TW408234B - High performance single mode waveguide - Google Patents
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Description
408234 a? ----— — B7 五、發明説明（/ ) 鯉濟部中央標準局員工消费合作社印製 發明背景： 本發明係關於單模光學波導纖維，其具有區段化心蕊 設計，其將在1550咖操作頻窗產生高性能之特性。特別是， 有政面積相當大，零色散波長在操作頻窗外，以及在操作波 長頻窗内之總色散為正值。 、、 具有大的有效面積之波導將減小非線性光學效應，包 含自相調變，四波相混，交互相調變，以及非線性散射，其將 在高功率系統中使訊號品質惡化。通常，這些非線性效應 之數學表示包含p/Aeff比值，其中p為光學功率。非線性光 學效應通常H個含有exp[PH]項之公式，其 中Le„為有效長度。因而，Aeff提高將使光線訊號惡化之 非線性效應減小。 通訊業界中長距離較高資訊量而不使用再發器之規格 已促使再評估單模光纖折射率分佈之設計。 該再評估焦點已將光學波導： ,•減小上述所指出之非線性效應； -在15 50nm操作波長範圍之低衰減為最佳情況； -與光學放大器相匹配；以及 -保持光學波導為所需要之特性例如為高強度,抗破壞 以及抗彎曲。 具有兩個不同折射率區段之波導纖維發現具有充份彈 性以符合以友超過高性能波導纖維系統之規格。一種區段 化心蕊之設計已揭示於Bhagavatula之美國第4715679號專 利Γ 679專利）中。在*679專利_所揭示而特別適合於特定 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4规格（210X 297公釐） 午 (婧先閱讀背面之注意事項再填本頁) -1¾.. 408234 A7 B7 五、發明説明（之） 經濟部中央標準局貝Η消費合作社印製 高性能通訊系統.中之分佈種類亦揭示於Gallagher等人之 美國第5483612號專利（’ 612專利）。 本發明係關聆另外一種心蕊折射率分佈，與，612專利 所揭示分佈相關，其將減小非線性效應以及特別適合於長 距離傳送高功率訊號而不使用再發器。所謂高功率以及長 距離係指特別通訊系統之環境，其令規定位元傳送速率，位 元錯誤率，多工形式，以及或許具有光學放大器。存在其他 業界所熟知之因素，其對高功率及長距離具有影響。不過， 通常長距離係指電子再發器間距離超過公里。 考慮Kerr非線性敢應例如自相調變，交互相調變及四 波相混，較大Aeii之優點能夠由折射率公式顯示出。矽石 為主之光學波導纖維折射率已知對丰線電場為非線性。折 射率能夠表示為 11=110+112 ，其中為非線性折射率，&為非線性 折射率係數，及ρ為沿著波導傳送之光線功率以及Aeff為波 導纖維之有效面積。由於n2為材料之常數，Aeff提高將減小 由於折射率產生之非線性，因而減小Kerr#線性之影響。 因而存在將光學波導設計成具有大的有效面積之規格 ，其操作頻窗接近1550nra。除此，為了更進一步將四波相混 效應減為最低，在操作波長範園内總色散不為零。實降上， 在操作頻窗内總色散保持為正值使得自相調變能夠抵銷線 '味色散，為孤立子通訊系統所要求之形態。 定義： 心 ，下列定義係依據業界一般所使用之定義。 本紙張尺度適财（⑽）⑽感（21〇^297公瘦> 5 ' (請先閱讀背面之注意事項#填寫本頁) 1Γ 408234 A? -------—— B7 五、發明説明（3 ) ' -心蕊區段半彳f似折射率來衫。狀 最後折射率點^由波料心線至第—折射率點位m 為心蕊區域ϋ段之嶋半徑。囉地，由波導中心線至 最後折射率齡置之半㈣心蕊區段之外側半徑。 除非本說明書中另有說明，折射率分佈區段之半徑定 義如下，參考△%與波導半徑之分佈圓： *中央〜,¾¾區&半徑由波導軸向巾心線量測至令央折 射，率分饰向外延伸與X轴之交會點； *第二環狀區段之半徑由波導轴向中心線量測至第二 環狀底線中央； *第二環狀區域之寬度為折射率分佈之最大折射率值 一半點對X軸劃出平行線間之距離；以及 *第一環狀區段半徑為由波導軸向中心線量測至第二 環狀區段第一個最大值一半之點D -有效面積為
