（机械工程专业论文）熔锥型保偏光纤耦合器制造理论与关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 目前军事和民用领域对高性能、低成本保偏光纤耦合器的需求越来越多，针 对其制作中存在的速度慢、产量低、成品率低、器件性能一致性差和产品成本高 的特点，对保偏光纤耦合器的熔融拉锥制造理论和关键技术进行研究。论文以自 动化保偏光纤精密对轴技术、保偏光纤耦合器耦合机理、高性能保偏光纤耦合器 制造设备、熔融拉锥工艺参数与耦合器性能相关规律等四个方面作为主要研究内 容。论文主要工作如下： 1 基于透镜效应法侧视对轴技术，提出了一种利用与光纤方位角关系更敏感 的特征量一五点特征值来实现匹配型保偏光纤自动定轴的方法。经过理论分析和 仿真研究，并在自动对轴平台上进行实验验证，结果表明新的五点特征法具有更 高的测量精度及分辨率，更易于实现偏振主轴的自动定位。 2 基于热结构电磁多物理场耦合有限元方法，分析了保偏光纤耦合器的传输 特性和耦合系数在熔锥区的变化规律，从而求解耦合模方程，得到偏振光经过耦 合器后的光功率分布，继而对保偏光纤耦合器的性能参数分光比、消光比及附加 损耗进行理论分析。重点进行了以下三点研究：一是仿真分析了耦合器截面形状、 双锥体锥度以及偏振主轴角度差对耦合器传输特性的影响；二是基于光波导模式 耦合理论，推导出了适应于纤芯为圆形、偏振主轴非平行时保偏光纤耦合器的耦 合系数计算公式；三是从保偏光纤在火焰中熔融拉伸的实际变形过程出发，通过 数值计算分析了应力区形状、应力区折射率与包层折射率差以及偏振主轴角度差 等因素对附加损耗的影响机理。 3 基于单模光纤耦合器熔融拉锥设备，建立了保偏光纤耦合器熔融拉锥平台。 该平台利用自动对轴机构解决了保偏光纤耦合器制作的关键技术一自动对轴技 术；利用中间靠近机构，使得光纤在对轴完成后能够紧紧靠在一起，使光纤的耦 合和分光成为可能；利用主控计算机和步进电机对熔融拉锥机构进行精确控制， 从而改善耦合器的锥形，减少了附加损耗；拉锥设备整体结构紧凑、使用方便、 成本低，能够实现自动化的保偏光纤耦合器制作。 4 以保偏光纤耦合器的光学性能与制造过程工艺参数的相关规律为研究核 心，以提升耦合器的高性能熔融拉锥制造技术为目的，进行大量的熔融拉锥实验， 从而研究熔锥工艺参数对耦合器的性能影响规律，找到最佳工艺参数，实现耦合 器的高性能制作。 主题词：保偏光纤自动对轴光纤耦合器熔融拉锥传输特性耦合系数耦 合理论 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s tp o l a r i z a t i o n - m a i n m i n i n gf i b e r ( p m f ) c o u p l e r sa r ed e m a n d e dm o r ee x t e n s i v e l yi nt h em i l i t a r ya n dc i v i lf i e l d s t h e r ea r em a n y d i f f i c u l t i e si nt h ef u s e d b i c o n i c a lt a p e r ( f b t ) f a b r i c a t i o np r o c e s s ，s u c ha st h es l o ws p e e d ， l o wy i e l d ，p o o rr a t eo ff i n i s h e dp r o d u c t s ，b a dd e v i c ec o n s i s t e n c ya n dh i g l lc o s t m m a n u f a c t u r i n gt h e o r yo ff b ta p p r o a c ha n dt h ek e yt e c h n i q u e sa r es t u d i e di nt h i s d i s s e r t a t i o n 1 1 l em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t s ：t h ep r e c i s e a u t o - a l i g n m e n tt e c h n i q u eo fp m f ，c o u p l i n gt h e o r yo fp m fc o u p l e r s ，h i g hp e r f o r m a n c e m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t , a n d t h er e l a t i o nb e t w e e n p r o c e s sp a r a m e t e r s o f f u s i o n - e l o n g a t i o na n dt h ec o u p l e r sp e r f o r m a n c e 田1 em a j o rr e s e a r c he f f o r t si n c l u d e ： b a s e do nt h ep o l a r i z a t i o no b s e r v a t i o nb yl e n s - e f f e c t - t r a c i n gt e c h n i q u e ( p o l ) ，a n e wm e t h o du s i n gf i v ec h a r a c t e r i s t i cp o i n t s ，w h i c ha r em o r es e n s i t i v et ot h ea z i m u t h a l a n g l eo fp m f ，i sp r e s e n t e dt oc o m p l e t et h ea u t o - a l i g n m e n t o f m a t c h i n g r e f r a c t i v e i n d e xp a n d af i b e r s a f t e rt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n s ， e x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e do nt h ea u t o - a l i g n m e n tp l a t f o r m t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e m e t h o da c h i e v e sh i g h e rm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n db e t t e rr e s o l u t i o n i ti se a s i e rt o d e t e r m i n et h ea n g u l a rp o s i t i o no ft h em a i nb i r e f r i n g e n ta x e so fp m f 砀ep r o p a g a t i o np r o p e r t i e sa n dc o u p l i n gc o e f f i c i e n ti nt h ef u s e d - t a p e r e dz o n eo f p m f c o u p l e r s a r e a n a l y z e da c c o r d i n g t oh e a t t r a n s f e r - s t r u c t u r e m e c h a n i c s - - e l e e t r o m a g n e t i c sm u l t i p h y s i c sc o u p l i n gf i e l d s t h ec o u p l i n gm o d ee q u a t i o n i ss o l v e da n dt h ep o w e rd i s t r i b u t i o no ft h el i n e a r l yp o l a r i z e dl i g h tt h r o u g ht h ec o u p l e ri s o b t a i n e d t h e n , t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ss u c ha sc o u p l i n gr a t i o ，e x t i n c t i o nr a t i oa n d e x c e s sl o s sa r es t u d i e dt h e o r e t i c a l l y t h em a j o rr e s e a r c h i n c l u d e st h ef o l l o w i n gt h r e e p o i n t s f i r s t , u s i n