DE69632356T2

DE69632356T2 - Lichtleitfaser mit grosser effektiver Fläche

Info

Publication number: DE69632356T2
Application number: DE69632356T
Authority: DE
Inventors: Yanming Liu; Mark Andrew Newhouse
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1995-01-26
Filing date: 1996-01-12
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2016-01-13
Also published as: US6275636B1; DE69620274T2; JPH08248251A; EP1158323B1; DE69632356D1; EP0724171A2; AU702097C; EP1158323A1; EP1158323B9; CA2165640A1; AU702097B2; US5835655A; EP0724171A3; CA2165640C; US6493495B1; AU4200396A; DE69620274D1; EP0724171B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einmoden- bzw. Single-Mode-Lichtwellenleiterfaser mit einer großen effektiven Fläche A_eff zur Lichtübertragung. Durch die große effektive Fläche werden nichtlineare optische Effekte, einschließlich Selbstphasenmodulation, Vierwellenmischung, Kreuzphasenmodulation und nichtlineare Streuprozesse, die zur Verschlechterung von Signalen in Hochleistungssystemen führen können, reduziert. Eine mathematische Beschreibung dieser nichtlinearen Effekte beinhaltet im Allgemeinen das Verhältnis P/A_eff, wobei P die Lichtleistung ist. So folgt beispielsweise ein nichtlinearer optischer Effekt üblicherweise einer Gleichung, die einen Ausdruck exp[P × L_eff/A_eff] enthält, wobei L_eff die effektive Länge ist. Eine Vergrößerung von A_eff führt somit zu einer Verringerung des nichtlinearen Beitrags zur Verschlechterung eines Lichtsignals.
In der Telekommunikationsindustrie hat die Forderung nach einer größeren Informationskapazität über längere Entfernungen hinweg ohne Regeneratoren zu einer Neubewertung der Auslegung des Einmodenfaserindexprofils geführt.
Diese Neubewertung hat sich darauf konzentriert, optische Wellenleiter bereitzustellen, die:

– nichtlineare Effekte, wie die oben angeführten, reduzieren;
– für den eine geringere Dämpfung aufweisenden Arbeitswellenlängenbereich um 1550 nm optimiert sind;
– mit optischen Verstärkern kompatibel sind, und
– die wünschenswerten Eigenschaften von Lichtwellenleitern, wie etwa hohe Festigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Biegefestigkeit, beibehalten.

Es hat sich herausgestellt, dass eine Wellenleiterfaser mit mindestens zwei eigenen Brechungsindexsegmenten ausreichend flexibel ist, um die Kriterien für ein Hochleistungswellenleiterfasersystem zu erfüllen und zu übertreffen. Die Gattungen von Auslegungen mit segmentiertem Kern sind in dem US-Patent 4,715,679 an Bhagavatula ausführlich veröffentlicht. Spezies von in diesem Patent offenbarten Profilen, die Eigenschaften aufweisen, die sich für bestimmte Telekommunikationssysteme mit besonders hoher Leistung besonders eignen, sind in den Anmeldungen S.N. 08/323,795 und S.N. 08/287,262 veröffentlicht.
Die vorliegende Erfindung ist noch eine weitere Kernindexprofilspezies, die nichtlineare Effekte reduziert und die sich für die Übertragung von Hochleistungssignalen über weite Entfernungen ohne Regeneration besonders eignet. Die Definition von hoher Leistung und weiter Entfernung ist nur in dem Kontext eines bestimmten Telekommunikationssystems von Bedeutung, in dem eine Bitrate, eine Fehlerbitrate, ein Multiplex-Verfahren und möglicherweise optische Verstärker spezifiziert sind. Es gibt dem Fachmann bekannte, weitere Faktoren, welche im Sinne hoher Leistung und großer Entfernung Auswirkung besitzen. Für die meisten Zwecke versteht man jedoch unter einer hohen Leistung eine Lichtleistung über etwa 10 mW. Eine große Entfernung ist beispielsweise eine, bei der die Entfernung zwischen elektronischen Regeneratoren über 100 km liegen kann.
Unter Berücksichtigung der Kerr-Nichtlinearitäten, d. h. Selbstphasenmodulation, Kreuzphasenmodulation und Vierwellenmischung, lässt sich der Vorteil eines großen A_eff aus der Gleichung für den Brechungsindex zeigen. Bezüglich des elektrischen Felds des Lichts ist der Brechungsindex einer Lichtwellenleiterfaser auf Siliziumbasis bekannterweise nichtlinear. Der Brechungsindex kann geschrieben werden als
n = n₀ + n₂ P/A_eff, wobei n₀ der lineare Brechungsindex, n₂ der nichtlineare Indexkoeffizient, P die entlang dem Wellenleiter übertragene Lichtleistung und A_eff die effektive Fläche der Wellenleiterfaser ist. Da n₂ eine Konstante des Materials ist, ist eine Vergrößerung von A_eff im Grunde die einzige Möglichkeit zum Reduzieren des nichtlinearen Beitrags zum Brechungsindex, wodurch die Auswirkung von Kerr-artigen Nichtlinearitäten reduziert wird.
Es besteht somit ein Bedarf an einer Lichtwellenleiterfaser, die so ausgelegt ist, dass sie eine große effektive Fläche aufweist. Das Arbeitsfenster, das zu diesem Zeitpunkt vom größten Interesse ist, ist das in der Nähe von 1550 nm.
DEFINITIONEN
Die effektive Fläche ist
A_eff = 2π(∫E² r dr)²/(∫E⁴ r dr), wobei die Integrationsgrenzen 0 bis ∞ sind und E das elektrische Feld des ausgebreiteten Lichts ist.
Ein effektiver Durchmesser D_eff kann definiert werden als A_eff = π(D_eff/2)²

