CN1264031C - 非线性色散位移光纤、光信号处理设备和波长转换器 - Google Patents
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Abstract
提供一种非线性色散位移光纤、光信号处理设备和波长转换器。该一种非线性色散位移光纤，具有第一纤芯和在所述第一纤芯周围形成的包层，该第一纤芯的折射率大于该包层的折射率，其特征是，波长为1550nm的色散等于利用非线性现象的光信号处理所要求的设定值，波长为1550nm的色散斜率落在0.001至0.039ps/nm2/km的范围内，波长为1550nm沿光纤纵向的色散起伏界限落在0.01至3ps/nm/km的范围内，而波长为1550nm的非线性常数n2/Aeff不小于15×10-10/W。
Description
技术领域
本发明涉及产生关于输入光的非线性光学现象的非线性色散位移光纤，以及分别利用该特定光纤的光信号处理设备和波长转换器。
背景技术
光纤内可以发生的非线性光学现象包括：例如，四波混频，自相位调制，交叉相位调制，和受激布里渊散射。若这些现象发生在光纤内，则产生波长转换，相位调制，散射等，从而增大噪声分量或抑制输入光的充分传输。在这样的情况下，人们试图在常规的传输光纤中尽可能多地排除这些非线性光学现象。
近年来，常规的概念发生了变化以便进行波长转换和光信号处理，其中光信号的波长是从长波长一侧转换成短波长一侧，而利用非线性光学现象校正光信号波形畸变的波形校正。
然而，如上所述，由于人们在过去试图尽可能多地排除非线性光学现象，就不可能得到这样的光纤，该光纤适合于利用非线性光学现象进行诸如波长转换的光信号处理。
例如，重新公布的专利No.WO 99/10770公开了一种进行波长转换的非线性光纤。然而，这种现有技术中公开的非线性光纤未必是充分的。例如，人们已经清楚地知道，若试图增大非线性，则调整色散是困难的，从而使制造光纤变得很困难。
此外，为了利用光纤的非线性光学现象，希望光纤在输入光波长上有所需的色散值。具体地说，为了利用波长转换，希望光纤在输入光波长附近有零色散波长。然而，在涉及这样的非线性光纤时，其中调整零色散波长是困难的，制造各不相同的多个不同种类的光纤是十分费力的，这些光纤需要有对应于输入光波长的零色散波长，例如，用于进行波长复用传输光的光信号处理。
发明内容
本发明的目的是提供一种实用型非线性色散位移光纤，它适合于利用非线性光学现象的波长转换或光信号处理，且可以容易地制造这种光纤。
本发明的另一个目的是提供一种利用上述光纤的光信号处理设备。
此外，本发明的另一个目的是提供一种利用上述光纤的波长转换器。
按照本发明的第一方面，提供一种非线性色散位移光纤，具有第一纤芯和在所述第一纤芯周围形成的包层，该第一纤芯的折射率大于该包层的折射率，其特征是，波长为1550nm的色散等于利用非线性现象的光信号处理所要求的设定值，波长为1550nm的色散斜率落在0.001至0.039ps/nm2/km的范围内，波长为1550nm沿光纤纵向的色散起伏界限落在0.01至3ps/nm/km的范围内，而波长为1550nm的非线性常数n2/Aeff不小于15×10-10/W。
按照本发明的第二方面，提供一种非线性色散位移光纤，包括：第一纤芯，其折射率大于包层的折射率；形成在所述第一纤芯周围的第二纤芯，其折射率小于包层的折射率；和形成在所述第二纤芯周围的包层，所述包层和纯石英的相对折射率差落在-0.3％至0％的范围内，所述第二纤芯和包层的相对折射率差Δ2落在-1％至-0.5％的范围内，所述第一纤芯的外径D1落在3.6至4.45μm的范围内，所述第一纤芯的外径D1与所述第二纤芯的外径D2之比率D1/D2落在0.3至0.85的范围内，而波长为1550nm的非线性常数不小于15×10-10/W。
按照本发明的第三方面，提供一种包括上述非线性色散位移光纤的光信号处理设备。
此外，按照本发明的第四个方面，提供一种包括上述非线性色散位移光纤的波长转换器。
本发明的其他目的和优点将在以下的描述中给以说明，部分的目的和优点在以下的描述中是显而易见的，或可以通过本发明的实践而获得。借助于以下具体指出的仪器设备和组合，可以实现和获得本发明的目的和优点。
附图说明
合并于并构成说明书的一部分的附图，描述本发明当前几个优选实施例，这些附图与以上的一般描述和以下给出优选实施例的详细描述一起，用于解释本发明的原理。
图1A举例说明按照本发明一个实施例的光纤折射率分布；
图1B是图1A所示光纤的横截面图；
图2举例说明按照本发明另一个实施例的光纤折射率分布；
图3是在改变第一纤芯直径D1与第二纤芯直径D2之比率D1/D2的情况下，色散斜率的起伏曲线图；和
图4是泵浦光波长与转换光功率之间关系的曲线图。
具体实施方式
按照本发明第一方面的非线性色散位移光纤是这样的，波长为1550nm的色散等于利用非线性现象的光信号处理所要求的设定值，波长为1550nm的色散斜率落在0.001至0.1ps/nm2/km的范围内，波长为1550nm沿光纤纵向的色散起伏界限落在0.01至3ps/nm/km的范围内，而波长为1550nm的非线性常数n2/Aeff不小于15×10-10/W。
