RU2172505C2

RU2172505C2 - Single-mode optical waveguide with large effective area

Info

Publication number: RU2172505C2
Application number: RU97102028A
Authority: RU
Inventors: Янминг Лю
Original assignee: Корнинг Инкорпорейтед
Priority date: 1996-02-12
Filing date: 1997-02-11
Publication date: 2001-08-20

Abstract

FIELD: optics. SUBSTANCE: single-mode optical waveguide fiber includes operational window on wave length 1550 nm and region of core having profile of refractive index incorporating three sections as minimum and layer of coat having profile of refractive index. Refractive index of at least part of mentioned-above profile of region of core is greater than refractive index of at least part of mentioned profile of layer of coat and at least one section of mentioned-above profile of core has minimal refractive index lesser than minimal refractive index of layer of coat. According to one version of manufacture optical waveguide fiber has effective area larger than 90 μm² in operational window on wave length 1550 nm and ratio of effective area to area of field of mode greater than 1.3. In correspondence with another version optical waveguide fiber has bimodal characteristic of intensity of electric field multiplied by radius. EFFECT: manufacture of optical waveguide fiber whose normal operation with bending is comparable with normal operation of traditional optical waveguide fiber with stepped refractive index, reduction of undesirable non-linear waveguide effects. 16 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к одномодовому оптическому волноводному волокну с большой эффективной площадью (А_эфф) для техники связи. Одномодовый волновод с большой эффективной площадью имеет меньшие нелинейные оптические эффекты, в том числе меньшие фазовую автомодуляцию, четырехволновое смешение, перекрестную фазовую модуляцию и процессы . Каждый из этих эффектов вызывает искажение сигнала в системах, передающих большую мощность.The invention relates to a single-mode optical waveguide fiber with a large effective area (A _eff ) for communication technology. A single-mode waveguide with a large effective area has smaller nonlinear optical effects, including smaller phase self-modulation, four-wave mixing, cross-phase modulation, and processes. Each of these effects causes signal distortion in systems transmitting more power.

Процессы рассеяния, которые искажают сигнал, в общем виде описываются уравнением, содержащим член exp(cP/А_эфф), где с - постоянная, P - мощность сигнала. Другие нелинейные эффекты описываются уравнениями, которые включают P/А_эфф в качестве множителя. Таким образом, увеличение А_эфф вызывает уменьшение вклада нелинейных эффектов в искажение светового сигнала.The scattering processes that distort the signal are generally described by an equation containing the term exp (cP / A _eff ), where c is a constant, P is the signal power. Other non-linear effects are described by equations that include P / A _eff as a factor. Thus, an increase in A _eff causes a decrease in the contribution of nonlinear effects to the distortion of the light signal.

Требование отрасли связи по увеличению объема информации, передаваемого на большие расстояния без использования регенераторов, привело к переоценке подхода к разработке профилей показателя преломления одномодовых волокон. The requirement of the communications industry to increase the amount of information transmitted over long distances without the use of regenerators has led to a reassessment of the approach to the development of refractive index profiles of single-mode fibers.

Сущность этой переоценки заключается в том, чтобы создать оптические волноводы, которые:
- уменьшают нелинейные эффекты, такие как указанные выше,
- оптимизированы для уменьшения затухания в рабочем диапазоне длин волн около 1550 нм,
- совместимы с оптическими усилителями и
- сохраняют требуемые характеристики оптических волноводов, в частности, малое затухание, высокую прочность, усталостную прочность и устойчивость к изгибу.The essence of this reassessment is to create optical waveguides that:
- reduce non-linear effects, such as those indicated above,
- optimized to reduce attenuation in the operating wavelength range of about 1550 nm,
- compatible with optical amplifiers and
- retain the required characteristics of the optical waveguides, in particular, low attenuation, high strength, fatigue strength and resistance to bending.

Предшествующие разработки, такие как описанная в заявке на патент США N 08/378780, исходили из основных концепций конструкции сердцевины, состоящей из нескольких участков, впервые описанной в патенте США N 4715679. Для класса конструкций сердцевины, описанного в вышеуказанной заявке США N 08/378780, были созданы волноводы с большей эффективной площадью. В этой заявке была описана конкретная конструкция, включающая по меньшей мере одну область сердцевины, имеющую минимальный показатель преломления, меньший показателя преломления оболочки. Previous designs, such as those described in US Patent Application No. 08/378780, are based on the basic concepts of a multi-section core structure first described in US Pat. No. 4,715,679. For the class of core structures described in US Application No. 08/378780 above. , waveguides with a larger effective area were created. This application has described a specific structure comprising at least one core region having a minimum refractive index lower than the shell refractive index.

Дальнейшее изучение конструкций профиля показателя преломления сердцевины, имеющих области показателя преломления, меньшего, чем минимальный показатель преломления оболочки, привело к обнаружению двух принципиальных свойств волноводных волокон с очень большой эффективной площадью. Первым свойством является то, что распределение энергии моды, умноженной на радиус (взвешенной), то есть E² • r, где E - электрическое поле и r - радиус, является по меньшей мере бимодальным на графике зависимости от радиуса. Бимодальное распределение энергии моды может наблюдаться в виде либо двойного пика, либо пика со смежным сглаженным выступом. Понятно, что распределение энергии моды определяется направляющими структурами, включенными в профиль показателя преломления волновода. Известны профили показателя преломления с более сложным распределением энергии моды, чем бимодальное распределение. Новый волновод с очень большой эффективной площадью, кроме того, характеризуется отношением A_эфф к A_mf (определения см. ниже) большим, чем 1,3.Further study of core refractive index profile designs having refractive index regions smaller than the minimum cladding refractive index led to the discovery of two fundamental properties of waveguide fibers with a very large effective area. The first property is that the distribution of the mode energy multiplied by the radius (weighted), that is, E ² • r, where E is the electric field and r is the radius, is at least bimodal on the radius plot. A bimodal mode energy distribution can be observed as either a double peak or a peak with an adjacent smoothed protrusion. It is clear that the mode energy distribution is determined by the guiding structures included in the refractive index profile of the waveguide. Refractive index profiles are known with a more complex mode energy distribution than the bimodal distribution. A new waveguide with a very large effective area, in addition, is characterized by a ratio of A _eff to A _mf (for definitions see below) greater than 1.3.

На основе этих принципов была создана модель для предсказания свойств сердцевины, состоящей из нескольких участков, с целью разработки семейства конструкций сердцевины с такими A_эфф, распределением энергии моды (или распределением интенсивности электрического поля) и отношением эффективной площади к площади поля моды, которые делают волноводное волокно пригодным для использования в системах связи с самыми высокими рабочими характеристиками.Based on these principles, a model was created to predict the properties of a core consisting of several sections in order to develop a family of core designs with such A _eff , mode energy distribution (or electric field intensity distribution) and the ratio of the effective area to the mode field area that makes the waveguide fiber suitable for use in communication systems with the highest performance.

Определения
- Эффективная площадь равна
A_эфф = 2π(∫E²rdr)²/(∫E⁴rdr),
где пределы интегрирования от 0 до ∞,
а E - напряженность электрического поля световой волны.Definitions
- The effective area is
A _eff = 2π (∫E ² rdr) ² / (∫E ⁴ rdr),
where the integration limits are from 0 to ∞,
and E is the electric field strength of the light wave.

Эффективный диаметр D_эфф может быть определен, как
D_эфф = 2(A_эфф/π)^1/2.The effective diameter D _eff can be defined as
D _eff = 2 (A _eff / π) ^1/2 .

Площадь поля моды A_mf равна
π(D_mf/2)²,
где D_mf - диаметр поля моды, измеренный по II методу Петермана,
где 2w = D_mf и W² = (2∫E²rdr/∫[dE/dr]²rdr),, пределы интегрирования от 0 до ∞.The area of the mode field A _mf is
π (D _mf / 2) ² ,
where D _mf is the diameter of the mode field, measured according to the II method of Peterman,
where 2w = D _mf and W ² = (2∫E ² rdr / ∫ [dE / dr] ² rdr),, the integration limits are from 0 to ∞.

Отношение R = A_эфф/A_mf,
α-профиль определяется уравнением
n = n₀(1-Δ(r/a)^α),
где n₀ равно максимальному значению показателя преломления α -профиля, Δ определено выше, r - радиус и a - радиус, измеренный от первой до последней точки α -профиля показателя преломления. Можно полагать, что r равно нулю в точке по α-профиля показателя преломления, или первая точка профиля может быть смещена на определенное расстояние от центральной оси волновода. α-профиль с α, равным 1, имеет треугольную форму. Если α равно 2, то профиль показателя преломления является параболой. При α больше 2, и приближающемся к 6, профиль показателя преломления становится близким к ступенчатому. Точный ступенчатый профиль показателя преломления соответствует бесконечно большому значению α, но для практических целей α в диапазоне примерно от 4 до 6 соответствует профилю со ступенчатым изменением показателя преломления.The ratio R = A _eff / A _mf ,
The α profile is defined by the equation
n = n ₀ (1-Δ (r / a) ^α ),
where n ₀ is the maximum value of the refractive index of the α-profile, Δ is defined above, r is the radius and a is the radius measured from the first to the last point of the α-profile of the refractive index. It can be assumed that r is zero at a point along the α-profile of the refractive index, or the first point of the profile can be shifted by a certain distance from the central axis of the waveguide. The α profile with α equal to 1 has a triangular shape. If α is 2, then the profile of the refractive index is a parabola. When α is greater than 2, and approaching 6, the profile of the refractive index becomes close to stepwise. The exact stepwise profile of the refractive index corresponds to an infinitely large value of α, but for practical purposes, α in the range of about 4 to 6 corresponds to the profile with a stepwise change in the refractive index.

