一種改進的具有大模場分布的非零色散位移單模光纖的製作方法

2023-06-25 03:55:46 1

專利名稱：一種改進的具有大模場分布的非零色散位移單模光纖的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種為大容量、高速率、長距離傳輸系統而設計的非零色散 位移單模光纖。該光纖具有改進的低非線性效應特性，即大的模場分布(有效面 積)，優化色度色散和較低的色散斜率，同時具有偏振模色散低、低損耗和優異 的抗彎曲性能，與光纖熔接時具有低熔接損耗等優點，適用於大容量、高速率、
長距離的密集波分復用DWDM系統傳輸，大的有效面積有利於減少非線性效應， 低的色散斜率有利於對色散進行全面的管理，滿足C+L與S+C+L波段的長距離的 傳輸。
背景技術：
隨著光纖通信技術的發展，特別是光纖放大器和波分復用技術的成熟應用， 制約光纖通信的己經不再是光纖的損耗，全球信息化的迅猛發展需要大容量、 高速率光纖通信系統，從技術和經濟上考慮，光纖通信技術發展主要有2個方 向， 一為提高波分復用單信道的傳輸速率，二為增加波分復用的信道數量和增 加工作波段，因此大容量、高速率、長距離傳輸系統對光纖的特性和發展提出 新的需求，目前對于波分復用技術而言，制約光纖傳輸容量和距離的主要因素 為非線性效應、色散和光信噪比(光信噪比的英文簡稱為OSNR)。
在DWDM系統中，隨著容量的增加，波長間隔隨之不斷減少，各波長之間的 光非線性效應(包括四波混頻、自相位調製、交叉相位調製等)限制了光傳輸 的容量與距離。系統要求的光信噪比隨著單信道的速率提高而成正比增加，因 此要求更高的信號光功率，這使得光纖非線性效應更趨嚴重。而由于波分復用 信道波段的擴展，色散斜率造成長、短波長邊緣信道的色散積累不平衡，如果 這種色散積累不平衡得不到很好的補償，會顯著縮短系統的再生中繼距離，這 使得色散管理更加複雜，增加了系統色散補償成本。如對於40Gbit/s系統，每 個信道的帶寬達到80GHz近0. 8rnn，色散斜率對每個信道內各頻率分量的影響變得顯著，要求接近100%的色散斜率補償效率，這就要求光纖的相對色散斜率(光 纖的相對色散斜率英文簡稱RDS)儘量小，其最有效的方法是降低色散斜率並適 當增大色度色散。解決這些問題的有效途徑就是不斷創新光纖技術，開發具有 低非線性效應和色散優化的新光纖。
為了抑制DWDM系統中非線性的影響，在傳輸波段需要適當的色散值並降低 光功率密度，人們在色散位移光纖的基礎上開發了非零色散位移光纖以及大有效 面積非零色散位移光纖。目前己經公布了一系列的這類光纖的設計和生產專利 (申請)方案。適用於C+L波段的光纖，如98121639.0號中國實用新型專利申 請(公開號為CN1220402A)公布的一種大有效面積非零色散位移光纖和製造方法， 其典型色散斜率為0. 09ps/ (nm2 km)，有效面積在80咖2以上，1550nm損耗典 型值為0. 205dB/km;如專利號為03125210.9、授權公告號為CN1219227C的中國 實用新型專利公開的一種正非零色散位移光纖，設計8個纖芯分層，1550nm色散 斜率減小到0. 085ps/ (皿2 km)，有效面積調整為70um2以上；如00806764. 3號 中國實用新型專利申請(公開號為CN1348548A)公布的中心凹陷纖芯結構的光纖， 光纖有效面積約70咖2，色散斜率為0.09-0.08ps/ (nm2'km);等等。 US2002/0154876A1號美國專利申請公布的一種拋物線分布纖芯結構光纖，有效面 積大於90 um2，但是1550nm的色散過大，為14-20 ps/(nm 'km);美國US6459839B1 號專利公布的具有梯形和纖芯凹陷的大有效面積光纖，有效面積達100 um2以上， 色散斜率為0.08;美國US6396987B1號專利公布的一種光纖，光纖芯層折射率採 用梯形和中心下陷階躍型的分布，其色散斜率小於0.07ps/ (nm2*km)，但有效 面積達只到60um2;中國00802639. 