專利名稱：：改進的色散位移光波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種單模光纖，其色散零點位移至波長1550納米附近，且有效面積大，總色散傾斜小，這種新型光纖的折射率分布是在美國專利申請第08/378,780號上揭示和描述的折射率分布中的一種。這種新型單模波導(dǎo)的設(shè)計用于保持模場直徑大小，以限制由于信號功率強度大而產(chǎn)生的非線性作用。另外，這種新型的光纖采用簡單的折射率分布設(shè)計，提供低衰減和耐彎曲性，從而使得制造成本降低。由于屬于本發(fā)明范圍的某些折射率分布，歸一化的波導(dǎo)色散對于波長的曲線是雙峰的。因此提供了可以應(yīng)用于高性能的遠距離通信系統(tǒng)的附加特性。采用大功率激光器，高數(shù)據(jù)率發(fā)射機和接收機和波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的遠距離通信系統(tǒng)，需要總色散率非常低但不為零，偏振模色散(PMD)非常低的光纖。另外，光纖必須具備基本消除如自相位調(diào)制(SPM)，和四波混頻(FWM)等非線性現(xiàn)象的特性。降低功率強度可限制自相位調(diào)制，用在一個色散為非零的波長范圍內(nèi)的操作來控制四波混頻。更進一步的要求是光波導(dǎo)與含光放大器的系統(tǒng)之間的兼容。為了提供這些高精密系統(tǒng)所需特性的光波導(dǎo)。曾對多種折射率分布進行模擬并測試復(fù)合。Bhagavatula的4,715,679號美國專利已經(jīng)討論過纖心設(shè)計。提供了適合新系統(tǒng)要求的靈活性，同時保持了基本要求。例如，小的衰減，狹的幾何公差?？扇菰S的耐彎曲性和高的抗拉強度。此外，某些復(fù)合纖心設(shè)計較容易制造。因而，提供了提高的光波導(dǎo)性能而不使成本過分升高。在08/378,780號美國專利申請描述的，具有不尋常特性的一種特殊的纖心折射率分布已被發(fā)現(xiàn)。在采用波分復(fù)用的遠距離通信系統(tǒng)中優(yōu)選的光波導(dǎo)應(yīng)具有在多路復(fù)用信號的波長范圍內(nèi)保持平坦的總色散。對于使用光放大器或使用高信號功率的那些系統(tǒng)，非線性效應(yīng)如四波混頻和自相位調(diào)制成為系統(tǒng)的限制因素。因而，需要一種光纖，為便于波分復(fù)用，它具有低的總色散斜率，為限制四波混頻它允許控制總色散，并且它保持相對較大的模場。所以光纖每單位截面的功率不太大，從而限制了自相位調(diào)制。此外，人們希望保持與簡單的折射率分布(如階躍折射率)波導(dǎo)有關(guān)系的簡單制造和低成本。用折射率規(guī)定纖心區(qū)域的半徑，一特殊區(qū)域起始于該區(qū)域折射率特征的始點并終止于該區(qū)域折射率特性的終點。除非另有說明，本文中，半徑取此規(guī)定。-術(shù)語％Δ表示折射率差的相對大小，用下列方程定義。%&Delta;=100&times;(nr2-nc2)/2nr2]]>其中nr是給定纖心區(qū)域內(nèi)的最大折射率；而nc是給定色層區(qū)域內(nèi)的折射率。-術(shù)語α折射率分布指的是一種折射率分布。用％Δ(r)表示，％Δ(r)如下列方程所示。％Δ(r)＝％Δ(r0){1-[(r-r0)/(r1-r0)]α}這里，r的范圍是r0≤r≤r1，％Δ如上定義，α是一個指數(shù)，用于確定折射率分布的形狀。有效面積是Aeff=2&pi;(&Integral;Er2&CenterDot;dr)2/(&Integral;E4rdr)]]>其中積分限從0至∞，E是與傳播光相關(guān)聯(lián)的電場。