專利名稱：非線性色散位移光纖，光信號處理設(shè)備和波長轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)生關(guān)于輸入光的非線性光學(xué)現(xiàn)象的非線性色散位移光纖，以及各自利用特定光纖的光信號處理設(shè)備和波長轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
光纖內(nèi)可以發(fā)生的非線性光學(xué)現(xiàn)象包括例如，四波混頻，自相位調(diào)制，交叉相位調(diào)制，和受激布里淵散射。若這些現(xiàn)象發(fā)生在光纖內(nèi)，則產(chǎn)生波長轉(zhuǎn)換，相位調(diào)制，散射等，從而增大噪聲分量或抑制輸入光的充分傳輸。在這樣的情況下，人們試圖在常規(guī)的傳輸光纖中盡可能多地排除這些非線性光學(xué)現(xiàn)象。
近年來，常規(guī)的概念發(fā)生了變化以便進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換和光信號處理，其中光信號的波長是從長波長一側(cè)轉(zhuǎn)換成短長波長一側(cè)，而利用非線性光學(xué)現(xiàn)象校正光信號波形畸變的波形校正。
然而，如上所述，由于人們在過去試圖盡可能多地排除非線性光學(xué)現(xiàn)象，就不可能得到這樣的光纖，該光纖適合于利用非線性光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行諸如波長轉(zhuǎn)換的光信號處理。
例如，重新公布的專利No.WO 99/10770公開了一種進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換的非線性光纖。然而，這種現(xiàn)有技術(shù)中公開的非線性光纖未必是充分的。例如，人們已經(jīng)清楚地知道，若試圖增大非線性，則調(diào)整色散是困難的，從而使制造光纖變得很困難。
此外，為了利用光纖的非線性光學(xué)現(xiàn)象，希望光纖在輸入光波長上有所需的色散值。具體地說，為了利用波長轉(zhuǎn)換，希望光纖在輸入光波長附近有零色散波長。然而，在涉及這樣的非線性光纖時，其中調(diào)整零色散波長是困難的，制造各不相同的多個不同種類的光纖是十分費(fèi)力的，這些光纖需要有對應(yīng)于輸入光波長的零色散波長，例如，用于進(jìn)行波長復(fù)用傳輸光的光信號處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)用型非線性色散位移光纖，它適合于利用非線性光學(xué)現(xiàn)象的波長轉(zhuǎn)換或光信號處理，且可以容易地制造這種光纖。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種利用上述光纖的光信號處理設(shè)備。
此外，本發(fā)明的另一個目的是提供一種利用上述光纖的波長轉(zhuǎn)換器。
按照本發(fā)明的第一方面，提供一種非線性色散位移光纖，其中波長為1550nm的色散等于利用非線性現(xiàn)象的光信號處理所要求的設(shè)定值，波長為1550nm的色散斜率落在0.001至0.1ps/nm2/km的范圍內(nèi)，波長為1550nm沿光纖縱向的色散起伏界限落在0.01至3ps/nm/km的范圍內(nèi)，和波長為1550nm的非線性常數(shù)n2/Aeff不小于15×10-10/W。
按照本發(fā)明的第二方面，提供一種非線性色散位移光纖，包括第一纖芯，其折射率大于包層的折射率；形成在第一纖芯周圍的第二纖芯，其折射率小于包層的折射率；和形成在第二纖芯周圍的包層，其折射率大致等于純石英的折射率，其中第一纖芯的外徑D1落在3至8μm的范圍內(nèi)，和第一纖芯的外徑D1與第二纖芯的外徑D2之比率D1/D2落在0.3至0.85的范圍內(nèi)。
按照本發(fā)明的第三方面，提供一種包括上述非線性色散位移光纖的光信號處理設(shè)備。
此外，按照本發(fā)明的第四個方面，提供一種包括上述非線性色散位移光纖的波長轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)將在以下的描述中給以說明，部分的目的和優(yōu)點(diǎn)在以下的描述中是顯而易見的，或可以通過本發(fā)明的實(shí)踐而獲得。借助于以下具體指出的儀器設(shè)備和組合，可以實(shí)現(xiàn)和獲得本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)。


合并于和構(gòu)成部分說明書的附圖描述本發(fā)明當(dāng)前幾個優(yōu)選實(shí)施例，這些附圖與以上的一般描述和以下給出優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述一起，用于解釋本發(fā)明的原理。
圖1A舉例說明按照本發(fā)明一個實(shí)施例的光纖折射率分布；圖1B是圖1A所示光纖的橫截面圖；圖2舉例說明按照本發(fā)明另一個實(shí)施例的光纖折射率分布；圖3是在改變第一纖芯直徑D1與第二纖芯直徑D2之比率D1/D2的情況下，色散斜率的起伏曲線圖；和圖4是泵浦光波長與轉(zhuǎn)換光功率之間關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
