Одномодовый оптический волновод с большой эффективной площадью

 

Одномодовое оптическое волноводное волокно (OOВ) имеет рабочее окно на длине волны 1550 нм и содержит область сердцевины, имеющую профиль показателя преломления, включающий по меньшей мере три участка, и слой оболочки, имеющий профиль показателя преломления, причем показатель преломления по меньшей мере части указанного профиля области сердцевины больше показателя преломления по меньшей мере части указанного профиля слоя оболочки, и по меньшей мере один участок указанного профиля сердцевины имеет минимальный показатель преломления, меньший, чем минимальный показатель преломления указанного слоя оболочки. В одном варианте выполнения OOВ имеет эффективную площадь больше примерно 90 мкм² в рабочем окне на длине волны 1550 нм и отношение эффективной площади к площади поля моды больше примерно 1,3, в другом варианте OOВ имеет бимодальную характеристику интенсивности электрического поля, умноженной на радиус. Технический результат заключается в создании ОВВ, работоспособность которого при изгибе сравнима с работоспособностью обычного ОВВ со ступенчатым показателем преломления; уменьшении нежелательных нелинейных волноводных эффектов. 2 с. и 14 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.

Изобретение относится к одномодовому оптическому волноводному волокну с большой эффективной площадью (А_эфф) для техники связи. Одномодовый волновод с большой эффективной площадью имеет меньшие нелинейные оптические эффекты, в том числе меньшие фазовую автомодуляцию, четырехволновое смешение, перекрестную фазовую модуляцию и процессы . Каждый из этих эффектов вызывает искажение сигнала в системах, передающих большую мощность.

Процессы рассеяния, которые искажают сигнал, в общем виде описываются уравнением, содержащим член exp(cP/А_эфф), где с - постоянная, P - мощность сигнала. Другие нелинейные эффекты описываются уравнениями, которые включают P/А_эфф в качестве множителя. Таким образом, увеличение А_эфф вызывает уменьшение вклада нелинейных эффектов в искажение светового сигнала.

Требование отрасли связи по увеличению объема информации, передаваемого на большие расстояния без использования регенераторов, привело к переоценке подхода к разработке профилей показателя преломления одномодовых волокон.

Сущность этой переоценки заключается в том, чтобы создать оптические волноводы, которые: - уменьшают нелинейные эффекты, такие как указанные выше, - оптимизированы для уменьшения затухания в рабочем диапазоне длин волн около 1550 нм, - совместимы с оптическими усилителями и - сохраняют требуемые характеристики оптических волноводов, в частности, малое затухание, высокую прочность, усталостную прочность и устойчивость к изгибу.

Предшествующие разработки, такие как описанная в заявке на патент США N 08/378780, исходили из основных концепций конструкции сердцевины, состоящей из нескольких участков, впервые описанной в патенте США N 4715679. Для класса конструкций сердцевины, описанного в вышеуказанной заявке США N 08/378780, были созданы волноводы с большей эффективной площадью. В этой заявке была описана конкретная конструкция, включающая по меньшей мере одну область сердцевины, имеющую минимальный показатель преломления, меньший показателя преломления оболочки.

Дальнейшее изучение конструкций профиля показателя преломления сердцевины, имеющих области показателя преломления, меньшего, чем минимальный показатель преломления оболочки, привело к обнаружению двух принципиальных свойств волноводных волокон с очень большой эффективной площадью. Первым свойством является то, что распределение энергии моды, умноженной на радиус (взвешенной), то есть E² • r, где E - электрическое поле и r - радиус, является по меньшей мере бимодальным на графике зависимости от радиуса. Бимодальное распределение энергии моды может наблюдаться в виде либо двойного пика, либо пика со смежным сглаженным выступом. Понятно, что распределение энергии моды определяется направляющими структурами, включенными в профиль показателя преломления волновода. Известны профили показателя преломления с более сложным распределением энергии моды, чем бимодальное распределение. Новый волновод с очень большой эффективной площадью, кроме того, характеризуется отношением A_эфф к A_mf (определения см. ниже) большим, чем 1,3.

На основе этих принципов была создана модель для предсказания свойств сердцевины, состоящей из нескольких участков, с целью разработки семейства конструкций сердцевины с такими A_эфф, распределением энергии моды (или распределением интенсивности электрического поля) и отношением эффективной площади к площади поля моды, которые делают волноводное волокно пригодным для использования в системах связи с самыми высокими рабочими характеристиками.

Определения - Эффективная площадь равна A_эфф = 2π(∫E²rdr)²/(∫E⁴rdr), где пределы интегрирования от 0 до ∞, а E - напряженность электрического поля световой волны.

Эффективный диаметр D_эфф может быть определен, как D_эфф = 2(A_эфф/π)^1/2.

Площадь поля моды A_mf равна
π(D_mf/2)²,
где D_mf - диаметр поля моды, измеренный по II методу Петермана,
где 2w = D_mf и W² = (2∫E²rdr/∫[dE/dr]²rdr),, пределы интегрирования от 0 до ∞.

Отношение R = A_эфф/A_mf,
α-профиль определяется уравнением
n = n₀(1-Δ(r/a)α),
где n₀ равно максимальному значению показателя преломления α -профиля, Δ определено выше, r - радиус и a - радиус, измеренный от первой до последней точки α -профиля показателя преломления. Можно полагать, что r равно нулю в точке по α-профиля показателя преломления, или первая точка профиля может быть смещена на определенное расстояние от центральной оси волновода. α-профиль с α, равным 1, имеет треугольную форму. Если α равно 2, то профиль показателя преломления является параболой. При α больше 2, и приближающемся к 6, профиль показателя преломления становится близким к ступенчатому. Точный ступенчатый профиль показателя преломления соответствует бесконечно большому значению α, но для практических целей α в диапазоне примерно от 4 до 6 соответствует профилю со ступенчатым изменением показателя преломления.

