CN1684916A - 低偏振波型色散光纤维及其制造工艺和装置 - Google Patents

低偏振波型色散光纤维及其制造工艺和装置 Download PDF

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Abstract

一种制造低偏振波型色散光纤的装置包括：炉子(6)，用于熔化光纤预型件(3)下部分；牵引装置(8)，用于从光纤预型件的下部分拉出光纤(4)；旋转装置(20)，用于在拉伸光纤时，使光纤以恒定速度单向旋转，由此使光纤发生弹性扭曲；绕卷装置(9)，用于将光纤绕在卷轴(10)上；扭转装置(40)，用于使已旋转的光纤单向扭转，扭转方向与上述弹性扭曲的方向相反，从而可以控制光纤上的剩余扭转。本发明还提出制造光纤的工艺、光纤和包含这种光纤的光缆。

Description

低偏振波型色散光纤维及其制造工艺和装置
本发明涉及制造低偏振波型色散光导纤维的工艺。
通过单波型光导纤维传送的光学信号包括两个正交的偏振波型(通常表示为TE和TM)，在光纤具有均匀直径的理想圆柱心的情况下，该两个正交偏振波型以共同速度传播。然而在实际的光纤中，由于形状缺陷或者受到不均匀应力的作用，可能破坏圆柱心的对称性。结果，在两个波型之间聚积了相差。并且说这种纤维显示出“双折射”。具体是，由形状和应力作用不对称性引起的双折射称为“固有的线性双折射”。
引起双折射的光纤结构和几何形状的不对称性通常起源于预型件本身，并且在拉伸光纤的工艺期间改变。这种拉伸工艺通常在称作为“拉丝塔”的装置上进行，从玻璃预型件开始。实际上，在将预型件放置到垂直位置，并在适当的炉子中加热到高于软化点的温度时，便可以以可控的速度向下拉伸熔化的材料，由此形成构成光纤本身的线形部件。在这种工艺中，通常在光纤上受到不对称应力的作用。
在双折射光纤中，开始彼此同相的基频波型的两个分量仅在传输某个长度之后重新达到同步，这种长度普通称为“拍长”。换言之，该拍长是某个状态偏振的重复周期(假定光纤在整个长度保持恒定的双折射)。
在所谓“维持偏振的光纤C中，在光纤上特意引入非对称性，以产生双折射。然而在普通光纤(即非偏振维持光纤)中，双折射是有害的。实事上，当脉冲信号输送到光纤时，双折射是脉冲扩散的潜在原因，因为由脉冲激发的两个偏振分量以不同的群速度传播(即变成色散的)。称作为偏振波型色散(PMD)的这种现象，近年来，已进行了广泛的研究，因为在周期性放大的光导系统中，它是很重要的。
通常，PMD现象会限制信号传输带宽，因而降低了传输上述信号的光纤性能。因此，在信号沿光纤传输的系统中，特别是在长距离操作的系统中，这种现象是不希望的，在这些系统中必须尽可能减少信号的任何形式衰减或者色散，以确保高性能的传输和接收。
英国专利申请GB2101762A研究了拉伸后光纤扭转对PMD的影响，并观测到，虽然这种扭转降低了由固有线性双折射引起的PMD，但是它引起扭曲应力，这种应力由于光弹性作用而产生显著的圆双折射。因此扭转拉伸后的纤维，由于由另一种作用取代一种作用而降低了带宽的限制。同一专利因此提出在拉伸期间使预型件旋转，从而可以在保持光纤材料基本上不受应力作用时，得到扭转。可以在相当高的速度下进行旋转，使得其空间重复频率或者旋转步距与由于固有双折射引起的拍长相比比较小；结果形成一种光纤，在这种光纤中大降低了由于形状和应力非对称性造成的双折射影响。这种光纤称为“旋转”光纤，使其有别于扭转光纤。预型件可以方便地以基本上恒定的速度旋转，甚至可以反方向转动从右旋转动变到左旋转动。
由于旋转，光纤发生其偏转轴线的转动。结果，当光脉冲信号传输到光纤中时，这些光脉冲将在慢的和快的双折射轴上交替地传播，由此可以补偿相对时延和降低脉冲的扩散。这相当于使脉冲的局部作用折射率等于两个轴上的平均折射率，这种平均值是沿光纤在整个脉冲长度上进行的平均。
已经进行理论研究，来分析旋转对双折射的影响。例如，A.J.Barlow等的论文(”Anisotropy in spun single-modefibers”，Electronics Letters，4th March 1982，Vol.18，No.5)证明，PMD在旋转光纤中降低的支配性过程，是利用沿光纤非对称轴的快速行进平均了局部光纤的各项异性性。M.J.Li的论文(Effects of lateral loadand external twist on PMD of spun and unspun fibers”，ECOC，99，26-30 September 1999，Nice，France)提出了另一个理论贡献，该论文提出一种新颖的模型(根据耦合模型理论)来分析横负载作用和外部扭转对旋转和非旋转光纤的PMD的影响。
除上述理论研究而外，已经提出若干种方法来降低光纤的PMD，这些方法利用了拉伸期间的旋转作用。
和英国专利申请GB2101762A类似，美国专利5581647说明一种制造色散补偿光纤的方法，在该方法中，在预型件绕其轴线转动的同时，拉伸光纤。该文中说明了特殊的工艺条件：光纤在50-1000m/min之间拉丝速度下、在2.4-13KG/mm2之间的张力下以及预型件在10-1000转/min速度转动的条件下，拉成丝。
