CN1216616A - 纵横比轴向减小的椭圆纤心光纤和制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种适合于孤立子传输的单模椭圆纤心光纤(15),具有沿所述光纤长度变化的纤心纵横比,用以提供沿光纤一端到另一端单调下降的光纤色散。光纤预制件(30)是从具有被包层玻璃(12)包覆的玻璃纤心(11)并具有与纤心(11)径向相对的小孔(13)的拉制毛坯(10)拉制而成的,小孔(13)内中空部分的截面积随着沿小孔方向的纵向距离而变。

Description

纵横比轴向减小的椭圆纤心光纤和制作方法
发明背景
本发明涉及用于通信系统的高数据速率光纤以及制作这种光纤的方法。
人们已经知道，当传输功率处于非线性区域内时，会在光纤中产生孤立子。当光孤立子沿光纤传播时，因为色散与非线性指数(nonlinear index)的平衡而保持其窄时脉冲。数学上这种现象是用著名的非线性Schroedinger方程来描述的。例如，可参见C.Sien的“Concatenated Soliton Fibre Link”(Electronics Letters，第12卷，第237-238页，1991)。非线性Schroedinger方程中有三个重要的项。这些项与衰耗、群速度色散和非线性指数有关。群速度色散与非线性指数项的平衡因日益受到注意而著名。但是，实际光纤中传播的脉冲会有衰耗；这会使得孤立子脉冲产生频率啁啾(frequency chirping)，并且随后变宽而变成基本上是线性的了。
本文中，术语“色散”指的是群速度色散，它是材料色散和折射率分布(profile)色散的总和。
人们建议孤立子可以有损耗地残存于光纤中，如果群速度色散可以近似地与距离成指数下降的话(见K.Tajima的“Compensation of Soliton Broadening inNonlinear Optical Fibres with Loss”,Optics Letters，第12(1)卷，第54-56页，1987)。这样，群速度色散就连续变化，从而与变化的功率电平一致。该文中指出，这可以通过使光纤逐渐变锥形而改变纤心直径来完成，并且这样一种光纤可以通过控制光纤的拉制速度来制造。这样一种光纤见图1所示，其中，光纤3的直径从大直径输入端4到小直径输出端5成指数地减小。光纤3纤心的直径与光纤的外径成正比。在Tajima建议的理论例子中，这样一种光纤的有效纤心直径在100公里的范围内成指数地从约10微米变换到约5微米。
色散减小光纤实际上是通过改变光纤的拉制速度而将光纤的外径从175微米变换到115微米制成的，从而在1公里长度内测得的色散从10ps/nm-km减小到1ps/nm-km(V.A.Bogatyrev等人：“A single-mpde fibre with chromatic dispersionvarying along the length”,Journal of Lightwave Technology，卷9(5)，第561-566页，1991)。随后，该光纤被用来在70Gb/s下产生连续孤立子脉冲串(S.V.Chernikov：“70Gbit/s fibre based source of fundamental孤立子sat 1550nm”，Electronics Letters，第28(13)卷，第1210-1211页，1992)。
色散减小光纤在超高比特率通信系统中具有应用潜力。长度约100米到10公里的色散减小光纤可以用在高比特率孤立子输入信号的产生中采用的脉冲压缩系统中。图2示意描述一部分孤立子通信系统，其中，高比特率脉冲串输入到放大器7并与色散减小光纤DDF-1耦合。色散随光纤DDF-1的输入端a和输出端b之间的长度成指数下降。在传播了一个由最大色散变化限制的距离以后，光信号由放大器8再次放大，并与类似的色散减小光纤DDF-2耦合，色散减小光纤DDF-2在靠近放大器8的地方具有高色散端a，而在靠近放大器9的地方具有低色散端b。光纤DDF-1和DDF-2的建议长度约1-100公里。孤立子传输在大于10Gbps的比特率是时可行的。
