專(zhuān)利名稱(chēng):?jiǎn)文9獠▽?dǎo)的制作方法
背景技術(shù):
本發(fā)明涉及一種為中繼器間距較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)速率較高的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單模光纖。尤其,本發(fā)明的單模光纖將極佳的抗彎曲性、較低的色散斜率和較大的有效面積Aeff結(jié)合在一起。
具有較大有效面積的波導(dǎo)將減少非線(xiàn)性的光學(xué)作用,其中包括自相位調(diào)制、四波混頻、交叉相位調(diào)制和非線(xiàn)性散射過(guò)程等。所有這些作用都會(huì)使高功率系統(tǒng)中的信號(hào)劣化。一般,對(duì)這些非線(xiàn)性作用的數(shù)學(xué)描述包括比值P/Aeff,其中P是光功率。例如,非線(xiàn)性光學(xué)作用通常遵循包含exp(P×Leff/Aeff)項(xiàng)的方程,其中Leff是有效長(zhǎng)度。因此,Aeff的增大會(huì)降低非線(xiàn)性對(duì)光信號(hào)劣化的貢獻(xiàn)。
通信產(chǎn)業(yè)中,需要在無(wú)電信號(hào)再生器的情況下,遠(yuǎn)距離傳輸較大的信息量,這導(dǎo)致了對(duì)單模光纖折射率分布設(shè)計(jì)的重新評(píng)價(jià)。授予Bhagavatula的美國(guó)專(zhuān)利4,715,679詳細(xì)地揭示了一類(lèi)分布設(shè)計(jì),在本申請(qǐng)中,稱(chēng)之為分層纖芯設(shè)計(jì)。
重新評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是提供這樣的光波導(dǎo),它們能-減少諸如上述的非線(xiàn)性作用;-為在1550納米周?chē)牟ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)工作時(shí)有較低的衰減而進(jìn)行優(yōu)化;-與光放大器兼容;并且-保持光波導(dǎo)中諸如高強(qiáng)度、耐疲勞和抗彎曲等所需特性。
只有在規(guī)定了比特速率、比特誤差率、多路復(fù)用方案以及光放大器(有可能)的特定通信系統(tǒng)中,定義高功率和遠(yuǎn)距離才有意義。有一些附加因素會(huì)對(duì)高功率和遠(yuǎn)距離的意義產(chǎn)生影響,它們都是本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員已知的。但是,對(duì)于大多數(shù)目的,高功率是指光功率大于約10mW。在一些場(chǎng)合下,1mW或更小的信號(hào)功率電平仍然會(huì)對(duì)非線(xiàn)性作用敏感,所以在一些低功率的系統(tǒng)中,Aeff仍然是一個(gè)重要的考慮對(duì)象。遠(yuǎn)距離是指電信號(hào)再生器之間的距離超過(guò)100km。再生器將區(qū)別于使用光放大器的中繼器。中繼器間距,特別是高數(shù)據(jù)密度系統(tǒng)中的中繼器間距可以小于再生器間距的一半。
為了給多路復(fù)用傳輸提供合適的波導(dǎo),總色散應(yīng)該較低,但不為零,并且在工作長(zhǎng)度窗口范圍內(nèi)具有較小的斜率。
關(guān)于這類(lèi)波導(dǎo)纖維的一種典型情況是海底系統(tǒng)。為了在經(jīng)濟(jì)上可行,海底系統(tǒng)必須在沒(méi)有再生器的情況下并且在擴(kuò)展的波長(zhǎng)窗口上長(zhǎng)距離運(yùn)載較高的信息密度。本發(fā)明描述了一種新穎的分布,該分布能非同尋常地滿(mǎn)足這類(lèi)使用的嚴(yán)格要求。以下詳細(xì)給出這種使用系統(tǒng)的要求。
