專利名稱：高非線性光纖和高非線性光纖模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高非線性(highly nonlinear)光纖和高非線性光纖模塊；更具體地，涉及具有用于利用非線性現(xiàn)象進行光信號處理的大非線性系數的高非線性光纖，以及用作容納盤繞成線圈形的高非線性光纖的高非線性裝置的高非線性光纖模塊。
背景技術：
目前應用于實際的光纖通信每波長通道的傳輸率為10Gbit/s。為了提高大容量波分復用(WDM)傳輸中的總傳輸能力，而不使系統(tǒng)過度復雜，就需要提高每通道的傳輸率。在此情況下，已經積極地開展了針對以每通道40Gbit/s或者更高傳輸率進行極高速光纖傳輸的研究。
響應于傳輸率的提高，信號的峰值功率就增加，并且隨著信號峰值功率的增加在光纖中更加顯著地出現(xiàn)了非線性現(xiàn)象(例如，自相位調制、相互相位調制和四波混合)。此類非線性現(xiàn)象惡化了傳輸特性。另一方面，非線性現(xiàn)象的優(yōu)點在于，其高速響應可以應用于高速光信號處理。
近年來，已經開發(fā)了具有高非線性的高非線性光纖(HNLF)。隨著該開發(fā)的進行，利用高非線性光纖的光信號處理獲得了普及。
高非線性光纖用于利用非線性現(xiàn)象的光信號處理。高非線性光纖并不用作傳輸線，而是形成組件(package)并結合在傳輸裝置或者光源中。當光纖形成于該組件中時，高非線性光纖圍繞線軸盤繞或者不使用線軸而環(huán)狀盤繞，并得到使用。
以此方式盤繞成線圈形的光纖占據組件的體積取決于光纖的體積及其空隙的百分比。空隙的百分比是在盤繞光纖的部分的體積V中光纖自身占據的體積的百分比。在圖6所示的線軸中，體積V由以下等式(1)表示。隨著光纖的橫截面，即光纖外徑(下文稱之為涂層直徑)的增加，空隙的百分比增加。
V＝W×{((d1-d2)/2)2-(d2/2)2)}×π (1)
當為了減小組件的尺寸而減小光纖的盤繞直徑(線軸的內徑)時，光纖的盤繞變形(winding distortion)增加。該盤繞變形與光纖包層的直徑(下文中稱之為包層直徑)成比例。從而，必須減小包層直徑，以降低盤繞變形。
傳統(tǒng)地，作為具有減小的直徑的高非線性光纖，已經提出具有110μm包層直徑和150μm涂層直徑的光纖以及具有89μm包層直徑和115μm涂層直徑的光纖(請參見，例如，美國專利No.6661958)。
當減小高非線性光纖的包層直徑時，其盤繞直徑降低。然而，例如，這使得難以將高非線性光纖與具有常規(guī)包層直徑的光纖(如，用于連接檢驗裝置的光纖)連接起來。值得注意的是，光纖的最常規(guī)直徑為約125μm并且其涂層直徑為約250μm。
為了保證光纖的質量，在制造后，對光纖進行涉及5-10項(如，傳輸損耗和色散特性)的檢驗。同樣對高非線性光纖進行相同檢驗。
例如，當采用用于測量傳輸損耗的光時域反射儀(OTDR)作為檢驗裝置時，待檢驗的光纖通過用于連接檢驗裝置的光纖連接至OTDR。
作為彼此連接光纖的方法，存在熔融接合方法(fuse splicing method)和對接接頭方法(butt joint method)。在熔融接合方法中，在將待檢驗光纖和用于連接檢驗裝置的光纖的連接端部處的涂層移除的狀態(tài)下，在兩光纖的光軸配合的同時，兩光纖的纖維端面受熱并熔化。可以通過使用該方法降低連接損耗。然而熔融費時費力。
另一方面，在對接接頭方法中，將兩光纖的連接端部處的涂層移除，以暴露玻璃部分，在V形槽上將玻璃部分的端面彼此對接，以進行連接。在這種對接接頭方法中，可以在很短的時間內連接光纖。
難以在V形槽上將具有小直徑的高非線性光纖和用于連接檢驗裝置的具有常規(guī)直徑的光纖連接起來，這是因為兩光纖的包層直徑不同。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于至少解決傳統(tǒng)技術中的這些問題。
根據本發(fā)明一個方面的高非線性光纖包括纖芯、環(huán)繞纖芯的包層以及覆蓋包層的涂層。以20mm彎曲直徑彎曲后在1550nm波長上彎曲損耗等于或小于0.01dB/m。在1550nm波長上非線性系數等于或大于10W-1km-1。截止波長等于或小于1530nm。零色散波長處于1400nm和1650nm之間的范圍內。涂層的直徑為125μm，其具有±5％的公差。
根據本發(fā)明另一方面的高非線性光纖模塊包括高非線性光纖，該高非線性光纖包括纖芯、環(huán)繞纖芯的包層以及覆蓋包層的涂層。以20mm彎曲直徑彎曲后在1550nm波長上彎曲損耗等于或小于0.01dB/m。在1550nm波長上非線性系數等于或大于10W-1km-1。截止波長等于或小于1530nm。零色散波長處于1400nm和1650nm之間的范圍內。涂層的直徑為125μm，其具有±5％的公差。
