FI82314B - Optisk vaogledare av singularform med laog dispersion och smao foerluster. - Google Patents

Description

5 1 82314

Dispersioltaan ja häviöltään alhainen, yksimuotoinen optinen aaltojohto - Optisk vägledare av singularform med läg dispersion och smä förluster Tämä keksintö koskee yksimuotoista optista aaltojohtokuitua, joka käsittää läpinäkyvää materiaalia olevan ytimen, jonka maksimitaitekerroin on n^ ja säde a ja kerroksen läpinäkyvää verhousmateriaalia tämän ytimen ulkopinnalla, verhouk-10 sen taitekertoimen n2 ollessa pienempi kuin n1# ytimen sisältäessä keskiosan, jota ympäröi vähintään kaksi samankeskistä segmenttiä, jota keskiosaa ja sisimmäistä näistä samankeskisistä segmenteistä erottaa taitekertoimeltaan alennettu osa ja jokaista kahta vierekkäistä segmenttiä 15 erottaa taitekertoimeltaan alennettu osa, taitekertoimeltaan alennetuista osista sisimmän sisäsäteen a^ ollessa suurempi kuin nolla ja taitekertoimeltaan alennetuista osista uloim-man maksimisäteen aQ ollessa alle a.

20 On kehitetty yksimuotoisia optisia aaltojohtokuituja, joilla saavutetaan niinkin pienet siirtohäviöt kuin 0,5 dB/km ja 0,2 dB/km allonpituuksilla 1300 nm ja 1550 nm samassa järjestyksessä. Johtuen yksimuotokuitujen pienestä häviöstä ja niiden ominaisuudeksi yleensä luettavista suurista kais-25 tanleveyksistä ne ovat houkuttelevia potentiaalisina pitkien etäisyyksien siirtojohtoina. Niiden potentiaalisesti suuri kaistanleveys voidaan kuitenkin saavuttaa vain, jos rakenne on optimoitu siten, että kokonaisdispersio HEj^^-muodolle on nolla tai mahdollisimman lähellä nollaa käyttöaallon-30 pituudella.

Yksimuotoisissa aaltojohdoissa kokonaisdispersiota säätävät materiaalidispersio Dm 3a aaltojohtodispersio Dw. Annetulla kuitukoostumuksella materiaalidispersio vaihtelee aallon-35 pituuden funktiona. Esimerkiksi aallonpituuden funktiona piirretty materiaalidispersio kulkee nolladispersion kautta lähellä aallonpituutta 1280 nm erittäin piidioksidipitoi- 2 82314 silla kuiduilla. Voidaan suunnitella yksimuotoisia kuituja, joilla on kokonaisdispersio nolla millä tahansa aallonpituudella aallonpituuksien alueella, joka on sen aallonpituuden yläpuolella, jossa materiaalidispersiokäyrä kulkee 5 nolladispersion läpi. Tämä voidaan saavuttaa suunnittelemalla aaltojohdon dispersio vartavasten niin, että se tasapainottaa materiaalidispersion jollakin määrätyllä aallonpituudella, joka on valittu johtuen kuidun pienestä vaimennuksesta ja/tai valolähteiden saatavuudesta. Aaltojohdon dis-10 persiota voidaan yksilöllisesti muutella vaihtelemalla ytimen sädettä a, ytimen taitekerroinprofiilia tai ytimen ja verhouksen suhteellista taitekerroineroa Δ. Käsite Δ on määritetty yhtälöllä Δ = (n^ _ γϊ22)/2 n^, jossa n^ on ytimen huipputaitekerroin ja n2 on verhouksen taitekerroin. 15 Tekniikkaa nolladispersioaallonpituuden yksilölliseksi muuttamiseksi selostetaan U.C. Paek et ai.:in artikkelissa otsikolla "Dispersionless Single-Mode Light Guides With a Index Profiles", the Bell System Technical Journal Volume 60, No. 5, touko-kesäkuu 1981, sivut 583 - 598 ja L.G.

20 Cohen'in artikkelissa otsikolla "Tailoring Zero Chromatic Dispersion Into The 1,5 - 1,6 pm Low-Loss Spectral Region of Single-Mode Fibers", Electronics Letters, Volume 15,

No. 12, 7. kesäkuuta 1979, sivut 134 - 135.

25 Vaikka edellä mainituissa Paek et al.:in ja Cohen et al.:in artikkeleissa selostetut rakenteet voivat johtaa nolladispersioaallonpituuden yksilölliseen muuttamiseen, ne vaikuttavat haitallisesti muihin parametreihin. Systeemin pienimmän häviön saavuttamiseksi on optimoitava sellaisia para-30 metrejä kuten osituskoko wQ ja suhde w0/a, jotka määrittelevät samassa järjestyksessä jatkoshäviön ja mikrotaipuma-häviön. Samoin tutkimukset, joita on suoritettu askeltaite-kertoimen yksimuotoisilla aaltojohdoilla, joiden Δ on n.

