專利名稱：寬帶脈沖再整形光纖的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般地涉及脈沖再整形光纖以及利用這種光纖的傳輸系統(tǒng)，尤其涉及脈沖壓縮光纖。
2.技術(shù)背景需要一種成本有效的方法，用來提高光傳輸系統(tǒng)的信息輸送量。術(shù)語“光傳輸系統(tǒng)”是指，用光信號在諸如單模光纖等光波導介質(zhì)上傳送信息的任何系統(tǒng)。這類光學系統(tǒng)包括但不限于電信系統(tǒng)、有線電視系統(tǒng)和局域網(wǎng)(LANs)。已用波分多路復用技術(shù)(WDM)來提高光傳輸系統(tǒng)的容量。WDM系統(tǒng)使用多個光信號信道，并為每個信道分配一個特定的信道波長。在WDM系統(tǒng)中，信號信道在光傳輸光纖上生成、多路復用并傳輸。在接收端，把光信號多路分解，使得每個信道波長能各自進入一指定的接收器。
還使用過時分多路復用技術(shù)(TDM)來提高光傳輸系統(tǒng)的容量，其方法是用降低用于代表數(shù)據(jù)之二進位制數(shù)位的時間窗口的寬度。當發(fā)送器電子線路不能產(chǎn)生足夠窄的脈沖來滿足一預定脈沖率時，TDM就會產(chǎn)生容量上限。例如，給定的系統(tǒng)不能以超過40 Gb/s的單波長信道數(shù)據(jù)速率來傳送脈沖。為了克服這一限制并提高用于歸零(RZ)調(diào)制格式的數(shù)據(jù)速率，可以在將光源的輸出脈沖串注入光傳輸線之前，先使其通過一脈沖壓縮器。脈沖壓縮機把脈沖的寬度變窄，讓更多的脈沖在給定時間段內(nèi)發(fā)送。反之，在傳輸線的接收端，脈沖整形機把脈沖擴寬到其原來的形狀。
在傳輸過程中，當信號沿光纖傳播時，脈沖會發(fā)生色散或變寬。如果它們在初始時分得不夠開，那么會導致脈沖最終重疊。此色散同樣限制了光纖的數(shù)據(jù)速率的大小，以及利用時分多路復用的能力。已經(jīng)用不同的方法來克服色散，這些方法包括降低色散的光纖和弧立子脈沖，其中孤立子在長距離傳輸時能夠保持其特征形狀。在軸向非均勻的光纖(其色散從一端到另一端單調(diào)地下降)中，脈沖壓縮會本能地發(fā)生，并且色散近似隨距離作指數(shù)下降，以實現(xiàn)弧立子傳播。
這種類型的脈沖再整形依賴于光纖中對抗的自相位調(diào)制(SPM)和色散效應之間細微不平衡。為了脈沖壓縮，將光纖設(shè)計成具有少量剩余的未補償SPM，從而產(chǎn)生一種脈沖頻率線性調(diào)頻，它會通過色散降低脈沖后尖頭信號的能量。為了脈沖擴寬，將光纖設(shè)計成具有少量剩余的未補償色散，從而產(chǎn)生符號相反的頻率線性調(diào)頻，它會通過SPM增大脈沖后尖頭信號的能量。沿相反方向的傳播會把脈沖壓縮光纖變成脈沖擴寬光纖。已用數(shù)字證明如果允許在“色散長度”的標尺上絕熱地(緩慢地)再整形，那么始發(fā)脈沖的所有能量都會轉(zhuǎn)移給經(jīng)再整形的脈沖，并且不產(chǎn)生色散波。絕熱條件是指，脈寬的變化率與色散長度的乘積必須大大地小于1。在實際中，光纖長度應該為2LD＜L＜10LD(1)其中LD是“色散長度”。色散長度由下式給出LD＝T02/|β2| (2)其中To是光場的1/e特征脈寬，而群速度色散β2由下式給出，單位為ps2/nmβ2＝-λ2D/2πc(3)其中λ是波長，D是色散，其單位為ps/nm-km，而C是光速。對于雙曲線形的孤立子，脈沖的半最大值處全寬度Tfwhm等于1.763(To)。因此，LD＝[T2fwhm·2πc]/[(1.763)2·Dλ2](4)作為舉例，取中心位于1550nm波長處的光傳輸窗口。在1550nm波長處的色散長度LD約為(T2fwbm/4D)。如果脈沖壓縮光纖之輸入端(z＝0)處的色散D為10ps/nm-km，并且半最大值處全寬度Tfwhm為8 ps，則色散長度應為1.6km。于是，壓縮光纖長度L可以由關(guān)系式(1)來決定。在本例中，由關(guān)系式(1)給出的最小長度和最大長度分別為3.2kM和16km。因為較長的長度會不必要地增加系統(tǒng)損耗，所以不要把長度L做得長于為獲得所需脈沖壓縮而必需的長度。特別適合的光纖長度能夠絕熱地壓縮脈沖，并且約為5LD。對上面的例子，這個長度約為8km。
所以，為了獲得最佳性能，光纖長度L通常大大地大于2LD。但是，如果輸出脈沖串在被輸入脈沖壓縮光纖的輸入端之前經(jīng)歷了光譜增強器件，則可用較短的長度(L低至2LD)。這種光譜增強可以通過用具有足夠長度(約1-2km)的色散位移(DS)單模光纖產(chǎn)生自相位調(diào)制來完成。
現(xiàn)有的用于軸向變化光纖的脈沖壓縮/擴寬方案已經(jīng)使用了兩種方法1)光纖直徑沿其長度連續(xù)變化，以提供所需要的色散下降分布；或者2)光纖由許多交替的光纖分段組成，這些光纖分段具有高低不規(guī)則的色散，它們可以有效地在空間上分離SPM且色散再整形的部件。不論在何種情況下，光纖使用階躍型折射率分布曲線(如在標準的非色散位移光纖中一樣)，或者使用各種色散位移傳輸光纖分布曲線中的一種。所有在市場上能買到的光纖都具有同樣較大的色散斜率，至少為0.04 ps/nm2-km，這限制了在光傳輸系統(tǒng)中可以獲得有用脈沖壓縮的波長范圍。
