專利名稱：制造具有低偏振模色散的旋制光纖的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造光纖的方法，根據(jù)此方法，光纖從預(yù)制棒的熔融末端抽取，并隨后經(jīng)過轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，由此使光纖的一部分繞其縱軸扭曲并自然地具有螺旋。本發(fā)明尤其涉及這種類型的具有低偏振模式色散的光纖。
背景技術(shù)：
在光纖中穿行的光具有兩個(gè)偏振模式。對(duì)于在幾何形狀、內(nèi)應(yīng)力以及外加應(yīng)力等諸多方面都具有極佳的圓對(duì)稱性的光纖而言，在波長(zhǎng)處或在被視為“單?！钡牟ㄩL(zhǎng)范圍中的操作實(shí)際上支持兩個(gè)正交偏振模，其中兩個(gè)偏振模是簡(jiǎn)并的，以相同的群速度傳播，在光纖中前進(jìn)相同的距離之后無時(shí)間延遲。然而，在實(shí)踐中，光纖并不是完全的圓對(duì)稱。例如，諸如幾何和形狀變形的缺陷以及應(yīng)力非對(duì)稱性破壞了兩個(gè)模式的簡(jiǎn)并度。參見，例如Rashleigh，S.C.，Journal ofLightwave Technology，LT-1312-331，1983。結(jié)果，兩個(gè)偏振模以不同的傳播常數(shù)β1和β2傳播。傳播常數(shù)之間的差異被稱為雙折射δβ，雙折射的大小由兩個(gè)正交模式的傳播常數(shù)之差給出δβ＝β1-β2(1)雙折射使在光纖中傳播的光的偏振態(tài)沿光纖的長(zhǎng)度周期性地演變。偏振回到其初始態(tài)的所需距離為光纖拍頻長(zhǎng)度LB，它與光纖雙折射成反比。具體地，拍頻長(zhǎng)度LB由下式給出LB=2πδβ---(2)]]>因此，雙折射較大的光纖具有較短的拍頻長(zhǎng)度，反之亦然。商用光纖呈現(xiàn)出很多種拍頻長(zhǎng)度，因?yàn)檫@種光纖的幾何與應(yīng)力非對(duì)稱性沿光纖的長(zhǎng)度以及在不同光纖之間變化。實(shí)踐中所觀察到的典型拍頻長(zhǎng)度小至2-3毫米(雙折射較大的光纖)大至10-100米(雙折射較小的光纖)。
除了使光纖中穿行的光的偏振態(tài)周期性地變化之外，雙折射的存在還意味著兩個(gè)偏振模以不同的群速度前進(jìn)，隨著雙折射的增加這種速度差異也增加。兩個(gè)偏振模之間的微分時(shí)間延遲稱為偏振模色散或PMD。PMD使信號(hào)失真，并因此對(duì)高比特速率系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)非常有害。對(duì)于沒有微擾(即外部強(qiáng)加的微擾)的均勻線性雙折射光纖，光纖的PMD隨光纖長(zhǎng)度的增加而線性增加。但是，在更長(zhǎng)的長(zhǎng)度中，由于外部強(qiáng)加的擾動(dòng)，隨機(jī)的模式耦合不可避免地被引入到光纖中，并且在統(tǒng)計(jì)上PMD沿光纖的增加正比于光纖長(zhǎng)度的平方根。
一種已知的抗擊PMD的方法是當(dāng)光纖從預(yù)制棒抽取時(shí)故意地螺旋溫?zé)岬墓饫w，所以當(dāng)光纖冷卻時(shí)機(jī)械螺旋就“凍結(jié)”到光纖中了。光纖中雙折射軸的最后螺旋產(chǎn)生了載波信號(hào)的正交偏振模之間持續(xù)的模式耦合，因此抑制了兩個(gè)模式之間顯著的相位遲延的積累，并最終使光纖PMD顯著減小。
在專利號(hào)為6,324,872的美國(guó)專利中已知在其首段中詳述了一種方法，其中使被抽取光纖通過螺旋軸可傾斜的滾筒上，所以可使滑輪繞垂直于其螺旋軸的一個(gè)軸來回?fù)u擺。滾筒的搖擺動(dòng)作在光纖中沿其長(zhǎng)度的相當(dāng)大的部分產(chǎn)生了扭曲。特別地，以這種方式扭曲的溫?zé)峁饫w的部分會(huì)隨著其組成材料后來冷卻而變?yōu)榫哂杏谰门で?螺旋)。
所引用的文檔規(guī)定賦予光纖的旋轉(zhuǎn)在理想情形下具有非恒定的空間頻率。這可通過以非周期的方式來回傾側(cè)滑輪來實(shí)現(xiàn)。這樣，所述方法以實(shí)現(xiàn)小于0.5ps/km1/2的PMD為目標(biāo)。
