專利名稱：色散平衡的光纜的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用光纖的信息傳輸領域，尤其涉及光纜的設計。
光通訊的發(fā)展由于可利用光纖超常的帶寬而得到了推進。這樣的帶寬使得數以千計的電話通話和電視頻道能夠同時通過通常由優(yōu)質玻璃材料制成的頭發(fā)絲般粗細的光纖進行。光主要在光纖的芯區(qū)傳輸，因為纖芯有略高于周圍區(qū)域的折射率。光傳輸相對于用金屬線的傳輸有著顯著的優(yōu)越性，但光纖確實具有損耗并且沒有無限的帶寬。
就損耗而言，在被用于制作光纖的玻璃材料(接近純二氧化硅-SiO2)質量方面已取得了驚人的進展。在1970年玻璃纖維可接受的損耗范圍是20db/km；而現在損耗在0.22-0.25db/km范圍內屬于常規(guī)范圍。確實，玻璃纖維最小損耗的理論值約為0.16db/km，它發(fā)生在大約1550nm的波長處。
各種機制限制著光纖的帶寬。例如，在多模光纖中有模式色散，進入光纖一端的光脈沖當在光纖另一端出現時將被展寬。這是因為多模光纖支持著某一特殊波長數以百計的不同模式(路徑)。并且當不同的模式在光纖的另一端匯合時凈結果就是脈沖展寬。但是，可把光纖設計成僅支持某一特殊波長的基模，此種光纖因而被稱為單模光纖。這種光纖有特別寬的帶寬。但即使如此，被引入單模光纖一端的光脈沖在另一端出現時仍有些展寬。這是因為單波長光源的開啟和關閉(即光脈沖)行為產生大量的相關諧波波長，不同波長的波以不同的速度通過玻璃。因此入射到玻璃纖維一端的光脈沖在到達另一端時因不同的波長(顏色)于不同時刻到達而發(fā)生展寬。不足為奇，這就稱為波長色散(chromaticdispersion)，是光學領域的術語相當于電子工程上的延遲畸變。
如

圖1所示，在一種典型的玻璃纖維中800nm波長的光脈沖在900nm波長光脈沖之后約10ns到達。表示光纖波長色散特性的通用方法是采用圖1中延遲曲線關于波長的導數。此導數僅僅是作為波長函數的延遲曲線的斜率并被稱為波長色散(D)，如圖2中曲線所示。通常用于制作光纖的玻璃組份在1310nm區(qū)域中的λ0波長處色散為零。但如上所述，玻璃纖維最小損耗的理論值在1550nm區(qū)域內。有趣的是這種性質對這個波長領域的光傳輸還有點益處，因為那兒正是實際光纖放大器的工作區(qū)。(摻鉺光纖用于放大波長在1530-1565nm區(qū)域內的光信號，在此波長范圍有Er3+摻雜離子的遷移。)已經知道，可以通過適當控制摻雜物質、摻雜濃度、光芯直徑和折射率分布把單模光纖設計成在1300-1700nm范圍中任一波長處λ0色散為零。由于在1550nm區(qū)域內工作的必要性，單模光纖被設計成在大約1550nm處有λ0波長的零色散。這種光纖已非常流行并通常被稱為色散移位光纖(DSF)。
光纖的數據傳輸速率通過波分復用(WDM)法提高，在WDM法中幾個通道被復用在一個單光纖中，每個通道進行不同的波長傳輸。利用安裝好的無色散移位光纖可以證明在1550nm區(qū)域傳輸四個間隔約為1.6nm的通道，容量比單通道工作增加到四倍，4×2.5Gb/s＝10Gb/s(1Gb/s＝10億位/秒)。但發(fā)現4-通道WDM操作必定受DSF的使用排斥，因而還發(fā)現已經就位的DSF不是被限制于單通道的工作就是被限制于WDM系統，該WDM系統具有有限的跨度、較少的通道、或每個通道較小的比特率。
