ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО С МОДУЛИРУЕМЫМ СКРУЧИВАНИЕМ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ДИСПЕРСИИ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ МОД (ВАРИАНТЫ), СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ, СОВОКУПНОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН Российский патент 2001 года по МПК C03B37/27 G02B6/16 

Изобретение относится к способам уменьшения дисперсии поляризационных мод в одномодовом оптическом волокне. Более конкретно, оно относится к уменьшению дисперсии поляризационных мод в широкой полосе двойного лучепреломления в волокне.

Известно, что так называемое "одномодовое" волокно, которое обычно используется в системах связи, не является чисто одномодовым. Напротив, в одномодовом волокне существуют две моды со взаимно перпендикулярными поляризациями, см., например, "Dandli-ker R. Anisotropic and Nonlinear Optical Waveguides, C. G. Someda, G. Stegeman (editors), Elsevier, New York, 39-76, 1992". С математической точки зрения, эти две поляризации формируют ортогональный базис. Соответственно, любой свет, который распространяется через одномодовое волокно, может быть представлен линейной суперпозицией этих двух мод.

Если волокно обладает совершенной круговой симметрией как геометрически, так и в отношении внутренних и приложенных напряжений, две поляризационные моды вырождаются. Они распространяются с одинаковой групповой скоростью и после прохождения одинакового расстояния в волокне не имеют различия во временной задержке. Однако на практике волокно не обладает совершенной круговой симметрией. Дефекты, например геометрические, а также деформация формы и асимметрия, обусловленная напряжением, снимают вырождение этих двух мод, см. , например, "Rashleigh, S.C., Journal of Lightwave Technology. LT-L312-331, 1983". В результате две поляризационные моды распространяются с различными постоянными распространения, (β₁ и β₂). Различие между постоянными распространения называется двойным лучепреломлением (Δβ), причем величина двойного лучепреломления определяется разностью постоянных распространения для двух ортогональных мод:
Δβ = β₁-β₂. (1)
Двойное лучепреломление приводит к периодическому изменению вдоль волокна состояния поляризации света, распространяющегося в нем. Расстояние, которое необходимо для того, чтобы поляризация возвратилась в исходное состояние, является длиной (L_b) биений в волокне, которая обратно пропорциональна величине двойного лучепреломления в волокне. В частности, длина L_b биений определяется как:
L_b= 2π/Δβ. (2)
Соответственно, волокна с большим двойным лучепреломлением имеют меньшие длины биений и наоборот. На практике типичные длины биений лежат от 2-3 мм (волокно с высоким двойным лучепреломлением) до 10/50 м (волокно с низким двойным лучепреломлением).

В дополнение к порождению периодических изменений в состоянии поляризации света, идущего по волокну, наличие двойного лучепреломления означает, что две поляризационные моды распространяются с различными групповыми скоростями и эта разность возрастает с увеличением двойного лучепреломления. Дифференциальная временная задержка между двумя поляризационными модами называется дисперсией поляризационных мод. Дисперсия поляризационных мод вызывает искажение сигнала, которое является очень вредным для цифровых систем с высокой скоростью передачи данных и аналоговых систем связи.

Были предприняты различные попытки уменьшить дисперсию поляризационных мод. Один известный способ уменьшения дисперсии поляризационных мод включает вращение заготовки в течение процесса вытягивания волокна, см., например, "Barlow, et al. App lied Optics, 20:2962-2968, 1981; Payne, et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-18:477-487, 1982; Rashleigh, "Fabrication of Circularly Birefringent Single Mode Fibers," Navy Technical Disclosure Bulletin. 5:7-12, 1980" и международную заявку WO 83/00232. Скручивание вызывает вращение асимметрии, обусловленной внутренней геометрией и/или напряжениями, вокруг оси волокна, если двигаться вдоль этой оси. Выполняя скручивание в процессе вытягивания, то есть когда основание заготовки по существу расплавлено, осуществляют по существу чистое вращение асимметрии волокон, в противоположность комбинации вращения асимметрии и введения вращательного напряжения, как имеет место, если волокно вращают после вытягивания. Для обсуждения использования скручивания с целью уменьшения дисперсии поляризационных мод см. , например, "Schuh et al. Electronics Letters. 31:1172-1173, 1995" и "Ulrich, et al. Applied Optics. 18:2241-2251, 1979".

Уменьшение дисперсии поляризационных мод за счет скручивания пропорционально скорости скручивания. К сожалению, для того, чтобы справиться с асимметриями типичных волокон, обычно требуются очень высокие скорости, например более 5000 оборотов в минуту. Вращение заготовки с такими скоростями не является практичным решением при промышленном производстве волокон. Аналогично, вращение волокна относительно заготовки также не является практичным при таких высоких скоростях.

В патенте США N 5298047 (а также в патенте США N 5418881) обсуждается уменьшение дисперсии поляризационных мод при относительно малой скорости вращения волокна относительно заготовки в течение процесса вытягивания. Однако патент США N 5298047 не учитывает, что при некоторых условиях можно достичь максимального уменьшения дисперсии поляризационных мод. Поскольку патент США N 5298047 не учитывает и не использует преимуществ этих состояний максимального уменьшения дисперсии поляризационных мод, уменьшение дисперсии поляризационных мод, достигнутое способом, раскрытым в патенте США N 5298047, не является столь же значительным, как уменьшение дисперсии поляризационных мод, достигаемое способами согласно настоящему изобретению.

Более конкретно, патент США N 5298047 описывает скорость скручивания, которая изменяется по существу синусоидально. То есть, скорость α скручивания согласно этому патенту может быть записана как функция от расстояния z вдоль волокна следующим образом:
α(z) ≈ α_osin(2πfz), (3)
где α_o - амплитуда скручивания в оборотах/метр, a f - продольная частота в обратных метрах, то есть f представляет скорость, с которой скорость скручивания изменяется вдоль волокна.

