專利名稱：包括具有低編振模色散的光纖制品及制造該光纖的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光導(dǎo)纖維，尤其涉及具有較低偏振模色散(PMD)的單模光纖。本發(fā)明還與包含上述光纖的通信系統(tǒng)有關(guān)，并與制造上述光纖的方法有關(guān)。
理想的園形對(duì)稱“單?！惫鈱?dǎo)纖維能支持兩個(gè)獨(dú)立的、互相垂直偏振的簡(jiǎn)并模。這兩者之中的任何一個(gè)構(gòu)成了基本的HE11模。一般說(shuō)來(lái)，沿光纖傳播的光的電場(chǎng)是這兩個(gè)偏振本征模(eigen modes)的線性疊加。
在實(shí)際的單模光纖中，各種各樣缺陷諸如不對(duì)稱橫向應(yīng)力和非園形的纖芯通常破壞了理想光纖的園形對(duì)稱并提高了這兩偏振模的簡(jiǎn)并度。于是這兩個(gè)模以不同的相速傳播，它們的有效折射率之間的這種差別稱為雙折射性。
光纖的雙折射或者可能起因于幾何變形或者由于各種彈光(elasto-optic)、磁-光或電-光折射率變化。在所謂的偏振保持光纖中，是故意把非對(duì)稱性引入該光纖的。但是，對(duì)普通的(非偏振保持)光纖而言，雙折射過(guò)程則以事實(shí)上不能預(yù)料的方式作用于光纖上。因此，制導(dǎo)光的偏振狀態(tài)一般將通過(guò)沿著光纖狀態(tài)的偽隨機(jī)序列逐漸形成，而在光纖輸出端的偏振狀態(tài)一般既不能預(yù)料又不穩(wěn)定。平均來(lái)說(shuō)，給定光纖的已知偏振狀態(tài)在某一長(zhǎng)度Lp，與給定光纖有關(guān)的偏振“拍”長(zhǎng)度，之后再現(xiàn)。
出現(xiàn)于一般單模光纖中的雙折射導(dǎo)致信號(hào)色散(所謂的偏振模色散或PMD)，因此一般是不希望出現(xiàn)這種情況的，尤其對(duì)涉及高比特率或模擬傳輸應(yīng)用來(lái)說(shuō)(例如，對(duì)光導(dǎo)纖維模擬CATV系統(tǒng)而言)。
人們已知，在從預(yù)制件拉出光纖的同時(shí)，通過(guò)迅速旋轉(zhuǎn)預(yù)制件能產(chǎn)生具有低PMD的光纖。先有技術(shù)教導(dǎo)這導(dǎo)致周期性地互換的高速和低速的沿著纖維的雙折射軸線，由于逐段補(bǔ)償在偏振本征模之間的相應(yīng)相位延遲，只要自旋節(jié)距比“不拉長(zhǎng)”光纖差拍長(zhǎng)度小得多，該軸線會(huì)導(dǎo)致非常低的凈雙折射。參看(例如)A.Ashkin等人的文章，刊登于應(yīng)用光學(xué)(AppliedOptics20(13)卷，第2299頁(yè);A.J.Barlow等人的文章，刊于應(yīng)用光學(xué)，20(17)卷，第2962頁(yè);及S.C.Rashleigh的文章，刊于1983年5月的激光聚焦(LaserFocus)。
先有技術(shù)的基本要求是，自旋節(jié)距要比“不拉長(zhǎng)(unspun)“Lp小得多，這使先有技術(shù)工藝方法事實(shí)上不適用于當(dāng)前大批量光纖生產(chǎn)。例如，假設(shè)不拉長(zhǎng)Lp是1米左右，而拉制速度是10米/秒，于是為了獲得1/10不拉長(zhǎng)Lp的自旋節(jié)距，預(yù)型件必須以每分6000轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，這在批量光纖生產(chǎn)中一般是不實(shí)用的。
鑒于低的雙折射率光導(dǎo)纖維的商品化意義，最理想的是能獲得兼顧當(dāng)前商業(yè)實(shí)踐用于生產(chǎn)上述光纖的技術(shù)，例如，現(xiàn)在一般使用的即使在高控制速度下也可用的技術(shù)。本申請(qǐng)揭示了這樣一種技術(shù)。


圖1大略地描繪典型的先有技術(shù)光纖拉制設(shè)備;
圖2大略地并以俯視圖顯示圖1設(shè)備的導(dǎo)引部分;
