CN1192809A - 光波导中的色散控制 - Google Patents

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Abstract

披露了一种单模光导纤维,其纤芯内具有周期性的扰动(2),提供一种双折射以混合发射光的偏振模。此外,扰动(4)引入纤芯内用以控制总色散。使波导预选段(6、8)的总色散改变符号,这样,总色散与长度(13、15)乘积之和在代数上加到一个预选值。用两类不同的纤芯扰动控制偏振模色散和总色散。并讨论了制作该波导的方法。

Description

光波导中的色散控制
本发明涉及为控制偏振模(polarization mode)色散(PMD)和总色散(TD)而设计的一种单模光导纤维。
在以前的第08/423,656号和第08/353,822号美国专利申请中，已经详细讨论了解决光导纤维中控制总色散和偏振模色散之问题的方案。
总色散控制使其交替地成为正值和负值，由此可以对长度乘以该长度之色散的乘积产生零的净代数和。通常可以采用这种方法对基本上按任何预选范围的光波长控制TD。特别关心的波长范围约为1490纳米至1650纳米。典型的硅土基波导在该范围内呈现低衰减。将整个波导长度上的色散乘以长度的积累加起来。通过将几何或折射率扰动引入波导纤芯可以使总色散交替地呈现正值和负值。
通过在两种偏振模之间传递能量，即混合该两种偏振模，由此可有效地限制或消除该两种偏振模之间的传播时差而控制偏振模色散。波导中的双折射轴用以沿光纤长度周期性地将相对方位改变90度。对总的光导纤维长度而言，双折射设置成实质为零的净数值。即，交替的双折射为投射至光导纤维的两种偏振模的光提供一种同一光路长度。
再者，提供交替双折射轴的一种方法包括将几何或折射率扰动(perturbation)引入波导纤芯。
在同一根光纤中可控制两种色散类型，因为：
大到足以改变双折射的扰动与改变总色散符号所需的扰动相比仍很小；并且
对控制总色散之扰动间距要求可以与偏振模混合所需的扰动的间距相一致。
因此，可以在光导纤维内基本上消除偏振模色散和总色散。此外，即使光导内的零色散波长可以在段与段之间改变，但工作波长或信号波长可以不同于零色散波长，以避免4种光子的混合。最后，对色散提供所需控制的扰动设置成使波导的衰减不受到不利的影响。
注意以下较佳实施例中的附加优点，其中，使控制总色散的扰动与混合偏振的扰动分离以限制偏振模色散。
这样，本申请所揭示的发明就成为一种色散极低的低衰减波导，它设计用于：
极高位速率的系统；
采用波长划分多路转换的系统；或者
采用长再生空间、带或不带光放大器的系统。
定义
在具有对称纵轴的光导纤维中，如果第一和第二几何扰动的各个镜面包含对称的纵轴并在交叉点形成直角，则第一几何扰动与第二几何扰动呈正交取向。
折射率轮廓是在沿光导纤维半径预选段上每个点所定义的光导纤维的折射率。例如，纤芯折射率轮廓是纤芯半径每个点上的折射率。
总色散也称色散，是波导加材料色散之和。总色散的单位为ps/nm-km。
通常为所接受的总色散符号规定为，如果波导中的光传播相位速度随着光波长的增加而减少，则色散为正。在负色散波导中，相位传播速度是随着光波长的增加而增加的。
本发明的第一方面是一种单模光导纤维，它包括具有折射率剖面的纤芯以及包围该纤芯也具有折射率剖面的包层。为了确保波导将沿着其长度引导光，至少一部分纤芯折射率剖面要大于一部分包层折射率剖面。
光在波导内传播的两种偏振模内的能量与波导纤芯内第一种图形的周期性扰动混合，这样，按波导长度平均，一种偏振模内的能量传播不快于另一种偏振模内的能量传播。换句话说，具有线性双折射的波导具有可以相互垂直的高速轴和低速轴。如果其电场矢量与高速轴平行，光波将具有较高的速度。通过在波导中周期性地交替改变高速轴和低速轴的取向，两种偏振模将经历交替改变的高速和低速。双折射的周期性性质确保两种偏振模大体上在波导长度上将经历相同的平均速度。
重叠或散布在第一种图形的周期性纤芯扰动上或中间的是第二种图形的纤芯扰动，它用以改变总色散的符号。总色散是材料与波导色散之和。通过调节波导色散使总色散为正或负，它取决于波导的几何学和折射率剖面。
