CN1438501A - 光纤 - Google Patents

光纤

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Abstract

生产一种光纤，使其具有环形折射率分布，这样在1550nm的波长处的色散大于等于+6ps/nm/km并小于+15ps/nm/km，传输损耗小于0.210dB/km，有效横截面面积Aeff大于90μm2，色散斜率在0.05ps/nm2/km和0.08ps/nm2/km的范围内。通过这样做，就可以提供具有环形的折射率分布、被扩大的有效横截面面积、被限制的色散斜率和低损耗特性的光纤。

Description

光纤
技术领域
本发明涉及一种光纤，具体地说，本发明涉及的是这样一种光纤，它被扩大了有效横截面面积Aeff，以便用于长距离多波长传输系统，并被限制了色散斜率。
背景技术
通过使用波分复用(下文中称为WDM)方法可以大幅增加光纤的传输容量。在WDM方法中，需要降低非线性效应并控制用于数据传输的光纤中的色散。为了这个目的已经开发出了多种不同的光纤，例如：有效横截面面积Aeff被扩大的光纤、色散斜率被降低的光纤和用于补偿色散斜率的光纤。
为了利用WDM方法来增加光纤的传输容量，通常有两种途径。一种是增加将被多路复用的波长的数目的方法；而另一种途径是提高传输速度。
对于增加将被多路复用的波长数目的方法，这里推荐一种途径，即增大将被用于数据传输的波长带宽。附图9A显示了一般的WDM光纤(a)的色散特性。
对于WDM光纤，通常使用1550nm的波长带宽。具体地说，通常使用一种被称作常规波段(1530-1565nm之间，下面称为C-波段)的波长带宽。然而最近提出了一些新的方法，其中使用例如1565-1625nm之间的长波长波段(下面称为L-波段)和1460-1530nm之间的短波长波段(下面称为S-波段)来传输数据。
例如，提出了一种附图9B所示的光纤，其中增大了色散以便能用于S-波段、C-波段和L-波段。
在这样的光纤中存在多种不同的折射率差，在附图10到12中显示了这种光纤的例子。
在这些光纤当中，附图10所示的具有单峰折射率分布的光纤用于一般的1.3μm带宽中的单模光纤。而下面两种光纤通常被用于1.55μm带宽中的零色散位移光纤和已被开发用于WDM数据传输的非零色散位移光纤(下面称为NZ-DSF)，所述两种光纤是：附图11所示的具有阶跃折射率分布的光纤，其中在两层中的折射率相互不同；附图12A和附图12B所示的具有分段(segment)折射率分布的光纤，其中高折射率区域处于中心部分，而且安排具有不同折射率的多个层。
对用于WDM数据传输的光纤来说，需要下面的特性。
首先，必须限制非线性效应。可以通过扩大有效横截面面积Aeff来达到这一目的。其次，必须限制四光子混合(four-photon-mixture)的出现，可以通过获得局部色散来达到这一目的。第三，必须限制由色散引起的线性失真，可以通过降低光路上的平均色散来达到这一目的。最后，可以通过降低色散斜率来控制较大带宽范围内的色散。
上述的NZ-DSF被设计成满足了所要求的特性。然而，很难同时扩大Aeff和降低色散斜率。从经济的角度看，通常用于NZ-DSF的光纤是：Aeff被扩大到70μm2且色散斜率是0.09ps/nm2/km的光纤(Aeff被扩大的NZ-DSF)，和Aeff是50μm2且色散斜率被降低到0.05ps/nm2/km的光纤(低色散光纤)。
对于能够实现更大的有效折射率Aeff和更低的色散斜率的光纤，已知了一种如附图13所示的具有环形折射率分布的光纤，其中纤芯的中心部分有较低的折射率，且在其周围安排了高折射率分区。对于具有这种环形折射率分布的光纤，在“ECOC’96 MoB.3.2”中报道了一种其Aeff被扩大到100μm2且色散斜率被限制在0.06-0.08ps/nm2/km的光纤。
然而，到目前为止还没有这样一种报道，即具有环形折射率分布的光纤能够实现低损耗。例如在上面的报道中，已经报道存在着0.23dB/km的损耗。没有其他的报道提出过更低的损耗特性。因此，要想实现具有环形轮廓的光纤，必须降低传输损耗。
