CN1344376A - 有效面积大的波导光纤 - Google Patents

Abstract

揭示了一种单模光学波导光纤,具有中心段为空洞(16)的分段内芯。选择内芯段的形状和径向程度以提供大有效面积下的低色散斜率和良好的抗弯曲性。根据本发明的折射率曲线的实施例具有两个或三个环形段(2,6,8),它们包围中心孔道。孔道有利于内芯区域中心的负折射率而没有利用掺杂剂降低波导光纤的折射率引起的工艺困难。

Description

有效面积大的波导光纤

本申请对1999年3月12日提交的美国临时专利申请60/123,862要求优先权益。

发明领域

本发明涉及具有分段内芯设计的光学波导光纤。特别是将内芯设计为提供的光纤在保持标准的耐弯曲的同时减少非线性效应。

背景技术

有效面积大的波导抑制了包括自相位调制、四波混频、交叉相位调制和非线性散射过程在内的非线性光学效应，所有这些效应可以引起大功率系统中信号的变差。通常，这些非线性效应的数学表述包括比值P/A_eff，这里P为光学功率。例如非线性光学效应可以用包含exp[PxL_eff/A_eff]项的方程表征，这里L_eff为有效长度。因此A_eff的增大减少了非线性对光学信号变差的贡献。借助包含非线性折射率的折射率方程也可以阐述大A_eff带来的好处。已知硅基光学波导光纤的折射率相对光电场是非线性的。折射率可以表示为

n＝n₀+n₂P/A_eff，这里n₀为非线性折射率，n₂为非线性折射率系数，P为沿波导透过的光功率而A_eff为波导光纤的有效面积。由于n₂几乎是材料的常数，所以增加A_eff是抑制非线性对折射率贡献从而减少Kerr型非线性影响的有效手段。

电信业对长距离上无电子再生方式下更大信息容量的需求一直在激励人们研究非线性效应下工作性质提高的波导光纤折射率特征曲线以及波分多路复用。在利用波分多路复用的系统中，优先考虑低色散斜率的光纤。与此同时，诸如衰减、抗弯曲性和光纤强度之类的性质预期与现有波导光纤相当。

研究的一个重点是寻求复杂性较小的折射率特征曲线设计，它提供了所需的性能参数，但是合理地兼容光纤制造环境，因此可以控制成本。

本发明针对分段内芯类内芯折射率特征曲线，它减少了非线性效应并且特别适合于长距离上无再生地传输大功率多路复用信号。在规定了比特率、比特误码率、多路复用方案和可能还有光学放大器的特定电信系统条件下，大功率和长距离是最在意义的。对于本领域内技术人员来说，还存在其他影响大功率和长距离意义的因素。但是对于大多数应用，大功率是大于10mW的光学功率。长距离例如是电子再生器超过100km的距离。

一直需要一种设计为性质与标准台阶折射率光纤或标准色散偏移光纤相似的光学波导光纤，但是有效面积较大并且色散斜率较小。此时兴趣最大的工作窗口是1550纳米左右。本发明的光纤可以设计为在该窗口内工作，可以例如从1400纳米延伸至1700纳米。

定义

以下的定义根据本领域内的通常习惯。

—内芯段半径借助分段材料的折射率定义。特定的段包含第一和最后折射率点。由于段的第一点位于中线上，所以中心段具有零内径。中心段外径为从波导中线至中心段折射率最后一点的半径。对于具有离开中线的第一点的段，从波导中线至第一折射率点位置的半径是该段的内径。同样，从波导中线至段最后折射率点位置的半径是该段的外径。

段的半径通常可以多种方式定义。在本应用中，如下所述，根据图1定义半径。

段的半径和用来描述折射率特征曲线的折射率的定义对本发明没有限制。由于在模型计算时必须使用一致的定义，所以这里给出定义。下表的模型计算利用图1所示的几何定义进行。

—有效面积通常定义为，

A_eff＝2π(∫E²rdr)²(∫E⁴rdr)，这里积分限从0至∞，E为与传播的光线有关的电场。有效直径D_eff可以定义为，

A_eff＝π(D_eff/2)²。

—这里所用的段的相对指数Δ％由方程定义为，

Δ％＝100×(n_i-n_c)/n_c，这里n_i为i表示的折射率特征曲线段的最大折射率，而参考折射率n_c取自夹层的最小折射率。段内每点具有相关的折射率。最大折射率通常用来表征通用形状已知的段。

