专利名称：在铒放大器领域的具有低色散斜率的光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤，更具体地说涉及适合用于波分复用(WDM)系统中的光纤。
光传输已变为通信技术中的宠儿，这是由于在一根光纤中可用频带非常宽。这样的带宽使得在一根通常由高质量玻璃材料制成的头发丝般细的光纤中可以同时传输数千个电话和数百个电视信道。一根光纤上的通信容量在WDM系统中得到增加，在WOM系统中，几个信道在单根光纤上被复用一每个信道工作在不同的波长。然而，在WDM系统中，诸如4-光子混合的在两个信道之间的非线性干扰严重地降低了系统容量。这一问题通过U.S.patent 5,327,516(’516专利)得到了很大解决，该专利公开了一种通过在工作波长处引入少量色散来降低非线性干扰。应注意的是，随着在一根光纤中传输的WDM信道数量的增加，光纤所携载的光功率也增大。而随着功率增大，非线性效应也变得更显著。因此，对于光纤，希望为每个WDM信道提供少量的色散。
在用于制造光纤的玻璃材料(接近于纯二氧化硅-SiO2)的质量方面已取得很重要的进步。在1970年，对于玻璃纤维，可接受的损耗在20dB/Km的范围内；然而今天，损耗通常低于0.25dB/Km。确实，玻璃纤维的理论最低损耗大约为0.16dB/Km，而它大约发生在1550纳米(nm)的波长处。对在在这一波长区域的光传输自然应感到高兴，这是因为这一区域是掺铒光纤放大器工作的波长范围，而它们已成为商业可购买的最实用的光放大器。在该种放大器中，玻璃纤维中掺杂的铒离子在第一波长区域(例如98nm)被“泵浦进能量，然后当铒离子被在第二波长区域中的所传输光信号激励时将能量释放给第二波长区域(例如1530-1565nm)。这种放大器是WDM系统中的基本组件，在WDM系统中，宽频带的光信号需要被放大。确实，通过使用25个相邻信道，对每个信道的两个极化模式中每一个使用独立调制，和其它技术已证实了每秒可进行-Tb的传输(1Tb/s＝1000Gb/s)。尽管希望WDM系统工作在1530-1565nm波长区域(铒放大器区域)，但是目前的光纤设计在铒放大器区域令人讨厌地具有很大色散差异。
在具有宽波长区域内平坦色散特性的光纤设计中已做出很显著的努力以使得在1310nm和1550nm都可容纳信号传输。然而，这种“色散-平坦“光纤几乎没有或没有获得商业上的成功，这是由于过量的弯曲损耗和严格的生产容差。
一种在铒放大器区域给出低色散斜率的光纤具有与多纳圈类似的折射率分布图，参见OFC’95技术文摘的P 259-260的标题为用于高比特率和多波长系统的色散位移单模光纤(Dispersion-Shiftedsingle-mode fiber for high-bit-rate and mulfiwavelengthsysten)的论文。该设计包括一个环绕低折射率材料制成的纤芯的高折射率材料的环。然而，与这种折射率分布有关的传输损耗在1550nm为0.22dB/Km量级，这比所期望的高出至少百分之十(10％)。尽管所公开的设计在铒放大器区域提供低斜率的负色散方面表现得有用，该设计并未表现出在铒放大器区域可给出具有相似低斜率的正色散。
因此，我们所希望的，却并未见于公开在现有技术中的，是一种适于工作在铒放大器区域中的光纤，它具有(i)在1550nm处低于0.22dB/bm的传输损耗；(ii)少量色散(即，绝对数值至少为0.8ps/(nm-km))；和(iii)具有低斜率的色散特性(即，低于0.05ps/(nm2-km)).
