色散受控制的光波导的制作方法

专利名称：色散受控制的光波导的制作方法
技术领域：
本发明涉及色散受控制(DM)的单模波导光纤以及制造这种光纤的方法。
高功率激光器、光放大器、多信道通信以及高比特率引入电信网络导致对波导光纤设计的钻研，这些设计能减小由于波导非线性效应而造成的信号变坏。
对于能基本上消除四波混频的波导设计特别感兴趣。在设计既要保持再生器之间间距很大的系统所需的特性又要减小四波混频的波导光纤时遇到了困难。即，为了基本上消除四波混频，波导光纤不应工作在它的总色散接近于零(即小于约0.5ps/nm-km)的波长处，因为当波导色散小时会发生四波混频。另一方面，对于波长偏离波导总色散为零处的信号，由于存在总色散而变坏。
克服这一困难的一种对策，建议这样来构造采用做成光缆的波导光纤的系统，使得光纤的某些长度具有正的总色散，而光纤的某些长度具有负的总色散。如果对于所有的电缆段，色散的长度加权平均值接近于零，则再生器的间距可以很大。然而，信号基本上不通过色散接近于零的波导长度，从而避免了四波混频。
这一对策的问题在于，再生器之间的每段链路必须是定制的，以给出所需的色散的长度加权平均值。从电缆制造工厂到安装场地保持电缆色散完全相同，既是一项不希望的额外任务又是一项误差来源。此外，由于需要不仅提供特定的色散值，还要提供具有该色散值的特定的电缆长度，因而增加了制造的困难并导致增加系统的成本。当人们考虑替换电缆的需要时，还会出现另外的问题。
本发明克服了这些问题，其做法是使每根各别的光纤成为独立的色散受控系统。对于每段波导光纤设计一预选的总色散的长度加权平均值(即，总色散积)。这样，做成光缆的波导光纤都具有大体相同的色散积特性，因而不需要为系统的特别部分规定一组特别的光缆。
当总的链路色散保持在一预选的值(该值可以是一基本上等于零的值)时，基本上消除了由于四波混频而产生的功率损失。或者把它减小到预选的大小。
“色散”是指脉冲展宽，其单位是ps/nm-km。
“色散积”是指色散乘以长度，其单位是ps/nm。
“相位失配”是指不同中心波长的相互作用的波之间的相位差，这些波能够通过四波混频而相互作用。
“周期”是这样一段波导光纤的长度，每段光纤包含一段具有正色散的分长度、一段具有负色散的分长度以及一段色散从正色散值改变至负色散值的过渡长度。
“振荡长度”是一个周期的正色散分长度或负色散分长度。当振荡长度不带符号时，正振荡长度与负振荡视为相等。
相位失配正比于色散积。累积的相位失配还正比于色散积的和。这样，在图6～7中，所示的有关功率损失的一致的规律是，当信号之间的累积的相位失配发生变化时，每个功率损失也改变。当相位失配变大时，功率损失减小。
因此，把图6～7视为表示相位失配与总色散以及相位失配与振荡长度之间的关系，可以更好了解这两张图。换一种说法，图6～7示出功率损失与相位失配之间的依赖关系，这里，相位失配用不同的可测量的波导光纤的特性来表示，即，用色散和振荡长度来表示。
“信号分隔”表示为波导光纤上的相邻复用信号的频率分隔。例如，在本文件包含的系统中，信号分隔为200GHz。
本发明满足了对于一段长度波导光纤的要求，其中，把总色散控制在一预选的满足系统链路要求的值上。每根波导光纤可与任何其它的为该系统链路设计的波导光纤互换。这样，为符合链路要求不需要对光缆的长度以及对各根光缆的总色散作特殊的安排。
本发明的第一个方面是一种单模波导光纤，该光纤具有一纤芯区域和包围它的色层。纤芯区域以其折射率分布为特征，折射率分布是沿纤芯半径的各点上的折射率的表示。为在纤芯区域引导光，纤芯折射率分布必须至少有一部分大于包层的折射率。虽然已经找到包层具有非恒定折射率分布带来好处的若干个设计，但对于大多数应用来说，包层具有基本上平坦的折射率分布。
在此第一个方面中，本发明光纤的色散沿波导长度在一正值范围和一负值范围之间改变。以ps/nm为单位的特殊长度l的色散积是(D ps/nm-km*l km)的积。正的ps/nm值将抵消相等的负的ps/nm值。一般，与长度li相关联的色散可以沿li逐点改变。即，虽然色散Di在色散的预定范围内，但可沿li逐点改变。为表示li对于单位为ps/nm的色散积的贡献，由小段dli累积而得出li，而在每一小段中，相应的总色散Di基本上不变。于是乘积dli*Di的和表征了li的色散积贡献。注意，在dli趋于零的极限中，乘积dli*Di的和即为dli*Di在长度li上的积分。如果色散在分长度li内基本不变，则乘积的和就是li*Di。
通过控制每个小段dli的色散Di而控制总波导光纤长度的色散，从而乘积Di*dli的和等于预选的适于特殊系统设计的值。
由于这样的波导设计达到了它在复用系统内的全部潜力，在一个实施例中，在信号可复用的波长范围内把乘积的和控制到一预选值。
对于具有长的再生器间距的高数据率系统，在约从1525nm至1565nm的低衰减窗中选取波长范围有好处。在此情形中，一个较佳的实施例在该波长范围内将具有以零为目标的乘积之和。
把Di的大小保持在0.5ps/nm-km以上，以基本上防止四波混频，并将Di的大小保持在约20ps/nm-km以下，从而波导光纤参数不需要有过大的变动。
通常，一给定总色散持续存在的长度大于约0.1km。这一长度下限减小了功率损失(见图7)，并且简化了制造过程。
把DM单模波导的周期定义为三段长度之和，第一长度具有在第一范围内的总色散，第二长度具有在第二范围内的色散，而第一和第二范围是异号的，第一长度与第二长度相加，再加上一段长度，在该长度内，色散在第一和第二范围之间作一过渡。这样三段长度不必相邻，因为被控制的量是在整个光纤长度内的D*dl乘积之和，然而，为便于进行工艺过程控制，一般将这三段长度安排成第一长度，与之相邻的过渡长度，再接以与之相邻的第二长度。为避免在过渡长度内四波混频以及任何相关联的功率损失，保持过渡长度的部分(它具有的相关联的总色散小于约0.5ps/nm-km)越短越好，最好每段过渡长度小于约500米，并且最好不超过周期的10％。
可以用多种方法来改变一段波导的色散，这些方法包括改变波导形状、改变波导折射率、改变波导折射率分布或者改变波导成分。在一个实施例中，可将一根纤芯预制棒处理得具有一些直径缩小的段，纤芯预制棒可用本领域普通技术人员都知晓的任何过程来制作。缩小直径可以用数种方法中的任何一种来做，这些方法有对预制棒的一段或多段加热和拉伸或者用机械的、化学的或能量轰击技术来去除预制棒的一些环形部分，机械的技术有磨削和抛光等，化学的技术有酸腐蚀和抛光等，而能量轰击技术有激光烧蚀等。然后把得到的纤芯预制棒用数种方法中的任何一种加上外包层，这些方法包括淀积微粒或采用外包层用的管子，以形成一根具有均匀、大体上为圆柱形外表面的拉丝坯料或预制棒。
在与上述方法类似的一种方法中，对一根纤芯预制棒进行处理，使之具有一些半径增大的段。将纤芯预制棒加热，并将在被加热区域相对两侧的预制棒的区域推向被加热区域，以使被加热区域增大或凸出。然后将得到的纤芯预制棒加上外包层以形成拉丝预制棒。
当把拉丝坯料拉成均匀直径的光纤时，波导纤芯的半径将在与纤芯预制棒中的缩小半径的长度相应的长度内缩小。半径缩小约5％至25％就足以产生所需的从正到负的色散改变。仅当总色散的绝对值约为20ps/nm-km时才需要25％的缩小。一般，对于大多数应用而言，5％至10％的半径改变范围已经足够。如前面一样，被控制的量是乘积Di*dli用与Dj*dlj的和，这里Di是相应于缩小的半径ri的总色散，其值位于值的第一范围中，而Dj是相应于不缩小的半径rj的总色散，该值位于值的第二范围之中。在工作波长范围内Di和Dj的代数符号相反。
