CN1076102C - 单模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由用以导引大部分光波的光纤芯和环绕纤芯的包层构成的单模光纤，所述纤芯的最大折射率与所述包层的最大折射率之差用△n标记，所述纤芯半径用a表示，

其特征在于：

a∈[0.6a_c∶1.1a_c]，a_c(μm)由公式(1)确定，式中k＝2π/λ，λ(μm)为传输波长，n_g为所述包层的折射率，与纯二氧化硅的折射率相等，相差在3×10^-3以内，

△n大于或等于0.01，

且其中Φ(μm)为所述包层直径：Φ∈[Φmin∶100]，Φmin(μm)满足下述公式：(2)、(3)

Description

单模光纤

本发明涉及一种单模光纤。

我们记得光纤是一种光波导，由称为光学包层的围柱部分环绕称作光学纤芯的中心部分构成，纤芯的作用是导引大部分光波。包层外一般有厚约50μm、用合成材料(如树脂)制作的护套。

光纤的传输波长通常选为1.3μm或1.55μm。实际上，在这些波长处有可能获得低于0.4dB/km的最小光传输衰减。

于是，在本发明范围内所考虑的光纤打算用在对传输最有效的1.3μm或1.55μm波长。

此外，众所周知的是单模光纤的带宽比多模光纤大得多，正因如此，光纤领域现今以及未来的发展集中在单模光纤。

因此，本发明尤其涉及拟用在1.3μm或1.55μm波长的单模光纤。

常用单模光纤的芯直径从8μm到10μm不等；其包层直径为125μm，与多模光纤包层直径相同。由于纤芯和包层构件的直径相对较大，为制作拉制标准单模光纤的预制棒所用二氧化硅的花费较高。为降低该项成本，曾提议将芯径减小到近约2.5至3μm，而保持包层直径为125μm。

然而，这种芯径的减小并未使成本显著降低。

此外，既然包层芯径保持不变，包容这种光纤的光纤光缆的传输容量也不会增大。

本发明的一个目的是进一步实现一种比现有单模光纤生产成本要低的单模光纤。

本发明的另一个目的是减小单模光纤的截面以增大光纤光缆的容量。

为此目的，本发明提供一种单模光纤，它由用来传导大部分光波的纤芯和环绕它的包层构成，所述纤芯的最大折射率和所述包层的最大折射率之差用Δn表示，纤芯半径用a表示，其特征在于：-a∈[0.6a_c：1.1a_c]，a_c(μm)由公式 $a_c=\frac{2405}{k}\×\frac{1}{\sqrt{2n_g\mathrm{\Δn}}}$ 确定，式中k＝2π/λ，λ(μm)为传输波长，n_g为所述包层的折射率，与纯二氧化硅的折射率相等，差值在3×10^-3以内，

-Δn大于或等于0.01，

且其中(μm)为所述包层直径：∈[min：100]，min(μm)满足下述公式： ${\mathrm{\ψ}}_{\min }=125\×{\left(\frac{{10}^{-12}}{{24n}_g{K}^2}\right)}^{1/8}\frac{{\left[v(0.5862+{1.8364v}^{-3/2}+{3.712v}^{-6})\right]}^{1/4}}{(1.1428-{0.996}^{-1})\mathrm{\Δ}{n}^{5/8}}$

式中 $v=\frac{2\mathrm{\πa}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{2n_g\mathrm{\Δn}}.$

按上述方式选择光纤的特征参量，即a，Δn和，有可能实现一种其传输波长近约1.3μm或1.55μm的单模光纤，其包层直径相对于先前技术的光纤要小，而显示出与标准光纤可相比较的衰减和对微弯的敏感性。

由此按本发明可见，单模光纤不一定要有直径大到125μm的包层。这样一个直径被选择来对单模光纤进行原始设计，为的是得到具有相同截面积的单模和多模光纤(对于多模光纤，其芯直径可以大到85μm，包层直径接近125μm，以便获得所要求的导波特性而保持光纤的挠性)。

