Одномодовое оптическое волокно

 

Изобретение используется в волоконно-оптических линиях связи. Одномодовое оптическое волокно состоит из сердцевины и оболочки. Радиус сердцевины и диаметр оболочки выбирают из определенных условий. Коэффициент преломления волокна характеризуется ступенчатым, трапецеидальным или треугольным профилем. Обеспечено уменьшение размеров волокон для повышения пропускной способности волоконно-оптических кабелей, снижена стоимость изготовления. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Настоящее изобретение относится к одномодовому оптическому волокну.

Как известно, оптическое волокно представляет собой оптический волновод, состоящий из центральной части, называемой сердцевиной оптического волокна, предназначенной для направления основной части световых волн и окруженной периферийной частью, называемой оболочкой оптического волокна. Обычно оболочка оптического волокна окружена защитным покрытием из синтетического материала (например, синтетической смолы) толщиной примерно 50 мкм.

Длина распространяющейся волны, выбираемая в настоящее время для оптических волокон, составляет 1,3 мкм или 1,55 мкм. В самом деле, при таких длинах волн можно получать минимальное затухание при распространении света, менее 0,4 дБ/км.

Таким образом, в настоящем изобретении, рассматриваемые волокна предназначены для использования на длине волны 1,3 мкм или 1,55 мкм, наиболее эффективной для распространения.

Кроме того, известно, что мономодовые оптические волокна имеют гораздо большую ширину полосы пропускания, чем многомодовые волокна, и именно по этой причине современные и перспективные разработки в области оптических волокон посвящены, в основном, мономодовым оптическим волокнам.

В свете изложенного, настоящее изобретение относится, в частности, к мономодовым оптическим волокнам, предназначенным для использования на длине волны 1,3 мкм или 1,55 мкм.

Используемые в настоящее время оптические волокна имеют диаметр сердцевины в пределах от 8 мкм до 10 мкм; диаметр оболочки этих оптических волокон составляет 125 мкм, что совпадает с диаметром оболочки многомодовых оптических волокон. Ввиду относительно большого диаметра сборки, состоящей из сердцевины и оболочки оптического волокна, затраты на диоксид кремния для получения заготовки, из которой вытягивают стандартное одномодовое оптическое волокно, высоки. Для снижения этих затрат предлагалось уменьшить диаметр сердцевины примерно до 2,5-3 мкм при сохранении диаметра оболочки на уровне 125 мкм.

Однако, такое уменьшение диаметра сердцевины не ведет к достаточному снижению затрат.

Кроме того, поскольку диаметр оболочки оптического волокна остается неизменным, пропускная способность волоконно-оптического кабеля, содержащего такие волокна, не увеличивается.

Одна из задач настоящего изобретения состоит в создании мономодового оптического волокна, стоимость изготовления которого ниже, чем у известных мономодовых оптических волокон.

Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы уменьшить размеры мономодовых оптических волокон для повышения пропускной способности волоконно-оптических кабелей.

Для достижения указанного результата в настоящем изобретении предложено мономодовое оптическое волокно, содержащее сердцевину оптического волокна для направления основной части световых волн, окруженную оболочкой оптического волокна, характеризуемое разностью n между максимальным коэффициентом преломления сердцевины и соответствующим параметром оболочки оптического волокна и радиусом оболочки а, отличающееся тем, что a ∈ [0,6a_c; 1,1a_c], причем a_c определяется в мкм по формуле где k = 2π/χ; χ - длина распространяющейся волны, мкм; n_g - коэффициент преломления оболочки оптического волокна, равный с точностью 3 · 10^-3 соответствующему коэффициенту чистого диоксида кремния; Δ_n - больше или равно 0,01, а диаметр оболочки оптического волокна в мкм удовлетворяет соотношению ϕ ∈ [ϕ_min;100],
причем ϕ_min распределяется в мкм по формуле

где
Выбирая вышеуказанным образом характеристические параметры оптического волокна, т. е. а, Δ_n и ϕ, можно получить одномодовое оптическое волокно с длинами распространяющихся волн, приблизительно 1,3 мкм или 1,55 мкм, которое имеет уменьшенный диаметр оболочки по отношению к известным волокнам, и в то же время имеет затухание и чувствительность к микроизгибам, сравнимые с этими параметрами для стандартных волокон.

