CN1134680C - 长距离的单模波导 - Google Patents

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Abstract

揭示了一种具有分层纤芯的单模光纤。选择各分层的相对折射率、折射率分布曲线以及半径，提供有利于在诸如海底光缆等严峻环境中使用的波导纤维性能。分层纤芯波导纤维在大约1530纳米至1570纳米的工作窗口上具有负的总色散，这可以避免形成孤立子。诸如色散零、截止波长、衰减以及抗弯曲性等关键性能都落在所需的范围内。该波导还具有偏振模色散较低的特性。

Description

长距离的单模波导
                            发明背景
本发明涉及一种为中继器间距较长、数据速率较高的通信系统设计的单模光纤。尤其，本发明的单模波导将极佳的抗弯曲性、较低的衰减和较大的有效面积Aeff结合在一起，这些特征都是海底应用所需要的。
具有较大有效面积的波导将减少非线性的光学作用，其中包括自相位调制、四波混频、交叉相位调制和非线性散射过程等。所有这些作用都会使高功率系统中的信号劣化。一般，对这些非线性作用的数学描述包括比值P/Aeff，其中P是光功率。例如，非线性光学作用通常遵循包含exp(P×Leff/Aeff)项的方程，其中Leff是有效长度。因此，Aeff的增大会降低非线性对光信号劣化的贡献。
通信产业中，需要在无电信号再生器的情况下，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。授予Bhagavatula的美国专利4,715,679详细地揭示了一类分布设计，在本申请中，称之为分层纤芯设计。
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。
只有在规定了比特速率、比特误差率、多路复用方案以及光放大器(有可能)的特定通信系统中，定义高功率和长距离才有意义。有一些附加因素会对高功率和长距离的意义产生影响，它们都是本领域的熟练技术人员已知的。但是，对于大多数目的，高功率是指光功率大于约10mW。在一些场合下，1mW或更小的信号功率电平仍然会对非线性作用敏感，所以在一些低功率的系统中，Aeff仍然是一个重要的考虑对象。
长距离是指电信号再生器之间的距离超过100km。再生器将区别于使用光放大器的中继器。中继器间距，特别是高数据密度系统中的中继器间距可以小于再生器间距的一半。
为了给多路复用传输提供合适的波导，总色散应该较低，但不为零，并且在工作长度窗口范围内具有较小的斜率。在抑制形成潜在孤立子非常重要的系统中，波导光纤的总色散应该是负的，所以线性色散不能抵消高功率信号时产生的非线性的自相位调制。
关于这类波导纤维的一种典型情况是海底系统。为了在经济上可行，海底系统必须在没有再生器的情况下并且在扩展的波长窗口上长距离运载较速率的信息。本发明描述了一种新颖的分布，该分布能非同寻常地适用于这些严格的情况。以下详细给出用于这种系统的波导纤维的所需性能。
                            定义
下述定义符合本领域的普通用法。
—纤芯中各分层的半径是根据折射率定义的。一特定分层具有第一和最后折射率点。从波导中心线到第一折射率点所处位置的半径是纤芯区或纤芯分层的内半径。类似地，从波导中心线到最后折射率点所处的位置的半径是纤芯分层的外半径。
由以下对图1和图2的描述可见，分层半径可以用许多种方式方便地定义。由图2可以导出表1和表2，在该情况下，参考Δ％对波导半径的曲线图，如下定义折射率分布中各分层的半径：
*中央纤芯分层的半径r1是从波导的轴中心线量到外推中心折射率分布曲线与x轴的交点(即Δ％＝0的点)；
*第一环形分层的外半径r2是从波导的轴中心线量到第一环形分层分布曲线与一垂线的交点，其中所述垂线是从第一和第二环形分层分布曲线之间Δ％差值的一半处画下来的；
*第二环形分层的外半径r3是从波导的轴中心线量到第二环形分层分布曲线与一垂线的交点，其中所述垂线是从第二和第三环形分层分布曲线之间Δ％差值的一半处画下来的；
*对任何附加环形分层外半径的测量类似于第一和第二环形分层的外半径；以及
*最后环形分层的半径是从波导中心线量到该分层的中点。