0,3 %, osoittavat, että tällainen Δ:η arvo saattaa olla 35 liian pieni koskien mikrotaipumahäviötä. Tavanomaisilla kuiduilla, joilla on askeltaitekertoimen tai α-tyypin ytimen taitekerroinprofiilit ja joiden Δ-arvot ovat yli n. 0,3 %, on vaikeaa saavuttaa vaatimusta, että nolladispersion aal- 3 82314 lonpituus λ0 olisi melko lähellä, ts. 5 nm:n päässä laser-lähteen aallonpituudesta, kun lähteen aallonpituudeksi valitaan n. 1300 nm, jotta pienennettäisiin häviölisää, joka johtuu OH-absorptiosta, jonka huippu on kohdassa 5 1380 nm.

Paek et ai.:in julkaisussa väitetään, että kun aallonpituus kasvaa, johtosäteen on pienennyttävä, ja että suuremmilla aallonpituuksilla paljon suurempi määrä materiaalidisper-10 siota on kompensoitava aaltojohtodispersiolla. Tämä vaatii aaltojohdon parametrien suurempaa tarkkuutta kuin silloin, kun johto on suunniteltu toimimaan materiaalidispersiolla nolla.

15 Jos aaltojohdon säde tehdään liian pieneksi materiaalidis-persion tasapainottamiseksi, mikrotaipumahäviöt kasvavat liian suuriksi.

W-tyypin aaltojohto, jota on selostettu US-patentissa 20 3 997 241, tarjoaa lisäparametrin, jota voidaan vaihdella aaltojohtodispersion vaihtelemiseksi. Tämä kuitu käsittää ytimen, jolla on yhtenäinen, suhteellisen korkea taitekerroin n^ ja jota ympäröi sisäverhouskerros, jolla on suhteellisen matala taitekerroin qn^, ja ulkoverhouskerros, jolla 25 on keskisuuri taitekertoimen pn^-arvo. Koska tämä rakenne johtaa Vc:n kasvuun arvoon, jonka lasketaan olevan 3,8327, se tekee mahdolliseksi valon lähettämisen yksimuotoisena ytimen läpi, jonka säde on suurempi kuin mitä sallittaisiin tavanomaisilla askeltaitekertoimen aaltojohdoilla. Norma-30 loitu taajuus V ilmoitetaan kaavalla 2 π a / V = - VV " n22 λ 35 Käsite Vc määrittelee V:n yksimuotoisen katkaisuarvon. Myös taivutushäviöt pienenevät US-patentin 3 997 241 rakenteella. Tällä rakenteella voidaan saavuttaa kokonaisdispersio, joka on nolla tai lähellä nollaa laajalla aallonpituuksien alueella, mutta jotta saavutettaisiin tällainen laajakaistainen 4 82314 toiminta, välikerroksen taitekertoimen qn^ tulee olla suhteellisen matala ja ulkoverhouksen taitekertoimen pn^ tulee olla suhteellisen lähellä ytimen taitekerrointa. US-patentin 3 997 241 ohjeiden mukaisesti suureen (n-pn)/(n-qn) tulee 5 olla alle 0,1. Tällainen pieni suhde (n-pn)/(n-qn) aiheuttaa sen, että valmistustoleranssi on kriittinen ja kerroksen taitekertoimen pienet muutokset voivat vaikuttaa suuresti aaltojohdon dispersiokäyrän jyrkkyyteen. Kun aaltojohdon dispersiokäyrän jyrkkyys vaihtelee sen suunnitteluarvosta, 10 aallonpituusalueen leveys, jolla pienen dispersion toiminta voidaan saavuttaa, pienenee vastaavasti.

US-patentin 3 997 241 optisella kuidulla on pienempi nor-maloidun taajuuden V^'-arvo, jonka alapuolella yksimuotois-15 ta etenemistä ei esiinny. Kuten kyseisen patentin kuvassa 2 esitetään, yksimuotoista etenemistä tapahtuu normaloidun taajuuden alueella, joka on välillä ' - V2'' N&in ollen, kun ulkoverhouksen taitekerrointa pn^ nostetaan edullisen riippuvuuden tyydyttämiseksi suureelle (n-pn)/(n-qn), V-20 arvon alue, jolla yksimuotoinen toiminta on käytännöllistä, tulee pieneksi, mikä tekee jälleen rakenteen herkäksi val-mistustoleransseille.

Tämän keksinnön tarkoituksena on tämän vuoksi saada aikaan 25 yksimuotoinen optinen aaltojohto, jolla on pieni dispersio laajalla aallonpituuksien kaistalla ja joka ei ole edellä mainittujen alan aikaisempien rajoitusten alainen. Tämän keksinnön lisätarkoituksena on saada aikaan yksimuotoinen optinen aaltojohto, jolla on suhteellisen suuri ytimen säde 30 ja jolla on suhteellisen pieni mikrotaipumasta johtuva vaimennus.

