CN101957473A

CN101957473A - 宽带非零色散单模光纤

Info

Publication number: CN101957473A
Application number: CN2009101516774A
Authority: CN
Inventors: 汪业衡
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2011-01-26

Abstract

所发明的宽带非零色散单模光纤包括纤芯中央圆形分层、包覆在所述纤芯中央圆形分层上的第一环形分层、包覆在所述第一环形分层上的第二环形分层以及包覆在所述第二环形分层上的外包层，所述第一环形分层的折射率适当低于均匀外包层的折射率。所述光纤高次模截止波长不大于1300nm。在1300到1800nm波长范围内，色散随波长增加单调上升，色散斜率最小值接近于零；在1310nm波长下，色散最小值大于0.5ps/(nm·km)，色散斜率小于0.072ps/(nm²·km)；在1550nm波长下，有效面积小于70.0μm²；在1625nm波长下，色散最大值小于16.4ps/(nm·km)；在1800nm波长下，色散最大值小于18.0ps/(nm·km)。

Description

宽带非零色散单模光纤

本申请要求2008年7月17日申请的、申请号为200810134126.2的专利申请的优先权。

发明领域

本发明涉及单模光纤，尤其涉及，宽带非零色散单模光纤。

背景技术

下面先对本发明涉及到的术语给出定义，其中普通术语符合本领域惯例；本说明书的专用术语通过惯用术语说明。

光纤各分层的半径以单位μm计，按折射率定义，每一特定分层具有第一折射率点和最后折射率点。从光纤轴线到第一折射率点所在位置的半径是该分层的内半径；从光纤轴线到最后折射率点所在位置的半径是该分层的外半径。参见折射率剖面图，纤芯中央圆形分层的半径从光纤轴线量到该分层的外半径；第一环形分层的宽度从第一环形分层的内半径量到第一环形分层的外半径；第二环形分层的宽度从第二环形分层的内半径量到第二环形分层的外半径。

纤芯中央圆形分层、第一环形分层和第二环形分层的相对折射率差Δ₀、Δ₁和Δ₂以单位％计，分别定义为

Δ₀＝(n₀ ²-n_c1 ²)/2n₀ ²

Δ₁＝(n₁ ²-n_c1 ²)/2n₀ ²

Δ₂＝(n₂ ²-n_c1 ²)/2n₀ ²

其中，n₀和n₂分别表示纤芯中央圆形分层和第二环形分层的最大折射率；n₁表示第一环形分层的最小折射率；n_c1表示外包层的均匀折射率。

相对凹陷深度定义为Δ₁和Δ₀之比。

折射率剖面定义为相对折射率差与半径之间的关系。

纤芯中央圆形分层α折射率剖面定义为

Δ_co(r)＝Δ₀[1-(r/a)^α]，0≤r≤a

其中，r是所处位置半径；a是所述纤芯中央圆形分层的半径；α取任意值，α大于10可以看作阶跃型折射率剖面。α折射率剖面包括与其光传输性能相似的其他折射率剖面。

色度色散系数以单位ps/(nm·km)计，本说明书简称为色散。

色度色散斜率系数以单位ps/(nm²·km)计，本说明书简称为色散斜率。

有效面积以单位μm²计，定义为

A_eff＝2π(∫E²(r)r dr)²/(∫E⁴(r)r dr)

其中，积分限为0至∞；E(r)是光传播所伴随的电场，r是所处位置半径。

迄今为止因为仅仅局限于孤立地研究单个的光纤，单模通信光纤仍然没有充分挖掘宽带光学传输的潜力：色散平坦光纤研究了三十多年，一直没有实用。四波混频发现了十多年，国际标准推荐的宽带非零色散光纤其实还是非零色散位移光纤。光子晶体光纤研究了大约十年，因结构复杂很难在通信干线上实用。