脈沖再整形光纖應能在一較大波長范圍內(nèi)工作。例如，非常希望有一種能夠在整個鉺(Er)放大頻帶上工作的再整形光纖。在該情況下，單根光纖就可以承擔電吸收調(diào)制器之波分多路復用陣列的寬波長輸出，并同時把所有波長信道壓縮到相同要求的脈寬中。這樣一種集成的小型器件對高數(shù)據(jù)速率傳輸是非常有用的。
脈沖再整形光纖也應該可以工作于大范圍的脈寬和各種壓縮系數(shù)。壓縮系數(shù)定義為輸入脈寬對輸出脈寬的比。如果滿足絕熱條件，光纖的有效面積近似為一常數(shù)，而色散則沿光纖以某一衰減率作指數(shù)下降，其中所述衰減率等于每千米光纖損耗率α與脈寬隨距離降低速率ρ之和。這就意味著，色散的變化率必須大于損耗率，以便在傳播時壓縮脈沖。但是，色散也是波長的函數(shù)。這種依賴關(guān)系的線性分量稱為色散斜率。較高的色散斜率暗示著較大的色散變化。所以，具有高色散斜率的光纖表現(xiàn)出壓縮系數(shù)對波長有較大的依賴關(guān)系。關(guān)于這種DS光纖分布曲線的一個代表性例子在美國專利第5,504,829號中被揭示，該例的色散斜率為0.08 ps/nm-km(給定初始脈寬為8 ps，光纖損耗為0.2dB/km，光纖長度為10km，并且輸入脈沖功率等于基本孤立子功率)。如果這光纖是為4倍壓縮設(shè)計的，設(shè)計時按指數(shù)方式將1550nm處的色散從10變化到1.55 ps/nm-km的，則由于存在1570nm處的色散斜率，該色散會從11.6變?yōu)?.15 ps/nm-km，且壓縮系數(shù)為2.3。此外，在1530nm處，色散將從正的8.4變到負的0.05 ps/nm-km，而壓縮系數(shù)實際上變得不可能接近。要充分說明色散斜率的相關(guān)問題需要用數(shù)字模擬。經(jīng)求解非線性薛定格方程，1550nm波長處的輸出脈寬是2.0 ps，而1530nm處為1.6 ps，1570nm處為3.11 ps。對于1550nm、1530nm和1570nm，它們的壓縮系數(shù)分別為4X、5X和2.6X。不僅壓縮系數(shù)不同，而且脈沖失真發(fā)生在輸出脈寬較小的的較短波長處。這可以從圖上看出。例如參閱本文中的

圖1，曲線12，14和16分別代表1550nm，1570nm和1530nm處的輸出脈沖，可以將它們與輸入脈沖10作比較。在圖1(a)，用對數(shù)標度就三個波長給出了常規(guī)孤立子脈沖的時間輸出強度，而圖1(B)用線性標度給出，其中圖1(b)中表示曲線的數(shù)字是加撇的。對數(shù)標度反映了在三個波長處低強度的脈沖后尖頭信號的差，而線性標度說明了三個波長處脈沖峰值強度和寬度方面的差。
這些差別是有限色散斜率的直接結(jié)果，特別是在靠近光纖輸出端的地方。發(fā)送器中的脈沖失真導致了色散波的產(chǎn)生，并導致一個不希望有的連續(xù)波本底。上述例子說明，高色散斜率對希望具有寬波長帶壓縮和窄脈沖輸出的光信號傳輸是不利的。
由高色散斜度光纖引進的寬帶問題可以用以下方式來克服，即對WDM系統(tǒng)的每個輸入信道利用不同的高斜率脈沖壓縮光纖，但調(diào)諧每根光纖，使其具有相同的初始色散和變化率。但是，這個解決辦法在商業(yè)上是不能接受的，因為它極大地增加了系統(tǒng)所需的脈沖壓縮光纖的數(shù)量，并且使系統(tǒng)設(shè)計和制造極度復雜。
即使光傳輸系統(tǒng)只利用一個波長信道，使用一根具有低斜率的脈沖壓縮光纖仍然是有利的，因為有限的斜率使脈沖形狀失真(特別對于光纖中零色散波長附近的短脈沖)。
為了量化要在寬波長范圍內(nèi)保持所需脈沖再整形性能而對色散斜度的要求，必須考慮其它波長上波長在輸入與輸出色散比率上的變化D(λC，L)/D(λC，O)x[D(λC，O)＋(λC－λE)S(λC，0)]/[D(λC，L)＋(λC－λE)S(λC，L)]＞(1－η) (5)其中λC是工作窗口的中心波長，λE是工作窗口邊緣的波長，D(λ，z)是波長為λ和長度為z處的色散，S(λ，z)是波長為λ且長度為z處的色散斜率，η是色散比偏離最佳值D(λC，O)/D(λC，L)的因子。因子η還代表輸出脈寬在整個波長帶上不同。用初始與最終色散斜率之差，可以將等式(5)重寫成[(1－η)S(λC，L)D(λC，O)/D(λC，L)]－S(λC，O)＜D(λC，O)η/(λC－λE)(6)假設(shè)該系統(tǒng)允許色散相差10％，則1－η等于0.9。進一步如前面例子中假設(shè)，(λC－λE)等于20 nm，D(λC，O)等于10，和D(λC，L)等于1.55，那么等式(6)簡約為|5.8S(λC，L)－S(λC，O)|＜0.05(6′)如果沒有斜率變化，則S(λC，O)＝S(λC，L)＜0.01。如果S(λC，O)＝0.03，則S(λC，L)＜0.014，而假如S(λC，O)＝0.07，則S(λC，L)＜0.02，另外，較大的目標色散比率降低了最終色散斜率的上限。對于大多數(shù)實際感興趣的情況，此寬帶標準將最終的斜率極值設(shè)置在0.01和0.02 ps/nm2/km之間的某處。
