專利名稱：正色散低色散斜率的纖維的制作方法
本申請是申請日為1999年8月31日、申請?zhí)枮?9810722.0、發(fā)明名稱為“正色散低色散斜率的纖維”的發(fā)明專利申請的分案申請。
相關申請的交叉引用本申請要求以下申請的利益1998年9月11日提交的美國臨時專利申請60/099,979；1998年10月5日提交的美國臨時專利申請60/103,080；以及1999年4月23日提交的美國臨時專利申請60/130,650。
背景技術：
本發(fā)明涉及一種單模光纖，尤其涉及一種總色散在整個纖維長度上保持正值的波導纖維。另外，有效面積較大，而總色散斜率保持在較小的值。
由于高數據速率以及對較長再生器間隔的需要，已經增強探索為長距離、高比特率電信業(yè)設計的高性能光纖。一個附加要求是，該波導纖維應與光放大器兼容，而光放大器一般在1530nm至1570nm的波長范圍內具有最佳的增益曲線。還要考慮將可用波長擴展到大約1570nm至1700nm的L帶范圍的可能性，若能擴展到大約1570nm至1625nm的范圍則更好。
當用波分復用(WDM)技術增大波導信息容量時，有一附加波導纖維性能變得很重要。對于WDM的高比特率系統(tǒng)，波導應該具有異常低的但非零的總色散，從而可以限制四波混頻的非線性色散效應能夠在具有高功率密度(即，每單位面積具有較高的功率)的系統(tǒng)中產生不可接受色散的另一個非線性效應是自相位調制。自相位調制可以用以下方式來控制，即設計具有較大有效面積的波導纖芯，從而降低功率密度。另一種方法是控制波導總色散的符號，致使波導總色散的作用與自相位調制的色散作用相反。
具有正色散的波導將產生與自相位調制相反的色散作用，從而基本上消除自相位調制色散，其中“正”是指具有短波長信號的傳播速度大于長波長信號的傳播速度。
美國專利申請08/559,954揭示并描述了這種波導纖維。本發(fā)明的新穎分布曲線是在08/559,954光纖的基礎上增加有效面積以得到改善的。另外，此公開的波導在波長工作窗口上的總色散均為正，并且總色散的下限大于大約2.0ps/nm-km，從而進一步降低了因四波混頻產生的功率損失。
因此，需要一種光纖，該光纖-至少在1530nm至1570nm的波長范圍內是單模的；-在1530nm至1570nm的波長范圍之外具有一零色散波長；-在1530nm至1570nm的波長范圍上具有一正的總色散，總色散不小于大約2.0ps/nm-km，但低得足以避免產生較大的線性色散功率損失；-在大約1570nm至1625nm的范圍內具有一可用的傳輸窗口；和-保持諸如高強度、低衰減和可接受的抗彎曲引入的損耗等通常的高性能波導性能。
授予Bhagavatula的美國專利4,715,679全面描述了用纖芯分層增加波導纖芯結構的概念，其中各纖芯分層具有不同的分布曲線，為波導纖維設計提供了靈活性。分層纖芯的概念可用來獲得不尋常的波導纖芯的性能組合，諸如本文中所述的性能組合。
定義以下定義符合本領域常用定義。
-折射率分布曲線是折射率與波導纖維半徑之間的關系。
-分層纖芯至少具有第一和第二波導纖芯半徑分層。每個半徑分層各自都有相應的折射率分布曲線。
-纖芯分層的半徑用折射率分布曲線各分層的起點和終點來定義。

圖1示出了本文使用的半徑定義。中央折射率分層10的半徑是長度2，它是從波導中心線延伸到分布曲線變成分層12之α分布曲線的點，該點是被選中開始用α分布等式來計算相對折射率的點。分層12的半徑從中心線延伸到α分布曲線的外推下降部分與分布曲線分層14的外推延伸相交的徑向點。分層14的半徑是從中心線延伸到其Δ％為分層16之半Δ％最大值的半徑點。分層16的寬度是在分層16的半Δ％值之間測得的。分層16的半徑是從中心線延伸到該分層的中點。