于是，本发明便有可能在不损害传输性能的情况下减小光纤的总截面，并因此而增大光纤光缆的容量，同时降低制作光纤的成本。

按本发明的光纤折射率分布可选择阶跃型分布、梯形分布或三角形分布，只要使a，Δn和满足本发明所规定的条件即可。

在阅读了下述本发明之光纤实施例和说明之后，读者将对本发明更深一层的特征和优点有所理解，但这些例子仅供说明之用，而决非限定之依据。

在附图中：

图1是按本发明之光纤的横截面图，

图2表明图1所示光纤的折射率分布，

图3表明梯形折射率分布，

图4表明三角形折射率分布，

图5表明min与Δn和a的函数关系。

在所有这些图中，相同构件用同一标识号标记。

于是，图1表明按本发明的一种光纤1，包括一个用二氧化硅基质材料做的纤芯2，其中(例如)掺锗以使其折射率相对于纯二氧化硅折射率增大，位于沿光纤1纵轴X的中心，环绕它的包层3基本上用纯二氧化硅做成，即其折射率等于纯二氧化硅的折射率，或比它低10^-3或更小(包层3的折射率可在纤芯2的界面和光纤1的外部折射率之间改变，而保持低于纤芯2的折射率)。环绕包层3的是一层用塑性材料(如树脂)做的护套4。

图2表明图1所示光纤1的折射率分布，即作为离光纤轴X的距离d的函数表明在光纤1的横截面内纤芯2和包层3中折射率n的变化。图2所示折射率分布具有所谓阶跃型：纤芯2的最大折射率标记为n_g＋Δn，纤芯2的折射率在n_g和n_g＋Δn之间改变而呈现一个矩形状的曲线；包层3的折射率基本上为恒定值n_g。如上所述，折射率n_g的典型值接近纯二氧化硅的折射率，使其低于后者(等于1.444)最多不超过0.001。

图3和图4表明可由光纤1派生出的两种其他折射率分布，分别为梯形分布(纤芯2的折射率在n_g和n_g＋Δn之间改变而形成梯形状的曲线，包层3的折射率基本上为恒定值n_g)和三角形分布(纤芯2的折射率在n_g和n_g＋Δn之间变化而形成三角形状的曲线，包层3的折射率基本上为恒定值n_g)。

按通常的习惯，在本发明范围内将三角形分布和阶跃分布看作其较小边与较大边之比分别为0或1的梯形分布的特殊情况。

按本发明，可以选择光纤包层的外直径(μm)使得∈[min：100]，其中min(μm)由下式给出： ${\mathrm{\ψ}}_{\min }=125\×{\left(\frac{{10}^{-12}}{{24n}_g{K}^2}\right)}^{1/8}\frac{{\left[v(0.5862+{1.8364v}^{-3/2}+{3.712v}^{-6})\right]}^{1/4}}{(1.1428-{0.996}^{-1})\mathrm{\Δ}{n}^{5/8}}$

式中

k＝2π/λ $v=\frac{2\mathrm{\πa}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{2n_g\mathrm{\Δn}}$

λ(μm)为传输波长(1.3μm或1.55μm)，a为纤芯半径。

当按本发明选在区间〔min：100〕以减小因弯曲或微弯引起的损耗，选Δn高于0.01且a(μm)在区间[a_c：1.1a_c](a_c(μm)由公式 $a_c=\frac{2405}{k}\×\frac{1}{\sqrt{2n_g\mathrm{\Δn}}}$ 确定)，以保持光纤中的衰减低于0.4dB/km，且使截止波长严格短于传输波长(1.3μm或1.55μm)，则有可能使包层直径远小于125μm(标准单模光纤的常规值)，这就有可能显著降低光纤的生产成本，并增大光纤光缆的容量。

例如，当选择等于100μm，而所有其他构成参量相对于标准单模光纤保持不变时，所得光纤截面积减小近33％；当选择等于80μm，而所有其他构成参量相对于标准单模光纤保持不变时，所得光纤截面积减小近60％；作为一级近似，光纤生产成本的降低基本上等于横截面的减小，即等于截面积的减小。

图5表明拟用于1.55μm的单模光纤，多条曲线给出对于不同比值a/a_c以及不同Δn值的包层最小直径_min。

曲线51相当于Δn＝0.01；可见按a/a_c值可选择_min从75μm到100μm。

曲线52相当于Δn＝0.015；可见按a/a_c值可选择_min从62.5μm到100μm。

曲线53相当于Δn＝0.012；可见按a/a_c值可选择_min从50μm到75μm。

按本发明关于a、Δn和的判据一般适用于具有梯形折射率分布(包括三角形或阶跃折射率分布)的各种光纤。

至于合成材料的护套4，它的厚度在50μm左右。

下面给出根据本发明的几种光纤结构的实施例。例1-8涉及拟工作于1.55μm的光纤，而例9则与工作在1.3μm的光纤有关。

在所有这些例子中，护套4的厚度均为50μm。

所有按本发明所得并显示在下面的实施例所述特征的光纤均有低于0.4dB/km的衰减，且其对微弯的敏感性至少可与包层直径125μm、芯直径8到10μm及护套厚度为50μm的标准光纤相比较。

