专利名称：用于对一根单模光纤在s频带作色散补偿的光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是光纤传输领域，特别涉及的是在光纤传输系统中的色散和色散变化率的补偿。
在所有新的高速率且波长多工传输的网络中，特别是速率大于或等于10Gbit/s的情况下，需要对色散进行控制。其目的是对于多工的所有波长值，都要得到在线路上累积的色散大体为零，以使减少脉冲加宽。在整个传输系统中，累积的色散值为几百个ps/nm是可以接受的。同时还要避免使用在系统中的临近的波长的色散为零，对于这一些，非线性效应是非常重要的。最后，还要限制在多工范围内的色散变化率，以避免或缩小多工信道间变坏。色散补偿和色散变化率问题对于甚高速率(àtrès hant débit)传输特别重要，尤其是在以40 Gbit/s及以上的速率/信道的波长多工传输系统中。当频带宽度增加并达到超过或等于30nm，例如35nm时，这个问题同样变得尖锐。
在传统上，是将折射率阶跃光纤作为传输光纤用于光纤通讯系统中的。通常称这些光纤为单模光纤或SMF(来自英语“single modefiber”)。标号为ASMF200的一种商品化的折射率阶跃单模光纤，其无色散波长λ0在1300到1320nm之间，且在1285～1330nm范围内的色散为3.5ps/(nm.km)，在1550nm处的色散为18ps/(nm.km)。在1550nm处的色散变化率为0.06ps/nm2·km。在已知的传输系统中，将这种光纤用于波长在1550nm附近的信号传输(信道C)。
为了在这个频段中消除在用作传输光纤的SMF光纤中或NZ-DSF(英语“non-zero dispersion shifted fibers”的缩写)光纤中的色散和色散变化率，已知的办法是使用短的色散补偿光纤或DCF(英语Dispersion Compensatig Fiber)，这种光纤的色散和色散变化率的符号都和传输光纤的色散和色散变化率的符号相反。在传输SMF光纤的情况下L.Grner及其同事给出一个例子，见Large volumeManufacturing of Dispersion Compensationg fiber，OFC′98Technical Digest TuDs。
文献EP-A-0935 146推荐用于补偿SMF光纤在1550nm附近波长范围内的色散及色散变化率的一些光纤。在这个波长附近，这些光纤的色散与色散变化率之比与传输光纤的色散与色散变化率之比相接近。这个文献还提出不同的光纤曲线，图3为带有一个下沉的沟槽和一个环的矩形折射率曲线。
更详细地说，本发明推荐一种在1475nm处的单模光纤，且这种光纤在这一波长处的色散小于-40ps/(nm.km)，色散与色散变化率之比小于250nm，以及有效截面大于或等于14μm2。
相当有好处的是，这种光纤在1450nm处具有的有效截面大于13μm2，还在1475nm处的色散大于或等于-150ps/(nm.km)。
在一种实施方式中，这种光纤在1475nm处的色散小于或等于-60ps/(nm.km)。这种光纤在1475nm波长处的色散与色散变化率之比在170到230nm之间。
在另一种实施方式中，将这种光纤绕成100圈，半径为30nm的圈，在波长为1500nm的弯曲损耗小于10-3dB，且半径为10mm的一圈中在波长为1500nm的弯曲损耗低于100dB/m。
最好，述及的光纤对于波长1475nm的损耗小于1.2dB/km。在另一种实施方式中，述及的光纤在波长1475nm处的模直径(diametre demode)大于4μm，且对于波长1475nm处的微曲灵敏度(sensibitite auxmioro-courbure)可以小于1，而最好小于或等于0.5。