分层的宽度是分层内半径和外半径之间的距离。应该理解，分层的外半径对应于下一分层的内半径。
对折射率分布曲线几何形状的特别定义没有任何特殊的意义。当然，当进行模型计算时，定义的使用必须与这里所做的相一致。
—有效面积为：
Aeff＝2π(∫E2rdr)2/(∫E4rdr)，其中积分限为0至∞，并且E是与传播的光有关的电场。有效面积与波长相关。计算有效面积使用的波长是位于为波导纤维设计的工作窗口处或附近的波长。对于工作在数百纳米波长范围内的波导纤维，可以分配不止一个Aeff。
—有效直径Deff可由下式定义：
Aeff＝π(Deff/2)2。
—相对折射率Δ％由下述等式定义：
Δ％＝100×(n1 2-n2 2)/2n1 2，其中n1为折射率分布曲线中分层1的最大折射率，而n2是一参考折射率，在本申请中取为包层的折射率。
—术语折射率分布曲线是在选定的一部分纤芯上Δ％或折射率与半径之间关系。
—术语α分布曲线是用Δ(b)％表示的折射率分布曲线，其中b是半径，并且该分布曲线遵循下述等式：
Δ(b)％＝Δ(b0)(1-[|b-b0|/(b1-b0)]α)，其中b0是折射率为最大值的径向点，b1是Δ(b)％为零的点，b的范围为bi≤b≤bf，这里，bi是α分布曲线的起点，bf是α分布曲线的终点，而α是实数指数。
其它折射率分布曲线包括阶跃型折射率、梯形折射率和带圆角的阶跃型折射率，其中圆角一般是由于掺杂剂在折射率快速变化的区域内扩散所产生的。
—总色散定义为波导色散和材料色散的代数和。在本领中有时将总色散称为色散现象。总色散的单位为ps/nm-km。
—波导纤维的抗弯曲性表述为在规定测试条件下的引入衰减。标准测试条件包括将波导纤维绕75毫米直径的心轴100周，以及绕32毫米直径的心轴一周。在每种测试条件下，测量弯曲引入的衰减，通常以dB/单位长度为单位。在本申请中，所用的弯曲测试是将波导纤维绕20毫米直径的心轴5周，当本发明波导纤维应用于更严格的操作环境中时，需要这种更高要求的测试。
                    发明内容
本申请新颖的单模光纤纤维满足下述高性能通信系统的要求。
本发明的第一方面是一种单模光纤，它包括至少具有两个分层的分层纤芯，分层纤芯外包裹着玻璃包层。在大约1530纳米至1570纳米的波长范围上，波导纤维的有效面积大于60微米2，最好大于65微米2。1550纳米处的衰减小于0.25dB/km，最好小于0.22dB/km。零色散波长在大约1565纳米至1600纳米的范围内。色散斜率在1560纳米处提供的色散比大约-0.5ps/nm-km负得更多，较佳的1560色散大约为-2ps/nm-km。一般，斜率的范围大约为0.10至0.14ps/nm2-km。波导纤维在1530纳米处的总色散在大约-7.2至-3.9ps/nm-km的范围内。在1530纳米至1570纳米的波长范围内，模场直径在大约7.9微米至9.75微米的范围内。
在获得这些性能的同时还能保持良好的抗弯曲性，即对于绕20毫米直径心轴5周的情况，引入的弯曲损耗不大于约5dB/m。另外，缆线形式的光纤的截止波长保持在大约1285纳米至1500纳米的范围内。附加的好处是偏振模色散小于约0.076ps/(km)1/2，一般为0.04ps/(km)1/2。
各分层的折射率分布曲线可以是上述任何一种，包括α分布曲线、阶跃型折射率分布曲线，或梯形分布曲线。除非在过程中插入特殊的阶梯，折射率分布曲线将在折射率骤变点处带圆角。圆角是由用来改变基础玻璃折射率的掺杂剂材料扩散所引起的。因此，任何折射率分布曲线在都可以在特定点带圆角。例如，具有正Δ％的阶跃型折射率分布曲线一般具有带圆角的上角和下角。
在本发明的一个实施例中，所有纤芯分层都具有正的Δ％。在另一实施例中，纤芯包括三个分层，第一分层为α分布曲线，第二分层为阶跃型分布曲线，第三分层具有带圆角的阶跃型分布曲线。下述表1给出了本实施例的几个例子。
在本发明的另一实施例中，纤芯区包括三个分层，并且已对中心作了掺杂剂扩散补偿，因此波导纤维中心线上或附近的折射率没有相对中心分布曲线的剩余部分减小。图3例示了这种中心线补偿，其中掺杂剂是锗。对扩散补偿的实施例显示出偏振模色散比可比较的未经补偿的波导纤维分布曲线平均提高大约5倍。新颖波导纤维的偏振模色散小于0.8ps/(km)1/2，一般小于0.04ps/(km)1/2。
