CN1517730A - 宽带色散受控光纤 - Google Patents

Abstract

公开了宽带色散受控光纤，通过控制零色散波长的位置，光纤可以在波分复用方式的通信网络中使用不同波长范围内的光信号，并且通过控制色散斜率和弯曲损耗，可以实现长距离传输。此外，优点在于：由于控制光纤以便在O波段波长范围具有负色散值，在C波段波长范围和L波段波长范围具有存在较小偏差的正色散值，因此，通过使用单一类型的光纤，光纤不仅可以实现短距离的传输，而且可以实现中/远距离的传输。

Description

宽带色散受控光纤

技术领域

本发明涉及一种光纤，并且更具体地说，涉及一种宽带色散受控光纤，该光纤能够用于中/远距离传输，同时使用宽波段的光信号。

背景技术

在用于按照波分复用(WDM)方式传输高容量信息的光传输网络中，对具有不同波长的N个光信号进行复用，并且通过一根光纤同时传输这N个光信号。原则上，在通过光纤传输的光信号中使用C波段波长范围(1530nm到1565nm)和L波段波长范围(1570nm到1605nm)，在其中，光信号的传输特性较好。同时，为了在使用WDM方式的光通信网络中进行宽带/大容量的传输，已经作出了卓有成效的研究，从而可以使用O波段波长范围(1285nm到1330nm)和S波段波长范围(1460nm到1530nm)。

图1是显示依据现有技术的实例的光纤的色散特性的图。在图1所示的曲线图中，第一曲线11显示单模光纤的色散特性。第二和第三曲线13和15分别显示正色散光纤的色散特性。第四曲线17显示负色散光纤的色散特性。第二和第二曲线13和15表示在1550nm波长具有正色散值的光纤，第四曲线17表示在1550nm波长具有负色散值的光纤。

参考由第一曲线11表示的色散特性，C波段波长范围展示了在14-19ps/nm/km范围内的色散值，并且L波段波长范围展示了比C波段波长范围的色散值大的色散值。因此，如果单模光纤在WDM通信方式下展示出由第一曲线11所表示的色散特性，则必须需要色散补偿器，以便在宽带/大容量通信网络中使用这样的单模光纤。

在第一曲线11中，零色散波长位于O波段波长范围，这导致在接收和发送O波段波长范围的光信号时，由于四波混频(FMW)造成的信号质量的恶化。FMW是当发送光信号时所造成的非线性现象的实例。由于FMW，具有不同波长的两个光信号被组合起来，从而产生使分配的光信号失真的一个或者多个新的光信号。在其上光信号的相位相互一致的零色散波长上产生FMW。

由第一曲线11所示的具有色散特性的单模光纤具有较大的色散值。结果，增加了在WDM方式下对色散进行补偿的成本。因此，构造在WDM通信网络中使用单模光纤的宽带通信网络将会效率低下。因此，单模光纤主要用于通过单模光纤进行宽带/大容量传输的时分复用(TDM)通信网络。

然而，当与TDM通信方式进行比较时，WDM通信方式的优点在于：可以用较小的花费，极大地增加传输容量。由于这样的优点，已经为光通信网络不断地对WDM进行了开发。

由于第二和第二曲线13和15的色散值低于第一曲线11的色散值，当构造C波段波长范围和L波段波长范围的宽带/大容量的网络时，需要相当小的色散补偿，从而实现了成本的节约。第二曲线13展示了具有增大的有效横截面积的大有效面积光纤的色散特性。第三曲线15表示具有降低的色散斜率的降低的色散斜率光纤。

如第二曲线13所示，大有效面积光纤扩大了有效横截面积，以便实现小于预定水平的色散值。从而避免诸如四波混频(FWM)的非线性现象。然而，由于这样的大有效面积的光纤在L波段波长范围具有相当大的色散值，必须对色散进行补偿。此外，存在以下问题：如果有效横截面积增加，则会降低拉曼放大效率。

通过降低色散斜率，具有由第三曲线15所表示的色散特性的降低斜率的光纤降低了在C波段波长范围和L波段波长范围之间的色散值的差值。因此，在宽带/大容量通信网络中，降低斜率的光纤降低了C波段和L波段之间的色散值的相对差值。

