CN1567005A - 亚全波零色散稳定位移单模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开的亚全波零色散稳定位移单模光纤，由纤芯和均匀包层组成，所述纤芯由三个分层组成：圆形中央分层、包覆在所述圆形中央分层上的第一环形分层以及包覆在所述第一环形分层上的第二环形分层。所述光纤有如下典型特性：零色散波长λ₀＝1390±5nm；零色散斜率S₀＝0.076～0.088ps/nm²－km；波长范围1365～1415nm内，全色散不稳定性δD_T≤0.25ps/nm－km；波长范围1365～1415nm外，色散绝对值|D|≥1.6ps/nm－km，衰减系数小于0.35dB/km；波长1390nm下，有效面积A_eff≥85μm²，弯曲损耗因子α_m≥0.06％－μm^－1 (相当于G.652光纤)；波长1605nm下，色散D≤17.5ps/nm－km；波长1280nm下，色散D≥－10.5ps/nm－km。

Description

亚全波零色散稳定位移单模光纤

发明领域

本发明涉及一种零色散稳定位移单模光纤，尤其涉及，一系列亚全波零色散稳定位移单模光纤。

背景技术

下面先对本发明涉及到的术语给出定义，所述定义符合本领域惯例；本说明书专用术语通过惯用术语说明。

纤芯各分层的半径以单位μm计，按折射率定义，每一特定分层具有第一折射率点和最后折射率点。从光纤轴线到第一折射率点所在位置的半径是该分层的内半径；从光纤轴线到最后折射率点所在位置的半径是该分层的外半径。参见Δ-光纤半径分布图，中央圆形分层的半径从光纤轴线量到该分层的外半径；第一环形分层的宽度从第一环形分层的内半径量到第一环形分层的外半径；第二环形分层的宽度从第二环形分层的内半径量到第二环形分层的外半径。

纤芯圆形中央分层、第一环形分层和第二环形分层的相对折射率差Δ₀、Δ₁和Δ₂以单位％计，分别定义为

Δ₀＝(n₀ ²-n_c1 ²)/2n₀ ²

Δ₁＝(n₁ ²-n_c1 ²)/2n₀ ²

Δ₂＝(n₂ ²-n_c1 ²)/2n₀ ²

式中，n₀、n₁和n₂分别表示圆形中央分层、第一环形分层和第二环形分层最大折射率；n_c1是纯SiO₂包层折射率。

第二环形分层分布体积以单位％-μm²计，定义为V_d＝2∫Δrdr，积分限从该分层内半径到该分层外半径。

折射率剖面定义为相对折射率差或折射率与半径之间的关系。

有效面积以单位μm²计，定义为

       A_eff＝2π(∫E²(r)r dr)²/(∫E₄(r)r dr)

其中，积分限为0至∞；E(r)是光传播所伴随的电场。

模场直径以单位μm计，定义为MFD＝2W_d，

$W_d=\sqrt{\frac{2{\∫E}^2\left(r\right)\mathrm{rdr}}{\∫|\frac{\mathrm{dE}\left(r\right)}{\mathrm{dr}}{|}^2\mathrm{rdr}}}$