发明内容

发明人通过***研究凹陷三包层光纤，发现以下规律：

●存在关于单模特性的临界色散斜率，使得在给定宽带内所计算的高次模截止波长是最大值。

●存在关于色散特性的临界色散斜率，使得在给定宽带内色散斜率最小值接近于为零，色散最大值接近于最小，即色散特性接近理想。

●宽带非零色散单模光纤的色散最大值随着相对凹陷深度的增加而减小直到饱和。

基于这些发现，本发明选择适当的色散斜率，使单模光纤色散特性接近理想；选择适当的相对凹陷深度，使单模光纤兼有适当的色散最大值、有效面积和性价比。据此，所发明的宽带非零色散光纤能够充分挖掘衰减、色散和线性传输潜力，结构简单，很宽的波长范围兼顾材料未来的发展，色散特性接近理论极限，有效面积大，可以克服上述色散平坦光纤、非零色散位移光纤和光子晶体光纤的弊端，为互联网提供灵活的通信路径，使信息高速公路设计简化，成本降低。

附图说明

参照以下附图，熟悉本技术领域的人员，从本发明的详细描述中，将显而易见本发明的上述和其他目的、特征和优点。

图1是所发明光纤的理想折射率剖面的一种情况。未画出由于工艺原因在光纤轴线附近出现的不大的中心凹陷，未画出实际折射率剖面与所述理想折射率剖面不大的差异。所述α折射率剖面，从α＝5变化到α＞＞10；α大于10可以看作阶跃型折射率剖面。各种所发明光纤折射率剖面变化范围很大，无法一一画出。

图2是所发明光纤的理想折射率剖面的一种情况。纤芯中央圆形分层采用纯SiO₂材料，可以避免在光纤轴线附近出现中心凹陷。未画出实际折射率剖面与所述理想折射率剖面不大的差异。各种所发明光纤折射率剖面变化范围很大，无法一一画出。

具体实施方式

所发明光纤有两种具体实施方式。第一种实施方式适用于所述第二环形分层Δ₂＜Δ₀，采用图1所示折射率剖面。第二种实施方式适用于所述第二环形分层Δ₂＝Δ₀，采用图2所示折射率剖面。第二种实施方式可以看成第一种实施方式的极限情况，两种实施方式之间的过渡是连续的。

图1是所发明宽带非零色散单模光纤的一种折射率剖面图。其中，1、2、3和4分别表示所述光纤的纤芯中央圆形分层、第一环形分层、第二环形分层和外包层，5、6和7分别表示所述纤芯中央圆形分层半径a、所述第一环形分层宽度H₁和所述第二环形分层宽度H₂。n₀是所述纤芯中央圆形分层α折射率剖面的最高折射率，n₁和n₂分别表示所述第一环形分层和所述第二环形分层的均匀折射率，n_c1表示所述外包层的均匀折射率。Δ₀＞0，Δ₁＜0，0＜Δ₂＜Δ₀。

图2是所发明宽带非零色散单模光纤的一种折射率剖面图。其中，1、2、3和4分别表示所述光纤的纤芯中央圆形分层、第一环形分层、第二环形分层和外包层，5、6和7分别表示所述纤芯中央圆形分层半径a、所述第一环形分层宽度H₁和所述第二环形分层宽度H₂，n₀、n₁和n₂分别表示所述纤芯中央圆形分层、所述第一环形分层和所述第二环形分层的均匀折射率，n_c1表示所述外包层的均匀折射率。Δ₀＞0，Δ₁＜0，Δ₂＝Δ₀。

表1给出了按图1和图2所述两种实施方式实现所发明宽带非零色散单模光纤的一组示例结构参数。

表1

结构参数	指标
		纤芯中央圆形分层折射率剖面参数	α≥5
纤芯中央圆形分层相对折射率差	Δ₀＝0.25到0.50％
		纤芯中央圆形分层半径	a＝3.50到5.40μm
第一环形分层相对折射率差	Δ₁≤-0.60Δ₀
		第一环形分层宽度	H₁＝0.28到1.00a
第二环形分层相对折射率差	Δ₂≤Δ₀
		第二环形分层宽度	H₂＝0.20到0.47a

