一種優化色散特性的單模光纖的製作方法

2023-06-10 13:43:21

專利名稱：一種優化色散特性的單模光纖的製作方法
技術領域：
本發明屬於光通信技術，具體涉及一種為大容量、高速率、長距離傳輸系 統而設計的非零色散位移單模光纖。該單模光纖具有優化的色散特性，即適當 的色散和較低的色散斜率，有效面積適中，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DW面系統傳輸，其低的色散斜率有利於對色散進行全面的精確 管理，適中的有效面有利於得到高的拉曼放大效率，滿足C、 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分為2個 方向，即提高波分復用單信道的傳輸速率，增加波分復用的信道數量與增加傳 輸波段。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 要求。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OSNR。
在波分復用系統中，隨著容量增加，波長間隔不斷減少，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 道波段擴展，長短波長邊緣信道的色散積累使得色散管理更加複雜，增加了系 統色散補償成本。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 優化色散特性的新光纖。
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(NZ-DSF， G. 655光纖)以及大有效面積非零色散位移光纖。目前已經公布了一系列的這類光 纖的設計和生產專利。如中國ZL98121639.0號發明專利(授權公告號為 CN1068434C)公布了一種較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/ (nm、km)，有效面積在80um2以上，1550nm損耗典型值為 0. 205dB/km。中國ZL03125210. 9號發明專利(授權公告號為CN1219227C)公布 了一種正非零色散位移光纖，設計具有8個纖芯分層，1550nm色散斜率減小到 0.085ps/ (nm、km)，有效面積調整為70um2以上，1530 —1550nm範圍的色散在 2. 0-6. Ops/ (nm km)， 1550nm的損耗小於0. 21dB/km。中國00806764. 3號發 明專利申請(公開號為CN1348548A)公布了一種中下陷的三角型設計光纖，色 散斜率為0.073ps/ (nm、km)。美國專利6396987B1公布了一種光纖，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0.073ps/
(nm、km)，有效面積達到60um2。中國00802639. 4號發明專利申請(公開號為 CN1337010A)公布了一種階躍型折射率分布光纖，色散斜率也小於0.07ps/
(nm2 km)， 1550nm的色散在7 — 15 ps/ (nm km)。
雖然現在G. 655光纖種類眾多，但是大多數的G. 655光纖中，色散斜率 還是偏大，色散特性不均衡，或者波導結構過於複雜，實際不利於生產工藝控 制和得到高的成品率。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且色散較高，因此導致DWDM系統性能劣化。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，這種差值越大，色散補償難度或成本的增加越大， 對於40Gbit/s這樣要求精確色散管理的高速傳輸系統，其影響就成為很大的問 題，在實際應用中依然需要複雜的色散管理，增加了系統成本。隨著拉曼放大 器的應用，非零色散位移光纖的拉曼增益特性也越來越受到重視。光纖的拉曼 增益效率與有效面積近似反比關係，大的有效面積意味著低的拉曼增益效率。 因此，為充分利用光纖的帶寬資源，增大通信容量，並且適應分布式拉曼放大
器傳輸系統的推廣應用，要求光纖具有均衡的色散特性，即要求降低色散斜率， 通過一個適當的最低的色散變化抑制非線性效應，同時保持光纖的有效面積適 中。
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、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。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有技術影響高速通信的非線性問題和 偏振模色散問題，提供一種適用於大容量、高速率、長距離傳輸系統的非零色 散位移單模光纖。賦予該單模光纖優化的色散特性，即較低的色散斜率、適當
的色散值和有效面積，同時具有偏振模色散低、低摜耗和優異的抗彎曲性能與 熔接性能，從而有效減少色散補償成本。為此，本發明採用以下技術方案
一種優化色散特性的單模光纖，其特徵是它包括構成光纖芯層的第一層、 第二層以及構成光纖包層的第三層、第四層、外包層，第一層折射率為階躍分 布(階躍分布在折射率對直徑的分布曲線上表現為臺階狀)，第二層折射率梯度 變化(梯度變化在折射率對直徑的分布曲線上表現為斜線狀)，第三層、第四層 折射率為階躍分布，外包層為純的二氧化矽玻璃包層，所述光纖芯層的折射率