其中，积分限为0至∞；E(r)是光传播所伴随的电场。

光纤弯曲损耗γ衰减的速度与光纤弯曲损耗因子的指数成正比：

γ∝exp{-4R_cα_m/3}

其中，R_c是弯曲半径，本说明书中α_m称为光纤弯曲损耗因子，以单位％-μm^-1计，按下式定义

${\mathrm{\α}}_m=\frac{W^3\mathrm{\Δ}}{V^{2}a}$

$W=a\sqrt{{\mathrm{\β}}^2-k^2{n}_{\mathrm{cl}}^2}$

$V=\mathrm{ka}\sqrt{n_0^2-n_{\mathrm{cl}}^2}$

其中，参数k、β分别是自由空间波数和传播常数；Δ＝Δ₀；a和n₀分别是所述圆形中央分层半径和最大折射率；n_cl是纯SiO₂均匀包层折射率。

偏色散不稳定性δD_Δ以单位ps/nm-km计，指芯各分层的相对折射率差按比例变化2％而折射率剖面形状和其他结构参数不变时光纤色散的变化值。

偏色散不稳定性δD_R以单位ps/nm-km计，指纤芯各分层的半径按比例变化1％而其他结构参数不变时光纤色散的变化值。

全色散不稳定性δD_T以单位ps/nm-km计，指δD_R和δD_Δ绝对值之和。

零色散波长不稳定性δλ₀以单位nm计，指尺寸公差±1％和相对折射率差公差±2％共同引起的零色散波长变化。

色散斜率S_Δ以单位ps/nm²-km计，指使δD_Δ理论上为零(实际上达到10^-3ps/nm-km数量级)的色散斜率。

色散斜率SR以单位ps/nm²-km计，指使δD_R理论上为零(实际上达到10^-4ps/nm-km数量级)的色散斜率。

色散稳定状态，指在色散斜率范围S_Δ≤S≤S_a内全色散不稳定性δD_T和零色散波长不稳定性δλ₀明显较小的状态。

现有非零色散位移单模光纤实际上是零色散波长位移很不稳定(变化范围可能达到约40nm)的单模光纤，因而在固定的工作波长范围内，色散只能或者为正，或者为负，波长资源利用率低。现有大有效面积非零色散位移单模光纤，全色散不稳定性δD_T相当大，使得大长度平均意义上的非零色散光纤可能包含局部长度实际上的零色散光纤，产生不可逆的四波混频失真。

现有非零色散位移单模光纤的设计方法，分析和综合功能很强，归纳和演绎功能较弱，适于发现具有给定性能的各别的光纤，实现所给定光纤性能的优化有一定实际局限性。

现有大有效面积非零色散位移单模光纤，有效面积不够大，而且色散稳定性不好，原因就是光纤所采用的折射率剖面使有效面积—弯曲损耗因子乘积较小，并且工作于色散稳定状态之外。

本发明所涉及光纤由纤芯和纯SiO₂均匀包层组成，所述纤芯由三个分层组成：以光纤轴线为圆心的圆形中央分层、包覆在所述圆形中央分层上的第一环形分层以及包覆在所述第一环形分层上的第二环形分层，所述圆形中央分层相对折射率差为Δ₀，半径为a；所述第一环形分层相对折射率差为Δ₁，宽度为H₁；所述第二环形分层相对折射率差为Δ₂，宽度为H₂；所述圆形中央分层的折射率剖面基本上是α剖面，所述第一环形分层和所述第二环形分层的折射率剖面基本上是阶跃型剖面，所述圆形中央分层的相对折射率差Δ₀大于第二环形分层的相对折射率差Δ₂。

所述纤芯由三个分层组成的、所述圆形中央分层采用α折射率剖面的光纤系统，有7个独立结构参数，包含许多相互区别的光纤。发明人通过解析解对所述光纤系统研究后发现：

——在色散斜率范围S_Δ≤S≤S_R内光纤处于色散稳定状态，在所述状态下全色散不稳定性δD_T和零色散波长不稳定性δλ₀明显较小。对于具有给定零色散波长λ₀的光纤，有关参数基本不因光纤结构参数而异。

——对于具有给定零色散波长λ₀的光纤，有效面积—弯曲损耗因子乘积与所述圆形中央分层α折射率剖面的α值和零色散斜率有关。在所述乘积一定的情况下，调节所述第一环形分层的相对折射率差Δ₁、宽度H₁和所述第二环形分层的相对折射率差Δ₂、宽度H₂，可得到所要求的有效面积和相应的弯曲损耗因子。

本发明所涉及的亚全波零色散稳定位移单模光纤，按照发明人所发现的原理，满足亚全波零色散稳定位移单模光纤和较大有效面积—弯曲损耗因子乘积的双重要求，因而波长资源利用率高，色散稳定性好，有效面积大，弯曲损耗小。这些特点使所发明光纤区别于纤芯由三个分层组成的、所述圆形中央分层采用α折射率剖面的现有大有效面积非零色散位移单模光纤。

