CN1144072C - 一种具有低非线性系数和大有效面积的光纤及光传输系统 - Google Patents

Abstract

一种传输光纤，具有一种折射率分布，在光纤内芯处有一个增大的折射率区，从该内芯径向向外的一个环形区具有超出内芯折射率的折射率，在内芯和环形区之间的截面区中至少有一个低掺杂物含量区。低损耗的包层围绕着该芯区。具有这种分区段芯分布的传输光纤提供了更大的有效面积，低的非线性系数，非零色散，和较平坦的色散斜率。

Description

一种具有低非线性系数和大有效面积的光纤及光传输系统

技术领域

本发明一般涉及一种其非线性效应的特性已得到改善的传输光纤，，特别是涉及一种用于波分复用(WDM)系统中的光纤，它具有两个折射率峰值，最大折射率差位于外层芯区。

背景技术

光通信系统中，在特定环境条件下，非线性光学效应会降低沿标准传输光纤的传输质量。包括四波混合(FWM)，自相位调制(SPM)，交叉相位调制(XPM)，调制不稳定性(MI)，受激布里渊散射(SBS)和受激喇曼散射(SRS)在内的这些非线性光学效应，尤其会在高能系统中引起失真。影响光纤中所传播脉冲的非线性效应的强度，与非线性系数γ和功率P的乘积有关。非线性系数的定义，如IEEE Journal of Quantum Electronics分册，Vol.QE-23，No.5，1987，Y.Kodama等人的论文“单模介质波导中非线性脉冲传播”中所给出的，表示如下：

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{{\mathrm{\λn}}_{\mathrm{eff}}}\frac{{\∫}_0^{\∞}n\left(r\right)n_2\left(r\right){\left|F\left(r\right)\right|}^4\mathrm{rdr}}{{\left[{\∫}_0^{\∞}{\left|F\left(r\right)\right|}^2\mathrm{rdr}\right]}^2}-----\left(1\right)$

这里r是光纤的径向坐标，n_eff是有效模折射率，λ是信号波长，n(r)是折射率的径向分布，n₂(r)是非线性折射率系数的径向分布，而F(r)是基模的径向分布。

申请人已经证明，公式(1)考虑了非线性折射率系数n₂的径向因变量，它是由用来相对于纯石英提高(或降低)折射率的光纤掺杂浓度变化而导致的。

如果我们忽略非线性折射率系数n₂的径向因变量，便得到系数γ的一个通用表达式。

$\mathrm{\γ}=\frac{2\mathrm{\π}{n}_2}{\mathrm{\λ}{A}_{\mathrm{eff}}}---\left(2\right)$

式中我们引入所谓有效芯面积，或称主有效面积，

$A_{\mathrm{eff}}=\frac{2\mathrm{\π}{\left[{\∫}_0^{\∞}{\left|F\left(r\right)\right|}^2\mathrm{rdr}\right]}^2}{{\∫}_0^{\∞}{\left|F\left(r\right)\right|}^4\mathrm{rdr}}---\left(3\right)$

与定义式(1)不同，近似公式(2)没有区分有效芯面积值A_eff相同而γ值不同的折射率径向分布之间的区别。1/A_eff经常用作传输光纤中非线性效应强度的测量值，公式(1)定义的γ实际上提供的是那些效应强度的一个很好的测量值。

群速色散也限制了长距离传输光信号的质量。在光脉冲长距离传输过程中，群速色散展宽了光脉冲，这可能导致光能量分散到该脉冲的时隙之外。尽管光脉冲的色散可以通过降低传输系统中再生器的间隔而有所减弱，但是该方法费用高且不能发挥无中继光放大的优势。

处理色散的一种已知方法是将适合的色散补偿装置(如光栅或色散补偿光纤)添加到电信系统中。

而且，为了补偿色散，光通信的一种趋势是倾向于采用孤子脉冲，一种特殊类型的RZ(归零)调制信号，在较长的距离上该信号通过自相位调制来平衡群速色散效应，进而保持其脉冲宽度。决定单模光纤中孤子传输的基本关系如下：

其中P₀是孤子脉冲的峰值功率，T₀是该脉冲的延续时间，D是总色散，λ是孤子信号的中心波长，而γ是前面引入的光纤非线性系数。为了在传输过程中将脉冲保持在孤子状态，必须满足等式(4)。

在符合等式(4)的孤子传输过程中，可能出现的问题是，传统传输光纤是有损耗的，这将引起孤子脉冲的峰值功率P₀沿着光放大器间光纤的长度成指数地下降。为了补偿这种下降，一种方法是可以在其发射点将孤子功率P₀设定为一个足以补偿随后在传输线上功率降低的值。另一种方法是，如F.M.Knox et al.，paper WeC.3.2，page3.101-104，ECOC′96，Oslo(Norway)中所述的例子，对脉冲沿传输线上积累起来的色散进行补偿(使用色散补偿光纤，虽然也可以使用布喇格光纤光栅)，其中这些脉冲的峰值功率低于孤子传输条件。

