Оптические и дисперсионные характеристики многослойных одномодовых волоконных световодов с модифицированной дисперсией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

российская академия наук научный центр волоконной оптики при институте общей физики

На правах рукописи .«дК 681 .396.22.023.7

СЕМЕНОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

Оптические и дисперсионные характеристики многослойных одномодовых волоконных световодов с модифицированной дисперсией

(01.04.21 - лазерная рк?ика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на. соискание ученой степени

¡^ндид^та физике• математических неук

Москва - 1995

Работа выполнена в Научном центре волоконной оптики при Институте общей физики РАН.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

А.В.Белов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

А.С.Ееланов

кандидат физико-математических наук А.Л.Томашук

Ведущая организация : Институт' радиоэлектроники РАН

Защита состоится часов на

заседании диссертационного ученого совета К 003.49.02 при

Институте общей физики РАН по адресу: 117942, г.Москва, В-333, ул. Вавилова 38, Институт общей физики РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики РАН.

Автореферат разослан

Отзывы об автореферате в одном экземпляре, заверении? ученым секретарем и скрепленные гербовой печатью, прост присылать по адресу: 117942, г.Москва, В-333, ул. Вавилова 38; Институт общей физики РАН.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат физико-математических наук: т-Б-Воля:

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы определяемся шириким примАнениш одно--чодовых волоконных световодов (ОВС) на основе кварцевого стекла в качестве передащей среда волоконно-оптических линий связи CBOJIC), элементов датчиков, в, исследовании нелинейных явлений и в других областях. Возможности используемы:! ОВС определяются их золноводными характеристиками, к клторш относятся: сйок-тряиьная ?чтосимость оптических потерь а(Х); дана волны отсечки эпределяющая коротковолновую границу одномодового режима распространения; хроматическая дисперсия D{?0, ограничивающая юлосу пропускания ОВС; длина волны нулевой дисперсии X , на {оторой достигается максимальная скорость передачи информации. .Тктерес к многсслпйнкч ORG с мода^щс-ов^кьой дисперсией «ьязаи, ^ первую очередь, с возможностью совмещения спектральной области 1аиболыаей ширины полосы пропускания с областью нгшвньших оши-теских потерь и рабочей областью врбиевнх волоконных усилителей. 1о своим оптическим и дипп*рпиокянм характеристикач многословны* "ЕС с модифицированной дисперсией делятся на два основных типа: I) ОВС со смещенной дисперсией, у которых длина волны нулевой дисперсии смещена из области 1,П1 мкм в область 1,55 мкм для зоБМбщения со спектральной областью наименьших оптических потерь з кварцеБом стекле, и

1} ОВС с плоской дисперсией, у которых дисперсия мала в широком диапазоне длин волн, а длина волн нулевой дисперсии располагается в области 1,55 мкм.

Использование ОВС со смещенной дисперсией предполагается в гротяженных когерентных линиях оптической связи и обусловлено юзможностью усиливать передаваемые сигналы в области д=1,53 -

1,55 мкм с помощью эрбиевых волоконных усилителей. ОВС с плоек« дисперсией могут быть использованы при создании ВОЛС с нескол: ними рабочими длинами волн, а также при исследовании нелинейа оптических явлений.

Существующие в настоящее время протяженные ВОЛС созданы ; основе стандартных ОВС с рабочей длиной волны 1,31 мкм и облад щих дисперсией +17 пс/(нм-км) на длине волны 1,55 мкм. Очевид что переход на рабочую длину волны 1,55 мкм без внедрения в ВО дополнительных элементов приведет к существенному дисперсионно уширению передаваемых импульсов. Такими дополнительными эдеме тами являются волоконные дисперсионные компенсаторы (ВДК) основе ОВС с многослойным профилем показателя преломления (ППГ обладающие значительной отрицательной дисперсией в облас Я=1,55 мкм и позволяющие не только использовать рабочую дм волны ,55 мкм, но и- уменьшить полную дисперсию в ВОЛС широком спектральном диапазоне.

В связи с этил целью настоящей работы являлось экстариьк тальное исследование волноводных характеристик реальных ОВС модифицированной дисперсией и широкополосных ВДК, созда! методик их расчета и экспериментального определения и получе; ОВС с заданными волноводными характеристиками. Кроме того, це. работы являлось исследование механизмов избыточных оптичеа потерь в многослойных ОВС с модифицированной дисперсией создание ОВС с оптическими потерями, близкими к предельно мал

■Данная работа проводилась совместно с Институтом Хи Высокочистых Веществ (ИХВВ) РАН (г. Н.Новгород), где по МС технологии изготавливались заготовки исследуемых в настоя работе ОВС и производилась вытяжка ряда ОВС.

Научная новизна диссертационной работы.

