FI76890C - Optisk vaogledare. - Google Patents

Description

rsgzrn KuuLUTusjuLKAisu 7 6890

[BJ (11> UTLÄQQN,NQSSKR,FT

(51) Kv.lk.4/lnt.CI.4 g 02 B 6/18

SUOMI-FINLAND

(FI) (21) Patenttihakemus - Patentansökning 790716 (22) Hakemispäivä-Ansökningsdag 02.03.79

Patentti-ja rekisterihallitus (23) Alkupäivä - Giltighetsdag Q2 03 79

Patent- och registerstyrelsen (41) Tullut julkiseksi - Btivit oftentiig g^ gg ^g (44) Nähtäväksipanon ja kuul.julkaisun pvm. - ,. na oo

Ansökan utlagd och utl.skriften publicerad ^ 1 ·υο ·00 (86) Kv. hakemus - Int. ansökan (32)(33)(31) Pyydetty etuoikeus - Begärd prioritet 03.03.78

USA(US) 88321A

(71) Corning Glass Works, Houghton Park, Corning, New York, USA(US) (72) Robert Olshansky, Addison, New York, USA(US) (7A) Oy Kolster Ab (5*0 Optinen aaltoputki - Optisk vägledare Tämä keksintö liittyy optiseen aaltoputkeen, jonka sydämellä on säteittäisesti asteittainen taitekerroin ja jossa on sydäntä ympäröivä päällystys. Keksintö liittyy myös tällaisten aaltoputkien valmistusmenetelmiin.

Valoaaltojen etenemisen optisissa aaltoputkissa säätävät samanlaiset fysiikan lait kuin ne, jotka säätävät mikroaaltojen etenemisen, ja siksi ne voidaan tutkia muotojen mukaisesti, joista kullakin on omat etenemis- ja sähkömagneettisen kentän ominaisuudet. Yksimuotoaaltoputket ovat edullisia siksi, että niissä optiset signaalit voivat edetä hyvin pienellä dispersiolla, mutta johtuen näiden kuitujen pienestä numeerisesta aukosta ja/tai pienestä sydän-koosta, on vaikeaa injisoida optisia signaaleja tehokkaasti näihin aaltoputkiin. Monimuotoaaltoputkissa sydänhalkaisijät ja/tai numeeriset aukot ovat suurempia kuin yksimuotoaaltoputkissa. Siksi moni-muotoaaltoputkia pidetään usein parhaina välineinä optisten signaalien lähettämiseksi, sillä ne voivat tehokkaasti vastaanottaa valon injektiolasereista ja hajanaisista lähteistä, joilla on suuri spek- 2 76390 trinen leveys, kuten valoa säteilevistä diodeista. Optisissa moni-muotoaaltoputkissa etenee kuitenkin tuhansittain muotoja, joista jokainen kulkee hieman erisuuruisella ryhmänopeudella. Lyhyt tulo-pulssi, jonka monet ohjatut muodot jakavat, jakaantuu näin ollen pulssijonoksi, jonka pulssit saapuvat aaltoputken lähtöpäähän eri aikoina. Tällainen pulssidispersio on tärkein syy dispersioon tyypillisissä optisissa monimuotoaaltoputkissa.

Optiset aaltoputket koostuivat alunperin kuitusydämestä, jolla oli tasainen taitekerroin ja jota ympäröi päällysainekerros, jonka taitekerroin oli alhaisempi kuin sydämen. Tällaisessa aikaisemmassa kuidussa aika, jonka eri muodot tarvitsevat kulkeakseen määrätyn matkan pituussuunnassa aaltoputkea pitkin, kasvaa muoto-luokan myötä. Tällaisessa kuidussa viivästysvääristymä, joka määritellään erona ajassa, jonka tarvitsevat nopein muoto ja hitain muoto kulkeakseen määrätyn pitkittäismatkan, on hyvin suuri.

Aikaisemmin on kehitetty optisia aaltoputkia, joiden sydämillä on säteittäisesti asteittaiset taitekerroinprofiilit ja joissa muotojen välisten ryhmänopeuserojen aiheuttama pulssidispersio on paljon vähäisempi. Tämän dispersiota vähentävän vaikutuksen saamiseksi, joka esitellään D. Gloge'n ja muiden julkaisussa "Multimode Theory of Graded-Core Fibers", joka julkaistiin Bell System Technical Journal-lehdessä 11.1973, ss. 1563-1578, käytetään säteittäisesti asteittaista jatkuvaa taitekerroinprofiilia maksimiarvosta sydämen keskellä alhaisempaan arvoon sydämen ja päällyksen jakopinnan kohdalla. Tällaisessa aaloputkessa taitekertoimen jakaantuminen on seu-raavan yhtälön mukainen: n(r) = nc£l-2 Δ (r/a) a_7*s arvoille r^a, jossa nc on taitekerroin sydämen keskellä, nQ on kuitusydämen taite-kerroin säteellä a,^ = (nc - η£)/2η£ ja a on sydämen säde.

Alunperin uskottiin, että parabolinen profiili, jossa 4 on yhtä kuin 2, antaisi taitekerroingradientin, joka pitäisi mahdollisimman pienenä dispersion, jonka aiheuttavat muotojen väliset ryhmäno-peuserot.

Mainitussa Gloge'n julkaisussa kuvataan myös kehitystä, jossa pienennys pulssidispersiossa väitetään mahdolliseksi, jos sen si- 3 76890 jaan että cl = 2, se on yhtä kuin 2-2 Δ. Taitekerroingradienttia koskevassa teoriassa, jossa ^ =2 tai 2-2 Δ, ei kuitenkaan oteta huomioon vaikutuksia, jotka aiheutuvat sydämen ja päällyksen koostumusten hajottavien ominaisuuksien välisistä eroista.

Hakijan US-patentissa 3 904 268 kuvataan optista asteittais-taitekertoimista aaltoputkea, jossa sydämen ja päällyksen hajottavia ominaisuuksia on vähennetty. Tämän patentin mukaisesti tämän optisen sateittaistaitekertoiraisen aaltoputken, jossa viivästyserot ovat mahdollisimman pienet muotojen kesken, taitekerroinprofiilin antaa yhtälö n2 (r) =η2Ζ1-2 Δ (r/a)*J r£a jossa . « - 2nc 4dÄ/d^o 12 Λ * m 2 - Nc ~ — nc on taitekerroin sydämen keskellä, nQ on sydämen taitekrroin kun r = a,A= (n^ -n^)/2n^ ja Nc = nc-^dnc/d^0.