-歸一化波導(dǎo)色散按Bhagavatula的′679號專利定義為Vd2(bv)/dv2。這里揭示的新型光纖滿足對高性能的需要，該光纖色散斜率低，有效面積大，即Aeff＞60μm2。此外，可以作出新型的折射率分布設(shè)計以提供歸一化波導(dǎo)色散對于λ/λc的雙峰曲線。雙峰用于描述一曲線，該曲線由兩部分組成。第一部分有第一斜率，而第二部分有第二斜率，在某種情況下，歸一化波導(dǎo)色散曲線第一部分是平坦的，因而確定了一個波長間隔為λo，在此間隔內(nèi)λo以及總色散對生產(chǎn)中的改變不敏感。曲線的另一部分具有較陡的斜率，典型的斜率約大于2，這樣，提供了一個波長間隔，其中，光纖幾何尺寸或折射率分布有小的變化，則產(chǎn)生大的λo變化，因而產(chǎn)生總色散的變化。為使總色散值在正值和負值之間變化，對波導(dǎo)幾何形狀或折射率分布的后一響應(yīng)是理想的。從而，控制了一段光纖長度的總色散，總色散的控制可以理解為對于整個光纖長度而言總色散是小的，而在光纖的任何顯著的長度段中，其總色散非零。這樣，非線性四波混頻效應(yīng)很容易地被消除了。具有上述缺點和有利性質(zhì)的新型光纖的第一個方面是單模光纖，其零色散波長在1500至1600納米的范圍內(nèi)，即波導(dǎo)是色散位移的。光纖纖心的折射率分布具有三段中心段，半徑為A1，這里半徑是從波導(dǎo)中心線量得的距離，它具有α折射率分布，其中α＝1，最大折射率n1和折射率差Δ1％；第二段，起始點位置緊接在A1點之后，而終點位置在半徑A2處，具有最大折射率n2和折射率差Δ2％；第三段，起始點位置緊接在A2點之后，而終點位置在半徑A處，具有最大折射率n3和折射率差Δ3％。參數(shù)之間的關(guān)系是n1＞n3＞n2≥ncA1/A在0.4至0.6的范圍內(nèi)；A2/A在0.78至0.88的范圍內(nèi)；Δ3％/Δ1％在0.16至0.39的范圍內(nèi)。這些關(guān)系式形成光纖的特性，零色散波長在1520納米至1600納米的范圍內(nèi)，而總色散斜率≤0.85PS/nm2-km。第一方面的實施例有A1在3.25微米至3.50微米范圍內(nèi)；A2在5.55微米至6.05微米范圍內(nèi)；A在6.5微米至7.0微米范圍內(nèi)。Δ3％與Δ1％之比Δ3％/Δ1％約為0.165，而Δ1％在0.9～1.0％之間。本實施例具有的特性是零色散波長在1530納米至1550納米的范圍內(nèi)，總色散斜率≤0.07PS/nm2-km，以及模場直徑≥8.4微米。在本實施例的子類中，第二纖心段有一平坦的折射率分布，n2≈nc，第三纖心段具有梯形形狀，其頂部基本上是平坦的。第一方面的另一實施例具有A1在3.25微米至3.75微米的范圍中；A2在5.1微米至6微米的范圍中；A在6.5微米至7.5微米的范圍中；Δ3％/Δ1％之比值約等于0.18，而Δ1％約為0.9至1％，以產(chǎn)生下述波導(dǎo)性質(zhì)零色散波長在1535納米至1585納米的范圍內(nèi)?？偵⑿甭省?.065ps/nm2-km，模場直徑≥7.5微米和雙峰的歸一化波導(dǎo)色散斜率。在此實施例子類中，第一纖心段有一其形狀如倒置錐形的中心部分，底部半徑不超過約1.5。在第1纖心折射率分布段的末端附近是三角形α折射率分布的斜率也是下降的，這兩個中心纖心段的特征代表生產(chǎn)過程中，摻雜劑擴散或滲出波導(dǎo)預(yù)制棒，在大多數(shù)場合，這種擴散現(xiàn)象不對波導(dǎo)特性起明顯的影響，然而，如果這種擴散確實顯著改變了波導(dǎo)的性能，則對擴散的補償可以在制造預(yù)制棒的步驟中完成。