这样，两种图形的扰动允许同时控制偏振模色散和总色散。而且，无需按其周期性或长度范围耦合该两种图形。
本发明的主要特征是发现两种不同类型的扰动可以施加在一根波导上，不会在两者之间产生不想要的交互作用。即，可以使属于偏振模色散控制的扰动对总色散仅有极小的影响。反之，在总色散中产生符号变化的扰动可以按这样一种方式作用于纤芯，即维持偏振模的混合，或不干涉偏振模的混合。
在本发明的一个实施例中，双折射手段是第一类纤芯直径扰动图形，它可以沿着整个光导纤维长度持续。最邻近的第一类扰动被定向为相互正交。重叠在第一种图形上的是第二种图形的纤芯扰动，它用以周期性地改变总色散的符号，由此改变零色散波长。第二种扰动图形的周期性决定了总色散符号变化的周期性。
为了维持引起偏振模混合的双折射，要求将最邻近的处于正交的扰动持续到具有第二类扰动的波导长度。该正交还维持在第一与第二类扰动的界面处。
具有第一类扰动的波导长度与具有第二类扰动的邻近波导长度之和是沿光纤长度周期性重复的长度单位。
一个实施例中，第一类扰动与第二类扰动的区别在于纤芯表面内形成的凹槽深度。凹槽深度可以最方便地按扰动区内波导的最小直径表征。即，波导基本上为圆筒形，故凹槽深度可以按最短的弦，即波导截面上穿过波导中心的一条线表征。
在一个较佳实施例中，第一类扰动的长度为该最短的弦，它穿过波导中心，约为纤芯半径的0.90至0.97倍范围。第二类扰动具有最短的弦，它穿过波导中心，约为纤芯半径的0.80至0.87倍。为了保证产生偏振模混合，第一类扰动的长度可以不超过光导纤维相关长度的3倍。如果该扰动长度短于波导相关长度的3倍左右，第二类扰动还将混合偏振模。
在50毫米直径的拉制预制件中，对波导扰动长度的限制相当于约4毫米长的拉制预制件。
在最佳实施例中，如上所述，双折射装置是正交取向的，其形状和间隔沿波导长度基本上是相同的。重叠在该双折射装置上的是在波导纤芯直径内循环缩小的图形，它产生所需的总色散符号变化。对这些纤芯直径缩小区域的长度和周期性的唯一限制则是整个波导长度上的乘积Di×li之和等于一个预选值，该预选值常选为0。Di是在长度li上大致为恒定的光导纤维的总色散。
色散受控波导的另一个实施例包括在光纤的表面内形成一种螺旋形凹槽以混合两种偏振模。该螺旋形凹槽的深度选择在约0.03至0.10纤芯半径范围内，以提供所需的双折射，但对总色散仅有很小的影响。该实施例中，产生总色散符号变化的扰动可以是上述任何一种，或者可以是螺旋形的凹槽，其深度约为0.13至0.20纤芯半径范围。
该螺旋形凹槽可以是不连续的，在间距内可以是交错的，当螺旋形沿着波导长度前进的方向改变时，间距是交错的。对螺旋形几何学的另一种限制是，在波导长度范围内纯双折射基本上为零，扰动的长度不大于偏振情况下波导相关长度的3倍左右。而且，对于总色散控制扰动，上述乘积和必须等于一个预定值，如前所述。
螺旋形凹槽在间距内是交错的，以避免发射的偏振模为圆偏振。通过对大于约6.5米的波导长度控制该间距，也可以避免形成圆偏振。
本发明另一方面是制造一种偏振模混合、总色散受控的光导纤维的方法。其步骤是：
通过几种现有技术方法的任一种方法制作纤芯预制件，包括内部、外部汽相淀积和心轴的汽相淀积；
在预制件表面内形成第一类扰动图形以混合偏振模；
在预制件表面内形成第二类扰动图形，使总色散符号交替地为正值和负值，由此把总色散控制为一个预选值；
以这样一种方式在纤芯预制件周围加一个包层，即，使玻璃拉制的预制件具有均匀的圆筒形表面；
将拉制预制件拉制成基本上具有均匀的圆筒形表面的光导纤维，由此将扰动加到波导纤芯表面。
显然，这种方法有一个逆方法，其中在包层的玻璃表面内形成扰动。将波导拉制成均匀的圆筒形状，然后将拉制预制件内的扰动转移到波导纤芯。
由该方法产生的各类以及组合的扰动可有效地产生如上所述所需的偏振模混合和总色散控制。即，加到波导上的扰动与纤芯内或拉制预制件表面内形成的扰动是线性相关的。
这样，在凹槽结构中，产生双折射的凹槽，其深度在大约3％至10％预制件半径范围，用以控制总色散的凹槽，其深度在大约11％至20％预制件直径范围。
