CN1375713A - 色散补偿光纤和色散补偿模块及采用二者的混合光纤链路 - Google Patents

Abstract

一种可以在L－波段(1.565微米至1.625微米的波长)补偿DSF色散的色散补偿光纤被提供。所述色散补偿光纤被提供有中心芯体部分(1)、中间芯体部分(2)、环形芯体部分(3)和包覆层(5),这些部分按照这个顺序从内开始被同心地加以布置,并且具有这样的折射率分布以使这些部分的折射率满足中间芯体部分<包覆层环形芯体部分<中心芯体部分这一关系。当一个具有1.55微米±0.05微米的零色散波长的色散移位光纤已经被加以补偿时,在所有或部分L－波段处的残余色散处在±1.5ps/nm/km范围内。

Description

色散补偿光纤和色散补偿模块及采用二者的混合光纤链路

                     发明背景

1.发明领域

本发明涉及一种色散补偿光纤和一种色散补偿模块以及一种采用这样的色散补偿光纤和色散补偿模块的混合光纤链路。

2.相关技术的描述

如在1.53微米至1.63微米波段采用光学放大器，如一个掺杂有铒的光纤放大器的远距离非再生中继系统目前已经在商业市场上存在。随着通讯能力的迅猛增加，波分多路复用(WDM)传输正在飞速地发展。

在力图在这种大容量WDM传输中取得更高的传输速度时，由其中传输光信号的光纤(出于方便的缘故，此后被称为“传输用光纤”)所累积的色散引起的波形恶化成为问题。因而，一直建议采用混合光纤链路的色散管理系统，该色散管理系统通过利用在1.55微米波段具有相对大绝对值的负色散的色散补偿光纤，补偿由沿着传输用光纤传输所累积的正累积色散。累积的色散是当光信号在一根光纤上被传输时所累积的色散。

最近，一直存在色散斜率补偿类型的色散补偿光纤，这种光纤能够补偿色散及色散斜率以便于改善在WDM传输时的传输特性。例如，日本未经实审的专利申请的第一期出版物No.Hei 10-325913等公开了一种色散补偿光纤，这种色散补偿光纤在传输用光纤包括在1.3微米波段具有零色散的单模光纤(此后缩写为1.3微米的SMF)的情况下补偿累积的色散，并且第一期出版物No.2000-47048等公开了一种色散补偿光纤，这种色散补偿光纤在传输用光纤包括一个非零色散移位光纤(NZ-DSF)的情况下补偿累积的色散。DZ-DSF在1.55微米波段具有相对小的绝对值的色散，但是零色散波长偏离开1.53微米以便于防止四波混频，四波混频是一种非线性效应。

具有接近1.53微米零色散波长，此时石英损失处在其最小值，的光纤被称为色散移位光纤(此后为“DSF”)并且已经实际应用。

当存在如上所描述的接近1.55微米零色散波长时，出现四波混频并且传输特性恶化。为此，DSF被认为不适用于接近C-波段(波长为1.53微米至1.565微米)的WDM传输，其被广泛应用于传统的WDM传输。

但是，由于最近通讯能力的增加，用于这种传输的波段已经被增加到所谓的L-波段(波长为1.565微米至1.625微米)。

因为DSF在L-波段不具有零色散波长，所以它适用于在L-波段的WDM传输，而且通过与色散补偿光纤结合，它可能提供一种具有极佳传输特性的大容量及高速的混合光纤链路。这是现存DSF可以被使用的一个相当大的优点。

                    发明概述

因而，本发明者考虑如何提供一种可以补偿在L-波段的DSF色散的色散补偿光纤，并且经过各种各样的研究成功地完善了本发明。

本发明考虑了至今未研制出的且能够补偿在L-波段DSF累积色散的适于色散补偿光纤的特性，以及各种设计条件如取得这些特性所必要的折射率分布并且完善了如下所描述的本发明。

