Волокно большой эффективной площади с не содержащей ge сердцевиной - RU2550752C2

Чертежи

Показать все 22 чертежа(ей)

Описание

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Данная заявка притязает на приоритет заявки на патент США № 12/696189, поданной 29 января 2010 г.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0002] Данное изобретение в общем относится к оптическим волокнам и, в частности, к оптическим волокнам большой эффективной площади с сердцевиной из чистого оксида кремния и низким затуханием.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Технология оптических усилителей и методы мультиплексирования с разделением по длине волны обычно требуются в телекоммуникационных системах, которые обеспечивают передачу высокой мощности на большие расстояния. Определение высокой мощности и больших расстояний имеет смысл только применительно к конкретной телекоммуникационной системе, в которой задаются скорость передачи данных, битовый коэффициент ошибок, схема мультиплексирования и, возможно, оптические усилители. Имеются и другие известные специалистам факторы, которые влияют на определение высокой мощности и большого расстояния. Тем не менее, для большинства задач высокая мощность - это оптическая мощность свыше примерно 10 мВт. Высокомощные системы часто страдают от нелинейных оптических эффектов, включая фазовую автомодуляцию, четырехволновое смешение, перекрестную фазовую модуляцию и процессы нелинейного рассеяния, причем все они могут вызывать ухудшение сигналов в высокомощных системах. В некоторых областях применения одиночные уровни мощности 1 мВт или менее все же чувствительны к нелинейным эффектам, поэтому в таких маломощных системах нелинейные эффекты все же могут являться важным фактором. Кроме того, другие свойства оптических волокон, такие как затухание, являются основным фактором, вносящим вклад в ухудшение сигнала.

[0004] Как правило, оптическое волноводное волокно, имеющее большую эффективную площадь (А_эфф), уменьшает нелинейные оптические эффекты, включая фазовую автомодуляцию, четырехволновое смешение, перекрестную фазовую модуляцию и процессы нелинейного рассеяния, причем все они могут вызывать ухудшение сигналов в высокомощных системах.

[0005] С другой стороны, увеличение эффективной площади оптического волноводного волокна обычно приводит к возрастанию вызываемых макроизгибом потерь, которые ослабляют передачу сигнала через волокно. Потери из-за макроизгиба становятся все более важными на больших (например, 100 км или более) расстояниях (или разнесении между регенераторами, усилителями, передатчиками и/или приемниками). К сожалению, чем больше эффективная площадь традиционного оптического волокна, тем выше обычно бывают вызываемые макроизгибом потери. Кроме того, затухание может являться основным фактором, вносящим вклад в ухудшение сигнала в волокнах с большой эффективной площадью.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Одним вариантом реализации изобретения является оптическое волноводное волокно, включающее в себя:

(i) не содержащую Ge сердцевину, имеющую эффективную площадь от примерно 90 мкм² до примерно 160 мкм² на длине волны 1550 нм и значение α 12≤α≤200, причем упомянутая сердцевина содержит:

(a) центральную область сердцевины, проходящую радиально наружу от осевой линии до радиуса r₀ и имеющую процентный профиль относительного показателя преломления Δ₀(r) в %, измеренный по отношению к чистому оксиду кремния, при этом центральная область сердцевины имеет максимальный процент относительного показателя преломления Δ_0MAX;

(b) первую кольцевую область сердцевины, окружающую центральную область сердцевины и непосредственно прилегающую к ней и проходящую до внешнего радиуса r₁, где 4,8 мкм≤r₁≤10 мкм, и имеющую процентный профиль относительного показателя преломления Δ₁(r) в %, измеренный по отношению к чистому оксиду кремния, и минимальный процент относительного показателя преломления Δ_2MIN и относительный показатель преломления, измеренный при радиусе r=2,5 мкм, составляющий

-0,15≤Δ₁(r=2,5 мкм)≤0 и Δ_0MAX≥Δ₁(r=2,5 мкм);

(с) легированную фтором вторую кольцевую область, окружающую первую кольцевую область сердцевины и непосредственно прилегающую к ней и проходящую до радиуса 13 мкм≤r₂≤30 мкм и имеющую отрицательный процентный профиль относительного показателя преломления Δ₂(r) в %, измеренный по отношению к чистому оксиду кремния,

с минимальным процентом относительного показателя преломления Δ_2MIN, составляющим

Δ_2MIN<Δ₁(r=2,5 мкм) и -0,7%≤Δ_2MIN≤-0,28%;

(ii) оболочку, окружающую сердцевину и имеющую процент относительного показателя преломления Δ₃(r) в %, измеренный по отношению к чистому оксиду кремния,

при этом профиль относительного показателя преломления оптического волокна выбран для обеспечения затухания менее 0,175 дБ/км на длине волны 1550 нм.

[0007] Предпочтительно, в соответствии с описанными здесь вариантами реализации Δ₃(r)≥Δ_2MIN. В некоторых вариантах реализации Δ₃(r)=Δ_2MIN±0,3%. Кроме того, в соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами реализации 0 мкм≤r₀≤2 мкм.

[0008] В соответствии с некоторыми примерными вариантами реализации по меньшей мере часть центральной области сердцевины выполнена из чистого оксида кремния.

[0009] Дополнительные признаки и преимущества изобретения излагаются в нижеследующем подробном описании и отчасти будут понятны специалистам из этого описания или установлены при практической реализации изобретения согласно приведенному здесь описанию, включая нижеследующее подробное описание, формулу изобретения, а также прилагаемые чертежи.

