Одномодовый волоконно-оптический волновод с управляемой дисперсией и способ его изготовления (варианты)

Одномодовый волоконно-оптический волновод с управляемой дисперсией и способ его изготовления (варианты)

Реферат

 

Одномодовый волновод предназначен для уменьшения энергетических потерь из-за четырехволнового смешения. Волновод содержит область стеклянной сердцевины, имеющую профиль распределения показателя преломления и окруженную слоем стеклянной оболочки, который имеет показатель преломления n_c меньший, чем по меньшей мере часть профиля распределения показателя преломления указанной области стеклянной сердцевины. Волновод включает множество участков вдоль своей длины и имеет изменяющуюся полную дисперсию, которая в заранее заданном диапазоне длин волн меняет знак от положительной к отрицательной и от отрицательной к положительной от одного участка к другому вдоль длины волновода. Изменяющаяся полная дисперсия включает по меньшей мере первую полную дисперсию D_i одного знака на некоторых участках и вторую полную дисперсию D_j противоположного знака на других участках, каждый участок состоит из сегментов ( dl_i, dl_j). Каждый сегмент имеет соответствующую по существу постоянную полную дисперсию (D_i, D_j), а длина волны нулевой дисперсии ₀ изменяется вдоль длины волновода между первым диапазоном, содержащим длины волн от 1480 до 1535 нм, при полной дисперсии, равной D_i, и вторым диапазоном, содержащим длины волн от 1565 до 1680 нм, при полной дисперсии, равной D_j. Соответствующим выбором изменений величин полной дисперсии и длин участков формируют линию связи, в которой участки прохождения сигнала, имеющие нулевую дисперсию, имеют малую длину. Изменение полной дисперсии приводит к тому, что линия связи оказывает заранее заданное дисперсионное воздействие на проходящий сигнал в заданном диапазоне длин волн. Согласно способу изменяют свойства волновода, выбираемые из группы, включающей геометрию волновода, показатель преломления волновода, профиль распределения волновода и состав волновода для изменения дисперсии вдоль длины волновода. Обеспечено снижение оптических потерь и дисперсии до заданной величины. 3 с. и 11 з. п. ф-лы, 30 ил.

Изобретение относится к одномодовым волоконно-оптическим волноводам с управляемой дисперсией и к способу изготовления таких волноводов.

Применение в телекоммуникационных сетях мощных лазеров, оптических усилителей, многоканальных линий связи и более высоких скоростей передачи данных привело к исследованию конструкций волоконно-оптических волноводов, которые могут уменьшить деградацию сигнала из-за нелинейных эффектов в волноводе.

Особый интерес представляют такие конструкции волноводов, которые могут по существу подавить четырехволновое смешение. При конструировании волоконно-оптических волноводов возникает дилемма: минимизация четырехволнового смешение при сохранении в то же время характеристик, необходимых для систем, имеющих большие расстояния между регенераторами. То есть для того, чтобы по существу подавить четырехволновое смешение, волоконно-оптический волновод не должен работать вблизи нуля его полной дисперсии, поскольку четырехволновое смешение происходит, когда дисперсия мала, например меньше, чем 0,5 пс/нм/км. С другой стороны, форма сигналов с длиной волны, отличной от той, которая соответствует нулевой дисперсии, ухудшается из-за наличия полной дисперсии.

Одним из способов решения этой проблемы является конструкция системы, в которой используются волоконно-оптические волноводы, одни отрезки которых имеют положительную полную дисперсию, а другие - отрицательную. Если усредненная по длине дисперсия для всех сегментов кабеля близка к нулю, то расстояние между регенераторами может быть большим. Однако по существу сигнал никогда не проходит через такой отрезок волновода, где дисперсия близка к нулю, следовательно, четырехволновое смешение предотвращается.

Сложность такой конструкции заключается в том, что кабели связи между регенераторами должны быть подобраны так, чтобы обеспечить требуемую усредненную по длине дисперсию. Обеспечение идентичности дисперсии кабеля от его изготовления на заводе до установки является дополнительной задачей и источником ошибок. Кроме того, необходимость обеспечения не только требуемой дисперсии, но и требуемой длины кабеля, имеющего данную дисперсию, увеличивает трудность изготовления и стоимость системы. При необходимости замены кабелей возникают дополнительные проблемы.

