CN101201431A - 宽带色散补偿光纤、其制造方法及宽带色散补偿模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及宽带色散补偿光纤、其制造方法及宽带色散补偿模块，其中，宽带色散补偿光纤由芯层和围绕芯层的包层组成，该光纤的芯层包括有四个同心的纤芯分层，每一纤芯分层具有不同的相对折射率和半径，围绕芯层的包层为纯二氧化硅玻璃层或部分掺杂氟利昂的石英玻璃层。本发明的宽带色散补偿光纤具有较高的色散补偿率和较高的品质因数，有助于通信系统链路累积正色散的补偿，提高密集波分通信系统的传输速率与容量。

Description

宽带色散补偿光纤、其制造方法及宽带色散补偿模块

技术领域

本发明涉及宽带色散补偿光纤、其制造方法及宽带色散补偿模块。特别适用于对1530nm～1625nm(C+L波段)通信波段的色散补偿，具备较高的品质因数(FOM)和较宽波段的色散补偿能力，而且具备二阶色散补偿能力。

背景技术

随着网络技术的应用日益广泛，人们对宽带传输的需求迅速增长，因此，光通信系统需要不断增大传输距离、传输容量和提高传输速率。光纤通信的传输速率从最初的兆比特/秒(Mbps)，2.5G比特/秒(Gbps)到10G比特/秒，现在高达40G比特/秒，甚至160G比特/秒。但是，常规单模光纤(G.652)由于在1530nm-1625nm(C+L波段)通信波段内具有11-21ps/nm·km的正色散，非零色散位移光纤(G.655)在C波段内具有1-10ps/nm·km的正色散。通信数据传输一段距离后，系统的累积色散不断增加，导致传输信号的波形畸变，造成信号的失真。

为了减小通信链路累积色散对通信系统传输性能的影响，目前，国际上采用色散补偿技术来改善链路色散，包括色散补偿技术、光纤光栅色散补偿技术、电子色散补偿技术等，其中采用负色散光纤进行色散补偿的技术最方便有效，而且成本低。

要对G.652或G.655光纤链路累积正色散进行补偿，就必须具备与其色散特性相反的光纤来进行色散补偿。该色散补偿光纤需要具备较大的负色散和合适的负色散斜率。同时，作为通信链路上的一种补偿器件，色散补偿光纤必须做成一种色散补偿模块，该色散补偿模块必须具备较高的品质因数，较低的插入损耗，以及在线补偿的方便实用性与稳定性。

可见，色散补偿光纤是适应市场发展需求而产生的，具备广泛的应用前景。因此，各国都在研究开发适合市场发展需求的色散补偿光纤与色散补偿模块。美国专利US6757468B2阐述了一种C+L波段(1530nm-1625nm)色散补偿光纤，该光纤采用外部气相沉积工艺(OVD)制备，虽然1550nm色散可以达到-130ps/nm·km，但是该光纤截止波长位于1660nm～1760nm之间，光纤弯曲损耗较大，会影响光纤器件的工作稳定性。美国专利US7197219B2描述了一种简单W形折射率剖面的色散补偿光纤制作的色散补偿模块，其色散补偿光纤在1520nm-1570nm范围内的色散为-70～-140ps/nm·km，负色散绝对值不够大，而且但是该专利没有涉及色散补偿光纤的衰减、品质因数、模块的插入损耗等重要指标，不能全面评价色散补偿光纤及其模块的性能。美国专利US7194171B2专利描述了一种色散补偿光纤，其1550nm波长的色散为-82～-29ps/nm·km，负色散值太小，不能很好地满足应用需求。中国专利CN1629667A描述了一种W形色散补偿光纤及其模块，但是该专利没有涉及品质因数和插入损耗等关键指标，也不能够全面评价该色散补偿光纤及其模块的性能。

为了解决上述色散补偿光纤的不足，满足高速大容量长途传输通信系统的链路色散要求，需要提供宽带色散补偿光纤和宽带色散补偿模块，宽带色散补偿模块能够实现C+L波段的宽带色散补偿，满足高速密集波分通信系统的色散管理需求。