按照本發(fā)明第一方面的非線性色散位移光纖是這樣的，波長為1550nm的色散等于利用非線性現(xiàn)象的光信號處理所要求的設(shè)定值，波長為1550nm的色散斜率落在0.001至0.1ps/nm2/km的范圍內(nèi)，波長為1550nm沿光纖縱向的色散起伏界限落在0.01至3ps/nm/km的范圍內(nèi)，而波長為1550nm的非線性常數(shù)n2/Aeff不小于15×10-10/W。
這個說明書中所涉及的色散起伏界限表示利用測量裝置測得的色散起伏界限，該裝置測量光纖實(shí)際長度的整個長度上的色散分布。例如，利用Mollenauer所研究的系統(tǒng)中色散分布測量裝置，可以測量沿光纖縱向的色散分布。作為具體測量儀器的例子，Ando電器公司制造的色散分布測量儀器AQ7510，AQ7511和Advantest公司制造的色散OTDR Q8480。
在按照本發(fā)明第一個實(shí)施例的非線性色散位移光纖中，理想的是，色散斜率落在0.001至0.029ps/nm2/km的范圍內(nèi)。此外，理想的是，波長為1550nm沿光纖縱向的色散起伏界限落在0.3至3ps/nm/km的范圍內(nèi)。
在按照本發(fā)明第一個實(shí)施例的非線性色散位移光纖中，理想的是，截止波長不大于1350nm，而模場直徑不大于4.5μm。此外，理想的是，當(dāng)光纖的溫度改變10℃時，波長為1550nm的色散變化不大于0.006ps/nm/km。此外，理想的是，波長為1550nm的色散絕對值不大于6ps/nm/km。
理想的是，第一纖芯與包層之間的相對折射率差Δ1落在1.6至3％的范圍內(nèi)，而第二纖芯與包層之間的相對折射率差Δ2落在-1至-0.1％的范圍內(nèi)，更好的是在-1至-0.5％的范圍內(nèi)。此外，第一纖芯的折射率分布具有α指數(shù)分布的形狀，其中α等于或大于3.0。
上述相對折射率差Δ1和Δ2的定義是本說明書中以下給出的公式(1)和(2)。
Δ1＝{(nf-n0)/nf}×100 (1)Δ2＝{(ns-n0)/ns}×100 (2)其中nf代表第一纖芯部分中最大的折射率，ns代表第二纖芯部分中最小的折射率，而n0代表包層的折射率。
在本發(fā)明的光纖中，可以形成傳遞應(yīng)力的應(yīng)力傳遞機(jī)構(gòu)。還可以在本發(fā)明光纖中包含的包層周圍形成碳層或碳化硅層。
按照本發(fā)明第一方面的非線性色散位移光纖是這樣一種非線性色散位移光纖，該光纖在波長為1550nm附近的輸入光上產(chǎn)生非線性現(xiàn)象。按照本發(fā)明第一方面的非線性色散位移光纖的特征之一，波長為1550nm的色散斜率落在0.001至0.1ps/nm2/km的范圍內(nèi)。在色散斜率不大于0.1ps/nm2/km的情況下，如在本發(fā)明中，可以提供一種在波長為1550nm附近的不同波長上有很小波長色散值起伏的光纖，例如，利用單種光纖提供波長為1550nm附近的各個波長上有很小色散絕對值的光纖。
利用不顯著改變色散值的單根光纖，即使輸入光的波長發(fā)生改變，還可以利用在各個波長上的非線性現(xiàn)象進(jìn)行光信號處理。此外，在色散斜率不大于0.1ps/nm2/km的情況下，可以利用非線性光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行滿意的光信號處理。理想的是，色散斜率不小于0.001ps/nm2/km。色散斜率的確定要考慮光纖其他特性的平衡。若光纖在波長為1550nm附近有很小的色散絕對值和很小的模場直徑，而且若調(diào)整截止波長到1550nm附近時展示單模，則設(shè)計(jì)和制造色散斜率小于0.001ps/nm2/km的光纖是很困難的。
理想的是，色散斜率落在0.001至0.029ps/nm2/km的范圍內(nèi)，更好的是在0.001至0.019ps/nm2/km的范圍內(nèi)。
此外，理想的是，波長為1550nm沿光纖縱向的色散起伏界限落在0.01至3ps/nm/km的范圍內(nèi)。在沿光纖縱向的色散起伏界限落不大于3ps/nm/km的情況下，可以利用非非線性光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行滿意的光信號處理。此外，在沿光纖縱向的色散起伏界限落不大于3ps/nm/km的情況下，當(dāng)通過切割光纖而分割光纖時，光纖中任何部分中色散差是很小的。此外，由于色散斜率很小，可以得到這樣的優(yōu)點(diǎn)，即使被分割的光纖用于輸入1550nm附近的各個波長的光，色散值的差也很小。
另一方面，為了使沿光纖縱向的色散起伏界限落小于0.01ps/nm/km，要求得到沿光纖縱向有高度均勻性的光纖。應(yīng)當(dāng)注意，在有小的纖芯直徑和增大的纖芯相對折射率差Δ以減小模場直徑的非線性色散位移光纖中，抑制沿縱向的色散起伏到小于0.01ps/nm/km的值是非常困難的。由此可見，不可避免地需要量制造大量的光纖并從制造的光纖中選取纖芯直徑變化小的滿意部分，當(dāng)然，在此情況下的生產(chǎn)率是很低的。
例如，在具有以下引用的例2的結(jié)構(gòu)的光纖中，為了抑制沿光纖縱向的色散起伏到不大于0.01ps/nm/km的值，需要抑制第一纖芯直徑的變化到不大于0.01％的值。當(dāng)然，這個生產(chǎn)率是很低的。
如上所述，要求波長為1550nm的色散斜率落在0.001至0.1ps/nm2/km的范圍內(nèi)。還要求波長為1550nm沿光纖縱向的色散起伏界限落落在0.01至3ps/nm/km。只有在這兩個要求同時得到滿足的情況下，才可以利用1550nm附近的各個波長的非線性光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行滿意的光信號處理和滿意地制造非線性色散位移光纖。此外，還可以提高總的價格性能比。
