CN1205491C - 负色散单模波导纤维 - Google Patents

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Abstract

揭示了一种衰减小的负总色散光纤。该光纤包括具有中心线和至少两个分层的纤芯区和包绕纤芯区的包层。所述至少两个分层各自的相对折射率均为正，相对折射率的参考折射率是所述包层的平均折射率。选择所述至少两个分层各自的相对折射率、折射率分布曲线以及内、外半径，使提供的光纤在1530nm处具有负总色散，在1530-1565nm范围内具有正色散斜率，并且零色散波长大于1595nm。当激光器正向线性频时该纤维能压缩发射信号脉冲。激光器工作于最佳偏置，导致正向线性调频，但在链路中不造成色散损失。该波导纤维在高性能多路复用电信链路中用作色散补偿纤维。

Description

负色散单模波导纤维
                     相关申请的交叉参照
本申请要求以下申请的优先权：1999年9月3日提交的美国临时申请NO.60/152,437、1999年9月8日提交的美国临时申请NO.60/152,844、1999年9月30日提交的美国临时申请NO.60/156,798、2000年1月3日提交的美国临时申请NO.60/174,264和2000年2月28日提交的美国临时申请NO.60/185,253。
                          发明背景
1.发明领域
本发明一般涉及长距离光纤，尤其涉及具有负色散的光纤。本发明的波导纤维可以缆线化，构成光通信链路的全部或一部分。
2.技术背景
应用高性能波导有利于工作于比特率超过约千兆赫或包括波分复用方法的通信系统。在这类高性能系统中，发射功率范围可从0.1毫瓦到10毫瓦甚至更高。在较高功率系统中，波导纤维的期望特性包括较大的有效面积。新的系统策略是在增强系统性能的同时，还要降低成本。
一种有前途的策略是以某种方式匹配系统的诸元件，使一个元件某一特定的特性补偿另一元件的某种不足。较佳地，元件匹配策略是将某个指定元件设计成让另一元件更有效地工作。此类补偿方案例如在减少色散劣化方面是有效的，即在通信链路内加一个色散补偿模块，在信号脉冲穿过该链路的光纤后，可提供期望的信噪比或信号脉冲形状。另一例有效补偿法是在非线性效应为信号劣化主要原因的通信系统中使用有效面积大的波导纤维。
既能提高性能又可降低成本的一个方面是使信号源与纤维相匹配。一种功率输出较高、寿命较长的成本有效的信号源，是直接调制的分布式反馈激光器(DFB)。但是，直接调制的DFB激光器总是正向线性调频的，即脉冲的前沿偏移到更长的波长(红移)，而后沿发生兰移。这种脉冲在正色散纤维中传播时，正向线性调频就导致脉冲扩宽。曾通过将半导体激光器偏置超过阈值来减小正向线性调频的效应。见Fiber Optic Communications Systems，G.P.Agrawal.p.223。
定义
以下定义与本领域的习惯用法相符。
—折射率分布曲线是折射率与波导纤维半径之间的关系。
—分层纤芯被分成至少第一与第二波导纤芯部分或分层。每一部分或分层沿一特定径向长度定位，基本上与波导纤维中心线对称，且具有相关的折射率分布曲线。
—纤芯分层半径以各自在分层的起点与终点的各个折射率定义。本文使用的半径定义在诸附图中列出和讨论。
—波导纤维的总色散是材料色散、波导色散与模间色散之和。在单模波导纤维中，模间色散为零。
—通常应用于总色散的符号习惯如下。如果较短波长信号在波导中传播得比较长波长信号更快，就称总色散为正。反之，在负总色散波导中，较长波长信号传播得更快。
—线性调频激光器是一种产生输出脉冲的激光器，其中脉冲波长内的波长在时间上有后移或前移，即输出脉冲发生红移或兰移。正线性调激光器是一种输出脉冲的前沿红移而后沿兰移的激光器。
—有效面积为：
Aeff＝2π(∫E2r dr)2/(∫E4r dr)，其中积分限为0至∞，并且E是与波导中传播的光有关的电场。有效直径Deff可定义为：
Aeff＝π(Deff/2)2。
—相对折射率百分比为Δ％＝100×[(ni 2-nc 2)/2ni 2]，其中除非特别指明，ni为区域i的最大折射率，并且nc为包层区域的平均折射率。
—术语α分布曲线是指遵循下述等式的折射率分布曲线，该式用Δ(b)％表示，其中b是半径：
Δ(b)％＝Δ(b0)(1-[|b-b0|/(b1-b0)]α)，其中b0是Δ(b)％为最大值的点，b1是Δ(b)％为零的点，b在bi≤b≤bf的范围内，Δ如上定义，bi是α分布曲线的起点，bf是α分布曲线的终点，α是实数指数。选择α分布曲线的起点和终点，并将其输入计算机模拟中。如这里所使用的，如果α分布曲线前面有一阶跃型折射率分布曲线或任何其它分布曲线形状，那么α分布曲线的起点是α分布曲线与阶跃型或其它分布曲线的交点。
在模拟中，为了使α分布曲线与相邻分布段的分布曲线光滑连接，可以将等式重写成：
Δ(b)％＝Δ(ba)+[Δ(b0)-Δ(ba)]{(1-[|b-b0|/(b1-b0)]α)}，其中ba是相邻分层的第一点。
