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CN1199061C - 光纤和光传输系统 - Google Patents

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CN1199061C
CN1199061C CN00135579.1A CN00135579A CN1199061C CN 1199061 C CN1199061 C CN 1199061C CN 00135579 A CN00135579 A CN 00135579A CN 1199061 C CN1199061 C CN 1199061C
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Abstract

提供了一种光纤和光传输系统，可利用多种波长的光信号实现大容量和远距离传输，并抑制由于非线性光学现象所致的光信号波形衰变以及由于色散积累所致的光信号波形衰减。根据本发明的光纤在1300nm到1600nm范围内的所有波长处的色散大于或等于-20ps·nm-1·km-1但小于或等于-3ps·nm-1·km-1，其具有：第一折射率的中央芯区，封闭中央芯区并具有小于第一折射率的第二折射率的第二芯区，封闭第二芯区并具有大于第二折射率的第三折射率的第三芯区，和封闭第三芯区并具有小于第三折射率的第四折射率的包层区；相对于包层区最外层的折射率，中央芯区的相对折射率大于等于0.4%但小于0.7%。

Description

光纤和光传输系统
技术领域
本发明涉及一种通过具有多种波长的多路复用光信号进行光传输的波分复用(WDM)传输系统，和一种用作WDM光传输系统的光传输线的光纤。
背景技术
利用光纤网络的WDM传输系统能够传输大量的信息。WDM传输系统包括一个发出具有多种波长的光信号的发射器，一个传递这些光信号的光纤，一个接收这些光信号的接收器，和一个放大这些光信号的光纤放大器。为了增大WDM传输系统的传输能力，在扩大传输用的波带方面已进行了很多尝试。
欧洲专利申请EP1037074公开的一种光纤在包括1.53μm～1.61μm的整个波长范围内具有合适的色散，光纤放大器在其中可获得正增益。光纤因此抑制了光信号由于非线性光学现象所致的波形衰变以及由于色散的积累所致的光信号的波形衰变。此光纤的零色散波长至少为1.61μm，但不超过1.67μm，并且在波长1.55μm处的色散斜率为0.15ps·nm-2·km-1或更小。在引用的发明的实施例中，公开的光纤至少有0.07ps·nm-2·km-1的色散斜率，但不大于0.15ps·nm-2·km-1。
至于公开在上述公告中的光纤用在大约1.31μm和1.45μm的波长处(波带S)。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种可利用波长的范围内包括1.31μm、1.45μm、1.55μm和1.58μm等多种波长的光信号实现大容量和远距离传输的光纤，以及一种包含这种光纤的传输系统。
为了实现上述及其它目的，提供了一种光纤，其特征在于在1300nm到1600nm范围内的所有波长处的色散大于或等于-20ps·nm-1·km-1但小于或等于-3ps·nm-1·km-1，该光纤具有：(1)一个包括光轴的中心并具有第一折射率的中央芯区，(2)封闭中央芯区并具有小于第一折射率的第二折射率的第二芯区，(3)封闭第二芯区并具有大于第二折射率的第三折射率的第三芯区，和(4)封闭第三芯区并具有小于第三折射率的第四折射率的包层区；相对于包层区最外层的折射率，中央芯区的相对折射率大于等于0.4％但小于0.7％。
另外，提供一种光传输系统，包括：发射站，在多路复用具有1300nm到1600nm范围内的波长的光信号之后将其发出；如权利要求1所述的光纤，传输上述光信号；和接收站，接收所述的光信号并将它们多路分用成各自的波长。
本发明还提供了一种光纤，其特征在于在1250nm到1650nm范围内的所有波长处的色散大于或等于-20ps·nm-1·km-1但小于或等于-3ps·nm-1·km-1，该光纤具有：一个包括光轴的中心并具有第一折射率的中央芯区，封闭中央芯区并具有小于第一折射率的第二折射率的第二芯区，封闭第二芯区并具有大于第二折射率的第三折射率的第三芯区，和封闭第三芯区并具有小于第三折射率的第四折射率的包层区；相对于包层区最外层的折射率，中央芯区的相对折射率大于等于0.4％但小于0.7％。
