CN102841401A

CN102841401A - 弯曲不敏感的宽带色散优化单模光纤

Info

Publication number: CN102841401A
Application number: CN2011101651627A
Authority: CN
Inventors: 汪业衡
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2012-12-26

Abstract

本发明公开的弯曲不敏感的宽带色散优化单模光纤，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低于均匀外包层的折射率。所述光纤在常规制造公差下高次模截止波长小于1300nm；零色散波长介于1300到1324nm之间；在波长1550nm下，有效面积不小于70.0μm²；在波长1700nm下，色散最大值小于18.0ps/(nm·km)；在波长1550nm下，当模场直径不小于9.30μm和弯曲半径为5mm时，弯曲损耗小于0.5dB/100圈；在波长1700nm下，色散最大值小于18.0ps/(nm·km)。

Description

弯曲不敏感的宽带色散优化单模光纤

发明领域

本发明涉及单模光纤，尤其涉及，宽带色散优化单模光纤和弯曲不敏感单模光纤。

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。

n₁小于n_c1的光纤称为凹陷包层光纤，其中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或折射率与半径之间的关系。

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。

宏弯损耗本说明书又称为弯曲损耗，利用下述公式计算：

α_{macro} = \frac{10}{\ln 10} (\frac{{πV}^{8}}{16 r_{0} R_{b} W^{3}}) \exp (\frac{- 4 R_{b} Δ W^{3}}{3 r_{0} V^{2}}) \frac{{[{&Integral;}_{0}^{\infty} (1 - g) F_{0} rdr]}^{2}}{{&Integral;}_{0}^{\infty} F_{0}^{2} r^{2} rdr}

g = \frac{{n (r)}^{2} - n_{\min}^{2}}{n_{\max}^{2} - n_{\min}^{2}}, V = {kr}_{0} \sqrt{n_{\max}^{2} - n_{\min}^{2}}

W = r_{0} \sqrt{β^{2} - {({kn}_{\min})}^{2}}, Δ = \frac{n_{\max}^{2} - n_{\min}^{2}}{{2 n}_{\max}^{2}}

光纤的发明改变了世界，现在需要充分挖掘光纤的潜力。三十多年以来色散平坦光纤一直无法商业应用。色散位移光纤靠色散特性的零色散波长移来移去，带宽受到限制。常规单模光纤的光学传输性能与光子晶体光纤和微结构光纤形成强烈反差。光纤到户专用的弯曲不敏感光纤主要与1300nm窗口的色散非位移光纤配套使用，焊接损耗需要取消，宏弯损耗需要降低，带宽需要增加。

根据众所周知的原理，发明人对光纤性能再进行微积分计算，提出了耙向设计方法，在1300-1800nm波长范围内充分挖掘光纤潜力，发明了弯曲不敏感的宽带色散优化单模光纤。所发明光纤优点如下：色散特性接近微结构光纤；有效截面和最小色散足以减小四波混频等非线性失真；同时兼有接近理想的传输特性和优异的弯曲不敏感特性；结构简单，使用方便，成本低廉；符合超高速下载的最新趋势。

发明内容

所发明弯曲不敏感的宽带色散优化单模光纤，在常规公差下高次模截止波长小于1300nm；零色散波长介于1300到1324nm之间；在波长1550nm下有效面积大于55.0μm²。

其中一种在波长1550nm下有效面积不小于60.0μm²；在波长1550nm下模场直径不小于8.60μm；在波长1550nm和弯曲半径5mm时弯曲损耗小于0.1dB/100圈；在波长1800nm下色散最大值小于19.0ps/(nm·km)。

其他在波长1550nm下有效面积不小于60.0μm²的光纤，在波长1550nm下模场直径不小于8.60μm；在波长1550nm和弯曲半径5mm时弯曲损耗从小于0.1dB/100圈到小于5×10^-5dB/100圈；在波长1800nm下色散最大值从小于19.0ps/(nm·km)到小于14.5ps/(nm·km)。

其中一种在波长1550nm下有效面积不小于70.0μm²的光纤，在波长1550nm下模场直径不小于9.30μm；在波长1550nm和弯曲半径5mm时弯曲损耗小于0.5dB/100圈；在波长1700nm下色散最大值小于18.0ps/(nm·km)。

其他在波长1550nm下有效面积不小于70.0μm²的光纤，在波长1550nm下模场直径不小于9.30μm；在波长1550nm和弯曲半径5mm时弯曲损耗从小于0.5dB/100圈到小于0.004dB/100圈；在波长1700nm下色散最大值从小于18.0ps/(nm·km)到小于15.5ps/(nm·km)。

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是所发明光纤理想的α折射率剖面的示意图。α变化范围很大，只画出其中一种。未画出光纤轴线附近的中心凹陷，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。

图2是所发明光纤理想的阶跃型折射率剖面的示意图。只画出Δ₂＝Δ₀一种情况。纤芯中央圆形分层可以采用纯SiO₂材料，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。

