CN1105928C - 色散位移光纤 - Google Patents

Abstract

一种能够有效限制非线性光效应发生和适用于远程传输的色散位移光纤。作为1，550nm波长的特性，该色散位移光纤具有色散绝对值为从1.0至4.5ps/nm/km，有效芯横截面面积至少为70μm²，在2m的光纤长度的截止波长至少为1,300nm，色散斜率为0.05至0.09ps/nm/km。在此色散位移光纤中，在信号光的基模中的光功率分布为最大的位置径向离开芯区域的中心一预定的距离，基模的光功率分布的最大值P₁大于在芯区域的中心的光功率P₀的1.2倍。

Description

色散位移光纤

                       发明领域

本发明涉及应用到光通讯或类似的传输线的单模光纤，更具体而言，涉及适合于波长划分多路复用(WDM)传输的色散位移光纤(dispersion-shiftedfiber)。

                       背景技术

通常，在光通讯系统中使用单模光纤作为它们的传输线时，1.3μm(微米)或1.55μm波长带的光经常被用来作为通讯的信号光。近来，从减少在传输线上的传输损耗的观点来看，1.55μm波长带的光越来越多地被使用。用于波长带为1.55μm的光的这样的传输线(以后称为1.55μm单模光纤)的单模光纤被设计成使波长带为1.55μm的光的波长色散(由于光传输速度随它的波长而变化，使脉冲波加宽的现象)不起作用(这就产生了具有1.55μm的全零色散波长的色散位移光纤)。作为这样的色散位移光纤，作为例子，公开号为3-18161的日本专利已经公开了具有双形芯结构的折射率分布的色散位移光纤，该双形芯结构的芯区域是由内芯和具有折射率低于内芯的折射率的外芯构成的。同样，公开号为63-43107的日本专利申请和公开号为2-141704的日本专利申请公开了具有凹陷型包层/双形芯结构的折射率分布的色散位移光纤，它的包层区域是由内包层和具有折射率大于内包层的折射率的外包层构成的。另外，还有两个文献(见V.A.Bhagavatula et al.，OFC′95Technical Digest，Paper ThHl，1995，和P.Nouchi et al.，ECOC′96，Paper MoB.3.2，1996)公开了具有环形芯结构的折射率分布。

近来，在另一方面，由于随着波分多路复用传输和光放大器的出现，远程传输成为可能，为了避免非线性光效应，已经提出了具有上述双形芯结构，或凹陷型包层/双形芯结构的折射率分布的色散位移光纤，它们的零色散波长被偏移到不是信号光的中心波长而是较短波长侧，或较长的波长侧(公开号为7-168046的日本专利申请和专利号为5,483,612的美国专利)。这里，非线性光效应是指这样的现象，信号光脉冲由于例如四波混合(FWM)、自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)等等的非线性现象，而随光强度等等的密度成比例地失真。在重复传送系统的传送速度和中继间隔受到非线性光学效应的限制。

公开号为8-248251的日本专利申请提出了具有抑制当具有大功率的光进到光纤上时发生上述非线性光现象的结构的光纤，以此减少了由于这些非线性光现象造成的光信号的失真。这样的光纤具有其有效芯横断面面积A_eff被设计为大于约70μm²的折射率分布。

这里，如公开号8-248251公开的日本专利申请，有效芯横截面面积以下面公式(1)表示： $A_{\mathrm{eff}}=2\mathrm{\π}{\left({\∫}_0^{\∞}{E}^2\mathrm{rdr}\right)}^2/\left({\∫}_0^{\∞}{E}^4\mathrm{rdr}\right)-----\left(1\right)$

这里，E是伴随传播光的电场，r是离开芯中心的径向距离。

另一方面，色散斜率是由在预定波长带内表示色散特性的图线的斜率定义的。

在研究了前述的先有技术以后，发明人已经发现了下述的问题。

一般而言，当有效芯横断面面积A_eff变大时色散斜率增加，现有技术提出的色散位移光纤没有考虑到佳化它的色散斜率值，而从减少整个波形失真的观点看，该值相关于由于色散和非线性光效应产生的信号光波形发生的失真。

因此，从波分多路复用传输的相伴随的更复杂的通讯的未来进步的观点来看，预期的局面是，通过简单地使用通常的色散位移光纤来保持传输的质量会更困难。

                       发明概述

为了克服上述的这些问题，本发明的目的是提供一种具有有效抑制非线性光现象发生的结构并适用于远程水下光缆等等的用于波分多路复用(WDM)传输的色散位移光纤。

根据本发明，提供一种色散位移光纤，用于传播1.55μm波长带的信号光，所述色散位移光纤包括一个沿一参考轴延伸的芯区域和一个设在所述芯区域的外围的包层区域，在所述1.55μm波长带的中心波长处，所述色散位移光纤具有如下特性：色散的绝对值是从1.0至4.5ps/nm/km；色散斜率为0.05至0.09ps/nm²/km；有效芯横截面面积不少于70μm²；和在2米光纤长度的截止波长不少于1,300nm，其中，所述的芯区域包括：一个内芯，其具有第一折射率；和一个外芯，其设在所述内芯的外围，并具有高于所述第一折射率的第二折射率；并且其中所述的包层区域设在所述外芯的外围，其具有的折射率低于所述第二折射率，并且其中，所述包层区域包括：一个内包层，其设在所述外芯的外围，并具有低于所述第二折射率的第三折射率；和一个外包层，其设在所述内包层的外围，并具有大于所述第三折射率的第四折射率。

根据本发明的色散位移光纤，是在1.55μm波长带(即波长在1,500nm至1,600nm范围)传送信号的单模光纤，其包括沿预定参考轴线延伸的芯区域和配置在芯区域的外围的包层区域。该色散位移光纤具有从1.55μm波长带的中心波长(1,550nm)移动到较短波长侧或较长波长侧的零色散波长。

特别是，作为1.55μm波长带的中心波长(1,550nm)的特性，根据本发明的色散位移光纤至少具有一绝对值为1.0至4.5ps/nm/km的色散，色散斜率为0.05至0.09ps/nm²/km，有效芯横截面面积至少为70μm²，在两米光纤长度的截止波长(cutoff wavelength)至少为1,300nm。

