專利名稱：具有更小受激布里淵散射的光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳輸領(lǐng)域，更具體地說涉及由于受激布里淵散射(SBS)而具有更小損耗的光纖。
背景技術(shù)：
對于光纖而言，我們通常將折射率分布限定為使纖維半徑與折射率相關(guān)聯(lián)的曲線形狀函數(shù)。按照標(biāo)準(zhǔn)的方式，橫坐標(biāo)表示離光纖中心的距離r，并且縱坐標(biāo)表示在芯部的折射率和光纖包層的折射率之間的差值。對于具有臺階形、梯形或三角形相應(yīng)形狀的曲線圖，我們因此將折射率分布稱為“臺階”、“梯形”或“三角形”。這些曲線通常代表光纖的理論形狀或參考折射率分布，光纖制造約束條件會導(dǎo)致明顯不同的形狀。
光纖通常由具有發(fā)射光學(xué)信號并且可使之放大的功能的光學(xué)芯部和具有將光學(xué)信號限定在芯部中的功能的光學(xué)包層。為此，芯部的折射率nc和外包層的折射率ng的關(guān)系為nc＞ng。如通常所知道的一樣，光信號在單模光纖中的傳播被分成在芯部中的受引導(dǎo)主模式和在整個芯部-包層的一定距離上的受引導(dǎo)副模式，即包層模式。
光纖是現(xiàn)代電信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。對于長通信距離的電信應(yīng)用來說使用這種光纖的一個限制是由于受激布里淵散射(SBS)而造成的損耗。SBS是由于光子與構(gòu)成光纖的玻璃基質(zhì)的聲子的相互作用導(dǎo)致的光學(xué)非線性。SBS限制了整個光纖傳輸系統(tǒng)的最大光功率；隨著輸入功率增加至所公知的布里淵閾值之上，可以沿著光纖傳輸?shù)墓β蔬_(dá)到上限。給光纖的任何附加的輸入功率由于聲子的相互作用而沿著向后方向散射，而不是作為更高的功率信號沿著向前發(fā)射方向傳播。因此，SBS如它所稱呼的那樣，降低了在接收器處的信噪比，并使得發(fā)射器由于反射光進(jìn)入而變得不穩(wěn)定。而且，在越來越長的距離上，在不斷增大的數(shù)據(jù)傳輸速率下越來越多地使用光纖放大器、固態(tài)Nd:YAG激光器以及外部調(diào)制，這些都結(jié)合在一起惡化了SBS。
在文獻(xiàn)中提出用于提高布里淵閾值的技術(shù)使得SBS的有害效果變得最低，并根據(jù)例如光源的光子能譜或者玻璃的光子能譜的變寬而提高光纖的功率處理容量以降低相互作用的效率。自發(fā)布里淵頻譜寬度的變寬會提高布里淵閾值。這可以通過使得布里淵頻率移動以在光纖截面中或者沿著光纖長度改變來實(shí)現(xiàn)。
EP-A-0839770提出了調(diào)制沿著光纖的牽引張力以抑制SBS，同時不會明顯地改變光纖損耗或者色散因數(shù)。
JP-A-09-311231提出通過改變背景氟濃度來改變沿著光纖長度(軸向)的折射率分布。WO-A-2004/027941提出了通過施加超聲波輻射或者施加熱處理而改變沿著光纖長度的折射率分布。
U-A-2002/0118935提出了一種圍繞光包層的不規(guī)則涂層，它沿著長度方向變化以便改變聲波的模式分布。
“通過在鋪設(shè)電纜中向光纖施加應(yīng)變分布來實(shí)現(xiàn)受激布里淵散射抑制”(N.Yoshizawa等人，IEEE JLT，vol 11，No 10，第1518-1522頁)提出了將光纖圍繞中心桿纏繞以誘發(fā)應(yīng)力來改變聲子的能量分布。
沿著光纖軸向改變折射率以及緊密光纖纏繞的一些缺點(diǎn)包括沿著光纖長度的非均勻光纖性能(拼接特性、Raman增益、截止波長)以及影響光纖壽命的更大疲勞。
US-A-6542683提出通過提供包括導(dǎo)致不均勻熱膨脹和粘度分布的玻璃改性摻雜物的交替層的光纖芯而增寬參與的SBS光子的能譜，所述摻雜物賦予光纖截面殘余永久非均勻應(yīng)力。具有不同熱膨脹系數(shù)(CTE)和粘度的至少兩個層在光纖截面中產(chǎn)生疲勞變化，這會產(chǎn)生布里淵頻移變化，并因此產(chǎn)生模式譜線寬度增大。
交替層中的CTE和粘度控制是難以實(shí)現(xiàn)的，為了獲得在芯中的摻雜和未摻雜層預(yù)制件的制造過程需要昂貴的設(shè)備。而且，只要芯部是摻雜的，光纖損耗就會增加，特別是當(dāng)摻雜物濃度具有明顯變化的時候。這種明顯的變化導(dǎo)致在其界面處的二氧化硅網(wǎng)絡(luò)缺陷，導(dǎo)致光纖吸收損耗的增加以及壽命的降低。
