色散位移光纤的制作方法

专利名称：色散位移光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种色散位移光纤，其零色散波长被设定在1.4μm至1.7μm的范围内。
传统上，借助一种方法制造出了具有预定外径的光纤，在该方法中光纤预制棒在其端部受到加热和软化的同时得到拉制。但在如此获得的光纤中，芯部及其周围的包覆部分的横截面变为略微椭圆或变形的圆形，从而使得难于获得完美的同心圆形。因此，如此获得的光纤的沿着其直径方向的折射率分布是不完全同心的，从而增大了偏振模式色散(PMD)。在此，“偏振模式色散”指的是由于在光纤的横截面中彼此正交的两种偏振的群速度的不同而产生的色散。
在用于水下缆线或干路缆线的光纤的情况(其中需要大容量长距离的传输)下，上述偏振模式色散的影响是很强的。


图1显示了典型的传统色散位移光纤的结构及其折射率分布。如图1所示，传统的色散位移光纤50-它是主要由硅玻璃构成的单模(SM)光纤—包括一个掺杂有锗(Ge)的内芯910，而内芯910与纯硅玻璃的相对折射率差为1％且其外径a为2.6μm；在内芯910的外周边上设置的一个掺杂有锗的外芯920，其与纯硅玻璃的相对折射率差为0.08％且其外径b为8.7μm；以及，一个设置在外芯920的外周边上的包层，它基本上由纯硅玻璃制成且其外径为125μm。这里，内芯910的外径a与外芯920的外径b的比值R(＝a/b)为0.3。
图1中显示的折射率分布10的横坐标轴对应于在色散位移光纤50的横截面(与通过其传播的信号光的行进方向相垂直的平面)中的线L1上的各个位置。另外，在折射率分布10中，区911、921和931分别对应于在内芯910、外芯920和包层930中的线L1的部分上的相对折射率差。
本发明人已经证实，当制造多个如图1所示的色散位移光纤50时，它们的平均偏振模式色散变成大约1.20ps/(km)1/2。为了减小这种偏振模式色散的影响，已经提出了一种光纤制造方法，包括以下步骤拉制一个光纤预制棒、将预定的涂覆材料加到所产生的光纤上、并借助其转动轴周期性地摇摆的一个引导辊来引导光纤，从而给光纤加上预定的张力(见日本专利申请公开第6-171970号)。
另外，还已经提出了一种光纤制造方法，其中借助转动来拉制光纤预制棒，从而将预定的扭力加到所产生的光纤上，同时将预定的涂覆材料加到该光纤上(见PCT/GB82/00200)。
本发明人已经研究了用于减小偏振模式色散的上述的传统光纤制造方法，并已经发现了以下需要克服的问题。
即，在用传统方法制成的光纤中，在其涂覆部分中残余有扭应力。相应地，如此获得的光纤，在其中张力沿着光的行进方向(光纤的纵向方向)被加到其上的状态下，保持着其线状形式。在其中被加到其上的上述张力被除去的情况下，光纤自身由于残余在涂覆部分中的扭力而发生变形。
因此，在光纤的浓缩处理(Concentrating Processing)等等中，为了防止光纤由于浓缩小方块(dice)等等而断裂，始终需要把一定的张力沿着光纤的纵向方向加到其上。这在光纤的制造步骤中成为一个非常严重的缺点。
本发明的一个目的，是提供一种色散位移光纤，它具有这样的结构，即使得偏振模式色散减小而不将扭应力加到所产生的光纤上。
根据本发明的色散位移光纤是一种单模光纤，它主要由硅玻璃构成并具有在至少1.4μm但不超过1.7μm的范围中的零色散波长。这种色散位移光纤包括一个内芯，它至少掺杂有氟(F)并具有第一折射率和第一外径a；一个外芯，它被设置在内芯的外周边上并至少掺杂有氟，并具有一个低于第一折射率的第二折射率和一个第二外径b；设置在外芯的外周边上的一个内包层，它具有低于第二折射率的一个第三折射率；以及，设置在内包层的外周边上的一个外包层，它具有高于第三折射率的第四折射率。
即，在根据本发明的色散位移光纤中，氟至少被加到其芯区(包括内和外芯；见图11)中。另外，在色散位移光纤的折射率分布中，在与位于芯区之外的玻璃区相对应的部分中形成有一个下降部分，例如如图3所示。在该色散位移光纤中，氟最好也被加到内包层中。
当通过色散位移光纤行进的光，在沿着色散位移光纤的纵向方向而通过色散位移光纤传播的同时，相继扩展到内芯、外芯和包层时，光的强度在内芯中最大，并在外芯和包层中依次减小。另一方面，在色散移动光纤的制造步骤中，进行了预定的控制，以使内芯、外芯和包层分别具有接近完美的圆形的横截面。然而，随着外径变小(在更接近于色散位移光纤的光轴的玻璃区中)，实现完美的圆形变得更加困难。特别地，不能防止内芯具有椭圆的横截面，该横截面有一定程度的畸形。
根据本发明人的发现，内芯的横截面的非圆形(它指的是横截面相对于完全圆形的畸变程度并由横截面的最大直径与最小直径之比给出，这些直径在本说明书中是与色散位移光纤的光轴相正交的线段)特别受接近光轴行进的光的影响。这种光受到内芯的非圆形的很大影响并在长距离传输中产生大的偏振模式色散。与此相对比地，已经知道的是，通过与内芯相距一定距离的区行进的光受内芯的非圆形的影响较小，从而难于发生大的偏振模式色散。因此，光在色散位移光纤中沿着直径方向扩展的程度越大，在考虑通过色散位移光纤行进的所有光(包括接近光轴分别行进的光和在距内芯一定距离的区中行进的光)的情况下偏振模式色散变得越小。
