TW316951B - - Google Patents

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316951 A7* B7 五、發明説明（I ) 發明背景： 本發明係關於較大有效面積Ae»之單模光學波導以作 為通訊應用。特別是，本發明單模光學波導纖維在133〇咖 及1550nm操作頻窗下具有較大有效面積。 具有較大有效面積單模光學波導纖維將減小非線性光 學效應，包括自相調變，四波相混，交互調變，以及非線性散 射過程。在四波相混情況下，零色散波長位置亦相當地重 要。這些效應均會導致高功率系統中之訊號衰減。 使訊號衰減之散射過程通常利用一個包含exp(cp/Aeif) 項之公式表示，其中c為常數以及P為訊號功率。其他非線 性效應藉由包含P/Aeff為乘積項之舍式表示e Aeff增加時將 降低由於非線性導致之訊號衰減。 通訊界較大資訊容量之長距離通訊而無再發器需求已 促使單模光纖階躍折射率分佈設計再作評估。 該項再評估之焦點在於製造出光學波導，該波導將： -減小先前所提及之非線性效應； -與光學放大器相匹配；以及 經濟部中央標準局負工消贽合作社印製 (婧先閱讀背面之注意事項再填艿本頁) -保持所需要光學波導特性例如為低衰減，高強度，抗拒破 壞，以及抗彎曲性。該研究集中於包含1550nm操作頻窗之 波長範圍。不過，由於許多可靠性裝置包括雷射，光學放 大器，接收器，傳送器以及再發器，其被設計使用於1300咖 附近，其存在另外一個需求為在該較短波長操作下減小非 線性效應。 因此單模光學波導纖維存在另外一個需求，其分別在 本紙張尺度逋用中國國家榡準（CNS > Λ4規格（210X 297公犛） 斗 316951 A7 __B7 五、發明説明（α) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 1300nm及1550nm附近之操作頻窗下辱有較大之有效面積。 先前之研究例如揭示於美國第S. N. 08/378780號專利 加入一些首先說明於Bhagavatula之美國第4715679號專利 中區段心蕊設計之基本觀念。大的有效面積波導被發現作 為一種心蕊設計，其揭示於先前所提及之美國第〇8/37878〇 號專利申請案中。在該專利申請案中一項特別的設計加入 至少一個心蕊區域，其最小折射率低於包層折射率。 除此，在美國第08/287262號專利申請案中，揭示出一 系列折射率分佈之特性，其具有折射率最大值位於距離波 導纖維中心線相隔一段距離處。. . 在此所揭示及說明新穎折射率分佈為另外一種類。基 本之區段心蕊觀念已證明具有足夠彈性以產生該應用之新 賴心,抵結構，其被修整以限制在13〇〇nm及1550nm操作頻窗 之非線性效應。 定義： -有效面積為 E2dr)2/( ί E4dr)，其中積分範圍為〇至〇〇， 以及E為傳播光線之電場。 有效直徑，De«定義為 Deff=2(Aeff/7r )°·5 -模場面積A»f為π (D-f/2)2,其中D-f為模場直徑，其使 用Peterman II法量測，其中2w=D.f以及w2=(2 S E2rdr/ S [dE/dr]zrdr)，積分範圍為〇至〇〇。 -折射率分佈區段之寬度為兩條垂直線間距離該垂直線 (請先閱績背面之注意事項"填巧本頁) A.

