色散稳定型低色散斜率城域网光纤 【发明领域】
本发明涉及一种非零色散位移单模光纤，尤其涉及，一种色散稳定型低色散斜率城域网光纤。
背景技术
与本发明所涉及光纤最接近的是现有康宁MetroCorTM城域网非零色散位移单模光纤，后者在1530～1605nm工作波长范围内色散满足-10.0≤D≤-1.0ps/nm/km，有两个缺点需要克服：
(1)工作波长范围太窄，甚至连L波长窗口1565～1625nm都没有用足，影响传输带宽；
(2)在所述工作波长范围内色散绝对值最大值太大，影响传输距离。
本发明克服现有康宁MetroCorTM城域网非零色散位移单模光纤书述两个缺点的技术途径是：
(1)按所要求工作波长范围确定光纤零色散波长；
(2)将光纤零色散斜率置于色散稳定区域中的低色散斜率部分。既提高色散稳定性，又降低色散斜率，保证在给定工作波长范围内色散绝对值最大值最小，或者对于给定色散绝对值最大值工作波长范围内最宽。
所发明光纤是零色散波长标称值λ0＝1630～1650nm的零色散斜率S0＝0.054～0.070ps/nm2/km的单模光纤，不同于现有非零色散位移单模光纤，特别是现有城域网非零色散位移单模光纤。
本专利不同于以下美国专利：例如，美国专利第5,553,185号、第5,684,909号、第5,715,346号、第5,748,824号、第5,781,684号、第5,835,655号、第6,031,956号、第6,091,873号、第6,212,322B1号、第6,301,422B1号、第6,324,327B1号、第6,345,140B1号，等等。
本专利也不同于以下中国发明专利：例如，中国发明专利第998086460号、第971024448号、第961232323号、第961217677号、第981216390号、第981193102号、第971232911号、第01126988X号，等等。
所发明低色散斜率城域网光纤工作于单模光纤色散稳定区域中较低色散斜率部分，工作波长范围为1530～1625nm或1440～1605nm，有以下优点：
(1)色散绝对值最大值明显减小或工作波长范围明显拓宽；
(2)色散稳定性和纵向均匀性明显改善；
(3)色散斜率较低；
(4)性能对折射率剖面中心凹陷不敏感。
使用所发明光纤有以下好处：
(1)提高生产成品率，降低光纤成本；
(2)降低通信系统成本；
(3)适应扩展工作波长范围的潜在要求。
下面对本发明涉及到的术语给出定义，所述定义符合本领域惯例；本说明书专用术语通过惯用术语说明。
纤芯各分层的半径按折射率定义。每一特定分层具有第一折射率点和最后折射率点。从光纤轴线到第一折射率点所在位置的半径是该分层的内半径；从光纤轴线到最后折射率点所在位置的半径是该分层的外半径。参见Δ-光纤半径曲线图，中央圆形分层的半径从光纤轴线量到该分层的外半径；第一环形分层的宽度从第一环形分层的内半径量到第一环形分层的外半径；第二环形分层的宽度从第二环形分层的内半径量到第二环形分层的外半径。
纤芯圆形中央分层和第二环形分层的相对折射率差Δ0和Δ2分别定义为
Δ0＝(n02-nc12)/2n02
Δ2＝(n22-nc12)/2n02式中，n0和n2分别表示圆形中央分层和第二环形分层最大折射率；nc1是纯SiO2包层折射率。
折射率剖面定义为相对折射率差或折射率与半径之间的关系。
第二环形分层分布体积定义为Vd＝2π∫Δrdr，积分限从该分层内半径到该分层外半径。
有效面积定义为不变时，光纤色散变化绝对值为10-4ps/nm/km数量级。
使相对折射率差变化时色散稳定的色散斜率SΔ，指一个特定的色散斜率，在该色散斜率下，当相对折射率差按比例变化2％而折射率剖面形状和其他结构参数保持不变时，光纤色散变化绝对值为10-4ps/nm/km数量级。
色散变化幅度，指下述条件下光纤色散变化的最大绝对值：纤芯三个分层的半径按比例变化1％，折射率剖面形状保持不变时相对折射率差按比例变化2％。色散变化幅度越小，光纤色散稳定性越好。
