CN1373569A - 光纤传输系统中色散的补偿及补偿光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明提出在光纤传输系统中设置色散补偿纤维121至12n,用于补偿传输线纤维61至6n的色散及色散梯度;该色散补偿纤维用下式验证（见上式），式中C,C’和C”是色散补偿纤维的色散,色散梯度和色散梯度的一阶导数;Cg及C'g为传输线纤维的色散及色散梯度;Ccum是在传输系统中的累积色散模数的上限;Lg为传输线纤维区段的长度及Δλ是传输系统中波带宽度的一半。本发明还提出适于补偿具有阶跃折射率还移动色散的传输线纤维的色散的光纤并被这些准则验证。所提出的准则保证在宽波带的传输系统,例如在用波长在1530至1620nm之间的波带C及L传输的系统中补偿色散及色散梯度。

Description

光纤传输系统中色散的补偿及补偿光纤
技术领域
本发明涉及用光导纤维传输的领域，尤其是在用光纤传输的系统中色散的补偿及色散梯度的补偿。
背景技术
对于光纤，我们通常将随与纤维半径相关的函数的图形变化的率分布(leprofil d’indice)称为折射率。以传统的方式，在横坐标上表示到纤维中心的距离。而在纵坐标上表示折射率及纤维包层折射率之间的差值。我们对于具有梯级，梯形或三角形的相应形状的图形亦称之为“梯级”，“梯形”或“三角形”的率分布。这些曲线通常代表理论的分布或纤维规格，对可能导致显著不同分布的纤维生产的制约。
在新的以高速率及波分复用传输网中，有利的是对色散进行控制，尤其是对于超过或等于40Gbit/s或160Gbit/s的速率；对于所有多路复用的波长的值要达到的目标是在通信时累积的色散基本为零，以便限制脉动的加大。对于色散通常几十ps/nm的累积值是可接受的。同样有利的是，在系统中所使用的其非线性效应很大的波长附近避免局部色散为零值。最后，亦有利的是，在多路传输的波段上限制累积色散的梯度以避免或限制多路信道之间的失真。该梯度通常为色散除以波长的商。
通常作为用于光纤传输系统的光纤线路使用阶跃折射率的光纤，它也被称为SMF光纤(英文“Single Mode Fiber”-“单模纤维”首字母缩写)。一种商品化的名称为ASMF 200的阶跃折射率单模光纤，它具有在1300至1320nm之间的色散抑制波长λ0，及在波段1285-1330nm范围中色散小于或等于3.5ps/(nm.km)，及波长等于1550nm的色散约为17ps/(nm.km)量级。波长等于1550nm的色散梯度约为0.06ps/(nm2.km)。
在市场上出现了移动色散的纤维或DSF(英文“Dispersion shiftedfibers”-“移动色散纤维”首字母缩写)。这些光纤所使用的传输波长通常不同于在其上二氧化硅的色散基本为零的1.3μm，色散也基本为零；这就是说，不为零的二氧化硅的色散将通过纤维中心及纤维包层之间折射率差的增量Δn来补偿-由此使用移动一词。该折射率差允许色散为零的波长位移；这可通过在它制造时在预制件中掺杂来获得，例如通过MCVD处理，该处理本身是公知的及在这里不再赘述。
我们将这样的移动色散纤维称为NZ-DSF+(英文“non-zero dispersionshifted fibers”-“非零移动色散纤维”首字母缩写)：它们对于所使用的波长具有非零及正的色散，该波长典型为1550nm。这些纤维对于该波长具有小的色散，通常对于1550nm的波长小于11ps/(nm.km)，及色散梯度在0.04至0.1ps/(nm2.km)之间。
FR-A2 790 107提出了一种传输线纤维，尤其适用于传输多路密集的波长，其信道之间的间隔为100GHz或更小，每波道的速率为10Gbit/s；该纤维对于1550nm的波长具有大于或等于60μm2的有效面积，色散在6至10ps/(nm.km)之间，色散梯度小于0.07ps/(nm2.km)。
在2000年2月24日提交的题为“用于多路波长复用光纤传输网的光缆的单模光纤”的法国专利申请0002316号提出了一种传输线光纤，它对于1550nm波长具有的色散在5至11ps/(nm.km)之间，色散与色散梯度之间的比例在250及370nm之间及有效面积的平方及色散梯度之比大于8×104μm2nm2.km/ps。该传输光纤的使用波段为1300至1625nm。在该申请的一个例子中，色散通过一个具有色散为-100ps/(nm.km)及色散与色散梯度之比为260nm的色散补偿纤维来补偿。
为了在用作传输线的SMF或NZ-DSF+光纤中补偿色散及色散梯度，已知使用短长度的色散补偿纤维或DCF(色散补偿纤维的英文缩写)。其中SMF传输光纤中的色散被DCF纤维补偿的这样一个传输系统的例子被描述在M.Nishimura等人著的“色散补偿纤维及它们的应用”，OFC’96 Technical Digest ThA1中。这样一个色散补偿纤维的使用也被描述在L.Gruener-Nielsen等人著的“色散补偿纤维的大量制造”，OFC’98 Technical Digest TuD5中。该文章如在现有技术的其它文献中那样建议：根据传输光纤来选择补偿纤维，以使得色散与色散梯度的比例对于补偿纤维及对于传输纤维是相同的。
这种纤维DCF也被描述在不同专利中。它在波长1550nm附近具有负的色散，用于补偿传输光纤中的累积色散；及此外具有负的色散梯度，用于补偿传输光纤中正的色散梯度。US-A-5 568 583或US-A-5 361319提出了一种DCF纤维，用于补偿在1550nm波长下色散约为17ps/(nm. km)的SMF光纤的色散。
WO-A-99 13366提出一种色散补偿纤维，它被指定用于在补偿盒中补偿Lucent公司的商标为“True Wave”类型的商用光纤的色散及色散梯度；该纤维具有1.5至4ps/(nm.km)之间的色散及0.07ps/(nm2.km)的色散梯度。在一个实施例中所提出的该色散补偿纤维具有-27ps/(nm.km)的色散及-1.25ps/(nm2.km)的色散梯度。
