-
Hintergrund
der Erfindung
-
Die
Erfindung ist auf eine optische Monomode-Wellenleiterfaser gerichtet,
die für
Telekommunikationssystem mit einer großen Verstärkerbeabstandung und einer
hohen Datenrate ausgelegt ist. Insbesondere kombiniert der Monomode-Wellenleiter
eine ausgezeichnete Biegebeständigkeit,
eine niedrige Dämpfung
und eine große
effektive Fläche
Aeff, Merkmale, die für Unterwasseranwendungen erwünscht sind.
-
Ein
Wellenleiter, der eine große
effektive Fläche
aufweist, verringert nichtlineare optische Effekte einschließlich einer
Selbstphasenmodulation, eines Vierwellenmischens, einer Kreuzphasenmodulation
und nichtlinearer Streuprozesse, wovon sämtliche eine Verschlechterung
von Signalen in Hochenergiesystemen herbeiführen können. Im Allgemeinen schließt eine
mathematische Beschreibung dieser nichtlinearen Effekte das Verhältnis P/Aeff ein, wobei P eine optische Leistung ist.
Beispielsweise kann der nichtlineare optische Effekt durch eine
Gleichung beschrieben werden, die einen Ausdruck exp[P × Leff/Aeff] enthält, wobei
Leff eine effektive Länge ist. Somit erzeugt eine
Zunahme in Aeff eine Abnahme in dem nichtlinearen
Beitrag zu der Verschlechterung eines Lichtsignals.
-
Der
Bedarf in der Telekommunikationsindustrie nach einer größeren Informationskapazität über große Entfernungen
ohne eine elektronische Signalregenerierung hat zu einer Neuevaluierung
einer Auslegung für ein
Monomode-Faserindexprofil geführt.
Die Gattungen dieser Profilauslegungen, die als segmentierte Kernauslegungen
in dieser Anmeldung bezeichnet werden, sind im Detail in dem US-Patent
Nr. 4,715,679, Bhagavatula offenbart.
-
Der
Schwerpunkt dieser Neuevaluierung ist es gewesen, optische Wellenleiter
bereitzustellen, welche:
- – nichtlineare Effekte wie
etwa jene oben erwähnten
zu verringern;
- – für einen
Betriebswellenlängebereich
um 1550 nm einer niedrigen Dämpfung
optimiert sind;
- – kompatibel
zur optischen Verstärkern
sind; und
- – wünschenswerte
Eigenschaften optischer Wellenleiter wie eine etwa eine hohe Festigkeit,
eine Ermüdungsbeständigkeit
und eine Biegebeständigkeit
aufrecht erhalten.
-
Die
Definition von hoher Leistung und großer Entfernung ist nur in dem
Kontext eines bestimmten Telekommunikationssystems sinnvoll, wo
eine Bitrate, eine Bitfehlerrate, ein Multiplexierungsschema und
vielleicht optische Verstärker
spezifiziert sind. Es sind zusätzliche,
Fachleuten bekannte Faktoren vorhanden, die einen Einfluss auf die
Bedeutung von hoher Leistung und großem Abstand aufweisen. Jedoch
ist für
die meisten Zwecke eine hohe Leistung, eine optische Leistung größer als
ungefähr
10 mw. Bei bestimmten Anwendungen sind Signalenergiepegel von 1
mW oder weniger noch sensitiv auf nichtlineare Effekte, so dass
Aeff noch immer eine wichtige Erwägung bei
derartigen Systemen niedrigerer Leistung ist.
-
Eine
große
Distanz ist eine, bei welcher der Abstand zwischen elektronischen
Regeneratoren über 100
km sein kann. Die Regeneratoren sind von Verstärkern zu unterscheiden, die
optische Verstärkungseinrichtungen
verwenden. Eine Verstärkerbeabstandungen,
insbesondere in Systemen mit einer hohen Datendichte, kann weniger
als die Hälfte
der Regeneratorbeabstandung sein.
