CN100568029C - 具有更小受激布里渊散射的光纤 - Google Patents

Abstract

具有给定折射率分布的光纤包括芯部区域和包层区域。芯部区域包括至少两种共掺质，并且所述芯部掺杂物的至少一种的浓度在整个芯部区域上连续变化。该光纤在1550nm的波长下具有大于或等于100MHz的自发布里渊频谱。至少一种芯部掺杂物浓度的变化对应于大于或等于1×10^-3的折射率变化。本发明的光纤与标准传输纤维相比具有高得多的布里渊阈值，并且在1550nm的波长下具有小于0.3dB/km的有限光纤损耗，并且在光纤的光学传输参数中没有变化。

Description

具有更小受激布里渊散射的光纤

技术领域

本发明涉及光纤传输领域，更具体地说涉及由于受激布里渊散射(SBS)而具有更小损耗的光纤。

背景技术

对于光纤而言，我们通常将折射率分布限定为使纤维半径与折射率相关联的曲线形状函数。按照标准的方式，横坐标表示离光纤中心的距离r，并且纵坐标表示在芯部的折射率和光纤包层的折射率之间的差值。对于具有台阶形、梯形或三角形相应形状的曲线图，我们因此将折射率分布称为“台阶”、“梯形”或“三角形”。这些曲线通常代表光纤的理论形状或参考折射率分布，光纤制造约束条件会导致明显不同的形状。

光纤通常由具有发射光学信号并且可使之放大的功能的光学芯部和具有将光学信号限定在芯部中的功能的光学包层。为此，芯部的折射率n_c和外包层的折射率n_g的关系为n_c＞n_g。如通常所知道的一样，光信号在单模光纤中的传播被分成在芯部中的受引导主模式和在整个芯部-包层的一定距离上的受引导副模式，即包层模式。

光纤是现代电信系统中的关键部件。对于长通信距离的电信应用来说使用这种光纤的一个限制是由于受激布里渊散射(SBS)而造成的损耗。SBS是由于光子与构成光纤的玻璃基质的声子的相互作用导致的光学非线性。SBS限制了整个光纤传输系统的最大光功率；随着输入功率增加至所公知的布里渊阈值之上，可以沿着光纤传输的功率达到上限。给光纤的任何附加的输入功率由于声子的相互作用而沿着向后方向散射，而不是作为更高的功率信号沿着向前发射方向传播。因此，SBS如它所称呼的那样，降低了在接收器处的信噪比，并使得发射器由于反射光进入而变得不稳定。而且，在越来越长的距离上，在不断增大的数据传输速率下越来越多地使用光纤放大器、固态Nd:YAG激光器以及外部调制，这些都结合在一起恶化了SBS。

在文献中提出用于提高布里渊阈值的技术使得SBS的有害效果变得最低，并根据例如光源的光子能谱或者玻璃的光子能谱的变宽而提高光纤的功率处理容量以降低相互作用的效率。自发布里渊频谱宽度的变宽会提高布里渊阈值。这可以通过使得布里渊频率移动以在光纤截面中或者沿着光纤长度改变来实现。

EP-A-0839770提出了调制沿着光纤的牵引张力以抑制SBS，同时不会明显地改变光纤损耗或者色散因数。

JP-A-09-311231提出通过改变背景氟浓度来改变沿着光纤长度(轴向)的折射率分布。WO-A-2004/027941提出了通过施加超声波辐射或者施加热处理而改变沿着光纤长度的折射率分布。

U-A-2002/0118935提出了一种围绕光包层的不规则涂层，它沿着长度方向变化以便改变声波的模式分布。

“通过在铺设电缆中向光纤施加应变分布来实现受激布里渊散射抑制”(N.Yoshizawa等人，IEEE JLT，vol 11，No 10，第1518-1522页)提出了将光纤围绕中心杆缠绕以诱发应力来改变声子的能量分布。

