖的抗彎曲性可以通過規(guī)定測試條件下所誘發(fā)的衰減進(jìn)行度量。采用各種 測試來評估彎曲損耗，包括橫向負(fù)載微彎曲測試、銷桿陣列測試和心軸纏繞測試。
[0042] 在橫向負(fù)載測試中，將規(guī)定長度的波導(dǎo)光纖放置在兩塊平板之間。將70號金屬絲 網(wǎng)連接到其中一塊板上。將已知長度的波導(dǎo)光纖夾在板之間，用30牛頓的作用力將板壓在 一起的同時(shí)，測量選定波長處（通常為1200_1700nm，例如，1310nm或1550nm或1625nm)的 參比衰減。然后向板施加70牛頓的作用力，測量在選定波長處的衰減增加，單位為dB/m。 衰減的增加是波導(dǎo)的橫向負(fù)載金屬絲網(wǎng)（LLWM)衰減。
[0043] 可以通過測量心軸纏繞測試中誘發(fā)的衰減增加來度量光纖的宏彎曲抗性。在心軸 纏繞測試中，光纖在具有具體直徑的圓柱形心軸上纏繞一次或多次，確定由于彎曲導(dǎo)致的 具體波長處的衰減增加。心軸纏繞測試中的衰減的單位為dB/圈，其中一轉(zhuǎn)指的是光纖繞 著心軸一次回轉(zhuǎn)。
[0044] "銷桿陣列"彎曲測試用于比較波導(dǎo)光纖對彎曲的相對抗性。為了進(jìn)行該測試， 對于處于基本無彎曲損耗構(gòu)造中的波導(dǎo)光纖，測量選定波長的衰減損耗。然后將波導(dǎo)光纖 繞著銷桿陣列編織，再次測量選定的波長（通常在1200_1700nm范圍內(nèi)，例如，1310nm或 1550nm或1625nm)處的衰減。由于彎曲誘發(fā)的損耗是兩次測得的衰減之差。銷桿陣列是 一組十個(gè)圓柱形的銷桿，它們排成單排，在平坦的表面上保持固定的垂直位置。銷桿的中 心-中心間距為5mm。銷桿直徑為0.67mm。在測試過程中，施加足夠的張力，使得波導(dǎo)光纖 順應(yīng)一部分的銷桿表面。
[0045] 可以通過標(biāo)準(zhǔn)2m光纖截止測試（F0TP-80 (EIA-TIA-455-80))測量光纖截止，得到 "光纖截止波長"，也被稱作"2m光纖截止"或者"測量截止"。通過進(jìn)行F0TP-80標(biāo)準(zhǔn)測試從 而使用