在包含三分层的实施例中，从波导中心的数字1开始对各分层编号，分层纤芯可以用以下参数描述：
—Δ1％在大约0.75至1.25的范围内；
—r1在大约1.5微米至4.0微米的范围内；
—Δ2％在大约0.00至0.15％的范围内；
—Δ3％在大约0.2至0.7的范围内
—中点半径r3在大约4微米至8微米的范围内；以及
—第三分层的宽度在大约0.5微米至3微米的范围内。
较佳的范围是：
—Δ1％在大约0.85至1.20的范围内；
—r1在大约2.0微米至3.5微米的范围内；
—Δ2％在大约0.00至0.08％的范围内；
—Δ3％在大约0.3至0.7的范围内；
—中点半径r3在大约5微米至7.5微米的范围内；以及
—第三分层的宽度在大约0.8微米至2.0微米的范围内。
更佳的实施例是：
—Δ1％在大约0.95至1.15的范围内；
—r1在大约2.5微米至3.0微米的范围内；
—Δ2％在大约0.00至0.04％的范围内；
—Δ3％在大约0.3至0.7的范围内；
—中点半径r3在大约5微米至7.5微米的范围内；以及
—第三分层的宽度在大约0.8微米至1.5微米的范围内。
在另一实施例中，1560纳米处的总色散比大约-1ps/nm-km负得更多。
在又一实施例中，中心线扩散未补偿或部分补偿，致使在中心线上存在一个折射率的凹入部，其最小的Δ％不大于Δ1％大约0.20。凹入部一般呈倒置锥形，即锥顶向下，并且锥形最宽部分的半径不大于约0.4微米。
                          附图概述
图1a和图1b是是Δ％对半径的曲线图，每张曲线图都示出了与本发明折射率分布曲线类似的模拟折射率分布曲线。
图2是Δ％对半径的曲线图，示出了本申请中使用的对半径和宽度的定义。
图3是Δ％对半径的曲线图，示出了本发明的一个实施例。
                        本发明的详细描述
新颖单模光纤的特征是其分层纤芯设计，该设计提供上述不寻常的性能组合。这些性能可以通过以下方式获得，即为每个分层选择合适的折射率分布曲线形状，并为各分层选择合适的相对折射率Δ1％和径向宽度r1。众所周知，各分布曲线的参数会相互作用。例如，α大约为1的α分布曲线的中心区半径将具有与具有梯形折射率的中心区不同的半径，以提供具有基本上相同性能的光纤。
图2示出了这里使用的半径的定义。中心分层的半径用直线r1表示，该直线是从纤芯中心线画到外推直线14与水平轴的交点。分层的外半径是从中心线画到一垂线的直线r2，其中所述垂线从点18画下，而点18的相对折射率为分层16之相对折射率Δ2％和分层20之相对折射率Δ3％之差的一半。最后环形分层20的半径r3画到该分层的中点26。当选定最终分层的宽度w时，完全确定了几何形状。在图中，此宽度表示为点18和点22之间的直线w，其中点18和点22的折射率分别是分层16和20之间折射率差的一半以及分层20和包层24之间折射率差的一半。图中，将中心线凹入部的半径表示为直线30，该直线从中心线水平画到倒置锥形凹入部的最宽点。
图1a示出了三种计算机生成的分布曲线2、4和6。为清楚起见，中心分层和相关的外环形分层具有相应的编号。每个分布曲线都在中心线上具有一个倒置的锥形凹入部。当给定分层纤芯折射率分布曲线的总体形状时，便可以计算具有该分层纤芯形状的波导纤维的性能。在图1a的情况下，分布曲线4提供了所需的光纤特性。图1b示出了三种附加的分层纤芯分布曲线8、10和12。在该图中，分布曲线10产生所需的光纤性能。
图3所示的分布曲线是对具有本发明折射率分布曲线的波导纤维的测量结果。表1给出了用于此实施例的纤芯折射率分布曲线的参数。在本设计中补偿了中心线的扩散。
                  表1
  实际分布曲线
  Δ1％     1.15
  中心线上的Δ％     0
  Δ2％     0.05
  Δ3％     0.5
  r1μm     2.5
  r2μm     5.5
  wμm(最外环形分层)     1
将表1的参数作为目标制造大量的波导纤维，对这些波导纤维平均获得以下性能值：
—1550nm处的衰减为-0.204dB/km；
—模场直径为9.29μm；
—1550nm处的有效面积为70.9μm2；
—零色散波长为1576nm；