- Ширина участка профиля показателя преломления равна расстоянию между двумя вертикальными линиями, проведенными от начальной и конечной точек профиля показателя преломления до горизонтальной оси графика зависимости показателя преломления от радиуса.

- Коэффициент Δ% равен
Δ% = [(n₁² - n_c²)/2n₁²]•100, где n₁ - показатель преломления сердцевины и n_с - показатель преломления оболочки. Если не указано иное, то n₁ равен максимальному показателю преломления в области сердцевины, характеризуемой коэффициентом Δ%.

- Началом отсчета показателя преломления выбирают минимальное значение показателя преломления стеклянного слоя оболочки. Показатели преломления оболочки, меньшие этой минимальной величины, считаются отрицательными.

- Профиль показателя преломления обычно имеет соответствующий эффективный профиль показателя преломления, который имеет другую форму. Эффективный профиль показателя преломления может быть использован вместо соответствующего ему профиля показателя преломления без изменения характеристик волновода. См. работу "Single Mode Fiber Optics, Marcel Dekker Inc., Luc B. Jeunhomme, 1990, page 32, section 1.3.2".

- Работоспособность при изгибе определяется по стандартному тесту, в котором измеряют затухание, вызванное намоткой волноводного волокна на катушку. В стандартом тесте определяются параметры волноводного волокна, имеющего один виток вокруг катушки диаметром 32 мм и сто витков вокруг катушки диаметром 75 мм. Максимально допустимое затухание, вызванное изгибом, обычно определяется в рабочем окне на длине волны около 1300 нм и около 1550 нм.

- Альтернативным тестом на изгиб является тест на изгиб с помощью расположенных в ряд стержней, который используется для определения относительной устойчивости волноводного волокна к изгибу. Чтобы выполнить этот тест, измеряют затухание в волноводном волокне по существу без изгибов. Затем волноводное волокно вплетается в ряд стержней и снова измеряется затухание. Потери, вызванные изгибами, равны разнице между двумя измеренными значениями затухания. Ряд стержней является набором из 10 цилиндрических стержней, расположенных в один ряд и закрепленных в вертикальном положении на плоской поверхности. Расстояние между стержнями равно 5 мм, от центра до центра. Диаметр стержня равен 0,67 мм. Во время испытания прикладывается достаточное усилие, чтобы заставить волноводное волокно повторить форму части поверхности стержней.

Сущность изобретения
Данное изобретение решает задачу создания оптического волноводного волокна с очень высокими рабочими характеристиками путем решения проблем, вызванных нелинейными волноводными эффектами и использованием оптических усилителей в системах связи.

Эта задача решается с помощью одномодового оптического волноводного волокна с очень большой эффективной площадью и работоспособностью при изгибе, по меньшей мере сравнимой с работоспособностью при изгибе обычного одномодового волноводного волокна со ступенчатым изменением показателя преломления. Кроме того, затухание должно быть небольшим, чтобы обеспечить большое расстояние между регенераторами, и волокно должно иметь требуемую прочность и усталостную прочность.

В частности, в стандартном тесте на изгиб, включающем один оборот волокна вокруг катушки диаметром 32 мм, для варианта выполнения, описанного ниже, потери, вызванные изгибом, не превышают 0,05 дБ на длине волны 1550 нм. Аналогично, в тесте со 100 витками вокруг катушки диаметром 75 мм затухание, вызванное изгибом, не превышает 0,05 дБ на длине волны 1310 нм и 0,10 дБ на длине волны 1550 нм. Эти результаты совпадают с результатами для обычного волокна со ступенчатым изменением показателя преломления.

Так, первым объектом изобретения является одномодовое оптическое волноводное волокно, имеющее сердцевину, состоящую по меньшей мере из трех различных участков. Участки отличаются один от другого профилем показателя преломления в конкретном интервале радиуса. Характерными признаками сердцевины, которые обеспечивают большую эффективную площадь без ухудшения работы при изгибе, являются:
наличие в сердцевине по меньшей мере одного участка, часть которого имеет показатель преломления, меньший, чем минимальный показатель преломления оболочки, и
наличие по меньшей мере двух участков, часть которых имеет показатель преломления, больший максимального показателя преломления оболочки.

Хотя энергия поля распределена по большей площади сердцевины, комбинация частей области сердцевины с положительными и отрицательными показателями преломления в достаточной степени обеспечивает направленное распространение передаваемого света, чтобы удовлетворить требованиям к потерям при изгибе.

Обычно предлагаемое волокно, имеющее по меньшей мере три различные части сердцевины и по меньшей мере одну часть сердцевины с отрицательным показателем преломления, имеет следующие свойства:
затухание сравнимо с затуханием обычного одномодового волноводного волокна со ступенчатым изменением показателя преломления,
потери, вызванные изгибом, не превышают аналогичные потери обычного одномодового волокна со ступенчатым изменением показателя преломления,
взвешенное распределение поля является по меньшей мере бимодальным, как показано, например, кривой 24 на фиг. 4,
эффективная площадь больше 90 мкм² в рабочем окне на длине волны 1550 нм и может быть сделана более 350 мкм² в этом окне и
отношение R = A_эфф/A_mf больше 1,3 и может быть более 3,7. Рабочее окно на длине волны 1550 нм обычно включает диапазон длин волн от 1530 до 1565 нм.

Семейство волноводов согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения имеет сердцевину, содержащую четыре или пять различных участков профиля показателя преломления. В каждом из этих вариантов выполнения два несмежных участка имеют отрицательный показатель преломления. Каждый участок характеризуется коэффициентом Δ% и шириной, измеренной вдоль радиуса волноводного волокна.