本说明书中所涉及的色散起伏界限表示利用测量装置测得的色散起伏界限，该装置测量光纤实际长度的整个长度上的色散分布。例如，利用Mollenauer所研究的系统中色散分布测量装置，可以测量沿光纤纵向的色散分布。作为具体测量仪器的例子，Ando电器公司制造的色散分布测量仪器AQ7510，AQ7511和Advantest公司制造的色散OTDR Q8480。
在按照本发明第一个实施例的非线性色散位移光纤中，理想的是，色散斜率落在0.001至0.029ps/nm2/km的范围内。此外，理想的是，波长为1550nm时沿光纤纵向的色散起伏界限落在0.3至3ps/nm/km的范围内。
在按照本发明第一个实施例的非线性色散位移光纤中，理想的是，截止波长不大于1350nm，而模场直径不大于4.5μm。此外，理想的是，当光纤的温度改变10℃时，波长为1550nm的色散变化不大于0.006ps/nm/km。此外，理想的是，波长为1550nm的色散绝对值不大于6ps/nm/km。
理想的是，第一纤芯与包层之间的相对折射率差Δ1落在1.6至3％的范围内，而第二纤芯与包层之间的相对折射率差Δ2落在-1至-0.1％的范围内，更好的是在-1至-0.5％的范围内。此外，第一纤芯的折射率分布具有α指数分布的形状，其中α等于或大于3.0。
上述相对折射率差Δ1和Δ2的定义是本说明书中以下给出的公式(1)和(2)。
Δ1＝{(nf-n0)/nf}×100％ (1)
Δ2＝{(ns-n0)ns}×100％ (2)
其中nf代表第一纤芯部分中最大的折射率，ns代表第二纤芯部分中最小的折射率，而n0代表包层的折射率。
在本发明的光纤中，可以形成传递应力的应力传递机构。还可以在本发明光纤中包含的包层周围形成碳层或碳化硅层。
按照本发明第一方面的非线性色散位移光纤是这样一种非线性色散位移光纤，该光纤在波长为1550nm附近的输入光上产生非线性现象。按照本发明第一方面的非线性色散位移光纤的特征之一，波长为1550nm的色散斜率落在0.001至0.1ps/nm2/km的范围内。在色散斜率不大于0.1ps/nm2/km的情况下，如在本发明中，可以提供一种在波长为1550nm附近的不同波长上有很小波长色散值起伏的光纤，例如，利用单种光纤提供波长为1550nm附近的各个波长上有很小色散绝对值的光纤。
利用不显著改变色散值的单根光纤，即使输入光的波长发生改变，还可以利用在各个波长上的非线性现象进行光信号处理。此外，在色散斜率不大于0.1ps/nm2/km的情况下，可以利用非线性光学现象进行满意的光信号处理。理想的是，色散斜率不小于0.001ps/nm2/km。色散斜率的确定要考虑光纤其他特性的平衡。若光纤在波长为1550nm附近有很小的色散绝对值和很小的模场直径，而且若调整截止波长到1550nm附近时展示单模，则设计和制造色散斜率小于0.001ps/nm2/km的光纤是很困难的。
理想的是，色散斜率落在0.001至0.029ps/nm2/km的范围内，更好的是在0.001至0.019ps/nm2/km的范围内。
此外，理想的是，波长为1550nm沿光纤纵向的色散起伏界限落在0.01至3ps/nm/km的范围内。在沿光纤纵向的色散起伏界限不大于3ps/nm/km的情况下，可以利用非线性光学现象进行满意的光信号处理。此外，在沿光纤纵向的色散起伏界限不大于3ps/nm/km的情况下，当通过切割光纤而分割光纤时，光纤中任何部分中色散差是很小的。此外，由于色散斜率很小，可以得到这样的优点，即使被分割的光纤用于输入1550nm附近的各个波长的光，色散值的差也很小。
另一方面，为了使沿光纤纵向的色散起伏界限小于0.01ps/nm/km，要求得到沿光纤纵向有高度均匀性的光纤。应当注意，在有小的纤芯直径和增大的纤芯相对折射率差Δ以减小模场直径的非线性色散位移光纤中，抑制沿纵向的色散起伏到小于0.01ps/nm/km的值是非常困难的。由此可见，不可避免地需要制造大量的光纤并从制造的光纤中选取纤芯直径变化小的满意部分，当然，在此情况下的生产率是很低的。
例如，在具有以下引用的例2的结构的光纤中，为了抑制沿光纤纵向的色散起伏到不大于0.01ps/nm/km的值，需要抑制第一纤芯直径的变化到不大于0.01％的值。当然，这个生产率是很低的。
如上所述，要求波长为1550nm的色散斜率落在0.001至0.1ps/nm2/km的范围内。还要求波长为1550nm沿光纤纵向的色散起伏界限落落在0.01至3ps/nm/km。只有在这两个要求同时得到满足的情况下，才可以利用1550nm附近的各个波长的非线性光学现象进行满意的光信号处理和满意地制造非线性色散位移光纤。此外，还可以提高总的价格性能比。
此外，理想的是，波长为1550nm沿光纤纵向的色散起伏界限落在0.3至3ps/nm/km的范围内。若沿光纤纵向的色散起伏界限不小于0.3ps/nm/km，则可以扩大沿光纤纵向的纤芯直径的变化范围。因此，可以进一步提高生产率。此外，在利用非线性光学现象的信号处理中，而不是利用四波混频的波长转换，则沿光纤纵向的色散起伏界限落在0.3至3ps/nm/km的范围内是足够的。
若光纤长度不大于5km，可以使沿光纤纵向的色散起伏界限落在0.01至0.2ps/nm/km的范围内。在光纤长度不大于5km的情况下，即使设定的色散起伏界限不超过0.2ps/nm/km，生产率也不会降低。此外，若色散起伏界限不超过0.2ps/nm/km，则可以利用四波混频满意地进行波长转换。
