СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ МОДОВОЙ ЗАДЕРЖКИ МНОГОМОДОВОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА
METHOD OF REDUCING DIFFERENTIAL MODE DELAY OF MULTIMODE OPTICAL FIBRE

Изобретение относится к волоконно-оптической технике связи и может быть использовано для увеличения пропускной способности и протяженности многомодовой волоконно-оптической линии передачи.
Известны способы увеличения пропускной способности многомодового оптического волокна с градиентным профилем показателем преломления [1-4], заключающиеся в том, что многомодовое оптическое волокно изготавливают с профилем показателя преломления в сердцевине, который описывается выражением вида:
а
0
1
где r - радиальная координата;  - радиус сердцевины волокна;  - параметр высоты профиля; n - максимальное значение показателя преломления, соответствующее центру сердцевины; n - показатель преломления оболочки; α - параметр градиента профиля.
При таком профиле показателя в целом выравниваются скорости передачи направляемых мод в оптическом волокне и, соответственно, снижается модовая дисперсия. Для увеличения пропускной способности многомодовой линии передачи используют когерентные источники оптического излучения - лазеры. При подключении лазера к многомодовому оптическому волокну в последнем возбуждается ограниченное число направляемых мод. Имеет место маломодовый режим передачи. Число возбуждаемых направляемых мод в волокне зависит от профиля оптического волокна, характеристик источника излучения и условий ввода. Как правило, в маломодовом режиме оно не превышает 30. Для сравнения, в многомодовом режиме (при возбуждении многомодового оптического волокна некогерентным источником оптического излучения, например, светодиодом) число возбуждаемых направляемых мод более 100. При увеличении скорости передачи и из-за ограничения числа направляемых мод в маломодовом режиме одним из наиболее существенных факторов искажений сигналов на приеме становится дифференциальная модовая задержка - задержка между отдельными модами. При этом, для конкретного набора мод профиль показателя преломления, оптимальный с точки зрения минимизации дифференциальной модовой задержки, может существенно отличаться от степенного, обеспечивающего выравнивание скоростей в многомодовом режиме. Таким образом, применение способов [1-4] ограничено использованием многомодового оптического волокна в многомодовом режиме.
Известны способы уменьшения модовой дисперсии и дифференциальной модовой задержки многомодовых оптических волокон [5-15], заключающиеся в том, что многомодовое оптическое волокно изготавливают с модифицированным степенным профилем показателя преломления, который отличается наличием хотя бы одного из перечисленных ниже признаков: 1) между сердцевиной и внешней сплошной оболочкой вводят одну или несколько промежуточных оболочек; 2) сердцевину волокна разбивают на центральную и периферийную области, в пределах которых профиль показателя преломления изменяется по заданному закону. Выбор параметров профиля базируется на условном разделении модового состава, распространяющегося в многомодом волокне, на две группы мод низшего и высшего порядков с точки зрения траектории их распространения - ближе к центру сердцевины или, напротив, ближе к границе раздела сердцевина/оболочка. Соответствующие модификации профилей обеспечивают выравнивание групповых скоростей мод указанных групп и преобразование направляющих мод высшего порядка в вытекающие. Такое разделение модового состава на две группы мод справедливо, если оптическое волокно работает в многомодовом режиме, в то время как, с точки зрения маломодового режима, отличие скоростей отдельных модовых составляющих является существенным, даже если эти моды относятся к одной группе в многомодовом режиме. Способы [5-15] позволяют получать модификации степенного профиля, обеспечивающие уменьшение дифференциальной модовой задержки по сравнению с идеальным степенным, но не позволяют находить профили, оптимальные с точки зрения минимизации дифференциальной модовой задержки для конкретной группы направляемых мод. Это ограничивает возможности применения способов [5-15] для уменьшения дифференциальной модовой задержки многомодовых волокон в маломодовом режиме.