例1

在本例中，按本发明之阶跃型折射率分布光纤具有下述特性(对1.55μm)：

Δn＝0.01

a＝2.43μm

＝100μm

例2

在本例中，按本发明之阶跃型折射率分布光纤具有下述特性(对1.55μm)：

Δn＝0.01

a＝2.60μm

＝90μm

例3

在本例中，按本发明之阶跃型折射率分布光纤具有下述特性(对1.55μm)：

Δn＝0.016

a＝1.7μm

＝100μm

例4

在本例中，按本发明之阶跃型折射率分布光纤具有下述特性(对1.55μm)：

Δn＝0.015

a＝1.98μm

＝80μm

例5

在本例中，按本发明之阶跃型折射率分布光纤具有下述特性(对1.55μm)：

Δn＝0.015

a＝2.26μm

＝70μm

例6

在本例中，按本发明之阶跃型折射率分布光纤具有下述特性(对1.55μm)：

Δn＝0.02

a＝1.47μm

＝80μm

例7

在本例中，按本发明之阶跃型折射率分布光纤具有下述特性(对1.55μm)：

Δn＝0.02

a＝2.45μm

＝70μm

例8

在本例中，按本发明之阶跃型折射率分布光纤具有下述特性(对1.55μm)：

Δn＝0.02

a＝2.45μm

＝60μm

例9

在本例中，按本发明之阶跃型折射率分布光纤具有下述特性(对1.3μm)：

Δn＝0.01

a＝2.038μm

＝96μm

例10

在本例中，按本发明之阶跃型折射率分布光纤具有下述特性(对1.3μm)：

Δn＝0.015

a＝1.426μm

＝96μm

例11

在本例中，按本发明之阶跃型折射率分布光纤具有下述特性(对1.3μm)：

Δn＝0.02

a＝1.644μm

＝57.5μm

显然，本发明并不限于上述实施例。

特别是用合成材料制作的护套可由单层或多层构成，且其厚度并不一定邻近50μm；这个厚度根据对光纤所要求的机械性能及其对弯曲与微弯的敏感性来选择。

另外，本发明还适用于其折射率分布呈梯形状或三角形状的光纤。对于这种类型的光纤，其基准参量(a、Δn和)可通过阶跃型折射率分布光纤的基准参量的计算变换得到，反之亦然，因为这些参量之间存在一个连续的等价关系。在这种情况下，称阶跃型折射率分布等价于三角形或梯形分布。于是，利用这种等价关系可将以上提供的折射率分布实施例简单地变换到三角形或梯形分布，即三角形或梯形分布的基准参量可以直接推出。

最后，任何方法可以由一个等价方法取代而不超出本发明的范围。

Claims (4)

1.一种由用以导引大部分光波的光纤芯和环绕纤芯的包层构成的单模光纤，所述纤芯的最大折射率与所述包层的最大折射率之差用Δn标记，所述纤芯半径用a表示，

  其特征在于：

a∈[0.6a_c：1.1a_c]，a_c(μm)由公式 $a_c=\frac{2405}{k}\×$ $\frac{1}{\sqrt{2n_g\mathrm{\Δn}}}$ 确定，式中k＝2π/λ，λ(μm)为传输波长，n_g为所述包层的折射率，与纯二氧化硅的折射率相等，相差在3×10^-3以内，

Δn大于或等于0.01，

且其中(μm)为所述包层直径：∈[min：100]，min(μm)满足下述公式： ${\mathrm{\ψ}}_{\min }=125\×{\left(\frac{{10}^{-12}}{{24n}_g{K}^2}\right)}^{1/8}\frac{{\left[v(0.5862+{1.8364v}^{-3/2}+{3.712v}^{-6})\right]}^{1/4}}{(1.1428-{0.996v}^{-1})\mathrm{\Δ}{n}^{5/8}}$

式中 $v=\frac{2\mathrm{\πa}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{2n_g\mathrm{\Δn}}$

2.按权利要求1的光纤，其特征在于它显示阶跃型、梯形或三角形折射率分布。

3.按权利要求1或2的光纤，其特征在于所述光纤包层由合成材料制作的护套所环绕。

4.按权利要求3的光纤，其特征在于所述护套的厚度邻近50μm。

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