本发明还提供了一种光传输系统，包括：发射站，在多路复用具有1250nm到1650nm范围内的波长的光信号之后将其发出；如权利要求6所述的光纤，传输上述光信号；和接收站，接收所述的光信号并将它们多路分用成各自的波长。
从下列的参考附图的描述中本发明的上述及其它目的和新颖的特点将更加清晰。但应理解附图只是用于示意的目的，并未作为对本发明的限定。
附图说明
为了便于理解用在本发明详细描述中的附图，对每个附图提供简要的说明：
图1表示根据本发明实施例的光纤的色散特性。
图2表示根据本发明实施例的光纤的折射率曲线的优选实例。
图3表示根据本发明实施例的光纤的折射率曲线的另一优选实例。
图4是实施例中描述的每种光纤的色散特性曲线。
图5是根据本发明第一实施例的光传输系统简图。
图6是根据本发明第二实施例的光传输系统简图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的优选实施例进行详细的解释。为便于理解解释，在整个附图中同一部件用相同的标号，并且省去重复描述。图中的尺寸部分地被放大，所以并非总是与尺寸的实际比例对应。图1表示根据本发明实施例的光纤的色散特性。光纤的色散在1300nm～1600nm(波带A)的整个波长范围内为大于或等于-20ps·nm-1·km-1但小于或等于-3ps·nm-1·km-1。此波带A包括1.31μm、1.45μm、1.55μm和1.58μm。
大于或等于-20ps·nm-1·km-1的色散能够将色散累积导致的光信号波形的衰变抑制到不超过在波长1550nm处利用规定为G.654的ITU的单模光纤情形的水平。小于或等于-3ps·nm-1·km-1的色散可以抑制由于非线性光学现象所致的光信号的波形衰变。因此，把此光纤用作光传输线可以实现在波带A内大容量及远距离的多种波长的光信号传输。
根据本发明的光纤色散最好在波带A中所有波长处的色散大于或等于-12ps·nm-1·km-1但小于或等于-4ps·nm-1·km-1。大于或等于-12ps·nm-1·km-1的色散可以更有效地抑制色散累积导致的光信号波形的衰变；小于或等于-4ps·nm-1·km-1的色散可以更有效地抑制由于非线性光学现象所致的光信号的波形衰变。因此，在这种情况下可以利用波带A中具有多种波长的光信号进行大容量、远距离的传输。
更希望本发明的光纤色散在1250nm～1650nm(波带B)整个范围内大于或等于-20ps·nm-1·km-1但小于或等于-3ps·nm-1·km-1，这个范围宽于上述的波带A。在此情形中，还可以利用范围宽于波带A的波带B内的多种波长的光信号进行大容量、远距离的传输。
还希望本发明的光纤色散在波带B整个范围内大于或等于-16ps·nm-1·km-1但小于或等于-4ps·nm-1·km-1。大于或等于-16ps·nm-1·km-1的色散可以更有效地抑制色散累积导致的光信号波形的衰变；小于或等于-4ps·nm-1·km-1的色散可以更有效地抑制由于非线性光学现象所致的光信号的波形衰变。因此，在这种情况下可以利用波带B中具有多种波长的光信号进行大容量、远距离的传输。
另外，根据本发明的光纤的理想有效面积在1550nm处为大于等于40μm 2。在这种情形中，由于非线性光学现象所致的光信号的波形衰变变得低于由于规定为G.653的ITU的色散移动光纤中非线性所致的信号衰减的水平。
另外，由于本发明OH基光纤所致的损耗的增加在1380nm的波长处最好等于或小于-0.1dB·km-1。在这种情况下因为接近1380nm的波长也可以用作光信号波长，所以可以进行大容量的传输。
下面解释适于实现本发明光纤的折射率曲线。示于图2中的折射率曲线以从光轴中心开始的顺序数起，具有一个中心芯区(折射率n1，外径2a)，一个第二芯区(折射率n2，外径2b)，一个第三芯区(折射率n3，外径2c)，和一个包层区(折射率n4)。各个折射率的大小关系为n1＞n2，n2＜n3，和n3＞n4。尤其希望，基于包层区最外层折射率的中心芯区的相对折射率之差Δ1为0.4％～0.7％。具有此折射率曲线的光纤可以通过给中心芯区和第三芯区加入硅玻璃基，例如GeO2，和/或给第二芯区及包层区加入F元素而获得。
图3中所示的折射率曲线是图2中折射率曲线中的包层区被内包层区(折射率n4，外径2d)和一个外包层区(折射率n5)代替，其中n4＜n5。优选中心芯区的折射率与外包层区最外层的折射率的相对折射率之差Δ1为0.4％～0.7％。具有此折射率曲线的光纤可以通过给中心芯区和第三芯区加入硅玻璃基，和/或给第二芯区及内包层区加入F元素而获得。
接下来参见表1对关于本发明光纤的四个实施例进行解释。实施例的光纤具有图3所示的折射率曲线。图4是表示实施例中每个光纤的色散特性曲线。
表1