在具有一般环形折射率分布的光纤中，将1550nm波长处的色散绝对值设置为零或小于6ps/nm/km。例如6ps/nm/km的色散是与一般NZ-DSF的技术规范相一致的。在附图14中示出了具有这种色散区域的光纤的折射率分布。表1中示出了这种光纤的特性。
表1
传输损耗 [dB/km] 0.231
电缆截止波长λcc [nm] 1440
有效纤芯横截面面积Aeff [μm2] 93.9
模场直径MFD [μm] 8.92
色散 [ps/nm/km] 5.0
色散斜率 [ps/nm2/km] 0.071
弯曲损耗@20φ [dB/m] 7.4
偏振模色散PMD [ps/km] 0.08
*上面的值是在波长为1550nm的条件下测得的。
在附图14中，横轴代表在半径方向距离纤芯中心的距离；纵轴代表每个纤芯与包层之间的折射率差。同时在附图14中，用虚线表示在光纤中传输的主模中的电场E的平方与在半径方向的距离r的乘积。同时在附图15A中显示了波长λ的损耗波长特性。在附图15B中，是横轴以1/λ4为单位的条件下的损耗值。
这种光纤在1550nm波长处的传输损耗是0.231dB/km。这与具有普通环形折射率分布的光纤的传输损耗一样高。同时，表示对于1/λ4的斜率的值“a”为1.183。这样一个值远大于在一般NZ-DSF中的值“a”，后者约为1.06。光纤中的这种高传输损耗是由瑞利损耗造成的。为了实现具有低损耗的光纤，就必须降低瑞利损耗。
发明内容
考虑上述问题而作出了本发明。本发明的目的是提供一种具有扩大的有效横截面面积、限制的色散斜率、低损耗多环形折射率分布的光纤。
为了解决上述问题，本发明的第一方面是一种具有包含两层或更多层的纤芯的光纤，且各层折射率不同，使得除了纤芯的中心部分之外的其中一层具有最大折射率，其中在1550nm的波长处的色散大于等于+6ps/nm/km并小于+15ps/nm/km，且传输损耗小于0.210dB/km。根据此特征，就有可能在具有环形折射率分布的光纤中实现低损耗特性。
本发明的第二方面是这样一种光纤，其中的纤芯包含多于三层，且各层折射率不同。
本发明的第三方面是这样一种光纤，其中纤芯中心部分中的一层的折射率小于纤芯的折射率。
本发明的第四方面是这样一种光纤，其中在1550nm波长处的有效横截面面积大于90μm2。
根据这些特征，就可能实现能限制非线性效应的光纤。
本发明的第五方面是这样一种光纤，其中在1550nm波长处的色散斜率小于0.08ps/nm2/km。
根据这一特征，就可能控制在较大波长带宽范围内的色散，从而可能提供能实现高速高质光数据传输的光纤。
本发明的第六方面是这样一种光纤，其中在纤芯中的四个层中的折射率不同，在1550nm处的有效横截面面积大于90μm2，且色散斜率小于0.07ps/nm2/km。
本发明的第七方面是这样一种光纤，它的折射率分布的幂乘积小于0.45，其中折射率分布由公式F1定义 MRIP = ∫ 0 r | Δ ( r ) | r E 2 ( r ) dr ∫ 0 r r E 2 ( r ) dr - - - - F 1
其中r是在半径方向离开纤芯中心的距离；Δ(r)是在距离r的位置的包层的折射率差；E(r)是在距离r的位置中所传输光的主模的电场分布。
根据这个特征，就可能降低瑞利损耗，从而可能实现具有低损耗特性的光纤。
如上所述，根据本发明生产了这样一种光纤，它的纤芯包含两层或更多层，各层折射率不同，使除了纤芯的中心部分之外的其中一层具有最大折射率，其中在1550nm的波长处的色散大于等于+6ps/nm/km并小于+15ps/nm/km。因此，可能在具有环形折射率分布的光纤中实现低损耗特性。
同时，由于生产出的光纤在1550nm波长处的有效横截面面积大于90μm2，所以可能实现可限制非线性效应的光纤。
同时，由于生产出的光纤在1550nm波长处的色散斜率小于0.08ps/nm2/km，所以可能控制在较大波长带宽范围内的色散，从而也可能提供可实现高速高质的光数据传输的光纤。
