专利名称：色散平坦型波导中的孤立子的制作方法
背景本发明涉及一种被设计用来传输孤立子的色散平坦型单模光纤。另外，本发明涉及一种被设计用来传播波分复用孤立子信号的色散平坦型单模光纤。
由于基于SiO2波导的折射率是非线性的，所以本领域公知，孤立子可以在这类波导中传播。在波导纤维中传播的具有规定强度和形状的脉冲将经受非线性的自相位调制(SPM)，自相位调制产生脉冲展宽，较长波长相对于较短波长作正向移位。如果波导纤维总色散D(其单位为皮秒/纳米-千米)的大小合适并且为正号(较短波长的传播速度比较长波长快)，那么此总色散将抵销SPM脉冲展宽。对孤立子效应的另一种表述是，脉冲的非线性SPM(它是群速变化对脉冲强度和形状的依赖关系)，有效地消除了群速变化对频率的依赖。
已有一些论著对孤立子在光纤中的传输作了论述，例如，Mollenhaur等人在1992年《电子学通信》第28卷，第8期，第792-794页上发表了“关于孤立子以5Gbits/s速率在单信道中无差错传输15000公里以上并在双信道WDM中以大于11000Gbit/s的速率进行传输的证明”。两个信道相隔0.4纳米。很可能较大的波导色散斜率促成了这样小的信道间隔，并将波分复用局限于仅两个信道。
使用色散平坦型单模波导可以把波分复用数目以及信道间隔提高大约5倍，提供较大的容量、较小的交叉信道干扰和较宽的复用信号的容限范围。
因此，色散平坦型波导纤维与孤立子信息传输的结合提供了一种用于提高波导纤维容量并增大再生器之间间距的强有力的工具。
另外，具有平坦斜率的波导纤维大大简化了保持孤立子在几个信道中传播所需的强度的过程。产生孤立子所需的信号强度或功率正比于群速色散。色散平坦型波导在扩大的波长范围内提供了均匀的群速色散。因此，降低了产生孤立子的阈值功率，并且每个信道的功率都基本相同。另外，放宽了对于孤立子信号脉冲中心频率的容限。
色散平坦型波导与孤立子在包括光放大器的系统中传输的结合还可产生其它的好处。非常长的无再生系统(例如Mollenhaur等人在上述《电子学通信》刊登的文章中所描述的系统)需要光放大器。当前的技术支持长度较短的(集中式)掺铒光纤放大器(EDFA)技术。但是，人们继续将他们的研究指向波长范围较宽且放大器增益曲线较平坦的掺铒光放大器，以及具有各种替换组合的光放大器。
在一般的运载中心波长不同的孤立子(因而速度不同的孤立子)的波导纤维中，孤立子可以相互穿过。在无损耗的波导(例如使用分布式光放大器的波导)中，相互穿过的孤立子基本上不变化。孤立子脉冲的中心频率、形状或强度没有变化。但是，色散平坦型波导光纤仍提供了一个好处。如上所述，孤立子功率直接依赖于色散。还有，作为波长函数的放大器增益曲线并不平坦。在非色散平坦型波导纤维设计中，由于色散随波长变化并且阈值功率依赖于色散，所以中心波长不同的孤立子具有不同的阈值功率。放大器增益对波长的依赖关系可以增大孤立子功率的差。因此，如在色散平坦型波导纤维中所做的，以大约等同的功率电平起动中心波长不同的孤立子将使放大器增益随波长变化所引起的孤立子功率的差降至最低。
当使用长度较短的(集中式)(即，非分布式)光放大器时，色散平坦型波导纤维的益处较大。Mollenauer等人在1991年3月的《光波技术杂志》第9卷，第3期上发表的“用集中式放大器的超长距离传输中使用孤立子的波分复用”论文已经指出，在使用长度较短的(集中式)光放大器的系统中，只要发生孤立子碰撞的波导长度相对于光放大器的间距来得长，那么当孤立子相互穿过(碰撞)时并不相互作用。
