专利名称：单模光纤及复合光学线的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于光学通信系统的光纤，并且更具体地涉及一种适合于用在基于波分复用(此后简称为“WDM”)方法的高速及大容量通信系统的光纤。
背景技术：
利用WDM方法光学传输系统的能力一直在显著地增加。在WDM方法中，在传输光纤时要求降低非线性效应并且控制色散。
通常，光纤中的非线性效应由n2/Aeff表示，其中n2是光纤的非线性折射率且Aeff是光纤的有效芯面积。因此，非线性效应与Aeff成反比。因而，如具有扩大的有效芯面积的光纤、具有降低的色散斜率的光纤以及补偿色散斜率的光纤等各种光纤被研制。
为了增加基于WDM方法的传输能力，主要采用两种方法。第一种方法是增加复用波数量的方法，且第二种方法是改善传输速度的方法。
作为增加复用波数量的方法，存在扩展传输用波长带的趋势。一个1550nm-带主要被用作WDM方法的波长带。在1550nm-带中，被公知为C-带(传统波带，1530-1565nm)已经被广泛地采用，但是在近些年来，一直存在着使用L-带(长波长带，1565-1625nm)及S-带(短波长带，1460-1530nm)用于通信的趋势。
因此，建议各种光纤如用于C-带和L-带的光纤以及用于S-、C-和L-带具有更大色散的光纤。
然而，在所有传统光纤中的折射率分布被设计成在某一色散附近获得所需要的光学特征。
图14是示出用于WDM的典型光纤的色散特征曲线图。通过将单独的折射率分布使用到光纤上，可以实现具有单独色散特征的光纤A和B。
用于制造以将非线性效应抑制到低水平的色散移位光纤的方法在日本未经审查专利申请的第一公布No.Hei 8-220362中被公开。在日本未经审查专利申请的第一发行No.Hei 8-220362中所公开的发明公开了一种用于设计在1.55μm-带具有扩大的模场直径(此后被简写为“MFD”)的光纤。如在与上述专利申请相关的参考文件(The Instituteof Electronics，Information and Communication Engineers，IEICE Technical Report，Optical Communication System，OCS-94-74，November 28，1994)(1994年11月28日电子、信息及通信工程师协会IEICE技术报导中的“光学通信系统”OCS-94-74)所示，在所述申请所示的MFD扩大光纤的设计区域中，色散和MFD随芯半径的变化单调地改变。
结果是，如果利用具有根据上述专利申请方法所设计的折射率分布的光纤芯棒调节芯半径，以为了拥有一个不同于预先设定色散的色散，则不可避免地在MFD中出现大的变化。
当根据上述方法准备的光纤导致光纤的MFD减小时，不仅从接合损失方面不利，而且当传递进入光纤的光功率密度高时，如在光学放大器中，则出现如非线性效应增加及传输特征降级等问题。
另一方面，也要求降低用于WDM光纤中的色散斜率。降低色散斜率保证在宽波长带宽范围内小的色散变化。在其中色散严重限制传输距离的高速度传输系统中这尤其重要。在传统光纤中，色散斜率典型地高于0.05ps/nm2/km，但是在高速传输系统中，要求提供具有色散斜率等于或小于0.05ps/nm2/km的光纤。
发明概述本发明考虑了上述问题而被提供，并且一个目的是提供一个单模光纤，通过调节芯半径利用单折射率分布所述单模光纤的色散可以在宽范围内被调节。换句话说，所述目的是提供一种优选地用于基于波分复用(WDM)方法的高速及大容量通信系统的光纤。
为了获得上述目的，本发明提供一种单模光纤，所述单模光纤包括芯和包覆层，其中芯包括两个或多个具有单独折射率的层，并且当芯半径改变时至少一个光学特性展示出一个在芯半径特定范围内的极值。
根据上述结构，在所要求的范围内它可以改变色散，这样根据在单模光纤中的单折射率分布可以制造出具有所要求色散的光纤，而同时光纤特性得以维持。