一般而言，在波长划分多路复用传输时，如果色散斜率小时，会产生四波混合，使信号光的波形极大地失真。另一方面，当色散斜率大时，由于累加的色散的叠加效应和自相位调制而使信号光的波形被极大地失真。

作为研究的结果，发明人已经发现，在波长为1,550nm，色散的绝对值为1.0至4.5ps/nm/km和有效芯横截面积为70μm²或更大的情况下，如色散斜率为0.05至0.09ps/nm²/km，在远程传输时，信号光波形的全部失真量能被减少。这里，全部失真量是指由四波混合产生的信号光波形失真和由于累加的色散的累加效应和自相位调制产生的信号光波形失真的和。这样，根据本发明的色散位移光纤能够限制由于非线性光学效应失真的发生，因此能够实现高质量的信号传输。

另外，在根据本发明的色散位移光纤中，芯区域是由具有第一折射率的内芯，和围绕在内芯的外面和具有高于第一折射率的第二折射率的外芯组成；这里包层区域的折射率低于第二折射率并且配置在外芯的外围。这意味着，通过具有环形芯结构的折射率分布的单模光纤可以实现该色散位移光纤。

在具有双形芯结构或凹陷型包层/双形芯结构的折射率分布的色散位移光纤中，当它的有效芯横截面面积A_eff已知变大时，它的模场直径(MFD)也增加。这也可以由公开号8-220362的日本专利申请中揭示的事实中看到，有效的芯横截面面积A_eff和MFD满足下面的表示式：

               A_eff＝k·π·(MFD/2)²        (2)其中k是校正系数。这里，有效芯横截面面积由上述表达式(1)结出。

在具有环形芯结构的折射率分布的色散位移光纤中，通过变化它的芯直径(外芯的外径)而同时保持内芯的外径和外芯的外径之间的比率为常数，发明者已经发现如下的事实。即，在芯直径很小的一定范围内，芯直径越大，有效芯横截面面积A_eff越小。作为对比，在芯直径相当大的一定范围内，有效芯横截面面积A_eff随着芯直径增大而增加，这就意味着，在具有环形芯结构的折射率分布的色散位移光纤中，存在着产生相同有效芯横截面面积A_eff的两个芯直径值。

类似地，在具有环形芯结构折射率分布的色散位移光纤中，当芯直径(外芯的外径)变化时，而内芯的外径和外芯的外径的比率被保持恒定时，色散斜率也变化。即，在芯直径很小的一定范围内，响应于芯直径的增加，色散斜率及有效芯横截面面积A_eff减少。相反，在芯直径相当大的一定范围内，当有效芯横截面面积A_eff响应于芯直径的增加而增加时，色散斜率减少。这意味着，在具有环形芯结构的折射率分布的色散位移光纤中，存在着这样的芯直径区域，其中响应于有效芯横截面面积A_eff的增加，色散斜率减少。

在前述的观点中，这就可能获得具有有效芯横截面面积A_eff受到控制以变得较大和色散斜率受到控制以变得较小的色散位移光纤。

继而，当设置有效芯横截面面积A_eff到预定的水平时，期望的色散斜率值能从两个不同的色散斜率值中适当地选取，这样容易实现根据本发明的色散位移光纤。

进而，在具有环形芯结构的折射率分布的色散位移光纤内，在芯直径很小的一定范围内，有效芯横截面面积A_eff和MFD两者都随着芯直径增加而减少。在芯直径为相当大的一定范围内，当芯直径增加时，MFD减少，而有效芯横截面面积A_eff增加。这里，当改变芯直径(外芯的外径)时，内芯的外径和外芯的外径之间的比率保持为常数。一般而言，当MFD越小及截止波长越长时，弯曲损耗越小。从这点来看，芯直径越大，它就具有更多的优点。

特别是，根据发明人的发现，为了实现具有上述特性的色散位移光纤，就需要满足下面关系：

                    0.4≤Ra(＝2a/2b)≤0.8

                    5μm≤2b≤14μm这里2a是内芯的外径，而2b是外芯的外径。

同样，该色散位移光纤满足下面的关系：

                   Δn₁-Δn₂≥1％这里Δn₁是外芯相对于包层区域的相对折射率差，Δn₂是内芯相对包层区域的相对折射率差。即，由于色散位移光纤的色散值取决于相应于在芯区域内的在直径方向的折射率分布内的芯中心区域的凹陷区域的凹陷量(Δn₁-Δn₂)，这就需要该凹陷量至少是1.0％，以获得足够的色散值。上述的内芯的外径2a和外芯的外径2b之间的关系与相对折射率差值Δn₁和Δn₂无关。

而且，减少内芯相对于包层区域的相对折射率差Δn₂(当它是负值时增加它的绝对值)有利于缩短截止波长。因此，考虑到短程光传输，为了在2m的光纤长度上产生1,550nm或更短的截止波长，就要求Δn₂不大于-0.4％。

虽然包层区域能具有单一的结构(以后称为匹配型包层结构)，但它也能由设在外芯的外围并且具有低于第二折射率(外芯的折射率)的第三折射率的内包层和设在内包层的外围并且具有高于第三折射率的第四折射率的外包层构成。即，色散位移光纤能具有凹陷型包层/环形芯结构(双结构)的折射率分布。

和具有匹配型包层结构但没有凹陷的色散位移光纤相比较，由于具有凹陷型包层结构的色散位移光纤具有减少不希望的双模光的效果，凹陷型包层结构有效地使双模光的截止波长变短。然而，在凹陷型包层结构的折射率分布中，当这里提供的相应于内包层厚度(c-b)的凹陷宽度变得太窄(即2c/2b的值接近为1)或这里提供的凹陷宽度变得太宽(即2c/2b的值变得太大)，相对于匹配型包层结构的凹陷型包层结构的效果就不能获得。因此，这就需要内包层具有适当的相对于外芯的外径，最好是，具有凹陷型包层/环形芯结构的折射率分布的色散位移光纤满足下面的关系：

