Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО С НЕБОЛЬШИМ НАКЛОНОМ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСПЕРСИИ В ОБЛАСТИ ЧАСТОТ ЭРБИЕВОГО УСИЛИТЕЛЯ
ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО С НЕБОЛЬШИМ НАКЛОНОМ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСПЕРСИИ В ОБЛАСТИ ЧАСТОТ ЭРБИЕВОГО УСИЛИТЕЛЯ

ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО С НЕБОЛЬШИМ НАКЛОНОМ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСПЕРСИИ В ОБЛАСТИ ЧАСТОТ ЭРБИЕВОГО УСИЛИТЕЛЯ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Оптическое волокно используется в системах со спектральным уплотнением каналов, работающих с легированным эрбием волоконным усилителем. Волокно имеет хроматическую дисперсию, абсолютное значение которой в диапазоне длин волн от 1530 до 1565 нм превышает 0,8 пс/(нм·км), а наклон характеристики дисперсии меньше 0,05 пс/(нм2·км). Оптическое волокно имеет потери, не превышающие 0,20 дБ/км, и сравнительно мало чувствительно к изгибу, эффективная площадь его поперечного сечения превышает 50 мкм2. Оптическое волокно имеет центральную жилу из прозрачного материала с максимальным показателем преломления n, и нанесенный на нее снаружи слой образующего оболочку материала с показателем преломления nl. Центральная жила имеет кольцо из прозрачного материала с минимальным показателем преломления n3, который меньше n2. Показатели преломления должны удовлетворять следующим условиям: 0,50 <(n>1-n2)/n2< 0,70 и - 0,30 <(n>3-n2)/n2< -0,05. Приведены примеры применения волокон с небольшим наклоном характеристики дисперсии как при положительной, так и при отрицательной дисперсии. Обеспечены низкие оптические потери. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2140095
Класс(ы) патента: G02B6/22, H04B10/18
Номер заявки: 98110790/28
Дата подачи заявки: 04.06.1998
Дата публикации: 20.10.1999
Заявитель(и): Люсент Текнолоджиз Инк. (US)
Автор(ы): Дейвид В.Пекхэм (US)
Патентообладатель(и): Люсент Текнолоджиз Инк. (US)
Описание изобретения: Настоящее изобретение относится к оптическим волокнам, в частности к волокнам, которые предназначены для использования в системах со спектральным уплотнением каналов (СУ-системах).
Предпосылки создания изобретения
Оптическая передача сигналов в последнее время находит все большее распространение в технике связи из-за чрезвычайно широкой полосы пропускания, которой обладает оптическое волокно. Полоса пропускания оптического волокна, имеющего толщину волоса и изготовленного из высококачественного стекла, обеспечивает возможность одновременной передачи по волокну тысяч телефонных переговоров и сотен телевизионных сигналов, передаваемых по различным каналам. Пропускная способность оптического волокна возрастает в СУ-системах, в которых несколько работающих с разными длинами волн каналов объединяются в одном волокне. Однако, в СУ-системе возникают нелинейные взаимодействия между каналами, такие, как 4-фотонное смешивание, которые существенно снижают пропускную способность системы. Принципиальное решение этой проблемы предложено в патенте США 5327516 (далее патент "516), в котором описано оптическое волокно, которое уменьшает такие нелинейные взаимодействия за счет введения небольшой по величине хроматической дисперсии в рабочей полосе частот. В этом патенте отмечено, что при увеличении количества сигналов, которые нужно передать по одному волокну в СУ-системе, увеличивается и оптическая мощность или нагрузка на волокно. При увеличении мощности возрастают также нелинейные эффекты. Поэтому целесообразно, чтобы оптическое волокно создавало небольшую хроматическую дисперсию в каждом канале СУ-системы.
