具有较大亮点面积的色散优化光导纤维 【技术领域】
本发明涉及一种具有低色散度、低色散率和高亮点面积的光导纤维，尤其是涉及一种在1530～1565nm(C波段)和1565～1625nm(L波段)产生低色散率和高效区的具有低色散度、低色散率和高亮点面积的色散优化光导纤维；更特别的是它涉及一种单一模式的色散优化光导纤维，这种光导纤维适于高带宽的多信道通过长距离传输，具有更均匀的彩色色散并以低功率密度通过第三和第四窗口传输，还具有优化模式场直径，可以在波长1550nm和更关键的波长1625nm处具有低的弯曲诱导损耗。
背景技术
最近十多年来，光导纤维发展起来并为局间网络的音频、视频和数据传输安装了主干线；由于远程通讯设施的不断增加和扩展，光导纤维地重要性逐步显示出来；由于它们具有高的带宽适应性使其重要性进一步增长；由于信息技术迅速发展对带宽的需要将进一步随时间按指数规律地增长。
在世界范围内，网络负载的光通讯正在爆炸式地增长；由于采用新一代密集波段分区编码器(DWDM)可以满足不断增长的宽波段需求，然而这种在1530～1565nm(C波段)和1565～1625nm(L波段)波长范围内使用低色散单模光导纤维的新一代密集波段分区编码器，以下称之为DWDM，需要使用能够支持这种密集波段分区编码器(DWDM)的光导纤维，特别是要求使用的光导纤维在相关波段具有高亮点面积以及一致的(斜率)色散；通过在规定波段内增加波段信道数量，DWDM可以增加使用光导纤维的有效数据传输速率。
传统使用的850nm波段多模式光导纤维被在大约1310nm波段的零色散单模光导纤维逐步取代，单模或者单一模式光导纤维比传统多模式光导纤维具有更宽的波段适应性。
由于这种单模光导纤维在1300～1550nm波段范围具有较低衰减，因此需要进行研制开发这种单模光导纤维。
然而，为了降低衰减，当单模光导纤维通过1550nm波段的时候，试验表明，这种单模光导纤维具有较高色散。
现有单模光导纤维的主要缺点是在1550nm波段具有较高色散，原因在于这种光导纤维在较高位速率发生阻碍；单模光导纤维的这个缺点可以通过使用称之为色散转移光导纤维的改进单一模式光导纤维解决，即使进行1550nm波段转移通过的时候，这种改进单一模式光导纤维可以具有零色散。
理论分析表明具有高效面积的低色散和低色散斜率的单模光导纤维最适于上述的高容量DWDM装置通讯，然而，在以前工艺操作中，用于长距离传输系统的色散转移光导纤维具有较高色散，因此导致DWDM装置系统性能较差；而平直色散光导纤维在1.3～1.6μm波段范围具有小于2ps/nm.km色散幅度偏差，并且在DWDM装置规定波段具有零色散，因此可以进行四个波段混合使用，从而具有良好DWDM装置性能。
理想的光导纤维色散应当在整个规定波段范围之内具有一个恒定数值；然而，由于折射率随着波长变化而发生变化，光导纤维色散数值也随着波长变化而发生变化；色散斜率系数So表示这种变化性，色散斜率系数越低，随着波长色散变化幅度越小；低色散低色散斜率光导纤维的另一个优点是具有较低色散，可以通过一个最低色散变化抑制非线性四个波段混合；也就是说，通过使用一个规定较低色散变化，就能够完成长距离信号传输所需要的最低色散以及色散斜率补偿。
试验表明，带宽或者光波系统容量可以通过以下几种方法进行扩展：A)增加光导纤维规定波段(DWDM装置)数量；B)通过较快传输速度进行通讯(采用多个时间分区编码器)；或者C)通过增加光缆之内使用光导纤维数量，然而光放大器的额定功率限制了光缆之内光导纤维使用的最大数量。
实际上，通讯装置系统可以确定传输性能曲线，因而装置系统中的光导纤维缠绕变得至关重要，如上所述，应当控制光导纤维性能，特别是光导纤维色散必须满足补偿要求和非线性效应之间平衡要求；其有效区必须足够大，从而在不影响光导纤维性能的前提下，降低非线性效应；而光导纤维色散斜率必须足够小，从而可以例如降低内部信道间隙，以及例如在规定位速率范围之内，所有信道以一个极低误差进行传输。
