CN1209308C - 低偏振模色散单模光纤的制造方法及用该方法制备的光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低偏振模色散单模光纤的制造方法和用该方法制备的光纤。在常规拉丝塔的下游端安装搓动系统，其搓动方式不改变光纤的拉丝路径，其搓动轮的轴线在始终平行于拉丝方向的平面内周期性摆动，高速运动的光纤带动搓动轮的外表面绕其轴线旋转，当搓动轮所在平面与拉丝方向存在一定夹角时，其沿光纤径向上的角速度分量反作用在光纤上使之产生扭转，并以机械波的形式传播到拉丝上游的玻璃体软化区产生塑性形变并固化到新拉制的光纤中，使光纤沿长度方向上引入频率和幅度紊乱的非正弦波形扭转分布，增加引起偏振模色散的双折射现象的两正交模式间的能量耦合，用该方法制造出的光纤偏振模色散系数低于0.03ps/km1/2。
Description
技术领域
本发明涉及单模光纤的制造方法，尤其涉及具有低偏振模色散PMD单模光纤的制造方法。本发明还涉及用该方法制备的光纤。
背景技术
近年来，随着人们对通信带宽需求的迅速增长，许多国家电信骨干网上单通道传输速率正从Gb/s级向Tb/s级发展，这应归功于掺铒光纤放大器EDFA和其它一些光学器件的应用。然而，它们也带来了一个严重的问题，那就是使原本微小的偏振效应，如偏振模色散PMD、偏振相关损耗PDL等不良效应得到积累，最终对光纤通信系统产生了不容忽视的影响。由于PDL主要是由光隔离器、光分波器和光滤波器引入的损耗，实际上只要保证这些器件与偏振无关，即不会成为限制高码率传输的主要因素。而PMD是信号在传输过程中不断积累的，目前还没有行之有效的预防或解决办法，因此许多文献认为PMD已成为高码率数字传输的最终限制。此外，虽然针对PMD补偿的研究在国内外已开展了多年，并已发展了几种补偿方案，但无论是采用固定或可变PMD均衡器，还是采用对分解后正交方向信号进行分别补偿的方法，在技术上还存在一些不尽人意的地方。所以，对于光纤制造商而言，研究PMD的起源、从制造工艺上优化和稳定光纤的PMD性能是当务之急。
一般通信骨干网用的单模光纤中只传播一种模式，即LP01模或HE11模，实际上，基模也是由两个互相正交的线性偏振模所组成。理想的单模光纤应具有理想的圆对称结构，使得光纤中的两个正交的线性偏振模具有同样的传播特性，即简并模式。但实际的单模光纤总存在不完善性，使光纤的圆对称结构发生破坏，导致与光纤基模两正交偏振分量相关的模折射率有差别，就显示有双折射特性。如果输入光脉冲激励了两个正交偏振分量，并以不同的群速度沿光纤传输，将导致脉冲展宽，这种现象称为偏振模色散。
大量实验证明：对于短光纤，由偏振模色散引起的差分群延时DGD与光纤长度成正比；对于长光纤，由偏振模色散引起的差分群延时DGD与光纤长度的平方根成正比。因此，对于长光纤定义了一个偏振模色散系数：
PMD＝ΔT/z1/2 (1)
当光纤的长度远大于偏振模耦合长度时，光纤的DGD值ΔT是一个随机参量，应满足麦克斯韦概率分布函数，其均值为：
<ΔT(z)>＝(8/л)1/2δT(zLc)1/2 (2)
其中δT是单位长度上的本征DGD，Lc是偏振模耦合长度，而z远大于Lc，代表光纤实际长度。
一般认为，引起单模光纤产生双折射和偏振模色散的因素有两类：一种是本征因素，包括纤芯不圆度(elliptical core)、扭转(twist)、纯弯(purebending)、横向应力(transverse pressure)分布和轴向应力(axial tension)分布等；另一种是非本征因素，包括温度等环境因素。因此，为获得较低的偏振模色散，多数制造商采用有效的工艺控制光纤的芯圆度和应力的对称分布来降低光纤的δT和Lc。由于这些措施在技术上是有限的，因此目前研究较多的是如何有效地增加偏振模的模式耦合从而降低δT和Lc，在拉丝过程中有意识地增加光纤的扭转成为研究的主要方向。
