具有较大有效面积的单模光波导 本发明涉及一种适于通信应用具有较大有效面积Aeff的单模光纤。具有较大有效面积的单模波导将具有较小的非线性的光学作用，包括自相位调制、四波混频、交叉相位调制和非线性散射过程等。这些作用的每一项都会使高功率系统中的信号恶化。
使信号恶化的散射过程一般可用含exp(cP/Aeff)项的方程来描述，其中c是一常数，P是信号功率。其他描述非线性作用的方程则包含P/Aeff比值作为因子。因此，Aeff的增大会减少非线性对光信号恶化的贡献。
通信产业中，需要在无再生器情况下，远距离传输较大的信息量，这导致了对单模光纤折射率分布设计的重新评价。
重新评价的关键是提供这样的光波导，它们能
-减少诸如上述的非线性作用；
-为在1550纳米周围的波长范围内上作时有较低的衰减而进行优化；
-与光放大器兼容；并且
-保持光波导中诸如低衰减、高强度、耐疲劳和抗弯曲等所需特性。
诸如美国专利申请S.N.08/378,780所揭示的早期研究包括了一些分层纤心(segmented core)设计地基本概念，这些概念是由Bhagavatula在美国专利4,715,679中首次提出的。在上述S.N.08/378,780专利申请所揭示的一组纤心设计中可以找到有效面积较大的波导。在该申请中揭示了一种特殊设计，它至少包含一个最小折射率小于包层折射率的纤心区。
对具有折射率小于最小包层折射率区域的纤心折射率分布设计的进一步研究，发现有效面积很大的光纤具有两个重要特性。第一个特性是，经半径加权的模功率分布，即E2×r，具有当其相对半径作曲线时至少呈现双峰(bimodal)的特殊特性，其中E是电场而r是半径。双峰模功率分布可以以双峰或具有相邻平坦肩部的单峰的形式出现。应该理解，模功率分布是由波导之折射率分布中所包含的引导结构所确定的。已知模功率分布要比双峰分布复杂的折射率分布。新颖的有效面积非常大的波导还具有比值Aeff/Amf(参见以下定义)大于1.3的特征。
利用这些重要特性，可用描述分层纤心设计特性的模型产生一族纤心设计，该族设计具有一个Aeff、一种模功率分布(或电场强度分布)和表征适于在性能很高的通信系统中使用的光纤的有效面积与模场面积的比值。定义
-有效面积为：
Aeff＝2π(∫E2rdr)2/(∫E4rdr)，
其中积分限为0至∞，并且E是与传播的光有关的电场。
有效直径Deff可定义为：
Deff＝2(Aeff/π)1/2。
-模场面积Amf为π(Dmf/2)2，其中Dmf是用Peterman II方法测得的模场直径，这里2w＝Dmf并且w2＝(2∫E2rdr/∫[dE/dr]2rdr)，积分限为0至无穷大。
-比值R＝Aeff/Amf。
-α分布为
n＝n0(1-Δ(r/a)α)，
其中n0为α折射率分布的最大折射率，Δ如下定义，r为半径，而a是从α折射率分布的第一点量至最后一点的半径。α折射率分布中n0点处的r可选择为零，或者可以将分布曲线的第一点移离波导中心线一被选距离。α等于1的α分布是三角形。当α为2时，折射率分布是一抛物线。当α的数值大于2并趋向6时，折射率分布曲线便更接近于阶跃折射率分布。虽然真正的阶跃折射率分布是通过α为无穷大来描述的，但α取大约4至6便为实际应用提供了阶跃折射率分布。
-折射率分布段宽度为折射率-半径曲线图中两条垂线之间的距离，这两条垂线分别从折射率分布各自的开始点和结束点作到水平轴。
-％折射率增量为：
％Δ＝[(nl2-nc2)/2nl2]×100，
其中nl为纤心的折射率，而nc为包层的折射率。除非另作说明，nl是由％Δ所表征的纤心区中的最大折射率。
-折射率分布的零参考值可选作包层玻璃层中的最小折射率。为纤心中折射率小于该最小值的区域分配一个负值。