另外，具有双芯结构的色散位移光纤的零色散波长主要由其折射率分布确定。本发明人已经把具有预定折射率分布的传统色散位移光纤与一种色散位移光纤—它具有与传统的色散位移光纤相同形式的折射率分布且其中内芯和外芯都掺杂有氟—进行了比较，并已经发现偏振模式色散在具有掺杂有氟的芯区的色散位移光纤中减小得更多。
根据本发明的色散位移光纤采用了“双芯+双包层”结构。此时，在1.4μm≤零色散波长λ0≤1.7μm的限制下，使内包层的折射率低于外包层的(即在外芯外侧的玻璃区的折射率得到降低，从而在其折射率分布中形成一个下降部分)并增大了光沿着色散位移光纤的直径方向的扩展程度，同时氟被加到内芯和外芯，从而使折射率分布得到优化(具有一个下降部分的分布)，从而在整体上减小偏振模式色散。
另外，为了将氟加到光在其中传播的整个玻璃区中，内包层最好也掺杂有氟。图11的图形显示了在内芯、外芯和内包层中相应的氟掺杂量。因此，在“双芯+双包层”结构的色散位移光纤中，当内芯、外芯和内包层(位于包层的内侧上的玻璃区)都掺杂有氟时，能够有利地实现根据本发明的色散位移光纤。
一般地，在光学通信系统中，经常采用1.3μm波长带或1.55μm波长带的光作为光学通信的信号光。近来，其零色散波长被移动到1.55μm波长带附近的色散位移光纤已经得到设计，以使它们的波长色散(由于光的传播速度随其波长变化而使脉冲波沿着时间轴方向扩展的现象)对于1.55μm波长带的光被消除了。根据本发明的色散位移光纤主要涉及一种单模光纤，它能够被应用于1.55μm波长带的光的长距离传输。
近来，随着光学放大器的开发而使得波分复用(WDM)长距离传输技术成为可能，由于非线性光学现象(诸如四波混合)造成的信号光脉冲的畸变已经成为对于传输长度和传输速度的关键限制。在多路光学通信的情况下，由于具有相同波长的大量信号光脉冲通过色散位移光纤，在芯区附近的部分(特别是内芯)—其中光功率密度很高—更容易受到非线性光学效应的影响。因此，在根据本发明的色散位移光纤中，为了有意产生波长色散，把零色散波长从信号光波长带略微地移动开，从而减小了非线性光学效应的影响。
这里，已知上述的非线性光学效应与信号光的光功率密度(在SM光纤的预定部分处的信号光强度的密度)和作为光传输介质的光纤的非线性折射率成正比地增大。从改善传输特性(特别是传输长度)的角度看，降低信号光强度是不利的。因此，为了抑制上述的非线性光学效应，降低上述非线性折射率或扩大具有预定波长的信号光的模式场直径(以下称为“MFD”)以减小光功率密度而又不降低整体信号光强度，是有利的。
考虑到以上原因，根据本发明的色散位移光纤的零色散波长处于至少为1,560nm但不超过1,600nm的范围中，这与信号光波长有略微的偏离(1.5μm)，同时具有不小于8.0μm的MFD，以减小光功率密度而不降低整体的信号光强度。另外，当该色散位移光纤的长度为2m(ITU标准)时，它具有至少1.0μm但不超过1.8μm的截止波长。
另外，根据本发明的色散位移光纤的折射率分布满足以下条件0.01％≤Δn3≤0.10％；以及30μm≤c≤60μm其中Δn3是外包层与内包层的相对折射率差，且c是内包层的外径。
另外，根据本发明的色散位移光纤的折射率分布满足以下条件a/b≤0.20；以及b≥15μm其中a是内芯的外径且b是外芯的外径。
由于根据本发明的色散位移光纤具有如上设计的折射率分布，它能够将偏振模式色散抑制到0.25ps/(km)1/2或更小。
从以下的详细描述和附图，将能够更全面地理解本发明，而这些描述和附图只是以说明的方式给出的，且不应该被理解为对本发明的限制。
从以下给出的详细描述，本发明的应用范围将变得更为明显。然而，应该理解的是这种详细描述和具体例子，虽然表明了本发明最佳实施例，却只是以说明的方式给出的，因为在不脱离本发明的精神和范围的前提下，从这种详细描述作出的各种改变和修正，对于本领域的技术人员来说都是显而易见的。
图1显示了传统的色散位移光纤的折射率分布和横截面结构；图2显示作为参照的色散位移光纤的横截面结构和折射率分布；图3显示了色散位移光纤的第一实验(实验1)的折射率分布和横截面结构；图4显示了色散位移光纤的第二实验(实验2)的横截面结构和折射率分布；图5显示了根据本发明的色散位移光纤的基本配置(横截面结构和折射率分布)；图6显示了根据本发明的色散位移光纤的第一实施例(实施例1)的横截面结构和折射率分布；图7显示了根据本发明的色散位移光纤的第二实施例(实施例2)的横截面结构和折射率分布；图8显示了根据本发明的色散位移光纤的第三实施例(实施例3)的横截面结构和折射率分布；图9显示了根据本发明的色散位移光纤的第四实施例(实施例4)的横截面结构和折射率分布；
