CN1099873A - 用于波分复用的光纤 - Google Patents
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Abstract
一种光纤包括纤芯和包层,适用于波分复用系统
中。该光纤在1550nm波长的衰减可小于
0.25dB/km,截止波长小于1.4μm,以及色散斜率小
于0.15ps/nm2-km。
Description
本发明涉及设计适用于波分复用操作的光纤。
现正建设的和即将建设的许多先进的光纤通信系统都以显著改进的产品-色散位移光纤(DSF)为基础。这种光纤提供了高信号容量和低插入损耗。多年的发展,以具有实验论证的脉冲容量20Gb/s和0.22-0.25dB/km范围的衰减的光纤而达到了顶峰。
下面的技术规范表表明DSF的现有技术状态。
在提供工作在λ=1550nm的DSF设计利用水吸收峰值以外的这个最低损耗窗口。带宽是通过光纤设计导致波导色散值位移到零色散波长λ0而从复合确定的1310nm值位移到1550nm值来实现最大值的。
最近的发展利用了这种光纤设计。在相当大的程度上,新的光纤系统依靠直接光放大,并不是依靠用于早期系统中的(中继器的)信号再生。掺铒光纤放大器(EDFA)是当今最高发展的光放大器,最有效地工作在最低插入损耗的相同波长范围λ≈1.55μm内。
更大的信号容量是通过波分复用(WDM)实现的。这里规定是用于多载波波长的多信道的。具有同时放大所有信道能力的直接光放大使得接受WDM具有更为实际的可能性。
利用已经安装的无位移的光纤,已经证明,使用信道与信道间隔2nm的四个信道,工作在1.55μm波长范围内,容量可比单信道工作增加四倍,即4×2.5Gb=10Gb。
最近已建设的WDM系统和目前正在建设的系统将以不位移光纤的至少两倍容量工作在初始操作或规划提高至少4×5Gb=20Gb的情况中。这种期望的容量改善归功于使用DSF。
技术术语:
光纤特性:制造的技术规范容差允许偏离额定值的局部偏差,这种偏差可能在整个系统中是不能接受的。光纤特性是满足系统要求的平均值。光纤特性是针对市场的商品光纤,即至少2.2km盘长度的光纤进行测量的。强调使用长的连续长度的光纤,6km和更长的盘已变得普遍了,光纤特性最好在这种盘的长度下进行测量。
额定值:这些是技术规范值,例如,根据“现有技术说明书”列表的值。
容差(偏离额定值):例如,如在同一表中表示的,允许局部偏差偏离额定值,可能大于或小于(±)。这是对于光纤的任何部分的允许偏差。技术规范容差可以宽于“光纤特性”的范围。
DSF:色散零点λ0是在1.55μm的额定值的光纤。技术规范容差典型地是0.01μm。根据色散和色散斜率的技术规范要求是等效的,以致表中所列的在1525-1575nm范围色散值≤3.5ps/nm-km,要求色散零点波长λ0=1.55±0.01μm(即,在λ=1.55nm的色散≤1ps/nm-km)。
WDM:波分复用,(除非另外规定)意味着彼此以1.5nm或更大间隔的至少四个信道的操作。规划的WDM系统能够以360km的最小元中继距离(即整个距离上无信号再生器)以至少每信道5Gb/s工作。规划的WDM系统可能利用具有相当大间距100km间距或甚至120km或更大的间距的光放大。
色散:除非另外规定,这个术语涉及色散度的或“线性”的散射。这是一个由DSF表达的数量。按照常规,对于在增加了速率的短波长发射的情况下,色散的符号是正的。(在载波波长为1.55μm情况下,λ0=1.31μm的不位移的二氧化硅光纤具有~+17ps/nm-km的色散)。
自调相(SPM):这种非线性效应导致随(线性)色散增加而增加的幅度谱的扩宽。因为新波长的产生在时间上是随机的,通过简单的色补偿是不能完全被补偿的。
业已发现,规划的WDM(四信道)操作通过使用DSF基本上是不可能的。业已证明,已经安装好的DSF不是被限制在单信道操作场合就是限制在WDM系统中使用,WDM系统在间距长度或信道数目上受到限制。按照本发明,规划的WDM操作将由一种新的光纤结构来代替,正如这里所表示的,由用于DSF的“WDM光纤”(WDMF)代替而实现的。
简而言之,这种进步取决于对利用DSF的操作阻止规划的WDM操作的观察。通过四光子混合在信道间的交互作用严格地限制了系统设计操作特性。线性色散的一种小临界度的引入产生了足够的相位失配,从而避免了非线性效应。在规定范围内保持线性色散允许全部规划WDM的操作。
图1以纵座标表示Gb/s为单位的信号容量、横座标表示ps/nm-km为单位的线性色散、示出三个不同信道间隔的四信道WDM系统的这些特性。
图2是根据常规实践的双包层WDM光纤的透视图。
图3是包含分组的WDM光纤的一种形式的光结构的透视图。
图4是包括12条WDM光纤的平行阵列的AccRibbonR阵列的透视图。