Muuna tarkoituksena on saada aikaan yksimuotoinen optinen aaltojohto, jolla on minimaalinen dispersio laajalla aallon-35 pituusalueella ilman alimman kertaluokan muodon katkaisua tai alimman kertaluokan muodon katkaisun ollessa siirretty kauas toiminta-alueelta.

5 82314 Tämän aikaansaamiseksi on keksinnölle tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Kuva 1 esittää poikkileikkauskuvantoa tämän keksinnön mukai-5 sesta optisesta aaltojohtokuidusta.

Kuvat 2, 3 ja 7 - 10 esittävät lukuisia taitekerroinprofii-leja, jotka täyttävät tämän keksinnön ehdot.

10 Kuva 4 on graafinen esitys suureesta Vd^Vb/dV^ piirrettynä suhteen V/Vc funktiona.

Kuvat 5 ja 6 ovat dispersiokäyriä aallonpituuden funktiona kahdella kuidulla, jotka on suunniteltu tämän keksinnön 15 mukaisesti, mutta joilla on eri ytimen taitekertoimen alen-nusominaisuudet.

Tämä keksintö koskee yksimuotoista optista aaltojohtokuitua, jossa on ydin, joka sisältää yhden tai useampia alennetun 20 taitekertoimen alueita.

Kuvan 1 optinen aaltojohto käsittää ytimen, jossa on sisä-: ja ulkoalueet 10 ja 12, joita erottaa yksi ainoa alue 14, jolla on alennettu taitekerroin ng. Eräs monista taiteker-25 roinprofiileista, joka täyttää tämän keksinnön ehdot, esitetään kuvassa 2, jossa sekä ytimen sisäosalla 19a että ytimen ulko-osalla 19b on taitekerroin n^. Vaikkakin näiden kahden ytimen osan taitekertoimet ovat samat, ne voivat olla muodostetut eri koostumuksista. Ydintä ympäröi verhous-30 kerros 16, jolla on taitekerroin Π2· Verhouksella voi olla alennettu taitekerroin, jota osoittaa yhtenäinen viiva 20, tai alentamaton taitekerroin, jota esittää katkoviiva 21. Taitekerroin voi olla pienempi kuin n2, mitä osoittaa : viiva 22, tai se voi olla yhtä suuri tai suurempi kuin Π2· 35 Taitekertoimen alentamisen vaikutus on muuttaa kuidun valo-energian siirto-ominaisuuksia, jotta saataisiin aikaan haluttu riippuvuus aaltojohdon dispersion ja aallonpituuden välille. Jos suure (n1-n2J/in^-ng) on niin pieni kuin 0,1, 6 82314 edellä mainittu vaikutus on olemassa, mutta valmistustole-ranssit tulevat kriittisiksi. Näin ollen, kun käytettävissä ovat tällä hetkellä käytettävät valmistusprosessit ja kuitu-koostumukset, pieni muutos kuidun fysikaalisissa ominaisuuk-5 sissa saattaisi johtaa suureen muutokseen aaltojohdon dispersio-ominaisuuksissa, kun (n^-n2)/(ni~n3) on 0,1. Kun suhde (n1-n2)/(ni~n3) on n. 2,0 tai suurempi, tämän keksinnön rakenteen edullinen vaikutus tulee mitättömäksi. Tämän vuoksi suhteen (n^-n2)/(n^-^) tulee olla alle 2,0.

10

Vaikka kuvassa 2 esitetty ydinprofiili on askeltaiteker-toimen aaltojohdon profiili, muun tyyppisiä ytimen profiileja α-profiilit mukaanluettuna voidaan käyttää. Sanontaa "α-profiili" käytetään tässä tarkoittamaan, että ytimen 15 taitekertoimen määrää yhtälö n(r) = (1 - (r/a)a), jossa nQ on taitekerroin kuituakselilla. Kuvan 3 käyrä 24 edustaa a-profiilia, jossa a on 2. Verhouksen taitekertoimella voi olla sama arvo kuin ytimen reunalla, mitä osoittaa yhtenäinen viiva 26 tai verhouksen taitekerroin voi olla pienem-20 pi kuin ytimen ulkoreunalla, mitä osoittaa katkoviiva 28.

Ytimen taitekertoimen aleneman taitekerroinprofiilin muoto v* on muuttuja, jolla on vaikutusta kuidun siirto-ominaisuuk siin. Sen sijaan, että taitekertoimen alenema olisi tasai-25 nen, kuten on esitetty ytimen profiilin alimmmassa osassa 30 kuvassa 3, se voisi olla pyöristetty tai jopa teräväkärkinen kuten katkoviiva 32 esittää.

Säätämällä taitekertoimen aleneman säteittäistä asemaa, 30 syvyyttä, leveyttä ja muotoa, aaltojohdon siirto-ominaisuuksia voidaan sopivasti muutella täyttämään eri vaatimuksia, jotka kohdistuvat yksitoimintamuotoiseen systeemiin. Jos esimerkiksi oletetaan annetun tyyppinen ytimen taiteker-roinprofiili, vaaditaan eri tyyppisiä taitekertoimen ale-35 nemia, jotta saataisiin nolladispersiotoiminta systeemin eri aallonpituuksilla.

