（光学工程专业论文）基于pcvd工艺的保偏光纤研制.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 在舻 日期：州年厶月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 ， 不保密吖。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名傻串 日期：如年厶月如日 指导教师签名： 日期：j 口口z 年华月弓口曰 华中科技大学硕士学位论文 l绪论 人类社会现在已发展到了信息社会，声音、 图像和数据等信息的交流量非常大。 光纤通讯是以光波为载频，以光导纤维为传输媒介的一种通信方式。光纤通讯在最近 短短的二十年中得以迅猛的发展，是由于它具有以下的突出优点而决定：光纤通讯传 输频带宽，通讯容量大；不受电磁波干扰，保密性好；重量轻体积小；信号损耗低， 无中继段距离长；抗化学腐蚀等等优点而得到广泛应用。其应用领域遍及通讯、交通、 工业、医疗、教育、航空航天和计算机等行业，并正在向更广更深的层次发展【l 】。 光纤按照其传输的模式可以划分为单模光纤和多模光纤。单模光纤( s i n g l e m o d e ) 只传输基模，也就是说光线只沿光纤的内芯进行传输。由于完全避免了模式射散使得 单模光纤的传输频带很宽因而适用与大容量，长距离的光纤通讯。单模光纤一般使用 的光波长为1 3 1 0 衄或1 5 5 0m 。多模光纤( m u l 廿一m o d e ) 在一定的工作波长下 ( 8 5 0 n 耐1 3 0 0 n m ) ，有多个模式在光纤中传输。由于色散或像差，这种光纤的传输性 能较差频带比较窄，传输容量也比较小，距离比较短 2 】【3 】。 偏振保持光纤( p m f ，p 0 1 a r i z a t i o nm a i n t a i n i n go 砸c a if i b e r 以下简称保偏光纤) 是 一类具有重要而又广泛应用价值得光纤类型。保偏光纤是单模光纤的一种，虽然单模 光纤只工作在基模状态，但从光的偏振态分析，其基模依然是由两个具有正交偏振态 的模式l p o l l 和l p o l 7 复合而成。在保偏光纤中，通过引入结构上的不对称性，使得l p 0 1 1 和l p 0 1 模式解简并而达到光纤具有偏振保持的性能，这时，当一个线偏振光被注入保 偏光纤，同时使得线偏振光的线偏振态平行于l p 0 1 。或者l p o l 模式的线偏振态时，在 传输过程中，光脉冲的线偏振态能够被保持在一个方向，即保持光的偏振态不变。这 种性能在许多与偏振态相关的领域有着重要的应用价值【4 】。 1 1 保偏光纤国内外研制概况 保偏光纤作为一种关键的产品，在相关领域应用广泛。首先在国防工业，高质量 的保偏光纤是许多设备的基础部件，比如在光纤陀螺方面，只有拥有高质量的保偏光 纤，才可能生产出高质量的光纤陀螺。仅仅这一项，在军事和民用上的价值就是不可 华中科技大学硕士学位论文 估量的。另外在光纤通信方面，用于长距离通信的n a i l 放大器也必须使用保偏光纤 产品，研究中的偏振通信更将是保偏光纤的用武之地。在光纤传感领域，保偏光纤的 使用也非常广泛。由于保偏光纤涉及到上述一些敏感的，最为先进的技术领域和应用， 因此国内外一直非常重视保偏光纤的研究和开发。 1 1 1 国外保偏光纤制造现状 国际上，关于保偏光纤的研究制造已经有了较长的时间，保偏光纤的技术已经相 当成熟。有各种类型的保偏光纤产品进入市场，能够提供包括蝶结保偏光纤，熊猫保 偏光纤，椭圆型保偏光纤，经及其他异型保偏光纤在内的各种保偏光纤产品。知名的 保偏光纤制造公司有生产蝶结型保偏光纤的英国f i b e r c o t e 公司，有生产椭圆包层保偏 光纤的3 m 公司，以及主要生产熊猫型保偏光纤的日本藤仓f u j i k u r a ，美国康宁c o r n i n g 、 n u f e m 和o f s 等公司。所有的这些公司生产的保偏光纤都具有良好的双折射性能。当 前国外保偏光纤的拍长，在1 3 l o 姗一般在4 m m 左右，2 m 长度的保偏光纤的消光比 一般小于3 0 d b ( 在保偏光纤的一个主轴方向注入一定功率的线偏振光，由于模式耦合 而在垂直方向输出了一定功率的线偏振光，消光比即垂直方向线偏振光的输出功率和 输入功率的比) 。这些指标代表了保偏光纤的前沿水平。 而且各种类型的保偏光纤已经形成系列，根据不同的使用波长，有8 3 0 脚，9 8 0 n m ， 1 0 6 0 耵忸，1 3 1 0 n m ，1 4 x x 衄，1 5 5 0 姗等不同使用波长的保偏光纤产品；根据包层大小 的差别，有1 2 5 m ，8 0 p m 保偏光纤产品；根据应用领域的不同，有通信用保偏光纤， 光纤陀螺用保偏光纤，传感器用保偏光纤等系列产品。总之，国际上保偏光纤的生产 和使用已经相当成熟，而且具有相当的市场容量。