1} Предлагаемой в работе метод послойной оптимизации ППП позволив максимально точно сформировать ПТШ исследуемых, многослойных ОВС с модифицированной дисперсией и обеспечить требуемые полноводные характеристики.

?,) Разработаны методы определения потерь на вытекание основной молу, ингнбннх потерь и длины волны эффективной отсечки ь многослойных ОВС о модифицированной дисперсией' на основе данных измерения 1ШП в заготовке ОВС.

3) Разработан новый метод и создана легко реализуемая- на практике установка, позволяющая.измерять хроматическую дисперсию в длинном (« 1 км) отрезке ОВС с помощью кольцевого интерферометра с модуляцией .{азы излучения. Для контроля дисперсии по длине ОВС был также разработан новый мат&д и создана экспериментальная установка для измерения хроматической дисперсии на коротких М м) отрезках ОВС, оснп-ьяиная на ште реометре маха-Цеидера с волоконным опорным плечом.

4) Впервые в качестве -среда для компенсации дисперсий1" 1-го и 2-го порядков в стандартных ВОЛС бчл пррдло-,кен ОВС с многослойным ПГЕП.

Практическая ценность работы.

Ка основе проведенных исследований были созданы первые стечестБоНше многослойные ОВС со смещенной в область 1,55 мкм длиной волны нулевой хроматической дисперсии и оптическими поте-эями, близкими к предельно малым, а также получен ОВС с плоской (щсперсией в области Х=1,55 мкм и потерями, находящимися на /ровне мировых аналогов.

Впервые'по MCVD-технологии был создан широкополосный волоконный дисперсионный компенсатор, позволяющий скомпенсировать дисперсию в стандартной линии связи до ± 1 пс/(нм-км) в области длин волн 1,515-1,572 мкм.

Разработанные программы расчетов потерь на вытекание, изгибных потерь и длины волны з<|фвктивной отсечки ОВС по данные ППП, измеренного в заготовке, и методы измерения дисперсии нг коротких и длинных отрезках ОБО могут использоваться в организациях, связанных с производством ОВС.

Апробация результатов.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах НЦВО при ИОФ РАН, на 14-й Европейской конференции по оптической связи (г.Брайтон, 1988), 1-ом Международном конгрессе по материалам и технологии (Хельсинки, 1990), Конференции по волоконно-оптической связи (г.Сан-Хосе, 1993), 19-й Европейской конференции по оптической связи (г.Монтре, 1993), 2-ой Конференции по волоконно-оптическим измерениям (г.Турин, 1993), Конференции по сверхбыстрым оптическим системам передачи информации (г.Триест, 1995), публиковались в журналах "Квантовая Электроника", "Труда ИОФ РАН", "Soviet Lightwave Communications" "J. of Lightwave Technology", "Electronics Letters", "Applied Optics". По материалам диссертации, опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. В начале каждой главы имеется краткое введение, а в конце приведе-

нк основные, выводы. Диссертация содержит '?.25 страниц, включая 65 рисунок, 6 таблиц и 28 страниц библиографии, содержащей 130 нашеноватптй.

ООНОВНЫд НОЛОЖ&ШЯД _;7|)9ДСТЯБЛЯЙШ0 У^бИдатб.

1} Применение метода послойной оптимизации ППП для получения многоо.ЯОЙНЧХ ОРО со скощенной и ¿июоной диеторсиями и оптическими потерями, близкими к предельно малым.

2) Экспериментальные методы измерения дисперсии б ОВС с модифицированной дисперсией,

3) Методы расчета потерь на вытекание основной моды, изгибшх потерь и длины волны эффективной отсечки в многослойных ОГО с шдифацнроватоой дисперсией на основе давящ измерения ППП. е заготовке.

4) Создание на основе '"ИЗО о. многослойными ППП широкополосных волоконных дисперсионных компенсаторов с низкими оптичес -кими потерям.

?. содержал® работы

Во введении обоснована актуальность к практическая ценность проведенных исследований, кратко сформулированы основные результаты, полученные к моменту начала данной работа в России к зч рубежом в области исследования волноводвых свойств многослойных ОВС с модифицированной дисперсией, показана актуальность создания широкополосных дисперсионных компенсаторов, определены цели диссертационной работы и кратко описано ее содержание.

в первой главе 'диссертации для исследуемых типов ОВС

вводится классификация их ППП: для ОВС со смещенной дисперсией -1ШП с треугольной сердцевиной, окруженной дополнительным кольцом; для ОВС с плоской дисперсией - W-образный ППП и квадрупольный Q-ППП. Исходя из литературных данных, приводятся основные определения волноводннх характеристик слабонаправлякщих ОВС. Основной характеристикой моды, способной распространяться в ОВС, является радиальное, распределение ее поля E(R). Функция Е(Е) является собственным решением скалярного волнового уравнения:

+ -1- йЖЕ) + Г^ллпп/Лп . . _ ^ _ 1?

