專利名稱：在鉺放大器區(qū)域中具有負(fù)色散及低斜率的光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖，并且尤其涉及適用于色散補(bǔ)償?shù)墓鈱W(xué)通信系統(tǒng)中的光纖。
由于一根光纖上可利用的巨大的帶寬，光學(xué)傳輸已經(jīng)成為通信技術(shù)的寵兒。這樣的帶寬使得能夠在一根通常由高質(zhì)量的玻璃材料制成的頭發(fā)細(xì)的光纖上同時(shí)傳輸數(shù)千個(gè)電話會(huì)話和數(shù)百個(gè)電視信道。在WDM系統(tǒng)中一根光纖上的傳輸容量被增加了，其中幾個(gè)信道被多路復(fù)用到一根光纖上——每個(gè)信道工作在一個(gè)不同的波長。但是，在WDM系統(tǒng)中，信道間的非線性的相互作用，例如4-光子混合，嚴(yán)重減小了系統(tǒng)容量。該問題在很大程度上已經(jīng)被美國專利5,327,516解決了，它公開了一種光纖，通過在工作波長處引入少量色散，減小了這些非線性的相互作用。因此，一根光纖需要為每個(gè)WDM信道提供少量色散。雖然為了使4-光子混合最少需要色散的存在，但是由于不同的波長以不同的速度在光纖中傳播，色散會(huì)造成脈沖擴(kuò)展，因此又是不希望的。幸運(yùn)的是，脈沖擴(kuò)展可以通過色散補(bǔ)償技術(shù)處理，其中正負(fù)色散的光纖的交替部分串連在一起。通常，對(duì)于大約50千米以內(nèi)的通信系統(tǒng)不需要色散補(bǔ)償。
用于制造光纖的玻璃材料(接近純硅-SiO2)的質(zhì)量已經(jīng)有了重要的進(jìn)步。1970年，玻璃光纖的可接受的損耗在20dB/km的范圍；而現(xiàn)在，損耗通常低于0.25dB/km。實(shí)際上，玻璃光纖的理論最小損耗約為0.16dB/km，并且是在大約1550納米(nm)的波長處。特性看起來有利于該波長區(qū)域的光學(xué)傳輸，因?yàn)檫@是鉺摻雜光纖放大器工作的波長區(qū)域，并且鉺摻雜光纖放大器已經(jīng)成為可用的最實(shí)用的光學(xué)放大器。在這樣一個(gè)放大器中，光纖內(nèi)的鉺離子在第一波長區(qū)域(例如980nm)被“泵浦”能量，然后當(dāng)鉺離子被第二波長區(qū)域(例如1530-1565nm)中的光學(xué)信號(hào)激發(fā)時(shí)，該能量被釋放到該第二波長區(qū)域。
光纖設(shè)計(jì)中涉及的許多考慮必須進(jìn)行必要的綜合以提供商業(yè)上可接受的產(chǎn)品。通常需要傳輸損耗??；光纖能夠承受適度的彎曲而不表現(xiàn)過度的損耗；光纖在預(yù)定的波長區(qū)域具有已知的色散；色散斜率較低；以及光纖具有的截止波長適合于系統(tǒng)波長處的單模式傳輸。如上所述，高質(zhì)量的玻璃材料已經(jīng)有了很大發(fā)展，能夠提供低傳輸損耗，但是高質(zhì)量玻璃本身不足以滿足現(xiàn)代光纖的所有所需的特性。許多特性需要由描述光纖折射率如何隨距其中心軸的距離的函數(shù)變化的光纖折射率分布決定。描述該折射率分布的參數(shù)通常是指玻璃最外的折射率。折射率分布的理想化模型常常包括不同折射率的軸對(duì)稱環(huán)。但是，改變?nèi)我庖粋€(gè)環(huán)的大小或形狀通常影響該光纖的不止一個(gè)特性(例如色散斜率可能減小，但傳輸損耗增加)；并且創(chuàng)造既能夠提供所有所需特性又容易制造的的折射率分布是一項(xiàng)重大的設(shè)計(jì)成果。
