CN1185589A - 色散平衡的光缆 - Google Patents

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Abstract

一种减少波分复用(WDM)系统中四光子混合并有效地将累加色散D大致减小到零的色散平衡光缆。色散平衡光缆(90)包括一或多个有正色散D1的光纤(90－1)和负色散D2的光纤(90－2)。在同一根色散平衡光缆中最好包含相同数目的正负色散光纤。可利用各种结构光缆(60,80,90)。一种改进WDM系统100联结两个色散平衡光缆(90－90),跨接点105设置在光缆(90)的正色散光纤(90－1)和另一光缆(90)的负色散光纤(90－2)之间。

Description

色散平衡的光缆
本发明涉及利用光纤的信息传输领域，尤其涉及光缆的设计。
光通讯的发展由于可利用光纤超常的带宽而得到了推进。这样的带宽使得数以千计的电话通话和电视频道能够同时通过通常由优质玻璃材料制成的头发丝般粗细的光纤进行。光主要在光纤的芯区传输，因为纤芯有略高于周围区域的折射率。光传输相对于用金属线的传输有着显著的优越性，但光纤确实具有损耗并且没有无限的带宽。
就损耗而言，在被用于制作光纤的玻璃材料(接近纯二氧化硅-SiO2)质量方面已取得了惊人的进展。在1970年玻璃纤维可接受的损耗范围是20db/km；而现在损耗在0.22-0.25db/km范围内属于常规范围。确实，玻璃纤维最小损耗的理论值约为0.16db/km，它发生在大约1550nm的波长处。
各种机制限制着光纤的带宽。例如，在多模光纤中有模式色散，进入光纤一端的光脉冲当在光纤另一端出现时将被展宽。这是因为多模光纤支持着某一特殊波长数以百计的不同模式(路径)。并且当不同的模式在光纤的另一端汇合时净结果就是脉冲展宽。但是，可把光纤设计成仅支持某一特殊波长的基模，此种光纤因而被称为单模光纤。这种光纤有特别宽的带宽。但即使如此，被引入单模光纤一端的光脉冲在另一端出现时仍有些展宽。这是因为单波长光源的开启和关闭(即光脉冲)行为产生大量的相关谐波波长，不同波长的波以不同的速度通过玻璃。因此入射到玻璃纤维一端的光脉冲在到达另一端时因不同的波长(颜色)于不同时刻到达而发生展宽。不足为奇，这就称为波长色散(chromaticdispersion)，是光学领域的术语相当于电子工程上的延迟畸变。
如图1所示，在一种典型的玻璃纤维中800nm波长的光脉冲在900nm波长光脉冲之后约10ns到达。表示光纤波长色散特性的通用方法是采用图1中延迟曲线关于波长的导数。此导数仅仅是作为波长函数的延迟曲线的斜率并被称为波长色散(D)，如图2中曲线所示。通常用于制作光纤的玻璃组份在1310nm区域中的λ0波长处色散为零。但如上所述，玻璃纤维最小损耗的理论值在1550nm区域内。有趣的是这种性质对这个波长领域的光传输还有点益处，因为那儿正是实际光纤放大器的工作区。(掺铒光纤用于放大波长在1530-1565nm区域内的光信号，在此波长范围有Er3+掺杂离子的迁移。)
已经知道，可以通过适当控制掺杂物质、掺杂浓度、光芯直径和折射率分布把单模光纤设计成在1300-1700nm范围中任一波长处λ0色散为零。由于在1550nm区域内工作的必要性，单模光纤被设计成在大约1550nm处有λ0波长的零色散。这种光纤已非常流行并通常被称为色散移位光纤(DSF)。
光纤的数据传输速率通过波分复用(WDM)法提高，在WDM法中几个通道被复用在一个单光纤中，每个通道进行不同的波长传输。利用安装好的无色散移位光纤可以证明在1550nm区域传输四个间隔约为1.6nm的通道，容量比单通道工作增加到四倍，4×2.5Gb/s＝10Gb/s(1Gb/s＝10亿位/秒)。但发现4-通道WDM操作必定受DSF的使用排斥，因而还发现已经就位的DSF不是被限制于单通道的工作就是被限制于WDM系统，该WDM系统具有有限的跨度、较少的通道、或每个通道较小的比特率。