通過閱讀以下結合附圖對本發(fā)明當前優(yōu)選實施例進行的詳細說明，將更好地理解本發(fā)明的上述和其他目的、特征、優(yōu)點以及技術和工業(yè)上的重要性。


圖1是本發(fā)明實施例中的高非線性纖維示例的截面圖和折射率分布；圖2是用于測量根據本實施例的高非線性纖維特性的系統(tǒng)的示意圖；圖3是用于測量根據本實施例的高非線性纖維特性的V形槽裝置的截面圖；圖4是利用V形槽裝置連接根據本實施例的高非線性纖維和虛設纖維(dummy fiber)的狀態(tài)的截面圖；圖5是根據本實施例的高非線性纖維和常規(guī)光纖連接的連接損耗與光纖直徑比例之間關系的曲線圖；圖6是用于盤繞根據本實施例的高非線性纖維的線軸的側視圖；圖7是高非線性纖維模塊的示意圖，其中根據本實施例的高非線性纖維繞線軸盤繞并容納于框架中；圖8是高非線性纖維模塊的示意圖，其中不使用線軸而盤繞根據本實施例的高非線性纖維并容納于框架中；以及圖9是根據本實施例的高非線性纖維的另一示例的截面圖和折射率分布。
具體實施例方式
下面參照附圖對本發(fā)明示例性實施例進行說明。
作為表示高非線性纖維的非線性特性的參數，非線性系數γ由等式(2)表示。在該表達式中，λ是光的波長，n2是高非線性纖維的非線性折射率，Aeff是有效截面積。
γ＝(2π/λ)×(n2/Aeff) (2)可以通過提高非線性系數γ而有效地產生非線性現(xiàn)象。優(yōu)選地，高非線性纖維具有10W-1km-1或更高的非線性系數，以適當地用作高非線性纖維。為了提高γ，增加等式(2)中的n2并降低Aeff是足夠的。然而，當通過此種方法提高γ時，截止波長(cut-off wavelength)遷移至長波長側。截止波長表示在ITU-T(國際電信聯(lián)盟電信標準化部門)G.650.1中定義的纖維截止波長λC。
為了有效地產生非線性現(xiàn)象，重要的是，將截止波長設定得短于摻鉺光纖放大器(EDFA)的放大波帶。從而，優(yōu)選地將截止波長設定為1530nm或者更小。此外，當試圖利用非線性現(xiàn)象進行波長轉換時，需要將激光(pumpinglight)的波長設定為光纖零色散波長附近的波長。從而，優(yōu)選地，將高非線性纖維的零色散波長設定在1400nm至1650nm之間的范圍內。
下面說明了可以在保證足夠的非線性的同時抑制截止波長的高非線性纖維。值得注意的是，隨后說明書中的沒有特別定義的術語將遵循ITU-T G.650中的定義和測量方法。
圖1是本發(fā)明實施例中高非線性纖維的截面圖以及在該高非線性纖維的徑向上的示意性折射率分布。在該截面圖中，高非線性纖維具有垂直于其中心軸的截面結構。折射率分布的橫坐標對應于沿著高非線性纖維的截面圖中的線I-I的位置，雖然其比例不同于橫截面的比例。
在圖1中，高非線性纖維10具有包括光軸中心的具有aμm直徑的第一纖芯1，環(huán)繞第一纖芯1的具有bμm直徑的第二纖芯2，環(huán)繞第二纖芯2的具有cμm直徑的第三纖芯3，以及環(huán)繞第三纖芯3的包層4。該第一至第三纖芯1-3和包層4由例如二氧化硅(SiO2)基材料形成。將包層4的直徑，即包層直徑d設定成小至例如40、50、60、70或者80μm，以實現(xiàn)環(huán)繞其盤繞高非線性纖維10的線軸直徑的降低。
第一纖芯1形成為以向SiO2摻入作為摻雜劑的預定量GeO2而具有nc1的最大折射率。第二纖芯2由一種材料形成，該材料具有低于包層4的折射率并且以例如向SiO2摻入預定量F而具有nc2的最小折射率。第三纖芯3具有高于包層4并且低于第一纖芯1的折射率，并且形成為以向SiO2摻入預定量GeO2而具有nc3的最大折射率。值得注意的是，第一纖芯1、第二纖芯2和第三纖芯3也分別稱為中心芯部(center core section)、受抑制層(depressedlayer)和側芯層(side core layer)。
包層4具有折射率nc并且一般基本上由純SiO2形成。然而，也可以向包層4添加F。
將第一纖芯1、第二纖芯2、第三纖芯3和包層4的相應折射率nc1、nc2、nc3和nc設定為具有nc1＞nc3＞nc＞nc2的關系。此類高非線性纖維10的折射率分布稱為W-部段型。
圖1中所示的分布中相對折射率差表示如下。在包層4的折射率nc的基礎上，由等式(3)計算第一纖芯1的相對折射率差Δ1，由等式(4)計算第二纖芯2的相對折射率差Δ2，由等式(5)計算第三纖芯3的相對折射率差Δ3。
