CN1218187A - 具有多级芯线结构单模光纤及其制造方法 - Google Patents

具有多级芯线结构单模光纤及其制造方法 Download PDF

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Abstract

提供一种具有多级结构的光纤和一种制造这种光纤的方法。该光纤包括一个具有自中心轴预定直径a1和折射率n1的中心芯线;一个具有直径a2和小于折射率n1的折射率n2并且围绕中心芯线的第一外层芯线;一个具有直径a3和小于折射率n2的折射率n3并且围绕第一外层芯线的第二外层芯线;以及一个具有直径a4和小于折射率n3的折射率n0并且围绕第二外层芯线的外包层。芯线的直径通过制造多级芯线的折射率分布来增加,因此提供制造容易。

Description

具有多级芯线结构单模光纤及其制造方法
本发明涉及到一个在1550nm波长基带具有低离散和低损耗的单模光纤，尤其涉及到一个具有多级芯结构的光纤以及制造该光纤的方法。由于近来超高速光纤传输和大容量通讯技术的迅猛发展，而光纤的损耗和离散就限制了超高速和大容量的传输。为了克服由于光纤损耗的限制，一种单模二氧化硅的光纤用在损耗值最低的1550nm波长区域，并且采用一种能够在1550nm波长区域放大光信号的光放大器。因此，这个损耗不再限制超高速的大容量传输，并且离散的控制也被认为是相当重要的技术问题。
然而，现在广泛使用的典型单模光纤在波长1310nm区域设计具有零离散值。所以，即使损耗在1550nm波长区域是低的，而在该区域离散值是高的，这也限制了1550nm波长区域的使用。
一般讲，单模光纤的总离散由材料离散与波导离散的和来决定。在此，材料离散由形成光纤的材料的特殊性能决定，而波导离散由光纤的结构决定。
图1是一个描述常规1550nm单模光纤的材料离散，波导离散以及总离散的关系图。图1描述了取决基于大约1550nm波长区域具有零离散的单模光纤中光信号波长的材料与波导损耗之间的关系。如图1中所示，材料离散DM显示了因为折射率根据光信号的波长变化，则长波长光信号传播快而短波长光信号传播慢，而且它在1300nm或更高波长区域具有正离散值。波导离散DW相对于材料离散具有负的离散。结果如图1中所示总的离散DTOTAL被确定，并且总的离散DTOTAL是“0”的地方的波长被成为零离散波长。
因此，通过合适地调整材料离散DM和波导离散DW，总的离散DTOTAL在要用的高波长区域能够降低。然而，光纤的材料必须变化以控制归因于材料的离散。所以，一种改变波导离散DW的方法用于控制单模光纤的总离散值。在此，波导离散DW能够通过调整光纤的芯线直径，芯线和外覆盖层的折射率分布，以及两折射率之间的差来控制。换句话讲，为了制造一种在具有低损耗1550nm波长区域中具有低离散值单模光纤，光纤芯线的折射率必须增加，与1310nm波长的典型单模光纤比，而芯线的直径必须减小。
具有图2A所示的折射率描绘公开在美国专利号No.4,715,679中，而具有图2B所示的折射率描绘公开在美国专利号No.4,516,826中。
在美国专利号No.4,516,826中芯线的折射率的分布是三角形或者如图2B所示的梯形，芯线直径2a与摸域直径2Wo小于在1310波长的典型单模光纤，并且通过在1550波长区域控制波导离散降低离散值。然而，这样一种结构必须精确地控制几何结构，原因是当芯线与模域的直径减小时光纤彼此之间连接的连接损耗(α=4.3(a/Wo)2)增加，以及原因是当要控制波导离散芯线直径明显地减小时光纤的微折射损耗迅速增加。因此，在美国专利号No.4,516,826中，为了减小光纤的微折射损耗该芯线的折射率分布应该是梯形。
然而，制造具有小直径芯线和一种芯线三角形折射率描绘的光纤需要精确的过程控制。尤其是，当一种具有三角形图示的光纤是通过改良化学气相(MCVD)沉积制造时，折射率倾斜地方的中心倾斜现象在芯线中心发生。因此，制造具有期望直径芯线和期望芯线折射率光纤需要较精确的过程控制，使其难以重复。