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。例如，Barlow等人：Applied Optics，20：2962，1981；Payne等人：IEEEJournal of Quantm Electronics，QE-18：477-487，1982；Rashleigh：“Fabrication of Circularly Birefringent Single Mode Fibers”NavyTechnical Disclosure Bulletin，5：7-12，1980；以及WO83/00232等。旋转导致PMD的减少正比于旋转速度。遗憾的是，处理典型光纤的不对称性常常需要很高的旋转速度，这使得这种方法仅使用于低速小棒拉丝工艺，对于目前拉丝速度超过800m/min的大棒拉丝工艺而言，旋转预制棒导致PMD的降低已无明显效果。
现有技术降低PMD的另一种方法是在拉丝下方或称为收线端引入水平搓动光纤的装置，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，这种旋转导致PMD降低的方法比较适合目前大棒高速拉丝工艺，并广泛被光纤制造厂商应用。相关的专利申请也比较多，例如，US005298047A，US005418881A，US2002/0134114A1，US006324872B1，US005897680A，US006148131A以及中国专利97190345.X，97191779.5等。人们在进一步研究过程中认识到光纤中具有频率调制和/或幅度调制的非正弦周期性搓动对产生双折射现象的两正交模式间的能量耦合有显著效果。
专利US005897680A，US006148131A公开了一种典型的外加驱动力直接作用于光纤并使之扭转的实现方式，后文记为“对辊水平搓动方式”。给定频率运转的电机带动连杆的一端作圆周运动，连杆的另一端铰接在固定有一对搓动轮的另一连杆上，在水平面内往复运动，在另一连杆上找一合适的支点，可以实现一对搓动轮始终在垂直光纤拉丝方向上做相对往复搓动，同时搓动轮的表面与光纤直接接触，在光纤牵引力的作用下搓动轮分别能绕其轴线转动。从其介绍的工作方式可以看出，其搓动效果明显优于旋转预制棒的实现方式，光纤的扭转具有顺时针方向和逆时针方向周期性的转换。但从理论计算和实际的测试可以发现，每米光纤扭转的圈数依赖于拉丝速度和电机转动的频率，不适应在目前的高速拉丝工艺中显著降低光纤的PMD参数，此外，从搓动系统的结构可以分析出搓动轮在水平面内的周期性往复运动是正弦或余弦函数，理论上光纤的扭转波形接近于正弦或余弦函数波形。具有如上所述特征的专利还有US2002/0134114A1，US006324872B1。专利US2002/0134114A1介绍的实现方式区别于专利US005897680A，US006148131A之处是搓动轮表面改变了光纤的拉丝路径，增加光纤与搓动轮表面的接触面积，达到更好的搓动效果。专利US006324872B1介绍的一种实现方式区别于专利US005897680A，US006148131A之处在于用对辊替代了搓动轮，同时对辊的周期性运动可以控制实现不同的扭转周期。
专利US005298047A，US005418881A，US006324872B1以及中国专利97190345.X，97191779.5等介绍了另一种典型的搓动方式，后文记为“独轮连续摆动方式”。其基本实现方式是搓动轮表面与光纤接触并使光纤在小范围内偏离原有拉丝路径，搓动轮所在平面作周期性摆动使其在竖直平面内与光纤拉丝方向形成可变化的倾角，光纤所受牵引力作用于搓动轮的外表面使之绕其轴线转动，其垂直于拉丝方向的旋转反作用于光纤，使光纤在垂直于拉丝方向的平面内转动，最终形成光纤的扭转。根据具体的实现方式，专利US005298047A，US005418881A公布的技术路线的特点是受扭矩的光纤在搓动轮表面受到横向牵引力而产生来回摆动，而专利US006324872B1以及中国专利97190345.X，97191779.5公布的技术路线的特点是在搓动轮的上方和下方分别配备了一个限制光纤横向摆动的带槽定位轮。