具有低非线性系数的光纤适宜用在诸如不归零光放大WDM系统等传输系统中，也可用在无放大系统中，以避免或限制上述非线性效应。而且，非线性系数低的光纤可以增大发射功率，同时使非线性效应保持在同一水平。依次增大发射功率意味着在接收机处有较好的S/N比(低BER)和/或通过增大放大器间隔而获得更长传输距离的可能性。因此，申请人已提议需要具有低非线性系数γ值的光纤。

另外，在孤子系统中，增大放大器之间间隔的一种方法可以是，用功率更高的放大器增大脉冲发射功率。但在此情况下等式(4)表示：如果发射功率增大且孤子脉冲延时保持不变，则比值Dλ²/γ也必须增大。所以，低的非线性系数值γ也是在孤子传输系统中提供更大在线放大器间距的需要。

一些专利和公开文献已经在讨论用分区段芯或双包层的折射率分布的传输光纤，和具有更大有效面积传输光纤的设计。例如，美国专利US.5,579,428公开了一种为采用光集总式或光分布式放大器的WDM孤子通信系统而设计的单模光纤。在预选的波长范围内，所公开的该光纤的总色散在一个预选的正值范围内，且高达足以平衡WDM孤子传输的自相位调制。而且，色散的斜率值在一个预选的范围内，且低到足以防止WDM孤子之间的碰撞并减小其时间上或光谱上的漂移。该’428专利提出的光纤是一种分区段芯的光纤，在其芯区内有一个折射率最大的区域。

美国专利US.4,715,679公开了一种具有低折射率的分区段芯光纤，以获得低色散，低损耗波导。该’679专利公开了一组折射率分布，包括在光纤内芯区之外但在外芯环形区之内的环形区具有折射率极大值区的理想分布。

美国专利US.4,877,304公开了一种光纤，它具有折射率极大值大于其包层折射率的芯分布。美国专利US.4,889,404公开了一种包括光纤的非对称双向光通信系统。尽管’304和’404专利都描述了可能有大折射率外环区的理想折射率分布，但是没有公开对应于那些分布的具体例子，而且这些专利也没有涉及到具有那些分布的光纤的非线性特性。

美国专利US.5,684,909，欧洲专利申请公开EP 789 255和EP.724,171公开了具有由分区段折射率芯分布构成的大有效面积的单模光纤。该专利和申请描述了计算机模拟而得到的具有大有效面积的光纤，它用于长距离高比特率光纤系统。’909专利表示了一个具有两个不相邻分布分段的芯分布，它有一个正的折射率和两个附加的不相邻负折射率分段。’909专利旨在通过分区段芯分布来实现具有基本为零的色散斜率的光纤。EP.789,255所公开的光纤其有效面积极大，它是通过分区段芯折射率分布来实现的，但是该分区段的芯是具有至少两个不相邻的负折射率分段。EP724,171公开了其中心具有折射率极大值的光纤。

美国专利US.5,555,340公开了一种具有分区段芯的色散补偿光纤，为的是获得色散补偿。’340专利公开了一种折射率分布，其中围绕着包层的树脂膜具有比光纤内芯更高的折射率。但是该树脂在光纤结构中不是用于低损耗的光导层。

发明内容

申请人已经注意到，折射率调节掺杂剂在光纤截面中的分布对光纤非线性特性具有显著的影响。申请人认为，非线性折射率n₂的贡献是使非线性系数γ在纯石英时保持常量，而且其径向变化量正比于折射率调节掺杂剂的浓度。添加到纯石英玻璃中使其折射率增大(如GeO₂)或减小(如氟)的掺杂剂，都使玻璃的非线性增大而超过纯石英的非线性值。申请人已经发现，已知的大有效面积光纤，在实现全面扩大其有效面积的同时，由于光场强度较高的光纤截面区的掺杂剂效应，而不能优化地减小γ。

而且，申请人注意到，折射率调节掺杂剂会增加光纤的损耗，尤其是由于增大了散射损耗所致。根据以上分析，申请人已可承担起开发具有低非线性系数γ和有限损耗的光纤的任务。

申请人已经开发出一种在光场强度较高处有较低掺杂剂浓度，而在光场强度较低处有较高掺杂剂浓度的光纤。

申请人已经发现，低非线性系数γ可以这样在光纤中实现：选择光纤折射率分布，使光纤中心截面区有第一峰值，外环有高于第一峰值的第二峰值，且在两峰值间的截面区有至少一个低掺杂物含量区。在该光纤中，内芯区外的光场强度增大。与较高场强相对应的低掺杂物含量区的存在大大降低了非线性系数，同时对光纤损耗的影响是有限的。

一方面，本发明的具有低非线性系数γ和大有效面积的传输光纤，包括一个芯区和围绕着该芯区的低损耗包层。该芯区包括：具有第一折射率极大值差Δn1、分布α和半径r1的玻璃内芯；径向围绕着该内芯的第一玻璃层，它具有小于Δn1的基本上不变的折射率差Δn2，并具有外径r2；以及径向围绕着该第一层的第二玻璃层，它具有大于Δn1的第二折射率差极大值Δn3，且宽度为w，其中所述的非线性系数γ在预选的工作波长范围内小于约2W^-1km^-1。第一玻璃层的折射率差Δn2其绝对值小于所述第二折射率极大值差Δn3的10％。更为优选地是，Δn2的绝对值小于Δn3的5％。最优选地是，Δn2在第一玻璃层中基本为常数。