這樣，它們的存在使模擬的折射率分布與實際的折射率分布更好地一致。第二纖心段具有一平坦的折射率分布，而n2近似等于nc。這一子類的歸一化波導(dǎo)色散的雙峰性質(zhì)可以用光纖截止波長λc和工作波長(或信號波長)λ來描述。特別當0.68≤λc/λ≤0.8時，歸一化波導(dǎo)色散曲線基本上是平坦的，而對于λc/λ＞0.8，歸一化波導(dǎo)色散大于2。與第一方面類似，本發(fā)明的第二方面，可定為有三段纖心的光纖。其中心段具有階躍折射率分布，保持類似的術(shù)語定義n1＞n3＞n2≥nc，A1/A約為0.3，A2/A約為0.85，而Δ3％/Δ1％約為0.39。如此描述的新型光纖波導(dǎo)，在1520納米至1600納米波長范圍內(nèi)有一零色散?？偵⑿甭省?.070ps/nm2-km。第二方面的實施例有A1在2.25微米至2.55微米范圍內(nèi)；A2在6.35微米至7.4微米范圍內(nèi)；A約在7.5微米至8.5微米范圍內(nèi)，Δ3％/Δ1％約為0.39，而Δ1％約為0.6％，本實施例的光纖在1525納米至1600納米范圍內(nèi)有一零色散波長?？偵⑿甭省?.07ps/nm2-km，而模場直徑≥8.0微米。本實施例的一個子類，具有折射率分布基本上平坦并大體等于nc的第二段，第三纖心段的折射率分布是梯形的，歸一化波導(dǎo)色散曲線是雙峰的。用如下的截止波長與信號波長之比的范圍來確定，對于0.72≤λc/λ≤0.80，歸一化波導(dǎo)色散曲線基本是平坦的，而當λc/λ＞0.80時，曲線斜率約大于2?？梢岳斫猓鲜稣凵渎史植嫉男〉淖兓粫绊懝饫w波導(dǎo)的性質(zhì)或特性，此外，等效折射率的概念是現(xiàn)有技術(shù)中公知的。等效折射率分布是在光纖中基本上可以互換的。這里描述的新型的折射率分布系統(tǒng)，包括等效折射率分布和僅與所描述的折射率分布有微小的變化的替換分布。例如，一階躍段可能是具有圓角或斜斜的邊，或者凹或凸的頂部，另外，在某些生產(chǎn)波導(dǎo)預(yù)制棒的方法中出現(xiàn)的摻質(zhì)劑擴散現(xiàn)象，通常也不顯著影響光纖的性質(zhì)和特性。然而，如果擴散確實顯著改變了波導(dǎo)性質(zhì)，則在生產(chǎn)預(yù)制棒步驟中可對擴散進行補償，為了在光纖中得到所希望的性質(zhì)，波導(dǎo)纖心的百分Δ或形狀比可以調(diào)節(jié)(即調(diào)整)。圖1是三段纖心圖，該纖心具有三角形，(即α＝1)的中心折射率分布。圖2a是三段折射率分布圖。其中，中心段具有形狀為倒置錐形的中心部分，以及斜率小于1的端部。圖2b是歸一化波導(dǎo)色散VS，λc/λ的曲線圖，該圖與如圖2a所示的折射率分布相關(guān)。圖3a是三段折射率分布圖，該折射率分布具有一階躍分布作為中心段。圖3b是歸一化波導(dǎo)色散圖。對λc/λ的曲線圖，該圖與如圖3a所示的折射率分布相關(guān)。階躍折射單模光波導(dǎo)已成為工業(yè)標準，因為它具有寬頻帶，低衰減，以及折射率分布設(shè)計簡單等優(yōu)點。這種光纖對于電信工業(yè)特別有吸引力。這是由于折射率分布的設(shè)計簡易，轉(zhuǎn)化為制造商和安裝者的低成本。然而，隨著對高性能波導(dǎo)的要求的增多，需要有更多靈活性的折射率分布設(shè)計。這里揭示的新型分段式纖心是在Bhagavatula的4,715,679號美國專利中揭示。并在08/378,780和08/323,795美國專利申請中進一步詳細地闡明的折射率分布中的一種。這種三段式纖心的設(shè)計，(它是本申請的主題)具有足夠的靈活性來滿足高性能通信系統(tǒng)更廣泛的需要。由于如′679號專利所述，分段式纖心折射率分布的個數(shù)實際上是無窮的。