CN110749953A - 一种低色散单模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低色散单模光纤，包括有纤芯层和包层，其特征在于芯层相对折射率差Δ1为0.30％～0.65％，半径R1为2.5μm～4.5μm，包层由内至外分为三个包层分层和一个外包层，包覆芯层的为第一包层分层，第一包层分层相对折射率差Δ2为‑0.70％～‑0.30％，半径R2为4.5μm～7.0μm，第二包层分层包覆第一包层分层，第二包层分层相对折射率差Δ3为‑0.20％～0.25％，半径R3为7.0μm～12.0μm，第三包层分层包覆第二包层分层，第三包层分层相对折射率差Δ4为‑0.60％～0.00％，半径R4为10.0μm～20.0μm；外包层包覆第三包层分层，外包层为纯二氧化硅玻璃层。该光纤光缆截止波长小于1260nm，在1260nm～1460nm波段整体色散较低，且衰减性能良好。特别地适用于1260nm～1460nm波段的WDM传输系统。

Description

一种低色散单模光纤
技术领域
本发明涉及一种用于光纤通信系统的单模光纤，尤其涉及一种色散调整的低色散单模光纤。该单模光纤在较大的波长范围内具有较低的色散，可解决由色散引起的系统传输性能问题，特别地适用于1260nm～1460nm波段的WDM传输系统。
背景技术
在光纤通讯系统中，单模光纤中存在的色散在传输过程中的累积会使得信号脉冲变形，导致色散代价变大，误码率增大，因此光纤中较大的色散，对传输系统中的光模块有着更高的要求，往往需要光模块增加制冷器或将现有探测器更换成灵敏度更高的探测器。同时，色散也是限制传输距离的一个因素。为了矫正色散对传输性能的影响，在使用常规光纤进行传输时，可在接收端放置后置色散补偿(Post—Dispersion Compensation，PDC)模块来还原波形。但增加色散补偿模块会增加系统的复杂性，需要配置专门的放置空间，增加铺设和维护的工作量。为了减小色散对传输性能的影响，简化系统的色散补偿设计，降低系统总体成本，延长系统的传输距离，可开发宽波段范围内都具有较小色散值的新型色散优化单模光纤。目前商用的色散位移单模光纤、非零色散位移单模光纤以及现有的色散平坦光纤的专利大都关注于1530nm～1565nm的色散优化，并未关注1260nm～1460nm波段。
中国专利CN200610117423.7描述了一种全波非零色散平坦单模光纤，该光纤由包含有中间芯层，两层环形包层分层，以及外包层组成。所述光纤虽然给出了1300nm～1625nm波段范围内色散值，但是没有提及截至波长数值，所述的芯层和第一环形分层折射率差和芯径均较大，可预期其截止波长较高，通过计算发现其全波段1300nm～1625nm范围内均存在高阶模，无法适用于单模光纤传输系统。该专利只给出了色散和有效面积参数，没有给出光纤的衰减特性。同时该光纤的第二环形分层折射率差较高，而环形分层外层未设置下陷分层，这种结构在有效面积和弯曲性能上很难平衡，增大有效面积的同时会造成弯曲性能降低。
中国专利CN1664635A描述了一种正色散的色散平坦单模光纤，具有阿尔法分布的三包层结构光纤，光纤的结构参数可以实现1460nm～1625nm波段的色散平坦，但是专利中没有提及光纤在较小波长1260nm～1460nm波段的特性参数，也没有给出光纤的衰减特性。从实施例中看到截止波长上限较高，可见其不能保证光纤在1260nm～1460nm全波段都实现单模传输。中国专利CN100510811C描述了一种低零色散的非零色散位移光纤，其所描述的光纤也具有阿尔法分布的三包层结构光纤，其第一环形区域分层相对折射率大于等零，这会使得芯包层折射率差值较小，且环形分层外层未设置下陷包层来限制光纤信号的泄露，这种结构其弯曲性能不理想，在实际使用操作过程中会引起光纤衰减增加。该专利重点优化了1525nm～1625nm波段的色散，1310nm波段的色散绝对值非常大。
综上所述，目前大多数色散优化光纤具有大于1260nm的光缆截止波长，主要关注C+L(1530nm～1625nm)波段的传输和色散优化，因此只给出了该波段的光纤特性，并未关注O+E(1260nm～1460nm)波段。普通单模G.652.D光纤在1260nm～1460nm波段色散斜率较大，长波长的色散较大，使得系统灵敏度变差，色散功率代价较大，传输距离越长对系统的影响越严重。为了提高单模光纤在1260nm～1460nm波段WDM系统中的传输性能，降低色散功率代价，降低系统整体成本，开发新型色散优化的单模光纤具有十分重要意义。单模光纤的色散由材料色散和波导色散组成，材料色散由折射率随波长的非线性变化所引起，仅仅与材料的组成相关，加入某些摻杂物可以进行小的改动，但只要使用二氧化硅作为光纤的原材料，材料色散的可调整范围较小。波导色散是光纤色散的重要组成部分，其取决于波导结构，通过对折射率剖面的合理设计，能够调整波导色散，从而对光纤总色散进行灵活的调整，以满足实际应用需求。
发明内容
为方便介绍本发明内容，定义部分术语：