要解决上述问题，本发明的目的是提供一种在1550nm波长波段具有低离散和低损耗的多级芯线的单模光纤并且能够容易制造以及再生产。
本发明的另一个目的是提供一种制造具有多级芯线的单模光纤的方法。
因此，要达到第一个目标，这里提供的一种单模光纤包括：一个具有自中心轴具有预定直径a1和折射率n1的中心芯线；一个具有直径a2和小于折射率n1的折射率n2并且围绕中心芯线的第一外层芯线；一个具有直径a3和小于折射率n2的折射率n3并且围绕第一外层芯线的第二外层芯线；以及一个具有直径a4和小于折射率n3的折射率n0并且围绕第二外层芯线的外包层。
要达到第二个目标，这里提供的一种制造单模光纤的方法，包括一些步骤：形成具有一预定直径和预定折射率的中心芯线；形成至少两层具有折射率小于中心芯线折射率并且从而围绕中心芯线的外层芯线；以及形成具有折射率小于外层芯线折射率并且从而围绕外层芯线的外包层。
本发明的上述目的和优点通过参照附图详细地描述将更明显：
图1是一个描述常规1550nm单模光纤的材料离散、波导离散以及总离散的关系图；
图2A和2B是说明一个常规光纤的折射率描绘图；
图3是图解说明根据本发明实施例具有多级芯线的单模光纤的折射率分布；
图4A到4C是一些分别描述中心芯线直径与零离散波长之间的关系，第一外层芯线直径与零离散波长之间的关系，以及第二外层芯线直径与零离散波长之间的关系的图；
图5A到5C是一些分别描述中心芯线直径与零离散斜率之间的关系，第一外层芯线直径与零离散斜率之间的关系，以及第二外层芯线直径与零离散斜率之间的关系的图；
图6A到6C是一些分别描述中心芯线的折射率差的比与零离散波长之间的关系，第一外层芯线的折射率差的比与零离散波长之间的关系，以及第二外层芯线的折射率差的比与零离散波长之间的关系的图；
图7A到7C是一些分别描述中心芯线的折射率差的比与零离散斜率之间的关系，第一外层芯线的折射率差的比与零离散斜率之间的关系，以及第二外层芯线的折射率差的比与零离散斜率之间的关系的图；以及
图8A和8B是一些描述现有技术与本发明针对具有所需芯线直径及具有所需芯线折射率的材料的再生方法的比较。
参照图3，一个中心芯线2具有自中心轴的预定直径a1和折射率n1。一个具有直径a2和低于折射率n1的折射率n2，并且围绕中心芯线2的第一外层芯线4。一个具有直径a3和低于折射率n2的折射率n3，并且围绕第一外层芯线4的第二外层芯线6。最后，一个具有直径a4和低于折射率n3的折射率n0，并且围绕第二外层芯线6的外包层8。
第一和第二外层芯线4和6的折射率可以是由下面公式1描述折射率的任何分布：
n(r)=n1(1-Δ(γ/a)α)    (1)其中r是自光纤中心的距离，a是芯线的直径，n1是光纤中心的折射率，而α是折射率描绘参数。例如，当α等于1时，折射率描绘是三角形。当α等于2时，折射率描绘是小山形，而当α等于∞时，折射率描绘是阶梯形。
图4A到图7C显示第二外层芯线从第一外层芯线的边界表面到外包层边界表面折射率逐渐变小的光纤特性的模拟结果图。
图4A到图4C是一些分别描述中心芯线2的直径(μm)与零离散波长(nm)之间的关系，第一外层芯线4的直径(μm)与零离散波长(nm)之间的关系，以及第二外层芯线6的直径(μm)与零离散波长(nm)之间的关系的图。参照图4A，当中心芯线2的直径是大约3.3μm时，零离散波长是1560nm。当中心芯线2的直径是大约3.9μm时，零离散波长是1540nm。因此，中心芯线的直径必须是在3.3μm和3.9μm之间才能使零离散波长在1540nm与1560nm之间。参照图4B和4C，当第一外层芯线的直径大约是4.4μm到5.2μm时，并且当第二外层芯线的直径大约是17.5μm到23.5μm时，零离散波长在1540nm与1560nm之间。