分布為nl>n2>nc，所述光纖包層的折射率分布為n4>nc>n3;其中ni為第i 層的光纖折射率，nc為外包層的折射率。
在構成光纖芯層的第二層直徑和折射率的梯度分布，得到適當的色散和有
效面積。在構成光纖包層的第三層的折射率改變色散斜率。
作為對上述技術方案的進一步完善和補充，本發明還包括以下附加技術特
徵
纖的四個分層的波導結構參數為 0. 34%《Anl《0. 46%, 5. 0um《rl《7. Oum;
0. 25%《A n2《0. 35%， 6. 0um《r2《8. Oum;
-0. 15%《An3《-0. 01%， 10. 5um《r3《14. 5um; 0. 07%《△ n4《0. 12%， 10. 66《r4《18. 66um;
其中Ani為以nc作為參考折射率的第i層的相對摺射率差，ri為第i層 的半徑。
在構成光纖包層的第三層、第四層中慘入鍺、氟、磷，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。同時得到光纖的熔接性能的改善，獲得低的熔接損 耗。
通過對光纖折射率分布的精確調整，可以得到需要的色散特性，即色散值、 色散斜率和適當的有效面積，並具有較低的PMD和低損耗、優異的彎曲性能和 熔接性能。根據上述方案，本發明的單模光纖具有如下特徵
1550nm色散斜率《0. 05 ps/ (nm2 km)，
零色散波長《1460nm，
有效面積55 — 65um2，
1530nm-1565nm範圍內的色散在2.0 —6. 0 ps/ (nm km)之間， 1550的損耗《0.22dB/km。按照光纖彎曲性能測量方法，在小60腿芯軸繞 100圈的測試中，彎曲引起的附加損耗在1550nm和1625nm處均小於0. 05dB，在 4)32mm芯軸繞1圈的測試中，彎曲引起的附加損耗在1550nm和1625nm處均小 於0. 5dB。光纖的偏振模色散值《0. lps/。與其它非零色散位移光纖(NZ-DSF) 的熔接損耗小於O. 05dB。
本發明在光纖設計時對色散、色散斜率和有效面積進行折中，在追求低色散
斜率的前提下，得到適中的光纖有效面積，以達到色散特性的整體優化的結果， 同時得到其它相關特性的改善，滿足光纖傳輸系統對光纖特性的均衡需要，具 有以下有益效果
1、 同以往的非零色散位移單模波導結構相比，本發明的波導結構相對簡單， 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優化的色散
特性，結合MCVD、 PCVD、 0VD等工藝對摺射率分布的精確控制能力，容易進行 規模化穩定生產和質量控制，可高效率地獲得所設計的光纖性能。
2、 本發明在波導設計的同時，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，獲得光纖PMD性能的改善。
3、 本發明的光纖的特性足以滿足抑制非線性效應的要求，適用於C波段或 C+L波段的DWDM傳輸需要，而且降低系統色散管理的成本。同時在分布式拉曼 放大傳輸系統，本發明的光纖具有很好的應用。
4、 在本發明中通過對預製棒包層摻雜成分的適當選取，得到好的熔接性能。 本發明的光纖與其它非零色散位移光纖熔接時可以獲得低的熔接損耗，得到不 同光纖之間好的適應性。


圖1是本發明實施例1中相對摺射率△對直徑的分布曲線示意圖。 圖2是本發明實施例2中相對摺射率△對直徑的分布曲線示意圖。 圖3是本發明實施例3中相對摺射率△對直徑的分布曲線示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖以實施例對本發明做進一步說明。 實施例1:
釆用MCVD (改進的化學氣相沉積)工藝製造光纖芯層，採用OVD(外部氣相 沉積)工藝製造光纖包層，按照圖l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
第一纖芯分層Corel的參數為Anl約為O. 45%, rl約為6. Oum，
第二纖芯分層Core2的參數為An2約為0.35y。， r2約為7.3um，
第一包層分層Cladl的參數為An3約為-0. 14%， r3約為10. 8um，
第二包層分層Clad2的參數為An4約為0. 12%， r4約為18. 5um，
最外層包層分層為純二氧化矽玻璃層。
所得光纖的特性如下
1550nm有效面積58咖2，
零色散波長1460nm，
1550nm色散4.0 ps/ (nm km)，
在1550mn色散斜率:0. 046 ps/ (nm2 km)，
光纖截止波長1480nm，
在1550損耗0. 20dB/km，
偏振模色散值《0. lps/V^。
宏彎4)60mm繞100圈，在1550nm和1625nm的附加損耗的最大值0. OldB。 宏彎4)32mm繞1圈，在1550nm和1625nm的附加損耗的最大值0. 015dB。 該單模光纖特性在1550nm的色散斜率小於0.049 ps/ (nm2 km)，有效面
積適中，而衰減和彎曲性能優異，與其它非零色散位移光纖(NZ-DSF)的熔接損
耗小於0. 05dB。
實施例2:
採用等離子化學氣相沉積(PCVD)工藝製造光纖芯層，採用OVD工藝製造光纖 包層，按照圖2所示的光纖波導折射率分布曲線，下列為一組相對摺射率差分 布參數
第一纖芯分層Corel的參數為Anl約為0. 44%, rl約為6. 2um， 第二纖芯分層Core2的參數為An2約為0. 36%， r2約為7. 3um， 第一包層分層Cladl的參數為△ n3約為-O. 15%, r3約為10. 8um， 第二包層分層Clad2的參數為An4約為0. 12W，r4約為18. 5um， 第三包層分層Clad3的參數為An5約為一O. 04%, r5約為28. 5um， 最外層包層分層為純二氧化矽玻璃層。頁