                       1.2≤2c/2b≤2.2

在具有凹陷型包层/环形芯结构的折射率分布的色散位移光纤中，Δn₁是外芯相对于外包层的相对折射率差，而Δn₂是内芯相对于外包层的相对折射率差。在这种情况下，它的截止波长短于具有不带凹陷型包层结构的简单环形芯结构的折射率分布的色散位移光纤的截止波长，甚至当相对折射率差Δn₁和Δn₂在前者与在后者相同时也是如此。

另一方面，在上述公开号为8-248251的日本专利申请中公开的光纤中，光功率分布(或电磁场分布)在光纤的芯中心为最大。为了增加有效芯横截面面积A_eff，在维持具有这样特性的光功率的形式时，必须扩宽光功率分布的边缘部分。这样，为了扩宽光功率分布的边缘部分，现有光纤配置有放置在中心段(内芯)外部的其它段(外芯)。

然而，如从上述表达式(2)中也可以看出，在具有双形芯结构或凹陷型包层/双形芯结构的折射率分布的上述色散位移光纤中，当有效芯横截面面积A_eff增加时，模场直径(MFD)也随着增加。

由于上述的理由，公开号为8-248251的上述日本专利申请的光学纤维被设计为便于增大有效芯横截面面积A_eff，但也会出现问题，其中当有效横截面积变大时，弯曲损耗增加。

因此，为了有效地限制非线性光现象的发生，在保持MFD值小的同时，根据本发明的色散位移光纤至少具有环形芯结构折射率分布，从而，在垂直于信号光的波引导方向的断面内，在信号光基模的光功率分布或它的伴随电磁场的分布被最大化的部分径向离开芯区域中心预定距离。

甚至在具有环形芯结构的折射率分布的光纤中，当它的内芯的外径小时，和具有折射率分布不同于环形芯结构的折射率分布的光纤相比较，从传输光的光功率分布或它相伴随的电磁场分布的角度而言，这并不产生大的差别。即，即使在具有环形芯结构的折射率分布的光纤中，当内芯的外径小时，在基模的信号光的光功率或电磁场分布为最大化的部分基本上和芯区域的中心相重叠。在这种情况下，带有环形芯结构的折射率分布的特性不能充分地被展示。

具体地说，在根据本发明的色散位移光纤中，在垂直信号光的波导方向的横截面内，在基模的信号光的光功率分布或它的相伴的电磁场分布被最大化的部分径向离开芯区域的中心约0.5μm至约5μm。

在这种情况下，满足下述表达式(3)的条件是特别优选的，以充分显示带有环形芯结构的折射率分布的效应。即，根据本发明的色散位移光纤满足关系式：

                      P₁＞1.2×P₀    (3)这里，P₀是在芯区域的中心的基模的信号光的光功率，或相伴随的电磁场的强度，P₁为在基模下信号光的光功率分布或它相伴的电磁场分布的最大值，其处在径向方向离开芯区域中心的位置。

作为结果，当保持色散位移光纤的MFD很小的情况下，有效芯横截面面积A_eff能被做得较大，从而非线性光现象能被减少而不增加弯曲损耗。

根据本发明的色散位移光纤是其零色散波长从大约上述1.55μm的波长带的中心波长(1,550nm)偏移预定量的色散位移光纤。这样，当有效芯横截面积A_eff被扩大而零色散波长被位移时，信号能更有效地限制由于四波混合而产生的失真。

                     附图的简要说明

通过结合附图的详细描述将更好地理解本发明，以下描述仅是例示性的，并不用于限制本发明。

通过以下的详细描述，本发明的应用的进一步的范围将变得更加明显。然而，应当理解，作为本发明的优选实施例的详细的说明和特定的例子是例示性的，在发明的精神和范围内的各种变化和修改对于所属领域的技术人员而言是明显的。附图中：

图1给出了本发明第一实施例的色散位移光纤的横截面结构和它在直径方向的折射率分布；

图2表示在具有环形芯结构的折射率分布的色散位移光纤中当它的芯直径2b(外芯的外径)变化时，有效芯横截面面积A_eff和模场直径(MFD)的变化；

图3表示在具有环形芯结构的折射率分布的色散位移光纤中当它的芯直径2b(外芯的外径)变化时，在2米长的光纤中的截止波长λ_C和色散斜率的变化；

图4至7解释色散斜率的变化造成的位误差率(BER)的变化，分别示出了在色散斜率为0.03ps/nm²/km，0.05ps/nm²/km，0.09ps/nm²/km，和0.12ps/nm²/km时的变化；

