CN104345382A - 弯曲不敏感的宽带色散优化单模光纤 - Google Patents

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CN104345382A CN201310334527.3A CN201310334527A CN104345382A CN 104345382 A CN104345382 A CN 104345382A CN 201310334527 A CN201310334527 A CN 201310334527A CN 104345382 A CN104345382 A CN 104345382A
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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均匀外包层，所述第一环形分层的折射率低于均匀外包层的折射率。所述光纤以改进的全内反射方式传播；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1550nm下模场直径不小于9.30μm和弯曲半径为5mm时，弯曲损耗从小于0.2dB/100圈到小于0.02dB/100圈；在波长1700nm下色散最大值小于15.0ps/(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-nc1 2)/2n0 2；
Δ1＝(n1 2-nc1 2)/2n0 2；
Δ2＝(n2 2-nc1 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；nc1表示外包层的均匀折射率。
n1小于nc1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
Δco(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
Aeff＝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 = 10 ln 10 ( π V 8 16 a R b W 3 ) exp ( - 4 R b Δ W 3 3 a V 2 ) [ ∫ 0 ∞ ( 1 - g ) F 0 rdr ] 2 ∫ 0 ∞ F 0 2 r 2 rdr
g = n ( r ) 2 - n min 2 n max 2 - n min 2 , V = ka n max 2 - n min 2
W = a β 2 - ( kn min ) 2 , Δ = 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。三十多年以来宽带色散优化单模光纤一直没有商业应用。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特性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，提出了靶向设计方法，在1300到1800nm波长范围内充分挖掘光纤的潜力，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：色散特性非常平坦，堪比微结构光纤；有效面积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色散平坦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和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于0.6dB/100圈到小于3×10-7dB/100圈；在波长1800nm下色散最大值从小于18.4ps/(nm·km)到小于13.7ps/(nm·km)。
其中在波长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和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于3.0dB/100圈到小于1×10-6dB/100圈；在波长1700nm下色散最大值从小于17.5ps/(nm·km)到小于13.5ps/(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。
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。
所述α折射率剖面，当α大于10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度是连续的。
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，nc1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，nc1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≥10
纤芯中央圆形分层相对折射率差 Δ0＝0.25到0.45％
纤芯中央圆形分层半径 a＝3.32到4.82μm
第一环形分层相对折射率差 Δ1＝-0.367到-1.413Δ0
第一环形分层宽度 H1＝0.46到1.59a
第二环形分层相对折射率差 Δ2＝0.40到1.0Δ0
第二环形分层宽度 H2＝0.17到0.86a
所述结构参数满足条件Δ1H1+Δ2H2＜0和Δ0a+Δ1H1+Δ2H2＞0，可实现如下特性：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2给出了按图2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＝0.25到0.45％
纤芯中央圆形分层半径 a＝3.32到4.46μm
第一环形分层相对折射率差 Δ1＝-0.367到-0.486Δ0
第一环形分层宽度 H1＝1.04到1.59a
第二环形分层相对折射率差 Δ2＝0.40到1.0Δ0
第二环形分层宽度 H2＝0.17到0.63a
表2所示一组结构参数满足条件Δ1H1+Δ2H2＜0；Δ0a+Δ1H1+Δ2H2＞0，可实现如下特性：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。
其中在波长1550nm下模场直径不小于8.60μm和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于0.6dB/100圈到小于0.1dB/100圈；在波长1800nm下色散最大值从小于18.4ps/(nm·km)到小于17.2ps/(nm·km)。
其中在波长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和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于3.0dB/100圈到小于0.7dB/100圈；在波长1700nm下色散最大值从小于17.5ps/(nm·km)到小于17.0ps/(nm·km)。
表3给出了按图2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＝0.25到0.45％
纤芯中央圆形分层半径 a＝3.42到4.48μm
第一环形分层相对折射率差 Δ1＝-0.486到-0.621Δ0
第一环形分层宽度 H1＝0.90到1.32a
第二环形分层相对折射率差 Δ2＝0.40到1.0Δ0
第二环形分层宽度 H2＝0.19到0.70a
表3所示一组结构参数满足条件Δ1H1+Δ2H2＜0和Δ0a+Δ1H1+Δ2H2＞0，可实现如下特性：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和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于0.1dB/100圈到小于0.02dB/100圈；在波长1800nm下色散最大值从小于17.2ps/(nm·km)到小于14.3ps/(nm·km)。
其中在波长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和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于0.7dB/100圈到小于0.2dB/100圈；在波长1700nm下色散最大值从小于17.0ps/(nm·km)到小于15.0ps/(nm·km)。
表4给出了按图2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＝0.24到0.45％
纤芯中央圆形分层半径 a＝3.45到4.70μm
第一环形分层相对折射率差 Δ1＝-0.621到-0.876Δ0
第一环形分层宽度 H1＝0.67到1.13a
第二环形分层相对折射率差 Δ2＝0.40到1.0Δ0
第二环形分层宽度 H2＝0.22到0.77a