7 82314

Tapa, jolla tämän keksinnön rakennetta voidaan käyttää optisten aaltojohtojen tuottamiseen, joilla on suuresti erovat dispersio-ominaisuudet, voidaan nähdä seuraavasta kuvauksesta viitaten kuvan 4 graafiseen esitykseen. Tässä 5 kuvassa suure Vd2(Vb)/dV2 on piirretty V/Vc-funktiona. Suure Vd2(Vb)/dV2 riippuu aaltojohdon dispersiosta Dw seuraavasti: . η2Δ Γ Vd2(Vb)“

Dw - - --— 10 cA L dV2 jossa c on valon nopeus, λ on valon aallonpituus, b on normaloitu etenemisvakio. Kuvan 4 graafinen esitys tekee 15 mahdolliseksi verrata suhteellisia aaltojohdon dispersioita, jotka voidaan saada eri V-arvoilla eri kuituytimen profiileilla. Yksimuotoinen toiminta tapahtuu V/Vc:n arvoilla alle 1,0. Yleensä on toivottavaa käyttää optista aaltojoh-tokuitua V/Vc:n arvolla lähellä 1,0 mikrotaipumahäviön 20 minimoimiseksi. Yleensä ei ole toivottavaa käyttää aaltojohtoa V/Vc-arvoilla alle 0,6. Näin pienillä arvoilla ytimen koko on pieni ja mikrotaipumahäviö pyrkii kasvamaan suureksi ja kuidun ominaisuudet ovat herkempiä valmistuksen vaihteluille.

25 Käyrät 42 ja 44 edustavat sellaisten kuitujen aaltoputken dispersio-ominaisuuksia, joiden ytimen taitekerroinprofiilit ovat kuvassa 2 esitettyä tyyppiä ja joiden taitekertoimen alenemaparametrit ovat erilaiset. Käyrän 42 kuvaamassa 30 kuidussa a^ = 0,6a, aQ - 0,9a ja suhde (n1-n2)/(n1-n3) = 0,75. Käyrän 44 kuvaamassa kuidussa a^ = 0,4a, aQ = 0,65a ja suhde (ni~n2 )/(ni-ri3) = 0,75. Näin ollen käyrien 42 ja 44 kuvaamat kuidut eroavat toisistaan vain ytimen taiteker-toimen aleneman säteittäisessä asemassa ja leveydessä.

35 Käyrä 42 leikkaa x-akselin V/Vc:n arvolla, joka on lähellä yhtä, mutta alle sen. Tämä osoittaa, että kuitua, jolla on tällaiset ominaisuudet, voitaisiin edullisesti käyttää aallonpituudella, joka on materiaalin nolladispersioaallon- 8 82314 pituudella tai juuri sen yläpuolella, jonka käyttöaallon-pituus on lähellä yksimuotoista katkaisuaallonpituutta. Käyrän 42 jyrkkä kaltevuus antaa olettaa, että Dw /λ -käyrällä on myös suhteellisen suuri positiivinen kaltevuus-5 ominaisuus, joka aiheuttaa laajakaistaisen, pienen dispersion toiminnan.

Käyrä 44 edustaa kuitua, joka kykenee korvaamaan suhteellisen suuren määrän aaltojohdon dispersiota toimittaessa 10 lähellä yksimuotoista katkaisuaallonpituutta. Koska mate-riaalidispersio on suhteellisen suuri aallonpituuksille, jotka ovat suurempia kuin OH-absorptiopiikki kohdassa n.

1400 nm, käyrän 44 esittämä kuitu kykenisi korvaamaan aalto johtodispersion, joka tarvitaan materiaalidispersion 15 tasapainottamiseen yli 1400 nm:n aallonpituuksilla.

Käyrä 46 edustaa kuitua, jolla on ytimen taitekerroinpro-fiili a = 1. Vaikka tämä kuitu kykenee toimimaan lähellä V/Vc:n arvoa 1,0, se ei kykene tasapainottamaan yhtä paljon 20 materiaalidispersiota kuin käyrän 44 edustama kuitu olettaen, että toimitaan samalla V-arvolla.