4號專利申請(公開號為CN1337010A)公布的 一種階躍型折射率分布光纖，色散斜率約0. 09ps/ (nm2 km)， 1550nm的色散在 7 — 15ps/ (nm 'km)，有效面積達到60-150咖2;中國03119080. 4號專利申i青(公 開號為CN1450369A)公布的中芯下陷環形纖芯結構的光纖，光纖有效面積大於 95咖2，色散斜率小於0.065ps/ (nm、km);均可用於S+C+L波段，但是光纖的 熔接附加損耗高。
雖然現在G. . 655光纖種類眾多，但是大多數的大有效面積G. . 655光纖中， 色散斜率還是偏大，或者結構過於複雜，不利於系統色散管理和光纖生產工藝控制。在以前的工藝操作中，用於長距離傳輸系統的大有效面積光纖的色散斜 率大，因此導致DWDM系統性能劣化，中繼距離受限。對於寬工作波長的傳輸系 統，色散斜率偏大的直接危害就是造成長、短波長邊帶波長的色散差異大，傳 輸波長範圍越寬，這種色散差異越大，色散補償難度和成本越大，尤其對於
40Gbit/s這樣要求精確色散管理的高速系統，其影響就成為很大的問題，在實
際應用中需要更複雜的色散管理，增加了系統成本，不符合網絡運營商的利益 選擇。因此，為了充分利用光纖的帶寬資源、增大通信容量，這些應用要求在 保持大有效面積特性的同時，優化色度色散、降低色散斜率、改善工作波段色 散的平坦性。
理想的光纖的色散應當在整個工作波段具有一個恆值，但是折射率隨著波 長變化而變化，色散對波長具有依賴性。在光纖波導結構設計上，有效面積和 色散斜率相互制約，在光纖設計時需要對各種特性平衡給予考慮。
在實際長距離光纖傳輸系統中，通常需要將不同光纖連接形成通信鏈路， 非零色散位移光纖比標準單模光纖折射率分布更複雜，將非零色散位移光纖與 其它不同類型的光纖熔接在一起時，因為彼此的模長直徑和光纖幾何參數等不 匹配，往往導致反射增大，附加損耗增加，鏈路越長接點越多，累積的效應越 大，嚴重的可能造成不可接受的誤碼率。因此在光纖製造中熔接特性是不容忽 視的問題，需要採取措施降低光纖的熔接損耗，限制熔接損耗對傳輸系統的有 害作用。

實用新型內容
本實用新型的目的是提供一種具有低非線性色效應特性，即大有效面積， 優化的色散和較低的色散斜率，從而能有效解決影響高速通信的非線性問題和 偏振模色散問題，減少系統的色散管理成本，並且具有低的熔接損耗的改進的 具有大模場分布的非零色散位移單模光纖，以適用於大容量、高速率、長距離
傳輸系統。為此，本實用新型採用以下技術方案
一種改進的具有大模場分布的非零色散位移單模光纖，其包括光纖芯層和 包圍在光纖芯層上的包層，其特徵在於所述光纖芯層包括具有不同折射率的內 芯層和包圍所述內芯層的外芯層，所述外芯層的折射率為漸變分布，包層包括具有不同折射率的自內向外的內包層、環芯包層和外包層，外包層為純二氧化 矽玻璃層，所述光纖芯層的折射率分布為nl 〉 n2 〉 nc，所述包層折射率分 布為n4 > n3> nc或n4 > nc > n3，其中nl為內芯層的折射率，n2為外 芯層的最大折射率，n3為內包層的折射率，n4為環芯包層的折射率，nc為外包 層的折射率，外芯層的折射率由n2漸變至n3。
作為對上述技術方案的進一步完善和補充，本實用新型還包括以下附加技 術特徵，以便在實施上述技術方案時將這些附加的技術特徵單獨地或者任意結 合起來應用到上述技術方案中
所述的內芯層、外芯層、內包層、環芯包層的波導結構參數為
0. 53%《An1《0. 65%，3. 0um《R1《4. 0跳