В последнее время удалось существенно улучшить качество стекла (почти чистого диоксида кремния SiO2), которое используется для изготовления оптических волокон. Если в 1970 г. считалось, что приемлемые потери для стекловолокна составляют около 20 дБ/км, то сегодня эти потери обычно не превышают 0,25 дБ/км. Известно, что теоретически минимальные потери для стекловолокна составляют приблизительно 0,16 дБ/км при длине волны около 1550 нанометров (нм). Успешному развитию оптической передачи информации способствовало то, что такая длина волны лежит в диапазоне рабочих волн легированных эрбием волоконных усилителей, которые по этой причине стали основными из практически используемых оптических усилителей. В таких усилителях ионы эрбия, которым легировано стекловолокно, "откачивают" энергию в первом диапазоне длин волн (т.е. на волне длиной 980 нм) и высвобождают ее во втором диапазоне длин волн (т.е. в диапазоне волн от 1530 до 1565 нм), когда ионы эрбия возбуждаются передаваемыми в этом втором диапазоне волн оптическими сигналами. Такие усилители обеспечивают возможность усиления широкого спектра оптических сигналов и поэтому являются основными компонентами СУ-систем. В настоящее время известны различные способы передачи оптических сигналов, в том числе способ передачи одного терабайта информации в секунду (1Тбит = 1000 Гбит), основанный на использовании двадцати пяти (25) смежных каналов с независимой модуляцией каждых двух поляризованных мод на канал. Однако все известные в настоящее время конструкции оптических волокон характеризуются большой разницей хроматической дисперсии в рабочем диапазоне волн эрбиевого усилителя, что создает определенные проблемы с созданием СУ-систем, работающих в диапазоне волн от 1530 до 1565 нм (диапазон рабочих волн эрбиевого усилителя).
В последнее время большие усилия были затрачены на создание конструкции оптических волокон, имеющих плоскую характеристику дисперсии в широком диапазоне волн и позволяющих передавать сигналы с длинами волн и 1310, и 1550 нм. Однако такие волокна со "спрямленной характеристикой дисперсии" не получили широкого распространения и оказались экономически невыгодными из-за больших изгибных потерь и жестких допусков на точность изготовления.
В настоящее время известно оптическое волокно с небольшим наклоном характеристики дисперсии в диапазоне рабочих волн эрбиевого усилителя, у которого профиль показателя преломления напоминает форму тороида и которое изображено на стр. 259-260, опубликованной в OFC '95 Technical Digest статьи под названием "Dispersion-shifted single-mode fiber for high-bit-rate and multiwavelength systems". Это волокно состоит из наружного кольца, изготовленного из материала с высоким показателем преломления, и расположенной внутри него центральной жилы, изготовленной из материала с низким показателем преломления. В таком волокне, однако, оптические потери, обусловленные указанным профилем показателя преломления, составляют при длине волны, равной 1550 нм, около 0,22 дБ/км, что по крайней мере на десять процентов (10%) больше теоретически достижимого значения потерь. Кроме того, если предложенное в упомянутой статье решение и позволяет создать волокно с отрицательной хроматической дисперсией и низким наклоном характеристики в диапазоне рабочих волн эрбиевого усилителя, то создать волокно с положительной хроматической дисперсией и таким же небольшим наклоном характеристики в этом диапазоне волн оно не позволяет.
Таким образом, в настоящее время существует до сих пор не решенная проблема создания оптического волокна, которое было бы пригодно для работы в диапазоне волн эрбиевого усилителя и которое характеризуется: 1) оптическими потерями при длине волны, равной 1550 нм, меньше 0,22 дБ/км, 2) наличием небольшой хроматической дисперсии (абсолютное значение которой составляет по крайней мере 0,8 пс/(нм·км) и 3) небольшим наклоном характеристики хроматической дисперсии [меньшим 0,05 пс/(нм2·км)].
Краткое изложение сущности изобретения
Проблемы, присущие известным в настоящее время оптическим волокнам, решаются с помощью предлагаемого согласно изобретению оптического волокна, абсолютное значение хроматической дисперсии которого больше 0,8 пс/(нм·км) для всех длин волн в диапазоне от 1530 до 1565 нм. Оптическое волокно имеет центральную жилу из прозрачного материала с максимальным показателем преломления n1 и охватывающую ее снаружи прозрачную оболочку из материала с показателем преломления n2. Центральная жила имеет кольцо из прозрачного материала, минимальный показатель преломления n3 которого меньше показателя преломления n2. Для того, чтобы волокно имело низкие потери и небольшой наклон характеристики дисперсии в диапазоне волн длиной от 1530 до 1565 нм, указанные показатели преломления должны удовлетворять следующим условиям:
0,50 < (n1 - n2)/n2<0,70 и
0,30 < (n3 - n2)/n2< -0,05
В одном из рассмотренных ниже вариантов изобретения предлагается оптическое волокно с положительной хроматической дисперсией. Наклон характеристики дисперсии у этого волокна составляет около +0,043 пс/(нм2·км) во всем диапазоне длин волн от 1530 до 1565 нм, а его профиль показателя преломления формируется с помощью одного круглого кольца из легированного фтором материала, расположенного между легированной германием центральной жилой и наружной оболочкой из чистого диоксида кремния. Показатель преломления этого кольца меньше показателя преломления наружной оболочки.