图8是用于解释Q值的图；

图9用于解释在图1的色散位移光纤的信号光的基模内的光功率分布(包括它的横截面结构和在直径方向内的折射率分布)；

图10解释根据第一实施例的比较实例在色散位移光纤内的信号光的基模的光功率分布(包括它的横截面结构和在直径方向的折射率分布)；

图11和12的每一图示出了根据第一实施例的修改例的色散位移光纤的横截面结构和在直径方向的它的折射率分布；

图13示出了根据本发明的第二实施例的色散位移光纤的横截面结构和它的在直径方向的折射率分布；

图14示出了解释图13的色散位移光纤的信号光的基模的光功率分布(包括它的横截面结构和它在直径方向的折射率分布)；

图15和16分别示出了根据第二实施例的修改例的色散位移光纤的横截面结构和在直径方向的折射率分布；

图17的表解释为实现根据本发明的色散位移光纤的各种特性的结构参数的容差；

图18示出了用以实现根据本发明的色散位移光纤的各种特性的内芯的外径和外芯的外径之间的关系；

图19示出了根据本发明的色散位移光纤在直径方向的电磁场分布(相应于光功率的分布)；

图20示出了从芯区域的中心到电磁场值(对应光功率)被最大化的位置的距离(μm)和根据本发明的色散位移光纤的模场直径(μm)之间的关系；

图21示出了从芯区域的中心到电磁场值(对应光功率)被最大化的位置的距离(μm)和由微弯造成的损耗(dB/km)增加之间的关系；

图22示出了根据本发明的色散位移光纤的具体样品的各种特性；

图23示出了根据本发明的色散位移光纤的折射率截面实例和它沿直径方向的光功率分布；和

图24至27示出了可应用到根据本发明的色散位移光纤的折射率分布的实例。

                优选实施方式的详细描述

在下面，将参照图1至27阐述根据本发明的色散光纤的实施例。在阐述附图时，相互一致的部件将使用相互一致的标号，相互重复的说明将被省略。

实施例1

图1示出了根据本发明第一实施例的色散位移光纤的横截面结构和在直径方向其折射率分布。如图1所示，该色散位移光纤100是主要由石英玻璃组成的单模光纤，用于在1.55μm波长带(1,500至1,600nm)传播信号光，它包括具有外径2a和折射率为n₁的内芯111；设在内芯111外围和具有外径2b(即芯区域110的直径为2b)和折射率为n₂(＞n₁)的外芯；和设在外芯112的外周围并且折射率为n₃(＜n₂)的包层区域210。这里，芯区域110是由内芯111和外芯112组成。同样，折射率分布101表示在图中线L1的每一部分的折射率。

色散位移光纤100被设置为：在波长1,550nm处的特性是，它的色散绝对值是在1.0至4.5ps/nm/km范围内，色散斜率是在0.05至0.09ps/nm²/km范围内，有效芯横截面面积至少是70μm²和在2米长处的截止波长至少是1,300nm。

在一个优选的实例中，当折射率n₁等于折射率n₃时(即内芯111相对于包层区域210的相对折射率差Δn₂是零)，外芯112相对于包层区域210的相对折射率差Δn₁被定义为：

                Δn₁＝(n₂ ²-n₃ ²)/(2n₃ ²)      (4)它为1.5％，芯直径(外芯112的外径2b)是9μm，内芯111的外径2a和芯区域110的直径2b的比率Ra(＝a/b)是0.6；这样在1,550nm波长处获得的是：

色散(ps/nm/km)             -2.28

色散斜率(ps/nm²/km)       0.082

有效芯横截面面积(μm²)    78.2

MFD(μm)                   6.2

在2m长度下的截止波长(nm)   2,510。

在本说明书中，各个相对折射率差是用百分数表示的。

在这个优选的实例中，截止波长是2,510nm，这样不能确保在2m的光纤长度处1.55μm波带的信号光单模传播。然而，由于随着传输距离的增加，截止波长开始变短，在长距离传送例如在1,000km的数量级的情况下，截止波长变得短于信号光的波长，这样在实践中没有问题(允许确保单模传播。

图2示出了当芯直径2b(对应外芯112的外径)变化时有效芯横截面面积A_eff和MFD的变化。在图2中，相对折射率差Δn₁是1.5％，Ra(＝a/b)是0.6。

从图2中可以看出，在芯直径2b不大于4μm的范围内，有效芯横截面面积A_eff和MFD随着芯直径2b的增加而减少。作为对比，在芯直径2b大于4μm的范围内，可以看出，当芯直径2b增加时，MFD减少，而有效芯横截面面积A_eff增加。即可以看出，存在着产生同样的有效芯横截面面积A_eff的芯直径的两个值。

图3示出了当芯直径2b(对应外芯2b的外径)变化时截止波长λ_C和在2米光纤长度的色散斜率的变化。在图3中，相对折射率差Δn₁是1.5％，Ra(＝a/b)是0.6。

从图3中可以看出，截止波长λ_C随着芯直径2b的增加而变长。而在另一方面，可以看出，随着芯直径2b的增加，色散斜率在芯直径2b不大于4μm的范围内减少，在芯直径大于4μm和不大于7μm的范围内增加，在芯直径2b大于7μm的范围内减少。

因此，从图2和3中可以看出，一般而言，当设置有效芯横截面面积A_eff为预定的值时，期望的色散斜率值可以从两个不同的色散斜率值中选取。

图4至7解释随着色散斜率的变化，误码率(BER)在5吉比特/秒(Gbps)时的变化。在测量时，为传送16个信号光波(中心波长是1,557.2nm，波长间隔是0.55nm)，当中心波长的色散值是-2ps/nm/km和有效芯横截面面积是70μm²时，色散斜率(Ps/nm²/km)是沿着0.03(见图4)，0.05(见图5)，0.09(见图6)和0.12(见图7)变化。同样，要被测量的色散位移光纤的传送距离被设置为9,000km，而用于色散补偿的光纤(在实际上用于1.3μm波带的带的单模光纤，它在中心波长的色散值是18ps/nm/km)被插在400km的间隔之间以使在中心波长的累加的色散为零。在图4至7的每一个中，坐标Q值是等效于误码率的值。

图8用来解释上述Q值。如图8所示，在接收端的信号光的波形的眼图形中，Q值被定义为：

         Q(dB)＝10×log[(ν₁-ν₀)/(σ₁+σ₀]      (5)这里ν₀是指在逻辑“0”电平的光强度平均值，σ₀是在逻辑“0”电平的光强度的标准偏离，ν₁是指在逻辑“1”电平的光强度的平均值，和σ₁是在逻辑“1”电平的光强度的标准偏离。

这里，在传送光时，对上述传送距离，BER为10^-9或更小是满足要求的性能。10^-9或更小的BER等效于15.7dB或更大的Q值。

正如从图4至7可以看出的，当色散斜率值较小时，Q值在中心信道变得更差，当色散斜率值较大时，Q值在较长波长区域变得更差。这似乎是因为当色散斜率值小时，四波混合很可能发生在中心信道附近的波长处；和因为当色散斜率值大时，当色散值在长波长区域例如14至16信道增加时，极大的累加色散值的叠加效应和自相位调制产生了。

依此，可以看出这里存在着适当的色散斜率值用于减少信号光的波长带内的BER，即，用于改善该波长带的Q值。具体地说，从图4和图7可以看出，被认为是上述满足要求的性能的BER为10^-9或更小的色散斜率是从0.05至0.09ps/nm²/km。

图9用于解释在上述优选的实施例的信号光的基模中的光功率分布。如图9所示，在垂直于信号光的波导方向的横截面内，信号光的基模内的光功率分布(等效于相伴信号光传播的电磁场分布)被最大化的部分设置在径向离开芯区域110的中心的一个位置。