Известны способы изготовления многомодовых оптических волокон с градиентным профилем показателя преломления и малой дифференциальной модовой задержкой [16-19], которые отличаются тем, что на отдельных этапах технологического процесса производства многомодовых оптических волокон контролируют значения дифференциальной модовой задержки и по результатам контроля корректируют параметр α степенного профиля показателя преломления для уменьшения дифференциальной модовой задержки. Профиль показателя преломления многомодовых оптических волокон [16] формируется путем локальной коррекции базового градиентного профиля типовых многомодовых волокон, изначально ориентированных для передачи оптических сигналов в многомодовом режиме, и при этом не рассматривается устранение технологического дефекта в центральной области сердцевины. Рекомендуемый профиль показателя преломления многомодовых волокон [17, 18] представляет собой результат усреднения параметров профилей, полученных путем измерений образцов градиентных многомодовых оптических волокон со степенным профилем показателя преломления, и отобранных по критерию минимального значения дифференциальной модовой задержки. Профиль показателя преломления многомодового оптического волокна [19] формируется исходя из оптимального профиля дифференциальной модовой задержки, полученного в результате послойной коррекции аналогичного профиля предыдущего образца заготовки. Однако сопоставление параметра градиента α и значения дифференциальной модовой задержки в заданной радиальной координате r поперечного сечения сердцевины осуществляется в [19] на основе методики расчета интегрального значения модовой задержки относительно параметра градиента α, рассматривающей всю совокупность направляемых мод, распространение которых поддерживается в данном волокне, что также соответствует многомодовому режиму. Способы [16-19] позволяют корректировать степенной профиль и уменьшать дифференциальную модовую задержку в целом по сравнению с идеальным степенным профилем, но не позволяют находить профиль показателя преломления оптимальный с точки зрения минимизации дифференциальной модовой задержки для конкретной группы направляющих мод в многомодовом волокне. Следует учесть, что поскольку состав направляющих мод в многомодовом оптическом волокне зависит от характеристик источника и условий ввода, от этого же зависит и форма профиля, оптимального с точки зрения минимизации дифференциальной модовой задержки для этого модового состава. Все вышесказанное ограничивает возможности применения указанных способов для уменьшения дифференциальной модовой задержки многомодовых волокон в маломодовом режиме.
Известен способ уменьшения дифференциальной модовой задержки многомодового оптического волокна [20], заключающийся в том, что определяют группу направляемых мод, для этой группы мод строят диаграмму дифференциальной модовой задержки, представляющую собой распределение значений данной величины по соответствующим условным порядковым номерам направляемых мод, рассчитывают оптимальную диаграмму дифференциальной модовой задержки, выбирают параметр α(r) степенного профиля для каждого заданного значения радиальной координаты r поперечного сечения сердцевины многомодового волокна, добиваясь приближения к оптимальной диаграмме дифференциальной модовой задержки, изготавливают многомодовое оптическое волокно, профиль показателя преломления которого описывается формулой (1), при выбранных значениях параметр α(r). Данный способ позволяет находить значения параметра степенного профиля α(r), при которых для степенного профиля обеспечивается минимальная дифференциальная модовая задержка конкретной ограниченной группы мод многомодового оптического волокна в маломодовом режиме. Это ограничивает возможности способа по уменьшению дифференциальной модовой задержки многомодового оптического волокна в маломодовом режиме, поскольку форма профиля показателя преломления, при которой можно достичь наименьших значений дифференциальной модовой задержки для ограниченной группы мод, может существенно отличаться от формы степенного профиля.
Сущностью предлагаемого изобретения является уменьшение дифференциальной модовой задержки.
Эта сущность достигается тем, что согласно способу уменьшения дифференциальной модовой задержки многомодового оптического волокна, заключающегося в том, что определяют группу направляемых мод, для этой группы мод строят диаграмму дифференциальной модовой задержки и рассчитывают профиль показателя преломления многомодового оптического волокна, при котором значения дифференциальной модовой задержки для этой группы мод минимальны, при этом профиль показателя преломления сердцевины выбирается из условия минимизации величины F, рассчитываемой по формуле:
g(j)
lm
lm
(j)
где ν - значение групповой скорости j-ой направляемой моды LP  в многомодовом оптическом волокне;  - опорное значение групповой скорости, относительно которого осуществляется выравнивание групповых скоростей направляемых мод LP; M - число направляемых мод, переносящих мощность маломодового оптического сигнала в многомодовом оптическом волокне, для которых нормированная амплитуда составляет не менее 0,1.