Aefr2?rn E2rdr)2/n E4rdr)，其中積分上下限為〇至 以及E為傳播光線之電場。有效直經定義為： 4ff= π (Deff/2)2。 -相對折射率△知為： △^lOOxCW)/^丨2,其中ηι為折射率分佈區段！之 最大折射率，以及叫為參考區域之折射率，其通常採用包層 之最小折射率。 對於本發明所說明特定區段分佈，’第一區段以及第A 環狀區段區段A係指區段之最大相對折射率^第一環狀區
經濟部中央標準局員工消资合作社印製 本紙张尺戍通用中國國家標準（CNS〉Λ4規格（2IOX297公浼） 6 ' (靖先閱讀背面之注$Jii再填^本頁)
經濟部中央榇準局負工消资合作社印製 A7 B7 五、發明説明（4) 段之△%係指該區段之最小相對折射率^ -折射率分佈係指在選擇部份心蕊内八％或折射率與半徑之 關係。α分佈係指折射率依照下列公式， n(r)=n〇(l-A[r/a]a)，其中r為心蕊半徑，△如上所定 義，a為分佈之最後一點，在分佈第一點處r為零，以及α為 界定分佈形狀之指數。其他折射率分佈包含階躍折射率， 梯形折射率以及圓形化階躍折射率，其中圓形化係由於摻 雜劑在快速折射率變化區域中擴散所致。 -分佈體積定義為2( $ zV/irdr)，其中積分上下限為。至巧 。内侧分佈體積由波導中心線r=〇延伸至交越半徑。外側 分佈體積由交越半徑延伸至心蕊最後一點。分佈體積單位 為％平方微米，因為相對折射率為無因次的。 -父越半徑在訊號波長改變時由訊號能量分佈相關性求出 。在内側體積内，當波長提高時訊號功率降低。在外側區 域内，當波長提高時訊號功率將提高。 -總色散界定為波導色散以及材料色散之代數和。總色散 單位為ps/nm-km。 -波導纖維彆曲阻抗表示為在預先決定測試條件下產生之 衰減。在此所謂彎曲測試為針銷陣列測試，其使用來比較 波導纖維對彎曲之相對阻抗。為了進行該測試，對實質上 並無彎曲損耗之波導纖維進行量測。波導纖維編織於針銷 陣列以及再進行量測衰減。由彎曲引起之損耗為兩次衰減 量測值之差。針銷陣列為一組十根排列成單列之圓柱形針 銷以及在平面上保持為固定之垂直位置。針鎖中心至中心 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（2丨0X297公釐） 7 (請先閱讀背面之注f項再填商本頁)
408234 五、發明説明‘（f) 翅濟部中央榡準局角工消费合作祍印製 之間隔為5刪ύ針銷直徑為0, 67刪。在測試過程中，施加充 份之張力使得波導纖維順應著部份針銷表面。 另外一項彎曲測試為側向負載測試。在該測試中，預 先決定長度之波導纖維放置於兩個平板間。70#金屬網連. 附i一塊板上。已知長度之波導織維夾於平板之間以及參 考衣減值藉由利用30牛頓力量將平板緊麼在一起而建立。 然而再施加70牛頓力量於板上以及量測產生之衰減以dB/m 表示。 發明大要： 本發明符合高性能通訊系統之一組獨特規格，其提供： -在預先決定操作波長範圍内產生低的總色散； -在1550nm為低衰減； -大的有效面精； -大的穩場直徑； -零色散在操作波長範圍外；以及 -能夠接受之彎曲特性。 本發明第一項為具有心蕊區域及包層之光學波導纖維 。心蕊區域包含三個區段:‘ -圓形中央區段位於波導長向中心軸； -園繞著中央庳段之第一環狀區段；以及 -第二環狀區段圍繞著第一環狀區段。 母一區段具有半極，由波導中9線量測，如先前所定義 ，△%以及折射率分佈。第二環狀區段通常亦以區段寬度表 示。在本發明中△%係指最小包層折射率&。 (請先閱讀背面之注$項再填^本艿) —17 Λ張尺涵^中而家標f「CNS （2mx 297公廣） _ 408234 五、發明説明（'έ ) 經濟部中央標毕局貝工消资合作社印製 本發明第一項另外包括在圓形中央區段内為〇分佈， 其中α值在0.7至2.0範圍内。第一環狀區段實質上為平拍 的，在區段最内側及外側處之折射率將上戽或下降。