-折射率分布一般具有形状不同的相关的有效折射率分布。有效折射率分布可以代替其相关的折射率分布，不会改变波导性能。参见Luc B.Jeunhomme著的《单模光纤》，Marcel Dekker股份有限公司1990年出版，第32页，第1.3.2节。
-弯曲性能由一标准测试过程确定，在该过程中测量绕心轴缠绕光纤所引起的衰减。标准测试要求光纤绕32毫米的心轴一周的弯曲，和绕75毫米的心轴100周的弯曲所具有的光纤性能。通常，弯曲导致的最大许可衰减在1300纳米和1550纳米周围的工作窗中确定。
-另一种弯曲测试是销钉阵列弯曲测试，它用于对光纤的相对抗弯曲性进行比较。为了进行该测试，对基本上没有引入弯曲损耗的光纤测量其衰减。然后把光纤绕销钉阵列弯曲，再次测量衰减。弯曲带来的损耗是两次测得的衰减之间的差值。销钉阵列是一组按单行排列并在一平面上保持固定垂直位置的十个圆柱销钉。销钉的中心至中心间距为5毫米。销钉直径为0.67毫米。在测试期间，施加足以使光纤与销钉表面一部分贴合的张力。
本发明通过有效解决那些因非线性波导作用所引起的问题并在通信系统设计中引入放大器，来满足性能非常高好的光纤的需要。
要满足这一需要，需提供一种具有很大有效面积的单模光纤，并仍然至少使其弯曲性能可与标准单模阶跃折射率光纤的弯曲性能相比较。另外，衰减必须足够低，以便获得较长的再生器之间的间距和所需的光纤强度，还必须保持耐疲劳性。
特别地，在标准的32毫米心轴绕一周的弯曲测试中，下述实施例具有因弯曲而引起的损耗在1550纳米测量波长处等于或小于0.05分贝。同样，在75毫米心轴绕100圈的测试中，弯曲所引起的衰减在1310纳米处等于或小于0.05分贝，在1550纳米处等于或小于0.10分贝。这些结果与标准的阶跃折射率光纤等同。
因此，本发明的第一个方面是6一种纤心至少有三个不同分层的单模光纤。各分层通过特定半径范围上所规定的折射率分布相互区别。提供较大有效面积并且不损失弯曲性能的特征如下：
在纤心中至少存在一个分层，该分层折射率的一部分小于包层的最小折射率；并且
至少有两个分层，该两个分层折射率各有一部分大于包层的最大折射率。
尽管场功率分布在一个较大的纤心区域中，但正折射率纤心部分与负折射率纤心部分的组合能很好地引导传送的光，使其满足对弯曲损耗的要求。
总的来说，本发明的光纤至少具有三个不同的纤心部分，并且至少一个纤心部分具有负的折射率，这种光纤具有以下特征：
-衰减可与标准的阶跃折射率单模光纤的衰减相比较；
-弯曲损耗小于或等于标准的阶跃折射率单模光纤的弯曲损耗；
-加权的场分布至少是一种双峰分布，例如如图4中曲线24所示；
-在1550纳米工作窗中，有效面积大于90微米2，并且在该窗中可以超过350微米2；并且
-比值R＝Aeff/Amf约大于1.3，并且可以超过3.7。一般1550纳米工作窗大约包括从1530纳米至1565纳米的波长范围。
在该第一方面的一组较佳实施例中，纤心包含四个或五个折射率不同的分层。在每个实施例中，两个不相邻的分层具有负的折射率。每个分层用折射率Δ％以及沿光纤半径测得的宽度来表征。
于是，各层可用折射率分布形状、折射率Δ％以及从波导中心的零半径点至每个纤心分层终点所测得的分层半径来描述。每个分层的宽度由半径之差得到。例如，如果a0是引至第一纤心分层终点的半径，a1是引至第二纤心分层终点的半径，那么a1-a0即是第二分层的宽度。
在五个分层的实施例中，每个分层的折射率都基本上为一阶梯状，即每个分层可用一个常数折射率来表征。由于掺杂剂在光纤纤心制作期间有扩散，所以阶跃曲线的角变圆。一般，小圆角不会影响光纤的性能。但当圆角明显时，便要把有关带圆角的折射率分布的数学描述添加到用来计算特定分层纤心波导之性能的模型。
在分析新型折射率分布的实施例时获得一重大发现，这就是中心线折射率分布(即第一纤心区分层)可以具有如图1中曲线8和6所示的各种形状，并且保持所需的波导性能。一般，波导折射率分布的特定部分具有与其相关的等价折射率分布。参见上述定义。可以理解，在揭示和权利要求中，揭示和要求一特定的折射率分布形状包括相关的等价分布。
