DE60124328T2

DE60124328T2 - Photonenkristallglasfaser (PCF) mit mehreren Mantelschichten

Info

Publication number: DE60124328T2
Application number: DE2001624328
Authority: DE
Inventors: Yokohama Works of Sumitomo Takemi Yokohama-shi Hasegawa; Yokohama Works of Sumitomo Eisuke Yokohama-shi Sasaoka; Yokohama Works of Sumitomo Masayuki Yokohama-shi Nishimura
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2021-01-20
Also published as: DE60124328D1; EP1118887A3; EP1118887A2; DK1118887T3; EP1118887B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Faser, welche geeignet eingesetzt werden kann für einen optischen Übertragungsweg und einen Verteilungs-Kompensator.
Stand der Technik
22 ist eine Querschnittsansicht einer optischen Faser, die eine so genannte Mikrostruktur einschließt, welche herkömmlicherweise bekannt ist. Wie in 22 gezeigt, weist diese optische Faser eine Querschnitts-Struktur auf mit einer großen Anzahl von Hohlräumen (leere Löcher) 62 in einem Silica-Glas 61. Ein zentraler Abschnitt in dem Querschnitt, ohne Hohlräume 62, besteht aus einer Kern-Region 63 und einem Abschnitt, umgebend die Kern-Region 63, welcher eine große Anzahl von Hohlräumen 62 aufweist, und die ummantelnde Region 64 konstituiert.
Das Prinzip der Lichtbegrenzung einer optischen Faser mit einer solchen Mikrostruktur wird qualitativ erläutert unter Verwendung eines Konzepts, welches effektiver refraktiver Index genannt wird (siehe beispielsweise T. A. Birks et al. Optics Letters Vol. 22 Seite 961 (1997)). Aufgrund der Existenz der Mikrostruktur sollten streng genommen die refraktiven Indices in der Kern-Region 63 und in der ummantelnden Region 64 eine komplizierte Verteilung aufweisen. Jedoch werden unter der Annahme, dass die optischen Leitfähigkeits-Charakteristika angenähert werden können durch Ersetzen der entsprechenden Regionen mit einheitlichen Medien, die refraktiven Indices in diesen einheitlichen Medien die effektiven refraktiven Indices genannt. Die effektiven refraktiven Indices n_eff genügen der folgenden Gleichung:
wobei n der refraktive Index ist und f die Volumenfraktion. Des Weiteren zeigt Suffix 1 Silica-Glas und Suffix 2 Luft an. Mit Blick auf die Volumenfraktion gilt f₁ + f₂ = 1. Üblicherweise werden, da n₁ > n₂, die beiden Neben-Glieder der Gleichung (1) kleiner im Vergleich zum Anstieg an f₂. Dementsprechend wird der effektive refraktive Index der ummantelten Region 64 mit einer großen Anzahl von Hohlräumen 62 kleiner werden als der effektive refraktive Index der Kern-Region 73, so dass die Lichtbegrenzung in der gleichen Art und Weise realisiert wird wie in der üblichen optischen Faser.
Eine optische Faser, die eine Zwischenummantelung von niedrigem refraktivem Index umfasst, die Hohlräume umfasst, ist in EP 0 905 834 offenbart. Die optische Faser umfasst einen Kern, eine innere Ummantelung aus homogenem Material, eine erste äußere Ummantelung, die die Zwischenummantelung mit den Hohlräumen umfasst, gefolgt durch eine zweite äußere aus homogenem Material. Die erste äußere Ummantelung ist ausgewählt mit einem effektiven refraktiven Index, so dass die optischen Eigenschaften der optischen Faser im Wesentlichen unabhängig von der zweiten äußeren Ummantelung sind.
Solch ein Modell der effektiven refraktiven Indices, wie es durch die Gleichung 1 festgelegt wird, wird als vernünftig angesehen in dem Fall, in welchem die optische Wellenlänge groß im Vergleich zur Ausdehnung der Mikrostruktur ist. Wenn jedoch die optische Wellenlänge kürzer ist, wird das Licht lokal an Teilen mit dem hohen refraktiven Index konzentriert und folglich glaubt man, dass, obwohl die effektiven refraktiven Indices gleichzeitig erhöht sind, dass die Annahme, dass die Struktur mit einer refraktiven Index-Verteilung durch einheitliche Medien ersetzt werden kann, ihre Gültigkeit verlieren wird.
Auf der anderen Seite wird eine optische Faser mit einer größeren negativen Dispersion als solch eine optische Faser offenbart, beispielsweise im US-Patent 5802236. Obwohl diese optische Faser die vorstehend erwähnte Mikrostruktur aufweist, ist die optische Faser danach charakterisiert, dass eine umhüllende Region konstituiert wird durch eine innere umhüllende Region und eine äußere umhüllende Region und der effektive refraktive Index der inneren umhüllenden Region kleiner ist als der der äußeren umhüllenden Region.
Zusammenfassung der Erfindung
Obwohl jedoch die optische Faser, offenbart in der oben erwähnten Offenbarung die negative chromatische Dispersion im Vergleich zur optischen Faser mit einer einheitlichen Ummantelungsstruktur vergrößert, leidet die optische Faser an Nachteilen, wie etwa die Verringerung der effektiven Kernfläche, Vergrößerung von Biegeverlusten und Vergrößerung der Empfindlichkeit für Fluktuationen der strukturellen Parameter der effektiven Kernfläche.
Die vorliegende Erfindung wurde mit Blick auf das Vorstehende gemacht und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Faser zur Verfügung zu stellen, die gleichzeitig alles realisieren kann, nämlich: große negative chromatische Dispersion, große effektive Kernfläche und kleinen Biegeverlust.
Die vorliegende Erfindung erfüllt eine derartige Aufgabe durch Bereitstellen einer optischen Faser, die die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale umfasst.
Wenngleich das Hauptmedium ein Material sein muss, welches die optische Faser selbst aufbauen kann, kann das Submedium ein Material sein, welches die optische Faser selbst nicht aufbauen kann, wie etwa beispielsweise ein Gas oder eine Flüssigkeit.
Im Allgemeinen unterliegt die Größe der negativen chromatischen Dispersion, die Größe der negativen chromatischen Dispersionssteigung und die Größe der effektiven Kernfläche einer Abwägungsbeziehung mit der Verkleinerung des Biegeverlustes. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird es jedoch möglich, den Biegeverlust zu verkleinern, verglichen mit herkömmlichen fremddotierten optischen Fasern. Weiterhin, vorausgesetzt, dass der Biegeverlust gleich ist, kann negative chromatische Dispersion mit einem größeren absoluten Wert, negative chromatische Dispersionssteigung mit einem größeren absoluten Wert und große effektive Kernfläche verglichen mit einer herkömmlichen, fremddotierten optischen Faser realisiert werden.
Gemäß der optischen Faser der vorliegenden Erfindung ist das Kerngebiet durch ein im Wesentlichen homogenes Material aufgebaut und die Ummantelungsregion durch eine innere Ummantelungsregion aus zwei Schichten aufgebaut, die aus einem im Wesentlichen homogenen Material hergestellt sind und einer äußeren Ummantelungsregion, die die innere Ummantelungsregion umschließt und die mit Regionen ausgestattet ist, die aus einem Submedium hergestellt sind.
Die Tatsache, dass eine bestimmte Region durch ein im Wesentlichen homogenes Material aufgebaut ist, impliziert, dass die Region keine Mikrostrukturen einschließt und es kann möglich sein, einen Aufbau passend anzuwenden, in dem die Konzentration des Fremdstoffes in einem Material, das die Region aufbaut, innerhalb der Region variiert wird. Beispielsweise kann das Gebiet einen Aufbau annehmen, in dem die Region durch Quarzglas aufgebaut ist, das Germanium als Fremdstoff enthält und die Konzentration des Germaniums von der Mitte zu dem äußeren Umfang hin graduell abnimmt.
Um optische Eigenschaften der optischen Faser zu realisieren, beispielsweise die chromatische Dispersion, wie gewünscht, ist es notwendig, die Strukturen in der Kernregion und in der inneren Ummantelungsregion präzise herzustellen. Strukturen, die durch ein im Wesentlichen homogenes Material wie etwa Quarzglas aufgebaut sind, sind einfacher präzise herzustellen als diejenigen, die Regionen beinhalten, die aus einem Submedium wie etwa Luft hergestellt sind. Daher sind die gewünschten optischen Eigenschaften in der optischen Faser gemäß der vorliegenden Erfindung leichter zu realisieren als in herkömmlichen mikrostrukturierten optischen Fasern. Weiterhin ermöglicht die Einführung von Submedium-Regionen, den mittleren refraktiven Index in der äußeren Ummantelungsregion auf ein Niveau zu verringern, welches in der Praxis durch ein homogenes Material alleine unerreichbar ist. Dementsprechend kann die optische Faser gemäß der vorliegenden Erfindung einen geringeren Biegeverlust realisieren als es die herkömmlichen, fremddotierten optischen Fasern erreichen können.
