ШИРОКОПОЛОСНОЕ МНОГОМОДОВОЕ ОПТОВОЛОКНО, ОПТИМИЗИРОВАННОЕ ДЛЯ МНОГОМОДОВЫХ И ОДНОМОДОВЫХ ПЕРЕДАЧ Российский патент 2017 года по МПК G02B6/02 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к волоконно-оптической связи, а более конкретно к оптическому волокну, оптимизированному для обеспечения как одномодовой, так и многомодовой передачи.

2. Уровень техники

Обычно оптический кабель состоит из оптической сердцевины, которая передает оптический сигнал, и оптической оболочки, которая изолирует оптический сигнал внутри оптической сердцевины. Исходя из этого коэффициент преломления сердцевины, n_c, превышает коэффициент преломления оболочки. Оптическое волокно в основном характеризуется профилем коэффициента преломления, который связывает коэффициент преломления (n) с радиусом (r) оптического волокна: расстояние х относительно центра оптического волокна откладывается по оси х, а разность между коэффициентом преломления на радиусе r и коэффициентом преломления оболочки - по оси y.

В настоящее время существуют две основные категории оптического волокна: многомодовое волокно и одномодовое волокно. В многомодовом волокне на данной длине волны вдоль волокна одновременно распространяется несколько оптических мод, тогда как в одномодовом волокне моды высшего порядка (здесь и далее - HOMs) отсекаются или сильно ослаблены.

Одномодовое волокно имеет широкое применение в дальней связи, например в сетях доступа. Для получения оптического волокна, способного передавать одномодовый сигнал, требуется сердцевина относительно малого диаметра (обычно между 5 и 11 мкм). Для удовлетворения требований, связанных с высокой скоростью передачи данных или передачи бит в секунду (например, 10 Гб/с), стандартное одномодовое волокно требует использования лазерного устройства одномодового модулированного излучения, настроенного обычно для работы на длине волны 1550 нм.

Многомодовое волокно имеет широкое применение в ближней связи, требующей высокой пропускной способности, например в локальных сетях (LANs) и системах широкополосного коллективного доступа к сетевым услугам в домах или офисах (MDUs), более широко известных как офисные сети. Сердцевина многомодового волокна обычно имеет диаметр 50 или 62,5 мкм. Наиболее распространенным в телекоммуникации многомодовым волокном является оптическое волокно с градиентным профилем показателя преломления. Такой градиентный профиль показателя преломления гарантирует посредством минимизации межмодовой дисперсии (то есть разницы между временем задержки распространения или групповой скорости оптических мод по оптическому волокну) высокий коэффициент модовой широкополосности для данной длины волны.

Для создания домашней оптической сети выбор категории оптического волокна является критичным. Многомодовое волокно является экономически выгодным решением для оптических информационных сетей. Вследствие его более высокой числовой апертуры и большего радиуса сердцевины, а также низкой модальной дисперсии, обусловленной градиентным профилем показателя преломления его сердцевины, многомодовое волокно может эффективно поддерживать оптические сигналы на скорости 10 Гб/с, излучаемые экономически выгодными световыми источниками (такими как, лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором или VCSEL), в то время как одномодовое волокно требует дорогих отказоустойчивых приемопередатчиков. В частности, соединение светового источника с одномодовым волокном (режим подключения) требует более строгого допуска на совмещение, чем для многомодового волокна.

Однако поскольку оптическая домашняя сеть предназначена для связи с внешними сетями доступа, в которых в основном используется одномодовая технология из-за потребности в большем радиусе действия, проблема взаимодействия с одномодовым волокном требует дальнейшего решения.

На практике многомодовое волокно не предназначено для взаимосвязи с одномодовыми системами передач. Домашняя сеть может быть рассмотрена как оптоволоконная сеть, которая позволяет пользователям подсоединять устройства с обоих концов указанной сети. Сегодня есть возможность реализовать в устройствах технологии, основанные на оптической многомодовой передаче, которые требуют многомодовое волокно, между тем как завтра они могут быть модернизированы для работы также и с одномодовыми технологиями.

Поэтому желательно для домашней сети обеспечить гибридное оптоволокно, которое сможет передавать как многомодовые оптические сигналы на рабочей длине волны домашней сети, например 850 нм, так и одномодовые оптические сигналы на рабочей длине волны сети доступа, например 1550 нм, с приемлемым балансом оптических характеристик.

Известное решение могло бы заключаться в использовании стандартного многомодового волокна, которое имеет градиентный профиль показателя преломления, оптимизированный для обеспечения безошибочной передачи с широкой полосой пропускания на длине волны 850 нм. Однако при этом, когда одномодовый источник, работающий на длине волны 1550 нм, соединяется со стандартным многомодовым волокном, оптический сигнал, введенный в это волокно, стимулирует в оптическом волокне в основном, но, к сожалению, не только основную оптическую моду, но также и HOMs. Эти HOMs вызывают модовые шумы, которые ухудшают качество оптической передачи. Фактически имеются две основные категории модовых шумов: некогерентный шум и когерентный шум.