本发明涉及的定义

沉积：光纤原材料在一定的环境下发生化学反应生成掺杂的石英玻璃的工艺过程；

熔缩：将沉积后的空心玻璃管在一定的热源下逐渐烧成实心玻璃棒的工艺过程；

套管：满足一定截面积和尺寸均匀性的高纯石英玻璃管；

基管：用于沉积的高纯石英玻璃管；

折射率剖面(RIP)：光纤或光纤预制棒(包括光纤芯棒)的折射率与其半径之间的关系曲线；

绝对折射率差(δn)：光纤预制棒中各个部分的折射率与纯石英玻璃折射率的差；相对折射率(Δ％)： $\mathrm{\Δ}\%=\frac{n_i^2-n_0^2}{2n_i^2}\×100\%,$ 其中ni为第i层光纤材料的折射率，n0为纯石英玻璃的折射率。

折射率剖面分布参数(α)：n(r)＝n1[1-2Δ(r/α)^α]^0.5，其中n(r)为半径为r处的折射率，a为光纤(或芯棒)半径，n1为光纤(或芯棒)芯区中的最大折射率，α即为折射率剖面分布参数；

有效面积： $A_{\mathrm{eff}}=2\mathrm{\π}\×\frac{{\left(\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{E}^2\mathrm{rdr}\right)}^2}{\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{E}^4\mathrm{rdr}},$ 其中，E为与传播有关的电场，r为光纤半径；

总色散：光纤波导色散与材料色散的代数和；

色散斜率：色散对波长的依赖性；

相对色散斜率(RDS)：某一波长下的色散斜率除以该波长下的色散值；

相对色散：某一波长下的色散除以该波长下的色散斜率，称为Kappa，简写为K，也称为DOS；

品质因数(FOM)：某一波长下的色散与该波长下的衰减的商的绝对值，它是衡量色散补偿光纤综合性能关键指标；

色散补偿率：色散补偿光纤的相对色散与被补偿光纤的相对色散的比率；

插入损耗：指色散补偿模块插入光纤链路引入的附加损耗，它包括接头损耗和色散补偿光纤的衰减。

PMD：光纤的偏振模色散；

PCVD：等离子化学气相沉积；

MCVD：改进的化学气相沉积；

OVD：外部气相沉积；

VAD：轴向气相沉积。

发明内容

本发明第一个目的在于提供一种宽带色散补偿光纤。

本发明第二个目的在于提供该宽带色散补偿光纤的制造方法。

本发明第三个目的在于提供由该宽带色散补偿光纤构成的宽带色散补偿模块。

本发明提供的一种宽带色散补偿光纤，由芯层和围绕芯层的包层组成，该光纤的芯层包括有四个同心的纤芯分层，第一纤芯分层的相对折射率Δb％的变化范围为1.2％～2.2％；第二纤芯分层的相对折射率Δc％从负变化到正，其变化范围为-0.8％～2.2％；第三纤芯分层的相对折射率Δe％的变化范围为-0.4％～-0.8％；第四纤芯分层的相对折射率Δf％的变化范围为0.2％～0.5％，四个纤芯分层的半径范围从第一纤芯分层开始向外分别为0.4～0.9微米，1.4～1.9微米，4.6～5.6微米，6.6～8.2微米，围绕芯层的包层g为纯二氧化硅玻璃层或部分掺杂氟利昂的石英玻璃层。

本发明提供的宽带色散补偿光纤的第一纤芯分层与第二纤芯分层半径的比例在0.28～0.49之间。

本发明提供的宽带色散补偿光纤的第三纤芯分层与第二纤芯分层半径的比例在2.95～3.29之间。

本发明提供的宽带色散补偿光纤的第四纤芯分层与第二纤芯分层半径的比例在4.10～4.70之间。

本发明提供的宽带色散补偿光纤的第二纤芯分层采用折射率剖面参数α使折射率光滑变化，折射率剖面参数α的变化范围为：1＝α＝3。

本发明提供的宽带色散补偿光纤在1530nm～1625nm(C+L波段)波长范围内色散系数为-120～-227ps/nm·km，色散斜率为负值，衰减系数小于0.5dB/km。

