CN101825739A - 具有扩大的有效面积的单模光纤 - Google Patents

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Abstract

一种单模光纤，包括中心纤芯(r1，Δn1)、第一内包层(w2，Δn2)、第二内包层(w3，Δn3)和外包层。所述光纤在1550nm的波长处具有大于或等于100μm2的有效面积。所述光纤还具有：小于1260nm的光缆截止波长；包含在1300nm和1324nm之间的零色散波长；以及小于0.092ps/nm2-km的色散斜率。所述光纤在除关于在1310nm的波长处的模场直径的规格以外遵守G.652标准的同时具有大于100μm2的有效面积。

Description

具有扩大的有效面积的单模光纤
技术领域
本发明涉及光纤传输领域，更具体地，涉及具有扩大的有效面积的线路光纤。
背景技术
对于光纤，通常根据使折射率与光纤半径相关联的函数的曲线图的外形来对折射率分布进行分类。在标准方法中，到光纤中心的距离r显示在x轴上。在y轴上，显示折射率(在半径r处)与光纤包层的折射率之差。因此，术语“阶跃”、“梯形”、“三角形”或“α”折射率分布分别用来描述具有阶梯形、梯形、三角形或α形形状曲线的曲线图。这些曲线通常表示光纤的理论分布或设定分布，同时光纤的制造约束条件可能导致略微不同的分布。
在标准构成中，光纤包括：光纤芯，其功能是传输和选择性地放大光学信号；和光学包层，其功能是将光学信号限制在纤芯内。为此，纤芯的折射率nc和包层的折射率ng为使得nc＞ng。众所周知，光学信号在单模光纤中的传播可被分解成基模和二次模，基模被导入纤芯中，而二次模在纤芯包层组件中被引导经过一定距离，二次模被称为包层模式。
在标准构成中，阶跃折射率光纤，也称为SMF(“单模光纤”)，用作用于光纤传输系统的线路光纤。这些光纤具有遵守特定的电信标准的色散和色散斜率以及标准化的截止波长和有效面积值。
响应于在来自不同制造商的光学系统之间兼容的需求，国际电信联盟(ITU)已经规定了一个标准，称为SSMF(标准单模光纤)的标准光传输光纤必须遵守的基准ITU-T G.652。
其中，G.652标准为传输光纤建议了：在1310nm的波长处的模场直径(MFD)的范围为8.6-9.5μm[8.6；9.5μm]；表示为λcc的光缆截止波长的值最大为1260nm；表示为ZDW的零色散波长的值的范围为1300-1324nm[1300；1324nm]；在ZDW处的色散斜率的最大值为0.092ps/nm2-km。在标准方法中，根据在22米光纤上传播后不再是单模的光信号所在的波长来测量光缆截止波长，正如国际电工技术委员会的分会86A在标准IEC 60793-1-44中所规定的。
在本来已知的方式中，传输光纤的有效面积的增加有助于降低光纤中的非线性效应。具有扩大的有效面积的传输光纤能传输更长的距离和/或增加传输系统的运行容限。典型地，SSMF具有大约为80μm2的有效面积Aeff。
为增加传输光纤的有效面积，曾建议制造与SSMF相比具有扩大和变平的纤芯的光纤剖面。然而，光纤的纤芯形状上的这种改变导致增加了微弯损耗并且导致增加了光纤的有效的光缆截止波长。在标准方法中，根据在2米光纤上传播后为单模的光信号所起始的波长来测量有效的截止波长，正如IEC的分会86A在标准IEC 60793-1-44中所限定的。
US-A-6 658 190描述了具有大于110μm2的扩大的有效面积的传输光纤。这些光纤具有非常宽的纤芯，其纤芯宽度是SSMF的宽度的1.5倍至2倍，并且光纤具有固定包层或浅下陷包层。为补偿由有效面积的增加而引起的微弯损耗的增加，该文献建议增加光纤的直径(图29)。然而，这种光纤直径的增加伴随着成本的增加，并且由于与其他光纤的不兼容而导致光缆敷设的问题。另外，该文献指出研究中截止波长随着光纤的长度而减小(图5)，并特别指出光纤在传输1km后达到了单模特性。然而，这种对截止波长的测量并未遵守上文所引用的标准化测量法。在该文献中所描述的光纤具有大于1260nm的光缆截止波长和小于1300nm的零色散波长。
