專利名稱：色散受控制的光纖的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種色散受控制的光纖，在該光纖中，通過沿波導長度改變零色散長度λ0，來控制光纖的總色散。特別是，對于λ0的高低范圍相隔很大，且相對工作波長不對稱的情況，可以求出色散受控波導的最佳性能。
高功率激光器、光放大器、多信道通信以及高比特率引入電信網(wǎng)絡(luò)導致對波導纖維設(shè)計的研究，這些設(shè)計能減小由于波導非線性效應而造成的信號變壞。
特別感興趣是能基本上消除四波混頻的波導設(shè)計。在既要保持再生器之間間距很大的系統(tǒng)所需的特性又要減小四波混頻的波導纖維設(shè)計中，遇到了困難。即，為了基本上消除四波混頻，波導纖維不應工作在它的總色散接近于零(即小于約0.5ps/nm-km)的地方，因為當波導色散小時會發(fā)生四波混頻。另一方面，對于波長偏離波導總色散為零處的信號，由于存在非零總色散而變壞。
克服這一困難的一種對策是，用做成光纜的波導纖維來構(gòu)造一個系統(tǒng)，其中光纖的某些長度具有正的總色散，而光纖的某些長度具有負的總色散。如果對于所有的光纜段，色散的長度加權(quán)平均值接近于零，則再生器的間距可以很大。然而，信號基本上不通過色散接近于零的波導長度，從而避免了四波混頻。
這一對策的問題在于，再生器之間的每段鏈路必須是定制的，以給出所需的色散的長度加權(quán)平均值。從光纜制造工廠到安裝場地保持光纜色散完全相同，既是一項不希望的額外任務又是一項誤差來源。此外，由于不僅需要提供合適的色散值，而且還要提供具有該色散值的合適的光纜長度，因而增加了制造難度，并導致系統(tǒng)成本增加。另一個問題則是在更換光纜需要隨意的長度和色散值時所產(chǎn)生的。
本發(fā)明克服了這些問題，其做法是使每根各別的光纖成為獨立的色散受控系統(tǒng)。對于每段波導纖維，設(shè)計一特定的(即，預選的)總色散長度加權(quán)平均值(即，總色散積)。這樣，做成光纜的波導纖維都具有大體相同的色散積特性，因而不需要為系統(tǒng)的特別部分規(guī)定一組特別的光纜。
當總的鏈路色散保持在一預選值(該值可以是一基本上等于零的值)時，基本上消除了由于四波混頻而產(chǎn)生的功率損失?；蛘甙阉鼫p小到預選的大小。
美國專利申請第08/423,656號描述了具有這種長度加權(quán)色散特性的波導，以及用于制造該波導的方法。
但是，即使對于所引用專利申請的色散受控光纖，因四波混頻引起的功率損失也大得足以限制在技術(shù)速率和距離狀態(tài)下工作的通信系統(tǒng)，或者波分復用信道相當靠近的通信系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
由Berkey等人發(fā)明的待批專利申請第08/584,868號揭示并描述了色散受控制的波導纖維，及其制造方法，該申請的內(nèi)容通過引用包括在本申請中。此申請的圖30a和30b示出了該新穎的色散受控波導纖維之制造方法的一個較佳實施例。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員應該理解，可以有幾種不同的方法制造此新穎的色散補償波導。這些不同的方法包括(但不局限于)外部汽相沉積、改進的化學汽相沉積、軸向汽相沉積和溶膠凝膠法。
與現(xiàn)有技術(shù)中的波導纖維設(shè)計相比，本發(fā)明降低了四波混頻功率損失。同時，保留了高性能波導纖維希望有的特性，例如低衰減、大有效面積，以及經(jīng)改善的、對大彎曲和微彎曲損耗的抵抗能力。特別感興趣的工作波長范圍是從大約1500nm至1600nm，該范圍在1550nm周圍具有低衰減的工作窗口，并且摻鉺光放大器的增益部分相當平坦。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應該認識到，本發(fā)明不限于該波長范圍。例如，本文揭示了零色散波長為高至1750nm且具有較大負色散的色散補償光纖，這種光纖在實際工作系統(tǒng)中是有價值的。本文還揭示了具有較大負色散但在系統(tǒng)的波長工作窗口中沒有色散零的色散補償波導。在該工作窗口中，補償波導各自的色散不與零色散軸相交，工作窗口例如可以從1300nm延伸到1750nm。
