CN1451977A - 采用高阶模的色散补偿光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于波分复用传输系统中的色散补偿光纤，所述光纤从其中心朝着其边缘方向依次包括：具有变化的折射率分布的纤芯，以及然后具有恒定折射率的包层，使得对于一个大于30nm的给定工作光谱范围，可以进行除了基模LP01之外的至少一个高阶模的传播，该纤芯的折射率分布被确定而使得对于所述高阶模以及对于所述工作光谱范围，色散小于－150ps/nm.km，色散斜率是负的，有效面积大于40μm2，在对应于所述工作光谱范围外的整个最小色散的波长和对应于所述工作光谱范围之上限的波长之间的差值大于35nm，以及在所述工作光谱范围上的色散斜率的相对变化具有小于30％的绝对值。

Description

采用高阶模的色散补偿光纤
技术领域
本发明涉及用于波分复用传输系统的色散补偿光纤。该色散补偿的作用是补偿线路光纤的色散。
背景技术
在本领域已知的是结合用于降低相交的非线性效应的非零色散偏移光纤(NZ-DSF)和色散补偿光纤(DCF)，以在宽光谱范围内获得具有零色散的传输线路。用这种方式结合色散偏移光纤和常规的色散补偿光纤的缺点是色散补偿光纤的高损耗，尤其是每单位长度的弯曲损耗和衰减。
在本领域还已知使用一种色散管理光纤(DMF)，该色散管理光纤(DMF)包括具有正色散的光纤部分，它们在纵向与具有拥有负色散的光纤部分交替。因此，整个色散管理光纤的色散对于给定的波长容易被补偿。但是，如果该色散管理光纤使用的光谱范围被加大，就必须在一个宽光谱段之上补偿色散，即，色散斜率也必须被补偿。实际上，色散斜率非常难以补偿，并且通常伴有该色散管理光纤其他参数的恶化，尤其是其有效面积。此外，色散管理光纤不仅必须替换线路光纤，而且必须替换相关的色散补偿光纤，并且不能简单地与现有的线路光纤相联。
在本领域进一步已知使用高阶模(HOM)色散补偿光纤，其具有许多好处，包括具有比常规的色散补偿光纤显著地更大的有效面积，并且比常规的色散补偿光纤需要更短的长度去补偿给定的线路光纤，因为对于每单位长度等效衰减有非常低的色散之负值。
尽管如此，该发明所基于的观察结果是，由一个最小色散波长在该工作光谱范围中或者附近得到的色散特性曲线，具有一个阻止校正传输系统之色散斜率补偿的形状，并且如果该比特率被显著地增大，这变得无法接受。该最小色散波长是对应于最小总体色散的波长。
发明内容
本发明提出的解决方案是基于获得最小色散波长远离工作光谱范围的色散曲线，其使得可以获得一个在相关的工作光谱范围中几乎是一条直线的色散曲线，其在补偿线路光纤的色散中是有效的，并且即使当使用高比特率时候，具有实际上恒定的色散斜率。
本发明提供了一种用于波分复用传输系统中的色散补偿光纤，所述光纤包括，纤芯，具有从其中心朝着其边缘的方向连续变化的折射率变化分布；然后是具有恒定折射率的包层，使得对于一个大于30纳米(nm)的给定工作光谱范围、对一个或多个高阶模可以进行传播，除了基模LP01之外，该纤芯的折射率分布被确定而使得，对于高阶模以及对于该工作光谱范围，第一，其色散小于每纳米公里(ps/nm.km)-150皮秒，第二，其色散斜率是负的，第三，其有效面积大于40平方微米(μm2)，第四，在对应于该工作光谱范围外面的整个最小色散的波长和对应于该工作光谱范围的上限的波长之间的差值大于35nm，以及第五，在该工作光谱范围之上该色散斜率的相对变化，即，通过采取该工作光谱范围上的最大色散斜率和在该工作光谱范围上的最小色散斜率之间的差值、并且使该差值除以在该工作光谱范围上的平均色散斜率获得的商具有一个小于30％的绝对值。
