CN1285931C - 光纤、光纤元件和光传输方法 - Google Patents

光纤、光纤元件和光传输方法 Download PDF

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Abstract

一种光纤，包括一芯(1)和一覆盖该芯(1)外围的包层区域(5)，在1.4μm至1.65μm波长范围内具有零色散波长，并且在该零色散波长处是单模的，其中将一定量的GeO2掺入芯(1)中，使得芯(1)的相对折射率差不小于1.8%；该包层区域(5)包括第一、第二和第三包层区域(2，3，4)，并且第二包层区域(3)的折射率小于第一包层区域(2)和第三包层区域(4)的折射率。

Description

光纤、光纤元件和光传输方法
相关申请的交叉引用
本申请基于在先的日本专利申请No.2001-231737(申请日为2001年7月31日)和No.2002-152981(申请日为2002年5月27日)，并要求它们的优先权，这两篇申请的全部内容在此引作参考。
发明背景
1.发明领域
本发明涉及一种光纤，一种能有效地产生(induce)非线性现象的光纤元件和一种光传输方法。
2.相关技术的描述
随着信息社会的发展，通信信息量趋于呈指数增加，并且随着信息的增加，波分复用传输(WDM传输)技术等引起了人们的关注。波分复用传输是一种适合大规模高速度通信的光传输系统，因为波分复用传输是一种通过一根光纤传输多种波长的光的系统。
目前，应用掺铒光纤型光学放大器(EDFA)来实现波分复用传输，并且由于这种EDFA的优点，能够获得在光纤所使用的波长带内具有高输出的光。EDFA的增益带宽一般为1.55μm波长带。应该注意，1.55μm波长带表示中心处具有大约1550nm波长的波长带，例如1530nm至1570nm。
已经对通过利用这种具有高输出的光在光纤中产生的非线性现象而实现信号光频率变换的技术进行了研究。这种频率变换技术主要利用四个光波的混合，是一种非线性现象，通过使其波长不同于零色散波长的信号光进入光纤，同时使光纤零色散波长附近的激励光进入光纤，具有产生非线性现象的作用，而改变信号光的波长。作为激励光，应用具有高输出的光，如上面所述的EDFA的输出光。
当使波长比光纤的零色散波长长的信号光进入光纤，同时使激励光入射在可产生非线性现象的该光纤上时，该信号光被变换成其波长比零色散波长短的光。相反，当使波长比光纤的零色散波长短的信号光进入光纤，同时使激励光入射在可产生非线性现象的该光纤上时，该信号光被变换成其波长比零色散波长长的光。
光纤中发生的非线性现象极大地依赖于进入光纤的光强度、在光纤中传播的光斑尺寸(有效芯截面面积)和光所传输的区域中存在的诸如GeO2掺杂剂的量。
也就是说，随着进入光纤的光强度更高，在光纤中传播的光斑尺寸更小，和光传播区域中掺杂剂量更大，易于在光纤中发生非线性现象。
为了利用上述非线性现象，在现有技术中使用例如具有如图6所示的这种单峰折射率分布的光纤。这种光纤包括芯1，由通过将GeO2掺入中心而获得的石英基材料组成；和覆盖芯1外围的包层区域5，且包层区域5由纯石英构成，具有均匀的折射率。
一般，已经通过增大掺入这种具有单峰折射率分布的光纤的芯1中掺杂剂(GeO2)的浓度，并且增大芯1与包层区域5之间特定折射率的差，研究了小光斑尺寸的光在其中传播的光纤的频率变换应用。
不过，在具有单峰折射率分布的现有技术光纤中，在试图获得例如在1.55μm波长带具有零色散波长的光纤的情形中，其中1.55μm波长带为EDFA的放大波长带，当通过增大GeO2的浓度(如图7所示)而使芯与包层区域之间的特定折射率差等于或大于2.3％时，光纤的有效截止波长超出了1.55μm波长带，且不能在光纤中获得单模，从而不能有效地产生非线性现象。
因而，如IEICE(电子、信息和通信工程师协会)1998年会议摘录C-3-15中所述，一般用于产生非线性现象的光纤具有模式场直径高达4.6μm，特定的折射率差达到大约2.1％的限制。
另外，随着所使用的波长带的增大，要求在小于1.55μm的波长一侧产生非线性现象，不过在上述光纤的情形中，不能得到波长比1.55μm短的单模光纤。因此，必须进一步减小特定折射率差，但是这种技术降低了光纤的非线性性，不是有效的方法。