通过缩小具有直径基本上均匀的纤芯部分的拉丝预制棒或坯料的一些段的直径，然后再把预制棒拉成具有均匀外直径的波导光纤，也能得到纤芯直径的改变。波导纤芯将有一些半径缩小的段，它们相应于拉丝预制棒的一些直径未缩小的段。
在另一个实施例中，沿波导的长度改变纤芯的折射率。通过用在电磁频谱内的辐射来照射光纤，或者用亚原子粒子(如电子、α粒子或中子)来轰击波导可以改变波导的折射率。每种粒子以其相应的德布罗意波长为特征。这样人们可以把粒子轰击描述为特殊的德布罗意波长的辐照。引起纤芯折射率改变的一种较好的做法是用紫外线来辐照波导光纤。由于用于保护波导光纤的聚合物覆盖材料的性质，要在光纤离开拉丝炉的热区之后而在加上聚合物覆盖层之前进行紫外线辐照。低至5×10-6的折射率差就能限制四波混频。折射率差最好大于1.0×10-3。
改变的折射率产生改变的总色散，后者将允许对乘积Di*dli与Dj*dlj之和进行控制。Di是相应于第一折射率范围的总色散。Dj是相应于第二折射率范围的总色散。Di和Dj具有相异的代数符号。
有许多折射率分布都能提供所需的调节波导色散的灵活性从而改变总色散。这些在Bhagavatula的第4715679号美国专利以及在第08/323795号、第08/287262号和第08/378780号美国专利申请中有详细的讨论。
能够提供本发明的波导所需性质的一组特别的折射率分布是这样的，该分布具有一纤芯区，它包括具有一种折射率分布的中心部分，以及至少一个围绕中心部分的环形部分，它具有不同的折射率分布。具有这种折射率分布的光纤称为分段纤芯光纤(segmented corefiber)。中心部分可以具有α分布，即由公式n(r)＝n0[1-△(r/a)α]所描述的分布。这里n是折射率，n0是最大折射率，r是径向变量，a是光纤纤芯半径，△是％折射率而α是一个大于零的数。项△定义为(n12-n22)/2n12，这里n1是纤芯区域的最大折射率，而n2是包层玻璃层的折射率。
在另一实施例中，折射率分布包含一大体不变的中心部分和一相邻的环形的折射率部分，前者的折射率大体上等于包层玻璃的折射率，而后者是一带圆角的阶跃折射率。为简单和容易制造起见，折射率分布最好有一不变的中心区域以及一环形的带圆角的阶跃折射率部分。具有这种简单折射率分布的较佳实施例具有约1％的最大％折射率以及比值a1/a约为0.5，这里a1和a在图4中定义。
本发明的另一方面是一种单模光波导，它具有多个分长度li，这些分长度由dli段积聚而成，这些段具有各自的大体不变的相关联的色散Di，其中Di的色散零点在第一波长范围内。剩下的分长度lj(它与li以及过渡长度构成波导光纤的长度)是由dlj段积聚而成，这些段具有各自的的大体不变的相关联的色散Dj，而Dj的色散零点在与第一波长范围不相连(disjoint)的第二波长范围内。术语不相连的普通的意思是指这两个区域没有公共值。选择长度和色散，从而使dli*Di和dlj*Dj的代数和在一预定的波长范围内为一预选值。
对于一根色散偏移波导光纤，较佳的预定系统工作范围大约是1525nm至1565nm。色散零点的第一范围大约是1570nm至1680nm，而第二范围大约是1480nm至1535nm。在这样一个系统中，通信信号总是基本上在非零色散(例如，总色散不小于约0.5ps/nm-km)的波导光纤中传输，从而基本上防止了四波混频。然而，整个系统的总色散可基本上保持在零，从而由于总色散(即，材料色散加上波导色散)而产生的信号变坏很小或者没有。
本发明的还有一个方面是一种制造DM波导光纤的方法。预备一根纤芯预制棒，相应于纤芯预制棒的其余部分，该预制棒具有至少一段缩小直径的分长度。再加上包层而做成一根拉丝预制棒。然后将拉丝预制棒拉制成具有大体不变的外直径的波导光纤。在保持额定的指标上，该波导光纤基本上是密实的(free of voids)。此波导将具有纤芯直径缩小的分长度，它相应于预制棒中的缩小直径的分长度。选取缩小直径的分段的数目、纵向范围和深度，从而使各段的总色散与分长度的乘积之和在预定的波长范围内等于一预选值。如上所述，如果在一分长度内总色散是变化的，分长度就是由一些小段累积而成，每一小段具有相关联的、大体不变的总色散以及一特征总色散与长度的乘积。
引入直径变化的另一种过程是缩小拉丝坯料的至少一个分长度的直径，该坯料以具有大体均匀的芯部径向尺寸为特征。将波导拉成均匀直径也将产生具有直径变动的纤芯。在此情形中，在相应于拉丝预制棒的直径不变的分长度中，波导纤芯的直径将变得小些。
纤芯预制棒或拉丝预制棒的直径缩小可以用本领域的普通技术人员知晓的数种技术中的任何一种来实现。这些技术包括磨削和抛光、腐蚀和抛光或者加热和拉伸。
另一种做法，通过加热纤芯预制棒的一些段，并将被加热段的相对两侧的纤芯预制棒部分推向被加热段而使它凸出。
如上所述，缩小直径的波导纤芯的长度大于约0.1km是有好处的。直径缩小的量最好在未缩小纤芯直径的5％至25％的范围内。如上所述，5％至10％的范围通常是足够的。
在一种便于制造的方法实施例中，使直径缩小的分长度沿纤芯预制棒或拉丝预制棒均匀地隔开，以在波导中产生直径缩小和不缩小的波导光纤分长度对，两种分长度由过渡长度连接，过渡长度的直径由缩小的尺寸变至不缩小的尺寸，或者反过来。如果整个波导长度由这些对构成，则整体总色散能够很容易地以零为目标。
整体色散目标值也可以是除零之外的某个值。整个波导光纤长度由许多分长度对和一额外分长度构成，这些对的色散基本上抵消而额外分长度设计得具有作为目标的或预选的色散乘以长度的值。
本发明的另一方面是一种在单模波导光纤的一段长度内控制色散的方法，其中，至少在一段分长度内用紫外线辐射的办法增加折射率，从而在经过辐照和未经过辐照的分长度之间存在总色散的差值。在拉制波导后和包覆前施行辐射步骤较为有利。如上所述，最好折射率的差值大于1.0×10-3。
能有效减少由于四波混频而引起功率损失的一种辐照方法是这样的，把至少一个紫外光的脉冲投射到光纤上，它的能量流为100mJ/cm2，发送的时间范围是10至20ns，而光点大小为1cm2。即，在波导光纤中产生足够大的折射率改变以减小由于四波混频而造成的信号功率损失。


图1是示出沿波导光纤长度的总色散变化的图。
图2示出一波导光纤的零色散可如何变化以使波导的总色散在一预定的波长窗口保持在一预选的范围内。
图3是示出一波导光纤在一预选的波长范围内具有双模式波导色散的图。
图4是对于一简单的设计，％折射率△(％index delta)与半径的关系图，该简单设计是对于双模式波导色散的近似。
图5a是表示一系统的功率损失与输入功率的关系图，该系统由具有较低的总色散值的一些特定的波导分长度构成。
图5b是表示一系统的功率损失与输入功率的关系图，该系统由具有较高的总色散值的一些特定的波导分长度构成。
图6是总色散与功率损失的关系图。
图7是色散变化周期长度与功率损失的关系图。
图8是过渡区域长度与功率损失的关系图。
图9是拉制光纤并在光纤加上保护覆盖层之前对它进行辐照的装置的示意图。
图10a表示具有缩小直径的长度段的纤芯预制棒的纵剖面。
图10b表示将包层玻璃粒子加于纤芯预制棒。
图10c示出由于纤芯预制棒直径变化而在拉丝坯料的表面存在的起伏。
图10d示出具有圆柱形外表面的外包层的图10a所示纤芯预制棒的纵剖面。
图11a表示周期性地缩小一根纤芯预制棒的一些段的直径的一种方法。
图11b是图11a的喷灯火焰的温度分布曲线。
图12是图11a的纤芯预制棒的放大的剖面图。
