RU2172506C2

RU2172506C2 - Updated optical waveguide with depression shift

Info

Publication number: RU2172506C2
Application number: RU96122256A
Authority: RU
Inventors: Венката Адисешайа Бхагаватула
Original assignee: Корнинг Инкорпорейтед
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 2001-08-20

Abstract

FIELD: optics. SUBSTANCE: proposed optical waveguide has low slope of complete depression, relatively large diameter of field of mode, larger effective area and comparatively simple structure of profile of refractive index of core. Profile of refractive index of core includes three regions. Capability for tuning of height, width and position of three regions of profile of refractive index of core provides for flexibility sufficient to achieve correspondence with technical requirements imposed on waveguide fiber capable of limitation of four-photon shift or phase self-modulation. Diameter of filed of mode is not less than 7.5 μm and slope of complete dispersion is not more than 0.070 Pa•s/mn²•km.. EFFECT: enlarged effective area of optical waveguide. 7 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к одномодовому оптическому волноводному волокну, которое имеет длину волны нулевой дисперсии, смещенную в диапазон около 1550 нм, большую эффективную площадь и низкую крутизну характеристики полной дисперсии. Новое световодное волокно является представителем семейства профилей, описанных в заявке на патент США N 08/378780. The invention relates to a single-mode optical waveguide fiber, which has a zero dispersion wavelength shifted to a range of about 1550 nm, a large effective area, and a low slope characteristic for full dispersion. The new fiber is a member of the family of profiles described in US patent application N 08/378780.

Новая конструкция одномодового волновода служит для обеспечения такого диаметра поля моды, который позволяет ограничить нелинейные эффекты, обусловленные высокой плотностью мощности сигнала. Кроме того, новое световодное волокно имеет низкое затухание и устойчиво к изгибам при простой структуре профиля показателя преломления, что обеспечивает низкие производственные затраты. Для некоторых профилей, которые входят в объем данного изобретения, кривая зависимости нормализованной волноводной дисперсии от длины волны является бимодальной, предоставляя таким образом дополнительную возможность, которая может быть использована в системах связи с высокими рабочими характеристиками. The new design of a single-mode waveguide serves to provide a mode field diameter that limits nonlinear effects due to the high power density of the signal. In addition, the new fiber has a low attenuation and is resistant to bending with a simple structure of the profile of the refractive index, which ensures low production costs. For some profiles that are included in the scope of this invention, the curve of normalized waveguide dispersion versus wavelength is bimodal, thus providing an additional opportunity that can be used in communication systems with high performance.

Для систем связи, использующих лазеры с высокой мощностью излучения, передатчики и приемники с высокой скоростью передачи данных и технику спектрального мультиплексирования, требуются световодные волокна, имеющие крайне низкую, но не нулевую полную дисперсию и исключительно низкую поляризационную модовую дисперсию. Кроме того, световодное волокно должно обладать характеристиками, по существу, устраняющими такие нелинейные явления как фазовая автомодуляция и четырехволновое смешение. Фазовая автомодуляция может быть ограничена путем снижения плотности мощности. Четырехволновое смешение устраняется работой в диапазоне длин волн, где дисперсия не является нулевой. Communication systems using high-power lasers, high-speed transmitters and receivers, and spectral multiplexing techniques require fiber-optic fibers with extremely low but not zero total dispersion and extremely low polarization mode dispersion. In addition, the fiber must have characteristics that substantially eliminate non-linear phenomena such as phase self-modulation and four-wave mixing. Phase self-modulation can be limited by reducing power density. Four-wave mixing is eliminated by operating in the wavelength range where the dispersion is not zero.

Еще одним требованием является совместимость оптического волновода с системами, в состав которых входят оптические усилители. Another requirement is the compatibility of the optical waveguide with systems that include optical amplifiers.

Чтобы получить оптический волновод с характеристиками, необходимыми для таких сложных систем, было смоделировано и испытано большое количество профилей показателя преломления. Конструкция с составной сердцевиной, рассмотренная в патенте США N 4715679, предоставляет гибкость, удовлетворяющую требованиям новых систем, и в то же время обеспечивает выполнение таких основных требований, как низкое затухание, жесткие допуски на размеры, приемлемая стойкость к изгибам и высокая прочность на растяжение. Кроме того, некоторые конструкции с составной сердцевиной сравнительно просты в изготовлении и благодаря этому обеспечивают улучшенные рабочие характеристики оптических волноводов без чрезмерного увеличения их стоимости. In order to obtain an optical waveguide with the characteristics necessary for such complex systems, a large number of refractive index profiles were simulated and tested. The composite core design described in U.S. Patent No. 4,715,679 provides flexibility to meet the requirements of new systems, while at the same time providing basic requirements such as low attenuation, tight dimensional tolerances, acceptable bending resistance, and high tensile strength. In addition, some composite core designs are relatively easy to manufacture and therefore provide improved performance for optical waveguides without overly increasing their cost.

Были обнаружены определенные виды профилей сердцевины, описанные в заявке на патент США N 08/378780, имеющие необычные свойства. Certain types of core profiles have been discovered, described in US patent application No. 08/378780, having unusual properties.

В системах связи, использующих спектральное мультиплексирование, предпочтительными являются оптические волноводы, имеющие сравнительно плоскую характеристику полной дисперсии в диапазоне длин волн мультиплексированных сигналов. Для тех систем, которые используют оптические усилители или иным образом используют высокую мощность сигнала, нелинейные эффекты, такие как четырехволновое смешение и фазовая автомодуляция, становятся факторами, ограничивающими использование системы. In communication systems using spectral multiplexing, optical waveguides having a relatively flat full dispersion characteristic in the wavelength range of the multiplexed signals are preferred. For those systems that use optical amplifiers or otherwise use high signal power, nonlinear effects, such as four-wave mixing and phase self-modulation, become factors limiting the use of the system.

Таким образом, имеется потребность в оптическом волокне, которое имеет низкую крутизну характеристики полной дисперсии для облегчения спектрального мультиплексирования, позволяет регулировать полную дисперсию, чтобы ограничить четырехволновое смешение, и обеспечивает сравнительно большую площадь поля моды, чтобы мощность, приходящаяся на единицу сечения волноводного волокна, была не слишком велика и таким образом ограничивалась фазовая автомодуляция. Thus, there is a need for an optical fiber that has a low slope of full dispersion characteristics to facilitate spectral multiplexing, allows full dispersion to be controlled to limit four-wave mixing, and provides a relatively large mode field so that the power per unit section of the waveguide fiber is not too large, and thus phase self-modulation was limited.

