專利名稱：有效面積較大的波導(dǎo)分布曲線的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種具有較大有效面積的單模光纖。使用折射率較小的纖芯中心區(qū)，周圍包裹折射率相對(duì)較高的環(huán)形區(qū)，由此可以獲得較大的有效面積。
近年來，為了提供高性能的波導(dǎo)纖維，即適用于具有較大再生器間隔的高數(shù)據(jù)率電信系統(tǒng)的波導(dǎo)，已經(jīng)重點(diǎn)研究了具有復(fù)合折射率分布曲線的波導(dǎo)纖芯。在授予Bhagavatula的美國專利第5,613,927號(hào)(稱′027專利)中，可以找到這類復(fù)合纖芯的例子。
在′027專利中，揭示了一族纖芯折射率分布曲線，這族分布曲線是用與波導(dǎo)纖維中心線隔開的最大相對(duì)折射率Δ％來表征的。該族分布曲線提供了能夠很好地適應(yīng)高性能電信系統(tǒng)的優(yōu)越特性。另外應(yīng)該注意，該族纖芯分布曲線中某些曲線的設(shè)計(jì)很簡單，因此更容易制造，成本更有效?！?27專利中的一個(gè)實(shí)施例包括—纖芯，其中央纖芯區(qū)的折射率小于波導(dǎo)纖維包層的折射率。
Nouchi等人在ECOC 1996，Oslo和IWCS Proceedings，pages 939-945，1996上公開了的一些近期工作，檢驗(yàn)了此低折射率中央?yún)^(qū)的實(shí)施例，并報(bào)告說有效面積在大約60微米2至100微米2的范圍內(nèi)，并具有良好的抗彎曲性。但是，此項(xiàng)工作沒有解決零色散波長和截止波長的位置優(yōu)化問題。
本說明書中揭示和描述的發(fā)明考慮了波導(dǎo)纖維特性的更完整的范圍，并且提供超過100微米2的有效面積，抗彎曲性可與標(biāo)準(zhǔn)的階躍單模波導(dǎo)纖維相比擬。定義—有效面積Aeff為Aeff＝2π(∫E2r dr)2/(∫E4r dr)，其中積分限為0至∞，并且E是與傳播的光有關(guān)的電場。有效直徑Deff可定義為Aeff＝π(Deff/2)2。
—術(shù)語Δ％，表示折射率的相對(duì)量，由以下等式定義Δ％＝100×[(n12-n22)/2n12]，
其中n1為第一區(qū)的最大折射率，而n2為參考區(qū)的折射率，參考區(qū)通常為包層區(qū)。
—術(shù)語折射率分布曲線是在一選定的纖芯部分內(nèi)，Δ％或折射率與半徑之間的關(guān)系。所選分層的起點(diǎn)和終點(diǎn)可以用寬度或者參照波導(dǎo)纖維中心線的半徑來描述。
—術(shù)語α分布曲線是指遵循下述等式的折射率分布曲線，n(r)＝n0(1-Δ(r/a)α)，其中r為半徑，Δ如上定義，a是分布曲線中的最后一點(diǎn)，r在分布曲線的第一點(diǎn)處選擇零，而α是決定分布曲線形狀的指數(shù)。其它折射率分布曲線包括諸如階躍形、梯形和圓角階躍形等形狀，其中圓角是由于摻雜物在折射率快速變化的區(qū)域中擴(kuò)散而產(chǎn)生的。
—波導(dǎo)纖維的抗彎曲性可表示為在規(guī)定測試條件下所引起的衰減。這里所述的彎曲測試是銷釘陣列彎曲測試，它用于對(duì)光纖的相對(duì)抗彎曲性進(jìn)行比較。為了進(jìn)行該測試，對(duì)基本上沒有引入彎曲損耗的波導(dǎo)纖維測量其衰減。然后把光纖繞銷釘陣列彎曲，再次測量衰減。彎曲帶來的損耗是兩次測得的衰減之間的差值。銷釘陣列是一組按單行排列并在一平面上保持固定垂直位置的十個(gè)圓柱銷釘。銷釘?shù)闹行闹林行拈g距為5毫米。銷釘直徑為0.67毫米。在測試期間，施加足以使光纖與銷釘表面一部分貼合的張力。發(fā)明內(nèi)容Bhagavatula的美國專利第5,613,027號(hào)對(duì)分布曲線作了重點(diǎn)研究，該研究證明，′027專利中的一個(gè)子組分布曲線具有能很好地適應(yīng)高性能電信系統(tǒng)的優(yōu)越特性。該子組分布曲線是本申請(qǐng)的主題，由于它們是′027專利中最簡單的分布曲線，所以特別有利。