Настоящее изобретение решает эти проблемы тем, что каждый отдельный волновод сам содержит систему управления дисперсией. В каждый волоконно-оптический волновод конструктивно заложена заранее заданная величина усредненной по длине полной дисперсии, т. е. произведение полных дисперсий. Таким образом, все соединенные в кабель волоконно-оптические волноводы имеют по существу одинаковое значение произведения дисперсий, и нет необходимости применять специальный ряд кабелей для какой-либо конкретной части системы.

При этом потери мощности из-за четырехволнового смешения по существу отсутствуют или снижаются до заранее заданного уровня, в то время как дисперсия линии связи является заранее заданной величиной, например, по существу равной нулю.

Обозначения - "Дисперсия" обозначает уширение импульса и выражается в пс/нм/км.

- "Произведение дисперсии" обозначает произведение дисперсии на длину и выражается в пс/нм.

- "Фазовое рассогласование" обозначает разность фаз между взаимодействующими волнами различных центральных длин волн, которые могут взаимодействовать посредством четырехволнового смешения.

- "Период" - это длина волоконно-оптического волновода, в пределах которой содержится участок с положительной дисперсией, участок с отрицательной дисперсией и переходный участок, внутри которого дисперсия меняется от положительного до отрицательного значения.

- "Длина колебания" - это либо участок с положительной дисперсией, либо участок с отрицательной дисперсией, входящие в период. Если знак длины колебания не указан, положительная и отрицательная длины колебаний берутся равными.

Фазовое рассогласование пропорционально произведению дисперсии. Аналогично, накопленное фазовое рассогласование пропорционально сумме произведений дисперсии. Таким образом, общий принцип, определяющий потери мощности (эквивалентные энергетические потери), который иллюстрируется на Фиг. 6 и 7, заключается в том, что потери мощности меняются при изменении накопленного фазового рассогласования между сигналами. С возрастанием фазового рассогласования потери мощности увеличиваются.

Следовательно, лучше всего Фиг. 6 и 7 могут быть поняты, если рассматривать их как иллюстрацию связи между фазовым рассогласованием, с одной стороны, и полной дисперсией и длиной колебания, с другой стороны. Иными словами, Фиг. 6 и 7 показывают зависимость потерь мощности от фазового рассогласования, где фазовое рассогласование выражено через отдельные измеряемые характеристики волоконно-оптического волновода, то есть полную дисперсию и длину колебания.

"Разделение сигналов" выражается как разность частот соседних мультиплексированных сигналов в волоконно-оптическом волноводе. Например, для систем, представленных в этом описании, разделение сигналов составляет 200 ГГц.

Настоящее изобретение удовлетворяет требованиям, предъявляемым к длине волоконно-оптического волновода, и в то же время обеспечивает поддержание произведения полной дисперсии, равной заранее заданному значению, удовлетворяя требованиям системы связи. Каждый волоконно-оптический волновод взаимозаменяем с любым другим волоконно-оптическим волноводом, предназначенным для этой системы связи. Таким образом, чтобы удовлетворить требованиям линий связи, нет необходимости специально подбирать длину кабеля и его полную дисперсию.

Одним из аспектов изобретения является одномодовый волоконно-оптический волновод, имеющий жилу (сердцевину), окруженную оболочкой. Жила характеризуется профилем распределения показателя преломления, который характеризуется показателем преломления в каждой точке вдоль радиуса жилы. Чтобы свет распространялся вдоль жилы, профиль распределения должен быть таким, чтобы по меньшей мере в его части показатель преломления жилы превышал показатель преломления оболочки. Для большинства применений оболочка имеет по существу неизменный показатель преломления, хотя имеются некоторые предпочтительные конструкции, в которых показатель преломления непостоянен.