Кроме того, желательно сохранить простоту и низкую стоимость производства, присущую волноводам с простым профилем показателя преломления, таким как ступенчатый. In addition, it is desirable to maintain the simplicity and low cost of production inherent in waveguides with a simple refractive index profile, such as stepped.

Определения:
- Радиусы областей сердцевины определяются по показателю преломления. Отдельная область начинается в той точке, где показатель преломления принимает значение, соответствующее этой области, и заканчивается в последней точке, где показатель преломления типичен для этой области. Радиус будет иметь это определение, если иное не будет оговорено в тексте.Definitions:
- The radii of the core regions are determined by the refractive index. A separate region begins at the point where the refractive index takes on a value corresponding to this region and ends at the last point where the refractive index is typical for this region. The radius will have this definition, unless otherwise specified in the text.

- Параметр Δ% представляет собой меру относительной разницы показателей преломления, определяемую уравнением
Δ% = 100 • (n_r ² - n_c ²) /2n_r ²,
где n_r - максимальный показатель преломления в данной области сердцевины,
n_c - показатель преломления в области оболочки.- The parameter Δ% is a measure of the relative difference in refractive indices defined by the equation
Δ% = 100 • (n _r ² - n _c ² ) / 2n _r ² ,
where n _r is the maximum refractive index in a given region of the core,
n _c is the refractive index in the region of the shell.

- Термин α-профиль относится к профилю показателя преломления, выраженному через Δ(r)%, согласно уравнению
Δ(r) = Δ(r_o)%(1-[(r-r_o)/(r₁-r_o)]^α),
где r находится в интервале r₀ ≅ r ≅ r₁,
Δ - определена выше,
α - показатель степени, который определяет форму профиля.- The term α-profile refers to the profile of the refractive index, expressed in terms of Δ (r)%, according to the equation
Δ (r) = Δ (r _o )% (1 - [(rr _o ) / (r ₁ -r _o )] ^α ),
where r is in the interval r ₀ ≅ r ≅ r ₁ ,
Δ is defined above
α is an exponent that determines the shape of the profile.

- Эффективная площадь равна
A_эфф= 2π(∫E²rdr)²/(∫E⁴rdr),
где пределы интегрирования соответствуют интервалу от 0 до ∞,
E - электрическое поле распространяющегося света.- The effective area is
A _eff = 2π (∫E ² rdr) ² / (∫E ⁴ rdr),
where the integration limits correspond to the interval from 0 to ∞,
E is the electric field of the propagating light.

- Нормализованная дисперсия волновода определяется в соответствии с патентом США N 4715679 как V d² (bV)/dV².- The normalized dispersion of the waveguide is defined in accordance with US patent N 4715679 as V d ² (bV) / dV ² .

Описываемое здесь новое световодное волокно отвечает требованиям к волокну с высокими рабочими характеристиками, имеющему низкую крутизну характеристики дисперсии и большую эффективную площадь, то есть A_эфф более 60 мкм². Сверх того, новая конструкция профиля показателя преломления может быть приспособлена для получения бимодальной зависимости нормализованной дисперсии волновода от λ/λ_c. Термин "бимодальная" используется для описания кривой, содержащей первую часть, имеющую первую крутизну, и вторую часть, имеющую вторую крутизну. В данном случае одна часть кривой нормализованной волноводной дисперсии является плоской и таким образом определяет интервал длин волн, в котором λ_o и полная дисперсия нечувствительны к производственным отклонениям. Другая часть кривой имеет более крутой наклон, обычно с крутизной большей, чем 2, и тем самым обеспечивает интервал, в котором небольшие изменения в геометрии световодного волокна или в профиле показателя преломления создают большие изменения λ_o и тем самым полной дисперсии. Последняя характеристика геометрии волновода или профиля показателя преломления является идеальной для переключения полной дисперсии между положительными и отрицательными значениями и тем самым для управления полной дисперсией отрезка волокна. Управление полной дисперсией может означать то, что полная дисперсия всего отрезка волокна является малой, хотя дисперсия на любом значительном отрезке волокна не является нулевой. Таким образом, по существу, устраняется нелинейный эффект четырехволнового смешения.The new light guide fiber described here meets the requirements for a high performance fiber having a low slope dispersion characteristic and a large effective area, i.e., A _eff greater than 60 μm ² . Moreover, the new design of the refractive index profile can be adapted to obtain a bimodal dependence of the normalized waveguide dispersion on λ / λ _c . The term “bimodal” is used to describe a curve containing a first part having a first slope and a second part having a second slope. In this case, one part of the normalized waveguide dispersion curve is flat and thus defines a wavelength interval in which λ _o and total dispersion are insensitive to production deviations. The other part of the curve has a steeper slope, usually with a slope greater than 2, and thereby provides an interval in which small changes in the geometry of the light guide fiber or in the profile of the refractive index produce large changes in λ _o and thereby complete dispersion. The latter characteristic of the waveguide geometry or the profile of the refractive index is ideal for switching the total dispersion between positive and negative values and thereby controlling the total dispersion of the fiber segment. Controlling full dispersion may mean that the total dispersion of the entire fiber segment is small, although the dispersion at any significant fiber segment is not zero. Thus, essentially, eliminates the nonlinear effect of four-wave mixing.