[0010] Следует понимать, что как вышеприведенное общее описание, так и нижеследующее подробное описание представляют варианты реализации изобретения и приведены для обеспечения обзора или рамок для понимания сущности и характера изобретения, заявленного в формуле изобретения. Прилагаемые чертежи включены для обеспечения более глубокого понимания изобретения, объединены с данным описанием и составляют его часть. Чертежи иллюстрируют различные варианты реализации изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов и действий изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0011] Фиг. 1А представляет собой вид в разрезе одного варианта реализации настоящего изобретения;

[0012] фиг. 1В схематически иллюстрирует примерный профиль показателя преломления волокна по фиг. 1А;

[0013] фиг. 2-19 иллюстрируют профили показателя преломления примерных вариантов реализации оптических волокон по настоящему изобретению;

[0014] фиг. 20 иллюстрирует измеренные профили показателя преломления одного примерного варианта реализации волокна;

[0015] фиг. 21 иллюстрирует профили показателя преломления двух дополнительных примерных вариантов реализации волокна;

[0016] фиг. 22 иллюстрирует смоделированный LLWM в зависимости от критерия (FOM) микроизгиба для волокон в диапазоне примеров, приведенных в Таблице 4.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Определения

[0017] «Профиль показателя преломления» - это зависимость между показателем преломления или относительным показателем преломления и радиусом волноводного волокна.

[0018] «Процент относительного показателя преломления» определяется как Δ%=100×(n(r)²-n_s²)/2n(r)², где n(r) - показатель преломления на радиальном расстоянии r от осевой линии волокна, если не оговорено иное, а n_s - показатель преломления чистого оксида кремния на длине волны 1550 нм. Используемый здесь относительный показатель преломления представлен величиной Δ, и его значения задаются в единицах «%», если не оговорено иное. В тех случаях, когда показатель преломления некоторой области меньше показателя преломления оксида кремния, процент относительного показателя является отрицательным и рассматривается как имеющий пониженный показатель и вычисляется в точке, в которой относительный показатель является наиболее отрицательным, если не оговорено иное. В тех случаях, когда показатель преломления некоторой области больше показателя преломления оксида кремния, процент относительного показателя является положительным, при этом область может рассматриваться как повышенная или имеющая положительный показатель, и он вычисляется в точке, в которой относительный показатель является наиболее положительным, если не оговорено иное. «Повышающей примесью» в данном документе считается примесь, которая имеет свойство повышать показатель преломления относительно чистого нелегированного SiO₂. «Понижающей примесью» в данном документе считается примесь, которая имеет свойство понижать показатель преломления относительно чистого нелегированного SiO₂. Повышающая примесь может присутствовать в некой области оптического волокна, имеющей отрицательный относительный показатель преломления, когда она сопровождается одной или более другими примесями, которые не являются повышающими примесями. Аналогичным образом, одна или более других примесей, которые не являются повышающими примесями, могут присутствовать в некой области оптического волокна, имеющей положительный относительный показатель преломления. Понижающая примесь может присутствовать в некой области оптического волокна, имеющей положительный относительный показатель преломления, когда она сопровождается одной или более другими примесями, которые не являются понижающими примесями. Аналогичным образом, одна или более других примесей, которые не являются понижающими примесями, могут присутствовать в некой области оптического волокна, имеющей отрицательный относительный показатель преломления.

[0019] «Хроматическая дисперсия», в данном документе называемая «дисперсией», если не указано иное, волноводного волокна является суммой дисперсии материала, дисперсии волновода и межмодовой дисперсии. В случае одномодовых волноводных волокон межмодовая дисперсия является нулевой. Значения дисперсии в двухмодовом режиме предполагают нулевую межмодовую дисперсию. Длина волны нулевой дисперсии (λ₀) - это длина волны, на которой дисперсия имеет нулевое значение. Крутизна дисперсии - это скорость изменения дисперсии по длине волны.

[0020] «Эффективная площадь» определяется как А_эфф=2π(∫f²r dr)²/(∫f⁴r dr), где пределы интегрирования составляют от 0 до ∞, а f - поперечная составляющая электрического поля, связанная со светом, распространяющимся в волноводе. Используемый здесь термин «эффективная площадь» или «А_эфф» относится к оптической эффективной площади на длине волны 1550 нм, если не указано иное.

[0021] Термин «α-профиль» относится к профилю относительного показателя преломления, исчисленному в Δ(r), выражаемому в единицах «%», где r - радиус, находимый по уравнению Δ(r)=Δ(r₀)(1-[|r-r₀|/(r₁-r₀)]^α), где r₀ - точка, в которой величина Δ(r) максимальна, r₁ - точка, в которой величина Δ(r)% является нулевой, а r находится в диапазоне r_i≤r≤r_f, где Δ определено выше, r_i - начальная точка α-профиля, r_f - конечная точка α-профиля, а α - показатель степени, являющийся действительным числом.

[0022] Диаметр модового поля (MFD) измеряется методом Петерманна II, в котором 2w=MFD, а w²=(2∫f²r dr/∫[df/dr]²)r dr), при этом пределы интегрирования составляют от 0 до ∞.

[0023] Сопротивление изгибу волноводного волокна может измеряться с помощью наведенного затухания в заданных условиях испытания.

[0024] Одним типом испытания на изгиб является испытание на микроизгиб с поперечной нагрузкой. В этом так называемом испытании с «поперечной нагрузкой» волноводное волокно заданной длины помещают между двумя плоскими пластинами. К одной из пластин прикрепляется проволочная сетка №70. Волноводное волокно известной длины зажимают между пластинами и измеряют эталонное затухание при сжатии пластин с усилием 30 Н. Затем к пластинам прикладывают усилие 70 Н и измеряют увеличение затухания в дБ/м. Увеличение затухания является затуханием волновода на проволочной сетке с поперечной нагрузкой (LLWM).

