一种新型低色散光纤 技术领域
本发明涉及一种用在光纤通信领域高速大容量的单模传输光纤，特别是一种新型低色散光纤。
背景技术
光纤通信是信息社会的技术基础，发展光纤通信新技术意义重大；为了满足社会对信息传输速率日益增加的需求，光纤通信技术需不断发展，同时新应用正在发展，主要是城域网方面的发展较快；长途方面的发展需求趋于平缓；这样整个光纤通信工业更密切地关注着收入、成本和利润。从技术和经济上考虑，光纤通信技术发展主要包括2大方向。其一，提高波分复用单信道的传输速率；其二，增加波分复用的信道数量。系统要求的光学信噪比随着单信道的速率提高而成正比增加，因此要求更高的信号光功率，这使得光纤非线性效应更趋严重。又由于波分复用传输波长范围扩展，边缘信道的色散累积使得光纤色散补偿更加复杂，影响了系统成本。以上形势推动着光纤通信技术继续发展，不断要求光纤技术创新。既要求满足社会对信息传输的日益增加的需求，又要考虑经济效益。这就需要拓宽光纤波分复用工作波长范围，并且要注重降低每比特成本，实现在更长的波长范围内能进行波分复用应用，并且大大降低色散管理成本，尤其要能满足城域网的发展需求。
目前已有的各种光纤都不能很好地在短波段(S波段：1460-1530nm)、普通波段(C波段：1530-1565nm)、长波段(L波段：1565-1625nm)这样三个波段同时以高的传输速率工作，存在各自的不同缺陷。主要问题是：在该波长范围内非线性效应、色散等因素不能兼顾。G.652光纤在S、C、L带的色散大，色散斜率高；因此，色散补偿困难，增加系统成本。G.653光纤在C带有零色散波长，有效面积较小；因此，FWM等非线性效应严重。G.654光纤的截止波长比S带长；在S、C、L带的色散大，色散斜率高；因此，工作波长范围不足，色散补偿困难，增加系统成本。G.655光纤的关键问题之一是有些G.655光纤的截止波长比S带长；有些G.655光纤的零色散波长在S带；有些G.655光纤在S带或S、C、L带的色散过低，因此四波混频等非线性效应严重。
虽然现在G.655光纤种类众多，但是在现有的大多数G.655光纤中，即使传输距离为80公里，也要在L波段上进行色散补偿，增加了系统成本。另外，一些G.655光纤在S波段上存在零色散值。这样，DWDM在该光纤中应用所引起地四波混频将是一个很大的问题。所以G.655A光纤和G.655B光纤也不能满足系统发展要求。总之，现有的各种单模光纤都不能适应在S-C-L三个连续波段进行多信道窄间隔密集波分复用(DWDM)和粗波分复用(CWDM)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有产品的缺陷，提供一种新型低色散单模光纤，它解决了现有的各种单模光纤都不能适应在S-C-L三个连续波段进行多信道窄间隔密集波分复用(DWDM)和粗波分复用(CWDM)的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：它包括纤芯和包层，其特征是：在纤芯(1)上覆盖有第一折射率下凹环(2)，在第一折射率下凹环(2)上覆盖有第二折射率下凹环(3)，在第二折射率下凹环(3)上覆盖外芯(4)，在外芯(4)上覆盖内包层(5)，在内包层(5)上覆盖外包层(7)。本发明第一折射率下凹环宽度d1范围为：0.5μm≤d1≤2.5μm，第二折射率下凹环宽度d2范围为0.5μm≤d2≤2.5μm；第一折射率下凹环和第二折射率下凹环的绝对折射率n1、n2分别满足1.447≤n1≤1.456和1.448％≤n2≤1.457。第一折射率下凹环(2)和第二折射率下凹环(3)中掺杂了添加物Si2F6或C2F6，其掺杂量分别为0.15％～0.9％和0～0.75％；本发明在1460纳米到1625纳米的波长范围内没有零色散波长；在1460纳米到1625纳米的波长范围内色散在2～8ps/nm.km之间，色散斜率不大于0.03ps/nm2.km，其截止波长不大于145nm；在1360纳米到1675纳米的波长范围内，色散在1ps/nm.km到13ps/nm.km之间，其截止波长不大于1350mm。