Согласно первому аспекту изобретения, новое световодное волокно, для которого выше даны определения и которое имеет указанные выше полезные свойства, представляет собой одномодовое световодное волокно, имеющее длину волны нулевой дисперсии в диапазоне примерно от 1500 до 1600 нм, то есть это волокно имеет смещенную дисперсию. Профиль показателя преломления сердцевины световодного волокна имеет три области:
- центральную область радиуса A₁, где радиус измеряется от оси волновода, имеющую α-профиль показателя преломления с α = 1, максимальный показатель преломления n₁ и относительную разницу показателей преломления Δ₁%;
- вторую область, имеющую первую точку непосредственно после A₁ и последнюю точку на радиусе A₂, максимальный показатель преломления n₂ и относительную разницу показателей преломления Δ₂%,
- третью область, имеющую первую точку непосредственно после A₂ и последнюю точку на радиусе A, максимальный показатель преломления n₃ и относительную разницу показателей преломления Δ₃%.
Эти параметры связаны следующими соотношениями:
n₁ > n₂ > n ≥ n_c;
A₁/A в диапазоне от 0,4 до 0,6;
A₂/A в диапазоне примерно от 0,78 до 0,88 и
Δ₃%/Δ₁% в диапазоне примерно от 0,16 до 0,39.According to a first aspect of the invention, the new light guide fiber, as defined above and which has the above beneficial properties, is a single-mode light guide fiber having a zero dispersion wavelength in the range of about 1500 to 1600 nm, i.e., this fiber has an offset dispersion. The profile of the refractive index of the core of the fiber has three areas:
- the central region of radius A ₁ , where the radius is measured from the axis of the waveguide, having an α-profile of the refractive index with α = 1, the maximum refractive index n ₁ and the relative difference in refractive indices Δ ₁ %;
- the second region having the first point immediately after A ₁ and the last point on the radius A ₂ , the maximum refractive index n ₂ and the relative difference in refractive indices Δ ₂ %,
- the third region having the first point immediately after A ₂ and the last point on the radius A, the maximum refractive index n ₃ and the relative difference in refractive indices Δ ₃ %.
These parameters are related by the following relationships:
n ₁ > n ₂ > n ≥ n _c ;
A ₁ / A in the range from 0.4 to 0.6;
A ₂ / A in the range of about 0.78 to 0.88; and
Δ ₃ % / Δ ₁ % in the range of about 0.16 to 0.39.

Эти соотношения дают в результате такие характеристики волноводного волокна как длина волны нулевой дисперсии в диапазоне от 1520 до 1600 нм и крутизна характеристики полной дисперсии не более 0,085 пс/нм²•км.These relationships result in waveguide fiber characteristics such as the zero dispersion wavelength in the range from 1520 to 1600 nm and the steepness of the total dispersion characteristic not more than 0.085 ps / nm ² • km.

Волокно в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения согласно его первому аспекту имеет:
A₁ в диапазоне от 3,25 до 3,50 мкм;
A₂ в диапазоне от 5,55 до 6,05 мкм и
A в диапазоне от 6,5 до 7,0 мкм.The fiber in accordance with the first embodiment of the invention according to its first aspect has:
A ₁ in the range of 3.25 to 3.50 μm;
A ₂ in the range from 5.55 to 6.05 μm and
A in the range from 6.5 to 7.0 μm.

Отношение Δ₃%/Δ₁% составляет около 0,165 и Δ₁% от 0,9 до 1,0%. Этот вариант осуществления изобретения имеет такие характеристики, как длина волны нулевой дисперсии в диапазоне от 1530 до 1550 нм, крутизна характеристики полной дисперсии не более 0,07 пс/нм²•км и диаметр поля моды не менее 8,4 мкм.The ratio Δ ₃ % / Δ ₁ % is about 0.165 and Δ ₁ % from 0.9 to 1.0%. This embodiment of the invention has characteristics such as a zero dispersion wavelength in the range from 1530 to 1550 nm, a steepness of the total dispersion characteristic of not more than 0.07 ps / nm ² • km, and a mode field diameter of not less than 8.4 microns.

В соответствии с подвариантом этого варианта осуществления изобретения вторая область сердцевины имеет плоский профиль показателя преломления и n₂, приблизительно равное n_c. Третья область сердцевины имеет трапецеидальную форму профиля показателя преломления, по существу, с плоской верхней частью.According to a variant of this embodiment, the second core region has a flat refractive index profile and n _{2 of} approximately n _c . The third core region has a trapezoidal refractive index profile with a substantially flat top.

Волокно в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения согласно первому аспекту имеет:
A₁ в диапазоне от 3,25 до 3,75 мкм,
A₂ в диапазоне от 5,1 до 6 мкм и
A в диапазоне от 6,5 до 7,5 мкм.A fiber in accordance with another embodiment of the invention according to the first aspect has:
A ₁ in the range from 3.25 to 3.75 μm,
A ₂ in the range of 5.1 to 6 μm and
A in the range of 6.5 to 7.5 microns.

Отношение Δ₃%/Δ₁% составляет около 0,18 и Δ₁% от 0,9 до 1,0%, что обеспечивает волноводные свойства, длину волны нулевой дисперсии в диапазоне от 1535 до 1585 нм, крутизну характеристики полной дисперсии не более 0,065 пс/нм²•км, диаметр поля моды не менее 7,5 мкм и бимодальную крутизну нормализованной характеристики волноводной дисперсии.The ratio Δ ₃ % / Δ ₁ % is about 0.18 and Δ ₁ % from 0.9 to 1.0%, which provides waveguide properties, a wavelength of zero dispersion in the range from 1535 to 1585 nm, the slope of the characteristics of the total dispersion is not more than 0.065 ps / nm ² • km, the mode field diameter is at least 7.5 μm, and the bimodal slope of the normalized waveguide dispersion characteristic.

В подварианте этого варианта осуществления изобретения первая область сердцевины имеет центральную часть с профилем в виде перевернутого конуса, радиус основания которого не больше, чем примерно 1,5. Кроме того, вблизи конца первой области профиля показателя преломления наклон треугольного α-профиля уменьшается. Эти две характеристики центральной области сердцевины являются типичными для диффузии или выщелачивания легирующей добавки из заготовки во время изготовления. В большинстве применений это явление диффузии не оказывает существенного влияния на рабочие характеристики волновода. Однако в случаях, когда диффузия значительно изменяет свойства волновода, может быть выполнена компенсация диффузии на этапе получения заготовки. Таким образом, их наличие обеспечивает лучшее соответствие между моделируемым и реальным профилем показателя преломления. Вторая область сердцевины имеет плоский профиль показателя преломления и n₂, по существу, равное n_c.In a variant of this embodiment, the first core region has a central portion with an inverted cone profile, the radius of the base of which is not more than about 1.5. In addition, near the end of the first region of the refractive index profile, the slope of the triangular α-profile decreases. These two characteristics of the central region of the core are typical for diffusion or leaching of the dopant from the workpiece during manufacture. In most applications, this diffusion phenomenon does not significantly affect the performance of the waveguide. However, in cases where diffusion significantly changes the properties of the waveguide, diffusion compensation can be performed at the stage of preparation of the workpiece. Thus, their presence provides a better correspondence between the modeled and the real profile of the refractive index. The second core region has a flat refractive index profile and n ₂ substantially equal to n _c .