美国专利5,327,516(′516专利)公开了一种改进的光纤，记作WDM光纤，它对信息的多通道传输特别有效，各通道在每个不同的波长处工作。Lucent Technologies公司的Truewave光纤为这种商用光纤，能够支持至少八个彼此相隔0.8nm、跨越360km长度以上的无再生器的通道。并且Lucent’s公司的1450密集波分复用器(DWDM)可使八个通道使用Truewave光纤，每个通道传送2.5Gb/s的信息。以这种速率，系统一秒钟几乎能够传输5,000部小说，大约是大多数长距光纤系统的八倍。的确，通过把每个通道的数据率提高到20Gb/s，把通道数增加到25并以两种不同的偏振传输，已证实可以通过55公里Truewave光纤实现每秒一万亿位的传输(1Tb/s＝1000Gb/s)。至此，这种速率已被尊称为数据传输的“圣杯”“Holy Grail”。
简言之，′516专利通过在1550nm处引入少但足够量的正或负波长色散来减少通道间的非线性相互作用。这种非线性相互作用被认作四光子混合，它严重地限制了系统的设计和工作特性。当非常希望利用WDM光纤时，就进退两难了。虽然引入色散对于使四光子混合为最小是很需要的，但它又是很不理想的，因为它会导致如上所述的脉冲展宽。
许多专利已解决了补偿色散的问题，这些专利包括美国专利4,261,639(Logelnik等)；4,969,710(Tick等)；5,191,631(Rosenberg)；这些专利通过在适当的位置插入模来补偿色散。该模通常包含适当长度的色散补偿光纤(DCF)以产生大致等于传输光纤在途中所致色散的量(但符号相反)。不利的是这些模占用空间，导致很大的损耗，增加成本。
在先已提出过构造一种光缆，该光缆中包含的所有光纤为一种类型---或正色散或负色散。光缆所包含的一种类型的光纤以适当的间隔连接，使光缆能包含另一种类型的光纤。这种方法在供货上有缺陷，即光缆的两种类型须分别按订单制作和存放。另外重要的问题将随着两种类型的光缆在制作过程、对所采用及存放的每种类型保持的准确记录、和进行常规的维护而出现。
我们所需要的并且也是现有技术所缺乏的，是一种能够同时地降低四光子混合和累计色散而无须采用DCF模的光缆。
本发明公开的色散平衡光缆能够降低波分复用(WDM)系统中的四光子混合，并能将累加的色散有效地降到大致为零。色散平衡光缆包括具有正波长色散的光纤，正色散光纤的色散绝对值平均量在λs处超过0.8ps/nm-km。光缆还包括具有负波长色散的光纤，负色散光纤的色散绝对值平均量在λs处超过0.8ps/nm-km。
在本发明实施例的例证中，光纤是单模的，并适于在1550nm区域内传输光信号。在此波长处，虽然当1550nm处波长色散平均值的量在0.8-4.6ps/nm-km范围时可实现性能的改进，但正色散光纤具有大约+2.3ps/nm-km的波长色散，负色散光纤具有大约-1.6ps/nm-km的波长色散。
在本发明的实施例中公开了各种光缆的结构，它们在同一根光缆中最好包含同样数目的正和负色散光纤。另外各种结构的光缆可能包括由基质材料封闭在塑料管中的一些光纤束扎成的光纤平面阵列。所公开的改进的WDM系统将两根色散平衡的光缆互连，使得一根光缆的正色散光纤连接另一根光缆的负色散光纤，从而共同地减少累加色散和四光子混合。
通过下列的详细描述并阅读附图，将对本发明及其操作模式有更加清晰的理解。
图1是关于一公里的典型玻璃纤维作为波长的函数的相对群延迟曲线；
图2是对于图1所示的纤维作为波长函数的波长色散曲线；
图3是具有双保护覆层的公知光纤的剖视图；
图4是根据公知技术利用色散补偿光纤(CDF)消除色散的图示；
图5是对于两种不同光纤(一种在光源波长λs处有正色散，另一种在λs处有负色散的光纤)作为波长函数的波长色散曲线。