因此根據(jù)纖心折射率和心線幾何參數(shù)用一模型來計算光纖性能便于研究特殊的折射率分布形式。對于本發(fā)明的主題，光纖的功能性要求包括低色散斜率，在1550納米衰減窗口內(nèi)工作，以及在1550納米處的有效面積大于約60微米2，模場直徑最好保持不變或相對于標準色散位移光纖增加。在尋找滿足這些要求的折射率分布時，有一附加的好處被發(fā)現(xiàn)。對于某些新型三段式折射率分布，在Bhagavatula的′679號專利定義為Vd2(vb)/dv2的歸一化波導(dǎo)色散，對于比值λc/λ作的曲線(這里λc是截止波長，λ是信號波長)呈現(xiàn)雙峰的斜率。曲線的第一部分基本上是平坦的，這樣，零色散波長和截止波長對于光纖幾何尺寸的改變(如纖心的半徑)較不敏感。因此放寬了制造分差，而增加了所選優(yōu)良產(chǎn)品的百分比。歸一化波導(dǎo)色散曲線的第二部分呈現(xiàn)一個大于2的斜率，對于這部分曲線，根據(jù)光纖幾何形狀，零色散波長和截止波長可以具有大范圍改變的數(shù)值，于是，一種控制色散的波導(dǎo)更容易制造。因為波導(dǎo)的總色散在正值和負值之間改變更容易實現(xiàn)。采用這種方法，可以使得沿光纖的全長總色散很小。然而，沿著光纖的任意子長度內(nèi)，總色散為非零。所以，控制了四波混頻而總色散并沒有多大損失。一個有三段的光波導(dǎo)如圖1所示。注意，半徑A1A2和A的定義如圖1所示。中心段2是一個α折射率分布，其中α＝1，即三角形折射率分布，所示的第二段4，有數(shù)種可能的折射率分布，包括平坦的折射率分布，其折射率等于nc，階躍折射率分布10和更普通的曲線折射率分布8。選擇折射率分布，使得n1＞n3＞n2≥nc這里折射率下標相應(yīng)于段號。第三段如梯形6所示。應(yīng)該理解，對折射率分布6作的小改變，實質(zhì)上，不會顯著影響波導(dǎo)功能。例如，梯形的頂部可以是傾斜的，也可以是彎曲的。例1.三段折射率分布α＝1在尋找低色散斜率和第二窗口零色散波長λo時，對具有如圖1所示的折射率分布形狀的一系列波導(dǎo)建立模型，找出合適的折射率分布參數(shù)是A1/A～0.5；A2/A～0.86；Δ3％/Δ1％～0.165。表1示出二種波導(dǎo)的模型的特性參數(shù)。表1表1示出了具有很低的色散斜率和較大的模場直徑的色散位移光纖，對于這些波導(dǎo)Aeff＞70微米2。在這個例子范圍內(nèi)的另一光纖，具有A1/A＝0.46；A2/A＝0.84-0.85，Δ3％/Δ1％＝0.39；A＝7.1-7.2，和Δ1％～0.9％。在這種情況下在約0.85ps/nm2-Km處，色散斜率稍高，但Aeff增加，其值在約75至80微米2的范圍內(nèi)。類似圖1的實施例，由圖2a所示。在此情形中，模擬的折射率分布加以修改以較好地反映實際生產(chǎn)條件，有些光纖預(yù)制棒制造技術(shù)需要對預(yù)制棒作高溫處理，而這種處理是該棒仍然處于微粒形式(它不同于已凝固成玻璃的形式)時進行的。在作這樣的處理步驟時，摻雜劑離子滲出玻璃微?；蚪?jīng)玻璃微粒擴散，并不罕見。滲出和擴散的結(jié)果由圖2a的折射率分布表示。在中心線上的倒置錐形區(qū)域20，或許是由于摻雜劑滲出微粒造成的，錐形12的底部半徑通常不大于1.5微米，折射率分布部分14和18表示摻雜劑從具有較高摻質(zhì)劑濃度的相鄰的折射率分布段擴散到區(qū)域22中。由此，α＝1的折射率分布部分24，具有漸變部分14，而梯形折射率分布16具有展寬的底部和不太陡的兩側(cè)斜率。例2，三段α＝1摻雜劑擴散一種三段光波導(dǎo)用如圖2a所示的折射率分布作模型，A1、A2、A的徑向位置示于圖2a的水平軸。