沿着光纤轴向改变折射率以及紧密光纤缠绕的一些缺点包括沿着光纤长度的非均匀光纤性能(拼接特性、Raman增益、截止波长)以及影响光纤寿命的更大疲劳。

US-A-6542683提出通过提供包括导致不均匀热膨胀和粘度分布的玻璃改性掺杂物的交替层的光纤芯而增宽参与的SBS光子的能谱，所述掺杂物赋予光纤截面残余永久非均匀应力。具有不同热膨胀系数(CTE)和粘度的至少两个层在光纤截面中产生疲劳变化，这会产生布里渊频移变化，并因此产生模式谱线宽度增大。

交替层中的CTE和粘度控制是难以实现的，为了获得在芯中的掺杂和未掺杂层预制件的制造过程需要昂贵的设备。而且，只要芯部是掺杂的，光纤损耗就会增加，特别是当掺杂物浓度具有明显变化的时候。这种明显的变化导致在其界面处的二氧化硅网络缺陷，导致光纤吸收损耗的增加以及寿命的降低。

US-A-6587623提出了控制在光纤芯部中受到不良引导的声波，从而减少光子-光子的相互作用，并因此降低SBS作用。但是这种光纤难以实现，因为光纤分布必须同时满足良好的光引导和不好的声波引导。在优化SBS作用的努力中，预计在光传输性能中存在缺陷。

“在单模光纤中的有效受激布里渊增益”(J，Botineau等人，Electronics Letters，1995年11月9日，vol 31，No 23)提出梯形折射率分布光纤与台阶形折射率分布相比能够实现更高的布里渊阈值。但是，梯形分布形状不是最适用于专门电信用途。

因此需要这样一种光纤，它具有更大的布里渊阈值并且不会改变光纤传输特性，即不会改变光纤折射率分布。还需要一种具有更大布里渊阈值并且光纤损耗增大有限的光纤。

发明内容

因此，本发明提出了一种光纤，它包括：

芯部，它具有给定的折射率分布并且包括至少两种共掺质；

包层部分，它具有给定的折射率分布；

其中所述芯部掺杂物的至少一种的浓度在整个芯部区域上连续变化；

该光纤在1550nm的波长下具有等于或大约100MHz的自发布里渊频谱宽度，

至少一种芯部掺杂物浓度的变化对应于大于或等于1×10^-3的折射率变化。

根据各个实施方式，本发明的光纤包括以下特征中的一个或多个：

所述至少两种芯部掺杂物的浓度在整个芯部区域上连续变化；

包层区域包括所述芯部掺杂物的至少一种；

芯部的折射率分布为台阶形分布、双台阶形分布或阿尔法(alpha)分布；

在包括Ge、F、P、Al、Cl、B、N和碱性金属的组中选择至少两种芯部掺杂物；

所述芯部掺杂物的一种为锗(Ge)，其浓度在1wt％至20wt％的范围中变化；

所述芯部掺杂物的一种为氟(F)，其浓度在0.3wt％至8wt％的范围内变化；

所述芯部掺杂物的一种为磷(P)，其浓度在1wt％至10wt％的范围内变化；

在1550nm的波长下有效表面大于或等于50μm²；

在1550nm的波长下衰减小于或等于0.3dB/km。

本发明还涉及一种光学传输系统，该系统包括：

光学发射器，用来用与标准均匀Ge掺杂的台阶形光纤相比更大的布里渊阈值功率发射在预定的波长范围内的光信号；

根据本发明的传输光纤；以及

光学接收器，用来以与所述标准光纤相比更好的信噪比(SNR)接收光学信号。

附图说明

通过阅读以实施例的方式并且参照附图给出的本发明实施方式的说明将更加清楚了解本发明的其它特征和优点，其中：

图1a为根据本发明第一实施方式的光纤的参考折射率分布的曲线图；

图1b为图1a的光纤中的掺杂物浓度的曲线图；

图2a为根据本发明第二实施方式的光纤的参考折射率分布的曲线图；

图2b为在图2a的光纤中的掺杂物浓度的曲线图；

图3a为根据本发明第三实施方式的光纤的参考折射率分布的曲线图；

图3b为在图3a的光纤中的掺杂物浓度的曲线图。

具体实施方式

本发明的光纤包括其中引导所要传输的光信号的芯部区域和用于将光信号限制在芯部中的包层区域。该光纤具有根据不同用途的各种参数例如模场参数、色散参数、有效截止波长、有效面积等而限定的给定折射率分布。

