CN101446663A - 一种改进的具有大模场分布的非零色散位移单模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明是一种改进的具有大模场分布的非零色散位移单模光纤，其包括光纤芯层和包围在光纤芯层上的包层，光纤芯层包括具有不同折射率的内芯层和包围内芯层的外芯层，外芯层的折射率为渐变分布，包层包括具有不同折射率的自内向外的内包层、环芯包层和外包层，外包层为纯二氧化硅玻璃层，光纤芯层的折射率分布为n1＞n2＞nc，包层折射率分布为n4＞n3＞nc或n4＞nc＞n3。其具有低非线性色效应特性，即大有效面积，优化的色散和较低的色散斜率，能有效解决影响高速通信的非线性问题和偏振模色散问题，减少***的色散管理成本，具有低的熔接损耗，以适用于大容量、高速率、长距离传输***。

Description

一种改进的具有大模场分布的非零色散位移单模光纤

技术领域

本发明涉及一种为大容量、高速率、长距离传输***而设计的非零色散位移单模光纤。该光纤具有改进的低非线性效应特性，即大的模场分布(有效面积)，优化色度色散和较低的色散斜率，同时具有偏振模色散低、低损耗和优异的抗弯曲性能，与光纤熔接时具有低熔接损耗等优点，适用于大容量、高速率、长距离的密集波分复用DWDM***传输，大的有效面积有利于减少非线性效应，低的色散斜率有利于对色散进行全面的管理，满足C+L与S+C+L波段的长距离的传输。

背景技术

随着光纤通信技术的发展，特别是光纤放大器和波分复用技术的成熟应用，制约光纤通信的已经不再是光纤的损耗，全球信息化的迅猛发展需要大容量、高速率光纤通信***，从技术和经济上考虑，光纤通信技术发展主要有2个方向，一为提高波分复用单信道的传输速率，二为增加波分复用的信道数量和增加工作波段，因此大容量、高速率、长距离传输***对光纤的特性和发展提出新的需求，目前对于波分复用技术而言，制约光纤传输容量和距离的主要因素为非线性效应、色散和光信噪比(光信噪比的英文简称为OSNR)。

在DWDM***中，随着容量的增加，波长间隔随之不断减少，各波长之间的光非线性效应(包括四波混频、自相位调制、交叉相位调制等)限制了光传输的容量与距离。***要求的光信噪比随着单信道的速率提高而成正比增加，因此要求更高的信号光功率，这使得光纤非线性效应更趋严重。而由于波分复用信道波段的扩展，色散斜率造成长、短波长边缘信道的色散积累不平衡，如果这种色散积累不平衡得不到很好的补偿，会显著缩短***的再生中继距离，这使得色散管理更加复杂，增加了***色散补偿成本。如对于40Gbit/s***，每个信道的带宽达到80GHz近0.8nm，色散斜率对每个信道内各频率分量的影响变得显著，要求接近100％的色散斜率补偿效率，这就要求光纤的相对色散斜率(光纤的相对色散斜率英文简称RDS)尽量小，其最有效的方法是降低色散斜率并适当增大色度色散。解决这些问题的有效途径就是不断创新光纤技术，开发具有低非线性效应和色散优化的新光纤。