圖3-5大略地以俯視圖描繪能用來(lái)實(shí)施本發(fā)明的典型導(dǎo)引部分;及圖6顯示按照本發(fā)明纖維的轉(zhuǎn)數(shù)作為沿光纖方向位距函數(shù)的典型數(shù)據(jù)。
本發(fā)明是像權(quán)利要求所限定的那樣。概括地說(shuō)，本發(fā)明體現(xiàn)在制造光導(dǎo)纖維(一般單模光纖)的新型和簡(jiǎn)便的方法，它可用來(lái)生產(chǎn)具有低PMD的光纖(典型地少于0.5PS/km1/2)。它還體現(xiàn)在新型的低PMD光纖，以及體現(xiàn)在包括這種光纖的制品(例如，光導(dǎo)纖維通信系統(tǒng))中。
更準(zhǔn)確地說(shuō)，發(fā)明方法包括提供常規(guī)的光纖預(yù)制件，把預(yù)制件的至少一部分加熱到常規(guī)拉制溫度，并通過(guò)把旋壓施加在光纖上的方式從加熱預(yù)制件拉制光導(dǎo)纖維。重要的是，把扭矩如此加到光纖上以使光纖圍繞其縱軸扭轉(zhuǎn)，由此引起高溫區(qū)的光纖材料扭轉(zhuǎn)變形。
如果要使高溫區(qū)的光纖材料扭轉(zhuǎn)變形，把旋壓“施加”在該區(qū)內(nèi)的光纖上，同時(shí)把該變形固定在纖維中，以致光纖呈現(xiàn)永久性旋轉(zhuǎn)”，也就是，永久性扭轉(zhuǎn)變形。這種固定了的旋轉(zhuǎn)的存在能快速地加以確定，例如，用顯微鏡檢查光纖以確定纖芯橢園度的旋轉(zhuǎn)或偏心率，或者借助于像M.J.Marrone等人所使用的那種移動(dòng)式磁光調(diào)制器(光學(xué)通訊，卷12(1)第60頁(yè))。與這種固定了的旋轉(zhuǎn)相聯(lián)系的是節(jié)距，該旋轉(zhuǎn)重復(fù)沿光纖方向的位距。
正如本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)易于理解的，先有技術(shù)旋轉(zhuǎn)預(yù)制件的方法導(dǎo)致基本上節(jié)距不變的自旋。人們已知，在控制工藝期間會(huì)出現(xiàn)對(duì)稱軸少許扭轉(zhuǎn)，以致于即使一般單模光纖也呈現(xiàn)沿光纖方向的光偏振變化。參看(例如)上面列舉的Marrone等人的論文?？墒牵覀冎罌]有一種先有技術(shù)光纖其旋轉(zhuǎn)具有超過(guò)4轉(zhuǎn)/米的空間頻率的不是故意旋轉(zhuǎn)，參看(例如)M.J.Marrone等人的論文，OP.Cit，表1。具有上述低旋轉(zhuǎn)的光纖一般不呈現(xiàn)商業(yè)意義上的PMD低下。因此，按照本發(fā)明的光纖包括具有超過(guò)4轉(zhuǎn)/米的旋轉(zhuǎn)空間頻率的一個(gè)區(qū)段或幾個(gè)區(qū)段，最好超過(guò)10或甚至20轉(zhuǎn)/米。
在目前本發(fā)明的較好實(shí)施例中，轉(zhuǎn)矩是間歇地加到光纖上，從而使施加于光纖上的旋壓具有的節(jié)距在光纖的實(shí)際長(zhǎng)度范圍內(nèi)是不恒定的，例如，在差拍長(zhǎng)度Lp范圍是不恒定的?，F(xiàn)在我們相信，只要節(jié)距是準(zhǔn)確地與光纖雙折射空間頻率匹配，這種不恒定節(jié)距會(huì)有勝過(guò)恒定節(jié)距的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榈凸?jié)距也能耦合兩個(gè)偏振模。參看(例如)S.C.Rashleigh的論文，刊登于光波技術(shù)學(xué)報(bào)(J.ofLightwaveTechnology);LT-1(2)卷，312-331頁(yè)，特別是320頁(yè)，該文認(rèn)為，“……不管雙折射擾動(dòng)的實(shí)際分布f(Z)怎樣，僅僅具有頻率(βi)的一個(gè)光譜分量能耦合兩個(gè)偏振本征模。所有其他光譜分量都不能有效地耦合該?！?。參數(shù)βi是光纖的本征雙折射，而F(βi)是f(Z)的傅里葉變換。由于擾動(dòng)f(Z)基本上是隨機(jī)的，顯然恒定節(jié)距旋轉(zhuǎn)一般不會(huì)導(dǎo)致有效的模耦合。另一方面，不恒定節(jié)距旋轉(zhuǎn)，特別是具有正負(fù)交替的螺旋性的旋轉(zhuǎn)，可能包含產(chǎn)生有效耦合的空間分量。我們現(xiàn)在相信，變化著的空間頻率下的旋轉(zhuǎn)能獲得強(qiáng)耦合，該頻率包括，除較高旋轉(zhuǎn)空間頻率區(qū)之外，還有較低旋轉(zhuǎn)空間頻率區(qū)。這就是(例如)旋轉(zhuǎn)是在正負(fù)螺旋性之間交替時(shí)的情況。