为了改善色散补偿的质量，即使当使用高比特率的时候，一般为10Gbit/s以及以上，该纤芯的折射率分布最好是被确定而使得对于所述高阶模以及对于所述工作光谱范围、在对应于超出该工作光谱范围的整个最小色散的波长和对应于该工作光谱范围之上限的波长之间的差值大于50nm，并且该纤芯的折射率分布被确定而使得对于所述高阶模以及对于所述工作光谱范围、在该工作光谱范围之上的色散斜率的相对变化具有一个小于15％的绝对值。此外，该工作光谱范围至少距离最小色散波长50nm，该事实降低对于这些分布的纤芯折射率分布的限制，以使在该工作光谱范围之上具有的色散斜率的相对变化的绝对值小于15％。
优选的是，该纤芯的折射率分布被确定而使得：对于所述高阶模以及对于所述工作光谱范围，该色散小于-300ps/nm.km，其降低被用于给定线路光纤的补偿光纤的长度。
高阶模最好是LP02模式，为此可以容易地获得具有充分负色散的色散补偿光纤，并且对于光纤的圆形几何形状缺陷(其引起偏振问题)的灵敏度较低。但是，可以设想其他的高阶模，例如LP11模或者LP03模。
一个优选的工作光谱范围是从1530nm至1565nm的C频段。在下文中更详细地描述一种波分复用光纤传输系统，它包括根据本发明的HOM(高阶模)色散补偿光纤，优选的是，在100公里(km)的传输距离之范围，该系统对于从1530nm到1565nm的每个波长具有的一个平均累积色散的绝对值小于每纳米30微微秒(ps/nm)。另一个优选的光谱波段是从1530nm至1580nm的扩展C频段。在下文中更详细地描述一种波分复用光纤传输系统，它包括根据本发明的HOM色散补偿光纤，优选的是，在100公里(km)的传输距离之范围，该系统对于从1530nm到1580nm的每个波长具有的一个平均累积色散的绝对值小于50ps/nm。
该纤芯的折射率分布最好是包括至少四个分段。该纤芯的折射率分布有利的是包括至少五个分段。该色散越负，该纤芯的折射率分布分段的较多数量越有益，用于为根据本发明的HOM色散补偿光纤获得随时间而变化的色散曲线的良好线性。较多的分段产生HOM色散补偿光纤，其提供很好的色散补偿，但是不会使HOM色散补偿光纤其他特性降低太多。对于在一个光谱波段或者或者一个扩展光谱波段之上的补偿，五个分段代表在该HOM色散补偿光纤需要的特性和其制造的复杂性之间一个好的折中方案。例如这些分段是长方形，但是，还可以是三角形、不规则四边形或者是希腊字母α的形状。
在本发明的第一个优选实施例中，根据本发明的HOM色散补偿光纤的纤芯具有带有四个分段的第一类型的变化折射率分布。该纤芯的第一类型的变化折射率分布从中心朝着边缘连续地包括：一个具有高于该包层之折射率的最大折射率的中心分段，一个具有低于该中心分段之折射率的最大折射率的第一外围分段，一个具有低于该中心分段之折射率的最大折射率的第二外围分段，以及一个具有低于该中心分段之折射率的最大折射率的第三外围分段。
以下描述纤芯的第一类型折射率分布的折射率和半径的多个优选范围，其改善根据本发明的HOM色散补偿光纤的补偿质量及其他特性。
在该中心分段的折射率和包层的折射率之间的最大折射率差的绝对值|Δn1|最好是从20×10-3至35×10-3，以及该中心分段的外径r1最好是从3微米(μm)到5μm。
在第一外围分段的折射率和包层的折射率之间的最大折射率差的绝对值|Δn2|最好是保持小于5×10-3，并且该第一外围分段的外径r2最好是从6μm到11μm。如果该参数是恒定的，措辞“保持小于”指的是“小于”，或者如果该参数在相关的分段上变化，该措辞指的是在相关的分段之上“保持小于”。
在第二外围分段的折射率和包层的折射率之间的最大折射率差的绝对值|Δn3|最好是保持小于5×10-3，并且该第二外围分段的外径r3最好是从8μm到15μm。
在第三外围分段的折射率和包层的折射率之间的折射率差|Δn4|最好是保持从0到8×10-3，并且该第三外围分段的外径r4最好是从10μm到17μm。
