光纤以及采用该光纤的光传输线路的制作方法

专利名称：光纤以及采用该光纤的光传输线路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于波长分割多重传输(wavelength divisionmultiplexing(WDM)transmission)的光纤(optical fiber)以及至少一部分采用该光纤的光传输线路(optical transmission line)。
背景技术：
在光传输的高速大容量化的进程中，波长分割多重(WDM)传输技术作为核心技术引人瞩目。但是，由于光信号的高功率化以及信号波长之间的相互作用引起的非线性现象(non-liner phenomenon)成为产生出来的新问题。
在非线性现象中，四光波混合(four wave mixing(FWM))对WDM传输产生深刻的影响。为此，对于抑制四光波混合的研究很盛行。由于FWM是在分散(dispersion)小的情况下产生，在所使用的波长带中，对于分散小的光纤，例如分散移位光纤(dispersion shifted fiber(DSF))，在这一点上是不利的。
又，由自己相位调制(self phase modulation(SPM))和相互相位调制(cross phase modulation(XPM))引起的波形失真(signal distortion)也是很深刻的问题。作为为解决该问题的研究，在OFC’97 TuNlb等中被加以报告。作为解决方案，抑制减小非线性折射率(non-linear refractiveindex difference)(n2)，同时扩大有效心核的截面积(effective core area)(Aeff)的研究非常引人瞩目。

发明内容
本发明的目的在于提供一种企图抑制非线性现象的光纤以及采用该光纤的光传输线路。
有关本发明的光纤的特征是在波长为1500nm～1650nm的范围内的至少一部分具有-18ps/nm/km以上-8ps/nm/km以下范围的负分散值和负分散斜率(negativedispersion slope)；具有从内侧按照第1层、第2层、第3层、…的顺序配置的n层(n为4以上的整数)的折射率分布构造(refractive index profile)；与光传输特性(optical characteristics)相关的以折射率分布构造的最外层为基准的第1层的比折射率差(relative refractive indexdifference)Δ1在0.75％以上0.90％以下；波长为1550nm中的有效芯体截面积在32μm2以上。


图1为表示本发明第1实施例的光纤的折射率分布构造示意图；图2为表示本发明第2实施例的光纤的折射率分布构造示意图；图3为表示本发明第3实施例的光纤的折射率分布构造示意图；图4为表示采用有关本发明一实施例的光纤的光传输线路的波长与分散特性之间的关系示意图；图5为表示现有光纤的折射率分布构造一例的示意图。
具体实施例方式
由非线性现象引起的信号失真φNL一般采用下式表示，φNL＝(2π×n2×Leff×P)/(λ×Aeff)
式中，Leff表示有效光纤长度，λ表示信号波长，P表示信号光强度(signal power)。
上式表明，为了抑制由非线性现象引起的信号失真，Aeff越大越有利。如OFC’96 WKl5和OFC’97 TuN2所提出的那样，Aeff的增大是最需要的特性之一。但是，在采用如现有的DSF那样的单一光纤构成传输线路时，Aeff的增大容易产生弯曲损失(bending loss)的增大和分散斜率的增大等问题。这是因为在使用波长带中，对于具有微小分散的光纤(非零分散移位光纤(non zero dispersion shifted fiber(NZ-DSF)))等也是同样的。
为了解决上述那样的问题，有提案提出采用在线路整体控制分散的方法是有效的。例如，在日本公开的专利申请(专利公开号8-42102)中，表明如果采用具有正负相反符号的分散值的光纤从光发射机一侧按非线性常数低的顺序连接，可以获得良好的光传输线路。再有，一般具有正分散(positive dispersion)的光纤与具有负分散的光纤相比是低非线性(low non-linearity)。