而且，当尝试使用四光波混频时，零色散波长下波长色散的斜率和所使用的波长带是很重要的，需要具有较小色散斜率的光纤。不过，如IEICE(电子、信息和通信工程师协会)1998年会议摘要C-3-15中所述，色散斜率近似为0.04ps/nm2/km，而且需要进一步减小色散斜率。然而，按照简单的单峰折射率分布，进一步减小色散斜率是很困难的，难以增大变换波长带。
发明概述
本发明的一个目的在于提供一种能够有效地产生非线性现象的光纤。
本发明的另一个目的在于提供一种光纤元件，该光纤元件包括一能够有效地产生非线性现象的光纤。
本发明的再一个目的在于提供一种光传输方法，使用能够有效地产生非线性现象的光纤。
根据本发明第一个方面，提供一种光纤，包括：一芯；和一覆盖该芯外围的包层区域，在1.4μm至1.65μm波长范围内具有零色散波长，且在零色散波长处为单模的，其中一定量的GeO2被掺入芯中，使芯的相对折射率差不小于1.8％；该包层区域包括一覆盖芯外围的第一包层区域，一覆盖第一包层区域外围的第二包层区域，和一覆盖第二包层区域外围第三包层区域，并且第二包层区域的折射率小于第一包层区域的折射率，以及小于第三包层区域的折射率。
根据本发明第二个方面，提供一种光纤，包括：一芯；和一覆盖该芯外围的包层区域，在1.4μm至1.65μm波长范围内具有零色散波长，且在零色散波长处为单模的，其中一定量的GeO2被掺入芯中，使芯的相对折射率差不小于1.8％；该包层区域包括一覆盖芯外围的第一包层区域，和一覆盖第一包层区域外围的第二包层区域，并且第一包层区域的折射率小于第二包层区域的折射率。
根据本发明第三个方面，提供一种在光纤中产生非线性现象的石英基光纤，包括：一芯；和一覆盖该芯外围的包层区域，在1.4μm至1.65μm波长范围内具有零色散波长，且在零色散波长处为单模，其中将GeO2掺入芯中，使芯的相对折射率差不小于1.0％；该包层区域包括一覆盖该芯外围的第一包层区域，一覆盖第一包层区域外围的第二包层区域，和一覆盖第二包层区域外围的第三包层区域，该第二包层区域被设置在影响芯中传播的光的范围内，并且第二包层区域的折射率小于第一包层区域和第三包层区域的折射率。
根据本发明第四个方面，提供一种具有W-形折射率分布的石英基光纤，包括：一芯；和一覆盖该芯外围的包层区域，在1.4μm至1.65μm波长范围内具有零色散波长，且在零色散波长处是单模的，并且在光纤中产生非线性现象，其中将GeO2掺入芯中，使芯的相对折射率差不小于1.0％；该包层区域包括一覆盖该芯外围的第一包层区域，一覆盖第一包层区域外围的第二包层区域，和一覆盖第二包层区域外围的第三包层区域，该第二包层区域被设置在影响芯中传播的光的范围内，并且第一包层区域的折射率小于第二包层区域的折射率。
在下面的说明中，将提出本发明的其它目的和优点，从说明书中显然可以得出这些目的和优点，或者可通过本发明的实现而了解到这些目的和优点。通过下面特别指出的方法和其组合，可以实现并获得本发明的目的和优点。
附图的简要说明
所包含的并构成本发明一部分的附图，解释本发明的最佳实施例，与上面给出的概述和下面给出的最佳实施例的详细说明一起，用来解释本发明的原理。
图1A为表示根据本发明第一实施例的光纤的折射率分布图；
图1B为根据本发明第一实施例光纤的横截面图；
图2A为表示根据本发明第二实施例的光纤的折射率分布图；
图2B为根据本发明第二实施例光纤的横截面图；
图3为当使用根据本发明第二实施例的光纤实现频率变换时，频率变换以后输出光强的曲线；
图4为表示根据本发明第三实施例的光纤结构的透视图；
图5为在使用根据本发明第三实施例的光纤实现频率变换时，频率变换效率曲线；
图6为表示现有技术光纤的单峰折射率分布的说明图；
图7表示当具有单峰折射率分布的光纤中芯与包层区域之间的相对折射率差改变时，有效截止波长的曲线；
图8为表示当改变相对折射率差，同时在具有单峰折射率分布的光纤中零色散波长与有效截止波长相匹配时，零色散波长、有效截止波长和芯与包层区域之间的相对折射率差之间的关系曲线；
图9为表示使用本发明第三实施例的光纤所构成的光纤元件的视图。
发明的详细说明
在根据本发明第一和第二个方面的光纤中，可将一对向芯施加应力的应力赋予元件轴对称地设置在包层区域中芯的两侧，从而提供可保持线偏振光的特性。另外，可将向芯施加应力的一对具有不同于包层区域的线性膨胀系数的部件设置在包层区域中芯的两侧，从而赋予保持线偏振光的特性。