此外，理想的是，截止波长不大于1350nm。在截止波长不大于1350nm的情况下，可以在包括S波段(即，1460nm～1530nm)和C波段(即，1530nm～1565nm)的整个宽波段上使用该光纤。
例如，理想的是构造这样的光纤，折射率小于包层折射率的第二纤芯安排成围绕第一纤芯的周围，而第一纤芯的外径D1与第二纤芯的外径D2之比率D1/D2和色散绝对值设定在预定的范围内。在按照上述构造光纤的情况下，可以同时得到不大于1350nm的低截止波长，不小于15×10-10/W的高非线性常数，和不大于0.029ps/nm2/km的低色散斜率。
理想的是，模场直径不大于4.5μm。若模场直径设置成不大于4.5μm，则可以得到高的非线性常数。为了增大n2/Aeff表示的非线性常数，就需要增大非线性折射率n2或减小有效纤芯面积Aeff。顺便说一下，有效纤芯面积Aeff与模场直径之间有正相关。
通过设定模场直径到不大于4.5μm的值，可以得到高的非线性常数。通过增大纤芯与包层之间的相对折射率差，可以得到小的模场直径。然而，若单单地增大纤芯与包层之间的相对折射率差，则截止波长就移向长波长一侧，从而很难保证在整个宽波段上是单模传输。另一方面，例如，在光纤包括：第一纤芯，该第一纤芯的折射率大于包层的折射率；在所述第一纤芯的周围形成的包层；以及在所述第一纤芯和包层之间形成的第二纤芯，该第二纤芯的折射率小于所述包层的折射率的情况下，可以同时得到小模场直径和低截止波长。
此外，理想的是，当光纤的温度改变10℃时，波长为1550nm的色散变化不大于0.006ps/nm/km。例如，在利用四波混频进行波长转换时，若泵浦光的波长与光纤的零色散波长一致，则转换效率为最大。然而，若泵浦光的波长偏离光纤的零色散波长，即使是微小的偏离，则转换效率就降低。若光纤的色散特性随温度而变化，则产生这样一个问题，转换效率因环境温度而变得不稳定。
在波长为1550nm的色散变化不大于0.006ps/nm/km的情况下，当光纤的温度改变10℃时，在实际的温度范围内可以得到稳定的转换效率。如上所述，折射率低于包层折射率的第二纤芯形成在第一纤芯的周围。在本发明中，第一纤芯的外径D1与第一纤芯的外径D2的比率D1/D2和色散绝对值设置在预定的范围内。此外，相对折射率差Δ1和相对折射率差Δ2设置在预定的范围内。理想的是构造以上描述的光纤，因为这种特定结构可以方便制造这样的光纤，当光纤的温度改变10℃时，可以抑制波长为1550nm的色散变化到等于或小于0.006ps/nm/km的值。
按照本发明第二方面的非线性色散位移光纤，包括：第一纤芯，其折射率大于包层的折射率；形成在所述第一纤芯周围的第二纤芯，其折射率小于包层的折射率；和形成在所述第二纤芯周围的包层，其折射率大致等于纯石英的折射率，其中所述第一纤芯的外径D1落在3至8μm的范围内，而所述第一纤芯的外径D1与所述第二纤芯的外径D2之比率D1/D2落在0.3至0.85的范围内。
在按照本发明第二方面的非线性色散位移光纤中，理想的是，第一纤芯的外径D1与第二纤芯的外径D2之比率D1/D2落在0.3至0.80的范围内。理想的是，波长为1550nm的色散绝对值不大于6ps/nm/km。
此外，理想的是，第一纤芯与包层之间的相对折射率差Δ1落在1.6％至3％的范围内，而第二纤芯与包层之间的相对折射率差Δ2落在-1％至-0.1％的范围内，更好的是在-1％至-0.5％的范围内。
此外，理想的是，第一纤芯的折射率分布具有α指数分布的形状，其中α等于或大于3.0。此外，该光纤可以包括：传递应力到光纤的应力传递机构和形成在光纤中包层周围的碳层或碳化硅层，如按照本发明第一方面的光纤。
现在参照附图描述本发明的几个实施例。
图1A举例说明按照本发明一个实施例的光纤折射率分布。如图1A所示，按照本发明一个实施例的光纤包括：第一纤芯1，其折射率大于包层3的折射率；形成在第一纤芯1周围的第二纤芯2，其折射率小于包层3的折射率；和形成在第二纤芯2周围的包层3，其折射率等于或接近于纯石英的折射率。
图2举例说明按照本发明另一个实施例的光纤折射率分布。如图2所示，在按照这个实施例的光纤中，省略了图1A中所示的第二纤芯2，为了使包层直接形成在第一纤芯1的周围。应当注意，按照图1A所示实施例的光纤比按照图2所示实施例的光纤更理想，因为，若光纤的折射率分布是图1A所示的W型，则可以容易地得到有高度非线性和低色散斜率的光纤，从而可以扩大光纤中第一纤芯外径和第二纤芯外径的设计范围。
顺便说一下，可以按照如下方法确定图1A和图2中所示的第一纤芯直径D1和第二纤芯直径D2。
应当注意，图1A所示的第一纤芯直径D1等于第一纤芯1中具有大于包层3的折射率的部分的外径。此外，第二纤芯直径D2等于第二纤芯2与包层3之间的边界区域中的折射率为Δ2/10的部分的外径。此外，图2所示的纤芯直径D1等于第一纤芯部分1中的折射率为Δ1/10的部分的外径。
第一纤芯1是由掺锗石英玻璃制成，第二纤芯2是由掺氟石英玻璃制成，而包层3是由纯石英制成。第一纤芯的外径D1落在3至8μm的范围内。此外，在图1A所示的结构中，第一纤芯的外径D1与第二纤芯的外径D2之比率落在0.3至0.85的范围内，最好是在0.3至0.80的范围内。在此情况下，理想的是，波长为1550nm的色散绝对值不大于6ps/nm/km。
