CN1928596A - 光纤和使用该光纤的光学设备 - Google Patents

Abstract

光纤10，在全部长度内的平均零色散波长λ₀处，传播常量β关于角频率ω的第四阶色散β₄的绝对值不超过5×10^－56s⁴/m，并且在全部长度内沿纵向方向的零色散波长的波动不超过±0.6nm。该光纤10至少包括：具有最大折射率N₁和外径2a的中心核心部分11，具有最小折射率N₂和外径2b的下凹部分12，以及具有最大折射率N₃的包层部分13。各个部分的折射率满足“N₁＞N₃＞N₂”的关系。相对于包层部分的折射率，中心核心部分的相对折射率差定义为Δ₊，下凹部分的相对折射率差定义为Δ_－，那么“Δ₊－Δ_－”之差不小于2.2％，并且中心核心部分的外径与下凹部分的外径的比值Ra(＝2a/2b)在0.2至0.7的范围内。

Description

光纤和使用该光纤的光学设备

技术领域

本发明涉及高非线性的光纤和使用该光纤的光学设备。

背景技术

在利用非线性光学现象的波长转换或类似情况中，高非线性光纤，如色散位移光纤(dispersion-shifted fiber)，用作生成该非线性光学现象的媒介(例如，日本专利申请公开No.8-95106)。迄今为止，光纤在这种应用中的发展主要集中在非线性的提高与色散斜率(dispersion slope)的减小上。减少零色散波长(zero dispersionwavelength)中的波动也是同样重要的。但是，色散斜率的减小导致了光纤纵向内零色散波长中波动的增加。另外，迄今为止还未把注意力关注在传播常量(propagation constant)β对角频率的第四阶导数(fourth derivative)β₄的第四阶色散(fourth order dispersion)β₄上，所述第四阶色散β₄对增加波长转换带宽是重要的。

例如，文献“M.E.Marhic，et al.，Optics & PhotonicsNews(September 2004)pp.21-25(2004)”描述了通过减小光纤的第四阶色散β₄来扩展OPA(光参量放大器)中的带宽。另外，例如，文献“M-C.Ho，et al.，J.of Lightwave Technol.Vol.19，No.7，pp.977-981(2001)”报导了使用具有-5.8×10^-56s⁴/m的第四阶色散β₄的光纤的宽带宽的OPA。然而，在文献“M-C.Ho，et al.，J.of LightwaveTechnol.Vol.19，No.7，pp.977-981(2001)”的第978页的“B.Experimental Setup for OPA Gain Measurement”部分中记述了“色散巨大的波动”和第四阶色散β₄的减小是不够的。文献“M.Gao，et al.，Optics Express，Vol.12，No.23，pp.5603-5631(2004)”描述了对包括第四阶色散β₄的光纤参数的优化，但是没有考虑到零色散波长中的波动和正交偏振模式的耦合等现象，这些现象在实际光纤中是重要的问题。

如上所述，从光纤使用的观点上具有光纤参数方面的建议，但是在光纤的生产方面没有研究；从而，难以生产出具有所建议的参数的光纤。例如，文献“T.Okuno，et al.，OFC 2004，MF21”和其它文献描述了这种已知的光纤，即在100m的光纤长度中具有91.3nm转换带宽的光纤和在100m的光纤长度中具有110nm转换带宽的光纤，但是这些光纤没有对色散参数进行优化，而是通过仅缩短光纤长度得到的。

文献“J.Hiroishi，et al.，ECOC2002 Post Deadline Papers，PD1(2002)”描述了具有所谓W形折射率分布(index profile)的光纤，该光纤包括中心核心部分、下凹部分和包层部分，显示了第四阶色散β₄的典型值1.0×10^-4ps⁴/km(＝1.0×10^-55s⁴/m)。实际上，即使在W形折射率分布的情形下，第四阶色散β₄的值也是可调节的，但是没有考虑第四阶色散β₄的重要性。虽然通过将色散斜率减小到+0.013ps/nm²/km得到了宽的带宽，但是大概由于实际上纵向内零色散波长巨大的波动，通过四波混频(four-wave mixing)得到的波长转换带宽限制到低于40nm。

本发明人发现，在实际光纤中，第四阶色散β₄是可调节的，并且在波长转换、OPA等中，通过减小第四阶色散β₄和抑制光纤中纵向内零色散波长的波动，可得到更宽的带宽，从而实现本发明。

发明内容

为解决上述问题完成了本发明，本发明的目的是提供在波长转换、OPA等中能够得到更宽的带宽的光纤和使用该光纤的光学设备。

根据本发明的光纤，在全部长度内的平均零色散波长λ₀处，传播常量β关于角频率ω的导数的第四阶色散β₄的绝对值不大于5×10^-56s⁴/m，并且沿纵向方向的零色散波长的波动不超过±0.6nm。使用上述光纤，通过四波混频在波长转换、OPA等中得到更宽的带宽变得可行，并可得到例如200nm的波长转换带宽。例如，在文献“L.F.Mollenauer，et al.，Optics Lett.Vol.21，No.21，pp.1724-1726(1996)”中描述了测量沿光纤纵向方向的零色散波长的方法。虽然光纤可以是沿着纵向方向带有孔的有孔光纤(holey fiber)，但是本发明的光纤可以是实心的，这种实心的光纤便于制造、与另一个光纤的熔接(fusion splicing)，并且便于控制沿纵向方向的零色散波长。第四阶色散β₄的绝对值优选地不超过1×10^-56s⁴/m，更优选地不超过5×10^-57s⁴/m。

根据本发明的光纤优选地构造成平均零色散波长λ₀在1440nm到1640nm的范围内。该波段包括S-波段(1460nm-1530nm)、C-波段(1530nm-1565nm)和L-波段(1565nm-1625nm)，这些波段通常应用于光学通信中，并且在这些波段中容易获得廉价的高输出激光源。

根据本发明的光纤优选地构造成在平均零色散波长λ₀处的有效面积不超过15μm²。在这种情形下，非线性变得如此之大以致允许有效的波长转换。

根据本发明的光纤优选地构造成在平均零色散波长λ₀处的色散斜率不小于+0.018ps/nm²/km。在这种情形下，抑制沿纵向方向零色散波长中的波动相对容易。平均零色散波长λ₀处的色散斜率更优选地为+0.018ps/nm²/km至+0.030ps/nm²/km。

根据本发明的光纤优选地构造成在平均零色散波长λ₀处的色散斜率的波长导数在-0.00012ps/nm³/km到-0.00008ps/nm³/km的范围内。在这种情形下，抑制零色散波长中的波动相对容易。

根据本发明的光纤优选地构造成在全部长度的偏振模色散不超过0.2ps。在这种情形下，使该偏振模色散的影响相对小一些，并在长时间段和稳定的基础上展现非线性光学现象是可行的。如果是非保偏光纤，那么希望偏振模色散尽可能地小，优选地不超过0.1ps，更优选地不超过0.05ps。

根据本发明的光纤优选地构造成由光纤引导的基本模式光的正交偏振分量之间的串扰在全部长度上不超过-15dB。在这种情形下，当光纤为保偏光纤时，光纤的偏振模色散的影响可基本上忽略，并且在长时间段展现具有极好稳定性的非线性光纤现象是可行的。