gf i n i t e e l e m e n tm e t h o d , t h ei n f l u e n c ef a c t o r so np r o p a g a t i o n p r o p e r t i e sf o rp m fc o u p l e r sa r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h es h a p eo fc o u p l e rc r o s s - s e c t i o n , t h et a p e ro fc o u p l e rb i p y r a m i d a la n dt h ea n g l ed e v i a t i o no ft h eb i r e f i i n g e n ta x e s n e x t , b a s e do nt h ec o u p l i n gm o d et h e o r yo fo p t i c a lw a v e g u i d e ，an e wf o r m u l af o rc o u p l i n g c o e f f i c i e n to fp m f c o u p l e r s i sd e r i v e d , w h i c hi sa p p l i c a b l et oa n yp m f 、析t l lc i r c u l a r c o r ea n dn o n a l i g n e db i r e f r i n g e n ta x e s t h i r d , b a s e do nt h er e a ld e f o r m a t i o nw h e nt h e p m fi sf u s i o n - e l o n g a t e d ，t h en u m e r i c a lc o m p u t a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so fe x c e s s l o s sm e c h a n i s mi sp r e s e n t e d n l ei n f l u e n c ef a c t o r sa r cd i s c u s s e d ，s u c ha st h es h a p eo f t h es t r e s sa p p l y i n gp a r t s ( s a p ) ，r e f r a c t i v ei n d e xd i f f e r e n c eb e t w e e nt h es a pa n dt h e c l a d d i n g ，t h ea n g l ed e v i a t i o nb e t w e e nb i r e f r i n g e n ta x e s af u s i o n - e l o n g a t i o n p l a t f o r m i sb u i l tf o rp m fc o u p l e r s ，b a s e do nt h e f u s i o n - e l o n g a t i o nd e v i c ef o rs i n g l e - m o d ef i b e rc o u p l e r s a na u t o a l i g n m e n tm e c h a n i s m i sa d o p t e dt or e a l i z et h ek e yt e c h n i q u ef o rp m f c o u p l e rf a b r i c a t i o n a f t e rt h ea l i g n m e n t , t h ei n t e r m e d i a t es e c t i o n so ft h ef i b e r sa r ec l o s ea n dp a r a l l e l 、析t 1 1o n ea n o t h e rb ya n 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a p p r o a c h i n gm e c h a n i s m a c c o r d i n g l yt h el i g h tc o u p l i n ga n ds p l i t t i n gi sp o s s i b l e l n e