在上述的实施例中，理想的是，第一纤芯与包层之间的相对折射率差Δ1落在1.6％至3％的范围内，更好的是在1.8％至2.9％的范围内。此外，在图1A所示的结构中，理想的是，第二纤芯与包层之间的相对折射率差Δ2落在-1％至-0.1％的范围内，更好的是在-1％至-0.5％的范围内。
第一纤芯的折射率分布可以具有α指数分布的形状，其中α等于或大于3.0，最好是α等于或大于4.0。此外，理想的是，波长为1550nm的非线性常数不小于15×10-10/W。
图1B举例说明图1A所示光纤的横截面图。如图1B所示，传递应力的应力传递部分4掩埋在包层3中。应力传递部分4是由包含B2O3的石英玻璃制成，它安排在两侧而使第一纤芯1和第二纤芯2插入在中间。
非线性光学现象受偏振状态的影响很大。所以，为了利用非线性光学现象进行满意的光信号处理，理想的是使用具有保偏功能的光纤。在此情况下，应力传递部分制成在按照这个实施例的光纤中，为的是提供一段保偏光纤。
此外，如图1B所示，基本上由碳或碳化硅构成的保护层5形成在包层3的周围。保护层5的功能是作为密封涂层，即使光纤长时间曝露在水或高湿度的环境中，它可以抑制疲劳的发展和避免水的渗透。
此外，在按照这个实施例的光纤中，波长为1550nm的色散斜率落在0.001至0.1ps/nm2/km的范围内，最好是在0.001至0.029ps/nm2/km的范围内，更好的是在0.001至0.019ps/nm2/km的范围内，而波长为1550nm沿光纤纵向的色散起伏界限落在0.01至3ps/nm/km的范围内，最好是在0.3至3ps/nm/km的范围内。
顺便说一下，当使用的波长下具有所需的色散值时，可以提高利用非线性现象的光信号处理的处理效率。例如，在利用四波混频的波长转换中，泵浦光波长是零色散波长是最佳的。另一方面，在称之为光2R和光3R的波形整形中，理想的色散与使用的具体系统有关。顺便说一下，“光2R”代表“再生”和“重新整型”，而“光3R”代表光2R和“再定时”。
非线性相位偏移ΦNL表示非线性特征的参数，它是由以下给出的公式(3)表示：
ΦNL＝(2π/λ)·(n2/Aeff)·(I·Leff) (3)
其中n2代表非线性折射率，Aeff代表有效纤芯面积，I代表光强，而Leff代表光纤有效长度。
从以上给出的公式(3)可以看出，若光纤很长，则可以获得高的非线性功能。然而，在使用长光纤的情况下，利用非线性现象的光信号处理设备内的非线性光纤内部体积就增大，要使利用非线性现象的光信号处理设备体积减小是困难的。由此可见，即使光纤做得尽可能的短，仍要求利用非线性现象的光信号处理设备中使用的非线性光纤具有高度非线性。换句话说，以上给出的公式(3)指出，n2/Aeff的值(非线性常数)应当尽可能地大。非线性折射率n2是由材料确定的。关于光纤的结构，则要求Aeff的值尽可能地小。应当注意，有效纤芯面积Aeff与模场直径之间有正相关。
由此可见，为了得到有高度非线性的光纤，要求该光纤具有小模场直径的结构。还要求所用波长的色散绝对值很小。此外，在单模光纤中，要求截止波长相对于使用的波长是短的。
考虑到上述的情况，按照本发明一个实施例的光纤是图1A所示的W型折射率分布，而按照本发明另一个实施例的光纤是图2所示的单脊型折射率分布。
理想的是，第一纤芯的外径D1落在3至8μm的范围内。在利用硅基玻璃的情况下，可以减小波长为1550nm的色散绝对值的第一纤芯直径落在纤芯直径小于3μm的第一范围内或纤芯直径为3至8μm的第二范围内。然而，在纤芯直径小于3μm的第一范围内，即使纤芯直径改变很小而使色散值的变化很大，要得到沿光纤纵向有高度均匀色散的光纤是困难的。此外，截止波长超过1550nm。当然，第一纤芯直径落在纤芯直径小于3μm的第一范围内是不可取的。
理想的是，第一纤芯的外径D1与第二纤芯的外径D2之比率D1/D2落在0.3至0.85的范围内，更好的是在0.3至0.80的范围内。在比率D1/D2落在上述范围内的情况下，可以减小波长为1550nm的色散绝对值，与此同时，可以减小波长为1550nm的色散斜率。
此外，理想的是，第一纤芯与包层之间的相对折射率差Δ1落在1.6％至3％的范围内，而第二纤芯与包层之间的相对折射率差Δ2落在-0.1％至-1％的范围内。
在第一纤芯与包层之间的相对折射率差Δ1小于1.6％的情况下，模场直径是很大的。因此，非线性就降低。另一方面，在上述的相对折射率差Δ1超过3％的情况下，截止波长超过1550nm，其结果是要考虑到截止波长，使该光纤可以在单模下工作。因此，生产率是很低的。此外，为了减小波长为1550nm的色散绝对值，使第一纤芯的外径做得非常小。因此，纤芯直径的很小改变就使色散发生很大的变化。由此可见，得到沿光纤纵向有高度均匀色散的光纤是困难的。
更理想的是，上述的相对折射率差Δ1落在1.8％至2.9％的范围内。在相对折射率差Δ1落在上述范围内的情况下，可以制造沿光纤纵向有高度非线性和高度均匀色散的光纤。
若第二纤芯与包层之间的相对折射率差Δ2大于-0.1％，则为了减小波长为1550nm的色散绝对值，就需要使色散斜率做得很小，而设计这样的光纤是困难的。另一方面，若上述的相对折射率差Δ2小于-1％，则需要给光纤掺以大量的氟，制造这样的光纤是困难的。
更理想的是，相对折射率差Δ2落在-1至-0.5％的范围内。若相对折射率差Δ2落在上述的范围内，则能够获得低色散斜率并且容易制造光纤。
