CN1160855A - 改进的色散位移光波导 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种新型的光纤，具有总色散斜率低，模场直径较大，有效面积较大和相对简单的纤心折射率分布设计等特点。纤心折射率分布由三段组成，三段纤心折射率分布的高度，宽度和位置是可调整的，以提供足够的灵活性以满足色散位移光纤的技术要求，该光纤能限制四光子混频或自相位调制。新型波导的特点是：模场直径≥7.5微米，总色散斜率≤0.070ps/nm²-Km。

Description

改进的色散位移光波导

本发明涉及一种单模光纤，其色散零点位移至波长1550纳米附近，且有效面积大，总色散倾斜小，这种新型光纤的折射率分布是在美国专利申请第08/378,780号上揭示和描述的折射率分布中的一种。

这种新型单模波导的设计用于保持模场直径大小，以限制由于信号功率强度大而产生的非线性作用。另外，这种新型的光纤采用简单的折射率分布设计，提供低衰减和耐弯曲性，从而使得制造成本降低。由于属于本发明范围的某些折射率分布，归一化的波导色散对于波长的曲线是双峰的。因此提供了可以应用于高性能的远距离通信系统的附加特性。

采用大功率激光器，高数据率发射机和接收机和波分复用(WDM)技术的远距离通信系统，需要总色散率非常低但不为零，偏振模色散(PMD)非常低的光纤。另外，光纤必须具备基本消除如自相位调制(SPM)，和四波混频(FWM)等非线性现象的特性。降低功率强度可限制自相位调制，用在一个色散为非零的波长范围内的操作来控制四波混频。

更进一步的要求是光波导与含光放大器的系统之间的兼容。

为了提供这些高精密系统所需特性的光波导。曾对多种折射率分布进行模拟并测试复合。Bhagavatula的4,715,679号美国专利已经讨论过纤心设计。提供了适合新系统要求的灵活性，同时保持了基本要求。例如，小的衰减，狭的几何公差。可容许的耐弯曲性和高的抗拉强度。此外，某些复合纤心设计较容易制造。因而，提供了提高的光波导性能而不使成本过分升高。

在08/378,780号美国专利申请描述的，具有不寻常特性的一种特殊的纤心折射率分布已被发现。

在采用波分复用的远距离通信系统中优选的光波导应具有在多路复用信号的波长范围内保持平坦的总色散。对于使用光放大器或使用高信号功率的那些系统，非线性效应如四波混频和自相位调制成为系统的限制因素。

因而，需要一种光纤，为便于波分复用，它具有低的总色散斜率，为限制四波混频它允许控制总色散，并且它保持相对较大的模场。所以光纤每单位截面的功率不太大，从而限制了自相位调制。

此外，人们希望保持与简单的折射率分布(如阶跃折射率)波导有关系的简单制造和低成本。

用折射率规定纤心区域的半径，一特殊区域起始于该区域折射率特征的始点并终止于该区域折射率特性的终点。除非另有说明，本文中，半径取此规定。

-术语％Δ：表示折射率差的相对大小，用下列方程定义。 $\%\mathrm{\Δ}=100\×(n_r^2-n_c^2)/2n_r^2$ 其中n_r是给定纤心区域内的最大折射率；而n_c是给定色层区域内的折射率。

-术语α：折射率分布指的是一种折射率分布。用％Δ(r)表示，％Δ(r)如下列方程所示。

        ％Δ(r)＝％Δ(r₀){1-[(r-r₀)/(r₁-r₀)]^α}这里，r的范围是r₀≤r≤r₁，％Δ如上定义，α是一个指数，用于确定折射率分布的形状。有效面积是： $\mathrm{Aeff}=2\mathrm{\π}(\∫E_r^2\·d_r{)}^2/(\∫E^4\mathrm{rdr})$ 其中积分限从0至∞，E是与传播光相关联的电场。

-归一化波导色散按Bhagavatula的′679号专利定义为Vd²(bv)/dv²。

这里揭示的新型光纤满足对高性能的需要，该光纤色散斜率低，有效面积大，即Aeff＞60μm²。此外，可以作出新型的折射率分布设计以提供归一化波导色散对于λ/λ_c的双峰曲线。双峰用于描述一曲线，该曲线由两部分组成。第一部分有第一斜率，而第二部分有第二斜率，在某种情况下，归一化波导色散曲线第一部分是平坦的，因而确定了一个波长间隔为λ_o，在此间隔内λ_o以及总色散对生产中的改变不敏感。曲线的另一部分具有较陡的斜率，典型的斜率约大于2，这样，提供了一个波长间隔，其中，光纤几何尺寸或折射率分布有小的变化，则产生大的λ_o变化，因而产生总色散的变化。为使总色散值在正值和负值之间变化，对波导几何形状或折射率分布的后一响应是理想的。从而，控制了一段光纤长度的总色散，总色散的控制可以理解为对于整个光纤长度而言总色散是小的，而在光纤的任何显著的长度段中，其总色散非零。这样，非线性四波混频效应很容易地被消除了。

