CN1113256C - 单模光纤 - Google Patents

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Abstract

揭示了一种单模光纤，它限制了1300纳米工作窗和1550纳米工作窗处的非线性作用。能够产生所需特性的纤心区折射率分布的一些例子是改进的阶跃折射率分布和最大Δ%与光纤中心线相隔一段距离的折射率分布。

Description

单模光纤
技术领域
本发明涉及一种适于通信应用具有较大有效面积Aeff的单模光纤。尤其，本发明涉及一种在1300纳米和1550纳米工作窗(operating window)都具有较大有效面积的单模光纤。
背景技术
具有较大有效面积的单模波导将减少非线性的光学作用，包括自相位调制、四波混频、交叉相位调制和非线性散射过程等。在四波混频的情况下，零色散波长的位置也是很重要的。这些作用的每一项都会使高功率系统中的信号减小。
使信号减小的散射过程一般可用含exp(cP/Aeff)项的方程来描述，其中c是一常数，P是信号功率。其他描述非线性作用的方程则包含P/Aeff比值作为因子。因此，Aeff的增大会降低减小光信号的非线性作用。
通信产业中，需要在无再生器情况下，远距离传输较大的信息量，这导致了对单模光纤折射率分布设计的重新评价。
重新评价的关键是提供这样的光波导，它们能
—减少诸如上述的非线性作用；
—与光放大器兼容；并且
—保持光波导中诸如低衰减、高强度、耐疲劳和抗弯曲等所需特性。该项工作集中于包含1550纳米处的工作窗的波长范围。但是，由于包括激光器、光放大器、接收机、发射机和再生器等许多可靠的设备都被设计在1300纳米周围使用，所以还需要减少该较短工作波长处的非线性作用。
由此，需要提供一种单模光纤，它分别在1300纳米和1550纳米附近的工作波长窗中具有较大的有效面积。
诸如在美国专利申请S.N.08/378,780所揭示的早期研究包括了一些分层纤芯(segmented core)设计的基本概念，这些概念是由Bhagavatula在美国专利4,715,679中首次提出的。
在上述S.N.08/378,780专利申请所揭示的一组纤芯设计中可以找到有效面积较大的波导。在该申请中揭示了一种特殊设计，它至少包含一个最小折射率小于包层折射率的纤芯区。
另外，在美国专利申请S.N.08/287,262中，揭示了一族折射率分布的特性，它们在与光纤中心线相隔一段距离的地方折射率最大。
这里将揭示和描述的新的折射率分布是’679 Bhagavatulazhl专利的另一子类。已经证明，基本的分层纤芯概念足以提供本申请新的纤芯结构，其设计可以限制1300纳米和1550纳米工作窗处的非线性作用。
                            定义
—有效面积为：
Aeff＝2π(∫E2r dr)2/(∫E4r dr)，
其中积分限为0至∞，并且E是与传播的光有关的电场。
有效直径Deff可定义为：
Deff＝2(Aeff/π)1/2。
—模场面积Amf为π(Dmf/2)2，其中Dmf是用Peterman II方法测得的模场直径，这里2w＝Dmf并且w2＝(2∫E2r dr/∫[dE/dr]2r dr)，积分限为0至∞。
—折射率分布分层宽度为折射率-半径曲线图中两条垂线之间的距离，这两条垂线分别从折射率分布的开始点和结束点作到水平轴。
—折射率增量百分数为：
％Δ＝[(n1 2-nc 2)/2n1 2]×100，
其中n1为纤芯的折射率，而nc为包层的折射率。除非另作说明，n1是由％Δ所表征的纤芯区中的最大折射率。
—折射率分布一般具有相关的形状不同的有效折射率分布。有效折射率分布可以代替其相关的折射率分布，不会改变波导性能。参见Marcel Dekker股份有限公司1990年出版，Luc B.Jeunhomme著作的《单模光纤》第32页第1.3.2节。
—弯曲性能由标准测试过程确定，在该过程中测量环绕心轴(mandrel)缠绕光纤所引起的衰减。标准测试要求光纤绕32毫米的心轴弯曲一周，而绕75毫米的心轴弯曲100周。通常弯曲导致的最大许可衰减在1300纳米和1550纳米周围的工作窗中确定。
