專利名稱：光纖和使用該光纖的光學(xué)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高非線性的光纖和使用該光纖的光學(xué)設(shè)備。
背景技術(shù)：
在利用非線性光學(xué)現(xiàn)象的波長轉(zhuǎn)換或類似情況中，高非線性光纖，如色散位移光纖(dispersion-shifted fiber)，用作生成該非線性光學(xué)現(xiàn)象的媒介(例如，日本專利申請公開No.8-95106)。迄今為止，光纖在這種應(yīng)用中的發(fā)展主要集中在非線性的提高與色散斜率(dispersion slope)的減小上。減少零色散波長(zero dispersionwavelength)中的波動也是同樣重要的。但是，色散斜率的減小導(dǎo)致了光纖縱向內(nèi)零色散波長中波動的增加。另外，迄今為止還未把注意力關(guān)注在傳播常量(propagation constant)β對角頻率的第四階導(dǎo)數(shù)(fourth derivative)β4的第四階色散(fourth order dispersion)β4上，所述第四階色散β4對增加波長轉(zhuǎn)換帶寬是重要的。
例如，文獻“M.E.Marhic，et al.，Optics & PhotonicsNews(September 2004)pp.21-25(2004)”描述了通過減小光纖的第四階色散β4來擴展OPA(光參量放大器)中的帶寬。另外，例如，文獻“M-C.Ho，et al.，J.of Lightwave Technol.Vol.19，No.7，pp.977-981(2001)”報導(dǎo)了使用具有-5.8×10-56s4/m的第四階色散β4的光纖的寬帶寬的OPA。然而，在文獻“M-C.Ho，et al.，J.of LightwaveTechnol.Vol.19，No.7，pp.977-981(2001)”的第978頁的“B.Experimental Setup for OPA Gain Measurement”部分中記述了“色散巨大的波動”和第四階色散β4的減小是不夠的。文獻“M.Gao，et al.，Optics Express，Vol.12，No.23，pp.5603-5631(2004)”描述了對包括第四階色散β4的光纖參數(shù)的優(yōu)化，但是沒有考慮到零色散波長中的波動和正交偏振模式的耦合等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象在實際光纖中是重要的問題。
如上所述，從光纖使用的觀點上具有光纖參數(shù)方面的建議，但是在光纖的生產(chǎn)方面沒有研究；從而，難以生產(chǎn)出具有所建議的參數(shù)的光纖。例如，文獻“T.Okuno，et al.，OFC 2004，MF21”和其它文獻描述了這種已知的光纖，即在100m的光纖長度中具有91.3nm轉(zhuǎn)換帶寬的光纖和在100m的光纖長度中具有110nm轉(zhuǎn)換帶寬的光纖，但是這些光纖沒有對色散參數(shù)進行優(yōu)化，而是通過僅縮短光纖長度得到的。
文獻“J.Hiroishi，et al.，ECOC2002 Post Deadline Papers，PD1(2002)”描述了具有所謂W形折射率分布(index profile)的光纖，該光纖包括中心核心部分、下凹部分和包層部分，顯示了第四階色散β4的典型值1.0×10-4ps4/km(＝1.0×10-55s4/m)。實際上，即使在W形折射率分布的情形下，第四階色散β4的值也是可調(diào)節(jié)的，但是沒有考慮第四階色散β4的重要性。雖然通過將色散斜率減小到+0.013ps/nm2/km得到了寬的帶寬，但是大概由于實際上縱向內(nèi)零色散波長巨大的波動，通過四波混頻(four-wave mixing)得到的波長轉(zhuǎn)換帶寬限制到低于40nm。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在實際光纖中，第四階色散β4是可調(diào)節(jié)的，并且在波長轉(zhuǎn)換、OPA等中，通過減小第四階色散β4和抑制光纖中縱向內(nèi)零色散波長的波動，可得到更寬的帶寬，從而實現(xiàn)本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題完成了本發(fā)明，本發(fā)明的目的是提供在波長轉(zhuǎn)換、OPA等中能夠得到更寬的帶寬的光纖和使用該光纖的光學(xué)設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的光纖，在全部長度內(nèi)的平均零色散波長λ0處，傳播常量β關(guān)于角頻率ω的導(dǎo)數(shù)的第四階色散β4的絕對值不大于5×10-56s4/m，并且沿縱向方向的零色散波長的波動不超過±0.6nm。使用上述光纖，通過四波混頻在波長轉(zhuǎn)換、OPA等中得到更寬的帶寬變得可行，并可得到例如200nm的波長轉(zhuǎn)換帶寬。例如，在文獻“L.F.Mollenauer，et al.，Optics Lett.Vol.21，No.21，pp.1724-1726(1996)”中描述了測量沿光纖縱向方向的零色散波長的方法。雖然光纖可以是沿著縱向方向帶有孔的有孔光纖(holey fiber)，但是本發(fā)明的光纖可以是實心的，這種實心的光纖便于制造、與另一個光纖的熔接(fusion splicing)，并且便于控制沿縱向方向的零色散波長。第四階色散β4的絕對值優(yōu)選地不超過1×10-56s4/m，更優(yōu)選地不超過5×10-57s4/m。
根據(jù)本發(fā)明的光纖優(yōu)選地構(gòu)造成平均零色散波長λ0在1440nm到1640nm的范圍內(nèi)。該波段包括S-波段(1460nm-1530nm)、C-波段(1530nm-1565nm)和L-波段(1565nm-1625nm)，這些波段通常應(yīng)用于光學(xué)通信中，并且在這些波段中容易獲得廉價的高輸出激光源。
根據(jù)本發(fā)明的光纖優(yōu)選地構(gòu)造成在平均零色散波長λ0處的有效面積不超過15μm2。在這種情形下，非線性變得如此之大以致允許有效的波長轉(zhuǎn)換。
根據(jù)本發(fā)明的光纖優(yōu)選地構(gòu)造成在平均零色散波長λ0處的色散斜率不小于+0.018ps/nm2/km。在這種情形下，抑制沿縱向方向零色散波長中的波動相對容易。平均零色散波長λ0處的色散斜率更優(yōu)選地為+0.018ps/nm2/km至+0.030ps/nm2/km。
根據(jù)本發(fā)明的光纖優(yōu)選地構(gòu)造成在平均零色散波長λ0處的色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)在-0.00012ps/nm3/km到-0.00008ps/nm3/km的范圍內(nèi)。在這種情形下，抑制零色散波長中的波動相對容易。
根據(jù)本發(fā)明的光纖優(yōu)選地構(gòu)造成在全部長度的偏振模色散不超過0.2ps。在這種情形下，使該偏振模色散的影響相對小一些，并在長時間段和穩(wěn)定的基礎(chǔ)上展現(xiàn)非線性光學(xué)現(xiàn)象是可行的。如果是非保偏光纖，那么希望偏振模色散盡可能地小，優(yōu)選地不超過0.1ps，更優(yōu)選地不超過0.05ps。
根據(jù)本發(fā)明的光纖優(yōu)選地構(gòu)造成由光纖引導(dǎo)的基本模式光的正交偏振分量之間的串?dāng)_在全部長度上不超過-15dB。在這種情形下，當(dāng)光纖為保偏光纖時，光纖的偏振模色散的影響可基本上忽略，并且在長時間段展現(xiàn)具有極好穩(wěn)定性的非線性光纖現(xiàn)象是可行的。