图6是一种包含具有正负色散的光纤线性阵列的带状色散平衡光缆的剖视图；
图7是为了实现最小累加色散的图6所示类型的带状光缆间的连接示意图；
图8是包含各种带状类型的色散平衡光缆的另一形式的剖视图；
图9是包含多组有正负色散的光纤的色散平衡光缆的另一形式之剖视图；和
图10是无需DCF模式而使累加色散接近零的色散平衡光缆的应用示图。
在光纤的制造中，玻璃预制棒垂直悬挂并以控制的速率移进炉内。在炉内进行软化并通过一个位于拉伸塔底的卷筒从预制棒熔化端自由地拉出玻璃纤维。因为担心玻璃纤维的表面被擦磨损伤，所以需要在玻璃纤维被拉出之后但开始与任何表面接触之前对其涂覆。由于涂覆材料的使用一定不能损害玻璃表面，故在液态施用涂层材料。施用后，涂层材料必须在玻璃纤维到达卷筒之前被固化。这一切必须要在一个简短的时间间隔内通过光化处理(photocuring)、即液态覆层材料通过电磁辐射的照射转变成固态的过程来完成。
特别是图3公开的一种双涂覆光纤30，其结构适于用在本发明中。如图所示，两层涂层材料施用到拉出的玻璃光纤40上，玻璃纤维包括载光的纤芯41和包层42。包层光纤40直径约为125μm。被称为第一涂层材料的内层31被施加到玻璃光纤40上；被称为第二涂层材料的外层32施用到第一涂层材料31之上。第二涂层材料一般具有相对较高的模量(如109Pa)以经受加工，而第一涂层材料相对模量较低(如106Pa)以提供缓冲，减小微弯的损耗。第二涂层材料可当第一涂层还湿润时即施用，然后两涂层同时用紫外区域的电磁波辐射烘干。
图4公开的现有光纤系统10，它包括一段混合光纤，一个光源18和一个放大器20。混合光纤通过把预定长度Lx的第一光纤14连接到预定长度Ly的第二光纤16上而构成。连接方法为本领域技术人员公知的传统方法，该方法公布在Optical Fiber TelecommunicationsII，(Stewart E，Miller等。editors，1988)，pp.263-300中的“Optical FiberSplicing”中，作者是Stephen C.Mettler等。光源18发出的具有标称波长λs的光进入具有正色散的光纤14。但通过Lx的距离之后，聚集起一定量的正色散，并且光纤16在λs产生负色散。此光纤主要包括色散补偿光纤(DCF)，它有短于LX的长度LY。通过增加DCF的长度，被引入的附加损耗连同传输光纤14引入的损耗必需经受放大器20的处理。对现有光纤网络改进的要求促使了对这种系统的需要，该系统目前工作在1310nm，要求其能在1550nm工作从而增大其容量。(注意到正常工作在1310nm的传输光纤在1550nm处大约有+17ps/nm-km的色散，因此需要引入在1550nm等量负值的色散以达到补偿)。这种系统公布在美国专利5,191,631中。
近来知道，在WDM信号的光纤传输中为减小四光子混合，少量的波长色散是件好事。因此，本发明计划在标称波长光源下工作，此处正色散光纤的色散量D1的绝对值平均值超过0.8ps/nm-km，负色散光纤的色散量D2的绝对值平均值也超过0.8ps/nm-km。
如图5所示，光纤1在λs处有正色散D1，光纤2在λs处有负色散D2。D1和D2在图5中都有正斜率，但如果它们有相反的斜率将更好，从而这将使得在整个带宽中消除色散。如果光纤1和光纤2的斜率相等则最好。事实上一种设计为在1300-1500nm的波长范围内斜率接近于零的“色散消除光纤”显得很适于用在本发明中。这种“色散消除光纤”的例子公布在Electronics Letters，28th April 1983，Vol.19 No.9中371-318页中的作者为Bhagavatula等的“Segmented-core Single-modeFibers with Low Loss and Low Dispersion，”一文中，其在此引入作为参考。在这篇文章中展示了具有正负色散的“色散消除光纤”。为了选取这种光纤以用在本发明的色散平衡光缆中，必须至少有一个光纤具有正色散，在λs处其绝对值的平均值超过0.8ps/nm-km；至少有一个光纤具有负色散，在λs处其绝对值的平均值超过0.8ps/nm-km。