US-A-6587623提出了控制在光纖芯部中受到不良引導(dǎo)的聲波，從而減少光子-光子的相互作用，并因此降低SBS作用。但是這種光纖難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楣饫w分布必須同時滿足良好的光引導(dǎo)和不好的聲波引導(dǎo)。在優(yōu)化SBS作用的努力中，預(yù)計在光傳輸性能中存在缺陷。
“在單模光纖中的有效受激布里淵增益”(J，Botineau等人，Electronics Letters，1995年11月9日，vol 31，No 23)提出梯形折射率分布光纖與臺階形折射率分布相比能夠?qū)崿F(xiàn)更高的布里淵閾值。但是，梯形分布形狀不是最適用于專門電信用途。
因此需要這樣一種光纖，它具有更大的布里淵閾值并且不會改變光纖傳輸特性，即不會改變光纖折射率分布。還需要一種具有更大布里淵閾值并且光纖損耗增大有限的光纖。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提出了一種光纖，它包括芯部，它具有給定的折射率分布并且包括至少兩種共摻質(zhì)；包層部分，它具有給定的折射率分布；其中所述芯部摻雜物的至少一種的濃度在整個芯部區(qū)域上連續(xù)變化；該光纖在1550nm的波長下具有等于或大約100MHz的自發(fā)布里淵頻譜寬度。
根據(jù)各個實(shí)施方式，本發(fā)明的光纖包括以下特征中的一個或多個所述至少兩種芯部摻雜物的濃度在整個芯部區(qū)域上連續(xù)變化；至少一種芯部摻雜物濃度的變化對應(yīng)于大于或等于1×10-3的折射率變化；包層區(qū)域包括所述芯部摻雜物的至少一種；
芯部的折射率分布為臺階形分布、雙臺階形分布或阿爾法(alpha)分布；在包括Ge、F、P、Al、Cl、B、N和堿性金屬的組中選擇至少兩種芯部摻雜物；所述芯部摻雜物的一種為鍺(Ge)，其濃度在1wt％至20wt％的范圍中變化；所述芯部摻雜物的一種為氟(F)，其濃度在0.3wt％至8wt％的范圍內(nèi)變化；所述芯部摻雜物的一種為磷(P)，其濃度在1wt％至10wt％的范圍內(nèi)變化；在1550nm的波長下有效表面大于或等于50μm2；在1550nm的波長下衰減小于或等于0.3dB/km。
本發(fā)明還涉及一種光學(xué)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光學(xué)發(fā)射器，用來用與標(biāo)準(zhǔn)均勻Ge摻雜的臺階形光纖相比更大的布里淵閾值功率發(fā)射在預(yù)定的波長范圍內(nèi)的光信號；根據(jù)本發(fā)明的傳輸光纖；以及光學(xué)接收器，用來以與所述標(biāo)準(zhǔn)光纖相比更好的信噪比(SNR)接收光學(xué)信號。


通過閱讀以實(shí)施例的方式并且參照附圖給出的本發(fā)明實(shí)施方式的說明將更加清楚了解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1a為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的光纖的參考折射率分布的曲線圖；圖1b為圖1a的光纖中的摻雜物濃度的曲線圖；圖2a為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的光纖的參考折射率分布的曲線圖；圖2b為在圖2a的光纖中的摻雜物濃度的曲線圖；圖3a為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的光纖的參考折射率分布的曲線圖；圖3b為在圖3a的光纖中的摻雜物濃度的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的光纖包括其中引導(dǎo)所要傳輸?shù)墓庑盘柕男静繀^(qū)域和用于將光信號限制在芯部中的包層區(qū)域。該光纖具有根據(jù)不同用途的各種參數(shù)例如模場參數(shù)、色散參數(shù)、有效截止波長、有效面積等而限定的給定折射率分布。
根據(jù)本發(fā)明，纖維的芯部區(qū)域包括至少兩種共摻質(zhì)并且至少一種所述芯摻雜物的濃度在整個芯部區(qū)域上連續(xù)變化。
