波分复用系统 【技术领域】
本发明涉及一种使用多模光纤的波分复用系统。更具体地，本发明涉及一种使用在宽波长范围展现高传输带宽的多模光纤的波分复用系统，通过使用多模光纤实现了从前一直不可能的波分复用系统。
要求2004年1月21日提交的日本专利申请号2004-13075的优先权，所述申请的内容在此被引入作为参考。
背景技术
具有大的芯半径和高的数值孔径(NA)的多模光纤(MMF)，如GI(渐变折射率)光纤，已经被广泛用作光学局域网(LAN)中的传输路径。受到较快速LAN需求的驱使，传统GI纤的特性(profile)受到非常严格地控制，并且目前看来几乎不可能对性能有进一步改善。为了增加比那些目前可利用的光纤具有较宽传输带宽的多模光纤的传输带宽(此后被称为“带宽)，波分复用(WDM)的使用已经被需求。
然而，GI纤的最佳特性取决于波长，并且针对某一波长被优化的GI纤并不适合于波分复用，因为这样的光纤在非最佳波长处展现出非常有限的带宽。图1示出50/125μm纤的波长特征，每个纤针对850nm或1300nm的波长λ0被优化，并且在过满注入(OFL)带宽具有0.01的最大相对折射率差Δ以及25μm的芯半径“a”(见IEC 60793-1-49说明书)。如曲线中所示，当波长离开最佳波长时带宽急剧下降。
为了计算这个图形中所示的实例和其它实例，使用在N.Shibata和T.Edahiro的“Refractive-index dispersion for GeO2-，P2O5- andB2O3- doped silica glasses in optical fibers”，Trans.IECE Japan，vol.E65，pp.166-172，1982中所讨论地纯二氧化硅(silica)和掺杂锗的二氧化硅的材料色散指数(index)值，以及使用在J.W.Fleming的“Material Dispersion in Lightguide Glasses”，Electron Lett.，vol.14，pp.326-328，1978中所讨论的掺杂氟的二氧化硅的材料色散指数值，并且入射光的RMS光谱范围被假设为0.35nm。基于从分布中所计算的每个模的群延迟，计算出带宽(见K.Okamoto，“Comparison ofCalculated and Measured Impulse Response of Optical Fibers，”Appl.Opt.，vol.18，pp.2199-2206，1979)。
【发明内容】
鉴于上述背景本发明得以设想，并且其目的是提供一种通过使用多模光纤能够进行波分复用的波分复用系统。
为了达到上述目的，本发明提供一种包括波分复用传输路径的波分复用系统，所述传输路径包括被共掺杂有锗和氟的多模光纤。
在本发明的波分复用系统中，对于传输通过大约720nm和大约1400nm之间的任意波长处的信号，多模光纤能提供1.5GHz·km或更高的过满注入带宽。
此外，对于传输通过大约720nm和大约1400nm之间的任意波长处的信号，所述多模光纤能提供2.5GHz·km或更高的过满注入带宽。
更进一步，对于传输通过大约500nm至700nm的波长范围内的任意波长处的信号，所述多模光纤能提供1.5GHz·km或更高或2.5GHz·km或更高的过满注入带宽。
本发明的波分复用系统可进一步包括复用器和解复用器，其中复用器和解复用器利用多模光纤被耦合。
作为选择地，本发明的波分复用系统可进一步包括第一复用器/解复用器和第二复用器/解复用器，其中第一复用器/解复用器以及第二复用器/解复用器利用多模光纤被耦合，以便于能够进行双向波分复用。
本发明的波分复用系统可用于具有20nm或更高波长间隔的粗波分复用。
在本发明的波分复用系统中，多模光纤可具有在0.007和0.015之间的最大相对折射率Δ，以及在20μm和30μm之间的芯半径。
在本发明的波分复用系统中，多模光纤可具有在0.015和0.025之间的最大相对折射率Δ，以及在30μm和35μm之间的芯半径。
被共掺杂有锗和氟的多模光纤被用作本发明波分复用系统中的波分复用传输路径，其能够实现从前一直不可能的使用多模光纤的波分复用系统。因此，多模光纤的传输速率可以得到显著增加。
【附图说明】
结合下面的说明和附图，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更加易懂，说明和附图不应被理解为以任何方式限制本发明，其中：
图1是传统GI多模光纤的过满注入(OFL)带宽随波长变化的曲线图；