—销钉阵列弯曲测试用于比较波导纤维的相对抗弯性。为了进行该测试，对基本上不引起弯曲损耗的波导纤维测量衰减损耗，然后将波导纤维绕销钉阵列再测量衰减。弯曲引起的损耗在两次测得的衰减值之间不同。销钉阵列是一组排成—行并在平坦表面上保持固定垂直位置的10只圆柱销钉。销钉间距为5mm(中心距)，直径为0.67mm。波导纤维穿过相邻销钉的相对两侧。测试期间，波导纤维承受的张力正好使波导与销钉一部分周边贴合。
—这里参照的另一种弯曲测试是横向载负测试。在这种测试中，在两块平板之间放一段规定长度的波导纤维，将一个#70铁丝网附接于两块板之一(销售代码为#70的网是用直径为0.178mm的金属丝作的筛网，筛孔为方形，边长0.185mm)。将已知长度的波导纤维夹在两板之间，用30N的力把板压在一起，测量参考衰减。然后对板加70牛顿力，并测量衰减的增量，单位为dB/m。该衰减增量就是波导的横向载负衰减。
—绝热线性调频正比于信号输出功率。
—瞬时线性调频正比于信号输出功率的导数，因而只出现在信号功率在0与1(或1-0)之间变化的时间周期中。
—增益压缩系数(也称非线性增益参数)指半导体激光器的—个比例常数，用以使激光器活化区的半导体激光激光材料的光学增益与该活化区中的光子数相关联。在关系式G＝f(εP)中，G是激光器的增益，ε是增益压缩系数，P为活化区中的光子数(与激光器输出功率直接相关)，f是—个函数。见Fiber OpticCommunications Systems 2nd Edition，Agrawal，page 113。
                          发明内容
优化正向线性调频激光器性能的一种更有效的方法，使用了负总色散的波导纤维，在此情况下在负总色散纤维中传播的正向线性调频脉冲经历压缩而形成负色散功率损失。申请人发现，通过将这里揭示的在所需工作波长具有负色散的纤维与正向线性调频激光器一起使用，在要求再生前可以实现板长的链路长度。例如，按本发明将负色散纤维与正向线性调频激光器一起使用，相对于普通单模纤维而言，纤维传输距离增大了三倍。
依照本发明提供了一种光纤，它包括：纤芯区，它具有中心线和至少两个分层，每个所述分层具有一相对折射率、一折射率分布曲线以及内、外半径，所述半径是参照中心线测量的；包层，它包绕纤芯区并与之接触，所述包层具有一相对折射率和一折射率分布曲线。在本发明的光纤中，所述纤芯和包层的折射率分布曲线经配置用于引导波长在一波长范围内的光；所述至少两个分层各自的相对折射率均为正，相对折射率的参考折射率是所述包层的平均折射率；选择所述至少两个分层各自的相对折射率、折射率分布曲线以及内、外半径，使提供的光纤在1530nm处具有负总色散，在1530-1565nm范围内具有正色散斜率，并且零色散波长大于1595nm。
在本发明的光纤中，零色散波长可以大于或等于1610nm。
在本发明的光纤中，1600nm处的总色散小于-0.1ps/nm-km，而1530nm处的总色散为负值并且大于-15ps/nm-km。
在本发明的光纤中，纤芯区可以包括两个分层，第一分层始于中心线，相对折射率范围为0.75％-0.85％，第二分层的相对折射率范围为0.01％-0.05％。第一分层的外半径范围为2-3μm，第二分层的外半径范围为9-10μm。
在本发明的光纤中，纤芯区可以包括三个分层，第一分层始于中心线，相对折射率范围为0.65％-1.2％，外半径范围为2-3.5μm；第二分层的相对折射率范围为0-0.08％，外半径范围为5-9μm，和第三分层的相对折射率范围为0.1％-0.30％，外半径范围为5.5-11μm。
在光纤区包括三个分层的情况下，第一分层的折射率分布曲线形状可以是α分布曲线，α的范围为2.0-2.5，相对折射率百分数为0.70％-0.85％。
在光纤区包括三个分层的情况下，第一分层的相对折射率百分数可以为0.70％-0.85％。
在光纤区包括三个分层的情况下，第三分层的折射率分布曲线形状可以为带圆角的阶跃型，相对折射率百分数为0.15％-0.22％。
在光纤区包括三个分层的情况下，第一分层的折射率分布曲线形状可以为α分布曲线，α为2.0-2.5，相对折射率为0.72％-0.78％，外半径(42)为2-3.5μm；并且第三分层的分布曲线形状可以为带圆角的阶跃型折射率，相对折射率百分数为0.15％-0.19％，所述第三分层的内半径为5.6-6.2μm，外半径为9-10μm，而第一分层的中心线相对折射率为0.70％-0.76％。
在光纤区包括三个分层的情况下，第一分层的折射率分布曲线形式可以为α分布曲线，α为0.9-1.1，所述第一分层的相对折射率百分数为1％-1.2％，外半径为2.8-3.2μm；第二分层的分布曲线形状为阶跃型，相对折射率百分数为0，外半径为8.5-8.9μm；并且第三分层的分布曲线形状为带圆角的阶跃型，相对折射率为0.15％-0.20％，外半径为9.3-9.7μm。