根据本发明的光纤优选地构造如下：它至少还包括：具有最大折射率N₁和外径2a的中心核心部分，环绕该中心核心部分并具有最小折射率N₂和外径2b的下凹部分，以及环绕该下凹部分并具有最大折射率N₃的包层部分；上述折射率满足“N₁＞N₃＞N₂”的关系；相对于包层部分的折射率N₃，中心核心部分的相对折射率差定义为Δ₊，下凹部分的相对折射率差定义为Δ_-，并且“Δ_+-Δ_-”之差不小于2.2％；中心核心部分的外径与下凹部分的外径的比值Ra(＝2a/2b)在0.2至0.7的范围内。当光纤具有所谓W形折射率分布，并且中心核心部分的相对折射率差Δ₊、下凹部分的相对折射率差Δ_-和比值Ra满足上述条件时，调节色散特性及减小第四阶色散β₄变得容易。“Δ_+-Δ_-”之差优选地不小于3.1％，在这种情形下，非线性系数可提高到20/W-km或更高。下凹部分的相对折射率差Δ_-优选地在-0.1％到-1.1％的范围内，在这种情形下，第四阶色散β₄的绝对值可进一步减小。

根据本发明的光纤优选地构造成光纤长度不超过500m。这便于波长转换带宽的扩展。

根据本发明的另一个光纤，其中该光纤在全部长度内的平均零色散波长λ₀在1440nm到1640nm的范围内，沿纵向方向的零色散波长的波动不超过±0.6nm，并且传播常量β关于角频率ω的第四阶色散β₄的绝对值在平均零色散波长λ₀处不超过5×10^-56s⁴/m，有效面积不超过15μm²，色散斜率在+0.018ps/nm²/km到+0.030ps/nm²/km的范围内，色散斜率的波长导数在-0.00012ps/nm³/km到-0.00008ps/nm³/km的范围内。

根据本发明的光学设备包括：光纤；产生波长为λ_P的泵浦光的泵浦光源(pump light source)；产生波长为λ_S的探测光的探测光源(probe light source)，其中所述泵浦光与探测光通过光纤引导，并且通过非线性光学现象从光纤产生新波长λ_I的闲频光。该光学设备中的光纤优选地采用上述根据本发明的光纤。该光学设备通过光纤中的四波混频引起波长转换，以四波混频产生新波长λ_I的闲频光，该新波长λ_I与泵浦光波长(pump wavelength)λ_P和探测光波长(probewavelength)λ_S两者都不相同。即使泵浦光波长λ_P与探测光波长λ_S之间的波长间隔宽，也可有效地引起所述波长转换。所述泵浦光可以是一个波长的泵浦光，但也可以是两个或多个波长的多个泵浦光。同样探测光可以是一个波长的探测光，但也可以是两个或多个波长的多个探测光。当控制脉冲作为泵浦光射入光纤时，所述光学设备可用作利用波长转换的光学开关，或用作光信号分离器。因为所述光学设备可产生新光子，所述新光子具有与信号光的某些光子和波长不同于所述新光子的某些光子相同的信息，所以所述光学设备还可产生用于量子加密通信(quantum encryption communication)的光子对。另外，所述光学设备能够容易地产生某一波长的光，在该波长没有好光源，从而该光学设备不仅可应用于光通信领域，还可应用到其它领域。

根据本发明的光学设备优选地构造如下：P_P-in表示射入光纤的泵浦光的功率，P_S-in表示射入光纤的探测光的功率，P_I-out表示射出光纤的闲频光的功率，泵浦光的波长λ_P和功率P_P-in都保持不变，并且当闲频光的功率和探测光的功率的转换比r(＝P_I-out/P_S-in)随着探测光波长λ_S中的变化的波动率不超过3dB时，探测光的波长λ_S的范围不小于100nm。在这种情形下，该光学设备能得到非常宽的波段的波长转换。所述泵浦光可以是两个或多个波长的泵浦光，即使在这种情形下，也不必为泵浦光改变条件。例如，所述光学设备能够将包括C-波段和L-波段的波段内的多波长信号光共同地转换成包括E-波段(1360nm-1460m)和S-波段的波段内的光。当转换比r的波动率不超过3dB时，探测光的波长λ_S范围优选地不小于160nm，更优选地不小于200nm，还要更加优选地不小于300nm。

根据本发明的光学设备优选地构造如下：P_P-in表示射入光纤的泵浦光的功率，P_S-in表示射入光纤的探测光的功率，P_I-out表示射出光纤的闲频光的功率，泵浦光的波长λ_P和功率P_P-in都保持不变，相对于泵浦光的波长与探测光的波长之间的差“λ_P-λ_S”的绝对值为5nm时的闲频光的功率与探测光的功率的转换比r(＝P_I-out/P_S-in)的值，当差“λ_P-λ_S”的绝对值不小于50nm时，转换比r的变化率不超过3dB。既然泵浦光波长λ_P近似地等于光纤的零色散波长，那么如果入射的探测光为多波长探测光，并且探测光波长接近泵浦光波长，则这些探测光之间就将出现四波混频的问题。但是，如果探测光波长远离零色散波长(泵浦光波长)50nm或更远，那么色散的绝对值就不小于约1ps/nm/km，并且显著地抑制了探测光之间的四波混频。

根据本发明的光学设备优选地构造成从光纤射出的探测光的功率P_S-out大于射入光纤的探测光的功率P_S-in。通过OPA在宽波段中得到放大是可行的。除放大器外，当控制射入的脉冲作为泵浦光射入时，该光学设备还可用作开关或光信号分离器。

附图说明

图1示出了从光纤射出的闲频光λ_I的功率P_I-out与探测光波长λ_S之间的关系；

图2A和图2B示出了波长转换带宽与波长差λ₀-λ_P之间的关系，

其中波长差λ₀-λ_P为零色散波长λ₀与泵浦光波长λ_P之间的差；

图3示出了在示出波长转换带宽与波长差λ₀-λ_P之间的关系的图

中最小的波长转换带宽，其中波长差λ₀-λ_P为零色散波长λ₀与泵浦光波长λ_P之间的差；

图4A、图4B和图4C示出了对于光纤零色散波长λ₀的各波动宽度值，在第四阶色散β₄绝对值与光纤长度L各值处的波长转换带宽的表格；

图5A、图5B和图5C示出了对于光纤零色散波长λ₀的各波动宽度值，在第四阶色散β₄绝对值与光纤长度L各值处的波长转换带宽的表格；

图6示出了具有100m光纤长度且在零色散波长λ₀中没有波动的光纤内，波长转换带宽与第四阶色散β₄之间的关系；

图7示出了具有100m光纤长度且在零色散波长λ₀中具有±0.05nm波动的光纤内，波长转换带宽与第四阶色散β₄之间的关系；

图8示出了具有100m光纤长度且在零色散波长λ₀中具有±0.10nm波动的光纤内，波长转换带宽与第四阶色散β₄之间的关系；

图9示出了在零色散波长λ₀中具有±0.10nm波动的光纤内，波长转换带宽与光纤长度L之间的关系；

图10示出了波长转换带宽与零色散波长λ₀的波动量之间的关系；

图11A和图11B示出了根据本发明实施例的光纤10的剖视结构和折射率分布的优选实例；

图12示出了对于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波长导数(dS/dλ)与第四阶色散β₄的表格；

图13示出了对于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波长导数(dS/dλ)与第四阶色散β₄的表格；

图14A、图14B、图14C和图14D示出了根据本发明的实施例的光纤折射率分布的其它优选实例；

图15示出了对于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波长导数(dS/dλ)与第四阶色散β₄的表格；

图16示出了对于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波长导数(dS/dλ)与第四阶色散β₄的表格；

图17示出了对于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波长导数(dS/dλ)与第四阶色散β₄的表格；

图18示出了第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系；

图19示出了对于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波长导数(dS/dλ)与第四阶色散β₄的表格；