该色散补偿纤维用于以C波带工作的传输系统，即在1530至1565nm之间或在1550nm周围工作的传输系统。它不适合或很少适合在同时工作在C及L波带中的传输系统中补偿色散及色散梯度。在此情况下，我们称L波带为波长在波带C以上一直延伸到波长约为1610或1620的波段。因此在波带C及L中传输的系统通常使用1530至1610nm之间的波长。
由本申请人在2000年10月26日提交的题为“用于补偿传输线中具有正色散的光纤的色散的光纤”的法国专利申请描述了一种光纤，它用于在以C，和/或L波带工作的传输系统中补偿色散及色散梯度，但用于包括在-12ps/nm-km至-4ps/nm-km之间的色散。
发明内容
本发明提出一种新的纤维，它尤其可被用来在以C及L波带工作的传输系统中补偿色散。它既适用于SWF传输纤维也适用于NZ-DSF传输纤维。本发明还提出一种相对传输纤维优化色散补偿纤维的新准则，用于保证同时在波带C及L中很好地补偿色散及色散梯度。
更确切地，本发明提出一种光纤传输系统，具有传输线纤维区段及补偿传输线纤维区段中色散的补偿纤维区段，其中色散补偿纤维的色散C及该纤维的色散梯度C’对于在传输系统中使用的波长范围中的一个波长用下式验证： C g C ′ g × 1 1 + C cum / ( L g . C ′ g . Δλ ) ≤ C C ′ ≤ C g C ′ g × 1 1 - C cum / ( L g . C ′ g . Δλ ) - - - ( 1 )
式中Cg为传输线纤维的色散，C’g为传输线纤维的色散与波长之比的商值，Ccum是在传输线纤维区段中可接受的累积色散模数的上限及Δλ是传输系统中所使用的波长范围宽度的一半，及其中色散梯度C’和该梯度对色散补偿纤维波长的一阶导数C”对于在传输系统中使用的波长范围的一个基本中间波长用下式来验证： | C ′ C ″ | ≥ Max ( Δλ 2 × ( C . C ′ g C ′ . C g × ( 1 ± C cum L g . C ′ g . Δλ ) - 1 ) - 1 ) - - - ( 2 ) .
有利地，限制式(1)及(2)对于在传输系统中使用的波长范围的一个基本中间波长被验证；在此情况下最好是，所述基本中间波长与在传输系统中使用的波长范围的中间波长之间至少相差在传输系统中使用的波长范围的10％。
该色散补偿纤维可具有以下的一个或多个传播特征：
-对于波长1550nm具有的色散小于-40ps/(nm.km)，甚至小于-45ps/(nm.km)；
-在传输系统中使用的所有波长范围上，当绕在半径为10mm的线圈筒上时具有的曲率损耗小于或等于400dB/m；
-对于波长1550nm具有的有效面积等于12μm2；
-对于波长1550nm具有小于或等于0.5ps/km1/2的偏振模态色散；
-对于波长1550nm具有的衰减小于1dB/km，甚至小于0.8dB/km。
有利地还在于，累积色散模数的上限Ccum与传输线纤维区段长度Lg的比值小于0.5ps/(nm.km)，甚至小于0.1ps/(nm.km)。
传输线纤维可为阶跃折射率纤维，或具有正色散的移动色散纤维。
色散补偿纤维最好具有带凹陷及环的梯形或矩形折射率分布。该分布可具有如下面所述的特性。
本发明还提出一种光纤，对于波长1550nm具有的色散C小于-40ps/(nm.km)，甚至小于-45ps/(nm.km)，色散梯度C’和该色散梯度对波长的一阶导数C”用下式来验证： a × 1 1 + b ≤ C C ′ ≤ a × 1 1 - b 及 | C ′ C ′ ″ | ≥ Max ( c × ( C C ′ 1 a × ( 1 ± b ) - 1 ) - 1 )
对于1570nm附近的波长其参数a，b及c由下式验证：
280≤a≤360nm
0.2≤b≤0.25及
c≤25nm。
这种纤维可具有上述用于色散补偿纤维的传输特性。它可具有带凹陷及环的矩形折射率分布，或带凹陷及环的梯形折射率分布。
这些分布特征可以是以下特征中的一个或多个：
-矩形或梯形部分的折射率及纤维包层折射率之间的差(Δn1)包括在18×10-3至30×10-3之间；及具有其折射率大于纤维包层折射率的纤维部分的半径(r1)包括在1.2至2.1μm之间；
-凹陷部分的折射率与纤维包层折射率之差(Δn2)包括在-8.5×10-3至-4.5×10-3之间；及该凹陷部分的外径(r2)包括在3.4至6.1μm之间；
-环形部分的折射率与纤维包层折射率之差(Δn3)包括在1×103至15×10-3之间；及该环的外径(r3)包括在5.9至8μm之间；
-具有其折射率大于纤维包层折射率的纤维中心部分的零半径及外径(r1)之间的折射率与半径乘积的积分的两倍包括在48×10-3至65×10-3μm2之间；
-具有其折射率大于纤维包层折射率的纤维中心部分的零半径及外径(r1)之间的折射率与半径平方乘积的积分的三倍小于110×10-3μm3；
-具有其折射率大于纤维包层折射率的纤维中心部分的外径(r1)及环内径(r2)之间的折射率与半径乘积的积分的两倍包括在-155×10-3至-75×10-3μm2之间；
-环内径(r2)及环外径(r3)之间的折射率与半径乘积的积分的两倍包括在70×10-3至210×10-3μm2之间；
-零半径及环外径(r3)之间的折射率与半径乘积的积分的两倍大于20×10-3μm2。
本发明还提出一种光纤，对于波长1550nm具有的色散C小于-40ps/(nm.km)，甚至小于-45ps/(nm.km)，色散梯度C’和该色散梯度对波长的一阶导数C”用下式来验证： a × 1 1 + b ≤ C C ′ ≤ a × 1 1 - b
及 | C ′ C ′ ″ | ≥ Max ( c × ( C C ′ 1 a × ( 1 ± b ) - 1 ) - 1 )