Таким образом, в соответствии с изобретением, мономодовое оптическое волокно нет необходимости изготавливать оболочку оптического волокна диаметром порядка 125 мкм. Такой диаметр выбирался в первоначальной конструкции оптических волокон для получения мономодовых и многомодовых оптических волокон одних и тех же размеров (для многомодовык волокон, которые имеют диаметр сердцевины в 85 мкм, диаметр оптической оболочки достигает 125 мкм для обеспечения требуемой направленности распространения при сохранении гибкости волокна).

Изобретение, следовательно, обеспечивает уменьшение габаритных размеров оптического волокна без ухудшения характеристик распространения и, тем самым, увеличение пропускной способности волоконно-оптических кабелей при одновременном снижении стоимости получаемых оптических волокон.

Профиль коэффициента оптического волокна согласно изобретению можно выбирать из профилей ступенчатого, трапецеидального или треугольного типа, при соблюдении условий для "а", Δ_n и ϕ, соответствующих изобретению.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в нижеследующем описании примеров осуществления оптических волокон, приведенных в качестве иллюстрации, без каких-либо ограничений.

На чертежах представлено следующее:
фиг. 1 - поперечное сечение оптического волокна, соответствующего изобретению,
фиг. 2 - профиль изменения коэффициента оптического волокна, показанного на фиг. 1,
на фиг. 3 - трапецеидальный профиль изменения коэффициента,
на фиг. 4 - треугольный профиль изменения коэффициента,
на фиг. 5 - зависимость ϕ_min от Δ_n и a.

На всех чертежах одинаковые элементы обозначены одними и теми же позициями.

На фиг. 1 изображено оптическое волокно 1, соответствующее изобретению, содержащее сердцевину 2 оптического волокна, выполненную из материала на основе диоксида кремния, например - легированного германием для увеличения его коэффициента преломления по отношению к коэффициенту преломления чистого диоксида кремния, и расположенную по центру вдоль продольной оси X волокна 1, окруженную оболочкой 3 оптического волокна, выполненную по существу из чистого диоксида кремния, т.е. с коэффициентом преломления, равным коэффициенту преломления чистого диоксида кремния, или ниже его на 10^-3 или более (коэффициент оболочки 3 оптического волокна может изменяться от периферии сердцевины 2 до наружной поверхности волокна 1, оставаясь ниже коэффициента сердцевины 2). Оболочка 3 оптического волокна окружена защитным покрытием 4, выполненным из пластмассы, например из синтетической смолы.

На фиг. 2 изображен профиль коэффициента волокна, показанного на фиг. 1, т. е. он изображен как функция изменений коэффициента преломления n в сердцевине 2 и оболочке 3 оптического волокна 1 в пределах поперечного сечения волокна 1 в зависимости от расстояния d от оси X оптического волокна.

Профиль, изображенный на фиг. 2, относится к типу ступенчатых профилей, если обозначить максимальный коэффициент преломления сердцевины 2 как n_g + Δ_n, то коэффициент преломления сердцевины 2 изменяется от n_g до n_g + Δ_n, что позволяет получить характеристику прямоугольной формы; оболочка 3 имеет по существу постоянный коэффициент преломления n_g. Как упоминалось выше, коэффициент преломления n_g обычно близок к коэффициенту чистого диоксида кремния, причем он несколько ниже последнего (равен 1,444), причем разница составляет максимум 0,001.

На фиг. 3 и 4 изображены два других типа профилей, которыми может обладать волокно 1, это трапецеидальный профиль (коэффициент сердцевины 2 изменяется от n_g до n_g + Δ_n, что позволяет получить кривую трапецеидальной формы, а оболочка 3 имеет по существу постоянный коэффициент преломления (n_g) и треугольный профиль (коэффициент сердцевины преломления 2 изменяется от n_g до n_g + Δ_n, что позволяет получить кривую треугольной формы, а оболочка 3 имеет по существу постоянный коэффициент n) соответственно.

Вообще говоря, в объеме настоящего изобретения, треугольный и ступенчатый профили рассматриваются как частные случаи трапецеидального профиля, для которых отношение меньшего основания и большего основания равно 1 или 0, соответственно.

Согласно изобретению, наружный диаметр выбирают так, что [ϕ∈[ϕ_min; 100]] , причем min мкм определяется по формуле

где K = 2π/χ,

χ (мкм) - длина распространяющейся волны (1,3 мкм или 1,55 мкм), и "а" - радиус сердцевины оптического волокна.

