CN1192260C - 低色散斜率负色散光纤 - Google Patents

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Abstract

揭示了一种分层纤芯光学波导光纤，它在延伸的波长窗口有低的总色散斜率和负的总色散。特别感兴趣的波长窗口是范围为1500nm到1600nm的窗口。根据本发明的波导光纤的成缆截止波长低于1480nm并且在1550nm的衰减小于0.22dB/km。对色散位移波导光纤，模场直径基本保持在一个标定值，也就是，7.7μm到8.7μm。并详细讨论了有一个中心部分以及第一个和第二个环形部分的实施例。

Description

低色散斜率负色散光纤
本发明要求申请日为1999年11月23日的美国临时专利申请60/167,082的优先权基础。
发明背景
1.技术领域
本发明一般涉及一个光学波导光纤，它有移动到长波长的零色散，并且特别涉及有负的总色散的这样一根光纤。
2.技术背景
为响应有适于特殊通信系统特性的高性能波导光纤的需要，对于分层纤芯光学波导折射率分布的研究源源不断。比如Gallagher等人的美国专利5,483,612(‘612专利)揭示了一种纤芯分布设计，它提供了低偏振模式色散，低损耗，一个移动的零色散和低的色散斜率。还设计了其他的纤芯折射率分布来迎合包括了使用高功率信号或光纤放大器应用的需要。
为达到所需的特性而改变纤芯分布时会产生一个问题，就是要以牺牲一个或更多的其他基本特性的代价来实现所需特性。比如，某一纤芯折射率分布设计可以提供低的总色散斜率，这样允许在扩展的波长范围波分复用。但是，取得低的总色散斜率要严重的危害到衰减，或会把截止波长移到可以接受的范围之外。这样，纤芯分布设计是一个费力的任务，其中模型研究通常在产品发展的生产阶段之前。
在工艺上需要继续进行折射率分布的研究来更好的理解分布变量的相互作用，这样达到可提供有一系列所需特性的光学波导光纤的分布变化组合。
定义
下面是符合工艺上的一般用法的定义。
-折射率分布是折射率和波导光纤半径之间的关系。
-一个分层纤芯是可分成至少一个第一和一个第二的波导光纤纤芯部分的纤芯。每一个部分位于半径方向的一个特别位置，并且基本上关于波导光纤中心线对称，且有一个关联的折射率分布。
-分层光纤的半径定义为根据各自的折射率的在每个分段的各自开始点和结束点。这里所用的半径定义可参考图1来解释。在图1中，中心折射率部分10的半径是距离2，它从波导中心线延伸到一点，在该点的分布变为分段12的α分布，即在该点的折射率对半径的曲线开始遵循一个α分布的方程。分段12的外半径4从中心线延伸到半径上一点，在那里α分布的外推下降部分与分段14分布的外推延长部分相交。容易应用该定义到可选择的中心部分，诸如α分布或阶跃折射率分布。另外，容易应用该定义到那些第二部分的轮廓不同于α分布的情况。在使用可变中心部分轮廓的情况下，半径在分开的附图中示出。分段14的半径6从中心线延伸到Δ％为分段16的Δ％最大值一半的点。类似分段14定义附加部分的半径一直到纤芯的最终部分。如图1所示的纤芯的最终部分，分段16的中点半径8从中心线测量到该分段宽度的中点。比如对分段16，分段的宽度为延伸自分段16的相对两边的两个Δ％的一半值之间的部分。光纤包层如图1中17所示。最终分段附近的半径通过邻接分段的几何尺寸决定。最终分段附近的内半径为前一部分的外半径。最终分段附近的外半径是最终部分的中心半径减去最终分段的宽度的一半。
-α分布指一个折射率分布，由Δ(b)％表示，这里b是半径，由方程
Δ(b)％＝Δ(b0)(1-(|b-b0|)/(b1-b0))α给出，这里b0是
Δ(b)％为最大值的点，b1是Δ(b)％为零的点，b在范围bi≤b≤bf中，这里Δ如上面定义，bi是α分布的起点，bf是α分布的终点，α为实数指数。选择α分布的起点和终点并进入计算机模型。当α分布以阶跃折射率分布或任意其它轮廓为先导时，α分布的起点是α分布和阶跃分布或其它分布的交点。
