色散稳定型非零色散位移单模海底光纤 【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，色散稳定型非零色散位移单模海底光纤。
背景技术
按照国际电信联盟有关标准要求，非零色散位移单模光纤在工作波长范围内色散(绝对值)应大于一个给定值，以免产生四波混频效应。但现有非零色散位移单模光纤色散稳定性不好，色散纵向均匀性也不好；名义上大长度光纤平均色散不为零，实际上光纤局部色散可能为零，由于四波混频效应可能产生不可逆的传输失真。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。
在各种非零色散位移单模光纤中，海底光纤色散稳定性不好尤为突出。例如，现有康宁海底SMF-LS光纤在1560nm色散范围D＝-3.0～-1.0ps/nm/km，现有朗讯真波SRS光纤在1550nm色散范围D＝-4.8～-1.4ps/nm/km。色散变化范围不仅明显大于所述波长下的色散绝对值的最小值，而且可以和工作波长范围C波长窗口两端色散差值相比拟。
所发明光纤是色散斜率位于色散稳定区域的在C波长窗口色散为负的单模光纤，色散稳定性明显改善，不同于现有非零色散位移单模光纤，特别是现有非零色散位移单模海底光纤。
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。
所发明光纤具有以下优点：
(1)色散稳定性和纵向均匀性明显改善；
(2)性能对折射率剖面中心凹陷不敏感；
(3)有利于放宽公差要求，提高生产成品率，降低成本。
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地相对折射率差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
Aeff＝2π(∫E2(r)r dr)2/(∫E4(r)r dr)其中，积分限为0至∞；E(r)是光传播所伴随的电场。
色散系数定义为D=1cddλ{kβ∫n(r)N(r)E2(r)rdr∫E2(r)rdr}]]>N(r)=n(r)-λdn(r)dλ]]>其中，参数λ、k、β、c分别是自由空间工作波长、自由空间波数、传播常数和自由空间光速；n(r)是所处位置半径的折射率；积分限为0至∞。
色散斜率定义为Ds=dDdλ]]>
零色散斜率定义为在光纤色散为零的波长下的色散斜率。
以下本说明书专用术语通过惯用术语定义。
带平台的拟贝塞尔函数折射率剖面定义为
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；a0＞0是所述平台宽度；a是所述圆形中央分层半径；Δ0是所述圆形中央分层的相对折射率差；J0是第一类零阶贝塞尔函数；b和α是给定参数。
使尺寸变化时色散稳定的色散斜率Sa，指一个特定的色散斜率，在该色散斜率下，当纤芯三个分层的半径按比例变化1％而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。
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，色散稳定性越好。
色散稳定型单模光纤，是指色散斜率满足条件SΔ≤S≤Sa的单模光纤。
【发明内容】
本发明所涉及色散稳定型非零色散位移单模海底光纤有如下特点：
——工作波长范围为C波长窗口1530～1565nm；
——工作波长范围内色散恒为负值，色散绝对值最小值离零足够远；
——色散稳定性较好，色散纵向均匀性也较好；
——性能对折射率剖面中心凹陷不敏感。
为实现发明目的，关键在于改善光纤的色散稳定性。
此前理论上不了解光纤色散稳定性和色散斜率的关系。现有非零色散位移单模光纤或者色散斜率太高，或者色散斜率太低，或者色散斜率容许范围太大其中包含太高或太低的色散斜率。其结果是光纤色散稳定性不好，色散纵向均匀性也不好。
本发明人通过理论研究发现，所述单模光纤的色散稳定性和色散斜率之间有如下关系：
——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，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(设计值色散变化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剖面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，又有相对折射率剖面变化，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
——综上所述定义SΔ≤S≤Sa为色散稳定区域。
根据以上理论研究结论，所发明光纤的零色散斜率处于色散稳定区域；对于下述折射率剖面，按所述定义通过数值计算求出所述色散稳定区域为零色散斜率S0＝0.055～0.090ps/nm2/km。
本发明所涉及色散稳定型非零色散位移单模海底光纤由纤芯和纯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。
按零色散斜率不同，本发明所涉及色散稳定型非零色散位移单模海底光纤有如下三种较佳实施实例：
第一种是色散稳定型低色散斜率非零色散位移单模海底光纤。该光纤零色散斜率S0＝0.057～0.066ps/nm2/km，零色散波长λ0＝1583～1601nm，1550nm下有效面积Aeff＝47～53μm2，1530nm下色散D≥-4.1ps/nm/km，1565nm下色散变化幅度小于1.0ps/nm/km。
第二种是色散稳定型中色散斜率非零色散位移单模海底光纤。该光纤零色散斜率S0＝0.068～0.079ps/nm2/km，零色散波长λ0＝1584～1597nm，1550nm下有效面积Aeff＝52～58μm2，1530nm下色散D≥-4.7ps/nm/km，1565nm下色散变化幅度小于1.0ps/nm/km。
