CN100456060C - 光纤和光传输线及使用该光传输线的光传输系统 - Google Patents

光纤和光传输线及使用该光传输线的光传输系统 Download PDF

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Abstract

公开一种适用于WDM系统中所使用的光传输线的光纤，尤其是一种单模光纤，其零色散波长位于短波长波段(小于1370mm)以能够在S-C-L波段(1460～1625nm)上进行高速大容量存储信号传输，并且其色散值和有效截面积被最优化。在该光纤中，在1460nm处色散值为至少9ps/nm-km，在1460nm处有效截面积为45～65μm2，零色散波长存在于1370nm或更小处，且色散斜率为正。此外，RDS(相对色散斜率)在1550nm处为0.0032～0.0038nm-1。因此，在S-C-L波段上以传输率为10Gb/s或更大、信道间隔为50GHz或更小、16信道且信号功率为0dBm/ch或2dBm/ch进行320km的无中继传输期间，该光纤能够最大限度地抑制非线性和信号失真。

Description

光纤和光传输线及使用该光传输线的光传输系统
技术领域
本发明涉及一种光纤，其适用于波分复用(WDM)传输系统中所使用的光传输线，更具体地涉及一种单模光纤，其零色散波长位于短波长波段(小于1370mm)以能够在S-C-L波段(1460至1625nm)上进行高速大容量存储信号传输，并且其色散值和有效截面积被最优化。
背景技术
对于波分复用(WDM)传输系统，通过增加传输率、减小信道间隔或拓宽传输波长范围，可以有效地提高传输容量。
近来，系统的传输率已从2.5Gb/s提高到10Gb/s，并且在不久的将来将会广泛应用40Gb/s的传输系统。增加每信道功率以提高传输率，但如果如上所述增加每信道功率，则光纤中的噪声和非线性增大，然后传输特性降低。
在以40Gb/s的传输率长距离传输的系统中，通过使用拉曼放大器代替传统EDFA(掺铒光纤放大器)，可以降低噪声。此外，因为由色散引起的信号失真系统的公差与传输率的负二次方成比例，所以如果传输率增加4倍，则该公差在接收端降低至1/16的大小。因此，需要精确的色散补偿，以使传输信道的累积色散不会超过传输率为40Gb/s的系统中的公差。为此，色散补偿光纤的RDS(相对色散斜率)应相似于用作传输线的光纤的RDS(其中，RDS是用色散斜率除以色散所得的值)。
为了提高传输容量，系统的信道间隔已从200GHz(1.6nm)和100GHz(0.8nm)缩窄为50GHz(0.4nm)和25GHz(0.2nm)或更小。但是，随着信道间隔逐渐变窄，由四波混频现象或非线性现象例如交叉相位调制和XPM(交叉相位调制)，导致了信号失真。尤其是，如果光纤的低色散几乎接近于相位匹配条件，则由四波混频导致了交叉串扰功率，最后导致信号失真。
交叉串扰功率的强度与每信道功率、系统的信道间隔及光纤的色散和有效截面积有关。如果减小每信道功率以降低交叉串扰功率的强度，则光信噪比变差，因此传输距离变短，导致长距离传输系统的成本增加。
此外，交叉串扰功率的强度随着光纤色散的增加而降低，但由于用于色散补偿的光纤的长度与光纤的色散成比例地变长，所以光纤的损耗增加。因此，光纤的色散应依照系统的特性而被最优化。
此外，光纤的有效截面积(称为每单位面积的光强度)有利于在有效截面积的增大时抑制非线性现象。
最好不使用除C波段(1530～1565nm)和L波段(1565～1625nm)之外的其它波长范围来增加传输容量，因为使用比L波段更长的波长范围会使光纤的弯曲损耗增加。因此，有利于使用属于更短的波长范围的S波段(1460～1530nm)而非C波段。但是，在这种情况下，应在接近1460nm处获得充分的色散值，以抑制传输波长范围内的四波混频。此外，通过将用作传输线的光纤的零色散波长从S-C-L波段中脱离，四波混频(FWM)应被抑制。如果使用拉曼放大，则光纤的零色散波长应位移至比拉曼泵浦波长短的波长波段，从而防止泵浦波长与信号波长之间的四波混频。此外，通过减小光纤的损耗以及调节有效截面积，拉曼增益效率应被提高。
随着WDM传输系统的发展变化，已经提出了多种光纤。