预制棒：是由芯层和包层组成的径向折射率分布符合光纤设计要求可直接拉制成所设计光纤的玻璃棒或组合体；
芯棒：含有芯层和部分包层的实心玻璃预制件；
直径：该层外边界与中心点之间的距离；
折射率剖面：光纤或光纤预制棒(包括芯棒)玻璃折射率与其直径之间的关系；
相对折射率差Δ：
Figure BDA0002252195710000021
ni对应光纤各部分的折射率，n0为外包层纯二氧化硅玻璃的折射率；
OVD沉积工艺：用外部气相沉积制备所需要厚度的SiO2玻璃；
VAD沉积工艺：用轴向气相沉积制备所需要厚度的SiO2玻璃；
APCVD沉积工艺：用高频等离子体火焰将天然或者合成石英粉熔缩所需要厚度的SiO2玻璃；
PCVD沉积工艺：用微波等离子体化学气相沉积工艺制备所需要厚度的SiO2玻璃；
MPCVD沉积工艺：用改良的等离子化学气相沉积工艺制备所需要厚度的SiO2玻璃；
单模光纤的总色散：指的光纤的材料色散和波导色散的代数总和；单模光纤的模间色散为零；材料色散仅与材料成分有关，而波导色散取决于纤芯半径、折射率差以及折射率剖面的形状；
宏弯附加损耗测试方法参考IEC60793-1-47中规定的方法。
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种低色散单模光纤，该光纤光缆截止波长小于1260nm，在1260nm～1460nm波段整体色散较低，且衰减性能良好。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有纤芯层和包层，其特征在于所述的芯层相对折射率差Δ1为0.30％～0.65％，半径R1为2.5μm～4.5μm，所述的包层由内至外分为三个包层分层和一个外包层，包覆芯层的为第一包层分层，所述的第一包层分层相对折射率差Δ2为-0.70％～-0.30％，半径R2为4.5μm～7.0μm，第二包层分层包覆第一包层分层，所述的第二包层分层相对折射率差Δ3为-0.20％～0.25％，半径R3为7.0μm～12.0μm，第三包层分层包覆第二包层分层，所述的第三包层分层相对折射率差Δ4为-0.60％～0.00％，半径R4为10.0μm～20.0μm；外包层包覆第三包层分层，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。
按上述方案，所述的芯层设置有中部下凹的内芯层，所述的内芯层相对折射率差Δ0为0.10％～0.55％，半径R0为1.0μm～2.5μm。
按上述方案，所述光纤具有小于1260nm的光缆截止波长。
按上述方案，所述光纤在1260nm波长处色散系数为0.0ps/nm/km～-18ps/nm/km。
按上述方案，所述光纤在1380nm波长处色散系数小于或等于3.5ps/nm/km。
按上述方案，所述光纤在1460nm波长处色散系数小于或等于10.0ps/nm/km。
按上述方案，所述光纤在1260nm～1460nm波段衰减小于或等于0.80dB/km，优选的，所述光纤衰减小于或等于0.60dB/km。
按上述方案，所述光纤在直径60mm下弯曲100圈，1625nm波长弯曲损耗小于0.1dB；更优的，所述光纤在直径30mm下弯曲10圈，1550nm和1625nm波长下弯曲损耗分别小于0.25dB和1dB，所述光纤在直径20mm下弯曲1圈，1550nm和1625nm波长下弯曲损耗分别小于0.75dB和1.5dB。
按上述方案，本发明所述的光纤作为低色散单模光纤在通信系统中的应用，其特征在于所述光纤用于1260nm～1460nm波段的WDM传输系统。
本发明的有益效果在于：1)通过对光纤折射率剖面的调整，低的第一包层分层折射率、合理的第一包层分层半径以及合理的第二包层分层折射率的设置，降低了光纤的波导色散值，从而将光纤总色散(波段色散和材料色散之和)降低，特别地获得了1260nm～1460nm波段色散较低的单模光纤，色散系数比常规G.652.D要低，但高于非零色散位移单模光纤，可明显降低色散功率补偿代价，降低对光模块的要求，节省系统总体成本，满足高性能低成本的系统传输应用需求；2)通过合理的芯层折射率和半径、第二包层分层折射率的设置，使得光纤截止波长小于1260nm，且在1260nm～1460nm波段整体衰减良好，可满足长距离系统传输需求；3)本发明在外包层内部设置有一个下陷的包层结构，可限制了弯曲状态下光信号的泄露，降低弯曲损耗，增加光纤在复杂情况使用情况下的可靠性；4)在满足各项性能的同时，光纤三包层分层折射率剖面设计，从而使得制造过程简单，光纤制造成本低，可大规模生产和应用。
附图说明
图1是本发明的光纤第一个实施例折射率剖面示意图；
图2是本发明的光纤第二个实施例折射率剖面示意图；
图3是本发明光纤在1260nm～1460nm波段的色散曲线，以及其和普通G.652.D光纤以及非零色散位移单模光纤的对比。
具体实施方式
下面将给出详细的实施例，对本发明作进一步补充和说明。