在光纤区包括三个分层的情况下，第一分层可以始于中心线并有α分布曲线，其中α为0.70-1.5，相对折射率为0.40％-0.90％，外半径为2.5-3.0μm；第二分层的相对折射率为0-0.04％；并且第三分层的相对折射率为0.17％-0.30％，中心半径为5.5-8.5μm，宽度为1-2.5μm。
在光纤区包括三个分层的情况下，第一分层可以开始于中心线，且具有第一分布曲线形状的中心部分和第二分布曲线形状的第二部分，所述第一分布曲线形状是一阶跃型分布曲线，相对折射率百分数为0.60％-0.65％，外半径为0.95-1.40μm，所述第二部分分布曲线形状为带圆角的阶跃型，相对折射率百分数为0.76％-0.80％，外半径为2-2.5μm；第二分层的相对折射率百分数为0，外半径为8-8.4μm，和第三分层具有带圆角的阶跃型分布曲线形状，相对折射率百分数为0.05％-0.10％，外半径为9.6-10μm。
在光纤区包括三个分层的情况下，第一分层可以始于中心线，并具有第一分布曲线形状的中心部分和第二分布曲线形状的第二部分，所述第一分布曲线形状为阶跃型分布曲线，相对折射率百分数为0.65％-0.70％，外半径为0.95％-1.40μm，所述第二分布曲线形状为带圆角的阶跃型，相对折射率百分数为0.73％-0.78％，外半径为2-2.5μm；第二分层的相对折射率百分数为0.01％-0.03％，外半径为4.5-5.5μm；和第三分层具有带圆角的阶跃型分布曲线形状，相对折射率百分数为0.04％-0.08％，外半径为9.6-10μm。
本发明一实施例是一种纤芯区被包绕并与之接触的光纤。纤芯区至少有两个分层，每一分层由各自的折射率分布曲线，内外半径和相对折射率百分数表征，相对于以上定义的纤芯折射率的平均值而言，所有这些参数最好为止。最好把分层折射率分布曲线选择成提供一种在1530nm具有负总色散而在1525-1625nm波长范围内(覆盖C和L两个波段)具有正总色散斜率的波导纤维。零色散波长较佳地大于1560nm，更佳地大于1580nm，还要佳地大于1610nm，而最佳大于1625nm。调节纤芯区的折射率分布曲线，使之对任一指定的工作波长范围，零色散波长都大于或等于该范围的最长波长，可将本发明的光波导做成工作于其它波长范围。在选择的工作波长范围内，该波导最好为单模，尽管可以工作于波导传播两个或更多模的波长范围。在有些场合中，传播两个或更多模的波导是有效的单模纤维，因为高次模被强烈衰减，使这些高次模在到达通信系统的接收机端之前消失掉。
本发明的纤维适用于1310nm工作窗(1250-1370nm)，1550nm工作窗(1530-1565nm)，L波段(1565-1625nm)和高达1700nm的更高波长。换言之，本文揭示的纤维有可能应用于1250-1700nm之间的任一波长。
在另一实施例中，本发明是一种工作于所需工作波长范围的波导纤维电信链路，包括用至少一根按本发明制造的波导纤维相互光耦合的激光光源和接收机。激光光源为正向线性调频，链路的至少一根波导纤维在1550nm具有负总色散。来自激光器的正向性调频的脉冲，一进入负色散波导纤维就被压缩，即负色散波导纤维在脉冲内的波长前沿产生兰移，以补偿该脉冲内由正向线性调频造成的波长红移。负色散纤维在脉冲内还使波长后沿产生红移。结果，脉冲被压缩，产生负色散功率损失。应该理解，通常把链路中诸波导纤维拧成缆，或者加以隔离。
可以把激光器线性调频表征为绝热，意味着线性调频正比于激光器的光学输出功率。相反地，瞬时线性调频正比于光学输出功率随时间的变率。在直接调制式DFB激光器的场合中，当激光器始终以低的消光比(如6dB)超过阈值正常工作时，线性调频以绝热为主。另外，绝热激光器线性调频用相对高的增益压缩系数表征，如该系数在4×10-23m3-30×10-23m3范围内。
然而，当激光器工作于较接近阈值时，消光比变得更高(如12dB)，若运用目前的技术，则线性调频会变成以瞬时为主。激光器的线性调频从绝热为主转换到瞬时为主的准确消光比或驱动条件，取决了激光器自身准确的参数。在DFB激光器的瞬时线性调频工作情况下，瞬时工作的增益压缩系数不少于约1×10-23m3。对于特定的激光器结构，可运用例如下述文献所描述的诸拟合技术测量增益压缩系数：L.A.Coldren和S.W.Corzine的“Diode lasers and photonicintegrated circuits”，Wiley，1995，p.211，′Intensity modulation and chirp of 1.55μmMQW laser diodes：modeling and experimental verification′，K.Czotscher等人，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，vol.5，no.3，May/June1999，or，′Extraction of DFB laser rate equation parameter for system simulationpurposes′，J.C.Cartledge等人，IEEE Journal of Lightwave Technology，vol.15，no.5，May 1997.
