尺寸变化色散稳定型非零色散位移单模光纤及其设计方法 【发明领域】
本发明涉及一种具有三部分纤芯设计的单模光纤及其设计方法，尤其涉及，一种尺寸变化色散稳定型非零色散位移单模光纤及其设计方法。
背景技术
下面先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。
纤芯各部分的半径用折射率来定义。每一特定部分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部分的内半径；从光纤轴线到最后折射率点所在位置的半径是该部分的外半径；中央圆形部分的半径是从光纤轴线至该部分的外半径；第一环形部分的宽度是从该部分的内半径至该部分的外半径；第二环形部分的宽度是从该部分的内半径至该部分的外半径。
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。
模场直径定义为：2Wd=2∫E2(r)rdr∫|dE(r)dr|2rdr]]>
其中积分限为0至∞。
纤芯三个部分的相对折射率差分别定义为：
Δ1＝100×[(n12-nc12)/2n12]，
Δ2＝100×[(n22-nc12)/2n12]，
Δ3＝100×[(n32-nc12)/2n12]，
其中n1和n3分别表示圆形中央部分和第二环形部分最大折射率，n2是第一环形部分最小射率，nc1是均匀包层折射率。以上所称折射率均是折射率剖面测试波长下的数值。
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。
以下定义在符合本领域惯例的基础上比常用定义准确。
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∞。
本公式考虑了各点折射率随波长的变化，比总色散等于波导色散加材料色散这一常用近似公式准确。
色散斜率定义为：Ds=dDdλ]]>
本定义涉及任何波长包括工作波长，和常用的零色散斜率有区别。零色散斜率定义为在光纤色散为零的波长下的色散斜率，所涉及波长可不在工作波长范围内。
以下通过惯用术语说明本说明书专用术语。
拟贝塞尔函数折射率剖面定义为遵守下式地折射率剖面：
n(r)＝nc1+n1Δ1％J0(b(r/a)α)，
其中nc1是所述均匀包层的折射率，n1是所述圆形中央部分的最大折射率，Δ1％是所述圆形中央部分相对折射率差，J0是第一类零阶贝塞尔函数，r是所处位置半径，b和α是结构参数。
色散尺寸灵敏度，是指其他因素不变时仅由纤芯尺寸增大1％所引起的光纤色散系数变化。
理想尺寸变化色散稳定型非零色散位移单模光纤，是指色散尺寸灵敏度绝对值小于0.0005ps/nm/km的非零色散位移单模光纤。
设计波长是指最长工作波长和最短工作波长平均值附近的一个波长，在该波长下所设计光纤在最长工作波长下和最短工作波长下色散尺寸灵敏度绝对值相差为最小。
尺寸变化色散稳定型非零色散位移单模光纤，是指结构参数为设计值、结构参数公差在容许范围内的非零色散位移单模光纤。
结构参数b、α、a、H1、H2、Δ1％、Δ2％和Δ3％的容许公差db、dα、da、dH1、dH2、dΔ1、dΔ2和dΔ3分别是上述结构参数容许值关于设计值相对偏差的百分点数。
在设计波长下，当光纤各结构参数b，α，a，H1，H2，Δ1％，Δ2％和Δ3％取设计值时，若上述各结构参数依次单独增大1％而其他结构参数不变，所引起的光纤色散尺寸灵敏度变化，分别叫做色散各结构参数公差灵敏度，以0.0001ps/nm/km为单位，分别记作C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8。
与本发明所涉及光纤最接近的是非零色散位移单模光纤，现有光纤尚待解决的问题包括：
(1)生产公差要求严，成品率低，成本高，价格数倍于G.652标准单模光纤；
(2)色散系数纵向均匀性有待改善。在ITU-T G655国际标准中，纵向均匀性不仅被列入“在研究中”的指标，还特别加注：“在一个特定的波长上，色散系数的局部绝对值会偏离在大长度上所测量的值。如果在一个WDM系统中，接近一个工作波长的波长上，色散减少到一个小值，则四波混频会引起在其他波长上的功率传输”，“色散的均匀性应与系统功能相一致”；
(3)偏振模色散成为进一步提高光纤通信容量的一个制约因素；
(4)通信容量的提高和DWDM的应用等对光纤要求越来越高。