В другом рассмотренном ниже варианте изобретения предлагается оптическое волокно с отрицательной хроматической дисперсией. Наклон характеристики у этого волокна также составляет около +0,043 пс/(нм2·км) во всем диапазоне длин волн от 1530 до 1565 нм, а формирование профиля показателя преломления осуществляется в нем с помощью двух круглых колец, изготовленных из материала с определенным показателем преломления и расположенных между центральной жилой из легированного германием материала и наружной оболочкой из чистого диоксида кремния. Первое круглое кольцо примыкает к центральной жиле и изготовлено из легированного фтором материала, у которого показатель преломления меньше, чем у наружной оболочки. Второе круглое кольцо примыкает к наружной оболочке и изготовлено из легированного германием материала, у которого показатель преломления больше, чем у наружной оболочки. Второе круглое кольцо используется для увеличения эффективной площади поперечного сечения волокна.
В одном из предпочтительных вариантов предлагаемое в настоящем изобретении оптическое волокно имеет среднее значение оптических потерь на длине волны, равной 1550 нм, не больше 0,20 дБ/км, и в сравнении с другими волокнами практически не имеет изгибных потерь. Кроме того, эффективная площадь поперечного сечения этого волокна превышает 50 мкм2.
Краткое описание чертежей
Конструкция предлагаемого в изобретении оптического волокна и принцип его работы подробно рассмотрены в приведенном ниже описании со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - общий вид известного из уровня техники оптического волокна с двумя слоями защитного покрытия,
на фиг. 2 - графики зависимости от длины волны суммарной хроматической дисперсии волокна со спрямленной характеристикой дисперсии и ее составляющих, зависящих от свойств материала и особенностей волновода,
на фиг. 3А - поперечное сечение не имеющего покрытия оптического волокна с несколькими слоями материалов с различными показателями преломления,
фиг. 3Б - профиль показателя преломления предлагаемого в изобретении волокна с положительной дисперсией,
фиг. 3В - профиль показателя преломления предлагаемого в настоящем изобретении волокна с отрицательной дисперсией,
фиг. 4 - графики зависимости от длины волны суммарной хроматической дисперсии предлагаемого в настоящем изобретении волокна с положительной дисперсией и ее составляющих, зависящих от свойств материала и особенностей волновода,
фиг. 5 - графики хроматической дисперсии предлагаемого в настоящем изобретении оптического волокна с положительной и отрицательной дисперсией, показывающие изменение дисперсии в более узком диапазоне длин волн, которые лежат в диапазоне длин волн эрбиевого усилителя,
фиг. 6 - общий вид кабеля, содержащего несколько групп предлагаемых в настоящем изобретении оптических волокон, и
фиг. 7 - схема 4-канальной СУ-системы, в которой для передачи информации использованы оптические волокна с положительной и отрицательной дисперсией и легированные эрбием волоконные усилители.
Подробное описание изобретения
Предпосылки
Существуют различные причины или механизмы, ограничивающие полосу пропускания волокон. В многомодовом волокне, например, таким механизмом является модовая дисперсия, проявляющаяся в расширении или рассеивании импульсов света по мере их прохождения от одного конца волокна к другому. Связано это с тем, что через многомодовое волокно проходят сотни различных мод сигналов с определенной длиной волны. Комбинирование различных мод на одном из концов волокна сопровождается нежелательным расширением (рассеиванием) импульса. Если не указано иное, под дисперсией подразумевается хроматическая или "линейная" дисперсия. Обычно считается, что когда скорость коротковолнового излучения превышает скорость длинноволнового излучения, дисперсия имеет положительный знак.
