CN1178078C - 光纤和使用该光纤的光通信系统 - Google Patents

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Abstract

一种能形成用于在1.5μm波长带中使用喇曼放大器进行波分多路复用传输的光传输线的光纤以及使用这种光纤的光通信系统，该光纤在1.5μm波长带的至少一部分的设定波长带中具有40μm2至60μm2的有效缆芯截面积；在1.55μm波长处的色散值为4至10ps/nm/km；在1.55μm波长带中的色散斜率≤+0.04ps/nm2/km；及零色散波长≤1.4μm。另外，在2m长度处的截止波长≤1.5μm，以及在1.5μm波长带中20mm直径的弯曲损耗为≤5dB/m。在光纤的折射率分布中，例如，作为最内层的第一玻璃层相对于参考层的相对折射率差Δ1和从内向外数为第三层相对于参考层的第三玻璃层的相对折射率差Δ3为正值。另外，作为从内向外数相对于参考层的第二层的第二玻璃层的相对折射率差Δ2为负值。

Description

光纤和使用该光纤的光通信系统
技术领域
本发明涉及一种光纤，用于光传输如波分多路复用(WDM)传输等，如1.5微米等被长带中的光传输和使用这种光纤的光传输系统。
背景技术
随着信息社会发展，通信信息容量趋于急剧增加。当这种信息增加时，波分多路复用传输(WDM传输)和时分多路复用传输(TDM传输)引人注目。这种波分多路复用传输使用一条光纤传输多种波长的信号，因此，是一种适于大容量和高位速率传输的光传输方式。当前正致力于研发波分多路复用传输技术。
目前正在研发用1.55μm波长带进行波分多路复用传输，该波长带就是铒掺杂光纤放大器的增益带。1.55μm波长带是似近地以1550nm波长为中心的波长带，如从1530nm至1570nm的波长带。
可是，要进行波分多路复用传输，存在光信号功率增大和由于信号间相互作用引起的非线性现象的问题。因此，例如在日本的学会报告书OFC’97 TuNlb等中报导有减少和抑制非线性折射率(n2)来抑制非线性现象的研讨。
在研讨减小这种非线性折射率的同时，人们还在关注增大光纤的有效缆芯截面积(Aeff)的研讨。由于非线性现象引起的信号失真φNL通常用以下公式(1)表示，因此，当光纤的有效缆芯截面积增大时，可以减少由于非线性现象引起的信号波形失真。
         φNL＝(2π×n2×Leff×P)/(λ×Aeff)        (1)
在公式(1)中，π，n2，Leff，p和λ分别表示圆周对其直径的比值，非线性折射率，有效光纤长度，信号功率和信号光波长。
因此，扩大在用于如波分多路复用传输的光纤的有效缆芯截面积是很重要的，而且这种扩大的像在日本的学会报告书OFC’96 WK 15和OFC’97 YnN2中报导的那样，非常引人注目。
通常，在光纤中，当有效缆芯截面积扩大时，色散斜率增大。色散斜率的增大引起每种波长的差，并成为波分多路复用传输中的一大障碍。因此，减小色散斜率非常重要。
近年来，正在研究用喇曼放大器在如1.5μm波长带中进行波分多路复用传输来代替使用铒掺杂的光纤放大器进行波分多路复用传输。1.5μm波长带是近似地以1500nm波长为中心的一种波长带，如像在从1500nm至1650nm的波长带，后面，1.5μm波长带的术语适用这种含义。
喇曼放大器是利用下述喇曼放大的光放大器，喇曼放大是利用所谓喇曼放大现象的光信号放大方法。在喇曼放大现象中，当激励光作为强光入射到光纤时，因感应喇曼散射，而在离开激励光波长约100nm的长波长处出现增益，一旦把具有这种增益的波长区的信号光入射这样激励起来的光纤，该信号光就被放大。
因此，当使用这种喇曼放大器在1.5μm波长带中进行波分多路复用传输，约1.4μm波长的激励光就会入射光纤中。
可是，按照现有波分多路复用传输用所研讨的光纤，1.55μm波长处的波长色散大约从-4ps/nm/km到+6ps/nm/km，而且其色散斜率为0.05ps/nm2/km或更大的值，因此，零色散波长为1.4μm或更长的值，以致引起波长约为1.4μm的激励光和四波混频等的干扰。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种光纤及使用这种光纤的光通信系统。