Weiterhin weist die innere Ummantelungsregion eine Zweischichtenstruktur auf, die aus einer ersten inneren Ummantelungsschicht und einer zweiten inneren Ummantelungsschicht besteht und die nachfolgende Beziehung zwischen den jeweiligen refraktiven Indices n₀, n₁, n₂ des Kernes, der ersten inneren Ummantelung, der zweiten inneren Ummantelung und dem mittleren refraktiven Index n₃ des äußeren Ummantelungsgebietes erfüllt ist:
n₀ > n₂ > n₁ und n₂ > n₃
Durch Verkleinern der mittleren refraktiven Indices der äußeren Ummantelungsregion wird des möglich, den Biegeverlust, verglichen mit herkömmlichen, fremddotierten optischen Fasern, zu verringern. Weiterhin kann mit dem Vorhandensein der ersten inneren Ummantelungsschicht, die einen niederen refraktiven Index aufweist, eine negative chromatische Dispersion mit einem großen absoluten Wert erreicht werden. Da weiterhin die äußere Ummantelungsregion, in der die Regionen des Submediums vorhanden sind, entfernt von der Kernregion ist, kann das Übermaß an optischem Verlust auf ein niedriges Niveau gedrückt werden, verglichen mit herkömmlichen optischen Fasern mit Mikrostrukturen.
Es ist vorzuziehen, die Regionen der Submedien in der äußeren Ummantelungsregion so anzuordnen, dass diese eine vierfach gefaltete Rotationssymmetrie aufweisen, die im Wesentlichen im Bezug auf die Faserachse aufgebaut ist. Hierdurch kann die Modendoppelbrechung B = (β₁ – β₂)/k klein gemacht werden und daher kann die Dispersion der Polarisationsmoden klein gemacht werden, wodurch die optische Faser für die Übertragung von optischen Signalen von hoher Bitrate verwendet werden kann. β₁ und β₂ bedeuten hier Ausbreitungskoeffizienten von zwei Polarisationsmoden und k ist die Wellenzahl im Vakuum.
Es ist vorzuziehen, dass das Hauptmedium der äußeren Ummantefungsregion aus Quarz hergestellt ist und die Regionen mit Submedium aus Gas oder Vakuum sind zur Unterdrückung von Transmissionsverlusten auf ein niedriges Niveau.
Es ist vorzuziehen, dass die Differenz zwischen dem relativen mittleren refraktiven Index der Kernregion zu der äußeren Ummantefungsregion auf nicht weniger als 2% festgelegt wird.
Aufgrund einer derartigen Vorkehrung wird der mittlere refraktive Index der äußeren Ummantelungsregion relativ klein und das Entweichen des elektromagnetischen Feldes zu der äußeren Ummantelungsregion wird unterdrückt und damit kann der Biegeverlust bei einer gegebenen Wellenlänge verringert werden.
Es ist vorzuziehen, dass die Differenz des relativen mittleren refraktiven Index der ersten inneren Ummantelungsschicht in Bezug zu der zweiten inneren Ummantelungsschicht auf nicht mehr als –0,1% eingestellt wird. Aufgrund eines derartigen Aufbaus kann die negative chromatische Dispersion oder die negative chromatische Dispersionssteigung bei einer gegebenen Wellenlänge so erhalten werden, dass eine geeignete optische Faser erhalten werden kann, die die positive chromatische Dispersion und die positive chromatische Dispersionssteigung ausgleicht.
Es ist vorzuziehen, dass das Verhältnis der optischen Leistung, welche sich durch die Mikrostrukturen der äußeren Ummantelungsregion ausbreitet zu der gesamten, sich ausbreitenden Leistung auf nicht mehr als 1% festgesetzt wird. Der Grund hierfür liegt darin, dass, wenn die optische Leistung, die sich durch die Mikrostrukturen der äußeren Ummantelungsregion ausbreitet, vergrößert wird, die optischen Fasern für einen Überschuss an optischem Verlust empfänglich werden, der durch Fremdstoffe in den Mikrostrukturen erzeugt wird, und eine derartige Maßnahme verringert ein Übermaß an Transmissionsverlust und macht die optische Faser für derartige Fremdstoffe robust.
Es ist vorzuziehen, die optische Faser in einer Singlemode bei einer gegebenen Wellenlänge zu betreiben, da die Dispersion der Zwischenmode ausgeschaltet werden kann und somit wird es möglich, die optische Faser für die Übertragung eines optischen Signals einer hohen Bitrate zu verwenden.
Durch Festsetzen der chromatischen Dispersion bei einer gegebenen Wellenlänge auf einen Wert unter –60 ps/nm/km kann die Länge der optischen Faser, die für die Kompensation für die positive chromatische Dispersion notwendig ist, verkürzt werden. Wenn ein optischer Übertragungsweg durch die Kombination dieser optischen Faser und einer optischen Faser mit einer positiven chromatischen Dispersion bei einer gegebenen Wellenlänge aufgebaut wird, kann ein Übertragungsweg der optischen Faser mit einer kleinen kumulativen chromatischen Dispersion realisiert werden, der in der Lage ist, eine Kommunikation von großem Umfang durchzuführen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht, die Unterteilungen in Regionen auf einem Querschnitt einer optischen Faser gemäß einer fundamentalen Mode der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine transversale Querschnittsansicht, die eine Mikrostruktur einer optischen Faser zeigt, die nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist.
3 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Definition der mittleren refraktiven Indices der optischen Faser in dieser Beschreibung.
4 und 5 sind Ansichten, die jeweils Strukturen der optischen Fasern der ersten und zweiten Ausführung im Querschnitt zeigen, die nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind.
6 und 7 sind Ansichten, die jeweils die Verteilung der mittleren refraktiven Indices der Beispiele 1 und 3 zeigen.
8 ist eine Ansicht, die die berechneten Ergebnisse der Wellenleiterdispersion und des effektiven Kerngebietes von Beispiel 1 und der Vergleichsbeispiele 1, 2 in vergleichender Form zeigt.
9 ist eine Ansicht, die berechnete Ergebnisse einer Wellenleiterdispersion und der effektiven Kernfläche des Beispieles 1a und der Vergleichsbeispiele 1a, 2a in vergleichender Form zeigt.
10 und 11 sind Ansichten, die eine Beziehung zwischen der effektiven Kernfläche A_eff und dem Ausbreitungskoeffizienten β des Vergleichsbeispiels 2 und der Beispiele 2, 3 in vergleichender Form zeigen, wobei die effektive Kernfläche A_eff mit dem Quadratwert eines Abstands der Hohlräume in 10 normalisiert ist und die effektive Kernfläche A_eff durch den Quadratwert der Wellenlänge λ in 11 normalisiert ist.
12 und 13 sind Ansichten, die die berechneten Ergebnisse der effektiven Kernfläche für die Wellenlänge in dem Vergleichsbeispiel 2 und die Beispiele 2, 3 in vergleichender Form zeigen, wobei der Abstand L sich zwischen 12 und 13 unterscheidet.
14 ist eine Querschnittsansicht einer optischen Faser einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 ist eine Darstellung, die das Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch die Hüllenregion ausbreitet P_jacket/P und das Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch die Hohlräume P_air/P in dem Vergleichsbeispiel 3 und den Beispielen 4 bis 6 ausbreitet, in vergleichender Form zeigt.
16 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen optischen Faser mit Mikrostrukturen.
17 ist eine Ansicht, die die berechneten Ergebnisse der chromatischen Dispersion und der effektiven Kernfläche der Beispiele 4 bis 6 und eines Vergleichsbeispieles 3 in vergleichender Form zeigt.
18 ist eine Querschnittsansicht und zeigt eine Modifikation der Ausführungsform der 14.
19 ist eine Ansicht, die die Änderung der chromatischen Dispersion D und der effektiven Kernfläche A_eff zur Wellenlänge in den Beispielen 6, 6a, 6b und in dem Vergleichsbeispiel 3 in vergleichender Form zeigt.