第二個斜率限制標準起因于三級色散造成的短脈沖失真。三級色散長度(類似于前面定義的二級色散長度)是有用的LD＝T03/|β3|(7)其中β3＝-λ4S/(2πc)2。因為脈寬和色散斜率是距離的函數(shù)，所以色散降低光纖的等式成為LD＝<T0>3/|<β3>|(8)其中<T0>＝T0(O)(1-e-ρL)/ρL，<β3>＝(O)(1-e-bL)/bL，而ρ和b分別是脈寬和色散斜率的指數(shù)衰減率。為了忽略此三級效應，光纖長度L必須大大地小于三級色散長度(L＜＜L′D)。1/10是足夠的(10L＜L′D)。對于8 ps初始脈寬，10km長的光纖，以及色散從10變到1.55，由此平均斜率應小于0.09/ps/nm2-km(這不是一個很大的限制)。但是，方形脈寬的依賴關(guān)系極大地限制了較短脈沖的壓縮。例如，5 ps脈沖的平均斜率應小于0.022。此外，如果色散從10降到1，則5ps斜率變成0.013。光纖低色散端的色散斜率值應低于0.025 ps/nm2-km，以滿足大多數(shù)實際的光信號傳輸應用的斜率判斷標準。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種色散變化的脈沖再整形光纖，相對于纖芯直徑的變化而言，其色散變化較大，并且光纖具有非常低的色散與波長斜率的關(guān)系曲線。零色散直徑接近于零色散斜率直徑。結(jié)果，色散和色散斜率特性使得光纖能夠以極高的數(shù)據(jù)速率和大量的波長信道條件下進行信息的光傳輸。
脈沖再整形光纖還具有一相當小的有效面積Aeff，并需要較少的輸入功率來產(chǎn)生所需的輸出功率。
脈沖再整形光纖包括折射率為nc且被包層包裹著的纖芯。纖芯的外直徑最好是沿光纖的長度單調(diào)地變化。纖芯至少包括兩個徑向鄰接的區(qū)域具有最大折射率n1的中央?yún)^(qū)和與纖芯區(qū)鄰接的溝槽區(qū)。中央?yún)^(qū)具有正值的Δ1，而溝槽區(qū)的Δ2不大于-0.1％。溝槽區(qū)相對于光纖包層直徑有利地影響色散的變化，并且為光纖提供非常低的色散與波長斜率的關(guān)系曲線。在直徑較小的光纖末端，在1550nm范圍(在1500和1600nm之間測量)內(nèi)的斜率最好小于0.025ps/nm2-km。
Δ1的值可在0.4％和1.5％之間，，但是最好在0.7％和1.2％之間。Δ2的較佳值在-0.2％到-0.6％的范圍內(nèi)。對具有石英包層的脈沖再整形光纖，Δ2的這個范圍可以用摻氟石英做成溝槽區(qū)而獲得。溝槽也可用石英制成，如果包層是摻有降低折射率的附加劑的石英。當溝槽含氟時，包層中也可使用增加折射率的附加劑。
纖芯可以包括一個任選的最大折射率為n3的環(huán)形區(qū)，它在徑向上位于溝槽區(qū)之外。該任選的環(huán)形區(qū)可以具有最大折射率n3，以便滿足下述條件0％＜Δ3＜0.5％。
脈沖再整形光纖的各種特性可以被最佳化，以提供所需的色散和色散斜率性能。例如，如果中央?yún)^(qū)具有α型漸變折射率的分布曲線，α應該大于1。此外，內(nèi)纖芯半徑與溝槽徑向?qū)挾戎茸詈迷陉P(guān)系式0.67＜a/b＜2定義的范圍內(nèi)。
脈沖再整形光纖的長度依賴于某些參數(shù)，包括脈沖特性。較佳的光纖長度是2LD＜L＜10LD，其中如前所述，LD是色散長度。此外，脈沖再整形光纖的長度L不應超過三級色散長度LD′的十分之一。
本發(fā)明的脈沖再整形光纖可以用于光傳輸系統(tǒng)中的各種位置，主要是帶有光傳輸線一端的接口。例如，脈沖再整形光纖能夠構(gòu)成一個脈沖壓縮器，連接在調(diào)制脈沖光源和傳輸線之間。在WDM系統(tǒng)中，脈沖光源可以是一個多路復用器，它具有多個輸入線，用于接收不同波長的光信號，并且脈沖壓縮器光纖與多路復用器的輸出線相連。這樣的WDM系統(tǒng)包括多個光信號發(fā)送器，每個發(fā)送器都與一個相應的輸入線相連。因為脈沖壓縮器光纖具有較低的色散斜率，所以可以使用能夠至少在10 Gb/s數(shù)據(jù)速率下產(chǎn)生光脈沖的發(fā)送器。所以這種光纖在高脈沖速率的WDM光傳輸系統(tǒng)中具有極大的價值。
當光傳輸系統(tǒng)被設(shè)計成工作于一給定波長帶，并且λL，λH，和λM分別是波長帶的低端、高端和中間波長時，在λL或λH處的輸入與輸出色散比率應該在λM處輸入與輸出色散比率的10％內(nèi)。
脈沖再整形光纖可以任選地放置在光傳輸系統(tǒng)的輸出端，連接在傳輸線和光接收器或探測器之間。這種脈沖再整形光纖的另一個可選位置是沿著傳輸線本身，連接于光脈沖再生器的輸出端、放大器，或其它有源或無源的信號控制部件或信號路由選擇部件。