国际专利申请WO 97/26221注意到，由旋转造成的PMD的降低正比于旋转速度，而且一般需要很高的旋转速度来处理普通光纤的非对称性，例如旋转速度大于5000转/min，而且以这样的速度旋转预型件对于大规模生产光纤不是一个适用的方案。
美国专利4504300设法解决有关预型件转动的缺点，该专利涉及制造具有手性结构的光纤的技术，该专利提出一种新的旋转方法，该方法在于转动光纤，而不转动预型件。具体是，公开一种设备，该设备包括配置在预型件紧下面的，用于在拉伸光纤期间扭转该光纤的装置。这种扭转装置包括支承三个辊的转动环箍。利用涂层装置涂层已扭转的光纤，随后用快速冷却装置进行冷却，该冷却装置有助于这种扭转的凝固。
如WO 97/26221观测到的，这种技术的缺点是很容易损害光纤表面，因为光纤表面在未受到适当的涂层膜保护之前便接触上述辊。
为了克服这些缺点，美国专利5298047和5418881提出配置一种设备，该设备适合于在涂层站的下游将转矩加在光纤上。具体是，在该文所述的方法中，可以采用以下方法施加转矩，即交替地沿顺时针方向和反时针方向使光纤导向辊倾斜，该导向辊的转动轴线垂直于光纤拉伸轴线。
美国专利申请No.2001/0020374观测到，虽然应用倾斜辊可以基本上达到降低光纤PMD的目的，但是也出现一系列的问题(例如需要限制倾斜频率，以避免光纤和辊之间的相对滑动)，并且只适用于采用光纤的交替旋转(即双向旋转)。然而，虽然提出一种新装置，可以克服倾斜辊方法的缺点，并可以进行单向旋转和交替旋转的，但是交替旋转仍然认为是优选的，因为这种方法可以防止剩余扭曲存在于绕在收集卷轴的光纤上，由此使得光纤退卷和绕卷操作中更为容易。
在美国专利5298047还注意到，将断续转矩加在光纤上时，可能引起不需要的弹性扭转。和一般要求采用例如适当的再绕卷方法，以除去弹性扭转这种说法不同，该专利的作者认为，最好交替地将顺时针和反时针的转矩加在光纤上，由此可以显著防止引入弹性扭转。
本申请人还注意到，交替旋转具有前面没有强调的若干缺点。交替旋转例如可能造成旋转设备的机械效率相当低，因为需要不断加速和减速。另外，相对于单向旋转，交替旋转需要相当高的尖峰形振幅，以补偿转动变慢到改变方向的那些位置的振幅，由此确保充分的平均旋转速度。另外，旋转速度为零的位置对于PMD是有害的，因为增加了脉冲经历的有效双折射，PMD影响增大。
因此，本申请人重新研究了采用单向旋转，并设法解决由此产生的问题。本申请人已经证明，为了有效降低PMD，利用采用单向旋转的方法必须考虑到旋转的影响以及由弹性扭转引起的圆双折射的影响。
本申请人已经发现，在拉伸期间使光纤单方向旋转，然后再沿与旋转引起的弹性扭曲方向相反的方向去掉光纤扭转，由此控制弹性扭曲，从而使得在最后光纤中，具有可控量的剩余扭曲，采用这种方法可以将PMD降低到很低的值。另外，随后在光纤上进行的处理操作例如形成光缆的操作，可以变得更为容易。
对于本发明可言，所谓“单向旋转”，意味着除开例如由于在旋转装置上或者在牵引装置上光纤滑移引起的可能局部反向转动外，转动发生在同一方向。另外，所谓“基本上恒定的旋转速度”，是指这样的旋转速度，即这种旋转速度相对于平均值最大误差为±1转/m。计算旋转速度平均值的典型长度为10米或者更长，这取决于在拉伸过程中所用的拉伸塔或者其他设备。
单方向旋转的模量基本上是固定的，但是本发明的方法即使在单向旋转模量变化时，也是适用的。通过将恒定的旋转函数叠加在交变的旋转函数例如正弦函数或者梯形旋转函数上，便可以得到变化的单向旋转函数。在这种情况下，可以采用去扭转方法来除去平均弹性扭转，或者得到其预定的非零值。
这种扭转可以在拉伸期间，或者在随后的再绕卷操作中，加到光纤上。本申请人还发现，采用提出的方法，施加这样的扭矩，即施加可以补偿由旋转引起的弹性扭曲所需的扭转，特别是施加这样的扭转，可以得到PMD的最低值，该扭转使光纤具有大于0转/m和小于约1.5转/m，最好小于约1转/m的剩余扭曲(或者剩余扭转)。
至此和以下，术语“旋转”和“扭转”用于表示两个种不同类型的光纤扭曲。“旋转”表示在拉伸期间凝固的扭曲，作用于光纤的粘滞部分，并在冷却时保持为光纤的结构变形。与此不同，“扭转”表示光纤的弹性扭曲。当转矩作用于其两端受束缚而不能转动的光纤部分上时，形成这种弹性扭曲。换言之，虽然旋转和扭转二者均改变光纤形状，使得以前在同一直线上的部分位于一条螺旋形曲线上，但是当光纤的两端与转动束缚件松开时，该扭转的光纤将返回到其原来的形状，而旋转后的光纤将保持这种改变，形成为固有的永久的形变。
在以下的说明中，需要区分两种扭转，第一种扭转是在旋转期间产生的不需要的扭转，这种扭转是由于在旋转点的下游存在制止光纤转动的点，并且趋向于在光纤中产生圆双折射；第二种扭转是特意加在光纤上的扭转，以便除去第一种扭转的有害影响，因此也称为“去扭转”。特意加的扭转其方向与旋转形成的不需要的扭转方向相反。在下文中，说施加扭转的方向为“与旋转方向相反的方向”，是指与旋转造成的扭转的方向相反的方向。
