CN100432720C - 用于超长距离光纤传输网络的单模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于超长距离光纤传输网络的单模光纤，该光纤的剖面自内向外依次为中心区、第一包层和第二包层，各区域的折射率剖面分布为：中心区的折射率分布是一个α分布，第一包层是一个折射率凹陷，第二包层是一个折射率抬高环，该单模光纤的纤芯有效面积大于50μm²，在1550nm波长处的色散系数为6～10ps/nm.km，在1450nm到1650nm波段具有平坦的色散斜率，偏振模色散≤0.2ps/nm^1/2。本发明的超长距离光纤传输网络的单模光纤提供的最高带宽达4Tb/s，单位比特成本最低，可广泛应用于10Gb/s和40Gb/s的长距离、超长距离光信号传输或局域网中。

Description

用于超长距离光纤传输网络的单模光纤

技术领域

本发明涉及光纤，特别是一种用于超长距离光纤传输网络的单模光纤。

技术背景

在通讯传输领域中，新的光网络服务自动交换光网络和多业务提供平台带动着超常距离、密集波分技术系统成为光通信的主要发展方向。

在自动交换光网络概念提出的初期，有人把自动交换光网络理解为光传送网加上控制平面。自动交换光网络自由调度波长的优势唯有在真正的全波分复用技术系统上才能得到最终体现，自动交换光网络的控制平面对业务敏感性非常高，因此业务可选路由也易变，由此对物理平面线路的衰耗和色散积累、控制平面的延时和保护等问题需要精心考虑。而这恰好是超常距离的优势所在，尤其在以长途传输网组建自动交换光网络时，超常距离的优劣将直接决定自动交换光网络的可靠性。

多业务提供平台为超常距离带来了新思路，受到光器件技术的影响，过去波分复用技术网络中的光分插复用设备一直无法像多业务提供平台网络中的分插复用器那样灵活地上下业务。新一代的超常距离系统，通过可调滤光器，使得光分插复用设备升级成为可重构光分插复用设备，上下波长的范围有了较大幅度的提高。

采用新一代的超常距离密集波分技术系统，不仅可以延长传输距离达到2000Km，而且在每隔400Km的大中城市通过光分插复用设备上下若干波长，避免了全波段的业务终结。

超常距离关键技术得到突破，推动超常距离前进的因素还在于技术上的突破，采用新的码型技术、前向纠错技术、拉曼放大器技术、色散补偿技术和孤子技术有效地延长了超常距离的传输极限，达到2000Km乃至4000Km的无电中继传输。超常距离系统的下一个关键在于单信道40Gb/s的突破，在10G系统中尚不显山露水的偏振模色散效应、非线性和色散这几者之间的微妙关系将成为制约40G的主要因素，这也是未来下一代超常距离系统的关注重点。目前，160×10Gb/s的超常距离系统将成为超常距离系统的主流。

光纤应用的现实情况是多数运营商的部分波分复用技术网络将达到饱和，未来将是新系统的建设高峰期。对于新一代的大容量超常距离波分系统进行开发的时候对光纤提出了更高的要求。

在现有技术当中，美国专利5835655是第一个关于具有大有效面积(≥70μm2)和中等色散(约4ps/nm.km)的非零色散位移光纤专利。美国专利5553185是第一个关于具有中等有效面积(约55平方微米)、中等色散值(0.5～3.5ps/nm.km)和低色散斜率的非零色散位移光纤的专利。美国专利6614973是关于非零色散位移光纤的专利，根据该专利的提供的参数，该光纤具有以下特征参数：1550nm波长处的色散为8ps/nm.km，根据色散和色散斜率的比值在250nm到370nm之间，其色散斜率为0.022～0.032ps/nm².km，有效面积的平方和色散斜率的比值约80000μm⁴.nm².km/ps，有效面积为41～50nm²。

对于长距离网络，各大光纤厂商开发了G655光纤，其设计原理正是基于上述专利。Corning公司在1998年推出了LEAF光纤，Lucent公司也在同年推出了True wave RS光纤，阿尔卡特公司也推出了TeraLight光纤。