[0025] Испытание на изгиб с «решеткой штырьков» используется для сравнения относительного сопротивления волноводного волокна изгибу. Для проведения этого испытания потери на затухание измеряют для волноводного волокна с практически отсутствующими наведенными потерями на изгибах. Затем волноводное волокно переплетают вокруг решетки штырьков и вновь измеряют затухание. Потери, вызываемые изгибом, - это разность между этими двумя измеренными затуханиями. Решетка штырьков представляет собой набор из десяти цилиндрических штырьков, размещенных в один ряд и установленных в фиксированном вертикальном положении на плоской поверхности. Расстояние между штырьками составляет 5 мм от оси до оси. Диаметр штырька составляет 0,67 мм. Во время испытания прилагают достаточное напряжение, чтобы заставить волноводное волокно соответствовать части поверхности штырька.

[0026] Теоретическая длина волны отсечки волокна, или «теоретическая отсечка волокна», или «теоретическая отсечка» для данной моды - это длина волны, выше которой распространяющийся в волноводе свет не может распространяться в этой моде. Математическое определение можно найти в издании Single Mode Fiber Optics, Jeunhomme, pp. 39-44, Marcel Dekker, New York, 1990, в котором теоретическая отсечка волокна описывается как длина волны, на которой константа модового распространения становится равной константе распространения плоских волн в наружной оболочке.

[0027] Эффективная отсечка волокна меньше теоретической отсечки ввиду потерь, которые вызываются изгибом и/или механическим давлением. В связи с этим отсечка относится к наивысшей из мод LP11 и LP02. LP11 и LP02, как правило, не различаются при измерениях, но обе выражены как шаги при спектральных измерениях (при использовании метода многомодового эталона), т.е. мощность в моде не наблюдается на длинах волн длиннее, чем измеренная отсечка. Фактическая отсечка волокна может быть измерена с помощью испытания отсечки стандартного 2-метрового волокна, FOTP-80 (EIA-TIA-455-80), для получения «длины волны отсечки волокна», также известной как «отсечка 2-метрового волокна» или «измеренная отсечка». Стандартное испытание FOTP-80 выполняют либо для того, чтобы убрать моды более высокого порядка с помощью контролируемой степени изгиба, либо для того, чтобы привести спектральную характеристику данного волокна к спектральной характеристике многомодового волокна.

[0028] Длина волны отсечки кабеля, или «отсечка кабеля», обычно ниже, чем измеренная отсечка волокна, из-за более высоких степеней изгиба и механического давления в окружении кабеля. Реальное состояние кабеля может аппроксимироваться с помощью испытания отсечки кабеля, описанного в документе «Процедуры испытаний волоконной оптики» EIA-445, входящем в «Стандарты волоконной оптики» EIA-TIA, то есть «Стандарты волоконной оптики Объединения ассоциаций электронной промышленности и телекоммуникационной промышленности», общеизвестные как FOTP. Измерение отсечки кабеля описывается в документе «Длина волны отсечки кабеля одномодового волокна по передаваемой мощности» EIA-445-170, или «FOTP-170». Если в данном документе не указано иное, оптические свойства (такие как дисперсия, крутизна дисперсии и т.д.) описываются для моды LP01.

[0029] Оптоволоконный телекоммуникационный канал, или попросту канал, состоит из передатчика световых сигналов, приемника световых сигналов и отрезка волноводного волокна или волокон с соответствующими оптически соединенными с передатчиком и приемником концами для распространения световых сигналов между ними. Отрезок волноводного волокна может состоять из множества более коротких отрезков, которые сращиваются или соединяются друг с другом в непрерывном последовательном подключении. Канал может содержать дополнительные оптические компоненты, такие как оптические усилители, оптические аттенюаторы, оптические вентили, оптические переключатели, оптические фильтры или устройства мультиплексирования или демультиплексирования. Группа взаимосвязанных каналов может именоваться телекоммуникационной системой.

[0030] Используемый в данной документе участок оптического волокна включает в себя отрезок оптического волокна, или множество последовательно объединенных оптических волокон, проходящих между оптическими устройствами, например между двумя оптическими усилителями или между устройством мультиплексирования и оптическим усилителем. Участок может содержать одну или более секций оптического волокна, как указано в настоящем документе, и может дополнительно содержать одну или более секций оптического волокна, например, выбираемых для достижения требуемой характеристики или параметра системы, такого как остаточная дисперсия на конце участка.

Вариант(ы) реализации изобретения

[0031] Ниже подробно описывается вариант(ы) реализации настоящего изобретения, примеры которого иллюстрируются на прилагаемых чертежах. Во всех возможных случаях одни и те же ссылочные позиции будут использоваться на всех чертежах для ссылки на одни и те же или подобные детали. Один вариант реализации оптического волокна в соответствии с настоящим изобретением показан на фиг. 1А и в целом повсеместно обозначен ссылочной позицией 10. Волноводное волокно 10 содержит сердцевину 12, имеющую эффективную площадь примерно 90 мкм² или более на длине волны 1550 нм (например, от 90 мкм² до 160 мкм², либо от 100 мкм² до 160 мкм², либо от 120 мкм² до 140 мкм² на длине волны 1550 нм) и значение α 12≤α≤200 (например, 12≤α≤100 либо 12≤α≤25), и оболочку 20, окружающую сердцевину. Типичный диапазон значений α в описанных здесь примерных волокнах составляет от 14 до 20, например 15≤α≤17. Тем не менее, с помощью плазмохимического осаждения из паровой фазы (PCVD) могут быть достигнуты более высокие значения α (например, >25). Примерный профиль показателя преломления (дельта относительного показателя преломления в зависимости от радиуса) этого волокна показан схематически на фиг. 1В.