考虑本文中上述的两种扭转，所谓“剩余扭转”，是指在所考虑的工艺，或者拉伸工艺或者在绕卷工艺结束时，存在于光纤上的扭转。例如，如果在随后的工段进行去扭转，则在拉伸工艺结束时的剩余扭转是不需要的旋转作用产生的扭转(第一种扭转)，或者是不需要的旋转作用和在拉伸期间进行去扭转时特意施加的扭转二者产生的。在剩余扭转的方向与旋转产生的扭转扭转方向相反时，该剩余扭转被定为是“正的”。
本申请人还发现，单向旋转光纤具有微分群时延(DGD)的统计分布，如有关文献普遍预言的，这种统计分布不服从马克思威尔统计分布。DGD的统计分布为高斯分布，其期望值与标准偏差值之比远大于代表马克思威尔分布的2.37这一数值。这意味着，DGD值围绕其企望值离散较小，因此可以降低PMD值的随机不确定性。本申请人已经证明，在至少一定范围的光纤长度内，上述特性是有效的。
在第一方面中，本发明涉及一种制造低PMD光纤的工艺，该工艺包括：将玻璃预型件拉伸成光导纤维；在拉伸时，使该光纤绕其轴线单方向旋转，使得光纤承受弹性扭曲；将光纤绕在卷轴上；上述工艺还包括使已旋转光纤绕其轴线扭转，扭转的方向与上述弹性扭曲的方向相反，以便控制上述弹性扭曲。
使上述已旋转光纤扭转包括将模量上大于上述弹性扭曲模量的扭转作用在光纤上，从而使上述光纤具有剩余扭曲。
最好以基本上不变的速度进行旋转光纤的扭转。
该剩余扭转的模量上在0转/m-约1.5转/m之间比较好，模量最好在0.3-1转/m之间。
最好在约1-8转/m之间的速度下进行光纤的旋转。
可以在基本上恒定的速度或者变化的速度进行光纤的旋转。在第二种情况下，可以按照将常数函数叠加在周期函数上得到的旋转函数，执行光纤的旋转。
可以在将光纤绕在卷轴上的同时，执行光纤的扭转。换一种方式，该工艺还包括从上述卷轴上退出上述光纤，并将光纤重新绕在另一个卷轴上，并且在退卷该光纤或者在重新绕卷该光纤时，进行上述光纤的扭转。
在本发明的第二方面中，本发明涉及一种生产低PMD光纤的装置，该装置包括：
炉子，用于熔化光纤预型件的下部分；
牵引装置，用于从光纤预形件的下部分拉出光纤；
旋转装置，用于在拉伸光纤时，使光纤沿其轴线单方向转动，使得光纤发生弹性扭曲；
绕卷装置，用于将光纤绕在卷轴上；
该装置还包括扭转装置，用于在上述弹性扭曲方向的反方向，使已旋转光纤绕其轴线扭转。
该扭转装置结合于绕卷装置。
换一种方式，该装置还包括将光纤从卷轴上退出来的退卷装置以及结合在该退卷装置上的扭转装置。
该装置最好包括至少一个涂层装置。以便在拉制光纤时将至少一个保护涂层涂在光纤上，该旋转装置最好配置在该至少一个涂层装置和牵引装置之间。
在本发明的另一方面中，本发明涉及一种光缆，该光缆包括至少一种光纤，该光纤具有单方向的固有旋转和模量基本上为零的弹性扭转，或者在上述旋转的反方向具有模量上大于零的扭转。这种固有旋转基本上是不变的，或者是变化的。该弹性扭转的模量在0-约1.5转/m之间比较好。该弹性扭转的模量最好在约0.3-1转/m。
该固有旋转的模量最好在约1-8转/m之间。
在另一方面中，本发明涉及一种光纤，该光纤具有单向的固有旋转和弹性扭转，该弹性扭转的模量基本上为零，或者扭转反向于上述旋转，其模量大于零。该固有的旋转基本上是恒定的，或者变化的。
光纤弹性扭转的模量在约0-1.5转/m之间比较好，最好在约0.3-1转/m之间。而固有的旋转的模量最好在约1-8转/m之间。
下面参考附图详细说明本发明，在这些附图中示出本申请的非限制性例子。这些附图具体是：
图1示出本发明的拉丝塔；
图2示出适合于用在图1所示拉丝塔的旋转装置；
图3示出适合于用在图1所示拉丝塔的扭转装置；
图4示出再绕卷装置；
图5示出用在图1所示拉丝塔中的可以取代图3所示装置的扭转装置；
图6示出光缆，该光缆包括按本发明方法制造的光纤；
图7-11示出试验测试和模型试验的结果。
参考图1，拉丝塔1包括许多装置，这些装置基本上沿垂直的拉丝轴线2配置(术语“塔”的出处)。选择垂直方向是由于需要利用重力来执行拉丝工艺的主要操作步骤，以便从玻璃预型件3得到熔化的材料，从该熔化的材料拉出光纤4。
详细说，该塔1包括用于控制预型件3下部分(也称为预型件的缩颈部分)熔化的炉子6、用于支承该预型件3并将该预型件从上面输送到炉子6中的输送装置7、用于从预型件3拉出光纤4的牵引装置8(位于塔的下端)以及用于将光纤4贮存在卷轴10上的绕卷装置9。
炉子6可以是设计成能够控制预型件熔化的任何类型炉子。在美国专利4969941和5114338中说明能够用在塔1中的炉子例子。
冷却装置12最好配置在炉子6的下面，用于在光纤离开炉子后冷却该光纤4，该冷却装置具有冷却室，该冷却室设计成可流过冷却气体。该冷却装置12与轴线2同轴，因而离开炉子6的光纤4可以通过该冷却装置。
塔1还具有张力检测装置13(例如在美国专利5316562中说明的那种检测装置)和已知类型的测直径传感器14，该传感器最好配置在炉子6和装置12之间，这些检测装置和传感器分别用于测量光纤4的张力和直径。
塔1最好包括已知类型的第一和第二涂层装置15和16，这些涂层装置沿垂直拉伸方向配置在冷却装置12的下面，并设计成可以在光纤4通过时在光纤4上分别涂上第一保护层和第二保护层。各个涂层装置15和16具体包括相应的涂布单元15a和16a以及相应的固化单元15b和16b，前者设计成可以将预定量的树脂涂在光纤4上，而后者例如为紫外灯炉子，用于固化树脂，从而形成稳定的涂层。