同時 第一環狀區段具有正值或負值斜率而沒有偏離平坦性而產 生無法接受波導特性之變化。 中央區段相對折射率△%分別地大於第一或第二環狀 區段之相對折射率及八2%，以及。 分佈更進一步藉由内側及外側分佈體積以及外側體積 與内側體積之比值界定。因而，内側體積在2, 28至3· 26%平 方#米範囿内，外側分佈體積在3. 70至13. 75%平方微米範 圍内，以及外側與内側體積比值在1.5至4. 3範圍内。 在優先實施例中，△〇%在1. 01%至1. 35%範圍内，在 0. 03%至0. 21%範圍内，以及在(U2%至〇. 61%範圍内。 為摻雜劑擴散中心線之前α分佈棒擬之數值。擴散將 減小該相對折射率值。例如，在α為1三角形分佈情況下， 當考慮擴散時△〇數值將減小在0, 2%至0. 3%範圍内。為了 方便,本發明中所有△〇%值為擴散前之相對折射率值β啟 始於中央區段之最先兩個眭段半徑範圍為〜在?. 〇6微米至 2. 80微米範圍内，r>4. 55微米至8. 94微米範園内，以及第 二環狀區段之寬度w2在0. 01微米至2. 0微米範圍内。 波導中心線處存在折射率凹下。該凹下部份係由於摻 雜劑玻璃以及主要玻璃沉積過程後之處理過程中摻雜劑擴 散所致。能約採用一些處理步驟以改變，減小或去除該凹 下。不過，分佈模擬以及_發製造之波導顯示在中心軸處 度適用中國國家摞準（CNS ) ΛΊ规格（2lOX：297公嫠） (锖先聞讀背面之注再填^本頁) 訂
I 408234 Α7 Β7 五、發明説明（今 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 ^下可存補ffij不會影較導之錄。制是，在圓形區 ί又中心處中央分佈可存在折射率凹下，折射率凹下約為倒 置之圓錐形，凹下最小相對折射率在0.5%至0，⑽範圍内以 及倒置圓錐形之底部半徑不大於07微米。 本發明所製造之波導具有一些有益之特性，在1530nm 至1565nm波長範圍内之色散為正值以及不大於6. 5ps/nm_ 鼬，有效面積大於60平方微米，以及模場直徑在9至1(?微米 範圍内。 對已裝置為線纜形式之波導纖維量測，這些特性能夠 達成同時保持戴止波長小於1470nm，在1550咖處之衰減小 於〇. 22tiB/kin，針銷陣列彎曲測試產生之損耗小於16册，以 及4則向負載彎曲測試產生之損耗小於〇. 8dB/m。 本發明第二實施例中，心蕊區段分佈限制於如下列表i 所示以提供一組操作參數，其與本發明第一項有一些不同 β其他限制以及在波導參數中產生之變化將滿足使用規袼 ，其藉由將波導對製造變動較為不靈敏而易於製造，或將減 少製造費用。 附圓簡單說明: ' 圖1為折射率分佈圖，其顯示出本發明理想分飾之^% 與波導半徑之關係曲線圖。 圖2顯不出本發明製造出一般波導之波導半徑與 量測之關係曲線圖。 附圓數字符號說明： 心蕊區段2, 6, 8;中央心蕊區域半徑4;垂直線5;第 諳 先 閲 讀 背 1¾ 之 注
I
頁 訂 本紙張尺度適用十國图家榇準（CNS ) Λ4規格（210 X 297公釐 I 〇 A7 B7 408^34 五、發明説明（y ) 一環狀區段半徑7;第二環狀區段8;第二環狀區段半徑 12;交越半徑14;中央區段凹下部份16;中央區段分佈. 18;第一環狀區段20;第二環狀區段22。 詳細說明： 使用操作波長接近1550nm頻窗之高性能光學波導纖維 已大大地提高系統之容量同時保持系統費用為相當低。在 153〇ηηι至1565nm範圍内之操作頻窗特別地有利，因為該波 長主要特點在於低衰減以及與摻雜餌波導纖維放大器之頌 窗一致。 未發明所達成目標為辨識出一組區段化心蕊分佈，其 符合特別高性能通訊系統之規格。除此，其符合規格同時 不會提高衰減並保持内部殘餘波導應力為相當低，以及 持能夠接受之彎曲特性。 " 在圖三個心蕊區段表示為2, 6,以及8。在每一區段 中，折射率分佈形狀為一般之形狀，其決定於經向之彳立置。 同時每一區段徑向範圍可加以變化。 