CN1376273A - 用于海底应用的大有效面积低色散斜率光纤 - Google Patents

用于海底应用的大有效面积低色散斜率光纤 Download PDF

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Abstract

一种单模光波导纤维,它具有相当大的有效面积、1560nm处的负总色散和较低的色散斜率,该光纤具有分层纤芯,该纤芯包括中心层(10)、第一环形层(12)、第二环形层(14)和第三环形层(16)。每个纤芯层具有相对折射率百分比,以及内半径和外半径。从以下范围中选择每个纤芯层的相对折射率百分比和半径:中心层的相对折射率在大约0.4%到大约0.9%的范围内;第一环形层的相对折射率在大约－0.2%到大约0.1%的范围内;第二环形层的相对折射率在大约0.2%到大约0.5%的范围内;第三环形层的相对折射率在大约－0.2%到大约0%的范围内;中心层的外半径(40)在大约2.3μm到大约4μm的范围内;第三环形层的中心半径(44)在大约7.8μm到大约10μm的范围内;第三环形层的宽度在大约0.5μm到大约3.5μm的范围内。

Description

用于海底应用的大有效面积低色散斜率光纤
该申请要求1999年9月29日提交的美国临时申请号60/156,764的优先权和利益。
                      发明背景
1.技术领域
本发明针对用于电信系统的单模光波导纤维，尤其，针对一种波导纤维，它能减小非线性色散效应，并结合了地下和海底应用中所期望的抗弯曲性、低衰减、和大有效面积的特征。
2.背景技术
要求长距离高功率传输的电信系统中通常需要光学放大器技术和波分复用技术。高功率和长距离的定义只在特定电信系统范围内有意义，其中指定了比特率、比特差错率、复用方案和可能的光学放大器。本领域熟练的技术人员知道有一些附加因素对高功率和长距离的含意有影响。然而，对于大部分情况，高功率是指光功率大于大约10mW。在一些应用中，1mW或更小的功率电平仍然对非线性效应敏感，所以在低功率系统中有效面积仍然是重要的考虑条件。长距离是指电子再生器之间的距离超过100km。再生器区别于使用光学放大器的中继器。尤其在高数据密度的系统中，中继器的间隔小于再生器间隔的一半。为了提供适当的波导用于多路传输，总色散应该低，但非零，并且在工作波长窗口上应该具有较低的斜率。
一般，具有较大有效面积Aeff的光波导纤维能减小非线性光效应，包括自相位调制、四波混合、交叉相位调制和非线性散射过程，所有这些都会引起光功率系统中的信号退化。具有分层纤芯的波导纤维一般可以提供大有效面积，并限制非线性光效应。
这些非线性效应的数学描述包括比值P/Aeff，其中P是光功率。例如，可以用包含exp[P×Leff/Aeff]项的方程来描述非线性光效应，其中Leff是有效长度。因此，Aeff增加将使得令光信号退化的非线性减小。具有多个分层的纤芯符合许多期望的功能特性，每一层都用折射率分布、相对折射率、和半径表征。
电信工业中要求在长距离上的大信息容量，而不再生电信号，这导致了对单模光纤折射率分布设计的重新评价。该重新评价的焦点是提供一种光波导：
减小如上述的非线性效应；
被优化成在大约1550nm波长范围上工作时具有较低的衰减；
可以与光学放大器兼容；和
保留波导的期望特性，如高强度、抗疲劳性和抗弯曲性。
需要1GB(gigabyte)、较高传输速率，以及超过100km再生器间隔的通信系统通常使用光学放大器技术或波分复用技术。因此，波导纤维制造者设计一种波导，它不易受较高功率信号或多路系统中可能发生的四波混合引起的非线性效应的影响。合适的波导纤维必须具有较低的线性色散和较低的衰减。此外，波导纤维必须在特定的延伸波长范围上显示出这些特性，以适应用于多信道传输的波分复用。
通常长度为几千千米的海底系统对波导纤维分布设计有更严格的要求。在这种系统中，非线性效应调制的不稳定性会引起严重的累积信号失真，因此造成系统性能退化。为了克服该问题，除了以上列出的光波导纤维特性之外，工作波长窗口上的波导色散最好是负的。
制造相对容易且允许管理色散的波导设计，因为它们的设计成本低和附加的灵活性，受到了青睐。这里描述的设计很适合于色散管理策略，其中波导色散沿波导纤维长度变化，使总色散在正负值之间变化。