本发明的第一各实施例如图1所示，光纤包括有纤芯层和包层，其特征在于所述的芯层相对折射率差为Δ1，半径为R1，所述的包层由内至外分为三个包层分层和一个外包层，包覆芯层的为第一包层分层，所述的第一包层分层相对折射率差为Δ2，半径为R2，第二包层分层包覆第一包层分层，所述的第二包层分层相对折射率差为Δ3，半径为R3，第三包层分层包覆第二包层分层，所述的第三包层分层相对折射率差为Δ4，半径为R4；外包层包覆第三包层分层，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。
表1给出了光纤折射率剖面结构设计参数，表2给出了该结构参数下所实现的光纤性能。
表1
Figure BDA0002252195710000041
表2
Figure BDA0002252195710000051
本发明的第二个实施例如图2所示，其与第一个实施例的不同之处在于所述的芯层设置有中部下凹的内芯层，所述的内芯层相对折射率差为Δ0，半径为R0。其它结构与第一个实施例相同。通过在光纤芯层设置一个中间下陷层的结构，使得光纤内部能量分布从典型的高斯分布变成非高斯分布，可在保证截止波长小于1260nm的条件下，适当增加光纤模场直径。
表3给出了光纤折射率剖面结构设计参数，表4给出了该结构参数下所实现的光纤性能。
表3
指标 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
凹陷芯层分层半径R0/um 1.0 1.5 2.5 1.0 1.1
凹陷芯层分层相对折射率Δ0 0.55％ 0.35％ 0.20％ 0.15％ 0.10％
外芯层分层半径R1/um 2.7 3.3 4.5 3.0 3.1
外芯层分层相对折射率Δ1 0.65％ 0.45％ 0.30％ 0.52％ 0.54％
第一包层分层半径R2/um 4.7 5.5 7.0 6.0 5.6
第一包层分层相对折射率Δ2 -0.60％ -0.70％ -0.30％ -0.55％ -0.42％
第二包层分层半径R3/um 7.0 12.0 9.0 10.5 10.0
第二包层分层相对折射率Δ3 -0.20％ 0.00％ 0.25％ 0.08％ 0.14％
第三包层分层半径R4/um 10.0 20.0 18.0 12.5 14.0
第三包层分层相对折射率Δ4 -0.40％ -0.60％ 0 -0.10％ -0.10％
表4
Figure BDA0002252195710000052
Figure BDA0002252195710000061

Claims (10)

1.一种低色散单模光纤，包括有纤芯层和包层，其特征在于所述的芯层相对折射率差Δ1为0.30％～0.65％，半径R1为2.5μm～4.5μm，所述的包层由内至外分为三个包层分层和一个外包层，包覆芯层的为第一包层分层，所述的第一包层分层相对折射率差Δ2为-0.70％～-0.30％，半径R2为4.5μm～7.0μm，第二包层分层包覆第一包层分层，所述的第二包层分层相对折射率差Δ3为-0.20％～0.25％，半径R3为7.0μm～12.0μm，第三包层分层包覆第二包层分层，所述的第三包层分层相对折射率差Δ4为-0.60％～0.00％，半径R4为10.0μm～20.0μm；外包层包覆第三包层分层，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。
2.按权利要求1所述的低色散单模光纤，其特征在于所述的芯层设置有中部下凹的内芯层，所述的内芯层相对折射率差Δ0为0.10％～0.55％，半径R0为1.0μm～2.5μm。
3.按权利要求1或2所述的低色散单模光纤，其特征在于所述光纤具有小于1260nm的光缆截止波长。
4.按权利要求1或2所述的低色散单模光纤，其特征在于所述光纤在1260nm波长处色散系数为0.0ps/nm/km～-18ps/nm/km。
5.按权利要求1或2所述的低色散单模光纤，其特征在于所述光纤在1380nm波长处色散系数小于或等于3.5ps/nm/km。
6.按权利要求1或2所述的低色散单模光纤，其特征在于所述光纤在1460nm波长处色散系数小于或等于10.0ps/nm/km。
7.按权利要求1或2所述的低色散单模光纤，其特征在于所述光纤在1260nm～1460nm波段衰减小于或等于0.80dB/km。
8.按权利要求1或2所述的低色散单模光纤，其特征在于所述光纤在直径60mm下弯曲100圈，1625nm波长弯曲损耗小于0.1dB。
9.按权利要求1或2所述的低色散单模光纤，其特征在于所述光纤在直径30mm下弯曲10圈，1550nm和1625nm波长下弯曲损耗分别小于0.25dB和1dB，所述光纤在直径20mm下弯曲1圈，1550nm和1625nm波长下弯曲损耗分别小于0.75dB和1.5dB。
10.一种按权利要求1-9中任一光纤作为低色散单模光纤在通信系统的应用，其特征在于所述光纤用于1260nm～1460nm波段的WDM传输系统。
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