图5A到5C是一些分别描述中心芯线2的直径(μm)与零离散斜率(ps/nm2/Km)之间的关系，第一外层芯线4的直径(μm)与零离散斜率(ps/nm2/Km)之间的关系，以及第二外层芯线6的直径(μm)与零离散斜率(ps/nm2/Km)之间的关系的图。可以看出如果光纤有一个允许直径(看图4A到4C)零离散波长存在1540nm与1560nm之间，则零离散斜率一般在0.068与0.072之间。
图6A到6C是一些分别描述中心芯线2的折射率差的比(％)与零离散波长(nm)之间的关系，第一外层芯线4的折射率差的比(％)与零离散波长(nm)之间的关系，以及第二外层芯线的折射率差的比(％)与零离散波长(nm)之间的关系的图。参照图6A，当中心芯线2的折射率差(Δ1=(n1-n0)/n1)的相对外包层8的折射率的比是0.74％时，零离散波长是1540nm。当折射率差(Δ1)的比是0.81％时，零离散波长是1560nm。为了使零离散波长在1540nm与1560nm之间，第一外层芯线4的折射率差(Δ2=(n2-n0)/n2)相对外包层8的折射率的比必须是在0.22％与0.33％之间，并且第二外层芯线6的折射率差(Δ3=(n3-n0)/n3)相对外包层8的折射率的比必须是在0.13％与0.17％之间。
图7A到7C是一些分别描述中心芯线2的折射率差的比(％)与零离散斜率(ps/nm2/Km)之间的关系，第一外层芯线4的折射率差的比(％)与零离散斜率(ps/nm2/Km)之间的关系，以及第二外层芯线6的折射率差的比(％)与零离散斜率(ps/nm2/Km)之间的关系的图。可以看出在允许零离散波长在1540nm与1560nm之间的折射率差比的范围内一个零离散斜率存在于0.068与0.072之间。
在根据本发明的光纤中，外包层是由纯二氧化硅(SiO2)形成，中心芯线2和第一外层芯线4是由SiO2-GeO2或者SiO2-GeO2-F形成，而第二外层芯线6由SiO2-GeO2-F形成。在此，一个摩尔克分子百分比的P2O3或者更少被加到第二外层芯线6。
在本发明中，芯线是分为中心芯线和外层芯线，并且至少两层外层芯线，它们具有低于中心芯线折射率的折射率并且包围着中心芯线，形成在中心芯线的外围。芯线的直径与折射率必须调整去控制离散。本发明具有一个由多层组成的芯线，因此允许较容易光特性的控制和容易实现多种光纤具有相同特性的生产。
图8A是当制造一些预制件时，对应于具有目标芯线直径的多少预制件能够再生产的已有技术与本发明比较描述图。图8B是当制造一些预制件时，对应于具有目标芯线折射率的多少预制件能够再生产的已有技术与本发明的比较描述图。在此，图8A和8B的水平轴分别是芯线直径(mm)和芯线折射率，而垂直轴是预制件的占有比例。
参照图8A，当根据本发明的一个实施例该预制件的折射率分布被使用时，具有目标芯线直径的光纤预制件能够比使用已有技术时更多地制造。参照图8B，当根据本发明的一个实施例该预制件的折射率分布被使用时，具有目标芯线折射率的光纤预制件能够比使用已有技术时更多地制造。
本发明通过一个实际的实施例为例子进行描述，但是明显的是在本发明的范围内可以做各种修改。因此，本发明的范围没有限制在上述实施例，并且它必须不仅由附加的权利要求确定还由等效的条件确定。
根据上述本发明，一种具有芯线和外包层的单模光纤通过形成多级芯线的折射率分布具有一个大的芯线直径，因此结果是容易制造。再者，光纤的连接损耗能够通过增加模区域的直径而被减小。进一步，该光纤具有能够容易制造的结构，并且在1550nm波长具有低离散值，所以它能够实现超速长距离通讯。
根据本发明的光纤多级芯线结构，包括离散的光纤特性能够容易地通过变化每个芯线的折射率差、折射率形状、以及直径来改变。
还有，甚至当一种如在本发明中具有相同结构的光纤是用中心倾斜存在芯线中心的MCVD方法制造时，在芯线折射率和芯线直径上由于中心倾斜该光特性对于细小变化不敏感。

