寬帶色散控制光纖的制作方法

專利名稱：寬帶色散控制光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種色散控制光纖。
背景技術(shù)：
通常，通過(guò)在光纖的纖芯與包層之間放置漸降折射率的區(qū)域，光纖的色散特性可以得到有效的控制。這一點(diǎn)已經(jīng)披露在由Venkata A.Bhagavatula發(fā)明和發(fā)布的美國(guó)專利號(hào)4,715,679(標(biāo)題“LOW DISPERSION，LOW-LOSSSINGLE-MODE OPTICAL WAVEGUIDE”)中，其內(nèi)容作為背景材料被參考并引用。
圖1是說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)中的單模光纖(SMF)的色散特性圖。在該圖中示出了SMF的色散曲線110。該SMF具有階躍折射率分布，這是因?yàn)闆](méi)有具有漸降折射率的區(qū)域。如色散曲線110所示，該SMF在1550nm波長(zhǎng)處的單位色散值大約為17ps/nm/km。如果該SMF被用于長(zhǎng)距離傳輸，則通過(guò)該SMF接收的光信號(hào)的累積色散將增加，結(jié)果，光信號(hào)的失真就變得更嚴(yán)重了。在現(xiàn)有技術(shù)中，有各種色散補(bǔ)償技術(shù)，用于減少光信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸中所產(chǎn)生的累積色散。通常，廣泛采用使用色散控制光纖的方法來(lái)減少累積色散。
色散控制光纖具有大的負(fù)色散值，這是因?yàn)樗睦w芯圍繞有漸降折射率區(qū)域。另外，色散控制光纖可被連接到SMF的一端，以補(bǔ)償SMF的累積色散。色散控制光纖在1550nm波長(zhǎng)處具有大的負(fù)單位色散值，并且它的長(zhǎng)度可以被調(diào)整，以抵消SMF的累積色散，這樣，總的色散變?yōu)榱恪?br> 然而，如果采用色散控制光纖來(lái)用于SMF的色散補(bǔ)償，則在1550nm以外的波長(zhǎng)處，色散控制光纖的累積色散與SMF的累積色散之和可能不為零。因此，就出現(xiàn)了色散控制光纖不適用于波分復(fù)用系統(tǒng)的問(wèn)題。
為克服上述問(wèn)題，最近已經(jīng)做了研究，以提供一種能夠一并補(bǔ)償色散和色散斜率(slope)的光纖。為了一并補(bǔ)償色散和色散斜率，需分別讓SMF的色散值和色散斜率值為DSMF和DSMF，讓色散控制光纖的色散值和色散斜率值為DDCF和DSDCF，這樣DDCF和DSDCF滿足如下方程1。
DSMF:DSSMF≅DDCF:DSDCF]]>如果色散控制光纖的色散值和色散斜率(DDCF和DSDCF)滿足方程1，則不僅在1550nm波長(zhǎng)處，而且在1550nm以外的波長(zhǎng)處都可以產(chǎn)生SMF的累積色散的補(bǔ)償。然而，制造在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)都理想地滿足方程1的光纖有許多困難。因此，目前的技術(shù)狀態(tài)只在1530-1570nm波長(zhǎng)的C波段補(bǔ)償色散和色散斜率。在寬帶波分復(fù)用系統(tǒng)中，需要對(duì)包括1450-1530nm的S波段、1570-1610nm的L波段和C波段的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的任一波長(zhǎng)進(jìn)行色散和色散斜率補(bǔ)償。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供了一種色散控制光纖，適用于寬帶波分復(fù)用系統(tǒng)，如此寬帶波長(zhǎng)至今在現(xiàn)有技術(shù)中是沒(méi)有的。
根據(jù)本發(fā)明，上述的和其它目的可以通過(guò)提供一種寬帶色散控制光纖而實(shí)現(xiàn)，該光纖包括形成光信號(hào)傳輸路徑并具有峰值折射率的纖芯；圍繞纖芯并具有比纖芯的峰值折射率小的峰值折射率的包層；還包括至少一層位于纖芯和包層之間的色散控制層，該色散控制層具有折射率從色散控制層內(nèi)部圓周向外部圓周呈遞增變化的折射率分布，其中，所述的色散控制層具有小于纖芯和包層的峰值折射率的最小折射率。