图2是根据本发明的示例的波分复用系统的示意图；
图3是作为本发明波分复用系统另一实例的双向波分复用系统的示意图；
图4是本发明的示例MMF及实例1的传统MMF的带宽随波长变化的曲线图；
图5是本发明的示例MMF及实例2的传统MMF的带宽随波长变化的曲线图；以及
图6是用于根据本发明的波分复用系统中的示例多模光纤的横断面视图。
【具体实施方式】
此后，参考附图将对本发明的各种实施例加以说明。
图2是示出根据本发明第一实施例的波分复用系统的示意图。波分复用系统1包括经由多模光纤2耦合的复用器(MUX)3和解复用器(DEMUX)4。在波分复用系统1中，在具有各种波长λ1、λ2、...、λn的光信号由复用器3复用之后，所述被复用的信号通过多模光纤2传输且由解复用器4解复用。
图6是用在根据本发明的波分复用系统中的多模光纤实例的横断面视图。用于本发明波分复用系统1中的多模光纤2包括：由共掺杂有锗和氟的石英基玻璃制成的芯10，以及置于芯10的外周边周围且由石英玻璃或掺杂氟的石英玻璃制成的包层11。多模光纤2在宽波长区域展现高的OFL，从而能够实现波分复用，并且在720nm和1400nm之间的波长区域内在给定通道处，多模光纤2优选地展现出1.5GHz·km或更高的OFL带宽，且更优选地展现出2.5GHz·km或更高的OFL带宽。
多模光纤2的实例包括，例如展现出由下面所说明的方程式(1)所表达的折射率分布的光纤。这样的光纤的芯包含：随着波长的增加总体上单调地减少方程式(1)中折射率分布指数参数的最佳值αopt的物质(此后被称为“物质A”)，以及至少一种随着波长的增加总体上单调地增加折射率分布指数参数的最佳值αopt的物质(此后被称为“物质B”)。通过使用Wentzel-Kramers-Brillouin方法(此后被称为“WKB”方法，见R.Olshansky和D.B.Keck的“Pulse Broadening in Graded-indexOptical Fibers”，Appl.Opt.，vol.15，pp.483-491，1976)，折射率分布指数参数被优化，这样在工作波长范围处的传输带宽被最大化。
n(r)=n1[1-2Δ(ra)α]1/2(0≤r≤a)n1(1-2Δ)1/2(r>a)···(1)]]>
其中n(r)是在距离芯10的中心12“r”处的光纤的折射率，n1是芯10的中心12处的折射率，Δ是芯10的中心12相对于包层11的相对折射率差，“a”是芯半径，以及α是折射率分布指数参数。虽然折射率分布指数参数α被调节成在所希望的波长处提供最大传输带宽的值，但是其最佳值αopt依赖于掺杂进石英玻璃中的掺杂物而变化。
由公式(1)所表示的多模光纤的折射率分布被如此成形，以便于一旦折射率在芯中心处达到最高值，则它随着离中心距离的增加而逐渐减少。因此，以较低阶模传播通过多模光纤的信号光行进较短的距离但却以较慢的速率。相对照，在其中折射率较小的芯和包层之间的边界附近，以较高阶模传播的信号光行进较长的距离但却以较高的速率。
因而，通过适当地选择确定分布形状的α值，直到传播通过多模光纤的处于各种模的光信号到达输出端口的到达时间差可以被最小化。在适当选择的α下，模态色散变为理论最小，从而在信号光波长提供最大传输带宽。另一方面，α的最佳值αopt依赖于所采用的波长而变化。此外，这个变化受到掺杂进芯的一种或更多种掺杂物以及一种或更多种掺杂物的浓度的影响。当使用单一的掺杂物时，掺杂物可以分成两种类型：随着波长的增加总体上单调地减少折射率分布指数参数α的最佳值αopt的物质A，以及随着波长的增加总体上单调地增加最佳值αopt的物质B。锗(Ge)被用作物质A，且氟(F)被用作物质B。
此外，在所希望的波长范围内，多模光纤的最佳值αopt的变化范围优选地为0.025或更小，且更优选地为0.01或更小。如果最佳值αopt的变化范围超出0.025，则在所希望的波长范围内传输带宽随着波长的变化显著地变化。
此外，在多模光纤中，上述公式(1)中的芯半径“a”优选地不小于10μm且不大于35μm，且更优选地不小于20μm且不大于30μm。如果芯半径“a”小于10μm，则变得难以耦合纤或耦合纤和光源。另一方面，如果“a”大于35μm，则产生太多的模且传输带宽被降低。
此外，多模光纤的芯中心相对于包层的相对折射率差Δ由下述方程式表示：Δ＝Δ1+Δ2来表达，其中Δ1是物质A(锗)相对于包层的相对折射率差(即Δ1为ΔGe)且Δ2是物质B(氟)相对于包层的相对折射率差(即Δ2为ΔF)。