– Ein Alpha-Profil ist n = n₀(1 – Δ(r/a)^α), wobei n₀ der Brechungsindex am ersten Punkt des Alpha-Indexprofils, Δ nachfolgend definiert, r der Radius und a der von dem ersten zu dem letzten Punkt des Alpha-Indexprofils gemessene Radius ist und r so gewählt ist, dass er an dem ersten Punkt des Alpha-Indexprofils Null ist.
– Die Breite eines Indexprofilsegments ist die Entfernung zwischen zwei vertikalen Linien, die von dem jeweiligen Anfangsund Endpunkt des Indexprofils zu der horizontalen Achse der Kurve des Brechungsindexes als Funktion des Radius gezogen sind.
– Der %-Index-Delta- ist %Δ = [(n₁ ² – n_c ²)/2n₁ ²) × 100, wobei n₁ ein Kernindex und n_c der Mantelindex ist. n₁ ist der durch ein %Δ gekennzeichnete größte Brechungsindex in dem Kerngebiet, sofern nichts anderes angegeben ist.
– Ein verjüngtes Stufenindexprofil ist ein Stufenindexprofil, das während des Wellenleiterfaserherstellungsprozesses durch eine Dotierstoffdiffusion modifiziert worden ist. Die Dotierstoffdiffusion bewirkt die Abrundung der im Wesentlichen rechten Winkel an der Oberseite und Unterseite der Stufe und die Verjüngung der Seiten der Stufe. Das Ausmaß der Diffusion hängt von mehreren Variablen ab, einschließlich den Einzelheiten der Prozessschritte, und von der anfänglichen Höhe und Breite des Stufenindexprofils.

Das präzise Ausmaß der Verjüngung ist keine kritische Determinante der hier erörterten Wellenleiterfasereigenschaften. Eine allgemeine Beschreibung des Grads der Verjüngung kann jedoch erfolgen.

– Eine scharf verjüngte Stufe ist eine, bei der die Breite der Hälfte von %Δ im Bereich von 30 bis 50% der Basisbreite und die Breite bei 0,9 von %Δ im Bereich von etwa 15 bis 25% der Basisbreite liegt.
– Eine mäßig verjüngte Stufe ist eine, bei der die Breite bei der Hälfte von %Δ im Bereich von 60 bis 80% der Basisbreite und die Breite bei 0,9 von %Δ im Bereich von etwa 35 bis 50% der Basisbreite liegt.