但是由于保偏光纤产品在军事上的 应用价值，国外一直没有开放对我国的进口，即使有一部分保偏光纤的进口，也主要 集中在通信领域用的保偏光纤产品，而且光纤长度控制在5 0 0 米以下，使得所进口的 保偏光纤无法用于高性能保偏光纤器件产品，尤其在军用光纤陀螺领域方面的应用。 1 1 2 国内保偏光纤制造技术 国内保偏光纤的研究和开发，也已经有十多年的历史，保偏光纤的研究一般在大 学和相关的研究所，如电子2 3 所，4 6 所，中国科技大学等单位，做了大量的工作，部 华中科技大学硕士学位论文 分单位也能提供少量样品，但产业化程度受到各种条件的限制，在产品的规模化和系 列化上面有一定的困难。目前国内保偏光纤的生产，一般都采用改进的化学气相沉积 法( m c v d ) 工艺制造预制棒，国内引进了多套m c v d 制棒设备【5 】。m c v d 是最早在 7 0 年代由贝尔实验室开发成功的预制棒制造技术。m c v d 技术一直处于发展之中，从 初始的小沉积管管径，一步法( 即沉积过程和熔缩过程在同一机床上连续完成) ，发展 成当前的大管径，两步法( 即沉积过程和熔缩过程在不同的机床上进行) 。但国内的 m c v d 设备基本上属于小管径、一步法技术，这种设备由于限制了沉积层的厚度，在 保偏光纤的沉积过程中，由于需要沉积较多的应力区，导致纤芯部分的沉积过小，必 然带来稳定性和均匀性问题。虽然也已经有一些保偏光纤产品供应，比如小模场直径 的1 3 l o n m 工作波长的1 2 5 i i l i n 包层保偏光纤产品嘲。但是由于国际上在技术方面的封 锁，以及我们自身在设备工艺上的限制，在保偏光纤的研发方面总是显得力不从心。 目前在保偏光纤的生产方面，主要存在以下问题： ( 1 ) 规模化，产业化的不足。目前国内保偏光纤的生产，由于用m c v d 工艺， 使用小棒拉丝，棒径在十几个毫米左右，每根预制棒的拉丝长度仅在十来公里；而由 于在保偏光纤生产中所使用的掺硼应力棒很容易炸裂，成品率较低，因此难以形成规 模化，产业化生产。难以满足市场的需求和期望。 ( 2 ) 大长度，均匀性的问题。还是由于以上的原因，导致所生产光纤的长度有限。 而在这有限的拉丝长度里，又因为两端的不均匀性( 使用m c v d ，p c v d 等管内法生 产预制棒，因工艺原因，在预制棒的两端均存在一定长度的几何和掺杂浓度的不均匀 区域) ，使得具有均匀性能的光纤长度有限。另外由于生产工艺环境的问题，光纤的机 械性能不足，光纤容易断裂，因此，如何制造得到大长度，性能均匀的保偏光纤一直 是困扰国内保偏光纤生产的一个问题。 ( 3 ) 批次一致性问题。由于设备和工艺的稳定性不佳，国内保偏光纤产品的批次 一致性问题一直没有很好解决。这种批次的不一致性对保偏光纤器件的生产有很大的 影响。 ( 4 ) 新产品研发速度的不足。保偏光纤产品在国际上有着适应不同应用领域的各 种各样的品种。而国内，能够真正用于相关产品器件生产的保偏光纤类型相当有限。 华中科技大学硕士学位论文 各种条件的限制使得新产品的研发明显不足。 ( 5 ) 光纤环境适应性能，如温度稳定性，机械稳定性等不足。由于保偏光纤的串 音特性和光纤的使用环境，使用条件有直接的关系，因此对保偏光纤的环境稳定性， 弯曲稳定性等要求较高。而要制造这种高性能的保偏光纤，对保偏光纤本身结构的均 匀性和一致性要求极高。而国内保偏光纤产品在这方面存在一定的问题。 1 2 提出基于p c v d 工艺的保偏光纤的制造 为了满足国内客户对保偏光纤产品不断提高的要求，我们通过分析等离子体沉积 ( p c v d ) 工艺的基本原理和工艺特点，最终选择使用p c v d 工艺，设计了一套新的基 于p c v d 工艺的保偏光纤的生产方法，克服了传统的保偏光纤制造技术的上述不足。 1 3 课题来源及关键技术 本课题主要来源于长飞光纤光缆有限公司的保偏光纤研究项目。 在研制保偏光纤的过程中存在许多关键技术上的难点，主要有： ( 1 ) 应力棒的制造：保偏光纤产生双折射的原理是利用搀杂( 一般搀杂硼、氟等 元素以降低石英的折射率) 区形成应力双折射现象。因此需要在沉积应力棒时尽可能 增加搀杂量以获得高的光学双折射。应力棒高掺杂导致石英棒内应力大、易碎，工艺 控制难度很大。 ( 2 ) 预制棒的打孔：在大预制棒上使用机械方法精确打孔，由于定位，机械震动， 以及预制棒中心有高折射率的纤芯部分存在应力等原因，导致预制棒截面上应力分布 不均匀，打孔时容易造成玻璃炸裂，定位不准确，因此需要优化工艺方法，提高打孔 的成功率和效率，保证打孔的质量。 ( 3 ) 保偏光纤的拉丝工艺：由于保偏光 x 华中科技大学硕士学位论文 针对上述难点，项目同时开展了掺硼应力棒的p c v d 沉积工艺，石英预制棒打孔 工艺，拉丝工艺和保偏光纤测试方法的研究。通过研究试验，已经解决了上述问题， 可以制造高性能的保偏光纤产品。 华中科技大学硕士学位论文 图2 3 一般单模光纤的传输光脉冲的偏振态 从理论上说，如果单模光纤在结构和组成上是完全的旋转对称的，没有任何的本 征残余应力存在，同时光纤也没有受到任何的不对称的外部应力影响，模式l p o l 。和 l p 0 1 应当是完全简并的，无法区分。