此外，理想的是，波長為1550nm沿光纖縱向的色散起伏界限落在0.3至3ps/nm/km的范圍內(nèi)。若沿光纖縱向的色散起伏界限不小于0.3ps/nm/km，則可以擴(kuò)大沿光纖縱向的纖芯直徑的變化范圍。因此，可以進(jìn)一步提高生產(chǎn)率。此外，在利用非線性光學(xué)現(xiàn)象的信號處理中，而不是利用四波混頻的波長轉(zhuǎn)換，則沿光纖縱向的色散起伏界限落在0.3至3ps/nm/km的范圍內(nèi)是足夠的。
若光纖長度不大于5km，可以使沿光纖縱向的色散起伏界限落在0.01至0.2ps/nm/km的范圍內(nèi)。在光纖長度不大于5km的情況下，即使設(shè)定的色散起伏界限不超過0.2ps/nm/km，生產(chǎn)率也不會降低。此外，若色散起伏界限不超過0.2ps/nm/km，則可以利用四波混頻滿意地進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換。
此外，理想的是，截止波長不大于1350nm。在截止波長不大于1350nm的情況下，可以在包括S波段和C波段的整個寬波段上使用該光纖。
例如，理想的是構(gòu)造這樣的光纖，折射率小于包層折射率的第二纖芯安排成圍繞第一纖芯的周圍，而第一纖芯的外徑D1與第二纖芯的外徑D2之比率D1/D2和色散絕對值設(shè)定在預(yù)定的范圍內(nèi)。在按照上述構(gòu)造光纖的情況下，可以同時得到不大于1350nm的低截止波長，不小于15×10-10/W的高非線性常數(shù)，和不大于0.029ps/nm2/km的低色散斜率。
理想的是，模場直徑不大于4.5μm。若模場直徑設(shè)置成不大于4.5μm，則可以得到高的非線性常數(shù)。為了增大n2/Aeff表示的非線性常數(shù)，就需要增大非線性折射率n2或減小有效纖芯面積Aeff。順便說一下，有效纖芯面積Aeff與模場直徑之間有正相關(guān)。
通過設(shè)定模場直徑到不大于4.5μm的值，可以得到高的非線性常數(shù)。通過增大纖芯與包層之間的相對折射率差，可以得到小的模場直徑。然而，若單單地增大纖芯與包層之間的相對折射率差，則截止波長就移向長波長一側(cè)，從而很難保證在整個寬波段上是單模傳輸。另一方面，例如，在采用按照權(quán)利要求6中結(jié)構(gòu)的情況下，可以同時得到小模場直徑和低截止波長。
此外，理想的是，當(dāng)光纖的溫度改變10℃時，波長為1550nm的色散變化不大于0.006ps/nm/km。例如，在利用四波混頻進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換時，若泵浦光的波長與光纖的零色散波長一致，則轉(zhuǎn)換效率為最大。然而，若泵浦光的波長偏離光纖的零色散波長，即使是微小的偏離，則轉(zhuǎn)換效率就降低。若光纖的色散特性隨溫度而變化，則產(chǎn)生這樣一個問題，轉(zhuǎn)換效率因環(huán)境溫度而變得不穩(wěn)定。
在波長為1550nm的色散變化不大于0.006ps/nm/km的情況下，當(dāng)光纖的溫度改變10℃時，在實(shí)際的溫度范圍內(nèi)可以得到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換效率。如上所述，折射率低于包層折射率的第二纖芯形成在第一纖芯的周圍。在本發(fā)明中，第一纖芯的外徑D1與第一纖芯的外徑D2的比率D1/D2和色散絕對值設(shè)置在預(yù)定的范圍內(nèi)。此外，相對折射率差Δ1和相對折射率差Δ2設(shè)置在預(yù)定的范圍內(nèi)。理想的是構(gòu)造以上描述的光纖，因?yàn)檫@種特定結(jié)構(gòu)可以方便制造這樣的光纖，當(dāng)光纖的溫度改變10℃時，可以抑制波長為1550nm的色散變化到等于或小于0.006ps/nm/km的值。
按照本發(fā)明第二方面的非線性色散位移光纖，包括第一纖芯，其折射率大于包層的折射率；形成在所述第一纖芯周圍的第二纖芯，其折射率小于包層的折射率；和形成在所述第二纖芯周圍的包層，其折射率大致等于純石英的折射率，其中所述第一纖芯的外徑D1落在3至8μm的范圍內(nèi)，而所述第一纖芯的外徑D1與所述第二纖芯的外徑D2之比率D1/D2落在0.3至0.85的范圍內(nèi)。
在按照本發(fā)明第二方面的非線性色散位移光纖中，理想的是，第一纖芯的外徑D1與第二纖芯的外徑D2之比率D1/D2落在0.3至0.80的范圍內(nèi)。理想的是，波長為1550nm的色散絕對值不大于6ps/nm/km。
此外，理想的是，第一纖芯與包層之間的相對折射率差Δ1落在1.6至3％的范圍內(nèi)，而第二纖芯與包層之間的相對折射率差Δ2落在-1至0.1％的范圍內(nèi)，更好的是在-1至-0.5％的范圍內(nèi)。
此外，理想的是，第一纖芯的折射率分布具有α指數(shù)分布的形狀，其中α等于或大于3.0。此外，該光纖可以包括傳遞應(yīng)力到光纖的應(yīng)力傳遞機(jī)構(gòu)和形成在光纖中包層周圍的碳層或碳化硅層，如按照本發(fā)明第一方面的光纖。
現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明的幾個實(shí)施例。
圖1A舉例說明按照本發(fā)明一個實(shí)施例的光纖折射率分布。如圖1A所示，按照本發(fā)明一個實(shí)施例的光纖包括第一纖芯1，其折射率大于包層3的折射率；形成在第一纖芯1周圍的第二纖芯2，其折射率小于包層3的折射率；和形成在第二纖芯2周圍的包層3，其折射率等于或接近于純石英的折射率。
