CN103154789B - 色散补偿系统和具有改进的品质因数的色散补偿光纤 - Google Patents

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Abstract

一种色散补偿系统和具有改进的品质因数和有效面积的色散补偿光纤。该色散补偿系统包括用于为光信号传输提供光域主体色散补偿的主体色散补偿模块。此外,该系统可以进一步包括残余色散补偿,其在对光信号的振幅和相位两者的相干检测之后在电域中执行。该色散补偿光纤包括上掺杂芯区、下掺杂沟槽、上掺杂环和外包层,并且被配置为具有高品质因数(FOM)。

Description

色散补偿系统和具有改进的品质因数的色散补偿光纤
相关申请的交叉引用
本申请主张以下由本申请的受让人所有的美国临时专利申请的优先权:
于2010年9月3日递交的美国临时申请序列号No.61/379,739
技术领域
本发明大体上涉及光纤器件和相关方法,具体地涉及改进的色散补偿系统和具有改进的品质因数和有效面积的色散补偿光纤。
背景技术
相干检测其后跟随电域中的数字信号处理,目前被研究作为一种用于提高传输率的传输系统的可行技术。当光振幅和相位两者被检测后,可以在电域中完全补偿诸如色散和偏振模色散(PMD)之类的线性损伤。该方法消除了对使用色散补偿光纤(DCF)或类似器件进行光色散补偿的需要。
然而,色散补偿的电域方法具有已知的缺点。一个缺点是,当为大色散量提供补偿时,电域色散补偿系统需要大且昂贵的数字信号处理集成电路(DSP),以及高功耗。因此,需要一种用于管理这种系统中的色散补偿的改进的方法。
另一个问题是“品质因数”(FOM),这是普遍用于光纤工业中的度量,以量化给定的光纤或者光纤模块向光传输系统增加的损耗量。一般而言,光纤模块的FOM是特定波长处的光纤色散的数值除以光纤衰减而得到的比率。高品质因数意味着色散补偿光纤模块带给系统更少的损耗。
进一步的,具有大色散的光传输光纤一般具有大有效面积Aeff。有效面积Aeff与FOM成反比例。因此,具有大有效面积的光线往往具有低的FOM。
因此,对光纤设计者来说正在进行的挑战是实现给定色散特性所需的有效面积与对足够高FOM的需求之间的平衡。现有的设计已经提供了呈现出FOM和Aeff的下列值的光纤:
FOM=460ps/(nm·dB);Aeff=21μm2:M.Wandel等,Proceedings of ECOC′2001,PD.A.1.4,和US专利No.6,490,398;
FOM=450ps/(nm·dB);Aeff=17μm2:M.Hirano等,Proceedings of OFC/NFOEC′2009,OWN5;以及
FOM=477ps/(nm·dB);Aeff=70μm2:S.Ramachandran,Journal of LightWaveTechnology,pp3425,2005。
发明内容
这些和其他问题由本发明解决,本发明的各个方面涉及色散补偿系统和具有改进的品质因数和有效面积的色散补偿光纤。
根据本发明的一方面,色散补偿系统包括主体(bulk)色散补偿模块,其用于为光信号传输提供光域主体色散补偿。如此处所使用的,“主体色散”定义为系统总色散(波长和材料)的大部分,即,至少百分之五十或更多。系统还可以包括残余色散补偿,其优选地在光信号的幅度和相位的相干检测之后在电域中发生。
根据本发明的另一方面,色散补偿光纤包括上掺杂芯区;下掺杂沟槽;上掺杂环;和外包层。色散补偿光纤构造成具有高的品质因数,其中,品质因数(FOM)由以下公式定义
FOM = - D DCF α DCF
其中,DDCF是色散系数,并且αDCF是色散补偿光纤的衰减系数。
附图说明
图1示出了根据本发明一方面的色散补偿系统的概图。
图2是根据现有技术的传输系统的图。
图3是根据本发明的示例性实践的传输系统的图。
图4示出了根据本发明的实践的色散补偿光纤(DCF)的截面图。
图5示出了DCF的折射率轮廓。