*1T 本紙張尺度適财酬家雜（⑽）域格（2丨Qx π7公趁） 5 316951 經濟部中央標準局月工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（3 ) 分別由折射率分佈開始及終止點對折射率與半徑關係曲線 圖之水平轴劃出。 折射率差值為 ^△KCn'WZndxlOO,其中ηι為心蕊折射率以及 nc為包層折射率。除非另有說明，山為％△之心蕊區域中最 大折射率。 -折射率分佈通常具有相關之有效折射率分佈，其形狀並 不相同。有效折射率分佈能夠加以相關之折射率分佈替代 而不會改變波導性能。參閱，Single Mode Fiber Optics， Marcel Dekker Ιη〇., Luc B. Jeunhomrae, 1990, page 32，section 1. 3. 2。 -彎曲特性藉由標準測試程序加以定義，其中由於捲繞波 導纖維於心轴上所產生之損耗被量測。波導纖維性能之標 準測試要求捲繞1匝在32mm心軸上之彎曲以及1 〇〇匝在75mra 心轴上之彎曲。彎曲引起衰減所允許之最大值通常限定於 1300nm及1550nm附近之操作頻窗中。 -另外一個彎曲測試為針銷陣列彎曲測試，其被使用來比 較波導纖維對彎曲之相對抵抗性。進行該測試，對波導纖 維量測衰減損耗實質上並不會導致彎曲損耗。波導纖維再 編成針銷陣列以及再量測衰減。由彎曲導致之損耗為兩個 量測衰減間乏差值。針銷陣列為<組十個圓柱形針銷排列 成單排以及在平板表面上保持為固·定垂直位置。針銷中心 與中心間之距離為5麵。針銷直徑為〇. 67mm。在測試過程 中，施加足夠張力使波導纖維與一部份針銷表面一致。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（2丨Ox 297公婕） (請先閱讀背面之注意事項#填本頁) -9

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發明説明（4 ) B7 -點最小值係指具有v型或狹抑型指折 點最小值為折射率分佈部份之最小折射率值羊刀佈之部份。 -延伸最小值係指具有寬_型或L型折射率分佈 。延伸最小值紐過_率料贿最小 ^ 發明大要： 蜾。 本發明第-項為具如，騎射率分佈之單模 纖維，其最大折鱗位於與波導中心軸直線相⑮—段距離 處。折射率分佈具有躲小絲麟料巾心_以及與 中心線對稱。包賴繞著喊以構轉整鱗結構。心蕊 ’折射率分佈至少-部份大於包層折神最大伽確保波導 將適當地導引光線訊號。 在第一項實施例中，點最小值與折射率最大值間之折 ,射率部份為連續曲線。在優先實施例中，連續曲線為單調 曲線。為了補償摻雜劑由預製件中央擴散出之技術，例如 在沉積步驟中調整摻雜劑含量或藉由在固結步驟中控制粉 塵毛胚環境，這些技術已為業界所熟知。 在本發明第一項中波導分佈之一組參數為： -心蕊半徑在4至7微米範圍内； -最大△%在0. 35%至0· 55%範圍内；以及， -最小點八％小於0.20%， 該系列波導具有下列特性： -λ»約為 1300nm; -在1300nm波長下Aeff>90平方微米； -在1530nm至1565nm波長範圍内Deff>模場直徑。 度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格< 2ΙΟχ 297公釐） 五、發明説明（t) A7 B7 經濟部中央標準局只工消费合作社印裝 本發明第二項為單模光學波導，其第一及第二區段對 稱於波導中心線。第一區段範圍由中心線至最終區段點之 半徑所界定。每一區段具有相關之△%。包層圍繞著心蕊 以及具有最大折射率一個區段折射率分佈至少一部份 大於η° °至少一個區段具有延伸最小值。該系列新穎的折 射率分佈將使波導纖維在13〇〇nm情況下Aeff大於90平方微 米，以及在1550nm情況下大於11〇平方微米。λ。在1300nm 附近。 第二項新穎折射率分佈之優先實施例為第一心蕊區段 實質上為固定的以及具有折射率m。