美国专利No.5,327,516公开了一种在1550nm具有1.5～4ps/nm-km的色散以改善受损的传输特性的光纤，因为如果传统的色散位移光纤在1550nm具有几乎接近于零的色散值，则四波混频显著增加。但是，美国专利No.5,327,516中提出的光纤可被用于能够以至少5Gb/s的传输率、1.0～2.0nm的信道间隔以及至少4个信道来进行360km无中继传输的系统中，但其所具有的问题在于，如果其被用于传输率为至少10Gb/s且信道间隔为1.0nm或更小的系统中，则随着非线性的增加，由四波混频或交叉相位调制引起的信号失真可能导致传输特性受损。
此外，美国专利No.5,835,655公开了一种光纤，其中位移零色散波长以脱离传输波长范围，并且增大有效截面积到至少70μm2以防止非线性现象。美国专利No.5,835,655的光纤因为具有至少70μm2的有效截面积而可以防止非线性现象，并且因为零色散波长位于1500～1540nm或1560～1600nm的波长范围内而可以抑制由C波段中四波混频导致的信号失真。但是，四波混频导致的信号失真可能出现在泵浦波长范围内，因为零色散波长位于S波段内，例如接近用于拉曼放大的泵浦波长。
美国专利No.6,396,987公开了一种光纤，相比于传输率为40Gb/s的系统中的普通单模光纤，这种光纤能够降低色散补偿的成本。也就是说，美国专利No.6,396,987的光纤在1550nm的色散为6～10ps/nm-km，色散斜率为0.07ps/nm2-km或更小，有效截面积为至少60μm2。在这种情况下，其问题在于四波混频导致的信号失真出现在泵浦波长范围内，因为零色散波长位于1460nm附近，例如接近用于拉曼放大的泵浦波长。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的问题，因此，本发明的目的在于提供一种适合作为WDM传输系统中所使用的光传输线的光纤。
此外，本发明的另一目的在于提供一种光纤，其中零色散波长、色散和有效截面积被最优化，从而由于高速(至少10Gb/s)及大容量存储(50GHz或更小的信道间隔)系统中的低传输损耗而能够进行无信号失真的长距离传输(320km无中继传输)。
此外，本发明的又一目的在于提供一种光纤，其能够在宽波长范围(S-C-L波段)中进行长距离传输而无需色散补偿。
此外，本发明的再一目的在于提供一种使用上述光纤的光传输线以及使用该光传输线的光通信系统。
本发明的这些以及其它目的和优点详细描述如下。此外，本发明的这些以及其它目的和优点将通过所附权利要求中所述的方法及组合来实现。
附图说明
在以下详细说明中，将结合附图更完整地描述本发明优选实施例的这些以及其它特征、方案和优点。在附图中：
图1示出根据本发明第一和第二实施例的光纤的折射率分布(refractiveindex profile)的示意图；
图2示出根据本发明第三和第四实施例的光纤的折射率分布的示意图；
图3至图5示出传输特性Q随光纤的色散和有效截面积的变化的坐标图；
图6示出根据本发明实施例的光纤的每个波长的色散特性的坐标图；及
图7示出根据本发明实施例的光纤的每个波长的有效截面积的坐标图。
具体实施方式
本发明的光纤适合于用作WDM(波分复用)光通信系统的传输线，该光通信系统的传输率为至少10Gb/s，信道间隔为50GHz或更小，无中继传输距离为至少320km，并且在该光通信系统中使用拉曼放大器和/或EDFA(掺铒光纤放大器)来放大光信号。特别地，本发明的光纤可以在无信号失真下通过S波段(1460～1530nm)以及传统的C波段(1530～1565nm)和传统的L波段(1565～1625nm)来传输光信号。
为此，在本发明的光纤中，色散值在1460nm处为至少9ps/nm-km，有效截面积在1460nm处为45μm2～65μm2，零色散波长存在于1370nm或更小处，并且色散斜率为正。此外，1550nm处的RDS(相对色散斜率)优选地处于0.0032～0.0038nm-1的范围内。
通过沿光纤的径向调节折射率分布即折射率的变化，来实现这些光学特性(零色散波长、RDS、色散、色散斜率、有效截面积、截止波长等)。为此，本发明的光纤被设计为具有阶梯形(stepped)的折射率分布，如图1和图2所示。
本发明的光纤位于光学中心轴内，并且包括：具有相对高的折射率的芯区，以及环绕该芯区并具有相对低的折射率的包层区。
