保偏光纖制備及其參數測試原理

張雪蓮,楊 鵬,劉永建,寧 鼎

(中國電子科技集團公司第四十六研究所,天津 300220,中國)

0 引 言

光纖技術的快速發(fā)展促進了光纖測試新技術的研發(fā)和原有技術的拓展。保偏光纖中間品和成品檢測是質量控制的必要步驟,而高效的測試系統(tǒng)可以保證產品性能,提高成品率,極大降低經濟損失。因此,對光纖制備原理和參數測試原理兩者結合的研究具有重要意義[1]。但過去的研究不夠全面,且知識成果較陳舊。鑒于此,本文作者從光纖生產的角度出發(fā),理論與實際并重,系統(tǒng)、完整地介紹了保偏光纖制備流程、測試的技術理論和實驗結果,重點顯現(xiàn)了光纖生產的最新技術。

1 保偏光纖制備工藝流程

圖1為保偏光纖制備主要工藝流程圖。主要分為保偏光纖預制棒和應力棒制備、酸處理、保偏光纖單模棒和應力棒拼接、清洗、接管、拉絲、保偏光纖終檢等步驟。單模預制棒制備流程包括:采用改進的化學氣相沉積(modified chemical vapor deposition,MCVD)工藝制備單模棒[2];單模預制棒芯包尺寸和折射率檢驗;套管;單模棒退火;包層結構加工和打孔;單模棒尺寸檢驗;單模棒酸處理清洗。將內徑為19 cm、長度為70 cm的高純石英反應管兩端焊接支撐管和尾管,支撐管連接原料進料端,尾管連接尾氣處理裝置,然后固定在氫氧焰燈加熱的車床上。氫氧焰燈沿著反應氣體流動的方向緩慢移動,在氧化反應過程中,由于熱泳效應[3],原料在主燈加熱點反應,在熱區(qū)下游沉積,當主燈向前移動時,疏松層進一步燒結,避免了疏松層顆粒脫落,玻璃化完成。接著氫氧焰燈快速移到起點,來回多次,直到反應管表面沉積所需的疏松層厚度。旋轉的反應管在高溫作用下變軟,由于表面張力及內外壓差,實現(xiàn)縮棒[4-5]。

圖1 保偏光纖制備工藝流程圖Fig.1 Flow sheet of PM fiber preparation process

由于反應管壁厚度的限制,實心光纖預制棒的芯包比無法滿足設計需要,因此選擇合適的純石英套管,將預制棒放入套管內,在MCVD車床上使用氫氧焰燈熔融。若套管過大,熔融時由于重力作用預制棒會下墜,產生橢圓形的棒,同時熔融不能與預制棒完全結合,內部產生氣泡,最終拉絲時形成缺陷,影響包層結構,降低光纖強度[6]。燒結后的單模預制棒需要放入高溫退火爐中進行退火處理(恒溫1200 ℃,2 h→降溫500 ℃,5 h),以減少單模棒內部應力[7],去除殘余的小氣泡。

應力棒制備步驟為:采用MCVD工藝制備保偏光纖應力棒;應力棒尺寸和折射率檢驗;應力棒加工;酸處理。根據設計,沉積一定厚度的硼棒后進行縮棒,燒結透明后即得到保偏光纖應力棒。

根據設計的芯包比,計算出合適的包層和應力棒尺寸,將折射率剖面測試合格的預制棒和應力棒在磨床上進行鉆孔、打磨,并加工成需要的包層結構和應力棒尺寸[8]。本設計中先用去離子水沖加工后的單模棒內孔和應力棒,分別放入體積比為1∶2∶40的氫氟酸、鹽酸和高純水的混合酸溶液內浸泡0.5 h～1 h,去除表面劃痕、雜質,同時酸溶液對預制棒成分二氧化硅也有強烈的腐蝕性,因此嚴格控制好腐蝕的時間,可得到尺寸更精確的光纖預制棒和應力棒;再用熱的去離子水沖洗多次,去除水溶性雜質后,進行單模棒與兩應力棒的拼接,分別將兩應力棒放入單模棒打好的兩個孔內,使用氫氧焰火拋后熔燒,固定預制棒,烘烤至管內無水汽,即可進行拉絲[9]。

