专利名称：一种正非零色散位移单模光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种为长距离、大容量传输系统而设计的正非零色散位移单模光纤。该单模光纤具有偏振模色散低、较大有效面积、相对较低的色散斜率及低衰减和优异的抗弯曲性能。适用于高速、大容量、长距离的DWDM系统传输。
背景技术：
20世纪90年代中期以来，随着掺铒光纤放大器和波分复用技术的发展，光纤通信进入前所未有的高速发展阶段。光纤通信容量每年翻一翻，目前商用传输系统的容量达到1.6T的水平。随着光纤放大器的实用，色散取代衰减成为长距离传输的主要限制因素。随着波分复用的发展，人们发现各波长之间的非线性效应(如四波混频、自相位调制、交叉相位调制等)对系统的影响限制了系统容量的扩大。为了抑制DWDM系统中非线性的影响，在传输波段需要适量的色散值和降低光功率密度。从而光纤技术的发展从零色散位移光纤过渡到非零色散位移光纤及大有效面积的非零色散位移光纤。目前已经公布了一系列的这种光纤的设计和生产专利，如中国专利98121639.0公布了一种大有效面积非零色散位移光纤和其制造方法，这种光纤目前已经广泛的用于了通信骨干网络的建设中。其典型色散斜率为0.09ps/nm2·km，有效面积在80um2以上，1550nm衰耗典型值为0.205dB/km。传输容量的进一步扩大就促使人们考虑充分利用光纤的带宽资源并提高传输速率，而放大器的使用范围已经从C-波段延伸到了L-波段，同时可用于更宽波长范围的新型放大器的研究取得了很大突破。有报道目前光纤拉曼放大器的增益带宽已达132nm，在1480～1620nm范围内增益可达30dB。但常规大有效面积光纤在C和L波段的色散斜率偏大，一般在0.09ps/nm2·km以上，这造成在利用色散补偿技术进行色散管理时，除中心波长范围外，边带波长很难完全补偿，传输波长范围越宽，边带波长的残余色散越大，传输速率越高，影响越大。这就要求降低光纤的色散斜率，以减小随距离增加而扩大的长、短波长色散的差异，以充分利用带宽。
在大容量、高速传输系统中，除去非线性效应影响外，偏振模色散性能(PMD)的影响也不容忽视。单模光纤中传播的基模LP01模(或HE11模)，实际上是由两个互相正交的线性偏振模式所组成。理想的单模光纤应具有理想的圆柱形结构及各向同性，使得光纤中的两个正交的线性偏振模具有同样的传播特性，即简并模式。但实际的单模光纤形状略偏离圆柱形结构以及材料各向异性的微小起伏，破坏了模式简并，导致与光纤基模两正交偏振分量相关的模折射率有差别，就显示有模式双折射特性。入射光脉冲会在光纤中激励两个正交偏振分量，并以不同的群速度沿光纤传输，将导致脉冲展宽，这种现象称之为偏振模色散。由偏振模色散引起的差分群延时(DGD)与光纤长度的平方根成正比。因此，对于长光纤定义了一个偏振模色散系数PMD＝ΔT/z1/2(1)当光纤的长度远大于偏振模耦合长度时，光纤的DGD值ΔT是一个随机参量，应满足麦克斯韦概率分布函数，其均值为<ΔT(z)>＝(8/π)1/2*δT*(z*Lc)1/2(2)其中δT是单位长度上的本征DGD，Lc是偏振模耦合长度，而z远大于Lc，代表光纤实际长度。
由于光纤双折射的变化是随机的，群速度也随机变化，偏振模色散本身具有随机性的特点，因此虽然针对PMD补偿的研究在国内外已开展了多年，并已发展了几种补偿方案，但无论是采用固定或可变PMD均衡器，还是采用对分解后正交方向信号进行分别补偿的方法，在技术上还存在一些不尽人意的地方。所以越来越多的科研人员认为偏振模色散是制约高速传输的关键因素，它也成为最近光通信领域研究的焦点。对于光纤制造商而言，研究PMD的起源、从制造工艺优化和稳定光纤的PMD性能是当务之急。一般认为，引起单模光纤产生双折射和偏振模色散的因素有两类一种是本征因素，包括纤芯不圆度(elliptical core)、扭转(twist)、纯弯(pure bending)、横向应力(transverse pressure)分布和轴向应力(axial tension)分布等；另一种是非本征因素，包括温度等环境因素。为了获得较低的偏振模色散，目前研究较多的是如何有效地增加偏振模的模式耦合从而降低δT和Lc，在拉丝过程中有意识地增加光纤的扭转成为研究的一个主要方向。