f u s i o n - e l o n g a t i o np l a t f o r mi sc o n t r o l l e da c c u r a t e l yb yt h em a s t e rc o m p u t e ra n dt h es t e p m o t o r s h e n c et h ec o n i c a lc o n t o u ri si m p r o v e da n dt h ee x c e s sl o s si sr e d u c e d t h e f u s i o n - e l o n g a t i o ne q u i p m e n ti sc o m p a c t ，c o n v e n i e n ta n do fl o wc o s t i tc a nc o m p l e t e t h ea u t o f a b r i c a t i o no fp m f c o u p l e r s l o t so ff u s i o n e l o n g a t i o ne x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e d , f o c u s i n go nt h er e l a t i o n b e t w e e no p t i c a lp e r f o r m a n c ea n dp r o c e s sp a r a m e t e r s ，a n da i m i n gt oi m p r o v et h e f a b r i c a t i o np e r f o r m a n c e ，n l ei n f l u e n c er u l eo ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ec o u p l e r s p e r f o r m a n c ei sd i s c l o s e da n dt h e nu s e dt of m do p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r sf o rh i g h p e r f o r m a n c ef a b r i c a t i o no fp m fc o u p l e r s k e yw o r d s ：p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n go p t i c a lf i b e r a u t o a l i g n m e n t f i b e rc o u p l e r p r o p a g a t i o np r o p e r t y c o u p l i n gt h e o r y f u s e db i c o n i c a lt a p e r c o u p l i n gc o e f f i c i e n t 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1 保偏光纤的分类7 表1 2 当前国内外商用保偏光纤典型技术指标8 表1 3 国内外商用熔锥型保偏光纤耦合器典型技术指标1 0 表2 1 五点特征值法与透镜效应侧视法的比较3 3 表3 1 保偏光纤各部分的尺寸关系。4 2 表4 1 熊猫光纤的结构参数4 9 表4 2 熊猫光纤材料与属性5 0 表4 3 保偏光纤耦合器熔锥区截面尺寸5 5 表6 1 耦合器性能因素及水平分布表8 8 表6 2 实验方案及实验数据处理表8 9 表6 3 单模光纤耦合器制作预设参数及性能参数9 2 表6 4 不加氧气情况下，保偏光纤耦合器制作预设参数及性能参数。9 4 表6 5 不加氧气情况下，保偏光纤主轴重合时参数9 5 表6 6 保偏光纤耦合器制作预设参数及性能参数一9 6 表6 7 保偏光纤耦合器制作预设参数及性能参数9 6 表6 8 保偏光纤耦合器性能测试数据9 8 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1常见保偏光纤类型3 图1 2 常见保偏光纤器件3 图1 3 保偏光纤耦合器工作原理4 图1 4 常用保偏光纤结构。7 图1 5 熔锥型保偏光纤耦合器工作原理9 图1 6 德国p i 公司的电动旋转器f 2 1 0 1 1 图1 7日本骏河精机公司的电动旋转器f s 2 6 6 。