上述专利介绍的搓动方式本质上区别于对辊水平搓动方式搓动效果依赖于电机的转动频率和拉丝速度的特征，理论上适合高速拉丝工艺，并能形成非正弦函数的扭转波形。然而，上述专利介绍的实现方式改变了原有拉丝工艺中光纤的路径，使光纤偏离了拉丝系统的准直，这种实现方式首先不利于正常拉丝工艺的工艺控制，增加了设备维护的难度，同时增加了光纤受迫转动的阻力，弱化了上述专利介绍的搓动系统产生扭矩的能力。此外，上述专利介绍搓动方式产生良好搓动效果的前提条件是光纤与搓动轮表面紧密接触，但它们之间的作用力来源于拉丝牵引力的水平分力，其大小依赖于光纤在搓动轮表面处偏离拉丝方向的倾角和拉丝的牵引力大小，同时考虑光纤在搓动轮表面的滑动，可以肯定光纤不可避免的会在搓动轮表面跳动，不能确保搓动轮的扭矩有效的传递到光纤。
发明内容
本发明的目的为了解决现有技术存在的上述弊端，提出一种具有低偏振模色散单模光导纤维的制造方法，适合目前高速大棒拉丝工艺，并能确保良好的搓动效果和显著优化单模光纤PMD性能。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：将一根光纤预制棒固定到拉丝塔顶端的送棒机构上，送到拉丝加热炉中进行拉丝，所拉光纤依次经过裸光纤几何尺寸监控器、涂覆系统、搓动系统、拉丝张力轮、成品光纤几何尺寸监测器和收丝系统，光纤从拉丝炉至拉丝张力轮之间始终保持竖直，其它系统与光纤接触的表面不改变光纤的路径，即保持光纤良好的准直，其中光纤的运动包括在拉丝牵引力作用下的直线运动和在搓动系统引入扭矩作用下的以拉丝方向为轴线的转动，光纤在搓动系统引入扭矩作用下使光纤绕其轴线受迫转动，光纤转动的方向随搓动轮在平行于光纤平面内的往复摆动而周期性的改变方向，并形成特有的机械波，这种机械波可以沿着光纤向其拉丝上游方向传播，这种机械波可以到达预制棒在拉丝炉内的软化区，使软化区玻璃体产生塑性形变，并固化到新拉制的光纤中，如图1，其主要特征在于：
a、该搓动系统的引入不改变所拉光纤的运动路径，也不恶化光纤在拉丝过程中可能的高频抖动；
b、搓动系统采用一对搓动轮同时作用于光纤，两搓动轮所在平面的摆动方向以及与光纤轴向的倾角始终呈轴对称状态，两搓动轮始终对光纤施加一定压应力，其压力大小典型值为0.5～5N，以保证光纤与搓动轮之间有良好的摩擦；
c、搓动系统引入的驱动力不直接作用于光纤，光纤扭转的驱动力来源于拉丝方向上运动着的光纤与搓动轮之间的摩擦力，光纤的扭转是通过如下方式实现的：当搓动轮所在平面与光纤拉丝方向有一定倾角时，运动着的光纤通过摩擦力带动搓动轮绕轴旋转，搓动轮旋转的角速度沿光纤径向上的角速度分量通过摩擦力反作用于光纤从而使光纤产生扭转。
本发明所指的光纤预制棒可以是实心棒，也可以是采用套管工艺制造的光纤预制棒，预制棒的外径典型值为φ40～150mm。
本发明所指的拉丝塔的拉丝速度典型值为400～1500m/min。
本发明所指的拉丝加热炉主要包括适合大棒拉丝工艺的石墨电阻炉和石墨感应炉，拉丝温度典型值为1730～2300℃。
本发明所指搓动系统主要包括伺服电机、凸轮、连杆、一对搓动轮、一对定位轮、弹簧和机座，其搓动方式基本工作原理如下：伺服电机驱动凸轮周期性转动，带动连杆往复运动，连杆驱动搓动轮在平行于光纤的平面内往复摆动，高速运动的光纤与搓动轮和定位轮的外表面接触，使搓动轮和定位轮分别绕其轴线受迫转动，当搓动轮所在平面与光纤拉丝方向有一定倾角时，搓动轮旋转的角速度在沿拉丝方向和沿光纤径向上有相应的两分量，其中沿拉丝方向上的角速度分量与光纤拉丝速度匹配，沿光纤径向上的角速度分量反作用于光纤，使光纤绕其轴线受迫转动，光纤转动的方向随搓动轮在平行于光纤平面内的往复摆动而周期性的改变方向，并形成特有的机械波、这种机械波可以沿着光纤向其拉丝上游方向和收丝方向传播，向上游方向传播的机械波可以到达预制棒在拉丝炉内的软化区，由于软化区玻璃体粘度相对较低能产生塑性形变，并固化到新拉制的光纤中。