Δ1＝{(nc1-nc)/nc1}×100％ (3)Δ2＝{(nc2-nc)/nc2}×100％ (4)Δ3＝{(nc3-nc)/nc3}×100％ (3)理想的是，高非線性纖維具有2.0％或者更大的相對折射率差Δ1和-0.3％或者更少的相對折射率差Δ2，以確保足夠的特性。
在包層4的外周中，紫外線固化樹脂層形成為具有雙層結構的涂層5。內側的第一涂層5a由具有低于外側的第二涂層5b的楊氏模量的材料形成。將涂層5外周的直徑，即涂層直徑設定成小至例如125μm±5％。
為了減小其中容納了高非線性纖維的組件的尺寸，優(yōu)化高非線性纖維的包層直徑和涂層直徑，并且優(yōu)化在對高非線性纖維進行檢驗中的處理效率。
為了減小組件的尺寸，需要以線圈形狀圍繞較小線軸盤繞高非線性纖維，或者以線圈形狀圍繞具有較小直徑的環(huán)盤繞高非線性纖維，而不使用線軸。為了以較小盤繞直徑盤繞高非線性纖維10，就需要減小高非線性纖維10的涂層直徑。
高非線性纖維相對于一個組件的長度取決于高非線性纖維10的特性和應用的設計。換句話說，當非線性系數γ大時，高非線性纖維10就短，而當非線性系數γ小時，高非線性纖維10就長。例如，具有大非線性系數γ的高非線性纖維最長為約400m。
為了在組件中模塊化并容納高非線性纖維10，圍繞例如線軸盤繞高非線性纖維10并進行使用。線軸的尺寸取決于高非線性纖維10的體積和空隙的百分比。例如，當將高非線性纖維10的涂層5的直徑設定為100μm至250μm時，空隙的百分比基本上固定在65％。從而，線軸的直徑取決于高非線性纖維10的體積。當高非線性纖維10的長度固定時，線軸的直徑取決于高非線性纖維10的涂層直徑。從而，為了減小線軸的尺寸，僅需要減小高非線性纖維10的涂層直徑。
當不使用線軸而將高非線性纖維10形成為環(huán)狀線圈形時，道理相同。高非線性纖維10的涂層直徑的減小導致環(huán)狀線圈的體積的減小。
為了減小高非線性纖維10的涂層直徑，必須考慮到通過將涂層5施加到高非線性纖維10所獲得的效果。
涂層的第一目的在于防止形成第一至第三纖芯1-3以及包層4的玻璃受到劃傷而降低其強度。涂層的第二目的在于防止傳輸特性由于施加于高非線性纖維10的應力造成的變形而受到惡化。
從而，為了實現(xiàn)第一目的，涂層5需要具有足夠的厚度，以防止外來物接觸玻璃。即使該厚度小于為實現(xiàn)用于緩解施加于高非線性纖維10上的壓力的第二目的所需的涂層5的厚度，該涂層也可以示出足夠的效果。
涂層5的厚度取決于用于實現(xiàn)第二目的的厚度。為了防止由于第一至第三纖芯1-3和包層4的變形而造成的傳輸特性的惡化，優(yōu)選的是，形成如圖1所示的雙層結構的涂層5。將在內側形成第一涂層5a的樹脂的楊氏模量設定得低，并將在外側形成第二涂層5b的樹脂的楊氏模量設定得高。其結果是，出現(xiàn)所謂的殼層效應，以防止外力傳輸至第一至第三纖芯1-3和包層4。
通常的光纖形成為光纜(cable)并可用于各種領域。從而，將其涂層5的外徑設定為約250μm。另一方面，由于高非線性纖維10被處理為線圈形并應用于如上所述的裝置中，與形成為光纜的光纖相比，施加于其上的應力很小。從而，可以將涂層5的厚度設計為小于通常的光纖。
不從防止由外力造成變形的角度出發(fā)，也可以減小纖芯直徑和包層直徑，以減小高非線性纖維10的涂層直徑。
在1.55μm(1530nm至1570nm)的波帶中，高非線性纖維10的模場(modefield)直徑(MFD)通常等于或小于5μm?？傮w上，必須要有約模場直徑10倍的包層直徑，以平穩(wěn)地傳輸光。
從而，在高非線性纖維10的情況下，如果包層直徑至少為約40μm，則可以以與具有更大包層直徑的光纖相同的方式傳輸光。
當以此方式減小高非線性纖維10的包層4的直徑時，可以減小涂層直徑，而不改變涂層5的徑向上的厚度。從而，即使將涂層5的功能保持在與通常光纖相同的水平上，也可以減小高非線性纖維10的直徑。
從而，除了減小高非線性纖維10的涂層5的厚度之外，可以通過減小包層4的直徑而進一步減小涂層直徑。這對于減小組件的尺寸是有利的。
另一方面，為了保證高非線性纖維10的可靠性，重要的是抑制高非線性纖維10的變形。高非線性纖維10的盤繞變形與包層直徑成比例。從而，在通過減小高非線性纖維10的包層直徑而控制高非線性纖維10的盤繞變形的增加時，可以減小高非線性纖維10的盤繞直徑。這對于減小線圈的尺寸是有利的。
圖2是用于利用OTDR裝置檢驗光學傳輸損耗等的測量的狀態(tài)的示意圖。在圖2中，具有連接器12的光纖的連接器12a連接于OTDR裝置11。如由圖2中虛線圍繞的部分中所示，用于連接檢驗裝置的虛設纖維13的一端熔融接合于具有連接器12的光纖的沒有連接器一側的一端。
