TW380210B - Dispersion managed optical fiber - Google Patents

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五 發明説明（ A7 B7 2 經濟部t央標準局爲工消费合作社印^ 發明背条·. 本發明係關於控制色散之光學波導纖維，其中光纖之 總色散藉由沿著波導長度改變零色散波長、而加以控制 。，特別是，控制色散之波導最佳性能已被發現在—種情況 卞’其中λ 〇之高及低範圍相隔相當寬廣以及相對於操作波 長為不對稱的。 ' t 高功率雷射，光學放大器，多頻道通訊以及高位元傳輸 迷率加入通訊網路已促使對波導纖維設計仔細研究，其能4 夠使由於非線性波導纖維所產生之訊號衰減減為最’低'。υ 波導設計特別令人感到興趣在於其能夠實質上消除四 波相混。將波導纖維四波相混減為最低同時保持系統所需 要特性之設計將遭遇困難，該系統再發器間距離為柏當遠 即為了滅小四波相藏，波導纖維不應操作於接近其零總 色散處，_當波導色散相當低日L小則.咏/咖七時 將發生四波相混。另外一方面，遠離波導零總色散波長之 訊號將被衰減，其由於非零總色散所致。 項克服a亥困難所提出之策略為建造—個系統，該系 統使用佈纜之波導纖維多個區段，其中一些區段總色散為 正值以及一些區段總色散為負值。假:如所有線纜區段平 均色散與長度乘值接近零，再發器間隔能夠相當遠。不過 ，讯號實質上永遠無法通過色散接近零之波導長度，因而 四波相混實質地被減小。 ’ . 該策略產生醜為再發連接必需特別地設 計以產生所需要之長度與平均色散乘積值。保持線鐵色散 (諳先K1讀背面之注意事項再填寫本頁) Λ. 訂--------- —I#----- 本纸張尺度剌巾酬家辟（CNS )鐵格(~27〇i〇97^^7 3五、發明説明（2* ) Α7 Β7 經濟部中央標準局員工消t合作社印製 由線纜工廠至按裝為均等性為不想要額外工作以及為錯誤 之來源。除此，不但需要產生適當色散同時線纜具有該色 散之適當長度將增加製造困難以及將導致增加系統之價格 。另外一項問題在於當更換線纜時人們考慮需要不規則之 長度以及色散。 ' 本發明克服這些問題係ϋ由製造每一各別光纖本身包 含控制色散之系統。每一波導纖維設計為特定的例如為預 先決定總色散平均值與長度之乘積值，例如總色散積。因 而所有佈線之波導纖維實質上為相同之色散積特悻以及並 不需要指定為特定一組多根線纜為系統特別之部份。 由於四波相混產生之能量損失實質地被去除或減小為 預先決定值，同時總連接色散保持為預先決定值，其實質上 等於零。 具有該色散與長度積特性之波導以及製造波導之方法 已揭示於美國第08/423656號專利申請案中。 不過，對於所引述專利申請案之色散受控制波導纖維， 四波相混之能量損失相當大將限制通訊系統，這些系統操 作於業界所使用速率及距離或該系統特性非常接近相隔之 波長區分多工頻道。 發明大要： Berkey等人之美國第08/584868號專利申請案，該專利 在此加入作為參考之用，其揭示出控制色散之波導纖維以 及製造波導纖維之方法。製造本發明新穎的控制色散之波 導纖維優先使用實施例之方法顯示於申請案之圖30a及30b !· -- -I iw —l· νΊ ml n (褚先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) IX---^---®. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（21〇Χ297公釐）S一 τ7 A7 B7 4 五 、發明説明（3 經濟部中央楯準局眞工消费合作社印製 中。