在孤立子脉冲系统中使用色散平坦型波导所带来的好处是明显的。由于该波导纤维的色散斜率很小，所以中心波长不同的孤立子的速度差要比(比方说)标准色散位移波导纤维的小。结果，增大了发生孤立子碰撞的波导长度，从而经几个放大器间隔长度上才发生一次碰撞，由此使集中式放大器对孤立子中心波长或沿波导相对位置的影响降至最低。
总之，使用孤立子信号脉冲与色散平坦型波导纤维的组合可以提供以下优点-增大了波分复用的波长范围；-在使用分布式放大器的系统中，使因放大器增益随波长变化所引起的孤立子脉冲功率的变化最小；-在使用集中式光放大器的系统中，使孤立子碰撞的时间偏移或中心波长位移最小；-增大了孤立子中心波长的容限；-增多了具有足以降低信道串扰并放宽波分复用限制的信道间隔的多路复用信号；-降低了所需的功率电平以及提供对波分复用的孤立子信号脉冲的功率电平控制；并且-通过减小依赖强度大小的波导双折射，减弱了因不同偏振模式所产生的色散效应。
期望孤立子信号脉冲与色散平坦型型波导纤维的创造性结合可以在许多高性能长距离波导纤维的通信系统的计划安装中起主要作用。这对于那些使用集中式光放大器的高性能系统来说基本上是确实的。定义折射率分布曲线由沿某一半径上每一点确定的折射率构成，所述半径从波导中心线量至纤芯区圆周上的一点。折射率分布曲线可以具有多个不同的分段，一个分段的分布是沿一段纤芯区半径定义的。
-折射率分布曲线的特征可使一个分段的分布区别于相邻分段的分布，这些特征包括折射率数值的阶跃变化、折射率的最大值或最小值、折射率分布的斜率变化或折射率分布的形状变化。
-对于本申请文件中讨论的基于硅石的波导，波长大约在1300纳米以上的正的总色散会导致较短波长比较长波长传播得快。当波长小于1300时，使用与上述相反的符号约定。在本申请文件中，只考虑波长为1300纳米或更长的情况。
-由于基于硅石的玻璃具有非线性的折射率，所以自相位调制使脉冲中较长的波长相对于较短的波长向正向位移。正的波导总色散可以抵销非线性的自相位调制作用，从而产生一个孤立子脉冲，即，在波导上传输时其形状不发生变化的脉冲。
发明内容
本发明的第一方面是一种色散平坦型单模光纤，它具有至少包含两个分段的纤芯玻璃区。周围的包层玻璃具有特征折射率nc。对于导光的波导结构，纤芯折射率分布曲线中至少有一部分的折射率大于nc。波导纤维由在一特定波长范围内的一预选正值总色散和一预选总色散斜率来表征。选择总色散和总色散斜率，以便中心波长处于特定波长范围内的孤立子信号脉冲在传输中基本不变。
长距离高速通信中重要的波长范围是大约为1520纳米-1575纳米的工作波长范围。但是在较大波长范围(例如大约为1300纳米-1600纳米)内具有基本平坦的色散曲线的波导纤维是可能的。因此，使孤立子在色散平坦型波导纤维中传播的创造性结合可以基本上拥有大约1300纳米以上的所有实用通信波长范围。还打算设计1300纳米以下的色散平坦型波导纤维。
在1300纳米以上，被要求用来抵销孤立子自相位调制的较小的正值总色散大约在0.1-5.0皮秒/纳米-千米范围内。(参见有关总色散符号约定的定义部分。)将光波导设计成总色散斜率大约小于0.10皮秒/纳米2-千米，致使所有中心波长不同的孤立子信号脉冲都受到大致相同的总色散量。用这种方法，可在波导纤维长度上，把具有一中心波长范围且强度大致相同的孤立子信号脉冲保持为孤立子。
本发明的另一方面是一种用来在使用一个或多个分立的光放大器或者使用分布式放大器波导纤维的通信系统中传输孤立子信号脉冲的色散平坦型单模光纤。与前相同，色散平坦型波导纤维的纤芯至少包括两个分段。
