CN1424599A - 大容量传输用低斜率色散位移单模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大容量传输用低斜率色散位移单模光纤。它包括有一纤芯和一包层，其特征在于纤芯设有3－5个不同折射率分布的纤芯分层，包层包括有4－6个包层分层。光纤在1550nm处的总色散斜率小于0.060ps/nm2·km，零色散波长小于1420nm，有效面积在55μm2～65μm2之间，1530nm～1565nm范围内的色散在5.0～12.0ps/nm·km之间。本发明具有色散斜率低、色散大小适中、低衰减和优异的抗弯曲性能。适用于高速(10Gbit/S和40Gbit/S)、大容量、长距离的DWDM系统，不仅能有效解决困扰高速通信的非线性问题，而且可在更宽的波长范围内实现10Gbit/S以上的DWDM传输。同时低色散斜率有利于对色散进行全面的管理，满足长距离无电中继的传输。

Description

大容量传输用低斜率色散位移单模光纤
                          技术领域
本发明涉及一种为大容量传输系统而设计的单模光纤。该单模光纤具有色散斜率低、色散大小适中、低衰减和优异的抗弯曲性能。适用于高速(10Gbit/S和40Gbit/S)、大容量、长距离的DWDM系统，此光纤的S-C-L波段均可用于DWDM传输。
                       背景技术
20世纪90年代中期以来，随着掺铒光纤放大器和波分复用技术的发展，光纤通信进入前所未有的高速发展阶段。光纤通信容量每年翻一翻，目前商用传输系统的速率已经达到了10Gbit/S，容量达到1.6T的水平。当传输速率超过2.5Gbit/S，以及随着光纤放大器的实用，色散取代衰减成为长距离传输的主要限制因素。随着波分复用的发展，人们发现各波长之间的非线性效应(如四波混频、自相位调制、交叉相位调制等)对系统的影响限制了系统容量的扩大。为了抑制DWDM系统中非线性的影响，在传输波段需要适量的色散值。因而光纤技术的发展从零色散位移光纤过渡到非零位移光纤。目前已经公布了一系列的这种光纤的设计和生产专利，如中国专利98121639.0公布了一种较大有效面积非零色散位移光纤和其制造方法，这种光纤目前已经广泛的用于通信骨干网络的建设中。传输容量的进一步扩大就促使人们考虑充分利用光纤的带宽资源，而放大器的使用范围已经从C-波段延伸到了L-波段，同时可用于更宽波长范围的新型放大器的研究取得了很大突破，有报道目前光纤拉曼放大器的增益带宽已达132nm，在1480～1620nm范围内增益可达30dB，市场上已有用于40Gbit/S系统和C、L波段的光纤拉曼放大器模块。但目前的非零色散位移光纤的零色散点位于S波段，从而使S-波段不能用于DWDM传输，而且在C和L波段的色散斜率偏大，一般在0.08ps/nm2·km以上，这造成在利用色散补偿技术进行色散管理时，除中心波长范围外，边带波长很难完全补偿，传输波长范围越宽，边带波长的残余色散越大。这个问题对10Gbit/S以下的系统的影响不大，但40Gbit/S的高速系统，要求精确的色散管理，色散斜率会造成很大问题。这就要求降低光纤的色散斜率，以减小随距离增加而扩大的长、短波长色散的差异，以充分利用带宽。在大容量、高速传输系统中，非线性效应影响更为强烈，这就要求适当的提高光纤的色散值，以抑制由非线性效应带来的影响。在中国专利公报00806764.3申请文本中，有一种实施例，采用中心下陷的三角型结构，其色散斜率下降到0.073ps/nm2·km，但零色散点为1499nm，没能移出S-波段且色散斜率仍偏高。而在美国专利6396987 B1中公布了一种光纤，它的有效面积在60μm2以上，色散斜率小于0.07ps/nm2·km，1550nm的色散在7～9ps/nm·km之间，零色散点在1400～1440nm，光纤截止波长约1600nm以上，1550nm衰耗小于或等于0.23dB/km。在此专利中，光纤芯层是采用梯形折射率和中心下陷的阶跃折射率分布。在中国专利公报00802639.4申请文本中也给出了一种阶跃型的折射率分布，其所得光纤1550nm的色散在7～15ps/nm·km之间，色散斜率也小于0.07ps/nm2·km。