新型的單模波導(dǎo)折射率分布曲線的第一方面包括一個(gè)由包層包裹著的纖芯區(qū)。纖芯具有兩個(gè)分層，它們是中心位于波導(dǎo)長軸上的第一圓形分層和相鄰的環(huán)形分層。每個(gè)分層都由折射率分布曲線、相對(duì)折射率Δ％、以及半徑或?qū)挾葋肀碚?。在整個(gè)文章中，相對(duì)折射率用參考折射率nc來定義，而參考折射率nc是包層的最小折射率。第一分層的相對(duì)折射率Δ1％在大約-0.05％至-0.60％的范圍內(nèi)，半徑在大約1微米至5微米的范圍內(nèi)。第二分層的相對(duì)折射率Δ2％在大約0.5％至1.6％的范圍內(nèi)，寬度在大約1微米至20微米的范圍內(nèi)。所述寬度是從r1測量到第二分層的最后一點(diǎn)。
第一或第二分層的折射率分布曲線可以具有諸如階躍形、圓角階躍形、α分布曲線、梯形或三角形等不同的形狀。一般地說，對(duì)于任何組合的分布曲線，可以找到Δ％和半徑，以提供所需的光纖特性。由于第一分層相對(duì)參考折射率nc具有負(fù)的折射率，nc是包層的最小折射率，所以第一分層分布曲線將相對(duì)第二分層分布曲線反轉(zhuǎn)。
下面詳細(xì)敘述第一方面的實(shí)施例，這些實(shí)施例包括由階躍形、三角形和梯形構(gòu)成的第二分層分布曲線。
新型折射率分布曲線提供的波導(dǎo)特性是，有效面積Aeff大于100微米2，總色散斜率在大約0.07ps/nm2-km至0.1ps/nm2-km的范圍內(nèi)，模場直徑在大約8微米至10微米的范圍內(nèi)，并且截止波長在大約1500納米至2000納米的范圍內(nèi)。這里的截止波長是在未光纜化的狀態(tài)下對(duì)波導(dǎo)纖維測量的。光纜化工藝一般會(huì)使截止波長減少大約400納米至450納米，致使新型波導(dǎo)在1000納米至1600納米波長范圍內(nèi)是單模的。當(dāng)然，可以將波導(dǎo)定制成具有不同的截止波長。
對(duì)于波分復(fù)用的應(yīng)用，尤其在使用光放大器的系統(tǒng)中，將零色散波長放在大約1530納米至1560納米的工作窗之外是有利的。由以下列出的數(shù)據(jù)表可以看出新型折射率分布提供了這種零色散波長。
在本發(fā)明的第二方面，可以為分布曲線增加附加的分層即第三分層，以提高波導(dǎo)的彎曲和微彎曲性能，但又不影響折射率分布曲線滿足上述功能要求的能力。第三分層具有在大約-0.05％至-0.6％范圍內(nèi)的、負(fù)的相對(duì)折射率-Δ3％，以及在大約1微米至20微米范圍內(nèi)的寬度w3，所述寬度是從第二分層的最后一點(diǎn)測量至第三分層的最后一點(diǎn)。第一和第二分層的參數(shù)范圍如上所述。與前述一樣，第一或第二分層可以具有諸如階躍形、圓角階躍形、α分布曲線、梯形或三角形等不同的形狀。
第二方面的另一實(shí)施例包括第四環(huán)和第五環(huán)，其中第四環(huán)具有與第二環(huán)相似的正的相對(duì)折射率，而第五環(huán)具有與第一或第三環(huán)相似的負(fù)的相對(duì)折射率。附圖概述

圖1是相對(duì)折射率百分比-半徑曲線圖，表示階躍折射率分布曲線及其各種變化。
圖2是相對(duì)折射率百分比-半徑曲線圖，表示三角形折射率分布曲線。
圖3是相對(duì)折射率百分比-半徑曲線，表示梯形折射率分布曲線以及可選擇的分布曲線第三分層。
圖4示出了對(duì)依照本發(fā)明制造的單模波導(dǎo)進(jìn)行測量而得到的、相對(duì)折射率百分比-半徑曲線和傳播場強(qiáng)-半徑曲線。本發(fā)明的詳細(xì)描述這里描述的單模波導(dǎo)纖維分布曲線既具有簡單的形式，又具有優(yōu)秀的工作特性。本發(fā)明已獲得的是一種容易制造的波導(dǎo)纖維分布曲線，但它通過提供較大的有效面積，限制了非線性效應(yīng)。在獲得較大有效面積的同時(shí)，彎曲和微彎性能沒有劣化。