近期研究表明，以瞬时线性调频为主的激光器工作较佳。在瞬时工作场合中，视域图(eye diagram)在较长纤维距离内保持打开。
虽然链路较佳的工作波长为1530-1565nm，但是更佳的工作范围为1530-1625nm，还要佳的工作范围为1250-1625nm，最佳的工作范围是1250-1700nm。
本发明的电信链路可以只包括负色散的波导或包括正色散的波导，也可包括正与负两种色散波导。最好选择正与负色散的波导形成这类链路，使正色散波导的正色散基本上抵消负色散波导的剩余负色散。负色散波导的剩余负色散是未被光源的正向线性调频有效地抵消的负色散部分。可以把组成该链路的诸波导选成提供为正、负或零的端对端链路色散。在一实施例中，链路的端对端色散的大小在1550nm时小于10ps/nm，最好小于5ps/nm。端对端色散板小的链路的诸波导各自的色散不过分接近零(不少于约0.05ps/nm-km)，从而避免非线性四波混合造成的色散损失。
通常把形成链路的波导纤维拧成缆或加以保护。
本发明的再一个方面是一种色散补偿型通信链路，其中色散补偿波导纤维是一种上述提出的本发明第一个方面的负色散波导。该补偿波导纤维在工作波长的衰减小于约0.5dB/km，较佳地小于0.25dB/km，更佳地在所选的波长处小于0.22dB/nm衰减，例如，1550 nm的衰减较佳地小于0.25dB/km，更佳地小于0.22dB/km。该补偿波导纤维至少在抗弯曲损耗方面可同普通阶跃折射单模纤维相比拟，因而可把补偿纤维拧成缆或加以保护，且包括一部分链路长度。通过把负色散纤维置于远离信号发射机，可以将负色散波补偿纤维较低的有效面积还原成通信链路中的非线性功率色散源。这种链路配置在信号在较低有效面积补偿波导中传播时，可以保证其幅值较低，从而将非线性色散效应减至最小。
在以下的详细描述中将提出本发明的附加特征与优点，本领域的技术人员从这一描述或通过实施本文描述的本发明，包括下面的详细描述，权利要求所附的附图，很容易明白或认识部分内容。
应该理解，前面的一般说明和下面的详细描述仅是本发明的示例，意在为理解权利要求所要求的本发明的特征与特点提供一概述或框架。包括的诸附图用于进一步理解本发明，包括在这里构成本说明书的一部分。附图示出了本发明各种实施例，与描述一起说明本发明的原理和工作状况。
                          附图简介
图1-7示出本发明折射率分布曲线的诸实施例。
图8-9对具有正或负总色散的链路示出色散有限的链路长度与波导纤维色散的关系。
图10a示意表明具有用负总色散光纤联接的发射机与接收机的通信链路。
图10b示意表明具有用正与负总色散光纤联接的发射机与接收机的通信链路。
图11示出两条复用系统链路在信道间距为100Ghz、功率为3dBm时，链路Q值与信道数的关系。
图12示出两条复用系统链路在信道间距为100GHz、功率为0dBm时，链路Q值与信道数的关系。
图13示出两条复用系统链路在信道间距为50GHz时，链路Q值与信道数的关系。
图14示出相对折射率与半径的关系，表明本发明的折射率分布曲线的一
实施例。
                      本发明的详细描述
现在详细参照本发明现有的诸较佳实施例，附图示出了若干实例。在本发明一较佳实施例的光波导折射率分布曲线中，工作波长范围为1250-1700nm，该范围包括约1530-1565nm的C波段和约1565-1625nm的L波段。本发明的波导纤维呈现的衰减，在1550nm小于或等于0.25dB/km，较佳地小于或等于0.22dB/km。此外，为提供一组期望的色散特性，可以调节该折射率分布曲线。在图1-7所示的诸实施例中，总色散(定义为波导色散与材料色散之和)做成在1600nm负于或等于-0.1ps/nm-km，在1550nm处于约-3.2--3.8ps/nm-km范围内。总色散斜率最好设计成在1530nm的总色散比-15ps/nm-km负得少或等于-15ps/nm-km。通常，该斜率在1525-1650nm波长范围内小于或等于0.09ps/nm2-km，更佳在0.05-0.07ps/nm2-km范围内。期望的负总色散值范围在一宽广的波长范围内实现。1550nm的有效面积为35-55μm2，更佳为40-50μm2，缆线截止波长范围较佳为1250-1350nm，模场直径为约7.0-8.5μm，销钉阵列弯曲损耗小于约12dB，1550nm的衰减小于约0.22dB/km，更佳为小于或等于约0.21dB/km。
本发明一示例性实施例的波导纤维折射率分布曲线示于图1，包括具有中心分层2与环形分层4的分层纤芯区。包绕包层6在分层4的相对折射率百分数为零的点8开始。包层6在本例中有一恒定值的折射率，供计算相对折射率时参照。较佳地，包层6包含不惨杂的纯净石英。在此情况下，分层2的外半径确定方法是将分层2的直线部分外推到与Δ％＝0直线相交。中心分层2的相对折射率范围约为0.75％-0.85％，外半径10的范围为2-3μm。环形分层4的相对折射率范围为0.01-0.05％，外半径12的范围为9-10μm。分层2和4有其各自选自圆角阶跃、阶跃、梯形和α分布曲线的形状。图1的纤芯分层2示为圆角阶跃形状，分层2的另一种形状是α范围为9-11的α分布曲线形状。本例的优点是简单而易于制造。
图2实施例的特点在于纤芯区具有中心分层14、第一环形分层16和第二环形分层18。中心分层14的相对折射率范围为0.65-1.2％，外半径20的范围为2-3.5μm。应该理解，分层14的内半径为零。环形分层16的相对折射率范围为0-0.08％，外半径22的范围为5-9μm。环形分层16的内半径应理解为是相邻中心分层14的外半径。环形分层18的相对折射率范围为0.1-0.25％，外半径23的范围为5.5-11μm。分层标号14、16和18用来标定实曲线与虚曲线。图2的虚曲线部分表示这些分层可以取以上图1讨论的其它形状。具体地说，分层14与18可以具有选自圆角阶跃，阶跃，梯形和α分布曲线的形状，分层16可以是梯形或略有凹形或凸形。因此，图1与2和下述附加折射率分布曲线说明了，在指定了相对折射率百分数和半径范围后，在波导纤维诸特性保持在所需范围内的意义上，可以接受分布曲线形状的变化，尽管诸分层各自的形状有些变动。选择的具体分布曲线形状取决于便于制造、纤维的形状再现性、总成本等因素。