对于1570nm附近的波长其参数a，b及c由下式验证：
120≤a≤200nm
0.2≤b≤0.25及
c≤25nm。
这种纤维可具有上述用于色散补偿纤维的传输特性。它可具有带凹陷及环的矩形折射率分布，或带凹陷及环的梯形折射率分布。
这些分布特征可以是以下特征中的一个或多个：
-矩形或梯形部分的折射率及纤维包层折射率之间的差(Δn1)包括在18.10-3及30.10-3之间；及具有其折射率大于纤维包层折射率的纤维部分的半径(r1)包括在1.2至1.9μm之间；
-凹陷部分的折射率与纤维包层折射率之差(Δn2)包括在-10×10-3至-5.8×10-3之间；及该凹陷部分的外径(r2)包括在3.4至6.1μm之间；
-环形部分的折射率与纤维包层折射率之差(Δn3)包括在1×10-3至17.5×10-3之间；及该环的外径(r3)包括在6.25至8.3μm之间；
-具有其折射率大于纤维包层折射率的纤维中心部分的零半径及外径(r1)之间的折射率与半径乘积的积分的两倍包括在50×10-3至60×10-3μm2之间；
-具有其折射率大于纤维包层折射率的纤维中心部分的零半径及外径(r1)之间的折射率与半径平方乘积的积分的三倍小于110×10-3μm3；
-具有其折射率大于纤维包层折射率的纤维中心部分的外径(r1)及环内径(r2)之间的折射率与半径乘积的积分的两倍包括在-230×10-3至-145×10-3μm2之间；
-环内径(r2)及环外径(r3)之间的折射率与半径乘积的积分的两倍包括在180×10-3至260×10-3μm2之间；
-零半径及环外径(r3)之间的折射率与半径乘积的积分的两倍包括在20×10-3至145×10-3μm2之间。
附图说明
在阅读了下面以例子方式及参照附图对本发明实施例的说明后将会明白本发明的其它特征及优点，附图为：
-图1：根据本发明的一个传输系统的概要示图；
-图2：根据本发明第一实施例的纤维的指定折射率分布；
-图3：根据本发明第二实施例的纤维的指定折射率分布。
具体实施方式
本发明是基于这样的事实，用于现有技术中选择色散补偿纤维的准则不一定适用于在波长延伸到波带C以外的波段中工作的传输系统。尤其是，对于传输线纤维及色散补偿纤维，色散及色散梯度之间的比例相等的准则对于同时工作在波带C及波带L中的传输系统不是最佳的。
该现象的一种可能的解释在于色散及波长之间的相关性；事实证明，对于传输纤维色散基本上是波长的线性函数，这在波带C以外也是同样的。相反地，在波带C以外对于色散补偿纤维，色散不一定是波长的线性函数。
因此在本发明的一个实施例中提出新的准则，它们能有效地胜任传输系统中的色散补偿；这些准则可单独地或组合地用于检验一个传输系统中色散补偿的效果；它也可以如下所述地用于选择指定在传输系统中用作色散补偿纤维的纤维。这些准则不仅考虑到传输线纤维的色散及色散梯度，而且也考虑到色散梯度的一阶导数及传输线路纤维区段的长度。
图1表示根据本发明一个实施例的一个波分多路复用传输系统。在图1中表示出该传输系统的发送器TX2及接收器RX4，在它们之间延伸着传输线的光纤。这些光纤由区段61至6n组成，这些区段被中继器81至8n-1隔开；每个中继器8i代表一个放大器10i，它的结构与本发明的原理无关，因此不描述它。在放大器的输出端设有一个色散补偿纤维部分12i。将色散补偿纤维设在放大器的下游可以限制该纤维中的强衰减作用。在随后可看到Lg，它是在两个色散补偿纤维部分之间的传输线纤维的长度；在图示的例中，该长度相当于两个中继器相隔的长度。
在图1所示的例中，在每个中继器中设有一个色散补偿部分；但也可以不是在每个中继器中设有色散补偿部分，而仅设在一些中继器中；例如，可以对N个中继器中的一个设置色散补偿纤维，N为大于或等于2的整数。在此情况下，我们称“传输线纤维区段长度”为在其中设有色散补偿纤维的两个中继器之间的传输线纤维的长度。图1中传输系统可能的另外变型为：可设有滤波器及在色散补偿纤维下游设置放大器，等。
所提出的准则对于色散补偿纤维确定了其限界，即一方面对于色散与色散梯度的比例C/C’，另一方面对于色散梯度与色散梯度一阶导数的比例C’/C”确定了界限。因此规定了： C g C ′ g × 1 1 + C cum / ( L g . C ′ g . Δλ ) ≤ C C ′ ≤ C g C ′ g × 1 1 - C cum / ( L g . C ′ g . Δλ ) - - - ( 1 )
在该式中C及C’代表色散补偿纤维的色散及其色散梯度，它们分别用单位ps/(nm.km)及ps/(nm2.km)表示。Cg及C’g代表传输线纤维的色散及其色散梯度，它们用以上相同单位表示。Ccum是在传输系统中累积的色散模的上限，单位为ps/nm；累积色散是在传输系统整个长度上的色散积分，即对长度的积分；宏观地，对于一个传输线纤维区段及一个色散补偿纤维区段，累积色散等于传输线纤维色散与传输线纤维区段长度的乘积及补偿纤维色散与补偿纤维区段长度的乘积的和。该累积色散将对于给定波长来计算；量Ccum是对于在传输系统中所使用的波长累积的色散模数的最大值。Lg是一个传输线纤维区段的长度及Δλ是传输系统波带宽度的一半。
式(1)重新给出了比例C/C’的边界，而不再是如现有技术中的单色散。此外，式(1)中出现了累积色散及系统的波带宽度。式(1)是一个必要条件，但对于在系统中累积色散保持小于在系统中所使用的波长的所有波段上能被接受的累积色散Ccum模数的上限是不充足的。
最好对于在系统中使用的中间波长附近的波长验证式(1)。也可以对另一波长验证该式。
除限制式(1)外，还规定了一个色散梯度与色散梯度一阶导数比例的模数，用于对在系统中累积色散模数保持小于在系统中所使用的波长的所有波段上能被接受的累积色散Ccum模数的上限获得充分必要条件。该第二限制式被写为： | C ′ C ′ ″ | ≥ Max ( Δλ 2 × ( C . C ′ g C ′ . C g × ( 1 ± C cum L g . C ′ g . Δλ ) - 1 ) - 1 ) - - - ( 2 )