本發(fā)明也體現(xiàn)在用本發(fā)明方法生產(chǎn)的光導(dǎo)纖維(一般地SiO2基光纖包括一個(gè)纖芯和一個(gè)包層，前者具有比圍繞纖芯的包層材料較大的有效折射率)。本發(fā)明還體現(xiàn)在一種商品里(例如，光導(dǎo)纖維通信系統(tǒng)，它包括光信號(hào)源、用于檢測(cè)光信號(hào)的裝置以及為傳送信號(hào)連接檢測(cè)裝置和信號(hào)源的本發(fā)明光導(dǎo)纖維。更準(zhǔn)確地說(shuō)，施加在該光纖上的是旋壓而旋壓沿光纖方向是不恒定的，而且至少一部分光纖具有超過(guò)4轉(zhuǎn)/米的空間旋轉(zhuǎn)頻率。
圖1大略地描繪一般(先有技術(shù))拉制設(shè)備10。光纖預(yù)制件11緩慢地饋送入(通過(guò)圖中未示的供料裝置)加熱爐，其中光纖13是從預(yù)制件的頸縮部分拉出的。裸光纖穿過(guò)直徑監(jiān)控器14進(jìn)入涂層涂敷器15，在那里聚合物涂層(常常包括內(nèi)部和外部涂層)被加到(這時(shí)已較涼)裸光纖上。在穿過(guò)涂層同心監(jiān)控器16之后，光纖穿過(guò)固化站17。一般地17包括紫外線(UV)燈。17的下游方向是涂層直徑監(jiān)控器18，后面是導(dǎo)引裝置(例如，滾輪191，192，193)和區(qū)域21中的驅(qū)動(dòng)裝置(例如，牽引卷筒20)。應(yīng)該注意，導(dǎo)引滾輪191是光纖與固體的第一接觸點(diǎn)。在這點(diǎn)上光纖已經(jīng)為固化了的聚合物涂層所保護(hù)。還應(yīng)注意，拉力是由卷筒20提供的，而20的轉(zhuǎn)速確定了拉制速度，一般能高達(dá)20米/秒。一般光纖從20出來(lái)被導(dǎo)向(獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式的)卷繞裝置，例如，卷帶盤。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，圖1顯示出一些可供選擇的裝置(例如，14，16，18)，而并未示出所有可能的裝置(例如，在12和15之間的密封涂敷室)。然而，圖10例示了當(dāng)前所用的常規(guī)拉制設(shè)備。
在圖1的先有技術(shù)設(shè)備中，光纖基本上在單個(gè)平面上，至少在加熱爐中其開始點(diǎn)與卷筒之間移動(dòng)，而沒有故意將扭矩旋加于光纖上。參看圖2，該圖是圖1設(shè)備組成部分21的概略俯視圖。
按照本發(fā)明，是如此把轉(zhuǎn)矩加到光纖上的以致對(duì)光纖施加了旋壓。雖然原則上轉(zhuǎn)矩能加到光纖已冷卻到足以被接觸的任何下游點(diǎn)上(在卷繞以前)，但一般說(shuō)來(lái)最好不接觸裸光纖。因此，最好把轉(zhuǎn)矩施加于從固化站17下行位移的某一點(diǎn)上，一般施加于區(qū)域21中的基一合適點(diǎn)。目前最好用第一導(dǎo)引滾輪施加轉(zhuǎn)矩。
我們已發(fā)現(xiàn)，可以這樣的把間歇轉(zhuǎn)矩加到光纖上，以致于把非恒定節(jié)距的扭矩施加于光纖上。這可(例如)通過(guò)改變圖3導(dǎo)引滾輪1911的走向來(lái)完成，一般通過(guò)使?jié)L輪圍繞與拉制塔架連接軸平行的方向傾斜一個(gè)角度θ。為響應(yīng)在這種安排中自然出現(xiàn)的橫向力，如所指出的那樣，傾斜滾輪1911使光纖在滾輪上來(lái)回?cái)[動(dòng)。