+ (v-(An(K)/iW В) - ±2 ) 'E(R) =0 (1)

где У,В,Н, Ап(Н)/Дпмакс ~ нормированные частота, постоянная распространения, радиус и ППП соответственно, 1~ азимутальное модо-вое число (1=0 для И^-моды, 1=1 для ХхР^-моды). Длина волны отсечки Хс определяется как длина волны, на которой . ВСЬР^ЬО. Также используется понятие эффективной длины волны отсечки А.с8®, на которой затухание ЬР^-моды составляет 20 дБ/м, что соответствует условию нерегистрируемости П^-моды на коротком («1 м) отрезке ОВС. Для радиуса пятна моды вводятся три определения: ет^ - использующийся при расчете потерь на стыковку ОВС и для предсказания волноводной дисперсии; - позволяющий предсказать микроизгибнке потери; - соответствующий верхней границе

допустимого уровня микроизгибных потерь и потерь на вытекание в многослойных ОВС. Во избежании микроизгибных потерь при выборе параметров многослойного ППП следует стремиться к минимизации величины

Хроматическая дисперсия Б(л) определяется различием времен задержек различных спектральных компонент распространяющегося по

ОВС излучения и может быть .разложена-на"составляющие : материальную и волновода:/» дисперсии и дисперсию профиля. Материальная дисперсия Мр обусловлена спектральной зависимостью показателя преломления кварцевого стекла и распределением мощности передаваемого по 0BG излучения и выражается в виде:

<х>

З&п = а/с>рап(НУ1\г ÉP(R/rtoJi, K?,f

о

где для расчета величины (А,/с ) • d^n^/dA,11 используется трехпа-раметрическая формула Зельмеера для Si02 и GeOo -стекол с учетом молярного содержания GeOg.' в стекле. Волноводная дисперсия, обусловленная нелинейной зависимостью групповой скорости мода, от длины волны, существенно зависят от фермы к параметров ППП, что позволяет получать пвс с различными значениями -v,. Для расчет-., полноводной дисперсии M :

î»w { \ ) = ( /sîi/â.c } • 7 • il" ( VB ) />172 , s '

необходимо численно решить скалярное волновое уравнение ( 1 )- Чз рассчитанного распределения поля E(R) для заданных .«иачоний V получается зависимость относительной доли мощности в сердцевине, используемая для вычисления d(7B)/dV по формуле:

d(BV)/dV = Я jECR) -R. -------S-1'^ rtR - Б (7) [Л,

q <1Т5мак.с

Полученная таким образом зависимость аппроксимируется степенным полиномом и дифференциируется,. что позволяет найти зависимость

р о

d (VB)/dV . После введения коэффициента перетяжки из заготовки в

световод абсолютные значения дисперсий МЮ(Х) и М^Д) рассчитываются по формулам (2) и (3).

В работе кратко рассмотрен процесс производства ОБС. Исследуемые в настоящей работе многослойные ОВС изготавливались по МС\ТЭ~технологии и имели сердцевину состава БЮ^гвеО^, окруженную дополнительными депрессированшши (5102:Р205:£) и компенсированными (510р:Р205:&е02-) оболо,:1Каш'

Рассмотрены механизмы собственных и избыточных оптических потерь и их связь с параметрами ОВС и условиями их производства.

Дан обзор основных работ по созданию ОВС со смещенной в область д,=1,55 мкм длиной волны нулевой дисперсии. В простейшем случае ОВС со ступенчатым ППП сердцевины сместить длину волны нулевой дисперсии А_0 в длинноволновую область можно путем уменьшения диаметра сердцевины и увеличения разности показателей преломления сердцевины и .оболочки &п0. Существенным недостатком таких ОВС является высокий уровень оптических потерь, связанный с напряжениями в стекле, возникающими на границе сердцевины и оболочки. Отсюда ясно, что для уменьшения градиента напряжений на границе сердцевины и оболочки необходимо устранить резкие изменения Дп0, т.е. перейти к распределенному (близкому к треугольному) ППП сердцевины. Для снижения уровней изгибных потерь и потерь на вытекание основной моды в области ^=1,55 мкм треугольную сердцевину целесообразно окружить дополнительным кольцом с повышенным относительно уровня кварца показателем преломления. В то же время, отсутствие в литературе методов численного расчета таких потерь в структурах с произвольным ППП делает эту проблему особо актуальной. Введение кольца также увеличивает постоянные распространения высших мод, что приводит к увеличению

их. длин волн отсечки. -Следовательно-," 'необходима "оптёмйайщд параметров кольца с точки зрения сохранения одномодового режима распространения в области VI,55 мкм, что требует создания методики численного расчета длин ьолн эффективных отсечек выоппсс мод

в реальном СВС.