-
Um
eine geeignete Wellenlänge
für eine
multiplexierte Übertragung
bereitzustellen, sollte die Gesamtdispersion niedrig, aber nicht
Null sein, und eine geringe Neigung über dem Fenster der Betriebswellenlänge aufweisen.
In Systemen, in welchen die Unterdrückung einer potenziellen Solitonbildung
wichtig ist, sollte die Gesamtdispersion der Wellenlängenfaser
negativ sein, so dass die lineare Dispersion der nichtlinearen Selbstphasenmodulation,
die für
Hochleistungssignale auftritt, nicht entgegenwirken kann.
-
Eine
typische Anwendung für
eine derartige Wellenleiterfaser sind Unterwassersysteme, die, um ökonomisch
machbar zu sein, hohe Informationsraten über große Entfernungen ohne Regeneratoren
und über
ein erweitertes Fenster von Wellenlängen befördern müssen. Die vorliegende Erfindung
beschreibt ein neues Profil, das singulär zur Verwendung unter diesen
stringenten Bedingungen geeignet ist. Die gewünschten Eigenschaften der Wellenleiterfaser
für ein
derartiges System sind im Detail untenstehend offenbart.
-
Im
Stand der Technik wird Bezug genommen auf die EP-A-0724171, die
unter Bezugnahme auf 3a davon eine
optische Monomode-Wellenleiterfaser
beschreibt, umfassend einen segmentierten Kern, der zwei Segmente
und einen Mantel aufweist, der den Kern umgibt und in Kontakt mit
diesem ist. Die Radien, Brechungsindexdifferenzen und Brechungsindexprofile
der Kernsegmente sind ausgewählt,
eine Nulldispersionswellenlänge
von ungefähr
1562 nm, eine Dispersionsneigung von ungefähr 0,12 ps/nm2-km,
eine effektive Fläche
von ungefähr
86 μm und
eine Grenzwellenlängen
von ungefähr
1600 nm aufzuweisen, gemessen vor einem Verlegen.
-
Die
Aufmerksamkeit wird auch auf die EP-A-0789255 gerichtet.
-
Definitionen
-
Die
folgenden Definitionen sind in Übereinstimmung
mit einer üblichen
Verwendung im Stand der Technik.
- – Die Radien
der Segmente des Kerns sind hinsichtlich des Brechungsindex definiert.
Ein bestimmtes Segment weist einen ersten und einen letzten Brechungsindexpunkt
auf. Der Radius von der Wellenleiter-Mittenlinie zu dem Ort dieses
ersten Brechungsindexpunktes ist der Innenradius des Kernbereichs
oder – segments.
In gleicher Weise ist der Radius von der Wellenleiter-Mittenlinie
zu dem Ort des letzten Brechungsindexpunktes der Außenradius
des Kernsegments.
-
Der
Segmentradius kann in zweckmäßiger Weise
auf eine Anzahl von Arten definiert werden, wie in der Beschreibung
der 1 & 2 untenstehend
zu ersehen ist. In dem Fall der 2, von welcher
die Tabelle 1 abgeleitet ist, sind die Radien der Indexprofilsegmente
wie folgt definiert, wobei Bezug genommen wird auf ein Diagramm
von Δ% über Wellenleiterradius:
- – der
Radius des zentralen Kernsegments r1 wird
von der axialen Mittenlinie des Wellenleiters zu dem Schnittpunkt
des extrapolierten zentralen Indexprofils mit der x-Achse gemessen,
d. h. dem Δ%
= 0-Punkt;
- – der
Außenradius
r2 des ersten kreisförmigen Segments wird von der
axialen Mittenlinie des Wellenleiters zu dem Schnittpunkt des ersten
ringförmigen
Segmentprofils mit einer vertikalen Linie, die durch den Δ%-Punkt gezogen
ist, der die Hälfte
der Δ%-Differenz
zwischen dem ersten und dem zweiten ringförmigen Segmentprofil ist;
- – der
Außenradius
r3 des zweiten ringförmigen Segments wird gemessen
von der axialen Mittenlinie des Wellenleiters zu dem Schnittpunkt
des zweiten ringförmigen
Segmentprofils mit einer vertikalen Linie, die durch den Δ%-Punkt gezogen
ist, der Hälfte
der Δ%-Differenz
zwischen dem zweiten und dritten ringförmigen Segmentprofil;
- – der
Außenradius
jeder zusätzlicher
ringförmiger
Segmente wird analog zu dem Außenradius
der ersten und zweiten ringförmigen
Segmente gemessen; und
- – der
Radius des letzten ringförmigen
Segments wird von der Wellenleitermittenlinie zu dem Mittelpunkt
des Segments gemessen.