簡化光纖制造過程的一個(gè)重要因素是具體為制造下述波導(dǎo)纖維而開發(fā)的一種工藝，所述波導(dǎo)纖維的中央分布曲線具有負(fù)的相對(duì)折射率百分比，而參考折射率是包層的最小折射率。于本申請(qǐng)同一日提交的、共同待批的臨時(shí)申請(qǐng)S.N.60/063,441提供了此工藝，該工藝包括將摻氟玻璃棒插入微粉體預(yù)制棒中。上述申請(qǐng)的相關(guān)部分通過引用包括在此。
在圖1的相對(duì)折射率百分比Δ％-半徑曲線圖中，示出了本發(fā)明的階躍折射率實(shí)施例。該圖的主要特點(diǎn)是存在負(fù)的相對(duì)階躍折射率2，其中心位于波導(dǎo)中心線上，周圍包裹著具有正階躍折射率的環(huán)形區(qū)4。虛線6示出了折射率分布曲線2和4的其它形狀。由虛線5畫出的負(fù)相對(duì)折射率環(huán)形區(qū)示出了可選擇的、具有負(fù)相對(duì)折射率的第三纖芯區(qū)，這里將最小包層折射率用作參考折射率。
圖2和圖3示出了本發(fā)明的另一些實(shí)施例。在圖2中，在負(fù)的相對(duì)折射率區(qū)域2的周圍包裹截面為三角形的環(huán)形區(qū)8。圖3所示的相對(duì)折射率-半徑曲線圖示出了具有負(fù)相對(duì)折射率的第一梯形分層2、具有正相對(duì)折射率的第二梯形分層10以及可選擇的具有負(fù)相對(duì)折射率的第三梯形分層12。如上所述，在要求對(duì)微彎和彎曲具有較高抵抗能力的波導(dǎo)纖維中，一般包括可選擇的第三分層。
已經(jīng)制造出依照所述發(fā)明的波導(dǎo)纖維。圖4的曲線14示出了這種波導(dǎo)的分布曲線。圖4中分布曲線的第一分層即中心部分18相對(duì)平坦有相當(dāng)大的偏差。這表示本發(fā)明包含形狀變化。同樣，第二分層20看上去具有圓形的頂部和底部，這表示圓角階躍形狀適合于實(shí)施本發(fā)明。如虛線22所示，通過將圓角形狀的兩邊外推到水平軸可以求出第二分層20的寬度24。
在纖芯中心區(qū)具有較低折射率的效果是，將波導(dǎo)運(yùn)載的光能從中心外移。場強(qiáng)曲線16示出了此能量移動(dòng)現(xiàn)象。階躍分布曲線舉例表1Δ1％ r1Δ2％ w2λoSlopeMFDAeffλcPA(LP11)-.52.8.781.91513 .077 8.45 12518576.2-.52.9.881.71548 .08 8.13 12118684.6-.43.5.801.51508 .08 8.74 13919114.2-.33.4.8 1.61523 .076 8.43 148196614-.53.1.931.61568 .082 8.112518945.2-.53.2.931.61570 .082 8.012919135.5-.45 3.4.931.61567 .082 8.013519604.1-.43.3.981.51570 .085 8.012719383.4-.35 3.41.03 1.31569 .089 8.3134186510.6-.33.31.08 1.31570 .09 8.04 12319102.6-.33.41.08 1.31572 .09 8.03 12519302.6-.33.81.08 1.21573 .091 8.4147191014.2表1中未曾定義的符號(hào)有-λo，零色散波長，單位為納米-MFD，使用Petermann II定義的模場直徑，單位為微米；-λc是對(duì)LP11模計(jì)算得到的截止波長，單位為納米。
-PA，銷針陣列衰減，單位為dB。
表1所列的值是對(duì)許多新型分布曲線實(shí)施例的特性計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯觯行娣e較高，MFD較大，并且銷釘陣列衰減相對(duì)較低。表1還示出了用于移動(dòng)λo值的設(shè)計(jì)變化。用這類表可以選擇能夠產(chǎn)生所需特性的波導(dǎo)參數(shù)。
對(duì)于圖4所示的實(shí)際分布曲線，表2示出了對(duì)波導(dǎo)測量和預(yù)測的特性。
