CN1309780A - 单模光波导 - Google Patents

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Abstract

一种单模光纤,其折射率分布曲线至少包括四个分层(16,18,20,22),波导性能适用于海底或其它长距离的通信系统。新颖折射率分布曲线的特征是有一纤芯分层,其相对折射率是负的,其中参考折射率为二氧化硅的折射率。本发明的另一特征是包层至少在其与最外纤芯分层相邻的部分内包含一种增大折射率的掺杂剂。

Description

单模光波导
                            发明背景
本发明涉及一种为中继器间距较长、数据速率较高的通信系统设计的单模光纤。尤其，本发明的单模光纤将极佳的抗弯曲性、较低的色散斜率和较大的有效面积Aeff结合在一起。
具有较大有效面积的波导将减少非线性的光学作用，其中包括自相位调制、四波混频、交叉相位调制和非线性散射过程等。所有这些作用都会使高功率系统中的信号劣化。一般，对这些非线性作用的数学描述包括比值P/Aeff，其中P是光功率。例如，非线性光学作用通常遵循包含exp(P×Leff/Aeff)项的方程，其中Leff是有效长度。因此，Aeff的增大会降低非线性对光信号劣化的贡献。
通信产业中，需要在无电信号再生器的情况下，远距离传输较大的信息量，这导致了对单模光纤折射率分布设计的重新评价。授予Bhagavatula的美国专利4,715,679详细地揭示了一类分布设计，在本申请中，称之为分层纤芯设计。
重新评价的关键是提供这样的光波导，它们能
-减少诸如上述的非线性作用；
-为在1550纳米周围的波长范围内工作时有较低的衰减而进行优化；
-与光放大器兼容；并且
-保持光波导中诸如高强度、耐疲劳和抗弯曲等所需特性。
只有在规定了比特速率、比特误差率、多路复用方案以及光放大器(有可能)的特定通信系统中，定义高功率和远距离才有意义。有一些附加因素会对高功率和远距离的意义产生影响，它们都是本领域的熟练技术人员已知的。但是，对于大多数目的，高功率是指光功率大于约10mW。在一些场合下，1mW或更小的信号功率电平仍然会对非线性作用敏感，所以在一些低功率的系统中，Aeff仍然是一个重要的考虑对象。远距离是指电信号再生器之间的距离超过100km。再生器将区别于使用光放大器的中继器。中继器间距，特别是高数据密度系统中的中继器间距可以小于再生器间距的一半。
为了给多路复用传输提供合适的波导，总色散应该较低，但不为零，并且在工作长度窗口范围内具有较小的斜率。
关于这类波导纤维的一种典型情况是海底系统。为了在经济上可行，海底系统必须在没有再生器的情况下并且在扩展的波长窗口上长距离运载较高的信息密度。本发明描述了一种新颖的分布，该分布能非同寻常地满足这类使用的严格要求。以下详细给出这种使用系统的要求。
                          定义
下述定义符合本领域的普通用法。
-纤芯中各分层的半径是根据折射率定义的。一特定分层具有第一和最后折射率点。从波导中心线到第一折射率点所处位置的半径是纤芯区或纤芯分层的内半径。类似地，从波导中心线到最后折射率点所处的位置的半径是纤芯分层的外半径。
由以下对图1和图2的描述可见，分层半径可以用许多种方式方便地定义。由图2可以导出表1和表2，在该情况下，参考Δ％对波导半径的曲线图，如下定义折射率分布中各分层的半径：
*中央纤芯分层的半径r1是从波导的轴中心线量到外推中心折射率分布曲线与x轴的交点(即Δ％=0的点)；
*第一环形分层的外半径r2是从波导的轴中心线量到第一环形分层分布曲线与表示第二环形分层分布曲线之Δ％的直线的交点；
*第二环形分层的外半径r3是从波导的轴中心线量到相对折射率为第二和第三环形分层之相对折射率之间一半的点；
*第三环形分层的外半径r4是从波导的轴中心线量到相对折射率为第三环形分层和包层之相对折射率之间一半的点；
在图1的更一般的折射率分布中，使用另一些定义。折射率分布的几何定义没有任何特殊的意义。当然，当进行模型计算时，定义的使用必须与这里所做的相一致。
-有效面积为：
Aeff=2π(∫E2r dr)2/(∫E4r dr)，其中积分限为0至∞，并且E是与传播的光有关的电场。有效直径Deff可由下式定义：
Aeff=π(Deff/2)2。
-相对折射率Δ％由下述等式定义：