由于如相位自调制(self-phase modulation)的这种非线性效应的原因，已可以判断出整个性能通过采用较小量的负色散可达到优化。并且还可能有进一步的优化情况，即负色散的优选值范围在正色散幅值的65-80％范围内。在本发明的优选实施例中，D1约等于+2.3ps/nm-km，D2约等于-1.6ps/nm-km。
在本发明中采用芯直径约为6-8μm、λs值在1530-1565nm范围之内的单模光纤。至少支持WDM四通道的恰当的纤芯设计公布在美国专利5,327,516中，其在此引入作为参考。
在1550nm处产生+2.3ps/nm-km色散的例举的WDM光纤，具有折射率接近或等于未掺杂二氧化硅的折射率的玻璃包层内的掺锗的芯。一般的用法采用折射率阶跃的包层，即带有一个折射率略微增大的“凸台”以增大模域。该结构有一个折射率渐变的芯，其7.7％mol的掺杂水平对应于大约0.8％的Δ值。芯的基底直径约为6.0μm，处在锗掺杂水平约0.05mol％的18μm直径“凸台”的中心。包层光纤的外径约为125μm。
列举的WDM光纤在1550nm处产生大约-16ps/nm-km的色散，具有折射率接近或等于未掺杂二氧化硅的折射率的玻璃包层内的掺锗的芯。该结构有一个折射率渐变的芯，其8.6mol％的掺杂水平对应于大约0.9％的Δ值。芯的基底直径约为6.0μm，处在锗掺杂水平约0.05mol％的18μm直径“凸台”的中心。包层光纤的外径约为125μm。
以下列出了适用于本发明的WDM光纤规格表。但它并不意味着合格光纤的全部范围，仅仅作为示例之用。
在1550nm处的衰减                     0.22-0.25dB/km
在1310nm处的衰减                     ＜0.50dB/km
在1550nm的模域直径                   8.4±0.6μm
芯偏心率                             ＜0.80μm
包层直径                             125±1.0μm
截止波长                             ＜1450nm(2m的参考长度)
色散                                 ±[0.8-4.6]ps/nm-km
                                     (在1540-1560nm的范围)
色散斜率                             ＜0.095ps/nm2-km(最大值)
微弯                                 在1550nm处小于0.5dB
                                (1圈，32mm)
                                在1550nm处小于0.05dB
                                (1圈，75mm)
包层直径                        245±10μm
验收试验                        100kpsi