Бимодальный характер нормализованной волноводной дисперсии данного подварианта может быть описан с помощью критической длины волны световодного волокна λ_c и рабочей длины волны, или длины волны сигнала, λ. В частности, кривая нормализованной волноводной дисперсии является, по существу, плоской, когда 0,68 ≅ λ_c/λ ≅ 0,8 и имеет крутизну больше, чем примерно 2, для λ_c/λ > 0,8.The bimodal nature of the normalized waveguide dispersion of this sub-option can be described using the critical wavelength of the light guide fiber λ _c and the working wavelength, or signal wavelength, λ. In particular, the normalized waveguide dispersion curve is substantially flat when 0.68 ≅ λ _c / λ ≅ 0.8 and has a slope greater than about 2 for λ _c / λ> 0.8.

Второй аспект изобретения аналогично первому аспекту может быть определен как световодное волокно, имеющее сердцевину из трех областей, причем центральная область имеет ступенчатый профиль показателя преломления. Сохраняя аналогичные определения терминов, n₁ > n₃ > n₂ ≥ n_c, A₁/A, около 0,3, A₂/A около 0,85 и Δ₃%/Δ₁% около 0,39. Такое новое световодное волокно имеет длину волны нулевой дисперсии в диапазоне от 1520 до 1600 нм и крутизну характеристики полной дисперсии не более 0,070 пс/нм²•км.The second aspect of the invention, similarly to the first aspect, can be defined as a light guide fiber having a core of three regions, the central region having a stepped refractive index profile. Keeping the same definitions of terms, n ₁ > n ₃ > n ₂ ≥ n _c , A ₁ / A, about 0.3, A ₂ / A about 0.85 and Δ ₃ % / Δ ₁ % about 0.39. Such a new fiber has a wavelength of zero dispersion in the range from 1520 to 1600 nm and a slope of the total dispersion characteristic of not more than 0.070 ps / nm ² • km.

Волокно в соответствии с вариантом второго аспекта изобретения имеет:
A₁ в диапазоне от 2,25 до 2,55 мкм;
A₂ в диапазоне от 6,35 до 7,4 мкм и
A в диапазоне примерно от 7,5 до 8,5 мкм.The fiber in accordance with a variant of the second aspect of the invention has:
A ₁ in the range from 2.25 to 2.55 μm;
A ₂ in the range of 6.35 to 7.4 microns and
A in the range of about 7.5 to 8.5 microns.

Отношение Δ₃%/Δ₁% составляет около 0,39 и Δ₁% около 0,6%. Световодное волокно согласно этому варианту осуществления изобретения имеет длину волны нулевой дисперсии в диапазоне от 1525 до 1600 нм, крутизну характеристики полной дисперсии не более 0,07 пс/нм²•км и диаметр поля моды не менее 8,0 мкм.The ratio Δ ₃ % / Δ ₁ % is about 0.39 and Δ ₁ % is about 0.6%. The light guide fiber according to this embodiment of the invention has a zero dispersion wavelength in the range of 1525 to 1600 nm, a slope of the total dispersion characteristic of not more than 0.07 ps / nm ² • km, and a mode field diameter of at least 8.0 μm.

Подвариант этого варианта осуществления изобретения имеет фактически плоский профиль показателя преломления второй области, причем этот показатель, по существу, равен n_c. Профиль показателя преломления у третьей области сердцевины является трапецеидальным. Кривая нормализованной дисперсии волновода является бимодальной, так как определена приведенными ниже ограничениями на отношение критической длины волны к длине волны сигнала. Кривая нормализованной дисперсии волновода является, по существу, плоской для 0,72 ≅ λ_c/λ ≅ 0,80 и имеет крутизну больше, чем примерно 2, для λ_c/λ > 0,80.A sub-variant of this embodiment of the invention has a substantially flat profile of the refractive index of the second region, moreover, this index is essentially equal to n _c . The refractive index profile of the third core region is trapezoidal. The normalized dispersion curve of the waveguide is bimodal, as defined by the following restrictions on the ratio of the critical wavelength to the wavelength of the signal. The normalized dispersion curve of the waveguide is essentially flat for 0.72 ≅ λ _c / λ ≅ 0.80 and has a slope greater than about 2 for λ _c / λ> 0.80.

Должно быть понятно, что небольшие отклонения от описанных выше профилей показателя преломления не влияют существенно на свойства или эксплуатационные качества световодного волокна. Кроме того, в данной области техники известно понятие эквивалентного профиля показателя преломления. Эквивалентные профили показателя преломления являются такими профилями, которые в сущности взаимозаменяемы в световодном волокне. It should be understood that small deviations from the refractive index profiles described above do not significantly affect the properties or performance of the fiber. In addition, the concept of an equivalent refractive index profile is known in the art. Equivalent refractive index profiles are those that are essentially interchangeable in a light guide fiber.

Новое семейство профилей показателя преломления, описываемых здесь, включает в себя эквивалентные профили и варианты профилей, которые лишь слегка отклоняются от описываемого профиля. Например, ступенчатая область может иметь скругленные углы или наклонные стороны, либо вогнутую или выпуклую верхнюю часть. Явление диффузии легирующей примеси, которое встречается в некоторых методах изготовления заготовок волновода, также обычно не может существенно влиять на характеристики или эксплуатационные качества световодного волокна. Однако в случаях, когда диффузия может существенно изменить характеристики волновода, может быть выполнена ее компенсация на этапе получения заготовки. Относительная разница показателей преломления или геометрические отношения могут быть подстроены, то есть отрегулированы для достижения необходимых характеристик и эксплуатационных качеств световодного волокна. The new family of refractive index profiles described here includes equivalent profiles and profile variations that only slightly deviate from the described profile. For example, the stepped region may have rounded corners or sloping sides, or a concave or convex upper part. The dopant diffusion phenomenon, which occurs in some methods for manufacturing waveguide preforms, also usually cannot significantly affect the characteristics or performance of a fiber. However, in cases where diffusion can significantly change the characteristics of the waveguide, it can be compensated at the stage of preparation of the workpiece. The relative difference in refractive indices or geometric relationships can be adjusted, that is, adjusted to achieve the necessary characteristics and performance of the fiber.