但是，用于旋轉(zhuǎn)光纖以減小PMD的已知方法具有一些不足。例如，目前制造的光纖的質(zhì)量正在日益改進(jìn)。結(jié)果，現(xiàn)在甚至非螺旋的光纖都有能力展現(xiàn)出小于0.1ps/km1/2的PMD。不幸的是，要想把在目前所制造的某些單模光纖中存在的已經(jīng)較低的PMD水平減小到甚至更低的水平，現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)方法并不是十分成功的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種新穎且方便的制造光纖的方法，它可用于產(chǎn)生具有較低PMD的光纖，例如在小于0.05ps/km1/2的量級(jí)上，更佳地是小于0.03ps/km1/2，甚至更佳地是小于0.02ps/km1/2，以及最佳地是小于0.01ps/km1/2。更具體地，本發(fā)明的方法包括提供常規(guī)的光纖預(yù)制棒，把預(yù)制棒的至少一部分加熱到常規(guī)的抽取溫度，并且以把螺旋外加到光纖上的方式從加熱的預(yù)制棒抽取出光纖。換句話說，把轉(zhuǎn)矩應(yīng)用到光纖從而使光纖繞其縱軸扭曲，結(jié)果，在加熱區(qū)中光纖材料扭轉(zhuǎn)變形。此處，如果使加熱區(qū)的光纖材料扭轉(zhuǎn)變形并把此變形凍結(jié)到光纖中，使得光纖展現(xiàn)出永久的“螺旋”，即永久的扭轉(zhuǎn)變形，則螺旋被“印”在光纖上。
申請(qǐng)人已發(fā)現(xiàn)，對(duì)于PMD小于0.1ps/km1/2處于非螺旋態(tài)中的單模光纖，需要旋轉(zhuǎn)該光纖使得扭曲的周期或螺旋重復(fù)距離，即來回改變旋轉(zhuǎn)方向所需的距離，大于10米，更佳地大于20米，以及最佳地大于30米。例如，對(duì)于步長(zhǎng)指數(shù)單模光纖(例如，其色散斜率約0.06ps/nm2/km，在1550nm處色散值從大約16到20ps/nm/km)，這種光纖展現(xiàn)出的拍頻長(zhǎng)度現(xiàn)在一般都在大于30米的量級(jí)。
盡管在本發(fā)明的一些較佳的實(shí)施例中，峰值光纖旋轉(zhuǎn)速率大于1.5轉(zhuǎn)/米且更佳地約在1.2和4轉(zhuǎn)/米之間，但是本發(fā)明并不限于這樣的光纖旋轉(zhuǎn)速率，大于4轉(zhuǎn)/米或小于1.2轉(zhuǎn)/米的旋轉(zhuǎn)速率也是可以成功使用的。
非螺旋光纖中的PMD水平與該光纖中的拍頻長(zhǎng)度相關(guān)，并且一般說來，對(duì)于具有約10米的典型模式耦合長(zhǎng)度的光纖，小至大約0.1ps/km1/2的PMD等于大約5米的拍頻長(zhǎng)度。結(jié)果，本發(fā)明的方法尤其可應(yīng)用于拍頻長(zhǎng)度大于5米的單模光纖。同樣，本發(fā)明的方法可應(yīng)用于拍頻長(zhǎng)度大于10米甚至大于20米或50米的單模光纖。同樣，本發(fā)明的方法可應(yīng)用于PMD小于0.05ps/km1/2的非螺旋態(tài)單模光纖。
利用本發(fā)明的方法，可實(shí)現(xiàn)許多超越現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明在用于把較低的PMD賦予工作波段為1300到1625(最好是在1550nm附近)的單模光纖時(shí)尤其有價(jià)值。結(jié)果，本發(fā)明也在新型低PMD單模光纖或包括這種光纖的物件(例如，光纖通信系統(tǒng))中得到實(shí)施。例如，之前沒聽過的低值PMD可在拍頻長(zhǎng)度較長(zhǎng)(大于5米，更佳地大于10米)的單模光纖上常規(guī)且穩(wěn)定地得到實(shí)現(xiàn)。例如，在螺旋態(tài)光纖上低至0.05的PMD，更佳地小于0.03、甚至更佳地小于0.02以及最佳地小于0.01ps/km1/2的PMD可以通過使用此處所揭示的方法在這種光纖上得到實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明另外的特征和優(yōu)勢(shì)會(huì)在下面的詳細(xì)描述中加以闡明，并且對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言從那些描述中這些特征和優(yōu)勢(shì)會(huì)部分地顯得清晰，或者通過如此處所描述地實(shí)踐本發(fā)明來認(rèn)識(shí)這些特征和優(yōu)勢(shì)，此處的描述包括下面的詳細(xì)描述、權(quán)利要求書以及附圖。
應(yīng)該理解，前面的一般描述和后面的詳細(xì)描述呈現(xiàn)了本發(fā)明的諸多實(shí)施例，并且旨在為理解如權(quán)利要求書所提到的本發(fā)明的本性和特征提供總的看法和框架。附圖被包括在此以提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且附圖包含在并組成本說明書的一部分。附圖示出了本發(fā)明的各種實(shí)施例，與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理和操作。


圖1示出了在拍頻長(zhǎng)度約為1米旋轉(zhuǎn)幅度為2.5轉(zhuǎn)/米的光纖上不同的旋轉(zhuǎn)周期具有的PMD減小因子的效果。
圖2示出了在拍頻長(zhǎng)度約為10米旋轉(zhuǎn)幅度為2.5轉(zhuǎn)/米的光纖上不同的旋轉(zhuǎn)周期具有的PMD減小因子的效果。