美国专利号5,781,684通过引用结合于此，它揭示并描述了具有大有效面积的分层纤芯波导纤维。‘684专利中揭示的波导纤维分层纤芯的特征是至少一个纤芯层具有负的或相对折射率。本申请揭示并描述了提供一组独特功能特性的分层纤芯波导纤维。
                       发明内容
本发明符合对单模光波导纤维的需要，该光纤提供的优点是相对大的有效面积，以及在延伸的工作范围上具有实质上平坦的、负色散。
本发明涉及包括分层纤芯的单模光波导纤维。用折射率分布、相对折射率百分比以及内半径和外半径描述每个纤芯层。在这里所揭示本发明的两个实施例中，至少一个纤芯层具有负相对折射率百分比。光波导纤维还包括包围并接触纤芯、且具有折射率分布的包层。
在较佳实施例中，进一步选择折射率分布，以提供小于大约0.1ps/nm2-km的色散斜率。另一实施例中，色散斜率小于0.08ps/nm2-km，并保持在销钉阵列测试中的弯曲感应损耗小于9dB，较佳地小于8.8dB。
此外，还揭示并描述了几个实施例，其中侧向负荷弯曲引起的感应衰减损耗小于0.25dB/km，较佳地小于0.208dB/km。
现在将详细引用本发明的较佳实施例，在附图中说明了它的实例。每幅图中都显示了本发明中分层纤芯折射率分布的典型实施例。
                       附图说明
图1是具有四个纤芯层且第一和第三环形纤芯层为负相对折射率的光波导的波导纤维折射率分布图；
图2是具有四个纤芯层且第一和第三环形纤芯层为负相对折射率的光波导的波导纤维折射率分布图；和
图3是具有三个纤芯层且每个纤芯层都为正相对折射率的光波导的波导纤维折射率分布图。
               较佳实施例的详细描述
在以下详细描述中将给出本发明的附加特征和优点，通过该描述部分对于本领域熟练的技术人员是显而易见的，或者通过实施这里包括以下的详细描述、权利要求和附图中所述的发明，而理解本发明。
要知道以上一般描述仅仅是本发明的实例，它试图提供概述用于理解如权利要求所述本发明的特性和特征。所包括的附图用于提供对本发明进一步的理解，并结合成说明书的一部分。附图说明了本发明的各种特征和实施例，它和描述一起用于解释本发明的原理和操作。
定义
以下定义通常用于本技术领域。
—根据制作纤芯层所用材料的折射率定义纤芯层的半径。具体的纤芯层都有第一和最后折射率点。中心层的内半径为0，由于该层的第一点在中心线上。中心层的外半径是从波导中心线到中心层折射率最后点的半径。对于其第一点远离中心线的纤芯层，从波导中心线到该第一折射率点位置的半径就是该层的内半径。类似的，从波导中心线到该层最后折射率点位置的半径是该层的外半径。
可以用多种方法方便地定义纤芯层的半径。在该申请中，根据图形定义半径，以下将详细描述。
纤芯层半径和折射率的定义用于描述折射率分布，决不限制本发明。这里给出的定义由于要执行模型计算，因此定义必须使用得一致。使用图中标注的和详细描述中所述的几何定义进行以下表格中所列出的模型计算。
—有效面积通常定义为：
Figure A0081336500071
，其中积分界限为0到∞，E是与传播光关联的电场。
-使用Peterman II方法测量模场直径Dmf，其中2w=Dmf，，积分界限为0到∞。
—这里使用的纤芯层相对折射率Δ％，用以下等式定义：
Δ％＝100×(ni 2-nc 2)/2nc 2，其中ni是表示为i的折射率分布段中最大折射率，参考折射率nc是包层的最小折射率。纤芯层中的每一点都具有关联的相对折射率。最大相对折射率用于方便地表征一般形状已知的纤芯层。
—术语折射率分布是Δ％或折射率与选中纤芯层半径之间的关系。
-术语α分布是指一种折射率分布，它可用以下等式表示：n(r)＝n0(1-Δ(r/a)α)，其中r是纤芯半径，Δ定义如上，a是分布段中的最后点，α分布中第一点处的r值根据分布段第一点的位置来选择，α是定义分布形状的指数。其它的折射率分布还包括阶跃折射率、梯形折射率和圆形阶跃折射率，其中圆形通常是由于在折射率快速变化区域中的掺杂扩散而引起的。
—总色散定义为波导色散和材料色散的代数和。在本技术领域总色散也称为色散射。总色散的单位是ps/nm-km。
-折射率分布一般具有关联的形状不同的有效折射率分布。可以用有效折射率分布替换其关联的折射率分布，而不改变波导性能。