这里给出了关于四个和五个分层纤心的一组特殊的折射率Δ％及宽度范围。但是，应该理解，实质上存在无数个能够提供所需Aeff、R值及场分布的折射率分布。设计者可以作一个功能纤心设计，并且在不把主要波导性能移至特定目标范围之外的条件下调节宽度或分层位置，或者分层折射率分布或折射率Δ％。因此，可以理解，这里所给出的一组可接受的纤心设计包括那些能够提供特定光纤功能的紧密相关设计。
在下述的每个实施例中，一旦给定Δ％。包层就获得基本不变的折射率nc。
已经发现一族具有较高的Aeff和良好的抗弯曲性的具有四分层纤心的光纤，其特征如下：
-第一纤心分层，该分层从光纤的中心线开始，具有α分布，Δ0％的范围约为0.7％至1.2％，而a0的范围约为1.5至3.5微米，
-第二邻接纤心分层，该层的Δ1％约小于-0.10％，而a1的范围约为6.5至11微米，
-第三纤心分层，该层的Δ2％范围约为0.3％至0.8％，而a2的范围约为7.5至14微米，
-第四纤心分层，该层的Δ3％约小于-0.10％，而a3的范围约为10至32微米，并且
半径a约小于35微米。
该四分层纤心族中一较佳纤心的参数如下：
Δ0％的范围为0.65％至1.0％；
a0的范围约为2.8至3.5微米；
Δ1％约小于-0.10％；
a1的范围约为6至8微米；
Δ2％范围约为0.50％至0.85％；
a2的范围约为8至10微米；
Δ3％约小于-0.10％；
a3的范围约为13至16微米；并且
半径a约等于a3。
负Δ％分层的下限实质上是由生产能力而不是由光纤性能要求确定的。目前，可达到约-0.8％的水平。
α分布在α＝1时为三角形，在α＝2时为抛物线形。并且当α为4或更大时，为一些开始近似于阶梯形状的连续曲线。α分布能够在其中心线上出现呈倒锥形的折射率凹陷。模型具有足够的柔性来容纳这种凹陷。
图11示出了具有四分层折射率分布的纤心区的较佳实施例，其特征如下：
-Δ1％的范围约为0.65％至1.00％；
-r1等于3.35+/-0.30微米；
-Δ2％约小于-0.10％；
-r2等于7.2+/-0.60微米；
-Δ3％的范围为0.50％至0.85％；
-r3等于9.1+/-0.70微米；
-Δ4％约小于-0.10％；
-r4等于14.5+/-1.0微米。以下给出了这些折射率分布的参数的规定。
对于五分层纤心区折射率分布的情况，规定一族分布如下：
从波导中心开始并向外处理。
-第一纤心分层，该层Δ0％的范围约为0％至0.20％，而从光纤中心线开始测量的半径的范围约为0.50至1.50微米；
-第二纤心分层，该层Δ1％的范围约为0.5％至1.2％，而半径a1的范围约为0.5至4.5微米，
-第三纤心分层，该层的Δ2％约小于-0.1％，而a2的范围约为6至12微米，
-第四纤心分层，该层Δ3％的范围约为0.2％至0.8％，而a3的范围约为7至16微米；
-第五纤心分层，该层的Δ4％约小于-0.1％，而a4的范围约为13至26微米；并且
纤心半径a的范围约为25微米至35微米。在许多较佳实施例中，纤心半径与最后一个纤心分层的外半径一致。
具有由该族折射率分布描述的纤心折射率分布的光纤的有效面积大于350微米2，并且抗弯曲性超过标准的阶跃折射率光纤的抗弯曲性，衰减或其他诸如耐疲劳等性能特征也没有明显减退。
在上述五分层实施例中，第一分层可以呈现各种形状例如α分布的形状，不会明显影响波导的性能。另外，α分布可以包括折射率呈倒锥形的中央凹陷。这种中央凹陷或者是在制造预制件期间控制掺杂而引起的，或者是在制造期间控制掺杂剂向预制件以外扩散而引起的。
新型纤心折射率的第三实施例是一种有三个负折射率纤心分层的波导：
