CN1262856C - 具有低色散斜率的色散位移光纤 - Google Patents

Abstract

本发明的具有低色散斜率的光纤由一个中心芯、两个包层、一个环形芯以及外玻璃区组成，其特征在于第一包层设置在中心芯的外围上，第二包层设置在第一包层的外围上，环形芯设置在第二包层的外围上，并且外玻璃区包围环形芯，并且中心芯和环形芯具有较高的折射率，包层具有低于外玻璃区的折射率。折射率受下式限制：n₁＞n₄＞n₅＞n₂＞n₃。根据本发明的优选实施例，光纤由一个中心芯、两个包层、两个环形芯以及外玻璃区组成，其特征在于第一包层设置在中心芯的外围，第二包层设置在第一包层的外围，第一环形芯设置在第二包层的外围，第二环形芯设置在第一环形芯的外围，并且外玻璃区包围第二环形芯，并且折射率受下式限制：n₁＞n₄＞n₅＞n₆＞n₂＞n₃。

Description

具有低色散斜率的色散位移光纤

技术领域

本发明涉及具有低色散斜率的色散位移光纤，特别是在1530nm～1565nm(C带)和1565nm～1625nm(L带)传输中具有较低色散斜率的色散优化光线。尤其涉及单模色散优化光线，该光纤适于较高带宽的光以更均匀的色散在第三和第四窗口长距离的传输，并且该光纤还具有优化的模场直径，以实现在1550nm波长，尤其在1600nm的临界波长处较低的弯曲损耗。

背景技术

在过去的十几年里光纤技术得到了发展并且成为用于声音、视频和数据传输的网络接口的骨干技术。随着无线通讯基础设施的增长和扩展，光纤变得越发重要。由于其较高的带宽适用性，光纤的重要性还在提高。信息技术的迅猛发展，使得对更高带宽的需求正随着时间呈指数地增长。

光波通讯系统的容量在过去的十几年里有了巨大的扩展。扩展带宽的需求可以通过利用低色散光纤的密致波分复用、以下称作DWDM技术得到满足。对光纤的要求已经不得不改变以便适应这些发展，尤其是对在这些波长上的色散量和均匀性(斜率)的要求。DWDM方式通过增加波带内波长信道的数量而提高了光纤线路中有效的数据速率。

常规中采用850nm波长的多模光纤，这种光纤也可以用接近1310nm波长的零色散单模光纤代替。单模光纤比多模光纤有更大的带宽。

因此，研究主要针对单模光纤的开发，因为这种光纤被认为在1300nm～1550nm的波长范围内具有较低的衰减。

但是，当为了降低衰减而将单波长移经1550nm窗口时，观察到该单模光纤具有极高的色散。

在1550nm处具有很高色散的单模光纤的主要不利之处在于它阻碍更高位率的传输。单模光纤的这种不利已通过改进的单模光纤克服，这种单模光纤就是已知的色散位移光纤，它甚至在移到1550nm的波长时也具有零色散。

理论分析表明，具有较低色散和较低色散斜率的具有更大有效面积的单模光纤，是如上所述用于高容量DWDM传输的最理想光纤。但是，在现有技术中用于远距离系统的色散位移光纤损害了DWDM性能。规定在1.3～1.6μm之间的色散幅度小于2ps/nm.km的色散平化光纤在DWDM窗内具有零色散区。这导致很强的四波混频，妨碍了良好的DWDM性能。

理想的情况是光纤的色散在整个波长工作区内具有恒定的值。但是，当折射率随波长变化时光纤的色散随波长变化。色散斜率S₀量化了此变化。斜率越小，色散随波长的变化也越小。较低色散以及较低色散斜率的光纤的其它优点在于其较小的色散允许其有最小的色散增长，从而很好地抑制了非线性四波混频，同时仍保持光纤的最小色散，色散小到足以使信号对色散和色散斜率的补偿需要最小从而传输更长的距离。

图1中示出了现有的色散光纤。它是材料和波导色散的一种结果。在模内色散的理论处理中，为了方便起见假设可以单独地计算材料和波导色散并且再相加以给出该模式总的色散。在实际中，这两种机理内在地相关，因为引起材料色散的折射率色散特性也影响波导的色散。出现材料色散是因为折射率作为光波长的函数而变化。在其它的情形中，波导色散是折射率廓线的函数。

参数，如光纤每部分、如中心芯、包层、环形芯和外芯等的折射率和半径，光纤这些部分的折射率与半径之间的关系，芯和包层的数量决定由此获得的光纤的特性以及由此获得的光纤的应用。