US-patentin 3 904 268 selitys pätee riippumatta käytetyn lasin koostumuksesta edellyttäen, että sydämen taitekerroin on mainitussa suhteessa siihen spektrialueeseen, jolla lähde toimii. Patentin tekniikka soveltuu kaikkiin binäärisiin tai moniosaisiin, lasin muodostaviin seoksiin.

Kaminow'in ja Presby'n artikkeli "Profile Synthesis in Multicomponent Glass Optical Fibers", Applied Optics, 16.1.1977, ja Gloge'n ja Presby'n US-patentti 4 025 156 osoittavat, että valitsemalla oikea koostumus lasille voidaan syntesoida optinen aaltoputki, jossa dispersio on tehty mahdollisimman pieneksi aaltopituusalueella tai kahdella tai useammalla eri aallonpituudella.

Fleming'in US-patentti 4 033 667 liittyy Kaminow'in, Presby'n ja Gloge'n esityksiin siinä, että se selittää, kuinka määrätyllä koostumuksella voi olla tasainen taitekerroinprofiili useilla aallonpituuksilla.

Kuten käy ilmi esimerkeistä, jotka on mainittu Kaminow-Presby artikkelissa, Gloge-Presby patentissa ja Fleming'in patentissa, koskevat niiden keksinnöt vain tiettyjä, rajoitettuja koostumuksia. Kaminow-Presby patentin kuvio 1 näyttää, että P205-väkevyyden arvol- 4 76390 la r=0 on oltava 11,5 kertaa suurempi kuin GeC^-väkevyys arvolla r-a, jotta saavutettaisiin pulssien pienempi dispersio suuremmalla aallonpituusalueella. Vaikka tämä koostumus on edullinen dispersion kannalta, se on haitallinen viskositeetin, lämpölaajenemisen, kemiallisen kestävyyden ja numeerisen aukon kannalta.

Gloge'n ja Presby'n patentti asettaa samat rajoitukset koostumukselle. Esimerkissään he toteavat, että GeO2-väkevyyden arvolla r=0 on oltava kahdeksan kertaa pienempi kuin B203-väkevyys arvolla r=a. Tämä koostumus koskeva rajoitus tekee mahdottomaksi optisen kuidun suunnittelun muilla tärkeillä ominaisuuksilla, kuten suurella numeerisella aukolla, hyvällä lämpölaajenemisella ja viskoosiudella kuidun koko halkaisijalla.

Optisten aaltoputkien pulssidispesion riippuvuus aallonpituuksista on tärkeä seikka. Aaltoputki, joka antaa pienen pulssidisper-sion useilla eri aallonpituuksilla tai aallonpituusalueella, on parempi kuin sellainen, joka antaa pienen dispersion yhdellä aaltopituudella tai sen lähellä. US-patentin 3 904 268 mukaisesti aaltoput-kella on minimaalinen dispesio yhdellä aaltopituudella tai sen lähellä. Valitsemalla aaltoputken profiilin muoto US-patentin 3 904 268 mukaisesti voidaan saavuttaa minimaalinen dispersio millä tahansa valitulla yhdellä aallonpituudella. Mutta, kuten tämän hakemuksen kuvio 4 näyttää, on dispersio paljon suurempi muilla aallonpituuksilla.

Ottaen huomioon edellä kerrotun on esillä olevassa keksinnössä vältetty ne ankarat, koostumusta koskevat rajoitukset, jotka tarvitaan Globe-Presby patentin toteutuksessa. Lisäksi se on parempi kuin US-patentti 3 904 268 siinä mielessä, että siinä on kehitetty optinen asteittaistaitekertoiminen aaltoputki, jolla on pieni dispersio aallonpituusalueella tia kahdella tai useammalla eri aallonpituudella, ja joka voidaan valmistaa monista eri mahdollisista koostumuksista.

Lähemmin määriteltynä on esillä olevassa keksinnössä kehitetty optinen aaltoputki, jonka sydämellä on säteittäisesti asteittainen taitekerroinprofiili ja jossa on sydäntä ympäröivä päällystys, jolloin keksinnölle on tunnusomaista, se että aaltoputken sydänosa käsittää vähintään kolme lasin muodostavaa seosta, ja jotta saavutettaisiin minimaalinen pulssidispersio laajalla aallonpituusalueella tai useilla erillisillä aallonpituuksilla ilman suuria rajoituksia 5 76390 lasikoostumuksissa, on jokaisen lasin muodostavan komponentin taitekerroin sellainen, että mainituista seoksista muodostuvan sydämen taitekerroin vaihtelee säteen r funktiona oleellisesti seuraavasti:

o , Γ N

n2 (r) = n2 1 - r 2 Δ i(r/a) * i

L (i=U

jossa N £ 2 on c^-tyyppisten taitekerroinprofiilitermien lukumäärä; nc on taitekerroin säteellä r = o; nQ on taitekerroin säteellä r=a; Δ = (nj - n|)/2nl

N

Δ = x Δί i=l jaA·^ ja ovat arvoja, jotka pienentävät pulssidispersiota.

Arvot φ i saadaan mieluiten yhtälöstä 2n ^ dAj iλ <^i a 2 1 - 4- ' i = 1...N, 1 Nc Δ± d* 5 jossa λ on aaltopituus, jolla altoputkea käytetään, ja λάη

Nc = nc - -2 * C d*

Esillä olevan keksinnön hyödyllisyys käy heti ilmi sen seikan valossa, että tietoliikennekaapelien asennus on hyvin kallista. Optisten aaltoputkien hinta on hyvin pieni verrattuna näihin asennus-kustannuksiin. Asennetuilla kaapeleilla voi olla nykyisin tunnetut aaltoputket, joissa pulssidispersio on pienin nykyisin käytettyjen lähteiden aallonpitudella, tyypillisesti n. 0,85 mikronia. Tulevaisuudessa kehitetään ehkä lähteitä, jotka ovat tehokkaampia muilla aallonpituuksilla. Olisi hyvin suotavaa käyttää seuraavassa lähemmin kuvattavia aaltoputkia nykyisin asennettavissa kaapeleissa, jotka kykenevät toimimaan aallonpituusalueella tai kahdella tai useammalla eri aallonpituudella pienellä dispersiolla. Tällä tavalla vältetään kustannukset, jotka aiheutuisivat kaapelien tulevasta asennuksesta aaltoputkien kanssa, jotka kykenevät toimimaan eri aallonpituudella.