减小纤芯尺寸变化引起的色散系数变化，对于解决上述问题有重要作用：
(1)有利于放宽公差要求，提高生产成品率，降低成本；
(2)有利于改善色散系数纵向均匀性；
(3)有利于减小因纤芯不圆或纤芯一包层不同心而产生的那一部分偏振模色散。
(4)有利于光纤通信容量的提高和DWDM的应用等。
然而这些问题至今没有解决，本发明人认为与以下因素有关：
(1)有关问题理论研究不够。
(2)ITU-T G.655国际标准没有规定关于色散斜率的指标。
(3)有的世界知名光纤制造厂家产品性能指标只规定了零色散斜率最大值；该值的合理性尚待研究。
经过研究发现：
(1)对于某些光纤(例如由三部分纤芯和均匀包层组成的光纤)存在理想条件使得色散尺寸灵敏度理论上为零；偏离此理想条件色散尺寸灵敏度将急剧增大。
(2)在不同波长下理想条件并不相同。
本发明利用上述发现形成了新的设计方法，实现了新的光纤性能，因而与下述各种现有G.655非零色散位移单模光纤相区别。
现在世界上一些光纤制造厂家能生产由三部分纤芯和均匀包层组成的各种非零色散位移单模光纤，有关专利不胜枚举。例如，美国专利第4,715,679号、第5,483，612号、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号等。
【发明内容】
本发明的光纤是这样实现的，一种尺寸变化色散稳定型非零色散位移单模光纤，该光纤由纤芯和均匀包层组成，所述纤芯由三部分组成：以光纤轴线为圆心的圆形中央部分、包覆在所述圆形中央部分上的第一环形部分以及包覆在所述第一环形部分上的第二环形部分，所述圆形中央部分相对折射率差为Δ1％，半径为a；所述第一环形部分相对折射率差为Δ2％，宽度为H1；所述第二环形部分相对折射率差为Δ3％，宽度为H2，所述纤芯三部分都具有各自的折射率剖面，所述圆形中央部分采用在轴线附近有中心凹陷的拟贝塞尔函数折射率剖面遵守：
n(r)＝nc1+n1Δ1％J0(b(r/a)α)，
其中nc1是所述均匀包层的折射率，n1是所述圆形中央部分的最大折射率，Δ1％是所述圆形中央部分相对折射率差，J0是第一类零阶贝塞尔函数，r是所处位置半径，结构参数b取值0.50至1.30，α取值2.20至2.40；所述中心凹陷大致呈倒锥形，Δ1％凹陷深度不大于0.15％，锥底半径不大于约0.5μm，所述第一环形部分和第二环形部分折射率剖面接近理想阶跃形剖面，其特征在于，所述结构参数b，α，a，H1，H2，Δ1％，Δ2％和Δ3％的公差db，dα，da，dH1，dH2，dΔ1，dΔ2和dΔ3满足不等式：
C1db+C2dα+C3da+C4dH1+C5dH2+C6dΔ1+C7dΔ2+C8dΔ3＜400
其中色散各结构参数公差灵敏度分别为：C1＝-90～-180；C2＝50～70；C3＝140～230；C4＝15～40；C5＝-10～-50；C6＝100～160；C7＝2～20；C8＝-15～-60。
本发明光纤的设计方法是按照以下步骤进行的：
(1)按色散尺寸灵敏度小于0.0005ps/nm/km标准设计光纤，计算结构参数设计值。
(2)以最长工作波长下和最短工作波长下两个色散尺寸灵敏度绝对值之差最小为标准，计算设计波长。
(3)在设计波长下根据结构参数设计值计算色散各结构参数公差灵敏度C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8，按不等式
C1db+C2dα+C3da+C4dH1+C5dH2+C6dΔ1+C7dΔ2+C8dΔ3＜400
确定容许结构参数公差。
(4)在设计波长下色散尺寸灵敏度和色散斜率变化范围都很小，在工作波长范围内光纤色散尺寸灵敏度也相当小。
本发明的目的是实现这样的非零色散位移单模光纤系列：(1)在所述设计波长下色散尺寸灵敏度绝对值小于0.04ps/nm/km，色散斜率变化范围小于0.004ps/nm2/km。(2)在所述工作波长范围内色散尺寸灵敏度绝对值小于0.08ps/nm/km。(3)色散系数在所述工作波长范围内不为零。(4)所述光纤在1550nm的工作波长下有效面积大于70μm2。
为实现上述目的按如下步骤进行优化设计：
(1)在最长工作波长和最短工作波长平均值附近任选一个波长，输入一组结构参数(b，α，a，H1，H2，Δ1％，Δ2％和Δ3％)，计算色散尺寸灵敏度。