Viitaten hetkeksi kuvaan 5 käyrä 50 esittää sellaisen optisen aaltojohtokuidun materiaalidispersiota, jossa on ydin, 25 jonka sisä- ja ulko-osat on muodostettu piidioksidista, joka on täytetty 3 mooli-%:lla Ge02:a, taitekertoimen alenema, jonka muodostaa piidioksidi, joka on täytetty n. 1,7 mooli-%:lla fluoria, ja taitekertoimeltaan alennettu verhous, joka on muodostettu piidioksidista, joka on täytetty 30 n. 1,0 mooli-%:lla fluoria. Käyrä 50' edustaa samanlaista kuitua paitsi, että ytimen sisä- ja ulko-osat on muodostettu piidioksidista, joka on täytetty n. 8 mooli-%:lla Ge02·

Kun materiaalidispersiokäyrän muoto ja nollaleikkauspiste tunnetaan, voitaisiin valita määrätty ytimen taitekerroin-35 profiili kuvan 4 eri käyristä pienen dispersion toiminnan saavuttamiseksi määrätyllä aallonpituudella edellä kuvatulla tavalla. Jos esimerkiksi haluttaisiin toimia systeemin aallonpituudella 1300 nm, ts. rakenteella, jonka katkaisu- 9 82314 aallonpituus Xc on n. 1250 nm, aaltojohtodispersion pitäisi olla mahdollisimman pieni kyseisellä aallonpituudella, sillä materiaalidispersio on hyvin pieni 1300 nm:n aallonpituudella. Yksimuotoisella toiminnalla lähellä 1300 nm:n aallon-5 pituutta suureen Vd2(Vb)/dV2 on oltava pieni lähellä V/Vc:n arvoa 1,0. Käyrä 42, joka edustaa erästä tämän keksinnön mahdollisista ytimen taitekertoimen alenemarakenteista, kulkee nollan kautta V/Vc:n arvolla 0,91. Tämä osoittaa, että tällainen rakenne olisi sopiva aaltojohtodispersion 10 tasapainottamiseen aallonpituudella 1300 nm.

Kuva 5 esittää, miksi kuvan 4 käyrän 42 esittämä ytimen taitekertoimen alenemarakenne on edullinen systeemin aallonpituuksille lähellä 1300 nm:ä. Pienen dispersion toiminnalla 15 laajalla aallonpituuksien alueella aaltojohtodispersion käyrällä tulee olla nolladispersion leikkauskohta aallonpituudella, joka on lähellä materiaalidispersiokäyrän 50 leikkauspistettä. Valitsemalla likimääräisesti ytimen taitekertoimen alenemaominaisuudet ja kuidun Δ-arvo materiaali-20 dispersio voidaan oleellisesti tasapainottaa laajalla aallonpituuksien alueella.

Kuvan 5 käyrät 52 ja 54 ovat sellaisten optisten aaltojoh-tokuitujen dispersiokäyriä, joilla on kuvan 4 käyrän 42 25 esittämä ytimen taitekerroinrakenne. Kuidun verhouksen oletetaan olevan piidioksidia ja käyrien 52 ja 54 Δ:η arvot ovat samassa järjestyksessä 0,75 % ja 0,97 %. Materiaalidispersio on nolla aallonpituudella n. 1300 nm. Aaltojohdon nolladispersiopiste voidaan myös saada sattumaan 1300 nm:n 30 kohdalle valitsemalla likimääräisesti kuidun V-arvo. Käyrillä 52 ja 54 on suhteellisen jyrkät kaltevuudet, jotka ovat hyödyllisiä materiaalidispersion tasapainottamisessa hyvin suurilla aallonpituuskaistoilla.

35 Käyrä 56 on toisen kuidun dispersiokäyrä, jolla kuidulla on kuvan 4 käyrän 42 ytimen taitekerroinrakenne, jossa δ on 0,5 %. Kuten alla yksityiskohtaisemmin kuvataan, tällä kuidulla on 1305 nm:n nolladispersioaallonpituus ja 1120 10 8231 4 nm:n katkaisuaallonpituus. Koska käyrän 56 kaltevuus ei ole yhtä suuri kuin käyrän 54, käyrän 56 esittämä kuitu ei voi saada aikaan pienen dispersion toimintaa yhtä laajalla aallonpituuksien kaistalla.

5 Käyrät 56 ja 60, jotka edustavat sellaisten kuitujen aalto johtodispersiota, joilla on profiili a = 1, on sisällytetty mukaan vertailutarkoituksessa. Käyrien 58 ja 60 edustamien kuitujen Δ-arvot ovat samassa järjestyksessä 1,0 % 10 ja 1,3 %. Voidaan havaita, että aaltojohdon dispersiokäyrän nolladispersion leikkauskohta sattuu aallonpituudelle n.

1300 nm tällä kuitutyypillä vain, kun Δ tehdään liian pieneksi.

15 Kuvassa 6 käyrät 64 ja 64', jotka ovat kopioita kuvat 5 materiaalidispersiokäyristä 50 ja 50', kuvaavat sitä seikkaa, että tarvitaan suurta aaltojohtodispersiota nolladis-persiotoiminnalle n. 1500 nm:n tai suuremmalla aallonpituudella. Käyrät 70 ja 72 edustavat kuituja, joilla on taite-20 kerroinprofiili a = 1 ja Δ-arvot 1,0 % ja 1,3 % samassa järjestyksessä. Käyrät 66 ja 68 edustavat kuvan 4 käyrän 44 esittämiä kuituja, joiden Δ-arvot ovat samassa järjestyksessä 0,75 % ja 0,97 %. Kuitu, joka vastaa käyrää 66, aikaansaisi nolladispersiotoiminnan aallonpituudella n.

