PL219976B1

PL219976B1 - Jednomodowy kwarcowy światłowód skokowy

Info

Publication number: PL219976B1
Application number: PL396333A
Authority: PL
Inventors: Tomasz Kaczmarek
Original assignee: Politechnika Swietokrzyska
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2015-08-31
Also published as: PL396333A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest jednomodowy kwarcowy światłowód skokowy stosowany zwłaszcza w dalekosiężnej telekomunikacji solitonowej.

Znany jednomodowy kwarcowy światłowód skokowy posiadający płaszcz wykonany z czystego szkła kwarcowego o zawartości 100 m % SiO2 oraz rdzeń, przy czym współczynnik załamania światła rdzenia n1 jest większy od współczynnika załamania światła płaszcza n2 (n1 > n2), ponadto bezwzględna różnica współczynników załamania światła rdzenia i płaszcza Δη = n₁ - n₂ wynosi od 0,039 do 0,0430 korzystnie 0,041 a promień rdzenia światłowodu wynosi od 1,665 μm do 1,607 μm korzystnie 1,635 μm.

Rdzeń znanego światłowodu jest domieszkowany dwutlenkiem germanu na poziomie od 23,1 m % GeO2 do 25,1 m % GeO2 korzystnie 24,1 m % GeO2.

Dla znanego światłowodu skokowego, którego płaszcz jest wykonany z czystego szkła kwarcowego (100 m % SiO2), a rdzeń jest domieszkowany dwutlenkiem germanu (GeO2) o zawartości 24,1 m % co odpowiada wartości współczynnika Δn = n₁ - n₂ = 0,041, charakterystyka dyspersyjna modu podstawowego ma dwa miejsca zerowe w okolicach trzeciego okna transmisyjnego wynoszące odpowiednio X_ZD1 = 1,480 μm oraz X_ZD2 = 1,634 μm. Długość fali odcięcia modu drugiego XC jest równa λ_C = X_ZD1 = 1,480 μm co oznacza, że zakres pracy jednomodowej odpowiada zakresowi dyspersji anomalnej i jest ograniczony od góry drugim miejscem zerowym charakterystyki dyspersyjnej X_ZD2 = 1,634 μm. Maksymalna wartość parametru D, w zakresie od X_ZD1; = 1,480 μm do X_ZD2 = 1,634 μm wynosząca tylko D = 0,177 ps/(km nm) odpowiada trzeciemu oknu transmisyjnemu, czyli długości fali λ = 1,55 μm. Dla długości fali λ odpowiadającej trzeciemu oknu transmisyjnemu λ = 1,55 μm oraz dla szerokości początkowej impulsu T0 wynoszącej T0 = 1 ps wartość szczytowa solitonu podstawowego P0 wynosi P0 = 27 mW, natomiast długość dyspersyjna LD wynosi LD = 4,4 km, a związany z długością dyspersyjną okres solitonowy z0 wynosi z0 = 6,9 km.

W celu uzyskania efektu zakrzywienia charakterystyki dyspersyjnej w zakresie od 1 do 2 μm światłowód ten posiada znaczną ilość domieszki dwutlenku germanu w rdzeniu.

Jednomodowy kwarcowy światłowód skokowy posiadający płaszcz wykonany ze szkła kwarcowego domieszkowanego fluorem oraz rdzeń wykonany ze szkła kwarcowego domieszkowanego dwutlenkiem germanu, przy czym współczynnik załamania światła rdzenia jest większy od współczynnika załamania światła płaszcza, według wynalazku charakteryzuje się tym, że bezwzględna różnica współczynników załamania światła rdzenia i płaszcza Δn = n₁ - n₂ wynosi od 0,0385 do 0,0425 korzystnie 0,0405 a promień rdzenia światłowodu wynosi od 1,677 μm do 1,618 μm korzystnie 1,646 μm, gdy ilość domieszki fluorowej w płaszczu wynosi 1 m %, przy czym rdzeń światłowodu jest domieszkowany dwutlenkiem germanu na poziomie od 22,8 m % GeO2 do 24,9 m % GeO2 korzystnie 23,9 m % GeO2 przy 1 m % fluoru w płaszczu.

Jednomodowy kwarcowy światłowód skokowy posiadający płaszcz wykonany ze szkła kwarcowego domieszkowany fluorem o zawartości 98 m % SiO2 i 2 m % F oraz rdzeń, przy czym współczynnik załamania światła rdzenia n1 jest większy od współczynnika załamania światła płaszcza n2 (n1 > n2), według wynalazku charakteryzuje się tym, że bezwzględna różnica współczynników załamania światła rdzenia i płaszcza Δn = n₁ - n₂ wynosi od 0,0375 do 0,0415 korzystnie 0,0395, a promień rdzenia światłowodu wynosi od 1,690 μm do 1,629 μm korzystnie 1,658 μm przy czym rdzeń jest domieszkowany dwutlenkiem germanu na poziomie od 22,3 m % GeO2 do 24,4 m % GeO2, korzystnie 23,4 m % GeO2, gdy ilość domieszki fluorowej w płaszczu wynosi 2 m %.