Тогда участки могут быть описаны формой профиля показателя преломления, коэффициентом Δ% и радиусом участка, измеренным от нулевой точки в центре волновода до конечной точки каждого участка сердцевины. Ширина каждого участка определяется как разность радиусов. Например, если a₀ равно радиусу, проведенному к конечной точке первого участка сердцевины, а a₁ равно радиусу, проведенному к конечной точке второго участка сердцевины, то a₀-a₁ равно ширине второго участка.

В варианте выполнения, имеющем пять участков, каждый из участков имеет профиль показателя преломления по существу в виде ступеньки, то есть каждый участок характеризуется постоянным показателем преломления. Вследствие диффузии легирующей примеси при изготовлении сердцевины волновода, углы ступени обычно сглаживаются. Обычно небольшое округление не влияет на работу волноводного волокна. Если округление значительное, то в модель, используемую для вычисления свойств конкретного волновода с сердцевиной, состоящей из нескольких участков, добавляют математическое описание профиля показателя преломления, имеющего скругление.

Важное свойство, обнаруженное при анализе вариантов выполнения нового профиля показателя преломления, заключается в том, что профиль показателя преломления вблизи оси, то есть первый участок области сердцевины, может быть различным, как показано линиями 8 и 6 на фиг. 1, при этом требуемые характеристики волновода сохраняются. Обычно конкретная часть профиля показателя преломления волновода имеет соответствующий эквивалентный профиль показателя преломления, см. определения выше. Понятно, что описание и формула изобретения для конкретной формы профиля показателя преломления включают и соответствующие эквиваленты.

Здесь приводится конкретный ряд диапазонов изменения коэффициента Δ% и ширины участков сердцевины, состоящей из четырех или пяти участков. Однако понятно, что имеется по существу бесконечное множество профилей, которые обеспечивают требуемые величины A_эфф и R, а также требуемое распределение поля. При функциональном конструировании сердцевины можно подобрать ширину или расположение участков, профиль показателя преломления участков или коэффициент Δ% при сохранении основных свойств волновода в пределах описанных заданных диапазонов. Следовательно, понятно, что семейство приемлемых конструкций сердцевины, описанное здесь, включает близкие конструкции, которые обеспечивают указанные функциональные свойства волноводных волокон.

В каждом из описанных ниже вариантов выполнения, при любом заданном Δ%, слой оболочки имеет по существу постоянный показатель преломления n_c.

Разработано семейство оптических волноводов, имеющих сердцевину, состоящую из четырех участков, с исключительно большой A_эфф и хорошей устойчивостью к изгибу, имеющих следующие параметры:
первый участок сердцевины, начинающийся от центральной оси волноводного волокна, имеет α-профиль, Δ₀% в диапазоне примерно от 0,7% до 1,2% и а₀ в диапазоне примерно от 1,5 до 3,5 микрон,
второй прилегающий участок сердцевины имеет Δ₁% менее примерно -0,10% и a₁ в диапазоне примерно от 6,5 до 11 микрон,
третий участок сердцевины имеет Δ₂% в диапазоне примерно от 0,3% до 0,8% и a₂ в диапазоне примерно от 7,5 до 14 микрон,
четвертый участок сердцевины имеет Δ₃% менее примерно -0,10% и a₃ в диапазоне примерно от 10 до 32 микрон и
радиус "а" составляет менее примерно 35 микрон.

Предпочтительный вариант этого семейства имеет параметры:
Δ₀% в диапазоне от 0,65% до 1,0%,
a₀ в диапазоне примерно от 2,8 до 3,5 микрон,
Δ₁% менее примерно -0,10%,
a₁ в диапазоне примерно от 6 до 8 микрон,
Δ₂% в диапазоне примерно от 0,50% до 0,85%,
a₂ в диапазоне примерно от 8 до 10 микрон,
Δ₃% менее примерно -0,10%,
a₃ в диапазоне примерно от 13 до 16 микрон и
радиус "а" примерно равен a₃.

Нижний предел участков с отрицательным Δ% по существу в первую очередь задается возможностями технологического процесса, а не требованиями к работе волноводного волокна. В настоящее время могут быть достигнуты уровни примерно -0,8%.

α-профиль имеет треугольную форму (α = 1), параболическую форму (α = 2) или криволинейную форму, приближающуюся к ступени, если α около 4 или более. α-профиль может иметь углубление в виде перевернутого конуса на центральной оси. Модель имеет достаточную гибкость, чтобы компенсировать такое углубление.

Предпочтительный вариант области сердцевины, имеющей профиль показателя преломления, состоящий из четырех участков, показан на фиг. 11 и имеет следующие параметры:
Δ₁% в диапазоне примерно от 0,65% до 1,00%,
r₁ равно 3,35±0,30 микрон,
Δ₂% менее примерно -0,10%,
r₂ равно 7,2±0,60 микрон,
Δ₃% в диапазоне примерно от 0,50% до 0,85%,
r₃ равно 9,1±0,7 микрон,
Δ₄% менее примерно -0,10%,
r₄ равно 14,5±1,0 микрон. Определения этих параметров профилей даны ниже.

В случае профиля показателя преломления области сердцевины, состоящего из пяти участков, семейство профилей задается следующим образом:
начиная от центра волновода по направлению наружу,
первый участок сердцевины имеет в диапазоне примерно от 0 до 0,20% и радиус, измеренный от центральной оси оптического волновода, в диапазоне примерно от 0,50 до 1,5 микрон,
второй участок сердцевины имеет Δ₁% в диапазоне примерно от 0,5% до 1,2% и радиус a₁ в диапазоне примерно от 0,5 до 4,5 микрон,
третий участок сердцевины имеет Δ₂% менее примерно - 0,1% и a₂ в диапазоне примерно от 6 до 12 микрон,
четвертый участок сердцевины имеет Δ₃% в диапазоне примерно от 0,2% до 0,8% и аз в диапазоне примерно от 7 до 16 микрон,
пятый участок сердцевины имеет Δ₄% менее примерно -0,1% и a₄ в диапазоне примерно от 13 до 26 микрон и
радиус сердцевины "а" находится в диапазоне примерно от 25 до 35 микрон. Во многих предпочтительных вариантах выполнения радиус сердцевины совпадает с внешним радиусом конечного участка сердцевины.