顯然，可以對分層尺寸作許多替代的定義。這里所述的定義原用于計算機模擬中，這種模擬可以在給定一折射率分布曲線的情況下預測波導性能。模擬還可用來提供一族具有預選功能組的折射率分布曲線。
-有效面積為Aeff＝2π(∫E2r dr)2/(∫E4r dr)，其中積分限為0至∞，并且E是與傳播的光有關的電場。有效直徑Deff可定義為Aeff＝π(Deff/2)2。
-分布體積定義為2∫r1r2Δ％rdr。內分布體積是從波導中心線r＝0延伸到交叉半徑。外分布體積是從交叉半徑延伸至纖芯的最后一點。由于相對折射率是無量綱的，所以分布體積的單位為％μm2。分布體積單位％μm2在本文中將簡稱為“單位”。
根據信號功率分布對信號波長變化的依賴關系而求得交叉半徑。在內體積上，信號功率隨波長的增加而減小。在外體積上，信號功率隨波長的增加而增加。
-縮寫WDM表示波分復用。
-縮寫SPM表示自相位調制，這是一種非線性的光學現(xiàn)象，在該情況下，功率密度大于一特定功率電平的信號將相對于低于該功率密度的信號以不同的速度在波導中傳播。SPM會引起可以與具有負號的線性色散相比擬的信號色散。
-縮寫FWM表示四波混頻，在該現(xiàn)象中，波導中的兩個或多個信號發(fā)生干擾，產生具有不同頻率的信號。
-術語Δ％表示折射率的相對測量，它由下式定義Δ％＝100×[(ni2-nc2)/2ni2]，其中除非特別指明，ni為區(qū)域i的最大折射率，并且除非特別指明，n2為包層區(qū)域的折射率。
-術語α分布曲線是指遵循下述等式的折射率分布曲線，該式用Δ(b)％表示，其中b是半徑Δ(b)％＝Δ(b0)(1-[|b-b0|/(b1-b0)]α)，其中b0是分布曲線的最大值點，b1是Δ(b)％為零的點，b在bi≤b≤bf的范圍內，Δ如上定義，bi是α分布曲線的起點，bf是α分布曲線的終點，α是實數的指數。選擇α分布曲線的起點和終點，并將其輸入計算機模擬中。如這里所使用的，如果在α分布曲線之前是階躍型折射率分布曲線，那么α分布曲線的起點是α分布曲線與階躍型分布典型的交點。模擬中沒有考慮該交點處的擴散。因此，當把α分布曲線的起點指派給一個包含擴散的分布曲線時，可以外推α分布曲線的形狀和階躍型折射率分布曲線的形狀，找到它們的交點。對于α分布曲線后面跟階躍型折射率分布曲線的情況，可以用類似方式找到α分布曲線的終點。
在模擬中，為了使α分布曲線與相鄰分布分層的分布曲線光滑連接，可以將等式重寫成Δ(b)％＝Δ(ba)+[Δ(b0)-Δ(ba)]{(1-[|b-b0|/(b1-b0)]α)}，其中ba是相鄰分層的第一點。
一銷釘陣列彎曲測試用于比較波導纖維的相對抗彎曲性。為了進行該測試，對不發(fā)生感生彎曲損耗的波導纖維布置測量其衰減損耗。然后把波導纖維繞銷釘陣列彎曲，再次測量衰減。彎曲帶來的損耗是兩次衰減測量結果的差。銷釘陣列是一組按單行排列并在一平面上保持固定垂直位置的十個圓柱銷釘。銷釘的中心至中心間距為5毫米。銷釘直徑為0.67毫米。使波導纖維穿過相鄰銷釘的兩側。在測試期間，對波導纖維施加足以使波導與銷釘周邊一部分貼合的張力。

發(fā)明內容
這里揭示和描述的單模波導纖維滿足上述要求，并且波導纖維本身可以重復制造。