Некогерентный шум базируется на том факте, что на стороне излучателя оптический сигнал, введенный в HOMs волокна, может подвергаться модовой дисперсии, а значит, поскольку разные моды имеют разное время задержки распространения и разные постоянные распространения, эти HOMs могут снизить качество оптической передачи из-за наложения задержанных копий основного оптического сигнала на стороне приемника. На практике для хорошей работы в широкополосном применении оптическое волокно должно иметь оптическую передачу наивысшего качества, которое может быть измерено посредством отношения сигнал/шум. Для некогерентного вклада отношение сигнал/шум, называемое здесь и далее «отношением сигнал/некогерентный шум», может быть описано следующим уравнением:

где - оптическая мощность, сообщаемая основной моде;

- оптическая мощность, сообщаемая модам высшего порядка (HOMs) при i≥1.

Когерентный шум базируется на том факте, что оптический сигнал, введенный в HOMs волокна со стороны излучателя, может вызывать рассогласование по фазе с оптическим сигналом в основной моде, ведущее к неконтролируемым интерференционным рекомбинациям в основной моде на стороне приемника. Эти помехи вызывают флуктуацию оптической мощности, что также понижает качество оптической передачи. Для когерентного вклада отношение сигнал/шум, называемое здесь и далее «отношением сигнал/когерентный шум», может быть описано следующим уравнением:

где - оптическая мощность, сообщаемая основной моде;

- оптическая мощность, сообщаемая модам высшего порядка (HOMs) при i≥1;

σ_coherent - коэффициент стандартного отклонения гауссова шума.

В результате когда HOMs сообщается меньшая оптическая мощность, качество оптической передачи повышается.

Вследствие присутствия этих модовых шумов стандартное многомодовое оптоволокно не приспособлено для взаимосвязи с одномодовой системой передач.

Поэтому было бы рационально создать оптоволокно, имеющее широкую модовую полосу частот на длине волны 850 нм и значительно пониженный уровень модовых шумов на длине волны 1310 нм или 1550 нм.

В австралийском патентном документе AU 2002/100296 описано оптическое волокно, имеющее участок одномодовой сердцевины, который имеет первый коэффициент преломления, окруженный участком многомодовой сердцевины, который имеет второй коэффициент преломления, полностью окруженный оболочкой, которая имеет третий коэффициент преломления.

Профиль распределения показателя преломления по участкам таков, что основная мода в значительной степени подходит для подобного одномодового волокна. Однако этот документ не дает никакого решения для минимизации модовых шумов, вызываемых HOMs оптоволокна. Кроме того, предлагаемое оптоволокно демонстрирует относительно небольшую модовую полосу частот на 850 нм и требует сложного построения профиля распределения показателей преломления.

Во французском патентном документе FR 2 441 858 описано оптическое волокно с центральной одномодовой сердцевиной и многомодовой оболочкой для передачи данных. В данном случае предлагаемое оптоволокно не имеет градиентного профиля показателя преломления (многомодовый участок волокна имеет ступенчатый профиль показателя преломления), что не позволяет ему соответствовать требованиям к модовой широкополосности на 850 нм. И не решает проблему уменьшения модовых шумов на длине волны 1310 нм или 1550 нм.

3. Цель изобретения

Данное изобретение как минимум в одном варианте исполнения, нацелено в первую очередь на преодоление этих разных недостатков предыдущего уровня техники.

Более конкретно целью как минимум одного варианта осуществления изобретения является создание оптического волокна, оптимизированного для обеспечения как одномодовой, так и многомодовой передачи с приемлемым балансом оптических характеристик для приложений с высокой скоростью передачи данных.

Кроме того, целью как минимум одного варианта осуществления изобретения является создание оптического волокна, которое обеспечивает широкую модовую полосу частот для многомодовой передачи на дальние расстояния и поддерживает основную моду подобной требуемой для одномодовой передачи.

Еще одной целью как минимум одного варианта осуществления изобретения является создание оптического волокна, которое значительно уменьшает модовые шумы на длине волны 1310 нм и 1550 нм, в то же время обеспечивая широкую модовую полосу частот на длине волны 850 нм.

Также целью как минимум одного варианта изобретения является создание оптического волокна, которое является простым в изготовлении и недорого стоит.

4. Сущность изобретения

В одном из вариантов исполнения изобретения предложено оптоволокно, содержащее оптическую сердцевину и оптическую оболочку, окружающую оптическую сердцевину. Оптическая сердцевина имеет градиентный профиль распределения показателей преломления с минимальным показателем преломления n₁ и максимальным показателем преломления n₀; указанное оптоволокно выполнено таким образом, чтобы его числовая апертура NA и радиус оптической сердцевины а удовлетворяли критерию С качества оптической связи, описываемому следующим уравнением:

C=NA-0,02×α,

где

при этом является нормированной разностью показателей преломления, а минимальный и максимальный показатели преломления n₁ и n₀, а также радиус а указанной оптической сердцевины выбираются такими, чтобы выполнялись неравенства NA>0,20; а >10 мкм и |C|<0,20.

