CN1200294C - 宽带色散控制光纤 - Google Patents

Abstract

一种宽带色散控制光纤，包括：形成光信号传输路径并具有峰值折射率的纤芯；围绕纤芯并具有比纤芯的峰值折射率小的峰值折射率的包层。该宽带色散控制光纤还包括至少一层位于纤芯和包层之间，并具有折射率从内部圆周向外部圆周呈递增变化的折射率分布的色散控制层。色散控制层的最小折射率小于纤芯和包层的峰值折射率。

Description

宽带色散控制光纤

技术领域

本发明涉及一种光纤，更具体地说，本发明涉及一种色散控制光纤。

背景技术

通常，通过在光纤的纤芯与包层之间放置渐降折射率的区域，光纤的色散特性可以得到有效的控制。这一点已经披露在由Venkata A.Bhagavatula发明和发布的美国专利号4,715,679(标题：“LOW DISPERSION，LOW-LOSSSINGLE-MODE OPTICAL WAVEGUDE”)中，其内容作为背景材料被参考并引用。

图1是说明现有技术中的单模光纤(SMF)的色散特性图。在该图中示出了SMF的色散曲线110。该SMF具有阶跃折射率分布，这是因为没有具有渐降折射率的区域。如色散曲线110所示，该SMF在1550nm波长处的单位色散值大约为17ps/nm/km。如果该SMF被用于长距离传输，则通过该SMF接收的光信号的累积色散将增加，结果，光信号的失真就变得更严重了。在现有技术中，有各种色散补偿技术，用于减少光信号在长距离传输中所产生的累积色散。通常，广泛采用使用色散控制光纤的方法来减少累积色散。

色散控制光纤具有大的负色散值，这是因为它的纤芯围绕有渐降折射率区域。另外，色散控制光纤可被连接到SMF的一端，以补偿SMF的累积色散。色散控制光纤在1550nm波长处具有大的负单位色散值，并且它的长度可以被调整，以抵消SMF的累积色散，这样，总的色散变为零。

然而，如果采用色散控制光纤来用于SMF的色散补偿，则在1550nm以外的波长处，色散控制光纤的累积色散与SMF的累积色散之和可能不为零。因此，就出现了色散控制光纤不适用于波分复用系统的问题。

为克服上述问题，最近已经做了研究，以提供一种能够一并补偿色散和色散斜率(slope)的光纤。为了一并补偿色散和色散斜率，需分别让SMF的色散值和色散斜率值为D_SMF和DS_SMF，让色散控制光纤的色散值和色散斜率值为D_DCF和DS_DCF，这样D_DCF和DS_DCF满足如下方程1。

[方程1]

$D_{\mathrm{SMF}}:D{S}_{\mathrm{SMF}}\≅D_{\mathrm{DCF}}:{\mathrm{DS}}_{\mathrm{DCF}}$

如果色散控制光纤的色散值和色散斜率(D_DCF和DS_DCF)满足方程1，则不仅在1550nm波长处，而且在1550nm以外的波长处都可以产生SMF的累积色散的补偿。然而，制造在整个波长范围内都理想地满足方程1的光纤有许多困难。因此，目前的技术状态只在1530-1570nm波长的C波段补偿色散和色散斜率。在宽带波分复用系统中，需要对包括1450-1530nm的S波段、1570-1610nm的L波段和C波段的波长范围内的任一波长进行色散和色散斜率补偿。

发明内容

因此，本发明提供了一种色散控制光纤，适用于宽带波分复用系统，如此宽带波长至今在现有技术中是没有的。

根据本发明，上述的和其它目的可以通过提供一种宽带色散控制光纤而实现，该光纤包括：形成光信号传输路径并具有峰值折射率的纤芯；围绕纤芯并具有比纤芯的峰值折射率小的峰值折射率的包层；还包括至少一层位于纤芯和包层之间的色散控制层，该色散控制层具有折射率从色散控制层内部圆周向外部圆周呈递增变化的折射率分布，其中，所述的色散控制层具有小于纤芯和包层的峰值折射率的最小折射率。