一种在1530-1565nm区域内对于所有波长，色散的绝对值，都大于0.8ps/(nm-km)的光纤克服了现有技术中的问题。光纤包括一个具有最大折射率n1的透明材料的纤芯，和一个在该纤芯外表面的具有折射率n2的透明包层材料。该纤芯包括一个环状的透明材料区，其最小折射率n3相对于n2而被减小。通过下式对这些折射率进行限制以给出一种在1530-1565nm波长区域具有低损耗和低色散斜率的光纤0.50＜(n1-n2)/n2＜0.70；和-0.30＜(n3-n2)/n2＜-0.05’在本发明的一个说明性实施例中，公开了一种具有正色散的光纤。它的色散斜率在1530-1565nm波长区域大约为+0.043ps/(nm2-km)，其折射率分布包含一个在掺锗中央纤芯区域与纯二氧化硅包层之间的单个掺氟材料环状环。这单个环具有小于包层折射率的折射率。
在另一个说明性实施例中，公开了一种具有负色散的光纤。其色散斜率在1530-1565nm区域大约为+0.043ps/(nm2-km)，而其折射率分布包括在掺锗中央纤芯区域和纯二氧化硅包层之间的两个受控-折射率材料的环状环。与中央纤芯相邻的第一个环状环包含掺氟材料，其折射率小于包层折射率。第二个环状环与包层相邻，并包含掺锗材料，其折射率大于包层的折射率。第二个环状环是用来增加光纤的有效区域。
有利的是，本发明的光纤在1550nm处具有不高于0.20dB/km的平均传输损耗，并且对弯曲损耗相对地不敏感。而且，该光纤具有大于50μm2的有效区域。
参照附图，通过随后的详细描述将对本发明及其工作模式有更清楚地理解，其中
图1是一种已知的具有两个保护涂包层的光纤的透视图；图2是色散平坦光纤的作为波长函数的总色散曲线图，图中显示了其材料色散与波导色散分布；图3A是一个无涂包层光纤的剖面图，图中显示了几个不同折射率材料层；图3B公开了一种根据本发明的正色散光纤的折射率分布；图3C公开了一种根据本发明的负色散光纤的折射率分布；图4是一种根据本发明的光纤的作为波长函数的色散曲线图，图中显示了其材料色散与波导色散分布；图5是本发明的正色散光纤和负色散光纤的色散曲线图，图中更详细地显示了它们在铒放大器区域的特性；图6是一种包含多组根据本发明的光纤的光缆的透视图，图7公开了一种工作于包含正和负色散光纤以及掺铒光纤放大器的传输路径上的四-信道WDM系统。
各种机制限制了光纤的带宽。例如，在多模光纤中有模式色散，其中由光纤一端入射的光脉冲，当它们由另一端出射时，将扩散开来。这是由于多模光纤支持一个特定波长的数百个模式(路径)。而当这数百个模式在光纤的另一端组合时，最后的结果是脉冲的扩散(色散)，这是所不希望的。除非在其它情况下，色散意指色谱或“线性”色散。通常，在其中短波辐射的速度大于长波辐射的情况中，色散的符号被认为是正号。
也可将一种光纤设计为只支持一特定波长的基模(LPo)这种光纤被称为“单模”它具有远远大于多模光纤的带宽，并可以成比例高的速度传输光信号。然而，单模光纤对于小于LP11截止波长的波长，将表现为就象多模光纤一样，该截止波长取决于纤芯半径(a)，折射率(n)，用百分数表示的纤芯和包层的折射率差(Δ)。确实，当Δ和a减小时，只有越来越少的模式被传播直至在大于LP11截止波长的波长处只有一个模式被传播。因此，LP11截止波长必须比被传输的波长短一个合适量。
在光纤的生产制造中，一根玻璃预制棒被垂直地悬吊着，并以一受控速度移进一个熔炉。预制棒在熔炉中变软，在一个牵引架底部的绞盘由预制棒的熔融端自由地拉伸出光纤。(甚至虽然光纤直径比预制棒小数千倍，它也具有同样的折射率分布)。由于玻璃纤维容易遭受由磨损引起的损伤，因而必须在光纤被拉伸出后并在它与其它表面接触前，对它进行涂覆。由于涂覆材料的使用必须不损伤玻璃表面，因此涂覆材料是以液态而进行使用的。一旦使用，在光纤接触绞盘前，涂覆材料必须固化。这通常是在一很短时间间隔通过光照固化完成的，光照固化液态涂覆材料通过电磁辐射的照射转化为固态的一个过程。图1显示了一种双-涂包层光纤，其结构适于用于本发明中。如图所示，两个涂覆材料层被用于所拉伸出的光纤10，该光纤包括一个光传载纤芯11和一个包层(cladding)14。包层光纤(clad fiber)10直径为大约125μm。称为基本涂覆材料的较里层111与光纤10相接触；布被称为第二涂覆材料的较外层112与基本涂覆材料111相接触。第二涂覆材料通常具有相对较高系数(例如109Pa)以经受处理，而基本涂覆材料具有相对较低系数(例如106Pa)以提供减震作用而减少微弯曲损耗。当基本涂包层仍是湿的时候，就使用第二涂覆材料，然后这两层同时通过光谱的紫外区域的辐射进行固化。