Keksinnön muut piirteet, edut ja tavoitteet ilmenevät seuraa-vasta kuvauksesta, joka liittyy oheisiin piirustuksiin, joissa: 6 76390 kuvio 1 esittää osaa esillä olevan keksinnön mukaisesta aal-toputkesta; kuvio 2 esittää sen käyttöä optisessa tietoliikennejärjestelmässä; kuvio 3 esittää aaltoputken valmistusmenetelmää; kuvio 4 esittää käyrää Cl näyttäen pulssidispersion suhteessa aallonpituuteen tavallisella taitekerroinprofiililla ja käyrää C2 näyttäen parannetun pulssidispersion suhteessa aallonpituuteen esillä olevan keksinnön parhaana pidetyssä toteutusmuodossa; kuvio 5 esittää käyrää AO, joka näyttää kuinka optimaalinen dvaihtelee λ:η funktiona yhden ^-profiilin osalta; käyrät Ai ja A2 näyttävät ^( λ) ja λ) keksinnön parhaana pidetyssä muodossa; sekä Al:llä että A2:lla on nollajyrkkyys arvolla 0,85 /im; kuvio 6 esittää käyriä Bl ja Gl, jotka näyttävät B2O3- ja Ge02~väkevyysprof iilit yhdellä öl-profiililla, joka on suunniteltu pienintä dispersiota varten arvolla 0,85 >um; käyrät B2 ja G2 näyttävät B2O3 ja Ge02 väkevyysprofiilit kaksinkertaisen <X-profiilin parhaana pidetyssä muodossa, joka on suunniteltu yhtälölle döi^/d λ =0 arvolla 0,85 /im; ja kuvio 7 esittäää käyrää C3, joka näyttää pulssidispersion suhteessa aallonpituuteen keksinnön parhaana pidetyssä muodossa. Pieni pulssidispersio saavutetaan kahdella eri aallonpituudella.

Parhaana pidetyssä toteutusmuodossa aaltoputkessa 11 on sydän 12 ja päällystys 13. Päällystyksen 13 taitekerroin on pienempi kuin sydämen 12. Sydämellä 12 on asteittainen taitekerroin, joka vaihte-lee arvosta nc sydämen keskellä arvoon nQ säteellä a. Keksinnön mukaisesti taitekerroingradientti muodostuu ainakin kahdesta taitekerroinprof iilitermistä, jotka pienentävät pulssidispersiota aallonpituusalueella tai valituilla aallonpituuksilla.

Tämä aaltoputki on kytketty optiseen tietoliikennejärjestelmään, joka näytetään kuviossa 2 ja jossa lähetin 14 sisältää lähteen, joka kehittää valopulsseja, joiden keskiaallonpituus on λ · Vastaanotin aaltoputken lähtöpäässä vastaanottaa valon aaltoputkesta 11 ja reagoi tähän valoon. On suotavaa vähentää pulssidispersiota lähettimen 14 ja vastaanottimen 14 välillä. Lisäksi on suotavaa vähentää dispersiota aallonpituusalueella tai eri aallonpituuksilla.

7 76890

Esillä olevan keksinnön mukaisesti sydän 11 on tehty moni-aineosaisesta lasista, kuten germaniumsilikaatti- ja silikoboraatti-lasista. Näiden molempien binääristen seosten pitoisuus vaihtelee säteittäisesti vaihtelevan pitoisuusprofiilin mukaisesti.

Käyttäen näitä seoksia esimerkkinä nc edustaa germaniumsili-kaattilasin taitekerrointa arvolla r=0 ja nQ edustaa silikoboraat-tilasin taitekerrointa arvolla r=a.

Esillä olevan keksinnön mukaisesti pulssidispersio aaltoput-kissa, jotka on tehty tällaisesta monen aineosan lasista, saadaan mahdollisimman pieneksi, jos sydämen taitekerroin vaihtelee sydämen keskipisteestä lasketun säteisvälimatkan funktiona seuraavan yhtälön mukaisesti.

(1) n2(r) = n? fl-Ti 2Δ: (r/a) a i=l 1 jossa ovat taitekerroinprofiileja seuraavien yhtlälöiden mukaisesti : (2) · = 2 - - — --4: - i = 1... jossa N>2 1 Nc Δϊ ^

ja Nc = nc - Adnc/d^ . o o o N

Δ= (n2 - n2) /2n2 ja Δ = ΣΙ Δ ..

o 1=11

Arvot Nc, dnc/dÄ, nQ, ja dΔ/dλ , joita tarvitaan sellai sen aaltoputken saamiseksi, jolla on halutut taitekerroinprofiilit, voidaan saada suorittamalla Sellmeier-sovitus taitekerroinmittauk-siin, jotka tehdään eri aallonpituuksilla lasiseoksille, joita käytetään sydämen ja päällyksen aineina.

Eräät menetelmät optisten aaltoputkien taitekerroinprofiilien mittaamisksi on esitelty julkaisuissa: C.A. Burrus ja muut: "Viewing Refractive-Index Profiles and Small-Scale Inhomogeneities in Glassa Optical Fibers: Some Techniques", Applied Optics, lokakuu 1974, nid. 13, n:o 10, ss. 2365-2369, ja W.E. Martin: "Refractive Index Profile Measurements of Diffused Optical Waveguides", Applied Optics, syyskuu 1974, nid. 13, n:o 9, ss. 2112-2116, sekä E.G.

8 76890

Rawson'in ja muiden esitelmässä n:o 3,5 "Interferometric Measurement of SELFOC Dielectric Constant Coefficients to Sixth Order", 1973, IEEE/OSA Conference on Laser Engineering and Applications, 30.5-1.6.1973, josta on lyhyt kuvaus ss. 22-23 tässä konferenssissa tehdyssä tiivistelmässä "Digest of Technical Papers".