表一列出了现有的长距离光纤LEAF光纤、True wave RS光纤和TeraLight光纤在1550nm波长处的主要光纤特性：

表一：

光纤型号	色散D(ps/nm.km)	色散斜率S(ps/nm<sup>2</sup>.km)	有效面积A<sub>eff</sub>(um<sup>2</sup>)
				LEAF	4～5	0.085	72
True Wave-RS	4～5	0.045	55
				TeraLight	7	0.063	63

然而，这些现有的长距离光纤并不能满足所有新的长距离传输技术的发展要求，这些技术包括已经开发出的拉曼扩大、前向纠错以及用于超长距离传输的新调制模式，这些技术将会影响新一代长距离网络的需求。

本发明涉及到的一些定义

折射率剖面是波导材料的折射率与波导光纤的半径之间的关系。

有效面积：

A_eff＝2π(∫E²rdr)²/(∫E⁴rdr)

上式积分限为0到无穷大。其中E为与传输光有关的电场，r为轴心到电场分布点之间的距离。

Δ是由下面公式表示的相对折射率：

$\mathrm{\Δ}=\frac{({n_i}^2-{n_c}^2)}{2{n_i}^2}\×100\%$

其中n_i表示在区域i中的最大值折射率，n_c是包层中的平均折射率。

α型是折射率剖面的形状，如Δ(r)的公式表示的，其中r表示半径：

$\mathrm{\Δ}\left(r\right)=\mathrm{\Δ}\left(r_0\right)[1-{\left(\frac{|r-r_0|}{r_1-r_0}\right)}^{\mathrm{\α}}]$

其中r₀是剖面的最大点，r₁是Δ(r)为0的点，α是一个指数。

在剖面的计算机模型里，为了让α剖面与相邻面连接平滑，方程可写为；

Δ(r)＝Δ(r_a)+[Δ(r₀)-Δ(r_a)]{(1-[|r-r₀|/(r₁-r₀)]^α)}

公式中的r_a是相邻面的起始点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于超长距离光纤传输网络的单模光纤，该新型光纤在全部可用带宽内色散平坦，并且有足够大的有效面积，以有效减小光纤非线性效应对传输性能的影响，优化光纤的拉曼增益性能。

本发明的技术方案为：

一种用于超长距离光纤传输网络的单模光纤，该光纤的剖面自内向外依次为中心区、第一包层和第二包层，各区域的折射率剖面分布为：中心区的折射率分布是一个α分布，第一包层是一个折射率凹陷，第二包层是一个折射率抬高环：

所述光纤中心区的相对折射率Δ₀的变化为0.5％～-0.25％的指数分布，第一包层的相对折射率Δ₁的取值范围为-0.25％～-0.1％，第二包层的相对折射率Δ₂的取值范围为0.25％～0.4％；

所述光纤中心区的半径r₀为3.5～5.5μm，第一包层的外半径r₁为6～8μm，第二包层的外半径r₂为10～13μm；

所述的单模光纤在1550nm波长处的色散为6～10ps/nm.km，光纤纤芯的有效面积大于45μm²，色散斜率≤0.035ps/nm².km。

所述的单模光纤半径为11.5μm，结构参数为：中心区的半径r₀为4.3μm，第一包层的外半径r₁为7.5μm，第二包层的外半径r₂为11.5μm，第一包层的相对折射率Δ₁为-0.22％，第二包层的相对折射率Δ₂为0.3％，其中纤芯中心的α分布从0.5％～-0.22％。

所述的单模光纤半径为9.8μm，结构参数为：中心区的半径r₀为4.5μm，第一包层的外半径r₁为6.6μm，第二包层的外半径r₂为9.8μm；第一包层的相对折射率Δ₁为-0.25％，第二包层的相对折射率Δ₂为0.28％，其中纤芯中心区的折射率α分布范围为0.5％～-0.25％。