在上面所述的单模光纤中，所述光学特性在芯参考半径±10％范围内可以展示出极值。
在上面所述的单模光纤中，所述光学特性在芯参考半径±5％范围内可以展示出极值。
在所述的单模光纤中，至少一个光学特性可以包括展示出极值的色散相关性。
在上面所述的单模光纤中，所述光学特性从正色散延伸至负色散区域可以展示出极值。
在所述的单模光纤中，所述光学特性可以是色散斜率(dispersionslope。
在其中光学特性可展示出在从正色散延伸至负色散区域内的极值的单模光纤中，所述光学特性可展示出在从正色散斜率延伸至负色散斜率的区域内的极值。
在所述的单模光纤中，所述光学特性可以是有效芯面积或模场直径。
在所述的单模光纤中，在工作波长带宽内色散斜率可以等于或小于0.05ps/nm2/km。
在所述的单模光纤中，在工作波长带宽内色散斜率可以等于或小于0.03ps/nm2/km。
在所述的单模光纤中，包含具有单独折射率芯的层中的至少一层可以具有小于包覆层折射率的折射率。
此外，本发明提供一种复合光学线，所述光学线通过组合单模光纤对色散斜率进行补偿，在所述的单模光纤中，光学特性展示出在从正色散延伸到负色散的区域内的极值并且展示出在从正色散斜率延伸到负色散斜率的区域内的极值。
根据上面所述的结构，当光学特性的极值通过有效芯面积或MFD展示时，因为即使芯半径被改变这些参数不受极大的影响，所以单模光纤可以具有减小的非线性效应。
此外，因为所述光纤是为了展示从色散和色散斜率的正区域延伸到负区域的极值而制备，所以展示色散和色散斜率极值的单模光纤可彼此具有不同的符号，而同时单模光纤基本上具有相同的光学特性。
此外，所述单模光纤被组合以生产出可以补偿色散斜率的复合光学线。
附图的简要说明图1是根据本发明的单模光纤的折射率分布示意图。
图2是在根据本发明的单模光纤的第一实施例中，相对于芯半径变化所计算出的色散变化值的示意图。
图2B是在根据本发明的单模光纤的第一实施例中，相对于芯半径的变化所计算出的色散斜率变化值的示意图。
图2C是在根据本发明的单模光纤的第一实施例中，相对于芯半径的变化所计算出的有效芯面积变化值的示意图。
图2D是在根据本发明的单模光纤的第一实施例中，相对于芯半径的变化所计算出的曲折损耗变化值的示意图。
图3A是在根据本发明的单模光纤的第一实施例中，比较有效芯面积相对于色散值的测量值和计算值的示意图。
图3B是在根据本发明的单模光纤的第一实施例中，比较色散斜率相对于色散值的测量值和计算值的示意图。
图4是在根据本发明的单模光纤的第一实施例中，在可工作波长带宽中色散的示意图。
图5A是在根据本发明的单模光纤的第二实施例中，相对于芯半径的变化所计算出的色散变化值的示意图。
图5B是在根据本发明的单模光纤的第二实施例中，相对于芯半径的变化所计算出的色散斜率变化值的示意图。
图5C是在根据本发明的单模光纤的第二实施例中，相对于芯半径的变化所计算出的有效芯面积变化值的示意图。
图5D是在根据本发明的单模光纤的第二实施例中，相对于芯半径的变化所计算出的曲折损耗变化值的示意图。
图6A是在根据本发明的单模光纤的第二实施例中，比较有效芯面积相对于色散的测量值和计算值的示意图。
图6B是在根据本发明的单模光纤的第二实施例中，比较色散斜率相对于色散的测量值和计算值的示意图。
图7是在根据本发明的单模光纤的第二实施例中，在可工作波长带宽中色散的示意图。
图8A是在根据本发明的单模光纤的第三实施例中，相对于芯半径的变化所计算出的色散变化值的示意图。
图8B是在根据本发明的单模光纤的第三实施例中，相对于芯半径的变化所计算出的色散斜率变化值的示意图。
图8C是在根据本发明的单模光纤的第三实施例中，相对于芯半径的变化所计算出的有效芯面积变化值的示意图。
图8D是在根据本发明的单模光纤的第三实施例中，相对于芯半径的变化所计算出的曲折损耗变化值的示意图。