为了实现上述目的，根据本发明的色散补偿光纤包括一个中心芯体部分、围绕中心芯体部分所提供的中间芯体部分、围绕中间芯体部分所提供的环形芯体部分及环绕环形芯体部分所提供的包覆层，其中色散补偿光纤的折射率分布是这样的，即中间芯体部分具有比中心芯体部分低的折射率，环形芯体部分具有比中间芯体部分的折射率高且比中心芯体部分的折射率低的折射率，并且包覆层具有低于或等于环形芯体部分折射率且高于中间芯体部分折射率的折射率；并且当色散补偿光纤与满足下述条件的色散移位光纤相链接时，在波长从1.565微米至1.625微米的所有或者部分波段中残余色散低于±1.5ps/nm/km，其中这些条件是：(A)在1.565微米波长处实际上已获得单模传输(B)零色散波长在1.55微米±0.05微米的范围内(C)在处于1.525微米至1.575微米之间的所有波长时，色散大于或等于-3.5ps/nm/km且小于或等于+3.5ps/nm/km(D)在零色散时的色散斜率大于或等于+0.05ps/nm²/km且小于或等于+0.085ps/nm²/km。

根据本发明的色散补偿模块采用如上所述的色散补偿光纤。

根据本发明的混合光纤链路包括如上所述的色散补偿光纤以及一个色散移位光纤，此色散移位光纤与所述色散补偿光纤相链接且满足下述条件：(E)在1.565微米波长处实际上已实现单模传输(F)零色散波长在1.55微米±0.05微米的范围内(G)在处于1.525微米至1.575微米之间的所有波长时，色散大于或等于-3.5ps/nm/km且小于或等于+3.5ps/nm/km(H)在零色散的色散斜率大于或等于+0.05ps/nm²/km且小于或等于+0.085ps/nm²/km。

虽然上面使用了(A)至(D)及(E)至(H)不同的符号，但是它们表示相同的内容，(A)至(D)对应于(E)至(H)。

根据本发明，DSF的色散在L-波段可以被补偿。因此，采用现存的DSF可以提供适合于WDM传输和远距离传输的混合光纤链路。

                    附图的简要说明

图1是根据本发明的一个实施例的色散补偿光纤的折射率分布实例示意图。

图2A是表示在根据本发明的一个实验实例的一个色散补偿光纤中、在一个DSF中及在一个混合光纤链路中波长与色散之间关系的图形。

图2B是表示在根据本发明的一个实验实例的混合光纤链路中波长与残余色散之间关系的放大图形；以及

图3是表示一个混合光纤链路示意性构造的方框图。

图4是表示色散补偿光纤光学特性的图表。

图5是表示在1550纳米波段所获得的除截止波长以外的所有光学特性的测量。

图6是表示按照与实验实例相同的方法所制造的色散补偿光纤的特性的图表。

图7是表示当色散补偿光纤被连接到DSF时每一公里的色散的图表。

             优选实施例的详细说明

图1是根据本发明的一个实施例的色散补偿光纤的折射率分布实例示意图。

所述色散补偿光纤包括芯体4和环绕芯体4所提供的包覆层5。芯体4包括一个处于中心的中心芯体部分1、中间芯体部分2和环形芯体部分3。中间芯体部分2和环形芯体部分3是环绕着中心芯体部分1按顺序地且同心地被布置。即，色散补偿光纤具有四-区域结构。

中间芯体部分2具有比中心芯体部分1低的折射率，而且环形芯体部分3具有比中间芯体部分2的折射率高且比中心芯体部分1的折射率低的折射率。包覆层5具有比环形芯体部分3的折射率低但比中间芯体部分2的折射率高的折射率。

环形芯体部分3优选地应该具有比包覆层5的折射率高的折射率；但是，取决于传输系统所要求的特性，环形芯体部分3可能具有与包覆层相同的折射率，从而造成折射率分布具有三-区域结构。

在许多情况下，折射率分布的实际形状并不是象在如图1所描述的在区域之间具有明显的边界，而且实际的曲线更为平缓，但是仅需要折射率分布实际上与图1所示的折射率分布相似。

