与正色散和正色散斜率单模光纤匹配使用的色散补偿传输光纤及用途

摘要

本发明涉及色散补偿传输光纤(DCTF)及该光纤的用途，该单模光纤的波导结构具有分层纤芯和分层包层，纤芯设有二个不同折射率分布的纤芯分层，分层包层包括有五个包层分层。纤芯和分层在沉积过程中，不再选择单一的氟或锗沉积，而是充分利用PCVD工艺的优势，采用氟和锗的共沉积，这样大大改善了光纤的光学、机械和环境特性。本发明的单模光纤在1450－1675nm具有一定的负色散和负色散斜率，具有低衰减、低PMD、大的有效面积、低熔接头损耗、优异的抗弯曲特性和环境特性。将DCTF与具有正色散和正色散斜率的光纤组成链路，用于密集波分复用(DWDM)系统的传输。

说明书

                        技术领域

本发明涉及一类为大容量、高速传输系统而设计的负色散单模光学波导纤维及该光纤的用途，具体地讲，涉及的单模光纤在1450-1675nm具有一定的负色散和负色散斜率，具有低衰减、低偏振摸色散(PMD)、大的有效面积、低熔接头损耗、优异的抗弯曲特性和环境特性。

                        背景技术

20世纪90年代中期以来，随着掺铒光纤放大器和波分复用技术的发展，光纤通信进入前所未有的高速发展阶段。随着波分复用的发展，人们发现各波长之间的非线性效应，如四波混频、自相位调制、交叉相位调制等对系统的影响限制了系统容量的扩大，为了抑制密集波分复用(DWDM)系统中非线性的影响，在传输波段需要适量的色散值；与此同时，当传输速率超过2.5Gbit/s，以及随着光纤放大器的实用，色散取代衰减成为长距离传输的主要限制因素，从而希望在整个光纤传输通道的累计色散要尽量小。因而在长距离、大容量和高传输速率，如10G/s，40G/s的DWDM系统中，色散补偿是不可缺少的。目前，使用最为广泛的是通过在光纤链路上加由色散补偿光纤(DCF)组成的模块来实现，对于DCF而言，为了获得大的负色散，需要光纤芯子的折射率很高而且几何尺寸要很小，这样在DCF的芯子里，掺锗量较大，从而DCF的衰耗、PMD和非线性效应等特性将会相对较差。此外，运用DCF方法的另外一个缺点是DCF增加了系统的衰耗、系统成本、PMD和非线性效应，却没有增加系统的长度。

专利CN1351267A/US 2002/0076186A1公布了一种具有正色散的光纤中用于线内补偿色散的光纤，但其在1550nm处的负色散仅为-12ps/(nm.km)至-4ps/(nm.km)，无法对常用的G652光纤(在1550nm处的色散大于16ps/(nm.km))进行完全补偿，此外，绝对值较小的色散，使其在链路中所占比例较大，其较小的有效面积和较大的PMD势必对传输产生不利的影响。

在专利US 2002/0176678A1中，介绍了一种光学性能较好的反色散光纤及相关链路，但作为线内使用的色散补偿用光纤，需要成缆与常规正色散单模光纤配合使用，因而除了应具有好的光学特性外，特别是还需要具有优良的环境特性和良好的熔接性能等，这些与光纤的材料结构设计息息相关，在上述专利中却没提及。

定义：

——折射率差Δ和折射率贡献值

由以下方程式定义，相对折射率差Δ％＝[(n₁-n_c)/n_c]×100％

其中n₁为纤芯折射率，n_c为包层折射率，在本申请中它作为参考折射率。对于非阶跃性(如抛物线)结构，用Δ％的最大值表征。

折射率贡献值：如上式，其中n₁为含某掺杂物的二氧化硅玻璃折射率，n_c为不掺杂纯二氧化硅玻璃的折射率，则Δ％即被称为该掺杂物的贡献值，F和GeO₂的贡献值分别以Δ_F％和Δ_GeO2％计。

——折射率分布

是指在纤芯的所选部分上折射率差Δ％或折射率与其半径之间的关系。

——色散和链路色散

色散定义为光纤波导色散和材料色散的代数和，在光纤通信领域，色散被称为光纤的色散，其单位为ps/nm/km；

链路总色散是指链路中所有光纤色散的长度加权平均值，设传输光纤的色散和长度分别为D_T、L_T，色散补偿光纤的色散和长度分别为D_C、L_C，则链路色散为：D＝(D_T*L_T+D_C*L_C)/(L_T+L_C)。