附圖概述圖1(a)是一對數(shù)標度圖，描繪了用于現(xiàn)有色散位移且色散變化光纖的孤立子脈沖的時間輸出強度。
圖1(b)是一線性標度圖，描繪了用于圖1中現(xiàn)有色散位移且色散變化光纖的孤立子脈沖的時間輸出強度。
圖2示意地示出了根據(jù)本發(fā)明使用脈沖再整形光纖的一個實施例的波分多路復用(WDM)光傳輸系統(tǒng)。
圖3(a)，3(b)和3(c)例示了本發(fā)明脈沖再整形光纖的折射率分布曲線。
圖4(a)是一對數(shù)標度圖，描繪了本發(fā)明色散變化光纖之孤立子脈沖的時間輸出強度，其中色散斜率線性地從0.03降到0.0ps/nm2-km。
圖4(b)是一線性標度圖，描繪了本發(fā)明色散變化光纖之孤立子脈沖的時間輸出強度，其中色散斜率線性地從0.03降到0.0ps/nm2-km。
圖5是一曲線圖，示出了對于不同光纖外直徑值，色散和色散斜率之間的關(guān)系。
圖6是一曲線圖，示出了對于現(xiàn)有的色散下降且色散位移(DS)光纖，色散和模場直徑作為色層直徑之函數(shù)而變化。
圖7是一曲線圖，示出了對于本發(fā)明的脈沖再整形光纖，色散和模場直徑作為包層直徑之函數(shù)而變化。
圖8示意地示出了使用本發(fā)明脈沖再整形光纖的光信號再生器。
圖9示意地示出了將本發(fā)明的色散下降光纖用作脈沖擴寬器。
較佳實施例的詳細描述本發(fā)明的脈沖再整形光纖26作了圖示，以下參考附圖對其作詳細敘述，并與光傳輸系統(tǒng)20的各種實施例結(jié)合使用。
和符號用來表示本發(fā)明脈沖再整形光纖26和光傳輸系統(tǒng)20 Δ”表示脈沖再整形光纖26不同區(qū)域之間的相對折射率，“n”表示某一給定區(qū)域的特定折射率。因此，對于最大折射率不同且分別為nx和nc的兩個區(qū)域，Δx的值等于(n2x-n2c)/2n2x。
本發(fā)明的脈沖再整形光纖26特別適用于用在諸如圖2所示的光傳輸系統(tǒng)20中。圖2描繪了根據(jù)本發(fā)明一實施例的波分多路復用(WDM)光傳輸系統(tǒng)20。系統(tǒng)20包括多條光輸入線21，22，23，每條輸入線分別在λ1，λ2，……λj波長處傳播歸零(RZ)脈沖光信號。因為少到只有一個輸入信道可以使用，所以波長的最大數(shù)目會受到諸如信道間隔、信道帶寬、光纖放大器帶寬等傳輸系統(tǒng)參數(shù)的限制。每個信道都是從光發(fā)送器(未示出)的輸出，其中光發(fā)送器以特定信道波長中的一個波長發(fā)出承載信息的光信號。每個光發(fā)送器一般包括一激光器，一激光控制器和一調(diào)制器。
一般地說，將光發(fā)送器發(fā)出的波長選擇在1500nm的窗口內(nèi)，對基于石英的光纖，在這個范圍中發(fā)生最小的信號衰減。具體地說，將光發(fā)送器發(fā)出的波長選擇在從約1530nm到約1610nm的范圍內(nèi)。但是，可以將光發(fā)送器波長選擇得對應于傳輸線放大器的增益特性。結(jié)果，當采用在不同區(qū)域具有增益譜的放大器時，光發(fā)送器的波長可以被選擇在那個增益區(qū)內(nèi)。
出現(xiàn)在傳輸線21，22，23上的每個信號構(gòu)成光系統(tǒng)20中的一個信道，信道波長對應于系統(tǒng)接收端的一個多路分解器波長。傳輸線21，22，23上的光信號信道在光合并器或多路復用器24中被合在一起，而被合并的信號在光傳輸光纖28上傳輸。
系統(tǒng)20包括單模脈沖壓縮光纖26，它能提高每個信道的比特率?？梢钥吹焦饫w26被繞在一卷軸上，因為那是脈沖壓縮光纖的常規(guī)布置方法。在傳輸鏈路中，它也可以作為第一光纖來部署。為了補償多路復用器的損耗，可把光纖放大器30插入系統(tǒng)，使其位于多路復用器24和脈沖壓縮光纖26之間。為了補償脈沖壓縮光纖26的損耗并調(diào)節(jié)光纖26的輸入功率，可把光纖放大器34插入系統(tǒng)，使其位于光纖26和傳輸光纖28之間。梳齒濾光器32可任選地用于光纖26和放大器34之間的傳輸線中，濾光器32可以包括法卜利-波洛濾光器，其通帶中心位于信道波長上。
能夠傳播多個光波長的光纖都可用作傳輸光纖28。示范性的光纖是(a)諸如SMF-28的傳統(tǒng)單模光纖，它可以向康寧公司(Corning Incorporated)買到，(b)由許多具有高低不規(guī)則色散的光纖交替片段組成的色散受控光纖，(c)諸如美國專利5,579,428所揭示的孤立子傳播光纖，以及(d)傳統(tǒng)色散位移光纖。光纖放大器36按需要沿著傳輸光纖28適當?shù)馗糸_。
多信道信號被多路分解器40所接收，它把信號分為波長為λ1，λ2……λj的多個信道，這些信道在傳輸線41，42，43上傳播至光接收器(未示出)。