根據(jù)本發(fā)明的光纖優(yōu)選地構(gòu)造如下它至少還包括具有最大折射率N1和外徑2a的中心核心部分，環(huán)繞該中心核心部分并具有最小折射率N2和外徑2b的下凹部分，以及環(huán)繞該下凹部分并具有最大折射率N3的包層部分；上述折射率滿足“N1＞N3＞N2”的關(guān)系；相對于包層部分的折射率N3，中心核心部分的相對折射率差定義為Δ+，下凹部分的相對折射率差定義為Δ-，并且“Δ+-Δ-”之差不小于2.2％；中心核心部分的外徑與下凹部分的外徑的比值Ra(＝2a/2b)在0.2至0.7的范圍內(nèi)。當(dāng)光纖具有所謂W形折射率分布，并且中心核心部分的相對折射率差Δ+、下凹部分的相對折射率差Δ-和比值Ra滿足上述條件時，調(diào)節(jié)色散特性及減小第四階色散β4變得容易?！唉?-Δ-”之差優(yōu)選地不小于3.1％，在這種情形下，非線性系數(shù)可提高到20/W-km或更高。下凹部分的相對折射率差Δ-優(yōu)選地在-0.1％到-1.1％的范圍內(nèi)，在這種情形下，第四階色散β4的絕對值可進一步減小。
根據(jù)本發(fā)明的光纖優(yōu)選地構(gòu)造成光纖長度不超過500m。這便于波長轉(zhuǎn)換帶寬的擴展。
根據(jù)本發(fā)明的另一個光纖，其中該光纖在全部長度內(nèi)的平均零色散波長λ0在1440nm到1640nm的范圍內(nèi)，沿縱向方向的零色散波長的波動不超過±0.6nm，并且傳播常量β關(guān)于角頻率ω的第四階色散β4的絕對值在平均零色散波長λ0處不超過5×10-56s4/m，有效面積不超過15μm2，色散斜率在+0.018ps/nm2/km到+0.030ps/nm2/km的范圍內(nèi)，色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)在-0.00012ps/nm3/km到-0.00008ps/nm3/km的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備包括光纖；產(chǎn)生波長為λP的泵浦光的泵浦光源(pump light source)；產(chǎn)生波長為λS的探測光的探測光源(probe light source)，其中所述泵浦光與探測光通過光纖引導(dǎo)，并且通過非線性光學(xué)現(xiàn)象從光纖產(chǎn)生新波長λI的閑頻光。該光學(xué)設(shè)備中的光纖優(yōu)選地采用上述根據(jù)本發(fā)明的光纖。該光學(xué)設(shè)備通過光纖中的四波混頻引起波長轉(zhuǎn)換，以四波混頻產(chǎn)生新波長λI的閑頻光，該新波長λI與泵浦光波長(pump wavelength)λP和探測光波長(probewavelength)λS兩者都不相同。即使泵浦光波長λP與探測光波長λS之間的波長間隔寬，也可有效地引起所述波長轉(zhuǎn)換。所述泵浦光可以是一個波長的泵浦光，但也可以是兩個或多個波長的多個泵浦光。同樣探測光可以是一個波長的探測光，但也可以是兩個或多個波長的多個探測光。當(dāng)控制脈沖作為泵浦光射入光纖時，所述光學(xué)設(shè)備可用作利用波長轉(zhuǎn)換的光學(xué)開關(guān)，或用作光信號分離器。因為所述光學(xué)設(shè)備可產(chǎn)生新光子，所述新光子具有與信號光的某些光子和波長不同于所述新光子的某些光子相同的信息，所以所述光學(xué)設(shè)備還可產(chǎn)生用于量子加密通信(quantum encryption communication)的光子對。另外，所述光學(xué)設(shè)備能夠容易地產(chǎn)生某一波長的光，在該波長沒有好光源，從而該光學(xué)設(shè)備不僅可應(yīng)用于光通信領(lǐng)域，還可應(yīng)用到其它領(lǐng)域。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備優(yōu)選地構(gòu)造如下PP-in表示射入光纖的泵浦光的功率，PS-in表示射入光纖的探測光的功率，PI-out表示射出光纖的閑頻光的功率，泵浦光的波長λP和功率PP-in都保持不變，并且當(dāng)閑頻光的功率和探測光的功率的轉(zhuǎn)換比r(＝PI-out/PS-in)隨著探測光波長λS中的變化的波動率不超過3dB時，探測光的波長λS的范圍不小于100nm。在這種情形下，該光學(xué)設(shè)備能得到非常寬的波段的波長轉(zhuǎn)換。所述泵浦光可以是兩個或多個波長的泵浦光，即使在這種情形下，也不必為泵浦光改變條件。例如，所述光學(xué)設(shè)備能夠?qū)–-波段和L-波段的波段內(nèi)的多波長信號光共同地轉(zhuǎn)換成包括E-波段(1360nm-1460m)和S-波段的波段內(nèi)的光。當(dāng)轉(zhuǎn)換比r的波動率不超過3dB時，探測光的波長λS范圍優(yōu)選地不小于160nm，更優(yōu)選地不小于200nm，還要更加優(yōu)選地不小于300nm。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備優(yōu)選地構(gòu)造如下PP-in表示射入光纖的泵浦光的功率，PS-in表示射入光纖的探測光的功率，PI-out表示射出光纖的閑頻光的功率，泵浦光的波長λP和功率PP-in都保持不變，相對于泵浦光的波長與探測光的波長之間的差“λP-λS”的絕對值為5nm時的閑頻光的功率與探測光的功率的轉(zhuǎn)換比r(＝PI-out/PS-in)的值，當(dāng)差“λP-λS”的絕對值不小于50nm時，轉(zhuǎn)換比r的變化率不超過3dB。既然泵浦光波長λP近似地等于光纖的零色散波長，那么如果入射的探測光為多波長探測光，并且探測光波長接近泵浦光波長，則這些探測光之間就將出現(xiàn)四波混頻的問題。但是，如果探測光波長遠離零色散波長(泵浦光波長)50nm或更遠，那么色散的絕對值就不小于約1ps/nm/km，并且顯著地抑制了探測光之間的四波混頻。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備優(yōu)選地構(gòu)造成從光纖射出的探測光的功率PS-out大于射入光纖的探測光的功率PS-in。通過OPA在寬波段中得到放大是可行的。除放大器外，當(dāng)控制射入的脈沖作為泵浦光射入時，該光學(xué)設(shè)備還可用作開關(guān)或光信號分離器。


圖1示出了從光纖射出的閑頻光λI的功率PI-out與探測光波長λS之間的關(guān)系；圖2A和圖2B示出了波長轉(zhuǎn)換帶寬與波長差λ0-λP之間的關(guān)系，其中波長差λ0-λP為零色散波長λ0與泵浦光波長λP之間的差；圖3示出了在示出波長轉(zhuǎn)換帶寬與波長差λ0-λP之間的關(guān)系的圖中最小的波長轉(zhuǎn)換帶寬，其中波長差λ0-λP為零色散波長λ0與泵浦光波長λP之間的差；圖4A、圖4B和圖4C示出了對于光纖零色散波長λ0的各波動寬度值，在第四階色散β4絕對值與光纖長度L各值處的波長轉(zhuǎn)換帶寬的表格；圖5A、圖5B和圖5C示出了對于光纖零色散波長λ0的各波動寬度值，在第四階色散β4絕對值與光纖長度L各值處的波長轉(zhuǎn)換帶寬的表格；圖6示出了具有100m光纖長度且在零色散波長λ0中沒有波動的光纖內(nèi)，波長轉(zhuǎn)換帶寬與第四階色散β4之間的關(guān)系；圖7示出了具有100m光纖長度且在零色散波長λ0中具有±0.05nm波動的光纖內(nèi)，波長轉(zhuǎn)換帶寬與第四階色散β4之間的關(guān)系；圖8示出了具有100m光纖長度且在零色散波長λ0中具有±0.10nm波動的光纖內(nèi)，波長轉(zhuǎn)換帶寬與第四階色散β4之間的關(guān)系；圖9示出了在零色散波長λ0中具有±0.10nm波動的光纖內(nèi)，波長轉(zhuǎn)換帶寬與光纖長度L之間的關(guān)系；圖10示出了波長轉(zhuǎn)換帶寬與零色散波長λ0的波動量之間的關(guān)系；圖11A和圖11B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的光纖10的剖視結(jié)構(gòu)和折射率分布的優(yōu)選實例；圖12示出了對于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)與第四階色散β4的表格；圖13示出了對于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