Одномодовый волоконно-оптический волновод (варианты) и способ изготовления одномодового волоконно-оптического волновода - RU2162241C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к одномодовому волоконно-оптическому волноводу, сконструированному так, чтобы управлять как дисперсией поляризационной моды, так и полной дисперсией.

В предыдущих заявках на патент США N 08/423656 и 08/353822 подробно описано решение проблем управления полной дисперсией и дисперсией поляризационной моды в волоконно-оптических волноводах.

Полной дисперсией управляют, заставляя ее изменяться между положительными и отрицательными значениями, таким образом получая в результате алгебраическую сумму произведений общей дисперсии на длину, равную нулю для этого участка волновода. В общем случае таким образом можно управлять общей дисперсией по существу для любого заранее заданного диапазона длин волн. Особый интерес представляют длины волн в диапазоне приблизительно от 1490 нм до 1650 нм. В этом диапазоне обычный волновод на основе диоксида кремния обладает малым затуханием. Произведения дисперсии на длину волны суммируются по всей длине волновода. Вводя геометрические возмущения или возмущения показателя преломления в сердцевину волновода, можно изменять общую дисперсию попеременно между положительными и отрицательными значениями.

Дисперсией поляризационной моды управляют, распределяя сигнал между двумя поляризационными модами, то есть смешивая моды и таким образом эффективно ограничивая или устраняя различие во времени прохождения для света двух мод. Оси двойного лучепреломления вдоль волокна периодически меняют относительную ориентацию на 90^o. Двойным лучепреломлением управляют так, чтобы в результате на всей длине волокна оно по существу было равно нулю. То есть переменное двойное лучепреломление обеспечивает создание однородного оптического тракта для двух поляризационных мод света, поданного в волоконно-оптический волновод.

В этом случае способ создания меняющихся осей двойного лучепреломления также включает введение геометрического возмущения или возмущения показателя преломления в сердцевине волновода.

Этими двумя типами дисперсии можно управлять в одном и том же волокне, потому что:
- возмущения, достаточно большие, чтобы вызвать изменение двойного лучепреломления, все еще малы по сравнению с возмущениями, необходимыми для изменения знака полной дисперсии, и
- требования к пространственному разделению возмущений для управления полной дисперсией могут быть сделаны совместимыми с требованиями к пространственному разделению возмущений для смешивания поляризационных мод.

Следовательно, можно по существу устранить дисперсию поляризационной моды и полную дисперсию в волоконно-оптическом волноводе. Кроме того, рабочая длина волны или длина волны сигнала может быть сделана отличной от длины волны, соответствующей нулевой дисперсии, во избежание четырехфотонного смешивания, даже несмотря на то, что длина волны, соответствующая нулевой дисперсии, может меняться от сегмента к сегменту волновода. Наконец, возмущения, которые обеспечивают желательное управление дисперсией, таковы, что не оказывают неблагоприятного воздействия на затухание в волноводе.

Дополнительные преимущества отмечены в описанном ниже предпочтительном варианте выполнения изобретения, в котором возмущения, которые управляют полной дисперсией, отделены от возмущений, которые обеспечивают смешивание поляризаций для ограничения дисперсии поляризационной моды.

Таким образом, изобретение, раскрытое в этом описании, относится к волноводу с чрезвычайно низкой дисперсией и малым затуханием, предназначенному для:
- систем с самыми высокими скоростями передачи информации,
- систем, использующих спектральное уплотнение сигналов, или
- систем, использующих длинные регенерационные интервалы, с оптическими усилителями или без них.

Определения
- В волоконно-оптическом волноводе, имеющем продольную ось симметрии, первое геометрическое возмущение является перпендикулярным второму геометрическому возмущению, если соответствующие зеркальные плоскости первых и вторых геометрических возмущений содержат указанную продольную ось симметрии и пересекаются под прямым углом.

- Профиль показателя преломления - это показатель преломления волоконно-оптического волновода, определенный в каждой точке заранее выбранного сегмента радиуса волокна. Например, профиль показателя преломления сердцевины - это показатель преломления в каждой точке радиуса сердцевины.