圖2舉例說明按照本發(fā)明另一個實(shí)施例的光纖折射率分布。如圖2所示，在按照這個實(shí)施例的光纖中，省略了圖1A中所示的第二纖芯2，為了使包層直接形成在第一纖芯1的周圍。應(yīng)當(dāng)注意，按照圖1A所示實(shí)施例的光纖比按照圖2所示實(shí)施例的光纖更理想，因?yàn)?，若光纖的折射率分布是圖1A所示的W型，則可以容易地得到有高度非線性和低色散斜率的光纖，從而可以擴(kuò)大光纖中第一纖芯外徑和第二纖芯外徑的設(shè)計(jì)范圍。
順便說一下，可以按照如下方法確定圖1A和圖2中所示的第一纖芯直徑D1和第二纖芯直徑D2。
應(yīng)當(dāng)注意，圖1A所示的第一纖芯直徑D1等于第一纖芯1中那個部分的外徑，該部分有與包層3相同的折射率。此外，第二纖芯直徑D2等于第二纖芯2與包層3之間邊界區(qū)域中那個部分的外徑，該部分的折射率為Δ2/10。此外，圖2所示的纖芯直徑D1等于第一纖芯部分1中那個部分的外徑，該部分的折射率為Δ1/10。
第一纖芯1是由摻鍺石英玻璃制成，第二纖芯2是由摻氟石英玻璃制成，而包層3是由純石英制成。第一纖芯的外徑D1落在3至8μm的范圍內(nèi)。此外，在圖1A所示的結(jié)構(gòu)中，第一纖芯的外徑D1與第二纖芯的外徑D2之比率落在0.3至0.85的范圍內(nèi)，最好是在0.3至0.80的范圍內(nèi)。在此情況下，理想的是，波長為1550nm的色散絕對值不大于6ps/nm/km。
在上述的實(shí)施例中，理想的是，第一纖芯與包層之間的相對折射率差Δ1落在1.6至3％的范圍內(nèi)，更好的是在1.8至2.9％的范圍內(nèi)。此外，在圖1A所示的結(jié)構(gòu)中，理想的是，第二纖芯與包層之間的相對折射率差Δ2落在-1至-0.1％的范圍內(nèi)，更好的是在-1至-0.5％的范圍內(nèi)。
第一纖芯的折射率分布可以具有α指數(shù)分布的形狀，其中α等于或大于3.0，最好是α等于或大于4.0。此外，理想的是，波長為1550nm的非線性常數(shù)不小于15×10-10/W。
圖1B舉例說明圖1A所示光纖的橫截面圖。如圖1B所示，傳遞應(yīng)力的應(yīng)力傳遞部分4掩埋在包層3中。應(yīng)力傳遞部分4是由包含B2O3的石英玻璃制成，它安排在兩側(cè)而使第一纖芯1和第二纖芯2插入在中間。
非線性光學(xué)現(xiàn)象受偏振狀態(tài)的影響很大。所以，為了利用非線性光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行滿意的光信號處理，理想的是使用具有保偏功能的光纖。在此情況下，應(yīng)力傳遞部分制成在按照這個實(shí)施例的光纖中，為的是提供一段保偏光纖。
此外，如圖1B所示，基本上由碳或碳化硅構(gòu)成的保護(hù)層5形成在包層3的周圍。保護(hù)層5的功能是作為密封涂層，即使光纖長時間曝露在水或高濕度的環(huán)境中，它可以抑制疲勞的發(fā)展和避免水的滲透。
此外，在按照這個實(shí)施例的光纖中，波長為1550nm的色散斜率落在0.001至0.1ps/nm2/km的范圍內(nèi)，最好是在0.001至0.029ps/nm2/km的范圍內(nèi)，更好的是在0.001至0.019ps/nm2/km的范圍內(nèi)，而波長為1550nm沿光纖縱向的色散起伏界限落在0.01至3ps/nm/km的范圍內(nèi)，最好是在0.3至3ps/nm/km的范圍內(nèi)。
順便說一下，當(dāng)使用的波長下具有所需的色散值時，可以提高利用非線性現(xiàn)象的光信號處理的處理效率。例如，在利用四波混頻的波長轉(zhuǎn)換中，泵浦光波長是零色散波長是最佳的。另一方面，在稱之為光2R和光3R的波形整形中，理想的色散與使用的具體系統(tǒng)有關(guān)。順便說一下，“光2R”代表“再生”和“重新整型”，而“光3R”代表光2R和“再定時”。
非線性相位偏移ΦNL表示非線性特征的參數(shù)，它是由以下給出的公式(3)表示ΦNL＝(2/λ)·n2/Aeff)·I/Leff(3)其中n2代表非線性折射率，Aeff代表有效纖芯面積，I代表光強(qiáng)，而Leff代表光纖有效長度。
從以上給出的公式(3)可以看出，若光纖很長，則可以獲得高的非線性功能。然而，在使用長光纖的情況下，利用非線性現(xiàn)象的光信號處理設(shè)備內(nèi)的非線性光纖內(nèi)部體積就增大，要使利用非線性現(xiàn)象的光信號處理設(shè)備體積減小是困難的。由此可見，即使光纖做得盡可能的短，仍要求利用非線性現(xiàn)象的光信號處理設(shè)備中使用的非線性光纖具有高度非線性。換句話說，以上給出的公式(3)指出，n2/Aeff的值(非線性常數(shù))應(yīng)當(dāng)盡可能地大。非線性折射率n2是由材料確定的。關(guān)于光纖的結(jié)構(gòu)，則要求Aeff的值盡可能地小。應(yīng)當(dāng)注意，有效纖芯面積Aeff與模場直徑之間有正相關(guān)。
由此可見，為了得到有高度非線性的光纖，要求該光纖具有小模場直徑的結(jié)構(gòu)。還要求所用波長的色散絕對值很小。此外，在單模光纖中，要求截止波長相對于使用的波長是短的。
考慮到上述的情況，按照本發(fā)明一個實(shí)施例的光纖是圖1A所示的W型折射率分布，而按照本發(fā)明另一個實(shí)施例的光纖是圖2所示的單脊型折射率分布。
理想的是，第一纖芯的外徑D1落在3至8μm的范圍內(nèi)。在利用硅基玻璃的情況下，可以減小波長為1550nm的色散絕對值的第一纖芯直徑落在纖芯直徑小于3μm的第一范圍內(nèi)或纖芯直徑為3至8μm的第二范圍內(nèi)。然而，在纖芯直徑小于3μm的第一范圍內(nèi)，即使纖芯直徑改變很小而使色散值的變化很大，要得到沿光纖縱向有高度均勻色散的光纖是困難的。此外，截止波長超過1550nm。當(dāng)然，第一纖芯直徑落在纖芯直徑小于3μm的第一范圍內(nèi)是不可取的。
