專利名稱：：具有較大有效面積的單模光波導的制作方法
技術(shù)領域：
：本發(fā)明涉及一種適于通信應用具有較大有效面積Aeff的單模光纖。尤其，本發(fā)明涉及一種在1300納米和1550納米工作窗(operatingwindow)都具有較大有效面積的單模光纖。具有較大有效面積的單模波導將減少非線性的光學作用，包括自相位調(diào)制、四波混頻、交叉相位調(diào)制和非線性散射過程等。在四波混頻的情況下，零色散波長的位置也是很重要的。這些作用的每一項都會使高功率系統(tǒng)中的信號減小。使信號減小的散射過程一般可用含exp(cP/Aeff)項的方程來描述，其中c是一常數(shù)，P是信號功率。其他描述非線性作用的方程則包含P/Aeff比值作為因子。因此，Aeff的增大會降低減小光信號的非線性作用。通信產(chǎn)業(yè)中，需要在無再生器情況下，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。重新評價的關(guān)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；-與光放大器兼容；并且-保持光波導中諸如低衰減、高強度、耐疲勞和抗彎曲等所需特性。該項工作集中于包含1550納米處的工作窗的波長范圍。但是，由于包括激光器、光放大器、接收機、發(fā)射機和再生器等許多可靠的設備都被設計在1300納米周圍使用，所以還需要減少該較短工作波長處的非線性作用。由此，需要提供一種單模光纖，它分別在1300納米和1550納米附近的工作波長窗中具有較大的有效面積。諸如在美國專利申請S.N.08/378,780所揭示的早期研究包括了一些分層纖心(segmentedcore)設計的基本概念，這些概念是由Bhagavatula在美國專利4,715,679中首次提出的。在上述S.N.08/378,780專利申請所揭示的一組纖心設計中可以找到有效面積較大的波導。在該申請中揭示了一種特殊設計，它至少包含一個最小折射率小于包層折射率的纖心區(qū)。另外，在美國專利申請S.N.08/287,262中，揭示了一族折射率分布的特性，它們在與光纖中心線相隔一段距離的地方折射率最大。這里將揭示和描述的新的折射率分布是’679Bhagavatulazhl專利的另一子類。已經(jīng)證明，基本的分層纖心概念足以提供本申請新的纖心結(jié)構(gòu)，其設計可以限制1300納米和1550納米工作窗處的非線性作用。定義-有效面積為Aeff＝2π(∫E2rdr)2/(∫E4rdr)，其中積分限為0至∞，并且E是與傳播的光有關(guān)的電場。有效直徑Deff可定義為Deff＝2(Aeff/π)1/2。-模場面積Amf為π(Dmf/2)2，其中Dmf是用PetermanII方法測得的模場直徑，這里2w＝Dmf并且W2＝(2∫E2rdr/∫[dE/dr]2rdr)，積分限為0至∞。-折射率分布段寬度為折射率-半徑曲線圖中兩條垂線之間的距離，這兩條垂線分別從折射率分布的開始點和結(jié)束點作到水平軸。-折射率增量百分數(shù)為％Δ＝[(n12-nc2)/2n12]×100，其中n1為纖心的折射率，而nc為包層的折射率。除非另作說明，n1是由％Δ所表征的纖心區(qū)中的最大折射率。-折射率分布一般具有相關(guān)的形狀不同的有效折射率分布。有效折射率分布可以代替其相關(guān)的折射率分布，不會改變波導性能。參見MarcelDekker股份有限公司1990年出版，LucB.Jeunhomme著作的《單模光纖》第32頁第1.3.2節(jié)。-彎曲性能由標準測試過程確定，在該過程中測量環(huán)繞心軸(mandrel)纏繞光纖所引起的衰減。標準測試要求光纖繞32毫米的心軸彎曲一周，而繞75毫米的心軸彎曲100周。通常彎曲導致的最大許可衰減在1300納米和1550納米周圍的工作窗中確定。