[0032] Сердцевина 12 не содержит Ge и включает в себя центральную область 14 сердцевины, первую кольцевую область 16 сердцевины, окружающую центральную область 14 сердцевины и непосредственно прилегающую к центральной области 14 сердцевины, и вторую кольцевую область 18, окружающую первую кольцевую область 16 и непосредственно прилегающую к ней. Центральная область 14 сердцевины проходит радиально наружу от осевой линии до радиуса 0 мкм≤r₀≤2 мкм и имеет процентный профиль относительного показателя преломления Δ₀(r), измеренный в % по отношению к чистому оксиду кремния, при этом -0,1%≤Δ₀(r)≤0,15. В некоторых вариантах реализации -0,1%≤Δ₀(r)≤0,1%. В некоторых вариантах реализации -0,1%≤Δ₀(r)≤0%. Например, в некоторых вариантах реализации -0,075%≤Δ₀(r)≤0%. Центральная область 14 сердцевины также имеет максимальный процент относительного показателя преломления Δ_0MAX. В описанных здесь вариантах реализации Δ_0MAX возникает на осевой линии волокна (r=0).

[0033] Первая кольцевая область 16 сердцевины проходит до внешнего радиуса r₁, где 4,8 мкм ≤r₁≤10 мкм, и имеет процентный профиль относительного показателя преломления Δ₁(r) в %, измеренный по отношению к чистому оксиду кремния, и минимальный процент относительного показателя преломления Δ_1MIN, максимальный процент относительного показателя преломления Δ_1MAX (где Δ_0MAX≥Δ_1MAX) и относительный показатель преломления Δ₁, измеренный при радиусе r=2,5 мкм и составляющий: (а) -0,15≤Δ₁(r=2,5 мкм)≤0 и (b) Δ_0MAX≥Δ₁(r=2,5 мкм). В некоторых вариантах реализации Δ_1MAX=Δ₁(r=2,5 мкм).

[0034] Вторая кольцевая область 18 сердцевины легирована фтором, при этом она окружает первую кольцевую область 16 и непосредственно прилегает к ней. Обычно в соответствии с описанными здесь вариантами реализации вторая кольцевая область 18 сердцевины содержит от 0,1 до 2 вес.% фтора, например от 0,1 до 1,6 вес.% или от 0,4% до 2 вес.% фтора.

[0035] Вторая кольцевая область 18 сердцевины проходит до радиуса r₂, где 13 мкм ≤r₂≤30 мкм, и имеет отрицательный процентный профиль относительного показателя преломления Δ₂(r) в %, измеренный по отношению к чистому оксиду кремния, с минимальным процентом относительного показателя преломления Δ_2MIN, составляющим (а) Δ_2MIN<Δ₁(r=2,5 мкм) и/или Δ_2MIN<Δ_1MAX и (b) -0,7%≤Δ_2MIN≤-0,27%. Δ₂(r) также имеет максимальный процент относительного показателя преломления Δ_2MAX, где Δ_2MAX<Δ₁(r=2,5 мкм) и Δ_2MAX≥Δ_2MIN. В некоторых вариантах реализации -0,5%≤Δ_2MIN≤-0,27%. Например, Δ_2MIN может составлять -0,29%, -0,3%, -0,35%, -0,38%. Например, Δ_2MIN может составлять -0,29%, -0,3%, -0,35%, -0,38%, -0,4%, -0,47%, -0,5% или любое число между ними. В других вариантах реализации -0,4%<Δ_2MIN<-0,27%.

[0036] Следует отметить, что в случаях, когда вторая кольцевая область 18 сердцевины имеет относительно плоский профиль показателя преломления, Δ_2MAX-Δ_2MIN<0,03%, радиус r₁ определяется как соответствующий среднему значению между Δ₁(r=2,5 мкм) и первым случаем, когда вторая кольцевая область достигает Δ_2MIN. То есть r₁ - это радиус, на котором Δ(r)=[Δ₁(r=2,5 мкм)+Δ_2MIN]/2. Аналогичным образом, внешний радиус r₂ кольцевой области 18 сердцевины определяется как соответствующий среднему значению между Δ_2MIN и первым случаем, когда Δ₃=Δ_3MAX. То есть r₂ - это радиус, на котором Δ(r)=[Δ_2MIN+Δ_3MAX]/2. В тех случаях, когда вторая кольцевая область 18 сердцевины не имеет относительно плоского профиля показателя преломления, т.е. Δ_2MAX-Δ_2MIN≥0,03%, и когда Δ₂ достигает своего Δ_2MIN ближе к оболочке, радиус r₁ определяется как соответствующий среднему значению между Δ₁(r=2,5 мкм) и первым случаем, когда вторая кольцевая область достигает Δ_2MAX. То есть r₁ - это радиус, на котором Δ(r)=[Δ₁(r=2,5 мкм)+Δ_2MAX]/2. Радиус r₂ по-прежнему определяется как соответствующий среднему значению между Δ_2MIN и первым случаем, когда вторая кольцевая область достигает Δ_3MAX, то есть r₂ - это радиус, на котором Δ(r)=[Δ_2MIN+Δ_3MAX]/2.