Оптические волноводы с профилями показателя преломления сердцевины, которые описаны этим семейством профилей, могут иметь эффективную площадь более 350 мкм и устойчивость к изгибу выше, чем у обычных волноводов со ступенчатым изменением показателя преломления, без существенного ухудшения затухания или других рабочих свойств, таких как прочность или усталостная прочность.

В только что описанном варианте выполнения с сердцевиной, состоящей из пяти участков, первый участок может иметь различную форму профиля, например, α-профиль, без заметного влияния ее изменения на свойства волновода. Кроме того, α-профиль может иметь углубление в центре в виде перевернутого конуса. Это углубление в центре может быть следствием либо регулирования процесса легирования при изготовлении заготовки, либо регулирования диффузии примеси из заготовки при изготовлении.

Третий вариант выполнения предлагаемого профиля показателя преломления сердцевины представляет собой волновод с сердцевиной, имеющей три участка с отрицательным показателем преломления:
первый участок сердцевины имеет Δ₀% менее примерно -0,10% и радиус а₀ в диапазоне примерно от 0,1 до 2,5 микрон,
второй участок сердцевины имеет Δ₁% в диапазоне примерно от 0,5% до 1,2% и радиус a₁ в диапазоне примерно от 0,5 до 4,5 микрон,
третий участок сердцевины имеет Δ₂% менее примерно - 0,1% и a₂ в диапазоне примерно от 6 до 12 микрон,
четвертый участок сердцевины имеет Δ₃% в диапазоне примерно от 0,2% до 0,8% и а₃ в диапазоне примерно от 7 до 14 микрон,
пятый участок сердцевины имеет Δ₄% менее примерно -0,1% и а₄ в диапазоне примерно от 13 до 30 микрон и
радиус сердцевины "а" находится в диапазоне примерно от 20 до 35 микрон.

Выбор предпочтительного варианта выполнения из предложенных вариантов диктуется соображениями простоты изготовления, соответствующей стоимости изготовления и способности конструкции надежно обеспечивать расчетное значение A_эфф и устойчивость к изгибу.

В большинстве случаев конструкция, состоящая из четырех участков и имеющая два углубления в профиле показателя преломления, в которой используется α-профиль в центре и профили со ступенчатым изменением показателя преломления на остальных участках сердцевины, является самой дорогостоящей и эффективной. В некоторых случаях предпочтительна конструкция, имеющая пять участков со ступенчатым профилем показателя преломления всех участков.

Понятно, что возможны перестановки и комбинации составляющих этих конструкций сердцевины, состоящей из нескольких участков. Таким образом, эти конкретные варианты выполнения относятся к семейству профилей показателя преломления в пределах объема изобретения.

Свойство, которое наблюдают при моделировании и которое обычно обеспечивает лучшую конструкцию сердцевины волновода, заключается в том, что распределение энергии моды, умноженной на радиус, является по меньшей мере бимодальным. Энергия моды пропорциональна квадрату распространяющегося электрического поля. В предпочтительном варианте выполнения для поиска таких конструкций сердцевины, в которых бимодальное распределение энергии имеет два пика, используется моделирование.

Вариант выполнения, в котором первый максимум энергии моды соответствует значению радиуса от 0 до 5 микрон, а второй максимум соответствует радиусу больше 8 микрон, обеспечивает получение волноводного волокна с большой A_эфф и устойчивостью к изгибу, которая по меньшей мере не хуже, чем у обычного волноводного волокна со ступенчатым изменением показателя преломления.

Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображен профиль показателя преломления сердцевины, имеющий четыре участка, два из которых имеют показатель преломления, меньший, чем показатель преломления слоя оболочки.

На фиг. 2 изображен график взвешенной интенсивности поля в зависимости от радиуса для характерного варианта выполнения нового профиля показателя преломления сердцевины.

На фиг. 3 изображен профиль показателя преломления сердцевины, состоящей из нескольких участков, для которого вычисленные параметры сравнивались с измеренными параметрами волноводного волокна, имеющего такой же профиль показателя преломления.

На фиг. 4 изображен график взвешенной интенсивности поля для трех типов волноводов с сердцевиной, состоящей из участков.

На фиг. 5 изображен профиль показателя преломления сердцевины, имеющий пять участков, два из которых имеют показатель преломления, меньший, чем показатель преломления слоя оболочки.

На фиг. 6 изображена разновидность варианта выполнения, показанного на фиг. 5.

На фиг. 7 изображен моделированный профиль, имеющий четыре участка, первый из которых имеет треугольную форму.

На фиг. 8, 9a и 9b изображены моделированные профили показателя преломления сердцевины, имеющие пять участков, три из которых имеют показатель преломления, меньший, чем показатель преломления слоя оболочки.

На фиг. 10 изображен график зависимости интенсивности поля от радиуса для характерного варианта выполнения предлагаемого профиля показателя преломления сердцевины.

На фиг. 11 изображен профиль показателя преломления, имеющий четыре участка, на котором показаны определения для Δ% и радиусов профиля показателя преломления, использованные в модели.

Подробное описание изобретения
Исследование свойств конструкций сердцевины, имеющей несколько участков, идет в ногу с постоянно растущими требованиями к волноводному волокну с большой пропускной способностью для передачи света на большие расстояния. Изучаются скорости передачи данных в терабитовом диапазоне и исследуются системы с расстояниями между регенераторами более 100 км.