Таким образом, посредством согласования значений числовой апертуры и диаметра сердцевины в целях удовлетворения критерия качества, задаваемого вышеупомянутыми уравнениями, изобретение предлагает оптоволокно с градиентным профилем показателя преломления, оптимизированное для обеспечения как одномодовой, так и многомодовой передачи с приемлемым балансом оптических характеристик для приложений с высокой скоростью передачи данных.

Исходя из этого изобретение основано на установлении баланса между диаметром сердцевины и числовой апертурой оптоволокна, позволяющего значительно уменьшить некогерентный и когерентный модовый шум на одномодовой длине волны и обеспечить большую модовую широкополосность на многомодовых длинах волн. Фактически авторы изобретения открыли, что диаметр сердцевины и числовая апертура оптоволокна с градиентным профилем показателя преломления строго скоррелированы как для отношения сигнал/когерентный шум, так и для отношения сигнал/некогерентный шум на длине волны одномодовой передачи. Отсюда следует, в частности, что уменьшение диаметра сердцевины вызывает уменьшение когерентного и некогерентного модового шума на одномодовой длине волны, а увеличение числовой апертуры оптоволокна неожиданно приводит к получению большего числа оптических мод на многомодовых длинах волн.

В соответствии с одной предпочтительной характеристикой минимальный и максимальный показатели преломления n₁ и n₀, а также радиус а указанной оптической сердцевины выбираются такими, чтобы |C|<0.

Таким образом, когерентный и некогерентный модовый шум дополнительно уменьшается.

В соответствии с еще одной предпочтительной характеристикой минимальный и максимальный показатели преломления n₁ и n₀, а также радиус а указанной оптической сердцевины выбираются такими, чтобы |C|<0,05.

Когерентный и некогерентный модовый шум уменьшается даже больше.

В соответствии с другой предпочтительной характеристикой, минимальный и максимальный показатели преломления n₁ и n₀, а также радиус а указанной оптической сердцевины выбираются такими, чтобы | С |<0.

Это приводит к увеличению радиуса сердцевины.

Целесообразно, чтобы радиус сердцевины а был >14 мкм, более предпочтителен а>19 мкм и еще более предпочтителен а=25 мкм.

Качество многомодовой оптической передачи даже более улучшается при уменьшении потерь в точках сращивания, например, со стандартным многомодовым оптоволокном диаметром 50 мкм.

Целесообразно, чтобы минимальный и максимальный показатели преломления n₁ и n₀ выбирались такими, чтобы NA была >0,25, более предпочтительна NA>0,30 и еще более предпочтительна NA>0,34.

В соответствии с первым конкретным вариантом исполнения n(r) - градиентный профиль показателя преломления с единым альфа описывается уравнением:

причем r≤а,

где r - переменная, представляющая собой радиус оптоволокна;

α≥1 и представляет собой не имеющий размерности параметр, который описывает форму профиля распределения показателя оптической сердцевины.

Поэтому в соответствии с изобретением данное оптоволокно несложно в изготовлении и имеет низкую стоимость, поскольку все, что необходимо, - это адаптировать добавление разных участков волокна как функцию желаемого профиля распределения показателя преломления, удовлетворяющего данному критерию качества.

В соответствии со вторым конкретным вариантом исполнения оптическая сердцевина состоит из внутренней оптической сердцевины и внешней оптической сердцевины, окружающей внутреннюю оптическую сердцевину, а градиентный профиль распределения показателей преломления представляет собой градиентный профиль n (r) распределения показателей с двойным альфа, описываемый следующим уравнением:

где

где r - переменная, представляющая собой радиус оптоволокна;

r_t - радиус внутренней оптической сердцевины;

n₁' - максимальный показатель преломления внутренней оптической сердцевины;

n₂' - максимальный показатель преломления внешней оптической сердцевины;

Δ₁ - нормированная разность показателей преломления относительно внутренней оптической сердцевины;

Δ₂ - нормированная разность показателей преломления относительно внешней оптической сердцевины;

α₁≥1 и является не имеющим размерности параметром, который описывает форму профиля распределения показателя внутренней оптической сердцевины;

α₂≥1 и является не имеющим размерности параметром, который описывает форму профиля распределения показателя внешней оптической сердцевины.

Таким образом, посредством минимизации межмодовой дисперсии путем использования градиентного профиля показателя преломления с двойным альфа оптимизируется модовая широкополосность оптоволокна на многомодовых длинах волн, особенно для наибольших числовых апертур, допускаемых критерием качества оптической связи.

Кроме того, оптоволокно в этом альтернативном варианте просто в изготовлении и имеет низкую стоимость, поскольку все, что необходимо, - это адаптировать добавление разных участков волокна как функцию желаемого профиля распределения показателя преломления, удовлетворяющего данному критерию качества.