)與第四階色散β4的表格；圖14A、圖14B、圖14C和圖14D示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的光纖折射率分布的其它優(yōu)選實例；圖15示出了對于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)與第四階色散β4的表格；圖16示出了對于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)與第四階色散β4的表格；圖17示出了對于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)與第四階色散β4的表格；圖18示出了第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系；圖19示出了對于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)與第四階色散β4的表格；圖20示出了第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系；圖21示出了第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系；圖22示出了第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系；圖23示出了第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系；圖24示出了第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系；圖25示出了第四階色散β4與色散斜率S之間的關(guān)系；圖26示出了第四階色散β4與色散斜率S的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)之間的關(guān)系；圖27示出了在核心外徑2a具有1％波動時，零色散波長λ0的波動量與色散斜率S之間的關(guān)系；
圖28為實例光學(xué)設(shè)備1的構(gòu)造簡圖；圖29示出了從實例光學(xué)設(shè)備1的光纖10射出的閑頻光λI的功率PI-out與探測光波長λS之間的關(guān)系；圖30示出了從實例光學(xué)設(shè)備1的光纖10射出的閑頻光λI的功率PI-out與探測光波長λS之間的關(guān)系；圖31示出了從實例光學(xué)設(shè)備1的光纖10射出的閑頻光λI的功率PI-out與探測光波長λS之間的關(guān)系；圖32示出了從實例光學(xué)設(shè)備1的光纖10射出的閑頻光λI的功率PI-out與探測光波長λS之間的關(guān)系；圖33示出了從實例光學(xué)設(shè)備1的光纖10射出的閑頻光λI的功率PI-out與探測光波長λS之間的關(guān)系；圖34示出了從實例光學(xué)設(shè)備1的光纖10射出的閑頻光λI的功率PI-out與探測光波長λS之間的關(guān)系；圖35示出了在實例的光纖的長度為1000m時，閑頻光λI的功率PI-out與探測光波長λS之間的關(guān)系；圖36示出了在實例和常規(guī)實例的光纖的每一個內(nèi)，波長轉(zhuǎn)換帶寬與光纖長度之間的關(guān)系。
具體實施例方式
下面參考附圖詳細描述實現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式。在附圖的描述中，相同的元件用相同的附圖標(biāo)記表示，不再做多余的描述。
首先描述的是在完成本發(fā)明之前所進行的理論研究內(nèi)容?？紤]泵浦光(波長λP1、λP2)和探測光(λS)射入光纖的情形，在該光纖中發(fā)生非線性光學(xué)現(xiàn)象(例如，四波混頻一種參數(shù)處理)，并且通過上述非線性光學(xué)現(xiàn)象在該光纖中產(chǎn)生新波長(波長λI)的閑頻光。波長λP1與波長λP2可彼此相等，在那樣的情形下，這些波長由λP表示。
假設(shè)PP1-in為射入光纖的泵浦光λP1的功率，PP2-in為射入光纖的泵浦光λP2的功率，PS-in為射入光纖的探測光λS的功率。那么射出光纖的閑頻光λI的功率PI-out由下面的公式(1)和公式(2)表示。Δβ為相位失配量，由下面的公式(3)表示。γ為光纖的非線性系數(shù)，由下面的公式(4)表示。Leff為光纖的有效長度，由下面的公式(5)表示。假設(shè)四個波長λP1、λP2、λS和λI彼此接近，并且這些波長λ由下面的公式(6)表示。在文獻“K.Inoue et al.，J.of LightwaveTechnol.，Vol.10，No.11，pp.1553-1561，(1992)”中詳細論述了這些公式。
公式1PI-out＝Dγ2PP1-inPP2-inPS-inLeff2η·exp(-αL) ...(1)公式2η=1α2+Δβ2{α2+4exp(-αL)sin2(L·Δβ/2)/Leff2}...(2)]]>公式3Δβ＝βP1+βP2-βS-βI...(3)公式4λ=2πλn2Aeff...(4)]]>公式5Leff=1-exp(-αL)α...(5)]]>公式6λ=41/λP1+1/λP2+1/λS+1λI...(6)]]>L為光纖長度。n2為光纖在波長λ處的第三階非線性折射率。Aeff為光纖在波長λ處的有效面積。α為光纖在波長λ處的傳輸損耗。βP1為光纖在波長λP1處的傳播常量，βP2為光纖在波長λP2處的傳播常量，βS為光纖在波長λS處的傳播常量，βI為光纖在波長λI處的傳播常量。D為簡并因子(degeneracy factor)。當(dāng)波長λP1與波長λP2彼此相等時，該簡并因子取值為1，當(dāng)波長λP1與波長λP2彼此不等時，該簡并因子取值為為4。
特別地，當(dāng)光纖在波長λ處的傳輸損耗α很小可忽略不計時，前述的公式(1)可近似地等于下面的公式(7)。從這個公式可以看出，相位失配量Δβ越接近0，從光纖輸出的閑頻光λI的功率PI-out就越大。光纖長度L越短，“LΔβ/2”的值就越??；因此從光纖輸出的閑頻光λI的功率PI-out受相位失配量Δβ的影響越小。
公式7PI-out=Dγ2L2PP1-inPP2-inPS-in{sin(L·Δβ/2)L·Δβ/2}2...(7)]]>另外，下面的公式(8)給出了頻率匹配條件。因此，上面的公式(6)可以變換為下面的公式(9)。為了在光纖中寬的探測波長范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率的波長轉(zhuǎn)換，需要使上面公式(3)表示的相位失配量Δβ在寬的波長范圍內(nèi)幾乎為零。如下面公式(10)所表示的，由上面公式(6)或公式(9)表示的波長λ轉(zhuǎn)換為角頻率ω。在該公式中，c表示真空內(nèi)的光速。
公式8ω1＝ωP1+ωP2-ωS...(8a)1λ1=1λP1+1λP2-1λS...(8b)]]>公式9λ=21/λP1+1/λP2...(9)]]>公式10ω=2πcλ...(10)]]>傳播常量β由下面的公式(11)表示，通過關(guān)于公式(10)中描述的角頻率ω的泰勒展開得到。傳播常量β關(guān)于角頻率ω的第n階導(dǎo)數(shù)由下面的公式(12)表示。第二階導(dǎo)數(shù)β2、第三階色散β3和第四階色散β4與色散D、色散斜率S和色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)的關(guān)系由公式(13)至(15)表示。
公式11β=β0+Σn=1∞1n!βn(ω-ωP1)n]]>=β0+β1(ω-ωP1)+12β2(ω-ωP1)2]]>+16β3(ω-ωP1)3+124β4(ω-ωP1)4+···...(11)]]>公式12βn=dnβdωn...(12)]]>
公式13β2=-λ22πcD...(13)]]>公式14β3=λ32π2c2D+λ44π2c2S...(14)]]>公式15β4=3λ44π3c3D-3λ54π3c3S-3λ68π3c3dSdλ...(15)]]>假設(shè)波長λP1與波長λP2彼此相等，即等于波長λP，那么由公式(9)和公式(10)得到“λ＝λP”和“ω＝ωP”的關(guān)系。因此，使用上面的公式(8)和公式(11)，前面的公式(3)簡化為下面的公式(16)。