图2图示了现有技术的光纤的色散，更具体地说，是总色散-平坦特性23是怎样通过材料和波导色散分量的色散组合而产生的。(色散-平坦光纤通常在两个波长处，例如1400nm和1700nm，具有零色散)。我们记得，材料色散固有地与用于制做光纤的实际材料有关。这里，材料色散与石英玻璃有关。而另一方面，波导色散是折射率分布的函数。与材料色散不同，波导色散可由设计工程师设计成形在各限制条件中。特定的折射率分布已被用于色散-平坦光纤的设计，在这种光纤中，在由1400-1700nm延伸的宽波长区域内，色散得到降低。色散-平坦光纤的例子示于U.S.专利4,372,647和4,435,040。
现在对图3A进行参考说明，图3A一般地公开了一根未覆光纤的剖面图，图中显示了许多层31-34，每一层都具有用于改进光纤波导色散特性的不同折射率。图3A暗示了折射率在层与层之间发生突变，虽然这并非必需的情况。折射率渐变更普通，这种光纤被称为渐变折射率光纤。然而，为了更易于理解本发明，图示的是折射率突变。可理解为，本发明也考虑了渐变折射率光纤。
光纤30包含其折射率标称为n1的中央纤芯区31。中央纤芯区31被标称折射率为n3的第一中区32所包围，顺序地，第一中区32被标称折射率为n4的第二中区33所包围。标称折射率为n2的包层(cladding Layer)34包围第二中区。应注意到，图3A并未按比例绘制，因为包层(cladding Layer)34的直径约为125μm，而中央纤芯31的直径小于7μm。而且，应注意到，尽管图3A公开了四个(4)分离的玻璃层，但却只有三个(3)层用于制作根据图3B所示的本发明实施例的折射率分布。
图3B公开了一种根据本发明的正色散光纤的折射率分布，显示出它的折射率分布是归一化折射率差，Δ1和Δ2的函数，Δ1和Δ2由下式定义Δ1≈(n1-n2)/n2×100％；Δ2≈(n3-n2)/n2×100％可期望的光纤特性包括低损耗，低色散斜率，和一个适当的大有效区域。已发现，正色散光纤，对于以下区域的Δ1和Δ2，具有上述这些特性0.50％＜Δ1＜0.60％；和-0.15％＜Δ2＜-0.05％在本发明的一个特定实施例中，Δ1＝0.55％；Δ2＝-0.10％。同样在这一特定实施例中，各个层的半径为a1＝3.2μm，a2＝4.7μm。图3B中公开的色散分布包括掺锗二氧化硅纤芯，掺氟中间层和纯二氧化硅外包层。然而，应理解的是，纤芯和包层不是必须以这种方式构成，因为是各折射率的相对差为本发明提供益处。例如，纤芯可由纯二氧化硅制成，而中间层与外包层可以具有不同的氟掺杂度。
下面是适合用于本发明的正色散光纤的明细表，已经被改进了。然而，它并非意欲限定可接受光纤的整个范围，而只是为了示范的目的。在1550nm处的衰减≤0.20dB/km(平均)模场直径8.4±0.6μm(1500nm)纤芯偏心率 ＜0.8μm包层直径125±1.0μm截止波长＜1450nm(2m参考长度)色散＞+0.8ps/(nm-km)(1530-1565nm)色散斜率＜+0.043ps/(nm2-km)(平均)大弯曲损耗 ＜0.5dB在1550nm处(一圈，32mm)大弯曲损耗 ＜0.05dB在1550nm处(一圈，75mm)外层直径245±10μm验收试验100kpsi图3c公开了一种根据本发明的负色散光纤的折射率分布。已发现，在负色散光纤中，在下列Δ1和Δ2的范围中，可实现所期望的光纤特性，其中0.60＜Δ1＜0.70；-0.30＜Δ2＜-0.10；0.05＜Δ3＜0.25；在本发明的一个特定实施例中，Δ1＝0.65，Δ2＝-0.25，Δ3＝0.10。同样在这一特定实施例中，不同层的半径为b1＝3.4μm；b2＝5.2μm；b3＝7.2μm。图3C所公开的光纤分布包括一根掺锗二氧化硅纤芯，掺氟第一中间层，掺锗第二中间层，和一个纯二氧化硅外包层。然而，应理解的是，纤芯与外包层无须以这种方式构成，因为是各折射率的相对差异为本发明提供益处。例如，纤芯可由纯二氧化硅制成，同时中间层与外包层可具有不同的氟掺杂度。