В соответствии с одной перспективной характеристикой оптическая оболочка содержит вдавленную канавку, окружающую оптическую сердцевину, или специализированную поверхность сопряжения сердцевины и оболочки.

В оптоволокне с вдавленной канавкой уменьшаются потери на изгибе посредством улучшения локализации оптических мод внутри сердцевины. Специализированное решение сердцевины-оболочки связано с ослаблением влияния оболочки и увеличения таким образом модовой широкополосности волокна.

В другом варианте исполнения изобретение имеет отношение к оптической системе, такой как домашняя оптическая сеть, содержащей как минимум одно оптическое волокно из описанных выше в любом из различных вариантов исполнения.

Такая оптическая система может быть, например, домашней оптической сетью, такой как локальная сеть (LAN), и(или) широкополосным коллективным доступом к сетевым услугам в доме или офисе (MDU).

5. Описание чертежей

Другие свойства и преимущества вариантов изобретения будут изложены в последующем описании, данные в виде иллюстративных, но неисчерпывающих примеров, и в приложенных чертежах, из которых:

на фиг. 1А дано графическое представление градиентного профиля показателя преломления оптоволокна для первого варианта изобретения;

на фиг. 2А дано графическое представление градиентного профиля показателя преломления оптоволокна для второго варианта изобретения;

каждая из фиг. 1В и фиг. 2В отображает измерение дифференциальной задержки мод, выполненное для оптоволокна на фиг. 1А и фиг. 2А соответственно;

на фиг. 3 приведено графическое отображение отношения сигнал/некогерентный шум на длине волны 1550 нм как функции числовой апертуры и радиуса сердцевины оптоволокна с градиентным профилем показателя преломления;

на фиг. 4 приведено графическое отображение отношения сигнал/когерентный шум на длине волны 1550 нм как функции числовой апертуры и радиуса сердцевины оптоволокна с градиентным профилем показателя преломления;

на фиг. 5 приведено графическое отображение отношений сигнал/некогерентный шум и сигнал/когерентный шум на длинах волн 1550 нм и 1310 нм как функций критерия качества оптической связи, установленного в соответствии с изобретением;

на фиг. 6 приведено графическое отображение суммарных схемных потерь как функции числовой апертуры и радиуса сердцевины оптоволокна с градиентным профилем показателя преломления;

фиг. 7 иллюстрирует принципиальную схему, используемую для измерения суммарных схемных потерь в условиях многомодового режима подключения по стандарту условий ввода «EncircledFlux» (IEC 61280-4-1);

фиг. 8 графически иллюстрирует шаблон режима ввода по стандарту «EncircledFlux», применяемому для реализации принципиальной схемы на фиг. 7.

6. Способ осуществления изобретения

Основным принципом данного изобретения является создание оптоволокна с адаптируемыми значениями числовой апертуры и диаметра сердцевины для поддержки многомодового режима работы на длине волны вплоть до 1550 нм с высокой широкополосностью на длине волны 850 нм для работы с высокой скоростью 10 Гб/с на дальних расстояниях (от нескольких десятков до нескольких сотен метров) и уменьшенным модовым шумом в местах соединения данного оптоволокна со стандартным одномодовым волокном для надежной высокоскоростной передачи по одномодовым системам передачи.

Фиг. 1А графически представляет градиентный профиль n (r) показателя преломления оптоволокна, соответствующий первому варианту изобретения. Она отображает зависимость между значением показателя преломления n и расстоянием r от центра оптического волокна.

В этом первом варианте оптическое волокно является волокном с градиентным профилем показателя преломления n (r), определяемым следующим образом:

где r - переменная, представляющая собой радиус оптоволокна;

а - радиус оптической сердцевины;

Δ - нормированная разность показателей преломления, определяемая уравнением:

где n₁ - минимальный показатель преломления оптической сердцевины;

n₀ - максимальный показатель преломления оптической сердцевины;

α - не имеющий размерности параметр, описывающий форму профиля распределения показателя оптической сердцевины, который выбирают между 1,9 и 2,2, так чтобы обеспечить наибольшую полосу частот на целевой рабочей длине волны.

Оптоволокно содержит: для 0≤r≤а - оптическую сердцевину, реализующую градиентный профиль показателя преломления с единым альфа, а для a≤r - оптическую оболочку, непосредственно окружающую оптическую сердцевину и имеющую стандартный постоянный показатель преломления. Градиентный профиль показателя преломления с единым альфа оптической сердцевины позволяет снизить межмодовую дисперсию оптического волокна.

В соответствии с изобретением оптическая сердцевина имеет градиентный профиль показателя преломления, для которого значения числовой апертуры NA и радиуса сердцевины (выраженного в микронах) согласованы таким образом, чтобы они удовлетворяли следующему уравнению:

C=NA-0,02×a (IV),

где NA однозначно связана с нормированной разностью показателей преломления Δ и максимальным показателем преломления по оптической сердцевины уравнением:

а>10 мкм,

|C|<0,20, причем С - действительное число, которое представляет собой критерий качества оптической связи.