图5A示出了列出在本发明的示例性实践中的光纤区域半径和折射率差的表。
图6示出了说明DCF的C波段中的目标色散和目标有效面积Aeff的曲线图。
图7示出了说明根据本发明一方面的主体色散补偿模块的示例构造的图。
图8示出了列出模块中的接头损耗的表。
图9是示出模块的测得插入损耗的曲线图。
图10是示出模块的测得色散的曲线图。
图11是示出模块的测得多路径干涉(MPI)的曲线图。
图12示出了列出对模块进行测量的概要的表。
具体实施方式
本发明的各方面涉及在相干检测传输系统中使用的色散补偿模块(DCM),并涉及适合用在所描述的色散补偿模块中的色散补偿光纤(DCF)。
利用与其他单模高FOM DCF相比有效面积增大到4.5倍的本发明的DCF,描述与其他已知的模块相比FOM提高到接近5倍的DCM。具体地,使能技术(enabling technology)包括在LP02或者更高模下工作的少模光纤。支持多模的光纤往往由于各个模的不同传播常数而与通过多路径干涉(MPI)形成的噪声相关联。然而,即使本发明的光纤不是单模,并且在模块系统中可能需要模式转换器,也获得了-37dB的低MPI。
使用本发明的光纤,可以制造DCF模块,其补偿插入损耗小于10dB的1000km的标准单模光纤(总色散17000ps/nm)。此外,相比于使用传统单模DCF模块,由于增大的有效面积,可以发射约高6.5dB的功率到DCF模块中。
尽管本发明的DCF模块不提供色散斜率补偿,并与传统的单模DCF模块相比具有更高的PMD,但这对于在具有相干检测和数字信号处理的系统中应用不是问题。
本描述组织成以下部分:
1.概要
2.理论框架
3.示例性色散补偿光纤
4.示例性主体色散补偿光纤模块
5.结论
1.概要
图1示出了根据本发明的一方面的示例性色散补偿系统10的概图。系统10接收光传输信号作为输入101,并提供经色散补偿的电传输信号作为输出102。
输入101连接到主体色散补偿模块(DCM)11,其构造成在光域中提供主体色散补偿。主体DCM 11包括如下所述的、根据本发明一方面的一段色散补偿光纤(DCF)111。根据本发明的实践,DCF 111构造成在高阶模下工作。在本发明的另一实践中,DCF 111构造成用于单模工作,即,在LP01模下工作。在图1所示的示例中,DCF 111构造成在LP02模下工作。
主体DCM 11包括第一和第二模式转换器112和113以提供到DCF 111的高阶模的耦合和从DCF 111的高阶模离开的耦合。如下所述,根据本发明的一方面,桥接光纤可以可选地被使用来降低由于主体DCM 11的各种部件的不同模场直径造成的接头损耗。
在解复用器120进行了各个波分复用(WDM)信道的任何解复用之后设置主体DCM11。主体DCM 111可以连接到残余DCM 12,残余DCM 12构造成在电域中仅仅为残余色散提供补偿。残余DCM 12包括相干检测器121和色散补偿数字信号处理器(DSP)122。相干检测器121检测光信号传输的完整电场,其包含幅度和相位信息二者。DSP 122被编程为执行任何必要的残余色散补偿,包括PMD补偿。
将理解到,因为主体DCM 11已经为光信号提供了主体色散补偿,所以与仅仅在电域中提供色散补偿的系统相比,DSP需要少得多的计算。结果,与在电域中进行所有的色散补偿相比,DSP的尺寸和部件数量小得 多,由此显著地降低功耗。
根据本发明的另一方面,如图2和图3所示,使用这样的DCF,其具有足够高的品质因数(FOM),以使得尽管DCF补偿传输系统的色散的主体部分,但是DCF的插入损耗仍低到足以由结束端(end terminal)处的仅仅一个放大器补偿。这种构造利用了简单的中继器(repeater)的优点而无需在线DCF。此外,一个DCF能用来对复用传输信号中的所有信道提供主体补偿,因为残余色散是在电域中被补偿的。