又，作为上述具有负分散的光纤的具体例，如在ECOC’97 Vol.1 P127所提案的那样，有波长在1.3μm附近具有零分散波长的单模光纤(singlemode fiber(SMF))和具有逆分散特性的线路型分散补偿光纤(reversedispersion fiber(RDF))。由于SMF以及RDF在波长1550nm附近，具有绝对值为16～25ps/nm/km程度的大的分散值，在FWM抑制方面是有利的。
但是，在光传输线路中即使及时补偿成零分散，在光传输线路的局部，在高速传输(high-bit-rate transmission)时也有可能不能回避由于累计分散引起的波形劣化的情况。另一方面，在具有±2～6ps/nm/km程度的分散的NZ-DSF中，由于分散比较小，因此不能避免FWM的影响。
为此，在最近，例如由本发明人在日本国的专利申请(申请号11-234767)中所提出的那样，提出了采用比NZ-DSF的分散绝对值要大，而比现有的SMF的分散绝对值要小的那种类型的正分散光纤。
但是，与上述正分散光纤组合，控制光传输线路整体的分散的负分散光纤，没有最适合的存在。
具体来讲，无论在具有-6～-2ps/nm/km程度的微小分散的NZ-DSF中，还是在波长1.55μm附近具有约-16～-25ps/nm/km的负分散的RDF中，仍然存在上述那样的问题。又，一般来讲，RDF的Aeff在20～25μm2的程度，由非线性现象引起的信号波形劣化不能忽视。
现有的SMF，在波长1.55μm带中具有约15～20ps/nm/km程度的分散。为此，如果就这样进行在波长1.55μm带的光传输的话，会产生由分散引起的信号波形的劣化(signal distortion)。为了抑制该信号波形的劣化，在后段加入(连接)负分散光纤，来控制分散的方法是有效的。
为此，在现有技术中，探讨了将探讨作为模块的DCF组装在光缆等中作为传输线路使用的尝试。但是，由于现有的DCF，一般来说其芯体的折射率大，所以Aeff变小，并且非线性折射率(n2)变大。为此，非常容易产生非线性现象。而且传输损失(transmission loss)在0.3dB/km以上，偏波分散(polarization mode dispersion(PMD))也在0.2ps/km1/2以上，多为比较大的值。又由于具有极大的分散值，在高速传输时会产生由于累积分散引起的波形劣化的问题。
为此，在最近，提出了作为将局部分散抑制在小的值的线路型分散补偿光纤，采用具有逆分散特性的线路型分散补偿光纤(reversedispersion fiber(RDF))。该RDF的Aeff在20～25μm2左右，传输损失在0.24dB/km左右，PMD在0.1ps/km1/2以下，作为线路型分散补偿光纤，具有优良的特性。
但是，即使在这些RDF中，也具有-16～-25ps/nm/km程度的比较大的分散，即使整体控制分散，在高速传输时也有可能由于大的累积分散而产生障碍。又，Aeff在20～25μm2的程度，在实际的使用条件下，也会产生非线性现象的问题。
为此，本发明人认为有必要采用在波长1.55μm带具有绝对值比RDF小的分散(18ps/nm/km以下，优选在16ps/nm/km以下)的负分散光纤。但是，在现有的NZ-DSF中，由于有FWM产生的问题，分散的绝对值有必要在8ps/nm/km以上。
但是，即使抑制由于分散和FWM引起的波形劣化，光纤的Aeff小时，容易产生由XPM和SPM引起的信号波形的劣化。这些非线性现象，由于在光功率强处很显著，在分散控制型(dispersion management)的线路中，一般采用在光放大器之后，配置比较低非线性的正分散光纤(SMF等)，然后在光变弱的地方插入比前段的光纤具有高非线性的负分散光纤(RDF等)的构成。
这样，入射到分散控制型的线路的负分散光纤中的光一般就变成在正分散光纤中传输并衰减后的光。虽然这样说，RDF的Aeff在20～25μm2的程度，到达DCF时在20μm2以下，两光纤的Aeff在抑制非线性现象时，不具有充分大的值。并且，让负分散光纤的分散值变小是要让正分散光纤的长度(条长比)变短(换句话说，加长负分散光纤的长度)，负分散光纤的低非线性化是极为重要的。