本發(fā)明的一個特征是在系統(tǒng)20中使用光纖26，光纖26具有從一端到另一端單調(diào)變化的纖芯直徑，以及一折射率分布曲線，圖3(a)示出了其最小要求。該纖芯必須包括一中央?yún)^(qū)44和在徑向上鄰接中央?yún)^(qū)44的溝槽區(qū)45。中央?yún)^(qū)44可以在光纖中心具有如實線44所示的折射率最大值，或者在光纖中心具有如虛線47所示的折射率凹陷。光纖的其余部分可以包括一包層46。中央?yún)^(qū)44和溝槽區(qū)45的相對折射率分別為Δ1和Δ2。纖芯的一個突出特征是Δ2的大小，它不能大于-0.1％，并且最好定義在下述范圍內(nèi)-0.2％＞Δ2＞-0.6％。在此范圍內(nèi)的Δ2值對脈沖再整形光纖產(chǎn)生一些有利的影響，如色散斜率較小、色散對光纖外直徑的靈敏度提高，以及光纖模場直徑較小。
Δ1的值可在0.4％和1.5％之間，但最好Δ1在0.7％和1.2％之間。Δ1的較大值會導致較小的模場直徑，并改善彎曲損耗性能。但是，如果Δ1增加，Δ2必須相應地變得更負，以便獲得所需的色散和色散斜率方面的性質(zhì)。
脈沖再整形光纖26的纖芯可以具有如圖3(b)所示的分布曲線，它包括中央?yún)^(qū)50，溝槽區(qū)51和環(huán)形區(qū)52，其中環(huán)形區(qū)52在徑向上位于溝槽區(qū)51之外并與其鄰接。環(huán)形區(qū)52的最大折射率為n3，其值使得Δ3具有一個正值，并在由關(guān)系式0％＜Δ3＜0.5％所定的范圍內(nèi)。環(huán)形區(qū)的出現(xiàn)改善了彎曲性能，但是它對色散和色散率的影響較小。
為了對光纖性質(zhì)作較小的調(diào)諧，纖芯可以具有四個或更多個相對折射率正負交替的區(qū)域。除了以前敘述的纖芯區(qū)50，51和52之外，圖3(c)還示出了纖芯可以任選地包括另一個Δ為負的溝槽區(qū)53。
一個關(guān)于中央?yún)^(qū)50之折射率分布曲線的實施例可以表征為用等式n(r)＝(n1－nc)[1－(r/a)α]＋nc定義的漸變折射率分布曲線，其中r的值等于或大于中央纖芯半徑a(參閱圖3a)。雖然大于1的任意α值是被預期為有用的，但是較佳設(shè)計中的α值要大大地大于1，以便獲得較低的色散斜率，對于一組給定的光纖參數(shù)，如果α做得較大，那么相應地要使Δ2更負，以保持色散性能。
參考圖3(a)，已觀察到，內(nèi)纖芯半徑a與溝槽區(qū)51之徑向?qū)挾萣之比應在關(guān)系式0.67＜a/b＜2所定義的范圍之內(nèi)，以便獲得最好的結(jié)果，當a/b比增加到2以上時，幾乎不會發(fā)生斜率平坦，當a/b比降到低于0.67時，會遇到傳播問題，使得在1550nm附近的波長處發(fā)生高損耗。
根據(jù)圖3(b)的光纖26具有位于上述范圍內(nèi)的纖芯區(qū)相對折射率，該光纖可由石英、氧化鍺和氟做成，其中中央?yún)^(qū)50和環(huán)形區(qū)52由摻氧化鍺石英做成，而溝槽區(qū)51由摻氟石英做成。石英纖芯軸是用常規(guī)技術(shù)做成的，包括在芯軸上沉積摻氧化鍺的微粉體。氧化鍺的濃度隨半徑的增加而減少，以提供所要的折射率分布曲線。最后沉積少量的由純石英微粉體構(gòu)成的通路；這個非常薄的石英層在最后的光纖上是察覺不到的。去除芯軸，并烘干和熔凝所得到的多孔預制棒。把經(jīng)熔凝的預制棒插入摻氟石英管中，并在真空中對所得的組件再拉絲，以做成外直徑為8mm的初步芯棒。把摻氧化鍺的微粉體沉積到9.5mm的氧化鋁芯軸上，形成一環(huán)形部分，并且沉積石英粒子涂層，形成包層的一部分。去掉芯軸，并且多孔預制棒制成可以插入初步芯軸的多孔預制棒。把該組件烘干和熔凝，然后再拉絲到外直徑10.5mm，以形成實心的玻璃預制棒，圖3(b)示出了其折射率。用額外的石英微粉體外包覆此實心的玻璃預制棒，經(jīng)烘干和熔凝，形成一拉絲坯棒，以便拉絲成直徑軸向變化的光纖。所加的外包層量決定了在任何給定光纖直徑處的色散和色散斜率。沿光纖26之長度改變的外光纖直徑改變了纖芯半徑，從而很容易為脈沖再整形獲得所要求的光學性質(zhì)范圍。
光纖的起始直徑和結(jié)束直徑可以分別選為大于和小于標準光纖直徑125μm。這樣做可以使光纖的起始部分和結(jié)束部分的直徑不會偏離125μm太多。另一種方法是，可能有某個理由要把起始直徑或結(jié)束直徑做成125μm。
另一種方法是，按照美國專利第5,504,829號中所講授的原理制造光纖預制棒，此專利的全部內(nèi)容通過引用包括在此。因此，拉絲光纖具有不變的外直徑和下降的纖芯直徑。