[0037] В некоторых вариантах реализации соотношение r₂/r₁ находится между 2 и 6. Предпочтительно, соотношение 2,1≤r₂/r₁≤5,75, например 2,15≤r₂/r₁≤5,7. Предпочтительно, r₂≤30 мкм, например 14 мкм≤r₂≤29 мкм. При заданных Δ₂ и Δ₃, если соотношение r₂/r₁ является малым (например, поскольку r₁ является большим), MFD становится большим, λ₀ становится малым, а дисперсия D на 1550 нм становится большой. Если соотношение r₂/r₁ является слишком большим, MFD может стать слишком малым, λ₀ смещается в сторону более высоких длин волн, а дисперсия D на 1550 нм может стать малой.

[0038] Оболочка 20 окружает сердцевину 12 и имеет процент относительного показателя преломления Δ₃(r) в %, измеренный по отношению к чистому оксиду кремния, при этом Δ₃(r)≥Δ_2MIN.

[0039] В некоторых примерах реализации сердцевина 12 и оболочка 20 в качестве повышающей примеси содержат F. В этих вариантах реализации количество F, присутствующее в первой и второй кольцевых областях 16 и 18 сердцевины, больше количества фтора, присутствующего в центральной области 14 сердцевины. В некоторых примерах реализации сердцевина 12 также содержит по меньшей мере одну примесь оксида щелочного металла, например, где щелочным металлом является K, Na, Li, Cs и Rb. В некоторых примерах реализации сердцевина 12 содержит K₂O в количествах от 20 до 1000 ppm по весу K. Волокно 10 может также содержать хлор. Предпочтительно, чтобы количество хлора было больше 500 ppm по весу в сердцевине 12 и больше 1000 ppm по весу в оболочке 20. Следует отметить, что термин «ppm», если не указано иное, относится к весовым частям на миллион, или ppm по весу, при этом измерения в вес.% могут быть преобразованы в ppm умножением на коэффициент 10000.

[0040] Профиль относительного показателя преломления оптического волокна 10 выбран для обеспечения затухания не более 0,175 дБ/км на длине волны λ=1550 нм, например от 0,145 дБ/км до 0,175 дБ/км на длине волны λ=1550 нм. Затухание может принимать значения от 0,145 дБ/км до 0,17 дБ/км или от 0,15 дБ/км до 0,165 дБ/км, либо, например, 0,15 дБ/км, 0,155 дБ/км, 0,16 дБ/км, 0,165 дБ/км, 0,165 дБ/км или 0,17 дБ/км на длине волны λ=1550 нм.

Примеры 1-15

[0041] Изобретение будет дополнительно пояснено следующими примерами.

[0042] В Таблицах 1-2 перечислены характеристики Примеров 1-15 одного иллюстративного набора вариантов реализации волокна. На фиг. 2-16 показаны профили показателя преломления, соответствующие Примерам 1-15 соответственно. В этих вариантах реализации оптического волокна Примеров 1-15 -0,15%≤Δ₀≤0% и Δ_0max≤0%; -0,065%≤Δ₁(r=2,5 мкм)≤0%, -0,065%≤Δ_1max≤0,0%, -0,5%≤Δ_2MIN≤-0,27%, -0,4%≤Δ₃≤-0,2%, r₂/r₁ составляет 2,17≤r₂/r₁≤5,7, а r₂<30. Однако следует отметить, что в других вариантах реализации Δ₀ может быть несколько больше или меньше, чем 0% (по отношению к чистому оксиду кремния) в зависимости от того, присутствуют ли в центральной области 14 сердцевины повышающие или понижающие примеси. Хотя некоторые варианты реализации оптических волокон 10 имеют значения альфа между 12 и 25, варианты реализации оптического волокна Примеров 1-9 имеют значения альфа в диапазоне 13-15. Варианты реализации оптического волокна Примеров 10-15 имеют значения альфа примерно 20.

[0043] Смоделированные параметры профиля этих примерных волокон сведены в Таблице 1А. Значения для r₃ соответствуют внешнему диаметру оболочки, и в этих примерах r₃ составлял 62,5 мкм. В некоторых примерных волокнах Δ₂(%)=Δ₃(%). Таким образом, поскольку в этих вариантах реализации отсутствует явное изменение показателя между кольцевыми областями 16 и 18 сердцевины, обеспечивается значение r₂, находящееся в пределах заданного диапазона.

[0044] В этих 15 примерных вариантах реализации сердцевины 12 выполнены на основе оксида кремния (SiO₂) и легированы фтором. В нижеследующей Таблице приведено количество фтора, F, в процентах по весу (вес.%) для областей 16, 18 сердцевины и оболочки 20.

[0045]

[0046] Отметим, что в вариантах реализации оптического волокна, соответствующих Примерам 1-9 Таблицы 1, Δ_0MAX=Δ_1MAX, а состав центральной области 14 сердцевины и первой кольцевой области 16 (вплоть до участка изгиба на графике, связанного с переходом во вторую кольцевую область 18) идентичен (см. фиг. 2-10). Таким образом, поскольку в Примерах 1-9 отсутствует четкий переход между областями 14 и 16 сердцевины, хотя в Таблице 1 указано, что r₀ составляет 0 мкм, мы могли бы также задать r₀=2 мкм. В этих примерных волокнах Δ_0MAX равно 0, поскольку область 14 сердцевины (и по меньшей мере часть первой кольцевой области 16) выполнена из чистого оксида кремния.