以下对本发明的原理进行详细说明：
随着光通信的发展，对单模光纤的要求进一步提高，当前应用趋势具体有如下特点：对比G.655光纤，色散特性更优，工作波长更宽：在1460-1625nm波长范围内，色散可抑制DWDM系统中的各种非线性效应。非零色散工作波长最小为1460-1625nm，色散系数为正(+)号，2ps/nm.km≤Dmin≤D≤Dmax≤15ps/nm.km。光纤的色散斜率比其它光纤的更低。
基于以上考虑，已有光纤都不能满足要求。在设计和制造中要做到将平均色散斜率降低到0.030ps/nm2.km以下，最好是做到将平均色散斜率降低到0.010ps/nm2.km以下(此时波长应用范围可拓展至1300nm-1700nm)。由于色散斜率和弯曲衰减同有效面积都存在一定矛盾，往往在降低色散斜率的同时有效面积会减小，为降低1625nm波长弯曲衰减有效面积也会减小，所以必须兼顾几者之间的关系，使设计制造出的光纤具有令人满意的光学性能，在保证色散斜率和弯曲衰减的前提下，最好是能将有效面积做到60μm2左右。在设计和制造中还要注意PMD的降低，设计出的光纤结构必须内应力和几何缺陷进一步降低，光纤各部分具有尽可能相同的粘度和膨胀系数，具有良好的几何尺寸；在制造工艺上沉积，缩棒，拉丝都有更严格的要求。截止波长和熔接衰减也必须加以注意。
由于光纤制造业的竞争越来越激烈，设计出的RIP结构必须在工艺正常波动时保证光学特性的变化不明显，以提高成品率，降低成本。最后，在制造工艺方面，必须提高生产率，要能使单根预制棒拉丝长度达到200km以上，保证光纤的均匀性等品质，进一步提高该型光纤的经济效益。
当前G.655光纤与本发明所涉及的光纤具有一定的相似性，但是该型G.655光纤要么截止波长比S带长；要么光纤的零色散波长在S带；要么光纤在S、C、L某一带的色散过低，并且在L带的弯曲衰减偏大。而本专利涉及的光纤则截止波长比S带短；光纤的零色散波长在S带或E带以下；光纤在S、C、L带或E、S、C、L、U带的色散为1-13ps/nm.km，并且在L带也具有良好的衰减特性。其色散特点是在DWDM中波长应用范围高达165-400nm，在S、C、L三波段平均色散斜率≤0.010。由于这些特点本光纤与G.655光纤在结构上具有一定的区别。我们设计出在工艺微小波动时色散特性变化更加不敏感的RIP参数。
石英玻璃单模光纤的色散特性主要由材料色散和波导色散2部分复合构成。波导色散对于波导结构的改变极为敏感，适当地设计光纤的RIP结构，能够改变波导色散的幅度，实现非零色散位移，达到所研制的光纤的零色散波长位移到小于1460nm或1360nm。更进一步，适当设计的光纤RIP，在纤芯外增加2个低折射率的下凹环，随其深度和宽度增加，斜率逐渐减小又逐渐增大，存在一个最优化值，还可以改变波导色散随波长增加的斜率，从而改变总的色散斜率，在S、C、L波段或E、S、C、L、U波段约160-400nm范围内总的色散斜率降低，实现色散斜率基本为零，以保持1-13ps/nm.km的非零色散。
对于有效面积，也可以通过纤芯外2个下凹环和外芯调整，有效面积除对色散和斜率有影响外，它们的调整对于微弯衰减也具有明显影响，由于有效面积和长波长的微弯衰减存在正比关系，必须选择合理的设计，保证一定有效面积的情况下长波长衰减性能仍保持良好。截止波长主要通过外芯和纤芯设计进行调整。