US-B-6 516 123描述了在1550nm的波长处具有大于100μm2的有效面积的光纤。每一光纤均具有大于1260nm的光缆截止波长，因而超出了G.652标准。
US-B-7 076 139描述了在1550nm的波长处具有120μm2的有效面积的光纤。然而，该光纤具有大于1260nm的光缆截止波长和大约1280nm的ZDW，因而这些值不满足G.652标准。
US-A-2005/0 244 120描述了在1550nm的波长处具有106μm2的有效面积的光纤的一个示例。然而，该光纤具有1858nm的截止波长，大大超过由G.652标准所强制实行的限定。
EP-A-1 477 831描述了在1550nm的波长处具有大于100μm2的有效面积的光纤的示例。图8的示例示出了具有小于或等于1270nm的截止波长的光纤，但是该光纤具有1295nm(从光纤剖面计算出的值)的ZDW，也就是说，超出了G.652标准。
US-B-6 483 975描述了在1550nm的波长处具有大于100μm2的有效面积的光纤。然而，该光纤的截止波长值太高以致不能满足G.652标准。
EP-A-1 978 383描述了具有大于120μm2的有效面积的光纤，但是其高于1260nm的截止波长、零色散波长和在零色散波长处的色散斜率不满足G.652标准。
经确认的现有技术文献没有描述在1550nm的波长处具有大于100μm2的有效面积且满足G.652标准的约束条件的光纤。
因此，需要这样一种传输光纤：其在1550nm的波长处具有大于或等于100μm2的扩大的有效面积，并且具有小于或等于1260nm的光缆截止波长、包含在1300nm和1324nm之间的零色散波长，以及在零色散波长处小于0.092ps/nm2-km的色散斜率；也就是说，需要一种具有扩大的面积且除了模场直径以外满足G.652标准的约束条件的光纤。
发明内容
为此，本发明提出了一种光纤剖面，其包括中心纤芯、第一内包层、第二内包层和光学外包层；同时优化光纤的中心纤芯、第一和第二内包层中的每一个，以在不对由G.652标准所强制实行的除模场直径以外的其他传输参数产生不利影响的情况下扩大光纤的有效面积。
更特别地，本发明提出了一种单模光纤，其包括中心纤芯、第一内包层、第二内包层和光学外包层；所述光纤具有：
-在1550nm的波长处的大于100μm2的有效面积，以及：
-小于1260nm的光缆截止波长；
-包含在1300nm和1324nm之间的零色散波长；
-在零色散波长处小于0.092ps/nm2-km的色散斜率。
本发明涉及因单模G.652光纤而对“三包层”剖面的使用，其通常用于G.653/G.655/G.656色散位移光纤、G.654截止位移光纤或G.657弯曲不敏感光纤。如上所述的本发明所必需的剖面参数范围与用于G.653/G.655/G.656色散位移光纤、G.654截止位移光纤或G.657弯曲不敏感光纤中的三包层剖面的剖面参数范围有很大不同。
根据本发明的一个实施例，中心纤芯具有包含在4.0μm和5.5μm之间的半径(r1)。
根据本发明的一个实施例，第二内包层为环状物，所述环状物具有包含在0.9μm和1.6μm之间的由r3-r2(r3减r2)限定的宽度(w3)；第二内包层与光学包层间有正折射率差。所述环状物与光学外包层间有包含在1×10-3和5.0×10-3之间的折射率差。此外，所述中心纤芯可与光学外包层间有包含在4.2×10-3和5.2×10-3之间的折射率差，而第一内包层可具有包含在0.5μm和1.5μm之间的由r2-r1限定的宽度(w2)，并可与光学外包层间有包含在-2.0×10-3和1.0×10-3之间的折射率差。