定義下述定義符合本領(lǐng)域的普通用法。
-纖芯中各分層的半徑是根據(jù)折射率定義的。一特定分層具有第一和最后折射率點(diǎn)。從波導(dǎo)中心線(xiàn)到第一折射率點(diǎn)所處位置的半徑是纖芯區(qū)或纖芯分層的內(nèi)半徑。類(lèi)似地,從波導(dǎo)中心線(xiàn)到最后折射率點(diǎn)所處的位置的半徑是纖芯分層的外半徑。
由以下對(duì)
圖1和圖2的描述可見(jiàn),分層半徑可以用許多種方式方便地定義。由圖2可以導(dǎo)出表1和表2,在該情況下,參考Δ%對(duì)波導(dǎo)半徑的曲線(xiàn)圖,如下定義折射率分布中各分層的半徑*中央纖芯分層的半徑r1是從波導(dǎo)的軸中心線(xiàn)量到外推中心折射率分布曲線(xiàn)與x軸的交點(diǎn)(即Δ%=0的點(diǎn));*第一環(huán)形分層的外半徑r2是從波導(dǎo)的軸中心線(xiàn)量到第一環(huán)形分層分布曲線(xiàn)與表示第二環(huán)形分層分布曲線(xiàn)之Δ%的直線(xiàn)的交點(diǎn);*第二環(huán)形分層的外半徑r3是從波導(dǎo)的軸中心線(xiàn)量到相對(duì)折射率為第二和第三環(huán)形分層之相對(duì)折射率之間一半的點(diǎn);*第三環(huán)形分層的外半徑r4是從波導(dǎo)的軸中心線(xiàn)量到相對(duì)折射率為第三環(huán)形分層和包層之相對(duì)折射率之間一半的點(diǎn);在圖1的更一般的折射率分布中,使用另一些定義。折射率分布的幾何定義沒(méi)有任何特殊的意義。當(dāng)然,當(dāng)進(jìn)行模型計(jì)算時(shí),定義的使用必須與這里所做的相一致。
-有效面積為Aeff=2π(∫E2r dr)2/(∫E4r dr),其中積分限為0至∞,并且E是與傳播的光有關(guān)的電場(chǎng)。有效直徑Deff可由下式定義Aeff=π(Deff/2)2。
-相對(duì)折射率Δ%由下述等式定義Δ%=100×(n12-n22)/2n12,其中n1為折射率分布曲線(xiàn)中分層1的最大折射率,而n2是一參考折射率,在本申請(qǐng)中取為二氧化硅的折射率。
-術(shù)語(yǔ)折射率分布曲線(xiàn)是在纖芯的一選定部分上Δ%或折射率與半徑之間的關(guān)系。術(shù)語(yǔ)α分布曲線(xiàn)是遵循下述等式的折射率分布曲線(xiàn)n(r)=n0(1-Δ[r/a]α),其中r為纖芯半徑,Δ如上定義,a是該分布最后一點(diǎn),將r選擇成在分布的第一點(diǎn)為零,以及α是限定分布曲線(xiàn)形狀的指數(shù)。其它折射率分布曲線(xiàn)包括階躍型折射率、梯形折射率和帶圓角的階躍型折射率,其中圓角一般是由于摻雜劑在折射率快速變化的區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散所產(chǎn)生的。
-總色散定義為波導(dǎo)色散和材料色散的代數(shù)和。在本領(lǐng)中有時(shí)將總色散稱(chēng)為色散現(xiàn)象??偵⒌膯挝粸閜s/nm-km。
-波導(dǎo)光纖的抗彎曲性表述為在規(guī)定測(cè)試條件下的引入衰減。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件包括將波導(dǎo)纖維繞75毫米直徑的心軸100周,以及繞32毫米直徑的心軸一周。在每種測(cè)試條件下,測(cè)量彎曲引起的衰減,通常以dB/單位長(zhǎng)度為單位。在本申請(qǐng)中,所用的彎曲測(cè)試是將波導(dǎo)纖維繞20毫米直徑的心軸一周,當(dāng)本發(fā)明波導(dǎo)纖維應(yīng)用于更嚴(yán)格的操作環(huán)境中時(shí),需要這種更高要求的測(cè)試。
發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)新穎的單模光纖纖維滿(mǎn)足下述高性能通信系統(tǒng)的要求。