例如，美國專利5,878,182公開了在鉺放大器區(qū)域中具有低斜率的正和負(fù)色散光纖的設(shè)計(jì)。并且雖然這些設(shè)計(jì)能夠有效地得到一個(gè)所需的結(jié)果，但是該專利的圖3C中所示的負(fù)色散光纖的制造公差比所需的更嚴(yán)格。
在鉺放大器區(qū)域上提供低色散斜率的另一個(gè)光纖具有類似環(huán)形的折射率分布，這在OFC’95技術(shù)文摘的259-260頁，名稱為“用于高比特率和多波長系統(tǒng)的色散移位的單模式光纖”的文章中顯示。該設(shè)計(jì)由一環(huán)高折射率材料包圍著低折射率材料的芯構(gòu)成。但是，這樣一個(gè)折射率分布將似乎比所需的具有更高的傳輸損耗和/或更高的彎曲靈敏度。
因此，所需的但似乎未在現(xiàn)有技術(shù)中公開的是一種容易制造的光纖，顯示低傳輸損耗、低彎曲靈敏度以及在鉺放大器區(qū)域具有低斜率的負(fù)色散。
現(xiàn)有技術(shù)的問題可以通過一種光纖克服，該光纖在中央芯區(qū)以及外包層之間具有兩環(huán)受控折射率材料的折射率分布。第一環(huán)與中央芯相鄰，其折射率比包層的折射率低。第二環(huán)與包層相鄰，其折射率比包層的折射率高。特別地，芯的標(biāo)稱折射率為n1，包層的標(biāo)稱折射率為n2，第一環(huán)的標(biāo)稱折射率為n3，第二環(huán)的標(biāo)稱折射率為n4。折射率分布表示如下中央芯區(qū)0.45＜(n1-n2)/n2＜0.58；第一環(huán)-0.09＜(n3-n2)/n2＜-0.05；以及第二環(huán)0.20＜(n4-n2)/n2＜0.28。
此外，第一環(huán)的寬度約為4.5±1.5微米。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過構(gòu)造第一環(huán)作為較寬而淺的槽的下凹折射率材料，可以容易地制造一個(gè)在鉺放大器區(qū)域具有低斜率的負(fù)色散光纖。
在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，光纖的色散比大約-0.8ps/(nm-km)更負(fù)，理想地為-3.0±1.7ps/(nm-km)，并且在1530-1565nm的波長區(qū)域內(nèi)斜率小于0.05ps/(nm2-km)。第一環(huán)包含氟摻雜以減小折射率。
本發(fā)明的負(fù)色散光纖示例性地用于具有色散補(bǔ)償?shù)腤DM系統(tǒng)，其總長度大于50km。有利的是，光纖在1550nm處的平均傳輸損耗約為0.20dB/km；有效區(qū)域大于50μm2，折射率分布使其對(duì)彎曲損耗較不敏感。
參考附圖閱讀以下詳細(xì)描述可以更清楚地理解本發(fā)明及其工作模式，其中

圖1是具有兩個(gè)保護(hù)性涂層的已知光纖的透視圖；圖2是一個(gè)色散平化的光纖的綜合色散作為波長的函數(shù)的圖，顯示其材料色散及波導(dǎo)色散成分；圖3A是一個(gè)無涂層光纖的剖視圖，顯示幾層不同折射率的材料；圖3B公開了一種已知光纖的折射率分布；圖3C公開了根據(jù)本發(fā)明的一種光纖的折射率分布；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一種光纖的色散作為波長的函數(shù)的圖，顯示其材料色散及波導(dǎo)色散成分；圖5是本發(fā)明的光纖的色散圖，顯示其在鉺放大器區(qū)域的詳細(xì)特性；圖6是包含根據(jù)本發(fā)明的幾組光纖的纜線的透視圖；以及圖7公開了一種工作在包含正和負(fù)色散光纖以及鉺摻雜光纖放大器的一個(gè)傳輸路徑的四信道WDM系統(tǒng)。