在该式中，各符号的定义与上述相同。函数Max(x，y)是与两个实数中最大的一个相关的两个实数x及y的函数。在式(2)中，函数Max被应用于对可能其符号为“±”的两个值计算的两个比值。
因此该式(2)提供了色散梯度及色散梯度一阶导数之间比例模数的下限。该式在所考虑的频谱波段的中心或该频谱波段中心的附近被验证。对于波带C及L的传输，在1570nm附近计算该式；该式这样地被选择，是因为传输线纤维及色散补偿纤维总体的累积色散在该波带中在1570nm周围基本上是对称的。因此，在该波长上色散最近似于一个抛物线及式(2)给出最好的近似。如果远离了该值，下限值将改变。在实践中被证实，为了获得在色散补偿上的相同结果，相对频谱波段中心改变±10nm将引起下限乘以2，这就是说不等式(2)中右面项乘以2。实际上，对于与传输系统的中间波长的差小于波段宽度10％的波长验证式(2)可被满足。
应该指出，式(1)及(2)是根据待补偿的传输线纤维的长度局部地计算的。因此这些准则是被局部计算的，即在一个中继器的附近或在传输线纤维区段的附近计算的。在此情况下，因此上限Ccum规定了传输线纤维前面区段中累积色散模数的限值。相反地，这些限值也可整体地计算，在此情况下，上限Ccum是对传输系统总的累积色散模数的限值；该限值在传输线纤维所有区段上被验证。如果传输系统具有周期结构，则局部计算及整体计算当然具有相同效果。此外应指出，值Ccum可根据传输线纤维区段的长度而改变；由此，在以下给出的例子中将涉及对于100km的传输线纤维区段的长度，Ccum的值为50ps/nm。也可以对于200km的传输线纤维区段规定Ccum的值为100ps/nm；平均地，在传输系统中累积色散保持相同；仅当在传输线纤维区段上达到该绝对值时才变化。通常，比值Ccum/Lg小于或等于0.5ps/(nm.km)是有利的；对于很高速率的波长多路复用传输系统，值为0.1ps/(nm.km)更有利。
相对现有技术，式(1)给出了对于比例C/C’及Cg/C’g的相等性的误差可以接受的范围。对式(1)附加的式(2)规定了对C’/C”比例的绝对值的限制。这些式允许考虑到对于传输系统有利的频带宽度。
这两个式保证了：对于传输系统中使用的所有频带宽度色散补偿纤维可有效地补偿其色散及色散梯度；更具体地，系统在所有传输带宽2.Δλ上具有其绝对值小于Ccum的累积色散。
除第一式或这两个式外，有利的是，色散补偿纤维具有一个或多个以下的特性：
-对于在1530至1620nm之间的波长，当纤维被绕在半径为10mm的套筒上时，曲率损耗小于400dB/m，最好小于100dB/m；
-对于在1530至1620nm之间的波长，当在半径为30mm的套筒上绕100圈时，曲率损耗小于0.05dB，最好小于10-3dB；
-对于在1530至1620nm之间的波长，色散及衰减之间的比例小于或等于100ps/(nm.dB)；
-对于1550nm的波长有效面积大于或等于12μm2，最好大于或等于15μm2，甚至达到20μm2；
-对于1550nm的波长，色散小于或等于-40ps/(nm.km)，最好小于或等于-50ps/(nm.km)；
-对于1550nm的波长，对微曲率的敏感度小于或等于1，最好小于或等于0.5；
-纤维所有点上折射率及纤维包层上折射率之间的差值小于或等于30×10-3；
-对于波长1550nm偏振模态色散小于或等于0.5ps/km1/2；
-对于1550nm的波长，衰减小于1dB/km及最好小于0.8dB/km。
色散值能够限制色散补偿纤维的长度及由此限制该纤维中的衰减；曲率损耗的限值主要允许使色散补偿纤维绕在中继器中。这些限制最好照顾到用于该传输系统中波长的所有波段。对于有效面积的限制可以限制色散补偿纤维中的非线性作用；该限制可有利地在1550nm附近验证。此外该纤维可有利地具有小于或等于0.5ps/km1/2的偏振模态色散；该偏振模态色散用于保证高速率时的良好传输；它被在1550nm波长附近测量。该纤维也可具有小于1dB/km、甚至0.8dB/km的衰减；这些衰减值限制了补偿纤维中的损耗；它们被在1550nm波长附近测量。
现在，我们将给出分别使用阶跃折射率纤维及正移动色散纤维作为传输线纤维的传输系统的例子。
阶跃折射率纤维
在阶跃折射率纤维的例中，我们考虑具有以下特征的纤维：
-在1570nm波长时的色散：18.5ps/(nm.km)；
-在1570nm波长时的色散梯度：0.058ps/(nm2.km)；
-在光缆中的截止波长小于1300nm；
-在1570nm波长时的有效面积：81μm2。
这种纤维中心的折射率与纤维包层的折射率之间的差可约为5×10-3，及中心的半径为4.5μm。对于这样一种传输纤维及工作在1530至1610nm之间的波带上的传输系统，上述式(1)及(2)对于100km的传输线纤维区段及小于50ps/nm的累积色散给出了：
    260nm≤C/C′≤400nm            (3)及 | C ′ C ′ ″ | ≥ Max ( 20 × ( C C ′ 1 320 × ( 1 ± 0.22 ) - 1 ) - 1 ) - - - ( 4 ) 这些式可概括为其它类型的阶跃折射率纤维；因此可写为： a × 1 1 + b ≤ C C ′ ≤ a × 1 1 - b - - - ( 5 ) 及 | C ′ C ′ ″ | ≥ Max ( c × ( C C ′ 1 a × ( 1 ± b ) - 1 ) - 1 ) - - - ( 6 )
在此情况下，a，b及c是传输线纤维及传输系统的表征参数，它们应为：
280≤a≤360nm
0.2≤b≤0.25
c≤25nm.