然而，现有的低色散斜率光纤由于光纤剖面分层少、结构较为简单，芯层折射率分布形状的控制参数相对较少，因而对光纤参数难于精确控制，所以光纤的色散、色散斜率、有效面积与衰减特性等不容易进行平衡和控制。在批量生产中上述情况更为突出。本发明一些术语的定义和说明：
相对折射率差Δ％＝[(ni 2-nc 2)/2ni 2]×100
式中ni为第i层的光纤折射率，nc为包层纯二氧化硅玻璃部分的折射率，在本申请中它作为参考折射率；
折射率分布的定义是指在光纤的所选部分上相对折射率差Δ％或相对折射率与其半径之间的关系。
总色散定义为光纤波导色散和材料色散的代数和，在光纤通信领域，总色散被称为光纤的色散，其单位为ps/nm·km。
色散斜率表示色散值对波长的依赖性，是在横轴取为波长、纵轴取为色散值进行描绘时的曲线的斜率，其单位为ps/nm2·km。在波分复用系统中，如果传输线路的色散斜率大，则各波长之间的色散值的差值变大，整个传输特性会恶化。
有效面积Aeff为：
              Aeff＝2π(∫E2rdr)2/(∫E4rdr)
式中积分限为0到∞，并且E为与传播有关的电场。
DWDM是密集波分复用系统的缩写。
光纤的抗弯曲性能是指在规定测试条件下的附加衰减。其标准测试条件包括在直径75mm的芯轴上绕100圈和在直径32mm的芯轴上绕1圈。其过程是，先在正常条件下测试光纤的衰减；再按标准要求将光纤绕在芯轴上，测量衰减值；两种测试的差值即为增加的附加弯曲衰减。通常，弯曲导致的最大许可衰减以1310nm和1550nm的附加弯曲衰减为准，每种测试条件下弯曲附加衰减的单位为dB。在本申请中采用的是更为严格的弯曲测量方法，即采用绕在60mm的芯轴上100圈及32mm的芯轴上绕1圈的方式测量1550nm和1625nm处的附加衰减，并取最大值作为最后测量结果。
                          发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于高速、大容量传输系统的正非零色散位移单模光纤。它平衡了光纤传输的几个关键性能：色散、色散斜率、有效面积与衰减特性，从而不仅能有效解决困扰高速通信的非线性问题，而且可在更宽的波长范围内实现10Gbit/S以上的DWDM传输。同时低色散斜率有利于对色散进行全面的管理，满足长距离无电中继的传输。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案如下：包括有一纤芯和一包层，其特征在于纤芯设有3-5个不同折射率分布的纤芯分层，包层包括有4-6个包层分层。所述光纤在1550nm处的总色散斜率小于0.060ps/nm2·km，零色散波长小于1420nm，有效面积在55μm2～65μm2之间，1530nm～1565nm范围内的色散在5.0～12.0ps/nm·km之间。
按上述方案，所述纤芯通常包括设有3个不同折射率分布的纤芯分层，包层包括有4个包层分层，所述纤芯的第一纤芯分层Core1的相对折射率差ΔCore1％的范围约为0.35％至0.9％，直径ΦCore1的范围为2.0μm至7.0μm，第二纤芯分层相对折射率差ΔCore2％的范围约为0.25％至0.65％，直径ΦCore2的范围约为3.0μm至8.0μm，第三纤芯分层的相对折射率差ΔCore3％的范围约为0.1％至0.4％，直径ΦCore3的范围约为4.0μm至10.0μm；第一包层分层Clad1，其相对折射率差ΔClad1％的范围约为-0.2％至0.1％，直径ΦClad1的范围约为8.0μm至16.0μm，第二包层分层Clad2的相对折射率差ΔClad2％的范围约为0.1至0.4％，直径ΦClad2的范围约为12.0μm至25.0μm；第三包层分层Clad3的相对折射率差ΔClad3％的范围约为-0.2％至0.2％，直径ΦClad3的范围为19.0μm至30.0μm；第四包层分层为纯二氧化硅玻璃层，其折射率为纯二氧化硅玻璃折射率nc。