多種機(jī)制限制光纖的帶寬。在多模式光纖中，例如，存在模式色散，在模式色散中進(jìn)入光纖一端的光脈沖當(dāng)從光纖另一端出來時(shí)被擴(kuò)展了。這是因?yàn)槎嗄９饫w支持一個(gè)特定波長的數(shù)百種不同模式(路徑)。并且當(dāng)不同模式在光纖的另一端合并時(shí)，凈結(jié)果是脈沖擴(kuò)展(色散)，這是不希望的。除非另外聲明，色散是指色散或“線性”色散。傳統(tǒng)上，在短波輻射速度大于長波輻射的條件下認(rèn)為色散的符號(hào)為正。
光纖也可以被設(shè)計(jì)成僅支持一個(gè)特定波長的基模(LP01)。這樣的光纖稱為“單?！?。其帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多模光纖并且能夠以成比例的更快的速度傳輸光學(xué)信號(hào)。然而，對(duì)于小于LP11截止波長的波長，單模式光纖的作用就象多模光纖一樣。LP11截止波長由芯半徑(a)、折射率(n)以及分?jǐn)?shù)芯/包層折射率差(Δ)決定。實(shí)際上，當(dāng)Δ和a減小時(shí)，在大于LP11截止波長的波長處傳播的模式越來越少直到僅一個(gè)模式傳播。因此，LP11截止波長需要比將被傳輸?shù)牟ㄩL小一個(gè)合適的量。
在制造光纖時(shí)，一個(gè)玻璃預(yù)制棒垂直懸掛并以可控的速率進(jìn)入一個(gè)熔爐。該預(yù)制棒在熔爐中軟化并且一根光纖通過位于拉制塔的底部的絞盤從該預(yù)制棒的熔化端自由拉出。(盡管拉出的光纖的直徑比該預(yù)制棒小數(shù)千倍，但是具有相同的折射率分布！)因?yàn)椴ＡЧ饫w的表面容易被磨損，所以有必要在光纖拉出后但暴露給污染物或磨損之前涂覆涂層。既然涂覆涂層材料必須不損壞玻璃表面，因此涂層材料是在液態(tài)涂覆的。一旦被涂覆，涂層材料必須在玻璃光纖達(dá)到絞盤之前固化。這典型地通過光固化在短暫的時(shí)間間隔內(nèi)完成，在光固化過程中液態(tài)涂層材料通過暴露在電磁輻射下而轉(zhuǎn)化成固態(tài)。圖1公開了一種雙涂層的光纖110，其結(jié)構(gòu)適用于本發(fā)明。如圖所示，兩層涂層材料被涂覆在拉出的光纖10上，光纖10包括一個(gè)傳光芯11和包層14。包層光纖10直徑約為125μm。內(nèi)層111，稱為第一涂層材料，被涂覆到玻璃光纖10；外112，稱為第二涂層材料，被涂覆到第一涂層材料111。第二涂層材料通常具有較高的模量(例如109Pa)以耐操作，而第一涂層材料具有較低的模量(例如106Pa)以提供減小微彎曲損耗的緩沖?？梢栽诘谝煌繉舆€是濕的時(shí)候涂覆第二材料，然后兩個(gè)涂層通過電磁波譜的紫外區(qū)域的輻射同時(shí)固化。
圖2顯示一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的光纖的色散，并且特別地顯示如何通過材料和波導(dǎo)色散成分的加法合并形成一個(gè)綜合色散平化的特性23。(色散平化的光纖通常在兩個(gè)波長——例如1400nm和1700nm處具有零色散。)回想起材料色散本質(zhì)上與制造光纖時(shí)使用的實(shí)際材料有關(guān)。這里，材料色散21與硅玻璃有關(guān)。另一方面，波導(dǎo)色散22是折射率分布的函數(shù)。波導(dǎo)色散不象材料色散，它可以在一定限度內(nèi)由設(shè)計(jì)工程師整形。這個(gè)特定的折射率分布已經(jīng)被用于色散平化光纖的設(shè)計(jì)中，其中在1400-1700nm的寬波長區(qū)域上色散被減小。