图10显示了根据本发明的色散位移光纤的第五实施例(实施例5)的横截面结构和折射率分布；图11显示了图9所示的色散位移光纤(实施例5)中的相应玻璃区中的氟含量；图12显示了根据本发明的色散位移光纤的第六实施例(实施例6)的横截面结构和折射率分布；图13显示了根据本发明的色散位移光纤的第七实施例(实施例7)的横截面结构和折射率分布；图14显示了根据本发明的色散位移光纤的第八实施例(实施例8)的横截面结构和折射率分布；图15显示了根据本发明的色散位移光纤的第九实施例(实施例9)的横截面结构和折射率分布；图16是图表，列出了各个实施例的零色散波长(nm)，其中利用外包层与内包层的相对折射率差Δn3(％)和内包层的外径c作为参数；图17是图表，进一步详细地列出了图16的零色散波长(nm)，其中利用外包层与内包层的相对折射率差Δn3(％)和内包层的外径c作为参数；图18是图表，列出了各个实施例的偏振模式色散(ps/(km)1/2)，其中利用外包层与内包层的相对折射率差Δn3(％)和内包层的外径c作为参数；图19是图表，进一步详细地列出了图17的偏振模式色散(ps/(km)1/2，其中利用外包层与内包层的相对折射率差Δn3(％)和内包层的外径c作为参数；图20是曲线图，显示了各个实施例中的内包层的外径c与偏振模式色散(ps/(km)1/2)之间的关系；图21是曲线图，显示了各个实施例中的外包层与内包层相对折射率差Δn3(％)与偏振模式色散(ps/(km)1/2)之间的关系；且图22是曲线图，显示了内芯的外径a与外芯的外径b之间的比值和模式场直径的关系。
首先，在描述根据本发明的色散位移光纤之前，先说明本发明人的发现。
图2显示了色散位移光纤的横截面结构和折射率分布，以下将要描述的本发明人的发现就是基于这种横截面结构和折射率分布。图2的色散位移光纤51是单模光纤，它主要由硅玻璃构成并包括掺杂有锗的内芯819，该内芯819相对于纯硅玻璃具有1.0％的相对折射率差并具有3μm的外径a；外芯829，它设置在内芯819的外周边上并掺杂有锗，相对于纯硅玻璃具有0.15％的相对折射率差并具有23μm的外径b；以及，包层839，它设置在外芯829的外周边上并基本上由纯硅玻璃制成，具有125μm的外径。
在此说明书中，相对折射率差Δ被定义如下Δ＝(nt2+nc2)/2nc2(1)其中nc是作为玻璃区(例如纯硅玻璃或包层)的折射率—它被作为基准，且nt是各个玻璃区的折射率。因此，例如，具有折射率n1的内芯819与具有折射率nc的纯硅玻璃的相对折射率差Δn1由(n12+nc2)/2nc2给出。另外，上述表达式中的折射率可以以两种顺序中的任何一种排列。因此，其中与基准玻璃区(例如纯硅玻璃)的相对折射率差为负值的玻璃区，表示它是折射率低于基准玻璃区的折射率nc的玻璃区。
另外，图2所示的折射率分布11的横坐标轴对应于色散位移光纤51的横截面(与通过其传播的信号光的行进方向相垂直的平面)中线L2上的各个位置。进一步地，在折射率分布11中，区912、922和932分别对应于内芯819、外芯829和包层839中的线L2的部分上的相对折射率差。
本发明人已经证实，图2所示的色散位移光纤51的零色散波长为1，579nm，且当制造多个色散位移光纤51时，它们的平均偏振模式色散变为约0.58ps/(km)1/2。
由于通过色散位移光纤行进的光沿着直径方向具有较高的扩展程度，偏振模式色散在整体上变得较小。因此，本发明人的第一个发现是，当包层区由具有不同折射率的内和外包层(外包层的折射率低于内包层的折射率，从而在折射率分布中形成一个下降部分)组成时，光沿着直径方向的扩展程度增大，从而使得偏振模式色散得到减小。以下，将描述证明本发明人的第一个发现的实验1。
图3显示了实验1中的色散位移光纤的横截面结构和折射率分布。色散位移光纤52与图2的色散位移光纤51的不同之处，在于虽然它们的内和外芯中的折射率分布具有相同的形式，与图2的包层839相对应的一个玻璃区由一个内包层和一个外包层组成，而外包层的折射率低于内包层的折射率(即其分布12具有一个下降部分A)。如图3所示，该色散位移光纤52也是一个单模光纤，它主要由硅玻璃构成并包括一个掺杂有锗的内芯811，它与纯硅玻璃的相对折射率差为0.95％并具有3μm的外径a；一个外芯821，它设置在内芯811的外周边上的并掺杂有锗，且它与纯硅玻璃的相对折射率差为0.10％，并具有23μm的外径b；一个内包层831，它设置在外芯821的外周边上并掺杂有氟，它与纯硅玻璃的相对折射率差为-0.05％，并具有42μm的外径c；以及，一个外包层841，它设置在内包层831的外周边上，基本上由纯硅玻璃制成，并具有125μm的外径。
这里，色散位移光纤52中的各个玻璃区的相对折射率差由以上述外包层841(纯硅玻璃)为基准的上述表达式(1)给出。
另外，图3所示的折射率分布12的横坐标轴对应于色散位移光纤52的横截面(与通过其传播的信号光的行进方向相垂直的平面)中的线L3上的各个位置。进一步地，在折射率分布12中，区815、825、835和845分别对应于内芯811、外芯821、内包层831、和外包层841中的线L3的部分上的相对折射率差。另外，内包层831的折射率被设定为低于外包层841的折射率，以在色散位移光纤52的折射率分布12中形成一个下降部分A。
本发明人还证实了，图3所示的色散位移光纤52的零色散波长为1,580nm，且当制造多个色散位移光纤52时，它们的平均偏振模式色散为0.52ps/(km)1/2。因此，与图2的色散位移光纤相比，图3的色散位移光纤能够进一步减小偏振模式色散。
本发明人的第二个发现是，当氟被加到内和外芯中时，偏振模式色散得到降低，而不改变与内和外芯对应的折射率分布中的区的形式。以下，将描述证明了本发明人的第二个发现的实验2。