为了抑制DWDM***中非线性的影响，在传输波段需要适当的色散值并降低光功率密度，人们在色散位移光纤的基础上开发了非零色散位移光纤以及大有效面积非零色散位移光纤。目前已经公布了一系列的这类光纤的设计和生产专利(申请)方案。适用于C+L波段的光纤，如98121639.0号中国发明专利申请(公开号为CN1220402A)公布的一种大有效面积非零色散位移光纤和制造方法，其典型色散斜率为0.09ps/(nm²·km)，有效面积在80um²以上，1550nm损耗典型值为0.205dB/km；如专利号为03125210.9、授权公告号为CN1219227C的中国发明专利公开的一种正非零色散位移光纤，设计8个纤芯分层，1550nm色散斜率减小到0.085ps/(nm²·km)，有效面积调整为70um²以上；如00806764.3号中国发明专利申请(公开号为CN1348548A)公布的中心凹陷纤芯结构的光纤，光纤有效面积约70um²，色散斜率为0.09-0.08ps/(nm²·km)；等等。US2002/0154876A1号美国专利申请公布的一种抛物线分布纤芯结构光纤，有效面积大于90um²，但是1550nm的色散过大，为14-20ps/(nm·km)；美国US6459839B1号专利公布的具有梯形和纤芯凹陷的大有效面积光纤，有效面积达100um²以上，色散斜率为0.08；美国US6396987B1号专利公布的一种光纤，光纤芯层折射率采用梯形和中心下陷阶跃型的分布，其色散斜率小于0.07ps/(nm²·km)，但有效面积达只到60um²；中国00802639.4号专利申请(公开号为CN1337010A)公布的一种阶跃型折射率分布光纤，色散斜率约0.09ps/(nm²·km)，1550nm的色散在7—15ps/(nm·km)，有效面积达到60-150um²；中国03119080.4号专利申请(公开号为CN1450369A)公布的中芯下陷环形纤芯结构的光纤，光纤有效面积大于95um²，色散斜率小于0.065ps/(nm²·km)；均可用于S+C+L波段，但是光纤的熔接附加损耗高。

虽然现在G..655光纤种类众多，但是大多数的大有效面积G..655光纤中，色散斜率还是偏大，或者结构过于复杂，不利于***色散管理和光纤生产工艺控制。在以前的工艺操作中，用于长距离传输***的大有效面积光纤的色散斜率大，因此导致DWDM***性能劣化，中继距离受限。对于宽工作波长的传输***，色散斜率偏大的直接危害就是造成长、短波长边带波长的色散差异大，传输波长范围越宽，这种色散差异越大，色散补偿难度和成本越大，尤其对于40Gbit/s这样要求精确色散管理的高速***，其影响就成为很大的问题，在实际应用中需要更复杂的色散管理，增加了***成本，不符合网络运营商的利益选择。因此，为了充分利用光纤的带宽资源、增大通信容量，这些应用要求在保持大有效面积特性的同时，优化色度色散、降低色散斜率、改善工作波段色散的平坦性。

理想的光纤的色散应当在整个工作波段具有一个恒值，但是折射率随着波长变化而变化，色散对波长具有依赖性。在光纤波导结构设计上，有效面积和色散斜率相互制约，在光纤设计时需要对各种特性平衡给予考虑。

在实际长距离光纤传输***中，通常需要将不同光纤连接形成通信链路，非零色散位移光纤比标准单模光纤折射率分布更复杂，将非零色散位移光纤与其它不同类型的光纤熔接在一起时，因为彼此的模长直径和光纤几何参数等不匹配，往往导致反射增大，附加损耗增加，链路越长接点越多，累积的效应越大，严重的可能造成不可接受的误码率。因此在光纤制造中熔接特性是不容忽视的问题，需要采取措施降低光纤的熔接损耗，限制熔接损耗对传输***的有害作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有低非线性色效应特性，即大有效面积，优化的色散和较低的色散斜率，从而能有效解决影响高速通信的非线性问题和偏振模色散问题，减少***的色散管理成本，并且具有低的熔接损耗的改进的具有大模场分布的非零色散位移单模光纤，以适用于大容量、高速率、长距离传输***。为此，本发明采用以下技术方案：

一种改进的具有大模场分布的非零色散位移单模光纤，其包括光纤芯层和包围在光纤芯层上的包层，其特征在于所述光纤芯层包括具有不同折射率的内芯层和包围所述内芯层的外芯层，所述外芯层的折射率为渐变分布，包层包括具有不同折射率的自内向外的内包层、环芯包层和外包层，外包层为纯二氧化硅玻璃层，所述光纤芯层的折射率分布为n1>n2>nc，所述包层折射率分布为n4>n3>nc或n4>nc>n3，其中：n1为内芯层的折射率，n2为外芯层的最大折射率，n3为内包层的折射率，n4为环芯包层的折射率，nc为外包层的折射率，外芯层的折射率由n2渐变至n3。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征，以便在实施上述技术方案时将这些附加的技术特征单独地或者任意结合起来应用到上述技术方案中：