附图说明

下面结合附图所进行的详细描述，将使本发明的上述和其它的目的、特点、和其它优点变得更容易理解，其中：

图1是说明传统的单模光纤的色散特性图；

图2是显示根据本发明的第一实施例的宽带色散控制光纤的结构和折射率分布图；

图3是显示根据本发明的第二实施例的宽带色散控制光纤的结构和折射率分布图；

图4是显示根据本发明第三实施例的宽带色散控制光纤的结构和折射率分布图；

图5是说明图2中的宽带色散控制光纤的功能的图；

图6是说明图2中的宽带色散控制光纤的色散特性的图；

图7是说明使用图2中的宽带色散控制光纤补偿单模光纤的色散的例图；

图8是说明图2中的宽带色散控制光纤的粗加工成品的加工过程的图。

具体实施方式

现在，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。在下述描述中，将描述如成分元件的各种特殊元件。对这些元件的描述只是为了更好地理解本发明。本领域的技术人员将会理解，在不偏离如附加权利要求中披露的本发明的范围和实质的前提下，可以对这些特殊元件进行各种修改、增加和替换。

图2说明了根据本发明的第一实施例的宽带色散控制光纤的结构和各折射率分布。如该图所示，该宽带色散控制光纤200具有纤芯210、色散控制层220和包层230。

纤芯210位于宽带色散控制光纤200的中心处，其半径为A₁，折射率是N₁。纤芯210是条形的，具有被设置为一个恒定值N₁的色散分布。折射率分布的一般公式由如下的方程2表达：

[方程2]

$N\left(R\right)=N_1{[1-2{\mathrm{\Δ}}_1{\left(\frac{R}{A}\right)}^{{\mathrm{\α}}_1}]}^{1/2}$

其中，R(≤A)是径向(diametrical)距离，A(≤A₁)是到纤芯210内某一点的径向距离，N(R)是对应于R的折射率，N₁是纤芯210的峰值折射率，Δ₁是第一折射率差，以及α₁(0＜α₁≤∞)是决定折射率分布形状的第一形状指数。而且，第一折射率差可以由如下的方程3表达：

[方程3]

${\mathrm{\Δ}}_1=\frac{(N_1^2-N_2^2)}{2N_1^2}\≈\frac{(N_1-N_2)}{N_1}$

其中，N₂是包层230的峰值折射率。

如果需要，方程3中的N₂可以被替换成小于纤芯210的峰值折射率N₁且大于色散控制层220的最小折射率N₄的任何值。

色散控制层220位于纤芯210和包层230之间，并具有内半径A₁、外半径A₂、峰值折射率N₃和最小折射率N₄。而且，色散控制层220是管形的，并且，其折射率从内部圆周向外部圆周呈线性增加。色散控制层220的折射率分布可以由如下方程4表达。

[方程4]

$N\left(R\right)=N_4{[1-{2\mathrm{\Δ}}_2{\left(\frac{R}{A}\right)}^{{\mathrm{\α}}_2}]}^{1/2}$

其中，A(A₁≤A≤A₂)是到色散控制层220中任一点的径向距离，R(A₁≤R≤A)是一径向距离，N₄是色散控制层220的最小折射率，Δ₂是第二折射率差，α₂(0＜α₂≤∞)是决定折射率分布形状的第二形状指数。而且，第二折射率差可以由如下的方程5表达：

[方程5]

${\mathrm{\Δ}}_2=\frac{(N_4^2-N_3^2)}{2N_4^2}\≈\frac{(N_4-N_3)}{N_4}$

其中，N₃是色散控制层220的峰值折射率。

包层230位于宽带色散控制光纤200的外层，具有半径A₃和折射率N₂。

如果需要，根据本发明，色散控制层可以制以各种形状实现，这种实现形状的变化将在本发明的第二和第三实施例中描述。

图3说明了根据本发明的第二实施例的宽带色散控制光纤的结构和折射率分布。如该图所示，该宽带色散控制光纤300具有纤芯310、色散控制层320和包层330。

纤芯310位于宽带色散控制光纤300的中心处，其半径为A₁，折射率是N₁。纤芯310是条形的，具有被设置为一个恒定值N₁的色散分布。

色散控制层320位于纤芯310和包层330之间，具有内半径A₁、外半径A₂、峰值折射率N₃和最小折射率N₄。而且，色散控制层220是管形的，并且，其折射率从内部圆周向外部圆周呈曲线增加。

包层330位于宽带色散控制光纤300的外层，具有半径A₃和折射率N₂。

图4说明了根据本发明的第三实施例的宽带色散控制光纤的结构和折射率分布。如该图所示，该宽带色散控制光纤400具有纤芯410、色散控制层420和包层430。

纤芯410位于宽带色散控制光纤400的中心处，其半径为A₁，折射率是N₁。而且，纤芯410是条形的，其色散分布被设置为一个恒定值N₁。

色散控制层420位于纤芯410和包层430之间，具有内半径A₁、外半径A₂、峰值折射率N₃和最小折射率N₄。而且，色散控制层220是管形的，并且，其折射率从内部圆周向外部圆周呈阶梯增加。

