CN104166180B - 一种降低光纤偏振模色散的方法、控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于光纤生产制造领域，提供一种降低光纤偏振模色散的方法、控制器，该方法通过控制光信号与光纤相互作用在光纤横截面上引入非对称性，产生双折射，降低光纤偏振模色散，所述方法包括：控制超快光信号聚焦到光纤内部，形成光斑；控制光斑和/或光纤，使得光斑在光纤横截面上以一定速度相对运动，同时控制光纤沿长度方向的运动。本发明技术能突破现有技术中光纤旋转速度的限制，使光纤PMD能在现有技术水平上降低两个数量级以上，满足高速、长距离传输的需求。
Description
技术领域
本发明属于光纤生产制造领域，尤其涉及一种降低光纤偏振模色散的方法、控制器。
背景技术
在光纤中传输的光信号具有两个偏振模式。对于在几何形状、内应力、外应力等诸多方面都具有极佳的圆对称性的光纤，在被认为是“单模”的波长下或者波长范围内的操作实际上支持两个正交偏振模，其中两个偏振模是简并的，以相同的群速度传输，在光纤中传输相同的距离后无时间延迟。
然而，在实际中，光纤并不是完全的圆对称。例如，诸如几何形状变形的缺陷以及应力非对称性破坏了两个模式的简并度。结果，两个偏振模式以不同的传输常数和传输，两个偏振模式之间的微分时间延迟称为偏振模色散或PMD。两个偏振模式的传播常数之间的差异被称为双折射。对于没有外部微扰的均匀线性双折射光纤，光纤的PMD随光纤长度的增加而线性增加。但是，在更长的长度中，由于外部扰动的存在，随机的模式耦合不可避免的被引入到光纤中，并且在统计上PMD随光纤的增加正比于光纤长度的平方根。
理论结果表明，如果使光信号在两个正交偏振模式之间持续的模式耦合，可以抑制两个偏振模式之间相位延迟的积累，并最终使光纤的PMD降低。模式耦合的频率越高，最终的光纤PMD越小。光纤中的PMD现象，引起光纤中传输信号失真，使带宽受到限制，降低了光纤的传输速率。在光纤通信系统中，特别是长距离的传输系统中，这种现象是不期望出现的。
现有技术中降低PMD的一种方法是在光纤拉制过程中使预制棒旋转，但是旋转导致PMD的减少量正比于旋转速度,这使得该方法仅适合于低速小棒拉制工艺，对于拉丝速率超过800m/min的工艺而言，旋转预制棒对光纤PMD的降低已无明显效果。
对于另一种方法，在光纤拉制过程中使光纤旋转，形成水平方向旋转的机械波，利用光纤作为介质把这种机械波传递到预制棒在在拉丝炉中的软化区，形成塑性形变并固化到拉制的光纤中。这种方法由于难以去除在旋转施加点下游沿光纤传递的弹性扭曲，该扭曲由此积累到缠绕于线轴上的光纤上。解决此问题的方法是采用双向旋转，通过改变旋转方向防止光纤中残余弹性扭曲的积累。目前的光纤生产商普遍采用此种双向旋转光纤的方法降低光纤的PMD，所不同的是使用不同的旋转函数，或者在此基础上的优化使之更适应于各自的生产。
但是，这种双向旋转光纤降低PMD的方式会受到多个问题的影响:1)旋转方向的变化，对PMD具有有害的影响，在旋转反向区转速较低，造成局部PMD的升高；2)这种方式在旋转过程中有加速与减速过程，降低了机械效率，对机械装置有害，并且限制了转速的提高，使PMD不能做到足够小；3)采用这种方式生产的光纤，其圆对称性降低。最主要的，目前使用双向旋转的方法制造光纤，其PMD系数在0.04ps/Km1/2,无法满足高速、长距离传输网络的需求。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种降低光纤偏振模色散的方法、控制器，本发明技术方案通过控制光信号与光纤相互作用在光纤横截面上引入非对称性，无需转动光纤即可在光纤内部引入双折射，能突破现有技术中光纤旋转速度的限制，使光纤偏振模色散能在现有技术水平上降低两个数量级以上，满足高速、长距离传输的需求。