- Ширина участка профиля показателя преломления равна расстоянию между двумя вертикальными линиями, проведенными от начальной и конечной точек профиля показателя преломления до горизонтальной оси графика зависимости показателя преломления от радиуса. - The width of the section of the profile of the refractive index is equal to the distance between two vertical lines drawn from the start and end points of the profile of the refractive index to the horizontal axis of the graph of the dependence of the refractive index on the radius.

- Коэффициент Δ% равен
Δ% = [(n₁ ² - n_c ²)/2n₁ ²]•100, где n₁ - показатель преломления сердцевины и n_с - показатель преломления оболочки. Если не указано иное, то n₁ равен максимальному показателю преломления в области сердцевины, характеризуемой коэффициентом Δ%.- The coefficient Δ% is equal to
Δ% = [(n ₁ ² - n _c ² ) / 2n ₁ ² ] • 100, where n ₁ is the refractive index of the core and n _c is the refractive index of the shell. Unless otherwise indicated, n ₁ is equal to the maximum refractive index in the core region, characterized by a coefficient Δ%.

- Началом отсчета показателя преломления выбирают минимальное значение показателя преломления стеклянного слоя оболочки. Показатели преломления оболочки, меньшие этой минимальной величины, считаются отрицательными. - The reference value of the refractive index selects the minimum value of the refractive index of the glass layer of the shell. Shell refractive indices less than this minimum value are considered negative.

- Профиль показателя преломления обычно имеет соответствующий эффективный профиль показателя преломления, который имеет другую форму. Эффективный профиль показателя преломления может быть использован вместо соответствующего ему профиля показателя преломления без изменения характеристик волновода. См. работу "Single Mode Fiber Optics, Marcel Dekker Inc., Luc B. Jeunhomme, 1990, page 32, section 1.3.2". - The refractive index profile usually has a corresponding effective refractive index profile, which has a different shape. The effective profile of the refractive index can be used instead of the corresponding profile of the refractive index without changing the characteristics of the waveguide. See "Single Mode Fiber Optics, Marcel Dekker Inc., Luc B. Jeunhomme, 1990, page 32, section 1.3.2."

- Работоспособность при изгибе определяется по стандартному тесту, в котором измеряют затухание, вызванное намоткой волноводного волокна на катушку. В стандартом тесте определяются параметры волноводного волокна, имеющего один виток вокруг катушки диаметром 32 мм и сто витков вокруг катушки диаметром 75 мм. Максимально допустимое затухание, вызванное изгибом, обычно определяется в рабочем окне на длине волны около 1300 нм и около 1550 нм. - Bending performance is determined by the standard test, which measures the attenuation caused by winding the waveguide fiber onto a spool. The standard test determines the parameters of a waveguide fiber having one turn around a 32 mm diameter coil and one hundred turns around a 75 mm diameter coil. The maximum allowable attenuation caused by bending is usually determined in the working window at a wavelength of about 1300 nm and about 1550 nm.

- Альтернативным тестом на изгиб является тест на изгиб с помощью расположенных в ряд стержней, который используется для определения относительной устойчивости волноводного волокна к изгибу. Чтобы выполнить этот тест, измеряют затухание в волноводном волокне по существу без изгибов. Затем волноводное волокно вплетается в ряд стержней и снова измеряется затухание. Потери, вызванные изгибами, равны разнице между двумя измеренными значениями затухания. Ряд стержней является набором из 10 цилиндрических стержней, расположенных в один ряд и закрепленных в вертикальном положении на плоской поверхности. Расстояние между стержнями равно 5 мм, от центра до центра. Диаметр стержня равен 0,67 мм. Во время испытания прикладывается достаточное усилие, чтобы заставить волноводное волокно повторить форму части поверхности стержней. - An alternative bending test is a bending test using in-line rods, which is used to determine the relative resistance of a waveguide fiber to bending. To perform this test, the attenuation in the waveguide fiber is measured substantially without bending. Then the waveguide fiber is woven into a series of rods and attenuation is measured again. Losses caused by bending equal the difference between the two measured attenuation values. A row of rods is a set of 10 cylindrical rods arranged in one row and mounted vertically on a flat surface. The distance between the rods is 5 mm, from center to center. The diameter of the rod is 0.67 mm. During the test, sufficient force is applied to force the waveguide fiber to repeat the shape of part of the surface of the rods.

Сущность изобретения
Данное изобретение решает задачу создания оптического волноводного волокна с очень высокими рабочими характеристиками путем решения проблем, вызванных нелинейными волноводными эффектами и использованием оптических усилителей в системах связи.SUMMARY OF THE INVENTION
This invention solves the problem of creating an optical waveguide fiber with very high performance by solving problems caused by nonlinear waveguide effects and the use of optical amplifiers in communication systems.

Эта задача решается с помощью одномодового оптического волноводного волокна с очень большой эффективной площадью и работоспособностью при изгибе, по меньшей мере сравнимой с работоспособностью при изгибе обычного одномодового волноводного волокна со ступенчатым изменением показателя преломления. Кроме того, затухание должно быть небольшим, чтобы обеспечить большое расстояние между регенераторами, и волокно должно иметь требуемую прочность и усталостную прочность. This problem is solved by using a single-mode optical waveguide fiber with a very large effective area and bending performance, at least comparable to the bending capacity of a conventional single-mode waveguide fiber with a stepwise change in the refractive index. In addition, the attenuation should be small in order to provide a large distance between the regenerators, and the fiber should have the required strength and fatigue strength.

В частности, в стандартном тесте на изгиб, включающем один оборот волокна вокруг катушки диаметром 32 мм, для варианта выполнения, описанного ниже, потери, вызванные изгибом, не превышают 0,05 дБ на длине волны 1550 нм. Аналогично, в тесте со 100 витками вокруг катушки диаметром 75 мм затухание, вызванное изгибом, не превышает 0,05 дБ на длине волны 1310 нм и 0,10 дБ на длине волны 1550 нм. Эти результаты совпадают с результатами для обычного волокна со ступенчатым изменением показателя преломления. In particular, in the standard bending test, which includes one revolution of the fiber around a 32 mm diameter coil, for the embodiment described below, the loss caused by the bending does not exceed 0.05 dB at a wavelength of 1550 nm. Similarly, in a test with 100 turns around a coil with a diameter of 75 mm, the attenuation caused by bending does not exceed 0.05 dB at a wavelength of 1310 nm and 0.10 dB at a wavelength of 1550 nm. These results coincide with the results for a conventional fiber with a stepwise change in the refractive index.

Так, первым объектом изобретения является одномодовое оптическое волноводное волокно, имеющее сердцевину, состоящую по меньшей мере из трех различных участков. Участки отличаются один от другого профилем показателя преломления в конкретном интервале радиуса. Характерными признаками сердцевины, которые обеспечивают большую эффективную площадь без ухудшения работы при изгибе, являются:
наличие в сердцевине по меньшей мере одного участка, часть которого имеет показатель преломления, меньший, чем минимальный показатель преломления оболочки, и
наличие по меньшей мере двух участков, часть которых имеет показатель преломления, больший максимального показателя преломления оболочки.Thus, the first object of the invention is a single-mode optical waveguide fiber having a core consisting of at least three different sections. The sites differ from each other in the profile of the refractive index in a specific interval of the radius. Characteristic features of the core, which provide a large effective area without deterioration in bending performance, are:
the presence in the core of at least one portion, part of which has a refractive index less than the minimum refractive index of the shell, and
the presence of at least two sections, part of which has a refractive index greater than the maximum refractive index of the shell.

Хотя энергия поля распределена по большей площади сердцевины, комбинация частей области сердцевины с положительными и отрицательными показателями преломления в достаточной степени обеспечивает направленное распространение передаваемого света, чтобы удовлетворить требованиям к потерям при изгибе. Although field energy is distributed over a larger area of the core, the combination of portions of the core region with positive and negative refractive indices sufficiently provides directional propagation of the transmitted light to satisfy bending loss requirements.