Волокно можно использовать также для передачи только основной моды (LP01) сигналов с определенной длиной волны. Такое волокно считается "одномодовым". Полоса пропускания одномодового волокна намного больше, чем у многомодового волокна, и такое волокно может передавать оптические сигналы с пропорционально большими скоростями. Тем не менее одномодовое волокно работает как многомодовое при передаче сигналов, длины волн которых меньше критической длины волны LP11, которая определяется радиусом (а) центральной жилы, показателем преломления (n) и относительной разницей Δ показателей преломления центральной жилы и оболочки. Очевидно, что снижение (Δ) и (а) сопровождается постепенным уменьшением количества распространяющихся по волокну мод вплоть до того момента, пока через волокно не будет распространяться только одна мода, длина волны которой больше критической длины волны LP11. Поэтому критическая длина волны LP11 для данного волокна должна быть на соответствующую величину короче длин волн, подлежащих передаче через это волокно сигналов.
При изготовлении оптического волокна подвешенный вертикально стержень-заготовку из стекла с определенной скоростью пропускают через печь. В печи стекло размягчается и из расплавленного конца стержня вытягивают волокно с помощью вытягивающего валика, расположенного в нижней части вытяжной установки. (Несмотря на то, что диаметр вытянутого волокна в тысячи раз меньше диаметра стержня, профили показателя преломления у них оказываются одинаковыми! ). Поскольку на поверхности стекловолокна из-за возможного абразивного истирания могут появиться дефекты, на вытянутое волокно до его контакта с какой-либо поверхностью необходимо нанести соответствующее покрытие. Так как нанесение такого покрытия не должно приводить к появлению дефектов на поверхности стекла, во время нанесения покрытия образующий покрытие материал находится в жидком состоянии. Нанесенное на стекло покрытие должно затвердеть достаточно быстро до контакта стекловолокна с вытягивающим валиком. Для того, чтобы покрытие затвердело в течение необходимого промежутка времени, обычно используют способ фотоотверждения, при котором жидкое покрытие превращается в твердое под действием электромагнитного излучения. На фиг. 1 показано оптическое волокно 110 с двойным покрытием, на основе которого можно создать предлагаемое в настоящем изобретении оптическое волокно. Показанное на фиг. 1 волокно имеет два слоя покрытия, которые нанесены на вытянутое стекловолокно 10, состоящее из светопроводящей центральной жилы 11 и наружной оболочки 14. Диаметр волокна 10 с оболочкой составляет приблизительно 125 мкм. Внутреннее покрытие 111, называемое первичным покрытием, нанесено на стекловолокно 10, а наружное покрытие 112, называемое вторичным покрытием, нанесено на первичное покрытие 111. Вторичное покрытие, которое должно обеспечить необходимую прочность волокна, выполнено из материала с относительно высоким модулем упругости (равным, в частности, 109 Па), тогда как первичное покрытие, которое должно обеспечить снижение потерь из-за микроизгибов, выполнено из материала с относительно небольшим модулем упругости (равным, в частности, 106 Па). Вторичное покрытие наносят на еще не успевшее высохнуть первичное покрытие и уже после этого оба покрытия одновременно затвердевают под действием электромагнитного УФ-излучения.
На фиг. 2 показана хроматическая дисперсия известного оптического волокна, в частности спрямленная характеристика 23 суммарной дисперсии волокна, полученная суммированием ее отдельных составляющих, которые зависят от материала волокна и конструкции волновода. (Волокна со спрямленной характеристикой дисперсии имеют нулевую дисперсию при двух длинах волн, в частности, 1400 и 1700 нм). Следует еще раз напомнить, что дисперсия, которая зависит от материала волокна, определяется свойствами конкретного материала, который используется для изготовления оптического волокна. Показанная на графике дисперсия 21, которая зависит от материала волокна, относится к волокну из кварцевого стекла. В отличие от этого дисперсия 22, которая зависит от особенностей волновода, определяется профилем показателя преломления. В отличие от дисперсии, которая зависит от материала волокна, дисперсию, зависящую от особенностей волновода, в определенных пределах всегда может изменить. Именно за счет определенной формы профиля показателя преломления и удалось создать оптические волокна со спрямленной характеристикой дисперсии, у которых хроматическая дисперсия снижается в широком диапазоне длин волн от 1400 до 1700 нм. Примерами таких известных волокон со спрямленной характеристикой дисперсии являются волокна, описанные в патентах США 4372647 и 4435040.
