一種高色散係數的色散補償光纖的製作方法

2023-04-26 10:42:26

專利名稱：一種高色散係數的色散補償光纖的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在C波段(1525nm 1565nm波段)光通信窗口具有高的負色散和負色 散斜率的色散補償單模光纖，該光纖BJ用於非零色散位移單模光纖(G.655, ITU-T標準)的 色散和色散斜率補償，並具有較低的衰減和PMD值。
背景技術：
隨著G.655光纖的DWDM系統的普遍採用並且向著高速率、長距離、無中繼和密集通道 的方向發展，光纖的色散補償也越來越重要。目前最多使用的是運用色散補償光纖對通信鏈 路進行光纖的色散補償，DWDM系統要求用特定長度的專門用於色散補償的光纖插入光纖鏈 路，同時補償鏈路光纖的色散和色散斜率。
色散補償光纖的波導結構決定了光纖的色散特性。在要求同時補償鏈路光纖的色散和色 散斜率時，光纖的衰減，彎曲損耗，非線性等特性也應綜合考慮。這樣，光纖的波導結構設 計更加複雜並且丄藝難度也更大。色散補償光纖的波導結構特點是芯層的各個分層折射率變 化複雜，芯層直徑的控制非常嚴格。
由於G655光纖具有較大的RDS值，為實現對色散和色散斜率同時補償，其色散補償光 纖必須與G.655光纖的相對色散斜率RDS值相匹配。在1550nm波段，目前商用單模光纖及 其色散補償光纖具有如下色散特性非色散位移單模光纖(G.652C/D, ITU-T標準)的色散 係數大約是17ps/nm-km，色散斜率大約為0.058 ps/nm2-km，所以其要求的色散補償光纖的 RDS大約為0.0034nm—、在非零色散位移單模光纖中，比較典型的一個是TRUEWAVE光纖， 它的色散約為4.2ps/nm-km，色散斜率約為0.042 0.076ps/nm2-km，所以其要求的色散補償 光纖的RDS大約為O.OlOnm"到0.018 nm—1;另一個是LAPOSH光纖(見中國專利1487318A), 它的色散約為4.2ps/nm-km，色散斜率為0.076 0.084ps/nm2-km，所以其要求的色散補償光 纖的RDS大約為0.018nm—1到0.020nm—1。所以對於LAPOSH光纖，為了對其進行充分補償，
4必須具有足夠大的RDS值。
在已公開的專利文獻中，已存在一些色散補償光纖的示例。例如美國專利US5， 838， 867 中公開的一個色散補償光纖的發明，在1550nm波段，其光纖具有Ops/nm-km到-40ps/nm-km 的色散係數，RDS在0.010nm"到0.013 nm"範圍內。美國專利US6， 937， 805 B2公開了一 個色散補償光纖的發明，在1550nm波段，其光纖具有-50ps/nm-km至ij-150ps/nm-km的色散系 數，RDS在0.005nm—'到0.020 nm"範圍內。美國專利US6， 711， 332公開了一個色散補償 光纖的發明，在1549nm波段，其光纖具有-100ps/nm-km到-300 ps/nm-km的色散係數，RDS 在0.0133nm-'到0.0286nm—1範圍內，並且用該光纖補償LAPOSH光纖(100km)後在C波段 的殘餘色散最小可達+/-3^3/11111-1血。通過歸一化分析後，用該光纖補償LAPOSH光纖後在C 波段的鏈路殘餘色散絕對值最小可達0.31ps/nm-km。