图20示出了第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系；

图21示出了第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系；

图22示出了第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系；

图23示出了第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系；

图24示出了第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系；

图25示出了第四阶色散β₄与色散斜率S之间的关系；

图26示出了第四阶色散β₄与色散斜率S的波长导数(dS/dλ)之间的关系；

图27示出了在核心外径2a具有1％波动时，零色散波长λ₀的波动量与色散斜率S之间的关系；

图28为实例光学设备1的构造简图；

图29示出了从实例光学设备1的光纤10射出的闲频光λ_I的功率P_I-out与探测光波长λ_S之间的关系；

图30示出了从实例光学设备1的光纤10射出的闲频光λ_I的功率P_I-out与探测光波长λ_S之间的关系；

图31示出了从实例光学设备1的光纤10射出的闲频光λ_I的功率P_I-out与探测光波长λ_S之间的关系；

图32示出了从实例光学设备1的光纤10射出的闲频光λ_I的功率P_I-out与探测光波长λ_S之间的关系；

图33示出了从实例光学设备1的光纤10射出的闲频光λ_I的功率P_I-out与探测光波长λ_S之间的关系；

图34示出了从实例光学设备1的光纤10射出的闲频光λ_I的功率P_I-out与探测光波长λ_S之间的关系；

图35示出了在实例的光纤的长度为1000m时，闲频光λ_I的功率P_I-out与探测光波长λ_S之间的关系；

图36示出了在实例和常规实例的光纤的每一个内，波长转换带宽与光纤长度之间的关系。

具体实施方式

下面参考附图详细描述实现本发明的最佳方式。在附图的描述中，相同的元件用相同的附图标记表示，不再做多余的描述。

首先描述的是在完成本发明之前所进行的理论研究内容。考虑泵浦光(波长λ_P1、λ_P2)和探测光(λ_S)射入光纤的情形，在该光纤中发生非线性光学现象(例如，四波混频：一种参数处理)，并且通过上述非线性光学现象在该光纤中产生新波长(波长λ_I)的闲频光。波长λ_P1与波长λ_P2可彼此相等，在那样的情形下，这些波长由λ_P表示。

假设P_P1-in为射入光纤的泵浦光λ_P1的功率，P_P2-in为射入光纤的泵浦光λ_P2的功率，P_S-in为射入光纤的探测光λ_S的功率。那么射出光纤的闲频光λ_I的功率P_I-out由下面的公式(1)和公式(2)表示。Δβ为相位失配量，由下面的公式(3)表示。γ为光纤的非线性系数，由下面的公式(4)表示。L_eff为光纤的有效长度，由下面的公式(5)表示。假设四个波长λ_P1、λ_P2、λ_S和λ_I彼此接近，并且这些波长λ由下面的公式(6)表示。在文献“K.Inoue et al.，J.of LightwaveTechnol.，Vol.10，No.11，pp.1553-1561，(1992)”中详细论述了这些公式。

公式1：

P_I-out＝Dγ²P_P1-inP_P2-inP_S-inL_eff ²η·exp(-αL)          ...(1)

公式2：

$\mathrm{\η}=\frac{1}{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\Δ\β}}^2}\{{\mathrm{\α}}^2+4\exp (-\mathrm{\αL}){\sin }^2(L\·\mathrm{\Δ\β}/2)/{L_{\mathrm{eff}}}^2\}...\left(2\right)$

公式3：

Δβ＝β_P1+β_P2-β_S-β_I                                  ...(3)

公式4：

$\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{n_2}{A_{\mathrm{eff}}}...\left(4\right)$

公式5：

$L_{\mathrm{eff}}=\frac{1-\exp (-\mathrm{\αL})}{\mathrm{\α}}...\left(5\right)$

公式6：

$\mathrm{\λ}=\frac{4}{1/{\mathrm{\λ}}_{P1}+1/{\mathrm{\λ}}_{P2}+1/{\mathrm{\λ}}_S+1{\mathrm{\λ}}_I}...\left(6\right)$

L为光纤长度。n₂为光纤在波长λ处的第三阶非线性折射率。A_eff为光纤在波长λ处的有效面积。α为光纤在波长λ处的传输损耗。β_P1为光纤在波长λ_P1处的传播常量，β_P2为光纤在波长λ_P2处的传播常量，β_S为光纤在波长λ_S处的传播常量，β_I为光纤在波长λ_I处的传播常量。D为简并因子(degeneracy factor)。当波长λ_P1与波长λ_P2彼此相等时，该简并因子取值为1，当波长λ_P1与波长λ_P2彼此不等时，该简并因子取值为为4。

特别地，当光纤在波长λ处的传输损耗α很小可忽略不计时，前述的公式(1)可近似地等于下面的公式(7)。从这个公式可以看出，相位失配量Δβ越接近0，从光纤输出的闲频光λ_I的功率P_I-out就越大。光纤长度L越短，“LΔβ/2”的值就越小；因此从光纤输出的闲频光λ_I的功率P_I-out受相位失配量Δβ的影响越小。

公式7：

$P_{I-\mathrm{out}}={\mathrm{D\γ}}^2{L}^2{P}_{P1-\mathrm{in}}{P}_{P2-\mathrm{in}}{P}_{S-\mathrm{in}}{\left\{\frac{\sin (L\·\mathrm{\Δ\β}/2)}{L\·\mathrm{\Δ\β}/2}\right\}}^2...\left(7\right)$

另外，下面的公式(8)给出了频率匹配条件。因此，上面的公式(6)可以变换为下面的公式(9)。为了在光纤中宽的探测波长范围内实现高效率的波长转换，需要使上面公式(3)表示的相位失配量Δβ在宽的波长范围内几乎为零。如下面公式(10)所表示的，由上面公式(6)或公式(9)表示的波长λ转换为角频率ω。在该公式中，c表示真空内的光速。

公式8：

ω₁＝ω_P1+ω_P2-ω_S                             ...(8a)

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{P1}}+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{P2}}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_S}...\left(8b\right)$

公式9：

$\mathrm{\λ}=\frac{2}{1/{\mathrm{\λ}}_{P1}+1/{\mathrm{\λ}}_{P2}}...\left(9\right)$

公式10：

$\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\πc}}{\mathrm{\λ}}...\left(10\right)$

传播常量β由下面的公式(11)表示，通过关于公式(10)中描述的角频率ω的泰勒展开得到。传播常量β关于角频率ω的第n阶导数由下面的公式(12)表示。第二阶导数β₂、第三阶色散β₃和第四阶色散β₄与色散D、色散斜率S和色散斜率的波长导数(dS/dλ)的关系由公式(13)至(15)表示。

公式11：

$\mathrm{\β}={\mathrm{\β}}_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n!}{\mathrm{\β}}_n{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_{P1})}^n$

$={\mathrm{\β}}_0+{\mathrm{\β}}_1(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_{P1})+\frac{1}{2}{\mathrm{\β}}_2{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_{P1})}^2$

$+\frac{1}{6}{\mathrm{\β}}_3{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_{P1})}^3+\frac{1}{24}{\mathrm{\β}}_4{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_{P1})}^4+\·\·\·...\left(11\right)$

公式12：

${\mathrm{\β}}_n=\frac{d^n\mathrm{\β}}{d{\mathrm{\ω}}^n}...\left(12\right)$

公式13：

${\mathrm{\β}}_2=-\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{\πc}}D...\left(13\right)$

公式14：

${\mathrm{\β}}_3=\frac{{\mathrm{\λ}}^3}{{2\mathrm{\π}}^2{c}^2}D+\frac{{\mathrm{\λ}}^4}{4{\mathrm{\π}}^2{c}^2}S...\left(14\right)$