Teoria: Seuraava teoreettinen tuktimus, joka näyttää pulssi-dispersion pienentyvän, perustuu Marcatili'n tutkimukselle lehdessä "Bell Systems Technical Journal", 56, 49 (1977). Seuraavassa tutkimuksessa tarkastelemme taitekerroinprofiilien luokkaa (3) n2(r) = N2 £L-F(r)J r£a

N

(4) F(r) 2 Δ i (r/ar1 r<a i=l jossa N on positiivinen kokonaisluku. US-patentin 3 904 268 esittelyssä N=l, kun taas esillä olevassa hakemuksessa N on suurempi kuin tai yhtä kuin 2. Marcatili osoittaa, että muodon yu,\) viive-aika saadaan yhtälöstä (5) Τμν = Td-B^/DI/ll-B^)1'2

(6) T = L Nc/C

(7) Nc = nc- Ädnc/di «8, D. U + r_M)/(1.l^^P,

(9) BAiV= 2nc “ j°ssa k=27f/A , L on kuidun pituus ja C on valon nopeus. N

Koska on pieni ja suuruusluokassa Δ = ^ i=l suuruusluokkaan Δ2, (10) TMV - TO-^/D+B^/2 + (3/8 - -L) B^

Jos D=2 - 6/5Δ, pienenee muotojen välisten viive-erojen keksineliö-juuri N = 1 osalta US-patentin 3 904 268 mukaisesti ja pienenee samalla tavalla N£2 osalta esillä olevan hakemuksen mukaisesti.

9 76390

Yhtälö (8) voidaan kirjoittaa osittaisena differentiaaliyhtälönä <u> rf+ ^ + 2(1-D,F = o· US-patentin 3 904 268 kuvaaman profiililiuokan osalta (N=l) yhtälöllä (11) on ratkaisu (12) 1 - JL ω - «Λ .

Nc A άλ 5

Sellaisille profiileille, jotka saadaan yleisemmistä lausekkeista yht. (3)-(4), on hakija huomannut, että uudet ratkaisut yhtälölle (11) ovat olemassa, jos (13) = 2 - JL i = 1...N.

1 Nc t>L d* 5 Täten voidaan myös moniaineosaisten optisten kuitujen, pulssi-dispersio pienentää yhtälöiden (1)-(2) profiililla.

Edeltävässä tutkimuksessa on huomattava, että termi ΔΜ+y) (3+y.) , joka on annettu Keck'in ja Olshansky'n patentissa, (5+2y) on yksinkertaistettu muotoon - -2^— Δ . On ts. oletettu, että /y/<l, mikä on pätevä olettamus useimmissa tapauksissa.

Suotava, mahdollisimman pieni dispersio aallonpituusalueella voidaan saavuttaa esillä olevan keksinnön parhaalle taitekerroinpro-fiilille. Tämä edellyttää, että (14) * 0 arvolla 1 = 1...N.

<ϊλ *=λ0

Jos arvolla on nolladerivaatta, saavutetaan minimaalinen pulssidispersio laajemmalla aallonpituusalueella.

Vaihtoehtoinen ehto, joka on suotava tietyissä sovellutuksissa, on se, että minimidispersio saavutetaan kahdella (tai useammalla) eri aallonpituudella.

10 76390 (15) <*Α( ^) = <*£< a2* 1 1...N.

Esimerkki 1

Ensimmäisenä esimerkkinä ajattelemme monimuotoista optista aaltoputkea, joka koostuu valukvartsisydämestä, joka on seostettu keskellä 7,9 mooli-% Ge02:lla ja arvolla r=a 13,5 mooli-% 620^:118. Germaniumkvartsilasien taitekertoimien mittauksia on S. Kobayashi'n, S. Shibatan, N. Shibatan ja T. Izawan kirjoituksessa, joka on julkaistu tiivistelmässä konferenssista 1977 International Conferense on Integrated Optics and Optical Fiber Communications Tokiossa Japanissa. Boorikvartsilasin taitekertoimina on J.W. Fleming'in kirjoituksessa julkaisussa Journal of the American Ceramic. Society 59, 503-507 (1976) .

Mainitut taitekerrointiedot saatiin mittaamalla raakoja lasi-näytteitä. Optisen aaltoputkikuidun taitekerroin voi olla huomattavasti erilainen kuin raa'an erän johtuen hyvin tunnetuista sammutus-vaikutuksista kuitujen vedon aikana. Kaikki tässä hakemuksessa mainitut taitekertoimet ovat optisen kuidun varsinaisia taitekertoimia. Raakanäytemittauksille perustuvia taitekerrointietoja käyteätän vain esillä olevan keksinnön sovellutuksen valaisemiseksi.

Sopivista Sellmeier-sovituksista käy ilmi, että aallonpituudella λ= 0,85 mikronia nc on yhtä kuin 1, 46493, nQ on yhtä kuin 1,45071 ja Δ on yhtä kuin 0,00966.

Kun käytetään aikaisempaa US-patentin 3 904 268 mukaista yhtä profiilia pulssidispersion pienentämiseksi arvolla 0,85 mikronia, on arvo Ä = 1,957. Pulssin levenemisen neliöllinen keskiarvo tälle aaltoputkelle esitetään nanosekunteinä kilometriä kohti (ns/km) kuvion 4 käyrällä Cl J\:n funktiona. Pulssin minimidispersio 0,013 ns/km saadaan arvolla 0,85 yum.

Keksinnön eräässä mahdollisessa toteutusmuodossa valitaan ja Δ2 siten, että Aj = (n^ - n|)/2n^; Δ2 = (n^ - n^ )/2n^, jossa ns on valukvartsin taitekerroin. ng voidaan laskea Sellmeier-sovituksesta, jonka I.H. Malitson on esitellyt julkaisussa Journal of the Optical Society of America, 55, 1205 (1965). Arvolla 0,85 yum ng on yhtä kuin 1,45250. Tässä esimerkissä A ^ on yhtä kuin 0,00845 ja Δ2 on yhtä kuin 0,00121. Käyttäen taas Sellmeier-sovitusta saamme 11 7 6390 arvot: = - 0,01397; --lift-1- = 0,423 x 10"3, ja άλ d Δ o _ -j —-= = + 0,522 x 10 0 käyttäen näitä arvoja yhtälössä (1) saamme <3λ arvot &Λ - 2,076 ja d2 - 1,121, mikä suunnilleen minimoi pulssi-dispersion arvolla 0,85 yum.