圖3示出了作為距離的函數(shù)的旋轉(zhuǎn)速率，該距離針對(duì)旋轉(zhuǎn)幅度為3.0轉(zhuǎn)/米以及旋轉(zhuǎn)周期為20.0米的正弦曲線螺旋輪廓。
圖4是可用來實(shí)施本發(fā)明的方法的光纖旋轉(zhuǎn)裝置的示圖。
圖5示出了作為旋轉(zhuǎn)幅度的函數(shù)的PMD減小因子，這是針對(duì)20米的固定旋轉(zhuǎn)周期，針對(duì)拍頻長(zhǎng)度為20.0米的光纖。
圖6示出了旋轉(zhuǎn)幅度作為光纖拍頻長(zhǎng)度的函數(shù)的PMD減小因子，這是針對(duì)5米、10米、20米和50米的旋轉(zhuǎn)周期，2.0轉(zhuǎn)/米的固定旋轉(zhuǎn)幅度。
圖7示出了旋轉(zhuǎn)幅度作為距離的函數(shù)的旋轉(zhuǎn)速率，這是針對(duì)旋轉(zhuǎn)幅度為3.0轉(zhuǎn)/米，旋轉(zhuǎn)周期為20.0米的梯形螺旋輪廓。
圖8示出了旋轉(zhuǎn)幅度作為光纖拍頻長(zhǎng)度的PMD減小因子，這是針對(duì)旋轉(zhuǎn)周期為5米、10米、20米、50米以及旋轉(zhuǎn)幅度大小為3.0轉(zhuǎn)/米的梯形螺旋輪廓。
圖9示出了NZDSF光纖的折射率輪廓。
具體實(shí)施例方式
為描述PMD減小，我們定義稱為PMD減小因子的參數(shù)，該參數(shù)是螺旋光纖的PMD(τ)與非螺旋態(tài)的相同光纖的PMD(τ0)的比值PMDRF＝τ/τ0。例如，如果PMDRF是1.0，則在光纖PMD中沒有改進(jìn)，而PMDRF為0.2則意味著PMD已改進(jìn)了一個(gè)因子5。
申請(qǐng)人已發(fā)現(xiàn)，PMD減小性能與光纖拍頻長(zhǎng)度以及使用旋轉(zhuǎn)技術(shù)的光纖的類型強(qiáng)烈相關(guān)。當(dāng)使用此處所揭示的長(zhǎng)周期旋轉(zhuǎn)技術(shù)時(shí)，具有較長(zhǎng)拍頻長(zhǎng)度的光纖的PMD可顯著減小。然而，當(dāng)把同樣的技術(shù)應(yīng)用于具有較短拍頻長(zhǎng)度的光纖(例如，拍頻長(zhǎng)度為1米的光纖)時(shí)，PMD減小可能非常不明顯。圖1和圖2示出了在兩個(gè)光纖上旋轉(zhuǎn)周期的效果，其一拍頻長(zhǎng)度約為1米，另一個(gè)拍頻長(zhǎng)度約為10米。在圖1和圖2中，旋轉(zhuǎn)幅度都是2.5轉(zhuǎn)/米。盡管甚至在5年前拍頻長(zhǎng)度約為1米的光纖一般都被視為品質(zhì)良好，但是目前的制造方法已能常規(guī)且穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)拍頻長(zhǎng)度大于10米或更大的光纖。圖1和圖2令人驚訝地示出了對(duì)于拍頻長(zhǎng)度較短的光纖長(zhǎng)周期旋轉(zhuǎn)技術(shù)并未實(shí)現(xiàn)相同的PMD機(jī)械量。相反，長(zhǎng)周期旋轉(zhuǎn)技術(shù)對(duì)高拍頻長(zhǎng)度光纖的PMD有極其有益的效果，事實(shí)上對(duì)拍頻長(zhǎng)度較小的光纖(例如，小于5米)效果就很不明顯。圖1和圖2示出了對(duì)于拍頻長(zhǎng)度不同的兩個(gè)光纖PMD減小因子對(duì)旋轉(zhuǎn)周期的關(guān)系圖。圖1和圖2都示出了使用長(zhǎng)周期正弦螺旋(率)輪廓所獲得的結(jié)果，形式如下α(z)=α0·cos(2πzΛ)---(6)]]>其中α0是旋轉(zhuǎn)幅度，單位是轉(zhuǎn)/米，Λ是旋轉(zhuǎn)周期，單位是米。圖3示出了周期為20米的正弦螺旋輪廓。如圖1所示，對(duì)于拍頻長(zhǎng)度較低的光纖，增加旋轉(zhuǎn)周期實(shí)際上對(duì)螺旋以減小光纖PMD的能力具有負(fù)面的效果。在另一方面，如圖2所示，拍頻長(zhǎng)度約為10米的光纖清楚地顯示出在較長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)周期處改進(jìn)的PMD減小。結(jié)果，盡管在光纖制造過程中所用的大多數(shù)常規(guī)旋轉(zhuǎn)技術(shù)通常已包括小旋轉(zhuǎn)周期(例如，小于5米)，但是發(fā)明者的發(fā)明使用較長(zhǎng)周期以有效地減小拍頻長(zhǎng)度較長(zhǎng)的光纖的PMD。