1 1 图1 8 上海道生光纤熔融拉锥系统1 3 图1 9 富硕公司保偏光纤熔融拉锥机1 3 图1 1 0 海蓝光公司保偏光纤熔融拉锥机1 3 图1 1 l 保偏光纤耦合器熔融拉锥制造过程示意图1 4 图1 1 2 保偏光纤耦合器熔融拉锥制造与器件性能之间的关系1 4 图2 1消光比极值法工作原理1 8 图2 2 输出功率p 随角度口的变化曲线1 9 图2 3 光弹效应法定轴系统框图1 9 图2 4 侧视法手工对轴原理2 0 图2 5 侧视法自动对轴原理2 0 图2 6 熊猫光纤截面模型2 2 图2 7 匹配型熊猫光纤截面折射率模型 2 3 图2 8 非匹配型熊猫光纤截面折射率模型2 3 图2 9 仿真中的光场传播模型2 5 图2 1 0 口为0 。和9 0 。的x - y 平面光强分布仿真计算结果2 6 图2 1 l 在一特定观测面，五点特征值曲线2 6 图2 1 2 在一特定观测面，五点特征值随角度的变化曲线2 7 图2 1 3 利用五个点特征点的变化曲线构造的变量随角度变化曲线2 7 图2 1 4 保偏光纤通过c c d 成像2 8 图2 1 5 保偏光纤截面光强分布曲线2 8 图2 1 6 特征点随光纤转动的光强曲线2 9 图2 1 7 特征p o l 曲线及五个特征点随方位角变化的曲线3 0 图2 1 8 两条特征曲线的自相关系数分布3 0 图2 1 9 白噪声所产生测量和标准曲线对比3 2 图2 2 0 正弦噪声所产生测量和标准曲线对比3 2 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图2 2 l 自动对轴系统组成3 3 图2 2 2 对轴机械平台3 3 图2 2 3 对轴系统控制程序界面3 5 图2 2 4 对轴系统控制程序框图3 5 图3 1保偏光纤熔锥区几何模型4 2 图3 2 保偏光纤抛物线型锥体模型4 2 图3 3保偏光纤熔锥动态曲线4 3 图3 4 保偏光纤耦合器熔锥区几何模型4 4 图3 5 保偏光纤耦合器截面几何模型4 4 图3 6 保偏光纤耦合器指数型锥体模型4 6 图4 1熊猫光纤截面上的应力分布盯。5 0 图4 2 熊猫光纤截面上的应力分布仃5 0 图4 3熊猫光纤截面的应力双折射分布5 1 图4 4 热应力引起的熊猫光纤偏振主轴折射率变化5 1 图4 5 熊猫光纤纤芯应力双折射分布5 1 图4 6 芯层中月墨。模功率百分比5 2 图4 7 基模传播常数与归一化频率v 间关系5 2 图4 8 保偏光纤俄薯模电磁场分布矢量图5 3 图4 9 保偏光纤薯模电磁场分布矢量图5 3 图4 1 0 耦合器册薯模电磁场分布矢量图5 5 图4 1 l 传播常数届，、届，随y 的变化曲线5 6 图4 1 2 传播常数屐，、屈，随y 的变化曲线。5 6 图4 1 3 传播常数届，、压，随y 的变化曲线5 6 图4 1 4 传播常数届，、属，随y 的变化曲线5 6 图4 1 5 传播常数屈。随y 值的变化5 7 图4 1 6 传播常数履。随y 值的变化5 7 图4 1 7 传播常数届。随y 值的变化5 8 图4 1 8 传播常数压，随y 值的变化。5 8 图4 1 9 传播常数届。随y 值的变化5 8 图4 2 0 传播常数历。随v 值的变化5 8 图4 2 1 传播常数届，随v 值的变化5 8 图4 2 2 传播常数厉。随y 值的变化5 8 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 2 3 传播常数届，随v 值的变化。5 9 图4 2 4 传播常数历。随y 值的变化5 9 图4 2 5 传播常数届。随y 值的变化5 9 图4 2 6 传播常数及。随y 值的变化5 9 图4 2 7 传播常数屈。、屈，随y 值的变化6 0 图4 2 8 传播常数屐，、属，随矿值的变化6 0 图5 1保偏光纤耦合示意图6 2 图5 2 偏振主轴平行时的耦合示意图6 2 图5 3 耦合系数随y 的变化曲线6 6 图5 4 耦合系数随y 的变化曲线6 6 图5 5 保偏光纤偏振主轴相对位置示意图6 8 图5 6 拉伸长度与分光比的关系7 0 图5 7 消光比随偏振主轴角度差9 的关系7 1 图5 8 基模与次高阶模的关系7 2 图5 9 熊猫光纤截面应力双折射分布7 3 图5 1 0 熊猫光纤耦合器截面应力双折射分布7 3 图5 1 1 熊猫光纤纤芯的应力双折射分布7 3 图5 1 2 耦合器纤芯的应力双折射分布7 3 图5 1 3 耦合器纤芯应力双折射( 血= 0 2 ) 。7 4 图5 1 4 耦合器纤芯应力双折射( 血= o ) 。