在這個模型計算中。所用的折射率分布參數(shù)是A1/A～0.50；A2/A～0.79；和Δ3％/Δ1％～0.18結(jié)果如表2所示。表2</tables>模型的結(jié)果示出非常低的總色散斜率，以及在1550納米的λo上下變化的能力。后一個特征使得該設(shè)計適用于上述色散受控波導(dǎo)。模場直徑適合于中等信號功率強度。相對于例2的折射率分布的歸一化波導(dǎo)色散對λc/λ的曲線圖如圖2b所示。曲線的平坦部分2b是其中λo對光纖的幾何尺寸在制造過程中的變化不敏感的設(shè)計區(qū)域。曲線的較陡峭部分28是在制造色散受控光纖中有用的設(shè)計區(qū)域。如圖3a所示的本發(fā)明的實施例設(shè)計特別簡單，制造比較容易，因此，可實現(xiàn)低成本的生產(chǎn)過程。中心的階躍折射分布30以較低折射率的段32與梯形區(qū)域34隔開。階躍段和彎曲段36和38表示為段32的替換物。其折射率近似等于色層的折射率。例3，階躍折射率如圖3a所示的折射率分布(其第二段取折射率分布32)利用下述參數(shù)來建模A1/A～0.3；A2/A～0.85Δ3％/Δ1％～0.39模型結(jié)果如表3所示。表3注意，對后面兩個例子的光纖，總色散斜率非常低，而模場直徑＞8.0微米。例1有特別大的模場直徑，而其總色散斜率僅為0.070ps/nm2-Km。從這些例子還可注意，以更高的總色散斜率為代價，Aeff可以增加。特殊的應(yīng)用決定了人們?nèi)绾芜x擇以對波導(dǎo)的性質(zhì)加以折衷。對于這種折射率分布的設(shè)計，有一幅相關(guān)的歸一化波導(dǎo)色散對于比值λc/λ的雙峰曲線，參看圖3b，對于λc/λ在約為0.72至0.8的范圍內(nèi)曲線相當平坦。對于λc/λ大于0.8，曲線的較陡部分其斜率通常大于2。本發(fā)明提供一個三段纖心光纖，該光纖-能作為一種失散受控波導(dǎo)生產(chǎn)；-設(shè)計簡單因而制造成本低；-提供高比特率系統(tǒng)所需的非常低的總色散斜率。這些系統(tǒng)可采用波分復(fù)用或具有長的再生器間隔。保留足夠大的模場直徑以限制非線性光學(xué)效應(yīng)，如四光子混頻和自相位調(diào)制或交叉相位調(diào)制。權(quán)利要求1.一種失散位移單模光纖，其特征在于包括纖心區(qū)域，它具有包括三段的折射率分布，第一段，具有在光纖中心線上的起始點，在半徑A1處的終點，最大折射率n1和折射率差Δ1％和一個α折射率分布，其中α＝1，第二段，具有緊接在半徑A1之后的起始點，在半徑A2處的終點，最大折射率n2和折射率差Δ2％，和第三段，具有緊接在半徑A2之后的起始點，在半徑A處的終點，最大折射率n3和折射率差Δ3％；環(huán)繞所述纖心區(qū)域的包層，所述包層具有最大折射率nc；其中，假若，它具有一α折射率分布，n1＞n3＞n2≥nc，則A1/A在0.40～0.60的范圍內(nèi)，A2/A在0.78至0.88的范圍內(nèi)，Δ3％/Δ1％在約0.16至0.39范圍內(nèi)?；蛘撸绻哂幸粋€階躍折射率分布，n1＞n3＞n2≥nc，則A1/A約為0.30，A2/A約為0.85，而Δ3％/Δ1約為0.39；所述單模光纖在1520納米至1600納米的范圍內(nèi)有一零色散波長，如果所述單模光波導(dǎo)有一α分布，則總色散斜率≤0.095ps/nm2-Km，或如果所述單模光波導(dǎo)有一階躍折射率分布，則總色散斜率≥0.70ps/nm2-Km。2.