所述α折射率剖面，当α大于10时实际上可以看作阶跃型折射率剖面，上述两种折射率剖面之间的过渡是连续的。

具体实施方式

在图1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。

在图2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。

表1给出了按图1所述实施方式实现所发明弯曲不敏感的宽带色散优化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＝0.26到0.60％
		纤芯中央圆形分层半径	a＝3.10到5.80μm
第一环形分层相对折射率差	Δ₁＝-0.30到-1.10Δ₀
		第一环形分层宽度	H₁＝0.40到1.75a
第二环形分层相对折射率差	Δ₂＝0.4到1.0Δ₀
		第二环形分层宽度	H₂＝0.15到0.95a

表1所示一组结构参数可实现如下特性：在常规公差下高次模截止波长小于1300nm；零色散波长介于1300到1324nm之间；在波长1550nm下有效面积大于55.0μm²。

其中一种在波长1550nm下有效面积不小于60.0μm²的光纤，在波长1550nm下模场直径不小于8.60μm；在波长1550nm和弯曲半径5mm时弯曲损耗小于0.1dB/100圈；在波长1800nm下色散最大值小于19.0ps/(nm·km)。

表2给出了按图2所述实施方式实现上述所发明弯曲不敏感的宽带色散优化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≥10
纤芯中央圆形分层相对折射率差	Δ₀＝0.26到0.46％
		纤芯中央圆形分层半径	a＝3.30到4.40μm
第一环形分层相对折射率差	Δ₁＝-0.30到-0.42Δ₀
		第一环形分层宽度	H₁＝1.30到1.60a
第二环形分层相对折射率差	Δ₂＝0.4到1.0Δ₀
		第二环形分层宽度	H₂＝0.17到0.34a

表2所示一组结构参数可实现如下特性：在常规制造公差下高次模截止波长小于1300nm；零色散波长介于1300到1324nm之间；在波长1550nm下有效面积大于55.0μm²。

表3给出了按图2所述实施方式实现上述所发明弯曲不敏感的宽带色散优化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≥10
纤芯中央圆形分层相对折射率差	Δ₀＝0.26到0.46％
		纤芯中央圆形分层半径	a＝3.30到4.50μm
第一环形分层相对折射率差	Δ₁＝-0.42到-0.55Δ₀
		第一环形分层宽度	H₁＝0.95到1.40a
第二环形分层相对折射率差	Δ₂＝0.4到1.0Δ₀
		第二环形分层宽度	H₂＝0.17到0.40a

表3所示一组结构参数可实现如下特性：在常规制造公差下高次模截止波长小于1300nm；零色散波长介于1300到1324nm之间；在波长1550nm下有效面积大于55.0μm²。

其中一种在波长1550nm下有效面积不小于60.0μm²的光纤，在波长1550nm下模场直径不小于8.60μm；在波长1550nm和弯曲半径5mm时弯曲损耗小于0.01dB/100圈；在波长1800nm下色散最大值小于18.0ps/(nm·km)。

其中一种在波长1550nm下有效面积不小于70.0μm²的光纤，在波长1550nm下模场直径不小于9.30μm；在波长1550nm和弯曲半径5mm时弯曲损耗小于0.13dB/100圈；在波长1700nm下色散最大值小于17.5ps/(nm·km)。

表4给出了按图2所述实施方式实现上述所发明弯曲不敏感的宽带色散优化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≥10
纤芯中央圆形分层相对折射率差	Δ₀＝0.26到0.46％
		纤芯中央圆形分层半径	a＝3.40到4.50μm
第一环形分层相对折射率差	Δ₁＝-0.55到-0.75Δ₀
		第一环形分层宽度	H₁＝0.85到1.20a
第二环形分层相对折射率差	Δ₂＝0.4到1.0Δ₀
		第二环形分层宽度	H₂＝0.20到0.40a

表4所示一组结构参数可实现如下特性：在常规制造公差下高次模截止波长小于1300nm；零色散波长介于1300到1324nm之间；在波长1550nm下有效面积大于55.0μm²。

其中一种在波长1550nm下有效面积不小于60.0μm²的光纤，在波长1550nm下模场直径不小于8.60μm；在波长1550nm和弯曲半径5mm时弯曲损耗小于0.004dB/100圈；在波长1800nm下色散最大值小于15.0ps/(nm·km)。

其中一种在波长1550nm下有效面积不小于70.0μm²的光纤，在波长1550nm下模场直径不小于9.30μm；在波长1550nm和弯曲半径5mm时弯曲损耗小于0.06dB/100圈；在波长1700nm下色散最大值小于15.5ps/(nm·km)。