本发明光纤的较佳波导结构为包层分层中第一包层分层Clad1的相对折射率差ΔClad1％和第三包层分层Clad3的相对折射率差ΔClad3％均为负值；其各芯层分层和包层分层的参数范围为：第一纤芯分层Core1的参数为：ΔCore1％约为0.42±0.06(0.36～0.48)，
                       ΦCore1约为4.6±0.7μm(3.9～5.3μm)，第二纤芯分层Core2的参数为：ΔCore2％约为0.35±0.08(0.27～0.43)，
                       ΦCore2约为6.0±1.0μm(5.0～7.0μm)，第三纤芯分层Core3的参数为：ΔCore3％约为0.28±0.1(0.18～0.38)，
                       ΦCore3约为7.1±1.5μm(5.6～8.6μm)，第一包层分层Clad1的参数为：ΔClad1％约为-0.08±0.07(-0.01～-0.15)，
                       ΦClad1约为12.5±2.0μm(10.5～14.5μm)，第二包层分层Clad2的参数为：ΔClad2％约为0.18±0.07(0.11～0.25)，
                       ΦClad2约为18.1±2.0μm(16.1～20.1μm)，第三包层分层Clad3的参数为：ΔClad3％约为-0.08±0.07(-0.01～-0.15)，
                       ΦClad3约为27.0±2.5μm(24.5～29.5μm)，第四包层分层为纯二氧化硅玻璃层，其折射率为纯二氧化硅玻璃折射率nc。
本发明的有益效果在于：与以往的结构相比，有更多的光纤波导结构参数可以调节，如ΔCore1，ΦCore1，ΔCore2，ΦCore2，ΔCore3，ΦCore3，以及决定Core1形状的幂指数d等，因此多分层纤芯设计对光纤性能的控制更为精确，容易平衡色散、色散斜率、有效面积与衰减特性。
通过对光纤折射率分布的调整，可以得到所需的色散值、色散斜率和较大的有效面积，并具有较低的衰减和优异的弯曲性能。根据本发明，光纤在1550nm处的总色散斜率小于0.060ps/nm2·km，零色散波长小于1420nm，有效面积在55μm2～65μm2之间，1530nm～1565nm范围内的色散在5.0～12.0ps/nm·km之间，1550nm的衰耗小于或等于0.22dB/km；按照光纤的抗弯曲性能测试方法，在Φ60mm芯轴绕100圈的测试中，弯曲引起的附加衰减在1550nm和1625nm处均小于0.05dB，在Φ32mm芯轴绕1圈的测试中，弯曲引起的附加衰减在1550nm和1625nm处均小于0.5dB；在整个1530～1625nm波段衰减小于或等于0.23dB/km。这是目前最佳的传输窗口，因为它与EDFA的增益平坦范围相对应，可以用于高速率的DWDM传输。特别是由于ΔClad3采用了下陷结构，使截止波长下降至小于1310nm，从而可同时在本发明的宽带非零色散位移光纤上实现1310nm窗口进行单模传输。
本发明采用较复杂的光纤折射率分布实现色散、色散斜率、有效面积与衰减特性的平衡，并结合PCVD工艺所特有的精确控制折射率分布的能力，可高效率地得到所设计的性能。
                       附图说明图1是本发明实施例1中相对折射率差Δ％对直径的分布曲线示意图。图2是本发明实施例2中相对折射率差Δ％对直径的分布曲线示意图。图3是本发明实施例3中相对折射率差Δ％对直径的分布曲线示意图。