当在芯区域110中心的信号光的基模内光功率是P₀和光功率分布最大值是P₁，下述表达式成立： $P_1\≅5.5\×P_0>1.2\×P_0.......\left(6\right)$ 这样上述的P₁满足了上述表达式(3)的条件。

图10用于解释在根据比较例的光纤内的信号光的基模的光功率分布，其中它的相对折射率差Δn₁是1.5％(n₁＝n₃)和Ra(＝a/b)为0.6，同时它具有和图9所示色散位移光纤的相同的有效芯横截面面积A_eff(＝78μm²)。

如图10所示，根据比较例的光纤包括具有外径(2a)1.36μm和折射率n₁的内芯191；设置在内芯191的外围和具有外径(2b)2.26μm(即，芯区域190的直径是2.26μm)和折射率n₂(＞n₁)的外芯192；和设置在外芯192的外围和具有折射率n₃的包层区域290。这里，芯区域190是由内芯191和外芯192组成。

从图10中可以看出，在根据比较例的光纤中，在垂直于信号光的波引导方向的横截面中，信号光的基模内的光功率分布在芯区域190的中心为最大。

当在芯区域190的中心的信号光的基模内的光功率是P₀和在信号光的基模内的光功率分布的最大值是P₁，下述表达式成立：

              P₁＝P₀＜1.2×P₀    (7)

这样，上述的P₁不能满足上述表达式(3)的条件。

此光纤具有色散斜率为0.126bp/nm²/km，因此不能获得上述满意的BER。

作为对比，在图9的色散位移光纤中，在基模的径向的光功率分布在中心部分具有一凹陷。因此，通过有效地采用能产生图6所示的这样功率分布的折射率分布时，具有大的有效芯横截面面积A_eff和小的色散斜率的色散位移光纤能够被实现。

虽然第一实施例的前述解释涉及这样的折射率分布，其中内芯111的折射率n₁与包层区域210的折射率n₃相同，折射率分布也可以如图11那样，折射率n₁大于折射率n₃。作为替换，如图12所示，折射率分布也可以这样，其中的折射率n₁小于折射率n₃。

例如，在图12所示的色散位移光纤中，当外芯112相对于包层区域210的相对折射率差Δn₁被定义为：

                 Δn₁＝(n₂ ²-n₃ ²)/(2n₃ ²)        (8)并且为1.1％时，内芯111相对于包层区域210的相对折射率差Δn₂被定义为：

                 Δn₂＝(n₁ ²-n₃ ²)/(2n₃ ²)        (9)并且为-0.6％，芯直径2b(外芯的外径)是6.8μm，和内芯111的外径与芯区域110的直径2b的比率Ra(＝a/b)是0.6；在波长1,550nm获得的是：

色散(ps/nm/km)                    -2.18

色散斜率(Ps/nm²/km)              0.086

有效芯横截面面积(μm²)           81.4

MFD(μm)                          7.6

在2m长度上的截止波长(nm)          1,500

在这个例中，在2m长度上的截止波长是1,500m，它短于在1.55μm带内的信号光的波长，这样，它在短程传输是有用的。

第二实施例

图13示出了根据本发明第二实施例的色散位移光纤的横截面结构和在直径方向它的折射率分布。如图13所示，该色散位移光纤200是单模式光纤，用以在1.55μm波长带上传输信号光，特别是，具有凹陷型包层/环形芯结构的折射率分布201。即，第二实施例的色散位移光纤200包括具有外径2a和折射率n₁的内芯121；设置在内芯121的外围和具有外径2b(即芯区域120的直径是2b)和折射率n₂(＞n₁)的外芯122；设置在外芯122的外围和具有外径2c和折射率n₃(＜n₂)的内包层221；以及设置在内包层221的外围和具有折射率n₄(＞n₃)的外包层222。这里，芯区域120是由内芯121和外芯122构成，而包层区域220是由内包层221和外包层222组成。同样，折射率分布201表明在图中线L2上的每一部分的折射率。

色散位移光纤200被设置为在1,550nm波长处的特性为，它的色散绝对值是在1.0至4.5ps/nm/km的范围内，色散斜率是在0.05至0.09ps/nm²/km的范围内，有效芯横截面面积至少为70μm²，在2m长度的截止波长是至少1,300nm。

在一优选实例中，当折射率n₁等于折射率n₃时，外芯122相对于外包层222的相对折射率差Δn₁被定义为

               Δn₁＝(n₂ ²-n₄ ²)/(2n₄ ²)        (10)并且为1.1％，内芯121相对于外包层222的相对折射率差Δn₂被定义为

               Δn₂＝(n₁ ²-n₄ ²)/(2n₄ ²)        (11)并且为-0.4％，芯直径2b(外芯122的外径)是9μm，内芯121的外径2a对芯区域120的外径2b的比率Ra(＝a/b)是0.6，内包层221的外径2c是18μm；在1,550nm的波长处获得的是：

色散(ps/nm/km)                      -2.62

色散斜率(ps/nm²/km)                0.076

有效芯横截面(μm²)                 80.1

MFD(μm)                            6.3

在2m长度的截止波长(nm)              1,702

在这个优选实施例中，截止波长是1,702nm，这未能保证1.55μm波带的信号光在2m长度内单模式传播。然而，由于截止波长随着传输距离的增加而变短，在远程例如1,000km数量级传输的情况下，截止波长变得短于信号光波长，这样在实践中没有问题。

在具有例如第二实施例情况的凹陷型包层/环形芯结构的折射率分布的色散位移光纤中，当芯直径2b变化时，有效芯横截面面积A_eff和MFD将按类似于图2所示的第一实施例的情况变化。因此，在这种色散位移光纤的情况下，也存在着产生相同有效芯横截面面积A_eff的两个芯直径2b的值。

同样，在具有如第二实施例情况的凹陷型包层/环形芯结构的折射率分布的色散位移光纤中，当芯直径2b变化时，在2m长度的截止波长λ_c和色散斜率的变化类似于如图3所示的第一实施例的情况。因此，在这种色散位移光纤的情况下，为了获得有效芯横截面面积A_eff的预定值，一般而言，所期望的色散斜率值可以从两个不同的色散斜率值中选取。