这时如果一个线偏振光被导入单模光纤，其线偏 振态能够被完全保持，即这种完全旋转对称的单模光纤也同时是保偏光纤。如图2 4 所示。 图2 4 理想单模光纤的保偏特性 但遗憾的是，单模光纤在制造的过程中，不可避免的存在结构和组成的不对称性， 使光纤存在一定的本征残余应力，同时在使用过程中，必然受到外部的应力作用，所 以一般的单模光纤的l p 0 1 。和l p 0 1 7 是非简并的，即存在所谓的双折射现象。在通信单 模光纤中，这种光学双折射使得单模光纤表现出一定程度的偏振模式色散，即p m d 。 偏振模式色散就是由于l p 0 1 、和l p o l 7 模式的分裂而导致的脉冲展宽现象，降低单模光 纤的p m d 是单模光纤使用于高速通信系统( 如4 0 ( m i t s 传输速率) 的一个必须解决的 重要问题【1 0 】。 光纤的双折射现象一般有两个来源，即由于光纤结构的不对称性而产生的几何双折 华中科技大学硕士学位论文 射现象( 如纤芯为椭圆形状时) ，以及由于残余应力的存在而产生的应力双折射现象。 应力双折射的基本想法是这样的：既然外加应力、本身缺陷和残余应力产生的随机应 力方向随机改变传输光的偏振态，那如果在光纤内部引入比这些力更大的且方向恒定 的固有应力，使外加应力、本身缺陷和残余应力引起的双折射可以忽略，则偏振方向 与内部固有应力方向平行或正交的传输光将永远保持其偏振态【1 1 】。一般实际应用的保 偏光纤，如蝶结型，熊猫型，和椭圆包层型保偏光纤都是应力双折射保偏光纤。应力 双折射的本质是材料的光弹效应( p h o t o e l a s t i ce 彘c t ) 。即由于光纤受力，发生弹性形 度，通过光弹效应又引起折射率的变化，使光纤变为各向异性，导致双折射现象的产 生【1 2 】 1 3 】。 如图2 5 所示，当光纤在x 方向受到张应力被拉伸时，在y 和z 方向必然导致挤压 收缩。在这种状态下，如果光沿着z 方向，即光纤的纵向传输时，在x 和y 轴方向， 波导分别处于拉伸和挤压的状态，发生弹性形变，导致x 和y 方向的折射率发生变化， 即n ，n ，产生了光纤的应力双折射。 图2 5 光弹效应示意图 在保偏光纤产品中，通过引入结构上的不对称性，使得l p 0 l 。和l p o l 7 模式解简并而达 到光纤具有偏振保持的性能，这时，当一个线偏振光被注入保偏光纤，同时使得线偏振光 的线偏振态平行于l p o l 。或者l p 0 l 模式的线偏振态时，在传输过程中，光脉冲的线偏振 态能够被保持在一个方向，即保持光的偏振态不变。这种性能在许多与偏振态相关的领域 有着重要的应用价值。在这儿，我们所提到的保偏光纤均指线偏振态保持光纤。事实上， 在单模光纤中，也存在圆偏振态和椭圆偏振态的问题，但此处不涉及【1 4 】【”】。 我们知道，在光纤波导中，表征光纤的传输特性的最基本的光学常数是模式相位常 数风。，不同的传输模式有各自的相位常数。单模光纤中，稳定传输的基模的相位常数 ， j： 华中科技大学硕士学位论文 被一般定义为： 胪= k o n ( 2 1 ) 其中，k o 是光的真空波数，n 是波导折射率。 在保偏光纤中，由于应力双折射的原因，x 和y 方向的折射率不同，即n 。1 l ，。因 此l p 0 1 1 和l p 0 1 7 模式的相位常数屈和店也不同，即屈铂。它们的差值即被定义为保偏 光纤的双折射率【1 6 】。 嬲岛= k 0 ( n 。一n y ) = k o m f f ( 2 2 ) 2 2 熊猫型保偏光纤 保偏光纤的波导结构一般包括椭圆纤芯保偏光纤，椭圆包层保偏光纤，蝶结型保 偏光纤和熊猫型保偏光纤。如图2 6 所示，分别是四种保偏光纤的波导结构。 椭圆芯子 领结 图2 6 四种保偏光纤的结构 图2 7 熊猫光纤的结构示意图 椭圆包层 熊猫 9 华中科技大学硕士学位论文 在这里不得不重点介绍一下熊猫型保偏光纤，其结构如图2 7 所示，其名称来自于 英文缩写p a n d a ，其真实含义是偏振保持和吸收还原( p o i a r i z a t i o n m a i n t a i n i n ga n d a b s o 删o n r e d u c i i l g ) 。熊猫型保偏光纤通过在纤芯两边对称应用两个圆形应力区对纤芯 产生应力，具有一系列的优点，如双折射效应高，纤芯圆度好，光纤衰减低，以及制 造工艺通用性好等。从几何结构上，熊猫型保偏光纤的双折射率可以简单表示为： 筇；寻堕芒) ：( 1 3 ( 鄢 ( 2 3 ) l 一“盯口 其中，r 是应力区的半径，d 是应力区中心到纤芯的距离，b 是光纤的包层半径。 其他参数与材料和拉丝条件有关【1 7 】【1 8 】。 因此，在熊猫型保偏光纤的制造过程中，显然可以通过调整应力区材料的组成和 优化拉丝条件改变光纤的双折射大小，而且又可以依据式2 3 通过调整应力区大小和应 力区与纤芯之间的距离来改变光纤的双折射大小，因此熊猫型保偏光纤的工艺容易优 化。 2 3 保偏光纤的应用及意义 保偏光纤所具有的线偏振保持能力，使得保偏光纤在许多与偏振相关的应用领域 具有使用价值。