本發(fā)明的第一方面是，一種色散受控制的波導纖維，它具有一纖芯區(qū)和一包裹在周圍的包層。波導纖維由許多子長度構(gòu)成，子長度總色散的符號或者為正，或者為負。在本申請中，使用標準的色散符號習慣。如果短波長的光比長波長的光傳播得快，那么色散為正。在負色散的波導纖維長度中，波長相對較長的光傳播得較快。選擇總色散的長度加權(quán)平均值，使之在對應于光學電信系統(tǒng)之工作波長的波長范圍內(nèi)小于一預選值。特別地，正色散子長度具有零色散波長λ0i，該波長位于第一波長范圍內(nèi)。類似地，負色散子長度具有零色散波長λ0j，該波長位于第二波長范圍內(nèi)。當λ0i和λ0j的間隔不小于100nm時，發(fā)現(xiàn)波導纖維具有優(yōu)越的性能。當保持或超過此零色散波長間隔時，可以減小因四波混頻引起的功率損失。
在第一方面的一個實施例中，差值λ0i-λs不同于差值λs-λ0j，其中λs為信號波長。
三個波長的較佳范圍是，λs在大約1520納米到1575納米的范圍內(nèi)，λ0i在大約1310納米到1450納米的范圍內(nèi)，而λ0j在1600納米到1650納米的范圍內(nèi)。注意，在該較佳實施例中，各零色散波長相對信號波長的偏離是不對稱的。技術(shù)人員應該理解，這些較佳范圍與λ0的功能范圍(即色散補償起作用的波長范圍)不一致。例如，較低范圍可以延伸到1280nm至1510nm左右，而較高范圍可以接近于1800nm。另外，如上所述，某些色散受控光纖設(shè)計可以具有較大的負色散，但在系統(tǒng)的工作波長處沒有色散零點。工作范圍的一個例子是1500nm至1750nm。
為了在通信信號的波長范圍內(nèi)，將正負色散的長度加權(quán)平均值控制為零或零的附近，子長度應該相對整個波導纖維的長度較小。較佳的實施例是，每個子長度不大于總波導纖維長度的大約1/4，以便波導纖維中至少包含四個子長度。表述這一要求的另一方法是，每個子長度應該不大于大約2.5km，以便每根光纖長度包含相當大數(shù)量的子長度(例如，至少四個)。通過確保各子長度的正負色散為整個光纖長度提供幾乎為零的總色散，上述要求簡化了對波導纖維總量的控制。當色散交替的子長度如上所述足夠短時，便不需要特別小心從光纖卷軸，或者從經(jīng)緩沖或制成光纜的波導纖維上切割下所需的光纖長度。
本發(fā)明的第二方面是一種光纖，對其總色散的控制如第一方面所述。但是，在第二方面中，正總色散子長度的纖芯折射率曲線不同于負總色散子長度的纖芯折射率曲線。特別是，正總色散子長度具有階躍型纖芯折射率曲線。負總色散子長度的纖芯折射率曲線至少包含三個分段。
在這種波導的較佳實施例中，負總色散子長度的纖芯折射率曲線包括相對折射率為Δ1的中央纖芯區(qū)、相對折射率為Δ2的第一相鄰環(huán)形區(qū)，以及相對折射率為Δ3的、與第一環(huán)形區(qū)相鄰的第二環(huán)形區(qū)，其中Δ1＞Δ3＞Δ2。使用相對折射率的標準定義Δ＝(n12-n22)/2n12，其中n1是所考慮纖芯區(qū)的最大折射率，而n2是參考折射率，通常選擇為包層玻璃的折射率。該設(shè)計中相對包層折射率而獲得的Δ2值可以大于、小于或等于零。也就是說，對應于Δ2的折射率可以大于、小于或等于包層折射率。
在另一較佳實施例中，負總色散子長度的中央纖芯區(qū)為三角形，第一相鄰環(huán)形區(qū)是平的，而第三相鄰環(huán)形區(qū)為圓角的階躍型。
附圖概述

圖1示出了沿波導纖維長度交替改變正負色散的圖。
圖2示出了具有不同的零色散波長的總色散曲線。
圖3-9是曲線圖，示出了不同纖芯折射率曲線和不同零色散波長間隔的四波混頻功率。