牵引装置8可以是单辊或者双辊型的牵引装置。在所示的实施例中，该牵引装置8包括马达驱动的单辊(或者“牵引辊”)18，该牵引装置设计成可以沿垂直拉伸方向拉伸具有涂层的光纤4。该牵引装置8具有角速度传感器19，该传感器设计成可以在辊操作期间产生表示辊18角速度的信号。辊18的转动速度，因而光纤4的拉伸速度，在工艺期间可以响应例如检测器14检测的直径变化而变化。
塔1还包括配置在涂层装置15、16和牵引装置8之间的旋转装置20，用于在拉丝期间，使光纤4绕其轴线转动。对于本发明，术语“旋转”表示光纤转动角速度dθ/dt(其中θ是相对于固定参考点测量的光纤转动角度)和拉伸速度之间的比(忽略比例常数)。以这种方式定义的旋转通常用单位转/m测量。
在图2所示的一个可能实施例中，该旋转装置20包括固定的支架21、由支架21支承的直流马达22和由支架21支承的通过皮带转送装置24连接于马达22的转动部件23。该皮带传送装置包括刚性连接于马达23的第一驱动辊24a、刚性连接转动部件23的第二驱动辊24b以及将第一驱动辊24a连接于第二驱动辊24b的皮带24c。
该转动部件23具有转动轴线，该轴线对应于轴线2，即对应于光纤4进入和离开装置20时的光纤运动轴线。该转动部件23包括第一和第二套筒式端部23a和23b(分别在上部和下部)，这两个端部由相应的轴承26可转动连接于支架21，并且可以使光纤穿过。第二端部23b连接于第二驱动辊24b。
转动部件23包括从第一端部23a伸到第二端部23b的两个臂27a和27b。该臂27a和27b基本上为C形，具有平行于轴线2的主要的直的中央部分，这两个臂彼此相对于轴线2是对称的。其中一个臂(在图中用编号27b表示的臂)支承第一、第二和第三从动转动辊28a、18b和28c(从图的上面到下面)，这些转动辊基本上沿平行于轴线2的方向配置。这三个辊28a、28b和28c具有垂直于轴线2的相应轴线，其尺寸定为，使得相应导向槽基本上与轴线2相切。
再参考图1，塔1还包括普通称为松紧装置的张力控制装置30，该装置用于在牵引装置8的下游调节光纤4的张力。该张力控制装置30设计成可以在辊18和绕卷装置9之间平衡光纤4张力的任何变化。该张力控制装置30包括例如从动的位于固定位置的第一和第二辊30a和30b以及在其重力和光纤4张力的作用下可以自由垂直移动的第三辊30c。实际上，如果光纤4的张力存在不希望的增加，则辊30c升高，而在光纤4的张力上发生不希望的降低时，该辊下降，从而使上述张力基本上保持不变。该辊30c还装有垂直位置检测器(未示出)，该检测器设计成，可以产生代表辊30c垂直位置因而代表光纤4张力的信号。
最好配置一个或多个辊31(或者其他类型的导向部分)，以便将光纤4从张力控制装置30引导到绕卷装置9。
在例示实施例中的绕卷装置9包括由支承件37支承的第一、第二、第三和第四导向辊36a、36b、36c、36d，用于将光纤4引导到卷轴10上。该绕卷装置9还包括机动装置33，该机动装置使卷轴10沿其用编号34表示的轴线转动。该机动装置33还适合使卷轴10沿轴线34来回运动，从而在拉伸期间使光纤4螺旋形绕在卷轴上。另外，卷轴10可以沿轴向固定，而支承部件37(以及辊36a、36b、36c和36d)可以安装在机动的滑动件(未示出)上，该滑动件可以设计成沿平行于卷轴34的轴线来回运动。
按照本发明，最好采用扭转装置40除去光纤的扭转，例如除去在拉伸时贮存在光纤4上的弹性扭曲。该扭转装置40最好用在拉伸工段，特别用于在绕卷期间除去光纤4的扭转，或者可以用在随后的工段，例如光纤4的光纤期间去扭转，这种退卷在为了将光纤4重新绕卷在适合于运输的绕线架上进行的退卷，如下面将要说明的。
扭转装置40最好与拉丝塔1的绕卷装置9形成一体。具体是，支承部件37和辊36a、36b、36c和36d形成扭转装置40的一部分。参考示出扭转装置40一个可能实施例的图3，支承部件37是转动部件，该转动部件具有双臂叉的形状，包括空心转轴41和从空心转轴41的一个端部41a伸出的两个臂45和46。转轴41由固定支架43支承，该转轴与轴线34同轴，该转轴可通过轴承44在固定支架上转动。该转轴41由直流马达(未示出)通过皮带传送装置(未示出)驱动。在使用时，转动轴41被设计成光纤4可以沿轴线34穿过。
第一和第二臂45和46相对于轴线34是彼此对称的，并具有相应的第一部分45a和46a以及平行于轴线34的相应的第二部分45b和46b，第一部分45a和46a刚性连接于转动轴41，并彼此反向地伸离轴线34。第一部分45a和46a的径向长度大于卷轴10的半径，第二部分45b和46b其长度基本上等于卷轴10的长度。该卷轴10配置在臂45和46的第二部分45b和46b之间。
第一辊36a位于面向卷轴10的转动轴41的端部，被设计成可以使光纤4偏向第一臂45。第二、第三和第四36b、36c和36d沿第一臂45的第二部分45b配置，并且形成光纤4的波浪形路径，然后再输送到卷轴10。第三辊36c(位于第二辊36b和第四辊36d的中间)的作用是防止光纤在辊36b和36d上滑动，该辊也可以省去。第二臂46仅具有平衡作用，并可以装上与辊36b、36c和36d完全相同的三个辊，从而具有与第一臂45相同的重量分布。