本发明利用光纤RIP参数与光纤色散特性的理论关系，建立适当的数学模型，利用该数学模型进行计算机模拟，针对预期目标，获得最适当的光纤径向折射率剖面(RIP)参数。然后，利用精良的PCVD、MCVD和OVD工艺按照计算机模拟获得的参数试制样品，根据对样品特性的测试，建立实际的光纤工艺。最后根据实际的光纤测试结果，再进行系统传输计算机模拟实验，根据传输实验结果进一步调整设计思路及工艺路线，这样形成一个闭环，最后研制出成熟的光纤。我们现利用设计软件设计出的RIP参数已具有新的改进，在纤芯外增加了2个低折射率的下凹环，兼顾了色散，有效面积，截止波长，弯曲衰减等指标。这是一种新一代单模光纤；可实现在S-C-L连续3波段非零色散、色散斜率很小的光纤设计与制造技术，并可以将色散应用范围扩展至E波段和U波段；将光纤链路的色散管理成本降到最小；具有新的最佳化的截止波长、有效面积、弯曲衰减；是唯一可在S-C-L连续3波段进行CWDM、DWDM应用的光纤。
本发明的明显特点是在纤芯上覆盖了第一折射率下凹环和第二折射率下凹环，第二折射率下凹环的折射率比第一折射率下凹环的折射率高。这两个折射率下凹环对于色散、色散斜率、有效面积具有明显的调节作用，对截止波长有微调作用，并可以使光纤的上述参数达到最佳化综合配制。并且本发明的纤芯(1)、第一折射率下凹环(2)、第二折射率下凹环(3)、外芯(4)、内包层(5)采用MCVD或PCVD法实现，由于这两个环可以采用各自独立的参数调整，可以使控制精度更高，所制出的光纤预制棒在测试种增添了参考坐标，使工艺控制和实现更加准确易行。本发明不仅能够满足S-C-L三波段传输要求，还能用于E-S-C-L-U五波段传输的新型单模光纤。本光纤在1460-1625nm波段比现有G.655光纤标准具有更大的正色散值，且色散的斜率更低。这种更大的色散值可更有效地抑制密集波分复用(DWDM)系统中所引起的四波混频、交叉相位调制等非线性效应。这种光纤超出了现有G.655光纤标准规定的波长范围，而且该光纤在S、C、L三个波段具有较大的正色散值，可以在S、C、L三个波段或E、S、C、L、U五波段实现波分复用，满足最新系统发展应用需求。
本发明纤芯(1)、第一折射率下凹环(2)、第二折射率下凹环(3)、外芯(4)、内包层(5)为采用现有的PCVD法或MCVD法沉积的全石英合成层，衬底管(6)、外包层(7)部分为现有的OVD法制成的合成石英层。
附图说明图1为本发明的折射率剖面示意图图2为本发明的色散特性示意图图3为本发明的模场直径和有效面积示意图图4为本发明的弯曲损耗特性示意图图5为本发明另一实施例的折射率剖面示意图图6为本发明另一实施例的色散特性示意图图7为本发明另一实施例的模场直径和有效面积示意图图8为本发明另一实施例的弯曲损耗特性示意图表1为本发明所述光纤的第三实施例的截止波长调整结果
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行更详细地说明本发明：
如图1所示，本发明光纤包括纤芯和包层，在纤芯(1)上覆盖有第一折射率下凹环(2)，在第一折射率下凹环(2)上覆盖有第二折射率下凹环(3)，在第二折射率下凹环(3)上覆盖外芯(4)，在外芯(4)上覆盖内包层(5)，在内包层(5)上覆盖外包层(7)。在本实施例中，第一折射率下凹环宽度d1为1.55μm，第二折射率下凹环宽度d2为1.3μm；第一折射率下凹环和第二折射率下凹环的绝对折射率n1、n2分别为1.45和1.452。
其中：
第1部分为纤芯，半径为3.6μm，折射率为1.4645。