下面結(jié)合附圖所進(jìn)行的詳細(xì)描述，將使本發(fā)明的上述和其它的目的、特點(diǎn)、和其它優(yōu)點(diǎn)變得更容易理解，其中圖1是說(shuō)明傳統(tǒng)的單模光纖的色散特性圖；圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的寬帶色散控制光纖的結(jié)構(gòu)和折射率分布圖；圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的寬帶色散控制光纖的結(jié)構(gòu)和折射率分布圖；圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的寬帶色散控制光纖的結(jié)構(gòu)和折射率分布圖；圖5是說(shuō)明圖2中的寬帶色散控制光纖的功能的圖；
圖6是說(shuō)明圖2中的寬帶色散控制光纖的色散特性的圖；圖7是說(shuō)明使用圖2中的寬帶色散控制光纖補(bǔ)償單模光纖的色散的例圖；圖8是說(shuō)明圖2中的寬帶色散控制光纖的粗加工成品的加工過(guò)程的圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在，將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。在下述描述中，將描述如成分元件的各種特殊元件。對(duì)這些元件的描述只是為了更好地理解本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，在不偏離如附加權(quán)利要求中披露的本發(fā)明的范圍和實(shí)質(zhì)的前提下，可以對(duì)這些特殊元件進(jìn)行各種修改、增加和替換。
圖2說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的寬帶色散控制光纖的結(jié)構(gòu)和各折射率分布。如該圖所示，該寬帶色散控制光纖200具有纖芯210、色散控制層220和包層230。
纖芯210位于寬帶色散控制光纖200的中心處，其半徑為A1，折射率是N1。纖芯210是條形的，具有被設(shè)置為一個(gè)恒定值N1的色散分布。折射率分布的一般公式由如下的方程2表達(dá)[方程2]N(R)=N1[1-2Δ1(RA)α1]1/2]]>其中，R(≤A)是徑向(diametrical)距離，A(≤A1)是到纖芯210內(nèi)某一點(diǎn)的徑向距離，N(R)是對(duì)應(yīng)于R的折射率，N1是纖芯210的峰值折射率，Δ1是第一折射率差，以及α1(0＜α1≤∞)是決定折射率分布形狀的第一形狀指數(shù)。而且，第一折射率差可以由如下的方程3表達(dá)[方程3]Δ1=(N12-N22)2N12≈(N1-N2)N1]]>其中，N2是包層230的峰值折射率。
如果需要，方程3中的N2可以被替換成小于纖芯210的峰值折射率N1且大于色散控制層220的最小折射率N4的任何值。
色散控制層220位于纖芯210和包層230之間，并具有內(nèi)半徑A1、外半徑A2、峰值折射率N3和最小折射率N4。而且，色散控制層220是管形的，并且，其折射率從內(nèi)部圓周向外部圓周呈線性增加。色散控制層220的折射率分布可以由如下方程4表達(dá)。
N(R)=N4[1-2Δ2(RA)α2]1/2]]>其中，A(A1≤A≤A2)是到色散控制層220中任一點(diǎn)的徑向距離，R(A1≤R≤A)是一徑向距離，N4是色散控制層220的最小折射率，Δ2是第二折射率差，α2(0＜α2≤∞)是決定折射率分布形狀的第二形狀指數(shù)。而且，第二折射率差可以由如下的方程5表達(dá)[方程5]Δ2=(N42-N32)2N42≈(N4-N3)N4]]>其中，N3是色散控制層220的峰值折射率。
包層230位于寬帶色散控制光纖200的外層，具有半徑A3和折射率N2。
如果需要，根據(jù)本發(fā)明，色散控制層可以制以各種形狀實(shí)現(xiàn)，這種實(shí)現(xiàn)形狀的變化將在本發(fā)明的第二和第三實(shí)施例中描述。
圖3說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的寬帶色散控制光纖的結(jié)構(gòu)和折射率分布。如該圖所示，該寬帶色散控制光纖300具有纖芯310、色散控制層320和包層330。