理想的是，第一纖芯的外徑D1與第二纖芯的外徑D2之比率D1/D2落在0.3至0.85的范圍內(nèi)，更好的是在0.3至0.80的范圍內(nèi)。在比率D1/D2落在上述范圍內(nèi)的情況下，可以減小波長為1550nm的色散絕對值，與此同時，可以減小波長為1550nm的色散斜率。
此外，理想的是，第一纖芯與包層之間的相對折射率差Δ1落在1.6至3％的范圍內(nèi)，而第二纖芯與包層之間的相對折射率差Δ2落在-0.1至-1％的范圍內(nèi)。
在第一纖芯與包層之間的相對折射率差Δ1小于1.6％的情況下，模場直徑是很大的。因此，非線性就降低。另一方面，在上述的相對折射率差Δ1超過3％的情況下，截止波長超過1550nm，其結(jié)果是要考慮到截止波長，使該光纖可以在單模下工作。因此，生產(chǎn)率是很低的。此外，為了減小波長為1550nm的色散絕對值，使第一纖芯的外徑做得非常小。因此，纖芯直徑的很小改變就使色散發(fā)生很大的變化。由此可見，得到沿光纖縱向有高度均勻色散的光纖是困難的。
更理想的是，上述的相對折射率差Δ1落在1.8至2.9％的范圍內(nèi)。在相對折射率差Δ1落在上述范圍內(nèi)的情況下，可以制造沿光纖縱向有高度非線性和高度均勻色散的光纖。
若第二纖芯與包層之間的相對折射率差Δ2大于-0.1％，則為了減小波長為1550nm的色散絕對值，就需要使色散斜率做得很小，而設(shè)計(jì)這樣的光纖是困難的。另一方面，若上述的相對折射率差Δ2小于-1％，則需要給光纖摻以大量的氟，制造這樣的光纖是困難的。
更理想的是，相對折射率差Δ2落在-1至-0.5％的范圍內(nèi)。若相對折射率差Δ2落在上述的范圍內(nèi)，則能夠獲得低色散斜率并且容易制造光纖。
此外，相對折射率差Δ2落在-1.2至-0.9％的范圍內(nèi)，即使相對折射率差Δ1很大，仍可以使截止波長較短和色散斜率較低。在含氟的加壓(puressurised)氣氛下，通過燒結(jié)用汽相沉積方法制成的SiO2炭黑體，可以得到相對折射率差Δ2不大于-0.9％的光纖預(yù)制件。
此外，理想的是，第一纖芯與純石英之間的相對折射率差Δs1落在1.6至3％的范圍內(nèi)，第二纖芯與純石英之間的相對折射率差Δs2落在-1.2至-0.9％的范圍內(nèi)，和包層與純石英之間的相對折射率差Δs3落在-0.7至-0.1％的范圍內(nèi)。在本說明書中，相對折射率差Δs1，Δs2和Δs3的定義是由以下公式(4)，(5)和(6)給出的Δs1＝{(nf-np)/nf}×100 (4)Δs2＝{(ns-np)/ns}×100 (5)Δs1＝{(n0-np)/n0}×100 (6)其中np代表純石英的折射率。
還應(yīng)當(dāng)注意，在非線性常數(shù)n2/Aeff不小于15×10-10/W的情況下，可以獲得高度非線性。
例子表1和表2說明利用模擬計(jì)算波導(dǎo)特征得到的設(shè)計(jì)值與非線性色散位移光纖的各個樣本(例1至例6和比較例子1至4)特征值之間的關(guān)系。
表3和表4說明例1，2，7至10中實(shí)驗(yàn)制造得到的折射率分布和特征值。表3和表4中所示例1和例2的折射率分布和特征值是根據(jù)表1中所示例1和例2的設(shè)計(jì)值而實(shí)際制造的光纖所得到的。
例1，2，4至7，9，10和比較例子1至3中的每個例子是指包含第一纖芯，第二纖芯和包層并具有圖1A所示折射率分布的光纖。另一方面，例3，8和比較例子4中的每個例子是指包含單個纖芯和包層并具有圖2所示折射率分布的光纖。
從表1和表2中可以看出，例1至例6中每個例子的光纖在波長為1550nm下有很小的色散絕對值，很小的色散斜率和很小的模場直徑。此外，從表3和表4中可以看出，上述結(jié)果也適用于例7至例10中的情況。
在色散斜率很小的情況下，可以利用非線性進(jìn)行滿意的信號處理，還可以處理1550nm附近的各個波長。此外，在模場直徑很小的情況下，可以提高非線性以提供極好的光纖。
1550nm處的色散與纖芯直徑有關(guān)。即使利用比較例子4中光纖的纖芯直徑，確實(shí)可以減小色散絕對值。然而，非線性的減小是因?yàn)槟鲋睆酱?。此外，通過表1和表2中比較例子1與比較例子3之間的比較，可以看出色散發(fā)生很大的變化，即，通過改變第一纖芯直徑約0.1μm，色散的變化約為20ps/nm/km，從而使得到這樣的光纖是困難的，其中沿光纖縱向的色散起伏界限不大于3ps/nm/km。
另一方面，表1和表2中的例1與例5之間的比較支持這樣的觀點(diǎn)，即使第一纖芯直徑改變約0.1μm，而色散的變化僅僅約2ps/nm/km；若第一纖芯直徑不小于3μm，即使沿光纖縱向的纖芯直徑略微改變，仍可以得到沿光纖縱向有高度均勻色散的光纖。
此外，表1和表2中的例1與例3之間的比較支持這樣的觀點(diǎn)，采用W型分布的例1中光纖優(yōu)于例3中單脊型的光纖，例1中光纖的色散斜率和截止波長小于例3中光纖的色散斜率和截止波長。
圖3是有例1和例2結(jié)構(gòu)的光纖中色散斜率變化與比率Da變化的關(guān)系曲線，Da是第一纖芯直徑D1與第二纖芯直徑D2的比率D1/D2。在圖3中，調(diào)整第一纖芯直徑D1和第二纖芯直徑D2，使波長為1550nm的色散為零。
可以減小波長為1550nm處色散絕對值的第一纖芯直徑落在纖芯直徑不大于3μm的第一范圍和纖芯直徑在3至8μm范圍內(nèi)的第二范圍。圖3所示的斜率曲線覆蓋這樣的情況，其中波長為1550nm的色散在第二范圍內(nèi)變成零，第二范圍是第一纖芯直徑落在3至8μm的范圍。