7 4 图5 1 5 存在角度误差时耦合器的应力双折射7 5 图5 1 6 存在角度误差时纤芯的应力双折射7 5 图6 1多工位自动化的保偏光纤耦合器制造工艺过程7 8 图6 2 保偏光纤熔融拉锥平台设计图7 9 图6 3 保偏光纤耦合器熔融拉锥系统组成8 0 图6 4 保偏光纤熔融拉锥平台实物图8 0 图6 5 保偏光纤自动对轴机构8 0 图6 6 保偏光纤对轴机械平台8 0 图6 7 中间靠近机构8 1 图6 8 热源示意图8 l 图6 9 熔融拉锥机构8 l 图6 1 0 在线封装机构8 2 图6 1 1 保偏光纤耦合器消光比测试原理8 3 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图6 1 2 起偏、检偏系统光路结构8 4 图6 1 3 保偏光纤耦合器熔融拉锥工艺流程8 4 图6 1 4 火焰温度场的分布8 6 图6 1 5 温度变化曲线( 火头高度2 i n m ) 8 7 图6 1 6 工艺参数与性能指标关系图。9 1 图6 1 7 单模光纤耦合器性能曲线1 9 3 图6 18 单模光纤耦合器性能曲线2 9 3 图6 1 9 不加氧气，保偏光纤耦合器性能曲线1 9 4 图6 2 0 不加氧气，保偏光纤耦合器性能曲线2 9 4 图6 2 1 保偏光纤不同方位角相对位置9 4 图6 2 2 保偏光纤主轴重合时熔融曲线9 5 图6 2 3 保偏光纤主轴重合时熔融曲线9 5 图6 2 4 保偏光纤耦合器性能曲线1 9 6 图6 2 5 保偏光纤耦合器性能曲线2 9 6 图6 2 6 保偏光纤耦合器性能曲线3 9 7 图6 2 7 保偏光纤耦合器性能曲线4 。9 7 图6 2 8 保偏光纤耦合器实物图9 8 第v i i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他入已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：鉴箜型堡遍迸红揖佥墨剑量垄途曼羞筵撞盔受盔 学位论文作者签名：剿 日期： 叼年j 月亏口日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借冈；司以将学位论文的全部或鄙分内晷编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目鉴笪型堡堡煮红担佥墨剑造垄诠曼羞鳇技苤盟窥 一 学位论文作者签名：玉! 金馥 ，日期：移) 年岁月弓。日 作者指导教师签名：茎型垒日期： d ) 年厂月罗d 日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 保偏光纤是二十世纪八十年代发展起来的一种特殊单模光纤，由于其具有优 良的保偏特性，广泛应用于相干通信及光纤传感器领域，特别是以保偏光纤为主 体的光纤陀螺和光纤水听器的发展一直受到各方面的高度重视【l 】。由保偏光纤制成 的耦合器是各种军用干涉型传感器和相干通信的关键器件，是构成高精度高性能 光纤陀螺和水听器的基础元件之一。为了适应军事和民用领域对高性能低成本的 保偏光纤耦合器越来越多的需求，针对保偏光纤耦合器制作中仍然存在的速度慢、 产量低、成品率低、器件性能的一致性差和产品价格高的特点，对保偏光纤耦合 器的熔融拉锥制造理论和关键技术进行研究。本论文从保偏光纤自动对轴技术、 保偏光纤耦合器传输特性分析、耦合系数分析、性能参数理论分析以及工艺实验 等五个方面展开研究，从而为实现多工位自动化保偏光纤耦合器的高性能制造提 供条件。本项研究无论是在军用还是民用领域都有着非常重要的意义。 1 1 1 课题的来源 1 1 课题来源及意义 课题“保偏光纤耦合器熔融拉锥制造理论与关键技术研究 ，来源于国家自 然科学基金重点资助项目“光纤器件的亚微米制造理论与关键技术 ，项目号为 “5 0 2 3 5 0 4 0 。该项目研究属于机械学科与光电子等多学科交叉领域的学术前沿。 课题的目标是为了适应军事和民用领域对高性能低成本的保偏光纤耦合器越来越 多的需求，针对目前保偏光纤耦合器制作中存在的问题，对其熔融拉锥制造理论 和关键技术进行研究，从而实现多工位自动化的保偏光纤耦合器的高性能制造。 1 1 2 课题研究的背景与意义 自八十年代以来，光信息技术以其频带极宽、信息容量巨大、传输损耗低、 抗电磁干扰等显著优点带来了通信业革命性的大发展。2 0 0 0 年全球光电子产品接 近2 0 0 0 亿美元，其中光纤通信市场约4 0 0 亿美元，2 0 0 2 年世界光电子产业的市场 总额超过2 5 0 0 亿美元，预计2 0 1 0 年为5 0 0 0 亿美元，平均年增长率9 ，2 0 1 5 年 为9 0 0 0 亿美元，年增长率可达1 1 ，呈现逐步上升的趋势 2 1 。