На фиг. 3А изображено поперечное сечение не имеющего покрытия стекловолокна 30, состоящего из нескольких слоев 31-24, которые отличаются друг от друга показателем преломления и позволяют изменять ту составляющую дисперсии волокна, которая зависит от особенностей волновода. Для волокна, поперечное сечение которого показано на фиг. 3, характерны резкие изменения показателя преломления при переходе от одного слоя к другому, что не является обязательным. Как правило, изменение показателя преломления происходит плавно, и такие волокна называют волокнами с плавно изменяющимся по сечению показателем преломления. Однако для упрощения описания настоящего изобретения далее рассматривается пример с резким изменением показателя преломления по сечению волокна. При этом следует подчеркнуть, что настоящее изобретение охватывает также и волокна с плавно изменяющимся по сечению показателем преломления.
Оптическое волокно 30 имеет центральную жилу 31, номинальный показатель преломления которой равен n1. Центральная жила 31 окружена первым промежуточным слоем 32 с номинальным показателем преломления n3, который в свою очередь окружен вторым промежуточным слоем 33 с номинальным показателем преломления n4. Второй промежуточный слой окружен внешней оболочкой 34 с номинальным показателем преломления n2. Следует отметить, что чертеж, показанный на фиг. 3А, выполнен не в масштабе, поскольку диаметр внешнего слоя 34 равен приблизительно 125 мкм, а диаметр центральной жилы 31 меньше 7 мкм. Кроме того, следует подчеркнуть, что хотя на фиг. 3А показано сечение волокна с четырьмя (4) отдельными слоями стекла, фактически для получения показанного на фиг. 3Б профиля показателя преломления используется выполненное по первому варианту изобретения волокно, которое состоит только из трех (3) слоев.
На фиг. 3Б показан профиль показателя преломления выполненного в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения волокна с положительной дисперсией с изображением нормализованных разностей показателя преломления Δ1 и Δ2, которые определяются следующим образом:
Δ1 = (n1-n2)/n2·100% и Δ2 = (n3-n2)/n2·100%.
Необходимыми качествами волокна являются низкие потери, небольшой наклон характеристики дисперсии и по возможности большая эффективная площадь поперечного сечения. Было установлено, что для того, чтобы волокно с положительной дисперсией обладало такими качествами, величины Δ1 и Δ2 должны лежать в следующих пределах:
0,50% < Δ1 < 0,60% и
-0,15% < Δ2 < -0,05%
В рассматриваемом варианте изобретения Δ1 = 0,55% и Δ2 = -0,10%. Кроме того, предлагаемое в этом варианте волокно имеет следующие радиусы различных слоев: a1= 3,2 мкм и a2 = 4,7 мкм. Волокно, профиль показателя преломления которого показан на фиг. 3Б, имеет центральную жилу из диоксида кремния, легированного германием, легированный фтором промежуточный слой и внешнюю оболочку из чистого диоксида кремния. Тем не менее следует подчеркнуть, что и центральную жилу, и внешнюю оболочку волокна можно выполнить иначе, поскольку главным, что определяет все преимущества настоящего изобретения, является относительная разность показателей преломления его отдельных слоев. Так, например, центральную жилу можно изготовить из чистого диоксида кремния, а промежуточный слой и внешнюю оболочку выполнить из диоксида кремния с различной степенью легирования фтором.
Ниже приведена таблица технических характеристик выполненного в соответствии с настоящим изобретением волокна с положительной дисперсией. Следует, однако, заметить, что приведенные в таблице данные не ограничивают всей гаммы предлагаемых в изобретении волокон и носят исключительно иллюстративный характер.