—另一种弯曲测试是销钉阵列弯曲测试，它用于对光纤的相对抗弯曲性进行比较。为了进行该测试，对基本上没有引入弯曲损耗的光纤测量其衰减。然后把光纤绕销钉阵列弯曲，再次测量衰减。弯曲带来的损耗是两次测得的衰减之间的差值。销钉阵列是一组按单行排列并在一平面上保持固定垂直位置的十个圆柱销钉。销钉的中心至中心间距为5毫米。销钉直径为0.67毫米。在测试期间，施加足以使光纤与销钉表面一部分贴合的张力。
一最小值点(piont minimum)是呈‘V’形或窄的‘U’形的折射率分布的一部分，最小值点是折射率分布部分的折射率最小值。
—延伸的最小值(extended minimum)是具有宽的‘U’或‘L’形的折射率分布的一部分，延伸的最小值是经过折射率分布部分最小值的直线。
发明内容
本发明的第一方面是提供一种单模光纤，其纤芯折射率分布的最大折射率与波导的长轴中心线相隔一段距离。折射率分布在波导中心线附近有一最小值点，并且折射率分布关于中心线对称。包层裹住纤芯，构成完整的波导结构。纤芯折射率分布中至少有一部分大于包层的最大折射率，以便确保该结构将合适地导引光信号。
在关于该第一方面的一个实施例中，最小值点与折射率最大值间的折射率分布部分是一连续曲线。在较佳实施例中，该连续曲线是单调的。对掺杂剂从中心向预制件以外扩散进行补偿的技术是现有技术中已知的，例如在沉积步骤中调节掺杂量，或者在熔凝(consolidation)步骤中控制微粉体毛坯(soot blank)的环境。
在第一方面中确定的波导折射率分布族的参数为：
—纤芯半径的范围大约为4-7微米；
—最大的Δ％范围约为0.35％-0.55％；
—最小值点的Δ％约小于0.20％。
该族波导具有以下特性：
—λ0在1300纳米附近；
—在1300纳米处，Aeff＞90平方微米；
—在1530纳米至1565纳米波长范围内，Deff＞MFD(模场直径)；并且
本发明的第二方面是提供一种单模光纤，它具有关于波导中心线对称分布的第一和第二分层。从中心线至一分层的最后点的半径确定了每分层的范围。每分层都有一Δ％与其关联。至少有一分层的一部分折射率分布大于nc。至少有一分层具有延伸的最小值。这一新颖的折射率分布族提供了这样的光纤，其1300纳米处的Aeff约大于90平方微米，而在1550处约大于110平方微米。λ0在1300纳米附近。
在新颖折射率分布的第二方面的一个较佳实施例中，纤芯第一分层基本上是常数，并且折射率为n1。第二分层的最大折射率为n2，其中n2＞n1。
在本发明第二方面的最佳实施例中，第二分层的折射率分布是梯形。折射率基本上为常数的第一分层的外半径范围约为1.5微米至1.9微米，并且n1基本上等于nc。第二纤芯分层的外半径范围约为3.8微米至5微米。第二分层的折射率差Δ2％约为0.25％至0.45％。
本发明的第三方面是提供一种单模光纤，其具有折射率n0，折射率差Δ1％及半径r1的阶跃折射率分布。周围包层的最大折射率为nc，其中nc＞n0。折射率差Δ1％的范围约为5.5微米至6微米。1300纳米和1550纳米处的Aeff分别为90平方微米和110平方微米。λ0在1300纳米附近。
附图说明
图1示出了具有最小值点的折射率分布曲线图。
图2示出了另一个具有最小值点的折射率分布曲线图。
图3示出了离轴梯形环状折射率分布曲线图以及其他可供选择的分布曲线图。
图4是新颖折射率分布的阶跃折射率实施例。
具体实施方式
具有两个工作窗(即，两个信号波长范围相隔几百纳米)的优点是：
—系统可仅在一窗处工作直至速率要求认为进入第二窗工作更合适；
—第二窗为那些基本上要求无故障运行的通信链路起备用系统的作用；并且
—第二窗能够处理在峰值要求和平均要求之间存在着较大数据速率差的系统中来自主窗(primary window)的溢出。
本发明提供一种双窗光纤，其特点是，将高功率密度系统、波分复用系统以及具有光放大器的系统中产生的非线性作用降至最低。本申请的新型光纤在1300纳米和1550纳米窗中都具有较大的有效面积。
