专利名称：一种优化色散特性的单模光纤的制作方法
技术领域：
本发明属于光通信技术，具体涉及一种为大容量、高速率、长距离传输系 统而设计的非零色散位移单模光纤。该单模光纤具有优化的色散特性，即适当 的色散和较低的色散斜率，有效面积适中，同时具有偏振模色散低、低损耗和 优异的抗弯曲性能，与光纤熔接时具有低熔接损耗等优点，适用于大容量、高
速率、长距离的DW面系统传输，其低的色散斜率有利于对色散进行全面的精确 管理，适中的有效面有利于得到高的拉曼放大效率，满足C、 C + L波段的长距 离的传输。
背景技术：
随着光纤通信技术的发展，特别是光纤放大器和波分复用技术的成熟应用， 制约光纤通信的己经不再是光纤的损耗。全球信息化的迅猛发展需要大容量、 高速率光纤通信系统。从技术和经济上考虑，光纤通信技术发展主要分为2个 方向，即提高波分复用单信道的传输速率，增加波分复用的信道数量与增加传 输波段。因此大容量、高速率、长距离传输系统对光纤的特性和发展提出新的 要求。目前对于波分复用技术而言，制约光纤传输容量和距离的主要因素为非 线性效应，色散和光信噪比OSNR。
在波分复用系统中，随着容量增加，波长间隔不断减少，各波长之间的光 非线性效应，包括四波混频，自相位调制、交叉相位调制等，限制了光传输的 容量与距离。系统要求的光信噪比随着单信道的速率提高而成正比增加，因此 要求更高的信号光功率，这使得光纤非线性效应更趋严重。而由于波分复用信 道波段扩展，长短波长边缘信道的色散积累使得色散管理更加复杂，增加了系 统色散补偿成本。解决这些问题的有效途径就是不断创新光纤技术，开发具有 优化色散特性的新光纤。
为了抑制DWDM系统中非线性的影响，在传输波段需要适当的色散值并降低
光功率密度，人们在色散位移光纤的基础上开发了非零色散位移光纤(NZ-DSF， G. 655光纤)以及大有效面积非零色散位移光纤。目前已经公布了一系列的这类光 纤的设计和生产专利。如中国ZL98121639.0号发明专利(授权公告号为 CN1068434C)公布了一种较大有效面积非零色散位移光纤和制造方法，其典型 色散斜率为0.09ps/ (nm、km)，有效面积在80um2以上，1550nm损耗典型值为 0. 205dB/km。中国ZL03125210. 9号发明专利(授权公告号为CN1219227C)公布 了一种正非零色散位移光纤，设计具有8个纤芯分层，1550nm色散斜率减小到 0.085ps/ (nm、km)，有效面积调整为70um2以上，1530 —1550nm范围的色散在 2. 0-6. Ops/ (nm km)， 1550nm的损耗小于0. 21dB/km。中国00806764. 3号发 明专利申请(公开号为CN1348548A)公布了一种中下陷的三角型设计光纤，色 散斜率为0.073ps/ (nm、km)。美国专利6396987B1公布了一种光纤，光纤芯 层折射率采用梯形和中心下陷阶跃型的分布，其色散斜率小于0.073ps/
(nm、km)，有效面积达到60um2。中国00802639. 4号发明专利申请(公开号为 CN1337010A)公布了一种阶跃型折射率分布光纤，色散斜率也小于0.07ps/
(nm2 km)， 1550nm的色散在7 — 15 ps/ (nm km)。
虽然现在G. 655光纤种类众多，但是大多数的G. 655光纤中，色散斜率 还是偏大，色散特性不均衡，或者波导结构过于复杂，实际不利于生产工艺控 制和得到高的成品率。在以前的工艺操作中，用于长距离传输系统的大有效面 积光纤的色散斜率大且色散较高，因此导致DWDM系统性能劣化。对于宽工作波 长的传输系统，色散斜率偏大的直接危害就是造成长短波长边带波长的色散差 异大，传输波长范围越宽，这种差值越大，色散补偿难度或成本的增加越大， 对于40Gbit/s这样要求精确色散管理的高速传输系统，其影响就成为很大的问 题，在实际应用中依然需要复杂的色散管理，增加了系统成本。随着拉曼放大 器的应用，非零色散位移光纤的拉曼增益特性也越来越受到重视。光纤的拉曼 增益效率与有效面积近似反比关系，大的有效面积意味着低的拉曼增益效率。 因此，为充分利用光纤的带宽资源，增大通信容量，并且适应分布式拉曼放大
器传输系统的推广应用，要求光纤具有均衡的色散特性，即要求降低色散斜率， 通过一个适当的最低的色散变化抑制非线性效应，同时保持光纤的有效面积适 中。
