CN1212057A - 具有较大有效面积的单模光波导 - Google Patents

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Abstract

揭示了一种单模光纤,其纤芯折射率分布至少具有四个分层(26,28,30,36,38,40,42)。纤芯设计的主要特征是至少有两个不相邻的纤芯分布分层(26,30,36,40)具有正的△%;至少有两个不相邻的分层(28,32,38,42)具有负的△%。新型波导纤芯设计提供的单模波导适用于使用光放大器的高速率且再生器间距较长的系统。该波导纤芯结构还适用于制造色散受控制的光纤。

Description

具有较大有效面积的单模光波导
                        发明背景
本发明涉及一种单模光纤，该单模光纤被设计用于在大约1500纳米至1600纳米波长窗口中工作的远程、高比特率系统。尤其，新颖光纤在工作波长范围内具有较大的的有效面积，可以减少使电信信号失真的非线性光学作用。
具有较大有效面积的单模波导将具有较小的非线性的光学作用，包括自相位调制、四波混频、交叉相位调制和非线性散射过程等。这些作用的每一项都会使高功率系统中的信号恶化。
使信号恶化的散射过程一般可用含exp(cP/Aeff)项的方程来描述，其中c是一常数，P是信号功率，而Aeff是有效面积。其他描述非线性作用的方程则包含P/Aeff比值作为因子。因此，Aeff的增大会减少非线性对光信号恶化的贡献。
通信产业中，需要在无再生器情况下，远距离传输较大的信息量，这导致了对单模光纤折射率分布设计的重新评价。
重新评价的关键是提供这样的光波导，它们能
-减少诸如上述的非线性作用；
-为在1550纳米周围的波长范围内工作时有较低的衰减而进行优化；
-与光放大器的增益对波长的曲线相适应；并且
-保持光波导中诸如低衰减、高强度、耐疲劳和抗弯曲等所需特性。
具体需要降低四波混频的附加要求可以使光纤的零色散波长位于工作窗口之外。
诸如美国专利申请S.N.08/378,780所揭示的早期研究包括了一些分层纤心(segmented core)设计的基本概念，这些概念是由Bhagavatu1a在美国专利4,715,679中首次提出的。在上述S.N.08/378,780专利申请所揭示的一组纤心设计中可以找到有效面积较大的波导。在该申请中揭示了一种特殊设计，它至少包含一个最小折射率小于包层折射率的纤心区。
利用这些重要特性，可用描述分层纤心设计特性的模型产生一族纤心设计，该族设计具有一个Aeff和一种模功率分布(或电场强度分布)，所述模功率分布表征了适于在性能很高的通信系统中使用的光纤。1995年11月9日提交的一份临时申请涉及这样一族新的具有较大有效面积的波导。
本申请是申请S.N.08/378,780和1995年11月9日提交之临时申请的工作的延续。
本申请关于新颖分布族设计的特性是将较大的有效面积与总色散斜率在所选工作窗口范围内接近于零相结合。由于有效面积增大并且线性色散在所选的波长范围内降低，所以这一结合使非线性信号的恶化减少。
                定义
-有效面积为：
Aeff=2π(∫E2rdr)2/(∫E4rdr)，
其中积分限为0至∞，并且E是与传播的光有关的电场。
有效直径Deff可定义为：
Deff=2(Aeff/π)1/2。
-模场面积Amf为π(Dmf/2)2，其中Dmf是用Peterman Ⅱ方法测得的模场直径，这里2w=Dmf并且w2=(2∫E2rdr/∫dE/dr]2rdr)，积分限为0至无穷大。
-α分布为
n=n0(1-Δ(r/a)α)，
其中n0为α折射率分布的最大折射率，Δ如下定义，r为半径，而a是从α折射率分布的第一点量至最后一点的半径。α折射率分布中n0点处的r可选择为零，或者可以将分布曲线的第一点移离波导中心线一被选距离。α等于1的α分布是三角形。当α为2时，折射率分布是一抛物线。当α的数值大于2并趋向6时，折射率分布曲线便更接近于阶跃折射率分布。虽然真正的阶跃折射率分布是通过α为无穷大来描述的，但α取大约4至6便为实际应用提供了阶跃折射率分布。