还有相当的好处是，这种光纤具有的理论截止波长大于1100nm，且小于1800nm，最好为1700nm，或1600nm。
为从曲线中得到上述的参数，述及的光纤可以为具有一个凹陷的沟槽和一个环的矩形折射率曲线，或具有一个凹陷的沟槽和一个环的梯形折射率曲线。
在一种实施方式中，矩形或环的折射率与包层的折射率之差在16×10-3到25×10-3之间，且折射率大于包层折射率的光纤部分的半径在1.3至2.3μm之间。
在另一种实施方式中，凹陷沟槽折射率与包层折射率之差在-9×10-3到-5×10-3之间。这个凹槽的外径在3.7到6μm之间。
在又一种实施方式中，还有环的折射率与包层折射率之差在3×10-3到11×10-3之间，且环的外半径在6.6到8.3μm之间。
最好，半径与折射率的乘积在从半径为零到光纤中心部分的外径间的积分的两倍具有的折射率大于包层的的这个值，在30×10-3到60×10-3μm之间。
同样可以予见，凹陷沟槽的外半径的平方与凹陷沟槽折射率的乘积是在-300×10-3到-110×10-3μm2之间。
还有可能，环的厚度与环的折射率的乘积是在7×10-3到14.5×10-3μm。
本发明还推荐一种传输系统，这系统的传输光纤中有一在S频带得到补偿的阶跃折射率单模光纤，其好处是每条信道在1460到1490nm间在100km传输中累积的色散的绝对值平均小于100ps/nm。
所说的传输光纤可以是由折射率阶跃单模光纤构成，亦可是折射率阶跃单模光纤和色散补偿光纤构成。前面所推荐的光纤在这样的传输系统中用作色散补偿光纤是特别有好处的。
最后，本发明推荐一个色散补偿模块，在这个模块中有一个放大器和一段这种光纤。
—图3和4是根据本发明的光纤曲线的例子。
本发明的光纤可以用来对用在将传统折射率阶跃单模光纤用作传输光纤的传输系统中在S频带进行色散补偿和折射率变化率补偿。如前面已经指出，SMF光纤在1550nm附近的色散的典型值在15到20ps/(nm.km)之间，色散变化率的典型值约为0.06ps/(nm2.km)。在S频带，SMF光纤在1475nm处的色散约为13ps/(nm.km)，以及色散变化率约为0.064ps/(nm2.km)，色散与色散变化率之比约为200nm。在这个波长处，现在技术状态的补偿光纤—例如EP-A-0 935 146中的光纤—不能满足色散补偿和色散变化率的补偿。在这种现在技术的光纤中，色散与色散变化率之比超过250，甚至300nm。既使将这种色散补偿光纤在S频带用于以SMF光纤为传输光纤的传输系统中，它也不能够保证对色散和色散变化率进行部分补偿，例如对于折射率与折射率变化率之比为300nm的光纤，对于中心在1450到1500nm的信道，在100km的传输中累积的色散的绝对值超过100ps/nm。
本发明还涉及光纤传输系统，其中的传输光纤用SMF光纤，即这一种光纤，在1550nm处的色散在15到20ps/(nm.km)之间，色散变化率在0.055到0.060ps/(nm2.km)，这种传输光纤的特征还在于它在1475nm附近的色散值和色散变化率的值是如在前面已经指出的那样。
图1示出根据本发明的传输系统的第一实施方式的示意性表示。在这个图中，示出一个发射器TX1和一个接收器RX2，这两部分之间用多段光纤41到4n连接。此处意味着传输光纤延伸到整个传输系统的长度，其长度大体上相当于系统的长度。在图1所示的实施方式中，传输光纤是由SMF光纤构成的，在各段光纤之间安装有色散补偿块51到5n-1，一个色散补偿块5i中有一个放大器6i，后面跟着一段色散光纤7i。在这个图中没有画出滤波器和其它与本发明的运行不直接有关的器件。
将来自SMF光纤的光进行放大，然后传到一段色散补偿光纤中，在这光纤中，色散和色散变化率得到补偿，亦可将补偿模块中的色散补偿光纤和放大器的位置相互颠倒。
