CN1114114C - 单模光纤 - Google Patents

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Abstract

揭示了一种具有分层纤芯设计的单模光纤。纤芯包括两个或更多个分层。纤芯的最大折射率部分(41)与波导纤维的中心线隔开。纤芯中第一即中心分层(21)的相对折射率为负的，其中参考折射率是最小折射率包层。该族纤芯分布曲线在1550纳米附近的工作窗中，可以提供110微米2至150微米2范围内的有效面积。虚线(6)表示折射率分布曲线(2和4)的其它形状。虚线(5)所示的相对折射率为负的环形区表示可选择的第三纤芯区，它具有负的相对折射率，将最小包层折射率作为参考折射率。

Description

单模光纤
发明背景
本发明涉及一种具有较大有效面积的单模光纤。使用折射率较小的纤芯中心区，周围包裹折射率相对较高的环形区，由此可以获得较大的有效面积。
近年来，为了提供高性能的波导纤维，即适用于具有较大再生器间隔的高数据率电信系统的波导，已经重点研究了具有复合折射率分布曲线的波导纤芯。在授予Bhagavatula的美国专利第5,613,927号(称′027专利)中，可以找到这类复合纤芯的例子。
在′027专利中，揭示了一族纤芯折射率分布曲线，这族分布曲线是用与波导纤维中心线隔开的最大相对折射率Δ％来表征的。该族分布曲线提供了能够很好地适应高性能电信系统的优越特性。另外应该注意，该族纤芯分布曲线中某些曲线的设计很简单，因此更容易制造，成本更有效。′027专利中的一个实施例包括一纤芯，其中央纤芯区的折射率小于波导纤维包层的折射率。
Nouchi等人在ECOC 1996，Oslo和IWCS Proceedings，pages 939-945，1996上公开了的一些近期工作，检验了此低折射率中央区的实施例，并报告说有效面积在大约60微米2至100微米2的范围内，并具有良好的抗弯曲性。但是，此项工作没有解决零色散波长和截止波长的位置优化问题。
本说明书中揭示和描述的发明考虑了波导纤维特性的更完整的范围，并且提供超过100微米2的有效面积，抗弯曲性可与标准的阶跃单模波导纤维相比拟。定义
-有效面积Aeff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：
Aeff＝π(Deff/2)2。
-术语Δ％，表示折射率的相对量，由以下等式定义：
Δ％＝100×[(n1 2-n2 2)/2n1 2]，
其中n1为第一区的最大折射率，而n2为参考区的折射率，参考区通常为包层区。
-术语折射率分布曲线是在一选定的纤芯部分内，Δ％或折射率与半径之间的关系。所选分层的起点和终点可以用宽度或者参照波导纤维中心线的半径来描述。
-术语α分布曲线是指遵循下述等式的折射率分布曲线，
n(r)＝n0(1-Δ(r/a)α)，
其中r为半径，Δ如上定义，a是分布曲线中的最后一点，r在分布曲线的第一点处选择零，而α是决定分布曲线形状的指数。其它折射率分布曲线包括诸如阶跃形、梯形和圆角阶跃形等形状，其中圆角是由于掺杂物在折射率快速变化的区域中扩散而产生的。
-波导纤维的抗弯曲性可表示为在规定测试条件下所引起的衰减。这里所述的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波导纤维测量其衰减。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。
发明内容
Bhagavatula的美国专利第5,613,027号对分布曲线作了重点研究，该研究证明，′027专利中的一个子组分布曲线具有能很好地适应高性能电信系统的优越特性。该子组分布曲线是本申请的主题，由于它们是′027专利中最简单的分布曲线，所以特别有利。
新型的单模波导折射率分布曲线的第一方面包括一个由包层包裹着的纤芯区。纤芯具有两个分层，它们是中心位于波导长轴上的第一圆形分层和相邻的环形分层。每个分层都由折射率分布曲线、相对折射率Δ％、以及半径或宽度来表征。在整个文章中，相对折射率用参考折射率nc来定义，而参考折射率nc是包层的最小折射率。第一分层的相对折射率Δ1％在大约-0.05％至-0.60％的范围内，半径在大约1微米至5微米的范围内。第二分层的相对折射率Δ2％在大约0.5％至1.6％的范围内，宽度在大约1微米至20微米的范围内。所述宽度是从r1测量到第二分层的最后一点。