图2是根据现有技术的没有相干检测的传输系统20的图,包括起始端21(startterminal)、结束端22和之间的光学链路23。不同波长的多个输入信道211a-n馈送到起始端21中,并复用为发射到光学链路23中的单个光信号。光学链路23包括多段单模传输光纤(SMF)231a-n。每段SMF与相应的一段色散补偿光纤(DCF)232a-n成对。DCF是设置在各段SMF之间的放大器233a-n的一部分。为了降低对逐信道色散补偿的需要,每段DCF 232a-n优选地为色散和色散斜率两者提供补偿。
在结束端22处,光信号解复用为与输入信道211a-n相对应的分离的输出信道221a-n。如果需要,每个输出信道可以可选地设置有用于提供残余色散补偿的相应的色散补偿模块DCM1-DCMn。由于若干原因,优选在每个放大器处进行在线色散补偿。当前知道的DCM包括色散和色散斜率补偿以及低PMD,但是具有很高的插入损耗,使得仅能够在终端(terminal)处进行完全色散补偿。此外,不使用相干检测的当前传输系统要求累积色散保持较低。
图3是根据本发明的示例性实践的传输系统30的图。系统30包括起始端31、结束接收端32和之间的光学链路33。不同波长的多个输入信道311a-n馈送到起始端31中,并复用为发射到光学链路33中的单个光信号。光学链路33包括多段单模传输光纤(SMF)331a-n。放大器333a-n设置在各段SMF之间。主体色散补偿由图1中所示类型(主体DCM 11)的单个色散补偿系统DCM322提供。DCM322位于结束端32处,在传输的信号解复用为各个信道321a-n之前。在各个波长信道的解复用之后,由图1所示类型(残余DCM 12)的数字域残余色散补偿模块(DDR/DCM)323a-n进行残余色散补偿。
可替换地,代替如上所述将主体DCM 11实施为接收器的一部分,主体DCM 11可以是输入端31的一部分,而残余电域色散补偿(DCM 12)仍在接收器处在解复用之后执行。作为其他替换,主体DCM 11可分成两个部分,一个部分在输入端31处,一个部分在输出端32处。
将理解,通过使用图3所示的类型的主体色散补偿由DCM322提供的系统,与在电域中执行所有色散补偿的可比较系统相比,可以实现显著的节约。
2.理论框架
现在提供在相干检测传输系统中适合用于在光域中提供主体端补偿的色散补偿光纤(DCF)的理论框架。对这种DCF的要求与典型的在线DCF的要求不同。不需要色散斜率补偿。此外,可以容忍更高的PMD,因为残余色散和PMD可以容易地由残余DCM中的DSP来补偿。然而,另一方面,对低损耗的要求呈现增加的重要性。模块的数量取决于掺铒光纤放大器(EDFA)或类似器件所能够补偿的损耗量(即,约10-20dB)。如果给定DCM引入的损耗超过此量,则将需要附加的部件。
DCM模块的总损耗αM可在公式(1)中表示:
α M = | D tot | FOM + α D 公式(1)
其中,Dtot是模块的总色散,αD是分立损耗(discrete loss)(通常是接头和连接器损耗)总和。
如之前所述,“品质因数”(FOM)是用来表征器件、系统或者方法相对于其替换物的性能的量。DCF的FOM此处由公式(2)定义:
FOM = - D DCF α DCF 公式(2)
其中,DDCF是色散系数,并且αDCF是DCF的衰减系数。
至今所报道的DCF的最高FOM约为480ps/(nm·dB)。已经报道DCF在利用LP01模的少模设计中具有-1800ps/(nm·km)这一大数值的色散系数。然而,这些报道未报道衰减系数的确切测量结果,并且未提供多路径干涉 (MPI)的评估。
如下所描述的,根据此处描述的本发明的各个方面,已经可以实现具有大于2000ps/(nm·dB)的FOM的色散补偿光纤。
3.示例性DCF
因而,现在描述根据本发明一方面的适合用于主体端补偿的DCF。
所描述的DCF采用了利用LP02模的“少模”设计。一般而言,“少模光纤”(FMF)是这样的光纤:其芯直径小于多模光纤的芯直径但是大于单模光纤的芯直径,使得在光纤芯中仅能引导少数模。
