CN100375911C - 一种具有宽带光放大和色散补偿作用的光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种具有宽带光放大和色散补偿作用的光纤及其制备方法。本发明提供的光纤由具有“W”型波导结构的两段光纤组成，其“W”型波导结构具体描述为，芯层折射率最高，下凹包层折射率最小，第二包层折射率介于芯层与下凹包层之间，其中：一段光纤起光放大作用，其芯层掺杂有稀土离子，另外一段光纤起色散补偿作用，其芯层不掺杂稀土离子；然后分别拉丝，再分别各截取一段光纤，将这两段光纤通过熔接方式接续，形成一根光纤。本发明提供的光纤具有优良的性能，集宽带光放大和色散补偿作用于一体，在C+L波段都有大的负色散和负的色散斜率，能更有效补偿线路累积色散和高阶色散。另外，本发明容易制造，适于工业化生产，易于推广。

Description

一种具有宽带光放大和色散补偿作用的光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及光通信材料，特别是一种具有宽带光放大和色散补偿作用的光纤及其制备方法。

背景技术

近年来，在光纤通信技术上有许多技术上的重大进步，其一是密集波分复用技术在C+L带的通道数增加到最大128个；其二是单通道同步数字复用设备(SDH)的速率提高到40Gbit/s；其三是光纤器件技术进步很快，如光分插复用器件(OADM)，光交叉连接(OXC)，色散补偿器件(DCM)等。

技术上的进步提高了电信服务的水平，降低了服务成本。近几年，大量的可平滑升级到10G或40G系统的高速率，大容量系统服务于国家一级、二级干线。这些新的系统大多数采用了2.5G以上的速率，8个以上的通道数，采用全光放大，采用在线色散补偿技术，前向纠错(FEC)技术等等。在宽带放大领域，目前的技术还是采用先分C、L波段放大再合波的方法。在C波段的放大，全部采用EDFA；在L波段，较多采用拉曼放大技术。在色散补偿方面，采用色散补偿光纤构成的色散补偿器件，可以补偿C+L带的光纤色散累积。

采用分波放大再合波的方案，增加了系统复杂度，增加了成本，由于引入插损，降低了光放大器效率。在L波段采用拉曼放大技术，优点是可以实现任意波长的放大，但是由于光纤拉曼效应小，因此，必须采用大功率的激光器，增加了系统成本。

基于此，吸引了众多研究者的研究热情，他们的研究成果，促进了本领域的科技进步。

例如：中国专利《具备同时喇曼放大的色散补偿光纤和模块》描述了一种光纤结构。中国专利《在铒放大器区域中具有负色散及低斜率的光纤》描述了一种色散补偿光纤，它在1550nm具有小于-0.8ps/nm*km的色散值和正的色散斜率。中国专利《宽带拉曼放大和色散补偿模块》描述了采用色散补偿光纤作为拉曼光纤和3~7个高功率激光器做宽带的拉曼放大。中国专利《高性能色散补偿光纤及其制造方法》描述了一种C波段色散值在-90~-200ps/nm*km，色散斜率为-0.4~-1.0ps/nm2*km之间的色散补偿光纤。中国专利《一种制造掺杂稀土光纤预制棒的方法》描述了采用MCVD工艺制造掺杂稀土放大光纤的方法。美国专利《Method of amplifying optical signals using doped materials withextremely broad bandwidths》描述了一种碲酸盐的宽带放大装置。

在上述的技术进步上，我们发现在高速光传输系统中必须的光放大和色散补偿是由两个或两个以上的器件组成，这增加了系统的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有宽带光放大和色散补偿作用的光纤及其制备方法，该光纤采用掺杂稀土离子设计和波导设计技术，可以实现C+L波段的宽带色散补偿和光放大一体化的光纤技术。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提供的光纤，由具有“W”型波导结构的两段光纤组成，其“W”型波导结构具体描述为，芯层折射率最高，下凹包层折射率最小，第二包层折射率介于芯层与下凹包层之间，其中：一段光纤起光放大作用，其芯层掺杂有稀土离子，另外一段光纤起色散补偿作用，其芯层不掺杂稀土离子；这两段光纤通过熔接方式，形成一种具有宽带光放大和色散补偿作用的光纤。

本发明提供的光纤，其制备方法是：采用相同预制件组合方法得到相同波导结构的两种预制棒，但只有一种预制棒的芯层是掺杂有稀土离子的，然后分别拉丝，再分别各截取一段光纤，将这两段光纤通过熔接方式相连得到一种具有宽带光放大和色散补偿作用一体化的光纤。

本发明提供的光纤具有优良的性能，集宽带光放大和色散补偿作用于一体。在C+L波段都有大的负色散和负的色散斜率，能更有效补偿线路累积色散和高阶色散，其中，负色散小于-600ps/nm*km，色散斜率小于-4.0ps/nm²*km；  增益在1530nm时大于30dB，在1550nm时大于25dB，在1570nm时大于24dB。