-另一種彎曲測試是銷釘陣列彎曲測試，它用于對光纖的相對抗彎曲性進行比較。為了進行該測試，對基本上沒有引入彎曲損耗的光纖測量其衰減。然后把光纖繞銷釘陣列彎曲，再次測量衰減。彎曲帶來的損耗是兩次測得的衰減之間的差值。銷釘陣列是一組按單行排列并在一平面上保持固定垂直位置的十個圓柱銷釘。銷釘?shù)闹行闹林行拈g距為5毫米。銷釘直徑為0.67毫米。在測試期間，施加足以使光纖與銷釘表面一部分貼合的張力。-最小值點(piontminimum)是呈‘V’形或窄的‘U’形的折射率分布的一部分，最小值點是折射率分布部分的折射率最小值。-延伸的最小值(extendedminimum)是具有寬的‘U’或‘L’形的折射率分布的一部分，延伸的最小值是經(jīng)過折射率分布部分最小值的直線。本發(fā)明的第一方面是提供一種單模光纖，其纖心折射率分布的最大折射率與波導的長軸中心線相隔一段距離。折射率分布在波導中心線附近有一最小值點，并且折射率分布關(guān)于中心線對稱。包層裹住纖心，構(gòu)成完整的波導結(jié)構(gòu)。纖心折射率分布中至少有一部分大于包層的最大折射率，以便確保該結(jié)構(gòu)將合適地導引光信號。在關(guān)于該第一方面的一個實施例中，最小值點與折射率最大值間的折射率分布部分是一連續(xù)曲線。在較佳實施例中，該連續(xù)曲線是單調(diào)的。對摻雜劑從中心向預制件以外擴散進行補償?shù)募夹g(shù)是現(xiàn)有技術(shù)中已知的，例如在沉積步驟中調(diào)節(jié)摻雜量，或者在熔凝(consolidation)步驟中控制微粉體毛坯(sootblank)的環(huán)境。在第一方面中確定的波導折射率分布族的參數(shù)為-纖心半徑的范圍大約為4-7微米；-最大的Δ％范圍約為0.35％-0.55％；-最小值點的Δ％約小于0.20％。該族波導具有以下特性-λ0在1300納米附近；-在1300納米處，Aeff＞90平方微米；-在1530納米至1565納米波長范圍內(nèi)，Deff＞MFD(模場直徑)；并且本發(fā)明的第二方面是提供一種單模光纖，它具有關(guān)于波導中心線對稱分布的第一和第二段。從中心線至一段的最后點的半徑確定了每段的范圍。每段都有一Δ％與其關(guān)聯(lián)。至少有一段的一部分折射率分布大于nc。至少有一段具有延伸的最小值。這一新穎的折射率分布族提供了這樣的光纖，其1300納米處的Aeff約大于90平方微米，而在1550處約大于110平方微米。λ0在1300納米附近。在新穎折射率分布的第二方面的一個較佳實施例中，第一纖心段基本上是常數(shù)，并且折射率為n1。第二段的最大折射率為n2，其中n2＞n1。在本發(fā)明第二方面的最佳實施例中，第二段的折射率分布是梯形。折射率基本上為常數(shù)的第一段的外半徑范圍約為1.5微米至1.9微米，并且n1基本上等于nc。第二纖心段的外半徑范圍約為3.8微米至5微米。第二段的折射率差Δ2％約為0.25％至0.45％。本發(fā)明的第三方面是提供一種單模光纖，其具有折射率n0，折射率差Δ1％及半徑r1的階躍折射率分布。周圍包層的最大折射率為nc，其中nc＞n0。折射率差Δ1％的范圍約為5.5微米至6微米。1300納米和1550納米處的Aeff分別為90平方微米和110平方微米。λ0在1300納米附近。圖1示出了具有最小值點的折射率分布曲線圖。圖2示出了另一個具有最小值點的折射率分布曲線圖。圖3示出了離軸梯形環(huán)狀折射率分布曲線圖以及其他可供選擇的分布曲線圖。圖4是新穎折射率分布的階躍折射率實施例。具有兩個工作窗(即，兩個信號波長范圍相隔幾百納米)的優(yōu)點是-系統(tǒng)可僅在一窗處工作直至速率要求認為進入第二窗工作更合適；-第二窗為那些基本上要求無故障運行的通信鏈路起備用系統(tǒng)的作用；并且-第二窗能夠處理在峰值要求和平均要求之間存在著較大數(shù)據(jù)速率差的系統(tǒng)中來自主窗(primarywindow)的溢出。