МНОГОСЕРДЦЕВИННЫЙ ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД (ВАРИАНТЫ)
MULTI-CORE FIBRE-OPTIC GUIDE (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к волоконной оптике, а более точно - к волоконным световодам с несколькими сердцевинами для волоконно-оптических линий связи.
Изобретение может быть использовано в системах оптической связи в качестве передающего световода, используемого для доставки сигнала во внутригородских линиях связи, когда ограничено количество или общее сечение прокладываемых волоконно-оптических кабелей.
Предшествующий уровень техники
Для передачи сигнала в оптических линиях связи используются стандартные одномодовые световоды, имеющие одну световедущую сердцевину. Современные телекоммуникационные волоконные световоды способны передавать гигантские объемы информации на большие расстояния. Однако, постоянно появляющиеся новые применения (например, телевидение высокой четкости) резко (практически, экспоненциально) повышают требования к объему передаваемой информации. Для поддержания высокой скорости передачи информации на всем пути к конечному потребителю и при этом для сдерживания роста потребления энергии необходимо минимизировать количество преобразований сигнала из оптического в электрический и обратно на пути к конечному пользователю. Это означает, что сигнал к каждому потребителю должен в идеале идти по отдельному волоконному световоду. Однако подземная связная канализация, особенно в больших городах, имеет ограниченный объем (диаметр труб между колодцами), не позволяющий резко увеличить количество проложенного по ней оптического волокна.
Для увеличения количества конечных пользователей, обслуживаемых по отдельным каналам, без реконструкции/перестройки всех подземных коммуникаций было предложено использовать несколько световедущих сердцевин в одном волоконном световоде. Один такой световод заменяет соответствующее числу сердцевин количество стандартных световодов.
Главной проблемой при проектировании многосердцевинных световодов является перекрестные оптические помехи, то есть передача сигнала из одной сердцевины в другую.
Известна конструкция световода с семью одинаковыми одномодовыми световедущими сердцевинами с диаметром 8 мкм, расположенными в гексагональном порядке. Для снижения перекрестных оптических помех необходимо уменьшение взаимодействия между модами соседних сердцевин, для чего они располагаются на достаточно большом расстоянии друг от друга (свыше 38 мкм) (B.Zhu, et al, ”Seven-core multicore fiber transmissions for passive optical network,” Optics Express, Vol. 18, No. 11, pp. 11117-111122 (2010)). Недостатком такого подхода является большое расстояние между сердцевинами, что позволяет разместить внутри стандартного диаметра световода 125 мкм не более 7 сердцевин.
Также известна конструкция световода (M. Koshiba et al, “Heterogeneous multi-core fibers: proposal and design principle,” IEICE Electronics Express, Vol. 6, No. 2, pp. 98-103, 2009), в которой для снижения перекрестных помех предлагалось, чтобы моды разных сердцевин световода имели разные постоянные распространения. Для этого сердцевины были сделаны с различными диаметрами. При этом удается сократить расстояние между центрами сердцевин по сравнению со световодом с одинаковыми сердцевинами, при сохранении приемлемого уровня перекрестных помех. При диаметре сердцевины около 9 мкм расстояние между сердцевинами составляло 35 мкм, при диаметре сердцевины около 5-20 мкм. Недостатком данного метода является сложность стыковки с другими световодами, т.к. при его стыковке с другими световодами необходимо не просто состыковать сердцевины между собой, но и найти сердцевины каждого отдельного типа и совместить именно их.
Более того, было обнаружено, что при изгибах многосердцевинных световодов даже со сравнительно большими радиусами изгиба (40-100 мм) перекрестные помехи резко возрастают, даже если сердцевины имеют разные параметры распространения (T. Hayashi et al, ”Crosstalk variation of multi-core fibre due to fibre bend,” Proc. ECOC 2010, 19-23 September, 2010, Torino, Italy, paper We.8.F.6.). Таким образом, вышеописанные конструкции многосердцевинных волоконных световодов, по-видимому, либо не смогут использоваться в реальных линиях связи, либо потребуют специального усложнения и удорожания конструкции волоконно-оптических кабелей, необходимого для ограничения возможного изгиба волокна в проложенном кабеле.
Заявленное изобретение направлено на устранение вышеуказанных недостатков известного уровня техники. Задачей настоящего изобретения является создание многосердцевинного волоконного световода с множеством световедущих сердцевин с одинаковыми или отличающимися параметрами (диаметрами или показателями преломления) и барьерным слоем, показатель преломления которого должен быть меньше показателя преломления каждой из внутренних отражающих оболочек, окружающих соответствующую световедущую сердцевину, что позволяет уменьшить взаимодействие между модами соседних световедущих сердцевин и в результате значительно снизить перекрестные оптические помехи, и благодаря этому уменьшить расстояние между сердцевинами. Уменьшение расстояния между сердцевинами позволит увеличить количество сердцевин в многосердцевинном световоде при том же внешнем диаметре световода, что позволит использовать существующие подземные коммуникации для передачи большего количества информации.