色散稳定型单模光纤，指色散斜率满足条件SΔ≤S≤Sa的单模光纤。发明内容
与本发明所涉及光纤最接近地是现有康宁MetroCorTM城域网非零色散位移单模光纤，后者在1530～1605nm工作波长范围内色散满足-10.0≤D≤-1.0ps/nm/km，有两个缺点需要克服：
(1)工作波长范围太窄，甚至连L波长窗口1565～1625nm都没有用足，影响传输带宽；
(2)在所述工作波长范围内色散绝对值最大值太大，影响传输距离。所发明光纤是零色散波长标称值λ0＝1630～1650nm的零色散斜率S0＝0.054～0.070ps/nm2/km的单模光纤，不同于现有非零色散位移单模光纤，特
本发明的目的是：
——拓宽现有城域网非零色散位移单模光纤的工作波长范围；
——在所述工作波长范围内，色散绝对值最大值比现有城域网非零色散位移单模光纤显显著减小；或者在明显更宽的工作波长范围内，色散绝对值最大值比现有城域网非零色散位移单模光纤略有增大。
实现所述发明目的采用的技术途径是：
(1)按所要求工作波长范围确定光纤零色散波长；
(2)将光纤零色散斜率置于色散稳定区域中的低色散斜率部分。
其中关键是既提高色散稳定性，又降低色散斜率，下面就此作些说明。
迄今为止理论上不了解非零色散位移单模光纤色散稳定性和色散斜率的关系。所述光纤色散斜率或者太高，或者太低，或者容许范围太大，结果是光纤色散稳定性不好，色散纵向均匀性也不好。非零色散位移单模光纤名义上大长度光纤平均色散不为零，实际上光纤局部色散仍可能为零，仍可能产生四波混频效应。严格控制生产公差避免这种情况，又使成品率降低，成本提高。
本发明人通过理论研究发现，所述光纤色散稳定性和色散斜率有如下关系：
——存在特定的正色散斜率Sa，在Sa下当所述光纤纤芯各分层半径按比例变化而其他结构参数不变时，光纤色散变化理论上为零(设计值光纤色散变化10-4ps/nm/km数量级)。色散斜率S离所述Sa越远，由所述光纤纤芯尺寸变化引起的光纤色散变化越大。
——存在特定的正色散斜率SΔ下，在SΔ下当所述光纤纤芯各分层相对折射率差按比例变化而其他结构参数不变时，光纤色散理论上为零(设计值变化10-4ps/nm/km数量级)。色散斜率S离所述SΔ越远，由所述光纤纤芯相对折射率差变化引起的光纤色散变化越大。
——实际光纤既有纤芯尺寸变化，又有相对折射率变化，SΔ小于Sa。当色散斜率满足条件SΔ≤S≤Sa时，S离所述Sa越远必然离所述SΔ越近，离所述Sa越近必然离所述SΔ越远，结果是所述光纤色散稳定性好。当色散斜率S大于所述Sa时，离所述Sa越远必然离所述SΔ越远；当色散斜率S小于SΔ时，离所述SΔ越远必然离所述Sa越远。结果是所述光纤色散稳定性不好。
——定义SΔ≤S≤Sa为色散稳定区域。
根据以上研究，本发明选定：光纤零色散波长标称值λ0＝1630～1650nm；零色散斜率S0＝0.054～0.070ps/nm2/km；中心凹陷对性能影响相对较小的芯线折射率剖面。
本发明所涉及单模光纤由纤芯和纯SiO2均匀包层组成，所述纤芯由三个分层组成：以光纤轴线为圆心的圆形中央分层、包覆在所述圆形中央分层上的第一环形分层以及包覆在所述第一环形分层上的第二环形分层。所述圆形中央分层有相对折射率差Δ0和半径a；所述第一环形分层的折射率和纯SiO2均匀包层的折射率相同，其宽度为H1；所述第二环形分层相对折射率差为Δ2，宽度为H2，分布体积为Vd。所述圆形中央分层的相对折射率差Δ0大于第二环形分层的相对折射率差Δ2。
为简化结构，进一步改善光纤色散稳定性，所述第一环形分层的折射率和纯SiO2均匀包层的折射率相同。
所述圆形中央分层采用在轴线附近有中心凹陷的带平台的拟贝塞尔函数折射率剖面；所述中心凹陷大致呈倒锥形，Δ0凹陷深度不大于0.15％，锥底半径不大于约0.5μm；所述第二环形分层折射率剖面接近理想阶跃形剖面。所述带平台的拟贝塞尔函数折射率剖面，其相对折射率差遵守表达式
Δco(r)＝Δ0，r＜a0