除了能够进行高数据速率的传输，孤立子传输可以增大可以不作放大而传送信号的光纤的长度。所以，放大器7和8之间以及放大器8和9之间的距离可以采用合适的色散减小光纤来延伸。
外径以及纤心直径变成Tajima和Bogatyrev等人的论文中建议的程度的锥形光纤将引入拼接、测试和光缆连接问题。由于光纤外径变化，光纤一端的直径将大于标准单模通信光纤的直径；这在采用自动融接设备时产生问题。另外，光纤的大纤心直径端将具有大于标准光纤的模场直径(mode field diameter)，因而引入无法接受的拼接损耗。验证实验操作由于由本验证测试机假设了固定直径而变得略微复杂。同时，弯曲光纤安装应力的计算由于截面积沿光纤长度变化而较复杂。
发明概述
所以，本发明的一个目的是提供一种光纤，其中，色散沿光纤长度方向变化，而光纤的外径基本恒定。另一个目的是提供一种模场直径相对于色散显得变化小的色散减小光纤。再一个目的是提供一种制造色散减小光纤的方法，这种光纤中，纤心面积在光纤全长度上基本恒定。再进一步的目的是提供一种制造纵横比纵向可变的椭圆纤心光纤。
简而言之，本发明涉及一种椭圆纤心被包层玻璃(cladding glass)包覆的单模光纤。纤心在光纤的一端具有给定的纵横比，而在光纤的另一端具有小于给定纵横比的纵横比。纵横比在两个端部之间连续变化。光纤的长度最好至少100米。
本发明的光纤可以用作孤立子传播光纤，用来传送高比特率脉冲的光信号。
本发明还涉及制造光纤的方法。形成具有纤心和包层区域的玻璃拉制毛坯。包层区域包括纵向延伸的小孔，小孔相对于纤心区域径向相对。小孔中的中空空间的截面积相对于沿小孔的纵向距离变化。拉制的拉制毛坯，使之靠近小孔，并形成具有椭圆纤心的光纤。椭圆纤心光纤给定区域的纤心纵横比是产生光纤给定区域的拉制毛坯区域处小孔内中空空间面积的函数。
附图简述
图1是现有技术孤立子传播光纤的示意图。
图2示意描述的是采用色散减小光纤的孤立子通信系统。
图3是可以拉制成椭圆纤心光纤的预制件的截面图。
图4是用图3所示预制件拉制椭圆纤心光纤的示意图。
图5是用图3和图4的方法产生的椭圆纤心光纤的截面图。
图5a是椭圆纤心半长轴(semi-major axis)和半短轴(semi-minor axix)的图。
图6是可以处理形成图3的拉制毛坯的预制件的截面图。
图7是拉制具有不同纵横比长度的椭圆纤心光纤的拉制毛坯的截面图。
图8是沿图7所示线8-8取得的截面图。
图9是色散位移的单模光纤的折射率分布曲线。
图10是归一化色散(De/Drnd)随纤心纵横比而变化的图。
图11是用来拉制具有连续变化纵横比的椭圆纤心光纤的拉制毛坯的截面图。
图12是拉制多锥形玻璃棒的示意图。
图13是修改的拉制毛坯的截面图。
图14是另一个实施例的局部截面图。
图15描绘的是非线性锥形玻璃棒。
较佳实施例的描述
在色散减小光纤的潜在应用中，最好使光纤输入端和输出端之间的色散变化受控制。另外，为了进行孤立子传输，色散必须保持正值，并且在光纤的输出端很小或为零。还必须考虑其他的光纤特征，如模场直径，这是因为影响色散的折射率变化也可以影响模场直径。
本发明的色散减小光纤具有一个椭圆纤心(从垂直于光纤中心纵轴的平面看时)。这样一种光纤的纵横比是b/a，这里，b和a分别是椭圆纤心的半长轴和半短轴。纵横比在色散减小光纤的输入端最大，朝着输出端方向减小。这就提供了从输入端处相对大的色散到输出端处相对低的或为零的色散所需的单调变化。光纤输出端处纤心的截面形状可以是圆形的，即，b/a等于1。
形成椭圆纤心光纤的方法见本文中作为参考文献的美国专利5,149,349。参见图3和图4，圆柱形拉制毛坯10分别具有纤心和包层区域11和12。纤心和包层区域可以由形成光纤所采用的常规材料形成。这些材料的突出特点是，纤心材料的折射率必须大于包层材料，并且两种材料必须在波导所工作的波长下具有低的损耗。
小孔13通过平行于纤心区域11的中央纵轴的毛坯10纵向延伸。图中的小孔截面是呈圆形的，其截面结构也可以是除圆形以外的其他形状。