色散补偿光纤由石英类的玻璃组成，而且在这个实例中，中心芯体部分1和环形芯体部分3包括掺杂锗的石英玻璃，中间芯体部分2包括纯石英玻璃或掺杂有氟的石英玻璃，且包覆层5包括纯石英玻璃或掺杂有氟的石英玻璃。色散补偿光纤可以通过将由众所周知的方法如VAD、MCVD或PCVD所获得的光纤基材料进行拉伸的传统方法制造。

在图1中，参考符号Δ1、Δ2和Δ3分别表示中心芯体部分1、中间芯体部分2和环形芯体部分3相对于包覆层5(即当包覆层5被用做参考{零})的相对折射率差。当中心芯体部分1、中间芯体部分2、环形芯体部分3及包覆层5的折射率分别为n₁、n₂、n₃和n_clad时，则Δ1、Δ2和Δ3被定义如下：

Δ1＝(n₁ ²-n_clad ²)/2n₁≈(n₁-n_clad)/n₁≈(n₁-n_clad)/n_clad

Δ2＝(n₂ ²-n_clad ²)/2n₂≈(n₂-n_clad)/n₁≈(n₂-n_clad)/n_clad

Δ3＝(n₃ ²-n_clad ²)/2n₃≈(n₃-n_clad)/n₁≈(n₃-n_clad)/n_clad

此外，在图1中，参考符号“a”和“b”分别表示中心芯体部分1和中间芯体部分2的半径。参考符号“c”表示环形芯体部分3的半径，即芯体4的半径。

通过适当地设定上述色散补偿光纤的结构参数，如主要地是Δ1、Δ2、Δ3、c、b/a和c/a，有可能提供具有能够在所有或部分L-波段中补偿DSF的累积色散这样特性的色散补偿光纤。

色散补偿光纤的色散绝对值越大，则能够补偿DSF的累积色散的色散补偿光纤的长度(相对于DSF的长度)越短。就成本及传输损耗而言这正是所需要的。

根据本发明实施例的色散补偿光纤优选地应该具有负的色散斜率，以保证它来补偿DSF的正色散斜率。通过补偿色散斜率，有可能提供一种适用于WDM传输的混合光纤链路。

当色散补偿光纤的有效面积与DSF的有效面积之差变得太大时，则接头损失增加。为此，优选地色散补偿光纤的有效面积应该为一个适当的尺寸。

具体地，在1.60微米波长处，优选地根据本发明实施例的色散补偿光纤应该具有小于或等于-8ps/nm/km的色散、小于或等于-0.12ps/nm²/km的色散斜率、大于或等于10平方微米的有效面积及小于或等于70dB/m的弯曲损耗。

更为优选地是，色散补偿光纤应该具有小于或等于-18ps/nm/km的色散、小于或等于-0.30ps/nm²/km的色散斜率、大于或等于12平方微米的有效面积及小于或等于40dB/m的弯曲损耗。

虽然没有对色散和色散斜率最小值的特殊限制，但是实际上它们可以被分别设定成大于或等于-150ps/nm/km和-3.0ps/nm²/km。

虽然没有对有效面积最大值的特殊限制，但是实际上可以制造出具有小于或等于22平方微米的有效面积的色散补偿光纤。有效面积由下面的方程式来定义： $\mathrm{Aeff}=\frac{2\mathrm{\&pi;}\left\{{\&Integral;}_0^{\&infin;}r\right|E\left(r\right){|}^2\mathrm{dr}{\}}^2}{{\&Integral;}_0^{\&infin;}r|E\left(r\right){|}^4\mathrm{dr}}$

这里，r表示芯体半径且E(r)表示半径“r”的电磁强度。

虽然对在1.60微米波长处补偿的DSF的有效面积没有特殊的限制，但是该有效面积应该大于45平方微米，优选为大于50平方微米而且实际上小于近似60平方微米。

弯曲损耗的条件是：在1.60微米波长处曲折直径应该为20毫米。根据本发明实施例的色散补偿光纤具有1.565微米到1.625微米的处于长波侧的可用波段。当可用波段越远离长波侧则弯曲损耗趋向于变高，但是在根据本发明实施例的具有如上所述折射率分布的色散补偿光纤中，通过适当地选择并设计结构参数，在1.60微米波长处弯曲损耗可以被设定为小于或等于70dB/m，而且更优选地为小于或等于40dB/m。