具有連接器12的光纖和虛設纖維13由單模光纖形成，該單模光纖具有125μm包層直徑和250μm涂層直徑。虛設纖維13是用于補充具有連接器12的光纖的長度的纖維并且在多重折疊中圍繞線軸17盤繞。具有常規(guī)直徑的光纖用作虛設纖維13，以將虛設纖維13和各種光纖連接起來。
虛設纖維13的另一端通過V形槽裝置15連接于待測高非線性纖維10的一端，該高非線性纖維10繞線軸16盤繞。
值得注意的是，在隨后的說明中，假定使用具有125μm涂層直徑的高非線性纖維10。
如圖3中所示，V形槽裝置15包括由金屬制成的V形槽襯墊15b，其具有V形槽15a；由丙烯酸制成的擠壓板15d，其在與V形槽15a相對的部位具有突出部15c。值得注意的是，圖3是包層13a和纖芯13c被夾持于V形槽15a和擠壓板15d之間的狀態(tài)的截面圖，包層13a和纖芯13c通過移除虛設纖維13端部的涂層而暴露。
以相同的寬度和相同的深度線性地形成V形槽襯墊15b的V形槽15a。從而，在移除虛設纖維13和通常具有小直徑的高非線性纖維10的端部處的涂層之后，當通過對接接頭的方法在V形槽15a上將它們的端面彼此對接在一起時，它們的第一纖芯1和13c的位置彼此偏離。這是因為第一纖芯1和13c的包層4和包層13a的直徑極為不同。其結果是，連接損耗增加并且測量精度下降。
從而，將虛設纖維13端部的涂層移除以暴露包層13a的端面。另一方面，暴露高非線性纖維10的端面，同時保留涂層5。
隨后，如圖4所示，高非線性纖維10的涂層的某一端面和虛設纖維13的玻璃部分的端面在V形槽15a上彼此對接。然后，虛設纖維13的纖芯13c的位置和高非線性纖維10的第一纖芯1的位置基本上彼此一致并且第一纖芯1和13a得到適當地連接。值得注意的是，圖4是沿著圖3中線II-II的截面圖，雖然其中使用了不同于圖3中的比例。
具有125μm包層直徑的常規(guī)單模光纖用作虛設纖維13，并準備多個具有小直徑的高非線性纖維作為高非線性纖維10，所述多個高非線性纖維具有不同涂層直徑。如圖4所示地連接虛設纖維13和高非線性纖維。當在此情況下對相關于高非線性纖維涂層直徑數值的連接損耗進行測量時，獲得如圖5所示的結果。
圖5中，橫坐標表示纖維直徑比例，其為高非線性纖維的涂層直徑相對于虛設纖維13的包層直徑125μm的比例?？v坐標表示虛設纖維13和高非線性纖維10的連接損耗。
根據圖5，可以看出，當纖維直徑比例增加±5％或者更多時，連接損耗急劇上升。
從而，采用對接接頭方法，如圖4所示，該方法用于利用V形槽裝置15連接虛設纖維13和具有小直徑的高非線性纖維10。那么，如果使用具有虛設纖維13的包層直徑95-105％的涂層直徑的高非線性纖維10，則可適當地連接高非線性纖維10和虛設纖維13。
表1-3中示出具有小直徑的高非線性纖維10的主要特性。如圖3和4所示，在測量這些特性中，由V形槽15a和擠壓板15d夾持具有小直徑的待測高非線性纖維10，而無需剝除其涂層。其結果是，可使用具有125μm包層直徑的通用虛設纖維13對這些特性進行成功的測量。值得注意的是，表中“彎曲損耗”項中的符號Φ表示彎曲直徑。
表1Δ12.8％ Δ2-0.55％ Δ30.3％、a/b0.6、b/c1.25、b6.7μm


表2Δ12.8％ Δ2-1.0％ Δ30.3％、a/b0.4、b/c1.25、b9.1μm

表3Δ12.0％ Δ2-0.55％ Δ30.3％、a/b0.57、b/c1.25、b7.8μm

高非線性纖維10的模場直徑通常為約4μm，與常規(guī)的單模光纖相比這是極小的。從而，考慮到連接性等，通常的實踐是利用熔融接合方法將在組件中盤繞成多重折疊的高非線性纖維的一端與單模光纖的一端連接起來并且通過單模光纖將高非線性纖維連接到組件外的常規(guī)光纖。
具有減小的包層直徑的單模光纖利用具有小直徑的高非線性纖維制造并熔融接合而成，以形成以下示例中所示的高非線性纖維的小型模塊。
小型模塊是利用如圖6所示的線軸20在如圖7中所示的結構中制造而成的。如果不使用線軸，小型模塊就在如圖8中所示的結構中制造而成。
在第一示例中，具有80μm包層直徑和125μm涂層直徑的高非線性纖維10用作高非線性纖維并且以400m的長度圍繞圖6所示的線軸20盤繞，以制造模塊，該高非線性纖維具有如圖1中所示的結構。在此情況下，考慮到高非線性纖維10的盤繞變形，將線軸20中的盤繞直徑，即線軸20的內徑d2設定為45mm。值得注意的是，線軸20的內徑d2表示線軸20的主體20a的外徑。
在此情況下，由于將高非線性纖維10的涂層直徑設定為125μm，從而可以將高非線性纖維10的體積減小至具有250μm涂層直徑的光纖的1/4。這導致線軸尺寸的降低。
從而，線軸20具有以下形狀，其中將內徑d2設定為45mm，將軸環(huán)部20b的外徑d1設定為65mm，將兩軸環(huán)部20b之間的內部寬度W設定為5mm，并將軸環(huán)部20b的寬度W1設定為1mm。