在此，在图5中表示过去多次探讨过的具有3层的折射率分布构造的负分散光纤的一例。在图5中，51为第1层，52为第2层，53为第3层，第3层53是与光传输有关的最外侧的层(layer)。又，第1层51相对于第3层53的比折射率差(relative refractive index difference)为Δ1，第2层52相对于第3层53的比折射率差为Δ2。此外，在本说明书中，各层中的比折射率差均是表示以与光传输有关的折射率分布构造的最外层(通常为覆盖层(clad layer))为基准时的值。
但是，如果采用图5所示的3层型折射率分布构造进行负分散光纤的最优化的话，一般会引起分散补偿率和弯曲损失特性的劣化，因此是不希望的事情。为此，本发明人考虑采用4层型折射率分布构造来进行负分散光纤的最优化。
图1为表示有关本发明第l实施例的光纤的折射率分布构造。在图l中，11表示第1层，12表示第2层，13表示第3层，14表示第4层，第4层14是影响光传输的最外侧的层(在此为覆盖层)。又，第1层11的外径为a，第2层12的外径为b，第3层13的外径为c，第1层11相对于第4层14的比折射率差为Δ1，第2层12相对于第4层14的比折射率差为Δ2，第3层13相对于第4层14的比折射率差为Δ3。
图1所示的折射率分布构造，特别是通过在第4层14的内侧设计比该第4层14的折射率高的第3层13，具有防止向光纤外部泄漏光的效果。为此，为了在获得良好的分散特性的同时改善弯曲损失特性，可以说是有效的折射率分布构造。
在此，采用该图1的折射率分布构造，尝试将a、b、c、Δ1、Δ2、Δ3的组合最优化。
首先，在光纤分散值的确定中，将最重要的要素Δ2的值最优化。在其他条件一定的情况下，如果增大Δ2的绝对值，不必增大截止波长(cutoff wavelength)，就可以获得高补偿率(compensate rate)。然而，如果增加太大，发现有增大弯曲损失(bending loss)的倾向。
为此，设定数种Δ1的值，对于各Δ1的值，让Δ3与外径比a∶b∶c一定，探讨改变Δ2时的特性变化。在此，由于特别注重低非线性化(lownon-linearity)，因此以Δ1小而Aeff大的点为中心进行探讨。
作为其一例，在表1中表示当Δ1固定在0.9％，Δ3固定在0.25％时，Δ2的值的特性变化。表中，将用分散斜率除分散值的值DPS(DPS＝分散值/分散斜率)固定在300nm，这时，调整a∶b∶c，让Aeff、截止波长(λc)、分散值等成为最优值。在此，DPS的值是表示相对于正分散光纤的分散补偿率的高度的指标。一般来说，对于现有的SMF在300的程度，对于小分散SMF(分散值在10ps/nm/km的程度)在250的程度，因此，DPS的值至少在400以下，优选在250～300的程度。
表1

在表1中，β/K表示传输折射率(propagation index coefficient)。传输折射率是表示光的传输状态的好坏的指标之一，最好是在1.44600以上。从表1中可以明确，分散值在满足-8～-18ps/nm/km的条件下，非线性现象十分低下(Aeff在32μm2以上)，并且在波长1.55μm附近由于进行单模动作(λc在1600nm以下)，因此Δ2的值有必要限定在约-0.40％～-0.35％的范围。又，如果以Δ2/Δ1的关系来观察的话，约在-0.45％～-0.38％的范围内的值为最优值。
接着，将Δ2的值固定在上述最优值，针对数种Δ1，探讨改变Δ3时的特性变化。先微调整外径比a∶b∶c，当补偿率接近100％的附近时再次调整。作为一例，在表2中表示Δ1＝0.85％，Δ2＝-0.35％时，改变Δ3时的特性变化。表2表明，在Δ3＝0.20～0.25％附近为最优值。
表2

进一步，针对数种Δ1，调查了这样的特性变化，求出对于各Δ1的最优分布。