本發(fā)明的詳細描述參照圖1和2可以解釋色散受控光纖的基本概念。在圖1中，第一光纖子長度8具有正的色散2，其色散值可以取范圍6內(nèi)的任何值。相鄰的波導子長度具有負的色散4，其色散值也可以包括一個取值范圍。子長度根據(jù)它們的相對總色散可以等長或不等長，只要長度加權(quán)色散的和落在預選的范圍內(nèi)。注意在圖1中，局域色散絕不為零，這意味著四波混頻將被減小。波導中從正色散到負色散的過渡應足夠短，以避免明顯的四波混頻功率損失。例如，可以設(shè)計這樣一種波導纖維，其過渡長度不大于500米，相關(guān)的總色散小于大約0.5ps/nm-km，由此可以限制過渡長度上的四波混頻損耗。
圖2示出了可以通過位移零色散波長而實現(xiàn)的色散補償。曲線10和12具有色散零18和20，它們低于如點26和28所示的工作范圍1530nm-1565nm。可以看出，由曲線10和12表示的波導在工作范圍內(nèi)具有正的總色散。曲線14和16具有色散零22和24，它們高于上述工作波長范圍，因此在工作范圍26-28上具有負的總色散。為了避免許多直線在圖中混淆，圖2沒有示出色散零偏離工作窗口的負色散光纖的情況。這種情況如上所述，并表現(xiàn)為低于λ軸的大致水平的直線。
因此，由具有總色散10或12的子長度和具有總色散14或16的子長度構(gòu)成的波導纖維可以通過負色散抵消正色散，使總色散在工作范圍內(nèi)基本為零，同時，沒有一個子長度的總色散通過零。四波混頻為最小，并且控制了因總色散不為零而引起的信號變壞。應注意，位于工作窗口兩端的、正的總色散數(shù)值30和32至少可以被具有曲線14和16之總色散特性的波導子長度所產(chǎn)生的負色散部分地抵消。
為了更好地確定怎樣的波導纖維特性對應于改善的四波混頻性能，可以通過模擬計算來估計四波混頻損耗。色散位移的單模波導圖3示出了色散零位于1567nm波導處的波導的四波混頻功能損耗。該波導在大約1530nm至1565nm的工作窗口中，傳輸復用信號。信道間隔取1.1nm，光纖長度為15km，而輸入功率為13dBm。曲線32和34表示相鄰信道中的噪聲大小，在這些信道中，四波混頻將功率轉(zhuǎn)移。注意，在工作窗口的下限波長處，相對于輸入功率13dBm＝20mW，功率損耗小于-25dBm。在所有舉例中，統(tǒng)一使用該輸入功率。在較高的信號波長處，非線性四波混頻噪聲增加到大約-15dBm。色散受控波導-λ0間隔較小輸入功率、工作窗口和信道間隔與上述相同。對所有的舉例，這些參數(shù)都保持一致。圖4中的曲線36和38示出了色散受控光纖的四波混頻功率損失。在長度為2.5km，λ0＝1525nm的波導后接一根長度為2.5km，λ0＝1575nm的波導。重復該結(jié)構(gòu)，形成15km長的波導。由于在包含工作窗口1530nm-1565nm的波長范圍內(nèi)，曲線36和38有相當大的部分大于-15dBm，所以性能沒有上述色散位移的光纖好。色散受控波導-λ0間隔較大在該情況下，圖5中的曲線40和42示出了四波混頻功率損耗。波導結(jié)構(gòu)與前例相同，除了正色散的子長度具有λ0＝1500nm，而負色散的子長度具有λ0＝1600nm。性能的改善發(fā)生在從大約1535nm至1550nm的波長范圍內(nèi)，在該范圍內(nèi)，因四波混頻而引起的功率損耗小于-30dBm。色散受控波導-λ0間隔很大再次使用與上述相同的參數(shù)，除了正色散的子長度具有λ0＝1450nm，而負色散的子長度具有λ0＝1650nm。圖6中的曲線44和46說明四波混頻噪聲大小有明顯的改善。曲線在整個工作窗口內(nèi)都小于-25dBm，并且在窗口的上下限處，小于-30dBm。色散受控波導-λ0間隔最大進一步增大零色散的間隔，使其分別位于1750nm和1350nm，由此在四波混頻損耗方面，可以產(chǎn)生更好的效果。圖7的曲線48和50表示由四波混頻引起的噪聲大小在整個工作窗口內(nèi)小于-30dBm，并且在工作波長范圍的上限處，有利地偏移到-40dBm以下。
很明顯，使用零色散波長間隔很大的補償波導纖維子長度在功率方面是受益的?；旧峡梢允狗蔷€性四波混頻對多路復用電信系統(tǒng)的的影響不明顯。但是，如圖7表征的波導所要求的那樣，將色散零波長設(shè)置在非常高的數(shù)值上，一般意味著制造波導將更為困難。另外，當色散的零點非常高時，很難獲得諸如低衰減、抗彎曲性和大有效面積等希望有的光學特性。