Здесь термин "функция скручивания" будет использоваться для описания скорости скручивания как функции расстояния z, то есть α(z), или функции времени t, то еcть α(t), причем временная функция скручивания для волокна непосредственно получается из соответствующей пространственной функции скручивания для волокна через скорость вытягивания волокна, которая обычно является постоянной, но в общем случае может меняться. Как более подробно обсуждается ниже, функция скручивания, используемая при изготовлении волокна, будучи выражена как функция расстояния или времени, и результирующая функции скручивания, присущая готовому волокну и выраженная как функция расстояния, в общем случае не являются идентичными, например из-за механических эффектов и проскальзывания на границе раздела между волокном и устройством, используемым для реализации в волокне и/или заготовке функции скручивания.

Уравнение (3) иллюстрирует это различие, поскольку патент США N 5298047 описывает приложенную функцию скручивания как колебание, то есть как чистую синусоиду, с частотой 60 оборотов/минуту для скорости вытягивания 1,5 м/с (кривая 60 на фиг. 6 патента США N 5298047) или 106 оборотов/минуту для скорости вытягивания 3,0 м/с (кривая 61 на фиг. 6 патента США N 5298047), в то время как наблюдаемая функция скручивания в волокне, показанном на фиг. 6 патента США N 5298047, является синусоидальной лишь приблизительно. В отношении настоящего изобретения важно, что отклонение от чистой синусоиды в патенте США N 5298047 не является существенным для достижения раскрытого здесь уменьшения дисперсии поляризационных мод.

В частности, согласно настоящему изобретению, было определено, что синусоидальная функция скручивания является оптимальной для уменьшения дисперсии поляризационных мод только для некоторых длин биений двойного лучепреломления, причем конкретные длины биений, для которых достигается оптимизация, являются функциями величин α_o и f, входящих в синусоидальную функцию скручивания. Для других длин биений синусоидальная функция скручивания не является оптимальной и может быть весьма неудачной.

Серийно выпускаемые волокна демонстрируют большое разнообразие длин биений, поскольку геометрическая и обусловленная напряжением асимметрия таких волокон различна вдоль волокна и для различных волокон. Соответственно, по существу синусоидальная функция скручивания, согласно патенту США N 5298047, в лучшем случае может обеспечивать оптимальное уменьшение дисперсии поля ризационных мод лишь для некоторых волокон и/или некоторых участков конкретного волокна.

Настоящее изобретение устраняет эти недостатки патента США N 5298047. Это достигается применением улучшенных функций скручивания, которые по существу не являются синусоидальными. С помощью этих функций скручивания достигается более значительное уменьшение дисперсии поляризационных мод, чем в известных способах. В качестве лишь одного примера, с помощью способов согласно изобретению для совокупности серийно выпускаемых волокон, например, включающей 100 волокон, может быть достигнута величина дисперсии поляризационных мод меньше, чем 0,1 пс/км^1/2, где элементы совокупности в отсутствии скручивания имели бы такой диапазон длин биений или, альтернативно, такой диапазон величин дисперсий поляризационных мод, что, например, различие дисперсий поляризационных мод между волокнами составляло бы до 1,0 пс/км^1/2 и различие в пределах данного волокна составляло бы до 1,0 пс/км^1/2 для волокон, имеющих длину по меньшей мере 10 км.

Исходя из вышесказанного, целью настоящего изобретения является создание улучшенных способов уменьшения дисперсии поляризационных мод. Более конкретно, целью изобретения является создание, способов уменьшения дисперсии поляризационных мод для волокон, который характеризуются более чем одной длиной биений или для данного волокна и/или для различных волокон.

Еще одной целью изобретения является создание способов уменьшения дисперсии поляризационных мод, которые не требуют вращения заготовки. Еще одной целью изобретения является создание способов уменьшения дисперсии поляризационных мод, которые не требуют чрезмерно высоких скоростей скручивания, например, максимальные скорости скручивания (максимальные амплитуды) составляют меньше, чем 10 оборотов/метр, предпочтительно меньше, чем 4 оборота/метр.

Изобретение обеспечивает достижение этих и других целей, предлагая функции скручивания, которые: (1) по существу не являются постоянными, то есть изменяются по существу как функция от расстояния вдоль волокна или как функция времени, (2) по существу не являются синусоидальными и (3) обладают высокой изменчивостью, например, имеют достаточное содержание гармоник для обеспечения существенного уменьшения дисперсии поляризационных мод для множества длин биений.

В общем случае, функция скручивания может, например, быть построена как взвешенная сумма синусоидальных составляющих различных частот, причем число составляющих и их вес выбирают так, чтобы создать полную функцию, которая обеспечивает уменьшение дисперсии поляризационных мод согласно изобретению. Функция скручивания может также быть образована случайным образом. В некоторых предпочтительных вариантах выполнения изобретения функция скручивания является частотно модулированной или амплитудно модулированной синусоидальной функцией, причем модуляция является достаточной для того, чтобы функция скручивания по существу не была синусоидальной.

С помощью функций скручивания согласно изобретению преодолеваются недостатки и ограничения известных способов уменьшения дисперсии поляризационных мод.

Вышеупомянутые и другие цели и преимущества изобретения будут очевидны из последующего подробного описания совместно с сопровождающими чертежами, где:
на фиг. 1 изображена диаграмма, показывающая скорость скручивания как функцию длины в случае, когда функция скручивания является прямой линей,
на фиг. 2 изображена диаграмма, показывающая скорость скручивания как функцию длины в случае, когда функция скручивания является синусоидальной функцией, имеющей постоянную амплитуду и частоту,
на фиг. 3 показаны результаты комплексного спектрального анализа точек данных, связанных с кривой 60 на фиг. 6 в вышеупомянутом патенте США N 5298047,
на фиг. 4 показаны результаты комплексного спектрального анализа точек данных, связанных с кривой 61 на фиг. 6 в вышеупомянутом патенте США N 5298047,
на фиг. 5 показана гипотетическая конфигурация волокна, в котором достигается максимальная передача энергии между поляризационными модами,
на фиг. 6 показана синусоидальная функция скручивания,
на фиг. 7 показана аппроксимация синусоидальной функции скручивания, изображенной на фиг. 6,
на фиг. 8 показано количество света, который скрученный участок на фиг. 7 передает от быстрой к медленной оси смежных с ним нескрученных участков, как функция скорости скручивания, то есть показаны резонансы связи как функция скорости скручивания,
на фиг. 9-12 показаны соответствующие функции скручивания, с помощью которых достигается (фиг. 9-10) и не достигается (фиг. 11-12) достаточная изменчивость для использования согласно изобретению. График А каждого чертежа показывает функцию скручивания, а график В показывает результаты комплексного спектрального анализа функции для определения ее гармонического содержания,
на фиг. 13 показана частотно модулированная синусоидальная скорость скручивания как функция длины для волокна, изготовленного согласно изобретению,
на фиг. 14 изображена диаграмма, показывающая уменьшение дисперсии поляризационных мод как функцию длины биений,
на фиг. 15 изображена диаграмма, иллюстрирующая возникновение максимального уменьшения дисперсии поляризационных мод для частотно модулированной функции скручивания,
на фиг. 16 изображена диаграмма, иллюстрирующая возникновение максимального уменьшения дисперсии поляризационных мод для амплитудно модулированной функции скручивания,
на фиг. 17 иллюстрируется устройство, которое может быть использовано для создания функций скручивания согласно изобретению.

