低直径光纤的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请根据35U.S.C. §120,要求2013年4月15日提交的美国申请序列第 13/862, 755号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
[0002] 本发明一般地涉及光纤。更具体地，本发明涉及经涂覆的光纤，其具有凹陷折射率 包层区域的折射率分布以及薄的低模量第一涂层。最具体地，本发明涉及小半径的、经涂覆 的光纤，其展现出高模场直径和低弯曲损耗。
【背景技术】
[0003] 具有小半径的经涂覆的光纤是吸引人的，这是由于光缆尺寸的下降、光缆成本的 降低以及有效地利用现有管道基础设施来进行光缆安装。半径降低的光纤通常具有与标准 光纤相同的玻璃半径（125μπι)，但是使用较薄的层作为第一和/或第二涂层。但是，涂层 厚度的下降，损害了涂层的保护功能。作为结果，本领域已经做出许多努力来开发新的涂层 材料，其在小的厚度下维持充分的保护，以及新的玻璃组合物或折射率分布，其能够容忍更 明显的弯曲而不损害信号强度或质量。虽然现有技术已经提出了直径下降的弯曲不敏感的 经涂覆的光纤设计（参见例如，美国专利申请公开第20100119202号），这些光纤在1310nm 处的标称模场直径（MFD)通常仅仅约为8. 6-8. 8μm。此类模场直径导致直径下降的光纤与 标准单模光纤（SMF)(其标称MFD约为9. 2μm)连接之后的高接合/连接器连接损耗。
[0004] 为了避免低直径光纤与现有标准单模光纤连接之后的信号损失，会希望开发一种 具有降低的半径和模场直径的光纤，其与标准单模光纤是相容的。
【发明内容】
[0005] 本发明提供经涂覆的光纤，其半径小于或等于ΙΙΟμπι，或者小于或等于105μπι， 或者小于或等于1〇〇μL?，所述经涂覆的光纤具有大的模场直径，而不经受明显的弯曲诱发 的信号退化。半径下降的经涂覆的光纤可包括半径至少为50μm，或者至少55μm，或者至 少60μπι，或者至少62. 5μπι的内玻璃区域，其与围绕的第一和第二涂层相结合。以同心顺 序，代表性光纤可包括：玻璃纤芯、玻璃包层、第一涂层和第二涂层。纤芯可以是较高折射率 的玻璃区域，并且可以被较低折射率的包层围绕。包层可以包括一个或多个内包层区域和 外包层区域，其中，内包层区域中的至少一个可具有比外包层区域低的折射率。第一涂层可 以由较低模量的材料形成，第二涂层可以由较高模量的材料形成。
[0006] 纤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碱金属（例 如，Na、Κ)、碱土金属（例如，Mg、Ca)、第III列元素（例如，Β)或者第V列元素（例如，Ρ) 或者掺杂剂改性的石英玻璃。纤芯上的折射率可以是恒定或者变化的。纤芯折射率可以是 在纤芯的中心处或者靠近中心处最大，并以较外纤芯边界的方向连续下降。纤芯折射率分 布可以是或者近似高斯分布、超高斯分布、α分布或阶梯式分布。
[0007] 包层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碱金属（例 如，Na、K)、碱土金属（例如，Mg、Ca)、第III列元素（例如，B)或者第V列元素（例如，P) 或者掺杂剂改性的石英玻璃。包层可以包括内包层区域和外包层区域，其中，内包层区域的 折射率可以低于外包层区域。内包层区域可以具有恒定或连续变化的折射率。内包层区域 的折射率可以从其内边界向其外边界连续下降。连续下降可以是线性下降。内包层区域的 折射率可以在经涂覆的光纤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。外包层区域可以具有恒定折射率。
[0008] 包层可包括与纤芯相邻的第一内包层区域和布置在第一内包层区域和外包层区 域之间的第二内包层区域。第二内包层区域的折射率可以低于第一内包层区域的折射率。 第二内包层区域的折射率可以低于外包层区域的折射率。第二内包层区域的折射率可以低 于第一内包层区域和外包层区域的折射率。
[0009] 第二内包层区域的折射率可以是恒定或者连续变化的。第二内包层区域的折射率 可以从其内边界向其外边界连续下降。连续下降可以是线性下降。第二内包层区域的折射 率可以在经涂覆的光纤的折射率分布中形成凹陷。凹陷是下陷（expressed)折射率的区 域，并且可以是矩形或三角形的。外包层区域可以具有恒定折射率。