熟知此技術者了解數種其他方法可加以使用以製造出 該新穎的色散補償之波導。這些非限制性之其他方法包含 外側汽相沉積法，改良汽相沉積法，軸向汽相沉積法，以及 膠凝法。 本發明與先前之波導纖維設計相比較將提供減小四波 相混之能量損失。同時，高性能波導纖維所需要之特性被 保留，該特性例如為低衰減，大的有效面積，以及對大彎曲 以及微小彎曲損耗抵抗性之改善。特別有用之操作波長範. 圍約為1500nra至1600nm，該範圍包含約為I500nm低衰減之 操作頻窗以及摻雜餌光學放大器增益相當平坦之部份。不 過，熟知此技術者了解本發明並不受限於該波長範圍。例 如，色散補償光纖具有零色散波長高達l750nra以及具有大 的負值色散被揭示出以及對實際操作系統有益。同時揭示 出色散補償波導，其具有大的負值色散但是零色散並不在 系統操作之頻窗内。該操作頻窗例如將由13〇〇nm延伸至 1750ηιη，其中補償波導之各別色散並木會跨越零色散。 本發明一項為控制色散之波導纖維，其具有心蕊區域 以及圍繞四週之包層。波導纖維由多個小段所構成，每一 段具有正值或負值之總色散。在該應用中，使用標準色散 符號。假如較短波長之光_運行速度快於較長波長之光線 ，則色散為正值。在負值之波導纖維區段中較長波長之光 線相對地運行較快。在相對光學通訊系統操作波長之範圍 内長度與總多散平均值乘積將選擇小於預先決定值。特別 地，正值色散區段之零色散波長為;，其位於第一波長範

(請先閲讀背面之注意事項存填湾本頁) 、1Τ 經濟部中央操準局員工消费合作社印製 A7 B7 - 5 五、發明説明（彳） ，.. 圍内。同樣地，負值色散區段之零各散波長為;\_oj，其位於 第二波長範圍内。當A0i與;1^間之間隔不小於1〇〇11111時 波導纖維優越能已被發現。當零色散波長間隔被保持或 超過1 OOnm時由於四波相混所產生之能量損失被減小。： 在該笫一項實施例中，當λs為訊號波長時λQi- λ0j 差值大小與几s-λ 0j差值大小並不同。 三個波長優先使用之範圍為；^在152〇11111至1575nm範 圍内，又。〖在131〇咖至l45〇nm範圍内，以及^在16〇〇nm至 1650nm範圍内《在該優先實施例中各別零色散與訊號波長 隔離為非對稱的。熟知此技術者了解這些優先使用範圍與 λ〇發輝功能波長範圍並木一致，在該波長範圍内色散補償 能夠產生作用。例如^下限範圍能夠延伸至^汕咖至151〇 nm以及上限範圍接近1800nm。同時，一些控制色散之光纖 設計能夠具有較大之負值色散但是零色散並不位於系統之 耨作波長處。例如操作波長為15〇〇nm皇ΐ75〇ηιπ。 為了在通訊訊號之波長範圍内使正值或負值色散平均 值與長度乘積控制為或接近零，區段長度相對於整體波導 纖維長度為相當小。一項優先實施例為每一區段長度不超 過波導纖維長度四分之一，使得波導纖維中至少包含四段 。以另外一種方式說明該要求，每一區，段不超過2 5公里， 婕得每一光纖包含相當大數目例如至少四個區段。該要求 藉由確保各廳段之正似貞值色散而使雜光纖長度產 生接近零色散而簡化波導纖維庫存之控制。當交替之色散 區段相當短時並不需要特別注意由光纖線軸或由緩衝或線 谷紙浓人反通州巧圈閨卷標準（CNS ) Λ4规格（2i〇x297公釐） 7 — (請先閲讀背面之注意事項！Φ填寫本頁) 訂 ®! Ϊ U t