很容易得到对制造的合适程序的详细描述。预制棒可以是整体的，也可以是组合的。芯区最好采用改进的化学汽相沉积的方法或利用粉尘化学(soot chemistry)-外汽相沉积或轴向汽相沉积其中之一的方法。已知的方法(如制作包层、外包层、涂覆、捆缆等)均不受光纤设计的影响。授予Jackson等的美国专利US.4,900,126公开了用于把光纤联结成被称作带状光缆(以下称为“带缆”)的阵列的基质材料。如图6所示，带缆60包括一个轴向延伸光纤的平面阵列，它们的轴向大致互相平行。在此，所示的八个光纤被分成两组。举例来说，40-1组包括四个在λs有正色散的光纤，40-2组包括四个在λs有负色散的光纤。为了在现场中便于辨认，每个光纤有不同的颜色。另外，带缆60可包含一个分辩光纤具有正或负色散的标志。例如，带缆60的标以亮色部分60-1包含正色散光纤而带缆60的标以暗色部分60-2包含负色散光纤。虽然在本发明的实际情况中在同一个光缆里有相同数目的正负色散光纤并不是必须的，但最好是这样。另外，如果制作有相同数目的正负色散光纤的带缆，仅需要制作一种类型的带缆。
在本发明的优选实施例中，带缆60包括一个轴相延伸光纤的平行共面阵列。每个光纤包封在涂覆材料的内层和外层(如图3所示)并带有一个颜色标记。基质联结材料65填充光纤之间的空隙并将它们联结成一个单元。联结材料65有一个小于外涂层而大于内涂层的模量值γ(即109Pa＞106pa)。这使得内层光纤具有有利的移动。在此引用的美国专利US.4,900,126中公开了适宜的联结材料。
为降低累加的色散量，把正色散的光纤40-1联结到有负色散的光纤40-2上。这种联结在此称作如图7所示的跨接，并利用带缆60来制作。通过联结带缆60的亮色部分和另一带缆60的暗色部分60-2，可降低累加的色散。并且如果在光缆长度的中间进行跨接，只要光纤40-1提供的正色散大致等于光纤40-2提供的负色散，则累加色散可大约降低到零。光纤之间的跨接接头105可通过任何一种已知的光纤联结技术，这些技术包括上述Stephen C.Mettler等的名为“Optical FiberSplicing”的著作中技术，但不局限于此。
现参考图8，它公开了一种在坚固的光缆结构80中的多条带状光纤。在此图中，带60包括包含正负色散光纤的光纤平面阵列。另一方面，带61包括一个正色散光纤平面阵列而带62包括一个负色散光纤平面阵列。在本发明中光缆80可包括带60、61、62的各种组合。例如，它可包含一个带61和一个带62但不包含60。重要的是光缆至少包含一个正色散光纤和至少一个负色散光纤。
图8提供了根据本发明的实际光缆的较详细的描述。光缆80包括如上所述的带60-62。这些带被设置在由电介质材料如聚氯乙烯或聚乙烯制造的筒形元件81中。包围的筒状元件81是一吸水带83，一波纹金属壳84和塑料护套86。由Kevlar塑料制造的剥离绳82易于除壳，聚乙烯材料的护套86包含封闭的加强元件85-85。加强元件用于消除或减小将在处理或正常运用中会作用到光纤上的应力，该元件还可以任意多的数量包容在光缆80中。这种同样的总体结构示于图9中，其中光缆结构90包括以不同方式组装在一起的光纤。例如光纤束用丝质包扎物92稀松地包扎形成可识别的单元90-1。此捆束最好包含正色散光纤。此外，第二光纤束也用丝质包扎物92稀松地包扎形成可识别的单元90-2。此捆束最好包含负色散光纤。而正和负色散束最好分成隔离的组或单元，这在本发明中并不是必需的。
一般，将填充材料设置在图8和图9所示的、对包含在其中的光纤进行减冲从而防止微弯损耗的筒形元件81、91中。关于光缆80、90的更详细的描述公开在美国专利4,844,575中，其在此引用作为参考。
本发明的优点在图10所示的WDM系统100中得以清晰地得到例证。它与图4中现有技术对色散的补偿形成对比。具体地，现有技术中系统一般在传输光纤的端部联结一个DCF模件。因为DCF模件主要是一个其实际长度(如3千米)增加光纤总长度的一卷光纤，它造成增加的信号损耗，这意味着需要附加的放大，因而增加了费用。此外DCF比传输光纤显示更大的损耗(如0.5dB/km)，因此更增大了整个系统的损耗。但是通过把正色散光纤90-1和负色散光纤90-2构造为光缆90并在预定的位置(典型地情况是在长度的中点)做跨接联结点105，累加色散可达到接近于零，如图10的底部所示。重要的是，这种方法避免了在光纤的零色散波长λs处的传输，从而减少了四光子混合。