Известные работы, в частности, заявка на патент США N 08/378780, показывают, что конструкции, включающие участок сердцевины с показателем преломления, меньшим показателя преломления оболочки, требуют дальнейшего изучения, так как на их основе можно создать оптические волноводные волокна с большой эффективной площадью.

Авторами установлено, что действительно с помощью конструкций, включающих по меньшей мере один участок сердцевины с показателем преломления меньше показателя преломления оболочки, можно получить эффективные площади намного большие, чем полученные ранее. Кроме того, предлагаемая конструкция сердцевины удерживает передаваемый свет достаточно хорошо, чтобы создать волновод с большой A_эфф, имеющий устойчивость к изгибу не хуже, чем у обычного одномодового волокна со ступенчатым изменением показателя преломления. Во многих конструкциях волноводы с большой A_эфф имеют лучшую устойчивость к изгибу, чем обычные одномодовые волноводы со ступенчатым изменением показателя преломления.

Основной вариант выполнения предлагаемого профиля показателя преломления сердцевины изображен на фиг. 1. Сердцевина состоит из четырех участков, первый участок 8 и третий участок 4 имеют форму профиля показателя преломления в виде скругленной ступени, а два участка 2 имеют показатели преломления меньшие, чем показатель преломления оболочки. Штриховые линии 6 показывают другие возможные формы профиля показателя преломления первого участка. Участок 4 также может иметь различную форму профиля без значительного влияния ее на свойства волноводного волокна. Участки 2 профиля с небольшим показателем преломления могут отличаться друг от друга шириной и минимальным показателем преломления. Кроме того, участки 2 могут иметь незначительный положительный или отрицательный наклон и скругления. Нижний предел Δ% участков 2 зависит от технологических возможностей. Величина коэффициента Δ%, примерно равная -0,80%, обеспечивает создание волновода с заданными свойствами.

Воздействие этого профиля на передаваемый свет заключается в том, что часть передаваемой энергии удерживается в первом участке, заданном линией 8, и в смежной области 2 с небольшим показателем преломления. Вторая часть энергии света направляется структурой 4 вместе с внешней областью 2 с небольшим показателем преломления. Большая A_эфф является результатом того, что структура 4 передает мощность на расстоянии от центра волновода. Устойчивость к изгибу не снижается, так как удержание света обеспечивается внешней областью 2 с небольшим показателем преломления.

Бимодальное распределение энергии в варианте выполнения новой конструкции сердцевины, имеющей четыре участка, показано на фиг. 2, которая представляет собой график взвешенной интенсивности поля как функции от радиуса. Внутренний пик 10 соответствует направляющей структуре первого участка сердцевины, имеющей несколько участков. Пик 12 соответствует направляющей структуре, расположенной ближе к периферии сердцевины. Пик 12 резко уменьшается с увеличением радиуса, обеспечивая хорошее удержание света и устойчивость к изгибу.

Определения для Δ и радиусов участков профиля показателя преломления показано на фиг. 11. В варианте выполнения, имеющем четыре участка сердцевины, показанном на фиг. 11, уровни Δ₁%, Δ₂%, Δ₃% и Δ₄% обозначены соответственно 68, 70, 72 и 74. Соответствующие радиусы четырех участков, используемые в расчетах по данной модели, измерены от центральной оси волноводного волокна и обозначены на фиг. 11 как 76, 78, 80 и 82. Эти или аналогичные определения Δ% и радиуса использованы во всех расчетах с использованием модели.

Конкретные моделированные свойства для фиг. 2 таковы: A_эфф = 210 мкм² и критическая длина волны, измеренная в волокне, равна 1562 нм. В кабельной структуре критическая длина волны обычно уменьшается на 200-400 нм. Таким образом, с точки зрения критической длины волны, моделированное волокно подходит для систем с высокими рабочими характеристиками в окне на длине волны либо 1310 нм, либо 1550 нм.

Модель испытывалась для сравнения действительных и предсказанных свойств волновода. Профиль показателя преломления, показанный на фиг. 3, является действительным профилем волноводного волокна, имеющим центральный α-профиль 14, область 16 с небольшим показателем преломления и кольцо 18, имеющее форму скругленной ступени. Отметим область диффузии на центральной оси волновода. Модель учитывает это углубление на центральной оси в виде перевернутого конуса. Табл. 1 показывает отличное совпадение свойств модели и реального волноводного волокна, за исключением разницы 200 нм между действительной и вычисленной критической длиной волны. С учетом зависимости критической длины волны от физического положения волновода во время измерения, эта разница считается допустимой. Хотя вариант профиля показателя преломления, показанный на фиг. 3, не включает участков с отрицательным Δ%, этот пример тем не менее демонстрирует в целом точность модели для описанного семейства профилей показателя преломления (см. таблицу).

Характерная зависимость взвешенной интенсивности поля для новой конструкции сердцевины показана линией 24 на фиг. 4. Зависимость с двумя пиками безусловно отличается от зависимости для обычного волокна со смещенной дисперсией, показанной кривой 20 на фиг. 4. Профиль показателя преломления обычного волноводного волокна со смещенной дисперсией включает первый участок, имеющий α-профиль, кольцевую область с плоским профилем показателя преломления, который близок к показателю преломления слоя оболочки, и вторую кольцевую область, имеющую форму показателя преломления в виде скругленной ступени.

Класс конструкций с большой эффективной площадью, описанный в заявке на патент США N 08/378780, имеет характерную зависимость взвешенной интенсивности поля, показанную кривой 22. Как и ожидалось, для этих конструкций характеристика взвешенной интенсивности поля действительно имеет область, смещенную в сторону увеличения радиуса.