由于光导纤维需要满足越来越高的要求，设计人员需要进一步考虑如何重新优化传输系数曲线，这样的话，可能需要采用更加复杂的设计；然而，复杂设计对于制造工艺是非常敏感的。由于光缆材料物理性能限制了获得上述要求光导纤维性能的整体性能，在实际最终产品中，只是各个优化性能的折中，即在不影响系统装置使用以及关键参数规定要求的前提下，对每一个参数进行优化；并且通过分析每一个不同参数及其影响，进行敏感系统模型设计。
主要参数，例如：光导纤维每一个部分包括中心芯、覆层、环芯和外芯的反射率和半径大小、以及光导纤维每一个部分反射率和半径之间的关系、以及芯数量和覆层数量，可以确定使用光导纤维的性能特征以及使用性能。
因此，现有工艺光导纤维可以通过其特征参数进行区分，并且可以通过使用以上主要参数进行确定；以前工艺生产的光导纤维，具有低的非线性但是具有高的弯曲损失，或者具有低的弯曲损失但是具有较低有效区，或者可能具有高的非线性和高的弯曲损失，或者在第三和第四窗口波段没有一致色散或者具有高的色散斜率；也就是说，以前光导纤维没有最优化性能，为了获得某一种规定性能，可能需要以牺牲另一个性能指标作为代价。
试验表明，光导纤维色散和色散斜率随着波段而发生变化，并且反射率随着通过波长变化而发生变化。
为了开发具有优化色散、优化色散斜率以及规定亮点面积的光导纤维，需要考虑光导纤维色散和色散斜率随着波段变化以及反射率随着波长变化的变化具有尽可能恒定数值，从而相对容易地获得反射参数曲线以及满足设置要求，并且在尽可能宽的波段范围之内使用的相应光导纤维产品。
因此，本发明的发明人尝试开发具有综合优化性能的光导纤维，也就是说，这样的光导纤维不需要为了获得某一种规定性能，而以牺牲另一个性能指标作为代价。
发明的需要
因此，需要开发一种色散以及有效面积优化的光导纤维，特别是一种在1530～1565nm(C波段)和1565～1625nm(L波段)波长范围内传输时具有尽可能低的色散斜率以及高的有效面积的光导纤维。尤其是，需要开发一种适于在长距离内宽波段传输，并且在第三和第四窗口波段具有均一色散并且具有高的有效面积，从而可以在1550nm波段和1625nm关键波段具有一个低无线电波束曲折损耗。
【发明内容】
发明的目的
相应地，本发明的一个目的是提供一种低色散和低色散斜率光导纤维，特别是在1530～1565nm波段。
本发明的另一个目的是提供一种适宜长距离传输的低色散和低色散斜率光导纤维。
本发明的另一目的在于提供一种1550nm波段具有较高有效面积的光导纤维，并且这种光导纤维具有优化截止波长以及相应模式场直径。
本发明还有另一个目的是提供一种光导纤维，这种光导纤维不但具有非常高抗弯曲能力，并且具有最大程度降低非线性的最适宜色散。
通过阅读以下结合附图对本发明的描述，对本领域的普通技术人员来说，发现本发明的其它目的及优选实施方案将是显而易见的。附图的内容并不构成对本发明的限制。
发明的简要说明和性质
按照本发明的主要设计参数以及分析说明进行设计实施，可以发现，以前工艺光导纤维产品的缺点和不足可以通过使用在1530～1565nm(C-波段)以及在1565～1625nm(L-波段)分别具有1.8～6.0ps/nm.km以及4.0～11ps/nm.km色散的一种新型光导纤维解决，并且在所述波段范围之内具有一个典型72平方微米的有效面积以及一个0.075ps/nm2.km的最低色散斜率；因此，本发明揭示了一种具有这样折射率曲线和设置的新型光导纤维，这种光导纤维不但可以容易获得，并且容易进行加工制造，而且这种光导纤维在规定范围或者规定数值区间具有相应色散、有效面积以及色散斜率特征。
相应地，本发明涉及一种具有较高亮点面积的色散优化光导纤维，这种光导纤维包括一个中心芯区、一个覆层区、一个环芯区以及一个外部玻璃区，其中中心芯和环芯区具有比外部玻璃区高的折射率，并且覆层区具有比外部玻璃区低的折射率，这些折射率之间的关系如以下公式所示：
n1＞n3＞n4＞n2
根据下列公式进行相应折射率数值设置，可以制造出来在C波段以及L波段传输过程中具有低色散斜率、低色散和高有效面积的光导纤维：
