FI94185B - optical waveguides - Google Patents

Abstract

In an optical waveguide having a core and a cladding, in which the refractive index of the cladding drops in the inner region thereof, the refractive index of the core first rises from the outside in, then runs flatter or remains constant, then rises once again and then runs flatter or falls to a constant lower refractive index.

Description

9418594185

Valoaaltoj ohdinLight waves

Esillä olevan keksinnön kohteena on valoaaltojohdin varustettuna sydänosalla ja vaipalla, tämän vaipan taite-5 kertoimen vähentyessä sen sisäalueella.The present invention relates to a light waveguide provided with a core part and a sheath, the refractive index of this sheath being reduced in its inner region.

Tällainen taitekertoimen vähentyminen vaipan sisäalueella mahdollistaa sydänosan taitekertoimen lisäämisen sydänosan vähäisemmällä seostuksella. Vähäisemmän sydän-osaseostuksen yhteydessä myös perusaaltohäviöt ovat alhai-10 semmat sydänosassa, ja kuidut johtavat perusaallon pienemmällä kokonaisvaimennuksella.Such a reduction in the refractive index in the inner region of the sheath makes it possible to increase the refractive index of the core part with less alloying of the core part. With less core sub-doping, the fundamental wave losses are also lower in the core portion, and the fibers conduct the fundamental wave with less overall attenuation.

Perusaaltovaimennus voi lisääntyä käyrissä kuitu-osissa, joissa perusaaltoteho kanavoituu taitekertoimel-taan pienemmän vaippa-alueen kautta ulkoiseen vaippaosaan 15 ja säteilee hukkaan. On siten käytännössä sangen tärkeää löytää mahdollisuuksia ja keinoja tällä taitekertoimeltaan pienemmällä sisävaippa-alueella olevien käyrien kuitujen säteilyherkkyyden vähentämiseksi.The base wave attenuation may increase in curved fiber sections where the base wave power is channeled through the sheath area with a lower refractive index to the outer sheath portion 15 and radiates wasted. Thus, in practice, it is quite important to find opportunities and means to reduce the radiation sensitivity of the fibers of curves in this region of inner sheath with a lower refractive index.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on tarjota 20 käyttöön vaippataitekertoimeltaan pienempi valoaaltojohdin, jonka yhteydessä valoaaltojohtimien käyrien osien aiheuttamat häiriöt tulevat ainakin suurin piirtein vähennetyiksi. Tämä tarkoitus saavutetaan kuvatunlaisen puoli-johtimen yhteydessä keksinnön mukaisesti patenttivaatimuk-* 25 sen 1 tunnusmerkillisen osan avulla.The object of the present invention is to provide a light waveguide with a lower envelope refractive index, in connection with which the disturbances caused by the curved parts of the light waveguides are at least substantially reduced. This object is achieved in connection with a semiconductor as described according to the invention by means of a characterizing part of claim 1.

Seuraavassa selostetaan keksinnön erästä sovellu-tusmuotoa.An embodiment of the invention will now be described.

Kuvion 1 mukaisessa sovellutusesimerkissä valoaal-tojohdin käsittää kaksi sydänaluetta ja sekä kaksi ; 30 vaippa-aluetta M1 ja M2. Mainituilla alueilla on erilaiset taitekertoimet. Sydänalueissa ja K2 esiintyy kaksiportainen taitekertoimen muutos. Sydänalue K^, joka sijaitsee symmetrisesti puoliaaltojohtimen keskilinjan m suhteen ja jonka läpimitta on 2*aQ, on taitekertoimeltaan suurin, 2 94185 tämän taitekertoimen ollessa kuvionssa 1 käytettyjen tai-tekerroinsuureiden mukaisesti suureiden A3 + ^ verran vaippa-alueen Mj taitekerrointa suurempi.In the embodiment of Figure 1, the light waveguide comprises two core regions and two; 30 mantle areas M1 and M2. These areas have different refractive indices. In the cardiac regions and K2, there is a two-stage change in the refractive index. The core region K 1, which is located symmetrically with respect to the center line m of the half-waveguide and has a diameter of 2 * aQ, has the largest refractive index, 2 94185, this refractive index being greater than the refractive index of the sheath region Mj according to the or coefficient variables used in Fig. 1.