本發(fā)明的第一方面是一種單模光纖,它具有一分層纖芯,周?chē)徊AО鼘?。纖芯至少有四個(gè)分層。其中至少有一個(gè)分層具有負(fù)的相對(duì)折射率-Δ%。按照各分層的相對(duì)折射率百分?jǐn)?shù)、相對(duì)折射率分布曲線(xiàn)和半徑來(lái)定義分層纖芯。如“定義”部分所述的以及圖1和圖2所示的,諸半徑從波導(dǎo)纖維的中心線(xiàn)開(kāi)始量起,并延伸到按照各相對(duì)折射率定義的分層點(diǎn)。在本申請(qǐng)中,纖芯寬度,即纖芯的外半徑,按照分層的幾何形狀來(lái)定義。纖芯中運(yùn)載了光能的最大部分,但應(yīng)該理解,與纖芯鄰近的包層也運(yùn)載了光能的相當(dāng)大部分。新穎波導(dǎo)中與纖芯相鄰的包層部分最好包括一種增大折射率的摻雜劑。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,將中心分層制成具有負(fù)的相對(duì)折射率-Δ1%。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中,纖芯區(qū)具有四個(gè)分層,除了中心分層具有負(fù)的相對(duì)折射率之外,其它分層都具有正的相對(duì)折射率。在該情況下,Δ%滿(mǎn)足以下不等式Δ2%>Δ4%>Δ3%>Δ1%,其中分層編號(hào)是連續(xù)的,并且從中心分層的數(shù)字1開(kāi)始。在該實(shí)施例中,第一和第三環(huán)形分層的折射率分布曲線(xiàn)可以是α分布曲線(xiàn)、階躍型折射率、梯形分布曲線(xiàn),或者帶圓角的階躍型或梯形分布曲線(xiàn)。第二環(huán)形區(qū)可以是階躍型折射率分布曲線(xiàn)的形式,這是指由恒定水平部分組成的折射率分層。另外,包層部分可以具有階躍型折射率分布曲線(xiàn),由于該部分包含一種增大折射率的摻雜劑,所以包層部分的折射率大于二氧化硅的折射率。
以下列表給出了對(duì)于具有四個(gè)分層的纖芯區(qū),其相對(duì)折射率Δ1%、Δ2%、Δ3%和Δ4%,以及半徑r1、r2、r3和r4的特定數(shù)值范圍,它們提供了一組新穎波導(dǎo)的目標(biāo)性能。表中還給出了對(duì)于按較佳方式摻雜的包層部分,其相對(duì)折射率Δ5%的合適范圍。不需要摻雜包層部分的半徑。事實(shí)上,包層的摻雜部分延伸至某一半徑,在該半徑處,波導(dǎo)中運(yùn)載的光強(qiáng)可以忽略。此半徑值一般由本領(lǐng)域已知的測(cè)試方法確定,諸如近場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量。
本發(fā)明的這一方面,包括其關(guān)于分布曲線(xiàn)分層形狀和大小的實(shí)施例,能夠提供一種單模光纖,在預(yù)先選定的工作波長(zhǎng)范圍內(nèi),其有效面積≥70微米2,總色散斜率≤0.08ps/nm2-km。如上所述,目前較佳的窗口大約是1550納米至1560納米,因?yàn)樵诖朔秶鷥?nèi)衰減較小,并且它與摻鉺光放大器的增益曲線(xiàn)相對(duì)應(yīng)。主要通過(guò)調(diào)節(jié)半徑、Δ%以及一個(gè)或多個(gè)分布曲線(xiàn)分層的形狀,便可以增加最小的有效面積,并降低總色散斜率。通過(guò)比較以下表1數(shù)據(jù)和表2數(shù)據(jù),可以看出這種調(diào)節(jié)的作用。表2的范圍提供了一種波導(dǎo)纖維,其Aeff≥70微米2,總色散斜率≤0.07ps/nm2-km。
本發(fā)明的第二方面是一種波導(dǎo)纖維,它至少具有四個(gè)分層。與纖芯相鄰的一部分包層包含一種增大折射率的摻雜劑。Δ、半徑和分布曲線(xiàn)形狀經(jīng)選擇提供了表3所列的波導(dǎo)纖維性能。
