PL220754B1

PL220754B1 - Światłowód współosiowy

Info

Publication number: PL220754B1
Application number: PL401019A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Kowalski
Original assignee: Telekomunikacja Polska Spółka Akcyjna
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2012-10-02
Publication date: 2015-12-31
Also published as: PL401019A1; EP2717077B1; EP2717077A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest światłowód współosiowy zawierający rdzeń z kołowym przekrojem poprzecznym oraz rozpięte wokół niego obszar propagacji i ekran z przekrojami poprzecznymi w postaci pierścieni kołowych z odpowiednio dobranymi wartościami numerycznymi długości ich wewnętrznych i zewnętrznych promieni oraz współczynników załamania. Światłowód współosiowy umieszczony jest w powietrzu, zwanym dalej otoczeniem ekranu.

Podstawy konstrukcji i właściwości propagacyjne standardowych cylindrycznych światłowodów telekomunikacyjnych są opisane w książce J. M. Midwinter „Światłowody telekomunikacyjne”, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1983, oraz w książce Jerzy Siuzdak „Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej”, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1997. Zaś modelowanie i propagacja fal elektromagnetycznych w kapilarnych prowadnicach falowych są opisane w książce Ryszard S. Romaniuk „Światłowody kapilarne”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2010.

Znane z literatury technicznej światłowody cylindryczne, stanowiące optyczne prowadnice falowe, dzielą się na dwie grupy: wielomodowe i jednomodowe. W światłowodach wielomodowych propagowanych jest wiele modów, przy czym każdy związany jest z innym rozkładem pola elektromagnetycznego i każdy z nich propagowany jest wzdłuż długości światłowodu z nieco inną prędkością. W tych światłowodach moc fali niesiona jest głównie w obszarze rdzenia, a stąd właściwości takiej prowadnicy falowej zależą w głównej mierze od właściwości optycznych materiału rdzenia. W światłowodach cylindrycznych materiałami optycznymi są czyste szkło SiO2 lub polimer PMMA (skrót od nazwy Polymethyl Methacrylate - polimetakrylan metylu). Przykłady wykonania światłowodów cylindrycznych z polimerem PMMA są opisane w europejskim zgłoszeniu patentowym EP 0126428 A2 oraz japońskim opisie patentowym JP 6010692 B.

Własności transmisyjne szklanego włókna optycznego stosowanego w światłowodach opisane są w książce A. Szwedowski, R. S. Romaniuk „Szkło optyczne i foniczne. Własności techniczne”, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2009.

Dla prowadzenia sygnałów o dużych przepływnościach, w zastosowaniach do transmisji sygnałów na duże odległości lub w konstrukcji czujników optycznych, stosowane są światłowody jednomodowe (EP 2 402 799 A1). Światłowód jednomodowy jest światłowodem o odpowiednio małej średnicy rdzenia (kilka mikrometrów) i małej różnicy współczynników załamania między rdzeniem a płaszczem (około 1%), tak aby prowadzony był jeden i tylko jeden mod fali elektromagnetycznej. W takim światłowodzie moc niesiona jest zarówno w obszarze rdzenia, jak i w obszarze płaszcza. Właściwości propagacyjne tego światłowodu zależą więc zarówno od właściwości optycznych materiału rdzenia, jak i płaszcza. Dotyczy to zarówno sumarycznej tłumienności, jak i dyspersji impulsów. Dyspersja jest sumą dyspersji materiałowej, zależnej od właściwości materiału płaszcza i rdzenia, jak i falowej, związanej z efektami falowymi. Zmieniając profil domieszkowania lub skład materiału rdzenia można wpłynąć na wartość i przebieg zmian dyspersji w funkcji długości fali sygnału optycznego. Małą tłumienność jednostkową uzyskuje się przez zastosowanie do budowy, rdzenia i płaszcza, materiałów o niskiej tłumienności jednostkowej.

W światłowodzie współosiowym około 99% mocy całkowitej niesione jest w obszarze propagacji światłowodu współosiowego i tłumienie fali elektromagnetycznej, w większości zależy od właściwości tłumiących dielektryka wypełniającego obszar propagacji, znajdujący się między rdzeniem a ekranem, o przekroju poprzecznym, prostopadłym do osi rdzenia, w kształcie pierścienia kołowego.