美國專利5,327,516(′516專利)公開了一種改進的光纖，記作WDM光纖，它對信息的多通道傳輸特別有效，各通道在每個不同的波長處工作。Lucent Technologies公司的Truewave光纖為這種商用光纖，能夠支持至少八個彼此相隔0.8nm、跨越360km長度以上的無再生器的通道。并且Lucent’s公司的1450密集波分復用器(DWDM)可使八個通道使用Truewave光纖，每個通道傳送2.5Gb/s的信息。以這種速率，系統一秒鐘幾乎能夠傳輸5,000部小說，大約是大多數長距光纖系統的八倍。的確，通過把每個通道的數據率提高到20Gb/s，把通道數增加到25并以兩種不同的偏振傳輸，已證實可以通過55公里Truewave光纖實現每秒一萬億位的傳輸(1Tb/s＝1000Gb/s)。至此，這種速率已被尊稱為數據傳輸的“圣杯”“Holy Grail”。
簡言之，′516專利通過在1550nm處引入少但足夠量的正或負波長色散來減少通道間的非線性相互作用。這種非線性相互作用被認作四光子混合，它嚴重地限制了系統的設計和工作特性。當非常希望利用WDM光纖時，就進退兩難了。雖然引入色散對于使四光子混合為最小是很需要的，但它又是很不理想的，因為它會導致如上所述的脈沖展寬。
許多專利已解決了補償色散的問題，這些專利包括美國專利4,261,639(Logelnik等)；4,969,710(Tick等)；5,191,631(Rosenberg)；這些專利通過在適當的位置插入模來補償色散。該模通常包含適當長度的色散補償光纖(DCF)以產生大致等于傳輸光纖在途中所致色散的量(但符號相反)。不利的是這些模占用空間，導致很大的損耗，增加成本。
在先已提出過構造一種光纜，該光纜中包含的所有光纖為一種類型---或正色散或負色散。光纜所包含的一種類型的光纖以適當的間隔連接，使光纜能包含另一種類型的光纖。這種方法在供貨上有缺陷，即光纜的兩種類型須分別按訂單制作和存放。另外重要的問題將隨著兩種類型的光纜在制作過程、對所采用及存放的每種類型保持的準確記錄、和進行常規(guī)的維護而出現。
我們所需要的并且也是現有技術所缺乏的，是一種能夠同時地降低四光子混合和累計色散而無須采用DCF模的光纜。
本發(fā)明公開的色散平衡光纜能夠降低波分復用(WDM)系統中的四光子混合，并能將累加的色散有效地降到大致為零。色散平衡光纜包括具有正波長色散的光纖，正色散光纖的色散絕對值平均量在λs處超過0.8ps/nm-km。光纜還包括具有負波長色散的光纖，負色散光纖的色散絕對值平均量在λs處超過0.8ps/nm-km。
在本發(fā)明實施例的例證中，光纖是單模的，并適于在1550nm區(qū)域內傳輸光信號。在此波長處，雖然當1550nm處波長色散平均值的量在0.8-4.6ps/nm-km范圍時可實現性能的改進，但正色散光纖具有大約+2.3ps/nm-km的波長色散，負色散光纖具有大約-1.6ps/nm-km的波長色散。
在本發(fā)明的實施例中公開了各種光纜的結構，它們在同一根光纜中最好包含同樣數目的正和負色散光纖。另外各種結構的光纜可能包括由基質材料封閉在塑料管中的一些光纖束扎成的光纖平面陣列。所公開的改進的WDM系統將兩根色散平衡的光纜互連，使得一根光纜的正色散光纖連接另一根光纜的負色散光纖，從而共同地減少累加色散和四光子混合。
通過下列的詳細描述并閱讀附圖，將對本發(fā)明及其操作模式有更加清晰的理解。
圖1是關于一公里的典型玻璃纖維作為波長的函數的相對群延遲曲線；圖2是對于圖1所示的纖維作為波長函數的波長色散曲線；圖3是具有雙保護覆層的公知光纖的剖視圖；圖4是根據公知技術利用色散補償光纖(CDF)消除色散的圖示；圖5是對于兩種不同光纖(一種在光源波長λs處有正色散，另一種在λs處有負色散的光纖)作為波長函數的波長色散曲線。
圖6是一種包含具有正負色散的光纖線性陣列的帶狀色散平衡光纜的剖視圖；圖7是為了實現最小累加色散的圖6所示類型的帶狀光纜間的連接示意圖；圖8是包含各種帶狀類型的色散平衡光纜的另一形式的剖視圖；圖9是包含多組有正負色散的光纖的色散平衡光纜的另一形式之剖視圖；和圖10是無需DCF模式而使累加色散接近零的色散平衡光纜的應用示圖。