- Полная дисперсия, называемая также хроматической дисперсией, является суммой дисперсий волновода и материала. Полная дисперсия измеряется в пс/нм-км.

- Общепринятое соглашение о знаке полной дисперсии заключается в том, что дисперсия считается положительной, если фазовая скорость распространения света уменьшается с увеличением длины волны света. В волноводе с отрицательной дисперсией фазовая скорость увеличивается с увеличением длины волны света.

Сущность изобретения
Первый аспект изобретения относится к одномодовому волоконно-оптическому волноводу, содержащему сердцевину, характеризующуюся профилем показателя преломления, и слой оболочки, окружающий сердцевину и также характеризующийся профилем показателя преломления. Для того, чтобы волновод пропускал свет в продольном направлении, по меньшей мере часть профиля показателя преломления сердцевины имеет больший показатель преломления, чем часть профиля показателя преломления оболочки.

Оптические сигналы двух поляризационных мод, проходящие через волновод, смешиваются в первой структуре периодических возмущений сердцевины волновода так, что в среднем по длине волновода сигнал, соответствующий одной поляризационной моде, распространяется не быстрее, чем сигнал, соответствующий другой поляризационной моде. Другими словами, волновод, имеющий линейное двойное лучепреломление, имеет быструю ось и медленную ось, которые могут быть взаимно перпендикулярными. Световая волна будет иметь большую скорость, если ее вектор электрического поля будет направлен вдоль быстрой оси. При периодическом чередовании ориентаций быстрой и медленной осей в волноводе сигналы, соответствующие обеим поляризационным модам, будут идти попеременно с большой и малой скоростями. Периодический характер двойного лучепреломления приводит к тому, что сигналы, соответствующие обеим поляризационным модам, будут иметь по существу одинаковую среднюю скорость по длине волновода.

На эту первую структуру периодических возмущений сердцевины волновода накладывается или в ней распределяется вторая структура возмущений сердцевины волновода, которые предназначены для изменения знака полной дисперсии. Полная дисперсия обусловлена суммой дисперсий материала и волновода. Полную дисперсию делают положительной или отрицательной, регулируя дисперсию волновода, которая зависит от его геометрии и профиля показателя преломления.

Таким образом, двойная структура возмущений обеспечивает одновременное управление дисперсией поляризационной моды и полной дисперсией. Кроме того, эти две структуры не обязательно связаны по периодичности или линейной протяженности.

Главной особенностью изобретения является установление того факта, что в волновод могут быть введены эти два различных типа возмущения без нежелательного взаимодействия между ними. То есть может быть сделано так, что возмущения, которые относятся к управлению дисперсией поляризационной моды, окажут лишь минимальное воздействие на полную дисперсию. И наоборот, возмущения, которые производят изменение знака полной дисперсии, могут быть введены в сердцевину так, что поддержат смешивание поляризационных мод или не окажут влияния на смешивание поляризационных мод.

В одном из вариантов выполнения изобретения средства двойного лучепреломления являются структурой возмущения диаметра сердцевины первого типа, которая может присутствовать на всей длине оптического волокна. Соседние возмущения первого типа являются взаимно ортогональными. На первую структуру возмущения наложена вторая структура возмущения сердцевины, которая создает периодическое изменение знака полной дисперсии и, таким образом, длины волны нулевой дисперсии. Периодичность структуры возмущения второго типа определяет периодичность изменения знака полной дисперсии.

Для сохранения двойного лучепреломления, которое приводит к смешиванию поляризационных мод, требование ортогональности ближайших соседних возмущений распространяется на всю длину участка волновода, в котором имеются возмущения второго типа. Эта ортогональность также поддерживается на границе областей возмущений первого и второго типов.

Совокупность участка волновода, имеющего возмущение первого типа, и смежного участка волновода, имеющего возмущение второго типа, является элементом, который периодически повторяется вдоль всей длины волокна.

В одном из вариантов выполнения изобретения возмущение первого типа отличается от возмущения второго типа глубиной канавки, сформированной на поверхности сердцевины. Для обеспечения смешивания поляризационных мод длина участка, соответствующего возмущению первого типа, не должна более чем в три раза превышать длину корреляции волноводного волокна. Возмущения второго типа также приводят к смешиванию поляризационных мод, если длина возмущения меньше, чем приблизительно утроенная длина корреляции волновода.