Изобретение обеспечивает способ уменьшения дисперсии поляризационных мод за счет изменяющегося скручивания волокна в течение процесса вытягивания. Более конкретно, это означает нагревание известной заготовки волокна до известной температуры вытягивания и вытягивание оптического волокна из заготовки так, что волокно становится скрученным. Предпочтительно, способ включает вращение волокна, а не заготовки. Альтернативно, хотя и не предпочтительно, может быть осуществлено вращение заготовки или вместо, вращения волокна, или вместе с ним.

Хотя в известных способах уменьшения дисперсии поляризационных мод также скручивают волокно, известные функции скручивания представляют собой или прямую линию, то есть постоянную скорость скручивания, или по существу синусоидальную функцию скручивания по существу с постоянной частотой и по существу с постоянной амплитудой.

На фиг. 1 иллюстрируется функция скручивания в виде прямой линии, используемая в известных способах уменьшения дисперсии поляризационных мод. Функция скручивания на фиг. 1 может быть записана как α = α_o, где α_o - амплитуда скручивания в оборотах/метр.

На фиг. 2 иллюстрируется синусоидальная функция скручивания, используемая в известных способах уменьшения дисперсии поляризационных мод. Функция скручивания на фиг. 2 имеет постоянную амплитуду и частоту и может быть записана как α = α_osin(2πfz), где, как определено выше, α_o - амплитуда скручивания в оборотах/метр. f - продольная частота в обратных метрах и z - расстояние вдоль волокна.

Как обсуждалось выше, функции скручивания согласно настоящему изобретению отличаются от известных функций тем, что они по существу несинусоидальные и имеют достаточную изменчивость для обеспечения существенного уменьшения дисперсии поляризационных мод для множества длин биений.

Является или нет конкретная функция скручивания "по существу синусоидальной", может быть определено посредством выполнения комплексного спектрального анализа функции скручивания и сравнения величин коэффициентов различных составляющих определенной таким образом функции. Комплексный спектральный анализ выполняют с использованием хорошо известных способов. Анализ может быть выполнен с использованием доступного программного обеспечения, например, программы MATHEMATICA, поставляемой фирмой Wolfram Research, inc., (Champaign, Illinois).

Согласно изобретению, функция скручивания по существу синусоидальна, когда величина коэффициента для одной из гармонических составляющих (основной составляющей) доминирует над величинами коэффициентов для всех других гармонических составляющих (вторичных составляющих), а также над коэффициентом постоянной составляющей. Количественно, доминирование имеет место, когда величина коэффициента для основной составляющей по меньшей мере приблизительно в три раза превышает величину коэффициента для каждой из вторичных составляющих и коэффициента для постоянной составляющей.

На фиг. 3 и фиг. 4 показаны результаты выполнения комплексного спектрального анализа, а конкретно, конечного комплексного спектрального анализа для точек данных, принадлежащих кривым 60 и 61 на фиг. 6 патента США N 5298047 с использованием вышеупомянутой программы MATHEMATICA. В этой программе постоянная составляющая соответствует частоте "1". Из этих чертежей виден по существу синусоидальный характер функции скручивания, так как величина основной составляющей (частота "2") по меньшей мере в три раза превышает величины всех других составляющих для каждого на бора точек данных.

Анализ, иллюстрируемый на фиг. 3 и фиг. 4, был повторен с использованием кривых, аппроксимирующих данные на фиг. 6 патента США N 5298047, вместо самих точек с этого чертежа. Аппроксимирующие кривые были оцифрованы и затем подвергнуты анализу с использованием программы MATHEMATICA. В этом случае анализ показал даже большее доминирование основной гармонической составляющей, величина соответствующего коэффициента по меньшей мере в пять раз превышала величины всех других коэффициентов.

В дополнение к несинусоидальности, функции скручивания согласно изобретению должны иметь достаточную изменчивость для обеспечения существенного уменьшения дисперсии поляризационных мод для множества длин биений. Изменчивость функции скручивания наиболее удобно исследовать, определяя содержание гармоник в функции скручивания опять же посредством комплексного спектрального анализа.

Согласно изобретению, было обнаружено, что само по себе вращение с постоянной или синусоидальной скоростью скручивания обычно не обеспечивает оптимального уменьшения дисперсии поляризационных мод для серийно выпускаемых волокон. Напротив, скорость скручивания должна изменяться как по величине, так и в зависимости от пространственного положения вдоль волокна для достижения оптимального уменьшения дисперсии. При таком изменении скручивание обеспечивает передачу энергии между поляризационными модами (модовая связь) для множества длин биений. Такая передача энергии высоко эффективна для уменьшения дисперсии поляризационных мод в волокнах.