[0010] 可以通过石英或基于石英的玻璃中的正掺杂剂和/或负掺杂剂的空间分布的控 制，来实现纤芯和包层的折射率分布。
[0011] 第一涂层可以由包含低聚物和单体的可固化组合物形成。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团。低聚物可以 是包含一个或多个氨基甲酸酯基团的氨基甲酸酯丙烯酸酯。低聚物可以是包含一个或多个 氨基甲酸酯基团的具有丙烯酸酯取代的氨基甲酸酯丙烯酸酯。可以作为异氰酸酯基团和醇 基团的反应产物形成氨基甲酸酯基团。
[0012] 第一涂层的原位弹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。 第一涂层的玻璃转化温度可以小于或等于-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。第一涂层的玻璃转化温度可以大于_60°C、或者大 于-50°C、或者大于-40°C。第一涂层的玻璃转化温度可以是-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] 第二涂层可以由包含一种或多种单体的可固化第二组合物形成。所述一种或多种 单体可以包括双酚A二丙烯酸酯、或者取代的双酚A二丙烯酸酯、或者烷氧基化的双酚A二 丙烯酸酯。烷氧基化的双酚A二丙烯酸酯可以是乙氧基化的双酚A二丙烯酸酯。可固化第 二组合物还可包含低聚物。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。第二组合物可以不含氨基甲酸酯基团、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] 第二涂层可以是弹性模量和玻璃转化温度高于第一涂层的材料。第二涂层的原位 弹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。第二涂层的原 位模量可以约为1500-10000MPa，或者1500-5000MPa。第二涂层的原位玻璃转化温度可以 至少为50°C，或者至少55°C，或者至少60°C，或者55-65°C。
[0015] 经涂覆的光纤的半径与第二涂层的外直径一致。经涂覆的光纤的半径可以小于或 等于110μm，或者小于或等于105μm，或者小于或等于100μm。在经涂覆的光纤内，玻璃 半径（与包层的外直径一致）可以至少为50μm，或者至少55μm，或者至少60μm，或者至 少62.5μπι。玻璃可以被第一涂层围绕。第一涂层的外半径可以是小于或等于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。经涂覆的光纤的剩余直径由第二涂层提供。
[0016] 根据本发明的经涂覆的光纤可以是小半径光纤，其展现低弯曲损耗同时提供使得 与接合和连接到标准单模光纤相关的损耗最小化的模场直径。模场直径可以是在1310nm 处大于或等于9. 0μm，或者大于或等于9. 1μm，或者大于或等于9. 2μm。
[0017] 经涂覆的光纤可以展现出：当缠绕在15mm直径的心轴上的时候，1550nm处小于 0. 5dB/圈的弯曲损耗；或者当缠绕在20mm直径的心轴上的时候，1550nm处小于0. 5dB/圈 的弯曲损耗；或者当缠绕在20mm直径的心轴上的时候，1550nm处小于0. 25dB/圈的弯曲损 耗；或者当缠绕在30mm直径的心轴上的时候，1550nm处小于0.02dB/圈的弯曲损耗，或者 当缠绕在30mm直径的心轴上的时候，1550nm处小于0. 012dB/圈的弯曲损耗。
[0018] 本发明的光纤的光学和机械特性可以符合G. 652标准。光纤的光缆截止波长可以 小于或等于1260nm。光纤的零色散波长λ。的范围是1300nm<λ1324nm。
[0019] 在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对 本领域的技术人员而言是容易理解的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所 述实施方式而被认识。