Обычно предлагаемое волокно, имеющее по меньшей мере три различные части сердцевины и по меньшей мере одну часть сердцевины с отрицательным показателем преломления, имеет следующие свойства:
затухание сравнимо с затуханием обычного одномодового волноводного волокна со ступенчатым изменением показателя преломления,
потери, вызванные изгибом, не превышают аналогичные потери обычного одномодового волокна со ступенчатым изменением показателя преломления,
взвешенное распределение поля является по меньшей мере бимодальным, как показано, например, кривой 24 на фиг. 4,
эффективная площадь больше 90 мкм² в рабочем окне на длине волны 1550 нм и может быть сделана более 350 мкм² в этом окне и
отношение R = A_эфф/A_mf больше 1,3 и может быть более 3,7. Рабочее окно на длине волны 1550 нм обычно включает диапазон длин волн от 1530 до 1565 нм.Typically, the proposed fiber, having at least three different parts of the core and at least one part of the core with a negative refractive index, has the following properties:
the attenuation is comparable to the attenuation of a conventional single-mode waveguide fiber with a stepwise change in the refractive index,
losses caused by bending do not exceed similar losses of a conventional single-mode fiber with a stepwise change in the refractive index,
the weighted field distribution is at least bimodal, as shown, for example, by curve 24 in FIG. 4,
the effective area is greater than 90 μm ² in the working window at a wavelength of 1550 nm and can be made more than 350 μm ² in this window and
the ratio R = A _eff / A _{mf is} greater than 1.3 and may be greater than 3.7. The working window at a wavelength of 1550 nm usually includes a wavelength range from 1530 to 1565 nm.

Семейство волноводов согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения имеет сердцевину, содержащую четыре или пять различных участков профиля показателя преломления. В каждом из этих вариантов выполнения два несмежных участка имеют отрицательный показатель преломления. Каждый участок характеризуется коэффициентом Δ% и шириной, измеренной вдоль радиуса волноводного волокна. The waveguide family according to a preferred embodiment of the invention has a core comprising four or five different sections of the refractive index profile. In each of these embodiments, two non-adjacent portions have a negative refractive index. Each section is characterized by a coefficient Δ% and a width measured along the radius of the waveguide fiber.

Тогда участки могут быть описаны формой профиля показателя преломления, коэффициентом Δ% и радиусом участка, измеренным от нулевой точки в центре волновода до конечной точки каждого участка сердцевины. Ширина каждого участка определяется как разность радиусов. Например, если a₀ равно радиусу, проведенному к конечной точке первого участка сердцевины, а a₁ равно радиусу, проведенному к конечной точке второго участка сердцевины, то a₀-a₁ равно ширине второго участка.Then the sections can be described by the shape of the profile of the refractive index, the coefficient Δ% and the radius of the section, measured from the zero point in the center of the waveguide to the end point of each section of the core. The width of each section is defined as the difference of the radii. For example, if a ₀ is equal to the radius drawn to the end point of the first section of the core, and a ₁ is equal to the radius drawn to the end point of the second section of the core, then a ₀ -a ₁ is equal to the width of the second section.

В варианте выполнения, имеющем пять участков, каждый из участков имеет профиль показателя преломления по существу в виде ступеньки, то есть каждый участок характеризуется постоянным показателем преломления. Вследствие диффузии легирующей примеси при изготовлении сердцевины волновода, углы ступени обычно сглаживаются. Обычно небольшое округление не влияет на работу волноводного волокна. Если округление значительное, то в модель, используемую для вычисления свойств конкретного волновода с сердцевиной, состоящей из нескольких участков, добавляют математическое описание профиля показателя преломления, имеющего скругление. In an embodiment having five sections, each of the sections has a refractive index profile substantially in the form of a step, i.e., each section has a constant refractive index. Due to the diffusion of the dopant in the manufacture of the core of the waveguide, the corners of the step are usually smoothed. Typically, slight rounding does not affect the operation of the waveguide fiber. If rounding is significant, then a mathematical description of the profile of a refractive index having a rounding is added to the model used to calculate the properties of a particular waveguide with a core consisting of several sections.

Важное свойство, обнаруженное при анализе вариантов выполнения нового профиля показателя преломления, заключается в том, что профиль показателя преломления вблизи оси, то есть первый участок области сердцевины, может быть различным, как показано линиями 8 и 6 на фиг. 1, при этом требуемые характеристики волновода сохраняются. Обычно конкретная часть профиля показателя преломления волновода имеет соответствующий эквивалентный профиль показателя преломления, см. определения выше. Понятно, что описание и формула изобретения для конкретной формы профиля показателя преломления включают и соответствующие эквиваленты. An important property found in the analysis of embodiments of the new refractive index profile is that the profile of the refractive index near the axis, that is, the first portion of the core region, can be different, as shown by lines 8 and 6 in FIG. 1, while the required characteristics of the waveguide are preserved. Typically, a particular part of the waveguide refractive index profile has a corresponding equivalent refractive index profile, see definitions above. It is understood that the description and claims for a particular refractive index profile form include the corresponding equivalents.

Здесь приводится конкретный ряд диапазонов изменения коэффициента Δ% и ширины участков сердцевины, состоящей из четырех или пяти участков. Однако понятно, что имеется по существу бесконечное множество профилей, которые обеспечивают требуемые величины A_эфф и R, а также требуемое распределение поля. При функциональном конструировании сердцевины можно подобрать ширину или расположение участков, профиль показателя преломления участков или коэффициент Δ% при сохранении основных свойств волновода в пределах описанных заданных диапазонов. Следовательно, понятно, что семейство приемлемых конструкций сердцевины, описанное здесь, включает близкие конструкции, которые обеспечивают указанные функциональные свойства волноводных волокон.Here is a specific series of ranges of variation of the coefficient Δ% and the width of the sections of the core, consisting of four or five sections. However, it is understood that there is a substantially infinite number of profiles that provide the required values of A _eff and R, as well as the required field distribution. With the functional design of the core, it is possible to select the width or location of the sections, the profile of the refractive index of the sections or the coefficient Δ% while maintaining the basic properties of the waveguide within the described predetermined ranges. Therefore, it is understood that the family of acceptable core structures described herein includes related structures that provide the indicated functional properties of waveguide fibers.

В каждом из описанных ниже вариантов выполнения, при любом заданном Δ%, слой оболочки имеет по существу постоянный показатель преломления n_c.In each of the embodiments described below, for any given Δ%, the shell layer has a substantially constant refractive index n _c .

Разработано семейство оптических волноводов, имеющих сердцевину, состоящую из четырех участков, с исключительно большой A_эфф и хорошей устойчивостью к изгибу, имеющих следующие параметры:
первый участок сердцевины, начинающийся от центральной оси волноводного волокна, имеет α-профиль, Δ₀% в диапазоне примерно от 0,7% до 1,2% и а₀ в диапазоне примерно от 1,5 до 3,5 микрон,
второй прилегающий участок сердцевины имеет Δ₁% менее примерно -0,10% и a₁ в диапазоне примерно от 6,5 до 11 микрон,
третий участок сердцевины имеет Δ₂% в диапазоне примерно от 0,3% до 0,8% и a₂ в диапазоне примерно от 7,5 до 14 микрон,
четвертый участок сердцевины имеет Δ₃% менее примерно -0,10% и a₃ в диапазоне примерно от 10 до 32 микрон и
радиус "а" составляет менее примерно 35 микрон.A family of optical waveguides having a core consisting of four sections with an exceptionally large A _eff and good bending resistance have been developed, having the following parameters:
the first portion of the core starting from the central axis of the waveguide fiber has an α profile, Δ ₀ % in the range of about 0.7% to 1.2%, and ₀ in the range of about 1.5 to 3.5 microns,
the second adjacent portion of the core has Δ ₁ % less than about -0.10% and a ₁ in the range of from about 6.5 to 11 microns,
the third core region has Δ ₂ % in the range of about 0.3% to 0.8% and a ₂ in the range of about 7.5 to 14 microns,
the fourth portion of the core has Δ ₃ % less than about -0.10% and a ₃ in the range of about 10 to 32 microns and
the radius "a" is less than about 35 microns.

Предпочтительный вариант этого семейства имеет параметры:
Δ₀% в диапазоне от 0,65% до 1,0%,
a₀ в диапазоне примерно от 2,8 до 3,5 микрон,
Δ₁% менее примерно -0,10%,
a₁ в диапазоне примерно от 6 до 8 микрон,
Δ₂% в диапазоне примерно от 0,50% до 0,85%,
a₂ в диапазоне примерно от 8 до 10 микрон,
Δ₃% менее примерно -0,10%,
a₃ в диапазоне примерно от 13 до 16 микрон и
радиус "а" примерно равен a₃.The preferred version of this family has the following parameters:
Δ ₀ % in the range from 0.65% to 1.0%,
a ₀ in the range of about 2.8 to 3.5 microns,
Δ ₁ % less than about -0.10%,
a ₁ in the range of about 6 to 8 microns,
Δ ₂ % in the range of about 0.50% to 0.85%,
a ₂ in the range of about 8 to 10 microns,
Δ ₃ % less than about -0.10%,
a ₃ in the range of about 13 to 16 microns and
the radius "a" is approximately equal to a ₃ .

Нижний предел участков с отрицательным Δ% по существу в первую очередь задается возможностями технологического процесса, а не требованиями к работе волноводного волокна. В настоящее время могут быть достигнуты уровни примерно -0,8%. The lower limit of areas with negative Δ% is essentially primarily set by the capabilities of the process, and not by the requirements for the operation of the waveguide fiber. At present, levels of approximately -0.8% can be achieved.