根据本发明，纤维的芯部区域包括至少两种共掺质并且至少一种所述芯掺杂物的浓度在整个芯部区域上连续变化。

掺杂物浓度沿着光纤的径向、尤其是在光纤的芯部中的变化允许布里渊谱加宽，并因此提高了布里渊阈值。平滑的掺杂物变化确保了对于不同掺杂物浓度的均匀模式功率的重新分配，并限制了光纤损耗。使用共掺质允许为光纤保持给定的折射率分布，并减少SBS的降低对光纤的其它光学参数的影响，尤其是模场直径和色散参数。沿着光纤长度也就是沿着其纵轴的掺杂物浓度是恒定的。这意味着掺杂物浓度不会在光纤长度上发生变化。

本发明的光纤对于在1550nm波长处传播的信号具有等于或者大于100MHz的自发布里渊频谱宽度。相比标准单模光纤(SSMF)来说，这种加宽的布里渊谱允许将布里渊阈值提高至少2倍(factor 2)(或者是在对数标度中提高3dB)。本发明的光纤与标准传输光纤相比实现了高得多的布里渊阈值，并在1550nm波长处具有小于0.3dB/km的有限光纤损耗，并且不会明显改变光纤的光学传输参数。

图1a和1b显示了本发明的光纤的第一实施例。

图1a-b的光纤具有单台阶形分布，芯部具有给定的恒定折射率值，包层具有较小的恒定折射率值。图1a显示了具有任选单位的折射率分布。这种光纤分布例如用于标准单模光纤(SSMF)。通常，SMF是基于二氧化硅的，并在芯部中包括掺杂物以提高二氧化硅的折射率，其浓度基本保持恒定以在芯区域上具有恒定的折射率值。

参考图1b，光纤的芯区域包括两种掺杂物。第一种掺杂物锗(Ge)已知用于提高二氧化硅的折射率值，第二种掺杂物氟(F)已知用于降低二氧化硅的折射率值。图1b显示了掺杂物浓度的重量百分数wt％。根据本发明，至少一种芯掺杂物在整个芯区域上连续变化。在图1b中，两种共掺质在整个芯部区域上连续变化。使用至少两种掺杂物保证折射率分布保持在给定的参考分布，也就是图1a-b的实施例中的单台阶形分布。

至少一种芯部掺杂物浓度的变化在光纤截面中引入了密度和弹性变化，这加宽布里渊频谱，并因此提高了布里渊阈值。芯部掺杂物浓度的变化必须大到足以引入足够的密度和弹性变化以减少SBS。申请人发现，至少一种芯掺杂物应当在整个芯部区域上具有与大于或者等于1×10^-3的折射率变化相对应的浓度变化，也就是如果没有受到另一种芯部掺杂物的补偿，则应当是由芯部掺杂物浓度的变化赋予的折射率变化。

为了具有受激布里渊的高阈值，本申请人希望具有宽的自发布里渊频谱。因为改变锗含量导致布里渊波长的移位，因此申请人希望具有a)锗浓度较大的总体分布以及b)对于锗的给定分布，在不同的锗浓度上尽可能均匀地分配模式功率。

关于b)，从数学角度给出的最佳解决方案中功率分数与径向锗浓度的第一导数成正比。

D(Ge(r))/Dr＝const*P(r)