在本发明的第二个优选实施例中，根据本发明的HOM色散补偿光纤的纤芯具有带有五个分段的第二类型的变化折射率分布。该纤芯的第二类型的变化折射率分布从中心朝着边缘连续地包括：一个具有高于该包层之折射率的最大折射率的中心分段；一个具有低于该包层之折射率的最小折射率的第一埋置分段；一个第一环形分段，具有高于该包层的折射率、并且低于该中心分段的最大折射率的最大折射率；一个第二埋置分段，具有低于该包层的折射率的最小折射率；以及一个第二环形分段，具有高于该包层的折射率并且低于该中心分段之最大折射率的最大折射率。
下面将详细说明纤芯的第二类型折射率分布的折射率和半径的多个优选范围，其改善根据本发明的HOM色散补偿光纤的补偿质量及其他特性。
在该中心分段的折射率和该包层的折射率之间的最大折射率差Δn1最好是在23×10-3至35×10-3的范围中，以及该中心分段的外径r1最好是从3μm到4.5μm。
在该第一埋置分段的折射率和该包层的折射率之间的折射率差Δn2最好是保持从-8×10-3到0，并且该第一埋置分段的外径r2最好是从4.5μm到7.5μm。如果该参数是恒定的，措辞“保持从”指的是“是从”，或者如果该参数在相关的分段之上变化，则措辞“保持从”指的是在相关的分段之上“保持从”。
在第一环形分段的折射率和该包层的折射率之间的折射率差Δn3最好是保持从2×10-3到8×10-3，并且该第一环形分段的外径r3最好是从6μm到11μm。
在该第二埋置分段的折射率和该包层的折射率之间的折射率差Δn4最好是从-8×10-3到0，并且该第二埋置分段的外径r4最好是从10μm到15μm。
在该第二环形分段的折射率和该包层的折射率之间的折射率差Δn5最好是保持从0到10×10-3，并且该第二环形分段的外径r5最好是从13μm到17μm。
由于根据本发明的HOM色散补偿光纤在涉及损耗平衡方面是特别有益的，其最好是以1550nm的波长具有低于每公里1.5分贝(dB/km)的衰减。
本发明也提供了一种色散补偿模块，其中包括根据本发明的HOM色散补偿光纤。该模块最好是包括依次串联的以下部件：一个第一模转换器，能够转换基模为高阶模，根据本发明的色散补偿光纤，以及一个第二模转换器，能够转换高阶模为基模。该模块可以被集成在一个波分复用光纤传输系统中，而且该系统包括依次串联的线路光纤和根据本发明的补偿模块。在根据本发明的波分复用光纤传输系统中，为了优化补偿，在线路光纤的长度和色散补偿光纤的长度之间的比值最好是大体上等于在该线路光纤在1550nm波长的色散和该色散补偿光纤在1550nm波长的色散之间比值之绝对值的倒数。
附图简述
在以下根据附图的描述中将更好地理解本发明，并且其他的特点和优点将变得显而易见，提供这些内容作为示例，其中：
图1是一个关于根据本发明的第一、第二和其他类型的HOM色散补偿光纤之分布的14个示例的半径值和最大折射率差绝对值的列表；
图2是根据本发明在图1所示关于LP02模式的HOM色散补偿光纤之分布的其他特性的列表；
图3示出根据本发明的HOM色散补偿光纤带有四个分段的第一类型分布的一个示例；
图4示出在图3示出的分布示例在一个宽光谱段之上的色散变化；
图5示出根据本发明的HOM色散补偿光纤带有五个分段的第二类型分布的示例；
图6示出在图5示出的分布示例在宽光谱段之上的色散变化；和
图7示出根据本发明的一种波分复用光纤传输系统。
具体实施例的详细说明
图1是关于根据本发明的第一、第二和其他类型的HOM色散补偿光纤之分布的14个例子的半径值和最大折射率差绝对值的列表。左侧的列给出从1到14的分布编号。第二列给出在相关例子的纤芯折射率分布中分段的数目。接下来的六列以μm给出纤芯的变化折射率分布的半径。最后六列给出(×1000)相对于恒定折射率包层的折射率差(没有单位)。该列表并不是所有的方框被填满，因为并不是所有的分布具有相同数量的分段。