儘管上述這些專利文獻已經涉及很大需要補償的單模光纖的RDS範圍，但它們中間沒有 一個公開這樣一種色散補償光纖，即該光纖在1550nm波段的RDS被設定為0.018nm—1到 0.023nm1範圍，而色散範圍為-200ps/nm-km到-460ps/nm-km，遠大於一般色散補償光纖從 Ops/nm-km至lj-300ps/nm-km的色散係數範圍，而這樣的色散補償光纖將可以用更少的光纖對 同樣長度的LAPOSH光纖進行補償，非常有利於減小色散補償模塊的尺寸。而且，不與任何 光纖進行組合，在只使用該發明的單一光纖的情況下，使得補償LAPOSH光纖後在C波段的 鏈路殘餘色散絕對值低至0.15ps/nm-km。這樣在減小鏈路殘餘色散的同時，大大降低了模塊 製作的難度。 本發明一些術語的定義
本發明中的每個分層用相對摺射率差Ai^分布、半徑ri來表徵(i=l， 2， 3， 4)。其中Ai %為纖芯各分層相對摺射率差，A5X為包層相對摺射率差。除非另做說明，這裡Ai^均為所 述各纖芯分層中的最大相對摺射率差，各分層的折射率分布為該分層在各徑向點處的折射率 值。各分層的半徑ri為從光纖的中心線到該分層離中心線最遠的點的距離。
光纖在某一特徵波長的相對色散斜率(RDS值)定義為該波長上的色散斜率(DS)和色散(D)的比值RDS=DS/D，在C波段通信窗口， 一般取1550nm波長為中心波長， RDS155Q=DS155。/ D155。為了使光纖鏈路各波段的殘餘色散儘可能低，必須對通信光纖的色散 和色散斜率同時補償。這樣，色散補償光纖必須有和被補償的傳輸光纖相匹配的相對色散斜 率(RDS)。本發明中的色散補償光纖在1550nm波長處有不低於0.0180nn^的相對色散斜率 (RDS)，最高可達0.0230nm—、可以滿足對LAPOSH光纖進行色散和色散斜率同時補償的 要求。
理論上，經過色散補償光纖補償後的鏈路殘餘色散值應為零，但是在實際的光纖補償過 程中的整個被補償波段鏈路殘餘色散值並不全為零。那麼，鏈路殘餘色散是衡量色散補償光 纖質量的一個重要參數。其計算公式為
鏈路殘餘色散=^"鮮"舒
丄7" + ^DC,
這裡DT為傳輸光纖的色散係數，LT為傳輸光纖的長度，這裡DDCF為色散補償光纖的 色散係數，LDCF為色散補償光纖的長度。為了保證在典型波段(如C波段)對各個波長盡可
能100%補償，需要對各波段的殘餘色散進行匹配。本發明中列出的鏈路殘餘色散為歸一化
的色散係數值。本發明中列出的被本發明色散補償光纖補償後光纖鏈路各波段的殘餘色散絕
對值不大T 0.2ps/nm-km，可以滿足對LAPOSH光纖進行色散和色散斜率同時補償的要求。
色散補償光纖的品質因素可以用FOM表徵FOM= I D155Q/Attemation155 | ，這裡D1550 為色散補償光纖在1550nm波長處的色散係數，Attenuation155為色散補償光纖在1550nm波 長處的衰減係數。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術存在的不足而提供一種在C波段光通 信窗口具有高的負色散和負色散斜率的色散補償光纖，該光纖特別適於對基於G.655光纖的 高速DWDM系統進行有效補償。
本發明為解決上述提出的問題所採用的技術方案為包括有纖芯和包層，纖芯至少包括 四個纖芯分層，其中第一纖芯分層的相對摺射率差A1W為正值，存在有相對摺射率差為負值的中間纖芯分層，在纖芯外至少有一個包層分層，包層分層為純二氧化矽(Si02)層，其不 同之處在於從第一纖芯分層起外推，各纖芯分層的相對摺射率差依次為Al%， A2%， A3 %， A4%，各纖芯分層半徑依次為rl， r2， r3， r4;其中Al %>A3 %>A4%>A2% ， A2% 等於或小於-0.95%，並同時滿足半徑比值r2/rl等於或大於3.15，四個纖芯分層的相對摺射率 差範圍，從Al。/o至A4X依次為1.8%到2.2%,-1.20%到-0.95%，0.4%至廿0.7%，-0.01%到-0.15%; 半徑範闈，從rl到r4依次為1.300/mi到1.520/xm， 4.500/xm到5.200/xm， 6pm到7.500jum， IO扁拜到62.500拜。
