CN100360966C - 带空孔型单模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适合高速/大容量的光通信、光配线的单模光纤。单模光纤具有：折射率均匀的第1包层部；比其折射率高的纤芯部；以及由配置在第1包层部的区域内的4个及其以上的空孔部组成的第2包层部。通过使从纤芯部的中心到空孔部的距离为纤芯半径的2～4.5倍，空孔半径为纤芯半径的0.2倍及其以上可实现最优化。进一步来说，优选纤芯半径为3.2～4.8μm，纤芯部相对于第1包层部的相对折射率差为0.3～0.55%，波长为1310nm时的模场直径为7.9～10.2μm。相对折射率差为0.12%及其以下，从纤芯部的中心到空孔部的最外围的有效纤芯半径为23～28μm。

Description

带空孔型单模光纤

技术领域

本发明涉及一种适合高速/大容量的光通信以及光配线的单模光纤，尤其涉及一种带空孔型单模光纤。

背景技术

在采用光放大技术的长距离/大容量的光通信中，由于单模光纤中的光非线性现象，会产生传输特性的恶化问题。

单模光纤的光非线性是与非线性折射率n2除以有效截面面积Aeff得出的非线性常数n2/Aeff成比例变化的(参见G.P.Agrawal著，《Nonlinear Fiber Optics(第2版)》，AcademicPress社，1995年发行，特别是2.3.1节，第42页)。因此，通过扩大单模光纤的有效截面面积Aeff，就能够降低单模光纤中的非线性常数，降低长距离/大容量光通信中由于光非线性现象引起的传输特性的恶化。

因此，在已有的单模光纤中，形成导波构造的折射率分布的设计与最优化中，  已尝试了扩大有效截面面积Aeff的方法。迄今为止，公开了从1310nm到1625nm的工作波长区域中具有从约70μm²到150μm²的有效截面面积Aeff的单模光纤的特性(例如，参见特开平9-274118号公报(权力要求6)，特开平11-218632号公报(权力要求1)、特开2001-33647号公报(权力要求1、代表图图1)、特开2001-147338号公报(权力要求13，第0022段))。

另一方面，原有的1.3μm段零色散单模光纤，由于其由折射率高的纤芯部和比纤芯部折射率低的包层部2层构成的简单构造的可实现性，又具有波长1550nm左右的约80μm²的较大有效截面面积Aeff，因此可实现良好的连接、施工特性，由此至今被广泛应用于光通信和光配线等领域。

但是，上述折射率分布的设计、最优化中如果扩大有效截面面积Aeff，一般会使在单模光纤(SMF)的截面半径方向上的折射率分布复杂化，同时在扩大有效截面面积Aeff的SMF中，在光纤中传播的光向纤芯内部的约束会降低，弯曲损失特性产生恶化。因此，产生如下课题，即实际可实现的有效截面面积Aeff的值，被限制在能确保允许的弯曲损失特性的区域内，例如，弯曲半径10mm中的弯曲损失为10dB/m到100dB/m及其以下的区域。

另外，还产生了这样的课题。即对于已扩大了有效截面面积Aeff的SMF，高次(LP11)模的理论截止波长一般也倾向于向长波长一侧移动，有效工作波长区域也被限制于例如1400nm及其以上的长波长一侧。(例如，参见2001-147338号公报(权力要求13，第0022段))。

还有一点，原有SMF，与具有构造简单、且较大有效截面面积Aeff相反，由于弯曲损失特性的恶化，其适应范围被限制在较大的弯曲半径范围，由于被限制在例如从弯曲半径约20mm到30nm的范围，由于光传输线路或光布线中的布线场所或容纳空间受可允许的弯曲半径的限制，因而不能小型化。因此，本课题以改善原有SMF的弯曲损失特性为目的，开发谋求降低模场直径(MFD)的SMF，这类SMF降低MFD时会降低操作特性，例如连接损失。

