CN101592758A - 海底光纤传输*** - Google Patents

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Abstract

海底光纤传输***,描述了具有相对大有效面积、大负色散系数和相对低衰减的光纤。这些光纤有利地与用于无区块海底光缆的正色散系数光纤配对。

Description

海底光纤传输***
技术领域
本发明涉及改进型光纤,和专门适合中长距离海底应用的光缆。
背景技术
海底光缆已经历多年演变而成为当前的设计,其中大量的波分复用(WDM)信道提供了非常高的传输能力。为达到此效果,光纤的性能被仔细地管理以避免过量的累积色散、不利的非线性效应例如四波混频、放大器之间过度的传输损耗、每个放大级上过度的接头损耗等等。典型的现有技术海底光缆使用负色散的非零色散光纤(NZDF)交替以色散补偿光纤(DCF)这样的传输段来控制整个传输长度上的累积色散的量。早期的海底光缆设计有若干“区块”(block),这些“区块”覆盖着数个放大器跨距长度,即放大器之间的距离。一个区块会具有数个连续的负色散传输光纤段,因而将积累相当大的负色散,在该点处该区块以DCF(正色散)光纤段终止。为保持累积色散较低,这些光纤的色散值更被慎重地降低。
先进的(advanced)光纤放大器协议的引入允许更大的累积负色散。相应地,新式的海底光缆设计是“无区块”的,并且具有单一的负色散系数传输光纤段交替以单一的DCF光纤段。由于传输光纤的每个交替增量被补偿,从而允许累积色散值更高。更先进的这些光缆设计典型地还增加有新的特征,色散斜率管理。负色散传输光纤的色散斜率是微小的负值。这用具有正色散斜率的补偿光纤来匹配。这些光缆设计起来很复杂,这是由于要同时管理两个性能——色散和色散斜率。而且,这些光缆制造起来也很复杂,从而成本增加。负色散、色散斜率管理光纤的相对小的有效面积及相对大的衰减进一步地增加了这种复杂性。这些性能对传输损耗(dB/km)和接头损耗二者都具有负面影响。因此,这种总体设计会导致光缆内端对端损失的显著增加。面对该损耗的增加,为了保持信号强度,就需要在支出相当高附加费用的情况下增加额外的放大器。因此,期望对色散斜率的管理将为增加的损耗提供可接受的权衡。然而在很多情形下这被证实是不可能实现的。
因此,能更有效地在多个光纤性能之间处理权衡,并能以较低成本提供可与色散斜率管理光缆相比的传输能力的新型海底光缆设计是希望的。
发明内容
本发明人已经设计了一种适合于海底应用的光缆,其中在该光缆中使用的光纤更为经济,并且该光缆的制造复杂性被降低。该新型光纤具有相对大的有效面积、大的负色散系数和相对低的衰减。有利地是,该新型光纤与用于无区块海底光缆设计的经济型标准单模纤维(SSMF)或超大有效面积光纤(SLA)配对使用。该负色散系数光纤具有比例如逆色散光纤(IDF)显著大的有效面积,从而能减低接头损耗。
附图说明
图1示出具有本发明传输性能的光纤的折射率分布:
图2示出具有不同芯α的两种折射率分布;
图3是现有技术的海底光缆设计的色散与长度关系的曲线图,其示出了许多对的正色散SLA光纤和逆色散光纤IDF;以及
图4是类似于图3的曲线图,其示出了本发明具有与本发明的负色散系数光纤配对的高正色散系数SLA传输光纤的海底光缆设计。
具体实施方式
本发明的高负色散系数光纤具有以下性能:
  色散系数   -8至-17ps/nm-km,优选-12至-15ps/nm-km
  色散斜率   +0.03至+0.07ps/nm2-km
  有效面积   40μm2至60μm2,优选45至55μm2
  衰减   低于0.205dB/km
大面积(LA)和大负色散(LND)的组合表征了这种光纤设计,因此称作LALND。
在光纤设计中一个共同的目标是具有所谓三层包层形状的折射率分布的光纤。虽然广泛范围的光传输特性可以用复杂折射率分布来实现,然而用简单的三包层分布生成具有上述表格里各个传输特性的光纤并不简单。这个形状包括中央芯,该中央芯主要由其折射率比未掺杂二氧化硅要高的二氧化硅构成。该区增加的折射率典型地通过用锗掺杂二氧化硅而达到。该芯的形状可以用众所周知的α分布描述,但还可以包括一种轴上的“折射率下陷(index dip)”,其典型地由预制棒制作过程相关流程而得到。芯α参数典型地大于1,但小于或等于大约20。该中央芯由折射率比未掺杂二氧化硅低的环形区所围绕。在该“沟”区内的折射率作为半径的函数基本恒定,但是在该区的内半径和外半径处,可以有折射率跃迁的区,其中关于半径的折射率梯度不接近于零。通常使用氟掺杂的二氧化硅来使沟区内的折射率降低。该沟区由另一具有增加的折射率的环形区所围绕,称为环区。除了区域边界附近外,该环区具有基本恒定的折射率。该环区通常掺杂有锗,以使折射率高于未掺杂二氧化硅。在半径大于该环的外半径处的区域称为包层区。包层区一般地由未掺杂二氧化硅形成,但可以包含降低折射率的区。可以通过在二氧化硅内掺杂氟或者通过存在空隙来在该包层区内获得降低的折射率层。
图1示出了具有上述传输性能的光纤,其具有三包层折射率分布形状并使用标准制作技术制作。这些分布在当芯区的α参数约为20时是期望的。图1中的分布实例使用了阶跃折射率芯形状,并且典型地具有大于20的芯α。在很多情形里,希望制作具有可用“α分布”形状进行描述的渐变折射率芯的光纤,其中α值处在约1至约10的范围内。当使用α分布时,纤芯半径典型地较大,并且纤芯δ(delta)的最大值典型地比具有相同传输性能的阶跃折射率光纤高。如上所述的相同的期望传输性能可以用这些较小的纤芯α值获得。通常,对于一个用较小值纤芯α实现的具有相同传输性能的光纤,当与所示的分布对比时,纤芯半径略大,例如3-5微米,并且纤芯折射率的最大值略高。
图2示出了实现以上列出范围内的传输性能的光纤折射率分布的例子。实曲线示出了纤芯α等于20的阶跃折射率分布。虚曲线示出了纤芯α等于6的梯度折射率分布。
除已经提到的之外,另一个关心的光纤性能是偏振模色散(PMD)。对于现有技术光缆,具有上面讨论的性能和折射率分布的光纤典型地具有在可接受限度范围内的PMD。对于这些光纤的PMD,一个有用的规格是0.04ps/km0.5,或者更少。