根据本发明的另一个实施例，第二内包层为下陷包层，其具有包含在2.5μm和4.51μm之间的由r3-r2限定的宽度(w3)，并且与光学外包层间有小于-3.5×10-3的折射率差。下陷包层可与光学外包层间有大于-10.0×10-3的折射率差。中心纤芯可与光学外包层间有包含在3.5×10-3和5.0×10-3之间的折射率差。第一内包层可具有包含在7μm和10μm之间的由r2-r1限定的宽度(w2)，并与光学外包层间有包含在-1.0×10-3和1.0×10-3之间的折射率差。
根据本发明的一个实施例，光纤具有大于或等于100μm2的有效面积。优选地，有效面积严格大于100μm2。
根据本发明的一个实施例，对于1625nm的波长，曲率半径为30mm的光纤具有小于或等于0.05dB/100转的弯曲损耗。
根据本发明的一个实施例，对于1550nm的波长，光纤具有如下的微弯损耗：光纤的微弯损耗与受限于相同约束条件的标准单模光纤(SSMF)的微弯损耗之比小于或等于2。
附图说明
在阅读以下作为示例并结合附图给出的本发明的实施例的描述时，本发明的其它特性和优点将变得明显，附图示出：
图1为根据本发明的第一实施例的光纤的设定剖面的图形表示。
图2为根据本发明的第二实施例的光纤的设定剖面的图形表示。
具体实施方式
将结合图1和图2来描述本发明的光纤，图1和图2各自表示设定剖面，即表示光纤的理论剖而，该光纤是在将预制棒进行光纤拉制后实际获得的光纤，其能够具有略微不同的剖面。
典型地，中心纤芯和第一和第二内包层是通过在石英管中进行CVD型沉积而获得的，而光学外包层通常通过用天然石英或掺杂石英外包覆管而构成，但是也可通过任何其他的沉积技术(VAD或OVD)来获得。
根据第一实施例(图1)，根据本发明的传输光纤包括：中心纤芯，其与用作光学包层的光学外包层间有折射率差Δn1；相当于中间包层的第一内包层，其与光学外包层间有折射率差Δn2；和相当于环状物的第二内包层，其与光学外包层间有正折射率差Δn3。第一内包层(w2，r2，Δn2)直接包围中心纤芯(r1，Δn1)，而第二内包层(w3，r3，Δn3)的环状物直接包围第一内包层(w2，r2，Δn2)。中间包层的折射率和环状物的折射率在其整个长度上大致不变。中心纤芯的形状可以是阶梯形、梯形、三角形或α形。中心纤芯的宽度由其半径r1限定，而中间包层的宽度w2和环状物的宽度w3由它们各自的外部半径和内部半径之差限定。
在根据本发明的第一实施例的光纤中，中心纤芯具有包含在4.0μm和5.5μm之间的半径r1，并且与光学外包层相比优选有包含在4.2×10-3和5.2×10-3之间的折射率差Δn1(例如在石英中)。半径r1的值必须足够大以允许有效面积的增加，但也必须足够小以获得小于或等于1260nm的光缆截止波长。根据本发明的第一实施例的光纤的中间包层具有包含在0.5μm和1.5μm之间的宽度w2。该包层还与光学外包层间有折射率差Δn2，Δn2优选为包含在-2×10-3和1.0×10-3之间。中间包层的宽度w2必须足够小以确保在1550nm的波长处的有效面积大于或等于100μm2。环状物具有包含在0.9μm和1.6μm之间的宽度w3。该环状物与光学外包层间有折射率差Δn3，Δn3优选为包含在1.0×10-3和5.0×10-3之间。环状物的宽度w3必须足够小以获得小于或等于1260nm的光缆截止波长、包含在1300nm和1324nm之间的零色散波长和在零色散波长处小于0.092ps/nm2-km的色散斜率。
下面的表I给出了与目前本领域中所描述的光纤的折射率分布相比较的根据本发明的第一实施例的用于传输光纤的可能折射率分布的五个示例。第一列给出了每一分布的参考符号，接着的三列示出了每一部分(r1，w2，w3)的半径值和宽度，以及最后几列示出了每一部分与外包层问的折射率差的值(Δn1到Δn3)。折射率的值在633nm的波长处测得。来自表I中的示例的光纤具有125μm的外部直径。表I中的值对应于光纤的设定剖面。
表I
Figure GSA00000017464200061