                                实例实例                            1       2       3       4
2a(μm)                         5.7     5.5     5.2     5.0
2b(μm)                         14.7    14.5    15.1    14.3
2c(μm)                         22.5    21.3    21.6    21.6
2d(μm)                         45.2    42.6    43.2    43.2
Δn1(％)                       0.50    0.55    0.57    0.59
Δn2(％)                       -0.20   -0.20   -0.20   -0.15
Δn3(％)                       0.25    0.30    0.29    0.27
Δn4(％)                       -0.20   -0.20   -0.20   -0.15
色散(ps·nm-1·km-1)
在1250nm处                      -11.98  -11.82  -12.60  -16.40
在1310nm处                      -9.22   -8.81   -9.42   -14.30
在1550nm处                      -8.07   -6.28   -7.99   -14.70
在1650nm处                      -3.81   -3.32   -7.10   -8.60
散射斜率(ps·nm-2·km-1)(1)   0.016   0.011   -0.008  0.027
有效面积(μm2)(1)              52.1    46.6    42.1    49.3
模式场直径(μm)(1)              7.95    7.44    7.15    7.75
弯曲损失(dB)(2)                 2.4     0.2     1.5     0.8
λo色散(nm)                    1694    1700    1757    1724
λc色散(nm)                    1290    1310    1220    1330
Δα1.38(dB·km-1)             0.01    0.06    0.03    0.03
(1)在1550nm处
(2)在1550nm处，1转32mm
第一至第四实施例中每个光纤在波带A以及波带B中所有波长处的色散为大于或等于-20ps·nm-1·km-1但小于或等于-3ps·nm-1·km-1。另外，第一至第四实施例中的每个光纤在1550nm波长处的有效面积等于或大于40μm，并且由于1380nm波长处的OH基所致的损耗增长等于或小于0.1dB·km-1。第一至第三实施例中的每个光纤在波带A中所有波长处的色散为大于或等于-12ps·nm-1·km-1但小于或等于-4ps·nm-1·km-1。另外，第三实施例中的光纤在波带B中所有波长处的色散为大于或等于-16ps·nm-1·km-1但小于或等于-4ps·nm-1·km-1。
接下来，参照图5对作为传输线的采用本发明光纤的光传输系统的第一实施例进行解释。光传输系统1具有一个作为发射站110和接收站120之间的光传输线的光纤130。
发射站110包括N个发射器1111-111N(N≥2)和一个光学多路复用器112。发射器111n(1≤n≤N)输出一个具有波带A或波带B中λn波长的光信号。波长λ1～λN中一些处于1.31μm波带，一些处于1.45μm波带，另一些处于1.55μm波带，还有一些处于1.58μm波带。光学多路复用器112多路复用λ1～λN波长的光信号并将这些光信号发送到光纤130。光纤130把光学多路复用器112发出的波长为λ1～λN的光信号传输到接收站120。光纤130在波带A的所有波长处显示出大于或等于-20ps·nm-1·km-1但小于或等于-3ps·nm-1·km-1的色散。另外，光纤130在波带A的所有波长处最好有大于或等于-12ps·nm-1·km-1但小于或等于-4ps·nm-1·km-1的色散，或在波带B的所有波长处有大于或等于-20ps·nm-1·km-1但小于或等于-3ps·nm-1·km-1的色散。尤其希望在波带B的所有波长处有大于或等于-16ps·nm-1·km-1但小于或等于-4ps·nm-1·km-1的色散。另外，还尤其希望光纤130在1550nm波长的有效面积等于大于40μm2，在波长1380nm处由于OH基所致的损耗增长不大于0.1dB·km-1。