按上述方案，所述的色散補償光纖在1550nm波長的相對色散斜率(RDS)等於或大於 0.0180nm—'，並可達0.023011m-1或更高；在1550nm波長處負色散係數可達到-200ps/nm-km的 或更低；品質因素(FOM)可以達到400ps/nm-dB或更高。
本發明光纖以純SK)2玻璃為基礎，纖芯各分層使用摻雜劑改變折射率，第一分層摻Ge 形成正的折射率分布，第二分層摻F形成負的折射率分布，第三分層摻Ge或F/Ge共摻形成 正的折射率分布，第四分層摻F或F/Ge共摻，纖芯以外的包層分層為純&02玻璃包層。
本發明的有益效果在於
本發明波導結構可以達到很高的折射率下陷芯層和芯層半徑比值，並可同時獲得高的負 色散和負色散斜率，從而可獲得較大的相對色散斜率。對於LAPOSH光纖，圖2是它在C波 段上的色散曲線，從圖2中可以知道，LAPOSH光纖的在1550nm波段的色散係數為 4.17ps/rnn-km，而且LAPOSH光纖C波段上的色散分布基本趨於同一直線上。這樣，為了在 C波段內對LAPOSH光纖進行補償後殘餘色散儘可能的低，必須要求色散補償光纖的RDS 與LAPOSH光纖的RDS匹配。以本發明中的光纖補償LAPOSH光纖為例，圖4是各種不同 的色散補償光纖在補償LAPOSH光纖後鏈路的殘餘色散。從圖4中可以看到，在只使用本發 明一種光纖來對LAPOSH光纖進行補償，在整個C波段的鏈路殘餘色散的絕對值最大值不大 於0.2ps/nm-km。
由於本發明中的光纖的色散係數在—200ps/nm-km到-460ps/nm-km的範圍(典型值為
7-350ps/nm-km左右)，所以可以在C波段對被補償光纖提供很大的補償效率。對於補償相同 長度的LAPOSH光纖，如果單獨使用普通的色散補償光纖(色散係數一般大於-200ps/nm-km)， 該發明中的光纖的補償效率將是普通色散補償光纖的1.75倍以上。而且該光纖具有很大的 FOM值400ps/nm-dB甚至更高。
對基於G.655光纖的高速DWDM系統，只需要使用較少長度的該光纖就可以對特定長度 的通信鏈路進行有效補償。本發明使設計在C波段窗口工作的光通信系統升級，光纖容易插 入通信鏈路以滿足高速率、大容量系統傳輸的要求並且容易實現色散補償模塊的小型化。


圖1為本發明實施例的典型相對摺射率差分布曲線。 圖2為現有普通LAPOSH光纖在C波段的色散曲線。 圖3為本發明實施例的典型色散曲線。
圖4為本發明的實施例在補償LAPOSH光纖後的鏈路殘餘色散曲線。
具體實施例方式
對於本發明中的光纖均具有與圖l相似的折射率剖面結構，通過改變折射率剖面的參數 得到具有不同性能參數的光纖。下面結合附圖進一步說明本發明的實施例。
在第一個實施例中，纖芯區四個分層為摻雜區，各纖芯分層的半徑從rl到r4依次為 1.455;imi， 4.850/mi， 7.320/rni， 10.955/mi。其中r2/rl值為3.33。包層分層r5半徑為53.900pim。 各纖芯分層的相對摺射率差從A1X至A4M依次為1.84%, -1.01%, 0.51%， -0.09%。包層 分層A5W為純Si02玻璃折射率。各分層間尤其是第一和第二分層間，設置了折射率分布梯 度以平緩過渡。該光纖在1525nm處的色散係數為-255.124ps/nm-km， 1550nm處的色散係數 為-439.63lps/nm-km， 1565nm處的色散係數為-585.766ps/nm-km，典型色散曲線見圖3。 