因此，研究了一種對策，其做法是使零色散波長關(guān)于工作(即，信號)波長范圍不對稱。于是，通過選擇合適的正負色散的子長度，使波導的總色散變小，同時將零色散波長保持在一范圍內(nèi)，用以提供所希望的波導特性，并易于制造。色散受控波導-λ0間隔較大并且不對稱圖8中曲線52和54所示的四波混頻功率損失表示這樣的波導，即對于正總色散的子長度，λ0＝1350nm，而對于負總色散的子長度，λ0＝1650nm。與先前的例子一樣，總的系統(tǒng)長度為15km，并且信道間隔為1.1nm。為了使總的波導色散較小，正色散的子長度取1.67km。負色散的子長度取3.33km。曲線52和54在整個工作波長范圍內(nèi)低于-30dBm，該結(jié)果更加一致性地低于上述任何一種色散受控波導的設(shè)計。因此，利用不對稱設(shè)計可以獲得極佳的色散補償，同時不犧牲光學特性或者制造波導的方便性。色散受控波導-λ0間隔較大并且不對稱的比較例用較短的子長度模擬上述具有非對稱λ0的波導，所有其它參數(shù)不變。正色散波導的子長度取0.835km。用來平衡正色散的負色散的子長度取1.675km。
圖9的曲線56和58示出了四波混頻功率噪聲的計算結(jié)果。在整個工作窗口內(nèi)，噪聲基本上小于-30dBm，這表示即使子長度是整個波導長度的一部分，也能抑制四波混頻。如果子長度不縮短，但整個波導長度加長，例如約30km，那么也能獲得相同的結(jié)果。選擇合適的子長度特征的結(jié)果是-各子長度的總色散基本上相互抵消；-在制造光纖和做光纜的地方，都很容易對光纖總量進行控制和利用；以及-可以將替代或修補的光纖插入光纖鏈路中，不需要獲得用于構(gòu)成鏈路的光纜的詳細資料。
在上述討論的每種色散受控制的波導中，正色散子長度的纖芯折射率曲線可以不同于負色散子長度的纖芯折射率曲線。因此，在相同的色散受控波導中，可以利用不同曲線設(shè)計的優(yōu)勢。例如，正色散折射率曲線可以選擇具有低衰減、低色散斜率、大有效面積(例如，在1550nm處為100μm2)以及低偏振模色散的階躍型折射率。負色散長度的纖芯折射率曲線可以是色散位移的波導所具有的特征。例如，可以在具有相當大折射率的中央纖芯區(qū)周圍包裹兩層或更多層具有不同纖芯折射率的環(huán)形區(qū)，以便獲得可以提供良好的抗彎曲性、低衰減、低偏振模色散和低總色散斜率的模功率分布。
沿波導長度具有不同纖芯折射率曲線的色散受控波導另有一個優(yōu)點，即用來產(chǎn)生兩個或更多個不同折射率曲線的不同氧化鍺濃度可以提供3dB的布里淵散射閾值，這比標準色散位移的波導高。
盡管本文揭示和描述了本發(fā)明的具體實施例，但本發(fā)明由以下權(quán)利要求書來唯一限定。
權(quán)利要求
1.一種色散受控制的單模光纖，它包括玻璃纖芯區(qū)，它具有一折射率曲線，周圍包裹一玻璃包層，所述包層的折射率為nc，nc小于所述玻璃纖芯區(qū)折射率曲線的至少一部分；所述單模波導纖維沿所述波導的長度具有變化的總色散，即符號從正到負和從負到正進行改變，所述波導纖維的子長度li由許多分段dli組成，每個分段dli具有相關(guān)的、基本上恒定的總色散Di，其中Di落在具有預先選定符號的第一個數(shù)值范圍內(nèi)，并且li用Didli之積的和來表征，所述波導纖維的子長度lj由許多分段dlj組成，每個分段dlj具有相關(guān)的、基本上恒定的總色散Dj，其中Dj落在符號與Di相反的第二個數(shù)值范圍內(nèi)并且lj用Djdlj之積的和來表征，并且提供過渡子長度lt，在該長度上，總色散從第一色散值范圍內(nèi)的值變化到第二色散值范圍內(nèi)的值，其中所有l(wèi)i，所有l(wèi)j和所有l(wèi)t子長度的和等于波導纖維長度，并且在一預定波長范圍R內(nèi)，所有dliDi積與所有dljDj積的代數(shù)和小于一預選值；其特征在于，子長度li具有相關(guān)的、選自第一波長范圍的λ0i，而子長度lj具有相關(guān)的、選自第二波長范圍的λ0j，其中λ0i大于工作波長λs，而λ0j小于工作波長λs，并且λ0j的最小值與λ0i的最大值之間的間隔不小于大約100nm。