本发明提供的宽带色散补偿光纤在1530nm～1625nm(C+L波段)波长范围内色散系数为-130～-200ps/nm·km，色散斜率为负值，衰减系数小于0.5dB/km。

本发明提供的宽带色散补偿光纤在1550nm波长处的色散系数为-150ps/nm·km，色散斜率为-0.4～-1.0ps/nm2·km，相对色散Kappa＝230nm，色散补偿率为100％±20％，衰减系数小于0.40dB/km，品质因数FOM＝280ps/nm/dB，PMD小于

本发明提供的宽带色散补偿光纤在1550nm波长处的色散系数为-150ps/nm·km，色散斜率为-0.4～-1.0ps/nm2·km，相对色散Kappa＝260nm，色散补偿率为100％±10％，衰减系数小于0.40dB/km，品质因数FOM＝350ps/nm/dB，PMD小于

本发明提供的宽带色散补偿光纤在1625nm波长处直径30mm的弯曲损耗小于10dB/m。

本发明提供的一种宽带色散补偿光纤的制造方法，采用PCVD工艺在空心石英基管内壁沉积掺杂石英的玻璃层；然后，按照熔缩工艺将沉积后的空心石英基管熔缩成实心的石英玻璃芯棒；在拉棒车床上将该芯棒拉细，然后套在石英玻璃套管中，最后在拉丝塔上拉丝成光纤。

本发明提供的一种宽带色散补偿模块，该模块采用本发明提供的宽带色散补偿光纤，将宽带色散补偿光纤缠绕在直径小于或等于10cm的圆柱体卷盘上，光纤两端连接上待补偿的单模光纤尾纤，宽带色散补偿模块的色散补偿光纤复绕张力控制在15g～45g之间，该宽带色散补偿模块的插入损耗小于或等于4.0dB。

本发明获得的有益效果为：

(1)采用等离子体化学气相沉积(PCVD)工艺技术制造出一种能够在C波段(1530nm～1565nm)、L波段(1565nm～1625nm)或C+L波段(1530nm～1625nm)具备绝对值较大的负色散和色散斜率适当的宽带色散补偿光纤，该光纤具有较高的品质因数(FOM)，较低的弯曲损耗；

(2)本发明的宽带色散补偿模块具有较高的色散补偿率(100％±10％)，以及较低的插入损耗，有助于通信系统链路累积正色散的补偿，提高通信系统的传输速率与容量；

(3)本发明采用折射率剖面参数α进行折射率的光滑变化，该方法可以避免折射率的巨大突变造成较大的内应力，从而减小光纤的衰减，降低光纤的偏振模色散；同时，折射率剖面参数α的变化，可以方便的调整色散补偿光纤的色散特性；

(4)本发明宽带色散补偿光纤的芯棒经过拉细后再套管的工艺过程，该过程有利于降低预制棒内的杂质含量，减少预制棒中的缺陷造成的损耗，改善光纤的PMD；

(5)本发明提供的宽带色散补偿光纤的复绕张力被控制在15g～45g之间，该张力使宽带色散补偿光纤能够规律排列，但是又不受任何侧面压力，有利于降低宽带色散补偿模块的插入损耗与PMD，以免该模块在使用过程中的传输损耗增加或PMD恶化；

(6)本发明提供的宽带色散补偿光纤及宽带色散补偿模块，补偿光通信链路的累积正色散，从而提高通信系统的传输速率与传输容量。具有实际应用意义，具有较好的经济效益和应用前景。