图13表示对于纤芯预制棒邻近待加热和拉伸区域的区域加以冷却。
图14表示将喷灯火焰限制在纤芯预制棒的狭窄段内的一种装置。
图15示出对于纤芯预制棒的开槽区域的加热。
图16示出用激光束对纤芯预制棒的加热。
图17示出可将激光束用于在纤芯预制棒上加工槽。
图18表示使用导热套筒。
图19表示可对纤芯预制棒周期性地加热和使之凸出，从而周期性地形成不同直径的区域。
图20～21表示对纤芯预制棒进行拉伸，以周期性地形成不同直径的区域的方法。
图22是来自色散受控制光纤的光学时域反射计信号的波形图，波形图上有表示光纤纤芯直径波动的周期性的下落。
图23a～23c是不同光纤直径的光纤的色散与波长的关系图。
图24a是具有缩小直径的长度段的一根拉丝坯料的纵剖面。
图24b是具有大体不变的外径的波导的纵剖面，该波导是拉制图24a所示的拉丝坯料而得到的。
图25示出将套子加至拉丝坯料以形成具有不同直径的长度段。
图26示出将纤芯预制棒插入带套子的包层管，以形成具有不同直径的长度段的一根拉丝坯料的一种方法。
图27～29示出形成可变直径拉丝坯料的另一种方法，可由该坯料拉制出可变纤芯直径色散受控制的光纤。
图30a～30b示出产生极短过渡区域的一种方法。
本发明涉及一种单模波导光纤，其中以ps/nm为单位的色散积在一波导长度内受到控制。从而，在波分复用系统内由四波混频产生的功率损失可基本上避免，而总的系统色散可保持在一预选的值上。对于许多距离长、再生器间距大、数据率高的复用系统，对于总色散积的所希望的预选值基本上是零。
通过控制在每根光纤内的色散，在将多组波导连在一起在系统中形成链路时就不需选取产生的色散基本是零的波导组。即，因为控制了在各根波导光纤中的总色散积，因此，接入而形成系统的光缆性能基本上是相同的所以可以互换。
在图1中，画出了以ps/nm-km为单位的总色散与波导长度的关系。可以看出总色散在正值2和负值4之间交替地改变。虽然图1表示了多段呈现负色散的分长度和多段呈现正色散的分长度，但只需要一段负色散分长度和一段正色散分长度就够了。由线段6指出的总色散值的范围表明总色散随传播光的波长而改变。范围6的水平线代表对于特殊的光波长的总色散。一般，以特殊的总色散为特征的波导长度8约大于0.1km。除了可由色散积(长度×相应的总色散)之和等于预定值的要求推出的数值之外，基本上长度8没有上限。
图2所示的总色散对波长的曲线图用于表示对于DM单模波导光纤的设计考虑。线段10、12、14和16代表四根单独的波导光纤的总色散。在对于每个波导所考虑的狭窄的波长范围内，即大约30nm的范围内，色散可用如图所示的直线来近似。进行复用的波长范围是从26至28的范围。在范围18至20具有零色散波长的任何波导段可以与在范围22至24中具有零色散波长的波导段组合，以获得在工作窗26至28具有预选的总色散的波导。根据图2的例子取工作窗为1540nm至1565nm。假设单模波导光纤具有约0.08ps/nm2-km的色散斜率。令线段30之值为0.5ps/nm-km而线段32之值为4ps/nm-km。所加的条件是，在工作窗内的总色散必须在大约0.5至4ps/nm-km的范围之内。
于是由简单的直线计算得出零色散波长范围(18至20)为1515nm至1534nm。类似的计算得出零色散波长范围(22至24)为1570nm至1590nm。对在所述范围内具有零色散的波导光纤段的总色散求代数和将得出0.5至4ps/nm-km之间的总色散。
如上所述，使零色散波长偏移的方法包含沿纤芯预制棒或拉丝预制棒长度方向改变半径或％△。
模型计算表明，双模式波导色散曲线可能如图3中曲线34那样。曲线34相应于在图4中用实线38画出的折射率分布。呈现双模式色散的光纤设计在第08/287262号美国专利申请中有揭示。曲线34包括比较平坦的区域34a和34b以及比较陡的过渡区域34c。图3的线段35表面，低λ。波长区域34a和高λ。波长区域34b可加以很好的控制，并相隔得很宽。线段37与曲线36或曲线34相交处，代表高的波导色散与低的波导色散之间的平均值。对于具有如图3的曲线34所示的双模式波导色散的波导光纤来说，为产生如根据图2的例子所指出的零色散波长的较大改变，只需截止波长或与之成正比的量，纤芯半径，作很小的改变。由曲线34表示其色散特性的光纤还具有下述优点。在具有纤芯直径大小相间区域的DM光纤中，制造过程将导致其直径与设计直径略有偏差，为说明这一点，假设不同纤芯直径的光纤区域的工作点为图3中的D1和D2。如果D1和D2位于沿双模式曲线较为平坦的区域中，则在D1和D2附近的纤芯直径或截止波长的小的波动将既不会显著改变小纤芯直径区域的λ。值也不会显著改变大纤芯直径区域的λ。值。
理想的折射率分布由图4的曲线38表示，纤芯环的内外半径分别是a1和a。然而，某些制造技术将导致掺杂剂扩散，使得折射率分布偏离理想的分布成为如虚线曲线40所表示的分布。分布40的纤芯环的内半径小于a1而外半径大于a。这将使波导色散曲线不那么陡，如图3的虚线曲线36所示。
人们可以选用其波导色散特性如图3的曲线36所示的折射率分布以简化制造过程。显然这里对成本与好处作了权衡。特殊的电信应用将确定是否要保证有更复杂的折射率分布。然而，为对总色散积作良好的控制，最好采用这样的波导光纤，它具有将大小不同的波导色散分开的很陡的过渡区。于是，对于具有双模式波导色散的折射率分布来说，使零色散波长范围偏移至分离的另一零色散波长范围，可以用较小的半径改变(低到5％至10％的半径改变)来完成。从而便于对总色散符号改变的控制。而在信号传输的波导中，总色散小于大约0.5ps/nm-km的距离也保持为一最小值。
DM光纤的设计与电信系统的细节关系很大，图5a和5b为具有8个信道的120km链路，信道的频率间隔为200GHz的电信系统的功率损失对输入功率的曲线图。在此情形中，功率损失主要是由于四波混频。图5a中的曲线62在输入功率约10dBm时陡升至损失接近1dB。对于曲线64，当输入功率为10dBm时损失约为0.6dB。这两条曲线的总色散的大小都是0.5ps/nm-km左右。然而，对于较陡的曲线62，具有给定符号的总色散的分长度是10km。曲线64的色散的相应分长度是60km。额外的损失是由于对较短的10km分长度情形而言，要有额外的通过零色散的过渡区。另一种说法是，对10km情形而言，信号的相位分离(它正比于振荡分长度)还不够大到基本上防止四波混频。
然而，总色散的大小也对于相位分离因而对于功率损失有影响。图5b的曲线66所示的功率损失是对于这样一个系统的，它与示于图5a的系统相同，只是分长度较短，约1km，而总色散的大小是1.5ps/nm-km。波导总色散从正到负有较宽的变动范围显著地减小了功率损失，从0.6dB降至小于0.2dB。0.4dB/120km的功率损失差大得足以成为功能链路和非功能链路(特别是对于550km或更长的长距离不再生的链路)之间的差。
图6可用与图5a和5b大体相同的方式来解释。曲线68示出功率损失对于总色散大小的曲线图。波导的分长度选为1km左右，因为通常使用的最短的光缆长度约为2km。仍然有8个信道，信道之间的频率间隔是200GHz，总长度为120km，而输入功率为10dBm。当总色散的大小下跌到约1.5ps/nm-km以下时，功率损失仍然上升较陡。
