專利名稱：超大有效面積低色散斜率非零色散位移光纖的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種非零色散位移光纖。該光纖在保持較好本征衰耗與高于標準要求的抗彎曲性能的同時，具有超大有效面積、低色散斜率及低偏振模色散(PMD)，適合應用于包括大容量高速率長途干線網(wǎng)與城域網(wǎng)。
背景技術：
光纖的色散與衰耗被認為是限制光纖傳輸距離的制約因素，然而隨著光纖傳輸技術的迅猛發(fā)展，特別是隨著摻餌光纖放大器的開發(fā)及波分復用(WDM)技術在90年代中期的商用，大容量、高速率傳輸系統(tǒng)對光纖的發(fā)展提出了新的要求。對于波分復用技術來說，目前限制光傳輸容量及傳輸距離的主要因素為光非線性效應、色散與光信噪比OSNR。
在WDM傳輸系統(tǒng)中，隨著傳輸容量增大，在波長間隔從100GHz向50GHz甚至25GHz發(fā)展，光非線性效應包括四波混頻、自相位調(diào)制及交叉相位調(diào)制等限制了光傳輸?shù)娜萘颗c距離。光的非線性可以通過隨功率的變化而變化的折射率指數(shù)來描述n＝n0+n2P/Aeff其中n0為線偏振折射率，n2為非線性折射率，P為輸入功率，Aeff為光纖有效面積。其中四波混頻的產(chǎn)生在很大程度上取決于光纖的色散，由四波混頻產(chǎn)生的雜波能夠造成傳輸信號的失真。四波混頻產(chǎn)生的雜波噪音可以由下式近似計算σFWM∝(p2AeffDΔf2)]]>其中D為色散值，Δf為信道間隔。增加光纖有效面積，并允許在傳輸窗口有一定的色散值以便有效地減小光纖的非線性效應。而為了滿足傳輸容量的不斷擴大及降低成本的要求，在同一根光纖中傳輸?shù)男诺罃?shù)也將越來越多。如果在維持原有的傳輸波長段色散值不變，通過減小信道間隔來增加信道數(shù)勢必會帶來光非線性效應的增加，這就要求增加傳輸波長段的色散值，以抑制由于信道間隔縮短而造成的非線性失真。
獲得大有效面積的光纖剖面結(jié)構(gòu)大致有兩種，即光纖纖芯折射率突出的剖面結(jié)構(gòu)與纖芯折射率下陷的剖面結(jié)構(gòu)。美國專利20020154876提出了一種纖芯結(jié)構(gòu)為拋物線形狀的光纖，其有效面積大于90μm2，其中1550nm波長處色散為14到20。美國專利6459839B1提出了具有纖芯結(jié)構(gòu)為梯形和纖芯下陷的二種大有效面積非零色散位移光纖，有效面積均可達100μm2以上，色散斜率為0.08ps/nm2/km。中國專利1166603A及Y.Liu等在文獻“LargeEffective Area Dispersion-shifted Fibers With Dual-ring Index Profiles”，OFC’96，TechnicalDigest，1996，pp.165-166中也設計了一種纖芯折射率下陷的剖面結(jié)構(gòu)，在下陷的芯層有一較高折射率的環(huán)，其中下陷纖芯層折射率低于光纖包層折射率，該光纖有效面積均可達100μm2以上。但由于上述下陷型纖芯結(jié)構(gòu)中的下陷芯層折射率均小于外包層折射率，且下陷芯層與外環(huán)之間具有較大的折射率差及較高的外環(huán)折射率，在拉絲過程中光纖纖芯內(nèi)部會產(chǎn)生較大的機械應力，導致光纖的本征衰耗與光纖PMD值的增加。