第二區段最大折射率 為nz，其中n2>m。 在本發明第二項優先採用實施例中，第二區段折射率 分佈為梯形。實質上為固定折射率之第一區段外徑在L 5 微米至1.9微米範圍内，ηι等於n<:。第二心蕊區段外徑在& 8微米至5微米範圍内。第二區段具有折射率差值△2%在〇. 25%至0.45%範圍内。 新穎的折射率分佈第三項為單模光學波導纖維，其具 有階躍折射率nd，折射率差值△,%，以及半徑。。外圍包層 之最大折射率為m其中ne>nc。折射率差值△·%是在5. 5 微米至6微米範圍内。在i3〇〇nm以及i55〇nm下之Aeff分別 為90平方微米及11〇平方微米。久。在13〇〇11111附近。 附圖簡單說明： 圖1為曲線圖，其顯示出具有點最小值之折射率分佈。 圖2為曲線_，其顯示出具有點最小值之另外一個折射 (1/5先閱讀背面之it意事項再填寫本页) -='s 本紙张尺度適用中國國家標芈（CNS ) Λ4規格< 2I0x„7公楚） ^ 一 316951 A7 ____ B.7 五、發明説明（6) 率分佈。 圖3為曲線圖，其顯示出偏離中心軸之梯形環狀折射率 分佈及其另外一種選擇。 圖4為新穎折射率分佈之階躍折射率實施例。 附圖數字符號簡單說明： 中心線之折射率差值1;曲線2,4, 6, 8,10;梯形12; 曲線14,16;階躍△% 18;半徑20;梯形區段外徑22;梯形 區段内徑24。 詳細說明： 具有兩個操作頻窗，即兩個相隔數百毫微米之訊號波 長範圍，其優點為： -一個系統能夠只在一個頻窗下操作直到額定需求證實 需要在第二頻窗操作； -第二頻窗能夠作為通訊連結而實質上無停機操作之備 用系統；以及 -第二頻窗能夠操作於系統中主要頻窗過載情況其中在 尖峰需求以及平均需求間存在大量傳輸數據之差異。 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 本發明提供一種雙頻窗波導纖維，其額外地具有非線 性效應被減為最低之特性，該效應產生於高功率密度之系 統’波長區分·多工系統，或加上光學放大器系統中。該應珀 情況之新顆波導纖維在13〇〇nm及1550nm頻窗内具有大的有 效面積》 、 ' 新穎的波導心蕊折射率分佈第一實施例顯示於圖^中 。靠近中心線之折射率差值1通常小於0, 2〇%。摻雜劑含量 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X 297公楚） 9 316351 五、發明説明 經濟部中央椋準局負工消費合作社印製 隨著半徑增加，如曲線1所示並持續到達到最大八％。折射 率分佈最後部份4顯示出△%急速地降低至〇。有數個等值 折射率分佈，其中曲線4能夠加以變更而不會顯著地改變波 導纖維特性。例如範例4能夠向外地傾斜以增加半徑數微 米或曲線4及2連接能夠加以圓形化。同時對折射率分佈少 量增加例如曲線6所顯示，其不會對波導纖維特性顯著地影 響。因而人們了解圖1及圖2代表一系列折射率分佈其能 夠在1300咖下產生大的有效面積。圖2曲線8顯示出數個新 穎折射率分佈系列。曲線10顯示出本發明折射率分佈變化 情況，其提供所需要之波導纖維特性。 圖1及2折射率分佈另外一個優點為整體摻雜劑為較少 而小於標準階躍折射率分佈。因此決定於掺雜劑數量之衰 減較新穎的波導纖維低。 範例1點最小值波導之特性 對於圓1中實曲線所表示之折射率分佈下列特性由計 算模式計算出： _ λ。為1298nm; -模場直徑為10. 91微米； -1^為11.22微米； -Aeff為98. 9平方微米； -載止波長為1480nm;以及 -整體Ge〇2為2. 58。 注意Dcff大於模場直徑以及Aeff較標準階躍折射率面 積幾乎高出25%。 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) Λ4規格（210X 297公聲) (請先閱靖背而之洼意事項洱填巧本頁) -$ 泉 Λ7 Β7 五、發明説明（g ) 作為比較用，具有圖1中所顯示半徑以及△%為〇. 36%之 階躍折射率光纖具有下列特性； 又 D 為 1309nm; -模場直徑為10. 