然而，由于正色散光纤的零色散波长位于如第二和第三曲线所表示的1460nm到1500nm的波长范围，因此，不能够使用在长距离传输中所使用的拉曼放大。由于拉曼放大模式的特性，使用具有低于放大的光信号的约为100nm波长的泵浦光进行光纤信号放大。使用1470nm到1505nm波长范围的泵浦光用于放大L波段波长范围的光信号。即，用于在拉曼放大模式下，对L波段光信号进行放大的泵浦光的波长在正色散光纤的零色散波长所处的波长范围之内。由于这导致了诸如FWM的非线性现象，在宽带/大容量通信网络中使用如上所述的正光纤效果会较差。此外，由于正色散光纤的零色散波长位于1460nm到1530nm的S波段波长范围中，因此会存在问题。从而会导致诸如FWM的非线性现象，并且不能够使用S波段波长范围。

具有如第四曲线17所表示的色散特性的负色散光纤具有位于波长范围1610nm到1700nm之间的零色散波长。因此，它可以实现在C波段波长范围和L波段波长范围中传输光信号。这样的负色散光纤只用于在大约几百km(千米)范围内的中/远距离传输。然而，由于绝对色散值较大，因此，该光纤不能够用于在S波段波长范围或者O波段波长范围的光信号。

如上所述，尽管由于光通信网络特别是WDM通信网络的不断发展，必须需要宽带/大容量传输，然而，传统的光纤只使用在C波段波长范围或者L波段波长范围的光信号。这是由于不能够调整零色散波长的位置或者色散值。此外，负光纤适用于大约几百km的中/远距离的传输网络。正光纤适用于超过该范围的长距离传输。因此，由于依据传输波长使用不同类型的光纤，双倍地增加了光通信网络的构造成本。

发明内容

因此，已经提出了本发明，以便降低或者克服在现有技术中出现的上述限制。本发明的一个目的是提供一种能够传输各种波长范围的光信号的宽带色散受控光纤，以及通过使用一种类型的光纤，不仅能够实现短距离传输，而且能够实现中/远距离传输的宽带色散受控光纤。

依据本发明的原理，提出了一种宽带色散受控光纤，其特征在于使用各个纤芯和包层直径和折射率的分布，对光纤进行控制/调整，以便具有：(1)零色散波长的位置，以及(2)在O波段波长范围的负色散值和在C波段波长范围和L波段波长范围的具有较小偏差的正色散值。

在一个说明性的实施例中，提供了一种宽带色散受控光纤，该光纤具有等于或者小于1285nm的截止波长，在波长范围1285nm到1330nm中的色散值为-12到-4ps/nm/km，在1625nm波长的色散值为8到14ps/nm/km，并且零色散波长位于在1430nm以下的波长范围，其中在1550nm波长的有效横截面积小于75μm²，以及其中，在1550nm波长和1625波长之间的损耗差为0.3dB/km或者更小。

在另一说明性的实施例中，提供了一种宽带色散受控光纤，该光纤具有等于或者小于1285nm的截止波长，在1285nm到1330nm的波长范围中的色散值为-12到-4ps/nm/km，在1625nm波长的色散值为8到14ps/nm/km，并且在零色散波长的色散斜率等于或者小于0.074ps/nm²/km。

附图说明

从结合附图所采用的以下详细描述中，本发明将变得更加明显：

图1是显示传统的光纤的色散特性的曲线图；

图2显示依据本发明的优选实施例的宽带色散受控光纤，以及表示光纤的折射率分布的曲线；

图3是显示在负色散特性和传输距离之间的关系的曲线图；

图4是显示拉曼增益曲线的曲线图；

图5是显示图2所示的色散受控光纤的色散波长、色散斜率、以及1625nm上的色散之间的关系的曲线图；

图6是显示图2所示的色散受控光纤的拉曼增益效率的曲线图；

图7是显示图2所示的色散受控光纤的弯曲损耗的曲线图；

图8是依据波长，显示图2所示的色散受控光纤的光损耗的曲线图。

具体实施方式

在本发明的以下描述中，出于解释的目的而非限定的目的，阐明了诸如特定结构、接口、技术等的具体细节，以便提供对本发明的完全理解。然而，对本领域的技术人员显而易见的是：可以在脱离这些具体细节的另外的实施例中实施本发明。而且，将意识到：出于解释的目的，对图形的特定方面进行了简化，并且本发明的整个系统环境将包括不需要在此完全示出的许多已知功能和配置。在图中，即使在不同的图形中示出，对于相同或者相似的元件，使用相同的参考符号来表示。