增加單根光纖傳輸信道數(shù)的另一方法是增加光纖的可用帶寬，即從傳統(tǒng)使用的C波段(1530nm-1565nm)擴展到L波段(1565nm-1625nm)甚至S波段(1460nm-1530nm)，這樣不但可以大大增加單根光纖中傳輸?shù)男诺罃?shù)，而且同時由于可用帶寬的增加使得信道間隔距離增長，在充分抑制光非線性效應的前提下能有效的增加輸入功率，從而增加光信號的無中繼傳輸距離。另外，隨著分布式RAMAN放大器的開發(fā)與進入商用，由于RAMAN放大器特殊的工作原理，理論上能增益任何波段的光，因此不但能有效的降低光傳輸中的光信噪比OSNR，而且使得在傳輸中同時使用S波段、C波段與L波段成為可能。根據(jù)RAMAN放大器的工作原理，如果要同時放大信號傳輸中的C波段與L波段，這就要求RAMAN放大器的泵浦光源的最佳波長處于1430nm-1520nm間，這就要求在1430nm至1520nm波段之間的有一定的色散值，以便抑制由于四波混頻與泵浦光源而產(chǎn)生的干涉。傳統(tǒng)非零色散位移光纖的可使用波段為C波段，由于其零色散點處于S波段內(nèi)，從而限制了RAMAN放大器的應用。美國專利20020054743及20020197036所發(fā)明的光纖其零色散點均低于1460nm，能同時適合在S、C、L波段傳輸，但上述兩專利所發(fā)明的光纖纖芯有效面積均只有50μm2到65μm2。
此外，光纖的色散是影響遠距離光傳輸?shù)囊粋€重要因素，由于色散造成了光脈沖隨其在光纖上的傳播而擴散，隨著傳輸距離的增加，擴散越大，使得接收器越難準確解析光信號。光網(wǎng)絡中的色散容限與傳輸?shù)谋忍芈势椒匠煞幢?，隨著數(shù)據(jù)傳輸容量的增大，色散容限會大大降低，尤其是在40Gb高速率WDM傳輸系統(tǒng)中顯得更為明顯。色散與色散斜率的補償可以通過色散補償模塊來完成，通過糾正每個傳輸信道的色散斜率以使各信號達到接收機時具有相同的累積色散。由于傳統(tǒng)的非零色散位移光纖色散斜率大小通常在0.085左右，較高的色散斜率增加了色散補償難度。
本發(fā)明一些術語的定義從光纖纖芯軸線開始算起，根據(jù)折射率的變化，定義為最靠近軸線的那層為第一纖芯層，光纖最外層即純SiO2層定義為光纖包層，從第一纖芯分層到光纖包層依次為第一纖芯分層，第二纖芯分層，第三纖芯分層，依此類推。
光纖各層相對折射率ni的表達式為Δni％＝(ni-nc)/nc其中ni為纖芯中第I分層所對應的折射率，而參考折射率nc表示光纖最外層也即包層所對應的折射率。
光纖第一纖芯分層至第i纖芯分層的半徑分別定義為r1，r2，...，ri.
光纖的有效面積定義為Aeff＝2π(∫E2rdr)2(∫E4rdr)其中E為纖芯中分布電場，r為軸心到電場分布點之間的距離。
光纖的抗彎曲性能是指在規(guī)定條件下的附加衰減。標準測試條件為在直徑為75mm的圓筒上繞100圈或在直徑為32mm的圓筒上繞1圈。在本發(fā)明中，光纖的抗彎曲性能是在直徑為60mm的圓筒上繞100圈或直徑為32mm的圓筒上繞1圈后所測得的附加衰減。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題旨在設計一種同時具有大有效面積及低色散斜率的非零色散位移光纖，該光纖不但能有效的抑制傳輸過程中非線性效應的產(chǎn)生，而且適合在S、C、L波段作高速率大容量傳輸。
本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用的技術方案為包括有一纖芯和一包層，其不同之處在于在1550nm波長處的光纖纖芯有效面積Aeff大于95μm2，色散斜率Ds小于0.065ps/nm2/km，色散值D為8～10ps/nm/km，光纖零色散波長移到1430nm以下。
按上述方案，本發(fā)明在1550nm波長處的光纖纖芯有效面積Aeff最大可為150μm2，在1460nm波長處的色散值約3ps/nm/km，光纖截止波長λcc小于1460nm。
在高速率傳輸系統(tǒng)中，尤其是40G傳輸系統(tǒng)，PMD是影響傳輸距離的一個重要因素，因此把PMD值控制在一定的范圍內(nèi)有利于光纖的長距離傳輸。本發(fā)明中光纖的PMD值控制在0.06ps/km0.5以下。此外，為了增加光纖的無中繼傳輸距離，光纖的本征損耗應盡可能低，且具有良好的抗彎曲性。