根据本发明第一实施例的光纤包括：从光学中心轴具有半径r1并具有特定折射率差Δ1的芯区；以及环绕芯区的包层区，该包层区从光学中心轴具有半径r2(见图1)。
也就是说，第一实施例的光纤具有阶梯形的折射率分布，其中半径为r1＜r2，特定折射率差为Δ1＞0，如图1所示(其中，Δ1＝[(ncore-nclad)/ncore]×100％，ncore：芯区的折射率，nclad：包层区的折射率)。
更具体而言，优选地，芯区的半径r1为3.5～4.1μm，特定折射率差Δ1为0.4～0.6％，更优选地，半径r1为3.56～4.00μm，特定折射率差Δ1为0.46～0.56％。
此外，根据本发明第二实施例的光纤包括：从光学中心轴具有半径r1并具有特定折射率差Δ1的第一芯区；环绕第一芯区并从光学中心轴具有半径r2且具有特定折射率差Δ2的第二芯区；以及环绕第二芯区并从光学中心轴具有半径r3的包层区(见图2)。
也就是说，第二实施例的光纤具有阶梯形的折射率分布，其中半径为r1＜r2＜r3，特定折射率差为Δ1＞Δ2且Δ1，Δ2＞0，如图2所示(其中，Δ1＝[(n1-nc)/n1]×100％，Δ2＝[(n2-nc)/n2]×100％，n1：第一芯区的折射率，n2：第二芯区的折射率，nc：包层区的折射率)。
优选地，第一芯区的半径r1为3.05±0.6μm，特定折射率差Δ1为0.53±0.03％；优选地，第二芯区的半径r2为4.53±0.6μm，特定折射率差Δ2为-0.097±0.03％。
更优选地，第一芯区的半径r1为3.64±0.6μm，特定折射率差Δ1为0.49±0.03％；第二芯区的半径r2为4.76±0.6μm，特定折射率差Δ2为-0.098±0.03％。
本发明的另一实施例涉及使用上述光纤的光传输线，和将该光传输线用作至少一部分光传输线的光通信系统。
拉曼放大涉及使用SRS(受激拉曼散射)来放大传输信号功率的方法，SRS称为光纤的非线性现象，并且传输信号功率通过SRS从泵浦信号传送到传输信号。如果拉曼放大增益谱具有宽的传输波长范围，则拉曼放大增益谱可以通过多次泵浦被展平。此时，如果光纤的零色散波长位于泵浦信号与传输信号的波长范围之间，则由于多个泵浦信号之间的交叉串扰以及由该交叉串扰产生的噪声信号与传输信号之间的交叉串扰，光信噪比增加并且传输特性受损。因此，在采用拉曼放大器的系统内所使用的光纤中，其零色散波长应低于泵浦信号波长的零色散波长。特别地，如果拉曼放大后的光信号不仅经C波段或L波段而且经S波段传送，则光纤的零色散波长应位移至低于1400nm以下，尤其应至1370nm以下。
因此，根据本发明的光纤的零色散波长存在于1370nm或更小处。
此外，根据本发明的光纤应具有最优化的色散值和最优化的有效截面积，从而当在具有至少10Gb/s的传输率和50GHz或更小的信道间隔的系统中进行320km的无中继传输时，满足至少为6的传输特性Q。
为此，在传输率为10Gb/s、信道间隔为50GHz或25GHz、16信道、传输距离为320km、每信道功率为0dBm或2dBm的系统中，进行传输仿真以研究传输特性Q随光纤的色散和有效截面积的变化。结果示于图3至图5中。
在图3和图4的情况下，光纤的色散为1～25ps/nm-km，有效截面积为50～70μm2。
首先，图3示出在光纤以传输率为10Gb/s、信道间隔为25GHz、16信道且每信道功率为0dBm进行320km传输时，传输特性Q随光纤的色散和有效截面积的变化。在图3中，如果光纤的有效截面积分别为至少50μm2和至少55μm2，则光纤应具有至少11ps/nm-km和至少10ps/nm-km的色散值，以满足传输特性Q至少为6的光纤。
此外，图4示出在光纤以传输率为10Gb/s、信道间隔为25GHz、16信道且每信道功率为2dBm进行320km传输时，传输特性Q随光纤的色散和有效截面积的变化。在图4中，如果光纤的有效截面积分别为至少55μm2和至少60μm2，则光纤应具有至少17ps/nm-km和至少15ps/nm-km的色散值，以满足传输特性Q至少为6的光纤。
在图5的情况下，光纤的色散为1～15ps/nm-km，有效截面积为55～70μm2。
图5示出在光纤以传输率为10Gb/s、信道间隔为50GHz、16信道且每信道功率为2dBm进行320km传输时，传输特性Q随光纤的色散和有效截面积的变化。在图5中，如果光纤的有效截面积分别为至少55μm2和至少60μm2，则光纤应具有至少5ps/nm-km和至少4ps/nm-km的色散值，以满足传输特性Q至少为6的光纤。