如上所述的高负色散系数光纤被设计用于海底传输光缆应用,特别是那些在所谓无区块设计中使用正和负色散系数光纤配时段的情况。然而,应当理解,具有这些独特传输性能的光纤还可以发现有其它应用。
海底光缆的设计是复杂的,这是由于在海下使用的放大器比陆地上光缆使用的放大器具有相当较多的严格设计要求这样的事实。例如,集总放大器(lumped amplifier)不被用于海底。从而,海底光缆中的放大器很昂贵,而任何降低发送信号的功率损耗的光纤设计,即使损耗细微的降低,都可能对长段的海底光缆造成巨大的成本影响。典型地,放大器跨度在80-100km。跨太平洋海底光缆可能具有许多放大器。目前宣布的“Unity”跨太平洋光缆具有10,000km的标称长度。
目前研制的现有技术海底光缆设计是一种使用SLA和IDF光纤配对跨距(paired span)的色散管理设计。“区块”色散图被典型地配置以使得每个传输光纤放大器的平均色散在2-4ps/nm-km之间,其中在大约10个传输放大器跨距之后放置一个补偿光纤放大器跨距。这种所谓的区块设计既管理累积色散又管理色散斜率。SLA光纤具有相对小的正色散斜率,而IDF光纤具有相对小的负色散斜率。同时,色散值在符号上也是相反的。从而,这就允许在单放大器跨距中使用的这些光纤配对使色散匹配于低累积色散以及小波长色散。
参考图3的色散图,示出了海底传输距离与累积色散关系的曲线。示出的该色散图是用于现有技术的色散和色散斜率管理光缆的。SLA光纤段显示为实线(11),而配对的IDF光纤段显示为虚线(12)。放大器示出于14。典型地,使用匹配光纤配对的组装光缆在很长的传输段上积累负色散,如图3所示。合适的DCF段15以周期性的间隔***,以减少累积色散,而序列随需要的传输路径长度而重新开始。所示的传输段可以适于许多岛间(inter-island)或近海应用。洲际光缆将具有几个如图3所示的光缆累接。
可以看出,图3的传输光缆具有大致100km的放大器跨距。要在1000km的海底距离延伸,需要10个放大器。
虽然在图3中未示出,除在放大器位置处的光缆接头外,还有光纤段11和12相连的附加光纤接头。在这些结点处接合在一起的光纤是接合到IDF光纤段上的SLA光纤段。虽然IDF光纤理想地具有负色散斜率,但是它还可以具有相对小的有效面积。常规IDF光纤的标称有效面积大致是30μm2。其结果之一是,当IDF光纤段接合到SLA光纤段时,接头损耗很大,典型地为0.3dB。同样在图3中未示出地是典型地存在于IDF光纤段之间的接头。这些接头同样具有相对大的接头损耗,典型地为0.11dB。相比较下,SLA光纤之间的每个接头的损耗为0.04dB。除由于使用IDF光纤导致接头损耗增加外,IDF光纤中的传输损耗(衰减)同样是相对较高,典型地为0.23dB/km或者更高。
对于一个SLA-IDF对,每个跨距(放大器之间)的总标称损耗,假定每个SLA段中的一个SLA到SLA接头(0.04dB),每个IDF段中的一个IDF到IDF接头(0.11dB),及一个SLA到IDF接头(0.3dB),并且给定一个对于SLA光纤0.185和对于IDF光纤0.235的传输损耗数值,以及对于色散斜率配对的SLA与IDF段为34/66的比率,每个跨距的损耗是:
传输损耗:(66×0.185)+(34×0.235)=21.8dB
接头损耗:0.04+0.11+0.3=0.45dB
每个跨距总损耗=22.25dB
用本发明的负色散光纤(LALND)代替刚才讨论的IDF光纤的类似海底光缆设计示出于图4。实线21表示SLA光纤段,而虚线22表示LALND段。在图中很明显的是,色散值是更小的负值,因此SLA与LALND段的比率更近于相等,对于SLA为20/14,或者对于SSM为17/14。放大器示出在24。该色散图示出了每一对具有轻微过量的负色散,以逐步使累积色散到零以下。该色散图的整体斜率是依赖于所选择的SLA与LALND段比率的设计选择。
在图4中明显地示出了低传输损耗和低接头损耗的优点,该优点可归因于LALND光纤的使用。光纤之间的跨距长度增大,使得每1,000km仅需要9个放大器。在一个10,000km的海底光缆中,这允许节约10个放大器,从而这是显著的成本优势。
对应上述的损耗计算被示出如下。SLA到SLA的接头损耗为0.04(如前所述)。SLA到LALND的接头损耗大改为0.12(由于LALND光纤的较大有效面积,因此与SLA到IDF相比降低了接头损耗)。LALND到LALND的接头损耗为0.05(同样主要是由于LALND光纤的大有效面积)。
对于SLA段,传输损耗为0.185dB/km(如前所述),而对于LALND段,传输损耗为0.2dB/km。对于SLA,色散为20ps/nm-km,而对于LALND,色散为-14ps/nm-km。为了产生低累积色散(略呈负值),SLA与LALND段的比率为4比3。每100km的整体跨距损耗为:
传输损耗:(57×0.185)+(43×0.2)=19.1dB
接头损耗:0.04+0.05+0.12=0.21dB
每100km跨距总损耗=19.31dB
将其与每个SLA/IDF组合跨距的22.25dB的损耗相比,显示了13%的总损耗改善。
用在以上的比较性研究中的例子是一个使用SLA光纤的组合。该光纤典型地具有一个相对大的正色散系数,即18ps/nm-km,或者更高。对于其中本发明的LALND光纤与正色散系数光纤配对的海底应用,优选地,正系数至少10ps/nm-km,或者更大。这允许正色散系数光纤与负色散系数光纤的比至少为一,或者接近于一,并且允许使用相对长的正色散系数光纤段,其趋向于比专门的负色散系数光纤具有更大的有效面积和更低的成本。如早先表明的,SSMF尤其适合于作为正色散系数光纤。它具有一个典型地至少16ps/nm-km的正系数。
典型海底光缆中的光纤数量可以处于很宽的范围。对于长距离链路,光缆可以具有许多对的工作光纤。对于短程应用,典型地为几对。对于任何海底应用,期望最少的一个工作对和一个备用对。
虽然不是本发明的一部分,但是所描述和示出的放大器典型地是掺铒光纤放大器。还可能为其它的选择。
对于本领域技术人员,本发明的各种额外修改将是容易想到的。依赖本发明原理以及现有技术据以得到改进的等同物对本说明书的具体教导所做的所有变化,均被当然地认为在如说明书和权利要求书所述的本发明范围内。