图1示出了新型波导纤芯折射率分布的第一实施例。中心线附近的折射率差(1)较小，一般约小于0.20％。如曲线2所示，掺杂量随半径的最大而增加，直至达到最大Δ％。折射率分布的最后部分4示出Δ％骤降至零。存在若干等价的折射率分布，它们对曲线4作了改动，但对光纤性能的影响不大。例如，可使曲线4向外倾斜，将半径增大约一个微米，或者使曲线4和2的连接处圆滑。还可以在不很影响光纤特性的情况下对折射率分布作一些小的添加，例如如曲线6所示。因此可以理解，图1和图2一起表示一族在1300纳米处具有较大有效面积的折射率分布。图2的曲线8示出了新型折射率分布族中的几条曲线。另外，曲线10表示新发明折射率分布的变化类型，它们也能提供所需的光纤特性。
图1和图2中折射率分布的附带优点是，与标准阶跃折射率分布相比，累积的掺杂剂较少。因此，依赖于掺杂剂数量的衰减在新型波导光纤中将较低。
               例1—最小值点波导的特性
对于图1中实曲线所示的折射率分布，通过计算机模型可计算得到以下特性：
—λ0为1298纳米；
—模场直径为10.91微米；
—Deff为11.22微米；
—Aeff为98.9平方微米；
—截止波长为1480纳米；并且
—累积的GeO2为2.58。
注意，Deff大于模场直径，Aeff几乎比标准阶跃折射率光纤的相应值大25％。
为了进行比较，以下是具有图1所示半径并且Δ％为0.36％的阶跃折射率光纤的特性：
—λ0为1309纳米；
—模场直径为10.1微米；
—Deff为9.97微米；
—Aeff为78平方微米；
—截止波长为1324纳米；并且
—累积的GeO2为2.8。其有效面积要小得多，并且色散零(dispersion zero)波长λ0位于工作窗中，这对于波分复用系统是不适宜的。对于标准阶跃折射率分布累积的GeO2增长9％会使波导因瑞利散射产生较大的波导衰减。新型光纤折射率分布的较大有效面积和较低衰减都将降低不利的非线性作用。
可以用一简单的方式改变标准阶跃折射率分布，以获得较大的有效面积。分布可用阶跃(图4中的18)的Δ％以及半径20来表征。表1示出了Δ％变化和半径变化对有效面积以及销钉阵列抗弯曲性的影响。
                          表1
    Δ％     半径微米   Aeff@1300微米2   Aeff@1550微米2   销钉阵列@1550分贝
    0.36     4.5     67     83     6.9
    0.315     5.0     77     96     12.2
    0.293     5.63     90     110     9.8
    0.278     5.88     96     117     12.2
抗弯曲性与较大有效面积的相一致是很明显的。减低Δ％并增大半径显然能够提供所需的较大有效面积。使Δ％接近0.3％并使半径接近5.6微米的阶跃设计具有可接受的抗弯曲性，并且Aeff明显增大。
与波导中心线相隔一段距离的梯形折射率分布允许折射率分布设计具有附加的灵活性，以便获得可接受的弯曲性能，并且在两个波长窗处都有较大的有效面积。
图3示出了该新型光纤实施例的一般形状。梯形12与波导中心线相隔一段距离。梯形纤芯折射率分布分层的内外半径分别为24和22。与波导中心线相邻的纤芯分层的折射率分布可以基本上是平的，或者可以是曲线14所示的形状。通过使梯形略有变化，如曲线16所示或者寻找等价的折射率分布，便可获得新型波导所需的特性。
表2提供了新型光纤梯形实施例的模拟值。在标有‘半径’的一列中，第一个数字是梯形的内半径，而第二个数字是其外半径。
                                     表2
    Δ％     半径微米  Aeff@1300微米2   Aeff@1550微米2   销钉阵列@1550分贝
    0.367     1.7-4.5     94     110     9.8