Кроме того, наличие барьерного слоя позволит снизить изгибные оптические потери в каждой из сердцевин и тем самым повысить качество передачи информации
Краткое изложение сущности изобретения
c1
c2
ck
об1
об2
обk
c1
c2
ck
0
б
Заявленное изобретение согласно первому аспекту изобретения относится к многосердцевинному волоконному световоду, содержащему по меньшей мере две световедущие сердцевины, выполненные из легированного кварцевого стекла с показателями преломления n, n… n;при этом каждая световедущая сердцевина из по меньшей мере двух световедущих сердцевин окружена соответствующей внутренней отражающей оболочкой, выполненной произвольной формы из кварцевого стекла или легированного кварцевого стекла с показателями преломления n, n… n, которые меньше, чем показатели преломления n, n… n соответствующих световедущих сердцевин; барьерную область, выполненную из легированного кварцевого стекла непрерывной и имеющей произвольную форму в поперечном сечении, которая формируется в пространстве между внутренними отражающими оболочками и внешней оболочкой из кварцевого стекла с показателем преломления n, при этом показатель преломления n барьерной области меньше показателя преломления каждой из внутренних отражающих оболочек, и внешнее защитное покрытие.
об1
об2
обk
0
об1
об2
обk
0
При этом в указанном световоде внутренние отражающие оболочки выполнены из кварцевого стекла или легированного кварцевого стекла, и в случае выполнения внутренних отражающих оболочек из кварцевого стекла показатели преломления n, n… n указанных внутренних отражающих оболочек, будут равны n,а в случае выполнения внутренних отражающих оболочек из легированного кварцевого стекла показатель преломления n, n… n у каждой из указанных оболочек является больше, равным или меньше, чем показатель преломления кварцевого стекла n.
Кроме того, внутренние отражающие оболочки имеют в поперечном сечении одну из форм: круга, шестигранника, квадрата, квадрата с закругленными вершинами, и шестигранника с закругленными вершинами.
об1…k
0
об1..k
об1..k
0
1…k
0
1..k
1..k
0
Согласно первому аспекту изобретения разность Δn показателя преломления каждой из указанных внутренних отражающих оболочек относительно внешней оболочки световода с показателем преломления nравна Δn=n-n,а разность Δnс показателя преломления каждой из световедущих сердцевин относительно внешней оболочки с показателем преломления n многосердцевинного волоконного световода равна Δnс=nс-n.
При этом барьерная область может быть выполнена из легированного кварцевого стекла, содержащего по меньшей мере одну из легирующих добавок, выбранных из группы: оксида бора, фтора или их комбинации.
1..k
об1..k
Кроме того, разность Δnс показателя преломления каждой световедущей сердцевины световода относительно показателя преломления внешней оболочки находится в диапазоне от 0,002 до примерно 0,015; а разность показателя преломления Δn для каждой внутренней отражающей оболочки относительно внешней оболочки составляет от -0,001 до 0,002.
б
б
б
0
б
Согласно изобретению, разность показателя преломления Δn барьерной области относительно внешней оболочки равна Δn=n-n и является отрицательным значением, причем разность показателя преломления Δn барьерной области относительно внешней оболочки составляет менее -0,002 в случае, если материалом барьерной области является легированное кварцевое стекло.
c1
c2
ck
об1
об2
обk
c1
c2,
ck
0
б1,
б2
бm
Согласно второму аспекту изобретения, раскрыт многосердцевинный волоконный световод, содержащий по меньшей мере две световедущие сердцевины, выполненные из легированного кварцевого стекла с показателями преломления n, n… n;при этом каждая световедущая сердцевина из по меньшей мере двух световедущих сердцевин окружена соответствующей внутренней отражающей оболочкой, выполненной произвольной формы из кварцевого стекла или легированного кварцевого стекла с показателями преломления n, n… n, которые меньше, чем показатели преломления n, n… n соответствующих световедущих сердцевин; барьерную область, выполненную прерывистой, которая формируется в пространстве между внутренними отражающими оболочками и внешней оболочкой из кварцевого стекла с показателем преломления n и состоит из отдельных элементов, расположенных произвольным образом и выполненных из легированного кварцевого стекла с показателями преломления n n, … n, которые, каждый меньше, показателя преломления, находящейся в непосредственной близости соответствующей внутренней отражающей оболочки, и внешнее защитное покрытие.
б1..m
0
б1..m
б1..m
0
При этом разность Δn показателя преломления каждого элемента барьерной области относительно внешней оболочки с показателем преломления n составляет Δn=n-n.и является отрицательным значением.
Согласно второму аспекту изобретения, между элементами барьерной области, внутренними отражающими оболочками и внешней оболочкой сформированы промежутки из кварцевого стекла или легированного кварцевого стекла.
При этом элементы барьерной области имеют произвольную форму в поперечном сечении, которая может представлять одну из форм: круга, квадрата, ромба, прямоугольника, квадрата с закругленными вершинами, ромба с закругленными вершинами и прямоугольника с закругленными вершинами.