b无量纲，而a及c具有波长的量纲。参数a代表待补偿传输线纤维的C/C’比。参数b是应用上式得到的校正量。参数c对应于所考虑的波带频谱宽度的1/4；其值选择为25nm适用于具有频谱宽度至少为100nm的系统，例如加宽的C及L波带的传输系统。关系式(5)对于传输系统中使用的波长、典型地对于包括在1530至1610nm之间的波长被验证；关系式(6)对于传输系统中使用的中间波长附近的波长被验证；在1570nm附近的或在1565及1575nm之间的波长值是有利的。
对于具有图2或3的分布及具有下面表中给出的值的纤维，这些准则可被满足。图2的分布是具有凹沟及环的矩形的指定折射率分布。从纤维的中心开始，它具有；
-具有大于或等于纤维包层折射率的基本恒定折射率的中心部分；
-折射率小于或等于纤维包层折射率的环形部分；
构成折射率分布的整体被称为“具有凹沟或凹陷的矩形”。
在凹沟的周围，图2的纤维具有一个环，即折射率大于纤维包层折射率的部分，由此它被称为“具有凹沟及环的矩形分布”。
在下面，用Δn1表示纤维中心部分折射率及纤维包层折射率之差，Δn2表示凹陷部分折射率及纤维包层折射率之差及Δn3表示环部分折射率及纤维包层折射率之差。如上所解释的，Δn1及Δn3为正值，而Δn2为负值。
图3的分布是具有凹陷及环的梯形的折射率分布。该分布与图2中分布的唯一区别在于：中心部分具有梯形形状而非矩形，该梯形具有最小半径r1a，最大半径r1b及一个半径r1，后者相应于与横坐标相交点的中心部分的半径。也可将半径为r1a及具有大于纤维包层折射率的恒定折射率的中心部分称为“梯形的小底边”。“梯形的大底边”相应于图中的半径r1b及它一直延伸到凹陷部分的内径。在梯形分布的情况下，r1代表具有的折射率大于纤维折射率的纤维中心部分的半径。
在下表中给出了色散补偿纤维的例子。纤维S1至S4具有图2类型的分布，而纤维S5至S8具有图3类型的分布。
                                                       表1
  r1a(μm)   r1(μm)  r1b(μm)   r2(μm)   r3(μm)   103Δn1   103Δn2   103Δn3
纤维S1     1.37     1.37    1.37    4.94     6.02     25.6     -5.8    12.0
纤维S2     1.47     1.47    1.47    4.36     7.57     23.1     -5.9     2.9
纤维S3     1.53     1.53    1.53    4.79     7.84     22.5     -5.0     4.1
纤维S4     1.64     1.64    1.64    4.82     6.70     20.4     -6.5     7.3
纤维S5     1.20     1.65    1.78    4.94     7.12     23.6     -6.1     6.8
纤维S6     1.20     1.78    1.93    4.49     7.25     22.5     -6.0     4.8
纤维S7     1.14     1.74    1.9    4.45     7.45     23.9     -6.2     5.1
纤维S8     1.48     1.90    2.01    5.00     7.82     18.7     -4.9     5.2
对于所考虑的SWF纤维，及上述的值Ccum，Lg及Δλ，表1中的各补偿纤维可满足上述的准则(1)及(2)。这些补偿纤维对于波长1570nm具有在表2中给出的传播特性。
                                                   表2
 λcthnm    2W02μm@1570    Seffμm2@1570      Cps/nm.km@1570   C/C′nm@1570    Fsnm@1570  |C′/C″|nm@1570   PC1620dB/m   Sμc@1570
纤维S1   1680    4.5     16     -120   365    229    ＞650   ＜100  ＜0,5
纤维S2   1660    4.7     17     -100   375    320    ＞350   ＜100  ＜0,5
纤维S3   1780    4.7     17      -75   355    178    ＞200   ＜100  ＜0,5
纤维S4   1710    4.9     19      -90   330    114    ＞850   ＜100  ＜0,5
纤维S5   1795    4.6     17     -110   280    260    ＞450   ＜100  ＜0,5
纤维S6   1740    4.8     18      -85   380    400    ＞450   ＜100  ＜0,5
纤维S7   1860    4.6     17     -105   330    114    ＞800   ＜100  ＜0,5
纤维S8   1910    5.3     22      -75   390    800   ＞1000   ＜100  ＜0,5
在该表中，λcth是纤维的理论截止波长，单位用nm表示；实际上，在光缆中测量出的截止波长小于几百nm；可以理解，在所使用的信号波长的波段中，尤其在波带C及L中该纤维是有效的单模纤维。2W02是模的直径，单位为微米；Seff是有效面积，单位为平方微米。C是单位以ps/(nm.km)表示的色散。C’是色散梯度，即色散与波长的商，单位用ps/(nm2.km)表示；因此色散与色散梯度的比C/C具有波长的量纲，即单位用nm表示。Fs是比C’/C”的模数的下限，它被给在上面式(4)中。C”是色散梯度相对波长的一阶导数；该表中比C’/C”的模数仍具有长度的量纲，及单位用nm表示。有利地还在于，该纤维对于1620nm波长具可接受的曲率损耗，因为这限制了从1530至1620nm所有使用波段中的损耗。PC1620是纤维中单位长度的曲率损耗的测量值；该损耗是在将该纤维绕在直径10mm的线圈架上在波长为1620nm时测量的。最后Sμc是一个无量纲系数，它代表纤维对微曲率的敏感度；表中该系数是对现有技术中的一个纤维测得的，该纤维是本申请人以名称ASNF200商品化的纤维。该系数可使用本身公知的两个栅之间纤维的碾压方法来测量。
该表指示，表1中的纤维具有的传播特征允许它们作为色散补偿纤维用在光导纤维传输系统的中继器或放大器中。这些纤维用值C/C’及比C’/C”的模数来补偿SMF纤维的色散。
在表1的例中，中心部分折射率Δn1的5％变化、或凹陷及环部分折射率Δn2及Δn3的10％的变化允许获得类似结果。同样根据各半径，这些半径相对表1各例中给出的值对于r1及r2可变化10％及对于r3可变化5％，由此获得类似结果。