Sisäiseen sydänalueeseen Kj liittyy sydänalue K2, 5 jonka taitekerroin on sydänalueen Kj taitekertointa alhaisempi ja suureen verran vaippa-alueen Mj taitekerrointa suurempi. Sydänalueen K2 paksuus on a^ - aQ ja sen etäisyys valoaaltojohtimen keskilinjasta m on suuruudeltaan ao· Kuvion 1 mukaisessa sovellutusmuodossa sydänalueen Kj 10 taitekerroin on vakio. Sydänalueeseen Kj liittyvässä sy-dänalueessa palautuu sisävaipan Mj taitekertoimeen verrattuna suureiden Δ3 + ^ (sydänalueella Kj) verran suurempi taitekerroin taitekerroineroon a_·The inner core region Kj is associated with a core region K2, 5 whose refractive index is lower than the refractive index of the core region Kj and to a large extent higher than the refractive index of the sheath region Mj. The thickness of the core region K2 is a ^ - aQ and its distance from the center line m of the light waveguide is of the magnitude ao · In the embodiment according to Fig. 1, the refractive index of the core region Kj 10 is constant. In the core region associated with the core region Kj, the refractive index a_ · higher than the refractive index M_3 + ^ (in the core region Kj) is greater than the refractive index difference a_ ·

Taitekerroin pysyy vakiona myös sydänalueella K2· 15 Sydänalueeseen K2 liittyy vaippa vaippa-alueineenThe refractive index remains constant also in the heart area K2 · 15 The heart area K2 is associated with a sheath with its sheath areas

Mj ja M2· Vaippa-alueen Mj taitekerroinero on suuruudeltaan A3 vaippa-alueeseen M2 verrattuna. Koska vaippa sisältää taitekertoimeltaan alhaisemman alueen Mj, sanotaan vaipalla olevan alhaisemman taitekertoimen. Vaippa-alueen 20 Mj paksuus on a2 - aj.Mj and M2 · The refractive index difference of the jacket area Mj is A3 compared to the jacket area M2. Since the sheath contains a region Mj with a lower refractive index, it is said that the sheath has a lower refractive index. The thickness of the jacket area 20 Mj is a2 - aj.

Kuvion 1 mukaista taitekerroinprofiilia voidaan käyttää matemaattisena mallina yksitoimista kuitua varten. Sydämen ensimmäinen alue Kj (O - aQ) seostetaan esimerkiksi germaniumilla, jolloin sen taitekerroin lisääntyy. Sy-25 dämen toinen alue K2 (aQ - aj) seostetaan esimerkiksi germaniumilla tai fluorilla sen mukaisesti, onko epäyhtälön A > Δ3 vai Δ_<Δ3 oltava voimassa, jolloin ^3 merkitsee suhteellista taitekerroineroa ulkovaipan (M2) suhteen ja A suhteellista taitekerroineroa sydämen toisen alueen 30 (K2) ja sisävaipan (Mj) välillä. Sisävaippa (Mj) seoste- : taan fluorilla ja siten sen taitekerroin vähenee. Ulko- vaippa (M2) käsittää puhtaan kvartsilasin. Sydämen säde- suhde R ja taitekerroinsuhde R saadaan seuraavista kaa- a J Δ voista: 35 Ra - Vao (1) 3 94185 ja = Δ_ / (Δι + Δ3) (^)The refractive index profile of Figure 1 can be used as a mathematical model for a single-function fiber. The first region of the heart Kj (O - aQ) is doped with, for example, germanium, which increases its refractive index. The second region K2 (aQ - aj) of the Sy-25 is doped with, for example, germanium or fluorine according to whether the inequality A> Δ3 or Δ_ <Δ3 must be valid, where ^ 3 denotes the relative refractive index difference with respect to the outer sheath (M2) and A the relative refractive index difference 30 (K2) and the inner jacket (Mj). The inner sheath (Mj) is doped with fluorine and thus its refractive index is reduced. The outer shell (M2) comprises pure quartz glass. The radius ratio R of the heart and the refractive index ratio R are obtained from the following formulas J Δ: 35 Ra - Vao (1) 3 94185 and = Δ_ / (Δι + Δ3) (^)