优选地是，第二玻璃层的折射率峰值Δn3超过内芯折射率峰值Δn1的5％以上。

另一方面，本发明提供了一种光传输系统，包括一用于输出光信号的光发送器和一用于传输所述信号的光传输线，其中所述光传输线包括：

一个芯区，其包含

具有第一折射率差极大值Δn1、分布α和半径r1的玻璃内芯；

径向围绕着该内芯的第一玻璃层，它具有小于Δn1的折射率差Δn2，并具有外径r2；以及

径向围绕着该第一层的第二玻璃层，它具有大于Δn1的第二折射率差极大值Δn3，并具有宽度w，

和围绕着所述芯区的低损耗包层，

其中所述的非线性系数γ小于约2W^-1km^-1，

其特征在于所述折射率差Δn2其绝对值小于所述第二折射率差极大值Δn3的10％。

优选地是，所述低掺杂物含量区具有的折射率差，其绝对值等于或小于该光纤峰值折射率差(即外环折射率差)的15％。

在一个优选的实施例中，光传输系统还包括用于输出一组光信号的一组光发送器，其中每个信号都具有特定的波长，以及用于合并光信号以形成波分复用光通信信号并将合并的信号输出到所述光传输线中的合并器。

优选地是，所述传输光纤具有大于50km的长度。

优选地是，所述光传输线包括至少一个光放大器。

再一个方面，本发明的一种控制传输光纤中非线性效应的方法，包括以下步骤：产生光信号；将该光信号耦合到具有非线性系数的石英光纤中；在该光纤截面的中心区进行掺杂，以提供第一折射率峰值；加强与所述截面中心区外围的光纤截面区的光信号相关联的场强，通过在所述光纤的玻璃圆环形中掺杂，以提供高于第一峰值的第二折射率峰值。该方法包括将两峰值之间光纤截面区的掺杂浓度选择为预定值以下的步骤，由此降低光纤非线性系数。

附图说明

包括在说明书中并构成其一部分的附图，表示了本发明的实施例，并且与说明部分一起解释本发明的优点和原理。

图1是本发明传输光纤的截面图；

图2是图1中本发明第一实施例的光纤截面的折射率分布曲线图；

图3是作为本发明第一实施例的色散对内芯半径的计算机模拟曲线图；

图4是作为本发明第一实施例的有效面积对内芯折射率分布区的计算机模拟曲线图；

图5是作为本发明第一实施例的非线性系数γ对内峰值区的计算机模拟曲线图；

图6是作为本发明第一实施例的有效面积对第二玻璃层折射率的计算机模拟曲线图；

图7是作为本发明第一实施例的电场对光纤半径的计算机模拟曲线图；

图8A是作为本发明第一实施例的非线性系数对有效面积的计算机模拟曲线图；

图8B是作为传统的双层色散位移光纤的非线性系数对有效面积的计算机模拟曲线图；

图9是图1中本发明第二实施例光纤截面的折射率分布曲线图；

图10是图1中本发明第三实施例光纤截面的折射率分布曲线图；

图11是图1中本发明第四实施例光纤截面的折射率分布图；

图12是本发明第四实施例光纤总色散与波长的曲线图；

图13是图1中本发明第五实施例光纤截面的折射率分布图；

具体实施方式

现在将参照本发明的各个实施例、附图中表示的实例，对本发明进行说明使之显而易见。在附图中，相同的标号在不同的附图中尽量代表相同或相似的元件。

本发明的光纤具有一种折射率分布，该分布在径向上有两个折射率差的峰值区，其中两峰值中较大的一个位于第一峰值的径向外侧。申请人发现，具有这种特点折射率分布的光纤可以在工作波长1520nm至1620nm内产生某些光学特性，包括较低的非线性系数γ和较大有效面积。由于其特性，本发明的光纤尤其能够很好地用于长距离(如大于50km)光传输线和/或高功率信号(如在有光放大器的光传输线中)。而且，申请人发现，具有该折射率分布的光纤能够有效地作为非零色散光纤工作，以减小WDM系统中四波混合的非线性效应，非零正色散和非零负色散均可。而且，申请人认定具有该折射率分布的光纤能够有效地作为色散位移光纤工作，以减小光传输系统中的非线性效应。

如图1中标号10所示，具有低非线性系数γ的传输光纤包括多个玻璃导光层，它们有不同的折射率。如图1中光纤10截面所示，光纤轴心是内芯12，它具有第一折射率差极大值Δn1和半径r1。如本领域普通技术人员已经知道的那样，折射率差是指给定玻璃层与包层玻璃之间的折射率之差。即，具有折射率n1的内芯12的折射率差Δn1，等于n1-n_包层。玻璃芯12适宜由SiO₂掺入一种增大纯SiO₂折射率的物质构成，如：GeO₂。其它增大折射率的掺杂剂例如可以是Al₂O₃，P₂O₅，TiO₂，ZrO₂和Nb₂O₃。