在圖3中，曲線“a”覆蓋有例2中結(jié)構(gòu)的光纖，而曲線“b”覆蓋有例1中結(jié)構(gòu)的光纖。從圖3中可以看出，若比率Da超過0.8，則設(shè)置色散小的色散斜率就增大。很清楚，理想的是比率Da不大于0.8。圖3的曲線還說明，若比率Da小于0.3，則設(shè)置色散小的色散斜率就增大，因此，支持這樣的觀點(diǎn)，比率Da最好不小于0.3。
在光纖有圖1A所示的折射率分布和比率Da設(shè)置成落在0.3至0.8的范圍內(nèi)的情況下，其中D1的值設(shè)置成落在3至8μm范圍內(nèi)，比率Da就是比率D1/D2，可以使波長為1550nm的色散是零，并可以使這個波長下的色散斜率不大于0.035ps/nm2/km。
基于表1中所示例1和例2的設(shè)計(jì)值而實(shí)際制造的光纖，得到表3和表4中所示例1和例2的折射率分布和特征值。此外，還得到表3和表4中所示例9和例10的實(shí)際制造光纖的折射率分布和特征值。在得到的例1光纖中，色散斜率為0.016ps/nm2/km；在得到的例2光纖中，色散斜率為0.022ps/nm2/km；在得到的例9光纖中，色散斜率為0.010ps/nm2/km；而在得到的例10光纖中，色散斜率為0.014ps/nm2/km。得到的其他光纖的特征與利用模擬結(jié)果得到的值基本相同。
實(shí)際制得的光纖色散斜率比模擬結(jié)果得到的值約小0.006ps/nm2/km。應(yīng)當(dāng)注意，在光纖具有圖1A所示的折射率分布以及D1的值和比率Da，即，比率D1/D2，設(shè)置成落在上述范圍內(nèi)的情況下，可以使波長為1550nm的色散為零，還可以使這個波長下的色散斜率不大于0.029ps/nm2/km。
順便說一下，模擬結(jié)果得到的值與實(shí)際制造結(jié)果得到的值略有不同。應(yīng)當(dāng)注意，在利用光纖牽引方法實(shí)際制造的光纖中，由于摻雜成分的擴(kuò)散，折射率分布與設(shè)計(jì)值略有不同。此外，在軟化溫度和軟化狀態(tài)下粘度方面，摻有鍺或氟的第一纖芯和第二纖芯不同于利用純石英或近乎純石英材料制成的包層。所以，在光纖牽引步驟中產(chǎn)生應(yīng)變的固化速率方面，第一纖芯和第二纖芯不同于包層。有充分的理由可以明白，應(yīng)變的產(chǎn)生影響實(shí)際制成光纖的特征。
對于制成的光纖，測量沿光纖縱向的色散分布。我們發(fā)現(xiàn)，例1中光纖的色散起伏界限約為0.7ps/nm/km，而例2中光纖的色散起伏界限約為2.0ps/nm/km。此外，利用制造光纖的XPM方法，測量標(biāo)志非線性的數(shù)值n2/Aeff.在表4中，我們發(fā)現(xiàn)制成的光纖具有高度非線性，即，例1中的光纖約為33×10-10/W，例2中的光纖約為40×10-10/W，例9中的光纖約為55×10-10/W，而例10中的光纖約為62×10-10/W。
此外，對有圖1A所示折射率分布的例7中制成光纖和有圖2所示單脊型折射率分布的例8中制成光纖進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換測試。圖4是展示該結(jié)果的曲線圖。
如圖4所示，我們發(fā)現(xiàn)，有小色散斜率的例7中光纖具有較寬的泵浦光波長(λpump)容差，該容差約為例8中光纖的兩倍。這種情況支持這樣的觀點(diǎn)，小色散斜率是有用的，且圖1A所示的折射率分布結(jié)構(gòu)是極好的。順便說一下，圖4中的曲線“c”表示例7中光纖的波長轉(zhuǎn)換測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而曲線“d”表示例8中光纖的波長轉(zhuǎn)換測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
波長轉(zhuǎn)換測試是這樣進(jìn)行的，輸入泵浦光和信號光到試制過程制成的光纖中，以便測量轉(zhuǎn)換光的功率。在保持泵浦光波長(λpump)與信號光波長之差恒定的情況下，改變這兩個光的波長。若泵浦光波長設(shè)置在零色散波長λ0±3nm的范圍內(nèi)，則轉(zhuǎn)換光的功率是在最大的范圍內(nèi)。
如上所述，當(dāng)泵浦光的波長(λpump)與本發(fā)明光纖的零色散波長(λ0)一致時，或當(dāng)泵浦光的波長(λpump)落在零色散波長λ0+3nm的范圍內(nèi)時，可以獲得最有效的波長轉(zhuǎn)換。
此外，基于泵浦光波長(λpump)與零色散波長(λ0)之差的增大，轉(zhuǎn)換光的功率往往就降低。然而，在利用按照本發(fā)明例子中光纖的情況下，即使泵浦光的波長(λpump)與光纖的零色散波長(λ0)不同，轉(zhuǎn)換光的功率并不急劇地減小。換句話說，按照本發(fā)明例子中的光纖具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，可以擴(kuò)大泵浦光波長(λpump)的設(shè)定范圍(泵浦光波長的容差)，在此范圍內(nèi)，可以得到至少有預(yù)定功率的轉(zhuǎn)換光。具體地說，最好使用色散斜率在0.001至0.029ps/nm2/km范圍內(nèi)的光纖，因?yàn)樵诶锰囟ü饫w的情況下，泵浦光波長(λpump)的設(shè)定范圍可以擴(kuò)大。
表2還表示色散與溫度之間的關(guān)系，其中測量例7和例8中的試制光纖在0℃至40℃范圍內(nèi)波長為1550nm的色散。如表2所示，在采用圖1A所示折射率分布結(jié)構(gòu)的情況下，即使溫度發(fā)生變化，仍可以得到色散變化很小的光纖。