—波导纤维的抗弯曲性可表示为在规定测试条件下的诱发的衰减。这里提到的弯曲测试是销钉阵列弯曲测试，它用于比较波导纤维对弯曲的相对抗力。为了执行该测试，对基本上没有诱发弯曲损耗的波导纤维测量衰减损耗。然后，在通过销钉阵列的蜿蜒路径中编织波导纤维，并再次测量衰减。弯曲诱发的损耗是两次测量衰减值之差。该销钉阵列是一组十个圆柱形销钉排列成一排，并在一平面上保持固定的垂直位置。销钉中心之间的间隔是5mm。销钉的直径是0.67mm。在测试期间，施加充分的张力使蜿蜒编织的波导纤维符合销钉和纤维接触的销钉表面部分。
这里描述并揭示的分层纤芯光波导一般具有分层的纤芯。用折射率分布、相对折射率百分比Δi％和外半径ri描述每个纤芯层。r和Δ的下标i是指特定纤芯层。从包括波导长轴中线的最内纤芯层开始，将纤芯层标号从1到n。具有折射率nc的包层包围纤芯。
选择每个纤芯层的半径、相对折射率百分比、和折射率分布，以提供：在1550nm处，衰减不大于0.25dB/km；零色散波长在大约1570到大约1600nm的范围内；1560nm处的总色散在大约-1.0ps/nm-km到大约-3.0ps/nm-km的范围内；色散斜率小于0.1ps/nm2-km；1500nm处的有效面积大于60μm2；电缆形式的光纤的截止波长小于大约1500nm。本申请的新颖分层纤芯设计显示了以上列出的所需特性。
图1中显示了纤芯折射率分布的一般表示，它显示了绘出的相对折射率百分比对波导半径。虽然图1只显示了四个不连续的片段，但是要知道可以通过形成具有不止四个纤芯层的纤芯来满足功能要求。然而，具有较少纤芯层的实施例通常易于制造，因此是较佳地。
具有正Δ％的非邻接纤芯层10和14以及具有负Δ％的非邻接纤芯层12和16显示了新颖波导纤维的折射率分布结构特征。具有正、负Δ％的纤芯层可以通过不止一个纤芯层分离。可以调节与每个纤芯层关联的折射率分布，以达到提供所需波导纤维特性的纤芯设计。
图2显示了新颖波导纤维纤芯设计的一种变化。在该设计中，具有正Δ％的纤芯层20和24仍然是第一和第三纤芯层，具有负Δ％的纤芯层22和26仍然是第二和第四纤芯层。然而，如下所述，改变了与第一和第二纤芯层关联的特性。
图3显示了新颖波导纤维纤芯设计的另一变化。在这种情况下，分别提供纤芯的第一、第二和第三纤芯层30、32和34。如实例3中所讨论的，与第三实施例关联的特性不同于第一和第二实施例。
要注意到各幅图1、2和3中的线18、28和36表示包层的折射率，它用于计算纤芯层的Δ％特征。此外，图1、2和3中阶跃分布的圆角，以及中线折射率下陷19、29和39是由于波导纤维制造期间掺杂剂的扩散。例如在掺杂步骤中可以补偿这种扩散，但是通常是不必要的。
                          实例1
图1是具有四个纤芯层10、12、14和16以及内包层18的新颖波导纤芯的实施例。中心纤芯或第一纤芯层10具有大约为0.456％的相对折射率Δ1，和大约为2.555μm的外半径40，r1。第一包围环形层或第二纤芯层12具有大约为-0.075％的折射率Δ2％。中心纤芯层10的外半径r1也是第一环形层12的内半径。该惯例可一致地用于所有实例和相应的特征。因此，半径r1是中心层和第一环形层的交集。在这种情况下，交点被定义为中心层10折射率分布的外推向下部分(表示为线11)和水平轴13的交点，水平轴被定义为通过折射率分布中最负点的轴。
第一环形层12的外半径42，r2为大约8.55μm，它是从光纤中线测量到第二环形层24上升部分中一半最大相对折射率点处的垂直线。用包层，也就是Δ％＝0作为参考，确定最大值一半处的点。例如，在图1中，第2环形层的相对折射率Δ3％为大约0.4％，因此，相对于包层的Δ％＝0，大小为大约0.4％。垂直虚线15依赖于0.2％的点，它们是Δ3％中最大值的一半。第二环形层的中心半径44为大约9.2μm，而第二环形层的外半径r3，46为大约9.85μm。第二环形层14的宽度为大约1.3μm。第四纤芯层或第三环形层的相对折射率Δ4％为大约-0.1％。