功率分数P(r)涉及到功率在光纤中的径向分布。P(r)是在从r至r+dr的环中的模式分数幂。Ge(r)为在径向位置r处的锗浓度。

回到图1b，锗浓度从5.8wt％(单位重量百分比)连续变化至12wt％。氟浓度从0.1wt％连续变化为1.7wt％。

掺杂物浓度的平滑规则变化确保了不同掺杂物浓度的均匀模式功率分配，并且限制了光纤损耗。在图1a-b中例举的在光纤上形成的模拟在1550nm的信号波长处给出了大于100MHz的自发布里渊频谱宽度和与标准单模光纤相比增加至少2倍的SBS阈值功率，并且有限的Rayleigh损耗增加大约0.013dB/km。

图2a和2b显示出根据本发明的光纤的第二实施例。图2a显示出具有任意单位的折射率分布，并且图2b显示出以wt％为单位的掺杂物浓度。

图2a-b的光纤具有一双台阶形分布，其中芯部包括具有给定恒定折射率值的中央部分和具有更小恒定折射率值的环，包层具有小于中央部分折射率值并且高于环形部分折射率值的恒定折射率值。这种光纤结构用于信号传输。回到图2b，光纤的芯部和包层区域包括两种掺杂物；锗(Ge)和氟(F)，这两者都在整个芯部区域上连续变化并且在包层区域中保持恒定。

在图2b中，锗浓度在芯部区域上从9.6wt％连续变化至5.2wt％；并且氟浓度在中央芯部区域中从0.7wt％连续变化至0.0wt％并且在环形芯部区域中从1.8wt％变化至1.2wt％。在氟浓度中的台阶对应于在中央芯部区域和环形芯部区域之间的折射率台阶。离开该台阶，根据针对给定光学用途确定的参考折射率分布的要求，氟浓度在芯部区域上具有平滑恒定的变化；确保了对于不同掺杂物浓度的均匀模式功率分配并且限制了光纤损耗。在图2中所例举的在光纤上作出的模拟在1550nm的信号波长下给出了大于100MHz的SBS频谱宽度和与标准均匀Ge掺杂台阶形光纤相比增大2倍的SBS阈值功率，并且受限的Rayleigh损耗增加导致在1550nm下小于0.3dB/km的总损耗。

图3a和3b显示出根据本发明的光纤的第三实施例。图3a显示出具有任意单位的折射率分布，并且图3b显示出以wt％为单位的掺杂物浓度。

图3a-b的光纤具有一阿尔法台阶形分布，并且芯部具有一中央阿尔法形状部分、具有给定恒定折射率树脂的第一环和第二埋入环，包层具有比第一环形部分折射率数值更小并且比埋入环部分折射率数值更高的恒定折射率数值。这种光纤结构用于信号传输。

回到图3b，光纤的芯部和包层区域包括两种掺杂物：锗(Ge)和氟(F)。锗浓度在中央芯部区域和第一环区域上连续变化，并且在埋入环区域中基本上保持为零。氟浓度在中央芯部区域和第一环区域上连续变化，并且在埋入环区域上保持恒定。

在图3b中，锗浓度在中央芯部区域和第一环形区域上从9.2wt％连续变化为1.0wt％；并且氟浓度在所述区域上从0.7wt％连续变化为0wt％。在氟浓度中的台阶和在锗浓度中的台阶与在第一环形芯部区域和埋入环芯部区域之间的折射率台阶对应。

在图3中例举的光纤上作出的模拟在1550nm的信号波长下给出了大于100MHz的SBS频谱宽度和与标准SMF光纤相比增大2倍的SBS阈值功率，并且受限的Rayleigh损耗增加导致在1550nm下小于0.3dB/km的总损耗。这些附图给出了本发明的实施例。可以使用除了锗(Ge)和氟(F)之外的其它掺杂物来实现根据本发明的具有更小SBS的光纤。芯部区域包括能够从包括Ge、F、P、Al、Cl、B、N和碱性金属的组中选出的至少两种掺杂物。

