CN1262502C - 制造偏振模式色散减小的扭转光纤的方法 - Google Patents

制造偏振模式色散减小的扭转光纤的方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种利用个别旋转速率的组合由具有最大椭圆度约为3%的预制件制造低偏振模式色散(PMD)的光纤的方法。在拉制期间的特定光纤长度之后重复旋转速率的组合，由此有效地减小嵌缆光纤的PMD。

Description

制造偏振模式色散减小的扭转光纤的方法
技术领域
本发明涉及一种拉制偏振模式色散(PMD)减小的光纤的方法。本发明还涉及根据在此公开的方法制备的单模光纤。
通常用在通信系统中的单模光纤不是纯粹的单模而是在单模光纤中存在两种相互垂直偏振的模式。这两种偏振形成一个正交基集。因此，经单模光纤传播的任何结构的光都可以用这两种模式的线性叠加来表示。
如果光纤在几何形状和内加压力上具有良好的圆对称性，则两种偏振模式以相同的群速度传播。它们在光纤中传播相同的距离之后没有时间延迟差异。几何形状和应力不对称性等缺陷使得两种偏振模式以不同的速度(传播常数的函数)传播。传播常数之差被称作双折射。两种偏振模式之间的不同时间延迟被称作PMD(偏振模式色散)。这限制了通信系统中的高位率传输。
背景技术
根据美国专利US5,418,881中所述的旋转光纤的现有技术，光纤为正弦自旋函数，随光纤被拉制的空间距离而变。但该专利并未指出个别的旋转速度和旋转速率随光纤空间距离的梯形波函数。
在另一公开的PCT申请WO/97/26221中，作者认识到了上述美国专利US5,418,881的不足。确认的主要缺陷在于沿光纤不同长度的偏振拍长之差。旋转幅度和旋转频率的一种特定组合将有效地降低特定偏振拍长的PMD。但此公开的PCT申请WO/97/26221没有指出旋转光纤的方式，尤其在涂覆和扭转光纤、从而有效地实现降低光纤、尤其是嵌缆光纤的PMD之后。此公开的PCT申请的作者没有想象利用不同值的个别旋转速率的组合可以有效地降低嵌缆光纤的PMD，不同值的个别自旋速率的组合实际上取消了周期的形式。
本发明在此公开了一种方法，即能够实现低至大约小于0.1ps/vkm的PMD减小的光纤，并当采用旋转函数对光纤、尤其在对被拉伸、涂覆和扭转的光纤进行旋转时，后嵌缆的PMD为低至小于0.3ps/vkm，其中采用的旋转函数是拉伸光纤的特定长度之后四个周期形式重复的个别自旋速率的一种组合，并且美国旋转函数的旋转速率沿光纤的拉制长度以梯形方式变化。按照本发明的方法。由预制件拉制的光纤最大具有大约3％的椭圆度。
发明内容
因此，本发明的主要目的在于提供一种在拉制之后以及后嵌缆阶段的光纤中有效减小PMD的方法。该方法采用实验技术确定个别的旋转函数。这些旋转函数形成以周期的形式随光纤的长度变化，从而实现嵌缆后光纤的PMD低至约小于0.3ps/vkm。由于嵌缆期间产生的机械应力，光纤的PMD值在嵌缆之后增大。本发明描述了一种把个别的旋转函数用于有效减小后嵌缆阶段中光纤的PMD的方法。
本发明提供了一种拉制偏振模式色散减小的光纤的方法包括以下步骤：
a)由芯椭圆度最大值为3％的光纤预制件拉光纤；
b)用丙烯酸聚合物涂覆光纤；
c)用一对旋转轮扭转涂覆的光纤；
d)旋转光纤的步骤特征如下：
i)用于旋转光纤的旋转函数是四个分散的在光纤拉制一定长度之后本身以周期的方式重复的旋转函数的组合；和
ii)每个旋转函数的旋转速率以梯形方式沿光纤的拉制长度变化。
因此，本发明涉及一种拉制光纤的方法，其中该光纤具有有效降低至0.1ps/vkm的减小的偏振色散模式(PMD)。
根据本发明的优选实施例，对光纤、尤其是被拉伸、涂覆和扭曲的光纤通过采用自旋函数进行自旋，其中自旋函数是在拉制的光纤特定长度之后本身以周期的方式重复的四个个别自旋速率的组合，并且每个旋转函数的旋转速率沿光纤的拉制长度以梯形的方式变化。
根据本发明的方法由预制件拉制的光纤最大具有约3％的椭圆度。
根据本发明，通过提供具有下列特性的旋转函数实现PDM的有效降低：
(a)最大旋转速率约小于15转/米；