Kun on määritetty ^:n parhaat arvot, määritetään sydämen taitekerroingradientti yhtälöllä (1). Sitten voidaan muodostaa optista aaltoputkea tyydyttävä yhtälö (1) jollakin niistä menetelmistä, joita on kuvattu US-patentissa 3 823 995 ja 3 826 560.

Milloin taitekerroin vaihtelee lineaarisesti seostusaineen pitoisuuden mukaan, vaihtelevat lasiseosten pitoisuusprofiilit Cj(r) huomattavasti:

N

Cj(r) = CjQ + r Cji (r/a)*1 j = i...p

1-1 i = 1,..N

p>3 N>2 jossa kertoimet C^j ja dj valitaan niin, että saadaan pienempi pulssidispersio tämän kuvauksen mukaisesti, ja jossa pitoisuudet on ilmaistu joko moolimurtolukuina, painomurtolukuina, atomimurto-lukuina tai pitoisuuden muulla mitalla.

Riippumatta valmistustavasta on epätodennäköistä, että voi muodostua asteittaistaitekertoiminen optinen aaltputki, jossa ck on tarkasti yhtä kuin ennaltamäärätty arvo. On kuitenkin mahdollista tehdä aaltoputkia, joissa taitekerroinprofiili on lähes sama kuin paras profiili, joka määritetään yhtälöillä (1) ja (2), ja silti saavuttaa paljon pienempi pulssidispersio. Nämä menetelmät sovitetaan moniaineosaisten lasiaaltoputkien valmistuksen mukaan kuvion 3 näyttämällä tavalla, jota kuvataan jäljempänä.

Seuraavissa esimerkeissä 2 ja 3 näytetään, kuinka voidaan toteuttaa keksinnön parhaina pidetyt muodot, joita edustaa joko yht. (14) tai yht. (15). Yksinkertaisuuden vuoksi oletetaan, että d-tyyp-pisen taitekerroinprofiilin luku yhtälössä (1) on 2, so. N=2.

Näissä esimerkeissä määrittelemme kaksi kvantiteettia, jotka edustavat vastaavasti muutosta valukvartsin taitekertoimessa, jonka aiheuttaa germaniumin käyttö, ja muutosta, jonka aiheuttaa booriok-sidin käyttö. Nämä kaksi kvantiteettia ovat: 12 76390 (16a) Sg = nc “ nl (16b) SB = nI - n2 joissa ns on valukvartsin taitekerroin. Nämä kaksi kvantiteettia &G 7a &B ovat suhteessa kvantiteetteihin, jotka vastaavat Ä^tä ja A2^ta edeltävässä esimerkissä. Määrittelemme vielä kaksi termiä: P Ä di,

(17a) £, =λ-i l = G, B

άλ

(17b) = i = G, B

dn

Valukvartsin taitekerroin, ns, voidaan laskea Sellmeier-sovitukses-ta, jonka I.H. Malitson on määritellyt julkaisussa J. Opt. Soc.

Amer. 55, 1205 (1965). Tässä esimerkissä oletetaan taas, että nc on sellaisen kvartsin taitekerroin, joka on seostettu 7,9 mooli-% GE02:lla, ja nQ on sellaisen kvartsin taitekerroin, joka on seostettu 13,5 mooli-% B203:lla. Vielä kolme kvantiteettia saadaan: dnc (18) Z = -f- —£ n2c « (19) W = -A- 5- (A ^ )

2 d/) dA

c (20) V = (Z2 - W) / (2 - Z) .

Kahden seostusaineen vaikutuksen jakamiseksi Δ^:η ja Δ2:η välillä voidaan määritellä Δ^ ja Δ2 seuraavasti: (21a) Aj = i5g(l-Xg) + / (2n2) (21b) Δ2 = ^ÄgXG + / (2n2) XG on sen germaniumin määrän mitta, joka on annettu A2sHe. Jos XG on 1, on kaikki germanium annettu Δ2:11β. XB on sen boorioksi-din määrän mitta, joka on annettu Ä^He.

Yhtälöt (21a-b) vastaavat ethoa 13 76890 (22) Δ = ( Δχ + Δ2) ·

Yhtälöihin (21a-b) on tuotu mukaan kvantiteetit Xq ja Xg arvoille Δ^ ja Δ2· Monissa lasirakenteissa on taitekertoimen neliö verrannollinen seostusaineen pitoisuuteen. Jos näin on, niin XG ja Xg ovat verrannolliset Getoin ja Β2θ3?η pitoisuuksiin. Tämä verrannollisuus ei kuitenkaan ole välttämätön keksinnön toteutuksessa.

Käyttämällä yhtälöitä (16) - (21) osoitetaan nyt, että voidaan ottaa selville Xq ja Xg niin, että voidaan määrittää jompikumpi parhaina pidetyistä toteutusmuodoista, joita edustavat vastaavasti yhtälöt (14) ja (15).

Esimerki 2

Ajattelemme esimerkkiä, jossa taitekerroinprofiilit saadaan yhtälöistä (1-2), Δ^:η arvot saadaan yhtälöistä (16) ja (21), ja jossa on täytetty ehto, joka antaa minimidispersion aallonpituusalueella, yhtälö (14). Tämä vastaa tilaa: (23a) (1-XG)2*GG + <1-XG)XBABG + V Abb = 0 (23b) (1-χΒ> 2ftBB + d-xB>xGABG + *6* ÄGG " 0

Edellä arvot A ovat kertoimia, joita määräävät niiden lasien taite-kertoimet, joilla työskentelemme. Yhtälöt (23a) ja (23b) voidaan ilmaista yleisemmässä muodossa: (24) (l-X^A^ + (l-X±)Xj A±j + X? Ajj = 0

i = G, J = B l — B, j = G

jossa (25) Ai:j = iL' Sj' - (ii^j" + ijii") /2-2Vii<$j ν(5±'^ + ÄjÄi') /2

Yhtälön (24) kirjoituksessa on jätetty pois pienet korjaustermit suuruusluokassa X^.

14 76390

Yhtälön (25) kvantiteetti AGG, ABG, ABB voidaan arvioida käyttäen mainittuja Sellmeier-sovituksia taitekerrointietoihin.