2 保偏光纖標準化測試原理

2.1 單模棒尺寸和折射率測試原理和結果

單模棒和應力棒使用光纖預制棒折射率測試儀,通過折射近場法利用動態(tài)空間濾光片測量由橫向照射預制棒而產生的折射角,以此來測量預制棒的幾何尺寸和折射率的分布。理想狀態(tài)下光纖中的折射率n是軸對稱的,用柱坐標(r,φ,z)分析,設光纖軸為z軸,光線方程的徑向分量為:

(1)

式中:r為徑向坐標(離軸距離);s為光線的幾何路徑。當光從折射率n0的介質入射到光纖的端面(z=0)r=r0和φ=0處,入射角為θ0,入射平面和光纖的夾角φ=φ0,折射角為θn,r0處的折射率為n(r0),由折射定律有n(r0)sinθn=n0sinθ0=sinθ0,則:

(2)

(3)

將式(2)、式(3)代入式(1),并對z積分可得:

z=

(4)

因此只要知道輸入點坐標r0,測出折射角,就能得到折射率分布n(r)、r和z的關系。

理論上纖芯的折射率為階躍和梯度分布,但對于實際的光纖,由于制造工藝的問題,光纖纖芯和包層的分界面,以及纖芯的折射率總有梯度變化。設計的光纖工作波長為1310 nm,而此梯度變化遠小于工作波長,因此光纖芯/包分界面和纖芯中的折射率呈階躍分布狀態(tài);纖芯的折射率可作為變折射率分布,折射率隨離軸距離r的增加而不斷改變,如式(5)、式(6)所示[10-12]:

(5)

(6)

式中:a是纖芯半徑;n(0)是光纖軸上的折射率;n(r)為離軸距離r處的折射率;Δ為離軸距離r處相對折射率差。由圖2可知,纖芯與包層分界處的折射率呈階躍分布;當芯徑離軸越遠,折射率變化減小,鋸齒狀折射率分布差逐漸變短[13]。

圖2 單模棒折射率差分布圖Fig.2 Refractivity of single-mode preform

本文中使用MCVD工藝制作預制棒,從測試結果可以看出,預制棒纖芯直徑為光纖內部的折射率分布均勻,外徑為14.2 mm,包層直徑為6.12 mm,纖芯直徑為2.62 mm。精確的預制棒和應力區(qū)尺寸設計,引入幾何對稱的不均勻應力實現(xiàn)高雙折射現(xiàn)象,消除應力對入射光偏振態(tài)的影響,從而保持保偏工作[14-15]。

2.2 保偏光纖關鍵參數的測試

2.2.1 模場直徑和數值孔徑的測試原理和結果 模場直徑(mode-field diameter,MFD)設為D′,使用光分析測量儀搭建測試平臺,通過遠場掃描法確定;采用光纖橫截面基模的電磁場強度分布度量,遠場光強度為F2(θ),θ為遠場角,則模場直徑為:

(7)

測量時,2 m長待測光纖的一端接注入光源,另一端接光探測器,測量出被測光纖的遠場光強,經數據處理后得出遠場光強度F2(θ),再根據式(7)計算得到模場直徑的大小,測試結果如圖3所示。本文中的保偏光纖在入射工作波長λ=1310 nm時的模場直徑D′=6.263 μm。

圖3 保偏光纖遠場掃描及模場直徑和數值孔徑測試結果圖Fig.3 Far-field scanning of PM fiber and test results of MFD and NA

數值孔徑(numerical aperture,NA)設為DNA,同樣使用遠場光強法測試,其表征光接收能力,只與光纖的折射率有關[16],即:

(8)

式中:n1為纖芯的折射率;n2為包層折射率。根據圖2的折射率曲線可知:n1=n0+Δn12=1.45+0.017123=1.467,n2=n0-Δn02=1.45-0.000221=1.449。Δn02為匹配油與包層折射率差;Δn12為纖芯與包層折射率差,代入式(8),可得DNA=0.229,再將測試數值用最小二乘法擬合,掃描測試結果如圖3所示,計算結果與測試結果一致。