摻雜物濃度沿著光纖的徑向、尤其是在光纖的芯部中的變化允許布里淵譜加寬，并因此提高了布里淵閾值。平滑的摻雜物變化確保了對于不同摻雜物濃度的均勻模式功率的重新分配，并限制了光纖損耗。使用共摻質(zhì)允許為光纖保持給定的折射率分布，并減少SBS的降低對光纖的其它光學(xué)參數(shù)的影響，尤其是模場直徑和色散參數(shù)。沿著光纖長度也就是沿著其縱軸的摻雜物濃度是恒定的。這意味著摻雜物濃度不會在光纖長度上發(fā)生變化。
本發(fā)明的光纖對于在1550nm波長處傳播的信號具有等于或者大于100MHz的自發(fā)布里淵頻譜寬度。相比標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMF)來說，這種加寬的布里淵譜允許將布里淵閾值提高至少2倍(factor 2)(或者是在對數(shù)標(biāo)度中提高3dB)。本發(fā)明的光纖與標(biāo)準(zhǔn)傳輸光纖相比實(shí)現(xiàn)了高得多的布里淵閾值，并在1550nm波長處具有小于0.3dB/km的有限光纖損耗，并且不會明顯改變光纖的光學(xué)傳輸參數(shù)。
圖1a和1b顯示了本發(fā)明的光纖的第一實(shí)施例。
圖1a-b的光纖具有單臺階形分布，芯部具有給定的恒定折射率值，包層具有較小的恒定折射率值。圖1a顯示了具有任選單位的折射率分布。這種光纖分布例如用于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMF)。通常，SMF是基于二氧化硅的，并在芯部中包括摻雜物以提高二氧化硅的折射率，其濃度基本保持恒定以在芯區(qū)域上具有恒定的折射率值。
參考圖1b，光纖的芯區(qū)域包括兩種摻雜物。第一種摻雜物鍺(Ge)已知用于提高二氧化硅的折射率值，第二種摻雜物氟(F)已知用于降低二氧化硅的折射率值。圖1b顯示了摻雜物濃度的重量百分?jǐn)?shù)wt％。根據(jù)本發(fā)明，至少一種芯摻雜物在整個芯區(qū)域上連續(xù)變化。在圖1b中，兩種共摻質(zhì)在整個芯部區(qū)域上連續(xù)變化。使用至少兩種摻雜物保證折射率分布保持在給定的參考分布，也就是圖1a-b的實(shí)施例中的單臺階形分布。
至少一種芯部摻雜物濃度的變化在光纖截面中引入了密度和彈性變化，這加寬布里淵頻譜，并因此提高了布里淵閾值。芯部摻雜物濃度的變化必須大到足以引入足夠的密度和彈性變化以減少SBS。申請人發(fā)現(xiàn)，至少一種芯摻雜物應(yīng)當(dāng)在整個芯部區(qū)域上具有與大于或者等于1×10-3的折射率變化相對應(yīng)的濃度變化，也就是如果沒有受到另一種芯部摻雜物的補(bǔ)償，則應(yīng)當(dāng)是由芯部摻雜物濃度的變化賦予的折射率變化。
為了具有受激布里淵的高閾值，本申請人希望具有寬的自發(fā)布里淵頻譜。因?yàn)楦淖冩N含量導(dǎo)致布里淵波長的移位，因此申請人希望具有a)鍺濃度較大的總體分布以及b)對于鍺的給定分布，在不同的鍺濃度上盡可能均勻地分配模式功率。
關(guān)于b)，從數(shù)學(xué)角度給出的最佳解決方案中功率分?jǐn)?shù)與徑向鍺濃度的第一導(dǎo)數(shù)成正比。
D(Ge(r))/Dr＝const*P(r)功率分?jǐn)?shù)P(r)涉及到功率在光纖中的徑向分布。P(r)是在從r至r+dr的環(huán)中的模式分?jǐn)?shù)冪。Ge(r)為在徑向位置r處的鍺濃度。
回到圖1b，鍺濃度從5.8wt％(單位重量百分比)連續(xù)變化至12wt％。氟濃度從0.1wt％連續(xù)變化為1.7wt％。
摻雜物濃度的平滑規(guī)則變化確保了不同摻雜物濃度的均勻模式功率分配，并且限制了光纖損耗。在圖1a-b中例舉的在光纖上形成的模擬在1550nm的信號波長處給出了大于100MHz的自發(fā)布里淵頻譜寬度和與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖相比增加至少2倍的SBS閾值功率，并且有限的Rayleigh損耗增加大約0.013dB/km。
圖2a和2b顯示出根據(jù)本發(fā)明的光纖的第二實(shí)施例。圖2a顯示出具有任意單位的折射率分布，并且圖2b顯示出以wt％為單位的摻雜物濃度。
圖2a-b的光纖具有一雙臺階形分布，其中芯部包括具有給定恒定折射率值的中央部分和具有更小恒定折射率值的環(huán)，包層具有小于中央部分折射率值并且高于環(huán)形部分折射率值的恒定折射率值。這種光纖結(jié)構(gòu)用于信號傳輸?；氐綀D2b，光纖的芯部和包層區(qū)域包括兩種摻雜物；鍺(Ge)和氟(F)，這兩者都在整個芯部區(qū)域上連續(xù)變化并且在包層區(qū)域中保持恒定。