2.如權(quán)利要求1所述的色散受控波導，其特征在于，λ0i-λs的數(shù)值不同于λs-λ0j的數(shù)值。
3.如權(quán)利要求2所述的色散受控波導，其特征在于，從1520納米到1575納米的波長范圍選擇λs，從1310納米到1450納米的波長范圍選擇λ0i，并從1600納米到1650納米的波長范圍選擇λ0j。
4.如權(quán)利要求1所述的色散受控波導，其特征在于，波導纖維的長度不小于約1.5km。
5.如權(quán)利要求1所述的色散受控波導，其特征在于，從1520納米到1575納米的波長范圍選擇λs，從1300納米到1450納米的波長范圍選擇λ0i，并從1600納米到1750納米的波長范圍選擇λ0j。
6.如權(quán)利要求1所述的單模波導纖維，其特征在于，所述過渡長度lt中的任何一個都具有小于大約50米的子長度ls，在該范圍內(nèi)，總色散的數(shù)值小于大約0.5ps/nm-km，從而基本上使所述子長度上因四波混頻引起的功率損失降至最低。
7.如權(quán)利要求1所述的單模波導纖維，其特征在于，λ0i或λ0j在系統(tǒng)的工作波長范圍之外。
8.一種色散受控的單模光纖，它包括玻璃纖芯區(qū)，它具有一折射率曲線，周圍包裹一玻璃包層，所述包層的折射率為nc，nc小于所述玻璃纖芯區(qū)折射率曲線的至少一部分；所述單模波導纖維沿所述波導的長度具有變化的總色散，即符號從正到負和從負到正進行改變，其中所述波導纖維的子長度li由許多分段dli組成，每個分段dli具有相關(guān)的、基本上恒定的總色散Di，其中Di落在具有預先選定符號的第一個數(shù)值范圍內(nèi)，并且li用Didli之積的和來表征，所述波導纖維的子長度lj由許多分段dlj組成，每個分段dlj具有相關(guān)的、基本上恒定的總色散Dj，其中Dj落在符號與Di相反的第二個數(shù)值范圍內(nèi)，并且lj用Djdlj之積的和來表征，并且提供過渡子長度lt，在該長度上，總色散從第一色散值范圍內(nèi)的值變化到第二色散值范圍內(nèi)的值，所有l(wèi)i，所有l(wèi)j和所有l(wèi)t子長度的和等于波導纖維長度，并且在一預定波長范圍R內(nèi)，所有dliDi積與所有dljDj積的代數(shù)和小于一預選值；其特征在于，對于具有正總色散的波導纖維長度，纖芯折射率曲線為階躍型，并且對于具有負總色散的波導長度，纖芯折射率曲線至少有三個分段。
9.如權(quán)利要求8所述的色散受控波導，其特征在于，總色散為負的波導子長度的纖芯折射率曲線具有相對折射率為Δ1的中央纖芯區(qū)、相對折射率為Δ2的第一相鄰環(huán)形區(qū)，以及相對折射率為Δ3的、與第一環(huán)形區(qū)相鄰的第二環(huán)形區(qū)，其中Δ1＞Δ3＞Δ2。
10.如權(quán)利要求9所述的色散受控波導，其特征在于，中央纖芯折射率曲線為三角形，第一相鄰環(huán)形區(qū)是平的，而第三相鄰環(huán)形區(qū)為圓角的階躍型。
11.如權(quán)利要求9或10所述的色散受控波導，其特征在于，Δ2的值可以為正、負或零。
全文摘要
揭示了一種色散受控制的光纖。用具有非零色散的光纖子長度制造波導,使四波混頻引起的功率損耗很小。沿波導長度交替子長度總色散的符號,將波導的總色散控制為預選的目標值。已經(jīng)發(fā)現(xiàn),當子長度的零色散波長相隔較大且不對稱時,可以獲得最佳性能。當對具有不同符號總色散的子長度改變纖芯折射率曲線時,可以實現(xiàn)其優(yōu)點。
文檔編號G02B6/02GK1253632SQ98804505
公開日2000年5月17日 申請日期1998年4月14日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月28日
發(fā)明者維尼卡塔·A·巴加萬吐納, D·Q·喬杜里 申請人:康寧股份有限公司