TW440724B - Multi-mode optical fiber having improved refractive index profile and devices comprising same - Google Patents

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經濟部中失榡準局負工消费合作杜印製 -44 07 2 4 A7 ——-------- - 87__— _____- 立、發明説明（】） 發明簌_ 本發明係關於一具有改良折射率分佈的多模式光纖’及 具有此光纖的通訊系統。 發明背景 光纖係一種廣為人知的媒介，並應用在許多方面，包含 雷射傳輸裝置及放大器。基本上，光纖具有一内部核心’ 其係由具有某一折射率的介電材料及環繞核心的包覆所構 成。此包覆是由比核心的折射率低的材料所製成。只要核 心的折射率大於包覆的折射率，沿著核心傳送的一光束， 即呈現完全的内部反射，並可沿著核心被導引。在大多數 的實際應用上，核心及包覆的折射率之間的差距皆小於幾 個百分比之内。 光纖的設計會依據不同的應用，想要的光束傳輸模式， 以及製造的材料而有所改變。纖維可以製成利用單模式或 多模式來傳送光線，一種支援一個以上的導引模式的光織 可以稱作一多模式光纖。多模式光纖基本上具有比單模式 光纖大的核心直徑，而可使得大量的模式可以經由纖維來 傳送。多模式的應用會有額外的設計限制，舉例而言，這 些限制包括用於製造核心及包覆的材料，以及纖維的折射 率分佈（例如’此分佈會反射出由纖維中心到包覆外周圍 的折射率的徑向變化）。已知的不同型態的折射率分体勺 括階梯率’等級率，凹線包覆，或w型組合β 匕 對於較高的頻寬’多模式光纖中不同模式的群組速度'、 須儘可能地相等。不同的群組速度可由將構成核心=必 々Τ料 -4- 本紙張尺度適用中国國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ^^1 ^^^1 n f^ll· - I i--i ^^^1 ------- (请先閱讀背面之.，Ά意事項存填寫本萸〕 ^rej 二 A7 87 440724 五、發明説明（2) 之折射率分級之後央妬, 如 式，其為魏本 制’意即設定一種率函數型 式為纖..隹+從的函數。在習用的多模式光纖中，設計 的目標是要能约達纟彳α -分佈’並由下式來定義： ‘ =Δ(1-(〇” 式中’ r為纖維的半徑 & 士 c。^為核心的半杈，nclad&包覆的 折射率，及a -分体盒丄, /、Δ為自由參數，而這些參數的最佳 選擇是依據纖維構成材抵 伸风诃科的特性及所要達到的目的而有所 不同。 然而對於α級分佈而言，具有一些先天的限制，由於製 退的k數，使# α _分佈很難達到理論上的最佳值。舉例 而s，α級分佈的先天限制為高階的模式並不能適當地補 償（高階模式即為那些屬於高階的主模式群組，而主模式 群組為那些以接近相等的相位速度傳遞的模式所構成的群 組，而南階群組是最容易被切斷的群組）》此外，製造的 變化可能在分佈中任何—處發生。利用現今最常用的製造 技術，如 Ο V D及MC VD，接近核心的中心的異常狀況， 特別會發生問題’也就是發生在接近中心位置的異常，其 頻率和大小會比纖維其它區域來得大。MCVD的常見的副 作用為一在纖維中心具有顯著的率衰減，或沉降，此會造 成低階模式無法有效補償（例如那些具有較小主模式數字 的模式）。換言之，當一中心沉降存在於接近纖維中心軸 的所涵蓋的範圍，其會具有於其它大多數的模式不同的蛘 組速度。無有效補償的低階模式對於某些應用的纖維效能 -5- 良紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4规格（210X297公釐} ---------衣-- (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 二 一 '1T「 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 經濟部中央標準局員工消費合作杜印装 ^ 440724 A7 ______B7_ 五、發明说明（3) 會有很大的影響，例如，半導體雷射的發射處。 