表2特性 預(yù)測測量λ0nm 1500-1600 1500-1584斜率 ps/nm2-km 0.06-0.10 0.07-0.10Aeffμm280-150 55-120PA損耗 dB1-12 2.3-5.4預(yù)測特性和測量特性顯示出良好的一致性，特別是從波導(dǎo)制造工藝中包含了許多工藝步驟來看。三角形分布曲線舉例表3Δ1％ r1Δ2％ w2λoSlopeMFD AeffλcPA-.5 2.71.352.31533 .081 8.21 1101807 3.25-.5 2.81.2 2.51509 .078 8.61231808 7.8-.452.91.252.41514 .080 8.52 1231836 5.4-.4 3.11.252.31513 .081 8.71311840 9.45-.3 3.41.3 2.11510 .083 8.91401850 3.7表3列出的值示出了當(dāng)為高性能電信系統(tǒng)提供光纖時(shí)，新型分層纖芯設(shè)計(jì)的效果。
盡管這里揭示和描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例，但本發(fā)明只由后面的權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1.一種具有中心線的單模光纖，其特征在于，包括纖芯區(qū)，它包括第一圓形分層和第二環(huán)形分層，其中所述第一分層的中心位于波導(dǎo)的中心線上，并具有一折射率分布曲線，相對(duì)折射率百分比為Δ1％，半徑為r1，而所述第二分層在第一分層周圍并與其接觸，具有一折射率分布曲線，相對(duì)折射率百分比為Δ2％，寬度為w2，所述寬度是從r1向外測量至第二分層分布曲線或其外推與半徑的交叉點(diǎn)，或者分布曲線外推與半徑的交叉點(diǎn)；和包層，它包裹在第二分層的周圍并與其接觸，所述包層具有一折射率分布曲線和最小折射率nc，纖芯區(qū)中至少有一部分的折射率大于nc，其中Δ1％在大約-0.05％至-0.60％的范圍內(nèi)，Δ2％在大約0.5％至1.6％的范圍內(nèi)，相對(duì)折射率百分比的參考折射率是nc，r1在1.0微米至5微米的范圍內(nèi)，而w2在大約1微米至20微米的范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的單模光波導(dǎo)，其特征在于，第二分層的折射率分布曲線是階躍折射率或圓角階躍折射率，Δ2％在大約0.6％至1.6％的范圍內(nèi)，而w2在大約1微米至4微米的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的單模光波導(dǎo)，其特征在于，Δ2％在大約0.75％至0.9％的范圍內(nèi)，而w2在大約1.3微米至2微米的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求2所述的單模光波導(dǎo)，其特征在于，Δ2％在大約0.9％至1.1％的范圍內(nèi)，而w2在大約1.0微米至1.8微米的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的單模光波導(dǎo)，其特征在于，第二分層的相對(duì)折射率分布曲線是三角形折射率，Δ2％在大約0.5％至1.6％的范圍內(nèi)，而w2在大約1微米至20微米的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求5所述的單模光波導(dǎo)，其特征在于，Δ2％在大約1.1％至1.4％的范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1所述的單模光波導(dǎo)，其特征在于，第二分層的折射率分布曲線是梯形。
8.如權(quán)利要求1所述的單模光波導(dǎo)，其特征在于，第二分層的折射率分布曲線是α分布曲線。
9.如權(quán)利要求1所述的單模光波導(dǎo)，其特征在于，第一圓形分層的折射率分布曲線選自由以下形狀組成的組反轉(zhuǎn)階躍形、反轉(zhuǎn)圓角階躍形、反轉(zhuǎn)三角形、反轉(zhuǎn)梯形和反轉(zhuǎn)α分布曲線。