表2

表3

表4

如以上詳細(xì)描述的，按照本發(fā)明的非線性色散位移光纖，可以利用1550nm附近的各個波長的非線性現(xiàn)象進(jìn)行極好的光信號處理。此外，本發(fā)明在光纖的制造能力方面是極好的，因此，在工業(yè)上是非常有用的。例如，通過分割單根光纖，可以利用1550nm附近各個波長的非線性現(xiàn)象進(jìn)行極好的光信號處理。
此外，配置本發(fā)明非線性色散位移光纖的光信號處理設(shè)備在利用非線性現(xiàn)象的光信號處理方面是極好的。而且，配置本發(fā)明非線性色散位移光纖的波長轉(zhuǎn)換器在利用非線性現(xiàn)象的波長轉(zhuǎn)換方面是極好的。
本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員可以知道其他的優(yōu)點(diǎn)和變動。所以，在廣義上，本發(fā)明不局限于此處展示和描述的具體細(xì)節(jié)和代表性實(shí)施例。因此，在不偏離所附權(quán)利要求書及相關(guān)內(nèi)容確定的總發(fā)明概念的精神或范圍的條件下，可以進(jìn)行各種變動。
權(quán)利要求
1.一種非線性色散位移光纖，其中波長為1550nm的色散等于利用非線性現(xiàn)象的光信號處理所要求的設(shè)定值，波長為1550nm的色散斜率落在0.001至0.1ps/nm2/km的范圍內(nèi)，波長為1550nm沿光纖縱向的色散起伏界限落在0.01至3ps/nm/km的范圍內(nèi)，而波長為1550nm的非線性常數(shù)n2/Aeff不小于15×10-10/W。
2.按照權(quán)利要求1的非線性色散位移光纖，其特征是，波長為1550nm的色散斜率落在0.001至0.029ps/nm2/km的范圍內(nèi)。
3.按照權(quán)利要求1的非線性色散位移光纖，其特征是，波長為1550nm的色散斜率落在0.001至0.019ps/nm2/km的范圍內(nèi)。
4.按照權(quán)利要求1的非線性色散位移光纖，其特征是，光纖長度在5km內(nèi)沿光纖縱向的色散起伏界限落在0.01至0.2 ps/nm/km的范圍內(nèi)。
5.按照權(quán)利要求1的非線性色散位移光纖，其特征是，截止波長不大于1350nm，而模場直徑不大于4.5μm。
6.按照權(quán)利要求1的非線性色散位移光纖，其中當(dāng)溫度改變10℃時，波長為1550nm的色散變化不大于0.006ps/nm/km/10℃。
7.按照權(quán)利要求1的非線性色散位移光纖，其特征是，包括第一纖芯(1)，其折射率大于包層(3)的折射率；形成在所述第一纖芯(1)周圍的第二纖芯(2)，其折射率小于包層(3)的折射率；和形成在所述第二纖芯(2)周圍的包層(3)，其折射率大致等于純石英的折射率，其中所述第一纖芯(1)的外徑D1落在3至8μm的范圍內(nèi)，而所述第一纖芯(1)的外徑D1與所述第二纖芯(2)的外徑D2之比率D1/D2落在0.3至0.85的范圍內(nèi)。
8.按照權(quán)利要求7的非線性色散位移光纖，其特征是，所述第一纖芯(1)的折射率分布具有α指數(shù)分布的形狀，其中α不小于3.0。
9.按照權(quán)利要求7的非線性色散位移光纖，其特征是，所述第一纖芯(1)的外徑D1與所述第二纖芯(2)的外徑D2之比率D1/D2落在0.3至0.8的范圍內(nèi)。
10.按照權(quán)利要求9的非線性色散位移光纖，其特征是，所述第一纖芯(1)的折射率分布具有α指數(shù)分布的形狀，其中α不小于3.0。
11.按照權(quán)利要求7的非線性色散位移光纖，其特征是，波長為1550nm的色散絕對值不大于10ps/nm/km。
12.按照權(quán)利要求11的非線性色散位移光纖，其特征是，波長為1550nm的色散絕對值不大于6ps/nm/km。
13.按照權(quán)利要求7的非線性色散位移光纖，其特征是，所述第一纖芯(1)與包層(3)之間的相對折射率差Δ1落在1.6至3％的范圍內(nèi)，而所述第二纖芯(2)與包層(3)之間的相對折射率差Δ2落在-1至-0.1％的范圍內(nèi)。
14.按照權(quán)利要求13的非線性色散位移光纖，其特征是，所述第二纖芯(2)與包層(3)之間的相對折射率差Δ2落在-1至-0.5％的范圍內(nèi)。
15.按照權(quán)利要求14的非線性色散位移光纖，其特征是，所述第一纖芯(1)的折射率分布具有α指數(shù)分布的形狀，其中α不小于3.0。
16.按照權(quán)利要求7的非線性色散位移光纖，其特征是，所述第一纖芯(1)與純石英之間的相對折射率差Δs1落在1.6至3％的范圍內(nèi)，而所述第二纖芯(2)與純石英之間的相對折射率差Δs2落在-1.2至-0.9％的范圍內(nèi)。
17.按照權(quán)利要求16的非線性色散位移光纖，其特征是，所述包層(3)與純石英之間的相對折射率差Δs3落在-0.7至-0.1％的范圍內(nèi)。
18.按照權(quán)利要求17的非線性色散位移光纖，其特征是，所述第一纖芯(1)的折射率分布具有α指數(shù)分布的形狀，其中α不小于3.0。
19.按照權(quán)利要求16的非線性色散位移光纖，其特征是，在含氟的加壓氣氛下，通過燒結(jié)用汽相沉積方法制成的SiO2炭黑體，可以得到該光纖的光纖預(yù)制件的第二纖芯(2)。
20.按照權(quán)利要求1的非線性色散位移光纖，其特征是，還包括應(yīng)力傳遞結(jié)構(gòu)(4)，用于傳遞應(yīng)力給光纖。