На фиг. 1 показана сердцевина, состоящая из трех областей и имеющая треугольный, то есть с α = 1, профиль показателя преломления центральной области. In FIG. 1 shows a core consisting of three regions and having a triangular, that is, with α = 1, profile of the refractive index of the central region.

На фиг. 2a показан профиль показателя преломления из трех областей, у которого центральная область профиля имеет в средней части выемку в виде конуса, а концевая часть имеет величину наклона менее 1. In FIG. 2a shows a refractive index profile of three regions, in which the central region of the profile has a cone-shaped recess in the middle part and the end part has a slope value of less than 1.

На фиг. 2b приведен график зависимости нормализованной дисперсии волновода от λ_c/λ, который относится к профилю показателя преломления, показанному на фиг. 2a.In FIG. 2b is a plot of the normalized waveguide dispersion versus λ _c / λ, which refers to the refractive index profile shown in FIG. 2a.

На фиг. 3a показан профиль с тремя областями, имеющий в центральной области ступенчатый профиль показателя преломления. In FIG. 3a shows a three-region profile having in the central region a stepped refractive index profile.

На фиг. 3b приведен график зависимости нормализованной дисперсии волновода от λ_c/λ, который относится к профилю показателя преломления, показанному на фиг. 3a.In FIG. 3b is a plot of the normalized waveguide dispersion versus λ _c / λ, which refers to the refractive index profile shown in FIG. 3a.

Одномодовый оптический волновод со ступенчатым показателем преломления стал промышленным стандартом вследствие его большой широкополосности, низкого затухания и простоты конструирования профиля показателя преломления. Это световодное волокно особенно привлекательно для индустрии связи, поскольку простота конструкции профиля показателя преломления приводит к низким затратам для организаций, поставляющих и прокладывающих волоконно-оптический кабель. The single-mode optical waveguide with a stepped refractive index has become the industry standard due to its large broadband, low attenuation and the simplicity of designing the refractive index profile. This light guide fiber is particularly attractive to the communications industry, since the simplicity of the design of the refractive index profile leads to low costs for organizations supplying and laying fiber optic cable.

Однако когда появилась потребность в волноводе с более высокими рабочими характеристиками, потребовалась структура профиля показателя преломления, имеющая большую гибкость. Описываемая здесь новая сердцевина из нескольких областей является представителем такого вида профиля показателя преломления, который рассмотрен в патенте США N 4715679 и более подробно описан в заявках на патент США N 08/378780 и 08/323795. Конструкция сердцевины из трех областей имеет достаточную гибкость для того, чтобы соответствовать требованиям систем связи с высокими рабочими характеристиками. However, when there was a need for a waveguide with higher performance characteristics, a refractive index profile structure was required that has greater flexibility. The new multi-region core described here is representative of this kind of refractive index profile, which is described in US Pat. No. 4,715,679 and described in more detail in US patent applications Nos. 08/378780 and 08/323795. The three-core core design is flexible enough to meet the demands of high performance communications systems.

Поскольку число возможных профилей показателя преломления для сердцевины с несколькими областями, как изложено в патенте США N 4715679, является, по существу, бесконечным, то удобно изучать отдельные образцы профиля показателя преломления, используя модель для расчета рабочих характеристик световодного волокна, основанную на параметрах показателя преломления сердцевины и ее геометрии. Since the number of possible refractive index profiles for a multi-region core, as set forth in US Pat. No. 4,715,679, is essentially infinite, it is convenient to study individual samples of the refractive index profile using a model for calculating the optical fiber performance based on the refractive index parameters core and its geometry.

Для данного изобретения функциональные требования к световодному волокну включают в себя низкую крутизну характеристики дисперсии, работу в окне с низкими потерями с длиной волны 1550 нм и эффективную площадь на длине волны 1550 нм больше, чем примерно 60 мкм². Диаметр поля моды в предпочтительном случае поддерживается одинаковым или увеличенным по сравнению со стандартным световодным волокном со смещенной дисперсией.For the present invention, the functional requirements for the light guide fiber include a low slope dispersion characteristic, low loss window operation with a wavelength of 1550 nm and an effective area at a wavelength of 1550 nm greater than about 60 μm ² . The diameter of the mode field is preferably maintained the same or increased compared to a standard dispersion-shifted optical fiber.

При исследовании профилей показателя преломления, которые соответствуют этим требованиям, было обнаружено дополнительное преимущество. Для некоторых из новых профилей с тремя областями график нормализованной дисперсии волновода, определенной в патенте США N 4715679 как Vd²(Vb)/dV², построенный в зависимости от отношения λ_c/λ, где λ_c - критическая длина волны и λ - длина волны сигнала, имеет бимодальный наклон. Первая часть кривой является в сущности плоской. Поэтому длина волны нулевой дисперсии и критическая длина волны относительно нечувствительны к изменениям геометрии световодного волокна, например радиуса сердцевины. Следовательно, ослабляются производственные допуски и увеличивается процент выхода годной продукции.When examining refractive index profiles that meet these requirements, an additional advantage was discovered. For some of the new profiles with three regions, the graph of the normalized dispersion of the waveguide, defined in US Pat. No. 4,715,679 as Vd ² (Vb) / dV ² , plotted against the ratio λ _c / λ, where λ _c is the critical wavelength and λ is the length waveform, has a bimodal slope. The first part of the curve is essentially flat. Therefore, the zero dispersion wavelength and critical wavelength are relatively insensitive to changes in the geometry of the light guide fiber, for example, the radius of the core. Consequently, production tolerances are weakened and the percentage of yield is increased.

