TW408235B - Waveguide profile for large effective area - Google Patents

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TW408235B
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George Edward Berkey
Yanming Liu
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Corning Inc
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Description

經濟部中央標準局Η工消费合作社印製 408235 A7 ------；_____ B7 耳、發明説明（I ) 發明背景： 本發明侧祕有大的有效轉之單模光學波導纖維 。大的有效面積藉由使用低折射率心蕊中央區域並由相當 :高折射率環狀區域園繞著而達成。 最近已作；些研究以產生非常高性能之波導纖維，例 如使用於非常尚位元傳輸速率通訊系統之波導纖維，該系 丨統具有相隔長距離之再發器，該研究重點集中於具有複合 |折射率分佈之波導心蕊。該複合心蕊之一些範例可參考 i Bhagavatula之美國第5613027號專利（，〇27專利）。 在027專利已揭示出1系列心蕊折射率分佈，其主要 丨特徵在於最大相對折射率△%距離波導纖維中心線相當遠 「。該系列具有不尋常特性之分佈非常適合於高性能通訊系 :統。除此，可看到心蕊分佈糸列之一聲組成單元在設計上十 I分單純以及容易製造以及在價格上具有競爭性。在_207專 丨利中一項實施例包含具有心蕊，其心蕊之中央心蕊區域折 丨射率低於波導纖維之年層折射率。
Nouchi 等人之最近研究ECOC 1996，Oslo and 1WCS i Prcteedings·，pages 939-945, 1996發現該低折射率之中 央區域實碼例以及報導有效面積在60平方微米至1〇0平方 丨微米範圍内以及具有良好之彎曲阻抗。不過，研究並未注 重於零色散波長最佳位置以及截止波長之問題。 在此所揭示出以及說明之本發明顧及完整範圍之波導 纖維特性同哼產生有效面積大於100平方微米以及彎曲阻 :抗相當於標準階躍折射率之單模波導纖維。 本紙浪尺度適用中网國家橾準（CNS ) A4规格（2丨OX297公楚） , f ---.— 裝----,--1T------0 — 1--------------- (請先閲绩背而之注意本項再填^本瓦) 408235 A7 B7 發明説明（2 ) 經濟部中央敕準脅工消ί作社印製 :定義： -有效面積為A^2 ；r U E2rdry/U E4rdr)，其中積 ;分範圍為Ο至δ，以及Ε為傳播光線之電場。有效直徑d折定 :義為Aef^= 7Γ C〇eff/2)2。 丨-/^表示折射率相對量測値，其以下列定義： :Δ%=⑽xOi^W，其中㈣第一區域中最大折射 :率以及n2為參考區域折射率，通常採用包層區域折射率。 :-折射率分佈為在心蕊選擇區域内Δ%，或折射率與半振間 ;之關係。選郷段’及終jt點能夠藉由相對波導纖維中 :心線之寬度或半徑來表示。 -α分佈係指依照下列公式之折射率分佈， :η (Ο’α-Δ [r/a] σ)，其中r為半徑，△如上所定義，綠 丨:分佈中最後一點，在分佈笫一點處「為〇，以及α為界定分佈 ::开>狀之私數。其他折射率分佈包含形狀例如為階躍，梯形， .以及圓形化階躍，其中圓形化係由於摻雜劑擴散於快速折’ 射率變化之區域所致。 _波導纖維彎曲阻抗表示為在預先決定測試情況下所產丰 之衰減。在此之彎曲阻抗為針銷彎曲測試，其使用來比較 波導纖維由於彎曲之相對阻抗。為了進行該測試，先對實 質上不產生彎曲損耗之波導纖維量測衰減損耗。波導纖維 再編織於針銷陣列以及再量測衰減。彎曲產生之損^為兩 個量測衰減值間之差值。針銷陣列為一組十根圓柱形針鎖 排成單列以4保持固定垂直位置於平坦表面上。針銷中心 至中心距離為5ητη。針銷直徑為0.67^。在測試過程令，施 f請先WJ讀背面之注意事¾再¾¾本頁} .裝---- --訂 -------— 線--.--^--·. .I I II · 本紙張尺度適用中國國家播準（CNS ) Λ 4ΦΙ·^ (~2\ 0X29 7^> ) 408235