本发明平均每米光纤扭转圈数的典型值为25～100圈/米，良好的搓动效果是通过如下方式确保的：所指搓动系统包括一对定位轮和一对搓动轮，定位轮所在平面与搓动轮所在平面始终垂直，一对搓动轮所在平面的摆动方向和与光纤轴向的倾角始终呈轴对称状态，定位轮的外表面对光纤不施加显著的压应力，搓动轮对光纤施加一定压力，其压力大小典型值为0.5～5N，在确保不足以破坏光纤的涂覆层结构的前提下，其大小要保证光纤与搓动轮有良好的摩擦，如图2。区别于专利US6324872、US5298047和US5418881，本发明所指搓动方式限制了光纤沿径向的运动，显著消除了引入搓动系统后光纤在搓动轮表面沿光纤径向的摆动和光纤可能的高频抖动，在高速拉丝时能确保所指搓动方式的稳定工作。同时，区别于专利US6324872、US5298047和US5418881独立连续摆动方式，本发明所指搓动方式一对搓动轮轴对称的摆动以及搓动轮与光纤间引入的机械压力，有效地确保了搓动轮表面与光纤间的摩擦效果和速度匹配，确保了搓动轮对光纤施加绕轴线旋转的扭矩以及光纤扭转的效果。
本发明所用搓动系统与光纤直接接触的搓动轮或定位轮表面的材料选择是影响光纤扭转效果的重要因素。区别于专利US6324872、US5298047和US5418881公布的搓动系统与光纤的接触方式，本发明所述搓动系统的搓动轮和定位轮的表面与光纤直接接触，并存在显著的应力和摩擦，所述材料须具有良好的耐磨性能。为避免高速拉丝的光纤表面划伤，搓动轮或定位轮的表面不能有毛刺或凸凹不平的缺陷。选用抛光精度高的硬质合金材料最优，其表面粗糙度典型值不大于3微米，也可选用陶瓷材料、较硬橡胶材料或塑料，确保搓动系统良好的机械效率，同时也避免搓动系统损伤光纤表面的涂层材料。
本发明所指搓动系统伺服电机带动连杆使主搓动轮形成的动作有三种形式：一对搓动轮同时稳定在竖直位置，一对搓动轮轴对称地稳定在最大倾角位置，和一对搓动轮轴对称地在竖直位置与最大倾角位置间的摆动。三种动作形式的时间分配比例可以通过控制伺服电机的输入电压任意调节。一般而言，搓动轮短时间稳定在竖直位置是为了避免光纤因搓动系统产生的机械波的传播高频抖动而影响光纤产品的性能，搓动轮短时间停留在最大倾角位置是为了增加光纤水平扭转的圈数，而搓动轮在竖直位置与最大倾角位置间的往复摆动是为了使光纤形成频率和幅度紊乱的非正弦扭转波形，增大引起单模光纤偏振模色散双折射两正交分量之间的能量耦合。
本发明所用搓动系统使光纤产生扭转，其作用效果(主要指每米光纤扭转的圈数和沿光纤长度方向的扭转波形)可以通过控制搓动轮摆动的角度θ(如图3)和三种动作形式的时间分配比例来加以控制，实现对不同类型单模光纤PMD的降低。搓动轮所在平面最大倾角的典型值为5～20°。优化工艺参数后稳定生产能制造出偏振模色散系数典型值低于0.03ps/km1/2的通信用单模光导纤维。
如图3所示，本发明所用搓动系统使光纤产生扭转，其作用效果的特征可以从理论计算的角度加以证明，具体内容如下：
本发明搓动系统伺服电机带动连杆使主搓动轮形成的动作有三种形式：一对搓动轮同时稳定在竖直位置，一对搓动轮轴对称地稳定在最大倾角位置，和一对搓动轮轴对称地在竖直位置与最大倾角位置间的摆动。可以用四个物理参数描述主搓动轮的工作状态：竖直位置停留时间t1，最大倾角位置停留时间t2，搓动轮摆动的摆动频率f0或用角速度ω0，以及搓动轮摆动的最大倾角θmax。
按本发明技术方案，当半径为R搓动轮所在平面与光纤拉丝方向有一定倾角θ时，所指搓动系统搓动轮转动的角频率ω可以分解成沿光纤径向上的ω1＝ωSinθ和沿拉丝方向上的ω2＝ωCosθ，并与光纤的运动状态有如下关系：
沿拉丝方向上：f1·V＝R·ωCosθ (1)
沿光纤径向上：f2·R·ωSinθ＝υf·πd (2)
其中υf、d和V分别为光纤绕轴线旋转的频率、光纤的直径和拉丝速度，f1表示在沿拉丝方向上光纤驱动搓动轮转动的机械效率，f2表示在沿光纤径向上搓动轮驱动光纤转动的机械效率。
由以上两等式可得光纤绕轴线旋转的频率为(其计算单位为圈/秒)：
υf＝(f1·f2·V·tgθ)/(πd) (3)
考虑拉丝速度可得相应每米光纤绕轴线旋转的圈数为(其计算单位为圈/米)：
rotθ＝υf/V
＝(f1·f2·tgθ)/(πd)
＝(f0·tgθ)/(πd) (4)
其中f0表示搓动系统的机械效率，即f1与f2的乘积。