另外，希望芯的零色散波长Xnm和相对折射率差Y％满足Y≥0.0100769263X-13.0945784381的关系。当满足这个关系时，可以进行单模操作，并实现极好的非线性。
此外，根据本发明，提供一种光纤元件，该光纤元件包括根据本发明第一至第四个方面的光纤，并且在光纤纵向其零色散波长的波动为±0.1或更大。
如上所述，通过使零色散波长在光纤纵向的波动为±0.1nm或更大，有可能减小因为激励光波长小的起伏，或者光纤温度的起伏所导致的光纤本身零色散波长的波动所造成的非线性现象发生效率的改变，从而改善了非线性元件的稳定性。
另外，根据本发明，提供一种光纤元件，通过将根据第一到第四个方面的光纤缠绕成线圈形，而赋予保持线偏振光的特性，
此外，根据本发明，提供一种使用根据第一到第四个方面的光纤的光传输方法，其特征在于将一种具有放大信号光或所产生的光的作用的物质加入芯中，通过使激励光和信号光进入光纤而产生非线性现象，并且在同一光纤中对信号光和由非线性现象导致的所产生的光其中至少之一进行放大。
另外，根据本发明，提供一种使用根据第一到第四个方面的光纤的光传输方法，其特征在于通过使激励光和信号光进入光纤而产生由于拉曼放大的非线性现象，并且在同一光纤中对信号光和由非线性现象所产生的光其中至少之一进行放大。
在根据本发明各个方面的光纤中，将一定量的GeO2掺入芯的中心，使芯的相对折射率差不小于1.0％，或者最好不小于1.8％。掺入芯中的GeO2的具体量为例如为15至30mol％。顺便提及，虽然没有对芯的相对折射率差的上限进行特别地限制，不过该上限例如为4.5％。
顺便提及，芯的相对折射率差意指芯与包层区域中未掺杂材料之间的相对折射率差。
在根据本发明各个方面的光纤中，根据第一和第三个方面的光纤，其第二包层区域的折射率设置为小于第一和第三包层区域的折射率；而且根据第二和第四方面的光纤，其第一包层区域的折射率设置成小于第二包层区域的折射率。
也就是说，在用来研究频率变换的现有技术光纤中，包层区域具有均匀的折射率，而在根据第一到第四个方面的光纤中，包层区域特别具有一个折射率较小的区域。下面将该区域(根据第一和第三方面的光纤中的第二包层区域，根据第二和第四个方面的光纤中的第一包层区域)称为下降休止层(dip rest layer)。
为了在包层区域中形成折射率局部较小的区域，局部地掺入一种可减小折射率的物质到包层区域，例如将氟或硼掺入由石英基玻璃组成的包层区域中，能够满足需要。
根据本发明各个方面所限定的光纤，如上所述，高阶模LP11可能漏过下降休止层，以致于通过在包层区域中形成下降休止层使LP11模不能在光纤所使用的波长带中传播，从而得到单模。此外，减小了作为0级模(传播模)的LP01模的有效芯截面面积，且可以将GeO2高浓度地掺入芯中。此外，通过适当地选择折射率分布，可以将零色散波长设置为所使用的波长带内的适当的波长。
顺便提及，为了有效地说明上述优点，将第二包层区域的内径设置成处于影响芯中所传播光的高阶模的范围内，即能够漏过高阶模并减小根据第一到第四个方面的光纤中的有效截止波长的范围。
根据本发明各个方面的光纤具有高非线性，这在传统的单峰折射率分布光纤中是不能实现的，并且通过在包层区域中形成下降休止层和将GeO2高浓度地掺入芯中，能够在所使用的波长带内实现单模。从而，根据本发明各个方面的光纤能够有效地产生非线性现象，并实现有效的频率变换。
另外，对于根据第二和第四个方面的光纤，在其中与芯相接触的第一包层区域为下降休止层的W-形折射率分布的情形中，通过控制与激励光(泵浦光)波长相匹配的零色散波长，该光纤能够产生高非线性和低色散斜率。
另外，在根据本发明各个方面的光纤中，通过向芯施加应力以产生双折射，可以抑制由于SOP(偏振态)的波动所造成的非线性现象产生效率的波动，赋予保持线偏振光的特性，并使进入光纤的激励光(泵浦光)和信号光的偏振态一致。作为向芯施加应力的装置，可以在光纤芯的两侧设置一具有不同于包层区域的线膨胀系数的元件，或者将光纤形成为具有很小直径的线圈。
作为具有不同于包层区域的线膨胀系数的材料，例如可以采用通过将B2O3掺入芯两侧包层区域部分而得到的材料。所掺入的B2O3的量为例如14至24mol％。