В этом аспекте согласно изобретению волоконно-оптический кабель выполнен так, что вдоль его длины дисперсия меняется в некотором диапазоне положительных и отрицательных значений. Произведение дисперсии, соответствующее длине l и выраженное в пс/нм, равно D пс/нм/км1 км. Положительная величина пс/нм компенсирует равную отрицательную величину пс/нм. Обычно дисперсия, соответствующая длине l_i, изменяется от точки к точке вдоль l_i. То есть дисперсия D_i лежит внутри заранее заданного диапазона дисперсий, но может изменяться от точки к точке вдоль l_i. Чтобы выразить вклад l_i в произведение дисперсии в пс/нм, l_i разбивают на сегменты dl_i, внутри которых соответствующая дисперсия по существу постоянна. Тогда сумма произведений dl_iD_i характеризует вклад в произведение дисперсии, соответствующий длине l_i. Отметим, что в пределе, при котором dl_i стремится к нулю, сумма произведений dl_iD_i просто стремится к интегралу от dl_iD_i по длине l_i. Если вдоль всего участка l_i дисперсия по существу постоянна, то сумма произведений просто равна l_iD_i.

Полную дисперсию волоконно-оптического волновода задают, управляя дисперсией D_i каждого элемента dl_i так, чтобы сумма произведений D_idl_i была равна заранее заданной величине, соответствующей конкретной системе.

Поскольку эта система волноводов наиболее эффективна в мультиплексированных системах, в одном из вариантов выполнения изобретения управляют суммой произведений так, чтобы она равнялась заранее заданной величине в диапазоне длин волн, в котором происходит уплотнение сигналов.

Для высокоскоростных систем, в которых расстояния между регенераторами велики, предпочтительно может быть выбран диапазон длин волн от 1525 нм до 1565 нм, который представляет собой окно малого затухания. В этом случае в предпочтительном варианте выполнения изобретения сумма произведений стремится к нулю в этом диапазоне длин волн.

Значения D_i устанавливают не меньше 0,5 пс/нм/км, чтобы избежать четырехволнового смешения, и не более приблизительно 20 пс/нм/км, чтобы не потребовались слишком большие отклонения параметров волоконно-оптического волновода.

Также длина, на которой сохраняется данная полная дисперсия, обычно превышает приблизительно 0,1 км. Этот нижний предел уменьшает потери мощности (см. Фиг. 7) и упрощает процесс изготовления.

Период одномодового волновода с управляемой дисперсией определяется как сумма длины первого участка, полная дисперсия которого лежит в пределах первого диапазона, длины второго участка, полная дисперсия которого лежит в пределах второго диапазона, причем в первом и втором диапазонах дисперсия имеет противоположный знак, и длины участка, на котором величина дисперсии меняется от первого до второго диапазона. Эти три участка не обязательно располагают рядом друг с другом, так как управляют суммой произведений Ddl по всей длине волоконно-оптического кабеля. Однако, чтобы облегчить процесс управления, эти три участка обычно расположены следующим образом: первый участок, за которым после переходного участка следует второй участок. Чтобы избежать четырехволнового смешения и любых связанных с этим потерь энергии на переходном участке, предпочтительно, чтобы та часть переходного участка, которая имеет соответствующую полную дисперсию меньше, чем приблизительно 0,5 пс/нм/км, была как можно короче, предпочтительно менее 500 м на переходную часть и предпочтительно составляла не более чем 10% от периода.

Изменить дисперсию на участке волновода можно многими способами, включающими изменение геометрии волновода, показателя преломления волновода, профиля распределения показателя преломления волновода или структуры волновода. В одном из вариантов выполнения изобретения заголовка жилы, выполненная одним из известных способов, может быть обработана так, чтобы жила имела участки уменьшенного диаметра. Это утоньшение может быть выполнено любым из нескольких способов, например нагревом и растягиванием одного или нескольких участков заготовки или удалением кольцеобразных областей заготовки механической обработкой, например шлифованием и полированием, химической обработкой, например травлением кислотой и полированием, или бомбардировкой частицами высоких энергий, например лазерной абляцией. Полученную жилу затем покрывают оболочкой любым из нескольких способов, включающих дисперсионное осаждение или использование трубок-оболочек, чтобы сформировать заготовку для вытягивания или заготовку, имеющую однородную, по существу цилиндрическую внешнюю поверхность.

В способе, аналогичном описанному выше, заготовка жилы обрабатывается так, чтобы она имела участки увеличенного диаметра. Заготовку жилы можно нагреть, и участки заготовки с противоположных сторон нагретой области могут быть сжаты в направлении нагретой области, чтобы вызвать утолщение или вспучивание нагретого участка. Полученную в результате жилу покрывают оболочкой с формированием заготовки для вытягивания.