об1
об2
обk
0
об1
об2
обk
0
Согласно второму аспекту изобретения, в случае выполнения внутренних отражающих оболочек из кварцевого стекла показатели преломления n, n… n указанных внутренних отражающих оболочек, будут равны n, а в случае выполнения внутренних отражающих оболочек из легированного кварцевого стекла показатель преломления n, n… n у каждой из указанных оболочек является больше, равным или меньше, чем показатель преломления кварцевого стекла n.
Внутренние отражающие оболочки согласно изобретению имеют в поперечном сечении одну из форм: круга, шестигранника, квадрата, квадрата с закругленными вершинами и шестигранника с закругленными вершинами.
об1..k
0
об1..k
об1..k
0
1..k
0
1..k
1..k
0
1..k
об1..k
б1..m
0
Согласно второму аспекту изобретения разность Δn показателя преломления каждой из указанных внутренних отражающих оболочек относительно внешней оболочки световода с показателем преломления nравно Δn=n-n, а разность Δnс показателя преломления каждой из световедущих сердцевин относительно внешней оболочки с показателем преломления n многосердцевинного волоконного световода составляет Δnс=nс-n. При этом разность Δnс показателя преломления каждой световедущей сердцевины световода относительно показателя преломления внешней оболочки находится в диапазоне от примерно 0,002 до примерно 0,015. Кроме того, разность показателя преломления Δn для каждой внутренней отражающей оболочки относительно внешней оболочки составляет от приблизительно -0,001 до приблизительно 0,002, а разность показателя преломления Δn каждого элемента барьерной области относительно внешней оболочки с показателем преломления n составляет менее -0,002, если материалом элементов барьерной области является легированное кварцевое стекло.
Согласно второму аспекту изобретения, элементы барьерной области выполнены из легированного кварцевого стекла, содержащего по меньшей мере одну из легирующих добавок, выбранных из группы: оксида бора, фтора или их комбинации.
Согласно изобретению, расстояние от центра каждой световедущей сердцевины до близлежащего элемента барьерной области составляет от 8 до 35 мкм.
c1
c2
ck
об1
об2
обk
c1
c2
ck
0
Согласно третьему аспекту изобретения, представлен многосердцевинный волоконный световод, содержащий: по меньшей мере две световедущие сердцевины, выполненные из легированного кварцевого стекла с показателями преломления n, n… n;при этом каждая световедущая сердцевина из по меньшей мере двух световедущих сердцевин окружена соответствующей внутренней отражающей оболочкой, выполненной произвольной формы из кварцевого стекла или легированного кварцевого стекла с показателями преломления n, n… n, которые меньше, чем показатели преломления n, n… n соответствующих световедущих сердцевин; барьерную область, выполненную прерывистой, которая формируется в пространстве в кварцевом стекле или легированном кварцевом стекле между внутренними отражающими оболочками и внешней оболочкой из кварцевого стекла с показателем преломления n, и состоит из отдельных элементов, расположенных произвольным образом и представляющих собой сквозные отверстия, заполненные газом, являющимся воздухом или газом с подобными свойствами и с показателем преломления, который меньше показателя преломления, находящейся в непосредственной близости соответствующей внутренней отражающей оболочки, и внешнее защитное покрытие.
об1
об2
обk
0
об1
об2
обk
0
Согласно изобретению, внутренние отражающие оболочки выполнены из кварцевого стекла или легированного кварцевого стекла, и в случае выполнения внутренних отражающих оболочек из кварцевого стекла показатели преломления n, n… n указанных внутренних отражающих оболочек, будут равны n, а в случае выполнения внутренних отражающих оболочек из легированного кварцевого стекла показатель преломления n, n… n у каждой из указанных оболочек является больше, равным или меньше, чем показатель преломления кварцевого стекла n.
Согласно изобретению, внутренние отражающие оболочки имеют в поперечном сечении одну из форм: круга, шестигранника, квадрата, квадрата с закругленными вершинами и шестигранника с закругленными вершинами.
об1..k
0
об1..k
об1..k
0
1..k
0
1…k
1..k
0
1..k
об1..k
При этом разность Δn показателя преломления каждой из указанных внутренних отражающих оболочек относительно внешней оболочки световода с показателем преломления nравна Δn=n-n, а разность Δnс показателя преломления каждой из световедущих сердцевин относительно внешней оболочки с показателем преломления n многосердцевинного волоконного световода равна Δnс=nс-n, разность Δnс показателя преломления каждой световедущей сердцевины световода относительно показателя преломления внешней оболочки находится в диапазоне от 0, 002 до 0, 015. Кроме того, разность показателя преломления Δn для каждой внутренней отражающей оболочки относительно внешней оболочки составляет от приблизительно -0,001 до приблизительно 0,002.
б
б
б
0
Кроме того, согласно третьему аспекту изобретения, разность показателя преломления Δn барьерной области в виде сквозных отверстий относительно внешней оболочки равна Δn=n-n и является отрицательным значением.
Согласно третьему аспекту изобретения, пространство, в котором выполнены сквозные отверстие изготовлено из легированного кварцевого стекла, содержащего по меньшей мере одну из легирующих добавок, выбранных из группы: оксида бора, фтора или их комбинации, а расстояние от центра каждой световедущей сердцевины до близлежащей зоны барьерной области в виде сквозных отверстий составляет от 8 мкм до 35 мкм.