В работе приведен обаор основных результатов по получению СВС с плоской дисперсией. В качество основы для уплощения полной дисперсии в ОВС было предложено использовать Щ-образный ППП. Однако ОВС с И-ППП оказались очень чувствительными к изкибам. Кроме того, достижение плоской дисперсии возможно только в области длин волн, где основная мода обладает малой постоянной распространения В (т.е. вблизи ее отсечки). Поэтому для увеличения В основной моды было предложи»"', изменить *-ППП путем д;>бявления к нему кольиз с повышенным показателем преломления. Получаемый в итого квадруттольннй О-ППП позволяет снизить изгиб-ные потери в ПВО в области ,55 ш. К сожаление," ди^ерсйя в ОБО с О-ППП наиболее чувствительна к вариациям параметров сердцевины и внутренней депрессированкой оболочки, а уплощение дисперсии в широком спектральном диапазоне достигае?пс? т-део при уменьшении Ы^-мода, что приводах к увеличению потерь на стыковку со стандартным ОВС. Поэтому актуальной задачей является оптимизация реального ППП ОВС с плоской дисперсией для одновременного достижения нескольких целей: уплощения дисперсии; снижения оптических потерь на вытекание и на изгибах, при стыковке и потерь, возникающих, при вытяжке; сохранения одномодового режима распространения при А.=1,55 мкм; снижения чувствительности дисперсии к вариациям параметров ППП.

В приведенном в ' первой главе кратком обзоре волоконных

дисперсионных компенсаторов, позволяющих скомпенсировать +17 пс (нм-км) дисперсию в стандартных ОВС на А.=1,55 мкм, описаны двух модовый ВДК и ВДК на основе ОВС со ступенчатым, градиентным : сегментированным ППП. Широкополосные ВДК на основе ОВС с О-ППЛ позволяющие скомпенсировать дисперсию в широком спектрально! диапазоне, подробно описаны в Главе 5 диссертации.

Дан обзор основных методов измерения волноводных характе ристик ОВС. Показано, что все существующие методы измерени дисперсии сложны в реализации, что делает актуальным создани простых и недорогих методов измерения дисперсии как на коротки («1 м), так и на длинных (<*1 км) отрезках ОВС.

На основе анализа литературных данных сформулированы задач диссертационной работы.

Вторая_глава диссертации посвящена вопросам оптимизаци форм ППП многослойных ОВС со смещенной в область ,55 мкм плоской дисперсиями. Для определения формы ППП, позволяюще получить ОВС с требуемыми оптическими характеристиками, бы использован метод послойной оптимизации ППП с учетом геометри ческих размеров осаждаемых МС7Б-слоев. Экспериментально пока зано, что для снижения оптических потерь в ОВС со смещенно дисперсией ППП сердцевины должен иметь распределенную, близкую треугольной, форму. Дальнейшее уменьшение оптических потерь ОВС со смещенной дисперсией может быть достигнуто путем умень шения концентрации Се02 в сердцевине. Соответствующее этом уменьшение Ап0 неизбежно приводит к увеличению потерь н изгибах, микроизгибах и вытекание.

Во избежание возникновения избыточных потерь в облает

■\-!„55 мкм на модельном ГОШ была провидена оптимизация параметров кольца, причем вариации геометрических параметров профиля осуществлялись с учетом ширины осаждаемых МСУВ-олоев в реальном овс. Устойчивость к микроизгибам оценивалась по зависимости размера пятна на л=1,55 мкм и оптимизировалась путем выбора параметров ППП, псютво'ггтвуещее: минимуму лтой велткпк. Поскольку введение кольца увеличивает длины волн отсечек высших мод, параметры кольца были выбраны так, чтобы обеспечить наименьшую чувствительность А, к вариациям технологических параметров при формировании реального ППП ОВС. Кроме того, . при выборе параметров кольца решалась задача увеличения устойчивости длины волк нулевой дисперсии к вариациям внешнего диаметра ОВС. Не основе проведенного анализа показано, что питимальинми параметрами структуры о колы;ом яблянугси: дп^-о.ги-о о' > ; ап../4й.»

-1 ') »л

0,15; г., /а ,4-1 ,в; «я^-а. )/а =0,6-0,8.