第一玻璃层14围绕着该内芯12，且特征为其整个宽度上的折射率均小于内芯12半径r1沿线的折射率。优选地且如下文将详述的那样，第一层14由折射率差Δn2基本等于0的纯SiO₂制成。

沿着光纤10的长度方向，第二玻璃层16围绕着第一玻璃层14。第二玻璃层16在其宽度内具有折射率极大值Δn3，该值超过了内芯12中的玻璃折射率极大值Δn1。最后，低损耗的包层18按传统的方式围绕着第二玻璃层16，以协助传导沿着光纤10轴线传播的光。包层18可以包括折射率差基本等于0的纯SiO₂。如果包层18包含一些折射率调节掺杂剂，则包层在其宽度上应该具有均小于内芯12和第二层16折射率极大值的折射率。

图2表示了本发明第一实施例光纤10半径方向上的折射率分布。如图所示，光纤10具有两个分别位于内芯12和第二层16中的折射率峰值20和22。位于内芯12与第二层16之间的第一层14，相对于两个相邻层12和16提供了一个折射率降落。于是，内芯12，第一层14和第二层16合在一起提供了具有分区段芯的光纤分布，且在光纤截面内其外层具有最高的折射率。

如图2所示，根据本发明的第一实施例，内芯12具有大约为3.6μm至4.2μm的半径r1，但优选大约为3.9μm。在光纤中心与3.9μm半径位置之间，内芯12包含增大折射率的掺杂剂如GeO₂等，以在光纤10轴心处或附近产生一峰值，并在内芯外部半径处为最小。在该峰值处，内芯12的折射率差大约为0.0082至0.0095，但优选大约为0.0085。增大折射率掺杂剂的浓度从内芯12的中心到大约3.9μm处的外部半径是减少的，以此产生具有大致类似抛物线形的曲线斜率的分布。优选的抛物线形对应于分布α大约在1.7至2.0之间，但优选大约为1.9。一般地说，内芯12的分布是一种如下的α分布：

$\mathrm{\Δn}=\mathrm{\Δ}{n}_1[1-{\left(\frac{r}{r1}\right)}^{\mathrm{\α}}],r\∈[0,r1]---\left(5\right)$

如本领域普通技术人员已知的那样，分布α表示芯分布的圆度或曲率值，其中α＝1对应于三角形玻璃芯，而α＝2对应于抛物线。当α值大于2且接近6时，折射率分布更接近于阶跃式折射率分布。真正的阶跃式折射率由无穷大的α描述，但是大约4至6的α值是实际用途的阶跃折射率分布。如果用OVD或MCVD方法生产光纤，则分布α可以有沿着中心线在倒锥形中形成的折射率凹陷。

第一玻璃层14具有折射率差Δn2，表示为24，它小于Δn1。如图2所示，第一玻璃层14优选的折射率差Δn2具有大约为0的常量，其对应于纯SiO₂玻璃层。但是，第一玻璃层的折射率差可以不为零，由于折射率调节掺杂剂的存在，第一玻璃层14可具有低的掺杂剂含量。可以设想在第一玻璃层中折射率差是变化的。在任何情况下，来自内芯12或来自第二玻璃层16的折射率调节掺杂剂都可能在光纤制造过程中扩散到第一玻璃层14中。

申请人认为，为了实现上述优点和在第一玻璃层14中有较高的场强，如以光纤低损耗和低非线性来表示的第一玻璃层14中低掺杂剂含量对应于这样的掺杂剂含量，诸如能使第一玻璃层14的折射率差Δn2(按绝对值计)大约或适宜比光纤峰值折射率差，即第二玻璃层16的折射率差Δn3低15％。本领域普通技术人员可以采用这个值，得到具有与其所要的光学系统特性相匹配的非线性和/或损耗特性的光纤，光学系统的这些特性，如光传输线的长度、放大器的数量和间隔和/或功率，传输信号的数量和波长间隔。

根据一优选的实施例，改进了的光纤特性可以通过第一玻璃层14中的掺杂剂浓度来实现，如使折射率差Δn2的绝对值低于第二玻璃层16折射率差Δn3的10％。第一玻璃层中这个低掺杂剂含量，和该区域的较高场强组合，对光纤的非线性系数和损耗起到了很大的限制作用。

更为优选的光纤特性可以通过使折射率差Δn2的绝对值低于第二玻璃层16折射率差Δn3的5％来实现。

第一玻璃层14具有外径r2，如图2所示，它在9.0μm至12.0μm之间，但优选地是9.2μm。因此，本发明第一实施例中的第一玻璃层14具有大约4.8μm至8.4μm的宽度。