При диаметре заготовки для вытягивания 50 мм это ограничение на длину подверженного возмущению участка волновода эквивалентно участку заготовки для вытягивания длиной приблизительно 4 мм.

В наиболее предпочтительном варианте выполнения изобретения средства двойного лучепреломления ориентированы ортогонально, как описано выше, и по существу идентичны по форме и протяженности на всей длине волновода. На это средство двойного лучепреломления наложена структура периодического уменьшения диаметра сердцевины волновода, которая производит требуемое изменение знака полной дисперсии. Единственным ограничением на длину и периодичность этих областей уменьшенного диаметра сердцевины является требование, чтобы сумма произведений D_i x l_i вдоль всей длины волновода была равна заранее заданной величине, которая обычно выбирается равной нулю. D_i является по существу постоянной полной дисперсией оптического волокна на длине l_i.

Другой вариант выполнения волновода с управляемой дисперсией включает спиральную канавку, сформированную на поверхности волокна для смешивания двух поляризационных мод. Глубина этой спиральной канавки выбрана в диапазоне приблизительно от 0,03 до 0,10 радиуса сердцевины, чтобы обеспечить требуемое двойное лучепреломление, но оказывать лишь небольшое влияние на полную дисперсию. В этом варианте выполнения изобретения возмущения, которые производят изменение знака полной дисперсии, могут быть любыми из вышеперечисленных или они могут быть выполнены в виде спиральных канавок с глубиной в диапазоне приблизительно от 0,13 до 0,20 радиуса сердцевины.

Спиральная канавка может быть прерывистой и иметь переменный шаг, при этом подразумевается, что направление шага меняется, если меняется направление закручивания спирали вдоль волновода. Дополнительные ограничения на геометрию спирали заключаются в том, чтобы вдоль волновода результирующее двойное лучепреломление по существу было равно нулю, а длина возмущения не превышала приблизительно утроенной длины корреляции волновода, связанной с поляризацией. Кроме того, для возмущений, управляющих полной дисперсией, сумма произведений, описанных выше, должна равняться заранее заданной величине, как сказано выше.

Спиральная канавка может иметь переменный шаг, чтобы избежать круговой поляризации возбужденных поляризационных мод. Стимулированной круговой поляризации также можно избежать, управляя шагом канавки на длине волновода, большей приблизительно 6,5 метров.

Следующий аспект изобретения касается способа создания волновода со смешиванием поляризационных мод и управляемой полной дисперсией. Этот способ включает следующие операции:
- изготовление заготовки сердцевины любым из известных способов, включая внутреннее и внешнее осаждение из паровой фазы и аксиальное осаждение из паровой фазы,
- формирование на поверхности заготовки первой структуры возмущений для смешивания поляризационных мод,
- формирование на поверхности заготовки второй структуры возмущений для обеспечения изменения полной дисперсии между положительными и отрицательными величинами, таким образом сводя полную дисперсию к заранее заданной величине,
- наложение на заготовку сердцевины слоя оболочки так, чтобы стеклянная заготовка для вытягивания имела однородную цилиндрическую поверхность, и
- вытягивание из заготовки волоконно-оптического волновода, имеющего по существу однородную цилиндрическую поверхность, таким образом вводя возмущения в поверхность сердцевины волновода.

Очевидно, что возможен обратный метод, то есть возмущения могут быть сформированы на стеклянной поверхности слоя оболочки. В этом случае вытягивание волновода в однородную цилиндрическую структуру приведет к переходу возмущения с поверхности заготовки на поверхность сердцевины волновода.

Типы и комбинации возмущений, получаемые в результате использования этого способа, являются достаточно эффективными для создания желательного смешивания поляризационных мод и управления полной дисперсией, как описано выше. А именно возмущения, которые вводятся в волновод, линейно связаны с возмущениями, сформированными в сердцевине или на поверхности заготовки для вытягивания.