同时，使生产出的光纤具有小于0.45的折射率分布的幂乘积，所以有可能将传输损耗限制到低于0.210dB/km。也可能降低由瑞利散射造成的损耗，从而实现具有低损耗特性的光纤。
附图说明
附图1是根据本发明的光纤的折射率分布的例子。
附图2是显示在根据本发明的光纤内的折射率分布的示意图。
附图3A和图3B显示的是在根据本发明的光纤内的损耗波长特性的例子。
附图4是根据本发明的光纤的色散特性的曲线图。
附图5是与根据本发明的光纤之内的折射率分布作对比的例子。
附图6是显示根据本发明的光纤的折射率分布的另一个例子。
附图7A和图7B是与根据本发明的光纤的损耗波长特性作对比的例子。
附图8A和图8B显示了根据本发明的光纤的损耗波长特性的另一个例子。
附图9是普通WDM光纤之中的色散特性的示意图。
附图10是在普通光纤中的单峰折射率分布的示例图。
附图11是在普通光纤中的阶跃折射率分布的示例图。
附图12是在普通光纤中的分段纤芯折射率分布的示例图。
附图13A-13C是在普通光纤中的环形折射率分布的示例图。
附图14是在普通光纤中的折射率分布的示例图。
附图15A和15B是在普通光纤内的损耗波长特性的例子。
具体实施方式
下面将具体解释本发明。
根据本发明的光纤具有包含两层或更多层的纤芯，且各层折射率不同，使除了纤芯的中心部分之外的其中一层具有最大折射率(下面称为环形折射率分布)，其中在1550nm的波长处的色散大于等于+6ps/nm/km并小于+15ps/nm/km，传输损耗小于0.210dB/km。
在这种具有环形折射率分布的光纤中，必须降低瑞利损耗。为了这个目的，可以通过将在1550nm波长处的色散设置在+6至+15ps/nm/km的范围内(这高于在普通NZ-DSF之中的色散)，来使此折射率分布比普通光纤的折射率分布更为平滑。就是说有可能减少光纤之中的掺杂物，也由此可以降低瑞利损耗。
在附图1中示出了一光纤具有色散的条件下该光纤中的折射率分布，该折射率分布与附图14所示的基本相同，该光纤被设计成具有大于+9ps/nm/km的更加扩大的色散。在附图1中，横轴表示在半径方向离开纤芯中心的距离，纵轴表示每个纤芯到包层的折射率差。同时在附图1中，用虚线表示在光纤中传输的主模中的电场E的平方与半径方向距离r的乘积。
附图2中显示了根据本发明的光纤中的折射率分布的一个例子。在附图2中，参考数字1表示第一层纤芯分区，它是纤芯的中心。参考数字2表示第二层纤芯分区，它形成于第一层纤芯分区1周围，且折射率比第一层纤芯分区1高。参考数字3表示第三层纤芯分区，它形成于第二层纤芯分区2周围，且折射率比第二层纤芯分区2低。参考数字4表示第四层纤芯分区，它形成于第三层纤芯分区3周围，且折射率比第三层纤芯分区3高。参考数字5表示形成于第四层纤芯分区4周围的包层。
在这个例子中，在第一层纤芯分区1和第三层纤芯分区3内的折射率低于包层5内的折射率。同时，在第二层纤芯分区2内的折射率是最高的。这里在以包层5内的折射率作为参考点的情况下，在第一层纤芯分区1内的折射率差为Δ1，而第二层纤芯分区2内的折射率差为Δ2，第三层纤芯分区3内的折射率差为Δ3，第四层纤芯分区4内的折射率差为Δ4。在这种情况下，附图1所示的第一层纤芯分区1内的折射率差Δ1和第三层纤芯分区3内的折射率差Δ3的绝对值小于附图14所示的普通光纤中的绝对值。
本发明的目的是实现一种具有低损耗特性的光纤。光纤中的损耗很大程度上依赖于光纤中的瑞利散射。事实上，在光纤中引起的瑞利散射与该瑞利散射发生区域的掺杂物的量和电场有关系。作为一种表示由瑞利散射造成的影响的指数，折射率和功率的倍数(multiple ofrefractive index and power)(下面称为MRIP)非常有用，它由公式F1定义： MRIP = ∫ 0 r | Δ ( r ) | r E 2 ( r ) dr ∫ 0 r r E 2 ( r ) dr - - - - F 1