下面将参照附图描述本发明的各种实施例。应当注意在实施例的描述中，相同的参数表示与现有技术例子具有相同名称的部件，从而省略对其的重复解释。
图1A表示根据本发明第一实施例的光纤的折射率分布结构，图1B表示第一实施例光纤的横截面结构。
如图所示，根据第一实施例的光纤包括一芯1和一覆盖该芯外围侧的包层区域5。将一定量的GeO2掺入芯1中，导致芯1与包层区域5之间的相对折射率差不小于1.8％。包层区域5包括一覆盖芯1外围侧，与芯1相接触的第一包层区域2；一覆盖第一包层区域2的外围侧，与第一包层区域2相接触的第二包层区域3，和一覆盖第二包层区域3的外围侧，并与第二包层区域3相接触的第三包层区域4。
另外，在该实施例中，第一包层区域2和第三包层区域4由纯石英构成，通过将氟掺入纯石英而形成第二包层区域3。此外，将第二包层区域3的折射率设置成小于第一包层区域2的折射率，并小于第三包层区域4的折射率。换句话说，在该实施例中，在包层区域5中形成作为下降休止层的第二包层区域3。
而且，在该实施例中，虽然包层区域2与4具有相同的特定折射率，不过不用说，当包层区域2的特定折射率不同于包层区域4时，也能获得该实施例的优点。
将作为下降休止层的第二包层区域3形成在影响芯1中所传播光的高阶模的范围内。也就是，在第一实施例中，将第二包层区域3形成在漏过高阶模并且使光纤的截止波长最小的范围内。结果，根据该实施例的光纤，具有在1.4μm至1.65μm波长范围内的零色散波长，并且在该零色散波长中是单模的。
如上所述构成第一实施例，下面的表1表示出模拟第一实施例的例子和对照例的结构和特征的结果。在下面的表1中，例1是根据第一实施例的例子，对照例1是具有图6所示的这种单峰折射率分布的光纤的例子。
表1：例1中光纤的结构和特征
  Δ1(％)     Δ2(％)   D2/D1    D3/D1    λc(nm)   在1550nm下的Ds(ps/nm2/km)     在1550nm下的MFD(μm)
单峰型1   2.5     0   0    1563   0.054     4.32
例1   2.5     -0.8   2.5    3    1523   0.054     4.32
顺便提及，在表1中，假设n1为芯1的折射率，n3为第二包层区域3的折射率，ns是纯石英的折射率，则当真空中的折射率为1时，由下面的公式(1)和(2)定义各个相对折射率差Δ1(芯1的相对折射率差)和Δ3(第二包层区域3的相对折射率差)。相对折射率差的单位均为％。
Δ1＝{(n1 2-ns 2)/2n1 2}×100    ...(1)
Δ3＝{(n3 2-ns 2)/2n3 2}×100    ...(2)
另外，在表1及下面所示的每个表中，D2/D1表示第一包层区域与芯直径之比；D3/D1为第二包层区域的直径与芯直径之比；λc为在长度为2m的弯曲方法的基础上得到的有效截止波长(截止波长)。而且，Ds表示当零色散波长为1.55μm时，零色散波长处(1.55μm波长)的色散斜率。MFD表示传播1.55μm波长的光时的模式场直径。
此外，虽然在表1中没有表示出，不过在例1和对照例1中，均以这样一种方式来设置芯直径，使在1.55μm波长处的波长色散为0ps/nm/km。
从表1显然可以看出，根据实施例1的光纤具有与对照例1的光纤相同大小的相对折射率差Δ1，而通过作为下降休止层的第二包层区域3的作用，可以实现有效截止波长的缩短，这在对照例1的光纤中是不能实现的，可以将有效截止波长抑制成零色散波长(1550nm)或更短的波长。
也就是说，根据对照例1的光纤具有1563nm的有效截止波长，问题在于当在1.55μm波长带中执行频率变换时，不能变为单模。不过，由于根据例1的光纤的有效截止波长能被减小到1523nm，这种光纤具有适合于在光纤中产生非线性现象的性质，故能够在1.55μm波长带内有效地实现频率变换。
图2A表示根据本发明第二实施例的光纤折射率分布结构。另外，图2B表示根据本发明第二实施例的光纤的横截面结构。
如图所示，根据第二实施例的光纤包括一芯1和一覆盖芯1外围的包层区域5。芯1的中心掺有一定量的GeO2，导致芯1的相对折射率差不小于1.8％。包层区域5包括一覆盖芯1外围侧、并与芯1相接触的第一包层区域2，和一覆盖第一包层区域2的外围侧、并与第一包层区域2相接触的第二包层区域3。