此外，相对折射率差Δ2落在-1.2％至-0.9％的范围内，即使相对折射率差Δ1很大，仍可以使截止波长较短和色散斜率较低。在含氟的加压(puressurised)气氛下，通过烧结用汽相沉积方法制成的SiO2炭黑体，可以得到相对折射率差Δ2不大于-0.9％的光纤预制件。
此外，理想的是，第一纤芯与纯石英之间的相对折射率差Δs1落在1.6％至3％的范围内，第二纤芯与纯石英之间的相对折射率差Δs2落在-1.2％至-0.9％的范围内，和包层与纯石英之间的相对折射率差Δs3落在-0.7％至-0.1％的范围内。在本说明书中，相对折射率差Δs1，Δs2和Δs3的定义是由以下公式(4)，(5)和(6)给出的：
Δs1＝{(nf-np)/nf}×100％ (4)
Δs2＝{(ns-np)/ns}×100％ (5)
Δs1＝{(n0-np)/n0}×100％ (6)
其中np代表纯石英的折射率。
还应当注意，在非线性常数n2/Aeff不小于15×10-10/W的情况下，可以获得高度非线性。
例子：
表1和表2说明利用模拟计算波导特征得到的设计值与非线性色散位移光纤的各个样本(例1至例6和比较例子1至4)特征值之间的关系。
表3和表4说明例1，2，7至10中实验制造得到的折射率分布和特征值。表3和表4中所示例1和例2的折射率分布和特征值是根据表1中所示例1和例2的设计值而实际制造的光纤所得到的。
例1，2，4至7，9，10和比较例子1至3中的每个例子是指包含第一纤芯，第二纤芯和包层并具有图1A所示折射率分布的光纤。另一方面，例3，8和比较例子4中的每个例子是指包含单个纤芯和包层并具有图2所示折射率分布的光纤。
从表1和表2中可以看出，例1至例6中每个例子的光纤在波长为1550nm下有很小的色散绝对值，很小的色散斜率和很小的模场直径。此外，从表3和表4中可以看出，上述结果也适用于例7至例10中的情况。
在色散斜率很小的情况下，可以利用非线性进行满意的信号处理，还可以处理1550nm附近的各个波长。此外，在模场直径很小的情况下，可以提高非线性以提供极好的光纤。
1550nm处的色散与纤芯直径有关。即使利用比较例子4中光纤的纤芯直径，确实可以减小色散绝对值。然而，非线性的减小是因为模场直径大。此外，通过表1和表2中比较例子1与比较例子3之间的比较，可以看出色散发生很大的变化，即，通过改变第一纤芯直径约0.1μm，色散的变化约为20ps/nm/km，从而使得到这样的光纤是困难的，其中沿光纤纵向的色散起伏界限不大于3ps/nm/km。
另一方面，表1和表2中的例1与例5之间的比较支持这样的观点，即使第一纤芯直径改变约0.1μm，而色散的变化仅仅约2ps/nm/km；若第一纤芯直径不小于3μm，即使沿光纤纵向的纤芯直径略微改变，仍可以得到沿光纤纵向有高度均匀色散的光纤。
此外，表1和表2中的例1与例3之间的比较支持这样的观点，采用W型分布的例1中光纤优于例3中单脊型的光纤，例1中光纤的色散斜率和截止波长小于例3中光纤的色散斜率和截止波长。
图3是有例1和例2结构的光纤中色散斜率变化与比率Da变化的关系曲线，Da是第一纤芯直径D1与第二纤芯直径D2的比率D1/D2。在图3中，调整第一纤芯直径D1和第二纤芯直径D2，使波长为1550nm的色散为零。
可以减小波长为1550nm处色散绝对值的第一纤芯直径落在纤芯直径不大于3μm的第一范围和纤芯直径在3至8μm范围内的第二范围。图3所示的斜率曲线覆盖这样的情况，其中波长为1550nm的色散在第二范围内变成零，第二范围是第一纤芯直径落在3至8μm的范围。
在图3中，曲线“a”覆盖有例2中结构的光纤，而曲线“b”覆盖有例1中结构的光纤。从图3中可以看出，若比率Da超过0.8，则设置色散小的色散斜率就增大。很清楚，理想的是比率Da不大于0.8。图3的曲线还说明，若比率Da小于0.3，则设置色散小的色散斜率就增大，因此，支持这样的观点，比率Da最好不小于0.3。
在光纤有图1A所示的折射率分布和比率Da设置成落在0.3至0.8的范围内的情况下，其中D1的值设置成落在3至8μm范围内，比率Da就是比率D1/D2，可以使波长为1550nm的色散是零，并可以使这个波长下的色散斜率不大于0.035ps/nm2/km。
基于表1中所示例1和例2的设计值而实际制造的光纤，得到表3和表4中所示例1和例2的折射率分布和特征值。此外，还得到表3和表4中所示例9和例10的实际制造光纤的折射率分布和特征值。在得到的例1光纤中，色散斜率为0.016ps/nm2/km；在得到的例2光纤中，色散斜率为0.022ps/nm2/km；在得到的例9光纤中，色散斜率为0.010ps/nm2/km；而在得到的例10光纤中，色散斜率为0.014ps/nm2/km。得到的其他光纤的特征与利用模拟结果得到的值基本相同。
实际制得的光纤色散斜率比模拟结果得到的值约小0.006ps/nm2/km。应当注意，在光纤具有图1A所示的折射率分布以及D1的值和比率Da，即，比率D1/D2，设置成落在上述范围内的情况下，可以使波长为1550nm的色散为零，还可以使这个波长下的色散斜率不大于0.029ps/nm2/km。
顺便说一下，模拟结果得到的值与实际制造结果得到的值略有不同。应当注意，在利用光纤牵引方法实际制造的光纤中，由于掺杂成分的扩散，折射率分布与设计值略有不同。此外，在软化温度和软化状态下粘度方面，掺有锗或氟的第一纤芯和第二纤芯不同于利用纯石英或近乎纯石英材料制成的包层。所以，在光纤牵引步骤中产生应变的固化速率方面，第一纤芯和第二纤芯不同于包层。有充分的理由可以明白，应变的产生影响实际制成光纤的特征。