[0047] В частности, варианты реализации оптического волокна, соответствующие Примерам 2-5 Таблицы 1 (см. фиг. 3-6), включают в себя профиль показателя преломления сердцевины с центральным сегментом 14, окруженным первой кольцевой областью 16 сердцевины, с показателем преломления Δ₀=Δ₁, которая, в свою очередь, окружена областью канавки, соответствующей второй кольцевой области 18 сердцевины с показателем преломления Δ_2MIN. Эта канавка (вторая кольцевая область 18 сердцевины) окружена оболочкой 20, имеющей показатель преломления Δ₃>Δ_2MIN. В вариантах реализации оптического волокна, соответствующих Примерам 1-5, -0,38%≤Δ₃≤-0,26%; -0,412%≤Δ₂≤-0,290%.

[0048] Варианты реализации оптического волокна, соответствующие Примерам 6-9 Таблицы 1, включают в себя профиль показателя преломления сердцевины с центральной областью 14 сердцевины из чистого оксида кремния, окруженной первой (из чистого оксида кремния) кольцевой областью 16 сердцевины, имеющей показатель преломления Δ₀=Δ₁=0. В этих примерных волокнах первая кольцевая область 16 сердцевины окружена второй кольцевой областью 18 сердцевины с относительным показателем преломления Δ₂<Δ₁. Вторая кольцевая область 18 сердцевины с относительным показателем преломления Δ₂ окружена оболочкой 20, имеющей показатель преломления Δ₃=Δ₂. В вариантах реализации оптического волокна, соответствующих Примерам 6, 7 и 9, составы второй кольцевой области 18 сердцевины и оболочки 20 идентичны. Однако в других вариантах реализации (см., например, параметры оптического волокна Примера 9) составы второй кольцевой области 18 сердцевины и оболочки 20 могут не быть идентичными, т.е., Δ₃≠Δ_2MIN или Δ₃>Δ_2MIN. В вариантах реализации оптического волокна, соответствующих Примерам 6-9, -0,382%≤Δ₂≤-0,292%; -0,382%≤Δ₃≤-0,315%. Варианты реализации оптического волокна, соответствующие Примерам 10-15 Таблицы 1 (см. фиг. 11-16), включают в себя профиль показателя преломления сердцевины с центральной областью 14 сердцевины из чистого оксида кремния, имеющей относительный показатель преломления Δ_0MAX=0, окруженной первой кольцевой областью 16 сердцевины. Первая кольцевая область 16 сердцевины имеет относительный показатель преломления 0,1%<Δ₁≤0% и окружена областью канавки, соответствующей второй кольцевой области 18 сердцевины с показателем преломления Δ_2MIN. В вариантах реализации оптического волокна, соответствующих Примерам 10-15, вторая кольцевая область 18 сердцевины имеет -0,5%<Δ_2MIN≤-0,27%, например, Δ_2MIN может составлять -0,29, -0,3, -0,35, -0,38, -0,4, -0,47 или любое значение между ними. Канавка (вторая кольцевая область 16 сердцевины) окружена третьей кольцевой областью 18 сердцевины, имеющей показатель преломления Δ₃>Δ_2MIN. В вариантах реализации оптического волокна, соответствующих Примерам 10-15, -0,38%≤Δ₃≤-0,26.

[0049] Некоторые из вариантов реализации оптических волокон имеют следующие смоделированные значения: длина волны отсечки λ_с между 1321 нм и 1580 нм, эффективная площадь на 1550 нм - между 90 мкм²≤А_эфф≤160 мкм², дисперсия D на 1550 нм - между 18 пс/нм/км и 25 пс/нм/км, а предпочтительнее - между 19 пс/нм/км и 23,5 пс/нм/км, а затухание на 1550 нм - менее 0,175 дБ/км, например между 0,165 дБ/км и 0,175 дБ/км. Моделировались примерные волокна из Таблицы 1, и смоделированные оптические свойства приведены в Таблицах 2А и 2В.

[0050]

[0051] В Таблицах 2А и 2В термины «Крутизна 1310» и «Крутизна 1550» означают крутизну дисперсии в единицах пс/нм²/км на длине волны 1310 нм и 1550 нм соответственно; «MFD 1310» и «MFD 1550» означают диаметры модового поля в микронах на длине волны 1310 нм и 1550 нм соответственно; «А_эфф 1310» и «А_эфф 1550» означают эффективную площадь волокна в квадратных микронах на длине волны 1310 нм и 1550 нм соответственно; «D 1625» означает дисперсию в единицах пс/нм/км на длине волны 1625 нм, «Attn 1550» означает затухание на 1550 нм в дБ/км, а термин «Лямбда 0» или «λ₀» означает длину волны нулевой дисперсии в нм.

Примеры 16-23 волокна

[0052] Смоделированные профили показателя преломления двух вариантов реализации оптического волокна 10 по настоящему изобретению (Примеры 16 и 17 волокна) показаны на фиг. 17. Оптические волокна содержат сердцевину 12, имеющую эффективную площадь примерно 110 мкм² на длине волны 1550 нм, и оболочку 20, окружающую сердцевину. Сердцевина 12 содержит центральную область 14 сердцевины из чистого оксида кремния, проходящую радиально наружу от осевой линии до радиуса 0 мкм ≤ r₀ ≤ 2 мкм, и первую кольцевую область 16 сердцевины, которая проходит до внешнего радиуса r₁, где r₁ составляет примерно 5 мкм. Вторая кольцевая область 18 окружает первую кольцевую область и легирована понижающей примесью относительно первой кольцевой области 16. Вторая кольцевая область проходит до внешнего радиуса r₂, где r₂ составляет примерно 17 мкм в Примере 16 волокна и примерно 25 мкм в Примере 17 волокна. В Таблице 3А ниже перечислены оптические параметры Примеров 16 и 17 волокна.