Дэдае ь Главе 2 были проанализирован!; дисперсионные характеристики ОБО с плоской дисперсией и квадрупольным пли. Моды, поддерживаемые в структуре с <3-ППП, могут Сыть - рассмотрена : как

результат взаимодействия мод в двух подструктурах: '.V- Ш1П и ШИТ

кольца. Анализ спектральной зависимости параметра полноводной о о

дисперсии 7>б. СТВУФг, проведенный для 1Р01~моды, показал, что в случае д-ППП П^-мода имеет наибольшую дисперсиь в спектральной области, где ее поле начинает захватывать "кольцевую" подструктуру ППП. При этом постоянная распространения Ку,., мода в области ее наибольшей дисперсии достаточно высока (В=0,4-0,5), что позволяет избежать появления изгибных потерь и потерь на вытекание. Поскольку основным недостатком СЬ-ШЛ является существенное увеличение длин волн отсечек высших мод, проведен-

ный для и СЫНЕ численный расчет параметров ВОО, и Кс для Ц?01, Ы"11, ЬР02-мод показал важность строгого контроля параметров ППП во избежание многомодового режима распространения излучения в рабочей области длин волн.

Для изготовления реальных ОВС с плоской дисперсией, обращающейся в нуль на одной длине волны, структура ППП была оптимизирована с учетом ширин осаждаемых МСУВ-слоев, возможностей МСТБ-технологии и диффузионного искажения ППП. Проведены численные расчеты допустимых отклонений параметров ППП для получения ОВС с дисперсией }В|<3,5 пс/(нм»км) в области длин волн 1,35-1 ,55 мкм и обеспечения Л. <1,3 мкм. Наиболее высокие требования предъявляются к стабильности параметров сердцевины ОВС и кольца ■ С учетом указанных требований были рассчитаны параметры оптимального с точки зрения технологической воспроизводимости ППП ОВС с плоской дисперсией, обращающейся в нуль на Х0=1,55 мкм, и низкими оптическими потерями, а также рассчитан оптимальный ППП ОВС с двумя нулями дисперсии, не превышающей 3 пс/(нм»км) в областях А.=1,3 мкм и Л,=1,55 мкм. Особое внимание уделялось -снижению потерь на стыковке, изгибах, микроизгибах и вытекание моды, а также потерь при вытяжке.

Третья_глава диссертации посвящена вопросам разработки и создания методов измерения хроматической дисперсии. На этапе оптимизации ППП ОВС для контроля дисперсии по длине световода предпочтительнее измерять дисперсию на коротких отрезках ОВС. На основе интерферометра Маха-Цендера (МЦ) с воздушным опорным плечом была создана установка для измерения хроматической дисперсии на коротких («1м) отрезках ОВС. Поскольку данный

ютод измеретоя'предусматривает использование объемных оптич-гс-;кх ьлемектов и характеризуется значительными потерями оптичес-:ого сигнала, был разработан новый метод и создана экспериментальная установка для измерения хроматической даеп&рски на :оротких (« 1 м) отрезках ОБО на основе интерферометра МЦ с юлоконным опорным плечом. &»е<"ека ь»»икил, хзрак'х'орияя для ¡.чт^рферометра МП " воздушным опорным плечом, была заменена ^умя Х- образными волоконными разветвителлми (BP) с общим ветоводом в качестве опорного плеча интерферометра. Преимуществами волоконного интерферометра МЦ являются простота в :астройкв, отсутствие большого .количества оптических элементов, •ысокая механическая стаЯюжвооть, я также более слабея подв^р-»нность влиянш случайных измененвй температуры ь ирслу»«"* зм^рйния. Динамический ^иапчзон установки <20 дБ- позволил змерять еруплоьую задержку излучения с шспроизкдамоетыо -¡,т с/км в области длин волн 1,1-1,7 мкм. С помощью данного м*тс>дэ режимах поглощения и накачки впервыг- были измерены аномальная исперсия и задержка в 0BG, -легированных ионами р»гксз»м~.пьчш; лементоь.

Для й&м>;ра1жя спектральной зависимости дисперсии в длинном * 1 км) отрезке ОВС был разработан новый метод и создана легко еализуемая на практике установка, '•окованная на иеталяьяов&нил ольцевого шт*рф*роштра с модуляцией фазн излучения. Принцип змер&ния основан на том, что, варьируя частоту модуляции vu, это прописать распределение интенсивности интерференционного игнала I в области ее основного минимума на заданной длине злны к и определить соответствующие значения vj^ik).

ю позволяет для ОВС длиной L рассчитать спектральные завися-

мости времени задежки 1(Х) и дисперсии В(Х). Изготовленный на основе Х-образного ВР кольцевой интерферометр обеспечивает воспроизводимость величин г^*®111, равной 1 Гц, что соответствует воспроизводимости измерения задержки 5т(Х)=0,04 нс/км и определению показателя преломления с точностью 5п=1Сравнение измеренного с помощью кольцевого интерферометра значения дисперсии с рассчитанным из 1ШП заготовки показало их хорошее совпадение.