第一或第二分层的折射率分布曲线可以具有诸如阶跃形、圆角阶跃形、α分布曲线、梯形或三角形等不同的形状。一般地说，对于任何组合的分布曲线，可以找到Δ％和半径，以提供所需的光纤特性。由于第一分层相对参考折射率nc具有负的折射率，nc是包层的最小折射率，所以第一分层分布曲线将相对第二分层分布曲线反转。
下面详细叙述第一方面的实施例，这些实施例包括由阶跃形、三角形和梯形构成的第二分层分布曲线。
新型折射率分布曲线提供的波导特性是，有效面积Aeff大于100微米2，总色散斜率在大约0.07ps/nm2-km至0.1ps/nm2-km的范围内，模场直径在大约8微米至10微米的范围内，并且截止波长在大约1500纳米至2000纳米的范围内。这里的截止波长是在未光缆化的状态下对波导纤维测量的。光缆化工艺一般会使截止波长减少大约400纳米至450纳米，致使新型波导在1000纳米至1600纳米波长范围内是单模的。当然，可以将波导定制成具有不同的截止波长。
对于波分复用的应用，尤其在使用光放大器的系统中，将零色散波长放在大约1530纳米至1560纳米的工作窗之外是有利的。由以下列出的数据表可以看出新型折射率分布提供了这种零色散波长。
在本发明的第二方面，可以为分布曲线增加附加的分层即第三分层，以提高波导的弯曲和微弯曲性能，但又不影响折射率分布曲线满足上述功能要求的能力。第三分层具有在大约-0.05％至-0.6％范围内的、负的相对折射率-Δ3％，以及在大约1微米至20微米范围内的宽度w3，所述宽度是从第二分层的最后一点测量至第三分层的最后一点。第一和第二分层的参数范围如上所述。与前述一样，第一或第二分层可以具有诸如阶跃形、圆角阶跃形、α分布曲线、梯形或三角形等不同的形状。
第二方面的另一实施例包括第四环和第五环，其中第四环具有与第二环相似的正的相对折射率，而第五环具有与第一或第三环相似的负的相对折射率。
附图概述
图1是相对折射率百分比-半径曲线图，表示阶跃折射率分布曲线及其各种变化。
图2是相对折射率百分比-半径曲线图，表示三角形折射率分布曲线。
图3是相对折射率百分比-半径曲线，表示梯形折射率分布曲线以及可选择的分布曲线第三分层。
图4示出了对依照本发明制造的单模波导进行测量而得到的、相对折射率百分比-半径曲线和传播场强-半径曲线。
本发明的详细描述
这里描述的单模波导纤维分布曲线既具有简单的形式，又具有优秀的工作特性。本发明已获得的是一种容易制造的波导纤维分布曲线，但它通过提供较大的有效面积，限制了非线性效应。在获得较大有效面积的同时，弯曲和微弯性能没有劣化。
简化光纤制造过程的一个重要因素是具体为制造下述波导纤维而开发的一种工艺，所述波导纤维的中央分布曲线具有负的相对折射率百分比，而参考折射率是包层的最小折射率。于本申请同一日提交的、共同待批的临时申请S.N.60/063,441提供了此工艺，该工艺包括将掺氟玻璃棒插入微粉体预制棒中。上述申请的相关部分通过引用包括在此。
在图1的相对折射率百分比Δ％-半径曲线图中，示出了本发明的阶跃折射率实施例。该图的主要特点是存在负的相对阶跃折射率2，其中心位于波导中心线上，周围包裹着具有正阶跃折射率的环形区4。虚线6示出了折射率分布曲线2和4的其它形状。由虚线5画出的负相对折射率环形区示出了可选择的、具有负相对折射率的第三纤芯区，这里将最小包层折射率用作参考折射率。
图2和图3示出了本发明的另一些实施例。在图2中，在负的相对折射率区域2的周围包裹截面为三角形的环形区8。图3所示的相对折射率-半径曲线图示出了具有负相对折射率的第一梯形分层2、具有正相对折射率的第二梯形分层10以及可选择的具有负相对折射率的第三梯形分层12。如上所述，在要求对微弯和弯曲具有较高抵抗能力的波导纤维中，一般包括可选择的第三分层。
已经制造出依照所述发明的波导纤维。图4的曲线14示出了这种波导的分布曲线。图4中分布曲线的第一分层即中心部分18相对平坦有相当大的偏差。这表示本发明包含形状变化。同样，第二分层20看上去具有圆形的顶部和底部，这表示圆角阶跃形状适合于实施本发明。如虚线22所示，通过将圆角形状的两边外推到水平轴可以求出第二分层20的宽度24。
在纤芯中心区具有较低折射率的效果是，将波导运载的光能从中心外移。场强曲线16示出了此能量移动现象。阶跃分布曲线举例
                          表  1Δ1％ r1    Δ2％  w2   λ0   Slope MFD    Aeff   λc  PA
