CN1266499A - 控制色散的光波导光纤 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了补偿光电信系统中补偿正色散的单模光波导光纤。本发明的关键特征在于新颖的色散补偿波导,即具有较大的负色散的波导,它不含诸如氟之类使硅的折射率降低的掺杂剂。一种折射率剖面设计,它包含由多个高(6,10,13)和低折射率交替的区段包围的高折射率中央区段(5),提供了待补偿系统所需的光学性质的色散补偿光纤,但是并不牺牲抗弯曲性,增加接头损耗或者提高极化模式色散。

Description

控制色散的光波导光纤

发明领域

本发明涉及包含多圈内芯设计的光波导光纤，它提供了较大的负色散。特别是，与包含要补偿链路的光波导光纤相比，在保持低弯曲损耗、低接头损耗和极化模式色散前提下实现较大的负色散。

背景技术

已经建立了许多工作在1300纳米波长窗口内的电信链路。通常情况下，为这种链路制造的波导设计成在1300纳米附近具有零色散以避免由于在较长的非再生链路上的色散引起的信号失真。最近研制出了能够工作在1550纳米附近波长窗口的波导。由于硅基波导在1550纳米窗口的衰减最小并且该窗口位于掺铒光放大器增益曲线中心，所以该窗口有一定的优势。实际上，对于典型的波导，1550纳米附近的衰减比在1300纳米处的衰减小60％。在1550纳米处在信噪比方面的较大增益和能够不借助再生器延长链路长度对于电信运营具有非常大的吸引力。

但是如果要将最初制造的工作在1300纳米的电信链路升级为包括1550纳米的运行，则必须克服零色散位置引起的色散恶化。由于将这些链路的波导设计为在1300纳米附近具有零色散，所以随着链路长度的增加，1550纳米处的色散急剧增大。1550纳米处的色散一般是15-20ps/nm-km。

克服1550纳米处色散恶化有两种对策：

采用线宽极窄的1550纳米激光器；或者

在链路内引入色散补偿波导光纤。

色散补偿波导光纤具有与要补偿的链路色散的符号相反的色散。例如1300纳米电信系统在1550纳米处的色散为18ps/nm-km。链路长度一般为60公里。因此对于该链路上1550纳米的工作，每纳米激光器线宽必须补偿1080ps以避免色散恶化。即使研制出线宽非常窄的分布反馈激光器，仍然需要相当的色散量来补偿远离零色散波长的工作波长。因此在采用线宽非常窄和发射带宽较宽的激光器，采用色散补偿波导光纤是有利的。

实现这些对策中的每一个的技术创新都是成熟的。在补偿波导对策的情况下，必须找到提供合适色散补偿量的波导内芯剖面。由于改变内芯折射率剖面以获得负(即补偿)色散改变了波导的其他性质，所以问题变得复杂化了。特别是，已经发现，与系统原先采用的波导光纤相比，负色散的波导光纤更容易发生弯曲损耗，极化模式色散更高，并且衰减增大。参见例如Antos等人的美国专利5,361,319。

因此电信业需要一种色散补偿波导光纤，它：

—是抗弯曲损耗的；

—具有高的负色散从而使补偿光纤长度较短；

—具有较小的衰减；

—与原先系统的波导相比，展现较小的接头损耗；以及

—具有较低的极化模式色散。

定义

—借助内芯沿径向的折射率定义内芯区域的半径或宽度。特定区域始于区域折射率特性开始处的点而结束于该区域折射率特性最后点。借助这些开始和结束点标识半径和宽度，除非文中另有说明。

—α折射率剖面为n＝n₀(1-Δ(r/a)^α)，这里n₀为α折射率剖面第一点处的折射率，Δ在下面定义，r为半径，而a为从α折射率剖面的第一到最后一点测量得到的半径，并且在α折射率剖面的第一点处选择r为零。

—折射率段宽度是从折射率段开始和结束处引出的两条垂直于折射率对半径图的水平轴的直线之间的距离。

—％折射率delta为％Δ＝[(n₁ ²-n_c ²)/2n₁ ²]×100，这里n₁为内芯折射率而n_c为夹层折射率。除非另有说明，n₁为由a％Δ表征的内芯区域的最大折射率。

—选择折射率的零基准作为玻璃夹层内的最小折射率。将在小于该最小值的内芯中的折射率区域指定为负值。

—由标准测试程序定义弯曲性质，其中测量了围绕芯轴绕制波导光纤而引起的衰减。标准测试要求的波导光纤性能为32毫米芯轴一匝和75毫米芯轴100匝。通常在1300纳米和1550纳米的工作窗口内定义允许的弯曲引起最大衰减。