按照本发明的光纤包含：
在1.5μm波长带的至少一部分的设定波长带中的从40μm2至60μm2的有效缆芯截面积；
在1.55μm波长处，4ps/nm/km≤色散值为≤10ps/nm/km；
在1.55μm波长带中，色散斜率为等于或小于0.04ps/nm2/km的正值；以及
零色散波长≤1.4μm。
按照本发明的光纤和使用该光光纤的通信系统，由于使用如喇曼放大器并且具有低非线性和低色散斜率，即使在1.5μm波长带中进行波分多路复用传输，几乎也不会引起由激励光产生的干扰问题。
附图说明
图1A是按照本发明的第一实施例的光纤的折射率分布图；
图1B是按照本发明的第一实施例的光纤的断面结构图；
图2是按照本发明的第二实施例的光纤的折射率分布图；
图3是按照本发明的第三实施例的光纤的折射率分布图。
具体实施方式
本发明的具体实施例在下面将以附图为基础进行说明。图1A表示本发明第一实施例的光纤中的折射率分布剖面图。作为光纤的折射率分布图可以作成为各种模式下的折射率分布，可是，在第一实施例中，采用如图1A所示的折射率分布。这种折射率分布的结构比较简单，而且在折射率结构中容易设计和控制。
第一实施例的光纤具有彼此相邻并含不同成分的多重(这里是四层)玻璃层(第一玻璃层1，第二玻璃层2，第三玻璃层3和参考层6)。如图1B所示，这些玻璃层呈同心形。参考层6作为最外面的层是在四种玻璃层中构成折射率分布的参考基准的层。由第一玻璃层1，第二玻璃层2和第三玻璃层3构成的三种玻璃层在该参考层6内形成。
在第一实施例的光纤中，在光纤最内侧形成的第一玻璃层1的最大折射率和从内向外作为第三层的第三玻璃层3的最大折射率高于参考层6的折射率。另外，在第一实施例的光纤中，从内向外作为第二层的第二玻璃层2的最小折射率低于参考层6的折射率。第一玻璃层1的折射率分布形状形成α形状。
在第一实施例的光纤中，当第一玻璃层1相对于参考层6的最大相对折射率差设为Δ1，第二玻璃层2相对于参考层6的最小相对折射率差设为Δ2，及第三玻璃层3相对于参考层6的最大相对折射率差设为Δ3时，Δ1＞Δ3＞Δ2。
在本说明书中，第一玻璃层的折射率最大处的折射率设为n1，第二玻璃层的折射率最小部分的折射率设为n2，第三玻璃层的折射率最大部分的折射率设定为n3，而参考层的折射率设为n6。各自的相对折射率差Δ1，Δ2和Δ3分别由下列近似公式(2)至(4)确定。
      Δ1≈{(n1-n6)/n6}×100％       (2)
      Δ2≈{(n2-n6)/n6}×100％       (3)
      Δ3≈{(n3-n6)/n6}×100％       (4)
第一实施例的光纤的折射率分布示于图1A，并还具有下列结构。即，第一实施例的光纤的结构为在1.5μm波长带的至少一部分的设定波长带中，有效缆芯截面积从40μm2至60μm2；1.55μm波长处的色散值为大于等于4ps/nm/km而小于等于10ps/nm/km；在1.55μm波长带中色散斜率为小于等于0.04ps/nm2/km的正值；零色散波长小于等于1.4μm。例如，设定波长带是1.55μm波长带。
另外，第一实施例的光纤在2m长度处的截止波长为1.5μm或更短的值，而且在1.5μm波长带中在20mm直径下的弯曲损耗为5dB/m或更低的值。
本发明者们已经考虑第一实施例的光纤用于1.5μm的波长带的波分多路复用传输，而且下面考虑到相对于示于图1A的折射率分布。
即，把各相对折射率差Δ1，Δ2，Δ3，α和相应的直径a，b，c作为参数，而且这些值设为各种值。当满足单模条件时，探索使色散斜率(色散斜率的平均值)在1.5μm波长带之中1.55μm波长带内变为等于或小于0.03ps/nm2/km的正值的分布区。第一实施例的最佳分布可由该分布区中有效缆芯截面积的弯曲损耗值的关系式算出。