本發(fā)明波導結(jié)構(gòu)中纖芯分層的剖面結(jié)構(gòu)為包括有五個纖芯分層，第一纖芯分層的折射率高于光纖包層(純SiO2層)折射率，第二纖芯分層折射率低于第一纖芯分層折射率，第三纖芯分層折射率高于第一纖芯分層折射率，第四纖芯分層折射率低于光纖包層折射率，第五纖芯分層折射率低于第三纖芯層折射率但高于光纖包層折射率。為了減小光纖在拉絲過程中光纖中由于粘度的不匹配而在光纖芯層內(nèi)產(chǎn)生較大的機械應力，上述光纖纖芯的第二芯分層折射率大小應與光纖包層折射率大小接近或相等。同時，增加第一纖芯層的相對折射率與外徑r1，對增加光纖有效面積有利，但同時會增加光纖的色散斜率。第二纖芯層外徑r2的增加同樣有利于光纖有效面積的增加。為使光纖保持較好抗彎曲損耗及減小光纖內(nèi)部應力，光纖纖芯剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)應為r1約為0.5μm～1.4μm r2/(r3 r2)約為1.0～1.8n3約為0.55～0.8n4約為0.30～0.24。
上述光纖五個纖芯分層剖面的一組較佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為r1約為0.5μm～1.4μm， r2約為2.0μm～3.0μm， r3約為3.5μm～5μm， r4約為6μm～8μm，r5約為9μm～11μm； n1約為0.25～035，n2約為-0.1～0.1， n3約為0.55～0.8，n4約為-0.35～-0.2， n5約為0.18～0.25。
在五個纖芯分層結(jié)構(gòu)的基礎上也可增設第六纖芯分層，第六纖芯分層折射率低于光纖包層折射率。其中r6約為11μm～13μm，n6約為-0.13～-0.20。
基于上述五個纖芯分層結(jié)構(gòu)與六個纖芯分層結(jié)構(gòu)的基礎上，也可以把處于第三纖芯分層環(huán)內(nèi)的第一纖芯分層與第二纖芯分層設計成一層，但該層的折射率應處于上述第一纖芯分層與第二纖芯分層折射率之間，從而使該纖芯結(jié)構(gòu)變成中心(第一纖芯分層)下陷的的纖芯結(jié)構(gòu)。該纖芯分層的剖面結(jié)構(gòu)為包括有四個纖芯分層，第一纖芯分層的折射率高于光纖包層(純SiO2層)折射率，第二纖芯分層折射率高于第一纖芯分層折射率，第三纖芯分層折射率低于光纖包層折射率，第四纖芯分層折射率大于光纖包層折射率但小于第二纖芯分層折射率。為了減小由于第一纖芯分層與第二纖芯分層間由于摻雜量的較大差異，降低各纖芯層之間的粘度不匹配，控制光纖的本征衰耗與PMD值，同時，增大光纖有效面積Aeff并保持低色散斜率，光纖纖芯剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)應為n1約為0.08～0.22 n2約為0.55～0.8
n3約為0.4～0.2且1.2＜γ1/(γ2-γ1)＜2.0。
此外，光纖的截止波長可通過調(diào)節(jié)第四纖芯分層相對折射率(n4)或者第五纖芯分層的相對折射率(n5)來獲得。
上述光纖四個纖芯分層剖面的一組較佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為r1約為2.0μm～3.2μm， r2約為3.5μm～5μm， r3約為6μm～7.5μm， r4約為8.5μm～11.5μm；n1約為0.1～0.18， n2約為0.55～0.8， n3約為-0.4～-0.2，n4約為0.55～0.8。
在上述結(jié)構(gòu)的基礎上也可在第四纖芯分層外周加設一折射率小于光纖包層折射率的第五纖芯分層。其中r5約為11μm～13μm， n5約為-0.11～-0.20。