20 ist eine Ansicht, die das Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch ein Hüllengebiet ausbreitet P_jacket/P und das Verhältnis der optischen Leistung, welche sich durch die Hohlräume ausbreitet P_air/P in dem Vergleichsbeispiel und in den Beispielen 6, 6a, 6b in vergleichender Form zeigt.
21 ist eine Ansicht, die einen optischen Transmissionsweg zeigt, welcher die optische Faser der vorliegenden Erfindung verwendet.
22 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen optischen Faser, die Mikrostrukturen einschließt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen im Folgenden erläutert. Um die Details der Erklärung zu ermöglichen, bezeichnen die Referenz-Nummern die gleichen Teile, womöglich, über alle Zeichnungen hinweg, und eine wiederholte Erläuterung wird weggelassen. Des Weiteren stimmt das Größenverhältnis der entsprechenden Zeichnungen nicht notwendigerweise mit dem Größenverhältnis der Erläuterung der Art der Durchführung der Erfindung überein.
1 ist eine Ansicht, welche die Unterteilung in Regionen eines querlaufenden Querschnittes einer optischen Faser einer Basismode der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine querlaufende Querschnittsansicht zum Erläutern von Mikrostrukturen in einer optischen Faser. Wie in 1 gezeigt, ist in dieser Ausführung diese optische Faser durch eine Kernregion 1, eine erste Ummantelungsregion 2, die die Kernregion 1 umschließt, und eine zweite Ummantelungsregion 3, die die erste Ummantelungsregion 2 umschließt, und durch eine dritte Ummantelungsregion 4 aufgebaut, die die zweite Ummantelungsregion 3 umschließt. Des Weiteren bestehen, wie in 2 in einer Ausführung gezeigt, die nicht Bestandteil der Erfindung ist, die entsprechenden Regionen aus Quarzglas 5 als ein hauptsächliches Medium sowie einer großen Anzahl von Hohlräumen 6 als Submedien-Regionen.
In der nachfolgenden Erörterung wird ein Konzept für die refraktiven Indices der jeweiligen Regionen verwendet, das als mittlere refraktive Indices bezeichnet wird. Da die effektiven refraktiven Indices unter Verwendung einer Approximation definiert werden, ist die Definition mehrdeutig und ist daher für die Beschreibung der Struktur nicht geeignet. Dementsprechend wendet diese Ausführung nicht die effektiven refraktiven Indices an. 3 ist eine Ansicht zur Erklärung eines Beispiels eines Verfahrens zur Definition der mittleren refraktiven Indices der optischen Faser dieser Ausführung. Mit Bezug auf einen Hohlraum 6x, der in einem bestimmten Gebiet konzentriert ist, werden senkrechte Halbierende zwischen diesen Hohlraum 6x und die anderen umgebenden Hohlräume 6 gezeichnet. Daraufhin wird ein Polygon definiert, das durch diese senkrechten Halbierenden partitioniert ist und nur den einen Hohlraum 6x in demselben einschließt. Dieses Polygon wird als Zelle 7 gezeichnet. In dieser Zelle 7 kann der mittlere refraktive Index n_avg durch die folgende Gleichung berechnet werden,
wobei n_g der refraktive Index eines Faser-Material-Abschnitts ist, n_h der refraktive Index des Hohlraum-Anteils 6x, A_cell die gesamte Fläche der Zelle 7 ist, und A_hole eine Fläche des Hohlraum 6x ist. Der mittlere refraktive Index N_avg einer gegebenen Region kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. In der Gleichung wird die Zell-Zahl der Zellen 7, enthaltend in der Region von j bis k gesetzt, ein mittlerer refraktiver Index sowie die Zell-Fläche der i-ten Zelle 7 werden entsprechend als n_avgi sowie A_cell,i gesetzt.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beziehung zwischen dem mittleren refraktiven Index der äußeren Ummantelungsregion, die durch die Gleichung (3) definiert ist, so gewählt wird, dass die folgende Beziehung erfüllt wird. Das bedeutet, wenn man die jeweiligen refraktiven Indices der Kernregion, der ersten, inneren Ummantelungsschicht, der zweiten, inneren Ummantelungsschicht, der äußeren Ummantelungsregion als n₀, n₁, n₂, n₃ bezeichnet, die folgende Beziehung zwischen diesen gilt:
n₀ > n₂ > n₁ und n₂ > n₃
Es ist möglich, den mittleren refraktiven Index N_avg einer Region, die Hohlräume enthält durch Anpassen der Größe der Hohlräume 6 einzustellen. Das bedeutet, dass durch Vergrößern oder Verkleinern der Querschnittsfläche der Hohlräume 6 pro Querschnitts-Einheitsfläche, der Anteil zwischen dem Quarzglas als dem Hauptmedium und den Hohlräumen 6 als dem Submedium vergrößert oder verkleinert werden kann, und daher kann der mittlere refraktive Index N_avg der Region auf einen beliebigen Wert eingestellt werden.
Die 4 und 5 sind Ansichten, die jeweilige Querschnittsstrukturen der optischen Fasern einer ersten Ausführung und einer zweiten Ausführung zeigen, bei denen die Verteilung des mittleren refraktiven Index derselben auf die vorstehende Art eingestellt ist.
Bei der optischen Faser der ersten in 4 gezeigten Ausführung sind die Hohlräume 6 nicht in der Kernregion 1 angeordnet und die Hohlräume 6a und 6c sind jeweils nur in der ersten bis dritten Ummantelungsregion 2 bis 4 in den hexagonalen Gittern angeordnet. In dem Inneren der jeweiligen Regionen ist der Durchmesser der Hohlräume 6 gleichmäßig ausgebildet und alle Hohlräume sind mit einem gleichen Abstand L angeordnet. Wenn man den Durchmesser des Hohlraumes 6a in der ersten Ummantelungsregion 2 als d₁ annimmt, den Durchmesser des Hohlraumes 6b in der zweiten Ummantelungsregion 3 als d₂, und den Durchmesser des Hohlraumes 6c in der dritten Ummantelungsregion 4 als d₃ annimmt, dann wird die Beziehung zwischen den Durchmessern der Hohlräume von jeweiligen Gebieten derart eingestellt, dass d₁ > d₃ > d₂ ist. Wie man aus den Gleichungen (2), (3) ableiten kann, ist im Ergebnis die Beziehung zwischen den mittleren refraktiven Indices der jeweiligen Regionen eingestellt, um die folgende Beziehung zu erfüllen:
n₀ > n₂ > n₃ > n₁.
In Bezug auf die optische Faser der zweiten in 5 gezeigten Ausführung ist der Hohlraum 6 ebenso nicht in der Kernregion 1 angeordnet und die Hohlräume 6a bis 6c sind jeweils nur in der ersten bis dritten Ummantelungsregion 2 bis 4 in Form eines hexagonalen Gitters angeordnet. Die zweite Ausführung weist denselben Aufbau wie diejenige der ersten Ausführung in dem Punkt auf, dass der Durchmesser der Hohlräume 6 in jeder Region gleichförmig ist und alle Hohlräume mit einem gleichen Abstand L angeordnet sind. Der Unterschied zu der ersten Ausführung besteht in der Beziehung zwischen den Durchmessern der Hohlräume 6 der jeweiligen Regionen. Das bedeutet, dass die Beziehung in dieser Ausführung mit d₃ ≥ d₁ > d₂ eingestellt ist. Wie aus den Gleichungen (2), (3) abgeleitet werden kann, ist im Ergebnis die Beziehung zwischen den mittleren refraktiven Indices der jeweiligen Regionen wie folgt erfüllt:
n₀ > n₂ > n₁ ≥ n₃.
Da die Viskosität des Hauptmediums üblicherweise zum Zeitpunkt, in dem die Faser gezogen wird, verringert wird, werden Deformationen der Regionen des Submediums erzeugt und dies wird ein Faktor, der eine Abweichung des Belegungsverhältnisses des Submediums in der Faser von dem gewünschten Wert mit sich bringt. Hier sind die Arten der Deformationen in den Regionen des Submediums in der Kernregion und der Regionen des Submediums in jeweiligen Ummantelungsregionen im Wesentlichen gleichförmig in jeder Region. Wenn jeweilige mittlere refraktive Indices derart eingestellt werden, dass die Querschnittsflächen der Gebiete des Submediums in jeweiligen Gebieten durch Anpassen der Bedingungen des Faserziehens derart, dass eine bestimmte Region des Submediums das gewünschte Belegungsverhältnis ausweist, gleichförmig gemacht werden, hat die andere Region des Submediums in derselben Region ein gewünschtes Belegungsverhältnis, wobei die Herstellung der optischen Faser dementsprechend erleichtert wird.