下面的表II示出了为与表I的折射率分布相对应的传输光纤而模拟的光学特征。在表II中，第一列复述了表I的参考符号，接着的列为每一光纤剖面提供了光缆截止波长λcc的值、1310nm的波长的模场直径2W02的值、在1550nm的波长处的有效面积Aeff的值、在1550nm的波长处的色散D的值和在1550nm的波长处的色散斜率P的值。最后几列为每一光纤剖面提供了零色散波长ZDW的值和在该波长处的色散斜率PZDW的值。
表II
Figure GSA00000017464200071
对于根据本发明的第一实施例的五个示例，表II中应当注意的是，在1550nm的波长处的有效面积Aeff大于或等于100μm2，甚至有四个示例严格大于100μm2。波长1310nm的模场直径2W02大于9.5μm。因此，根据第一实施例的光纤不满足G.652的所有标准。然而，波长1310nm的模场直径2W02超出G.652标准并没有不良影响，因为大多数现有的光学系统在1310nm的波长处不再运行。可观察到，光缆截止波长λcc小于或等于1260nm，零色散波长ZDW包含在1300nm和1324nm之间，以及在零色散波长处的色散斜率PZDW小于0.092ps/nm2-km。因此，根据本发明的第一实施例的光纤满足G.652标准的关于光缆截止波长、零色散波长和在零色散波长处的色散斜率的约束条件。
对根据本发明的第一实施例的光纤进行优化，以在保持光学参数除关于模场直径的规格以外满足G.652标准的同时遵守有效面积大于或等于100μm2的约束条件。为更好地理解这些优化，将结合在表I和表II中以粗体显示的参数来描述目前本领域对光纤的限定。在US-B-6 516 123中所描述的光纤中，由于环状物的宽度w3太大，因此光缆截止波长大于1260nm。在US-B-7 076139中所描述的光纤中，由于环状物的宽度w3太大，因此光缆截止波长大于1260nm；并且由于纤芯的宽度r1和中间包层的宽度w2太大，因此零色散波长小于1300nm，并且在零色散波长处的色散斜率大于0.092ps/nm2-km。
根据本发明的第二实施例(图2)，根据本发明的传输光纤包括：中心纤芯，其与用作光学包层的光学外包层间有折射率差Δn1；相当于中间包层的第一内包层，其与光学外包层间有折射率差Δn2；和相当于下陷包层的第二内包层，其与光学外包层间有负折射率差Δn3。第一内包层(w2，r2，Δn2)直接包围中心纤芯(r1，Δn1)，而第二内包层(w3，r3，Δn3)的下陷包层直接包围第一内包层(w2，r2，Δn2)。中间包层的折射率和下陷包层的折射率在其整个长度上大致不变。中心纤芯的形状可以是阶梯形、梯形、三角形或α形。中心纤芯的宽度由其半径r1限定，而中间包层的宽度w2和下陷包层的宽度w3由它们各自的外部半径和内部半径之差限定。
在根据本发明的第二实施例的光纤中，中心纤芯具有包含在4.0μm和5.5μm之间的半径r1，并与光学外包层相比优选为有包含在3.5×10-3和5.0×10-3之间的折射率差Δn1(例如在石英中)。中心纤芯的半径r1的值必须足够大以允许达到大于或等于100μm2的有效面积，但也必须足够小以获得小于1260nm的光缆截止波长。根据本发明的第二实施例的光纤的中间包层具有包含在7.0μm和10.0μm之间的宽度w2。该包层还与光学外包层间有折射率差Δn2，Δn2优选为包含在-1.0×10-3和1.0×10-3之间。中间包层的宽度w2必须足够大以允许零色散波长大于1300nm且在零色散波长处的色散斜率小于0.092ps/nm2-km。另外，根据本发明的第二实施例的光纤包括下陷包层，该下陷包层具有包含在2.5μm和4.5μm之间的宽度w3。该下陷包层与光学外包层间有折射率差Δn3，Δn3小于-3.5×10-3且优选为大于-10×10-3。下陷包层的宽度和深度以如下这种方式分别选择为足够小和足够大：结合上述的参数来优化其分布，以便获得小于或等于1260nm的光缆截止波长、包含在1300nm和1324nm之间的零色散波长和在零色散波长处小于0.092ps/nm2-km的色散斜率。
