專利名稱：縱橫比軸向減小的橢圓纖心光纖和制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于通信系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)速率光纖以及制作這種光纖的方法。
人們已經(jīng)知道，當(dāng)傳輸功率處于非線性區(qū)域內(nèi)時，會在光纖中產(chǎn)生孤立子。當(dāng)光孤立子沿光纖傳播時，因為色散與非線性指數(shù)(nonlinear index)的平衡而保持其窄時脈沖。數(shù)學(xué)上這種現(xiàn)象是用著名的非線性Schroedinger方程來描述的。例如，可參見C.Sien的“Concatenated Soliton Fibre Link”(Electronics Letters，第12卷，第237-238頁，1991)。非線性Schroedinger方程中有三個重要的項。這些項與衰耗、群速度色散和非線性指數(shù)有關(guān)。群速度色散與非線性指數(shù)項的平衡因日益受到注意而著名。但是，實際光纖中傳播的脈沖會有衰耗；這會使得孤立子脈沖產(chǎn)生頻率啁啾(frequency chirping)，并且隨后變寬而變成基本上是線性的了。
本文中，術(shù)語“色散”指的是群速度色散，它是材料色散和折射率分布(profile)色散的總和。
人們建議孤立子可以有損耗地殘存于光纖中，如果群速度色散可以近似地與距離成指數(shù)下降的話(見K.Tajima的“Compensation of Soliton Broadening inNonlinear Optical Fibres with Loss”,Optics Letters，第12(1)卷，第54-56頁，1987)。這樣，群速度色散就連續(xù)變化，從而與變化的功率電平一致。該文中指出，這可以通過使光纖逐漸變錐形而改變纖心直徑來完成，并且這樣一種光纖可以通過控制光纖的拉制速度來制造。這樣一種光纖見

圖1所示，其中，光纖3的直徑從大直徑輸入端4到小直徑輸出端5成指數(shù)地減小。光纖3纖心的直徑與光纖的外徑成正比。在Tajima建議的理論例子中，這樣一種光纖的有效纖心直徑在100公里的范圍內(nèi)成指數(shù)地從約10微米變換到約5微米。
色散減小光纖實際上是通過改變光纖的拉制速度而將光纖的外徑從175微米變換到115微米制成的，從而在1公里長度內(nèi)測得的色散從10ps/nm-km減小到1ps/nm-km(V.A.Bogatyrev等人“A single-mpde fibre with chromatic dispersionvarying along the length”,Journal of Lightwave Technology，卷9(5)，第561-566頁，1991)。隨后，該光纖被用來在70Gb/s下產(chǎn)生連續(xù)孤立子脈沖串(S.V.Chernikov“70Gbit/s fibre based source of fundamental孤立子sat 1550nm”，Electronics Letters，第28(13)卷，第1210-1211頁，1992)。
色散減小光纖在超高比特率通信系統(tǒng)中具有應(yīng)用潛力。長度約100米到10公里的色散減小光纖可以用在高比特率孤立子輸入信號的產(chǎn)生中采用的脈沖壓縮系統(tǒng)中。圖2示意描述一部分孤立子通信系統(tǒng)，其中，高比特率脈沖串輸入到放大器7并與色散減小光纖DDF-1耦合。色散隨光纖DDF-1的輸入端a和輸出端b之間的長度成指數(shù)下降。在傳播了一個由最大色散變化限制的距離以后，光信號由放大器8再次放大，并與類似的色散減小光纖DDF-2耦合，色散減小光纖DDF-2在靠近放大器8的地方具有高色散端a，而在靠近放大器9的地方具有低色散端b。光纖DDF-1和DDF-2的建議長度約1-100公里。孤立子傳輸在大于10Gbps的比特率是時可行的。