第一包层区域2的折射率被设置成小于第二包层区域3的折射率，并且根据第二实施例的光纤具有W-形折射率分布。
另外，第二包层区域3被设置在影响芯1中所传播的光的范围内。即，在第二实施例中，第二包层区域3具有漏过高阶模，并减小光纤的截止波长的作用。不过，当第二包层区域3的内径太大时(当第一包层区域2的外径太大时)，折射率分布接近于单峰光纤的折射率分布，因而第二包层区域3的折射率形成在上述范围内。
第二实施例的其特征在于具有1.4μm至1.65μm波长范围内的零色散波长，并且与第一实施例相同，由于上述结构而能够在零色散波长处进行单模传播。
如上所述构成第二实施例，下面的表2表示出模拟第二实施例的例子与对照例的结构和特征的结果。在下面的表2中，例2是第二实施例，对照例2是具有图6所示的这种现有技术单峰折射率分布的光纤的例子。
表2：例2中光纤的结构和特征
Δ1(％)   Δ2(％)   D2/D1   λc(nm)   在1550nm下的Ds(ps/nm2/km)   在1550nm下的MFD(μm)
单峰型2 3.25   0   0   1796   0.057   3.94
例2 3.25   -0.4   2   1499   0.052   3.74
顺便提及，在上面的表2和下面表示出的每个表中，假设n2为第一包层区域2的折射率，ns为纯石英的折射率，当真空中折射率为1时，由下面的公式(3)定义相对折射率差Δ2。相对折射率差Δ2的单位为％。
Δ2＝{(n2 2-ns 2)/2n2 2}×100    ...(3)
另外，虽然在表2中没有表示出，不过以这样一种方式设置芯直径，使例2和对照例中波长1.5μm中的波长色散均为0ps/nm/km。
从表2显然可以看出，在例2中，第一包层区域2的折射率被设置成小于第二包层区域3的折射率，可以实现有效截止波长的减小，而这在对照例2的单峰光纤中是不能实现的，并且由于下降层的作用，相对折射率差Δ1的值与对照例2的相对折射率差Δ1相同，从而得到不大于1550nm的有效截止波长。
也就是说，根据对照例2的光纤具有1796nm的有效截止波长，当在1.55μm波长带内进行频率变换时，存在有不能引入单模的问题。不过，由于根据例2的光纤能够将有效截止波长设置成1499nm，故在1.55μm波长带内能够有效地进行频率变换。另外，由于在例2的光纤中同时减小了MFD和波长色散斜率，故可以说这种光纤具有更适合于在光纤中产生非线性现象的特征。
作为第二实施例的另一个例子，下面的表3表示出根据例3的光纤的结构和特征。根据例3的光纤是由本发明者试验制造的光纤，下面表3中所示的值均为测量值。
表3：例3中光纤的结构和特征
  Δ1(％)     Δ2(％)     D2/D1 λc(nm)     在1550nm下的Ds(ps/nm2/km)   在1550nm下的MFD(μm)
例3   2.8     -0.55     6.34 1430     -0.033   3.9
从上面的表3可以理解，例3的光纤可证明具有与例2的光纤相同的优点。而且，由于例3的光纤具有小模式场直径，而且在1.55μm波长带内其色散斜率为0.033ps/nm2/km，小于传统的限定值(0.04ps/nm2/km)，这是一种更加合适的、能够有效地产生非线性现象的光纤。
本发明者通过围绕由外径为50mmφ的石英管组成的线轴缠绕例3的光纤，以便不使光纤重叠(缠绕成线圈的形状)，通过弯曲引起光纤的双折射，并赋予保持偏振光的特性，而制造如图9所示的光纤元件。
此外，通过利用零色散波长的光纤使+20dBm的激励光(泵浦光)进入该光纤元件，且使信号光和激励光进入这种零色散波长的短波长侧和长波长侧，信号光的偏振态与激励光相匹配。当此频率变换功能被证实时，对于大约1564nm波长的激励光可能同时在短波长侧和长波长侧进行频率变换，光纤的零色散波长处于短波长侧与长波长侧之间，而且作为整体可以91.3nm宽带内同时实现频率变换。
另外，通过具有如上所述保持偏振光的性质和使激励光与入射光的偏振态相匹配，该光纤元件能够实现光的变换和传播。
图4为表示根据本发明第三实施例的光纤结构的透视图。第三实施例具有与第二实施例相似的W-形折射率分布，第三实施例与第二实施例的区域在于在包层区域5中设置了一对应力赋予元件7，向芯1施加应力，从两侧夹住芯1，形成了保持偏振光的机制，其中相对芯1轴对称地设计一对应力赋予元件7。