現(xiàn)在參考圖3A，它通常公開了一個(gè)無涂層玻璃光纖30的截面，顯示多個(gè)層31-34——每層具有不同的折射率用于修改光纖的波導(dǎo)色散特性。圖3A建議層之間折射率的變化要急劇，盡管不是必須這樣。折射率的漸變更常見并且這種光纖稱為漸變折射率光纖。然而，為了便于理解本發(fā)明，顯示了急劇的變化。應(yīng)理解到本發(fā)明也考慮了漸變折射率光纖。
光纖30包括一個(gè)中央芯區(qū)31，其折射率標(biāo)稱為n1。中央芯區(qū)31被標(biāo)稱折射率n3的第一環(huán)32包圍，而第一環(huán)又被標(biāo)稱折射率n4的第二環(huán)33包圍。標(biāo)稱折射率n2的外包層34包圍著第二環(huán)。注意到圖3A不是按比例的，因?yàn)榘鼘?4的直徑約為125微米，而中央芯區(qū)31的直徑僅約為8微米。
比起使用折射率的實(shí)際值繪制折射率分布圖，我們很容易顯示其分布作為歸一化的折射率差Δ1、Δ2和Δ3的函數(shù)，折射率差Δ1、Δ2和Δ3的定義如下Δ1≈(n1-n2)/n2×100％Δ2≈(n3-n2)/n2×100％Δ3≈(n4-n2)/n2×100％圖3B公開了用于在鉺放大器區(qū)域具有低斜率的負(fù)色散光纖的一種已知的折射率分布(見美國專利5,878,182)。該光纖包括外徑為b1內(nèi)徑為b2的第一環(huán)。該環(huán)的實(shí)際寬度(b2-b1)僅約為1.8微米，考慮到制造公差，該寬度比較窄。使用圖3C所示的折射率分布實(shí)現(xiàn)了重大的改進(jìn)，它根據(jù)本發(fā)明提供了一種容易制造的、在鉺放大器區(qū)域具有低斜率以及低彎曲損耗的負(fù)色散光纖。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對(duì)于Δ1、Δ2和Δ3在一段范圍值內(nèi)實(shí)現(xiàn)了這些光纖特性，其中0.45＜Δ1＜0.58；-0.09＜Δ2＜-0.05；以及0.20＜Δ3＜0.28此外，第一環(huán)有外徑c2、內(nèi)徑c1使得環(huán)的寬度(c2-c1)約為4.5±1.5微米。
在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，Δ1＝0.52，Δ2＝-0.08，Δ3＝0.24。同樣在該最佳實(shí)施例中，不同層的半徑為c1＝2.7μm；c2＝7.2μm；c3＝9.0μm。圖3C中公開的折射率分布包括鍺摻雜的硅芯、氟摻雜的第一環(huán)、鍺摻雜的第二環(huán)以及純硅的外包層。但是，應(yīng)當(dāng)理解到芯和包層不是必須以這種方式構(gòu)造，因?yàn)槭钦凵渎实南鄬?duì)差異提供了本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。例如，芯可以由純硅制成，而環(huán)和包層可以具有不同程度的氟摻雜。
適用于本發(fā)明的一種光纖的規(guī)格表已經(jīng)研究出來了。但是，它并未試圖限定可接受的光纖的整個(gè)范圍，而僅是提出作為示例。
示例性光纖規(guī)格表1550nm處的衰減≤0.21dB/km(平均)模式場直徑8.4±0.6微米(1550nm)芯偏心率 ＜0.8微米包層直徑 125±1.0微米截止波長 ＜1450nm(2m參考長度)色散 -3.0±1.7ps/(nm-km)(1530-1565nm)色散斜率 ＜+0.05ps/(nm2-km)(平均)宏彎曲＜0.5dB，1550nm處(1圈，32mm)宏彎曲＜0.1dB，1550nm處(100圈，75mm)