因此，现有技术中已知的光纤通过它们的特性来区分，这些特性反过来又由上述各种参数决定。现有技术中已知的光纤既有非线性特性及高弯曲损耗，又有较低的弯曲损耗且较低的有效面积，或者具有较高的非线性和较高的弯曲损耗，或者在第三和第四窗口具有非均匀的色散或者高色散斜率，这些都不是具有最佳特性的光纤，它为了实现另一特性必将牺牲某一特性。

已经观察到色散和色散斜率随波长变化，并且折射率也随波长变化。

因此，鉴于色散和色散斜率随波长的变化以及折射率随波长的变化，一直努力开发具有最佳色散和色散斜率以及具有这种折射率曲线和结构的光纤，以易于实现并因此易于制作适于较宽波长范围的理想光纤。

因此，本发明的发明者尝试开发了一种具有最佳特性的光纤，它将不用牺牲一种特性以换取实现另外的特性。

完成发明的需要

因此，需要开发一种色散位移光纤，尤其是一种在1530nm～1565nm(C带)和1565nm～1625nm(L带)传输中有尽可能最佳的低色散斜率的单模色散优化光纤，并尤其涉及一种适于以更均匀的色散在第三和第四窗口上长距离宽带传输的光纤，该光纤还具有优化的模场直径以实现在1550nm以及尤其在1600nm的临界波长处较低的弯曲损耗。

发明目的

本发明的主要目的在于使这样的两种光纤完全公开，即光纤尤其在1530nm～1565nm(C带)和1565nm～1625nm(L带)区段中具有较低的色散斜率。

本发明的另一个目的在于完全公开这样两种光纤，即光纤具有较低的色散斜率并适于长距离传输。

本发明的另一个目的在于完全公开这样两种光纤，即光纤尤其在1530nm～1565nm(C带)和1565nm～1625nm(L带)波段中具有较低的色散斜率，并具有尽可能大的优化有效面积，截止波长和模场直径。

本发明的另一个目的在于完全公开这样两种光纤，即光纤不仅具有较高的抗弯曲水平，而且还具有最佳色散的最小非线性。

本发明的实质和简述

根据本发明者所做的理论分析表明，现有技术的主要缺点和局限可以通过一种光纤来克服，该光纤在1530nm～1565nm(C带)和1565nm～1625nm(L带)工作波长上，分别具有大约2.6～6.0ps/nm.km和大约3.9～8.6ps/nm.km的色散，并且在所述波长区域上最大色散斜率小于约0.05ps/nm².km。因此在本发明中，尝试着开发了一种具有不容易实现且也不易于制作的这种折射率曲线和结构的光纤，其特征在于所述的光纤具有接近于所述范围或值的色散和色散斜率特性。

根据本发明，公开了一种在1530nm～1565nm(C带)和1565nm～1625nm(L带)传输中具有较低色散斜率的色散位移光纤、尤其是单模色散优化光纤，该光纤适合于以更均匀的色散在第三和第四窗口上宽波段长距离地传输，并具有优化的模场直径，在1550nm波长以及尤其在1600nm的临界波长处实现较低的弯曲损耗。该色散位移光纤包括一个中心芯，两个包层，一个环形芯和外玻璃区，其特征在于第一包层设置在中心芯的外围上，第二包层设置在第一包层的外围上，并且环形芯设置在第二包层的外围上，外玻璃区包围环形芯。

根据本发明，涉及本发明光纤的各个区的折射率以下列方式相关，其中中心芯和环形芯具有较高的折射率，包层具有低于外玻璃区的较低折射率，并选择色散和色散斜率均较低，且在C和L带传输中的弯曲损耗也较低。所述每个部分的半径也选择成色散和色散斜率以及在C和L带传输中弯曲损耗均处于理想的范围。

通过结合下面参考附图所做的详细描述，本发明的其它优选实施例和优点将更加清晰，其具体实施方式并不构成对本发明范围的限定。

附图说明

下面借助于附图描述本发明的实质，这些附图协同展示本发明及其最佳操作模式。但本发明由折射率及其相应值之间的关系和/或由所述光纤的各个部分的半径限定。

图1表示现有技术中色散位移光纤及其材料和波导元件的色散；

图2a表示根据本发明的光纤的截面图；

图2b是根据本发明的在图2a中所示光纤的折射率曲线；

图3a表示根据本发明优选实施例的光纤的截面图；

图3b表示根据本发明的在图3a中所示光纤的折射率曲线；

图4表示根据本发明在图2a中所示光纤的色散及波导色散；

图5表示根据本发明优选实施例的图3a中所示光纤的色散及波导色散；

图6表示根据本发明图2a中所示光纤强度的沿直径的分布；

图7表示根据本发明优选实施例在图3a中所示光纤的强度沿直径的分布。

本发明的详细描述

根据本发明，图2a中所示的光纤由一个中心芯1、两个包层2和3、一个环形芯4以及外玻璃区5组成，其特征在于第一包层2设置在中心芯1的外围上，第二包层3设置在第一包层2的外围上，环形芯4设置在第二包层3的外围上，并且外玻璃区5包围环形芯4[图2a]。