lm
lm
На фиг.1 представлена структурная схема устройства для реализации заявляемого способа. На фиг.2 приведен профиль показателя преломления, построенный на основе протокола результатов измерения профиля образца многомодового оптического волокна категории ОМ2+/ОМ3, оптимизированного для работы с лазерными источниками. На фиг.3 представлен вариант профиля показателя преломления многомодового оптического волокна с малой дифференциальной модовой задержкой, оптимальный для ввода сигнала с выхода лазера с вертикальным объемным резонатором (рабочая длина волны λ=850 нм), с осевым смещением 10…16 мкм, обеспечивающим возбуждение 24 направляемых мод LP (l=0…3; m=1…3), для которых параметр мощности моды в сердцевине составляет не менее 50%, а нормированная амплитуда - не менее 0,1, полученный в результате минимизации величины F, при этом в качестве опорного значения  выбиралась средняя групповая скорость перечисленного модового состава, распространяющегося в многомодовом оптическом волокне с профилем показателя преломления, приведенным на фиг.1. На фиг.4 представлен вариант профиля показателя преломления многомодового оптического волокна с малой дифференциальной модовой задержкой, оптимальный для соосного ввода сигнала с выхода лазера с вертикальным объемным резонатором (рабочая длина волны λ=850 нм), обеспечивающего возбуждение 12 направляемых мод LP (l=0…3; m=1…3), для которых параметр мощности моды в сердцевине составляет не менее 50%, а нормированная амплитуда - не менее 0,1, полученный в результате минимизации величины F, при этом в качестве опорного значения
01
lm
выбиралась средняя групповая скорость перечисленного модового состава, распространяющегося в многомодовом оптическом волокне с профилем показателя преломления, приведенным на фиг.1. На фиг.5 представлен вариант профиля показателя преломления многомодового оптического волокна с малой дифференциальной модовой задержкой, оптимальный как для ввода с произвольным осевым смещением, так и соосного ввода сигнала с выхода одномодового лазера (рабочая длина волны λ=1310 нм), при этом ввод основной моды LP обеспечивает возбуждение 5 направляемых мод LP(l=0; m=1…5), для которых параметр мощности моды в сердцевине составляет не менее 50%, а нормированная амплитуда - не менее 0,1, полученный в результате минимизации величины F, при этом в качестве опорного значения  выбиралась средняя групповая скорость перечисленного модового состава, распространяющегося в многомодовом оптическом волокне с профилем показателя преломления, приведенным на фиг.2.
Устройство содержит когерентный источник оптического излучения 1, который через устройство ввода 2 подключен к многомодовому оптическое волокну 3.
Устройство работает следующим образом.
01
lm
lm
g(j)
(j)
При подключении когерентного источника излучения 1 через устройство ввода 2 к многомодовому оптическому волокну 3 в многомодовом оптическом волокне 3 возбуждается ограниченное число направляемых мод - реализуется маломодовый режим передачи. Число модовых составляющих оптического сигнала определяется условиями ввода и модовым составом излучения, которое формируется непосредственно на выходе когерентного источника излучения 1, что, в свою очередь, зависит от типа лазера и его характеристик. Так, например, излучение на выходе одномодового лазерного диода с резонатором Фабри-Перо (рабочая длина волны λ=1310 нм) содержит одну основную моду LP, в то время как сигнал с выхода лазера с вертикальным объемным резонатором содержит (рабочая длина волны λ=850 нм) 6 модовых составляющих. При этом число направляемых мод, возбуждаемых в многомодовом волокне в условиях соосного ввода, для которых значение нормированной амплитуды составляет более 0,1, практически в два раза меньше, по сравнению с равномерным возбуждением. Таким образом, для заданного типа лазера и соответствующих условий ввода в основном многомодовом волокне линии передачи большая часть мощности оптического сигнала переносится ограниченным набором из М направляемых мод LP, условно пронумерованных как LP (j=1…М), например, в порядке возрастания азимутального и радиального порядков. На основе введенной нумерации можно построить диаграмму распределения групповых скоростей направляемых мод основного многомодового волокна линии передачи, значения которых ν полностью определяются непосредственно формой и параметрами, а также локальными дефектами градиентного профиля показателя преломления многомодового оптического волокна 3. Соответственно, выбирая форму и параметры профиля многомодового оптического волокна 3, можно добиться искомого вида диаграммы распределения значений групповых скоростей заданного числа направляемых мод определенного порядка. Форма и параметры профиля показателя преломления многомодового оптического волокна 3 выбираются таким образом, чтобы минимизировать дифференциальную модовую задержку. Таким образом, в многомодовом оптическом волокне 3 уменьшается дифференциальная модовая задержка при маломодовом режиме передачи.
В известном способе, которым является прототип, уменьшения дифференциальной модовой задержки для конкретной группы направляемых мод в многомодовом оптическом волокне достигают за счет подбора значений параметра степенного профиля α при заданных радиальных координатах r поперечного сечения сердцевины. В отличие от прототипа, предлагается из условия минимизации дифференциальной модовой задержки определять и форму, и параметры профиля. Поскольку для конкретного набора мод профиль показателя преломления, оптимальный с точки зрения минимизации дифференциальной модовой задержки, может существенно отличаться от степенного, обеспечивающего выравнивание скоростей в многомодовом режиме, это позволяет уменьшить дифференциальную модовую задержку многомодового оптического волокна в маломодовом режиме по сравнению с прототипом.
Источники информации
1. US 3823997.
2. US 3989350.
3. US 4033667.
4. US 4025156.
5. US 3785718.
6. US 6292612.
7. US 2004/0202423.
8. US 2005/0053351.
9. US 2007/0147754.
10. US 2008/0050075.
11. US 2009/0052851.
12. US 2010/0098431.
13. WO 2009/054715.
14. WO 2010/019222.
15. US 2010/0067858.
16. US 4286979.
17. WO 00/50936.
18. US 2002/0197038.
19. WO 2007/043060.
20. US Patent 6574403.