В отличие от непостоянного скручивания, скручивание с постоянной скоростью, если оно действительно приводит к уменьшению дисперсии поляризационных мод, осуществляет это без передачи энергии между поляризационными модами. Синусоидальное скручивание или, в более общем случае, скручивание с небольшой изменчивостью, может обеспечить передачу энергии между поляризационными модами. Однако эта передача энергии значительно зависит от длины биений, являясь большой для некоторых длин биений и малой для других длин биений при заданной амплитуде и частоте синусоидального скручивания. В результате уменьшение дисперсии поляризационных мод характеризуется резонансами, то есть уменьшение является сильным только для некоторых длин биений. Как обсуждалось выше, серийно выпускаемые волокна характеризуются разнообразием длин биений, которые могут соответствовать или не соответствовать резонансам дисперсии поляризационных мод при синусоидальном скручивании. Когда нет попадания в резонанс, достаточного уменьшения дисперсии поляризационных мод достигнуть нельзя.

На фиг. 5-8 иллюстрируются эти аспекты изобретения. На фиг. 5 показана гипотетическая конфигурация волокна, в котором достигается максимальная передача энергии между поляризационными модами. На чертеже показаны поперечные сечения, выполненные в разных точках вдоль волокна, сохраняющего поляризацию, конкретно, волокна с эллиптической сердцевиной, причем волокно было разделено на участки равной длины, а каждый участок повернут относительно предыдущего на 90^o.

Быстрая и медленная моды для каждого участка направлены по короткой и длинной осям эллипса соответственно. Поскольку каждый участок отрезан и повернут на 90^o, на каждом срезе энергия быстрой моды переходит в медленную моду и, аналогично, энергия медленной моды переходит в быструю моду. Соответственно, дисперсия моды в каждом участке в точности компенсируется в следующем участке, обеспечивая в результате по существу отсутствие дисперсии поляризационных мод для волокна в целом. Из этого чертежа понятна эффективность передачи между поляризационными модами для уменьшения дисперсии поляризационных мод.

Неспособность по существу синусоидальной функции скручивания обеспечить оптимальное уменьшение дисперсии поляризационных мод для множества длин биений может быть продемонстрирована с помощью фиг. 6 и 7, где на фиг. 6 показана синусоидальная функция скручивания, а на фиг. 7 показана аппроксимация такой функции, которая позволяет упростить анализ. Конкретно, на фиг. 7 синусоидальная функция скручивания аппроксимирована рядом нескрученных и скрученных участков, причем скрученные участки имеют постоянную амплитуду, но чередующиеся направления скручивания.

Структура, изображенная на фиг. 7, может быть проанализирована, чтобы определить, ведут ли себя скрученные участки как отрезки, изображенные на фиг. 5, то есть служат ли они для передачи энергии между медленной и быстрой поляризационными модами нескрученных участков. Если такая передача происходит, то дисперсия мод для каждого нескрученного участка будет компенсироваться в следующем нескрученном участке. Это, в свою очередь, обеспечит волокну малую полную дисперсию поляризационных мод, поскольку вклад нескрученных участков в дисперсию поляризационных мод намного больше, чем вклад скрученных участков и, таким образом, этот вклад должен быть уменьшен, если нужно уменьшить полную дисперсию поляризационных мод.

Система, изображенная на фиг. 7, может быть проанализирована с помощью матрицы Джонса для вычисления количества света в линейных поляризационных модах после того, как свет пройдет нескрученный участок, за которым следует участок с постоянным скручиванием, а затем другой нескрученный участок. Соответствующая матрица Джонса имеет следующий вид:

где

b = cos(gd)sin(αd)-α/gsin(gd)cos(αd), (6)

В этих уравнениях α - постоянная скорость скручивания в скрученном участке в радианах/метр, a Δβ_u - двойное лучепреломление в нескрученном волокне в радианах/метр.

На фиг. 8 показаны результаты вычислений, выполненных с. использованием этой матрицы Джонса. На чертеже показано количество света, который проходит от быстрой оси в нескрученном головном участке к медленной оси в хвостовом нескрученном участке после прохождения скрученного участка. Вычисления были выполнены для скоростей скручивания, показанных на чертеже, для скрученных и нескрученных участков, имеющих длину 1 м и длину биений для нескрученного волокна 1 м.

Поскольку на этом чертеже показана передача энергии от моды, соответствующей быстрой оси, к моде, соответствующей медленной оси, то коэффициент связи, близкий к 1, означает, что существенная часть света перешла из быстрой моды в медленную моду. Это, в свою очередь, означает, что будет произведена существенная компенсация дисперсии в нескрученных участках и, таким образом, полная дисперсия поляризационных мод будет малой. С другой стороны, коэффициент связи, близкий к нулю, означает, что небольшая часть света перешла из быстрой моды в медленную моду и, таким образом, компенсация будет малой, а дисперсия поляризационных мод большой.

Резонансный характер системы понятен из фиг. 8. Только при некоторых скоростях скручивания достигаются желаемые высокие коэффициенты связи для заданных длины биений и размеров участка. Знаменательно, что эти скорости скручивания, соответствующие минимумам дисперсии, будут различны для различных длин биений и/или различных размеров участка. Именно по этой причине функция скручивания должна характеризоваться высоким уровнем изменчивости, чтобы быть оптимальной для уменьшения дисперсии поляризационных мод. Без такой изменчивости нет никакой гарантии, что резонанс, соответствующий уменьшению дисперсии поляризационных мод, будет фактически иметь место для серийно выпускаемых волокон с их длинами биений, различающимися как в пределах различных частей одного волокна, так и для различных волокон.

На фиг. 9-12 представлены функции скручивания, которые обладают (фиг. 9-10) и не обладают (фиг. 11-12) достаточной изменчивостью для использования согласно изобретению. На графике А каждого чертежа показана функция скручивания, а на графике В показаны результаты комплексного спектрального анализа функции для определения содержания гармоник. В частности, на графике В показаны амплитуды различных составляющих, нормированные относительно составляющей с наибольшей амплитудой.

Функции скручивания, изображенные на фиг. 9 и 10, являются частотно модулированными синусоидальными функциями, описываемыми уравнением (8), обсуждаемым ниже. Параметры этого уравнения, использованные для построения этих графиков, были следующими:
фиг. 9: α_o= 1,0 об/м,
f₀ = 5,0 м^-1
f_m = 5,0 м^-1
Λ = 5,0 м,
Фиг. 10: α_o= 1,0 об/м,
f₀ = 2,0 м^-1
f_m = 2,0 м^-1
Λ = 5,0 м.