为了拉制纵横比纵向恒定的椭圆纤心光纤，将拉制毛坯10放在传统的拉制炉内(图4)。牵引机17从加热元件16加热到拉制温度的毛坯10的底部拖拉光纤15。小孔13闭合的趋势是拉制速率和玻璃粘度的函数。拉制光纤的毛坯根部的粘度取决于炉子温度和玻璃成份。如果毛坯加热部分的粘度充分低并且拉制速度充分慢，则在拉制过程中小孔13将自然闭合。由于小孔在排空时更容易闭合，所以拉制速度可以通过在毛坯的上端附上一个真空附件18来提高。真空还使得高温光纤拉制期间纤心被羟基污染的可能性减小。
当小孔13闭合时，它们由包层玻璃所替代。当半径小于小孔的玻璃向外径向流入小孔时，纤心区域11的截面变得细长。生成的椭圆纤心光纤15的截面包括包层22和长方形纤心21如图5所示。椭圆纤心的椭圆度或纵横比取决于小孔的大小和小孔与纤心之间的间隔。假设拉制毛坯10中小孔13的截面积为A，并且与纤心11的距离为S。再假设这些参数使得纤心的椭圆度为X∶1。如果S增加，而所有其他参数保持不变，则光纤纤心椭圆度小于X∶1。如果A增加，而所有其他参数保持不变，则纤心椭圆度大于X∶1。使拉制光纤保持预制件的圆形形状而使A和S的值充分小，可以得到合适的椭圆度值。某些应用场合最好采用圆形光纤。在间隔略大于S而面积略大于A的情况下，椭圆度也可以是X∶1，美国专利5,149,349中揭示了一种制作图3所示拉制光纤的方法,其中，(a)小孔13在拉制毛坯的整个纵轴方向平行于纤心，并且(b)小孔13的截面积以及与纤心的间距沿纵向是均匀的，以便提供在其长度方向上具有均匀特性的光纤15。采用这种修改的方法形成具有不同纤心纵横比的多个光纤。这一研究得出，给定波长下的色散是纵横比的函数。
制作上述研究的拉制毛坯的方法如图6-8所示。参照图6，一开始形成玻璃单模纤心预制件30，即，纤心31的直径与包层32的直径之比大于从预制件拉制单模光纤所需的直径之比。为了从这样一个纤心预制件30形成单模光纤，通常在外面再包覆一层附加包层玻璃，以提供要求的纤心直径与包层直径之比。
由于孤立子要求工作在低损耗下，所以，最好工作在1550nm的电磁频谱区域内，在该电磁频谱区域内，二氧化硅基光纤的损耗极低。按照美国专利4,715,679中的原理制成的色散偏移光纤可以设计成在约1550nm下为零色散。色散偏移光纤的进一步讨论见T.D.Croft等人：“Low-Loss Dispersion-Shifted Single-ModeFibre Manufactured by OVD Process”(Journal of Lightwave Technology，第5期，第LT-3卷，第9313-934页，1985年10月)；以及V.A.Bhagavatula等人：“Bend-Optimized Dispersion-Shifted Single-Mode Designs”(Jourral of LightwaveTechnology，第5期，第LT-3卷，第954-957页，1985年10月)。
图9示出的是在1550nm下呈现零色散的典型市售色散偏移光纤的折射率分布曲线。光纤纤心包含一个中央纤心区域CC，该区域与外环OR隔开一个折射率成小的区域DR。中央三角形区域CC的直径为7.20微米，环OR的内径和外径分别为10.08微米和12.94微米。区域CC和OR的折射率峰值(表述为Δp)分别为0.9％和0.3％。Δp项是纤心相对于包层的相对折射率，并由下式给出：
Δp=(n1 2-n2 2)/2n1 2式中，n1是纤心区域的峰值折射率，而n2是包层的折射率。为了简化表述，Δ往往表示成百分比，即，100乘以Δ。要指出的是，某些生产光纤的工艺会在光纤中心线处产生折射率减小。在这样一种光纤中，n1指的是中央纤心区域在中心线以外的地方的最大折射率。
为了在频谱的1550nm区域内实现低损耗、低色散工作，选择上述色散偏移型的纤心预制件(图9)。在包层32中纤心31的相对侧，研磨沿纵向延伸的凹槽34。研磨以后，最好对凹槽预制件进行刻蚀和清洗，去掉特定的物质。开始时为便于后续处理而将含凹槽纤心预制件的直径制得很大，所以，将它插到传统的拉制炉内进行拉制，将其直径减小到约18.5毫米。