通过优化Δ1和Δ2的值，选择相对折射率差Δ，使得所希望的折射率分布和最佳值αopt满足上述关系。
Δ1与Δ2的比率(Δ1/Δ2)优选地在1/1和0/1之间，且更优选地为1/4。如果Δ1/Δ2小于1/4，则最佳值αopt随着波长的增加单调地增加。相反，如果Δ1/Δ2大于1/4，则最佳值αopt随着波长的增加单调地减小。
此外，物质A(锗)和物质B(氟)被掺杂进芯中，以便于Δ1和Δ2满足上述关系。更具体地，增加折射率的掺杂物的浓度分布是这样，随着距芯中心距离的增加，朝向芯和包层之间的边界的浓度单调地减少，并且在芯和包层之间的边界处为零。相反，减少折射率的掺杂物的浓度分布是这样，在芯中心处浓度为零，并且随着距芯中心距离的增加，朝向芯和包层之间的边界的浓度单调地增加。
表示这个光纤折射率分布的上述公式(1)的多模光纤的折射率分布指数参数α被控制为最佳值，并且最佳值αopt大约是平的。换句话说，最佳值αopt展现出非常小的波长依赖性，并且在整个波长范围中最佳值αopt的变化范围非常小。因此，即使多模光纤中在某一波长处折射率分布指数参数α被优化以便于传输带宽被最大化，但是在几乎整个波长范围中也取得大的传输带宽。例如，芯中包含氟且被设计成在较短波长范围具有α的最佳值以便于传输带宽被最大化的本发明多模光纤，在较长的波长范围具有远大于传统的掺杂锗多模光纤的传输带宽。
通过掺杂两种掺杂物(锗和氟)，并且精确地控制掺杂物的量，以便于获得所希望的折射率分布，使用PCVD(等离子体化学气相沉积)或MCVD(修改的等离子体化学气相沉积)方法来制造本发明多模纤的预制棒。通过向所得到的预制棒施加高温并且拉制所述预制棒，则获得本发明的多模纤。
图2中所示的波分复用系统1包括作为传输路径且在宽的波长范围中展现出高的OFL带宽的多模光纤2。波分复用系统1具有通过以某一波长间隔划分工作波长范围来限定的多通道，并且通过使用这些多通道能够实现波分复用。
图3是作为根据本发明的波分复用系统第二实施例的双向波分复用系统5的示意图。双向波分复用系统5包括经由多模光纤2被耦合的第一复用器/解复用器(MUX/DEMUX)6以及第二复用器/解复用器(MUX/DEMUX)7，以便于能够实现双向波分复用。
类似于用于第一实施例的波分复用系统1中的多模光纤2，这个多模光纤2包括：由被共掺杂有锗和氟的石英基玻璃所制成的芯10，以及由被置于芯10的外周边四周的石英玻璃或掺杂有氟的石英玻璃制成的包层11。多模光纤2在宽波长区域展现高的OFL，从而能够实现波分复用，并且在720nm和1400nm之间的波长区域内在给定通道处，其优选地展现出1.5GHz·km或更高的OFL带宽，且更优选地展现出2.5GHz·km或更高的OFL带宽。
在双向波分复用系统5中，通过以某一波长间隔来划分多模光纤2的工作波长范围来对多通道加以限定。这些通道被分成两组，并且具有波长λ1、λ2、...、λm的第一组通道被用于在一个方向上发送，且具有波长λ’1、λ’2、...、λ’m的第二组通道被用于在另一方向上发送，以实现双向波分复用。
实例
实例1
被共掺杂有锗(Ge)和氟(F)以及具有0.01的最大相对折射率Δ(ΔGe＝0.002且ΔF＝0.008)和25μm的芯半径“a”的本发明多模纤(MMF)被使用。在850nm波长处被优化的传统多模纤(MMF)被用于比较。本发明的MMF以及传统的MMF的带宽特征被确定，且结果示于图4。
对于采用具有λ在720nm和1400nm之间的35个通道以及20nm波长间隔的CWDM(粗WDM)，本发明MMF及传统MMF的带宽特征示于表1。
表1 通道波长(nm) 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900 传统MMF的带宽 (GHz·km) 1.1 1.3 1.5 1.9 2.4 3.1 4.2 5.4 5.6 4.6 本发明MMF的带宽 (GHz·km) 2.5 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.9 5.4 5.9 6.5 通道波长(nm) 920 940 960 980 1000 1020 1040 1060 1080 1100 传统MMF的带宽 (GHz·km) 3.5 2.8 2.3 1.9 1.7 1.5 1.3 1.2 1.1 1.0 本发明MMF的带宽 (GHz·km) 7.1 7.7 8.4 9.2 9.9 10.8 11.9 12.9 