本發(fā)明中的拉絲用光纖預制棒的纖芯區(qū)通過非等溫等離子化學氣相沉積(PCVD)來完成。由于PCVD工藝固有的優(yōu)勢，在纖芯區(qū)可通過沉積幾千層得以精確控制光纖的剖面結(jié)構(gòu)。通過加入諸如Ge摻雜劑來增加光纖纖芯層的折射率，加入諸如F摻雜劑來降低光纖纖芯層的折射率。另外，為了降低不同纖芯層之間由于折射率的不同，也即摻雜濃度的不同所造成各纖芯分層之間的粘度不匹配，本發(fā)明通過調(diào)節(jié)各纖芯層內(nèi)摻雜量的變化，諸如在低折射率的纖芯層內(nèi)同時摻入F摻雜劑與Ge摻雜劑來優(yōu)化各纖芯層間的粘度匹配，從而降低光纖在拉絲工藝過程中的殘留應力，以獲得低的PMD值。
本發(fā)明的有益效果在于通過對光纖纖芯剖面結(jié)構(gòu)的合理設計的，纖芯層之間粘度的合理匹配，使光纖具有低的PMD性能及良好的抗彎曲性能與相對低的本征傳輸損耗，同時該光纖在1550nm傳輸波段具有大于95μm2的有效面積及低于0.065ps/nm2/km的色散斜率，增加了傳輸帶寬，降低了傳統(tǒng)大有效面積非零色散位移光纖色散補償?shù)碾y度，特別是能有效的降低光纖在高速率大容量傳輸過程中由于非線性所造成的信號失真，使之適合在S、C、L波段作高速率大容量傳輸。


圖1為在本發(fā)明第一實施例的纖芯折射率剖面結(jié)構(gòu)分布圖。
圖2為在本發(fā)明第二實施例的纖芯折射率剖面結(jié)構(gòu)分布圖。
圖3為在本發(fā)明第三實施例的纖芯折射率剖面結(jié)構(gòu)分布圖。
圖4為在本發(fā)明第四實施例的纖芯折射率剖面結(jié)構(gòu)分布圖。
具體實施例方式
以下為結(jié)合附圖對各實施例進行詳細描述。
本發(fā)明第一實施例中的光纖纖芯折射率剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中縱坐標對應光纖纖芯的中軸線。光纖纖芯結(jié)構(gòu)由五個分層組成。區(qū)域16為光纖包層，中心區(qū)域11為第一纖芯分層，相對光纖包層的相對折射率為n1，該分層外邊緣至軸線的距離也即該分層的半徑為r1；區(qū)域12為第二纖芯分層，相對于包層的相對折射率為n2，該分層外邊緣與軸線的距離為r2；區(qū)域13為第三纖芯分層，相對于包層的相對折射率為n3，該分層外邊緣與軸線的距離為r3；區(qū)域14為第四纖芯分層，相對于包層的相對折射率為n4，該分層外邊緣與軸線的距離為r4；區(qū)域15為第五纖芯分層，相對于包層的相對折射率為n5，該分層外邊緣與軸線的距離為r5。為了使光纖在維持良好的抗彎曲性能及較低PMD值的同時具有大有效面積及低色散斜率，要求0.6μm＜r1＜1.2μm，2.2μm＜r2＜3.0μm，1.2＜r2/(r3-r2)＜1.7。而0.25＜n1＜035，0.55＜n3＜0.8，0.18＜n5＜0.25。本發(fā)明根據(jù)圖1設計了兩種具有不同參數(shù)的光纖纖芯剖面結(jié)構(gòu)。表一為該實施例中兩種光纖的不同參數(shù)。表二為上述兩種光纖所對應的傳輸特性，該兩種光纖的PMD值均低于0.05ps/nm0.5。
表一

表二

其中λ0為零色散波長，λcc為光纜截止波長，D1460、D1550、D1625分別為在1460nm、1550nm、1625nm波長處的色散值，Ds為1550nm波長處的色散斜率，MFD代表1550nm波長處的模場直徑，Aeff代表有效面積，Bs1550、Bs1625代表光纖于60mm直徑的圓筒上繞100圈后在1550nm、1625nm波長的附加衰減，即抗彎曲敏感性。