对于具有多于一个环形层的分布，最外环形层被表征为从该纤芯层几何中心的中线处画出的半径r4，48。通过将垂直线15和21之间的距离23分成两半，确定几何中心，其中垂直线15和21是从界定最外环形层的折射率分布中一半大小相对折射率点处画出的。如上所述，从最负的Δ％所确定的水平线起测量大小。距离24是第三环形层的宽度。在实例1中，第三环形层的外半径r4，48为17.43μm。
表1中给出了使用计算机模型计算的图1中波导纤维的特性。
            表1
 0色散波长(nm)     1581.5
色散斜率(ps/nm2.km)     0.0774
模场直径(μm)     9.4
有效面积(μm2)     71
光缆截止波长(nm)     1350
销钉阵列弯曲损耗(dB)     8.6
衰减(dB/km)     0.208
在该实例中，有效面积为大约71μm2，销钉阵列弯曲损耗为大约8.6dB，所得波导的衰减为大约0.208dB/km。
                         实例2
图2中显示了新颖波导的另一实施例，它具有四个纤芯层，包括中心层20、第二纤芯层或第一环形层22、第三纤芯层或第二环形层24和第四纤芯层或第三环形层26。在该实例中，中心层20和第二环形层24具有正相对折射率，Δ1％和Δ3％分别为大约0.679％和大约0.4％。第一环形层22和第三环形层26具有负折射率，Δ2％和Δ4％分别为大约-0.075％和大约-0.1％。
使用图1中的惯例计算第二实施例的半径。中心层20的半径50，r1为大约3.62μm。第一环形层22的外半径52，r2为大约8.85μm。第二环形层的中心半径54为大约9.5μm，而第二环形层24的外半径56，r3为大约10.15μm。第三环形层的中心半径r4，58为大约16.63μm。
表2列出了图2中折射率分布所计算出的特性。
              表2
 0色散波长(nm)     1580.9
色散斜率(ps/nm2.km)     0.0774
模场直径(μm)     9.5
有效面积(μm2)     70
光缆截止波长(nm)     1350
销钉阵列弯曲损耗(dB)     8.8
衰减(dB/km)     0.200
在该实例中，有效面积为大约70μm2，销钉阵列弯曲损耗为大约8.8dB，所得波导的衰减为大约0.200dB/km。
                           实例3
本发明的另一实施例是如图3所示的新颖波导，它具有三个纤芯层，包括中心纤芯或第一纤芯层30，第一环形层或第二纤芯层32、和第二环形层或第三纤芯层34。在该实例中，每个纤芯层都具有正的相对折射率。具体而言，中心纤芯层30具有正的折射率Δ1％，为大约0.88％，第一环形层32具有正的相对折射率为大约0.025％，第二环形层34具有正的相对折射率为大约0.4％。
根据上述惯例计算第三实施例中纤芯层的半径。中心层30的外半径r1，60为大约3.00μm。第一环形层32的外半径r2，62为大约7.7μm。第二环形层的中心半径64为大约8.2μm，外半径r3，66为大约8.7μm。
表3列出了图2中折射率分布所计算出的特性。
            表3
 0色散波长(nm)     1576.7
色散斜率(ps/nm2.km)     0.0993
模场直径(μm)     9.5
有效面积(μm2)     70
光缆截止波长(nm)     1400
销钉阵列弯曲损耗(dB)     27
衰减(dB/km)     0.202
在实例3中，有效面积为大约71μm2，销钉阵列弯曲损耗为大约27dB，所得波导的衰减为大约0.202dB/km。
图1、2和3的分布是分布组中的成员，该分布组显示与表1、2和3中所示类似的性能。根据图1、2和3并具有实质类似功能参数的折射率分布组具有在各个范围内的相对折射率，在中心层中Δ1％为大约0.4％到大约0.9％，在第一环形层中Δ2％为大约-0.2％到大约0.1％，在第二环形层中Δ3％为大约0.2％到大约0.5％，在第三环形层中Δ4％为大约-0.2％到大约0％。在各个区域内分布组中相应的半径为，r1为大约2.3μm到大约4μm，第二环形层的中心半径为大约7.8μm到大约10μm。第二环形层的宽度在大约0.5μm到大约3.5μm的范围内。这些半径还对应于在大约22μm到大约35μm范围内的内包层半径。