所得光纖的特性如下
1550nm有效面積62um2，
零色散波長1430nm，
在1550nm色散4.0 ps/ (nm km)，
在1550nm色散斜率0. 048 ps/ (nm2 km)，
光纖截至波長1480mn，
在1550損耗0. 20dB/km，
偏振模色散值《0. lps/。
宏彎4)60mm繞100圈，在1550nm和1625nm的附加損耗的最大值0. OldB。 宏彎4)32mm繞l圈，在1550nm和1625nm的附加損耗的最大值0. 015dB。 該實施例所得單模光纖特性在1550nm的色散斜率小於0. 05 ps/ (nm2 'km)，
有效面積適中，而衰減和彎曲性能優異，與其它NZ-DSF光纖的熔接損耗小於
0. 048dB。
實施例3:
採用OVD工藝製造光纖芯層，採用OVD工藝製造光纖包層，按照圖3所示的 光纖波導折射率分布曲線，下列為一組相對摺射率差分布參數
第一纖芯分層Corel的參數為Am約為0. 44%, rl約為6. 0咖，
第二纖芯分層Core2的參數為八112約為0. 35%, r2約為7. 3um，
第一包層分層Cladl的參數為Ari3約為-0. 15%，r3約為10. 8um，
第二包層分層Clad2的參數為Am約為0. 06y。，r4約為12. 5um，
第三包層分層Clad3的參數為Ans約為0. 12y。，r5約為18. 5um，
第四包層分層Clad4的參數為Ari6約為0. 01%, r6約為28. 5um，
最外層包層分層為純二氧化矽玻璃層。
所得光纖的特性如下
1550nm有效面積65mn2，
零色散波長1460nm，
在1550nm色散4. 0 ps/ (nm km)，
在1550nm色散斜率0. 049 ps/ (nm2 km)， 光纖截至波長1480mn， 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. OldB。 宏彎4)32mm繞1圈，在1550nm和1625nm的附加損耗的最大值:0. 015dB。 偏振模色散值《0. lps/V^。
該實施例所得光纖特性在1550nm的色散斜率小於0. 050 ps/ (nm2 km)，有 效面積適中，而衰減和彎曲性能優異，與其它NZ-DSF光纖的熔接損耗小於 0. 045dB。
需要說明的是，本發明通過以上三個實施例對本發明的構思進行了具體的 闡述，但本發明並不限於以上三個實施例，限於篇幅的限制，不再以列舉的方 式一一贅述；在實現上述實施例時，涉及的工藝並不限於MCVD， PCVD或OVD， 而且這些工藝可以彼此互換，同樣能夠實現規定的光纖波導結構設計。 備註
以下是本發明的一些術語的定義。
折射率差A由以下方程式定義 相對摺射率差Ani^二[(ni2 — nc2)/2 ni2]
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。
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/ (rn^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/ (nm"km)，其計 算公式= C MM
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兀(/E2rdr) 7(/E4rdr) 式中積分限為0到②，E為與傳播有關的電場。 DWDM是密集波分復用系統的英文縮寫。 PMD是光纖偏振模色散的英文縮寫。
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。通常，彎曲導致的最 大許可損耗以1310nm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32mm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
1.一種優化色散特性的單模光纖，其特徵是它包括構成光纖芯層的第一層、第二層以及構成光纖包層的第三層、第四層、外包層，第一層折射率為階躍分布，第二層折射率梯度變化，第三層、第四層折射率為階躍分布，外包層為純的二氧化矽玻璃包層，所述光纖芯層的折射率分布n1>n2>nc，所述光纖包層的折射率分布n4>nc>n3，其中ni為第i層的光纖折射率，nc為外包層的折射率。
全文摘要
一種優化色散特性的單模光纖，屬於光通信技術，現有技術存在影響高速通信的非線性問題和偏振模色散問題，本發明包括構成光纖芯層的第一層、第二層以及構成光纖包層的第三層、第四層、外包層，第一層折射率為階躍分布，第二層折射率梯度變化，第三層、第四層折射率為階躍分布，外包層為純的二氧化矽玻璃包層，光纖芯層的折射率分布為n1＞n2＞nc，光纖包層的折射率分布為n4＞nc＞n3，其中ni為第i層的光纖折射率，nc為外包層的折射率。本發明的光纖具有較低的色散斜率，適當的色散和有效面積、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DWDM系統傳輸。
文檔編號G02B6/02GK101373237SQ20071007098
公開日2009年2月25日 申請日期2007年8月22日 優先權日2007年8月22日
發明者盧衛民, 吳海港, 吳金東, 張立永, 李群星 申請人:富通集團有限公司