Таким образом, канавки в этой структуре, создающие двойное лучепреломление, имеют глубину в диапазоне приблизительно от 3 до 10% радиуса заготовки, а канавки, которые служат для управления полной дисперсией, имеют глубину в диапазоне приблизительно от 13 до 20% радиуса заготовки.

В еще одном варианте способа согласно изобретению заготовка разделена на несколько равных подучастков. Возмущения первого типа сформированы в подучастках, смежных с подучастками заготовки, имеющими возмущения второго типа. Таким образом, вся заготовка состоит из равных подучастков с чередующимся типом возмущения. Длина волны, соответствующая нулевой дисперсии, в подучастках с возмущением первого типа отличается от длины волны, соответствующей нулевой дисперсии, в подучастках с возмущением второго типа.

В предпочтительном варианте этого способа подучастки, имеющие возмущения первого типа, являются равными и служат для смешивания двух поляризационных мод.

Эти подучастки типично имеют порядок от десятков до сотен метров. Подучастки, имеющие возмущение второго типа, служат для изменения знака дисперсии, то есть длины волны, соответствующей нулевой дисперсии, и ограничены по длине только тем, что сумма произведений длины на полную дисперсию равна заранее выбранной величине. Кроме того, возмущение второго типа должно или иметь ограниченное взаимодействие с поляризационными модами, или действовать одинаково на обе поляризационные моды.

Краткое описание чертежей
На фиг. 1a иллюстрируется первая и вторая структуры возмущений на поверхности заготовки сердцевины,
на фиг. 1b показано проявление в волноводе возмущений, введенных в заготовку согласно фиг.1, после вытягивания этой заготовки,
на фиг. 2 иллюстрируется другой вариант выполнения первой и второй структур возмущений на поверхности заготовки сердцевины,
на фиг. 3 представлен вариант выполнения изобретения с осесимметричной структурой возмущений диаметра, наложенных на возмущение в виде спиральной канавки,
на фиг.4 изображен график, иллюстрирующий положительную и отрицательную полную дисперсию.

Подробное описание изобретения
Как отмечено выше, для того чтобы полная дисперсия волоконно-оптического волновода была равна заранее заданной величине, в сердцевину волновода могут быть введены определенные возмущения. Предпочтительно, чтобы полная дисперсия на всей длине волоконно-оптического волновода была равна нулю, в то время как на некоторых подучастках этого волновода полная дисперсия может быть отлична от нуля. При такой полной дисперсии форма передаваемого импульса сохраняется на больших расстояниях, но тем не менее предотвращается четырехфотонное смешивание, которое происходит, когда центральная длина волны передаваемого импульса близка к длине волны, соответствующей нулевой дисперсии в волноводе.

В отмеченной выше недавней работе, посвященной управлению дисперсией поляризационной моды, показано, что две поляризационные моды передаваемого светового сигнала могут быть эффективно смешаны посредством создания структуры возмущения на поверхности сердцевины волновода. Структура возмущения обусловливает двойное лучепреломление в волноводе, которое приводит к смешиванию поляризационных мод.

В частности, было обнаружено, что дисперсию поляризационной моды можно ограничить введением в сердцевину волновода таких возмущений, длина которых не превышает приблизительно утроенной длины корреляции в одномодовом волноводе. Этот способ управления дисперсией поляризационной моды путем смешивания поляризационных мод за счет возмущений в сердцевине волокна или заготовки для вытягивания является устойчивым к посторонним воздействиям. А именно данные моделирования показывают, что введенные возмущения для управления дисперсией поляризационной моды эффективны даже тогда, когда в модель включены случайные возмущения. Случайные возмущения могут происходить из-за дефектов покрытия волновода при выполнении операций нанесения защитных покрытий или изготовления кабеля или могут быть обусловлены эксплуатационными факторами, связанными с окружающей средой.

Поскольку полной дисперсией также можно управлять, вводя возмущения, которые имеют широкий диапазон длин, включая и тот, который является эффективным для управления дисперсией поляризационной моды, понятно, что возмущения сердцевины волокна можно использовать для управления обоими типами дисперсии в одном и том же волоконно-оптическом волноводе.