Die hier erörterten Indexprofile liegen im Allgemeinen in den Bereichen von scharf oder mäßig verjüngten Profilen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Profilsegmente mit einem bestimmten Grad an Verjüngung beschränkt.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung erfüllt den Bedarf an einer Wellenleiterfaser mit einem Indexprofil, das auf den Hochleistungsbetrieb in dem 1550 nm-Fenster zugeschnitten ist und gleichzeitig eine relativ große effektive Übertragungsfläche beibehält. Es ist wert anzumerken, dass eine große effektive Fläche erzielt und gleichzeitig eine gute Biegefestigkeit beibehalten wird.
Ein erster Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Einmodenwellenleiterfaser mit einem Arbeitsbereich von etwa 1500 nm bis 1600 nm. Ein zum Betrieb in diesem Wellenlängenbereich ausgelegter Wellenleiter kann als ein dispersionsverschobener Wellenleiter bezeichnet werden. Das heißt, der Nullpunkt der Gesamtdispersion liegt im Bereich von etwa 1500 nm bis 1600 nm.
Der Wellenleiter besitzt ein Glaskerngebiet mit wenigstens zwei Segmenten, welche von einer Glasmantelschicht mit einem Brechungsindex n_c umgeben sind. Die Indexprofile der das Kerngebiet ausmachenden Segmente sind so ausgelegt, dass sie eine effektive Fläche von mindestens 70 Mikrometer² bereitstellen.
Eine Ausführungsform der Erfindung besitzt ein Kerngebiet mit zwei Segmenten. Das zentrale Segment ist ein Alpha-Profil mit maximalem Brechungsindex n₀. Das zentrale Segment wird von einem Segment umgeben, welches einen im Wesentlichen konstanten Brechungsindex n₁ und eine Breite besitzt. Dieses umgebende Segment kann auch von einem höheren innersten %-Index-Δ, n₁, zu einem niedrigeren äußersten %-Index-Δ abfallen. Die Indizes sind dergestalt, dass n₀ > n₁ oder n₁' > n_c. Das zentrale Segment kann aufgrund der Diffusion des Dotierstoffes einen Brechungsindexabfall in der Zentrums- bzw. Mittellinie besitzen, nahezu in der Gestalt eines inversen Konus. Im Beispiel 3 wer den die zulässigen Bereiche des Brechungsindexprofils und der Profilform bzw. -gestalt ausgegeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein nach Modell gestaltetes Indexprofil, das ein Zweisegmentkerngebiet zeigt.
2 ist ein nach Modell gestaltetes Indexprofil, das ein Zweisegmentkerngebiet zeigt, wobei das zweite Segment eine negative Neigung bzw. einen negativ abfallenden Verlauf zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es hat sich gezeigt, dass die Auslegung mit segmentiertem Kern ausreichend flexibel ist, um einen großen Bereich von Wellenleiterfaserspezifikationen zu erfüllen, wie in dem Patent und den Patentanmeldungen, die oben aufgeführt sind, gezeigt ist.
Durch Ändern der Form und Stelle der Brechungsindexprofile der Segmente eines Kerngebiets wird die Modenleistungsverteilung des sich ausbreitenden Lichts und die Wellenleiterdispersion geändert. Wenn man eine im Voraus ausgewählte Wellenleiterdispersion mit einer Materialdispersion kombiniert, kann man einen großen Bereich von Formen und Größen für die Gesamtdispersion oder chromatische Dispersion des Wellenleiters erhalten. Auf diese Weise kann man die Stelle der Gesamtdispersion Null oder die Größe oder Neigung der Gesamtdispersion über einen im Voraus ausgewählten Wellenlängenbereich hinweg ändern.
Zudem ändert sich mit der Modenleistungsverteilung der Modenfelddurchmesser, die Biegefestigkeit und die effektive Fläche für die Lichtübertragung.
Allgemein gesagt kann die Modenleistungsverteilung und die Form der Wellenleiterdispersion nicht völlig unabhängig geändert werden. Die Variablen, die die segmentierte Kernstruktur definieren, müssen eingestellt werden, um für die Eigenschaften einer gegebenen Telekommunikationssystemanwendung den besten Kompromiss zu erhalten. Unter der im Wesentlichen unendlichen Anzahl möglicher segmentierter Kernauslegungen wird eine Auslegung gesucht, die für Folgendes die gewünschten Werte liefert:

– Nulldispersionswellenlänge;
– Grenzwellenlänge;
– Größe und Vorzeichen der Gesamtdispersion für einen im Voraus ausgewählten Wellenlängenbereich;
– Neigung der Gesamtdispersion über einen im Voraus ausgewählten Wellenlängenbereich;
– effektive Fläche; und
– Biegefestigkeit.