在上述用于制作經(jīng)改良的色散變化光纖的方法中，氟被用來為光纖26提供相對折射率較小的溝槽區(qū)45，并且包層46由石英構(gòu)成。如果包層46包括諸如氧化鍺等增加折射率的摻雜劑，則溝槽區(qū)45需要較少的氟，以獲得一給定的Δ2。此外，需要對中央?yún)^(qū)50和環(huán)形區(qū)52加入額外的氧化鍺，以便維持Δ1和Δ3的值。如果對其余纖芯區(qū)加入足夠多的氧化鍺，則溝槽區(qū)52可由純石英制成。此外，可以用其它增加折射率的摻雜劑來代替GeO2。例子可以這樣來制作具有如圖3(b)所示折射率分布曲線的光纖26，使得Δ1是1.0％，Δ2是-0.4％，而Δ3是0.25％。中央?yún)^(qū)44具有漸變折射率分布曲線，其中α約為2。在光纖的大直徑端，中央纖芯半徑(在圖3中線度為a)約為3.05μm，溝槽的外半徑(在圖3a中，是線度a和b之和)約為7μm，而圓環(huán)的外半徑約為8.5μm。光纖的外直徑按指數(shù)方式從130μm下降到115μm。在大直徑端，1550μm處的色散是+10 ps/nm-km，1550nm(從1500測到1600nm)處的色散斜率約0.03ps/nm2-km。在小直徑端，色散為+1ps/nm-km，色散斜率為0.003 ps/nm2-km。12km長的錐形直徑光纖的光路平均斜率為3.5ps/nm-km，平均色散斜率是0.01ps/nm2-km。在制造過程中，如果把不同量的微粉體外包覆材料涂敷到光纖預制棒，那么其起始外直徑和結(jié)束外直徑將會改變，但是直徑從一端到另一端的改變(在這個例子中為15μm)將保持不變。
特例的分布曲線提供了比前述現(xiàn)有DS光纖更低的初始色散斜率。特例光纖和現(xiàn)有DS光纖的初始色散斜率分別是0.022和0.08ps/nm2-km。此外，當色散降低以便脈沖壓縮時，特例光纖的色散斜率沿其長度下降至接近于零。
為了說明特例光纖的寬帶特性，圖4對特例光纖重復描繪了現(xiàn)有DS光纖(圖1)的脈沖再整形例子。在1550nm，1570nm和1530nm處的輸出脈沖分別由曲線63，64和65代表。畫出輸入脈沖62作為比較。色散變化與圖1所示相同，為10到1.55ps/nm-km的色散變化。但是，色散斜率現(xiàn)在是沿光纖26的10km長度線性地從0.03變到0.0ps/nm2-km。雖然每個波長的峰值功率不同，但是脈寬幾乎與波長無關(guān)，對于1530nm，1550nm和1570nm，它們分別為2.7ps，2.0ps和1.99ps。短波長處較大差別是由于輸入與輸出色散比率中有較大的絕對變化。從圖4的時間圖可以明顯看出，脈沖幾乎具有相同的形狀，并且比圖1中的失真小得多。用數(shù)字推導的圖1和4表明，本發(fā)明的低色散斜率光纖分布曲線具有寬帶波長工作特性。所以，具有這種分布曲線的光纖明顯適于用作脈沖壓縮器。
具有改良型的纖芯折射率分布曲線的相似光纖可以被拉制成不同的外直徑(因此具有不同的纖芯直徑)，如圖5所示。這個分布曲線是由下述光纖導出的，所述光纖具有從約0到約+9.7ps/nm-km的色散范圍，并且相應斜率從-0.005到+0.025ps/nm2-km。色散和光纖直徑的關(guān)系由曲線70代表。色散斜率與直徑的關(guān)系曲線由曲線71畫出。
注意在圖5中，色散和色散斜率兩者的近似線性關(guān)系可以與光纖直徑相比擬。也注意到，對應于零色散的直徑接近于對應于零斜率的直徑。這種關(guān)系的有利之處在于，在脈寬較小的光纖長度處，色散斜率極低，因此可以保持脈沖形狀。
例如，可以通過對纖芯預制棒施加額外外包層材料，把曲線70和71的零交叉直徑向左移。這就造成對于光纖外直徑的所有值，纖芯直徑更小了。
使用圖3所示類型的分布曲線有幾個附加的好處。比較圖5和6，第一個是明顯的。圖6是一曲線圖，示出了關(guān)于前述類型現(xiàn)有DS光纖的色散與包層直徑的關(guān)系。圖5示出了對于圖3(b)類型的分布曲線，在直徑變化僅10μm的情況下獲得了9.2ps/nm-km的色散變化。相反，圖6示出了具有色散位移分布曲線的光纖的情況，它需要接近75μm的直徑變化才能獲得相同的色散變化。如此大的直徑變化需要脈沖再整形光纖的兩端必須比標準的125μm直徑大很多(和/或小很多)。當偏離標稱的125μm包層直徑時，光纖變得更難處理。對于較小的直徑，微彎曲成為一個問題。對于較大的直徑，光纖變得剛性和容易破碎。對大于和小于125μm的直徑，與標準的125μm直徑光纖連接變得更為困難。
圖6還示出了當色散從10變化到1ps/nm-km時，現(xiàn)有DC光纖的模場直徑從7.9變到9.5μm。圖7也示出了分別用曲線74和75繪制的色散和模場直徑。它們是包層直徑的函數(shù)，是根據(jù)圖3(b)所示光纖類型用數(shù)字產(chǎn)生的數(shù)據(jù)推導而得的。圖7的曲線75示出了光纖的模場直徑，它與在特例中描述的相似，對于相同的色散范圍，模場直徑從5.94變到5.88μm。模場直徑幾乎不變的好處是它極大地簡化了設(shè)計。在模場直徑中較大的變化需要一個更復雜的沿光纖長度的色散函數(shù)。