-第一纤心分层，该层的Δ0％约小于-0.10％，而a0的范围约为0.1至2.5微米；
-第二纤心分层，该层Δ1％范围约为0.5％至1.2％，而半径a1的范围约为0.5至4.5微米，
-第三纤心分层，该层的Δ2％约小于-0.1％，而a2的范围约为6至12微米，
-第四纤心分层，该层Δ3％的范围约为0.2％至0.8％，而a3的范围约为7至14微米；
-第五纤心分层，该层的Δ4％约小于-0.1％，而a4的范围约为13至30微米；并且
纤心半径a的范围约为20微米至35微米。
在这些实施例中哪一种选择较佳是通过考虑制造方便、相关制造成本以及能相符合地产生目标Aeff和抗弯曲性的设计能力来确定的。
就大多数目的而言，若在中心使用α分布，而在其余纤心分层中使用阶跃折射率分布的四分层设计有两个折射率凹陷，则该设计在成本和性能上是最有效的。在某些情况下，最好使用所有分层都为阶跃折射率分布的五分层设计。
很明显，可以对这些分层纤心设计进行置换和组合。因此可以理解，这些特殊的实施例示出了一族折射率分布中的一些成员。本发明的范围包括该族折射率分布。
建立模型中所寻求的并且通常能确保设计优秀波导纤心的特征是，经半径加权的模功率分布至少是双峰的。模功率正比于传播电场的平方。在一较佳实施例中，用一种模型来发现那些双峰功率分布为双峰曲线的纤心设计。
在一实施例中，第一模功率最大值出现在0至5微米之间的一个半径处，而第二模功率最大值出现在大于8微米的一个半径处，该实施例提供的光纤具有较大的Aeff，并且抗弯曲性至少与标准阶跃折射率光纤中规定的一样好。
图1示出了四分层的纤心折射率分布，其中有两个分层的折射率小于包层的折射率。
图2是有关新型纤心折射率分布一代表性实施例的加权电场强度对半径的曲线图。
图3是一分层纤心折射率分布，其模型参数与从具有该折射率分布的光纤上测得的参数作了比较。
图4是关于三分层纤心波导类型的加权电场强度的曲线图。
图5示出了具有五分层的纤心折射率分布，其中两个分层的折射率小于包层的折射率。
图6是图5所述实施例的变化。
图7是具有四分层并且第一分层为三角形的模型分布。
图8和图9a-b是具有五分层的模型纤心折射率分布，其中三个分层的折射率小于包层的折射率。
图10是关于本发明纤心折射率分布一代表性实施例的电场强度曲线图。
图11示出了具有四分层的折射率分布，给出了模型中所用折射率分布Δ以及半径的定义。
对特殊分层纤心设计之性能的研究已经跟上了对高容量远程光纤不断增长需求的步伐。人们正在研究太比特范围内的数据率，并且正在研究再生器间距大于100公里的系统。
例如专利申请S.N.08/378,780号等早期研究提出应该进一步研究包括一纤心分层的折射率小于包层折射率的设计，因为它们能够形成有效面积较大的光纤。
本申请中所揭示的发现是，事实上，至少有一个纤心分层的折射率低于包层折射率的设计可以获得比任何早期报告结果大得多的有效面积。另外，本发明的纤心设计能很好地限制被注入的光从而提供Aeff较大的光纤，并且相对标准阶跃折射率单模光纤来说抗弯曲性没有减退。在许多设计中，与标准阶跃折射率单模光纤相比，Aeff较大的光纤的抗弯曲性更好。
图1示出了本发明纤心折射率分布的一般实施例。纤心包括四个折射率分层，第一分层8和第三分层4具有带圆角的阶跃折射率的形状，而其余两个区域2的折射率低于包层的折射率。第一分层中的虚线6表示第一分层折射率分布其他可能的形状。分层4也可以呈现各种不会对光纤性能产生很大影响的形状。两个折射率分布较低的分层2在宽度和最小折射率方面可以相互不同。另外，分层2还可以具有略微为正或负的斜率，并且形状可有一定程度的圆角。分层2的Δ％的下限依赖于过程能力。增量百分数值约为0.80％可以提供具有规定性能的光纤。