(b)旋转函数为梯形旋转函数；
(c)离散旋转速率的特定变化顺序；
(d)特定的空间距离之后自身重复的离散自旋速率的组合；
(e)拉制速度在大约10～23米/秒的范围内变化。
通过下面结合附图的描述，本发明的其它目的及优选实施例将变得更加清晰，这种参考附图的描述并不限制本发明的范围。
附图说明
图1是根据本发明优选实施例的光纤拉制设备的简图；
图2是根据本发明优选实施例的自旋/制导轮的简图；
图3是根据本发明优选实施例的自旋轮摆动机构的简图；
图4是根据本发明优选实施例自旋轮在位移位置的简图；
图5是根据本发明优选实施例的梯形自旋函数以及用于限定该函数的不同制备参数；
图6是根据本发明优选实施例的光纤通讯连接示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种通过拉制过程中可变的旋转光纤而有效减小光纤在后拉制和后嵌缆阶段中PMD的方法。旋转过程在旋转轮的协助下进行，旋转轮使涂覆的光纤扭转。这种扭转给接近热区段的光纤作出标记。
现参见附图。图1表示预制件拉制成光纤处的拉制杆简图。光纤预制件300插入到拉制炉中以用于通过加热的方式进行软化，光纤320从软化的光纤预制件300一端拉制。拉制的光纤320经直径监视器330穿过涂覆装置340，被涂覆装置340涂覆聚合物涂层。然后，优选光纤320依次通过涂层同心度监视器350、涂层树脂设置装置360、如UV灯以及涂层直径监视器370。
随后，光纤320穿过光纤旋转装置(FSU)410。虽然在此公开的发明中可以采用任何光纤旋转装置，但根据本发明的优选实施例，光纤旋转单元由四个轮组成，一个伺服电极控制轮的旋转。四个轮中的两个是制导轮，两个是旋转轮。两个制导轮处于装置的上侧，在正常运转期间引导光纤。根据本发明，下面的一对轮是旋转轮，这些轮在拉制期间直接接触光纤。图2表示旋转轮/制导轮的简图。根据本发明的优选实施例，轮的直径大约为80mm的量级，光纤在其上旋转的轮的宽度约为12mm，凸缘弯到轮以外，如图2所示。另外，凸缘的深度和厚度分别约为5.66mm和2.8mm。
根据本发明，在拉制期间，制导轮之间的间隙保持在大约3mm。保持此间隙以防止旋转轮是的光纤滑脱。另外，将旋转轮之间的间隙保持在大约0.3mm。制导轮和旋转轮中心之间的高度差维持在大约50mm。根据本发明，在光纤旋转期间，压缩力维持在大约0.7～1.2N之间的范围内变化。可以以常规的方式调节此力。但根据本发明，用连结到轮的弹簧进行调节。旋转轮的顺时针和逆时针运动通过倾斜盘710来驱动。倾斜盘710是一个厚度沿圆周变化的圆盘。倾斜盘被支撑在非移动基座720上。该旋转轮通过棒740连结到接触辊730。接触辊在倾斜盘710的圆周上移动。有一个将棒740连结到基座720的弹簧750。弹簧750给予的弹力提供棒绕接触辊处的轴做挠性运动。在倾斜盘旋转期间接触辊730相对于水平参考面XX”上下运动。这种运动反过来使棒740上下运动。由此旋转轮获得摆动。伺服电机与驱动装置耦接，从连结于系统的PLC接收反馈。旋转轮的全部过程参数如对于不同长度范围的顺时针角度和逆时针角度可以设置在用户的人机友好接口。此FSU安装在一个台上。可以进行系统的水平和垂直调准。在正常运转中，FSU的调准很重要，任何失准都会产生光纤中的震动，造成错误地读取安装在FSU下面的气泡探测器或糟糕的涂层应用。
根据本发明，然后光纤穿过疵点探测器440。穿过疵点探测器440之后的光纤320贯穿绞盘450。然后光纤320由一组导辊通到卷带轴上。
在此公开方法的旋转速率导致有效减小的PMD值，该值低至约小于0.3ps/vkm。在此公开方法的旋转函数还导致大约10～23米/秒范围的拉制速度。
在此公开的方法中使用的不同参数示于表5。根据本发明的旋转函数为具有下列参数的梯形：
a)顺时针方向每米的转数[1/m](它在顺时针方向上为恒定的转动速率)
b)逆时针方向每米的转数[1/m](它在顺时针方向上为恒定的转动速率)
c)顺时针方向的旋转长度[m](受到顺时针旋转的光纤的空间长度)