第二玻璃层16象内芯12一样，具有通过在该玻璃层宽度上掺杂GeO₂和/或其它公知掺杂剂而获得提高的折射率差。第二玻璃层16在其半径范围内具有基本为抛物线形的分布，峰值是折射率差的极大值Δn3，如图2中22所示，它超过了玻璃芯12的折射率差极大值Δn1和第一层14的折射率差Δn2。也可以设想在第二玻璃层中采用不同于抛物线形的折射率分布，例如圆弧或阶跃式的等等。

优选地，第二玻璃层16在其峰值处的折射率Δn3超过内芯12折射率峰值Δn1有5％以上。第二玻璃层16在其峰值处的折射率Δn3大约为0.009至0.012，但优选大约为0.0115。第二玻璃层16具有大约为0.6μm至1.0μm的宽度w，但优选大约为0.9μm。

光纤10的包层18具有折射率分布26，其折射率差基本等于0。如上所述，包层26适宜为纯SiO₂玻璃，但是也可以包括掺杂剂，只要它的折射率不高于内芯12和第二层16的折射率极大值20和22。

申请人发现，具有图2折射率分布的传输光纤10有几个WDM传输所需的光学特性。优选地，传输光纤10用于工作在1530nm至1565nm波长范围的传输系统，在该系统中，该光纤在整个工作波长范围内提供大约为5至10ps/nm/km的总色散。更优选地是，具有最佳实施例特性的光纤10在上述波长范围内显现出下列光学特性：

色散＝5-10ps/nm/km(5.65ps/nm/km@1550nm)

色散斜率@1550nm≤0.06ps/nm²/km(0.056ps/nm²/km)

宏弯衰减系数@1550nm＜1dB/km

有效面积＞45μm²

γ＜2W^-1km^-1(1.4W^-1km^-1@1550nm)

λ_cutoff＜1480nm(根据ITU.T G.650的光纤截止波长)

这些光学特性满足孤子和非孤子型WDM系统传输光纤所需的质量。

如上所述，非线性系数γ提供了光纤对非线性效应敏感程度的标志。其γ值小于2W^-1km^-1的光纤10，在因自相位调制，交叉相位调制等等而有可能引发严重问题的高能光传输系统中，显现出良好灵敏度。而且光纤10在1530nm至1565nm的工作波长范围内有非零的色散，这有助于抑制有害的四波混合。而且，在工作波长范围内较小的总色散斜率，能使光纤10在WDM系统中的载波波长之间提供较小的色散差。

图3-6更详细地表示了光纤10物理与光学特性之间的关系。这些附图代表了在考虑六个参数：内芯12的半径r1，内芯12的折射率极大值Δn1，内芯12的分布形状α，第一层14的外径r2，第二层16的宽度w，和第二层16的折射率极大值Δn3的情况下，光纤10各种物理与光学关系的计算机模拟结果。在图3-6曲线图所表示的模拟结果中，在上述六个参数的范围内，如：r1为3.6-4.2μm，Δn1为0.0082-0.0095，α为1.7-2.0，r2为9.0-12.0μm，w为0.6-1.0μm，而Δn3为0.009至0.012，这六个参数基本上是随机变化的。每个点代表不同组的六参数。模拟工作仅仅考虑满足Δn1＜Δn3的参数组。因此，全部的点都对应于其外部折射率峰值高于内部峰值的光纤。

如图3-6模拟结果所示，为了获得具有低非线性参数的光纤，内芯12的折射率分布区应被降低。加上折射率提高的外环，特别是第二玻璃层16，有助于获得有效面积大和非线性系数低的光纤10。尤其申请人已经发现，加上折射率提高的第二玻璃层，提高了掺杂剂含量低区域中的光纤截面电场分布，降低了光纤中心的电场分布，从而保持低的非线性系数γ。

而且，申请人发现，加上折射率提高的第二玻璃层，对整个光纤的色散影响很小，而且光纤的色散主要由内芯12折射率分布的半径r1确定。

图3表示半径r1与光纤10色散的关系。为了在给定波长λ处实现单模工作状态，r1的值适宜小于3λ。对给定的色散范围而言，可以确定折射率分布半径r1的合适范围。

为了抑制非线性效应且能够使用高功率，光纤10应该保持较大的有效面积，优选大于45μm²。降低非线性系数的方法可以有两种：减小内芯折射率分布区(即，图2中峰值20与坐标轴之间区域的面积)(图4-5)，或者增大第二外部峰值的折射率(图6)。图4和5表示一组计算机模拟的前期结果。在这些图中，为了清楚起见，在模拟过程中的半径r1定为常数，而且因此色散被基本上确定下来。为了减小内芯折射率分布区，减小给定半径r1的折射率差Δn1是有用的。在折射率Δn1减小时，有效面积增大，如图4所示，这是因为内芯12中电场的限制减弱了。

由于内芯折射率分布区的减小导致光纤有效面积的增大，所以该区域的减小还提供低的非线性系数γ，如图5所示。于是，具有低非线性系数γ的光纤10可以应付提高的功率和/或具有减小的非线性效应。

而且申请人认为，在内芯径向外处添加高折射率的横向区域将有助于获得较大的有效面积，并因而得到低的非线性系数γ。该横向峰值折射率带的加入，有助于产生更大的电场分布，而基本上不影响色散。