1微米； -Deff為9. 97微米； -Aeff為78干方微米； -截止波長為1324nm;以及 -整體Ge〇42. 8。有效面積十分小以及零色散入D在操 作頻窗内，該特性不利於波長區分多工系統。較標準階躍 折射率分佈之整體GeOz增加9%將導致較高之波導衰減，其 由於Rayleigh散射效應所致。本發明波導纖維折射率分佈 之較大有效面積以及較低衰減值將減小非線性效應。 標準階躍折射率分佈能夠以簡單方式加以改變以得到 較大有效面積。分佈主要特徵為圖4中18之階躍，以及 半徑20。表1顯示出△改變以及半徑改變對有效面積以及 針銷陣列彎#抵抗性之影響。 表1 I n n n —1 n IX. I__ I 分冬 I_. I (請先閱^.背面之^意事項#填寫本育)

,1T τ 泉. 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 △% 半徑 Aerr@1300 Aeff@1550 針銷陣列 (微米） (平方微米） (平方微米） @1550 dB 0.36 4.5 67 83 6.9 0.315 5.0 77 96 12. 2 0.293 5.63 90 110 9.8 0.278 5.88 96 117 12,2 較大有效面積之彎曲抵抗性成功率為清楚的。降低 本紙依尺反通川T囤國豕標準（CNS) Λ4規格（2丨0>< 297公釐） // 五 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 A7 B7 、發明説明（Cf ) '：-- △%以及提高半徑清楚地提供所需要較大有效面積。具有 接近0. 3%以及半徑接近5. 6微米之階躍設計具有可接無 f曲抵抗性以及Ae,,具有顯著地改善。 、 又 與中心線相距一段距離之梯形階躍折射率分佈允許折 射率分佈設計具有額外之彈性以得到可接受彎曲性能以及 在兩個波長頻窗處具有較大之有效面積。 本發明波導纖維實施例之一般形狀被顯示於圖3中。 梯形12位於與波導中心線相隔一段距離。梯形心蕊折射率 分佈區段之内徑及外徑分別為24及22。相鄰於波導中心線 之心蕊區域折射率分佈實質上為平坦的或具有曲線14所顯 示之形狀。新穎波導所需要之特性能夠使用曲線16所顯示 些微變化之梯形或藉由發現等值折射率分佈而達成。 表2提供新穎波導纖維梯形實施例之模擬數值。在半 徑攔位下第一個數字為梯形内徑以及第二數字為其外徑。

Aeff@1550 針銷陣列 (平方微米）@1550 dB 110 9.8 120 14.4 130 14.2 120 9.5 第1及4列分佈設計顯示出極良好之特性。這些實施例 符合光學波導規格，其限制非線性效應同時保持所需要彎 曲抵抗性。 本紙張尺度適用中國國#標準（CNS ) Λ4規格（210X 297公雜） (請先間讀背.&之·士意事項冉填寫本頁) -装. -3 表2 △% 半徑 Aeff@1300 (微米） (平方微米） 0.367 1· 7 - 4, 5 94 0.337 1. 78 -4. 98 104 0.320 1.85 -5.23 112 0. 344 17-3.91 104 ------- 涑 SI 6951 A7 五、發明説明（丨D )

I 你顯7^計算模式實f_L有效地綱出折射率分 ‘如表中V盤已屮知―組操作規格。比較不同折射率分佈設計， 如表令列舉出之列，其顯示出折射率參數中小的變化會對 ，導特f生有較大之影響。因此，必需嘗試組合以及交換數 子而有利於研究’在其巾模擬計算在波導纖維製造之前進 行。 雖然本發明特別實施例在此已加IX揭示及說明，本發 明只由下列申請專利範圍界定。 (請先閲續背面之注f項再填寫本頁) -a 經濟部中央橾準局貝工消f合作社印製 本紙张尺度適用中國國家橾準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） /3