接收站120包括N个接收器1211-121N和一个多路分用器122。多路分用器122多路分用经光纤130接收到的波长为λ1～λN的多路光信号，并将其输出。接收器121n接收从多路分用器122输出的波长为λn的光信号。
至于光传输系统1，因为根据本发明的上述光纤130用作发射站110和接收站120之间的光传输线，所以在波带A或波带B的所有波长以及包括1.31μm波带、1.45μm波带、1.55μm波带、和1.58μm波带由于非线性光学现象所致的光信号波形衰变以及由于色散积累所致的光信号波形衰减被抑制。因此，光传输系统1能够利用具有波带A和波带B中多种波长λ1～λN的光信号进行大容量和远距离的传输。
接下来，参照图6对采用本发明光纤作为光传输线的光传输系统的第二实施例作以解释。光传输系统2具有一根用作发射站210和中继站240之间光传输线的光纤231，并且还具有一根用作中继站240和接收站220之间光传输线的光纤232。
发射站210包括N个发射器2111-211N，光多路复用器2121、2122，光放大器2131、2132，和一个光多路复用器214。发射器211n输出一个具有波带A或波带B中的波长λn的光信号。λ1～λN中的波长，一些处于1.31μm波带，一些处于1.45μm波带，另一些处于1.55μm波带，还有一些处于1.58μm波带。光多路复用器2121多路复用从发射器2111-211M(1≤M≤N)发出的具有第一波带中λ1～λM波长的光信号。光放大器2131放大具有λ1～λM波长的多路复用的光信号并将其输出。光多路复用器2122多路复用从发射器211M+1-211N发出的具有第二波带中λM+1～λN波长的光信号，并且光放大器2132放大具有λM+1～λN波长的多路复用的光信号。光多路复用器214多路复用具有λ1～λM波长的放大的光信号和具有λM+1～λN波长的放大的光信号，并将其发送到光纤231。
光纤231把从发射站210发出的具有波长λ1～λN的光信号传输到中继站240。此光纤231在波带A的所有波长处显示有大于或等于-20ps·nm-1·km-1但小于或等于-3ps·nm-1·km-1的色散。优选光纤231在波带A的所有波长处有大于或等于-12ps·nm-1·km-1但小于或等于-4ps·nm-1·km-1的色散，或在波带B的所有波长处有大于或等于-20ps·nm-1·km-1但小于或等于-3ps·nm-1·km-1的色散。尤其优选在波带B的所有波长处有大于或等于-16ps·nm-1·km-1但小于或等于-4ps·nm-1·km-1的色散。另外，光纤231在1550nm波长的有效面积等于大于40μm2，在波长1380nm处由于OH基所致的损耗增长不大于0.1dB·km-1。
中继站240包括一个多路分用器241、光放大器2421、2422和光多路复用器243。多路分用器241多路分用到达进入包括λ1～λM波长的第一波带和包括λM+1～λN波长的第二波带的波长λ1～λN的光信号。光放大器2421放大第一波带中λ1～λM波长的光信号，光放大器2422放大第二波带中λM+1～λN波长的光信号。然后，光多路复用器243多路复用已被放大并输出的λ1～λM波长的光信号和λM+1～λN波长的光信号，并将它们发送给光纤232。
光纤232把从中继站240发出的λ1～λN波长的光信号传输到接收站220。光纤232具有与光纤231相同的特性。
接收站220包括N个接收器2211-221N，多路分用器2221、2222，光放大器2231、2232，和一个多路分用器224。多路分用器224将经光纤232接收到的具有波长λ1～λN的光信号多路分用为包括λ1～λM波长的第一波带和包括λM+1～λN波长的第二波带中的光信号。光放大器2231一起放大λ1～λM波长的光信号，并且多路分用器2221把λ1～λM波长的光信号多路分用成每种波长的光信号。光放大器2232一起放大λM+1～λN波长的光信号，并且多路分用器2222把λM+1～λN波长的光信号多路分用成每种波长的光信号。接收器221n接收从多路分用器2221或2222输出的波长为λn的光信号。