发明内容

和非零色散位移单模光纤不同，零色散稳定位移单模光纤的特点在于：

——工作波长范围由正色散部分和负色散部分两部分组成，所述两部分之间是不被使用的波长范围；

——优选所述不被使用的波长范围，以获得最大工作波长范围；

——在所述不被使用的波长范围外，色散绝对值大于避免四波混频所需的给定值。

实现零色散稳定位移单模光纤的途径是：

——将所述零色散波长置于所述不被使用的波长范围的中央区域；

——优选零色散斜率，使得在所述不被使用的波长范围内，光纤处于色散稳定状态。

对于本发明所涉及的亚全波零色散稳定位移单模光纤，

——所述不被使用的波长范围是衰减水峰的毗邻波长区间1365～1415nm，在所述波长范围外色散绝对值大于1.4ps/nm-km，衰减系数小于0.35dB/km；

——所述零色散波长λ₀＝1390±5nm；

——在1390nm下零色散斜率S₀＝0.076～0.088ps/nm²-km，保证在波长范围1365～1415nm内，全色散不稳定性δD_T≤0.25ps/nm-km。

所述亚全波零色散稳定位移光纤可用波长范围达到1280～1625nm的80％，在所述可用波长范围内，衰减系数小于0.35dB/km，没有四波混频问题。与现有削平衰减水峰的光纤相比，工艺简单，不怕长期使用后被削平的衰减水峰重新恢复。

本发明涉及的一类的光纤，在波长1390nm下，有效面积和弯曲损耗因子的乘积A_effαm≥5％-μm。获得上述性能的途径是，使得零色散斜率S₀＝0.084～0.088ps/nm²-km；所述圆形中央分层的α折射率剖面取α≥2。调节所述第一环形分层的相对折射率差Δ₁、宽度H₁和所述第二环形分层的相对折射率差Δ₂、宽度H₂，可得到所要求的有效面积和相应的弯曲损耗因子。

本发明涉及的另一类的光纤，在波长1390nm下，有效面积和弯曲损耗因子的乘积A_effα_m≥4.2％-μm。获得上述性能的途径是，使得零色散斜率S₀＝0.076～0.080ps/nm²-km；所述圆形中央分层的α折射率剖面取α≥2。调节所述第一环形分层的相对折射率差Δ₁、宽度H₁和所述第二环形分层的相对折射率差Δ₂、宽度H₂，可得到所要求的有效面积和相应的弯曲损耗因子。

下面列出两种较佳实施例的主要性能。

第一种亚全波零色散稳定位移单模光纤，波长1390nm下有效面积A_eff≥85μm²；弯曲损耗因子αm≥ 0.06％-μm^-1；波长1605nm下色散D≤17.5ps/nm-km；波长1415nm下色散D≥1.6ps/nm-km；波长1365nm下色散D≤-1.6ps/nm-km；波长1280nm下色散D≥-10.5ps/nm-km。

第二种亚全波零色散稳定位移单模光纤，波长1390nm下有效面积A_eff≥70μm²；弯曲损耗因子α_m≥0.06％-μm^-1；波长1605nm下色散D≤15.3ps/nm-km；波长1415nm下色散D≥1.4ps/nm-km；波长1365nm下色散D≤-1.4ps/nm-km；波长1280nm下色散D≥-9.4ps/nm-km。

作为对比，现有康宁LEAF光纤波长1550nm下有效面积典型值A_eff＝72μm²(估算1530nm下有效面积最小值A_eff＝65μm²)；现有G.652光纤1390nm下弯曲损耗因子计算值为α_m＝0.06％-μm^-1。

附图说明

参照以下附图，熟悉本技术领域的人员，从本发明的详细描述中，将显而易见本发明的上述和其他目的、特征和优点。

图1是一种所发明光纤的折射率剖面图。对于所述的α折射率剖面，其中α从1变到100，对应于从三角形剖面变到近似阶跃型剖面，无法一一画出，图1所示只是其中的一种情况。

