單模光波導的製作方法
2023-05-30 17:24:16 1
專利名稱：單模光波導的製作方法
背景技術：
本發明涉及一種為中繼器間距較長、數據速率較高的通信系統設計的單模光纖。尤其，本發明的單模光纖將極佳的抗彎曲性、較低的色散斜率和較大的有效面積Aeff結合在一起。
具有較大有效面積的波導將減少非線性的光學作用，其中包括自相位調製、四波混頻、交叉相位調製和非線性散射過程等。所有這些作用都會使高功率系統中的信號劣化。一般，對這些非線性作用的數學描述包括比值P/Aeff，其中P是光功率。例如，非線性光學作用通常遵循包含exp(P×Leff/Aeff)項的方程，其中Leff是有效長度。因此，Aeff的增大會降低非線性對光信號劣化的貢獻。
通信產業中，需要在無電信號再生器的情況下，遠距離傳輸較大的信息量，這導致了對單模光纖折射率分布設計的重新評價。授予Bhagavatula的美國專利4,715,679詳細地揭示了一類分布設計，在本申請中，稱之為分層纖芯設計。
重新評價的關鍵是提供這樣的光波導，它們能-減少諸如上述的非線性作用；-為在1550納米周圍的波長範圍內工作時有較低的衰減而進行優化；-與光放大器兼容；並且-保持光波導中諸如高強度、耐疲勞和抗彎曲等所需特性。
只有在規定了比特速率、比特誤差率、多路復用方案以及光放大器(有可能)的特定通信系統中，定義高功率和遠距離才有意義。有一些附加因素會對高功率和遠距離的意義產生影響，它們都是本領域的熟練技術人員已知的。但是，對於大多數目的，高功率是指光功率大於約10mW。在一些場合下，1mW或更小的信號功率電平仍然會對非線性作用敏感，所以在一些低功率的系統中，Aeff仍然是一個重要的考慮對象。遠距離是指電信號再生器之間的距離超過100km。再生器將區別於使用光放大器的中繼器。中繼器間距，特別是高數據密度系統中的中繼器間距可以小於再生器間距的一半。
為了給多路復用傳輸提供合適的波導，總色散應該較低，但不為零，並且在工作長度窗口範圍內具有較小的斜率。
關於這類波導纖維的一種典型情況是海底系統。為了在經濟上可行，海底系統必須在沒有再生器的情況下並且在擴展的波長窗口上長距離運載較高的信息密度。本發明描述了一種新穎的分布，該分布能非同尋常地滿足這類使用的嚴格要求。以下詳細給出這種使用系統的要求。
定義下述定義符合本領域的普通用法。
-纖芯中各分層的半徑是根據折射率定義的。一特定分層具有第一和最後折射率點。從波導中心線到第一折射率點所處位置的半徑是纖芯區或纖芯分層的內半徑。類似地，從波導中心線到最後折射率點所處的位置的半徑是纖芯分層的外半徑。
由以下對
圖1和圖2的描述可見，分層半徑可以用許多種方式方便地定義。由圖2可以導出表1和表2，在該情況下，參考Δ％對波導半徑的曲線圖，如下定義折射率分布中各分層的半徑*中央纖芯分層的半徑r1是從波導的軸中心線量到外推中心折射率分布曲線與x軸的交點(即Δ％=0的點)；*第一環形分層的外半徑r2是從波導的軸中心線量到第一環形分層分布曲線與表示第二環形分層分布曲線之Δ％的直線的交點；*第二環形分層的外半徑r3是從波導的軸中心線量到相對摺射率為第二和第三環形分層之相對摺射率之間一半的點；*第三環形分層的外半徑r4是從波導的軸中心線量到相對摺射率為第三環形分層和包層之相對摺射率之間一半的點；在圖1的更一般的折射率分布中，使用另一些定義。折射率分布的幾何定義沒有任何特殊的意義。當然，當進行模型計算時，定義的使用必須與這裡所做的相一致。
-有效面積為Aeff=2π(∫E2r dr)2/(∫E4r dr)，其中積分限為0至∞，並且E是與傳播的光有關的電場。有效直徑Deff可由下式定義Aeff=π(Deff/2)2。
-相對摺射率Δ％由下述等式定義Δ％=100×(n12-n22)/2n12，其中n1為折射率分布曲線中分層1的最大折射率，而n2是一參考折射率，在本申請中取為二氧化矽的折射率。