如圖7所示，將具有80μm包層直徑的單模光纖21的一端熔融接合于形成為線圈形的高非線性纖維10的兩端。然后，將高非線性纖維10按以下狀態(tài)容納于框架23中，其中夾套(連接器)22連接于單模光纖21的其他端部。
從而，制成具有從夾套抽出的單模光纖的高非線性光學模塊(HNLM)。
如上所述，在與具有80μm包層直徑的高非線性纖維10的熔融接合中的接合損耗可以通過使用具有80μm包層直徑的單模光纖21而成功地控制為0.1分貝或者更小。
考慮到使用光纖的簡便性，嘗試對具有105μm包層直徑的單模光纖21和具有小直徑的高非線性纖維10進行熔融接合。當使用具有80μm包層直徑的高非線性纖維時，可將與單模光纖21熔融接合的接合損耗成功地控制為0.1分貝或者更小?？梢詫⑴c連接器相連的具有125μm包層直徑的單模纖維連接于該模塊并且使用該單模纖維。
由于如上所述線軸20的尺寸得以降低，所以可將模塊尺寸在長度上減小為70mm，在寬度上減小為100mm并且在高度上減小為10mm。值得注意的是，線軸的內徑可以設定為20-60mm，其內部寬度可以設定為5-20mm。
在第二示例中，具有60μm包層直徑的光纖可以用作高非線性纖維10并且以400m長度圍繞圖6所示的線軸20盤繞，以制造模塊。在此情況下，考慮到高非線性纖維10的盤繞變形，將盤繞直徑，即線軸20的內徑d2設定為30mm。線軸20具有以下形狀，其中將線軸20的軸環(huán)部20b的外徑d1設定為55mm，將兩軸環(huán)部20b之間的內部寬度W設定為5mm，并將軸環(huán)部20b的寬度W1設定為1mm。
如圖7所示，將具有80μm包層直徑的單模光纖21的一端熔融接合于形成為線圈形的高非線性纖維10的兩端。然后，將線圈容納于框架23中，其中夾套22連接于單模光纖21的其他端部。
從而，制成具有從夾套抽出的單模光纖的高非線性光學模塊(HNLM)。
如上所述，在與具有60μm包層直徑的高非線性纖維10的熔融接合中的接合損耗可以通過使用具有80μm包層直徑的單模光纖21而成功地控制為0.1分貝或者更小。
考慮到使用光纖的簡便性，采用具有105μm包層直徑的單模光纖21。將具有105μm包層直徑的單模光纖21和具有60μm包層直徑的高非線性纖維10的熔融接合中的接合損耗成功地控制為0.2分貝或者更小?？梢詫⑴c連接器相連的具有125μm包層直徑的單模纖維連接于該模塊并且使用該單模纖維。值得注意的是，可將線軸的內徑設定為20-40mm，并將其內部寬度設定為5-10mm。
由于如上所述線軸20的尺寸降低，所以也可將模塊尺寸在長度上減小為60mm，在寬度上減小為90mm并且在高度上減小為10mm。
在上述第一和第二示例中，可以通過根據模塊的應用改變軸環(huán)寬度d1和內部寬度W之間的對比，而改變線軸20的尺寸，其中高非線性纖維10圍繞該線軸盤繞。
如圖6所示的線軸20的尺寸取決于光纖的體積及其空隙的百分比。在這一說明中，將光纖的涂層直徑設定為100-250μm，而空隙的百分比基本上固定在65％。從而線軸20的尺寸取決于光纖的體積。
纖維體積(纖維長度和涂層直徑)和線軸尺寸之間的關系由等式(6)表示。在等式(6)中，L是纖維長度，df是涂層直徑。
L＝650W×{(d1-d2)2-d22/df2}×π(6)由等式(6)得到等式(7)。
d1={(L/650W)+d22/df2}---(7)]]>值得注意的是，如果將光纖盤繞成具有與軸環(huán)直徑d1相同的直徑，盤繞就會發(fā)生塌陷。從而，在軸環(huán)直徑d1和光纖的盤繞直徑之間需要稍有差異。直徑的這種差異由裕度ds確定。裕度ds優(yōu)選為2-10mm，以防止光纖盤繞塌陷并且實現(xiàn)組件尺寸的減小。從而，考慮到裕度ds，優(yōu)選地，軸環(huán)直徑d1滿足以下關系式。
{(L/650W)+d22/df2}+2≤d1≤{(L/650W)+d22/df2}+10---(8)]]>當使用關系式(8)時，小型線軸具有以下作為示例表示出的尺寸。
例如，當L為400m，d2為30mm，W為5mm，并且df為125μm時，計算出d1為55.1≤d1≤63.1mm。從而，可以得到具有小于60mm的d1的線軸。此外，當L為400m，d2為30mm，W為10mm，并且df為125μm時，計算出d1為45.1≤d1≤53.1mm。從而，可以得到具有小于50mm的d1的線軸。此外，當L為400m，d2為30mm，W為20mm，并且df為125μm時，計算出d1為39.2≤d2≤47.2mm。從而，可以得到具有小于45mm的d1的線軸。