除了能夠進(jìn)行高數(shù)據(jù)速率的傳輸，孤立子傳輸可以增大可以不作放大而傳送信號的光纖的長度。所以，放大器7和8之間以及放大器8和9之間的距離可以采用合適的色散減小光纖來延伸。
外徑以及纖心直徑變成Tajima和Bogatyrev等人的論文中建議的程度的錐形光纖將引入拼接、測試和光纜連接問題。由于光纖外徑變化，光纖一端的直徑將大于標(biāo)準(zhǔn)單模通信光纖的直徑；這在采用自動融接設(shè)備時產(chǎn)生問題。另外，光纖的大纖心直徑端將具有大于標(biāo)準(zhǔn)光纖的模場直徑(mode field diameter)，因而引入無法接受的拼接損耗。驗證實驗操作由于由本驗證測試機(jī)假設(shè)了固定直徑而變得略微復(fù)雜。同時，彎曲光纖安裝應(yīng)力的計算由于截面積沿光纖長度變化而較復(fù)雜。
發(fā)明概述所以，本發(fā)明的一個目的是提供一種光纖，其中，色散沿光纖長度方向變化，而光纖的外徑基本恒定。另一個目的是提供一種模場直徑相對于色散顯得變化小的色散減小光纖。再一個目的是提供一種制造色散減小光纖的方法，這種光纖中，纖心面積在光纖全長度上基本恒定。再進(jìn)一步的目的是提供一種制造縱橫比縱向可變的橢圓纖心光纖。
簡而言之，本發(fā)明涉及一種橢圓纖心被包層玻璃(cladding glass)包覆的單模光纖。纖心在光纖的一端具有給定的縱橫比，而在光纖的另一端具有小于給定縱橫比的縱橫比。縱橫比在兩個端部之間連續(xù)變化。光纖的長度最好至少100米。
本發(fā)明的光纖可以用作孤立子傳播光纖，用來傳送高比特率脈沖的光信號。
本發(fā)明還涉及制造光纖的方法。形成具有纖心和包層區(qū)域的玻璃拉制毛坯。包層區(qū)域包括縱向延伸的小孔，小孔相對于纖心區(qū)域徑向相對。小孔中的中空空間的截面積相對于沿小孔的縱向距離變化。拉制的拉制毛坯，使之靠近小孔，并形成具有橢圓纖心的光纖。橢圓纖心光纖給定區(qū)域的纖心縱橫比是產(chǎn)生光纖給定區(qū)域的拉制毛坯區(qū)域處小孔內(nèi)中空空間面積的函數(shù)。
附圖簡述圖1是現(xiàn)有技術(shù)孤立子傳播光纖的示意圖。
圖2示意描述的是采用色散減小光纖的孤立子通信系統(tǒng)。
圖3是可以拉制成橢圓纖心光纖的預(yù)制件的截面圖。
圖4是用圖3所示預(yù)制件拉制橢圓纖心光纖的示意圖。
圖5是用圖3和圖4的方法產(chǎn)生的橢圓纖心光纖的截面圖。
圖5a是橢圓纖心半長軸(semi-major axis)和半短軸(semi-minor axix)的圖。
圖6是可以處理形成圖3的拉制毛坯的預(yù)制件的截面圖。
圖7是拉制具有不同縱橫比長度的橢圓纖心光纖的拉制毛坯的截面圖。
圖8是沿圖7所示線8-8取得的截面圖。
圖9是色散位移的單模光纖的折射率分布曲線。
圖10是歸一化色散(De/Drnd)隨纖心縱橫比而變化的圖。
圖11是用來拉制具有連續(xù)變化縱橫比的橢圓纖心光纖的拉制毛坯的截面圖。
圖12是拉制多錐形玻璃棒的示意圖。
圖13是修改的拉制毛坯的截面圖。
圖14是另一個實施例的局部截面圖。
圖15描繪的是非線性錐形玻璃棒。
較佳實施例的描述在色散減小光纖的潛在應(yīng)用中，最好使光纖輸入端和輸出端之間的色散變化受控制。另外，為了進(jìn)行孤立子傳輸，色散必須保持正值，并且在光纖的輸出端很小或為零。還必須考慮其他的光纖特征，如模場直徑，這是因為影響色散的折射率變化也可以影響模場直徑。