第二层16的径向位置、它的宽度和其折射率峰值，均对光纤的总有效面积有影响。例如，图6表示对有效面积与第二层16的折射率峰值进行对比的计算机模拟结果，其中为了清楚起见，其它光纤参数保持不变。如图6所示，外环16折射率差的增大导致光纤10有效面积的增大。

图7表示由于加上外环16，光纤10截面内的电场范围扩大了。在图7中，标号20和22分别表示内芯和外环，而标号23表示光纤半径范围内的电场分布。外部峰值的存在扩大了光纤中的电场分布。

申请人还确定，在芯的外环中具有如图2分布的最大折射率区的光纤，其A_eff·γ的乘积较小，即比其它具有相同有效面积的光纤有更小的γ。例如，图8A表示根据第一实施例的光纤10的γ与有效面积之间的模拟关系。与之对照，图8B表示传统双层色散位移光纤的γ与有效面积之间的模拟关系，其A_eff·γ的乘积不满足要求(即较大)。

简言之，光纤10提供了用于传输光学WDM信号的具有非均匀折射率分布的光波导，它的色散不为零且非线性系数较小。这些特征能使光纤10降低由于四波混合和/或使用高功率而引起的信号变劣。

图9表示图1中本发明光纤10的第二实施例。在第二实施例中，内芯12具有大约为2.3μm至3.6μm的半径r1，但优选大约为2.77μm。在光纤中心与2.77μm半径之间，内芯12包含一种或多种增大折射率的掺杂剂，如GeO₂等等，它在光纤10的轴心或其附近产生一折射率峰值，其在内芯的外径处为最小。在该峰值处，第二实施例中内芯12折射率Δn1大约为0.010至0.012，而且优选大约为0.0113。与第一实施例相同，内芯12中折射率调节掺杂剂的浓度按照从中心向外径大约2.77μm处的方式降低，以产生分布α大约为1.4至3.0的分布，优选大约为2.42。第二实施例中第一玻璃层14具有基本上为常数且被表示为24的折射率差Δn2，由于是未掺杂的石英玻璃，故大约为0。但是，如参照图2的第一实施例进行说明的前文所述，在第一玻璃层14中可以存在有低掺杂剂浓度。第一层14延伸到大约为4.4μm至6.1μm之间的外径r2，但优选大约为5.2μm。因此，本发明第二实施例的第一玻璃层14具有大约为0.8μm至3.8μm的宽度，但优选大约为2.49μm。

与第一实施例相同，第二实施例包括第二玻璃层16，象内芯12一样，它具有通过在该玻璃层宽度上掺杂GeO₂和/或其它公知掺杂剂而获得的高折射率差。第二玻璃层16在其半径范围内具有基本为抛物线形的分布，其峰值是折射率差的极大值Δn3，如图9中22所示。也可以设想在第二玻璃层16中采用除抛物线之外的折射率分布，如圆弧或阶跃式的等等。

优选第二玻璃层16在其峰值处的折射率Δn3超过内芯12折射率峰值Δn1有5％以上。第二玻璃层16在其峰值处的折射率Δn3大约为0.012至0.014，但优选大约为0.0122。

第二玻璃层16具有大约为1.00μm至1.26μm的宽度w，但优选大约为1.24μm。

优选光纤10用于工作波长在1530nm至1565nm范围内的传输系统，在该系统中，该光纤提供非零的正色散特性。非零色散的光纤是ITU-T Recommendation G.655中描述的。

根据图9第二实施例构造的光纤10，具有下列优选的光学特性(这些值是对1550nm波长给出的，除非另外指明)：

色散@1530nm≥0.5ps/nm/km

0.07ps/nm²/km≤色散斜率≤0.11ps/nm²/km

45μm²≤A_eff≤100μm²

1W^-1km^-1 ≤γ≤2W^-1km^-1

宏弯衰减系数≤0.01dB/km(光纤以30mm弯曲半径平缓地缠绕100圈)

微弯敏感度≤10(dB/km)/(g/mm)

λ_cutoff≤1600nm(根据ITU.T G.650的光纤截止波长)

具有上述所列光学特性的第二实施例的光纤10，为孤子和非孤子WDM系统提供了可接受的传输条件。

图10表示具有图1所示截面的光纤10的本发明第三实施例。第三实施例与第一和第二实施例一样，在该光纤的截面上包括：具有大折射率差Δn1和分布图形α的内芯，和具有低折射率差Δn2的第一玻璃层及有最大折射率产差Δn3的第二玻璃层。下面根据图10所示本发明第三实施例设定光纤10优选的物理参数。

内芯半径r1＝2.387μm

内芯折射率差Δn1＝0.0120

第一层半径r2＝5.355μm

第一层折射率差Δn2＝0.0

第二层宽度w＝1.129μm

第二层折射率差Δn3＝0.0129.