圖2顯示的為本發(fā)明實施例二所對應的光纖剖面結(jié)構(gòu)圖。在該實施例中，光纖纖芯剖面結(jié)構(gòu)是在實施例一所對應的光纖剖面結(jié)構(gòu)的基礎上，在第五纖芯分層外周加一折射率低于光纖包層折射率的下陷層，即區(qū)域26為第六纖芯分層，區(qū)域27為光纖包層，如圖2所示。其中區(qū)域21、22、23、24、25分別表示從光纖纖心的第一纖芯分層、第二纖芯分層、第三纖芯分層、第四纖芯分層、第五纖芯分層，r1、r2、r3、r4、r5、r6分別為各層的外周與纖芯軸線之間的距離，也即半徑。n1、n2、n3、n4、n5、n6分別為第一層至第六層所對應的相對于光纖外包層的相對折射率。其中要求0.6μm＜r1＜1.1μm，1.0＜r2/(r3-r2)＜1.5，且0.25＜n1＜0.35，0.55＜n3＜0.8，-0.14＜n6＜-0.20。表三為本發(fā)明根據(jù)圖2所設計的光纖纖芯剖面參數(shù)。表四為根據(jù)表三中幾何參數(shù)所設計的光纖傳輸特性。
表三

表四

第三實施例所對應的光纖纖芯剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示。光纖纖芯由四層組成，區(qū)域31、32、33、34分別為光纖的第一纖芯分層，第二纖芯分層，第三纖芯分層，第四纖芯分層。第二纖芯分層對應的折射率高于第一纖芯分層所對應的折射率，第三纖芯分層對應的折射率低于光纖包層所對應的折射率。為了有效的降低光纖的PMD值，且在保持較好的彎曲損耗與本征損耗的同時獲得大有效面積與低色散斜率，要求2.5＜r1＜3.0，1.2＜r1/(r2-r1)＜2.0，同時，0.8＜n1＜2.0，0.6＜n2＜0.8，-0.4＜n3＜-0.25。表五為根據(jù)該實施例所發(fā)明的一種光纖纖芯剖面參數(shù)。表六為該光纖的傳輸參數(shù)。
表五

表六

第四實施例所對應的光纖剖面結(jié)構(gòu)如圖4所示，是建立在第三實施例的基礎之上的，在第三實施例所對應的光纖纖芯剖面結(jié)構(gòu)中的第四纖芯分層與光纖包層之間加上低于包層折射率的下陷層，即區(qū)域45所對應的第五層，其中要求2.5＜r1＜3.0，1.2＜r1/(r2-r1)＜2.0，0.8＜n1＜2.0，0.55＜n2＜0.75，-0.35＜n3＜-0.2，-0.11＜n5＜-0.20?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)該下陷層來調(diào)節(jié)光纖的的截止波長，而對其他傳輸參數(shù)影響較小。表七表示根據(jù)該實施例所設計的兩種光纖的纖芯剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)。表八為表七所列兩光纖的各傳輸參數(shù)。
表七

表八

綜上所述，根據(jù)本發(fā)明中四個實施例所設計的光纖均具有有效面積大于95μm2，色散斜率小于0.065ps/nm2/km，且零色散點移至了1430nm以下，使得S波段，C波段，L波段均可用于傳輸窗口。同時本發(fā)明中所設計的光纖具有低的PMD值及優(yōu)良的抗彎曲特性。此外，結(jié)合實際生產(chǎn)過程，由于摻雜原子如Ge、F等在高溫沉積及拉絲過程中由于在各纖芯層之間存在濃度梯度，摻雜原子會發(fā)生熱擴散，因此，上述實施例所對應的各纖芯剖面結(jié)構(gòu)中，纖芯中各層的折射率分布也可呈現(xiàn)弧形特征或圓角特征。
權利要求
1.一種超大有效面積低色散斜率非零色散位移光纖，包括有一纖芯和一包層，其特征在于在1550nm波長處的光纖纖芯有效面積Aeff大于95μm2，色散斜率Ds小于0.065ps/nm2/km，色散值D為8～10ps/nm/km，光纖零色散波長移到1430nm以下。