公式15：

${\mathrm{\β}}_4=\frac{{3\mathrm{\λ}}^4}{4{\mathrm{\π}}^3{c}^3}D-\frac{{3\mathrm{\λ}}^5}{4{\mathrm{\π}}^3{c}^3}S-\frac{3{\mathrm{\λ}}^6}{8{\mathrm{\π}}^3{c}^3}\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{d\λ}}...\left(15\right)$

假设波长λ_P1与波长λ_P2彼此相等，即等于波长λ_P，那么由公式(9)和公式(10)得到“λ＝λ_P”和“ω＝ω_P”的关系。因此，使用上面的公式(8)和公式(11)，前面的公式(3)简化为下面的公式(16)。

公式16：

$\mathrm{\Δ\β}=-{\mathrm{\β}}_2{({\mathrm{\ω}}_P-{\mathrm{\ω}}_S)}^2-\frac{1}{12}{\mathrm{\β}}_4{({\mathrm{\ω}}_P-{\mathrm{\ω}}_S)}^4...\left(16\right)$

从公式(16)看出，随着在泵浦光波长λ_P处第二阶色散β₂和第四阶色散β₄各自绝对值的减小，相位失配量Δβ的绝对值变得更小。另外，使泵浦光波长λ_P与光纤的零色散波长相匹配以便将第二阶色散β₂置零并不总是优选的，并且选择泵浦光波长λ_P要考虑到第四阶色散β₄的影响。即，当第四阶色散β₄为负时，选择泵浦光波长λ_P以使第二阶色散β₂为正并且该泵浦光波长短于零色散波长。相反地，当第四阶色散β₄为正时，选择泵浦光波长λ_P以使第二阶色散β₂为负并且该泵浦光波长长于零色散波长。

下面描述基于上述分析结果的进一步详细分析结果。图1示出了从光纤射出的闲频光λ_I的功率P_I-out与探测光波长λ_S之间的关系。水平轴表示探测光波长λ_S，垂直轴表示标准化的闲频光强度，单位为dB。在下述条件下得到这样的结果：射入光纤的泵浦光为一个的波长的泵浦光，光纤的零色散波长λ₀为1570nm，该光纤在零色散波长λ₀处的色散斜率S为+0.024ps/nm²/km，该光纤的长度L为100m，并且该光纤的传输损耗α为0.20/km。泵浦光波长λ_P与光纤的零色散波长λ₀相匹配。使用前述公式(1)至(6)和公式(16)，对闲频光λ_I的功率P_I-out是如何相对波动的进行了研究。

图1示出了第四阶色散β₄为一般值1×10^-55s/m和小两个数量级1×10^-57s/m的两种情形。如图1所示，在闲频光功率为-3dB或比峰值更小处的两个探测光波长的宽度(即，在最大值一半处的全部宽度)定义为“波长转换带宽”。当泵浦光波长λ_P与光纤的零色散波长λ₀彼此相等时，传播常量β的第二阶色散β₂为0；因此，如从上面公式(16)看到的，随着第四阶色散β₄的减小，波长转换带宽变宽。

图2A和图2B示出了波长转换带宽与泵浦光波长λ_P之间的关系。水平轴表示“零色散波长λ₀-泵浦光波长λ_P”，垂直轴表示波长转换带宽。从该图看出，随着第四阶色散β₄的绝对值的减小，波长转换带宽的最大值变大，并且第四阶色散β₄的绝对值优选地尽可能的小。在第四阶色散β₄为负时，泵浦光波长λ_P变得比零色散波长λ₀小，以致第二阶色散β₂为正；在第四阶色散β₄为正时，泵浦光波长λ_P变得比零色散波长λ₀大，以致第二阶色散β₂为负；这正好如公式(16)所示。从图2A与图2B之间的对比可以明白，当第四阶色散β₄具有相等的绝对值时，波长转换带宽也大致相等。

从这些图2A和图2B看出，在光纤长度为100m时，波长转换带宽变宽，不小于100nm，“零色散波长λ₀-泵浦光波长λ_P”的公差大致为±0.6nm。在第四阶色散β₄为-10^-55S⁴/m时，波长转换带宽变宽，不小于100nm，“零色散波长λ₀-泵浦光波长λ_P”的公差也是±0.6nm。由于泵浦光波长λ_P通常保持不变，所以说为了在宽波段内实现波长转换，有必要将光纤零色散波长λ₀中的波动抑制在不大于±0.6nm的范围内。例如，通过测量光纤预制件在纵向方向各位置的折射率分布、基于测量结果研磨光纤预制件的轮廓以获得具有希望的特性的光纤和画出光纤预制件，能够实现这种抑制在零色散波长λ₀中波动范围内的光纤。

实际上，光纤的零色散波长λ₀在纵向方向内会波动到一定的程度，从而减小了波长转换带宽。研究了最小波长转换带宽如何随一定宽度的“零色散波长λ₀-泵浦光波长λ_P”变化，以研究波长转换带宽如何随零色散波长λ₀的波动变化。图3示出了在示出波长转换带宽与泵浦光波长λ_P之间的关系图表中的最小波长转换带宽。图4A、图4B和图5中各图均示出了对于光纤零色散波长λ₀的各波动宽度值，在第四阶色散β₄绝对值和光纤长度L各值处的波长转换带宽的表格。

图4A示出了假设在零色散波长λ₀中没有波动的波长转换带宽。图4B示出了零色散波长λ₀中具有±0.05nm波动的波长转换带宽。图4C示出了零色散波长λ₀中具有±0.10nm波动的波长转换带宽。图5A示出了零色散波长λ₀中具有±0.20nm波动的波长转换带宽。图5B示出了零色散波长λ₀中具有±0.60nm波动的波长转换带宽。图5C示出了零色散波长λ₀中具有±1.0nm波动的波长转换带宽。

图4A证明，在零色散波长λ₀中没有波动时，波长转换带宽随着第四阶色散β₄的减小而增大。例如，在100m的光纤长度L中，波长转换带宽变化如图6所示。图6示出了具有100m光纤长度且在零色散波长λ₀中没有波动的光纤内，波长转换带宽与第四阶色散β₄之间的关系。如该图所示，当第四阶色散β₄的绝对值为1×10^-55s⁴/m时，即相当于常规水平时，波长转换带宽不能达到200nm或更高。当第四阶色散β₄的绝对值不超过5×10^-56s⁴/m时，波长转换带宽超过200nm，这个波长转换带宽是合适的。当第四阶色散β₄的绝对值不超过1×10^-56s⁴/m时，波长转换带宽变得特有地大，超过了300nm。该波长转换带宽优选地为200nm，因为它包括了在光通信中通常用作信号光波长的S-波段、C-波段和L-波段。

实际上，零色散波长λ₀经常在大约±0.05nm至±0.10nm的范围内波动。例如，在100m的光纤长度中，波长转换带宽如图7和图8中所示的变化。图7示出了具有100m光纤长度且在零色散波长λ₀中具有±0.05nm波动的光纤内，波长转换带宽与第四阶色散β₄之间的关系。该图证明了当第四阶色散β₄的绝对值不超过5×10^-56s⁴/m时，波长转换带宽变得特有地大，不小于大约200nm，当第四阶色散β₄的绝对值不超过1×10^-57s⁴/m时，波长转换带宽变得极大，不小于大约300nm。图8示出了具有100m光纤长度且在零色散波长λ₀中具有±0.10nm波动的光纤内，波长转换带宽与第四阶色散β₄之间的关系。如该图所示，当第四阶色散β₄的绝对值不超过3×10^-56s⁴/m时，波长转换带宽可扩展到大约200nm或更多，这是优选的。更优选地，第四阶色散β₄的绝对值不超过2×10^-56s⁴/m。