-总色散是材料色散，波导色散，模间色散和总和。在单模光纤里没有模间色散。总色散所用的记号约定是指如果在波导光纤中的短波长比长波长传输快时，总色散为正。在负的总色散情况下，光波长的相对速度正好相反。
-模场直径通过工艺上著名的Peterman II定义得到。
-成缆截止波长是这样的波长，即当光纤在成缆形式下，在该波长以上的波长光纤以单模传输。
发明概要
本发明的一个方面是一个单模光纤，它有一个由包层围绕并接触的分层纤芯区域。选择纤芯和包层的相对折射率来提供可传输光的光纤结构。纤芯区域包括了一个中心部分和围绕并接触中心区域的至少一个环形部分。选择中芯区域部分的折射率分布来提供一个波导光纤，它在预选择波长范围内的总色散斜率小于等于0.07ps/nm2-km，在1560nm的总色散位于-3.4ps/nm-km到-1.0ps/nm-km，模场直径的范围从7.7μm到8.7μm，成缆的截止波长小于等于1480nm，在1550的衰减小于等于0.22dB/km。
在本发明的一个实施例中，所设计的波导光纤工作在跨度为1500nm到1600nm的波长窗口中。这样在该工作窗口中总色散斜率相当的稳定，在该窗口中衰减的变化不超过0.05dB/km。
在本发明的另一个实施例中，中心部分分为包括了波导中心线的第一个部分和围绕着第一个部分的环形的第二个部分。这些部分和至少一个环形部分从由α分布，阶跃分布，圆形阶跃分布，梯形和圆形梯形组成的一组轮廓中选出各自的分布。较适宜中心线部分的分布是圆形阶跃分布。较适宜环形部分的分布是α范围从0.8到8的α分布。
在本发明的另一个实施例中，发明中的中心线部分为α范围从0.8到1.5的α分布，而中心环形部分是α范围从1到6的α分布。
在下面的详细描述中将提出本发明另外的特征和优点，那些工艺上的能手通过下面的描述将容易的明白其中的一部分，或通过实施这里描述的发明，包括下面的详细描述，权利要求和附图来了解清楚。
可以理解上面的总体描述和下面的详细描述仅仅是本发明的范例，目的是为理解本发明所要求的特性和性质而提供一个概貌或框架。所包括的附图为本发明提供了进一步的理解，并合并组成说明书的一部分。附图示出了本发明的不同实施例，并伴随描述一起解释本发明的原理和操作。
附图概述
图1是折射率分布图，这里提供了对分段的半径和宽度的定义。
图2是根据本发明制作的波导光纤的折射率分布图。
图3是根据本发明制作的波导光纤的折射率分布图。
发明的详细描述
现在引用本发明的较佳实施例并由附图示出以来详细描述。图2示出了本发明的分层纤芯光波导光纤的示范实施例。
根据本发明，本发明的分层纤芯光波导光纤包括了一个中心部分和至少一个包围并接触中心部分的一个环形部分。纤芯的分层结构为海底系统的特殊使用提供了一种波导光纤，在这样的系统中，较适宜有负的总色散并且需要低的总色散斜率来得到扩展的波长工作窗口。讨论的光波导光纤有一个在1500nm到1600nm之间的波长窗口和小于等于0.07ps/nm2-km的色散斜率。在1560nm的总色散范围在大约-3.4ps/nm-km到-1.0ps/nm-km。不需要牺牲衰减就可在1560nm得到低的总色散斜率和负色散，它在1550nm小于0.22dB/km，或模场直径的范围在7.7μm到8.7μm之间。在保持成缆截止波长低于1480nm时得到这些波导光纤的特性。
在这里由图2示出的实施例中，波导光纤包括了一个纤芯区域，它有一个包括了中心线部分18的中心区域和一个中心环形部分20，中心部分18是一个α范围从0.8到1.5的α分布，并且中心环形部分20是一个α范围从1到6的α分布。中心线部分和中心环形部分各自的相对折射率百分比范围为大约0.40％到0.85％和0.49％到0.78％。分段18和20的相对外半径26和28的范围是大约0.17μm到1.62μm和2.33μm到3.22μm。