2.按權利要求1所述的超大有效面積低色散斜率非零色散位移光纖，其特征在于包括有五個纖芯分層，第一纖芯分層的折射率高于光纖包層折射率，第二纖芯分層折射率低于第一纖芯分層折射率，第三纖芯分層折射率高于第一纖芯分層折射率，第四纖芯分層折射率低于光纖包層折射率，第五纖芯分層折射率低于第三纖芯層折射率但高于光纖包層折射率，光纖纖芯剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)應為r1約為0.5μm～1.4μm r2/(r3 r2)約為1.0～1.8n3約為0.55～0.8 n4約為0.30～0.24。
3.按權利要求2所述的超大有效面積低色散斜率非零色散位移光纖，其特征在于光纖五個纖芯分層剖面的一組較佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為r1約為0.5μm～1.4μm， r2約為2.0μm～3.0μm， r3約為3.5μm～5μm，r4約為6μm～8μm，r5約為9μm～11μm； n1約為0.25～035，n2約為-0.1～0.1， n3約為0.55～0.8，n4約為-0.35～-0.2， n5約為0.18～0.25。
4.按權利要求2或3所述的超大有效面積低色散斜率非零色散位移光纖，其特征在于在五個纖芯分層結(jié)構(gòu)的基礎上增設第六纖芯分層，第六纖芯分層折射率低于光纖包層折射率，其中r6約為11μm～13μm，n6約為-0.13～-0.20。
5.按權利要求1所述的超大有效面積低色散斜率非零色散位移光纖，其特征在于包括有四個纖芯分層，第一纖芯分層的折射率高于光纖包層(純SiO2層)折射率，第二纖芯分層折射率高于第一纖芯分層折射率，第三纖芯分層折射率低于光纖包層折射率，第四纖芯分層折射率大于光纖包層折射率但小于第二纖芯分層折射率。光纖纖芯剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)應為n1約為0.08～0.22 n2約為0.55～0.8n3約為0.4～0.2 且1.2＜γ1/(γ2-γ1)＜2.0。
6.按權利要求5所述的超大有效面積低色散斜率非零色散位移光纖，其特征在于光纖四個纖芯分層剖面的一組較佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為r1約為2.0μm～3.2μm，r2約為3.5μm～5μm，r3約為6μm～7.5μm，r4約為8.5μm～11.5μm；n1約為0.1～0.18，n2約為0.55～0.8，n3約為-0.4～-0.2， n4約為0.55～0.8。
7.按權利要求5或6所述的超大有效面積低色散斜率非零色散位移光纖，其特征在于在第四纖芯分層外周加設一折射率小于光纖包層折射率的第五纖芯分層，其中r5約為11μm～13μm，n5約為-0.11～0.20。
8.按權利要求2或3或5或6所述的超大有效面積低色散斜率非零色散位移光纖，其特征在于纖芯中各層的折射率分布呈現(xiàn)弧形特征或圓角特征。
9.按權利要求2或3或5或6所述的超大有效面積低色散斜率非零色散位移光纖，其特征在于其偏振模色散均小于0.06ps/km0.5。
10.按權利要求2或3或5或6所述的超大有效面積低色散斜率非零色散位移光纖，其特征在于光纖以60mm直徑繞100圈后在1550nm與1625nm波長引起的附加傳輸衰減均小于0.05dB。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超大有效面積低色散斜率非零色散位移光纖。它包括有一纖芯和一包層，其特征在于在1550nm波長處的光纖纖芯有效面積A
文檔編號H04B10/18GK1450369SQ03119080
公開日2003年10月22日 申請日期2003年5月16日 優(yōu)先權日2003年5月16日
發(fā)明者蔣曉強, 王瑞春, 張樹強 申請人:長飛光纖光纜有限公司