在图7中，从另一观点来表示系统设计。在此情形中，色散大小固定在1.5ps/nm-km。曲线70代表这样一个系统的功率损失对于分长度大小的曲线图，该系统有8个信道，信道之间的频率间隔为200GHz，而输入功率为10dBm。长度选择为60个色散分长度而允许分长度改变。当分长度在2km以上时，功率损失较低。但是对于这样较大的总色散，由延长分长度超过2km并得不到什么。当所用的信道数降至4个时，注意总体上较低的四波混频损失如曲线72所示。后一现象是上面和“定义”一节所指出的相位分离与光纤特性依赖关系的直接结果。
另一设计考虑是过渡长度内总色散改变符号的陡峭程度。这里，过渡长度还影响信号相位分离。这样，浅过渡(shallow transition)将使信号在总色散接近零的波导区域传播，而这对于由四波混频产生的功率损失有不利影响。根据图8的例子在此情形中，输入功率仍为10dBm。采用四个信道，信道之间的频率间隔为200GHz。总色散的大小是1.5ps/nm-km，而总色散的振荡长度取为2km。如图8中曲线74所示的功率损失对过渡长度的曲线图表明，过渡长度最好短些。在其它设计考虑和或本效益研究的框架中，过渡的数目也应为最小值。由于某些系统可允许约1dB的功率损失。因此，如图8所示，最大容许过渡长度约为500米。光纤制造技术可以将光纤的周期选为数十米至数百米，从而在任何适当的链路长度上，在工作波长窗范围内的平均色散很小。
如果较高和较低色散区域之间的过渡区域太长，在过渡区域中央部分将有一定长度的光纤其色散接近零。这将导致由于四波混频而产生的一些功率损失。过渡区域越长，则功率损失越大。所以过渡区域应足够陡峭，使得光纤的功率损失不会使总的系统功率损失超过指定的功率损失预算。此外，过程本身不应引起与四波混频无联系的额外损耗。过程还应简单和足够灵活，使得它能以多种光纤设计和材料来实现。
所揭示的技术包括(a)拉丝时改变纤芯的折射率，(b)制作一根拉丝预制棒，该预制棒具有变化直径的纤芯和不变直径的包层或直径基本不变的包层，以及(c)制作一根拉丝预制棒，该预制棒具有不变直径的纤芯和变化直径的包层。此外，可以采用这些技术的组合。(a)拉丝时改变纤芯的折射率图9示出了波导光纤拉丝设备的示意图。如本技术领域公知的那样，拉丝坯料77在炉78中加热，并拉伸成波导光纤79。波导79在包覆设备80处被加上保护覆盖层并且绕在接纳卷筒81上。新添加至此设备的装置是一台高功率、聚焦良好的紫外辐射源76，它对着拉丝后但在包覆前的波导光纤。已知紫外线具有在波导的掺杂区域提高折射率的作用。这样，紫外线将被用来增加纤芯区域的折射率。周期性地断开和接通紫外线源，用以沿波导光纤的长度引起折射率的变化。折射率的变化必须足够大，以产生足以减小由四波混频造成的功率损失的总色散的改变。已经发现，至少持续时间为10至20ns，能流约为100mJ/cm2的一个脉冲足以产生某些有益的效果。一台工作于248nm的准分子激光器是极好的高强度、聚焦良好的紫外辐射源。(b)改变纤芯预制棒纤芯直径，然后再包覆纤芯预制棒是这样的预制棒，在给它加上包层玻璃后，就能拉伸成光纤。一种形成高质量纤芯预制棒的经济的技术包括下述步骤(a)通过玻璃粒子淀积步骤成多孔玻璃预制棒，(b)烧结多孔预制棒以形成经过烧结的预制棒，(c)如果在经过烧结的预制棒中存在轴向的孔，则封闭该孔，以及(d)在加上包层之前可选地拉伸预制棒(在此拉伸步骤中完成封孔步骤是有利的)。参见第4486212号美国专利，通过引用将该专利包含于此。如在第4486212号美国专利中所揭示的，纤芯预制棒可以包含纤芯玻璃构成的中央区域，其外面由包层玻璃构成的薄层围绕。另一种做法，如图10a所示，纤芯预制棒可完全由纤芯玻璃构成。
图10a示出一根直径为83的玻璃纤芯预制棒82。在沿纤芯预制棒长度的一些区间，直径被缩小，如直径84所示。直径缩小区域的长度由线段85表示。直径84可相对于直径83缩小5％至25％，以获得所需的纤芯直径改变。调节长度85以在最终的光纤中获得所要的纤芯直径缩小的分长度。纤芯预制棒的直径可以用本领域熟练技术人员知道的数种方法中的任何一种方法来缩小，这些方法包括磨削、腐蚀、激光烧蚀以及加热并加伸。在磨削或腐蚀后可用抛光步骤以确保在纤芯预制棒和包层之间的分界面均匀和清洁。
如果在纤芯预制棒中缩小直径的区域是用对纤芯机械加工或腐蚀的方法形成的，那末纤芯最好具有阶跃折射率分布。被去除的纤芯部分将与保留部分具有大体相同的折射率。
旋转图10a的纤芯预制棒82(箭头82a)并相对于喷口86沿棒的纵轴移动预制棒82，喷口86将包层玻璃粒子流87引至预制棒上，以形成包层玻璃粒子层88。把得到的经包覆的纤芯预制棒插入烧结炉，在炉中使覆盖层88干燥和烧结以形成拉丝坯料，该坯料具有一致密的玻璃包层。如果纤芯预制棒槽的长度85至少是数毫米，则包层粒子87填充缩小直径的区域。因此，拉丝预制棒的外表面将略有不均匀。由于芯棒直径缩小的量很小，因此，拉丝坯料的直径变化也将很小。
经包覆的纤芯预制棒或经烧结的玻璃拉丝预制棒的外包层微粒88可以用普通的技术修整光滑，以确保拉丝预制棒的圆柱形状。因为纤芯预制棒易碎，因此直径改变步骤最好对已烧结的预制棒进行。图10c示出具有直径变化的已烧结的预制棒89。为看得清楚起见，把这些变化的厚度夸大了。预制棒89可绕其纵向中心轴旋转，而半径较大的区域可以通过机械加工、腐蚀等方法加以去除，从而使表面区域90具有与预制棒剩余部分相同的直径。如图10d所示，得到的拉丝预丝棒具有大体均匀的外直径91。把所示的经改变的纤芯预制棒82嵌在包层材料92中。
本领域熟练的技术人员能容易地改变包覆外包层的方法以确保一均匀直径的拉丝预制棒。例如，可以按照正由粒子流87建立的纤芯预制棒的特殊的分长度，改变喷口86相对于纤芯预制棒82的移动速率。喷口将粒子淀积在直径较细的芯棒区域时的移动速率要比它将粒子淀积在直径较粗的芯棒区域时的移动速率要慢些。在纤芯预制棒较细和较粗区域的包层玻璃粒子就可积累得使通过粒子烧结而产生的拉丝坯料的直径大体上不变。
当将图10d的拉丝预制棒拉制成均匀直径的波导光纤时，纤芯预制棒直径缩小部分就变为光纤的纤芯直径缩小部分。如果一根拉丝坯料具有直径较大的区域(如图10c所示的那些部分)，则从该直径较大区域拉制的光纤分长度的纤芯将具有比所希望的直径小一些的直径。如果不象上面所述那样去除拉丝坯料的直径较大的区域，则在设计DM光纤时将必须考虑在所得的光纤的那些区域中的光纤纤芯直径的缩小。
在示于图11a和12的实施例中，把具有任何合适的光纤纤芯设计的纤芯预制棒93装在车床96、98(卧式或立式)内或其它合适的装置内，并且用来自喷灯100的极窄的火焰102对该纤芯预制棒加热。来自喷灯的热量最好沿纤芯预制棒轴向定位至不超过数毫米。火焰的温度和热容量必须足以局部软化纤芯预制棒的玻璃。如图12所示，纤芯预制棒93包括一纤芯区域95，其周围是包层玻璃层94。如果光纤是基于二氧化硅的工作于1500～1600nm窗口的光纤，则纤芯预制棒93是适于形成在该波长范围具有零色散的色散偏移光纤。当玻璃达到其软化点时，将纤芯预制棒拉伸以减小被加热区域的直径。这样做产生了细直径区域108。通常在火焰对着要被拉伸的区域时进行拉伸。如果采用卧式车床，在进行拉伸时转动纤芯预制棒将有助于防止纤芯预制棒的任何扭曲。将纤芯预制棒沿其长度按所需区间进行加热和拉伸步骤。最好这样来进行拉伸，从而使两种直径的纤芯预制棒的长度L1和L2近似相等。接着将喷灯快速地移至下一个要被软化和拉伸的区域。
图11a示出一种喷灯设计，它能提供非常集中的加热条件，使得不同直径的纤芯预制棒区域的过渡很陡。喷灯的面100具有一个提供火焰102的煤气燃烧口的圆形阵列，在该面上还有提供圆柱形冷却气体流的外部屏蔽气体口的圆形阵列。外面屏蔽气体流103限制并会聚火焰102而与此同时对于集中加热区以外的纤芯预制棒提供对流冷却。火焰在热区内应该有尽可能均匀温度，而在热区的边缘必须具有尽可能陡的温度梯度。这将导致很短的过渡长度LT。图11b的温度分布106代表了跨过火焰102的区域A-A的较佳的温度分布。