根据本发明，在此公开的光纤的中心芯1和环形芯4具有较高的折射率，并且包层2和3具有低于外玻璃区5的折射率[图2b]。中心芯1、第一包层2、第二包层3、环形芯4和外玻璃区5的折射率分别由符号n₁、n₂、n₃、n₄和n₅表示。并且根据本发明，这些折射率选择成使色散和色散斜率较低并且在C带和L带传输期间的弯曲损耗也较低，并且根据本发明，这些折射率和它们的值受下列方程式限制：

n₁＞n₄＞n₅＞n₂＞n₃

0.008＞(n₁-n₅)＞0.0075

0.0015＞(n₄-n₅)＞0.0012

-0.001＜(n₂-n₅)＜-0.0006

-0.0015＜(n₃-n₅)＜-0.0008

在此公开的并在图2a和图2b中示出的光纤对微弯损耗不敏感，并且色散斜率不大于0.05ps/nm².km。

在本发明的具体实施例中，图2a中所示的光纤具有：

n₁-n₅＝约0.007

n₄-n₅＝约0.0014

n₂-n₅＝约-0.0005

n₃-n₅＝约-0.0012

图2a中所示的光纤也由每个所述部分、即中心芯1、第一包层2、第二包层3和环形芯4的半径确定，其中中心芯1、第一包层2、第二包层3和环形芯4的半径分别由符号a₁、a₂、a₃和a₄表示。并且根据本发明，这些半径选择成使色散和色散斜率以及在C带和L带传输期间的弯曲损耗处于理想的范围。并且根据本发明，这些半径由下列方程限制：

a₁＝约2.8μm

a₂＝约4.3μm

a₃＝约6.3μm

a₄＝约9.2μm

根据本发明的优选实施例，光纤[图3a]包括一个中心芯1、两个包层2和3、两个环形芯4和5和一个外玻璃区6，其中第一包层2设置在中心芯1的外围，第二包层3设置在第一包层2的外围，第一环形芯4设置在第二包层3的外围，第二环形芯5设置在第一环形芯4的外围，并且外玻璃区6包围第二环形芯5。

根据本发明的优选实施例，光纤[图3a]的中心芯1、第一包层2、第二包层3、第一环形芯4、第二环形芯5和外玻璃区6折射率分别由符号n₁、n₂、n₃、n₄、n₅和n₆表示。并且根据本发明的优选实施例，这些折射率选择成使色散和色散斜率较低，在C带和L带传输期间的弯曲损耗也较低并处于理想的范围，并且根据本发明，这些折射率和它们的值受下列方程式限制：

n₁＞n₄＞n₅＞n₆＞n₂＞n₃

0.008＞(n₁-n₆)＞0.0075

0.0016＞(n₄-n₆)＞0.0012

0.0012＞(n₅-n₆)＞0.0010

-0.001＜(n₂-n₆)＜-0.0006

-0.0015＜(n₃-n₆)＜-0.0008

在本发明的具体实施例中，图3a中所示的光纤具有：

n₁-n₆＝约0.0071

n₄-n₆＝约0.0015

n₅-n₆＝约0.0013

n₂-n₆＝约-0.0005

n₃-n₆＝约-0.0012

图3a中所示的光纤也由每个所述部分、即中心芯1、第一包层2、第二包层3和第一环形芯4和第二环形芯5的半径确定，其中中心芯1、第一包层2、第二包层3和第一环形芯4和第二环形芯5的半径分别由符号a₁、a₂、a₃、a₄和a₅表示，并且根据本发明，这些半径选择成使色散和色散斜率以及在C带和L带传输期间的弯曲损耗处于理想的范围，并且根据本发明，这些半径由下列方程限制：