При этом, согласно всем аспектам изобретения, в многосердцевинном световоде внутренние отражающие оболочки выполнены из легированного кварцевого стекла, содержащего по меньшей мере одну из легирующих добавок, выбранных из группы: оксида германия, оксида алюминия, оксида фосфора, хлора, оксида бора, фтора, или их комбинации, а световедущие сердцевины выполнены из легированного кварцевого стекла, содержащего по меньшей мере одну из легирующих добавок, выбранных из группы: оксида германия, оксида алюминия, оксида фосфора, хлора, оксида бора, фтора, натрия или их комбинации.
Световедущие сердцевины в световоде могут быть расположены в гексагональном порядке, тетрагональном порядке или подобным образом.
1
2
k
1
2
k
1
2
k
Кроме того, согласно изобретению, световедущие сердцевины имеют диаметры Dc, Dc, …, Dc, которые находятся в диапазоне примерно от 4 до примерно 50 мкм, и диаметры Dc, Dc, …, Dc, указанных световедущих сердцевин равны между собой или отличаются друг от друга. При этом показатели преломления nc, nc… nc световедущих сердцевин равны между собой или отличаются друг от друга.
А значения диаметров световедущих сердцевин и значения их показателей преломления должны находиться в предварительно заданном диапазоне, чтобы полученные световоды удовлетворяли Международным стандартам по телекоммуникации ITU-T G651-657.
Краткое описание фигур чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1а представляет вид в поперечном сечении многосердцевинного световода согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг.1б представлен профиль показателя преломления многосердцевинного световода вдоль оси А-Б согласно Фиг.1а.
Фиг.2а изображает вид в поперечном сечении многосердцевинного световода с непрерывной формой барьерной области.
Фиг.2б изображает вид в поперечном сечении многосердцевинного световода с барьерной областью, состоящей из отдельных элементов.
Фиг.2в изображает вид в поперечном сечении многосердцевинного световода с барьерной областью, состоящей из отдельных элементов, представляющих собой сквозные отверстия.
Фиг.3 изображает схематичный вид заготовки одной сердцевины с внутренней отражающей оболочкой и барьерной областью для многосердцевинного световода согласно изобретению, изготовленную осаждением из газовой фазы внутри трубки из кварцевого стекла.
Фиг.4а-д изображают схематичный вид заготовки одной сердцевины с внутренней отражающей оболочкой и барьерной областью для многосердцевинного световода согласно изобретению, изготавливаемую путем сборки и плавления, на различных стадиях изготовления:
Фиг.4а изображает схематичный вид заготовки одной сердцевины и внутренней отражающей оболочки,
1..
m
Фиг.4б изображает схематичный вид элемента предварительной сборочной заготовки (7), являющиеся заготовками для формирования барьерной области (3) или (33 ).
Фиг.4в изображает схематичный вид предварительной сборочной заготовки, т.е. заготовки одной сердцевины и внутренней отражающей оболочки, окруженной заготовками для барьерной области,
Фиг.4г изображает схематичный вид предварительной сборочной заготовки, помещенной в трубку из кварцевого стекла,
Фиг.4д изображает схематичный вид проплавленной заготовки одной сердцевины, внутренней отражающей оболочки и барьерной области, полученной после проплавления предварительной сборочной заготовки в кварцевой трубке.
Фиг.5а-в изображает схематичный вид заготовки многосердцевинного световода на различных стадиях изготовления:
Фиг.5а изображает схематичный вид сборочной заготовки из проплавленных заготовок для одной сердцевины, внутренней отражающей оболочки и барьерной области, помещенной в трубку из кварцевого стекла;
Фиг.5б изображает схематичный вид сборочной заготовки из проплавленных заготовок для одной сердцевины, внутренней отражающей оболочки и барьерной области, помещенной в трубку из кварцевого стекла с дополнительными стержнями для фиксирования сборочной заготовки,
Фиг.5в изображает схематичный вид вторичной заготовки многосердцевинного световода, т.е. заготовки, полученной после проплавления сборочной заготовки в трубке.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Описание многосердцевинного волоконного световода будет проводиться со ссылками на Фиг. 1а-б и 2.
1
k
1
k
1
k
На Фиг.1а представлен многосердцевинный волоконный световод, содержащий по меньшей мере две световедущие сердцевины (1..1), каждую из которых окружает соответствующая внутренняя отражающая оболочка (2..2), барьерная область (3), которая задается пространством между внутренними отражающими оболочками(2..2)и внешней оболочкой (4), а также внешнее защитное покрытие (5) многосердцевинного волоконного световода. Внешнее защитное покрытие (5) предназначено для предотвращения механического повреждения световода при эксплуатации.