2.2.2 特征參數測試原理和結果 表征光纖的幾何特征參數是纖芯/包層直徑、不圓度、同心誤差,即幾何尺寸的測量[17-18]。本文中使用視頻灰度技術(傳輸近場)測試保偏光纖的各特征參數,實際光纖截面形狀可能是非圓、非橢圓,這時需要對整個光纖截面進行分行掃描纖芯、應力區(qū)、包層、涂層半徑,計算出半徑邊緣表,再將測量結果采用傅里葉擬合,得到所測量的數據,此處僅介紹纖芯和包層傅里葉擬合曲線,如圖4所示。

光纖半徑傅里葉計算公式如下:

(9)

式中:k是等角度間隔的中點值,k=2/T;T是光纖半徑R(θ1)邊界掃描數據表中極坐標(θ1,R)的等角度間隔值;A0是平均半徑;Am和Bm是正弦和余弦的模(傅里葉級數的系數);n1是傅里葉級數中模Am和Bm的項數,通常10

(10)

則直徑D為:

D=2A0

(11)

(12)

(13)

而不圓度Nc與最大和最小的軸半徑Rmax、Rmin及A0有關,即:

(14)

如圖4a所示,取極坐標(90°,39.718 μm),軸半徑Rmax=39.896 μm,Rmin=39.534 μm,則包層直徑為79.436 μm,將不圓度代入式(14),得到Nc=0.911%;如圖4b所示,取極坐標(90°,3.067 μm),軸半徑Rmax=3.098 μm,Rmin=3.064 μm,則纖芯直徑為6.134 μm,不圓度Nc計算值為1.109%。

光分析測量系統(tǒng)得到的特征參數測試結果如表1所示。表中,rodC1和rodC2分別為結構對稱的兩個應力區(qū),與上述計算結果一致,纖芯和包層不圓度低,同心誤差小;保偏光纖實現(xiàn)了包層80 μm、內涂層135 μm、外涂層165 μm的精確幾何尺寸設計(直徑精度±0.7 μm),應力區(qū)結構對稱、涂層均勻,滿足技術指標要求。

表1 特征參數測試結果Table 1 Test results of characteristic parameters

2.3 高低溫老化實驗結果

拉制10 km的保偏光纖隨機抽樣5根,每根325 m,抽樣率達16.25%,光纖彎曲直徑為15 cm,進行高低溫老化實驗。先降溫到-55 ℃,保持30 min,然后升溫到80 ℃,保持30 min,最后回到常溫25 ℃,變溫速率為1.5 ℃/min[19]。實驗后的衰減、串音、拍長測試[20-21]結果如表2所示。

表2 高低溫實驗結果Table 2 Test results of high and low temperature aging

從實驗結果可知,極限溫度時(低溫-55 ℃,高溫80 ℃)光纖功率衰減與常溫相比有所增大,但功率衰減和串音變化幅度小,性能穩(wěn)定。經高低溫老化后,每根光纖截取2 m左右測試拍長,測試得到的拍長小,數值穩(wěn)定,偏振性能良好。

3 國內數據對比

使用本測試系統(tǒng)對國內主要保偏光纖生產公司長2700 m、工作波長1310 nm、包涂直徑80 μm/135 μm的保偏光纖進行損耗、拍長、串音測試,結果如表3所示。

表3 各公司參數測試結果Table 3 Test results of parameters of each company

從測試結果可以看出,本單位研制的光纖損耗低(0.42 dB/km)、拍長短(2.15 mm)、串音小(-24.9 dB),處于國內領先水平。后續(xù)將致力于減小拍長和損耗,進一步提升保偏光纖產品性能。

4 結 論

采用MCVD工藝制備的80 μm/135 μm型保偏光纖,其幾何尺寸精確、結構均勻、具有優(yōu)良的保偏性能;采用智能化的測試設備進行各項特征參數的測試,操作流程簡單、測試結果高效準確,高低溫實驗結果證明光纖性能穩(wěn)定,已廣泛應用于實際生產中。