Yhtälöt (24) edustavat siten kahta samanaikaista 2. asteen yhtälöä, jotka määräävät suunnittelun parametrit XG ja Xg. Yhtälön (24) ratkaisut ovat (26a) Xq = + Z2Abb + Abg + D7 /(2D) (26b) XB = + ^2Agg + Abg + 07 /(2D) joissa (27) D = (A2bg - 4 AbbAgg)1/2 Käyttäen mainittuja Sellmeier-sovituksia ja valiten λ= 0,85 mikronia, voidaan käyttää niitä yhtälöitä ratkaisun löytämiseksi: (28) XG - 0,772 XB = 1,082

Sitten voidaan yhtälöillä (21) ja (22) löytää (29a) = 9,04 x 10"3 ja Δ2 = 62 x 10”3 (29b) = 7,60 x 10"4 ja = -6,61 x 10~4 <3λ d*

Yhtälö (2) antaa sitten halutun tuloksen: (30) = 1,810 ja <*2 = 4,088

Yhtälöiden (29) ja (30) mukainen taitekerroinprofiili voidaan saada aikaan, mikäli germaniumin ja boorioksidin seostusainepitoi-suuksien profiilit ovat: (31a) CG(r) = 0,079 Cl - 0,772 (r/a)1'810-0,228 (r/a) 4'088J ja (31b) CB(r) « 0,135 £2,082 (r/a)1'810-1,082 (r/a)4'088J.

is 76390 Nämä tulokset perustuvat olettamukselle, että taitekerroin vaihtelee lineaarisesti seostusainepitoisuuden mukaan. Lasin muodostavissa rakenteissa, joissa esiintyy poikkeamia lineaarisuudesta, voidaan keksintöä silti soveltaa laajentamalla tutkimus sisältämään myös ei-lineaariset termit.

Kuvio 3 näyttää laitteen aaltoputken muodostamiseksi, jolla on yhtälöiden (30) ja (31) profiilit. Laitetta kuvataan ensin, niin että voidaan paremmin ymmärtää tapa, jolla esillä olevaa keksintöä käytetään tämän laitteen käyttämiseksi.

Lasinokikerros 16 asetetaan oleellisesti lieriömäiselle lasi-aloitusosalle tai syöttitangolle 17 ulkopuolisen kaasuvaihehapetus-polttimen 18 avulla. Polttokaasua ja happea tai ilmaa syötetään polttimeen 18 lähteestä, jota ei ole näytetty, sopivalla välineellä, kuten putkella 19. Tämä seos poltetaan liekin 20 saamiseksi, joka purkautuu polttimesta.

Säiliöt 21, 22 ja 23 sisältävät vastaavia nesteaineosamääriä 24, 25 ja 26, jotka muodostavat lopulta kerroksen 16. Sopiva kaasumainen väliaine, kuten happi tms., syötetään säiliöihin ja se menee kuplina nesteiden läpi putkien 27, 28 ja 29 avulla. Kaasuväliaine tai kantokaasu syötetään sopivasta, ei näytetystä lähteestä ennalta-määrättyinä määrinä ja ennaltamäärätyillä paineilla. Venttiili 30 säätää kantokaasun määrän, joka menee kuplina nesteaineosan 24 läpi säiliössä 21, ja mittari 31 osoittaa tämän kantokaasun virtausnopeuden. Samoin venttiilit 32 ja 33 säätävät kantokaasun virtaukset, jotka menevät kuplina nesteaineosien 25 ja 26 läpi säiliöissä 22 ja 23, ja mittarit 34 ja 35 osoittavat näiden kaasujen virtausnopeuksia.

Lämmityslaitteet pitävät säiliöissä olevat nesteaineosat halutuissa lämpötiloissa. Kun kantokaasu menee kuplina kuumennettujen nesteaineosien läpi, menee tästä nesteestä höyryjä kantokaasun mukana ja ne puretaan ulos putken tai letkun 36 avulla. Kantokaasun ja höyryn seos syötetään ulkopuoliseen kaasuvaihehapetuspolttimeen 18 ja ruiskutetaan leikkiin 20, jossa tapahtuu kaasu-höyryseoksen hapetus lasinoen muodostamiseksi. Noki poistuu liekistä 20 virtana, joka suunnataan kohti aloitusosaa 17. Aloitusosaa 17 sekä pyöritetään että liikutetaan siten kuin nuolet osoittavat lähellä aloitus-osan tukipäätä, niin että muodostuu tasainen nokikerros aloitusosal-la.

ie 76890 Säiliöt 21-23 sisältävät lasia muodostavan, reagoivan aineen ja ainakin kaksi seostusainetta. Tässä esimerkissä säiliö 21 sisältää SiCl^, säiliö 25 sisältää GeCl^ ja säiliö 25 BCI3.

Venttiilejä 30, 32 ja 33 säädetään tavalla, jota on kuvattu Schultzin US-patentissa 3 826 560, asteittaistaitekertoimen saamiseksi. Venttiilejä 32 ja 33 säädetään tämän keksinnön mukaisesti seostusainepitoisuuden muuttamiseksi halutulla tavalla.

Keksinnön mukaisesti ohjauspiirit 37 ja 38 säätävät kahden seostusaineen pitoisuudet, kun muodostetaan aaltoputken esimuotti. Tuntoelin 39 kehittää sähkölähtötehon, joka edustaa aaltoputken esi-muotin sädettä sen muotoilun aikana. Tämä signaali menee kuhunkin ohjauspiiriin 37 ja 38. Ohjauspiiri 37 kehittää ohjaussignaalin, joka vaihtelee yhtälön (31a, 31b) mukaisesti. Tässä esimerkissä oletetaan GeC^sn pitoisuudet 7,9 mooli-% sydämen keskellä ja Β2θ3ΐη pitoisuudeksi 13,5 mooli-% päällyksen kohdalla. Siksi ohjauspiirit 37,38 on ohjelmoitu saamaan aikaan sellaiset seostusainepitoisuus-profiilit esimuotissa, jotka antavat aaltoputkessa pitoisuusprofii-lit yhtälön (31) mukaisesti.

Tällaisia ohjaussignaaleja kehittävät analogiset piirit ovat hyvin tunnettuja. Esim. kirjassa "Analog Computation In Engineering Design", Rogers ja Connolly, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1960, kuvataan tällaisia piirejä. Keksinnön parhaana pidetyssä toteutus-muodossa käytetään kuitenkin digitaalista mikroprosessoria, joka kehittää ohjaussignaalit. Eräs tarkoitukseen sopiva mikroprosessori on esim. Program Logic Controller, valmistaja Allen-Bradley Company.