对于制成的光纤，测量沿光纤纵向的色散分布。我们发现，例1中光纤的色散起伏界限约为0.7ps/nm/km，而例2中光纤的色散起伏界限约为2.0ps/nm/km。此外，利用制造光纤的XPM(交叉相位调制)方法，测量标志非线性的数值n2/Aeff在表4中，我们发现制成的光纤具有高度非线性，即，例1中的光纤约为33×10-10/W，例2中的光纤约为40×10-10/W，例9中的光纤约为55×10-10/W，而例10中的光纤约为62×10-10/W。
此外，对有图1A所示折射率分布的例7中制成光纤和有图2所示单脊型折射率分布的例8中制成光纤进行波长转换测试。图4是展示该结果的曲线图。
如图4所示，我们发现，有小色散斜率的例7中光纤具有较宽的泵浦光波长(λpump)容差，该容差约为例8中光纤的两倍。这种情况支持这样的观点，小色散斜率是有用的，且图1A所示的折射率分布结构是极好的。顺便说一下，图4中的曲线“c”表示例7中光纤的波长转换测试的实验数据，而曲线“d”表示例8中光纤的波长转换测试的实验数据。
波长转换测试是这样进行的，输λ泵浦光和信号光到试制过程制成的光纤中，以便测量转换光的功率。在保持泵浦光波长(λpump)与信号光波长之差恒定的情况下，改变这两个光的波长。若泵浦光波长设置在零色散波长λ0±3nm的范围内，则转换光的功率是在最大的范围内。
如上所述，当泵浦光的波长(λpump)与本发明光纤的零色散波长(λ0)一致时，或当泵浦光的波长(λpump)落在零色散波长λ0±3nm的范围内时，可以获得最有效的波长转换。
此外，基于泵浦光波长(λpump)与零色散波长(λ0)之差的增大，转换光的功率往往就降低。然而，在利用按照本发明例子中光纤的情况下，即使泵浦光的波长(λpump)与光纤的零色散波长(λ0)不同，转换光的功率并不急剧地减小。换句话说，按照本发明例子中的光纤具有这样的优点，可以扩大泵浦光波长(λpump)的设定范围(泵浦光波长的容差)，在此范围内，可以得到至少有预定功率的转换光.具体地说，最好使用色散斜率在0.001至0.029ps/nm2/km范围内的光纤，因为在利用特定光纤的情况下，泵浦光波长(λpump)的设定范围可以扩大。
表2还表示色散与温度之间的关系，其中测量例7和例8中的试制光纤在0℃至40℃范围内波长为1550nm的色散。如表2所示，在采用图1A所示折射率分布结构的情况下，即使温度发生变化，仍可以得到色散变化很小的光纤。
表1
| 第一纤芯Δ1 | 第二纤芯Δ2 | 第一纤芯α值 | 第一纤芯直径D1 | 纤芯直径比率D1/D2＝Da | 第二纤芯直径D2 | 包层材料/外径 | |
| ％ | ％ | μm | μm | /μm | |||
| 例1 | 2.0 | -0.55 | 4 | 4.45 | 0.57 | 7.8 | 石英/125 |
| 例2 | 2.85 | -0.6 | 5.6 | 4.0 | 0.6 | 6.7 | 石英/125 |
| 例3 | 2.55 | 无 | 4 | 4.5 | - | - | 石英/125 |
| 例4 | 2.0 | -0.55 | 4 | 4.46 | 0.57 | 7.8 | 石英/125 |
| 例5 | 2.0 | -0.55 | 4 | 4.56 | 0.57 | 8.0 | 石英/125 |
| 例6 | 1.6 | -0.9 | 16 | 4.05 | 0.5 | 8.1 | 石英/125 |
| 比较例1 | 2.0 | -0.55 | 4 | 1.94 | 0.57 | 3.4 | 石英/125 |
| 比较例2 | 2.0 | -0.55 | 4 | 2.00 | 0.57 | 3.5 | 石英/125 |
| 比较例3 | 2.0 | -0.55 | 4 | 2.05 | 0.57 | 3.6 | 石英/125 |
| 比较例4 | 1.0 | 无 | 4 | 2.50 | - | - | 石英/125 |
表2
| 非线性常数n2/Aeff | 色散 | 色散斜率 | 截止波长 | 模场直径 | 每改变温度10℃的色散变化 | |
| ×10-10/W | ps/nm/km | ps/nm2/km | nm | μm | ps/nm/km/10℃ | |
| 例1 | - | -1.09 | 0.022 | 1201 | 4.14 | - |
| 例2 | - | 0.62 | 0.026 | 1417 | 3.62 | - |
| 例3 | - | -0.39 | 0.043 | 1542 | 4.04 | - |
| 例4 | - | -1.08 | 0.023 | 1200 | 4.14 | - |
| 例5 | - | 1.23 | 0.027 | 1232 | 4.17 | - |
| 例6 | - | 0.61 | 0.0037 | 1097 | 4.09 | - |
| 比较例1 | - | 12.18 | 0.225 | 541 | 43.4 | - |
| 比较例2 | - | 3.92 | 0.318 | 555 | 30 | - |
| 比较例3 | - | -8.09 | 0.411 | 570 | 21.7 | - |