WDM系统100在每个方向以10Gb/S工作，并包括例举的在1530-1565nm范围内产生四个光波通道λs1，，λs2，λs3，λs4的光源101，每个通道间隔1.6nm，每个通道以大约2.5Gb/s的速度工作。光射入到L1长度的正色散光纤90-1中。跨接接头105最好制作在连接至长度为L2的负色散光纤90-2的该整个长度的中点。有利的是同样的光缆90包含正和负色散光纤，因此可用在任何方便的地方及制作跨接点105。这种接点在类似于美国专利5,481,639的已知包装中很容易制作。因为DCF模件不用在本系统中，放大器201仅需用于解决传输损耗，而不用考虑一或多卷光纤产生的附加传输损耗。
虽然对本发明的各特殊实施例做了示意和描述，但在本发明的范围内还可做一些修改。这些修改包括但不局限于：在一个系统中应用本发明时，其光源的波长λs在1530-1565nm范围之外；在非中点(即L1≠L2)处制作跨接点；在非WDM系统采用色散平衡光缆；光缆中正色散光纤数不同于负色散光纤数；光缆的光纤在光源波长处正负色散的量值不同；光缆具有与以上所述不同的结构，例如，没有筒状元件或强元件的光缆。

Claims (11)

1.一种色散平衡光缆(60，80，90)，包括一或多个第一类型的光纤和一或多个第二类型的光纤，两种类型的光纤均适于传输光源波长λs的光信号，
其特征在于：
第一类型的光纤具有正波长色散，正色散光纤色散的绝对值的平均值在λs处超过0.8ps/nm-km；和
第二类型的光纤具有负波长色散，负色散光纤色散的绝对值的平均值在λs处超过0.8ps/nm-km。
2.根据权利要求1所述的光缆(60，80，90)，其特征在于第一类型的光纤和第二类型的光纤在数量上相等。
3.根据权利要求1所述的光缆(60，80，90)，其特征在于光源波长λs在1530nm＜λs＜1565nm的范围。
4.根据权利要求3所述的光缆(60，80，90)，其特征在于第一和第二类型的光纤均是单模光纤，并且有：
(i)在1550nm处的损耗小于0.26dB/km。
(ii)截止波长小于1450nm：和
(iii)色散斜率小于0.1ps/(nm2-km)，在1550nm处平均色散的绝对值在0.8-4.6ps/nm-km的范围内。
5.根据权利要求4所述的光缆(60，80，90)，其特征在于第一类型光纤的平均色散为D1，第二类型光纤的平均色散为D2，D2的绝对值是D1绝对值的65％-80％。
6.根据权利要求5所述的光缆(60，80，90)，其特征在于第一类型的光纤在1550nm处有大约+2.3ps/nm-km的平均正色散。
7.根据权利要求4所述的光缆(60，80，90)，其特征在于第二类型的光纤在1550nm处有大约-1.6ps/nm-km的平均负色散。
8.根据权利要求1所述的光缆(例如90)，其特征在于第一类型的光纤被安置在第一单元(90-1)内并用包扎物(92)包扎在一起，而第二类型的光纤被安置在第二单元(90-2)内并用包扎物(92)包扎在一起，
9.根据权利要求1所述的光缆(例如80)，其特征在于第一和第二类型的光纤被粘合在一个平面阵列中，光纤的纵轴大致相互平行。
10.根据权利要求1所述的光缆(例如80)，其特征在于光缆还包括：
一个封入第一和第二类型(60，61，62)光纤的塑料筒形元件(81)；
一个封入筒状元件的塑料护套(86)；和
一或多个置入光缆中的加强元件(85)。
11.根据权利要求10所述的光缆(例如80)，其特征在于第一类型的光纤被一起粘合在第一平面阵列(61)中，第二类型的光纤被一起粘合在第二平面阵列(62)中，每个平面阵列包含的光纤的纵轴大致相互平行。
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