附圖概述圖1是Δ%對(duì)半徑的曲線(xiàn)圖,示出了依照本發(fā)明的折射率分布曲線(xiàn),以及Δi和ri的定義。
圖2是一曲線(xiàn)圖,示出了折射率分布曲線(xiàn)的另一實(shí)施例。
本發(fā)明的詳細(xì)描述這里描述的發(fā)明是一族單模光纖,它們由一族折射率分布的參數(shù)限定。這些折射率分布曲線(xiàn)至少包括四個(gè)纖芯分層和一個(gè)包層,其中一個(gè)分層具有負(fù)的相對(duì)折射率百分?jǐn)?shù)-Δi%,而包層最好至少在其與纖芯區(qū)相鄰的部分內(nèi)包含一種增大折射率的摻雜劑。
根據(jù)圖1所示的Δ%和半徑,描述新穎波導(dǎo)的折射率分布曲線(xiàn)。因此,在圖1中,用標(biāo)號(hào)2、4、6、8、10和12表示相對(duì)折射率的值,它們分別是纖芯中中心分層、第一環(huán)形分層、第二環(huán)形分層、第三環(huán)形分層和第n環(huán)形分層的相對(duì)折射率的值。相對(duì)折射率14是與纖芯最外分層相鄰的包層部分的相對(duì)折射率,包層部分包含一種增大折射率的摻雜劑。圖中用標(biāo)號(hào)16、18、20和22表示各半徑ri,i=1,2,3,…,n。半徑16是從波導(dǎo)纖維中心線(xiàn)量到中心分層與第一環(huán)形分層的交點(diǎn)。半徑18是從中心線(xiàn)量到相對(duì)折射率為零的點(diǎn),即第二環(huán)形分層分布曲線(xiàn)與x軸的交點(diǎn)。
虛線(xiàn)24、26、28和30是各分層折射率分布曲線(xiàn)的其它形狀。這些虛線(xiàn)所代表的是能夠提供表3中所述預(yù)選波導(dǎo)性能預(yù)選的該族分布曲線(xiàn)中的其它分布。可以將這些替代分布看作是基本分布曲線(xiàn)的微擾,這些微擾不足以改變運(yùn)載光在波導(dǎo)纖維中的能量分布。
圖2所示的新穎分布曲線(xiàn)的實(shí)施例可用來(lái)計(jì)算表1和表2所描述的折射率分布曲線(xiàn)的幾何形狀。具有表1或表2所示分布曲線(xiàn)的波導(dǎo)纖維可以具有表3所示的相應(yīng)性能要求。圖2所示的關(guān)于r1、r2、r3和r4的定義嚴(yán)格遵照上述“定義”部分所給出的定義。在圖2中,分別用標(biāo)號(hào)32、34、36、38和40表示相對(duì)折射率百分?jǐn)?shù)Δ1、Δ2、Δ3、Δ4和Δ5。應(yīng)該理解,此分布曲線(xiàn)的微小變化將不會(huì)改變波導(dǎo)性能。例如,在不影響計(jì)算獲得的波導(dǎo)性能的情況下,分層32、36或40的水平分布曲線(xiàn)可以略微凹入或凸出,或者相對(duì)折射率有較小的下降或上升。
但是,比較兩個(gè)表可以看出,半徑例如半徑r1的下限,在亞微米量級(jí)上的變化,可以明顯影響總色散斜率。分布曲線(xiàn)某些變量的其它微小變化會(huì)影響波導(dǎo)性能。
表1
在表1中,折射率分布曲線(xiàn)各分層受下述要求的限制,即在中心大約位于1550納米的波長(zhǎng)范圍內(nèi),總色散斜率小于或等于0.08ps/nm2-km,以及有效面積大于70微米2。有效面積是通過(guò)限制總色散斜率和1555納米處的總色散值而設(shè)置的,在表1和表2的實(shí)施例中,總色散值小于大約-3ps/nm-km。
表2
如表2所示,為了將總色散斜率的值改善到小于或等0.07ps/nm2-km,以及將有效面積的值改善到大于或等于80微米2,比較表列值可以看出,纖芯半徑r4以及包層的相對(duì)折射率可以保持不變,而分布曲線(xiàn)中其余變量的變化增大。在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)Aeff和總色散斜率時(shí),Δ2%、Δ3%和r1的值看起來(lái)比其余變量更重要。但是,諸變量相互作用,提供了能夠滿(mǎn)足表3所示所有波導(dǎo)性能要求的分布曲線(xiàn)。在每一情況下都必須考慮整個(gè)的分布幾何。