涂層直徑 250±10微米篩選試驗(yàn) 200kpsi合適的制造步驟的詳細(xì)描述可以容易地得到。預(yù)制棒可以是整體的或復(fù)合的。芯區(qū)理想地通過改型的化學(xué)蒸汽沉積或通過使用碳黑化學(xué)的一個(gè)步驟——外蒸汽沉積或蒸汽軸向沉積制成。已知的步驟(例如用于包層、外包層(overclading)、涂層、成纜等)不受光纖設(shè)計(jì)的影響。
圖4公開了根據(jù)本發(fā)明的一種光纖的色散特性43。特別地，它公開了如何通過材料和波導(dǎo)色散成分41、42加法合并形成低色散斜率。盡管圖2中用于色散平化的光纖的波導(dǎo)色散曲線22還顯示了一個(gè)負(fù)斜率，但是材料色散在長波處迅速增加以形成第二零色散(在1700nm處顯示)及平坦的綜合色散曲線23。但是，這樣的平化實(shí)際是當(dāng)基模開始有效截止時(shí)造成的，并且這將導(dǎo)致不希望的高彎曲損耗。
圖5是正色散光纖43-1，以及具有圖3C所示的折射率分布的負(fù)色散光纖43-2的色散圖。每種光纖的平均損耗在1550nm處低于0.21dB/km；有效面積大于50μm2；在鉺摻雜光纖放大器服務(wù)的波長區(qū)域(1530-1565nm)每種光纖的色散的絕對(duì)值大于0.8ps(nm-km)。更重要的是，每種光纖的色散斜率在1550nm處低于大約0.05ps/(nm2-km)。這些特性使得光纖43-1、43-2在用于鉺放大器區(qū)域上需要低損耗和小色散的WDM信號(hào)傳輸時(shí)很理想。(為了比較，一個(gè)未移位的硅光纖在約1310nm處具有零色散點(diǎn)λ0，在1550nm處的色散約為+17ps/(nm-km)，在1550nm處的色散斜率約為0.095ps/(nm2-km)。)圖6提供關(guān)于根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造一個(gè)實(shí)際的纜線的詳圖。光纜600包括兩束光纖，使用線包扎帶606松散地纏繞，以形成一個(gè)可以確認(rèn)的單元。其中一束最好包括正色散光纖30-1，而另一束最好包括負(fù)色散光纖30-2——如美國專利5,611,016中所述。并且雖然理想地是將正和負(fù)色散光纖分成單獨(dú)的組或單元，但是在本發(fā)明的實(shí)踐中不是必要的。這些光纖束位于管狀部件605內(nèi)，例如由絕緣材料例如聚氯乙烯或聚乙烯制成。管狀部件605周圍的是一個(gè)護(hù)套系統(tǒng)，包括吸水帶603；塑料護(hù)套601，示例性地由聚乙烯材料制成；以及強(qiáng)度部件602-602，示例性地由鋼或環(huán)氧樹脂浸制的玻璃纖維制成。強(qiáng)度部件用于消除或減小在操作或正常服務(wù)過程中可能另外加到光纖上的壓力，并且可以以任意已知方式包括在纜線600中。裂索(rip cord)604，由Kevlar塑料制成，幫助除去整個(gè)護(hù)套系統(tǒng)601-603。典型地，填充材料位于管狀部件605內(nèi)，為包含在其中的光纖提供緩沖，由此保護(hù)它們避免微彎損耗。
圖7公開了根據(jù)本發(fā)明的一種WDM系統(tǒng)700。它包括四個(gè)發(fā)射機(jī)71-74，用四個(gè)不同的基帶信號(hào)調(diào)制1530-1565nm區(qū)域中的四個(gè)預(yù)定的波長。被調(diào)制的波長然后通過一個(gè)無源的4∶1耦合器75合并，并被引入一根光纖傳輸線30-1、30-2，包括一個(gè)光學(xué)放大器710——最好是一個(gè)鉺摻雜的光纖放大器。在圖7的實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明，光纖傳輸線30-1由一個(gè)預(yù)定長度的正色散光纖組成，而光纖傳輸線30-2由一個(gè)預(yù)定長度的負(fù)色散光纖組成。在接收器端，四個(gè)信道被解復(fù)用器85根據(jù)其波長分離，并且由接收器81-84處理，以提取各基帶信號(hào)。