Посредством согласования значений числовой апертуры NA и диаметра сердцевины, удовлетворяющего уравнению (IV), изобретение предлагает оптоволокно с градиентным профилем показателя преломления, оптимизированное для эффективного уменьшения некогерентного и когерентного модового шума на одномодовой длине волны 1550 нм, сохраняя в то же время большую модовую широкополосность на многомодовой длине волны 850 нм.

Изобретатели установили, что уравнение (IV) соответствует заданному критерию качества оптической связи, который гарантирует поддержку как одномодовой, так и многомодовой передачи с приемлемым балансом оптических характеристик для высокоскоростного применения. Этот критерий качества был получен посредством числовой оценки отношения сигнал/некогерентный шум:

и отношения сигнал/когерентный шум:

на длине волны 1550 нм как функции радиуса сердцевины а и числовой апертуры NA, как отображено на фиг. 3 и 4.

По левой оси у откладывают числовую апертуру оптической сердцевины (NA), а по оси x откладывают радиус оптической сердцевины (а). Значения SNRmcoherent (фиг. 3) и SNRcoheren (фиг. 4), соответствующие данной паре параметров (NA, а), проиллюстрированы оттенками серого на правой оси y.

Изобретатели открыли, что радиус сердцевины и числовая апертура оптоволокна с градиентным профилем показателя преломления строго скоррелированы как с отношением сигнал/когерентный шум, так и с отношением сигнал/некогерентный шум как для длины волны одномодовой передачи, так и для длины волны многомодовой передачи. Основываясь на этом принципе, SNR_inсoherent и SNR_coheren были промоделированы с разными значениями числовой апертуры и радиуса сердцевины для выяснения соотношений, позволяющих значительно уменьшить модовый шум на одномодовой длине волны 1550 нм, в то же время формируя наиболее широкую модовую полосу частот на многомодовой длине волны 850 нм. Критерий качества был выведен из этих числовых оценок, исходя из того, что для значений радиуса сердцевины, превышающих 10 мкм, SNR_mcoherent и SNR_coheren должны быть больше 0 дБ, при этом более предпочтительно, чтобы SNR_incoherent превышало 20 дБ, a SNR_coheren превышало 10 дБ на длине волны 1550 нм.

Из этого следует, в частности, что уменьшение радиуса сердцевины (а) и увеличение числовой апертуры (NA) приводят к увеличению SNR_mcoherent и SNR_coheren на длине волны 1550 нм. Далее получается, что чем больше числовая апертура, тем больший радиус сердцевины может быть установлен: делая это, многомодовую оптическую передачу можно оптимизировать для удовлетворения требований широкополосных приложений (обычно 10 Гб/с) на дальних расстояниях (несколько десятков или несколько сотен метров), таких как в высокоскоростных сетях типа Ethernet.

В качестве строго иллюстративного примера (и поэтому не имеющего ограничительного характера) радиус а оптической сердцевины, отображенного на фиг. 1, составляет около 19 мкм, а числовая апертура NA - около 0,297, удовлетворяя при этом критерию качества оптической связи, установленному в соответствии с данным изобретением. Параметр α профиля показателя преломления оптической сердцевины составляет около 2,065, а нормированная разность показателей преломления Δ - около 2% (n₁ приблизительно равен 1,457, а n₀ приблизительно равен 1,487).

Преимущества данного изобретения будут более очевидны при сравнении оптоволокна предыдущего поколения с иллюстративным примером, соответствующим этому изобретению. В приведенной ниже таблице 1 даны значения радиуса сердцевины и числовой апертуры стандартного оптоволокна с градиентным профилем показателя преломления, а также значение критерия С качества, получаемое путем использования приведенного выше уравнения (IV). На такое волокно предыдущего поколения воздействует оптический сигнал с длиной волны λ850 нм для высокоскоростных сетей.

График на фиг. 5 отображает отношения сигнал/некогерентный шум и сигнал/когерентный шум на длинах волн 1550 нм и 1310 нм как функцию критерия качества С, рассмотренного выше в соотношении с фиг. 1, 3, 4 и применимого как для стандартного оптоволокна с градиентным профилем показателя преломления предыдущего поколения, так и для оптоволокна данного изобретения. По оси y откладываются SNR_incoherent и SNR_coheren (в дБ), а по оси x - разные значения критерия качества С в интервале от -0,60 до 0,20.

Можно увидеть, что ни одно стандартное оптоволокно предыдущего поколения не обладает градиентным профилем показателя преломления, который бы позволил ему соответствовать критерию качества С данного изобретения |C|<0,20, что отражается в более низком отношении SNR сравнительно с результатом в изобретении. Этот график показывает, что модель, соответствующая изобретению, приводит к установлению хорошего критерия качества.

Кроме того, в порядке дальнейшего улучшения SNR_incoherent и SNR_coheren критерий качества может быть задан более предпочтительным, таким как |C|<0,10 (т.е. |NA-0,02×а|<0,10), и еще более предпочтительным, таким как |C|<0,05 (т.е. |NA-0,02×а|<0,05), предпочтительнее, чтобы С было меньше 0. Можно видеть, что эти отношения сигнал/шум максимизируются, когда значение С близко к 0.