结果，当相对折射率差Δ1没有设定在等于或小于0.6％范围内时，发现光色散斜率设定为等于或小于0.03ps/nm2/km的正值时，难以设定有效缆芯截面积为40μm2或更大的面积。另外，发现当相对折射率设为小于0.5％时，弯曲损耗大于5dB/m。因此，相对折射率差Δ1的范围为从0.5％至0.6％。
相对折射率差Δ1在上述范围内，而当有效缆芯截面积扩大时，算出不增大色散斜率的常数α。于是判定常数α适于设定为5.0或更大的值。在这种条件下，算出折射率分布致使有效缆芯截面积可设定为大于等于40μm2而小于等于60μm2，而且色散斜率设为0.04ps/nm2/km的正值时，在20mm直径下的弯曲损耗值却保持在等于或小于5dB/m。
结果，当相对折射率的差Δ2设为小于-0.4％时，难以设定有效缆芯截面积等于或大于40μm2，而在直径20mm下的弯曲损耗值也变为大于5dB/m的值。另外，当相对折射率的差Δ2设为大于-0.1％时，色散斜率为大于0.04ps/nm2/km。因此，相对折射率的差Δ2的范围设定为从-0.4％至-0.1％。
当相对折射率的差Δ3设为小于0.1％时，难以设定有效缆芯截面积等于或大于40μm2，而在直径20mm下的弯曲损耗值也变为大于5dB/m的值。另外，当相对折射率的差Δ3设为大于0.4％时，截止波长λc为大于1.5μm。因此相对折射率差的范围设为从0.1％至0.4％。
在示于表1中每一种具体实例1至4的折射率分布由上述考虑的结果确定。
[表1]
Δ1 α Δ2 Δ3 a∶b∶c 缆心直径 色散 斜率 Aeff λc    弯曲损耗(在φ20mm下的测量值) λ0
  单位   ％   ％   ％   μm     ps/nm/km     ps/nm2/km  μm2  nm     dB/m   nm
  具体实例1   0.58   10   -0.30   0.20   1∶1.9∶2.5   12.9     7.4     0.024  41.1  1446     3.5   1242
  具体实例2   0.57   10   -0.30   0.25   1∶1.8∶2.4   12.8     6.3     0.026  43.5  1469     3.0   1038
  具体实例3   0.55   12   -0.20   0.25   1∶1.8∶2.3   12.4     7.1     0.034  48.6  1341     2.0   1341
  具体实例4   0.52   6   -0.20   0.20   1∶1.7∶2.2   13.2     6.9     0.039  52.4  1446     4.0   1373
                                       λ＝1550nm
当第一玻璃层1的外直径设为a，第二玻璃层2的外直径设为b，第三玻璃层3的外直径设为c时，表1表示各自的相对折射率的差Δ1，Δ2，Δ3的实例、常数α值的实例、a∶b∶c的比值、缆芯直径和光纤特性的模拟结果。
在表1和下示各表中，缆芯直径和光纤特性显示下列值。即，缆芯直径表示第二层的外直径(在图1至3的相对应图中b的值)，色散表示波长1.55μm的色散值，斜率表示在1.55μm波长带中的色散斜率(色散梯度)的平均值，并为1.5μm波长带中等于色散斜率的一种值，Aeff表示传输1.5μm信号时的有效缆芯截面积，λc表示在2m长度处的截止波长，弯曲损耗表示在20mm直径处相对于1.55μm波长的光的弯曲损耗值，λ0表示零色散波长。
在第一实施例的光纤中，由图1A和表1所示的折射率分布，零色散波长可为等于或小于1.4μm，而且这种光纤具有示于表1中在1.55μm波长及在包括该波长1.55μm的波长带的特性。就是说，在第一实施例的光纤中，1.55μm波长的色散值为大于等于4ps/nm/km而小于等于10ps/nm/km；而在1.55μm波长带中色散斜率为等于或小于0.04ps/nm2/km的正值，以致零色散波长可为等于或小于1.4μm。