图9A是在根据本发明的单模光纤的第三实施例中，比较有效芯面积相对于色散的测量值和计算值的示意图。
图9B是在根据本发明的单模光纤的第三实施例中，比较色散斜率相对于色散的测量值和计算值的示意图。
图10是在根据本发明的单模光纤的第三实施例中，在工作波长带宽中色散的示意图。
图11A是在根据本发明的单模光纤的第四实施例中，相对于芯半径的变化所计算出的色散变化值的示意图。
图11B是在根据本发明的单模光纤的第四实施例中，相对于芯半径的变化所计算出的色散斜率变化值的示意图。
图11C是在根据本发明的单模光纤的第四实施例中，相对于芯半径的变化所计算出的有效芯面积变化值的示意图。
图11D是在根据本发明的单模光纤的第四实施例中，相对于芯半径的变化所计算出的曲折损耗变化值的示意图。
图12A是在根据本发明的单模光纤的第四实施例中，比较有效芯面积相对于色散的测量值和计算值的示意图。
图12B是在根据本发明的单模光纤的第四实施例中，比较色散斜率相对于色散的测量值和计算值的示意图。
图12C是在根据本发明的单模光纤的第四实施例中，比较RDS相对于色散的测量值和计算值的示意图。
图13是在根据本发明的单模光纤的第四实施例中，在可工作波长带宽中色散的示意图。
图14是在传统WDM光纤中色散的示意图。
所优选实施例的详细说明下面对本发明加以详细说明。
参考图1至4对本发明的单模光纤的第一实施例加以说明。
单模光纤包括芯和包覆层，并且芯包括具有单独折射率的两或多个层。图1示出单模光纤折射率分布的一个实例。
图1示出中心芯1、在中心芯1外围所提供的压下的芯2、在压下的芯2外围所提供的环形芯3及在环形芯3外围所提供的包覆层4。
中心芯1具有高于包覆层4折射率的折射率、压下的芯2具有小于包覆层4折射率的折射率且环形芯3具有大于包覆层4折射率的折射率。
单模光纤是基于如表1所示的芯半径和相对折射率差而设计，且单模光纤的光学特性的计算值被示于表2。
表1
表2
注所述值是在1550nm波长处估算的；曲折损耗是在20φ估算的图2A至2D示出在具有如图1和表1所示的折射率分布的光纤中当芯半径变化时光学特性的变化，且图2A示出在1550nm波长处色散的变化；图2B示出在1550nm波长处色散斜率的变化；图2C示出在1550nm处有效芯面积Aeff的变化；且图2D示出在20φ曲折直径时曲折损耗的变化。在此，在x轴上所示的芯半径是参考半径设计中心的相对值，且在这个实例中，参考芯半径r3被设置在8.85μm。
正如从图2A至2D所理解的那样，与单调地随芯半径变化的波长色散和曲折损耗相对照，有效芯面积Aeff和色散斜率在中心芯接近设计半径处展示出相应的极限值。因此，通过将光纤中的芯半径相对于参考芯半径改变±10％，在1550nm波长处的色散可以在+4至+10ps/nm/km范围内变化，而保持有效芯横断面面积Aeff和色散斜率基本上不变。
根据如图1和表1所示的设计参数制造的芯材料被用于制作光纤测试样品，所述样品的芯半径被改变约为参考芯半径的±10％以评估它们的光学特性。图3A示出有效芯面积Aeff的变化且图3B示出色散斜率的变化。在这两种情况下，水平轴代表在1550nm的色散。在图3A、3B中，实点A、B指生产出光纤的测量值，且实线指计算值。图3A、3B示出有效芯面积Aeff和色散斜率取决于色散且展示出相应的极限值。图3A、3B示出计算值基本与测量值相符，并且表明有可能制造具有单独色散而保持有效芯面积Aeff和色散斜率基本上恒定的光纤。
图4示出如图3A、3B所示的光纤A、B的色散特征。光纤A展示出在C-带和L-带大于2ps/nm/km的色散，且光纤B展示出在S-带、C-带和L-带这样的值，这表明所述特性适合于在WDM使用。