图2示出根据本发明的传输系统的另一种实施方式。在图2所示的实施方式中，仍将色散补偿光纤用作传输光纤。在这图中仍然有发射器TX1和接收器RX2，这两个部分之间用多段传输光纤10i连接，传输光线段由中继器隔开，每个中继器中有放大器、滤波器，以及其它已知部件，并没有进行更详细的描述。每段传输光纤10i中有一段SMF光纤12i和一段根据本发明的色散补偿光纤13i。
图1和图2所示的实施方式构成了两个极端在图1所示的实施方式中，传输光纤仅为SMF光纤，所有的色散补偿光纤都密藏在转播器中。在这种情况下，色散补偿光纤与传输系统的长度无关。这种实施方式特别适用于现存的SMF光纤的连接，并可对这种系统进行修改，以用于在S波段的传输。与此相反，在图2所示的实施方式中，色散补偿光纤起传输光纤的作用而中继器中并没有色散补偿光纤。可以有在图1所示方案与图2所示方案之间的中间方案。
在这种情况或那种情况下，色散补偿光纤的长度和希望的传输光纤F的长度分别为LDCF和LF，选择这两个长度，使得LDCF×CDCF＝-LF×CF(1)此处，LDCF是色散补偿光纤在1475nm处的色散，而CF是传输光纤在1475nm处的色散。这种实施保证了在传输光纤中积累的色散在色散补偿光纤中得到补偿，可以放宽这个条件，使得在传输100km后，在1475nm处剩余的累积色散小于10ps/nm。亦可选择大的负色散，以使所用的补偿光纤尽可能短。
作为例子，可以考察图1所示类型的传输系统，其中传输SMF光纤各段的长度LSMF为100km，在转播器中的一段光纤的长度LDCF为20km，在1475nm处，SMF光纤的色散约为13ps/(nm.km)，色散变化率为0.064ps/(nm2.km)；DCF光纤为图3所示的那类光纤，在波长1475nm处的色散为-65ps/(nm.km)及色散变化率为-0.33ps/(nm2.km)。在这种情况下，在1475nm处的累积色散接近于0ps/nm。对于一个在1450到1500nm间的波长多工信号，构成传输系统一段的每条信道，100km中累积色散小于20ps/nm。由此可以得到前面指出的将累积色散限制在几十个ps/nm以下。平均而言，在S频带的每条信道上传输100km，将累积色散限制在20ps/nm以下。
在补偿色散的同时对色散变化率进行补偿，这取决于在SMF光纤中和在色散补偿光纤中的色散与色散变化率之比。在理想的情况下，将SMF光纤和色散补偿光纤的这个比分别记作RSMF和RDCF，便有在波长1475nm处RSMF＝RDCF，这便保证了如果在1475nm处的累积色散很好地得到补偿，在这个波长处小于10ps/nm，则在1475nm处的色散变化率也得到很好的补偿。
如果将色散与色散变化率的比RDCF保持在250nm以下，便保证对于在波长1475为中心附近30nm频宽内的多工的每条1460到1490nm间的每条信道，在100km传输中累积的剩余色散小于50ps/nm。如增加使用范围，在1450到1500nm间，对于比RDCF为250nm，剩余累积色散的绝对值将小于70ps/nm，70ps/nm是可达到的最大值。
对于比值RDCF大于250nm，则对于以1475nm为中心的多工信道整体的平均累积色散的绝对值将增加。因此，本发明建议，光纤的色散与色散变化率之比要小于250nm，以限制在1450到1500nm之间的给定的传输长度上平均累积色散的绝对值。
现在来描述本发明的色散补偿光纤的特征，然后给出这种光纤的一种实施方法。这种光纤在波长1475nm处有负色散和负的色散变化率，以能补偿SMF光纤的色散和色散变化率。其色散小于-40ps/(nm.km)，例如在-150到-40ps/(nm.km)之间。这种光纤的色散变化率在-0.5ps/(nm2.km)到-0.16ps/(nm2.km)。可以予计，这种光纤的色散与色散变化率之比约为200nm，非常接近SMF光纤的色散与色散变化率之比，在1475nm处，这个比在170到230nm之间是相当好的。另外这光纤在1475nm处是单模的。