——DCF

是色散补偿光纤(Dispersion Compensation Fiber)的缩写。

——DCTF

是色散补偿传输光纤(Dispersion Compensation TransmissionFiber)的缩写，在传输系统中既起色散补偿的作用，又是传输链路的一部分，增加了传输长度。

——RDS

是相对色散斜率(Relative Dispersion Slope)的缩写，本发明中是指在1550nm处，色散斜率对色散的比值，即：

RDS＝S₁₅₅₀/D₁₅₅₀，RDS可以用来衡量色散补偿光纤补偿传输光纤的色散斜率的比值。

——DSCR

是色散斜率补偿比率(Dispersion Slope Compensation Ration)的缩写，是衡量色散补偿光纤对给定传输光纤斜率的补偿能力的一项指标，如下定义：

DSCR＝(RDS_C/RDS_T)*100％

——DWDM

是密集波分复用(Dense wavelength division multiplexing)的缩写。

——光学纤维的抗弯曲性能

光学纤维的抗弯曲性能是指在规定测试条件下的附加衰减。其标准测试条件包括在直径60mm的芯轴上绕100圈和在直径32mm的芯轴上绕1圈。在每种测试条件下测量弯曲附加衰减。

——熔接头损耗

熔接头损耗是指将两根光纤熔接到一起时，双方向OTDR测试值的平均值。本文中所提到的熔接头损耗均指在1550nm的双方向OTDR测试值的平均值。

——光纤的氢损

光纤的氢损，是指当光纤在含氢的环境中时，由于光纤中的缺陷与氢发生反应，而在某些特征波长上出现衰减增加的现象，是光纤环境特性的一项重要指标。氢损测试就是测试光纤产品在氢气氛下的附加衰减特性。本发明中使用的测试方法是参照ANSI/TIA/EIA-492CAAB-2000，测试光纤在1530nm的附加衰减。

                      发明内容

本发明的目的是为了克服DCF不足，提供一种适用于高速、大容量传输系统的用于线内补偿正色散传输单模光纤的色散补偿传输单模光纤(DCTF)，作为DCTF，该光纤能对常用正色散和正色散斜率单模光纤至少在C波段实现完全补偿，而且很好的平衡了有效面积、色散特性和衰减特性并使该光纤具有良好的抗弯曲特性、熔接特性和抗氢损特性等。此外，对于本光纤，在注重光纤波导结构设计的同时，还加强了材料组成和结构的设计。对于DCTF，通过剖面折射率的优化设计和合理的材料组成和结构设计，可获得低衰耗、低PMD和低非线性系数的光纤，与具有正色散和正色散斜率的传输光纤配合使用，既可起到色散补偿的作用，它本身又增加了系统的传输长度。

对于该光纤的波导结构设计，本发明的技术方案如下：设计一种单模波导结构，它具有一分层纤芯和一个分层包层，纤芯设有二个不同折射率分布的纤芯分层，包层包括有五个包层分层，所述的纤芯第一纤芯分层Core1的折射率差ΔCore1％的范围为0.85％至1.30％，直径ΦCore1的范围为3.2μm至4.2μm；第二纤芯分层折射率差ΔCore2％的范围为0.50％至1.30％，直径ΦCore2的范围为3.5μm至5.8μm；第一包层分层Clad1，其折射率差Δclad1％的范围为-0.50％至-0.30％，直径ΦClad1的范围为7.5μm至12.5μm；第二包层分层Clad2的相对折射率差Δclad2％的范围为0.15％至0.35％，直径ΦClad2的范围为11.0μm至18.0μm；第三包层分层Clad3的相对折射率差ΔClad3％的范围约为-0.2％至0％，直径Φclad3的范围为18.0μm至25.0μm；第四包层分层和第五包层分层为纯二氧化硅玻璃，其折射率为纯二氧化硅玻璃折射率。

对于该光纤的材料组成和结构设计，遵循了功能梯度材料的理念，为了实现所设计的折射率分布，因而芯棒为掺杂的石英玻璃，通过设定适当的配方，使芯棒横截面的径向上具有连续的组成和结构梯度变化，并因此使材料的性质渐变，使预制棒中无明显的界面，在使各层粘度匹配的同时，热应力得到缓和，从而在光纤制造的后续工艺中，光纤中就不会残余热应力和产生断键，从而降低了光纤的衰耗、优化了PMD、翘曲、熔接等特性和提高了其抗氢损特性。多个芯层和多个包层的结构设计使材料设计和波导结构的设计可达到和谐的统一。材料的组成如表1所示。

                             表1

  位置Core1 Core2  Clad1 Clad2 Clad3  Clad4  Clad5  组成   SiO₂-GeO₂-F  SiO₂-F     SiO₂-GeO₂-F       SiO₂