Чвтвертая_глава диссертации посвящена получению многослойных ОВС с модифицированной дисперсией и низкими оптическими потерями. Проведено экспериментальное исследование потерь на вытекание основной моды в многослойных ОВС с модифицированной дисперсией в зависимости от параметров ППП ОВС. Результаты численного расчета потерь, на вытекание, исходя из данных ППП, измеренного в заготовке, находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными, что позволяет использовать предложенную методику для расчета длинноволновой границы одномодового режима распространения. Измеренные и рассчитанные значения ХС8®(ЬР1 ^) совпадают друг с другом с погрешностью ± 2 %, что позволяет использовать данный метод для расчета эффективной длины волны отсечки. Для расчета изгибных -потерь в многослойных ОВС использовался метод объемных токов, в котором изогнутый слабонаправляющий ОВС рассматривался в виде излучающей антенны с известным распределением поля. Рассчитав мощность, излучаемую петлей с радиусам изгиба Нс и нормировав ее на длину ОВС, был получен коэффициент затухания мощности основной моды в слабонаправляющем ОВС с произвольным 1ШП. При расчете использовались

данные ШШ, измеренные в заготовке," с учетом коэффициента перетяжки заготовки в световод. Сравнение измеренных спектров изгибных потерь с рассчитанными показало их хорошее совпадение.

Далее в Главе 4 списываются результаты применения различных, технологических методов снижения оптических потерь, возникающих при вытяжке высоколегированны? гермашем ¡<ьо. В частности, было зсследовано влияние дополнительного нагрева ОВС с плоской дисперсией ниже луковицы заготовки в процессе вытяжки на величину наведенных оптических потерь. Показано, что дополнительный аагрвв снижает наведенные оптические потери при вытяжке гврмано-зиликатных ОВС со скоростями 10-15 м/мин. Экспериментально было установлено, что в многослойных ОВС с высоколегированной, герма-гяем сердцевиной (00-40} -1 0 '") дополнительное легировать сердцевины фтором сникает р&леевские и "серые" потери при эдтякке ОВС со скоростями 50-60 м/мин.

При вытяжке длинных («1-5 км) отрезков ORG с модафишрован-юй дисперсией важнейшей задачей является сохранение однородаос-ж их оптических характеристик по длине ОВС. Для этого бело тссладовава стабильность дисперсии по длинч многослойного свегорода. Показано, что если в процессе вытяжки ОВС с плоской щсперсией, внешний диаметр световода поддерживается с погрей -гостью не более 0,5 %, то расчетные и экспериментальные кривые гисперсии отличаются не более t 1 пс/(ям-км) в диапазоне длин <олн ^ ,25-! ,70 мим.

Для учета влияния внешней среды на ОВС, уложенные в реаль-ую линию связи, экспериментально и теоретически было иеследо-ано влияние внешнего теплового воздействия на дисперсионные зрактвристики ОВС с различной формой и параметрами ППП. Для

стандартных ОБО, а также для ОВС со смещенной дисперсией"на двух длинах волн (1,3 и 1,55 мкм) были определены температурные зависимости коэффициентов дисперсии и длины волны нулевой дисперсии.

В заключении Главы 4 сформулированы основные требования к формированию ППП ОВС со смещенной дисперсией и двух типов ОВС с плоской дисперсией, имеющих одну или две длины волны нулевой дисперсии. На основе выбранных режимов и параметров ШШ были получены:

а) Многослойные ОВС со смещенной на 1,55 мкм длиной волны нулевой дисперсии и потерями 0,23 дБ/км на ,55 мкм;

б) ОВС с плоской дисперсией, обращающейся в нуль в области Х=Л ,55 мкм и не превышающей 3 пс/(нм-км) в области &\=1,40-1,85 мкм, и с потерями 0,32 дБ/км при Я=1,55 мкм;

в) ОВС с двумя длинами волн нулевой дисперсии. Дисперсия этого. ОВС не превышает 5 пс/(нм-км) в области ЛЯ-1,315-1,685 мкм, а потери составляют 0,6 дБ/км при ,55 мкм.

Пятая_глава диссертации посвящена созданию на основе ОВС с многослойными ППП широкополосных волоконных дисперсионных компенсаторов (ВДК). Впервые в качестве среды для компенсации дисперсии'1-го и 2-го порядков в протяженных линиях оптической связи был предложен ОВС с многослойной структурой ППП. Проведенные с использованием метода послойной оптимизации ППП численные расчеты оптических характеристик позволили. выбрать! оптимальный ППП ВДК, обеспечивающий достижение максимальной отрицательной дисперсии одновременно с низким уровнем потерь на вытекание и изгибы. В соответствии с проведенными расчетами ППП по МСУБ-технологии была изготовлена серия' многослойных широко-

полосных ВЩ." Легирование гермщо-сшшкатных сердцевин ВДК фтором позволило снизить уровень "серых" и рэлеевских потерь и достичь минимальных потерь 0,55 дБ/км на л=1,55 мкм.