一种所发明宽带非零色散单模光纤有如下特性：

高次模截止波长不大于1300nm；

在1310nm波长下，色散最小值大于0.5ps/(nm·km)，色散斜率介于0.062到0.072ps/(nm²·km)；

在1300到1800nm波长范围内，色散斜率最小值接近于零；

在波长1550nm下，有效面积介于55.0到72.0μm²；

在1625nm波长下，色散最大值小于16.4ps/(nm·km)；

在1800nm波长下，色散最大值小于18.0ps/(nm·km)。

表2给出了按图1和图2所述两种实施方式实现上述所发明宽带非零色散单模光纤的一组示例结构参数。

表2

结构参数

指标

纤芯中央圆形分层折射率剖面参数	α≥5
		纤芯中央圆形分层相对折射率差	Δ₀＝0.25到0.48％
纤芯中央圆形分层半径	a＝3.65到5.10μm
		第一环形分层相对折射率差	Δ₁≤-0.70Δ₀
第一环形分层宽度	H₁＝0.48到0.88a
		第二环形分层相对折射率差	Δ₂≤Δ₀
第二环形分层宽度	H₂＝0.24到0.36a

一种所发明宽带非零色散单模光纤有如下特性：

高次模截止波长不大于1300nm；

在1310nm波长下，色散最小值大于0.5ps/(nm·km)，色散斜率介于0.062到0.067ps/(nm²·km)；

在1300到1800nm波长范围内，色散斜率最小值接近于零；

在波长1550nm下，有效面积介于55.0到72.0μm²；

在1625nm波长下，色散最大值小于15.1ps/(nm·km)；

在1800nm波长下，色散最大值小于16.7ps/(nm·km)。

表3给出了按图1和图2所述两种实施方式实现上述所发明宽带非零色散单模光纤的一组示例结构参数。

表3

结构参数	指标
		纤芯中央圆形分层折射率剖面参数	α≥5
纤芯中央圆形分层相对折射率差	Δ₀＝0.25到0.44％
		纤芯中央圆形分层半径	a＝3.70到5.10μm
第一环形分层相对折射率差	Δ₁≤-1.40Δ₀
		第一环形分层宽度	H₁＝0.48到0.60a
第二环形分层相对折射率差	Δ₂≤Δ₀

第二环形分层宽度

H₂＝0.24到0.40a

一种所发明宽带非零色散单模光纤有如下特性：

高次模截止波长不大于1300nm；

在1310nm波长下，色散最小值大于1.5ps/(nm·km)，色散斜率介于0.064到0.070ps/(nm²·km)；

在1300到1800nm波长范围内，色散斜率最小值接近于零；

在波长1550nm下，有效面积介于55.0到72.0μm²；

在1625nm波长下，色散最大值小于17.6ps/(nm·km)；

在1800nm波长下，色散最大值小于20.5ps/(nm·km)。

表4给出了按图1和图2所述两种实施方式实现上述所发明宽带非零色散单模光纤的一组示例结构参数。

表4

结构参数	指标
		纤芯中央圆形分层折射率剖面参数	α≥5
纤芯中央圆形分层相对折射率差	Δ₀＝0.25到0.46％
		纤芯中央圆形分层半径	a＝3.94到5.13μm
第一环形分层相对折射率差	Δ₁≤-1.40Δ₀
		第一环形分层宽度	H₁＝0.48到0.60a
第二环形分层相对折射率差	Δ₂≤Δ₀
		第二环形分层宽度	H₂＝0.20到0.32a

单模光纤的高次模截止波长、有效截面，色散和色散斜率，需要根据国际标准制定。本发明的目的在于挖掘单模光纤的光学传输性能的潜力，有关国际标准尚未制定。前面提供了发明人所发现的基本规律，描述了较佳的实施实例。使用或利用本发明。根据这些规律对这些实施实例进行各种修改，对本领域内的技术人员是显而易见的。把这里所述的总的原理应用到其他实施实例不需要创造性。因而，本发明将不限于这里所示的关于高次模截止波长、有效截面，色散和色散斜率的实施实例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。