1..k
1
k
0
Примерный профиль показателя преломления многосердцевинного волоконного световода согласно изобретению представлен на Фиг.1б, на которой Δnс - разность показателя преломления каждой из световедущих сердцевин(1..1) относительно внешней оболочки (4) с показателем преломления n,
об1..k
1
k
0
Δn - разность показателя преломления каждой из указанных внутренних отражающих оболочек (2..2) относительно внешней оболочки световода (4) с показателем преломления n;
б
0,
Δn - разность показателя преломления барьерной области относительно внешней оболочки световода (4) с показателем преломления nа значение «0» по оси Δn соответствует показателю преломления внешней оболочки.
1
k
1
2
k
c1
c2
ck
0
Далее более подробно остановимся на особенностях выполнения многосердцевинного световода согласно изобретению. Световедущие сердцевины (1..1), которых может быть 2 и более в волоконном световоде имеют диаметры Dc, Dc, Dc и выполнены из легированного кварцевого стекла с показателями преломления n, n… n, которые больше, чем у кварцевого стекла n.
1
2
k
1
k
1
2
k
1
k
Следует отметить, что как диаметры Dc, Dc, … Dc, указанных световедущих сердцевин (1..1), так и их показателями преломления nc, nc… nc равны между собой или незначительно отличаются друг от друга, При этом значения диаметров световедущих сердцевин (1..1), также как и значения показателей преломления сердцевин должны лежать в таком диапазоне, чтобы полученные световоды удовлетворяли Международным стандартам по телекоммуникации ITU-T G651-657 (International Telecomunication Union - Telecommunication Standardization Sector), например диаметры световедущих сердцевин (1) могут быть равны 8, 1 мкм и 9, 4 мкм, а разница Δn показателей преломления световедущей сердцевины и внутренней отражающей оболочки может составлять 0,0055. Аналогичные значения диаметров сердцевин, используемые в многосердцевинном волоконном световоде, раскрыты в публикации [T. Hayashi, T. Nagashima, O. Shimakawa, T. Sasaki, E. Sasaoka "Crosstalk variation of multi-core fiber due to fiber bend" ECOC 2010, We.8.F.6 19-23 September, Torino, Italy, 2010].
1
k
1
k
0
1
k
1
k
0
При этом разность Δnс.. показателя преломления каждой из световедущих сердцевин(1..1) относительно внешней оболочки (4) с показателем преломления n многосердцевинного волоконного световода составляет Δnс..=nс..-n. Сердцевины в волоконном световоде могут быть расположены в гексагональном (треугольном), тетрагональном или других порядках.
1
k
1
k
об1
об2
обk
1
k
0
1
k
об1
об2
обk
1
k
0
об1
об2
обk
1
k
1
k
Как уже указывалось, каждую из указанных световедущих сердцевин (1..1) окружает соответствующая внутренняя отражающая оболочка (2..2), которая выполнена из кварцевого стекла или легированного кварцевого стекла. В случае использования кварцевого стекла, показатели преломления n, n… n внутренних отражающих оболочек(2..2), будут равны n, а для случая выполнения внутренних отражающих оболочек (2..2), из легированного кварцевого стекла показатель преломления n, n… n у каждой из указанных внутренних отражающих оболочек (2..2), может быть больше, равным или меньше, чем у кварцевого стекла n, но для обоих случаев показатель преломления n, n… n каждой внутренней отражающей оболочки (2..2) должен быть меньше, чем показатель преломления соответствующей световедущей сердцевины (1..1).
1
k
об1
об2
обk
об1
об2
обk
об1..k
1
k
0
об1..k
об1..k
0
Внутренние отражающие оболочки (2..2) могут иметь в поперечном сечении форму круга (см. Фиг.1а) с диаметрами D, D, … D, шестигранника обычной формы (Фиг.2а) или шестигранника с закругленными вершинами, квадрата обычной формы или с закругленными вершинами, описывающих окружность диаметра D, D, …, D, при этом разность Δn показателя преломления каждой из указанных внутренних отражающих оболочек (2..2) относительно внешней оболочки световода (4) с показателем преломления n составляет Δn=n-n.
1
k
Некоторые особенности формы оболочек(2..2) в поперечном сечении (например закругленные вершины) образуются в процессе изготовления.
1
k
б
б
0
Как уже указывалось выше, барьерная область (3) задается пространством, образованным между внутренними отражающими оболочками (2..2) и внешней оболочкой (4) световода. При этом барьерная область (3) имеет показатель преломления n, который меньше показателя преломления каждой из внутренних отражающих оболочек. Кроме того, показатель преломления n барьерной области должен быть меньше показателя преломления внешней оболочки (4), выполненной из кварцевого стекла с показателем преломления n.
б
б
б
б
0
Согласно одному варианту изобретения, барьерная область (3) может быть сформирована непрерывной или сплошной (Фиг.2а) и состоять из легированного кварцевого стекла с показателем преломления n, который меньше показателя преломления каждой из внутренних отражающих оболочек и меньше показателя внешней оболочки (4), при этом разность Δn показателя преломления барьерной области относительно внешней оболочки составляет Δn=n-n. Барьерная область (3) может быть выполнена произвольной формы в поперечном сечении (формы сот, формы соединенных между собой колец).