本發(fā)明的色散減小光纖具有一個橢圓纖心(從垂直于光纖中心縱軸的平面看時)。這樣一種光纖的縱橫比是b/a，這里，b和a分別是橢圓纖心的半長軸和半短軸?？v橫比在色散減小光纖的輸入端最大，朝著輸出端方向減小。這就提供了從輸入端處相對大的色散到輸出端處相對低的或為零的色散所需的單調(diào)變化。光纖輸出端處纖心的截面形狀可以是圓形的，即，b/a等于1。
形成橢圓纖心光纖的方法見本文中作為參考文獻(xiàn)的美國專利5,149,349。參見圖3和圖4，圓柱形拉制毛坯10分別具有纖心和包層區(qū)域11和12。纖心和包層區(qū)域可以由形成光纖所采用的常規(guī)材料形成。這些材料的突出特點是，纖心材料的折射率必須大于包層材料，并且兩種材料必須在波導(dǎo)所工作的波長下具有低的損耗。
小孔13通過平行于纖心區(qū)域11的中央縱軸的毛坯10縱向延伸。圖中的小孔截面是呈圓形的，其截面結(jié)構(gòu)也可以是除圓形以外的其他形狀。
為了拉制縱橫比縱向恒定的橢圓纖心光纖，將拉制毛坯10放在傳統(tǒng)的拉制爐內(nèi)(圖4)。牽引機(jī)17從加熱元件16加熱到拉制溫度的毛坯10的底部拖拉光纖15。小孔13閉合的趨勢是拉制速率和玻璃粘度的函數(shù)。拉制光纖的毛坯根部的粘度取決于爐子溫度和玻璃成份。如果毛坯加熱部分的粘度充分低并且拉制速度充分慢，則在拉制過程中小孔13將自然閉合。由于小孔在排空時更容易閉合，所以拉制速度可以通過在毛坯的上端附上一個真空附件18來提高。真空還使得高溫光纖拉制期間纖心被羥基污染的可能性減小。
當(dāng)小孔13閉合時，它們由包層玻璃所替代。當(dāng)半徑小于小孔的玻璃向外徑向流入小孔時，纖心區(qū)域11的截面變得細(xì)長。生成的橢圓纖心光纖15的截面包括包層22和長方形纖心21如圖5所示。橢圓纖心的橢圓度或縱橫比取決于小孔的大小和小孔與纖心之間的間隔。假設(shè)拉制毛坯10中小孔13的截面積為A，并且與纖心11的距離為S。再假設(shè)這些參數(shù)使得纖心的橢圓度為X∶1。如果S增加，而所有其他參數(shù)保持不變，則光纖纖心橢圓度小于X∶1。如果A增加，而所有其他參數(shù)保持不變，則纖心橢圓度大于X∶1。使拉制光纖保持預(yù)制件的圓形形狀而使A和S的值充分小，可以得到合適的橢圓度值。某些應(yīng)用場合最好采用圓形光纖。在間隔略大于S而面積略大于A的情況下，橢圓度也可以是X∶1，美國專利5,149,349中揭示了一種制作圖3所示拉制光纖的方法,其中，(a)小孔13在拉制毛坯的整個縱軸方向平行于纖心，并且(b)小孔13的截面積以及與纖心的間距沿縱向是均勻的，以便提供在其長度方向上具有均勻特性的光纖15。采用這種修改的方法形成具有不同纖心縱橫比的多個光纖。這一研究得出，給定波長下的色散是縱橫比的函數(shù)。
制作上述研究的拉制毛坯的方法如圖6-8所示。參照圖6，一開始形成玻璃單模纖心預(yù)制件30，即，纖心31的直徑與包層32的直徑之比大于從預(yù)制件拉制單模光纖所需的直徑之比。為了從這樣一個纖心預(yù)制件30形成單模光纖，通常在外面再包覆一層附加包層玻璃，以提供要求的纖心直徑與包層直徑之比。
由于孤立子要求工作在低損耗下，所以，最好工作在1550nm的電磁頻譜區(qū)域內(nèi)，在該電磁頻譜區(qū)域內(nèi)，二氧化硅基光纖的損耗極低。按照美國專利4,715,679中的原理制成的色散偏移光纖可以設(shè)計成在約1550nm下為零色散。色散偏移光纖的進(jìn)一步討論見T.D.Croft等人“Low-Loss Dispersion-Shifted Single-ModeFibre Manufactured by OVD Process”(Journal of Lightwave Technology，第5期，第LT-3卷，第9313-934頁，1985年10月)；以及V.A.Bhagavatula等人“Bend-Optimized Dispersion-Shifted Single-Mode Designs”(Jourral of LightwaveTechnology，第5期，第LT-3卷，第954-957頁，1985年10月)。
