專利名稱：零色散波長(zhǎng)較高的光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單模光纖，其零色散波長(zhǎng)大于工作波長(zhǎng)窗口的上限。該特性與抗彎曲誘發(fā)衰減可同時(shí)實(shí)現(xiàn)。
利用大功率激光器、高數(shù)據(jù)傳輸率收發(fā)機(jī)和波分多路復(fù)用(WDM)技術(shù)的電信系統(tǒng)需要總色散極小但不為零并且極化模式色散(PDM)極小的光纖。此外，光纖必須具備基本消除非線性現(xiàn)象(例如自相位調(diào)制(SPM)和四波混頻(FWM))的性能。通過(guò)降低功率密度(例如增大光纖模場(chǎng)直徑)可以限制SPM。通過(guò)在非零色散波長(zhǎng)范圍內(nèi)操作可以對(duì)FWM進(jìn)行控制。
進(jìn)一步的要求是光波導(dǎo)與包含光學(xué)放大器的遠(yuǎn)距離系統(tǒng)兼容。
美國(guó)專利5,483,612中揭示的化合物內(nèi)芯設(shè)計(jì)所提供的光纖滿足了這些要求。最近人們認(rèn)識(shí)到，在光纜敷設(shè)困難或者敷設(shè)后接近不便的系統(tǒng)中，對(duì)光纖還有其它的要求。特別是，這樣的敷設(shè)需要擴(kuò)展的波長(zhǎng)工作窗口以提供更多數(shù)量的WDM信道。較寬的工作窗口使得每根光纖傳輸?shù)男畔⒘扛螅@也降低了光纜及其敷設(shè)成本。由于敷設(shè)后接近不便，所以光纜的性能必須長(zhǎng)期保持不變。例如需要采用彎曲性能得到改進(jìn)的光纖。而且這種高性能系統(tǒng)中轉(zhuǎn)發(fā)器的間距很可能較大，特別需要低的總色散和極化模式色散(PMD)。
在本技術(shù)領(lǐng)域中，以下的定義是通用的。
-內(nèi)芯區(qū)域半徑用折射率定義。特定的區(qū)域具有第一和最后折射率點(diǎn)。波導(dǎo)中線到第一折射率點(diǎn)位置的半徑為內(nèi)芯區(qū)域或部分的內(nèi)徑。同樣，波導(dǎo)中線到最后折射率點(diǎn)位置的半徑為內(nèi)芯部分的外徑。根據(jù)需要可以采用內(nèi)芯幾何結(jié)構(gòu)的其它定義。
除非文中特別指明，這里討論的折射率分布圖參數(shù)按照慣例定義如下*中央內(nèi)芯區(qū)域的半徑是從波導(dǎo)中軸線到外推中央折射率分布圖與x軸的交點(diǎn)測(cè)量的距離。
*第二圓環(huán)區(qū)域的半徑是從波導(dǎo)中軸線測(cè)量至第二圓環(huán)基線中心的距離。
*第二圓環(huán)區(qū)域的寬度是平行線之間的距離，平行線從折射率分布圖的半折射率點(diǎn)引出到達(dá)到波導(dǎo)半徑處。第一圓環(huán)區(qū)域的幾何尺寸取決于中央?yún)^(qū)域與第二圓環(huán)區(qū)域幾何尺寸之差。-有效面積為

，這里積分限為0-∞，E與傳播光線相關(guān)的電場(chǎng)。有效直徑Deff定義如下，Aeff＝π(Deff/2)2。
-首字母PMD代表極化模式色散。
-首字母WDM代表波分多路復(fù)用。
-首字母SPM代表自相位調(diào)制，這種現(xiàn)象表現(xiàn)為高于特定功率電平的信號(hào)部分相對(duì)低于該功率電平的信號(hào)部分以不同的速度在波導(dǎo)內(nèi)傳播。
-首字母FWM代表四波混頻，這種現(xiàn)象表現(xiàn)為兩個(gè)或更多的信號(hào)在波導(dǎo)內(nèi)發(fā)生干涉從而形成頻率不同的信號(hào)。
-項(xiàng)Δ％代表下列方程定義的折射率的相對(duì)量度，Δ％＝100×(n12-n22)/2n12，這里n1為區(qū)域1內(nèi)最大的折射率，而n2為通常被視為包層區(qū)域的基準(zhǔn)區(qū)域內(nèi)的折射率。