Для полноты изложения, интенсивности поля для этих трех различных профилей сердцевины показаны на фиг. 10. Кривая 64 представляет интенсивность поля для обычного волноводного волокна со смещенной дисперсией, кривая 66 - интенсивность поля в волокне согласно заявке на патент США N 08/378780, а кривая 62 - интенсивность поля, характерную для конструкции с большой эффективной площадью согласно данному изобретению. Кривая 62 с двумя пиками совершенно отлична от кривых, характерных для других двух конструкций.

Различные конструкции профиля показателя преломления, имеющие две области профиля показателя преломления, меньшего, чем показатель преломления оболочки, показаны на фиг. 5a, 5b и 5c. На каждой фигуре показаны две области 26 с небольшим показателем преломления и две области 28 с профилем показателя преломления в форме ступени или скругленной ступени. Конструкция на фиг. 5а включает область 30 сердцевины, которая соответствует показателю преломления оболочки.

Предпочтительный из этих трех профилей показателя преломления показан на фиг. 5c. Две области показателя преломления с небольшим показателем преломления размещены на расстоянии от первого участка области сердцевины. Таким образом, распределение поля смещено от центральной оси волновода, при этом эффективная площадь увеличивается. Кольцевая область с небольшим показателем преломления на периферии области сердцевины служит для удержания передаваемого света в волноводе с целью обеспечения приемлемой устойчивости к изгибу.

Альтернативные профили первого участка показаны на фиг. 5с штриховыми линиями около профиля 28 со ступенчатым изменением показателя преломления. Эти профили, включая те, которые имеют углубление, вызванное диффузией, на центральной оси, имеют приемлемые эффективные площади и отношения R.

Пример 1 - Профиль показателя преломления, имеющий два участка с небольшим показателем преломления
На фиг. 6 моделированный профиль области сердцевины имеет центральное углубление 30, вызванное диффузией, в виде перевернутого конуса с минимальным Δ%, равным примерно 0,18, и максимальным радиусом, равным примерно 1 микрону. Первая кольцевая область 32 имеет зависимость показателя преломления в виде скругленной ступени с максимальным Δ%, равным 0,80, и радиусом a₀, равным примерно 3 микронам. Участок 34 профиля с небольшой величиной показателя преломления имеет коэффициент Δ%, равный -0,18, и радиус a₁, равный примерно 7,5 микронам. Вторая кольцевая область 32 имеет зависимость показателя преломления в виде скругленной ступени с Δ%, равным примерно 0,50, и a₂, равным примерно 11 микронам. Участок 34 профиля с небольшим показателем преломления имеет коэффициент Δ%, равный -0,18, и радиус а₃, равный примерно 23 микронам. Область сердцевины заканчивается в точке, где показатель преломления совпадает с показателем преломления слоя оболочки, в данном случае - при радиусе, равном примерно 24 микронам.

Моделированные характеристики данного варианта выполнения следующие:
Диаметр поля моды 9,8 микрон
D_эфф 18,1 микрон
A_эфф 257 мкм²
R 3,41
Критическая длина волны 1809 нм
Длина волны нулевой дисперсии 1561 нм
Крутизна характеристики дисп. 0,151 пс/нм²/км
Характеристики при изгибе аналогичны характеристикам обычного одномодового волновода со ступенчатым изменением показателя преломления.

Моделированный волновод во всех отношениях подходит для волноводных систем связи с высокими характеристиками, работающих в диапазоне длин волн от 1535 нм до 1575 нм. Однако крутизна характеристики дисперсии должна быть ниже, чем у систем, работающих в окнах как на длине волны 1310 нм, так и на длине волны 1550 нм. Можно несколько уменьшить эффективную площадь с целью получить лучшую крутизну характеристики дисперсии. Или, в качестве альтернативы, могут быть сконструированы профили сердцевины из нескольких участков, которые обеспечивают небольшую полную дисперсию в окне на длине волны 1310 нм.

Пример 2 для сравнения
Профиль показателя преломления сердцевины, показанный на фиг. 7, отличается от профиля на фиг. 6 только тем, что зависимость показателя преломления первого участка имеет треугольную форму и минимальный Δ%? равный примерно 0,7, не имеет выемки в виде конуса, вызванной диффузией, на центральной оси и имеет радиус а₀, равный примерно 4 микронам. Вычислены следующие характеристики:
Диаметр поля моды 10,0 микрон
D_эфф 16,4 микрона
A_эфф 210 мкм²
R 2,69
Критическая длина волны 1834 нм
Длина волны нулевой дисперсии 1562 нм
Крутизна характеристики дисп. 0,16 пс/нм²/км
Отметим, что значительное изменение профиля показателя преломления около центральной оси мало влияет на характеристики волновода.

Профиль, имеющий три области 36 с небольшим показателем преломления, показан на фиг. 8. Кольцевые области 38 имеют профиль показателя преломления в виде ступени, но могут иметь и вид скругленной ступени. Кроме того, первая кольцевая область может иметь α-профиль.

Пример 3 - профили с тремя участками с небольшим показателем преломления
Профиль на фиг. 9а имеет три области с небольшим показателем преломления, то есть области 52, где показатель преломления меньше, чем показатель преломления слоя оболочки, и две кольцевые области 54 с профилем показателя преломления в виде скругленной ступени. Первая область с небольшим показателем преломления имеет вид перевернутого конуса, минимальный Δ%, равный -0,18, и максимальный радиус, равный примерно 1 микрону. По направлению от центра, радиусы и Δ% остальных областей сердцевины равны соответственно 3 микронам и 0,85%, 7 микронам и - 0,18%, 10 микронам и 0,7%, 20 микронам и -0,18%.