表4所示一组结构参数满足条件Δ1H1+Δ2H2＜0和Δ0a+Δ1H1+Δ2H2＞0，可实现如下特性：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和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于0.02dB/100圈到小于2×10-4dB/100圈；在波长1800nm下色散最大值从小于14.3ps/(nm·km)到小于13.7ps/(nm·km)。
其中在波长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和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于0.2dB/100圈到小于0.02dB/100圈；在波长1700nm下色散最大值小于15.0ps/(nm·km)。
表5给出了按图2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＝0.24到0.45％
纤芯中央圆形分层半径 a＝3.54到4.82μm
第一环形分层相对折射率差 Δ1＝-0.876到-1.413Δ0
第一环形分层宽度 H1＝0.46到0.85a
第二环形分层相对折射率差 Δ2＝0.40到1.0Δ0
第二环形分层宽度 H2＝0.22到0.86a
表5所示一组结构参数满足条件Δ1H1+Δ2H2＜0和Δ0a+Δ1H1+Δ2H2＞0，可实现如下特性：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和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于2×10-4dB/100圈到小于3×10-7dB/100圈；在波长1800nm下色散最大值小于13.7ps/(nm·km)。
其中在波长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和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于0.02dB/100圈到小于1×10-6dB/100圈；在波长1700nm下色散最大值从小于15.0ps/(nm·km)到小于13.5ps/(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是阶跃型折射率剖面或等效的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；有效面积和最小色散足以减小四波混频等非线性失真；色散平坦光纤兼有弯曲不敏感特性；结构简单，使用方便，成本低廉；符合超高速下载的最新趋势。
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。对这些实施例进行各种修改，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实例不需要创造性。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 (10)

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是阶跃型折射率剖面或等效的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：以改进的全内反射方式传播，同时满足条件Δ1H1+Δ2H2＜0和Δ0a+Δ1H1+Δ2H2＞0。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：α≥10；Δ0＝0.25到0.45％；Δ1＝-0.367到-1.413Δ0；Δ2＝0.40到1.0Δ0；a＝3.32到4.82μm；H1＝0.46到1.59a；H2＝0.17到0.86a；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：Δ0＝0.29到0.45％；
Δ1＝-0.367到-0.486Δ0；a＝3.32到4.18μm；H1＝1.04到1.59a；H2＝0.17到0.58a；在波长1550nm下，有效面积不小于60.0μm2；在波长1800nm下，色散最大值从小于18.4ps/(nm·km)到小于17.2ps/(nm·km)；在波长1550nm下模场直径不小于8.60μm和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于0.6dB/100圈到小于0.1dB/100圈。
4.根据权利要求2所述的光纤，其特征在于：Δ0＝0.25到0.39％；
Δ1＝-0.367到-0.486Δ0；a＝3.62到4.46μn；H1＝1.07到1.59a；H2＝0.19到0.63a；在波长1550nm下，有效面积不小于70.0μm2；在波长1700nm下，色散最大值从小于17.5ps/(nm·km)到小于17.0ps/(nm·km)；在波长1550nm下模场直径不小于9.30μm和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于3.0dB/100圈到小于0.7dB/100圈。
5.根据权利要求2所述的光纤，其特征在于：Δ0＝0.29到0.45％；
Δ1＝-0.486到-0.621Δ0；a＝3.42到4.22μm；H1＝0.90到1.28a；H2＝0.18到0.68a；在波长1550nm下，有效面积不小于60.0μm2；在波长1800nm下，色散最大值从小于17.2ps/(nm·km)到小于14.3ps/(nm·km)；在波长1550nm下模场直径不小于8.60μm和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于0.1dB/100圈到小于0.02dB/100圈。
6.根据权利要求2所述的光纤，其特征在于：Δ0＝0.25到0.38％；
Δ1＝-0.486到-0.621Δ0；a＝3.64到4.48μm；H1＝0.91到1.32a；H2＝0.20到0.70a；在波长1550nm下，有效面积不小于70.0μm2；在波长1700nm下，色散最大值从小于17.0ps/(nm·km)到小于14.8ps/(nm·km)；在波长1550nm下模场直径不小于9.30μm和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于0.7dB/100圈到小于0.2dB/100圈。
7.根据权利要求2所述的光纤，其特征在于：Δ0＝0.29到0.45％；
Δ1＝-0.621到-0.786Δ0；a＝3.45到4.34μm；H1＝0.67到1.10a；H2＝0.22到0.70a；在波长1550nm下，有效面积不小于60.0μm2；在波长1800nm下，色散最大值从小于14.3ps/(nm·km)到小于13.7ps/(nm·km)；在波长1550nm下模场直径不小于8.60μm和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于0.02dB/100圈到小于2×10-4dB/100圈。
8.根据权利要求2所述的光纤，其特征在于：Δ0＝0.25到0.38％；
Δ1＝-0.621到-0.876Δ0；a＝3.65到4.70μm；H1＝0.69到1.13a；H2＝0.22到0.75a；在波长1550nm下，有效面积不小于70.0μm2；在波长1700nm下，色散最大值从小于15.0ps/(nm·km)到小于14.8ps/(nm·km)；在波长1550nm下模场直径不小于9.30μm和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于0.2dB/100圈到小于0.02dB/100圈。
9.根据权利要求2所述的光纤，其特征在于：Δ0＝0.29到0.45％；
Δ1＝-0.876到-1.413Δ0；a＝3.54到4.54μm；H1＝0.46到0.83a；H2＝0.22到0.81a；在波长1550nm下，有效面积不小于60.0μm2；在波长1800nm下，色散最大值小于13.7ps/(nm·km)；在波长1550nm下模场直径不小于8.60μm和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于2×10-4dB/100圈到小于3×10-7dB/100圈。
10.根据权利要求2所述的光纤，其特征在于：Δ0＝0.24到0.39％；
Δ1＝-0.876到-1.413Δ0；a＝3.83到4.82μm；H1＝0.47到0.85a；H2＝0.24到0.96a；在波长1550nm下，有效面积不小于70.0μm2；在波长1700nm下，色散最大值从小于15.0ps/(nm·km)到小于13.5ps/(nm·km)；在波长1550nm下模场直径不小于9.30μm和弯曲半径5mm时，弯曲损耗从小于0.02dB/100圈到小于1×10-6dB/100圈。
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