发明内容

本发明借鉴了上述课题的发明，其目的在于提供一种在从1260nm到1625nm的工作波长区域，具有150μm²及其以上的有效截面面积Aeff，并且弯曲半径10mm时具有1dB/m及其以下的弯曲损失特性的带空孔型单模光纤，以及弯曲半径10mm时弯曲损失为1dB/m及其以下，并且波长为1310nm时模场直径为与原有1.3μm段零色散单模光纤(SMF)同等的、7.9μm到10.2μm(参见ITU-T、推荐G.652(2000年10月改版，表1/G.652、第6页))的带空孔型单模光纤。

本发明的带空孔型单模光纤，具有：折射率均一的第1包层部(11)；比第1包层部折射率高的纤芯部(10)；由在纤芯部外围的、配置于第1包层部区域的多个空孔部(12)组成的第2包层部。通过使空孔部的半径r2、从纤芯部的中心到空孔部的距离d最优化，且通过使纤芯部相对于第1包层部的相对折射率差Δ和纤芯半径r1都得到最优化，来解决上述课题。

详细地说，为达到上述目的，本发明提供一种单模光纤，包含：折射率均一的第1包层部(11)；具有比第1包层部(11)更高的折射率，并在第1包层部(11)的中央配置的半径r1的纤芯部(10)；与纤芯部(10)的中心仅距离d的位置上在第1包层部(11)的区域内配置的，并且由至少4个以上的半径r2的空孔部(12)形成的第2包层部，其特征在于，上述距离d为纤芯部(10)的半径r1的2.0到4.5倍，并且，空孔部(12)的半径r2为纤芯部的半径r1的0.2倍及其以上。

还可具有如下特征：纤芯部(10)的上述半径r1为3.2μm到4.8μm，纤芯部(10)相对于第1包层部(11)的相对折射率差Δ在0.3％到0.55％的范围内。

还可具有如下特征：波长为1310nm时模场直径为7.9μm到10.2μm。

还可具有如下特征：纤芯部(10)相对于第1包层部(11)的相对折射率差Δ为0.12％及其以下，并且从纤芯部(10)的中心到空孔部(12)最外围的有效纤芯半径A在23μm到28μm的范围内。

根据本发明，在具有与原有单模光纤的折射率变化相同的纤芯部和第1包层部的基础上，在第1包层部内配置由至少4个以上的空孔部组成的第2包层部，使纤芯半径r1、纤芯部的相对折射率差Δ、空孔半径r2、以及空孔部的位置d达到最优化，所以在广泛的单模工作区域内能达到降低光非线性的显著效果。举例来说，在1500nm及其以下的高次(LP₁₁)模理论截止波长、1260nm到1625nm的工作波长区域内，可满足弯曲半径10mm时弯曲损失为1dB/m及其以下、且有效截面面积Aeff为50μm²及其以上的所有特性。

并且，根据本发明，在具有与上述同样构造的单模光纤中，在1500nm及其以下的高次(LP₁₁)模理论截止波长、1260nm到1625nm的工作波长区域的情况下，为了满足弯曲半径10mm中弯曲损失为1dB/m及其以下，实现高弯曲损失抵抗的同时，波长为1310nm时保持与原有SMF同等的MFD特性，并且即使在波长为1625nm时使对于原有SMF的MFD变化在±10％及其以下成为可能，也实现了与原有SMF良好的连接特性。

还有，本发明的单模光纤，是对具有给定折射率分布的单模光纤附加多个空孔部的构造，因此易于制作。

附图说明

图1A～1C表示本发明实施方式单模光纤的截面构造的截面示意图，其中图1A表示空孔数为4个的示例，图1B表示空孔数为6个的示例，图1C表示空孔数为8个的示例。

图2表示原有1.3μm段零色散单模光纤中，由零色散波长、截止波长、以及弯曲损失特性的要求条件决定的，相对折射率差Δ和纤芯半径r1之间的关系特性图。

图3A～3C是本发明实施方式带空孔型单模光纤的规一化空孔位置d/r1与弯曲损失之间的关系特性图，图3A为空孔数为4个的示例，图3B为空孔数为6个的示例，图3C为空孔数为8个的示例。