从前述公式(7)看出，光纤的长度越长，从光纤射出的闲频光λ_I的功率P_I-out就越高，效率就越高。从公式(7)还看出，可通过提高射入光纤的泵浦光λ_P的功率P_P-in解决这个问题。从图4和图5明白，波长转换带宽随着光纤长度L的减小而增大。例如，在零色散波长λ₀中具有大约±0.10nm的波动时，波长转换带宽如图9所示的变化。图9示出了在零色散波长λ₀中具有±0.10nm波动的光纤内，波长转换带宽与光纤长度L之间的关系。该图证明当光纤长度L不超过500m时，减小第四阶色散β₄的效果是确定的。图10示出了波长转换带宽与零色散波长λ₀中的波动量之间的关系。如该图所示，波长转换带宽随着零色散波长λ₀中波动的增加而变窄。当零色散波长λ₀的波动不小于±0.6nm时，减小第四阶色散β₄的效果变得不明显。

通过将零色散波长λ₀的波动抑制到不超过±0.6nm，在不小于100nm宽的波段中得到波长转换是可行的。从图4A至图4C、图5A至图5C和图10可看出，当零色散波长λ₀的波动不小于±0.6nm时，减小第四阶色散β₄的效果变得不这么明显，当零色散波长λ₀的波动不超过±0.2nm时，减小第四阶色散β₄的效果明显扩大带宽，这是更优选的。

下面将对上述能够减小第四阶色散β₄绝对值的光纤的具体构造实例进行详细描述。迄今为止，还未进行过有关能够减小第四阶色散β₄绝对值的光纤的研究，本发明人首次进行了这方面的研究。从上面的公式(7)看出，光纤的非线性系数γ优选地尽可能地高，特别优选地不小于10/W-km。因此，光纤的有效面积A_eff希望不超过15μm²。

图11A和图11B示出了根据本发明实施例的光纤10的剖视结构和折射率分布的优选实例。图11A示出了垂直于光纤10的纵向方向的横剖面，图11B示出了在光纤10径向方向内的折射率分布。光纤10至少包括具有最大折射率N₁和外径2a的中心核心部分11，环绕所述中心核心部分11并具有最小折射率N₂和外径2b的下凹部分12，以及环绕所述下凹部分12并具有最大折射率N₃的包层部分13。

中心核心部分11、下凹部分12和包层部分13的折射率满足“N₁＞N₃＞N₂”的关系。相对于包层部分13折射率N₃，中心核心部分11的相对折射率差由Δ₊表示，下凹部分12的相对折射率差由Δ_-表示。中心核心部分11与下凹部分12的各外径的比值由Ra(＝2a/2b)表示。

图12示出了对于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波长导数(dS/dλ)及第四阶色散β₄的表格。在图11中所示结构的光纤10中，使用的参数如下：中心核心部分11的折射率α分布中的α值为3，中心核心部分11的相对折射率差Δ₊为3.2％，下凹部分12的相对折射率差Δ_-为-0.3％，零色散波长λ₀为1550nm。

从该图看出，第四阶色散β₄取决于Ra，当Ra不小于0.4时，第四阶色散β₄的绝对值不超过5×10^-56s⁴/m，特别是当Ra接近0.6时，第四阶色散β₄的绝对值不超过1×10^-56s⁴/m。该光纤10的其它特性如下：在波长为1550nm处，有效面积A_eff为9.8μm²，非线性系数γ为24/W-km(由XPM方法测量)，光纤截止波长为1400nm，传输损耗为0.6dB/km，模场直径为3.6μm，偏振模色散为0.01-0.1ps/km^1/2。已知的是，用CW-SPM方法测量的非线性系数γ值大约为用XPM方法测量的非线性系数γ值的70％。

该光纤10非常抗弯，并且即使是在以30的直径盘绕时，损耗的增加也不超过0.01dB/km。使用普通的接合器，该光纤10可与普通的单模光纤接合，具有大约0.5dB的接合损耗，通过使用扩大模场直径的方法，该损耗可以减小到0.2dB或更小。

图13也示出了对于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波长导数(dS/dλ)与第四阶色散β₄的表格。在图11A和图11B中所示结构的光纤10中，这里使用的参数如下：中心核心部分11的折射率α分布中的α值为3，中心核心部分11的相对折射率差Δ₊为3.5％，下凹部分12的相对折射率差Δ_-为-0.35％，零色散波长λ₀为1540nm。

从该图看出，光纤10通常具有小的第四阶色散β₄，接近为0.45和0.75的各比值Ra时，它的符号改变。这意味着当光纤10制造成具有接近这些值中任意一个的比值Ra时，实现具有极小的不超过5×10^-57S⁴/m的第四阶色散β₄的光纤10是可行的。光纤10的其它特性如下：在波长为1550nm处，有效面积A_eff为9.1μm²，非线性系数γ为26/W-km(由XPM方法测量)，光纤截止波长为1450nm，传输损耗为0.9dB/km，模场直径为3.4μm，偏振模色散为0.01-0.1ps/km^1/2。

该光纤10同样非常抗弯，并且即使是在以30的直径盘绕时，损耗的增加也不超过0.01dB/km。使用普通的接合器，该光纤10也可与普通的单模光纤接合，具有大约0.5dB的接合损耗，通过使用扩大模场直径的方法，该损耗可以减小到0.2dB或更小。

如上所述，在具有中心核心部分11和下凹部分12的结构的光纤中，第四阶色散β₄可调节。图14A至14D示出了根据该实施例的光纤折射率分布的其它优选实例。如图14A中所示，光纤在下凹部分12外侧还可具有另一个区域14；如图14B中所示，光纤在区域14外侧还可具有另一个区域15；如图14C中所示，光纤在中心核心部分11与下凹部分12之间还具有另一个区域16；如图14D中所示，在中心核心部分11中可存在凹陷(dip)。在这些情形的任何一种情形下，第四阶色散β₄可调节，使得可使第四阶色散β₄的绝对值变小。

偏振模色散优选地应尽可能地小，因为波长转换带宽可得到同样程度的加宽。在光纤全部长度的偏振模色散优选地不超过0.2ps。当光纤为保偏型(例如，PANDA型)时，可对通过光纤引导的基本模式光的正交偏振分量之间的耦合进行抑制。即使是在1km长的光纤中，也可使正交偏振分量之间的耦合不超过-15dB，并且在实际中使用的光纤长度中还可进一步减少。

光纤可以盘绕成例如具有约40的最小弯曲直径的小线圈。此时，当光纤的包层外径变薄，不超过15μm时，可使所述线圈更小。当光纤的核心部分11的外径薄，不超过100μm时，在紧密缠绕的状态中的缠绕应力小以减小破损的可能性，并且对由于弯曲产生双折射引起的偏振模色散的退化进行抑制变得可行。

满足上述特性的光纤是在实际上制造出来了。所有光纤具有如图11所示的结构。制造的光纤具有下列各参数值：中心核心部分11的折射率α分布中的α值为3，中心核心部分11的相对折射率差Δ₊为2.5％，下凹部分12的相对折射率差Δ_-为-0.5％，比值Ra为0.6，核心直径2a为4.7μm。该光纤具有1440nm的零色散波长。该光纤为高非线性光纤，具有减小的第四阶色散β₄和下列特性：在1440nm的零色散波长处，色散斜率为+0.0466ps/nm²/km，该色散斜率的波长导数为1.66×10^-4ps/nm³/km，第四阶色散β₄为-3.8×10^-56s⁴/m，有效面积A_eff为11μm²，非线性系数γ为21/W-km，模场直径为3.8μm，截止波长为1.37μm，C-波段中的偏振模色散为0.02ps/km^1/2。