Функции скручивания, изображенные на фиг. 11 и фиг. 12, имеют квадратный и треугольный профиль соответственно, с максимальной скоростью скручивания и периодом повторения в каждом случае 1,0 оборот/метр и 1,0 м соответственно.

Исследование частотных спектров квадратных и треугольных профилей показывает, что только несколько низкочастотных составляющих имеют нормированные амплитуды большие, чем 0,2, а амплитуды высших частотных составляющих пренебрежимо малы. Таким образом, эти профили в смысле уменьшения дисперсии поляризационных мод, то есть в смысле их изменчивости, подобны синусоидальному профилю. С другой стороны, для двух частотно модулированных профилей имеется много частотных составляющих, чьи нормированные амплитуды превышают 0,2. Эти частотные составляющие обеспечивают изменчивость, необходимую для оптимального уменьшения дисперсии поляризационных мод в серийно выпускаемых волокнах.

Процедура анализа фиг. 9-12 может быть использована для определения, обладает или нет конкретная функция скручивания достаточной изменчивостью для обеспечения существенного уменьшения дисперсии поляризационных мод для множества длин биений. Функции, подобные функциям с частотно модулированными профилями, имеют достаточное содержание гармоник для обеспечения требуемой изменчивости, в то время как функции с квадратным и треугольным профилями - нет. На основе этого подхода специалист в данной области может легко определить, подойдет или нет любая конкретная функция скручивания, которую он намерен использовать, для уменьшения дисперсии поляризационных мод для множества длин биений.

Как обсуждалось выше, в некоторых предпочтительных вариантах выполнения изобретения способ согласно настоящему изобретению предусматривает скручивание волокна в процессе вытягивания в соответствии с синусоидальной функцией скручивания, в которой происходит модуляция частоты или амплитуды. Частотно модулированная функция скручивания согласно изобретению может быть записана как:
α(z) = α_osin(2π[[f_oz+f_msin(2πz/Λ)]), (8)
где α_o - амплитуда скручивания в оборотах/метр, f₀ - центральная частота в обратных метрах, f_m - частота модуляции в обратных метрах, z - положение в волокне и Λ - период модуляции.

Для амплитудной модуляции функция скручивания может быть записана как:
α(z) = [α_osin(2πz/Λ)]sin(2πfz), (9)
где Λ > 1/f, f - частота скручивания в обратных метрах, а α_osin(2πz/Λ) представляет модулированную амплитуду, где α_o - постоянная амплитуда в оборотах/метр и Λ - период модуляции в метрах.

При необходимости может быть выполнена как частотная, так и амплитудная модуляция. При этом нужно следить за тем, чтобы эти две модуляции не взаимодействовали между собой с формированием участков волокна, в которых скорость скручивания оказалась бы по существу постоянной. На практике как частотная, так и амплитудная модуляции обеспечивают достаточную изменчивость функции скручивания для достижения существенного уменьшения дисперсии поляризационных мод для множества длин биений. Соответственно, предпочтительно использовать эти модуляции по отдельности, а не одновременно.

На фиг. 13 иллюстрируется частотно модулированная синусоидальная функция скручивания в волокне, изготовленном согласно изобретению. Среди других признаков функция скручивания на фиг. 13 имеет множество максимумов (локальных максимумов), которые отличаются друг от друга по величине (ср., например, максимум вблизи 5 м с максимумом вблизи 3 м). В общем случае, согласно изобретению, функция скручивания с частотной модуляцией, амплитудной модуляцией или функция какого-либо другого типа, например, представляющая собой сумму синусоид, характеризуется тем, что имеет по меньший мере два максимума, которые отличаются друг от друга по величине (скорости скручивания).

Точно так же производная функции скручивания, изображенной на фиг. 13, имеет множество максимумов (локальных максимумов), которые отличаются от друг друга по величине. И снова, в общем случае этим признаком характеризуется функция скручивания, выполненная согласно изобретению, с частотной модуляцией, амплитудной модуляцией или функция некоторого другого типа.

На графике, изображенном на фиг. 13, где показана скорость скручивания в оборотах на метр в зависимости от расстояния, иллюстрируется результат изготовления волокна согласно изобретению. Если предположить, что скорость вытягивания постоянна, а прикладываемая функция скручивания полностью соответствует результирующей функции скручивания в волокне, то понятно, что способ согласно изобретению, если его иллюстрировать зависимостью скорости скручивания в оборотах/с от времени, характеризовался бы дополняющей кривой.

Характеристика, подобная приведенной на фиг. 13, может быть получена для функции скручивания с амплитудной модуляцией, при которой амплитуда кривой изменяется от минимального до максимального значения, например между 0 и 4 оборотами на метр. Подобные кривые могут быть получены, согласно изобретению, для других функций скручивания, имеющих высокую изменчивость. В каждом случае могут быть получены дополняющие кривые для зависимости скорости скручивания в оборотах/с от времени, которые будут иметь дополняющую форму при постоянной скорости вытягивания.

Как понятно специалистам в данной области, функция скручивания, которая используется согласно изобретению, включает изменение скорости скручивания волокна как функцию времени за счет прикладывания соответствующих сил к волокну и/или заготовке. Устройство для приложения таких сил обсуждается ниже. При вытягивании волокна временная функция скручивания, прикладываемая к волокну, преобразуется в пространственную функцию скручивания волокна. Эта пространственная функция скручивания может быть обнаружена в изготовленном волокне, например, при исследовании пространственно разделенных поперечных сечений волокна, см. "Marrone et al. Optics Letters. Vol. 12, p. 60-62, 1987". Фиг. 13 была получена именно таким образом.