为此目的，也可采用其它类型的喷灯或喷灯组合。例如，在诸如第3565345号美国专利中揭示的一种会聚喷灯包含一些倾斜的喷口，它们将可燃气体流引至同一点。也可围绕纤芯预制棒设置一种能提供由会聚的外部屏蔽气体流限制火焰的环形喷灯，同时对预制棒的整个环绕区域加热。还可采用一种具有一个或数个燃烧气体喷口的直线阵列以及可选地包含屏蔽气体喷口直线阵列的带状喷灯，其中燃烧气体喷口的阵列布置得与纤芯预制棒的纵轴垂直。根据图11a和12的例子具有约为7mm的包层直径和约为5mm的纤芯直径的一根纤芯预制棒93在沿纤芯预制棒的长度的一些范围内直径缩小至6.5mm。长度L1(图12)取为2mm。如图10b所示那样对纤芯预制棒进行包层并加以烧结，以形成具有约50mm最终直径的拉丝预制棒。
当把拉丝预制棒拉制成具有约125μm均匀外直径的波导时，长度L1变为约320米，这里假设2mm段的质量保持不变，并假设纤芯半径改变(以％差来表示)约为14％。此例中假设纤芯的折射率分布是在第4715679号美国专利和第08/323795、08/287262和08/378780号美国专利申请中揭示的那种类型，因而当纤芯直径约为16μm时将得到单模传播。
如果拉丝预制棒的直径约为100mm，在相同的纤芯预制棒和拉丝条件下，长度85变为1280米而纤芯半径的改变保持不变。
图13示出，通过把空气、氮气、氦气等外部会聚冷却气流122从源120引至纤芯预制棒116的与要被火焰118加热的区域邻近的部分，可以获得热量的额外集中。“外部冷却气流”是指从喷灯面之外的源发出的气流。这些气流可从在冷却剂气体输送管末端处的一块板上形成的喷口中流出。如图所示，源120可以相对于喷灯成180°放置，它们也可以相对于喷灯成90°或任何其它合适的角度放置，只要冷却气流不干扰纤芯预制棒的加热。
另一种使火焰的温度分布变锐的技术如图14所示。屏或挡板128将火焰的部分132反射而只允许火焰的中心区域130加热纤芯预制棒126。挡板可由受冷却的金属、陶瓷或石墨板构成。图15中的纤芯预制棒136中的周期性地分布的槽138起初是用腐蚀、磨削、激光烧蚀等方法去除槽内的纤芯预制棒的质量形成的。与相邻的大直径区域相比，火焰能更快和更优先地加热这些开槽区域。当对一开槽区域加热并拉伸以形成细直径区域142时，因而它形成了一个相当陡的过渡区域。
图16示出采用诸如CO2激光器等具有足够功率的激光器以提供对纤芯预制棒146进行局部加热和软化，从而能如上所述那样拉伸该纤芯预制棒。
激光束154(图17)的功率和/或持续时间足以从纤芯预制棒烧蚀掉预制棒材料以形成窄直径区域156。适合这一目的的激光器的例子是CO2激光器和准分子激光器。因为由激光烧蚀而形成的区域相当光滑并且因为激光束能割除纤芯预制棒的包层部分153而进入纤芯区域152，因此不需要拉伸步骤以形成不同直径的纤芯区域。
图18示出导热套筒162的使用，导热套筒可选地配有将冷却介质通到套子表面或其内部的装置。导热套筒162对于被充分加热以允许拉伸的纤芯预制棒160的区域加以局限，因此当拉伸纤芯预制棒时，该棒的直径过渡相当陡。
在图19的实施例中，如上所述那样把纤芯预制棒插入用火焰进行加工的车床。用火焰167对相隔的区域加热。不是拉纤芯预制棒，而是将被加热区域的相对两侧向被加热区域移动，从而增加被加热区域的直径，而凸出部166的边缘很陡。
在包含电阻加热器171的拉丝炉(图20)内可形成多直径的纤芯预制棒。预制棒馈送装置175以及由电动机驱动的牵引器176将要被拉伸的纤芯预制棒的部分170送入由加热器171产生的热区。在玻璃软化得足以进行拉伸时，牵引器176和/或预制棒馈送装置175将这部分夹住的纤芯预制棒拉出炉子的加热区域以对棒加以拉伸，从而形成小直径区域172。然后装置175和176使纤芯预制棒穿过由加热器171产生的热区直至下一个要被拉伸的区域置于其中。对纤芯预制棒的拉伸沿棒的长度在相隔的区域处重复进行，从而未被拉伸的大直径区域173位于小直径区域172之间。在第4704151号美国专利中揭示了拉制多直径圆杆各种技术，通过引用把该专利包括在此。例如，牵引器176装有弹簧，如图中的箭头177所示，以确保牵引器与多直径纤芯预制棒始终接触。
这里要指出，可以使图20的纤芯预制棒的被加热区域的直径增加而不是减小，这只要让重拉牵引器176和/或馈送装置175将预制棒向被加热区域推即可。
参看图21，其中，与图20中的炉子部件相似的部件用相同的标号标出，一根多直径纤芯预制棒182从拉伸炉中的烧结预制棒181拉制出来，该拉伸炉包含馈送装置175，加热器171和牵引器176。烧结纤芯预制棒181是用上述第4486212号美国专利的方法形成的那种类型的预制棒，在该棒中有一沿纵向延伸穿过整条棒的孔。馈送装置175以恒定的速率将预制棒181送至热区。预制棒孔由一真空装置184抽真空，预制棒的端部与真空接头184相连，而该真空接头又连至真空泵V。牵引器以第一拉伸速率拉预制棒以形成大直径区域186并以较高的速率拉预制棒以形成窄直径区域186。当预制棒181的直径减小以形成纤芯预制棒182的大直径或小直径区域时，被抽真空的孔缩塌。上述方法中的一些方法可与上述方法中的另一些方法连用，以改进对过程的控制并减小直径过渡区域的长度LT。
在按照上述方法中的任何方法将纤芯预制棒加伸或扩大之后，可以用通常的步骤对预制棒加上外包层。如果对纤芯预制棒的直径以及外包层淀积重量作适当的调节后，就能在烧结过程中形成一根大体呈圆柱形的拉丝坯料。根据图11a和12的例子通过如在第4486212号美国专利中揭示的那种类型的玻璃粒子淀积过程制成一根预制棒。将该预制棒拉伸以形成一根纤芯预制棒，其外直径(OD)为7mm而纤芯直径为4.55mm。纤芯的折射率分布是标准色散偏移光纤的折射率分布并类似于在第08/323795号美国专利申请中所揭示的折射率分布。该预制棒包括一用GeO2掺杂的SiO2的中央区域(这里，GeO2含量大体上随半径增加而线性地减小)，其外由基本上是纯的SiO2的层包围，而该层外面又由GeO2掺杂的Sio2层包围。GeO2的峰值浓度(在纤芯的中心处)约为20wt.％。包层由纯二氧化硅构成。纤芯预制棒一些段的直径用图11a所揭示的技术加以缩小。热源是小型喷灯，称为3A型吹管喷灯(blowpipe torch)，它的喷嘴为1mm，这种喷灯由加利福尼亚州里奇蒙德的Veriflo公司制造。燃料为氢气和氧气。纤芯预制棒的一段长度不被拉伸，从而可以拉出纤芯直径不变的参考光纤。所得的纤芯预制棒用二氧化硅粒子来作外包层。对包层玻璃粒子的覆盖层加以烧结，并从参考段和具有直径变化的段拉出各自的光纤。
来自DM光纤的光学时域反射计(OTDR)信号(图22)示出信号的周期性下落，由此表明直径有变动。轨迹表明光纤带有很陡过渡的许多均匀段。周期的长度约为600米。由拉丝坯料的参考段拉丝得出的光纤具有外径125μm和长度2.0km。如图23(a)所示，参考光纤在1500nm处呈现零色散。