Ослабление при 1550 нм - ≅ 0,20 дБ/км (в среднем)
Модовый диаметр волокна - 8,4±0,6 мкм (1550 нм)
Эксцентриситет центральной жилы - < 0,8 мкм
Диаметр внешней оболочки - 125 ± 1 мкм
Критическая длина волны - <1450 нм (при длине образца 2 м)
Дисперсия - >+0,8 пс/(нм·км) (1530-1565 нм)
Наклон дисперсии - <+0,043 пс/(нм2·км) (в среднем)
Макроизгиб - < 0,5 дБ при 1550 нм (1 изгиб, 32 мм); < 0,05 дБ при 1550 нм (100 изгибов, 75 мм)
Диаметр покрытия - 245 ± 10 мкм
Контрольное испытание - 100 килофунтов/кв.дюйм
На фиг. 3В показан профиль показателя преломления выполненного в соответствии с настоящим изобретением волокна с отрицательной дисперсией. Было установлено, что для того, чтобы волокно с отрицательной дисперсией обладало необходимыми качествами, величины Δ1 и Δ2 должны лежать в следующих пределах:
0,60 < Δ1 < 0,70,
-0,30 < Δ2 < -0,10 и
0,05 < Δ3 < 0,25.
В рассматриваемом варианте изобретения Δ1 = 0,65, Δ2 = -0,25 и Δ3 = 0,10. Кроме того, в этом варианте изобретения предлагаемое волокно имеет следующие радиусы различных слоев: b1 = 3,4 мкм, b2 = 5,2 мкм и b3 = 7,2 мкм. Волокно, профиль показателя преломления которого показан на фиг. 3В, имеет центральную жилу из диоксида кремния, легированного германием, легированный фтором первый промежуточный слой, легированный германием второй промежуточный слой и внешнюю оболочку из чистого диоксида кремния. Тем не менее следует подчеркнуть, что и центральную жилу, и слои внешней оболочки волокна можно выполнить иначе, поскольку главным, что определяет все преимущества настоящего изобретения, является относительная разность показателей преломления его отдельных слоев. Так, например, центральную жилу можно изготовить из чистого диоксида кремния, а промежуточные слои и внешнюю оболочку выполнить из диоксида кремния с различной степенью легирования фтором.
Ниже приведена таблица технических характеристик выполненного в соответствии с настоящим изобретении волокна с отрицательной дисперсией. Следует, однако, заметить, что приведенные в таблице данные не ограничивают всей гаммы предлагаемых в изобретении волокон и носят исключительно иллюстративный характер.
Ослабление при 1550 нм - ≅ 0,20 дБ/км (в среднем)
Модовый диаметр волокна - 8,4 ± 0,6 мкм (1550 нм)
Эксцентриситет центральной жилы - < 0,8 мкм
Диаметр внешней оболочки - 125 ± 1,0 мкм
Критическая длина волны - < 1450 нм (при длине образца 2 м)
Дисперсия - <-0,8 пс/(нм·км) (1530-1565 нм)
Наклон дисперсии - < +0,043 пс/(нм2·км) (в среднем)
Макроизгиб - < 0,5 дБ при 1550 нм (1 изгиб, 32 мм); 0,05 дБ при 1550 нм (100 изгибов, 75 мм)
Диаметр покрытия - 245 ± 10 мкм
Контрольное испытание - 100 килофунтов/кв.дюйм
Существует много различных способов изготовления оптических волокон. Стержень, из которого получают волокно, может быть как монолитным, так и композитным. Центральные жилы волокон обычно изготавливают химическим осаждением из паровой фазы или одним из способов химического напыления, например внешним химическим напылением или осевым химическим напылением. Выбор известного способа изготовления (например, способа изготовления внешней однослойной или многослойной оболочки, способа нанесения покрытий, способа каблирования и т.д.) не зависит от конструкции волокна.
На фиг. 4 показана характеристика 43 хроматической дисперсии предлагаемого в настоящем изобретении оптического волокна. На этой диаграмме видно, каким образом при суммировании составляющих дисперсии 41 и 42, зависящих соответственно от материала волокна и особенностей волновода, можно добиться того, чтобы характеристика общей дисперсии волокна имела небольшой наклон. Показанная на фиг. 2 для волокна со спрямленной характеристикой дисперсии зависящая от особенностей волновода составляющая дисперсии 22 также имеет отрицательный наклон, при котором однако эта составляющая дисперсии настолько быстро увеличивается с ростом длины волны, что значение суммарной дисперсии в рассматриваемом диапазоне волн второй раз становится равным нулю (при длине волны, равной 1700 нм), при этом характеристика общей дисперсии 23 в рабочем диапазоне приобретает форму существенно спрямленной кривой. В волокне с такой формой спрямленной характеристики дисперсии происходит срез основной моды сигнала, который сопровождается недопустимо большими изгибными потерями.