中心部分被有圆形阶跃分布的第一环形部分22包围着并且相对折射率百分比范围从0到0.07％。分段22的内半径与半径28一样。分段22的外半径30使用包围第一环形部分22的第二环形部分24的尺寸。第二环形部分24有一圆形阶跃分布并且相对折射率范围大约从0.035％到0.70％。第二环形部分的中心半径32的范围大约从7.7μm到10.8μm，宽度34的范围大约从0.50μm到2.5μm。
根据上面所述的实施例所测的波导光纤的典型参数是，总色散斜率在1500nm到1600nm的波长范围内为0.0513ps/nm2-km，1560nm的总色散为-2.21ps/nm-km，模场直径为8.19μm，成缆截止波长小于等于大约1480nm，1550nm的衰减为0.200dB/km。零色散波长为1603.0nm。
在图3示出的实施例中，波导光纤包括了一个纤芯区域，它有一个包括了中心线部分36和一个中心环形部分38的中心部分。中心线部分36是圆形阶跃型并且中心环形部分38是α范围从0.8到8的α分布。中心线部分36和中心环形部分38各自的相对折射率百分比范围为大约0.54％到0.67％和0.49％到0.70％。分段36和38各自的外半径44和46的范围是大约1.02μm到1.50μm和2.56μm到3.22μm。
有一个圆形阶跃分布且相对折射率百分比大约为0的第一个环形部分40包围了中心部分。分段40的内半径和半径46一样。分段40的外半径48使用包围了第一个环形部分40的第二个环形部分42的尺寸。第二个环形部分42有一个圆形阶跃分布并且相对折射率范围大约在0.18％到0.30％。第二个环形部分的中心半径50的范围大约从8.1μm到9.92μm并且宽度52的范围大约从1.50μm到2.41μm。
根据上面所述的实施例所测得的波导光纤的典型参数是，总色散斜率在1500nm到1600nm的波长范围内为0.0499ps/nm2-km，1560nm的总色散为-2.47ps/nm-km，模场直径为8.58μm，成缆截止波长小于等于大约1480nm，1550nm的衰减为0.201dB/km。零色散波长为1609.5nm。
范例1
一个依照图3所作的光纤波导。中心线部分36和中心环形部分38各自的相对折射率百分比为0.91％和0.70％。分段36和38的各自外半径44和46是0.36μm到2.88μm。第一个环形部分40有一个圆形阶跃分布并且相对折射率百分比为0.004％。第二个环形部分42有一个圆形阶跃分布并且相对折射率百分比为0.214％。第二个环形部分的中心半径50为9.268μm并且宽度52是2.25μm。
所测量的波导光纤的特性是，色散斜率在1500nm到1600nm的波长范围内为0.048ps/nm2-km，模场直径为7.97μm，成缆截止波长为1322nm，1550nm的衰减为0.201dB/km。
范例2
一个依照图3所作的第二个光纤波导。中心线部分36和中心环形部分38各自的相对折射率百分比为0.83％和0.35％。分段36和38的各自外半径44和46是0.35μm到2.76μm。第一个环形部分40有一个圆形阶跃分布并且相对折射率百分比为0.006％。第二个环形部分42有一个圆形阶跃分布并且相对折射率百分比为0.199％。第二个环形部分的中心半径50为9.121μm并且宽度52是2.50μm。
所测量的波导光纤的特性是，色散斜率在1500nm到1600nm的波长范围内为0.065ps/nm2-km，模场直径为8.76μm，成缆截止波长为1131nm，1550nm的衰减为0.206dB/km。
对范例1和范例2作出的比较指出了当第二个环形折射率百分比稍微降低并对波导光纤的中心线向内移动时，模场直径增加了。范例2的结构增加了色散斜率。但是，从两个范例得出的主要结论是上面所述的并在权利要求1中陈述的所期望的光纤特性可通过改变在制造公差内的波导光纤参数来得到。制造该分层纤芯波导光纤设计的便利性使它作为一件商业产品受到特别关注。