这些领域包括相干光纤传感器，如光纤陀螺、光纤水听器、光纤加速 度计，以及相干光纤通信技术，如光纤激光器、光纤放大器，光纤光栅、光波分复用 器件、偏振器、保偏耦台器等偏振光学器件【2 0 1 ，以及偏振模式的补偿等【2 1 】。 其中光纤陀螺具有体积小、重量轻、精度高、反应速度快、抗冲击、成本低等一 系列其他陀螺无可比拟的优点，成为军事惯性制导、导航的首选【2 2 1 ，所咀在军用光纤 陀螺的研制方面，对高性能的保偏光纤产品的需求相当强烈。因此当前国内研制高性 能，质量稳定的保偏光纤产品，不仅保证了我国制造高性能保偏光纤的能力，而且对 推动我国的航空航天航海等军事及国防现代化建设具有重要而深远的现实意义。 l o 华中科技大学硕士学位论文 3p c 工艺及保偏光纤研制工艺路线 低损耗的单模和多模石英光纤大多采用“预制棒拉丝工艺”，光纤预制棒工艺是光 纤制造中最重要的环节【2 3 】【2 4 】。在本章我们先简述几种不同的预制棒制造技术，通过分 析p c v d 工艺的基本原理和工艺特点，最终选择了使用等离子体沉积( p c v d ) 工艺 制造掺硼应力棒和芯棒，应用大预制棒( 外径 5 0 m m ) 打孔工艺，制造保偏光纤的工 艺路线。采用本工艺路线的优点在于：单根预制棒拉制的光纤长，可以达到几十公里 以上；光纤的衰减性能和双折射性能好；光纤的纵向均匀度和批次一致性好，可以满 足规模生产的要求；同时工艺的扩展性好，可以制造不同工作波长，不同几何结构， 不同波导结构，满足不同应用领域的保偏光纤系列产品。同时通过数值模拟分析，给 出了具体的工艺设计和具体的制造工艺解决方案。 3 1 预制棒制造技术 目前，用于制备光纤预制棒的方法主要采用以下四种方法：改进化学汽相沉积法 ( m c v d ，m o d i f i e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) ，外部汽相沉积法( o v d ，o u t s i d ev 却o r d e p o s i t b n ) ，汽相轴向沉积法( v a d ，v a p o ra x i a ld e p o s m o n ) 和等离子体化学汽相沉 积法( p c v d ，p l a s m ac h e m i c a lv 却o rd 印o s “i o n ) 2 5 l 【2 6 】。 ( 1 ) 改进化学汽相沉积法( m c v d ) 。m c v d 工艺是1 9 7 4 年由美国a t t 公司贝 尔实验室的m a c h e s n e y 等人开发的经典工艺。现在m c v d 采用s i c l 4 、g e c l 4 等液态的 原材料，原料在高温下发生氧化反应生成s i 0 2 、b 2 0 3 、g _ e 0 2 、p 2 0 5 微粉，沉积在石英 反应管的内壁上。在沉积过程中需要精密地控制掺杂剂的流量，从而获得所设计的折 射率分布。采用m c v d 法制备的b g e 共掺杂光纤作为光纤的内包层，能够抑制包 层中的模式耦合，大大降低光纤的传输损耗。m c v d 法是目前制备高质量石英光纤比 较稳定可靠的方法，该法制备的单模光纤损耗可达到0 2 o 3 d b k m ，而且具有很好的 重复性。由于受到技术限制等因素，m c v d 工艺目前是国内普遍采用的工艺。 ( 2 ) 外部汽相沉积法( o v d ) 。0 v d 法又为“管外汽相氧化法”或“粉尘法”， 其原料在氢氧焰中水解生成s i 0 2 微粉，然后经喷灯喷出，沉积在由石英、石墨或氧化 华中科技大学硕士学位论文 铝材料制成的“母棒”外表面，经过多次沉积，去掉母棒，再将中空的预制律在高温 下脱水，烧结成透明的实心玻璃棒，即为光纤预制棒。该法的优点是沉积速度快，适 合批量生产，该法要求环境清洁，严格脱水，可以制得0 1 6 d b k m ( 1 5 5um ) 的单 模光纤，几乎接近石英光纤在1 5 5um 窗口的理论极限损耗o 1 5 d b k m 。 ( 3 ) 汽相轴向沉积法( 狮) 。、a d 法是由日本开发出来的，其工作原理与o v d 相同，不同之处在于它不是在母棒的外表面沉积，而是在其端部( 轴向) 沉积。v a d 的重要特点是可以连续生产，适合制造大型预制棒，从而可以拉制较长的连续光纤。 而且，该法制备的多模光纤不会形成中心部位折射率凹陷或空眼，因此其光纤制品的 带宽比m c v d 法高一些，其单模光纤损耗目前达到o 2 2 一o 4 d b k m 。目前，日本仍然 掌握着的最先进的核心技术，所制得的光纤预制棒0 h 。含量非常低，在1 3 8 5 姗 附近的损耗小于0 4 6 d b k m 。 ( 4 ) 等离子体化学汽相沉积法( p c v d ) ，见下文祥述： 3 2p c v d 工艺的基本原理 p c v d 工艺是1 9 7 5 年由荷兰飞利浦公司的k o e n i n g s 提出的微波工艺，于1 9 7 8 年 应用于批量生产。它与m c v d 的工作原理基本相同，它们都是在高纯石英玻璃管管内 进行气相沉积和高温氧化反应。