相比于单模设计,少模光纤设计允许更大的设计灵活性。此外,优选的高阶模,诸如LP02模,被用作代替LP01基模的传播模,该模能实现更高的色散系数和更大的有效面积。更大的有效面积是优选的,因为这允许到DCF的更高输入功率。所描述的DCF设计能在LP02模下工作,其中品质因数为2200ps/(nm·dB),有效面积为90μm2,并且MPI为-37dB。如下所述,在该DCF的输入和输出端的模式转换器用来在LP02模和连接光纤的LP01模之间转换。
图4示出了根据本发明的实践的DCF 40的截面图,并且图5示出了沿DCF 40的直径D的折射率轮廓50。DCF 40由适当的光传输材料(诸如二氧化硅(SiO2))等制造,并被掺杂以形成由其各自折射率表征的以下多个区域(参见图4和图5):
纯二氧化硅外包层400、500,具有外半径r0、折射率n0和折射率差Δn0=n0-n0=0;
上掺杂芯区401、501,具有外半径r1、折射率n1和正折射率差Δn1=n1-n0
下掺杂沟槽402、502,具有外半径r2、折射率n2和负折射率差Δn2=n2-n0;以及
上掺杂环403、503,具有外半径r3、折射率n3和正折射率差Δn3=n3-n0
图5A示出了列出DCF 40的芯区和包层区的示例性半径和折射率差Δn的表51。
如在表51中所示:
芯区401具有外半径r1=4.5μm,和折射率差Δn1=35×10-3
沟槽402具有内半径r1=4.5μm;外半径r2=6.1μm;和折射率差Δn2=-10×10-3
环403具有内半径r2=6.1μm;外半径r3=13.0μm;和折射率差Δn3=4×10-3;以及
外包层400具有内半径r3=13.0μm;外半径r0=62.5μm;和折射率差Δn0=0;
在本发明的当前描述的示例中,DCF 40由通过修改的化学气相沉积(MCVD)技术而制造的预制棒拉制。芯401、501和环403、503掺杂有适当的折射率升高掺杂剂(诸如氧化锗(GeO2)等)。沟槽402、502掺杂有适当的折射率降低掺杂剂(诸如,氟(F)等)。将理解,可以使用其他技术和材料来实施本发明的各方面。
图4和图5所示的DCF对许多不同要求进行平衡,包括以下:
(1)色散系数应该尽可能负并且在C波段上没有太多变化;
(2)衰减系数应该尽可能低;
(3)优选的传播模的传播常数应该与其他导波模的传播常数足够不同以抑制模式耦合;
(4)优选的传播模的弯曲损耗敏感度应该低;以及
(5)为了有利于基于长周期光栅(LPG)的宽带模式转换器的制造,相位匹配曲线应该在工作波长范围中具有转向点。
应该注意,如果使用其它模式转换器和模式转换技术,第(5)项不是必要的。例如,可以通过使用相位板、空间光调制器等提供模式转换。
以上要求都已经在设计DCF40时考虑进去了。图6示出了说明在DCF 40的C波段中,目标色散(曲线61)和目标有效面积Aeff(曲线62)的曲线图60。
4.示例性主体色散补偿模块
图7示出了说明根据本发明一方面的组装好的主体色散补偿模块(DCM)70的示例性构造的图。主体DCM 70在光域中为光传输输入701提供主体色散补偿。
主体DCM70包括以下串联连接的部件,X表示相邻部件之间的接头:
输入光纤,包括第一段标准单模光纤71;
输入桥接光纤72;
输入模式转换器,包括第一段前面所述类型的高阶模DCF 73,第一长周期光栅(LPG)731已经被写入该DCF 73中;
主体色散补偿光纤,包括第二段前面所述类型的高阶模DCF 74,其中,光纤长度构造成具有与计划的传输光纤相反的色散。
输出模式转换器,包括第三段高阶模DCF 75,第二LPG 751已经被写入该DCF 75中;
输出桥接光纤76;以及
可选地,输出光纤,包括第二段标准单模光纤77。
一般而言,优选地,HOMDCF 74与HOMDCF 73和75相同或者接近,以为了使HOMDCF73与HOMDCF 74之间的接头处以及HOMDCF74与HOM DCF 75之间的接头处的接头损耗和MPI最小。