在中国专利申请00806764.3中，其披露的光纤结构为由中心层和至少一个包围中心层的环形层构成，其中至少一层具有负相对折射率，色散斜率最低下降到0.073ps/nm2·km，零色散点在1500nm附近。
在现有技术中，对光纤性能影响最大的光纤中间芯层折射率分布形状的控制参数相对较少，从而对光纤参数难于精确控制，所以光纤的色散、色散斜率、有效面积与衰减特性等不易进行平衡和控制。
本发明一些术语的定义折射率差Δ由以下方程式定义，相对折射率差Δni＝[(ni2-nc2)/2ni2] (3)其中ni为第i层的光纤折射率，nc为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所选部分上相对折射率差Δni或折射率ni与其半径之间的关系。
总色散定义为光纤波导色散和材料色散的代数和，在光纤通信领域，总色散被称为光纤的色散，其单位为ps/nm·km。
色散斜率表示色散值对波长的依赖性，是在横轴取为波长、纵轴取为色散值进行描绘时的曲线的斜率，其单位为ps/nm2·km。在波分复用系统中，如果传输线路的色散斜率大，则各波长之间的色散值的差值变大，整个传输特性会恶化。
有效面积Aeff为Aeff＝2π(∫E2rdr)2/(∫E4rdr) (4)其中积分限为0到∞，并且E为与传播有关的电场。
DWDM是密集波分复用系统的缩写。
PMD是光纤偏振模色散的缩写。
光学纤维的抗弯曲性能是指在规定测试条件下的附加衰减。其标准测试条件包括在直径75mm的芯轴上绕100圈和在直径32mm的芯轴上绕1圈。其过程是，先在正常条件下测试光纤的衰减；再按标准要求将光纤绕在芯轴上，测量衰减值；两种测试的差值即为增加的附加弯曲衰减。通常，弯曲导致的最大许可衰减以1310nm和1550nm的附加弯曲衰减为准，每种测试条件下弯曲附加衰减的单位为dB。在本申请中采用的是更为严格的弯曲测量方法，即采用绕在60mm的芯轴上100圈及32mm的芯轴上绕1圈的方式测量1550nm和1625nm处的附加衰减，并取最大值作为最后测量结果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于高速、大容量传输系统的正非零色散位移单模光纤，该光纤具有较大的有效面积，低的偏振模色散值和相对减小的色散斜率，从而能有效解决困扰高速通信的非线性问题和偏振模色散问题。
本发明为解决上述提出问题所采用的技术方案如下设计一种单模波导结构，它包括纤芯和外包层，其特征在于纤芯设有八个不同折射率分布的纤芯分层，外包层为纯二氧化硅玻璃包层，所述纤芯分层的前四个纤芯分层的折射率分布为n1＞n2＞n3＞n4＞nc。(其中r1＜r2＜r3＜r4)。
按上述方案，所述的八个纤芯分层的波导结构参数为5×10-3≤Δn1≤8×10-3，1.0um≤r1≤2.0um，3×10-3≤Δn2≤6×10-3，1.4≤r2/r1≤2.5，1×10-3≤Δn3≤3×10-3，2≤r3/r1≤3，0≤Δn4≤1.5×10-3，3.3≤r4/r1≤4.5，1×10-3≤Δn5≤3×10-3，1.2≤(r5-r4)/r1≤2.5，-1×10-3≤Δn6≤1×10-3，5.1≤r6/r1≤7.4，-1×10-4≤Δn7≤1×10-4，6.9≤r7/r1≤9.7，-1×10-4≤Δn8≤1×10-4，13um≤r8≤18um。
最外层的外包层为纯二氧化硅玻璃层，其折射率为纯二氧化硅玻璃折射率nc。
在所述各纤芯分层中(纯二氧化硅玻璃层除外)的玻璃中有效掺入重量百分率为0％至0.01％的氟离子，并从中心纤芯分层向外纤芯分层呈递减梯度分布，分布曲线如图3所示，用以调节光纤制件的粘度和应力的匹配，稳定偏振模色散性能。