任何能夠在光纖拉絲過程中旋轉(zhuǎn)該光纖并且還能夠改變旋轉(zhuǎn)的頻率和/或振幅的裝置都可用來實(shí)施本發(fā)明的方法。圖4示出了能夠產(chǎn)生此處所揭示的旋轉(zhuǎn)功能以賦予光纖所期望的螺旋的這樣一種裝置。參照?qǐng)D4，調(diào)整熔爐20以夾住通常在光纖拉絲過程中所使用的類型的預(yù)制棒22。熔爐20安裝到支架24上。支架24定義了拉絲系統(tǒng)固定的標(biāo)準(zhǔn)架，例如，它可以是在其中實(shí)施光纖拉絲操作的組合架。在熔爐20的下方，提供具有一對(duì)相反的拉絲滾筒28的牽引或拉伸臺(tái)26。牽引臺(tái)26包括諸如電動(dòng)機(jī)械的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)這樣的常規(guī)元件(未示出)，用于使?jié)L筒28繞其軸轉(zhuǎn)動(dòng)以便輕拉咬合在滾筒之間的光纖。同時(shí)提供收緊卷軸30。收緊卷軸也由常規(guī)裝置(未示出)驅(qū)動(dòng)，繞相對(duì)于支架24固定的軸旋轉(zhuǎn)以便把光纖從牽引臺(tái)26纏繞到收緊卷軸上。安排熔爐20使預(yù)制棒22的至少一部分維持在柔軟的、實(shí)際上熔融的狀態(tài)中。安排牽引臺(tái)26從預(yù)制棒22的熔融部分拉出光纖32使得光纖通過實(shí)際上已預(yù)定的路徑。
在鄰近該路徑的上游末端的熔化區(qū)34中，光纖實(shí)際上是熔融的。然而，隨著光纖沿該路徑向下游末端移動(dòng)，光纖被冷卻并凝固，使得當(dāng)光纖到達(dá)和熔爐20相比位于相當(dāng)下游的一個(gè)點(diǎn)36時(shí)它已充分冷卻至固態(tài)。從點(diǎn)36延伸到該路徑的下游末端的路徑區(qū)域在此處稱為該路徑的“固態(tài)區(qū)域”。冷卻設(shè)備38可在熔化區(qū)和固態(tài)區(qū)之間提供。令人期望的是，冷卻設(shè)備提供非接觸式冷卻，使得在光纖冷卻時(shí)沒有固態(tài)物體接觸到光纖的表面。
在固態(tài)區(qū)36中，涂層設(shè)備40也安裝到支架24上。調(diào)整涂層設(shè)備以把聚合體涂層涂在光纖的外面。涂層設(shè)備最好也是非接觸式設(shè)備。即，光纖穿過涂層器40而不用接觸或咬合任何其它固體。例如，在專利號(hào)為4,792,347的美國(guó)專利中揭示了合適的非接觸式涂層器。前述裝置中的元件可以是在光纖拉絲技術(shù)中通常使用的常規(guī)設(shè)計(jì)。該裝置可進(jìn)一步包括與路徑32的下游末端相鄰的附加的引導(dǎo)滾筒，用于使光纖轉(zhuǎn)向并因此使該路徑偏離直線，還用于進(jìn)一步約束在該路徑中的光纖。其它諸如質(zhì)量檢測(cè)裝置等的常規(guī)元件也可被包括進(jìn)去。
螺旋構(gòu)成裝置包括可滑動(dòng)地安裝到支架24上的可調(diào)式托架4，用于在橫穿路徑32的縱向的交叉路徑方向X中的移動(dòng)。提供微米調(diào)節(jié)設(shè)備48，用于在交叉路徑方向中移動(dòng)托架，并且用于一旦相同的托架已調(diào)節(jié)到相對(duì)于支架24的期望位置時(shí)就把該托架鎖定在適當(dāng)?shù)奈恢?。通過機(jī)械軸52和軸承54把夾具50安裝到托架46上，使得夾具50相對(duì)于托架46并因此相對(duì)于支架24可繞搖擺軸56旋轉(zhuǎn)，搖擺軸56在交叉路徑方向X上延伸并與路徑32相交在交點(diǎn)58處。
螺旋賦予組件42進(jìn)一步包括安裝在夾具50上用于繞第一元件軸62旋轉(zhuǎn)的圓柱形的第一滾筒60。滾筒60具有包圍第一元件軸62且與之共軸的圓周表面64。馬達(dá)68的支架安裝在托架46上。在馬達(dá)68的機(jī)械軸上支持著曲柄66，所以馬達(dá)能使曲柄66繞平行于搖擺軸56的一軸70轉(zhuǎn)動(dòng)。連接桿72的一端繞樞軸旋轉(zhuǎn)地連接到曲柄66，連接點(diǎn)遠(yuǎn)離其軸70。連接桿72的另一端繞樞軸旋轉(zhuǎn)地連接到夾具50，連接點(diǎn)遠(yuǎn)離其搖擺軸56。從而，曲柄66繞曲柄軸70的旋轉(zhuǎn)會(huì)驅(qū)動(dòng)夾具50繞搖擺軸56在兩個(gè)極限位置之間作搖擺運(yùn)動(dòng)，在第一極限位置，滾筒軸或第一元件軸62傾斜到圖1中62’處以虛線表示的位置，在第二極限位置，滾筒軸或第一元件軸62在相反的方向上傾斜到圖1中62”處以虛線表示的位置。如圖2中清晰所見，極限位置62’和62”位于從標(biāo)定位置62起相等但相反的極限傾斜角E1和E2處，在標(biāo)定位置62處滾筒軸或第一元件軸垂直于路徑32的縱向。然而，在包括這些極限位置在內(nèi)的所有的滾筒位置中，滾筒軸62一般保持橫穿該路徑的縱向。令人期望的是，每個(gè)極限角E都在從標(biāo)定位置起約2度到10度之間。如下面進(jìn)一步的討論，所期望的角度取決于要賦予光纖的旋轉(zhuǎn)量。通過調(diào)節(jié)曲柄66的尺寸，特別是通過調(diào)節(jié)連接桿72的鉸鏈接合與軸70之間的間距，可調(diào)節(jié)角度E。馬達(dá)68的旋轉(zhuǎn)速度決定夾具50和第一元件60會(huì)在兩個(gè)極限位置之間搖擺的速率。馬達(dá)68可以是可調(diào)速設(shè)備，比如由常規(guī)類型的數(shù)字控制系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)的分檔器馬達(dá)、由可調(diào)電壓源驅(qū)動(dòng)的DC馬達(dá)、由可調(diào)氣體源驅(qū)動(dòng)的空氣馬達(dá)或任何其它常規(guī)的可變速的馬達(dá)?；蛘?，馬達(dá)68可以是速度固定的馬達(dá)。在專利號(hào)為6,324,872的美國(guó)專利中進(jìn)一步描述了此類旋轉(zhuǎn)設(shè)備，該專利的說明書引用在此作為參考。