图2是根据本发明的HOM色散补偿光纤之分布的其他特性的列表。该列表中不包括数字而仅有一个破折号的方框所对应的特性是较差的，以至于使该光纤在相关波长上或者在相关的工作光谱范围中不能使用。如上所述，左侧的列给出分布的编号。下一列给出在每个分布中分段的数目。对于每个分布，其它的列给出对应于相关分布的光纤部分的特性。接下来的列给出在1550nm波长上用μm2表示的有效面积Seff。下一列给出在1550nm波长上以ps/nm.km表示的色散。接下来的七列给出在相应的1530nm、1550nm、1565nm、1570nm、1580nm、1590nm和1605nm波长上用ps/nm2.km表示的色散斜率。下一列给出用nm表示的最小色散波长。最后的三列给出在从1530nm到1565nm、从1530nm到1580nm和从1530nm到1605nm的相应工作光谱范围之上、斜率的最大相对变化百分比。在工作光谱范围之上该色散斜率的相对变化对应于通过在该工作光谱范围上的最大色散斜率和在该工作光谱范围上的平均色散斜率之间的差值除以在该工作光谱范围上的最小色散斜率获得的商。最后一列中的较差结果对应于显著地高于其他列的最大相对斜率变化，通过太接近于相关工作光谱范围之上限的最小色散波长可以具体解释这些结果。
图3示出根据本发明的HOM色散补偿光纤带有四个分段的第一类型分布的一个例子。用μm表示的半径被绘制在横坐标轴上。折射率差×1000(没有单位)被绘制在纵坐标轴上。称作中心分段的第一分段具有相对于包层的恒定折射率的最大折射率差Δn1和一个外径r1。该最大折射率差Δn1是正的。该折射率最好是在零半径和r1半径之间的一个常量。称作第一外围分段的第二分段具有相对于包层的恒定折射率之最大折射率差Δn2的绝对值和一个外径r2。该最大折射率差Δn2的绝对值可以是正或者负的。该折射率最好是在半径r1和半径r2之间的常量。称作第二外围分段的第三分段具有相对于包层的恒定折射率的最大折射率差Δn3的绝对值和一个外径r3。该最大折射率差Δn3的绝对值可以是正或者负的。该折射率最好是在半径r2和半径r3之间的常量。称作第三外围分段的第四分段具有相对于包层的恒定折射率的最大折射率差Δn4的绝对值和一个外径r4。该最大折射率差Δn4的绝对值是正的。该折射率最好是在半径r3和半径r4之间的常量。在该半径r4以外是恒定折射率包层。
图4示出在图3表示的分布示例在一个宽光谱段之上的色散变化。曲线A表示在波长从1450nm至1650nm的光谱范围之上对于根据本发明的一种HOM色散补偿光纤用ps/nm.km表示的色散。图4涉及的例子是根据图1和2的例子11。该曲线A对应于具有四个分段的分布，它具有很好的线性度，对应于在一个从1530nm到1580nm的工作光谱范围之上的13％的最大相对斜率变化(参见图2)，在该最小色散波长和该工作光谱范围的上限之间的差值是50nm。
图5示出根据本发明的HOM色散补偿光纤带有五个分段的第二类型分布。用μm表示的半径被绘制在横坐标轴上。折射率差×1000(没有单位)被绘制在纵坐标轴上。称作中心分段的第一分段具有相对于包层的恒定折射率的最大折射率差Δn1的绝对值和一个外径r1。该最大折射率差Δn1是正的。该折射率最好是在零半径和r1半径之间的常量。称作第一埋置分段的第二分段具有相对于包层的恒定折射率的最大折射率差Δn2的绝对值和一个外径r2。该最大折射率差Δn2的绝对值是负的。该折射率最好是在半径r1和半径r2之间的常量。称作第一环形分段的第三分段具有相对于包层的恒定折射率的最大折射率差Δn3的绝对值和一个外径r3。该最大折射率差Δn3的绝对值是正的。该折射率最好是在半径r2和半径r3之间的常量。称作第二埋置分段的第四分段具有相对于包层的恒定折射率的最大折射率差Δn4的绝对值和一个外径r4。该最大折射率差Δn4的绝对值是负的。该折射率最好是在半径r3和半径r4之间的常量。称作第二环形分段的第五分段具有相对于包层的恒定折射率的最大折射率差Δn5的绝对值和一个外径r5。该最大折射率差Δn5的绝对值是正的。该折射率最好是在半径r4和半径r5之间的常量。在该半径r5以外是恒定折射率包层。
