CN1115574C - 高性能单模光纤 - Google Patents

Abstract

揭示了一种具有分层纤芯设计的单模光纤。特别是，纤芯包括三个分层(2，6，8)，每个分层都有特征尺寸和折射率分布曲线。通过适当地选择每个分层的折射率分布曲线，制造这样的波导纤维，其模场直径大约为9.5，在1530纳米至1565纳米工作窗具有较小的正总色散，有效面积大于60微米²。分布曲线还用内分布体积、外分布体积以及外体积与内体积的比来限定。因此，内体积在2.28至3.26%微米²的范围内，外体积在3.70至13.75%微米²的范围内，并且外体积与内体积的比在1.5至4.3的范围内。

Description

高性能单模光纤

                             发明背景

本发明涉及一种具有分层纤芯设计的单模光纤，该光纤能在1550纳米周围的工作窗内提供高性能。尤其，有效面积较大，零色散波长在工作窗之外，并且总色散在工作窗上为正。

具有较大有效面积的波导可以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，这些作用都会使高功率系统中的信号减小。一般地说，对这些非线性作用的数学描述包括比值P/A_eff，其中P是光功率。非线性光学作用通常遵循含有[P×L_eff/A_eff]项的方程，其中L_eff是有效长度。因此，A_eff的增大会降低减小光信号的非线性作用。

电信产业中，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；

—为在1550纳米周围的波长范围内工作时有较低的衰减而进行优化；

—与光放大器兼容；并且

—保持光波导中诸如高强度、耐疲劳和抗弯曲等所需特性。

已经发现至少具有两个不同折射率分层的波导纤维具有足够的柔软性，可以满足和超过对高性能波导纤维系统的标准。授予Bhagavatula的美国专利第4,715,679号详细揭示了分层纤芯设计的类型。授予Gallagher等的美国专利第5,483,612号(′612专利)揭示了′679专利中所述揭示的分布曲线的种类，它们的特性特别适于高性能电信系统。

但本发明是另一类纤芯折射率分布曲线，它们与′612专利中叙述的分布曲线密切相关，可以减小非线性作用，并且特别适于进行高功率信号的远距离传输，不需要进行再生。高功率和远距离的定义只有在规定了比特率、误码率、多路复用方案以及可能的光放大器的特定电信系统中才有意义。这些是本领域熟练技术人员已知的附加因数，对高功率和远距离的含义有影响。但是，对于大多数情况，高功率是大于大约10毫瓦的光功率。远距离是指电子再生器之间的距离超过100千米。

考虑Kerr非线性，即自相位调制，交叉相位调制和四波混频，从折射率方程可以看出A_eff较大的好处。已知石英光纤折射率对光电场是非线性的。折射率可以写成：

                  n＝n₀+n₂P/A_eff

其中n₀是线性折射率，n₂是非线性折射率系数，P是沿波导发送的光功率，而A_eff是波导纤维的有效面积。由于n₂是材料常数，所以A_eff的增大实质上意味着降低对折射率的非线性作用，从而减小Kerr型非线性的影响。

因此，需要将光纤设计成具有较大的有效面积。这时最感兴趣的工作窗是在1550纳米附近。另外，为了使四波混频效应最小，总色散不能工作波长范围上过零。事实上，总色散在工作窗上保持为正，以便自相位调制可以抵消线性色散，这是孤立子通信系统中所要求的结构。

                             定义

以下定义符合本领域常用定义。

—纤芯分层的半径用折射率来定义。一特定区域具有第一折射率点和最后折射率点。从波导中心线到第一折射率点所在位置的半径是纤芯区或纤芯分层的内半径。同样，从波导中心线到最后折射率点所在位置的半径是纤芯分层的外半径。

除非在文章中特别说明，这里讨论的折射率分布曲线分层的半径定义如下，请参考Δ％对波导半径的曲线图：

*中央纤芯分层的半径是从波导的轴中心线测至外推中央折射率分布曲线与x轴的交叉点；

*第二环形分层的半径是从波导的轴中心线测到第二环面基线的中心；

*第二环区的宽度是从折射率分布曲线的半最大折射率点画到x轴的两条平行线之间的距离；和

*第一环形分层的半径是从波导的轴中心线测至第二环形分层的第一半最大点。

—有效面积为：

A_eff＝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D_eff可定义为：

A_eff＝π(D_eff/2)²。

—相对折射率Δ％定义为：

Δ％＝100×[(n₁ ²-n₂ ²)/2n₁ ²]，

其中n₁为折射率分层1的最大折射率，而n₂为参考区的折射率，通常取作包层的最小折射率。

对于本申请描述的特定的分层分布曲线，第一分层和第二环形分层Δ％是指各分层的最大相对折射率。第一环形分层的Δ％是指该分层的最小相对折射率。

—术语折射率分布曲线是在一选定的纤芯部分上，Δ％或折射率与半径之间的关系。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)^c)，