При вытягивании заготовки для вытягивания в волокно постоянного диаметра радиус жилы волновода уменьшится в соответствии с уменьшением радиуса заготовки жилы. Уменьшения диаметра приблизительно от 5% до 25% достаточно, чтобы добиться желаемого изменения дисперсии от положительной к отрицательной. Уменьшение на 25% может понадобиться только в случаях, когда абсолютная величина полной дисперсии составляет примерно 20 пс/нм/км. Для большей части применений достаточно изменения дисперсии на 5-10%. Как и раньше, управляемой величиной является сумма произведений D_idl_i и D_jdl_j, где D_i - полная дисперсия, соответствующая уменьшенному радиусу r_i, которая лежит в пределах первого диапазона значений, а D_j - полная дисперсия, соответствующая уменьшенному радиусу r_j, которая лежит в пределах второго диапазона значений. В рабочем диапазоне длин волн D_i и D_j имеют разные алгебраические знаки.

Изменения диаметра жилы могут быть также получены путем уменьшения диаметров участков слитка или заготовки для вытягивания, имеющей по существу одинаковый диаметр жилы, а затем вытягивания этой заготовки с получением волоконно-оптического волновода одинакового диаметра. При этом жила волновода будет иметь сегменты уменьшенного диаметра, соответствующие тем сегментам заготовки для вытягивания, у которых диаметр не был уменьшен.

В другом варианте выполнения изобретения показатель преломления волоконно-оптической жилы меняется вдоль волновода. Показатель преломления можно изменить облучением оптического волокна электромагнитным излучением или бомбардировкой волновода субатомными частицами, например электронами, альфа-частицами или нейтронами. Каждая частица характеризуется соответствующей волной де Бройля. Поэтому можно описать бомбардировку частицами как воздействие излучением с длиной волны, соответствующей дебройлевской. Предпочтительно для формирования изменения показателя преломления жилы использовать облучение ультрафиолетовым светом. Учитывая свойства материала для полимерного покрытия, используемого для защиты волоконно-оптического волновода, ультрафиолетовым облучением воздействуют после того, как волокно прошло горячую зону печи, но до нанесения полимерного покрытия. Даже такое малое изменение показателя преломления как 510^-6 может ограничить четырехволновое смешение. Предпочтительно, чтобы изменение показателя преломления превышало 1,010^-3.

Изменение показателя преломления приводит к изменению полной дисперсии, что позволяет управлять суммой произведений D_idl_i и D_jdl_j. D_i - это полная дисперсия, соответствующая первому диапазону показателя преломления. D_j - полная дисперсия, соответствующая второму диапазону показателя преломления. D_i и D_j имеют разные алгебраические знаки.

Любой из большого числа профилей изменения показателя преломления обеспечивает требуемую гибкость волновода в отношении подстройки дисперсии, изменяя тем самым полную дисперсию. Подробно это описано в патенте США 4715679 и в заявках на патент США 08/323795, 08/287262 и 08/378780.

Конкретный набор профилей изменения показателя преломления, который обеспечивает создание волновода согласно изобретению, включает центральную часть области сердцевины, имеющую некий показатель преломления, и по меньшей мере одну кольцевую часть, окружающую центральную часть и имеющую другой профиль изменения показателя преломления. Оптические волокна, имеющие такой тип профиля изменения показателя преломления, называются волокнами с сегментированной жилой. Центральная часть может иметь альфа-профиль, то есть такой профиль изменения показателя преломления, который описывается уравнением n(r) = n_o[1-(r/a)], где n - показатель преломления, n_о - максимальный показатель преломления, r - переменный радиус, а - радиус жилы оптического волокна, - относительный показатель преломления и - положительное число. определяется как (n₁ ²-n₂ ²)/2n₁ ², где n₁ - максимальный показатель преломления в области жилы, a n₂ - показатель преломления в области слоя стеклянной оболочки.