图2是显示依据本发明的优选实施例的宽带色散受控光纤100，以及显示光纤折射率的分布的曲线图。如图2所示，宽带色散受控光纤100包括：内部纤芯101、外部纤芯102、内部包层102、以及外部包层104。

内部纤芯101具有固定不变的折射率n1和直径d1。

外部纤芯102包住内部纤芯101，并且具有直径d2，其中当从直径d1前进到直径d2的过程中，折射率从n1降低到折射率n2(r)。

内部包层103包住外部纤芯102，并且具有直径d3，其中，内部包层103具有在直径方向上均匀分布的折射率n3，其中n3小于折射率n1和n2(r)。

外部包层104在直径方向上具有恒定不变分布的折射率n4，其中n4小于内部包层的折射率n3。

如图2中的虚线所示，内部纤芯101的直径大约等于0，并且在外部纤芯102的中心，折射率的分布可以急剧变化。

折射率n2(r)的分布可以由等式1定义如下：

等式1

$n2\left(r\right)=n1[1-\left(\frac{n1-n2}{n2}\right){\left(\frac{2r-d1}{d2-d1}\right)}^{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{co}}}]$

此时，r是从宽带色散受控光纤101的中心测量的尺寸，并且表示在外部纤芯之内的光位置的半径，其中，d1≤2r≤d2，d1表示内部纤芯101的直径，其中0≤d1≤d2，并且α_co是折射率确定系数，其中0＜α_co≤∞。

此外，宽带色散受控光纤100的内部纤芯101、外部纤芯102、内部包层103和外部包层104的折射率n1到n4和直径d1到d3满足如下由等式2和等式3所定义的关系。

等式2

$0\≤\frac{d1}{d2}\≤0.8$

$0.1\≤\frac{d2}{d3}\≤0.5$

等式3

$0.0034\≤\frac{n1-n4}{n1}\≤0.007$

$0\≤\frac{n2-n4}{n2}\≤0.0048$

$0\≤\frac{n3-n4}{n3}\≤0.0014$

通过控制光纤100的纤芯101、102和包层103和104之间的折射率n1到n4，将具有如上所述的直径和折射率分布的宽带色散受控光纤100进行调整，从而将截止波长控制到1285nm或者更小，在O波段波长范围的色散值在-12到-4ps/nm/km，并且1625nm波长的色散值在8到14ps/nm/km范围内，以及零色散波长位于小于1430nm的波长范围。此外，将在零色散波长的色散斜率控制到0.0074ps/nm²/km或者更小，以及将有效横截面积控制到75μm²或者更小。

此后，将更详细地描述上述的色散受控光纤100。

首先，当在波长范围1285到1330nm传输O波段光信号时，色散受控光纤100具有负色散值。因此，优选的是，光纤100适合于大约几百km的中/短距离传输。图3是显示依据负色散值的相对传输距离的曲线图。图3的曲线图对不同条件下的各种光纤的相对传输距离进行了比较，并且假定在波长1310nm具有-8ps/nm/km的色散值的光纤100的可传输距离是如101a所示的1埃单位(A.U.)。如果该负色散光纤用于进行如17a所示的对C波段波长范围的光信号的中/短距离传输，传统的负色散光纤展示了与宽带色散受控光纤100相似的性能。这举例说明了在传统的负色散光纤在1550nm波长具有-6ps/nm/km的色散值的条件下，该光纤被用于中/短距离传输的情况。可以意识到：具有-16ps/nm/km的色散值的传统大有效面积光纤13a的传输距离仅仅是宽带色散受控光纤100的传输距离的一半。