图4表示本发明第1实施方式带空孔型单模光纤的规一化空孔位置d/r1和高次(LP₁₁)模理论截止波长的关系特性图。

图5表示本发明第1实施方式带空孔型单模光纤的波长为1310nm时，对于规一化空孔位置d/r1，MFD的变化特性图。

图6表示本发明第1实施方式带空孔型单模光纤的波长为1625nm时，对于规一化空孔位置d/r1，以原有SMF为基准的MFD相对变化，以及由于MFD不匹配引起的连接损失的关系特性图。

图7表示依据本发明第1实施方式试制的、具有6个空孔的带空孔型单模光纤，其弯曲损失的波长特性的测量结果特性图。

图8表示本发明第2实施方式带空孔型单模光纤的纤芯部相对折射率差Δ和有效纤芯半径A的关系特性图。

图9表示本发明第2实施方式带空孔型单模光纤的纤芯部相对折射率差Δ和有效截面面积Aeff的关系特性图。

图10表示本发明第2实施方式带空孔型单模光纤的纤芯部相对折射率差Δ和高次(LP₁₁)模理论截止波长的关系特性图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施本发明的优选方式作详细说明。

第1实施方式

图1A～1C分别表示本发明带空孔型单模光纤实施方式的构成示例的截面图，图1A表示空孔数为4个时的截面图，图1B表示空孔数为6个时的截面图，图1C表示空孔数为8个时的截面图。

本发明的单模光纤，由半径为r1的纤芯部10、其周围的折射率均一的第1包层部11、在与纤芯部10的中心仅为距离d的位置配置至少4个以上半径r2的空孔部12构成的第2包层部组成。这些空孔部12沿光纤的纤长方向形成，且在光纤的截面方向以一定的间隔相同的分散配置，沿光纤的长度方向其平均直径实质上为一定值。

纤芯部10的折射率n1，与以往的单模光纤一样，通过调整添加材料及其添加量，使其比第1包层部11的折射率n2高，以纤芯部10和第1包层部11形成主要的光导波结构。而且，纤芯部10的折射率分布与以往的单模光纤一样，可采用任意形状的折射率分布。

本发明的实施方式中，将要说明第1包层部11的折射率为纯石英级，第2包层部的折射率为1(空气)，纤芯部10具有通过添加锗形成的突变型折射率分布时的带空孔型单模光纤的特性。另外，通过添加氟元素等，使第1包层部11的折射率比纯石英的折射率低，纤芯部10的折射率与纯石英同等，或者也可能设置比其更低的折射率。

首先，本发明的第1实施方式中，关于纤芯部10的半径(以下称作纤芯半径)r1、以及纤芯部10相对于第1包层部11的相对折射率差Δ，对分别在满足原有1.3μm段零色散单模光纤(SMF)的特性范围内的设计情况作以下说明。

图2为以往的SMF中，由零色散波长、截止波长、以及弯曲损失特性的要求条件(参见ITU-T、推荐G.652(2000年10月改版，表1/G.652、第6页))决定的，相对折射率差Δ和纤芯半径r1的关系(设计区域)的示意图。ITU-T、推荐G.652(2000年10月改版，表1/G.652、第6页)中记载有：例如，作为要求的零色散波长特性，其为1300nm～1324nm。设计区域为图中点表示的区域。另外，相对折射率差Δ(单位：％)采用纤芯部10的折射率n1、以及包层部(本发明的结构中第1包层部11)的折射率n2，根据下式(1)定义：