表2的各值是对于波长1570nm给出的；对于波长1550nm及1590nm，这些纤维具有下面表3中提供的不同参数值。
                                      表3
   Seffμm2@1550       Cps/nm.km@1550    C/C′nm@1550    Seffμm2@1590      Cps/nm.km@1590    C/C′nm@1590
纤维S1     15     -115    350     17     -130     400
纤维S2     16      -90    355     18     -105     380
纤维S3     16      -75    370     18      -85     365
纤维S4     18      -85    310     21     -100     385
纤维S5     16     -105    275     19     -120     300
纤维S6     17      -85    370     19      -95     415
纤维S7     15      -95    335     17     -110     380
纤维S8     21      -70    365     23      -80     435
从(折射率)分布的观点出发，可使用以下一个或多个不等式来选择色散补偿纤维；一方面它涉及矩形或环形的中间部分，有利的是：
-    18×10-3≤Δn1≤30×10-3，及
-    1.2≤r1≤2.1μm，
对于凹陷部分可选择折射率差值Δn2及外径r2，以便验证：
-    -8.5×10-3≤Δn2≤-4.5×10-3，及
-    3.4≤r2≤6.1μm，
对于环部分可选择折射率差值Δn3及外径r3，以便验证：
-    1×10-3≤Δn3≤15×10-3，及
-    5.9≤r3≤8μm。
其它的纤维特征也是可能的。并且可使用由下式定义的参数S1： S 1 = 2 . ∫ 0 r 1 Δn ( r ) . r . dr
该参数是面积与折射率乘积的均值，该参数仅应用于梯形分布及矩形分布及代表纤维中心附近折射率的增大。它最好在48×10-3及65×10-3μm2之间。
对于参数： S 11 = 3 . ∫ 0 r 1 Δn ( r ) . r 2 . dr
来说，它是折射率与面积平方乘积的均值。物理上，该参数代表等效纤维理论中矩形分布及梯形分布之间的对应关系。该参数最好小于110×10-3μm3。
还可使用参数S2，它被定义为： S 2 = 2 . ∫ r 1 r 2 Δn ( r ) . r . dr
该参数是面积与折射率乘积的均值。该参数代表凹陷部分中折射率的减小。最好它被包括在-155×10-3至-75×10-3μm2之间。
同样，参数S3由下式确定： S 3 = 2 . ∫ r 2 r 3 Δn ( r ) . r . dr
它是是面积与折射率乘积的均值。该参数代表环部分中折射率的增大。最好它被包括在70×10-3至210×10-3μm2之间。
另一可能的参数是参数S123，它被写为： S 123 = 2 . ∫ 0 r 3 Δn ( r ) . r . dr
该参数代表整个折射率分布中相对二氧化硅的折射率的折射率平均增大。它最好大于20×10-3μm2。
这些参数中的一个或多个这些参数的组合允许确定被用作二氧化硅阶跃纤维的色散补偿纤维的折射率分布。
纤维DSF+.
在该正移动色散纤维的例中，将考虑具有以下特征的纤维：
-       对于1570nm波长的色散为：9.2ps/(nm.km)；
-       对于1570nm波长的色散梯度为：0.058ps/(nm2.km)；
-       在光缆中的截止波长小于1300nm；
-       对于1570nm波长的有效面积：66nm2。
这种纤维已由本申请人以名称“Teralight”商品化；它被描述在1999年2月18日提交的专利申请99 02 028号中。对于这样一种传输线光纤及工作在1530至1610nm之间的波带C及L上的传输系统，上面给出的式(1)及(2)对于100km的传输线纤维区段长度及对于小于50ps/nm的累积色散提供了：
     130nm≤C/C′≤200nm       (7)及 | C ′ C ″ | ≥ Max ( 20 C C ′ 1 160 × ( 1 ± 0.22 ) - 1 ) - - - ( 8 )
这些准则同时是上面给出的概括式(5)及(6)的具体应用；在一种正移动色散传输线纤维的情况下，上面定义的参数a，b及c典型地被验证为：
120≤a≤200nm
0.2≤b≤0.25
c≤25nm。
这些准则可被具有图2或3的分布及具有下面表中给出的值的纤维所满足。对于这些分布所使用的符号与上面相同。纤维T1至T4是中心为矩形分布的纤维，而纤维T5及T6是中心为梯形分布的纤维。
                                     表4
  r1a(μm)   r1(μm)   r1b(μm)   r2(μm)    r3(μm)   103Δn1    103Δn2   103Δn3
纤维T1    1.44    1.44    1.44    4.88     7.70     24.2     -7.2      5.3
纤维T2    1.45    1.45    1.45    5.39     6.49     24.2     -8.1     14.3
纤维T3    1.79    1.79    1.79    6.07     7.12     18.3     -6.3     17.4
纤维T4    1.78    1.78    1.78    5.78     7.41     18.5     -6.9     10.9
纤维T5    1.30    1.55    1.82    4.25     7.67     22.9     -9.9      4.4
纤维T6    1.31    1.69    1.84    4.87     6.43     23.6     -9.4     10.2
对于所考虑的移动色散纤维及对于上面所述的值Ccum，Lg及Δλ，表4中的纤维可满足上述的准则(1)及(2)。对于波长1570nm这些纤维具有表5中给出的传播特性。
                                              表5
  λcthnm@1570   2W02μm@1570    Seffμm2@1570       Cps/nm.km@1570    C/C′Nm@1570    FtNm@1570   |C′/C″|nm@1570  PC1620dB/m     Sμc@1570
纤维T1    1845    4.5     16     -135    165    114     ＞150   ＜100    ＜0,5