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 如上述定義所示，中央心蕊區域2之半徑顯示為長度4 。本發明中央心蕊半徑由+心線量測至中央分佈向外延 與X軸交會處。 第一環狀區段6藉由半徑4以及半徑7界定出，半极7 由第二環狀區域一半折射率點劃出垂直線5 ^第一環‘ ^ 段半徑為半徑7。第二環狀區段8之半徑為半徑12，其二 蕊中心線延伸至區段8之底部中點，如點3所示β第^ = 半徑之規定適祕所有槪航。對稱分叙狀量 本紙掁尺度適用中國國家插準（cns ) Α4规格（ 408234 at ___ _ B7 五、發明説明（q ) 測為垂直線5間之寬度。垂直線5由^%最大值一半點決定 出。第二環帶之規定適用於所有模擬情況下。 在圖1中交越半徑顯示為長度14。在交越半徑内侧以 4△平方微米表示之分佈體積為内側分佈體積。在交越半 徑外側之分佈體積為外側分佈體積。外側體積與内側體積 比值為某一波長下相對能量分佈之量測值以及特定折射率 分佈變化效應之量測值。
本發明所形成之實際分佈顯示於圖2中》中央區段包 含凹下部份16以及α分佈部份18。中央區段折射率分佈π 之α為1。中央區段狹窄化相信將達成所需要之波導參數， 特別是在與其他色散偏移波導設計作比較時將顯現增加有 效面積。注意在該範例中第一環狀區段2〇之相對折射率大 於〇. 1。我們相信大於或等於〇. 1將在抽拉過程中藉由 減小中央區段與第一環狀區段間之玻璃黏滯性不相匹配以 減小抽拉羞本之缺陷而改善衰減。除此，該較高相對折射 率將改善彎曲阻抗D 經濟部中央標準局貝工消費合作杜印製 第二環狀區段22之位置，波峰值以及形狀將使傳播光 線訊號受到限制以及因而祙持新穎波導可接受之彎曲特性 。新穎波導顯著之特性將由表1中之模擬結果顯示出。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > Λ4規格（210 X 297公漦） 408234 A7 B7 11, 經濟部中央橾準局K工消費合作社印裝 五、發明説明（丨0 ) 表1 波導參數 實施例1 實施例2 1530nin總色散(ps. nm-km) >1 >0· 08 1565nm總色散(ps_ nm-kni) <5.5 <6.5 模場直徑（微米） 9~10 9-10 截_止波長（線纜化)run <1360 <1470 針銷陣列彎曲dB <16 <16 側向負載彎曲dB <0.8 <0.8 15 5 Onm衰減(dB/km) <0. 22 <0.22 表2 分佈參數 ： 實施例1 實施例2 △0%(最大值） 1. 11-L35 1.01-1.35 (最大值） 0. 03-0.14 0.03-0.21 △2%(最大值） 0. 12-0. 50 0. 12-0.61 Γ〇微米 2.06-2.45 2. 06-2. 80 r2微米 4. 55-6. 29 4. 55-8. 94 w2微米 0. 7-2. 0 0.01-2.0 内側體積％平方微米 2. 28-3. 00 2. 28-3. 26 外側體積％平方微米 3. 70-8. 12 3. 70-13. 75 比值外側/内側 1.5-2. 9 1.5-4. 3 可看出可以容許較高之截止波長情況以及較大範圍之 之色散，人們能夠使用實施例2之較寬範圍。在一些使用中 ，需要實施例1色散之優越特性。上述附表作為顯示出分佈 (請先閱讀背面之注意事項#填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > Λ4规格（210 X 297公楚） (3 408234 A7 B7 ] 2·
五、發明説明（丨I 構造對波導特性之靈敏性。 熟知此技術者了解能夠使用其他分佈形狀包含階躍折 射率及梯形折射率許多組合以產生表1所揭示之參數。 雖然本發明特定實施例已揭示出，然而本發明由下列 申請專利範圍加以界限。 (請先閱讀背面之注意事項再填3Ϊ本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > Λ4規格（210 X 297公鼇） ί屮
Claims (1)
