CN101718888A

CN101718888A - 一种色散补偿光纤及其模块

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Publication number: CN101718888A
Application number: CN200910272666A
Authority: CN
Inventors: 罗杰; 曹蓓蓓
Original assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Current assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2029-11-06
Also published as: CN101718888B

Abstract

本发明涉及一种在C波段进行色散补偿的色散补偿光纤及其模块。该色散补偿光纤结构包括有纤芯和包层，包覆在纤芯外的依次为下陷包层、环形包层、匹配包层和纯石英包层。其中Δ1％＞Δ3％＞Δ4％＞Δ5％＞Δ2％，相对折射率差范围依次为：Δ1％为1.7％到2.0％，Δ2％为-0.7％到-0.5％，Δ3％为0.4％到0.6％，Δ4％为-0.15％到-0.05％，Δ5％为0；纤芯和各包层的半径范围从R1到R5依次为：1.4到1.6微米，4.3到4.8微米，6.8到7.8微米，10到15微米，38到63微米。本发明在C波段光通信窗口具有高的负色散和负色散斜率，易于使设计在C波段窗口工作的光通信系统升级，光纤更容易插入通信链路以满足高速率、大容量系统传输的要求并且容易实现色散补偿模块的小型化。

Description

一种色散补偿光纤及其模块

技术领域

本发明涉及一种工作在C波段(1530nm～1565nm波段)光通信窗口的色散补偿光纤，该光纤可用于标准单模光纤(G.652，ITU-T标准)的色散和色散斜率补偿，其特点是具备更高的品质因数，低的衰减系数和PMD系数，并具有小的几何尺寸。该光纤既可以满足常规色散补偿模块的要求，又适于制作小型化色散补偿模块。

背景技术

随着标准单模光纤的DWDM系统的普遍采用并且向着高速率、长距离、无中继和密集通道的方向发展，波分复用传输技术得到快速发展，扩展工作波长带和增加波长多样性将快速地发展。

基于G.652光纤构筑的长途光缆在1310nm波长有最小的色散，但衰减较大，而它在1550nm波段有最低的衰减(约0.20dB/km)。所以人们迫切希望利用1550nm这一波长窗口。工作在1550nm波段的掺铒光纤放大器(EDFA)的成功开发和实用化，进一步消除了衰减对通信系统的限制，这使得1550nm波段成了大容量、长距离光波系统的优选窗口。在1550nm波段，目前商用单模光纤及其色散补偿光纤具有如下色散特性：非色散位移单模光纤(G.652C/D，ITU-T标准)的色散系数大约是17ps/nm/km，色散斜率大约为0.058ps/nm²-km，所以其要求的色散补偿光纤的RDS大约为0.0036nm^-1。

为了解决1310nm零色散标准单模光纤通信网络在1550nm波段的升级及扩容问题，国际上广泛采用色散补偿技术来改善链路色散。目前大量商用化的是运用色散补偿光纤技术(DCF)对通信链路光纤进行的色散和色散斜率同时进行补偿，这种技术比其他色散补偿技术如光纤光栅色散补偿技术和电子色散补偿技术更为可靠，而且技术更成熟。DCF通过调整光纤的波导结构来改变光信号在光纤中的传输参数，并且使光纤的纤芯具有较大的折射率，来实现较大的负色散值和色散斜率。

在实际应用中，DCF被制成色散补偿模块接入通信链路中，模块的主要参数有色散系数、插入损耗、品质因素等。合格的光纤既要满足对相应的色散系数要求，又要兼顾低宏弯损耗、低插入损耗、高品质因素以及机械可靠性和环境稳定性的要求。其中，模块的插入损耗由色散补偿光纤本身的损耗、封装附加损耗、连接器插入损耗组成，而光纤本身的损耗为主要影响因素。色散补偿光纤最关键的一个参数品质因素是由色散系数和衰减系数两个参数决定的，品质因素越大，越有利于提高色散补偿模块的性能，已有品质因素达到300ps/nm/dB的报道。