其中r为纤芯半径，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阶跃折射率、梯形折射率和圆角阶跃折射率，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。

—分布体积定义为 。内分布体积从波导中心线r＝0延伸到交叉半径。外分布体积从交叉半径延伸至纤芯的最后一点。由于相对折射率是无量纲的，所以分布体积的单位为％μm²。

—发现交叉半径随信号波长的变化而依赖于信号中功率的分布。在内体积上，信号功率随波长的增加而减小。在外体积上，信号功率随波长的增加而增加。

—总色散定义为波导色散和材料色散的代数和。在本领域中，总色散有时称为色度色散。总色散的单位是ps/nm-km。

—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，对基本上没有感生弯曲损耗的波导纤维测量其衰减损耗。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，施加足以使波导纤维与销钉表面一部分贴合的张力。

—这里所述的另一种弯曲测试是横向负载测试。在该测试中，将一根规定长度的波导纤维放在两个平板之间。将一个#70铁丝网固定于其中一个平板。把已知长度的波导纤维夹在平板之间。用30牛顿的力压板，建立参考衰减。然后对板加70牛顿的力，并测量感生衰减，其单位为dB/m。

                         发明内容

本发明通过提供以下特性，满足一类高性能电信系统的独特要求：

—在预选的波长工作范围内具有较低的总色散；

—在1550纳米波长处具有较低的衰减；

—有效面积较大；

—模场直径较大；

—零色散波长位于工作波长范围之外；以及

—具有可接受的弯曲性能。

本发明的第一方面是一种单模光纤，它具有纤芯区和包层。纤芯区包括三个分层：

—圆形中央分层，其中心位于波导长轴上；

—第一环形分层，它包围中央分层；和

—第二环形分层，它包围第一环形分层。

如上所述，每个分层具有从波导中心线算起的半径，Δ％和折射率分布曲线。第二环形分层还可以用分层宽度方便地描述。在该场合下，Δ％总是参照最小包层折射率n_c而言的。

此第一方面还在圆形中央分层上具有α分布曲线，其中α在大约0.7至2.0范围内。第一环形分层基本上为平的，这意味着在分层的内外极端，折射率可以卷起或翻折。另外，第一环形分层可以具有较小的正斜率或负斜率，而没有会对波导特性引起不可接受变化的平整度偏差。

中央分层的相对折射率Δ₀％大于第一或第二环形分层的相对折射率，Δ₁％和Δ₂％，并且Δ₂％＞Δ₁％。

分布曲线还由内分布体积、外分布体积以及外体积与内体积的比来限定。因此，内体积在2.28至3.26％微米²的范围内，个分布体积在3.70至13.75％微米²的范围内，并且外体积与内体积的比在1.5至4.3的范围内。

在一较佳实施例中，Δ₀％在1.01％至1.35％的范围内，Δ₁％在0.03％至0.21％的范围内，而Δ₂％在0.12％至0.61％的范围内。Δ₀％是掺杂物作中心线扩散之前α分布曲线的模拟值。扩散将减小该相对折射率的值。例如，在三角形分布曲线的情况下，α＝1，当考虑扩散时，Δ₀的值将减小0.2％至0.3％的量。为方便起见，本说明书和权利要求书中叙述的所有Δ₀％都是扩散前的相对折射率值。在中央分层开始的前两个分层的半径r₀在2.06μm至2.80Hm的范围内，r₁在4.55μm至8.94μm的范围内。而第二环形分层的宽度w₂在0.01μm至2.0μm的范围内。

波导中心线上会出现折射率凹进。此凹进至少部分是由于在沉积掺杂玻璃和基质玻璃之后的处理步骤期间掺杂物扩散所引起的。可采取处理步骤来改变、减小或移动此凹进。但是，对试制波导的分布曲线模拟以及制造已经表明，可以存在中央凹进，而不影响波导性能。具体地说，中央分布曲线可以在圆形分层的中心处具有折射率凹进，折射率凹进大致呈倒转锥形，凹进部的最小相对折射率在大约0.5％至0.7％的范围内，并且倒转锥形基底半径不大于大约0.7微米。