$\mathrm{\Δ}=\frac{{n1}^2-{n2}^2}{2{n1}^2}\×100---\left(1\right)$

由图2，通过将纤芯部10的半径r1设计在约3.2μm到4.8μm，将相对折射率差Δ设计在约0.3％到0.55％的范围内，可满足以往SMF的要求条件。

图3A～3C表示规一化空孔位置d/r1与波长为1625nm、弯曲半径10mm时弯曲损失特性的关系示意图，以空孔部12的半径(以下称作空孔半径)r2作为参数。此外，在图3A～3C的示例中，如图2所示的关系，使相对折射率差Δ为0.32％，r1为4.5μm。

这里，图3A表示当空孔部12的数量(以下称作空孔数)为4时的特性示例，图3B表示当空孔数为6个时的特性示例，图3C表示当空孔数为8个时的特性示例。

一般的，单模光纤的模场直径(MFD)在长波长一侧增大，随之长波长一侧的弯曲损失特性也倾向于恶化。因此，如图3A～3C所示，空孔数为4个、6个或者8个的带空孔型单模光纤中，通过将空孔半径r2设计为纤芯半径r1的约0.2倍及其以上，将空孔位置d设计为纤芯半径r1的约4.5倍及其以下的区域，在波长为1625nm及其以下的区域中，弯曲半径10mm的弯曲损失特性为1dB/m及其以下成为可能。

图4表示空孔数为8个、空孔半径r2为纤芯半径r1的0.4倍的带空孔型单模光纤中，规一化空孔位置d/r1和高次(LP₁₁)模理论截止波长的关系示意图。在上述相对折射率差Δ为0.32％、纤芯半径r1为4.5μm的以往SMF中，高次(LP₁₁)模的理论截止波长为约1450nm，如图4所示，即使在本发明的带空孔型单模光纤中，也能够得到与原有SMF同等的、或者比其值更低的截止波长特性。

图5表示空孔数等与图4同样的条件下的带空孔型单模光纤中，在波长为1310nm时，相对于规一化空孔位置d/r1，MFD(模场直径)的变化示意图。如图5所示，通过将规一化空孔位置d/r1设计在约1.5及其以上的区域，可得到与以往的SMF同等的、约7.9μm到10.2μm的MFD特性。

而且，图6表示波长为1625nm时，相对于规一化空孔位置d/r1，以原有SMF中的MFD为标准，带空孔型单模光纤MFD的相对变化，以及因MFD不匹配引起的连接损失的特性示意图。这里，实线表示MFD的相对变化特性，虚线表示MFD不匹配损失的特性。如图6所示，通过将规一化空孔位置d/r1设计在2.0及其以上的区域，可使随空孔部12的附加，相对于以往SMF波长为1625nm时的MFD变化为±10％及其以下，因MFD不匹配引起的连接损失小于1dB。

因此，如以上说明的图2、图3A～3C、图4、图5以及图6所示，在具有至少4个以上空孔部12的本发明的带空孔型单模光纤中，通过使空孔部12的位置d为纤芯半径r1的2.0倍到4.5倍、空孔部12的半径r2为纤芯半径r1的0.2倍及其以上、纤芯部10的相对折射率差Δ为约0.3％到0.55％、纤芯半径r1为约3.2μm到4.8μm的区域，使高次(LP₁₁)模的理论截止波长为1500nm及其以下，在工作波长为1260nm到1625nm的区域，弯曲半径10mm的弯曲损失特性为1dB/m及其以下，波长为1310nm时的MFD为与以往的SMF同等的约7.9μm到10.2μm，并且即使对于工作波长的上限1625nm，也可以得到相对于以往的SMF的MFD的相对变化为±10％及其以下的特性。

图7为依据上述本发明实施方式试制的、具有6个空孔部12的2种带空孔型单模光纤，其弯曲损失特性的测量结果与原有SMF的比较示意图。这里，弯曲损失的测量条件为：以弯曲半径10mm、20圈卷起。黑点表示原有SMF的特性，X点表示本发明带孔SMF的特性。试制的带空孔型单模光纤的测量波长区域的弯曲损失，为测量界限0.01dB/m及其以下，尤其在长波长侧，能够得到比原有SMF降低2个数量级及其以上弯曲损失的效果。