＝Δ0J0{b[(r-a0)/(a-a0)]α}，a0≤r≤a其中，r是所处位置半径；Δ0和a分别是所述圆形中央分层的相对折射率差和半径；a0＞0是所述平台宽度；J0是第一类零阶贝塞尔函数；层半径，J0是第一类零阶贝塞尔函数，b和α是给定参数。
当a0＝0时.所述带平台的拟贝塞尔函数折射率剖面退化为无平台的拟贝塞尔函数折射率剖面。与无平台的拟贝塞尔函数折射率剖面相比，所述带平台的拟贝塞尔函数折射率剖面使光纤性能对折射率剖面中心凹陷不敏感。
本发明所涉及色散稳定型低色散斜率城域网光纤，按工作波长范围可分为两种较佳实施实例：
本发明所涉及第一种色散稳定型低色散斜率城域网光纤较佳实施实例，工作波长范围为1530～1625nm。零色散波长λ0＝1640～1660nm；零色散斜率S0＝0.054～0.070ps/nm2/km；零色散波长色散变化幅度δD≤1.2ps/nm/km。1530nm：色散D≥-7.8ps/nm/km；1625nm：色散D≤-1.0ps/nm/km。
本发明所涉及第二种色散稳定型低色散斜率城域网光纤较佳实施实例，工作波长范围为1440～1605nm。零色散波长λ0＝1620～1640nm；零色散斜率S0＝0.054～0.070ps/nm2/km；零色散波长色散变化幅度δD≤1.2ps/nm/km。1440nm：色散D≥-11.6ps/nm/km；1530nm：色散D≥-6.3ps/nm/km；1605nm：色散D≤-1.0ps/nm/km。
所述低色散斜率城域网光纤工作于单模光纤色散稳定区域中较低色散斜率部分，工作波长范围为1530～1625nm或1440～1605nm，有以下优点：(1)色散绝对值最大值明显减小或工作波长范围明显拓宽；(2)色散稳定性和纵向均匀性明显改善；(3)色散斜率较低；(4)性能对折射率剖面中心凹陷不敏感。
使用所发明光纤有以下好处：(1)提高生产成品率，降低光纤成本；(2)降低通信系统成本；(3)适应扩展工作波长范围的潜在要求。
【附图说明】
参照以下附图，熟悉本技术领域的人员，从本发明的详细描述中，将显而易见本发明的上述和其他目的、特征和优点。
图1是一种所发明光纤无中心凹陷的折射率剖面图。
【具体实施方式】
图1中，1、2、3和4分别表示所发明光纤的圆形中央分层、第一环形分层、第二环形分层和纯SiO2均匀包层。5、6和7分别表示圆形中央分层半径a、第一环形分层宽度H1和第二环形分层宽度H2。n0和n2分别表示圆形中央分层和第二环形分层最大折射率，nc1是纯SiO2均匀包层折射率，8是轴线附近不大的中心凹陷。表1给出本发明所涉及光纤的独特性能指标：
表1性能指标零色散波长nmλ0＝1640～1660零色散斜率ps/nm2/kmS0＝0.054～0.070零色散波长色散变化幅度ps/nm/km δD≤1.2模场直径μm 1550nm MFD≥7.6
表2给出本发明所涉及色散稳定型低色散斜率城域网光纤的主要结构参数：
表2结构参数指标圆形中央分层半径μma＝2.27～2.98圆形中央分层折射率剖面参数a0＝(0.25～0.75)ab＝2.20～2.40α＝0.50～1.0圆形中央分层相对折射率差％Δ0＝0.76～1.10第一环形分层宽度μmH1＝4.57～8.75第二环形分层分布体积％μm2Vd＝7.00～17.6第二环形分层相对折射率差％Δ2＝0.053～0.173第二环形分层宽度μmH2＝1.36～2.71
表3给出本发明所涉及光纤第一种较佳实施例的独特性能指标：
表3性能 指标色散绝对值ps/nm/km1530nm1625nm D≥-7.4 D≤-1.0零色散波长nmλ0＝1640～1660零色散斜率ps/nm2/km S0＝0.054～0.070零色散波长色散变化幅度ps/nm/kmδD≤1.2模场直径μm 1550nm MFD≥7.6零色散波长色散变化幅度ps/nm/kmδD≤1.2模场直径μm 1550nm MFD≥7.6