-術(shù)語(yǔ)折射率分布圖或者簡(jiǎn)稱折射率分布圖是Δ％或者折射率與內(nèi)芯選定區(qū)域上半徑之間的關(guān)系。阿爾法分布圖指的是遵循下列方程的折射率分布圖，n(r)＝n0(1-Δ[r/a]α)，這里r為半徑，Δ定義如上，a為分布圖中的最后一點(diǎn)，r在分布圖的第一點(diǎn)選取為零，α為定義分布圖形狀的指數(shù)。其它的折射率分布圖包括階躍折射率、梯形折射率和由于摻雜劑在折射率陡然變化區(qū)域擴(kuò)散而形成圓角的圓角階躍折射率。
-分布容量定義為

。內(nèi)部分布容量從波導(dǎo)中線r＝0處延續(xù)到跨接半徑。外部分布容量從跨接半徑延續(xù)到內(nèi)芯的最后一點(diǎn)。由于折射率無(wú)單位，所以分布容量的單位為％μm2。為了避免混淆，分布圖容量將在字母后面標(biāo)以數(shù)字。
-跨接半徑隨著信號(hào)波長(zhǎng)的變化，與信號(hào)內(nèi)的功率分布有相依性。超過(guò)內(nèi)部容量上，信號(hào)功率隨波長(zhǎng)的增加而減小。超過(guò)外部容量，信號(hào)功率隨波長(zhǎng)的增加而增加。
-波導(dǎo)光纖的抗彎曲度在規(guī)定測(cè)試條件下用誘發(fā)衰減表示。在本文中，75mm彎曲指的是繞75mm芯軸100匝波導(dǎo)內(nèi)的誘發(fā)衰減。32mm彎曲指的是繞32mm芯軸1匝波導(dǎo)內(nèi)的誘發(fā)衰減。
于是，需要一種性能優(yōu)于美國(guó)專利5,483,612(‘612專利)揭示的光纖的光纖來(lái)滿足極高性能系統(tǒng)要求，這樣的光纖提供了-擴(kuò)展波長(zhǎng)窗口內(nèi)低的衰減；-擴(kuò)展窗口內(nèi)低的總色散和PMD色散；以及-在惡劣環(huán)境下出色的長(zhǎng)期抗彎曲誘發(fā)衰減性能。
新型波導(dǎo)通過(guò)改進(jìn)內(nèi)芯折射率分布設(shè)計(jì)可以滿足這種需求。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)建模和試制過(guò)程，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一組折射率內(nèi)芯分布，它們具有較高的截止波長(zhǎng)以改善抗彎曲性能，并且具有較高的零色散波長(zhǎng)以在擴(kuò)展的波長(zhǎng)窗口內(nèi)提供低的總色散。
應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，光纖性能對(duì)內(nèi)芯折射率分布的變化非常敏感。因此不可能預(yù)測(cè)分布變化對(duì)波導(dǎo)性能的影響。即使分布變化較小或者兩組分布密切相關(guān)時(shí)情況也是如此。
本發(fā)明的一個(gè)方面是包含內(nèi)芯的單模光纖，內(nèi)芯包括三部分，中央內(nèi)芯區(qū)域以波導(dǎo)對(duì)稱軸排列，第一圓環(huán)區(qū)域靠近中央?yún)^(qū)域，而第二圓環(huán)區(qū)域靠近第一圓環(huán)區(qū)域。
中央?yún)^(qū)域的折射率在波導(dǎo)中線附近可能會(huì)陡降。這種陡降源于特定工藝步驟中摻雜劑從中線區(qū)域向外擴(kuò)散。在淀積步驟中可以補(bǔ)償這種擴(kuò)散，從而有效消除折射率降低的中線容量。另一種方法是通過(guò)調(diào)整模型來(lái)處理這種摻雜劑擴(kuò)散。如果選擇后一方法，則將中線折射率降低視為中央?yún)^(qū)域的一部分。因此權(quán)利要求書(shū)和說(shuō)明書(shū)并不受選擇消除中線折射率降低方法還是選擇通過(guò)調(diào)整內(nèi)芯折射率分布其它區(qū)域來(lái)補(bǔ)償中線摻雜劑擴(kuò)散的方法的影響。
與第一圓環(huán)區(qū)域和包圍并且貼近第二圓環(huán)區(qū)域的包層相比，中央?yún)^(qū)域和第二圓環(huán)區(qū)域的折射率較高。新波導(dǎo)的內(nèi)部分布容量在2.90-3.90個(gè)單位的范圍內(nèi)，而外部分布容量在7.20-10.20個(gè)單位的范圍內(nèi)。外部與內(nèi)部分布容量之比在1.96-3.04范圍內(nèi)。與’612專利揭示的最新已有技術(shù)相比，這種內(nèi)芯折射率分布具有明顯的特點(diǎn)，即它的外部容量較大。