当存在相当大的弯曲损耗时，由在制造、安装或在模块内部等时候所产生的曲折导致传输特性恶化。

根据本发明实施例的色散补偿光纤是一个单模光纤，因而必须具有在正使用的波段上在单模中能够被传输的截止波长。通过采用在ITU-T标准G.650中规定的方法所获得的一个数值通常被作为截止波长；但是即使当通过ITU-T方法所获得的截止波长的实际长度大于1.565微米时，它仍然可以单模被传输，所述的1.565微米是根据本发明实施例的色散补偿光纤所用的最小波段。因此，对截止波长没有限制，其只需要适合于使用条件如所使用的长度。

为了保证色散补偿光纤具有这些所要求的特性，如图1所示，优选地是Δ1、Δ2、Δ3和c应该分别满足下述条件(1)-(4)：

(1)Δ1：大于或等于0.8％且小于或等于2.4％

(2)Δ2：大于或等于-2.0％且小于或等于-0.5％

(3)Δ3：大于或等于0％且小于或等于0.7％

(4)C：大于或等于5微米且小于或等于17微米

在(1)中，当Δ1小于0.8％时，色散的绝对值变得非常小，增加了色散光纤所使用的长度(必要的长度)；当Δ1超出2.4％时，有效面积可能减小且传输损耗更有可能要增加。

在(2)中，当Δ2超出-0.5％时，色散补偿光纤不能充分地补偿DSF的色散斜率；并且当Δ2低于-2.0％时，存在传输损耗要大大增加的危险。

在(3)中，当Δ3超出0.7％时，截止波长变得更长，造成不可能保证单模传输；当Δ3小于或等于0％时有效面积非常小，而且因此传输特性恶化。为了取得Δ3大于或等于0％这样所要求的效果，则Δ3实际上必须大于或等于0.05％。

在(4)中，当c小于5微米时，弯曲损耗增加，而且微弯曲效应等可能会进一步增加损耗；当c超出17微米时，截止波长变得非常长，造成不可能保证单模传输。

此外，优选地b/a应该在1.5至3.5之间。当b/a低于这个最小值时，微弯曲效应等可能会增加损耗，且当b/a大于此最大值时，Aeff趋向减小。

对包覆层5的外直径没有特殊的限制，该直径通常约为125微米。

上述的色散补偿光纤的优选色散特性和色散斜率特性以及采用色散补偿光纤的混合光纤链路的优选色散特性并不总是能够通过任意地从(1)至(4)所定义的数字范围中选择数值并且在设计中采用这些数值而获得，但是可能通过对上述结构参数的适当组合而获得。因此，由于本发明的实施例不能够由其折射率分布和结构参数来规定，所以在此由其折射率分布和特性数值来规定。不用说至今还没有实现具有这些特性的色散补偿光纤。一旦本领域的工作人员已经进行从(1)至(4)中所选择出的数字值组合的反复试验，则可以获得根据本发明实施例的色散补偿光纤。

由根据本发明实施例的色散补偿光纤所补偿的DSF通常由ITU-T的G.653来定义，而且满足下述(A)至(D)的条件：

(A)在1.565微米波长处实际上已获得单模传输。

(B)零色散波长在1.55微米±0.05微米的范围内。

(C)在处于1.525微米至1.575微米之间的所有波长时，色散大于或等于-3.5ps/nm/km且小于或等于+3.5ps/nm/km。

(D)在上面的零色散波长处的色散斜率大于或等于+0.05ps/nm²/km且小于或等于+0.085ps/nm²/km。

关于截止波长，只要条件(A)得以满足，则在L-波段可能实现单模传输。

DSF由石英类的玻璃组成，而且假如其特性满足上述(A)至(D)的条件，则没有其它的如与其折射率分布有关的条件。例如，可以接受具有台阶式折射率分布的DSF。在台阶式的折射率分布中，芯体包括中心芯体部分和环绕中心芯体部分所提供的台阶芯体部分以及环绕台阶芯体部分而提供的包覆层。在上述这些中，中心芯体部分具有最大的折射率，其次是台阶芯体部分，最后是包覆层。例如中心芯体部分和台阶芯体部分包括掺杂锗的石英玻璃等，且包覆层包括纯石英玻璃等。