—术语折射率特征曲线或者简称指数特征曲线是Δ％或相对指数与选定内芯段上半径之间的关系。术语α指的是可以用下述方程表示的折射率特征曲线。

n(r)＝n₀(1-Δ[r/a]^α)，这里r为内芯半径，Δ定义如上，a为特征曲线段的最后一点，α特征曲线上第一点的数值r根据特征段第一点位置选定，并且α为定义特征曲线形状的指数。其他指数特征曲线包括台阶指数、梯形指数和圆角台阶指数，其中圆角通常由快速折射率变化区域的掺杂扩散引起。

—总色散定义为波导扩散与材料扩散的代数和。在本领域内总色散有时候称为彩色色散。总色散的单位为ps/nm-km。

—波导光纤的抗弯曲性表示为规定测试条件下的诱发衰减。这里所称弯曲测试为插脚阵列弯曲测试，用来比较波导光纤的相对抗弯曲性。为了进行这种测试，对基本上没有诱发弯曲损失的波导光纤测量衰减损失。波导光纤随后沿弯曲的路径通过插脚阵列进行编织并且再次测量衰减。弯曲诱发的损失在两个测量的衰减值之间是不同的。插脚阵列是一组排列成一行并且固定在平整表面的固定垂直位置上的10根圆柱体插脚。插脚中心至中心的间距为5mm。插脚直径为0.67mm。在测试期间，施加足够的张力以弯曲编织与插脚表面凸起一致的波导光纤，光纤与插脚之间在凸起处接触。

另一这里所称的弯曲测试为横向负载测试。在该测试中，在两个平整平板之间放置规定长度的波导光纤。#70线网格附属在其中一个平板上。已知长度的波导光纤夹在平板之间并且在以30牛顿力压迫平板时测量基准衰减。随后在平板上施加70牛顿的力并且测量以db/m为单位的增大的衰减。这种衰减的增大是波导横向负载衰减。

发明内容

本发明的第一方面是包含分段内芯区域的单模光学波导光纤。内芯具有中心段和至少一个包围中心段环形段。每个段以其半径和Δ％定义。中心段是空的，因此折射率在半径上大约为1。由于折射率已经选择为硅的，因此空洞的折射率是负的。本发明的特征是中心段具有较大的负相对折射率，没有通常下掺杂玻璃引起的复杂工艺。

选择段的半径和折射率以提供大于约70μm²的有效面积和小于约0.08ps/nm-km的色散斜率。此外，定义如上的横向负载下的诱发衰减小于约0.8dB/m。

波导光纤的实施例用大约1450纳米-1650纳米范围内的零色散薄层表征。

另一实施例由范围为0-3微米的中心空洞半径表征。

进一步的实施例除了中心空洞以外，包括包围中心空洞的环形段。环形段逐层层叠。中心段和三个环形段具有各自的相对指数为Δ₁％＞Δ₃％＞Δ₂％＞Δ₀％，这里段从中心段的零开始连续编号。

进一步的实施例包括相对指数Δ₂％为负的第二环形段。

每个相关环形段的指数特征曲线的形状可以是台阶、α曲线特征、圆角台阶或梯形的任意排列或组合。

本发明的其他特征和优点在下面的详细描述中论及，对于本领域内的技术人员来说根据描述、权利要求和附图是很容易理解本发明的。

上述描述和下面的详细描述仅仅是示意性质的，用来提供对本发明性质和特征的整体或总体理解。附图提供了对本发明的进一步理解，并且作为说明书的一部分。附图示出了本发明各种实施例，连通描述用来解释本发明的原理和操作。

附图简述

图1为表示说明书中所用半径定义的普通分段内芯折射率特征曲线。

图2为本发明光纤实施例的剖面表示。

图3示出了本发明折射率实施例的相对折射率Δ的定义。

图4-8为本发明示意性实施例的相对折射率对光纤半径的图表。

实施发明的较佳方式

以下借助附图详细描述本发明的较佳实施例。只要可能，附图中相同的部分用相同的标号表示。图1示出了按照本发明的折射率特征曲线的示意性实施例。

在图1的示意性折射率特征曲线中，内芯段用16(空洞)、2、6和8表示。段2、6和8的形状取决于Δ％相对半径位置。

如上述段的定义所示，中心空洞16的半径用长度4表示，即从中心线至折射率为零的第一点的距离。第一点也理解为第一环形段与水平轴的交点。中心空洞的半径也是第一环形段的内径。