4 經濟部中央標準局员工消费合作社印製 加充伤之張力使得波導纖維順著部份針銷表面。 :發明大要： Bhagavatula之美國第5613〇27_專利研究辨識出次 :組之分佈，該1027專利顯示出特殊之特性而十分適用於I :性能之通訊系，。該申請案主要目標之次小組分佈特另二 :有優點，該命佈爲’027專利最單純之分佈。 " 新穎的單模波導纖維折射率包含心蕊區域，其由包層. I圍繞著。心蕊具有兩個區段，第一圓形區段位於波導長向 丨中心軸之中央以及鄰接環狀區段。每一區段特徵在於^ 率分佈，相對折射率，半徑或寬度。本說明書中相^折 丨射率以參考折射率nc表示，其為包層最小折射率。第—區. |段折射率Z^%在-0.05%至-〇_〇跳範圍内以及半徑在丄微^ ^至5微米範圍内。第二區段折射率在〇_5%至1_极範圍内以 i及寬度在1极米至20微米範圍内。該寬度由r量測 — :區段之最後一點。 — 第一或第二區段折射率分佈具有不同形狀例如為階缯， ，圓形化階躍，(2分佈，梯形，或三角形。對於任何分鈿之組 合，能夠求出./\%以及半徑以專生所需要之光纖特性。由於 第一區段具有相對於參考折射率nc為負值之折射率，^為 :包層最小折射率，第一區段分佈相對於糸二區段分佈^倒 :置的。 I ; 第一實施例包含為階躍，三角形及梯形第二區段分佈， 丨其將在下面詳細說明。 由新穎的折射率分佈產生之波導特性為有效面積八_ (請先閲讀背而之注意事項存填寫本页) 1裝- '-1 線 本紙版尺度適用中國國家德擎（CNS ) A4規格（ 210X 297 公後 A7 m 經濟部中央標率扃貝工消f合作社印製 五、發明説明（+) 大於100平方微米，總色散斜率在〇 · 〇7至〇 jps/耐_ kn範園 内，模場直徑在8至10微米範圍内，以及載止波長在15〇〇nm 至2000nm範圍内。該戴止波長在波導纖維未裝置為線纜肤 態下量測。線纜處理過程通常將減小截止波長約為_nm 至450nm使得新f的波導纖維單模在lOOOnm至160Qnm波長 範園内。波導孅^維當然能夠特別設計而具有不.同之截止波 長。 作為波長區分多工應用，特別在使用光學放大器系統 中，將零&散波長置於l530nm至1560nm操作頻窗外為有益 的。新穎的折射率分佈將產生該零色散波長，其將在下列 表中可看出。· . 本發明第二項中額外或第三區段能夠加入至分佈中以 改善波導彎曲以及微小彎曲性能而不會影響折射率分佈並 符合先前說·明功能規格之能力。第三區段具有負值折射率 -△3%在-0 _ 05%至-〇 ·既範圍内以及寬度％由第二區段最後 一點量測至第三區段最後一點，其在丄微米至2〇概米範圍内 。第一及第二區段參數範圍維持先前所說明情況。如同先 前所說明，第一及第二區段可具有不同的形狀例如為階躍， 圓形化，α分佈，梯形，或三角形。 另外一個實施例包含類似於第二環狀區段為正值相對 折射率之第四環狀區段，以及類似於第一及第三環狀區段： 為負值相對折射率之第五環狀區段。 ， 附圖簡單說罘： 圖1為所顯示階躍折射率分佈及丼變化情況之相對折， 本紙張尺度適财®目家播準（CNS ) Λ4規格（公# ： 丨裝 ；"--ΪΓ------線 (討先WI讀背面之注意亨邛再填¾本頁) + _ 40S235 五 發明説明 (夂） A7 B7 卜射率％與半徑關係圖。 圖2為所顯示三肖形折射率分佈之相對折射率％與半据 ::關係圖。 圖3為所顯示梯形折射率分佈及附加上第三分佈區段 I之相對折射率％與半徑關係圖。 | 圖4為本發南單模波導纖維之相對折射率％以及量測轉 丨播電％強度與半徑之關係圖。 . 附圖數字符號說明： 、/1¾躍折射率2;環狀區域4;虛線5;三角形區段8; 梯形區段10;梯形區段啤線14，電場強度曲線16; 第一區段18;第二區段2〇;虛線22;第二區段24。 :詳細說明： 丨。+此所說明單模波導纖維分佈為具有有益操作特性簡 ;單形式夂組合。本發明波導纖維為容易製造，其藉由提供 丨大的有效面積而限制非線性效應。其能夠達成大的有效面 丨積但是不會使彎曲及微彎曲性能受損。 經濟部中央標準局具工消费合作，社印製 簡化光纖製造主要因素在於特別地發展出一種製造波 導纖維處理過程，其令央分佈為負值相對折射率百分比，其 丨=參考折射輪包層最小折射率。該處理驗包含將接雜 ::1之破璃桿***至粉塵預製件，其已揭示於相關美國第^ .063441號專利申請案，該專利與本案申請日期為相同。該 :丨專利部份在邛加入作為參考之用。 . 本發明障躍折射率實施例之相對折射率△无與半徑關 ::係顯示於圓1中。.該圖主要特性為負值相對階躍^射 本紙張尺度逍财_諸準（CNS ) ( 2丨㈣刃公競) ε 408235 A7 B7 五、發明説明（匕） ί ' j其中央位於波導中心線上並由正值階躍折射率環狀區域4 |圍繞著。虛線6顯示折射率分佈2及4另外一種形狀。虛線5 ί所顯示負值折射率之環狀區域具有附加性負值折射率之第 |三心蕊區域/其使用最小包層折射率為參考折射率。 r 丨 本發明另外一項實施例顯示於圖2及3中。在圓2中負 ;值相對折射率區'域由三角形區段8之環帶圍繞著。在圖3 |中相對折射率與半徑關係曲線顯示出第一梯形區段2具有 i負值相對折射率，第二梯形區段扣具有正值相對折射率*以 丨及附加性第三梯形區段12具有負值相對折射率。如同先前 !所說明，附加性區段通常包含於對微彎曲以及彎曲為高阻 |抗之波導纖維中。 丨 已製造出依據本發明所揭示之波導纖維。該波導之分 |佈顯示於圖4中之曲線14。圓4分佈之中央部份或第一區段 18相當偏離半坦直線。其表示本發明所包含之形狀變化。 丨同樣地，第二區段20為圓形化之頂部及底部，其表示圓形化 丨階躍形狀適合實施本發明。苐二區段2〇<寬度2何藉由圓 :形化形狀向外延伸至水平軸求出，如虛線22所示。 卜 在心蕊中央區域中較低相對折射率之影響為波導所運 經濟部中央標準局员工消兜合作社印製 丨載光線能量由中心向外偏移。該能量偏移由電場強度曲線 ;16顯示出。 21 0X 297公赵：） 本％張尺度適州中國闽家#準（ 經濟部冲央榻準局貝工消舟合作社印11 408235 at ;_ _ B7 五、發明説明（7 ) 範例：階躍分佈 表工 「1 δ2% λ〇 斜率 ^eff λ. PA -.5 2.8 .78 1.9 1513 077 8.45 125 1857 6.2 -.5 2.9 • 88 1.7 1513 ,08 8.13 121 1868 4,6 -.4 3.5 .80 1.5 1508 .08 8.74 139 1911 4.2 -.3 3.4 • 8 1.6 1523 .076 8.43 1AS 1966 14 -.5 3.1 .93 1.6 1568 .082 8.1 125 1894 5.2 -.5 3.2 .93 1.6 1570 .082 8.0 129 1913 5.5 -.45 3.4 .93 1.6 1567 .082 8.0 135. 1960 4.1 -.4 3,3 .98 1.5 1570 .085 8.0 127 1938 3.4 -.35 3.4 1.03 1.3 1569 .089 8.35 134 1865 10.6 -.3 3.3 1.08 1.3 1570 .09 8.04 123 1910 2.6 -.3 3.4 1.08 1.3 1572 .09 8.03 125 1930 2.6 -.3 3.8 1.08 1.2 1573 .091 8.4 147 1910 14.2 表1中符號定義如下: -λ。