材料组成中，Core1，2、Clad1-4为低温等离子化学汽相沉积法即PCVD工艺获得的，反应过程中有微量Cl引入。含Cl量与氧气与硅锗料的比例、保温炉的温度和高频功率有关；Clad5为采用OVD工艺制得的，其中也有微量Cl是在烧结过程中采用Cl₂等作为脱水剂而引入。Cl也可降低石英玻璃的粘度，从而可以降低拉丝温度，对降低光纤的衰减是有益的。对此，在专利US005740297/CN1087432C中有详细介绍，不属本发明考虑内容。

在材料组成方面，并不是仅仅为了获得所设计的波导结构而选用单一的掺杂，而是充分利用PCVD工艺的优势，采用氟和锗的共沉积。引入GeO₂是为了增加折射率，引入氟除了起降低折射率的作用外，还可降低水峰，这是因为在高频作用下，通入石英管内的原料均会变为等离子体，其中含氢的物质(如H₂O、CH₄、SiHCl₃等)变为氢离子，如下：

在等离子体氛围中氟里昂(如C₂F₆)可通过下列反应将氢除去，从而以降低水峰：

因而在掺锗的同时掺氟可以优化光纤的衰耗。其次，由于掺锗增加了玻璃的热膨胀系数，采用氟和锗的共沉积，使F和Ge在光纤的断面上呈梯度分布，这样在光纤中就没有明显的界面，在拉丝过程中，光纤中就不会残余热应力，光纤中的内应力除了是单模光纤中产生PMD的内在原因外，光纤中残余的热应力，还会增加光的散射，从而增加了光纤的衰耗。

在各层之间通过调整掺杂，使各层的粘度尽可能接近，即相互匹配。这也是本发明的一大特点。对于掺氟F和二氧化锗GeO₂的石英玻璃，粘度与温度的关系如下：

logη＝K₀+K_FΔ_F+K_GeO2Δ_GeO2   K₀＝log[η_SiO2(T)]    (1)

$>>log>>(>>\eta >>Si>>O>2>>>>)>>=>->2.49>+>>15004>>(>T>->253>)>\; >$>

公式(1)中，η为掺杂石英玻璃的粘度，Δ_F、Δ_GeO2分别为氟F和二氧化锗GeO₂所产生的折射率变化的相对差值，K_F、K_GeO2分别为正和负的常数；T为温度℃，η_SiO2为纯石英玻璃的粘度。

掺锗可增加石英玻璃的折射率，掺氟可降低石英玻璃的折射率，从而通过掺锗和氟即可获得所设计的波导结构。为了实现所设计的光纤折射率剖面，因而从光纤芯子向外必然要采用不同的掺杂量。由公式(1)可知，氟和锗均降低石英玻璃的粘度，如果采用单一的掺杂，必然导致在光纤折射率变化较大的区域，玻璃的粘度也将发生很大的变化，甚至发生突变。此外，由于材料组成的不同，各层将具有不同的物理性质，如膨胀系数、热容和玻璃的软化温度等，从而在后续拉丝工艺中由于加热和冷却的速度不同致使光纤中会残余应力。从粘度的定义，不难理解玻璃的粘度对拉丝张力影响很大，特别是当光纤内各“层”的粘度相差很大，相互不匹配时，在拉丝过程中，会产生玻璃缺陷，如断键，不仅会增加光纤的衰减，还会使光纤的环境特性恶化。当实施例光纤的Core1，2和Clad1，2粘度相差很大，按公式1计算，在1950℃时，logη相差0.23，光纤氢损测试结果如图3所示，在1530nm引起的附加衰减大于0.01dB/km，说明该光纤的环境特性较差，而1530nm正是Si-H键的吸收峰，说明由于粘度的不匹配，在拉丝过程中产生了断键。调整掺杂后，按公式1计算，在1950℃时，logη相差小于0.1，不仅光纤在1550的衰减由0.275dB/km降低至0.247dB/km，而且氢损测试结果小于0.01dB/km，如图4所示。

通过调整掺氟F和二氧化锗GeO₂的相对含量，在获得所设计的波导结构的同时，使各层的粘度相互匹配，降低了拉丝张力，减小了拉丝工艺所引起的残余应力和断键，从而达到了优化光纤各项特性的目的。在光纤的中心，折射率最高，因而掺锗量最大，为了降低水峰以优化衰减，需要一定的掺氟量，从而粘度较低，为此，通过调整掺杂，使光纤的粘度由内向外逐渐增大。此外，适当增加掺氟量，利用氟易于扩散的特性，使光纤在拉丝过程中，进一步形成更加合理的梯度，尽管同时光纤的折射率剖面会发生细微改变，如原设计的各分层阶跃函数折射率分布会变为角圆滑阶跃函数分布，但对光纤的传输特性没有影响。