第2实施方式

其次，作为本发明第2实施方式，对纤芯部10的相对折射率差Δ和纤芯半径的最优化，达到扩大有效截面面积Aeff的示例进行说明。

图8是弯曲半径10mm的弯曲损失为1dB/m及其以下，纤芯部10相对于第1包层部11的相对折射率差Δ和有效纤芯半径A的关系示意图。这里，有效纤芯半径A定义为从纤芯部10的中心到第2包层部的最外围，即定义A＝d+2×r2(参见图1A～1C)。此外，作为示例，形成第2包层部的空孔部12的数量为6个，空孔半径r2为纤芯半径r1的0.3倍，空孔位置d为纤芯半径r1的3倍。

从图8可看出，采用波长1260nm的相对折射率差Δ和有效纤芯半径A的关系进行设计，可使在波长为1260nm到1625nm的工作波长范围内，弯曲半径在10mm时的弯曲损失为1dB/m及其以下。

图9是采用图8所示的波长1260nm的相对折射率差Δ和有效纤芯半径A的关系时，波长为1260nm、1550nm以及1625nm时，纤芯部10的相对折射率差Δ和有效截面面积Aeff的关系示意图。

另外，图10是采用图8所示的波长1260nm的相对折射率差Δ和有效纤芯半径A的关系时，纤芯部10的相对折射率差Δ和高次(LP₁₁)模的理论截止波长的关系示意图。

因此，如图8、图9和图10所示，本发明的第2实施方式中，在与纤芯部10的中心距离d＝3×r1的位置具有半径r2＝0.3×r1的6个空孔部12的单模光纤中，通过使纤芯部10的相对折射率差Δ为约0.12％及其以下、有效纤芯半径A为约23μm到28μm，可实现高次(LP₁₁)模的理论截止波长为1100nm及其以下、波长为1260nm到1625nm的有效截面面积Aeff为150μm²及其以上、并且弯曲半径10mm的弯曲损失为1dB/m及其以下的特性。

其他实施方式

另外，虽然已对本发明优选的实施方式作了示例说明，但本发明的实施方式并不仅限于上述示例，只要在各权力要求记载的范围内，对构成部件和材料等的置换、变更、修改、追加、增减个数、改变形状等各种变化，也都包含在本发明的实施方式内。例如，上述本发明的空孔部12的个数、光纤的材料等不限于上述实施方式。光纤不限于玻璃，也可以由塑料、以及其他所用波长中的透明介质为材料制成。又，空孔部12优选为圆形，但也可以应用与圆形极相近的椭圆形或者多角形。又，空孔部12的内部也不限于真空，例如可以填充所用波长中透明、且比第1包层部11的折射率低的气体、液体乃至固体。

Claims (2)

1、一种带空孔型单模光纤，包括：

折射率均一的第1包层部；

具有比上述第1包层部高的折射率，在第1包层部的中央配置的半径为r1的纤芯部；

在与上述纤芯部的中心仅距离d的位置上，在上述第1包层部区域内配置的、包括至少4个半径为r2的空孔部的第2包层部，其特征在于：

上述距离d为上述纤芯部的上述半径r1的2.0倍到4.5倍，并且上述空孔部的上述半径r2为上述纤芯部的上述半径r1的0.2倍及其以上，所述带空孔型单模光纤具有依照ITU-T所推荐G.652的1300nm至1324nm的零色散波长特性，以及弯曲半径为10mm时1dB/m及其以下的弯曲损失特性，并且通过附加上述空孔部而导致的模场直径的变化为±10％及其以下。

2、根据权利要求1所述的带空孔型单模光纤，其特征在于：上述纤芯部的上述半径r1为3.2μm到4.8μm，上述纤芯部相对于上述第1包层部的相对折射率差Δ为0.3％到0.55％的区域内。

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