公式16Δβ=-β2(ωP-ωS)2-112β4(ωP-ωS)4...(16)]]>從公式(16)看出，隨著在泵浦光波長λP處第二階色散β2和第四階色散β4各自絕對值的減小，相位失配量Δβ的絕對值變得更小。另外，使泵浦光波長λP與光纖的零色散波長相匹配以便將第二階色散β2置零并不總是優(yōu)選的，并且選擇泵浦光波長λP要考慮到第四階色散β4的影響。即，當(dāng)?shù)谒碾A色散β4為負時，選擇泵浦光波長λP以使第二階色散β2為正并且該泵浦光波長短于零色散波長。相反地，當(dāng)?shù)谒碾A色散β4為正時，選擇泵浦光波長λP以使第二階色散β2為負并且該泵浦光波長長于零色散波長。
下面描述基于上述分析結(jié)果的進一步詳細分析結(jié)果。圖1示出了從光纖射出的閑頻光λI的功率PI-out與探測光波長λS之間的關(guān)系。水平軸表示探測光波長λS，垂直軸表示標(biāo)準(zhǔn)化的閑頻光強度，單位為dB。在下述條件下得到這樣的結(jié)果射入光纖的泵浦光為一個的波長的泵浦光，光纖的零色散波長λ0為1570nm，該光纖在零色散波長λ0處的色散斜率S為+0.024ps/nm2/km，該光纖的長度L為100m，并且該光纖的傳輸損耗α為0.20/km。泵浦光波長λP與光纖的零色散波長λ0相匹配。使用前述公式(1)至(6)和公式(16)，對閑頻光λI的功率PI-out是如何相對波動的進行了研究。
圖1示出了第四階色散β4為一般值1×10-55s/m和小兩個數(shù)量級1×10-57s/m的兩種情形。如圖1所示，在閑頻光功率為-3dB或比峰值更小處的兩個探測光波長的寬度(即，在最大值一半處的全部寬度)定義為“波長轉(zhuǎn)換帶寬”。當(dāng)泵浦光波長λP與光纖的零色散波長λ0彼此相等時，傳播常量β的第二階色散β2為0；因此，如從上面公式(16)看到的，隨著第四階色散β4的減小，波長轉(zhuǎn)換帶寬變寬。
圖2A和圖2B示出了波長轉(zhuǎn)換帶寬與泵浦光波長λP之間的關(guān)系。水平軸表示“零色散波長λ0-泵浦光波長λP”，垂直軸表示波長轉(zhuǎn)換帶寬。從該圖看出，隨著第四階色散β4的絕對值的減小，波長轉(zhuǎn)換帶寬的最大值變大，并且第四階色散β4的絕對值優(yōu)選地盡可能的小。在第四階色散β4為負時，泵浦光波長λP變得比零色散波長λ0小，以致第二階色散β2為正；在第四階色散β4為正時，泵浦光波長λP變得比零色散波長λ0大，以致第二階色散β2為負；這正好如公式(16)所示。從圖2A與圖2B之間的對比可以明白，當(dāng)?shù)谒碾A色散β4具有相等的絕對值時，波長轉(zhuǎn)換帶寬也大致相等。
從這些圖2A和圖2B看出，在光纖長度為100m時，波長轉(zhuǎn)換帶寬變寬，不小于100nm，“零色散波長λ0-泵浦光波長λP”的公差大致為±0.6nm。在第四階色散β4為-10-55S4/m時，波長轉(zhuǎn)換帶寬變寬，不小于100nm，“零色散波長λ0-泵浦光波長λP”的公差也是±0.6nm。由于泵浦光波長λP通常保持不變，所以說為了在寬波段內(nèi)實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換，有必要將光纖零色散波長λ0中的波動抑制在不大于±0.6nm的范圍內(nèi)。例如，通過測量光纖預(yù)制件在縱向方向各位置的折射率分布、基于測量結(jié)果研磨光纖預(yù)制件的輪廓以獲得具有希望的特性的光纖和畫出光纖預(yù)制件，能夠?qū)崿F(xiàn)這種抑制在零色散波長λ0中波動范圍內(nèi)的光纖。
實際上，光纖的零色散波長λ0在縱向方向內(nèi)會波動到一定的程度，從而減小了波長轉(zhuǎn)換帶寬。研究了最小波長轉(zhuǎn)換帶寬如何隨一定寬度的“零色散波長λ0-泵浦光波長λP”變化，以研究波長轉(zhuǎn)換帶寬如何隨零色散波長λ0的波動變化。圖3示出了在示出波長轉(zhuǎn)換帶寬與泵浦光波長λP之間的關(guān)系圖表中的最小波長轉(zhuǎn)換帶寬。圖4A、圖4B和圖5中各圖均示出了對于光纖零色散波長λ0的各波動寬度值，在第四階色散β4絕對值和光纖長度L各值處的波長轉(zhuǎn)換帶寬的表格。
圖4A示出了假設(shè)在零色散波長λ0中沒有波動的波長轉(zhuǎn)換帶寬。圖4B示出了零色散波長λ0中具有±0.05nm波動的波長轉(zhuǎn)換帶寬。圖4C示出了零色散波長λ0中具有±0.10nm波動的波長轉(zhuǎn)換帶寬。圖5A示出了零色散波長λ0中具有±0.20nm波動的波長轉(zhuǎn)換帶寬。圖5B示出了零色散波長λ0中具有±0.60nm波動的波長轉(zhuǎn)換帶寬。圖5C示出了零色散波長λ0中具有±1.0nm波動的波長轉(zhuǎn)換帶寬。
圖4A證明，在零色散波長λ0中沒有波動時，波長轉(zhuǎn)換帶寬隨著第四階色散β4的減小而增大。例如，在100m的光纖長度L中，波長轉(zhuǎn)換帶寬變化如圖6所示。圖6示出了具有100m光纖長度且在零色散波長λ0中沒有波動的光纖內(nèi)，波長轉(zhuǎn)換帶寬與第四階色散β4之間的關(guān)系。如該圖所示，當(dāng)?shù)谒碾A色散β4的絕對值為1×10-55s4/m時，即相當(dāng)于常規(guī)水平時，波長轉(zhuǎn)換帶寬不能達到200nm或更高。當(dāng)?shù)谒碾A色散β4的絕對值不超過5×10-56s4/m時，波長轉(zhuǎn)換帶寬超過200nm，這個波長轉(zhuǎn)換帶寬是合適的。當(dāng)?shù)谒碾A色散β4的絕對值不超過1×10-56s4/m時，波長轉(zhuǎn)換帶寬變得特有地大，超過了300nm。該波長轉(zhuǎn)換帶寬優(yōu)選地為200nm，因為它包括了在光通信中通常用作信號光波長的S-波段、C-波段和L-波段。
實際上，零色散波長λ0經(jīng)常在大約±0.05nm至±0.10nm的范圍內(nèi)波動。例如，在100m的光纖長度中，波長轉(zhuǎn)換帶寬如圖7和圖8中所示的變化。圖7示出了具有100m光纖長度且在零色散波長λ0中具有±0.05nm波動的光纖內(nèi)，波長轉(zhuǎn)換帶寬與第四階色散β4之間的關(guān)系。該圖證明了當(dāng)?shù)谒碾A色散β4的絕對值不超過5×10-56s4/m時，波長轉(zhuǎn)換帶寬變得特有地大，不小于大約200nm，當(dāng)?shù)谒碾A色散β4的絕對值不超過1×10-57s4/m時，波長轉(zhuǎn)換帶寬變得極大，不小于大約300nm。圖8示出了具有100m光纖長度且在零色散波長λ0中具有±0.10nm波動的光纖內(nèi)，波長轉(zhuǎn)換帶寬與第四階色散β4之間的關(guān)系。如該圖所示，當(dāng)?shù)谒碾A色散β4的絕對值不超過3×10-56s4/m時，波長轉(zhuǎn)換帶寬可擴展到大約200nm或更多，這是優(yōu)選的。更優(yōu)選地，第四階色散β4的絕對值不超過2×10-56s4/m。
從前述公式(7)看出，光纖的長度越長，從光纖射出的閑頻光λI的功率PI-out就越高，效率就越高。從公式(7)還看出，可通過提高射入光纖的泵浦光λP的功率PP-in解決這個問題。從圖4和圖5明白，波長轉(zhuǎn)換帶寬隨著光纖長度L的減小而增大。例如，在零色散波長λ0中具有大約±0.10nm的波動時，波長轉(zhuǎn)換帶寬如圖9所示的變化。圖9示出了在零色散波長λ0中具有±0.10nm波動的光纖內(nèi)，波長轉(zhuǎn)換帶寬與光纖長度L之間的關(guān)系。該圖證明當(dāng)光纖長度L不超過500m時，減小第四階色散β4的效果是確定的。圖10示出了波長轉(zhuǎn)換帶寬與零色散波長λ0中的波動量之間的關(guān)系。如該圖所示，波長轉(zhuǎn)換帶寬隨著零色散波長λ0中波動的增加而變窄。當(dāng)零色散波長λ0的波動不小于±0.6nm時，減小第四階色散β4的效果變得不明顯。