如前面已经指出，这种光纤的好处在于这种光纤有小的弯曲损耗。这弯曲损耗是用已知的方法进行估计的，即测量将光纤绕圈所生成的损耗。例如将光纤绕在半径为30mm的筒上100圈并测量由于绕圈而引入的损耗，亦可简单地将光纤在半径为10mm的筒上形成一圈而测定线性损耗。在这种和那种情况下，弯曲损耗是波长的增函数，且光纤在1475nm处的性能总是优于在1500nm处的性能，因此用检测1500nm处的光纤特征就足以保证在S带的运行。根据本发明，绕成半径为30mm的圈100圈光纤在1500nm处的弯曲损耗最好小于10-3dB。对于弯曲损耗的这个限制保证可以将色散补偿光纤在转播器中绕圈，像在图1所示的实施方式中那样，或者制成光缆，如在图2所示的实施方式中那样。还可用测量光纤在半径为10mm的环之一圈中的损耗来表示，在1500nm处要低于100dB/m。
所述的光纤还要有下列特征中的一个或多个一在1475nm处的色散小于-60ps/(nm.km)；
—在2m中测得的截止波长低于1450nm；—光缆的有效截止波长小于1300nm；—理论截止波长大于1100nm，小于1800nm，甚至1700nm或1600nm。
—有效截面大于14μm2，在1450nm处最好大于13μm2；—微曲灵敏度小于1，最好小于或等于0.5；—对于波长大于1450nm时的模直径大于4μm。
上面推荐的色散值可以限制用于系统中的色散补偿光纤的长度。将理论截止波长增加到1100nm以上，可以使传输特性更好地协调。如理论截止波长小于1600nm，则可以保证，对于大部分折射曲线的光纤在S频带是单模的，对于理论截止波长大于1600nm，则某些曲线的光纤在S频带就不再是单模的。根据UIT-TG650标准，有效截止波长小于1450nm，则保证补偿光纤在S带是单模运行。有效截面限制了大功率信号在补偿光纤中传播时出现的可能的非线性效应，特别是在图1所示的根据本发明的传输系统的实施方式中。在1475nm处的有效截面积大于14μm2，这可以限制在整个S频带中的非线性效应。光纤的微曲灵敏度是用相对的方法估计的，相对于用标号ASMF200标记的商品化的光纤；亦可使用已知的将光纤在两个栅之间压挤的方法。
图3示出根据本发明的光纤的记录的折射率曲线的示意图。在这个实施方式中，折射率曲线是矩形的，其中有一个下沉的凹槽和一个环，从光纤的中心开始为—一个中央部分，折射率大体为常数，大于或等于包层的折射率；—一个环形部分，折射率小于或等于包层的折射率；这整个构成的折射率曲线被称为带有下沉或凹陷沟槽的矩形。
图3中的光纤在这个凹陷沟槽的外周有一个环，即是一个折射率大于包层折射率的部分，由此来形容成带有一个凹陷沟槽和一个环的矩形曲线。
在图3的实施方式中，折射率和半径的值如下中央矩形的半径r1为1.66μm，而其折射率与包层折射率的差Δn1为18.4×10-3。
凹陷的沟槽在半径r1与r2之间，且r2＝4.68μm，而其折射率相对包层折射率有一差值Δn2，为-7.0×10-3。
在凹陷的沟槽外周是一个环，在半径r2和半径r3之间，及r3＝7.2μm，它的折射率相对于包层折射率有一差值Δn3，为4.1×10-3。
在这个环的外面是光纤的包层，所有的折射率的差都是相对于包层来测量的。