从图3和图4可见，由于光纤的非线性随着信号功率的增加而增加，所以如果光纤具有相同的有效截面积，则仅当色散值增加时获得至少为6的传输特性Q。
从图4和图5可见，尽管色散值对于相同的有效截面积相对较低，但如果功率信号相同且信道间隔拓宽至2倍，则获得至少为6的传输特性Q。
因此，本发明的光纤应具有正的色散斜率，色散值在1460nm处应为至少9ps/nm-km，且有效截而积应为45～65μm2，从而在C-L波段以及S波段中以至少10Gb/s的传输率和50GHz或更小的信道间隔来传送光信号。也就是说，本发明的光纤具有正色散斜率，因此其随着正色散斜率接近更长的波长波段而具有渐增的色散值。因此，如果光纤在S波段的最短波长1460nm处具有上述色散值和上述有效截面积，则在S-C-L波段的所有波长中也可获得良好的传输特性。
此外，根据本发明的光纤的RDS为0.0032～0.0038nm-1，其与普通单模光纤(SMF)的RDS相似，从而能够利用传统的色散补偿元件来进行色散补偿。
实例1
(1)半径：r1＝3.64μm
(2)特定折射率差：Δ1＝0.52％
(3)零色散波长：1315nm
(4)色散
1460nm：10.4ps/nm-km，1530nm：14.5ps/nm-km，1550nm：15.7ps/nm-km，1625nm：19.6ps/nm-km
(5)色散斜率
1550nm：0.055ps/nm2-km
(6)RDS
1550nm：0.0035nm-1
(7)有效截面积
1460nm：51μm2，1530nm：54μm2，1550nm：55μm2，1625nm：59μm2
实例2
(1)半径：r1＝3.84μm
(2)特定折射率差：Δ1＝0.46％
(3)零色散波长：1312nm
(4)色散
1460nm：10.8ps/nm-km，1530nm：15.1ps/nm-km，1550nm：16.2ps/nm-km，1625nm：20.2ps/nm-km
(5)色散斜率
1550nm：0.056ps/nm2-km
(6)RDS
1550nm：0.0035nm-1
(7)有效截面积
1460nm：57μm2，1530nm：61μm2，1550nm：62μm2，1625nm：66μm2
实例3
(1)半径：r1＝3.57μm，r2＝4.53μm
(2)特定折射率差：Δ1＝0.53％，Δ2＝0.097％
(3)零色散波长：1313nm
(4)色散
1460nm：10.7ps/nm-km，1530nm：15.0ps/nm-km，1550nm：16.2ps/nm-km，1625nm：20.1ps/nm-km
(5)色散斜率
1550nm：0.057ps/nm2-km
(6)RDS
1550nm：0.0035nm-1
(7)有效截面积
1460nm：52μm2，1530nm：55μm2，1550nm：56μm2，1625nm：60μm2
实例4
(1)半径：r1＝3.64μm，r2＝4.76μm
(2)特定折射率差：Δ1＝0.49％，Δ2＝0.098％
(3)零色散波长：1313nm
(4)色散
1460nm：10.9ps/nm-km，1530nm：15.2ps/nm-km，1550nm：16.3ps/nm-km，1625nm：20.3ps/nm-km
(5)色散斜率
1550nm：0.057ps/nm2-km
(6)RDS
1550nm：0.0035nm-1
(7)有效截面积
1460nm：56μm2，1530nm：60μm2，1550nm：61μm2，1625nm：65μm2
在实例1至4中，半径和特定折射率差可以具有±∝的制造公差(例如，对于半径约为±0.6μm，对于特定折射率差约为±0.03％)。
图6示出对应于实例1至4的光纤的每个波长的传输特性。对应于实例1到4的所有光纤在1460nm～1625nm具有9～20ps/nm-km的色散，并具有正色散斜率。
此外，图7示出对应于实例1至4的光纤的每个波长的有效截面积的特性。对应于实例1至4的所有光纤在1460nm处的有效截面积为50μm2～65μm2，并且在C波段和L波段的有效截面积为至少50μm2。