更準(zhǔn)確地說(shuō)，橫向力轉(zhuǎn)變成在光纖上的轉(zhuǎn)距，使光纖在滾輪1911上橫向地轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使該光纖移出由先有技術(shù)(不傾斜的)設(shè)備的光纖所限定的平面。人們會(huì)理解，橫向滾動(dòng)是疊在常規(guī)的拉制運(yùn)動(dòng)上的。人們認(rèn)為光纖的橫向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致隨光纖橫向位移的增加而增加的回復(fù)力，使光纖跳回(基本上，而不必十分準(zhǔn)確)到該平面上，只是為了立即開始另一側(cè)向滾動(dòng)。這非對(duì)稱往返運(yùn)動(dòng)是由圖3中接近滾輪1911的雙箭頭表示的。在橫向滾動(dòng)期間光纖的角旋轉(zhuǎn)速度是(除了別的以外)傾斜角θ的函數(shù)。因而，施加在光纖上的旋轉(zhuǎn)節(jié)距也是θ的函數(shù)。例如，我們所用的特定拉制設(shè)備對(duì)于θ＝7°和15°分別得出了14cm和7cm的平均節(jié)距。人們知道，這些數(shù)值僅僅是示范性的，因?yàn)樵摴?jié)距將依賴(除了別的以外)于拉制塔架的結(jié)構(gòu)和高度、拉制速度、拉力以及涂層粘滯性。
本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，所描述的典型方法不僅把旋壓旋加在光纖上而且把大體上相等并反向的(通常是有彈性的)扭矩引入卷繞的光纖。盡管上述光纖對(duì)某些用途(例如，對(duì)只需要較短長(zhǎng)度光纖的傳感器用途來(lái)說(shuō))是可接受的，但一般說(shuō)來(lái)最好除去不需要的彈性扭矩(或避免該扭矩的引入)。該彈性扭矩能(例如)用適當(dāng)?shù)脑倮p繞來(lái)加以消除。但是，最好是實(shí)質(zhì)上避免彈性扭矩的引入。這可通過(guò)交替地對(duì)光纖施加順時(shí)針方向和反時(shí)針方向的扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)，(典型的如下所述)。
使圖4的導(dǎo)引滾輪1912圍繞與光纖拉制方向平行的軸線(它一般是和拉制塔架連接軸相同)擺動(dòng)交替地把正和負(fù)旋壓施加在光纖上。此外，在光纖上最后得到的正和負(fù)彈性扭矩實(shí)際上是這樣抵消的，即使卷帶盤上的光纖基本上沒有扭轉(zhuǎn)彈性應(yīng)變。用任一適當(dāng)裝置，例如，用偏心輪傳動(dòng)裝置(圖中未示)都能使圖4的導(dǎo)引滾輪1912來(lái)回振蕩。圖5概略示出一個(gè)可供選擇的裝置，其中用適當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)裝置(圖中未示)使導(dǎo)引滾輪1913軸向地來(lái)回移動(dòng)，結(jié)果導(dǎo)致交替地將順時(shí)針和反時(shí)針方向的扭矩施加于光纖上。
本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)意識(shí)到，圖1的導(dǎo)引和驅(qū)動(dòng)裝置21可以采用許多形式。例如，可以使用滑輪(如圖1-3所示的)，或可以使用無(wú)槽滾輪，或可以組合使用滑輪和無(wú)槽滾輪(典型地如圖4和5所示)。正如為把適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩加到光纖上用的所有適當(dāng)裝置，可設(shè)想所有適當(dāng)?shù)膶?dǎo)引和驅(qū)動(dòng)裝置。