通过对光纤折射率分布的精确调整，可以得到所需的色散值、色散斜率和较大的有效面积，并具有较低的衰减和优异的弯曲性能。根据上述方案，本发明光纤在1550nm处的总色散斜率小于0.085ps/nm2·km，零色散波长小于1510nm，有效面积在70um2以上，1530nm～1565nm范围内的色散在2.0～6.0ps/nm·km之间，1550nm的衰耗小于或等于0.21dB/km；按照光纤的抗弯曲性能测试方法，在Φ60mm芯轴绕100圈的测试中，弯曲引起的附加衰减在1550nm和1625nm处均小于0.05dB，在Φ32mm芯轴绕1圈的测试中，弯曲引起的附加衰减在1550nm和1625nm处均小于0.5dB；在整个1530～1625nm波段衰减小于或等于0.23dB/km；光纤的偏振模色散值小于0.1ps/√km。
本发明的单模光纤芯层采用PCVD工艺制作而成，并在常规的沉积过程中掺入纤芯分层中重量百分率为0％至0.01％的氟离子。
本发明的积极效果在于1、同以往的单模光纤波导结构相比，本发明有更多的结构参数可以调节，如n1，r1，n2，r2/r1，n3，r3/r1等，因此多分层纤芯设计对光纤性能的控制更为精确，容易平衡色散、色散斜率、有效面积与衰减特性，结合PCVD工艺所特有的精确控制折射率分布的能力，可高效率地得到所设计的光纤性能。2、同时对于光纤PMD性能的控制，目前较多的是应用拉丝过程中对光纤的扭转，有效地增加偏振模的模式耦合。由于光纤在整个生产过程中要经受数次高低温的剧烈变化，造成很大的内部应力，从而应力双折射对光纤PMD的影响很大。在本发明中则通过对预制棒掺杂成分和比率的适当选取以及掺杂成分分布的控制，达到对光纤内部应力的调整与控制，从而降低光纤的偏振模色散值。氟离子能显著改变石英玻璃的粘度，在本发明中通过有效的掺入适量的氟离子，氟离子的浓度按一定形式分布，改善了内部应力分布，使光纤的偏振模色散性能稳定。3、本发明光纤的特性足以满足抑制非线性效应的要求，同时有良好的衰减及弯曲性能，很低的光纤偏振模色散值，成缆以后截止波长小于1400钠米，光纤可以满足在C波段或C+L波段进行长距离、高速率、密集波分复用传输的需要。同时相对较低的色散斜率有利于对色散进行管理，满足长距离无电中继的传输。
图1是本发明折射率对半径的分布曲线示意图，对应于实施例1、2。
图2是本发明实施例3折射率对半径的分布曲线示意图。
图3是本发明的氟离子分布曲线示意图。
具体实施例方式
根据图1所示的描述光纤波导的折射率分布的曲线，用ni(i＝1，2，3，…)表示第i个纤芯分层的折射率值，Δni(i＝1，2，3，…)表示第i个纤芯分层与纯二氧化硅玻璃层的相对折射率差值，ri(i＝1，2，3，…)表示第i个分层的半径。其中最外层分层即外包层为纯二氧化硅玻璃层。
实施例1设有八个不同折射率分布的纤芯分层和外包层，其折射率对半径的分布曲线如图1所示，各纤芯分层的结构参数为Δn1约为6.1×10-3，r1约为1.3um，Δn2约为4.2×10-3，r2/r1约为2.1，Δn3约为1.5×10-3，r3/r1约为2.9，Δn4约为6.0×10-4，r4/r1约为4.4，Δn5约为1.7×10-3，(r5-r4)/r1约为2.3，Δn6约为4.0×10-4，r6/r1约为7.3，Δn7约为0.6×10-4，r7/r1约为9.6，Δn8约为0.5×10-4，r8约为17um，外包层为纯二氧化硅玻璃层，其折射率为纯二氧化硅玻璃折射率nc。
在光纤的玻璃中有效掺入重量百分率为0％至0.004％的氟离子，并从中部纤芯分层向外纤芯分层呈递减梯度分布(如图3)。
所得光纤的特性如下1550nm有效面积75um2，零色散波长1504nm，在1530nm色散2.1ps/nm·km，在1565nm色散5.0ps/nm·km，在1550nm色散斜率0.081ps/nm2·km，光纤偏振模色散值为0.035ps/√km，光纤成缆后截止波长1320nm，在1550nm衰耗0.20dB/km，宏弯Φ60mm绕100圈，在1550nm和1625nm中附加衰耗的最大值0.03dB，宏弯Φ32mm绕1圈，在1550nm和1625nm中附加衰耗的最大值0.04dB。
实施例1所述光纤的特性在1550nm处的色散斜率小于0.085ps/nm2·km，零色散波长小于1510钠米，1550nm有效面积大于70um2，所述光纤的特性足以满足抑制非线性效应的要求，同时有良好的衰减及弯曲性能，很低的光纤偏振模色散值，成缆以后截止波长小于1400钠米，光纤可以满足在C波段或C+L波段进行长距离、高速率、密集波分复用传输的需要。