新型單模光纖具有一分層纖芯，并且分層纖芯至少具有兩個分層，每個分層由折射率分布曲線、相對折射率Δ％和半徑表征。選擇纖芯分層的特征，以提供一組特定的性能，適應于為工作在1550nm窗口內而設計的電信系統(tǒng)，所述電信系統(tǒng)一般工作在大約1530nm至1570nm的范圍內。較佳的范圍具有延伸到大約1625nm的工作波長窗口。該系統(tǒng)可以包括光放大器、WDM操作和相對較高的信號振幅。為了基本上消除諸如FWM和SPM等發(fā)生在高性能高速率系統(tǒng)中的非線性效應，使得波導的有效面積大于大約60μm2，大于65μm2則更好，最好大于70μm2?？偵⒆詈檬钦模⑶以?530nm處至少等于2ps/nm-km。此總色散與小于大約0.1ps/nm2-km的總色散斜率一起確保了在波長窗口內具有最小的FWM效應。在1530nm至1570nm波長帶上以及1625nm處的模場直徑很大，大約8.8μm至10.6μm的范圍內，以便于對光纖接頭。已經根據本發(fā)明設計了光纖分布曲線，它們在1550nm和1625nm處的衰減都小于0.25dB/km。
在新型波導纖維的一個實施例中，除了每個分層用折射率分布曲線、徑向延伸和正的相對折射率百分數表征之外，分層中至少有一個分層具有α分布曲線。玻璃包層包裹并接觸纖芯。
新型波導的實施例包括但不局限于那些具有兩個、三個和四分層的波導。在后面的表中和例子中，敘述了這些實施例的特征。
在圖5和6所示的實施例中，新型波導纖維具有α分布曲線，在大約0.8至3.3的范圍內，更好的是在0.95至3.16的范圍內。相對折射率Δ％在具有α分布曲線形狀的分層中最高，在與α分布曲線相鄰的階躍型折射率形狀上最低。最外層分層的Δ％在中央分層和第二分層的Δ％之間。
還包括了在1625nm處具有所需色散和模場直徑的實施例。具體地說，在1625nm處，波長纖芯的總色散小于大約13ps/nm-km，最好小于大約11.5ps/nm-km。
本發(fā)明還涉及光纖預制棒，以及制造這類光纖預制棒的方法，所述預制棒具有這樣的折射率分布曲線，使得當把光纖預制棒拉絲成波導纖維時，波導纖維包括一個分層纖芯，該纖芯至少具有兩個分層，每個分層都有半徑ri、折射率分布曲線和相對折射率百分數Δi％，其中i等于分層數目；一個包層，它包裹并接觸纖芯，包層的折射率為nc；由ri、Δi％和折射率分布曲線產生的光纖具有本文中將進一步描述的性能和特征。
用本領域已知的任何技術都能制造這類光纖預制棒，所述已知技術包括諸如OVD、IV、MCVD和VAD等化學汽相沉積技術。在一較佳實施例中，用OVD技術制造具有所需折射率分布曲線的微粉體預制棒。然后將該微粉體預制棒熔凝，并拉絲成一波導纖維。
附圖概述圖1是依照本發(fā)明的纖芯分布曲線，示出了計算機模擬計算中使用的半徑定義。
圖2是具有兩分層的實施例，示出了其相對折射率百分數對纖芯半徑的關系。
圖3是具有三分層的實施例，示出了其相對折射率百分數對纖芯半徑的關系。
圖4是具有四分層的實施例，示出了其相對折射率百分數對纖芯半徑的關系。
圖5是另一個具有三分層的實施例，示出了其相對折射率百分數對纖芯半徑的關系。
圖6是根據圖5目標形狀制造的光纖的相對折射率百分數對纖芯半徑的關系。
本發(fā)明的詳細描述新型波導纖維包括一族分層纖芯設計，這些設計可以產生一組希望有的、非常特別的功能參數。該族纖芯設計包括但不限于具有兩分層、三分層和四分層的實施例。
所述希望有的特征包括色散零波長低于大約在1530nm至1570nm范圍內的工作窗口，此工作窗口稱為C帶，它可以包括1625nm附近的波長，而波長1625nm是L帶的上限，L帶指大約1570nm至1625nm的波長范圍。工作窗口內的總色散最好不低于大約2ps/nm-km，而色散斜率較低，且低于大約0.10ps/nm2-km，以確保線性色散產生有限的功率損失。較低的斜率使得1625nm處的總色散不大于約13ps/nm-km。已經獲得了在1625nm處小于10ps/nm-km的總色散。
非零的總色散有效地消除了FWM，而符號為正的總色散抵消了因SPM引起的信號惡化。
后文中給出的表1、2和3定義了具有這些性能的新型波導纖維族。從以下舉例可以看出，衰減非常小，并且彎曲引起的損耗是可以接受的。