在圖2b中，鍺濃度在芯部區(qū)域上從9.6wt％連續(xù)變化至5.2wt％；并且氟濃度在中央芯部區(qū)域中從0.7wt％連續(xù)變化至0.0wt％并且在環(huán)形芯部區(qū)域中從1.8wt％變化至1.2wt％。在氟濃度中的臺階對應(yīng)于在中央芯部區(qū)域和環(huán)形芯部區(qū)域之間的折射率臺階。離開該臺階，根據(jù)針對給定光學(xué)用途確定的參考折射率分布的要求，氟濃度在芯部區(qū)域上具有平滑恒定的變化；確保了對于不同摻雜物濃度的均勻模式功率分配并且限制了光纖損耗。在圖2中所例舉的在光纖上作出的模擬在1550nm的信號波長下給出了大于100MHz的SBS頻譜寬度和與標(biāo)準(zhǔn)均勻Ge摻雜臺階形光纖相比增大2倍的SBS閾值功率，并且受限的Rayleigh損耗增加導(dǎo)致在1550nm下小于0.3dB/km的總損耗。
圖3a和3b顯示出根據(jù)本發(fā)明的光纖的第三實(shí)施例。圖3a顯示出具有任意單位的折射率分布，并且圖3b顯示出以wt％為單位的摻雜物濃度。
圖3a-b的光纖具有一阿爾法臺階形分布，并且芯部具有一中央阿爾法形狀部分、具有給定恒定折射率樹脂的第一環(huán)和第二埋入環(huán)，包層具有比第一環(huán)形部分折射率數(shù)值更小并且比埋入環(huán)部分折射率數(shù)值更高的恒定折射率數(shù)值。這種光纖結(jié)構(gòu)用于信號傳輸。
回到圖3b，光纖的芯部和包層區(qū)域包括兩種摻雜物鍺(Ge)和氟(F)。鍺濃度在中央芯部區(qū)域和第一環(huán)區(qū)域上連續(xù)變化，并且在埋入環(huán)區(qū)域中基本上保持為零。氟濃度在中央芯部區(qū)域和第一環(huán)區(qū)域上連續(xù)變化，并且在埋入環(huán)區(qū)域上保持恒定。
在圖3b中，鍺濃度在中央芯部區(qū)域和第一環(huán)形區(qū)域上從9.2wt％連續(xù)變化為1.0wt％；并且氟濃度在所述區(qū)域上從0.7wt％連續(xù)變化為0wt％。在氟濃度中的臺階和在鍺濃度中的臺階與在第一環(huán)形芯部區(qū)域和埋入環(huán)芯部區(qū)域之間的折射率臺階對應(yīng)。
在圖3中例舉的光纖上作出的模擬在1550nm的信號波長下給出了大于100MHz的SBS頻譜寬度和與標(biāo)準(zhǔn)SMF光纖相比增大2倍的SBS閾值功率，并且受限的Rayleigh損耗增加導(dǎo)致在1550nm下小于0.3dB/km的總損耗。這些附圖給出了本發(fā)明的實(shí)施例?？梢允褂贸随N(Ge)和氟(F)之外的其它摻雜物來實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的具有更小SBS的光纖。芯部區(qū)域包括能夠從包括Ge、F、P、Al、Cl、B、N和堿性金屬的組中選出的至少兩種摻雜物。
只要其中一種所述芯部摻雜物為鍺(Ge)，則該濃度可以在1wt％至20wt％的范圍中變化；在其中一種所述摻雜物為氟(F)時，該濃度可以在0.3wt％至8wt％范圍中變化；在其中一種所述摻雜物為磷(P)時，濃度可以在1wt％至10wt％的范圍中變化。
本發(fā)明的光纖與標(biāo)準(zhǔn)傳輸纖維相比具有高得多的布里淵閾值，并且其光纖損耗有限并且在有折射率參考分布所確定的光纖光學(xué)參數(shù)中沒有變化。本發(fā)明的光纖在1550nm的波長下具有大于或等于50μm2的有效表面和在1550nm下小于或等于0.3dB/km的衰減。這種光纖適合用在電信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸。這種光學(xué)傳輸系統(tǒng)可以包括用來發(fā)射在預(yù)定波長范圍內(nèi)的光學(xué)信號的光學(xué)發(fā)射器、作為本發(fā)明的光纖的傳輸光纖以及用來接收由于SBS減小和光纖損耗增大受限而導(dǎo)致信噪比(SNR)更好的光學(xué)信號的光接收器。與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)相比，光學(xué)發(fā)射器可以將具有更高功率的光學(xué)信號輸入給光纖；用于傳輸光纖的布里淵閾值功率與SMF相比增加至少兩倍。
權(quán)利要求