依据上述的测量结果，通过将宽带色散受控光纤100的色散值控制于在O波段波长范围由20表示的-12到-4ps/nm/km的范围内，宽带色散受控光纤100在中/短距离传输中可以获得与传统的负色散光纤相似的性能。因此，已经发现：通过使用O波段波长范围的光信号，可以将宽带色散受控光纤100应用到中/短距离传输中。

接下来，将描述通过使用宽带色散受控光纤100来传输S波段光信号的条件。从用于WDM方式通信网络的、图1所示的传统正色散光纤13和15的特性中，可以看到零色散波长位于S波段波长范围。因此，如果通过传统的正色散光纤13、15来传输S波段波长范围的光信号，则会产生由于FWM造成的信号失真等缺陷，并且会因而急剧地降低信号质量。关于这一点，通过控制纤芯101、102和包层103、104的折射率，色散受控光纤100可以传输S波段波长范围的光信号，从而使零色散波长位于小于1430nm的波长范围中。

接下来，将描述当将宽带色散受控光纤100应用于在1530nm到1565nm的波长范围中的C波段光信号和在1570nm到1605nm波长范围的L波段光信号的长距离传输时的这些特性。为了进行长距离传输，将拉曼放大模式应用于WDM光通信网络。拉曼放大是一种将泵浦光入射到光传输线路中，从而通过泵浦光和光信号的反作用放大光信号的强度的方法。依据Ramn放大，在波长范围68中获得最大放大60，波长范围68为从泵浦光的波长范围64向长波长一侧移动大约100nm，即频率增加13.3THz(太赫兹)。

如图4所示，当入射具有1430nm波长的泵浦光62时，从具有1530nm波长的光信号66中获得最大放大60。为了放大在C波段波长范围68的光信号，按照预定的间隔入射在1430nm到1465nm波长范围64的泵浦光，然后按照重叠形式的拉曼增益曲线，在波长范围1530nm到1565nm波长范围中输出放大的光信号，在图4中示出了增益曲线的其中之一。

同时，零色散波长位于如上所述的用于放大C波段波长范围68的光信号的泵浦光的波长范围64中。因此，由于四波混频(FWM)会使信号质量恶化。如果对光纤100的纤芯101、102和包层103、104的折射率进行调整，则零波长位于小于1430nm的波长范围。因此，宽带色散受控光纤100可以实现在长距离传输中，在C波段波长范围的光信号的拉曼放大。此时，用于在L波段波长范围的光信号的拉曼放大的泵浦光使用1470nm到1505nm的波长范围。因此，对宽带色散受控光纤100进行控制，从而使零色散位于小于1430nm的波长范围。

此外，为了降低用于在使用WDM通信方式的长距离传输中色散的成本，在被传送的波长范围中需要较低的色散值。特别地，由于随着光信号向更长的波长发展，色散值也会增加，因此，需要将L波段波长范围的色散值控制得尽可能低。

当将1625nm波长的色散值控制在8到14ps/nm/km的范围内时，可以通过使用L波段波长范围的光信号，降低用于长距离传输中的色散的成本。图5显示当在1625nm波长，色散值位于8到14ps/nm/km之内时的零色散波长和在零色散波长的色散斜率之间的关系。在图5中，参考符号71表示在1625nm波长，将色散值控制到12.5ps/nm/km或者更低的情况。参考符号72表示在1625nm波长，将色散值控制在12.5到13ps/nm/km范围内的情况。参考符号73表示在1625nm波长，将色散值控制在13到13.5ps/nm/km范围内的情况。如图5所示，当色散斜率降低时，色散值也会降低。因此，降低色散斜率有利于使用L波段波长范围的光信号进行长距离传输。

依据测量结果，可以控制宽带色散受控光纤100，从而(1)将在零色散波长的色散斜率控制到0.074ps/nm²/km或者更低，(2)零色散波长位于小于1430nm的波长范围内，以便在比L波段波长范围长的1625nm波长，将色散值控制在14ps/nm/km或者更低。当如上所述，在1625nm波长将色散值控制在预定的范围内时，则可以进行L波段波长范围的长距离传输。通过依据如上所述的等式2和等式3、设置宽带色散受控光纤100的折射率的分布，可以实现上述目的。