具有上述缺点和有利性质的新型光纤的第一个方面是单模光纤，其零色散波长在1500至1600纳米的范围内，即波导是色散位移的。光纤纤心的折射率分布具有三段：

中心段，半径为A₁，这里半径是从波导中心线量得的距离，它具有α折射率分布，其中α＝1，最大折射率n₁和折射率差Δ₁％；

第二段，起始点位置紧接在A₁点之后，而终点位置在半径A₂处，具有最大折射率n₂和折射率差Δ₂％；

第三段，起始点位置紧接在A₂点之后，而终点位置在半径A处，具有最大折射率n₃和折射率差Δ₃％。

参数之间的关系是：

                     n₁＞n₃＞n₂≥n_c

                 A₁/A在0.4至0.6的范围内；

                 A₂/A在0.78至0.88的范围内；

              Δ₃％/Δ₁％在0.16至0.39的范围内。

这些关系式形成光纤的特性，零色散波长在1520纳米至1600纳米的范围内，而总色散斜率≤0.85PS/nm²-km。

第一方面的实施例有：

A₁在3.25微米至3.50微米范围内；

A₂在5.55微米至6.05微米范围内；

A在6.5微米至7.0微米范围内。

Δ₃％与Δ₁％之比Δ₃％/Δ₁％约为0.165，而Δ₁％在0.9～1.0％之间。本实施例具有的特性是：零色散波长在1530纳米至1550纳米的范围内，总色散斜率≤0.07PS/nm²-km，以及模场直径≥8.4微米。

在本实施例的子类中，第二纤心段有一平坦的折射率分布，n₂≈n_c，第三纤心段具有梯形形状，其顶部基本上是平坦的。

第一方面的另一实施例具有：

A₁在3.25微米至3.75微米的范围中；

A₂在5.1微米至6微米的范围中；

A在6.5微米至7.5微米的范围中；

Δ₃％/Δ₁％之比值约等于0.18，而Δ₁％约为0.9至1％，以产生下述波导性质：零色散波长在1535纳米至1585纳米的范围内。总色散斜率≤0.065ps/nm²-km，模场直径≥7.5微米和双峰的归一化波导色散斜率。

在此实施例子类中，第一纤心段有一其形状如倒置锥形的中心部分，底部半径不超过约1.5。在第1纤心折射率分布段的末端附近是三角形α折射率分布的斜率也是下降的，这两个中心纤心段的特征代表生产过程中，掺杂剂扩散或渗出波导预制棒，在大多数场合，这种扩散现象不对波导特性起明显的影响，然而，如果这种扩散确实显著改变了波导的性能，则对扩散的补偿可以在制造预制棒的步骤中完成。这样，它们的存在使模拟的折射率分布与实际的折射率分布更好地一致。第二纤心段具有一平坦的折射率分布，而n₂近似等于n_c。

这一子类的归一化波导色散的双峰性质可以用光纤截止波长λc和工作波长(或信号波长)λ来描述。特别当0.68≤λ_c/λ≤0.8时，归一化波导色散曲线基本上是平坦的，而对于λ_c/λ＞0.8，归一化波导色散大于2。

与第一方面类似，本发明的第二方面，可定为有三段纤心的光纤。其中心段具有阶跃折射率分布，保持类似的术语定义n₁＞n₃＞n₂≥n_c，A₁/A约为0.3，A₂/A约为0.85，而Δ₃％/Δ₁％约为0.39。如此描述的新型光纤波导，在1520纳米至1600纳米波长范围内有一零色散。总色散斜率≤0.070ps/nm²-km。

第二方面的实施例有：

A₁在2.25微米至2.55微米范围内；

A₂在6.35微米至7.4微米范围内；

A约在7.5微米至8.5微米范围内，Δ₃％/Δ₁％约为0.39，而Δ₁％约为0.6％，本实施例的光纤在1525纳米至1600纳米范围内有一零色散波长。总色散斜率≤0.07ps/nm²-km，而模场直径≥8.0微米。