25 1550 nm.

Alaan perehtyneet voivat aikaansaada kuvien 4-6 graafiset esitykset lukuisilla tavoilla. Aaltoyhtälöt voidaan ratkaista annetulla kuidun taitekerroinprofiililla niiden teknii-30 koiden mukaisesti, jotka on esitetty julkaisuissa: C. Yeh et ai. "Computing the Propagation Characteristics of Radially Stratified Fibers: an Efficient Method", Applied Optics, Vol. 16, 1977, sivut 483 - 493 ja L. G. Cohen et al. "Correlation Between Numerical Predictions and Measurements of 35 Single-Mode Fiber Dispersion Characteristics", Applied

Optics, Vol. 19, 1980, sivut 2007 - 2010. Vaihtoehtoisesti kuidut voidaan valmistaa ja dispersiota mitata tekniikoiden mukaisesti, jotka on esitetty julkaisuissa: L. G. Cohen et 11 8231 4 ai., "A Universal Fiber Optic (VFO) Measurement System Based on a Near IR Fiber Raman Laser", IEEE Journal of Quantum Mechanics, Voi. QE-14, 1978, sivu 855 ja C. Lin et al., "Pulse Delay Measurements in the Zero-Material Dispersion 5 Region for Germanium and Phosphorus Doped Silica Fibers", Electronics Letters, Vol. 14, 1978, sivut 170 - 172.

Optisia aaltojohtokuituja, joilla on tämän keksinnön mukaiset ytimen taitekerroinprofiilit, voidaan valmistaa tavan-10 omaisilla höyrykerrostusprosesseilla. Annetaan teoreettinen esimerkki sellaisen kuidun valmistusmenetelmän kuvaamiseksi, joka on suunniteltu toimimaan aallonpituudella 1315 nm. Voidaan käyttää sellaista prosessia kuin US-patentissa 4 217 027 on selostettu. Viitataan kuviin 1 ja 2 mitä tulee 15 esimuotin muodostuksessa kerrostettujen eri kerrosten kuvaukseen ja todetaan, että kuva 1 on poikkileikkauskuvanto tuloksena olevasta kuidusta. Sulatettua piidioksidiputkea käytetään alusputkena, joka muodostaa ulomman verhouskerrok-sen 18. Kerros 18 voi toimia verhouskerroksena, jonka taite-20 kerroin on n2, mutta on edullista käyttää kerrosta 16, jonka taitekerroin on alennettu alle verhouskerroksen 18 taiteker-toimen niin, että vaaditaan pienempi täyteaineväkevyys ytimessä annetun Δ-arvon saavuttamiseksi. Tämä johtaa pienempään materiaalidispersioon, mikä tekee helpommaksi saa-25 vuttaa AQ-arvon, joka on yhtä suuri tai pienempi kuin n.

1315 nm. Kerros 16 voi koostua piidioksidista, joka on täytetty n. 1 mooli-%:lla fluoria. Jopa 1,0 mooli-% P205ia voidaan lisätä kerrokseen 16 kyseisen kerroksen pehmenemis-pistelämpötilan alentamiseksi, mikä parantaa prosessin 30 tarkoituksenmukaisuutta. Ulompi ytimen osa 12 muodostetaan kerrostamalla kerros piidioksidia, joka on täytetty n. 3 mooli-%:11a Ge02:a kerroksen 16 sisäpinnalle. Taitekertoi-men alentamiskerros 14 muodostetaan kerrostamalla kerros piidioksidia, joka on täytetty n. 1,7 mooli-%:lla fluoria.

35 Lopuksi ytimen keskiosa 10 muodostetaan kerrostamalla toinen kerros piidioksidia, joka on täytetty n. 3 mooli-%:11a Ge02:a.

i2 8231 4

Esimuotti painetaan kasaan ja vedetään optiseksi aaltojoh-tokuiduksi, jolla on seuraavat ominaisuudet. Ytimen 12 säde on 6,2 pm. Taitekertoimeltaan alennetun osan 14 ulkohalkai-sija on 5,6 pm ja sisähalkaisija 3,6 pm. Taitekertoimeltaan 5 alennettua verhousmateriaalia olevan osan 16 säteen tulee olla n. 15 pm. Taitekertoimet n^, n2 ja nj ovat samassa järjestyksessä 1,463, 1,456 ja 1,4508. Normaloidun taajuuden katkaisuarvo Vc on n. 5,0 ja katkaisuaallonpituus Ac on n. 1115 nm. Suhteellinen taitekerroinero Δ on 0,3 %. Osituskoko 10 wQ on n. 3,7 pm. Tämän kuidun aaltojohtodispersio-ominai-suuksia edustaa kuvan 5 käyrä 56. Todetaan, että 6,2 pm:n ydinsäde on lähes kaksi kertaa sellaisen vertailukelpoisen porrastetun taitekertoimen kuidun ydinsäde, jonka ytimessä ei ole mitään taitekertoimen alenemaa.