1.一種光纖，包括芯部區(qū)域，它具有給定的折射率分布并且包括至少兩種共摻質(zhì)；包層區(qū)域，它具有給定的折射率分布；其中至少一種所述芯部摻雜物的濃度在整個芯部區(qū)域上沿著徑向連續(xù)變化；光纖在1550nm的波長下具有大于或等于100MHz的自發(fā)布里淵頻譜寬度。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中所述至少兩種芯部摻雜物的濃度在整個芯部區(qū)域上沿著徑向連續(xù)變化。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光纖，其中至少一種芯部摻雜物濃度的變化對應(yīng)于大于或等于1×10-3的折射率變化。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的光纖，其中包層區(qū)域包括所述至少一種所述芯部摻雜物。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的光纖，其中所述芯部的折射率分布為臺階形分布。
6.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的光纖，其中所述芯部的折射率分布為雙臺階形分布。
7.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的光纖，其中所述芯部的折射率分布為阿爾法分布。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的光纖，其中至少兩種芯部摻雜物選自包括Ge、F、P、Al、Cl、B、N和堿性金屬的組。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的光纖，其中所述芯部摻雜物的一種為鍺(Ge)，其濃度在1wt％至20wt％的范圍內(nèi)變化。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的光纖，其中所述芯部摻雜物的一種為氟(F)，其濃度在0.3wt％至8wt％的范圍內(nèi)變化。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的光纖，其中所述芯部摻雜物的一種為磷(P)，其濃度在1wt％至10wt％的范圍內(nèi)變化。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的光纖，在1550nm的波長下具有大于或等于50μm2的有效表面。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的光纖，在1550nm的波長下具有小于或等于0.3dB/km的衰減。
14.如權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的光纖，其中功率分?jǐn)?shù)與徑向鍺濃度的第一導(dǎo)數(shù)成正比，ddr(Ge(r))=const*P(r)]]>其中Ge(r)為在徑向位置r處的鍺濃度，P(r)為在光纖中的徑向位置r處的功率。
15.如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的光纖，其中所述至少一種芯部摻雜物的濃度沿著光纖的縱向軸線為常數(shù)。
16.一種光學(xué)傳輸系統(tǒng)，包括光學(xué)發(fā)射器，用來用與標(biāo)準(zhǔn)均勻Ge摻雜的臺階形光纖相比更大的布里淵閾值功率以預(yù)定的波長范圍發(fā)射光信號；根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的傳輸光纖；以及光學(xué)接收器，用來以與所述標(biāo)準(zhǔn)光纖相比更好的信噪比(SNR)接收光學(xué)信號。
全文摘要
具有給定折射率分布的光纖包括芯部區(qū)域和包層區(qū)域。芯部區(qū)域包括至少兩種共摻質(zhì)，并且所述芯部摻雜物的至少一種的濃度在整個芯部區(qū)域上連續(xù)變化。該光纖在1550nm的波長下具有大于或等于100MHz的自發(fā)布里淵頻譜。本發(fā)明的光纖與標(biāo)準(zhǔn)傳輸纖維相比具有高得多的布里淵閾值，并且在1550nm的波長下具有小于0.3dB/km的有限光纖損耗，并且在光纖的光學(xué)傳輸參數(shù)中沒有變化。
文檔編號H04B10/02GK1932562SQ200610151460
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月9日
發(fā)明者伊沃·弗拉梅 申請人:德雷卡通信技術(shù)公司