五、發明説明（f) 6 I*—· ....... 經濟部中央榡準局員工消贽合作杜印製 '窺波導纖維切斷光纖為所需要之長度。 本發明第二項為光學波導纖維，其總色散控制如第— 項所說明。不過在第二項中，正值總色散區段之心茂斛 率分佈與負值總色散區段之心蕊折射率分佈並不同=特別 地，正值總色散區段心蕊折射率分佈為階躍折射率分佈。 負值總色散區段心蕊折射率分佈由至少三個部份所構成。 在該波導優先使用實施例中，負值總色散區段之心蕊 解率分佈包含相晴鱗4之巾細顏域，相對折ς 率為之相鄰箄一環狀區域，以及相對折射率為之相 鄰第—環狀區域’其中。所使用相對折射率之 標準定義為Wo/紀，其中ηι為心蕊區域之最大 折射率及1¾為參考折射率，通常選擇包層玻璃之折射率。 在該設計中所採用相對包層折射率之^值能夠大於，小於 或等於零。即4目對&之參考折射率能夠大於，小於或等於 包層折射率。 在另外一個實施例中，負值總色散區段之中央心蕊區 域為一角形，環狀區域為平坦的，以及第三環狀區域為 圓形化階躍狀。 附圖簡單說明： 圖1顯示出沿著波導纖維長度交錯性之正值及負值色 散。水平軸為長度;垂直軸為總色散，#位為ps/km-mn。 、圖^顯示出具有不同零色散波長之總色散。水平軸為 波長’單位為微米；垂直軸為總色散，單位為pS/km-nni。 圖3-9不同心蕊折射率分佈以及不同零色散波長分隔 y. 丨； 1-------lk— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂--- 翁· Α7 Β7 五、發明説明（ 之四波相混能量。水平軸為波長，單位為微米；垂直軸為四 波相混能量，單位為dBm.。_ 附圖數字符號說明： 正值色散2;負值色散4;總色散範圍6;第一光纖區 段8;曲線10,12;曲線14,16;零色散18, 20;零色散22, 24;153〇11111與156511111兩個數值點26,28;正值總色散大小 丨 30, 32;曲線 32, 34, 40, 42, 44, 46,48, 50, 52, 54, 56, 58。 丨詳細說明： 控制色散之光學波導纖維之基本觀念能夠參考圖丨及2 加以說明。在圖1中，第一光纖區段8具有正值色散2,其能 夠採用範園6中之任何數值。波導相鄰區段具有負值色散4 其能夠包含一個數值範圍。這些區段能夠為相等或不相等 之長度，其決定於其相對之總色散，只要長度與色散乘積和 在預先決定範圍内。注意在圓丨中局部色散永不為零，其係 指四波相混被減小。在波導中由正值至負值之過度區域相 §短以防止少許四波相混能量損失。例如，人們可以設計 長度不超過500公尺過度區域之波導纖維，其總色散小於 0. 5 ps/nm-Hm，因而限制過度區域之四波相混損耗。 經濟部中央標準局員工消费合作社印裝 圖2顯不出藉由偏移零色散波長可能達成之色散補償 。曲線1G及12具有耗⑽以㈣，其触倾腿祕 1565nm操储H，細健值齡域财28。由曲線1(? 及12所代j之波導在操作範圍内具有正值之總色散 。曲線 14及16在高於操作波長範圍具有零色散22及24以及在26至 28操作範園内總色散為負值。為了防止與附圖中線條數目 本紙張纽巾_ A7 —-：~~— ---；_ B7 五、發明説明（/| ) 8 經濟部中央標準局負工消费合作社印製 相混淆’負值色散光纖之範例並不顯示於圖2中，其中零色 散遠離操作頻窗。先前所說明情況將顯示為低於λ軸之水 平線。 、具有總色散10或12之區段以及具有總色散14或16所構 成之波導纖維能夠藉由正值負值色散相抵銷使得總色散在 操作範圍^實f上等於零，目輕純段之祕散為零。 四波相紐減為最低以及由於非零總色散產生之訊號衰減 受到控制。在操作頻窗端部之正值總色散大小30及32能夠 至少藉由具有如曲線14及16總色散特性之波導區段所產生 負值色散部份地抵銷。 