15

Annetaan toinen teoreettinen esimerkki sellaisen kuidun valmistusmenetelmän kuvaamiseksi, joka on suunniteltu pienen dispersion toimintaan laajemmalla aallonpituusalueella välillä n. 1300 - 1550 nm. Voidaan käyttää prosessia, joka 20 on samantapainen kuin edellä kuvatussa esimerkissä. Alusput-kena käytetään sulatettua piidioksidiputkea, joka muodostaa ulomman verhouskerroksen 18. Kerros 16 voi koostua piidioksidista, joka on täytetty n. 1 mooli-%:lla fluoria. Ulompi ydinosa 12 muodostetaan kerrostamalla kerros piidioksidia, 25 joka on täytetty n. 4,5 mooli-%:lla Ge02:a kerroksen 14 sisäpinnalle. Taitekertoimen alentamiskerros 14 muodostetaan kerrostamalla kerros piidioksidia, joka on täytetty n. 2,6 mooli-%:lla fluoria. Lopuksi muodostetaan ytimen keskiosa 10 kerrostamalla toinen kerros piidioksidia, joka on täytet-30 ty n. 4,5 mooli-%:lla Ge02:a.

Esimuotti painetaan kasaan ja vedetään optiseksi aaltojohto-kuiduksi, jolla on seuraavat ominaisuudet. Ytimen 12 säde on n. 6,7 pm. Taitekertoimeltaan alennetun osan 14 ulkohal-• · 35 kaisija on n. 5,5 pm ja sisähalkaisija 3,3 pm. Taitekertoi meltaan alennettua verhousmateriaalia olevan osa 16 säteen tulee olla suurempi kuin n. 15 pm. Taitekertoimet n^, n2 ja n3 ovat samassa järjestyksessä 1,465, 1,456 ja 1,447.

i3 8231 4

Normaloidun taajuuden katkaisuarvo Vc on n. 5,0 ja katkaisu-aallonpituus Ac on n. 1115 nm. Suhteelllinen taitekerroinero Δ on 0,5 %. Osituskoko w0 on n. 5 pm. Tämän kuidun aaltojoh-todispersio-ominaisuudet ovat samantapaiset kuin kuvan 5 5 käyrällä 54. Todetaan, että 6,7 pm:n ydinsäde on lähes kaksi kertaa sellaisen vertailukelpoisen porrastetun taitekertoi-men kuidun ydinsäde, jonka ytimessä ei ole mitään taite-kertoimen alenemaa.

10 Vaikka kuvissa 2 ja 3 esitetyissä taitekerroinprofiileissa on ytimessä yksi ainoa alennetun taitekertoimen alue, tämä keksintö tarkastelee myös kuituytimiä, joissa on kaksi tai useampia alennetun taitekertoimen alueita. Kuvat 7-10 esittävät tällaisia kuituja.

15

Kuten kuvassa 7 esitetään, ytimen osia 75a ja 75b erottaa taitekertoimeltaan alennettu osa 76 ja ytimen osia 75b ja 75c erottaa taitekertoimeltaan alennettu osa 77. Verhouksella voi olla alennettu taitekerroin kuten yhtenäinen viiva 20 78 esittää tai alentamaton taitekerroin kuten katkoviiva 79 esittää. Alennusten taitekertoimet voivat olla suuremmat kuin verhouksella, kuten yhtenäiset viivat 76 ja 77 esittävät tai ne voivat olla pienemmät kuin verhouksella kuten katkoviivat 80 ja 81 esittävät.

25

Kuva 8 esittää samantapaista taitekerroinprofiilia kuin kuva 7 ja se esittää lisäksi sitä, että kullakin ytimen osalla 82a, 82b ja 82c voi olla eri taitekertoimen arvo ja että taitekertoimeltaan alennettujen osien 83 ja 84 ja osien 30 85 ja 86 taitekertoimet voivat olla erilaiset.

Kuva 9 esittää sitä, että taitekerroinhuiput ja alennukset voivat olla pyöristettyjä ja itse asiassa ytimen taiteker-roinkäyrä 88 voi vaihdella sinimäisesti (sin/kos-tyyppisin 35 taitekertoimen vaihteluin). Kuvan 9 rakenteen taitekerroinprofiilia voi edustaa seuraava yhtälö: 8231 4 (ηο+ΓΜ) (n0-nd) n(r) = - - - sin[mri(r)+0] r < a 2 2 a 5 = nclad r ^ a

Yllä olevassa yhtälössä m edustaa värähdysten lukumäärää, joiden alaiseksi taitekerroinprofiili joutuu, ja 0 on vaihe-10 siirtoparametri. Arvolla 0 = 90° jakautuma on kosinimainen.

Tämän rakenteen muuttujat, joita voidaan käyttää siirto-ominaisuuksien muuttamiseen, ovat m, 0 ja nd parametrien nl, nclad Ja a lisäksi.