图5是含有WDM光纤平行阵列的光缆透视图。
现已证明使用DSF的最终目的受到完全地消除色散的限制。在DSF技术规范表λ=1525~1575nm的波长范围内允许的色散容差<3.5ps/nm-km,就其本身来说,保证足够的非线性色散造成在WDM操作的困难。在文献中,见Journal of Lightwave Technology(光波技术杂志)Vol.9,No.1,1991年1月,第121-128页,作者为D.Marcuse,A.R.Chraplyvy和R.W.Tkach的标题为“在长距离传输中的光纤非线性效应”(Effect of Fiber Nonlinearity on hong-Distance Transmission)的文章描述了4光子混合(4PM)的非线性色散的限制形式。4PM的大多数目的只引起学术上的兴趣。所援引的文章是在间距长度为7500km的验证系统的合理的代表。安装好的系统(按照通常的DS光纤的间蹑长度,这种长度相当短)以及继续销售的和专用于WDM操作的DSF设施是一致的。
通过改进的电路设计可能减小由4PM所加的限制。对于有限信道数目和对于有限距离而言,注意信道间隔和调制格式可以继续使用大大地减少的容量的用于WDM系统的DSF。目前规划的WDM系统利用简单直接的设计将允许以WDMF取代DSF。WDMF的使用将允许寻求例如四信道操作、每信道容量至少5Gb/s、具有1.0nm~2.0nm的信道间隔的无中继间隔长度360km和更长的长度的容量。系统的设计者将很容易理解和实施这种教导。
这个教导是有些简单化了,和取决于本专业读者的背景知识。严格地讲,由于相长和相消干涉引起不同信道的信号,作为功率的代价4PM表现出波动的增益衰耗。4PM不是噪声源。因为这种影响是幅度的某些部分增加和某些部分减少的信号失真,这种影响是不能校正的。因为4PM的幅度取决于功率,这种影响可以通过减小发射功率来减少。对于一个已知的光纤长度,通过增加放大器的数量以允许减小发射功率,这种影响可以减小。正如在“技术术语”所定义的那样,WDMF允许使用一些放大器,每个放大器都在规划的WDM的DSF所无法实现的功率电平下工作。为此目的,创造性的进步是根据光纤设计允许工作在8dBm发射功率电平的一个或多个放大器的120km的放大间距确定的(所有这些是按照预期的损耗预算,包括放大器间的间隔的33dB的连接损耗、老化效应等等)。
本发明是按照具有满足系统设计者对与WDM有关的期望和现已表明利用DSF是无法实现的高度期望容量的WDMF来描述的。这里的描述是容量,即超出按照通常设计规范的DSF容量的操作要求。完全在每一个设施中使用的这种光纤的容量没有要求。本发明涉及其光纤容量,在初始阶段或甚至在已规划的提高操作中该容量可被利用或不能被利用。
WDM光纤技术规范:
已经拟制出本发明的光纤技术规范表。它使用了相同的术语,可以逐项地与根据“现有技术说明书”所包括的DSF技术规范进行比较。这组技术规范已然满足规划的WDM系统的光纤的要求(见共同提交的美国专利申请SN 08/069952)。该规范不是试图限定这种规划的系统或者更多或更少要求的其他系统的可接受的WDMF特性的整个范围。
为了便于说明,该色散值只是从表示在“现有技术说明书”的表中的DSF所规定的值变化。这个值必须与对DSF所规定的值足够不同以避免4PM。对于最小长度2.2km,或者最好≥6km的盘,按照一盘的平均值限定的相应光纤特性被规定在1和4ps/nm-km限制之内。
设计上的各种变化,例如满足其他允许的色散值,被认为是在本专业技术人员的知识范围之内。
光纤设计:
用于DSF设计的相同的普遍原理可应用到WDMF的设计中。新的光纤可以视为色散位移到不同于DSF波长的一个想象的载波波长上。2ps/nm-km的技术规范要求可以视为与信号波长λs=1550nm±25nm相对应。任何色散的要求值对应于一些规定的非载波波长上具有色散零点的光纤设计的色散值。
芯径的技术规范以及纤芯和包层掺杂程度以保证规定的色散所需要的设计是公知的。对于WDM的要求可由正或负的色散满足。由于实际的原因,迄今的工作已集中到正色散值。而负色散,对于给定的光纤设计要求进一步减少芯径和增加掺杂的程度。上述两项都可能增加衰减。另外,在不久的将来它可变为希望附加高色散补偿光纤长度以便进一步减少或甚至于消除整个线性色散,参见1993年11月18日申请的美国专利申请SN07/978,002。目前,允许方便的短长度的补偿光纤的高色散值是负的。