                                                     (LP11)-.5    2.8    .78     1.9    1513  .077   8.45   125    1857   6.2-.5    2.9    .88     1.7    1548  .08    8.13   121    1868   4.6-.4    3.5    .80     1.5    1508  .08    8.74   139    1911   4.2-.3    3.4    .8      1.6    1523  .076   8.43   148    1966   14-.5    3.1    .93     1.6    1568  .082   8.1    125    1894   5.2-.5    3.2    .93     1.6    1570  .082   8.0    129    1913   5.5-.45   3.4    .93     1.6    1567  .082   8.0    135    1960   4.1-.4    3.3    .98     1.5    1570  .085   8.0    127    1938   3.4-.35   3.4    1.03    1.3    1569  .089   8.3    134    1865   10.6-.3    3.3    1.08    1.3    1570  .09    8.04   123    1910   2.6-.3    3.4    1.08    1.3    1572  .09    8.03   125    1930   2.6-.3    3.8    1.08    1.2    1573  .091   8.4    147    1910   14.2
表1中未曾定义的符号有：
-λ0，零色散波长，单位为纳米；
-MFD，使用Petermann II定义的模场直径，单位为微米；
-λc是对LP11模计算得到的截止波长，单位为纳米。
-PA，销针阵列衰减，单位为dB。
表1所列的值是对许多新型分布曲线实施例的特性计算结果。可以看出，有效面积较高，MFD较大，并且销钉阵列衰减相对较低。表1还示出了用于移动λ0值的设计变化。用这类表可以选择能够产生所需特性的波导参数。
对于图4所示的实际分布曲线，表2示出了对波导测量和预测的特性。
                   表  2
    特性           预测                 测量
λ0   nm       1500-1600            1500-1584
斜率ps/nm2-km  0.06-0.10            0.07-0.10
Aeff   μm2     80-150               55-120
PA损耗dB           1-12                2.3-5.4
预测特性和测量特性显示出良好的一致性，特别是从波导制造工艺中包含了许多工艺步骤来看。三角形分布曲线举例
                      表  3Δ1％ r1   Δ2％  w2    λ0   Slope  MFD    Aeff   λc   PA-.5    2.7    1.35    2.3    1533   .081   8.21   110    1807   3.25-.5    2.8    1.2     2.5    1509   .078   8.6    123    1808   7.8-.45   2.9    1.25    2.4    1514   .080   8.52   123    1836   5.4-.4    3.1    1.25    2.3    1513   .081   8.7    131    1840   9.45-.3    3.4    1.3     2.1    1510   .083   8.9    140    1850   3.7
表3列出的值示出了当为高性能电信系统提供光纤时，新型分层纤芯设计的效果。
尽管这里揭示和描述了本发明的特定实施例，但本发明只由后面的权利要求书来限定。

Claims (17)

1.一种单模光纤，它具有中心线，其特征在于，包括：