在公式F1中，r代表在半径方向距离纤芯中心的距离，Δr代表对于包层的折射率差，E(r)代表在所传输的光中的主模的电场分布。
在附图14所示的普通NZ-DSF中，将MRIP设定为大约0.5。而与此相对照，在附图1所示的光纤中的MRIP为0.42，由此可见，MRIP降低了大约10％。如下面在本发明具体实施方案中解释的，有可能通过降低瑞利损耗，而使传输损耗降低到一个优选的水平，如0.210dB/km或更低。
在此例的光纤中，最好使色散高于+6ps/nm/km。如果色散低于+6ps/nm/km，则可以预见到不能充分地降低损耗。因此，通过将色散设为+6ps/nm/km或更高，可使S-波段中的色散不变为零，从而使这种光纤能够用于WDM数据传输。
而且，最好使色散低于+15ps/nm/km。如果色散高于+15ps/nm/km，那么即使使用例如单峰折射率分布和阶跃折射率分布来替换根据本发明的环形折射率分布，也可能实现相同的特性。就是说，使用具有环形折射率分布的光纤就没有优势可言了。
根据以下所述的光纤，就有可能实现具有环形折射率分布并具有低损耗特性的光纤，所述光纤具有的纤芯包含两层或更多层，且各层折射率不同，使除了纤芯的中心部分之外的其中一层具有最大折射率，其中在1550nm的波长处的色散大于等于+6ps/nm/km并小于+15ps/nm/km。
同时，由于有可能使1550nm波长处的有效横截面面积大于90μm2，所以可能实现能限制非线性效应的光纤。
并且，因为有可能使在1550nm波长处的色散损耗小于0.08ps/nm2/km，所以有可能实现一种能控制在较大波长带宽范围内的色散的光纤；也可能实现用于数据传输的高速高质的光纤。
还有，通过将MRIP设为0.45或更低，就可能将传输损耗限制成低于0.210dB/km，从而可能降低由瑞利散射造成的损耗。由此就有可能实现具有低损耗特性的光纤。
下面结合附图来介绍根据本发明的光纤的具体实施方案。
【第一实施方案】
生产了一种具有附图1所示的折射率分布的光纤。此光纤是这样制造的：使用化学气相沉积(下面称为CVD)方法生产在具有附图2所示的折射率分布的光纤之中的区域(a)，此区域(a)包含纤芯；使用外部气相沉积方法生产在具有附图2所示的折射率分布的光纤之中的区域(b)，此区域(b)包含包层。这里如附图2所示，光纤包层的外直径为125μm。此光纤中在1550nm波长处的色散为+8ps/nm/km，这满足产品设计方面的要求。此光纤的特性在表2中示出。
表2
传输损耗 [dB/km]  0.206
电缆截止波长λcc [nm]  1450
有效纤芯横截面面积Aeff [μm2]  100.6
模场直径MFD [μm]  9.26
色散 [ps/nm/km]  8.0
色散斜率 [ps/nm2/km]  0.069
弯曲损耗@20φ [dB/m]  10.5
偏振模色散PMD [ps/km]  0.07
*上面的值是在波长为1550nm的条件下测得的。
这里的Aeff约为100μm2。色散斜率为0.069ps/nm2/km。因此可以确定Aeff已被扩大，且色散斜率已被降低。另外，在1550nm波长处的传输损耗为0.206dB/km；因此，相比具有环形折射率分布的普通光纤，已经降低了0.02dB/km或更大的传输损耗。
在这种光纤中的波长λ的损耗波长特性在附图3A中示出。附图3B显示的是损耗值，其中横轴的单位是1/λ4。在以1/λ4为横轴单位画出曲线的图3中，值“a”表示斜率。附图3B中的a值为1.06。因此可以理解：该特性已被增强，从而已经达到与普通NZ-DSF几乎相同的增强水平。
在附图4中显示了此光纤之中的色散特性。在1550nm波长处的色散为+8ps/nm/km，大于普通NZ-DSF的色散。并且，将色散斜率限制在0.065ps/nm2/km，可以理解，这是一个相当低的水平。在此例中，在S-波段之中的色散为+1ps/nm/km或更大；因此不仅C-波段和L-波段，S-波段也可以用于数据传输。
【第二实施方案】
生产了一种具有附图5、6所示的折射率分布的光纤。