Tällä tavalla tehdylle optiselle aaltoputkelle on laskettu pulssin dispersio suhteessa aallonpituuteen, mikä näytetään kuvion 4 käyrällä C2. Vertaamalla esillä olevan keksinnön käyrää C2 yhden profiilin Cl:een nähdään, että käyrä C2 tekee pulssidispersion mahdollisimman pieneksi paljon leveämmällä aallonpituusalueella.

Kuviossa 5, o( 1 ( ^) ja ^2 ( λ) ovat yhtälön (2) funktiot, jotka on määritetty esimerkin 2 mukaisesti. Siitä nähdään, että sekä arvolla (Ai kuviossa 5) että arvolla #2 (A2 kuviossa 5) on nolla-jyrkkyys arvolla 0,85 mikronia yhtälön (14) mukaisesti. Johtuen nolla jyrkkyydestä arvoissa (λ) ja <λ2 (λ) kohdassa 0,85 mikronia on pulssidispersiolla suhteessa aallonpituuteen hyvin leveä minimi-pulssidispersion alue, kuten kuvio 4 näyttää.

it 76390

Kuviossa 6 käyrät G2 ja B2 näyttävät tämän esimerkin Ge02 ja B2O3 seostusaineiden profiilit. Vertailun vuoksi käyrät Gl ja B1 näyttävät Ge02 ja B202 seostusaineiden profiilit, joita tarvittiin aikaisemmin optimaalisen yhden Λ-profiilin saamiseksi. Gl:n ja Bl:n näyttämät aikaisemmat pitoisuusprofiilit on ilmaistu seuraavasti :

(32) CG(r) = 0,079 £1- (r/a)1'957J

(33) CB(r) = 0,135 (r/a)1'957.

On selvää, että parhaan yhden Λ-profiilin seostusaineprofiili ja tämän esimerkin kaksinkertainen Λ-profiili ovat erilaiset. Näitä eroja voidaan tutkia käyttämällä röntgensäde-menetelmää, jolla mitataan optisten aaltoputkien tai optisten aaltoputkien esimuottien seostusaineprofiilit. Erästä tällaista menetelmää on kuvattu W.T. Kanen artikkelissa "Applications of the Electron Microprobe in Ceramics and Glass Technology", julk. Microprobe Analysis, toim.

C.A. Andersen, John Wiley & Sons, Inc. 1973.

Esimerkki 3

Keksinnön parhaana pidetyn toteutusmuodon toisena esimerkkinä määritetään taitekerroinprofiilit (yhtälön (15) mukaisesti), jotka antavat minimaalisen pulssidispersion kahdella aallonpituudella, = 0,80 mikronia ja ^2 = 1,20 mikronia.

Annamme yhtälössä (16)-(22) määriteltyjen symbolien edustaa kvantiteetteja arvolla 0,80 mikronia. Muodostamme analogisen kvanti-teettisarjan arvolla 1,20 mikronia ja merkitsemme nämä symbolin päällä olevalla viivalla. Esim.

(34) JG = Kj - jossa ric ja ng on arvioitu arvolla 1,20 mikronia. Täytettävä ehto on (35) Λ^ = 5^ Λ 2 ~ ^2 · ιβ 76390 Käyttämällä yhtälöä (4) ja yhtälöiden (16)-(22) määritelmää on seuraus, että yhtälö (35) on samanarvoinen kuin lauseke: (36) (1-ΧΑ)2 Bi± + (1-Χ±) XjB±j + XjBjj = 0 jossa i = G ja j = B tai j = G ja i = B.

Kirjoitettaessa yhtälö (36) on pienet korjaustermit suuruus- o luokassa X jätetty pois.

Kvantiteetit B^j määritellään seuraavasti: (37) B± j=2 (Z-2) (^Sj +£j£i) + (2-2) (Si^j’ “ (2-Z) (^Ji* + Si&j') .

Kertoimet Bgg, Bbb, Bgb voidaan arvioida mainituista Sellmeier-sovituksista.

Sitten voidaan ratkaista yhtälö (36), niin että saadaan (38) XG = 0,398 XB = -2,021 ja (39) a1 = 3,028 <*2 = 1,581

Kuvio 7 näyttää pulssidispersion suhteessa aallonpituuteen aaltoputkessa, joka on tehty edeltävien tietojen mukaisesti. Pulssi-dispersio minimoituun 0,80 ^im:n ja 1,20 >um:n läheisyydessä.

Tämä aaltputken seostusaineprofiilit ilmaistaan näin: (40) CQ (R) =0,079 Zl-0,398(r/a) 3'028-0,602 (r/a) 1'5817 Cb(R) =0,135 £3,021(r/a)1'581-2,021(r/a) 3,0287.

Ellei yhtälön (21) lineaarinen approksimaatio päde, niin tutkimus vaikeutuu; mutta aaltoputken suunnitteluperiaatteet pysyvät samoina.

19 76390

Pulssidispersion pienentämistä voidaan vielä parantaa tuomalla muita suunnitteluparametrejä yhtälöön (13), jolloin ,41> 'i = 2-2^^-r4(i· £l pidetään pieninä parametreinä, so.

(43) |έ±| <2. i = 1...N

Käyttäen vakiomenetelinä tutkimuksessa voidaan valita £lf joka pienentää dispersiota entisestään £^:n tarkat arvot riippuvat arvoista dAj Äj' m ' ^ ' nc' Nc ja optisen voiman jakaantumisesta aaltoputkien muotojen kesken.

Yhtälön (42) ehdon mukainen, mikä tahansa arvon valinta kuuluu tämän keksinnön suojapiiriin.

Vaikka edellä on näytetty ja kuvattu keksinnön erästä määrättyä toteutusmuotoa, ovat erilaiset muunnokset mahdollisia keksinnön periaatteen ja suojapiirin puitteissa. Seuraavat patenttivaatimukset on tarkoitettu kattamaan kaikki tällaiset muunnokset.