本实施例的一个子类，具有折射率分布基本上平坦并大体等于n_c的第二段，第三纤心段的折射率分布是梯形的，归一化波导色散曲线是双峰的。用如下的截止波长与信号波长之比的范围来确定，对于0.72≤λ_c/λ≤0.80，归一化波导色散曲线基本是平坦的，而当λ_c/λ＞0.80时，曲线斜率约大于2。

可以理解，上述折射率分布的小的变化不会影响光纤波导的性质或特性，此外，等效折射率的概念是现有技术中公知的。等效折射率分布是在光纤中基本上可以互换的。

这里描述的新型的折射率分布系统，包括等效折射率分布和仅与所描述的折射率分布有微小的变化的替换分布。例如，一阶跃段可能是具有圆角或斜斜的边，或者凹或凸的顶部，另外，在某些生产波导预制棒的方法中出现的掺质剂扩散现象，通常也不显著影响光纤的性质和特性。然而，如果扩散确实显著改变了波导性质，则在生产预制棒步骤中可对扩散进行补偿，为了在光纤中得到所希望的性质，波导纤心的百分Δ或形状比可以调节(即调整)。

图1是三段纤心图，该纤心具有三角形，(即α＝1)的中心折射率分布。

图2a是三段折射率分布图。其中，中心段具有形状为倒置锥形的中心部分，以及斜率小于1的端部。

图2b是归一化波导色散VS，λ_c/λ的曲线图，该图与如图2a所示的折射率分布相关。

图3a是三段折射率分布图，该折射率分布具有一阶跃分布作为中心段。

图3b是归一化波导色散图。对λ_c/λ的曲线图，该图与如图3a所示的折射率分布相关。

阶跃折射单模光波导已成为工业标准，因为它具有宽频带，低衰减，以及折射率分布设计简单等优点。这种光纤对于电信工业特别有吸引力。这是由于折射率分布的设计简易，转化为制造商和安装者的低成本。

然而，随着对高性能波导的要求的增多，需要有更多灵活性的折射率分布设计。这里揭示的新型分段式纤心是在Bhagavatula的4,715,679号美国专利中揭示。并在08/378,780和08/323,795美国专利申请中进一步详细地阐明的折射率分布中的一种。这种三段式纤心的设计，(它是本申请的主题)具有足够的灵活性来满足高性能通信系统更广泛的需要。

由于如′679号专利所述，分段式纤心折射率分布的个数实际上是无穷的。因此根据纤心折射率和心线几何参数用一模型来计算光纤性能便于研究特殊的折射率分布形式。

对于本发明的主题，光纤的功能性要求包括低色散斜率，在1550纳米衰减窗口内工作，以及在1550纳米处的有效面积大于约60微米²，模场直径最好保持不变或相对于标准色散位移光纤增加。

在寻找满足这些要求的折射率分布时，有一附加的好处被发现。对于某些新型三段式折射率分布，在Bhagavatula的′679号专利定义为Vd²(vb)/dv²的归一化波导色散，对于比值λ_c/λ作的曲线(这里λ_c是截止波长，λ是信号波长)呈现双峰的斜率。曲线的第一部分基本上是平坦的，这样，零色散波长和截止波长对于光纤几何尺寸的改变(如纤心的半径)较不敏感。因此放宽了制造分差，而增加了所选优良产品的百分比。

归一化波导色散曲线的第二部分呈现一个大于2的斜率，对于这部分曲线，根据光纤几何形状，零色散波长和截止波长可以具有大范围改变的数值，于是，一种控制色散的波导更容易制造。因为波导的总色散在正值和负值之间改变更容易实现。采用这种方法，可以使得沿光纤的全长总色散很小。然而，沿着光纤的任意子长度内，总色散为非零。所以，控制了四波混频而总色散并没有多大损失。

一个有三段的光波导如图1所示。注意，半径A₁A₂和A的定义如图1所示。中心段2是一个α折射率分布，其中α＝1，即三角形折射率分布，所示的第二段4，有数种可能的折射率分布，包括平坦的折射率分布，其折射率等于n_c，阶跃折射率分布10和更普通的曲线折射率分布8。选择折射率分布，使得n₁＞n₃＞n₂≥n_c这里折射率下标相应于段号。第三段如梯形6所示。应该理解，对折射率分布6作的小改变，实质上，不会显著影响波导功能。例如，梯形的顶部可以是倾斜的，也可以是弯曲的。例1.三段折射率分布α＝1