虽然第一、第二和第三辊36a、36b和36c最好具有彼此平行的垂直于轴线34的相应轴线，但是第四辊36d最好相对于平行于轴线34的轴线是倾斜的，倾斜这样的角度，当卷轴10绕满一半时，该角度位于一个与光纤绕线架相切的平面上。
扭转装置40最好包括光纤位置传感器48(例如型号为KeyenceFS-V11P FU-35FA的传感器)，该传感器位于第四辊36d和卷轴10之间，从而提供使卷轴10或者支承部件37来回轴向运动(例如图3示出两个不同的卷轴10的位置)的控制信号，事实上如前所述，可以在卷轴10和支承部件37之间形成相对的来回运动。由此可以螺旋形绕卷光纤4。
拉丝塔1还包括控制单元(未示出)，该控制单元连接于所有从外面控制的拉丝塔1的装置，并连接于围绕拉丝塔配置的所有传感器和检测器。
拉丝塔1的操作如下。
支承装置37将预型件3输送到炉子，在炉子中，预型件的下部分(缩颈部分)熔化。然后用牵引装置8从缩颈部分拉出光纤丝4，并利用绕卷装置9将其绕在卷轴10上。在主动轮18和卷轴10之间张力控制装置30控制光纤4的张力。
在拉伸光纤4时，传感器13和14检测其张力和直径。可以通过这种检测来控制拉伸工艺，例如通过改变牵引速度进行控制。当光纤4拉出炉子6时，由冷却装置12冷却，并由涂层装置15和16涂上两层保护层。
然后用扭转装置20使涂层的光纤4单向地基本上恒定地旋转，使转动部件23绕轴线2以恒定速度转动，便可以得到这种旋转。转动部件每转一圈相当于光纤4绕其轴线转一圈。
转动速度这样选择，使得在等于至少最短典型拍长度的一段光纤4上，光纤4的缺陷和不均匀度的影响基本上变成均匀的。结果，当信号传输到光纤中时，在基频传播波型之间发生强度变换，因而降低PMD。因此，可以显著降低由非对称应力作用和在光纤4中固有形状缺陷引起的负面影响。
本申请人已经注意到，旋转速度越高，在PMD方面，光纤的性能越好，然而旋转速度越高，要除去的弹性扭转也越高。本申请人已经证明，在1-8转/m之间的旋转速度可以将PMD降低到允许的值，同时可以引入能够用本文说明的方法有效除去的弹性扭转量。
在旋转后，该光纤将相应的转矩传送到上游和下游。在上游，该转矩传送到预型件的缩颈部分，在该部分，熔化玻璃的塑性形变可以“吸收”该转矩，并将其转换成光纤4双折射轴的固有取向。这种固有的扭曲在光纤冷却时，凝固在光纤4上。在下游，由于不存在任何防范措施，所以该转矩将一直传到卷轴10，在卷轴10上，光纤4一旦绕卷后，便保持一种剩余的弹性扭转。如果这种弹性扭转不受到控制，则会在光纤4中引起不需要的圆双折射。
为了控制已绕卷光纤4的剩余扭转，用扭转装置40使光纤4去扭转。实际上，是将转动支承部件37装成为可以绕轴线34转动，其转动方向与旋转方向相反(如上所述，更准确地说，其转动方向与旋转产生的弹性扭转的方向相反)。支承部件37绕轴线34的每一转相当于光纤4绕其轴线转一转。在光纤绕在卷轴10上之前，至少可以采用扭转装置40降低沿光纤4向旋转装置20下游传输的转矩。
更详细地讲，在穿过转动轴41之后，光纤4由第一辊36a偏向第一臂45，然后由第二和第三辊36b和36c以要求的张力沿第二部分45b传送，最后由第四辊36d沿基本上垂直于轴线34的方向输送到卷轴10。在卷轴10绕轴34转动的同时，还可以沿轴线34作往返运动，从而可以螺旋形绕卷光纤4。
通过传感器48的信号来控制卷轴10的来回运动速度，使得光纤4总是在传感器48的预定位置通过。
本申请人已经发现，在光纤旋转后对光纤进行扭转的方法可以将光纤4的PMD降低到最小，这种扭转不仅可以除去由旋转产生的弹性扭转，而且还可以引入正的剩余扭转，即在相反方向的扭转。本申请人已经证明，在0-1.5转/m之间，最好在0.3-1转/m之间的正剩余扭转，可以在相当宽的旋转速度范围内，至少到8转/m的旋转速度，降低已转动光纤的PMD。
如前所述，可以在拉伸以后的工段进行光纤的去扭转，这种去扭转可以与将光纤从卷轴10上退出的退卷操作相结合。例如，可以在重新绕卷光纤4期间或者在筛选操作期间去扭转，光纤4的再绕卷是为了将光纤绕在运输用的绕线架上，以便运到用户。筛选操作是一种在光纤上进行的试验操作，以检查其强度，这种筛选操作包括将预定纵向张力加在光纤4上，同时使光纤运行通过由辊决定的预定长度。
如图4所示，可以采用例如扭转装置40，使光纤4在相反方向移动，由此可以在退卷时进行光纤的去扭转。具体是，图4示出在绕卷组件70，该组件包括将光纤4从卷轴10上退出的退卷装置9′和另一个绕卷装置71，该绕卷装置包括用于将光纤4重新绕在不同卷轴74上的导向辊73。退卷装置9′基本上相当于绕卷装置9，但是操作在相反方向，从而可以使光纤4退卷。在这种情况下，扭转装置40与退卷装置9′形成一体，以便在光纤退卷时，使光纤4去扭转。该再绕卷组件70还包括在美国专利5076104中说明的那种筛选装置72。