對於將光纖率的分佈，在多模式光纖中的高階模式進行 等化，並補償中心部份的沉降，已有許多成果。請參考 Okamoto等人所提出，“多模式光纖最佳化折射率分佈的 電腦輔助解析"（Computer-Aided Synthesis of the Optimum Refractive-Index Profile for a Multi-Mode Fiber)，IEEE傳輸 微波理論與技術，卷MTT-25，第3期（1977年3月），2 1 3 頁（此處以Okamoto為名加以引用）》在Okamoto中，應用電 腦輔助解析來發展一最佳化的分佈，成為一平滑化的W-形分佈（例如圖1所示）。基本上，此分佈牽涉到包覆以下 的α形的延伸（例如在核心/包覆邊界區域之外的部份）， 並具有一負的包覆跳躍，及另一個分佈形狀的數值改善。 同時也請參考Okamoto等人所提出，“對核心具有α次方折 射率分佈及均勻包覆的光纖波傳導分析，’（Analysis of Wave Propagation in Optical Fibers Having Core with a -Power Refractive-Index Distribution and Uniform Cladding) 1 IEEE 傳輸微波理論與技術，卷MTT-24，第7期（D76年7月）， 4 1 6頁（此處加以引用），其中討論到使用數值分析來提供 —類似的分佈》這樣的分佈可適於高頻寬的應用，但很難 製造’並容易造成洩漏模式。在Geshiro等人所提出，“具 有最小模式散佈的衰減式拋物線率光纖’’（Truncated Parabolic-Index Fiber with Minimum Mode Dispersion) 1 IE£E傳輸微波理論與技術，卷MTT-26，第2期（ 1978年2 月）’丨15頁（此處加以引用），一種拋物線率分佈與一包 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS丨A4規格（2]0χ297公羞） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

4407 24 Μ Β7 經濟部中夹標率局I工消費合作社印製 五·、發明説明（4) 覆跳躍相結合’可適於較高的頻寬，而比沒有包覆跳躍的 折射率分怖來得高。對於一拋物線率分佈，核心的折射率 分佈具有一抛物線的分佈，在由一怪定折射率的包覆所環繞。 較佳地是’有關光學通訊系統的發展’是持續地搜尋具 有新光纖設計的元件及設計。隨著光學通訊系統更加先 進’對於多模式光纖及光纖效能的增加等項目需求更甚。 本發明所提出具有一折射率分佈的多模式光纖，很容易製 造’並能夠改善由纖維所傳導的高階模式的行為，也能補 償中心部份沉降的存在，因此而改善了低階模式的行無 為。其它的好處可由下述說明當中更完整地瞭解。 發明總.结 一具有增進效能的多模式光纖，可藉由修改習用的α-分佈而製作，（i)修改接近核心-包覆邊界處的分佈，並改 善相對於一 〇：-分佈的高階模式的行為，及（ii)在接近纖維 中心處增加一率隆起部，而用以補償中心沉降的存在，因 此可改善低階模式的行為。效能的增益也可藉由修改具有 一相接於核心-包覆邊界的分佈來達成。 _圖式簡簞說明 為了對本發明有較佳的瞭解，下面說明一範例具體實施 例，並配合參考所附圖面，其中： 圖1A所示為一習用最佳化α -分佈（虚線）及一修正分佈 (實線），其中修正分佈是由以下步驟形成：（i)在核心與 包覆之間的邊界處增加一率的跳躍，及（H)對率分佈與此 本紙張尺度適用中國固家標準（C.NS ) A4说格（210X297公$ ) {請先閱讀背面之注意事項真填W本育〕 i 't ,ΐτ .