所述的内芯层、外芯层、内包层、环芯包层的波导结构参数为：

0.53％≤Δn1≤0.65％，     3.0um≤R1≤4.0um，

0.15％≤Δn2≤0.40％，     6.4um≤R2≤8.4um，

-0.1％≤Δn3≤0.03％，     11.6um≤R3≤14.6um，

0.15％≤Δn4≤0.25％，     17.6um≤R4≤19.8um，

其中Δn1、Δn2、Δn3、Δn4分别为内芯层、外芯层、内包层、环芯包层以nc作为参考折射率的相对折射率差，R1、R2、R3、R4分别为内芯层、外芯层、内包层、环芯包层的直径。外包层为纯的二氧化硅玻璃层，其折射率为纯二氧化硅玻璃的折射率nc，其相对折射率差Δnc＝0。从R1到R2，外芯层的折射率由Δn2渐变至Δn3。

所述的外芯层折射率渐变分布满足公式：

n(r)＝nc*[1-2Δ(r/r2)^α]^1/2，其中r1≤r≤r2，r为外芯层的半径变量，r1为内芯层的半径，r2为外芯层的半径，α为渐变规律系数。

在所述的外芯层、内包层、环芯包层中分别掺入锗、氟、磷三种元素的至少一种。用以调节光纤制件的折射率分布，且使粘度和应力匹配，减少光纤中残余应力，平衡应力分布，稳定光纤偏振模色散性能。

通过对光纤折射率分布的精确调整，尤其外芯层的折射率的渐变系数α，可以得到需要的模场分布(有效面积)与色散特性，即色散值、色散斜率，并具有较低的偏振模色散、损耗、优异的弯曲性能和熔接性能，因此本发明的光纤特别的具有如下特征

1550nm色散斜率≤0.073ps/(nm²·km)；

零色散波长≤1500nm；

有效面积为70～75um²；

1530nm～1565nm范围内的色散为2.5～6.5ps/(nm·km)；

1565nm～1625nm范围内的色散为6～12ps/(nm·km)；

1550的损耗≤0.22dB/km，在1530nm～1565nm波段的损耗≤0.22dB/km。

按照光纤弯曲性能测量方法，在φ60mm芯轴绕100圈的测试中，弯曲引起的附加损耗在1550nm和1625nm处均小于0.05dB，在φ32mm芯轴绕1圈的测试中，弯曲引起的附加损耗在1550nm和1625nm处均小于0.5dB。光纤的偏振模色散值≤0.06ps/

。

本发明的光纤芯层可采用但不限于MCVD、PCVD或OVD等工艺制作而成，以实现规定的光纤波导结构设计。

本发明的有益效果是：

1、同以往的非零色散位移单模波导结构相比，本发明的结构相对简单，不但可以容易获得，并且波导结构在规定的数值区间内具有相应的色散特性，结合MCVD、PCVD、0VD等工艺对折射率分布的精确控制能力，容易进行生产和质量控制，可高效率地得到所设计的光纤性能。

2、本发明的光纤具有大模场分布，而且色散斜率较低，光纤的特性足以满足抑制非线性效应的要求，降低***色散管理的成本，适用于C+L波段或S+C+L波段的DWDM传输需要。

3、本发明在波导设计的同时，兼顾光纤材料的组成设计，对粘度和应力进行优化匹配，改善应力分布，对光纤的PMD性能进行改善。在本发明中通过对预制棒包层掺杂成分的适当选取，达到优化内部应力分布，使光纤PMD性能稳定。