在滿足相對(duì)折射率和分布內(nèi)外容量的限制條件前提下，三部分的任意一部分都可以是α指數(shù)分布、階躍、圓角階躍或者梯形分布。α一般可取零到無(wú)限大的任意值。α取值為1的折射率分布容易實(shí)現(xiàn)并且提供具有所需性能的波導(dǎo)。大于4的α值產(chǎn)生的基本上是階躍折射率的分布。
新型波導(dǎo)提供的上述系統(tǒng)的獨(dú)特性能要求為在1525-1565納米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，總色散低，介于-0.75ps/nm-km～-5.5ps/nm-km范圍之內(nèi)；零色散波長(zhǎng)范圍在1575-1595納米范圍內(nèi)；色散斜率在波長(zhǎng)范圍內(nèi)小于0.1ps/nm-km；模場(chǎng)直徑不小于7.90微米；波導(dǎo)連接光纜之后測(cè)得的截止波長(zhǎng)在1400-1520納米范圍之內(nèi)；PMD不超過(guò)0.25ps/km1/2；75mm芯軸誘發(fā)彎曲衰減不超過(guò)0.03db；以及32mm芯軸誘發(fā)彎曲衰減不超過(guò)0.30db。
利用具有下面定義的內(nèi)芯折射率分布的波導(dǎo)滿足了這組范圍廣泛而嚴(yán)格的特性。利用上述定義和慣例，內(nèi)芯中央部分的Δ0％在0.79％-1.21％之間，半徑在2.55-3.35微米之間。貼近中央內(nèi)芯的第一環(huán)的Δ1％不超過(guò)0.20％。第二環(huán)貼近第一環(huán)，它的Δ2％在0.30％-1.2％之間，測(cè)量到第二環(huán)中心的半徑在5.5-8.70微米之間，而在半Δ％點(diǎn)之間測(cè)量的寬度在0.4-2微米之間。
與這組折射率分布有關(guān)的內(nèi)部和外部分布容量分別在2.9-3.9個(gè)單位和2.5-10.2個(gè)單位之間。
各部分的折射率形狀可以根據(jù)α分布、階躍指數(shù)、圓角階躍指數(shù)或者梯形分布選擇。如上所述，α可以是任意的正數(shù)。


圖1為新型光纖的內(nèi)芯折射率分布示意圖。
在

發(fā)明內(nèi)容
中我們論述了中線擴(kuò)散現(xiàn)象。由于在不作消除中線擴(kuò)散錐形的工藝調(diào)節(jié)時(shí)比較容易形成新型分布，所以新型內(nèi)芯折射率分布的較佳實(shí)施例，在波導(dǎo)中線上具有減小的折射率容量(稱為中線擴(kuò)散錐形)。中線擴(kuò)散錐形對(duì)波導(dǎo)特性的影響程度非常小，只要在內(nèi)芯折射率分布的其余區(qū)域進(jìn)行微調(diào)即可補(bǔ)償中線擴(kuò)散錐形。
圖1為Δ％-波導(dǎo)半徑曲線圖，它示出了新型分布的主要特征。通過(guò)本文圖1與’612專利的比較可以發(fā)現(xiàn)，這里揭示的新型分布是’612專利中揭示和提出權(quán)利要求的這類分布的特例。圖1的區(qū)域2表示中線擴(kuò)散錐形。高折射率中央?yún)^(qū)域4為α分布，α值介于1-2之間。
另一中央?yún)^(qū)域?yàn)闃?biāo)號(hào)6表示的圓角或梯形分布，而16為α取值1與2之間的α分布，并且提供了補(bǔ)償以消除中線擴(kuò)散錐形。示出的另一種形狀表明，分布形狀與各部分的Δ％、半徑和寬度可以根據(jù)所需的波導(dǎo)特性予以改變。
第一圓環(huán)區(qū)域10靠近中央?yún)^(qū)域并且具有較低的Δ％。另一分布形狀8也表示第一圓環(huán)區(qū)域。貼近第一圓環(huán)區(qū)域的第二圓環(huán)區(qū)域具有另外的分布形狀12或14。貼近第二圓環(huán)的包層標(biāo)為24。
圖1還示出了這里所用的尺寸慣例。中央內(nèi)芯半徑用18表示，也就是從波導(dǎo)中線到外推中央分布與x軸交點(diǎn)的距離。限定第二圓環(huán)區(qū)域位置的半徑為從波導(dǎo)中線到第二圓環(huán)投射到x軸的中心的距離20。在1/2Δ％點(diǎn)處測(cè)得的第二圓環(huán)寬度用長(zhǎng)度22表示。第一圓環(huán)的內(nèi)半徑為長(zhǎng)度18。第一圓環(huán)的外半徑為半徑20減去1/2寬度22的距離。