α-профиль имеет треугольную форму (α = 1), параболическую форму (α = 2) или криволинейную форму, приближающуюся к ступени, если α около 4 или более. α-профиль может иметь углубление в виде перевернутого конуса на центральной оси. Модель имеет достаточную гибкость, чтобы компенсировать такое углубление. The α profile has a triangular shape (α = 1), a parabolic shape (α = 2), or a curved shape approaching the step if α is about 4 or more. The α-profile may have a recess in the form of an inverted cone on the central axis. The model has sufficient flexibility to compensate for such a depression.

Предпочтительный вариант области сердцевины, имеющей профиль показателя преломления, состоящий из четырех участков, показан на фиг. 11 и имеет следующие параметры:
Δ₁% в диапазоне примерно от 0,65% до 1,00%,
r₁ равно 3,35±0,30 микрон,
Δ₂% менее примерно -0,10%,
r₂ равно 7,2±0,60 микрон,
Δ₃% в диапазоне примерно от 0,50% до 0,85%,
r₃ равно 9,1±0,7 микрон,
Δ₄% менее примерно -0,10%,
r₄ равно 14,5±1,0 микрон. Определения этих параметров профилей даны ниже.A preferred embodiment of a core region having a four-section refractive index profile is shown in FIG. 11 and has the following parameters:
Δ ₁ % in the range of about 0.65% to 1.00%,
r ₁ is 3.35 ± 0.30 microns,
Δ ₂ % less than about -0.10%,
r ₂ is 7.2 ± 0.60 microns,
Δ ₃ % in the range of about 0.50% to 0.85%,
r ₃ is 9.1 ± 0.7 microns,
Δ ₄ % less than about -0.10%,
r ₄ is 14.5 ± 1.0 microns. The definitions of these profile parameters are given below.

В случае профиля показателя преломления области сердцевины, состоящего из пяти участков, семейство профилей задается следующим образом:
начиная от центра волновода по направлению наружу,
первый участок сердцевины имеет

в диапазоне примерно от 0 до 0,20% и радиус, измеренный от центральной оси оптического волновода, в диапазоне примерно от 0,50 до 1,5 микрон,
второй участок сердцевины имеет Δ₁% в диапазоне примерно от 0,5% до 1,2% и радиус a₁ в диапазоне примерно от 0,5 до 4,5 микрон,
третий участок сердцевины имеет Δ₂% менее примерно - 0,1% и a₂ в диапазоне примерно от 6 до 12 микрон,
четвертый участок сердцевины имеет Δ₃% в диапазоне примерно от 0,2% до 0,8% и аз в диапазоне примерно от 7 до 16 микрон,
пятый участок сердцевины имеет Δ₄% менее примерно -0,1% и a₄ в диапазоне примерно от 13 до 26 микрон и
радиус сердцевины "а" находится в диапазоне примерно от 25 до 35 микрон. Во многих предпочтительных вариантах выполнения радиус сердцевины совпадает с внешним радиусом конечного участка сердцевины.In the case of a profile of the refractive index of the core region, consisting of five sections, the family of profiles is defined as follows:
starting from the center of the waveguide outward,
the first portion of the core has

in the range of about 0 to 0.20% and a radius measured from the center axis of the optical waveguide in the range of about 0.50 to 1.5 microns,
the second portion of the core has Δ ₁ % in the range of about 0.5% to 1.2% and a radius a ₁ in the range of about 0.5 to 4.5 microns,
the third portion of the core has Δ ₂ % less than about 0.1% and a ₂ in the range of about 6 to 12 microns,
the fourth core portion has Δ ₃ % in the range of about 0.2% to 0.8% and az in the range of about 7 to 16 microns,
the fifth core portion has Δ ₄ % less than about -0.1% and a ₄ in the range of about 13 to 26 microns and
the radius of the core "a" is in the range of about 25 to 35 microns. In many preferred embodiments, the radius of the core coincides with the outer radius of the final portion of the core.

Оптические волноводы с профилями показателя преломления сердцевины, которые описаны этим семейством профилей, могут иметь эффективную площадь более 350 мкм и устойчивость к изгибу выше, чем у обычных волноводов со ступенчатым изменением показателя преломления, без существенного ухудшения затухания или других рабочих свойств, таких как прочность или усталостная прочность. Optical waveguides with core refractive index profiles, which are described by this family of profiles, can have an effective area of more than 350 microns and bend resistance higher than conventional waveguides with stepwise refractive index changes without significant impairment of attenuation or other operational properties such as strength or fatigue strength.

В только что описанном варианте выполнения с сердцевиной, состоящей из пяти участков, первый участок может иметь различную форму профиля, например, α-профиль, без заметного влияния ее изменения на свойства волновода. Кроме того, α-профиль может иметь углубление в центре в виде перевернутого конуса. Это углубление в центре может быть следствием либо регулирования процесса легирования при изготовлении заготовки, либо регулирования диффузии примеси из заготовки при изготовлении. In the just described embodiment with a core consisting of five sections, the first section may have a different profile shape, for example, an α-profile, without a noticeable effect of its change on the properties of the waveguide. In addition, the α-profile may have a recess in the center in the form of an inverted cone. This depression in the center may be the result of either regulation of the alloying process in the manufacture of the workpiece, or regulation of the diffusion of impurities from the workpiece in the manufacture.

Третий вариант выполнения предлагаемого профиля показателя преломления сердцевины представляет собой волновод с сердцевиной, имеющей три участка с отрицательным показателем преломления:
первый участок сердцевины имеет Δ₀% менее примерно -0,10% и радиус а₀ в диапазоне примерно от 0,1 до 2,5 микрон,
второй участок сердцевины имеет Δ₁% в диапазоне примерно от 0,5% до 1,2% и радиус a₁ в диапазоне примерно от 0,5 до 4,5 микрон,
третий участок сердцевины имеет Δ₂% менее примерно - 0,1% и a₂ в диапазоне примерно от 6 до 12 микрон,
четвертый участок сердцевины имеет Δ₃% в диапазоне примерно от 0,2% до 0,8% и а₃ в диапазоне примерно от 7 до 14 микрон,
пятый участок сердцевины имеет Δ₄% менее примерно -0,1% и а₄ в диапазоне примерно от 13 до 30 микрон и
радиус сердцевины "а" находится в диапазоне примерно от 20 до 35 микрон.The third embodiment of the proposed core refractive index profile is a waveguide with a core having three sections with a negative refractive index:
the first portion of the core has Δ ₀ % less than about -0.10% and a radius a ₀ in the range of about 0.1 to 2.5 microns,
the second portion of the core has Δ ₁ % in the range of about 0.5% to 1.2% and a radius a ₁ in the range of about 0.5 to 4.5 microns,
the third portion of the core has Δ ₂ % less than about 0.1% and a ₂ in the range of about 6 to 12 microns,
the fourth portion of the core has Δ ₃ % in the range of about 0.2% to 0.8%, and ₃ in the range of about 7 to 14 microns,
the fifth core portion has Δ ₄ % less than about -0.1% and a ₄ in the range of about 13 to 30 microns and
the radius of the core "a" is in the range of about 20 to 35 microns.

Выбор предпочтительного варианта выполнения из предложенных вариантов диктуется соображениями простоты изготовления, соответствующей стоимости изготовления и способности конструкции надежно обеспечивать расчетное значение A_эфф и устойчивость к изгибу.The choice of a preferred embodiment from the proposed options is dictated by considerations of ease of manufacture, appropriate manufacturing cost and design ability to reliably provide a calculated value of A _eff and resistance to bending.

В большинстве случаев конструкция, состоящая из четырех участков и имеющая два углубления в профиле показателя преломления, в которой используется α-профиль в центре и профили со ступенчатым изменением показателя преломления на остальных участках сердцевины, является самой дорогостоящей и эффективной. В некоторых случаях предпочтительна конструкция, имеющая пять участков со ступенчатым профилем показателя преломления всех участков. In most cases, a design consisting of four sections and having two recesses in the profile of the refractive index, which uses the α-profile in the center and profiles with a step change in the refractive index in the remaining sections of the core, is the most expensive and effective. In some cases, a structure having five sections with a stepped profile of the refractive index of all sections is preferred.

Понятно, что возможны перестановки и комбинации составляющих этих конструкций сердцевины, состоящей из нескольких участков. Таким образом, эти конкретные варианты выполнения относятся к семейству профилей показателя преломления в пределах объема изобретения. It is understood that permutations and combinations of the constituents of these core structures consisting of several sections are possible. Thus, these specific embodiments relate to the family of refractive index profiles within the scope of the invention.

Свойство, которое наблюдают при моделировании и которое обычно обеспечивает лучшую конструкцию сердцевины волновода, заключается в том, что распределение энергии моды, умноженной на радиус, является по меньшей мере бимодальным. Энергия моды пропорциональна квадрату распространяющегося электрического поля. В предпочтительном варианте выполнения для поиска таких конструкций сердцевины, в которых бимодальное распределение энергии имеет два пика, используется моделирование. The property that is observed in the simulation and which usually provides the best design of the core of the waveguide is that the distribution of the mode energy multiplied by the radius is at least bimodal. The mode energy is proportional to the square of the propagating electric field. In a preferred embodiment, modeling is used to search for such core designs in which the bimodal energy distribution has two peaks.