Kuvio 2 esittää makrokäyryyshäviöitä arvolla Π = 5 1,55 μιη funktiona suureesta R^, suureen Ra ollessa para metrina pistesädettä WQ = 5,05 pm varten aallonpituudella Π = 1,55 pm ja dispersiominimin aallonpituudella = 1,305 pm. Perusaallon pistesäde WQ saadaan kaavasta: 10 WQ2 = 2*0 int * r3E2(r)dr/0 int « rE2(r)dr (3) jossa E(r) merkitsee perusaaltoaluetta kuidun keskilinjasta m mitatun etäisyyden r funktiona. Makrokäyryyshäviöt lasketaan 4,5 cm suuruista käyryyssädettä varten. Kuviosta 15 2 voidaan todeta, että molempia pistesäteitä, so. samoja jatkoshäviöitä, varten ovat käyryyshäviöt sydämen kaksi-vaiheprofiililla varustetun kuidun yhteydessä pienempiä kuin yksinkertaisella vaiheprofiililla varustetussa kuidussa. Arvoilla R * 1,5 ja R^ 0,3 ovat makrokäyryyshä-20 viöt vain 1/30 vastaavista häviöistä arvojen = 1 tai R = 1 yhteydessä. Pieniä käyryyshäviöitä saavutetaan alueella 0,2sR £0,4.Figure 2 shows the macro-curvature losses at Π = 5 1.55 μιη as a function of R ^, with Ra being a parameter for a point radius WQ = 5.05 μm at Π = 1.55 μm and a minimum dispersion wavelength = 1.305 μm. The point radius WQ of the fundamental wave is given by the formula: 10 WQ2 = 2 * 0 int * r3E2 (r) dr / 0 int «rE2 (r) dr (3) where E (r) denotes the fundamental wave area as a function of the measured distance r from the fiber centerline. Macro-curvature losses are calculated for a 4.5 cm radius of curvature. It can be seen from Fig. 15 2 that both point radii, i. for the same splice losses, the curvature losses for a fiber with a two-phase profile of the heart are smaller than for a fiber with a single phase profile. At R * 1.5 and R ^ 0.3, the macro-curvature losses are only 1/30 of the corresponding losses at = 1 or R = 1. Small curvature losses are achieved in the range of 0.2sR £ 0.4.

ΔΔ

Kuvio 3 esittää makrokäyryyshäviöitä arvolla Π * 1,55 pm funktiona käyryyssäteestä Rc yksinkertaisella , 25 ja kaksinkertaisella vaiheprofiililla varustettuja sydän- kuituja varten. Kuvion 2 tavoin säädetään tässäkin yhteydessä pistesäde WQ aallonpituudella Π - 1,55 pm ja disper-siominimi f)Q taas arvoihin 5,05 - 1,305 pm. Perusteena makrokäyryyshäviöiden vähentymiselle on perusaallon tehok-30 kaan taitekertoimen suureneminen sydämen toisen alueen . (K2^ johdosta. Makrokäyryyshäviöt määritetään pääasiassa perusaallon tehokkaan taitekertoimen ja ulkovaipan taitekertoimen välisen eron avulla.Figure 3 shows macro-curvature losses at Π * 1.55 μm as a function of the radius of curvature Rc for core fibers with single, 25 and double phase profiles. As in Fig. 2, the point radius WQ at the wavelength Π to 1.55 μm and the dispersion name f) Q are again set to 5.05 to 1.305 μm. The reason for the decrease in macro-curvature losses is the increase in the effective refractive index of the fundamental wave in the second region of the heart. (Due to K2 ^. Macro-curvature losses are mainly determined by the difference between the effective refractive index of the fundamental wave and the refractive index of the outer sheath.

Jatkoshäviöt ovat riippuvaisia pistesäteestä WQ ja 4 94Ί85 käyryyshäviöt pistesädeparametrista W , jolloin W saadaan 00 00 kaavasta: w„2 - 2Α2ηο<ηβ-ηο> (4) 5 Tällöin ne merkitsee perusaalloon tehokasta taitekerroin-ta, nQ ulkovaipan taitekerrointa ja k aaltokerrointa tyhjössä. Jatkos- ja käyryyshäviöiden pitämiseksi vähäisinä on suhteen W<o/Wo oltava mahdollisimman pieni.The continuation losses depend on the point radius WQ and 4 94Ί85 the curvature losses on the point radius parameter W, where W is given by 00 00 from the formula: w „2 - 2Α2ηο <ηβ-ηο> (4) 5 Then they denote In order to keep splice and curvature losses to a minimum, the ratio W <o / Wo must be as small as possible.