表2给出本发明所涉及色散稳定型低色散斜率城域网光纤的主要结构参数：
表2结构参数指标圆形中央分层半径μma＝2.27～2.98圆形中央分层折射率剖面参数a0＝(0.25～0.75)ab＝2.20～2.40α＝0.50～1.0圆形中央分层相对折射率差％Δ0＝0.76～1.10第一环形分层宽度μmH1＝4.57～8.75第二环形分层分布体积％μm2Vd＝7.00～17.6第二环形分层相对折射率差％Δ2＝0.053～0.173第二环形分层宽度μmH2＝1.36～2.71
表3给出本发明所涉及光纤第一种较佳实施例的独特性能指标：
表3 性能指标 色散绝对值ps/nm/km 1530nm 1625nmD≥-7.4D≤-1.0 零色散波长nmλ0＝1640～1660 零色散斜率ps/nm2/kmS0＝0.054～0.070 零色散波长色散变化幅度ps/nm/kmδD≤1.2 模场直径μm 1550nmMFD≥7.6
表4给出本发明所涉及光纤第一种较佳实施例的主要结构参数：
表4结构参数指标圆形中央分层半径μma＝2.55～2.62圆形中央分层折射率剖面参数a0＝(0.45～0.5)ab＝2.30～2.40α＝0.63～0.67圆形中央分层相对折射率差％Δ0＝0.76～0.79第一环形分层宽度μmH1＝5.74～5.86第二环形分层分布体积％μm2Vd＝12.1～12.6第二环形分层相对折射率差％Δ2＝0.091～0.142第二环形分层宽度μmH2＝1.53～2.34
表5给出本发明所涉及光纤第二种较佳实施例的独特性能指标：
表5 性能指标 色散绝对值ps/nm/km 1440nm 1530nm 1605nmD≥-11.6D≥-6.3D≤-1.0 零色散波长nmλ0＝1620～1640 零色散斜率ps/nm2/kmS0＝0.055～0.070 零色散波长色散变化幅度ps/nm/kmδD≤1.2 模场直径μm1550nmMFD≥7.6
表6给出本发明所涉及光纤第二种较佳实施例的主要结构参数：
表6结构参数指标圆形中央层半径μma＝2.61～2.67圆形中央分层折射率剖面参数a0＝(0.45～0.5)ab＝2.30～2.40α＝0.63～0.67圆形中央分层相对折射率差％Δ0＝0.71～0.74第一环形分层宽度μmH1＝6.01～6.39第二环形分层分布体积％μm2Vd＝13.4～14.3第二环形分层相对折射率差％Δ2＝0.094～0.147第二环形分层宽度μmH2＝1.57～2.40
光纤折射率剖面实际上由多层沉积的若干圆滑阶梯组成；沉积层数因制造方法而异，少则几层，多到几百层。圆形中央分层的光滑折射率剖面可看作无穷多层阶梯形剖面的极限情况。
由于工艺原因光纤折射率剖面在轴线附近会有不大的中心凹陷。本领域内的技术人员都知道，不大的中心凹陷不会严重影响光纤基本性能。当所述中心凹陷深度和倒置锥形底面半径都很小其影响可以不计时，可看成极限情况无中心凹陷。
表中所列数据对应于下述条件：所述圆形中央分层由12层阶梯组成，未考虑掺杂扩散所引起的阶梯圆滑；无中心凹陷。
计算表明，当相对折射率差Δ2、宽度H2和折射率剖面不同时，分布体积Vd相等的第二环形分层可视为基本等效。根据表中所列出第二环形分层的分布体积Vd，可推算出工程上实用的第二环形分层相对折射率差Δ2和宽度H2。
实际情况与所述条件稍有差异时，有关数据与表列对应数据稍有不同。
本发明所涉及色散稳定型低色散斜率城域网光纤工作波长范围为1530～1625nm或1440～1605nm。所述光纤有以下优点：(1)色散绝对值最大值明显减小或工作波长范围明显拓宽；(2)色散稳定性和纵向均匀性明显改善；(3)色散斜率较低；(4)性能对折射率剖面中心凹陷不敏感。
使用所发明光纤有以下好处：(1)提高生产成品率，降低光纤成本；(2)降低通信系统成本；(3)适应扩展工作波长范围的潜在要求。
前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。