В соответствии с одной предпочтительной характеристикой профиль показателя преломления оптоволокна на фиг. 1 может содержать участок с пониженным показателем преломления (не показан на фиг. 1), помещенный между сердцевиной с градиентным показателем и оболочкой. Этот участок с пониженным показателем преломления, называемый также вдавленной канавкой, имеет отрицательную разность показателей преломления относительно оболочки оптоволокна, а его положение и размер выбираются такими, чтобы повысить устойчивость к потерям на изгибе многомодового волокна.

Фиг. 2А графически представляет профиль n (r) показателя преломления оптоволокна согласно второму варианту изобретения.

В этом втором варианте оптоволокно демонстрирует оптическую сердцевину, состоящую из двух участков: внутренней оптической сердцевины и внешней оптической сердцевины, окружающей внутреннюю оптическую сердцевину, при этом градиентный профиль показателя преломления представляет собой градиентный профиль n (r) показателя преломления с двойным альфа, описываемый следующим уравнением:

где

где r - переменная, представляющая собой радиус оптоволокна;

а - радиус оптической сердцевины, включающей в себя как внутреннюю, так и внешнюю оптическую сердцевину;

r_t - радиус внутренней оптической сердцевины;

n₁' - максимальный показатель преломления внутренней оптической сердцевины;

n₂' - максимальный показатель преломления внешней оптической сердцевины;

Δ₁ - нормированная разность показателей преломления относительно внутренней оптической сердцевины;

Δ₁ - нормированная разность показателей преломления относительно внешней оптической сердцевины;

α₁≥1 и является не имеющим размерности параметром, который описывает форму профиля распределения показателя внутренней оптической сердцевины;

α₂≥1 и является не имеющим размерности параметром, который описывает форму профиля распределения показателя внешней оптической сердцевины.

Соответствующие параметры Δ₁, Δ₂ и n₁', n₂' гарантируют непрерывность градиентного профиля показателя преломления и его первой производной на переходе от внутренней сердцевины к внешней сердцевине.

Именно этот градиентный профиль показателя преломления с двойным альфа имеет преимущественную возможность еще более улучшить модовую широкополосность оптоволокна на многомодовых длинах волн.

Все, что до этих пор было сказано в связи с фиг. 1А и с фиг. 3 по фиг. 5 о критерии качества, применимо с необходимыми изменениями к второму варианту изобретения. Также в порядке дальнейшего улучшения модовой широкополосности оптоволокна это волокно в соответствии со вторым вариантом изобретения может иметь вдавленную канавку, как описано выше, в соответствии с объяснением, относящимся к фиг. 5.

В качестве строго иллюстративного примера (и поэтому не имеющего ограничительного характера) радиус а оптической сердцевины, отображенной на фиг. 2А, составляет около 19 мкм, а числовая апертура NA - около 0,297, удовлетворяя при этом критерию качества оптической связи, установленному в соответствии с данным изобретением. Параметры α₁ и α₂ профиля показателя преломления оптической сердцевины приблизительно составляют соответственно 2,0851 и 2,0433. Радиус внутренней оптической сердцевины (r_t) составляет около 0,5 мкм.

Каждая из фиг. 1В и фиг. 2В отображает измерение дифференциальной задержки мод (здесь и далее называемые измерением DMD) (например, в порядке, предусмотренном в стандарте FOTP-220), выполненное для оптоволокна на фиг. 1А и фиг. 2А соответственно. Такой тип графика получают посредством последовательного ввода в многомодовое оптоволокно светового импульса, имеющего заданную длину волны, с радиальным смещением между каждым последовательным импульсом. После этого измеряют задержку каждого импульса на заданной длине волокна. Последовательности одинаковых световых импульсов вводят с разным радиальным смещением относительно центра сердцевины оптической сердцевины. По оси у отложены радиальные смещения (на фиг. обозначены как «радиальный ввод») относительно центра сердцевины оптической сердцевины в микронах, а по оси х - время в наносекундах. На основании этих измерений DMD можно определить эффективную модовую широкополосность оптического волокна. Из графиков на фиг. 1В и 2В видно, что оптоволокно данного изобретения демонстрирует задержку между импульсами, распространяющимися вдоль разных радиальных смещений, которая относительно невелика и приводит к расширенной модовой широкополосности. Более того, можно видеть преимущество градиентного профиля показателя преломления с двойным альфа (фиг. 2В), который отображает измерение дифференциальной задержки мод в более узких пределах, чем градиентный профиль показателя преломления с единым альфа (фиг. 1В), поэтому имеет лучшую модовую широкополосность.

Следует отметить, что измерения DMD, проводимые с радиальным смещением более 18 мкм, не актуальны. В частности, можно увидеть несколько импульсных последовательностей на левом графике, вызванных воздействием оболочки.