在本發(fā)明的實(shí)踐中可使用不同于圖4所示的裝置。參看，例如專利號(hào)為4,509,968的美國(guó)專利，該專利描述了用于當(dāng)光纖正在形成時(shí)使光纖繞其軸旋轉(zhuǎn)的裝置，也可參看專利號(hào)為5,298,047、5,897,680、5,704,960以及5,943,466的美國(guó)專利。概括地講，旋轉(zhuǎn)裝置通常會(huì)包括用于把旋轉(zhuǎn)力施加到光纖上的光纖接觸裝置，例如滾筒；以及用于以作為時(shí)間的函數(shù)的非正弦空間模式來移動(dòng)光纖接觸裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，例如計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)馬達(dá)以及相關(guān)聯(lián)的用于定義光纖接觸裝置的移動(dòng)的機(jī)械連接。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員，從下面的描述中會(huì)看到，用于實(shí)施本發(fā)明的方法的另外的機(jī)械裝置是明顯的，例如用于預(yù)制棒的正弦或非正弦螺旋的機(jī)械裝置，當(dāng)這種預(yù)制棒單獨(dú)使用時(shí)或與把旋轉(zhuǎn)力施加到光纖上相結(jié)合。
此處所使用的旋轉(zhuǎn)周期較佳地至少是10米，更佳地至少是20米，甚至更佳地至少是50米，盡管發(fā)明者認(rèn)為旋轉(zhuǎn)可以發(fā)生所對(duì)應(yīng)周期是沒有上限的，從而旋轉(zhuǎn)周期可以長(zhǎng)達(dá)100米或更長(zhǎng)。這在圖2中是很明顯的，圖中繪出了PMD減小因子與旋轉(zhuǎn)周期的關(guān)系。盡管PMD減小因子敏感地取決于旋轉(zhuǎn)周期的值，但是整體的趨勢(shì)是當(dāng)旋轉(zhuǎn)周期增大時(shí)PMD減小因子變小。PMD減小因子的局部最大值提供了PMD減小性能的最差的情形判斷。在圖2中發(fā)現(xiàn)，甚至對(duì)于2.5轉(zhuǎn)/米的旋轉(zhuǎn)幅度，長(zhǎng)周期旋轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的PMD值可由因子10左右來改進(jìn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)周期大于20.0米時(shí)改進(jìn)會(huì)更好。
使用長(zhǎng)周期旋轉(zhuǎn)的PMD減小同樣對(duì)典型的過程變化不敏感。與變化有關(guān)的典型的過程包括在光纖拉絲過程期間旋轉(zhuǎn)幅度的變化以及光纖拍頻長(zhǎng)度沿該光纖的某些波動(dòng)。因?yàn)楣饫w旋轉(zhuǎn)是由在運(yùn)行的光纖和搖晃的輪子之間的摩擦力所強(qiáng)加的，所以旋轉(zhuǎn)量和作為結(jié)果的旋轉(zhuǎn)幅度不可避免地遭受一些波動(dòng)。這種變化有時(shí)可大至±0.5轉(zhuǎn)/米。圖5示出了在旋轉(zhuǎn)周期固定為20.0米時(shí)作為旋轉(zhuǎn)幅度的函數(shù)的PMD減小因子，并且示出了在較長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)周期處，對(duì)于很多的旋轉(zhuǎn)幅度PMD減小因子都較低，尤其是在大于1.5轉(zhuǎn)/米的旋轉(zhuǎn)幅度處。對(duì)于20米的旋轉(zhuǎn)周期，當(dāng)旋轉(zhuǎn)幅度大于1.5轉(zhuǎn)/米時(shí)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于因子10的光纖PMD的改進(jìn)。另一個(gè)可影響到PMD減小的過程變化是光纖拍頻長(zhǎng)度波動(dòng)。圖6示出了旋轉(zhuǎn)幅度作為拍頻長(zhǎng)度的函數(shù)的PMD減小，這是針對(duì)不同旋轉(zhuǎn)周期且旋轉(zhuǎn)幅度固定(2轉(zhuǎn)/米)的情形，并且示出了PMD減小是依賴于拍頻長(zhǎng)度的。對(duì)于PMD減小，只要PMD減小因子足夠低，則拍頻長(zhǎng)度依賴性就不是問題。結(jié)果，使用此處所揭示的長(zhǎng)周期旋轉(zhuǎn)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)顯著的PMD減小，甚至對(duì)于光纖拍頻長(zhǎng)度大于5米的情形也如此。
