CN1068434C

CN1068434C - 具有较大有效面积的大容量正非零色散位移单模光纤

Info

Publication number: CN1068434C
Application number: CN 98121639
Authority: CN
Inventors: 拉吉·马泰; 吴伟; 黄彦斌; 张穆
Original assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Current assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Priority date: 1998-10-21
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 2001-07-11
Anticipated expiration: 2018-10-21
Also published as: CN1220402A

Abstract

本发明揭示了一种适用于密集波分复用系统的单模光纤。该光纤在工作窗口具有较小的正色散和较大的有效面积。该光纤纤芯具有PCVD提供的折射率分布不同的三个纤芯分层，包层分别具有OVD提供的两包层分层以及由PCVD提供的四个包层分层。通过调整纤芯分层及部分包层分层的大小以及相对折射率可获得较大的有效面积，以及所需的零色散波长、截止波长和色散斜率。所得到的光纤在密集波分复用系统中可以有效地抑制四波混频及其他非线性效应。

Description

具有较大有效面积的大容量正非零色散位移单模光纤

本发明涉及一种适用于大容量、长距离、高速率通信传输的密集波分复用系统的具有较大有效面积和低的正非零色散位移单模光导纤维。其零散波长被设定在1480nm至1520nm的范围内。该光纤与掺铒光纤放大器(EDFA)一起使用在光通信系统中，使得该系统可以进行大容量、长距离、高速率的通信传输。

传统的光纤通信系统，利用常规单模光纤进行通信其工作窗口波长为1310nm，在这个窗口，常规单模光纤的色散为零，但衰减较高，不利于长距离传输。如改在1550nm进行传输，虽衰减减小，但色散却增加了，不利于传输速率的提高。利用传统色散位移光纤，将零色散波长移至1550nm窗口，其衰减足够小，而光放大器的出现，使光通信系统可以工作在衰减较低的1550nm窗口，衰减已不再是制约传输距离的障碍。

长飞光纤光缆有限公司在1994年公布了其色散位移光纤产品，并在1996年投入到新疆的一段干线中使用，系统为单波长系统，总长为168公里，没有中继站，使用效果良好。长飞光纤光缆有限公司的色散位移光纤采用等离子体激活化学气相沉积法(PCVD)光纤生产工艺生产。

图1揭示了长飞光纤光缆公司所生产的传统色散位移光纤的典型结构及折射率剖面分布。如图1所示，该传统的色散位移光纤由一包含两分层的纤芯区和一包含六个分层的包层区。该光纤有一零色散波长在1550±15nm的范围，衰减约为0.22dB/km，在1550nm波长的模长直径(MFD)约为8.4±0.6μm。有效面积约为50μm²。该光纤应用于单波长的1550nm窗口的长距离通信系统中已获得良好的结果。然而，使用传统的色散位移光纤在波分复用时因有较高的高输出功率，会产生四波混频(FWM)、自相位调制(SPM)、和受激散射效应等非线性效应现象，使系统的传输信号恶化而不利于高速率、大容量通信传输。因此，在波分复用通信传输系统中如继续使用传统色散位移光纤，则会出现由于工作窗口色散为零而产生的四波混频等非线性效应现象。系统性能不但没有得到扩展，相反地，会出现不同程度的降低。

近年来，随着掺铒光纤放大器的应用，波分复用或密集波分复用在长距离、大容量、高速度的通信系统中的使用日趋广泛。由于诸如四波混频等非线性效应造成的信号光脉冲的畸变已经成为对于传输长度和传输速度的关键限制因素。在密集波分复用的情况下，由于具有相同波长的大量信号光脉冲通过色散位移光纤，在光传导区，其中的光功率密度很高，更容易受到非线性光学效应的影响。非线性效应与信号波长的光功率密度和作为光传输介质的光纤的非线性折射率成正比地增长，它可描述为exp(cP/Aeff)，其中c是一常数，P是信号功率。其它描述非线性作用的方程则包含P/Aeff比值作为因子。从改善传输特性特别是传输长度特性的角度看，降低信号光强度是不利的。因此，为了抑制上述的非线性效应，降低上述的非线性折射率或扩大具有预定波长的信号光的模长直径或者说有效面积以减小光功率密度而又不降低整体信号光强度，对于密集波分复用系统来说是非常有利的。此外，为满足上述传输要求光纤还应具备以下特点：