在另一个实施例的方法中，预制件被划分为若干相等的子段。第一类扰动形成于预制件子段内，该子段邻近具有第二类扰动的子段。这样，预制件段由扰动类型交替改变的相等子段组成。具有第一类扰动的子段中的零色散波长不同于具有第二类扰动的子段中的零色散波长。
在该实施例的一个较佳变换中，具有第一类扰动的子段是相等的并用以混合两种偏振模。这些子段一般为几十至几百米的数量级。具有第二类扰动的子段用以改变色散符号即零色散波长，并仅限于长度，即长度与总色散乘积之和等于预选值。而且，第二类扰动必须与偏振模有有限的交互作用，或者必须在两种偏振模内均匀地作用。
图1a表示光纤纤芯预制件表面内的第一和第二种扰动图形。
图1b表示在由图1a的预制件拉制的光纤中出现的相同的扰动。
图2表示纤芯预制件表面内的第一和第二种扰动图形的另一个实施例。
图3表示一个实施例，是在螺旋形凹槽扰动上重叠的圆筒形对称直径扰动的图形。
图4是表示正、负总色散的图形。
众所周知，如上所述，可以将特定的纤芯扰动引入光纤纤芯把总色散控制为一个预选值。最好，光纤长度上的总色散可以为零，而在形成光纤长度的一组子段上维持非零总色散。按此种方法控制的总色散(TD)能在长距离范围内保持发射的脉冲形状，防止在发射脉冲的中心波长接近波导的零色散波长时发生四光子混合。
如上所述，关于偏振模色散(PMD)控制的最新研究已经表明，通过在波导纤芯表面上施加一种扰动图形可以有效混合两种偏振模的发射光。该扰动图形在混合偏振模的波导内产生双折射。
尤其是，已经发现PMD可能受到纤芯扰动的限制，后者的长度不到单模波导的约三分之一相关长度。这种控制PMD的方法，通过纤芯或拉制预制件内的扰动混合偏振模是很坚固的。即，偏振模数据表明，即使当偏振模内包含了随机扰动时，为PMD控制所感应的扰动也是有效的。随机扰动可以起因于波导涂覆缺陷、隔离或布线步骤，或者安装后的环境因素。
由于TD也可以受控于具有大的长度范围(包括对PMD控制有效的长度范围)的扰动显然，纤芯扰动可以用来控制同一光纤内的两类色散。
然而，该波导设计仅当控制PMD的扰动未反过来影响控制TD的扰动时才有可能。控制PMD的纤芯扰动仅需大到足以在大约1×10-6的波导的快轴与慢轴之间产生折射率之差。这样，与施加在TD控制用纤芯上的扰动相比，预期PMD纤芯扰动对TD仅有很小的影响。
本发明波导和制作该波导的方法具有大量消除PMD和TD的能力，不会反过来影响波导的衰减。再者，可以以这样一种方法控制TD，防止四种光子混合。因此，本发明波导是性能极高的光纤，它允许大的再生器间距以及波长划分多路转接。
应当理解，附图只是用来辅助描述本发明，设有必要按比例绘制，且不是用来限制本发明。
图1a表示本发明第一个实施例的一种扰动拉制预制件，图1b表示相应的波导。参见图1a，示出了包层的均匀表面9。装入包层的纤芯预制件具有第一类扰动2和第二类扰动4。第一类扰动2相互正交并持续到预制件长度6。
第二类扰动4持续到预制件长度8。在所示例子中，扰动4为凹槽，它比扰动凹槽2更深。这样，扰动4将用来改变总色散的符号以控制TD，扰动2将提供交替的双折射以控制PMD。
凹槽2沿着预制件长度的尺寸受到以下要求的限制，即光导纤维中的扰动不大于波导相关长度的3倍左右。这样，图1b所示的长度13和15表明拉制图1所示预制件而形成的波导，必须小于该相关长度的三分之一左右。
段的长度6可以在一个较广的长度范围内改变，其限制在于段6应包括偶数个扰动对，使段的总的双折射为零，并有足够的预制件长度包括具有偶数个扰动4的段。
相邻的扰动2象相邻的扰动4那样相互正交。而且，邻近扰动4的扰动2也相互正交。这样，沿着波导的纯双折射基本上为零，偏振模混合可以在两种类型的段6和8内形成。此外，扰动4与扰动2之间的扰动深度之差，在段6内将产生特定的零色散波长，在段8内将产生不同的零色散波长，从而使总色散符号在各段之间改变，并由此提供控制总色散的手段。对包含扰动4的段的长度和数量的限制是乘积Di×li之和等于一个预选数，由扰动4在整个波导长度上所引人的净双折射基本上为零。
