基于外部气相沉积的S+C+L波段低色散斜率大有效面积非零色散位移光纤的设计与制备
0 引言
随着城域网业务的飞速发展,系统要求传输数据量呈爆炸式增长,在传输网上需要利用光纤波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)传输方式[1]。和骨干网不同的是,光纤波分复用传输的主要方式是采用廉价的粗波分复用(Coarse Wavelength Division Multiplexing,CWDM),而不是骨干网上的密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)[2]。CWDM的信道间隔较为松散,可以减少DWDM信道密集引起的四波混频等非线性效应[3-4]。城域网的传输距离不远,一般不采用光放大器及色散补偿模块等元器件,因此需要在S+C+L宽波长范围内具有低色散斜率的非零色散位移光纤(None Zero Dispersion Shifted Fiber,NZDSF),而不是骨干网上在C+L波段内使用的大有效面积非零色散位移光纤。
现有商用光纤种类中,G.652光纤的零色散波长在1 310 nm附近,在L波段的色散系数偏大,色散斜率也偏大,增加了色散补偿成本。G.654.E光纤截止波长比S波段长,且L波段色散比G.652.D还要大,弯曲损耗大。因此,2010年国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)修订了G.656光纤标准,明确G.656光纤在1 460~1 625 nm波长范围内具有相对中等的色散斜率和宽带传输波长下的正色散,且斜率更低,可以满足城域网传输系统使用要求[5]。目前国际上较知名的非零色散位移光纤有Corning的LEAF光纤、OFS的TrueWave-REACH光纤和Prysmian的TeraLight-Ultra光纤等。2016年土耳其的KARLIK S E教授研究了各种NZDSF光纤的不同信道输入功率对四波混频串扰功率的影响,以及不同信道间距、光纤链路长度和信道波长对信噪比的影响[6]。研究发现在各种输入功率、信道数量和信道间隔的条件下,Teralight光纤的四波混频最小,LEAF光纤次之,TrueWave-RS光纤最大。KARLIK S E认为DWDM系统中以1 550 nm为中心的信道数量增加过多会引起四波混频对信号的极大干扰,因此需要一定的色散系数、较大的有效面积以及适宜的信道间隔,以抑制各种非线性效应。几种光纤中TeraLight光纤的1 550 nm色散系数达到7~8 ps·nm-1·km-1,LEAF光纤的有效面积达到72 μm2。虽然国内一直有研究宽带波长范围内适度色散、低偏振模色散(Polarization Mode Dispersion,PMD)和低衰减等特性的光纤[7],但目前市场上商用G.656光纤仍主要依赖于进口,国内除采用等离子化学气相沉积(Plasma Chemical Vapor Deposition,PCVD)工艺制备的G.656光纤外[8],尚未有其他工艺制备的G.656光纤。此外,业内曾开发出双包层型色散平坦光纤[9-10],该光纤两个零色散点位于1 210 nm和1 550 nm,在1 210~1 550 nm波长范围内色散呈平坦分布。双包层型色散平坦光纤有内外两个包层,内包层要比外包层的折射率低,从而形成一个折射率下凹的深沟,限制了色散的扩展,但缺点是弯曲损耗较大且色散系数普遍较低[11]。另有公司开发了三包层型和四包层型光纤[12],该结构特点是在双包层型的内外包层加入一层凸起的折射率,其色散性能和抗弯曲能力优于双包层型,但是三包层型和四包层型结构复杂,有效面积Aeff偏小,色散系数偏低,制造难度大,成本较高[13]。
然而无论是多包层的色散平坦光纤,还是如LEAF光纤的大有效面积G.655.D,因其模场直径(Mode Field Diameter,MFD)没有和普通G.652.D兼容且差异很大,在地面光缆系统的安装中存在熔接损耗大的问题,同时大有效面积G.655.D光纤在S波段(1 460~1 530 nm)没有足够的色散用以有效抑制四波混频[14]。因此,大有效面积的宽带非零色散位移光纤被认为是下一代城域网高速率、大容量通信的理想选择。其零色散波长位于S波段以外,色散斜率相对较低,使C和L波段的色散不会增加太多。在设计制造宽带用低色散斜率、大有效面积非零色散位移光纤时,截止波长λcc和优化弯曲损耗性能是关键技术。为了实现ITU-T建议的G.656光纤的要求,首先光纤在1 550 nm波段的色散系数约大于8 ps·nm-1·km-1以抑制四波混频,其次零色散波长λ0应小于1 460 nm以便在S波段进行WDM应用,第三是光纤的有效面积Aeff必须尽可能大以减小非线性效应。
为此本文提出一种具有中心凹陷的三角形芯+双包层的折射率剖面设计的光纤,在S+C+L波段具有低色散斜率的正色散和较大的有效面积,在抑制光纤非线性效应的同时,还可以降低光纤的制作难度,彻底去除光纤中的水峰,保证光纤的质量和性能。
1 光纤结构设计与基本理论