Δ％=100×(n1 2-n2 2)/2n1 2，其中n1为折射率分布曲线中分层1的最大折射率，而n2是一参考折射率，在本申请中取为二氧化硅的折射率。
-术语折射率分布曲线是在纤芯的一选定部分上Δ％或折射率与半径之间的关系。术语α分布曲线是遵循下述等式的折射率分布曲线：
n(r)=n0(1-Δ[r/a]α)，其中r为纤芯半径，Δ如上定义，a是该分布最后一点，将r选择成在分布的第一点为零，以及α是限定分布曲线形状的指数。其它折射率分布曲线包括阶跃型折射率、梯形折射率和带圆角的阶跃型折射率，其中圆角一般是由于掺杂剂在折射率快速变化的区域内扩散所产生的。
-总色散定义为波导色散和材料色散的代数和。在本领中有时将总色散称为色散现象。总色散的单位为ps/nm-km。
-波导光纤的抗弯曲性表述为在规定测试条件下的引入衰减。标准测试条件包括将波导纤维绕75毫米直径的心轴100周，以及绕32毫米直径的心轴一周。在每种测试条件下，测量弯曲引起的衰减，通常以dB/单位长度为单位。在本申请中，所用的弯曲测试是将波导纤维绕20毫米直径的心轴一周，当本发明波导纤维应用于更严格的操作环境中时，需要这种更高要求的测试。
                          发明内容
本申请新颖的单模光纤纤维满足下述高性能通信系统的要求。
本发明的第一方面是一种单模光纤，它具有一分层纤芯，周围包裹着一玻璃包层。纤芯至少有四个分层。其中至少有一个分层具有负的相对折射率-Δ％。按照各分层的相对折射率百分数、相对折射率分布曲线和半径来定义分层纤芯。如“定义”部分所述的以及图1和图2所示的，诸半径从波导纤维的中心线开始量起，并延伸到按照各相对折射率定义的分层点。在本申请中，纤芯宽度，即纤芯的外半径，按照分层的几何形状来定义。纤芯中运载了光能的最大部分，但应该理解，与纤芯邻近的包层也运载了光能的相当大部分。新颖波导中与纤芯相邻的包层部分最好包括一种增大折射率的掺杂剂。
在本发明的一个实施例中，将中心分层制成具有负的相对折射率-Δ1％。
在本发明的另一实施例中，纤芯区具有四个分层，除了中心分层具有负的相对折射率之外，其它分层都具有正的相对折射率。在该情况下，Δ％满足以下不等式：Δ2％＞Δ4％＞Δ3％＞Δ1％，其中分层编号是连续的，并且从中心分层的数字1开始。在该实施例中，第一和第三环形分层的折射率分布曲线可以是α分布曲线、阶跃型折射率、梯形分布曲线，或者带圆角的阶跃型或梯形分布曲线。第二环形区可以是阶跃型折射率分布曲线的形式，这是指由恒定水平部分组成的折射率分层。另外，包层部分可以具有阶跃型折射率分布曲线，由于该部分包含一种增大折射率的掺杂剂，所以包层部分的折射率大于二氧化硅的折射率。
以下列表给出了对于具有四个分层的纤芯区，其相对折射率Δ1％、Δ2％、Δ3％和Δ4％，以及半径r1、r2、r3和r4的特定数值范围，它们提供了一组新颖波导的目标性能。表中还给出了对于按较佳方式掺杂的包层部分，其相对折射率Δ5％的合适范围。不需要掺杂包层部分的半径。事实上，包层的掺杂部分延伸至某一半径，在该半径处，波导中运载的光强可以忽略。此半径值一般由本领域已知的测试方法确定，诸如近场强度测量。
本发明的这一方面，包括其关于分布曲线分层形状和大小的实施例，能够提供一种单模光纤，在预先选定的工作波长范围内，其有效面积≥70微米2，总色散斜率≤0.08ps/nm2-km。如上所述，目前较佳的窗口大约是1550纳米至1560纳米，因为在此范围内衰减较小，并且它与掺铒光放大器的增益曲线相对应。主要通过调节半径、Δ％以及一个或多个分布曲线分层的形状，便可以增加最小的有效面积，并降低总色散斜率。通过比较以下表1数据和表2数据，可以看出这种调节的作用。表2的范围提供了一种波导纤维，其Aeff≥70微米2，总色散斜率≤0.07ps/nm2-km。
本发明的第二方面是一种波导纤维，它至少具有四个分层。与纤芯相邻的一部分包层包含一种增大折射率的掺杂剂。Δ、半径和分布曲线形状经选择提供了表3所列的波导纤维性能。
                        附图概述
图1是Δ％对半径的曲线图，示出了依照本发明的折射率分布曲线，以及Δi和ri的定义。
图2是一曲线图，示出了折射率分布曲线的另一实施例。
                       本发明的详细描述
这里描述的发明是一族单模光纤，它们由一族折射率分布的参数限定。这些折射率分布曲线至少包括四个纤芯分层和一个包层，其中一个分层具有负的相对折射率百分数-Δi％，而包层最好至少在其与纤芯区相邻的部分内包含一种增大折射率的掺杂剂。