进而，在如第二实施例情况的具有凹陷型包层/环形芯结构的折射率分布的色散位移光纤中，当色散斜率变化时，在5Gbps处的BER的变化类似于图4至7所示的第一实施例的情况。因此，同样在这种色散位移光纤的情况下，当BER值变为10^-9或更少时的色散斜率值是从0.05至0.09ps/nm²/km。

图14用来解释在第二实施例的优选实例中信号光的基模的光功率分布。如类似图9的图14所示，在垂直于信号光的波引导方向的截面内，在基模下的信号光的光功率分布为最大的部分被设置在从芯区域120中心径向偏移的位置。

当在芯区域121的中心的信号光的基模下的光功率是P₀和光功率分布最大值是P₁时，满足下述表达式： $P_1\≅5.3\×P_0>1.2P_0........\left(12\right)$ 这样P₁满足了上述表达式(3)的条件。

参照第二实施例情况那样的具有凹陷型包层/环形芯结构的折射率分布的色散位移光纤；在比较例的光纤中，其中相对折射率差Δn₁是1.1％，相对折射率差Δn₂是-0.4％，和Ra(＝a/b)是0.6，尽管与图14所示的色散位移光纤具有同样的有效芯横截面积A_eff＝(80.1μm²)，但是在垂直于信号光的波导方向的信号光的基模的光功率分布是在芯区域中心的邻近为最大，从而其色散斜率不能获得上述希望的BER。

相反，在图14的色散位移光纤中，在基模的径向的光功率分布在中心部分具有一凹陷。当产生这样光功率分布的折射率被有效利用时，能够实现具有大有效横截面面积A_eff和小的色散斜率的色散位移光纤。

虽然对第二实施例的前述解释涉及内芯121的折射率为n₁与内包层221的折射率n₃相同的折射率分布，该折射率分布也可以如图15所示，折射率n₁大于折射率n₃。可替换地，如图16所示，折射率分布也可以是折射率n₁小于折射率n₃。

在具有如图15和16所示的凹陷型包层结构的色散位移光纤中，每一个在上述折射率分布中设置的凹陷的宽度和深度应被设置在适当的范围。凹陷宽度对应着光纤直径方向的内包层的厚度(c-b)，凹陷的深度对应着内包层相对于外包层的相对折射率差。

和具有匹配型包层结构而没有凹陷的色散位移光纤相比较，由于具有凹陷型包层结构的折射率分布的色散位移光纤具有减少不希望的双模光(2-mode light)的效果，它能有效地使双模光的截止波长变短。然而，在凹陷型包层结构的折射率分布中，当其中被提供的相应着内包层的厚度(c-b)的凹陷宽度变得太窄时(即2c/2b值接近为1)，或当其中提供的凹陷宽度太宽时(即2c/2b值变得太大)，就不能获得凹陷包层结构相对于匹配型包层结构的效果。因此，就必须使内包层具有相对于外芯的适当的外径，并且最好是，具有凹陷型包层/环形芯结构的折射率分布的色散位移光纤满足下面的关系：

                        1.2≤2c/2b≤2.2另外，在根据本发明的色散位移光纤中，外芯相对于包层区域(或外包层)的相对折射率差Δn₁和内芯相对于包层区域(或外包层)的相对折射率差Δn₂必须满足下面的关系式：

                       Δn₁-Δn₂≥1％

也就是说，由于在折射率分布的芯区域的直径方向上，色散位移光纤的色散值取决于相应于芯中心区域的凹陷区域的凹陷量(Δn₁-Δn₂)；所以，为了获得足够的色散值，凹陷量要求至少是1.0％或更多。

例如，在具有如图16所示的折射率分布的色散位移光纤中，在下述条件下，即外芯122相对于外包层222的相对折射率差Δn₁被定义为：

               Δn₁＝(n₂ ²-n₄ ²)/(2n₄ ²)    (13)并为0.97％；内芯121相对于外包层222的相对折射率差Δn₂被定义为：

               Δn₂＝(n₁ ²-n₄ ²)/(2n₄ ²)    (14)并为-0.45％；内芯221相对于外包层222的相对折射率差Δn₃被定义为：

               Δn₃＝(n₃ ²-n₄ ²/(2n₄ ²)     (15)并且为-0.20％；芯直径2b(外芯122的外径)是8μm；内芯121的外径2a对芯区域120的直径2b的比率Ra(＝a/b)是0.6；以及内包层221的外径2c对芯区域120的外径2b的比率(2c/2b)是2.0，在1,500nm波长获得的是：

色散(ps/nm/km)                   -1.88

色散斜率(ps/nm/km)               0.077

有效芯横截面面积(μm²)          83.0

MFD(μm)                         7.2

在2m长度处的截止波长(nm)         1,473

当在芯区域120的中心的信号光的基模的光功率是P₀，光功率分布的最大值是P₁，则下述表达式成立：

             P₁≌3.6×P₀＞1.2×P₀             (16)

这样，上述P₁满足上述表达式(3)的条件。

进而，当外芯122相对应外包层222的相对折射率差Δn₁被定义为：

             Δn₁＝(n₂ ²-n₄ ²)/(2n₄ ²)      (17)并且为0.90％；内芯121相对于外包层222的相对折射率差被定义为：

             Δn₂＝(n_{2 1}-n² ₄)/(2n² ₄)      (18)并且为-0.45％；内包层221相对于外包层222的相对折射率差被定义为：

             Δn₃＝(n² ₃-n² ₄)/(2n² ₄)       (19)并且为-0.45％；芯直径2b(外芯122的外径)是8.3μm；内芯121的外径2a对芯区域120的直径2b的比率Ra(＝a/b)是0.6；以及内包层221的外径2c对芯区域120的外径2b的比率为1.5时；在波长1,550nm获得的是：