发明内容

在本申请中的本发明无需使用氟即满足了高性能色散补偿光波导光纤的要求。

本发明的第一方面是色散补偿单模光波导光纤，其它包含被夹层包围的中央内芯区域。为了将这种结构制造成波导，内芯折射率至少有一部分必须大于在内芯区域附近并包围内芯区域的夹层的最大折射率。新颖的色散补偿波导的内芯区域至少包括五个区段，相对波导长轴对称的中央区段，以及至少四个相对中央区段对称地分层的环形区段。中央区段具有相对折射率Δ_c％，其范围在1.5％～3.5％之间。Δ_c％的上限取决于实际的掺杂能力和掺杂百分比增加引起的衰减。利用大于3.5％的中央相对折射率可以获得较大的负色散，但是为了获得这样的折射率而引入高掺杂剂水平通常是不现实的并且性能成本比也不高。比较好的Δ_c％范围是2％～3％。

相对折射率的大小全部为正数并且选择如下：中央相对折射率最大；对于用连续奇数标号的围绕区段或层，它在中央区段附近以标号1开始，其大小小于Δ_c％；对于用连续偶数标号的围绕区段或层，其大小小于Δ_c％但大于奇数标号的层。

中央区段用半径表征而连续的环形区段用宽度表征。波导结构的新颖性在于对相对折射率Δ_c％和环形区段中央半径与宽度的选择。特别是，如此地选择各Δ％和半径与宽度使得波导总色散比-85ps/nm-km更负。波导衰减取决于中央区段的相对折射率Δ_c％。对于接近2％的Δ_c％，就1520处于纳米-1600纳米波长范围内的波导的预选波段而言，其衰减小于0.55dB/km。选择的波长在1550纳米附近，它是电信的优选的工作波长。对于Δ_c％为2％左右的波导剖面，其平均衰减一般为0.46-0.48dB/km。当Δ_c％接近3％-3.5％时，衰减上限为1.5dB/km。但是Δ_c％剖面越高，则负色散越大，这意味着所需的补偿波导长度较短。新颖的色散补偿波导可以根据用于较长的小衰减波导还是用于较短的波导而裁剪，从而使波导有较大的负色散。

而且新颖波导的特征在于0.5dB的平均接头损耗和不超过0.025dB的弯曲损耗。接头损耗指的是补偿波导与在系统内待补偿波导之间的接头，通常待补偿波导是工业标准的阶跃折射率波导。抗弯曲性指的是定义部分所述的芯轴测试。

此外，极化模式色散与被补偿系统的波导的基本相同。因此可以预期极化模式色散为不大于0.5ps/km^1/2。

在上述任何实施例中，可以从α剖面、圆阶跃剖面或梯形剖面中选择各内芯区段的形状。较佳的形状是α＝0～6的α剖面或者圆阶跃剖面。其中α＝1～2是最好的剖面。

偶数环形区段或层的各Δ％’落在中央相对折射率Δ_c％的0.2-0.6范围内。如上所述，奇数区段的各Δ％’小于偶数区段的。本发明的一个特定实施例包含相对折射率平坦并接近零的奇数区段。

以下举例给出了5个区段内芯(4个环形区段)的详细实施例，其中整体内芯半径在12微米-18微米的范围内。

以下举例给出了7个区段内芯(即具有6个环形区段的一种)的详细实施例，其中整体内芯半径在15.5微米-23.5微米的范围内。

附图的简要说明

图1为示出中央区段和环形内芯层的新颖的折射率剖面的示意图。

图2为波导剖面的测量结果，其中某些内芯区段的折射率小于夹层折射率。

图3为3个区段剖面的折射率测量结果。

图4为5个区段剖面的折射率测量结果。

图5为7个区段剖面的折射率测量结果。

较佳实施例的说明

与标准单模光波导光纤相比，这里所述新颖的折射率剖面实现了较大负色散的目标而保持了较小的衰减、低接头损耗和弯曲损耗以及极化模式色散的优点。此外，较大负色散的实现无需求助于采用诸如氟之类使折射率小于硅的掺杂剂。使用氟增加了波导制造过程的工艺步骤。而且是如此发放置，使掺杂剂或浓度界面在波导的光载区域内。因此避免使用氟的工艺方便了制造工艺并节省了成本。