Domieszkowanie płaszcza światłowodu fluorem umożliwia zmniejszenie ilości domieszki GeO2 w rdzeniu, której zbyt duża ilość może utrudnić skuteczne wykonanie przedmiotowego światłowodu. Dodanie fluoru do płaszcza pozwala zachować korzystny kształt charakterystyki dyspersyjnej światłowodu w okolicach trzeciego okna transmisyjnego.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia jednomodowy kwarcowy światłowód skokowy w rzucie perspektywicznym wraz z profilem współczynnika, a fig. 2 - zestaw charakterystyk dyspersyjnych światłowodu skokowego dostosowanego do propagacji solitonów jasnych, gdy ilość domieszki fluorowej w płaszczu światłowodu wynosi 1 m %, podczas gdy fig. 3 - zestaw charakterystyk dyspersyjnych światłowodu skokowego dostosowanego do propagacji solitonów jasnych, gdy ilość domieszki fluorowej w płaszczu światłowodu wynosi 2 m %.

PL 219 976 B1

Płaszcz P światłowodu skokowego, o promieniu b, jest wykonany ze szkła kwarcowego domieszkowanego fluorem, natomiast rdzeń R jest wykonany ze szkła kwarcowego domieszkowanego dwutlenkiem germanu w ilości 23,9 m %, gdy płaszcz wykonany jest z 99 m % SiO2 oraz 1 m % F, natomiast ilość dwutlenku germanu w rdzeniu wynosi 23,4 m %, gdy płaszcz wykonany jest z 98 m % SiO2 oraz 2 m % F.

Domieszkowanie płaszcza P przy pomocy fluoru (F) powoduje nie tylko zmniejszenie ilości domieszki GeO2 wynikające ze zmniejszenia wartości współczynnika załamania płaszcza, które to zmniejszenie wynika ze specyfiki fluoru, jako domieszki obniżającej wartość współczynnika załamania szkła kwarcowego domieszkowanego fluorem w porównaniu z czystym szkłem kwarcowym (przy założeniu, że Δη = constans) ale dodatkowo wzrostowi wartości domieszki fluoru w płaszczu towarzyszy również zmniejszenie wartości parametru Δn co dodatkowo obniża ilość GeO₂ w rdzeniu oraz zwiększenie wartości promienia rdzenia, co może ułatwić wykonanie przedmiotowego światłowodu.

Zbyt duża ilość domieszki fluoru w szkle kwarcowym płaszcza jest niekorzystna z punktu widzenia zastosowania takiego światłowodu w transmisji solionowej, z tego powodu, że moc solitonu podstawowego może znacznie przekroczyć wartości mocy szczytowej komercyjnie dostępnych laserów półprzewodnikowych pracujących w okolicach trzeciego okna transmisyjnego.

Dla światłowodu skokowego, którego płaszcz P jest wykonany ze szkła kwarcowego domieszkowanego fluorem w ilości 1 m % F, a rdzeń R jest domieszkowany dwutlenkiem germanu (GeO2) o zawartości 23,9 m %, wartości współczynnika Δη = n₁ - n₂ = 0,0405, wówczas charakterystyka dyspersyjna modu podstawowego ma dwa miejsca zerowe w okolicach trzeciego okna transmisyjnego wynoszące odpowiednio X_ZD1 = 1,479 μm oraz X_ZD2= 1,633 μm. Długość fali odcięcia modu drugiego XC jest równa XC = X_ZD1 = 1,479 μm co oznacza, że zakres pracy jednomodowej odpowiada zakresowi dyspersji anomalnej i jest ograniczony od góry drugim miejscem zerowym charakterystyki dyspersyjnej X_7D2 = 1,633 μm. Maksymalna wartość parametru D, w zakresie od X_ZD1 = 1,479 μm do X_ZD2 = 1,633 μm, wynosi D = 0,176 ps/(km nm) i odpowiada trzeciemu oknu transmisyjnemu, czyli długości fali λ = 1,55 μm. Dla długości fali λ odpowiadającej trzeciemu oknu transmisyjnemu λ = 1,55 μm oraz dla szerokości początkowej impulsu T0 wynoszącej T0 = 1 ps wartość szczytowa solitonu podstawowego P0 wynosi P0 = 27,1 mW natomiast długość dyspersyjna LD wynosi LD = 4,45 km, a związany z długością dyspersyjną okres solitonowy z0 wynosi z0 = 6,99 km.