                       具体实施方式
实施例1：下面所列为图1所示的一组相对折射率差分布参数，纤芯各分层的参数为：第一纤芯分层Core1的参数为：ΔCore1％约为0.64，ΦCore1约为3.0μm第二纤芯分层Core2的参数为：ΔCore2％约为0.42，ΦCore2约为4.1μm第三纤芯分层Core3的参数为：ΔCore3％约为0.21，ΦCore3约为7.5μm第四纤芯分层Core4的参数为：ΔCore4％约为0.15，ΦCore4约为9.0μm包层各分层的参数为：第一包层分层Clad1的参数为：ΔClad1％约为0.04，ΦClad1约为15.0μm第二包层分层Clad2的参数为：ΔC1ad2％约为0.25，ΦClad2约为21.0μm第三包层分层Clad3的参数为：ΔClad3％约为0.04，ΦClad3约为27.0μm第四包层分层Clad4的参数为：ΔClad4％约为0.02，ΦClad4约为31.0μm最外层包层分层为纯二氧化硅玻璃层。所得光纤的特性如下：1550nm有效面积：56μm2，零色散波长：1415nm，在1550nm色散：7.4ps/nm·km，在1550nm色散斜率：0.054ps/nm2·km，光纤截止波长：1530nm，在1550nm衰耗：0.20dB/km，宏弯Φ60mm绕100圈，在1550nm和1625nm中附加衰耗的最大值：0.001dB，宏弯Φ32mm绕1圈，在1550nm和1625nm中附加衰耗的最大值：0.002dB。
实施例1所述光纤的特性在1550nm处的色散斜率小于0.055ps/nm2·kn，零色散波长移出了S-波段，而衰减及弯曲性能优异，成缆以后截止波长下降200到400钠米，光纤可以满足在S+C+L波段进行密集波分复用传输的需要。实施例2：下面所列为图2所示的一组相对折射率差分布参数，纤芯各分层的参数为：第一纤芯分层Core1的参数为：ΔCore1％约为0.42，ΦCore1约为4.6μm第二纤芯分层Core2的参数为：ΔCore2％约为0.35，ΦCore2约为6.0μm第三纤芯分层Core3的参数为：ΔCore3％约为0.28，ΦCore3约为7.1μm包层各分层的参数为：第一包层分层Clad1的参数为：ΔClad1％约为-0.10，ΦClad1约为11.5μm第二包层分层Clad2的参数为：ΔClad2％约为0.18，ΦClad2约为16.2μm第三包层分层Clad3的参数为：ΔClad3％约为0.02，ΦClad3约为29.0μm第四包层分层为纯二氧化硅玻璃层。所得光纤的特性如下：1550nm有效面积：64μm2，零色散波长：1395nm，在1550nm色散：7.4ps/nm·km，在1550nm色散斜率：0.043ps/nm2·km，光纤截止波长：1480nm，在1550nm衰耗：0.20dB/km，宏弯Φ60mm绕100圈，在1550nm和1625nm中附加衰耗的最大值：0.009dB，宏弯Φ32mm绕1圈，在1550nm和1625nm中附加衰耗的最大值：0.014dB。
实施例2所述光纤的特性在1550nm处的色散斜率小于0.050ps/nm2·km，零色散波长移出了S-波段，而衰减及弯曲性能优异，成缆以后截止波长下降200到400钠米，光纤可以满足在S+C+L波段进行密集波分复用传输的需要。