Die Erfinder haben drei Arten von optischen Fasern der ersten oder zweiten Ausführung hergestellt, welche im Durchmesser und Abstand der Hohlräume 6 unterschiedlich sind (genannt „Beispiele 1 bis 3") und haben einen Vergleich der Charakteristika zwischen diesen optischen Fasern und zwei Arten von herkömmlichen optischen Fasern mit Mikrostruktur gezogen (genannt "Vergleichsbeispiele 1, 2"). Das Ergebnis des Vergleichs wird im Folgenden dargelegt.
Die Verhältnisse der Durchmesser der Hohlräume 6 zu dem Abstand L in dem ersten bis dritten Ummantelungsgebiet 2 bis 4 in den Beispielen und in den Vergleichsbeispielen sind in Tabelle 1 gezeigt. Hier ist die Anzahl der Schichten m der Hohlräume 6 auf 7 gesetzt.
Tabelle 1. Verhältnis von Durchmesser zu Abstand der Hohlräume in entsprechenden Beispielen.
Hier ist das Beispiel 1 die optische Faser der ersten Ausführung und die Beispiele 2 und 3 sind optische Fasern der zweiten Ausführung.
6 und 7 sind Ansichten in Form von Streudiagrammen der mittleren refraktiven Indices n_avg jeweiliger Zellen relativ zu einem Abstand r in Bezug auf das erste Beispiel 1 und das Beispiel 3 jeweils. In diesen Diagrammen ist der Mittelpunkt P von jedem Hohlraum 6 als die Position der Zelle 7 und der Abstand von einem Ursprung O (Faserachse) zu P als r gesetzt. In diesem Fall wurde die Berechnung durchgeführt, indem der refraktive Index von Quarzglas 4 als 1,444 und der refraktive Index von Luft als 1 gesetzt wird.
In jedem der Beispiele ist der mittlere refraktive Index in der zweiten Ummantelungsregion 3 groß, da der Durchmesser der Hohlräume 6 klein ist, während der mittlere refraktive Index in der ersten Ummantelungsregion 2 und der dritten Ummantelungsregion 4 gering ist, da der Durchmesser der Hohlräume 6 groß ist.
Die 8 zeigt das berechnete Ergebnis des Vergleiches zwischen dem Beispiel 1 und den Vergleichsbeispielen 1, 2 in Bezug auf die strukturelle chromatische Dispersion D_wg und die effektive Kernfläche A_eff. In der 8 wird die strukturelle chromatische Dispersion D_wg auf der linksseitigen Koordinatenachse angezeigt, die effektive Kernfläche A_eff wird auf der rechtsseitigen Koordinatenachse angezeigt, und die optische Wellenlänge λ wird auf der Abszissenachse angezeigt. Hier sind durchgehend im Beispiel 1 und in den Vergleichsbeispielen 1, 2 die Abstände L derart gesetzt, dass die strukturelle chromatische Dispersion D_wg bei der Wellenlänge von 1550 nm gleich –100 ps/nm/km wird. Das bedeutet, dass die Werte der Abstände L jeweils auf 1,66 μm in dem Beispiel 1, auf 1,62 μm in dem Vergleichsbeispiel 1 und auf 1,48 μm in dem Vergleichsbeispiel 2 gesetzt werden. Die Steigung der strukturellen chromatischen Dispersion bei der Wellen länge von 1550 nm ist –0,5 ps/nm²/km im Beispiel 1 und im Vergleichsbeispiel 1, und dieser Wert ist kleiner als –0,2 ps/nm²/km, was die Steigung der strukturellen chromatischen Dispersion des Vergleichsbeispiels 2 ist. In dem Beispiel 1 ist jedoch die effektive Kernfläche auf 8,3 μm² gesetzt und dieser Wert ist größer als 7,7 μm, was die effektive Kernfläche des Vergleichsbeispiels 1 ist.
Auf diese Weise kann die optische Faser der ersten Ausführung eine große negative chromatische Dispersion erhalten. Zu dem Zeitpunkt, wenn die Dispersion einer anderen optischen Faser mit positiver Dispersion kompensiert wird, kann die Länge der Faser dementsprechend gekürzt werden. Gleichzeitig mit dem Erreichen einer großen negativen chromatischen Dispersion und einer großen Steigung der negativen chromatischen Dispersion, kann weiterhin die effektive Kernfläche vergrößert werden. Dementsprechend kann das nichtlinearisch optische Phänomen unterdrückt werden, wodurch die Übertragungsqualität verbessert werden kann.
9 ist eine Ansicht, die das berechnete Ergebnis der jeweiligen strukturellen chromatischen Dispersionen und der effektiven Kernflächen des Beispiels 1 und der Vergleichsbeispiele 1, 2 zeigt, wenn die Abstände verändert werden (es wird ein Suffix a angefügt, um diesen Fall von dem in 8 gezeigten Fall nachfolgend zu unterscheiden) in einer vergleichenden Form. Hier sind die Abstände L derart eingestellt, dass die effektiven Kernflächen A_eff der jeweiligen optischen Fasern bei der Wellenlänge 1550 nm die Größe von 8,4 μm² erhalten. Das bedeutet, dass die Werte der Abstände L jeweils auf 1,65 μm in dem Beispiel 1a, 1,54 μm in dem Vergleichsbeispiel 1a und 1,60 μm in dem Vergleichsbeispiel 2a gesetzt werden.
Entsprechend zu der Zunahme der Wellenlänge werden die effektiven Kernflächen vergrößert. Hier ist die differenzielle Zunahme dA_eff/dλ der effektiven Kernfläche A_eff in Bezug auf die Wellenlänge für das Beispiel 1a kleiner als diejenige des Vergleichsbeispiels 1a. Die Tatsache, dass die differenzielle Zunahme der effektiven Kernfläche in Bezug auf die Wellenlänge auf diese Weise klein ist, impliziert, dass der Lichteinschluss in der Kernregion stark ist und der Biegeverlust klein ist. Weiterhin impliziert dieses ebenso, dass die Empfindlichkeit der effektiven Kernfläche in Bezug auf strukturelle Parameter gering ist.
Da der Lichteinschluss günstig und der Biegeverlust gering ist, kann auf diese Weise die effektive Kernfläche vergrößert werden. Dementsprechend kann das Auftreten von nichtlinearen optischen Phänomen unterdrückt werden und daher die Übertragungsqualität verbessert werden.
Die 10 zeigt das berechnete Ergebnis der Änderungscharakteristika des Ausbreitungskoeffizienten β in Bezug auf die effektive Kernfläche A_eff in den Beispielen 2, 3 und in dem Vergleichsbeispiel 2 in vergleichender Form. Der Wert, der durch Division des Ausbreitungskoeffizienten β durch die Wellenzahl k erhalten wird, ist in der Koordinatenachse angezeigt, und der Wert, der durch Division der effektiven Kernfläche A_eff mit dem Quadrat des Abstandes L erhalten wird, ist in der Abszissenachse angezeigt. Entsprechend zu der Zunahme der effektiven Kernfläche A_eff wird im Allgemeinen der Ausbreitungskoeffizient verkleinert. Entsprechend der Verkleinerung des Ausbreitungskoeffizienten β wird der Lichteinschluss in der Kernregion schwach und der Biegeverlust wird vergrößert. Die 10 zeigt, dass das Beispiel 2 einen höheren Lichteinschluss in die Kernregion ergibt als das Vergleichsbeispiel 2, wodurch der Biegeverlust verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 2 verringert wird, während das Beispiel 3 einen höheren Lichteinschluss in die Kernregion ergibt als das Beispiel 2, wodurch der Biegeverlust verglichen mit dem Beispiel 2 verringert wird. Wenn man unter der Bedingung vergleicht, dass die effektiven Kernflächen A_eff gleich sind, dann wurde dementsprechend gezeigt, dass das Beispiel 2 den Biegeverlust verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 2 verringern kann und das Beispiel 3 den Biegeverlust verglichen mit dem Beispiel 2 verringern kann. Wenn man unter der Bedingung vergleicht, dass die Biegeverluste gleich sind, dann wurde ebenso festgestellt, dass das Beispiel 2 die effektiven Kernflächen verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 2 vergrößern kann und das Beispiel 3 die effektiven Kernflächen verglichen mit dem Beispiel 2 vergrößern kann.