Однако эта конструкция волновода возможна, только если возмущения, которые управляют дисперсией поляризационной моды, не оказывают неблагоприятного воздействия на те возмущения, которые управляют полной дисперсией. Возмущения сердцевины, которые управляют дисперсией поляризационной моды, должны только быть достаточны для создания разности в показателях преломления, соответствующих быстрой и медленной осям волновода, приблизительно равной 1·10^-6. Таким образом, следует ожидать, что возмущения сердцевины, затрагивающие дисперсию поляризационной моды, не окажут серьезного воздействия на полную дисперсию по сравнению с возмущениями, введенными в сердцевину для управления полной дисперсией.

Волновод и способ его создания, являющиеся предметами настоящего изобретения, позволяют в значительной степени устранить как дисперсию поляризационной моды, так и полную дисперсию без неблагоприятного воздействия на затухание в волноводе. Кроме того, полной дисперсией можно управлять так, чтобы предотвратить четырехфотонное смешивание. Таким образом, волновод, выполненный согласно изобретению, является весьма высококачественным и позволяет использовать большие регенерационные интервалы и спектральное уплотнение сигналов.

Должно быть понятно, что приложенные чертежи не обязательно выполнены в масштабе и не ограничивают объем изобретения.

Для первого варианта выполнения изобретения на фиг. 1a показана заготовка для вытягивания, подвергнутая возмущению, а на фиг.1b - соответствующий волновод. На фиг. 1а показана однородная поверхность 9 слоя оболочки. Заготовка сердцевины, заключенная в слой оболочки, подвергнута возмущению 2 первого типа и возмущению 4 второго типа. Возмущения 2 первого типа являются взаимно ортогональными и созданы на участке 6 заготовки.

Возмущение 4 второго типа создано на участке 8 заготовки. В показанном примере возмущения 4 являются канавками, которые глубже, чем канавки, соответствующие возмущению 2. Таким образом, возмущения 4 служат для изменения знака полной дисперсии, чтобы управлять ею, а возмущения 2 обеспечивают переменное двойное лучепреломление для управления дисперсией поляризационной моды.

Размеры канавки 2 по длине заготовки ограничены тем, что возмущение в волокне волновода не должно превышать приблизительно трех длин корреляции волновода. Таким образом, участки 13 и 15 на фиг.1b, где показан волновод, полученный после вытягивания заготовки, изображенной на фиг.1, должны быть меньше, чем приблизительно утроенная длина корреляции.

Длина сегмента 6 может изменяться в широком диапазоне, причем ограничения заключаются только в том, чтобы сегмент 6 содержал четное число пар возмущения, обеспечивая полное двойное лучепреломление на этом сегменте, равное нулю, а заготовка была достаточной длины, чтобы включить сегменты, имеющие четное число возмущений 4.

Соседние возмущения 2 взаимно ортогональны, так же как и соседние возмущения 4. Кроме того, возмущения 2, соседние с возмущениями 4, также взаимно ортогональны. Таким образом, результирующее двойное лучепреломление в волноводе будет по существу равно нулю, а смешивание поляризационных мод может происходить в сегментах обоих типов 6 и 8. Кроме того, различие в глубине возмущения между возмущением 4 и возмущением 2 приводит к тому, что конкретная длина волны нулевой дисперсии в сегменте 6 будет отличаться от длины волны нулевой дисперсии в сегменте 8, таким образом обеспечивая изменение знака полной дисперсии между сегментами и, следовательно, средство для управления полной дисперсией. Ограничением на длину и число сегментов, содержащих возмущения 4, является то, что сумма произведений D_i x l_i должна равняться заранее выбранному числу, а результирующее двойное лучепреломление, введенное в волновод посредством возмущений 4, должно быть по существу равно нулю.

