長距離的單模波導的製作方法
2023-05-30 17:29:11 1
專利名稱：長距離的單模波導的製作方法
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，本發明的單模波導將極佳的抗彎曲性、較低的衰減和較大的有效面積Aeff結合在一起，這些特徵都是海底應用所需要的。
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，定義高功率和長距離才有意義。有一些附加因素會對高功率和長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。
長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。在抑制形成潛在孤立子非常重要的系統中，波導光纖的總色散應該是負的，所以線性色散不能抵消高功率信號時產生的非線性的自相位調製。
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速率的信息。本發明描述了一種新穎的分布，該分布能非同尋常地適用於這些嚴格的情況。以下詳細給出用於這種系統的波導纖維的所需性能。
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一垂線的交點，其中所述垂線是從第一和第二環形分層分布曲線之間Δ％差值的一半處畫下來的；*第二環形分層的外半徑r3是從波導的軸中心線量到第二環形分層分布曲線與一垂線的交點，其中所述垂線是從第二和第三環形分層分布曲線之間Δ％差值的一半處畫下來的；*對任何附加環形分層外半徑的測量類似於第一和第二環形分層的外半徑；以及*最後環形分層的半徑是從波導中心線量到該分層的中點。
分層的寬度是分層內半徑和外半徑之間的距離。應該理解，分層的外半徑對應於下一分層的內半徑。
對摺射率分布曲線幾何形狀的特別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。有效面積與波長相關。計算有效面積使用的波長是位於為波導纖維設計的工作窗口處或附近的波長。對於工作在數百納米波長範圍內的波導纖維，可以分配不止一個Aeff。
-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，在本申請中取為包層的折射率。
-術語折射率分布曲線是在選定的一部分纖芯上Δ％或折射率與半徑之間關係。
-術語α分布曲線是用Δ(b)％表示的折射率分布曲線，其中b是半徑，並且該分布曲線遵循下述等式Δ(b)％=Δ(b0)(1-[|b-b0|/(b1-b0)]α)，其中b0是折射率為最大值的徑向點，b1是Δ(b)％為零的點，b的範圍為bi≤b≤bf，這裡，bi是α分布曲線的起點，bf是α分布曲線的終點，而α是實數指數。
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。
-波導纖維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，測量彎曲引入的衰減，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5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，它包括至少具有兩個分層的分層纖芯，分層纖芯外包裹著玻璃包層。在大約1530納米至1570納米的波長範圍上，波導纖維的有效面積大於60微米2，最好大於65微米2。1550納米處的衰減小於0.25dB/km，最好小於0.22dB/km。零色散波長在大約1565納米至1600納米的範圍內。色散斜率在1560納米處提供的色散比大約-0.5ps/nm-km負得更多，較佳的1560色散大約為-2ps/nm-km。一般，斜率的範圍大約為0.10至0.14ps/nm2-km。波導纖維在1530納米處的總色散在大約-7.2至-3.9ps/nm-km的範圍內。在1530納米至1570納米的波長範圍內，模場直徑在大約7.9微米至9.75微米的範圍內。
在獲得這些性能的同時還能保持良好的抗彎曲性，即對於繞20毫米直徑心軸5周的情況，引入的彎曲損耗不大於約5dB/m。另外，纜線形式的光纖的截止波長保持在大約1285納米至1500納米的範圍內。附加的好處是偏振模色散小於約0.076ps/(km)1/2，一般為0.04ps/(km)1/2。