另外，本发明容易制造，适于工业化生产，易于推广。

附图说明

图1是碲酸盐玻璃成玻区域示意图。

图2是碲酸盐玻璃的色散关系曲线图。

图3是碲酸盐玻璃光纤的波导结构示意图。

图4是一体化宽带光纤放大器和色散补偿模块工作原理图。

图5是一体化宽带光纤放大器和色散补偿模块的等效图。

具体实施方式

本发明根据激光器在六个波长测量布鲁斯特角的方法直接测量碲酸盐玻璃的折射率，然后按照公式(1)利用最小二乘法拟合碲酸盐玻璃的色散关系曲线，结果如图2所示。

$n^2-1=\frac{A_1{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-{\mathrm{\λ}}_1^2}+\frac{A_2{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-{\mathrm{\λ}}_2^2}+\frac{A_3{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-{\mathrm{\λ}}_3^2}---\left(1\right)$

这里A1，A2，A3和λ1，λ2，λ3是待拟合的参数。

根据这个色散关系，我们可以设计光纤的波导结构，如图3所示。根据弱波导理论，光纤里的光波动方程可以写成Helmholts方程，利用计算机解不同形式的Bessel函数的模场展开式，同时应用边界条件，得到光纤的总模式、模场、色散关系等等。

如图3所示的碲酸盐光纤的计算结果是：

光纤中包含的模式有LP(01)、LP(02)、LP(11)、LP(12)、LP(21)和LP(31)，LP(41)共计7个模式存在。各个模式的模场是不同的，因此，我们只能得到基模的模场。根据计算，在1550nm波长，光纤的色散大约是-600ps/nm*km；在1530nm的色散大约是-500ps/nm*km，在1625nm的色散大约是-680nm，色散最小值出现在1583nm，大约是-712ps/nm*km。在1550nm光纤的色散斜率大约是-4.0ps/nm²*km。

常规G.652在1550nm的色散值是16～17ps/nm*km，色散斜率为0.098；通常的色散补偿光纤在1550nm的色散值一般为-140ps/nm*km，色散斜率为-0.6ps/nm²*km。因此，每补偿80km的G.652线路需要10km色散补偿光纤，因此，补偿成本很大。采用本发明的一体化宽带光纤放大器和色散补偿模块，补偿80km跨距G.652只需要2.3km碲酸盐色散补偿光纤。补偿160km跨距G.652只需要4.5km碲酸盐色散补偿光纤。在补偿色散的同时，可以利用单向或双向泵浦技术，实现光信号的放大，如图4所示。

因此，我们利用以上技术，得到一种使宽带光放大和色散补偿作用一体化的光纤。

本发明揭示的一体化解决方案，等效于图5所示的装置功能。

具体实例

本发明光纤由具有“W”型波导结构的两段光纤组成，其“W”型波导结构具体描述为，芯层折射率最高，下凹包层折射率最小，第二包层折射率介于芯层与下凹包层之间，其中：一段光纤起光放大作用，其芯层掺杂有稀土离子，另外一段光纤起色散补偿作用，其芯层不掺杂稀土离子；这两段光纤通过熔接方式接续，形成一根光纤。

上述两段光纤可由碲酸盐玻璃或其它类似的玻璃材料制成。

本发明光纤的制备方法是：采用相同预制件组合方法得到相同波导结构的两种由碲酸盐玻璃制成的预制棒，但只有一种预制棒的芯层是掺杂有稀土离子的，其掺杂量为稀土离子与玻璃基体的摩尔比例为0.01～0.03，稀土离子可采用Er³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Nd³⁺或Pr³⁺离子；然后分别拉丝，再分别各截取一段光纤，将这两段光纤通过熔接方式相连。

预制件组合方法：首先是制作芯层碲酸盐预制棒，采用高折射率的Na₂S-TeO₂-WO₃组分的玻璃在充有保护气体的坩埚中熔化，然后浇铸在模具中形成。在我们的发明中，有两种碲酸盐芯子，其中一种掺杂有摩尔比例为0.01～0.03的稀土离子。

其次是制备第一包层碲酸盐玻璃套管，采用低折射率的Na₂S-TeO₂-WO₃组分的玻璃在充有保护气体的坩埚中熔化，然后浇铸在模具中形成具有特定规格的外径尺寸和壁厚的第一包层碲酸盐玻璃。