為賦予長(zhǎng)周期螺旋此處所使用的長(zhǎng)周期螺旋輪廓可以是任何周期性的形狀。為賦予長(zhǎng)周期螺旋所使用的螺旋輪廓最好具有周期性的形狀，其中首先順時(shí)針旋轉(zhuǎn)光纖，然后逆時(shí)針。周期性的螺旋輪廓最好也是對(duì)稱的螺旋輪廓，其中在逆時(shí)針方向中最大旋轉(zhuǎn)率的大小至少在相當(dāng)大的程度上等于當(dāng)在順時(shí)針方向中旋轉(zhuǎn)時(shí)光纖的旋轉(zhuǎn)率的大小。周期性的螺旋輪廓的形狀可以是任何形狀，包括但不限于正弦的、三角的、梯形的或其它具有相似或更長(zhǎng)的螺旋周期的周期性螺旋函數(shù)。此處所使用的最佳的螺旋輪廓是正弦螺旋輪廓，在順時(shí)針和逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)率的大小中該輪廓是對(duì)稱的。然而，可以使用其它螺旋輪廓，同時(shí)對(duì)其它螺旋輪廓PMD減小性能應(yīng)該是相似的。圖7示出了梯形螺旋輪廓的典型形式。圖8示出了作為光纖拍頻長(zhǎng)度的函數(shù)的PMD減小因子，這是針對(duì)對(duì)于若干旋轉(zhuǎn)周期在旋轉(zhuǎn)幅度固定為3.0轉(zhuǎn)/米的情形，并且示出了對(duì)于比10米長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)周期可實(shí)現(xiàn)良好的PMD減小性能。
如上所述，此處所揭示的旋轉(zhuǎn)方法對(duì)于拍頻長(zhǎng)度較長(zhǎng)的光纖尤其有優(yōu)勢(shì)。一種制造此類拍頻長(zhǎng)度較長(zhǎng)的光纖的較佳的制造方法是通過外部氣相沉積(OVD)技術(shù)。在外部氣相沉積過程中，纖芯層被沉積到圓柱形的襯底上。中心纖芯區(qū)域通常首先被沉積到餌棒或心軸上，當(dāng)粉塵已構(gòu)成一足夠的厚度以構(gòu)成中心纖芯區(qū)域時(shí)移去餌棒或心軸。然后，這個(gè)中心纖芯區(qū)域被鞏固成固體玻璃體，并且關(guān)閉由于移去心軸所留下的中心線狀空洞。例如，通過把鞏固過的粉塵纖芯預(yù)制棒輕拉成直徑較小的纖芯棒來關(guān)閉該空洞。然后，如果需要任何的附加纖芯部分層，則使用中心纖芯區(qū)域纖芯棒作為附加的纖芯部分層的基片。在一較佳的實(shí)施例中，附加的粉塵層被沉積以構(gòu)成具有三個(gè)或更多纖芯折射率區(qū)域的分段的纖芯剖面。在一較佳的實(shí)施例中，纖芯折射率剖面具有至少三個(gè)區(qū)域，中心區(qū)域折射率為Δ1，中心區(qū)域被折射率為Δ2的第一環(huán)形區(qū)域所圍繞，以及折射率為Δ3且圍繞第一環(huán)形區(qū)域的第二環(huán)形區(qū)域。在每個(gè)粉塵區(qū)域的沉積之前，最好鞏固之前的纖芯區(qū)域并將其重拉以構(gòu)成纖芯棒。這樣的過程有助于構(gòu)成拍頻長(zhǎng)度較長(zhǎng)的光纖，在該過程中在沉積附加的粉塵區(qū)域之前先鞏固各種纖芯區(qū)域并將其重拉以使纖芯棒更窄。此外，因?yàn)樵诔跏嫉姆蹓m沉積過程中用來構(gòu)成中心纖芯區(qū)域的心軸相對(duì)較小，所以在中心纖芯區(qū)域中必須關(guān)閉的空洞比一些其它沉積過程(例如，MCVD)的情形相對(duì)較小。結(jié)果，OVD特別是較佳的技術(shù)，用于沉積構(gòu)成此處所用的光纖預(yù)制棒所需的粉塵。然而，本發(fā)明當(dāng)然并不限于這樣的預(yù)制棒，并且也可使用其它的沉積方法，比如MCVD、PCVD，尤其還有VAD。
示例通過下面的示例會(huì)對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，對(duì)于本發(fā)明而言這些示例都是示例性的而非限制性的。