Вторая часть кривой нормализованной волноводной дисперсии имеет крутизну, большую примерно 2. Для этой части кривой длина волны нулевой дисперсии и критическая длина волны могут иметь значения, изменяющиеся в широких пределах в зависимости от геометрии световодного волокна. Тогда может быть более легко изготовлен волновод с управляемой дисперсией для переключения между положительным и отрицательным значениями. Таким способом полная дисперсия волновода может быть сделана малой по всей длине волокна, хотя на любом отрезке длины световодного волокна полная дисперсия будет ненулевой. Следовательно, четырехволновое смешение может быть ограничено без большого ухудшения полной дисперсии. The second part of the normalized waveguide dispersion curve has a slope greater than about 2. For this part of the curve, the zero dispersion wavelength and critical wavelength can have values that vary widely depending on the geometry of the fiber. Then a dispersion controlled waveguide can be made more easily to switch between positive and negative values. In this way, the total dispersion of the waveguide can be made small along the entire length of the fiber, although the total dispersion will be nonzero on any length of the fiber. Therefore, four-wave mixing can be limited without much deterioration in total dispersion.

Оптический волновод, имеющий три области, показан на фиг. 1. Отметим, что на фиг. 1 показаны определения радиусов A₁, A₂ и A. Центральная область 2 имеет α-профиль с α, равным 1, то есть треугольный профиль показателя преломления. Вторая область 4 показана с несколькими возможными вариантами, включая плоский профиль с показателем преломления, равным n_c, ступенчатый профиль 10 и более общую кривую 8 показателя преломления. Профиль показателя преломления выбирается так, что n₁ > n₃ > n₂ ≥ n_c, где подстрочный индекс показателя преломления соответствует номеру области. Третья область показана как трапеция 6. Понятно, что небольшие изменения профиля 6 показателя преломления могут быть сделаны без существенного влияния на функции волновода. Например, верхняя часть трапеции может иметь наклон или изгиб.An optical waveguide having three regions is shown in FIG. 1. Note that in FIG. 1 shows the definitions of the radii A ₁ , A ₂ and A. The central region 2 has an α-profile with α equal to 1, that is, a triangular profile of the refractive index. The second region 4 is shown with several possible options, including a flat profile with a refractive index of n _c , a stepped profile 10 and a more general curve 8 of the refractive index. The refractive index profile is chosen so that n ₁ > n ₃ > n ₂ ≥ n _c , where the subscript of the refractive index corresponds to the region number. The third region is shown as trapezoid 6. It is clear that small changes in the profile 6 of the refractive index can be made without significantly affecting the functions of the waveguide. For example, the top of the trapezoid may have a slope or bend.

Пример 1. Профиль показателя преломления с тремя областями, α = 1
Семейство волноводов, имеющих показанную на фиг. 1 форму профиля показателя преломления, было смоделировано при поиске волокна с низкой крутизны характеристики полной дисперсии и длиной волны нулевой дисперсии λ_o/ во втором окне. Было найдено, что подходящими параметрами профиля показателя преломления являются: A₁/A≈0,5; A₃/A≈0,86; Δ₃%/Δ₁% ≈0,165. В табл. 1 приведены характеристики двух волноводов, полученные моделированием.Example 1. The profile of the refractive index with three regions, α = 1
The family of waveguides having shown in FIG. 1, the profile profile of the refractive index was simulated when searching for fibers with a low slope, the characteristics of the total dispersion and the wavelength of zero dispersion λ _{o /} in the second window. It was found that suitable parameters for the profile of the refractive index are: A ₁ / A≈0.5; A ₃ / A≈0.86; Δ ₃ % / Δ ₁ % ≈0.165. In the table. Figure 1 shows the characteristics of two waveguides obtained by simulation.

В табл. 1 приведены параметры световодных волокон со смещенной дисперсией, имеющих очень низкую крутизну характеристики полной дисперсии и большой диаметр поля моды. Для этих волноводов A_эфф составляет более 70 мкм².In the table. Figure 1 shows the parameters of fiber with dispersion shifted dispersion, having a very low slope of the characteristics of the total dispersion and a large diameter of the mode field. For these waveguides, A _eff is more than 70 μm ² .

Другое световодное волокно, входящее в данный пример, имеет A₁/A = 0,46, A₂/A = 0,84 - 0,85, Δ₃%/Δ₁% = 0,39, A = 7,1 - 7,2 и Δ₁% ≈ 0,9. В этом случае крутизна характеристики полной дисперсии несколько выше и составляет около 0,085 пс/нм²•км, но A_эфф увеличивается до значений примерно от 75 до 80 мкм².Another optical fiber included in this example has A ₁ / A = 0.46, A ₂ / A = 0.84 - 0.85, Δ ₃ % / Δ ₁ % = 0.39, A = 7.1 - 7.2 and Δ ₁ % ≈ 0.9. In this case, the steepness of the total dispersion characteristic is slightly higher and amounts to about 0.085 ps / nm ² • km, but A _eff increases to values from about 75 to 80 μm ² .

Вариант осуществления изобретения, аналогичный показанному на фиг. 1, приведен на фиг. 2a. В этом случае смоделированный профиль показателя преломления был изменен, чтобы лучше отражать реальные условия производства. Некоторые способы изготовления заготовок световодных волокон требуют высокотемпературной обработки заготовки в то время, когда она находится в форме порошка (сажи), в отличие от заготовки, которая уплотнена в стекло. Во время такого технологического процесса является обычным, когда ионы легирующей примеси выщелачиваются из стеклянной сажи или диффундируют через нее. An embodiment of the invention similar to that shown in FIG. 1 is shown in FIG. 2a. In this case, the simulated refractive index profile was modified to better reflect the actual conditions of production. Some methods for manufacturing fiber-optic fiber preforms require high-temperature processing of the preform while it is in the form of powder (soot), in contrast to a preform that is sealed in glass. During such a process, it is common for dopant ions to leach out of glass soot or diffuse through it.