包层430位于宽带色散控制光纤400的外层，具有半径A₃和折射率N₂。

图5说明了图2中所示的宽带色散控制光纤的功能。该图示出了通过色散控制光纤200的较短波长光信号和较长波长光信号的强度(intensity)曲线510和强度曲线520。即，曲线510和曲线520表示相应于宽带色散控制光纤200的一定横截面的光信号强度分布。

如较短波长的光信号的强度曲线510所示，曲线510的峰值强度点几乎与纤芯210的中心一致，并且，强度分布集中在纤芯位置。换句话说，当较短波长的光信号通过宽带色散控制光纤200时，这种光信号透入色散控制层220的量相对较少，绝大多数光信号是在纤芯210中传输的。结果，色散控制层220对较短波长的光信号的色散影响相对较小。

如较长波长的光信号的强度曲线520所示，曲线520的峰值强度点几乎与纤芯210的中心一致，并且，强度分布分散在纤芯210和色散控制层220的位置。换句话说，当较长波长的光信号通过宽带色散控制光纤200时，较长波长的光信号透入色散控制层220的量相对较多，有相当一部分的光信号是在色散控制层220中传输的。结果，色散控制层220对较长波长的光信号的色散影响相对较大。

由于可以对较长波长的光信号进行色散特性控制，所以，可以根据波长，对宽带色散控制光纤200的色散曲线进行控制。这种控制过程将在下面逐步描述。

首先，在包层230的折射率分布被设置为一个恒定值的条件下，通过控制纤芯210和色散控制层220的各折射率分布，设置按较长波长波段的波长的色散曲线。

第二步，通过控制色散控制层220的折射率分布的斜率，设置按较短波长波段的波长的色散曲线。

图6是说明图2中的宽带色散控制光纤的色散特性的图。该图示出了：当峰值折射率N₃和最小折射率N₄的差值为零时的第一色散曲线610；当差值是0.0005时的第二色散曲线620；当差值是0.001时的第三色散曲线630；和当差值是0.0015时的第四色散曲线640。

在短波长波段，第一到第四色散曲线610、620、630、和640的相互之间是如此的相似，以至于很难从它们中区别任何一个。另一方面，在较长波段，或在1500nm或更长的波长处，那些色散曲线之间的差别是明显的。

参照图7，将描述一种关于通过控制如图2中所示的宽带色散控制光纤200的纤芯210和色散控制层220的各折射率，补偿单模光纤的色散和色散斜率的方法。图7示出了：单模光纤的色散曲线710；其色散控制层220被控制以调整其色散斜率的宽带色散控制光纤200的色散曲线720；色散曲线730，表示当单模光纤和宽带色散控制光纤200按1∶1的长度比相互连接时的总的色散。如总色散曲线730所示，使用宽带色散控制光纤200，可以对包括S波段、L波段和C波段的波长范围都进行色散补偿。

如图6和图7所示，通过调整色散控制层220的斜率，色散控制光纤200的色散和色散斜率被调整，使得色散控制光纤200具有负的色散值，从而在包括S波段、C波段和L波段的宽波段内，都可以用负色散值对单模光纤色散进行补偿。

参照图8，将描述图2中的宽带色散控制光纤的粗加工成品的加工方法。该光纤粗加工成品的加工方法可以是MCVD(改进化学汽相淀积)、VAD(汽相轴向淀积)、OVD(外部汽相淀积)、等等。在这里，将描述使用MCVD的光纤粗加工成品的加工方法。因为MCVD是已知的技术，所以只描述冷凝和沉淀(collapsing)处理过程。

该粗加工成品的加工装置包括：原料气体供给器820、支架850、和氧/氢燃烧器860。

原料气体供给器820将氧气和多种添加剂混合，并供应氧气和诸如SiCl₄、GeCl₄、POCl₃、CF₄、SiF₄等原料气体给管810的内部。GeCl₄和POCl₃是用于提高淀积区的折射率，CF₄和SiF₄是用于降低淀积区的折射率。原料气体供给器820恰当地调节流入管810的氧气和原料气体的供应量，以获得如图2所示的折射率分布。例如，在淀积色散控制层220时，由于淀积处理被重复执行，原料气体供给器820调节供应到淀积管810的CF₄或SiF₄与氧气、SiCl₄、GeCl₄、和POCl₃的混合气体的比率，以产生期望的折射率斜率。在淀积纤芯210时，由于淀积处理被重复执行，原料气体供给器820调节供应到淀积管810的GeCl₄与氧气和SiCl₄的混合气体的比率，以在折射率上产生变化。