从等式(4)可以看出，理论计算证明按上述方案所用搓动系统使每米光纤绕轴线旋转的圈数与拉丝速度无关，不受拉丝速度的限制，特别适合高速拉丝工艺。理论计算也证明采用上述方案所用搓动系统使每米光纤绕轴线旋转的圈数与搓动轮的几何尺寸和摆动频率无关，因此在制造上述方案所用搓动系统时对伺服电机的选型和其它部件的选材方面无特殊的苛刻要求。
本发明所用搓动系统使光纤产生扭转，其作用效果区别于现有技术的特征也可以从理论计算的角度加以证明，具体内容如下：
下面根据理论计算比较已公布两种搓动方式与本发明技术方案所指搓动方式对光纤绕轴线旋转的圈数和实现的沿光纤长度方向的扭转波形分布。由于玻璃体在软化区产生塑性形变，不用考虑光纤旋转的方向对旋转圈数的影响。
1.1对辊水平搓动方式
专利US005897680、US006148131和US006324872公布提到采用施加外力的方式使一对圆辊反向在垂直光纤轴线平面内往复运动，从而实现光纤绕轴线旋转的搓动方式。由于一个搓动周期内对辊相对光纤轴线的行程近似等于光纤旋转的弧长，则平均每米光纤绕轴线旋转的圈数为
rot1＝2vm·L/(V·π·d) (5)
其中vm表示对辊往复运动的频率，L表示对辊相对运动的最大距离，V和d分别表示拉丝速度和光纤的直径。
假定：vm＝600r/min，V＝600m/min，L＝10mm，d＝0.245mm，则：rot1＝26圈/米，如果增大V＝1000m/min，rot1＝15.6圈/米。
从以上理论计算可以看出，专利US005897680、US006148131和US006324872公布的搓动方式的搓动效果与对辊往复运动的频率vm、对辊相对运动的最大距离L、拉丝速度V和光纤的直径d相关，在对辊相对运动的最大距离L和光纤的直径d恒定的条件下，要提高拉丝速度V并保证相同的搓动效果，必须显著提高搓动系统的工作频率，因此不适合高速拉丝工艺。
从专利US005897680、US006148131和US006324872公布的搓动系统的结构可以看出其实现的沿光纤长度方向的扭转波形分布接近于标准的正弦函数波形，其典型扭转波形如图4a所示。
1.2独轮连续摆动方式
专利US005298047、US005418881和US006324872公布了独轮连续摆动的搓动方式，当半径为R主搓动轮所在平面与光纤拉丝方向有一定倾角θ时，所指搓动系统主搓动轮转动的角频率ω可以分解成沿光纤径向上的ω1＝ωSinθ和沿拉丝方向上的ω2＝ωCosθ，并与光纤的运动状态有如下关系：
沿拉丝方向上：f1·V＝R·ωCosθ (6)
沿光纤径向上：f2·R·ωSinθ＝υf·πd (7)
其中υf、d和V分别为光纤绕轴线旋转的频率、光纤的直径和拉丝速度，f1表示在沿拉丝方向上光纤驱动主搓动轮转动的机械效率，f2表示在沿光纤径向上主搓动轮驱动光纤转动的机械效率。
由以上两等式可得光纤绕轴线旋转的频率为(其计算单位为圈/秒)：
υf＝(f1·f2·V·tgθ)/(πd) (8)
考虑拉丝速度可得相应每米光纤绕轴线旋转的圈数为(其计算单位为圈/米)：
rotθ＝υf/V
＝(f1·f2·tgθ)/(πd)
＝(f0·tgθ)/(πd) (9)
其中f0表示搓动系统的机械效率，即f1与f2的乘积。
当主搓动轮在摆动过程中，为便于理论计算，假设主搓动轮摆动的角速度ω0和拉丝速度V恒定，相应在时间为T(＝1/vm，vm表示搓动轮摆动频率)的一个周期内平均每米光纤绕轴线旋转的圈数为：
＝-lnCosθmax·f0·/(πdθmax) (10)
假定：f0＝0.5，θmax＝π/18，d＝0.245mm，则：rot2＝58圈/米。
从上述理论计算可知专利US005897680、US006148131和US006324872公布的搓动系统的搓动效果与拉丝速度V以及搓动频率无关，理论上适合高速拉丝工艺。为了进一步增大搓动效果，必须增大搓动轮的最大倾斜角度，然而实际应用中增大搓动轮的最大倾斜角度超过20°后，光纤带动搓动轮转动是很困难的。
从上述理论计算可知专利US005897680、US006148131和US006324872公布的搓动系统其实现的沿光纤长度方向的扭转波形分布接近于正切波形，典型扭转波形如图4b。