一方面，所述降低光纤偏振模色散的方法包括下述步骤：
控制超快光信号聚焦到光纤内部，形成光斑；
控制光斑和/或光纤，使得光斑在光纤横截面上以一定速度相对运动，同时控制光纤沿长度方向的运动。
另一方面，所述降低光纤偏振模色散的控制器包括：
聚焦控制模块，用于控制超快光信号聚焦到光纤内部，形成光斑；
运动控制模块，用于控制光斑和/或光纤，使得光斑在光纤横截面上以一定速度相对运动，同时控制光纤沿长度方向的运动。
本发明的有益效果是：本发明将超快光信号聚焦到光纤内部，光信号与光纤相互作用在光纤横截面上引入非对称性，在两个正交偏振方向(即n1方向与n2方向)上产生折射率差(双折射)；通过控制聚焦光斑在光纤横截面上的运动轨迹与速度，结合光纤自身沿长度方向的运动，这种双折射沿着光纤长度方向按照特定的轨迹分布，使光纤中所传输的两个正交偏振模式互相耦合，达到降低光纤PMD目的。
附图说明
图1是本发明实施例提供的降低光纤偏振模色散的方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的光信号聚焦示意图；
图3是本发明实施例提供的PMD减小因子与螺旋线密度N的关系曲线图；
图4是本发明实施例提供的降低光纤偏振模色散的控制器的结构方框图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1示出了本发明实施例提供的降低光纤偏振模色散的方法的流程，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。
本实施例提供的降低光纤偏振模色散的方法包括下述步骤：
步骤S101、控制超快光信号聚焦到光纤内部，形成光斑。
本实施例方法将超快光信号聚焦到光纤内部，利用超快光信号的超高峰值功率在光纤内部产生非线性电离(主要是多光子电离)，形成强烈吸收光信号能量的等离子体。所述超快光信号由超快激光器发出，比如皮秒激光器、飞秒激光器等。如图2所示的聚焦示意图，图中201为光斑，202为光纤包层，203为光纤线芯，并如图建立XY坐标系，光信号聚焦处(即光斑处)的温度超过材料的融化温度，使光纤局部融化，最后导致光纤局部范围内非均匀的凝固，产生热应力。当光信号能量高于材料能量损伤阈值时，这种热应力就会永久性的存在于光纤包层内部。该热应力在光纤横截面上引入非对称性，在两个正交偏正反向(n1方向与n2方向)上产生折射率差(双折射)。
步骤S102、控制光斑和/或光纤，使得光斑在光纤横截面上以一定速度相对运动，同时控制光纤沿长度方向的运动。
本步骤目的在于通过控制光斑和/或光纤，使得光斑在光纤横截面上以一定速度相对运动，并同时控制光纤沿长度方向的运动，这样光斑在光纤长度方向上具有特定的运动轨迹。光信号作用于光纤在光纤横截面上产生双折射，通过控制聚焦光斑在光纤横截面上的运动轨迹与速度，并结合光纤自身沿长度方向的运动，这样产生的双折射沿着光纤长度方向按照特定的轨迹分布，使光纤中所传输的两个正交偏振模式互相耦合，降低光纤PMD。
本实施例不限定具体的控制方式，可以控制光斑运动，也可以控制光纤运动，也可以控制两者同时运动，只要能满足光斑与光纤产生相对运动即可。另外，本实施例也不限定光斑在光纤横截面上的相对运动轨迹，可为圆形椭圆形或其他形状均可。优选的，只要满足光斑-纤芯连线与x轴夹角的统计在0-2π内均匀分布即可。
当然，可以使用多束超快光信号，每束光信号均聚焦到光纤内部形成光斑，控制每个光斑的运动速度和轨迹，达到进一步降低PMD目的。