在图3实施例中，中心分层24是一α分布曲线，α范围为2.0-2.5，相对折射率范围为0.70％-0.85％，最好为0.75％-0.85％。环形分层28可以是α分布曲线，α范围为1-2.5，相对折射率范围为0.15-0.30％。在另一实施例中，分层24是一α分布曲线，α范围为2.0-2.5，相对折射率百分数范围为0.70-0.85％，最好为0.75-0.85％，而分层28是一圆形阶跃，相对折射率百分数范围为0.15％-0.22％。半径30，32和34的范围分别为2-3.5μm，5-9μm和5.5-11μm。在上面刚刚讨论过的图3的每一实施例中，分层26的相对折射率百分数范围为0-0.08％。
本发明再一个实施例的折射率分布曲线示于图4。中心分层36是一α分布曲线，α范围为2.0-2.5，相对折射率范围为0.72-0.78％，外半径42范围为2-3.5μm。分层40为圆角阶跃折射率，相对折射率百分数范围为0.15-0.19％，内半径44的范围为5.6-6.2μm，外半径46范围为9-10μm。分层38的相对折射率百分数范围为0-0.08％。分层36在中心线上有一折射率凹陷48，因而分层36的中心线相对折射率范围为0.70-0.76％。
图1-4示出的每个实施例呈现的功能特性都符合上面在发明内容里提出并在下列实例中列出的特性。
实例1
在图5的实施例中，分层50是一α分布曲线，α范围为0.9-1.1，相对折射率百分数范围为1-1.2，外半径54的范围为2.8-3.2μm。环形分层52为阶跃型，相对折射率百分数为0，外半径56的范围为8.5-8.9μm。环形分层58为圆角阶跃型，相对折射率范围为0.15-0.20％，外半径60范围为9.3-9.7μm。
图5波导的模拟特性为：
—1550nm的总色散为-3.39ps/nm-km；
—在1525-1650nm波长范围内，总色散斜率为0.06ps/nm2-km；
—零色散波长为1620nm；
—有效面积为42μm2；
—纤维截止波长为1270nm；
—模场直径为7.56μm；
—销钉阵列弯曲损耗为6.94dB；和
—1550nm的衰减为0.206dB/km。这些特性都在本发明期望的波导纤维范围内。
实例2
在图6的本发明实施例中，中心部分62为阶跃分布曲线，相对折射率百分数范围为0.60％-0.65％，外半径63的范围为0.95-1.40μm。中心部分64为圆角阶跃分布曲线，相对折射率范围为0.76％-0.80％，外半径70的范围为2-2.5μm。环形分层66为阶跃型，相对折射率百分数为0，外半径72的范围为8.0-8.4μm。环形分层68为圆形阶跃型，相对折射率范围为0.05-0.10％，外半径74的范围为9.6-10.0μm。
图6波导的模拟特性为：
—1550nm的总色散为-3.66ps/nm-km；
—在1525-1650nm波长范围内，总色散斜率为0.053ps/nm2-km；
—零色散波长为1620nm；
—有效面积为44.45μm2；
—纤维截止波长为1267nm；
—模场直径为7.71μm；
—销钉阵列弯曲损耗为12dB；和
—1550nm的衰减为0.21dB/km。
实例3
在图7的本发明实施例中，中心部分78为—阶跃分布曲线，相对折射率百分数范围为0.65-0.70％，外半径86范围为0.95-1.40μm。中心部分80为圆角阶跃分布曲线，相对折射率范围为0.73-0.78％，外半径88范围为2-2.5μm。环形分层82为阶跃型，相对折射率百分数为0.01-0.03％，外半径90范围为4.5-5.5μm。环形分层84为圆角阶跃型，相对折射率范围为0.04-0.08％，外半径92范围为9.6-10.0μm。
图7波导的模拟特性为：
—1550nm的总色散为-3.66ps/nm-km；
—在1525-1650nm波长范围内，总色散斜率为0.067ps/nm2-km；
—零色散波长为1620nm；
—有效面积为47.5μm2；
—纤维截止波长为1270nm；
—模场直径为7.98μm；
—销钉阵列弯曲损耗为12dB；和
—1550nm的衰减为0.21dB/km。
实例4
在图14的本发明实施例中，分层136为α分布曲线，α范围为0.70-1.50，相对折射率百分数范围为0.40-0.90％，外半径142范围为2.0-3.0μm。在图14曲线中，第一分层的外半径定义为该α分布曲线之外推递减部分与水平轴的截距。该例的零相对折射率选为包层的相对折射率，此时包层最好是纯石英，因而该包层在图14中为水平轴。该折射率分布曲线其余部分的几何形状用第二环形分层的中心半径144和宽度148表示。第二环形分层的宽度取于该分层的半幅值点146之间，幅值相对于水平轴测量。第二环形分层的中心就是连接半幅值点146的直线的中心。环形分层138是一阶跃折射率区，其相对折射率百分数范围为0-0.04％。环形分层140为圆角阶跃折射率区，其相对折射率范围为0.17-0.30％，中心半径144范围为5.5-8.5μm，宽度148范围为1.0-2.5μm。图14包括一可选择的凹陷中心线折射率分布曲线部分134。该中心线的相对折射率范围为0.4-0.9％，凹陷半径小于或等于1.6μm。作为一种替代，分布曲线部分134可以是该α分布曲线到波导纤维中心线的连续部分，或者是在α分布曲线部分端部与波导纤维中心线之间延伸的平坦折射率分布曲线部分。半径150从该中心线测量到分布曲线开始遵循某一α分布曲线方程的点，范围为0-2μm。鉴于其位置和半径很小，凹陷的中心线折射率部分对纤维中传播光的功率分布只起能有限的影响。在一般制造工艺中，因为在某些加工步骤中因掺杂物扩散出预制件而出现中心线层部分或凹陷，所以把它计入模拟运算中。
折射率分布曲线在上述相对折射率与半径曲线范围内的波导，其模拟特性为：