1
m
б1,
б2
бm
1
m
0
б1..m
б1..m
0
Согласно другому варианту изобретения, барьерная область 3 может быть сформирована прерывистой и состоящей из отдельных барьерных элементов (3..3), расположенных произвольным образом (Фиг.2б) и выполненных из легированного кварцевого стекла с показателем преломления n n, … n, который меньше показателя преломления соответствующей внутренней отражающей оболочки и меньше показателя преломления внешней оболочки (4). При этом разность показателя преломления каждого барьерного элемента (3..3), барьерной области относительно внешней оболочки (4) с показателем преломления n составляет Δn=n-n.
1
m
1
k
Промежутки, образованные между элементами (3..3) барьерной области, внутренними отражающими оболочками (2..2) и внешней оболочкой (4), выполнены из кварцевого стекла или легированного кварцевого стекла. Элементы барьерной области могут иметь произвольную форму в поперечном сечении, например круг, квадрат, ромб и т.д.
1
m
1
m
1
k
Согласно другому варианту изобретения, барьерная область 3 может быть сформирована прерывистой и состоять из отдельных элементов (3..3) в виде сквозных отверстий, расположенных заданным образом (Фиг.2в) в кварцевом стекле или легированном кварцевом стекле. Таким образом, промежутки, образованные между элементами (3..3) барьерного слоя, т.е. сквозными отверстиями, внутренними отражающими оболочками (2..2) и внешней оболочкой (4), выполнены из кварцевого стекла или легированного кварцевого стекла.
б
вн
0
б
вн
Внешняя оболочка(4) имеет внутренний диаметр D - 120-125 мкм и внешний диаметр D - 125 мкм и показатель преломления, равный показателю преломления кварцевого стекла n. Таким образом, внешняя оболочка может иметь и нулевую толщину, т.е. D может быть равен D. Внешняя оболочка (4) необходима, чтобы довести диаметр световода до величины, предусмотренной стандартами (ITU-T G-651-657) и обеспечить требуемые механические свойства.
1
k
Световедущие сердцевины световода (1..1) выполнены из кварцевого стекла, содержащего по меньшей мере одну из легирующих добавок, выбранных из группы: оксида германия, оксида алюминия, оксида фосфора, хлора, оксида бора, фтора, натрия или их комбинации.
1
k
1
m
1
m
Внутренние отражающие оболочки (2..2) выполнены из чистого кварцевого стекла или легированного кварцевого стекла, содержащего по меньшей мере одну из легирующих добавок, выбранных из группы: оксида германия, оксида алюминия, оксида фосфора, хлора, оксида бора, фтора или их комбинации. Непрерывная барьерная область (3) согласно одному варианту изобретения или прерывистая барьерная область из барьерных элементов (3..3) согласно другому варианту изобретения состоят из легированного кварцевого стекла, содержащего по меньшей мере одну из легирующих добавок, выбранных из группы: оксида бора, фтора или их комбинации. Легирование указанными элементами обеспечивает показатель преломления, меньший, чем у кварцевого стекла. Согласно еще одному варианту изобретения барьерная область выполнена в виде сквозных отверстий, заполненных воздухом или другим газом (барьерные элементы (3..3)), которые сформированы в кварцевом стекле или легированном кварцевом стекле. Внешняя оболочка (4) состоит из оксида кремния. Внешнее защитное покрытие (5) состоит из материалов, выбранных из группы: полимер, углерод, лак, металл или является многослойным из различных слоев из вышеуказанных компонентов.
1
k
Световедущие сердцевины (1..1) предназначены для ведения излучения по многосердцевинному волоконному световоду согласно изобретению. В волоконно-оптических линиях связи по световедущей сердцевине световода передается информационный сигнал.
1
k
1
k
Согласно изобретению, показатели преломления световедущих сердцевин многосердцевинного волоконного световода (1..1) больше, чем показатели преломления окружающих их внутренних отражающих оболочек (2..2), благодаря чему излучение может локализоваться в сердцевинах световода за счет полного внутреннего отражения. Распределение поля моды в поперечном сечении световода таково, что часть излучения распространяется за пределами сердцевины на расстоянии, достигающем несколько радиусов сердцевины. В многосердцевинных волоконных световодах поля мод соседних сердцевин могут частично перекрываться в результате чего возникают перекрестные оптические помехи, приводящие к искажению информационного сигнала и росту количества ошибок при передаче информации. Перекрестные помехи возникают в результате того, что поле моды одной световедущей сердцевины взаимодействует с полем моды другой световедущей сердцевины, в результате чего происходит перекачка мощности из одной моды в другую. Доля перекаченной мощности зависит от степени перекрытия двух полей мод, т.е. от интеграла произведения напряженности электрического поля двух мод по площади поперечного сечения световода (А. Снайдер, Дж. Лав, "Теория оптических волноводов", Москва "Радио и связь" 1987).