-在1530nm～1565nm的工作窗口有一非零色散区以抑制四波混频；

-能在1550nm窗口与掺铒光纤放大器一起使用；

-在1530～1565nm波长范围之外有一零色散波长

-保持光纤通常所需的其它特性，诸如低衰减、高强度、抗弯曲和耐疲劳等。

以下为本说明书中一些术语的定义和说明：

-有效面积：

Aeff=2π(∫E²rdr)²/(∫E⁴rdr)，

其中积分限为0至∞，并且E是与传播有关的电场；

-折射率分布段直径为光纤横截面结构和折射率分布图中所描述的段宽；

-相对折射率差Δ％=[(n₁ ²-n_c ²)/2n₁ ²]×100；

其中n_i为纤心的折射率，而n_c为包层的折射率，即纯二氧化硅的折射率。除非另作说明，n_i是由Δ％所表征的纤心区中的最大折射率。

-折射率分布的零参考值可选作包层玻璃层中的最小折射率。并为纤心中折射率小于该最小值的区域分配一个负值。

-缩写WDM表示波分复用。

-缩写FWM表示四波混频，这是一种两个或更多信号在光纤内因干涉而产生不同频率的信号的现象。

-弯曲性能由一标准测试过程确定，在该过程中测量绕心轴缠绕光纤所引起的衰减。标准测试要求光纤绕32毫米的心轴一周的弯曲，和绕75毫米的心轴100周的弯曲所具有的光纤性能。通常，弯曲导致的最大许可衰减在1300nm和1550nm周围的工作窗中确定。

本发明的目的在于提供一种具有较大有效面积的大容量正非零色散位移单模光纤，它不仅能有效解决那些因在通信系统中引入掺铒光纤放大器所引起的四波混频等非线性效应的问题，而且能保持光纤通常所需的其它性能，以满足性能非常好的光纤的需要。

实现本发明的技术方案如下：包括有一纤芯和一包层，其特征在于纤芯设有三个不同折射率分布的纤芯分层，包层包括有六个包层分层，所述光纤在1480nm至1520nm有一零色散波长，并且在波分复用系统的1530nm至1565nm的工作窗口范围内有一低的正色散。

按上述方案，所述的纤芯第一纤芯分层core1，其相对折射率差Δcore1％的范围约为0.60％至1.00％，而直径φcore1的范围约为1.0至5.0μm，第二纤芯分层core2，其相对折射率差Δcore2％的范围约为0.25％至0.65％，而直径φcore2的范围约为3.0至6.0μm，第三纤芯分层core3，其相对折射率差Δcore3％的范围约为0.05％至0.25％，而直径φcore3的范围约为4.0至8.0μm。

所述包层由六个包层分层有组成：第一包层分层Clad1，其相对折射率差△Clad1％的范围约为-0.1％至0.1％，而直径φClad 1的范围约为8.0至12.0μm，第二包层分层Clad2，其相对折射率差ΔClad 2％的范围约为0.1％至0.4％，而直径φClad 2的范围约为10.0至15.0μm，第三包层分层Clad3，其相对折射率差ΔClad 3％的范围约为-0.1％至0.1％，而直径φClad 3的范围约为18.0至22.0μm，第四、五、六包层分层Clad4、Clad5、Clad6的直径φClad 4、φClad 5、φClad 6的范围分别约为20.0至45.0μm，30.0至50.0μm和124.0至126.0μm，其折射率为纯二氧化硅折射率，也为恒定折射率。

在该族光纤中一组较佳的纤芯和包层的参数，其范围如下：

Δcore1％的范围约为0.70％至0.90％,φcore1的范围约为1.5至3.0μm，

Δcore2％的范围约为0.35％至0.55％,φcore2的范围约为4.0至5.0μm，

Δcore3％的范围约为0.1％至0.15％,φcore3 的范围约为5.0至7.0μm，

ΔClad1％的范围约为-0.1％至0.1％,φClad1的范围约为7.0至l0.0μm，

ΔClad2％的范围约为0.15％至0.4％,φClad2的范围约为11.0至13.0μm，

ΔClad3％的范围约为-0.005％至0.025％,φClad3的范围约为18.0至22.0μm。

本发明纤芯中的三个纤芯分层均为等离子体激活化学气相沉积法(PCVD)工艺所提供的包含锗和氟的沉积层，即以锗和氟作掺杂剂形成的不同含量的沉积层，以获得不同的折射率分布：包层的第一、二、三包层分层均为PCVD工艺所提供的含锗和氟的沉积层，第四包层分层为PCVD工艺提供的纯硅层，第五、六包层分层为外向气相沉积法(OVD)提供的纯硅层，