示例1LEAF光纖，一種有效面積較大的非零色散位移單模光纖，是根據(jù)常規(guī)的光纖拉制過程制造的，其中首先制造光纖預(yù)制棒，然后把預(yù)制棒加熱到可以從中拉出光纖的溫度。要LEAF光纖展現(xiàn)出拍頻長(zhǎng)度是很具有代表性的。出于對(duì)比目的，除使用多種旋轉(zhuǎn)周期外，在螺旋和非螺旋態(tài)中拉制相同的光纖。用來計(jì)算PMD減小因子的非螺旋和螺旋光纖的雙折射特性理想地假定為完全相同，并且這些NZDSF光纖的拍頻長(zhǎng)度在20米以上。拉制一段非螺旋光纖，緊接著是一段螺旋光纖，并且對(duì)相同或不同的旋轉(zhuǎn)條件重復(fù)這種模式?？蓮腃orning公司購(gòu)買到的LEAF光纖具有大于50μm2的有效面積，更佳地大于60μm2，以及最佳地大于70μm2。這種光纖也具有大于約1340nm而小于約1520nm(最佳地是在1400nm和1500nm之間)的零色散波長(zhǎng)。這種光纖也展現(xiàn)出小于0.09ps/km2的斜率。該光纖使用與圖9所示相類似的折射率剖面。如圖9所示，NZDSF光纖的折射率剖面使用三部分纖芯，通過對(duì)纖芯區(qū)域摻雜不同量的鍺來構(gòu)成該三部分纖芯。具體地，纖芯使用具有Δ1的中心纖芯區(qū)域、具有Δ2且圍繞第一纖芯區(qū)域100的第二纖芯區(qū)域102以及具有Δ3且圍繞第二纖芯區(qū)域102的第三纖芯區(qū)域104。然而，本發(fā)明并不限于這些類型的折射率剖面，可以使用很多種折射率剖面，尤其是三部分滿足Δ1＞Δ3＞Δ2的折射率剖面，如具有圖8所示的折射率剖面的情形。在某些情形中，可能需要對(duì)圍繞區(qū)域102摻雜氟以把折射率降低到低于涂覆層的折射率，涂覆層最好是未摻雜的二氧化硅。如本領(lǐng)域所知，通過使用不同的折射率剖面，色散斜率小于0.07甚至更佳地小于0.06的光纖可輕松地得以實(shí)現(xiàn)，尤其是使用滿足Δ1＞Δ3＞Δ2的三部分纖芯結(jié)構(gòu)。使用此處所揭示的長(zhǎng)周期旋轉(zhuǎn)技術(shù)，此類光纖的PMD在除本示例所示的LEAF光纖的情形中之外也可以被減小。表格1中所闡明的是根據(jù)本發(fā)明在非螺旋態(tài)中的LEAF光纖的PMD的比較，螺旋態(tài)具有1.5米的低旋轉(zhuǎn)周期和較長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)周期(20米)。較短周期旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)幅度約為3.5轉(zhuǎn)/米，對(duì)于長(zhǎng)周期旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)幅度約為2.7轉(zhuǎn)/米。PMD值的單位是ps/km1/2。如表格1所示，使用此處所揭示的長(zhǎng)周期旋轉(zhuǎn)技術(shù)，平均的PMD值可維持在0.01ps/km1/2(相比之下，同樣的光纖使用短周期旋轉(zhuǎn)技術(shù)得到的是小于0.02ps/km1/2)以下，更佳地是在0.007ps/km1/2以下。使用此處所揭示的技術(shù)已經(jīng)在這樣的LEAF光纖上實(shí)現(xiàn)了低于0.005ps/km1/2的PMD值。
表格1

在拉制光纖之后，某個(gè)一千米的樣本被收集在直徑為30厘米的測(cè)量線軸上，并使其纏繞張力為零。選擇較大的直徑和較低的纏繞張力是為了減小導(dǎo)致光纖雙折射或PMD以及外部擾動(dòng)的彎曲度。使用由模式為HP8509的HewlettPackard所制造的檢偏器來進(jìn)一步測(cè)量微分群延遲(DGD)，該檢偏器基于被稱為Jones Matrix本征分析的機(jī)械裝置以獲得待測(cè)光纖的DGD和PMD值。表格2闡明了根據(jù)本發(fā)明針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)低周期旋轉(zhuǎn)技術(shù)對(duì)長(zhǎng)周期旋轉(zhuǎn)技術(shù)這樣的情形中的PMD減小因子。如表格1和2所示，根據(jù)本發(fā)明所用的長(zhǎng)周期旋轉(zhuǎn)技術(shù)在這種NZDSF光纖產(chǎn)品上顯著地實(shí)現(xiàn)了更佳的PMD減小。就發(fā)明者所知，這是第一次做到在此類NZDSF光纖產(chǎn)品上的PMD，其中螺旋光纖PMD已降低到小于0.01ps/km1/2，而該NZDSF光纖產(chǎn)品使用具有Δ1、Δ2和Δ3三部分且滿足Δ1＞Δ3＞Δ2的分段纖芯折射率剖面。
表格2


對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，很明顯可以對(duì)本發(fā)明作出各種修改和變化而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此本發(fā)明旨在覆蓋這些修改和變化，只要它們落在所附的權(quán)利要求書及其等價(jià)方案的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種單模光纖，所述單模光纖展現(xiàn)出大于5米的拍頻長(zhǎng)度、具有一縱軸以及在所述光纖上外加的螺旋，其特征在于，外加到所述光纖上的螺旋的至少一部分交替地為順時(shí)針和逆時(shí)針方向，螺旋重復(fù)距離至少是10米，所述螺旋重復(fù)距離足夠賦予所述光纖小于0.03ps/km1/2的偏振模色散。