该分布对被传播光的作用是，将一部分被传播的功率限制在曲线8确定的第一分层和相邻的折射率较低的区域2中。光功率的第二部分则由结构4以及外层折射率较低的区域2引导。Aeff较大是结构4从波导中心向外引导功率的结果。由于外层折射率较低的区域2对光进行了限制，所以抗弯曲性也没有损失。
图2示出了新型分层纤心设计中一种四分层实施例的双峰功率分布，该图是加权电场强度作为半径函数的曲线图。内峰10对应于分层纤心的第一分层引导结构。峰12对应于更接近纤心周边的引导结构。当半径增大时，峰12的幅值急剧下降，确保对光进行限制以及抗弯曲性良好。
图11示出了折射率分布Δ以及半径的定义。在图11所示的四分层实施例中，Δ1％，Δ2％，Δ3％和Δ4％，的位置分别为68、70、72和74。模型计算中所用的四个分层的半径都是从光纤中心线开始测量的，如图11中76、78、80和82所示。所有模型计算中都要使用有关Δ％和半径的这些或类似的定义。
有关图2的特殊的被模拟的性能为，Aeff＝210微米2，并且光纤上测得的截止波长为1562米。在一种成缆结构中，截止波长通常要减小200纳米至400纳米。因此，就截止波长而言，被模拟光纤适于在1310纳米窗或1550纳米窗中工作的高性能系统。
通过比较光纤的实际和预测性能已经测试了模型的准确度。图3所示的折射率分布是一实际的光纤分布，该分布具有中心α分布14、折射率较小的区域16以及带圆角的阶跃折射率环18。注意波导中心线上的扩散区。模型考虑了此倒锥形的中心线处折射率的凹陷。表1示出了模型与实际光纤性能之间极好的一致性，只是在实际和模型的截止波长之间存在200纳米偏移。由于截止波长依赖于测量期间波导的实际布置，所以此不同被认为是可以接受的。尽管图3中例示的折射率分布不包括Δ％为负的分层，但该例为这里所揭示的折射率分布族仍然显示了模型的一般准确度。
截止波长 色散斜率 零色散 模场直径 弯曲
微米 dB
实测 1700纳米 0.122 1538纳米 10.0 8.4
预测 1900纳米 0.120 1539纳米 10.2 4.6
图4中的曲线24示出了新型纤心设计的特有的加权电场强度的图形。双峰图形与图4中曲线20所示的标准的色散位移光纤的图形明显不同。标准的色散位移光纤折射率分布设计包括呈α分布的第一分层、折射率接近于包层折射率的平坦的折射率分布环，以及呈带圆角的阶跃折射率形状的第二环。
美国专利申请第S.N.08/378,780号中揭示的有效面积较大的设计类型，具有曲线22所示的特有的加权电场强度。正如所希望的那样，这些设计确实示出了加权电场强度图形具有一个向较大半径外移的区域。
为完整起见，图10示出了这些具有三种不同纤心分布之设计的电场强度。曲线64是标准的色散位移光纤的电场强度，曲线66是有关专利申请第S.N.08/378,780号的设计的电场强度，而曲线62是本发明的具有较大有效面积设计的电场强度特征曲线。双峰曲线62与其他两种设计的特征曲线完全不同。
图5a、5b和5c示出了几种有两个区域的折射率分布低于包层折射率的折射率分布设计的选择方案。每张图都示出了两个折射率较低的区域26和两个阶跃或带圆角阶跃折射率区域28。图5a的设计包括一个折射率与包层折射率一致的纤心区30。
图5c示出了这三种折射率分布中较佳的实施例。两个折射率较低的区域离开纤心区的第一分层。因此，将电场分布移离波导中心，从而增大了有效面积。位于纤心区周边的折射率较低的环起着将被传播光限制在波导中的作用，以便提供可接受的抗弯曲性。
图5c在阶跃折射率分布28附近用虚线示出了另一些可供选择的第一分层分布。这些替换的分布包括那些在中心线上具有扩散凹陷的分布，但都能产生可接受的有效面积和R比值。
例1-有两段较低折射率的分布