В еще одном варианте выполнения изобретения профиль изменения показателя преломления включает по существу постоянную центральную область, имеющую показатель преломления по существу одинаковый с показателем преломления стеклянного покрытия, и соседнюю кольцеобразную область, имеющую изменяющийся в виде скругленной ступеньки показатель преломления. Для простоты и облегчения изготовления предпочтительно, чтобы профиль изменения показателя преломления имел постоянную центральную область и одну кольцеобразную окружающую область со ступенчато изменяющимся показателем преломления. В предпочтительном варианте выполнения изобретения этот простой профиль изменения показателя преломления имеет максимальный относительный показатель преломления примерно 1%, а отношение a₁/а - приблизительно 0,5, где а₁ и а определены на Фиг. 4.

Другим аспектом изобретения является одномодовый оптический волновод, имеющий несколько участков l_i, которые состоят из сегментов dl_i, в пределах которых соответствующие дисперсии D_i по существу постоянны, причем нули дисперсии D_i лежат в первом диапазоне длин волн. Оставшиеся участки l_j, которые вместе с l_i и переходными участками составляют полную длину волоконно-оптического волновода, состоят из сегментов dl_j, в пределах которых соответствующие дисперсии D_j по существу постоянны, причем нули дисперсии D_j лежат во втором диапазоне длин волн, который не перекрывается с первым диапазоном длин волн. Термин не перекрывается означает, что диапазоны не имеют общих значений. Длины участков и дисперсии выбирают таким образом, чтобы алгебраическая сумма произведений dl_iD_i и D_jdl_j имели заранее заданные величины в заранее заданном диапазоне длин волн.

Для волоконно-оптических волноводов со сдвигом дисперсии предпочтительный заранее заданный рабочий диапазон длин волн системы составляет от 1525 нм до 1565 нм. Первый диапазон для нулей дисперсии составляет приблизительно от 1565 нм до 1680 нм, более предпочтительно от 1570 нм до 1680 нм, а второй диапазон - приблизительно от 1480 нм до 1535 нм. В такой системе сигналы связи по существу всегда проходят в волоконно-оптическом волноводе с ненулевой дисперсией, например с полной дисперсией не меньше, чем приблизительно 0,5 пс/нм/км, поэтому по существу предотвращается четырехволновое смешение. Однако полная дисперсия системы может быть по существу сделана нулевой, так что деградация из-за полной дисперсии, то есть дисперсия из-за материала плюс волновода, будет небольшой или вообще будет отсутствовать.

Еще одним аспектом изобретения является способ изготовления волоконно-оптического волновода с управляемой дисперсией. Изготавливают заготовку жилы, имеющую по меньшей мере один участок меньшего диаметра по отношению к остальной части заготовки жилы. Наносят оболочку, чтобы получить заготовку для вытягивания. Затем заготовку для вытягивания вытягивают в волоконно-оптический волновод, имеющий по существу постоянный внешний диаметр. Для сохранения номинальных параметров волоконно-оптический волновод не должен иметь пустот. Жила такого волновода будет иметь участок уменьшенного диаметра, соответствующий участку заготовки уменьшенного диаметра. Число, протяженность продольных участков уменьшенного диаметра и их глубину выбирают так, чтобы сумма произведений полных дисперсий на длины участков была равна заранее заданной величине в заранее заданном диапазоне длин волн. Как описано выше, если полная дисперсия на некотором участке изменяется, то этот участок делают состоящим из нескольких сегментов, имеющих соответствующую по существу постоянную дисперсию и характерное произведение полной дисперсии на длину участка на каждом из сегментов.

Альтернативным способом формирования изменений диаметра является уменьшение диаметра по меньшей мере одного участка заготовки для вытягивания, в которой жила имеет по существу постоянный размер радиуса.

Вытягивание волновода постоянного диаметра опять же приведет к формированию отклонений диаметра жилы. В этом случае диаметр жилы волновода будет меньше в тех соответствующих участках заготовки, диаметр которых не был уменьшен.

Уменьшение диаметра как заготовки жилы, так и заготовки для вытягивания может быть осуществлено с использованием любых способов, известных специалистам в данной области. Они включают последовательное применение шлифования и полирования, травления и полирования или нагрева и растягивания.

Альтернативно, изменения диаметра заготовки жилы могут быть сформированы нагреванием ее участков и сдавливанием этих участков с противоположных концов в сторону нагретой области с образованием вздутия.