利用长度较短的补偿波导光纤为色散补偿提供了较大的负色散，因此限制了引入被补偿的系统的额外衰减。

图1示出了新颖折射率的一般剖面图，它是相对折射率对于波导半径的图。相对折射率剖面的主要特征是高折射率中央区段2、较低折射率的相邻环形区段4和多个用环6、10和13标识的较高折射率环。虚线曲线5、9和7示出了中央区段、低折射率区段和较高折射率区段的替换形状。水平轴区段12定义了环形区域的宽度。如下面实施例所示，可以方便地选定定义宽度的结束点为折射率斜率快速变化或从恒定值变化的点。沿水平轴(即Δ＝0直线)测量环形宽度。折射率剖面的另一主要特征是Δ％都不是负的，其中以硅作为基准折射率。因此获得新颖波导的优点无需求助于降低折射率的掺杂剂，它们一般较难注入和控制。即有利地避免了不需要的多个工艺步骤和在波导光载区域引入界面。

图2示出了现有技术色散补偿波导的测量折射率剖面。内芯折射率剖面的两个区域，中央区段14和环形区段18具有正的Δ％。两个较低折射率区段，环形区段16和20具有负的最小折射率，意味着两个区段包含较低折射率的掺杂剂。利用这种剖面设计可以获得比-70ps/nm-km更负的负色散。但是在由于环形区段18宽度和定位的部分，波导的弯曲和接头性能以及极化模式色散都不如标准的单模光纤。这种性能缺陷连同需要负的Δ％启发人们寻找其他剖面。

图3示出了三个区段剖面的测量结果。中央区段22与低折射率的环形区段23相邻，而它又依次与较高折射率环形环24相邻。该设计比图2简单并且环形区段24的宽度比图2的环形区段18窄，从而改进了弯曲和接头性能。但是发现色散约为-65ps/nm-km，这增加了色散补偿光纤长度并由此将较大的衰减引入色散补偿系统。

通过比较图4所示新颖的折射率剖面可见，色散比-85ps/nm-km更负。中央区段26具有在1.5-3.5％范围内的Δ％。

在Δ_c％为2％的实施例中，中央区段的半径28在2微米-3微米的范围内。内芯其他部分包含4个包围中央区段的环形区段30、32、34和36。各相对折射率遵循下列规则，Δ_c％＞Δ₂％≥Δ₄％＞Δ₁％≥Δ₃％＞≥0。对于Δ_c％为2％情况下的宽度，各环形区段的宽度W₁、W₂、W₃和W₄分别在2.4微米-3.6微米、1.6微米-2.4微米、0.8微米-1.2微米和1.6微米-2.4微米的范围内。在这种情况下，宽度被取为区段的开始和结束点，在点上折射率剖面斜率从常数值变化。图4示出了如直线38和40所示的宽度定义。总的内芯半径42介于12微米-18微米之间，它是中央半径、区段宽度和递减到夹层折射率的折射率之和。

由于Δ_c％趋向于上限3.5％，所以减少了中央区域半径。例如在Δ_c％＝3％时，中央区段的半径在1.2微米-1.8微米的范围内。其余区段宽度的变化不明显。环形区段32和36的各Δ％落在中心相对折射率Δ_c％的0.2-0.6的范围内。低折射率环形区段30和34的Δ％一般小于高折射率环形环形区段的20％并且选择为等于或接近于零是有利的。

图4所示的新颖的折射率剖面具有较大的负色散和较好的抗弯曲性和低接头损耗。此外，新颖波导的其他光学性质是适于用作色散补偿波导。较高的负色散使得可以利用较短的补偿波导来补偿电信链路的正色散。可能小于0.5dB/km的较低衰减(取决于波导补偿长度Δ_c％的选定)使得系统的信噪比可以接收而无需另外的信号再生器。

图5示出了新颖的折射率的7个区段实施例。在Δ_c％为2％的情况中，中央区段46具有在2微米-3微米范围内的半径44，并且图5中所示48、50、52、54、56和58的宽度W₁、W₂、W₃、W₄、W₅和W₆分别在2.9微米-4.4微米、1.25微米-1.90微米、0.75微米-1.10微米、0.9微米-1.35微米、0.9微米-1.35微米和1.65微米-1.10微米的范围内。如在5个区段实施例中那样定义这些宽度。总的内芯半径60介于15.70微米-23.50微米之间，它是中央半径、区段宽度和递减到夹层折射率的折射率之和。

包含7个区段46、62、64、66、68、70和72的内芯的各相对折射率遵循下列规则，Δ_c％＞Δ₂％≥Δ₄％≥Δ₆％＞Δ₁％≥Δ₃％≥Δ₅％≥0。由于Δ_c％趋向其于上限3.5％，所以减少了中央区段半径44。例如在Δ_c％＝3％时，中央区段的半径在1.2微米-1.8微米的范围内。与上述图4的实施例一样，其余区段宽度的变化不明显。三个高折射率环形区段64、68和72在中心折射率Δ_c％的0.2-0.6的范围内。低折射率环形区段62、66和68的Δ％一般处于高折射率环形环形区段的20％并且选择为等于或接近于零是有利的。

