CN103299222A - 为减小非线性效应而优化的光纤 - Google Patents

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Abstract

一种光纤，设计为同时衰减调制不稳定性和仿真的拉曼散射的效应。第一解决方案使用正常色散域中的非零色散偏移的光纤来同时减小影响。另一个解决方案在信号线中实现对应的滤波器元件。还一个解决方案额外地提供吸收器元件用于拉曼波长或者设计芯作为用于这些波长的泄露元件。

Description

为减小非线性效应而优化的光纤
技术领域
本发明涉及一种光纤，具体涉及在长距离例如若干公里上传播光的光纤。
背景技术
自从1970年以来光纤以如下方式经历了巨大的发展：材料质量(二氧化硅)当前表现出理想的化学纯度。光透明度由此达到了从材料属性上可以期望的极限状态。具体地，在光纤中传播的光所经历的光损耗现在通常低于0.2dB/km，这意味着距离每增加15公里损耗一半的光。在许多情况下，期望在100公里或更长距离上传播，例如在电信线路和遥控或分布式传感系统中。更大距离的损耗损失通常由增加的输入功率补偿。
输入功率不能无限地增加，因为在强光照射下材料不再以标准方式进行响应。材料(在光纤的情况下为玻璃)的光属性被修改并且依赖于光强转变。在这种情况下，材料响应被看做非线性并且结果是将来自信号的光通过逐渐耦合传送给不同的光谱偏移的光波。该信号波形由此耗尽并且可能完全衰减，所有的光被从光谱传输通道转移出。此外，当非线性生成的波形的幅度增大时，通过仿真的耦合效应该转移可能逐渐变得更重要。
基于上述原因，现有技术的光纤具有相对有限的距离范围。
发明内容
本发明的目的在于实质上增加光纤的功率处理能力，特别是对于分布式光纤传感器、通信链路或任何其他长距离光信号分布系统。
为了实现这个效果，本发明涉及如权利要求限定的光纤。
本发明涉及一种光纤，其被设计为实质上增加长距离上的功率处理能力。这可以如下实现：同时增加其在长途运输感应和传输系统中观察的大多数限制非线性光纤效应(调制不稳定性和仿真的拉曼散射)的免疫力。
通过采用特殊动作以合理地修改光纤或光纤传输链路作为整体的光学属性，获得两个非线性效应的同时衰减。
如果我们考虑在固定频率存在一个信号波形，通过减少重要性(参见唯一的附图)在二氧化硅光纤中观察三个非线性效应，每个对应于不同的材料响应：
●仿真的布里渊散射：这个非常有效的非线性效应将稍微偏移到较低频率的光仅转送到后向方向。这是窄带处理，所以其仅在窄带信号上有效地操作并且当使用宽带信号时其影响将显著减小，类似于在高速光通信中。因为光流相对于信号后向传播的方向，为了有效地建立，还需要连续的光流。当使用隔离脉冲信号时其被不充分地激活，类似于在许多分布式传感配置中，因为在这种情况下交互长度被限制为脉冲长度。总地来说，仿真的布里渊散射的效应可以由信号的正确调制策略而很大程度上被减弱。
●调制不稳定性：这个效应产生了对称地围绕信号频率的两个宽的光谱边带。非线性生成的波形在与信号相同的方向上传播，使得对于连续数据流或离散的光脉冲没有差别地观察到这个效应。仅在光介质示出了特定的色散特性时，特别是当介质示出了异常的群速度色散(β2＜0或Dλ＞0)时，可能存在调制不稳定性。消除调制不稳定性的标准策略是通过使用所谓的“色散偏移光纤”来设计光纤以示出标准的群速度色散(材料色散自然是异常的，材料在大约1550nm的波长上非常的透明)。由于边带接近于信号频率，很难通过光谱滤波来消除调制不稳定性。
●仿真的拉曼散射：与任何其他非线性效应所得到的相比，通过拉曼散射光被耦合出信号至一个远得多的频率，进入与信号共同传播的波形。拉曼散射的效率比调制不稳定性更低并且其存在在电信网络中没有被看做问题，所以当前没有特别提出的策略来减小它。如果实施了消除其他非线性效应的所有策略，仿真的拉曼散射变成实际的限制并且其在分布式光纤传感器中被看做极限状态。拉曼散射很难消除，因为它是基本的材料响应，该响应不需要待观察的严格的条件(非常宽带的增益和非常宽松的相位匹配)。拉曼波形在光谱上很远(在比信号长约100nm的波长)，使得因为材料色散，信号和拉曼波形可以实质不同的速度传播。这个属性限制了用于短的离散脉冲的交互长度，因为在一些距离之后，两个波形被暂时偏移并且不再重叠。
“现有技术”光纤的距离范围最终由这些非线性效应限制，因为不能无限地增加信号功率以补偿损耗。抑制仿真的布里渊散射的技术是已知的，例如在调制光波中以增大其光谱宽度。还存在具体地衰减仿真的布里渊散射的效率的光纤设计。但是对于宽范围的应用，特别是传感，仿真的布里渊散射的全效率必须保持，因为这是在传感处理中开发的交互。然而，调制不稳定性和仿真的拉曼散射保持损失，并且不能使用应用于仿真的布里渊散射的过程被抑制。由于这些原因，本发明的一个优选实施例包括衰减调制不稳定性和仿真的拉曼散射的效应但保持布里渊散射。这样的方法允许增加分布式光纤传感器的范围并且在通信光链路中在较长的距离上传播宽带信号。
抑制调制不稳定性的标准过程是设计光纤，使得在信号保持上的传播处于正常群速度色散域内。
不能使用相同的过程来抑制拉曼散射，因为拉曼散射是由于材料响应引起的并且由此存在由本发明解决的特定困难，本发明提出的解决方案与调制不稳定性的抑制兼容。例如可以如下实现：同时降低光纤芯和内部包层的折射率，以使得内部包层的折射率实质上低于外部包层的整体或部分的折射率。以这种方式，在芯中传播的光通过隧道效应泄露到外部包层并且对于引导的传播损耗。由于波长越长，被引导的光的容易消散的部分越大，当增加光波长时，隧道效应更显著。由此，光纤可以被设计为在信号波长具有可忽略的由该隧道效应导致的光泄露，以及在拉曼信号波长具有显著的泄露，拉曼信号波长在较高的透明频谱窗在二氧化硅光纤中处于约100nm更长的波长。
另一个解决方案是在光纤中掺杂材料，该材料在拉曼信号波长呈现选择性更高的吸收率，同时在信号波长完全不吸收。例如，在二氧化硅中以低浓度(100ppm或更小)掺杂稀土离子铥对于在二氧化硅光纤中在最高透明频谱窗中传播的信号实现了该选择性光谱吸收。也可以使用其他的稀土离子，例如镝和钕，以及特别设计以实现该光谱选择吸收的纳米微粒和量子点。
如前所述，保持布里渊散射在大多数情况是优选的，但是在其他情况下，根据本发明的光纤可以进一步被设计为同时衰减布里渊散射。
具体实施方式
通过示出了如何衰减调制不稳定性和拉曼散射的一些非限制性例子来更好地理解本发明。
a.通过下述方法可以使得调制不稳定性不能建立或者有力地减小调制不稳定性：调整在光纤中传导的光所经历的有效色散，成形折射率曲线以获得波导色散，该波导色散与材料色散一起导致有效全色散，该有效全色散使得调制不稳定性不能有效建立。
b.通过下述方式使得调制不稳定性不能建立或者有力地减小调制不稳定性：调整在光纤中传导的光所经历的有效色散，改变光纤成分(例如通过包括纳米颗粒或任何聚合的原子、离子或分子，或者掺杂有特定原子、离子或分子)以获得使得调制不稳定性不能有效建立的有效全色散。
c.通过下述方式使得调制不稳定性不能建立或者有力地减小调制不稳定性：调整在光纤中传导的光所经历的有效色散，将信号波长置于有效全色散使得调制不稳定性不能有效建立的光谱区域。
d.通过下述方式衰减调制不稳定性：利用可以沿着光纤分布或者插入到固定位置的光谱滤波，导致由调制不稳定性相对于信号产生的边带的差分损耗增加。
e.通过在光纤中设计引导条件来衰减由仿真的拉曼散射产生的信号，使得光在信号波长被很好地引导并且在拉曼斯托克斯波长处于泄露或辐射模式传播，或者通过任何其他方式在拉曼斯托克斯波长耦合到正常传导条件之外。
f.通过改变光纤材料化学成分来在拉曼斯托克斯波长产生增加的吸收，衰减由仿真的拉曼散射产生的信号。
g.通过沿着光纤在固定位置插入光谱滤波器来衰减由仿真的拉曼散射产生的信号。
h.通过采取增加信号和拉曼波形之间的差分群速度的动作减小交互距离，有力地限制了由仿真的拉曼散射生成的信号的增长。这些动作可以是通过下述方式的引导属性的修改：调整光纤的折射率曲线、创建光纤中的周期性结构或者改变光纤的成分(例如通过包括纳米颗粒或任何聚合的原子、离子或分子，或者掺杂有特定原子、离子或分子)，均旨在实质性改变光纤制导的分散的光谱响应。