在光纖的制造中，玻璃預制棒垂直懸掛并以控制的速率移進爐內。在爐內進行軟化并通過一個位于拉伸塔底的卷筒從預制棒熔化端自由地拉出玻璃纖維。因為擔心玻璃纖維的表面被擦磨損傷，所以需要在玻璃纖維被拉出之后但開始與任何表面接觸之前對其涂覆。由于涂覆材料的使用一定不能損害玻璃表面，故在液態(tài)施用涂層材料。施用后，涂層材料必須在玻璃纖維到達卷筒之前被固化。這一切必須要在一個簡短的時間間隔內通過光化處理(photocuring)、即液態(tài)覆層材料通過電磁輻射的照射轉變成固態(tài)的過程來完成。
特別是圖3公開的一種雙涂覆光纖30，其結構適于用在本發(fā)明中。如圖所示，兩層涂層材料施用到拉出的玻璃光纖40上，玻璃纖維包括載光的纖芯41和包層42。包層光纖40直徑約為125μm。被稱為第一涂層材料的內層31被施加到玻璃光纖40上；被稱為第二涂層材料的外層32施用到第一涂層材料31之上。第二涂層材料一般具有相對較高的模量(如109Pa)以經受加工，而第一涂層材料相對模量較低(如106Pa)以提供緩沖，減小微彎的損耗。第二涂層材料可當第一涂層還濕潤時即施用，然后兩涂層同時用紫外區(qū)域的電磁波輻射烘干。
圖4公開的現有光纖系統10，它包括一段混合光纖，一個光源18和一個放大器20?；旌瞎饫w通過把預定長度Lx的第一光纖14連接到預定長度Ly的第二光纖16上而構成。連接方法為本領域技術人員公知的傳統方法，該方法公布在Optical Fiber TelecommunicationsII，(Stewart E，Miller等。editors，1988)，pp.263-300中的“Optical FiberSplicing”中，作者是Stephen C.Mettler等。光源18發(fā)出的具有標稱波長λs的光進入具有正色散的光纖14。但通過Lx的距離之后，聚集起一定量的正色散，并且光纖16在λs產生負色散。此光纖主要包括色散補償光纖(DCF)，它有短于LX的長度LY。通過增加DCF的長度，被引入的附加損耗連同傳輸光纖14引入的損耗必需經受放大器20的處理。對現有光纖網絡改進的要求促使了對這種系統的需要，該系統目前工作在1310nm，要求其能在1550nm工作從而增大其容量。(注意到正常工作在1310nm的傳輸光纖在1550nm處大約有+17ps/nm-km的色散，因此需要引入在1550nm等量負值的色散以達到補償)。這種系統公布在美國專利5,191,631中。
近來知道，在WDM信號的光纖傳輸中為減小四光子混合，少量的波長色散是件好事。因此，本發(fā)明計劃在標稱波長光源下工作，此處正色散光纖的色散量D1的絕對值平均值超過0.8ps/nm-km，負色散光纖的色散量D2的絕對值平均值也超過0.8ps/nm-km。
如圖5所示，光纖1在λs處有正色散D1，光纖2在λs處有負色散D2。D1和D2在圖5中都有正斜率，但如果它們有相反的斜率將更好，從而這將使得在整個帶寬中消除色散。如果光纖1和光纖2的斜率相等則最好。事實上一種設計為在1300-1500nm的波長范圍內斜率接近于零的“色散消除光纖”顯得很適于用在本發(fā)明中。這種“色散消除光纖”的例子公布在Electronics Letters，28th April 1983，Vol.19 No.9中371-318頁中的作者為Bhagavatula等的“Segmented-core Single-modeFibers with Low Loss and Low Dispersion，”一文中，其在此引入作為參考。在這篇文章中展示了具有正負色散的“色散消除光纖”。為了選取這種光纖以用在本發(fā)明的色散平衡光纜中，必須至少有一個光纖具有正色散，在λs處其絕對值的平均值超過0.8ps/nm-km；至少有一個光纖具有負色散，在λs處其絕對值的平均值超過0.8ps/nm-km。