根据图1所示的Δ％和半径，描述新颖波导的折射率分布曲线。因此，在图1中，用标号2、4、6、8、10和12表示相对折射率的值，它们分别是纤芯中中心分层、第一环形分层、第二环形分层、第三环形分层和第n环形分层的相对折射率的值。相对折射率14是与纤芯最外分层相邻的包层部分的相对折射率，包层部分包含一种增大折射率的掺杂剂。图中用标号16、18、20和22表示各半径ri,i=1,2,3,…,n。半径16是从波导纤维中心线量到中心分层与第一环形分层的交点。半径18是从中心线量到相对折射率为零的点，即第二环形分层分布曲线与x轴的交点。
虚线24、26、28和30是各分层折射率分布曲线的其它形状。这些虚线所代表的是能够提供表3中所述预选波导性能预选的该族分布曲线中的其它分布。可以将这些替代分布看作是基本分布曲线的微扰，这些微扰不足以改变运载光在波导纤维中的能量分布。
图2所示的新颖分布曲线的实施例可用来计算表1和表2所描述的折射率分布曲线的几何形状。具有表1或表2所示分布曲线的波导纤维可以具有表3所示的相应性能要求。图2所示的关于r1、r2、r3和r4的定义严格遵照上述“定义”部分所给出的定义。在图2中，分别用标号32、34、36、38和40表示相对折射率百分数Δ1、Δ2、Δ3、Δ4和Δ5。应该理解，此分布曲线的微小变化将不会改变波导性能。例如，在不影响计算获得的波导性能的情况下，分层32、36或40的水平分布曲线可以略微凹入或凸出，或者相对折射率有较小的下降或上升。
但是，比较两个表可以看出，半径例如半径r1的下限，在亚微米量级上的变化，可以明显影响总色散斜率。分布曲线某些变量的其它微小变化会影响波导性能。
                       表1
斜率≤0.08Aeff＞70 Δ1％ Δ2％ Δ3％ Δ4％ Δ5％ r1μm r2μm r3μm r4μm
    下限 -0.32  1.24 -0.02  0.40  0.09  1.69  3.72  8.32  9.30
    上限 -0.24  1.39  0.03  0.52  0.11 1.82  3.87  8.63  9.65
在表1中，折射率分布曲线各分层受下述要求的限制，即在中心大约位于1550纳米的波长范围内，总色散斜率小于或等于0.08ps/nm2-km，以及有效面积大于70微米2。有效面积是通过限制总色散斜率和1555纳米处的总色散值而设置的，在表1和表2的实施例中，总色散值小于大约-3ps/nm-km。
                        表2
斜率≤0.07Aeff≥80 Δ1％ Δ2％ Δ3％ Δ4％ Δ5％ r1μm r2μm r3μm r4μm
下限 -0.32  1.26 -0.02  0.41  0.09  1.76  3.72  8.32  9.30
上限 -0.25  1.33  0.01  0.52  0.11  1.82  3.82  8.60  9.65
如表2所示，为了将总色散斜率的值改善到小于或等0.07ps/nm2-km，以及将有效面积的值改善到大于或等于80微米2，比较表列值可以看出，纤芯半径r4以及包层的相对折射率可以保持不变，而分布曲线中其余变量的变化增大。在实现目标Aeff和总色散斜率时，Δ2％、Δ3％和r1的值看起来比其余变量更重要。但是，诸变量相互作用，提供了能够满足表3所示所有波导性能要求的分布曲线。在每一情况下都必须考虑整个的分布几何。
                      表3
 Aeff(μm2) 色散斜率(ps/nm2-km) 1550的衰减(dB/km) 1560的色散(ps/nm-km)     λc(nm) 宏弯曲(dB/m)
表1光纤 ≥80     ≤0.07     ≤0.25     -2.0 ＜1500     ≤10
表2光纤 ≥70     ≤0.08     ≤0.25     -2.0 ＜1500     ≤10
例如，按下述要求设置表1中Δ1、Δ2和Δ3的下限，所述要求是总色散在大约1555纳米的工作窗口内较-3ps/nm-km负得少些。改变一个变量或变量组，直到模型推算出有一个性能参数不符合规范，由此寻找分布曲线族包络线的边缘。
尽管这里揭示和描述了本发明的特定实施例，但本发明仅由后附的权利要求限定。