當具有125μm涂層直徑的光纖以400m長度進行盤繞時，作為具有45mm內徑的線軸的尺寸，可以從上述尺寸將內部寬度降低至15mm并且將軸環(huán)直徑降低至5mm。此外，作為具有30mm內徑的線軸的尺寸，可以從上述尺寸將內部寬度降低至15mm并將軸環(huán)直徑降低至45mm。
在采用高非線性纖維的模塊中，所用的纖維長度是根據光纖的參數和模塊的應用而設定的。為了穩(wěn)定地固定光纖，當采用具有預定長度的光纖時，圍繞線軸盤繞光纖并進行使用。然而，當光纖很短時，并非總需要線軸。下面作為第三示例，說明了不使用線軸而通過將光纖盤繞成環(huán)狀線圈形而制造的模塊。
圖8是不使用線軸而通過將高非線性纖維盤繞成環(huán)狀線圈形而形成的模塊的示意圖。
首先，采用圖1所示的具有80μm包層直徑的高非線性纖維10作為高非線性纖維并且以100m長度盤繞成環(huán)狀線圈形，以制造模塊?？紤]到可靠性，將環(huán)狀線圈30的內徑設定為45mm。值得注意的是，通過束縛工具31防止環(huán)狀線圈30上下移動。
具有80μm包層直徑的單模光纖32的一端利用熔融接合方法與盤繞成環(huán)狀線圈形的高非線性纖維10的兩端接合。環(huán)狀盤繞高非線性纖維10并將其按以下狀態(tài)容納于框架34中，其中夾套(連接器)33連接于單模光纖32的其他端部。從而，制成具有從夾套抽出的單模光纖32的高非線性模塊。
在與具有60μm包層直徑的高非線性纖維10的熔融接合中的接合損耗可以通過使用具有80μm包層直徑的單模光纖32而成功地控制為0.1分貝或者更小。由于具有80μm包層直徑的高非線性纖維10也可適當地連接于具有105μm包層直徑的單模光纖32，從而可以使用具有105μm包層直徑的單模光纖32。可以將與連接器相連的具有125μm包層直徑的單模光纖連接于該模塊并且使用單模光纖。值得注意的是，可以將該環(huán)的內徑設定為20-60mm。
在第四示例中，首先，采用如圖1所示的具有60μm包層直徑的光纖作為高非線性光纖并且以100m長度盤繞成環(huán)狀線圈形，以制造模塊?？紤]到可靠性，將環(huán)狀線圈的內徑設定為30mm。
具有80μm包層直徑的單模光纖32的一端熔融接合于盤繞成環(huán)狀線圈形的高非線性纖維10的兩端。將該線圈按以下狀態(tài)容納于框架中，其中夾套連接于單模光纖32的其他端部。從而，制成具有從夾套抽出的單模光纖的高非線性模塊。
在與具有60μm包層直徑的高非線性纖維10的熔融接合中的接合損耗可以通過使用具有80μm包層直徑的單模光纖32而成功地控制為0.1分貝或者更小。可以將與連接器相連的單模光纖連接于該模塊并且使用單模光纖。值得注意的是，可以將該環(huán)的內徑設定為20-40mm。
在第五示例中，具有60μm包層直徑的光纖作為高非線性纖維10并且以400m長度圍繞如圖6所示的線軸20盤繞，以制造模塊。將盤繞直徑，即線軸20的內徑d2設定為15mm。線軸20具有以下形狀，即將線軸20中軸環(huán)部20b的外徑d1設定為50mm，將軸環(huán)部20b之間的內部寬度W設定為4.5mm，并且將軸環(huán)部20b的寬度W1設定為0.5mm。
具有125μm包層直徑的單模光纖的一端熔融接合于形成線圈形的高非線性纖維10的兩端。然后，將該線圈按以下狀態(tài)容納于框架中，其中連接器連接于單模光纖的其他端部。從而，制成具有連接器連接于其上的單模光纖的高非線性模塊(HNLM)。
當高非線性纖維10的包層直徑和傳統(tǒng)單模光纖的125μm包層直徑之間的差異增加時，就極難降低熔融接合中的接合損耗。
在熔融接合光纖過程中，光纖的端面在端面彼此對接的情況下被加熱，以熔化并連接光纖。如果光纖的包層直徑不同，施加于各光纖的單位體積的熱量也就不同。從而，如果施加于光纖的熱量適于具有較大包層直徑的光纖，則具有較小包層直徑的光纖就被完全熔化而蒸發(fā)。
另一方面，如果熱量適于具有較小包層直徑的光纖，則施加于具有較大直徑的光纖的熱量不足以適當地熔化該光纖。其結果是，不能適當地接合這些光纖。由于第五示例中所述的具有60μm包層直徑的高非線性纖維和具有125μm包層直徑的單模光纖具有明顯不同的玻璃體積，從而在通常條件下不能將高非線性纖維和單模光纖適當地連接起來。從而，按以下方式調節(jié)熔融接合條件，從而具有60μm包層直徑的光纖在接合過程中不會蒸發(fā)，可以將該光纖與具有125μm包層直徑的單模光纖接合起來。
1)將放電強度設定得很低。
2)將從開始放電直到光纖彼此對接之間時間設定得很短。
3)在彼此對接光纖之后，更深入地彼此相向地推動光纖，以防止壓碎具有60μm包層直徑的光纖。
4)將放電時間設定得很短。
在熔融接合中，第五示例中將接合損耗成功地控制為0.3分貝或者更小。由于如上所述減小線軸20的尺寸，可成功地將模塊尺寸在長度上減小為55mm，在寬度上減小為85mm，在高度上減小為7.5mm。