下面的表III给出了与目前本领域中所描述的光纤的折射率分布相比较的根据本发明的第二实施例的用于传输光纤的可能折射率分布的四个示例。第一列给出了每一分布的参考符号，接着的三列示出了每一部分(r1，w2，w3)的半径值和宽度，以及最后几列示出了每一部分与外包层间的折射率差的值(Δn1到Δn3)。折射率的值在633nm的波长处测得。来自表III中的示例的光纤具有125μm的外部直径。表III中的值对应于光纤的设定剖面。
表III
Figure GSA00000017464200091
下面的表IV示出了为与表III的折射率分布相对应的传输光纤而模拟的光学特征。在表IV中，第一列复述了表III的参考符号，接着的列为每一光纤剖面提供了光缆截止波长λcc的值，1310nm的波长的模场直径2W02的值，在1550nm的波长处的有效面积Aeff的值，在1550nm的波长处的色散D的值和在1550nm的波长处的色散斜率P的值。最后几列为每一光纤剖面提供了零色散波长ZDW的值和在该波长处的色散斜率PZDW的值。
表IV
Figure GSA00000017464200101
对于根据本发明的第二实施例的四个示例，表IV中应当注意的是，在1550nm的波长处的有效面积Aeff大于或等于100μm2，甚至严格大于100μm2。波长1310nm的模场直径2W02大于9.5μm。因此，根据本发明的第二实施例的光纤不满足G.652的所有标准。然而，波长1310nm的模场直径2W02超出G.652标准并没有不良影响，因为大多数现有的光学系统在1310nm的波长处不再运行。可观察到，光缆截止波长值λcc小于或等于1260nm，零色散波长ZDW包含在1300nm和1324nm之间，以及在零色散波长处的色散斜率PZDW小于0.092ps/nm2-km。因此，根据本发明的第二实施例的光纤满足G.652标准关于光缆截止波长、零色散波长和在零色散波长处的色散斜率的约束条件。
对根据本发明的第二实施例的光纤进行优化，以在保持光学参数除关于模场直径的规格以外满足G.652标准的同时遵守有效面积大于或等于100μm2的约束条件。为更好地理解这些优化，将结合在表III和表IV中以粗体显示的参数来描述目前本领域对光纤的限定。在EP-A-1 978 383中所描述的光纤中，由于纤芯的半径r1太大并且中间包层的宽度w2太小，因此光缆截止波长大于1260nm，零色散波长小于1300nm，并且在零色散波长处的色散斜率大于0.092ps/nm2-km。在US-A-2005/0244120中所描述的光纤中，由于纤芯的半径r1、下陷包层的宽度w3和折射率差Δn3太大，因此光缆截止波长大于1260nm。最后，在EP-A-1 477 831中所描述的光纤中，由于包层非常宽且浅，因此零色散波长小于1300nm。
对于1625nm的波长，半径为30mm的根据本发明的光纤具有小于0.05dB/(100转)的弯曲损耗。这些弯曲损耗值相当于标准光纤的弯曲损耗值。而且，根据本发明的光纤具有如下的微弯损耗：根据本发明的光纤的微弯损耗与受限于相同约束条件的SSMF中的微弯损耗之比小于或等于2，甚至1.5。可以例如通过一种称为固定直径圆筒法的方法来测量微弯损耗。在IEC分会86A于基准IEC TR-62221之下的技术建议中描述了这种方法。
根据本发明的传输光纤尤其适于长距离的传输系统。在不显著降低光纤的其他光学参数的情况下的有效面积的增加允许在不增加非线性效应的情况下增加传输的光信号的能量从而改善了传输线路的信噪比，这是在以地面为基础的或水下长距离的光学传输系统中所尤其期望的。
根据本发明的光纤与SSMF相比增加了有效面积值。另外，根据本发明的光纤除关于在1310nm的波长处的模场直径2W0的值的规格以外遵守标准ITU-T G.652的建议。因此，根据本发明的光纤可安装在多种传输系统中，与该系统的其他光纤具有良好的兼容性。

Claims (18)

1.一种单模光纤，包括：
中心纤芯，其具有半径(r1)，且与光学外包层间有正折射率差(Δn1)；