光纤器件作为光技 术的载体，其发展尤为迅速。光纤耦合器是光纤通信系统中使用量最多的光无源 器件之一，随着f ”m ( 光纤到户) 越来越近，对光纤耦合器的需求量日益增大。 美国的e l e c t r o n i c a s t 公司在其最新的一份市场报告中指出，全球光纤耦合器的销 售2 0 0 1 年为6 0 2 亿美元，而到2 0 0 5 年达到1 2 亿美元，2 0 1 0 年将达到2 8 亿美元 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 【3 】。e l e c t r o r t i c a s t 公司的总裁s t e p h e nm 还指出，对大容量传输系统，如光纤放大 器、d w d m ( 密集波分复用器) 和o a d m ( 光交叉复用器) 的需求在加快增长， 全球光纤耦合器的消费将受到这种需求的推动。各种形式的耦合器有助于构成多 种应用所需的光部件。耦合器的主要用途是在当今急需容量的网络中实现信号的 分路和合成竹j 。 目前我国光纤器件仍基本依赖进口或进口散件国内组装，国内的器件生产设 备与技术大部分依靠进口。目前国内光纤耦合器的生产设备与技术也有很大部分 依靠进口。最具代表性的武汉邮电研究所和上海凯通电讯设备厂，均采用日本n t t 公司制造的熔融拉锥设备【5 j ，信息产业部2 3 所采用的是美国阿斯特公司的熔融拉 锥设备。我国要发展光信息产业，必须对光纤器件制造原理和关键制造规律进行 研究，提高光纤器件的高精度制造能力。 灵巧性、智能化、集成化以及低成本是光电子器件的发展方向，要想加速我 国光电子技术的发展建设，必须培养自主创新能力，以科研院所为依托，走多学 科交叉融合的道路。而光纤器件的功能由光学设计和制造精度确定，因此我们可 以认为光纤器件的制造是光学原理融合于机械科学的高精度、高难度的特殊制造 技术，对光纤器件功能生成原理和制造工艺规律的深层次研究是当前光纤器件制 造从技艺走向科学的必经之路。光纤器件的制造过程，可以认为是使光波在“光 纤一零件 结合界面上产生预期行为以实现光学原理与功能的过程，也是在设计、 加工、装配、检测的全过程对微细光信息零件亚微米精度的生成与保证的过程。 一般来讲，光纤器件是指由单模光纤制作而成的各种器件，可分为无源器件 和有源器件，其中光纤耦合器是将光信号进行分路或合路、插入、分配的一种重 要无源器件。简单地讲，光纤耦合器就是一类能使传输中的光信号在特殊结构的 耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。光纤耦合器主要应用于光纤通信网、光 纤传感器以及相干光检测中。 保偏光纤是一种具有偏振态保持能力的光纤。它的出现是由于普通单模光纤 在制造过程中的缺陷，例如圆度，不均匀，残余应力等，使得模场的两个正交分 量在传输过程中的同步状态被破坏，从而产生随机的模间耦合，导致光场的偏振 态的不稳定以及信号的畸变，这对相干光通信系统和光纤传感系统产生非常严重 的影响。而保偏光纤通过在光纤中人为制造的几何各向异性，使得模场中的两个 线偏振基模的传播常数发生较大差异，可以减少传播过程中的模间耦合，从而实 现保偏性能及高精度的信号传输要求1 6 】。特别是在各种高精度的相干光检测和光纤 传感器中，保偏光纤的使用不仅可以提高信号的检测灵敏度和精度，还可以有效 的抑制外界环境变化引起的噪声干扰。 国外二十世纪八十年代就掀起了保偏光纤研究及应用的高潮，国内在八十年 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 代也已经开始从事保偏光纤的研究。保偏光纤主要有以下四种类型：椭芯保偏光 纤、椭圆包层保偏光纤 7 1 、领结型保偏光纤引、熊猫型保偏光纤1 9 ，1 川等，其基本结 构如图1 1 所示。 豢 oo 图1 1 常见保偏光纤类型 保偏光纤耦合器保偏光纤准直器保偏光纤衰减器 保偏光纤环形器保偏光纤隔离器保偏光纤波分复用器 保偏光纤滤波器 保偏光纤跳线保偏光纤分束器厶束器 图1 2 常见保偏光纤器件 保偏光纤的保偏特性使其在光纤通信和光纤传感系统中得到了越来越广泛的 应用。保偏光纤可以制作成各种保偏光纤器件，常见的有保偏光纤耦合器、准直 器、衰减器、环形器、隔离器、波分复用器、滤波器、跳线以及分束器合束器等， 应用在相干通信系统【1 1 1 和光纤陀螺1 1 2 , 1 3 等场合。