Когда, в соответствии с изобретением, ϕ выбирают в интервале [ϕ_min ;100] , т.е., чтобы уменьшить потери из-за кривизны или микроизгибов, Δ_n выбирают более 0,01 и "а" (мкм) - в диапазоне [а_с; 1,1а_с] а_с, мкм, определяется по формуле:

чтобы поддержать в оптическом волокне затухание на уровне ниже 0,4 дБ/км и сохранить критическую длину волны оптического волновода строго меньше длины распространяющейся волны (1,3 мкм или 1,55 мкм), диаметр оболочки оптического волокна может иметь значение меньше 125 мкм (обычное значение для стандартных мономодовык волокон), что обеспечивает значительную экономию) затрат на изготовление оптических волокон, а также увеличение пропускной способности волоконно-оптических кабелей.

Например, при выборе ϕ, равным 100 мкм, и сохранении всех остальных элементов неизменными относительно элементов стандартного мономодового оптического волокна, получаемое уменьшение размеров оптического волокна близко к 33%. При выборе ϕ, равным 80 мкм, и сохранении всех остальных элементов неизменными относительно элементов стандартного мономодового оптического волокна, получаемое уменьшение размеров оптического волокна близко к 60%. В первом приближении, уменьшение затрат на изготовление волокна по существу равно уменьшению поперечного сечения, т.е. - уменьшению размеров.

На фиг. 5 изображены характеристики мономодового волокна с рабочей длиной волны 1,55 мкм, а именно - несколько кривых, соответствующих минимальному диаметру ϕ_min оболочки оптического волокна для различных величин a/a_c, а также для различных величин Δ_n.
Кривая 51 соответствует случаю, когда Δ_n/ равно 0,01; видно, что ϕ_min можно выбрать в пределах от 75 до 100 мкм, в соответствии с a/a_c.

Кривая 52 соответствует случаю, когда Δ_n равно 0,015; видно, что ϕ_min можно выбрать в пределах от 62,5 до 100 мкм, в соответствии с a/a_c.

Кривая 53 соответствует случаю, когда Δ_n равно 0,012; видно, что ϕ_min можно выбрать в пределах от 50 до 75 мкм, в соответствии с a/a_c.

Соответствующие изобретению критерии относительно "а", Δ_n и ϕ применимы, вообще говоря, ко всем оптическим волокнам, имеющим трапецеидальный профиль (включая оптические волокна, имеющие треугольный или ступенчатый профиль).

Что касается синтетического защитного покрытия 4, его толщина составляет порядка 50 мкм.

Далее приведены несколько конкретных примеров конструкций оптического волокна, соответствующих настоящему изобретению. Примеры 1-8 относятся к оптическим волокнам с рабочей длиной волны 1,55 мкм, а пример 9 - к оптическим волокнам с рабочей длиной волны 1,3 мкм.

Во всех примерах толщина покрытия составляет 4-50 мкм.

Все волокна, полученные согласно изобретению и обладающие характеристиками, указанными в нижеследующих примерах, имеют ослабление ниже 0,4 дБ/км и чувствительность к микропузырькам, по меньшей мере сравнимую с чувствительностью стандартного волокна, имеющего диаметр оболочки оптического волокна 125 мкм, диаметр сердцевины в диапазоне 8-20 мкм и толщину защитного покрытия, равную 50 мкм.

Пример 1
В этом примере соответствующее изобретению оптическое волокно со ступенчатым профилем имеет следующие характеристики (для 1,55 мкм);
Δ_n = 0,01,
a = 2,43 мкм,
ϕ = 100 мкм
Пример 2
В этом примере соответствующее изобретению оптическое волокно со ступенчатым профилем имеет следующие характеристики (для 1,55 мкм):
Δ_n=0,01,
a = 2,60 мкм
ϕ=90 мкм
Пример 3
В этом примере соответствующее изобретению оптическое волокно со ступенчатым профилем имеет следующие характеристики (для 1,55 мкм):
Δ_n= 0,016,
a = 1,7 мкм,
ϕ = 100 мкм
Пример 4
В этом примере соответствующее изобретению оптическое волокно со ступенчатым профилем имеет следующие характеристики (для 1,55 мкм):
Δ_n = 0,015,
a = 1,98 мкм,
ϕ = 80 мкм.