本發(fā)明提供一種雙窗光纖，其特點是，將高功率密度系統(tǒng)、波分復用系統(tǒng)以及具有光放大器的系統(tǒng)中產(chǎn)生的非線性作用降至最低。本申請的新型光纖在1300納米和1550納米窗中都具有較大的有效面積。圖1示出了新型波導纖心折射率分布的第一實施例。中心線附近的折射率差(1)較小，一般約小于0.20％。如曲線2所示，摻雜量隨半徑的最大而增加，直至達到最大Δ％。折射率分布的最后部分4示出Δ％驟降至零。存在若干等價的折射率分布，它們對曲線4作了改動，但對光纖性能的影響不大。例如，可使曲線4向外傾斜，將半徑增大約一個微米，或者使曲線4和2的連接處圓滑。還可以在不很影響光纖特性的情況下對折射率分布作一些小的添加，例如如曲線6所示。因此可以理解，圖1和圖2一起表示一族在1300納米處具有較大有效面積的折射率分布。圖2的曲線8示出了新型折射率分布族中的幾條曲線。另外，曲線10表示新發(fā)明折射率分布的變化類型，它們也能提供所需的光纖特性。圖1和圖2中折射率分布的附帶優(yōu)點是，與標準階躍折射率分布相比，累積的摻雜劑較少。因此，依賴于摻雜劑數(shù)量的衰減在新型波導光纖中將較低。例1-最小值點波導的特性對于圖1中實曲線所示的折射率分布，通過計算機模型可計算得到以下特性-λ0為1298納米；-模場直徑為10.91微米；-Deff為11.22微米；-Aeff為98.9平方微米；-截止波長為1480納米；并且-累積的GeO2為2.58。注意，Deff大于模場直徑，Aeff幾乎比標準階躍折射率光纖的相應值大25％。為了進行比較，以下是具有圖1所示半徑并且Δ％為0.36％的階躍折射率光纖的特性-λ0為1309納米；-模場直徑為10.1微米；-Deff為9.97微米；-Aeff為78平方微米；-截止波長為1324納米；并且-累積的GeO2為2.8。其有效面積要小得多，并且色散零(dispersionzero)波長λ0位于工作窗中，這對于波分復用系統(tǒng)是不適宜的。對于標準階躍折射率分布，累積的GeO2增長9％會使波導因瑞利散射產(chǎn)生較大的波導衰減。新型光纖折射率分布的較大有效面積和較低衰減都將降低不利的非線性作用?？梢杂靡缓唵蔚姆绞礁淖儤藴孰A躍折射率分布，以獲得較大的有效面積。分布可用階躍(圖4中的18)的Δ％以及半徑20來表征。表1示出了Δ％變化和半徑變化對有效面積以及銷釘陣列抗彎曲性的影響。表1</tables>抗彎曲性與較大有效面積的相一致是很明顯的。減低Δ％并增大半徑顯然能夠提供所需的較大有效面積。使Δ％接近0.3％并使半徑接近5.6微米的階躍設計具有可接受的抗彎曲性，并且Aeff明顯增大。與波導中心線相隔一段距離的梯形折射率分布允許折射率分布設計具有附加的靈活性，以便獲得可接受的彎曲性能，并且在兩個波長窗處都有較大的有效面積。圖3示出了該新型光纖實施例的一般形狀。梯形12與波導中心線相隔一段距離。梯形纖心折射率分布段的內(nèi)外半徑分別為24和22。與波導中心線相鄰的纖心段的折射率分布可以基本上是平的，或者可以是曲線14所示的形狀。通過使梯形略有變化，如曲線16所示或者尋找等價的折射率分布，便可獲得新型波導所需的特性。表2提供了新型光纖梯形實施例的模擬值。在標有‘半徑’的一列中，第一個數(shù)字是梯形的內(nèi)半徑，而第二個數(shù)字是其外半徑。表2第1行和第4行的折射率分布設計顯示了優(yōu)越的特性。這些實施例滿足光纖既限制非線性作用又保持所需抗彎曲性的要求。表1和表2表示，計算機模型對于有效識別折射率分布是否滿足一組給定的特性要求是必需的。比較表中各行所列的不同的折射率分布設計，可以看出折射率分布中參數(shù)的微小變化會對波導特性產(chǎn)生很大的影響。