在分布式光放大器的情况下，即，在该情况下放大基本上沿波导纤维长度的全长大致均匀，这时每一处的衰减基本为零，以致于孤立子碰撞不会引起孤立子中心频率或孤立子相对相位的位移。但是，色散平坦型波导纤维的好处是，限制了如上所述因放大器增益曲线随波长的变化所引起的孤立子功率的位移。色散斜率的平坦性有效地防止了两个孤立子脉冲在单个光放大器长度范围内相互穿过。也就是说，中心波长不同的孤立子信号脉冲的速度如此接近相等，以致于当一个孤立子穿过另一个时，相对于光放大器长度要经过一段很长的距离。此长距离相互作用使光放大器在孤立子信号脉冲中引起的时间的偏移和频谱位移最小。
在一较佳实施例中，至少一个光放大器的有效工作波长、波导具有所需总色散和总色散斜率的波长范围，以及孤立子信号脉冲中心波长的范围具有相当大的重叠。在理想情况下，三个波长范围是重合的。
附图概述
图1示出了一波导的折射率分布曲线，该波导的纤芯区至少具有两个分段。
图2是两个孤立子在含有光放大器的波导长度上发生碰撞的示意图。
图3是典型的总色散对波长的曲线图。
图4是光放大器的增益对波长的曲线图。
图5是在Tfwhm/D对放大器间距的曲线图上示出区域的图，所示区域为模拟的系统提供了最大的信息承载能力。
详细描述色散平坦型光纤与孤立子信号脉冲的创造性结合为构造再生器间距非常长而数据速率非常高的通信系统提供了极大的便利。本发明对于要实现使用孤立子信号脉冲和光放大器的信道数较大的波分复用系统而言是必不可少的。
光放大器的发明连同在光波导中获得稳定的孤立子脉冲为发展通信技术提供了不同寻常的机会。光放大器与孤立子一起使基本上无衰减和无色散的通信系统成为可能。由非理想的光放大器、非理想的源以及波导所引起的噪声限制了可实现的系统长度。但是，可将再生器之间的距离做大，从而大大提高单信道和波分复用系统的波导容量。
具有相当平坦的总色散对波长的曲线的单模光纤-有利于产生孤立子，-有利于保存孤立子，-有利于孤立子信号脉冲的波分复用，-可以减少分布式放大器系统中放大器增益对波长变化的影响，并且-可以减少在包含集中式光放大器的系统发生的孤立子碰撞的负面影响。
图1所示的单模光纤折射率分布曲线示出了至少具有两个分段的折射率分布曲线。Bhagavatula的第4,715,679号美国专利以及本领域公知的其它几个专利和出版物对这类分布作了详细描述。这类折射率分布的好处是，它提供了足够的变量，以基本获得总色散对波长的任何所需的特性。
第679号专利示出了关于折射率分布宽度2、4和6以及值8、10、12的一些选择，它们提供了色散平坦型单模光纤。在与本领域相关的文献中描述了色散平坦型光纤的另一些设计。例如，Steib等人在1989年国际线缆会议会刊上发表的论文“用于用户回路的色散平坦型单模光纤”描述了一种在大约1300纳米-1550纳米波长范围内色散基本上平坦的波导。
尽管期望系统能在更宽的波长范围(即大约1300纳米-1600纳米)内工作，但对于本发明的创造性结合来说，较佳的工作波长范围大约为1520纳米-1575纳米。对于这两个波长范围中的任何一个范围，并且甚至对于落在上述两个范围之外的其它范围，本领域的普通技术人员都可以分别选择图1中标注的设计特征，以便生产在预选波长范围上具有预选总色散值并且色散对波长的斜率非常小的波导。
特别是，用图1的基本设计可以获得色散平坦型单模光纤的较佳实施例，在该实施例中，总色散大约处于0.1-5.0皮秒/纳米-千米的范围内，总色散斜率不大于大约0.10皮秒/纳米2-千米且一般小于0.05皮秒/纳米2-千米。