0. 15%《A n2《0. 40%,6. 4um《R2《8. 4咖，
-O. 1%《An3《0. 03%, 11. 6um《R3《14. 6um,
0. 15%《An4《0. 25%， 17. 6um《R4《19. 8um，
其中Anl、 An2、 An3、 An4分別為內芯層、外芯層、內包層、環芯包層 以nc作為參考折射率的相對摺射率差，Rl、 R2、 R3、 R4分別為內芯層、外芯層、 內包層、環芯包層的直徑。外包層為純的二氧化矽玻璃層，其折射率為純二氧 化矽玻璃的折射率nc，其相對摺射率差Anc=0。從R1到R2，外芯層的折射率 由An2漸變至An3。
所述的外芯層折射率漸變分布滿足公式
n(r)=nc*[l-2A (r/r2)a]1/2 ，其中rl《r《r2， r為外芯層的半徑變量， rl為內芯層的半徑，r2為外芯層的半徑，a為漸變規律係數。
在所述的外芯層、內包層、環芯包層中分別摻入鍺、氟、磷三種元素的至 少一種。用以調節光纖製件的折射率分布，且使粘度和應力匹配，減少光纖中 殘餘應力，平衡應力分布，穩定光纖偏振模色散性能。
通過對光纖折射率分布的精確調整，尤其外芯層的折射率的漸變係數a ，可 以得到需要的模場分布(有效面積)與色散特性，即色散值、色散斜率，並具有 較低的偏振模色散、損耗、優異的彎曲性能和熔接性能，因此本實用新型的光纖 特別的具有如下特徵1550nm色散斜率《0. 073 ps/ (咖 km);
零色散波長《1500nm;
有效面積為70 75咖2;
1530nm 1565nm範圍內的色散為2. 5 6. 5 ps/ (nm km);
1565nm 1625nm範圍內的色散為6 12 ps/ (nm km);
1550的損耗《0. 22dB/km，在1530nm 1565nm波段的損耗《0. 22dB/km。
按照光纖彎曲性能測量方法，在4^0mm芯軸繞100圈的測試中，彎曲引起 的附加損耗在1550nm和1625rnn處均小於0. 05dB，在》32mm芯軸繞1圈的測試 中，彎曲引起的附加損耗在1550nm和1625mn處均小於0. 5dB。光纖的偏振模色 散值《0. 06ps/V^。
本實用新型的光纖芯層可採用但不限於MCVD、PCVD或OVD等工藝製作而成， 以實現規定的光纖波導結構設計。
本實用新型的有益效果是-
1、 同以往的非零色散位移單模波導結構相比，本實用新型的結構相對簡單， 不但可以容易獲得，並且波導結構在規定的數值區間內具有相應的色散特性， 結合MCVD、 PCVD、 OVD等工藝對摺射率分布的精確控制能力，容易進行生產和 質量控制，可高效率地得到所設計的光纖性能。
2、 本實用新型的光纖具有大模場分布，而且色散斜率較低，光纖的特性足 以滿足抑制非線性效應的要求，降低系統色散管理的成本，適用於C+L波段或 S+C+L波段的DW函傳輸需要。
3、 本實用新型在波導設計的同時，兼顧光纖材料的組成設計，對粘度和應 力進行優化匹配，改善應力分布，對光纖的PMD性能進行改善。在本實用新型 中通過對預製棒包層摻雜成分的適當選取，達到優化內部應力分布，使光纖PMD 性能穩定。
4、 本實用新型的光纖與其它非零色散位移光纖NZ-DSF熔接具有低的熔接 損耗，熔接性能極好。


圖1是本實用新型實施例1中相對摺射率A對直徑的分布曲線示意圖。圖2是本實用新型實施例2中相對摺射率△對直徑的分布曲線示意圖。 圖3是本實用新型實施例3中相對摺射率A對直徑的分布曲線示意圖。 圖4是本實用新型實施例的光纖與現有同類光纖商品的色散曲線示意圖。
具體實施方式
本實用新型改進的具有大模場分布的非零色散位移單模光纖，包括光纖芯 層和包圍在光纖芯層上的包層，光纖芯層包括具有不同折射率的內芯層和包圍 內芯層的外芯層，所述外芯層的折射率為漸變分布，包層包括具有不同折射率 的自內向外的內包層、環芯包層和外包層，外包層為純二氧化矽玻璃層。以下 通過幾個具體實施例對其作詳細說明。