[0053] В Таблице 3В ниже перечислены характеристики Примеров 18-21 волокна другого иллюстративного набора вариантов реализации волокна.

[0054] Фиг. 18 иллюстрирует профиль показателя преломления Примера 22 волокна (изготовленного). Данное волокно имеет измеренную А_эфф 110 мкм², а его затухание составило 0,167 дБ/км на 1550 нм. В нижеследующих Таблицах (4а и 4b) приведены оптические параметры для Примера 22 волокна.

[0055] Профиль показателя преломления Примера 23 волокна (изготовленного) показан на фиг. 19. Профиль показателя Профиля 1 был изготовлен. Данное волокно имеет измеренную А_эфф 110 мкм², а его затухание составило менее 0,17 дБ/км на 1550 нм. В нижеследующих Таблицах (5а и 5b) приведены оптические параметры для Примера 23 волокна.

Примеры 24, 25 и 26-34

[0056] В Таблице 6А перечислены измеренные характеристики двух дополнительных Примеров 24 и 25, а на фиг. 20 показан измеренный профиль показателя преломления волокна Примера 24. В Таблице 6В приведены среднее, максимальное и минимальное значения измеренных свойств более чем 500 км оптического волокна, изготовленного в соответствии с изобретением. Варианты реализации оптического волокна, соответствующие Таблицам 6А и 6В, имеют легированную щелочным металлом первую сердцевину 12 и легированную фтором вторую кольцевую область 18. Эти волокна имеют эффективную площадь А_эфф свыше 100 мкм², предпочтительно свыше 110 мкм², предпочтительнее свыше 115 мкм², а еще предпочтительнее свыше 120 мкм². Отсечка кабеля у этих вариантов реализации волокна составляет менее 1520 нм, предпочтительнее менее 1500 нм, а еще предпочтительнее менее 1450 нм. Типичное затухание у этих вариантов реализации волокна (см., например, Таблицы 6А и 6В) составляет менее 0,17 дБ/км, предпочтительнее менее 0,16 дБ/км, а еще предпочтительнее менее 0,155 дБ/км.

[0057]

[0058] В Таблице 7 перечислены параметры профиля и смоделированные характеристики Примеров 26-34 другого иллюстративного набора вариантов реализации волокна. Фиг. 21 представляет собой график профилей показателя преломления двух дополнительных вариантов реализации волокна (29 и 33 в Таблице 7) изобретения с эффективными площадями свыше 115 мкм². Общими свойствами примеров реализации волокна Таблицы 7 являются следующие: в вариантах реализации волокна с эффективной площадью свыше 115 мкм² оптическое волокно предпочтительно имеет первичное покрытие, имеющее модуль Юнга менее 1,0 МПа, и вторичное покрытие, имеющее модуль Юнга свыше 1200 МПа. В Примерах 26-34 имеются значения затухания 1550 менее 0,175 дБ/км, предпочтительно менее 0,17 дБ/км, длина волны отсечки кабеля <1500 нм, предпочтительно менее <1450 нм, и эффективная площадь >110 мкм², предпочтительнее >120 мкм², еще предпочтительнее >130 мкм². Потери при микроизгибе на проволочной сетке с поперечной нагрузкой (LLWM) составляют <5 дБ, предпочтительно <4 дБ, а предпочтительнее <3 дБ. Длина волны отсечки LP11 предпочтительно находится между 1350 и 1500 нм, а предпочтительнее между 1380 и 1450 нм.

[0059] В вариантах реализации 26-34 -0,2%≤Δ₀≤0,2%, -0,065%≤Δ₁(r=2,5 мкм)≤0%, -0,065%≤Δ_1max≤0,0%, -0,5%≤Δ_2MIN≤-0,27%, -0,4%≤Δ₃≤-0,2% (предпочтительно -0,3%≤Δ₃≤-0,2%), а r₁/r₂ составляет 0,2≤r₁/r₂≤0,3 и r₂<30. Объем второй кольцевой области сердцевины составляет предпочтительно менее -40%-мкм², более предпочтительно менее -50%-мкм², при этом объем профиля вычисляется интегрированием радиально взвешенной разности в показателе второй кольцевой области сердцевины относительно показателя области оболочки:

Более отрицательный объем профиля желателен, чтобы помочь удерживать оптическую энергию в сердцевине, тем самым минимизируя потери при микроизгибе и обеспечивая сочетание большой эффективной площади и низкого затухания. В вариантах реализации 26-34 отношение радиуса первой кольцевой области сердцевины к внешнему радиусу второй области сердцевины, r₁/r₂, составляет менее 0,4, предпочтительно менее 0,3, а предпочтительнее от 0,2 до 0,3. Критерий микроизгиба (MFOM), приведенный в Таблице 7, представляет собой параметр, отражающий соотношение между микроизгибом и дисперсией:

где D - дисперсия волокна на 1550 нм, С - мера уменьшения микроизгиба за счет покрытия, а LP11 - теоретическая длина волны отсечки моды LP11. Критерий микроизгиба (MFOM) предпочтительно составляет <0,6, предпочтительнее <0,55, а еще предпочтительнее от 0,45 до 0,5.