-
Die
Breite w eines Segments wird als der Abstand zwischen dem Innenradius
und dem Außenradius des
Segments genommen. Es ist zu verstehen, dass der Außenradius
eines Segments dem Innenradius des nächsten Segments entspricht.
-
Keine
besondere Bedeutung wird einer bestimmten Definition einer Brechungsindexprofil-Geometrie beigemessen.
Natürlich
müssen,
indem eine Modellberechnung ausgeführt wird, die Definitionen
konsistent wie hierin ausgeführt
werden.
- – Die
effektive Fläche
ist Aeff = 2π (∫E2r dr)2/(∫E4 r dr), wobeidie Integrationsgrenzen
Null bis ∞ sind,
und E das elektrische Feld ist, das dem sich ausbreitenden Licht zugeordnet
ist. Die effektive Fläche
ist wellenlängen-abhängig. Die
Wellenlänge, bei
welcher die effektive Fläche
berechnet wird, ist die Wellenlänge
bei oder nahe bei der Mitte des Betriebsfensters, für welches
die Wellenleiterfaser ausgelegt ist. Mehr als eine Aeff kann
einer Wellenleiterfaser zugeordnet sein, die über einen Bereich in der Größenordnung
von hunderten von Nanometern arbeitet.
- – Ein
effektiver Durchmesser Deff kann definiert
werden als Aeff = Π (Deff/2)2.
- – Der
relative Brechungsindex Δ%
ist durch die Gleichung Δ% = 100 × (n1 2 – n2 2)/2n1 2, wobei n1 der maximaleBrechungsindex
des Indexprofilsegments 1 ist, und n2 ein
Referenzbrechungsindex ist, der in dieser Anwendung als der Brechungsindex
der Mantelschicht angenommen wird.
- – Der
Ausdruck Brechungsindexprofil oder einfach Indexprofil ist die Beziehung
zwischen Δ%
oder dem Brechungsindex und dem Radius über einen ausgewählten Abschnitt
des Kerns.
- – Der
Ausdruck α-Profil
bezieht sich auf ein Brechungsindexprofil, das hinsichtlich Δ(b)% ausgedrückt wird, wobei
b ein Radius ist, der der Gleichung
Δ(b)% = Δ (bo)(1 – [|b – bo|/(b1 – bo)]α) folgt, wobei bo der radiale Punkt ist, an welchen der Index
ein Maximum ist, und b1 der Punkt ist, an
welchem Δ(b)%
Null ist, und b in dem Bereich von bi ≤ b ≤ bf ist, wobei Delta obenstehend definiert
ist, bi der Anfangspunkt des α-Profils
ist, bf der Endpunkt des α-Profils
ist, und α ein
Exponent ist, der eine reelle Zahl ist.
-
Andere
Indexprofile weisen einen Stufenindex, einen trapezförmigen Index
und einen gerundeten Stufenindex auf, in welchem das Runden typischerweise
aufgrund einer Dotiermitteldiffusion in Bereichen einer schnellen
Brechungsindexänderung
auftritt.
- – Die
Gesamtdispersion ist definiert als die algebraische Summe einer
Wellenleiterdispersion und einer Materialdispersion. Die Gesamtdispersion
wird im Stand der Technik manchmal als eine chromatische Dispersion
bezeichnet. Die Einheiten der Gesamtdispersion sind ps/nm-km.