11 ist eine Darstellung, in der der Wert, der durch Division des Ausbreitungskoeffizienten β durch die Wellenzahl k aufgetragen ist in Bezug auf die effektive Kernfläche A_eff, die mit dem Quadrat der Wellenlänge normiert ist. Entsprechend zu der Zunahme von β/k wird im Allgemeinen der Biegeverlust kleiner. Unter der Annahme, dass der Biegeverlust praktisch ausreichend klein wird, wenn β/k > 1,405 ist, wie aus der 11 abgeleitet werden kann, in Bezug auf das Beispiel 3, kann A_eff/λ² = 5 realisiert werden. Und eine effektive Kernfläche A_eff = 12 μm² bei einer Wellenlänge λ = 1550 nm realisiert werden.
Die 12 zeigt das berechnete Ergebnis der effektiven Kernfläche in den Beispielen 2, 3 und dem Vergleichsbeispiel 2 in vergleichender Form. Hier wird das berechnete Ergebnis erhalten, wobei der Abstand auf 1,53 μm in allen Beispielen 2, 3 und dem Vergleichsbeispiel 2 gesetzt ist.
Wenn man sich auf die effektive Kernfläche A_eff bei der Wellenlänge λ = 1550 nm konzentriert, weist das Beispiel 2 eine größere effektive Kernfläche A_eff auf als das Vergleichsbeispiel 2 und das Beispiel 3 weist eine größere Querschnittsfläche A_eff auf als das Beispiel 2.
Dementsprechend kann, gemäß der zweiten Ausführung, das Auftreten von nichtlinearen optischen Phänomen unterdrückt werden, wobei die Übertragungsqualität verbessert werden kann, da die optische Faser eine große effektive Kernfläche aufweist.
Die 13 ist eine Ansicht, die das berechnete Ergebnis der effektiven Kernfläche zeigt, wenn die jeweiligen Abstände L der Beispiele 2, 3 und des Vergleichsbeispiels 2 geändert werden, in vergleichender Form. Hier sind die Abstände L derart eingesetzt, dass die effektive Kernfläche A_eff bei der Wellenlänge 1550 nm den Wert 12 μm² in allen Beispielen 2, 3 und in dem Vergleichsbeispiel 2 annimmt. Das bedeutet, dass die Abstandswerte jeweils auf 1,33 μm in dem Beispiel 2, auf 1,53 μm in dem Beispiel 3 und auf 1,21 μm in dem Vergleichsbeispiel 2 gesetzt werden.
Wenn man sich auf die Änderung der effektiven Kernfläche A_eff bei der Wellenlänge λ = 1550 nm in Bezug auf die Größe der Änderung der effektiven Kernfläche A_eff in Bezug auf eine Änderung der Wellenlänge konzentriert, weist das Beispiel 2 eine kleinere Größe der Änderung der effektiven Kernfläche A_eff auf als das Vergleichsbeispiel 2 und das Beispiel 3 weist eine kleinere Größe der Änderung der effektiven Kernfläche A_eff auf als das Beispiel 2. Die Tatsache, dass die Größe der Änderung der effektiven Kernfläche A_eff in Bezug auf eine Änderung der Wellenlänge gering ist, impliziert nicht nur, dass das Ausmaß des Lichteinschlusses in die Kernregion groß ist und der Biegeverlust klein ist, sondern auch dass die Empfindlichkeit der Charakteristiken der effektiven Kernfläche A_eff in Bezug auf Fluktuationen der strukturellen Parameter wie etwa den Abstand gering ist. Da die Vergrößerung der effektiven Kernfläche A_eff eine Vergrößerung des Biegeverlustes mit sich bringt, impliziert im Allgemeinen die Tatsache, dass der Biegeverlust, der als Ergebnis des Vergleiches bei derselben effektiven Kernfläche A_eff klein ist, dass eine große effektive Kernfläche A_eff realisiert werden kann, wenn man bei dem gleichen Biegeverlust vergleicht.
Auf diese Weise kann, gemäß der zweiten Ausführung, das Auftreten von nichtlinearen optischen Phänomenen unterdrückt, wobei die Übertragungsqualität verbessert werden kann, da die optische Faser eine große effektive Kernfläche aufweist.
Wie vorstehend beschrieben können die optischen Fasern gemäß den optischen Fasern der ersten und zweiten Ausführungen eine größere effektive Kernfläche bereitstellen verglichen mit herkömmlichen optischen Fasern und können den Biegeverlust verringern. Weiterhin können die optischen Fasern die Empfindlichkeit der effektiven Kernfläche in Bezug auf strukturelle Parameter verringern.
Wenngleich die Art, in welcher die Hohlräume in einer hexagonalen Form in den vorstehenden Ausführungen angeordnet sind, erklärt wurde, ist die Art der Anordnung auf diese Möglichkeit nicht beschränkt und die Hohlräume können in quadratischer Form, in einer gestaffelten Form oder in der Form eines konzentrischen Kreises angeordnet werden. Die Anordnung in quadratischer Form oder in der Form des konzentrischen Kreises ist für die Reduzierung der Dispersion der Polarisationsmode durch im Wesentlichen Degenerieren der Polarisationsmode geeignet.
Nachfolgend wird die optische Faser der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung, wie in den Ansprüchen niedergelegt, erklärt. Die 14 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur der optischen Faser dieser dritten Ausführung zeigt. Diese optische Faser schließt eine Kernregion 10, eine erste innere Ummantelungsschicht 11, die die Kernregion 10 umschließt, eine zweite innere Ummantelungsschicht 12, die die erste innere Ummantelungsregion 11 umschließt, und eine äußere Ummantelungsregion 13 ein, die die zweite innere Ummantelungsschicht 12 umschließt. Die Kernregion 10 weist einen Radius a auf und einen refraktiven Index von n₀, die erste innere Ummantelungsregion 11 weist einen äußeren Radius b und einen refraktiven Index n₁ auf, die zweite innere Ummantelungsregion 12 weist einen äußeren Radius c und einen refraktiven Index n₂ auf. Das äußere Ummantelungsgebiet 13 ist aus einem Hauptmedium 14 mit einem refraktiven Index n₃₁ und Submedium-Regionen 15 mit einem refraktiven Index n₃₂ aufgebaut. Die Regionen des Submediums 15 sind Kreise mit einem Radius r. Diese Kreise mit der Anzahl N sind gleichabständig auf einem Umfang eines Kreises angeordnet, der einen Radius d um die Faserachse aufweist, welche der Mittelpunkt wird. In einer derartigen Anordnung gilt in Bezug auf die Faserachse im Wesentlichen eine vierfache Rotationssymmetrie. Weiterhin weist eine äußere Region um einen Umfang mit einem Radius e, der die Bedingung e > d + r erfüllt, den refraktiven Index n₃₁ auf, der gleichförmig ist. Diese Region ist aus einem Material wie etwa Glas oder Polymer hergestellt und baut eine Region auf, welche die mechanische Festigkeit verbessert, aber keinen Einfluss auf die optischen Charakteristika hat. Diese Region wird nachfolgend als "eine Hüllenregion" bezeichnet.
Bei der optischen Faser gemäß dieser Ausführungsform sind die Werte der jeweiligen Parameter wie folgt. Das bedeutet a = 1,37 μm, b = 4,9 μm, c = 14,7 μm, d = 17,8 μm, e = 20,9 μm, n₂ = n₃₁ = 1,444 (reines Quarzglas), Δ₀ = (n₀ ² – n₂ ²)/(n₀ ² + n₂ ²) = +1,49% (Quarzglas dotiert mit 14,5 mol% GeO₂), Δ₁ = (n₁ ² – n₂ ²)/(n₁ ² + n₂ ²) = –0,36% (Quarz-basierendes Glas dotiert mit 1,113 Gew.-% von F), n₃₂ = 1,0 (Hohlraum), N = 18.
Das bedeutet n₀ > n₂ > n₁ ist gültig und der mittlere refraktive Index n₃ der äußeren Ummantelungsregion 13 kann kleiner gemacht werden als der refraktive Index n₂ der zweiten inneren Ummantelungsregion 12 durch Anordnen der Hohlräume und daher gilt n₂ > n₃.
Da das Medium, das die zweite innere Ummantelungsschicht und die Hüllregion aufbaut und das Hauptmedium der äußeren Ummantelungsregion dasselbe ist, (reiner Quarz) können der innere Radius c und der äußere Radius e der äußeren Ummantelungsregion beliebig festgelegt werden. Hier wird der innere Radius c und der äußere Radius e derart ausgewählt, dass die Dicke der äußeren Ummantelungsregion 13 ((e – c) = 6,2 μm) in etwa gleich wird zu dem Abstand (2πd/N = 6,2 μm) zwischen benachbarten Hohlräumen in der äußeren Ummantelungsregion 13 und d = (c + e)/2.