—1530nm的总色散范围为-12ps/nm-km-5.4ps/nm-km；
—在1525-1650nm长范围内，总色散斜率范围为0.05ps/nm2-km-1.0ps/nm2-km；
—零色散波长范围为1605-1737nm；
—有效面积范围为39-56μm2；
—纤维截止波长范围为757-1360nm；
—模场直径为7.30-8.6μm；
—销钉阵列弯曲损耗小于或等于25dB；和
—1550nm的衰减范围为0.201-0.217db/km。这些特性都在本发明波导纤维期望的范围内。
实例5-制造结果
按图14的折射率分布曲线制造约160km长的波导纤维。该折射率分布曲线的目标是使分层136有一α为0.9的α分布曲线，相对折射率百分数为0.79％，外半径142为2.7μm。环形分层138有一相对折射率百分数为0.015％的阶跃折射率分布曲线。环形分层140为一圆角阶跃型，相对折射率范围为0.187％，中心半径144为6.8μm，宽度148为1.4μm。凹陷中心线分层134在中心线上的相对折射率为0.8％，半径为1.15μm。
以平均值计，测得的(除有效面积外)光学特性如下：
—1530nm的总色散为-8.63ps/nm-km；
—1550nm的总色散斜率为0.08ps/nm2-km；
—零色散波长为1635nm；
—有效面积为48μm2；
—纤维截止波长范围为1043-1360nm；
—1550nm的模场直径为8.18μm；
—销钉阵列弯曲损耗为13dB/m；
—横向载负弯曲损耗为0.446dB/m；
—1550nm的衰减为0.206dB/km，和
—1625nm的衰减为0.220dB/km。
纤维间的特性一致性良好，说明工艺的现现性上乘。
可以看出，本发明的波导纤维具有适用于高性能波导通信链路的特性，波导在1550nm的衰减是指在1525-1650nm较佳工作范围内的衰减。
图8示出了本发明按权利要求1-19中任一项提出的负色散波导提供的性能优点，图8曲线对三种不同的激光器工作制式示出了链路长度与1550nm波导纤维色散的关系。该链路被构造成工作于1400-1700nm波长范围，较佳为1500-1700nm，更佳为1530-1625nm。虽然把链路元件参照为光纤，但是应理解，链路中的波导纤维在安装之前，通常先要拧成缆，或者加以隔离(buffer)。链路使用的光源是正向线性调频的激光器。一例这样的激光器是分布式反馈(DFB)激光器，在许多通信应有中，如城市之间或大都市系统中，这是一种优选的光源。应该理解，本发明有利于在具有正向线性调频激光源的任何链路中使用。这类激光源包括但并不限于那些外部调制的正向线性调频激光器。
图8的曲线96示出了包括本发明工作于10Gb/s的纤维的链路，其中激光源不作线性调频(线宽增强系数为零)。曲线96关于零色散点对称。与包括负色散波导纤维的链路相比较，对包括正色散波导纤维的链路模拟可实现的链路长度基本上一样。
与之相对照，曲线98代表一种包括按本发明在1550nm具有负色散的光纤的链路。系统比特率仍为10Gb/s，激光源为正向线性调频。线性调频量以激光脉冲波长的时移量测量。激光线性调频在Fiber Optic Communication Systems(Chapter 5)，G.P.Agrawal，John Wiley and Sons，1997中有详述。在正向线性调频中，读出与图8中垂直轴的距离，可以看出，具有负总色散的波导纤维允许在光学与电子再生器之间存在更大的距离，而且负色散值越小，该距离就越大。负色散波导造成激光脉冲的兰移，与线性调频引起的红移作用相反，使脉冲射入波导后被压缩。在纤维中的兰移补偿掉线性调频引起的所有红移之后，该脉冲才开始色散。为了说明通过将正向线性调频激光器与负色散传输结合使用而实现的系统优点，应注意到具有-5.0ps/nm-km曲线98的纤维展示出不再生系统长度要大于600km。比较之下，除了激光器不作线性调频之外，同样的系统链路的传输距离只有80km(曲线96)。根据曲线98的取值，对于工作波长处总色散为-5.0ps/nm-km的纤维，在信号再生之前，链路长度大于600km，相比之下，色散为5ps/nm-km的链路的长度约为15km。总色散值即使负达-20ps/nm-km时，再生器间距仍然大于约100km。计算这些链路长度时，波导纤维衰减取成小于0.25dB/km，最好小于0.22dB/km。曲线100代表的链路包括本发明的纤维，以及线性调频程度比产生曲线98的激光器更正的激光源。如曲线100所示，随着正向激光器线性调频的增强，负总色散链路的性能提高得比正总色散链路更多。应该理解，本发明的负波导纤维可以应用于较短的长度。实际系统的长度范围可以是30-50km，在10Gb/s速率下实际上限约为1000km。
图9对比特率为2.5Gb/s的链路示出了类似于图8的曲线。如在图8中的10Gb/s链路的情况那样，工作波长范围相同，波导纤维衰减小于约0.25dB/km，最好小于0.22dB/km。图9中，对于激光源不作线性调制的链路，如曲线102所示，在1550nm的链路性能与总色散符号无关。对于正线性调频激光源，图9的曲线104再次示出了负总色散波导链路相对于包含正总色散波导纤维的链路具有初始脉冲压缩的效应。随着正向线性调频的增强，链路的性能差异变得更加明显，如曲线106所示。甚至在总色散值为-20ps/nm-km时，仍可模拟出长度至少达1000km的不再生链路。在总色散约-5ps/nm-km时，实现了长度为5000km的不再生链路。在包含本发明纤维的10Gb/s链路中，2.5Gb/s通信链路的实际链路长度下限为30-50km。然而，2.5Gb/s时不再生链路的实际上限约为10,000km。
把诸如DFB激光器等正向线性调频激光源或其它外部调制或直接调制的单模激光源同包含负色散波导纤维的链路结合起来，与应用正色散波导纤维构建的同样链路相比，再生器之间的链路长度可延长10倍以上。