第一环形段2由半径4和半径14分隔。半径14从光纤中心线延伸至与直线水平轴的交点，该直线通过外推第一段折射率的下降部分形成。第二环形段具有半径7给定的外径，即从光纤中心线至相对折射率是第三段最大Δ％一半的径向点的距离。(回忆以下段的Δ％被定义为利用段的峰值折射率计算的Δ％。)由于第三环形段8在所示内指数特征曲线中是最后的环形段，所以段8的特征半径为半径12，其从光纤中心线延伸至用点3表示的段8的基部中点。最后环形半径的这种惯例被用于这里所述的所有折射率特征曲线。特征曲线段的通常测量是示于垂直线5之间的宽度10。线5取决于段的最大Δ指数点的一半。这种环形宽度惯例用于这里揭示和描述的所有最后的特征曲线段。

在图2的示意性光纤的剖面图中，空洞18，即折射率特征曲线的主要特征延伸波导光纤的整个长度。空洞由环形内芯段22包围，而它由夹层20包围。内芯区域可以包括其他的环形段，但是未画出。

图3示出了对应图2剖面图的折射率特征曲线实施例。中心空洞18的折射率为n₀。台阶状环形段22的折射率为n₁而夹层的折射率为n_c。根据上述定义，环形段22的折射率百分比为Δ₁％＝(n₁-n_c)/n_c×100。

图4示出了折射率特征曲线的不同实施例。在该实施例中，台阶状22具有可能由于掺杂材料在制造波导光纤期间扩散引起的圆角边缘。径向轴的分等表明孔道的半径为1微米而环形段22的外径为4.5微米左右。在图4的实施例中，中心段半径r₀在0.05-3微米的范围内。中心段由靠近中心段的环形段包围并接触。这种环形段中心半径r₁(从中心线至环形段的几何中心测量)在2-5微米范围内的圆角台阶特征曲线。在环形段的最大折射率一半点上测量环形内芯段的宽度w₁，并且范围在大约0.5-5.0微米范围内。其相对指数Δ％在大约0.4％-1.1％范围内。图4的另一实施例具有与上述相同的空洞和α特征曲线的环形段形状，α约为1。半径r₁在大约4-8微米范围内并且相对指数Δ₁％在0.7％-1.1％范围内。

在另一实施例中，中心段在0.05-3微米范围内并且第一环形段如上所述紧接其上。该内芯实施例包括具有台阶指数特征曲线并且相对指数Δ₂％小于0.2％而外径r₂在7-9微米范围内的第二环形段。

在另一实施例中，内芯区域被分段并且具有中心段和第一环形段以及如上所述的Δ。该内芯区域实施例包括包围并且与第二环形段接触的第三环形段(例如参见图5-8)。第三段的中心半径在大约7.5-10.5微米的范围内。其宽度在1.0-2.5微米分范围内，并且相对折射率Δ₃％在0.2％-0.4％范围内。

本发明另一实施例中心段的外径在0.05-3.0微米范围内。第一环形段形状为α特征曲线的环形段形状，α约为1。第一环形区域的半径r₁在大约4-8微米范围内并且相对指数Δ₁％在0.7％-1.1％范围内。内芯进一步包含第三段，其半径r₂在大约8-10微米范围内并且如图6的段24所示，相对指数Δ₂％是负数。Δ₂％的较佳范围是0％至-0.3％范围内。该实施例可以包括具有圆角台阶指数特征曲线的第三环形段，中心半径r₃在9-11微米范围内，宽度在1.5-3微米的范围内，并且Δ₃％在0.2％-0.4％的范围内。

在提供所需性质的另一实施例中，内芯区域具有半径r₀在0.05-3微米的中心段和具有α特征曲线的相邻环形段形状，其中α约为1。外径r₁在大约4-6微米范围内并且相对指数Δ₁％在0.9％-1.1％范围内。第二环形段的外径r₂在大约8-10微米范围内并且相对指数Δ₂％在0％至-0.3％范围内。第三环形段具有圆角台阶指数特征曲线并且中心r₃在大约9-11微米范围内，宽度在1.5-3微米范围内并且相对指数Δ₃％在0.2％至0.4％范围内。

另一实施例的内芯区域具有半径r₀在大约0.05-3微米的中心段和具有α特征曲线的相邻环形段形状，其中α约为1。该环形段的外径r₁在大约4-6微米范围内并且相对指数Δ₁％在0.9％-1.1％范围内。第二环形段可以加入该实施例，第二环形段具有台阶指数特征曲线并且相对指数Δ₂％在0％至0.2％范围内而外径r₂在大约7-9微米范围内。而且第三环形段可以增加圆角台阶特征曲线并且中心半径r₃在大约7.5-9微米范围内，宽度在1.0-2.5微米范围内并且相对指数Δ₃％在0.2％至0.4％范围内。