盡管顯示和描述了不同的特定實(shí)施例，但是在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行變型也是可能的。這些變型包括，但不限于，在相鄰層間逐漸變小的折射率分布(例如漸變折射率分布)；改變層的寬度；使用不同摻雜的材料以獲得相同的一般折射率分布形狀；以及使用塑料材料，而不是玻璃，用于制造光纖。應(yīng)注意到在許多實(shí)際光纖中，由于在制造光纖過程中使用的生產(chǎn)步驟，在芯區(qū)的中央存在折射率降低。此外，應(yīng)理解到圖3C顯示了一種理想化的分布，本發(fā)明包括在相鄰環(huán)之間具有逐級(jí)過渡的折射率分布。
權(quán)利要求
1.一種玻璃光纖[30]，對(duì)于在區(qū)域1530-1565nm內(nèi)的所有波長，其具有的色散比大約-0.8ps/(nm-km)更負(fù)，該光纖包括具有最大折射率n1的一個(gè)中央芯區(qū)[31]，以及在所述玻璃光纖的外表面的具有標(biāo)稱折射率n2的一層透明的包層材料[34]，其中0.45＜(n1-n2)/n2＜0.58其特征在于該玻璃光纖包括與中央芯區(qū)相鄰的透明材料的第一環(huán)形區(qū)域[32]，所述第一環(huán)形區(qū)域具有大約4.5±1.5微米的寬度以及折射率n3，其中-0.09＜(n3-n2)/n2＜-0.05；以及該玻璃光纖進(jìn)一步包括與外包層相鄰的透明材料的第二環(huán)形區(qū)域[33]，其折射率為n4，其中0.20＜(n4-n2)/n2＜0.28。
2.權(quán)利要求1的光纖[30]，其中該光纖在波長區(qū)域1530-1565nm上具有小于0.05ps/(nm2-km)的色散斜率。
3.權(quán)利要求1的光纖[30]，其中色散在波長區(qū)域1530-1565nm上為-3.0±1.7ps/(nm-km)。
4.權(quán)利要求1的光纖[30]，其中中央芯區(qū)[31]包括鍺摻雜的硅材料。
5.權(quán)利要求1的光纖[30]，其中第一環(huán)[32]包括氟摻雜的硅材料。
6.權(quán)利要求1的光纖[30]，其中第二環(huán)[33]包括鍺摻雜的硅材料。
7.權(quán)利要求1的光纖[30]，其中外包層區(qū)域[34]包括無摻雜的硅材料。
8.權(quán)利要求1的光纖[30]，其中該光纖被包圍在包括一個(gè)塑料護(hù)套[601]的護(hù)套系統(tǒng)中，由此確定了一種光纜[600]。
9.權(quán)利要求1的光纖[30]，其中中央芯區(qū)[31]包括鍺摻雜的硅，并且具有大約2.7±1.0微米的外徑；第一環(huán)[32]包括氟摻雜的硅，并且具有大約7.2±1.0微米的外徑；第二環(huán)[33]包括鍺摻雜的硅，并且具有大約9.0±1.0微米的外徑；以及包層[34]包括近似純硅。
全文摘要
公開了一種光纖(30),適用于由鉺摻雜光纖放大器服務(wù)的色散補(bǔ)償?shù)墓鈱W(xué)通信系統(tǒng)(700)。該光纖在波長區(qū)域1530—1565nm上具有比－0.8ps/(nm－km)更負(fù)的色散,以及具有小于0.05ps/(nm
文檔編號(hào)G02B6/02GK1274856SQ00108880
公開日2000年11月29日 申請(qǐng)日期2000年5月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月24日
發(fā)明者查爾斯·S·布朗 申請(qǐng)人:朗迅科技公司