Es wird angenommen, dass andere wesentliche Eigenschaften, wie etwa größte Dämpfung über einen im Voraus ausgewählten Wellenlängenbereich, Ermüdungsfestigkeit und Festigkeit durch das segmentierte Profil des Kerngebiets nicht beeinflusst werden.
Das bei dem erfindungsgemäßen Wellenleiter mit segmentiertem Kern besonders wichtige Merkmal ist die effektive Fläche des Wellenleiters. Wie oben erwähnt, nehmen die abträglichen nichtlinearen Effekte mit zunehmender effektiver Fläche für die Übertragung von Licht ab.
Es wurde eine segmentierte Gestaltung des Kerns gefunden, welche die effektive Fläche um ungefähr 40% gegenüber Wellenleitern vergrößert, die zur Verwendung in dem dispersionsverschobenen Fenster 1500 nm bis 1600 nm ausgelegt wurden und analoge Indexprofilformen aufweisen. Allgemein liegt die Vergrößerung von A_eff über 40%.
Eine typische effektive Fläche für einen dispersionsverschobenen Wellenleiter beträgt etwa 50 Mikrometer² bzw. Mikron². Die erfindungsgemäßen segmentierten Profile liefern eine effektive Fläche von mindestens 70 Mikron². Wie aus den folgenden Ausführungsformen ersichtlich ist, kann die effektive Fläche viel größer als 70 Mikron² gemacht werden, wobei gleichzeitig eine annehmbare Biegefestigkeit beibehalten wird.
Der Kompromiss, der bei der Indexprofilauslegung eingegangen wird, beinhaltet die Größe und die Position der Profilsegmente. Ein Segment mit einem relativ hohen maximalen Brechungsindex, das von der Mittellinie des Wellenleiters entfernt positioniert ist, wird dazu neigen, die Lichtleistungsverteilung zu verbreitern, wodurch die effektive Übertragungsfläche vergrößert wird. Bei Verbreiterung der Lichtleistungsverteilung nimmt jedoch der Widerstand der Wellenleiterfaser gegenüber Biegeverlusten ab. Die erfindungsgemäße Wellenleiterfaser liefert eine gute Biegefestigkeit und ein größeres A_eff.
Beispiel – Zwei-Segment-Kern.
Der Zwei-Segment-Kern, welcher in 1 gezeigt wird, besitzt ein zentrales Kernsegment 24, welches ein Alpha-Profil mit maximalem Brechnungsindex n₀ besitzt.
Das ringförmige Segment 26, benachbart zu dem zentralen Segment, besitzt einen im Wesentlichen konstanten Brechungsindex n₁.
Die relativen Größenverhältnisse der Brechungsindizes sind: n₀ > n₁ > n_c.
Das zentrale bzw. mittige Kernsegment besitzt einen Radius von ungefähr 1,75 Mikron und ein %Δ in der Größenordnung von 0,8 bis 0,9%. Das ringförmige Segment hat eine Breite im Bereich von ungefähr 7,5 bis 9,5 Mikron und ein %Δ im Bereich von ungefähr 0,075 bis 2%.
Die effektive Fläche des erfindungsgemäßen Profils ist 75 Mikron² im Vergleich zu 55 Mikron² für die dispersionsverschobene Faser, welche diesen Brechungsindexprofiltyp besitzt.
In diesem Fall wird die effektive Fläche durch Reduzieren des Rlpha-Profil-Radius und durch Erhöhen der Breite des benachbarten Kreisringes erhöht. Die Kurve 30 der Leistungsverteilung ist höher bzw. größer als die für die dispersionsverschobene Faser, Kurve 27, über den Radiusbereich von ungefähr 2,5 bis 8 Mikron.
Dieses Brechungsindexprofil kann auch so gestaltet werden, dass es in der Mittellinie einen Brechungsindexabfall beinhaltet, welcher ein %Δ im Bereich von 0 bis 0,4% besitzt und eine Form aufweist, welche im Wesentlichen die Form eines inverser Konus besitzt, welcher einen Basisradius im Bereich von ungefähr 1 bis 1,75 Mikron besitzt. Wiederum kann die effektive Fläche vergrößert werden, während die erforderlichen Lichtwellenleiterfaser-Eigenschaften beibehalten werden.
Eine weitere Ausführungsform dieser Zwei-Segment-Gestaltung wird in 2 gezeigt. In diesem Fall nimmt der Index %Δ des ringförmigen Segments 31 von ungefähr 0,09% im Punkt 33 auf ungefähr 0,05 im Punkt 35 ab. Die Eigenschaften des Brechungsindexprofils der 2 werden berechnet zu:

– A_eff ungefähr 86 Mikron²;
– Grenzwellenlänge ungefähr 1600 nm;
– Wellenlänge der Nulldispersion ungefähr 1562 nm; und
– Dispersionsneigung ungefähr 0,15 ps/nm²-km.

Claims

Optische Singlemode-Wellenleiterfaser mit einer Dispersionsverschiebung zur Verwendung über einen Wellenlängenbereich von 1500 nm bis 1600 nm, welche nichtlineare optische Effekte reduziert, welche aufweist: einen Kernbereich, der ein mittiges Kernsegment beinhaltet, welches ein Alpha-Profil mit einem maximalem Brechungsindex n₀ besitzt, und ein Ringsegment benachbart zu dem mittigen Segment, welcher einen maximalen Brechungsindex n₁ besitzt, wobei n₀ > n₁ > n_c ist, eine Mantelschicht, welche einen Brechungsindex n_c besitzt, welche den Kernbereich umgibt; wobei die Singlemode-Wellenleiterfaser eine Mittellinie aufweist, welche die Symmetrieachse entlang der Länge der Wellenleiterfaser darstellt und eine Gesamtdispersion von 0 außerhalb der Grenzen von 1540 nm bis 1557 nm, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsindexprofile so konfiguriert sind, dass sie eine effektive Fläche von 70 Mikron² oder größer und eine Dispersionsneigung von 0,12 ps/nm²-km oder weniger liefern.
Single-Mode-Wellenleiterfaser nach Anspruch 1, bei welcher n1 im Wesentlichen konstant ist.
Single-Mode-Wellenleiterfaser nach Anspruch 2, bei welcher das mittige Kernsegment einen Radius im Bereich von 1,75 Mikron und ein %Δ im Bereich von 0,8 bis 0,9% besitzt, und, bei welcher das Ringsegment eine Breite im Bereich von 7,5 bis 9,5 Mikron und ein %Δ im Bereich von etwa 0,075 bis 0,2% besitzt.
Single-Mode-Wellenleiterfaser nach Anspruch 3, welche eine Brechungsindexabsenkung entlang der Mittellinie mit einem Minimum %Δ im Bereich von 0 bis 0,4% aufweist und eine Form, die im Wesentlichen einen invertierten Konus darstellt, welcher einen Basisradius im Bereich von 1 bis 1,75 Mikron besitzt.
Single-Mode-Wellenleiterfaser nach Anspruch 1, bei welcher der Kernbereich beinhaltet: ein mittiges Kernsegment, welches ein Alpha-Profil mit einem maximalen Brechungsindex n₀ besitzt, und ein Ringsegment, benachbart zum mittigen Segment, welches einen Brechungsindex besitzt, der mit Zunahme des Wellenleiterradius linear abnimmt.
Single-Mode-Wellenleiterfaser nach Anspruch 5, bei welcher der maximale Index %Δ des mittigen Kernsegments im Bereich 0,9% bis 1% liegt und welche einen Radiusbereich im Bereich von 1,75 Mikron bis 2,0 Mikron besitzt, und wobei das Ringsegment einen Index %Δ aufweist, welcher im Wesentlichen linear von etwa 0,09%, bei einem Radius im Bereich von 1,75 bis 2,0 Mikron, auf etwa 0,05%, bei einem Radius im Bereich von 11,75 bis 12 Mikron, abnimmt.
Single-Mode-Wellenleiterfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die totale Dispersion Null innerhalb des Wellenlängenbereichs von 1500 bis 1600 nm ist.