—1530nm处的总色散为(-5.565ps/nm-km)；
—1560nm处的总色散为(-1.892ps/nm-km)；
—缆线形式的截止波长为1429.6nm；以及
—偏振模色散为0.037ps/(km)1/2。
因此，制造结果提供了一种各方面都适于在诸如海底通信光缆等严峻环境中使用的波导纤维。这些制作结果还起到验证计算机模型的作用。
尽管这里揭示和描述了本发明的特定实施例，但本发明仅由后附的权利要求限定。

Claims (12)

1.一种单模光纤，其特征在于，包括：
分层纤芯，它至少具有两个分层，每个分层都具有半径ri、折射率分布曲线和相对折射率百分数Δi％，其中i是各分层的编号；和
包层，它包裹并接触纤芯，包层具有折射率nc；
其中，ri、Δi％和折射率分布曲线经选择，提供以下性能：
1550nm处的衰减不大于为0.25dB/km；
零色散波长在大约1565纳米至1600纳米的范围内；
1560纳米处的总色散在大约-3.5ps/nm-km至-0.5ps/nm-km的范围内；
1550纳米处的有效面积大于60μm2；
缆线形式的光纤的截止波长在大约1285纳米至1500纳米范围内。
2.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，任何分层的折射率分布曲线选自以下分布曲线组成的组：α分布曲线、阶跃型折射率分布曲线、带圆角的阶跃型折射率分布曲线以及梯形折射率分布曲线。
3.如权利要求2所述的单模光纤，其特征在于，所有Δi％都为正。
4.如权利要求2或3所述的单模光纤，其特征在于，纤芯具有一中心线和至少三个分层，第一分层从中心线开始，具有α大约为1的α分布曲线，第二分层与第一分层邻接，具有阶跃型折射率分布曲线，而第三分层与第二分层邻接，具有带圆角的阶跃型折射率分布曲线。
5.如权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于，在1560纳米处的总色散在大约-3.5ps/nm-km至-1ps/nm-km的范围内；
6.如权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于，偏振模色散不大于大约0.08ps/(km)1/2。
7.如权利要求4所述的单模光纤，其特征在于，纤芯包括三个分层，其中第一分层的Δ1％在大约0.75至1.25的范围内，半径r1在大约1.5微米至4.0微米的范围内，第二分层的Δ2％在大约0.00至0.15％的范围内，而第三分层的Δ3％在大约0.2至0.7的范围内，中点半径r3在大约4微米至8微米的范围内，宽度在大约0.5微米至3微米的范围内。
8.如权利要求4所述的单模光纤，纤芯包括三个分层，其中第一分层的Δ1％在大约0.85至1.20的范围内，半径r1在大约2.0微米至3.5微米的范围内，第二分层的Δ2％在大约0.00至0.08％的范围内，而第三分层的Δ3％在大约0.3至0.7的范围内，中点半径r3在大约5微米至7.5微米的范围内，宽度在大约0.8微米至2.0微米的范围内。
9.如权利要求4所述的单模光纤，其特征在于，纤芯包括三个分层，其中第一分层的Δ1％在大约0.95至1.15的范围内，半径r1在大约2.5微米至3.0微米的范围内，第二分层的Δ2％在大约0.00至0.04％的范围内，而第三分层的Δ3％在大约0.3至0.7的范围内，中点半径r3在大约5微米至7.5微米的范围内，宽度在大约0.8微米至1.5微米的范围内。
10.如权利要求7所述的单模光纤，其特征在于，还在中心线上包括一相对折射率凹入的部分，该凹入部呈倒置锥形，比Δ1％小不到大约0.20Δ％，倒置锥形的基底半径不大于大约0.4微米。
11.如权利要求8所述的单模光纤，其特征在于，还在中心线上包括一相对折射率凹入的部分，该凹入部呈倒置锥形，比Δ1％小不到大约0.20Δ％，倒置锥形的基底半径不大于大约0.4微米。
12.如权利要求9所述的单模光纤，其特征在于，还在中心线上包括一相对折射率凹入的部分，该凹入部呈倒置锥形，比Δ1％小不到大约0.20Δ％，倒置锥形的基底半径不大于大约0.4微米。
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