4、本发明的光纤与其它非零色散位移光纤NZ-DSF熔接具有低的熔接损耗，熔接性能极好。

附图说明

图1是本发明实施例1中相对折射率Δ对直径的分布曲线示意图。

图2是本发明实施例2中相对折射率Δ对直径的分布曲线示意图。

图3是本发明实施例3中相对折射率Δ对直径的分布曲线示意图。

图4是本发明实施例的光纤与现有同类光纤商品的色散曲线示意图。

具体实施方式

本发明改进的具有大模场分布的非零色散位移单模光纤，包括光纤芯层和包围在光纤芯层上的包层，光纤芯层包括具有不同折射率的内芯层和包围内芯层的外芯层，所述外芯层的折射率为渐变分布，包层包括具有不同折射率的自内向外的内包层、环芯包层和外包层，外包层为纯二氧化硅玻璃层。以下通过几个具体实施例对其作详细说明。

实施例1：

如图1所示是本发明的一种光纤波导折射率分布曲线，下述为一组相对折射率差分布参数：

内芯层Core1的参数为：Δn1约为0.60％，R1约为3.6um，

外芯层Core2的参数为：Δn2约为0.25％，R2约为7.6um，

内包层Clad1的参数为：Δn3约为0.02％，R3约为12.8um，

环芯包层Clad2的参数为：Δn4约为0.21％，R4约为17.2um，

外包层(即最外层)Clad3的参数为：Δnc约为0.00％，R5为125um，

外包层Clad3为纯二氧化硅玻璃层，其折射率为nc(Δnc＝0)，

外芯层Core2折射率渐变分布满足公式：n(r)＝nc*[1-2Δ(r/r2)^α]^1/2，其中r1≤r≤r2，r为外芯层的半径变量，r1为内芯层的半径，r2为外芯层的半径，渐变规律系数α取1；外芯层Core2的折射率从R1到R2由Δn2渐变到Δn3。

所得光纤的特性如下：

1550nm有效面积：74um²，

零色散波长：1487nm，

在1550nm色散：4.45ps/(nm·km)，

在1550nm色散斜率：0.0714ps/(nm²·km)，

在1530nm色散：3.03ps/(nm·km)，

在1625nm色散：9.866ps/(nm·km)，

光缆截止波长：1330nm，

在1550损耗：0.20dB/km，

宏弯φ60mm绕100圈，在1550nm和1625nm的附加损耗的最大值：0.04dB。

宏弯φ32mm绕1圈，在1550nm和1625nm的附加损耗的最大值：0.05dB。

该实施例所述光纤特性在1550nm的色散斜率小于0.073ps/(nm²·km)，有效面积为74um²，而衰减和弯曲性能优异，不同批次光纤自身的熔接损耗小于0.03dB，与其它NZ-DSF光纤的熔接损耗小于0.06dB。光纤特性能适用于C+L波段的DWDM***传输需要。