图4显示了实验2中的色散位移光纤的横截面结构和折射率分布。该色散位移光纤53与图2的色散位移光纤51的不同之处，在于虽然它们的折射率分布具有相同的形式，氟(F)被加到内和外芯中。图4的色散位移光纤53是一个单模光纤，它主要由硅玻璃构成，并包括一个内芯812，它掺杂有锗和氟、相对于纯硅玻璃具有1.0％的相对折射率差，并具有3μm的外径a；一个外芯822，它设置在内芯812的外周边上、掺杂有锗和氟、相对于纯硅玻璃具有0.15％的相对折射率差并具有23μm的外径b；以及，包层832，它设置在外芯822的外周边上、基本由纯硅玻璃制成，并具有125μm的外径。
这里，在此色散位移光纤53中的各个玻璃区中的相对折射率差，由以上述包层832(纯硅玻璃)为基准的上述表达式(1)给出。
另外，图4所示的折射率分布13的横坐标轴对应于色散位移光纤53的横截面(与通过其传播的信号光的行进方向相垂直的平面)中的线L4上的各个位置。进一步地，在折射率分布13中，区816、826、和836分别对应于内芯812、外芯822、和包层832中的线L4的部分上的相对折射率差。
本发明人还证实了，图4所示的色散位移光纤52的零色散波长为1,579nm，且当制造多个色散位移光纤53时，它们的平均偏振模式色散为0.51ps/(km)1/2。因此，与图2的色散位移光纤相比，图4的色散位移光纤能够进一步减小偏振模式色散。
下面，将结合附图描述根据本发明的色散位移光纤的实施例。
图5显示了作为根据本发明的色散位移光纤的基本配置的横截面结构和折射率分布。图5的色散位移光纤54是一个单模光纤，它主要由硅玻璃构成，并包括一个内芯100，它掺杂有锗和氟；一个外芯200，它设置在内芯100的外周边上、掺杂有锗和氟并具有低于内芯100的折射率的折射率；一个内包层300，它设置在外芯200的外周边上、掺杂有氟、并具有低于外芯200的折射率的折射率；以及，一个外包层400，它设置在内包层300的外周边上、由纯硅玻璃制成并具有125μm的外径。
此时，内芯100相对于内包层300的相对折射率差Δn1、外芯200相对于内包层300的相对折射率差Δn2、以及外包层400相对于内包层300的相对折射率差Δn3都得到适当设定，从而使零色散波长λ0变为1.4μm至1.7μm范围中的一个预定值。这里，在此色散位移光纤54中的各个玻璃区的相对折射率差，由以上述内包层300为基准的上述表达式(1)给出。
另外，图5所示的折射率分布14的横坐标轴对应于色散位移光纤54的横截面(与通过其传播的信号光的行进方向相垂直的平面)中的线L5上的各个位置。进一步地，在折射率分布14中，区101、201、301和401分别对应于内芯100、外芯200、内包层300和外包层400中的线L5的部分上的相对折射率差。另外，内包层300的折射率被设定为低于外包层400的折射率，从而在色散位移光纤54的折射率分布14中形成一个下降部分A。
根据本发明的色散位移光纤使入射光以内芯100为中心而通过其传输，同时限制了偏振模式色散的产生。
以下，将描述色散位移光纤的各个实施例，其中与内和外芯相对应的区具有与图2的折射率分布相一致的折射率分布(其中Δn1＝1.0％且Δn2＝0.15％)，而外包层相对于内包层的相对折射率差Δn3以及内包层的外径c得到改变。这里，预定浓度的氟被加到内芯、外芯和内包层的各个玻璃区中。
实施例1图6显示了实施例1中根据本发明的色散位移光纤的横截面结构和折射率分布。图6的色散位移光纤55是一个单模光纤，它主要由硅玻璃构成并包括一个内芯110，它掺杂有锗和氟、相对于一个内包层310具有1.0％的相对折射率差并具有3.0μm的外径a；一个外芯210，它被设置在内芯110的外周边上、掺杂有锗和氟、相对于内包层310具有0.15％的相对折射率差并具有23μm的外径b；内包层310，它设置在外芯210的外周边上、掺杂有氟、并具有24μm的外径c；以及，一个外包层410，它设置在内包层310的外周边上、由纯硅玻璃制成、相对于内包层310具有0.005％的相对折射率差并具有125μm的外径。本实施例的色散位移光纤55的零色散波长为1,571nm。
这里，在此色散位移光纤55中各个玻璃区的相对折射率差由以上述内包层310为基准的上述表达式(1)给出。
另外，图6所示的折射率分布15的横坐标轴对应于色散位移光纤55的横截面(与通过其传播的信号光的行进方向相垂直的平面)中的线L6上的各个位置。进一步地，在折射率分布15中，区111、211、311、和411分别对应于在内芯110、外芯210、内包层310和外包层410中的线L6的部分上的相对折射率差。另外，内包层310的折射率被设定为低于外包层410的折射率，从而在色散位移光纤55的折射率分布15中形成了一个下降部分A。
本发明人已经证实了，当制造多个色散位移光纤55时，它们的平均偏振模式色散为0.49ps/(km)1/2。
实施例2图7显示了实施例2中根据本发明的色散位移光纤的横截面结构和折射率分布。图7的色散位移光纤56是一个单模光纤，它主要由硅玻璃构成并包括一个内芯120，它掺杂有锗和氟、相对于一个内包层320具有1.0％的相对折射率差并具有3.0μm的外径a；一个外芯220，它设置在内芯120的外周边上、掺杂有锗和氟、相对于内包层320具有0.15％的相对折射率差并具有23μm的外径b；内包层320，它设置在外芯220的外周边上、掺杂有氟并具有42μm的外径c；以及，一个外包层420，它设置在内包层320的外周边上、由纯硅玻璃制成、相对于内包层320具有0.005％的相对折射率差并具有125μm的外径。本实施例的色散位移光纤56的零色散波长为1,575nm。