应力赋予元件7由通过掺杂B2O3(掺入量：19.5mol％)而得到的石英玻璃构成，根据第三实施例的光纤为通过形成这种应力赋予元件7而得到的PANDA型恒定偏振光纤。
如上所述构造第三实施例的光纤，下面的表4表示模拟根据作为第三实施例具体例子的例4的光纤的结构和特征的结果。注意消光比是在1540nm波长下得到的值。
表4：例4中光纤的结构和特征
  Δ1(％)   Δ2(％)     D2/D1     λc(nm)     在1550nm下的Ds(ps/nm2/km)   在1550nm下的MFD(μm)   在1540nm下的消光比(dB/100m)
例4   2.0   -0.4     1.43     1450     -0.030   4.7   -31
另外，图5表示通过使用例4的光纤执行频率变换的结果。通过使+20dBm的具有根据例4的光纤的零色散波长(λ0)1563.08nm的激励光进入根据例4的长度为100m的光纤，且使信号光从该零色散波长的短波长侧和长波长侧入射，而实现此频率变换。
结果，在其间具有零色散波长的短波长侧和长波长侧同时实现频率变换，而且对于图5所示的整体而言，可以在大约62nm的宽带内同时实现频率变换。顺便提及，虽然图5仅表示频率变换之后在长波长侧的变换效率，不过对于短波长侧的变换效率可以得到相同的结果。
本发明不限于上面的实施例，可以进行其它多种变型。例如，诸如光纤的各相对折射率差Δ1，Δ2和Δ3，芯的直径，第一包层区域的直径，第二包层区域的直径，第三包层区域的直径和其它参数的具体值不限于上面例子中的值，可以适当的方式对它们进行设置，使得在1.4μm至1.65μm的波长范围中形成零色散波长，并且在该零色散波长处可获得单模。
例如，在如第一实施例的包层区域5具有第一到第三包层区域的结构中，在第一实施例中将第一包层区域2和第三包层区域4形成为具有相同的折射率，不过可以将第一包层区域2的折射率设置成大于第三包层区域的折射率，或者反之，将第一包层区域2的折射率设置成小于第三包层区域4的折射率。
另外，如图8所示，当有效截止波长比零色散波长Xnm短，并且芯的相对折射率差Y％满足Y≥0.0100769263X-13.0945784381的关系时，在传统的单峰折射率分布中有效截止波长大于零色散波长，不是有效的。不过在应用根据本发明的上述实施例之处，能够进行单模操作，可以实现极好的非线性。
在高阶模能够在零色散波长附近传播的状况下，可以通过诸如缠绕成最小直径的技术而进行单模操作，不过由于非线性现象所产生的光在相当宽的波长带内存在于零色散波长的两侧。因而，为了使所产生的光实现单模操作，缠绕成线圈形式是有效的。
与在光纤的纵向提供均匀的零色散波长并且输入的激励光具有最佳波长的情形相比，降低了光纤中所产生的非线性现象的效率，不过如果零色散波长波动，可以减小由于激励光波长小的波动或由于改变光纤的温度造成的光纤本身零色散波长的波动而产生的非线性现象发生率的改变。从而在实际中，可以改善非线性元件的稳定性。使用这种技术还可以极大地改善实际的可靠性。
而且，在上面的例子中，已经对用作频率变换的光纤或光纤元件的情形进行了说明，不过根据本发明的光纤和光纤元件可以具有频率变换和光放大双重功能。例如，可以将具有放大特性的物质，例如Er3+与GeO2一起掺入芯1中，当使用光纤作为放大介质时，可以使激励光和信号光入射，以便产生非线性现象，或者在四波混频的基础上执行频率变换的同时，可以实现拉曼放大。
另外，最好沿光纤的纵向稍稍改变根据本发明光纤的零色散波长，以便克服激励光波长的波动。
此外，虽然在第一实施例中第一包层区域2和第三包层区域4为纯石英，且在第二到第四实施例中第二包层区域3为纯石英，但可以将多种掺杂剂加入这些区域中，以便控制相对折射率差。
另外，在零色散波长在1.4μm至1.65μm范围内的光纤中，当在零色散波长的两侧进行频率变换时，使大体上具有零色散波长的激励(泵浦)光进入光纤能获得有效的特性。此时，信号(探测)光和变换(闲频)光都必须是单模的。一般，对于在零色散附近入射的激励光，可能在一侧进行45.65nm或更高的频率变换。