0.008＞(n1-n4)＞0.007
0.0018＞(n3-n4)＞0.0014
-0.0005＞(n2-n4)＞-0.0007
其中：n1、n2、n3和n4分别表示中心芯区1、覆层区2、环芯区3以及外部玻璃区4的折射率。
本发明还涉及一种具有较高亮点面积的色散优化光导纤维，这种光导纤维包括一个中心芯区、一个内部覆层区、一个外部覆层区、一个环芯区以及一个外部玻璃区，其中中心芯和环芯区具有比外部玻璃区高的折射率，并且内部覆层区和外部覆层区具有比外部玻璃区低的折射率，这些折射率之间的关系如以下公式所示：
n1＞n3＞n5＞n2＝n4
根据下列公式进行相应折射率数值设置，可以制造出来在C波段以及L波段传输过程中具有低色散斜率、低色散和高有效区的光导纤维：
0.008＞(n1-n5)＞0.007
0.0018＞(n3-n5)＞0.0014
-0.0005＞(n2-n5)＞-0.0007
-0.0005＞(n4-n5)＞-0.0007
其中：n1、n2、n3、n4和n5分别表示中心芯区1、内部覆层区2、环芯区3、外部覆层区4以及外部玻璃区5的折射率。
除了以上列出的各种目的和优点，对于本领域的技术人员通过阅读本发明没有列在权利要求的附图部分，将发现这里揭示本发明的各种其它的目的和各种实施例优点会变得显而易见。
【附图说明】
通过使用附图说明，可以有助于了解本发明的性质；这些附图通过某个视图的形式，表明本发明及其最佳实施例，并且这些附图不在本发明权利要求保护范围之内；然而，本发明的实施效果受到以下进一步附图说明光导纤维的各种部件半径和/或者各种部件的折射率关系式以及各自折射数值的限制。
图1表明本发明光导纤维的关键特征示意图。
图2a表明如图1所示本发明光导纤维的一个具体实施例的一个剖视图。
图2b表明如图2a所述的本发明光导纤维的折射率曲线。
图3表明沿着如本发明图2a所示光导纤维直径方向的强度分布图。
图4a表明如图1所示本发明光导纤维的另一个具体实施例的一个剖视图。
图4b表明如图4a所示具有光导纤维的折射率曲线。
图5表明沿着如本发明图4a所示光导纤维直径方向的强度分布图。
图6表明如图2a和4a所示光导纤维的波导色散方向的色散分布图。
【具体实施方式】
发明的详细说明
按照本发明第一个实施例，所说明的光导纤维包括四个区，中心芯区1、覆层区2、环芯区3以及外部玻璃区4。如附图2a所示，光导纤维包括一个中心芯区1、一个覆层区2、一个环芯区3以及一个外部玻璃区4；其中覆层2可以规定设置在中心芯1的外围上，环芯3可以规定在覆层2的外围上以及外部玻璃区4环绕在环芯区3的周围(可以参见图2a)。
按照本发明的这个实施例，中心芯区1和环芯区3具有比外部玻璃区4高的折射率，并且覆层区2具有比外部玻璃区4低的折射率，(这些折射率之间的关系可以参见公式1以及附图2a)：
n1＞n3＞n4＞n2(1)
在本发明第一个实施例中，对于光导纤维不同区的折射率，中心芯区1、覆层区2、环芯区3以及外部玻璃区4的折射率分别采用符号n1、n2、n3和n4进行标识；根据下列公式2～4进行相应折射率数值设置，可以制造出来在C波段以及L波段传输过程中具有低色散斜率、低色散和高有效面积的光导纤维：
0.008＞(n1-n4)＞0.007(2)
0.0018＞(n3-n4)＞0.0014(3)
-0.0005＞(n2-n4)＞-0.0007(4)
以上本发明实施例中所揭示以及在附图2a和2b中所说明的光导纤维对于微弯损失以及色散斜率不大于0.08ps/nm2.km的情况不敏感。
按照如附图2a所示的第一个本发明实施例中，光导纤维不同区的折射率在一个特别实施例中具有下列关系式表明的折射率关系：
(n1-n4)＝大约0.007(5)
(n3-n4)＝大约0.0016(6)
(n2-n4)＝大约-0.0006(7)