实施例3：下面所列为图3所示的一组相对折射率差分布参数，这是一种包层设有两个分层相对折射率差为负值的结构。纤芯各分层的参数为：第一纤芯分层Core1的参数为：ΔCore1％约为0.42，ΦCore1约为4.6μm第二纤芯分层Core2的参数为：ΔCore2％约为0.35，ΦCore2约为6.0μm第三纤芯分层Core3的参数为：ΔCore3％约为0.28，ΦCore3约为7.1μm包层各分层的参数为：第一包层分层Clad1的参数为：ΔClad1％约为-0.08，ΦClad1约为12.5μm第二包层分层Clad2的参数为：ΔClad2％约为0.18，ΦClad2约为18.1μm第三包层分层Clad3的参数为：ΔClad3％约为-0.08，ΦClad3约为29.0μm第四包层分层为纯二氧化硅玻璃层。所得光纤的特性如下：1550nm有效面积：61μm2，零色散波长：1390nm，在1310nm色散：-3.5ps/nm·km，在1550nm色散：8.3ps/nm·km，在1550nm色散斜率：0.050ps/nm2·km，光纤截止波长：1180nm，在1310nm衰耗：0.34dB/km，在1550nm衰耗：0.19dB/km，宏弯Φ60mm绕100圈，在1550nm和1625nm中附加衰耗的最大值：0.005dB，宏弯Φ32mm绕1圈，在1550nm和1625nm中附加衰耗的最大值：0.011dB。
实施例3所述光纤的特性在1550nm处的色散斜率小于0.055 ps/nm2·km，零色散波长移出了S-波段，而衰减及弯曲性能优异，光纤可以满足在S+C+L波段进行密集波分复用传输的需要。较小的截止波长，和较低的1310nm衰耗值使传统上的1310nm窗口也可用于单模传输，在非零色散位移光纤上实现了1310nm窗口进行单模传输。特别是实施例3中由于ΔClad3采用了下陷结构，使截止波长下降至小于1310nm，从而可同时在本发明的宽带非零色散位移光纤上实现1310nm窗口进行单模传输。采用标准测试方法，在Φ60mm芯轴绕100圈的测试中，弯曲引起的附加衰减在1550nm和1625nm处均小于0.01dB，在Φ32mm芯轴绕1圈的测试结果小于0.02dB。
比较上述三个实施例可以看出，折射率分布曲线对波导性能影响很大。特别是芯层各分层的折射率和直径会使色散和有效面积受到很大影响，相对折射率值大则有效面积小；由于本发明在芯层的设计上采用了分层纤芯的方法，有效面积和色散得到了精确控制。ΔClad1的大小又改变光纤色散斜率值，其相对值越小则光纤的色散斜率越小；ΔClad3对有效面积和色散斜率会产生影响，但实施例3中由于ΔClad3采用了下陷结构，使截止波长大幅度下降，从而在非零色散位移光纤上实现了1310nm窗口进行单模传输的可能。

Claims (8)

1、一种大容量传输用低斜率色散位移单模光纤，包括有一纤芯和一包层，其特征在于纤芯设有3-5个不同折射率分布的纤芯分层，包层包括有4-6个包层分层。
2、按权利要求1所述的低斜率色散位移单模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm处的总色散斜率小于0.060ps/nm2·km，零色散波长小于1420nm，有效面积在55μm2～65μm2之间，1530nm～1565nm范围内的色散在5.0～12.0ps/nm·km之间。
3、按权利要求1或2所述的低斜率色散位移单模光纤，其特征在于所述纤芯包括设有3个不同折射率分布的纤芯分层，包层包括有4个包层分层，所述纤芯的第一纤芯分层Core1的相对折射率差ΔCore1％的范围约为0.35％至0.9％，直径ΦCore1的范围为2.0μm至7.0μm，第二纤芯分层相对折射率差ΔCore2％的范围约为0.25％至0.65％，直径ΦCore2的范围约为3.0μm至8.0μm，第三纤芯分层的相对折射率差ΔCore3％的范围约为0.1％至0.4％，直径ΦCore3的范围约为4.0μm至10.0μm；第一包层分层Clad1，其相对折射率差ΔClad1％的范围约为-0.2％至0.1％，直径ΦClad1的范围约为8.0μm至16.0μm，第二包层分层Clad2的相对折射率差ΔClad2％的范围约为0.1至0.4％，直径ΦClad2的范围约为12.0μm至25.0μm；第三包层分层Clad3的相对折射率差ΔClad3％的范围约为-0.2％至0.2％，直径ΦClad3的范围为19.0μm至30.0μm；第四包层分层为纯二氧化硅玻璃层，其折射率为纯二氧化硅玻璃折射率nc。