通過將零色散波長λ0的波動抑制到不超過±0.6nm，在不小于100nm寬的波段中得到波長轉(zhuǎn)換是可行的。從圖4A至圖4C、圖5A至圖5C和圖10可看出，當(dāng)零色散波長λ0的波動不小于±0.6nm時，減小第四階色散β4的效果變得不這么明顯，當(dāng)零色散波長λ0的波動不超過±0.2nm時，減小第四階色散β4的效果明顯擴大帶寬，這是更優(yōu)選的。
下面將對上述能夠減小第四階色散β4絕對值的光纖的具體構(gòu)造實例進行詳細描述。迄今為止，還未進行過有關(guān)能夠減小第四階色散β4絕對值的光纖的研究，本發(fā)明人首次進行了這方面的研究。從上面的公式(7)看出，光纖的非線性系數(shù)γ優(yōu)選地盡可能地高，特別優(yōu)選地不小于10/W-km。因此，光纖的有效面積Aeff希望不超過15μm2。
圖11A和圖11B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的光纖10的剖視結(jié)構(gòu)和折射率分布的優(yōu)選實例。圖11A示出了垂直于光纖10的縱向方向的橫剖面，圖11B示出了在光纖10徑向方向內(nèi)的折射率分布。光纖10至少包括具有最大折射率N1和外徑2a的中心核心部分11，環(huán)繞所述中心核心部分11并具有最小折射率N2和外徑2b的下凹部分12，以及環(huán)繞所述下凹部分12并具有最大折射率N3的包層部分13。
中心核心部分11、下凹部分12和包層部分13的折射率滿足“N1＞N3＞N2”的關(guān)系。相對于包層部分13折射率N3，中心核心部分11的相對折射率差由Δ+表示，下凹部分12的相對折射率差由Δ-表示。中心核心部分11與下凹部分12的各外徑的比值由Ra(＝2a/2b)表示。
圖12示出了對于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)及第四階色散β4的表格。在圖11中所示結(jié)構(gòu)的光纖10中，使用的參數(shù)如下中心核心部分11的折射率α分布中的α值為3，中心核心部分11的相對折射率差Δ+為3.2％，下凹部分12的相對折射率差Δ-為-0.3％，零色散波長λ0為1550nm。
從該圖看出，第四階色散β4取決于Ra，當(dāng)Ra不小于0.4時，第四階色散β4的絕對值不超過5×10-56s4/m，特別是當(dāng)Ra接近0.6時，第四階色散β4的絕對值不超過1×10-56s4/m。該光纖10的其它特性如下在波長為1550nm處，有效面積Aeff為9.8μm2，非線性系數(shù)γ為24/W-km(由XPM方法測量)，光纖截止波長為1400nm，傳輸損耗為0.6dB/km，模場直徑為3.6μm，偏振模色散為0.01-0.1ps/km1/2。已知的是，用CW-SPM方法測量的非線性系數(shù)γ值大約為用XPM方法測量的非線性系數(shù)γ值的70％。
該光纖10非?？箯?，并且即使是在以30的直徑盤繞時，損耗的增加也不超過0.01dB/km。使用普通的接合器，該光纖10可與普通的單模光纖接合，具有大約0.5dB的接合損耗，通過使用擴大模場直徑的方法，該損耗可以減小到0.2dB或更小。
圖13也示出了對于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)與第四階色散β4的表格。在圖11A和圖11B中所示結(jié)構(gòu)的光纖10中，這里使用的參數(shù)如下中心核心部分11的折射率α分布中的α值為3，中心核心部分11的相對折射率差Δ+為3.5％，下凹部分12的相對折射率差Δ-為-0.35％，零色散波長λ0為1540nm。
從該圖看出，光纖10通常具有小的第四階色散β4，接近為0.45和0.75的各比值Ra時，它的符號改變。這意味著當(dāng)光纖10制造成具有接近這些值中任意一個的比值Ra時，實現(xiàn)具有極小的不超過5×10-57S4/m的第四階色散β4的光纖10是可行的。光纖10的其它特性如下在波長為1550nm處，有效面積Aeff為9.1μm2，非線性系數(shù)γ為26/W-km(由XPM方法測量)，光纖截止波長為1450nm，傳輸損耗為0.9dB/km，模場直徑為3.4μm，偏振模色散為0.01-0.1ps/km1/2。
該光纖10同樣非?？箯?，并且即使是在以30的直徑盤繞時，損耗的增加也不超過0.01dB/km。使用普通的接合器，該光纖10也可與普通的單模光纖接合，具有大約0.5dB的接合損耗，通過使用擴大模場直徑的方法，該損耗可以減小到0.2dB或更小。
如上所述，在具有中心核心部分11和下凹部分12的結(jié)構(gòu)的光纖中，第四階色散β4可調(diào)節(jié)。圖14A至14D示出了根據(jù)該實施例的光纖折射率分布的其它優(yōu)選實例。如圖14A中所示，光纖在下凹部分12外側(cè)還可具有另一個區(qū)域14；如圖14B中所示，光纖在區(qū)域14外側(cè)還可具有另一個區(qū)域15；如圖14C中所示，光纖在中心核心部分11與下凹部分12之間還具有另一個區(qū)域16；如圖14D中所示，在中心核心部分11中可存在凹陷(dip)。在這些情形的任何一種情形下，第四階色散β4可調(diào)節(jié)，使得可使第四階色散β4的絕對值變小。
偏振模色散優(yōu)選地應(yīng)盡可能地小，因為波長轉(zhuǎn)換帶寬可得到同樣程度的加寬。在光纖全部長度的偏振模色散優(yōu)選地不超過0.2ps。當(dāng)光纖為保偏型(例如，PANDA型)時，可對通過光纖引導(dǎo)的基本模式光的正交偏振分量之間的耦合進行抑制。即使是在1km長的光纖中，也可使正交偏振分量之間的耦合不超過-15dB，并且在實際中使用的光纖長度中還可進一步減少。
光纖可以盤繞成例如具有約40的最小彎曲直徑的小線圈。此時，當(dāng)光纖的包層外徑變薄，不超過15μm時，可使所述線圈更小。當(dāng)光纖的核心部分11的外徑薄，不超過100μm時，在緊密纏繞的狀態(tài)中的纏繞應(yīng)力小以減小破損的可能性，并且對由于彎曲產(chǎn)生雙折射引起的偏振模色散的退化進行抑制變得可行。
滿足上述特性的光纖是在實際上制造出來了。所有光纖具有如圖11所示的結(jié)構(gòu)。制造的光纖具有下列各參數(shù)值中心核心部分11的折射率α分布中的α值為3，中心核心部分11的相對折射率差Δ+為2.5％，下凹部分12的相對折射率差Δ-為-0.5％，比值Ra為0.6，核心直徑2a為4.7μm。該光纖具有1440nm的零色散波長。該光纖為高非線性光纖，具有減小的第四階色散β4和下列特性在1440nm的零色散波長處，色散斜率為+0.0466ps/nm2/km，該色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)為1.66×10-4ps/nm3/km，第四階色散β4為-3.8×10-56s4/m，有效面積Aeff為11μm2，非線性系數(shù)γ為21/W-km，模場直徑為3.8μm，截止波長為1.37μm，C-波段中的偏振模色散為0.02ps/km1/2。
制造的另一種光纖具有下列各參數(shù)值中心核心部分11的折射率α分布中的α值為1.9，中心核心部分11的相對折射率差Δ+為3.0％，下凹部分12的相對折射率差Δ-為-0.6％，比值Ra為0.6，核心直徑2a為4.5μm。該光纖具有1640nm的零色散波長。該光纖為高非線性光纖，具有減小的第四階色散β4和下列特性在1640nm的零色散波長處，色散斜率為+0.0231ps/nm2/km，該色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)為-9.63×10-5ps/nm3/km，第四階色散β4為-3.4×10-56s4/m，有效面積Aeff為11μm2，非線性系數(shù)γ為18/W-km，模場直徑為3.9μm，截止波長為1.31μm，C-波段和L-波段中的偏振模色散為0.03ps/km1/2。
下面對上述能夠減小第四階色散β4絕對值的光纖的一般設(shè)計實例進行描述。這里的光纖還具有如圖11中所示的結(jié)構(gòu)，并具有下列各參數(shù)值中心核心部分11的折射率α分布中的α值為4，零色散波長為1550nm。