本发明采用PCVD工艺，因而所提供的各个分层沉积区具有精确的折射率剖面，使纤芯分层和包层分层的折射率分布可相当精确，通过对纤芯分层及部分包层分层大小和相对折射率差的精确调整，能获得较大的有效面积，以及所需的零散色波长、截止波长和色散斜率，并具有较低的衰减和良好的弯曲性能。具体的说，本发明可通过调整第一纤芯分层的直径φcore1和相对折射率差Δcore1％以及第二包层分层的直径φClad2和ΔClad2％的大小来得到不同的有效面积；而通过改变φcore2和Δcore2％，来控制零色散波长和截止波长；ΔClad.4％和φClad4的大小决定了弯曲损耗的大小。在实施例中，Core1,Core2,Core3,Clad2、Clad3、Clad4的直径和相对折射率差构成的一组组合，得到了本发明的具有较大有效面积正色散位移单模光纤。本发明具有在1480nm至1520nm范围内的零色散波长，其模场直径大于10μm，目标值为10.6μm，截止波长小于1450nm，在1530nm至1565nm的色散约为1.0至6.0ps/nm·km，色散斜率小于等于0.1ps/n m2·km，有效面积约大于80μm2，可以有效抑制密集波分复用系统中的非线性效应。

在75mm心轴绕100圈的测试中，弯曲所引起的衰减在1310nm处等于或小于0.05dB，在1550nm处等于或小于0.10dB。这些结果与标准的阶跃折射率光纤等同。

图1为传统色散位移光纤的折射率分布图。

图2为本发明一个实施例的折射率分布图。

图3为本发明另一个实施例的折射率分布图。

图4为本发明第三个实施例的折射率分布图。

图5为纤芯分层横截面结构和折射率剖面分布对应图示。

图6为包层分层横截面结构和折射率剖面分布对应图。

下面结合附图详细说明本发明的实施例。

实施例1：

图2显示了本发明的具有较大有效面积的大容量正非零色散位移光纤的折射率分布图。该光纤是一个单模光纤。它由一纤芯和一包层组成。其中，纤芯分为三个纤芯分层：

第一纤芯分层core1，它具有一相对折射率差Δcore1％，和一直径φcore1,Δcore1％约为0.78％,φcore1约为2.5μm；第二纤芯分层core2，它的相对折射率差Δcore2％约为0.48％，直径φcore2约为4.0μm；第三纤芯分层core3，它的相对折射率差Δcore3％约为0.1％，直径φcore3约为6.6μm。三个纤芯分层均为PCVD工艺所提供的包含锗和氟的沉积层；

而包层被分为六个包层分层：六个包层分层的直径φ和相对折射率差分别为：

-ΔClad.1％约为0.005％,φClad.1约为9.5μm。

-ΔClad.2％约为0.24％,φClad.2约为12.5μm。

-ΔClad.3％约为-0.005％,φClad.3约为20.5μm。

-第四、五、六包层分层Clad.4、Clad.5、Clad.6的直径φClad.4、φC1ad.5、φClad.6分别约为30μm，40μm和125μm。其中，第一、二、三包层分层为PCVD提供的含锗和氟的沉积层，第四包层分层为PCVD提供的纯硅层，而第五、六包层分层为OVD提供的纯硅层。

由此，所得到的光纤的特性如下：

模场直径(MFD)：10.09；有效面积约为80μm²；

零色散波长：1475nm；

1530nm到1565nm窗口的色散值：3.1到5.7ps/nm.km；

色散斜率：0.0766ps/nm².km；

衰减：1310nm窗口，0.357dB/km；1550nm窗口，0.204dB/km；

截止波长：1170nm；

弯曲损耗：0.008dB。

实施例1所述光纤的特性足以满足抑制非线性效应，而又具有良好的衰减和弯曲性能，对于使用EDFA的大容量、长距离、高速度的多波长密集波分复用系统，该光纤为理想光纤。

实施例2：

图3显示了本发明的具有较大有效面积的大容量正非零色散位移光纤的另一实施例的折射率分布图。该光纤是一个单模光纤。它由一纤芯和一包层组成。其中，纤芯分为三个纤芯分层：