纖芯310位于寬帶色散控制光纖300的中心處，其半徑為A1，折射率是N1。纖芯310是條形的，具有被設(shè)置為一個(gè)恒定值N1的色散分布。
色散控制層320位于纖芯310和包層330之間，具有內(nèi)半徑A1、外半徑A2、峰值折射率N3和最小折射率N4。而且，色散控制層220是管形的，并且，其折射率從內(nèi)部圓周向外部圓周呈曲線增加。
包層330位于寬帶色散控制光纖300的外層，具有半徑A3和折射率N2。
圖4說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的寬帶色散控制光纖的結(jié)構(gòu)和折射率分布。如該圖所示，該寬帶色散控制光纖400具有纖芯410、色散控制層420和包層430。
纖芯410位于寬帶色散控制光纖400的中心處，其半徑為A1，折射率是N1。而且，纖芯410是條形的，其色散分布被設(shè)置為一個(gè)恒定值N1。
色散控制層420位于纖芯410和包層430之間，具有內(nèi)半徑A1、外半徑A2、峰值折射率N3和最小折射率N4。而且，色散控制層220是管形的，并且，其折射率從內(nèi)部圓周向外部圓周呈階梯增加。
包層430位于寬帶色散控制光纖400的外層，具有半徑A3和折射率N2。
圖5說(shuō)明了圖2中所示的寬帶色散控制光纖的功能。該圖示出了通過(guò)色散控制光纖200的較短波長(zhǎng)光信號(hào)和較長(zhǎng)波長(zhǎng)光信號(hào)的強(qiáng)度(intensity)曲線510和強(qiáng)度曲線520。即，曲線510和曲線520表示相應(yīng)于寬帶色散控制光纖200的一定橫截面的光信號(hào)強(qiáng)度分布。
如較短波長(zhǎng)的光信號(hào)的強(qiáng)度曲線510所示，曲線510的峰值強(qiáng)度點(diǎn)幾乎與纖芯210的中心一致，并且，強(qiáng)度分布集中在纖芯位置。換句話說(shuō)，當(dāng)較短波長(zhǎng)的光信號(hào)通過(guò)寬帶色散控制光纖200時(shí)，這種光信號(hào)透入色散控制層220的量相對(duì)較少，絕大多數(shù)光信號(hào)是在纖芯210中傳輸?shù)?。結(jié)果，色散控制層220對(duì)較短波長(zhǎng)的光信號(hào)的色散影響相對(duì)較小。
如較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光信號(hào)的強(qiáng)度曲線520所示，曲線520的峰值強(qiáng)度點(diǎn)幾乎與纖芯210的中心一致，并且，強(qiáng)度分布分散在纖芯210和色散控制層220的位置。換句話說(shuō)，當(dāng)較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光信號(hào)通過(guò)寬帶色散控制光纖200時(shí)，較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光信號(hào)透入色散控制層220的量相對(duì)較多，有相當(dāng)一部分的光信號(hào)是在色散控制層220中傳輸?shù)?。結(jié)果，色散控制層220對(duì)較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光信號(hào)的色散影響相對(duì)較大。
由于可以對(duì)較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行色散特性控制，所以，可以根據(jù)波長(zhǎng)，對(duì)寬帶色散控制光纖200的色散曲線進(jìn)行控制。這種控制過(guò)程將在下面逐步描述。
首先，在包層230的折射率分布被設(shè)置為一個(gè)恒定值的條件下，通過(guò)控制纖芯210和色散控制層220的各折射率分布，設(shè)置按較長(zhǎng)波長(zhǎng)波段的波長(zhǎng)的色散曲線。
第二步，通過(guò)控制色散控制層220的折射率分布的斜率，設(shè)置按較短波長(zhǎng)波段的波長(zhǎng)的色散曲線。