此外，通过将光纤100的有效横截面积控制到75μm²或者更低，可以获得拉曼增益效率。由如下等式4来定义拉曼增益效率。

等式4

$\mathrm{G\α}=\frac{g}{A_{\mathrm{eff}}}{P}_{\mathrm{pump}}{L}_{\mathrm{eff}}$

这里，G表示拉曼增益效率，g表示拉曼增益系数，A_eff表示有效横截面积，P_pump表示泵浦光的输出，以及L_eff表示有效距离。

从图6中，可以理解有效横截面积和拉曼增益效率之间的关系。如6所示的相对频率表示光信号和频谱光之间的频率差。参考符号81、82和83分别表示有效横截面积为80μm²、70μm²和60μm²的情况下的拉曼增益效率。从等式4和图6中，可以看到：随着有效横截面积降低，拉曼增益效率增加。

图7显示了宽带色散受控光纤的MCR值和弯曲损耗之间的关系。“MCR值”是表示模场直径和截止波长之间的比率的值。从图中，可以看到：当MCR值超过特定的水平时，弯曲损耗急剧增加。如图7所示，如果MCR值超过特定水平，与由曲线91表示的1550nm波长的弯曲损耗相比，由曲线92表示的在1625nm波长的弯曲损耗急剧增加。因此，为了避免色散控制光纤100的弯曲损耗，最好将MCR值控制在特定的范围内。

图8是显示在将MCR值控制在相对于波长范围的一定范围内时，色散受控光纤的光损耗。具有受控MCR值的光纤在1550nm波长展示了大约0.196dB/km(分贝/公里)的光损耗121，在1625nm波长展示了大约0.208dB/km的光损耗122。如果依据波长的光损耗偏差增加，则需要在每一个波长范围提供用于补偿、放大等的装置，以便保持信号质量。因此，由于通过控制MCR值，将依据波长的光损耗的偏差限制在0.03dB/km或者更低，宽带色散受控光纤100有利于长距离传输。

在表1中列出了通过反映上述特性制造的光纤的分布值。

表1

波长(nm)	1310	1285到1330	1430	1625
					色散值(ps/nm/km)	-8.1	-11.1到-6.4	0.9	12.8

如表1所示，由于在1430nm波长的色散值是0.9ps/nm/km，零色散波长位于低于1430nm的波长范围。测得色散受控光纤的色散波长为1417.3nm。

如表2所示，对具有表1所示的色散值的色散受控光纤的特性进行了测量。

表2

类别	模场直径	有效横截面积	损耗
					波长	1625nm	1625nm	1550nm	1625nm
测量值	9.92μm	73μm2	0.196dB/km	0.208dB/km

如上所述，依据本发明的宽带色散受控光纤，本发明可以通过控制零色散波长的位置，在波分复用方式的通信网络中使用在不同波长范围的光信号，并且可以通过控制色散斜率和弯曲损耗，实现长距离传输。此外，本发明的优点在于：由于控制光纤以便在O波段波长范围具有负色散值，并且在C波段波长范围和L波段波长范围具有存在较小偏差的正色散值，因此，使用一种类型的光纤，不仅可以进行短距离传输而且可以进行中/远距离传输。

虽然，已经参考一定的优选实施例，显示并且描述了本发明，但是本领域的技术人员将会理解：在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化。

Claims (19)

1.一种宽带色散受控光纤，其特征在于：截止波长大约为1285nm或者更小，在大约1285nm到1330nm波长范围的色散值为-12到-4ps/nm/km，并且在大约1625nm波长的色散值为8到14ps/nm/km，零色散波长位于大约1430nm以下的波长范围，其中，在1550nm波长的光纤有效横截面积小于75μm²，并且1550nm波长和1625nm波长之间的损耗差为大约0.03dB/km或者更少。

2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：宽带色散受控光纤包括具有直径d1和折射率n1的内部纤芯；包住内部纤芯并且具有直径d2的外部纤芯，其中外部纤芯的折射率n2按照远离内部纤芯的中心的方向，从n1开始逐渐降低；包住外部纤芯并且具有直径d3和折射率n3的内部包层；以及包住内部包层并且具有折射率n4的外部包层。