Пример 5
В этом примере соответствующее изобретению оптическое волокно со ступенчатым профилем имеет следующие характеристики (для 1,55 мкн);
Δ_n = 0,015,
a = 2,26 мкм,
ϕ = 70 мкм.

Пример 6
В этом примере соответствующее изобретению оптическое волокно со ступенчатым профилем имеет следующие характеристики (для 1,55 мкм):
Δ_n = 0,02,
a = 1,47 мкм,
ϕ = 80 мкм.

Пример 7
В этом примере соответствующее изобретению оптическое волокно со ступенчатым профилем имеет следующие характеристики (для 1,55 мкм):
Δ_n = 0,02
a = 2,45 мкм,
ϕ = 70 мкм.

Пример 8
В этом примере соответствующее изобретению оптическое волокно со ступенчатым профилем имеет следующие характеристики (для 1,55 мкм):
Δ_n = 0,02,
a = 2,45 мкм,
ϕ = 60 мкм.

Пример 9
В этом примере соответствующее изобретению оптическое волокно со ступенчатым профилем имеет следующие характеристики (для 1,55 мкм):
Δ_n = 0,01,
a = 2,038 мкм,
ϕ = 96 мкм.

Пример 10
В этом примере соответствующее изобретению оптическое волокно со ступенчатым профилем имеет следующие характеристики (для 1,3 мкм):
Δ_n = 0,015,
a = 1,426 мкм,
ϕ = 96 мкм.

Пример 11
В этом примере соответствующее изобретению оптическое волокно со ступенчатым профилем имеет следующие характеристики (для 1,3 мкм);
Δ_n = 0,01 мкм,
a = 1,644 мкм,
ϕ = 57,5 мкм.

Очевидно, что настоящее изобретение не сводится к вышеуказанным конкретным примерам воплощения.

В частности, защитное покрытие, выполненное из синтетического материала, может состоять из одного или нескольких слоев, а его толщина не обязательно близка к 50 мкм; эту толщину выбирают в соответствии с механическими свойствами, требуемыми для конкретного оптического волокна, а также его чувствительностью к кривизне и микроизгибам.

Кроме того, изобретение также применимо к оптическим волокнам, профиль которых является трапецеидальным или треугольным. Опорные параметры ("a", Δ_n и ϕ) )для волокна этого типа можно преобразовать путем пересчета в опорные параметры волокна со ступенчатым профилем и наоборот, поскольку между этими параметрами существует соотношение эквивалентности. В этом случае ступенчатый профиль называют эквивалентным треугольному или трапецеидальному профилю. Таким образом, приведенные выше примеры профилей можно без затруднений преобразовать, используя указанное соотношение эквивалентности, в треугольный или трапецеидальный профили, т.е. можно непосредственно получить опорные параметры для треугольного или трапецеидального профилей.

И наконец, любые средства можно заменить эквивалентными средствами в пределах объема изобретения.

Формула изобретения

1. Одномодовое оптическое волокно, содержащее сердцевину оптического волокна для направления большей части световых волн, окруженную оболочкой оптического волокна, характеризующееся разностью Δ_n между максимальным коэффициентом преломления сердцевины и соответствующим параметром оболочки оптического волокна и радиусом а сердцевины, отличающееся тем, что
а ∈ [0,6а_c; 1,1а_c],
причем а_c, мкм, определяется по формуле
,
где k = 2π/χ;
χ - длина распространяющейся волны, мкм;
n_g - коэффициент преломления оболочки оптического волокна, равный с точностью 3 · 10^-3 - соответствующему коэффициенту чистого диоксида кремния;
Δ_n - больше или равно 0,01,
а диаметр ϕ оболочки оптического волокна, мкм, выбирается из условия
ϕ ∈ [ϕ_min;100],
причем ϕ_min, мкм, определяется по формуле

где
2. Оптическое волокно по п. 1, отличающееся тем, что его коэффициент преломления характеризуется ступенчатым, трапецеидальным или треугольным профилем.

3. Оптическое волокно по п.1 или 2, отличающееся тем, что оболочка оптического волокна окружена защитным покрытием, выполненным из синтетического материала.

4. Оптическое волокно по п.3, отличающееся тем, что защитное покрытие имеет толщину, близкую к 50 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5