W tabeli 1 przedstawiono wartości parametrów światłowodu (Δπ, V, α), którego płaszcz jest wykonany ze szkła kwarcowego domieszkowanego 1 m % F, znaczące wartości parametrów modu podstawowego (®_EFF, A_EFF, γ, D, β₂, λ^ι, λ^ λ^, modu drugiego (λ₀) oraz wartości parametrów solitonu podstawowego (P₀, A₀, LD, z₀), przy czym wartości parametrów D, β₂ wyznaczono przy założeniu, że długość fali λ wynosi λ = 1,55 μm, natomiast wartości parametrów P₀, A₀, LD, z₀ wyznaczone zostały przy założeniu, że długość fali λ wynosi λ = 1,55 μm oraz szerokość początkowa impulsu T₀ wynosi T0 = 1 ps.

Dla światłowodu skokowego, którego płaszcz P jest wykonany ze szkła kwarcowego domieszkowanego fluorem w ilości 2 m % F, a rdzeń R jest domieszkowany dwutlenkiem germanu (GeO2) o zawartości 23,4 m %, wartości współczynnika Δn = n₁ - n₂ = 0,0395, wówczas charakterystyka dyspersyjna modu podstawowego ma dwa miejsca zerowe w okolicach trzeciego okna transmisyjnego wynoszące odpowiednio λ^ι = 1,469 μm oraz λ^₂ = 1,649 μm. Długość fali odcięcia modu drugiego λ_C jest równa λ_C = λ^ι = 1,469 μm co oznacza, że zakres pracy jednomodowej odpowiada zakresowi dyspersji anomalnej i jest ograniczony od góry drugim miejscem zerowym charakterystyki dyspersyjnej λ^₂ = 1,649 μm. Maksymalna wartość parametru D, w zakresie od λ^ = 1,469 μm do λ^ = 1,649 μm wynosi D = 0,224 ps/(km nm) i odpowiada trzeciemu oknu transmisyjnemu, czyli długości fali λ = 1,55 μm. Dla długości fali λ odpowiadającej trzeciemu oknu transmisyjnemu λ = 1,55 μm oraz dla szerokości początkowej impulsu T0 wynoszącej T0 = 1 ps wartość szczytowa solitonu podstawowego P0 wynosi P0 = 35,20 mW, natomiast długość dyspersyjna LD wynosi LD = 3,50 km, a związany z długością dyspersyjną okres solitonowy z0 wynosi z0 = 4,50 km.

W tabeli 2 przedstawiono wartości parametrów światłowodu (Δπ, V, α), którego płaszcz jest wykonany ze szkła kwarcowego domieszkowanego 2 m % F, znaczące wartości parametrów modu podstawowego (a>_EFF, A_EFF, γ, D, β₂, h_ZD1, λ_ΜΑΧ, X_ZD2), modu drugiego (λ₀) oraz wartości parametrów solitonu podstawowego (P0, A0, LD, z0), przy czym wartości parametrów D, β2 wyznaczono przy założeniu, że długość fali λ wynosi λ = 1,55 μm, natomiast wartości parametrów P₀, A₀, LD, z₀ wyznaczone zostały przy założeniu, że długość fali λ wynosi λ = 1,55 μm, oraz szerokość początkowa impulsu T₀wynosi T0 = 1 ps.

PL 219 976 B1

T a b e l a 1

Parametr	Jednostka	Δη=0,0385	Δη=0,0390	Δη=0,0395	O o o θ' II c <1	Δη=0,0405	Δη=0,0410	Δη=0,0415	Δη=0,0420	Δη=0,0425
V	-	2,278	2,282	2,286	2,290	2,294	2,298	2,302	2,306	2,310
α	μm	1,677	1,669	1,661	1,653	1,646	1,639	1,631	1,624	1,617
^EFF	μπ	1,891	1,880	1,869	1,859	1,848	1,838	1,828	1,818	1,809
Aeff	μπ²	11,23	11,10	10,98	10,85	10,73	10,61	10,50	10,39	10,28
f	km^-1W¹	7,939	8,032	8,125	8,218	8,311	8,403	8,495	8,587	8,679
λc	μπ	1,469	1,471	1,474	1,476	1,479	1,482	1,484	1,487	1,489
‘t-ZDl	μπ	1,469	1,471	1,474	1,476	1,479	1,482	1,484	1,487	1,489
Fmax	μπ	1,601	1,586	1,573	1,561	1,550	1,540	1,531	1,522	1,515
Fzd2	μπ	1,833	1,751	1,703	1,665	1,633	1,606	1,582	1,560	1,540
D	ps-km'¹-nm'¹	0,439	0,367	0,300	0,236	0,176	0,121	0,069	0,022	-0,022
β2	ps²-km'¹	-0,560	-0,468	-0,382	-0,310	-0,225	-0,154	-0,088	-0,027	0,028
Po	mW	70,48	58,28	47,04	36,57	27,05	18,30	10,36	3,194	-
Ao	-	0,265	0,241	0,217	0,191	0,164	0,135	0,102	0,057	-
Ld	km	1,787	2,136	2,617	3,327	4,448	6,502	11,36	36,47	-
zo	km	2,807	3,335	4,110	5,226	6,987	10,21	17,85	57,28	-