- – Die
Biegebeständigkeit
einer Wellenleiterfaser wird als eine induzierte Dämpfung unter
vorgegebenen Testbedingungen ausgedrückt. Standardtestbedingungen
schließen
100 Wicklungen einer Wellenleiterfaser um einen Dorn von 75 mm Durchmesser
und eine Wicklung einer Wellenleiterfaser um einen Dorn von 32 mm
Durchmesser ein. Bei jeder Testbedingung wird die biegeinduzierte
Dämpfung üblicherweise
in Einheiten von dB/(Einheitslänge)
gemessen. In der vorliegenden Anmeldung ist der verwendete Biegetest
fünf Umdrehungen
der Wellenleiterfaser um einen Dorn von 20 mm Durchmesser, eine
fordernder Test, der für eine
rauere Betriebsumgebung der vorliegenden Wellenleiterfaser erforderlich
ist.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Die
neuartige Monomode-Wellenleiterfaser dieser Anmeldung erfüllt die
Anforderungen an ein Telekommunikationssystem mit einem guten Betriebsverhalten,
das hierin offenbart ist.
-
Die
Erfindung stellt eine optische Monomode-Wellenleiterfaser bereit,
umfassend:
einen segmentierten Kern, der ein erstes Segment,
das bei ungefähr
der Mittenlinie des Kerns beginnt, und ein α-Profil mit einem α-wert von
ungefähr
1 aufweist, ein zweites Segment, das an das erste Segment angrenzt
und ein steiles Indexprofil aufweist, und ein drittes Segment umfasst,
das an das zweite Segment angrenzt und ein gerundetes Stufenindexprofil
aufweist, wobei jedes Segment einen Radius ri,
ein Brechungsindexprofil und eine relativen Brechungsindexprozentsatz Δi%
aufweist, wobei i gleich der Anzahl von Segmenten ist, wobei das
erste Segment einen Δ1% in dem Bereich von ungefähr 0,75
bis 1,25, einen Radius r1 in dem Bereich
von ungefähr
1,5 bis 4,0 μm
aufweist, das zweite Segment einen Δ2% in
dem Bereich von 0,00 bis 0,15% und das dritte Segment eine Δ3%
in dem Bereich von ungefähr
0,2 bis 0,7, einen Mittelpunktradius r3 in dem
Bereich von ungefähr
4 bis 8 μm
und eine Breite in dem Bereich von ungefähr 0,5 bis 3 μm aufweist;
und
eine Mantelschicht, die den Kern umgibt und in Kontakt mit diesem
ist, wobei die Mantelschicht einen Brechungsindex nc aufweist;
wobei
die ri-, Δi%- und die Brechungsindexprofile gewählt sind,
bereitzustellen:
eine Dämpfung
bei 1550 nm von nicht größer als
0,25 dB/km, vorzugsweise weniger als 0,22 dB/km;
eine Nulldispersionswellenlänge in dem
Bereich von ungefähr
1565 nm bis 1600 nm;
eine Gesamtdispersion bei 1560 nm in dem
Bereich von ungefähr –3,5 bis –0,5 ps/nm-km,
vorzugsweise ungefähr –2 ps/nm-km;
eine
effektive Fläche > 60 μm2 bei 1550 nm; und
eine Grenzwellenlänge der
Faser in einer verkabelten Form in dem Bereich von ungefähr 1285
nm bis 1500 nm.
-
Außer wenn
spezielle Schritte in den Prozess eingefügt werden, werden die Brechungsindexprofile
der Segmente an Punkten angerundet sein, so sich der Brechungsindex
scharf ändert.
Die Abrundungen sind aufgrund einer Diffusion der Dotiermaterialien,
die verwendet werden, um den Basisglas-Brechungsindex zu ändern. Somit
kann jedwedes dieser Brechungsindexprofile an bestimmten Punkten
abgerundet werden. Beispielsweise wird ein steiles Indexprofil,
das einen positiven Δ%
aufweist, in typischer Weise abgerundete obere und untere Ecken
aufweisen.