实施例2：

按照图2所示的光纤波导折射率分布曲线，下述为一组相对折射率差分布参数：

内芯层Core1的参数为：Δn1约为0.58％，R1约为3.8um，

外芯层Core2的参数为：Δn2约为0.24％，R2约为7.8um，

内包层Clad1的参数为：Δn3约为-0.05％，R3约为13.0um，

环芯包层Clad2的参数为：Δn4约为0.23％，R4约为18.2um，

外包层Clad3的参数为：Δnc约为0.00％，R5约为125um，

外包层Clad3为纯二氧化硅玻璃层，其折射率为nc，

外芯层Core2折射率渐变分布满足公式：n(r)＝nc*[1-2Δ(r/r2)^α]^1/2，其

中r1≤r≤r2，r为外芯层的半径变量，r1为内芯层的半径，r2为外芯层的半

径，渐变规律系数α取1；外芯层Core2的折射率从R1到R2由Δn2渐变到Δn3。

所得光纤的特性如下：

1550nm有效面积：72um²，

零色散波长：1470nm，

在1550nm色散：5.29ps/(nm·km)，

在1550nm色散斜率：0.068ps/(nm²·km)，

在1530nm色散：3.94ps/(nm·km)，

在1565nm色散：6.29ps/(nm·km)，

在1625nm色散：10.48ps/(nm·km)，

光缆截止波长：1330nm，

在1550损耗：0.20dB/km，

宏弯φ60mm绕100圈，在1550nm和1625nm的附加损耗的最大值：0.035dB。

宏弯φ32mm绕1圈，在1550nm和1625nm的附加损耗的最大值：0.045dB。

该实施例所述光纤特性在1550nm的色散斜率小于0.07ps/(nm²·km)，有效面积72um²，而衰减和弯曲性能优异，不同批次光纤自身的熔接损耗小于0.03dB，与其它NZ-DSF光纤的熔接损耗小于0.06dB。光纤特性能适用于C+L波段的DWDM***传输需要。

实施例3：

按照图3所示的光纤波导折射率分布曲线，下述为一组相对折射率差分布参数：

内芯层Core1的参数为：Δn1约为0.56％，R1约为4.0um，

外芯层Core2的参数为：Δn2约为0.22％，R2约为8.0um，

内包层Clad1的参数为：Δn3约为-0.07％，R3约为13.6um，

第一环芯包层Clad2的参数为：Δn4约为0.22％，R4约为19.2um，

第二环芯包层Clad3的参数为：Δn5约为0.-08％，R5约为20.8um，

最外层即外包层Clad4的参数为：Δnc约为0.00％，R6为125um，

包层分层Clad4为纯二氧化硅玻璃层，其折射率为nc(Δnc＝0)，

所述的外芯层折射率渐变分布满足公式：n(r)＝nc*[1-2Δ(r/r2)^α]^1/2，其中r1≤r≤r2，r为外芯层的半径变量，r1为内芯层的半径，r2为外芯层的半径，渐变规律系数α取1；外芯层Core2的折射率从R1到R2由Δn2渐变到Δn3。

所得光纤的特性如下：

1550nm有效面积：73um²，

零色散波长：1450nm，

在1550nm色散：6.6ps/(nm·km)，

在1550nm色散斜率：0.068ps/(nm²·km)，

在1530nm色散：5.3ps/(nm·km)，

在1625nm色散：11.5ps/(nm·km)，

光缆截止波长：1320nm，

在1550损耗：0.20dB/km，

宏弯φ60mm绕100圈，在1550nm和1625nm的附加损耗的最大值：0.04dB。

宏弯φ32mm绕1圈，在1550nm和1625nm的附加损耗的最大值：0.045dB。

该实施例3所述光纤特性在1550nm的色散斜率小于0.07ps/(nm²·km)，有效面积73um²，而衰减和弯曲性能优异，不同批次光纤自身的熔接损耗小于0.03dB，与其它NZ-DSF光纤的熔接损耗小于0.06dB。光纤特性能适用于S+C+L波段的DWDM***传输需要。

本发明中一些术语的定义：

折射率差Δ由以下方程式定义：

相对折射率差Δni％＝[(ni²—nc²)/2ni²](1)

其中ni为第i层的光纤折射率，nc为外包层纯二氧化硅玻璃部分的折射率，在本申请中它作为参考折射率。

折射率分布的定义是指在光纤的选定部分上折射率ni或Δni与其相对光纤中心位置ri(半径)的关系。

折射率渐变分布，满足公式：n(r)＝nc*[1-2Δ(r/a)^α]^1/2，0≤r≤a

其中：r为半径变量；α为渐变规律系数，它决定变化曲线的形状，可以取值(0，∞)；a为一个常量，在设计各种折射率时可以确定为不同的常数。

总色散定义为光纤材料色散和波导色散的代数和，在光纤通信技术领域，光纤的色散就是指总色散，其单位为ps/(nm·km)。

色散斜率表示色散对波长的相关性，由于折射率随着波长变化而发生变化，光纤色散数值也随着波长变化而变化，色散斜率表示这种变化性，它是以波长为横座标，色散值为纵座标所描绘曲线的斜率，其单位为ps/(nm²·km)。