支架850有一对卡盘832和836、和一副导轨840。淀积管840可旋转地固定在卡盘对832和836之间。导轨840可移动地支持着氧/氢燃烧器860。

供应有氧气和氢气的氧/氢燃烧器860以恒定的速度沿着导轨840移动，以向淀积管810的外围供应热量。结果，在淀积管810的内部形成一个高温区，形成的原料气体经过高温区而产生反应物。相关的反应公式可以表示成，例如， 和 。通过热泳(thermophoretic)机制，反应物移动到温度相对较低的淀积管810的内壁，然后淀积在淀积管810的内壁上。

尽管在本发明的优选实施例中的色散控制光纤中提供了一层色散控制层，如果需要的话，可以在色散控制光纤的纤芯与包层之间设置多层色散控制层。从较短波长到较长波长，光纤的强度分布色散因波长而变化。因此，当需要宽带色散控制光纤的按波长进行色散特性的精细控制时，可以使用多层色散控制层。

上述已阐明，根据本发明的宽带色散控制光纤，对较长波长波段，可以通过使用其色散控制层的折射率分布来控制其色散特性。所以，根据本发明的宽带色散控制光纤具有可适用于宽带波分复用系统的优点。

尽管，为了说明的目的，披露了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将会理解，在不偏离如附加权利要求中披露的本发明的范围和实质的前提下，可以进行各种修改、增加和替换。

Claims (8)

1.一种宽带色散控制光纤，包括：

形成光信号传输路径并具有峰值折射率的纤芯，

围绕所述纤芯并具有比纤芯的峰值折射率小的峰值折射率的包层，

位于所述纤芯和包层之间的一层色散控制层，

所述一层色散控制层，具有折射率从内部圆周向外部圆周呈递增变化的折射率分布，其中，所述一层色散控制层具有小于所述纤芯和包层的峰值折射率的最小折射率，所述色散控制层具有比包层的峰值折射率小的峰值折射率。

2.如权利要求1所述的宽带色散控制光纤，其中，所述宽带色散控制光纤在1400-1650nm波段，具有负的色散值。

3.如权利要求1所述的宽带色散控制光纤，其中，所述纤芯是条形的。

4.如权利要求3所述的宽带色散控制光纤，其中，纤芯的半径是A₁，折射率是N₁，色散分布被设置为一个恒定值N₁，纤芯的折射率分布由如下的方程表达：

$N\left(R\right)=N_1{[1-2{\mathrm{\Δ}}_1{\left(\frac{R}{A}\right)}^{{\mathrm{\α}}_1}]}^{1/2}$

其中，R是从该光纤中心开始的径向距离，其中R≤A，A是从该光纤中心到纤芯内一预定点的径向距离，其中A≤A₁，N(R)是对应于R的折射率，N₁是纤芯的峰值折射率，Δ₁是第一折射率差，和α₁是决定折射率分布形状的第一形状指数，其中0＜α₁≤∞。

5.如权利要求4所述的宽带色散控制光纤，其中，第一折射率差由下式表达：

${\mathrm{\Δ}}_1=\frac{(N_1^2-N_2^2)}{2N_1^2}\≈\frac{(N_1-N_2)}{N_1}$

其中，N₂是包层的峰值折射率。

6.如权利要求1所述的宽带色散控制光纤，其中，所述一层色散控制层是管形的，其中，所述一层色散控制层的折射率从内部圆周向外部圆周呈线性增加。

7.如权利要求1所述的宽带色散控制光纤，其中，所述一层色散控制层(220)的折射率分布可以由如下的方程表达：

$N\left(R\right)=N_4[1-2{\mathrm{\Δ}}_2{\left(\frac{R}{A}\right)}^{{\mathrm{\α}}_2}{]}^{1/2}$

其中，A是从该光纤中心到色散控制层(220)中任一点的径向距离，A₁≤A≤A₂，A₁为纤芯半径，A₂为色散控制层的半径，R是从该光纤中心开始的径向距离，A₁≤R≤A，N₄是色散控制层(220)的最小折射率，Δ₂是第二折射率差，α2是决定折射率分布形状的第二形状指数，0＜α₂≤∞。

8.如权利要求7所述的宽带色散控制光纤，其中，第二折射率差由下式表达：

${\mathrm{\Δ}}_2=\frac{(N_4^2-N_3^2)}{2N_4^2}\≈\frac{(N_4-N_3)}{N_4}$

其中，N₃是所述色散控制层的峰值折射率。

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