Конкретное устройство, которое может быть использовано согласно изобретению, например устройство на фиг. 17, обсуждаемое ниже, может не обеспечить однозначное соответствие между прикладываемой функцией скручивания и результирующей функцией скручивания в волокне во всех случаях. Однако в целом достигается достаточно хорошее соответствие для достижения преимуществ за счет использования изобретения и, таким образом, в отношении способа и устройства согласно изобретению формула изобретения сформулирована в терминах функции скручивания, используемой в процессе вытягивания, даже при том, что относительное скручивание волокна и заготовки и, таким образом, скручивание, созданное в волокне, может не точно соответствовать прикладываемой функции скручивания. Пункты формулы изобретения, касающиеся самого продукта, сформулированы в терминах функции скручивания, фактически наблюдаемой в волокне.

Резонансный характер уменьшения дисперсии поляризационных мод за счет скручивания волокна, а также преимущества частотной и амплитудной модуляции могут быть продемонстрированы путем исследования отношения дисперсии τ_s поляризационных мод скрученного волокна к дисперсии τ_o поляризационных мод нескрученного волокна (в дальнейшем называемого "коэффициентом уменьшения дисперсии поляризационных мод" или "параметром уменьшения" RF):
RF = τ_s/τ_o. (10)
На фиг. 14 показан параметр RF как функция длины биений для иллюстрации улучшения уменьшения дисперсии поляризационных мод согласно настоящему изобретению, по сравнению с известными способами. Конкретно, на фиг. 14 построен параметр RF в зависимости от длины биений для четырех функций скручивания: (1) известной постоянной функции скручивания, где α_o= 3 об/м (сплошная линия); (2) известной синусоидальной функции скручивания, где α_o= 3 об/м и f= 2 м^-1 (штриховая линия); (3) частотно модулированной синусоидальной функции скручивания согласно настоящему изобретению (пунктирная линия); и (4) амплитудно модулированной синусоидальной функции скручивания согласно настоящему изобретению (штрих-пунктирная линия).

Параметры частотно модулированной синусоидальной функции скручивания были следующими:
α_o= 3,0 об/м,
f₀ = 4,0 м^-1
f_m = 5,0 м^-1
Λ = 5,0 м.

Параметры амплитудно модулированной синусоидальной функции скручивания были следующими:
α_o= 5,0 об/м,
f = 0,1 м^-1
Λ = 5,0 м.

Как видно на фиг. 14, частотно модулированная функция скручивания обеспечивает коэффициент уменьшения дисперсии поляризационных мод, меньший 0,1 при длине биений приблизительно четверть метра. Амплитудно модулированная функция скручивания достигала того же уровня уменьшения дисперсии поляризационных мод на длине биений приблизительно три четверти метра. Для сравнения, постоянная функция скручивания достигала коэффициента уменьшения дисперсии поляризационных мод, меньшего, чем 0,1, лишь на длине биений приблизительно 2 метра, а синусоидальная функция скручивания хотя и достигает очень низкого коэффициента уменьшения дисперсии поляризационных мод при длине биений приблизительно четверть метра, не сохраняет это уменьшение дисперсии поляризационных мод при больших длинах биений, имея коэффициент уменьшения дисперсии поляризационных мод лишь приблизительно 0,3 для всех длин биений более четверти метра.

Понятно, что модулированные синусоидальные функции скручивания согласно изобретению превосходили известные в достижении желаемого низкого уровня дисперсии поляризационных мод для множества длин биений. Как указано выше, это усовершенствование основано на понимании того, что достижение максимального уменьшения дисперсии поляризационных мод для функций скручивания синусоидального типа зависит от трех параметров: (1) амплитуды скручивания, (2) периода (частоты) скручивания и (3) длины биений в волокне. Так как функции скручивания для известных способов имеют по существу фиксированные периоды и амплитуды, эти функции скручивания способны уменьшить дисперсию поляризационных мод только для небольшого числа длин биений. Настоящее изобретение в предпочтительных вариантах его выполнения изменяет амплитуду или частоту функции скручивания и, таким образом, обеспечивает уменьшение дисперсии поляризационных мод в большем диапазоне длин биений.

Далее эти эффекты иллюстрируются на фиг. 15 и 16. Когда волокно скручено в процессе вытягивания согласно синусоидальной функции скручивания, имеющей фиксированную амплитуду, максимальное уменьшение дисперсии поляризационных мод происходит при различных длинах биений в зависимости от частоты функции скручивания. На фиг. 15 показаны такие точки для волокна, скрученного согласно функции скручивания α = 3sin(2πz/Λ) об/м, где период Λ функции скручивания (который является обратным частоте скручивания) модулируется между 0 и 2 м.

Для достижения максимального уменьшения дисперсии поляризационных мод необходимо скручивать волокно с частотой, которая соответствует точке на графике. Однако местоположение точек зависит от длины биений в волокне, а в общем случае длина биений в серийно выпускаемом волокне не известна заранее с высокой точностью. Так как синусоидальные функции скручивания для известных способов имели по существу фиксированные амплитуды и частоты, могло иметь место только ограниченное число "совпадений" с точками. Следовательно, существенное уменьшение дисперсии поляризационных мод ограничено небольшим количеством длин биений, как иллюстрируется штриховой линией (линия, соответствующая чистой синусоиде) на фиг. 14.

И наоборот, способы согласно настоящему изобретению используют это наличие максимумов уменьшения дисперсии поляризационных мод, например, посредством модуляции частоты функции скручивания. Это позволяет достичь большего количества "совпадений" с точками на фиг. 15. При каждой частоте, когда имеет место такое "совпадение", достигается существенное уменьшение дисперсии поляризационных мод при соответствующих длинах биений. Это позволяет существенно уменьшить дисперсию поляризационных мод при большем количестве длин биений, как иллюстрируется пунктирной линией (линия, соответствующая частотной модуляции) на фиг. 14.

Аналогичный анализ может быть выполнен для амплитудно модулируемой функции скручивания. На фиг. 16 иллюстрируется наличие максимумов уменьшения дисперсии поляризационных мод при различных длинах биений в зависимости от амплитуды функции, определенной как:
α = α_osin(2πz/0,5), (11)
где α_o - амплитуда функции скручивания, модулируемая между 0 и 6 оборотами/метр. Как и на фиг. 15, случаи возникновения максимального уменьшения дисперсии поляризационных мод показаны точками.