T a b e l a 2

Parametr	Jednostka	Δη=0,0375	Δη=0,0380	Δη=0,0385	Δη=0,0390	Δη=0,0395	Ο ο ”3- ο θ' II C <1	Δη=0,0405	Δη=0,0410	Δη=0,0415
V	-	2,263	2,267	2,271	2,275	2,279	2,283	2,287	2,291	2,295
α	μπ	1,690	1,682	1,674	1,666	1,658	1,651	1,643	1,636	1,629
^EFF	μπ	1,914	1,903	1,892	1,881	1,870	1,859	1,849	1,839	1,829
Aeff	μπ²	11,51	11,37	11,24	11,11	10,98	10,86	10,74	10,62	10,51
f	km'¹W¹	7,746	7,840	7,934	8,027	8,120	8,213	8,305	8,397	8,489
λc	μπ	1,459	1,462	1,464	1,467	1,469	1,472	1,475	1,477	1,480
^ZD1	μπ	1,459	1,462	1,464	1,467	1,469	1,472	1,475	1,477	1,480
Fmax	μπ	1,606	1,589	1,574	1,562	1,550	1,540	1,530	1,521	1,513
Fzd2	μπ	-	1,795	1,729	1,684	1,649	1,618	1,592	1,568	1,547
D	ps-km'¹-nm'¹	0,522	0,441	0,365	0,292	0,224	0,160	0,100	0,044	-0,008
β2	ps²km^-1	-0,667	-0,563	-0,465	-0,373	-0,286	-0,204	-0,128	-0,057	-0,010
Po	mW	86,05	71,83	58,66	46,48	35,20	24,84	15,37	6,742	-
Ao	-	0,293	0,268	0,242	0,216	0,188	0,158	0,124	0,082	-
Ld	km	1,500	1,776	2,149	2,680	3,499	4,902	7,835	17,66	-
zo	km	2,356	2,789	3,376	4,210	5,496	7,700	12,31	27,74	-

PL 219 976 B1

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Jednomodowy kwarcowy światłowód skokowy posiadający płaszcz wykonany ze szkła kwarcowego domieszkowany fluorem o zawartości 99 m % SiO2 i 1 m % F oraz rdzeń, przy czym współczynnik załamania światła rdzenia n1 jest większy od współczynnika załamania światła płaszcza n2 (n1 > n2), znamienny tym, że bezwzględna różnica współczynników załamania światła rdzenia i płaszcza Δη = n₁ - n2 wynosi od 0,0385 do 0,0425 korzystnie 0,0405 a promień (a) rdzenia (R) światłowodu wynosi od 1,677 μm do 1,618 μm korzystnie 1,646 μm, przy czym rdzeń (R) jest domieszkowany dwutlenkiem germanu na poziomie od 22,8 m % GeO₂ do 24,9 m % GeO₂ korzystnie 23,9 m % GeO₂.

2. Jednomodowy kwarcowy światłowód skokowy posiadający płaszcz wykonany ze szkła kwarcowego domieszkowany fluorem o zawartości 98 m% SiO2 i 2 m % F oraz rdzeń, przy czym współczynnik załamania światła rdzenia n1 jest większy od współczynnika załamania światła płaszcza n₂ (n₁ > n₂), znamienny tym, że bezwzględna różnica współczynników załamania światła rdzenia i płaszcza Δn = n₁ - n₂ wynosi od 0,0375 do 0,0415 korzystnie 0,0395 a promień (a) rdzenia (R) światłowodu wynosi od 1,690 μm do 1,629 μm korzystnie 1,658 μm, przy czym rdzeń (R) jest domieszkowany dwutlenkiem germanu na poziomie od 22,3 m % GeO₂ do 24,4 m % GeO₂ korzystnie 23,4 m % GeO₂.