| 比较例4 | - | -0.18 | 0.412 | 548 | 15.9 | - |
表3
| 第一纤芯Δ1或Δs1 | 第二纤芯Δ2或Δs2 | 第一纤芯α值 | 第一纤芯直径D1 | 纤芯直径比率D1/D2＝Da | 第二纤芯直径D2 | 包层材料/外径 | |
| ％ | ％ | μm | μm | /μm | |||
| 例1 | 2.0 | -0.55 | 4 | 4.45 | 0.57 | 7.8 | 石英/125 |
| 例2 | 2.85 | -0.6 | 5.6 | 4.0 | 0.6 | 6.7 | 石英/125 |
| 例7 | 2.0 | -0.55 | 4 | 4.4 | 0.56 | 7.9 | 石英/125 |
| 例8 | 2.55 | 无 | 4 | 4.6 | - | - | 石英/125 |
| 例9 | 2.85 | -1 | 5.4 | 3.6 | 0.4 | 9.1 | 石英/125 |
| 例10 | 2.85 | -1 | 5.3 | 3.6 | 0.4 | 9.1 | Δ3＝-0.3％/125 |
表4
| 非线性常数n2/Aeff | 色散 | 色散斜率 | 截止波长 | 模场直径 | 每改变温度10℃的色散变化 | |
| ×10-10/W | ps/nm/km | ps/nm2/km | nm | μm | ps/nm/km/10℃ | |
| 例1 | 33 | -0.7 | 0.016 | 1206 | 4.2 | - |
| 例2 | 40 | 0.8 | 0.022 | 1412 | 3.7 | - |
| 例7 | 32 | 0.1 | 0.016 | 1200 | 4.2 | 0.0029 |
| 例8 | 33 | 0.1 | 0.039 | 1510 | 4.3 | 0.0072 |
| 例9 | 55 | 0.02 | 0.022 | 1218 | 3.4 | - |
| 例10 | 62 | 0.03 | 0.027 | 1340 | 3.4 | - |
如以上详细描述的，按照本发明的非线性色散位移光纤，可以利用1550nm附近的各个波长的非线性现象进行极好的光信号处理。此外，本发明在光纤的制造能力方面是极好的，因此，在工业上是非常有用的。例如，通过分割单根光纤，可以利用1550nm附近各个波长的非线性现象进行极好的光信号处理。
此外，配置本发明非线性色散位移光纤的光信号处理设备在利用非线性现象的光信号处理方面是极好的。而且，配置本发明非线性色散位移光纤的波长转换器在利用非线性现象的波长转换方面是极好的。
本领域专业人员可以知道其他的优点和变动。所以，在广义上，本发明不局限于此处展示和描述的具体细节和代表性实施例。因此，在不偏离所附权利要求书及相关内容确定的总发明概念的精神或范围的条件下，可以进行各种变动。
Claims (39)
1.一种非线性色散位移光纤，具有第一纤芯和在所述第一纤芯周围形成的包层，该第一纤芯的折射率大于该包层的折射率，其特征是，波长为1550nm的色散等于利用非线性现象的光信号处理所要求的设定值，波长为1550nm的色散斜率落在0.001至0.039ps/nm2/km的范围内，波长为1550nm沿光纤纵向的色散起伏界限落在0.01至3ps/nm/km的范围内，而波长为1550nm的非线性常数n2/Aeff不小于15×10-10/W。
2.按照权利要求1的非线性色散位移光纤，其特征是，波长为1550nm的色散斜率落在0.001至0.027ps/nm2/km的范围内。
3.按照权利要求1的非线性色散位移光纤，其特征是，光纤长度在5km内沿光纤纵向的色散起伏界限落在0.01至0.2ps/nm/km的范围内。
4.按照权利要求1的非线性色散位移光纤，其特征是，截止波长不大于1350nm，而模场直径不大于4.5μm且不小于3.4μm。
5.按照权利要求1的非线性色散位移光纤，其中当温度改变10℃时，波长为1550nm的色散变化不大于0.006ps/nm/km/10℃。
6.按照权利要求1的非线性色散位移光纤，其特征是，还包括：形成在所述第一纤芯和所述包层之间的第二纤芯，该第二纤芯的折射率小于所述包层的折射率；所述包层和纯石英的相对折射率差落在-0.3％至0％的范围内，其中所述第一纤芯的外径D1落在3.6至4.45μm的范围内，而所述第一纤芯的外径D1与所述第二纤芯的外径D2之比率D1/D2落在0.3至0.85的范围内。
7.按照权利要求6的非线性色散位移光纤，其特征是，所述第一纤芯的折射率分布具有α指数分布的形状，其中α不小于3.0。
8.按照权利要求6的非线性色散位移光纤，其特征是，所述第一纤芯的外径D1与所述第二纤芯的外径D2之比率D1/D2落在0.3至0.8的范围内。
9.按照权利要求8的非线性色散位移光纤，其特征是，所述第一纤芯的折射率分布具有α指数分布的形状，其中α不小于3.0。
10.按照权利要求6的非线性色散位移光纤，其特征是，波长为1550nm的色散绝对值不大于0.8ps/nm/km。
11.按照权利要求6的非线性色散位移光纤，其特征是，所述第一纤芯与包层之间的相对折射率差Δ1落在2.0％至2.85％的范围内，而所述第二纤芯与包层之间的相对折射率差Δ2落在-1％至-0.5％的范围内。
12.按照权利要求11的非线性色散位移光纤，其特征是，所述第一纤芯的折射率分布具有α指数分布的形状，其中α不小于3.0。