第2部分为第一折射率下凹环，尺寸为1.55μm，折射率为1.45。
第3部分为第二折射率下凹环，尺寸为1.3μm，折射率为1.452。
第4部分为外芯，尺寸为4.4μm，折射率为1.46。
第5部分为光纤内包层，尺寸为5μm，折射率为1.456。
第6部分为衬底管，尺寸为10μm，折射率为1.457。
第7部分为外包层，尺寸为36.65μm，折射率为1.457。
第1、2、3、4、5部分为PCVD法或MCVD法沉积的全石英合成层，第6、7部分为OVD法制成的合成石英层。
在这一实施例的光纤中，总色散在1460～1625nm范围内为5.53～6.24ps/nm.km之间，最大色散斜率小于0.01ps/nm2.km。在超过1360～1675nm的更宽波长范围内色散也在1～13ps/nm.km之间。如图2所示。
在这一实施例的光纤中，1550nm处的模场直径为8.5μm，有效面积57.5。如图3所示。
在这一实施例的光纤中，宏弯损耗接近于0，而微弯损耗为0.0037dB/km。如图4所示。
如图5为本发明的另一个实施例，这种光纤在纤芯(1)覆盖第一折射率下凹环(2)，在第一折射率下凹环(2)上覆盖第二折射率下凹环(3)，在第二折射率下凹环(3)上覆盖外芯(4)，在外芯(4)上覆盖内包层(5)，在内包层(5)上覆盖外包层(7)做成的。第一折射率下凹环宽度d1为1.55μm，第二折射率下凹环宽度d2为1.35μm。第一折射率下凹环和第二折射率下凹环的绝对折射率n1、n2分别为1.453和1.455。其中第1部分为纤芯，半径为3.6μm，折射率为1.4643。
第2部分为第一折射率下凹环，尺寸为1.55μm，折射率为1.453。
第3部分为第二折射率下凹环，尺寸为1.3μm，折射率为1.455。
第4部分为外芯，尺寸为4.4μm，折射率为1.46。
第5部分为光纤内包层，尺寸为5μm，折射率为1.456。
第6部分为衬底管，尺寸为10μm，折射率为1.457。
第7部分为外包层，尺寸为36.65μm，折射率为1.457。
第1、2、3、4、5部分也为PCVD法或MCVD法沉积的全石英合成层，第6、7部分也为OVD法制成的合成石英层。
在这一实施例的光纤中，总色散在1460～1625nm范围内为2.70～7.56ps/nm.km之间，最大色散斜率小于0.029ps/nm2.km。如图6所示。
在这一实施例的光纤中，1550nm处的模场直径为8.33μm，有效面积54.5。如图7所示。
在这一实施例的光纤中，宏弯损耗接近于0，而微弯损耗为0.0046dB/km。如图8所示。
如表1为第三个实施例。在这个实施例中光纤的其它参数与第二个实施例的光纤参数相同，但对第一折射率下凹环(2)和第二折射率下凹环(3)的折射率以及外芯的尺寸和折射率进行微调。从该表中可以发现，第一折射率下凹环和第二折射率下凹环的折射率的微调对截止波长产生微调，而外芯的尺寸和折射率的微调会对截止波长造成较大的影响。 第一折射率下凹环 第二折射率下凹环 外芯尺寸 外芯折射率 截止波长 1.451 1.453 4.4 1.46 1.31 1.452 1.454 4.4 1.46 1.35 1.451 1.453 4.6 1.46 1.35 1.451 1.453 4.8 1.46 1.40 1.451 1.453 5.0 1.46 1.44 1.451 1.453 4.4 1.4603 1.41
表1
本发明还有许多实施方式，在光纤其它结构与上述实施例相同的情况下，第一折射率下凹环宽度d1可以选为1.0μm、2.0μm、0.5μm、2.5μm，第二折射率下凹环宽度d2也可以选为1.0μm、2.0μm、0.5μm、2.5μm。