所不同之处是热源和反应机理。p c v d 制棒工艺的工 作原理如图3 1 【2 7 】【2 引。 图3 1p c v d 制棒工艺的工作原理示意图 华中科技大学硕士学位论文 3 4 “基于p c v d 工艺的保偏光纤研制”工艺路线的确定 如前所述，在实践中应力型保偏光纤主要包括椭圆包层，蝶结型和熊猫型三种结 构。就它们的制造工艺而言，一般椭圆包层型和蝶结型保偏光纤使用m c v d 方法制造， 生产中同时沉积包层，应力区，和纤芯部分，并通过独特的腐蚀缩棒工艺制造出具有 特征应力区形状，并同时尽量保持纤芯和光纤包层的圆度的保偏光纤产品【3 1 】。然而由 于沉积熔缩的预制棒直径只有一二十个毫米，因此整棒的拉丝长度相当有限，在去除 了前后的不均匀部分后，光纤长度相当有限，在规模化生产上难以满足要求。事实上， 除了这些不足外，椭圆包层和蝶结型保偏光纤在本征的光纤性能上也存在诸多不足， 表3 1 是这几种保偏光纤的一个总体比较。 表3 1 三种应力型保偏光纤的总体比较 保偏光纤类型熊猫型 领结型椭圆包层型双折射来源 设各成本 应力应力 应力 双折射效应高高 中 光纤同心度性 高低中 如表31所示，熊猫型保偏光纤除对设备的要求较高之外，在光纤的性能方面，无 论是双折射效率，几何对称性，结构对称性，还是光纤的纵向均匀性，都具有天然的 优势。同时由于熊猫型保偏光纤的芯棒，应力棒，和大预制棒都是分别制造的，可以控制光纤结构和组成，同时可以拉制几十公里，以至于一百多公里的均匀保偏光纤产 品，能够满足对光纤均匀性和批次一致性的要求。 因此，我们首先确定了本项目保偏光纤的波导结构是熊猫型的，其次我们确定了 本项目的工艺路线，那就是使用“p c v d 方法制造芯棒和掺硼应力棒，应用大直径预制 棒，通过机械打孔方法，制造高性能熊猫型保偏光纤”。图3 3 示意了当前保偏光纤制 华中科技大学硕士学位论文 域，保证光纤的性能一致性吲。 图3 4 选取芯棒、应力棒的中间均匀部分，保证光纤的性能一致性 ( 3 ) 通用性良好，可制造系列保偏光纤产品 本工艺路线具有良好的通用性，可用于制造系列保偏光纤产品。使用小预制棒， 一次沉积熔缩成形，虽然减少了工艺过程，但由于既要保证所设计的应力区形状，又 要保持好的纤芯，包层圆度，同时又要使得光纤的几何、折射率分布符合设计要求， 因此沉积熔缩工艺相当复杂，而且对某一种保偏光纤产品合适的工艺过程，对另一种 保偏光纤产品的制造未必合适，这也是国内无法制造供应保偏光纤系列产品的一个主 要原因。而使用大预制棒打孔工艺，如图3 5 所示。 图3 5 方案通用性示意图 我们制造不同使用波长的保偏光纤，只需要改变芯棒的波导结构；要获得不同的 双折射大小，只需要改变应力棒的掺杂浓度和大小，或者改变应力区和纤芯的距离； 量型堡丕旦鱼星盟堡堡堂红：星差塞堕銮荃竖堡塑匿垫塑盔尘! 亘墨型垄丕旦查旦塑 1 7 华中科技大学硕士学位论文 域的保偏光纤，如耦合型保偏光纤，只需要改变应力区的大小和位置即可。总之，使 用当前的工艺路线，可以制造不同使用波长，不同几何大小，不同应用领域，甚至具 有不同波导结构( 如铒掺杂保偏光纤，色散位移保偏光纤，色散补偿保偏光纤等) 的 保偏光纤产品。 ( 4 ) 其他的优点 使用当前的工艺路线，还有许多的优点，如： 1 ) 充分利用现有的设备技术条件，保证高性能保偏光纤的制造。 2 ) 应用长飞公司在制造通信光纤方面的经验，保证保偏光纤产品的性能指标。 3 ) 保证规模生产，满足潜在的市场需求。 4 ) 预期光纤性能优异，能够达到国际同类产品水平。 5 ) 预期保偏光纤的衰减低，串音低，纵向一致性好。 3 6 小结 下面小结一下保偏光纤制造的主要工艺流程。 图3 6 示意了当前保偏光纤制造的总体工艺流程。主要有： ( 1 ) p c v d 方法制造芯棒，掺硼应力棒； ( 2 ) 芯棒套管熔缩拉伸成5 0 m m 外径的预制棒： ( 3 ) 预制棒打孔； ( 4 ) 应力棒、打孔预制棒组合拉丝； ( 5 ) 光纤测试，控制拉丝工艺； ( 6 ) 产品测试，检查，包装。 若善搠应力棒 5 履钟- 扪屯甄事绋 组合便制棒预制境熊 图3 6 熊猫型保偏光纤的主要制造工艺流程 华中科技大学硕士学位论文 5 保偏光纤的性能测试及结果分析 根据上面章节计算出的参数以及所述的工艺流程，我们已经研制出了高性能的 1 3 1 m 保偏光纤产品，因为根据当前国内对保偏光纤的需求，尤其在光纤陀螺的研制 方面，主要集中于1 3 1 0 n m 小模场1 2 5 微米外径的保偏光纤产品。因此项目的第一目标 即制造这种保偏光纤产品，以满足国内的需求。同时要求光纤的性能指标达到国际上 同类型光纤产品的性能指标。满足商业应用的要求。 经对产品的各项测试结果表明，当前的保偏光纤产品的各项性能指标，阱及总体 性能已经达到了国际同类产品的水平。本章将对其具体介绍。 