RDS，值為0.01Slnm人用該光纖補償LAPOSH光纖後在C波段的鏈路殘餘色散絕對值最大 為0.155ps/nm-km， 1550mri的衰減為0.890dB/km， 1550nrn的FOM值為493ps/nm-dB， PMD 值為0.30ps/km1/2。在第二個實施例中，纖芯區四個分層為摻雜區，各纖芯分層的半徑從rl到r4依次為 1.455/xm， 4.845;xm， 6.060pirn, 11.925/rai。其中r2/rl值為3.33。包層分層r5半徑為58.000/rni。 各纖芯分層的相對摺射率差從A1X至A4X依次為1.87%， -1.05%， 0.60%， -0.08%。包層 分層A5X為純Si02玻璃折射率。各分層間尤其是第一和第二分層間，設置了折射率分布梯 度以平緩過渡。該光纖在1525nm處的色散係數為-270.881ps/nm-km， 1550nm處的色散係數 為-458.332ps/nm-km， 1565mn處的色散係數為-606.553ps/nm-km，典型色散曲線見圖3。 RDS155 值為0.0185nm",用該光纖補償LAPOSH光纖後在C波段的鏈路殘餘色散絕對值最大 為0.151ps/nm-km， 1550nm的衰減為0.876dB/km,1550nm的FOM值為523ps/nm-dB， PMD 值為0.20ps/km1/2。
在第三個實施例中，纖芯區四個分層為摻雜區，各纖芯分層的半徑從rl到r4依次為 1.355/xm， 4.705/xm， 7.175/zm， 11.050;Um。其中r2/rl值為3.47。包層分層r5半徑為54.970//m。 各纖芯分層的相對摺射率差從A1W至A4X依次為1.88%， -1.04%, 0.55%， -0.10%。包層 分層A5X為純Si02玻璃折射率。各分層間尤其是第一和第二分層間，設置了折射率分布梯 度以平緩過渡。該光纖在1525nm處的色散係數為-239.289ps/nm-km， 1550nm處的色散係數 為-408.134ps/nm-km， 1565nm處的色散係數為-541.550ps/nm-km，典型色散曲線見圖3。 RDSwo值為0.0192rnn-1,用該光纖補償LAPOSH光纖後在C波段的鏈路殘餘色散絕對值最大 為0.151ps/nm-km， 1550nm的衰減為0.S85dB/km,1550nm的FOM值為480ps/nm-dB， PMD 值為0.36ps/km1/2。
在第四個實施例中，纖芯區四個分層為摻雜區，各纖芯分層的半徑從rl到r4依次為 1.310/xm， 4.605/xm， 7.080/im， 10.855/im。其中r2/rl值為3.52。包層分層r5半徑為54.24/mi。 各纖芯分層的相對摺射率差從厶1%至A4W依次為2.04%， -1.00%， 0.54%， -0.09%。包層 分層A5。/。為純Si02玻璃折射率。各分層間尤其是第一和第二分層間，設置了折射率分布梯 度以平緩過渡。該光纖在1525nm處的色散係數為-217.698ps/rnn-km， 1550nm處的色散係數 為-357.254ps/nm-km， 1565nm處的色散係數為-478.152ps/nm-km,典型色散曲線見圖3。
9RDS,柳值為0.0197nm",用該光纖補償LAPOSH光纖後在C波段的鏈路殘餘色散絕對值最大 為0.150ps/nm-km， 1550nm的衰減為0.842dB/km,1550nm的FOM值為424ps/nm-dB， PMD
值為0.33ps/km"2。