只要其中一种所述芯部掺杂物为锗(Ge)，则该浓度可以在1wt％至20wt％的范围中变化；在其中一种所述掺杂物为氟(F)时，该浓度可以在0.3wt％至8wt％范围中变化；在其中一种所述掺杂物为磷(P)时，浓度可以在1wt％至10wt％的范围中变化。

本发明的光纤与标准传输纤维相比具有高得多的布里渊阈值，并且其光纤损耗有限并且在有折射率参考分布所确定的光纤光学参数中没有变化。本发明的光纤在1550nm的波长下具有大于或等于50μm2的有效表面和在1550nm下小于或等于0.3dB/km的衰减。这种光纤适合用在电信系统中的数据传输。这种光学传输系统可以包括用来发射在预定波长范围内的光学信号的光学发射器、作为本发明的光纤的传输光纤以及用来接收由于SBS减小和光纤损耗增大受限而导致信噪比(SNR)更好的光学信号的光接收器。与现有技术的系统相比，光学发射器可以将具有更高功率的光学信号输入给光纤；用于传输光纤的布里渊阈值功率与SMF相比增加至少两倍。

Claims (15)

1.一种光纤，包括：

芯部区域，它具有给定的折射率分布并且包括至少两种共掺质；

包层区域，它具有给定的折射率分布；

其中至少一种所述芯部掺杂物的浓度在整个芯部区域上沿着径向连续变化；

光纤在1550nm的波长下具有大于或等于100MHz的自发布里渊频谱宽度，

至少一种芯部掺杂物浓度的变化对应于大于或等于1×10^-3的折射率变化。

2.如权利要求1所述的光纤，其中所述至少两种芯部掺杂物的浓度在整个芯部区域上沿着径向连续变化。

3.如权利要求1所述的光纤，其中包层区域包括所述至少一种所述芯部掺杂物。

4.如权利要求1所述的光纤，其中所述芯部的折射率分布为台阶形分布。

5.如权利要求1所述的光纤，其中所述芯部的折射率分布为双台阶形分布。

6.如权利要求1所述的光纤，其中所述芯部的折射率分布为阿尔法分布。

7.如权利要求1所述的光纤，其中至少两种芯部掺杂物选自包括Ge、F、P、Al、Cl、B、N和碱性金属的组。

8.如权利要求1所述的光纤，其中所述芯部掺杂物的一种为锗(Ge)，其浓度在1wt％至20wt％的范围内变化。

9.如权利要求1所述的光纤，其中所述芯部掺杂物的一种为氟(F)，其浓度在0.3wt％至8wt％的范围内变化。

10.如权利要求1所述的光纤，其中所述芯部掺杂物的一种为磷(P)，其浓度在1wt％至10wt％的范围内变化。

11.如权利要求1所述的光纤，在1550nm的波长下具有大于或等于50μm²的有效表面。

12.如权利要求1所述的光纤，在1550nm的波长下具有小于或等于0.3dB/km的衰减。

13.如权利要求1-12中任一项所述的光纤，其中功率分数与径向锗浓度的第一导数成正比，

$\frac{d}{\mathrm{dr}}\left(\mathrm{Ge}\left(r\right)\right)=\mathrm{const}*P\left(r\right)$

其中Ge(r)为在径向位置r处的锗浓度，P(r)为在光纤中的径向位置r处的功率。

14.如权利要求1所述的光纤，其中所述至少一种芯部掺杂物的浓度沿着光纤的纵向轴线为常数。

15.一种光学传输系统，包括：

光学发射器，用来用与标准均匀Ge掺杂的台阶形光纤相比更大的布里渊阈值功率以预定的波长范围发射光信号；

根据权利要求1至14中任一项所述的传输光纤；以及

光学接收器，用来以与所述标准光纤相比更好的信噪比(SNR)接收光学信号。

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