[0020] 应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解 权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
[0021] 所附附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书 的一部分。【附图说明】了本发明的一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施 方式的原理和操作。
【附图说明】
[0022] 图1是具有纤芯、内包层区域、外包层区域、第一涂层和第二涂层的光纤的截面示 意图。
[0023] 图2是具有纤芯、两层内包层区域、外包层区域、第一涂层和第二涂层的光纤的截 面示意图。
[0024] 图3A和3B是示意性折射率分布的示意图。
[0025] 图4显示具有矩形凹陷的纤芯-包层折射率分布。
[0026] 图5显不具有三角形凹陷的纤芯-包层折射率分布。
[0027] 图6显示具有三角形凹陷的纤芯-包层折射率分布。
【具体实施方式】
[0028] 本发明涉及经涂覆的光纤，其可结合小的直径、大的模场直径和低的微弯曲损耗。 下面显示本发明所用的所选择术语的简要解释：
[0029] "折射率分布"是折射率或相对折射率与光纤半径之间的关系。
[0030] "相对折射率百分比"定义如下
[0031]
[0032] 其中，n(r)是光纤在距离光纤的中心线的径向距离r处的折射率，除非另有说明， 并且ns是纯石英在波长为1550nm处的折射率。除非另有说明，否则，本文所用的相对折射 率用A(或"△"）、△ % (或"△%"）或％表示，它们在本文可互换使用，其数值的单位是 "％"。相对折射率可表示为A(r)或Δ(r) %。
[0033] 将"色散"也称作"分散"，波导光纤的色散是波长λ处的材料色散、波导色散和模 间色散之和。对于单模波导光纤，模间色散为零。双模体质假设模间色散的色散值为零。零 色散波长（λ。）是色散值等于零的波长。色散斜率表示色散相对于波长的变化率。
[0034] 术语"α分布"指的是相对折射率分布△ (r)，其具有如下功能形式：
[0035]
[0036] 式中，r。是Δ(r)为最大值的点，r屬Δ(r) %为零的点，r的范围是r介〈1>，其 中，巧是α-分布的起点，rf是α-分布的终点，α是实数。
[0037] 模场直径（MFD)采用彼得曼II方法测量，如下方式确定：
[0038] MFD = 2w
[0039]
[0040] 其中，f(r)是导光的横向电场分布，r是光纤中的径向位置。
[0041] 波导光纤的抗弯曲性可以通过规定测试条件下所诱发的衰减进行度量。采用各种 测试来评估弯曲损耗，包括横向负载微弯曲测试、销杆阵列测试和心轴缠绕测试。
[0042] 在横向负载测试中，将规定长度的波导光纤放置在两块平板之间。将70号金属丝 网连接到其中一块板上。将已知长度的波导光纤夹在板之间，用30牛顿的作用力将板压在 一起的同时，测量选定波长处（通常为1200_1700nm，例如，1310nm或1550nm或1625nm)的 参比衰减。然后向板施加70牛顿的作用力，测量在选定波长处的衰减增加，单位为dB/m。 衰减的增加是波导的横向负载金属丝网（LLWM)衰减。
[0043] 可以通过测量心轴缠绕测试中诱发的衰减增加来度量光纤的宏弯曲抗性。在心轴 缠绕测试中，光纤在具有具体直径的圆柱形心轴上缠绕一次或多次，确定由于弯曲导致的 具体波长处的衰减增加。心轴缠绕测试中的衰减的单位为dB/圈，其中一转指的是光纤绕 着心轴一次回转。
[0044] "销杆阵列"弯曲测试用于比较波导光纤对弯曲的相对抗性。为了进行该测试， 对于处于基本无弯曲损耗构造中的波导光纤，测量选定波长的衰减损耗。然后将波导光纤 绕着销杆阵列编织，再次测量选定的波长（通常在1200_1700nm范围内，例如，1310nm或 1550nm或1625nm)处的衰减。由于弯曲诱发的损耗是两次测得的衰减之差。销杆阵列是 一组十个圆柱形的销杆，它们排成单排，在平坦的表面上保持固定的垂直位置。销杆的中 心-中心间距为5mm。销杆直径为0.67mm。在测试过程中，施加足够的张力，使得波导光纤 顺应一部分的销杆表面。
[0045] 可以通过标准2m光纤截止测试（F0TP-80 (EIA-TIA-455-80))测量光纤截止，得到 "光纤截止波长"，也被称作"2m光纤截止"或者"测量截止"。通过进行F0TP-80标准测试从 而使用