所述纤芯中央圆形分层的折射率剖面基本上是α折射率剖面，包括与该剖面相近的光传输性能相似的其他折射率剖面。所述第一环形分层、所述第二环形分层以及所述外包层基底材料基本上是均匀的，包括光学传输性能相似的接近于均匀的其他折射率剖面。

表中所列数据对应于下述条件：所述纤芯中央圆形分层有光滑的α折射率剖面，无中心凹陷，所述其他各分层和各包层的折射率剖面是理想的阶跃型折射率剖面。本领域内的技术人员都知道，由于工艺原因光纤折射率剖面在轴线附近会有不大的中心凹陷，不会严重影响光纤基本性能。实际情况与所述条件稍有差异，有关数据与表列对应数据稍有不同。

所发明的宽带非零色散单模光纤能够充分挖掘衰减、色散和线性传输潜力，结构简单，很宽的波长范围兼顾材料未来的发展，色散特性接近理论极限，有效面积大，可以可以克服上述色散平坦光纤、非零色散位移光纤和光子晶体光纤的弊端，为互联网提供灵活的通信路径，使信息高速公路设计简化，成本降低。

Claims

1.一种宽带非零色散单模光纤，包括纤芯中央圆形分层、包覆在所述纤芯中央圆形分层上的第一环形分层、包覆在所述第一环形分层上的第二环形分层以及包覆在所述第二环形分层上的均匀外包层。所述纤芯中央圆形分层的相对折射率差为Δ₀，半径为a；所述第一环形分层的相对折射率差为Δ₁，宽度为H₁；所述第二环形分层的相对折射率差为Δ₂，宽度为H₂；所述纤芯中央圆形分层基本上是α折射率剖面，所述第一环形分层和所述第二环形分层基本上是均匀折射率，所述第一环形分层的折射率低于所述均匀外包层的折射率，所述第二环形分层的折射率高于所述均匀外包层的折射率。其特征在于：高次模截止波长不大于1300nm；在1310nm波长下，色散斜率介于0.062到0.072ps/(nm²·km)；在1300到1800nm波长范围内，色散斜率最小值接近于零；在波长1550nm下，有效面积介于55.0到72.0μm²；α≥5；Δ₀＝0.25到0.50％；Δ₁≤-0.60Δ₀；Δ₂≤Δ₀；a＝3.50到5.40μm；H₁＝0.28到1.00a；H₂＝0.20到0.47a。

2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：在1310nm波长下，色散最小值大于0.5ps/(nm·km)，色散斜率介于0.062到0.072ps/(nm²·km)；在1625nm波长下，色散最大值小于16.4ps/(nm·km)。

3.根据权利要求2所述的光纤，其特征在于：在1800nm波长下，色散最大值小于18.0ps/(nm·km)。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的光纤，其特征在于：Δ₀＝0.25到0.48％；Δ₁≤-0.70Δ₀；；a＝3.65到5.10μm；H₁＝0.48到0.88a；H₂＝0.24到0.36a。

5.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：在1310nm波长下，色散最小值大于0.5ps/(nm·km)，色散斜率介于0.062到0.067ps/(nm²·km)；在1625nm波长下，色散最大值小于15.1ps/(nm·km)。

6.根据权利要求5所述的光纤，其特征在于：在1800nm波长下，色散最大值小于16.7ps/(nm·km)。

7.根据权利要求5或权利要求6所述的光纤，其特征在于：Δ₀＝0.25到0.44％；Δ₁≤-1.40Δ₀；a＝3.70到5.10μm；H₁＝0.48到0.60a；H₂＝0.24到0.40a。

8.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：在1310nm波长下，色散最小值大于1.5ps/(nm·km)，色散斜率介于0.064到0.070ps/(nm²·km)；在1625nm波长下，色散最大值小于17.6ps/(nm·km)；

9.根据权利要求8所述的光纤，其特征在于：在1800nm波长下，色散最大值小于20.5ps/(nm·km)。

10.根据权利要求5或权利要求6所述的光纤，其特征在于：Δ₀＝0.25到0.46％；Δ₁≤-1.40Δ₀；a＝3.94到5.13μm；H₁＝0.48到0.60a；H₂＝0.20到0.32a。