Этот профиль показателя преломления сердцевины обеспечивает следующие волноводные характеристики:
Диаметр поля моды 9,65 микрон
D_эфф 15,96 микрон
A_эфф 200 мкм²
R 2,74
Критическая длина волны 1740 нм
Длина волны нулевой дисперсии 1562 нм
Крутизна характеристики дисп. 0,137 пс/нм²/км
Пример 4 для сравнения - профиль с тремя областями сердцевины с небольшим показателем преломления
Профиль показателя преломления на фиг. 9b по существу аналогичен профилю примера 3, за исключением того, что ширина центральной выемки в виде перевернутого конуса уменьшена настолько, что лишь незначительная часть центрального профиля имеет показатель преломления, меньший показателя преломления оболочки.

Вычислены следующие волноводные характеристики:
Диаметр поля моды 9,79 микрон
D_эфф 18,42 микрон
A_эфф 267 мкм²
R 3,54
Критическая длина волны 1738 нм
Длина волны нулевой дисперсии 1544 нм
Крутизна характеристики дисп. 0,124 пс/нм²/км
Сравнивая результаты для профилей на фиг. 9a и 9b, следует отдать предпочтение профилю на фиг. 9b, так как у него отношение R больше, критическая длина волны по существу та же, а длина волны нулевой дисперсии лучше подходит для спектрального мультиплексирования в окне от 1535 нм до 1575 нм, которое по существу совпадает с рабочим окном эрбиевого оптического усилителя.

Пример 3 и сравнительный пример 4 указывают на необходимость моделирования профилей сердцевины, включающих несколько участков. Число профилей в рамках концепции сердцевины из нескольких участков по существу бесконечно. Таким образом, самый эффективный, быстрый и дешевый путь найти семейство профилей, имеющих заданные свойства - это выполнить широкое исследование с использованием моделирования перед изготовлением нового волновода с сердцевиной из нескольких участков.

Для варианта выполнения, показанного на фиг. 11, пределы параметров профиля определены при описании сущности изобретения. Было промоделировано около 2500 профилей показателя преломления, входящих в семейство конструкций сердцевины, изображенных на фиг. 11.

Вычислены следующие волноводные характеристики:
- λ₀ = 1580±30 нм,
- крутизна характеристики полной дисперсии равна 0,085±0,02 пс/нм²/км,
- диаметр поля моды равен 8,0±0,5 мкм,
A_эфф равно 265±35 мкм,
- λ_c = 1850±100 нм,
- среднее значение потерь, вызванных изгибами на наборе штырей, равно 9,6 дБ,
- медианное значение потерь, вызванных изгибами на наборе штырей, равно 7,0 дБ. Диапазон значений потерь при испытаниях с использованием набора штырей составлял от 3 до 25 дБ.

Формула изобретения

1. Одномодовое оптическое волноводное волокно, имеющее рабочее окно на длине волны 1550 нм и содержащее область сердцевины, имеющую профиль показателя преломления, включающий по меньшей мере три участка, и слой оболочки, имеющий профиль показателя преломления, причем показатель преломления по меньшей мере части указанного профиля области сердцевины больше показателя преломления по меньшей мере части указанного профиля слоя оболочки, и по меньшей мере один участок указанного профиля сердцевины имеет минимальный показатель преломления меньший, чем минимальный показатель преломления указанного слоя оболочки, отличающееся тем, что указанное одномодовое волноводное волокно имеет эффективную площадь больше примерно 90 мкм² в рабочем окне на длине волны 1550 нм и отношение эффективной площади к площади поля моды больше примерно 1,3, что обеспечивает низкую дисперсию волноводного волокна при работе в диапазоне длин волн от 1530 до 1565 нм.

2. Одномодовое оптическое волноводное волокно по п.1, отличающееся тем, что профиль показателя преломления области сердцевины содержит пять участков, минимальный показатель преломления двух несмежных участков меньше минимального показателя указанного слоя оболочки, а последняя точка каждого участка профиля показателя преломления сердцевины относительно начала отсчета на центральной оси волноводного волокна определяется радиусами ₀, a₁, a₂, a₃ и а соответственно, где а - радиус указанной сердцевины.

3. Одномодовое оптическое волноводное волокно по п.2, отличающееся тем, что первый участок сердцевины, от начала отсчета на центральной оси волновода до a₀, имеет постоянный показатель преломления n₀, второй участок сердцевины имеет ширину a₁-a₀ и профиль показателя преломления в виде скругленной ступени с максимальным показателем преломления n₁, третий участок сердцевины имеет ширину a₂-a₁ и постоянный показатель преломления n₂, четвертый участок сердцевины имеет профиль показателя преломления в виде скругленной ступени с максимальным показателем преломления n₃ и ширину a₃-a₂ и пятый участок сердцевины имеет ширину a-a₃ и постоянный показатель преломления n₄.

4. Одномодовое оптическое волноводное волокно по п.3, отличающееся тем, что указанный слой оболочки имеет постоянный показатель преломления n_c, а n₀ и n₂ меньше n_c, или n₀ и n₄ меньше n_c, или n₂ и n₄ меньше n_c.

5. Одномодовое оптическое волноводное волокно по п.4, отличающееся тем, что участки указанной сердцевины характеризуются значениями Δ₀%, Δ₁%, Δ₂%, Δ₃% и Δ₄% соответственно, первый участок сердцевины имеет Δ₀% в диапазоне примерно от 0 до 0,2% и a₀ в диапазоне примерно от 0,50 до 1,5 мкм, второй участок сердцевины имеет Δ₁% в диапазоне примерно от 0,5 до 1,2% и a₁ в диапазоне примерно от 0,50 до 4,5 мкм, третий участок сердцевины имеет Δ₂% менее примерно -0,1% и a₂ в диапазоне примерно от 6 до 12 мкм, четвертый участок сердцевины имеет Δ₃% в диапазоне от 0,2 до 0,8% и a₃ в диапазоне примерно от 7 до 16 мкм, пятый участок сердцевины имеет Δ₄% менее примерно -0,1% и a₄ в диапазоне примерно от 13 до 26 мкм и радиус сердцевины а находится в диапазоне примерно от 25 до 35 мкм.