Unter Verwendung der jeweiligen vorstehenden Parameter als gemeinsame Parameter wurde eine Simulation der Ausbreitungscharakteristika mit Bezug auf drei Beispiele (Beispiele 4 bis 6) durchgeführt, welche sich im Durchmesser der Regionen des Submediums (Hohlräume) 15 unterscheiden und einem Vergleichsbeispiel 3, welches keine Hohlräume aufweist. Die Radien der Hohlräume der Beispiele 4, 5, 6 betragen jeweils 0,363 μm, 0,722 μm und 1,431 μm.
Hier wird der mittlere refraktive Index N_avg der äußeren Ummantelungsregion 13 bei der Wellenlänge λ = 1550 nm auf 1,440 in dem Beispiel 4, auf 1,428 in dem Beispiel 5 und auf 1,380 in dem Beispiel 6 gesetzt. Die Differenz des relativen mittleren refraktiven Index der ersten inneren Ummantelungsschicht 11 zu der äußeren Ummantelungsregion 13 (Δ₀₃ = (n₀ ² – N_avg ²)/(n₀ ² + N_avg ²)) auf 1,77% im Beispiel 4, auf 2,61% im Beispiel 5 und auf 6,04% im Beispiel 6 gesetzt wird.
Die 15 ist ein Graph, der das Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch die Hüllregion ausbreitet zu der gesamten sich ausbreitenden Leistung (P_jacket/P) und das Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch die Hohlräume ausbreitet zu der gesamten sich ausbreitenden Leistung (P_air/P) in dem Vergleichsbeispiel 3 und in den Beispielen 4 bis 6 in vergleichender Form zeigt.
In den Beispielen 4 bis 6 wird das Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch die Hüllregion ausbreitet zu der gesamten, sich ausbreitenden Leistung (P_jacket/P) durch Einführen der Hohlräume als Regionen des Submediums 15 verringert, verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 3.
Andererseits hat dieses Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch die Hüllregion ausbreitet zu der gesamten sich ausbreitenden Leistung (P_jacket/P) eine positive Korrelation mit dem Biegeverlust. Durch Einführen von Hohlräumen in die äußere Ummantelungsregion 13 kann dementsprechend eine vorteilhafte Wirkung erzielt werden, dass der Biegeverlust verringert wird. Dementsprechend kann ein sehr zuverlässiger Übertragungsweg mit geringem Transnnissionsverlust realisiert werden.
Weiterhin wird das Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch die Hohlräume ausbreitet, zu der gesamten, sich ausbreitenden Leistung (P_air/P) auf nicht mehr als 10^–6 eingestellt. Dies ist erheblich im Gegensatz zu der Tatsache, dass eine herkömmliche optische Faser mit Mikrostrukturen ein großes Verhältnis von optischer Leistung, die sich durch die Hohlräume ausbreitet zu der gesamten, sich ausbreitenden optischen Leistung (P_air/P) aufweist. Wie beispielsweise in der 16 gezeigt, ist in der herkömmlichen optischen Faser, die Mikrostrukturen aufweist, bei denen die Hohlräume, die einen Durchmesser von 0,68 μm aufweisen, in Quarzglas mit einem Abstand von 1,7 μm angeordnet sind, das Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch die Hohlräume ausbreitet zu der gesamten, sich ausbreitenden Leistung (P_air/P) bei der Wellenlänge von λ = 1550 nm gleich 0,039 beträgt, was 10⁴ Mal größer ist als dasjenige der optischen Faser dieser Ausführung. Dieses große Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch die Hohlräume ausbreitet zu der gesamten, sich ausbreitenden Leistung (P_air/P) stellt den Faktor für die Erzeugung eines übermäßigen Verlustes dar. Im Gegensatz dazu kann bei der optischen Faser gemäß dieser Ausführung, da das Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch die Hohlräume ausbreitet zu der gesamten, sich ausbreitenden Leistung klein ist, die Möglichkeit, dass übermäßiger optischer Verlust erzeugt wird, reduziert werden und die Empfindlichkeit der chromatischen Dispersionscharakteristika in Bezug auf die Form der Hohlräume kann ebenso reduziert werden, wobei die Anforderungen an die Herstelltechnik verringert werden können.
Die 17 ist eine Ansicht, die das berechnete Ergebnis der strukturellen chromatischen Dispersion und der effektiven Kernfläche der Beispiele 4 bis 6 und eines Vergleichsbeispiels 3 in vergleichender Form zeigt. In der 17 ist die strukturelle chromatische Dispersion D auf der linksseitigen Ordinatenachse angezeigt, die effektive Kernfläche A_eff ist auf der rechtsseitigen Ordinatenachse angezeigt und die optische Wellenlänge ist auf der Abszissenachse angezeigt. Gemäß 17 ist ersichtlich, dass, sogar wenn die Hohlräume in die äußere Ummantelungsregion 13 eingeführt werden, keine wesentliche Änderung in Bezug auf die strukturelle chromatische Dispersion D und die effektive Kernfläche A_eff erkennbar ist.
Dementsprechend kann die optische Faser der dritten Ausführung die Empfindlichkeit der strukturellen chromatischen Dispersion in Bezug auf die Form der Hohlräume verringern. Weiterhin kann mit der Einführung der Hohlräume der Biegeverlust verringert werden. Wenn die chromatische Dispersion von einem gegebenen Wert abweicht, wird im Allgemeinen eine Verschlechterung der Transmissionsqualität, die durch die verbleibende Dispersion in dem Übertragungsweg verursacht wird, stattfinden und daher wird eine hohe Herstellgenauigkeit in Bezug auf die chromatische Dispersion erforderlich. Andererseits muss der Biegeverlust nur kleiner als ein gegebener Schwellwert sein, so dass keine hohe Herstellgenauigkeit in Bezug auf den Biegeverlust notwendig ist. Wenngleich der Biegeverlust von der Form der Hohlräume abhängt, hängt bei der optischen Faser dieser Ausführung die chromatische Dispersion nicht von der Form der Hohlräume ab und daher können die Anforderungen an die Herstelltechnik in Bezug auf die Genauigkeit der Form der Hohlräume verringert werden.
In jedem der Beispiele 4 bis 6, sowie in dem Fall des Vergleichsbeispiels 3 werden die optischen Fasern mit einer einzigen Mode bei der Wellenlänge λ = 1550 nm betrieben. Dementsprechend ist keine Multimode-Dispersion vorhanden und daher kann die optische Kommunikation bei einer hohen Bitrate realisiert werden. Da weiterhin die Anordnung der Hohlräume im Wesentlichen eine vierfache Rotationssymmetrie in Bezug auf die Faserachse aufweist, wird die Modendoppelbrechung B bei der Wellenlänge λ = 1550 nm gleich 1,5 × 10^–7 in dem Beispiel 4, gleich 1,5 × 10^–7 in dem Beispiel 5 und gleich 1,5 × 10^–7 in dem Beispiel 6 und diese Werte sind ähnlich zu oder sogar geringer als der Wert 1,7 × 10^–7 des Vergleichsbeispiels 3 und können daher vernachlässigt werden. Da die Modendoppelbrechung klein ist, wird die Polarisations-Modendispersion klein, wobei eine optische Kommunikation bei einer hohen Bitrate realisiert werden kann.
In der vorstehenden Erläuterung wurde ein Fall erklärt, in dem die kleinen Regionen (Hohlräume) der Regionen 15 des Submediums in der äußeren Ummantelungsregion 13 auf dem Umfang eines Kreises angeordnet sind, der seinen Mittelpunkt in der Faserachse aufweist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch darauf nicht begrenzt und kann andere Beschaffenheiten annehmen, die in den Umfang der Ansprüche fallen. Wie in 18 gezeigt, bedeutet dies, dass kleine Regionen auf den Umfängen einer Vielzahl von konzentrischen Kreisen angeordnet werden können, die ihre Mittelpunkte in der Faserachse haben. Durch die Anordnung der kleinen Regionen der Regionen des Submediums auf dem Umfang einer Vielzahl von konzentrischen Kreisen kann auf diese Weise die Dicke (e – c) der äußeren Ummantelungsregion 13 vergrößert werden.
Durch die Einführung der Hohlräume als Regionen des Submediums 15 in die äußere Ummantelungsregion 13 wird die optische Leistung P_jacket/P, die in die Hülle austritt, verringert und daher kann die vorteilhafte Wirkung erzielt werden, dass der Biegeverlust verringert wird. Zusätzlich zu dem Vorstehenden kann durch Vergrößern der Dicke der äußeren Ummantelungsregion 13 der vorteilhafte Effekt erzielt werden, dass die optische Leistung, die durch die äußere Ummantelungsregion 13 austritt, ebenso verringert wird. Dementsprechend kann die optische Faser weiterhin den Biegeverlust verringern.