參照圖2，該圖是Δ％對纖芯半徑(以微米為單位)的曲線圖。由圖可見，分層纖芯具有兩個分層。這是下表1所描述的一例具體的波導纖維，在該例中，第二和第三分層具有相同的Δ％。分層18是α分布曲線，其α大約為1。第二分層20是階躍型折射率分布曲線，其外半徑由表2列出的寬度和外半徑確定。此外半徑是上述中點半徑。畫到第三分層寬度的中點。在制作預制棒中心部分時通過增加摻雜物的流速來補償中心線摻雜物的擴散。最好憑經驗通過對幾個預制棒的中心線加入不同量的摻雜物，然后處理預制棒，直到形成波導纖維，由此確定摻雜物的增加量。分布曲線中的彎曲部分22和24是由摻雜物擴散引起的。一般地說，模擬計算中涉及的半徑沒有考慮此擴散，因為諸如圖2所示的位于分布曲線部分22和24處的擴散作用是很小的。在任何情況下，擴散都可以通過調節(jié)折射率分布曲線的其它部分來進行補償。
例1-三分層的分布曲線根據圖3模擬光纖，該光纖具有以下結構。從中心線1開始對各分層連續(xù)計數，并且使用上述定義。纖芯設計是Δ1％大約為0.70％，r1大約為0.39微米，Δ2％大約0.74％，r2大約2.84微米，Δ3％大約為0.05％，而r3大約為5.09微米，其中r3是從中心線畫到階躍型分布20的中點。分層3的寬度大約為4.5微米。中心線上的相對折射率百分數大約為0.7，并且延伸到大約0.39微米的半徑點，α分布曲線從該點開始。α大約為1。此波導纖芯具有以下預知性能-零色散波長λ0為1501微米；-1540nm處的總色散為3.11ps/nm-km；-1560nm處的總色散為4.71ps/nm-km；-總色散斜率為0.08ps/nm2-km；-在光纖上測得的截止波長λc為970納米；-有效面積Aeff為72.7微米2。
-1550納米處的衰減為0.196dB/km。銷釘陣列彎曲損耗為87dB。對波導的截面橫向加重，發(fā)現(xiàn)在1550納米處，彎曲損耗為0.72dB/m。
例2-三分層的分布曲線根據圖3所示的折射率分布曲線，模擬第二種三分層纖芯的波導。在本例中，α分布曲線26從中心線開始，其Δ1％為0.63，r1為3.69微米。第二分層28是階躍型分布曲線，并且Δ2％為0.018。第三分層30是階躍型分布曲線，Δ3％為0.12％，r3是上述定義的中點半徑，為8.2微米，并且寬度為4.23微米。
此波導纖芯具有以下預知性能-零色散波長λ0為1495微米；-1540nm處的總色散為3.37ps/nm-km；-1560nm處的總色散為4.88ps/nm-km；-總色散斜率為0.075ps/nm2-km；-在光纖上測得的截止波長λc為1648納米；-有效面積Aeff為72.8微米2。銷釘陣列彎曲損耗為15.3dB。對波導的截面橫向加重，發(fā)現(xiàn)在1550納米處，彎曲損耗為0.75dB/m。
與例1的設計相比，本例中的性能極佳，并且彎曲損耗大大改善。圖3中的虛線32和34示出了另一些三分層纖芯的設計。應該理解，圖3的設計包括了分層28和30略微偏離階躍型折射率結構的折射率分布曲線。例如，各分層可以具有較小的正斜率或負斜率。盡管摻雜物擴散在圖3的分層邊界處有所顯示，但模擬計算不包括此擴散。對于本文所包含的所有模擬計算都是這樣。
例3-四分層的分布曲線模擬分布曲線符合圖4的波導纖維。第一分層36在中心線上具有相對折射率0.23，在如上定義的外分層半徑r1＝1.36微米處，Δ1為0.28。α分布曲線38中的α為0.388，Δ2％為1.73，并且外分層半徑r2為3.17微米。階躍型折射率部分40的Δ3％為0.17％，并且階躍型折射率部分42的Δ4％為0.17，r4為7.3，寬度為3.50微米。