二Γ 4407 24 A7 B7 經濟部中央榡準局貝工消費合作杜印袋 五、發明説明（5 ) 跳躍增加一線性的修正； 圖1 B所示為最佳化α -分佈與圖i A中修正的分佈之間的 分佈差異； 圖2顯示為圖1 A所示的兩個分佈的預測的形態延遲·’ 圖3A所示為一習用的最佳化α -分佈（虚線），及一如圖 1 Α中所形成的修正分佈，並將一小的波纹引入分佈之 f > 圖3B所示為最佳化分佈與圖3A中修正的分伟之間的分 佈差異，說明波紋引入分佈的情形； 圖4所示為圖3 A-3B中兩個分佈的預測的形態延遲’並說 明藉由以波紋修正分佈的方式而達到額外的效能增益； 圖5A所示為一習用的最佳化分佈（虛線），及藉由靠 近包覆的線性修正，及引入分佈的一小波紋，但不具有一 包覆跳躍的方式形成的修正分佈； 圖5Β所示為最佳化分佈與圖5Α中修正分佈之間的分佈 差異’說明波紋引入分佈的情形； 圖6所示為圖5Α-5Β中兩個分佈的預測的形態延遲，說明 具有波紋的效能增益； 圖7Α所示為一具有中心沉降的習用分佈，及圖7Β所 不為藉由增加一率隆起所修正的〇；·分佈； 圖8Α及8Β所示分別為圖7Α及7Β中兩個分佈的形態延 遲’說明由一中心沉降存在所造成的低階模式行為的負面 影響’並可藉由在靠近中心處增加一率隆起而有顯著地修 正：及 本紙張尺度ϋ用巾g时料（CNS} Α峨格（2IGx297公董） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) *-β Γ 經濟部中央榡隼局員工消费合作社印製 4407 24 \Ί __Β7_ 五、發明説明（6 ) 圖9所示為具有本發明光纖的一光學通訊系統。 必須瞭解的是’這些圖面的目的是用於說明本發明的概 念，本質上並不是限制。 發明之詳細說明 本發明提出一折射率分佈的多模式光纖，其相對地較容 易製造，並可改善在光纖中傳輸的高階模式的行為，且可 補償中央沉降的存在，因此而改善了低階模式的行為。為 了獲得改良的光纖，習用的α-分佈可用下列方式中至少 種方式來修正.（i)形成於核心及包覆區域的邊緣之率 分佈的階差’並結合一線性修正；（ii)可在接近於核心-包 覆邊緣處加入一波紋，並結合一線性修正，可採用也可不 採用一率階差；及’（也)一環狀隆起’形成於一 分你的 率分佈中，並具有中心凹陷的缺點》可以瞭解的是，這些 修正可以分開地進行，也可一併進行β舉例而言，環狀隆 起（iii)可與率分佈（i)的階差合併，及/或再結合波紋（ii)的 步驟。階差（i)可以無波紋的方式形成，而波紋（ii)則不需 此階差亦可形成a 凊特別參考圖丨A，其所示為一習用最佳化α -分佈（點 狀線）及一修正分佈（實心線）β此處’修正的分佈可由上 述三個選擇中的第一個步驟而形成，也就是在核心及包覆 之間的邊界處所增加率的階差，及在該步驟中對率分体所 進行的線性修正。圖1 Β所示為在最佳化α -分佈及圖I Α 的修正分佈之間的分佈差異。在半徑小於約2 1微米之下 的率漸進變化，是以人工方式採用一 分佈的特殊定義 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) Α4規格（2ι〇χ 297公釐） Ϊ i In - - -11 11. * _ - .....1 n t 衣 HI Ii Jin - -- i— .1^1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

4407 24 經濟部中央標隼局員工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（7 ) 而產生此修正分佈。在此技藝中為人所熟知的是，此一漸 進率變化型式，係對應於△的微小改變，而並不需要對0 做很大的改變’但對光纖的傳輸特性有微小的影響。圖 3 Α所示為一習用的最佳化α -分佈（虛線）及一修正分佈 (實線）’係以上述第一及第二種選擇步驟而形成。換言 之’在圖3 Α中’實心線所表示的光纖，係加入到在核心 與包覆之間的邊界處的率中，並增加一線性修正，並引入 一小波紋到分佈中。