1
m
1
k
1
k
1
m
1
k
Очевидно, что конструкция заявленного многосердцевинного волоконного световода с наличием непрерывной или прерывистой барьерной области (3) или (3..3) с показателем преломления меньше, чем показатель преломления внутренних отражающих оболочек (2..2), расположенной между взаимодействующими световедущими сердцевинами (1..1), существенно уменьшает интеграл перекрытия полей мод и, следовательно, уменьшит перекрестные оптические помехи. Также наличие барьерной области (3 или 3..3) согласно вариантам осуществления изобретения препятствуют вытеканию излучения из световедущих сердцевин (1..1), световода во внешнее защитное покрытие световода (5), уменьшая таким образом изгибные оптические потери. Уменьшение перекрестных помех и снижение изгибных потерь позволит сократить количество ошибок и повысить качество передачи информации.
1
k
1
k
1
m
Кроме того, наличие внутренних отражающих оболочек (2..2) вокруг световедущих сердцевин (1..1) обеспечивает зазор между сердцевиной и барьерной областью (3) или (3..3), необходимый для того, чтобы барьерный слой не влиял на такие оптические свойства моды сердцевины, как диаметр поля моды, дисперсия групповых скоростей, длина волны отсечки. Это необходимо, чтобы удовлетворить стандартам (ITU-T G-651-657) и обеспечить совместимость с другими волоконными световодами, используемыми в волоконно-оптических линиях связи.
Для обеспечения оптических характеристик, удовлетворяющих стандартам для телекоммуникационных световодов ITU-T G651-657 необходимо, чтобы параметры световедущих сердцевин световодов находились в диапазоне:
1
2
k
1
k
Диаметры Dc, Dc, … Dc световедущих сердцевин (1..1) находились в диапазоне от 4 до 50 мкм.
сk
1
k
1
k
1
k
0
Разность показателя преломления Δn каждой световедущей сердцевины(1..1) световода и внешней оболочки(4) равна Δnс.. = nс..-n и лежит в диапазоне от 0,002 до 0,015.
1
k
1
k
Расстояние от центра световедущей сердцевины (1..1) до ближайшей барьерной области составляет от 8 до 35 мкм. Данное расстояние должно быть минимальным, при условии, что барьерная область не влияет на свойства моды световедущей сердцевины (1..1), таким образом, что световод перестает удовлетворять соответствующим стандартам (ITU -T G-651-657).
Исходя из анализа различных аспектов, авторы пришли к заключению, что для оптимальной работы настоящего изобретения, необходимо, чтобы:
об1..k
1
k
об1..k
об1..k
0
1) Разность показателя Δn преломления для каждой внутренней отражающей оболочки(2..2) и внешней оболочки (4) равно Δn=n-nи составляет от -0,001 до 0,002;
б
б
б
0
2) Разность показателя преломления Δn барьерной области (3) и внешней оболочки(4) равна Δn=n-n и составляет меньше или равна -0,002, в случае, если материалом элементов барьерной области является легированное кварцевое стекло.
б
Вышеуказанные диапазоны Δnразности показателей преломления барьерной области относительно внешней оболочки выбираются с одной стороны таким образом, чтобы обеспечить существенное снижение взаимодействия между модами, с другой стороны, исходя из возможностей реализации данной структуры с помощью технологического процесса.
Далее описывается способ изготовления многосердцевинного световода согласно изобретению, который характеризуется пониженными перекрестными оптическими помехами и пониженными изгибными потерями, который поясняется со ссылками на Фиг. 3-5, и осуществляется следующим образом.
1
k
1
k
Формируются заготовки световедущих сердцевин (1..1), внутренних отражающих оболочек (2..2) световода и барьерной области (3).
1
k
1
k
В одном варианте изобретения (Фиг.3) заготовки барьерной области(3), внутренней отражающих оболочек (2..2) и световедущих сердцевин (1..1), формируются путем нанесения легированного кварцевого стекла методом осаждения из газовой фазы т.е. методами MCVD (модифицированное химическое осаждение из газовой фазы) или PCVD (плазмохимическое осаждение из газовой фазы) в указанном порядке внутри трубки (6) из кварцевого стекла. Трубка (6), внутри которой происходит напыление после завершения процесса, может быть удалена с помощью плавиковой кислоты или механической обработки.
1
k
1
k
1
m
1
k
1
k
В другом варианте изобретения (Фиг.4а-д) для формирования заготовки световедущих сердцевин (1..1), внутренних отражающих оболочек (2..2) световода и барьерной области (3), состоящей из элементов барьерной области, которые представлены на Фиг.4б, как позиции (3..3), сначала производится изготовление сборочной заготовки, состоящей из вышеперечисленных составных элементов, называемой далее предварительной сборочной заготовкой (7) (Фиг.4в). Сначала изготавливаются по отдельности элементы предварительной сборочной заготовки (7). Центральным элементом предварительной сборочной заготовки (7) является заготовка только внутренней отражающей оболочки (2..2) и световедущей сердцевины (1..1) (Фиг.4а), которая изготавливается путем осаждения из газовой фазы в процессах MCVD, PCVD, VAD (аксиального осаждения) или OVD (внешнего осаждения из газовой фазы).
1
m
1
m
Элементы (3..3) (Фиг.4б) предварительной сборочной заготовки (7), являющиеся заготовками для формирования барьерной области (3) или (3..3) изготавливается путем осаждения из газовой фазы или другим методом.