实施例2其折射率对半径的分布曲线如图1所示，各纤芯分层的结构参数为Δn1约为5.9×10-3，r1约为1.6um，Δn2约为4.4×10-3，r2/r1约为1.7，Δn3约为1.5×10-3，r3/r1约为2.3，Δn4约为3.0×10-4，r4/r1约为3.6，Δn5约为1.5×10-3，(r5-r4)/r1约为2.2，Δn6约为2.0×10-4，r6/r1约为5.9，Δn7约为0.1×10-4，r7/r1约为7.8，Δn8约为0.1×10-4，r8约为17um，外包层为纯二氧化硅玻璃层，其折射率为纯二氧化硅玻璃折射率nc。
在光纤的玻璃中有效掺入重量百分率为0％至0.006％的氟离子，并以梯度分布(如图3)。
所得光纤的特性如下1550nm有效面积73um2，零色散波长1497nm，在1530nm色散2.5ps/nm·km，在1565nm色散5.3ps/nm·km，在1550nm色散斜率0.077ps/nm2·km，光纤偏振模色散值为0.027ps/√km，光纤成缆后截止波长1300nm，在1550nm衰耗0.20dB/km，宏弯Φ60mm绕100圈，在1550nm和1625nm中附加衰耗的最大值0.01dB，宏弯Φ32mm绕1圈，在1550nm和1625nm中附加衰耗的最大值0.02dB。
实施例2所述光纤的特性在1550nm处的色散斜率小于0.080ps/nm2·km，零色散波长小于1510钠米，1550nm有效面积大于70um2，所述光纤的特性足以满足抑制非线性效应的要求，同时有良好的衰减及弯曲性能，很低的光纤偏振模色散值，成缆以后截止波长小于1400钠米，光纤可以满足在C波段或C+L波段进行长距离、高速率、密集波分复用传输的需要。
实施例3其折射率对半径的分布曲线如图2所示，各纤芯分层的结构参数为Δn1约为5.9×10-3，r1约为1.8 um，Δn2约为4.5×10-3，r2/r1约为1.5，Δn3约为1.4×10-3，r3/r1约为2.1，Δn4约为1.0×10-4，r4/r1约为3.5，Δn5约为1.5×10-3，(r5-r4)/r1约为1.4，Δn6约为-3.0×10-4，r6/r1约为5.2，Δn7约为-0.2×10-4，r7/r1约为7.0，Δn8约为-0.1×10-4，r8约为14um，外包层为纯二氧化硅玻璃层，其折射率为纯二氧化硅玻璃折射率nc。
在光纤的玻璃中有效掺入重量百分率为0％至0.007％的氟离子，并以梯度分布(如图3)。
所得光纤的特性如下1550nm有效面积71um2，零色散波长1491nm，在1530nm色散2.8ps/nm·km，在1565nm色散5.2ps/nm·km，在1550nm色散斜率0.071ps/nm2·km，光纤偏振模色散值为0.025ps/√km，光纤成缆后截止波长1340nm，在1550nm衰耗0.20dB/km，宏弯Φ60mm绕100圈，在1550nm和1625nm中附加衰耗的最大值0.01dB，宏弯Φ32mm绕1圈，在1550nm和1625nm中附加衰耗的最大值0.01dB。
实施例3所述光纤的特性在1550nm处的色散斜率小于0.075ps/nm2·km，零色散波长小于1500钠米，1550nm有效面积大于70um2，所述光纤的特性足以满足抑制非线性效应的要求，同时有良好的衰减及弯曲性能，极低的光纤偏振模色散值，成缆以后截止波长小于1400钠米，光纤可以满足在C波段或C+L波段进行长距离、高速率、密集波分复用传输的需要。
权利要求
1.一种正非零色散位移单模光纤，包括纤芯和外包层，其特征在于纤芯设有八个不同折射率分布的纤芯分层，外包层为纯二氧化硅玻璃包层，所述纤芯分层的前四个纤芯分层的折射率分布为n1＞n2＞n3＞n4＞nc。