因此，在第一实施例的光纤中，当在1.5μm波长带中进行喇曼放大时，能抑制约1.4μm波长激励光和四波混频等的干扰的产生。
另外，如上所述，因为在1.55μm波长的色散值等于或小于10ps/nm/km，第一实施例中不存在光纤具有大的局部色散如色散值大于10ps/nm/km的情况，因此，第一实施例的光纤可抑制由于色散产生的失真，并还可缩小波长间色散的差。
另外，1.55波长带中的色散斜率为等于或小于0.04ps/nm2/km的正值，由于色散斜率的绝对值减少了，第一实施例的光纤可以缩小波长间色散的差。因此，第一实施例的光纤为一种适于用喇曼放大器在1.5μm波长带中的波分多路复用传输。
另外，因为第一实施例中的色散斜率的绝对值较小，把如按照惯例开发的色散斜率补偿光纤(DSCF)连接到第一实施例的光纤，就能很容易地补偿第一实施例的光纤的色散斜率。
众所周知，在喇曼放大器中存在分布常数型喇曼放大器和集中常数型喇曼放大器。当集中常数型喇曼放大器用于波分多路复用传输时，不能忽略光纤中的非线性现象。在这种情况下，在第一实施例的光纤中，有效缆芯截面积设定为40μm2或更大的值，等于或大于1.5μm波长带的至少一部分的设定波长带中用于波分多路复用传输的普通光纤的值。因此，通过在这种设定波长带中进行波分多路复用传输，第一实施例的光纤也可抑制由于非线性现象产生的信号光失真。
另外，当采用分布常数型喇曼放大器时，可以缩小或抑制光纤的最大输入功率，致使能可靠地抑制光纤中由于非线性现象产生的信号光失真。
当有效缆芯截面积过大时，会降低喇曼放大器的效率。可是，在第一实施例的光纤中，在1.5μm波长带的至少一部分的设定波长带中，有效缆芯截面积设定为60μm2或更小的值。因此，在第一实施例的光纤中，通过在这种设定的波长中用喇曼放大器进行波分多路复用传输，可以抑制喇曼放大器效率的降低。
因为在第一实施例的光纤中，截止波长为1.5μm波长或更短的值，在等于或大于1.5μm波长的波长带中可以精确地实现单模工作。另外，当光纤形成光缆时，第一实施例的光纤也可抑制弯曲损耗。
因此，第一实施例的光纤成为适用于在1.5μm波长带中波分多路复用传输的光纤，并能有效地实现喇曼放大。在1.5μm波长带中，使用如高质量的喇曼放大并第一实施例的光纤作为光传输线的光通信系统可作为的波分多路复用传输系统。
当认真考虑在第一实施例和下面表示的第二和第三实施例中四波混频影响的限制时，如每个表所示，需要使色散值为6ps/nm/km或更大。
图2表示本发明的第二实施例的光纤中的折射率分布，第二实施例的光纤具有类似于第一实施例的结构。第二实施例在特性上和第一实施例的区别在于具有比参考层6的折射率低的玻璃层布置在第三玻璃层3和参考层6之间。这种低折射率的玻璃层是第四玻璃层4，第四玻璃层4相邻地布置在第三玻璃层3的外圆周侧。
在本说明书中，当第四玻璃层4的最小折射率部分的折射率设为n4时，第四玻璃层4相对于参考层6的相对折射率差Δ4由近似公式(5)限定如下。在第二实施例中，相对折射率差Δ4近似地为-0.2％到-0.1％。
         Δ4≈{(n4-n6)/n6}×100          (5)
表2表示第二实施例的每一个具体实例5至8中光纤的相对折射率Δ4、第一至第四玻璃层外直径比a∶b∶c∶d以及光纤的特性。在具体实例5至8中，相对折射率Δ1、Δ2、Δ3和常数α设定为类似于表1中所示的具体实例2的光纤中的那些值。当第一玻璃层1的外直径是a，第二玻璃层2的外直径是b，第三玻璃层3的外直径是c，及第四玻璃层4的外直径是d时，第一至第四外直径之比是a∶b∶c∶d。
[表2]
Δ4 a∶b∶c∶d   缆心直径 色散 斜率 Aeff λc 弯曲损耗(在φ20mm下的测量值) λ0
单位   ％   μm     ps/nm/km     ps/nm2/km  μm2  nm     dB/m  nm
具体实例5   -0.20   1∶1.8∶2.5∶3.0   13.3     7.5     0.031  43.0  1246     3.0  1308