这里，在此色散位移光纤56中的各个玻璃区的相对折射率差由以上述内包层320为基准的上述表达式(1)给出。
另外，图7所示的折射率分布折射率分布16的横坐标轴对应于色散位移光纤56的横截面(与通过其传播的信号光的行进方向相垂直的平面)中的线L7上的各个位置。进一步地，在折射率分布16中，区121、221、321和421分别对应于在内芯120、外芯220、内包层320、外包层420中的线L7的部分上的相对折射率差。另外，内包层320的折射率被设定为低于外包层420的折射率，从而在色散位移光纤56的折射率分布16中形成了一个下降部分A。
本发明已经证实，当制造多个色散位移光纤56时，它们的平均偏振模式色散为0.38ps/(km)1/2。
实施例3图8显示了实施例3中根据本发明的色散位移光纤的横截面结构和折射率分布。图8的色散位移光纤57是一个单模光纤，它主要由硅玻璃构成并包括一个内芯130，它掺杂有锗和氟、相对于一个内包层330具有1.0％的相对折射率差并具有3.0μm的外径a；一个外芯230，它被设置在内芯130的外周边上、掺杂有锗和氟、相对于内包层330具有0.15％的相对折射率差并具有23μm的外径b；内包层330，它被设置在外芯230的外周边上、掺杂有氟并具有90μm的外径c；以及，一个外包层430，它被设置在内包层330的外周边上、由纯硅玻璃制成、相对于内包层330具有0.005％的相对折射率差并具有125μm的外径。本实施例的色散位移光纤57的零色散波长为1,579nm。
这里，该色散位移光纤57的各个玻璃区中的相对折射率差由以上述的内包层330作为基准的上述表达式(1)给出。
另外，图8所示的折射率分布17的横坐标轴对应于色散位移光纤57的横截面(与通过其传播的信号光的行进方向相垂直的平面)中的线L8上的各个位置。进一步地，在折射率分布17中，区131、231、331和431分别对应于内芯130、外芯230、内包层330以及外包层430中的线L8的部分上的相对折射率差。另外，内包层330的折射率被设定为低于外包层430的折射率，从而在色散位移光纤57的折射率分布17中形成了一个下降部分A。
本发明已经证实了，当制造多个色散位移光纤57时，它们的平均偏振模式色散为0.48ps/(km)1/2。
实施例4图9显示了实施例4中的根据本发明的色散位移光纤的横截面结构和折射率分布。图9的色散位移光纤58是一个单模光纤，它主要由硅玻璃构成并包括一个内芯140，它掺杂有锗和氟、相对于一个内包层340具有1.0％的相对折射率差并具有3.0μm的外径a；一个外芯240，它被设置在内芯140的外周边上、掺杂有锗和氟、相对于内包层340具有0.15％的相对折射率差并具有23μm的外径b；内包层340，它被设置在外芯240的外周边上、掺杂有氟并具有24μm的外径c；以及，一个外包层440，它被设置在内包层340的外周边上、由纯硅玻璃制成、相对于内包层340具有0.05％的相对折射率差并具有125μm的外径。本实施例的色散位移光纤58的零色散波长为1,576nm。
这里，该色散位移光纤58的各个玻璃区的相对折射率差由以上述内包层340为基准的上述表达式(1)给出。
另外，图9所示的折射率分布18的横坐标轴对应于色散位移光纤58的横截面(与通过其传播的信号光的行进方向相垂直的平面)中的线L9上的各个位置。进一步地，在折射率分布18中，区141、241、341和441分别对应于内芯140、外芯240、内包层340和外包层440中的线L9的部分上的相对折射率差。另外，内包层340的折射率被设定为低于外包层440的折射率，从而在色散位移光纤58的折射率分布18中形成了一个下降部分A。
本发明人已经证实了，当制造多个色散位移光纤58时，它们的平均偏振模式色散为0.32ps/(km)1/2。
实施例5图10显示了实施例5中根据本发明的色散位移光纤的横截面结构和折射率分布。图10的色散位移光纤59是一个单模光纤，它主要由硅玻璃构成并包括一个内芯150，它掺杂有锗和氟、相对于一个内包层350具有1.0％的相对折射率差并具有3.0μm的外径a；一个外芯250，它被设置在内芯150的外周边上、掺杂有锗和氟、相对于内包层350具有0.15％的相对折射率差并具有23μm的外径b；内包层350，它被设置在外芯250的外周边上、掺杂有氟并具有42μm的外径c；以及，一个外包层450，它被设置在内包层350的外周边上、由纯硅玻璃制成、相对于内包层350具有0.05％的相对折射率差并具有125μm的外径。本实施例的色散位移光纤59的零色散波长为1,580nm。
这里，色散位移光纤59的各个玻璃区中的相对折射率差由以上述内包层350为基准的上述表达式(1)给出。
另外，图10所示的折射率分布19的横坐标轴对应于色散位移光纤59的横截面(与通过其传播的信号光的行进方向相垂直的平面)中的线L10上的各个位置。进一步地，在折射率分布19中，区151、251、351和451分别对应于内芯150、外芯250、内包层350和外包层450中的线L10的部分上的相对折射率差。另外，内包层350的折射率被设定为低于外包层450的折射率，从而在色散位移光纤59的折射率分布19中形成一个下降部分A。
本发明人已经证实了，当制造多个色散位移光纤59时，它们的平均偏振模式色散为0.15ps/(km)1/2。另外，本实施例的色散位移光纤59的各个玻璃区包含如图11所示的最佳量的氟。