第一纤芯分层core1,Δcore1％约为0.83％,φcore1约为2.6μm；第二纤芯分层core2，它的相对折射率差Δcore2％约为0.46％，直径φcore2约为4.5μm；第三纤芯分层core3，它的相对折射率差Δcore3％约为0.17％，直径φcore3约为6.3μm，三个纤芯分层均为PCVD工艺所提供的包含锗和氟的沉积层；

而包层分为六个包层分层：六个包层分层的直径φ和相对折射率差分别为：

-ΔClad.1％约为0.005％,φClad.1约为9.5μm。

-ΔClad.2％约为0.3％,φClad.2约为12.5μm。

-ΔClad.3％约为-0.005％,φClad.3约为20.3μm。

-第四、五、六包层分层Clad.4、Clad.5、Clad.6的直径φClad.4、φClad.5、φClad.6分别约为30μm,40μm和125μm。其中，第一、二、三包层分层为PCVD提供的含锗和氟的沉积层，第四包层分层为PCVD提供的纯硅层，而第五、六包层分层为OVD提供的纯硅层。

由此，所得到的光纤的特性如下：

模场直径(MFD)：10.86；有效面积约为93μm²；

零色散波长：1515nm；

1530nm到1565nm窗口的色散值：1.42到4.67 ps/nm.km；

色散斜率：0.094ps/n m²·km；

衰减：1310nm窗口，0.361dB/km；1550nm窗口，0.212dB/km；

截止波长：1096nm；

弯曲损耗：0.003dB。

实施例2所述光纤的特性足以满足抑制非线性效应，而又具有良好的衰减和弯曲性能，对于使用EDFA的大容量、长距离、高速度的多波长密集波分复用系统，该光纤为理想光纤。

实施例3：

其折射率分布如图4所示，该光纤是一个单模光纤。它由一纤芯区和一包层组成。其中，纤芯分为三个纤芯分层：

第一纤芯分层core1,Δcore1％约为0.81％,φcore1约为2.6μm；第二纤芯分层core2，相对折射率差Δcore2％约为0.51％，直径φcore2约为4.2μm；第三纤芯分层core3，相对折射率差Δcore3％约为0.14％，直径φcore3约为6.35μm。三个纤芯分层均为PCVD工艺所提供的包含锗和氟的沉积层；

六个包层分层的直径φ和相对折射率差分别为：

-ΔClad.1％约为0.005％,φClad.1约为9.76μm。

-ΔClad.2％约为0.27％,φClad.2约为12.76μm。

-ΔClad.3％约为0.018％,φClad.3约为20.27μm。

由此，所得到的光纤的特性如下；

MFD：10.54；有效面积约为87μm²；

零色散波长：1513nm；

1530nm到1565nm窗口的色散值：1.66到5.14 ps/nm.km：

色散斜率：0.094ps/n m²·km；

衰减：1310nm窗口，0.361dB/km；1550nm窗口，0.205dB/km；

截止波长：1188nm。

弯曲损耗：0.005dB

实施例3所述光纤的特性足以满足抑制非线性效应，而又具有良好的衰减和弯曲性能，对于使用EDFA的大容量、长距离、高速度的多波长密集波分复用系统，该光纤为理想光纤。

Claims

1、一种具有较大有效面积的大容量正非零色散位移单模光纤，包括有一纤芯和一包层，其特征在于纤芯设有三个不同折射率分布的纤芯分层，包层包括有六个包层分层，所述光纤在1480nm至1520nm有一零色散波长，并且在波分复用系统的1530nm至1565nm的工作窗口范围内有一低的正色散。

2、按权利要求1所述的具有较大有效面积的大容量正非零色散位移单模光纤，其特征在于所述每个纤芯分层有一个Δ％和一个直径：第一纤芯分层core1，其Δcore1％的范围约为0.60％至1.00％，直径φcore1的范围约为1.0至5.0μm，第二纤芯分层core2，其Δcore2％的范围约为0.25％至0.65％，直径φcore2的范围约为3.0至6.0μm，第三纤芯分层core3，其Δcore3％的范围约为0.05％至0.25％，直径φcore3的范围约为4.0至8.0μm。