5 1 保偏光纤产品测试的主要项目 表5 1 所研制保偏光纤主要测试项目 表5 1 所研制保偏光纤主要测试项目 捌试项目 剽试安捧女j 试方法 测试设备依据标准 在线拉丝阴影法b a l a 生严捌试，产品期试近场图景祛 p k 2 4 0 0i t u tg6 5 0 光纤包层几何特性 i c e7 9 3 ，1 a 2 产品测试近场折射法 n r 9 2 0 0 产品测试近场反射挂光学显微镜 生产铡试，产品测试墟场图象祛 p 1 0 4 0 0 1 1 u to6 5 0 光纤纤芯几何特性产品测试近场折射法 n r 9 2 0 0 i c e7 9 3 1 - a 1 产品测试近场反射法光学显微铺 生产锕i 试，产品测试近场图霉法 p k 2 4 0 0l c b 7 9 3 - l - a 3i c e 光纤涂覆屡几何特性 7 9 3 - 1 a 4 产品铡试 近场反射法光学显微镜 在线拉墼光纤拉丝塔 光纤睦度 生产测试，产品测试 机械法、反射脉冲光纤筛选机 l c e7 9 3 一l - a 5 延迟法，0 1 1 ) r i t u tg 6 5 0 产品翱试 0 t d r 可变孔径掊p k 2 2 0 0 模场直径 生产测试，产品测试 r r utg6 5 0 近场法n r 9 2 0 0 截止波长 生产羽试弯曲参考法 p k 2 2 0 0 r r u tg6 5 0 切断法 p 1 0 2 0 0 衰减生产测试，产品期j 试 u tg 6 5 0 脉种反射法o r 拍长生严测试，产品和i 试 干涉祛p m d 4 0 01 1 u tg6 5 0 串昔 生产测试，产品测试直接 孟p e m 3 2 0 f o t p 1 ” 光纤筛选强度 生产测试缴向张力法 s c m nt c s i c ri t u tg 6 5 0 光纤扰拉强度 特殊测试毅向张力法 f l b e rs i mi t u tg 6 5 0 光纤动巷疲劳特殊测试 两点弯曲法f l b 目s i al t utg6 5 0 c o a t i n 2 剥搿力 特殊测试拉仲剥掰f 1 b 町s i 盯m n u tg 6 5 0 光旰折射率分布 特殊测试近场折射法 n r 9 2 0 0 囊硪弯曲敢芯性特殊锢j 试 彗看法 p k 2 2 0 0n 1 j t06 5 0 串音弩曲敏感性 特赇$ i 试直接法 p e m 3 2 0 衰减温度敏感性特殊嗣i 试 参考法p k 2 2 0 0t i a e ia 4 5 5 1 6 0 串音温度般感性 特殊铡试直接法p e m 3 2 0 光纤端面形态 特辣授i 试近墒反射光学显_ 澉镜 注：测试安排栏中，在线拉丝表明在拉丝过程申需要检测的项目：生产测试是指光纤测试过程 中的测试项目；产品测试是指在光纤发运前确认的测试项目；而特殊测试是指非常规的测试项目。 华中科技大学硕士学位论文 表5 1 是我们所研制保偏光纤主要测试项目的一个总缚3 5 l 【3 6 1 。其中，除特殊测试 项目以外，其他项目对每一根光纤均进行测试。特殊测试项目一般就同一根预制棒拉 制的光纤进行一次测试。所有的这些测试项目包括：几何，光学，双折射，机械，以 及特殊测试等内容。下面将分别介绍测试结果。所有的这些测试均为同一根预制棒所 拉制光纤的结果，以更好的了解光纤的纵向均匀性。串音指标是1 0 0 0 m 长度光纤的有 效串音，其中我们已经特意切出了两根1 0 0 0 m 长度的保偏光纤用以实际1 0 0 0 m 长度保 偏光纤的串音测试。 5 2 保偏光纤特有的偏振性能指标 作为一种单模光纤，保偏光纤和普通单模光纤在性能指标上有相似的要求，如几 何性能，衰减，截止波长，模场直径等光学性能，以及机械和环境性能等。对这些性 能的测试将同普通的光纤测试方法一样，对此，我们不再赘述。我们主要讨论保偏光 纤与其特有双折射性能相关的两个指标要求，即保偏光纤的拍长和串音，并给出了保 偏光纤的拍长的测量计算发方法和串音的测量原理框图。 5 2 1 拍长 保偏光纤的拍长表征的是在保偏光纤中传输光的复合偏振态完成一个周期变化所 传输的光纤长度口7 1 。如图5 1 所示，当一个线偏振光随机注入保偏光纤时，能量被耦 合到x ，y 两个方向，即存在l p o l 。和l p o i 模式，在光纤的不同位置，它们的合成偏振 态是不同的，从线偏振光到顺时针旋转的椭圆偏振光，到逆时针旋转的椭圆偏振光， 然后回到同方向的线偏振光，完成一个偏振态周期，这时的传输距离即等于拍长b l 。 拍长是和光纤的双折射效应直接联系的，其定义如下： 舭：鱼= 生旦( 5 1 ) n e 口 ct 其中，l 是保偏光纤的长度，单位是米，t 是x ，y 方向脉冲的传输时延差，单位 是d s ，则光纤拍长b l 的单位是毫米。 保偏光 x 华中科技大学硕士学位论文 的位置，光纤的耦合能力有个正弦的变化。通过测试这种正弦变化的周期来获得光 纤光纤的拍长【3 钔。 冒图固圈 图图雪圉 伊以纠港擎零：泛蓍 图5 1 在一个拍长周期内，光脉冲的偏振态变化情况 但使用侧压法由于所施加压应力的大小、方向和位置都会影响光纤的耦合能力， 因此获得一个稳定的变化周期比较困难。 在本项目的实施过程中，我们使用了通过测试一定长度保偏光纤中l p 0 1 。和l p o l y 模式的时延差而得到光纤的拍长的方法( 使用公式5 1 ) 。