在已公开的专利文献中，已存在一些色散补偿光纤的示例。美国专利5361319介绍了用于色散补偿光纤的一般折射率剖面，但其衰减(小于1dB/km)和色散(小于-20ps/nm/km)指标不能满足目前通信传输的应用，其品质因素只有120ps/nm/km不能满足目前模块的插损要求。中国专利CN1629667A描述了一种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，不能实现模块的小型化。中国专利CN03125339.3描述了一种高性能色散补偿光纤，包括有5个纤芯分层，光纤在1545nm处的品质因素达到350ps/nm/dB，可以满足常规色散补偿模块的要求，但是不能满足市场色散补偿模块高性能小尺寸的要求。中国专利CN200810246343.0描述了一种高色散系数的色散补偿光纤，在1550nm波长处负色散系数达到-200ps/nm/km或更低，品质因素(FOM)达到400ps/nm/dB，具有较高的性能；但是其在1550nm波长处的RDS等于或大于0.018nm^-1，不满足G.652色散补偿光纤基本条件，不能用于制作G.652色散补偿模块。

上述这些专利文献已经涉及多种补偿单模光纤的色散补偿光纤的品质因素和色散系数范围。常规色散补偿光纤的直径约为250μm，这会导致在绕纤封装时需要较大的空间。常规的补偿120km链路光纤的模块封装尺寸较大，直径为220mm至250mm甚至更大，高度约为40至45mm。但是随着高速大容量长途传输通信系统的发展，市场对色散补偿光纤技术提出了新的要求，已有光纤的性能不能满足模块高性能小尺寸的要求。

本发明一些术语的定义

相对折射率差Δi％：

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。本发明中的纤芯各分层相对折射率差用Δi％、半径用Ri来表征(i＝1，2，3，4，5)。其中n₀也为光纤石英玻璃包层折射率，Δ5％为光纤包层相对折射率差。除非另做说明，本发明中Δi％均为所述各纤芯分层中的最大相对折射率差，各分层的折射率分布为该分层在各径向点处的折射率值。各分层的半径Ri为从光纤的中心线到该分层离中心线最远的点的距离。

光纤直径：光纤包层外覆着的聚合物涂层的外直径，单位为μm。

RDS：光纤在某一特征波长的相对色散斜率(RDS值)定义为该波长上的色散斜率(DS)和色散(D)的比值：RDS＝DS/D。在C波段通信窗口，一般取1550nm波长为中心波长，RDS₁₅₅₀＝DS₁₅₅₀/D₁₅₅₀。

FOM：表征色散补偿光纤的品质因素。FOM＝|D₁₅₅₀/Attenuation₁₅₅₀|，这里D₁₅₅₀为色散补偿光纤在1550nm波长处的色散系数，Attenuation₁₅₅₀为色散补偿光纤在1550nm波长处的衰减系数。

插入损耗：指色散补偿模块插入光纤链路引入的附加损耗，包括色散补偿光纤的衰耗、熔接损耗和连接器的接头损耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种在C波段具有高的负色散和负色散斜率的色散补偿光纤以及由该光纤构成的色散补偿模块。该光纤特别适于对基于G.652光纤的高速DWDM系统进行有效补偿。

本发明提供的色散补偿光纤技术方案为：包括有纤芯和包层，纤芯为掺锗的相对折射率为正值的石英玻璃层，包覆在纤芯外的依次为下陷包层、环形包层、匹配包层和纯石英包层。纤芯的相对折射率差Δ1％为正值，半径为R1，纤芯外推是相对折射率差Δ2％为负值的下陷包层，半径为R2，再外推是相对折射率差Δ3％为正的环形包层，半径为R3，然后是相对折射率差为Δ4％的匹配包层，半径为R4，在匹配包层外有一个为纯石英包层，其相对折射率差Δ5％为0，半径为R5；纤芯和各包层的特点在于它们的相对折射率差和各层半径满足以下关系：Δ1％＞Δ3％＞Δ4％＞Δ5％＞Δ2％，并且R5＞R4＞R3＞R2＞R1，纤芯和各包层的相对折射率差范围依次为：Δ1％处于1.7％到2.0％，Δ2％处于-0.7％到-0.5％，Δ3％处于0.4％到0.6％，Δ4％处于-0.15％到-0.05％，Δ5％为0，纤芯和围绕其外的4个包层分层半径范围依次为：1.4到1.6微米，4.3到4.8微米，6.8到7.8微米，10到15微米，38到63微米。