Claims (13)

20 7 6 3 9 0

1 Nc Δ± 5 23 76390 n on taitekerroin sydämen keskellä; n0 on taitekerroin säteellä r=a; N = n - Adn /d Λ c c c ja Δ\ΐΐ = (n°2 ' n02)/2nc2' näin muodostetulle sydämelle pannaan sitä ympäröivä päällystys-ainekerros, jonka taitekerroin on pienempi kuin sydämen taitekerroin, sydän ja päällystys kuumennetaan niiden veto lämpö tilaan; ja sydän ja päällystys vedetään optiseksi aaltoputkeksi.

1 Nc At 5 jossa Aon aallonpituus, jolla aaltoputkea käytetään, N - n - (V— c c 4 dA ε1 < 2 i = 1 . . .N ja arvot . saavat aikaan paremman pulssidispersion.

1. Optinen aaltoputki, jonka sydämellä on säteittäisesti asteittainen taitekerroin ja jossa on sydäntä ympäröivä päällystys, tunnettu siitä, että aaltoputken sydänosa käsittää vähintään kolme lasin muodostavaa seosta,ja jotta saavutettaisiin minimaalinen pulssidispersio laajalla aallonpituusalueella tai useilla erillisillä aallonpituuksilla ilman suuria rajoituksia lasikoostumuksissa, on jokaisen lasin muodostavan komponentin taitekerroin sellainen, että mainituista seoksista muodostuvan sydämen taitekerroin vaihtelee säteen r funktiona oleellisesti seuraavasti: N n2 <r) = n2 1 - £ 2Δ. (r/a)°S. c (1=1 ) 1 jossa N - 2 on oC-tyyppisten taitekerroinprofiilitermien lukumäärä; n on taitekerroin säteellä r = o; n on taitekerroin säteellä c o r = a; Δ= (n2 - n2 )/2n2 C O c N Δ- ΣΑ i*l ja Ai ja ovat arvoja, jotka pienentävät pulssidispersiota.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen aaltoputki, tunnettu siitä, että arvot saadaan yhtälöstä oL - 2 - — __ ^4__12Δ i = 1...N, i Nc Δ± 5 jossa ^on aallonpituus, jolla aaltoputkea käytetään, ja Adn N_ = n - c c c ~d^"· 2i 76390

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen aaltoputki, tunnettu siitä, että OC arvot saadaan yhtälöstä: οί. = 2 - Λ d^l - 12_ ^i Δ

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen aaltoputki, tunnettu siitä, että * 1 arvolla i = 1...N.

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen aalto-putki, tunnettu siitä, että Δ^ ovat arvoja, jotka saavat aikaan pulssidispersion aallonpituusalueella.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen aaltoputki, tunnettu siitä, että Ai ovat sellaisia arvoja, että i λ = 7\0 = 0 , i = 1.... N dA jossaΆ on aallonpituus spektrialueella, jolla aaltoputkea käytetään.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen aaltoputki, tunnettu siitä, että ovat arvo ja, jotka saavat aikaan pulssidispersion kahdella tai useanualla aallonpituudella.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen aaltoputki, tunnettu siitä, että A ^:narvot ovat sellaiset, että oti('^l) " ---- =dkii^q)# 1 = 1 ----N jossa 2£q£N jossa , ?V.... sisältävät ainakin yhden aallonpituuden, -L 2 q jolla aaltoputkea käytetään. 22 768 90

9. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen aalto-putki, tunnettu siitä, että lasin muodostavilla seoksilla on pitoisuusprofiili, joka vaihtelee oleellisesti seuraavasti: N oti C . (r) = C . (o) + Σ C. (r/a) 3. i=l 31 j = 1.. . .p i = 1,. . .N N>2, jossa kertoimet ja°^ saavat aikaan pienemmän pulssidisper-sion ja jossa (o) osoittavat pitoisuuksia säteellä r = o.

10. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen aalto-putki, tunnettu siitä, että se on monimuotoinen optinen aaltoputki, jonka tulopuoli on valon vastaanottavassa suhteessa lähteen kanssa, joka kehittää valopulsseja keskiaallonpituudella IN, jotka valopulssit aaltoputki siirtää tulopäästään lähtöpää-hänsä pienemmällä pulssidispersiolla kahdella tai useammalla aallonpituudella tai aallonpituusalueella, jolla on keskiaallonpituus ^.

11. Optisen asteittaistaitekertoimisen aaltoputken valmistusmenetelmä, tunnettu siitä, että siinä muodostetaan sydän, jolla on säde r, useista lasin muodostavista seoksista; näiden seosten pitoisuuksia muutetaan sydämen muodostamisen aikana, niin että taitekerroin sydämen keskellä on n ja se vaihtelee sy- O dämen keskipisteestä lasketun säteismatkan funktiona oleellisesti seuraavasti: N n2(r) = nJ/1-ί 2Δ. (r/a) i=l jossa Ä ovat arvoja, jotka saavat aikaan minimipulssidispersion aaltoputkessa ja ovat sellaisessa suhteessa lasin muodostavien seosten ominaisuuksiin, että O m Λ /\ ~ 5 c Λ__i 12^ A i = 1....N jossa N>2,

12. Optinen aaltoputki, joka sisältää p lasin muodostavia seoksia, jossa p >3, ja jonka sydämellä on säteittäisesti asteittainen koostumusprof iili ja jossa on päällystys, tunnettu siitä, että lasin muodostavilla seoksilla on pitoisuusprofiili Cj(r), joka vaihtelee oleellisesti seuraavasti: N <*i C. (r) = C. (o) + E C. (r/a) 3. i=1 31 j = 1----p i = 1,...N N>2, jossa kertoimet ja saavat aikaan pienemmän pulssidisper-sion ja jossa (o) osoittaa pitoisuuksia säteellä a= o.

13. Optisen asteittaistaitekertoimisen aaltoputken valmistusmenetelmä, tunnettu siitä, että siinä muodostetaan sydän, jolla on säde a, useista p lasin muodostavista seoksista; seoksen pitoisuuksia muutetaan sydämen muodostamisen aikana, niin että lasin muodostavien seosten pitoisuus (r) vaihtelee oleellisesti seuraavasti: 24 768 90 N cte. C. (r) = C. (o) + £ C.. (r/ä) 3. i=l 31 j = 1----p, i = 1,...N, p> 3, N>2, jossa kertoimet ja ^ saavat aikaan pienemmän pulssidis- persion, ja kiinnitetään päällystysainekerros, jonka taitekerroin on pienempi kuin sydämen taitekerroin. 25 763 90