制造的另一种光纤具有下列各参数值：中心核心部分11的折射率α分布中的α值为1.9，中心核心部分11的相对折射率差Δ₊为3.0％，下凹部分12的相对折射率差Δ_-为-0.6％，比值Ra为0.6，核心直径2a为4.5μm。该光纤具有1640nm的零色散波长。该光纤为高非线性光纤，具有减小的第四阶色散β₄和下列特性：在1640nm的零色散波长处，色散斜率为+0.0231ps/nm²/km，该色散斜率的波长导数为-9.63×10^-5ps/nm³/km，第四阶色散β₄为-3.4×10^-56s⁴/m，有效面积A_eff为11μm²，非线性系数γ为18/W-km，模场直径为3.9μm，截止波长为1.31μm，C-波段和L-波段中的偏振模色散为0.03ps/km^1/2。

下面对上述能够减小第四阶色散β₄绝对值的光纤的一般设计实例进行描述。这里的光纤还具有如图11中所示的结构，并具有下列各参数值：中心核心部分11的折射率α分布中的α值为4，零色散波长为1550nm。

图15示出了在中心核心部分11的相对折射率差Δ₊为2.5％，下凹部分12的相对折射率差Δ_-为-0.1％时，对于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波长导数(dS/dλ)与第四阶色散β₄的表格。在这种情形下，第四阶色散β₄的绝对值为大约7×10^-56s⁴/m大，这不是优选实例。核心直径2a为大约4μm，截止波长为大约1440nm，在1.55μm波长处的有效面积A_eff为大约12μm²，非线性系数γ为大约17/W-km。

图16示出了在中心核心部分11的相对折射率差Δ₊为2.5％，下凹部分12的相对折射率差Δ_-为-0.2％时，对于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波长导数(dS/dλ)与第四阶色散β₄的表格。在这种情形下，第四阶色散β₄的绝对值为大约4×10^-56s⁴/m，这是优选的。核心直径2a为大约4μm，截止波长为大约1400nm，在1.55μm波长处的有效面积A_eff为大约12μm²，非线性系数γ为大约18/W-km。

图17示出了在中心核心部分11的相对折射率差Δ₊为2.5％，下凹部分12的相对折射率差Δ_-为-0.3％时，对于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波长导数(dS/dλ)与第四阶色散β₄的表格。图18示出了该实例中第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系。在这种情形下，第四阶色散β₄的绝对值可取值为0，这是优选实例。另外，在比值Ra为大约0.5至大约0.65的范围内，第四阶色散β₄的绝对值变得不超过1×10^-56s⁴/m，这样在光纤制造中的结构公差是宽的，这是非常优选的。核心直径2a为大约4μm，截止波长为大约1400nm，在1.55μm波长处的有效面积A_eff为大约12μm²，非线性系数γ为大约18/W-km。

图19示出了在中心核心部分11的相对折射率差Δ₊为2.5％，下凹部分12的相对折射率差Δ_-为-0.6％时，对于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波长导数(dS/dλ)与第四阶色散β₄的表格。图20示出了该实例中第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系。在这种情形下，第四阶色散β₄的绝对值可取值为0，这是优选实例。然而，当第四阶色散β₄小得接近0时，即使在比值Ra中只有小的波动，第四阶色散β₄也会很大地变化，这样在光纤制造中的结构公差没有这么高。核心直径2a为大约4μm，截止波长为大约1300nm，在1.55μm波长处的有效面积A_eff为大约11μm²，非线性系数γ为大约20/W-km。

下面将对随着下凹部分12的相对折射率差Δ_-的变化，第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系进行描述。

图21示出了在中心核心部分11的相对折射率差Δ₊为2.5％时，第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系。这里是对于下凹部分12的相对折射率差Δ_-各值，第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系。当Δ₊为2.5％时，如果Δ_-不超过大约-0.2％，并且差“Δ_+-Δ_-”不小于大约2.7％，那么第四阶色散β₄的绝对值变得不超过5×10^-56s⁴/m。从中看出，在Ra接近0.5-0.6时，第四阶色散β₄取得最小值。当第四阶色散β₄的绝对值小得接近这个范围时，制造公差变高，对于-0.4％至-0.2％的Δ_-，制造容易。即使在Δ_-为-0.5％至-1.1％并且比值Ra为0.2-0.3的情形下，第四阶色散β₄的绝对值也总是小的，并且制造容易。

图22示出了在中心核心部分11的相对折射率差Δ₊为2.0％时，第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系。这里同样是对于下凹部分12的相对折射率差Δ_-各值，第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系。其它特性如下：核心直径2a为大约4.5μm，在1.55μm波长处的有效面积A_eff为大约13-15μm²，非线性系数γ为大约13-15/W-km，截止波长为大约1200-1300nm。当Δ₊为2.0％时，如果Δ_-不超过大约-0.2％，并且差“Δ_+-Δ_-”不小于大约2.2％，那么第四阶色散β₄的绝对值变得不超过5×10^-56s⁴/m。从中看出，在Ra接近0.4-0.6时，第四阶色散β₄取得最小值。当第四阶色散β₄的绝对值小得接近这个范围时，制造公差变高，并且如果Δ_-为-0.4％至-0.25％，那么制造容易。即使在Δ_-不超过-0.5％并且比值Ra在0.2和0.3之间的情形下，第四阶色散β₄的绝对值也总是小的，并且制造容易。

图23示出了在中心核心部分11的相对折射率差Δ₊为3.0％时，第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系。这里同样是对于下凹部分12的相对折射率差Δ_-各值，第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系。其它特性如下：核心直径2a为大约4.0μm，在1.55μm波长处的有效面积A_eff为大约9-10μm²，非线性系数γ为大约22-26/W-km，截止波长为大约1500-1300nm。当Δ₊为3.0％时，如果Δ_-不超过大约-0.10％，并且差“Δ_+-Δ_-”不小于大约3.1％，那么第四阶色散β₄的绝对值变得不超过5×10^-56s⁴/m。从中看出，当Ra接近0.4-0.6时，第四阶色散β₄取得最小值。当第四阶色散β₄的绝对值小得接近这个范围时，制造公差变高，并且如果Δ_-为-0.4％至-0.15％，那么制造容易。即使在Δ_-为-1.0％至-0.2％并且比值Ra在0.2和0.3之间的情形下，第四阶色散β₄的绝对值也总是小的，并且制造容易。

图24示出了在中心核心部分11的相对折射率差Δ₊为3.5％时，第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系。这里同样是对于下凹部分12的相对折射率差Δ_-各值，第四阶色散β₄与比值Ra之间的关系。其它特性如下：核心直径2a为大约4.0μm，在1.55μm波长处的有效面积A_eff为大约8-9μm²，非线性系数γ为大约28-31/W-km，截止波长为大约1600-1400nm。当Δ₊为3.5％时，如果Δ_-不超过大约-0.10％，并且差“Δ_+-Δ_-”不小于大约3.6％，那么第四阶色散β₄的绝对值变得不超过5×10^-56s⁴/m。从中看出，当Ra接近0.4-0.7时，第四阶色散β₄取得最小值。当第四阶色散β₄的绝对值小得接近这个范围时，制造公差变高，并且如果Δ_-为-0.3％至-0.1％，那么制造容易。即使在Δ_-为-0.7％至-0.1％并且比值Ra在0.2和0.4之间的情形下，第四阶色散β₄的绝对值也总是小的，并且制造容易。