表5给出了按图2所述实施方式实现上述所发明弯曲不敏感的宽带色散优化单模光纤的一组示例结构参数。

表5

结构参数	指标
		纤芯中央圆形分层折射率剖面参数	α≥10
纤芯中央圆形分层相对折射率差	Δ₀＝0.26到0.46％
		纤芯中央圆形分层半径	a＝3.45到4.75μm
第一环形分层相对折射率差	Δ₁＝-0.75到-1.10Δ₀
		第一环形分层宽度	H₁＝0.65到0.90a
第二环形分层相对折射率差	Δ₂＝0.4到1.0Δ₀
		第二环形分层宽度	H₂＝0.20到0.45a

表5所示一组结构参数可实现如下特性：在常规制造公差下高次模截止波长小于1300nm；零色散波长介于1300到1324nm之间；在波长1550nm下有效面积大于55.0μm²。

其中一种在波长1550nm下有效面积不小于60.0μm²的光纤，在波长1550nm下模场直径不小于8.60μm；在波长1550nm和弯曲半径5mm时弯曲损耗小于5×10^-5dB/100圈；在波长1800nm下色散最大值小于14.5ps/(nm·km)。其中一种在波长1550nm下有效面积不小于70.0μm²的光纤，在波长1550nm下模场直径不小于9.30μm；在波长1550nm和弯曲半径5mm时弯曲损耗小于0.004dB/100圈；在波长1700nm下色散最大值小于15.5ps/(nm·km)。

表1到表5所列数据对应于下述条件：所述纤芯中央圆形分层基本上是α折射率剖面，无中心凹陷，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。当实际情况与所述条件稍有差异时，对应数据与表列稍有不同。

与现有各种光纤不同，所发明的弯曲不敏感的宽带色散优化单模光纤具有如下特征和优点：色散特性非常平坦，堪比微结构光纤；有效截面和最小色散足以减小四波混频等非线性失真；宽带色散优化光纤兼有弯曲不敏感特性，结构简单，使用方便，成本低廉；弯曲损耗可以降到极低，符合超高速下载的最新趋势。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。

Claims

1.一种弯曲不敏感的宽带色散优化单模光纤，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：α≥5；Δ₀＝0.26到0.60％；Δ₁＝-0.30到-1.10Δ₀；Δ₂＝0.4到1.0Δ₀；a＝3.10到5.80μm；H₁＝0.40到1.75a；H₂＝0.15到0.95a。

2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：在常规公差下高次模截止波长小于1300nm；零色散波长介于1300到1324nm之间；在波长1550nm下有效面积大于55.0μm²。

3.根据权利要求2所述的光纤，其特征在于：α≥10；Δ₀＝0.26到0.46％；Δ₁＝-0.30到-0.42Δ₀；a＝3.30到4.40μm；H₁＝1.30到1.60a；H₂＝0.17到0.34a。

4.根据权利要求3所述的光纤，其特征在于：在波长1550nm下有效面积不小于60.0μm²；在波长1550nm下模场直径不小于8.60μm；在波长1550nm和弯曲半径5mm时弯曲损耗小于0.1dB/100圈；在波长1800nm下色散最大值小于19.0ps/(nm·km)。

5.根据权利要求3所述的光纤，其特征在于：在波长1550nm下有效面积不小于70.0μm²；在波长1550nm下模场直径不小于9.30μm；在波长1550nm和弯曲半径5mm时弯曲损耗小于0.5dB/100圈；在波长1700nm下色散最大值小于18.0ps/(nm·km)。

6.根据权利要求2所述的光纤，其特征在于：α≥10；Δ₀＝0.26到0.46％；Δ₁＝-0.42到-0.55Δ₀；a＝3.30到4.50μm；H₁＝0.95到1.40a；H₂＝0.17到0.40a。

7.根据权利要求2所述的光纤，其特征在于：α≥10；Δ₀＝0.26到0.46％；Δ₁＝-0.55到-0.75Δ₀；a＝3.40到4.50μm；H₁＝0.85到1.20a；H₂＝0.20到0.40a。

8.根据权利要求2所述的光纤，其特征在于：α≥10；Δ₀＝0.26到0.46％；Δ₁＝-0.75到-1.10Δ₀；a＝3.45到4.75μm；H₁＝0.65到0.90a；H₂＝0.20到0.45a。

9.根据权利要求6或权利要求7或权利要求8所述的光纤，其特征在于：在波长1550nm下有效面积不小于60.0μm²的光纤，在波长1550nm下模场直径不小于8.60μm；在波长1550nm和弯曲半径5mm时弯曲损耗从小于0.1dB/100圈到小于5×10^-5dB/100圈；在波长1800nm下色散最大值从小于19.0ps/(nm·km)到小于14.5ps/(nm·km)。

10.根据权利要求6或权利要求7或权利要求8所述的光纤，其特征在于：在波长1550nm下有效面积不小于70.0μm²的光纤，在波长1550nm下模场直径不小于9.30μm；在波长1550nm和弯曲半径5mm时弯曲损耗从小于0.5dB/100圈到小于0.004dB/100圈；在波长1700nm下色散最大值从小于18.0ps/(nm·km)到小于15.5ps/(nm·km)。