在第五個實施例中，纖芯區四個分層為摻雜區，各纖芯分層的半徑從rl到r4依次為 1.505,， 4細,，7.220,， 10.810/xm。其中r2/rl值為3.19。包層分層r5半徑為55.455拜。 各纖芯分層的相對摺射率差從A1M至A4M依次為1.91%， -1.18%, 0.54%， -0.11%。包層 分層A5W為純SiCh玻璃折射率。各分層間尤其是第一和第二分層間，設置了折射率分布梯 度以平緩過渡。該光纖在1525nm處的色散係數為-132.180ps/nm-km， 1550nm處的色散係數 為-214.113ps/nm-km， 1565nm處的色散係數為-286.570ps/nm-km,典型色散曲線見圖3。 RDS,55Q值為0.0224nm—1,用該光纖補償LAPOSH光纖後在C波段的鏈路殘餘色散絕對值最大 為0.152ps/nm-km， 1550nm的衰減為1.024dB/km,1550nm的FOM值為209ps/nm-dB， PMD 值為0.13ps/km1/2。
表l為各實施例參數的總匯。
表1
實施例12345
△1%1.84%1.87%1.88%2.04%1.91%
rl(um)1.4551.4551.3551.301.505
△2%-1.01%-1.05%-1.04%-1.00%-1.18%
r2(um)4.8504.S454.7054.6054細
△3%0.51%0.60%0.55%0.54%0.54%
r3(um)7.3206細7.1757細7.220
△4%-0.09%-0.08%-O.腦-0.09%-0.11%
r4(um)10.95511.92511.05010.85510.810
r5(um)53.905謹54.9754.2455.455
r2./rl3.333.333.473.523.19
色散@1525nm (ps/ran-km)-255.124-270.S81-239.289-217.698-132.180
色散@1550nm-439.631-458.332-408.134-357.254-214.113(ps/nm-km) 色散@1565nm
(ps/nm-km) RDS155。(鵬-') 鏈路色散補償殘餘色散最 大絕對值(ps/nm-km) 衰減@1550nm (dBZkm) 品質因素@1550nm
(ps/nm-dB) PMD(1525 1565nm) (ps/km1/2)
-585.766 -606.530 -541,550 -478.152 -286.570
0.0181 0.0185 0.0192 0.0187 0.0230
0.155 0.151 0.1510.150 0.152
0.890 0.876 0.885 0.842 1.024
493
523
480
0.30 0.20 0.36
424
0.33
209
0.13
1權利要求
1. 一種高色散係數的色散補償光纖，包括有纖芯和包層，纖芯至少包括四個纖芯分層，其中第一纖芯分層的相對摺射率差Δ1％為正值，存在有相對摺射率差為負值的中間纖芯分層，在纖芯外至少有一個包層分層，包層分層為純二氧化矽(SiO2)層，其特徵在於從第一纖芯分層起外推，各纖芯分層的相對摺射率差依次為Δ1％，Δ2％，Δ3％，Δ4％，各纖芯分層半徑依次為r1，r2，r3，r4；其中Δ1％>Δ3％>Δ4％>Δ2％，Δ2％等於或小於-0.95％，並同時滿足半徑比值r2/r1等於或大於3.15，四個纖芯分層的相對摺射率差範圍，從Δ1％至Δ4％依次為1.80％到2.20％，-1.20％到-0.95％，0.40％到0.70％，-0.01％到-0.15％；半徑範圍，從r1到r4依次為1.300μm到1.520μm，4.500μm到5.200μm，6.000μm到7.500μm，10.000μm到62.500μm。
2. 按權利要求1所述的高色散係數的色散補償光纖，其特徵在於在1550nm 波長處有等於或大於0.018nm—1的相對色散斜率。
3. 按權利要求1或2所述的高色散係數的色散補償光纖，其特徵在於在 1550nm波長處負色散係數達到-200ps/nm-km或更低；品質因素(FOM)達到400 ps/nm-dB或更高。