圖15示出了在中心核心部分11的相對折射率差Δ+為2.5％，下凹部分12的相對折射率差Δ-為-0.1％時，對于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)與第四階色散β4的表格。在這種情形下，第四階色散β4的絕對值為大約7×10-56s4/m大，這不是優(yōu)選實例。核心直徑2a為大約4μm，截止波長為大約1440nm，在1.55μm波長處的有效面積Aeff為大約12μm2，非線性系數(shù)γ為大約17/W-km。
圖16示出了在中心核心部分11的相對折射率差Δ+為2.5％，下凹部分12的相對折射率差Δ-為-0.2％時，對于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)與第四階色散β4的表格。在這種情形下，第四階色散β4的絕對值為大約4×10-56s4/m，這是優(yōu)選的。核心直徑2a為大約4μm，截止波長為大約1400nm，在1.55μm波長處的有效面積Aeff為大約12μm2，非線性系數(shù)γ為大約18/W-km。
圖17示出了在中心核心部分11的相對折射率差Δ+為2.5％，下凹部分12的相對折射率差Δ-為-0.3％時，對于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)與第四階色散β4的表格。圖18示出了該實例中第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系。在這種情形下，第四階色散β4的絕對值可取值為0，這是優(yōu)選實例。另外，在比值Ra為大約0.5至大約0.65的范圍內(nèi)，第四階色散β4的絕對值變得不超過1×10-56s4/m，這樣在光纖制造中的結(jié)構(gòu)公差是寬的，這是非常優(yōu)選的。核心直徑2a為大約4μm，截止波長為大約1400nm，在1.55μm波長處的有效面積Aeff為大約12μm2，非線性系數(shù)γ為大約18/W-km。
圖19示出了在中心核心部分11的相對折射率差Δ+為2.5％，下凹部分12的相對折射率差Δ-為-0.6％時，對于比值Ra各值，色散斜率S、色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)與第四階色散β4的表格。圖20示出了該實例中第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系。在這種情形下，第四階色散β4的絕對值可取值為0，這是優(yōu)選實例。然而，當(dāng)?shù)谒碾A色散β4小得接近0時，即使在比值Ra中只有小的波動，第四階色散β4也會很大地變化，這樣在光纖制造中的結(jié)構(gòu)公差沒有這么高。核心直徑2a為大約4μm，截止波長為大約1300nm，在1.55μm波長處的有效面積Aeff為大約11μm2，非線性系數(shù)γ為大約20/W-km。
下面將對隨著下凹部分12的相對折射率差Δ-的變化，第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系進行描述。
圖21示出了在中心核心部分11的相對折射率差Δ+為2.5％時，第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系。這里是對于下凹部分12的相對折射率差Δ-各值，第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系。當(dāng)Δ+為2.5％時，如果Δ-不超過大約-0.2％，并且差“Δ+-Δ-”不小于大約2.7％，那么第四階色散β4的絕對值變得不超過5×10-56s4/m。從中看出，在Ra接近0.5-0.6時，第四階色散β4取得最小值。當(dāng)?shù)谒碾A色散β4的絕對值小得接近這個范圍時，制造公差變高，對于-0.4％至-0.2％的Δ-，制造容易。即使在Δ-為-0.5％至-1.1％并且比值Ra為0.2-0.3的情形下，第四階色散β4的絕對值也總是小的，并且制造容易。
圖22示出了在中心核心部分11的相對折射率差Δ+為2.0％時，第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系。這里同樣是對于下凹部分12的相對折射率差Δ-各值，第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系。其它特性如下核心直徑2a為大約4.5μm，在1.55μm波長處的有效面積Aeff為大約13-15μm2，非線性系數(shù)γ為大約13-15/W-km，截止波長為大約1200-1300nm。當(dāng)Δ+為2.0％時，如果Δ-不超過大約-0.2％，并且差“Δ+-Δ-”不小于大約2.2％，那么第四階色散β4的絕對值變得不超過5×10-56s4/m。從中看出，在Ra接近0.4-0.6時，第四階色散β4取得最小值。當(dāng)?shù)谒碾A色散β4的絕對值小得接近這個范圍時，制造公差變高，并且如果Δ-為-0.4％至-0.25％，那么制造容易。即使在Δ-不超過-0.5％并且比值Ra在0.2和0.3之間的情形下，第四階色散β4的絕對值也總是小的，并且制造容易。
圖23示出了在中心核心部分11的相對折射率差Δ+為3.0％時，第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系。這里同樣是對于下凹部分12的相對折射率差Δ-各值，第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系。其它特性如下核心直徑2a為大約4.0μm，在1.55μm波長處的有效面積Aeff為大約9-10μm2，非線性系數(shù)γ為大約22-26/W-km，截止波長為大約1500-1300nm。當(dāng)Δ+為3.0％時，如果Δ-不超過大約-0.10％，并且差“Δ+-Δ-”不小于大約3.1％，那么第四階色散β4的絕對值變得不超過5×10-56s4/m。從中看出，當(dāng)Ra接近0.4-0.6時，第四階色散β4取得最小值。當(dāng)?shù)谒碾A色散β4的絕對值小得接近這個范圍時，制造公差變高，并且如果Δ-為-0.4％至-0.15％，那么制造容易。即使在Δ-為-1.0％至-0.2％并且比值Ra在0.2和0.3之間的情形下，第四階色散β4的絕對值也總是小的，并且制造容易。
圖24示出了在中心核心部分11的相對折射率差Δ+為3.5％時，第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系。這里同樣是對于下凹部分12的相對折射率差Δ-各值，第四階色散β4與比值Ra之間的關(guān)系。其它特性如下核心直徑2a為大約4.0μm，在1.55μm波長處的有效面積Aeff為大約8-9μm2，非線性系數(shù)γ為大約28-31/W-km，截止波長為大約1600-1400nm。當(dāng)Δ+為3.5％時，如果Δ-不超過大約-0.10％，并且差“Δ+-Δ-”不小于大約3.6％，那么第四階色散β4的絕對值變得不超過5×10-56s4/m。從中看出，當(dāng)Ra接近0.4-0.7時，第四階色散β4取得最小值。當(dāng)?shù)谒碾A色散β4的絕對值小得接近這個范圍時，制造公差變高，并且如果Δ-為-0.3％至-0.1％，那么制造容易。即使在Δ-為-0.7％至-0.1％并且比值Ra在0.2和0.4之間的情形下，第四階色散β4的絕對值也總是小的，并且制造容易。
上面的內(nèi)容總結(jié)如下優(yōu)選地，中心核心部分11的相對折射率差Δ+與下凹部分12的相對折射率差Δ-之間的差“Δ+-Δ-”不小于2.2％，下凹部分12的相對折射率差Δ-為-0.1％至-1.1％，比值Ra為0.2-0.7。更優(yōu)選的是，因為有效面積Aeff變小，不超過11μm2，并且非線性系數(shù)γ變大，不小于大約20/W-km，所以差“Δ+-Δ-”不小于3.1％，Δ-為-0.1％至-1.1％，比值Ra為0.2-0.7。