從便于制造和相對(duì)標(biāo)稱值微小分布偏差不敏感的角度考慮，較佳實(shí)施例是分布部分4、10和14的組合。這種分布允許存在中線擴(kuò)散錐形2，中央?yún)^(qū)域的α≈ 1，第一圓環(huán)區(qū)域?yàn)殡A躍分布而第二圓環(huán)區(qū)域?yàn)閳A角階躍折射率分布。包層的折射率為常數(shù)。中央內(nèi)芯區(qū)域的Δ0％為0.9％，半徑為3.2微米。第一圓環(huán)區(qū)域的Δ1％為0.02％。第二圓環(huán)區(qū)域的Δ2％為0.5％，中心半徑為7微米，1/2Δ％處的寬度為0.9。內(nèi)部容量和外部容量分別為3.4和7.3個(gè)單位。另一種分布提供了與較佳實(shí)施例相同的特性，它的Δ2％為0.25％，寬度為1.8微米。
較佳實(shí)施例在1525-1565納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)提供了-6-0.5ps/nm-km范圍的色散和合適的0.075ps/nm-km色散斜率。在一定的成品率下，制造差別引起的波導(dǎo)特性變化程度是可接受的。主要由于截止頻率(在連接光纜的波導(dǎo)上測(cè)量得到的截止頻率接近1500納米)的緣故，彎曲損耗小于’612專利揭示的波導(dǎo)型的一半。此外，模場(chǎng)的標(biāo)稱值為8.4微米，有效面積為53微米2左右。
具體的范圍和要求給定如下-零色散λ1575-1595納米；-色散斜率＜0.1ps/nm-km；-模場(chǎng)直徑7.9-9.1微米；-截止頻率λ(未接光纜波導(dǎo))1760納米；以及-至少與’612專利波導(dǎo)設(shè)計(jì)一樣出色的抗彎曲性能；模型預(yù)測(cè)的波導(dǎo)物理特性如表1所示。
表1Δ0％ r0μm Δ1％ Δ2％ r2μm w2μm 內(nèi)部容量 外部容量上限 1.21 3.550.12 1.2 8.66 1.713.90 10.16下限 0.94 2.550 0.3 5.54- 2.92 2.59
表1所示參數(shù)板限的所有可能組合并不提供規(guī)定特性的波導(dǎo)。表1由計(jì)算機(jī)模型得到，它允許一個(gè)或多個(gè)參數(shù)改變直到至少一個(gè)規(guī)定的波導(dǎo)特性超出允許范圍。滿足規(guī)定的最后的內(nèi)芯折射率分布參數(shù)被記錄下來(lái)。因此每個(gè)分布參數(shù)的上限和下限可以源于符合規(guī)定的完全不同的分布。本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員經(jīng)過(guò)少數(shù)幾個(gè)試驗(yàn)就可以得到符合特定波導(dǎo)特性的分布。
雖然上面描述和揭示了本發(fā)明特定實(shí)施例，但是本發(fā)明由后面的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種為高數(shù)據(jù)速率WDM電信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單模光纖，其特征在于包含內(nèi)芯區(qū)域，包含中央?yún)^(qū)域，具有一定的折射率分布并且最大折射率為n0，第一圓環(huán)區(qū)域，貼近所述中央?yún)^(qū)域，具有一定的折射率分布并且最大折射率為n1，以及第二圓環(huán)區(qū)域，貼近所述第一圓環(huán)區(qū)域，具有一定的折射率分布并且最大折射率為n2，其中n0＞n2＞n1；以及包圍所述內(nèi)芯區(qū)域的包層，其折射率nc接近常數(shù)；其中n1＞nc；所述內(nèi)芯區(qū)域具有內(nèi)部和外部分布容量，其中所述內(nèi)部分布容量的范圍為2.90-3.90個(gè)單位而所述外部分布容量的范圍為7.20-10.20個(gè)單位，并且所述外部與所述內(nèi)部分布容量之比的范圍為1.96-3.04個(gè)單位。