W amerykańskiej publikacji zgłoszenia patentowego nr US 2012/0106909 A1 jest opisany obszar włókna szklanego o dużej efektywności z niskim zakresem strat. Jest on utworzony ze środkowego rdzenia szklanego, dla którego maksymalna różnica procentowa współczynnika załamania jest oznaczona symbolem A_1max, pierwszego wewnętrznego obszaru w postaci pierścienia kołowego stanowiącego otoczenie wymienionego rdzenia szklanego, dla którego różnica procentowa współczynnika załamania jest oznaczona symbolem Δ₂, obszaru w postaci wąskiego pierścienia kołowego, dla którego różnica procentowa współczynnika załamania jest oznaczona symbolem Δ₃ oraz trzeciego obszaru w postaci pierścienia kołowego, dla którego różnica procentowa współczynnika załamania jest oznaczona symbolem Δ4, przy czym relacje między ich wartościami numerycznymi są wyrażone potrójną nierównością Δ₃ < Δ₂ < Δ₄ < Δ·^, zaś procentowe różnice współczynników załamania są mniejsze od 1%.

PL 220 754 B1

Istota światłowodu współosiowego, według wynalazku, polega na tym, że rdzeń z kołowym przekrojem poprzecznym i ekran z przekrojem poprzecznym w postaci pierścienia kołowego są wykonane z czystego szkła SiO2. Długość promienia rdzenia z czystego szkła SiO2 przyjmuje wartość numeryczną 0,49±5% mikrometra, długość zewnętrznego promienia pierścienia kołowego obszaru propagacji z dielektryka przyjmuje wartość numeryczną 42±5% mikrometra oraz grubość ekranu z czystego szkła SiO2 przyjmuje wartość numeryczną 0,6±5% mikrometra. Relacje między wartościami numerycznymi współczynnika załamania rdzenia z czystego szkła SiO2 n1, współczynnika załamania obszaru propagacji z dielektryka n2, współczynnika załamania ekranu z czystego szkła SiO2 n3 oraz współczynnika załamania otoczenia ekranu n4 wyraża podwójna nierówność n4 < n2 < n1 oraz równanie n1 = n3.

Korzystnie, gdy dielektrykiem obszaru propagacji jest metan.

Korzystnie, gdy współczynnik załamania rdzenia z czystego szkła SiO2 n1 = 1,47, współczynnik załamania obszaru propagacji n2 = 1,00044, współczynnik załamania ekranu z czystego szkła SiO2 n3 = 1,47 oraz współczynnik załamania otoczenia ekranu n4 = 1,0003.

Istota odmiany światłowodu współosiowego, według wynalazku, polega na tym, że rdzeń z kołowym przekrojem poprzecznym i ekran z przekrojem poprzecznym w postaci pierścienia kołowego są wykonane z polimeru PMMA. Długość promienia rdzenia z polimeru PMMA przyjmuje wartość numeryczną 0,49±5% mikrometra, długość zewnętrznego promienia pierścienia kołowego obszaru propagacji z dielektryka przyjmuje wartość numeryczną 42±5% mikrometra oraz grubość ekranu z polimeru PMMA przyjmuje wartość numeryczną 0,6±5% mikrometra. Relacje między wartościami numerycznymi współczynnika załamania rdzenia z polimeru PMMA n1, współczynnika załamania obszaru propagacji z dielektryka n2, współczynnika załamania ekranu z polimeru PMMA n3 oraz współczynnika załamania otoczenia ekranu n4 wyraża podwójna nierówność n4 < n2 < n4 oraz równanie n1 = n3.

Korzystnie, gdy dielektrykiem obszaru propagacji jest metan.

Korzystnie, gdy współczynnik załamania rdzenia z polimeru PMMA n1 = 1,48, współczynnik załamania obszaru propagacji n2 = 1,00044, współczynnik załamania ekranu z polimeru PMMA n3 = 1,48 oraz współczynnik załamania otoczenia ekranu n4 = 1,0003.