Вариант выполнения, в котором первый максимум энергии моды соответствует значению радиуса от 0 до 5 микрон, а второй максимум соответствует радиусу больше 8 микрон, обеспечивает получение волноводного волокна с большой A_эфф и устойчивостью к изгибу, которая по меньшей мере не хуже, чем у обычного волноводного волокна со ступенчатым изменением показателя преломления.An embodiment in which the first maximum of the mode energy corresponds to a radius value from 0 to 5 microns, and the second maximum corresponds to a radius of more than 8 microns, provides a waveguide fiber with a large A _eff and bending resistance, which is at least no worse than that of a conventional waveguide fiber with a step change in the refractive index.

Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображен профиль показателя преломления сердцевины, имеющий четыре участка, два из которых имеют показатель преломления, меньший, чем показатель преломления слоя оболочки.Brief Description of the Drawings
In FIG. 1 shows a core refractive index profile having four sections, two of which have a refractive index lower than the refractive index of the shell layer.

На фиг. 2 изображен график взвешенной интенсивности поля в зависимости от радиуса для характерного варианта выполнения нового профиля показателя преломления сердцевины. In FIG. 2 is a graph of a weighted field intensity versus radius for a typical embodiment of a new core refractive index profile.

На фиг. 3 изображен профиль показателя преломления сердцевины, состоящей из нескольких участков, для которого вычисленные параметры сравнивались с измеренными параметрами волноводного волокна, имеющего такой же профиль показателя преломления. In FIG. Figure 3 shows the profile of the refractive index of the core, consisting of several sections, for which the calculated parameters were compared with the measured parameters of a waveguide fiber having the same profile of the refractive index.

На фиг. 4 изображен график взвешенной интенсивности поля для трех типов волноводов с сердцевиной, состоящей из участков. In FIG. 4 is a graph of weighted field intensity for three types of waveguides with a core consisting of sections.

На фиг. 5 изображен профиль показателя преломления сердцевины, имеющий пять участков, два из которых имеют показатель преломления, меньший, чем показатель преломления слоя оболочки. In FIG. 5 shows a core refractive index profile having five sections, two of which have a refractive index less than the refractive index of the shell layer.

На фиг. 6 изображена разновидность варианта выполнения, показанного на фиг. 5. In FIG. 6 shows a variation of the embodiment shown in FIG. 5.

На фиг. 7 изображен моделированный профиль, имеющий четыре участка, первый из которых имеет треугольную форму. In FIG. 7 shows a simulated profile having four sections, the first of which has a triangular shape.

На фиг. 8, 9a и 9b изображены моделированные профили показателя преломления сердцевины, имеющие пять участков, три из которых имеют показатель преломления, меньший, чем показатель преломления слоя оболочки. In FIG. 8, 9a and 9b show simulated core refractive index profiles having five sections, three of which have a refractive index less than the refractive index of the shell layer.

На фиг. 10 изображен график зависимости интенсивности поля от радиуса для характерного варианта выполнения предлагаемого профиля показателя преломления сердцевины. In FIG. 10 is a graph of field intensity versus radius for a typical embodiment of the proposed core refractive index profile.

На фиг. 11 изображен профиль показателя преломления, имеющий четыре участка, на котором показаны определения для Δ% и радиусов профиля показателя преломления, использованные в модели. In FIG. 11 shows a refractive index profile having four sections, which shows the definitions for Δ% and the radii of the refractive index profile used in the model.

Подробное описание изобретения
Исследование свойств конструкций сердцевины, имеющей несколько участков, идет в ногу с постоянно растущими требованиями к волноводному волокну с большой пропускной способностью для передачи света на большие расстояния. Изучаются скорости передачи данных в терабитовом диапазоне и исследуются системы с расстояниями между регенераторами более 100 км.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The study of the properties of the core structures, which has several sections, keeps up with the ever-increasing requirements for a waveguide fiber with a large transmission capacity for transmitting light over long distances. The data transfer rates in the terabit range are studied and systems with distances between regenerators of more than 100 km are studied.

Известные работы, в частности, заявка на патент США N 08/378780, показывают, что конструкции, включающие участок сердцевины с показателем преломления, меньшим показателя преломления оболочки, требуют дальнейшего изучения, так как на их основе можно создать оптические волноводные волокна с большой эффективной площадью. Known works, in particular, application for US patent N 08/378780, show that designs that include a portion of the core with a refractive index lower than the refractive index of the cladding, require further study, since they can be used to create optical waveguide fibers with a large effective area .

Авторами установлено, что действительно с помощью конструкций, включающих по меньшей мере один участок сердцевины с показателем преломления меньше показателя преломления оболочки, можно получить эффективные площади намного большие, чем полученные ранее. Кроме того, предлагаемая конструкция сердцевины удерживает передаваемый свет достаточно хорошо, чтобы создать волновод с большой A_эфф, имеющий устойчивость к изгибу не хуже, чем у обычного одномодового волокна со ступенчатым изменением показателя преломления. Во многих конструкциях волноводы с большой A_эфф имеют лучшую устойчивость к изгибу, чем обычные одномодовые волноводы со ступенчатым изменением показателя преломления.The authors found that indeed, using structures that include at least one core portion with a refractive index less than the refractive index of the shell, it is possible to obtain effective areas much larger than those obtained previously. In addition, the proposed core design retains the transmitted light well enough to create a waveguide with a large A _eff having bending resistance no worse than that of a conventional single-mode fiber with a stepwise change in the refractive index. In many designs, waveguides with large A _eff have better bending resistance than conventional single-mode waveguides with a stepwise change in the refractive index.

Основной вариант выполнения предлагаемого профиля показателя преломления сердцевины изображен на фиг. 1. Сердцевина состоит из четырех участков, первый участок 8 и третий участок 4 имеют форму профиля показателя преломления в виде скругленной ступени, а два участка 2 имеют показатели преломления меньшие, чем показатель преломления оболочки. Штриховые линии 6 показывают другие возможные формы профиля показателя преломления первого участка. Участок 4 также может иметь различную форму профиля без значительного влияния ее на свойства волноводного волокна. Участки 2 профиля с небольшим показателем преломления могут отличаться друг от друга шириной и минимальным показателем преломления. Кроме того, участки 2 могут иметь незначительный положительный или отрицательный наклон и скругления. Нижний предел Δ% участков 2 зависит от технологических возможностей. Величина коэффициента Δ%, примерно равная -0,80%, обеспечивает создание волновода с заданными свойствами. The main embodiment of the proposed core refractive index profile is shown in FIG. 1. The core consists of four sections, the first section 8 and the third section 4 are in the form of a profile of the refractive index in the form of a rounded step, and two sections 2 have refractive indices smaller than the refractive index of the shell. The dashed lines 6 show other possible profile shapes of the refractive index of the first portion. Section 4 may also have a different profile shape without significant influence on the properties of the waveguide fiber. The sections 2 of the profile with a small refractive index may differ from each other in width and minimum refractive index. In addition, sections 2 may have a slight positive or negative slope and fillets. The lower limit Δ% of plots 2 depends on technological capabilities. The coefficient Δ%, approximately equal to -0.80%, provides the creation of a waveguide with desired properties.

Воздействие этого профиля на передаваемый свет заключается в том, что часть передаваемой энергии удерживается в первом участке, заданном линией 8, и в смежной области 2 с небольшим показателем преломления. Вторая часть энергии света направляется структурой 4 вместе с внешней областью 2 с небольшим показателем преломления. Большая A_эфф является результатом того, что структура 4 передает мощность на расстоянии от центра волновода. Устойчивость к изгибу не снижается, так как удержание света обеспечивается внешней областью 2 с небольшим показателем преломления.The effect of this profile on the transmitted light is that part of the transmitted energy is held in the first section defined by line 8 and in the adjacent region 2 with a small refractive index. The second part of the light energy is directed by the structure 4 together with the outer region 2 with a small refractive index. The large A _eff is the result of the fact that structure 4 transfers power at a distance from the center of the waveguide. The resistance to bending does not decrease, since the retention of light is provided by the outer region 2 with a small refractive index.

Бимодальное распределение энергии в варианте выполнения новой конструкции сердцевины, имеющей четыре участка, показано на фиг. 2, которая представляет собой график взвешенной интенсивности поля как функции от радиуса. Внутренний пик 10 соответствует направляющей структуре первого участка сердцевины, имеющей несколько участков. Пик 12 соответствует направляющей структуре, расположенной ближе к периферии сердцевины. Пик 12 резко уменьшается с увеличением радиуса, обеспечивая хорошее удержание света и устойчивость к изгибу. A bimodal energy distribution in an embodiment of a new core design having four sections is shown in FIG. 2, which is a graph of the weighted field intensity as a function of radius. The inner peak 10 corresponds to the guiding structure of the first portion of the core having several sections. Peak 12 corresponds to a guide structure closer to the periphery of the core. Peak 12 decreases sharply with increasing radius, providing good light retention and resistance to bending.