第一内包层，其具有半径(r2)和宽度(w2)，且与外包层间有折射率差(Δn2)；
第二内包层，其具有半径(r3)和宽度(w3)，且与外包层间有折射率差(Δn3)；
所述光纤具有：
在1550nm的波长处大于或等于100μm2的有效面积；
小于1260nm的光缆截止波长；
包含在1300nm和1324nm之间的零色散波长；
在所述零色散波长处小于0.092ps/nm2-km的色散斜率。
2.根据权利要求1所述的单模光纤，其中，所述中心纤芯具有包含在4.0μm和5.5μm之间的半径(r1)。
3.根据权利要求1或2所述的单模光纤，其中，所述第二内包层为环状物，所述环状物与所述光学外包层间有正折射率差(Δn3)。
4.根据权利要求3所述的单模光纤，其中，所述第二内包层的所述环状物具有包含在0.9μm和1.6μm之间的限定为r3-r2的宽度(w3)。
5.根据权利要求3或4所述的单模光纤，其中，所述第二内包层的所述环状物与所述光学外包层间有包含在1×10-3和5.0×10-3之间的折射率差(Δn3)。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的单模光纤，其中，所述中心纤芯与所述光学外包层间有包含在4.2×10-3和5.2×10-3之间的折射率差(Δn1)。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的单模光纤，其中，所述第一内包层具有包含在0.5μm和1.5μm之间的由r2-r1限定的宽度(w2)。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的单模光纤，其中，所述第一内包层与所述光学外包层间有包含在-2.0×10-3和1.0×10-3之间的折射率差(Δn2)。
9.根据权利要求1或2所述的单模光纤，其中，所述第二内包层为与所述外包层间有负折射率差(Δn3)的下陷包层。
10.根据权利要求9所述的单模光纤，其中，所述第二内包层的所述下陷包层具有包含在2.5μm和4.5μm之间的由r3-r2限定的宽度(w3)。
11.根据权利要求9或10所述的单模光纤，其中，所述第二内包层的所述下陷包层与所述光学外包层间有小于-3.5×10-3的折射率差(Δn3)。
12.根据权利要求11所述的单模光纤，其中，所述第二内包层的所述下陷包层与所述光学外包层间有大于-10.0×10-3的折射率差(Δn3)。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的单模光纤，其中，所述中心纤芯与所述光学外包层间有包含在3.5×10-3和5.0×10-3之间的折射率差(Δn1)。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的单模光纤，其中，所述第一内包层具有包含在7μm和10μm之间的由r2-r1限定的宽度(w2)。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的单模光纤，其中，所述第一内包层与所述光学外包层间有包含在-1.0×10-3和1.0×10-3之间的折射率差(Δn2)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的单模光纤，其特征在于，所述单模光纤具有大于100μm2的有效面积。
17.根据前述权利要求中任一项所述的单模光纤，其特征在于，对于1625nm的波长，曲率半径为30mm的所述单模光纤具有小于或等于0.05dB/100转的弯曲损耗。
18.根据前述权利要求中任一项所述的单模光纤，其特征在于，对于1550nm的波长，所述单模光纤的微弯损耗与受限于相同约束条件的标准单模光纤SSMF的微弯损耗之比小于或等于2。
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