一般而言，通过减少Δ1，虽然可以增大Aeff，但也将增大弯曲损失。在此，当在波长1550nm满足-18～-8ps/nm/km的条件，并且弯曲损失在非常小的范围(传输折射率β/K在1.44600以上)内，可以让非线性现象十分低下(Aeff在32μm2以上)的某个Δ1决定于0.75％～0.90％的范围。如果Δ1比该值小时，将增大弯曲损失，而如果Δ1比该值大时，Aeff的增大将不充分。又，对各个Δ1最优的Δ2的值的探讨的结果表明，Δ2/Δ1在-0.3以下，Δ2在-0.45％～-0.30％，Δ3在0.10％～0.30％的范围时为最优范围。这时，为了让波长1.55μm带的DPS值在300以下，虽然可以调整外径比a∶b∶c的值，但是当a∶b的值在1∶1.6～1∶2.0的范围时，DSP在300以下，作为光传输线路使用时提高了获得高的补偿率的可能性。
当a∶b的值在1∶1.6～1∶2.0的范围之外时，b的值越低，补偿率越不好。当时b的值增大时，结果截止波长λc就变得非常大。
又，当a∶b值满足在1∶1.6～1∶2.0的状态下，如果a∶c值为1∶2.1～1∶3.2的话，在维持高补偿率的同时，也不会造成弯曲损失，并且截止波长保持在1550nm以下。为此，外径比(a∶b∶c)设定为1∶(1.6～2.0)∶(2.1～3.2)。
根据以上探讨的结果，可以得知，Δ1在0.75％～0.90％的范围，Δ2/Δ1在-0.3以下，Δ2在-0.45％～-0.30％，Δ3在0.10％～0.30％的范围，a∶b∶c设置成1∶(1.6～2.0)∶(2.1～3.2)为好。
通过采用上述那样的4层型折射率分布构造，可以获得低非线性的光纤。接着，作为具有另外的折射率分布构造的光纤本发明人进一步探讨5层构造。
本发明的第2实施例和第3实施例涉及具有5层型折射率分布构造的光纤。第2实施例的光纤的折射率分布构造如图2所示，第3实施例的光纤的折射率分布构造如图3所示。在表示第2实施例的图2中，21表示第1层，22表示第2层，23表示第3层，24表示第4层，25表示第5层。第5层25是影响光传输的最外侧的层(在此为覆盖层)。又，第1层21的外径为a，第2层22的外径为b，第3层23的外径为c，第4层24的外径为d。第1层21相对于第5层25的比折射率差为Δ1，第2层22相对于第5层25的比折射率差为Δ2，第3层23相对于第5层25的比折射率差为Δ3，第4层24相对于第5层25的比折射率差为Δ4。在此，Δ4＞0。
又，在表示第3实施例的图3中，31表示第1层，32表示第2层，33表示第3层，34表示第4层，35表示第5层。第5层35是影响光传输的最外侧的层(在此为覆盖层)。又，第1层31的外径为a，第2层32的外径为b，第3层33的外径为c，第4层34的外径为d。第1层31相对于第5层35的比折射率差为Δ1，第2层32相对于第5层35的比折射率差为Δ2，第3层33相对于第5层35的比折射率差为Δ3，第4层34相对于第5层35的比折射率差为Δ4。在此，Δ4＜0。
对于图2以及图3的折射率分布构造，采用模拟进行了探讨。首先，对Δ4为正的情况进行了探讨。当Δ4在0.05％以下时，即使调整d，分散补偿率也小，在60％以下。另一方面，当Δ4在0.2％以上时，λc在1600nm以上，弯曲损失也增大了。在此，为了让分散的补偿率良好，并且截止波长在1600nm以下，通过调整外径比，得到a∶b∶c∶d＝1∶(1.6～2.2)∶(2.3～2.8)∶(2.8～4.3)。
同样，对Δ4为负的比折射率差的情况的特性进行了探讨。当Δ1为0.80％，Δ2为-0.40％，Δ3为0.25％，a∶b∶c＝1∶1.85∶2.7时，第4层34的外径分别为d＝3a和d＝4a时的特性变化如表3所示。表中，分散约为-14ps/nm/km。
表3

依据表3，通过附加Δ4＜0的第4层34，在Aeff没有大的损失的情况下，可以尽可能充分缩短λc。但是，在附加Δ4＜0的第4层34后，也带来DPS变差和弯曲损失变弱的不良影响。为了避免这样的不良影响，Δ4必须在-0.15％以上。
当Δ4低于-0.15％时，即使调整外径比DPS也在400以上，并且，弯曲损失也在20dB/m以上。又，为了充分缩短λc，只要让Δ4在-0.05％以下即可。
进一步，通过调整外径比a∶b∶c∶d，在充分缩短λc的同时，也可以保持其他特性。作为该外径比a∶b∶c∶d的一个调整例，和上述第2实施例相同，可以得到a∶b∶c∶d＝1∶(1.6～2.2)∶(2.3～2.8)∶(2.8～4.3)。