На фиг. 5 показаны характеристика 43-1 хроматической дисперсии волокна с положительной дисперсией, профиль показателя преломления которого показан на фиг. 3Б, и характеристика 43-2 хроматической дисперсии волокна с отрицательной дисперсией, профиль показателя преломления которого показан на фиг. 3В. У каждого из этих волокон потери не превышают 0,20 дБ/км при длине волны 1550 нм; эффективная площадь поперечного сечения волокна превышает 50 мкм2; абсолютная дисперсия волокна превышает 0,8 пс/(нм·км) в диапазоне длин волн (1530-1565 нм), на которых работают легированные эрбием волоконные усилители. Очень важно, что у каждого из этих волокон наклон характеристики дисперсии при длине волны 1550 нм составляет около 0,043 пс/(нм2·км). Обладающие такими характеристиками (43-1 и 43-2) волокна наиболее пригодны для передачи сигналов в СУ-системах, для нормальной работы которых необходимо обеспечить низкие потери в волокне и наличие небольшой дисперсии в рабочем диапазоне волн эрбиевого усилителя. (Для сравнения можно отметить, что обычное кварцевое волокно имеет нулевую дисперсию при длине волны 1310 нм, дисперсию около +17 пс/(нм·км) при длине волны 1550 нм и наклон характеристики дисперсии около 0,095 пс/(нм2·км) при длине волны 1550 нм).
На фиг. 6 подробно показан один из возможных практических вариантов выполнения конструкции предлагаемого в настоящем изобретении кабеля. Оптический кабель 600 имеет две группы оптических волокон, которые снаружи неплотно обмотаны нитью 606 и образуют четко различимые отдельные пучки. Предпочтительно один из этих пучков состоит из волокон 30-1 с положительной дисперсией, а другой пучок состоит из волокон 30-2 с отрицательной дисперсией, как описано в патенте США 5611016. Согласно настоящему изобретению объединение волокон с положительной и отрицательной дисперсией в отдельные пучки является предпочтительным, но не обязательным. Пучки волокон расположены внутри трубки 605, которая изготовлена из диэлектрика, например, из поливинилхлорида или полиэтилена. Трубка 605 расположена внутри оболочки кабеля, которая состоит из поглощающей влагу ленты 603, пластмассовой оболочки 601, которая в рассматриваемом варианте изготовлена из полиэтилена, и армирующих элементов 602-602, которые в рассматриваемом варианте изготовлены из стальной проволоки или пропитанных эпоксидной смолой стеклянных нитей. Армирующие элементы полностью или частично препятствуют возникновению напряжений в оптических волокнах при монтаже или при нормальной эксплуатации кабеля 600, армирование которого такими элементами может быть выполнено самыми различными хорошо известными способами. Для удаления с кабеля всех элементов оболочки 601-603 можно воспользоваться заделанной в кабель кордной нитью 604, изготовленной из пластика марки Kevlar®. Обычно трубка 605 заполняется наполнителем, который за счет своей упругости защищает волокна от появления в них создающих потери микроизгибов.
На фиг. 7 показана выполненная в соответствии с изобретением система со спектральным уплотнением каналов (СУ-система). Эта система состоит из четырех передающих устройств 71-74, которые в диапазоне от 1530 до 1565 нм модулируют четырьмя длинами волн четыре сигнала с различной полосой частот. Модулированные сигналы затем объединяются с помощью пассивного устройства 75 связи с объединением на выходе 4:1 и подаются в передающую волоконную линию 30-1, 30-2, в которой имеется оптический усилитель 710, предпочтительно выполненный в виде легированного эрбием волоконного усилителя. В показанной на фиг. 7 схеме волоконная линия 30-1 передачи выполнена в виде имеющего определенную длину волокна с положительной дисперсией, а линия 30-2 представляет собой оптическое волокно определенной длины с отрицательной дисперсией. На приемном конце линии передачи объединенные сигналы расщепляются демультиплексором 85 в зависимости от длины волны и четыре отдельных сигнала с различной полосой частот принимаются приемными устройствами 81-84.