圖9示出的是在1550nm下呈現(xiàn)零色散的典型市售色散偏移光纖的折射率分布曲線。光纖纖心包含一個中央纖心區(qū)域CC，該區(qū)域與外環(huán)OR隔開一個折射率成小的區(qū)域DR。中央三角形區(qū)域CC的直徑為7.20微米，環(huán)OR的內(nèi)徑和外徑分別為10.08微米和12.94微米。區(qū)域CC和OR的折射率峰值(表述為Δp)分別為0.9％和0.3％。Δp項是纖心相對于包層的相對折射率，并由下式給出Δp=(n12-n22)/2n12式中，n1是纖心區(qū)域的峰值折射率，而n2是包層的折射率。為了簡化表述，Δ往往表示成百分比，即，100乘以Δ。要指出的是，某些生產(chǎn)光纖的工藝會在光纖中心線處產(chǎn)生折射率減小。在這樣一種光纖中，n1指的是中央纖心區(qū)域在中心線以外的地方的最大折射率。
為了在頻譜的1550nm區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)低損耗、低色散工作，選擇上述色散偏移型的纖心預(yù)制件(圖9)。在包層32中纖心31的相對側(cè)，研磨沿縱向延伸的凹槽34。研磨以后，最好對凹槽預(yù)制件進(jìn)行刻蝕和清洗，去掉特定的物質(zhì)。開始時為便于后續(xù)處理而將含凹槽纖心預(yù)制件的直徑制得很大，所以，將它插到傳統(tǒng)的拉制爐內(nèi)進(jìn)行拉制，將其直徑減小到約18.5毫米。
二氧化硅底管(cladding tube)47分別具有內(nèi)徑19毫米和外徑25毫米。使底管47的一端呈錐形，將玻璃插頭63熔融到錐形端上。隨后將底管47的端部安裝到一車床上，相對于煙垢沉淀爐(soot deposition burner)旋轉(zhuǎn)和平移。在底管47上沉淀出二氧化硅煙垢(silica soot)顆粒，從而建立起多孔包層(costing)48。把凹槽纖心預(yù)制件30插入相對于錐形端的底管47的端部，直到與錐形端接觸形成組件520。隨后使插入預(yù)制件30的底管47的端部成錐形，并在固化爐中熔融到適合支承組件52的手柄上。將組件52降入到固化爐中，通過氯氣和氦氣的干燥氣體混合物燒結(jié)。
隨著包層48的固化，它向底管47施加一個向內(nèi)的徑向力，從而迫使該底管向內(nèi)壓向預(yù)制件30。生成的固化組件包含由包層包覆的纖心。原始的包層區(qū)32和底管47是完全熔融在一起的，并且多孔包層48被完全燒結(jié)和熔融到底管47上。高溫固化期間，凹槽成圓形，并形成如圖10所示的小孔56。
截斷固化組件64的一端(圖7的上部)，從而可以插入二氧化硅棒。
將截面成圓形的二氧化硅棒57、58和59順序插入小孔56內(nèi)。由于小孔56的端部呈錐形，所以棒57不能插到比圖中所示位置更遠(yuǎn)的地方。在插入棒以后，將錐形管65熔融到組件64的端部，并且將手柄66熔融到管65上。棒59和固化組件端部60之間小孔56的上端保持中空。棒58的截面積大于棒59的截面積，棒57的截面積大于棒58的截面積。給定棒的填充因子是小孔56的截面積與棒的截面積之比。棒57的截面積大到足以填滿小孔56，從而計算的填充因子為1.0。棒58和57的填充因子分別是0.671和0.34。小孔56上部的中空區(qū)域的填充因子為零。
將生成的拉制毛坯64插入拉制爐內(nèi)，并且將真空附件與手柄66相連，對小孔抽真空。隨后從預(yù)制件拉制出光纖。