由于如相位自調制(self-phase modulation)的這種非線性效應的原因，已可以判斷出整個性能通過采用較小量的負色散可達到優(yōu)化。并且還可能有進一步的優(yōu)化情況，即負色散的優(yōu)選值范圍在正色散幅值的65-80％范圍內。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，D1約等于+2.3ps/nm-km，D2約等于-1.6ps/nm-km。
在本發(fā)明中采用芯直徑約為6-8μm、λs值在1530-1565nm范圍之內的單模光纖。至少支持WDM四通道的恰當的纖芯設計公布在美國專利5,327,516中，其在此引入作為參考。
在1550nm處產生+2.3ps/nm-km色散的例舉的WDM光纖，具有折射率接近或等于未摻雜二氧化硅的折射率的玻璃包層內的摻鍺的芯。一般的用法采用折射率階躍的包層，即帶有一個折射率略微增大的“凸臺”以增大模域。該結構有一個折射率漸變的芯，其7.7％mol的摻雜水平對應于大約0.8％的Δ值。芯的基底直徑約為6.0μm，處在鍺摻雜水平約0.05mol％的18μm直徑“凸臺”的中心。包層光纖的外徑約為125μm。
列舉的WDM光纖在1550nm處產生大約-16ps/nm-km的色散，具有折射率接近或等于未摻雜二氧化硅的折射率的玻璃包層內的摻鍺的芯。該結構有一個折射率漸變的芯，其8.6mol％的摻雜水平對應于大約0.9％的Δ值。芯的基底直徑約為6.0μm，處在鍺摻雜水平約0.05mol％的18μm直徑“凸臺”的中心。包層光纖的外徑約為125μm。
以下列出了適用于本發(fā)明的WDM光纖規(guī)格表。但它并不意味著合格光纖的全部范圍，僅僅作為示例之用。
在1550nm處的衰減 0.22-0.25dB/km在1310nm處的衰減 ＜0.50dB/km在1550nm的模域直徑 8.4±0.6μm芯偏心率 ＜0.80μm包層直徑 125±1.0μm截止波長 ＜1450nm(2m的參考長度)色散 ±
ps/nm-km(在1540-1560nm的范圍)色散斜率 ＜0.095ps/nm2-km(最大值)微彎 在1550nm處小于0.5dB
(1圈，32mm)在1550nm處小于0.05dB(1圈，75mm)包層直徑245±10μm驗收試驗100kpsi很容易得到對制造的合適程序的詳細描述。預制棒可以是整體的，也可以是組合的。芯區(qū)最好采用改進的化學汽相沉積的方法或利用粉塵化學(soot chemistry)-外汽相沉積或軸向汽相沉積其中之一的方法。已知的方法(如制作包層、外包層、涂覆、捆纜等)均不受光纖設計的影響。授予Jackson等的美國專利US.4,900,126公開了用于把光纖聯結成被稱作帶狀光纜(以下稱為“帶纜”)的陣列的基質材料。如圖6所示，帶纜60包括一個軸向延伸光纖的平面陣列，它們的軸向大致互相平行。在此，所示的八個光纖被分成兩組。舉例來說，40-1組包括四個在λs有正色散的光纖，40-2組包括四個在λs有負色散的光纖。為了在現場中便于辨認，每個光纖有不同的顏色。另外，帶纜60可包含一個分辯光纖具有正或負色散的標志。例如，帶纜60的標以亮色部分60-1包含正色散光纖而帶纜60的標以暗色部分60-2包含負色散光纖。雖然在本發(fā)明的實際情況中在同一個光纜里有相同數目的正負色散光纖并不是必須的，但最好是這樣。另外，如果制作有相同數目的正負色散光纖的帶纜，僅需要制作一種類型的帶纜。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，帶纜60包括一個軸相延伸光纖的平行共面陣列。每個光纖包封在涂覆材料的內層和外層(如圖3所示)并帶有一個顏色標記?；|聯結材料65填充光纖之間的空隙并將它們聯結成一個單元。聯結材料65有一個小于外涂層而大于內涂層的模量值γ(即109Pa＞106pa)。這使得內層光纖具有有利的移動。在此引用的美國專利US.4,900,126中公開了適宜的聯結材料。