為零色散波長以nm表示； -MFCK吏用Petermann II定義之模場直徑以微米表示； _ λ «:為計算之LPu模截止波長以nm表示； -PA為針銷陣列衰減以dB表示。 表1所顯示之數值為一些新辑分佈實施例所計算出之 '特性。可肴到大的有效面積，大的模場直徑及相當低針銷 陣列彎曲損耗。移動λ◦數值之設計變化亦可由表1顯現出 。表列數值允許人們選擇波導參數以滿足所需要之特性。 本Μ浓尺度適用中國囤家揣準（CNS )八4规格（210Χ 297公浼） ί。 i n H ^ f _ ΛΤ 11 i n ^ * r 】 (对先閲讀背面之注意本項再填3¾本頁) ' 408235 Α7 Β7 五、發明説明（f .對於在圖4中所顯示實際分佈，所量測波導以及預期特 性顯示於表2中。 表2 .触 預期 量測 1500-1600 1500-1584 斜率 ps/nmM<m 0·06-0.10 0.07-0.10 平方微米 §0-150 55-120 損耗dB 1-12 2.3-5.4 經濟部中央樣準局負工消f合作社印製 所預期以及量測之特性為十分一致,特別是在包含許 多處理步驟之波導纖維製造過程中。 範例：三角形分佈 表3 Δχ% rt Λ2% w2 λ〇 斜率 MFD Ac PA -5 2.7 1.35 2.3 1533 .081 8.21 110 1807 3.25 --5 2.8 1.2 2.5 1509 . 078 8.6 123 1808 7.8 -•45 2.9 1,25 2.4 1514 .080 8.52 123 1836 5.4 ~-4 3.1 1.25 2.3 15B .081 8.7 131 1840 0.45 -.3 3.4 1.3.2.1 1510 .083 8.9 140 1850 3.7 在表3所顯示數值顯現出新穎區段化心蕊設計有效地 提供光學波導纖維使用於高性能之通訊系統中。 本發明特定貪施例在此已加以揭示出及說明，本發明 只受限於下列之申請|利範圍。 本紙張尺度適州中囤囡家榀準（CTNS ) Λ4规格（21ϋχ297公:t ) Π -------：--:1 裝------ΪΤ------線 (对先閱讀背面之注意事項再堆，对本頁)

Claims (1)

  1. 408235 锰 ____- _ C8 ______—-D8 六、申請專利範園 1· 了，單模光學波導纖維，其具有中心線，其包含： 广焱區域，其具有第一圓形區段，該區段中央位於波導中. 線上]第—區段具有折射率分佈，相對折射率百分比 丨，以及半杈Γι，以及第二環狀區段，圍繞著及接觸第一區段， :第二區段具有气射率分佈，相對折射率百分比ΔΑ以及寬 丨度w!，^*ri向夕p量測至分佈或第二區段分佈向外延伸與. 丨半徑父會處或分佈向外延伸與半彳里交會處；以及 包層，其職私及接觸第二區段，包層具有折射率分佈 .，以及最小折射率為至少部份心蕊區域折射率大於nc; 其中△M-O.OS%至一〇_6〇%範圍内 ’△2%在〇.5%至1_6% ;範圍内，相對折射率百分比之參考折射率為微 :沭至5微米範圍内，以及Ά在1微米至20挺米範圍内。 2.依據申請專利範園第丄項之單模光學波導纖維，其中第二 區段折2率分佈為階躍折射率·形化折射率，在議 至丄·傲範圍内，以及％在1微米至4微米範圍内。 丨3‘依據申請專利範圍第2項之單模光學波導纖維，其中 i在〇_75%至〇_圍内，以及料在^微綠2微来範圍内。 經济部令央#準局！工消费合.作社印製 丨f依癉申請專利範圍第2項之單模光學料纖維，其中 丨在〇.胳至1.狀細内，以及微米至18微米範圍^。 5,依據申請專利範圍第1項之單模光學波導纖維，立中第二 i區段撕射率分佈為三角形折射率，△雜〇afel观圍 内，以及w2在1微米至20微米範圍内。 t依據申請專利範園第5項之單模光學波導纖維，其中△ % 在1·15δ至1_4%範園内。 1 本紙狀Μ财關CNS ) Λ4« { 210^297^^] Λ8 B8 C8 D8 申請專利範園