至于光传输系统2，因为本发明如上所述的光线231、232分别用作发射站210和中继站240之间以及中继站240和接收站220之间的光传输线，所以在波带A或波带B的所有波长以及包括1.31μm波带、1.45μm波带、1.55μm波带和1.58μm波带处由于非线性光学现象所致的光信号波形衰变以及由于色散积累所致的光信号波形衰减被抑制。因此，光传输系统2能够利用具有波带A和波带B中多种波长λ1～λN的光信号进行大容量和远距离的传输。
另外，在此光传输系统2中，光放大器2131、2421和2231一起放大第一波带中的λ1～λM波长的光信号，并且光放大器2132、2422和2232一起放大第二波带中的λM+1～λN波长的光信号，并因此能够远距离地传输。作为一个例子，第一波带包括1.55μm和1.58μm波带，掺铒的光纤放大器(EDFA)可以用作一起放大第一波带中光信号的光放大器。另一方面，第二波带包括1.31μm和1.45μm波带，半导体光放大器或拉曼放大器可以用作一起放大第二波带中光信号的光放大器。
在图6所示的构成中，光信号被分成两个波带，每个波带被各自的光放大器放大。但是，它们也可以由一个光放大器放大，或者是被分成两个或多个波带，每个被各自的光放大器放大。例如，光信号可以被分成四个波带：1.31μm波带、1.45μm波带、1.55μm波带和1.58μm波带。然后，可以把掺镨光纤放大器(PDFA)用于1.31μm波带的光信号放大。可以把掺铥光纤放大器(TDFA)用于1.45μm波带的光信号放大。EDFA可以用于1.55μm和1.58μm波带的光信号放大。半导体光放大器或拉曼放大器可以用于任何波带内的任何光信号的放大。

Claims (12)

1.一种光纤，其特征在于在1300nm到1600nm范围内的所有波长处的色散大于或等于-20ps·nm-1·km-1但小于或等于-3ps·nm-1·km-1，该光纤具有：一个包括光轴的中心并具有第一折射率的中央芯区，封闭中央芯区并具有小于第一折射率的第二折射率的第二芯区，封闭第二芯区并具有大于第二折射率的第三折射率的第三芯区，和封闭第三芯区并具有小于第三折射率的第四折射率的包层区；相对于包层区最外层的折射率，中央芯区的相对折射率大于等于0.4％但小于0.7％。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于所述色散大于或等于-12ps·nm-1·km-1但小于或等于-4ps·nm-1·km-1。
3.如权利要求1或2所述的光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长的有效面积大于或等于40μm2。
4.如权利要求1或2所述的光纤，其特征在于所述光纤在1380nm波长处由于OH基导致的损耗增长小于或等于0.1dB/km。
5.如权利要求1或2所述的光纤，其特征在于所述包层区包括一个具有小于第三折射率的折射率的内包层和一个具有大于内包层折射率的折射率的外包层。
6.一种光纤，其特征在于在1250nm到1650nm范围内的所有波长处的色散大于或等于-20ps·nm-1·km-1但小于或等于-3ps·nm-1·km-1，该光纤具有：一个包括光轴的中心并具有第一折射率的中央芯区，封闭中央芯区并具有小于第一折射率的第二折射率的第二芯区，封闭第二芯区并具有大于第二折射率的第三折射率的第三芯区，和封闭第三芯区并具有小于第三折射率的第四折射率的包层区；相对于包层区最外层的折射率，中央芯区的相对折射率大于等于0.4％但小于0.7％。
7.如权利要求6所述的光纤，其特征在于所述色散大于或等于-16ps·nm-1·km-1但小于或等于-4ps·nm-1·km-1。
8.如权利要求6或7所述的光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长的有效面积大于或等于40μm2。
9.如权利要求6或7所述的光纤，其特征在于所述光纤在1380nm波长处由于OH基导致的损耗增长小于或等于0.1dB/km。
10.如权利要求6或7所述的光纤，其特征在于所述包层区包括一个具有小于第三折射率的折射率的内包层和一个具有大于内包层折射率的折射率的外包层。
11.一种光传输系统，包括：
发射站，在多路复用具有1300nm到1600nm范围内的波长的光信号之后将其发出；
如权利要求1所述的光纤，传输上述光信号；和
接收站，接收所述的光信号并将它们多路分用成各自的波长。
12.一种光传输系统，包括：
发射站，在多路复用具有1250nm到1650nm范围内的波长的光信号之后将其发出；
如权利要求6所述的光纤，传输上述光信号；和
接收站，接收所述的光信号并将它们多路分用成各自的波长。
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