根據(jù)上述計算結(jié)果，圖25中示出了第四階色散β4與色散斜率S之間的關(guān)系，圖26中示出了第四階色散β4與色散斜率S的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)之間的關(guān)系。從圖25看出，色散斜率S優(yōu)選地為大約+0.018至+0.030ps/nm2/km。另外，因為可進一步減小第四階色散β4的絕對值，所以色散斜率S更優(yōu)選地為大約+0.022至+0.028ps/nm2/km。從圖26看出，色散斜率S的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)優(yōu)選地為大約-0.00012至-0.00008ps/nm3/km。另外，因為可進一步減小第四階色散β4的絕對值，所以色散斜率S的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)更優(yōu)選地為大約-0.00011至-0.00009ps/nm3/km。
在高非線性的光纖中，當(dāng)色散斜率S小時，零色散波長λ0中的波動變大。圖27示出了在核心外徑2a具有1％波動時，零色散波長λ0的波動量與色散斜率S之間的關(guān)系。從該圖看出，當(dāng)零色散波長λ0的波動增加時，波長轉(zhuǎn)換帶寬變窄。特別地，因為在小于+0.018ps/nm2/km的色散斜率范圍內(nèi)的零色散波長λ0波動大，所以色散斜率S優(yōu)選地不小于+0.018ps/nm2/km。
下面將對根據(jù)本發(fā)明的光纖和光學(xué)設(shè)備實例進行描述。圖28為實例光學(xué)設(shè)備1的構(gòu)造簡圖。該光學(xué)設(shè)備1包括上述光纖10，還包括泵浦光源21、光學(xué)放大器22、帶通濾波器23、偏振控制器24、探測光源31、偏振控制器34、光耦合器40和光譜分析儀50。
這里使用的光纖10具有如圖11中所示的結(jié)構(gòu)，具有下列特性中心核心部分11的相對折射率差Δ+為3.41％，下凹部分12的相對折射率差Δ-為-0.14％，比值Ra為0.56，核心直徑2a為3.78μm，長度L為100m。該光纖10的零色散波長λ0為1562.3nm，在1.55μm波長處的傳輸損耗為1dB/km，有效面積Aeff為9.4μm2，模場直徑為3.51μm，由XPM方法測量的非線性系數(shù)γ為25/W-km，偏振模色散為0.03ps/km1/2。該光纖10在零色散波長處具有下列特性色散斜率S為+0.024ps/nm2/km，色散斜率S的波長導(dǎo)數(shù)(dS/dλ)為-0.00010ps/nm3/km，傳播常量β的第三階色散β3為4×10-41s3/m，第四階色散β4為+2×10-56s4/m。
泵浦光源21產(chǎn)生波長為λP的泵浦光。探測光源31產(chǎn)生波長為λS的探測光。在本實例中，泵浦光波長λP設(shè)定為接近光纖10的零色散波長。探測光波長λS在波長可調(diào)光源的輸出范圍(1440-1653nm)內(nèi)掃描。光學(xué)放大器22將從泵浦光源21輸出的泵浦光光學(xué)上放大，輸出放大的泵浦光。帶通濾波器23有選擇性地傳輸從光學(xué)放大器22射出的光中波長為λP的光，并輸出傳輸?shù)墓?。偏振控制?4控制從帶通濾波器23輸出的泵浦光λP的偏振狀態(tài)，輸出合成的泵浦光。偏振控制器34控制從探測光源31輸出的探測光λS的偏振狀態(tài)，輸出合成的探測光。
光耦合器40接收從偏振控制器24輸出的泵浦光λP，還接收從偏振控制器34輸出的探測光λS，將這些泵浦光λP與探測光λS耦合，輸出這些耦合光。光纖10接收泵浦光λP與探測光λS。在本實例中，射入光纖10的泵浦光λP的功率PP-in設(shè)定到+3dBm，射入光纖10的探測光λS的功率PS-in設(shè)定到-5dBm，從而通過在該光纖10中的四波混頻產(chǎn)生閑頻光λI。閑頻光波長λI由公式“λI＝(2/λP-1/λS)-1”表示。光譜分析儀50接收從光纖10輸出的光，并測量該光的光譜。特別地，在本實例中，光譜分析儀50測量從光纖10射出的閑頻光λI的功率PI-out。
圖29示出了從所述實例的光學(xué)設(shè)備1的光纖10射出的閑頻光λI的功率PI-out與探測光波長λS之間的關(guān)系。當(dāng)閑頻光λI的功率PI-out的最大值定義為0dB時，該圖的垂直軸為標(biāo)準(zhǔn)化的。該圖示出了對于泵浦光波長λP為1562.0nm、1562.3nm和1562.6nm的各值，閑頻光功率PI-out與探測光波長λS之間的關(guān)系。由于光纖10的第四階色散β4是正的，所以在泵浦光波長λP長于光纖10的零色散波長λ0時，波長轉(zhuǎn)換帶寬有望變寬。
實際上，如圖29中所示，在泵浦光波長λP為1562.0nm時，波長轉(zhuǎn)換帶寬為126nm，在泵浦光波長λP為1562.3nm時，波長轉(zhuǎn)換帶寬為168nm，在泵浦光波長λP為1562.6nm時，波長轉(zhuǎn)換帶寬為220nm。即，當(dāng)泵浦光波長λP為1562.3nm，比零色散波長λ0長0.3nm時，波長轉(zhuǎn)換帶寬最寬。
但是，在該實例中，由于實際用作探測光源31的波長可調(diào)光源的輸出波長范圍的限制，對于波長比1653nm長的探測光λS，不能進行評估。因此，從光纖10射出的閑頻光λI的功率PI-out根據(jù)前述公式(1)至(6)和公式(16)計算。
圖30示出了在泵浦光波長λP為1562.0nm時，從光學(xué)設(shè)備1的光纖10射出的閑頻光λI的功率PI-out與探測光波長λS之間的關(guān)系。圖31示出了在泵浦光波長λP為1562.3nm時，從光學(xué)設(shè)備1的光纖10射出的閑頻光λI的功率PI-out與探測光波長λS之間的關(guān)系。圖32示出了在泵浦光波長λP為1562.6nm時，從光學(xué)設(shè)備1的光纖10射出的閑頻光λI的功率PI-out與探測光波長λS之間的關(guān)系。在這些圖中，實線表示從光纖10射出的閑頻光λI的功率PI-out的計算值。
從圖30和圖31看出，在泵浦光波長λP為1562.0nm和1562.3nm時，計算值與實際測量值彼此非常好地吻合。在另一方面，從圖32看出，在泵浦光波長λP為1562.6nm時，計算值與測量值也彼此很好地吻合，但是在探測光λS的波長短的一側(cè)的吻合得不是這么好。
然后，在沿著光纖10縱向方向的零色散波長λ0內(nèi)有±0.1nm的波動時，再次計算閑頻光強度，結(jié)果如圖33中所示。如該圖所示，當(dāng)零色散波長λ0內(nèi)的波動為±0.1nm時，計算值和實際測量值彼此吻合得非常好。因此，在光纖10中，即使沒有優(yōu)化泵浦光波長λP，波長轉(zhuǎn)換帶寬也寬，不小于100nm，如果優(yōu)化了泵浦光波長λP，波長轉(zhuǎn)換帶寬就非常寬，220nm。零色散波長λ0內(nèi)的波動可估計為約±0.1nm。這個結(jié)果是傳統(tǒng)已知的90-110nm的轉(zhuǎn)換帶寬的兩倍。
圖34示出了在泵浦光波長λP為1562.7nm時，從光學(xué)設(shè)備1的光纖10射出的閑頻光λI的功率PI-out與探測光波長λS之間的關(guān)系。當(dāng)使探測光波長λS如該實例中進一步延長到1562.7nm時，波長轉(zhuǎn)換帶寬不是連續(xù)的，而是分成了兩個波段。然而，即使探測光波長λS遠離泵浦光波長λP，也得到高的波長轉(zhuǎn)換效率。雖然限定在3dB內(nèi)的波長轉(zhuǎn)換帶寬變窄，但是因為探測光波長λS離泵浦光波長λP這么遠，以致使得在探測光波長λP處的色散相對很大，所以光學(xué)設(shè)備如OPA和開關(guān)能避免探測光之間四波混頻或類似的問題。
圖35示出了在所述實例的光纖的長度為1000m時，閑頻光λI的功率PI-out與探測光波長λS之間的關(guān)系。圖36示出了對于各實例和常規(guī)實例的光纖的波長轉(zhuǎn)換帶寬與光纖長度之間的關(guān)系。從前述公式(7)和圖9中所示看出，波長轉(zhuǎn)換帶寬隨著光纖長度L的增加而變窄。在光纖為普通光纖而不是保偏光纖的情形下，在兩個偏振模式之間出現(xiàn)了另外的耦合的問題，因而傳統(tǒng)的光纖在不小于500m長度中從未具有不小于50nm的波長轉(zhuǎn)換帶寬，在1000m長度中從未具有大約20nm的波長轉(zhuǎn)換帶寬。與之相反，實驗制得的本實例的光纖即使在1000m的光纖長度中，也具有減小第四階色散β4的顯著效果，并且具有64nm的顯著擴展的波長轉(zhuǎn)換帶寬。