Kuvio 4 esittää suhdetta W^/V^ aallonpituudella 10 n = 1,55 pm funktiona suureesta R , suureen R ollessa pa- Δ ® rametrina pistesädettä WQ = 5,05 pm varten aallonpituudella nQ = 1,305 pm. Samoin kuin kuviossa 2 lisääntyy suhde W^/V^ suureen R& pienentyessä. Suureen Ra vakioarvoa varten saadaan alueella 0,2<R^<0,4 minimaaliset suhteen 15 W /W arvot.Figure 4 shows the ratio W ^ / V ^ at a wavelength of 10 n = 1.55 μm as a function of R, with R being the parameter Δ ® as a parameter for a point beam WQ = 5.05 μm at wavelength nQ = 1.305 μm. As in Fig. 2, the ratio W ^ / V ^ increases with decreasing R &. For a constant value of large Ra, minimum values of 15 W / W are obtained in the range 0.2 <R ^ <0.4.

co o MCVD-menetelmän avulla tapahtuvan esimuovausval-mistuksen yksinkertaistamiseksi voidaan sydämen ulkoalueella oleva fluori- tai germaniumseostuksella varustettu kvartsilasi korvata myös puhtaalla kvartsilasilla. Ku-20 vio 5 esittää tämän kuitutyypin taitekerroinprofiilia. Dispersiominimin nQ aallonpituudet ja makrokäyryyshäviöt aallonpituudella Π = 1,55 pm arvoilla ^ =0/265 %/ Δ 2 = 0 %, Δ3 “ 0,098 % ja aQ = 4,0 pm varustettua kuitua varten saadaan kuvion 5 tai 6 tavoin suureen R funktiona.co o In order to simplify the preforming production by the MCVD method, the fluorine- or germanium-doped quartz glass in the outer region of the heart can also be replaced by pure quartz glass. Figure 5 shows the refractive index profile of this type of fiber. The wavelengths of the dispersion minimum nQ and the macro-curvature losses at a wavelength Π = 1.55 μm for ^ = 0/265% / Δ 2 = 0%, Δ3 “0.098% and aQ = 4.0 μm for a fiber are obtained as a function of a large R as in Fig. 5 or 6.

a 25 Tämä kuitu sijaitsee arvolla R^= 0,27 alueella, jossa makrokäyryyshäviöt saavuttavat minimiarvot. Tällöin käyryys-säteeksi oletetaan 5 cm. Näiden kuvioiden perusteella voidaan myös tehdä se johtopäätös, että toinen sydänalue vähentää huomattavasti makrokäyryyshäviöitä ja samalla n 30 voi siirtyä.a 25 This fiber is located at R ^ = 0.27 in the range where the macro-curvature losses reach the minimum values. In this case, the radius of curvature is assumed to be 5 cm. From these figures, it can also be concluded that the second core region significantly reduces macro-curvature losses and at the same time n 30 can shift.

; Vähentyneellä vaippataitekertoimella ja kaksivai- heprofiililla varustettu kuitu tarjoaa tärkeitä lisäetuja. Se kestää paljon paremmin määrättyjen parametrimuutosten vaihtelut kuin yksinkertaisella kuituprofiililla varustet-35 tu kuitu. Kuviot 7 ja 8 esittävät sydänsäteen a^ muutosten 5 94185 vaikutuksen LP^-aallon raja-aallonpituuteen tai vastaavasti dispersiokertoimiin kuvion 5 mukaista kuitua varten. Tällöin dispersiominimin 0Q aallonpituus säädetään suunnilleen arvoon 1,305 pm valitsemalla käyttöön vastaavat 5 sydänsäteet. Kuvioista voidaan havaita, että sydänsäde-vaihtelut vaikuttavat voimakkaammin yksinkertaisella vai-heprofiililla varustettuun sydänkuituun. Sydänsädevaihte-lut eivät vaikuta läheskään niin voimakkaasti vaippatai-tekertoimeltaan pienempään ja kaksivaiheprofiililla varus-10 tettuun sydänkuituun. Niinpä sydänsäteen 5-prosenttinen muutos muuttaa LP^-raja-aallonpituutta arvoa Ra = 1 pm varten 0,05 pm, mutta arvoa R = 1,5 varten vain 0,007 pm.; A fiber with a reduced sheath tensile modulus and a two-stage profile offers important additional benefits. It is much more resistant to variations in certain parameter changes than a fiber with a simple fiber profile. Figures 7 and 8 show the effect of changes in the heart beam α4 94185 on the cut-off wavelength of the LP 2 wave or the dispersion coefficients for the fiber of Figure 5, respectively. In this case, the wavelength of the minimum dispersion 0Q is adjusted to approximately 1.305 μm by selecting the corresponding 5 core rays. It can be seen from the figures that cardiac beam variations have a stronger effect on the core fiber with a simple phase profile. Cardiac beam fluctuations do not affect the core fiber with a lower sheath or coefficient and with a two-phase profile. Thus, a 5% change in heart rate changes the LP 2 cut-off wavelength for Ra = 1 μm to 0.05 μm, but for R = 1.5 to only 0.007 μm.