纤维T2    1711    4.4     15     -135    150    130     ＞150   ＞100    ＜0,5
纤维T3    2020    5.1     22      -85    185    267     ＞500   ＜100    ＜0,5
纤维T4    2010    5.0     21      -90    180    200     ＞200   ＜100    ＜0,5
纤维T5    1785    4.6     17     -155    170    133     ＞700   ＜100    ＜0,5
纤维T6    1740    4.3     15      -95    175    160     ＞200   ＜100    ＜0,5
在该表中使用的符号与表中涉及SMF纤维的表中的符号相同，但除C’/C”模数比的下限外，这里它用Ft表示而非Fs，及由式(8)给出。
该表指示，表4中的纤维具有的传播特征允许它们作为色散补偿纤维用在使用移动色散纤维作为传输线纤维的光导纤维传输系统的中继器或放大器中。这些纤维用值C/C’及比C’/C”的模数来补偿传输线纤维中的色散。
如表1的例中那样，在表3的所有例中，中心部分折射率Δn1的5％变化、或凹陷及环部分折射率Δn2及Δn3的10％的变化允许获得类似结果。同样根据各半径，这些半径相对图1的表例中给出的值对于r1及r2可变化10％及对于r3可变化5％，由此获得类似结果。
如同上面的情况，表6对于波长1550nm及1590nm给出了传播参数。
                                   表6
   Seffμm2@1550      Cps/nm.km@1550     C/C′Nm@1550    Seffμm2@1590        Cps/nm.km@1590    C/C′Nm@1590
纤维T1     15     -120     160     18      -150     170
纤维T2     14     -120     150     17      -150     155
纤维T3     20      -80     175     24      -105     215
纤维T4     19      -82     170     22      -111     190
纤维T5     16     -140     160     19      -170     195
纤维T6     14      -85     175     16      -110     175
从(折射率)分布的观点出发，可使用以下一个或多个不等式来选择色散补偿纤维；一方面它涉及矩形或环形的中间部分，有利的是：
-    18×10-3≤Δn1≤30×10-3，及
-    1.2≤r1≤1.9μm，
对于凹陷部分可选择折射率差值Δn2及外径r2，以便验证：
-    -10×10-3≤Δn2≤-5.8×10-3，及
-    3.4≤r2≤6.1μm，
对于环部分可选择折射率差值Δn3及外径r3，以便验证：
-    1×10-3≤Δn3≤17.5×10-3，及
-    6.25≤r3≤8.3μm。
上面定义的参数S1，S11，S2，S3及S123可由以下的不等式来验证：
50×10-3≤S1≤60×10-3μm2；
S11≤110×10-3μm3；
-230×10-3≤S3≤-145×10-3μm2；
180×10-3≤S3≤260×10-3μm2；
20×10-3≤S123≤145×10-3μm2。
当然，本发明不被限制在所述及所示的实施例及实施形式上，而对于本领域的技术人员来说可作出多种变化。并且，上述的式(1)或(2)也可用于作为以上例子给出的阶跃折射率纤维及移动色散纤维以外的其它纤维。也可对参数Ccum，Lg或Δλ规定不同于上面例中所提出的值的其它值。典型地，在波分复用的实际传输系统中，Ccum小于50ps/nm，但量级为100ps/nm或200ps/nm的值也是可能的。Lg为100km长度的例子相当于现有技术中地面传输系统的中继器之间的距离；该距离依赖于传输线纤维的损耗，随着传输线纤维的改进该距离将会增大。最后，如果使用波带C及L以外的其它波带，半波带宽度Δλ也可不同。例如，对于用1460nm至1530nm之间的波带C及L的传输，Δλ的值将为35nm；对于用C，L及S波带的传输，该值将为80nm。

Claims (41)

1.光纤传输系统，具有传输线纤维区段(6i)及补偿传输线纤维区段中色散的补偿纤维区段(12i)，其中色散补偿纤维的色散C及该纤维的色散梯度C对于在传输系统中使用的波长范围中的一个波长用下式验证： C g C ′ g × 1 1 + C cum / ( L g . C ′ g . Δλ ) ≤ C C ′ ≤ C g C ′ g × 1 1 - C cum / ( L g . C ′ g . Δλ ) - - - ( 1 )
式中Cg为传输线纤维的色散，C’g为传输线纤维的色散与波长之比的商值，Ccum是在传输线纤维区段中可接受的累积色散模数的上限及Δλ是传输系统中所使用的波长范围宽度的一半，及其中色散梯度C’和该梯度对色散补偿纤维波长的一阶导数C”对于在传输系统中使用的波长范围的一个基本中间波长用下式来验证： | C ′ C ′ ″ | ≥ Max ( Δλ 2 × ( C . C ′ g C ′ . C g × ( 1 ± C cum L g . C ′ g . Δλ ) - 1 ) - 1 ) - - - ( 2 ) .
2.根据权利要求1的系统，其中限制式(1)及(2)对于在传输系统中使用的波长范围的一个基本中间波长被验证。
3.根据权利要求1或2的系统，其特征在于：所述基本中间波长与在传输系统中使用的波长范围的中间波长之间至少相差在传输系统中使用的波长范围的10％。
4.根据权利要求1，2或3的系统，其特征在于：色散补偿纤维对于波长1550nm具有的色散小于-40ps/(nm.km)，甚至小于-45ps/(nm.km)。
5.根据权利要求1至4中任一项的系统，其特征在于：在传输系统中使用的所有波长范围上，色散补偿纤维当绕在半径为10mm的线圈筒上时具有的曲率损耗小于或等于400dB/m，甚至小于或等于100dB/m。
6.根据权利要求1至5中任一项的系统，其特征在于：在传输系统中使用的所有波长范围上，色散补偿纤维当在半径为30mm的线圈筒上绕100圈时具有的曲率损耗小于或等于0.05dB，甚至小于或等于10-3dB。
7.根据权利要求1至6中任一项的系统，其特征在于：色散补偿纤维对于波长1550nm具有的有效面积大于或等于12μm2。
8.根据权利要求1至7中任一项的系统，其特征在于：色散补偿纤维对于波长1550nm具有小于或等于0.5ps/km1/2的偏振模态色散。
9.根据权利要求1至8中任一项的系统，其特征在于：色散补偿纤维对于波长1550nm具有的衰减小于1dB/km，甚至小于0.8dB/km。