將從含有棒57(填充因子=1)的拉制毛坯部分產(chǎn)生的一部分光纖繞到線軸(spoo1)12上。將從已經(jīng)計算了填充因子為0.671、0.34和0的那些拉制毛坯部分得出的光纖部分分別繞到編號為14、16和21的線軸上(見表1)。
從圖7所示拉制毛坯64拉制得到的單模、色散偏移光纖的某些特性列在表1中，其中，色散以psec/nm·km表示。
表1線軸編號nm計算填充因子長度(m)縱橫比色散1550nmDe/Drnd MFD150012120001.053.88 0.99 7.614 0.671 34001.264.68 1.19 7.6516 0.34 10001.615.28 1.34 7.6521051502.455.36 1.36 8.08從表1看到，在1550nm下的色散隨縱橫比的增加而增加。
纖心橢圓度對色散的影響如圖10所示，其中，De/Drnd是縱橫比的函數(shù)?！癉e”項和“Drnd”項分別指的是橢圓纖心光纖和圓形纖心光纖的色散。曲線DS指的是測得的色散偏移光纖，而曲線S指的是對階躍折射率光纖計算的結(jié)果。
從表1看到，模場直徑(MFD)不是縱橫比的強函數(shù)。這意味著，恰當(dāng)設(shè)計的低色散光纖不會因模場直徑與標(biāo)準(zhǔn)光纖不一致而具有不同的拼接損耗。
為了拉制出在給定波長下色散從一端到另一端逐漸減小的光纖，纖心縱橫比也必須逐漸減小。這可以通過從纖心的相對側(cè)上具有小孔的拉制毛坯拉制出光纖來實現(xiàn)，小孔中中空區(qū)域的截面積從一端到另一端減小。
拉制單模色散減小光纖的合適的預(yù)制件如圖11所示，圖中，與圖7中相似的元件用相同的標(biāo)號表示。將錐形包層玻璃棒70插入小孔56中，以參照圖7中描述的方式拉制生成的拉制毛坯。棒70最好具有與包層區(qū)域54相同的結(jié)構(gòu)成份。例如，棒和包層都可以用純二氧化硅形成。
從填充因子基本上等于1的拉制毛坯底部62得到的光纖的第一拉制端具有大體呈圓形的纖心，因此色散最低。從填充因子大體為零的上面部分60得到的光纖的最后拉制端的纖心具有最大的橢圓度，因此具有最大的色散。由于纖心橢圓度在光纖的第一端和最后端之間逐漸增大，所以，色散也逐漸增大。
錐形棒70可以在如圖12所示的傳統(tǒng)的拉制爐中形成。玻璃柱75懸掛在爐中，玻璃柱75的頂部由裝置76加熱。二氧化硅棒78的一端熔融到玻璃柱的下端，而棒的另一端由電機(jī)驅(qū)動的牽引機(jī)79夾住。錐形棒70在拉制操作期間通過改變牽引機(jī)的速度來拉制。恰當(dāng)改變牽引機(jī)的速度，可以形成所要求的錐度，從而可以按照要求得到色散和光纖長度之間的關(guān)系。
光纖可以從大的拉制毛坯更有效地拉制而成。例如，可以拉制長度在5公里到50公里之間的色散減小光纖。用如圖11所示單個拉制毛坯拉制這一范圍內(nèi)的長度的單個光纖成本較高。
能夠拉制許多色散減小光纖的拉制毛坯如圖13所示，圖中，與圖7中相似的元件用相同的標(biāo)號表示。每一玻璃棒80具有多個錐形段，每一錐形段能夠形成一個色散減小光纖。在所示的實施例中，可以拉制六段色散減小的光纖。
圖14是可以堆積在拉制毛坯包層區(qū)域85的小孔84中的分離的錐形棒86。圖15示出棒可以非線性地成錐形。
權(quán)利要求
1．一種光纖，其特征在于，所述光纖包含由包層玻璃包圍的橢圓纖心，所述纖心在所述光纖的一端具有給定的縱橫比，而在所述光纖另一端的縱橫比小于所述給定縱橫比，所述縱橫比在所述兩端之間連續(xù)變化。
2．如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述光纖的長度至少為100米。
3．一種光纖，其特征在于，所述光纖包含由包層玻璃包圍的橢圓纖心，所述纖心在所述光纖的一端具有給定的縱橫比，而在所述光纖另一端的縱橫比小于所述給定縱橫比，所述兩端之間的所述光纖的長度至少為100米。