1.3对辊间歇摆动方式即本发明的搓动方式
考虑按本发明方案所指搓动系统的四个物理参数在时间为T的一个周期内形成的三种动作的组合效果：
当搓动轮停留在竖直位置时，水平方向上无速度分量，光纤不旋转。
当搓动轮停留在最大倾角位置时，相应在时间为T的一个周期内平均对每米光纤绕轴线旋转的贡献圈数为：
rotθmax＝(t2/T)·(f0·tgθmax)/(πd) (11)
当搓动轮在摆动过程中，为便于理论计算，假设主搓动轮摆动的角速度ω0和拉丝速度V恒定，则有ω0＝4θmax/(T-t1-t2)，相应在时间为T的一个周期内平均对每米光纤绕轴线旋转的贡献圈数为：
则四个物理参数在时间为T的一个周期内形成相应平均每米光纤绕轴线旋转的圈数为：
rot1＝(rotθmax+rotθ)
＝(t2/T)·(f0·tgθmax)/(πd)
+(1-t1/T-t2/T)·(-lnCosθmax ·f0·/(πdθmax)} (13)
假定采用独轮连续摆动方式的工艺参数，即：f0＝0.5，θmax＝π/18，d＝0.245mm，选定不同的摆动周期内时间分配比例，可实现不同的搓动效果：
假定：t1/T＝t2/T＝0，则：rot3＝58圈/米，与采用独轮连续摆动方式的搓动效果相同，对应的扭转波形如图4c-1所示；
假定t1/T＝t2/T＝0.25，则：rot3＝57.6圈/米，与采用独轮连续摆动方式的搓动效果相同，但实现的光纤扭转波形不同，对应的扭转波形如图4c-2所示；
假定：t1/T＝0，t2/T＝0.5，则：rot3＝86.3圈/米，比采用独轮连续摆动方式的搓动效果更优，对应的扭转波形如图4c-3所示；
从上述理论计算可知本发明技术方案的搓动系统的搓动效果与拉丝速度V以及搓动频率无关，理论上适合高速拉丝工艺。为了进一步增大搓动效果，可以增大搓动轮的最大倾斜角度或调节摆动周期内的时间分配比例，可实现比独轮连续摆动方式更多扭转圈数和更多可供选择的光纤扭转波形。
从上述理论计算可知本发明技术方案的搓动系统选用不同的摆动周期内的时间分配比例，其实现的沿光纤长度方向的扭转波形分布可包括三种代表性类型，如图4c所示：
a、扭转波形在一个周期内不包括恒幅度和恒频率的分量和不扭转分量，如图4c-1所示；
b、扭转波形在一个周期内包括恒幅度和恒频率的分量和不扭转分量，如图4c-2所示；
c、扭转波形在一个周期内包括恒幅度和恒频率的分量，但不包括不扭转分量，如图4c-3所示。
用本发明所述制造方法制造的光纤，其特征在于该光纤扭转的圈数为25～100圈/米，光纤扭转圈数沿长度方向上分布波形为不同周期性恒幅恒频与变幅变频分量的组合形式，并且光纤的偏振模色散系数不大于0.03ps/km1/2。
本发明的有益效果在于：
1、采用本发明的技术方案可显著增大单模光纤的扭转圈数和提供了更多可供选择的光纤扭转波形来降低单模光纤的PMD，使PMD系数低于0.03ps/km1/2；
2、采用本发明的搓动系统产生的光纤扭转的驱动力来源于拉丝方向上运动的光纤与搓动轮之间的摩擦力，区别于已公布搓动系统的外加驱动力直接作用与光纤，使光纤扭转的圈数不受拉丝速度的显著影响，特别适合高速拉丝工艺；
3、由于上述搓动系统在安装使用过程中不改变光纤高速拉丝的路径，区别于部分已公布搓动系统改变光纤拉丝路径的实现方式，在引入扭转的同时避免了光纤的可能的高频抖动，在降低了单模光纤PMD的同时不影响高速拉丝工艺的稳定性。
附图说明
图1为本发明方法的示意图。
图中：拉丝炉—1，丝径检测系统—2，冷却系统—3，涂覆系统—4，搓动系统—5，丝径检测系统—6，收丝系统—7。
图2为光纤径向受力分析示意图。
图3为搓动轮摆动角度示意图。
图4a为对辊水平搓动方式的典型扭转波形图。
图4b为独轮连续摆动方式的典型扭转波形图。
图4c为本发明技术方案可实现的典型扭转波形图。
具体实施方式