1.1 光纤色散的构成
业内普遍认为城域网用光纤需要具有宽波长的低衰减和适合的色散系数特点,有利于抑制光纤的非线性效应等问题[15]。石英玻璃单模光纤的总色散主要由材料色散和波导色散构成[16],总色散为
式中,D(λ)为总色散,Dm为材料色散,Dw为波导色散,Dp为折射率剖面色散。具体表达式为
式中,λ为传输光波长,c为光速度,n1、n2为光纤芯层和包层的折射率,H为光传播分数,Δ为相对折射率差,b为归一化传播常数,V为归一化介质频率,ng1为芯区群折射率。由于Dp≈0,n1≈n2,总色散可简化为
已知常规G.652光纤的材料色散Dm在1 270 nm附近为零,掺杂浓度越高,材料色散Dm越向长波长方向移动。在宽带波长范围内,波导色散Dw和材料色散Dm具有相反的符号,在1 310 nm附近材料色散Dm与波导色散Dw相互抵消为零。通常情况下,波导色散Dw的大小由光纤纤芯n1的半径R、相对折射率差Δ及剖面图形状决定,半径R越小,相对折射率差Δ越大,波导色散Dw就越负。改变光纤的折射率分布和剖面图结构,就可以改变波导色散Dw,从而在工作波长范围内得到合适的色散系数。
此外,色散斜率是波长范围内色散曲线的斜率,用来描述随波长不同而引起的色散变化,其公式为
用S0表示零色散波长处的色散斜率,有
1.2 光纤中的模场直径、有效面积和波长关系
单模光纤是光学的弱波导介质,光纤中传播的光能量一部分在包层传输,其传播特性不能用纤芯的几何尺寸简单描述,因此用MFD来衡量光传输的能量集中特征。根据国标[17],MFD可在远场用远场光强分布PF(θ)、互补孔径功率传输函数α(θ)和在近场用近场光强分布f 2(r)来测定,且不同试验方法之间可以进行数学等效变换。目前的试验方法一般是由远场光强分布确定MFD的彼得曼第二定义(Peterman Ⅱ),MFD的计算公式为
式中,w是MFD的半径,E(r)是电场分布,r是半径方向的距离,θ是光纤远场侧视角,单位为弧度(rad)。根据光纤传播理论,MFD不仅依赖折射率剖面图,也依赖于传输波长。同一种光纤中的传输波长越短,MFD越小,其原因是光的波长越短,频率越高,光子的能量越大,光强分布在芯层周围更加集中,光纤的波导结构对光的限制作用也会变得越不明显。不同的光纤设计虽然影响特定波长的MFD,但不会改变对波长依赖的趋势。
有效面积Aeff是一个与光纤非线性紧密相关的参数,它会影响光纤系统的传输质量,特别是在长距离光放大系统中的传输质量。有效面积越大,光纤内部的功率密度就越低。光纤非线性很大程度上取决于光纤内部的功率密度,因此有效面积的增加会导致光纤非线性及其对信号传输的影响的减少。有效面积定义为
式中,r是距离光纤中心的距离。研究发现,Aeff是MFD的几何变换(有时称为模场面积[MFA=(π/4)·MFD2]),可以理解为光传输面积的数学表示。每种类型的光纤的有效面积不同,主要决定于该光纤的折射率剖面图和输入波长λ。Aeff经验典型值的范围在95%~104%的MFA。根据经验确定Aeff和MFA之间一般关系为
式中,k(λ)是和λ相关的修正因子。在非线性效应对系统性能有重大限制的应用中,Aeff是光纤中载光区域的更合适的表示。因此,Aeff和MFD一样,其依赖于传输波长λ,且随着λ的缩小而减小。
1.3 光纤波导结构设计
光纤的波导结构决定光纤性能,其主要参数是芯层及包层结构(折射率高度和宽度),进而调整其色散特性。相对于G.655.D光纤,G.656需要增加Δn1、减小光纤芯径R1,以得到合适的波导色散Dw,进而使零色散波长λ0平移至1 460 nm以下。如
图 2. 几种S+C+L非零色散位移光纤的折射率剖面示意图
Fig. 2. Refractive index profile schematic diagrams of several S+C+L non-zero dispersion shifted fibers
与类似的阶跃型光纤相比,在不损害其他传输参数的情况下,三角形芯(a)、基座型(b)及梯型芯(c)光纤的芯部折射率采用三角型或梯型设计,可以降低由于芯/包层边界造成的较低的吸收、散射损耗和熔接损耗,较小的色散系数和色散斜率值[19-21]。选择合适的芯部的相对折射率和三角形折射率剖面斜率,光纤在1.3~1.5 μm波长范围内可以获得相比于阶跃型光纤较低的损耗和较大的光纤芯径,而剖面图中心形成的凹陷并不会对传输过程产生不利影响,也可以避免中央的光强分布过于集中而导致的非线性效应[22-24]。采用三包层型(d)、四包层型(e)和五包层型(f)的折射率剖面图,虽然可以获得100~150 μm2的有效面积[25-26],但截止波长达到1.4~1.6 μm,工艺上需要制作较深的凹陷层才能控制宏弯损耗,增加了工艺难度[27]。
图 3. 三角形芯和阶跃型芯光纤的有效面积和色散系数对比
Fig. 3. Affective area and dispersion contrast of triangular index fiber and step index fiber