二氧化硅底管(cladding tube)47分别具有内径19毫米和外径25毫米。使底管47的一端呈锥形，将玻璃插头63熔融到锥形端上。随后将底管47的端部安装到一车床上，相对于烟垢沉淀炉(soot deposition burner)旋转和平移。在底管47上沉淀出二氧化硅烟垢(silica soot)颗粒，从而建立起多孔包层(costing)48。把凹槽纤心预制件30插入相对于锥形端的底管47的端部，直到与锥形端接触形成组件520。随后使插入预制件30的底管47的端部成锥形，并在固化炉中熔融到适合支承组件52的手柄上。将组件52降入到固化炉中，通过氯气和氦气的干燥气体混合物烧结。
随着包层48的固化，它向底管47施加一个向内的径向力，从而迫使该底管向内压向预制件30。生成的固化组件包含由包层包覆的纤心。原始的包层区32和底管47是完全熔融在一起的，并且多孔包层48被完全烧结和熔融到底管47上。高温固化期间，凹槽成圆形，并形成如图10所示的小孔56。
截断固化组件64的一端(图7的上部)，从而可以插入二氧化硅棒。
将截面成圆形的二氧化硅棒57、58和59顺序插入小孔56内。由于小孔56的端部呈锥形，所以棒57不能插到比图中所示位置更远的地方。在插入棒以后，将锥形管65熔融到组件64的端部，并且将手柄66熔融到管65上。棒59和固化组件端部60之间小孔56的上端保持中空。棒58的截面积大于棒59的截面积，棒57的截面积大于棒58的截面积。给定棒的填充因子是小孔56的截面积与棒的截面积之比。棒57的截面积大到足以填满小孔56，从而计算的填充因子为1.0。棒58和57的填充因子分别是0.671和0.34。小孔56上部的中空区域的填充因子为零。
将生成的拉制毛坯64插入拉制炉内，并且将真空附件与手柄66相连，对小孔抽真空。随后从预制件拉制出光纤。
将从含有棒57(填充因子=1)的拉制毛坯部分产生的一部分光纤绕到线轴(spoo1)12上。将从已经计算了填充因子为0.671、0.34和0的那些拉制毛坯部分得出的光纤部分分别绕到编号为14、16和21的线轴上(见表1)。
从图7所示拉制毛坯64拉制得到的单模、色散偏移光纤的某些特性列在表1中，其中，色散以psec/nm·km表示。
表1线轴编号nm    计算填充因子    长度(m)    纵横比    色散1550nm    De/Drnd     MFD1500
12            1            2000        1.05        3.88      0.99         7.6
14          0.671          3400        1.26        4.68      1.19         7.65
16          0.34           1000        1.61        5.28      1.34         7.65
21            0            5150        2.45        5.36      1.36         8.08从表1看到，在1550nm下的色散随纵横比的增加而增加。
纤心椭圆度对色散的影响如图10所示，其中，De/Drnd是纵横比的函数。“De”项和“Drnd”项分别指的是椭圆纤心光纤和圆形纤心光纤的色散。曲线DS指的是测得的色散偏移光纤，而曲线S指的是对阶跃折射率光纤计算的结果。
从表1看到，模场直径(MFD)不是纵横比的强函数。这意味着，恰当设计的低色散光纤不会因模场直径与标准光纤不一致而具有不同的拼接损耗。
为了拉制出在给定波长下色散从一端到另一端逐渐减小的光纤，纤心纵横比也必须逐渐减小。这可以通过从纤心的相对侧上具有小孔的拉制毛坯拉制出光纤来实现，小孔中中空区域的截面积从一端到另一端减小。
拉制单模色散减小光纤的合适的预制件如图11所示，图中，与图7中相似的元件用相同的标号表示。将锥形包层玻璃棒70插入小孔56中，以参照图7中描述的方式拉制生成的拉制毛坯。棒70最好具有与包层区域54相同的结构成份。例如，棒和包层都可以用纯二氧化硅形成。
从填充因子基本上等于1的拉制毛坯底部62得到的光纤的第一拉制端具有大体呈圆形的纤心，因此色散最低。从填充因子大体为零的上面部分60得到的光纤的最后拉制端的纤心具有最大的椭圆度，因此具有最大的色散。由于纤心椭圆度在光纤的第一端和最后端之间逐渐增大，所以，色散也逐渐增大。