2.如權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于，所述光纖展現(xiàn)出大于約20米的拍頻長(zhǎng)度。
3.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述螺旋重復(fù)距離大于或等于20米。
4.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述螺旋重復(fù)距離大于30米。
5.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，在所述光纖上外加的螺旋包括正弦螺旋函數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于，所述光纖展現(xiàn)出大于10米的拍頻長(zhǎng)度，并且從在所述光纖上外加的螺旋中得到的PMD小于0.02ps/km1/2。
7.如權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于，所述光纖展現(xiàn)出大于10米的拍頻長(zhǎng)度，并且從在所述光纖上外加的螺旋中得到的PMD小于0.01ps/km1/2。
8.如權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于，所述光纖包括具有不止一個(gè)纖芯部分的分段的纖芯剖面。
9.如權(quán)利要求8所述的單模光纖，其特征在于，所述光纖包括具有如下特征的纖芯剖面，其中心部分折射率為Δ1，圍繞所述第一部分的環(huán)形部分折射率為Δ2，圍繞所述第一環(huán)形部分的第二環(huán)形部分折射率為Δ3，其中Δ1＞Δ3＞Δ2。
10.如權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于，所述光纖包括步長(zhǎng)指數(shù)或圓整步長(zhǎng)指數(shù)剖面以及大于30米的拍頻長(zhǎng)度。
11.如權(quán)利要求9所述的光纖，其特征在于，所述螺旋光纖的PMD小于0.02ps/km1/2。
12.一種制造光纖的方法，其特征在于，包括加熱光纖預(yù)制棒的至少一部分；以及從所述加熱的預(yù)制棒抽取光纖，使得通過把轉(zhuǎn)矩施加到所述光纖來將螺旋外加到所述光纖上，所述轉(zhuǎn)矩使所述光纖繞所述光纖的縱軸旋轉(zhuǎn)，從而隨著所述光纖從所述預(yù)制棒中抽取，所述螺旋被外加到所述光纖上，其中所述光纖的拍頻長(zhǎng)度大于約5米并且外加到所述光纖上的螺旋的至少一部分交替地為順時(shí)針和逆時(shí)針方向，螺旋重復(fù)距離至少10米。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述螺旋重復(fù)距離大于或等于20米。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包括在所述加熱步驟之前，通過一過程來形成所述光纖預(yù)制棒，所述過程包括沉積多層二氧化硅粉塵使得所述預(yù)制棒的纖芯區(qū)域包括中心區(qū)域、圍繞所述中心區(qū)域的第一環(huán)形區(qū)域以及圍繞所述第一環(huán)形區(qū)域的第二環(huán)形區(qū)域，其中這些區(qū)域的折射率分別為Δ1、Δ2和Δ3并且Δ1＞Δ3＞Δ2。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，使用一過程來沉積所述沉積層，在所述過程中將二氧化硅基粉塵沉積到一圓柱襯底的外側(cè)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述圓柱襯底中的至少一個(gè)是玻璃纖芯棒。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，外加到所述光纖上的螺旋包括正弦形。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，外加到所述光纖上的螺旋在以所述順時(shí)針方向賦予的峰值旋轉(zhuǎn)速率和以所述逆時(shí)針方向賦予的峰值旋轉(zhuǎn)速率之間是對(duì)稱的。
全文摘要
一種光纖以及制造這種光纖的方法，其中該光纖展現(xiàn)約大于5米的拍頻長(zhǎng)度，并且該光纖旋轉(zhuǎn)以在所述光纖的螺旋態(tài)中提供偏振模色散，其值小于0.03ps/km
文檔編號(hào)G02B6/02GK1761896SQ200480007276
公開日2006年4月19日 申請(qǐng)日期2004年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月20日
發(fā)明者陳欣, 李明軍, J·C·邁耶, O·帕爾瑪 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司