Podstawowe korzystne skutki stosowania światłowodu współosiowego, według wynalazku, w odniesieniu do dotychczasowego stanu techniki, polegają na tym, że przy odpowiednio dobranych wartościach numerycznych długości promieni i współczynników załamania, transmitowana nim jest tylko jedna fala elektromagnetyczna (praca jednomodowa), w zakresie długości fal od około 1300 nm (nanometrów) do około 1800 nm (nanometrów), a sygnał optyczny podlega małemu tłumieniu i małej dyspersji. Około 99% sygnału optycznego niesione jest w obszarze propagacji, a tylko około 1% w obszarach rdzenia i ekranu. Właściwości transmisyjne światłowodu współosiowego zależą w głównej mierze od właściwości obszaru propagacji, który ma współczynnik załamania zbliżony do próżni, bliski 1,0. Ze względu na to, że tłumienność związana z rozproszeniem Raylegh'a, jak i dyspersyjność materiału (zmienność prędkości fali w funkcji długości fali) maleją dla materiałów o współczynniku załamania bliskich 1,0, światłowód współosiowy ma niską tłumienność i dobre właściwości dyspersyjne.

Przykład wykonania światłowodu współosiowego, według wynalazku, jest odtworzony na rysunku w postaci przekroju poprzecznego.

Przykład wykonania światłowodu współosiowego, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że rdzeń z kołowym przekrojem poprzecznym i ekran z przekrojem poprzecznym w postaci pierścienia kołowego są wykonane z czystego szkła SiO2. Długość promienia rdzenia z czystego szkła SiO2 przyjmuje wartość numeryczną £1 = 0,49±5% mikrometra, długość zewnętrznego promienia pierścienia kołowego obszaru propagacji z dielektryka przyjmuje wartość numeryczną £2 = 42±5% mikrometra oraz grubość ekranu z czystego szkła SiO₂ przyjmuje wartość numeryczną £3 - £2 = 0,6±5% mikrometra. Relacje między wartościami numerycznymi współczynnika załamania rdzenia z czystego szkła SiO2 n1, współczynnika załamania obszaru propagacji z dielektryka n2, współczynnika załamania ekranu z czystego szkła SiO2 n3 oraz współczynnika załamania otoczenia ekranu n4 wyraża podwójna nierówność n4 < n2 < n1 oraz równanie n1 = n3.

W szczególnej realizacji światłowodu współosiowego, którego rdzeń z kołowym przekrojem poprzecznym i ekran z przekrojem poprzecznym w postaci pierścienia kołowego są wykonane z czystego szkła SiO2, dielekt£ykiem obsza£u p£opagacji jest metan.

W korzystnym wariancie wykonania światłowodu współosiowego, którego rdzeń z kołowym przekrojem poprzecznym i ekran z przekrojem poprzecznym w postaci pierścienia kołowego są wyko4

PL 220 754 B1 nane z czystego szkła SiO2, współczynnik załamania rdzenia z czystego szkła SiO2 n1 = 1,47, współczynnik załamania obszaru propagacji n2 = 1,00044, współczynnik załamania ekranu z czystego szkła SiO2 n3 = 1,47 oraz współczynnik załamania otoczenia ekranu n4 = 1,0003.

W przykładzie wykonania odmiany światłowodu współosiowego, według wynalazku, rdzeń z kołowym przekrojem poprzecznym i ekran z przekrojem poprzecznym w postaci pierścienia kołowego są wykonane z polimeru PMMA. Długość promienia rdzenia z polimeru PMMA przyjmuje wartość numeryczną £1 = 0,49±5% mikrometra, długość zewnętrznego promienia pierścienia kołowego obszaru propagacji z dielektryka przyjmuje wartość numeryczną £2 = 42±5% mikrometra oraz grubość ekranu z polimeru PMMA przyjmuje wartość numeryczną £3 - £2 = 0,6±5% mikrometra. Relacje między wartościami numerycznymi współczynnika załamania rdzenia z polimeru PMMA n_1f współczynnika załamania obszaru propagacji z dielektryka n2, współczynnika załamania ekranu z polimeru PMMA n3 oraz współczynnika załamania otoczenia ekranu n4 wyraża podwójna nierówność n4 < n2 < n1 oraz równanie n1 = n3.

W korzystnej realizacji odmiany światłowodu współosiowego, dielektrykiem obszaru propagacji jest metan.