    408235 7_依據中請專利範圍料項之單模光學波 區段折射率分佈為梯形。 、T^— 8·依據申請專利範圍第1項之單模光學S導纖維，其中第二 區段折射率分佈為α分佈。 9 Tf t請專利<範圍第1項之單模光學波導纖維，其中第一 ，形區段之折&率分佈蝴置階躍，倒置_化階躍，倒置 _三角形，倒置梯形以及倒置α分佈種類選取出。 10〉種單模光學波導纖維，其具有中心線，其包含： /心蕊區域，其具有第一圓形區段，該區段中央位於波導中 〜線上，第區段具有折射率分佈，負值相對折射率百分比 "△1%’以及半徑ri，以及第二環狀區段，圍繞著及接觸第— 區段，第二區段具有折射率分佈，相對折射率百分比△#， 以及寬度W2，其由ri向外量測至分佈或第二區段分佈向外延 ..伸與半徑父會處或分佈向外延伸與半徑交會處；以及 J 經濟部中央標準局®:工消f合作社印製 包層，其圍繞著以及接觸第二區段，包層具有折射率分佈 ，^:及最小折射率為\，至少部份心蕊區域折射率大於 其中△1%，「1，^2%,奴2以及第一及第二區段折射率分佈 瓔擇辟產生有效面積大於100平方微來，總色散斜率在〇. 〇7 ps/nm^km至0_ iLOps/nnf-km範固内，模場直徑在8微米至9 微米範圍内t以及LPU模未線纜化之戴止波長在1800nmi ‘ 2000nm範圍内。 11·依據申請專利範圍第11項之單模光學波導纖維，其中零 色散波長在1480nm至1530im範園内。 12·依據申請專利範圍第11項之單模光學波導纖維，其中零 本紙張尺度適用中國國家祐準（CNS )八4規格（210 X 297公放） 408235 Λ.8 B8 C8 D8 六;、申請專利範園 :色散波長在156Qnm至I600nm範圍内。 丨13_依據申請專利範圍第1;1項之單模光學波導纖維，其中中 )央區段之折射率分佈由倒置階確，倒置圓形化階躍，倒置三 丨角形，倒置梯形以及倒置α分佈種類選取出。 ;14.依據申請專;fj範圍第13_項之單模光學波導纖維，其中第 :^區段之折射率分佈由階躍，圓形化階躍，三角形，梯形以 :丨及α分佈種類選取出。 :15—種單模光學波導纖維，其具有中心線，其包含： 經 濟 部 t A 標 局 Μ 消 合 作 社 印 製 心萬區域，其具有第一圓形區段，該區段中央位於波導中 心線上，第一區段具有折射率分佈，相對折射率百分比 乂，以及半徑Q，以及第二環狀區段，圍繞著及接觸第一區段， :第二區段具有折射率分佈，相對折射率百分比八2%，以及寬 ρ度％，其由匕向外量測至分佈或第二區段分佈向外延伸與 i半徑交會處或分佈向外延伸與半徑交會處，第三區段具有 :折射率分佈，相對折射率百分比Δ3%，以及寬度^，；以及 包層，其圍繞著以及接觸第二區段，包層具有折射率分佈 ，以及最小折射率為nc，至少部份心蕊區域折射率大於心； 」其夕至-0.60½¾圍内，在o .燄 丨|範圍内，以及在-Ο.ΟϋδΟ%範園内，相對折射率百 ::分比之參考折射率微米至5微米範圍内，以及 :%在1微米至20微米範圍内。 \ 16·依據申請專利範圍第16項之單模光學波導纖維，其中第 二區段之折射率分佈由階躍，圓形化階躍，三角形，梯形以 ::及cr分佈種類選取出。 本紙張讀適财標準（CNS) ^麟（加幻们公货） . ABCD 408235 六、申請專利範園 ：! . .ί 17·依據申請專利範圍第16項之單模光學波導纖維，其中更 .丨/進一步包含類似於第二環狀區域之第四環狀區域以及類似 :於第三環狀區域之第五環狀區域。 {請先閱讀背而之注意事項再填"本頁) 經濟♦中央標"-局貝工消贤合作社印- 本紙張尺发逍用中囤國家摞準（CNS ) Λ4规格（210 X 297公釐）
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