这些数值使得获得的光纤具有下列特征—理论截止波长λcth1600nm；—在1475nm处的有效截面为17μm2；—在1475nm处的色散-65ps/(nm.km)—在1475nm处的色散变化率-0.33ps/(nm2.km)；—色散与色散变化率之比197nm；—在1475nm处的2W02模的直径4.62μm；—在从1475nm到1500nm处，半径为30mm的绕线100圈中的弯曲损耗小于10-3dB；—在1475nm处的微曲灵敏度0.2此处给出的截止波长是理论截止波长，实际上，在光缆中测得的截止波长较这一波长要小几百个nm。正如人们所知，光纤的有效单模是在有用信号波长范围内，例如在1460到1490nm间。
在另一种实施方式中，光纤具有相同的曲线，而折射率和半径的值如下
这些数值使获得如下的传播特性
图4还示出根据本发明的光纤的另一种曲线。在这种实施方式中，光纤具有带有一个凹陷沟槽和一个环的梯形曲线。换言之，从光纤的中心开始，有——一个中央部分折射率大体为常数，大于或等于包层折射率；——一个环形部分折射率小于或等于包层的折射率这两个部分为一个环状部分分开，在这个部分中折射率大体上成线性下降，整个构成一条折射率曲线，称为“带有一个凹陷或下沉的槽的梯形”折射率曲线。
如在图3所示的实施方式中那样，在这个凹陷沟槽的外周有一个环。
类似于图3的实施方式，可将图4记作——r1a梯形小底的半径，即中央折射率大体为常数的部分的半径；——r1b梯形大底的半径，即下沉沟槽的内径；——r1 梯形半径，比处的折射率等于包层的折射率；——r2 下沉沟槽的外径；——r3 环的外径。
下面是各个折射率和各个半径的值
在此情况下得到的光纤具有下面的传播特性
一般地可将光纤的曲线表征如下一方面这个曲线是一条带有一个下沉或凹陷的沟槽和一个环的梯形曲线或矩形曲线。中央部分的折射率与包层折射率之差为1.6×10-3≤Δn1≤25×10-3像前面指出的那样的，可以将r1称为大于包层折射率部分的半径——在r1以下，矩形曲线的折射率为常数，而梯形曲线的折射率并非为常数。在此情况下，可将半径r1用微米表示，有1.3≤r1≤2.3μm对于凹陷的沟槽，可以选择折射率差的值Δn2和外径r2的值，使得
-9×10-3≤Δn2≤-5×10-33.7≤r2≤6μm对于环，可以选择折射率差的值Δn3和外径r3的值，以致3×10-3≤Δn2≤11×10-36.6≤r3≤8.3μm这种光纤还可以有别的特征。还可以使用参数S，这是由S=2∫0r1Δn(r)·r·dr]]>来定义。这个参数和面积与折射率的乘积是等质的，可简单地将这个参数用于梯形曲线，亦可用于矩形曲线，表征光纤中心附近的折射率的增量，最好为30×10-3≤S≤60×10-3μm2可用外径平方与折射率的乘积作为参数来表征凹陷的沟槽。这个参数用来区分本发明的光纤，而不是简单地提供这个参数的简单的物理解释。于是有-300×10-3≤r22Δn2≤-110×10-3μm2对于环，亦可使用和中央部分同样类型的参数，例如环的宽度与折射率差的乘积，在这种情况下，有7×10-3≤(r3-r2)Δn3≤14.5×10-3μm技术人员可用已知的技术制造本发明的光纤，如用MCVD、I′OVD或别的通常用来制造光纤的技术。
当然，本发明并不限制在已经描述和表示的示例和实施方式中，可以有多种技术人员可接受的变种。可将本发明的光纤用于不同于图1和图2所示的系统中去，特别是可用于图1所示类型的传输系统中，而这系统中有一个多工器，将信号分在S、C以及L频带。在这种情况下，本发明的补偿光纤可以用来补偿S频带的色散，而别的类型的色散补偿光纤用来补偿在C频带和/或L频带中的色散。可以在图1所示的图中在色数补偿光纤之后加一放大器，成为放大器+DCF+放大器结构，即二级放大。
还可以用不同于图3或图4所示的曲线获得根据本发明的光纤。
权利要求
1.一种在1475nm处为单模的光纤，且在这个波长处的色散小于-40ps/(nm.km)，色散与色散变化率之比小于250nm，有效截面大于或等于14μm2。