實施例1:
如圖l所示是本實用新型的一種光纖波導折射率分布曲線，下述為一組相對 折射率差分布參數
內芯層Corel的參數為厶nl約為0. 60%， Rl約為3. 6um， 外芯層Core2的參數為An2約為0. 25%， R2約為7. 6um， 內包層Cladl的參數為An3約為0. 02%， R3約為12. 8um， 環芯包層Clad2的參數為An4約為0. 21%， R4約為17. 2um， 外包層(即最外層)Clad3的參數為Anc約為0. 00%, R5為125um， 外包層Clad3為純二氧化矽玻璃層，其折射率為nc ( A nc=0)， 外芯層Core2折射率漸變分布滿足公式n(r)=nC*[l-2 A (r/r2) a]1/2 ，其 中rl《r《r2， r為外芯層的半徑變量，rl為內芯層的半徑，r2為外芯層的半 徑，漸變規律係數a取1;外芯層Core2的折射率從Rl到R2由A n2漸變到A n3。 所得光纖的特性如下 1550nm有效面積74um2， 零色散波長1487nm， 在1550歷色散4. 45 ps/ (僱 km)， 在1550nm色散斜率0.0714 ps/ (咖2 km)， 在1530nm色散3.03 ps/ (nm km)， 在1625nm色散9.866 ps/ (nm km)，光纜截止波長1330nm， 在1550損耗0. 20dB/km，
宏彎巾60mm繞100圈，在1550nm和1625nm的附加損耗的最大值0. 04dB。 宏彎4>32mm繞1圈，在1550nm和1625nm的附加損耗的最大值0. 05dB。 該實施例所述光纖特性在1550nm的色散斜率小於0. 073 ps/ (nm2 km)，有 效面積為74咖2，而衰減和彎曲性能優異，不同批次光纖自身的熔接損耗小於 0.03dB，與其它NZ-DSF光纖的熔接損耗小於0. 06dB。光纖特性能適用於C+L波 段的DTOM系統傳輸需要。
實施例2:
按照圖2所示的光纖波導折射率分布曲線，下述為一組相對摺射率差分布參
數
內芯層Corel的參數為Anl約為O. 58%, Rl約為3. 8um， 外芯層Core2的參數為An2約為0. 24%， R2約為7. 8um， 內包層Cladl的參數為An3約為-0.05。/Q， R3約為13.0ura， 環芯包層Clad2的參數為△ n4約為0. 23%， R4約為18. 2咖， 外包層Clad3的參數為Anc約為0. 00%， R5約為125um， 外包層Clad3為純二氧化矽玻璃層，其折射率為nc，
外芯層Core2折射率漸變分布滿足公式n (r) =nc*[l-2 △ (r/r2) a ]1/2 ，其 中rl《r《r2， r為外芯層的半徑變量，rl為內芯層的半徑，r2為外芯層的半 徑，漸變規律係數a取l;外芯層Core2的折射率從Rl到R2由An2漸變到An3。
所得光纖的特性如下
1550nm有效面積72um2，
零色散波長1470nm，
在1550nm色散5.29 ps/ (咖 km)，
在1550nm色散斜率:0. 068 ps/ (咖2 km)，
在1530nm色散3. 94 ps/ (nm km)，
在1565nm色散6. 29 ps/ (nm km)，
在1625nm色散10. 48 ps/ (nm km)，光纜截止波長1330nm， 在1550損耗0. 20dB/km，
宏彎4)60mm繞100圈，在1550nm和1625nm的附加損耗的最大值0. 035dB。 宏彎(j)32mm繞1圈，在1550nm和1625nm的附加損耗的最大值0. 045dB。 該實施例所述光纖特性在1550nm的色散斜率小於0. 07 ps/ (nm2 km)，有效 面積72咖2,而衰減和彎曲性能優異，不同批次光纖自身的熔接損耗小於O. 03dB， 與其它NZ-DSF光纖的熔接損耗小於0. 06dB。光纖特性能適用於C+L波段的DWDM 系統傳輸需要。