在第六示例中，采用具有60μm包層直徑的高非線性纖維10作為高非線性纖維并且以100m長度盤繞成環(huán)狀線圈形，以制造模塊。將該環(huán)的內徑設定為15mm。
將具有125μm包層直徑的單模光纖的一端熔融接合于形成環(huán)狀線圈形的高非線性纖維10的兩端。然后，將該線圈按以下狀態(tài)容納于框架中，其中連接器連接于單模光纖的其他端部。從而，制成具有從連接器抽出的單模光纖的高非線性模塊。
使用第五示例中所述的熔融接合條件，將具有125μm包層直徑的單模光纖和具有60μm包層直徑的高非線性纖維10的熔融接合的接合損耗成功地控制為0.3分貝或者更小。
光纖的盤繞直徑顯著影響光纖線圈尺寸的降低。換句話說，由于光纖的盤繞變形與包層直徑成比例，從而可以通過減小包層直徑來減小光纖的盤繞直徑，同時控制盤繞變形的增加。這對于減小線圈的尺寸是有利的。當通常使用的具有125μm包層直徑的光纖以60mm內徑進行盤繞，光纖的疲勞破壞的概率約為0.25％/20年。疲勞破壞由以下等式(11)給出。
λ＝α×Np×{(βp/E2)/(B/E2)β}×{(εn×t)β/(εpnp×tp)} (11)在此，np是在屏蔽環(huán)境下光纖的疲勞系數，n是在使用環(huán)境下光纖的疲勞系數，εp是在屏蔽試驗時所施加應力，ε是在使用環(huán)境下所施加應力，tp是所施加應力εp被施加的時間，t是所施加應力ε被施加的時間，Np是在屏蔽試驗時每單位長度的疲勞破壞的次數，m是Weibull分布系數，α是m/(np-2)，β是(np-2)/(n-2)，(βp/E2)/(B/E2)β是由環(huán)境確定的常數，E是光纖的彈性模量，B是常數，Bp是在屏蔽試驗氛圍中的B，以及λ是疲勞破壞的概率。
在該表達式中與光纖的特性相關的主要參數是m和np。在對疲勞破壞概率進行計算的過程中，將國際公認的Telcordia GR-20-CORE中所述的“20”用作np，將“3”用作m，因為m通常約為3至6，并將使光纖延伸1％的應力等級用作εp。
在具有60μm包層直徑的光纖的情況下，當光纖以30mm內徑盤繞時，利用相同參數計算出疲勞破壞的概率為0.25％/20年。從而，該內徑應用于第二示例和第四示例中。當測量用于第二示例中的具有60μm包層直徑的高非線性纖維的m和np時，n和np分別為“1.2”和“27”。如果將εp設定為使光纖延伸1％的應力等級時，可以以20mm內徑盤繞光纖，同時確?？煽啃?。當將εp設定為使光纖延伸2％的應力等級時，可以以12mm內徑盤繞光纖。當將εp設定為使光纖延伸2.1％的應力等級時，可以以10mm內徑盤繞光纖。基于以上結果，在第五示例和第六示例中采用15mm內徑。
如上所述，根據本實施例，用如圖1所示的具有W部段型分布的光纖作為高非線性纖維。然而，高非線性纖維并不局限于此?？梢圆捎萌鐖D9所示的結構的光纖，其中折射率具有W型分布。
在圖9中，高非線性纖維40包括包括光軸中心的具有a1μm直徑的第一纖芯41，環(huán)繞第一纖芯41的具有b1μm直徑的第二纖芯42，環(huán)繞第二纖芯42的包層43。第一纖芯41和第二纖芯42以及包層43由例如二氧化硅(SiO2)基材料形成。將包層43的直徑，即包層直徑設定成小至例如40-70或者40-80μm。
第一纖芯41形成為以向SiO2摻入作為摻雜劑的預定量GeO2而具有nc11的最大折射率。第二纖芯42由一種材料形成，該材料具有低于包層43的折射率并且以例如向SiO2摻入預定量F而具有nc22的最小折射率。
包層43具有折射率nc0并且一般基本上由純SiO2形成。然而，也可以向包層43摻入F。
將第一纖芯41、第二纖芯42和包層43的相應折射率nc11、nc22和nc0設定為具有nc11＞nc0＞nc22的關系。此類光纖40的折射率分布稱為W型。
圖9中所示的分布中相對折射率差表示如下。在包層43的折射率nc0的基礎上，由等式(9)計算第一纖芯41的相對折射率差Δ11，并由等式(10)計算第二纖芯42的相對折射率差Δ22。
Δ11＝{(nc11-nc0)/nc11}×100％ (9)
Δ22＝{(nc22-nc0)/nc22}×100％(10)當將如圖9所示的光纖制成高非線性纖維時，表4-6示出該高非線性纖維的主要特性。
表4Δ112.8％ Δ22-0.55％、a1/b10.6、b16.7μm

表5Δ112.8％ Δ22-1.0％、a1/b10.4、b19.1μm


表6Δ12.0％ Δ2-0.55％、a1/b10.57、b17.8μm