由于基准折射率属于夹层的那种，所以空洞的相对指数为负。空洞的存在提供内芯中心段具有负折射率但是没有利用玻璃作为指数随掺杂剂(例如氟)增加的中心段时遇到的处理困难。图4的指数特征曲线经过计算并且连通图5-8的指数特征曲线的计算性质列在表1中。

图5所示指数特征曲线的实施例具有包含三个环形段22、24和26的内芯区域。第一环形段22的形状基本上为三角形，它具有基本垂直的第一边和α＝1的α特征曲线。段的相对指数和半径可以从指数特征图的轴上读取。第二环形内芯段24基本上是平坦的并且环形内芯段26具有圆角三角形。除了中心空洞18以外的内芯段包含正相对指数。

图6所示的折射率特征曲线的实施例具有负相对指数的第二环形内芯段24。第三环形内芯段的特征形状是圆角台阶。参见下表1，这种结构提供了所需的小色散斜率、大有效面积和抗弯曲性。

图7所示折射率特征曲线的实施例与图5的相似，除了第一环形内芯段22的相对指数比图7的小以外。这两种内芯设计光学性能的比较澄清了第一环形段(最里面)的指数峰值的作用。由于第一环形段峰值相对指数的较小引起的性能下降似乎是诱发的弯曲损失。但是掺杂剂数量的减小通常提供较低的Rayleigh散射，即较低的衰减系数，在一些电信系统中它比抗弯曲性更为重要。

图8所示的实施例与图5和7的相似除了第一环形内芯段22的峰值相对指数较大以外。表1示出了图8实施例较好的抗弯曲性能。

                                        表1

特征曲线	λ0(nm)	S(ps/km.nm2)	MFD(μm)	λcc(nm)	Aeff(μm2)	PA(dB)	LL(dB/m)
								图4	1472	0.0540	8.3	1043	101	21	0.503
图5	1478	0.0602	8.0	1209	91	0.27	0.263
								图6	1498	0.0395	7.5	1035	90	3.4	0.232
图7	1472	0.0623	8.4	1218	111	1.6	0.800
								图8	1579	0.0697	7.9	1184	82	1.3	0.246

零色散薄层为λ₀；色散斜率为S；模场直径为MFD；光缆截止波长为λ_cc；有效面积为A_eff；长脚阵列弯曲损失为PA；以及横向负载弯曲损失为LL。电信应用的较佳波长范围为大约1500nm-1600nm。色散斜率S可以在整个波长范围内是常数。

表1中所有实施例的光学性能是令人满意的。表用来指示特征曲线修改改进了特定的参数以及修改对其他参数的影响。波导光纤的服务环境有助于确定特征曲线选择的需要。

本发明包括具有三段以上环形段的实施例。由于随着内芯段数增加将增加制造困难，所以较好的是选择具有所需光学性质和最少段数的波导光学内芯。

对于本领域内的技术人员来说，可以在不偏离本发明范围和精神的前提下对本发明作各种修改和变化。因此进发包括所附权利要求限定的一切修改和变化。

Claims (22)

1.一种单模光学波导光纤，其特征在于包括：

具有中心线并且包含沿中心线放置的中心段的内芯区域以及至少一个包围中心段的环形段，中心段和至少一个环形段每个都具有折射率特征曲线、半径和相对指数Δ％；

夹层玻璃层，它包围并与内芯区域接触，具有折射率特征曲线和为零的最小相对指数Δ％；

其中内芯区域的中心段是空的。

2.如权利要求1所述的单模光学波导光纤，其特征在于选择段的半径、折射率特征曲线和相对指数以提供波长1550纳米左右时约大于70μm²的有效面积。

3.如权利要求2所述的单模光学波导光纤，其特征在于选择段的半径、折射率特征曲线和相对指数以提供在波长1550纳米-1600纳米范围内小于大约0.08ps/nm²-km的总色散斜率。

4.如权利要求3所述的单模光学波导光纤，其特征在于选择段的半径、折射率特征曲线和相对指数以提供在波长1550纳米左右时小于大约测得的0.8dB/m的横向负载诱发衰减。

5.如权利要求4所述的单模光学波导光纤，其特征在于选择段的半径、折射率特征曲线和相对指数以提供波长大约在1450纳米-1650纳米范围内的零色散波长。

6.如权利要求4所述的单模光学波导光纤，其特征在于中心段的半径r₀大约在0.05-3微米范围，并且至少一个靠近中心段的环形段包含圆角台阶特征曲线，具有从中心线至环形段几何中心测得的2-5微米范围内的中心半径r₁、在至少一个环形段的最大相对指数一半处测得的约0.5-5.0微米范围的宽度W₁以及大约在0.4％-1.1％范围内的相对指数Δ₁％。