依照此第一方面制造的波导具有优越的特性，在1530纳米至1565纳米的波长范围上总色散为正，并且不大于6.5ps/nm-km，有效面积不小于60微米²，并且模场直径在9微米至10微米范围内。

实现这些特性并保持截止波长(对已呈光缆形式的波导纤维进行测量)小于1470纳米，在1550纳米波长处的衰减小于0.22dB/km，在销钉阵列弯曲测试下的感生损耗为16dB，而横向负载弯曲测试下的感生损耗小于0.8dB/m。

在本发明的第二方面，纤芯分层分布曲线如下述表1所示，它提供的一组工作参数与本发明第一方面的有所不同。对波导参考的附加限制以及所产生的变化在适当的场合下可以满足使用的要求，为制造提供方便(例如通过使波导对制造变化不太敏感)，或者降低制造成本。

                       附图概述

图1是依照本发明的相对折射率的分布曲线图，即关于理想分布曲线的Δ％-波导半径曲线图。

图2是对根据本发明制造的典型波导测量得到Δ％-波导半径曲线图。

                      本发明的详细描述

在1550纳米附近工作窗内使用高性能光纤可以大大提高系统容量，并且保持系统成本相当低。由于大约1530纳米至1565纳米的波长范围具有低波导衰减的特征，并且该范围与掺铒波导纤维放大器的带宽窗一致，所以人们对此范围内的工作窗特别有兴趣。

本文所述的发明可以标识一组分层纤芯分布曲线，它们满足特定的高性能电信系统的要求。另外，满足要求不增加衰减，并且保持波导内剩余应力相对较低，并且保持可按受的弯曲性能。

图1中标号2、6和8表示三个纤芯分层。在每个分层中，折射率分布曲线的形状可以根据径向位置取普通的形状。同样可以改变每个分层的径向范围。

如上述定义所述，中央纤芯区2的半径表示为长度4。在该场合下，中央纤芯半径是从轴中心线测至外推中央分布曲线与x轴的交叉点。

第一环形分层6由半径4和半径7来划界。半径7延伸至从第二环形区的半折射率点画出的垂直线5处。第一环形分层具有半径7给定的半径。第二环形分层8的特征半径为半径12，该半径是从纤芯中心延伸至分层8的基底中点，用点3表示。对第二环形半径的此规定在所有模拟情形中使用。对对称分布曲线所作的一种方便的分布测量是垂直线5之间所示的宽度10。直线5来自半最大值Δ％折射率点。对第二环形宽度的此规定在所有模拟情形中使用。

在图1中，交叉半径表示为长度14。交叉半径以内的分布体积是内分布体积，其单位为％Δμm²。交叉半径以外的分布体积是外分布体积。外体积与内体积的比是对给定波长的相对功率分布的度量，因而是对特定折射率分布变化之效果的度量。

图2示出了依照本发明制造的实际分布曲线。这里，中央分层包括凹进部分16和α分布曲线部分18。对于中央分层折射率分布曲线18，α基本上为1。与其它色散位移波导设计相比，此中央分层的狭窄程度被认为是获得所需波导参数所必不可少的，尤其对于增加有效面积。注意，在本例中，第一环形分层20的相对折射率大于大约0.1。由于在拉丝过程中通过减小中央分层与第一环形分层之间玻璃粘性的不匹配，可以减少拉丝产生的缺陷，所以相信通过这一手段，大于或等于0.1的Δ₁％可以改善衰减。另外，此较高的相对折射率可能会增加抗弯曲性。

第二环形分层22的位置、峰值和形状可以限制传播的光信号，并由此使新型波导保持可接受的弯曲性能。表1中所列模拟结果给出了新型波导的非凡特性。

                           表1波导参数                   实施例1          实施例21530nm总色散(ps.nm-km)       ＞1            ＞0.081565纳米总色散(ps.nm-        ＜5.5          ＜6.5km)模场直径μm                  9-10            9-10截止(光缆化)nm               ＜1360          1470销钉阵列弯曲dB               ＜16            ＜16横向负载弯曲dB/m             ＜0.8           ＜0.8衰减@1550nm(dB/km)           ＜0.22          ＜0.22