Nachfolgend wird das Ergebnis erklärt, das durch Vergleich der Charakteristika der optischen Faser der Beispiele 6a, 6b, die jeweils nur den Radius a der Kernregion 10 des Beispiels 6 auf 1,29 μm und auf 1,27 μm jeweils reduzieren, die Charakteristiken des Beispiels 6 und die Charakteristiken des Vergleichsbeispiels 3.
Die 19 ist eine Ansicht, die die Änderung der chromatischen Dispersion D und der effektiven Kernfläche A_eff in Bezug auf die Wellenlänge in den Beispielen 6, 6a, 6b und dem Vergleichsbeispiel 3 in vergleichender Form zeigt. Wie aus 19 erkennbar, weisen die Beispiele 6a, 6b größere negative chromatische Dispersionen D auf als das Vergleichsbeispiel 3 und das Beispiel 6, weisen eine große negative chromatische Dispersionssteigung S auf und weisen eine große effektive Kernfläche A_eff auf.
Wenn man die Werte der chromatischen Dispersion D bei der Wellenlänge λ = 1550 nm prüft, ergibt sich die chromatische Dispersion D als –69 ps/nm/km in dem Vergleichsbeispiel 3, als –67 ps/nm/km in dem Beispiel 6, als –108 ps/nm/km in dem Beispiel 6a und als –127 ps/nm/km in dem Beispiel 6b. Die chromatische Dispersionssteigung S beträgt –0,25 ps/nm²/km in dem Vergleichsbeispiel 3, beträgt –0,20 ps/nm²/km in dem Beispiel 6, beträgt –0,53 ps/nm²/km in dem Beispiel 6a und –0,67 ps/nm²/km in dem Beispiel 6b. Die effektiven Kernflächen A_eff betragen 18 μm² in dem Vergleichsbeispiel 3 und im Beispiel 6, 21 μm² in dem Beispiel 6a und 22 μm² in dem Beispiel 6b. Das bedeutet, dass die Beispiele 6a, 6b eine größere negative chromatische Dispersion, eine größere negative Dispersionssteigung und eine größere effektive Kernfläche aufweisen können, verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 3 und dem Beispiel 6.
Die 20 ist eine Ansicht, die das Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch die Hüllregion ausbreitet zu der gesamten, sich ausbreitenden Leistung (P_jacket/P) und das Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch die Hohlräume ausbreitet zu der gesamten, sich ausbreitenden Leistung (P_air/P) in dem Vergleichsbeispiel 3 und den Beispielen 6, 6a, 6b in vergleichender Form zeigt. Obwohl die Beispiele 6a, 6b ein größeres Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch die Hüllregion ausbreitet zu der gesamten, sich ausbreitenden Leistung (P_jacket/P) zeigen als das Beispiel 6, zeigen die Beispiele 6a, 6b ein kleineres Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch die Hüllregion ausbreitet, zu der gesamten, sich ausbreitenden Leistung (P_jacket/P) als das Vergleichsbeispiel 3. Das bedeutet, dass die Beispiele 6a, 6b eine große negative chromatische Dispersion, eine große negative chromatische Dispersionssteigung, eine große effektive Kernfläche und einen kleinen Biegeverlust gleichzeitig erreichen können, verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 3.
Weiterhin wird in jeder dieser Strukturen die optische Faser in einer einzigen Mode bei der Wellenlänge λ = 1550 nm betrieben. Weiterhin ist die Modendoppelbrechung B auf 1,2 × 10^–6 in dem Beispiel 6a und auf 2,9 × 10^–6 in dem Beispiel 6b eingestellt, und daher kann die Modendoppelbrechung B vernachlässigt werden.
Dementsprechend wird bei der optischen Faser gemäß dieser Ausführung der Biegeverlust durch Einführen von Hohlräumen in die äußere Ummantelungsregion 13 reduziert und gleichzeitig wird die Struktur der inneren Region derart gewählt, dass die Zunahme der negativen chromatischen Dispersion, der negativen chromatischen Dispersionssteigung und die effektive Kernfläche, die den verkleinerten Bereich des Biegeverlustes übersteigt, erhalten werden kann. Verglichen mit der herkömmlichen, fremddotierten optischen Faser, in welcher die äußere Ummantelungsregion 13 durch ein homogenes Medium aufgebaut ist, kann dementsprechend die optische Faser dieser Ausführung einen geringen Biegeverlust, große negative chromatische Dispersion, große negative chromatische Dispersionssteigung und eine große effektive Kernfläche gleichzeitig realisieren. Die Tatsachen, dass die negative chromatische Dispersion und die negative chromatische Dispersionssteigung groß sind, impliziert, dass die Länge der Faser für die Kompensation für positive chromatische Dispersion und positive chromatische Dispersionssteigung verkürzt werden kann und die Tatsache, dass die effektive Kernfläche groß ist, impliziert, dass die Verschlechterung der Transmissionsqualität, die durch nichtlineare optische Effekte verursacht wird, gering ist.
Da die Faser der vorstehenden Ausführung eine große negative Dispersion und eine große effektive Kernfläche aufweist, kann, wenn die optische Faser mit einer Faser, die eine positive Dispersion aufweist, kombiniert wird, ein optischer Transmissionsweg hergestellt werden, der eine große Kommunikationskapazität aufweist. Ein Beispiel eines optischen Übertragungsweges gemäß 21 besteht aus einem Lichtsender 81, einem Lichtempfänger 82, einer optischen Faser 83 mit positiver Dispersion und einer optischen Faser 84 mit negativer chromatischer Dispersion gemäß der vorstehenden Ausführung. Im Allgemeinen wird in einem optischen Transmissionsweg, der durch Kombinieren einer optischen Faser mit positiver Dispersion und einer optischen Faser mit negativer chromatischer Dispersion ausgebildet wird, die Verschlechterung der Übertragungsqualität, die durch nichtlineare optische Effekte in der optischen Faser mit negativer chromatischer Dispersion erzeugt werden, ein Problem und der Einfluss der nichtli nearen optischen Effekte wird vergrößert, entsprechend der Vergrößerung der effektiven Kernfläche und der Faserlänge der optischen Faser mit negativer chromatischer Dispersion. Die optische Faser mit negativer chromatischer Dispersion gemäß der vorliegenden Erfindung weist jedoch eine große effektive Kernfläche und eine negative chromatische Dispersion auf, die einen großen absoluten Wert aufweist, so dass die Länge der optischen Faser, die für eine Dispersionskombination notwendig ist, verkürzt werden kann. Dementsprechend kann der Einfluss von nichtlinearen optischen Effekten reduziert werden, so dass ein optischer Übertragungsweg mit der geringsten Verschlechterung der Übertragungsqualität realisiert werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Material wie Luft oder eine Flüssigkeit, das nicht alleine als Material der äußeren Ummantelungsregion verwendet werden kann, als Submedium der äußeren Ummantelungsregion verwendet werden. Durch die Auswahl des refraktiven Index des Submediums derart, dass der refraktive Index des Submediums kleiner wird als der refraktive Index des Hauptmediums, wird des möglich, den mittleren refraktiven Index des äußeren Ummantelungsgebietes verglichen mit dem Fall, dass die äußere Ummantelungsregion nur aus dem Hauptmedium hergestellt ist, zu verringern.
Dementsprechend wird des möglich, den Biegeverlust verglichen mit der herkömmlichen, fremddotierten optischen Faser zu verringern. Andererseits weist die Größe der negativen chromatischen Dispersion, die Größe der negativen chromatischen Dispersionssteigung und die Größe des effektiven Kerndurchmessers eine Abwägungsbeziehung in Bezug auf Verringerung des Biegeverlustes auf. Wenn die optische Faser der vorliegenden Erfindung und die herkömmliche, fremddotierte optische Faser unter der Bedingung, dass ihre Biegeverluste gleich sind, verglichen werden, kann die optische Faser der vorliegenden Erfindung dementsprechend eine negative chromatische Dispersion mit einem höheren absoluten Wert, eine negative chromatische Dispersionssteigung mit einem größeren absoluten Wert und eine größere effektive Kernfläche realisieren, verglichen mit der herkömmlichen, fremddotierten optischen Faser. Die Tatsache, dass die absoluten Werte der negativen chromatischen Dispersion und der negativen chromatischen Dispersionssteigung größer sind, impliziert, dass die Faserlänge, die für die Kompensation für die positive Dispersion und die positive Dispersionssteigung in dem Übertragungsweg notwendig ist, gekürzt werden kann. Da weiterhin die optische Faser der vorliegenden Erfindung eine große effektive Kernfläche aufweist, kann die Verschlechterung der Transmissionscharakteristika, die durch nichtlineare optische Effekte verursacht werden, unterdrückt werden. Da weiterhin der Biegeverlust gering ist, ist die optische Faser gemäß der vorliegenden Erfindung für ein miniaturisiertes Modul zur Dispersionskompensation anwendbar und die Zuverlässigkeit der optischen Faser kann verbessert werden, wenn diese als optischer Übertragungsweg verwendet wird.