参照图6，被模拟的纤心区分布具有一个中心扩散凹陷30，形状呈一倒锥形，最小Δ％约为0.18，而最大半径约为1微米。第一环32是带圆角的阶跃折射率，最大Δ％为0.80，而半径a0约为3微米。折射率较低的分布段34，其折射率Δ％为-0.18，而半径a1约为7.5微米。第二环是带圆角的阶跃折射率，Δ％约为0.50，而a2约为11微米。折射率较低的分布段34，其折射率Δ％为-0.18，而半径a3约为23微米。纤心区在折射率达到包层折射率的地方终止，在本例中，位于半径约24微米的地方。
本实施例被模拟的性能为：
模场直径 9.8微米
Deff 18.1微米
Aeff 257微米2
R 3.41
截止波长 1809纳米
零色散 1561纳米
色散斜率 0.151ps/nm2-km
弯曲性能与标准的阶跃折射率单模波导的弯曲性能等同。
对于在1535纳米至1575纳米范围内工作的高性能波导通信系统来说，被模拟的波导在所有方面都较理想。但是，对于工作在1310纳米和1550纳米两个窗中的系统来说，色散斜率应该更低些。设计者可以用有效面积来换取色散斜率的改善。或者，换一种做法，还可以设计在1310纳米窗中总色散较低的分层纤心分布。
比较用的例2
图7所示的纤心折射率分布与图6中的不同之处仅在于，第一分层折射率为三角形，并且最大Δ％约为0.7，中心线上没有扩散锥，而且半径a0约为4微米。
被模拟的参数为：
模场直径 10.0微米
Deff 16.4微米
Aeff 210微米2
R 2.69
截止波长 1834纳米
零色散 1562纳米
色散斜率 0.16ps/nm2-km
注意，纤心中心附近折射率变化较大，但它对波导参数的影响却很小。
图8所示的分布有三个折射率较低的区域36。图中所示的环38是阶跃折射率，但也可以是带圆角的阶跃折射率。另外，第一环可以是α分布。
例3-三个分层折射率较低的分布
图9a的分布包括三个折射率较低的区域，即，折射率低于包层折射率的区域52和两个带圆角阶跃折射率环54。第一个折射率较低的区域是一个倒锥形，最小Δ％约为-0.18，而最大半径约为1微米。从中心向外，其余纤心区的半径和Δ％分别为3微米和0.85％、7微米和-0.18％，10微米和0.7％以及20微米和-0.18％。
该纤心折射率分布产生了下述被模拟的波导参数：
模场直径 9.65微米
Deff 15.96微米
Aeff 200微米2
R 2.74
截止波长 1740纳米
零色散 1562纳米
色散斜率 0.137ps/nm2-km
比较用的例4-三个折射率较低的纤心区
图9b所示的折射率分布基本与例3的分布相同，但中心的扩散倒锥形变窄了，致使中心线分布中只有一小部分的折射率比第一包层的折射率低。
被模拟的波导性能为：
模场直径 9.79微米
Deff 18.42微米
Aeff 267微米2
R 3.54
截止波长 1738纳米
零色散 1544纳米
色散斜率 0.124ps/nm2-km
比较图9a和9b折射率分布的结果，可知图9b的分布较佳，因为其R比值较高，截止波长基本不受影响，并且零色散更适于1535纳米至1575纳米波长窗中的波分复用(WDM)，它与铒光放大器工作窗基本一致。
例3与比较例4清楚地证明，需要对分层光纤分布进行模拟。分层纤心概念中可能的折射率分布数实质上是无限的。因此，为寻找一族具有一组预定性能的分布，最有效并且时间/成本可行的方法是，在对新型分层纤心波导进行实际制造之前，进行广泛的模型研究。
对于图11所示的实施例，在发明内容部分中给出了分布参数的界限。在图11所示的纤心设计族中，建立了约2500种折射率分布的模型。计算得到的波导性能为：
λ0＝1580+/-30纳米；
总色散斜率＝0.085+/-0.02ps/nm2-km；
模场直径＝8.0+/-0.5微米；
Aeff＝265+/-35微米；
λc＝1850+/-100纳米；
销钉阵列弯曲损耗的平均值＝9.6分贝；并且
销钉阵列端部损耗的中间值为7.0分贝。销钉阵列的范围为3至25分贝。