因而，在这个实例中由包覆层和由不少于具有单独折射率的两层所构成的芯构成的单模光纤可以通过制造光纤而得到，以便于当芯半径变化时，在参考半径的一个特定范围内光纤展示出不只一个光学特性(例如有效芯面积Aeff和色散斜率)的极限值，从而保证利用具有单折射率分布、具有所要求色散特征的光纤实现单模光纤，并且保证在所要求的范围内改变色散而在两个光纤段内基本上保持相同的光学特性。
同样，通过以这样的方法制造光纤，即上述光学特性在参考芯半径的±10％范围内展示出相应的极限值，色散斜率可以被保持到小于0.05ps/nm2/km以保证提供一个适合于高速传输系统的单模光纤。
此外，因为当芯半径改变时有效芯面积Aeff改变不大，所以所述方法保证提供一个具有降低的非线性效应的单模光纤。
单模光纤的第二实例将参考图5A到7加以解释。
图1示出用于这个实例中的单模光纤的折射率分布。
如表3所示的芯半径和单位折射率差被用于单模光纤的设计中，并且单模光纤的光学特性的计算值被示于表4。
表3
表4
注所述值是在1550nm波长处估算的；曲折损耗是在20φ估算的图5A和5D示出在具有如图1和表3所示的折射率分布的光纤中当芯半径变化时光学特性的变化，且图5A示出在1550nm波长处色散的变化；图5B示出在1550nm波长处色散斜率的变化；图5C示出在1550nm处有效芯面积Aeff的变化；且图5D示出在20φ曲折直径时曲折损耗的变化。在此，在x轴上所示的芯半径是参考半径设计中心的相对值，且在这个实例中，参考芯半径r3被设置在10.25μm。
正如从图5A至5D所理解的那样，与单调地随芯半径变化的波长色散和曲折损耗相对照，有效芯面积Aeff和色散斜率在参考芯半径的±5％范围内展示出相应的极限值。
在第一实例中，在大约相同的芯半径处Aeff和色散斜率展示出极限值，但是为了获得本发明的效果，在极限值处的芯半径没有必要相重合，以便于如在这个实例中，让极限值处于参考芯半径的±5％范围内已经足够，并且在这个实例中，通过在±5％范围内调节芯半径，色散可以在+4至+10ps/nm/km范围内改变而保持Aeff和色散斜率基本上恒定。
根据如图1和表3所示的设计参数制造的芯材料被用于制作光纤测试样品，所述样品的芯半径被改变约为参考芯半径的±5％以评估它们的光学特性。图6A示出有效芯面积Aeff的变化且图6B示出色散斜率的变化。在这两种情况下，水平轴代表在1550nm的色散。在图6A、6B中，实点A、B指生产出光纤的测量值，且实线指计算值。图6A、6B示出有效芯面积Aeff和色散斜率的极限值取决于色散。图6A、6B示出计算值基本与测量值相符，并且表明有可能制造出具有单独色散而同时保持在两个光纤段上有效芯面积Aeff和色散斜率基本上恒定的光纤。
图7示出如图6A、6B所示的光纤A、B的色散特征。光纤A和光纤B都展示出在S-带、C-带和L-带大于2ps/nm/km的色散值，这表明所述特性适合于在WDM使用。
当这些结果与在图4中展示出在S-带、C-带和L-带相似特性的光纤B的第一实例中的那些结果相比较时，如图4所示的光纤B展示出在1625nm处超出10ps/nm/km的色散，而在如图7所示的光纤中色散可以被保持到小于7ps/nm/km，因而从累积色散的角度看这个光纤是有利的。
同样，虽然在图7所示的光纤B在1625nm的色散大约与图4所示的光纤A的色散相同，但是它保证在1460nm获得的色散值大于如图4所示的色散值，以便于其在降低S-带中四波混合效应是有效的。
因而，在这个实例中由包覆层和由不少于具有单独折射率的两层所构成的芯构成的单模光纤可以通过制造光纤而得到，因而当芯半径变化时，在参考半径的一个特定范围内光纤展示出不只一个光学特性(例如有效芯面积Aeff和色散斜率展示出极限值)的极限值，从而保证利用具有能够在所要求的范围内改变色散的单折射率分布、具有所要求色散特征的光纤实现单模光纤，而同时在两个光纤段内基本上保持相同的光学特性。
同样，通过以这样的方法制造光纤，即上述光学特性在参考芯半径的±5％范围内展示出相应的极限值，色散斜率可以被保持到小于0.03ps/nm2/km以保证提供一个适合于高速传输系统的单模光纤。