為降低累加的色散量，把正色散的光纖40-1聯結到有負色散的光纖40-2上。這種聯結在此稱作如圖7所示的跨接，并利用帶纜60來制作。通過聯結帶纜60的亮色部分和另一帶纜60的暗色部分60-2，可降低累加的色散。并且如果在光纜長度的中間進行跨接，只要光纖40-1提供的正色散大致等于光纖40-2提供的負色散，則累加色散可大約降低到零。光纖之間的跨接接頭105可通過任何一種已知的光纖聯結技術，這些技術包括上述Stephen C.Mettler等的名為“Optical FiberSplicing”的著作中技術，但不局限于此。
現參考圖8，它公開了一種在堅固的光纜結構80中的多條帶狀光纖。在此圖中，帶60包括包含正負色散光纖的光纖平面陣列。另一方面，帶61包括一個正色散光纖平面陣列而帶62包括一個負色散光纖平面陣列。在本發(fā)明中光纜80可包括帶60、61、62的各種組合。例如，它可包含一個帶61和一個帶62但不包含60。重要的是光纜至少包含一個正色散光纖和至少一個負色散光纖。
圖8提供了根據本發(fā)明的實際光纜的較詳細的描述。光纜80包括如上所述的帶60-62。這些帶被設置在由電介質材料如聚氯乙烯或聚乙烯制造的筒形元件81中。包圍的筒狀元件81是一吸水帶83，一波紋金屬殼84和塑料護套86。由Kevlar塑料制造的剝離繩82易于除殼，聚乙烯材料的護套86包含封閉的加強元件85-85。加強元件用于消除或減小將在處理或正常運用中會作用到光纖上的應力，該元件還可以任意多的數量包容在光纜80中。這種同樣的總體結構示于圖9中，其中光纜結構90包括以不同方式組裝在一起的光纖。例如光纖束用絲質包扎物92稀松地包扎形成可識別的單元90-1。此捆束最好包含正色散光纖。此外，第二光纖束也用絲質包扎物92稀松地包扎形成可識別的單元90-2。此捆束最好包含負色散光纖。而正和負色散束最好分成隔離的組或單元，這在本發(fā)明中并不是必需的。
一般，將填充材料設置在圖8和圖9所示的、對包含在其中的光纖進行減沖從而防止微彎損耗的筒形元件81、91中。關于光纜80、90的更詳細的描述公開在美國專利4,844,575中，其在此引用作為參考。
本發(fā)明的優(yōu)點在圖10所示的WDM系統100中得以清晰地得到例證。它與圖4中現有技術對色散的補償形成對比。具體地，現有技術中系統一般在傳輸光纖的端部聯結一個DCF模件。因為DCF模件主要是一個其實際長度(如3千米)增加光纖總長度的一卷光纖，它造成增加的信號損耗，這意味著需要附加的放大，因而增加了費用。此外DCF比傳輸光纖顯示更大的損耗(如0.5dB/km)，因此更增大了整個系統的損耗。但是通過把正色散光纖90-1和負色散光纖90-2構造為光纜90并在預定的位置(典型地情況是在長度的中點)做跨接聯結點105，累加色散可達到接近于零，如圖10的底部所示。重要的是，這種方法避免了在光纖的零色散波長λs處的傳輸，從而減少了四光子混合。