В этом первом варианте выполнения изобретения длина сегментов 6 и 8 связана выражением для сумм произведений и необходимостью иметь результирующее двойное лучепреломление на всей длине волновода, равное нулю. В другом варианте выполнения изобретения, показанном на фиг.2, длины сегментов не связаны так жестко, как в варианте выполнения изобретения, изображенном на фиг. 1. Как видно на фиг.2, равномерный цилиндрический слой оболочки окружает сердцевину, имеющую по существу одинаковые канавки, выполненные на поверхности сердцевины, причем канавки расположены с периодическими промежутками. Как и раньше, соседние канавки взаимно ортогональны. Глубина канавок выбрана так, чтобы она лежала в диапазоне приблизительно от 3 до 10% радиуса сердцевины для обеспечения минимального влияния на длину волны, соответствующую нулевой дисперсии.

На эту структуру канавок наложена вторая структура возмущений диаметра сердцевины. На фиг.2 показан сегмент 14, по длине которого диаметр сердцевины однородно уменьшен, то есть осевая симметрия сохранена. Как и прежде, сегменты 12 и 14 имеют различные длины волн нулевой дисперсии. Так же как и прежде, сумма произведений D_i x l_i должна равняться заранее выбранной величине. Однако вследствие своей осевой симметрии область меньшего диаметра не будет вносить дополнительного двойного лучепреломления, и в этом смысле сегменты 12 и 14 развязаны.

На фиг.3 показан третий вариант выполнения изобретения. Этот вариант аналогичен варианту, изображенному на фиг.2, в том, что возмущения, управляющие полной дисперсией, наложены на возмущения сердцевины, которые создают двойное лучепреломление. В этом случае возмущение, создающее двойное лучепреломление, представляет собой спираль, сформированную на поверхности заготовки сердцевины и характеризующуюся глубиной, продольным размером и шагом. Эта спираль 16 показана на фиг.3. В заготовке для вытягивания диаметром 50 мм шаг 18 спирали может быть выбран большим приблизительно 0,04 мм для предотвращения круговой поляризации света, идущего по волокнам, вытянутым из заготовки. Альтернативный способ предотвращения круговой поляризации состоит в том, чтобы сформировать вдоль заготовки равные участки с противоположным шагом, таким образом обеспечивая результирующую круговую поляризацию, равную нулю.

Участки 20 и 22 используются для формирования суммы произведений полной дисперсии на длину. Снова слой оболочки в заготовке показан в виде однородного цилиндрического слоя, что подразумевает операции, подобные тем, которые обсуждались выше, для выравнивания заготовки.

Специалистам в данной области понятно, что для вычисления размеров волновода на основании размеров заготовки следует использовать уравнение баланса масс.

На фиг.4 показано изменение знака полной дисперсии, обусловленной возмущениями, описанными выше. Диапазон величин дисперсии, представленных как ширина области 28, иллюстрирует зависимость полной дисперсии от длины волны. Участок длины с конкретным знаком полной дисперсией показан в виде сегмента 30. Позиции 26 и 32 обозначают положительную и отрицательную дисперсию соответственно.

Любой из множества профилей показателя преломления сердцевины обеспечивает гибкость в управлении как дисперсией поляризационной моды, так и полной дисперсией. Например, профили, рассмотренные в патенте США N 4715679 и в заявках на патент США N 08/323795 или 08/287262, подходят для использования в настоящем изобретении.

Таким образом, волоконно-оптический волновод, выполненный согласно настоящему изобретению, имеет очень низкую дисперсию и подходит для использования в системах, требующих наиболее высококачественных волоконно-оптических волноводов. Описанный волновод при использовании с оптическими усилителями обеспечивает среду передачи, которая по существу не вносит потерь на очень протяженных участках без регенерации.

Реферат

Одномодовый волоконно-оптический волновод имеет периодические возмущения в сердцевине для создания двойного лучепреломления, которое обеспечивает смешивание поляризационных мод проходящего по волноводу света. В сердцевину также введены возмущения для управления полной дисперсией. В результате полная дисперсия в заранее заданных сегментах волновода меняет знак так, что алгебраическая сумма произведений полной дисперсии на длину равна заранее выбранной величине. Два различных типа возмущения сердцевины служат для управления как дисперсией поляризационной моды, так и полной дисперсией. Обеспечена низкая дисперсия и малое затухание. 3 с. и 11 з.п.ф-лы, 4 ил.

Формула