4．如權(quán)利要求3所述的光纖，其特征在于，所述光纖的長度至少為1公里。
5．一種傳送高比特率脈沖光信號的孤立子傳播光纖，其特征在于，所述光纖包含由包層玻璃包圍的橢圓纖心，所述纖心在所述光纖的一端具有給定的縱橫比，而在另一端的縱橫比小于所述給定縱橫比。
6．如權(quán)利要求5所述的光纖，其特征在于，所述光纖的長度至少為1公里。
7．一種制作光纖的方法，其特征在于，它包含下述步驟形成具有纖心區(qū)域、包圍所述纖心區(qū)域的包層區(qū)域以及在所述包層區(qū)域內(nèi)徑向相對于所述纖心區(qū)域沿徑向延伸的小孔的玻璃拉制毛坯，所述小孔內(nèi)中空區(qū)域的截面積隨沿所述小孔的縱向距離而變，拉制所述生成的拉制毛坯，使之閉合所述小孔，并形成具有橢圓纖心的光纖，橢圓纖心光纖給定區(qū)域的纖心縱橫比在產(chǎn)生所述光纖給定區(qū)域的拉制毛坯區(qū)域處的所述小孔內(nèi)是所述中空區(qū)域的面積的函數(shù)。
8．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述中空部分的截面積沿所述拉制毛坯的縱軸順序增大和減小。
9．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，形成所述玻璃拉制毛坯的步驟包含形成具有纖心區(qū)域、包圍所述纖心區(qū)域的包層區(qū)域以及在所述包層區(qū)域內(nèi)徑向相對于所述纖心區(qū)域沿徑向延伸的柱形小孔的玻璃拉制毛坯，所述每一小孔的截面積隨沿其縱向長度大體不變，以及在每一小孔內(nèi)插入一玻璃棒，所述棒沿其長度方向具有非均勻的截面積，沿所述拉制毛坯方向的任一縱向位置處，所述小孔的所述大體不變的截面積與所述棒的截面積之差構(gòu)成所述位置處中空部分的面積。
10．如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，每一所述棒的截面積沿所述拉制毛坯的縱軸順序增大和減小。
11．如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，形成所述玻璃拉制毛坯的步驟包含在具有由包層玻璃包覆的玻璃纖心的柱形纖心預(yù)制件的徑向相向側(cè)上形成縱向凹槽，在玻璃管的外表面上淀積玻璃顆粒，將所述纖心預(yù)制件插入所述玻璃管內(nèi)，加熱所述生成組件，使所述顆粒固化，從而在所述玻璃管上施加一個徑向向內(nèi)的力，使所述加熱的玻璃管收縮并熔融到所述纖心預(yù)制件上，從而形成具有平行于所述纖心的縱向小孔的固化組件，以及將所述玻璃棒插入所述小孔內(nèi)。
12．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在所述拉制步驟前，所述方法包含對所述小孔抽真空。
13．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述棒的折射率與所述包層玻璃的折射率大體是相同的。
全文摘要
一種適合于孤立子傳輸?shù)膯文E圓纖心光纖(15),具有沿所述光纖長度變化的纖心縱橫比,用以提供沿光纖一端到另一端單調(diào)下降的光纖色散。光纖預(yù)制件(30)是從具有被包層玻璃(12)包覆的玻璃纖心(11)并具有與纖心(11)徑向相對的小孔(13)的拉制毛坯(10)拉制而成的,小孔(13)內(nèi)中空部分的截面積隨著沿小孔方向的縱向距離而變。
文檔編號C03B37/027GK1216616SQ97193985
公開日1999年5月12日 申請日期1997年4月11日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月23日
發(fā)明者羅伯特·M·霍克 申請人:康寧股份有限公司