為了較佳地決定出波導纖維特性以相對改善四波相混 特性，進行模式計算以估計四波相混損耗。 色散偏移單模波導 圖3顯示出在ΐ567ηιη具有零色散波導之四波相混損耗 。波導運載1530nm至1565nm操作頻窗之多工訊號。頻道間 隔採用約為1. lnm以及光纖長度為15公里，以及輸入能量為 13dBm。曲線32及34顯示出相鄰頻道中訊噪值，其中能量為 四波相混所轉化。操作頻窗能量損耗較低波長端部為小於 -25 dBm相對輸入能量為i3dBm =20mw。在所有範例中相同 地使用3亥輸入能罝.。在較商訊號波長下非線性四波相混噪 訊提高至約為-15dBm。+ 控制色散波導-較小λ〇間隔 輸入能量，操作頻窗，以及頻道間隔與先前所說明相同 。這些參數在所有範例中保持為相同的。控制色散光纖之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210 X 297公| ) 1〇 (請先閲讀背面之注意事項再填离本頁I) Μ — --訂 經濟部中央揉準局EC工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（《） 四波相混能量損失顯示於圖4中曲線36及38。2. 5公里λ 〇 為1525nm之波導連接著2. 5公里；之波導。該構 造重複著以構成15公里之波導。其性蝉並不十分良好如先 前所說明之色散偏移光纖，因為在包含153〇nm至1565nm之 波長範圍内曲線36及38少許部份為高於—i5dBm。 控制色散波導-較大λ〇間隔 .. 在該情況下，四波相混能量損耗顯示於圖5中曲線4〇及 ，波導構造與先前所說明的相同，除了正值色散區段具有 λ0為1500nm以及負值色散區段具有λ()為16〇〇nm。在1535 咖至1550mn波長範g内性能改善十分明顯，其中轉變為四 波相混之能量損耗小於-3〇dBm。 控制色散波導-非常大Λο間隔 再使用如先前所說明之相同參數，除了正值色散區段 λ 〇為1450nin以及負值色散區段λ 為1650nm，圖6之曲線44 及46顯示出四波相混噪訊值顯著地改善。在操作頻窗中曲 線為小於-25dBm以及在頻窗上端及下端邊緣處為小於_3〇 dBm ° 控制色散波導-最大λ0間隔 零色散分隔於更遠處，分別在175〇nm及1350nm處，該情 況對四波相混損耗產生更佳之效果。圖7曲線48及50顯示 出在操作頻窗任何一處四波相混減小n喿訊值小於-3〇dBm， 在頻窗上端及下端邊緣處為小於-40dBm。 使用零色散波長分隔相當寬廣之’補償波導纖維區段在 能量方面之優點為清楚的。能夠製造出多工通訊系統，其 &氏張尺度適用中國國家標準（⑽）M規格（2!Qx297公潑）

U (請先閲讀背面之注意事項再填转本頁)

經 中 標 準 Λ Μ 工 消 费 合 社 印 .製 五 發明説明（Cf ) Α7 Β7 I 非線性四波相混效應為不顯著。不過設定零色散波長在非 常高之數值如圖7中波導所需要，其通常表示波導之製造過 程為更加困難。除此，當零色散為非常高時，所需要光學特 性例如低衰減，彎曲阻抗，較大有效面積十分難以達成。 因此發展出一種方法，其中零色散波長對操作即訊號 波長範圍安排為非對稱的。因而藉由選擇正值及負值色散 .之適g區^又，波導總色散此夠形成為非常小，同時彳呆持零色 散波長在一個範園内，在該範圍内將產生所需要波導特性 以及易於製造。’ 控制色散波導-大的以及非對稱;^間隔 在圖8中曲線52及54顯示出波導特徵之四波相混能量 損失，其中正值總色散區段A 〇為；[35〇nm。