圖6是說(shuō)明圖2中的寬帶色散控制光纖的色散特性的圖。該圖示出了當(dāng)峰值折射率N3和最小折射率N4的差值為零時(shí)的第一色散曲線610；當(dāng)差值是0.0005時(shí)的第二色散曲線620；當(dāng)差值是0.001時(shí)的第三色散曲線630；和當(dāng)差值是0.0015時(shí)的第四色散曲線640。
在短波長(zhǎng)波段，第一到第四色散曲線610、620、630、和640的相互之間是如此的相似，以至于很難從它們中區(qū)別任何一個(gè)。另一方面，在較長(zhǎng)波段，或在1500nm或更長(zhǎng)的波長(zhǎng)處，那些色散曲線之間的差別是明顯的。
參照?qǐng)D7，將描述一種關(guān)于通過(guò)控制如圖2中所示的寬帶色散控制光纖200的纖芯210和色散控制層220的各折射率，補(bǔ)償單模光纖的色散和色散斜率的方法。圖7示出了單模光纖的色散曲線710；其色散控制層220被控制以調(diào)整其色散斜率的寬帶色散控制光纖200的色散曲線720；色散曲線730，表示當(dāng)單模光纖和寬帶色散控制光纖200按1∶1的長(zhǎng)度比相互連接時(shí)的總的色散。如總色散曲線730所示，使用寬帶色散控制光纖200，可以對(duì)包括S波段、L波段和C波段的波長(zhǎng)范圍都進(jìn)行色散補(bǔ)償。
如圖6和圖7所示，通過(guò)調(diào)整色散控制層220的斜率，色散控制光纖200的色散和色散斜率被調(diào)整，使得色散控制光纖200具有負(fù)的色散值，從而在包括S波段、C波段和L波段的寬波段內(nèi)，都可以用負(fù)色散值對(duì)單模光纖色散進(jìn)行補(bǔ)償。
參照?qǐng)D8，將描述圖2中的寬帶色散控制光纖的粗加工成品的加工方法。該光纖粗加工成品的加工方法可以是MCVD(改進(jìn)化學(xué)汽相淀積)、VAD(汽相軸向淀積)、OVD(外部汽相淀積)、等等。在這里，將描述使用MCVD的光纖粗加工成品的加工方法。因?yàn)镸CVD是已知的技術(shù)，所以只描述冷凝和沉淀(collapsing)處理過(guò)程。
該粗加工成品的加工裝置包括原料氣體供給器820、支架850、和氧/氫燃燒器860。
原料氣體供給器820將氧氣和多種添加劑混合，并供應(yīng)氧氣和諸如SiCl4、GeCl4、POCl3、CF4、SiF4等原料氣體給管810的內(nèi)部。GeCl4和POCl3是用于提高淀積區(qū)的折射率，CF4和SiF4是用于降低淀積區(qū)的折射率。原料氣體供給器820恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)流入管810的氧氣和原料氣體的供應(yīng)量，以獲得如圖2所示的折射率分布。例如，在淀積色散控制層220時(shí)，由于淀積處理被重復(fù)執(zhí)行，原料氣體供給器820調(diào)節(jié)供應(yīng)到淀積管810的CF4或SiF4與氧氣、SiCl4、GeCl4、和POCl3的混合氣體的比率，以產(chǎn)生期望的折射率斜率。在淀積纖芯210時(shí)，由于淀積處理被重復(fù)執(zhí)行，原料氣體供給器820調(diào)節(jié)供應(yīng)到淀積管810的GeCl4與氧氣和SiCl4的混合氣體的比率，以在折射率上產(chǎn)生變化。
支架850有一對(duì)卡盤(pán)832和836、和一副導(dǎo)軌840。淀積管840可旋轉(zhuǎn)地固定在卡盤(pán)對(duì)832和836之間。導(dǎo)軌840可移動(dòng)地支持著氧/氫燃燒器860。
供應(yīng)有氧氣和氫氣的氧/氫燃燒器860以恒定的速度沿著導(dǎo)軌840移動(dòng)，以向淀積管810的外圍供應(yīng)熱量。結(jié)果，在淀積管810的內(nèi)部形成一個(gè)高溫區(qū)，形成的原料氣體經(jīng)過(guò)高溫區(qū)而產(chǎn)生反應(yīng)物。相關(guān)的反應(yīng)公式可以表示成，例如，和。通過(guò)熱泳(thermophoretic)機(jī)制，反應(yīng)物移動(dòng)到溫度相對(duì)較低的淀積管810的內(nèi)壁，然后淀積在淀積管810的內(nèi)壁上。
盡管在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中的色散控制光纖中提供了一層色散控制層，如果需要的話，可以在色散控制光纖的纖芯與包層之間設(shè)置多層色散控制層。從較短波長(zhǎng)到較長(zhǎng)波長(zhǎng)，光纖的強(qiáng)度分布色散因波長(zhǎng)而變化。因此，當(dāng)需要寬帶色散控制光纖的按波長(zhǎng)進(jìn)行色散特性的精細(xì)控制時(shí)，可以使用多層色散控制層。
