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

光纖技術的快速發展促進了光纖測試新技術的研發和原有技術的拓展。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,理論與實際并重,系統、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;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尺寸設計,引入幾何對稱的不均勻應力實現高雙折射現象,消除應力對入射光偏振態的影響,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、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,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,數值穩定,偏振性能良好。

3 國內數據對比

使用本測試系統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定,已廣泛應用于實際生產中。