本实施例采用如下方法制备具有低偏振色散单模光纤：将一根采用套管工艺的φ80光纤预制棒固定到拉丝塔顶端的送棒机构上，送到温度为2200℃的电阻炉中以1000m/min的速度进行拉丝，所拉光纤依次经过裸光纤几何尺寸监控器、涂覆系统、搓动系统、拉丝张力轮、成品光纤几何尺寸监测器和收丝系统，光纤在搓动系统引入扭矩作用下使光纤绕其轴线受迫转动，光纤转动的方向随搓动轮在平行于光纤平面内的往复摆动而周期性的改变方向，并形成特有的机械波，这种机械波可以沿着光纤向其拉丝上游方向传播，并可以到达预制棒在拉丝炉内的软化区，使软化区玻璃体产生塑性形变，并固化到新拉制的光纤中，其中：
a、搓动系统的引入不改变所拉光纤的运动路径，也不恶化光纤在拉丝过程中可能的高频抖动；
b、引入的搓动系统采用一对搓动轮同时作用于光纤，两搓动轮所在平面的摆动方向以及与光纤轴向的倾角始终呈轴对称状态，两搓动轮始终对光纤施加一定压应力，其压力大小为5N，以保证光纤与搓动轮之间有良好摩擦；
c、搓动系统引入的驱动力不直接作用于光纤，光纤扭转的驱动力来源于拉丝方向上运动着的光纤与搓动轮之间的摩擦力，光纤的扭转是通过如下方式实现的：当搓动轮所在平面与光纤拉丝方向有一定倾角时，运动着的光纤通过摩擦力带动搓动轮绕轴旋转，搓动轮旋转的角速度沿光纤径向上的角速度分量通过摩擦力反作用于光纤从而使光纤产生扭转；
d、所述搓动系统设有一对定位轮，该定位轮所在平面与运动的搓动轮所在平面始终垂直，定位轮的外表面对光纤不施加压应力；
e、所述搓动系统与光纤直接接触的搓动轮或定位轮表面的材料选用抛光精度高的硬质合金材料，其表面粗糙度为3um；
f、搓动轮形成的动作包括三种形式：一对搓动轮同时稳定在竖直位置，其时间比例用t1表示，一对搓动轮轴对称地稳定在最大倾角位置，其时间比例用t2表示，和一对搓动轮轴对称地在竖直位置与最大倾角位置间的摆动，其时间比例用t3表示。搓动系统使光纤产生的扭转圈数，可以通过控制搓动轮摆动的最大倾角和三种动作形式的时间分配比例来加以控制。根据三种动作形式的时间分配比例的不同采用了三组工艺参数，如表1所示；
g、所述搓动轮所在平面的最大摆动倾角为π/18。
本实施例采用的三组主要工艺参数和测试计算结果如表1。表1也列举了两种已公布现有技术制备的单模光纤的典型偏振模色散系数。
表1 三种典型搓动方式制备的光纤偏振模色散系数和主要工艺参数
| 本实施例制备的光纤PMD系数和主要工艺参数 | ||
| 拉丝工艺的主要参数 | 拉丝速度 | 1000m/min |
| 拉丝温度 | 2200℃ | |
| 预制棒外径 | φ80mm | ||||
| 成品光纤外径 | 0.245mm | ||||
| 搓动系统的主要工艺参数 | 摆动频率 | 60r/min | |||
| 最大摆动倾角 | π/18 | ||||
| 搓动机械效率 | 0.5 | ||||
| 对辊间歇摆动方式即本发明搓动方式 | 第一组实施例 | PMD系数 | 0.030ps/km1/2 | ||
| 平均搓动圈数的计算值 | 58圈/米 | ||||
| 时间分配比例 | t1 | 0 | |||
| t2 | 0 | ||||
| t3 | 100％ | ||||
| 第二组实施例 | PMD系数 | 0.025ps/km1/2 | |||
| 平均搓动圈数的计算值 | 57.6圈/米 | ||||
| 时间分配比例 | t1 | 25％ | |||
| t2 | 25％ | ||||
| t3 | 50％ | ||||
| 第三组实施例 | PMD系数 | 0.014ps/km1/2 | |||
| 平均搓动圈数的计算值 | 86.3圈/米 | ||||
| 时间分配比例 | t1 | 0 | |||
| t2 | 50％ | ||||
| t3 | 50％ | ||||
| 已公布现有技术制备的单模光纤的典型偏振模色散系数 | |||||
| 对辊水平搓动方式 | PMD系数典型值 | 0.033～0.05ps/km1/2 | |||
| 公布的专利号 | US5897680，US6148131 | ||||
| 独轮连续摆动方式 | PMD系数典型值 | ＜0.5ps/km1/2 | |||
| 公布的专利号 | US5298047，US5418881 | ||||
Claims (10)