Для увеличения параметра качества (ПК) (ПК=|П(1,55)|/а(1,55) Спс/(нм»дБ]) в многослойных ВДК было проведено исследование зависимостей этой величины отегшературч вптяжки и дп0. Показано, hw для ВДК с треугольной сердцевиной величина Лп0=25•10 является оптимальной и обеспечивает максимальный параметр качества и высокую прочность вытягиваемых ВДК.

На основании полученных результатов был изготовлен многослойный ВДК с треугольной сердцевиной и параметрами Апп=25 ■ Ю-3, D(1,55)=-б5,3 nc/(HM'KM), а(? ,55 ">=0,7 дБ/км, ПК~92,6 пс/(нм•дК). ВДК обладал низкими потерями на изгибы в области л=1,55 мкм и эб--спечив5Л компенсации дисперсии ь области *.= ! ,5-1,6 мкм. потери на сварку ВДК со стандартным ОВС были снижены до 0,8 дБ с томошьм дополнительного прогрева ВДК ь зоне сварки. Впервые дспольйовакная при изготовлении заготовок ВДК технология занесения легкоплавкого слоя на внешнюю поверхность заготовки изволила снизить температуру вытяжки ди ¡820°С и уменьшав лттический потери на л=1,55 мкм с 2,65 до 1,22 дВ/км. Полученный ЗДК позволяет практически полностью скомпенсировать дисперсию в ишии связи (полная дисперсия менее 1 пс/(нм«км) в области АА,= ,515-1,572 мкм) и обладает параметром качества 134 пс/(нм-дБ).

В заключении резюмируются основные результаты диссертацвон-гой работы и приводятся вывода.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ. 1). Проанализированы оптические и дисперсионные характеристики сзлучения в двух типах многослойных одномодовых волоконных

световодов (ОВС): со смещенной в область Д.=1,55 мкм длиной волн нулевой хроматической дисперсии и с плоской дисперсией в широко] спектральном диапазоне. На основе проведенного анализ установлены оптимальные параметры профилей показателя преломле ния данных ОВС, позволяющие достигнуть оптических потерь близких к предельно малым, и обеспечить высокую устойчивост: волноводных характеристик к технологическим вариациям в процесс-изготовления и вытяжки ОВС.

2). Для контроля дисперсии по длине ОВС был разработан; метод : создана экспериментальная установка для измерения хроматическо: дисперсии на коротких (<* т м) отрезках ОВС на основе интерферо метра Маха-Цендера с волоконным опорным плечом. Также впервые был разработан новый метод и создана установка, шзволяюща; измерять спектральную зависимость дисперсии в длинном 1 км отрезке ОВС с помощью кольцевого интерферометра с модуляцие: фазы излучения. Сравнение измеренных значений дисперсии рассчитанным, которое было получено с учетом параметров профкл показателя, преломления, измеренного в заготовке ОВС,' показал хорошее совпадение результатов.

3). Созданы методы расчета потерь на вытекание основной мода изгибных потерь и длины волны эффективной отсечки в многослойны ОВС с модифицированной дисперсией на основе данных измерени профиля показателя преломления в заготовке. Применение указанны методик, а также усовершенствованных методов производства заго товок и вытяжки ОВС позволило получить совместно с сотрудникам Института химии высокочистых веществ РАН первые отечественны многослойные ОВС со смещенной в область 1,55 мкм длиной волн нулевой хроматической дисперсии и оптическими 'потерями 0,2

дБ/км.-Также"впервые был создан СВС с плоской дисперсией, равной нулю на длине волны 1,55 мкм и не превышающей 3 пс/(нм>км) в области длин волн 1,40-1,85 мкм; оптические потери составили 0,32 дБ/км на длине волны 1,55 мкм.

4). Впервые в качестве среды для широкополосной компенсации дисперсии в протяженных стандартных линиях оптической связи был предложен ово с многослойным профилем показателя преломления. Определены параметры профиля показателя преломления волоконных дисперсионных компенсаторов, технологические условия изготовления заготовок и вытяжки, позволившие совместно с сотрудниками Института химии высокочистых веществ РАН впервые создать широкополосный волоконный дисперсионный компенсатор с параметром качества (отношением дисперсии к потерям) 134 пс/'нм*дБ> но длине волны 1 ,55 мкм, который позволяет практически полностью (до уровня + 1 пс/(нм•км)) скомпенсировать дисперсию в стандартной линии связи с рабочей длиной волны 1,31 мкм в области длин волн !,515- 1,57й мкм.

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. А.В.Белов, А.С.Курков, В.А.Семенов, А.В.Чиколияи, "Измерение хроматической дисперсии в одномодовых волоконных световодах методом кольцевого интерферометра", Квантовая Электроника, т.15, J6 10, стр.2152-2155, (1988).