光纖具有本發(fā)明的和圖3所示的折射率分布曲線類型的另一個優(yōu)點是有效面積Aeff較小，它一般為25到30μm2。對于一給定的功率電平，較小的有效面積對應于更有效的自相位調(diào)制。脈沖壓縮所需的發(fā)射峰值功率接近于基本孤立子功率P0，這時P0＝β2/γT02(9)其中β2是光纖色散(單位ps2/km)，r＝2πn2/Aeff(非線性系數(shù))，n2是非線性折射率，而T0是特征脈寬(單位ps)。在略高的功率處，將存在少量剩余的未經(jīng)補償?shù)淖韵辔徽{(diào)制。繼續(xù)上面的特例，用于40Gb/s偽隨機數(shù)據(jù)流的、進入新型光纖的發(fā)射功率為17.8dBm。對于色散位移光纖，平均發(fā)射動功率將會高出3dB，其Aeff是50μm2，而對于標準的、非零色散位移光纖將會高出5.3dB，Aeff是85μm2。
脈沖壓縮光纖還能用于減小再生器輸出端的脈寬，其中該再生器位于沿光傳輸線的某些點。圖8示出了與傳輸光纖76輸出端相連的再生器77。如果再生器77所發(fā)信號的時間脈寬對于所要的系統(tǒng)比特率來說太寬，那么可使用結(jié)合圖2描述的那種脈沖壓縮器78，把再生器連接到較遠一點的傳輸光纖80。在傳輸線中可用放大器79壓縮器78連接到傳輸線80。另一種方法是，脈沖壓縮器78可以裝在再生器77內(nèi)或之前。
通過上述光傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)拿}沖是非常窄的。當需要比傳輸脈沖更寬的脈沖以激活接收器88，89和90時，可以用脈沖擴寬器光纖86把傳輸光纖85連接到多路分解器87，如圖9所述。如上所述，脈沖擴寬器光纖是一種色散隨長度增加的光纖。當把結(jié)合圖3描述的那種光纖類型用作脈沖擴寬器光纖時，低色散斜率能實現(xiàn)寬帶工作。
對那些精于本行業(yè)的人，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍下，可對本發(fā)明進行各種修改和變化，這點是顯然的。因此，只要它們落在所附權(quán)利要求書及其等效技術(shù)方案的范圍內(nèi)，本發(fā)明試圖覆蓋對本發(fā)明的修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種脈沖再整形光纖，所述光纖有一個長度，其特征在于，所述脈沖再整形光纖包括；纖芯，它被一包層包裹并具有第一端、第二端、直徑、和折射率nc，所述纖芯的所述直徑沿著脈沖再整形光纖的長度從所述第一端到所述第二端單調(diào)地變化，所述纖芯限定了一個中央?yún)^(qū)和一個溝槽區(qū)，其中所述中央?yún)^(qū)的最大折射率為n1，所述溝槽區(qū)在徑向上與所述中央?yún)^(qū)相鄰，所述溝槽區(qū)的最小折射率為n2，所述中央?yún)^(qū)具有正的相對折射率Δ1，并且所述溝槽區(qū)的相對折射率Δ2不大于-0.1％，與所述中央?yún)^(qū)相關(guān)的所述相對折射率Δ1等于(n21－n2c)/2n21，而所述溝槽區(qū)的所述相對折射率Δ2等于(n22－n2c)/2n22。
2.如權(quán)利要求1所述的脈沖再整形光纖，其特征在于，n2的值滿足下述條件-0.2％＞Δ2＞-0.6％。
3.如權(quán)利要求1所述的脈沖再整形光纖，其特征在于，Δ1是在0.4％和1.5％之間。
4.如權(quán)利要求3所述的脈沖再整形光纖，其特征在于，Δ1是在0.7％和1.2％之間。
5.如權(quán)利要求1所述的脈沖再整形光纖，其特征在于，還包括環(huán)形區(qū)，它在徑向上位于溝槽區(qū)之外并與溝槽區(qū)鄰接，所述環(huán)形區(qū)的最大折射率為n3，其值使得所述環(huán)形區(qū)的相對折射率Δ3是正的，并且所述環(huán)形區(qū)的所述相對折射率Δ3等于(n23－n2c)/2n23。
6.如權(quán)利要求5所述的脈沖再整形光纖，其特征在于，相對折射率Δ3滿足下述條件0％＞Δ3＞0.5％。
7.如權(quán)利要求1所述的脈沖再整形光纖，其特征在于，相對折射率Δ1大于相對折射率Δ3。
8.如權(quán)利要求1所述的脈沖再整形光纖，其特征在于，中央?yún)^(qū)具有半徑a以及由式n(r)＝(n1－nc)[1－(r/a)α]＋nc定義的梯度折射率類型，其中r的值等于或大于所述半徑a，而α＞1。
9.如權(quán)利要求1中的脈沖再整形光纖，其特征在于，中央?yún)^(qū)具有半徑a，溝槽區(qū)具有徑向?qū)挾葹閎，并且所述半徑a與所述徑向?qū)挾萣的比率滿足下述關(guān)系0.67＜a/b＜2。
10.如權(quán)利要求1所述的脈沖再整形光纖，其特征在于，它具有一色散斜率和一個直徑較小的末端，在所述直徑較小的末端，在1550nm波長處，所述色散斜率小于0.025 ps/nm2-km。
11.如權(quán)利要求1所述的脈沖再整形光纖，其特征在于，它具有色散長度LD和長度L，其中所述色散長度LD由公式(T20/|β2|)描述，而長度L滿足下述條件2LD＜L＜10LD。
12.如權(quán)利要求1所述的脈沖再整形光纖，其特征在于，它具有三級色散長度LD′和長度L，其中長度至少比所述三級色散長度LD′小大約10倍。
13.如權(quán)利要求1所述的脈沖再整形光纖，其特征在于，溝槽區(qū)是由摻氟石英制成。