-術語折射率分布曲線是在纖芯的一選定部分上Δ％或折射率與半徑之間的關係。術語α分布曲線是遵循下述等式的折射率分布曲線n(r)=n0(1-Δ[r/a]α)，其中r為纖芯半徑，Δ如上定義，a是該分布最後一點，將r選擇成在分布的第一點為零，以及α是限定分布曲線形狀的指數。其它折射率分布曲線包括階躍型折射率、梯形折射率和帶圓角的階躍型折射率，其中圓角一般是由於摻雜劑在折射率快速變化的區域內擴散所產生的。
-總色散定義為波導色散和材料色散的代數和。在本領中有時將總色散稱為色散現象。總色散的單位為ps/nm-km。
-波導光纖的抗彎曲性表述為在規定測試條件下的引入衰減。標準測試條件包括將波導纖維繞75毫米直徑的心軸100周，以及繞32毫米直徑的心軸一周。在每種測試條件下，測量彎曲引起的衰減，通常以dB/單位長度為單位。在本申請中，所用的彎曲測試是將波導纖維繞20毫米直徑的心軸一周，當本發明波導纖維應用於更嚴格的操作環境中時，需要這種更高要求的測試。
發明內容
本申請新穎的單模光纖纖維滿足下述高性能通信系統的要求。
本發明的第一方面是一種單模光纖，它具有一分層纖芯，周圍包裹著一玻璃包層。纖芯至少有四個分層。其中至少有一個分層具有負的相對摺射率-Δ％。按照各分層的相對摺射率百分數、相對摺射率分布曲線和半徑來定義分層纖芯。如「定義」部分所述的以及圖1和圖2所示的，諸半徑從波導纖維的中心線開始量起，並延伸到按照各相對摺射率定義的分層點。在本申請中，纖芯寬度，即纖芯的外半徑，按照分層的幾何形狀來定義。纖芯中運載了光能的最大部分，但應該理解，與纖芯鄰近的包層也運載了光能的相當大部分。新穎波導中與纖芯相鄰的包層部分最好包括一種增大折射率的摻雜劑。
在本發明的一個實施例中，將中心分層製成具有負的相對摺射率-Δ1％。
在本發明的另一實施例中，纖芯區具有四個分層，除了中心分層具有負的相對摺射率之外，其它分層都具有正的相對摺射率。在該情況下，Δ％滿足以下不等式Δ2％＞Δ4％＞Δ3％＞Δ1％，其中分層編號是連續的，並且從中心分層的數字1開始。在該實施例中，第一和第三環形分層的折射率分布曲線可以是α分布曲線、階躍型折射率、梯形分布曲線，或者帶圓角的階躍型或梯形分布曲線。第二環形區可以是階躍型折射率分布曲線的形式，這是指由恆定水平部分組成的折射率分層。另外，包層部分可以具有階躍型折射率分布曲線，由於該部分包含一種增大折射率的摻雜劑，所以包層部分的折射率大於二氧化矽的折射率。
以下列表給出了對於具有四個分層的纖芯區，其相對摺射率Δ1％、Δ2％、Δ3％和Δ4％，以及半徑r1、r2、r3和r4的特定數值範圍，它們提供了一組新穎波導的目標性能。表中還給出了對於按較佳方式摻雜的包層部分，其相對摺射率Δ5％的合適範圍。不需要摻雜包層部分的半徑。事實上，包層的摻雜部分延伸至某一半徑，在該半徑處，波導中運載的光強可以忽略。此半徑值一般由本領域已知的測試方法確定，諸如近場強度測量。
本發明的這一方面，包括其關於分布曲線分層形狀和大小的實施例，能夠提供一種單模光纖，在預先選定的工作波長範圍內，其有效面積≥70微米2，總色散斜率≤0.08ps/nm2-km。如上所述，目前較佳的窗口大約是1550納米至1560納米，因為在此範圍內衰減較小，並且它與摻鉺光放大器的增益曲線相對應。主要通過調節半徑、Δ％以及一個或多個分布曲線分層的形狀，便可以增加最小的有效面積，並降低總色散斜率。通過比較以下表1數據和表2數據，可以看出這種調節的作用。表2的範圍提供了一種波導纖維，其Aeff≥70微米2，總色散斜率≤0.07ps/nm2-km。
本發明的第二方面是一種波導纖維，它至少具有四個分層。與纖芯相鄰的一部分包層包含一種增大折射率的摻雜劑。Δ、半徑和分布曲線形狀經選擇提供了表3所列的波導纖維性能。
附圖概述圖1是Δ％對半徑的曲線圖，示出了依照本發明的折射率分布曲線，以及Δi和ri的定義。
圖2是一曲線圖，示出了折射率分布曲線的另一實施例。
本發明的詳細描述這裡描述的發明是一族單模光纖，它們由一族折射率分布的參數限定。這些折射率分布曲線至少包括四個纖芯分層和一個包層，其中一個分層具有負的相對摺射率百分數-Δi％，而包層最好至少在其與纖芯區相鄰的部分內包含一種增大折射率的摻雜劑。