Когда амплитуда функции скручивания "совпадает" с амплитудой, при которой имеет место максимальное уменьшение дисперсии поляризационных мод при соответствующих длинах биений, дисперсия поляризационных мод существенно уменьшается. Поскольку синусоидальные функции скручивания в известных способах обладали по существу фиксированными амплитудами и частотами, было возможно только ограниченное количество "совпадений". Следовательно, существенное уменьшение дисперсии поляризационных мод ограничено небольшим количеством длин биений, как иллюстрируется штриховой линией (линия, соответствующая чистой синусоиде) на фиг. 14.

И наоборот, способы согласно настоящему изобретению используют это наличие максимумов уменьшения дисперсии поляризационных мод посредством модуляции амплитуды функции скручивания. Это позволяет достичь большего количества "совпадений" с амплитудам, при которых достигается максимальное уменьшение дисперсии поляризационных мод. При каждой амплитуде, когда имеет место такое "совпадение", достигается существенное уменьшение дисперсии поляризационных мод при соответствующих длинах биений. Это позволяет существенно уменьшить дисперсию поляризационных мод при большем количестве длин биений, как иллюстрируется штрих-пунктирной линией (линия, соответствующая амплитудной модуляции) на фиг. 14.

Для осуществления способов согласно настоящему изобретению может использоваться любое устройство, которое позволяет скручивать волокно в процессе вытягивания и способно изменять частоту и/или амплитуду скручивания. На фиг. 17 воспроизведена фиг. 4 из вышеупомянутого патента США N 5298047, где ролики 1912 и 192 являются частью направляющего механизма башни вытягивания. В патенте США N 5298047 описывается реализация функций скручивания, представленных на фиг. 6 патента США N 5298047, за счет синусоидального колебания оси ролика 1912 на угол 2θ′, причем колебание оси приводит к скручиванию волокна в результате динамического трения между внешней поверхностью волокна и поверхностью ролика. Как описано выше, функции скручивания, описанные в патенте США N 5298047, имеют недостаточную изменчивость для достижения преимуществ настоящего изобретения.

Настоящее изобретение может быть осуществлено с использованием устройства, аналогичного показанному в патенте США N 5298047, за счет изменения θ′ как функции времени при сохранении постоянной частоты колебания для получения амплитудной модуляции или сохранения θ′ постоянным и изменения частоты колебаний как функции времени для получения частотной модуляции. Другие функции скручивания, которые соответствуют сущности настоящего изобретения, могут быть реализованы аналогичным способом.

При реализации изобретения может использоваться другое устройство, нежели показанное на фиг. 17, например другие типы механизмов скручивания, обсуждаемые в патенте США N 5298047 или другое аналогичное устройство, известное на данный момент или разработанное впоследствии, см., например, патент США N 4509968, который описывает устройство для вращения волокна относительно оси в процессе его формирования, и одновременно рассматриваемые заявки США N 60/012290 (подана 26 февраля, 1996) и N 60/015298 (подана 12 апреля, 1996), которые называются "Способ и устройство для обеспечения управляемого скручивания в оптическом волокне" и "Способ и устройство для введения управляемого скручивания в оптические волокна" соответственно. В общем, устройства для скручивания любой конструкции будут включать средства, контактирующие с волокном, для приложения скручивающей силы к волокну, например ролик, и средства привода для перемещения в пространстве средств, контактирующих с волокном, в несинусоидальной зависимости от времени, например, управляемый компьютером электродвигатель привода и соответствующее механическое соединительное средство для перемещения средств, контактирующих с волокном.

Из этого описания специалистам в данной области будут очевидны другие механизмы для реализации способов согласно изобретению, например, механизмы для несинусоидального вращения заготовки, самого по себе или в комбинации с приложением вращающей силы к волокну, см., например, международную заявку N 83/00232, упомянутую выше.

Выше рассмотрены усовершенствованные способы и устройство для уменьшения дисперсии поляризационных мод. Хотя были раскрыты конкретные иллюстративные варианты выполнения, специалистам в данной области понятно, что настоящее изобретение может быть осуществлено иным образом, чем в описанных вариантах его выполнения, которые представлены с целью иллюстрации, а не ограничения, и объем настоящего изобретения ограничен только следующей формулой изобретения.