理想的光纤的色散应当在整个工作波段具有一个恒值，但是折射率随着波 长变化而变化，色散对波长具有依赖性，在光纤波导结构设计上，有效面积和 色散、色散斜率相互制约，在光纤设计时需要对各种特性平衡给予考虑。
在实际长距离光纤传输系统中，通常需要将不同光纤连接形成通信链路，
非零色散位移光纤比标准单模光纤折射率分布更复杂，将非零色散位移光纤与 其它不同类型的光纤熔接在一起时，因为彼此的模长直径和光纤几何参数等不 匹配，往往导致反射增大，附加损耗增加，链路越长接点越多，累积的效应越 大，严重的可能造成不可接受的误码率。因此在光纤制造中熔接特性是不容忽 视的问题，需要采取措施降低光纤的熔接损耗，限制熔接损耗对传输系统的有 害作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术影响高速通信的非线性问题和 偏振模色散问题，提供一种适用于大容量、高速率、长距离传输系统的非零色 散位移单模光纤。赋予该单模光纤优化的色散特性，即较低的色散斜率、适当
的色散值和有效面积，同时具有偏振模色散低、低掼耗和优异的抗弯曲性能与 熔接性能，从而有效减少色散补偿成本。为此，本发明采用以下技术方案
一种优化色散特性的单模光纤，其特征是它包括构成光纤芯层的第一层、 第二层以及构成光纤包层的第三层、第四层、外包层，第一层折射率为阶跃分 布(阶跃分布在折射率对直径的分布曲线上表现为台阶状)，第二层折射率梯度 变化(梯度变化在折射率对直径的分布曲线上表现为斜线状)，第三层、第四层 折射率为阶跃分布，外包层为纯的二氧化硅玻璃包层，所述光纤芯层的折射率
分布为nl>n2>nc，所述光纤包层的折射率分布为n4>nc>n3;其中ni为第i 层的光纤折射率，nc为外包层的折射率。
在构成光纤芯层的第二层直径和折射率的梯度分布，得到适当的色散和有
效面积。在构成光纤包层的第三层的折射率改变色散斜率。
作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特
征
纤的四个分层的波导结构参数为 0. 34%《Anl《0. 46%, 5. 0um《rl《7. Oum;
0. 25%《A n2《0. 35%， 6. 0um《r2《8. Oum;
-0. 15%《An3《-0. 01%， 10. 5um《r3《14. 5um; 0. 07%《△ n4《0. 12%， 10. 66《r4《18. 66um;
其中Ani为以nc作为参考折射率的第i层的相对折射率差，ri为第i层 的半径。
在构成光纤包层的第三层、第四层中惨入锗、氟、磷，用以调节光纤制件 的折射率分布，且使粘度和应力匹配，减少光纤中残余应力，平衡应力分布， 稳定光纤偏振模色散性能。同时得到光纤的熔接性能的改善，获得低的熔接损 耗。
通过对光纤折射率分布的精确调整，可以得到需要的色散特性，即色散值、 色散斜率和适当的有效面积，并具有较低的PMD和低损耗、优异的弯曲性能和 熔接性能。根据上述方案，本发明的单模光纤具有如下特征
1550nm色散斜率《0. 05 ps/ (nm2 km)，
零色散波长《1460nm，
有效面积55 — 65um2，
1530nm-1565nm范围内的色散在2.0 —6. 0 ps/ (nm km)之间， 1550的损耗《0.22dB/km。按照光纤弯曲性能测量方法，在小60腿芯轴绕 100圈的测试中，弯曲引起的附加损耗在1550nm和1625nm处均小于0. 05dB，在 4)32mm芯轴绕1圈的测试中，弯曲引起的附加损耗在1550nm和1625nm处均小 于0. 5dB。光纤的偏振模色散值《0. lps/。与其它非零色散位移光纤(NZ-DSF) 的熔接损耗小于O. 05dB。
本发明在光纤设计时对色散、色散斜率和有效面积进行折中，在追求低色散
斜率的前提下，得到适中的光纤有效面积，以达到色散特性的整体优化的结果， 同时得到其它相关特性的改善，满足光纤传输系统对光纤特性的均衡需要，具 有以下有益效果
1、 同以往的非零色散位移单模波导结构相比，本发明的波导结构相对简单， 不但可以容易获得，并且波导结构在规定的数值区间内具有相应的优化的色散
特性，结合MCVD、 PCVD、 0VD等工艺对折射率分布的精确控制能力，容易进行 规模化稳定生产和质量控制，可高效率地获得所设计的光纤性能。
2、 本发明在波导设计的同时，兼顾光纤材料的组成设计，对粘度和应力进 行优化匹配，改善应力分布，获得光纤PMD性能的改善。