Claims (14)

1.光纤,包括玻璃纤芯和玻璃包层,其中该光纤具有以下传输性质:
色散系数:-8至-17ps/nm-km.,
色散斜率:+0.03至+0.07ps/nm2-km.,
有效面积:40μm2至60μm2
衰减:低于0.205dB/km。
2.权利要求1的光纤,其中色散系数是-12至-15ps/nm-km。
3.权利要求2的光纤,其中有效面积是40至50μm2
4.权利要求1的光纤,其中纤芯具有α大于20的阶跃折射率。
5.权利要求1的光纤,其中纤芯具有α为1-10的渐变折射率。
6.权利要求1的光纤,其中偏振模式色散是0.04ps/km0.5,或更小。
7.光缆,包括至少两对光纤传输路径,其中每个传输路径包含耦合至一负色散系数光纤段的一正色散系数光纤段,并且该负系数光纤段包括权利要求1的光纤。
8.权利要求7的光缆,其中正系数光纤具有至少10ps/nm-km的正系数。
9.权利要求8的光缆,其中正系数光纤是具有至少18ps/nm-km的正系数的SLA光纤。
10.权利要求8的光缆,其中正系数光纤是具有至少16ps/nm-km的正系数的SSMF光纤。
11.权利要求7的光缆,其中正系数光纤段与负色散系数光纤段的比率大于或等于1。
12.权利要求7的光缆,其中耦合至一负色散系数光纤段的正色散系数光纤段具有至少80km的组合长度。
13.权利要求12的光缆,其中负色散系数光缆段被耦合到光纤放大器的输入。
14.权利要求12的光缆,其中正色散系数光缆段被耦合到光纤放大器的输出。
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