CN102243336B - 一种色散补偿光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种色散补偿光纤，包括有纤芯和包层，纤芯为主要掺有锗的相对折射率差为正值的芯层，包覆在纤芯外的依次为主要掺有氟的下陷包层、主要掺有锗的环形包层、主要掺有氟的匹配包层和最外层的机械包层；纤芯和各包层的相对折射率差范围依次为：Δ1％为1.55％～2.20％，Δ2％为-0.55％～-0.30％，Δ3％为0.40％～0.65％，Δ4％为-0.20％～-0.01％，Δ5％为0；纤芯和各包层的半径范围从R1到R5依次为：R1为1.4～1.7μm，R2为4.1～4.8μm，R3为6.7～8.8μm，R4为10～17μm，R5为38～63μm。本发明在C波段具有高的负色散系数和适宜的负色散斜率，具有优良的熔接性能，能够实现快速熔接和低熔接损耗，并保持优良的光学和传输性能。

Description

一种色散补偿光纤

技术领域

本发明涉及一种工作在C波段(1530nm～1565nm波段)光通信窗口的色散补偿光纤(DCF)，该光纤可用于标准单模光纤(G.652，ITU-T标准)的色散和色散斜率补偿。

背景技术

随着标准单模光纤的DWDM系统的普遍采用并且向着高速率、长距离、无中继和密集通道的方向发展，波分复用传输技术得到快速发展，扩展工作波长带和增加波长多样性将快速地发展。

基于G.652光纤构筑的长途光缆在1310nm波长有最小的色散，但衰减较大，而它在1550nm波段有最低的衰减(约0.20dB/km)。所以人们迫切希望利用1550nm这一波长窗口。工作在1550nm波段的掺铒光纤放大器(EDFA)的成功开发和实用化，进一步消除了衰减对通信系统的限制，这使得1550nm波段成了大容量、长距离光波系统的优选窗口。在1550nm波段，目前商用单模光纤及其DCF具有如下色散特性：非色散位移单模光纤(G.652C/D，ITU-T标准)的色散系数大约是17ps/nm-km，色散斜率大约为0.058ps/nm²-km，所以其要求的DCF的RDS大约为0.0036nm^-1。

为了解决1310nm零色散标准单模光纤通信网络在1550nm波段的升级及扩容问题，国际上广泛采用色散补偿技术来改善链路色散。目前大量商用化的是运用色散补偿光纤(DCF)技术对通信链路光纤进行的色散和色散斜率同时进行补偿，这种技术比其他色散补偿技术如光纤光栅色散补偿技术和电子色散补偿技术更为可靠，而且技术更成熟。

DCF通过调整光纤的波导结构来改变光信号在光纤中的传输参数，并且使光纤的纤芯具有较大的折射率，来实现较大的负色散值和色散斜率。

在实际应用中，DCF被制成色散补偿模块接入通信链路中，这时DCF与标准通信光纤的熔接损耗成为插入损耗的重要影响因数。因此DCF的熔接性能是一个关键参数，具有实用性的DCF不但要求具备适宜的光学性能和传输性能，还要求具备优良的熔接性能，即熔接损耗低且熔接工艺高效而稳定。熔接性能成为影响DCF成本和性能的主要因素。熔接损耗越低，模块的性能就优良；熔接程序越快捷，效率越高，熔接成本越低。

在已公开的专利文献中，已存在一些有关改进DCF熔接性能的产品和方法示例。对1550nm的光源，DCF的模场直径大约为5μm，而标准通信光纤的模场约为10.5μm，这种模场的差别(模场失配)导致光功率从大模场导入小模场时容易产生泄漏。现有技术涉及采用复杂的熔接工艺使得熔接光纤端点界面附近的DCF纤芯产生扩散，并使附近的DCF的模场分布成为圆锥形的过渡区域，该区域的“烟囱效应”有利于减少模场失配导致的光功率损失从而降低了熔接损耗。

现有技术也涉及使用“桥纤”作为桥梁来连接DCF和标准单模光纤的方法。桥纤是一类结构类似于DCF而各分层掺杂浓度低于DCF的特种光纤。桥纤的两端分别与DCF和标准单模光纤相熔接，且两端采用不同的熔接工艺。桥纤与DCF连接的一端熔接功率低且熔接时间短以减少芯区元素扩散和模场失配；而桥纤与单模光纤连接的另一端熔接功率高且熔接时间长，使得桥纤的纤芯发生扩散以实现模场的匹配。

美国专利6603914介绍了一种DCF的组成结构及制造方法，但未涉及熔接方法及DCF的光学传输性能。美国专利6543942描述了一种采用桥纤连接DCF与标准单模光纤的方法，该方法降低了熔接损耗，但是未公开相应的DCF的光学传输性能，且该方法工艺复杂，耗费时间长，熔接效率低，不宜实用。中国专利未涉及DCF的熔接方法。