表3
例如,按下述要求設(shè)置表1中Δ1、Δ2和Δ3的下限,所述要求是總色散在大約1555納米的工作窗口內(nèi)較-3ps/nm-km負(fù)得少些。改變一個(gè)變量或變量組,直到模型推算出有一個(gè)性能參數(shù)不符合規(guī)范,由此尋找分布曲線(xiàn)族包絡(luò)線(xiàn)的邊緣。
盡管這里揭示和描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例,但本發(fā)明僅由后附的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種單模光纖,其特征在于,包括纖芯區(qū),它被一包層包裹,并與所述包層接觸,所述纖芯區(qū)至少包括中心分層以及第一、第二和第三環(huán)形分層,每個(gè)分層都有折射率分布曲線(xiàn)、相對(duì)折射率百分?jǐn)?shù)Δi%和相關(guān)半徑ri,其中相對(duì)折射率百分?jǐn)?shù)的參考折射率是二氧化硅的折射率,所述至少中心分層以及第一、第二和第三分層中至少有一個(gè)分層具有負(fù)的相對(duì)折射率,并且至少有一部分與最外環(huán)形纖芯分層相鄰的包層具有正的相對(duì)折射率。
2.如權(quán)利要求1所述的單模光纖,其特征在于,具有負(fù)的相對(duì)折射率百分?jǐn)?shù)-Δ1%的分層是中心分層。
3.如權(quán)利要求2所述的單模光纖,其特征在于,纖芯具有四個(gè)纖芯分層,從中心分層的數(shù)字1開(kāi)始對(duì)各分層連續(xù)編號(hào),各分層相對(duì)折射率的數(shù)值滿(mǎn)足以下關(guān)系式Δ2%>Δ4%>Δ3%>Δ1%。
4.如權(quán)利要求2所述的單模光纖,其特征在于,第一和第三環(huán)形分層的折射率分布曲線(xiàn)選自由以下曲線(xiàn)組成的組α分布曲線(xiàn)、階躍型折射率分布曲線(xiàn)、帶圓角的階躍型折射率分布曲線(xiàn)以及梯形分布曲線(xiàn)。
5.如權(quán)利要求4所述的單模光纖,其特征在于,第二環(huán)形區(qū)是階躍型折射率分布曲線(xiàn)。
6.如權(quán)利要求5所述的單模光纖,其特征在于,包裹并接觸第三環(huán)形區(qū)的包層部分的折射率分布曲線(xiàn)是階躍型折射率分布曲線(xiàn)。
7.如權(quán)利要求1所述的單模光纖,其特征在于,纖芯具有四個(gè)分層,從中心分層的數(shù)字1開(kāi)始對(duì)各分層連續(xù)編號(hào),各分層的相對(duì)折射率分別為,Δ1%在大約-0.32至-0.24的范圍內(nèi),Δ2%在大約1.24至1.39的范圍內(nèi),Δ3%在大約-0.02至0.03的范圍內(nèi),而Δ4%在大約0.40至0.52的范圍內(nèi),各分層半徑分別為r1在大約1.69微米至1.82微米的范圍內(nèi),r2在大約3.72微米至3.87微米的范圍內(nèi),r3在大約8.32微米至8.63微米的范圍內(nèi),而r4在大約9.3微米至9.65微米的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1-7中任何一項(xiàng)所述的單模光纖,其特征在于,包層部分的相對(duì)折射率Δ5%在大約0.09至0.11的范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求8所述的單模光纖,其特征在于,纖芯和包層的折射率以及纖芯半徑經(jīng)選擇,提供了一種波導(dǎo)纖維,其有效面積大于或等于70微米2,其色散斜率小于或等于0.08ps/nm2-km。