15 Laskelmat ovat osoittaneet, että arvoilla m > 10 taiteker-toimen vaihtelut ovat liian nopeita toimintatavan seuraamiselle. Toimintatapa näkee tehokkaasti vain keskiarvoker-toimen. Mutta tapauksessa, jossa ytimen säteittäinen siir-tovakio U, joka määritellään lausekkeella (ν2-β2)1/^, sopii 20 yhteen sinimäisten häiriöiden jaksottaisuuden kanssa, res-nonanssien on mahdollista tapahtua. Näissä kohdissa siirto-ominaisuudet voivat muuttua voimakkaasti. Tällä ehdolla U on suunnilleen yhtä kuin nm/a. Näissä kohdissa siirtovakio, dispersio jne. voivat olla aivan erilaiset kuin tavanomai-25 sessa tapauksessa. Tätä ominaisuutta voidaan käyttää suunniteltaessa yksimuotoisia aaltojohtoja, joilla on vaaditut dispersio-ominaisuudet.

Kuva 10 esittää, että sinimäinen vaihtelu 90 voi pienentyä 30 säteen kasvaessa pitkin jotakin keskiarvoa, jota edustaa katkoviiva 91. Vaihtoehtoisesti ytimen taitekertoimen vaihtelut voivat heilahdella jonkin keskiarvon suhteen, joka kasvaa säteen kasvaessa, kuten katkoviiva 92 esittää.

35 Voidaan nähdä, että kuvien 7-10 toteutusmuodoissa on käytettävissä lisämuuttujia verrattuna kuvien 2 ja 3 toteutusmuotoihin. Niinpä saattaa olla mahdollista saavuttaa parempi kuidun häviö- ja dispersio-ominaisuuksien optimointi laajalla aallonpituuksien alueella, kun kuituytimessä 40 on useampi kuin yksi taitekertoimen alenema.

Claims (9)

1. Yksimuotoinen optinen aaltojohtokuitu, joka käsittää läpinäkyvää materiaalia olevan ytimen, jonka maksimitaitekerroin on n^ ja säde a ja kerroksen läpinäkyvää verhous- 5 materiaalia tämän ytimen ulkopinnalla, verhouksen tai- tekertoimen n2 ollessa pienempi kuin n^, ytimen sisältäessä keskiosan (75a, 82a), jota ympäröi vähintään kaksi samankeskistä segmenttiä (75b, 75c; 82b, 82c), jota keskiosaa (75a, 82a) ja sisimmäistä (75b; 82b) näistä samankeski-10 sistä segmenteistä erottaa taitekertoimeltaan alennettu osa (76, 80; 83, 85) ja jokaista kahta vierekkäistä segmenttiä erottaa taitekertoimeltaan alennettu osa (77, 81; 84, 86), taitekertoimeltaan alennetuista osista sisimmän (76, 80; 83, 85) sisäsäteen a^ ollessa suurempi kuin 15 nolla ja taitekertoimeltaan alennetuista osista uloimman (77, 81; 84, 86) maksimisäteen aQ ollessa alle a, tunnettu siitä, että sanottujen segmenttien ja sanottujen osien taitekertoimet ja säteet on valittu yksimuotoisen kuidun muodostamiseksi. 20

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen aaltojohtokuitu, tunnettu siitä, että mainitussa verhouksessa on alue (78), jossa taitekerroin on alennettu lähellä mainitun ytimen ulkopintaa. 25

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen optinen aalto-johto, tunnettu siitä, että keskiosan (75a, 82a) ja jokaisen sanotun segmentin (75b, 75c, 82b, 82c) maksimi-taitekerroin on sama. 30

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen optinen aalto-johto, tunnettu siitä, että keskiosan (75a, 82a) ja segmenttien (75b, 75c, 82b, 82c) maksimitaitekertoimet eivät kaikki ole samoja. 35

5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen optinen aalto-johto, tunnettu siitä, että taitekertoimeltaan alennettujen osien (76, 77; 80, 81) taitekertoimet ovat samat. ie 8231 4

6. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen optinen aalto-johto, tunnettu siitä, että taitekertoimeltaan alennettujen osien (76, 77; 80, 81) taitekertoimet eivät ole samat.

7. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen optinen aalto- johto, tunnettu siitä, että keskiosan (75a, 82a), segmenttien (75b, 75c, 82b, 82c) ja taitekertoimeltaan alennettujen rengasmaisten osien (76, 77; 80, 81) yhdistelmätaitekerroin on sinimäinen (90). 10

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen optinen aaltojohto, tunnettu siitä, että ytimen tämä sinimäinen yhdistelmä-taitekertoimen vaihtelu (90) on asetettu säteittäisesti laskevan pohja-arvon (91) päälle. 15

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen optinen aaltojohto, tunnettu siitä, että ytimen tämä sinimäinen yhdistelmä-taitekertoimen vaihtelu (90) on asetettu säteittäisesti nousevan pohja-arvon (92) päälle. 20