上述已闡明，根據(jù)本發(fā)明的寬帶色散控制光纖，對(duì)較長(zhǎng)波長(zhǎng)波段，可以通過(guò)使用其色散控制層的折射率分布來(lái)控制其色散特性。所以，根據(jù)本發(fā)明的寬帶色散控制光纖具有可適用于寬帶波分復(fù)用系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。
盡管，為了說(shuō)明的目的，披露了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，在不偏離如附加權(quán)利要求中披露的本發(fā)明的范圍和實(shí)質(zhì)的前提下，可以進(jìn)行各種修改、增加和替換。
權(quán)利要求
1.一種寬帶色散控制光纖，包括形成光信號(hào)傳輸路徑并具有峰值折射率的纖芯，圍繞所述纖芯并具有比纖芯的峰值折射率小的峰值折射率的包層，位于所述纖芯和包層之間的至少一層色散控制層，所述的至少一層色散控制層，具有折射率從內(nèi)部圓周向外部圓周呈遞增變化的折射率分布，其中，所述的至少一層色散控制層具有小于所述纖芯和包層的峰值折射率的最小折射率。
2.如權(quán)利要求1所述的寬帶色散控制光纖，其中，所述色散控制層具有比包層的峰值折射率小的峰值折射率。
3.如權(quán)利要求1所述的寬帶色散控制光纖，其中，所述寬帶色散控制光纖在1400-1650nm波段，具有負(fù)的色散值。
4.如權(quán)利要求1所述的寬帶色散控制光纖，其中，所述纖芯是條形的。
5.如權(quán)利要求4所述的寬帶色散控制光纖，其中，纖芯的半徑是A1，折射率是N1，色散分布被設(shè)置為一個(gè)恒定值N1，纖芯的折射率分布由如下的方程表達(dá)N(R)=N1[1-2Δ1(RA)α1]1/2]]>其中，R(≤A)是徑向(diametrical)距離，A(≤A1)是到纖芯內(nèi)一預(yù)定點(diǎn)的徑向距離，N(R)是對(duì)應(yīng)于R的折射率，N1是纖芯的峰值折射率，Δ1是第一折射率差，和α1(0＜α1≤∞)是決定折射率分布形狀的第一形狀指數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的寬帶色散控制光纖，其中，第一折射率差由下式表達(dá)Δ1=(N12-N22)2N12≈(N1-N2)N1]]>其中，N2是包層的峰值折射率。
7.如權(quán)利要求1所述的寬帶色散控制光纖，其中，所述的至少一層的色散控制層是管形的，其中，所述的至少一層的色散控制層的折射率從內(nèi)部圓周向外部圓周呈線性增加。
8.如權(quán)利要求1所述的寬帶色散控制光纖，其中，所述的至少一層的色散控制層(220)的折射率分布可以由如下的方程表達(dá)N(R)=N4[1-2Δ2(RA)α2]1/2]]>其中，A(A1≤A≤A2)是到色散控制層(220)中任一點(diǎn)的徑向距離，R(A1≤R≤A)是一徑向距離，N4是色散控制層(220)的最小折射率，Δ2是第二折射率差，α2(0＜α2≤∞)是決定折射率分布形狀的第二形狀指數(shù)。
9.如權(quán)利要求8所述的寬帶色散控制光纖，其中，第二折射率差由下式表達(dá)Δ2=(N42-N32)2N42≈(N4-N3)N4]]>其中，N3是所述色散控制層的峰值折射率。
全文摘要
一種寬帶色散控制光纖，包括形成光信號(hào)傳輸路徑并具有峰值折射率的纖芯；圍繞纖芯并具有比纖芯的峰值折射率小的峰值折射率的包層。該寬帶色散控制光纖還包括至少一層位于纖芯和包層之間，并具有折射率從內(nèi)部圓周向外部圓周呈遞增變化的折射率分布的色散控制層。色散控制層的最小折射率小于纖芯和包層的峰值折射率。
文檔編號(hào)H04J14/02GK1421713SQ0214318
公開(kāi)日2003年6月4日 申請(qǐng)日期2002年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月30日
發(fā)明者曹正植, 都文顯, 楊鎮(zhèn)成, 崔成旭 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社