所述的用于超长距离光纤传输网络的单模光纤的理论光纤截止波长为1900nm。

所述的用于超长距离光纤传输网络的单模光纤的偏振模色散≤0.2ps/nm^1/2。

本发明的技术效果：

①本发明用于超长距离光纤传输网络的单模光纤光纤折射率剖面曲线，是通过合理优化光纤的各主要参数而获得的，该光纤在其全部可用带宽内色散平坦，具有足够大的有效面积，可减小光纤的非线性效应对其传输性能的影响，并且具有优化的光纤拉曼增益性能。

②利用本发明的光纤制造的光缆，可以为网络运营商提供最高的带宽为(400×10Gb/s)，是现有光纤G.655容量的2.5倍。

③本发明用于超长距离光纤传输网络的单模光纤可以实现相对较低的单位比特成本，能广泛应用于10Gb/s和40Gb/s的长距离、超长距离或局域网中。

附图说明

图1为本发明用于超长距离光纤传输网络的单模光纤中实施例1的光纤折射率剖面曲线。

图2为本发明用于超长距离光纤传输网络的单模光纤中实施例2的光纤折射率剖面曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明用于超长距离光纤传输网络的单模光纤做详细的说明，但不应因此而限制本发明的保护范围。

本发明用于超长距离光纤传输网络的单模光纤的剖面自内向外依次为中心区、第一包层和第二包层，各区域的折射率剖面分布为：中心区的折射率分布是一个α分布，第一包层是一个折射率凹陷，第二包层是一个折射率抬高环：

所述光纤中心区的相对折射率Δ₀的变化为0.5％～-0.25％的指数α分布，第一包层的相对折射率Δ₁的取值范围为-0.25％～-0.1％，第二包层的相对折射率Δ₂的取值范围为0.25％～0.4％；

所述光纤中心区的半径r₀为3.5～5.5μm，第一包层的外半径r₁为6～8μm，第二包层的外半径r₂为10～13μm；

所述的单模光纤在1550nm波长处的色散为6～10ps/nm.km，光纤纤芯的有效面积大于45μm²。

所述单模光纤的色散斜率≤0.035ps/nm².km。

实施例1：

请看图1，图1为本发明用于超长距离光纤传输网络的单模光纤中实施例1的光纤折射率剖面曲线。由图1可以看出，本发明的用于超长距离光纤传输网络的单模光纤的剖面自内向外依次为中心区、第一包层和第二包层，各区域的折射率剖面分布为：中心区的折射率分布是一个α分布，第一包层是一个折射率凹陷，第二包层是一个折射率抬高环：

所述光纤中心区的半径r₀为4.3μm，第一包层的外半径r₁为7.5μm，第二包层的外半径r₂为11.5μm；

所述光纤中心区的最大相对折射率Δ₀为0.5％，光纤中心区相对折射率的变化成指数分布，即α分布，变化区间为0.5％～-0.22％，第一包层的相对折射率Δ₁为-0.22％，第二包层的相对折射率Δ₂为0.3％；

所述的单模光纤在1550nm波长处的色散系数为7.8ps/nm.km，光纤纤芯有效面积为50μm²，色散斜率为0.009ps/nm².km，光纤理论截止波长为1850nm。

用本实施例的单模光纤制成电缆后，电缆光纤的截止波长低于1450nm。

实施例2：

图2为本发明用于超长距离光纤传输网络的单模光纤中实施例2的光纤折射率剖面曲线。由图可以看出，本发明的用于超长距离光纤传输网络的单模光纤，该光纤的剖面自内向外依次为中心区、第一包层和第二包层，各区域的折射率剖面分布为：中心区的折射率分布是一个α分布，第一包层是一个折射率凹陷，第二包层是一个折射率抬高环：

所述光纤中心区的半径r₀为4.5μm，第一包层的外半径r₁为6.6μm，第二包层的外半径r₂为9.8μm；

所述光纤中心区的最大相对折射率Δ₀为0.5％，光纤中心区相对折射率的变化成指数分布，即α分布，变化区间为0.5％～-0.25％，第一包层的相对折射率Δ₁为-0.25％，第二包层的相对折射率Δ₂为0.28％；

所述的单模光纤在1550nm波长处的色散系数为7.1ps/nm.km，光纤芯心有效面积为50μm²，色散斜率为0.006ps/nm².km，光纤理论截止波长为1820nm。