-折射率分布段宽度为折射率-半径曲线图中两条垂线之间的距离，这两条垂线分别从折射率分布各自的开始点和结束点作到水平轴。
-％折射率增量为：
％Δ=[(n1 2-nc 2)/2n1 2]×100，
其中n1为纤心的折射率，而nc为包层的折射率。除非另作说明，n1是由％Δ所表征的纤心区中的最大折射率。
-折射率分布的零参考值可选作包层玻璃层中的最小折射率。为纤心中折射率小于该最小值的区域分配一个负值。
-折射率分布一般具有形状不同的相关的有效折射率分布。有效折射率分布可以代替其相关的折射率分布，不会改变波导性能。参见Luc B.Jeunhomme著的《单模光纤》，Marcel Dekker股份有限公司1990年出版，第32页，第1.3.2节。
-弯曲性能由一标准测试过程确定，在该过程中测量绕心轴缠绕光纤所引起的衰减。标准测试是测量光纤绕32毫米的心轴一周所形成的弯曲和绕75毫米的心轴100周所形成的弯曲在光纤中引起的衰减。通常，弯曲导致的最大许可衰减在1300纳米和1550纳米周围的工作窗口中确定。
-另一种弯曲测试是销钉阵列弯曲测试，它用于对光纤的相对抗弯曲性进行比较。为了进行该测试，对基本上没有引入弯曲损耗的光纤测量其衰减。然后把光纤绕销钉阵列弯曲，再次测量衰减。弯曲带来的损耗是两次测得的衰减之间的差值。销钉阵列是一组按单行排列并在一平面上保持固定垂直位置的十个圆柱销钉。销钉的中心至中心间距为5毫米。销钉直径为0.67毫米。在测试期间，施加足以使光纤与销钉表面一部分贴合的张力。
-折射率分布Δi％的变化百分数是指用一给定的百分数单独或组合改变任何Δi％。
-组合半径的变化百分数是指纤芯总半径的变化Δr在个别纤芯分层的半径之间按比例分布。
                            发明内容
本发明可以满足对如此单模光纤的需求，这种单模光纤的优点是具有相当大的有效面积，并且色散斜率基本平坦，即色散斜率的量值在延长的工作波长范围内大约为0.03 ps/nm2-km或更小，
本发明的第一方面是一种单模光纤，其玻璃纤芯至少包括四个分层。每个分层用一折射率，一外半径ri和一Δi％表征。r和Δ的下标指某一特定的分层。从包括波导长轴中心线的最里面的分层开始，用1至n对各分层编号。包层的折射率为nc，其包裹在纤芯的周围。纤芯具有两个Δ％为正的不相邻的分层，和两个Δ％为负的不相邻的分层。利用这一基本纤芯结构，已发现多组Δi％和ri，它们能够提供基本上平坦的总色散曲线，即曲线斜率在一预选的波长范围内大约为0.03 ps/nm2-km或更小，并且有效面积至少为60微米2。有几种具有纤芯结构的纤芯设计，其有效面积大于70微米2。
本发明该方面的一较佳实施例在大约1450纳米至1580纳米的波长范围内提供了基本上为零的色散斜率。所述范围包括1550纳米周围低衰减区以及铒光放大器的高增益波长范围。
两个不相邻的正Δ％分层的较佳Δi％在大约0.1％至0.8％的范围内。两个负Δ％分层的Δ％较佳范围为-0.80％至-0.15％。
正Δ％分层的较佳折射率是分布在α分布、阶跃型折射率分布、圆角(rounded)的阶跃型折射率以及梯形分布所组成的分布组中选择，其中α的范围大约从1至6。负Δ％分层的较佳折射率分布在倒梯形分布，倒阶跃型折射率分布和圆角的倒阶跃型折射率分布所组成的分布组中选择。应该理解，在一特定的分布中，一个负Δ％分层可以呈倒梯形，另一个负Δ％分层可以呈圆角的倒阶跃型折射率形状。至少四个分层的组合和排列数目是很大的。因此，在实际应用中，需用计算机模型来寻找出能提供所需光纤特性的纤芯折射率分布设计。
掺杂剂向中心线扩散会使中心的折射率凹陷，形成倒置圆锥的形状。另外，在掺杂剂浓度突变位置上的扩散会使阶跃型折射率分布的肩部变圆。将模型设计成基本上考虑到掺杂剂向外扩散所引起的任何折射率分布的变化。典型的中心扩散凹陷是一倒置的圆锥，其基底半径大小不大于大约2微米。
在一最佳实施例中，分层1和3具有正的Δ％，而分层2和4具有负的Δ％。如上所述，从包括波导对称长轴的编号1开始对各分层按序编号。该实施例的半径具有极限，r1在大约3至5微米范围内，r2不大于约10微米，r3不大于约17微米，并且r4不大于约25微米。该实施例中各分层的Δ％具有极限，Δ1％在大约0.20％至0.70％的范围内，Δ2％和Δ4％在大约-0.80％至-0.15％的范围内，而Δ3％在大约0.05％至0.20％的范围内。