根据本发明实施例的色散补偿光纤在1.565微米到1.625微米之间的全部或部分波长范围内补偿这种类型DSF的累积色散，而且可以被用来构造一个具有低残余色散的混合光纤链路。

在利用色散补偿光纤和DSF构造混合光纤链路时，所采用的长度由色散补偿光纤和DSF的色散来确定。例如，将所采用的DSF长度乘以DSF每单位长度的色散而获得的数值便是DSF的总色散。通过采用具有一个长度的色散补偿光纤，逻辑上可以将混合光纤链路的残余色散变成零，其中当所述数值除以色散补偿光纤每单位长度的残余色散时便得到上述的色散补偿光纤的一个长度。

通常色散补偿光纤的长度应该小于或等于DSF长度的一半，而且优选为在三分之一到二十分之一之间。当色散补偿光纤太长时，其传输特性恶化且成本增加。

即使采用一个相对短的色散补偿光纤，当根据本发明实施例的色散补偿光纤与满足上述的(A)到(D)条件的DSF相链接以构成混合光纤链路时，在从1.565微米到1.625微米的全部或部分波长范围内该混合光纤链路的残余色散可以被保持在低于±1.5ps/nm/km，且优选为低于±0.8ps/nm/km。

此外，根据本发明实施例的色散补偿光纤在混合光纤链路中可以被用作为一个模块。通过将色散补偿光纤作为一个模块使用，空间效率可以提高。

对所述模块的配置没有特殊的限制。在一个实例中，色散补偿光纤沿着由陶瓷和金属等组成的圆柱体的侧面被缠绕，而且被容纳在由与圆柱体相同材料构成的盒子里。混合光纤链路可以例如通过这样的方法被构造，即将引线光纤连接到被缠绕的色散补偿光纤模块的两端上、将引线光纤从盒子壁上所提供的两个孔中抽出、将引线光纤插入到DSF的中间并在此将它们连接。

图3所示为混合光纤链路11的示意性构造；参考数字12表示一个DSF、13表示一个色散补偿光纤模块且14表示一个站。

                   实验实例

随后，本发明的实施例将被更详细地加以解释，但是结构参数等的数值当然并不被局限于在这些实例中所用的那些数值。

具有如图4所示结构参数的色散补偿光纤被制造；图4还显示出色散补偿光纤的光学特性。包覆层的外直径约为125微米。

在图4中，“2mλc”表示通过ITU-T标准的G.650所规定方法而获得的在2米参考长度下的截止波长的测量。传输损耗、色散、色散斜率、Aeff(有效面积)和弯曲损耗的测量都是在1600纳米的波长下取得的。

具有台阶式折射率分布且具有如图5所示的光学特性的DSF被制造。在图5中，除截止波长以外的所有光学特性的测量都是在1550纳米的波长下获得的。

这种DSF的中心芯体部分和台阶芯体部分的半径分别是2.1微米和9.8微米。包覆层的外直径约为125微米。中心芯体部分和台阶芯体部分相对于包覆层的相对折射率差分别是0.65％和0.05％。

然后，通过将20公里长的光色散补偿光纤与132公里长的上述DSF相链接便构成了混合光纤链路。这些光纤的长度被设定成能够在1.565微米到1.625微米的波段取得整个混合光纤链路的最小残余色散。

图6和7所示为按照与上述实例相同的方法所制造的色散补偿光纤的特性，以及当色散补偿光纤被连接到DSF时每一公里的色散。DSF的长度是132公里，与上述实例的长度相同。如图6和7所示，通过适当地设定折射率分布，则可能增加有效面积Aeff、降低残余色散、缩短色散补偿光纤的长度并实现其它此类的设计改善。

图2A是表示在色散补偿光纤和DSF情况下及在混合光纤链路(在图2A中被缩写成链路)情况下色散与波长之间关系的图形。图2B是表示在混合光纤链路情况下残余色散与波长之间关系的放大图形。