a₁＝约2.8μm

a₂＝约4.3μm

a₃＝约6.3μm

a₄＝约8.0μm

a₅＝约9.2μm

根据本发明的一个实施例，图2a中所示光纤在掺锗中心芯1和环形芯4之间为掺锗和氟材料的第一包层2和第二包层3。外玻璃区5设置在掺锗环形芯4的外围上。

根据本发明，图2a中所示的具有如上所述的折射率曲线和每个部分的相对半径的光纤由下列特征确定：

衰减                                      约≤0.22dB/km

在1530～1565nm处的色散                    约2.5～6.0ps/nm.km

在1565～1625nm处的色散                    约3.9～8.6ps/nm.km

色散斜率                                  约≤0.05ps/nm².km

偏振模式色散(PMD)                         约≤0.08ps/km^0.5

模场直径(MFD)                             约8.3±0.6μm

截止波长                                  约≤1280nm

芯同心度                                  约≤0.6μm

包层直径                                  约125±1μm

微弯损耗                                  在1550nm处约≤0.05dB

最大弯曲量损耗                            在1550nm处约≤0.5dB

试用测试                                  约100kpsi

在本发明的一个实施例中，图3a所示光纤在掺锗中心芯1和环形芯4之间为掺锗和氟材料的第一包层2和第二包层3。掺锗的第二环形芯5设置在第一环形芯4的外围上。外玻璃区6设置在掺锗第二环形芯5的外围上。

根据本发明，图3a中所示的具有如上所述的折射率曲线和每个部分的相对半径的光纤具有如下特征：

衰减                          约≤0.22dB/km

在1530～1565nm处的色散        约1～6.0ps/nm.km

在1565～1625nm处的色散        约4～8.6ps/nm.km

色散斜率                      约≤0.05ps/nm².km

偏振模式色散(PMD)             约≤0.08ps/km^0.5

模场直径(MFD)                 约8.3±0.6μm

截止波长                      约≤1450nm

芯同心度                      约≤0.6μm

包层直径                      约125±1μm

微弯损耗                      在1550nm处约≤0.05dB

最大弯曲量损耗                在1550nm处约≤0.5dB

试用测试                      约100kpsi

根据本发明，图4公开了图2a所示光纤的色散特性。图中还表示了波导色散如何控制光纤的低色散和低色散斜率。

波导色散由下列方程给出：

$\frac{n_2\mathrm{\Δ}}{c}\frac{1}{\mathrm{\λ}}\left[V\frac{d^2\left(\mathrm{Vb}\right)}{d{V}^2}\right]$

其中λ是光的波长，b是规一化传播常数，c是光速。图4中的虚线代表本发明光纤的波导色散特性，其中光纤的n₁-n₅＝0.007，n₄-n₅＝0.0014，n₂-n₅＝-0.0005，n₃-n₅＝-0.0012，a₁＝2.8μm，a₂＝4.3μm，a₃＝6.3μm，a₄＝9.2μm。

根据本发明的优选实施例，图5公开了图3a所示光纤的色散特性。图中还表示了波导色散如何控制光纤的低色散和低色散斜率。

图6公开了本发明光纤在直径上的强度场分布，该分布曲线叠加在图2a所示光纤的折射率曲线上。

图7公开了根据本发明优选实施例的图3a中所示光纤的强度分布特性。

Claims (16)

1.一种具有低色散斜率为≤0.05ps/nm².km的色散位移光纤，包括一个中心芯(1)、两个包层(2)和(3)、一个环形芯(4)和一个外玻璃区(5)，其中所述第一包层(2)设置在所述中心芯(1)的外围，所述第二包层(3)设置在所述第一包层(2)的外围上，并且所述环形芯(4)设置在所述第二包层(3)的外围上，所述外玻璃区(5)包围所述环形芯(4)，其特征在于所述中心芯(1)和环形芯(4)具有较高的折射率，并且所述包层(2)和(3)与所述外玻璃区(5)相比具有较低折射率，这些折射率由下列方程限制：

