[发明专利]径向不均匀且方位角向不对称的光纤

说明书

发明背景

本发明基于1998年9月9日提交的美国临时申请60/099,535。我们要求该申请的优先权日。

本发明涉及一种光纤以及一种光纤制造方法，所述光纤的折射率分布曲线沿径向和方位角两个方向变化。沿方位角变化所赋予的附加适应性提供了这样的折射率分布曲线设计，即与折射率只沿径向坐标方向变化的情况相比，这些设计可以满足更多的波导纤维性能要求。

近期开发的折射率分布沿径向变化的波导纤维已径显示出，通过调节此分布曲线可以优化波导特性。例如用一种比简单的阶跃方式更一般的方式来改变折射率分布曲线，这种改变允许在不牺牲一组基础特性(衰减、强度或抗弯曲性)的情况下选择一个或多个波导特性的值。

另外，某些方位角不对称的纤芯折射率分布(诸如那些具有椭圆形、三角形或正方形纤芯几何形状的分布)已经显示出，它们能够提供有用的波导性能，诸如保持或混合偏振模式。

因此，期望沿方位角和径向两个方向变化的纤芯折射率分布曲线能够提供机会制造适于在电信、信号处理或传感器系统中使用的、具有新的或经改进性能的波导。

在授予Marcuse的美国专利3,909,110(简称′110专利)中，描述了一种多模波导，其纤芯相对方位角不对称。′110专利中的计算表明，折射率沿径向和方位角两个方向的周期性变化会产生模式耦合，从而增大带宽、同时限制因与径向模式耦合而产生的损耗。此概念并不推广至单模波导。另外，′110专利的范围也仅局限正弦的方位角变化。

在描述目前的方位角和径向不对称的纤芯时，引入了纤芯扇区的概念。一个纤芯扇区只是纤芯的一部分，它由形成波导中环形区的第一和第二半径点的轨迹所限定。两个半径彼此不同，并且小于或等于纤芯半径。扇区的剩余边界是彼此成一角度的两个平面，每个平面都包含波导纤维的中心线。折射率沿扇区内一直线的变化是指，该直线上至少有两个点的折射率不同。

定义

以下定义符合本领域的常规用法。

-分层纤芯是一种在预选半径分层上具有特定折射率的纤芯。一个特定分层具有第一折射率点和最后折射率点。从波导中心线到第一折射率点位置的半径是纤芯区或纤芯分层的内半径。同样，从波导中心线到最后折射率点位置的半径是纤芯分层的外半径。

-相对折射率Δ，它由下式定义：Δ=(n₁²-n₂²)/2n₁²，其中，n₁是折射率分层1的最大折射率，而n₂是参考折射率，在本申请中，它是包层的最小折射率。本领域使用术语“Δ％”，它是100×Δ。

-术语“折射率分布曲线”是指，在纤芯一选定部分上Δ％或折射率与半径之间的关系。术语“α分布曲线”是指，满足以下等式的折射率分布曲线：

n(r)=n₀(1-Δ[r/a]^α)，

其中r是纤芯半径，Δ的定义如上，a是分布曲线的最后一点，r在分布曲线的第一点处选择为零，并且α是限定分布曲线形状的指数。其它折射率分布曲线包括阶跃型折射率、梯形折射率和带圆角的阶跃型折射率，其中带圆角一般是由于掺杂物在折射率快速变化的区域内扩散而造成的。

发明内容

在本发明的第一方面，单模波导的纤芯至少具有一个扇区。扇区内至少一点的折射率与扇区外至少一点的折射率不同。当扇区正好是半个纤芯时，可以任意选择构成扇区内一点的部分，而不失去分布曲线定义的准确性。纤芯折射率分布曲线沿一个半径的至少一部分变化，产生径向不对称。在一个预选的半径上，扇区内的纤芯折射率与扇区外的纤芯折射率不同，从而提供了方位角不对称。

在一个实施例中，整个纤芯是圆柱形对称的，因此便于用柱面坐标的半径r、方位角φ和中心线高度z来描述。折射率发生变化的预选半径部分Δr在0＜Δr≤r₀的范围内，其中r₀是纤芯半径。至少对于两个不同方位角折射率为不同的预选半径在此同一范围内。

在另一实施例中，预选半径部分是分层Δr=r2-r1，其中0≤r₁＜r₂，而r₂＜r₀。

在另一个实施例中，折射率沿一扇区内的任何或所有半径变化，并且所述扇区的夹角φ大于零度，但小于或等于180°。