21.按照權(quán)利要求1的非線性色散位移光纖，包括形成在光纖包層周圍的碳層或碳化硅層。
22.一種光信號處理設(shè)備，包括權(quán)利要求1所述的非線性色散位移光纖。
23.按照權(quán)利要求22的光信號處理設(shè)備，包括權(quán)利要求1所述的非線性色散位移光纖和至少一個泵浦光的光源，其功能是用作為波長轉(zhuǎn)換器。
24.按照權(quán)利要求23的波長轉(zhuǎn)換器，包括權(quán)利要求1所述的非線性色散位移光纖和至少一個泵浦光的光源，其中泵浦光的波長落在(λ0-3)nm至(λ0+3)nm的范圍內(nèi)，λ0代表非線性色散位移光纖的零色散波長。
25.按照權(quán)利要求24的波長轉(zhuǎn)換器，包括權(quán)利要求1所述的非線性色散位移光纖和泵浦光的光源，其中泵浦光的波長與非線性色散位移光纖的零色散波長λ0一致。
26.一種非線性色散位移光纖，包括第一纖芯(1)，其折射率大于包層(3)的折射率；形成在所述第一纖芯(1)周圍的第二纖芯(2)，其折射率小于包層(3)的折射率；和形成在所述第二纖芯(2)周圍的包層(3)，其折射率大致等于純石英的折射率，其中所述第一纖芯(1)的外徑D1落在3至8μm的范圍內(nèi)，所述第一纖芯(1)的外徑D1與所述第二纖芯(2)的外徑D2之比率D1/D2落在0.3至0.85的范圍內(nèi)，而波長為1550nm的非線性常數(shù)不小于15×10-10/W。
27.按照權(quán)利要求26的非線性色散位移光纖，其特征是，波長為1550nm的色散絕對值不大于10ps/nm/km。
28.按照權(quán)利要求27的非線性色散位移光纖，其特征是，所述第一纖芯(1)的折射率分布具有α指數(shù)分布的形狀，其中α不小于3.0。
29.按照權(quán)利要求27的非線性色散位移光纖，其特征是，所述第一纖芯(1)的外徑D1與所述第二纖芯(2)的外徑D2之比率D1/D2落在0.3至0.80的范圍內(nèi)。
30.按照權(quán)利要求29的非線性色散位移光纖，其中所述第一纖芯(1)的折射率分布具有α指數(shù)分布的形狀，α不小于3.0。
31.按照權(quán)利要求27的非線性色散位移光纖，其特征是，波長為1550nm的色散絕對值不大于6ps/nm/km。
32.按照權(quán)利要求31的非線性色散位移光纖，其特征是，所述第一纖芯(1)的折射率分布具有α指數(shù)分布的形狀，其中α不小于3.0。
33.按照權(quán)利要求27的非線性色散位移光纖，其特征是，所述第一纖芯(1)與包層(3)之間的相對折射率差Δ1落在1.6至3％的范圍內(nèi)，而所述第二纖芯(2)與包層(3)之間的相對折射率差Δ2落在-1至0.1％的范圍內(nèi)。
34.按照權(quán)利要求33的非線性色散位移光纖，其特征是，所述第二纖芯(2)與包層(3)之間的相對折射率差Δ2落在-1至-0.5％的范圍內(nèi)。
35.按照權(quán)利要求34的非線性色散位移光纖，其特征是，所述第一纖芯(1)的折射率分布具有α指數(shù)分布的形狀，其中α不小于3.0。
36.按照權(quán)利要求27的非線性色散位移光纖，其特征是，所述第一纖芯(1)與純石英之間的相對折射率差Δs1落在1.6至3％的范圍內(nèi)，而所述第二纖芯(2)與純石英之間的相對折射率差Δs2落在-1.2至-0.9％的范圍內(nèi)。
37.按照權(quán)利要求36的非線性色散位移光纖，其特征是，所述包層(3)與純石英之間的相對折射率差Δs3落在-0.7至-0.1％的范圍內(nèi)。
38.按照權(quán)利要求37的非線性色散位移光纖，其特征是，所述第一纖芯(1)的折射率分布具有α指數(shù)分布的形狀，其中α不小于3.0。
39.按照權(quán)利要求36的非線性色散位移光纖，其特征是，在含氟的加壓氣氛下，通過燒結(jié)用汽相沉積方法制成的SiO2炭黑體，可以得到該光纖的光纖預(yù)制件的第二纖芯(2)。
40.按照權(quán)利要求27的非線性色散位移光纖，其特征是，還包括應(yīng)力傳遞結(jié)構(gòu)(4)，用于傳遞應(yīng)力給光纖。
41.按照權(quán)利要求27的非線性色散位移光纖，其特征是，包括形成在光纖包層周圍的碳層或碳化硅層。
42.一種光信號處理設(shè)備，包括權(quán)利要求27所述的非線性色散位移光纖。
43.按照權(quán)利要求42的光信號處理設(shè)備，其特征是，包括權(quán)利要求27所述的非線性色散位移光纖和至少一個泵浦光的光源，其功能是用作為波長轉(zhuǎn)換器。
44.按照權(quán)利要求43的波長轉(zhuǎn)換器，其特征是，包括權(quán)利要求27所述的非線性色散位移光纖和至少一個泵浦光的光源，其中泵浦光的波長落在(λ0-3)nm至(λ0+3)nm的范圍內(nèi)，λ0代表非線性色散位移光纖的零色散波長。
45.按照權(quán)利要求44的波長轉(zhuǎn)換器，其特征是，包括權(quán)利要求27所述的非線性色散位移光纖和至少一個泵浦光的光源，其中泵浦光的波長與非線性色散位移光纖的零色散波長λ0一致。
全文摘要
公開一種非線性色散位移光纖，其中波長為1550nm的色散等于利用非線性現(xiàn)象的光信號處理所要求的設(shè)定值，波長為1550nm的色散斜率落在0.001至0.1ps/nm
文檔編號G02B6/10GK1410787SQ0214379
公開日2003年4月16日 申請日期2002年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月4日
發(fā)明者廣石治郎, 熊野尚美, 杉崎隆一 申請人:古河電氣工業(yè)株式會社