在单峰光纤中，如图8所示，当零色散波长处于短波长侧时，必须减小芯的相对折射率差，以便实现具有零色散波长的单模。具体来说，假设使用具有1.4μm零色散波长的光纤，且使激励光入射其上，则当芯的相对折射率差基本上不小于1.0％时，可以获得本发明的优点。
如上面详细描述的，根据本发明，通过在覆盖芯的包层区域中形成折射率较小(下降休止层)的区域，并且将GeO2高浓度地掺入芯中，可以提供传统的单峰折射率光纤中不能实现的高非线性性，并且在所使用的波长带内可以得到单模光纤。根据本发明的光纤能有效地产生非线性现象，并实现有效的频率变换。
而且，在根据本发明的光纤中，通过轴对称地相对芯设置一对应力赋予元件作为偏振光保持机构，光能够被变换并传播，同时保持入射光的偏振态。
此外，根据本发明的光纤元件，通过将光纤缠绕成线圈形，能够使光纤具有偏振光保持功能，能够进行光的变换和传播，同时保持入射光的偏振态。
本领域技术人员很容易想到其它优点和变型。因而，广义而言，本发明不限于此处给出和描述的特定细节和典型例。因此，在不偏离由所附权利要求和其等效物所限定的一般发明概念的精神或范围的条件下，可以进行多种变型。

Claims (22)

1.一种光纤，其特征在于包括：
一芯(1)；和一覆盖所述芯(1)外围的包层区域(5)，在1.4μm至1.65μm波长范围内具有零色散波长，截止波长不大于1550nm，以及在波长1550nm处的色散的绝对值不超过0.054ps/nm2/km，并且在所述零色散波长处为单模，
其中将一定量的GeO2掺入所述芯(1)中，使得所述芯(1)和纯石英之间的相对折射率差在2.0％到3.25％之间；所述包层区域(5)包括一覆盖所述芯(1)外围的第一包层区域(2)，一覆盖所述第一包层区域(2)外围的第二包层区域(3)，和一覆盖所述第二包层区域(3)外围的第三包层区域(4)，并且所述第二包层区域(3)的折射率小于所述第一包层区域(2)和所述第三包层区域(4)的折射率。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于在所述包层区域(5)中所述芯(1)的两侧轴对称地设置一对向所述芯(1)施加应力的应力赋予元件(7)，从而赋予保持线偏振光的性质。
3.一种光纤，其特征在于包括：
一芯(1)；和一覆盖所述芯(1)外围的包层区域(5)，在1.4μm至1.65μm波长范围内具有零色散波长，截止波长不大于1550nm，以及在波长1550nm处的色散的绝对值不超过0.054ps/nm2/km，并且在所述零色散波长处为单模，
其中将一定量的GeO2掺入所述芯(1)中，使得所述芯(1)和纯石英之间的相对折射率差在2.0％到3.25％之间；所述包层区域(5)包括一覆盖所述芯(1)外围的第一包层区域(2)，和一覆盖所述第一包层区域(2)外围的第二包层区域(3)，并且所述第一包层区域(2)的折射率小于所述第二包层区域(3)的折射率，以及所述第一包层区域和纯石英之间的相对折射率差不超过-0.4％。
4.根据权利要求3所述的光纤，其特征在于在所述包层区域(5)中所述芯(1)的两侧轴对称地设置一对向所述芯(1)施加应力的应力赋予元件(7)，从而赋予保持线偏振光的性质。
5.一种石英基光纤，在所述光纤中产生非线性现象，该光纤的特征在于包括：一芯(1)；和一包层区域(5)，在1.4μm至1.65μm波长范围内具有零色散波长，截止波长不大于1550nm，以及在波长1550nm处的色散的绝对值不超过0.054ps/nm2/km，并且在所述零色散波长处为单模的，
其中将GeO2掺入所述的芯(1)中，所述芯(1)和纯石英之间的相对折射率差在2.0％到3.25％之间；所述包层区域(5)包括一覆盖所述芯(1)外围的第一包层区域(2)，一覆盖所述第一包层区域(2)外围的第二包层区域(3)，和一覆盖所述第二包层区域(3)外围的第三包层区域(4)，所述第二包层区域(3)被设置在影响所述芯(1)中传播的光的范围内，并且所述第二包层区域(3)的折射率小于所述第一包层区域(2)和所述第三包层区域(4)的折射率。
6.根据权利要求5所述的光纤，其特征在于在所述包层区域(5)中所述芯(1)的两侧，设置一对由具有不同于所述包层区域(5)的线膨胀系数的材料形成的、向所述芯(1)施加应力的元件(7)，从而赋予保持线偏振光的性质。