因此，組合和置換所必須嘗試的次數(shù)對于在制造光纖之前先進行計算機模擬的方法是有用的。盡管這里揭示和描述了本發(fā)明幾個特殊的實施例，但本發(fā)明僅由以下的權(quán)利要求限定。權(quán)利要求1.一種單模光纖，包括一纖心區(qū)，它有一沿光纖長軸的中心線和一半徑，所述纖心區(qū)具有一折射率分布和最大折射率；和一包層，它裹在所述纖心區(qū)的周圍，所述包層具有一折射率分布和最大折射率nc；其特征在于，所述纖心區(qū)的折射率分布至少有一部分的折射率大于nc；所述纖心區(qū)的最大折射率與中心線相隔一段距離，所述折射率分布的最小值點位于中心線附近，并且中心線是折射率分布的對稱軸。2.如權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于，所述纖心區(qū)的一部分折射率分布是連續(xù)的，它具有一徑向范圍，起始于中心線附近的折射率最小值，終止于所述纖心區(qū)折射率分布的最大折射率。3.如權(quán)利要求2所述的單模光纖，其特征在于，折射率分布的所述部分是單調(diào)的。4.如權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于，所述纖心區(qū)的半徑范圍約為4-7微米，所述纖心區(qū)的最大Δ％范圍約為0.35％-0.55％，并且中心線附近最小值點的Δ％約小于0.20％。5.如權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于，λ0在1300納米附近，在1300納米處Aeff≥90微米2，在1530納米至1565納米波長范圍內(nèi)Deff≥MFD。6.一種單模光纖，包括一纖心區(qū)，它具有一中心線并包括第一和第二段，每個所述段包含折射率分布、外半徑和Δ％，所述第一段包含中心線，并且所述第二段裹在所述第一段的周圍，所述第一和第二段以中心線為對稱軸；一包層，它裹在所述纖心區(qū)的周圍，所述包層具有一折射率分布和最大折射率nc；其特征在于，在所述段中至少有一段，其折射率分布的至少一部分折射率大于nc；在所述纖心區(qū)中，所述第一和第二段中某一段的折射率分布至少有一部分具有延伸的最小值；所述光纖的Aeff在1300納米處約大于90微米2。在1550納米處約大于110微米2。7.如權(quán)利要求6所述的單模光纖，其特征在于，所述纖心區(qū)的所述第一段具有基本上為常數(shù)的折射率n1，所述第二段最大折射率n2，并且n2＞n1。8.如權(quán)利要求7所述的單模光纖，其特征在于，所述第二段的折射率分布是梯形。9.如權(quán)利要求8所述的單模光纖，其特征在于，所述纖心區(qū)第一段的外半徑范圍為1.5微米至1.9微米，n1基本上等于nc，所述纖心區(qū)第二段的外半徑范圍約為3.8微米至5微米，并且所述第二段的折射率差Δ％的范圍為0.25％至0.45％。10.一種單模光纖，包括一纖心區(qū)，它具有折射率為n0，折射率差為Δ1％并且半徑為r1的階躍折射率分布；一包層，它裹在所述纖心的周圍，具有最大折射率nc，n0＞nc；其特征在于，Δ1％的范圍約為0.25％至0.30％，并且r1的范圍約為5.5微米至6微米，在1300納米處，Aeff約大于90微米2，而在1500納米處，Aeff約大于110微米2。全文摘要揭示了一種單模光纖，它限制了1300納米工作窗和1550納米工作窗處的非線性作用。能夠產(chǎn)生所需特性的纖心區(qū)折射率分布的一些例子是改進的階躍折射率分布和最大Δ％與光纖中心線相隔一段距離的折射率分布。文檔編號G02B6/028GK1160214SQ9612323公開日1997年9月24日申請日期1996年12月13日優(yōu)先權(quán)日1995年12月15日發(fā)明者劉彥明申請人:康寧股份有限公司