LPG 731和751是通过振幅掩模对DCF 40进行UV曝光而构造的。获得了在以1540nm为中心的16nm带宽中在LP01和LP02之间具有高于99%的耦合效率的强光栅。
输入和输出桥接光纤72、76各具有约两米的长度,并且分别用来将SSMF输入和输出光纤71、77接头到HOMDCF 73、75。输入和输出桥接光纤72、76均具有与HOM光纤的LP01模匹配的模场直径。
如上所述,主体色散补偿模块在给定波长处的FOM是在该波长处的色散和衰减之间的比率。因而,主体DCM 70经历许多测试,以测量接头损耗(图8)、插入损耗(图9)、色散(图10)和MPI(图11)。此外,使用光学时域反射计(OTDR)测量主体DCM 70的组合的整体衰减。在1550nm处的这些测量的结果在图12的表120中列出。
图8示出了表80,其列出模块70(图7)中,(1)在SSMF 71、77与桥接光纤72、76之间;(2)在桥接光纤72、76与HOMDCF73、75之间;以及(3)在HOM DCF73、75与HOM DCF 74之间,所获得的接头 损耗。由于大于99%的耦合效率对应于小于0.04dB的损耗,所以获得了1.9dB的总分立损耗。
图9是示出具有2.1km的HOM DCF光纤的组装好的模块的测得的插入损耗(轨迹91)。在1540nm处,测量3.1dB的插入损耗;在1550nm处,测量4.4dB的插入损耗。在1550nm处利用光学时域反射计(OTDR)测得的光纤衰减为0.58dB/km。
图10是示出图6中所示的2.1km的模块70的测得的色散(曲线110)的曲线图100。基于对预制棒测得的折射率轮廓而计算出的色散也被示出以用于参考(点120)。观察到,在测量的色散和基于预制棒轮廓的模拟之间有相对好的一致性。然而,相较于图6中的目标色散曲线(曲线61),色散曲线110稍微偏移到更长的波长并且稍微更深。结果,在C波段上的色散变化增大。这可以通过对预制棒轮廓进行小调节而得到校正。
图11是示出所测得的模块的多路径干涉(MPI)(轨迹1103)的曲线图1100。还示出在(图7中的)模式转换器中使用的LPG 731和LPG 751的传输谱(轨迹1101、1102)以用于参考。通过使来自具有150kHz的特定线宽的可调谐外腔激光器的光传输通过该模块,并在激光器以0.01nm的增量步进时测量所接收功率的波动,来测量MPI。MPI然后可以从以下公式(3)中计算:
MPI = 10 log ( σ 2 P avg 2 ) 公式(3)
其中,σ是在2nm扫描窗口上计算的接收功率的标准差,Pavg是在2nm扫描窗口上的平均功率。LPG的传输谱是从输入处的LP01到输出处的LP01的传输。
图12示出了列出测试结果的概要的表120。在1550nm处的FOM计算为约2200,即,-1275(1550nm处的色散)与0.58(由OTDR测得的、1550nm处的衰减)之间的比率的绝对值。
还注意到,在表120中,使用Jones矩阵方法在1535-1545nm的波长范围中测量了PMD。即使已经小心地降低了芯不圆度并且在拉制过程中已经使用光纤的旋转,PMD也相当高。这归因于非常高的波导色散,其即使对于非常小的不圆度也造成高PMD值。然而,可能能够通过进一步优化工艺来降低PMD。
5.结论
尽管前面的描述包括了使得本领域的一般技术人员能够实施本发明的细节,但是应该认识到,该描述本质上是说明性的,并且许多修改和变化对于受益于这些教导的本领域一般技术人员是明显的。因而,这里的本发明意在仅仅由权利要求书限定,并且以现有技术允许的广度来理解权利要求。

Claims (10)

1.一种色散补偿系统,包括:
主体色散补偿模块,用于为光信号传输提供结束端光域主体色散补偿,该主体色散补偿模块包括具有高品质因数的色散补偿光纤,
其中,所述色散补偿光纤是被构造用于传播LP02模或其它高阶模的少模光纤,
其中,所述色散补偿光纤被构造为具有90μm2或更大的有效面积,
其中,所述色散补偿光纤被构造成具有高品质因数,其中,所述品质因数FOM由以下等式定义
F O M = - D D C F α D C F