下面是适合用于本发明的负色散光纤的明细表，已经做了改进。然而，它并非意欲限定可接受光纤的整个范围，而只是为了示例的目的。在1550nm处的衰减≤0.20dB/km(平均)模场直径8.4+0.6μm(1500nm)纤芯偏心率 ＜0.8μm包层直径125±1.0μm截止波长＜1450nm(2m参考长度)色散＜-0.8ps/(nm-km)(1530-1565nm)色散斜率＜+0.043ps/(nm2-km)(平均)大弯曲损耗 ＜0.5dB在1550nm处(一圈，32mm)大弯曲损耗 ＜0.05dB在1550nm处(一圈，75mm)外包层直径 245±10μm验收试验100kpsi对适于制造的过程的细节描述是已知的。预制物可以是单一的，也可以是复合的。纤芯区最好通过改进的化学汽相沉积或通过使用媒炭化学(soot chemistry)的过程之一-外部汽相沉积或汽相轴向沉积，来形成。(例如，用于外包覆(cladding)，过包覆(overcladding)，涂覆(coating)，形成光缆等的已知过程不受光纤设计的影响。
图4公开根据本发明的光纤的色散特性43。具体地说，它公开了色散斜率是怎样分别地通过材料色散41与波导色散42的附加组合而产生的。虽然图2中色散-平坦光纤的波导色散曲线22也显示出负斜率，但在长波长处波导色散迅速上升以产生第二个色散零点(null)(如1700nm处所示)和产生平坦的总色散曲线23。然而，这种色散平坦的产生实际上是由于基模开始有效地截止，而这将导致不良的高弯曲损耗。
图5为具有图3B所示的折射率分布的正色散光纤43-1的色散曲线，和具有图3C所示的折射率分布的负色散光纤43-2的色散曲线。每根这些光纤在1550nm处，具有不大于0.20dB/km的损耗，大于50μm2的有效区，每根这些光纤具有其绝对幅度在掺铒光纤放大器所工作的波长区域(1530-1565nm)内不大于0.83ps/(nm-km)的色散。更重要的是，每根这些光纤在1550nm处具有约为0.043dB/(nm2-km)的色散斜率。这些特性使得光纤43-1，43-2对WDM信号传输中的应用，变得很理想。在WDM信号的传输中，铒放大器工作区域内的低损耗和很小的色散是所期望的。(作为对比，一种未移二氧化硅光纤具有在大约1310nm处的色散)零点，在大约1550nm处的约+17ps/(nm-km)的色散，和在1550nm处的约0.095ps/(nm2-km)的色散斜率。
图6提供了关于根据本发明的实际光缆的构造的更多细节。光缆600包括用细股扎线(yarn binder)松散地束在一起以形成可识别单元的两束光纤。其中一束最好包含正一色散光纤30-1，而另一束最好包含负色散光纤30-2-如同U.S.专利5,611,016中所讨论的。尽管最好将正-和负-色散光纤分入分离的组或单元，但这在本发明的实施中不是必需的。将这些光纤束放入由诸如聚氟乙烯或聚乙烯的绝缘材料制成的管状构件中，包围管状构件605的是外鞘(sheath)系统，它包括，吸水(water-absorbing)带603，塑料外套601，图中显示它由聚乙烯材料制成；和加固构件(strength member)602-602，图中显示它由钢或环氧树脂-浸渍玻璃纤维组成。加固构件用于消除或减少应力，否则这些应力可能在处理或普通业务过程中施于光纤上，并且可能以任何数量的已知方式包含于光纤600中。由Kevlar塑料制成的拉索(rip cord)使整个外鞘系统601-603的拆去变得容易。典型地，填充材料放置于管状构件605中，用于对其中所置的光纤提供缓冲，因此防止它们产生微弯曲损耗。
图7公开了一种根据本发明的WDM系统700。它包含四个发射机71-74，它们调制四个具有不同基带信号的在1530-1560nm范围内的预定波长。所调制波长经一个无源4∶1耦合器75合并，并被引入一根包括光放大器710-最好为掺铒光纤放大器的传输线30-1，30-2。在图7所示实施例中，光纤传输线30-1包括一段预定长度的正-色散光纤，而同时光纤传输线30-2包括一段预定长度的负-色散光纤。在接收机端，解复用器85根据四个信道的波长将它们分离开，并由接收机81-84进行处理以提取出它们各自的基带信号。