通过粘度匹配，除可减少拉丝过程中产生的断键从而提高光纤的抗氢损特性外，还可优化光纤的翘曲特性和减小熔接过程中波导的畸变，从而降低了光纤的熔接头损耗。

在光纤中，Cl的含量甚微，可忽略不计，当确定掺F之后，在波导结构确定的同时，相应的掺GeO2的量也就确定了(ΔGeO2％＝Δ％-ΔF％)，本发明中，光纤的掺F量如表2所示(以F的贡献值计)。

                                              表2

位置Core1Core2Clad1Clad2Clad3Clad4Clad5Δ_F％-0.05±0.01-0.06±0.01-0.40±0.10-0.130±0.05-0.135±0.0500

按上述方案，本发明的光纤具有以下传输特性：

在1530nm至1675nm的色散小于-20ps/nm/km，最好小于-30ps/nm/km；光纤的RDS为0.0030-0.0045/nm；

在1550nm的衰减小于0.25dB/km，最好小于0.22dB/km；

光缆内截止波长小于或等于1450nm，光纤的截止波长大于或等于1200nm，小于或等于1700nm；

模场直径MFD大于或等于5.60μm，有效面积不小于22μm²，最好大于或等于30μm²；

光纤的PMD小于或等于0.08ps/km^1/2，最好小于或等于0.05ps/km^1/2；

在Φ60mm芯轴绕100圈的测试中，弯曲引起的附加衰减在1550nm和1625nm处均小于0.05dB，在Φ32mm芯轴绕1圈的测试结果小于0.5dB；

光纤自身熔接时，平均熔接头损耗小于0.08dB；

光纤的氢损小于0.01dB/km。

同时，本发明也提出了由上述色散补偿传输光纤和正色散及正色散斜率单模光纤组成的色散管理链路段，可用于DWDM系统的传输。

本发明运用低温等离子化学汽相沉积法即PCVD工艺，结合材料组成和结构设计，设计了能稳定生产和容易控制的剖面，所制造的光纤在1450-1675nm具有一定的负色散和负色散斜率，不仅具有低衰耗和较大的有效面积，而且具有较低的PMD、低熔接头损耗、较好的抗弯曲特性和优异的抗氢损特性。

                       附图说明

图1为相对折射率差Δ％对直径的示意曲线图，对应于实施例1。

图2为依照本发明的另一种相对折射率差Δ％对直径的示意曲线图，对应于实施例2。

图3为氢损测试结果图示。

图4为氢损测试结果图示。

图5为色散管理链路段示意图。

图6为色散管理链路段示意图。

图7为实施例1、2、4和4的色散特性。

图8为过渡光纤预制棒制备示意图。

图9为光纤断面粘度分布示意图。

                    具体实施方式

根据图1、2所示的描述波导的折射率分布曲线，用ΔCorei％(i＝1，2)表示芯层第i个分层的相对折射率值，ΦCorei(i＝1，2)表示芯层第i个分层的直径；ΔCladi％(i＝1，2，3，4)表示包层第i个分层的相对折射率值，ΦCladi(i＝1，2，3，4，5)表示包层第i个分层的直径。其中第四和第五包层分层为纯二氧化硅玻璃层。

实施例1-2：

表3所列为按图1的一组折射率分布，所得光纤主要性能见表5。

                                               表3

  ΔCore1  ％  ΔCore2  ％  ΔClad1  ％  ΔClad2  ％  ΔClad3  ％  ΦCore1  ΦCore2  ΦClad1  ΦClad2  ΦClad3  1  1.25  0.60  -0.38  0.33  -0.020  3.85  4.60  10.5  16.6  22  2  0.84  0.58  -0.43  0.24  -0.015  3.42  3.86  8.76  12.81  19

实施例3-4：

表4所列为按图2的第二组折射率分布，所得光纤结果见表5所示。

                                         表4

  ΔCore1  ％  ΔCore2  ％  ΔClad1  ％  ΔClad2  ％  ΔClad3  ％    Φ    Core1  Φ  Core2  Φ  Clad1  Φ  Clad2  Φ  Clad3 3  0.98  0.98  -0.36  0.30  -0.005    3.60  4.80  10.6  16.7  25 4  0.95  0.95  -0.36  0.29  -0.020    3.65  4.65  10.5  16.5  25