-
In
einer Ausführungsform
der Erfindung weisen die Kernsegmente sämtlich ein positives Δ% auf.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die Mitte des Kernbereichs hinsichtlich einer
Dotiermitteldiffusion kompensiert worden, so dass der Brechungsindex
auf oder in der Nähe
der Wellenleiterfaser-Mittenlinie nicht relativ zu dem Rest des
Mittenprofils geändert
ist. Ein Beispiel einer derartigen Mittenlinien-Kompensation ist
in 3 gezeigt, wo das Dotiermittel Germanium ist.
Die diffusions-kompensierte Ausführungsform
zeigt eine mittlere Verbesserung in der Polarisationsmoden-Dispersion
von ungefähr
einem Faktor 5 relativ zu einem vergleichbaren unkompensierten Wellenleiterfaser-Profil.
Die Polarisationsmoden-Dispersion der neuartigen Wellenleiter faser
beträgt
weniger als 0,08 ps/(km)1/2, und in typischer
Weise weniger als ungefähr
0,04 ps/(km)1/2.
-
Ein
bevorzugter Bereich für
die Werte von Δ und
r ist:
- – Δ1%
in dem Bereich von ungefähr
0,85 bis 1,20;
- – r1 in dem Bereich von ungefähr 2,0 bis
3,5 μm;
- – Δ2%
in dem Bereich von ungefähr
0,00 bis 0,08%;
- – Δ3%
in dem Bereich von ungefähr
0,3 bis 0,7;
- – Mittelpunktradius
r3 in dem Bereich von ungefähr 5 bis
7,5 μm;
und
-
Breite
des dritten Segments in dem Bereich von ungefähr 0,8 bis 2,0 μm.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform
ist:
- – Δ1%
in dem Bereich von ungefähr
0,95 bis 1,15;
- – r1 in dem Bereich von ungefähr 2,5 bis
3,0 μm;
- – Δ2%
in dem Bereich von ungefähr
0,00 bis 0,04%;
- – Δ3%
in dem Bereich von ungefähr
0,3 bis 0,7;
- – Mittelpunktradius
r3 in dem Bereich von ungefähr 5 bis
7,5 μm;
und
- – Breite
des dritten Segments in dem Bereich von ungefähr 0,8 bis 1,5 μm.
-
In
noch einer weiteren Ausführungsform
ist die Mittenliniendiffusion entweder unkompensiert oder teilweise
kompensiert, so dass eine Einsenkung des Brechungsindex in der Mittenlinie
vorhanden ist, die ein Minimum Δ%
von nicht mehr als ungefähr
0,20 von Δ1% aufweist.
-
Die
Einsenkung ist typischerweise von der Form eines invertierten Konus,
d. h. der Scheitel des Konus zeigt nach unten, und der Radius an
dem breitesten Teil des Konus ist nicht größer als ungefähr 0,4 μm.
-
Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
-
In
den Zeichnungen zeigen:
-
1a & b Diagramme von Δ% über dem
Radius, wobei jeweils ein modelliertes Indexprofil ähnlich jenem
der Erfindung veranschaulicht ist;
-
2 ein Δ% über Radius-Diagramm,
das die Definitionen des Radius in der Breite zeigt, die in dieser Anmeldung
verwendet werden; und
-
3 ein
Diagramm von Δ% über Radius,
das eine Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
Der
neuartige optische Monomode-Wellenleiter ist durch eine segmentierte
Kernauslegung bereitgestellt, welche die unübli che Kombination von Eigenschaften
bereitstellt, die obenstehend offenbart sind. Diese Eigenschaften
werden durch ein Auswählen
einer geeigneten Brechungsindexprofilform jedes der Segmente und
ein Auswählen
des geeigneten relativen Brechungsindexdeltas Δi% und
des radialen Ausmaßes
ri der Segmente erreicht. Es ist bekannt,
dass die Profilparameter wechselwirken. Beispielsweise wird ein
Mittenbereichs-α-Profil,
das ein α von
ungefähr
1 aufweist, einen Radius unterschiedlich von einem Mittenbereich
haben, der einen trapezförmigen
Index aufweist, um Fasern bereitzustellen, die im Wesentlichen identische
Eigenschaften aufweisen.