虽然显示并描述了各种特定的实施例，但仍可以在本发明范围内作各种改进。这些改进包括，但不限于，在相邻层之间逐渐缩减的折射率分布(例如，阶式折射率分布)；各层宽度的不同；使用不同掺杂材料以实现相同的普通分布形状；在制做光纤时，使用塑料材料，而非玻璃。注意到，在许多实用光纤中，由于制做光纤的生产过程的原因，在光纤中央处存在折射率下降(index depression)的问题。应理解，虽然图3B和3C显示的是理想化的折射率分布，但本发明也考虑了这种中央下降。
权利要求
1.一种对于在1530-1565nm范围内所有波长，具有绝对幅值大于约0.8ps/(nm-km)的色散的光纤(10)，该光纤包括一根具有最大折射率n1的透明材料纤芯，和一个在所述纤芯外部，具有最小折射率n2的透明材料包层(cladding)，其特征在于，纤芯包括一个具有折射率n3的透明材料环状区域，其中n1＞n2＞n3，以及0.50＜(n1-n2)/n2＜0.70；和-0.30＜(n3-n2)/n2＜-0.05。
2.根据权利要求1的光纤(10)，其特征在于，该光纤具有在1530-1565nm的波长范围内小于0.05ps/(nm2-km)的色散斜率。
3.根据权利要求2的光纤(10)，其特征在于，该光纤具有在1530-1565nm的波长范围内为0.043±0.005ps/(nm2-km)的色散斜率。
4.根据权利要求1的光纤(10)，其特征在于，在1530-1565nm的波长范围内，色散大于0.8ps/(nm-km)，其中0.50＜(n1-n2)/n2＜0.60；和-0.15＜(n3-n2)/n2＜-0.05。
5.根据权利要求1的光纤(10)，其特征在于，在1530-1565nm波长范围内，色散比-0.8ps/(nm-km)更负，其中0.60＜(n1-n2)/n2＜0.70；和-0.30＜(n3-n2)/n2＜-0.20。
6.根据权利要求1的光纤(10)，其特征在于，光纤被包围在包含塑料外套(601)的外鞘系统(sheath system)中由此限定了一根光缆。
7.波分复用(WDM)系统包括在1530-1565nm波长范围中不同波长处被调制的多个光信号源(71-74)；用于在WDM系统的输入端，对光信号多路复用的装置(75)；用于WDM系统的输出端，对光信号解复用的装置(85)；在多路复用装置与解复用装置之间延伸的传输路径，所述路径包括一种具有对于在1530-1565nm范围内的所有波长，其绝对辐值大于约0.8ps/(nm-km)的色散的第一光纤(30-1)，该光纤包括具有最大折射率n1的透明材料纤芯，和在所述纤芯外部，具有折射率n2的透明材料包层，所述纤芯包括一个其最小折射率为n3的透明材料环状区域，其中n1＞n2＞n3，以及0.50＜(n1-n2)/n2＜0.70；和-0.30＜(n3-n2)/n2＜-0.05。
8.根据权利要求7的WDM系统(700)，其特征在于，传输路径还包括一个光放大器(710)。
9.根据权利要求8的WDM系统(700)，其特征在于，光放大器(710)包含一种掺铒光纤放大器。
10.根据权利要求7的WDM系统(700)，其特征在于，传输路径还包括与第一个光放大器串联连接的第二根光纤(30-2)，该第二根光纤具有其斜率与第一光纤的色散斜率大约相等，但其幅度符号在1530-1565nm波长范围，与第一光纤的色散幅度符号相反的色散特征。
全文摘要
本发明为一种色散斜率对于正－色散和负－色散应用都较低的光纤,它适合于用使用掺铒光纤放大器的波分复用(WDM)系统。该光纤具有其绝对幅值在1530—1565nm波长范围内至少为0.8ps/(nm－km)的色散,小于0.05ps/(nm－km)的色散斜率和小于0.20dB/km的损耗,并对弯曲不敏感;而且其有效区域超过50μm
文档编号H04B10/18GK1201913SQ9810971
公开日1998年12月16日 申请日期1998年6月5日 优先权日1997年6月5日
发明者D·W·佩克哈姆 申请人:卢森特技术有限公司