如图2B所示，整个混合光纤链路的残余色散在L-波段是-92至+92ps/nm，且每公里的残余色散是-0.6至+0.6ps/nm/km。这个数值对于在例如L-波段上在10Gb/s的WDM传输已足够。

因此，本发明的实验实例清楚地证实：在L-波段上DSF的色散可以被充分地补偿到能够保证DSF被应用到WDM传输。

Claims (11)

1.一种色散补偿光纤包括：

中心芯体部分(1)；

环绕中心芯体部分所提供的中间芯体部分(2)；

环绕中间芯体部分所提供的环形芯体部分(3)；以及

环绕环形芯体部分所提供的包覆层(5)，

其中色散补偿光纤的折射率分布是这样的，即中间芯体部分具有比中心芯体部分低的折射率，环形芯体部分具有比中间芯体部分的折射率高且比中心芯体部分的折射率低的折射率，并且包覆层具有低于或等于环形芯体部分折射率且高于中间芯体部分折射率的折射率；并且

当色散补偿光纤与满足下述条件的色散移位光纤相链接时，在波长从1.565微米至1.625微米的所有或者部分波段中残余色散低于±1.5ps/nm/km，其中这些条件是：

(A)在1.565微米波长处实际获得单模传输

(B)零色散波长在1.55微米±0.05微米的范围内

(C)在处于1.525微米至1.575微米之间的所有波长时，色散大于或等于-3.5ps/nm/km且小于或等于+3.5ps/nm/km

(D)在零色散波长时的色散斜率大于或等于+0.05ps/nm²/km且小于或等于+0.085ps/nm²/km。

2.如权利要求1所述的色散补偿光纤，其中当与色散移位光纤相链接时残余色散低于±0.8ps/nm/km。

3.如权利要求1所述的色散补偿光纤，其中在1.60微米波长处，色散小于或等于-8ps/nm/km、色散斜率小于或等于-0.12ps/nm²/km、有效面积大于或等于10平方微米及弯曲损耗小于或等于70dB/m。

4.如权利要求1所述的色散补偿光纤，其中在1.60微米波长处，色散小于或等于-18ps/nm/km、色散斜率小于或等于-0.3ps/nm²/km、有效面积大于或等于12平方微米及弯曲损耗小于或等于40dB/m。

5.如权利要求1所述的色散补偿光纤，其中中心芯体部分相对于包覆层的相对折射率差大于或等于0.8％且小于或等于2.4％；中间芯体部分相对于包覆层的相对折射率差大于相对的-2.0％且小于或等于-0.5％；环形芯体部分相对于包覆层的相对折射率差大于0％且小于或等于0.7％；且环形芯体部分的半径大于或等于5微米且小于或等于17微米。

6.根据权利要求1所述的色散补偿光纤，其中中间芯体部分的半径与中心芯体部分的半径的比率在1.5至3.5之间。

7.根据权利要求5所述的色散补偿光纤，其中环形芯体部分相对于包覆层的相对折射率差大于或等于0.05％且小于或等于0.7％。

8.一种采用如权利要求1所述的色散补偿光纤的色散补偿模块。

9.一种混合光纤链路，包括：

如权利要求1所述的色散补偿光纤；以及

与色散补偿光纤相链接且满足下述条件的一种色散移位光纤：

(E)在1.565微米波长处实际获得单模传输

(F)零色散波长在1.55微米±0.05微米的范围内

(G)在处于1.525微米至1.575微米之间的所有波长时，色散大于或等于-3.5ps/nm/km且小于或等于+3.5ps/nm/km

(H)在零色散波长时的色散斜率大于或等于+0.05ps/nm²/km且小于或等于+0.085ps/nm²/km。

10.根据权利要求9所述的混合光纤链路，其中色散补偿光纤的长度小于或等于色散移位光纤长度的一半。

11.如权利要求10所述的混合光纤链路，其中色散补偿光纤的长度是在色散移位光纤长度的三分之一至二十分之一之间。

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