图6示出在图5中表示的分布例子在一个宽光谱段之上的色散变化。曲线B表示在波长从1450nm至1650nm的光谱范围之上、对于根据本发明的一种HOM色散补偿光纤用ps/nm.km表示的色散。图5涉及的例子是根据图1和2的示例5。该曲线B对应于带有五个分段的分布，具有极好的线性度，对应于在一个从1530nm到1580nm的工作光谱范围之上、6％的最大相对斜率变化(参见图2)，在最小色散波长和工作光谱范围的上限之间的差值是40nm。
图7示出一种根据本发明的波分复用光纤传输系统。该传输系统包括相对于光信号的传播方向从上游端到下游端连续串联的以下部件：线路光纤1；其后面是一个补偿器模块3，补偿器模块3首先包括一个模转换器2，将大部分以LP01基模传送的光能转换为高阶模，例如LP02模；以及根据本发明的HOM色散补偿光纤4，只在LP02高阶模中补偿线路光纤1的色散，然后是一个模转换器5，它将在LP02高阶模中传送的大部分光能转换为LP01基模。根据本发明的传输系统还可以包括其他的组件(为了清楚起见未在图7中示出)，诸如发射机、接收机和放大器，和/或包括在图7示出的系列部件的数倍以上。

Claims (27)

1.一种在波分复用传输系统中使用的色散补偿光纤，所述光纤从其中心朝着其边缘方向依次包括：具有变化的折射率分布的纤芯，以及然后具有恒定折射率的包层，使得对于一个大于30nm的给定工作光谱范围，对一个或多个高阶模可以进行传播，除了基模LP01之外，该纤芯的折射率分布被确定而使得对于所述高阶模以及对于所述工作光谱范围，第一，其色散小于-150ps/nm.km，第二，其色散斜率是负的，第三，其有效面积大于40μm2，第四，在对应于所述工作光谱范围外的整个最小色散的波长和对应于所述工作光谱范围之上限的波长之间的差值大于35nm，以及第五，在所述工作光谱范围上的该色散斜率的相对变化，即，通过采用在所述工作光谱范围上的最大色散斜率和在所述工作光谱范围上的最小色散斜率之间的差值、并且将该差值除以在所述工作光谱范围上的平均色散斜率获得的商，该相对变化具有一个小于30％的绝对值。
2.根据权利要求1的色散补偿光纤，其特征在于，该纤芯的折射率分布被确定而使得对于所述高阶模以及对于所述工作光谱范围，在所述工作光谱范围之上的该色散斜率的相对变化具有一个小于15％的绝对值。
3.根据前述权利要求之任一项的色散补偿光纤，其特征在于，该纤芯的折射率分布被确定而使得对于所述高阶模以及对于所述工作光谱范围，在对应于所述工作光谱范围外的整个最小色散的波长和对应于所述工作光谱范围之上限的波长之间的差值大于50nm。
4.根据前述权利要求之任一项的色散补偿光纤，其特征在于，该纤芯的折射率分布被确定而使得对于所述高阶模以及对于所述工作光谱范围，该色散小于-300ps/nm.km。
5.根据前述权利要求之任一项的色散补偿光纤，其特征在于，该高阶模是LP02模。
6.根据前述权利要求之任一项的色散补偿光纤，其特征在于，该工作光谱范围是从1530nm至1565nm的C频段。
7.根据权利要求1至5之任一项的色散补偿光纤，其特征在于，该工作光谱范围是从1530nm至1580nm的扩展C频段。
8.根据前述权利要求之任一项的色散补偿光纤，其特征在于，该纤芯的折射率分布具有至少四个分段。
9.根据权利要求8的色散补偿光纤，其特征在于，该纤芯的变化折射率分布从中心朝着边缘的方向依次具有：一个中心分段，具有的最大折射率高于该包层的折射率；一个第一外围分段，具有的最大折射率低于该中心分段的折射率；一个第二外围分段，具有的最大折射率低于该中心分段的折射率，以及一个第三外围分段，具有的最大折射率低于该中心分段的折射率。
10.根据权利要求9的色散补偿光纤，其特征在于，在该中心分段的折射率和该包层的折射率之间的最大折射率差的绝对值(Δn1)是从20×10-3至35×10-3，并且该中心分段的外径(r1)是从3μm到5μm。
11.根据权利要求9或10的色散补偿光纤，其特征在于，在第一外围分段的折射率和该包层的折射率之间的最大折射率差的绝对值(|Δn2|)保持小于5×10-3，并且该第一外围分段的外径(r2)是从6μm到11μm。