此波導纖芯具有以下預知性能-零色散波長λ0為1496微米；-1540nm處的總色散為3.47ps/nm-km；-1560nm處的總色散為5.06ps/nm-km；-總色散斜率為0.08ps/nm2-km；-在光纖上測得的截止波長λc為1750納米；-有效面積Aeff為72.7微米2；并且-1550納米處的衰減A1550為0.212dB/km。銷釘陣列彎曲損耗為6.16dB。對波導的截面橫向加重，發(fā)現(xiàn)在1550納米處，彎曲損耗為0.74dB/m。
在此例中，性能同樣極佳，并且抗彎曲性特別好。
例子表明，折射率分布曲線的簡單性與抗彎曲性之間存在著主要的折衷，即抗彎曲性隨分布曲線復雜性的增加而改善。
為了找到分布曲線中可能發(fā)生的參數變化范圍，同時仍然提供所需要的性能，在一空間內的一系列點上進行模擬計算，其中所述空間具有對應于每個分布曲線變量的軸。表1至3示出了依照本發(fā)明的較佳波導功能參數，這些參數可以獲得所需的性能。表1示出了第一三分層設計的參數，表2示出了第二三分層設計的參數，表3示出了四分層設計的參數。這些表給出了波導纖維折射率分布曲線的一些限制，即對半徑和相對折射率Δ％的限制，以及從中導出的性能。
例4-三分層的設計模擬另一例產生極佳結果的三分層設計。參照圖5，分層46是α分布曲線，其α為1.33，Δ1％為0.64，r1為3.72微米；分層48是階躍型折射率，其Δ2％為0.008，r2為4.5微米；分層50是階躍型折射率，其Δ3％為0.14，中點半徑r3為7.43微米，并且分層50的寬度為4.49微米。分層44所提供的中心線擴散補償在中心線上的相對折射率為0.7，它延伸到0.39微米半徑上。
此波導纖芯具有以下預知特性-零色散波長λ0為1501微米；-1530nm處的總色散為2.53ps/nm-km；-1565nm處的總色散為5.47ps/nm-km；-總色散斜率為0.084ps/nm2-km；-在纜線形式上測得的截止波長λc為1280納米；-有效面積Aeff為72.5微米2；并且-1550納米處的衰減為0.195dB/km。
-內體積為1.61個單位，并且-外體積為4.90個單位。
例5-制造結果根據圖5的模擬分布曲線，制造了大量的光纖。圖6示出了所測得的折射率分布曲線。以下是光纖參數的目標值。中心線上的凹陷，其最小的Δ％為0.55％，半徑為0.39微米。α分布曲線的α為1.335，Δ％為0.64％，半徑為3.72微米。第二分層的Δ％為0.008。第三分層的Δ％為0.137，中點半徑為7.43，分層寬度為4.49微米。光纖的平均性能列于下表中。


這些都是極佳的結果，它們滿足或超過了所需的波導纖維的性能。此波導纖維在1625nm處的衰減也小于0.25dB/km。
以下表格有效地限定了能夠產生所需波導纖維功能的折射率分布曲線族。表中列出了每個特定分層的最大和最小Δ％，以及每個分層的相應半徑ri。在表頭中，注明了半徑測量到某分層中點的情況。所有其它半徑是一給定分層的最大外半徑以及下一個相鄰分層的最小內半徑，其中各分層從中心1開始向外計數。這些其它的半徑測量到分層分布曲線之間的外推交點。寬度指其半徑測量到中點的分層的寬度。
表1

表2

表3

盡管這里已經揭示和描述了新型波導的特例，但本發(fā)明僅由后附的權利要求書限制。
權利要求
1.一種單模光纖，其特征在于，包括分層纖芯，它至少包括三個分層，每個分層都具有半徑ri，折射率分布曲線和相對折射率百分數Δi％，其中i等于分層的數目；和包層，它圍繞并接觸纖芯，包層的折射率為nc；所述纖芯至少包括第一分層Δ1、圍繞第一分層的第二分層Δ2、以及圍繞第二分層的第三分層Δ3，其中Δ1＞Δ2＞Δ3，選擇ri、Δi％和折射率分布曲線，以提供零色散波長小于1500nm；在1530nm至1570nm波長范圍內的總色散斜率＜0.08ps/nm2-km；有效面積＞60μm2。