图3示出了一般的总色散曲线。如果将设计选择成在1520纳米处的总色散为1皮秒/纳米-千米，那么如直线30所示，在1575纳米处的总色散不于4皮秒/纳米-千米，总色散斜率大约为0.05皮秒/纳米2-千米。
图2示出了色散平坦型波导的较长的碰撞长度。直线14代表具有多个光放大器16的光波导传输线。在传输线14的下方，是一时间轴，示出了在传输线14中传输的孤立子信号脉冲18和20的碰撞。脉冲在时间轴上从左至右行进，图中示出脉冲18起初与脉冲20相遇。在下一时刻，脉冲18已移动到与脉冲20重合。最后两个时刻表示脉冲18穿过脉冲20。
在碰撞期间，脉冲被描绘成已穿过不止三个光放大器16。碰撞长度较长是因总色散斜率较小所致，较小的总色散斜率限制了中心波长不同的孤立子信号脉冲之间速度的不同。
对于掺铒光纤放大器的当前技术发展水平，图4示出了可以对孤立子信号脉冲波分复用的波长范围。
第一个相当平坦的增益部分24出现在大约从1530纳米-1540纳米的波长范围内。假设所需的信道间隔大约为1.6纳米(200吉赫兹)，那么可以有不止八个波分复用的信道。较长的波长相当平坦的增益窗26覆盖了大约1545纳米-1565纳米的范围，在该范围内，增益保持在基础增益(在图2所示的情况下，大约为30分贝)上下大约1分贝的范围内。在增益窗26中可以发射十个多路复用信号，同时允许足够大的间隔(例如200吉赫兹)，以便使孤立子信号形状加宽、功率容限增大，并将交叉信道噪声降至最低。
特定的色散平坦型波导纤维与孤立子信号脉冲的创造性结合有效地促使孤立子信号脉冲受控的总色散、较低的总色散斜率，以及相当平坦的光放大器增益的波长范围(例如大约从1520纳米-1575纳米的范围)重合。系统举例图5示出了被表示成半功率点处时间宽度的孤立子脉冲形状的作用、总色散以及放大器间隔。如上所述因系统缺陷(源、放大器、波导)造成的孤立子脉冲定时和频率失真实际限制了系统的长度。Evans等人在1995年《IEEE光子学技术通信》第7卷，第1期中发表的“对设计单信道、高容量(＞10Gb/s)孤立子系统的制约”论文对孤立子限制作了很好的全面讨论。
如图5所示，比值Tfwhm/D能很好地表示系统限制，其中Tfwhm是孤立子脉冲的具有最大时间宽度的全宽度，而D是总色散。曲线32、34、40和42示出了因几种因素该比值随放大器间隔的变化。
曲线32表示因放大器对自发发射的放大以及诸如长程孤立子互作用等其它因素引起的定时抖动(通常称为Gordon-Haus定时抖动)。
曲线34是信噪比对Tfwhm/D以及放大器间隔的影响。同样，曲线40属于系统微扰，包括那些因波导纤维和光放大器变化引起的微扰。曲线42示出了在使用集中式放大器的系统中孤立子碰撞的影响。
图5示出了一长度为7500千米的系统的响应曲线，该系统以5Gbit/s速率工作并且光放大器间隔为25千米。如果选择目标误码率的上限为10-9，那么必须将比值Tfwhm/D约束在25-45纳米-千米的范围内，并且最佳值为33纳米-千米(参见图5的区域38)。假设所有信道的Tfwhm为16.5皮秒。那么，Tfwhm/D＝33可以产生最佳的总色散，D＝0.5皮秒/纳米-千米。使用误码率极限，Tfwhm/D＝25以及Tfwhm/D＝45，可以产生总色散极限，0.37皮秒/纳米-千米≤D≤0.66皮秒/纳米-千米。对于总色散斜率为0.085皮秒/纳米2-千米的波导纤维，D的极限将多路复用的可用波长带限制为3.5纳米。该可用波长带允许大约17条复用信道，信道间隔大约为25吉赫兹。具有色散平坦型光纤的对比例子对于与上例所述相同的系统，如果使用总色散斜率为0.01皮秒/纳米·千米的色散平坦型波导纤维，可用的波长带增大到16纳米。该可用波长带可以支持间隔为25吉赫兹的80条信道。在该情况下，可以进行选择，以便增大信道间隔，从而限制信道间的串扰，并放宽对孤立子特征要求的容限。