14.2 15.6 通道波长(nm) 1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 传统MMF的带宽 (GHz·km) 1.0 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 0.7 0.6 0.6 本发明MMF的带宽 (GHz·km) 16.8 18.2 19.4 19.5 19.7 18.8 18.2 15.5 13.2 10.9 通道波长(nm) 1320 1340 1360 1380 1400 传统MMF的带宽 (GHz·km) 0.6 0.6 0.6 0.5 0.5 本发明MMF的带宽 (GHz·km) 9.4 8.3 7.4 6.5 5.9
可不使用被示于表1的所有通道，并且根据需要可选择一个或更多个所希望的通道。例如，通过将波长间隔设定为40nm仅16个通道可被使用，或者几个特定通道可被选择。此外，对于双向传输，表1中所列的通道当中在720nm和1000nm之间的较短波长通道可用于在一个方向上发送，且在1020nm和1400nm之间的较长波长通道可用于在另一个方向上发送。
表1中所列的结果示出：在720nm和1400nm之间的波长范围内在给定通道，具有0.01的最大相对折射率Δ的本发明MMF可以提供2.5GHz·km或更高的OFL带宽。
实例2
被共掺杂有锗(Ge)和氟(F)以及具有0.02的最大相对折射率Δ(ΔGe＝0.004且ΔF＝0.016)和32.5μm芯半径“a”的本发明MMF被使用。在850nm波长处被优化的传统MMF被用于比较，其是与实例1中所用相同的MMF。本发明的MMF以及传统的MMF的带宽特征被确定，且结果被示于图5。
对于采用具有λ在720nm和1400nm之间的35个通道以及20nm波长间隔的CWDM(粗WDM)，本发明MMF及传统MMF的带宽特征被示于表2。
表2 通道波长(nm) 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900 传统MMF的带宽 (GHz·km) 0.5 0.6 0.7 0.9 1.1 1.5 2.1 3.1 3.9 3.7 本发明MMF的带宽 (GHz·km) 1.5 1.7 1.9 2.1 2.4 2.6 2.9 3.2 3.5 3.8 通道波长(nm) 920 940 960 980 1000 1020 1040 1060 1080 1100 传统MMF的带宽 (GHz·km) 2.7 1.9 1.4 1.1 1.0 0.8 0.7 0.7 0.6 0.5 本发明MMF的带宽 (GHz·km) 4.0 4.3 4.6 4.8 5.1 5.3 5.6 5.8 6.0 6.3 通道波长(nm) 1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 传统MMF的带宽 (GHz·km) 0.5 0.5 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.3 0.3 0.3 本发明MMF的带宽 (GHz·km) 6.6 6.8 7.0 7.1 7.1 7.0 6.6 6.2 5.7 4.8 通道波长(nm) 1320 1340 1360 1380 1400 传统MMF的带宽 (GHz·km) 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 本发明MMF的带宽 (GHz·km) 4.0 3.4 3.1 2.7 2.5
可不使用被示于表2的所有通道，并且根据需要可选择一个或更多个所希望的通道。例如，通过将波长间隔设定为40nm仅16个通道可被使用，或者几个特定通道可被选择。此外，对于双向传输，表1中所列的通道当中在720nm和1000nm之间的较短波长通道可用于在一个方向上发送，且在1020nm和1400nm之间的较长波长通道可用于在另一个方向上发送。
表2中所列的结果示出：在720nm和1400nm之间的波长范围内在给定通道处，具有0.02的最大相对折射率Δ的本发明MMF可以提供1.5GHz·km或更高的OFL带宽。
虽然本发明的优选实施例在上面被加以说明和示例，但是应该理解到这些是本发明的实例且并不被视为限制性的。可以进行添加、省略、替换和其它修改而不偏离本发明的实质和范围。因而，本发明并不被视为受到上述说明的限制，而仅受到所附权利要求的限制。