2.如權利要求1所述的單模光纖，其特征在于，1625nm處的總色散不大于約13ps/nm-km。
3.如權利要求2所述的單模光纖，其特征在于，在1530nm至1570nm的波長范圍內，模場直徑在大約8.8μm至10.6μm的范圍內。
4.如權利要求2所述的單模光纖，其特征在于，所述光纖在1550nm和1625nm波長處的衰減小于0.25dB/km。
5.如權利要求1所述的單模光纖，其特征在于，纖芯具有一中心線和四個分層，第一分層從中心線開始并具有一折射率分布，該分布具有中心線上的第一Δ值以及半徑上的第二Δ值，其中所述折射率分布是一曲線，根據第一和第二折射率Δ值并通過內插曲線擬合可以確定所述曲線，第二分層與第一分層相鄰，并具有α分布曲線，α值在大約0.22至0.394的范圍內，第三分層與第二分層相鄰并具有階躍型折射率分布曲線，而第四分層與第三分層相鄰，并具有階躍型折射率分布曲線。
6.如權利要求5所述的單模光纖，其特征在于，纖芯的內體積在大約1.27單位至1.89單位的范圍內，外體積在大約2.05至5.87單位的范圍內，并且內體積與外體積的比在大約0.25至0.77的范圍內。
7.如權利要求5所述的單模光纖，其特征在于，第一分層的Δ1％在大約0.12至0.72的范圍內，中心線上的相對折射率在大約0.23至0.24的范圍內，半徑r1在大約1.13至1.39μm的范圍內，第二分層的Δ2％在大約1.68至2.38％的范圍內，半徑在大約2.25至3.29μm的范圍內，第三分層的Δ3％在大約0.00至0.12的范圍內，而第四分層的Δ4％在大約0.06至0.18的范圍內，中點半徑r4在大約5.29至7.39μm的范圍內，并且寬度在大約3.38至8.03μm的范圍內。
8.如權利要求1所述的單模光纖，其特征在于，至少一個分層具有α分布曲線。
9.如權利要求8所述的單模光纖，其特征在于，在1530nm至1570nm的波長范圍內，模場直徑在大約8.8μm至10.6μm的范圍內。
10.如權利要求1所述的單模光纖，其特征在于，在1530nm至1570nm的波長范圍內，模場直徑在大約8.8μm至10.6μm的范圍內。
11.如權利要求10所述的單模光纖，其特征在于，所述光纖在1625nm處的色散小于11.5ps/nm-km。
12.如權利要求1所述的單模光纖，其特征在于，第一分層的半徑r1在大約2.4至4.17μm的范圍內，第三分層的中點半徑r3在大約3.95至10.11μm的范圍內，并且寬度在大約3.10至6.52μm的范圍內。
13.如權利要求1所述的單模光纖，其特征在于，所述光纖在1625nm處的色散小于11.5ps/nm-km。
14.如權利要求1所述的單模光纖，其特征在于，所述光纖在1550nm和1625nm波長處的衰減小于0.25dB/km。
全文摘要
揭示了一種具有分層纖芯的光波導，其中分層纖芯至少具有兩個分層。選擇各纖芯分層的相對折射率、折射率分布曲線和徑向尺寸，以提供一種光纖，該光纖的性能適于工作在大約1530nm至1570nm波長窗口內的高性能電信系統(tǒng)。描述了本發(fā)明具有兩個、三個和四個分層的實施例。為了消除諸如FWM和SPM等發(fā)生在高性能高速率系統(tǒng)中的非線性效應，使得波導的有效面積大于大約60μm
文檔編號G02B6/02GK1536380SQ20041003990
公開日2004年10月13日 申請日期1999年8月31日 優(yōu)先權日1998年9月11日
發(fā)明者馬代平, D·K·史密斯, 史密斯 申請人:康寧股份有限公司