10.如權(quán)利要求1所述的單模光纖,其特征在于,纖芯和包層的折射率以及纖芯半徑經(jīng)選擇,提供了一種波導(dǎo)纖維,其有效面積大于或等于70微米2,其色散斜率小于或等于0.08ps/nm2-km。
11.一種單模光纖,其特征在于,包括纖芯區(qū),它被一包層包裹,并與所述包層接觸,所述纖芯區(qū)包括中心分層以及第一、第二和第三環(huán)形分層,每個(gè)分層都有折射率分布曲線(xiàn)、相對(duì)折射率百分?jǐn)?shù)Δi%和相關(guān)半徑r1,其中相對(duì)折射率百分?jǐn)?shù)的參考折射率是二氧化硅的折射率,i是大于或等于1的整數(shù),并且與最外纖芯分層相鄰的包層部分具有包含一種增大折射率的摻雜劑,其中每個(gè)分層的折射率分布曲線(xiàn)Δ%和半徑r經(jīng)選擇,提供了一種波導(dǎo),它的-有效面積大于或等于70微米2;-總色散斜率小于或等0.08ps/nm2-km;-在1550納米處的衰減小于或等于0.25dB/km;-在光纜中測(cè)得的截止波長(zhǎng)小于1500納米;-在1560納米處的色散大約為-2ps/nm-km;以及-繞20毫米直徑心軸一周的宏彎曲損耗小于或等于10dB/m。
12.如權(quán)利要求11所述的單模光纖,其特征在于,纖芯具有四個(gè)纖芯分層,從中心分層的數(shù)字1開(kāi)始對(duì)各分層連續(xù)編號(hào),各分層相對(duì)折射率的數(shù)值滿(mǎn)足以下關(guān)系式Δ2%>Δ4%>Δ3%>Δ1%。
13.如權(quán)利要求12所述的單模光纖,其特征在于,纖芯具有四個(gè)分層,從中心分層的數(shù)字1開(kāi)始對(duì)各分層連續(xù)編號(hào),各分層的相對(duì)折射率分別為,Δ1%在大約-0.32至-0.24的范圍內(nèi),Δ2%在大約1.24至1.39的范圍內(nèi),Δ3%在大約-0.02至0.03的范圍內(nèi),而Δ4%在大約0.40至0.52的范圍內(nèi),各分層析半徑分別為r1在大約1.69微米至1.82微米的范圍內(nèi),r2在大約3.72微米至3.87微米的范圍內(nèi),r3在大約8.32微米至8.63微米的范圍內(nèi),而r4在大約9.3微米至9.65微米的范圍內(nèi)。
14.如權(quán)利要求11所述的單模光纖,其特征在于,纖芯具有四個(gè)分層,從中心分層的數(shù)字1開(kāi)始對(duì)各分層連續(xù)編號(hào),各分層的相對(duì)折射率分別為,Δ1%在大約-0.32至-0.24的范圍內(nèi),Δ2%在大約1.24至1.39的范圍內(nèi),Δ3%在大約-0.02至0.03的范圍內(nèi),而Δ4%在大約0.40至0.52的范圍內(nèi),各分層析半徑分別為r1在大約1.69微米至1.82微米的范圍內(nèi),r2在大約3.72微米至3.87微米的范圍內(nèi),r3在大約8.32微米至8.63微米的范圍內(nèi),而r4在大約9.3微米至9.65微米的范圍內(nèi)。
全文摘要
一種單模光纖,其折射率分布曲線(xiàn)至少包括四個(gè)分層(16,18,20,22),波導(dǎo)性能適用于海底或其它長(zhǎng)距離的通信系統(tǒng)。新穎折射率分布曲線(xiàn)的特征是有一纖芯分層,其相對(duì)折射率是負(fù)的,其中參考折射率為二氧化硅的折射率。本發(fā)明的另一特征是包層至少在其與最外纖芯分層相鄰的部分內(nèi)包含一種增大折射率的摻雜劑。
文檔編號(hào)G02B6/02GK1309780SQ9980864
公開(kāi)日2001年8月22日 申請(qǐng)日期1999年6月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月14日
發(fā)明者M·B·卡安, P·W·楚, J·M·格羅秋辛斯基, 李明軍 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司