13.按照权利要求6的非线性色散位移光纤，其特征是，所述第一纤芯与纯石英之间的相对折射率差Δs1落在2.0％至2.85％的范围内，而所述第二纤芯与纯石英之间的相对折射率差Δs2落在-1.0％至-0.5％的范围内。
14.按照权利要求13的非线性色散位移光纤，其特征是，所述包层与纯石英之间的相对折射率差Δs3落在-0.3％至0％的范围内。
15.按照权利要求14的非线性色散位移光纤，其特征是，所述第一纤芯的折射率分布具有α指数分布的形状，其中α不小于3.0。
16.按照权利要求1的非线性色散位移光纤，其特征是，还包括：用于传递应力给光纤的应力传递结构，该应力传递结构具有由含B2O3的石英玻璃构成的多个应力传递部分，这些应力传递部分设置在所述包层中，且位于所述第一纤芯的两侧，使得所述第一纤芯夹在这些应力传递部分之间。
17.按照权利要求1的非线性色散位移光纤，包括：形成在光纤的包层周围的碳层或碳化硅层。
18.一种光信号处理设备，包括：权利要求1所述的非线性色散位移光纤。
19.按照权利要求18的光信号处理设备，包括：权利要求1所述的非线性色散位移光纤和至少一个泵浦光的光源，且该光信号处理设备用作波长转换器。
20.一种波长转换器，包括：权利要求1所述的非线性色散位移光纤和至少一个泵浦光的光源，其中泵浦光的波长落在(λ0-3)nm至(λ0+3)nm的范围内，λ0代表非线性色散位移光纤的零色散波长。
21.按照权利要求20的波长转换器，包括：权利要求1所述的非线性色散位移光纤和泵浦光的光源，其中泵浦光的波长与非线性色散位移光纤的零色散波长λ0一致。
22.一种制造按照权利要求13的非线性色散位移光纤的方法，其特征是包括以下步骤：在含氟的加压气氛下，对用汽相沉积方法制成的光纤预制件的第二纤芯的SiO2的炭黑体进行烧制。
23.一种非线性色散位移光纤，包括：第一纤芯，其折射率大于包层的折射率；形成在所述第一纤芯周围的第二纤芯，其折射率小于包层的折射率；和形成在所述第二纤芯周围的包层，所述包层和纯石英的相对折射率差落在-0.3％至0％的范围内，所述第二纤芯和包层的相对折射率差Δ2落在-1％至-0.5％的范围内，所述第一纤芯的外径D1落在3.6至4.45μm的范围内，所述第一纤芯的外径D1与所述第二纤芯的外径D2之比率D1/D2落在0.3至0.85的范围内，而波长为1550nm的非线性常数不小于15×10-10/W。
24.按照权利要求23的非线性色散位移光纤，其特征是，波长为1550nm的色散绝对值不大于0.8ps/nm/km。
25.按照权利要求24的非线性色散位移光纤，其特征是，所述第一纤芯的折射率分布具有α指数分布的形状，其中α不小于3.0。
26.按照权利要求24的非线性色散位移光纤，其特征是，所述第一纤芯的外径D1与所述第二纤芯的外径D2之比率D1/D2落在0.3至0.80的范围内。
27.按照权利要求26的非线性色散位移光纤，其中所述第一纤芯的折射率分布具有α指数分布的形状，α不小于3.0。
28.按照权利要求24的非线性色散位移光纤，其特征是，所述第一纤芯与包层之间的相对折射率差Δ1落在2.0％至2.85％的范围内。
29.按照权利要求28的非线性色散位移光纤，其特征是，所述第一纤芯的折射率分布具有α指数分布的形状，其中α不小于3.0。
30.按照权利要求24的非线性色散位移光纤，其特征是，所述第一纤芯与纯石英之间的相对折射率差Δs1落在2.0％至2.85％的范围内，而所述第二纤芯与纯石英之间的相对折射率差Δs2落在-1.0％至-0.5％的范围内。
31.按照权利要求30的非线性色散位移光纤，其特征是，所述包层与纯石英之间的相对折射率差Δs3落在-0.3％至0％的范围内。
32.按照权利要求31的非线性色散位移光纤，其特征是，所述第一纤芯的折射率分布具有α指数分布的形状，其中α不小于3.0。
33.按照权利要求24的非线性色散位移光纤，其特征是，还包括：，用于传递应力给光纤的应力传递结构，该应力传递结构具有由包含B2O3的石英玻璃构成的多个应力传递部分，这些应力传递部分设置在所述包层中，且位于所述第一纤芯和所述第二纤芯的两侧，使得所述第一纤芯和所述第二纤芯夹在这些应力传递部分之间。
34.按照权利要求24的非线性色散位移光纤，其特征是，包括：形成在光纤包层周围的碳层或碳化硅层。
35.一种光信号处理设备，包括：权利要求24所述的非线性色散位移光纤。
36.按照权利要求35的光信号处理设备，其特征是，包括：权利要求24所述的非线性色散位移光纤和至少一个泵浦光的光源，且该光信号处理设备用作波长转换器。
37.一种波长转换器，其特征是，包括：权利要求24所述的非线性色散位移光纤和至少一个泵浦光的光源，其中泵浦光的波长落在(λ0-3)nm至(λ0+3)nm的范围内，λ0代表非线性色散位移光纤的零色散波长。
38.按照权利要求37的波长转换器，其特征是，包括：权利要求24所述的非线性色散位移光纤和至少一个泵浦光的光源，其中泵浦光的波长与非线性色散位移光纤的零色散波长λ0一致。
39.一种制造按照权利要求30的非线性散位移光纤的方法，其特征是包括以下步骤：在含氟的加压气氛下，对用汽相沉积方法制成的光纤预制件的第二纤芯的SiO2炭黑体进行烧制。
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