d)逆时针方向的旋转长度[m](受到逆时针旋转的光纤的空间长度)
e)顺时针回转长度[m](旋转轮从当前位置平移到设定位置(顺时针方向旋转)期间光纤旋转的空间长度)
f)逆时针回转长度[m](旋转轮从当前位置平移到设定位置(逆时针方向旋转)期间光纤旋转的空间长度)
g)直线长度[m](不经受旋转轮的任何扭转的光纤的空间长度)旋转的幅度正比于旋转速率并由下列关系式(1)给出：
  0＝K(旋转速率)         (1)
此处，θ[图4]是摆动运动的幅度，K是常数。这意味着当旋转速率增大时最大旋转制角度也增大，反之依然。
根据本发明，旋转轮的角运动速度依赖于速度、回转长度和旋转速率。它们之间的关系由关系式(2)给出：
角速度＝K*(旋转速率)*(拉制速度)/(回转长度)    (2)
此处K是常数。
根据本发明，在此公开的拉制偏振模式色散减小[PMD]的光纤的方法包括步骤：
a)由芯椭圆度最大值约为3％的光纤预制件拉光纤；
b)用丙烯酸聚合物涂覆光纤；
c)用一对旋转轮扭转涂覆的光纤；
d)旋转光纤的步骤特征如下：
(i)用于旋转光纤的旋转函数是四个分散的在光纤拉制一定长度之后本身以周期的方式重复的旋转函数的组合；和
(ii)每个旋转函数的旋转速率以梯形方式沿光纤的拉制长度变化。
根据本发明，特定长度之后四个分散的旋转函数的组合在800-1200米的范围内重复。嵌缆光纤达到的PMD与大约0.3ps/vkm值相比具有最小值约99.0％的一致性。光纤拉制速度从大约10米/秒变到大约23米/秒。涂覆光纤的直径在大约240～250微米的范围内变化。两个制导轮之间的间隙至少约为0.35mm。旋转轮之间的间隙和涂覆光纤直径之差在大约30～100微米的范围内变化，以实现压缩力在大约0.7～1.2N之间的范围内变化。制导轮和旋转轮中心之间的距离至少约为45mm。旋转辊和绞盘之间的距离大约小于35cm以便于有效阻尼光纤的震动。
根据本发明，还提供了一种按照在此公开的方法制造的单模光纤。
单模光纤用在由发射器和接收器组成的光通讯系统。
以不同的旋转函数分13个阶段进行实验研究，从而达到有效地减小光纤的PMD。以不同的旋转函数拉制的光纤被嵌成缆。测量嵌缆光纤的PMD并将这些值用作反馈以调节旋转函数。
第一旋转函数和光缆的结果如下：
表1(a)
1号阶段的旋转函数
  顺时针   逆时针
  每米的转数   8   8
  旋转长度   8   8
  回转长度   2   2
  直线长度             1
表#1(b)
1号阶段嵌缆光纤的PMD
  预制件芯的椭圆度   SPECS(0.3)
  ＜＝2.0％   94.1％
  ＜＝3.0％   93.8％
进行八次不同的单个旋转函数的实验以实现满足PMD的规格约为0.3ps/vkm的最高比例的嵌缆光纤。
表2(a)表示本发明人能够利用单个旋转函数实现嵌缆光纤的PMD最佳结果的旋转函数。
表：2(a)
  顺时针   逆时针
  每米的转数   10   10
  旋转长度   16   16
  回转长度   1   1
  直线长度               1
表：2(b)
嵌缆光纤的PMD结果
  预制件芯的椭圆度   SPECS(0.3)
  ＜＝2.0％   98.4％
  ＜＝3.0％   97.2％
如上所述，与大约0.3ps/vkm的PMD理想值相符的PMD结果的百分比很低，发明人对四个不同旋转速率的组合进行实验以实现光纤PMD的有效减小。以不同的顺序重复这些旋转速率以有效降低光纤的PMD。本发明合并了最佳的单个旋转速率函数。
在不同旋转函数的五种不同组合的实验中观察到，导致嵌缆光纤PMD(＜0.3ps/vkm)最好的组合在第3(a)号表中给出。还观察到此旋转函数在大约10～23米/秒的拉制速度范围内工作良好。
表：3(a)
  制法#1   制法#2   制法#3   制法#4
  转数/米CW   10   7   12   9
  转数/米CCW   10   7   12   9
  旋转长度CW   16   9   8   5
  旋转长度CCW   16   9   8   5