WDM系統100在每個方向以10Gb/S工作，并包括例舉的在1530-1565nm范圍內產生四個光波通道λs1，，λs2，λs3，λs4的光源101，每個通道間隔1.6nm，每個通道以大約2.5Gb/s的速度工作。光射入到L1長度的正色散光纖90-1中?？缃咏宇^105最好制作在連接至長度為L2的負色散光纖90-2的該整個長度的中點。有利的是同樣的光纜90包含正和負色散光纖，因此可用在任何方便的地方及制作跨接點105。這種接點在類似于美國專利5,481,639的已知包裝中很容易制作。因為DCF模件不用在本系統中，放大器201僅需用于解決傳輸損耗，而不用考慮一或多卷光纖產生的附加傳輸損耗。
雖然對本發(fā)明的各特殊實施例做了示意和描述，但在本發(fā)明的范圍內還可做一些修改。這些修改包括但不局限于在一個系統中應用本發(fā)明時，其光源的波長λs在1530-1565nm范圍之外；在非中點(即L1≠L2)處制作跨接點；在非WDM系統采用色散平衡光纜；光纜中正色散光纖數不同于負色散光纖數；光纜的光纖在光源波長處正負色散的量值不同；光纜具有與以上所述不同的結構，例如，沒有筒狀元件或強元件的光纜。
權利要求
1.一種色散平衡光纜(60，80，90)，包括一或多個第一類型的光纖和一或多個第二類型的光纖，兩種類型的光纖均適于傳輸光源波長λs的光信號，其特征在于第一類型的光纖具有正波長色散，正色散光纖色散的絕對值的平均值在λs處超過0.8ps/nm-km；和第二類型的光纖具有負波長色散，負色散光纖色散的絕對值的平均值在λs處超過0.8ps/nm-km。
2.根據權利要求1所述的光纜(60，80，90)，其特征在于第一類型的光纖和第二類型的光纖在數量上相等。
3.根據權利要求1所述的光纜(60，80，90)，其特征在于光源波長λs在1530nm＜λs＜1565nm的范圍。
4.根據權利要求3所述的光纜(60，80，90)，其特征在于第一和第二類型的光纖均是單模光纖，并且有(i)在1550nm處的損耗小于0.26dB/km。(ii)截止波長小于1450nm和(iii)色散斜率小于0.1ps/(nm2-km)，在1550nm處平均色散的絕對值在0.8-4.6ps/nm-km的范圍內。
5.根據權利要求4所述的光纜(60，80，90)，其特征在于第一類型光纖的平均色散為D1，第二類型光纖的平均色散為D2，D2的絕對值是D1絕對值的65％-80％。
6.根據權利要求5所述的光纜(60，80，90)，其特征在于第一類型的光纖在1550nm處有大約+2.3ps/nm-km的平均正色散。
7.根據權利要求4所述的光纜(60，80，90)，其特征在于第二類型的光纖在1550nm處有大約-1.6ps/nm-km的平均負色散。
8.根據權利要求1所述的光纜(例如90)，其特征在于第一類型的光纖被安置在第一單元(90-1)內并用包扎物(92)包扎在一起，而第二類型的光纖被安置在第二單元(90-2)內并用包扎物(92)包扎在一起，
9.根據權利要求1所述的光纜(例如80)，其特征在于第一和第二類型的光纖被粘合在一個平面陣列中，光纖的縱軸大致相互平行。
10.根據權利要求1所述的光纜(例如80)，其特征在于光纜還包括一個封入第一和第二類型(60，61，62)光纖的塑料筒形元件(81)；一個封入筒狀元件的塑料護套(86)；和一或多個置入光纜中的加強元件(85)。
11.根據權利要求10所述的光纜(例如80)，其特征在于第一類型的光纖被一起粘合在第一平面陣列(61)中，第二類型的光纖被一起粘合在第二平面陣列(62)中，每個平面陣列包含的光纖的縱軸大致相互平行。
全文摘要
一種減少波分復用(WDM)系統中四光子混合并有效地將累加色散D大致減小到零的色散平衡光纜。色散平衡光纜(90)包括一或多個有正色散D
文檔編號G02B6/44GK1185589SQ97112948
公開日1998年6月24日 申請日期1997年6月6日 優(yōu)先權日1996年6月7日
發(fā)明者R·E·方曼, A·F·朱迪, J·J·里非 申請人:盧森特技術有限公司