按照本发明第一个实施例(可以参见附图2a)中的光导纤维，每一个区半径还可以分别标识成为中心芯区1、覆层区2、环芯区3以及外部玻璃区4，并且这些区半径可以分别采用符号a1、a2、a3以及a4进行标识；按照本发明的这个具体实施例，这些区半径可以如此选择，即在C波段和L波段传输过程中，使弯曲损失处于规定范围之内，并且本发明第一个实施例的各个区半径受到下列8～10关系式限制：
a1＝约2.7μm(8)
a2＝约6.3μm(9)
a3＝约8.8μm(10)
在按照本发明光导纤维的一个说明实施例中，折射率曲线如附图2a所示包括在一个镀锗中心芯区1和镀锗环芯区3之间具有一个镀锗并且镀氟的单一环形圈2；外部纯玻璃区4可以规定设置在镀锗环芯区3的外围上。按照本发明的第一个实施例，如附图2a所示光导纤维具有一个折射率曲线，并且这个光导纤维的每一个如上所述部件的相对半径具有以下特征：
在1550nm波段的衰减≤0.22；
在1530nm波段至1565nm波段的色散分别处于2.2ps/nm.km至6.0ps/nm.km；
在1565nm波段至1625nm波段的色散分别处于4.0ps/nm.km至11ps/nm.km；
(典型)色散斜率为0.07ps/nm2.km；
极化方式色散(PMD)≤0.1ps/km0.5；
模式场直径为(MFD)9.6±0.4μm；
截止波长(光缆)≤1280nm；
芯同心率＜0.6μm；
(典型)有效面积为70平方微米；
微观弯曲(针栅阵列)＜0.05dB，在1550nm波段以及1625nm波段；
(以100转在32mm单一心轴和60mm心轴)宏观弯曲＜0.5dB，在1550nm波段以及1625nm波段；
验收试验采用100kpsi。
按照本发明第二个实施例，通过环芯区3在其中间放置，所说明光导纤维的覆层区2可以分为两个覆层区2和4，外部玻璃区可以规定放置在外部覆层区4的外围上，作为外部玻璃区5；如附图4a所示，这个光导纤维包括一个中心芯区1、一个内部覆层区2、一个环芯区3、一个外部覆层区4以及一个外部玻璃区5；其中内部覆层或者第一个覆层区2可以规定在中心芯区1的外围上，环芯区3可以规定放置在内部覆层或者第一个覆层区2的外围上，并且外部覆层区或者第二个覆层区4可以规定放置在环芯区3的外围上，以及外部玻璃区5可以规定放置在外部覆层区或者第二个覆层区4的周围(可以参见图4a)。
按照本发明的第二个实施例，中心芯区1和环芯区3具有比外部玻璃区5高的折射率，并且内部覆层区2以及外部覆层区4具有比外部玻璃区5低的折射率，(这些折射率之间的关系可以参见公式11以及附图4b)；按照本发明规定，内部覆层区2的折射率和外部覆层区4的折射率是相同的：
n1＞n3＞n5＞n2＝n4 (11)
在本发明第二个实施例中，对于光导纤维不同区的折射率，中心芯区1和内部覆层区2以及可以规定放置在内部覆层区2和外部覆层区4之间的环芯区3和外部覆层区4以及外部玻璃区5的折射率分别采用符号n1、n2、n3、n4和n5进行标识；根据下列关系式12～15进行相应折射率数值设置，可以制造出来在C波段以及L波段传输过程中具有低色散斜率、低色散和高有效面积的光导纤维：
0.008＞(n1-n5)＞0.007(12)
0.0018＞(n3-n5)＞0.0014(13)
-0.0005＞(n2-n5)＞-0.0007(14)
-0.0005＞(n4-n5)＞-0.0007(15)
在以上本发明第二个实施例中揭示以及在附图4a和4b说明的光导纤维对于微弯损失以及色散斜率不大于0.08ps/nm2.km的情况不敏感。
按照如附图4a所示的第二个本发明实施例中，光导纤维不同区的折射率在一个特别实施例中具有下列关系式表明的折射率关系：
(n1-n5)＝大约0.007(16)
(n3-n5)＝大约0.0016(17)
(n2-n5)＝大约-0.0006(18)
(n4-n5)＝大约-0.0006(19)
按照本发明第二个实施例(可以参见附图4a)中的光导纤维，中心芯区1和内部覆层区2以及可以规定放置在内部覆层区2和外部覆层区4之间的环芯区3，外部覆层区4以及外部玻璃区5的半径分别采用符号a1、a2、a3、a4和a5进行标识；照本发明的这个具体实施例，这些区半径可以如此选择，即在C波段和L波段传输过程中，使弯曲损失处于规定范围之内，并且本发明第二个实施例的各个区半径受到下列20～23关系式限制：