                 n₁＞n₄＞n₅＞n₂＞n₃

并且折射率的值由下列方程限制：

                 0.008＞(n₁-n₅)＞0.0075

                 0.0015＞(n₄-n₅)＞0.0012

                 -0.001＜(n₂-n₅)＜-0.0006

                 -0.0015＜(n₃-n₅)＜-0.0008

此处n₁、n₂、n₃、n₄和n₅分别表示所述中心芯(1)、第一包层(2)、第二包层(3)、环形芯(4)和外玻璃区(5)的折射率，并且

所述光纤的半径由下列方程限制：

                     a₁＝2.8μm

                     a₂＝4.3μm

                     a₃＝6.3μm

                     a₄＝9.2μm

此处，a₁、a₂、a₃和a₄表示所述中心芯(1)、第一包层(2)、第二包层(3)和环形芯(4)的半径。

2.如权利要求1所述的色散位移光纤，其特征在于光纤的折射率值由下列方程限定：

                     n₁-n₅＝0.007

                     n₄-n₅＝0.0014

                     n₂-n₅＝-0.0005

                     n₃-n₅＝-0.0012

3.如权利要求1所述的色散位移光纤，包括一个中心芯(1)、两个包层(2)和(3)、两个环形芯(4)和(5)和一个外玻璃区(6)，所述第一包层(2)设置在所述中心芯(1)的外围，所述第二包层(3)设置在所述第一包层(2)的外围，所述第一环形芯(4)设置在所述第二包层(3)的外围，所述第二环形芯(5)设置在所述第一环形芯(4)的外围，并且所述外玻璃区(6)包围所述第二环形芯(5)，其特征在于折射率由下列方程限制：

                  n₁＞n₄＞n₅＞n₆＞n₂＞n₃

并且折射率的值由下列方程限制：

                  0.008＞(n₁-n₆)＞0.0075

                  0.0016＞(n₄-n₆)＞0.0012

                  0.0012＞(n₅-n₆)＞0.0010

                  -0.001＜(n₂-n₆)＜-0.0006

                  -0.0015＜(n₃-n₆)＜-0.0008

此处，n₁、n₂、n₃、n₄、n₅和n₆分别表示所述中心芯(1)、第一包层(2)和第二包层(3)、第一环形芯(4)和第二环形芯(5)以及外玻璃区(6)的折射率；

所述光纤的半径由下列方程限制：

                      a₁＝2.8μm

                      a₂＝4.3μm

                      a₃＝6.3μm

                      a₄＝8.0μm

                      a₅＝9.2μm

此处，a₁、a₂、a₃、a₄和a₅分别表示所述中心芯(1)、所述第一包层(2)和第二包层(3)、所述第一环形芯(4)和第二环形芯(5)的半径。

4.如权利要求3所述的色散位移光纤，其特征在于所述光纤的折射率值由下列方程限定：

                      n₁-n₆＝0.0071

                      n₄-n₆＝0.0015

                      n₅-n₆＝0.0013

                      n₂-n₆＝-0.0005

                  n₃-n₆＝-0.0012。

5.如权利要求1所述的色散位移光纤，其特征在于所述光纤在掺锗中心芯(1)和环形芯(4)之间为掺锗和氟材料的第一包层(2)和第二包层(3)。

6.如权利要求1所述的色散位移光纤，其特征在于所述的光纤的衰减≤0.22dB/km，偏振模式色散(PMD)≤0.08ps/km^0.5，模场直径(MFD)为8.3±0.6μm，截止波长为≤1280nm。

7.如权利要求1所述的色散位移光纤，其特征在于光纤在1530～1565nm之间的色散为2.5～6.0ps/nm.km，在1565～1625nm之间的色散为3.9～8.6ps/nm.km。

8.如权利要求1所述的色散位移光纤，其特征在于光纤的芯同心度为≤0.6μm，包层直径为125±1μm。

9.如权利要求1所述的色散位移光纤，其特征在于光纤的微弯损耗在1550nm处≤0.05dB，最大弯曲量损耗在1550nm处为≤0.5dB。

10.如权利要求3所述的色散位移光纤，其特征在于所述光纤在掺锗中心芯(1)和环形芯(4)之间为掺锗和氟材料的第一包层(2)和第二包层(3)。

11.如权利要求3所述的色散位移光纤，其特征在于所述的光纤的衰减≤0.22dB/km，偏振模式色散(PMD)≤0.08ps/km^0.5，模场直径(MFD)为8.3±0.6μm，截止波长为≤1450nm。

12.如权利要求3所述的色散位移光纤，其特征在于光纤在1530～1565nm之间的色散为1～6.0ps/nm.km，在1565～1625nm之间的色散为4～8.6ps/nm.km。

13.如权利要求3所述的色散位移光纤，其特征在于光纤的色散斜率为≤0.05ps/nm².km。

14.如权利要求3所述的色散位移光纤，其特征在于光纤的芯同心度为≤0.6μm，包层直径为125±1μm。

15.如权利要求3所述的色散位移光纤，其特征在于光纤的微弯损耗在1550nm处≤0.05dB，最大弯曲量损耗在1550nm处为≤0.5dB。

16.如权利要求11或12所述的色散位移光纤，其特征在于所述光纤的折射率值由下列方程限定：

                    n₁-n₆＝0.0071

                    n₄-n₆＝0.0015

                    n₅-n₆＝0.0013

                    n₂-n₆＝-0.0005

                    n₃-n₆＝-0.0012。

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