Как указано выше, предпочтительно, чтобы длина участков уменьшенного диаметра превышала 0,1 км. Уменьшение диаметра предпочтительно должно составлять от 5% до 25% исходного диаметра жилы. Как указано выше, обычно достаточно уменьшения в диапазоне от 5% до 10%.

В варианте способа, который облегчает изготовление, участки уменьшенного диаметра равномерно распределены вдоль жилы или заготовки для вытягивания, образуя в волноводе пары уменьшенных и неуменьшенных участков волоконно-оптического волновода, которые связаны переходными участками, в которых диаметр изменяется от уменьшенного до неуменьшенного размера и наоборот. Если весь волновод образован из таких участков, то полную дисперсию легко можно сделать нулевой.

Можно сделать полную дисперсию и отличной от нулевой. В этом случае волоконно-оптический волновод формируют из нескольких пар участков, дисперсии которых взаимно компенсируются, и дополнительного участка, выполненного так, что он имеет заранее заданную величину произведения дисперсии на длину.

Еще одним аспектом изобретения является способ управления дисперсией на участке волоконно-оптического волновода, в котором увеличивают показатель преломления по меньшей мере на одном участке за счет ультрафиолетового облучения так, что имеется различие в полной дисперсии между облученным и необлученными участками. Процесс облучения предпочтительно проводится после вытягивания, но до нанесения покрытия на волновод. Как отмечено выше, предпочтительно, чтобы разность показателей преломления превышала приблизительно 110^-3%.

Эффективный способ облучения для уменьшения потерь мощности из-за четырехволнового смешения заключается в том, что на оптическое волокно подают по меньшей мере один импульс ультрафиолетового света с потоком энергии приблизительно 100 мДж/см² в течение приблизительно 10-20 нс, имеющий площадь пятна засветки приблизительно 1 см². При этом формируется изменение показателя преломления, достаточное для уменьшения потерь мощности из-за четырехволнового смешения.

Изобретение поясняется со ссылками на прилагаемые чертежи, где на Фиг. 1 иллюстрируется изменение полной дисперсии вдоль волоконно-оптического волновода, на Фиг. 2 показано, как можно менять нулевую дисперсию волоконно-оптического волновода, чтобы получить дисперсию, лежащую в заранее заданном диапазоне для заранее заданного окна пропускания волновода, на Фиг. 3 иллюстрируется волоконно-оптический волновод, имеющий двухмодовую дисперсию в заранее заданном диапазоне длин волн, на Фиг. 4 изображен график относительного показателя преломления дельта в зависимости от радиуса для простой конструкции, апроксимирующей двухмодовую дисперсию волновода, на Фиг. 5А изображен график, иллюстрирующий зависимость потери мощности от мощности входного сигнала для системы, содержащей участки волновода, имеющие малую полную дисперсию, на Фиг. 5В изображен график, иллюстрирующий зависимость потери мощности от мощности входного сигнала для системы, содержащей участки волновода, имеющие большую полную дисперсию, на Фиг. 6 изображена зависимость полной дисперсии от потерь мощности, на Фиг. 7 изображена зависимость длины периода изменения полной дисперсии от потерь мощности, на Фиг. 8 изображена зависимость длины переходного участка от потерь мощности, на Фиг. 9 схематично изображено устройство для вытягивания оптического волокна и его облучения до нанесения покрытия, на Фиг. 10А иллюстрируется продольное сечение заготовки жилы, имеющей участки с уменьшенным диаметром, на Фиг. 10В иллюстрируется нанесение частиц стекла оболочки на заготовку жилы, на Фиг. 10С иллюстрируется волнообразный характер поверхности, который может иметь место на заготовке для вытягивания в результате изменений диаметра заготовки жилы, на Фиг. 10D иллюстрируется продольный разрез участка жилы, показанный на Фиг. 10А, со слоем оболочки, имеющим цилиндрическую внешнюю поверхность, на Фиг. 11А иллюстрируется способ периодического уменьшения диаметра участков заготовки жилы, на Фиг. 11В показан температурный профиль пламени горелки, изображенной на Фиг. 11А, на Фиг. 12 изображено в увеличенном масштабе сечение жилы, показанное на Фиг. 11А, на Фиг. 13 иллюстрируется охлаждение участков заготовки жилы, соседних по отношению к участкам, которые нагревают и растягивают, на Фиг. 14 иллюстрируется устройство для ограничения пламени горелки для воздействия на узкие участки заготовки жилы, на Фиг. 15 показан нагрев области паза на заготовке жилы, на Фиг. 16 показан нагрев заготовки жилы лазерным лучом, на Фиг. 17 показано, что для обработки пазов в заготовке жилы может быть использован лазерный луч, на Фиг. 18 иллюстрируется использование теплопроводящих втулок, на Фиг. 19 иллюстрируется, что заготовка жилы может быть нагрета с образованием периодически расположенных вздутий различного диаметра, на Фиг. 20-21 иллюстрируются способы вытягивания заготовки жилы с образованием периодически расположенных областей различного диаметра, на Фиг. 22 представлен график зависимости коэффициента отражения для оптического волокна с управляемой дисперсией, измеренного методом с временным разделением, на котором видны периодические провалы, указывающие на флуктуации диаметра жилы оптического волокна, на Фиг. 23А-23С показаны графики зависимости дисперсии от длины волны для оптических волокон, имеющих различные диаметры жилы, на Фиг. 24А показано продольное сечение заготовки для вытягивания, имеющей продольные участки уменьшенного диаметра, на Фиг. 24В показано продольное сечение волновода по существу с постоянным внешним диаметром, который получен вытягиванием заготовки для вытягивания, изображенной на Фиг. 24А, на Фиг. 25 иллюстрируется способ добавления втулок к заготовке для вытягивания для формирования продольных участков различного диаметра, на Фиг. 26 иллюстрируется способ помещения заготовки жилы внутрь образующей оболочку трубки, имеющей втулки, для формирования заготовки для вытягивания, имеющей продольные участки различного диаметра, на Фиг. 27-29 иллюстрируется другой способ формирования заготовки для вытягивания переменного диаметра, из которой вытягиванием может быть получено оптическое волокно с переменным диаметром и управляемой дисперсией, на Фиг. 30А и 30В иллюстрируется способ формирования заготовки для вытягивания, имеющей очень короткие переходные области.