为了定性描述PMD减小量，定义PMD减小因子，该参数是在光纤内部引入双折射前与引入双折射后的比值，以对数形式表示。例如，PMD减小因子为-20dB，表示PMD降低了100倍。
以光斑在光纤横截面上的相对运动轨迹为圆形为例，通过光纤PMD的级联法则进行仿真，得到仿真结果如图3所示，得到PMD减小因子与螺旋线密度N的关系图。其中，螺旋线密度N定义为双折射耦合长度内螺旋线周期数。例如，双折射耦合长度200m，螺旋线周期1m，则螺旋线密度N＝200m/1m＝200。
目前市场上所生产的光纤，拉丝速度约1200m/min，生产的光纤双折射10-6-10-8之间，双折射耦合长度200m，对应的PMD为0.03ps/Km1/2。采用本实施例方法可以降低该光纤的PMD，选用电控二维扫描台控制光斑二维运动，扫描速度200Hz，即光斑的转速200rad/s，则螺旋线周期0.1m，螺旋线密度N＝2000，根据图3所示曲线，螺旋线密度2000，对应的PMD减小因子小于-13dB，PMD降低了20倍以上，该光纤降低后的PMD小于0.0015ps/Km1/2。如果选用更高速度的二维扫描台或者扫描振镜，PMD可以降低100倍以上，趋近于零。
因此可看出，采用本实施例技术方案降低光纤PMD，能突破现有技术中光纤旋转速度的限制，使光纤PMD能在现有技术水平上降低两个数量级以上，满足高速、长距离传输的需求。
另外，如图4所示，本实施例还提供了一种降低光纤偏振模色散的控制器，所述控制器包括：
聚焦控制模块41，用于控制超快光信号聚焦到光纤内部，形成光斑；
运动控制模块42，用于控制光斑和/或光纤，使得光斑在光纤横截面上以一定速度相对运动，同时控制光纤沿长度方向的运动。
所述聚焦控制模块41、运动控制模块42分别对应实现了上述步骤S101、S102，聚焦控制模块41控制光信号聚焦，运动控制模块42控制光斑与光纤相对运动，以及控制光纤沿长度方向的运动，最终使得光斑在光纤内部沿长度方向按照特定轨迹运动。优选的，在光纤横截面上建立XY坐标系，光斑在光纤横截面上的轨迹满足光斑-纤芯连线与x轴夹角的统计在0-2π内均匀分布。进一步的，所述聚焦控制模块控制多束光信号聚焦到光纤内部，形成多个光斑，增强双折射，进一步降低光纤PMD。
综上，本实施例中，所述超快光信号作用于光纤并在光纤内部引入双折射，通过控制光斑在光纤横截面上的相对运动速度与光纤沿长度方向的运动，可以控制PMD的减小量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种降低光纤偏振模色散的方法，其特征在于，该方法通过控制光信号与光纤相互作用在光纤横截面上引入非对称性，产生双折射，降低光纤偏振模色散，所述方法包括：
控制超快光信号聚焦到光纤内部，形成光斑；
控制光斑和/或光纤，使得光斑在光纤横截面上以一定速度相对运动，同时控制光纤沿长度方向的运动；
其中在光纤横截面上以纤芯为原点建立XY坐标系，光斑在光纤横截面上的轨迹满足光斑-纤芯连线与x轴夹角的统计在0-2π内均匀分布。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述光信号有多束，每束光信号在光纤内部聚焦形成光斑。
3.一种降低光纤偏振模色散的控制器，其特征在于，所述控制器包括：
聚焦控制模块，用于控制超快光信号聚焦到光纤内部，形成光斑；
运动控制模块，用于控制光斑和/或光纤，使得光斑在光纤横截面上以一定速度相对运动，同时控制光纤沿长度方向的运动；
其中在光纤横截面上纤芯为原点建立XY坐标系，光斑在光纤横截面上的轨迹满足光斑-纤芯连线与x轴夹角的统计在0-2π内均匀分布。
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