上述文献已经涉及各种改进DCF与标准单模光纤熔接性能的方法及相应的DCF产品，但是未见报导既能改进熔接性能又具有优良光学传输性能的DCF产品及其熔接方法。

本发明一些术语的定义

重量百分比：元素在光纤分层中某一足够小的区域内的重量百分比，用wt％表示。

相对折射率差 $\mathrm{\Δi}\%:\mathrm{\Δi}\%=[({n_i}^2-{n_0}^2)/{{2n}_i}^2]\×100\%\≈\frac{n_i-n_0}{n_0}\×100\%,$ 其中Δi％为纤芯各分层相对折射率差，ni为第i层光纤材料的折射率，n₀为纯石英玻璃的折射率。各分层的折射率分布为该分层在各径向点处的折射率值，除非另做说明，本发明中Δi％均为所述各纤芯分层中的绝对值最大的相对折射率差。

半径：用Ri来表征(i＝1，2，3，4，5)，各分层的半径Ri为从光纤的中心线到该分层离中心线最远的点的距离。

RDS：光纤在某一特征波长的相对色散斜率(RDS值)定义为该波长上的色散斜率(DS)和色散(D)的比值：RDS＝DS/D。在C波段通信窗口，一般取1550nm波长为中心波长，RDS₁₅₅₀＝DS₁₅₅₀/D₁₅₅₀。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种在C波段具有高的负色散系数和适宜的负色散斜率的色散补偿光纤，该色散补偿光纤具有优良的熔接性能，能够实现快速熔接和低熔接损耗，并保持优良的光学和传输性能。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有纤芯和包层，纤芯为主要掺有锗的相对折射率差为正值的芯层，其特征在于包覆在纤芯外的依次为主要掺有氟的下陷包层、主要掺有锗的环形包层、主要掺有氟的匹配包层和最外层的机械包层；纤芯和各包层的相对折射率差范围依次为：Δ1％为1.55％～2.20％，Δ2％为-0.55％～-0.30％，Δ3％为0.40％～0.65％，Δ4％为-0.20％～-0.01％，Δ5％为0；纤芯和各包层的半径范围从R1到R5依次为：R1为1.4～1.7μm，R2为4.1～4.8μm，R3为6.7～8.8μm，R4为10～17μm，R5为38～63μm。

按上述方案，所述纤芯的锗重量百分比为15wt％～35wt％，下陷包层的氟重量百分比为1wt％～5wt％，环形包层的锗重量百分比为4wt％～10wt％，匹配包层的氟重量百分比为0.3wt％～3wt％。

按上述方案，所述纤芯和各个包层的氯重量百分比为0wt％～1.0wt％。

按上述方案，所述纤芯的锗重量百分比为20wt％～30wt％，下陷包层的氟重量百分比为2.0wt％～3.5wt％，环形包层的锗重量百分比为5wt％～8wt％，匹配包层的氟重量百分比为0.7wt％～1.5wt％。

按上述方案，所述纤芯的氯重量百分比为0.1wt％～0.4wt％，下陷包层的氯重量百分比为0.1wt％～0.3wt％，环形包层的氯重量百分比为0.1wt％～0.3wt％，匹配包层的氯重量百分比为0.1wt％～0.4wt％，机械包层的氯重量百分比为0.1wt％～0.7wt％。

按上述方案，在1530nm到1565nm(C波段)波长范围内的色散系数为-120ps/nm-km～-260ps/nm-km，色散斜率为负值，衰减系数小于或等于0.45dB/km；相对色散斜率RDS为0.0033nm^-1到0.0040nm^-1，偏振模色散(PMD)小于或等于0.25ps/km^1/2。

纤芯和下陷包层的相对折射率差和几何关系是DCF光学和传输性能的主要影响因数，环形包层对DCF的模场直径和截止波长起调节作用。下陷包层、环形包层和匹配包层还具有调节熔接损耗的作用：熔接机在熔接工作时通过电弧放电，瞬间产生大量的热量，使得包层分层中的氟在高温条件下产生扩散，从而引起熔接点附近的折射率变化，使得附近的DCF的模场由原有的小模场转变为圆锥形的过渡模场区域，该区域的“烟囱效应”有利于减少模场失配导致的光功率损失从而降低了熔接损耗。最外层的机械包层具有较高的粘度，在拉丝时承载较大比例的拉丝张力，这样就可以有效地阻止拉丝张力所造成的应力集中在纤芯部分而引起光纤衰减增加。

本发明的DCF采用PCVD工艺在高纯石英衬管内壁沉积掺杂石英的玻璃层；然后将沉积后的空心石英管熔缩成实心的石英玻璃芯棒；最后套入石英玻璃套管中组合成预制棒在拉丝塔上拉制成光纤。