Claims (12)

1．一种单模光纤，其特征在于包括：
一个具有自中心轴预定直径a1和折射率n1的中心芯线；
一个具有直径a2和小于折射率n1的折射率n2并且围绕中心芯线的第一外层芯线；
一个具有直径a3和小于折射率n2的折射率n3并且围绕第一外层芯线的第二外层芯线；以及
一个具有直径a4和小于折射率n3的折射率n0并且围绕第二外层芯线的外包层。
2．根据权利要求1所述的单模光纤，其特征在于中心芯线，第一外层芯线，以及第二外层芯线的折射率分布是由下面公式所描述折射率分布的一种：
n(r)=n1(1-Δ(γ/a)α)
3．根据权利要求1所述的单模光纤，其特征在于外包层是由二氧化硅(SiO2)形成，而中心芯线和第一与第二外层芯线是由SiO2-GeO2形成。
4．根据权利要求3所述的单模光纤，其特征在于第一与第二外层芯线是由SiO2-GeO2-F形成。
5．根据权利要求3所述的单模光纤，其特征在于第一与第二外层芯线是由SiO2-GeO2-F-P2O5形成。
6．根据权利要求1所述的单模光纤，其特征在于零离散波长存在于1500nm和1600nm之间，而零离散斜率是从0.068到0.072ps/nm2/Km。
7．根据权利要求1所述的单模光纤，其特征在于中心芯线，第一外层芯线，以及第二外层芯线的直径分别是3.3μm-3.9μm、4.4-5.2μm和17.5μm和23.5μm。
8．根据权利要求1所述的单模光纤，其特征在于中心芯线，第一外层芯线，以及第二外层芯线的折射率差的比分别是0.74-0.81％，0.23-0.30％和0.13-0.17％。
9．一种制造单模光纤的方法，其特征在于包括步骤：
形成具有一预定直径和预定折射率的中心芯线；
形成至少两层具有折射率小于中心芯线折射率并且从而围绕中心芯线的外层芯线；以及
形成具有折射率小于外层芯线折射率并且从而围绕外层芯线的外包层。
10．根据权利要求9所述的制造单模光纤的方法，其特征在于形成外层芯线的步骤包括步骤：
形成一个具有折射率小于中心芯线的折射率并且围绕中心芯线的第一外层芯线；和
形成一个具有折射率小于第一外层芯线的折射率并且围绕第一外层芯线的第二外层芯线。
11．根据权利要求9所述的制造单模光纤的方法，其特征在于中心芯线，第一外层芯线，以及第二外层芯线的直径分别是3.3μm-3.9μm,4.4μm-5.2μm和17.5μm和23.5μm。
12．根据权利要求9所述的制造单模光纤的方法，其特征在于中心芯线，第一外层芯线，以及第二外层芯线的折射率差的比分别是0.74-0.81％,0.23-0.30％和0.13-0.17％。
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