4、按权利要求3所述的低斜率色散位移单模光纤，其特征在于较佳波导结构为包层分层中第一包层分层Clad1的相对折射率差ΔClad1％和第三包层分层Clad3的相对折射率差ΔClad3％均为负值。
5、按权利要求4所述的低斜率色散位移单模光纤，其特征在于纤芯各分层和包层各分层的参数范围为：第一纤芯分层Core1的参数为：ΔCore1％约为0.42±0.06，
                       ΦCore1约为4.6±0.7μm，第二纤芯分层Core2的参数为：ΔCore2％约为0.35±0.08，
                       ΦCore2约为6.0±1.0μm，第三纤芯分层Core3的参数为：ΔCore3％约为0.28±0.1，
                       ΦCore3约为7.1±1.5μm，第一包层分层Clad1的参数为：ΔClad1％约为-0.08±0.07，
                       ΦClad1约为12.5±2.0μm，第二包层分层Clad2的参数为：ΔClad2％约为0.18±0.07，
                       ΦClad2约为18.1±2.0μm，第三包层分层Clad3的参数为：ΔClad3％约为-0.08±0.07，
                       ΦClad3约为27.0±2.5μm，第四包层分层为纯二氧化硅玻璃层，其折射率为纯二氧化硅玻璃折射率nc。
6、按权利要求1或2所述的低斜率色散位移单模光纤，其特征在于纤芯各分层的参数为：第一纤芯分层Core1的参数为：ΔCore1％约为0.64，ΦCore1约为3.0μm第二纤芯分层Core2的参数为：ΔCore2％约为0.42，ΦCore2约为4.1μm第三纤芯分层Core3的参数为：ΔCore3％约为0.21，ΦCore3约为7.5μm第四纤芯分层Core4的参数为：ΔCore4％约为0.15，ΦCore4约为9.0μm最外层包层分层为纯二氧化硅玻璃层。
7、按权利要求3所述的低斜率色散位移单模光纤，其特征在于纤芯各分层的参数为：第一纤芯分层Core1的参数为：ΔCore1％约为0.42，ΦCore1约为4.6μm第二纤芯分层Core2的参数为：ΔCore2％约为0.35，ΦCore2约为6.0μm第三纤芯分层Core3的参数为：ΔCore3％约为0.28，ΦCore3约为7.1μm包层各分层的参数为：第一包层分层Clad1的参数为：ΔClad1％约为-0.10，ΦClad1约为11.5μm第二包层分层Clad2的参数为：ΔClad2％约为0.18，ΦClad2约为16.2μm第三包层分层Clad3的参数为：ΔClad3％约为0.02，ΦClad3约为29.0μm第四包层分层为纯二氧化硅玻璃层。
8、按权利要求5所述的低斜率色散位移单模光纤，其特征在于纤芯各分层的参数为：第一纤芯分层Core1的参数为：ΔCore1％约为0.42，ΦCore1约为4.6μm第二纤芯分层Core2的参数为：ΔCore2％约为0.35，ΦCore2约为6.0μm第三纤芯分层Core3的参数为：ΔCore3％约为0.28，ΦCore3约为7.1μm包层各分层的参数为：第一包层分层Clad1的参数为：ΔClad1％约为-0.08，ΦClad1约为12.5μm第二包层分层Clad2的参数为：ΔClad2％约为0.18，ΦClad2约为18.1μm第三包层分层Clad3的参数为：ΔClad3％约为-0.08，ΦClad3约为29.0μm第四包层分层为纯二氧化硅玻璃层。
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