Определения для Δ и радиусов участков профиля показателя преломления показано на фиг. 11. В варианте выполнения, имеющем четыре участка сердцевины, показанном на фиг. 11, уровни Δ₁%, Δ₂%, Δ₃% и Δ₄% обозначены соответственно 68, 70, 72 и 74. Соответствующие радиусы четырех участков, используемые в расчетах по данной модели, измерены от центральной оси волноводного волокна и обозначены на фиг. 11 как 76, 78, 80 и 82. Эти или аналогичные определения Δ% и радиуса использованы во всех расчетах с использованием модели.The definitions for Δ and the radii of the sections of the refractive index profile are shown in FIG. 11. In an embodiment having four core sections shown in FIG. 11, the levels Δ ₁ %, Δ ₂ %, Δ ₃ % and Δ ₄ % are indicated respectively 68, 70, 72 and 74. The corresponding radii of the four sections used in the calculations according to this model are measured from the central axis of the waveguide fiber and are indicated in FIG. . 11 as 76, 78, 80 and 82. These or similar definitions of Δ% and radius are used in all calculations using the model.

Конкретные моделированные свойства для фиг. 2 таковы: A_эфф = 210 мкм² и критическая длина волны, измеренная в волокне, равна 1562 нм. В кабельной структуре критическая длина волны обычно уменьшается на 200-400 нм. Таким образом, с точки зрения критической длины волны, моделированное волокно подходит для систем с высокими рабочими характеристиками в окне на длине волны либо 1310 нм, либо 1550 нм.The specific simulated properties for FIG. 2 are as follows: A _eff = 210 μm ² and the critical wavelength measured in the fiber is 1562 nm. In a cable structure, the critical wavelength is usually reduced by 200-400 nm. Thus, from the point of view of the critical wavelength, the simulated fiber is suitable for systems with high performance in the window at a wavelength of either 1310 nm or 1550 nm.

Модель испытывалась для сравнения действительных и предсказанных свойств волновода. Профиль показателя преломления, показанный на фиг. 3, является действительным профилем волноводного волокна, имеющим центральный α-профиль 14, область 16 с небольшим показателем преломления и кольцо 18, имеющее форму скругленной ступени. Отметим область диффузии на центральной оси волновода. Модель учитывает это углубление на центральной оси в виде перевернутого конуса. Табл. 1 показывает отличное совпадение свойств модели и реального волноводного волокна, за исключением разницы 200 нм между действительной и вычисленной критической длиной волны. С учетом зависимости критической длины волны от физического положения волновода во время измерения, эта разница считается допустимой. Хотя вариант профиля показателя преломления, показанный на фиг. 3, не включает участков с отрицательным Δ%, этот пример тем не менее демонстрирует в целом точность модели для описанного семейства профилей показателя преломления (см. таблицу). The model was tested to compare the actual and predicted properties of the waveguide. The refractive index profile shown in FIG. 3 is a valid waveguide fiber profile having a central α-profile 14, a region 16 with a small refractive index, and a ring 18 having the shape of a rounded step. Note the diffusion region on the central axis of the waveguide. The model takes into account this recess on the central axis in the form of an inverted cone. Tab. 1 shows the excellent match between the properties of the model and the real waveguide fiber, with the exception of the difference of 200 nm between the actual and calculated critical wavelength. Given the dependence of the critical wavelength on the physical position of the waveguide during measurement, this difference is considered acceptable. Although the version of the refractive index profile shown in FIG. 3 does not include regions with negative Δ%; this example nevertheless demonstrates the overall accuracy of the model for the described family of refractive index profiles (see table).

Характерная зависимость взвешенной интенсивности поля для новой конструкции сердцевины показана линией 24 на фиг. 4. Зависимость с двумя пиками безусловно отличается от зависимости для обычного волокна со смещенной дисперсией, показанной кривой 20 на фиг. 4. Профиль показателя преломления обычного волноводного волокна со смещенной дисперсией включает первый участок, имеющий α-профиль, кольцевую область с плоским профилем показателя преломления, который близок к показателю преломления слоя оболочки, и вторую кольцевую область, имеющую форму показателя преломления в виде скругленной ступени. The characteristic dependence of the weighted field intensity for the new core design is shown by line 24 in FIG. 4. The dependence with two peaks certainly differs from the dependence for a conventional dispersion-shifted fiber, shown by curve 20 in FIG. 4. The refractive index profile of a conventional dispersion-shifted waveguide fiber includes a first portion having an α profile, an annular region with a flat refractive index profile that is close to the refractive index of the cladding layer, and a second annular region having the shape of a refractive index in the form of a rounded step.

Класс конструкций с большой эффективной площадью, описанный в заявке на патент США N 08/378780, имеет характерную зависимость взвешенной интенсивности поля, показанную кривой 22. Как и ожидалось, для этих конструкций характеристика взвешенной интенсивности поля действительно имеет область, смещенную в сторону увеличения радиуса. The class of structures with a large effective area described in US patent application No. 08/378780 has a characteristic dependence of the weighted field intensity shown by curve 22. As expected, for these structures the characteristic of the weighted field intensity does have a region shifted toward an increase in radius.

Для полноты изложения, интенсивности поля для этих трех различных профилей сердцевины показаны на фиг. 10. Кривая 64 представляет интенсивность поля для обычного волноводного волокна со смещенной дисперсией, кривая 66 - интенсивность поля в волокне согласно заявке на патент США N 08/378780, а кривая 62 - интенсивность поля, характерную для конструкции с большой эффективной площадью согласно данному изобретению. Кривая 62 с двумя пиками совершенно отлична от кривых, характерных для других двух конструкций. For completeness, field intensities for these three different core profiles are shown in FIG. 10. Curve 64 represents the field intensity for a conventional dispersion-shifted waveguide fiber, curve 66 represents the field intensity in the fiber according to U.S. Patent Application No. 08/378780, and curve 62 represents the field intensity characteristic of the large effective area structure of the present invention. Curve 62 with two peaks is completely different from the curves characteristic of the other two structures.

Различные конструкции профиля показателя преломления, имеющие две области профиля показателя преломления, меньшего, чем показатель преломления оболочки, показаны на фиг. 5a, 5b и 5c. На каждой фигуре показаны две области 26 с небольшим показателем преломления и две области 28 с профилем показателя преломления в форме ступени или скругленной ступени. Конструкция на фиг. 5а включает область 30 сердцевины, которая соответствует показателю преломления оболочки. Various designs of a refractive index profile having two regions of a refractive index profile smaller than a shell refractive index are shown in FIG. 5a, 5b and 5c. Each figure shows two regions 26 with a small refractive index and two regions 28 with a refractive index profile in the form of a step or a rounded step. The design of FIG. 5a includes a core region 30, which corresponds to a refractive index of the shell.

Предпочтительный из этих трех профилей показателя преломления показан на фиг. 5c. Две области показателя преломления с небольшим показателем преломления размещены на расстоянии от первого участка области сердцевины. Таким образом, распределение поля смещено от центральной оси волновода, при этом эффективная площадь увеличивается. Кольцевая область с небольшим показателем преломления на периферии области сердцевины служит для удержания передаваемого света в волноводе с целью обеспечения приемлемой устойчивости к изгибу. A preferred of these three refractive index profiles is shown in FIG. 5c. Two regions of the refractive index with a small refractive index are located at a distance from the first portion of the core region. Thus, the field distribution is offset from the central axis of the waveguide, while the effective area increases. An annular region with a small refractive index at the periphery of the core region serves to hold the transmitted light in the waveguide in order to provide acceptable resistance to bending.

Альтернативные профили первого участка показаны на фиг. 5с штриховыми линиями около профиля 28 со ступенчатым изменением показателя преломления. Эти профили, включая те, которые имеют углубление, вызванное диффузией, на центральной оси, имеют приемлемые эффективные площади и отношения R. Alternative profiles of the first portion are shown in FIG. 5 with dashed lines near profile 28 with a stepwise change in the refractive index. These profiles, including those that have a diffusion-induced depression in the central axis, have acceptable effective areas and R ratios.

Пример 1 - Профиль показателя преломления, имеющий два участка с небольшим показателем преломления
На фиг. 6 моделированный профиль области сердцевины имеет центральное углубление 30, вызванное диффузией, в виде перевернутого конуса с минимальным Δ%, равным примерно 0,18, и максимальным радиусом, равным примерно 1 микрону. Первая кольцевая область 32 имеет зависимость показателя преломления в виде скругленной ступени с максимальным Δ%, равным 0,80, и радиусом a₀, равным примерно 3 микронам. Участок 34 профиля с небольшой величиной показателя преломления имеет коэффициент Δ%, равный -0,18, и радиус a₁, равный примерно 7,5 микронам. Вторая кольцевая область 32 имеет зависимость показателя преломления в виде скругленной ступени с Δ%, равным примерно 0,50, и a₂, равным примерно 11 микронам. Участок 34 профиля с небольшим показателем преломления имеет коэффициент Δ%, равный -0,18, и радиус а₃, равный примерно 23 микронам. Область сердцевины заканчивается в точке, где показатель преломления совпадает с показателем преломления слоя оболочки, в данном случае - при радиусе, равном примерно 24 микронам.Example 1 - Profile of the refractive index, having two sections with a small refractive index
In FIG. 6, the simulated core region profile has a central recess 30 caused by diffusion in the form of an inverted cone with a minimum Δ% of about 0.18 and a maximum radius of about 1 micron. The first annular region 32 has a refractive index dependence in the form of a rounded step with a maximum Δ% equal to 0.80 and a radius a ₀ equal to about 3 microns. Section 34 of the profile with a small refractive index has a coefficient Δ% equal to -0.18, and a radius a ₁ equal to about 7.5 microns. The second annular region 32 has a refractive index in the form of a rounded step with Δ% equal to about 0.50 and a ₂ equal to about 11 microns. Section 34 of the profile with a small refractive index has a coefficient Δ% equal to -0.18, and a radius a ₃ equal to about 23 microns. The core region ends at the point where the refractive index coincides with the refractive index of the shell layer, in this case, with a radius of about 24 microns.