Техническая задача изобретения - уменьшение дисперсии поляризационных мод в одномодовом оптическом волокне. Указанная задача обеспечивается за счет скручивания волокна в процессе его вытягивания согласно функции скручивания, имеющей достаточное содержание гармоник для получения малого уровня дисперсии поляризационных мод в серийно выпускаемых волокнах с неизвестными заранее длинами биений, включая длины биений в различных частях волокна. Рассмотренные функции скручивания используют определенные резонансы передачи энергии между поляризационными модами для достижения существенного уменьшения дисперсии поляризационных мод в широком диапазоне длин биений. Примеры подходящих функций скручивания включают частотно- и амплитудно-модулированные синусоидальные колебания. 11 с. и 18 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Способ изготовления оптического волокна, в соответствии с которым (а) нагревают заготовку волокна до температуры вытягивания, (б) обеспечивают функцию скручивания, зависящую от времени, и в) вытягивают оптическое волокно из заготовки при одновременном использовании функции скручивания, зависящей от времени, для осуществления относительного скручивания между оптическим волокном и заготовкой, отличающийся тем, что функция скручивания, зависящая от времени, (i) является по существу несинусоидальной и (ii) имеет достаточную изменчивость во времени для уменьшения дисперсии поляризационных мод для множества длин биений. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что функция скручивания, зависящая от времени, имеет по меньшей мере два максимума, которые отличаются друг от друга по величине. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что функция скручивания, зависящая от времени, имеет производную по времени, которая имеет по меньшей мере два максимума, которые отличаются друг от друга по величине. 4. Способ изготовления оптического волокна, в соответствии с которым (а) нагревают заготовку волокна до температуры вытягивания, (б) обеспечивают функцию скручивания, зависящую от времени, и (в) вытягивают оптическое волокно из заготовки при одновременном использовании функции скручивания, зависящей от времени, для осуществления относительного скручивания между оптическим волокном и заготовкой, отличающийся тем, что функция скручивания, зависящая от времени, является частотно модулированной синусоидальной функцией. 5. Способ изготовления оптического волокна, в соответствии с которым (а) нагревают заготовку волокна до температуры вытягивания, (б) обеспечивают функцию скручивания, зависящую от времени, и (в) вытягивают оптическое волокно из заготовки при одновременном использовании функции скручивания, зависящей от времени, для осуществления относительного скручивания между оптическим волокном и заготовкой, отличающийся тем, что функция скручивания, зависящая от времени, является амплитудно модулированной синусоидальной функцией. 6. Способ изготовления оптического волокна, в соответствии с которым (а) нагревают заготовку волокна до температуры вытягивания, (б) обеспечивают функцию скручивания, зависящую от времени, и (в) вытягивают оптическое волокно из заготовки при одновременном использовании функции скручивания, зависящей от времени, для осуществления относительного скручивания между оптическим волокном и заготовкой, отличающийся тем, что функция скручивания, зависящая от времени, имеет частотный спектр, который включает по меньшей мере три составляющие с нормированными амплитудами по меньшей мере 0,2. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что указанный частотный спектр включает по меньшей мере пять составляющих с нормированными амплитудами по меньшей мере 0,2. 8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что указанный частотный спектр включает по меньшей мере десять составляющих с нормированными амплитудами по меньшей мере 0,2. 9. Способ по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что максимальная амплитуда функции скручивания, зависящей от времени, не превышает 10 об/м. 10. Способ по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что максимальная амплитуда функции скручивания, зависящей от времени, не превышает 4 об/м. 11. Одномодовое оптическое волокно, отличающееся тем, что оно изготовлено способом по одному из пп.1 - 6. 12. Одномодовое оптическое волокно, имеющее продольную ось и явно выраженную функцию скручивания, причем функция скручивания изменяется по меньшей мере для части волокна как функция от расстояния Z вдоль указанной оси, отличающееся тем, что функция скручивания (i) является по существу несинусоидальной и (ii) имеет достаточную изменчивость для уменьшения дисперсии поляризационных мод для множества длин биений. 13. Одномодовое оптическое волокно по п.12, отличающееся тем, что функция скручивания имеет по меньшей мере два максимума, которые отличаются друг от друга по величине. 14. Одномодовое оптическое волокно по п.12, отличающееся тем, что функция скручивания имеет производную по Z, которая имеет по меньшей мере два максимума, которые отличаются друг от друга по величине. 15. Одномодовое оптическое волокно, имеющее продольную ось и явно выраженную функцию скручивания, причем функция скручивания изменяется по меньшей мере для части волокна как функция от расстояния Z вдоль указанной оси, отличающееся тем, что функция скручивания является частотно модулированной синусоидальной функцией. 16. Одномодовое оптическое волокно, имеющее продольную ось и явно выраженную функцию скручивания, причем функция скручивания изменяется по меньшей мере для части волокна как функция от расстояния Z вдоль указанной оси, отличающееся тем, что функция скручивания является амплитудно модулированной синусоидальной функцией. 17. Одномодовое оптическое волокно, имеющее продольную ось и явно выраженную функцию скручивания, причем функция скручивания изменяется по меньшей мере для части волокна как функция от расстояния Z вдоль указанной оси, отличающееся тем, что функция скручивания имеет частотный спектр, который включает по меньшей мере три составляющие с нормированными амплитудами по меньшей мере 0,2. 18. Одномодовое оптическое волокно по п.17, отличающееся тем, что указанный частотный спектр включает по меньшей мере пять составляющих с нормированными амплитудами по меньшей мере 0,2. 19. Одномодовое оптическое волокно по п.17, отличающееся тем, что указанный частотный спектр включает по меньшей мере десять составляющих с нормированными амплитудами по меньшей мере 0,2. 20. Одномодовое оптическое волокно по одному из пп.12 - 17, отличающееся тем, что оно характеризуется уменьшенной дисперсией поляризационных мод по сравнению с соответствующим нескрученным волокном. 21. Одномодовое оптическое волокно по одному из пп.12 - 17, отличающееся тем, что оно характеризуется параметром уменьшения поляризации, не превышающим 0,2 для длин биений, составляющих 1,0 - 2,0 м. 22. Одномодовое оптическое волокно по одному из пп.12 - 17, отличающееся тем, что указанная функция скручивания имеет максимальную амплитуду, не превышающую 10 об/м. 23. Одномодовое оптическое волокно по одному из пп.12 - 17, отличающееся тем, что указанная функция скручивания имеет максимальную амплитуду, не превышающую 4 об/м. 24. Совокупность одномодовых оптических волокон со скручиванием, содержащая по меньшей мере 100 волокон, отличающаяся тем, что каждое из волокон обладает дисперсией поляризационных мод, не превышающей 0,1 пс/км^1/2, причем волокна этой совокупности без скручивания характеризовались бы множеством значений дисперсии поляризационных мод или для различных волокон совокупности или для различных участков одного волокна, причем диапазон указанного множества дисперсий поляризационных мод для различных волокон или для различных участков волокна составляет по меньшей мере 1,0 пс/км^1/2 для волокон, имеющих длину по меньшей мере 10км. 25. Совокупность по п.24, отличающаяся тем, что диапазон указанного множества дисперсий поляризационных мод составляет по меньшей мере 1,5 пс/км^1/2. 26. Устройство для создания относительного скручивания между оптическим волокном и заготовкой во время вытягивания указанного волокна из указанной заготовки, содержащее (а) контактирующие с волокном средства для приложения скручивающей силы к волокну и (б) средства привода для перемещения указанных контактирующих с волокном средств, отличающееся тем, что это перемещение имеет несинусоидальную зависимость от времени. 27. Устройство по п.26, отличающееся тем, что несинусоидальная зависимость описывается функцией скручивания, зависящей от времени, как определено в одном из пп.1 - 6. 28. Устройство по п.27, отличающееся тем, что максимальная амплитуда функции скручивания, зависящей от времени, не превышает 10 об/м. 29. Устройство по п.27, отличающееся тем, что максимальная амплитуда функции скручивания, зависящей от времени, не превышает 4 об/м.