2.如權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于所述中央?yún)^(qū)域、所述第一圓環(huán)區(qū)域和所述第二圓環(huán)區(qū)域的折射率分布為α分布、階躍指數(shù)分布、圓角階躍指數(shù)分布以及梯形分布的一種。
3.如權(quán)利要求2所述的單模光纖，其特征在于所述中央?yún)^(qū)域折射率分布為α分布并且α取值為1。
4.如權(quán)利要求2所述的單模光纖，其特征在于所述第一圓環(huán)區(qū)域?yàn)榕_(tái)階躍指數(shù)分布。
5.如權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于所述內(nèi)芯區(qū)域的指數(shù)分布和半徑選擇為在1525-1565納米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，總色散介于+0.75ps/nm-km～-5.5ps/nm-km范圍之間；零色散波長(zhǎng)范圍在1575-1595納米范圍內(nèi)；色散斜率小于0.1ps/nm-km；模場(chǎng)直徑不小于7.90微米；連接光纜的波導(dǎo)上測(cè)得的截止波長(zhǎng)在1400-1520納米范圍之內(nèi)；極化模式色散不超過(guò)0.25ps/(km)1/2；以及75mm芯軸彎曲誘發(fā)衰減不超過(guò)0.03db，32mm芯軸彎曲誘發(fā)衰減不超過(guò)0.30db。
6.一種為高數(shù)據(jù)速率WDM電信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單模光纖，其特征在于包含內(nèi)芯區(qū)域，包含中央?yún)^(qū)域，半徑為r0，具有一定的折射率分布并且相對(duì)折射率為Δ0％，第一圓環(huán)區(qū)域，貼近所述中央?yún)^(qū)域，具有一定的折射率分布并且最大折射率為Δ1％，以及第二圓環(huán)區(qū)域，貼近所述第一圓環(huán)區(qū)域，半徑為r2，寬度為w2，具有一定的折射率分布并且最大折射率為Δ2％，其中Δ0＞Δ2＞Δ1；以及包圍所述內(nèi)芯區(qū)域的包層，其折射率nc接近常數(shù)；其中第一圓環(huán)區(qū)域的最大折射率為n1，n1＞nc。Δ0％的范圍為0.79-1.21％，r0的范圍為2.55-3.55微米，Δ1％不超過(guò)0.2％，Δ2％的范圍為0.3-1.2％，r2的范圍為5.50-8.70微米，并且w2的范圍為0.4-2微米。
7.如權(quán)利要求6所述的單模光纖，其特征在于內(nèi)部分布容量的范圍為2.9-3.9個(gè)單位而外部分布容量的范圍為2.5-10.2個(gè)單位。
8.如權(quán)利要求6所述的單模光纖，其特征在于所述中央?yún)^(qū)域、所述第一圓環(huán)區(qū)域和所述第二圓環(huán)區(qū)域的折射率分布為α分布、階躍指數(shù)分布、圓角階躍指數(shù)分布以及梯形分布的一種。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種為高數(shù)據(jù)速率WDM電信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單模光纖。新的內(nèi)芯分布改善了彎曲性能。通過(guò)在工作窗口上限以上設(shè)置零色散波長(zhǎng)使擴(kuò)展波長(zhǎng)窗口內(nèi)的總色散保持較低。此外將截止波長(zhǎng)增大到緊靠工作窗口以下。在便于制造的情況下保持了波導(dǎo)非常低的衰減特性。
文檔編號(hào)G02B6/036GK1203204SQ9811550
公開(kāi)日1998年12月30日 申請(qǐng)日期1998年6月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月23日
發(fā)明者戴維K·司密斯 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司