如權(quán)利要求1的單模光纖，其特征在于，如果它有一個α折射率分布，A1在3.25至3.50微米的范圍內(nèi)，A2在5.55至6.05微米的范圍內(nèi)，A在約6.5至7.0微米的范圍內(nèi)，Δ3％/Δ1％約為0.165，而Δ1％約在0.9至1.0之間，因此，在1530納米至1550納米范圍內(nèi)提供一個零色散波長，Aeff＞60微米2總色散斜率≤0.070ps/nm2-Km和模場直徑≥8.4微米，或者，如果它有一階躍折射率分布，A1在2.25微米至2.55微米的范圍內(nèi)，A2在6.35微米至7.4微米的范圍內(nèi)，A在7.5微米至8.5微米的范圍內(nèi)。Δ3％/Δ1％約為0.39，Δ1％約為0.6，由此，在1525納米至1600納米的范圍內(nèi)，提供一個零色散波長，Aeff≥60微米2提供總色散斜率≤0.07ps/nm2-Km，以及模場直徑≥8.0微米。3.如權(quán)利要求1或2的單模光纖，其特征在于所述第二段有一平坦的折射率分布，而折射率n2約等于色層的折射率，以及所述第三段具有梯形的折射率分布。4.如權(quán)利要求1或2的單模光纖，其特征在于A1在2.55微米至3.0微米的范圍內(nèi)，A2在4.2微米至5.8微米的范圍內(nèi)，A在約5.0微米至6.9微米的范圍內(nèi)，Δ3/Δ1％在0.25至0.39的范圍內(nèi)，以及Δ1％約為0.9至1.0％，由此在1530納米至1550納米范圍內(nèi)提供零色散波長，提供總色散斜率≤0.095ps/nm2-Km，Aeff≥75微米2以及模場直徑≥9.6微米。5.如權(quán)利要求1的單模光纖，其特征在于A1在3.25微米至3.75微米的范圍內(nèi)，A2在5.10微米至6微米范圍內(nèi)，A在約6.5微米至7.5微米的范圍內(nèi)，Δ3％/Δ1％約為0.18，而Δ1％約為0.9至1.0％，由此，在1535納米至1585納米的范圍內(nèi)提供一零色散波長，提供總色散斜率≤0.065ps/nm2-Km，模場直徑≥7.5微米，以及一條雙峰的歸一化波導(dǎo)色散曲線。6.如權(quán)利要求5的單模光纖，其特征在于，所述第一段進一步以一中心凹陷的段為特征，該區(qū)域是一個倒置錐形，其底部半徑不大于1.5微米，在靠近A1的折射率分布，斜率小于α＝1的α折射率分布的斜率，所述第二段具有一平坦折射率分布，并且折射率約等于色層的折射率，以及所述第三段有一梯形折射率分布。7.如權(quán)利要求6的單模光纖，其特征在于所述單模光波導(dǎo)以歸一化波導(dǎo)色散對λc/λ的曲線為特征，λc為截止波長，λ為信號波長，當λc/λ在0.68至0.8范圍內(nèi)，歸一化波導(dǎo)色散對λc/λ的曲線有一接近零的斜率，而對于λc/λ＞0.8時，其斜率＞2。8.如權(quán)利要求3的單模光纖，其特征在于，所述單模光波導(dǎo)以歸一化波導(dǎo)色散對λc/λ的曲線為特征；λc為截止波長，λ為信號波長，對于λc/λ在0.72至0.8的范圍內(nèi)，所述歸一化波導(dǎo)色散曲線有一接近零的斜率，而對于λc/λ＞0.8，其斜率＞2。全文摘要本發(fā)明揭示了一種新型的光纖，具有總色散斜率低，模場直徑較大，有效面積較大和相對簡單的纖心折射率分布設(shè)計等特點。纖心折射率分布由三段組成，三段纖心折射率分布的高度，寬度和位置是可調(diào)整的，以提供足夠的靈活性以滿足色散位移光纖的技術(shù)要求，該光纖能限制四光子混頻或自相位調(diào)制。新型波導(dǎo)的特點是模場直徑≥7.5微米，總色散斜率≤0.070ps/nm文檔編號G02B6/02GK1160855SQ9612176公開日1997年10月1日申請日期1996年11月21日優(yōu)先權(quán)日1996年11月21日發(fā)明者文卡塔·阿迪斯沙伊艾·巴加瓦圖勒申請人:康寧股份有限公司