上面的内容总结如下：优选地，中心核心部分11的相对折射率差Δ₊与下凹部分12的相对折射率差Δ_-之间的差“Δ_+-Δ_-”不小于2.2％，下凹部分12的相对折射率差Δ_-为-0.1％至-1.1％，比值Ra为0.2-0.7。更优选的是，因为有效面积A_eff变小，不超过11μm²，并且非线性系数γ变大，不小于大约20/W-km，所以差“Δ_+-Δ_-”不小于3.1％，Δ_-为-0.1％至-1.1％，比值Ra为0.2-0.7。

根据上述计算结果，图25中示出了第四阶色散β₄与色散斜率S之间的关系，图26中示出了第四阶色散β₄与色散斜率S的波长导数(dS/dλ)之间的关系。从图25看出，色散斜率S优选地为大约+0.018至+0.030ps/nm²/km。另外，因为可进一步减小第四阶色散β₄的绝对值，所以色散斜率S更优选地为大约+0.022至+0.028ps/nm²/km。从图26看出，色散斜率S的波长导数(dS/dλ)优选地为大约-0.00012至-0.00008ps/nm³/km。另外，因为可进一步减小第四阶色散β₄的绝对值，所以色散斜率S的波长导数(dS/dλ)更优选地为大约-0.00011至-0.00009ps/nm³/km。

在高非线性的光纤中，当色散斜率S小时，零色散波长λ₀中的波动变大。图27示出了在核心外径2a具有1％波动时，零色散波长λ₀的波动量与色散斜率S之间的关系。从该图看出，当零色散波长λ₀的波动增加时，波长转换带宽变窄。特别地，因为在小于+0.018ps/nm²/km的色散斜率范围内的零色散波长λ₀波动大，所以色散斜率S优选地不小于+0.018ps/nm²/km。

下面将对根据本发明的光纤和光学设备实例进行描述。图28为实例光学设备1的构造简图。该光学设备1包括上述光纤10，还包括泵浦光源21、光学放大器22、带通滤波器23、偏振控制器24、探测光源31、偏振控制器34、光耦合器40和光谱分析仪50。

这里使用的光纤10具有如图11中所示的结构，具有下列特性：中心核心部分11的相对折射率差Δ₊为3.41％，下凹部分12的相对折射率差Δ_-为-0.14％，比值Ra为0.56，核心直径2a为3.78μm，长度L为100m。该光纤10的零色散波长λ₀为1562.3nm，在1.55μm波长处的传输损耗为1dB/km，有效面积A_eff为9.4μm²，模场直径为3.51μm，由XPM方法测量的非线性系数γ为25/W-km，偏振模色散为0.03ps/km^1/2。该光纤10在零色散波长处具有下列特性：色散斜率S为+0.024ps/nm²/km，色散斜率S的波长导数(dS/dλ)为-0.00010ps/nm³/km，传播常量β的第三阶色散β₃为4×10^-41s³/m，第四阶色散β₄为+2×10^-56s⁴/m。

泵浦光源21产生波长为λ_P的泵浦光。探测光源31产生波长为λ_S的探测光。在本实例中，泵浦光波长λ_P设定为接近光纤10的零色散波长。探测光波长λ_S在波长可调光源的输出范围(1440-1653nm)内扫描。光学放大器22将从泵浦光源21输出的泵浦光光学上放大，输出放大的泵浦光。带通滤波器23有选择性地传输从光学放大器22射出的光中波长为λ_P的光，并输出传输的光。偏振控制器24控制从带通滤波器23输出的泵浦光λ_P的偏振状态，输出合成的泵浦光。偏振控制器34控制从探测光源31输出的探测光λ_S的偏振状态，输出合成的探测光。

光耦合器40接收从偏振控制器24输出的泵浦光λ_P，还接收从偏振控制器34输出的探测光λ_S，将这些泵浦光λ_P与探测光λ_S耦合，输出这些耦合光。光纤10接收泵浦光λ_P与探测光λ_S。在本实例中，射入光纤10的泵浦光λ_P的功率P_P-in设定到+3dBm，射入光纤10的探测光λ_S的功率P_S-in设定到-5dBm，从而通过在该光纤10中的四波混频产生闲频光λ_I。闲频光波长λ_I由公式“λ_I＝(2/λ_P-1/λ_S)^-1”表示。光谱分析仪50接收从光纤10输出的光，并测量该光的光谱。特别地，在本实例中，光谱分析仪50测量从光纤10射出的闲频光λ_I的功率P_I-out。

图29示出了从所述实例的光学设备1的光纤10射出的闲频光λ_I的功率P_I-out与探测光波长λ_S之间的关系。当闲频光λ_I的功率P_I-out的最大值定义为0dB时，该图的垂直轴为标准化的。该图示出了对于泵浦光波长λ_P为1562.0nm、1562.3nm和1562.6nm的各值，闲频光功率P_I-out与探测光波长λ_S之间的关系。由于光纤10的第四阶色散β₄是正的，所以在泵浦光波长λ_P长于光纤10的零色散波长λ₀时，波长转换带宽有望变宽。

实际上，如图29中所示，在泵浦光波长λ_P为1562.0nm时，波长转换带宽为126nm，在泵浦光波长λ_P为1562.3nm时，波长转换带宽为168nm，在泵浦光波长λ_P为1562.6nm时，波长转换带宽为220nm。即，当泵浦光波长λ_P为1562.3nm，比零色散波长λ₀长0.3nm时，波长转换带宽最宽。

但是，在该实例中，由于实际用作探测光源31的波长可调光源的输出波长范围的限制，对于波长比1653nm长的探测光λ_S，不能进行评估。因此，从光纤10射出的闲频光λ_I的功率P_I-out根据前述公式(1)至(6)和公式(16)计算。

图30示出了在泵浦光波长λ_P为1562.0nm时，从光学设备1的光纤10射出的闲频光λ_I的功率P_I-out与探测光波长λ_S之间的关系。图31示出了在泵浦光波长λ_P为1562.3nm时，从光学设备1的光纤10射出的闲频光λ_I的功率P_I-out与探测光波长λ_S之间的关系。图32示出了在泵浦光波长λ_P为1562.6nm时，从光学设备1的光纤10射出的闲频光λ_I的功率P_I-out与探测光波长λ_S之间的关系。在这些图中，实线表示从光纤10射出的闲频光λ_I的功率P_I-out的计算值。

从图30和图31看出，在泵浦光波长λ_P为1562.0nm和1562.3nm时，计算值与实际测量值彼此非常好地吻合。在另一方面，从图32看出，在泵浦光波长λ_P为1562.6nm时，计算值与测量值也彼此很好地吻合，但是在探测光λ_S的波长短的一侧的吻合得不是这么好。

然后，在沿着光纤10纵向方向的零色散波长λ₀内有±0.1nm的波动时，再次计算闲频光强度，结果如图33中所示。如该图所示，当零色散波长λ₀内的波动为±0.1nm时，计算值和实际测量值彼此吻合得非常好。因此，在光纤10中，即使没有优化泵浦光波长λ_P，波长转换带宽也宽，不小于100nm，如果优化了泵浦光波长λ_P，波长转换带宽就非常宽，220nm。零色散波长λ₀内的波动可估计为约±0.1nm。这个结果是传统已知的90-110nm的转换带宽的两倍。

图34示出了在泵浦光波长λ_P为1562.7nm时，从光学设备1的光纤10射出的闲频光λ_I的功率P_I-out与探测光波长λ_S之间的关系。当使探测光波长λ_S如该实例中进一步延长到1562.7nm时，波长转换带宽不是连续的，而是分成了两个波段。然而，即使探测光波长λ_S远离泵浦光波长λ_P，也得到高的波长转换效率。虽然限定在3dB内的波长转换带宽变窄，但是因为探测光波长λ_S离泵浦光波长λ_P这么远，以致使得在探测光波长λ_P处的色散相对很大，所以光学设备如OPA和开关能避免探测光之间四波混频或类似的问题。