作为对照，现有朗讯真波SRS光纤1550nm下色散D＝-4.8～-1.4ps/nm/km，现有康宁海底SMF-LS光纤1560nm下色散D＝-3.0～-1.0ps/nm/km。
第三种是色散稳定型高色散斜率非零色散位移单模海底光纤。该光纤零色散斜率S0＝0.079～0.090ps/nm2/km，零色散波长λ0＝1577～1591nm，1550nm下有效面积Aeff＝64～74μm2，1530nm下色散D≥-5.0ps/nm/km，1565nm下色散变化幅度小于1.2ps/nm/km。
作为对照，现有康宁LEAF海底光纤在1560nm下色散D＝-3.4～-1.0ps/nm/km，现有朗讯真波XL光纤在1550nm下色散D＝-4.6～-1.4ps/nm/km。
所发明色散稳定型非零色散位移单模海底光纤具有以下优点：(1)色散稳定性和纵向均匀性明显改善；(2)性能对折射率剖面中心凹陷不敏感；(3)有利于放宽公差要求，提高生产成品率，降低成本。
【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给出所发明色散稳定型非零色散位移单模海底光纤(包括低色散斜率光纤、中色散斜率光纤和高色散斜率光纤)的独特性能指标：
表1性能指标零色散斜率ps/nm2/kmS0＝0.055～0.090零色散波长nmλ0＝1575～1605光纤截止波长nmλc≤1520色散变化幅度ps/nm/km 1565nmΔD＜1.2
表2给出所发明色散稳定型非零色散位移单模海底光纤(包括低色散斜率光纤、中色散斜率光纤和高色散斜率光纤)的主要结构参数：
表2结构参数 指标圆形中央分层半径μma＝2.44～3.21圆形中央分层折射率剖面参数a0≤0.75ab＝2.20～2.40α＝0.50～1.0圆形中央分层相对折射率差％Δ0＝0.57～0.91第一环形分层宽度μmH1＝3.07～8.07第二环形分层分布体积％μm2Vd＝10.6～21.9第二环形分层相对折射率差％Δ2＝0.066～0.216第二环形分层宽度μmH2＝1.46～2.89
表3给出所发明色散稳定型低色散斜率非零色散位移单模海底光纤一个较佳实施例的独特性能指标：
表3性能 指标零色散斜率ps/nm2/km S0＝0.057～0.066零色散波长nm 1583～1601光纤截止波长nm λc≤1520色散ps/nm/km 1530nm D≥-4.1色散变化幅度ps/nm/km 1565nm ΔD＜1.0有效面积 μm2 1550nm Aeff＝47～53
表4给出所发明色散稳定型低色散斜率非零色散位移单模海底光纤一个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＝2.67～2.76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＝0.65～0.67第一环形分层宽度μmH1＝6.07～8.07第二环形分层分布体积％μm2Vd＝10.8～15.2第二环形分层相对折射率差％Δ2＝0.066～0.134第二环形分层宽度μmH2＝1.60～2.49
表5给出所发明色散稳定型中色散斜率非零色散位移单模海底光纤一个较佳实施例的独特性能指标：
表5性能指标零色散斜率ps/nm2/km S0＝0.068～0.079零色散波长nmλ0＝1584～1597光纤截止波长nmλc≤1520色散ps/nm/km 1530nm D≥-4.7色散变化幅度ps/nm/km 1565nmΔD＜1.0有效面积μm2 1550nm Aeff＝52～58
表6给出所发明色散稳定型中色散斜率非零色散位移单模海底光纤一个较佳实施例的主要结构参数：
表6结构参数指标圆形中央分层半径μma＝2.70～2.87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＝0.60～0.65第一环形分层宽度μmH1＝3.62～5.06第二环形分层分布体积％μm2Vd＝11.9～18.2第二环形分层相对折射率差％Δ2＝0.10～0.18第二环形分层宽度μmH2＝1.62～2.59
表7给出所发明色散稳定型高色散斜率非零色散位移单模海底光纤一个较佳实施例的独特性能指标：
表7性能 指标零色散斜率ps/nm2/km S0＝0.079～0.090零色散波长nm λ0＝1577～1591光纤截止波长nm λc≤1520色散ps/nm/km1530nm D≥-5.0色散变化幅度ps/nm/km 1565nm ΔD＜1.2有效面积μm2 1550nm Aeff＝64～74
表8给出所发明色散稳定型高色散斜率非零色散位移单模海底光纤一个较佳实施例的主要结构参数：
表8结构参数指标圆形中央分层半径μma＝2.76～2.83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＝0.59～0.62第一环形分层宽度μmH1＝439～4.67第二环形分层分布体积％μm2Vd＝17.4～18.3第二环形分层相对折射率差％Δ2＝0.133～0.216第二环形分层宽度μmH2＝1.66～2.55
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。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。
本发明所涉及光纤具有以下优点：(1)色散稳定性和纵向均匀性明显改善；(2性能对折射率剖面中心凹陷不敏感；(3)有利于放宽公差要求，提高生产成品率，降低成本。
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。