各分層的折射率分布曲線可以是上述任何一種，包括α分布曲線、階躍型折射率分布曲線，或梯形分布曲線。除非在過程中插入特殊的階梯，折射率分布曲線將在折射率驟變點處帶圓角。圓角是由用來改變基礎玻璃折射率的摻雜劑材料擴散所引起的。因此，任何折射率分布曲線在都可以在特定點帶圓角。例如，具有正Δ％的階躍型折射率分布曲線一般具有帶圓角的上角和下角。
在本發明的一個實施例中，所有纖芯分層都具有正的Δ％。在另一實施例中，纖芯包括三個分層，第一分層為α分布曲線，第二分層為階躍型分布曲線，第三分層具有帶圓角的階躍型分布曲線。下述表1給出了本實施例的幾個例子。
在本發明的另一實施例中，纖芯區包括三個分層，並且已對中心作了摻雜劑擴散補償，因此波導纖維中心線上或附近的折射率沒有相對中心分布曲線的剩餘部分減小。圖3例示了這種中心線補償，其中摻雜劑是鍺。對擴散補償的實施例顯示出偏振模色散比可比較的未經補償的波導纖維分布曲線平均提高大約5倍。新穎波導纖維的偏振模色散小於0.8ps/(km)1/2，一般小於0.04ps/(km)1/2。
在包含三分層的實施例中，從波導中心的數字1開始對各分層編號，分層纖芯可以用以下參數描述-Δ1％在大約0.75至1.25的範圍內；-r1在大約1.5微米至4.0微米的範圍內；-Δ2％在大約0.00至0.15％的範圍內；-Δ3％在大約0.2至0.7的範圍內-中點半徑r3在大約4微米至8微米的範圍內；以及-第三分層的寬度在大約0.5微米至3微米的範圍內。
較佳的範圍是-Δ1％在大約0.85至1.20的範圍內；-r1在大約2.0微米至3.5微米的範圍內；-Δ2％在大約0.00至0.08％的範圍內；-Δ3％在大約0.3至0.7的範圍內；-中點半徑r3在大約5微米至7.5微米的範圍內；以及-第三分層的寬度在大約0.8微米至2.0微米的範圍內。
更佳的實施例是-Δ1％在大約0.95至1.15的範圍內；-r1在大約2.5微米至3.0微米的範圍內；-Δ2％在大約0.00至0.04％的範圍內；-Δ3％在大約0.3至0.7的範圍內；-中點半徑r3在大約5微米至7.5微米的範圍內；以及-第三分層的寬度在大約0.8微米至1.5微米的範圍內。
在另一實施例中，1560納米處的總色散比大約-1ps/nm-km負得更多。
在又一實施例中，中心線擴散未補償或部分補償，致使在中心線上存在一個折射率的凹入部，其最小的Δ％不大於Δ1％大約0.20。凹入部一般呈倒置錐形，即錐頂向下，並且錐形最寬部分的半徑不大於約0.4微米。
附圖概述圖1a和圖1b是是Δ％對半徑的曲線圖，每張曲線圖都示出了與本發明折射率分布曲線類似的模擬折射率分布曲線。
圖2是Δ％對半徑的曲線圖，示出了本申請中使用的對半徑和寬度的定義。
圖3是Δ％對半徑的曲線圖，示出了本發明的一個實施例。
本發明的詳細描述新穎單模光纖的特徵是其分層纖芯設計，該設計提供上述不尋常的性能組合。這些性能可以通過以下方式獲得，即為每個分層選擇合適的折射率分布曲線形狀，並為各分層選擇合適的相對摺射率Δi％和徑向寬度ri。眾所周知，各分布曲線的參數會相互作用。例如，α大約為1的α分布曲線的中心區半徑將具有與具有梯形折射率的中心區不同的半徑，以提供具有基本上相同性能的光纖。
圖2示出了這裡使用的半徑的定義。中心分層的半徑用直線r1表示，該直線是從纖芯中心線畫到外推直線14與水平軸的交點。分層的外半徑是從中心線畫到一垂線的直線r2，其中所述垂線從點18畫下，而點18的相對摺射率為分層16之相對摺射率Δ2％和分層20之相對摺射率Δ3％之差的一半。最後環形分層20的半徑r3畫到該分層的中點26。當選定最終分層的寬度w時，完全確定了幾何形狀。在圖中，此寬度表示為點18和點22之間的直線w，其中點18和點22的折射率分別是分層16和20之間折射率差的一半以及分層20和包層24之間折射率差的一半。圖中，將中心線凹入部的半徑表示為直線30，該直線從中心線水平畫到倒置錐形凹入部的最寬點。
圖1a示出了三種計算機生成的分布曲線2、4和6。為清楚起見，中心分層和相關的外環形分層具有相應的編號。每個分布曲線都在中心線上具有一個倒置的錐形凹入部。當給定分層纖芯折射率分布曲線的總體形狀時，便可以計算具有該分層纖芯形狀的波導纖維的性能。在圖1a的情況下，分布曲線4提供了所需的光纖特性。圖1b示出了三種附加的分層纖芯分布曲線8、10和12。在該圖中，分布曲線10產生所需的光纖性能。