圖3 B所示為最佳化分佈與圖3 A的修 正分佈之間的分佈差異，並特別說明引入分佈的波紋。 修改分佈的方法是為了改善已知的高階模式的行為。舉 例而言，可以使用電腦程式來找出一個分佈而能使預測的 頻寬量測最佳話，像是在Okamoto中所揭示的》然而， Okamoto所揭示的W -形分佈很難製造，並會增加大量的不 需要的洩漏模式。相反地，在本發明中，對於分佈造 成擾動’而提供比W -分佈更多的優點，而且易於製造， 並能避免過度的洩漏模式。 根據本發明的分佈形狀的種類，可利用數學方式說明。 對數學而言，分佈的分類可以表示為 Λ„„>λ)+人咖(厂)，若 n<：iad 〇， 若r 其中△(l-(r/rcore)a)為習用的α -分佈，J>0為在核心-包 覆邊界處的率階差，fdpple⑴在以下說明，而flinea“r，rO)則 由下式來定義 -10- 本紙浪尺度適用中國國家標率（CNS ) Α4規格（’210X297公釐） ---1 11— -,---- I-- - I I'-"^I— I II ----- (請先闉讀背*之注意事項#填寫本荑) 440724 A7 B7 五、發明説明（8) (2) 經濟部中央樣隼局員工消費合作社印裝 式（1)可以應用來取得複數個分佈，並可大致地對高階 模式的行為進行最佳化；換言之，在最佳化設計中有相當 程度的自由度。對於一給定的應用，有一種方法可達到較 佳的設計，其具有以下的步驟：選取參數％⑽及α -分佈的 Δ，並配合光纖使用時的—波長λ ;選取率階差j的值， 其值最好在0到0.5%的範圍之内；並接著應用電腦程式來 取得式（2)中參數r0&m的值。所應用的電腦程式可由τ Α Lenahan所提出的，“使用限元法及Eispack於光纖的模式計 算 ’’（Calculation of Modes in an Optical Fiber Using the Finite Element Method and Eispack), BELL SYSTEM TECHNICAL JOURNAL ’ 62(9):2663-2694(1983)，（此處引 用標示為“Lenahan”）’以引用的方式併入本文中e該f . 因子可以為〇，或可為用於使光纖效能更加最佳化的值。 藉由範例，上述方法可用於達到一較佳的設計，用於一 具有鍺沉積矽土的核心，並為由純矽土構成的包覆環繞的 光纖。首先’選取出參數rc〇re&A，其中rc〇re=2 5 "m及 Δ = I %，波長則選取為λ = 1 3 # m。然後，率步驟的值則 選取為J=〇. 12%。在此例中，如Lenahan中所說明的電腦程 式’係用於取得最佳化參數值1^=0.851^^及m=0.〇〇丨1。 friPPie的值貝設定為〇 5此步騾的結果即反應到圖1 A及1 B 所示的修正分佈。在頻宽中更多的增益可以利用增加額外 的項次frippie(r)來達到，此最佳化的值也可用電腦程式來 -11 - 本紙張尺度通用中國國家搮準（CNS ) A4規格（2I0X297公釐） (請先聞讀背面之注意寧項再填寫本頁} 裝. *1° i 經濟部中央標隼局員工消費合作杜印裝 440724 五、發明説明（9) 決定（m及r 〇的值必須在此最佳化過程中重新決定）。此步 驟的結果會加入额外項次fripple(r)，如圖3A-3B所示，而此 步驟中的J值則選定為0 ’如圖5A-5B所示。在圖5A-5B 中，除了在接近核心-包覆邊界處進行線性修正，並會加 入一波紋’而不須一率階差。圖5A所示為一習用的最佳 化α -分佈（點狀線），及一修正分佈（實心線），由相鄰於 包覆的線性修正而形成’並將一小波紋引入到分佈，並無 一包覆跳躍；圖5Β所示為最佳化分佈與圖5Α的修正分佈 之間的分佈差異，並說明了引入分体的修正。 在圖2 ’ 4及6中說明了本發明的修正率分佈的好處，這 些圖开;！分別顯示了圖1Α-1Β ’ 3Α-3Β及5Α-5Β中光纖的預測 形態延遲。