Изобретение предполагает возможность внесения в рассмотренные конкретные варианты различных изменений и усовершенствований, не выходящих за его объем. К таким усовершенствованным, не ограничивающим изобретение, можно отнести волокно, у которого профиль показателя преломления плавно изменяется на границе между слоями (например, волокно с плавно изменяющимся профилем показателя преломления), волокно с разной шириной слоев, волокно, в котором для создания одних и тех же основных форм профиля показателя преломления используются различные легирующие материалы, и волокно, которое изготовлено не из стекла, а из соответствующих полимерных материалов. Следует подчеркнуть, что изготовление многих практически реализованных волокон сопровождается снижением показателя преломления в центре волокна. Такие волокна с уменьшенным в центре волокна показателем преломления также относятся к настоящему изобретению даже несмотря на то, что их профиль показателя преломления отличается от идеального, показанного на фиг. 3Б и 3В.
Формула изобретения: 1. Оптическое волокно (10), имеющее хроматическую дисперсию, абсолютное значение которой превышает 0,8 пс/(нм·км) для всех длин волн в диапазоне от 1530 до 1565 нм, и содержащее центральную жилу из прозрачного материала с минимальным показателем преломления n1 и слой образующего на внешней поверхности центрального сердечника внешнюю оболочку прозрачного материала с минимальным показателем преломления n2, отличающееся тем, что центральная жила имеет кольцо из прозрачного материала с показателем преломления n3, причем n1 > n2 > n3, а
0,50 < (n1 - n2)/n2 < 0,70 и
-0,30 < (n3 - n2)/n2 < -0,05.
2. Оптическое волокно (10) по п.1, у которого наклон характеристики дисперсии меньше 0,05 пс/(нм2·км) в диапазоне длин волн от 1530 до 1565 нм.
3. Оптическое волокно (10) по п.2, у которого наклон характеристики дисперсии составляет 0,043 ± 0,005 пс/(нм2·км) в диапазоне длин волн от 1530 до 1565 нм.
4. Оптическое волокно (10) по п.1, у которого хроматическая дисперсия превышает +0,8 пс/(нм·км) в диапазоне длин волн от 1530 до 1565 нм и у которого
0,50 < (n1 - n2)/n2 < 0,60 и
-0,15 < (n3 - n2)/n2 < -0,05.
5. Оптическое волокно (10) по п.1, у которого хроматическая дисперсия превышает -0,8 пс/(нм·км) в диапазоне длин волн от 1530 до 1565 нм и у которого
0,60 < (n1 - n2)/n2 < 0,70 и
-0,30 < (n3 - n2)/n2 < -0,20.
6. Оптическое волокно (10) по п.1, которое заключено в кабельную оболочку с наружной пластмассовой оболочкой (601) и образует оптический кабель 600.
7. Система со спектральным уплотнением каналов (СУ-система) (700), содержащая: несколько источников (71-74) оптических сигналов, модулированных различными длинами волн в диапазоне от 1530 до 1565 нм, устройство (75) для объединения оптических сигналов на входе в СУ-систему, устройство (85) для разделения оптических сигналов на выходе из СУ-системы, линию передачи, расположенную между устройством для объединения сигналов и устройством для их разделения и включающую первое оптическое волокно (30-1), имеющее хроматическую дисперсию, абсолютное значение которой превышает 0,8 пс/(нм·км) для всех длин волн в диапазоне от 1530 до 1565 нм, и содержащее центральную жилу из прозрачного материала с максимальным показателем преломления n1 и слой образующего на внешней поверхности центрального сердечника внешнюю оболочку прозрачного материала с показателем преломления n2, при этом центральная жила имеет кольцо из прозрачного материала с минимальным показателем преломления n3, причем n1 > n2 > n3, а
0,50 < (n1 - n2)/n2 < 0,70 и
-0,30 < (n3 - n2)/n2 < -0,05.
8. Система (700) по п.7, у которой в линии передачи имеется оптический усилитель (710).
9. Система (700) по п.8, в которой оптический усилитель (710) представляет собой легированный эрбием волоконный усилитель.
10. Система (700) по п.7, в которой линия передачи включает второе оптическое волокно (30-2), которое соединено последовательно с первым оптическим волокном (30-1) и у которого в диапазоне длин волн от 1530 до 1565 нм наклон характеристики хроматической дисперсии приблизительно равен наклону характеристики дисперсии первого оптического волокна, а величина дисперсии имеет знак, противоположный знаку дисперсии первого оптического волокна.