可以用以下两种方式使用纤芯设计模型：
-输入结构参数，即分层数目和纤芯分层的相对位置、每个分层的折射率分布形状以及每个分层相应的Δi％和ri，并且计算与所述结构相关的波导参数；或者
-输入功能参数，即截止波长、零色散波长、总色散斜率、有效面积、模场直径、工作波长范围以及波导中因弯曲引起的衰减，并且计算可以提供该功能的结构族。
因此，可以把本发明的第二方面称作一种至少具有四分层的光纤。两个不相邻的分层具有正的Δ％，并且两个不相邻的分层具有负的Δ％。选择各分层的ri和Δi％，以便提供由以下特征表征的波导：
-在大约1400纳米至1575纳米的波长范围内，总色散斜率的量值大约为0.03ps/nm2-km或更小；
-零色散波长位于工作窗口之外，即在大约1200纳米至1500纳米的范围内或者大于大约1575纳米(上限由工作窗口中所要求的色散确定。在大多数使用中，上限大约为1750纳米。)；
-模场直径大于约9微米；并且
-销钉阵列弯曲引起的衰减≤20分贝。
本发明第二方面所述的波导族的显著特性是它们容易制造。特别是，如表1中计算所得的参数所示，波导对Δi％之+/-3％的变化以及组合半径之+/-1％的变化相对地不敏感。
在以下附图的帮助下，将进一步揭示和描述新型纤芯族设计的这些和其它方面以及长处。
                  附图概述
图1a和1b示出了新型纤芯折射率分布四分层实施例的一般形状。
图2a和2b是新型纤芯折射率分布四分层实施例的特例。
图3示出了新型光纤总色散的典型曲线特征。
图4在一波长范围内对新型纤芯分布设计的一个子集比较Deff和MFD。
图5a、5b和5c示出了总色散对新型纤芯折射率分布之半径或折射率的变化的敏感性。
                本发明的详细描述
一般要求1吉比特/秒和更高传输率以及再生器间距超过100公里的通信系统通常使用光放大技术或波分复用技术。因此，光纤制造商已经设计出这样的波导，它们受多路复用系统中发生的由高功率信号或四波混频引起的非线性作用的影响较小。应该懂得，合适的光纤必须具有较小的线性色散和较低的衰减。另外，光纤必须在特定延伸的波长范围内呈现这些特性，以便适应波分复用。
由于相对容易制造且允许控制色散的波导成本较低并且具有更大的适应性，所以这样的波导设计受到欢迎。这里所描述的设计非常适用于这样的色散控制方案，在该控制方案中，使波导色散沿光纤长度变化，以便使总色散在正值与负值之间摆动。
本申请的新型分层纤芯设计呈现出上述分类的所需特性。
图1a和1b示出了纤芯折射率分布的一般情况，画出了Δ％对波导半径的曲线。尽管图1a和1b只示出了四个离散的分层，但应该懂得，通过形成大于四分层的纤芯便可以满足功能要求。但是，通常具有较少分层的实施例更容易制造，因此更受青睐。
纤芯分层4和8和纤芯分层2和6显示出新型光纤折射率分布的结构特征，其中纤芯分层4和8是具有正值Δ％的不相邻分层，纤芯分层2和6是具有负值Δ％的不相邻分层。具有正值Δ％和负值Δ％的分层可以被不止一个分层隔离。与每个分层相关的折射率分布都可以调节，从而取得能提供所需光纤特性的纤芯设计。
虚线10、12和14示出了另一种包含新型波导纤芯的三分层的折射率分布形状。同样可以改变各分层的外半径5、7、9和11，以取得能提供所需波导特性的纤芯设计。显然，给出分层数、分层分布形状、分层Δ％以及半径之后，用计算机模型最容易解决该设计问题。申请S.N.08/323,795讨论了这样模型的基本要素。
图1b示出了新型光纤纤芯设计的一种变化。在该情况下，具有正值Δ％的分层16和20是第一和第三分层。第二和第四分层1 8和22具有负值Δ％。分别位于图1a和图1b的实线3和21表示用于计算分层之Δ％特征的包层折射率。
例1-四分层实施例
图2a的曲线图是新型波导纤芯的一实施例，该纤芯具有四分层26、28、30和32。每个分层的分布形状为圆角的阶跃型。阶跃型分布的角成圆角以及中心线折射率24降低可能是由于在制造光纤期间掺杂剂发生了扩散。可以但通常不必例如在掺杂步骤中对这种扩散进行补偿。