当然，这些优化的结构数值的改变不能变更其总的发明特征。根据本发明第三实施例的光纤10可以有利地获得以下优化的光学特性(在波长1550nm下)：

色散＝3.4ps/nm/km

色散斜率＝0.11ps/nm²/km

模式场直径＝9.95μm

有效面积＝90μm²

γ＝1.00W^-1km^-1

具有上述特性的第三实施例光纤10，为孤子和非孤子WDM系统提供了可接受的传输条件。

图11表示光纤10的第四种折射率分布，它产生非零正色散的光学特性。本发明图11光纤的物理特性包括：大约为3.2μm的内芯12半径r1，大约为2.9的内芯12折射率分布α，标号为20大约等于0.0088的内芯12最大折射率差Δn1，大约为7.2μm的第一玻璃层14的外径，大约等于0且标号为24的折射率Δn2，大约为0.8μm的第二玻璃层16宽度，和大约为0.0119且标号为22的第二玻璃层16折射率极大值Δn3。与图2的折射率分布一样，对于非零正色散光纤的图11的分布，具有特征性的许多高折射率，其中外部的峰存在于第二玻璃层16中，其基本为抛物线形状并且其最大值22超过内芯12中折射率最大值20。

有图11折射率分布的光纤10，在1530nm至1565nm的工作波段上提供正的光纤总色散。这种性能在光功率较高且会产生有害的四波混合产物的光学系统中是有用的。图12表示具有图11折射率分布的光纤其波长与模拟总色散的曲线图。如该图所示，图11的折射率分布在1530nm至1565nm波段上产生色散，其范围在0.76ps/km/nm与3.28ps/km/nm之间。特别是，具有图11所示折射率分布的光纤在1550nm处有下述光学特性：

色散＝2.18ps/nm/km

色散斜率＝0.072ps/nm²/km

宏弯衰减系数＝0.01dB/km

模式场直径＝9.0μm

有效面积＝62μm²

γ＝1.8W^-1km^-1

所有这些特性均符合ITU-T G.655有关非零色散光纤推荐值所述的范围。

图13表示光纤10的第四种折射率分布，它产生非零负色散的光学特性，并有较低的非线性系数。本发明图13光纤的物理特性包括：大约为2.4μm至3.2μm的内芯12半径r1，而优选大约为2.6μm；大约为1.8至3.0的内芯12折射率分布α，且优选大约为2.48；标号为20大约为0.0106-0.0120的内芯12最大折射率差Δn1，且优选大约为0.0116；大约为5.3μm至6.3μm的第一玻璃层14外径，优选大约为5.9μm，且有优选地大约等于0的标号为24的折射率Δn2；大约为1.00μm至1.08μm的第二玻璃层16宽度w，且优选大约为1.08μm；以及大约为0.0120至0.0132且标号为22的第二玻璃层16折射率极大值Δn3，优选约为0.0129.如前面解释的那样，第一玻璃层14中可以有低的掺杂剂浓度。与图2，9，10和11的折射率分布一样，非零负色散光纤的图13分布具有多个特定的高折射率峰值，其中外部峰值在第二玻璃层16中，其基本呈抛物线形，并且其最大值22超过内芯12中折射率最大值20。也可以设想在第二玻璃层16中采用除抛物线以外的折射率分布，如圆弧或阶跃式的等等。优选第二玻璃层16在其峰值处的折射率Δn3超过内芯12折射率峰值Δn1有5％以上。

具有图13折射率分布的光纤10，在1530nm至1565nm的工作波段上提供负的光纤总色散。这种性能在用于具有较高功率且会产生有害的四波混合产物的水下传输系统的光学系统中是有用的。特别是具有图13所示折射率分布的光纤在1550nm处提供下述光学特性，并具有最佳实施例的特性：

色散≤-0.5ps/nm/km(-2.46ps/nm/km)

0.07ps/nm²/km≤色散斜率≤0.12ps/nm²/km(0.11ps/nm²/km)

宏弯衰减系数≤0.01dB/km(0.0004dB/km)

模式场直径＝9.1μm

45μm²≤有效面积≤75μm²(68μm²)

1.2W^-1km^-1≤γ≤2W^-1km^-1(1.3W^-1km^-1)

λ_cutoff≤1600nm(根据ITU.T G.650的光纤截止波长)

现在将说明光纤10的第六种折射率分布，它将产生色散位移的光学特性，同时非线性系数较低。ITU-T推荐值G.653描述的是色散位移光纤。第六实施例光纤的物理特性为：大约为3.2μm的内芯12半径r1，大约为2.8的内芯12折射率分布α，标号为20大约等于0.0092的内芯12最大折射率差Δn1，大约为7.8μm的第一玻璃层14外径，并有大约等于0的折射率Δn2，大约为0.8μm的第二玻璃层16宽度，和大约为0.0118的第二玻璃层16折射率极大值Δn3。与图2，9，10，11和13的折射率分布一样，第六实施例色散位移光纤的分布具有多个特定的高折射率峰值，其中外部峰值在第二玻璃层16中，其基本呈抛物线形，并且其最大值22超过内芯12中折射率最大值20。也可以设想在第二玻璃层16中采用除抛物线以外的折射率分布，如圆弧或阶跃式的等等。优选第二玻璃层16在其峰值处的折射率Δn3超过内芯12折射率峰值Δn1有5％以上。