再次是制备第二包层碲酸盐玻璃套管，采用折射率介于芯层碲酸盐玻璃和第一包层碲酸盐玻璃的组分形成特定规格的外径尺寸和壁厚的第二包层碲酸盐玻璃。

最后是制备外包层碲酸盐玻璃套管，外包层碲酸盐玻璃的组分只是要求特定的折射率、外径尺寸和壁厚，对材料组成没有特殊要求。

对于Na₂S-TeO₂-WO₃碲酸盐玻璃，我们通过实验，确定了这种玻璃的成玻区域，如图1。详见我们申请的相关专利“一种用于光纤放大领域的硫碲酸盐玻璃”(申请号200510018506.6，申请日2005年4月5日)。

硫碲酸盐玻璃具有高的折射率和高的稀土离子溶解度，可以实现更高的稀土掺杂浓度而不至于引起浓度淬灭效应。由于碲酸盐玻璃高的折射率，因此，在这种基体材料中的稀土离子具有更大的吸收截面，因此，这两个因素导致这种放大光纤具有很高的增益。

采用980nm的泵浦光对一定长度的掺杂稀土碲酸盐色散补偿光纤进行泵浦，在1550信号光水平为-30dBm，输出为-2.3dBm在1550信号光水平为-10dBm，输出为16.8dBm。在1530信号光水平为-30dBm，输出为4.2dBm；在1530信号光水平为-10dBm，输出为22.6dBm。在1570信号光水平为-30dBm，输出为-5.2dBm，在1570信号光水平为-10dBm，输出为14.6dBm。

利用上述方法，我们采用17m的掺杂稀土光纤和4km的非掺杂稀土光纤熔接起来，形成一根具有宽带光放大和色散补偿作用的光纤。

我们测试了光纤的折射率剖面结构，为“W”型结构，该结构是一种具有深下凹第一包层的光纤波导结构，这种结构的优点是可以实现负色散和负的色散斜率。光纤色散在1550nm波长，是-596ps/nm*km；在1530nm的色散是-522ps/nm*km，在1625nm的色散是-690nm。在1550nm光纤的色散斜率是-4.1ps/nm²*km。

Claims (9)

1.一种光纤，其特征是由具有“W”型波导结构的两段光纤组成，其“W”型波导结构具体描述为，芯层折射率最高，下凹包层折射率最小，第二包层折射率介于芯层与下凹包层之间，其中：一段光纤起光放大作用，其芯层掺杂有稀土离子，另外一段光纤起色散补偿作用，其芯层不掺杂稀土离子；这两段光纤通过熔接方式，形成一种具有宽带光放大和色散补偿作用的光纤。

2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：两段光纤由碲酸盐玻璃材料制成。

3.一种光纤的制备方法，其特征是采用相同预制件组合方法得到相同波导结构的两种预制棒，但只有一种预制棒的芯层是掺杂有稀土离子的，然后分别拉丝，再分别各截取一段光纤，将这两段光纤通过熔接方式相连得到一种具有宽带光放大和色散补偿作用的光纤。

4.根据权利要求3所述光纤的制备方法，其特征在于：光纤预制件由碲酸盐玻璃材料制成，结合波导设计，由该光纤预制件形成具有“W”型波导结构的最终预制棒，其剖面各层为折射率变化的波导结构。

5.根据权利要求4所述的光纤的制备方法，其特征在于：芯层碲酸盐玻璃折射率最高，第一碲酸盐玻璃包层折射率最低，第二碲酸盐玻璃包层折射率介于第一包层和外包层之间，呈“W”型结构；其“W”型波导结构具体描述为，芯层折射率为2.1500～2.2500，芯层直径1.2～2.0μm；下凹包层折射率为1.9420～1.9480，下凹包层直径为6.5～7.5μm；第二包层折射率为1.9600～1.9650，第二包层直径为13.5～15.5μm；外包层折射率为1.9520～1.9580，下凹包层直径为125μm。

6.根据权利要求3所述光纤的制备方法，其特征在于：稀土离子为Er³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Nd³⁺或Pr³⁺离子，其掺杂量为稀土离子与玻璃基体的摩尔比例为0.01～0.03。

7.根据权利要求3所述光纤的制备方法，其特征在于所述的光纤，在C+L带具有-500～-712ps/nm*km的色散和-4.0～-4.1ps/nm²*km的色散斜率；同时在C+L波段的增益为24.6～34.2dB。

8.根据权利要求7所述的光纤的制备方法，其特征在于：在1550信号光水平为-30dBm，输出为-2.3dBm；在1550信号光水平为-10dBm，输出为16.8dBm；在1530信号光水平为-30dBm，输出为4.2dBm；在1530信号光水平为-10dBm，输出为22.6dBm；在1570信号光水平为-30dBm，输出为-5.2dBm，在1570信号光水平为-10dBm，输出为14.6dBm。

9.根据权利要求3所述光纤的制备方法，其特征在于：在C+L波段的光放大采用单一的980nm激光器进行泵浦，得到C+L带的放大光信号。

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