非常高的Δ％中心组成连同一组与中央区段相隔并且相互之间由低折射率区段相隔的高Δ％环形区段提供了意想不到的大的负色散和信号光的较好的限制，如良好的抗弯曲性所示。

其他不同寻常和有利的结果是：

—衰减较低；

—截止波长与原先系统兼容；

—接头损耗较低；以及

—相对于原先系统而言，极化模式色散没有变坏。

虽然揭示和描述了本发明的特定实施例，但是本发明毫无疑问由下列权利要求限定。

Claims (12)

1.一种色散补偿单模光波导光纤，其特征在于包含：

被夹层玻璃层包围和接触的中央内芯玻璃区域，至少一部分内芯玻璃区域的折射率大于夹层的最大折射率，中央内芯玻璃区域具有一定的中心、折射率剖面和半径，并且夹层玻璃层具有折射率剖面，

其中中央内芯区域的折射率剖面包含至少五个区段，

一个中央区段，它具有相对于内芯中心基本上对称分布的横截面区域和具有在1.5％到3.5％范围内的相对折射率Δ_c％，以及一定的半径，

j个包围中央区段的环形区段，从邻近中央区段的第一环形区段，在第一环形区段附近的第二环形区段，以及在第(j-1)个环形区段附近的第j个环形区段第二环形区段，从而构成具有一个中央区段和j个环形区段的内芯，各个环形区段具有沿Δ％＝0线测量的相对折射率Δ_j％和宽度W_j，这里j为大于等于4的整数；

其中对于所有的j值，Δ_c％＞Δ_j％≥0，并且j为偶数的Δ_j大于j为奇数的Δ_j；

其中选择各个相对折射率字数、中央区段半径和环形区段宽度以在预选波长上提供比-85ps/nm-km更负的色散。

2.如权利要求1所述的色散补偿单模波导，其特征在于就1520纳米-1600纳米波长范围的预选波段而言，衰减不超过约1.5dB/km，并且对于2％左右的Δ_c％，其衰减小于0.55dB/km，对于色散补偿波导与标准阶跃折射率单模电信波导光纤之间的接头，接头损耗平均为0.5dB。

3.如权利要求1所述的色散补偿单模波导，其特征在于j＝4并且各相对折射率为Δ_c％＞Δ₂％≥Δ₄％＞Δ₁％≥Δ₃％＞≥0，并且内芯半径在12微米-18微米的范围内。

4.如权利要求1所述的色散补偿单模波导，其特征在于j＝6并且各相对折射率为Δ_c％＞Δ₂％≥Δ₄％≥Δ₆％＞Δ₁％≥Δ₃％≥Δ₅％≥0，并且内芯半径在15.5微米-23.5微米的范围内。

5.如权利要求3或4所述的色散补偿单模波导，其特征在于区段包含每个具有一定形状的内芯，中央区段形状选自α剖面、圆阶跃剖面或梯形剖面。

6.如权利要求5所述的色散补偿单模波导，其特征在于α约在0～6的范围内。

7.如权利要求3所述的色散补偿单模波导，其特征在于环形区段1和3的剖面形状为水平线并且Δ₁％＝Δ₃％和Δ₁％接近0，而Δ₂％和Δ₄％的取值范围在Δ_c％的0.2-0.6倍的范围内。

8.如权利要求4所述的色散补偿单模波导，其特征在于环形区段1、3和5的剖面形状为水平线并且Δ₁％＝Δ₃％＝Δ₅％和Δ₁％接近0，而Δ₂％、Δ₄％和Δ₆％的取值在Δ_c％的0.2-0.6倍的范围内。

9.如权利要求3所述的色散补偿单模波导，其特征在于环形区段2和4的剖面形状选自包含α剖面、圆阶跃剖面或梯形剖面的组。

10.如权利要求4所述的色散补偿单模波导，其特征在于环形区段2、4和6的剖面形状选自包含α剖面、圆阶跃剖面或梯形剖面的组。

11.如权利要求7所述的色散补偿单模波导，其特征在于各环形区段的宽度W₁、W₂、W₃和W₄分别在2.4微米-3.6微米、1.6微米-2.4微米、0.8微米-1.2微米和1.6微米-2.4微米的范围内。

12.如权利要求8所述的色散补偿单模波导，其特征在于各环形宽度W₁、W₂、W₃、W₄、W₅和W₆分别在2.9微米-4.4微米、1.25微米-1.90微米、0.75微米-1.10微米、0.9微米-1.35微米、0.9微米-1.35微米和1.65微米-1.10微米的范围内。

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