本发明提供的DCF光纤使用藤仓FSM-60S熔接机进行熔接，主要熔接参数如表1所示。

表1FSM-60S熔接机DCF+SMF熔接参数

按上述方案，所述的DCF制成色散补偿模块与SMF尾纤两个接点处的熔接损耗之和小于或等于2dB，熔接一个接点耗费时间小于或等于90秒。

本发明获得的有益效果为：

1本发明提供了一种芯层和包层掺杂的DCF，下陷包层、环形包层和匹配包层在熔接机放电作用下，接点附近元素扩散引起折射率变化，形成圆锥形的过渡模场区域，从而能够降低模场失配，减小熔接损耗。

2本发明的DCF具有适宜的元素结构分布，使得芯层和包层粘度匹配，实现DCF与SMF能够快速熔接，使一个接点的熔接时间缩短至90秒甚至60秒以内。大幅度提高了熔接效率，降低了熔接成本。

3本发明不仅具备优异的熔接性能，而且具有低的衰减系数和PMD系数，在C波段具备较大绝对值负色散系数及适当的相对色散斜率，易于使设计在C波段窗口工作的光通信系统升级，光纤更容易插入通信链路以满足高速率、大容量系统传输的要求。基于该DCF的器件特别适于对基于G.652光纤的高速DWDM系统进行有效补偿。

附图说明

图1是本发明一个实施例的相对折射率差分布示意图。

图2是本发明一个实施例的锗、氟、氯元素重量百分比示意图。

图3是本发明一个实施例的相对折射率差剖面结构示意图。

图4是本发明的4个实施例的DCF色散曲线。

具体实施方式

本发明中的光纤均具有与图1相似的组成结构，通过改变分层的元素重量百分比得到不同性能参数的光纤。在各个实施例中，采用PCVD工艺制造光纤预制棒的芯棒，在高纯石英玻璃基管内壁沉积纯石英玻璃层或掺有锗或氟和氯的石英玻璃层。然后，将沉积后的石英玻璃管熔缩成实心石英玻璃芯棒。再将芯棒放入石英玻璃套管内组合成预制棒，在拉丝塔上经高温炉拉丝成为DCF。各实施例的组成结构参数及光学传输参数如实施例附表所示：

实施例附表

Claims (8)

1.一种色散补偿光纤，包括有纤芯和包层，纤芯为主要掺有锗的相对折射率差为正值的芯层，其特征在于包覆在纤芯外的依次为主要掺有氟的下陷包层、主要掺有锗的环形包层、主要掺有氟的匹配包层和最外层的机械包层；纤芯和各包层的相对折射率差范围依次为：Δ1%为1.55%~2.20%，Δ2%为-0.55%~-0.30%，Δ3%为0.40%~0.65%，Δ4%为-0.20%~-0.01%，Δ5%为0；纤芯和各包层的半径范围从R1到R5依次为：R1为1.4~1.7μm，R2为4.1~4.8μm，R3为6.7~8.8μm，R4为10~17μm，R5为38~63μm；所述纤芯的锗重量百分比为15wt%~35wt%，下陷包层的氟重量百分比为1wt %~5wt %，环形包层的锗重量百分比为4wt%~10wt%，匹配包层的氟重量百分比为0.3wt %~3wt %。

2.按权利要求1所述的色散补偿光纤，其特征在于所述纤芯的锗重量百分比为20wt%~30wt%，下陷包层的氟重量百分比为2.0wt %~3.5wt %，环形包层的锗重量百分比为5wt%~8wt%，匹配包层的氟重量百分比为0.7wt %~1.5wt%。

3.按权利要求1所述的色散补偿光纤，其特征在于所述纤芯和各个包层的氯重量百分比为0wt%~1.0wt%。

4.按权利要求3所述的色散补偿光纤，其特征在于所述纤芯的氯重量百分比为0.1wt%~0.4wt%，下陷包层的氯重量百分比为0.1wt%~0.3wt%，环形包层的氯重量百分比为0.1wt%~0.3wt%，匹配包层的氯重量百分比为0.1wt%~0.4wt%，机械包层的氯重量百分比为0.1wt%~0.7wt%。

5.按权利要求1所述的色散补偿光纤，其特征在于在1530nm到1565nm波长范围内的色散系数为-120ps/nm-km~-260ps/nm-km，色散斜率为负值，衰减系数小于或等于0.45dB/km；相对色散斜率RDS为0.0033nm^-1到0.0040nm^-1。

6.按权利要求5所述的色散补偿光纤，其特征在于偏振模色散小于或等于0.25ps/km^1/2。

7.按权利要求1所述的色散补偿光纤，其特征在于所述的DCF制成色散补偿模块与SMF尾纤两个接点处的熔接损耗之和小于或等于2dB。

8.按权利要求1所述的色散补偿光纤，其特征在于所述的DCF与SMF尾纤熔接一个接点耗费时间小于或等于90秒。

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