3、 本发明的光纤的特性足以满足抑制非线性效应的要求，适用于C波段或 C+L波段的DWDM传输需要，而且降低系统色散管理的成本。同时在分布式拉曼 放大传输系统，本发明的光纤具有很好的应用。
4、 在本发明中通过对预制棒包层掺杂成分的适当选取，得到好的熔接性能。 本发明的光纤与其它非零色散位移光纤熔接时可以获得低的熔接损耗，得到不 同光纤之间好的适应性。
图1是本发明实施例1中相对折射率△对直径的分布曲线示意图。 图2是本发明实施例2中相对折射率△对直径的分布曲线示意图。 图3是本发明实施例3中相对折射率△对直径的分布曲线示意图。
具体实施例方式
以下结合附图以实施例对本发明做进一步说明。 实施例1:
釆用MCVD (改进的化学气相沉积)工艺制造光纤芯层，采用OVD(外部气相 沉积)工艺制造光纤包层，按照图l所示的光纤波导折射率分布曲线，下述为一
组相对折射率差分布参数
第一纤芯分层Corel的参数为Anl约为O. 45%, rl约为6. Oum，
第二纤芯分层Core2的参数为An2约为0.35y。， r2约为7.3um，
第一包层分层Cladl的参数为An3约为-0. 14%， r3约为10. 8um，
第二包层分层Clad2的参数为An4约为0. 12%， r4约为18. 5um，
最外层包层分层为纯二氧化硅玻璃层。
所得光纤的特性如下
1550nm有效面积58咖2，
零色散波长1460nm，
1550nm色散4.0 ps/ (nm km)，
在1550mn色散斜率:0. 046 ps/ (nm2 km)，
光纤截止波长1480nm，
在1550损耗0. 20dB/km，
偏振模色散值《0. lps/V^。
宏弯4)60mm绕100圈，在1550nm和1625nm的附加损耗的最大值0. OldB。 宏弯4)32mm绕1圈，在1550nm和1625nm的附加损耗的最大值0. 015dB。 该单模光纤特性在1550nm的色散斜率小于0.049 ps/ (nm2 km)，有效面
积适中，而衰减和弯曲性能优异，与其它非零色散位移光纤(NZ-DSF)的熔接损
耗小于0. 05dB。
实施例2:
采用等离子化学气相沉积(PCVD)工艺制造光纤芯层，采用OVD工艺制造光纤 包层，按照图2所示的光纤波导折射率分布曲线，下列为一组相对折射率差分 布参数
第一纤芯分层Corel的参数为Anl约为0. 44%, rl约为6. 2um， 第二纤芯分层Core2的参数为An2约为0. 36%， r2约为7. 3um， 第一包层分层Cladl的参数为△ n3约为-O. 15%, r3约为10. 8um， 第二包层分层Clad2的参数为An4约为0. 12W，r4约为18. 5um， 第三包层分层Clad3的参数为An5约为一O. 04%, r5约为28. 5um， 最外层包层分层为纯二氧化硅玻璃层。页
所得光纤的特性如下
1550nm有效面积62um2，
零色散波长1430nm，
在1550nm色散4.0 ps/ (nm km)，
在1550nm色散斜率0. 048 ps/ (nm2 km)，
光纤截至波长1480mn，
在1550损耗0. 20dB/km，
偏振模色散值《0. lps/。
宏弯4)60mm绕100圈，在1550nm和1625nm的附加损耗的最大值0. OldB。 宏弯4)32mm绕l圈，在1550nm和1625nm的附加损耗的最大值0. 015dB。 该实施例所得单模光纤特性在1550nm的色散斜率小于0. 05 ps/ (nm2 'km)，
有效面积适中，而衰减和弯曲性能优异，与其它NZ-DSF光纤的熔接损耗小于
0. 048dB。
实施例3:
采用OVD工艺制造光纤芯层，采用OVD工艺制造光纤包层，按照图3所示的 光纤波导折射率分布曲线，下列为一组相对折射率差分布参数
第一纤芯分层Corel的参数为Am约为0. 44%, rl约为6. 0咖，
第二纤芯分层Core2的参数为八112约为0. 35%, r2约为7. 3um，
第一包层分层Cladl的参数为Ari3约为-0. 15%，r3约为10. 8um，
第二包层分层Clad2的参数为Am约为0. 06y。，r4约为12. 5um，
第三包层分层Clad3的参数为Ans约为0. 12y。，r5约为18. 5um，
第四包层分层Clad4的参数为Ari6约为0. 01%, r6约为28. 5um，