(2)如上述色散尺寸灵敏度小于0.0005ps/nm/km，直接转入步骤(3)；反之改变结构参数重新计算色散尺寸灵敏度，直至满足色散尺寸灵敏度小于0.0005ps/nm/km后转入步骤(3)。
(3)用上述结构参数分别计算最长工作波长下色散尺寸灵敏度和最短工作波长下色散尺寸灵敏度，并计算两个色散尺寸灵敏度绝对值之差。
(4)在所述最长工作波长和最短工作波长平均值附近另选波长，重复步骤(1)至步骤(3)。
(5)比较不同波长下的两个色散尺寸灵敏度绝对值之差，直至该差值为最小值。此时的波长即为设计波长；设计波长下光纤的结构参数(b，α，a，H1，H2，Δ1％，Δ2％和Δ3％)即为设计值。
(6)在设计波长下，光纤各结构参数b，α，a，H1，H2，Δ1％，Δ2％和Δ3％取设计值，将上述各结构参数依次单独增大1％而其他结构参数不变，计算所引起的光纤色散尺寸灵敏度变化，以0.0001ps/nm/km为单位，分别记作色散各结构参数公差灵敏度C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8，代入
C1db+C2dα+C3da+C4dH1+C5d H2+C6dΔ1+C7dΔ2+C8dΔ3＜400
确定容许结构参数公差。
上述优化设计的条件是：色散系数在所述工作波长范围内不为零，光纤在1550nm的工作波长下有效面积大于70μm2。
本发明光纤的纤芯由三部分组成：以光纤轴线为圆心的圆形中央部分；包覆在圆形中央部分上的第一环形部分；包覆在第一环形部分上的第二环形部分。在圆形中央部分，所述圆形中央部分可以采用在轴线附近有中心凹陷的拟贝塞尔函数折射率剖面遵守
n(r)＝nc1+n1Δ1％J0(b(r/a)α)，
其中n1是所述圆形中央部分的最大折射率，nc1是所述均匀包层的折射率，Δ1％是所述圆形中央部分相对折射率差，J0是第一类零阶贝塞尔函数，r是所处位置半径，结构参数b值范围为0.50至1.30，α值范围为2.20至2.40。折射率剖面可用MCVD、PCVD、OVD或VAD等方法制造，实际上由多层沉积的若干圆滑阶梯组成。由于不同制造方法沉积层数和每层沉积厚度相差甚远，折射率剖面外形有所不同。例如PCVD法制造的折射率剖面看上去是光滑的，而MCVD法制造的折射率剖面就显示出若干圆滑阶梯。由于工艺原因，该折射率剖面在轴线附近会有不大的中心凹陷，该凹陷大致呈倒锥形，Δ1凹陷深度不大于0.15％，锥底半径不大于约0.5μm。理论和实践都表明，不大的中心凹陷不致影响光纤基本性能。第一环形部分的折射率剖面基本上是平的，其内端和外端折射率允许稍微上翘或下塌。该剖面允许有或正或负的小的斜率，只要这点偏差不影响光纤传输。圆形中央部分的最大折射率大于第二环形部分的最大折射率。第一环形部分的最小折射率可大于、等于或小于均匀包层的折射率。第二环形部分的折射率剖面按理想阶跃形计算，也可以是环形面积大体相等的其他光滑形状。
【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是一种所发明光纤的光滑折射率剖面图；
图2是一种所发明光纤的多级阶梯形折射率剖面图；
图3是一种所发明光纤有中心凹陷时的光滑折射率剖面图；
图4是一种所发明光纤有中心凹陷时的多级阶梯形折射率剖面图。
【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部分、第一环形部分、第二环形部分和均匀包层。5、6和7分别表示圆形中央部分半径a、第一环形部分宽度H1和第二环形部分宽度H2。n1和n3分别表示圆形中央部分和第二环形部分最大折射率，n2是第一环形部分最小折射率，nc1是均匀包层折射率。
图2中，8、9、10和11分别表示所发明光纤的圆形中央部分、第一环形部分、第二环形部分和均匀包层。12、13和14分别表示圆形中央部分半径a、第一环形部分宽度H1和第二环形部分宽度H2。n1和n3分别表示圆形中央部分和第二环形部分最大折射率，n2是第一环形部分最小折射率，nc1是均匀包层折射率。
图3中，15、16、17和18分别表示所发明光纤的圆形中央部分、第一环形部分、第二环形部分和均匀包层。19、20和21分别表示圆形中央部分半径a、第一环形部分宽度H1和第二环形部分宽度H2。n1和n3分别表示圆形中央部分和第二环形部分最大折射率，n2是第一环形部分最小折射率，nc1是均匀包层折射率。22是轴线附近不大的中心凹陷。