图10给出一例本发明通信链路的配置。正向线性调频激光源108光耦合至负总色散波导110，附加负色散波导110以串接方式光耦合，以扩大激光源108与接收机114间的距离。如链路功率预算指示的，光学放大器112以串接方式光耦合入光波导通信链路，而该预算取决于输入激光功率与期望的位错率极限等因数。
图10b示出本发明把负色散波导纤维用作色散补偿纤维的一个方面。多波长发射机116一般可以包括多个激光源，各激光源都光耦合入某个波导纤维链路。该链路包括若干以串接方式相互光耦合的正色散段118，还包括若干本发明的负色散波导纤维110。接收机120配置成以发射的波长接收多个信号。链路可以包括光学放大器112。本发明的这一方面与其它色散补偿方案的差别在于，负色散波导纤维具有独特的分布曲线和特征。
在该实施例中，可以选择正和负总色散波导纤维的长度来提供预选的端对端链路色散。例如，为了限制色散损失，可以把组成该链路的各个波导纤维的正、负色散之和选择得足够低。同时，沿链路各点的总色散不接近零，从而限制了四波混频引起的色散。
典型的多种复用链路有一预选的端对端总色散，它部分受控于与链路波导纤维总色散斜率一起使用的波长范围的宽度。由于本发明波导的总色散斜率很低，所以波长范围有可能在1250-1700nm。在这一波长范围内，端对端色散可以不大于300ps/nm。端对端链路色散范围较佳不大于200ps/nm，更佳不大于100ps/nm。应该理解，缩短链路长度或减窄信号复用的波长范围，都能使端对端链路色散低得多。
将本发明的负波导纤维设计成有足够的耐弯曲性，以便在安装前将其拧成缆线或采取隔离措施。因此，本发明的负色散波导，其销钉阵列弯曲损耗小于20dB，更佳小于15dB，最佳小于12dB。横向载负弯曲测试引起的衰减小于约0.63dB。小于0.80dB的横向感生弯曲是可以接受的。
本发明的负色散纤维还能与其它纤维(如正色散纤维)一起使用。在一个这样的实施例中，在最靠近发射机的地方安装了具有正总色散和较大有效面积的波导纤维(有效面积大于约60μm2，较佳大于70μm2，更佳大于80μm2)。在这一配置中，有效面积较大的正总色散波导限制了因较高发射功率造成的非线性色散效应。信号在到达有效面积较小的负总色散波导纤维之前将被衰减，从而减小了与信号幅值相依的非线性效应。
图11-13示出了本发明这一方面的链路的性能。链路的Q值是接收数字1时接收机电流i1与接收数字0时接收机电流i0之差同这两个接收机噪声电流各自的标准偏差σ1与σ0之和的比率，即Q＝(i1-i0)/(σ1+σ0)。在图中，Q值以dB为单位，故把该公式写成Q(dB)＝10log10Q。较高的Q值代表位错率优异的链路。在一般电信链路中，不接受小于约8.5dB的Q值。
现在参照图11，绘制的某一链路Q值与信道波长的关系是针对这样一种情况：比特率为10Gb/s，光学放大器间距约80km，对于工作于1547.72-1559.79nm波长范围的16条信道，信道间距为100GHz，光源功率为3dBm。曲线122示出b有6个80km跨距的链路rQ值，三个跨距(240km)是Coming公司的LEAF正色散波导纤维，三个跨距(240km)为本发明的负色散纤维。Q在工作波长范围内接近11.5dB，从而位错率特低。与之相对照，应用本领域已知的普通色散补偿模块的链路，Q约为10dB。图12示出与图11同样的链路配置的Q曲线，但是发射功率为0dB。在性能方面，本发明负色散波导的Q值不小于10.5dB，比普通补偿模块优异。色散补偿模块的总色散一般为-80ps/nm-km，衰减为0.5dB/km或更大。在上述实例中，该色散补偿模块将要求24km的补偿纤维。模块造成的附加衰减对附加光学放大器提出了需求。
除了减少所需的光学放大器数量以外，本发明波导纤维的一个优点是，制造成本一般低于普通色散补偿模块中使用的波导纤维的制造成本。本发明的负色散波导是链路的整体组成部分，因为它跨越着距离而不是加在链路端部作为一个组件。本发明的链路不同于使用负色散波导纤维的现有技术的色散补偿方案，因为本发明的波导纤维在一扩展的波长带内补偿色散。具体而言，本发明制作的波导纤维在C波段(1530-1565nm)与L波段(1565-1625nm)同时补偿色散。应该理解，本发明波导纤维的零色散波长大于L波段使用的最大波长。
负色散纤维补偿曲线126的范围在10.7dB-10.5dB。使用普通色散补偿模块时链路的Q值较低，其范围为10.4-10.2dB。图11与12都表明，相对于0dBm发射功率，可对3dB发射功率实现优化的链路性能。
图13示出了本发明这个方面另一实施例的性能。这里的配置是一条480km的链路，链路包括32条工作于10Gb/s比特率的信道，信道间距为50GHz，发射功率为0dBm。工作波长范围与结合图11讨论的链路相同。在图13的曲线130中，240km长的Corning公司LEAF光纤与240km长的本发明负色散纤维一起应用。Q值范围约10.2-9.6dB，即不小于曲线130的9.5dB。这对于Q值曲线132是一显著的改进，曲线132代表一条使用上述Coming公司LEAF波导纤维与普通色散补偿模块的链路。在模拟图11-13诸曲线时，正色散波导纤维的特征是：色散为4ps/nm-km，有效面积为70μm2。
运用本领域已知的发射机与接收机，可以测量Q值。适用于这里揭示和描述的电信链路的例示接收机有Alcatel 1916 SDH型D-WDM的接收机STM-16/OC-48(Alcatel，12030 Sunrise Valley Drive，Reston，VA，22-091)和1320型光波接收机(Lucent Technologies，555 Union Boulevard，Room 301-15P-BA，Allentown，PA，18103)。适用于这里揭示和描述的电信链路的例示发射机有Lucent Technologies公司的D2570，D2526，D2555波选型激光器2000(见上述地址)和LC155W-20A，WDM DFB激光器模块(Optoelectronics，Brixham Road，Paignton，Devon，TQ47BE)。