在测试中，一般使用4 5 米长 度的光纤，使用p m d 4 0 0 设备( 一种测量通讯单模光纤p m d 的设备) 得到两个偏振 模式的传输时延差，然后通过计算得到所测光纤的拍长。 5 2 2 串音 表征保偏光纤的双折射能力的另一个指标是串音，有时也用消光比或者耦合常数 来表征。这三个参数是相互联系的，均表示了保偏光纤两个正交偏振态之间的能量耦 合交换的能力。 图5 2 保偏光纤的串音测量原理 u 问t ：d b 一嚣 州掺夯。 黑一一 乎兮$ 叫 盈 一 一 华中科技大学硕士学位论文 如图5 2 所示，当一个线偏振光的线偏振态平行于主轴y ( 或者x ) 入射保偏光纤 时，经过一段距离l 的传输，在光纤的另一端分别测试y ( 或者x ) 和x ( 或者y ) 方 向的光功率，分别为p x 和p y 。则定义保偏光纤的串音c t 为： c t = 1 0 l o g ( p 船”( 或者c p l 0 l o g ( p y 伊x )( 5 2 ) 而保偏光纤的消光比则定义为t 1 ： p 刁2 t a l l 2 詈 y ( 5 3 ) 其中l 为保偏光纤长度，h 是耦合系数。因此： h = t a n “n ) l “t 1 几( 5 4 ) 1 1 = p p y _ 1 0 。w l o ( 5 5 ) 如果保偏光纤在纵向是均匀的，则可以得到保偏光纤的串音和光纤长度的关系， 如式( 5 6 ) ，其中c t n l ，l 。是被测光纤的串音和长度，而l ，c t 是计算的光纤长度为 l 时的有效串音。 t c t = c t 。+ l ol o g ( ( 5 6 ) l m 图5 3 表示的是保偏光纤的串音与所测试的光纤长度的关系。假设所测试光纤是纵 向( 即z 方向) 均匀的，则随着测试光纤的长度增加，有更多的光能量被耦合到垂直 方向。一般定义保偏光纤的串音指标，均需要指定光纤的长度，如4 米，或1 0 0 米， 1 0 0 0 米长度的保偏光纤，表示为在某一长度光纤和某一工作波长时，其串音大小必须 小于某一数值，如在1 3 1 0 蛳波长，1 0 0 0 米光纤的串音小于一2 5 d b ，一般应当写为 - 2 5 d b ( 1 3 1 0 m i l ，1 0 0 0 m ) 。 篡嚣l 萎 ll i o 刀= 未堋。i 篡 11 01 0 。o f 如母r i e 帕t h m ) 图5 3 保偏光纤的串音和光纤长度的关系 华中科技大学硕士学位论文 5 3 保偏光纤的几何性能测试 保偏光纤的几何性能测试包括纤芯直径，包层直径，涂覆层直径，纤芯圆度，芯 包同心度等测试项目。这些测试项目中，包层直径和涂覆层直径既在线控制，又在后 续的测试中加以测试检验。对几何的测试方法包括：侧向阴影法，近场图像法，近场 折射法和直接观察等方法。测试的仪器仪表在线有丝径控制仪( b e t a ) ，p x 2 4 0 0 ， n r 9 2 0 0 ，以及显微镜等。下面分布图的横坐标均为同一根预制棒拉制的光纤的从前至 后不同的点。 童 器 冀 - 图5 4 光纤的纤芯直径分布 图5 6 光纤的涂覆层直径分布 一_ 一卜卜 图5 5 光纤的包层直径分布 、o y 图5 7 光纤的包层圆度分布 图5 8 光纤的涂覆层圆度分布图5 9 光纤的芯包同心度分布 ；!暑扑循嗨 sv硝埘叫脚 t b 5 t 3 2 l 0 iv嘲脚擒埭 6 5 哇 3 2 1 0 装v心衄叫脚 0 5 0 5 q 5 0 5 0 ；|暑；|已弱m m ：= ：= 娩孜 6 5 哇3 2 i d v瞄4匠脚撺 6 5 t 3 2 1 0 xv瞒匝呲群麓 华中科技大学硕士学位论文 x v 划 圈 枸 巍 、，、 图5 1 0 光纤的纤芯圆度分布 上述几何测试，所有的直径大小均以圆的拟合得到直径数值，圆度c i r c 的计算如 ( 5 7 ) 式，同心度c o n c e n 的计算如( 5 8 ) 式。 c i r c ：2 掣l o o ( 5 7 ) q 十r 2 c 。n c e n = 正f 万f 而( 5 8 ) 其中，r l ，r 2 是圆拟合时的最大最小直径；a l ，a 2 ，b l ，b 2 是两个拟合圆的圆心坐标。 表5 2 保偏光纤几何性能的测试结果 测试项目测试结果相关标准指标 光纤芯径( 微米) 5 6 5 8 5 6 包层直径( 微米) 1 2 4 1 1 2 51 2 5 1 涂覆层直径( 微米) 2 4 7 8 2 4 8 3 2 4 5 士7 纤芯圆度( ) 1 0 l0 包层圆度( ) 2 2 涂覆层圆度( ) o 5 l 芯包同心度( 微米) o 5 0 5 表5 2 是几何性能的测试结果。由表可知，所制造的保偏光纤的几何特性的控制相 当稳定，完全满足指标要求和相关的应用要求。 5 4 保偏光纤的光学性能测试 保偏光纤的光学性能测试项目包括保偏光纤的模场直径，截止波长和衰减。所有 的这些测试均使用多种方法，相互印证。测试结果如表5 - 3 所示。 