纤芯区，它包括第一圆形分层和第二环形分层，其中所述第一分层的中心位于波导的中心线上，并具有第一分层折射率分布曲线、相对折射率百分比Δ1％和半径r1，而所述第二环形分层在第一分层周围并与其接触，具有第二折射率分布曲线、相对折射率百分比Δ2％和宽度w2，所述宽度是从r1向外测量至第二分层分布曲线或其外推与半径的交叉点；和
包层，它包裹在第二分层的周围并与其接触，所述包层具有包层折射率分布曲线和最小折射率nc，纤芯区中至少有一部分的折射率大于nc，
其中Δ1％在大约-0.3％至-0.5％的范围内，Δ2％在大约0.75％至1.4％的范围内，相对折射率百分比的参考折射率是nc，r1在2.7微米至4微米的范围内，而w2在大约1微米至2.5微米的范围内，并且有效面积大于100微米2。
2.如权利要求1所述的单模光波导，其特征在于，Δ2％在大约0.75％至0.9％的范围内，而w2在大约1.3微米至2微米的范围内。
3.如权利要求1所述的单模光波导，其特征在于，Δ2％在大约0.9％至1.1％的范围内，而w2在大约1.0微米至1.8微米的范围内。
4.如权利要求1所述的单模光波导，其特征在于，第二分层的第二分层折射率分布曲线是三角形折射率。
5.如权利要求4所述的单模光波导，其特征在于，Δ2％在大约1.1％至1.4％的范围内。
6.如权利要求1所述的单模光波导，其特征在于，第二分层的第二分层折射率分布曲线是梯形。
7.如权利要求1所述的单模光波导，其特征在于，第二分层的第二分层折射率分布曲线是α分布曲线。
8.如权利要求1所述的单模光波导，其特征在于，第一圆形分层的第一分层折射率分布曲线可以是反转阶跃形、反转圆角阶跃形、反转三角形、反转梯形或者反转α分布曲线。
9.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，
第一和第二分层的折射率分布曲线提供了大于100微米2的有效面积，总色散斜率在大约0.07ps/nm2-km至0.10ps/nm2-km的范围内，模场直径在大约8微米至9微米的范围内，并且对LP11模计算得的未光缆化的截止波长在大约1800纳米至2000纳米的范围内。
10.如权利要求9所述的单模波导，其特征在于，零色散波长在1500纳米至1533纳米的范围内。
11.如权利要求9所述的单模波导，其特征在于，零色散波长在1567纳米至1584纳米的范围内。
12.如权利要求9所述的单模波导，其特征在于，第一圆形分层的第一分层折射率分布曲线可以是反转阶跃形、反转圆角阶跃形、反转三角形、反转梯形或者反转α分布曲线。
13.如权利要求9所述的单模波导，其特征在于，第二分层的第二分层折射率分布曲线可以是阶跃形、圆角阶跃形、三角形、梯形或者α分布曲线。
14.一种单模光纤，它具有一中心线，其特征在于，包括：
纤芯区，它包括第一圆形分层、第二环形分层和第三环形分层，其中所述第一分层的中心位于波导的中心线上，并具有第一分层折射率分布曲线，相对折射率百分比Δ1％和半径r1，所述第二分层包围第一分层并与其接触，并具有第二分层折射率分布曲线、相对折射率百分比Δ2％和宽度为w2，所述宽度是从r1向外测量至第二分层分布曲线或其外推与半径的交叉点，所述第三环形分层具有第三分层折射率分布曲线、相对折射率Δ3％和宽度w3，所述宽度w3是从第二分层的最后一点测量至第三分层的最后一点；和
包层，它包裹第二分层并与其接触，所述包层具有包层折射率分布曲线和最小折射率nc，纤芯区中至少有一部分的折射率大于nc，
其中Δ1％在大约-0.3％至-0.50％的范围内，Δ2％在大约0.75％至1.4％的范围内，并且Δ3％在大约-0.05％至-0.60％的范围内，相对折射率百分比的参考折射率是nc，r1在2.7微米至4微米的范围内，w2在大约1微米至2.5微米的范围内，而w3在大约1微米至20微米的范围内，并且有效面积大于100微米2。
15.如权利要求14所述的单模波导，其特征在于，第二分层的第二分层折射率分布曲线可以是阶跃形、圆角阶跃形、三角形、梯形或者α分布曲线。
16.如权利要求14所述的单模波导，其特征在于，还包括：
第四环形区，它包裹第三分层并与其接触，所述第四环形区与第二环形区相似，具有正的折射率；和
第五环形区，它包裹第四分层并与其接触，所述第五环形区与第三环形区相似，具有负的折射率。
17.如权利要求1或14所述的单模波导，其特征在于，销钉弯曲损耗小于15dB，对光纤测量所得的截止波长在1800纳米至2000纳米的范围内。
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