Настоящее изобретение посвящено созданию одномодового волоконно-оптического волновода, у которого произведением дисперсии, выраженным в пс/нм, управляют на всей длине волновода. Таким образом, в системах мультиплексирования с частотным разделением потерь мощности из-за четырехволнового смешения можно в значительной степени избежать, а полную дисперсию системы можно сделать равной заранее заданной величине. Для многих систем передачи на большие расстояния, систем с большим расстоянием между регенераторами, высокоскоростных и мультиплексных систем желаемое заранее заданное значение полной дисперсии по существу равно нулю.

Если задавать дисперсию в каждом волокне, то нет необходимости подбирать совокупность волноводов, которые в результате их соединения для формирования линии связи создают по существу нулевую дисперсию. То есть благодаря тому, что полная дисперсия задается в каждом отдельном волоконно-оптическом волноводе, кабели, образующие систему, по существу обладают одинаковыми свойствами и поэтому взаимозаменяемы.

На Фиг. 1 графически изображена полная дисперсия, выраженная в пс/нм/км, в зависимости от длины волновода. Видно, что полная дисперсия изменяется между положительными значениями 2 и отрицательными значениями 4. В то время как на Фиг. 1 показано множество участков, имеющих отрицательную дисперсию, и множество участков, имеющих положительную дисперсию, требуются только один участок с отрицательной дисперсией и один с положительной. Разброс полной величины дисперсии, обозначенный 6, иллюстрирует тот факт, что полная дисперсия изменяется с длиной волны проходящего света. Горизонтальные линии в разбросе 6 представляют полную дисперсию для конкретной длины волны света. Обычно длина 8 волновода, характеризующаяся конкретной полной дисперсией, приблизительно равна 0,1 км. По существу не существует верхнего предела для длины 8, за исключением случая, когда такое ограничение вызвано требованием, чтобы сумма произведений длина соответствующая полная дисперсия была равна заранее заданной величине.