本实验采用“两步法”的工艺路线,以外部气相沉积(Outside Vapor Deposition,OVD)法制备光纤的芯层和内包层,同时以OVD法沉积外包层,制备出低衰减、耐弯曲和大有效面积的G.656光纤。
实验通过调整芯部掺杂量,改变第一芯层的相对折射率Δn1和半径R1,使剖面图为三角形结构,同时调节第三芯层的相对折射率Δn3和厚度R3-R2,从而形成不同的折射率波导结构,实现低衰减、大有效面积、低色散斜率和适宜的零色散波长之间的平衡。
表 1. 设计光纤的剖面图参数
Table 1. Profile parameters of designed fibers
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2 实验部分
光纤预制棒的制作工艺主要有改进化学气相沉积(Modified Chemical Vapor Deposition,MCVD)工艺、PCVD工艺、OVD工艺和轴向气相沉积(Vapor Axial Deposition,VAD)工艺,并且采用“两步法”混合工艺技术,即先制作决定光纤光学性能的芯棒,再制作决定光纤成本的外包层。MCVD和PCVD等管内法均可以制作较复杂的折射率剖面图的光纤,如G.655和G.656光纤。但由于管内法的入口锥度效应(沉积厚度和折射率分布不均匀),影响了芯棒的纵向均匀性,减少了有效长度,不利于大规模低成本地生产光纤。虽然通过优化参数可以减少锥度效应,但对于必须精确控制的折射率剖面图的G.656光纤来说,不仅增大了工艺难度,而且降低了成品的合格率。而OVD法也可以制作精细的剖面图且纵向更加均匀,如
在OVD工艺制备中,通过加入Ge等掺杂剂来提高纤芯的折射率,在烧结过程中GeO2由于易反应为GeO而挥发和扩散,造成芯部折射率凹陷,以及原设计中的阶跃结构形成弧形结构。其次由于GeO2掺杂量远大于普通的G.652光纤,在预制棒拉丝过程中需要控制温度、速度、张力等参数,避免折射率剖面图发生其他变化。本实验光纤拉丝时采用1 800 ℃的温度、800 m/min的速度以及100 g左右的拉丝张力,尽量保证实际光纤的纤芯折射率剖面图与理论设计的剖面图一致。
3 结果与讨论
3.1 折射率剖面结构对光纤参数的影响
将实验所设计的光纤预制棒进行拉丝和测试,结果见
表 2. 设计光纤的参数
Table 2. Parameters of designed fibers
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图 8. 不同Δn1和R2/R1时的零色散波长λ0和有效面积Aeff
Fig. 8. Zero dispersion wavelength λ0 and effective area Aeff with various Δn1 and R2/R1
3.2 光纤性能测试与对比分析
表 3. 制备的非零色散位移光纤的S+C+L三波段的特性
Table 3. The S+C+L characteristics of fabricated NZDSFs
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图 9. 制备的非零色散位移光纤的色散特性和衰减图谱
Fig. 9. Dispersion characteristics and loss spectrum of fabricated NZDSF
图 10. 制备的非零色散位移光纤的宏弯损耗(半径25 mm,100圈)
Fig. 10. The macrobending loss parameters of fabricated NZDSF(R=25 mm,100 turns)
表 4. 制备的光纤和其他宽带用非零色散位移光纤指标对比
Table 4. Fabricated fiber parameters compared with other NZDSFs for wideband
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4 结论
本文设计了一种具有中心凹陷的芯+环形结构的低色散斜率非零色散位移光纤,并采用外部气相沉积工艺进行制备。该结构对有效面积、色散和色散斜率的适度优化能够减少色散恶化,适用于S+C+L波段的波分复用。经检测设计的光纤在1 460~1 625 nm波长范围内的色散为1.5~13.4 ps·nm-1·km-1,零色散波长为1 420 nm附近,在1 550 nm和1 625 nm波长处的衰减分别是0.195 dB/km和0.205 dB/km,为长距离应用进行了最佳化设计。此外该光纤有效面积达到68 μm2,可以较好地抑制非线性效应,同时宏弯损耗达到并超过了ITU-T G.656的标准要求,是一种新型的S+C+L低斜率非零色散位移光纤。此剖面图结构实现了宽带范围内适度的正色散,较低的宏弯损耗,适合的有效面积和极低的PMD,适用于S+C+L波段的CWDM和DWDM应用,具有较好非线性效应抑制作用。
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