2.按权利要求1所述的正非零色散位移单模光纤，其特征在于所述的八个纤芯分层的波导结构参数为5×10-3≤Δn1≤8×10-3，1.0um≤r1≤2.0um，3×10-3≤Δn2≤6×10-3，1.4≤r2/r1≤2.5，1×10-3≤Δn3≤3×10-3，2≤r3/r1≤3，0≤Δn4≤1.5×10-3，3.3≤r4/r1≤4.5，1×10-3≤Δn5≤3×10-3，1.2≤(r5-r4)/r1≤2.5，-1×10-3≤Δn6≤1×10-3，5.1≤r6/r1≤7.4，-1×10-4≤Δn7≤1×10-4，6.9≤r7/r1≤9.7，-1×10-4≤Δn8≤1×10-4，13um≤r8≤18um。最外层的外包层为纯二氧化硅玻璃层，其折射率为纯二氧化硅玻璃折射率nc。
3.按权利要求1或2所述的正非零色散位移单模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm处的总色散斜率小于0.085ps/nm2·km，零色散波长小于1510nm，有效面积在70um2以上，1530nm～1565nm范围内的色散在2.0～6.0ps/nm·km之间，1550nm的衰耗小于或等于0.21dB/km。
4.按权利要求1或2所述的正非零色散位移单模光纤，其特征在于所述光纤在Φ60mm芯轴绕100圈的测试中，弯曲引起的附加衰减在1550nm和1625nm处均小于0.05dB，在Φ32mm芯轴绕1圈的测试中，弯曲引起的附加衰减在1550nm和1625nm处均小于0.5dB；在整个1530～1625nm波段衰减小于或等于0.23dB/km。
5.按权利要求1或2所述的正非零色散位移单模光纤，其特征在于所述光纤的偏振模色散值小于0.1ps/√km。
6.按权利要求1或2所述的正非零色散位移单模光纤，其特征在于所述各纤芯分层中的玻璃中有效掺入重量百分率为0％至0.01％的氟离子，并从中心纤芯分层向外纤芯分层呈递减梯度分布。
7.按权利要求1或2所述的正非零色散位移单模光纤，其特征在于所述各纤芯分层的结构参数为Δn1约为6.1×10-3，r1约为1.3um，Δn2约为4.2×10-3，r2/r1约为2.1，Δn3约为1.5×10-3，r3/r1约为2.9，Δn4约为6.0×10-4，r4/r1约为4.4，Δn5约为1.7×10-3，(r5-r4)/r1约为2.3，Δn6约为4.0×10-4，r6/r1约为7.3，Δn7约为0.6×10-4，r7/r1约为9.6，Δn8约为0.5×10-4，r8约为17um。
8.按权利要求1或2所述的正非零色散位移单模光纤，其特征在于所述各纤芯分层的结构参数为Δn1约为5.9×10-3，r1约为1.6um，Δn2约为4.4×10-3，r2/r1约为1.7，Δn3约为1.5×10-3，r3/r1约为2.3，Δn4约为3.0×10-4，r4/r1约为3.6，Δn5约为1.5×10-3，(r5-r4)/r1约为2.2，Δn6约为2.0×10-4，r6/r1约为5.9，Δn7约为0.1×10-4，r7/r1约为7.8，Δn8约为0.1×10-4，r8约为17um。
9.按权利要求1或2所述的正非零色散位移单模光纤，其特征在于所述各纤芯分层的结构参数为Δn1约为5.9×10-3，r1约为1.8um，Δn2约为4.5×10-3，r2/r1约为1.5，Δn3约为1.4×10-3，r3/r1约为2.1，Δn4约为1.0×10-4，r4/r1约为3.5，Δn5约为1.5×10-3，(r5-r4)/r1约为1.4，Δn6约为-3.0×10-4，r6/r1约为5.2，Δn7约为-0.2×10-4，r7/r1约为7.0，Δn8约为-0.1×10-4，r8约为14um。
全文摘要
本发明涉及一种为长距离、大容量传输系统而设计的正非零色散位移单模光纤。该单模光纤具有偏振模色散低、较大有效面积、相对较低的色散斜率及低衰减和优异的抗弯曲性能。它包括纤芯和外包层，其特征在于纤芯设有八个不同折射率分布的纤芯分层，外包层为纯二氧化硅玻璃包层，所述纤芯分层的前四个纤芯分层的折射率分布为n
文档编号H04B10/12GK1487318SQ03125210
公开日2004年4月7日 申请日期2003年7月31日 优先权日2003年7月31日
发明者张树强, 韩庆荣, 雷高清, 吴伟, 拉吉·马泰, 马泰 申请人:长飞光纤光缆有限公司