14.如權(quán)利要求1所述的脈沖再整形光纖，其特征在于，溝槽區(qū)是由石英制成，而包層通過在石英中摻增加折射率的摻雜劑來制成。
15.如權(quán)利要求1所述的脈沖再整形光纖，其特征在于，其特征在于，溝槽區(qū)是由摻氟石英制成的，和包層是由摻有增加折射率的摻雜劑的石英制成的。
16.一種脈沖再整形光纖，所述光纖具有一長度，其特征在于，所述脈沖再整形光纖包括纖芯，它被包層包裹并具有折射率nc、第一端、第二端和直徑，所述纖芯的所述直徑沿脈沖再整形光纖的長度從所述第一端到所述第二端單調(diào)地變化，所述纖芯至少限定三個徑向鄰接的區(qū)域，它們包括中央?yún)^(qū)、環(huán)形區(qū)和溝槽區(qū)，其中中央?yún)^(qū)具有最大折射率為n1和相對折射率Δ1，環(huán)形區(qū)徑向布置在所述中央?yún)^(qū)以外，且具有最大折射率n3和相對折射率Δ3，而溝槽區(qū)位于所述中央?yún)^(qū)和所述環(huán)形區(qū)之間并具有最小折射率n2和相對折射率Δ2，所述中央?yún)^(qū)的所述相對折射率Δ1等于(n21－n2c)/2n21，所述環(huán)形區(qū)的所述相對折射率Δ2等于(n22－n2c)/2n22，所述溝槽區(qū)的所述相對折射率Δ3等于(n23－n2c)/2n23，所述中央?yún)^(qū)的所述相對折射率Δ1在大約0.4％和大約1.5％之間，所述溝槽區(qū)的所述相對折射率Δ2在約-0.2％和約-0.6％之間，所述環(huán)形區(qū)的所述相對折射率在約0％和約0.5％之間。
17.一種光傳輸系統(tǒng)，其特征在于，包括光傳輸線，它具有一個末端；和脈沖再整形光纖，它可以在操作上與所述傳輸線的所述末端相連，所述脈沖再整形光纖具有由包層包裹著的纖芯，所述纖芯具有第一端、第二端、直徑和折射率nc，所述纖芯的所述直徑沿脈沖再整形光纖的長度從所述第一端到所述第二端單調(diào)地變化，所述纖芯限定定義了一個中央?yún)^(qū)和一個溝槽區(qū)，其中中央?yún)^(qū)具有最大折射率n1，而溝槽區(qū)在徑向上與所述中央?yún)^(qū)相鄰，所述溝槽區(qū)具有最小折射率n2，所述中央?yún)^(qū)具有正的相對折射率Δ1，所述溝槽區(qū)的相對折射率Δ2不大于-0.1％，與所述中央?yún)^(qū)相關(guān)的所述相對折射率Δ1等于(n21－n2c)/2n21，所述溝槽區(qū)的所述相對折射率Δ2等于(n22－n2c)/2n22。
18.如權(quán)利要求17所述的光傳輸系統(tǒng)，其特征在于，脈沖再整形光纖具有一輸入端和一輸出端，并且所述系統(tǒng)還包括脈沖光源，它在操作上可與脈沖再整形光纖的輸入端相連，傳輸線在操作上可與脈沖再整形光纖的輸出端相連。
19.如權(quán)利要求18所述的光傳輸系統(tǒng)，其特征在于，脈沖光源產(chǎn)生多個位于一預定波長帶內(nèi)的光信號，所述波長帶包括短波長端λL，長波長端λH和中間波長λM，脈沖再整形光纖在輸入端為所述波長帶內(nèi)所述多個光信號中的每一個呈現(xiàn)出第一套的輸入色散值，并在輸出端為所述波長帶內(nèi)所述多個光信號的每一個呈現(xiàn)出另一套輸出色散值，在所述短波長端λL或長波長端λH處的所述輸入色散值對所述輸出色散值的比率是在所述中間波長λH處的所述輸入色散值對所述輸出色散值之比率的10％之內(nèi)。
20.如權(quán)利要求18所述的光傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述脈沖光源包括多路復用器，它具有多條輸入線和單條輸出線，其中所述多條輸入線用于接收具有不同波長的光信號，而輸出線與脈沖再整形光纖相連。
21.如權(quán)利要求20所述的光傳輸系統(tǒng)，其特征在于，還包括多個光信號發(fā)射器，所述多個光信號發(fā)送器中的每一個都可以在操作上與多條輸入線中一條對應的輸入線相連，所述多個光信號發(fā)送器能夠以至少為40GHz的數(shù)據(jù)速率產(chǎn)生光脈沖。
22.如權(quán)利要求17所述的光傳輸系統(tǒng)，其特征在于，還包括光接收器，脈沖再整形光纖可以在操作上連接于光接收器和傳輸線之間。
23.如權(quán)利要求17所述的光傳輸系統(tǒng)，其特征在于，還包括第二光傳輸線，它具有一輸出端；和光脈沖再生器，它在操作上所述第二光傳輸線的所述輸出端相連，所述光脈沖再生器具有一輸出，脈沖再整形光纖起脈沖壓縮器的作用，在操作上與所述光脈沖再生器的所述輸出相連。
全文摘要
一種脈沖再整形光纖具有折射率為n
文檔編號G02B6/02GK1328649SQ99813877
公開日2001年12月26日 申請日期1999年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月30日
發(fā)明者G·E·伯基, A·F·埃文斯, V·斯里坎特 申請人:康寧股份有限公司