上述第1～第3的各实施例所示的负分散光纤具有低非线性和低弯曲损失的特性。将上述第1～第3的各实施例所示的负分散光纤与SMF和其他正分散光纤以适当的长度连接时，可以获得高的补偿率。又，上述各实施例的光纤具有现有的RDF和NZ-DSF之间的分散值。这样，可以实现新型的接近理想的负分散光纤。
如上所述，本发明人开发了新型负分散光纤。所开发的光纤具有RDF和NZ-DSF的中间的分散特性，同时可以实现低非线性(对FWM、SPM和XPM等的抑制)、对SMF和其他正分散光纤的高补偿率、低弯曲损失特性。将该负分散光纤与具有正分散、正分散斜率的光纤连接形成的光传输线路具有低非线性、低弯曲损失、低分散斜率等特性，最适合作为WDM光传输线路。
采用正分散光纤和该新型负分散光纤构成的新型光传输线路，有可能成为将来WDM传输的核心的传输线路，容易制作适合于该高特性的高速大容量传输(high bit rate and high capacity transmission)的传输线路。
然后，根据上述模拟的结果实际进行了光纤的制作(samplefabrication)，以验证本发明的有效性。首先，采用对应于第1实施例的图1的折射率分布构造，试制成了负分散光纤。参考模拟的结果，在表4中表示试制的结果。
表4

表4所示的试制的光纤，两者的Aeff均在32μm2以上，和现有的DCF(Aeff在20μm2左右)和RDF(Aeff在24μm2左右)相比，Aeff充分增大了。
又，由于中心芯体的比折射率差小，因此传输损失也小。又，由于在波长1.55μm带的分散值充分大，因此可以期待抑制由FWM引起的信号噪声。由于分散斜率也为负，因此也可以进行正分散斜率的补偿，弯曲损失等其他特性也良好。
接着，对于图2的折射率分布构造，也参考模拟的结果进行了若干试制。表5表示试制的结果。
表5

该表表明，通过采用5层构造，可以改善Aeff和分散补偿率的特性，虽然弯曲损失多少有点大，但可以抑制到充分实用的水平。
接着，对于图3的折射率分布构造，也参考模拟的结果进行了若干试制。表6表示试制的结果。
表6

如表6所示，获得了Aeff、分散补偿率均衡的非常良好的结果。又，弯曲损失也抑制到比较小的水平，获得稳定的特性得到了验证。
如上所述，将该实施例的光纤与SMF或者与其类似的正分散光纤连接时，在大的波长范围内都将获得低分散的结果。又，Aeff在32μm2以上，可以实现低非线性。进一步，由于第1层的比折射率差Δ1与现有的负分散光纤相比设定得比较低，弯曲损失也抑制在低的水平。进一步，PMD也获得了比可以在高密度WDM光传输中使用所规定的值(0.1ps/km1/2)还要低的值。
以下说明采用本发明的光纤的光传输线路。该光传输线路由在波长为1500nm～1650nm的范围内的至少一部分具有正分散以及正分散斜率的1条或者多条光纤和本发明的上述各实施例所示的1条或者多条光纤所构成。
又，在采用本发明的光纤的光传输线路的一个实施例中，从光发射机(optical transmitter)一侧向光接收机(optical receiver)一侧，按非线性低的顺序配置。一般来说，由于正分散光纤的非线性比负分散光纤的要低，因此本发明光纤希望放置在接近光接收机侧使用。
在此，说明有关本发明的光传输线路的一个具体例。将表4的No.42的光纤和现有的SMF(波长在1550nm时的分散值约为16.5ps/nm/km、分散斜率约为0.055ps/nm2/km)连接构成光传输线路。再有，在波长1550nm时线路整体的分散基本上设定为零。这时的波长对分散特性的结果如图4所示。
图4表明，至少在波长为1520nm～1580nm的范围内，连接后的分散在0.5ps/nm/km以下，确认达到了充分能实用的水平。又，即使对于光传输线路整体的非线性等，和采用现有的光纤构成的光传输线路相比较也确认获得了良好的结果。
如上所述，依据本发明，可以提供适合WDM光传输的光纤以及光传输线路。但是，本发明的光纤以及光传输线路并不限定于上述实施例，也可以采用其他各种各样的方案。