此外，因为当芯半径改变时有效芯面积Aeff改变不大，所以所述方法保证提供一个具有降低的非线性效应的单模光纤。
单模光纤的第三实例将参考图8A到10加以解释。
在这个实例中的单模光纤被制造以便于不只一个光学特性在正区域及在负区域展示出色散的极限值。
图1示出在用于这个实例中的单模光纤的折射率分布。
如表5所示的芯半径和单位折射率差被用于单模光纤的设计中，并且单模光纤的光学特性的计算值被示于表6。
表5
表6
注所述值是在1550nm波长处估算的；曲折损耗是在20φ估算的图8A和8D示出在具有如图1和表5所示的折射率分布的光纤中当芯半径变化时光学特性的变化，且图8A示出在1550nm波长处色散的变化；图8B示出在1550nm波长处色散斜率的变化；图8C示出在1550nm处有效芯面积Aeff的变化；且图8D示出在20φ曲折直径时曲折损耗的变化。在此，在x轴上所示的芯半径是参考半径设计中心的相对值，且在这个实例中，参考芯半径r3被设置在8.85μm。
在图8A至8D所示的波长区域中，通过提供相对于产生基本上是零色散的参考芯芯半径±5％的变化，有可能在±10ps/nm/km的范围内改变色散。另一方面，Aeff和色散在这个区域展示出极限值并且变成基本上恒定。
根据如图1和表5所示的设计参数制造的芯材料被用于制作光纤测试样品，所述样品的芯半径被改变约为参考芯半径的±5％以评估它们的光学特性。图9A示出有效芯面积Aeff的变化且图9B示出色散斜率的变化。在这两种情况下，水平轴代表在1550nm的色散。在图9A、9B中，实点A、B指生产出光纤的测量值，且实线指计算值。图9A、9B示出计算值基本与测量值相符。
由此已经证实在1550nm波长处虽然光纤A具有-8ps/nm/km的色散，其完全不同于光纤B的+8ps/nm/km的色散，但是有可能制造出具有基本上相同的Aeff和色散斜率的光纤。
因而，通过制造光纤可能得到在这个实例中的单模光纤，以便于在其中色散从正值变化到负值的区域内当芯半径变化时，光纤展示出在不只一个光学特性上(例如，有效芯面积Aeff和色散斜率)的极限值，从而保证利用具有展示出正和负色散的单折射率分布的光纤实现单模光纤，而同时在两个光纤段上维持光学特性基本上恒定。
同样，通过以这样的方法制造光纤，即上述光学特性在参考芯半径的±5％范围内展示出相应的极限值，色散斜率可以被保持到小于0.03ps/nm2/km以保证提供一个适合于高速传输系统的单模光纤。
单模光纤的第四实例将参考图11A到14加以解释。
在这个实例中的单模光纤是基于对第三实例中所说明的色散特征所做的改进。在第三实例中的单模光纤其色散符号产生颠倒，而同时维持Aeff和色散斜率基本上为恒定，但是在这个实例中，光纤的色散值和色散斜率两者均产生颠倒而维持Aeff不变。
图1示出在用于这个实例中的单模光纤的折射率分布。
如表7所示的芯半径和单位折射率差被用于单模光纤的设计中，并且单模光纤的光学特性的计算值被示于表8。
表7
表8
注所述值是在1550nm波长处估算的；曲折损耗是在20φ估算的图11A和11D示出在具有如图1和表7所示的折射率分布的光纤中当芯半径变化时光学特性的变化，且图11A示出在1550nm波长处色散的变化；图11B示出在1550nm波长处色散斜率的变化；图11C示出在1550nm处有效芯面积Aeff的变化；且图11D示出在20φ曲折直径时曲折损耗的变化。在此，在x轴上所示的芯半径是参考半径设计中心的相对值，且在这个实例中，参考芯半径r3被设置在8.3μm。
同样在这个实例中，当芯半径被改变时Aeff展示出极限值，但是特性特征是与第一至第三实例中光纤的变化相对照的色散斜率变化，在所述第一至第三实例中色散斜率展示出极限值，但是本身的变化在一个小范围内出现。相对照，这个实例不同于此前所述实例的地方在于如图11B所示色散斜率的变化出现在非常大的区域内，因此所述值从负符号颠倒到正符号。