亦 控 8 4 o 华中科技大学硕士学位论文 表5 3 保偏光纤光学性能的测试结果 测试项目 测试结果 相关标准指标 截止波长( n m ) 1 2 5 5 1 2 8 01 1 0 0 1 2 9 0 模场直径( 微米 1 3 1 0 n m ) 6 1 6 26 5 士05 衰减( 曲帅， 1 3 1 0 n m ) 一0 4 5 1 0 光纤的光学性能均匀性和一致性相当好。整根光纤的模场直径几乎没有变化，光 纤的衰减很低，且0 t d r ( 光学时域后向测试仪) 测试表明长光纤的一致性非常好。其中 图5 1 4 是两根长光纤的0 ) r 测试结果表明，光纤纵向衰减的线性非常好，说明所研 制保偏光纤的纵向均匀性，包括模场和衰减的均匀性都相当优异。下面分布图的横坐 标均为同一根预制棒拉制的光纤的从前至后不同的点。 1 4 0 0 1 3 翰 1 2 4 0 1 1 印 1 0 帅 1 0 0 0 u 。“ y ” 图5 1 1 光纤的截止波长分布 图5 1 21 3 1 0 n m 模场直径的分布 蛩 2 图5 1 31 3 1 0 蛳衰减的分布 0 8 6 4 2 0 -目v描一螺妇_目岩一n一 华中科技大学硕士学位论文 蹦懒1 l 毯国聚m 霉稍硅羚黻e 戚歉e p o r t0 f 硒r e 0 + l 1 3 ，4 5& #9 。摊 i 日1 1 p i 剐：2 + 1 l 毛g 删棚蛔1 懈7 ，脚暇2 3 。k 筑铆蜓8 。2 2 ，0 辩3 8 l 图5 1 4 ( a ) 9 4 6 5 公里长度保偏光纤的1 3 1 0 n m ，1 5 5 0 n m 衰减的纵向均匀性测试结果 华中科技大学硕士学位论文 躺蝴滟黻融黼啪m 诚黜聃聪雠煳r e 氇l 七，t支e7 s ，9 i ni l 、i 】1 3 。1 4 i 量1 6 d 醣荫阳m 莹 削：z 1 1 氐g 加q l b 岫味：l 冉酾7 。f 呻3 5 ，p u i 秘w i 船h l 驹瓣：8 0 2 2 ，o 螂3 毫l 图5 1 4 ( b ) 1 5 9 5 3 公里长度保偏光纤的1 3 1 0 m ，1 5 5 0 m 衰减的纵向均匀性测试结果 华中科技大学硕士学位论文 总之，综合当前保偏光纤产品的所有测试结果，表明我们所制造的保偏光纤各项 性能指标均不仅已完全达到项目的要求，而且完全达到了国际同类产品的指标要求( 见 下节) 。温度稳定性测试表明，我们的保偏光纤具有相当优异的综合性能指标。对 1 3 1 0 衄和1 5 5 0 n m 波长衰减，拍长和串音的测试表明，当前的保偏光纤可以使用于 1 3 1 0 m 和1 5 5 0 m 双波长，所有的这些结果均表明，项目所制造的保偏光纤具有很好 的几何结构和波导结构均匀性，很好的光学和双折射纵向均匀性。 5 7 小结 一1 一5 0o的l t f * of e n c r e f l m ) 图5 1 9 保偏光纤折射率x ，y 轴方向分布 图5 2 0 保偏光纤的端面显微照片 通过上一节对我们保偏光纤的测试结果的介绍，在本节小结出了当前1 3 1 0 n m 陀螺 用保偏光纤产品的典型指标。所有的这些光纤的指标均满足相关的指标要求，也完全 满足初始设计要求。通过与国外相关类型保偏光纤产品的比较，表明我们的保偏光纤 产品在总体性能指标和生产控制上已经达到了国际同类产品水平。所有的这些连续拉 丝试验和光纤测试结果表明，当前的工艺技术已经达到了相当的成熟程度，无论是沉 积，打孔，拉丝工艺均已经相当稳定，可以满足保偏光纤规模生产的要求。 华中科技大学硕士学位论文 5 7 。l 陀螺用保偏光纤的典型指标及分析 根据上一章对光纤样品的测试，可以得到当前1 3 l o n m 陀螺用保偏光纤的典型指标， 见表5 5 。 表5 51 3 1 0 n m 陀螺用保偏光纤的典型测试指标 光纤特性单位典型指标 光纤类型1 3 1 0 m 波长熊猫型保偏光纤 光学特性 工作波长 1 3 1 0 截止波长 1 2 5 5 1 2 8 0 摸场直径01 3 1 0 n m微米6 2 衰减自1 3 1 0 n m d b k m0 4 5 拍长 1 3 1 0 n m2 6 串音e1 3 1 0 1 0 0 0 md b一3 1 o 模场直径01 5 5 0 n m微米 7 2 衰减0 1 5 5 0 n d b k mo 2 7 泊长日1 5 5 0 m 3 1 串音e1 5 5 0 n m 1 0 0 0 m d b一3 0 5 几何性能 纤芯圆度 1 0 包层直径微米1 2 针- 1 0 包层圆度 1 7 涂覆层类型 d u a l u va c r y l a t e 涂覆层直径微米 2 4 8 + 一1 0 苍包同心度微米 0 3 n 碱环境性能 工作温度 一4 5t 0 + 7 0 筛选强度 0 5 1 筛选强度k p s i 5 0 ，1 0 0 华中科技大学硕士学位论文 由表5 1 可以发现，我们所研制的保偏光纤的特点有： ( 1 ) 衰减低。由于采用了合适的工艺，所研制的保偏光纤的衰减相当低，小模场保 偏光纤在1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 的衰减分别只有约o 4 5 d b k