尽管以上揭示并描述了本发明的特殊实施例，但本发明仅受以下权利要求书的限制。
权利要求
1.一种被设计在使用孤立子信号脉冲的通信系统中使用的单模光纤，其特征在于，包括纤芯玻璃区，它具有一折射率分布曲线，所述折射率分布曲线至少包括两个分段；包层玻璃层，它具有基本上不变的折射率nc，包裹在所述纤芯玻璃区的周围，其中至少一个分段的至少一部分折射率分布的折射率大于nc；其中，在一预选波长范围内，总色散处于一预选正值范围内，并且在所述预选波长范围内的总色散斜率处于一预选数值范围内，从而保持了在所述波导中传播的孤立子的形状和强度，所述孤立子的中心波长在所述预选的波长范围内。
2.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述预选波长范围大约为1300纳米-1600纳米。
3.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，在所述预选波长范围内，所述正值总色散处于大约0.1-5.0皮秒/纳米-千米范围内。
4.如权利要求3所述的单模光纤，其特征在于，在所述预选波长范围内，所述总色散斜率不大于大约0.10皮秒/纳米2-千米。
5.一种被设计在使用孤立子信号脉冲的通信系统中使用的单模光纤，其特征在于，包括纤芯玻璃区，它具有一折射率分布曲线，所述折射率分布曲线至少包括两个分段；包层玻璃层，它具有基本上不变的折射率nc，包裹在所述纤芯玻璃区的周围，其中至少一个分段的至少一部分折射率分布的折射率大于nc；所述单模光纤用在一预选波长范围内的总色散斜率来表征；并且其中，所述通信系统至少包含一个光放大器，放大器增益在一工作波长范围内基本均匀，所述工作波长范围至少与所述预选波长范围的一部分重合，并与多个波分复用孤立子信号脉冲的一个中心波长范围重合；并且在所述预选波长范围、所述光放大器的所述工作波长范围，以及所述孤立子信号脉冲的所述中心波长范围的重合部分上，总色散斜率不大于大约0.10皮秒/纳米2-千米。
6.如权利要求5所述的单模光纤，其特征在于，所述光放大器是分布式光放大器。7.如权利要求5所述的单模光纤，其特征在于，所述光放大器是集中式光放大器。
8.如权利要求5所述的单模光纤，其特征在于，至少一个所述光放大器的所述预选波长范围和所述工作波长范围基本相同。
9.如权利要求8所述的单模光纤，其特征在于，所述多个波分复用孤立子信号脉冲大约有80个，并且所述孤立子信号脉冲的信道间隔至少为25吉赫兹。
10.如权利要求5所述的单模光纤，其特征在于，所述总色散不大于大约5皮秒/纳米-千米。
全文摘要
色散平坦型单模光纤(14)与弧立子信号脉冲(18,20)的结合可以产生最佳的通信系统容量。色散平坦型光纤(14)起放宽弧立子中心波长和强度之容限的作用。另外,该创造性的结合有利于设计和采用使用光放大器(16)的长距离系统。
文档编号H04B10/18GK1186551SQ9619444
公开日1998年7月1日 申请日期1996年5月23日 优先权日1995年6月7日
发明者爱伦·F·埃文斯, 唐纳德·B·凯克 申请人:康宁股份有限公司