負值總色散區段 λ〇為1650nm。如先前範例，整個系統長度為15公里以及頻 道間隔為l.lnm。為了達成波導總色散‘為相當小，正值色散 區段長度為1.67公里。負值色散區段長度為3. 33公里。曲 線52及54在操作波長範圍内任何一處為小於_3〇dBm，該值 低於先前所說明之控制色散波導設計之情況。因此，使用 非對稱設計，.有可能達成十分良好的色散補償而不會損及 光學特性或波導容易製造之特性。 控制色散波導-大的以及非對稱;^間隔之比較性範例 使用先前所說明具有非對稱;^波導使用較短區段進 行模擬，所有參數保持不變。正值色散波導區段為0.835公 里平衡正值色散之負值色散區段為1.675公里。 所§十具四波相混能量嗔訊由圖9之曲線56及58顯示出 本紙張尺度適用f關料轉（CNS) 格（urn97公褒 (請先閱讀背面之注意事項存填寫本頁) 訂 五 '發明説明（丨〇 ) A7 B7 1Λ 經濟部中夹標準局貞工消f合作社印製 。在整個操作頻窗内噪訊小於-30dBm，其顯示出四波相混 能夠加以抑制甚至區段長度為整體波導長度之分數。假如 區蜂._長度並不製造為較短然而整體波導長度為較長例如為 30公里，將得到相同之結果。選擇適當區段特性之結果為： -芦段總色散實質上彼此偏差； . -光纖庫存控制以及利用能夠在製造以及佈線位置處立即 地加以控制；以及 _更換或修護線纜能夠插入至光纖連接而不需要得到所構 成連接線纔之詳細來源。 先前所說明每一控制色散波導中，具有正值色散區段 之心蕊折射率分佈與負值色散區段之心蕊折射率分佈並不 相同。不同分佈設計之優點能夠在相同控制色散波導中加 以利用。例如，正值色散折射率分佈能夠選擇為階躍折射 率，其具有低展減，低色散斜率，在155〇nm下為大的有效面 積例如為100平方微米，以及低偏極模色散。負值色散長度 之心蕊折射率分佈能夠為色散偏移波導。例如，具有相當 面折射率之中央心蕊區域能夠被兩個或多個不同心蕊折射 率分佈之環狀區域圍繞著以得到模能量分佈，其產生良好 彎曲阻抗，以及低衰減，偏極模色散，以及總色散斜率。 沿著波導長度不同心蕊折射率分佈之控制色散波導其 他優點在於使用關鍺濃度以產生不同折射率分佈，其能、 夠產生高達議舰低限值高於鮮色健移料情況。 雖然本發明特定實施例已揭示出以及在此加以說明， 本發明只受限於下列申請專利範圍。 本紙張尺度朝巾關家標準（CNS ) Λ4規格 (請先閲讀背面之注意事項再填转本頁) .H -- aflu— ml vm

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Claims (1)

1. A8 B8 C8* D8 六、申請專利範圍 1. 一種控制色散單模光學波導纖維，其包含 心蕊玻璃區域，其具有折射率分佈，並由包層玻璃層圍繞 著，該年層折射率為ric，低於該心蕊玻璃區域折射率分佈 至少一部份； 該單模波導纖維具有變化性之總色散，其符號沿著波導 長度改變，由正值變為負值以及由負值變為正值，其中 S亥波導纖維之區段I由多個小段dli•所構成，每一小段 dl i具有相關實質上固定總色散Di，其中仏位於預先決定符 號第一數值範圍内，以及li主要特徵在於!)1(111乘積和， 該波導纖維之區段1 j由多個小段dl j所構成，每一小’段 叫具有相關實質上固定總色散^，其中Dj位於與不同符 號之第二數值範圍内以及L主要特徵在於Djdlj乘積和，及 供多個過渡區段lt，在該區段内總色散由色散第一數 值範圍内之一個數值改變為色散第二數值範圍内之一個數 值， 其中所有li，lj&lt區段和等於波導纖維長度，以及 在預先決定波長範圍R内所有dliDi以及dl D乘 於預先決定值； / 、其中特點為區段li具有由第—波長範圍選取出相關λ 以及區段1居有*第—波長細選取丨相關昇中 hi大於操作波長夂以及Aoj小於操作波長人」其中 最小值與Aw最大值間之間隔不小於1〇〇nmS’。、 2:依據中料利翻第丨項之控视散波 大小與νλ。〗大小為不相同的。 ，…❶厂’ 氏張尺度通用t國國家操準（ CNS ) A4规格（210X297公釐） 叶一