参照图2a，分层26的Δ1％约为0.39％，分层28的Δ2％约为-0.25％，分层30的Δ3％约为0.12％，并且分层32的Δ4％约为-0.25％。每个分层的外半径(从最内分层开始向外计算)分别大约为4微米、6.5微米、15微米和22微米。
该纤芯结构提供的光纤具有以下特性：
-模场直径为9微米；
-Deff为9.3微米；
-Aeff为68微米2；
-截止波长为1400纳米；
-销钉引入的弯曲损耗为20分贝；并且
-总色散斜率≤0.03 ps/nm2-km。
比较例2-四分层实施例
图2b的曲线图是新型波导纤芯的一实施例，该纤芯具有四分层36、38、40和42。每个分层的分布形状为圆角的阶跃型。如上所述，阶跃型分布的角成圆角以及中心线折射率的降低可能是由于掺杂剂发生扩散引起的。
参照图2b，分层36的Δ1％约为0.40％，分层38的Δ2％约为-0.25％，分层40的Δ3％约为0.12％，而分层42的Δ4％约为-0.25％。每个分层的外半径(从最内分层开始向外计算)分别大约为4微米、6.5微米、15微米和23.5微米。
注意，图2a折射率分布与图2b折射率分布之间的结构区别实质上在于负值Δ％负得较少，并且总的纤芯半径增大了1至2微米。
该纤芯结构提供的光纤具有以下特性：
-模场直径为9.2微米；
-Deff为9.6微米；
-Aeff为72微米2；
-截止波长为1404纳米；
-销钉阵列引入的弯曲损耗为12分贝；并且
-总色散斜率≤0.03 ps/nm2-km。
在比较例中截止波长仅略有增大，但抗弯曲性显著提高，并且Aeff增大了约6％。配合起来使得波导性能提高的结构变化是负折射率分层中Δ％的增大以及总半径的增大。Aeff和抗弯曲性可以同时获得提高预示着新型纤芯折射率分布设计的成功。
图3示出了新型纤芯折射率分布设计的特征，总色散曲线46。曲线的平坦区域44跨跃从大约1400纳米至1570纳米的波长范围。因此，在该波长工作范围中，非线性色散作用因较大的有效面积而受到限制。另外，通过在工作波长范围内保持较低的总色散量值来限制线性色散。
图4示出了新型纤芯设计中一子集的优点。在至少从1200纳米至1800纳米的波长范围内，有效直径48大于模场直径50。较大的Deff通过降低每单位面积的信号功率来限制非线性作用。由于信号功率的大部分被引导而不是被辐射，所以较小的模场直径提供了较佳的抗弯曲性。正是新型光纤纤芯的这一特性限制了非线性作用，同时在波导内较好地限制了功率，并由此提供了良好的抗弯曲性。
图5a示出了总色散对波长的曲线图以示出其对总半径变化的相对不敏感性。曲线54是关于组合半径为r之纤芯的参考曲线。曲线58是如上定义的纤芯组合半径比r大1％的光纤的总色散曲线。曲线56是纤芯组合半径比r小1％的总色散曲线。注意，曲线56和56对参考曲线54的偏离不超过大约2ps/nm-km。
图5b示出了总色散对任何或所有分层折射率变化的相对不敏感性。曲线60是参考曲线。曲线64和62分别表示折射率变化3％和-3％情况下的总色散。同样，这里的曲线64和62对参考曲线60的偏差不大于约2ps/nm-km。
表1给出了当组合半径变化+/-1％并且折射率同时变化+/-3％时，所选光纤参数的平均值和标准偏差。参考分布实质上是比较例2所给的情况。
                                   表    1
    平均值     标准偏差     参考值
    λ0(纳米)     1581.1     20     1580
色散1550(ps/nm-km)     -1.1     1.23     -1.0
模场直径(微米)     9.15     0.19     9.2
截止波长(纳米)     1470     21     1460
弯曲损耗(分贝)     21.1     7.5     12
可见对目标值的偏差是很小的，这表明，纤芯设计为光纤纤芯结构的所述变化提供了相当稳定的光纤特性。
相对于图5a，图5c示出了引起总色散符号变化的半径变化。