进一步地，在实施例5的这些色散位移光纤59中，零色散波长(λ0)、模式场直径(MFD)、在2m长度(ITU标准)下的截止波长、以及偏振模式色散(PMD)都被表示如下零色散波长(λ0)1580(nm)；MFD9.0μm；截止波长(在2m长度下)1.48nm；PMD0.15(ps/(km)1/2)。
实施例6图12显示了在实施例6中根据本发明的色散位移光纤的横截面结构和折射率分布。图12的色散位移光纤60是单模光纤，它主要由硅玻璃构成并包括一个内芯160，它掺杂有锗和氟、相对于一个内包层360具有1.0％的相对折射率差并具有3.0μm的外径a；一个外芯260，它被设置在内芯160的外周边上、掺杂有锗和氟、相对于内包层360具有0.15％的相对折射率差并具有23μm的外径b；内包层360，它被设置在外芯260的外周边上、掺杂有氟并具有90μm的外径c；以及，一个外包层460，它被设置在内包层360的外周边上、由纯硅玻璃制成、相对于内包层360具有0.05％的相对折射率差并具有125μm的外径。本实施例的色散位移光纤60的零色散波长为1,584nm。
这里，色散位移光纤60中的各个玻璃区的相对折射率差由以上述内包层360为基准的上述表达式(1)给出。
另外，图12所示的折射率分布20对应于色散位移光纤60的横截面(与通过其传播的信号光的行进方向相垂直的平面)中的线L11上的各个位置。进一步地，在折射率分布20中，区161、261、361和461分别对应于内芯160、外芯260、内包层360和外包层460中的线L11的部分上的相对折射率差。另外，内包层360的折射率被设定为低于外包层460的折射率，从而在色散位移光纤60的折射率分布20中形成了一个下降部分A。
本发明人已经证实了，当制造多个色散位移光纤60时，它们的平均偏振模式色散为0.39ps/(km)1/2。
实施例7图13显示了实施例7中根据本发明的色散位移光纤的横截面结构和折射率分布。图13的色散位移光纤61是一个单模光纤，它主要由硅玻璃构成并包括一个内芯170，它掺杂有锗和氟、相对于一个内包层370具有1.0％的相对折射率差并具有3.0μm的外径a；一个外芯270，它被设置在内芯170的外周边上、掺杂有锗和氟、相对于内包层370具有0.15％的相对折射率差并具有23μm的外径b；内包层370，它被设置在外芯270的外周边上、掺杂有氟并具有24μm的外径c；以及，一个外包层470，它被设置在内包层370的外周边上、由纯硅玻璃制成、相对于内包层370具有0.8％的相对折射率差并具有125μm的外径。本实施例的色散位移光纤61的零色散波长为1,581nm。
这里，色散位移光纤61的各个玻璃区的相对折射率差由以上述内包层370为基准的上述表达式(1)给出。
另外，图13所示的折射率分布21的横坐标轴对应于色散位移光纤61的横截面(与通过其传播的信号光的行进方向相垂直的平面)中的线L12上的各个位置。进一步地，在折射率分布21中，区171、271、371和471分别对应于内芯170、外芯270、内包层370和外包层470中的线L12的部分上的相对折射率差。进一步地，内包层370的折射率被设定为低于外包层470的折射率，从而在色散位移光纤61的折射率分布21中形成了下降部分A。
本发明人已经证实了，当制造多个色散位移光纤61时，它们的平均偏振模式色散为0.43ps/(km)1/2。
实施例8
图14显示了实施例8中根据本发明的色散位移光纤的横截面结构和折射率分布。图14的色散位移光纤62是单模光纤，它主要由硅玻璃构成并包括一个内芯180，它掺杂有锗和氟、相对于一个内包层380具有1.0％的相对折射率差并具有3.0μm的外径a；一个外芯280，它被设置在内芯180的外周边上、掺杂有锗和氟、相对于内包层380具有0.15％的相对折射率差并具有23μm的外径b；内包层380，它被设置在外芯280的外周边上、掺杂有氟并具有42μm的外径c；以及，一个外包层480，它被设置在内包层380的外周边上、由纯硅玻璃制成、相对于内包层380具有0.8％的相对折射率差并具有125μm的外径。本实施例的色散位移光纤62的零色散波长为1,585nm。
这里，在此色散位移光纤62中的各个玻璃区的相对折射率差由以上述内包层380为基准的上述表达式(1)给出。
另外，图14所示的折射率分布22的横坐标轴对应于在色散位移光纤62的横截面(与通过其传播的信号光的行进方向相垂直的平面)上的线L13上的各个位置。进一步地，在折射率分布22中，区181、281、381和481分别对应于内芯180、外芯280、内包层380和外包层480中的线L13的部分上的相对折射率差。进一步地，内包层380的折射率被设定为低于外包层430的折射率，从而在色散位移光纤62的折射率分布22中形成了下降部分A。
本发明人已经证实了，当制造多个色散位移光纤62时，它们的平均偏振模式色散为0.33ps/(km)1/2。