-
Die
Definitionen des Radius, die hierin verwendet werden, sind in 2 gezeigt.
Der Radius des zentralen Segments ist durch eine Linie r1 gezeigt, die von der Kernmittenlinie zu
dem Schnittpunkt einer extrapolierten Linie 14 mit der
horizontalen Achse gezogen ist. Der Außenradius des Segments ist
eine Linie r2, die von der Mittenlinie zu
der vertikalen Linie gezogen ist, die von dem Punkt 18 nach
unten geht, der den Punkt markiert, wo der relative Brechungsindex
die Hälfte
der Differenz zwischen Δ2%, dem relativen Index des Segments 16 und Δ3%,
dem relativen Index des Segments 20 ist. Der Radius r3 des letzten Ringsegments 20 ist zu
dem Mittenpunkt 26 des Segments gezogen. Die Geometrie
ist vollständig
spezifiziert, wenn die Breite w des letzten Segments ausgewählt ist.
Diese Breite ist als eine Linie w gezeigt, die zwischen den Punkten 18 und 22,
den jeweiligen Punkten von halben Indexdifferenzen zwischen den
Segmenten 16 und 20 und dem Segment 20 und
dem Mantel 24 liegt. Der Radius der Mittenlinien-Einsenkung
ist als eine Linie 30 gezeigt, die horizontal von der Mittenlinie
an dem breitesten Punkt der Einsenkung eines invertierten Konus
gezogen ist.
-
Drei
computererzeugte Profile 2, 4 und 6 sind
in 1a gezeigt. Die Mittensegmente und die zugehörigen äußeren Ringsegmente
weisen entsprechende Nummern zur Klarstellung auf. Jedes Profil
weist eine Einsenkung eines invertierten Konus auf der Mittenlinie
auf. Indem die Gesamtform des segmentierten Kernindexprofils gegeben
ist, können
die Eigenschaften einer Wellenleiterfaser, die diese segmentierte
Kernform aufweist, berechnet werden. In dem Fall der 1a stellt
ein Profil 4 die gewünschten
Fasereigenschaften bereit. 1b zeigt
drei zusätzliche
segmentierte Kernprofile 8, 10 und 12.
In dieser Veranschaulichung ergibt das Profil 10 die gewünschten
Fasereigenschaften.
-
Das
Profil, das in 3 gezeigt ist, ist ein gemessenes
Profil einer Wellenleiterfaser, die ein Brechungsindexprofil in Übereinstimmung
mit der Erfindung aufweist. Die Tabelle 1 gibt die Kernindex-Profilparameter
für diese
Ausführungsform.
Die Mittenliniendiffusion ist in dieser Auslegung kompensiert.
-
-
Die
durchschnittlichen Eigenschaftswerte einer großen Anzahl von Wellenleiterfasern,
die unter Verwendung der Parameter der Tabelle 1 als Ziel hergestellt
wurden, betrugen:
- – Dämpfung bei 1550 nm – 0,204
dB/km;
- – Modemfelddurchmesser – 9,29 μm;
- – effektive
Fläche
bei 1550 nm – 70,9 μm2;
- – Nulldispersionswellenlänge – 1576 nm;
- – Gesamtdispersion
bei 1530 nm – (–5,565 ps/nm-km);
- – Gesamtdispersion
bei 1560 nm – (–1,892 ps/nm/km);
- – Grenzwellenlänge – 1429,6
nm in verkabelter Form; und
- – Polarisationsmodendispersion – 0,037
ps/(km)1/2.
-
Die
somit hergestellten Ergebnisse stellen eine Wellenleiterfaser bereit,
die in jeder Hinsicht zur Verwendung in rauen Umgebungen wie etwa
Unterwasser-Telekommunikationskabeln geeignet ist. Die Herstellungsergebnisse
dienen auch dazu, das Computermodell zu validieren.
-
Obwohl
bestimmte Ausführungsformen
der Erfindung hierin offenbart und beschrieben worden sind, ist
die Erfindung nichtsdestoweniger nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt.