那些工艺上的能手将清楚在不偏离本发明的精神和范围的情况下能够对本发明作出不同的修改和变化。这样，意味着本发明包括了在附加的权利要求和等价物的范围内的本发明的修改和变化。

Claims (10)

1.一个单模波导光纤，其特征在于，包括了：
一个由包层包围并接触的纤芯区域，这里的纤芯区域和包层有各自的相对折射率分布并且设定成能引导光通过的波导光纤，
这里的纤芯区域包括了一个中心部分和至少一个包围并接触所述中心部分的环形部分(14，22，40)，每一个所述部分有一个相对折射率分布和一个相对折射率百分比；
其中，所述中心部分和所述至少一个环形部分(14，22，40)的相对折射率设定成能提供波导光纤的特性；
在预选择的波长范围内的总色散斜率小于或等于大约0.07ps/nm2-km，
1560nm的总色散范围在大约-3.4ps/nm-km到-1.0ps/nm-km，
模场直径范围大约从7.7μm到8.7μm，
成缆的截止波长小于或等于大约1480nm，并且，
1550nm的衰减小于或等于0.22dB/km。
2.如权利要求1所述的单模波导，其特征在于，所述预选择的波长范围在大约1500nm到1600nm。
3.如权利要求1所述的单模波导，其特征在于，所述中心部分包括了中心线部分(10，18，36)和包围了所述中心线部分的一个中心环形部分(12，20，38)，每一个所述部分有一个折射率分布和一个相对折射率百分比。
4.如权利要求3所述的单模波导，其特征在于，所述中心部分的所述中心线部分(10，18，36)和所述中心环形部分(12，20，38)以及所述至少一个环形部分(14，22，40)的各自折射率分布从由α分布，阶跃分布，圆形阶跃分布，梯形分布和圆形梯形分布组成的一组分布中选出。
5.如权利要求4所述的单模波导，其特征在于，所述中心线部分(10，18，36)是环形阶跃分布并且所述中心环形部分(12，20，38)是α范围从0.8到8的α分布。
6.如权利要求5所述的单模波导，其特征在于，所述中心线部分(10，36)和所述中心环形部分(12，38)的各自相对折射率百分比的范围为大约0.54％到0.67％和0.49％到0.70％，并且各自的外半径范围为大约1.02μm到1.50μm和2.56μm到3.22μm。
7.如权利要求6所述的单模波导，其特征在于，所述纤芯区域包括了接触并包围所述中心部分的第一环形部分(40)以及接触并包围所述第一环形部分的第二个环形部分(42)，所述第一个环形部分(40)是圆形阶跃分布并且相对折射率百分比大约为零，所述第二个环形部分(42)是圆形阶跃分布并且相对折射率百分比的范围大约从0.18％到0.30％，中心半径的范围从8.1μm到9.92μm并且宽度范围为大约1.50μm到2.41μm。
8.如权利要求4所述的单模波导，其特征在于，所述中心线部分(10，18，36)为α范围从0.8到1.5的α分布并且所述中心环形部分(12，20，38)是α范围从1到6的α分布。
9.如权利要求8所述的单模波导，其特征在于，所述中心线部分(10，18)和所述中心环形部分(12，20)的各自相对折射率百分比范围是大约0.40％到0.85％和0.49％到0.78％并且各自的外半径的范围为大约0.17μm到1.62μm和2.33μm到3.22μm。
10.如权利要求9所述的单模波导，其特征在于，所述纤芯区域包括了接触并包围所述中心部分的第一环形部分(14，22)以及接触并包围所述第一环形部分的第二个环形部分(16，24)，所述第一个环形部分是圆形阶跃分布并且相对折射率百分比范围是大约0到0.07％，所述第二个环形部分是圆形阶跃分布并且相对折射率百分比范围是大约0.035％到0.70％，中心半径范围从7.7μm到10.8μm并且宽度的范围大约从0.50μm到2.5μm。
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