Claims (1)

1. 316951 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 經濟部中央梂準局貝工消费合作社印褽 1. 一種單模光學波導纖維其包含： 心蕊區域，其沿著波導纖維長向中心軸具有中心線以及 半徑，S亥心蕊區域具有折射率分佈以及最大折射率；以及 包層區域，其圍繞著心蕊區域，該包層區域具有折射率分 佈以及最大折射率nc; 其中心‘翁區域折射率分佈至少一部份折射率大於nc， 該心蕊半徑主要特性為最大折射率位於與中心線相隔一 段距離處，折射率分佈最小值之點位轸靠近中心線，以及中 .心線為折射率分佈之對稱中心軸。 2. 依據申請專利範圍第1項之單模光學波導纖維，其中心蕊 區域折射率分佈之一部份為連續性的該折射率分佈具有 徑向範圍，其始點位於靠近中心線附近折射率最小值處，以 及終點位於該心蕊區域折射率分佈為最大折射率處。 3. 依據申請專利範圍第2項之單模光學波導纖維其中折射 .率分佈所提及之部份為單調曲線。 4. 依據申請專利範圍第2項之單模光學波導纖維，其中心蕊 區域半徑在4至7微米範圍内，該心蕊區域最大△^^在⑴35% 至〇. 55%範圍内，及靠近中心線折射率最小值處之小於0.20%〇 5. 依據申請專利範圍第1之單模光學波導纖維，其中λ。靠 近1300nm，在1300nm情況下Aeff^90平方微米，以及在153Q nm至1565nm波長範圍内DeffgMFD。 6. —種單模光學波導纖維其包含： 心蕊區域，其具有中心線，以及包含第一及第二區段，每 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 不紙取尺及遇用T囤圏家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） /4 A8 B8 -----—____ _^六、申請專利範圍 經濟部中央標準局身工消费合作社印裝 一區段具有折射率分佈，外徑，以及，該第一區段包含中 心線以及第二區段_著第—區段，該第_及第二區段具 有為對稱中心轴之中心線； 包層，其圍歸心蕊輯，該包層具有折料分佈以及最 大折射率為rk; 其中至少一個區段之至少一部份折射率分佈折射率大於 η〇; 心蕊區域特性在於該第一及第二區段折射率分佈至少一 部份具有延伸最小值； ， »亥波導纖維特性為在13 〇 OnmT Aef f大於9〇平方微米以及 在1550niTFAeff大於no平方微米。 7. 依據申請專利範圍第6之單模光學波導纖維，其中心蕊區 域第一區段實質上為固定折射率ηι，核第二區段最大折射 率為m，以及Π2>ηι。 8. 依據申請專利範圍第7之單模光學波導纖維，其中第二區 段折射率分佈為梯形。 9·依據申請專利範圍第8之單模光學波導纖維，其中第一心 蕊區域外徑在1.5微米至1.9微米範圍内，ηι實質上等於η。， 第二心蕊區域區段外徑在3.8微米至5微米範圍内，以及第 二區段折射率差值八^❶在⑴25%至0.45%範圍内。 10. —種單模光學波導纖維其包含： 心蕊區域，其具有折射率n-，折射率差值△·%以及半徑^ •之階躍折射率分佈； 圍繞著心蕊之包層，其最大折射率為n。，其中ne>nc; 本紙張从逋用巾關家i^(CNS) A4祕（2獻297公釐) --*-- /5" (請先閲讀背面之注意事項#填寫本页) IT ABCD 316951 六、申請專利範圍 其中在0. 25%至0. 30%範圍内以及η在5. 5微米至6微 米範圍内，以及在130 Onm之Aeff大於90平方微米以及在 1550nm之Aeff大於110平方微米。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1T 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) AO見格（210X297公釐） /6