图35示出了在所述实例的光纤的长度为1000m时，闲频光λ_I的功率P_I-out与探测光波长λ_S之间的关系。图36示出了对于各实例和常规实例的光纤的波长转换带宽与光纤长度之间的关系。从前述公式(7)和图9中所示看出，波长转换带宽随着光纤长度L的增加而变窄。在光纤为普通光纤而不是保偏光纤的情形下，在两个偏振模式之间出现了另外的耦合的问题，因而传统的光纤在不小于500m长度中从未具有不小于50nm的波长转换带宽，在1000m长度中从未具有大约20nm的波长转换带宽。与之相反，实验制得的本实例的光纤即使在1000m的光纤长度中，也具有减小第四阶色散β₄的显著效果，并且具有64nm的显著扩展的波长转换带宽。

如上所述，可以看出，本发明的光纤通过将第四阶色散β₄的绝对值控制到不超过5×10^-56s⁴/m，并将零色散波长λ₀内的波动控制到不超过±0.6nm，达到具有不小于100nm(优选地不小于150nm，更优选地不小于200nm)的非常宽的波长转换带宽。由于在非常宽的波长范围内发生有效的参数处理，因此可容易地实现光纤式设备及应用(例如波长转换和OPA、光学开关、光信号分离器和在通信与非通信中使用的采样示波器)。

根据本发明的上述实施例能够在波长转换、OPA等中得到更宽的带宽。

Claims (19)

1.一种光纤，其中，在全部长度内的平均零色散波长λ₀处，传播常量β关于角频率ω的第四阶导数β₄的第四阶色散β₄的绝对值不超过5×10^-56s⁴/m，并且沿纵向方向的零色散波长的波动不超过±0.6nm。

2.如权利要求1所述的光纤，其中，所述平均零色散波长λ₀在1440nm到1640nm的范围内。

3.如权利要求1或2所述的光纤，其中，在所述平均零色散波长λ₀处的有效面积不超过15μm²。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的光纤，其中，在所述平均零色散波长λ₀处的色散斜率不小于+0.018ps/nm²/km。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的光纤，其中，在所述平均零色散波长λ₀处的所述色散斜率的波长导数在-0.00012ps/nm³/km到-0.00008ps/nm³/km的范围内。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的光纤，其中，在全部长度的偏振模色散不超过0.2ps。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的光纤，其中，被引导的基本模式光的正交偏振模式之间的串扰在所述全部长度上不超过-15dB。

8.如权利要求1至7中任意一项所述的光纤，至少包括：具有最大折射率N₁和外径2a的中心核心部分，环绕所述中心核心部分并具有最小折射率N₂和外径2b的下凹部分，以及环绕所述下凹部分并具有最大折射率N₃的包层部分，其中，

所述折射率满足“N₁＞N₃＞N₂”的关系，

相对于所述包层部分的所述折射率N₃，所述中心核心部分的相对折射率差定义为Δ₊，所述下凹部分的相对折射率差定义为Δ_-，差“Δ₊-Δ_-”不小于2.2％，并且

所述中心核心部分的外径与所述下凹部分的外径的比值Ra(＝2a/2b)在0.2至0.7的范围内。

9.如权利要求8所述的光纤，其中，所述差“Δ₊-Δ_-”不小于3.1％。

10.如权利要求8或9所述的光纤，其中，所述下凹部分的相对折射率差Δ_-在-0.1％到-1.1％的范围内。

11.如权利要求1至10中任意一项所述的光纤，其中，光纤长度不超过500m。

12.一种光纤，其中，

在全部长度内的平均零色散波长λ₀在1440nm到1640nm的范围内，

沿纵向方向的零色散波长的波动不超过±0.6nm，并且

在所述平均零色散波长λ₀处，传播常量β关于角频率ω的第四阶导数β₄的第四阶色散β₄的绝对值不超过5×10^-56s⁴/m，有效面积不超过15μm²，色散斜率在+0.018ps/nm²/km到+0.030ps/nm²/km的范围内，所述色散斜率的波长导数在-0.00012ps/nm³/km到-0.00008ps/nm³/km的范围内。

13.一种光学设备，包括：如权利要求1至12中任意一项所述的光纤；产生波长为λ_P的泵浦光的泵浦光源；以及产生波长为λ_S的探测光的探测光源，其中，

所述泵浦光与所述探测光通过所述光纤引导，并且通过非线性光学现象从所述光纤产生新波长λ_I的闲频光。

14.如权利要求13所述的光学设备，P_P-in表示射入所述光纤的所述泵浦光的功率，P_S-in表示射入所述光纤的所述探测光的功率，P_I-out表示从所述光纤射出的所述闲频光的功率，其中，

在所述泵浦光的波长λ_P和功率P_P-in都保持不变的条件下，当所述闲频光的功率和所述探测光的功率的转换比r(＝P_I-out/P_S-in)随着所述探测光波长λ_S变化的波动率不超过3dB时，探测光的波长λ_S的范围不小于100nm。

15.如权利要求13或14所述的光学设备，其中，P_P-in表示射入所述光纤的所述泵浦光的功率，P_S-in表示射入所述光纤的所述探测光的功率，P_I-out表示从所述光纤射出的所述闲频光的功率，

在所述泵浦光的波长λ_P和功率P_P-in都保持不变的条件下，相对于所述泵浦光的波长与所述探测光的波长之间的差“λ_P-λ_S”的绝对值为5nm时所述闲频光的功率与所述探测光的功率的转换比r(＝P_I-out/P_S-in)的值，当所述差“λ_P-λ_S”的绝对值不小于50nm时，所述转换比r的波动率不超过3dB。

16.如权利要求13至15中任意一项所述的光学设备，其中，从所述光纤射出的所述探测光的功率P_S-out大于射入所述光纤的所述探测光的功率P_S-in。

17.一种光学设备，包括：光纤；产生波长为λ_P的泵浦光的泵浦光源；以及产生波长为λ_S的探测光的探测光源，其布置成通过所述光纤引导所述泵浦光和所述探测光，并且通过非线性光学现象从所述光纤产生新波长λ_I的闲频光，其中，

P_P-in表示射入所述光纤的所述泵浦光的功率，P_S-in表示射入所述光纤的所述探测光的功率，P_I-out表示从所述光纤射出的所述闲频光的功率，

在所述泵浦光的波长λ_P和功率P_P-in都保持不变的条件下，当所述闲频光的功率和所述探测光的功率的转换比r(＝P_I-out/P_S-in)随着所述探测光的波长λ_S变化的波动率不超过3dB时，所述探测光的波长λ_S的范围不小于100nm。

18.如权利要求17所述的光学设备，其中，P_P-in表示射入所述光纤的所述泵浦光的功率，P_S-in表示射入所述光纤的所述探测光的功率，P_I-out表示从所述光纤射出的所述闲频光的功率，

在所述泵浦光的波长λ_P和功率P_P-in都保持不变的条件下，相对于所述泵浦光的波长与所述探测光的波长之间的差“λ_P-λ_S”的绝对值为5nm时所述闲频光的功率与所述探测光的功率的转换比r(＝P_I-out/P_S-in)的值，当所述差“λ_P-λ_S”的绝对值不小于50nm时，所述转换比r的变化率不超过3dB。

19.如权利要求17或18所述的光学设备，其中，从所述光纤射出的所述探测光的功率P_S-out大于射入所述光纤的所述探测光的功率P_S-in。

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