CN102944910A - 具有大有效面积的单模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有较大有效面积的单模光纤，包括纤芯层和外包层，其特征在于纤芯层外包覆中间包层，中间包层外设置有下陷包层；所述的纤芯层分为第一纤芯分层及第二纤芯分层，所述的第一纤芯分层半径r1为1.5μm~5μm，相对折射率差
Figure 2012104234269100004DEST_PATH_IMAGE001
为0.05%~0.22%，所述的第二纤芯分层半径单边径向宽度（r2-r1）为1.5μm~5μm，相对折射率差
Figure 106672DEST_PATH_IMAGE002
为0.15%~0.34%，且第一纤芯分层的相对折射差
Figure 536517DEST_PATH_IMAGE001
小于第二纤芯分层相对折射率差
Figure 387929DEST_PATH_IMAGE002
。本发明通过光纤折射率剖面的合理设计，获得更大的有效面积，并在在截止波长和弯曲性能等方面取得较好的折中。所制备的光纤在较佳参数范围下，可以达到等于或大于120μm2的有效面积。本发明的光纤可适用于高速、大容量的长距离传输系统以及长距离无中继传输系统。

Description

具有大有效面积的单模光纤
技术领域
本发明涉及一种单模光纤。该光纤在保持较低的光缆截止波长、较好的弯曲性能的同时，具有较大的有效面积，适合应用于大容量、高速率的长距离传输系统当中。
背景技术
随着光纤传输技术的不断发展，掺铒光纤放大器（EDFA）的开发和波分复用技术（WDM）技术在90年代中期得到应用。在WDM 设备系统中，由于使用合波器、分波器的插入损耗较大，往往采用EDFA进行放大补偿。但是，在放大光功率的同时，也使光纤中的非线性效应大大增加。光非线性效应包括四波混频、自相位调制及交叉相位调制等，该效应限制了光传输的容量与距离。所以，在大容量、高速率的传输系统中，对于传输光纤的性能提出了更高的要求，通过光纤性能的改进可以达到降低非线性效应的目的。
当采用高功率密度系统时，非线性系数是用于评估非线性效应造成的系统性能优劣的参数，其定义为n2/Aeff。其中，n2 是传输光纤的非线性折射指数，Aeff是传输光纤的有效面积。增加传输光纤的有效面积，能够降低光纤中的非线性效应。
光纤的有效面积与模场分布有关，国际电信联盟电信标准化部门ITU-T的G.650.2标准中给出了关于两者关系的经验公式：
Figure 355420DEST_PATH_IMAGE001
   （1）
其中，k为修正因子，对于具有不同折射率剖面的光纤，该值的范围有所不同。公式中
Figure 936574DEST_PATH_IMAGE002
,MFD是光纤的模场直径。不难看出在光纤设计时，增大MFD，则Aeff也会随之增大。本领域熟练的技术人员知道，增大MFD可以通过改变光纤芯层的折射率和直径来实现。然而MFD的增大也容易带来其它光纤性能的恶化，比如截止波长和弯曲性能。
理论上，光纤的弯曲性能与光纤的MAC值成正比关系，MAC值越大，则弯曲性能则越差。所谓MAC值，即为传输光纤的模场直径与截止波长两个参数的比值。为保证大有效面积光纤在应用波长窗口中呈单模状态传输，截止波长不能过高，如ITU-T G.654标准中就建议光纤的成缆截止波长不能超过1530nm。由此，在截止波长限制在一定数值范围内时，MFD的增大显然会带来MAC值的增大，这样就导致光纤弯曲性能的恶化。因此，对于大有效面积光纤的设计，关键在于对各光纤参数的平衡，取得各光纤性能的合理折中。
专利CN102313924 A描述了一种有效面积在150 um2以上的光纤。该发明通过在光纤包层外部增加一个下陷包层来抑制其弯曲性能的恶化。下陷包层对弯曲性能改进的程度与其体积的大小有关。对于越大有效面积的光纤，其下陷包层的体积就越大。该法的缺点在于下陷包层的体积增加会导致截止波长的增大，因此该专利为了获得更大的有效面积提出了放宽了对截止波长的限制，于是在其实施例中有多个样品的光缆截止波长超过1530nm,甚至达到了1800nm以上。显然，这类光纤无法全部满足在1550nm窗口的广泛应用。
在光纤纤芯部分引入一种下陷结构能够改变光纤中光传播的电场密度分布，使其分布曲线趋于扁平化。这意味着，如果设计合理，在同样的模场直径的前提下，纤芯层具有下陷结构剖面的光纤有可能较普通阶越型剖面的光纤具有更大的有效面积。即可以理解为在公式（1）中，纤芯层具有下陷结构剖面的光纤能够表现出更大的k值，那么在MFD的增加有限的情况下，这种结构对进一步增大有效面积有着有益作用。文献“Non-zero dispersion-shifted optical fiber with ultra-large effective area and low dispersion slope for terabit communication system” （Optics Communication 236(2004) P69-74）提出了一种具有芯层下陷结构的非零色散位移光纤剖面。该文献描述了具有下陷结构芯层光纤的电场强度分布与传统阶越型非零色散位移光纤的电场强度分布的不同，并认为这种差异是导致前者有效面积明显增大的主要原因。
美国专利US 6904218 B2提出了一种大有效面积的光纤，该光纤的结构包含纤芯区、下陷层区、包层区。在其实施例中，列举了一种纤芯区为抛物线形状的折射率分布。在其基础上进行一定演变——使纤芯区抛物线形状偏离纤芯的中心轴之外，变形后的剖面在增大有效面积方面显示出一定的效果。但是该专利所列举的实施例中的光纤参数在1550nm波长的有效面积仅为131.2um2。
因此，对于大有效面积光纤的设计所面临的挑战在于通过合理的光纤剖面设计，在诸如截止波长、弯曲性能等方面获得良好的折中，从而尽可能提高传输光纤的有效面积，实现降低非线性效应的目的，使光纤更广泛的应用于在大容量、高速率的传输系统中。
以下为本发明中涉及的一些术语的定义和说明：
相对折射率差折射率差
Figure 209424DEST_PATH_IMAGE003
： 
从光纤纤芯轴线开始算起，根据折射率的变化，定义为最靠近轴线的那层为第一纤芯层，光纤的最外层即纯二氧化硅层定义为光纤包层。从第一纤芯分层到光纤包层依次为第一纤芯分层，第二纤芯分层，以此类推。
光纤各层相对折射率
Figure 938345DEST_PATH_IMAGE003
由以下方程式定义，
Figure 954843DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure 390503DEST_PATH_IMAGE005
为纤层的折射率，而
Figure 896571DEST_PATH_IMAGE006
为包层折射率，即纯二氧化硅的折射率。
光纤的有效面积Aeff：
 