1
m
1
m
1
k
1
k
1
m
1
m
Элементы (3..3) представляют из себя стержни из кварцевого стекла, содержащего легирующие добавки, выбранные из группы: оксида бора, фтора, оксида германия и их сочетания. Поперечное сечение этих стержней может быть произвольной формы. Также в качестве элементов (3..3) для сборочной заготовки (7) могут быть использованы трубки из кварцевого стекла. Далее производится изготовление и позиционирование предварительной сборочной заготовки (7). Вокруг заготовки для световедущей сердцевины (1..1) и внутренней отражающей оболочки (2..2) размещают элементы (3..3) (Фиг.4в). Элементы (3..3) могут быть одинаковыми или различными по своему составу, форме и оптическим свойствам. Затем предварительную сборочную заготовку (7) из вышеуказанных составных элементов помещают внутрь трубки (6) из кварцевого стекла (Фиг.4г). Трубка (6) плотно надевается на предварительную сборочную заготовку (7) и удерживает ее составные элементы относительно друг друга. Один конец трубки (6) запаивается с помощью, например, газовой горелки. Другой конец присоединяется к вакуумному насосу, с помощью которого внутри трубки создается пониженное давление. Затем предварительная сборочная заготовка (7) в трубке (6) подается в печь и нагревается до температуры размягчения кварцевого стекла 1800-2300°С. Из-за разницы давлений внутри и снаружи трубки (6), при нагреве пространства между составными элементами предварительной сборочной заготовки (7) и пространства между элементами предварительной сборочной заготовки (7) и трубкой (6) схлопываются, и заготовка превращается в монолитный стержень, таким образом, предварительная сборочная заготовка (7) в трубке (6) после проплавления образуют проплавленную заготовку (8) (Фиг.4д).
1
m
1
m
1
m
Исключения составляет случай, когда элементы (3..3), барьерной области световода представляют собой сквозные отверстия например, заполненные воздухом или газом с подобными свойствами. В этом случае элементами (3..3) для предварительной сборочной заготовки являются полые капилляры из кварцевого стекла, запаянные с обеих сторон, внутри которых остается воздух, создающий давление. При проплавлении и схлопывании предварительной сборочной заготовки давление внутри полых элементов барьерной области (3..3) не дает им схлопнуться, в результате чего в поперечном сечении проплавленной заготовки (8) остаются воздушные отверстия.
Далее, проплавленная предварительная заготовка (8) (Фиг.4д) для последующих манипуляций может быть перетянута на меньший диаметр. При этом трубка (6) после завершения процесса может быть удалена с помощью плавиковой кислоты или механической обработки.
1
k
1
k
1
m
Далее со ссылками на Фиг. 5а-5в будет описан процесс изготовления заготовки многосердцевинного световода согласно изобретению. Для этого проплавленные заготовки (8), состоящие из заготовок для световедущих сердцевин (1..1), внутренних отражающих оболочек (2..2) световода и барьерной области (3) или (3..3) размещаются внутри трубки (9) из кварцевого стекла (Фиг.5а). Диаметры заготовок и трубки (9) подбираются таким образом, что положение всех элементов было фиксировано. Так, например, семь проплавленных заготовок (8) для световедущей сердцевины, внутренней оболочки и барьерной области, имеющих круглое поперечное сечение с заданным диаметром, могут быть размещены в трубке (9) с внутренним диаметром, в три раза превышающим внешний диаметр заготовки для сердцевины, внутренней оболочки и барьерной области.
Кроме того, заготовки могут быть размещены в трубке с поперечным сечением квадратной или иной формы. В случае, если проплавленные заготовки (8) содержат сквозные отверстия, их необходимо герметично закрыть, с помощью, например, запаивания концов заготовки. Для дополнительного фиксирования элементов внутри трубки могут использоваться стержни (10) из кварцевого стекла с произвольным поперечным сечением (Фиг.5б). Далее один конец трубки (9) с заготовками (8) запаивается с помощью, например, газовой горелки. Другой конец присоединяется к вакуумному насосу, с помощью которого внутри трубки создается пониженное давление. Затем сборочная заготовка в опорной трубке подается в печь и нагревается до температуры размягчения кварцевого стекла 1800-2300°С. Из-за разницы давлений внутри и снаружи опорной трубки (9), при нагреве отверстия внутри схлопываются и заготовка превращается в монолитный стержень. В результате образуется вторичная заготовка (11) (Фиг.5в).
Световод может вытягиваться как из полученной вторичной заготовки (11), так и одновременно с процессом схлопывания сборочной заготовки.
Процесс изготовления многосердцевинного световода, представленный в настоящем описании, не ограничивается раскрытыми возможными вариантами реализации и может быть модифицирован любыми известными для специалистов в этой области техники способами и их модификациями.
Промышленная применимость
Заявленные варианты многосердцевинного волоконного световода с барьерной областью могут использоваться в системах оптической связи в качестве передающего световода, используемого для доставки сигнала во внутригородских линиях связи, когда ограничено количество или общее сечение прокладываемых волоконно-оптических кабелей.