上述4个实施例的主要光学参数如表5所示，其色散特性如图7所示。

                                                      表5

                        1550nm的光学参数  截止波长    (nm)  宏弯  Φ60mm  宏弯  Φ32mm    色散    (ps/nm/km)    色散斜率    (ps/nm²/km)  RDS  (1/nm)  MFD  (μm)  衰减  (dB/km)  1    -42.1    -0.1286  0.00305  5.67  0.247    1571  0.030dB  0.070dB  2    -28.7    -0.0861  0.00300  5.61  0.228    1465  0.032dB  0.025dB  3    -21.0    -0.0913  0.00435  5.84  0.232    1486  0.007dB  0.020dB  4    -31.3    -0.1112  0.00355  5.75  0.241    1532  0.019dB  0.023dB

对上述实施例光纤，通过调整掺杂，确保粘度匹配后，所测光纤的氢损均小于0.01dB/km。通过对光纤的断面进行成分分析，结合剖面折射率测试和公式(1)计算，光纤断面上的粘度分布趋势如图9所示。

对于上述实施例光纤，用爱立信FSU975进行熔接，自身熔接时，对超过100个熔接头进行测试，结果表明，熔接头损耗能控制在0.08dB以下；与G.652光纤熔接时，熔接头损耗约为0.6dB，最好的小于0.3dB。

对于上述实施例光纤的掺杂量、自身熔接测试结果和大于10次的氢损测试结果如表6所示。

                                                      表6

                                F的贡献值  平均自身  熔接损耗(dB)    氢损    (dB/km)  Core1    Core2Clad1Clad2Clad3  1  -0.050    -0.080-0.34-0.125-0.135  0.059    0.007  2  -0.065    -0.075-0.43-0.135-0.140  0.065    0.005  3  -0.055    -0.06→-0.20-0.36-0.130-0.135  0.045    0.003  4  -0.060  -0.07→-0.20  -0.36  -0.130  -0.135    0.048    0.001

此外，调整PCVD工艺参数结合HF酸腐蚀，制备出直径均为20±0.05mm的G.652芯棒和本发明的该光纤芯棒，将其切割成3-8cm长的小单元，将断面抛光，然后清洗干燥后交叉置于内径为20.5±0.1mm、壁厚为2.5mm的高纯石英玻璃管内，将底端固定，装入截面积为2450mm²的套管内，在垂直拉伸塔上，一边从上端抽真空一边自下向上用拉伸装置熔缩后拉伸成直径为50mm的预制棒，如图8所示，再在拉丝炉中拉制成光纤，用OTDR确定接头位置，将含有接头的光纤筛选出，则此光纤即为过渡光纤。用此方法获得的过渡光纤，接头处没有丝径波动，在1550nm的平均接头损耗小于0.24dB，最好的小于或等于0.14dB。

同时，本发明也提出了由上述色散补偿传输光纤和正色散及正色散斜率单模光纤组成的色散管理链路段，可用于DWDM系统的传输。方案有二：

方案一：不采用过渡光纤或光缆的形式，由于模场直径MFD和折射率分布的不同，该光纤分别与正色散单模光纤熔接时，熔接头损耗较大，如与常规单模光纤G.652熔接时，在1550nm的平均熔接头损耗高达0.60dB。虽然熔接头损耗很高，但由于此接续在一个放大器间距内只发生两次，也还是可以接受的。如图5所示：线路1为正色散和正色散斜率单模光纤或光缆，线路2为上述的色散补偿传输单模光纤或光缆。

方案二：采用过渡光纤或光缆的形式，其优点是大大降低了接头损耗。制备过渡光纤是先将本发明的色散补偿单模光纤预制棒单元和同直径的正色散单模光纤预制棒单元对芯对接，然后再拉丝，包含接头的光纤即为过渡光纤，该过渡光纤的一个显著特点是，接头处的接头损耗降低至0.3dB以下，加上两端光纤自身熔接的两个熔接头损耗，总熔接损耗较方案一可降低0.2dB；同时，由于其接头的抗拉强度较采用熔接方法的大，因而该过渡光纤除了可以用做熔接时的桥纤外，还可成缆，成为传输链路的一部分。如图6所示：线路1为正色散和色散斜率单模光纤或光缆，线路2为过渡光纤或光缆，线路3为上述的色散补偿传输单模光纤或光缆。

本发明并不限于实施例，凡是具有正色散和正色散斜率的光纤，只要色散斜率补偿比率(DSCR)满足系统设计的要求，均可以选用本发明相应的色散补偿传输单模光纤与其组成色散管理链路。