    0.337     1.78-4.98     104     120     14.4
    0.320     1.85-5.23     112     130     14.2
    0.344     1.7-3.91     104     120     9.5
第1行和第4行的折射率分布设计显示了优越的特性。这些实施例满足光纤既限制非线性作用又保持所需抗弯曲性的要求。
表1和表2表示，计算机模型对于有效识别折射率分布是否满足一组给定的特性要求是必需的。比较表中各行所列的不同的折射率分布设计，可以看出折射率分布中参数的微小变化会对波导特性产生很大的影响。因此，组合和置换所必须尝试的次数对于在制造光纤之前先进行计算机模拟的方法是有用的。
尽管这里揭示和描述了本发明几个特殊的实施例，但本发明仅由以下的权利要求限定。

Claims (8)

1.一种单模光纤，包括：
一纤芯区，它有一沿光纤长轴的中心线和一半径，所述纤芯区具有一折射率分布和最大折射率n0；和
一包层，它裹在所述纤芯区的周围，所述包层具有一包层折射率分布和最大折射率nc；
其中，所述纤芯区的折射率分布至少有一部分的折射率大于nc；
其特征在于，所述纤芯区的半径在4-7微米范围内，并且所述纤芯区的最大折射率与中心线相隔一段距离且相应的折射率增量百分数Δ0％在0.35％-0.55％的范围内，其中Δ0％＝[(n0 2-nc 2)/2n0 2]×100，所述纤芯区的折射率分布的最小值点位于中心线附近，并且中心线是该折射率分布的对称轴，所述最小值点的折射率增量百分数Δ1％在0-0.20％的范围内，其中Δ1％＝[(n1 2-nc 2)/2n1 2]×100，n1是所述最小值点的折射率。
2.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述纤芯区折射率分布的一部分是连续的，它具有一径向范围，起始于中心线附近的折射率最小值，终止于所述纤芯区折射率分布的最大折射率。
3.如权利要求2所述的单模光纤，其特征在于，所述纤芯区折射率分布的所述一部分是单调的。
4.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，色散零波长λ0在1300纳米附近，在1300纳米处的有效面积112微米2≥Aeff≥90微米2，并且在1530纳米至1565纳米波长范围内，有效直径Deff≥模场直径MFD。
5.一种单模光纤，包括：
一纤芯区，它具有一中心线并包括第一和第二分层，每个所述分层都具有一折射率分布、一外半径和一折射率增量百分数Δ％，所述第一分层包含所述中心线，并且所述第二分层裹在所述第一分层的周围，所述第一和第二分层以所述中心线为对称轴；
一包层，它裹在所述纤芯区的周围，所述包层具有一包层折射率分布和最大折射率nc；
其中，在所述第一和第二分层中至少有一个分层，其折射率分布的至少一部分折射率大于nc；
其特征在于，在所述纤芯区中，所述第二分层的最大折射率与中心线相隔一段距离，并且所述第一分层折射率分布的至少一部分具有基本上不变的最小折射率，所述基本上不变的最小折射率小于第二分层的最大折射率，并且从中心线延伸到半径1.5-1.9微米处；
所述光纤的有效面积Aeff在1300纳米处为90-112微米2，在1550纳米处为110-130微米2。
6.如权利要求5所述的单模光纤，其特征在于，所述纤芯区的所述第一分层具有基本上为常数的折射率n1，所述第二分层具有最大折射率n2，并且n2＞n1。
7.如权利要求6所述的单模光纤，其特征在于，所述第二分层的折射率分布是梯形。
8.如权利要求7所述的单模光纤，其特征在于，所述纤芯区第一分层的外半径范围为1.5微米至1.9微米，n1基本上等于nc，所述纤芯区第二分层的外半径范围约为3.8微米至5微米，并且所述第二分层的折射率差Δ％的范围为0.25％至0.45％。
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