图4中，23、24、25和26分别表示所发明光纤的圆形中央部分、第一环形部分、第二环形部分和均匀包层。27、28和29分别表示圆形中央部分半径a、第一环形部分宽度H1和第二环形部分宽度H2。n1和n3分别表示圆形中央部分和第二环形部分最大折射率，n2是第一环形部分最小折射率，nc1是均匀包层折射率。30是轴线附近不大的中心凹陷。
本发明的第一种光纤是工作波长范围为1530至1565nm的可用于陆地长途通信系统的尺寸变化色散稳定型非零色散位移大有效面积单模光纤。
本发明的第二种光纤是工作波长范围为1530至1625nm的可用于陆地长途通信系统的尺寸变化色散稳定型非零色散位移大有效面积单模光纤。
上述两种光纤的共同特征是：结构参数、结构参数公差和设计波长的选擇，使得在所述设计波长下色散尺寸灵敏度的绝对值小于0.04ps/nm/km，色散斜率变化范围小于0.004ps/nm2/km；在所述工作波长范围内色散尺寸灵敏度绝对值小于0.08ps/nm/km。
在表1到表2中分别列出上述每一种光纤与相应现有光纤共有的特性指标，对应光纤所推荐的纤芯结构参数也列在表中。
表中所列折射率剖面参数对应于下述条件：圆形中央部分在轴线附近无中心凹陷即Δ1凹陷深度和锥底半径均为零的极限情况；第一环形部分和第二环形部分折射率剖面均为阶跃形剖面；未考虑掺杂扩散。不符合上述条件时所列折射率剖面参数稍有变化。
如设备条件允许，优选光滑折射率剖面。圆形中央部分采用拟贝塞尔函数折射率剖面遵守：n(r)＝nc1+n1Δ1％J0(b(r/a)α)，优选结构参数b值0.65，α值2.40。作为举例，在表3中列出第一种光纤与相应现有光纤共有的特性指标，对应光纤的优选纤芯结构参数也列在表中。
表1给出第一种尺寸变化色散稳定型非零色散位移单模光纤的性能指标和结构参数：性能指标 结构参数色散系数1550nm 4～5ps/nm/km b＝2.20～2.40 α＝0.50～1.30零色散波长1485～1500nm a＝2.90～3.60μm截止波长＜1340nm H1＝1.33～3.50μm模场直径8～10μm H2＝1.33～2.50μm有效面积＞70μm2 Δ1％＝0.50％～1.00％色散斜率1545～1549nm0.076～0.080ps/nm2/km Δ2％＝-0.14％～0.00％ Δ3％＝0.05％～0.30％
表2给出第二种尺寸变化色散稳定型非零色散位移单模光纤的性能指标和结构参数：性能指标 结构参数色散系数1571～1575nm 5.7～6.8ps/nm/km b＝2.20～2.40 α＝0.50～1.30截止波长＜1400nm a＝2.96～3.66μm模场直径9～10.5μm H1＝1.30～3.43μm有效面积＞70μm2 H2＝1.30～2.45μm色散斜率1571～1575nm 0.074～0.078ps/nm2/km Δ1％＝0.50％～1.00％ Δ2％＝-0.14％～0.00％ Δ3％＝0.05％～0.30％
表3给出第一种尺寸变化色散稳定型非零色散位移单模光纤的性能指标和优选结构参数：性能指标结构参数色散系数1550nm 4～5ps/nm/km b＝2.35～2.40 α＝0.65～0.70零色散波长1485～1500nm a＝3.40～3.50μm截止波长＜1340nm H1＝2.60～2.90μm模场直径8～10μm H2＝1.50～1.90μm有效面积＞70μm2 Δ1％＝0.60％～0.70％色散斜率1545～1549nm 0.076～0.080ps/nm2/km Δ2％＝-0.10％～0.00％ Δ3％＝0.10％～0.15％
采用本发明结构的光纤系列中，各光纤色散尺寸灵敏度的绝对值在在所述设计波长下小于0.04ps/nm/km，在所述工作波长范围内至少小于0.08ps/nm/km；同时色散系数在整个工作波长范围内不为零。而且本光纤折射率剖面容易制造，其他性能满足ITU-T G655国际标准，光纤适合陆地长途通信系统的要求。
所发明尺寸变化色散稳定型非零色散位移单模光纤系列，具有许多重要的优点：(1)有利于放宽公差要求，提高生产成品率，降低成本；(2)有利于改善色散系数纵向均匀性；(3)有利于减小因纤芯不圆或纤芯—包层不同心而产生的部分偏振模色散；(4)有利于光纤通信容量的提高和DWDM的应用等。
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。