在寻找低色散斜率和第二窗口零色散波长λ_o时，对具有如图1所示的折射率分布形状的一系列波导建立模型，找出合适的折射率分布参数是：

A₁/A～0.5；A₂/A～0.86；Δ₃％/Δ₁％～0.165。表1示出二种波导的模型的特性参数。

                                     表1

A微米	Δ1纳米	λc纳米	λo纳米	斜率PS/nm2-km	模场微米
						7.06.5	0.90.9	～1080～1000	-15301550	0.0700.065	～8.4～8.7

表1示出了具有很低的色散斜率和较大的模场直径的色散位移光纤，对于这些波导Aeff＞70微米²。

在这个例子范围内的另一光纤，具有A₁/A＝0.46；A₂/A＝0.84-0.85，Δ₃％/Δ₁％＝0.39；A＝7.1-7.2，和Δ₁％～0.9％。在这种情况下在约0.85ps/nm²-Km处，色散斜率稍高，但Aeff增加，其值在约75至80微米²的范围内。

类似图1的实施例，由图2a所示。在此情形中，模拟的折射率分布加以修改以较好地反映实际生产条件，有些光纤预制棒制造技术需要对预制棒作高温处理，而这种处理是该棒仍然处于微粒形式(它不同于已凝固成玻璃的形式)时进行的。在作这样的处理步骤时，掺杂剂离子渗出玻璃微粒或经玻璃微粒扩散，并不罕见。

渗出和扩散的结果由图2a的折射率分布表示。在中心线上的倒置锥形区域20，或许是由于掺杂剂渗出微粒造成的，锥形12的底部半径通常不大于1.5微米，折射率分布部分14和18表示掺杂剂从具有较高掺质剂浓度的相邻的折射率分布段扩散到区域22中。由此，α＝1的折射率分布部分24，具有渐变部分14，而梯形折射率分布16具有展宽的底部和不太陡的两侧斜率。例2，三段：α＝1掺杂剂扩散

一种三段光波导用如图2a所示的折射率分布作模型，A₁、A₂、A的径向位置示于图2a的水平轴。在这个模型计算中。所用的折射率分布参数是A₁/A～0.50；A₂/A～0.79；和Δ₃％/Δ₁％～0.18结果如表2所示。

                                     表2

A微米	Δ1％	λc纳米	λo纳米	斜率ps/nm2-Km	模场微米
						6.57.07.5	1.01.01.0	125013501445	15851 5651 535	0.0650.0630.060	7.87.5

模型的结果示出非常低的总色散斜率，以及在1550纳米的λ_o上下变化的能力。后一个特征使得该设计适用于上述色散受控波导。模场直径适合于中等信号功率强度。

相对于例2的折射率分布的归一化波导色散对λ_c/λ的曲线图如图2b所示。曲线的平坦部分2b是其中λ_o对光纤的几何尺寸在制造过程中的变化不敏感的设计区域。曲线的较陡峭部分28是在制造色散受控光纤中有用的设计区域。

如图3a所示的本发明的实施例设计特别简单，制造比较容易，因此，可实现低成本的生产过程。中心的阶跃折射分布30以较低折射率的段32与梯形区域34隔开。阶跃段和弯曲段36和38表示为段32的替换物。其折射率近似等于色层的折射率。例3，阶跃折射率

如图3a所示的折射率分布(其第二段取折射率分布32)利用下述参数来建模：

A₁/A～0.3；A₂/A～0.85 Δ₃％/Δ₁％～0.39

模型结果如表3所示。

                                    表3

A微米7.58.08.5

Δ1％0.60.60.6

λc纳米124013231400

λo纳米157915751526

斜率ps/nm2-Km～0.070～0.060～0.053

模场微米～9.4～8.4～8.1

注意，对后面两个例子的光纤，总色散斜率非常低，而模场直径＞8.0微米。例1有特别大的模场直径，而其总色散斜率仅为0.070ps/nm²-Km。

从这些例子还可注意，以更高的总色散斜率为代价，Aeff可以增加。特殊的应用决定了人们如何选择以对波导的性质加以折衷。

对于这种折射率分布的设计，有一幅相关的归一化波导色散对于比值λ_c/λ的双峰曲线，参看图3b，对于λ_c/λ在约为0.72至0.8的范围内曲线相当平坦。对于λ_c/λ大于0.8，曲线的较陡部分其斜率通常大于2。

本发明提供一个三段纤心光纤，该光纤：

-能作为一种失散受控波导生产；

-设计简单因而制造成本低；

-提供高比特率系统所需的非常低的总色散斜率。这些系统可采用波分复用或具有长的再生器间隔。

保留足够大的模场直径以限制非线性光学效应，如四光子混频和自相位调制或交叉相位调制。

Claims (8)