- A8 BS C8 D8 ^ ^ 1 1 S t 3 S 408234 申請專利範圆 1. 一種單模光學波導纖維，其包含： .心蕊玻璃區域，其包含相對折射率為八以及半徑為!>〇之 圓形中今區段，圍繞著及接觸中央區段相對折射率為△ 1% 以及半徑為：^之第一環狀區段，圍繞著及接觸第一環狀區 段相對折射率為以及半徑為&以及寬度為％之第二環 狀區段，每一區段具有一種折射率分佈； 包層玻璃層，其具有一種折射率分佈以及最小相對折射 率為nci其中％為每一心蕊區段相對折射率之參考折射率； .其中中央區段折射率分佈為α在0,7至2範圍之α分佈， 第一環狀區段之折射率分佈為平的，第二環狀區段折射率 分佈為圓形化階躍分佈，以及△，>△々>△,， 各個△以及半徑數值選擇將使得内側分佈體積在2. 28至 3,26%平方微米範圍内，以及外側分佈體積在3, 70至13. 75% 手方微米範圍内，外側體積與内側體積比值在1. 5至4. 3範 圍内。 2·依據申請專利範圍第1項之單模波導，其中△，在lt 〇1% 至1. 35%範圍内，在0. 03%至0. 21%範圍内以及在〇. 12%至0.61%範圍内。 3. 依據申請專利範圍第2項之單模波導，其中rrfe2_ 〇6微米 .至2. 80微米耗圍内，ΐ"ι在4. 55微米至8· 94蹲来範圍内，以及 在0. 〇1微米至2. 0微米範圍内。 . 4. 依據申請專利範圍第1項之單模波導，其中圓形中央區段 在圓形區段之中央處具有折射率凹下，折射率凹下大約為 .倒置之圓錐形，凹下之最小相對折射率在0. 5%至0. 7%範圍 表紙浪尺度逋用中國國家標隼（CNS ) A4规格（21 〇 X 297公釐） 408234 a8 B8 CS ---—— ____D8 六、申請專利範圓 ’ 内以及倒置之_形底部半徑小於或等· 7微米。 5. 依據申請專利範圍第丨項之單模波導，其中在·咖至 ;156511鱗長範圍内之總色散為正值以及不大於6. Sps/. km,有政面積大於等於6G平方微米，以及模場直徑在求 至10微采範圍内。 6. 依據巾轉利細奶項之秘波導，其巾對裝置為線徵 形式之波導纖維量測截止波長為小於剛面，155〇咖之衰 減為小於0. 22dBAm，針銷陣列弯曲測試產生之衰減為小於 16dB以及側向負載彎曲測試產生之衰減為小於〇 ^B/m。 7. —種單模光學波導纖維，其包含： 心蕊玻璃區域，其包含相對折射率為八以及半徑為〇之 圓形中央區段，圍繞著及接觸中央區段相對折射率為 以及半徑為巧之第一環狀區段，園繞著及接觸第一環狀區 段相對折射率為以及半徑為r2以及寬度為％之第二環 狀區段，每一區段具有一種折射率分佈； 包層玻璃層，其具有一種折射率分佈以及最小相對折射 率為nc，其中nc為每一心蕊區段相對折射率之參考折射率； 其中中央區段折射率分佈為α等於1之〇分佈，第一環狀 區段之折射率分佈為平的，第二環狀區段折射率分佈為圓 形化階躍分佈，以及△〇%>△#>△#， '△0%在 1.11%至 1‘ 35%範圍内，△!%在〇. 03%至〇· 14%範圍 内，以及Δ2%在0.12%主0. 50%範圍内，以及 r0在2. 06微米至2. 45微米範圍内，^在‘ 55微米至6. 29 微米範圍内，以及w2在0. 7微米至2. 0微’米範圍内，以及 本紙浪尺度適用中國國家榡準（CNS ) Λ4规格{ 2[〇x297公釐） ABCD經濟部-6-央梯準居負工消费合作社印裝 408234 ___ 六、中請專利範圆 内側分佈體積在2. 28至3. 〇〇%平方微米範圍内，外側分佈 艘積在3. 7G魏12%平方微魏以及外側體積與内側 :體積比傳在1.5至2. 9範圍内。 8.依射料纖㈣7奴單模波導，其巾獅中央區段 在圓形區段之中央處具有_細下，_率凹下大約為 倒置之圓錐形，凹下之最小相對折射率在Q 5㈣7%範園 内以及歌之_職部伟切鱗例 本紙張尺度適用中國國家椟準（CNS 規格（210 (诮先閲零面之注意事項再4寫本頁)I
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