设计的各种考虑是为了小的但是与DSF主要不同的临界色散。其它的设计标准特别有关宏弯曲损耗、模场直径等等。一般是与现有技术光纤(例如DSF)的设计一致和随着取得的进展可以改变。AT&T Technical Journal 1986年第65卷第5期第105-121页是代表性的。光纤是以二氧化硅为基础并包括掺锗的芯,连同一个或多个可以是二氧化硅的或者可以是掺氟的包层。整个125μm结构具有一个直径约为6μm的芯。对于未掺杂二氧化硅的折射率峰值为△n.013~.015。通常分布是三角形或梯形的,可能约为△n=0.002的0μm直径的平台。
设计例子:
一种说明性的产生+2ps/nm-km色散的WDMF结构具有包层折射率接近或等于未掺杂二氧化硅折射率的掺锗芯。普遍的实践是利用阶跃折射率包层,以略微增加折射率的“基座”去扩大模场。该结构具有达到相对应于约0.7%的△值的6.7克分子%掺杂程度的梯度折射率的纤芯。纤芯基础的直径约为6.1μm,中心定在18μm直径的掺锗程度约为0.05克分子%的基座上。包层光纤的外径约为125μm。
适合的制造过程的详细描述是容易实现的。料丕可以是整块的或者是复合的。芯片可能利用改进的化学气相淀积或利用粉尘化学过程之一外气相淀积或气相轴向淀积形成的。通过本发明的光纤设计,一些公知的过程,例如包层、外包层、涂层、成缆都不受影响。图2表示一种双包层光纤;图4表示一种平面型光纤阵列;图3和图5表示说明性的电缆设计。所有这些都适于实施。
图1示出受到4PM限制的系统容量与色散之间的关系,该系统是利用本发明的WDMF光纤、四信道、360km间距(无再生器的距离)的WDM系统。给出三条曲线:曲线10对应于1μm(~250GHz)的信道间隔;曲线11对应于1.5μm(~200GHz)的间隔;和曲线12对应于2μm(~250GHz)的间隔。曲线11的1.5μm间隔的2.5Gb/s信道容量要求每个信道放大器发射功率为11dBm(12.6mw)。在规划的条件下,4PM是一个高达约75Gb/s的四信道容量的真实系统限制,这样所提供的数据可以认为是至少为该值的集合系统容量。增加信道间隔导致减少的4PM,和如图所示,从而增加容量。
利用色散位移光纤(利用DSF),对于色散中心大约在曲线的起始点,在这些条件下,将容量限制在1Gb/s这样小的程度。WDMF的1.5ps/nm-km这么小的色散的引入允许20Gb/s四信道容量具有光放大器发射功率的灵活性。这种容量对于原有的WDM系统看来是足够的。期望的未来目标:四信道容量,40Gb/s;和八信道容量,80Gb/s容量通过按照WDM技术规范表所要求的在1550nm的2ps/nm-km色散是允许的。
图2示出具有第一涂层21和第二涂层22的双涂层的WDMF20。光纤20包含芯区23和掺杂程度能产生一个合适的△n值的包层区24,包层区24与纤芯23的尺寸共同确定波导色散以满足本发明各种要求。
图3示出一种形式的商品光缆(在1990年12月第9期的AT&T Lightguide Cable中叙述)。它表示出含有两光纤束30,每束含有12根标有色码的光纤31,由环绕的纱线32固定在一起。每条光纤31是图2的一般设计的光纤,但在这个例子中,包括有色标的三重涂复。该结构是由光缆填料37、芯管33、防水带35、由钢丝37加固的聚乙烯护套36、第二防水带35、以及最后由钢丝37加固的外部聚乙烯护套36完成的。
图5示出含有分组光纤的光缆,这时是以平面阵列50的形式排列的。交叉帘布层护套51填充光缆的填料52。所示的一种水下铠装光缆的特殊结构包括顺序构成导体铠装的波纹管53、涂复的不锈钢保护层54和包裹护套55。
Claims (11)
1、一种适用于波分复用系统的内含至少一根光纤的制品,该光纤包括纤芯和包层,该光纤在1550nm波长时衰耗≤0.25kB/km,具有小于1.4μm的截止波长和小于0.15ps/(nm2-km)的色散斜率,其特征是在于:光纤长度至少为2.2km在1550nm波长上平均色散的绝对幅度是在1.5-4ps/nm-km范围内。
2、根据权利要求1的制品,其特征在于,该光纤被包围在一个包层之中。
3、根据权利要求2的制品,其特征在于,该光纤被包围在包括直接与光纤相接触的第一包层和在第一包层周围的第二包层的双包层之中。
4、根据权利要求2的制品,其特征在于,包括在一个铠装之中的多根光纤,以便形成一条光缆。
5、根据权利要求4的制品,其特征在于,包括分组的光纤。
6、根据权利要求5的制品,其特征在于,其中一组光纤是以平面阵列形式排列的。
7、根据权利要求1的制品,其特征在于,平均色散的符号是正的。
8、根据权利要求1的制品,其特征在于,平均色散至少是2ps/nm-km。
9、根据权利要求2的制品,其特征在于,包括成盘的产品。
10、根据权利要求9的制品,其特征在于,主要包括一盘包层的光纤。
11、根据权利要求1的制品,其特征在于,色散斜率小于0.095ps/nm2-km。
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