其中，E是与传播有关的电场，r为轴心到电
Figure 885309DEST_PATH_IMAGE008
场分布点之间的距离。
 光缆截止波长λcc：
IEC(国际电工委员会)标准60793-1-44中定义：光缆截止波长λcc是光信号在光纤中传播了22米之后不再作为单模信号进行传播的波长。在测试时需通过对光纤绕一个半径14cm的圈，两个半径4cm的圈来获取数据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题旨在设计一种具有大有效面积的光纤，通过光纤折射率剖面的合理设计，获得更大的有效面积，并在在截止波长和弯曲性能等方面取得较好的折中。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括纤芯层和外包层，其特征在于纤芯层外包覆中间包层，中间包层外设置有下陷包层；所述的纤芯层分为第一纤芯分层及第二纤芯分层，所述
Figure 237793DEST_PATH_IMAGE009
的第一纤芯分层半径r1为1.5μm~5μm，相对折射率差为0.05%~0.22%，所述的第二纤芯分层半径单边径向宽度（r2-r1）为1.5μm~5μm，相对折射率差
Figure 493642DEST_PATH_IMAGE009
为0.15%~0.34%，且第一纤芯分层的相对折射差小于第二纤芯分层相对折射率差，即
Figure 914259DEST_PATH_IMAGE010
；所述的中间包层单边径向宽度（r3-r2）为2.5μm~6μm，相对折射率差为-0.10%~0.10%；所述的下陷包层单边径向宽度（r4-r3）为2.5μm~10μm，相对折射率差为-1.5%~-0.2%。
按上述方案，所述的外包层为纯二氧化硅层。
按上述方案，所述的第一纤芯分层半径r1优选为2.5μm~4μm。
按上述方案，所述的第二纤芯分层半径单边径向宽度（r2-r1）优选范围为2μm~4.5μm，更优选范围为2.5μm~4μm。
按上述方案，所述光纤在1550nm波长的有效面积为120μm2~150μm2,更优为150μm2~180μm2。
按上述方案，所述光纤的成缆截止波长小于或等于1530nm。
按上述方案，所述光纤在波长1550nm处的色散小于或等于22ps/nm*km，在波长1550nm处的色散斜率小于或等于0.070ps/nm2*km。
按上述方案，所述光纤在波长1625nm处对于30mm的弯曲半径，弯曲损耗等于或小于0.05dB。
按上述方案，所述未涂覆的裸光纤外径为125μm。
本发明的有益效果在于：1、通过在光纤的纤芯层设计一下陷层结构，使光纤中光传播的电场密度分布趋于扁平化，因此能够起到进一步增大有效面积的作用，所制备的光纤具有等于或大于120μm2的有效面积，在较佳参数范围下，可以达到等于或大于150μm2的有效面积。较大的光纤有效面积，能够有效降低传输光纤中的非线性效应。2、本发明光纤的截止波长、弯曲损耗、色散等综合性能参数在应用波段良好，足够小的成缆截止波长，可保证该光纤在传输应用中光信号的单模状态。3、在具有较大有效面积的同时，光纤仍具备较低的弯曲损耗。4、本发明的光纤可适用于高速、大容量的长距离传输系统以及长距离无中继传输系统。
附图说明
图1为本发明光纤的纤层折射率剖面结构分布图。
具体实施方式
以下结合实施例进行详细描述本发明。光纤包括纤芯层、包层和外包层。纤芯层又分第一分纤芯层和第二纤芯分层，包层分为中间包层和下陷包层。从内至外，依次分布第一纤芯分层、第二纤芯分层、中间包层、下陷包层和外包层。所述的第一纤芯分层半径为r1，相对折射率差为
Figure 110065DEST_PATH_IMAGE008
，所述的第二纤芯分层半径为r2，相对折射率差为
Figure 35296DEST_PATH_IMAGE009
，所述的中间包层半径为r3，相对折射率差为
Figure 197287DEST_PATH_IMAGE012
，所述的下陷包层半径为r4，相对折射率差为；外包层为纯二氧化硅层。
本领域的技术人员可以理解，在不偏离本发明范围的前提下，可以通过多种公知的芯棒制造工艺，如：PCVD、MCVD、OVD、VAD、APVD等工艺来制造符合本发明折射率剖面特征的光纤预制棒，再通过拉伸或拉丝工艺最终将预制棒制成光纤。在实现本发明范围的折射率分布形状时，亦可以使用不同的掺杂材料，或为掺锗材料、或为掺氟材料、或为锗氟共掺材料。
表一所列为本发明的实施例的折射率剖面参数。表二所列为表一所述光纤样品所对应的光纤性能参数。
表一、本发明实施例的光纤剖面参数
Figure 462046DEST_PATH_IMAGE014
表二、本发明实施例的光纤性能参数
Figure 746397DEST_PATH_IMAGE015
其中，MFD为光纤在1550nm波长的模场直径，Aeff为光纤在1550nm波长的有效面积，λcc为光缆的截止波长，D为在1550nm波长处的色散值，DS为1550nm波长处的色散斜率，Att为在1550nm处的衰耗值，B为光纤在1625nm处的宏观弯曲损耗（本发明中，光纤的宏观弯曲损耗是在直径60mm的圆筒上绕100圈后所测得的附加衰减）。