實施例3:
按照圖3所示的光纖波導折射率分布曲線，下述為一組相對摺射率差分布參
數
內芯層Corel的參數為Anl約為0. 56%, Rl約為4. Oum， 外芯層Core2的參數為An2約為0. 22%, R2約為8. Oum， 內包層Cladl的參數為An3約為-0.07%， R3約為13. 6um， 第一環芯包層'Clad2的參數為An4約為0. 22%， R4約為19. 2um， 第二環芯包層Clad3的參數為An5約為0.-08%， R5約為20. 8um， 最外層即外包層Clad4的參數為Anc約為0. 00%， R6為125um， 包層分層Clad4為純二氧化矽玻璃層，其折射率為nc (Anc=0)， 所述的外芯層折射率漸變分布滿足公式n(r)=nC*[l-2A (r/r2)a]1/2 ，其 中rl《r《r2， r為外芯層的半徑變量，rl為內芯層的半徑，r2為外芯層的半 徑，漸變規律係數a取1;外芯層Core2的折射率從Rl到R2由A n2漸變到△ n3。 所得光纖的特性如下 1550nm有效面積73um2， 零色散波長1450nm， 在1550nm色散6.6 ps/ (nm km)， 在1550nm色散斜率:0. 068 ps/ (咖2 km)， 在1530nm色散5.3 ps/ (nm km)， 在1625nm色散11. 5 ps/ (nm km)，光纜截止波長1320nm， 在1550損耗0. 20dB/km，
宏彎小60mm繞100圈，在1550nm和1625nm的附加損耗的最大值0. 04dB。 宏彎cj) 32隱繞1圈，在1550nra和1625mn的附加損耗的最大值0. 045dB。 該實施例3所述光纖特性在1550nm的色散斜率小於0. 07 ps/ (nm2 km)，有 效面積73um2，而衰減和彎曲性能優異，不同批次光纖自身的熔接損耗小於 0. 03dB，與其它NZ-DSF光纖的熔接損耗小於0. 06dB。光纖特性能適用於S+C+L 波段的DWDM系統傳輸需要。
本實用新型中一些術語的定義 折射率差A由以下方程式定義
相對摺射率差A ni % 二 [ (ni2 —nc2) /2ni2] (1)
其中ni為第i層的光纖折射率，nc為外包層純二氧化矽玻璃部分的折射率，
在本申請中它作為參考折射率。
折射率分布的定義是指在光纖的選定部分上折射率ni或Ani與其相對光纖
中心位置ri(半徑)的關係。
折射率漸變分布，滿足公式n(r)=nC*[l-2A (r/a)a]1/2 ， 0《r《a
其中r為半徑變量；ci為漸變規律係數，它決定變化曲線的形狀，可以 取值(0， a為一個常量，在設計各種折射率時可以確定為不同的常數。
總色散定義為光纖材料色散和波導色散的代數和，在光纖通信技術領域，光 纖的色散就是指總色散，其單位為ps/ (mn'km)。
色散斜率表示色散對波長的相關性，由於折射率隨著波長變化而發生變化， 光纖色散數值也隨著波長變化而變化，色散斜率表示這種變化性，它是以波長為 橫座標，色散值為縱座標所描繪曲線的斜率，其單位為ps/ (nm2，km)。 Ds = dD/d入
在波分復用系統中，如果傳輸鏈路的色散斜率大，則各波長之間的色散值的 差值變大，將降低系統的傳輸特性或增加色散補償的成本。 有效面積Aeff = 2:r ( i"EVdr) V(jEVdr) (2) 式中積分限為O到w， E為與傳播有關的電場。DTOM是密集波分復用系統的縮寫。
PMD是光纖偏振模色散的縮寫。