1、一种具有低偏振模色散单模光导纤维的制造方法，将一根光纤预制棒固定到拉丝塔顶端的送棒机构上，送到拉丝加热炉中进行拉丝，所拉光纤依次经过裸光纤几何尺寸监控器、涂覆系统、搓动系统、拉丝张力轮、成品光纤几何尺寸监测器和收丝系统，光纤在搓动系统引入扭矩作用下使光纤绕其轴线受迫转动，光纤转动的方向随搓动轮在平行于光纤平面内的往复摆动而周期性的改变方向，并形成特有的机械波，这种机械波可以沿着光纤向其拉丝上游方向传播，并可以到达预制棒在拉丝炉内的软化区，使软化区玻璃体产生塑性形变，并固化到新拉制的光纤中，其特征在于：
a、搓动系统的引入不改变所拉光纤的运动路径，也不恶化光纤在拉丝过程中可能的高频抖动；
b、引入的搓动系统采用一对搓动轮同时作用于光纤，两搓动轮所在平面的摆动方向以及与光纤轴向的倾角始终呈轴对称状态，两搓动轮始终对光纤施加一定压应力，其压力大小典型值为0.5～5N，以保证光纤与搓动轮之间有摩擦；
c、搓动系统引入的驱动力不直接作用于光纤，光纤扭转的驱动力来源于拉丝方向上运动着的光纤与搓动轮之间的摩擦力，光纤的扭转是通过如下方式实现的：当搓动轮所在平面与光纤拉丝方向有倾角时，运动着的光纤通过摩擦力带动搓动轮绕轴旋转，搓动轮旋转的角速度沿光纤径向上的角速度分量通过摩擦力反作用于光纤从而使光纤产生扭转。
2、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于所述光纤扭转的圈数典型平均值为25～100圈/米，光纤实现的偏振模色散系数典型值不大于0.03ps/km1/2。
3、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于所述光纤扭转圈数沿长度方向上分布波形可以实现不同周期性恒幅恒频与变幅变频分量的组合形式，典型扭转波形包括三种形式：
a、扭转波形在一个周期内不包括恒幅度和恒频率的分量和不扭转分量；
b、扭转波形在一个周期内包括恒幅度和恒频率的分量和不扭转分量；
c、扭转波形在一个周期内包括恒幅度和恒频率的分量，但不包括不扭转分量。
4、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于所述搓动系统设有一对定位轮，该定位轮所在平面与运动的搓动轮所在平面始终垂直，定位轮的外表面对光纤不施加压应力。
5、根据权利要求1或4所述的制造方法，其特征在于所述搓动系统与光纤直接接触的搓动轮或定位轮表面的材料选用抛光精度高的硬质合金材料，其表面粗糙度典型值不大于3微米，或选用陶瓷材料、较硬橡胶材料或塑料。
6、根据权利要求1-4之一所述的制造方法，其特征在于搓动轮形成的动作包括三种形式：一对搓动轮同时稳定在竖直位置，一对搓动轮轴对称地稳定在最大倾角位置，和一对搓动轮轴对称地在竖直位置与最大倾角位置间的摆动。
7、根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于搓动系统使光纤产生的扭转，可以通过控制搓动轮摆动的角度和三种动作形式的时间分配比例来加以控制。
8、根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于所述搓动轮所在平面的最大摆动倾角典型值为5～20度。
9、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于所述光纤预制棒是实心棒或采用套管工艺制造的光纤预制棒，预制棒的外径典型值为φ40～150mm，所述拉丝塔的拉丝速度典型值为400～1500m/min，所述拉丝加热炉主要包括适合大棒拉丝工艺的石墨电阻炉和石墨感应炉，拉丝温度典型值为1730～2300℃。
10、根据权利要求1、2、3、4或9所述制造方法制造的光纤，其特征在于该光纤扭转的圈数为25～100圈/米，光纤扭转圈数沿长度方向上分布波形为不同周期性恒幅恒频与变幅变频分量的组合形式，并且光纤的偏振模色散系数不大于0.03ps/km1/2。
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