附图5显示了在普通NZ-DSF色散区域之中的折射率分布的设计值。附图6显示了在将色散设为高于普通NZ-DSF色散的大约+9ps/nm/km时的折射率分布的设计值。此光纤是这样制造的：使用化学气相沉积(下面称为CVD)方法生产在具有附图2所示的折射率分布的光纤之中的区域(a)，此区域(a)包含纤芯；使用外部气相沉积方法生产在具有附图2所示的折射率分布的光纤之中的区域(b)，此区域(b)包含包层。这里如附图2中所示，光纤中包层的外直径被生产为125μm。
在这个光纤的例子中，通过将色散增大到大约+9ps/nm/km，可使MRIP从0.50降低到0.43。此光纤的特性在表3、4中示出。表3显示了具有如附图5所示的普通NZ-DSF色散区域之中的折射率分布的光纤的特性。表4是具有如附图6所示的色散约为+9ps/nm/km条件下的折射率分布的光纤的特性。
表3
传输损耗 [dB/km] 0.230
电缆截止波长λcc [nm] 1452
有效纤芯横截面面积Aeff [μm2] 95.4
模场直径MFD [μm] 8.59
色散 [ps/nm/km] 4.4
色散斜率 [ps/nm2/km] 0.078
弯曲损耗@20φ [dB/m] 9.5
偏振模色散PMD [ps/km] 0.05
*上面的值是在波长为1550nm的条件下测得的。
表4
传输损耗 [dB/km] 0.202
电缆截止波长λcc [nm] 1420
有效纤芯横截面面积Aeff [μm2] 95.9
模场直径MFD [μm] 9.12
色散 [ps/nm/km] 9.7
色散斜率 [ps/nm2/km]  0.070
弯曲损耗@20φ [dB/m]  9.6
偏振模色散PMD [ps/km]  0.06
*上面的值是在波长为1550nm的条件下测得的。
通过将色散增大到+9ps/nm/km，可以使传输损耗从0.230dB/km降低到0.202dB/km。
在附图7A中显示了具有普通NZ-DSF色散区域中的折射率分布的光纤之中的波长λ的损耗波长特性。在附图7B中显示了损耗值，其中横轴表示1/λ4。在这些横轴单位为1/λ4的曲线图中，值“a”表示斜率。这里的值“a”为1.20。对比来看，在附图8A中显示了具有色散被设在大约+9ps/nm/km条件下的折射率分布的光纤之中波长λ的损耗波长特性。同样，在附图8B中显示了损耗值，其中横轴表示1/λ4。在这些以单位1/λ4画出的曲线图中，值“a”表示斜率。这里的值“a”为1.052。由此可以理解，损耗特性已被增强。
在此实施方案中，通过在比普通光纤大的区域内设置色散，就必然可以降低由瑞利散射造成的损耗。

Claims (7)

1.一种具有包含两层或更多层的纤芯的光纤，其各层的折射率不同，使除了纤芯的中心部分之外的其中一层具有最大折射率，其中
在1550nm波长处的色散大于等于+6ps/nm/km并小于+15ps/nm/km，和
传输损耗小于0.210dB/km。
2.根据权利要求1的光纤，其中纤芯包含三个以上折射率不同的层。
3.根据权利要求1的光纤，其中在纤芯的中心部分的一层的折射率低于纤芯的折射率。
4.根据权利要求1的光纤，其中在1550nm波长处的有效横截面面积大于90μm2。
5.根据权利要求1的光纤，其中在1550nm波长处的色散斜率小于0.08ps/nm2/km。
6.根据权利要求1的光纤，其中纤芯中四层的折射率不同，在1550nm处的有效横截面面积大于90μm2，且色散斜率小于0.07ps/nm2/km。
7.一种折射率分布的幂乘积小于0.45的光纤，其中
折射率分布由公式F1定义 MRIP = ∫ 0 r | Δ ( r ) | r E 2 ( r ) dr ∫ 0 r r E 2 ( r ) dr - - - - F 1
其中
r是在半径方向离开纤芯中心的距离，
Δ(r)是在距离r的位置中包层的折射率差，
E(r)是用于在距离r的位置中所传输光的主模的电场分布。
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