色散(ps/nm/km)                  -2.19

色散斜率(ps/nm²/km)            0 .069

有效芯横截面面积(μm²)         77.2

MFD(μm)                        7.0

在2m长度上的截止波长(nm)        1,476

当在芯区域121的中心的信号光的基模的光功率为P₀，并且光功率分布的最大值为P₁时，下面的表达式成立： $P_1\≅3.2\×P_0>1.2\×P_0.......\left(20\right)$

这样，上述的P₁满足上述表达式(3)的条件。

进而，减少(或当为负时增加其绝对值)内芯相对于包层区域(或外包层)的相对折射率差Δn₂可以有效地缩短截止波长。因此，当考虑近程光传输时，为了达到在2m长上的截止波长为1,550nm或更短，就必须使Δn₂是-0.4％或更小。

作为产生上述各个色散位移光纤的特性，Δn₁，Δn₂，Ra(＝2a/2b)，和2b的容差在图17和18中示出。在色散位移光纤具有环形芯结构的折射率分布的情况下，Δn₁是外芯相对于包层区域的相对折射率差，而Δn₂是内芯相对于包层区域的相对折射率差。在具有凹陷型包层/环形芯结构的折射率分布的色散位移光纤的情况下，Δn₁是外芯相对于外包层的相对折射率差，而Δn₂是内芯相对于外包层的相对折射率差。

从图17的表中可以看出，为了获得上述各种特性，必须使内芯的外径2a和外芯的外径(指芯直径)满足如下的关系：

                     0.4≤Ra(＝2a/2b)≤0.8

                       5μm≤2b≤14μm

上述的关系并不依赖于相对折射率差Δn₁和Δn₂。当这些关系不能满足时，就不能获得色散位移光纤的上述的各种特性。在图18的图线中，影线的区域是内芯的外径2a和外芯的外径2b(指芯直径)满足上述关系的区域。例如，(a)当Ra(＝2a/2b)和2b的值是在由图18内的A指示的区域内时，色散斜率值变得太大；(b)在由其中B指示的区域时，有效芯横截面面积A_eff变得太大，弯曲损耗增加；(c)在由其中C指示的区域时，色散值变得太大；(a)在由其中D指示的区域时，有效芯横截面面积A_eff变得太小。

如上所述，由于根据本发明的色散位移光纤设计为：作为在1,550nm的波长的各种特性，色散的绝对值是在1.0至4.5ps/nm/km的范围，有效芯横截面面积A_eff至少是70μm²，在2m长度上的截止波长至少是1,300nm，以及色散斜率是在0.05至0.09ps/nm²/km的范围内；这就能实现高质量远程光传输，并且有效地限制非线性光效应的发生。

而且，由于根据本发明的色散位移光纤具有环形芯结构的折射率分布(包括凹陷型包层/环形芯结构的折射率分布)，所以能够便于实现在1,550nm波长具有上述特性的色散位移光纤。

另外，根据本发明的色散位移光纤的折射率分布的调整，使得在信号光的基模的光功率的分布为最大的位置在径向离开芯区域中心一预定的距离。具体地说，发明人制备了多个光纤样品，其中每一个具有近似地被认为是高斯分布的电磁场分布的形式(等效于光功率分布)，而且电磁场分布为最大的位置从芯区域的中心离开一预定的距离。图19示出了所制备的多个光纤样品中的电磁场分布的典型实例。在这个图中，纵坐标表示的电场幅度被标准化，其最大值取为1。

发明人从这样制备的光纤样品当中进而选出具有有效横截面积A_eff约为80μm²的那些样品和观察从最大电磁场分布位置到芯区域中心的距离和模场直径(MFD)之间的关系。图20的图线示出了MFD随距离的变化，而图21的图线示出了由微弯造成的损耗随距离的变化。如图20所示，从芯区域的中心到电磁场分布为最大的位置的距离在约0.5μm到约2.5μm的范围，随着距离的增加MFD减少，从这一点可以证实，根据本发明的色散位移光纤能够减少MFD，而同时保持有效芯横截面面积A_eff等于现有光纤的有效芯横截面面积。

另一方面，如图21所示，从芯区域的中心到电磁场分布最大位置的距离越长，由微弯造成的损耗就越小。因此，当考虑微弯损耗时，上述的距离应当尽可能地长。然而，当此这距离超过5μm时，截止波长极大地偏移到比信号光波长还长的波长侧，从而不能确保单模光传输。

从前述的观点来看，根据本发明的色散位移光纤设计成使得在基模的信号光的光功率分布为最大的位置径向离开芯区域的中心0.5μm至5μm。

图22示出了对于具有波长为1.55μm(1,550nm)的光，每一个都具有单环结构的折射率分布的的两个样品的各种特性的测量结果。在这个表中，Δn^-和Δn⁺分别表示内芯和外芯相对于包层区域的相对折射率差，并且被定义为：

              Δn^-＝(n₁ ²-n_cld ²)/2n_cld ²    (21)

              Δn⁺＝(n₂ ²-n_cld ²)/2n_cld ²    (22)这里n₁是内芯的折射率，n₂是设置在内芯外围的外芯的折射率，而n_cld是设置在外芯外围的包层区域的折射率，它们均用百分数表示。而且，在每一个等式中的折射率可以随机替换，当相对折射率差具有负值时，这意味着相应玻璃区域的折射率低于包层区域的折射率。在凹陷型包层结构的折射率分布的情况下，上述参考折射率n_cld是在包层区域内的外包层的折射率。

另外，在此表中的非线性折射率N₂被定义如下。即，在强光下的介质的折射率依赖光功率变化。因此，此折射率<N>的最小阶效应是：

              <N>＝<N₀>+<N₂>·E²        (23)这里

<N₀>是相对于线性偏振的折射率；

<N₂>是相对于三阶线性偏振的非线性折射率；和

E是光的电场幅值。

在强光下，介质的折射率<N>由正常值<N_o>和一个增加量的和给出，此增加量与光的电场幅度E的平方成正比。特别是，在第二项的比例常数<N₂>(单位：m²/V²)被称为非线性折射率。