12.根据权利要求9至11之任一项的色散补偿光纤，其特征在于，在第二外围分段的折射率和该包层的折射率之间的折射率差的绝对值(|Δn3|)保持小于5×10-3，并且该第二外围分段的外径(r3)是从8μm到15μm。
13.根据权利要求9至12之任一项的色散补偿光纤，其特征在于，在第三外围分段的折射率和该包层的折射率之间的折射率差(|Δn4|)保持从0到8×10-3，并且该第三外围分段的外径(r4)是从10μm到17μm。
14.根据权利要求1至7之任一项的色散补偿光纤，其特征在于，该纤芯的折射率分布具有至少五个分段。
15.根据权利要求14的色散补偿光纤，其特征在于，该纤芯的变化折射率分布从中心朝着边缘的方向依次具有：一个中心分段，具有的最大折射率高于该包层的折射率；一个第一埋置分段，具有的最小折射率低于该包层的折射率；一个第二环形分段，具有的最大折射率高于该包层的折射率并且低于该中心分段的最大折射率；一个第二埋置分段，具有的最小折射率低于该包层的折射率；以及一个第二环形分段，具有的最大折射率高于该包层的折射率并且低于该中心分段的最大折射率。
16.根据权利要求15的色散补偿光纤，其特征在于，在该中心分段的折射率和该包层的折射率之间的最大折射率差(Δn1)的绝对值是从23×10-3至35×10-3，并且该中心分段的外径(r1)是从3μm到4.5μm。
17.根据权利要求15或16的色散补偿光纤，其特征在于，在该第一埋置分段的折射率和该包层的折射率之间的折射率差(Δn2)保持从-8×10-3到0，并且该第一埋置分段的外径(r2)是从4.5μm到7.5μm。
18.根据权利要求15至17之任一项的色散补偿光纤，其特征在于，在第一环形分段的折射率和该包层的折射率之间的折射率差(Δn3)保持从2×10-3到8×10-3，并且该第一环形分段的外径(r3)是从6μm到11μm。
19.根据权利要求15至18之任一项的色散补偿光纤，其特征在于，在该第二埋置分段的折射率和该包层的折射率之间的折射率差(Δn4)是从-8×10-3到0，并且该第二埋置分段的外径(r4)是从10μm到15μm。
20.根据权利要求15至19之任一项的色散补偿光纤，其特征在于，在该第二环形分段的折射率和该包层的折射率之间的折射率差(Δn5)保持从0到10×10-3，并且该第二环形分段的外径(r5)是从13μm到17μm。
21.根据前述权利要求之任一项的色散补偿光纤，其特征在于，所述色散补偿光纤在1550nm波长上具有低于1.5dB/km的衰减。
22.一种色散补偿模块，其特征在于，所述模块(3)包括根据前述权利要求之任一项的色散补偿光纤(4)。
23.根据权利要求22的色散补偿模块，其特征在于，所述模块(3)包括依次串联的第一模转换器(2)、所述色散补偿光纤(4)以及第二模转换器(5)，所述第一模转换器(2)能够使基模转换为高阶模，所述第二模转换器(5)能够使高阶模转换为基模。
24.一种波分复用光纤传输系统，其特征在于，所述系统包括依次串联的线路光纤(1)、和根据权利要求22或23的补偿模块(3)。
25.根据权利要求24的波分复用光纤传输系统，其特征在于，线路光纤(1)的长度和色散补偿光纤(4)的长度之间的比值大体上等于该线路光纤(1)在1550nm波长的色散和该色散补偿光纤(4)在1550nm波长的色散之间比值之绝对值的倒数。
26.根据权利要求24或25的波分复用光纤传输系统，其特征在于，在100km的传输距离上，对于从1530nm到1565nm范围的每个波长的平均累积色散的绝对值小于30ps/nm。
27.根据权利要求24或25的波分复用光纤传输系统，其特征在于，在100km的传输距离上，对于从1550nm到1580nm的每个波长的平均累积色散的绝对值小于50ps/nm。
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