例如，实施例的光纤虽然PMD在0.1ps/km1/2以下，但该值只是在通过对折射率分布构造的最优化实现的。作为让光纤的PMD减少的技术，在光纤的引线工程中有将光纤绞拧的技术(日本国专利申请的公开号6-171970)等，将来在这样的技术中适用，可以认为能进一步降低PMD。
又，对于采用本发明的光纤的光传输线路，在实施例的说明中虽然与本发明的光纤连接的正分散光纤采用的是现有SMF，也可以采用例如本发明人在日本国的专利申请(申请号11-234767)中所提出的光纤。又，也可以在光传输线路中包含NZ-DSF等光纤。
即，在将多条光纤串联连接构成的光传输线路中，在具有负分散和负分散斜率的1条或者多条光纤中，通过至少采用1条或者多条本发明的光纤，可以提高光传输线路整体的性能。
如上所述，通过使用本发明一例的光纤，可以容易构筑兼有对SPM、XPM、FWM等的低非线性和分散平坦性(dispersion flatness)，特别是适用于高速大容量传输(high bit rate and high capacitytransmission)的低非线性的WDM传输线路。
权利要求
1.一种光纤，其特征是在波长为1500nm～1650nm的范围内的至少一部分具有-18ps/nm/km以上-8ps/nm/km以下范围的负分散值和负分散斜率；具有从内侧按照第1层、第2层、第3层、…的顺序配置的n层(n为4以上的整数)的折射率分布构造；与光传输特性相关的以折射率分布构造的最外层为基准的第1层的比折射率差Δ1在0.75％以上0.90％以下；波长为1550nm中的有效芯体截面积在32μm2以上。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征是设第2层的比折射率差为Δ2时，Δ2/Δ1＜-0.3。
3.如权利要求1所述的光纤，其特征是设第2层的比折射率差为Δ2，第3层的比折射率差为Δ3时，Δ2在-0.45％以上-0.30％以下，Δ3在0.10％以上0.30％以下。
4.如权利要求3所述的光纤，其特征是折射率分布构造为4层构造，设第1层的外径为a，第2层的外径为b，第3层的外径为c时，1.6≤b/a≤2.0，并且，2.1≤c/a≤3.2。
5.如权利要求3所述的光纤，其特征是折射率分布构造为5层构造，第4层的折射率比第3层的折射率要低。
6.如权利要求5所述的光纤，其特征是第4层的比折射率差在0.05％以上0.15％以下。
7.如权利要求5所述的光纤，其特征是第4层的比折射率差在-0.15％以上-0.05％以下。
8.如权利要求6所述的光纤，其特征是设第1层的外径为a，第2层的外径为b，第3层的外径为c，第4层的外径为d时，a∶b∶c∶d＝1∶(1.6～2.2)∶(2.3～2.8)∶(2.8～4.3)。
9.如权利要求7所述的光纤，其特征是设第1层的外径为a，第2层的外径为b，第3层的外径为c，第4层的外径为d时，a∶b∶c∶d＝1∶(1.6～2.2)∶(2.3～2.8)∶(2.8～4.3)。
10.如权利要求1所述的光纤，其特征是在波长为1550nm时，偏波模式的分散在0.10ps/km1/2以下，直径为20mmφ的弯曲损失在20db/m以下，传输损失在0.24db/km以下。
11.如权利要求1所述的光纤，其特征是在波长为1500nm～1650nm的范围内的至少一部分分散除以分散斜率的值(分散/分散斜率)在200以上400以下。
12.一种光传输线路，由包含在波长为1500nm～1650nm的范围内的至少一部分波长带具有正分散以及正分散斜率的1条以上的光纤、和所述一部分波长带具有负分散以及负分散斜率的1条以上的光纤所构成，其特征是所述具有负分散以及负分散斜率的光纤包含权利要求1所述的光纤。
全文摘要
提供一种适用于多种光纤组合控制线路整体的分散大致为零的光传输线路中的光纤。作为一例,采用具有4层折射率分布构造的光纤,相对于覆盖层,中心芯体的比折射率差Δ1在0.75%以上0.90%以下,在波长为1.55μm中的分散在－18ps/nm/km以上－8ps/nm/km以下,在波长为1.55μm中的有效芯体截面积A
文档编号H04B10/02GK1340725SQ01131108
公开日2002年3月20日 申请日期2001年8月30日 优先权日2000年9月1日
发明者武笠和则 申请人:古河电气工业株式会社