附图说明

图1是本发明第一个实施例的宽带色散补偿光纤折射率剖面结构分布图；

图2是本发明第一个实施例的宽带色散补偿光纤的色散曲线；

图3是本发明第一个实施例的宽带色散补偿光纤的色散斜率曲线；

图4为本发明第一个实施例的宽带色散补偿光纤的衰减谱；

图5为本发明宽带色散补偿光纤模块的示意图。

具体实施方式

在第一实施例中，采用PCVD光纤预制棒制造工艺，在空心石英基管内壁沉积掺杂石英的玻璃层；然后，按照熔缩工艺将沉积后的空心石英基管熔缩成实心的石英玻璃芯棒，该芯棒的直径为26mm，在拉棒车床上将该芯棒经过拉细后再放入一定尺寸的大套管中，然后在拉丝塔上拉丝成为115微米外直径的色散补偿光纤。制造出如图1所示的宽带色散补偿光纤。该光纤包括四个纤芯分层，各纤芯分层的相对折射率差Δ％由第一纤芯分层向外分别为：2.10％，-0.46％～2.10％，-046％，0.29％。其中第二纤芯分层的折射率剖面参数α为1.6。该光纤的四个纤芯分层的半径由第一纤芯分层开始向外分别为：0.79微米，1.63微米，4.89微米及6.87微米。

制造工艺采用了先拉细芯棒再套管的技术手段，有利于降低预制棒内的杂质含量，减少预制棒中的缺陷造成的损耗，改善光纤的偏振模色散。该光纤的色散测试曲线如图2所示，色散斜率曲线如图3所示。该宽带色散补偿光纤在在1550nm波长处的色散达到-146.5ps/nm·km，色散斜率为-0.66ps/nm2·km。该宽带色散补偿光纤在的衰减谱测试如图4所示，1550nm波长处的衰减为0.379dB/km，品质因数FOM为386.5ps/nm/dB，相对色散Kappa为221.96nm，色散补偿率为81％左右。弯曲直径30mm情况下，1625nm的弯曲损耗为6dB/m。该宽带色散补偿光纤在1550nm波长处的PMD为

模场

直径为4.96微米，截止波长1410nm。将该4km长的宽带色散补偿光纤i以40g的复绕张力盘绕在直径为100mm的圆柱体卷盘h上，然后两端熔接上通信单模光纤尾纤j，并安装上光纤活动连接器m，最后将其固定在色散补偿光纤盒n中，形成如图5所示的宽带色散补偿模块，该模块的插入损耗为3.26dB。

在第二实施例中，采用PCVD光纤预制棒制造工艺，在空心石英基管内壁沉积掺杂石英的玻璃层；然后，按照熔缩工艺将沉积后的空心石英基管熔缩成实心的石英玻璃芯棒，该芯棒的直径为26.6mm，在拉棒车床上将该芯棒经过拉细后再放入一定尺寸的大套管中，然后在拉丝塔上拉丝成为115微米外直径的色散补偿光纤。该光纤包括四个纤芯分层，各纤芯分层的相对折射率差Δ％由第一纤芯分层向外分别为：1.80％，-0.41％～1.80％，-0.41％，0.25％。其中第二纤芯分层的折射率剖面参数α为1.8。该光纤的四个纤芯分层的半径由第一纤芯分层开始向外分别为：0.89微米，1.86微米，5.49微米及8.17微米。

制造工艺采用了先拉细芯棒再套管的技术手段，有利于降低预制棒内的杂质含量，减少预制棒中的缺陷造成的损耗，改善光纤的偏振模色散。该宽带色散补偿光纤在1550nm波长处的色散达到-126.5ps/nm·km，色散斜率为-0.496ps/nm2·km。在1550nm波长的衰减为0.366dB/km，品质因数FOM为345.6ps/nm/dB，相对色散Kappa为255.4nm，色散补偿率为90％左右。弯曲直径30mm情况下，1625nm波长处的弯曲损耗为9dB/m。该宽带色散补偿光纤在1550nm的PMD为