Weiterhin kann die optische Faser gemäß der vorliegenden Erfindung eine negative chromatische Dispersion mit einem größeren absoluten Wert erreichen, verglichen mit herkömmlichen optischen Fasern mit Luftummantelung. Dies beruht darauf, dass die erste innere Ummantelungsschicht, die einen refraktiven Index aufweist, der niedriger ist als die refraktiven Indices sowohl der Kernregion als auch der zweiten inneren Ummantelungsschicht, in der optischen Faser vorhanden ist.
Weiterhin kann gemäß der vorliegenden Erfindung der übermäßige optische Verlust unterdrückt werden, verglichen mit der herkömmlichen optischen Faser mit Mikrostruktur. Dies beruht darauf, dass die Region, in der die Regionen des Submediums vorhanden sind, entfernt von der Kernregion angeordnet ist. Es wird angenommen, dass der übermäßige optische Verlust aufgrund der Regionen des Submediums wie etwa den Hohlräumen erzeugt wird. Da die erste innere Ummantelungsschicht und die zweite innere Ummantelungsschicht zwischen der äußeren Ummantelungsschicht, in welcher die Regionen des Submediums eingeschlossen sind, und dem Kerngebiet, in dem die optische Leistung konzentriert ist, vorhanden sind, ist jedoch gemäß der optischen Faser der vorliegenden Erfindung das Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch die Regionen des Submediums und einer Schnittstelle zwischen den Regionen des Submediums und dem Hauptmedium ausbreiten, geringer, verglichen mit der herkömmlichen optischen Faser mit Mikrostruktur. Dementsprechend kann der optische Verlust, der durch die Regionen des Submediums erzeugt wird, klein gehalten werden.
Wenn die Hohlräume als die kleinen Regionen verwendet werden, die die Regionen des Submediums aufbauen, kann weiterhin die optische Faser viel leichter hergestellt werden als die herkömmliche optische Faser, die Mikrostrukturen aufweist. Es werden zwei Gründe betrachtet. Der erste Grund besteht darin, dass die Empfindlichkeit der chromatischen Dispersionscharakteristika mit der Form der kleinen Regionen, die die Regionen des Submediums aufbauen, aufgrund eines derartigen Aufbaus reduziert werden kann. Bei der optischen Faser der vorliegenden Erfindung sind die erste innere Ummante lungsschicht und die zweite innere Ummantelungsschicht zwischen der Kernregion und den Regionen des Submediums (z. B. Hohlräume) vorhanden, die in die äußere Umhüllungsregion eingeführt werden. Dementsprechend wird die chromatische Dispersion durch die Kernregion, die erste innere Ummantelungsschicht und die zweite innere Ummantelungsschicht, die in der Nachbarschaft der Kernregion angeordnet sind, kontrolliert und der Einfluss, den die äußere Ummantelungsregion zu den chromatischen Dispersionscharakteristika beiträgt, kann vernachlässigt werden. Dementsprechend werden die Anforderungen an die Genauigkeit der Form der kleinen Regionen, die die Regionen des Submediums aufbauen, abgemildert und daher kann die optische Faser einfacher hergestellt werden, verglichen mit herkömmlichen optischen Fasern, die Mikrostrukturen aufweisen.
Der zweite Grund besteht darin, dass die gesamte Anzahl der Hohlräume klein ist. Zwei Verfahren zur Erzeugung der Vorform bestehen in einem Verfahren, das Quarzrohre bündelt und in einem Verfahren, das Löcher in der Vorform unter Verwendung einer Durchstechvorrichtung ausbildet. Ungeachtet, welches Verfahren angewandt wird, können die Umstände zum Zeitpunkt der Herstellung der optischen Faser verringert werden, da die Anzahl der Hohlräume reduziert werden kann.

Claims

Eine dispersionskompensierende optische Faser, umfassend: eine Kernregion (10), die durch ein im Wesentlichen homogenes Medium aufgebaut ist; ein Ummantelungsregion, das nicht weniger als drei Schichten (11, 12, 13) aufweist, welche die Kernregion (10) in der Reihenfolge umschließt, wobei mindestens eine der Schichten (11, 12, 13) einen niedrigeren mittleren refraktiven Index aufweist als beide angrenzenden Schichten, mindestens eine Schicht mit einer Vielzahl von Submedium-Regionen (15) ausgestattet ist, wobei jede einen refraktiven Index aufweist, der kleiner als ein Hauptmedium (14) ist, das die mindestens eine Schicht aufbaut, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere refraktive Index n_avg eines Zellgebietes A_cell durch die nachfolgende Gleichung definiert wird:
wobei n_g der refraktive Index des Hauptmediums ist, n_h der refraktive Index des Submediums ist, A_hole die Fläche einer einzigen der Submedium-Regionen ist, die in der Zelle eingeschlossen sind, und der mittlere refraktive Index N_avg einer gegebenen Region durch die folgende Gleichung definiert ist:
wobei die Zellenanzahlen der Zellen, die in der Region eingeschlossen sind, von j bis k eingesetzt wird, ein mittlerer refraktiver Index und eine Zellfläche der i-ten Zelle jeweils als n_avg,i und A_cell,i bezeichnet ist, und wobei die Ummantelungsregion weiterhin durch eine innere Ummantelungsregion, die eine Zweilagenstruktur aufweist, die aus einer ersten inneren Ummantelungsschicht (11) und einer zweiten inneren Ummantelungsschicht (12) besteht, wobei jede Schicht aus einem im Wesentlichen homogenen Material hergestellt ist und einen refraktiven Index aufweist, der unterschiedlich zu demjenigen der anderen Schicht ist, und durch eine äußere Ummantelungsregion (13) aufgebaut ist, die die innere Ummantelungsregion umschließt und die mit den Submedium-Regionen (15) ausgestattet ist, und die folgenden Beziehungen zwischen den jeweiligen refraktiven Indices n₀, n₁, n₂ der Kernregion, der ersten inneren Ummantelungsschicht (11), der zweiten inneren Ummantelungsschicht (12) und dem mittleren refraktiven Index n₃ der äußeren Ummantelungsregion (13) gilt, n₀ > n₂ > n₁ und n₂ > n₃.
Eine optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei die Submedium-Regionen (15) der äußeren Ummantelungsregion (13) so angeordnet sind, dass sie eine vierfache Rotationssymmetrie aufweisen.
Eine optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei das Hauptmedium (14) der äußeren Ummantelungsregion (13) aus Quarz hergestellt ist und die Submedien (15) gasförmig oder Vakuum sind.
Eine optische Faser gemäß Anspruch 3, wobei die relative Differenz des mittleren refraktiven Index zwischen der Kernregion (10) und der äußeren Ummantelungsregion (13) auf nicht weniger als 2% eingestellt wird.
Eine optische Faser gemäß Anspruch 3, wobei die Differenz des relativen mittleren refraktiven Index zwischen der ersten inneren Ummantelungsschicht (11) und der zweiten inneren Ummantelungsschicht (12) auf nicht mehr als –0,1% eingestellt wird.
Eine optische Faser gemäß Anspruch 3, wobei das Verhältnis der optischen Leistung, die sich durch die Submedium-Regionen (15) der äußeren Ummantelungsregion (13) ausbreitet zu der gesamten, sich ausbreitenden Leistung auf nicht mehr als 1,0% eingestellt wird.
Eine optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei die optische Faser in einer einzigen Mode bei einer Wellenlänge von 1550 nm betrieben wird.
Eine optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei die chromatische Dispersion bei einer Wellenlänge von 1550 nm auf einen Wert unterhalb –60 ps/nm/km gesetzt wird.
Ein optischer Übertragungsweg, der die optische Faser gemäß Anspruch 8 und eine optische Faser, die eine positive chromatische Dispersion bei einer Wellenlänge von 1550 nm aufweist, einschließt.