[0060]

[0061] В Таблице 8 приведены измеренные свойства двух оптических волокон, выполненных в соответствии с Примером 29 в Таблице 7. Варианты реализации оптического волокна, соответствующие Таблице 7, имеют легированную щелочным металлом первую сердцевину 12 и легированную фтором вторую кольцевую область 18. Эти волокна имеют эффективную площадь А_эфф свыше 115 мкм², предпочтительно свыше 120 мкм², а предпочтительнее свыше 125 мкм². Отсечка кабеля у этих вариантов реализации волокна составляет менее 1520 нм, предпочтительнее менее 1500 нм, а еще предпочтительнее менее 1450 нм. Типичное затухание у этих вариантов реализации волокна составляет менее 0,175 дБ/км, предпочтительнее менее 0,17 дБ/км.

[0062] Зависимость смоделированного LLWM от MFOM представлена на фиг. 22. Между этими двумя параметрами имеется отличная корреляция, поэтому эта новая мера является отличным способом оценки чувствительности данной конструкции волокна к микроизгибам. Она также объясняет, почему волокна с более низкой дисперсией имеют более высокую чувствительность к микроизгибам. На фиг. 22 верхняя кривая иллюстрирует, что волокна с низким затуханием, выполненные со стандартным покрытием, имеют приемлемые потери при микроизгибе (LLWM <2 дБ) для значений критерия микроизгиба вплоть до примерно 0,45. Это ограничивает эффективную площадь волокна до приблизительно 115 мкм². Нижняя кривая на фиг. 22 иллюстрирует, что покрытие, которое обеспечивает большее сопротивление микроизгибу, обеспечивает большие значения MFOM, и это обеспечивает увеличение максимального значения LLWM до приблизительно 4 дБ, что, в свою очередь, обеспечивает существенно большие эффективные площади. Оптические волокна с низким затуханием с эффективными площадями вплоть до 140 мкм² возможны за счет сочетания вариантов профиля, приведенных в Таблице 7, и покрытия с высоким сопротивлением микроизгибу.

[0063] Мы установили, что определенное сочетание первичного и вторичного покрытий значительно улучшает характеристики микроизгиба, и, следовательно, общее затухание, обеспечивающее увеличение эффективной площади волокна до ≥115 мкм², предпочтительно до ≥120 мкм², а еще предпочтительнее до ≥130 мкм². Оптическое волокно с эффективной площадью по меньшей мере ≥115 мкм² предпочтительно содержит первичное покрытие Р, которое соприкасается с оболочкой 20 и окружает ее. Первичное покрытие Р имеет модуль Юнга менее 1,0 МПа, предпочтительно менее 0,9 МПа, а в предпочтительных вариантах реализации не более 0,8 МПа. Это оптическое волокно дополнительно содержит вторичное покрытие S, соприкасающееся с первичным покрытием Р и окружающее его. Вторичное покрытие S предпочтительно имеет модуль Юнга свыше 1200 МПа, а предпочтительнее свыше 1400 МПа.

[0064] Использованные в данном документе модуль Юнга, удлинение до разрыва и прочность на разрыв отвержденного полимерного материала первичного покрытия измеряются с помощью прибора для испытаний на растяжение (например, Разрывной машины Sintech MTS или Универсальной системы испытания материалов INSTRON) на образце материала, имеющем форму пленки толщиной между примерно 0,003 дюйма (76 мкм) и 0,004 дюйма (102 мкм) и шириной примерно 1,3 см, с измерительной базой 5,1 см и испытательной скоростью 2,5 см/мин.

[0065] В примерах реализации желательно, чтобы первичное покрытие Р имело более низкую температуру стеклования, чем наименьшая прогнозируемая температура использования покрытого оптического волокна. В некоторых вариантах реализации первичное покрытие Р имеет температуру стеклования ниже -25°С, предпочтительнее ниже -30°С. Желательно, чтобы первичное покрытие Р имело более высокий показатель преломления, чем оболочка оптического волокна, чтобы оно могло убирать случайные оптические сигналы от сердцевины оптического волокна. Например, оптическое волокно для передачи данных имеет значения показателя преломления на длине волны 1550 нм для сердцевины и оболочки 1,447 и 1,436 соответственно; поэтому желательно, чтобы показатель преломления первичного покрытия Р был более 1,44 на 1550 нм. Первичное покрытие Р должно сохранять достаточную адгезию к стекловолокну во время термического и гидролитического старения и при этом быть снимаемым с него в целях сращивания. Первичное покрытие Р обычно имеет толщину в диапазоне 25-50 мкм (например, примерно 32,5 мкм) и может быть нанесено на оптическое волокно в виде жидкости и отверждено.

[0066] Первичное покрытие Р предпочтительно является отвержденным продуктом первичной отверждаемой композиции, содержащей олигомер и по меньшей мере один мономер. Первичные отверждаемые композиции, используемые при формировании первичных покрытий, могут также содержать фотоинициаторы.

[0067] Специалистам будет понятно, что в настоящем изобретении могут быть проделаны различные модификации и изменения без отступления от сущности и объема изобретения. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение охватывает такие модификации и изменения данного изобретения при условии, что они находятся в пределах прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.

Реферат

Изобретение относится к волоконной оптике. Оптическое волокно включает не содержащую Ge сердцевину с центральной областью, первой кольцевой областью, легированной фтором второй кольцевой областью и оболочкой. Профиль относительного показателя преломления оптического волокна выбран для обеспечения затухания не более 0,175 дБ/км на длине волны 1550 нм. Волокно дополнительно содержит первичное покрытие, имеющее модуль Юнга менее 1,0 Мпа, и вторичное покрытие, имеющее модуль Юнга свыше 1200 МПа. Технический результат - большая эффективная площадь и низкое затухание. 19 з.п. ф-лы, 14 табл., 23 ил.

Формула