Фиг. 6 отображает суммарные схемные потери как функцию числовой апертуры и радиуса сердцевины оптоволокна с градиентным профилем показателя преломления с единым альфа.

По левой оси у отложена числовая апертура (NA) оптической сердцевины, а по оси х - радиус (а) оптическогй сердцевины. Значения суммарных схемных потерь (выраженные в дБ), соответствующие данной паре параметров (NA, а), отображены по шкале серого на правой оси у.

Суммарные схемные потери измеряют на длине волны 850 нм в условиях многомодового ввода для измерения затухания, описанных в известном стандарте «Encircled Flux» или EF (IEC 61280-4-1). Принцип условий ввода, задаваемый стандартом EF, представлен на фиг. 8. EF задает интеграл выходной мощности оптоволокна по радиусу волокна.

Как проиллюстрировано на фиг. 7, для охарактеризования суммарных схемных потерь в соответствии с условиями стандарта EF на оптоволокно 70 в соответствии с изобретением воздействуют пятном вспышки света многомодового источника, соединенного с ним. Затем наблюдают картину ближнего поля пятна на выходе оптоволокна с помощью приемника 72 с последующей обработкой для оценки суммарных схемных потерь на уровнях Р1 и Р2. Другими словами, «суммарные схемные потери» означают потери, измеренные суммарно в местах соединений Р1 и Р2.

Как видно из фиг. 6, для приемлемых суммарных потерь радиус а оптической сердцевины должен превышать 20 мкм. Если желательно, чтобы критерий качества С был, например, таким, чтобы |C|<0,10, то числовая апертура должна будет превышать 0,30. Имея такие значения, числовая апертура NA и радиус а оптической сердцевины удовлетворяют критерию С качества, который задается в соответствии с приведенным выше уравнением (TV). В завершение объяснений к иллюстрации фиг. 6 приводится несколько дополнительных значений радиуса а сердцевины, числовой апертуры NA и критерия С для соответствующего изобретению оптоволокна, отображенных в приведенной ниже таблице 2 в сравнении с измеренными суммарными потерями.

Становится очевидным, что для значений NA 0,35 оптоволокно данного изобретения допускает больший радиус сердцевины, чем для значений NA 0,28, что позволяет получить уменьшенные суммарные потери.

И наконец, кроме улучшения отношений сигнал/шум увеличение числовой апертуры оптоволокна приводит к повышению числа оптических мод на многомодовых длинах волн. Число оптических мод, направляемых в волокно, является функцией числовой апертуры и радиуса оптической сердцевины. В частности, число направляемых оптических мод может быть определено посредством следующего уравнения:

где а - радиус оптической сердцевины;

Δ - нормированная разность показателей преломления с

;

α - не имеющий размерности параметр, который описывает форму профиля распределения показателя оптической сердцевины, заключенный в пределах от 1,9 до 2,2;

N - число оптических мод.

Заявленное изобретение относится к волоконно-оптической связи, а более конкретно к оптическому волокну, оптимизированному для обеспечения как одномодовой, так и многомодовой передачи. Заявленное оптоволокно содержит оптическую сердцевину и оптическую оболочку, окружающую оптическую сердцевину, при этом оптическая сердцевина имеет градиентный профиль показателя преломления с минимальным показателем преломления n₁ и максимальным показателем преломления n₀. Данное оптоволокно имеет числовую апертуру NA и радиус оптической сердцевины а, удовлетворяющие критерию С качества оптической связи, описываемому следующим уравнением: С=NA-0,02×α, где , Δ - нормированная разность показателей преломления; и тем, что упомянутые минимальный и максимальный показатели преломления n₁, n₀ и радиус а оптической сердцевины выбираются такими, чтобы NA>0,20, α>10 мкм и |C|<0,20. Технический результат - создание оптического волокна, которое является простым в изготовлении, значительно уменьшает модовые шумы на длине волны 1310 нм и 1550 нм, в то же время обеспечивая широкую модовую полосу частот на длине волны 850 нм, а также обеспечивает широкую модовую полосу частот для многомодовой передачи на дальние расстояния и поддерживает основную моду подобной требуемой для одномодовой передачи. 3 н. 12 з.п. ф-лы, 8 ил., 2 табл.

1. Оптическое волокно, содержащее оптическую сердцевину и оптическую оболочку, окружающую эту сердцевину, при этом оптическая сердцевина имеет градиентный профиль показателя преломления с минимальным показателем преломления n₁ и максимальным показателем преломления n₀; указанное оптоволокно отличается тем, что имеет числовую апертуру NA и радиус а оптической сердцевины, удовлетворяющие критерию С качества оптической связи, определяемому следующим уравнением:

C=NA-0,02×а,

где , с ,

Δ - нормированная разность показателей преломления;

и тем, что упомянутые минимальный и максимальный показатели преломления n₁, n₀ и радиус а оптической сердцевины выбираются такими, чтобы NA>0,20, а>10 мкм и |С|<0,20.