Результат такого выщелачивания или диффузии может быть представлен профилем показателя преломления, показанным на фиг. 2a. Область 20 провала в виде конуса на оси может быть обусловлена выщелачиванием легирующей примеси из сажи. Радиус 12 основания конуса обычно не превышает примерно 1,5 мкм. Части 14 и 18 профиля показателя преломления представляют легирующую примесь, которая диффундировала в район 22 из соседних областей профиля показателя преломления, имеющих более высокую концентрацию легирующей примеси. Вследствие этого часть 24 профиля показателя преломления с α = 1 имеет клиновидную часть 14, а трапецеидальный профиль 16 показателя преломления имеет расширенное основание и менее крутые наклоны сторон. The result of such leaching or diffusion can be represented by the refractive index profile shown in FIG. 2a. The conical dip region 20 on the axis may be due to leaching of the dopant from the soot. The radius 12 of the base of the cone usually does not exceed about 1.5 microns. Parts 14 and 18 of the refractive index profile represent a dopant that diffuses into region 22 from neighboring regions of the refractive index profile having a higher dopant concentration. As a result, part 24 of the refractive index profile with α = 1 has a wedge-shaped part 14, and the trapezoidal profile 16 of the refractive index has an expanded base and less steep slopes of the sides.

Пример 2. Профиль показателя преломления с тремя областями, α = 1, диффузия легирующей примеси
Было смоделировано оптическое волноводное волокно с тремя областями, имеющее форму профиля показателя преломления, показанную на фиг. 2a. Радиальное положение A₁, A₂ и A показано на горизонтальной оси. Параметрами профиля показателя преломления, использованными при расчете, были: A₁/A≈0,50; A₂/A≈0,79; Δ₃%/Δ₁% ≈ 0,18. Результаты приведены в табл. 2.Example 2. The profile of the refractive index with three regions, α = 1, the diffusion of the dopant
A three-region optical waveguide fiber having the shape of a refractive index profile shown in FIG. 2a. The radial position of A ₁ , A ₂ and A is shown on the horizontal axis. The parameters of the refractive index profile used in the calculation were: A ₁ / A≈0.50; A ₂ / A≈0.79; Δ ₃ % / Δ ₁ % ≈ 0.18. The results are shown in table. 2.

Результаты моделирования показывают очень низкую крутизну характеристики полной дисперсии и возможность изменения длины волны λ_o между значениями выше и ниже 1550 нм. Это последнее свойство делает конструкцию пригодной для использования в волноводах с управляемой дисперсией, как описано выше. Диаметры поля моды приемлемы для умеренных плотностей мощности сигнала.The simulation results show a very low slope of the total dispersion characteristics and the possibility of changing the wavelength λ _o between values above and below 1550 nm. This latter property makes the structure suitable for use in waveguides with controlled dispersion, as described above. Mode field diameters are acceptable for moderate signal power densities.

Нормализованная дисперсия волновода в зависимости от λ_c/λ, которая соответствует профилям показателя преломления примера 2, показана на фиг. 2b. Плоская часть кривой 26 является той областью, где λ_o нечувствительна к производственным отклонениям в геометрии световодного волокна. Более крутая часть кривой 28 представляет собой область, полезную при производстве световодного волокна с управляемой дисперсией.The normalized waveguide dispersion as a function of λ _c / λ, which corresponds to the refractive index profiles of Example 2, is shown in FIG. 2b. The flat portion of curve 26 is the region where λ _{o is} insensitive to manufacturing deviations in the geometry of the light guide fiber. The steeper part of curve 28 is an area useful in the production of dispersion-controlled optical fiber.

Вариант осуществления изобретения, показанный на фиг. 3a, является особенно простым по конструкции и сравнительно простым для производства, что делает возможным процесс изготовления с низкими затратами. Центральный ступенчатый профиль 30 показателя преломления отделен от трапецеидальной области 34 областью 32 с пониженным показателем преломления. Ступенчатая и искривленная области 36 и 38 показаны в качестве альтернативы для области 32, показатель преломления которой, по существу, равен показателю преломления слоя оболочки. The embodiment of the invention shown in FIG. 3a is particularly simple in construction and relatively simple to manufacture, which makes a low-cost manufacturing process possible. The central step profile 30 of the refractive index is separated from the trapezoidal region 34 by a region 32 with a reduced refractive index. The stepped and curved regions 36 and 38 are shown alternatively for region 32, the refractive index of which is substantially equal to the refractive index of the shell layer.

Пример 3. Ступенчатый профиль показателя преломления
Профиль показателя преломления на фиг. 3a со второй областью, для которой был принят профиль 32 показателя преломления, был смоделирован с использованием параметров: A₁/A ≈ 0,3; A₂/A ≈ 0,85 и Δ₃%/Δ₁% ≈ 0,39. Результаты моделирования приведены в табл. 3.Example 3. The stepped profile of the refractive index
The refractive index profile in FIG. 3a with the second region for which the refractive index profile 32 was adopted, was simulated using the parameters: A ₁ / A ≈ 0.3; A ₂ / A ≈ 0.85 and Δ ₃ % / Δ ₁ % ≈ 0.39. The simulation results are given in table. 3.

Обратим внимание, что крутизна характеристики полной дисперсии для последних двух примеров световодных волокон очень низка и диаметр поля моды составляет более 8,0 мкм. В первом примере был получен исключительно большой диаметр поля моды световодного волокна, в то время как крутизна характеристики полной дисперсии составляет только 0,070 пс/нм²•км.Note that the steepness of the total dispersion characteristic for the last two examples of optical fibers is very low and the mode field diameter is more than 8.0 μm. In the first example, an exceptionally large diameter of the mode field of the fiber was obtained, while the steepness of the total dispersion characteristic was only 0.070 ps / nm ² • km.

Из примеров также видно, что можно увеличивать A_эфф в обмен на более высокую крутизну характеристики полной дисперсии. Конкретное применение определяет соответствующий компромисс при выборе характеристик световода.It can also be seen from the examples that A _eff can be increased in exchange for a higher slope of the total dispersion characteristic. The specific application determines the appropriate compromise in selecting the characteristics of the fiber.

Для этого профиля показателя преломления имеется соответствующая кривая нормализованной дисперсии волновода в зависимости от отношения λ_c/λ. Как показано на фиг. 3b, кривая является относительно плоской для λ_c/λ в диапазоне примерно от 0,72 до 0,8. Более крутая часть кривой в основном имеет крутизну большую, чем примерно 2, для λ_c/λ больше 0,8.For this profile of the refractive index, there is a corresponding curve of the normalized dispersion of the waveguide depending on the ratio λ _c / λ. As shown in FIG. 3b, the curve is relatively flat for λ _c / λ in the range of about 0.72 to about 0.8. The steeper part of the curve generally has a slope greater than about 2, for λ _c / λ greater than 0.8.