aa

Vaippataitekertoimeltaan pienemmän ja kaksivaiheprofiililla varustetun sydänkuidun valmistukseen liittyvät tark-15 kuusvaatimukset siis pienenevät, jolloin tällainen kuitu voidaan valmistaa helpommin. Lisäksi pienemmällä vaippa-taitekertoimella ja kaksivaiheprofiililla varustetun sydänkuidun yhteydessä myös absorption ja hajonnan aiheuttamat vaimennushäviöt vähenevät sydämen ulkoalueella ta-20 pahtuvan kenttälaajenemisen perusteella.Thus, the accuracy requirements associated with the production of a core fiber with a lower sheath refractive index and a two-stage profile are reduced, whereby such a fiber can be produced more easily. In addition, in the case of a core fiber with a lower sheath refractive index and a two-phase profile, the damping losses due to absorption and scattering are also reduced due to the field expansion in the outer region of the heart.

# • ·# • ·

Claims (5)

1. Ljusvägsledare, som har en kärndel och en mantel, varvid kärndelen har ett inre omräde (Kl) med större 5 konstantbrytningsindex och ett omräde (K2) runt detta med mindre konstantbrytningsindex, och varvid kärndelen ytter-ligare omges av ett omräde (Ml), vilket har ett konstantbrytningsindex, som har hela 1jusvägsledarens tvärsnitts minsta konstantbrytningsindex, kännetecknad 10 av att kärndelsomrädenas a^aj, radiers förhällande Ra är 1,1 - 1,8, företrädesvis 1,3 - 1,6, varvid a0 är radien till kärnomr&det (Kx) med det större konstantbrytningsindexet och ax är radien till kärnomrädet (K2) med det mindre konstantbrytningsindexet .A light path conductor having a core portion and a sheath, wherein the core portion has an inner region (K1) with a larger constant refractive index and a region (K2) around it with a smaller constant refractive index, and wherein the core portion is further surrounded by a region (M1). , which has a constant refractive index having the minimum constant refractive index of the entire path path cross-section, characterized in that the radii of the core regions Δ aj, radius ratio is 1.1 - 1.8, preferably 1.3 - 1.6, where a0 is the radius of the core region. (Kx) with the larger constant refractive index and ax is the radius of the core region (K2) with the smaller constant refractive index. 2. Ljusvägsledare enligt patentkrav 1, känne tecknad av att värdet p& RA = 0,1 - 0,7, varvid Ra = {a_/a1 + a3) , där δ_ är skillnaden i brytningsindex mellan kärndelens och mantelns medelvärde och lägsta värde, a3 skillnaden i brytningsindex mellan mantelns maximala 20 brytningsindex och kärndelens, eller pä motsvarande sätt mantelns minsta brytningsindex.Light path conductor according to claim 1, characterized in that the value p & RA = 0.1 - 0.7, where Ra = {a_ / a1 + a3), where δ_ is the difference in refractive index between the mean value of the core part and the shell, a3 the difference in refractive index between the maximum refractive index of the mantle and the core refractive index, or correspondingly the minimum refractive index of the mantle. 3. Ljusv&gsledare enligt patentkrav 2, kännetecknad av att värdet pä R4 = 0,2 - 0,4.Light path conductor according to claim 2, characterized in that the value of R4 = 0.2 - 0.4. 4. Ljusvägsledare enligt patentkrav 2 eller 3, » 25 kännetecknad av att värdet p& RA är ungefär = 0,3.Light path conductor according to claim 2 or 3, characterized in that the value p & RA is approximately = 0.3. 5. Ljusvägsledare enligt nägot av föregäende patentkrav, kännetecknad av att värdet pi Ra är ungefär = 1,45.Light path conductor according to any of the preceding claims, characterized in that the value pi Ra is approximately = 1.45.