根據圖1所示的Δ％和半徑，描述新穎波導的折射率分布曲線。因此，在圖1中，用標號2、4、6、8、10和12表示相對摺射率的值，它們分別是纖芯中中心分層、第一環形分層、第二環形分層、第三環形分層和第n環形分層的相對摺射率的值。相對摺射率14是與纖芯最外分層相鄰的包層部分的相對摺射率，包層部分包含一種增大折射率的摻雜劑。圖中用標號16、18、20和22表示各半徑ri,i=1,2,3,…,n。半徑16是從波導纖維中心線量到中心分層與第一環形分層的交點。半徑18是從中心線量到相對摺射率為零的點，即第二環形分層分布曲線與x軸的交點。
虛線24、26、28和30是各分層折射率分布曲線的其它形狀。這些虛線所代表的是能夠提供表3中所述預選波導性能預選的該族分布曲線中的其它分布。可以將這些替代分布看作是基本分布曲線的微擾，這些微擾不足以改變運載光在波導纖維中的能量分布。
圖2所示的新穎分布曲線的實施例可用來計算表1和表2所描述的折射率分布曲線的幾何形狀。具有表1或表2所示分布曲線的波導纖維可以具有表3所示的相應性能要求。圖2所示的關於r1、r2、r3和r4的定義嚴格遵照上述「定義」部分所給出的定義。在圖2中，分別用標號32、34、36、38和40表示相對摺射率百分數Δ1、Δ2、Δ3、Δ4和Δ5。應該理解，此分布曲線的微小變化將不會改變波導性能。例如，在不影響計算獲得的波導性能的情況下，分層32、36或40的水平分布曲線可以略微凹入或凸出，或者相對摺射率有較小的下降或上升。
但是，比較兩個表可以看出，半徑例如半徑r1的下限，在亞微米量級上的變化，可以明顯影響總色散斜率。分布曲線某些變量的其它微小變化會影響波導性能。
表1
在表1中，折射率分布曲線各分層受下述要求的限制，即在中心大約位於1550納米的波長範圍內，總色散斜率小於或等於0.08ps/nm2-km，以及有效面積大於70微米2。有效面積是通過限制總色散斜率和1555納米處的總色散值而設置的，在表1和表2的實施例中，總色散值小於大約-3ps/nm-km。
表2
如表2所示，為了將總色散斜率的值改善到小於或等0.07ps/nm2-km，以及將有效面積的值改善到大於或等於80微米2，比較表列值可以看出，纖芯半徑r4以及包層的相對摺射率可以保持不變，而分布曲線中其餘變量的變化增大。在實現目標Aeff和總色散斜率時，Δ2％、Δ3％和r1的值看起來比其餘變量更重要。但是，諸變量相互作用，提供了能夠滿足表3所示所有波導性能要求的分布曲線。在每一情況下都必須考慮整個的分布幾何。
表3
例如，按下述要求設置表1中Δ1、Δ2和Δ3的下限，所述要求是總色散在大約1555納米的工作窗口內較-3ps/nm-km負得少些。改變一個變量或變量組，直到模型推算出有一個性能參數不符合規範，由此尋找分布曲線族包絡線的邊緣。
儘管這裡揭示和描述了本發明的特定實施例，但本發明僅由後附的權利要求限定。
權利要求
1．一種單模光纖，其特徵在於，包括纖芯區，它被一包層包裹，並與所述包層接觸，所述纖芯區至少包括中心分層以及第一、第二和第三環形分層，每個分層都有折射率分布曲線、相對摺射率百分數Δi％和相關半徑ri，其中相對摺射率百分數的參考折射率是二氧化矽的折射率，所述至少中心分層以及第一、第二和第三分層中至少有一個分層具有負的相對摺射率，並且至少有一部分與最外環形纖芯分層相鄰的包層具有正的相對摺射率。
2．如權利要求1所述的單模光纖，其特徵在於，具有負的相對摺射率百分數-Δ1％的分層是中心分層。
3．如權利要求2所述的單模光纖，其特徵在於，纖芯具有四個纖芯分層，從中心分層的數字1開始對各分層連續編號，各分層相對摺射率的數值滿足以下關係式Δ2％＞Δ4％＞Δ3％＞Δ1％。
4．如權利要求2所述的單模光纖，其特徵在於，第一和第三環形分層的折射率分布曲線選自由以下曲線組成的組α分布曲線、階躍型折射率分布曲線、帶圓角的階躍型折射率分布曲線以及梯形分布曲線。
5．如權利要求4所述的單模光纖，其特徵在於，第二環形區是階躍型折射率分布曲線。
6．如權利要求5所述的單模光纖，其特徵在於，包裹並接觸第三環形區的包層部分的折射率分布曲線是階躍型折射率分布曲線。