如图23(b)所示，从拉丝坯料的火焰—拉伸部分拉成外直径为130μm而长度为3.6km的DM光纤在1525nm波长处具有零色散。如图23(c)所示，从拉丝坯料的火焰—拉伸部分拉成外直径为120μm而长度为4.0km的DM光纤在波长为1544.5nm处具有零色散。这样，从拉丝坯料的火焰—拉伸部分拉成外直径为125mm的DM光纤在波长为1535nm处将具有零色散。这就表明，与参考光纤相比，零色散波长的平均偏移约为35nm(对于125μm的光纤)。因而可以得出结论，色散在1500nm和大约1570nm之间波动以给出平均值1535nm。已经观察到截止波长的类似变化。这些结果表明，已经制造了在1500nm到1600nm范围内具有高的λ。值和低的λ。值的DM光纤。
后向反射数据指出，即使光纤的直径有变化，它的后向反射只比具有直径不变的纤芯的光纤略高一些。(c)形成具有变化的包层直径的拉丝坯料在图24a和24b中示出了引入纤芯半径变化的另一种方法。在此情形中，拉丝坯料187沿其长度在一些范围处用磨削、激光加工、腐蚀等方法来缩小直径。所得到的拉丝坯料具有较大直径的预选分长度189和较小直径的预选分长度190。注意纤芯区域188的直径是均匀的。随后将拉丝坯料187拉成光纤192(它具有均匀的外直径193)使得直径改变从拉丝预制棒的外表面转为光纤纤芯194。如结合图10a和10b所描述的那样，如果得知拉丝坯料的大直径和小直径段内芯区和包层的长度和直径，通过肯定适当的拉丝坯料段的质量守恒，就可算出所得到光纤的相应长度和直径。如图24b所示，光纤192包含纤芯直径缩小的分长度li，它相应于拉丝坯料的较大直径的分长度，而光纤192的其全部分包含较大纤芯直径的分长度lj。纤芯直径缩小的分长度由一些段dli组成，每段具有总色散积dli*Di，而较大直径的分长度由一些段dlj组成，每段具有总色散积dlj*Dj。乘积dli*Di与dlj*Dj的代数和在一预定的波长范围R内等于一预选值。
在示于图25的实施例中，拉丝坯料201包含一不变直径的纤芯202，其外面包有不变直径的包层203。纤芯直径足以提供具有一给定零色散波长的光纤段。包层玻璃做的套子205沿拉丝坯料的长度方向，在周期性分布的位置处熔接至坯料，以形成一根经过改变的拉丝坯料，由它可拉出DM光纤。如图24(b)所示，所得的光纤将具有不变的外直径，而其纤芯直径将根据套子203的周期性而改变。由周围被套子包围的坯料区域拉出的光纤，其纤芯直径要比由无套子的坯料区域拉出的的光纤的纤芯直径小些。DM光纤的窄直径部分的色散将呈现一与给定的零色散波长不同的零色散波长。
按照图26的方法，起初提供具有周期成形的包层玻璃套子209，它具有小直径部分210和大直径部分211以及沿中心纵轴延伸的内膛212。套子209可以用诸如对一圆柱状的玻璃管机械加工或将玻璃套子熔接在圆柱状的管子上等技术形成。纤芯预制棒213最好包含一芯区214以及一薄的包层215，该包层可用任何合适的技术形成。如由箭头216指出的那样，把纤芯预制棒213插入内膛212。如上所述，把所得的拉丝坯料拉制成光纤，该光纤具有不变的外直径，而纤芯直径按照套子211的周期性改变。
图25和26的方法把纤芯预制棒的制造过程与引入拉丝坯料周期外形的拉丝坯料部分的成形过程分开。制造在第4715679号美国专利、第08/323795号、第08/287262号和第08/378780号美国专利申请中揭示的那种色散偏移光纤的过程包含一调整步骤，该步骤由对纤芯预制棒的测量加以指引。纤芯预制棒呈锥形或对纤芯预制棒的腐蚀将使调整过程变得复杂。通过采用独立准备的套子，可使制造拉丝坯料的过程对纤芯预制棒调整过程的影响最小。
图25和26的方法应导致两个不同色散区域之间的极陡的过渡，如上所述，这是DM光纤所希望具有的一个特征。
图27～29示出具有芯区219和包层220的一根纤芯预制棒218。用磨削、激光加工等方法在预制棒218的表面形成环形槽221。按照这种方法，槽221不应延伸入芯区。喷口226将包层玻璃粒子流225引至预制棒218上以形成多孔的玻璃层227。
在图28中示出单个槽的放大图。槽221的最大长度222约为1至2mm。冲击在具有如此短的环形槽的表面的粒子流225的流动条件导致在槽内玻璃粒子积聚层的密度很低。图28中的点子的密度代表了玻璃粒子淀积层的密度。当槽的深度223增加时，积聚层的密度减小。积聚的密度还受到玻璃粒子成份的影响。较软的玻璃粒子导致形成较稠密的积聚。这样，纯二氧化硅(它是一种粘度极高的玻璃)粒子在槽221中形成密度很低的积聚。事实上，根据粒子淀积条件甚至在槽221内可形成空隙。在层227已积聚至足以形成单模光纤的包层时，把所得的预制棒加以烧结(干燥和烧结)。这一步骤通常是在氦气和少量氯气的氛围中进行的，以使玻璃粒子干燥。在烧结过程之前可将预制棒浸在纯氦中，以在后面的高温烧结步骤中除去任何空隙中的气体。经过烧结的拉丝坯料，在将玻璃粒子淀积在槽内的位置，拉丝坯料具有缩小直径的分长度。当把拉丝坯料拉制成单模光纤241时，纤芯包含较小直径区域242和较大直径区域243，后者相应于拉丝坯料有槽的那些区域。
一种产生极短的过渡区域的方法如图30a和30b所示。用诸如在第4486212号美国专利中揭示的方法来制作两种不同的纤芯预制棒。两种纤芯预制棒都具有可以获得色散偏移光纤的那种折射率分布。第一种纤芯是这样的，即如果将它加上包层并拉制成外直径为125μm的单模光纤，则它将在1520nm处呈现零色散。第二种纤芯是这样的，即如果类似地把它做成外直径为125μm的单模光纤，则它的零色散波长将为1570nm。将两种纤芯预制棒拉伸至直径略小于7.5mm。把第一种经过拉伸的预制棒切割成小片250，而将第二种经过拉伸的预制棒切割成小片252，小片252最好具有与小片250相同的长度。这些小片用简单的刻痕和折断办法做成。
把长度很短的一段毛细管264熔接至一根二氧化硅管266的一端，该管所具有的内直径(ID)为7.5mm，而外直径为9mm。管266用图10b的方法以二氧化硅粒子进行外包层，以形成一层多孔的二氧化硅覆盖层268。使层268积聚至足够大的外直径，从而可对所得的预制棒进行烧结并且拉制成外直径为125μm的单模光纤。把小片250和252交替在放入管266中。把管270熔接至管266的与管264相对的另一端。管270是第5180410号美国专利所揭示的球窝接头型供气系统的一部分。
所得到的组件272悬挂在一台烧结炉中。当组件272以1rpm的速率旋转时，将它以每分钟5mm的速率降入烧结马弗炉膛274。包含50sccm的氧气和40slpm的氦气的气体混合物向上通过马弗炉。氯气(箭头276)围绕小片250和252向下流动并通过管264流出。氯气的中心线流量为0.3slpm是合适的。在烧结炉中的最高温度约为1450℃。当组件272向下移入炉子时，它将经受足够高的温度，以致中心线的氯气流对小片250和252以及管266相邻的表面作化学清洗。当组件272进一步移入马弗炉膛时，管264熔化而切断中心线氯气流。于是将一个阀门加以切换来对管266抽真空。当组件继续移入马弗炉膛时，首先是它的端部然后是组件的其余部分经受最高炉温，该温度足以烧结覆盖层268。当覆盖层268烧结时，强制管266向内紧贴小片250和252，而使接触面熔合在一起。
把经过熔接的组件从烧结炉中移出并拉丝，以形成外直径为125μm的色散受控制的光纤。
已经用上述过程正常地制得单模色散受控制的光纤，其衰减量一般是0.21dB/km。在光纤制造过程中用的两种不同的小片被组合在一起以提供1550nm的零色散波长。由纤芯预制棒小片的长度来控制振荡长度和周期。已经拉制出振荡长度为1.2至1.5km的光纤。
这样，已经揭示和描述了一种波导光纤和制造该波导的方法，这种光纤可满足高数据率、高功率和多路复用系统的要求。虽然详细讨论了本发明的一些特殊的实施例，然而本发明只由下述的权利要求限定。