与上述相同，参考的总色散曲线是54。组合半径改变1.5％给出了总色散曲线68。组合半径改变2.5％和4.5％分别给出总色散曲线66和70。因此新型的纤芯设计适于制造色散受控制的光纤。半径沿光纤长度周期性变化将使总色散的符号周期性改变，致使整个光纤长度上的总色散可以基本为零，而沿光纤各点上的总色散量值不为零。对总色散的如此控制基本上消除了四波混频并在光纤全长度上保持非常低的总色散。
尽管这里已揭示和描述了本发明的特殊实施例，但本发明仅受以下权利要求书的限制。

Claims (11)

1．一种单模光纤，它包括：
一玻璃纤芯，它对所述光纤的长轴中心线对称分布，并且至少包括四个分层，每个所述分层具有一折射率分布，一折射率Δi％和一外半径ri，其中i是表示某一特定分层的整数，各分层从中心线的编号1开始从1至n依次编号；
一玻璃包层，它形成于所述纤芯之上并包裹在所述纤芯的周围，所述包层的折射率为nc；
其特征在于，至少有两个不相邻的纤芯分层具有正的折射率Δ％，并且至少有两个不相邻的纤芯分层具有负的折射率Δ％；
选择每个所述分层的外半径ri和Δi％，使色散斜率的量值在一预选的波长范围内大约为0.03 ps/nm2-km或更小，并使有效面积大于60微米2。
2．如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述预选波长范围大约为1450至1580纳米。
3．如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述至少两个具有正Δ％的分层，其Δ％在大约0.1％至0.8％范围内，并且所述至少两个具有负Δ％的分层，其Δ％在大约-0.8％至-0.1％的范围内。
4．如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述至少两个具有正Δ％的分层从α分布、阶跃型折射率分布、圆角的阶跃型折射率分布以及梯形分布所组成的分布组中选择折射率分布，其中α的范围从1至大约6，而所述至少两个具有负Δ％的分层从倒阶跃型折射率分布、圆角的倒阶跃型折射率分布以及倒梯形分布所组成的分布组中选择折射率分布。
5．如权利要求4所述的单模光纤，其特征在于，所述玻璃纤芯第一分层的折射率分布用折射率最大值n1表征，该折射率与波导中心线相隔一段距离，折射率在分布在n1和中心线之间单调下降，在中心周围形成一个大致呈倒置圆锥的折射率凹陷，所述倒置圆锥的基底半径不大于大约2微米。
6．如权利要求5所述的单模光纤，其特征在于，所述玻璃纤芯包括四个分层，并且Δ1％和Δ3％为正，而Δ2％和Δ4％为负。
7．如权利要求6所述的单模光纤，其特征在于，r1范围在大约3至5微米，r2不大于约10微米，r3不大于约17微米，并且r4不大于约25微米，并且r4＞r3＞r2＞r1。
8．如权利要求7所述的单模光纤，其特征在于，所述玻璃纤芯的各Δ％分别为：Δ1％在大约0.20％至0.70％的范围内，Δ2％在大约-0.80％至-0.15％的范围内，Δ3％在大约0.05％至0.20％的范围内，以及Δ4％在大约-0.80％至-0.15％的范围内，
9．一种单模光纤，它包括：
一玻璃纤芯，它对所述光纤的长轴中心线对称分布，并且至少包括四个分层，每个所述分层具有一折射率分布，一折射率Δi％和一外半径ri，其中i是表示某一特定分层的整数，各分层从中心线的编号1开始从1至n依次编号；
一玻璃包层，它形成于所述纤芯之上并包裹在所述纤芯的周围，所述包层的折射率为nc；
其特征在于，至少有两个不相邻的纤芯分层具有正的折射率Δ％，并且至少有两个不相邻的纤芯分层具有负的折射率Δ％；
选择每个所述分层的外半径ri和Δi％，以提供以下功能特性：
色散斜率的量值在大约1400纳米至1575纳米的波长范围内大约为0.03ps/nm2-km或更小，
零色散波长位于从大约1450纳米延伸至1580纳米的工作窗口之外，
模场直径大于大约9微米，并且
销钉阵列弯曲引起的衰减≤20分贝。
10．如权利要求9所述的单模光纤，其特征在于，所述功能特性对Δi％的+/-3％变化以及组合半径的+/-1％变化相对地不敏感。
11．如权利要求9所述的单模光纤，其特征在于，沿光纤长度调节所述纤芯分布，以便将与光纤长度相关的总色散控制为一预选值。
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