10.一種具有中心線的單模光纖，其特征在于，包括纖芯區(qū)，它包括第一圓形分層和第二環(huán)形分層，其中所述第一分層的中心位于波導(dǎo)的中心線上，并具有一折射率分布曲線，負(fù)的相對(duì)折射率百分比-Δ1％和半徑r1，而所述第二分層包圍第一分層并與其接觸，并具有一折射率分布曲線，相對(duì)折射率百分比為Δ2％，寬度為w2，所述寬度是從r1向外測量至第二分層分布曲線或其外推與半徑的交叉點(diǎn)，或者分布曲線外推與半徑的交叉點(diǎn)；和包層，它包裹第二分層并與其接觸，所述包層具有一折射率分布曲線和最小折射率nc，纖芯區(qū)中至少有一部分的折射率大于nc；其中選擇第一和第二分層各自的Δ1％、r1、Δ2％、w2和折射率分布曲線，以便使有效面積大于100微米2，總色散斜率在大約0.07ps/nm2-km至0.10ps/nm2-km的范圍內(nèi)，模場直徑在大約8微米至9微米的范圍內(nèi)，并且對(duì)LP11模計(jì)算得的未光纜化的截止波長在大約1800納米至2000納米的范圍內(nèi)。
11.如權(quán)利要求11所述的單模波導(dǎo)，其特征在于，零色散波長在1480納米至1530納米的范圍內(nèi)。
12.如權(quán)利要求11所述的單模波導(dǎo)，其特征在于，零色散波長在1560納米至1600納米的范圍內(nèi)。
13.如權(quán)利要求11所述的單模波導(dǎo)，其特征在于，中央分層的折射率分布曲線選自由以下形狀組成的組反轉(zhuǎn)階躍形、反轉(zhuǎn)圓角階躍形、反轉(zhuǎn)三角形、反轉(zhuǎn)梯形和反轉(zhuǎn)α分布曲線。
14.如權(quán)利要求11所述的單模波導(dǎo)，其特征在于，第二分層的折射率分布曲線選自由以下形狀組成的組階躍形、圓角階躍形、三角形、梯形和α分布曲線。
15.一種具有中心線的單模光纖，其特征在于，包括纖芯區(qū)，它包括第一圓形分層、第二環(huán)形分層和第三環(huán)形分層，其中所述第一分層的中心位于波導(dǎo)的中心線上，并具有一折射率分布曲線，相對(duì)折射率百分比為Δ1％，半徑為r1，所述第二分層包圍第一分層并與其接觸，并具有一折射率分布曲線，相對(duì)折射率百分比為Δ2％，寬度為w2，所述寬度是從r1向外測量至第二分層分布曲線或其外推與半徑的交叉點(diǎn)，或者分布曲線外推與半徑的交叉點(diǎn)，所述第三分層具有一折射率分布曲線，相對(duì)折射率為Δ3％，寬度為w3；和包層，它包裹第二分層并與其接觸，所述包層具有一折射率分布曲線和最小折射率nc，纖芯區(qū)中至少有一部分的折射率大于nc，其中Δ1％在大約-0.05％至-0.60％的范圍內(nèi)，Δ2％在大約0.5％至1.6％的范圍內(nèi)，并且Δ3％在大約-0.05％至-0.60％的范圍內(nèi)，相對(duì)折射率百分比的參考折射率是nc，r1在1.0微米至5微米的范圍內(nèi)，w2在大約1微米至6微米的范圍內(nèi)，而w3在大約1微米至20微米的范圍內(nèi)。
16.如權(quán)利要求16所述的單模波導(dǎo)，其特征在于，第二分層的折射率分布曲線選自由以下形狀組成的組階躍形、圓角階躍形、三角形、梯形和α分布曲線。
17.如權(quán)利要求16所述的單模波導(dǎo)，其特征在于，還包括與第二環(huán)形區(qū)相似的第四環(huán)形區(qū)，以及與第三環(huán)形區(qū)相似的第五環(huán)形區(qū)。
全文摘要
揭示了一種具有分層纖芯設(shè)計(jì)的單模光纖。纖芯包括兩個(gè)或更多個(gè)分層。纖芯的最大折射率部分(41)與波導(dǎo)纖維的中心線隔開。纖芯中第一即中心分層(21)的相對(duì)折射率為負(fù)的,其中參考折射率是最小折射率包層。該族纖芯分布曲線在1550納米附近的工作窗中,可以提供110微米
文檔編號(hào)G02B6/02GK1278334SQ98810778
公開日2000年12月27日 申請(qǐng)日期1998年10月6日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月29日
發(fā)明者劉燕明, G·E·伯基 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司