具体实施方式

图1中，1、2、3和4分别表示所发明光纤的圆形中央分层、第一环形分层、第二环形分层和纯SiO₂均匀包层。5、6和7分别表示圆形中央分层半径a、第一环形分层宽度H₁和第二环形分层宽度H₂。n₀和n₂分别表示圆形中央分层和第二环形分层最大折射率，n_c1是纯SiO₂均匀包层折射率。

表1给出所发明光纤第一种较佳实施例的独特性能：

                   表1

性能                             指标

零色散波长nm                     λ₀＝1390±5

零色散斜率ps/nm²-km(1390nm)     S₀＝0.084～0.088

色散ps/nm-km

1280nm                           D≥-10.5

1365nm                           D≤-1.6

1415nm                           D≥1.6

1605nm                           D≤17.5

全色散不稳定性ps/m-km            δD_T≤0.25

(1365～1415nm)

光纤截止波长nm                   λ_c≤1260

衰减系数dB/km(1365～1415nm以外)  α≤0.35

模场直径μm(1390nm)              MFD＝10.0～11.0

有效面积μm²(1390nm)            A_eff≥85

弯曲损耗因子％-μm^-1(1390nm)    α_m≥0.06

表2给出所发明光纤第一种较佳实施例的主要结构参数：

                     表2

结构参数    指标

圆形中央分层折射率剖面参数       α≥2

圆形中央分层半径μm              a＝3.95～5.00

圆形中央分层相对折射率差％        Δ₀＝0.33～0.44

第一环形分层相对折射率差％        Δ₁＝-0.10～0.00

第一环形分层宽度μm               H₁＝2.00～3.60

第二环形分层分布体积％-μm²      V_d＝9.6～1 8.9

第二环形分层相对折射率差％        Δ₂＝0.24～0.37

第二环形分层宽度μm               H₂＝2.00～3.60

表3给出所发明光纤第二种较佳实施例的独特性能：

                      表3

性能                              指标

零色散波长nm                      λ₀＝1390±5

零色散斜率ps/nm^2-km(1390nm)       S₀＝0.076～0.080

色散ps/nm-km

1280nm                            D≥-9.4

1365nm                            D≤-1.4

1415nm                            D≥1.4

1605nm                            D≤15.3

全色散不稳定性ps/nm-km            δD_T≤0.25

(1365～1415nm)

光纤截止波长nm                    λ_c≤1260

衰减系数dB/km(1365～1415nm以外)   α≤0.35

模场直径μm(1390nm)               MFD＝9.0～10.0

有效面积μm²(λ＝1390nm)         A_eff≥70

弯曲损耗因子％-μm^-1(1390nm)     α_m≥0.06

表4给出所发明光纤第二种较佳实施例的主要结构参数：

                   表4

结构参数                               指标

圆形中央分层折射率剖面参数             α≥2

圆形中央分层半径μm                    a＝3.80～4.80

圆形中央分层相对折射率差％             Δ₀＝0.33～0.50

第一环形分层宽度μm                    H₁＝2.16～2.61

第一环形分层相对折射率差％             Δ₁＝-0.10～0.00

第二环形分层分布体积％-μm²           V_d＝5.17～9.33

第二环形分层相对折射率差％             Δ₂＝0.17～0.30

第二环形分层宽度μm                    H₂＝2.16～2.61

光纤折射率剖面实际上可由多层沉积组成；沉积层数因制造方法而异，少则几层，多到几百层。圆形中央分层的光滑折射率剖面可看作无穷多层阶梯形剖面的极限情况。

由于工艺原因光纤折射率剖面在轴线附近会有不大的中心凹陷。本领域内的技术人员都知道，不大的中心凹陷不会严重影响光纤基本性能。当所述中心凹陷深度和倒置锥形底面半径都很小其影响可以不计时，可看成极限情况无中心凹陷。