图23示出了在图22的表中示出的样品1的折射率分布和它的从中心沿径向方向的光功率之间的关系。光功率的值被标准化，其最大值为1，示出的光功率是其基模(LP01)和二阶模(LP11)。同样，每一个样品1和2具有单环结构，这里锗的氧化物被添加到配置在芯中心(内芯)外侧的折射率最大的玻璃部分(外芯)附近的纯石英玻璃内，这样增加了折射率。相反，在芯中心(内芯)的附近，纯石英玻璃掺杂氟，从而折射率降低。

对于具有1.55μm波长的光(1.55μm波长带的中心波长：1,550nm)，样品1的光纤具有有效横截面面积A_eff为87μm²，而MFD为11.2μm，与具有等同有效芯横截面面积A_eff并形成MFD约13μm的现有光纤相比较，能减少MFD大约20％。

另外，为了评价由微弯造成的损耗，发明人把样品1的色散位移光纤绕在具有280mm直径和表面配有砂纸的卷轴上，并测量在绕前和绕后的损耗的增减。结果，已经证实，相对于具有1.55μm波长的光的样品1的损耗增加是0.19dB/km，而通常光纤产生的损耗的增加是1.12dB/km，这样，样品1的色散位移光纤能极大地减小由微弯造成的损耗的增加。

在样品2的色散位移光纤中，对于具有1.55μm波长的光产生最大光功率的位置离开芯中心约3μm。对于具有1.55μm波长的光而言，样品2具有有效芯横截面面积A_eff为86μm²和MFD为11.0μm。虽然在每一个样品1和2的在2m的截止波长λ_C是1.7μm，其大于使用波长(1.55μm波长带)，但是，两个样品在它们的正常使用状态下的单模方式都有效地起作用，这是由于在对于具有1.55μm波长的光在光纤长度为100m或更大处，确保了单模方式。

在对样品2的色散位移光纤的微弯损耗增加作类似的评估之后，已经证实，损耗的增加是相当小的，即0.11dB/km。对于具有1.55μm波长的光而言，样品2的波长色散值是-2.6ps/mm/km。即，在使用波长的色散值不是零(零色散波长λ₀移动到使用的1.55μm波长的较长的波长侧)。从而，造成在波长复用传输的信号变坏的四波混合的发生减少了。

虽然每一个上述的样品1和2具有单环结构的折射率分布，其中内芯的折射率低于包层区域的折射率，如图24所示，但它们并不局限于这种折射率分布。即，应用到根据本发明的色散位移光纤的折射率分布例如可以是这样的结构，其中内芯的折射率包层区域的折射率互相一致，如图25所示，或如图26所示的凹陷环结构，或如图27所示的双环结构。

如前面的例子所解释的，在根据本发明的色散位移光纤中，基模的信号光的光功率分布为最大值的位移径向离开芯区域的中心预定的距离，而当在芯区域的中心的信号光的基模的光功率为P₀和基模的光功率分布的最大值是P₁，该最大值P₁满足比芯区域的中心的P₀的1.2倍的值还大。从而，能实现这样的结构，其中，当保持模场直径(MFD)小的情况下增加有效芯横截面A_eff。

具体地说，当产生最大光功率值的位置离开芯区域的中心0.5至5μm时，有效芯横截面面积A_eff能被显著地增加。

此外，由于根据本发明的色散位移光纤的折射率分布被设计成：对于1.55μm波长带的中心波长(1,550nm)处的光，能够获得期望的特性值，所以，能有效地限制非线性光现象的发生。

通过对本发明的如上描述，很明显可以采用多种变型方式实施本发明。这些变型并不视为脱离了本发明的精神和范围，对于所属领域的技术人员均是很明显的所有这些变型均包括在下述权利要求的范围之内。

Claims (7)

1.一种色散位移光纤，用于传播1.55μm波长带的信号光，所述色散位移光纤包括一个沿一参考轴延伸的芯区域和一个设在所述芯区域的外围的包层区域，在所述1.55μm波长带的中心波长处，所述色散位移光纤具有如下特性：

色散的绝对值是从1.0至4.5ps/nm/km；

色散斜率为0.05至0.09ps/nm²/km；

有效芯横截面面积不少于70μm²；和

在2米光纤长度的截止波长不少于1,300nm，

其中，所述的芯区域包括：

一个内芯，其具有第一折射率；和

一个外芯，其设在所述内芯的外围，并具有高于所述第一折射率的第二折射率；并且

其中所述的包层区域设在所述外芯的外围，其具有的折射率低于所述第二折射率，

并且其中，所述包层区域包括：

一个内包层，其设在所述外芯的外围，并具有低于所述第二折射率的第三折射率；和

一个外包层，其设在所述内包层的外围，并具有大于所述第三折射率的第四折射率。

2.根据权利要求1所述的色散位移光纤，其中，所述的色散位移光纤满足下面的关系式：

                   0.4≤Ra(＝2a/2b)≤0.8

                      5μm≤2b≤14μm其中2a是所述内芯的外径，而2b是所述外芯的外径。

3.根据权利要求2所述的色散位移光纤，其中，所述的色散位移光纤满足下面的关系式：

                       Δn₁-Δn₂≥1％其中Δn₁是所述外芯相对于所述包层区域的相对折射率差，和Δn₂是所述内芯相对于所述包层区域的相对折射率差。

4.根据权利要求3所述的色散位移光纤，其中，所述内芯相对于所述包层区域的所述相对折射率差Δn₂不大于-0.4％。

5.根据权利要求2所述的色散位移光纤，其中，所述色散位移光纤满足如下关系：

                     1.2≤2c/2b≤2.2其中2c是所述内包层的外径，而2b是所述外芯的外径。

6.根据权利要求1所述的色散位移光纤，其中，所述信号光的基模的光功率分布为最大值的位置径向离开所述芯区域的中心一距离；并且

其中，所述色散位移光纤满足如下的关系：

                         P₁＞1.2×P₀这里P₀是在芯区域的所述中心并在所述基模下的光功率，而P₁是在所述基模下的所述光功率分布的最大值。

7.根据权利要求6所述的色散位移光纤，其中，在所述信号光的所述基模下的所述光功率分布为最大值的位置径向离开芯区域的所述中心0.5-5μm。

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