  回转长度CW   1   1   4   3
  回转长度CCW   1   1   4   3
  直线长度   1   0   1   0
  重复增益   7   11   8   11
  米/周期   37   22   33   22
  M/重复周期   259   242   264   242
制法的结果设计成使制法#1以重复增益继续上述时间并再切换到制法#2。继续此过程直到完成制法#4。全部制法在大约1000米的拉制光纤长度内结束。上述制法独立于拉制速度并显示出与嵌缆光纤的PMD良好的符合。
以上述制法旋转的嵌缆光纤的结果示于表3(b)。
表3(b)
  预制件芯的椭圆度   SPECS(0.3)
  ＜＝2.0％   99.6％
  ＜＝3.0％   99.1％
因此，本发明提供了一种光纤旋转法，利用四种不同旋转速率的组合，这些不同的旋转速率本身在大约1000米的长度之后重复。此方法确保嵌缆光纤PMD大约99.1％的一致性。
以上表3(b)的结果表明对芯椭圆度小于约2％的预置件较好的PMD一致性。这不能在制造尺度上实施，因为它将导致预制件废品的增加。因此根据本发明，按照小于或等于约3％的芯椭圆度的规格使预制件合格。
以上借助于不构成对本发明范围的限定的附图对本发明进行了描述和解释。显而易见，本领域的技术人员在不偏离本发明范围的前提下可以对本发明进行改进。因此这些改型将包含在本发明的范围之内。本发明由下列权利要求限定。

Claims (12)

1.拉制偏振模式色散减小的光纤的方法包括以下步骤：
a)由芯椭圆度最大值为3％的光纤预制件拉光纤；
b)用丙烯酸聚合物涂覆光纤；
c)用一对旋转轮扭转涂覆的光纤；
d)旋转光纤的步骤特征如下：
(i)用于旋转光纤的旋转函数是四个分散的在光纤拉制一定长度之后本身以周期的方式重复的旋转函数的组合；和
(ii)每个旋转函数的旋转速率以梯形方式沿光纤的拉制长度变化。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于特定长度之后四个分散的旋转函数的组合在800-1200米的范围内重复。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于实现的嵌缆光纤的偏振模式色散具有与0.3ps/vkm相比至少99.0％的一致性。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于光纤拉制速度从10米/秒变到23米/秒。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于涂覆光纤的直径在240～250微米的范围内变化。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于两个制导轮之间的间隙至少为0.3mm。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于两个旋转轮之间的间隙最大值为0.35mm
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于旋转轮之间的间隙和涂覆光纤直径之差在30～100微米的范围内变化，以实现压缩力在0.7～1.2N之间的范围内变化。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于制导轮和旋转轮中心之间的距离至少为45mm。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于旋转辊和绞盘之间的距离小于35cm以便于有效阻尼光纤的震动。
11.一种按照前面任一权利要求所述的方法制备的单模光纤，其偏振模式色散值低于0.3ps/vkm。
12.一种包含权利要求11所述单模光纤的光通讯系统，其中包括发射器和接收器。
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