第一个实施例中，段6和8的长度通过乘积和方程并要求在整个波导长度上的净双折射为零而连接。在图2所示的另一个实施例中，段的长度未像图1所示实施例那样牢固连接。参见图2，均匀的圆筒状外包层包围的纤芯具有在纤芯表面内所形成的基本上相同的凹槽，这些凹槽是循环间隔的。如前所述，相邻的凹槽相互正交。选择的凹槽深度范围为纤芯半径的3％至10％左右，对零色散波长的影响减至最小。
第二种直径图形扰动重叠在该凹槽图形上。图2表示一个段14，段14上纤芯区域的直径已经均匀减小，即保持圆筒形的对称。如前所述，段12和14具有各不相同的零色散波长。而且，如前所述，乘积Di×li之和必须等于预选值。然而，由于其圆筒形对称性，更小的直径区域将不会引入附加的双折射，故在此情况下，段12和14间的相互影响消除了。
图3是第三个实施例。该实施例与图2所示的类似，其中，TD控制扰动重叠在产生双折射的纤芯扰动上。此时，双折射扰动是在纤芯预制件表面(有一深度)内形成的螺旋形扰动，沿预制件长度有一个尺寸和一个间距。该螺旋形扰动如图3中的标号16所示。螺旋间距18可以选择成在50毫米直径的拉制预制件内大于约0.04毫米，防止光纤内发射光的圆偏振从预制件引出。避免圆偏振的另一种方法是沿着预制件长度形成相同长度的相反的间距，由此提供一种净零的圆偏振。
长度20和22用以形成总色散与长度乘积之和。再者，如图所示预制件的包层是均匀的圆筒形，正如以上所述，它表示平整预制件所采取的步骤。
本领域的熟练人员已知用一种质量平衡方程，根据预制件的尺寸计算波导的尺寸。
图4表示由上述扰动所产生的总色散的符号变化。宽度28所示色散值的范围表明总色散与波长的依赖关系。总色散特定符号的长度持续性如段30所示。标号26和32分别表示正、负色散。
若干纤芯折射率剖面的任何一种都具有允许对PMD和TD两者进行控制的适应性。例如，Bhagavatula申请的第4715679号美国专利、第08/323795号或第08/287262号美国专利申请所披露的剖面都适用于本发明。
这样，本光导纤维因此具有极低的色散并适用于要求最高光导纤维性能的系统。本波导结合采用光学放大器提供了一种在极长的非再生长度范围内基本上无损耗的传输介质。

Claims (18)

1.一种单模光导纤维，其特征在于包括：
具有折射率剖面的纤芯玻璃区域；
包围所述纤芯玻璃区域并具有一折射率剖面的玻璃包层，其中，至少一部分所述纤芯玻璃的折射率剖面大于至少一部分所述包层玻璃的折射率剖面；
所述光导纤维具有一长度和对称的纵轴；
沿光导纤维长度周期性设置，以混合两种偏振模的多个双折射装置；以及
沿光导纤维长度设置，使总色散在一个预选的波长范围内交替地为正值和负值的多个装置。
2.如权利要求1所述的单模光导纤维，其特征在于，
所述双折射装置为沿第一光导纤维段设置的多个第一类纤芯直径的扰动，其中，相邻的第一类扰动为正交取向，所述第一波导段的特点是第一零总色散波长，
所述第一光导纤维段邻近第二光导纤维段，其中，所述双折射装置为多个第二类纤芯直径的扰动，其中，相邻的所述第一和第二类扰动为正交取向，且其中相邻的第二类扰动为正交取向，所述第二波导段的特点是第二零总色散波长，
所述第一和第二波导段形成一个扰动段单元，它沿着光导纤维的长度周期性重复设置。
3.如权利要求2所述的单模光导纤维，其特征在于，
所述第一类直径的扰动，其最小尺寸定义为连接纤芯区域外围上两点之间并垂直于和穿过对称纵轴的最短线路，所述第二类直径的扰动，其最小尺寸定义为连接纤芯区域外围上两点之间并垂直于和穿过对称轴的最短线路，其中，
所述第一和第二最小尺寸是不同的。
4.如权利要求3所述的单模光导纤维，其特征在于，
所述一部分纤芯区域的外围形成具有一半径之圆的弧，
所述第一最小尺寸为约0.90至0.97倍纤芯区域半径范围，所述第二最小尺寸为约0.80至0.87倍纤芯区域半径范围。
5.如权利要求1所述的单模光导纤维，其特征在于，
所述双折射装置为沿光导纤维长度周期性设置的多个纤芯直径基本相同的扰动，其中，相邻直径的扰动为正交取向，以及
沿光导纤维长度设置，使总色散交替地为正值和负值的多个装置使光纤纤芯直径缩小，其中，选择所述纤芯直径缩小的长度和间距，以产生总色散Dips/nm-km与长度likm乘积之代数和，它等于一个预选值，其中Di在整个长度li范围内是常数。