2. A.V.Belov, A.S.Kurkov, V.A.Semenov, and A.V.Chicollni, "The measurement of the chromatic dispersion in single-mode fibers by interferometer loop", J. of lightwave Tecbnol., Vol.7, No.5, 863-868, (1989)

3. А.В.Белов, А.С.Курков, С.И.Мирошниченко, В.А.Семенов, "Излучательные потери в одномодовых волоконных световодах с депрессированной оболочкой", Квантовая Электроника, т.16, té 11, стр.2305-2309, (1989).

4. А.В.Белов, А.Н.Гурьянов, Д.Д.Гусовский, Г.Г.Девятых, Е.Ы.Дианов, А.С.Курков, С.И.Мирошниченко, А.М.Прохоров, В.А. Семенов, А.В.Чиколини, "Одномодовые волоконные световоды со смещенной в область 1,55 мкм длиной волны нулевой хроматической дис Персии", Квантовая Электроника, т. 17, №3, стр.266-267, (1390).

5." A.V.Belov, A.N.Guryanov, B.D.Gusovskiy, G.G.Sevyatykh, E.M.Dianov, A.S.Kurkov, S.I.Mirostoichenko, A.M.Prokhorov, V.A Semenov, and A.V.Chicollni, "Single-mode fibers with modifie! dispersion characteristics", First International Congress oj Materials and Technology (MatTech~90), (Helsinki, Finnland 1990), Section 4, Paper TH4.

6. А.В.Белов, А.В.Кузнецов, А.С.Курков, 0.Г.Охотников, В. Семенов, "Волоконный интерферометр Маха-Цендера для измервни хроматической дисперсии в одномодовых волоконных световодах" Квантовая Электроника, т. 17, №11, стр.1518-1520, (1990).

7. А.В.Белов, А.С.Курков, А.Г.Мусатов, В.А.Семенов "Влияние теплового нагрева на дисперсионные свойства одномодовь волоконных световодов", Квантовая Электроника, т.17, № 12, ctj

1596-1598, (1990).

8. А.В.Белов,-А.С.Курков, С.И.Мирошниченко, В.А.С^мннов, "Одномодоьне волоконные световода с модифицированной дисперсией", Труда ИОФАН, т.39, стр.148-167, (Волоконная Оптика), М., Наука, (1Р93).

9. A.V.Belov, S.I.Hiroshnicbenko and V.A.Semenov, "Optimisation of parameters ol single-mode dispersion-flattened fibres", Sov. lightwave Commun., Vci.2, ]»o.i. .?5--57, >19СГЗ)

10. A.V.Belov, S.I.Miroshnichenko and. V.A.Semenov, "Singlemode dispersion compensator for 1.31/1.55 long-haul communication lines", Optical Fiber Communication Conference QIC/ I000-93, (Optical Society of America, Washington, DC, 1993), Vol.1, paper Тад-2, pp.203-204

11. D.V.Korobkin. E.M.Blanov, aid v A.Setr.enov, "гжр power dependence of anomalous time delay in Er^-doped optical fit-r^s", Electron, Lett., Vol.29, No.11, 995-997, r i 993

12. A.V.Belov, S.M.Dlanov, 7.A.S«nencv, A.R.Guryaiiov, 3.1 .Mirosfcrticheriko, N.H,"«chfesnov, "The x^aliiiaUon oX broadband aispepr.iori compensation using the sulUcladcnng waveguide structure", l9tli European Conference on Optical Communication (ECOC'93), (Montrsux, Switzerland, 1993), Vol.2, Regular papery, paper WeC8.3, pp.349-352

13. E.M.Dianov, D.v.Korobkin, and V.A.Semenov, "Measurement,

о i о i

anomalous dispersion in Er and Yb doped fibres", Second Dptical Fibre Measurement Conference (GFMC'93), -'Torino, Italy, 1993), paper 6.3, pp.129-132

14. A.V.Belov, E.M.Dianov, v.A.Sercenov, A.N.Onryanov, S.I. ili'osi'inichenlto, and N.N.veehkanov, "Single-mode broad-band llsperslon compensator based on multicladding fibre structure", 3ov. Lightwave Ootnmun., Vol.3, No.3, 145-152, (1993)

15. V..A.Semenov, A.V.Belov, E.M.Dianov, A.A.Abramov, M.M. Bubnov, S.L.SemJonov, A.G.Shchebunjaev, V.P.Khopin, A.N.Guryanov and H.N.Vechkanov, "Broad-band dispersion compensating fiber for high bit rate transmission network use", Applied Optics, Vol,34 No.24-, p.5331-5338, (1995).

Подписано в печать 2 ноября IS95 года Заказ 'А 257. ^gyay. IGQ экз. П.д. 1,5. Отпечатано в ШС ШН Москва,Б-333,Ленинский проспект,53.