按上述方案，在包层外涂覆聚合物涂层；所述的聚合物涂层为紫外固化聚酯涂层；聚合物涂层直径为140微米至200微米。

本发明提供的色散补偿光纤在1530nm到1565nm(C波段)波长范围内的色散系数为-100到-260ps/nm/km，色散斜率为负值，衰减系数小于或等于0.48dB/km。

本发明提供的色散补偿光纤在1530nm到1565nm(C波段)波长范围内的色散系数为-130到-240ps/nm/km，色散斜率为负值，衰减系数小于或等于0.45dB/km。

本发明提供的色散补偿光纤在1530nm到1565nm(C波段)波长范围内的色散系数为-160到-215ps/nm/km，色散斜率为负值，衰减系数小于或等于0.44dB/km。

本发明提供的色散补偿光纤在1550nm波长处的色散系数为-140ps/nm/km到-260ps/nm/km，相对色散斜率RDS为0.0033nm^-1到0.0040nm^-1。

本发明提供的色散补偿光纤在1550nm波长处的色散系数为-160ps/nm/km到-240ps/nm/km，相对色散斜率RDS为0.0034nm^-1到0.0036nm^-1，色散补偿率为100％±10％，衰减系数小于或等于0.45dB/km，品质因素FOM＝355ps/nm/dB到558ps/nm/dB，偏振模色散PMD小于或等于0.25ps/km^1/2。

本发明提供的色散补偿光纤在1550nm波长处的色散系数为-200ps/nm/km到-240ps/nm/km，RDS为0.0034nm^-1到0.0036nm^-1，色散补偿率为100％±10％，衰减系数小于或等于0.44dB/km，FOM＝454ps/nm/dB到558ps/nm/dB，PMD小于或等于0.15ps/km^1/2。或进一步的衰减系数小于或等于0.43dB/km，PMD小于或等于0.05ps/km^1/2。

本发明提供的色散补偿光纤在1550nm窗口，直径50mm的弯曲损耗小于或等于0.005dB/m，直径20mm的弯曲损耗小于或等于0.050dB/m。

本发明的色散补偿光纤采用PCVD工艺在高纯石英衬管内壁沉积掺杂石英的玻璃层；然后将沉积后的空心石英基管用熔缩工艺熔成实心的石英玻璃芯棒；最后套入石英玻璃套管中组合成预制棒在拉丝塔上拉制成光纤。

本发明提供的色散补偿模块技术方案为：用本发明所述的色散补偿光纤缠绕在直径小于或等于50mm的圆柱体绕线盘上，光纤两端连接上待补偿的标准单模光纤跳线即成。

按上述方案，所述的色散补偿模块对应补偿的链路光纤长度为120km或以下，所述的模块直径小于或等于170mm，高度小于或等于22mm。

本发明获得的有益效果为：

1.提供了一种在C波段具备较大绝对值负色散系数及适当相对色散斜率的色散补偿光纤，该光纤具有极高的品质因数和极低的弯曲损耗，提高了单位长度色散补偿光纤能够补偿的链路单模光纤长度，从而可以用较短的色散补偿光纤补偿更多的链路G.652单模光纤。本发明易于使设计在C波段窗口工作的光通信系统升级，光纤更容易插入通信链路以满足高速率、大容量系统传输的要求。

2.本发明的色散补偿模块具有较高的色散补偿率(100％±10％)，可以精确补偿通信系统链路累积的正色散。该模块还具备极低的插入损耗，可提高通信系统的信号质量。与相同性能的同类型常规色散补偿模块相比，本发明模块直径远小于常规模块，高度比常规模块减小一半，大幅度减小了模块体积，有利于器件的小型化。