实施例9图15显示了实施例9中根据本发明的色散位移光纤的横截面结构和折射率分布。图15的色散位移光纤63是单模光纤，它主要由硅玻璃构成并包括一个内芯190，它掺杂有锗和氟、相对于一个内包层390具有1.0％的相对折射率差、并具有3.0μm的外径a；一个外芯290，它被设置在内芯190的外周边上、掺杂有锗和氟、相对于内包层390具有0.15％的相对折射率差、并具有23μm的外径b；内包层390，它被设置在外芯290的外周边上、掺杂有氟并具有90μm的外径c；以及，一个外包层490，它被设置在内包层390的外周边上、由纯硅玻璃制成、相对于内包层390具有0.8％的相对折射率差、并具有125μm的外径。本实施例的色散位移光纤63的零色散波长为1,589nm。
这里，该色散位移光纤63中各个玻璃区的相对折射率差由以上述内包层390为基准的所述表达式(1)给出。
另外，图15所示的折射率分布23的横坐标轴对应于色散位移光纤63的横截面(与通过其传播的信号光的行进方向相垂直的平面)中的线L14上的各个位置。进一步地，在折射率分布23中，区191、291、391和491分别对应于内芯190、外芯290、内包层390和外包层490中的线L14的部分上的相对折射率差。进一步地，内包层390的折射率被设定为低于外包层490的折射率，从而在色散位移光纤63的折射率分布23中形成了下降部分A。
本发明人已经证实了，当制造多个色散位移光纤63时，它们的平均偏振模式色散为0.45ps/(km)1/2。
图16显示了一个图表，其中列出了前述各个实施例1至9的零色散波长(nm)，其中利用了外包层相对于内包层的相对折射率差Δn3以及内包层的外径c作为参数。另外，图17显示了一个图表，其中更为详细地列出了零色散波长(nm)，且其中利用外包层相对于内包层的相对折射率差Δn3和内包层的外径c作为参数。这里，图17所示的图表中的零色散波长(nm)，是当改变内包层的外径c和外包层相对于内包层的的相对折射率差Δn3，同时内芯相对于内包层的相对折射率差Δn1、外芯相对于内包层的相对折射率差Δn2、内芯的外径a、以及外芯的外径b分别被固定在1.0％、0.15％、3.0μm和23μm的情况下，而获得的零色散波长。
进一步地，图18显示了一个图表，其中列出了偏振模式色散(ps/(km)1/2)，且其中利用了外包层相对于内包层的相对折射率差Δn3和内包层的外径c作为参数。另外，图19显示了一个图表，其中列出了偏振模式色散(ps/(km)1/2)，且其中采用了外包层相对于内包层的相对折射率差Δn3和内包层的外径c作为参数。这里，图19所示的偏振模式色散(ps/(km)1/2)，是当改变内包层的外径c和外包层相对于内包层的相对折射率差Δn3，同时内芯相对于内包层的相对折射率差Δn1、外芯相对于内包层的相对折射率差Δn2、内芯的外径a、以及外芯的外径b分别被固定在1.0％、0.15％、3.0μm和23μm时，而获得的。
从图16和17的图表，可以证实在实施例1至9中的零色散波长相对于图2的色散位移光纤51的零色散波长的变化范围不大于±10nm，并在1.4μm至1.7μm的范围之内。另外，从图18和19的图表，可以看出实施例1至9的偏振模式色散不大于0.5ps/(km)1/2。对于应用于长距离大容量传输的光纤来说，0.5ps/(km)1/2或更小的偏振模式色散是足以在几千公里(目前已经采用或将在未来实施)的长距离上实现每秒几千兆位的高速传输的。
另外，从前述的图表，可以看到，当外包层相对于内包层的相对折射率差Δn3太低或太高时，其使偏振模式色散减小的作用被降低了。当相对折射率差Δn3太低时，其原因被认为是内包层对通过光纤行进的光沿着其直径方向的扩展的贡献太小，以致没有充分地增大光沿着直径方向的扩展程度—这种增大是由于具有低于外包层折射率的折射率的内包层(即折射率分布中存在有下降部分)而造成的。另一方面，当相对折射率差Δn3太高时，其原因被认为是存在于内包层的内侧上(在芯部中)的光的比率增加得太大，以致没有充分地获得沿着直径方向的光的扩展的增大。
另外，从前述图表，可以看到，当内包层的外径c太小或太大时，其在减小偏振模式色散上的作用被降低了。当内包层的外径c太小时，其原因被认为是内包层对通过光纤行进的光沿着其直径方向的扩展的贡献太小，以致没有充分实现由于具有低于外包层折射率的折射率的内包层(即折射率分布中存在有一个下降部分)而造成的光沿着直径方向的扩展。另一方面，当内包层的外径c太大时，其原因被认为是由于外包层的值相对于沿着直径方向的光扩展来说被降低了，从而增大了存在于内包层的内侧上(在芯部中)的光的比率，以致不能充分地实现沿着直径方向的光扩展的增大。
另外，为了能够在几千公里的长距离上以每秒几十千兆的高速进行光学通信传输，必须把应用于该光学通信的色散位移光纤的偏振模式色散抑制在0.25ps/(km)1/2或更小(见图19)。
图20是曲线图，显示了在其中外包层相对于内包层的相对折射率差Δn3分别为0.005％、0.01％、0.05％、0.10％和0.8％的色散位移光纤中内包层的外径c(μm)与偏振模式色散(ps/(km)1/2)之间的关系。这里，在这些色散位移光纤中，内芯相对于内包层的相对折射率差Δn1(＝1.0％)、外芯相对于内包层的相对折射率差Δn2(＝0.15％)、内芯的外径a(＝3.0μm)、以及外芯的外径b(＝23μm)都是恒定的。图21是曲线图，显示了在其中内包层的外径c分别为24μm、30μm、42μm、62μm和92μm的色散位移光纤中外包层相对于内包层的相对折射率差Δn3与偏振模式色散(ps/(km)1/2)之间的关系。在此情况下，在这些色散位移光纤中，内芯相对于内包层的相对折射率差Δn1(＝1.0％)、外芯相对于内包层的相对折射率差Δn2(＝0.15％)、内芯的外径a(＝3.0μm)以及外芯的外径b(＝23μm)都是恒定的。