Таким образом, изобретение обеспечивает получение оптического волноводного волокна с сердцевиной из трех областей, которое:
- может изготавливаться как волновод с управляемой дисперсией;
- имеет простую структуру и, поэтому, низкие затраты при производстве;
- обеспечивает очень низкую крутизну характеристики полной дисперсии, необходимую для систем с высокой скоростью передачи информации, которые могут использовать спектральное мультиплексирование или иметь большие регенерационные участки, и
- обеспечивает достаточно большой диаметр поля моды для того, чтобы ограничить нелинейные оптические эффекты, такие как четырехфотонное смешение и фазовая автомодуляция или перекрестная фазовая модуляция.Thus, the invention provides an optical waveguide fiber with a core of three regions, which:
- can be made as a waveguide with controlled dispersion;
- has a simple structure and, therefore, low production costs;
- provides a very low slope of the full dispersion characteristics necessary for systems with a high information transfer rate, which can use spectral multiplexing or have large regeneration sections, and
- provides a sufficiently large mode field diameter in order to limit nonlinear optical effects, such as four-photon mixing and phase self-modulation or cross phase modulation.

Claims

1. A single-mode optical waveguide fiber containing a core with a refractive index profile containing three regions: the first region has the last point on the radius A ₁ , the maximum refractive index n ₁ and the relative difference in refractive indices Δ ₁ %, the second region has the first point directly behind the radius A ₁ , the last point on the radius A ₂ , the maximum refractive index n ₂ and the relative difference in refractive indices Δ ₂ %, the third region has the first point immediately after the radius A ₂ and the last a radius A, the maximum refractive index n ₃ and the relative difference in refractive indices Δ ₃ %, as well as the shell layer surrounding the core and having a maximum refractive index n _s , with n ₁ > n ₃ > n ₂ > n _s , characterized in that if the indicated first region has an α-profile, then A ₁ / A is in the range from 0.40 to 0.60, A ₂ / A is in the range from 0.78 to 0.88 and Δ ₃ % / Δ ₁ % - in the range from 0.16 to 0.39, and if it has a stepped refractive index profile, then A ₁ / A is about 0.30, A ₂ / A is about 0.85 and Δ ₃ % / Δ ₁ % - about 0.39, and the aforementioned dnomodovoe optical waveguide fiber has a zero dispersion wavelength in the range of 1520 to 1600 nm and total dispersion slope in the case of α-profile is not more than 0.095 ps / nm ² • km, and in the case of the step index profile - is not more than 0.70 ps / nm ² • km.

2. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 1, characterized in that if it has an α-profile, then A ₁ is in the range from 3.25 to 3.50 μm, A ₂ is in the range from 5.55 to 6, 05 μm, A - in the range from 6.5 to 7.0 μm, Δ ₃ % / Δ ₁ % is about 0.165 and Δ ₁ % from 0.9 to 1.0%, thereby providing a zero dispersion wavelength in the range from 1530 to 1550 nm, the effective area A _{eff is} greater than 60 μm ² , the slope of the total dispersion characteristic is not more than 0.070 ps / nm ² • km, and the mode field diameter is not less than 8.4 μm, and if it has a step-like profile of the refractive index, then A ₁ is in the range of 2.25 to 2.55 microns, A ₂ - in the range of 6.35 to 7.4 microns, A - in the range of 7.5 to 8.5 microns, Δ _3% / Δ _1% is about 0.39 and Δ ₁ % of about 0.6%, thereby providing a wavelength of zero dispersion in the range from 1525 to 1600 nm, A _eff greater than 60 μm ² , the slope of the characteristics of the total dispersion of not more than 0.07 ps / nm ² • km and the mode field diameter is at least 8.0 μm.

3. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 1 or 2, characterized in that said second region has a flat refractive index profile and a refractive index n ₂ approximately equal to the sheath refractive index, and the third region has a trapezoidal refractive index profile.

4. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 1, characterized in that A ₁ is in the range from 2.55 to 3.0 μm, A ₂ is in the range from 4.2 to 5.8 μm, A is in the range from 5.0 to 6.9 μm, Δ ₃ % / Δ ₁ % - in the range from 0.25 to 0.39 and Δ ₁ % - from 0.9 to 1.0%, thereby providing a wavelength of zero dispersion in the range from 1530 to 1550 nm, the steepness of the characteristics of the total dispersion is not more than 0.095 ps / nm ² • km, A _{eff is} not less than 75 μm ² and the mode field diameter is not less than 9.6 μm.

5. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 1, characterized in that A ₁ is in the range from 3.25 to 3.75 μm, A ₂ is in the range from 5.10 to 6 μm, A is in the range from 6, 5 to 7.5 μm, Δ ₃ % / Δ ₁ % is about 0.18 and Δ ₁ % is from 0.9 to 1.0%, thereby providing a wavelength of zero dispersion in the range from 1535 to 1585 nm, slope the characteristics of the total dispersion are not more than 0.065 ps / nm ² • km, the mode field diameter is not less than 7.5 μm and the bimodal curve of the normalized waveguide dispersion.

6. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 5, characterized in that said first region has a central section with a cavity in the form of an inverted cone, which has a base radius of not more than 1.5 μm, a part of the profile near A ₁ has less slope than the slope an α-profile having an α value of 1, said second region has a flat profile and a refractive index approximately equal to the refractive index of the shell, and said third region has a trapezoidal profile of the refractive index.

7. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 6, characterized in that it is characterized by a curve of normalized waveguide dispersion versus λ _c / λ and has a critical wavelength λ _c , and the wavelength of the signal is λ, and the curve of normalized waveguide dispersion versus λ _c / λ has a slope practically equal to zero for λ _c / λ in the range of 0.68 to 0.8, and a slope greater than 2 for λ _c / λ greater than 0.8.

8. The single-mode optical waveguide fiber according to claim 3, characterized in that it is characterized by a curve of normalized waveguide dispersion versus λ _c / λ and has a critical wavelength λ _c , and the wavelength of the signal is λ, and the characteristic of the normalized waveguide dispersion of said waveguide a slope practically equal to zero for λ _c / λ in the range of 0.72 to 0.8, and a slope greater than 2 for λ _c / λ greater than 0.8.5