3本发明的色散补偿光纤包层外涂覆精密的聚合物涂层结构，大幅度减小了光纤的几何尺寸，使得色散补偿光纤的直径范围处于140微米至200微米，既保证色散补偿光纤各项参数稳定可靠又减小了光纤的直径，并减小了制作模块的盘具尺寸，从而减小了模块体积。这样使得这种光纤不但可以满足常规色散补偿模块的要求，还可以满足各种段长小型化色散补偿模块的要求，并且大大降低了制作小型化模块的难度。

附图说明

图1是本发明一个实施例的相对折射率剖面结构分布图。

图2是本发明第一个实施例的径向截面结构示意图，其中1表示光纤纤芯，2至5表示围绕其外的4个包层，6表示光纤的聚酯涂层，R1至R6表示相应各层的半径。

图3是G.652光纤的色散曲线。

图4是本发明5个实施例的色散补偿光纤的色散曲线。

图5是本发明第1个实施例的色散补偿光纤的衰减谱。

具体实施方式

本发明中的光纤均具有与图1相似的折射率剖面结构，通过改变折射率剖面结构各分层的参数得到不同性能参数的光纤。下面结合附图进一步说明本发明的实施例。

在第1个实施例中，采用PCVD工艺制造光纤预制棒的芯棒，在外径28mm的高纯石英玻璃基管内壁沉积纯石英玻璃层或掺有锗或氟的石英玻璃层。然后，将沉积后的石英玻璃管熔缩成实心的直径为20mm石英玻璃芯棒。再将芯棒放入外径为60mm的石英玻璃套管内，进入高温炉将两者熔成实心石英玻璃棒即得到用于制造光纤的预制棒。最后在拉丝塔上拉丝成为色散补偿光纤。纤芯1和围绕其外的下陷包层2、环形包层3、匹配包层4为掺杂分层，纤芯和各包层的半径从R1到R4依次为：1.58μm，4.44μm，7.25μm，11.15μm，纤芯和各包层相应的相对折射率差从Δ1％至Δ4％依次为：1.76％，-0.63％，0.47％，-0.11％，第5分层的包层部分为纯SiO₂玻璃的纯石英包层5，其相对折射率差Δ5％等于0。各分层之间尤其是纤芯和围绕其外的下陷包层之间，设置了折射率分布梯度以平缓过渡。纯石英包层半径R5为59μm，即光纤纯石英包层直径为118μm，包层外涂覆紫外固化聚酯涂层6作为光纤的保护层，其直径2R6为175μm。

制造工艺采用先套管再熔缩最后拉丝的技术手段，有利于稳定预制棒各分层的几何尺寸，减少预制棒中工艺波动造成的光纤参数的漂移，从而改善了光纤的光学参数一致性，并能改进光纤的偏振模色散。该光纤在1550nm处的色散系数为-207.50ps/nm/km，典型色散曲线见图4，RDS₁₅₅₀值为0.0035nm^-1。该光纤1550nm的衰减为0.406dB/km，1550nm的FOM值为511ps/nm/dB，PMD系数为0.09ps/km^1/2。

在第2个实施例中，采用PCVD工艺制造光纤预制棒的芯棒，在外径为31mm的高纯石英玻璃基管内壁沉积纯石英玻璃层或掺有锗或氟的石英玻璃层。然后，将沉积后的石英玻璃管熔缩烧成直径21mm的实心石英玻璃芯棒，再将芯棒放入外径为80mm的石英玻璃套管内，组合之后在拉丝塔上直接拉丝成为色散补偿光纤。纤芯和围绕其外的3个包层为掺杂分层，纤芯和各包层的半径从R1到R4依次为：1.48μm，4.34μm，6.95μm，10.25μm，纤芯和各包层相应的相对折射率差从Δ1％至Δ4％依次为：1.86％，-0.53％，0.45％，-0.05％，第5分层的包层部分为纯SiO₂玻璃的纯石英包层，其相对折射率差Δ5％等于0。各分层之间尤其是纤芯和围绕其外的下陷包层之间，设置了折射率分布梯度以平缓过渡。纯石英包层半径R5为40μm，即光纤玻璃包层直径为80μm，包层外涂覆紫外固化聚酯涂层作为光纤的保护层，其直径为150μm。