权利要求
一种色散受到控制的单模波导光纤，其特征在于包括纤芯玻璃区域，它具有一折射率分布，其外由包层玻璃层围绕，所述包层具有的折射率nc至少低于所述纤芯玻璃区域的折射率分布中的一部分折射率；所述单模波导光纤具有变化的总色散，沿着所述波导的长度，它的总色散的符号从正变到负和从负变到正，其中，所述波导光纤的分长度li由许多段dli累积而成，每段dli具有相关联的、大体上不变的总色散Di，这里Di落在预选符号的色散值的第一范围中，而li以乘积Didli的和为特征，所述波导光纤的分长度lj由许多段dlj累积而成，每段dlj具有相关联的、大体上不变的总色散Dj，其中Dj落在符号与Di的符号相反的色散值的第二范围之中，而lj以乘积Djdlj的和为特征，以及过渡分长度lt，在其中，总色散从第一色散值范围中的一个值改变至第二色散值范围中的一个值，其中，所有li、所有lj和所有lt分长度之和等于波导光纤的长度，以及所有的乘积dliDi和dljDj之代数和在一预定的波长范围R内小于一预选值。
2.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述总色散Di和Dj每一个的大小在约0.5至20ps/nm-km的范围内，预定的波长范围约为1525nm至1565nm，而乘积代数和的预选值基本上是零。
3.如权利要求1所述的单模波导光纤，其特征在于，所述分长度li和lj每个都大于约0.1km。
4.如权利要求3所述的单模波导光纤，其特征在于，任何一段所述过渡长度lt中只有一段小于约500米的分长度ls，在其中总色散的大小小于约0.5ps/nm-km，由此显著地减小了由于在所述分长度上的四波混频造成的功率损失。
5.如权利要求4所述的单模波导光纤，其中所述纤芯区域具有一半径，定义为所述波导光纤的中心线至所述纤芯区域和所述包层的分界面的距离，其特征在于，所述段dli具有相关联的半径ri，其中ri在第一预选范围中，所述段dlj具有相关联的半径rj，其中rj在第二预选范围中，以及所述过渡长度的半径从第一预选范围中的值ri改变至第二预选范围中的值rj，并且，其中，每个rj与每个rj相差的大小在约5％至25％的范围内。
6.如权利要求4所述的单模波导光纤，其特征在于，所述段dli具有一以最大折射率ni为特征的导光区域，其中ni落在折射率值的第一预选范围中，所述段dlj具有一以最大折射率nj为特征的导光区域，以及每个ni和每个nj之间的差至少约为5×10-6。
7.如权利要求6所述的单模波导，其特征在于，每个nj和每个nj之间的差至少约为1×10-3。
8.如权利要求1所述的单模光波导，其特征在于，所述纤芯玻璃区域包含具有第一折射率分布的一中心部分，以及至少一个具有第二折射率分布的与所述中心部分相邻的环形部分。
9.如权利要求8所述的单模光波导，其特征在于，所述第一折射率分布是α分布。
10.如权利要求8所述的单模光波导，其特征在于，所述第一折射率分布是恒定的并且大体上等于nc，而所述相邻的折射率分布具有带圆角的阶跃折射率形状，并且其最大折射率n1＞nc。
11.如权利要求10所述的单模光波导，其特征在于，所述相邻的折射率分布是环形的，其内半径为a1，外半径为a，所述半径分别从所述波导光纤的中心线量到所述环形的内边缘和外边缘，而a1/a约为0.5，而所述带圆角的阶跃折射率的最大％折射率△约为1.0％。
12.一种色散受到控制的单模波导光纤，其特征在于包括纤芯玻璃区域，它具有一折射率分布，其外由包层玻璃层围绕，所述包层具有的折射率nc至少低于所述纤芯玻璃区域的折射率分布中的一部分折射率；其中，半径r是从波导光纤中心线至所述纤芯玻璃区域与所述包层玻璃区域的分界面的距离；所述波导光纤具有一段长度，它由许多li、lj和过渡分长度构成，li由段dli累积而成，每个dli具有相关联的、大体上不变的总色散Di，该Di落在色散值的第一预选范围之中；li由段dlj累积而成，每个dlj具有相关联的、大体上不变的总色散Dj，该Dj落在色散值的第二预选范围之中；以及在每对相继的li和lj分长度之间提供过渡分长度；其中每一dli段具有落在第一波长范围内的零色散波长，每一dlj段具有落在第二波长范围内的零色散波长，所述第一和第二波长范围是不相连的，所述第二波长范围低于所述第一波长范围，其中，dli*Di和dlj*Dj的代数和在一预定的波长范围R内等于预选值。
13.如权利要求12所述的单模光波导，其特征在于，所述第一波长范围约为1565至1680nm，而所述第二波长范围约为1480至1525nm，和/或具有下述特性中的至少一个特性所述第一波长范围约为1565至1680nm而所述第二波长范围约为1480至1525nm；对于所述长度dli和dlj中的任何一个长度，总色散的大小在工作波长范围内大于约0.5ps/nm-km，该范围在所述第一范围的下限和所述第二范围的上限之间；所述工作范围约为1525nm至1565nm。
14.一种制造色散受控制的单模波导光纤的方法，其特征在于包含下述步骤提供一根具有一段长度的纤芯预制棒，所述纤芯预制棒的至少一个预选的分长度具有较大的直径，并且所述纤芯预制棒的至少一个预选的分长度具有比所述较大直径为小的直径；对所述纤芯预制棒加上外包层以获得一根拉丝坯料，该棒具有大体均匀的圆柱形状；以及把所述拉丝坯料拉制成一根具有大体上均匀的外直径的波导光纤，以制得这样一种波导光纤，相应于至少一个纤芯预制棒的较小直径的分长度，它具有至少一个纤芯直径缩小的分长度li，而波导光纤的其余部分包括至少一个其纤芯直径大于所述缩小的纤芯直径的分长度lj；其中，所述至少一个纤芯直径缩小的分长度由段dli累积而成，每个dli具有一相关联的总色散积dli*Di，而所述直径不缩小的分长度由段dlj累积而成，每个dlj段具有一相关联的总色散积dlj*Dj；其中乘积dli*Dj和dlj*Dj的代数和在一预定的波长范围R内等于一预选值。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，提供纤芯预制棒的步骤包括提供完全由纤芯玻璃构成的一根预制棒的步骤或者包括提供一根具有中心纤芯区域围以包层玻璃层的预制棒的步骤。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，加上外包层的步骤包括将玻璃粒子淀积在所述纤芯预制棒的表面上并对所述粒子进行烧结以形成致密的透明玻璃包层；烧结的步骤可选地导致形成这样的玻璃包层，它在所述纤芯预制棒的直径较大部分具有一给定直径，而在所述纤芯预制棒的较小直径的部分具有小于所述给定直径的直径，所述方法还包括缩小包围所述纤芯预制棒的较大直径部分的所述包层玻璃的直径的步骤，以形成一根具有直径大体上不变的包层的拉丝坯料。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，淀积玻璃粒子的步骤包括淀积一层玻璃粒子，该层具有变化的直径，在所述纤芯预制棒较小直径区域该直径较大，从而在烧结步骤之后，所得到的拉丝坯料的包层直径大体上不变。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，提供纤芯预制棒的步骤包括对纤芯预制棒的至少一个区域加热并改变被加热区域的直径；而加热步骤可选地包括把火焰对着所述至少一个区域，以对所述至少一个区域加热，并对与所述至少一个区域相邻的纤芯预制棒的部分进行冷却；或者把火焰从喷口引至所述至少一个区域，而一部分火焰被至少一个挡板反射回来。