图5示出扭转装置的不同实施例，用编号50表示。扭转装置50包括固定支架51，该支架支承沿轴线34的卷轴10和转动部件52，在光纤绕在卷轴10上，或者从卷轴10退卷时，该转动部件用于使光纤4去扭转。
转动部件52包括第一和第二转动轴53和54，该转动轴由支架51支承，并与轴线34同轴，还包括柔性的拱形部件55，该拱形部件在卷轴10的上面连接两个转动轴53和54，该拱形部件构成光纤4的通道。
该固定部件51包括基本上沿轴线34的两个外部支承部件56和57以及两个内部支承部件58和59。外部支承部件56和57是圆筒形的，部件57具有光纤4沿轴线34移动的内部通道。卷轴10配置在内部支承件58和59之间，并受到支承。卷轴10用皮带传送装置60连接于马达(未示出)。
转动轴53和54相对于卷轴10彼此相对，并通过相应的皮带传送装置62(仅示出其中的一个)连接于同一马达(不同于卷轴10的未示出的马达)因而这些转动轴可以在相同速度下转动。各个转动轴53和54位于相应的外部支承部件56和57以及相应的内部支承部件58和59之间。第一转动轴53在内部装有与轴线34相切的辊67，该辊使拱形部件55和内部支承件58支承的另一个辊69之间的光纤4通道与轴线34相切。第二转动轴54在内部支承另一个与轴线34相切的辊68，该辊可以使光纤4在外部支架57和拱形部件55之间通行。可以配置一个或多个另的辊，以便将光纤引向卷轴10或者引离该卷轴。
柔性的拱形部件55最好用carbonium制造，并形成跨越卷轴10的桥，以便光纤4在转动轴53和54之间通过。拱形部件55具有等距离的导向U形栓61，该栓最好用陶瓷制作，适合于沿拱形部件55导向光纤4。或者，拱形部件55具有导向管(未示出)，这种管具有可以在工艺开始之前较组早安装的优点，并可以将光纤4从拱形部件55的一端吹到另一端。
下面说明将光纤绕在卷轴10上的绕卷操作，同时说明装置50。在例如图4所示的在绕卷组件70中，和装置40一样，装置50的操作方向与光纤4从卷轴10退出来的方向相反。
通过部件57和第二转动轴54的第一部分接收光纤4，在该第一部分上，该光纤由辊68偏转到拱形部件55上；该光纤绕过整个拱形部件55，并进入第一转动轴53，在该转动轴上，该光纤再由辊67沿轴线34偏向内部支承部件58，然后再由辊69进一步偏转，最后被送到卷轴10。
为得到要求量的剩余扭转量，可以按照以下方法确定加到光纤4上的扭转量。首先，拉出只受到旋转作用的测试光纤部分。通过操作图1所示的拉丝塔1，脱开扭转装置40(即使转动部件37处于停止状态)，操作预定时间，拉出该测试光纤部分，由此得到该测试的光纤部分。然后用下列方法测量绕在卷轴10上的测试光纤部分上聚集的剩余扭转。
该卷轴10悬挂在一个位于预定高度的支承件上，例如离地面为2米的支承件上。将相应长度的光纤从卷轴10上退出来，使光纤受适度的张力作用。退出部分的上端固定于卷轴的表面，而其自由端采用例如小片(重量可以忽略)条定位置。然后使光纤自由转动。测量的分辩率取决于退卷光纤的长度。对于2米长的光纤，可以测量转数，其分辩率约为0.25转/2m，所以可以得到约为0.125转/m的分辩率。如果需要较高的分辩率，则需要较长的光纤。
本申请人已经观测到，为了准确测量由旋转造成的剩余扭转，应当考虑到光纤涂层的存在，因为剩余的扭转也聚集在涂层下面的光纤上。在已经用上述方法测量涂层光纤的剩余扭转之后，将涂层光纤的自由端卡住，并(用常规的Miller剥离机)完全除去涂层。然后使光纤再次自由转动，测量光纤的额外转动，其分辩率与上述分辩率相同。
对预定长度例如每段2米长的连续光纤部分，重复上面的操作，以达到预定的测量长度，例如在20-60m之间的测量长度。然后用平均值来表示光纤的扭曲值。
在已经测量由旋转引起的剩余扭转之后，连续地拉伸光纤，并接上扭转装置40，以得到要求的剩余扭转。
由此可以得到一种光纤，这种光纤具有单向的固有旋转和弹性扭转，这种弹性扭转的模量等于零，或者与上述旋转反向，其模量大于零。
单向的固有旋转基本上是恒定的或者变化的。在第二种情况下，最好通过将基本上为常数的函数与周期函数叠加得到旋转函数，并加上扭转，使剩余扭转的平均值改变到要求的值。加在光纤上的弹性扭转模量在约0-1.5转/m之间比较好，最好在0.3-1转/m之间。
用本发明制造方法制造的光纤可以做成电缆，用在通信系统中。参考图6作这种用途的光缆80一般包括光缆芯81，该光缆芯包括许多光纤4。该光缆芯81可以是固定型的光缆芯(如图所示)，其中光缆嵌入到聚合物基体中，该聚合物围绕增强部件83配置，或者该光缆芯可以为不固定型的光缆，其中光缆是可以松松地装在居中配置在上述光缆中的一个减振管中，或者装在许多围绕中心增强部件绞接的许多减振管内。围绕光缆芯81，该光缆80具有增强部件84和保护层85和86。
在固定型光缆中，光缆和聚合物基体之间的接触可以防止加在光纤上的扭转松开。在不固定型的光缆中，对于典型的光缆长度，加在光纤上的扭转也不会松开，因为在光纤和减振管之间存在摩擦作用，这种摩擦作用由于加入凝胶填充剂而增加。
例子
在第一试验中，本申请人比较了非旋转光纤的PMD和以7.3转/m转速旋转的光纤的PMD。按照ITU-T G.652技术规章，用同样的预型件(用OVD沉积方法得到)拉出两根相应10km长的光纤。在典型的拉伸速度下进行这一试验。