本领域的技术人员将明白，可对本发明作出各种修正与变化而不违背本发明的精神与范围。因此，本发明包括本发明的这些修正与变化，只要它们在所附权利要求及其等效技术方案的范围内。

Claims (14)

1.一种光纤，它包括：
纤芯区，它具有中心线和至少两个分层，每个所述分层具有一相对折射率、一折射率分布曲线以及内、外半径，所述半径是参照中心线测量的；
包层，它包绕纤芯区并与之接触，所述包层具有一相对折射率和一折射率分布曲线；其特征在于，
所述纤芯和包层的折射率分布曲线经配置用于引导波长在一波长范围内的光；
所述至少两个分层各自的相对折射率均为正，相对折射率的参考折射率是所述包层的平均折射率；
选择所述至少两个分层各自的相对折射率、折射率分布曲线以及内、外半径，使提供的光纤在1530nm处具有负总色散，在1530-1565nm范围内具有正色散斜率，并且零色散波长大于1595nm。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述零色散波长大于或等于1610nm。
3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，1600nm处的总色散小于-0.1ps/nm-km，而1530nm处的总色散为负值并大于-15ps/nm-km。
4.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，纤芯区包括两个分层，第一分层始于中心线，相对折射率范围为0.75％-0.85％，第二分层的相对折射率范围为0.01％-0.05％。
5.如权利要求4所述的光纤，其特征在于，第一分层的外半径范围为2-3μm，第二分层的外半径范围为9-10μm。
6.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，纤芯区包括三个分层，
第一分层始于中心线，相对折射率范围为0.65％-1.2％，外半径范围为2-3.5μm；
第二分层的相对折射率范围为0-0.08％，外半径范围为5-9μm，和
第三分层的相对折射率范围为0.1％-0.30％，外半径范围为5.5-11μm。
7.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，第一分层的折射率分布曲线形状是α分布曲线，α的范围为2.0-2.5，相对折射率百分数为0.70％-0.85％。
8.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，第一分层的相对折射率百分数为0.70％-0.85％。
9.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，第三分层的折射率分布曲线形状为带圆角的阶跃型，相对折射率百分数为0.15％-0.22％。
10.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，
第一分层的折射率分布曲线形状为α分布曲线，α为2.0-2.5，相对折射率为0.72％-0.78％，外半径(42)为2-3.5μm，和
第三分层的分布曲线形状为带圆角的阶跃型折射率，相对折射率百分数为0.15％-0.19％，所述第三分层的内半径为5.6-6.2μm，外半径为9-10μm，而第一分层的中心线相对折射率为0.70％-0.76％。
11.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，
第一分层的折射率分布曲线形式为α分布曲线，α为0.9-1.1，所述第一分层的相对折射率百分数为1％-1.2％，外半径为2.8-3.2μm；
第二分层的分布曲线形状为阶跃型，相对折射率百分数为0，外半径为8.5-8.9μm；和
第三分层的分布曲线形状为带圆角的阶跃型，相对折射率为0.15％-0.20％，外半径为9.3-9.7μm。
12.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，纤芯区包括三个分层，
第一分层始于中心线并有α分布曲线，其中α为0.70-1.5，相对折射率为0.40％-0.90％，外半径为2.5-3.0μm，
第二分层的相对折射率为0-0.04％；和
第三分层的相对折射率为0.17％-0.30％，中心半径为5.5-8.5μm，宽度为1-2.5μm。
13.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，纤芯区包括三个分层，
第一分层开始于中心线，且具有第一分布曲线形状的中心部分和第二分布曲线形状的第二部分，所述第一分布曲线形状是一阶跃型分布曲线，相对折射率百分数为0.60％-0.65％，外半径为0.95-1.40μm，所述第二部分分布曲线形状为带圆角的阶跃型，相对折射率百分数为0.76％-0.80％，外半径为2-2.5μm，
第二分层的相对折射率百分数为0，外半径为8-8.4μm，和
第三分层具有带圆角的阶跃型分布曲线形状，相对折射率百分数为0.05％-0.10％，外半径为9.6-10μm。
14.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，纤芯区包括三个分层，
第一分层始于中心线，并具有第一分布曲线形状的中心部分和第二分布曲线形状的第二部分，所述第一分布曲线形状为阶跃型分布曲线，相对折射率百分数为0.65％-0.70％，外半径为0.95％-1.40μm，所述第二分布曲线形状为带圆角的阶跃型，相对折射率百分数为0.73％-0.78％，外半径为2-2.5μm；
第二分层的相对折射率百分数为0.01％-0.03％，外半径为4.5-5.5μm，和
第三分层具有带圆角的阶跃型分布曲线形状，相对折射率百分数为0.04％-0.08％，外半径为9.6-10μm。
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