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，改变被加热区域直径的步骤包括把与被加热区域相邻的纤芯预制棒的区域推向被加热区域，以增大被加热区域的直径，或者把与被加热区域相邻的纤芯预制棒的区域拉离被加热区域以缩小被加热区域的直径。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，冷却步骤包括把冷却气体引至那些在被加热区域相对两侧的相邻的预制棒区域上。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，加热步骤包括提供一喷灯，所述喷灯的具有喷出燃烧气体的喷口，所述燃烧气体起化学反应而形成所述火焰，所述冷却气体从喷灯中邻近所述燃烧气体喷口的喷口喷出，将火焰从喷灯引至所述至少一个区域，或者所述冷却气体从喷口喷出，而该喷口远离所述喷灯，其中，把所述喷灯相对于所述纤芯预制棒的纵轴置于第一角向位置处，而所述冷却气体流在一个不同于所述第一角向位置的角向位置处发出。
22.如权利要求18所述的方法，其特征在于，加热步骤包括把导热套筒绕纤芯预制棒放在纤芯预制棒要被加热的区域的相对两侧，并对位于所述套筒之间的所述纤芯预制棒区域加热，加热步骤可选地包括把激光束引至所述至少一个区域上，还可选地使引至所述至少一个区域的激光辐射的功率和持续时间足以软化所述区域，所述激光辐射功率和持续时间可选地足以从所述区域烧蚀材料。
23.如权利要求18所述的方法，其特征在于，在加热步骤之前，用从所述预制棒表面去除材料的办法来缩小所述预制棒要被加热的任何区域的直径，可选地通过从磨削、腐蚀和激光烧蚀中选出的一种技术来完成去除材料的步骤。
24.如权利要求14所述的方法，其特征在于，提供一纤芯预制棒的步骤包括形成具有不变外直径的预备的纤芯预制棒；把所述预备的纤芯预制棒送入拉丝炉的热区以加热和软化它的预定部分；以及拉伸所述纤芯预制棒已软化的部分使之伸长，以减小它的直径，或者以第一速率拉伸所述预备的纤芯预制棒的已软化的部分以形成所述较小直径的分长度，并以低于所述第一速率的速率拉伸所述预备的纤芯预制棒的已软化的部分以形成直径大于所述较小直径分长度的直径的分长度。
25.如一种制造色散受控制的单模波导光纤的方法，其特征在于包含下述步骤形成一根具有一段长度的拉丝坯料，所述拉丝坯料的至少一段预选的分长度具有较大的直径，而所述拉丝坯料的至少一段预选的分长度具有比所述较大直径为小的直径；把所述拉丝坯料拉制成具有大体均匀的外直径的波导光纤，以制造一根波导光纤，相应于拉丝坯料的至少一个较大的直径，该光纤具有至少一段纤芯直径缩小的分长度li，波导光纤的其余部分包含至少一段分长度lj，它的纤芯直径大于所述缩小的纤芯直径；其中，所述至少一段纤芯缩小的分长度是由段dli累积而成的，每段dli具有相关联的总色散积dli*Di，而所述直径不缩小的分长度由段dlj累积而成，每段dlj具有相关联的总色散积dlj*Dj；其中，乘积dlj*Di和dlj*Dj的代数和在一预定的波长范围R内等于一预选值。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，形成拉丝坯料的步骤包括形成具有均匀纤芯直径和均匀包层直径的预备的拉丝坯料；以及采用从所述包层的表面去除材料的办法来缩小所述预备的拉丝坯料的至少一段预选分长度的直径，去除材料的工艺可从由酸腐蚀与抛光、磨削与抛光、激光加工以及加热与拉伸等构成的一组技术中选用。
27.如权利要求25所述的方法，其特征在于，形成拉丝坯料的步骤包括形成一均匀直径的预备的拉丝坯料，并在所述预备的拉丝坯料上加上至少一个包层玻璃套子；或者形成一个均匀直径的纤芯预制棒，形成一周期地成形的包层玻璃套子，该套子具有至少一个小直径的部分和至少一个大直径部分，再将所述纤芯预制棒插入所述套子中；或者形成一均匀直径的纤芯预制棒，形成一均匀直径的包层玻璃套子，缩小套子的至少一个区域的直径以形成周期地成形的包层玻璃套子，再将所述纤芯预制棒插入所述周期成形的套子；或者形成一均匀直径的纤芯预制棒，其芯区由包层玻璃围绕，沿包层玻璃的表面形成彼此有一定间隔的一些环形槽，用包层玻璃粒子对所述纤芯预制棒加上外包层，对所述包层玻璃粒子进行烧结以形成一根具有致密包层玻璃层的拉丝坯料，所述槽的长度小于2mm，并且足够短，使在所述槽内粒子累积层的密度比起在槽之间粒子累积层的密度足够低，从而在所述槽之间的那些区域，所述拉丝坯料的包层具有较大的直径，而所述包层的其余部分具有较小的直径。
28.一种制造色散受控制的单模波导光纤的方法，其特征在于，包含下述步骤提供一根具有一定直径和长度的圆柱形纤芯预制棒；对所述纤芯预制棒加上外包层，以获得具有均匀圆柱体形状的拉丝坯料；在至少一段预选的分长度上缩小所述拉丝坯料的直径；以及把所述拉丝坯料拉成具有均匀外直径的波导光纤，相应于所述拉丝坯料的缩小直径的分长度，该光纤具有一纤芯直径缩小的分长度；其中，所述至少一段纤芯直径缩小的波导分长度li是由段dli累积而成，每个段dli具有相关联的乘积dli*Di，而纤芯直径不缩小的波导分长度lj由段dlj累积而成，每个段dlj具有相关联的乘积dlj*Dj；其中，乘积dlj*Dj与dlj*Dj之代数和在一预定的波长范围R内等于一预选值。
29.一种制造色散受控制的单模波导光纤的方法，其特征在于包含下述步骤提供一根拉丝坯料，它具有大体上呈圆柱形的芯部以及其外表面大体是圆柱形的包围纤芯的包层；用波导光纤拉丝装置从所述拉丝坯料拉制波导光纤，所述装置包括炉子以及与所述炉子隔开一段距离的，将聚合物覆盖层加在波导光纤上的装置；以及在所述波导光纤离开炉子之后和在所述波导光纤加上聚合物覆盖层之前，对预选的相隔一定间距的纵向段lr用辐射进行辐照，其中lr由段dlr累积而成，每个段dlr具有基本上不变的总色散Dr，而lu是未辐照的波导光纤的分段长度，其中lu是由段dlu累积而成的，每个段dlu具有基本上不变的总色散Du；其中乘积dlr*Dr与dlu*Du的代数和在一预定的波长范围R内等于一预选值。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述辐射从包括γ射线、X射线、β粒子、α粒子、中子辐射以及紫外线辐射的组中选择，而所述辐射可选地具有下述特征能量通量约为100mJ/cm2，以脉冲形式发送，持续时间在约10至20ns的范围内，其中，对于每个所述纵向段至少发送一个脉冲。
全文摘要
揭示了一种单模波导光纤及其制造方法，该光纤能限制由于四波混频而产生的功率损失。光纤纤芯半径或折射率等性质的改变提供了沿波导长度改变的总色散。对于波导光纤，把长度与总色散乘积的代数和控制到一预选值。适当选取总色散变化大小以及分长度，可使信号只有很短距离是在总色散接近于零的波导部分中传播。然而，总色散的变化使光纤在选定的波长范围内对信号有预选的色散作用。还揭示了许多种制造色散受控制的光纤的技术。
文档编号C03B37/012GK1165305SQ96101940
公开日1997年11月19日 申请日期1996年4月12日 优先权日1995年4月13日
发明者乔治·爱德华·伯基, 文卡塔·阿迪塞希亚·巴加瓦图拉, 彼得·克里斯托弗·琼斯, 唐纳德·布鲁斯·凯克, 刘燕明, 罗伯特·亚当·莫达维斯, 阿兰·约翰·莫罗, 马克·安德鲁·纽豪斯, 丹尼尔·阿洛伊修斯·诺兰 申请人:康宁股份有限公司