该光纤在1550nm处的色散系数为-209.61ps/nm/km，典型色散曲线见图4。该光纤的RDS₁₅₅₀值为0.0035nm^-1，1550nm的衰减为0.446dB/km，1550nm的FOM值为470ps/nm/dB，PMD系数为0.15ps/km^1/2。

在第3个实施例中，采用PCVD工艺制造光纤预制棒的芯棒，在外径为33mm的高纯石英玻璃基管内壁沉积纯石英玻璃层或掺有锗或氟的石英玻璃层。然后，将沉积后的石英玻璃管熔缩成直径22mm的实心石英玻璃芯棒。再用该石英玻璃芯棒套入外径为80mm的高纯石英玻璃管，组合后直接在拉丝塔上拉丝成为色散补偿光纤。纤芯和各包层的半径从R1到R4依次为：1.43μm，4.40μm，7.11μm，10.12μm，纤芯和各包层相应的相对折射率差从Δ1％至Δ4％依次为：1.79％，-0.57％，0.54％，-0.13％，第5分层的包层部分为纯SiO₂玻璃的纯石英包层，其相对折射率差Δ5％等于0。各分层之间尤其是纤芯和围绕其外的下陷包层之间，设置了折射率分布梯度以平缓过渡。纯石英包层半径R5为38μm，即光纤玻璃包层直径为76μm，包层外涂覆紫外固化聚酯涂层作为光纤的保护层，其直径为140μm。

该光纤在1550nm处的色散系数为-197.9ps/nm/km，典型色散曲线见图4。其RDS₁₅₅₀值为0.0034nm^-1，1550nm的衰减为0.461dB/km，1550nm的FOM值为429ps/nm/dB，PMD系数为0.23ps/km^1/2。

在第4个实施例中，采用PCVD工艺制造光纤预制棒的芯棒，在外径为35mm的高纯石英玻璃基管内壁沉积纯石英玻璃层或掺有锗或氟的石英玻璃层。然后，将沉积后的石英玻璃管熔缩成直径23mm的实心石英玻璃芯棒。再用该石英玻璃芯棒套入外径为80mm的高纯石英玻璃管，组合后直接在拉丝塔上拉丝成为色散补偿光纤。纤芯和围绕其外的3个包层为掺杂分层，纤芯和各包层的半径从R1到R4依次为：1.49μm，4.73μm，7.15μm，14.31μm，纤芯和各包层相应的相对折射率差从Δ1％至Δ4％依次为：1.92％，-0.50％，0.45％，-0.14％，第5分层的包层部分为纯SiO₂玻璃的纯石英包层，其相对折射率差Δ5％等于0。各分层之间尤其是纤芯和围绕其外的下陷包层之间，设置了折射率分布梯度以平缓过渡。纯石英包层半径R5为60μm，即光纤玻璃包层直径为120μm，包层外涂覆紫外固化聚酯涂层作为光纤的保护层，其直径为190μm。

该光纤在1550nm处的色散系数为-250.72ps/nm/km，典型色散曲线见图4。其RDS₁₅₅₀值为0.0033nm^-1，1550nm的衰减为0.484dB/km，1550nm的FOM值为518ps/nm/dB，PMD系数为0.32ps/km^1/2。

在第5个实施例中，采用PCVD工艺制造光纤预制棒的芯棒，在外径为36mm的高纯石英玻璃基管内壁沉积纯石英玻璃层或掺有锗或氟的石英玻璃层。然后，将沉积后的石英玻璃管熔缩成直径30mm的实心石英玻璃芯棒。再用该石英玻璃芯棒套入外径150mm的高纯石英玻璃管，组合后进入高温炉熔缩拉伸得到直径80mm的实心光纤预制棒，再将预制棒经拉丝塔拉丝成为色散补偿光纤。采用大尺寸芯棒和大尺寸套管的工艺，减小了工艺误差带来的折射率剖面参数差异，提高了光纤参数的一致性尤其是色散参数的稳定性。该实施例纤芯和围绕其外的3个分层为掺杂分层，纤芯和各包层的半径从R1到R4依次为：1.55μm，4.55μm，7.77μm，13.74μm，纤芯和各包层相应的相对折射率差从Δ1％至Δ4％依次为：1.77％，-0.63％，0.56％，-0.07％，第5分层的包层部分为纯SiO₂玻璃的纯石英包层，其相对折射率差Δ5％等于0。各分层之间尤其是纤芯和围绕其外的下陷包层之间，设置了折射率分布梯度以平缓过渡。纯石英包层半径R5为63μm，即光纤玻璃包层直径为126μm，包层外涂覆紫外固化聚酯涂层作为光纤的保护层，其直径为200μm。