其中,DDCF是色散系数,并且αDCF是所述色散补偿光纤的衰减系数,
其中,所述品质因数大于2000ps/(nm·dB),并且
其中,所述光信号传输的残余色散补偿由相干检测和电域色散补偿提供,
其中,所述色散补偿光纤包括:
外包层,具有外半径r0、折射率n0和折射率差Δn0=n0-n0=0;
上掺杂芯区,具有外半径r1、折射率n1和正折射率差Δn1=n1-n0
下掺杂沟槽,具有外半径r2、折射率n2和负折射率差Δn2=n2-n0;以及
上掺杂环,具有外半径r3、折射率n3和正折射率差Δn3=n3-n0
2.根据权利要求1所述的色散补偿系统,
还包括单模输入光纤和单模输出光纤,
输入模式转换器,用于提供来自所述输入光纤的传输信号到所述色散补偿光纤的高阶传播模中的耦合;以及
输出模式转换器,用于提供来自所述色散补偿光纤的高阶传播模的传输信号到所述输出光纤中的耦合。
3.根据权利要求2所述的色散补偿系统,
其中,所述输入模式转换器和所述输出模式转换器均包括各自的一段高阶模色散补偿光纤,其中,长周期光栅被写入到所述高阶模色散补偿光纤中。
4.根据权利要求3所述的色散补偿系统,
还包括输入桥接光纤,用于将所述输入光纤连接到所述输入模式转换器,以及
输出桥接光纤,用于将所述输出光纤连接到所述输出模式转换器,
其中,所述输入桥接光纤和输出桥接光纤中的每一者具有与所述色散补偿光纤的LP01模的模场直径相匹配的模场直径。
5.根据权利要求1或4所述的色散补偿系统,其中:
所述芯区具有外半径r1=4.5μm和折射率差Δn1=35×10-3
所述沟槽具有内半径r1=4.5μm、外半径r2=6.1μm和折射率差Δn2=-10×10-3
所述环具有内半径r2=6.1μm、外半径r3=13.0μm和折射率差Δn3=4×10-3;并且
所述外包层具有内半径r3=13.0μm、外半径r0=62.5μm和折射率差Δn0=0。
6.一种色散补偿光纤,包括:
上掺杂芯区;
下掺杂沟槽;
上掺杂环;以及
外包层,
其中,所述色散补偿光纤是被构造用于传播LP02模或其它高阶模的少模光纤,
其中,所述色散补偿光纤被构造为具有90μm2或更大的有效面积,
其中,所述色散补偿光纤被构造成具有高品质因数,其中,所述品质因数FOM由以下等式定义
F O M = - D D C F α D C F
其中,DDCF是色散系数,并且αDCF是所述色散补偿光纤的衰减系数,
其中,所述品质因数大于2000ps/(nm·dB),并且
其中,所述色散补偿光纤被构造用于为光信号传输提供结束端光域主体色散补偿,
其中:
所述外包层具有外半径r0、折射率n0和折射率差Δn0=n0-n0=0;
所述上掺杂芯区具有外半径r1、折射率n1和正折射率差Δn1=n1-n0
所述下掺杂沟槽具有外半径r2、折射率n2和负折射率差Δn2=n2-n0;并且
所述上掺杂环具有外半径r3、折射率n3和正折射率差Δn3=n3-n0
7.一种色散补偿模块,包括:
一段根据权利要求6所述的色散补偿光纤;
耦合到所述色散补偿光纤的输入端的输入光纤;以及
从所述色散补偿光纤的端部耦合出的输出光纤。
8.根据权利要求7所述的色散补偿模块,
其中,所述输入光纤和输出光纤均包括各自的一段单模光纤;并且
其中,所述色散补偿光纤还包括输入模式转换器和输出模式转换器,用于将所述输入光纤和输出光纤耦合到所述色散补偿光纤的高阶模。
9.根据权利要求8所述的色散补偿模块,
其中,所述输入模式转换器和输出模式转换器包括写入到各自的一段高阶模色散补偿光纤中的长周期光栅。
10.根据权利要求9所述的色散补偿模块,还包括:
输入桥接光纤,用于将所述输入端连接到所述输入模式转换器;以及
输出桥接光纤,用于将输出端连接到所述输出模式转换器,
其中,所述输入桥接光纤和输出桥接光纤具有与所述色散补偿光纤的基模的模场直径相等的各自的模场直径。
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