1.一种失散位移单模光纤，其特征在于包括：

纤心区域，它具有包括三段的折射率分布，

第一段，具有在光纤中心线上的起始点，在半径A₁处的终点，最大折射率n₁和折射率差Δ₁％和一个α折射率分布，其中α＝1，

第二段，具有紧接在半径A₁之后的起始点，在半径A₂处的终点，最大折射率n₂和折射率差Δ₂％，和

第三段，具有紧接在半径A₂之后的起始点，在半径A处的终点，最大折射率n₃和折射率差Δ₃％；

环绕所述纤心区域的包层，所述包层具有最大折射率n_c；

其中，假若，它具有一α折射率分布，n₁＞n₃＞n₂≥n_c，则A₁/A在0.40～0.60的范围内，A₂/A在0.78至0.88的范围内，Δ₃％/Δ₁％在约0.16至0.39范围内。或者，如果它具有一个阶跃折射率分布，n₁＞n₃＞n₂≥n_c，则A₁/A约为0.30，A₂/A约为0.85，而Δ₃％/Δ₁约为0.39；

所述单模光纤在1520纳米至1600纳米的范围内有一零色散波长，如果所述单模光波导有一α分布，则总色散斜率≤0.095ps/nm²-Km，或如果所述单模光波导有一阶跃折射率分布，则总色散斜率≥0.70ps/nm²-Km。

2.如权利要求1的单模光纤，其特征在于，如果它有一个α折射率分布，A₁在3.25至3.50微米的范围内，A₂在5.55至6.05微米的范围内，A在约6.5至7.0微米的范围内，Δ₃％/Δ₁％约为0.165，而Δ₁％约在0.9至1.0之间，因此，在1530纳米至1550纳米范围内提供一个零色散波长，Aeff＞60微米²总色散斜率≤0.070ps/nm²-Km和模场直径≥8.4微米，或者，如果它有一阶跃折射率分布，A₁在2.25微米至2.55微米的范围内，A₂在6.35微米至7.4微米的范围内，A在7.5微米至8.5微米的范围内。Δ₃％/Δ₁％约为0.39，Δ₁％约为0.6，由此，在1525纳米至1600纳米的范围内，提供一个零色散波长，Aeff≥60微米²提供总色散斜率≤0.07ps/nm²-Km，以及模场直径≥8.0微米。

3.如权利要求1或2的单模光纤，其特征在于所述第二段有一平坦的折射率分布，而折射率n₂约等于色层的折射率，以及所述第三段具有梯形的折射率分布。

4.如权利要求1或2的单模光纤，其特征在于A₁在2.55微米至3.0微米的范围内，A₂在4.2微米至5.8微米的范围内，A在约5.0微米至6.9微米的范围内，Δ₃/Δ₁％在0.25至0.39的范围内，以及Δ₁％约为0.9至1.0％，由此在1530纳米至1550纳米范围内提供零色散波长，提供总色散斜率≤0.095ps/nm²-Km，Aeff≥75微米²以及模场直径≥9.6微米。

5.如权利要求1的单模光纤，其特征在于A₁在3.25微米至3.75微米的范围内，A₂在5.10微米至6微米范围内，A在约6.5微米至7.5微米的范围内，Δ₃％/Δ₁％约为0.18，而Δ₁％约为0.9至1.0％，由此，在1535纳米至1585纳米的范围内提供一零色散波长，提供总色散斜率≤0.065ps/nm²-Km，模场直径≥7.5微米，以及一条双峰的归一化波导色散曲线。

6.如权利要求5的单模光纤，其特征在于，所述第一段进一步以一中心凹陷的段为特征，该区域是一个倒置锥形，其底部半径不大于1.5微米，在靠近A₁的折射率分布，斜率小于α＝1的α折射率分布的斜率，所述第二段具有一平坦折射率分布，并且折射率约等于色层的折射率，以及所述第三段有一梯形折射率分布。

7.如权利要求6的单模光纤，其特征在于所述单模光波导以归一化波导色散对λ_c/λ的曲线为特征，λ_c为截止波长，λ为信号波长，当λ_c/λ在0.68至0.8范围内，归一化波导色散对λ_c/λ的曲线有一接近零的斜率，而对于λ_c/λ＞0.8时，其斜率＞2。

8.如权利要求3的单模光纤，其特征在于，所述单模光波导以归一化波导色散对λ_c/λ的曲线为特征；λ_c为截止波长，λ为信号波长，对于λ_c/λ在0.72至0.8的范围内，所述归一化波导色散曲线有一接近零的斜率，而对于λ_c/λ＞0.8，其斜率＞2。

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