如上所述，在传输率为10Gb/s且信道间隔为50GHz或更小的系统中，对应于实例1至4的光纤在C波段和L波段以及S波段可以满足至少为6的传输特性Q，而且能够进行约320km的传输而无需色散补偿，因为在比1460nm更长的波长波段，其色散为至少9.0ps/nm-km，且有效截面积为至少50μm2。
应当理解，说明书及所附权利要求书中使用的术语不应解释为受限于一般及字典含义，而应基于允许发明人为了最好的解释适当定义术语的原则，根据与本发明的技术方案相对应的含义和概念来解释。
因此，应当理解，由于通过详细说明，在本发明的精神和范围内的各种变化和改型对本领域技术人员将变得显而易见，因此仅以举例说明的方式给出表明本发明优选实施例的详细说明和具体实例。
工业实用性
根据本发明的光纤的零色散波长存在于1370nm或更小。因此，即使在S波段进行拉曼放大，光纤的传输特性也不会由于泵浦信号之间的交叉串扰而受损。
此外，本发明的光纤能够以10Gb/s或更大的传输率、50GHz或更小的信道间隔、16信道及0dBm/ch或2dBm/ch的信号功率，在S-C-L波段上进行320km无中继传输。
另外，本发明的光纤能够利用用于普通单模光纤的色散补偿元件来进行色散补偿。

Claims (10)

1、一种单模光纤，用于在1460至1625nm的波长范围进行波分复用传输，该光纤的传输率为10Gb/s，信道间隔为50GHz或更小，并且包括：
芯区，其位于光学中心轴内，并从该光学中心轴具有半径r1且具有特定折射率差Δ1；以及
包层区，其环绕该芯区，并从该光学中心轴具有半径r2；
该光纤还具有：
阶梯形折射率分布，其中所述区的各半径为r1＜r2，且特定折射率差为Δ1＞0；
其中，Δ1＝[(ncore-nclad)/ncore]×100％，ncore：芯区的折射率，nclad：包层区的折射率；
其中
在1460nm处色散值为至少9ps/nm-km；
在1460nm处有效截面积为45μm2～65μm2；以及
零色散波长存在于1370nm或更小处，且色散斜率为正。
2、如权利要求1所述的单模光纤，
其中相对色散斜率在1550nm处为0.0032～0.0038nm-1。
3、如权利要求1所述的单模光纤，
其中该芯区的半径r1为3.5～4.1μm，且特定折射率差Δ1为0.4～0.6％。
4、如权利要求1所述的单模光纤，
其中该芯区的半径r1为3.56～4.00μm，且特定折射率差Δ1为0.46～0.56％。
5、一种单模光纤，用于在1460至1625nm的波长范围进行波分复用传输，该光纤的传输率为10Gb/s，信道间隔为50GHz或更小，并且包括：
第一芯区，其位于光学中心轴内，并从该光学中心轴具有半径r1且具有特定折射率差Δ1；
第二芯区，其环绕该第一芯区，并从该光学中心轴具有半径r2且具有特定折射率差Δ2；以及
包层区，其环绕该第二芯区，并从该光学中心轴具有半径r3；并且
该光纤还具有：
阶梯形折射率分布，其中所述区的各半径为r1＜r2＜r3，且特定折射率差为Δ1＞Δ2且Δ1、Δ2＞0；
其中，Δ1＝[(n1-nc)/n1]×100％，Δ2＝[(n2-nc)/n2]×100％，n1：第一芯区的折射率，n2：第二芯区的折射率，nc：包层区的折射率)
在1460nm处色散值为至少9ps/nm-km；
在1460nm处有效截面积为45μm2～65μm2；以及
零色散波长存在于1370nm或更小处，且色散斜率为正。
6、如权利要求5所述的单模光纤，
其中相对色散斜率在1550nm处为0.0032～0.0038nm-1。
7、如权利要求5所述的单模光纤，
其中该第一芯区的半径r1为3.05±0.6μm，且特定折射率差Δ1为0.53±0.03％；以及
其中该第二芯区的半径r2为4.53±0.6μm，且特定折射率差Δ2为-0.097±0.03％。
8、如权利要求5所述的单模光纤，
其中该第一芯区的半径r1为3.64±0.6μm，且特定折射率差Δ1为0.49±0.03％；
其中该第二芯区的半径r2为4.76±0.6μm，且特定折射率差Δ2为-0.098±0.03％。
9、一种光传输线，其采用权利要求1或5中所述的单模光纤。
10、一种光通信系统，其采用权利要求9所述的光传输线作为至少一部分光传输线。
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