模场直径为5.36微米，截止波长1360nm。将该4km长的宽带色散补偿光纤i以35g的复绕张力盘绕在直径为80mm的圆柱体卷盘h上，然后两端熔接上通信单模光纤尾纤j，并安装上光纤活动连接器m，最后将其固定在色散补偿光纤盒n中，形成如图5所示的宽带色散补偿模块，该模块的插入损耗为3.57dB。

在第三实施例中，采用PCVD光纤预制棒制造工艺，在空心石英基管内壁沉积掺杂石英的玻璃层；然后，按照熔缩工艺将沉积后的空心石英基管熔缩成实心的石英玻璃芯棒，该芯棒的直径为26.0mm，在拉棒车床上将该芯棒经过拉细后再放入一定尺寸的大套管中，然后在拉丝塔上拉丝成为115微米外直径的色散补偿光纤。。该光纤包括四个纤芯分层，各纤芯分层的相对折射率差Δ％由第一纤芯分层向外分别为：1.76％，-0.56％～1.76％，-0.56％，0.26％。其中第二纤芯分层的折射率剖面参数α为1.2。该光纤的四个纤芯分层的半径由第一纤芯分层开始向外分别为：0.66微米，1.56微米，4.86微米及6.38微米。

制造工艺采用了先拉细芯棒再套管的技术手段，有利于降低预制棒内的杂质含量，减少预制棒中的缺陷造成的损耗，改善光纤的偏振模色散。该宽带色散补偿光纤在1550nm波长处的色散达到-136.7ps/nm·km，色散斜率为-0.526ps/nm2·km。在1550nm波长处的衰减为0.396dB/km，品质因数FOM为345.2ps/nm/dB，相对色散Kappa为259.9nm，色散补偿率为93％左右。弯曲直径30mm情况下，1625nm波长处的弯曲损耗为8.6dB/m。该宽带色散补偿光纤在1550nm波长的PMD为

模场直径为5.28微米，截止波长1306nm。将该4km长的宽带色散补偿光纤i以35g的复绕张力盘绕在直径为80mm的圆柱体卷盘h上，然后两端熔接上通信单模光纤尾纤j，并安装上光纤活动连接器m，最后将其固定在色散补偿光纤盒n中，形成如图5所示的宽带色散补偿模块，该模块的插入损耗为3.36dB。

在第四实施例中，采用PCVD光纤预制棒制造工艺，在空心石英基管内壁沉积掺杂石英的玻璃层；然后，按照熔缩工艺将沉积后的空心石英基管熔缩成实心的石英玻璃芯棒，该芯棒的直径为26.2mm，在拉棒车床上将该芯棒经过拉细后再放入一定尺寸的大套管中，然后在拉丝塔上拉丝成为115微米外直径的色散补偿光纤。。该光纤包括四个纤芯分层，各纤芯分层的相对折射率差Δ％由第一纤芯分层向外分别为：1.86％，-0.46％～1.86％，-0.46％，0.26％。其中第二纤芯分层的折射率剖面参数α为2.2。。该光纤的四个纤芯分层的半径由第一纤芯分层开始向外分别为：0.52微米，1.46微米，4.49微米及6.26微米。

制造工艺采用了先拉细芯棒再套管的技术手段，有利于降低预制棒内的杂质含量，减少预制棒中的缺陷造成的损耗，改善光纤的偏振模色散。该宽带色散补偿光纤在1550nm波长处的色散达到-139.6ps/nm·km，色散斜率为-0.566ps/nm2·km。在1550nm波长处的衰减为0.376dB/km，品质因数FOM为371.2ps/nm/dB，相对色散Kappa为246.6nm，色散补偿率为88％左右。弯曲直径30mm情况下，1625nm波长处的弯曲损耗为8.8dB/m。该宽带色散补偿光纤在1550nm波长处的PMD为

模场直径为5.20微米，截止波长1290nm。将该4km长的宽带色散补偿光纤i以35g的复绕张力盘绕在直径为80mm的圆柱体卷盘h上，然后两端熔接上通信单模光纤尾纤j，并安装上光纤活动连接器m，最后将其固定在色散补偿光纤盒n中，形成如图5所示的宽带色散补偿模块，该模块的插入损耗为3.66dB。