如上所述，將涂層的直徑設定為125μm±5％。這使得可以提供高非線性纖維，當將該高非線性纖維盤繞成線圈形時，其可以形成很小的尺寸，并且通過剝離涂層而暴露包層時，其可提高與用于連接檢驗裝置的具有125μm包層直徑的光纖的連接性。此外，可以提供采用該高非線性纖維的高非線性纖維模塊。
雖然結合具體實施例對本發(fā)明進行了說明以進行完全和清楚的公開，但是所附權利要求并非由此而受到限制，而應該理解為，其包含完全落入在此所述基本教導范圍內本領域技術人員可涉及的所有變型和可選結構。
權利要求
1.一種高非線性光纖，包括纖芯；環(huán)繞纖芯的包層；以及覆蓋包層的涂層，其中以20mm彎曲直徑彎曲后在1550nm波長上彎曲損耗等于或小于0.01dB/m，在1550nm波長上非線性系數等于或大于10W-1km-1，截止波長等于或小于1530nm，零色散波長處于1400nm和1650nm之間的范圍內，以及涂層的直徑為125μm，其具有±5％的公差。
2.如權利要求1所述的高非線性光纖，其中涂層的直徑是為進行特性檢驗而連接的虛設光纖包層的直徑的95％-105％。
3.如權利要求1所述的高非線性光纖，其中包層的直徑處于40μm和80μm之間的范圍內。
4.如權利要求1所述的高非線性光纖，其中包層的直徑處于40μm和70μm之間的范圍內。
5.如權利要求1所述的高非線性纖維，其中纖芯包括第一纖芯，其位于中心位置，具有第一折射率；和第二纖芯，其環(huán)繞第一纖芯，具有第二折射率，以及包層具有第三折射率，該第三折射率低于第一折射率并高于第二折射率，以及第二纖芯相對于包層的相對折射率差等于或者小于-0.3％。
6.如權利要求5所述的高非線性光纖，其中纖芯還包括第二纖芯和包層之間的第三纖芯，該第三纖芯具有第四折射率，該第四折射率低于第一折射率并高于第三折射率。
7.一種高非線性光纖模塊，其包括高非線性光纖，該高非線性光纖包括纖芯、環(huán)繞纖芯的包層以及覆蓋包層的涂層，其中以20mm彎曲直徑彎曲后在1550nm波長上彎曲損耗等于或小于0.01dB/m，在1550nm波長上非線性系數等于或大于10W-1km-1，截止波長等于或小于1530nm，零色散波長處于1400nm和1650nm之間的范圍內，以及涂層的直徑為125μm，其具有±5％的公差。
8.如權利要求7所述的高非線性光纖模塊，其中單模纖維連接于高非線性光纖的兩端，以及該單模纖維的包層直徑處于80μm和130μm之間的范圍內。
9.如權利要求7所述的高非線性光纖模塊，其中單模纖維連接于高非線性光纖的兩端，以及該單模纖維的包層直徑處于120μm和130μm之間的范圍內。
10.如權利要求7所述的高非線性光纖模塊，其中單模纖維連接于高非線性光纖的兩端，以及該單模纖維的包層直徑處于80μm和105μm之間的范圍內。
11.如權利要求7所述的高非線性光纖模塊，其中高非線性光纖圍繞線軸盤繞，以及線軸的外徑滿足{(L/650W)+d22/df2}+2≤d1≤{(L/650W)+d22/df2+10]]>其中d1是線軸的外徑，L是高非線性光纖的長度，W是線軸的軸環(huán)之間的內部寬度，d2是線軸的內徑，以及df是涂層的直徑。
12.如權利要求7所述的高非線性光纖模塊，其中高非線性光纖圍繞線軸盤繞，以及線軸的內徑處于10mm和60mm之間的范圍內。
13.如權利要求7所述的高非線性光纖模塊，其中高非線性光纖圍繞線軸盤繞，以及線軸的內徑處于10mm和40mm之間的范圍內。
14.如權利要求7所述的高非線性光纖模塊，其中高非線性光纖圍繞線軸盤繞，以及線軸的軸環(huán)之間的內部寬度處于4mm和20mm之間的范圍內。
15.如權利要求7所述的高非線性光纖模塊，其中高非線性光纖圍繞線軸盤繞，以及線軸的軸環(huán)之間的內部寬度處于4mm和10mm之間的范圍內。
16.如權利要求7所述的高非線性光纖模塊，其中高非線性光纖盤繞成環(huán)狀線圈形狀，以及該環(huán)狀線圈形狀的內徑處于10mm和60mm之間的范圍內。
17.如權利要求7所述的高非線性光纖模塊，其中高非線性光纖盤繞成環(huán)狀線圈形狀，以及該環(huán)狀線圈形狀的內徑處于10mm和40mm之間的范圍內。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高非線性光纖，其包括纖芯、環(huán)繞纖芯的包層以及覆蓋包層的涂層。以20mm彎曲直徑彎曲后在1550nm波長上彎曲損耗等于或小于0.01dB/m。在1550nm波長上非線性系數等于或大于10W
文檔編號C03B37/01GK1721896SQ20051008258
公開日2006年1月18日 申請日期2005年7月11日 優(yōu)先權日2004年7月12日
發(fā)明者高橋正典, 廣石治郎, 杉崎隆一, 谷口友規(guī) 申請人:古河電氣工業(yè)株式會社