   3 1Λ 六、'申請專利範園 經濟部中央標準局員工消f合作社印製 3. 依據申請專利範圍第2項之控制色散波導，其中λ > 1520nm至1575ηπι波長範圍内選取出，λ ei由1310nm至1450 nm波長範圍内選取出，以及;l(^i6〇〇nm至1650nm波長範 圍内選取出。 I 4. 依據申請專利範圍第1項之控制色散波導，其中波導纖維 長度不小於1.5公里。 ’ ! ' 5. 依據申請專利範圍第1項之控制色散波導，其中入&由 1520nm至1575醒波長範圍内選取出，λ w由1300ηπι£145〇 nm波長範圍内選取出，以及Λ 〇〗由16〇〇nm至1750nm波長範 圍内選取出。 6. 依據申請專利範圍第1項之控制色散波導，其中波多個過 度區段lt之一段具有小於50公尺之區段is，在區段内總色 散大小為小於0. 5ps/nin-km，因而在該區段内由於四波相混 產生之能量損失減為最小。 7. 依據申請專利範圍第1項之控制色散波聲，其中几^或 λ 0j在系統操作波長範圍外。 8. —種控制色散單模光學波導纖維，其包含 ,心磁玻璃區域，其具有折射率分佈，座由包層玻璃層圍繞 |著’該包層折射率為nc，低於該心蕊玻璃區域折射率分佈之 至少一部份； 該單模波導纖維具有變化性總色散·，其符號沿著波導長 度改變，由正值變為負值以及由負值變為正值，其中 該波導纖維之區段由多個小段叫所構成，每一小段 dli具有相關實質上固定總色散Di，其中以位於預先決定符 衣紙張尺度適用中國國豕操準（CNS ) Λ4規格（210X297公瘦）I r ' I ms nt (請先g·讀背面之注意事唄再壤寫本頁) 訂丨i 、申請專利範圍 A8 Βδ C8 D8 Μ 經濟部中夬標準局員工消f合作社印製 號之第~數值範圍内，以及1 i主要特徵在於Di dl ί乘積和， 該波導纖維之區段由多個小段dlj所構成，每一小段 dli具亨相關實質上固定總色散Dj，其中Dj位於與Di不同符 號之第二數值範圍内以及L主要特徵在於Djdlj乘積和，及 提供多個過渡區段lt，在該區段内總色散由色散第一數 值範圍内之一個數值改變為色散第二數值範圍内之一個數值， 其中所有1〖，1及1區段和等於波導纖維長度，以及 在預先決定波長範圍R内所有dliDi以及犯❿乘積和小 於預先決定值；’ 其中特點為具有正值總色散波導纖維區段之心蕊折射率 分佈為階躍形式以及具有負值總色散波導纖維區段之心蕊 折射率分佈具有至少三個部份。 9·依據申請專利範圍第8項之控制色散波導，其中總色散為 負值之波導區段心蕊折射率分佈具有相對折射率之中 央心蕊區域，具有相對折射率Λ2相鄰之第一環狀區域，以 及具有相對折射率Δ3相鄰第一環狀區域之第二環狀區域， 其中。 10.依據申請專利範圍第9項之控制色散波導，其中中央心 蕊區域折射率分佈為三角形，第一環狀區域為平坦狀， 以及 第二環狀區域為圓形化之階躍形狀。 m據中請專利範圍第9或ίο項之控制色散波導，其中λ2 可為正值，負值，或零。 — .— -------- (請先閏讀背面之注意事項#^寫木頁} 丁！ -5