6. Одномодовое оптическое волноводное волокно по п.1, отличающееся тем, что профиль показателя преломления сердцевины содержит четыре участка, минимальный показатель преломления двух несмежных участков меньше минимального показателя преломления указанного слоя оболочки, а последняя точка каждого участка профиля показателя преломления сердцевины определяется радиусами a₀, a₁, a₂ и а соответственно, где а - радиус указанной сердцевины.

7. Одномодовое оптическое волноводное волокно по п.6, отличающееся тем, что каждый участок указанной сердцевины характеризуется коэффициентом Δ%, первый участок сердцевины имеет α- профиль, Δ₀% в диапазоне примерно от 0,7 до 1,2% и a₀ в диапазоне примерно от 1,5 до 3,5 мкм, второй участок сердцевины имеет Δ₁% менее примерно -0,10% и a₁ в диапазоне примерно от 6,5 до 11 мкм, третий участок сердцевины имеет Δ₂% в диапазоне примерно от 0,3 до 0,8% и a₂ в диапазоне примерно от 7,5 до 14 мкм, четвертый участок сердцевины имеет Δ₃% менее примерно -0,10% и a₃ в диапазоне примерно от 10 до 32 мкм и а меньше 35 мкм.

8. Одномодовое оптическое волноводное волокно по п.7, отличающееся тем, что первый участок сердцевины, имеющий α-профиль, имеет соответствующий эффективный профиль показателя преломления в виде трапеции, которая в направлении от центральной оси волновода имеет горизонтальную часть с радиальным протяжением примерно от 1 до 3 мкм и смежную часть в виде прямой наклонной линии, значение коэффициента Δ₁% по существу постоянно, а a₀ находится в диапазоне примерно от 1,5 до 4,5 мкм.

9. Одномодовое оптическое волноводное волокно по п.7, отличающееся тем, что указанный α-профиль имеет в центре углубление в виде перевернутого конуса, радиус основания которого находится в диапазоне от 0,10 до 1,0 мкм.

10. Одномодовое оптическое волноводное волокно по п.7, отличающееся тем, что Δ₀% находится в диапазоне примерно от 0,7 до 1,0%, а a₀ в диапазоне примерно от 2,8 до 3,5 мкм, второй участок сердцевины имеет Δ₁% менее примерно -0,10% и a₁ в диапазоне примерно от 6 до 8 мкм, третий участок сердцевины имеет Δ₂% в диапазоне примерно от 0,5 до 0,8% и a₂ в диапазоне примерно от 8 до 10 мкм, четвертый участок сердцевины имеет Δ₃% менее примерно -0,1% и a₃ в диапазоне примерно от 13 до 16 мкм и а примерно равен a₃.

11. Одномодовое оптическое волноводное волокно по любому из пп.7 - 10, отличающееся тем, что α находится в диапазоне от 1 до 6.

12. Одномодовое оптическое волноводное волокно по п.1, отличающееся тем, что профиль показателя преломления области сердцевины содержит пять участков, минимальный показатель преломления трех несмежных участков меньше минимального показателя преломления указанного слоя оболочки, а последняя точка каждого участка профиля показателя преломления сердцевины относительно начала отсчета на центральной оси волноводного волокна определяется радиусами a₀, a₁, a₂ a₃ и а соответственно, где а - радиус указанной сердцевины.

13. Одномодовое оптическое волноводное волокно по п.12, отличающееся тем, что участки указанной сердцевины характеризуются значениями Δ₀%, Δ₁%, Δ₂%, Δ₃% и Δ₄% соответственно, первый участок сердцевины имеет Δ₀% менее примерно -0,10% и a₀ в диапазоне примерно от 0,1 до 2,5 мкм, второй участок сердцевины имеет Δ₁% в диапазоне примерно от 0,5 до 1,2% и a₁ в диапазоне примерно от 0,5 до 4,5 мкм, третий участок сердцевины имеет Δ₂% менее примерно -0,1% и a₂ в диапазоне примерно от 6 до 12 мкм, четвертый участок сердцевины имеет Δ₃% в диапазоне примерно от 0,2 до 0,8% и a₃ в диапазоне примерно от 7 до 14 мкм, пятый участок сердцевины имеет Δ₄% менее примерно -0,1% и a₄ в диапазоне примерно от 13 до 30 мкм и радиус сердцевины а находится в диапазоне примерно от 20 до 35 мкм.

14. Одномодовое оптическое волноводное волокно, содержащее область сердцевины, имеющую профиль показателя преломления, включающий по меньшей мере три участка, и слой оболочки, имеющий профиль показателя преломления и минимальный показатель преломления, причем показатель преломления по меньшей мере части указанного профиля сердцевины больше, чем показатель преломления по меньшей мере части указанного профиля слоя оболочки, и по меньшей мере один участок профиля сердцевины имеет минимальный показатель преломления меньший, чем минимальный показатель преломления указанного слоя оболочки, отличающееся тем, что указанное одномодовое оптическое волноводное волокно имеет бимодальную характеристику интенсивности электрического поля, умноженной на радиус.

15. Одномодовое оптическое волноводное волокно по п.14, отличающееся тем, что указанная бимодальная взвешенная интенсивность поля имеет по меньшей мере два отдельных максимума.

16. Одномодовое оптическое волноводное волокно по п.1 или 13, отличающееся тем, что потери при изгибе, вызванном одним оборотом указанного оптического волновода вокруг катушки диаметром 32 мм, не превышают 0,05 дБ на длине волны 1550 нм, а потери при изгибе, вызванном 100 оборотами указанного оптического волновода вокруг катушки диаметром 75 мм, не превышают 0,05 дБ на длине волны 1310 нм и 0,10 дБ на длине волны 1550 нм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12