График полной дисперсии в зависимости от длины волны показан на Фиг. 2 и иллюстрирует конструктивные особенности одномодового волоконно-оптического волновода с управляемой дисперсией. Линии 10, 12, 14 и 16 представляют полную дисперсию для четырех разных волоконно-оптических волноводов. Как показано на чертеже, в узком диапазоне длин волн, рассмотренном для каждого волновода, дисперсия может быть апроксимирована прямой линией. Диапазон между 26 и 28 представляет собой тот диапазон длин волн, где должно быть произведено мультиплексирование. Любой участок волновода, который имеет длину волны, соответствующую нулевой дисперсии в диапазоне от 18 до 20, может быть скомбинирован с участком волновода, который имеет длину волны, соответствующую нулевой дисперсии в диапазоне от 22 до 24, с образованием волновода, имеющего заранее заданную полную дисперсию в рабочем окне 26-28.

Пример, основанный на Фиг. 2 Пусть рабочее окно составляет от 1540 до 1565 нм. Предположим, что наклон дисперсии в одномодовом волоконно-оптическом волноводе равен приблизительно 0,08 пс/нм²/км. Пусть линия 30 соответствует 0,5 пс/нм/км, а линия 32 - 4 пс/нм/км. Наложим условия, чтобы полная дисперсия в рабочем окне была приблизительно от 0,5 до 4 пс/нм/км.

Простая линейная апроксимация в этом случае дает диапазон длин волн, соответствующий диапазону 18-20 нулевой дисперсии, от 1515 до 1534 нм. Аналогичные вычисления дают для диапазона 22-24 нулевой дисперсии диапазон длин волн от 1570 до 1590 нм. Алгебраическое сложение полной дисперсии участков волоконно-оптического волновода, имеющих полную дисперсию, равную нулю, в пределах рассмотренных диапазонов, дает, что полная дисперсия лежит между 0,5 и 4 пс/нм/км.

Как описано выше, средства для сдвига длины волны, соответствующей нулевой дисперсии, включают изменение относительного радиуса или % вдоль заготовки жилы или заготовки для вытягивания.

Модельные расчеты показали, что возможны кривые двухмодовой дисперсии волновода, такие как 34 на Фиг. 3. Кривая 34 соответствует профилю распределения показателя преломления, показанному на Фиг. 4 сплошной линией. Конструкция оптических волокон, в которых проявляется двухмодовая дисперсия, описаны в заявке на патент США 08/287262. Кривая 34 содержит относительно плоские участки 34а и 34b и относительно крутой переходный участок 34с. Линия 35 на Фиг. 3 означает, что участком 34а с малой длиной волны _o и участком 34b с большой длиной волны _o можно эффективно управлять и в то же время они далеко разнесены. Место пересечения линией 37 кривой 36 или кривой 34 представляет среднее между высокой и низкой дисперсиями волновода. Как это проиллюстрировано в примере, основанном на Фиг. 2, в волоконно-оптических волноводах, имеющих двухмодовую дисперсию волновода, как показано на Фиг. 3, для формирования относительно больших изменений длины волны, соответствующей нулевой дисперсии, необходимы только небольшие изменения длины волны отсечки или пропорционального этой величине радиуса жилы. Кроме того, волокна, которые имеют дисперсионные характеристики, представленные кривой 34, имеют следующее преимущество. В волокнах с управляемой дисперсией, которые имеют чередующиеся участки с большим и меньшим диаметром жилы, процесс изготовления может быть сведен к формированию небольших отклонений диаметра от конструктивно заложенного диаметра. Для иллюстрации этого утверждения предположим, что рабочими точками для участков волокна с разными диаметрами являются D₁ и D₂ на Фиг. 3. Если D₁ и D₂ расположены вдоль относительно плоских участков двухмодовой кривой, то небольшие флуктуации диаметра жилы или длины волны отсечки около D₁ и D₂ не изменят значительно _o для участков с малым диаметром жилы и _o для участков с большим диаметром жилы.

Идеальным профилем может считаться профиль, представленный кривой 38 на Фиг. 4, где внутренний и внешний радиусы кольца жилы обозначены а и a₁ соответственно. Однако использование некоторых методов изготовления может сопровождаться диффузией легирующей примеси, что в результате приведет к размытию идеального проф