锥形棒70可以在如图12所示的传统的拉制炉中形成。玻璃柱75悬挂在炉中，玻璃柱75的顶部由装置76加热。二氧化硅棒78的一端熔融到玻璃柱的下端，而棒的另一端由电机驱动的牵引机79夹住。锥形棒70在拉制操作期间通过改变牵引机的速度来拉制。恰当改变牵引机的速度，可以形成所要求的锥度，从而可以按照要求得到色散和光纤长度之间的关系。
光纤可以从大的拉制毛坯更有效地拉制而成。例如，可以拉制长度在5公里到50公里之间的色散减小光纤。用如图11所示单个拉制毛坯拉制这一范围内的长度的单个光纤成本较高。
能够拉制许多色散减小光纤的拉制毛坯如图13所示，图中，与图7中相似的元件用相同的标号表示。每一玻璃棒80具有多个锥形段，每一锥形段能够形成一个色散减小光纤。在所示的实施例中，可以拉制六段色散减小的光纤。
图14是可以堆积在拉制毛坯包层区域85的小孔84中的分离的锥形棒86。图15示出棒可以非线性地成锥形。

Claims (13)

1．一种光纤，其特征在于，所述光纤包含由包层玻璃包围的椭圆纤心，所述纤心在所述光纤的一端具有给定的纵横比，而在所述光纤另一端的纵横比小于所述给定纵横比，所述纵横比在所述两端之间连续变化。
2．如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤的长度至少为100米。
3．一种光纤，其特征在于，所述光纤包含由包层玻璃包围的椭圆纤心，所述纤心在所述光纤的一端具有给定的纵横比，而在所述光纤另一端的纵横比小于所述给定纵横比，所述两端之间的所述光纤的长度至少为100米。
4．如权利要求3所述的光纤，其特征在于，所述光纤的长度至少为1公里。
5．一种传送高比特率脉冲光信号的孤立子传播光纤，其特征在于，所述光纤包含由包层玻璃包围的椭圆纤心，所述纤心在所述光纤的一端具有给定的纵横比，而在另一端的纵横比小于所述给定纵横比。
6．如权利要求5所述的光纤，其特征在于，所述光纤的长度至少为1公里。
7．一种制作光纤的方法，其特征在于，它包含下述步骤：
形成具有纤心区域、包围所述纤心区域的包层区域以及在所述包层区域内径向相对于所述纤心区域沿径向延伸的小孔的玻璃拉制毛坯，所述小孔内中空区域的截面积随沿所述小孔的纵向距离而变，
拉制所述生成的拉制毛坯，使之闭合所述小孔，并形成具有椭圆纤心的光纤，椭圆纤心光纤给定区域的纤心纵横比在产生所述光纤给定区域的拉制毛坯区域处的所述小孔内是所述中空区域的面积的函数。
8．如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述中空部分的截面积沿所述拉制毛坯的纵轴顺序增大和减小。
9．如权利要求7所述的方法，其特征在于，形成所述玻璃拉制毛坯的步骤包含：
形成具有纤心区域、包围所述纤心区域的包层区域以及在所述包层区域内径向相对于所述纤心区域沿径向延伸的柱形小孔的玻璃拉制毛坯，所述每一小孔的截面积随沿其纵向长度大体不变，以及
在每一小孔内插入一玻璃棒，所述棒沿其长度方向具有非均匀的截面积，沿所述拉制毛坯方向的任一纵向位置处，所述小孔的所述大体不变的截面积与所述棒的截面积之差构成所述位置处中空部分的面积。
10．如权利要求9所述的方法，其特征在于，每一所述棒的截面积沿所述拉制毛坯的纵轴顺序增大和减小。
11．如权利要求9所述的方法，其特征在于，形成所述玻璃拉制毛坯的步骤包含：
在具有由包层玻璃包覆的玻璃纤心的柱形纤心预制件的径向相向侧上形成纵向凹槽，
在玻璃管的外表面上淀积玻璃颗粒，
将所述纤心预制件插入所述玻璃管内，加热所述生成组件，使所述颗粒固化，从而在所述玻璃管上施加一个径向向内的力，使所述加热的玻璃管收缩并熔融到所述纤心预制件上，从而形成具有平行于所述纤心的纵向小孔的固化组件，以及
将所述玻璃棒插入所述小孔内。
12．如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述拉制步骤前，所述方法包含对所述小孔抽真空。
13．如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述棒的折射率与所述包层玻璃的折射率大体是相同的。
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