如从这些曲线图(图20和21)中可见，实现0.25ps/(km)1/2或更小的偏振模式色散的最佳范围是Δn3在0.01％至0.10％；且c在30μm至60μm。
进一步地，图22显示了当外芯的外径b改变以给出1,580nm的零色散波长以消除四波混合(它是一种非线性光学现象)时模式场直径(MFD)与a/b之间的关系。这里，内芯相对于内包层的相对折射率差Δn1、外芯相对于内包层的相对折射率差Δn2、以及零色散波长λ0分别被固定在1.0％、0.15％和1,580nm。
一般地，为了消除诸如自相位调制(SPM)以及交叉相位调制(XPM)的非线性光学现象，需要具有大的MFD(8μm或更大)的光纤。因此，如图22可见，需要把内芯的外径a与外芯的外径b的比值设定在0.20或更小。
这里，本发明人已经证实了，根据本发明的色散位移光纤不仅在减小实施例1至9中的偏振模式色散时而且在其他的折射率分布中也是有效的。
虽然各个上述实施例涉及到折射率分布—其中内芯的折射率分布构成了子弹形，本发明人已经进一步证实了，具有矩形或三角形折射率分布的根据本发明的色散位移光纤，对于减小偏振模式色散也是充分有效的。
本发明不仅限于前述实施例和例子，而是能够得到修正。例如，加入到内芯或外芯以增大折射率的掺杂物不仅限于锗，而是也可以把磷(P)等等加到硅玻璃中以增大其折射率。
另外，根据本发明的色散位移光纤，当它具有所谓的分段芯结构—其中内芯具有双重结构—时，也呈现出类似的效果。
如上所述，由于根据本发明的色散位移光纤采用了“双芯+双包层”结构、将内包层的折射率设定为低于外包层的折射率、并包含加到内和外芯中的氟，因而它在总体上能够有效地减小通过光纤行进的光所形成的偏振模式色散。
从所描述的本发明而显而易见的是，本发明能够以多种方式进行变化。这些变化并没有脱离本发明的精神和范围，且对于本领域的技术人员来说是显而易见的，所有这类修正都属于所附权利要求书的范围。
1996年1月16日递交的基本的日本申请第004947/1996号在此被作为参考文献。
权利要求
1.一种色散位移光纤，它主要由硅玻璃构成并具有在1.4μm至1.7μm范围内的零色散波长，所述色散位移光纤包括一个内芯，至少包含氟，所述内芯具有一个第一折射率和一个第一外径a；一个外芯，它被设置在所述内芯的外周边上并至少包含氟，所述外芯具有低于所述第一折射率的第二折射率和一个第二外径b；一个内包层，它被设置在所述外芯的外周边上，所述内包层具有低于所述第二折射率的第三折射率；以及一个外包层，它被设置在所述内包层的外周边上，所述外包层具有高于所述第三折射率的第四折射率。
2.根据权利要求1的色散位移光纤，其中所述内包层至少包含预定浓度的氟。
3.根据权利要求1的色散位移光纤，其中所述色散位移光纤满足以下条件0.01％≤Δn≤0.10％；以及30μm≤c≤60μm其中Δn是所述外包层相对于所述内包层的相对折射率差，且c是所述内包层的外径。
4.根据权利要求3的色散位移光纤，其中所述色散位移光纤满足以下条件a/b≤0.20；且b≥15μm。
5.根据权利要求3的色散位移光纤，其中所述色散位移光纤具有在1,560nm至1,600nm的范围内的零色散波长；8.0μm或更大的模式场直径；在其长度为2米时在1.0μm至1.8μm的范围内的截止波长；以及0.25ps/(km)1/2或更小的偏振模式色散。
6.一种主要由硅玻璃构成的色散位移光纤，所述色散位移光纤具有在1,560nm至1,600nm的范围内的零色散波长；8.0μm或更大的模式场直径；在其长度为2米时在1.0μm至1.8μm的范围内的截止波长；以及0.25ps/(km)1/2或更小的偏振模式色散。
7.根据权利要求6的色散位移光纤，其中所述色散位移光纤包括一个内芯，至少包含氟，所述内芯具有一个第一折射率和一个第一外径a；一个外芯，它被设置在所述内芯的外周边上并至少包含氟，所述外芯具有低于所述第一折射率的第二折射率和一个第二外径b；一个内包层，它被设置在所述外芯的外周边上，所述内包层具有低于所述第二折射率的第三折射率；以及一个外包层，它被设置在所述内包层的外周边上，所述外包层具有高于所述第三折射率的第四折射率。
8.根据权利要求7的色散位移光纤，其中所述内包层至少包含预定浓度的氟。
9.根据权利要求7的色散位移光纤，其中所述色散位移光纤满足以下条件0.01％≤Δn≤0.10％；以及30μm≤c≤60μm其中Δn是所述外包层相对于所述内包层的相对折射率差，且c是所述内包层的外径。
10.根据权利要求9的色散位移光纤，其中所述色散位移光纤满足以下条件a/b≤0.20；且b≥15μm。
全文摘要
本发明涉及一种色散位移光纤，它具有用于有效降低偏振模式色散的结构。该色散位移光纤是单模光纤，主要由硅玻璃构成并具有在至少1.4μm但不超过1.7μm的范围内的零色散波长。特别地，至少该色散位移光纤的整个芯区都包含氟。
文档编号C03C13/04GK1163411SQ97102238
公开日1997年10月29日 申请日期1997年1月15日 优先权日1996年1月16日
发明者加藤考利, 末次义行, 西村正幸 申请人:住友电气工业株式会社