6.一种单模光导纤维，其特征在于包括：
具有折射率剖面的纤芯玻璃区域；
包围所述纤芯玻璃区域并具有一折射率剖面的玻璃包层，其中，至少一部分所述纤芯玻璃的折射率剖面大于至少一部分所述包层玻璃的折射率剖面；
所述光导纤维具有一长度和对称的纵轴；
所述纤芯区域沿直径具有至少一个螺旋形扰动，以混合入射至光纤内的光的偏振模，其中，所述至少一个螺旋形扰动围绕对称纵轴对称地设置；以及
沿光导纤维长度设置，使总色散交替地为正值和负值的多个装置。
7.如权利要求6所述的单模光导纤维，其特征在于，所述螺旋形扰动具有基本为恒定的深度，所述纤芯区域的一部分外围形成具有一半径之圆的弧，所述螺旋形扰动的深度为约0.03至0.10半径范围。
8.如权利要求7所述的单模光导纤维，其特征在于所述使总色散交替为正值和负值的多个装置是重叠在所述螺旋形扰动上直径缩小的纤芯区域，其中，所述直径缩小部分为约0.13至0.20纤芯区域半径范围。
9.如权利要求6所述的单模光导纤维，其特征在于所述纤芯的一部分外围形成具有一半径之圆的弧，所述至少一个螺旋形扰动在多个第一和第二子段的所述纤芯内形成，所述多个第一子段内的至少一个螺旋形扰动，其螺旋深度为约0.03至0.10半径范围，所述多个第二子段内的至少一个螺旋形扰动，其螺旋深度为约0.13至0.20半径范围。
10.一种制造单模光导纤维的方法，该光导纤维具有低偏振模色散和受控总色散，其特征在于包括以下步骤：
制作光导玻璃纤维纤芯预制件，它具有一表面、一长度、一直径以及对称的纵轴；
在所述纤芯预制件表面内形成第一预选的、周期性的扰动图形，以混合入射于光纤内的光的偏振模；
在所述纤芯预制件表面内形成第二预选的扰动图形，使总色散交替地为正值和负值；
在所述纤芯预制件周围加上玻璃包层形成拉制预制件，所述拉制预制件具有基本上为均匀的圆筒形状；以及
将所述拉制预制件拉制成基本上为圆筒形具有均匀外径的单模光导纤维，由此将扰动图形加到光纤纤芯。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述第一预选的扰动图形为沿着所述预制件长度间隔开、并形成于所述纤芯预制件表面内的凹槽，每个凹槽具有对称的镜面，它包括对称的波导纵轴，其中，相邻凹槽各个对称的镜面相互正交。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述凹槽的深度范围约为所述预制件直径的3％至10％，其长度不超过约4毫米。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述第二预选的扰动图形在预制件直径内均匀缩小，该缩小范围约为所述预制件直径的11％至20％，且间隔开并重叠在所述凹槽上。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述第二预选的扰动图形为沿着所述预制件长度间隔开、并形成于所述纤芯预制件表面内的凹槽，每个凹槽具有对称的镜面，它包括对称的波导纵轴，其中，相邻凹槽各个对称的镜面相互正交。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于所述凹槽的深度范围约为所述预制件直径的11％至20％，其长度不超过约4毫米。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述第一预选的扰动图形包括至少一条螺旋线，其深度为3％至10％范围，其沿着所述预制件长度方向的尺寸不大于约4毫米。
17.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述第二预选的扰动图形包括至少一条螺旋线，其深度为11％至20％范围。
18.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述预制件的长度由相等的子段组成，其中，相邻子段分别具有所述第一预选的扰动图形和所述第二预选的扰动图形。
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