7.根据权利要求5所述的光纤，其特征在于所述零色散波长Xnm与所述芯(1)的相对折射率差Y％满足Y 0.0100769263X-13.0945784381的关系。
8.一种具有W-形折射率分布的石英基光纤，在所述光纤中产生非线性现象，该光纤的特征在于包括：一芯(1)；和一覆盖所述芯(1)外围的包层区域(5)，在1.4μm至1.65μm的波长范围内具有零色散波长，截止波长不大于1550nm，以及在波长1550nm处的色散的绝对值不超过0.054ps/nm2/km，并且在所述零色散波长处为单模，
其中将GeO2掺入所述的芯(1)中，所述芯(1)和纯石英之间的相对折射率差在2.0％到3.25％之间；所述包层区域(5)包括一覆盖所述芯(1)外围的第一包层区域(2)，一覆盖所述第一包层区域(2)外围的第二包层区域(3)，和一覆盖所第二包层区域(3)外围的第三包层区域(4)，所述第二包层区域(3)被设置在影响所述芯(1)中所传播的光的范围内，并且所述第一包层区域(2)的折射率小于所述第二包层区域(3)的折射率，以及所述第一包层区域和纯石英之间的相对折射率差不超过-0.4％。
9.根据权利要求8所述的光纤，其特征在于在所述包层区域(5)中所述芯(1)的两侧，设置一对由具有不同于所述包层区域(5)的线性膨胀系数的材料形成的、并且向所述芯(1)施加应力的元件(7)，从而赋予保持线偏振光的性质。
10.根据权利要求8所述的光纤，其特征在于所述零色散波长Xnm与所述芯(1)的相对折射率差Y％满足Y 0.0100769263X-13.0945784381的关系。
11.一种光纤元件，通过将权利要求1中所限定的光纤缠绕成线圈形而使其具有保持线偏振光的性质。
12.一种光纤元件，通过将权利要求3中所限定的光纤缠绕成线圈形而使其具有保持线偏振光的性质。
13.一种光纤元件，通过将权利要求5中所限定的光纤缠绕成线圈形而使其具有保持线偏振光的性质。
14.一种光纤元件，通过将权利要求8所限定的光纤缠绕成线圈形而具有保持线偏振光的性质。
15.一种使用权利要求1中所限定的光纤的光传输方法，其特征在于将一种对于信号光或所产生的光具有放大作用的物质加入所述芯(1)中，使激励光和信号光进入所述光纤，以产生非线性现象，并在同一光纤中对所述信号光和由于非线性现象导致的所产生的光其中至少之一实现放大。
16.一种使用权利要求3中所限定的光纤的光传输方法，其特征在于将一种对于信号光或所产生的光具有放大作用的物质加入所述芯(1)中，使激励光和信号光进入所述光纤，以产生非线性现象，并在同一光纤中对所述信号光和由于非线性现象导致的所产生的光其中至少之一进行放大。
17.一种使用权利要求5中所限定的光纤的光传输方法，其特征在于将一种对于信号光或所产生的光具有放大作用的物质加入所述芯(1)中，使激励光和信号光进入所述光纤，以产生非线性现象，并在同一光纤中对所述信号光和由于非线性现象导致的所产生的光其中至少之一进行放大。
18.一种使用权利要求8中所限定的光纤的光传输方法，其特征在于将一种对于信号光或所产生的光具有放大作用的物质加入所述芯(1)中，使激励光和信号光进入所述光纤，以产生非线性现象，并在同一光纤中对所述信号光和由于非线性现象导致的所产生的光其中至少之一进行放大。
19.一种使用权利要求1中所限定的光纤的光传输方法，其特征在于使激励光和信号光进入所述光纤，以在拉曼放大的基础上产生非线性现象，并在同一光纤中实现对所述信号光和由于所述非线性现象导致所产生的光其中至少之一的放大。
20.一种使用权利要求3中所限定的光纤的光传输方法，其特征在于使激励光和信号光进入所述光纤，以在拉曼放大的基础上产生非线性现象，并在同一光纤中实现对所述信号光和由于所述非线性现象导致所产生的光其中至少之一的放大。
21.一种使用权利要求5中所限定的光纤的光传输方法，其特征在于使激励光和信号光进入所述光纤，以在拉曼放大的基础上产生非线性现象，并在同一光纤中实现对所述信号光和由于所述非线性现象导致所产生的光其中至少之一的放大。
22.一种使用权利要求8中所限定的光纤的光传输方法，其特征在于使激励光和信号光进入所述光纤，以在拉曼放大的基础上产生非线性现象，并在同一光纤中实现对所述信号光和由于所述非线性现象导致所产生的光其中至少之一的放大。
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