用上述方法测量旋转光纤的剩余扭转后，将光纤切成1km的涉及不同剩余扭转的段。实际上，将第一个1km的段绕在较小的绕线架上，并进行预定的去扭转，然后切断光纤，将第二个1km的段绕在另一个较小的绕线架上，并进行不同的去扭转，等等。然后测量不同段的PMD。
图7a示出具有不同剩余扭转的6个1km段旋转光纤段的PMD，并与非旋转光纤的PMD进行比较。该图示出，通过扭转光纤，PMD得到的改进，并且还示出，在旋转光纤的PMD和剩余扭转之间，检测到相关关系。可以看出，PMD对于正剩余扭转，达到了最小值，得到这种正剩余扭转的方法不仅需要完全除去由旋转光纤引起的弹性扭转，而且还在同一方向加上另外一种扭转。对于0.3-1转/m之间的剩余扭转，可以达到最小的PMD，其值约0.01ps。
可以采用周知的JME方法来测量PMD。将光纤预先铺在地板上，铺在约在30米长的路径上，以防止在绕线架上可能存在的应力和扭转，这种应力和扭转将影响PMD的测量。扫描波长定在1520和1630nm之间。所有报告的PMD值是时延分布的平均值。已经证明这种方法的灵敏度约为0.002ps。
在第二试验中，比较了非旋转光纤和3.6转/m旋转速度下旋转的旋转光纤，按照ITU-T G.652技术要求，用相同的预型件拉丝，但该预型件不同于第一试验的预型件，但是预型件仍采用OVD方法制造。另外，拉出10km长光纤，并将旋转光纤切成1km长的段，该段具有不同的剩余扭转。
示于图7b的本实验结果证明了第一试验的结论，虽然非旋转光纤的PMD在两种情况下显著不同(按照本申请人的观点，这是由于两种预型件的不同的光学特性形成的)。另外如图7b所示，虽然正的剩余扭转可以改进光纤在PMD方面的性能，但是在非旋转的光纤上加上1转/m的正单向扭转增加了光纤的PMD，这种不同的特性显示，通过使光纤具有正剩余扭转得到的旋转光纤PMD的降低不能根据非旋转光纤的一般特性进行预言。
在第三试验中，比较了用同样的预型件得到的另外三种旋转光纤的例子，该预型件不同于第一和第二试验所用的预型件(但是仍采用OVD方法制造)。另外，从同一预型件分别拉出10km长的光纤段，并按照ITU-T G.652的技术要求进行拉丝，然后将旋转的光纤切成1km长的段，这些段具有不同剩余扭转。旋转速度分别为4.20转/m、3.03转/m和0.64转/m。
图7c示出这一试验的结果。可以看出，旋转速度越高，所得到的PMD越低。在进行的测试中，旋转速度为4.20转/m时，可以得到最小值的PMD；具体是，对于0.16转/m可以得到0.006ps的PMD。然而可以看到，高转速通常与PMD高度依赖剩余扭转有关。具体是，在高速旋转光纤中，PMD围绕最小值的变化比低速旋转光纤的变化更灵敏。因此，高旋转速度需要很准确的控制加在光纤上的去扭转。本申请人还发现，很难严格控制剩余扭转，并且最好将旋转速度选择在低于8转/m的范围内，以便准确控制剩余扭转。
在另一组试验中，本申请人将基本上恒定的单向转动光纤的微分群时延(DGD)与非旋转光纤的DGD以及双向旋转光纤的DGD进行了比较。本申请人最后研究了将交变的旋转函数叠加在基本上恒定的单向旋转函数之上形成的“混合”旋转函数(单向分量的恒定振幅代表混合函数的平均值)。
图8a示出非旋转光纤的旋转函数(即函数全等于零)，图8b示出在1km光纤上测量的DGD分布。图8b示出，非旋转光纤的特征在于测量的DGD统计分布，该分布可以用马克思威尔分布准确拟合。原始数据提供的期望值/标准偏差之比约为2.2，这一值很接近于马克思威尔分布理论预言的2.37。马克思威尔和高斯拟合具有大约相同的x2值。
图9a示出双向旋转光纤的旋转函数，而图9b示出1km长光纤上测量的DGD分布。从图9b可以明显看出，交变旋转光纤的特征在于所测DGD的统计分布，该分布可以用马克思威尔分布准确拟合。原始数据得到的期望值/标准偏差之比约为2.4，很接近于马克思威尔分布理论预测的2.37。马克思威尔和高斯拟合具有约相同的x2值。
图10a示出用恒定旋转速度单向旋转的光纤的旋转函数。该光纤随后按照本发明去扭转，从而使得得到PMD等于上述双向旋转光纤。图10b示出在1km长光纤上测量的DGD的分布。
可以看出，在1km单向旋转光纤长度上所测的DGD具有高斯形的统计分布。高斯拟合得到的x2约比马克思威尔得到的x2小50倍。原始数据和高斯拟合得到的期望值/标准偏差比约为15，这一值远大于马克思威乐分布的2.37。
单向旋转光纤的统计特征对于去扭转参数的不同值是重复的，如图7c所示，对于各个剩余扭转值已经证明，DGD的统计分布总是高斯形的，而且总是保持相同的期望值/标准偏差比。