最外层包层分层为纯二氧化硅玻璃层。
所得光纤的特性如下
1550nm有效面积65mn2，
零色散波长1460nm，
在1550nm色散4. 0 ps/ (nm km)，
在1550nm色散斜率0. 049 ps/ (nm2 km)， 光纤截至波长1480mn， 在1550损耗:0. 20dB/km,
宏弯4)60mm绕100圈，在1550nm和1625nm的附加损耗的最大值0. OldB。 宏弯4)32mm绕1圈，在1550nm和1625nm的附加损耗的最大值:0. 015dB。 偏振模色散值《0. lps/V^。
该实施例所得光纤特性在1550nm的色散斜率小于0. 050 ps/ (nm2 km)，有 效面积适中，而衰减和弯曲性能优异，与其它NZ-DSF光纤的熔接损耗小于 0. 045dB。
需要说明的是，本发明通过以上三个实施例对本发明的构思进行了具体的 阐述，但本发明并不限于以上三个实施例，限于篇幅的限制，不再以列举的方 式一一赘述；在实现上述实施例时，涉及的工艺并不限于MCVD， PCVD或OVD， 而且这些工艺可以彼此互换，同样能够实现规定的光纤波导结构设计。 备注
以下是本发明的一些术语的定义。
折射率差A由以下方程式定义 相对折射率差Ani^二[(ni2 — nc2)/2 ni2]
其中ni为第i层的光纤折射率,nc为外包层纯二氧化硅玻璃部分的折射率， 在本申请中它作为参考折射率。
折射率分布的定义是指在光纤的选定部分上折射率ni或Ani与其相对光 纤中心位置ri(半径)的关系。
总色散定义为光纤材料色散和波导色散的代数和，在光纤通信技术领域， 光纤的色散就是指总色散，其单位为ps/ (rn^km)。
色散斜率表示色散对波长的相关性，由于折射率随着波长变化而发生变化，
光纤色散数值也随着波长变化而变化，色散斜率表示这种变化性，它是以波长 为横座标，色散值为纵座标所描绘曲线的斜率，其单位为ps/ (nm"km)，其计 算公式= C MM
在波分复用系统中，如果传输链路的色散斜率大，则各波长之间的色散值 的差值变大，将降低系统的传输特性或增加色散补偿的成本。
有效面积Aeff = 2兀(/E2rdr) 7(/E4rdr) 式中积分限为0到②，E为与传播有关的电场。 DWDM是密集波分复用系统的英文縮写。 PMD是光纤偏振模色散的英文縮写。
光纤的抗弯曲性能是指在规定测试条件下的附加损耗。测试过程是，在正 常条件下测试光纤的损耗，再按照标准要求将光纤绕在芯轴上，测量损耗值， 两种测量的差值即为弯曲导致的附加弯曲损耗。其规定的标准测试条件包括在 直径75mm的芯轴上绕100圈和在32mm的芯轴上绕1圈。通常，弯曲导致的最 大许可损耗以1310nm和1550nm的附件弯曲损耗为准，单位为dB。本申请中采 用芯轴60mm和32mm各绕100圈和1圈的条件测量1550nm和1625nm波长的附 加损耗，且取最大值作为测量结果。
熔接损耗是用OTDR在1550nm处双向测量取平均值。
权利要求
1.一种优化色散特性的单模光纤，其特征是它包括构成光纤芯层的第一层、第二层以及构成光纤包层的第三层、第四层、外包层，第一层折射率为阶跃分布，第二层折射率梯度变化，第三层、第四层折射率为阶跃分布，外包层为纯的二氧化硅玻璃包层，所述光纤芯层的折射率分布n1>n2>nc，所述光纤包层的折射率分布n4>nc>n3，其中ni为第i层的光纤折射率，nc为外包层的折射率。
全文摘要
一种优化色散特性的单模光纤，属于光通信技术，现有技术存在影响高速通信的非线性问题和偏振模色散问题，本发明包括构成光纤芯层的第一层、第二层以及构成光纤包层的第三层、第四层、外包层，第一层折射率为阶跃分布，第二层折射率梯度变化，第三层、第四层折射率为阶跃分布，外包层为纯的二氧化硅玻璃包层，光纤芯层的折射率分布为n1＞n2＞nc，光纤包层的折射率分布为n4＞nc＞n3，其中ni为第i层的光纤折射率，nc为外包层的折射率。本发明的光纤具有较低的色散斜率，适当的色散和有效面积、同时具有偏振模色散低、低损耗和优异的抗弯曲性能，与光纤熔接时具有低熔接损耗等优点，适用于大容量、高速率、长距离DWDM系统传输。
文档编号G02B6/02GK101373237SQ20071007098
公开日2009年2月25日 申请日期2007年8月22日 优先权日2007年8月22日
发明者卢卫民, 吴海港, 吴金东, 张立永, 李群星 申请人:富通集团有限公司