根据如图1和表7所示的设计参数制造的芯材料被用于制作光纤测试样品，所述样品的芯半径被改变约为参考芯半径的±10％以评估它们的光学特性。图12A示出有效芯面积Aeff的变化且图12B示出色散斜率的变化。在这两种情况下，水平轴代表在1550nm的色散。在图12A、12B中，实点A、B指生产出光纤的测量值，且实线指计算值。图12A、12B示出计算值基本与测量值相符。
同样，图12C示出相对于色散的RDS(相对色散斜率)值，其中RDS指由下述表达式所定义的参数RDS＝色散斜率/色散单位nm-1这个实例证明有可能制造出具有基本上恒定水平的Aeff及RDS的光纤并且所述光纤的色散在极性上相反但是在数量上其绝对值相等。
在图12C所示的光纤A和光纤B具有基本上相同的RDS值，但是色散的符号相反并且它们的绝对值在数量上相等。它遵循通过利用这种光纤的组合可以对色散斜率进行补偿。
图13示出如图12A至12C所示的光纤A、B的色散，以及通过将光纤A至光纤B接合所产生的复合光学线的色散。这个复合光学线具有两种光纤类型之间1∶1的段长度比率。
正如从图13中可以理解的那样，复合光学线保证在S-、C-和L-带的所有区域内将色散的绝对值控制到小于2ps/nm/km。换句话说，使用具有在这个实例中所示例的折射率分布的光纤保证制造出一种自我补偿的光纤，这种光纤可以通过简单地改变芯半径来校正它自身的色散特征。
因而，通过制造光纤可能得到在这个实例中的单模光纤，以便于在其中色散从正值变化到负值的区域内当芯半径变化时，在其中色散斜率从正值变化到负值的区域中，光纤在参考半径的特定范围内展示出在不只一个光学特性上(例如，有效芯面积Aeff和色散斜率)的极限值，这样色散和色散斜率将展示出相反的符号，而同时在两个光纤段上维持光学特性基本上恒定。
同样，通过将这样的单模光纤组合来产生复合光学线，校正色散斜率的自我补偿光学线得到确保。
在此，应该注意到虽然在这个实例中有效芯面积Aeff被选择为展示极限值的一个参数，但是通过选择模场直径来展示极限值，可以取得相同的效果。
权利要求
1.一种包括芯和包覆层的单模光纤，其中所述芯包括两个或多个具有单独折射率的层，并且至少一个光学特性展示出一个当芯半径改变时在芯半径特定范围内的极值。
2.根据权利要求1的单模光纤，其中所述光学特性可以展示出在芯参考半径±10％范围内的极值。
3.根据权利要求2的单模光纤，其中所述光学特性可以展示出在芯参考半径±5％范围内的极值。
4.根据权利要求1的单模光纤，其中至少一个光学特性可以包括展示出所述极值的色散相关性。
5.根据权利要求4的单模光纤，其中在从正色散延伸至负色散的区域内所述光学特性可以展示出极值。
6.根据权利要求1的单模光纤，其中所述光学特性可以是色散斜率。
7.根据权利要求5的单模光纤，其中在从正色散斜率延伸至负色散斜率的区域内所述光学特性展示出极值。
8.根据权利要求1的单模光纤，其中所述光学特性可以是有效芯面积或模场直径。
9.根据权利要求1的单模光纤，其中在工作波长带宽内色散斜率可以等于或小于0.05ps/nm2/km。
10.根据权利要求1的单模光纤，其中在工作波长带宽内色散斜率可以等于或小于0.03ps/nm2/km。
11.根据权利要求1的单模光纤，其中包含具有单独折射率芯的层中的至少一层可具有小于包覆层折射率的折射率。
12.一种通过将根据权利要求7的单模光纤组合用于补偿色散斜率的复合光学线。
全文摘要
单模光纤具有芯和包覆层，并且以这样的方法被产生，即当具有单独折射率的层的半径被改变时，在参考的半径的特定范围内，芯的不只一个光学特性，例如有效芯面积A
文档编号G02B6/036GK1415983SQ02147049
公开日2003年5月7日 申请日期2002年10月25日 优先权日2001年10月29日
发明者松尾昌一郎, 姬野邦治, 原田光一 申请人:株式会社藤仓