4. 按權利要求1或2所述的高色散係數的色散補償光纖，其特徵在於在C 波段的鏈路殘餘色散絕對值不大於0.2ps/nm-km 。
5. 按權利要求1或2所述的高色散係數的色散補償光纖，其特徵在於各纖芯 分層的半徑從rl至'J r4依次為1.455pm， 4.850/im， 7.320jtrni， 10.955/im，其中 r2/rl值為3.33,包層分層r5半徑為53.卯0/^m:各纖芯分層的相對摺射率差從Al %至厶4%依次為1.84%, -1.01%， 0.51%,墨0.09%。
6. 按權利要求1或2所述的高色散係數的色散補償光纖，其特徵在於各纖芯 分層的半徑從rl到r4依次為1.455/im， 4.845/im， 6.060;iim， 11.925pm，其中r2/rl 值為3.33，包層分層r5半徑為58.000Mm，各纖芯分層的相對摺射率差從A1 %至 A4X依次為:1.87%， -1.05%, 0.60%, -0.08%。
7. 按權利要求1或2所述的高色散係數的色散補償光纖，其特徵在於各纖芯 分層的半徑從rl至IJ r4依次為1.355/im， 4.705拜，7.175拜，11.050,，其中r2/rl 值為3.47，包層分層r5半徑為54.970/xm，各纖芯分層的相對摺射率差從Al %至 A4M依次為1.88%, -1.04%, 0.55%， -0,10%。
8. 按權利要求1或2所述的高色散係數的色散補償光纖，其特徵在於各纖芯分層的半徑從i-l至i」r4依次為1.310/xm, 4.605jLtm， 7.080Mm， 10.855pm，其中 r2/H值為3.52，包層分層r5半徑為54.240pim,各纖芯分層的相對摺射率差從Al %至厶4%依次為2.04%， -1.00%， 0.54%, -0.09%。
9. 按權利要求1或2所述的高色散係數的色散補償光纖，其特徵在於各纖芯 分層的半徑從rl到r4依次為1.505/xm， 4.800/xm， /rni，.810jwn，其中 r2/rl值為3.19，包層分層r5半徑為55.455/xm，各纖芯分層的相對摺射率差從厶l %至厶4%依次為1.91%， -1.18%， 0.54%， -0.11%。
10. 按權利要求1或2所述的高色散係數的色散補償光纖，其特徵在於以純 Si02玻璃為基礎，纖芯各分層使用摻雜劑改變折射率，第一分層摻Ge形成正的 折射率分布，第二分層摻F形成負的折射率分布，第三分層摻Ge或F/Ge共摻形 成正的折射率分布，第四分層摻F或F/Ge共摻，纖芯以外的包層分層為純Si02 玻璃包層。
全文摘要
本發明涉及一種在C波段進行色散補償的高色散係數色散補償光纖，包括有纖芯和包層，纖芯至少包括四個纖芯分層，四個纖芯分層的相對摺射率差範圍，從Δ1％至Δ4％依次為1.80％到2.20％，-1.20％到-0.95％，0.40％到0.70％，-0.01％到-0.15％；半徑範圍，從r1到r4依次為1.300μm到1.520μm，4.500μm到5.200μm，6.000μm到7.500μm，10.000μm到62.500μm。本發明在C波段光通信窗口具有高的負色散和負色散斜率，該光纖特別適於對基於G.655光纖的高速DWDM系統進行有效補償。使設計在C波段窗口工作的光通信系統升級，光纖容易插入通信鏈路以滿足高速率、大容量系統傳輸的要求並且容易實現色散補償模塊的小型化。
文檔編號H04B10/18GK101498811SQ20081024634
公開日2009年8月5日 申請日期2008年12月30日 優先權日2008年12月30日
發明者曹宇青, 曹蓓蓓, 傑 羅, 魏紅波 申請人:長飛光纖光纜有限公司