Claims (16)

1.一种光纤，其设计为同时衰减调制不稳定性和仿真的拉曼散射的效应。
2.根据权利要求1所述的光纤，其进一步被设计为保持布里渊散射。
3.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，以获得波导色散的方式成形折射率曲线，波导色散与材料色散一起导致有效全色散，该有效全色散使得调制不稳定性不能有效建立。
4.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，以获取有效全色散的方式改变光纤成分，该有效全色散使得调制不稳定性不能有效建立。
5.根据权利要求4所述的光纤，其中，通过并入纳米颗粒、任何聚合的原子、离子或分子来改变光纤成分。
6.根据权利要求1或2所述的光纤，其以在有效全色散使得调制不稳定性不能有效建立的光谱区域中放置信号波长的方式设计。
7.根据权利要求1或2所述的光纤，其包括光谱滤波，该光谱滤波适于导致由调制不稳定性相对于信号产生的边带的差分损耗增加。
8.根据权利要求7所述的光纤，其中所述光谱滤波沿着光纤分布。
9.根据权利要求7所述的光纤，其中沿着光纤在固定位置插入所述光谱滤波。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光纤，其被设计为在信号波长很好地引导光并且在拉曼斯托克斯波长将光耦合出正常的引导条件。
11.根据权利要求10所述的光纤，其中，光在拉曼斯托克斯波长处于泄露模式传播。
12.根据权利要求10所述的光纤，其中，光在拉曼斯托克斯波长处于辐射模式传播。
13.根据权利要求1-9中任一项所述的光纤，其中，以在拉曼斯托克斯波长产生增加的吸收的方式来改变光纤材料化学成分。
14.根据权利要求1-9中任一项所述的光纤，其包括沿着光纤在固定位置插入的光谱滤波器以衰减拉曼散射。
15.根据权利要求1-9中任一项所述的光纤，其以在信号和拉曼波形之间增加差分群速度的方式设计。
16.根据权利要求1所述的光纤，其还被设计为同时衰减布里渊散射的效应。
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