2.权利要1的光纤，其特征在于在1450nm处的有效截面大于13μm2。
3.权利要求1或2的光纤，其特征在于它在1475nm处的色散大于或等于-150ps/(nm.km)。
4.权利要求1、2或3的光纤，其特征在于在1475nm处的色散小于或等于-60ps/(nm.km)。
5.权利要求1至4中任一项所述的光纤，其特征在于在1475nm处，它的色散与色散变化率之比在170到230nm之间。
6.权利要求1至5中任一项所述的光纤，其特征在于它绕半径为30mm环绕100圈在波长1500nm处所有的弯曲损耗小于10-3dB。
7.权利要1至6中任一项所述的光纤，其特征在于它绕半径为10mm环绕一圈在1500nm处的弯曲损耗小于100dB/m。
8.权利要求1至7中任一项所述的光纤，其特征在于它在波长1475nm处的衰减小于1.2dB/km。
9.权利要求1至8中任一项所述的光纤，其特征在于其在波长1475nm处的模直径大于4μm。
10.权利要求1至9中任一项所述的光纤，其特征在于它在波长1475nm处的微曲灵敏度小于1，最好小于或等于0.5。
11.权利要求1至10中任一项所述的光纤，其特征在于它的理论截止波长大于1100nm而小于1800nm，最好是1700nm，甚至1600nm。
12.权利要求1至11中任一项所述的光纤，其特征在于它具有带有一凹陷沟槽和一个环的矩形折射率曲线。
13.权利要求1至11中任一项所述的光纤，其特征在于它具有带有一个凹陷沟槽和一个环的梯形折射率曲线。
14.权利要求12或13的光纤，其特征在于矩形的折射率或环的折射率与包层的折射率之差(Δn1)在16×10-3到25×10-3之间，其特征还在于折射率大于包层折射率的那部分的半径(r1)是在1.3到2.3之间。
15.权利要求12、13或14的光纤，其特征在于凹陷沟槽的折射率与包层折射率之差(Δn2)在-9×10-3到-5×10-3之间，而这沟槽的外径(r2)是在3.7到6μm之间。
16.权利要求12至15中任一项所述的光纤，其特征在于环的折射率与包层折射率之差(Δn3)在3×10-3到11×10-3之间，特征还在于这环的外径(r3)是在6.6到8.3μm之间。
17.权利要求12到16中之一的光纤，其特征在于半径与折射率的乘积在从半径为零到具有高于包层的参数的光纤中央部分的外径(r1)之间的积分的二倍在30×10-3到60×10-3μm2之间。
18.权利要求12到17中任一项所述的光纤，其特征在于凹陷沟槽的外径(r2)的平方与沟槽的折射率的乘积是在-300×10-3到-110×10-3μm2之间。
19.权利要求12到18中任一项所述的光纤，其特征在于环的厚度(r3-r2)与环的折射率的乘积是在7×10-3到14.5×10-3μm之间。
20.一个传输系统，其传输光纤中有一种阶跃折射率单模光纤(4i，12i)，并在S波段用根据权利要求1至19中任一项所述的光纤作色散补偿。
21.权利要求20的系统，其特征在于在每条1460到1490nm间的信道中传输100km累积的色散的绝对值小于100ps/nm。
22.色散补偿模块，其中有一个放大器和一段根据权利要求1至19中任一项所述的光纤。
全文摘要
用来在S频带补偿单模折射率阶跃光纤的色散的一种色散补偿光纤,其在1475nm附近的色散小于－40ps/(nm·km),色散变化率小于－0.16ps/(nm
文档编号G02B6/34GK1349112SQ01135778
公开日2002年5月15日 申请日期2001年10月16日 优先权日2000年10月16日
发明者卢多维克·弗勒里, 弗罗伦特·博蒙特, 皮埃尔·西拉德, 露易斯－安尼·德·蒙特莫里昂, 马克西米·戈里尔, 帕斯卡尔·诺奇 申请人:阿尔卡塔尔公司