    表2列出了提供表1中波导特征的折射率结构。

                          表2分布参数             实施例1             实施例2

Δ₀％(最大)    1.11-1.35            1.01-1.35

Δ₁％(最小)    0.03-0.14            0.03-0.21

Δ₂％(最大)    0.12-0.50            0.12-0.61

r₀μm          2.06-2.45            2.06-2.80

r₂μm          4.55-6.29            4.55-8.94

w₂μm          0.7-2.0              0.01-2.0

内体积％μm²   2.28-3.00            2.28-3.26

外体积％μm²   3.70-8.12            3.70-13.75

比值-外/内      1.5-2.9              1.5-4.3

注意，允许截止波长较长以及色散范围较大的情况下，可以使用实施例2的较宽范围。在某些使用中，需要实施例1中较好色散特性。两个表示出了波导特性对分布结构的灵敏性。

本领域的熟练技术人员应该理解，可以按各种组合在三个分层中使用包括阶跃折射率和梯形折射率等其它的分布曲线形状，以便提供表1所述的参数。

尽管这里揭示和描述了本发明的特定实施例，但本发明只由后附的权利要求书来限定。

Claims (6)

1.一种单模光纤，它包括：

纤芯玻璃区，它包括第一圆形中央分层、第一环形分层和第二环形分层，其中第一圆形中央分层的相对折射率为Δ₀％，半径为r₀，第一环形分层包围并接触中央分层，其相对折射率为Δ₁％，半径为r₁，第二环形分层包围并接触第一环形分层，其相对折射率为Δ₂％，半径为r₂，宽度为w₂，每个分层都具有各自的分层折射率分布曲线；

玻璃包层，它具有一包层折射率分布曲线，最小折射率为n_c，其中n_c是每个纤芯分层相对折射率的参考折射率；

其特征在于，中央分层的折射率分布曲线是α分布曲线，α在大约0.7至2的范围内，第一环形分层的折射率分布曲线基本上是平的，第二环形分层的折射率分布曲线是圆角阶跃形，并且Δ₀％＞Δ₂％＞Δ₁％，

其中，Δ₀％在1.01％至1.35％的范围内，Δ₁％在0.03％至0.21％的范围内，而Δ₂％在0.12％至0.61％的范围内，r₀在2.06μm至2.80μm的范围内，r₁在4.55μm至8.94μm的范围内，而w₂在0.01μm至2.0μm的范围内，

如此选择各Δ和半径的值，致使内分布体积在2.28至3.26％μm²范围内，外分布体积在3.70至13.75％μm²范围内，而外体积与内体积的比在1.5至4.3的范围内。

2.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，圆形中央分层的折射率在圆形分层的中心处凹进，折射率凹进部分大致呈倒转锥形，其最小相对折射率在大约0.5％至0.7％的范围，并且倒转锥形基底的半径不大于大约0.7μm。

3.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，在波长范围1530纳米至1565纳米上的总色散为正，并且不大于6.5ps/nm-km，有效面积不小于60μm²，并且模场直径在9μm至10μm的范围内。

4.如权利要求3所述的单模光纤，其特征在于，对已呈光缆形式的波导纤维所测量的截止波长小于1470纳米，在1550纳米处的衰减小于0.22dB/km，在销钉阵列弯曲试验下的感生损耗小于16dB，而在横向负载弯曲试验下的感生损耗小于0.8dB/m。

5.一种单模光纤，它包括：

纤芯玻璃区，它包括第一圆形中央分层、第一环形分层和第二环形分层，其中第一圆形中央分层的相对折射率为Δ₀％，半径为r₀，第一环形分层包围并接触中央分层，其相对折射率为Δ₁％，半径为r₁，第二环形分层包围并接触第一环形分层，其相对折射率为Δ₂％，半径为r₂，宽度为w₂，每个分层都具有各自的分层折射率分布曲线；

玻璃包层，它具有一包层折射率分布曲线，最小折射率为n_c，其中n_c是每个纤芯分层相对折射率的参考折射率；

其特征在于，中央分层的折射率分布曲线是α分布曲线，α大约等于1，第一环形分层的折射率分布曲线基本上是平的，第二环形分层的折射率分布曲线是圆角阶跃形，并且Δ₀％＞Δ₂％＞Δ₁％，并且

Δ₀％在1.11％至1.35％的范围内，Δ₁％在0.03％至0.14％的范围内，而Δ₂％在0.12％至0.50％的范围内，

r₀在2.06μm至2.45μm的范围内，r₁在4.55μm至6.29μm的范围内，而w₂在0.7μm至2.0μm的范围内，

内分布体积在2.28至3.00％μm²范围内，外分布体积在3.70至8.12％μm²范围内，并且外体积与内体积的比在1.5至2.9的范围内。

6.如权利要求5所述的单模光纤，其特征在于，圆形中央分层的折射率在圆形分层的中心处凹进，折射率凹进部分大致呈倒转锥形，其最小相对折射率在大约0.5％至0.7％的范围内，并且倒转锥形基底的半径不大于大约0.7μm。

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