具体实例6   -0.15   1∶1.8∶2.5∶3.0   13.1     7.2     0.028  43.2  1307     3.0  1293
具体实例7   -0.10   1∶1.8∶2.5∶3.0   13.0     6.9     0.027  43.3  1379     3.0  1294
具体实例8   -0.10   1∶1.8∶2.5∶4.0   12.8     7.3     0.030  43.1  1298     3.0  1307
                                    λ＝1550nm
如表2所示，在第二实施例的光纤中，可以缩短截止波长，而且可能设定一种光纤也能适用于1.31μm波长带以及1.55μm波长带中的波分多路复用传输。
图3表示本发明第三实施例的光纤中的折射率分布。第三实施例的光纤具有近似于第一实施例的结构。第三实施例特性上和第一实施例的区别在于具有比参考层6高的折射率的玻璃层布置在第三玻璃层3和参考层6之间。这种高折射率的玻璃层是第五玻璃层5。
在第三实施例中，第四玻璃层4布置在邻近第三玻璃层3的外圆周边上，并具有等于参考层6的折射率。第五玻璃层5布置在邻近第四玻璃层4的外圆周侧。
在本说明书中，当第五玻璃层的最大折射率部分的折射率设为n5时，第五玻璃层5相对于参考层6的相对折射率差Δ5由下面所示的近似公式(6)限定。在第三实施例中，相对折射率差近似地设定为从0.1％到0.2％。
         Δ5≈{(n5-n5)/n5}×100           (6)
表3表示第三实施例的每一种具体实例9至12中光纤的相对折射率Δ5、第一至第五玻璃层外直径比值a∶b∶c∶d∶e及光纤的特性。在具体实施例9至12中，相对折射率Δ1、Δ2、Δ3和常数α设定为类似于表1中所示的具体实例3中光纤中的那些值。当第一玻璃层1的外直径是a，第二玻璃层2的外直径是b，第三玻璃层3的外直径是c，第四玻璃层4的外直径是d以及第五玻璃层5的外直径是e时，第一至第五玻璃层外直径之比为a∶b∶c∶d∶e。
[表3]
Δ5 a∶b∶c∶d∶e   缆心直径 色散 斜率 Aeff λc     弯曲损耗(在φ20mm下的测量值) λ0
单位   ％   μm     ps/nm/km     ps/nm2/km  μm2  nm     dB/m  nm
具体实例9   0.20  1∶1.8∶2.3∶2.8∶3.0   12.1     6.5     0.026  49.2  1505     3.0  1300
具体实例10   0.10  1∶1.8∶2.5∶2.8∶3.0   12.3     6.7     0.030  48.9  1426     3.0  1327
具体例实11   0.10  1∶1.8∶2.5∶2.8∶3.2   12.4     6.4     0.027  49.0  1495     3.0  1303
具体实例12   0.10  1∶1.8∶2.5∶3.0∶3.2   12.3     6.9     0.031  49.6  1468     3.0  1327
                                            λ＝1550nm
如表3所示，第三实施例的光纤可具有类似于第一实施例的那些效应。
下面将说明基于上述模拟结果实际制作光纤的制作实例。在表1的具体实例2光纤设计的基础上，本发明者们制作实际的光纤。表4表示这种制作的结果。
[表4]
缆心直径 λ0 色散 斜率 λc Aeff 传输损耗     弯曲损耗(在φ20mm下的测量值)
  单位   μm     nm     ps/nm/km     ps/nm2/km  nm  μm2   dB/km     dB/m
  制作例1   13.5     1337     6.8     0.027  1414  42.8   0.24     3.2