W korzystnej wersji wykonania odmiany światłowodu współosiowego współczynnik załamania rdzenia z polimeru PMMA n1 = 1,48, współczynnik załamania obszaru propagacji n2 = 1,00044, współczynnik załamania ekranu z polimeru PMMA n3 = 1,48 oraz współczynnik załamania otoczenia ekranu n4 = 1,0003.

Jakkolwiek światłowód współosiowy, według wynalazku, określono sześcioma zastrzeżeniami patentowymi, przedstawiono w postaci konkretnych przykładów wykonania w opisie wynalazku i odtworzono na rysunku, to dla znawcy z dziedziny światłowodów współosiowych, jest oczywiste, że zawarte w nich dane o światłowodzie współosiowym, nie mogą być interpretowane jako ograniczające ideę wynalazczą tylko do tych danych i tylko dla wskazanego zakresu długości fali.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Światłowód współosiowy zawierający rdzeń z kołowym przekrojem poprzecznym oraz rozpięte wokół niego obszar propagacji i ekran z przekrojami poprzecznymi w postaci pierścieni kołowych, znamienny tym, że rdzeń z kołowym przekrojem poprzecznym i ekran z przekrojem poprzecznym w postaci pierścienia kołowego są wykonane z czystego szkła SiO2, przy czym długość promienia rdzenia z czystego szkła SiO₂ przyjmuje wartość numeryczną £1 = 0,49±5% mikrometra, długość zewnętrznego promienia pierścienia kołowego obszaru propagacji z dielektryka przyjmuje wartość numeryczną £2 = 42±5% mikrometra oraz grubość ekranu z czystego szkła SiO₂ przyjmuje wartość numeryczną £3 - £2 = 0,6±5% mikrometra, przy czym relacje między wartościami numerycznymi współczynnika załamania rdzenia z czystego szkła SiO₂ n_1f współczynnika załamania obszarn propagacji z dielekt£yka n2, współczynnika załamania ekranu z czystego szkła SiO2 n3 oraz współczynnika załamania otoczenia ek£anu n4 wyraża podwójna nierówność n4 < n2 < n1 o£az równanie n1 = n3.
2. Światłowód współosiowy według zastrz. 1, znamienny tym, że dielektrykiem obszaru propagacji jest metan.
3. Światłowód współosiowy według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że współczynnik załamania rdzenia z czystego szkła SiO2 n1 = 1,47, współczynnik załamania obszaru propagacji n2 = 1,00044, współczynnik załamania ekranu z czystego szkła SiO2 n3 = 1,47 oraz współczynnik załamania otoczenia ek£anu n4 = 1,0003.
4. Światłowód współosiowy zawierający rdzeń z kołowym przekrojem poprzecznym oraz rozpięte wokół niego obszar propagacji i ekran z przekrojami poprzecznymi w postaci pierścieni kołowych, znamienny tym, że rdzeń z kołowym przekrojem poprzecznym i ekran z przekrojem poprzecznym w postaci pierścienia kołowego są wykonane z polimeru PMMA, przy czym długość promienia rdzenia z polimeru PMMA przyjmuje wartość numeryczną £1 = 0,49±5% mikrometra, długość zewnętrznego promienia pierścienia kołowego obszaru propagacji z dielektryka przyjmuje wartość numeryczną £2 = 42±5% mikrometra oraz grubość ekranu z polimeru PMMA przyjmuje wartość numeryczną £3 - £2 = 0,6±5% mikrometra, przy czym relacje między wartościami numerycznymi współczynnika załamania rdzenia z polimeru PMMA n_1f współczynnika załamania obszaru propagacji z dielektryka n₂, współczynnika załamania ekranu z polimeru PMMA n3 oraz współczynnika załamania otoczenia ek£anu n4 wyraża podwójna nierówność n4 < n2 < n1 oraz równanie n1 = n3.

PL 220 754 B1
5. Światłowód współosiowy według zastrz. 4, znamienny tym, że dielektrykiem obszaru propagacji jest metan.
6. Światłowód współosiowy według zastrz. 4 albo 5, znamienny tym, że współczynnik załamania rdzenia z polimeru PMMA n1 = 1,48, współczynnik załamania obszaru propagacji n2 = 1,00044, współczynnik załamania ekranu z polimeru PMMA n3 = 1,48 oraz współczynnik załamania otoczenia ekranu n4 = 1,0003.