Ds＝dD/dλ

在波分复用***中，如果传输链路的色散斜率大，则各波长之间的色散值的差值变大，将降低***的传输特性或增加色散补偿的成本。

有效面积Aeff＝2π(∫E²rdr)²/(∫E⁴rdr)(2)

式中积分限为0到∞，E为与传播有关的电场。

DWDM是密集波分复用***的缩写。

PMD是光纤偏振模色散的缩写。

光纤的抗弯曲性能是指在规定测试条件下的附加损耗。测试过程是，在正常条件下测试光纤的损耗，再按照标准要求将光纤绕在芯轴上，测量损耗值，两种测量的差值即为弯曲导致的附加弯曲损耗。其规定的标准测试条件包括在直径75mm的芯轴上绕100圈和在32mm的芯轴上绕1圈等。通常，弯曲导致的最大许可损耗以1310nm和1550nm的附件弯曲损耗为准，单位为dB。本申请中采用芯轴60mm和32mm各绕100圈和1圈的条件测量1550nm和1625nm波长的附加损耗，且取最大值作为测量结果。

熔接损耗是用OTDR在1550nm处双向测量取平均值。

Claims (5)

1、一种改进的具有大模场分布的非零色散位移单模光纤，其包括光纤芯层和包围在光纤芯层上的包层，其特征在于所述光纤芯层包括具有不同折射率的内芯层和包围所述内芯层的外芯层，所述外芯层的折射率为渐变分布，包层包括具有不同折射率的自内向外的内包层、环芯包层和外包层，外包层为纯二氧化硅玻璃层，所述光纤芯层的折射率分布为n1>n2>nc，所述包层折射率分布为n4>n3>nc或n4>nc>n3，其中：n1为内芯层的折射率，n2为外芯层的最大折射率，n3为内包层的折射率，n4为环芯包层的折射率，nc为外包层的折射率。

2、根据权利要求1所述的一种改进的具有大模场分布的非零色散位移单模光纤，其特征是所述的内芯层、外芯层、内包层、环芯包层的波导结构参数为：

53％≤Δn1≤0.65％，  3.0um≤R1≤4.0um，

15％≤Δn2≤0.40％，  6.4um≤R2≤8.4um，

-0.1％≤Δn3≤0.03％，  11.6um≤R3≤14.6um，

15％≤Δn4≤0.25％，  17.6um≤R4≤1.8um，

其中Δn1、Δn2、Δn3、Δn4分别为内芯层、外芯层、内包层、环芯包层以nc作为参考折射率的相对折射率差，R1、R2、R3、R4分别为内芯层、外芯层、内包层、环芯包层的直径，从R1到R2，外芯层的折射率由Δn2渐变至Δn3。

3、根据权利要求1所述的一种改进的具有大模场分布的非零色散位移单模光纤，其特征是所述的外芯层折射率渐变分布满足公式：

n(r)＝nc*[1-2Δ(r/r2)^α]^1/2，其中r1≤r≤r2，r为外芯层的半径变量，r1为内芯层的半径，r2为外芯层的半径，α为渐变规律系数。

4、根据权利要求1所述的一种改进的具有大模场分布的非零色散位移单模光纤，其特征是在所述的内包层、环芯包层中分别掺入锗、氟、磷三种元素的至少一种。

5、根据权利要求1所述的一种改进的具有大模场分布的非零色散位移单模光纤，其特征是：

1550nm色散斜率≤0.073ps/(nm²·km)；

零色散波长≤1500nm；

有效面积为70～75um²；

1530nm～1565nm范围内的色散为2.5～6.5ps/(nm·km)；

1565nm～1625nm范围内的色散为6～12ps/(nm·km)；

1550的损耗≤0.22dB/km，在1530nm～1565nm波段的损耗≤0.22dB/km。

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