3.根据权利要求2所述的光纤，其特征在于：直径满足关系 $0\≤\frac{d1}{d2}\≤0.8$ 以及 $0.1\≤\frac{d2}{d3}\≤0.5,$ 并且折射率满足关系n1＞n2≥n3≥n4， $0.0034\≤\frac{n1-n4}{n1}\≤0.007,$ $0\≤\frac{n2-n4}{n2}\≤0.0048,$ 以及 $0\≤\frac{n3-n4}{m3}\≤0.0014.$

4.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于在零色散波长上，光纤具有大约0.074ps/nm²/km或者更小的色散斜率。

5.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于在大约1310nm波长上，光纤具有-9ps/nm/km或者更大的色散值。

6.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于在大约1625nm波长上，光纤具有0.25dB/km的损耗。

7.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于当光纤围绕具有60mm直径的滚筒(roller)100圈时，在大约1550nm上光纤具有0.05dB或者更低的弯曲损耗。

8.一种宽带色散受控光纤，其特征在于截止波长为1285nm或者更小，在1285nm到1330nm的波长范围中的色散值为-12到-4ps/nm/km，在1625nm波长上的色散值为8到14ps/nm/km，并且在零色散波长上的色散斜率为0.074ps/nm²/km或者更小。

9.根据权利要求8所述的光纤，其特征在于光纤的零色散波长位于小于1430nm的波长范围。

10.根据权利要求8所述的光纤，其特征在于在1550nm波长光纤的有效横截面积小于75μm²。

11.根据权利要求8所述的光纤，其特征在于在1310nm上的色散值为-6ps/nm/km或更小，在1625nm波长上的色散值为14ps/nm/km或更小。

12.根据权利要求8所述的光纤，其特征在于当光纤围绕具有60mm直径的滚筒100圈时，在1550nm上光纤具有0.05dB或者更小的弯曲损耗。

13.根据权利要求8所述的光纤，其特征在于宽带色散受控光纤包括具有直径d1和折射率n1的内部纤芯；包住内部纤芯并且具有直径d2的外部纤芯，其中外部纤芯的折射率n2按照远离内部纤芯的中心的方向，从n1开始逐渐降低；包住外部纤芯并且具有直径d3和折射率n3的内部包层；以及包住内部包层并且具有折射率n4的外部包层。

14.根据权利要求13所述的光纤，其特征在于直径满足关系 $0\≤\frac{d1}{d2}\≤0.8$ 以及 $0.1\≤\frac{d2}{d3}\≤0.5,$ 并且折射率满足关系n1＞n2≥n3≥n4， $0.0034\≤\frac{n1-n4}{n1}\≤0.007,$ $0\≤\frac{n2-n4}{n2}\≤0.0048,$ 以及 $0\≤\frac{n3-n4}{n3}\≤0.0014.$

15.一种宽带色散受控光纤，包括：

内部纤芯；

包住内部纤芯的外部纤芯；

包住外部纤芯的内部包层；

包住内部包层的外部包层，

其中，通过使用各个直径和折射率的分布，对纤芯和包层之间的各个折射率进行调整，以便获得预定的截止波长，以及获得在O波段波长范围的预定的负色散值范围，在C波段波长范围和L波段波长范围的正范围内的预定色散值，位于小于预定值的波长范围中的零色散波长，其中，在预定波长的横截面积小于预定值，并且依据波长的光损耗的偏差小于预定的值。

16.根据权利要求15所述的光纤，其特征在于：截止波长为1285nm或者更小，以及在1250nm到1330nm波长范围中的色散值为-12到-4ps/nm/km，在1625nm波长的色散值为8到14ps/nm/km。

17.根据权利要求15所述的光纤，其特征在于：零色散波长位于1430nm以下的波长范围内。

18.根据权利要求15所述的光纤，其特征在于：在1550nm波长的有效横截面积小于75μm²。

19.根据权利要求15所述的光纤，其特征在于：依据波长的光损耗的偏差小于0.03dB/km或者更低的预定值。

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