  制作例2   14.0     1371     7.6     0.029  1476  44.0   0.23     2.4
                     λ＝1550nm
由表4显而易见，与设计值类似，每一个制作实例的光纤具有低色散和低色散斜率，并具有低传输损耗。另外，在每一个制作实例的光纤中，因为零色散波长(λ0)等于或小于1400nm，即使当使用如喇曼放大器在1.5μm波长带中进行波分多路复用传输时，也不会引起激励光的干扰问题。
本发明不限于上述每个实施例，但可采用各种实施例模式。例如，除用于每一实施例中所示的折射率分布外，本发明的光纤可含一种折射分布。就是说，在本发明的光纤中，至少在设定波长或在1.5μm波长带中的设定波长带中，足以使有效缆芯截面积、色散值和色散斜率为如上述每个实施例所示的适用值，并使零色散波长为1.4μm或更短。按照这种结构，可能构成一种光纤和使用这种光纤的光通信系统，其中在1.5μm波长带中用喇曼放大器高质量地进行波分多路复用传输。
在上述实施例中，光纤和光通信系统用于在1.5μm波长带中用喇曼放大器进行波分多路复用传输。可是，除用于喇曼放大器外，本发明的光纤和光通信系统还可用于使用如铒掺杂的光纤放大器的波分多路复用传输。另外，根据光纤的结构，光纤和光通信系统还可用于除这种1.5μm波长带以外的波长带的波分多路复用传输。
另外，在上述实例中，波长带设定为1.55μm波长带。可是，设定波长带不特别限定，但适于设定符合用于波分多路复用传输等的波长带，等等。

Claims (6)

1.一种光纤，包含彼此相邻接并含不同成分的多层玻璃层，在参考层内形成有至少三层玻璃层，该参考层作为这些多层玻璃层间的折射率分布的参考层；其特征在于：
在光纤最内侧形成的第一玻璃层的最大折射率高于所述参考层的折射率，作为所述光纤从内向外数的第二层的第二玻璃层的最小折射率低于所述参考层的折射率，作为所述光纤从内向外数的第三层的第三玻璃层的最大折射率高于所述参考层的折射率；
在1.5μm波长带的至少一部分的设定波长带中，该光纤的有效缆芯截面积为40μm2至60μm2；
在1.55μm波长下，色散值大于等于4ps/nm/km而小于等于10ps/nm/km；
1.55μm波长带中，色散斜率为等于或小于0.04ps/nm2/km的正值；以及
零色散波长等于或小于1.4μm。
2.根据权利要求1的光纤，其特征在于在2m长度处，截止波长等于或小于1.5μm；在1.5μm波长带中，直径20mm的弯曲损耗为等于或小于5dB/m。
3.根据权利要求1的光纤，其特征在于具有高于参考层折射率的玻璃层布置在第三玻璃层和参考层之间。
4.根据权利要求1的光纤，其特征在于具有低于参考层折射率的玻璃层布置在第三玻璃层和参考层之间。
5.根据权利要求1的光纤，其特征在于：
第一玻璃层的最大折射率相对于参考层的相对折射率差Δ1为大于等于0.5％而小于等于0.6％；
第二玻璃层的最小折射率相对于参考层的相对折射率差Δ2为大于等于-0.4％而小于等于-0.1％；以及
第三玻璃层的最大折射率相对于参考层的相对折射率差Δ3为大于等于0.1％而小于等于0.4％。
6.一种光通信系统，该光通信系统中用作光传输路径的光纤包含彼此相邻接并含不同成分的多层玻璃层，在参考层内形成有至少三层玻璃层，该参考层作为这些多层玻璃层间的折射率分布的参考层；其特征在于：
在光纤最内侧形成的第一玻璃层的最大折射率高于所述参考层的折射率，作为所述光纤从内向外数的第二层的第二玻璃层的最小折射率低于所述参考层的折射率，作为所述光纤从内向外数的第三层的第三玻璃层的最大折射率高于所述参考层的折射率；
在1.5μm波长带的至少一部分的设定波长带中，该光纤的有效缆芯截面积为40μm2至60μm2；
在1.55μm波长下，色散值大于等于4ps/nm/km而小于等于10ps/nm/km；
1.55μm波长带中，色散斜率为等于或小于0.04ps/nm2/km的正值；以及
零色散波长等于或小于1.4μm。
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