近年来保偏光纤器件还被广泛应 用于光纤偏振控制器【14 1 、集成光学【1 5 】、光纤传感器【1 6 , 1 7 】、光纤干涉仪【1 8 】、光纤光 栅【1 9 】、光纤水听器【2 0 1 、全光纤隔离器【2 1 1 、光纤相位调n - 器t 2 2 】、光纤放大器【冽和光 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 开关【2 4 】等。常用的保偏光纤器件如图1 2 所示。 由保偏光纤制作成的保偏光纤耦合器是一类非常重要的保偏光纤无源器件。 它除了具有分光合光功能之外，还由于其能稳定地传输两个正交的线偏振光、附 加损耗低和偏振串扰小，从而成为各种军用干涉型传感器和相干通信的关键器件， 是构成高精度高性能光纤陀螺和水听器的基础元件之一。 禽f a s t 阮2 枷s 譬) i n p u t 图1 3 保偏光纤耦合器工作原理 近二十多年来，发达国家对保偏光纤耦合器的发展投入了大量的人力和物力， 取得了迅速的发展，目前保偏光纤耦合器已达到实用化阶段，代表了当前国际水 平。其附加损耗在0 3 d b - - 一0 5 d b 之间，消光比在2 0 - 2 5 d b 之间，耦合比典型值 为5 0 5 0 - 4 - 5 ，最具代表性的是日本的藤仓、住友和美国的康宁。但价格仍较昂 贵，如美国3 m 公司的保偏光纤耦合器报价为2 0 0 0 美元只，这表明耦合器仍处于 实用化初级阶段【l j 。 国内研究保偏光纤耦合器的单位不是很多，北航、北玻所、成都电子科技大 学、浙大及电子工业部2 3 所、国防科技大学等单位都开展了保偏光纤耦合器的研 究工作，也有产品问世，目前消光比实际可达2 2 - - 2 5 d b ，最好的可达3 0 d b 以上， 已达到当前国际水平，耦合比典型值5 0 5 0 _ 5 ，同国外相当，附加损耗为o 5 d b 左右，略低于国外【l l 。目前国内十分重视保偏光纤耦合器的研究工作，尤其光纤陀 螺等惯性系统对保偏光纤耦合器的需求量很大，国家加大了投资力度，加速了保 偏光纤耦合器的实用化进程。但现在仍然停留在实验室阶段，未能实用化。 目前保偏光纤耦合器制作中还存在很多技术难点，耦合器制作速度慢、产量 低、成品率低、器件性能的一致性差和产品价格高，因此需要对保偏光纤耦合器 的熔融拉锥制造理论和关键技术进行研究，从而实现多工位自动化的保偏光纤耦 合器的高性能制造。 保偏光纤耦合器有两种制造方法。一种是冷加工法【2 5 捌，即用传统的光学冷 加工工艺，沿保偏光纤轴将光纤磨去一部分，然后将磨去一部分的保偏光纤合在 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 一起用胶粘住。这种方法工艺复杂、难度大、技术要求高、且制成的耦合器体积 大、温度稳定性差、实用价值不大，目前己很少采用。另一种是熔融拉锥法1 2 7 郐, 2 9 1 ， 自1 9 8 5 年起，许多专家利用单模光纤间的消逝场相互耦合的机理，利用熔融拉锥 ( f b t ，f u s e db i e o n i e a lt a p e r ) 工艺，使一根光纤内的一部分光耦合到另一根光纤 中，实现特定分光比，从而制成光纤耦合器【3 0 】。熔融拉锥技术制成的光纤耦合器 性能稳定、附加损耗小，从而被广泛采用。目前保偏光纤耦合器的制造大都是通 过熔融拉锥法手工完成的。即将两根光纤中部长约2 0 m m 部分的涂覆层剥去，清 洗干净，显微镜对轴，然后采用紫外胶固定，再置于专用微火炬上进行熔融拉锥， 使两根光纤侧面融合在一起，形成一双锥体，实现光的横向耦合，最后手工封装， 形成耦合器【l j 。 论文中所要研究的保偏光纤耦合器熔融拉锥系统主要包括对轴、拉锥、封装、 检测等四个工艺工程。它首先把去掉涂覆层并清洗干净的裸纤放在保偏光纤的夹 具上，采用自动对轴机构利用侧视成像法找到两根保偏光纤的偏振主轴并定位， 通过中间靠近机构使除去涂覆层的两根裸纤靠拢；然后转换工位至加热平台，在 氢氧焰下熔融，并采用计算机控制拉锥平台，同时监视耦合器的两个分支的光功 率，进行光纤的熔融拉锥，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构；拉锥 完毕后，转换至封装工位，对耦合器进行封装；最后转换至测试工位对耦合器进 行最后的测试，从而制成保偏光纤耦合器。 保偏光纤耦合器的制造过程是集成了光学、电子学、精密机械、计算机等多 项技术，包括对轴、拉锥、封装、检测等工艺工程的多工位自动化保偏光纤耦合 器生产过程。熔融拉锥制造技术是集成了光学、电子学、精密机械、计算机等多 项技术及制作、检测、控制等多项功能于一体的高度自动化生产技术。保偏光纤 耦合器的制作还存在很多的技术难点。原因一是保偏光纤本身尺寸很小而且结构 比较复杂，对其进行