上述附图及实施实例仅仅为说明性描述，并不对本发明的保护范围形成限制，本发明保护范围由权利要求书所限定。

Claims (10)

1.一种宽带色散补偿光纤，由芯层和围绕芯层的包层组成，其特征在于，该光纤的芯层包括有四个同心的纤芯分层，第一纤芯分层的相对折射率Δb％的变化范围为1.2％～2.2％；第二纤芯分层的相对折射率Δc％从负变化到正，其变化范围为-0.8％～2.2％；第三纤芯分层的相对折射率Δe％的变化范围为-0.4％～-0.8％；第四纤芯分层的相对折射率Δf％的变化范围为0.2％～0.5％，四个纤芯分层的半径范围从第一纤芯分层开始向外分别为0.4～0.9微米，1.4～1.9微米，4.6～5.6微米，6.6～8.2微米，围绕芯层的包层g为纯二氧化硅玻璃层或部分掺杂氟利昂的石英玻璃层。

2.如权利要求1所述的宽带色散补偿光纤，其特征在于第一纤芯分层与第二纤芯分层半径的比例在0.28～0.49之间；第三纤芯分层与第二纤芯分层半径的比例在2.95～3.29之间；第四纤芯分层与第二纤芯分层半径的比例在4.10～4.70之间。

3.如权利要求1所述的宽带色散补偿光纤，其特征在于第二纤芯分层采用折射率剖面参数α使折射率光滑变化，折射率剖面参数α的变化范围为：1＝α＝3。

4.如权利要求1所述的宽带色散补偿光纤，其特征在于宽带色散补偿光纤在1530nm～1625nm波长范围内色散系数为-120～-227ps/nm·km，色散斜率为负值，衰减系数小于0.5dB/km。

5.如权利要求1所述的宽带色散补偿光纤，其特征在于宽带色散补偿光纤在1530nm～1625nm波长范围内色散系数为-130～-200ps/nm·km，色散斜率为负值，衰减系数小于0.5dB/km。

6.如权利要求1所述的宽带色散补偿光纤，其特征在于宽带色散补偿光纤在1550nm波长处的色散系数为-150ps/nm·km，色散斜率为-0.4～-1.0ps/nm2·km，相对色散Kappa＝230nm，色散补偿率为100％±20％，衰减系数小于0.40dB/km，品质因数FOM＝280ps/nm/dB，PMD小于

7.如权利要求1所述的宽带色散补偿光纤，其特征在于宽带色散补偿光纤在1550nm波长处的色散系数为-150ps/nm·km，色散斜率为-0.4～-1.0ps/nm2·km，相对色散Kappa＝260nm，色散补偿率为100％±10％，衰减系数小于0.40dB/km，品质因数FOM＝350ps/nm/dB，PMD小于

8.如权利要求1所述的宽带色散补偿光纤，其特征在于宽带色散补偿光纤在1625nm波长处直径30mm的弯曲损耗小于10dB/m。

9.一种如权利要求1所述的宽带色散补偿光纤的制造方法，采用PCVD工艺在空心石英基管内壁沉积掺杂石英的玻璃层；然后，按照熔缩工艺将沉积后的空心石英基管熔缩成实心的石英玻璃芯棒；在拉棒车床上将该芯棒拉细，然后套在石英玻璃套管中，最后在拉丝塔上拉丝成光纤。

10.一种宽带色散补偿模块，其特征在于宽带色散补偿模块中的宽带色散补偿光纤由权利要求1所述的宽带色散补偿光纤构成，该模块采用本发明提供的宽带色散补偿光纤，将宽带色散补偿光纤缠绕在直径小于或等于10cm的圆柱体卷盘上，光纤两端连接上待补偿的单模光纤，宽带色散补偿模块的色散补偿光纤复绕张力控制在15g～45g之间，其中，该宽带色散补偿模块的插入损耗小于或等于4.0dB。

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