所述圆形中央分层的折射率剖面基本上是α剖面，包含与该剖面形状相近的光传输性能相似的其他折射率剖面。

表中所列数据对应于下述条件：所述圆形中央分层有光滑的α折射率剖面，无中心凹陷。实际情况与所述条件稍有差异时，有关数据与表列对应数据稍有不同。

本发明所涉及的亚全波零色散稳定位移单模光纤，按照发明人所发现的原理，满足亚全波零色散稳定位移单模光纤和较大有效面积—弯曲损耗因子乘积的双重要求，因而波长资源利用率高，色散稳定性好，有效面积大，弯曲损耗小。这些特点使所发明光纤区别于纤芯由三个分层组成的、所述圆形中央分层采用α折射率剖面的现有大有效面积非零色散位移单模光纤。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。

Claims (10)

1、一种亚全波零色散稳定位移单模光纤，该光纤由纤芯和纯SiO₂均匀包层组成，所述纤芯由三个分层组成：以光纤轴线为圆心的圆形中央分层、包覆在所述圆形中央分层上的第一环形分层以及包覆在所述第一环形分层上的第二环形分层，所述圆形中央分层相对折射率差为Δ₀，半径为a；所述第一环形分层相对折射率差为Δ₁，宽度为H₁；所述第二环形分层相对折射率差为Δ₂，宽度为H₂；所述圆形中央分层的折射率剖面基本上是α剖面，所述第一环形分层和所述第二环形分层的折射率剖面基本上是阶跃型剖面，所述圆形中央分层的相对折射率差Δ₀大于第二环形分层的相对折射率差Δ₂，其特征在于：

所述纤芯三个分层的折射率剖面形状、相对折射率差和半径或宽度的选择可保证：零色散波长λ₀＝1390±5nm；零色散斜率S₀＝0.076～0.088ps/nm²-km；在波长范围1365～1415nm内，全色散不稳定性δD_T≤0.25ps/nm-km；在波长范围1365～1415nm外，衰减系数小于0.35dB/km；波长1365nm下，色散D≤-1.4ps/nm-km；波长1415nm下，色散D≥1.4ps/nm-km。

2、根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：波长1390nm下，有效面积—弯曲损耗因子乘积A_effα_m≥5％-μm；零色散斜率S₀＝0.084～0.088ps/nm²-km；所述圆形中央分层的α折射率剖面取α≥2。

3、根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：波长1390nm下，有效面积—弯曲损耗因子乘积A_effα_m≥4.2％-μm；零色散斜率S₀＝0.076～0.080ps/nm²-km；所述圆形中央分层的α折射率剖面取α≥2。

4、根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：波长1390nm下，有效面积—弯曲损耗因子乘积A_effα_m≥4.2％-μm；零色散斜率S₀＝0.084～0.088ps/nm²-km；所述圆形中央分层的α折射率剖面取α＝0.7～1.5。

5、根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：波长1390nm下，有效面积A_eff≥85μm²，弯曲损耗因子α_m≥0.06％-μm^-1；波长1605nm下，色散D≤17.5ps/nm-km；波长1280nm下，色散D≥-10.5ps/nm-km。

6、根据权利要求5所述的光纤，其特征在于：所述纤芯圆形中央分层的α折射率剖面取α≥2，Δ₀＝0.33～0.44％，a＝3.95～5.00μm。

7、根据权利要求6所述的光纤，其特征在于：所述纤芯第一环形分层H₁＝2.00～3.60μm，Δ₁＝-0.10～0.00％；所述纤芯第二环形分层H₂＝2.00～3.60μm，Δ₂＝0.24～0.37％。

8、根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：波长1390nm下，有效面积A_eff≥70μm²，弯曲损耗因子α_m≥0.06％-μm^-1；波长1605nm下，色散D≤15.3ps/nm-km；波长1280nm下，色散D≥-9.4ps/nm-km。

9、根据权利要求8所述的光纤，其特征在于：所述纤芯圆形中央分层的α折射率剖面取α≥2，Δ₀＝0.33～0.50％，a＝3.80～4.80μm。

10、根据权利要求9所述的光纤，其特征在于：所述纤芯第一环形分层H₁＝2.16～2.61μm，Δ₁＝-0.10～0.00％；所述纤芯第二环形分层H₂＝2.16～2.61μm，Δ₂＝0.17～0.30％。