具有图13折射率分布的光纤10，在1530nm至1565nm的工作波段上提供低的光纤总色散绝对值。

特别是该光纤在1550nm处具有下述光学特性，另有注明的例外：

色散＝0.42ps/nm/km

色散斜率＝0.066ps/nm²/km

色散@1525nm＝-1.07ps/nm/km

色散@1575nm＝+2.22ps/nm/km

宏弯衰减系数＝0.6dB/km

模式场直径＝8.8μm

有效面积＝58μm²

γ＝1.56W^-1km^-1

λ_cutoff＝1359nm(根据ITU.T G.650的光纤截止波长)

本领域普通技术人员应该清楚，可以对本发明系统和方法作出各种修改和改变，均不脱离本发明的构思和范围。例如图中所示折射率分布这是示范性的优选实施例。精确的形状、径向距离和折射率差，可以由本领域普通技术人员以筒单变动而得到等效于本文所述的光纤，这均未脱离本发明的构思和范围。尽管给出的实施例描述了光纤工作在1530nm与1565nm波段的情况，只要现行或未来光通信系统提出具体的波长要求，本发明的光纤也可以传输其它波段的信号。尤其是本领域的普通技术人员可以设想，将所述的光纤或简单修改后的该光纤用于大约1520nm至1620nm的更宽波段中，在该波段石英能保持低的衰减特性。

本发明包括在所附权利要求书范围内对本发明所作的修改和改变。

Claims (20)

1.一种用于光传输系统且具有低非线性系数γ和大有效面积的传输光纤，它包括：

一个芯区，其包含

具有第一折射率差极大值Δn1、分布α和半径r1的玻璃内芯；

径向围绕着该内芯的第一玻璃层，它具有小于Δn1的折射率差Δn2，并具有外径r2；以及

径向围绕着该第一层的第二玻璃层，它具有大于Δn1的第二折射率差极大值Δn3，并具有宽度w，以及

围绕着所述芯区的低损耗包层，

其中所述的非线性系数γ小于约2W^-1km^-1，

其特征在于所述折射率差Δn2其绝对值小于所述第二折射率差极大值Δn3的10％。

2.如权利要求1的传输光纤，其中r1大约为3.6μm至4.2μm，r2大约为9.0μm至12.0μm，而且w大约为0.6μm至1.0μm。

3.如权利要求2的传输光纤，其中α大约为1.7至2.0。

4.如权利要求2或3的传输光纤，其中Δn3大约为0.009至0.012。

5.如权利要求4的传输光纤，其中Δn1大约为0.0082至0.0095。

6.如权利要求1-5中任意一个的传输光纤，其中在1530nm至1565nm的波长范围内光纤的总色散大约为5ps/nm/km至10ps/nm/km。

7.如权利要求1的传输光纤，其中r1大约为2.3μm至3.6μm，r2大约为4.4μm至6.1μm，而且w大约为1.00μm至1.26μm。

8.如权利要求7的传输光纤，其中α大约为1.4至3.0。

9.如权利要求7或8的传输光纤，其中Δn3大约为0.0120至0.0140。

10.如权利要求9的传输光纤，其中Δn1大约为0.0100至0.0120。

11.如权利要求1，7-10中任意一个的传输光纤，其中在1530nm至1565nm的波长范围内光纤的总色散约比0.5ps/nm/km大。

12.如权利要求1的传输光纤，其中r1大约为2.4μm至3.2μm，r2大约为5.3μm至6.3μm，而且w大约为1.00μm至1.08μm。

13.如权利要求12的传输光纤，其中α大约为1.8至3.0。

14.如权利要求12或13的传输光纤，其中Δn3大约为0.0120至0.0132。

15.如权利要求14的传输光纤，其中Δn1大约为0.0106至0.0120，Δn2大约为0.0。

16.如权利要求1，12-15中任意一个的传输光纤，其中在1530nm至1565nm的波长范围内光纤的总色散约小于-0.5ps/nm/km。

17.如权利要求1的传输光纤，其中Δn2的绝对值小于Δn3的5％。

18.如权利要求17的传输光纤，其中Δn2大约为0.0。

19.如权利要求1的传输光纤，其中第二玻璃层折射率差的极大值Δn3超过芯折射率差极大值Δn1的5％以上。

20.一种光传输系统，包括一用于输出光信号的光发送器和一用于传输所述信号的光传输线，其中所述光传输线包括：

一个芯区，其包含

具有第一折射率差极大值Δn1、分布α和半径r1的玻璃内芯；

径向围绕着该内芯的第一玻璃层，它具有小于Δn1的折射率差Δn2，并具有外径r2；以及

径向围绕着该第一层的第二玻璃层，它具有大于Δn1的第二折射率差极大值Δn3，并具有宽度w，以及

围绕着所述芯区的低损耗包层，

其中所述的非线性系数γ小于约2W^-1km^-1，

其特征在于所述折射率差Δn2其绝对值小于所述第二折射率差极大值Δn3的10％。

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