形態延遲是每公里報導一次（也就是不同模式 的群組速度的反向，並為一具有修正分佈（以+表示）的光 纖的王模式數目的函數’及一種具有習用α •分佈的光纖 (以〇表tf ) ^理想上，會想要使光纖中所有的模式皆具有 相同的延遲a如圖2，4及6中所示，具有一修正分佈（+ ) 的光纖延遲，將會比那些具有習用分佈的光纖（〇)，具 有更多的相等。 ^ 由修正分体所達到的形態延遲的散佈降低，可因為一些 原因而帶來好處。舉例而言，其中一個好處為過度填滿的 頻寬（包含於圖形中）可以較高；同時，如果在一系統中使 用所發明的光纖，其具有在光纖之間包含一個或多個連接 器的-雷射發射器，其發射器狀況及連接器，與系統使用 -習用分佈的纖維相比，可以容忍更大的公差。例如，使 -12- 本紙張尺度通用中關緖率（CNsT^fe ( 21G X 297757"------- 二一· .二一 I —I- - 1^— ϋ^ιρ I ! I ' ^^^1 m ^- - -- ί^— ......J<^ . - -Γ a. - - ί— - .. _I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印策 *· 44 07 2. A7 ________B7_ 五、發明説明' 用習用光纖的某些應用中，要求光線不可耦合於高階模 式，而本發明的光纖則可應用此耦合。 圖7B中所示為本發明的另一具體實施例，說明了一修 正分佈，其具有接近—習用α-分佈中心沉降的—率隆 起，此分佈可有效改善低階模式的行為。此處，將—率隆 起加入到接近一習用α -分佈的中心沉降（如圖7 A中所示 的比較）^如果此隆起及中心沉降是侷限於核心半徑的— 小的百分比範圍之中，（例如約百分之五），此光纖的模式 的群組速度將僅由中心附近的率積分而得到，而不在於接 近中心的細部形狀。因此，接近中心的形狀變得較無意 義’而一中心沉降的存在對於光纖效能較無影響。而在隆 起所侷限範圍之下的半徑’係依據在光纖上傳送的波長入 及光纖的設計（例如構成核心及包覆的材料，核心及包覆 的直徑’及其它的參數）。舉例而言，圖7 β的分佈表示一 種光纖’其具有由鍺沉積矽土的核心’及由純矽土構成的 包覆所圍繞，用以傳輸波長λ約在85〇 nm的光線。此處， 該隆起最好是沉積於與中心部份有一段距離，此距離是在 核心半徑的百分之四範圍之内。 由圖7 Β的修正率分佈所得到的好處也可根據隆起分佈 的高度及寬度而定β較佳地是，隆起的高度及寬度係選用 來取消中心的沉降’也就是中心處附近的率的整體積分相 等於一純正的分佈的整體積分。一般而言，當隆起所 限定的半役降低時，會增加其好處，也就是說，較佳地是 隆起儘可能地侷隈在接近中心的地方。然而，較寬的隆起 -13- 本紙張尺纽财㈣ ---------,衣------1Τ (請先閲讀背面之注意事項再填W本頁)

440724 A7 B7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印11 五、發明説明（n) 也有若干優點，例如對於典型的多模式光纖設計而言，隆 起可侷限於核心半徑的i0_20%之内。中心處附近的整體積 分在製造中，與在光纖中心處精確的配置相比，比較容易 控制。因此，具有修正分佈的光纖，會有改善的效能，並 在製造過程中需要較低的精度及控制。圖8所示為由圖7 A-7B中來自兩個分佈的形態延遲。可以瞭解到的是，具有隆 起的低階模式的光纖延遲，會比僅具有一中心沉降的光纖 的延遲的散佈要小得多。因此，在發射條件下僅會激發低 階模式，具有隆起的光纖頻寬會比沒有隆起的光纖頻寬要 大4于多。為了說明起見，頻寬已在前四個被激發的主要模 式群組的假設發射條件下被預測出來。 對於熟知本技藝的人士而言，存在一中心峰值，可用與 中心沉降相同的方式進行補償，補償方式可為如上述的， 利用一隆起來補償。 參考圖9 ’本發明的光纖可包含部份的光纖通訊系統， 另可包含元件’像是一發射器1〇〇，一接收器1〇4，及用 於連接發射器及接收器的一光學路徑1〇2，也可能包含一 個或多個放大器106置於光學路徑上。本發明的光纖可用 於整個光學路徑或是在光學路徑中所選定的部份十，例如 110區段，並可與習用的光纖或裝置耦合在—起。 