3、按权利要求1或2所述的具有较大有效面积的大容量正非零色散位移单模光纤，其特征在于所述每个包层分层有一个Δ％和一个直径：第一包层分层Clad1，其ΔClad1％的范围约为-0.1％至0.1％，直径φClad1的范围约为8.0至12.0μm，第二包层分层Clad2，其ΔClad2％的范围约为0.1％至0.4％，直径φClad2的范围约为10.0至15.0μm，第三包层分层Clad3，其ΔClad3％的范围约为-0.1％至0.1％，直径φClad3的范围约为18.0至22.0μm，第四、五、六包层分层Clad4、Clad5、Clad6的直径φClad4、φClad5、φClad6的范围分别约为20.0至45.0μm，30.0至50.0μm和124.0至126.0μm，其折射率为纯二氧化硅折射率。

4、按权利要求1或2所述的具有较大有效面积的大容量正非零色散位移单模光纤，其特征在于三个纤芯分层和第一、二、三包层分层均为等离子体激活化学气相沉积法工艺所提供的包含锗和氟的沉积层，第四包层分层为等离子体激活化学气相沉积法工艺提供的纯硅层，第五、六包层分层为外向气相沉积法提供的纯硅层。

5、按权利要求3所述的具有较大有效面积的大容量正非零色散位移单模光纤，其特征在于纤芯和包层的较佳参数为：

Δcore3％的范围约为0.1％至0.15％,φcore3的范围约为5.0至7.0μm，

ΔClad1％的范围约为-0.1％至0.1％,φClad1的范围约为7.0至10.0μm，

6、按权利要求3所述的具有较大有效面积的大容量正非零色散位移单模光纤，其特征在于纤芯和包层的参数为：

Δcore1％的范围约为0.78％至0.83％,φcore1的范围约为2.5至2.6μm，

Δcore2％的范围约为0.46％至0.51％,φcore2的范围约为4.0至4.5μm，

Δcore3％的范围约为0.1％至0.17％,φcore3的范围约为6.3至6.6μm，

ΔClad1％的范围约为0.005％,φClad1的范围约为9.5至9.76μm，

ΔClad2％的范围约为0.24％至0.3％,φClad2的范围约为12.5至12.76μm，

ΔClad3％的范围约为-0.005％至0.018％,φClad3的范围约为20.27至20.5μm。

7、按权利要求6所述的具有较大有效面积的大容量正非零色散位移单模光纤，其特征在于第一纤芯分层的Δcore1％约为0.83％,φcore1约为2.6μm，第二纤芯分层的Δcore2约为0.46％,φcore2约为4.5μm，第三纤芯分层的Δcore3％约为0.17％,φcore3约为6.3μm，第一包层分层的ΔClad1％约为0.005％,φClad1约为9.5μm，第二包层分层的ΔClad2％约为0.3％,φClad2约为12.5μm，第三包层分层的ΔClad3％约为-0.005％,φClad3约为20.3μm，第四、五、六包层分层的直径φClad4、φClad5、φClad6分别约为30.0μm,40.0μm和125.0μm。

8、按权利要求6所述的具有较大有效面积的大容量正非零色散位移单模光纤，其特征在于第一纤芯分层的Δcore1％约为0.78％,φcore1约为2.5μm，第二纤芯分层的Δcore2％约为0.48％,φcore2约为4.0μm，第三纤芯分层的Δcore3％约为0.1％,φcore3约为6.6μm，第一包层分层的ΔClad1％约为0.005％,φClad1约为9.5μm，第二包层分层的ΔClad2％约为0.24％,φClad2约为12.5μm，第三包层分层的ΔClad3％约为-0.005％,φClad3约为20.5μm，第四、五、六包层分层的直径φClad4、φClad5、φClad6分别约为30.0μm,40.0μm和125.0μm，

9、按权利要求1或2所述的具有较大有效面积的大容量正非零色散位移单模光纤，其特征在于所述光纤具有在1480nm至1520nm范围内的零色散波长，模场直径大于10.0μm，截止波长小于1450nm，在1530nm至1565nm的色散约为1.0至6.0ps/nm·km，色散斜率小于等于0.1ps/nm²·km。