所述的单模光纤被制成电缆后，电缆光纤的截止波长低于1450nm。

表二是本发明用于超长距离光纤传输网络的单模光纤的实施例3～9中的参数与光学特性。其中，α分布从0.5％～-0.25％。

表三列出了本发明的光纤(系列1-3)与现有光纤(系列4-6)在同频率光信号传播时的色散系数。

表二：

表三：

由表三中的数据可以看出本发明的光纤系列与现有的G.655光纤在同频率光信号传播时各自的色散系数，表中的系列1、2和3是本发明设计的光纤，表中的系列4是Corning的LEAF光纤、系列5是OFS的TW-RS光纤、系列6是Alcatel的TeraLight光纤。从表三中通过比较分析可以得出，本发明的单模光纤具有非常好的色散斜率，该色散斜率在1450nm到1650nm波段相对已有光纤平坦。

本发明用于超长距离光纤传输网络的单模光纤的偏振模色散具有如下特点：

1)因为本发明光纤的色散系数在1465nm到1650nm波长区间的变化比较稳定，偏振模色散也比较稳定。采用现有制造工艺生产出的本发明光纤的偏振模色散较小，达到目前商用光纤的偏振模色散值，小于0.2ps/nm^1/2。

2)本发明的光纤折射率剖面设计合理，所得的相对折射率较低，半径选择适中，制作工艺使光纤截面一定程度椭圆化，造成偏振模色散比较小。

3)根据理论计算，本发明光纤的截止波长高达1900nm，制成光缆后的光缆截止理论波长可高达1450nm。

本发明用于超长距离光纤传输网络的单模光纤的全部可用带宽内的色散平坦，并且有足够大的有效面积以减小光纤非线性效应对传输性能的影响，优化光纤拉曼增益性能。本发明用于超长距离光纤传输网络的单模光纤提供的最高带宽达4Tb/s，单位比特成本最低，可广泛应用于10Gb/s和40Gb/s的长距离、超长距离光信号传输或应用于局域网中。

Claims (5)

1、一种用于超长距离光纤传输网络的单模光纤，该光纤的剖面自内向外依次为中心区、第一包层和第二包层，其特征在于各区域的折射率剖面分布为：中心区的折射率分布是一个α分布，第一包层是一个折射率凹陷，第二包层是一个折射率抬高环：

所述单模光纤中心区的相对折射率Δ₀的变化为0.5％～-0.25％的指数分布，第一包层的相对折射率Δ₁的取值范围为-0.25％～-0.1％，第二包层的相对折射率Δ₂的取值范围为0.25％～0.4％，所述的相对折射率Δ由下列公式得出： $\mathrm{\Δ}=\frac{({n_i}^2-{n_c}^2)}{{{2n}_i}^2}\×100\%,$ 其中n_i表示在区域i中的最大值折射率，n_c是包层中的平均折射率；

所述光纤中心区的半径r₀为3.5～5.5μm，第一包层的外半径r₁为6～8μm，第二包层的外半径r₂为10～13μm；

所述的单模光纤在1550nm波长处的色散为6～10ps/nm.km，光纤纤芯的有效面积大于45μm²，色散斜率≤0.035ps/nm².km。

2、根据权利要求1所述的用于超长距离光纤传输网络的单模光纤，其特征在于所述光纤的理论截止波长为1900nm。

3、根据权利要求1所述的用于超长距离光纤传输网络的单模光纤，其特征在于所述光纤的半径为11.5μm，结构参数为：

中心区的半径r₀为4.3μm，第一包层的外半径r₁为7.5μm，第二包层的外半径r₂为11.5μm，第一包层的相对折射率Δ₁为-0.22％，第二包层的相对折射率Δ₂为0.3％。

4、根据权利要求3所述的用于超长距离光纤传输网络的单模光纤，其特征在于所述的纤芯中心α分布从0.5％～-0.22％。

5、根据权利要求1所述的用于超长距离光纤传输网络的单模光纤，其特征在于所述光纤的偏振模色散≤0.2ps/nm^1/2。

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