可以瞭解到的是’此處所說明的具體實施例，僅為示範 說明之用’對於本技藝的專業人士而言，可以在不背離本 發明的精神之下’進行若干變化及修改。所有這些變化及 修改皆包含在所附申請專利範圍之内。 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS 規格（2丨0'乂 297公釐） ^^1^1 n^n I nt n (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 二 ί

Claims (1)

1. 、申請專利範圍 A8 B$ C8 D8 l 一種具有多模式光纖的物件，該光纖包含： 一具有一預定的折射率的材料所製成的核心； 一環繞核心的包覆，其折射率不同於核心的折射 率’而包覆與核心相接的介面定義了一邊界區域’ 其中，核心具有一修正的折射率分佈，此修正的折 射率分佈具有一分佈，並至少以下列之一的方式修 正’（a)在相接於邊緣區域處的率階差，並結合一線性 修正；（b )在相接於邊緣區域的波紋，並結合一線性修 正；及，（c )在相接於光纖區域的中心的一率隆起。 2.如申請專利範圍第丨項之物件，其中該修正的折射率分 知在相接於邊緣區域處具有一率暗差，並結合一線性 修正’以及一相接於邊界區域的波紋。 3，如申請專利範圍第丨項之物件，其中該修正的折射率分 佈具有一相接於邊界區域的波紋，並結合—線性修 正，但沒有一率階差。 4·如申請專利範圍第1項之物件，其中該修正的折射率分 佈是由下式定義， dad -- I m J ...... ί I Jn 1^1 m ·Hi ^^1 (讀先B讀背面之注意事項再填寫本X ) 經濟部t央揉準局工消費合作社印裝 若/ > ⑴ 其中△(Mr/r^e)。為習用的α -分佈，J>〇為相接於 邊界區域的率階差’ frippIe(r)為定義波紋用的參數，而 fiinear(r，Γ〇)則由下式來定義 -15 紙張尺度適用t國a家揉準（CNS ) Α4规格ί 2ΙΟΧ297公釐） (2)AA0724 >、申請專利範圍 A8 Β8 C8 D8 (广 I 厂。): '-r〇)/ro^ r>r〇 5. 經濟部中央梂準局貝工消费合作社印裝 '種具有一多模式光纖的物件，該光纖包含^ _一種具有一預定的折射率的材料所製成=核心： -環繞核心的包覆’其折射率不同於核心的折射率， 而包覆與核心相接的介面定義了—邊界區域， 其中，該核心具有-修正的折射率分体，此 :射率分佈具有1-分佈，並由一相接於邊界區域的 率階差及在此區域中的一線性修正來進行修正，其中 ，r^〇Acore，r>r〇,而r為纖維的半徑，％心為纖維核 心的半徑。 6. 如申碕專利範圍第5項之物件’其中該修正的折射率分 佈另具有一相接於核心區域的波故。 7. 種具有一多模式光纖的物件，該光纖包含： —核心，其具有一規定的核心半徑，並利用一預定 的折射率的材料製成； —環繞核心的包覆’其折射率不同於核心的折射 率’其中核心的折射率的隆起或波谷是位在核心半徑 的2 0 %之内，而用以分別補償一中心沉降或峰值的存 在。 8 ·如申請專利範圍第7項之物件，其中該隆起或波谷是位 於該核心半徑的5 %之内。 9. —種具有一發射器及—偵測器的系統’係由根據申請 專利範圍第1項之一或多個多模式光纖相連接。 10. —種包含一發射器及—偵測器的系統，係由根據申請 16 本紙法尺度埴用中國國家棵準（CNS ) A4说格（2丨0X297公釐） (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝. -訂' 三· -4^07 2 4 A8 B8 CS D8 六、申請專利範圍 專利範圍第5項之一或多個多模式光纖相連接。 (请先κ讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂 經濟部中央揉隼局貞工消費合作社印裂 本紙張尺度逍用中國國家棣準（CNS > A4規格（210X297公釐）