a1＝大约2.7μm(20)
a2＝大约6.3μm(21)
a3＝大约8.8μm(22)
a4＝大约10.8μm(23)
在按照本发明光导纤维的第二个说明实施例中，折射率曲线如附图4a所示包括在一个镀锗中心芯区1和镀锗环芯区3之间具有两个镀锗并且镀氟环形圈2和环形圈4；外部纯玻璃区5可以规定放置在镀锗并且镀氟外部覆层区4的外围上。
按照本发明的第二个实施例，如附图4a所示光导纤维具有一个折射率曲线，并且这个光导纤维的每一个如上所述部件的相对半径具有以下特征：
在1550nm波段的衰减≤0.25；
在1530nm波段至1565nm波段的色散为1.8ps/nm.km至6.0ps/nm.km；
在1565nm波段至1625nm波段的色散为4.0ps/nm.km至11ps/nm.km；
(典型)色散斜率为0.07ps/nm2.km；
极化方式色散(PMD)≤0.1ps/km1.5；
模式场直径为(MFD)9.6±0.4μm；
截止波长(光缆)≤1480nm；
芯同心率＜0.6μm；
(典型)有效面积为70平方微米；
微观弯曲(针栅阵列)＜0.05dB，在1550nm波段以及1625nm波段；
(以100转在32mm单一心轴和60mm心轴)宏观弯曲＜0.5dB，在
1550nm波段以及1625nm波段；
验收试验采用100kpsi。
按照本发明规定，附图6揭示了如图2a和图4a所示光导纤维的色散特征。同时，附图6还表明波导色散如何控制揭示光导纤维的低色散和低色散斜率；其中波导色散可以通过以下公式(24)进行确定：
n2Δlc·λ[V·d2·(V·b)d·V2]---(24)]]>
其中：
λ表示光波长；
b表示公称传播常数；
c表示光传输速度；
附图6折线曲线表示光导纤维具有如下波导特征：
(n1-n4)＝大约0.007；
(n3-n4)＝大约0.0016；
(n2-n4)＝大约-0.0006；
当a1＝大约2.7μm，a2＝大约6.3μm以及a3＝大约8.8μm的
时候：
(n1-n5)＝大约0.007；
(n3-n5)＝大约0.0016；
(n2-n5)＝大约-0.0006；
(n4-n5)＝大约-0.0006；
当a1＝大约2.7μm，a2＝大约6.3μm a3＝大约8.8μm以及a4＝大约10.8μm的时候：具有以上结构特征的目前说明光导纤维色散和波导色散特征参数保持同样数值。
由于对于功率依赖较低的折射率引起的光导纤维非线性增加，可以通过以下克尔效应公式(25)进行确定：
N1＝N0+NL P/Aeff(25)
其中：
N0表示折射率；
NL表示非线性折射率；
P表示光导纤维的光强度。
以上公式表明较大有效面积可以有助于降低非线性引起的负面影响。
试验结果表明，在不影响其他光导纤维参数例如色散斜率、色散以及弯曲性能的情况下，很难获得大的有效面积；然而，通过本发明光导纤维的特征参数设计，可以保持相关光导纤维控制参数的基本恒定。
本发明揭示并且说明了具有较大有效面积、低色散斜率以及低显微弯曲敏感度的光导纤维；有效面积是光导纤维的一个特征参数，并且有效面积直接和模式场直径相关；由于光导纤维的模式场可以扩展至光导纤维的覆层，因此模式场直径(MFD)和芯直径具有很大的不同；这就是模式场直径(MFD)而不是芯直径是一个重要控制参数的原因。附图3和附图5揭示了场强度分布特征，在光导纤维直径方向，模式场强度数值分别重叠在附图2a和附图4a上。
通过分析附图，可以有助于了解和说明本发明，并且这些附图并不限制本发明权利要求的保护范围；显而易见，对于本领域的变通技术人员来讲，在没有脱离本发明的要求保护的权利要求书中所列的精神和范围的情况下，可能对本发明的详细说明的实施例的光导纤维进行改进。因此，专利权人也认识到要把这种改进纳入权利保护范围之内，并且本发明通过以下权利要求进行限定。