7.如权利要求4所述的单模光学波导光纤，其特征在于中心段的半径r₀在大约0.05-3微米范围，并且至少一个靠近中心段的环形段包含α为1左右的α特征曲线，并且外径r₁在4-8微米的范围内而相对指数Δ₁％大约在0.7％-1.1％范围内。

8.如权利要求1所述的单模光学波导光纤，其特征在于中心段的半径r₀在0-大约3微米范围内。

9.如权利要求1所述的单模光学波导光纤，其特征在于内芯区域包含中心段和三个环形段，并且从中心段向外以0开始计数，中心段和三个环形段的相对折射率Δ₁的关系为Δ₁＞Δ₃＞Δ₂＞Δ₀，i为0、1、2、3。

10.如权利要求9所述的单模光学波导光纤，其特征在于相对折射率Δ₂为负。

11.如权利要求1所述的单模光学波导光纤，其特征在于内芯区域的每个段包含的指数特征曲线选自由台阶、α曲线、圆角台阶和梯形组成的组。

12.如权利要求1所述的单模光学波导光纤，其特征在于中心段的半径约r₀在0.05-3微米范围，并且至少一个靠近中心段的环形段包含圆角台阶特征曲线，具有从中心线至环形段几何中心测得的约2-5微米范围内的中心半径r₁、在至少一个环形段的最大相对指数一半处测得的约0.5-5.0微米范围的宽度W₁以及大约在0.4％-1.1％范围内的相对指数Δ₁％。

13.如权利要求1所述的单模光学波导光纤，其特征在于中心段的半径r₀约在0.05-3微米范围，并且至少一个靠近中心段的环形段包含α为1左右的α特征曲线，并且外径r₁约在4-8微米的范围内而相对指数Δ₁％约在0.7％-1.1％范围内。

14.如权利要求13所述的单模光学波导光纤，其特征在于进一步包含具有台阶指数特征曲线并且相对指数Δ₂％约在0-0.2％范围而外径r₂约在7-9微米的范围内的第二环形段。

15.如权利要求14所述的单模光学波导光纤，其特征在于进一步包含包围第二环形段的第三环形段，第三环形段具有圆角台阶指数特征曲线，其中心半径r₃约在7.5-10.5微米范围内，宽度约在1.0-2.5微米范围内，而相对指数Δ₃％约在0.2％-0.4％范围内。

16.如权利要求13所述的单模光学波导光纤，其特征在于进一步包含具有台阶指数特征曲线的第二环形段，半径r₂约在8-10微米的范围内并且相对指数Δ₂％为负。

17.如权利要求16所述的单模光学波导光纤，其特征在于相对指数Δ₂％约在0-0.3％范围内。

18.如权利要求17所述的单模光学波导光纤，其特征在于进一步包含具有圆角台阶指数特征曲线的第三环形段，其中心半径r₃约在9-11微米范围内，宽度约在1.5-3微米范围内，而相对指数Δ₃％约在0.2％-0.4％范围内。

19.如权利要求1所述的单模光学波导光纤，其特征在于内芯区域包含半径r₀约在0.05-3微米范围的中心段，并且环形段具有α为1左右的α特征曲线，并且外径r₁约在4-6.5微米的范围内而相对指数Δ₁％约在0.9％-1.1％范围内。

20.如权利要求19所述的单模光学波导光纤，其特征在于进一步包含具有台阶指数特征曲线并且相对指数Δ₂％约在0-0.2％范围而外径r₂约在7-9微米的范围内的第二环形段。

21.如权利要求20所述的单模光学波导光纤，其特征在于进一步包含第三环形段，其具有圆角台阶指数特征曲线并且中心半径r₃约在7.5-9微米范围内，宽度约在1.0-2.5微米范围内，而相对指数Δ₃％约在0.2％-0.4％范围内。

22.一种单模光学波导光纤，其特征在于包括：

具有中心线的内芯玻璃区域以及至少一个沿中心线形成空洞边界的第一环形段，环形层具有一折射率特征曲线；以及

夹层玻璃层，它包围并与内芯区域接触，具有一折射率特征曲线；

其中单模波导具有大约小于0.08ps/nm²-km的总色散斜率、小于大约0.8dB/m的横向负载诱发衰减以及约不小于70μm²的有效面积。

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