该光纤在1550nm处的色散系数为-254.1ps/nm/km，典型色散曲线见图4。其RDS₁₅₅₀值为0.0033nm^-1，1550nm的衰减为0.469dB/km，1550nm的FOM值为542ps/nm/dB，PMD系数为0.13ps/km^1/2。

实施例附表

Claims

1.一种色散补偿光纤，包括有纤芯和包层，纤芯为掺锗的相对折射率为正值的石英玻璃层，包覆在纤芯外的依次为下陷包层、环形包层、匹配包层和纯石英包层。纤芯的相对折射率差Δ1％为正值，半径为R1，纤芯外推是相对折射率差Δ2％为负值的下陷包层，半径为R2，再外推是相对折射率差Δ3％为正的环形包层，半径为R3，然后是相对折射率差为Δ4％的匹配包层，半径为R4，在匹配包层外有一个为纯石英包层，其相对折射率差Δ5％为0，半径为R5；纤芯和各包层的特点在于它们的相对折射率差和各层半径满足以下关系：Δ1％＞Δ3％＞Δ4％＞Δ5％＞Δ2％，并且R5＞R4＞R3＞R2＞R1，纤芯和各包层的相对折射率差范围依次为：Δ1％处于1.7％到2.0％，Δ2％处于-0.7％到-0.5％，Δ3％处于0.4％到0.6％，Δ4％处于-0.15％到-0.05％，Δ5％为0，纤芯和围绕其外的4个包层分层半径范围依次为：1.4到1.6微米，4.3到4.8微米，6.8到7.8微米，10到15微米，38到63微米。

2.按权利要求1所述的色散补偿光纤，其特征在于在包层外涂覆聚合物涂层；聚合物涂层直径为140微米至200微米。

3.按权利要求2所述的色散补偿光纤，其特征在于所述的聚合物涂层为紫外固化聚酯涂层。

4.按权利要求1或2所述的色散补偿光纤，其特征在于在1530nm到1565nm波长范围内的色散系数为-100ps/nm/km到-260ps/nm/km，色散斜率为负值，衰减系数小于或等于0.48dB/km。

5.按权利要求4所述的色散补偿光纤，其特征在于1550nm波长处的色散系数为-160ps/nm/km到-215ps/nm/km，衰减系数小于或等于0.44dB/km。

6.按权利要求1或2所述的色散补偿光纤，其特征在于在1550nm波长处的色散系数为-140ps/nm/km到-260ps/nm/km，相对色散斜率RDS为0.0033nm^-1到0.0040nm^-1。

7.按权利要求6所述的色散补偿光纤，其特征在于1550nm波长处的色散系数为-160ps/nm/km到-240ps/nm/km，相对色散斜率RDS为0.0034nm^-1到0.0036nm^-1，色散补偿率为100％±10％，衰减系数小于或等于0.45dB/km，品质因素FOM为355ps/nm/dB到558ps/nm/dB，偏振模色散PMD小于或等于0.25ps/km^1/2。

8.按权利要求1或2所述的色散补偿光纤，其特征在于在1550nm窗口，直径50mm的弯曲损耗小于或等于0.005dB/m，直径20mm的弯曲损耗小于或等于0.050dB/m 。

9.一种色散补偿模块，其特征在于用权利要求8所述的色散补偿光纤缠绕在直径小于或等于50mm的圆柱体绕线盘上，光纤两端连接上待补偿的标准单模光纤跳线即成。

10.按权利要求9所述的色散补偿模块，其特征在于所述的色散补偿模块对应补偿的链路光纤长度为120km或以下，所述的模块直径小于或等于170mm，高度小于或等于22mm。