Моделированные характеристики данного варианта выполнения следующие:
Диаметр поля моды 9,8 микрон
D_эфф 18,1 микрон
A_эфф 257 мкм²
R 3,41
Критическая длина волны 1809 нм
Длина волны нулевой дисперсии 1561 нм
Крутизна характеристики дисп. 0,151 пс/нм²/км
Характеристики при изгибе аналогичны характеристикам обычного одномодового волновода со ступенчатым изменением показателя преломления.The simulated characteristics of this embodiment are as follows:
9.8 micron mode field diameter
D _eff 18.1 microns
A _eff 257 μm ²
R 3.41
1809 nm critical wavelength
Zero dispersion wavelength 1561 nm
The steepness of the characteristics of the disp. 0.151 ps / nm ² / km
The bending characteristics are similar to those of a conventional single-mode waveguide with a stepwise change in the refractive index.

Моделированный волновод во всех отношениях подходит для волноводных систем связи с высокими характеристиками, работающих в диапазоне длин волн от 1535 нм до 1575 нм. Однако крутизна характеристики дисперсии должна быть ниже, чем у систем, работающих в окнах как на длине волны 1310 нм, так и на длине волны 1550 нм. Можно несколько уменьшить эффективную площадь с целью получить лучшую крутизну характеристики дисперсии. Или, в качестве альтернативы, могут быть сконструированы профили сердцевины из нескольких участков, которые обеспечивают небольшую полную дисперсию в окне на длине волны 1310 нм. The simulated waveguide is in every way suitable for high-performance waveguide communication systems operating in the wavelength range from 1535 nm to 1575 nm. However, the steepness of the dispersion characteristic should be lower than that of systems operating in windows both at a wavelength of 1310 nm and at a wavelength of 1550 nm. The effective area can be slightly reduced in order to obtain a better slope of the dispersion characteristic. Or, alternatively, core profiles can be constructed from several sections, which provide a small total dispersion in the window at a wavelength of 1310 nm.

Пример 2 для сравнения
Профиль показателя преломления сердцевины, показанный на фиг. 7, отличается от профиля на фиг. 6 только тем, что зависимость показателя преломления первого участка имеет треугольную форму и минимальный Δ%? равный примерно 0,7, не имеет выемки в виде конуса, вызванной диффузией, на центральной оси и имеет радиус а₀, равный примерно 4 микронам. Вычислены следующие характеристики:
Диаметр поля моды 10,0 микрон
D_эфф 16,4 микрона
A_эфф 210 мкм²
R 2,69
Критическая длина волны 1834 нм
Длина волны нулевой дисперсии 1562 нм
Крутизна характеристики дисп. 0,16 пс/нм²/км
Отметим, что значительное изменение профиля показателя преломления около центральной оси мало влияет на характеристики волновода.Example 2 for comparison
The core refractive index profile shown in FIG. 7 differs from the profile in FIG. 6 only in that the dependence of the refractive index of the first portion has a triangular shape and a minimum Δ%? equal to about 0.7, does not have a cone-shaped notch caused by diffusion on the central axis and has a radius a _{0 of} about 4 microns. The following characteristics are calculated:
10.0 micron mode field diameter
D _eff 16.4 microns
A _eff 210 μm ²
R 2.69
The critical wavelength of 1834 nm
Zero dispersion wavelength 1562 nm
The steepness of the characteristics of the disp. 0.16 ps / nm ² / km
Note that a significant change in the profile of the refractive index near the central axis has little effect on the characteristics of the waveguide.

Профиль, имеющий три области 36 с небольшим показателем преломления, показан на фиг. 8. Кольцевые области 38 имеют профиль показателя преломления в виде ступени, но могут иметь и вид скругленной ступени. Кроме того, первая кольцевая область может иметь α-профиль. A profile having three regions 36 with a small refractive index is shown in FIG. 8. The annular region 38 has a refractive index profile in the form of a step, but may also have the form of a rounded step. In addition, the first annular region may have an α profile.

Пример 3 - профили с тремя участками с небольшим показателем преломления
Профиль на фиг. 9а имеет три области с небольшим показателем преломления, то есть области 52, где показатель преломления меньше, чем показатель преломления слоя оболочки, и две кольцевые области 54 с профилем показателя преломления в виде скругленной ступени. Первая область с небольшим показателем преломления имеет вид перевернутого конуса, минимальный Δ%, равный -0,18, и максимальный радиус, равный примерно 1 микрону. По направлению от центра, радиусы и Δ% остальных областей сердцевины равны соответственно 3 микронам и 0,85%, 7 микронам и - 0,18%, 10 микронам и 0,7%, 20 микронам и -0,18%.Example 3 - profiles with three sections with a small refractive index
The profile in FIG. 9a has three regions with a small refractive index, that is, regions 52 where the refractive index is less than the refractive index of the shell layer, and two annular regions 54 with a refractive index profile in the form of a rounded step. The first region with a small refractive index has the form of an inverted cone, the minimum Δ% equal to -0.18, and the maximum radius equal to about 1 micron. In the direction from the center, the radii and Δ% of the remaining core regions are 3 microns and 0.85%, 7 microns and 0.18%, 10 microns and 0.7%, 20 microns and -0.18%, respectively.

Этот профиль показателя преломления сердцевины обеспечивает следующие волноводные характеристики:
Диаметр поля моды 9,65 микрон
D_эфф 15,96 микрон
A_эфф 200 мкм²
R 2,74
Критическая длина волны 1740 нм
Длина волны нулевой дисперсии 1562 нм
Крутизна характеристики дисп. 0,137 пс/нм²/км
Пример 4 для сравнения - профиль с тремя областями сердцевины с небольшим показателем преломления
Профиль показателя преломления на фиг. 9b по существу аналогичен профилю примера 3, за исключением того, что ширина центральной выемки в виде перевернутого конуса уменьшена настолько, что лишь незначительная часть центрального профиля имеет показатель преломления, меньший показателя преломления оболочки.This core refractive index profile provides the following waveguide characteristics:
9.65 micron mode field diameter
D _eff 15.96 microns
A _eff 200 μm ²
R 2.74
The critical wavelength of 1740 nm
Zero dispersion wavelength 1562 nm
The steepness of the characteristics of the disp. 0.137 ps / nm ² / km
Example 4 for comparison - a profile with three core regions with a small refractive index
The refractive index profile in FIG. 9b is substantially similar to the profile of Example 3, except that the width of the central indentation in the form of an inverted cone is reduced so that only a small part of the central profile has a refractive index lower than the refractive index of the shell.

Вычислены следующие волноводные характеристики:
Диаметр поля моды 9,79 микрон
D_эфф 18,42 микрон
A_эфф 267 мкм²
R 3,54
Критическая длина волны 1738 нм
Длина волны нулевой дисперсии 1544 нм
Крутизна характеристики дисп. 0,124 пс/нм²/км
Сравнивая результаты для профилей на фиг. 9a и 9b, следует отдать предпочтение профилю на фиг. 9b, так как у него отношение R больше, критическая длина волны по существу та же, а длина волны нулевой дисперсии лучше подходит для спектрального мультиплексирования в окне от 1535 нм до 1575 нм, которое по существу совпадает с рабочим окном эрбиевого оптического усилителя.The following waveguide characteristics were calculated:
9.79 micron mode field diameter
D _eff 18.42 microns
A _eff 267 μm ²
R 3,54
The critical wavelength of 1738 nm
Zero dispersion wavelength 1544 nm
The steepness of the characteristics of the disp. 0.124 ps / nm ² / km
Comparing the results for the profiles in FIG. 9a and 9b, the profile in FIG. 9b, since it has an R ratio greater, the critical wavelength is essentially the same, and the zero dispersion wavelength is better suited for spectral multiplexing in a window from 1535 nm to 1575 nm, which essentially coincides with the working window of an erbium optical amplifier.

Пример 3 и сравнительный пример 4 указывают на необходимость моделирования профилей сердцевины, включающих несколько участков. Число профилей в рамках концепции сердцевины из нескольких участков по существу бесконечно. Таким образом, самый эффективный, быстрый и дешевый путь найти семейство профилей, имеющих заданные свойства - это выполнить широкое исследование с использованием моделирования перед изготовлением нового волновода с сердцевиной из нескольких участков. Example 3 and comparative example 4 indicate the need for modeling core profiles, including several sections. The number of profiles within the concept of a core from several sections is essentially infinite. Thus, the most efficient, fastest, and cheapest way to find a family of profiles with desired properties is to carry out extensive research using simulations before fabricating a new waveguide with a core from several sections.