圖3所示的分布曲線是對具有本發明折射率分布曲線的波導纖維的測量結果。表1給出了用於此實施例的纖芯折射率分布曲線的參數。在本設計中補償了中心線的擴散。
表1
將表1的參數作為目標製造大量的波導纖維，對這些波導纖維平均獲得以下性能值-1550nm處的衰減為-0.204dB/km；-模場直徑為9.29μm；-1550nm處的有效面積為70.9μm2；-零色散波長為1576nm；-1530nm處的總色散為(-5.565ps/nm-km)；-1560nm處的總色散為(-1.892ps/nm-km)；-纜線形式的截止波長為1429.6nm；以及-偏振模色散為0.037ps/(km)1/2。
因此，製造結果提供了一種各方面都適於在諸如海底通信光纜等嚴峻環境中使用的波導纖維。這些製作結果還起到驗證計算機模型的作用。
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，包括分層纖芯，它至少具有兩個分層，每個分層都具有半徑ri、折射率分布曲線和相對摺射率百分數Δi％，其中i等分層的編號；和包層，它包裹並接觸纖芯，包層具有折射率nc；其中，ri、Δi％和折射率分布曲線經選擇，提供以下性能1550nm處的衰減不大於為0.25dB/km；零色散波長在大約1565納米至1600納米的範圍內；1560納米處的總色散在大約-3.5ps/nm-km至-0.5ps/nm-km的範圍內；1550納米處的有效面積大於60μm2；纜線形式的光纖的截止波長在大約1285納米至1500納米範圍內。
2．如權利要求1所述的單模光纖，其特徵在於，任何分層的折射率分布曲線選自以下分布曲線組成的組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折射率分布曲線。
3．如權利要求2所述的單模光纖，其特徵在於，所有Δi％都為正。
4．如權利要求2或3所述的單模光纖，其特徵在於，纖芯具有一中心線和至少三個分層，第一分層從中心線開始，具有α大約為1的α分布曲線，第二分層與第一分層鄰接，具有階躍型折射率分布曲線，而第三分層與第二分層鄰接，具有帶圓角的階躍型折射率分布曲線。
5．如權利要求1或2所述的單模光纖，其特徵在於，1560納米處的總色散比-1ps/nm-km負得更多。
6．如權利要求1或2所述的單模光纖，其特徵在於，偏振模色散不大於大約0.08ps/(km)1/2。
7．如權利要求4所述的單模光纖，其特徵在於，纖芯包括三個分層，其中第一分層的Δ1％在大約0.75至1.25的範圍內，半徑r1在大約1.5微米至4.0微米的範圍內，第二分層的Δ2％在大約0.00至0.15％的範圍內，而第三分層的Δ3％在大約0.2至0.7的範圍內，中點半徑r3在大約4微米至8微米的範圍內，寬度在大約0.5微米至3微米的範圍內。
8．如權利要求4所述的單模光纖，纖芯包括三個分層，其中第一分層的Δ1％在大約0.85至1.20的範圍內，半徑r1在大約2.0微米至3.5微米的範圍內，第二分層的Δ2％在大約0.00至0.08％的範圍內，而第三分層的Δ3％在大約0.3至0.7的範圍內，中點半徑r3在大約5微米至7.5微米的範圍內，寬度在大約0.8微米至2.0微米的範圍內。
9．如權利要求4所述的單模光纖，其特徵在於，纖芯包括三個分層，其中第一分層的Δ1％在大約0.95至1.15的範圍內，半徑r1在大約2.5微米至3.0微米的範圍內，第二分層的Δ2％在大約0.00至0.04％的範圍內，而第三分層的Δ3％在大約0.3至0.7的範圍內，中點半徑r3在大約5微米至7.5微米的範圍內，寬度在大約0.8微米至1.5微米的範圍內。
10．如權利要求7、8或9中任何一項所述的單模光纖，其特徵在於，還在中心線上包括一相對摺射率凹入的部分，該凹入部呈倒置錐形，比Δ1％小不到大約0.20Δ％，倒置錐形的基底半徑不大於大約0.4微米。
全文摘要
揭示了一種具有分層纖芯的單模光纖。選擇各分層的相對摺射率、折射率分布曲線以及半徑,提供有利於在諸如海底光纜等嚴峻環境中使用的波導纖維性能。分層纖芯波導纖維在大約1530納米至1570納米的工作窗口上具有負的總色散,這可以避免形成孤立子。諸如色散零、截止波長、衰減以及抗彎曲性等關鍵性能都落在所需的範圍內。該波導還具有偏振模色散較低的特性。
文檔編號G02B6/036GK1309778SQ99808646
公開日2001年8月22日 申請日期1999年7月22日 優先權日1998年7月31日
發明者李明軍, J·S·斯通 申請人:康寧股份有限公司