10.根据权利要求1至9中任一项的系统，其特征在于：累积色散模数的上限Ccum与传输线纤维区段长度Lg的比值小于0.5ps/(nm.km)，甚至小于0.1ps/(nm.km)。
11.根据权利要求1至10中任一项的系统，其特征在于：传输线纤维是阶跃折射率纤维。
12.根据权利要求1至10中任一项的系统，其特征在于：传输线纤维是具有正色散的移动色散纤维。
13.根据权利要求1至12中任一项的系统，其特征在于：色散补偿纤维具有带凹陷及环的矩形折射率分布。
14.根据权利要求1至12中任一项的系统，其特征在于：色散补偿纤维具有带凹陷及环的梯形折射率分布。
15.一种光纤，对于波长1550nm具有的色散C小于-40ps/(nm.km)，甚至小于-45ps/(nm.km)，色散梯度C’和该色散梯度对波长的一阶导数C”用下式来验证： a × 1 1 + b ≤ C C ′ ≤ a × 1 1 - b 及 | C ′ C ′ ″ | ≥ Max ( c × ( C C ′ 1 a × ( 1 ± b ) - 1 ) - 1 )
对于1570nm附近的波长其参数a，b及c由下式验证：
280≤a≤360nm
0.2≤b≤0.25及
c≤25nm。
16.一种光纤，对于波长1550nm具有的色散C小于-40ps/(nm.km)，甚至小于-45ps/(nm.km)，色散梯度C’和该色散梯度对波长的一阶导数C”用下式来验证： a × 1 1 + b ≤ C C ′ ≤ a × 1 1 - b
及 | C ′ C ″ ′ | ≥ Max ( c × ( C C ′ 1 a × ( 1 ± b ) - 1 ) - 1 )
对于1570nm附近的波长其参数a，b及c由下式验证：
120≤a≤200nm
0.2≤b≤0.25及
c≤25nm。
17.根据权利要求15或16的纤维，其特征在于：对于包括在1530至1620nm之间的波长，该纤维当绕在半径为10mm的线圈筒上时具有的曲率损耗小于或等于400dB/m，甚至小于或等于100dB/m。
18.根据权利要求15至17中任一项的纤维，其特征在于：对于包括在1530至1620nm之间的波长，该纤维当在半径为30mm的线圈筒上绕100圈时具有的曲率损耗小于或等于0.05dB，甚至小于或等于10-3dB。
19.根据权利要求15，16，17或18的纤维，其特征在于：该纤维对于波长1550nm具有的有效面积大于或等于12μm2。
20.根据权利要求15至19中任一项的纤维，其特征在于：该纤维对于波长1550nm具有小于或等于0.5ps/km1/2的偏振模态色散。
21.根据权利要求15至20中任一项的纤维，其特征在于：该纤维对于波长1550nm具有的衰减小于1dB/km，甚至小于0.8dB/km。
22.根据权利要求15及17至21中任一项的纤维，其特征在于：该纤维具有带凹陷及环的矩形折射率分布。
23.根据权利要求15及17至21中任一项的纤维，其特征在于：该纤维具有带凹陷及环的梯形折射率分布。
24.根据权利要求16至21中任一项的纤维，其特征在于：该纤维具有带凹陷及环的矩形折射率分布。
25.根据权利要求16至21中任一项的纤维，其特征在于：该纤维具有带凹陷及环的梯形折射率分布。
26.根据权利要求22或23的纤维，其特征在于：矩形或梯形部分的折射率及纤维包层折射率之间的差(Δn1)包括在18×10-3及30×10-3之间；及具有其折射率大于纤维包层折射率的纤维部分的半径(r1)包括在1.2至2.1μm之间。
27.根据权利要求22，23或26的纤维，其特征在于：凹陷部分的折射率与纤维包层折射率之差(Δn2)包括在-8.5×10-3至-4.5×10-3之间；及该凹陷部分的外径(r2)包括在3.4至6.1μm之间。
28.根据权利要求22，23或26，27中任一项的纤维，其特征在于：环形部分的折射率与纤维包层折射率之差(Δn3)包括在1×10-3至15×10-3之间；及该环的外径(r3)包括在5.9至8μm之间。
29.根据权利要求22，23或26至28中任一项的纤维，其特征在于：具有其折射率大于纤维包层折射率的纤维中心部分的零半径及外径(r1)之间的折射率与半径乘积的积分的两倍包括在48×10-3至65×10-3μm2之间。
30.根据权利要求22，23或26至29中任一项的纤维，其特征在于：具有其折射率大于纤维包层折射率的纤维中心部分的零半径及外径(r1)之间的折射率与半径平方乘积的积分的三倍小于110×10-3μm3。
31.根据权利要求22，23或26至30中任一项的纤维，其特征在于：具有其折射率大于纤维包层折射率的纤维中心部分的外径(r1)及环内径(r2)之间的折射率与半径乘积的积分的两倍包括在-155×10-3至-75×10-3μm2之间。
32.根据权利要求22，23或26至31中任一项的纤维，其特征在于：环内径(r2)及环外径(r3)之间的折射率与半径乘积的积分的两倍包括在70×10-3至210×10-3μm2之间。
33.根据权利要求22，23或26至32中任一项的纤维，其特征在于：零半径及环外径(r3)之间的折射率与半径乘积的积分的两倍大于20×10-3μm2。
34.根据权利要求24或25的纤维，其特征在于：矩形或梯形部分的折射率及纤维包层折射率之间的差(Δn1)包括在18×10-3至30×10-3之间；及具有其折射率大于纤维包层折射率的纤维部分的半径(r1)包括在1.2至1.9μm之间。
35.根据权利要求24，25或34的纤维，其特征在于：凹陷部分的折射率及纤维包层折射率之间的差(Δn2)包括在-10×10-3至-5.8×10-3之间；及该凹陷部分的外径(r2)包括在3.4至6.1μm之间。
36.根据权利要求24，25或34，35中任一项的纤维，其特征在于：环部分的折射率及纤维包层折射率之间的差(Δn3)包括在1×10-3至17.5×10-3之间；及该环的外径(r3)包括在6.25至8.3μm之间。
37.根据权利要求24，25或34至36中任一项的纤维，其特征在于：具有其折射率大于纤维包层折射率的纤维中心部分的零半径及外径(r1)之间的折射率与半径乘积的积分的两倍包括在50×10-3至60×10-3μm2之间。
38.根据权利要求24，25或34至37中任一项的纤维，其特征在于：具有其折射率大于纤维包层折射率的纤维中心部分的零半径及外径(r1)之间的折射率与半径平方乘积的积分的三倍小于110×10-3μm3。
39.根据权利要求24，25或34至38中任一项的纤维，其特征在于：具有其折射率大于纤维包层折射率的纤维中心部分的外径(r1)及环内径(r2)之间的折射率与半径乘积的积分的两倍包括在-230×10-3至-145×10-3μm2之间。
40.根据权利要求24，25或34至39中任一项的纤维，其特征在于：环内径(r2)及环外径(r3)之间的折射率与半径乘积的积分的两倍包括在180×10-3至260×10-3μm2之间。
41.根据权利要求24，25或34至40中任一项的纤维，其特征在于：零半径及环外径(r3)之间的折射率与半径乘积的积分的两倍包括在20×10-3至145×10-3μm2之间。
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