Claims (14)

1．一种单模光纤，其特征在于，包括：
纤芯区，它被一包层包裹，并与所述包层接触，
所述纤芯区至少包括中心分层以及第一、第二和第三环形分层，每个分层都有折射率分布曲线、相对折射率百分数Δi％和相关半径ri，其中相对折射率百分数的参考折射率是二氧化硅的折射率，
所述至少中心分层以及第一、第二和第三分层中至少有一个分层具有负的相对折射率，并且至少有一部分与最外环形纤芯分层相邻的包层具有正的相对折射率。
2．如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，具有负的相对折射率百分数-Δ1％的分层是中心分层。
3．如权利要求2所述的单模光纤，其特征在于，纤芯具有四个纤芯分层，从中心分层的数字1开始对各分层连续编号，各分层相对折射率的数值满足以下关系式：
Δ2％＞Δ4％＞Δ3％＞Δ1％。
4．如权利要求2所述的单模光纤，其特征在于，第一和第三环形分层的折射率分布曲线选自由以下曲线组成的组：α分布曲线、阶跃型折射率分布曲线、带圆角的阶跃型折射率分布曲线以及梯形分布曲线。
5．如权利要求4所述的单模光纤，其特征在于，第二环形区是阶跃型折射率分布曲线。
6．如权利要求5所述的单模光纤，其特征在于，包裹并接触第三环形区的包层部分的折射率分布曲线是阶跃型折射率分布曲线。
7．如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，纤芯具有四个分层，从中心分层的数字1开始对各分层连续编号，各分层的相对折射率分别为，Δ1％在大约-0.32至-0.24的范围内，Δ2％在大约1.24至1.39的范围内，Δ3％在大约-0.02至0.03的范围内，而Δ4％在大约0.40至0.52的范围内，各分层半径分别为r1在大约1.69微米至1.82微米的范围内，r2在大约3.72微米至3.87微米的范围内，r3在大约8.32微米至8.63微米的范围内，而r4在大约9.3微米至9.65微米的范围内。
8．如权利要求1-7中任何一项所述的单模光纤，其特征在于，包层部分的相对折射率Δ5％在大约0.09至0.11的范围内。
9．如权利要求8所述的单模光纤，其特征在于，纤芯和包层的折射率以及纤芯半径经选择，提供了一种波导纤维，其有效面积大于或等于70微米2，其色散斜率小于或等于0.08ps/nm2-km。
10．如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，纤芯和包层的折射率以及纤芯半径经选择，提供了一种波导纤维，其有效面积大于或等于70微米2，其色散斜率小于或等于0.08ps/nm2-km。
11．一种单模光纤，其特征在于，包括：
纤芯区，它被一包层包裹，并与所述包层接触，
所述纤芯区包括中心分层以及第一、第二和第三环形分层，每个分层都有折射率分布曲线、相对折射率百分数Δi％和相关半径r1，其中相对折射率百分数的参考折射率是二氧化硅的折射率，i是大于或等于1的整数，并且与最外纤芯分层相邻的包层部分具有包含一种增大折射率的掺杂剂，其中
每个分层的折射率分布曲线Δ％和半径r经选择，提供了一种波导，它的
-有效面积大于或等于70微米2；
-总色散斜率小于或等0.08ps/nm2-km；
-在1550纳米处的衰减小于或等于0.25dB/km；
-在光缆中测得的截止波长小于1500纳米；
-在1560纳米处的色散大约为-2ps/nm-km；以及
-绕20毫米直径心轴一周的宏弯曲损耗小于或等于10dB/m。
12．如权利要求11所述的单模光纤，其特征在于，纤芯具有四个纤芯分层，从中心分层的数字1开始对各分层连续编号，各分层相对折射率的数值满足以下关系式：
Δ2％＞Δ4％＞Δ3％＞Δ1％。
13．如权利要求12所述的单模光纤，其特征在于，纤芯具有四个分层，从中心分层的数字1开始对各分层连续编号，各分层的相对折射率分别为，Δ1％在大约-0.32至-0.24的范围内，Δ2％在大约1.24至1.39的范围内，Δ3％在大约-0.02至0.03的范围内，而Δ4％在大约0.40至0.52的范围内，各分层析半径分别为r1在大约1.69微米至1.82微米的范围内，r2在大约3.72微米至3.87微米的范围内，r3在大约8.32微米至8.63微米的范围内，而r4在大约9.3微米至9.65微米的范围内。
14．如权利要求11所述的单模光纤，其特征在于，纤芯具有四个分层，从中心分层的数字1开始对各分层连续编号，各分层的相对折射率分别为，Δ1％在大约-0.32至-0.24的范围内，Δ2％在大约1.24至1.39的范围内，Δ3％在大约-0.02至0.03的范围内，而Δ4％在大约0.40至0.52的范围内，各分层析半径分别为r1在大约1.69微米至1.82微米的范围内，r2在大约3.72微米至3.87微米的范围内，r3在大约8.32微米至8.63微米的范围内，而r4在大约9.3微米至9.65微米的范围内。
CN99808647A 1998-07-14 1999-06-21 单模光波导 Pending CN1309780A (zh)

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