图11a示出混合形状的旋转函数，而11b示出由数值模拟方法得到的混合旋转光纤的DGD分布。这种模拟是基于在P.K.A.Wai和C.R.Menyuk的论文(“Polarization mode dispersion，decorrelation，anddiffusion in optical fibers with randomly varying birefringence”，IEEEJ.Lightwave Tech.，1996，vol.14，pp.148-157)中所述的理论方法，拍长度Lb和相关关系长度Lf设定为典型光纤的值。本申请人已经证明，在图8a所示的非旋转光纤上、在图9a所示的双向旋转光纤上以及图10a所示的单向旋转光纤上，进行同样模拟得到的结果，与用试验得到的结果(图8b、9b和10b)一致，因此可以证实，测量是可靠的。可以看出，混合旋转可以保持很低的PMD值以及DGD的亚马克思威尔分布。
因此上述结果表明，单向旋转光纤的工艺改变了其PMD的统计特性。而不旋转和交替旋转的光纤服从马克思威尔统计分布，单向旋转光纤至少对于一定光纤长度，表现为高斯分布，这种分布的特征在于大大降低数据的分散性。另外，选择去扭转的速度，因此选择光纤的剩余扭转可以使PMD达到最小值。

Claims (25)

1.一种制造低偏振波型色散光纤的工艺，包括：
将玻璃预型件拉成光纤；
在拉丝时，绕光纤的轴线单向旋转该光纤，使光纤经受弹性扭曲；
将光纤绕在卷轴上：
其特征在于，还包括绕光纤轴线扭转已旋转的光纤，扭转方向与上述弹性扭曲的方向相反，从而控制上述弹性扭曲。
2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，该扭转包括使该光纤进行扭转，这种扭转的模量大于上述弹性扭曲，从而使得光纤具有剩余扭曲。
3.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，以基本上恒定的速度扭转已旋转的光纤。
4.如权利要求2所述的工艺，其特征在于，剩余扭曲的模量在0-1.5转/m之间。
5.如权利要求2所述的工艺，其特征在于，剩余扭曲的模量在0.3-1转/m之间。
6.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，以基本上恒定的速度扭转光纤。
7.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，以可变的速度扭转光纤。
8.如权利要求7所述的工艺，其特征在于，按照旋转函数旋转光纤，将常数函数和周期函数叠加起来可以形成旋转函数。
9.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，以约1-8转/m之间的速度旋转该光纤。
10.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，在将光纤绕在卷轴上的同时，扭转光纤。
11.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，还包括以下步骤：将光纤从上述卷轴上退下来，并且再将光纤绕在另一个卷轴上，在退卷光纤的同时，或者再绕卷光纤的同时，扭转该光纤。
12.一种制造低偏振波型色散光纤的装置，包括：
炉子(6)，用于熔化光纤预型件(3)的下部分；
牵引装置(8)，用于从光学预型件(3)的下部分拉出光纤(4)；
旋转装置(20)，用于在拉伸光纤时，使光纤(4)绕其轴线进行单向旋转，因而光纤发生弹性扭曲；
绕卷装置(9)，用于将光纤绕在卷轴(10)上；
其特征在于，该装置还包括扭转装置(40；50)，该扭转装置用于向已旋转的光纤(4)施加绕其轴线的扭转，扭转方向与上述弹性扭曲方向相反。
13.如权利要求12述的装置，其特征在于，该扭转装置(40；50)连接于绕卷装置(9)。
14.如权利要求12述的装置，其特征在于，还包括退卷装置(9′)，该装置用于将光纤(4)从卷轴(10)上退下来，扭转装置(40；50)连接于该退卷装置(9′)。
15.如权利要求12述的装置，其特征在于，还包括至少一个涂层装置(15、16)，用于在拉伸光纤时将至少一个保护层涂在光纤(4)上，该旋转装置(20)配置在该至少一个涂层装置(15、16)和牵引装置(8)之间。
16.一种光缆(80)，包括至少一种光纤(4)，该光纤具有固有的单向旋转和弹性扭转，该弹性扭转的模量基本上为零，或者该弹性扭转与上述旋转反向，其模量大于零。
17.如权利要求16所述的光缆，其特征在于，上述单向固有旋转基本上是恒定的。
18.如权利要求16所述的光缆，其特征在于，该弹性扭转的模量约在0-1.5/m之间。
19.如权利要求17所述的光缆，其特征在于，该弹性扭转的模量约在0.3-1/m之间。
20.如权利要求16所述的光缆，其特征在于，该固有旋转在约1-8转/m的模量之间。
21.一种光纤(4)，具有单向固有旋转和弹性扭转，该弹性扭转的模量基本上为零，或者与上述旋转反向，扭转模量大于零。
22.如权利要求21所述的光纤，其特征在于，单向固有旋转基本上是恒定的。
23.如权利要求21所述的光纤，其特征在于，弹性扭转的模量在约0-1.5转/m之间。
24.如权利要求23所述的光纤，其特征在于，弹性扭转的模量在约0.3-1转/m之间。
25.如权利要求21所述的光纤，其特征在于，该固有旋转的模量在约1-8转/m之间。
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