光纖的抗彎曲性能是指在規定測試條件下的附加損耗。測試過程是，在正常 條件下測試光纖的損耗，再按照標準要求將光纖繞在芯軸上，測量損耗值，兩種 測量的差值即為彎曲導致的附加彎曲損耗。其規定的標準測試條件包括在直徑
75mm的芯軸上繞100圈和在32mm的芯軸上繞1圈等。通常，彎曲導致的最大許 可損耗以1310mn和1550nm的附件彎曲損耗為準，單位為dB。本申請中採用芯軸 60mm和32翻各繞100圈和1圈的條件測量1550nm和1625nm波長的附加損耗， 且取最大值作為測量結果。
熔接損耗是用OTDR在1550nm處雙向測量取平均值。
權利要求1、一種改進的具有大模場分布的非零色散位移單模光纖，其包括光纖芯層和包圍在光纖芯層上的包層，其特徵在於所述光纖芯層包括具有不同折射率的內芯層和包圍所述內芯層的外芯層，所述外芯層的折射率為漸變分布，包層包括具有不同折射率的自內向外的內包層、環芯包層和外包層，外包層為純二氧化矽玻璃層，所述光纖芯層的折射率分布為n1>n2>nc，所述包層折射率分布為n4>n3>nc或n4>nc>n3，其中n1為內芯層的折射率，n2為外芯層的最大折射率，n3為內包層的折射率，n4為環芯包層的折射率，nc為外包層的折射率。
2、 根據權利要求1所述的一種改進的具有大模場分布的非零色散位移單模 光纖，其特徵是所述的內芯層、外芯層、內包層、環芯包層的波導結構參數為0. 53%《An1《0. 65%，3. 0ura《R1《4. 0咖， 0. 15%《△ n2《0. 40%，6. 4ura《R2《8. 4ura， -0. 1%《An3《0. 03%， 11. 6um《R3《14. 6um， 0. 15%《A n4《0. 25%， 17. 6um《R4《19. 8um，其中Anl、 An2、 An3、 An4分別為內芯層、外芯層、內包層、環芯包層 以nc作為參考折射率的相對摺射率差，Rl、 R2、 R3、 R4分別為內芯層、外芯層、 內包層、環芯包層的直徑，從R1到R2，外芯層的折射率由An2漸變至An3。
3、 根據權利要求1所述的一種改進的具有大構場分布的非零色散位移單模 光纖，其特徵是所述的外芯層折射率漸變分布滿足公式-n(r)=nc*[l-2A (r/r2)a]1/2 ，其中rl《r《r2， r為外芯層的半徑變量， rl為內芯層的半徑，r2為外芯層的半徑，a為漸變規律係數。
4、 根據權利要求1所述的一種改進的具有大模場分布的非零色散位移單模 光纖，其特徵是1550nm色散斜率《0. 073 ps/ (nm2 km); 零色散波長《1500nm;有效面積為70 75um、1530nm 1565nm範圍內的色散為2. 5 6. 5 ps/ (nm km);1565nm 1625nm範圍內的色散為6 12 ps/ (nm km);1550的損耗《0. 22dB/km，在1530nm 1565nm波段的損耗《0. 22dB/km。
專利摘要本實用新型是一種改進的具有大模場分布的非零色散位移單模光纖，其包括光纖芯層和包圍在光纖芯層上的包層，光纖芯層包括具有不同折射率的內芯層和包圍內芯層的外芯層，外芯層的折射率為漸變分布，包層包括具有不同折射率的自內向外的內包層、環芯包層和外包層，外包層為純二氧化矽玻璃層，光纖芯層的折射率分布為n1＞n2＞nc，包層折射率分布為n4＞n3＞nc或n4＞nc＞n3。其具有低非線性色效應特性，即大有效面積，優化的色散和較低的色散斜率，能有效解決影響高速通信的非線性問題和偏振模色散問題，減少系統的色散管理成本，具有低的熔接損耗，以適用於大容量、高速率、長距離傳輸系統。
文檔編號G02B6/02GK201314957SQ20082016646
公開日2009年9月23日 申請日期2008年11月13日 優先權日2008年11月13日
發明者盧衛民, 吳海港, 吳金東, 張立永 申請人:富通集團有限公司