Для варианта выполнения, показанного на фиг. 11, пределы параметров профиля определены при описании сущности изобретения. Было промоделировано около 2500 профилей показателя преломления, входящих в семейство конструкций сердцевины, изображенных на фиг. 11. For the embodiment shown in FIG. 11, the limits of profile parameters are defined in the description of the invention. About 2,500 refractive index profiles, which are part of the family of core designs shown in FIG. eleven.

Вычислены следующие волноводные характеристики:
- λ₀ = 1580±30 нм,
- крутизна характеристики полной дисперсии равна 0,085±0,02 пс/нм²/км,
- диаметр поля моды равен 8,0±0,5 мкм,
A_эфф равно 265±35 мкм,
- λ_c = 1850±100 нм,
- среднее значение потерь, вызванных изгибами на наборе штырей, равно 9,6 дБ,
- медианное значение потерь, вызванных изгибами на наборе штырей, равно 7,0 дБ. Диапазон значений потерь при испытаниях с использованием набора штырей составлял от 3 до 25 дБ.The following waveguide characteristics were calculated:
- λ ₀ = 1580 ± 30 nm,
- the steepness of the characteristics of the total dispersion is equal to 0.085 ± 0.02 ps / nm ² / km,
the diameter of the mode field is 8.0 ± 0.5 μm,
A _eff is 265 ± 35 μm,
- λ _c = 1850 ± 100 nm,
- the average value of losses caused by bends on a set of pins is equal to 9.6 dB,
- the median value of the losses caused by bends on the set of pins is 7.0 dB. The range of loss values during testing using a set of pins ranged from 3 to 25 dB.

Claims

1. A single-mode optical waveguide fiber having a working window at a wavelength of 1550 nm and containing a core region having a refractive index profile including at least three sections, and a cladding layer having a refractive index profile, wherein the refractive index is at least a portion of said profile the core region is greater than the refractive index of at least a portion of the specified profile of the shell layer, and at least one portion of the specified core profile has a minimum refractive index of lower than the minimum refractive index of the specified layer of the cladding, characterized in that the specified single-mode waveguide fiber has an effective area of more than about 90 μm ² in the working window at a wavelength of 1550 nm and the ratio of the effective area to the mode field is more than about 1.3, which provides low dispersion of the waveguide fiber when operating in the wavelength range from 1530 to 1565 nm.

2. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 1, characterized in that the profile of the refractive index of the core region contains five sections, the minimum refractive index of two non-adjacent sections is less than the minimum index of the specified layer of the sheath, and the last point of each section of the profile of the refractive index of the core relative to the reference the central axis of the waveguide fiber is determined by the radii a ₀ , a ₁ , a ₂ , a ₃ and a, respectively, where a is the radius of the specified core.

3. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 2, characterized in that the first portion of the core, from the reference point on the central axis of the waveguide to a ₀ , has a constant refractive index n ₀ , the second portion of the core has a width a ₁ -a ₀ and an index profile refractive a rounded step with a maximum refractive index n _1, the third core segment has a width a ₂ -a ₁ and a constant refractive index n _2, the fourth core portion has a refractive index profile in the form of a rounded step with a maximum Indicators of refraction n ₃ and a width of ₃ -a _2, and a fifth core segment has a width of ₃ aa and constant refractive index n _4.

4. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 3, characterized in that said cladding layer has a constant refractive index n _c , and n ₀ and n _{2 are} less than n _c , or n ₀ and n _{4 are} less than n _c , or n ₂ and n ₄ less than n _c .

5. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 4, characterized in that the portions of said core are characterized by Δ ₀ %, Δ ₁ %, Δ ₂ %, Δ ₃ % and Δ ₄ %, respectively, the first section of the core has Δ ₀ % in the range from about 0 to 0.2% and a ₀ in the range of about 0.50 to 1.5 μm, the second portion of the core has Δ ₁ % in the range of about 0.5 to 1.2% and a ₁ in the range of about 0.50 to 4.5 μm, the third portion of the core has Δ ₂ % less than about -0.1% and a ₂ in the range of about 6 to 12 microns, the fourth portion of the core has Δ ₃ % in the range of 0.2 to 0 , 8%, and a ₃ ranging from about 7 to 16 microns, a fifth core segment has a Δ _4% less than about -0.1% and a ₄ in the range from about 13 to 26 microns and a radius of the core is in the range from about 25 to 35 microns.

6. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 1, characterized in that the core refractive index profile contains four sections, the minimum refractive index of two non-adjacent sections is less than the minimum refractive index of the specified layer of the sheath, and the last point of each section of the core refractive index profile is determined by the radii a ₀ , a ₁ , a ₂ and a, respectively, where a is the radius of the specified core.

7. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 6, characterized in that each section of the indicated core is characterized by a coefficient Δ%, the first section of the core has an α-profile, Δ ₀ % in the range from about 0.7 to 1.2% and a ₀ in the range of about 1.5 to 3.5 microns, the second portion of the core has Δ ₁ % less than about -0.10% and a ₁ in the range of about 6.5 to 11 microns, the third portion of the core has Δ ₂ % in the range from about 0.3 to 0.8% and a ₂ in the range of about 7.5 to 14 μm, the fourth portion of the core has Δ ₃ % less than about -0.10% and a ₃ in the range of from 10 to 32 microns and a less than 35 microns.

8. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 7, characterized in that the first portion of the core having the α profile has a corresponding effective profile of the refractive index in the form of a trapezoid, which has a horizontal part in the direction from the central axis of the waveguide with a radial extension of about 1 up to 3 μm and the adjacent part in the form of a straight inclined line, the value of the coefficient Δ ₁ % is essentially constant, and a ₀ is in the range from about 1.5 to 4.5 microns.

9. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 7, characterized in that said α-profile has a recess in the center in the form of an inverted cone, the radius of the base of which is in the range from 0.10 to 1.0 μm.

10. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 7, characterized in that Δ ₀ % is in the range from about 0.7 to 1.0%, and a _{0 is} in the range from about 2.8 to 3.5 μm, the second section the core has Δ ₁ % less than about -0.10% and a ₁ in the range of about 6 to 8 μm, the third portion of the core has Δ ₂ % in the range of about 0.5 to 0.8% and a ₂ in the range of about 8 to 10 μm, the fourth portion of the core has Δ ₃ % less than about -0.1% and a ₃ in the range of about 13 to 16 μm and a is approximately equal to a ₃ .

11. Single-mode optical waveguide fiber according to any one of claims 7 to 10, characterized in that α is in the range from 1 to 6.

12. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 1, characterized in that the profile of the refractive index of the core region contains five sections, the minimum refractive index of three non-adjacent sections is less than the minimum refractive index of the specified layer of the sheath, and the last point of each section of the profile of the refractive index of the core relative to the reference point on the central axis of the waveguide fiber is determined by the radii a ₀ , a ₁ , a ₂ a ₃ and a, respectively, where a is the radius of the specified core.

13. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 12, characterized in that the portions of said core are characterized by Δ ₀ %, Δ ₁ %, Δ ₂ %, Δ ₃ % and Δ ₄ %, respectively, the first portion of the core has Δ ₀ % less than about -0.10% and a ₀ in the range of about 0.1 to 2.5 μm, the second portion of the core has Δ ₁ % in the range of about 0.5 to 1.2% and a ₁ in the range of about 0.5 up to 4.5 μm, the third portion of the core has Δ ₂ % less than about -0.1% and a ₂ in the range of about 6 to 12 microns, the fourth portion of the core has Δ ₃ % in the range of about 0.2 to 0.8 % and a ₃ in d in the range of about 7 to 14 μm, the fifth portion of the core has Δ ₄ % less than about -0.1% and a ₄ in the range of about 13 to 30 μm and the radius of the core a is in the range of about 20 to 35 μm.

14. A single-mode optical waveguide fiber containing a core region having a refractive index profile including at least three sections, and a cladding layer having a refractive index profile and a minimum refractive index, the refractive index of at least a portion of said core profile being greater than the index the refraction of at least part of the specified profile of the shell layer, and at least one portion of the core profile has a minimum refractive index less than the minimum refractive index of said first cladding layer, characterized in that said single mode optical waveguide fiber has a characteristic bimodal intensity of the electric field multiplied by the radius.

15. A single-mode optical waveguide fiber according to claim 14, characterized in that said bimodal weighted field intensity has at least two separate maxima.

16. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 1 or 13, characterized in that the bending loss caused by one revolution of the specified optical waveguide around a 32 mm diameter coil does not exceed 0.05 dB at a wavelength of 1550 nm, and the bending loss, caused by 100 revolutions of the specified optical waveguide around a coil with a diameter of 75 mm, do not exceed 0.05 dB at a wavelength of 1310 nm and 0.10 dB at a wavelength of 1550 nm.