如上所述，可以看出，本發(fā)明的光纖通過將第四階色散β4的絕對值控制到不超過5×10-56s4/m，并將零色散波長λ0內(nèi)的波動控制到不超過±0.6nm，達到具有不小于100nm(優(yōu)選地不小于150nm，更優(yōu)選地不小于200nm)的非常寬的波長轉(zhuǎn)換帶寬。由于在非常寬的波長范圍內(nèi)發(fā)生有效的參數(shù)處理，因此可容易地實現(xiàn)光纖式設(shè)備及應(yīng)用(例如波長轉(zhuǎn)換和OPA、光學(xué)開關(guān)、光信號分離器和在通信與非通信中使用的采樣示波器)。
根據(jù)本發(fā)明的上述實施例能夠在波長轉(zhuǎn)換、OPA等中得到更寬的帶寬。
權(quán)利要求
1.一種光纖，其中，在全部長度內(nèi)的平均零色散波長λ0處，傳播常量β關(guān)于角頻率ω的第四階導(dǎo)數(shù)β4的第四階色散β4的絕對值不超過5×10-56s4/m，并且沿縱向方向的零色散波長的波動不超過±0.6nm。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中，所述平均零色散波長λ0在1440nm到1640nm的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光纖，其中，在所述平均零色散波長λ0處的有效面積不超過15μm2。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項所述的光纖，其中，在所述平均零色散波長λ0處的色散斜率不小于+0.018ps/nm2/km。
5.如權(quán)利要求1至4中任意一項所述的光纖，其中，在所述平均零色散波長λ0處的所述色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)在-0.00012ps/nm3/km到-0.00008ps/nm3/km的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1至5中任意一項所述的光纖，其中，在全部長度的偏振模色散不超過0.2ps。
7.如權(quán)利要求1至6中任意一項所述的光纖，其中，被引導(dǎo)的基本模式光的正交偏振模式之間的串?dāng)_在所述全部長度上不超過-15dB。
8.如權(quán)利要求1至7中任意一項所述的光纖，至少包括具有最大折射率N1和外徑2a的中心核心部分，環(huán)繞所述中心核心部分并具有最小折射率N2和外徑2b的下凹部分，以及環(huán)繞所述下凹部分并具有最大折射率N3的包層部分，其中，所述折射率滿足“N1＞N3＞N2”的關(guān)系，相對于所述包層部分的所述折射率N3，所述中心核心部分的相對折射率差定義為Δ+，所述下凹部分的相對折射率差定義為Δ-，差“Δ+-Δ-”不小于2.2％，并且所述中心核心部分的外徑與所述下凹部分的外徑的比值Ra(＝2a/2b)在0.2至0.7的范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求8所述的光纖，其中，所述差“Δ+-Δ-”不小于3.1％。
10.如權(quán)利要求8或9所述的光纖，其中，所述下凹部分的相對折射率差Δ-在-0.1％到-1.1％的范圍內(nèi)。
11.如權(quán)利要求1至10中任意一項所述的光纖，其中，光纖長度不超過500m。
12.一種光纖，其中，在全部長度內(nèi)的平均零色散波長λ0在1440nm到1640nm的范圍內(nèi)，沿縱向方向的零色散波長的波動不超過±0.6nm，并且在所述平均零色散波長λ0處，傳播常量β關(guān)于角頻率ω的第四階導(dǎo)數(shù)β4的第四階色散β4的絕對值不超過5×10-56s4/m，有效面積不超過15μm2，色散斜率在+0.018ps/nm2/km到+0.030ps/nm2/km的范圍內(nèi)，所述色散斜率的波長導(dǎo)數(shù)在-0.00012ps/nm3/km到-0.00008ps/nm3/km的范圍內(nèi)。
13.一種光學(xué)設(shè)備，包括如權(quán)利要求1至12中任意一項所述的光纖；產(chǎn)生波長為λP的泵浦光的泵浦光源；以及產(chǎn)生波長為λS的探測光的探測光源，其中，所述泵浦光與所述探測光通過所述光纖引導(dǎo)，并且通過非線性光學(xué)現(xiàn)象從所述光纖產(chǎn)生新波長λI的閑頻光。
14.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)設(shè)備，PP-in表示射入所述光纖的所述泵浦光的功率，PS-in表示射入所述光纖的所述探測光的功率，PI-out表示從所述光纖射出的所述閑頻光的功率，其中，在所述泵浦光的波長λP和功率PP-in都保持不變的條件下，當(dāng)所述閑頻光的功率和所述探測光的功率的轉(zhuǎn)換比r(＝PI-out/PS-in)隨著所述探測光波長λS變化的波動率不超過3dB時，探測光的波長λS的范圍不小于100nm。
15.如權(quán)利要求13或14所述的光學(xué)設(shè)備，其中，PP-in表示射入所述光纖的所述泵浦光的功率，PS-in表示射入所述光纖的所述探測光的功率，PI-out表示從所述光纖射出的所述閑頻光的功率，在所述泵浦光的波長λP和功率PP-in都保持不變的條件下，相對于所述泵浦光的波長與所述探測光的波長之間的差“λP-λS”的絕對值為5nm時所述閑頻光的功率與所述探測光的功率的轉(zhuǎn)換比r(＝PI-out/PS-in)的值，當(dāng)所述差“λP-λS”的絕對值不小于50nm時，所述轉(zhuǎn)換比r的波動率不超過3dB。
16.如權(quán)利要求13至15中任意一項所述的光學(xué)設(shè)備，其中，從所述光纖射出的所述探測光的功率PS-out大于射入所述光纖的所述探測光的功率PS-in。
17.一種光學(xué)設(shè)備，包括光纖；產(chǎn)生波長為λP的泵浦光的泵浦光源；以及產(chǎn)生波長為λS的探測光的探測光源，其布置成通過所述光纖引導(dǎo)所述泵浦光和所述探測光，并且通過非線性光學(xué)現(xiàn)象從所述光纖產(chǎn)生新波長λI的閑頻光，其中，PP-in表示射入所述光纖的所述泵浦光的功率，PS-in表示射入所述光纖的所述探測光的功率，PI-out表示從所述光纖射出的所述閑頻光的功率，在所述泵浦光的波長λP和功率PP-in都保持不變的條件下，當(dāng)所述閑頻光的功率和所述探測光的功率的轉(zhuǎn)換比r(＝PI-out/PS-in)隨著所述探測光的波長λS變化的波動率不超過3dB時，所述探測光的波長λS的范圍不小于100nm。
18.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)設(shè)備，其中，PP-in表示射入所述光纖的所述泵浦光的功率，PS-in表示射入所述光纖的所述探測光的功率，PI-out表示從所述光纖射出的所述閑頻光的功率，在所述泵浦光的波長λP和功率PP-in都保持不變的條件下，相對于所述泵浦光的波長與所述探測光的波長之間的差“λP-λS”的絕對值為5nm時所述閑頻光的功率與所述探測光的功率的轉(zhuǎn)換比r(＝PI-out/PS-in)的值，當(dāng)所述差“λP-λS”的絕對值不小于50nm時，所述轉(zhuǎn)換比r的變化率不超過3dB。
19.如權(quán)利要求17或18所述的光學(xué)設(shè)備，其中，從所述光纖射出的所述探測光的功率PS-out大于射入所述光纖的所述探測光的功率PS-in。
全文摘要
光纖10，在全部長度內(nèi)的平均零色散波長λ
文檔編號G02F1/35GK1928596SQ20061012768
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月7日
發(fā)明者平野正晃, 中西哲也, 奧野俊明 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社