Claims (8)

1.一种具有大有效面积的光纤，包括纤芯层和外包层，其特征在于纤芯层外包覆中间包层，中间包层外设置有下陷包层；所述的纤芯层分为第一纤芯分层及第二纤芯分层，所述的第一纤芯分层半径r1为1.5μm~5μm，相对折射率差                                                
Figure 997339DEST_PATH_IMAGE001
为0.05%~0.22%，所述的第二纤芯分层半径单边径向宽度（r2-r1）为1.5μm~5μm，相对折射率差为0.15%~0.34%，且第一纤芯分层的相对折射差
Figure 202056DEST_PATH_IMAGE001
小于第二纤芯分层相对折射率差
Figure 338639DEST_PATH_IMAGE002
，即
Figure 741938DEST_PATH_IMAGE003
；所述的中间包层单边径向宽度（r3-r2）为2.5μm~6μm，相对折射率差
Figure 938564DEST_PATH_IMAGE004
为-0.10%~0.10%；所述的下陷包层单边径向宽度（r4-r3）为2.5μm~10μm，相对折射率差
Figure 627647DEST_PATH_IMAGE005
为-1.5%~-0.2%。
2.按权利要求1所述的具有大有效面积的光纤，其特征在于所述的外包层为纯二氧化硅层。
3.按权利要求1或2
Figure 302342DEST_PATH_IMAGE002
，其特征在于所述的第一纤芯分层半径r1为2.5μm~4μm。
4.按权利要求3所述的具有大有效面积的光纤，其特征在于所述的第二纤芯分层半径单边径向宽度（r2-r1）为2μm~4.5μm。
5.按权利要求1或2所述的具有大有效面积的光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长的有效面积为120μm2~150μm2。
6.按权利要求1或2所述的具有大有效面积的光纤，其特征在于所述光纤的成缆截止波长小于或等于1530nm。
7.按权利要求1或2所述的具有大有效面积的光纤，其特征在于所述光纤在波长1550nm处的色散小于或等于22ps/nm*km，在波长1550nm处的色散斜率小于或等于0.070ps/nm2*km。
8.按权利要求1或2所述的具有大有效面积的光纤，其特征在于所述光纤在波长1625nm处对于30mm的弯曲半径，弯曲损耗等于或小于0.05dB。
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