7．如權利要求1所述的單模光纖，其特徵在於，纖芯具有四個分層，從中心分層的數字1開始對各分層連續編號，各分層的相對摺射率分別為，Δ1％在大約-0.32至-0.24的範圍內，Δ2％在大約1.24至1.39的範圍內，Δ3％在大約-0.02至0.03的範圍內，而Δ4％在大約0.40至0.52的範圍內，各分層半徑分別為r1在大約1.69微米至1.82微米的範圍內，r2在大約3.72微米至3.87微米的範圍內，r3在大約8.32微米至8.63微米的範圍內，而r4在大約9.3微米至9.65微米的範圍內。
8．如權利要求1-7中任何一項所述的單模光纖，其特徵在於，包層部分的相對摺射率Δ5％在大約0.09至0.11的範圍內。
9．如權利要求8所述的單模光纖，其特徵在於，纖芯和包層的折射率以及纖芯半徑經選擇，提供了一種波導纖維，其有效面積大於或等於70微米2，其色散斜率小於或等於0.08ps/nm2-km。
10．如權利要求1所述的單模光纖，其特徵在於，纖芯和包層的折射率以及纖芯半徑經選擇，提供了一種波導纖維，其有效面積大於或等於70微米2，其色散斜率小於或等於0.08ps/nm2-km。
11．一種單模光纖，其特徵在於，包括纖芯區，它被一包層包裹，並與所述包層接觸，所述纖芯區包括中心分層以及第一、第二和第三環形分層，每個分層都有折射率分布曲線、相對摺射率百分數Δi％和相關半徑r1，其中相對摺射率百分數的參考折射率是二氧化矽的折射率，i是大於或等於1的整數，並且與最外纖芯分層相鄰的包層部分具有包含一種增大折射率的摻雜劑，其中每個分層的折射率分布曲線Δ％和半徑r經選擇，提供了一種波導，它的-有效面積大於或等於70微米2；-總色散斜率小於或等0.08ps/nm2-km；-在1550納米處的衰減小於或等於0.25dB/km；-在光纜中測得的截止波長小於1500納米；-在1560納米處的色散大約為-2ps/nm-km；以及-繞20毫米直徑心軸一周的宏彎曲損耗小於或等於10dB/m。
12．如權利要求11所述的單模光纖，其特徵在於，纖芯具有四個纖芯分層，從中心分層的數字1開始對各分層連續編號，各分層相對摺射率的數值滿足以下關係式Δ2％＞Δ4％＞Δ3％＞Δ1％。
13．如權利要求12所述的單模光纖，其特徵在於，纖芯具有四個分層，從中心分層的數字1開始對各分層連續編號，各分層的相對摺射率分別為，Δ1％在大約-0.32至-0.24的範圍內，Δ2％在大約1.24至1.39的範圍內，Δ3％在大約-0.02至0.03的範圍內，而Δ4％在大約0.40至0.52的範圍內，各分層析半徑分別為r1在大約1.69微米至1.82微米的範圍內，r2在大約3.72微米至3.87微米的範圍內，r3在大約8.32微米至8.63微米的範圍內，而r4在大約9.3微米至9.65微米的範圍內。
14．如權利要求11所述的單模光纖，其特徵在於，纖芯具有四個分層，從中心分層的數字1開始對各分層連續編號，各分層的相對摺射率分別為，Δ1％在大約-0.32至-0.24的範圍內，Δ2％在大約1.24至1.39的範圍內，Δ3％在大約-0.02至0.03的範圍內，而Δ4％在大約0.40至0.52的範圍內，各分層析半徑分別為r1在大約1.69微米至1.82微米的範圍內，r2在大約3.72微米至3.87微米的範圍內，r3在大約8.32微米至8.63微米的範圍內，而r4在大約9.3微米至9.65微米的範圍內。
全文摘要
一種單模光纖,其折射率分布曲線至少包括四個分層(16,18,20,22),波導性能適用於海底或其它長距離的通信系統。新穎折射率分布曲線的特徵是有一纖芯分層,其相對摺射率是負的,其中參考折射率為二氧化矽的折射率。本發明的另一特徵是包層至少在其與最外纖芯分層相鄰的部分內包含一種增大折射率的摻雜劑。
文檔編號G02B6/02GK1309780SQ9980864
公開日2001年8月22日 申請日期1999年6月21日 優先權日1998年7月14日
發明者M·B·卡安, P·W·楚, J·M·格羅秋辛斯基, 李明軍 申請人:康寧股份有限公司