2. Оптическое волокно по п. 1, для которого указанные минимальный и максимальный показатели преломления n₁, n₀ и радиус а оптической сердцевины выбираются такими, чтобы |С|<0,10.

3. Оптическое волокно по п. 1 или 2, для которого указанные минимальный и максимальный показатели преломления n₁, n₀ и радиус а оптической сердцевины выбираются такими, чтобы |С|<0,05.

4. Оптическое волокно по п. 1 или 2, у которого радиус оптической сердцевины а>14 мкм, более конкретно а>19 мкм и даже еще более конкретно а>25 мкм.

5. Оптическое волокно по п. 1 или 2, у которого указанные минимальный и максимальный показатели преломления n₁, n₀ выбираются такими, чтобы NA>0,25, более конкретно NA>0,30 и даже еще более конкретно NA>0,34.

6. Оптическое волокно по п. 1 или 2, у которого градиентный профиль n(r) показателя преломления с единым альфа описывается следующим уравнением:

, причем r≤а,

где r - переменная, представляющая собой радиус этого оптического волокна;

α≥1 и является не имеющим размерности параметром, который описывает форму профиля распределения показателя оптической сердцевины.

7. Оптическое волокно по п.. 1 или 2, у которого оптическая сердцевина состоит из внутренней оптической сердцевины и внешней оптической сердцевины, окружающей внутреннюю оптическую сердцевину, и профиль показателя преломления которого представляет собой профиль n(r) показателя преломления со сдвоенным альфа, описываемым следующим уравнением:

где

где r - переменная, представляющая собой радиус оптоволокна;

r_t - радиус внутренней оптической сердцевины;

n₁' - максимальный показатель преломления внутренней оптической сердцевины;

n₂' - максимальный показатель преломления внешней оптической сердцевины;

Δ₁ - нормированная разность показателей преломления относительно внутренней оптической сердцевины;

Δ₂ - нормированная разность показателей преломления относительно внешней оптической сердцевины;

α₁≥1 и является не имеющим размерности параметром, который описывает форму профиля распределения показателя внутренней оптической сердцевины;

α₂≥1 и является не имеющим размерности параметром, который описывает форму профиля распределения показателя внешней оптической сердцевины.

8. Оптическое волокно по п. 1 или 2, у которого оптическая оболочка имеет вдавленную канавку, окружающую оптическую сердцевину.

9. Оптическое волокно, содержащее оптическую сердцевину и оптическую оболочку, окружающую эту сердцевину; при этом оптическая сердцевина имеет градиентный профиль показателя преломления с минимальным показателем преломления n₁ и максимальным показателем преломления n₀; указанное оптоволокно отличается тем, что имеет числовую апертуру NA и радиус а оптической сердцевины, удовлетворяющие критерию С качества оптической связи, определяемому следующим уравнением:

C=NA-0,02×а,

где , с ,

Δ - нормированная разность показателей преломления;

и тем, что упомянутые минимальный и максимальный показатели преломления n₁, n₀ и радиус а оптической сердцевины выбираются такими, чтобы С<0.

10. Оптическое волокно по п. 9, у которого радиус оптической сердцевины а>14 мкм, более конкретно а>19 мкм и даже еще более конкретно а>25 мкм.

11. Оптическое волокно по п.. 9, у которого указанные минимальный и максимальный показатели преломления n₁, n₀ выбираются такими, чтобы NA>0,25, более конкретно NA>0,30 и даже еще более конкретно NA>0,34.

12. Оптическое волокно по п. 9, у которого градиентный профиль n(r) показателя преломления с единым альфа описывается следующим уравнением:

, причем r≤а,

где r - переменная, представляющая собой радиус этого оптического волокна;

α≥1 и является не имеющим размерности параметром, который описывает форму профиля распределения показателя оптической сердцевины.

13. Оптическое волокно по п. 9, у которого оптическая сердцевина состоит из внутренней оптической сердцевины и внешней оптической сердцевины, окружающей внутреннюю оптическую сердцевину, и профиль показателя преломления которого представляет собой профиль n(r) показателя преломления со сдвоенным альфа, описываемым следующим уравнением:

где

где r - переменная, представляющая собой радиус оптоволокна;

r_t - радиус внутренней оптической сердцевины;

n₁' - максимальный показатель преломления внутренней оптической сердцевины;

n₂' - максимальный показатель преломления внешней оптической сердцевины;

Δ₁ - нормированная разность показателей преломления относительно внутренней оптической сердцевины;

Δ₂ - нормированная разность показателей преломления относительно внешней оптической сердцевины;

α₁≥1 и является не имеющим размерности параметром, который описывает форму профиля распределения показателя внутренней оптической сердцевины;

α₂≥1 и является не имеющим размерности параметром, который описывает форму профиля распределения показателя внешней оптической сердцевины.

14. Оптическое волокно по п. 9, у которого оптическая оболочка имеет вдавленную канавку, окружающую оптическую сердцевину.

15. Оптическая система, содержащая как минимум одно оптоволокно по любому из пп. 1-14.