使用本领域熟练的技术人员所知的制造技术可以实现根据本发明制造的光纤的折射率和截面分布。
对本领域熟练的技术人员显而易见的是，不脱离以下权利要求书所定义本发明的精神或范围，可以进行对这里所述本发明较佳实施例的各种改变。

Claims (17)

1.一种单模光波导纤维，其特征在于，它包括：
纤芯区域，具有中心层、第一环形层、第二环形层和第三环形层，每个所述的纤芯层具有相对折射率百分比，以及内半径和外半径；和
包围并接触纤芯的包层，包层具有相对折射率百分比；以及
其中每个纤芯层的相对折射率百分比和半径都选自以下范围：
中心层的相对折射率在大约0.4％到大约0.9％的范围内；
第一环形层的相对折射率在大约-0.2％到大约0.1％的范围内；
第二环形层的相对折射率在大约0.2％到大约0.5％的范围内；
第三环形层的相对折射率在大约-0.2％到大约0％的范围内；
中心层的外半径在大约2.3μm到大约4μm的范围内；
第二环形层的中心半径在大约7.8μm到大约10μm的范围内；和
第二环形层的宽度在大约0.5μm到大约3.5μm的范围内。
2.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，进一步选择相对折射率和半径，以提供1560nm处在-1.0ps/nm-km到-3.0ps/nm-km范围内的负的总色散，以及光波导纤维内的色散斜率小于大约0.1ps/nm2-km。
3.如权利要求2所述的单模光波导纤维，其特征在于，色散斜率小于0.08ps/nm2-km。
4.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，至少两个非邻接的纤芯层具有正的折射率，以及至少两个非邻接的纤芯层具有负的折射率。
5.如权利要求4所述的单模光波导纤维，其特征在于，光纤的销钉阵列弯曲损耗小于大约20dB，较佳地为大约8.6dB。
6.如权利要求5所述的单模光波导纤维，其特征在于，光波导纤维的衰减小于大约0.25dB，较佳地为大约0.200dB。
7.如权利要求2所述的单模光波导纤维，其特征在于，每个纤芯层的折射率从大约0％到大约0.9％。
8.如权利要求7所述的单模光波导纤维，其特征在于，销钉阵列弯曲损耗小于大约27dB。
9.如权利要求8所述的单模光波导纤维，其特征在于，光波导纤维的衰减小于0.25dB/km，较佳地小于0.202dB。
10.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，至少一个纤芯层具有负相对折射率。
11.如权利要求1所述的单模光波导纤维，其特征在于，至少两个非邻接的纤芯层具有正的折射率，至少两个非邻接的纤芯层具有负的折射率。
12.一种单模光波导纤维，其特征在于，它包括：
纤芯区域，具有中心层、第一环形层、和第二环形层，每个所述的纤芯层具有正的相对折射率百分比，以及内半径和外半径；和
包围并接触纤芯的包层，包层具有相对折射率百分比；以及
其中每个纤芯层的相对折射率百分比和半径都选自以下范围：
中心层的相对折射率在大约0.4％到大约0.9％的范围内；
第一环形层的相对折射率在大约-0.2％到大约0.1％的范围内；
第二环形层的相对折射率在大约0.2％到大约0.5％的范围内；
中心层的外半径在大约2.3μm到大约4μm的范围内；
第三环形层的中心半径在大约7.8μm到大约10μm的范围内。
13.如权利要求12所述的单模光波导纤维，其特征在于，进一步选择相对折射率和半径，以提供1560nm处在-1.0ps/nm-km到-3.0ps/nm-km范围内的总色散，以及光波导纤维内的色散斜率小于大约0.1ps/nm2-km。
14.如权利要求13所述的单模光波导纤维，其特征在于，色散斜率小于0.08ps/nm2-km。
15.如权利要求14所述的单模光波导纤维，其特征在于，销钉阵列弯曲损耗小于大约27dB。
16.如权利要求15所述的单模光波导纤维，其特征在于，光波导纤维的衰减小于0.25dB/km，较佳地小于0.202dB。
17.如权利要求12所述的单模光波导纤维，其特征在于，光波导纤维的衰减小于0.25dB/km，较佳地小于0.202dB。
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