圖6顯示典型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即，旋轉(zhuǎn)空間頻率(單位為轉(zhuǎn)/米)作為沿光纖方向位距的函數(shù)。特性曲線60是從單模光纖得到的，該光纖是在圖4的導(dǎo)引滾輪1912以60周/分的速度擺動(dòng)并以1.5米/秒的牽引速度下拉制而成，特性曲線61是按另一種方式的相同單模光纖得到的，該光纖是以3米/秒的速度控制，同時(shí)制動(dòng)滾輪1912的速度為106周/分。如從圖6所能看到的，每根光纖包含其旋轉(zhuǎn)空間頻率大大超過(guò)4轉(zhuǎn)/米(甚至超過(guò)20轉(zhuǎn)/米)的部位，在每根光纖中即使具有順時(shí)針方向和反時(shí)針方向的螺旋性，旋轉(zhuǎn)也是不恒定的，結(jié)果實(shí)際可能的是該旋轉(zhuǎn)包括一種在耦合該兩偏振模過(guò)程中是有用的分量。
本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)知道，施加在用圖4所示的那種類型設(shè)備拉制而成的光纖上的旋轉(zhuǎn)的節(jié)距隨(除了別的以外)擺動(dòng)幅度20′和擺動(dòng)頻率而定。例如，在按照本發(fā)明的一種特定光纖拉制設(shè)備中，θ′是15°左右，擺動(dòng)頻率大約是106周/分。這些數(shù)值只是舉例說(shuō)明的，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)借助于本文的技術(shù)，不但能修改他們的設(shè)備以實(shí)施本發(fā)明，而且能選擇適合于他們的特定設(shè)備的拉制參數(shù)。
權(quán)利要求
1.制造光導(dǎo)纖維的方法，包括a)提供光導(dǎo)纖維預(yù)制件(11)；b)加熱至少一部分所述預(yù)制件；及c)從加熱后預(yù)制件如此拉制光導(dǎo)纖維(13)，以使在拉制方向上拉制光纖的同時(shí)把旋壓施加在該光纖上。其特征在于d)步驟c)包括把轉(zhuǎn)矩加到光纖上，所述轉(zhuǎn)矩使光纖如此經(jīng)受圍繞光纖縱軸的旋轉(zhuǎn)，以致于當(dāng)從預(yù)制件拉制光纖時(shí)，旋壓被加到光纖上，而且如此選擇轉(zhuǎn)矩以使至少一部分光纖受到其空間頻率大于4轉(zhuǎn)/米的的旋壓。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，該轉(zhuǎn)矩是這樣施加的以致于加到光纖上的旋壓不具備恒定的空間頻率。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，該轉(zhuǎn)矩是以順時(shí)針方向和反時(shí)針方向交替地施加，致使加到光纖上的旋壓是順時(shí)針方向和反時(shí)針方向交替的。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其特征在于，步驟c)包括給光纖涂上聚合物涂料并使帶涂層光纖接觸導(dǎo)引滾輪，在那點(diǎn)上通過(guò)所述導(dǎo)引滾輪施加交變轉(zhuǎn)矩。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于，用導(dǎo)引滾輪施加轉(zhuǎn)矩包括使該導(dǎo)引滾輪圍繞基本上與所述拉制方向平行的軸線擺動(dòng)。
6.包括單模光導(dǎo)纖維的產(chǎn)品，該光纖包含纖芯和包圍該纖芯的包層，同時(shí)對(duì)光纖施加旋壓;其特征在于在至少一部分光纖中，該旋壓具有超過(guò)4轉(zhuǎn)/米的空間頻率，同時(shí)沿光纖方向該旋壓是不恒定的。
7.按照權(quán)利要求6的產(chǎn)品，其特征在于，與光纖有關(guān)聯(lián)的是偏振模色散(PMD)，而光纖的PMD是小于0.5ps/km。
8.按照權(quán)利要求6的產(chǎn)品，其特征在于，該旋壓是順時(shí)針方向和反時(shí)針方向交替的。
9.按照權(quán)利要求6的產(chǎn)品，其特征在于，該產(chǎn)品是一種光導(dǎo)纖維通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光信號(hào)源、用于檢測(cè)光信號(hào)的裝置，同時(shí)所述單模光纖連接所述信號(hào)源和所述檢測(cè)裝置使信號(hào)能傳輸過(guò)去。
10.包含纖芯和包圍該纖芯的包層的光導(dǎo)纖維，在旋壓施加到該光纖上，所述光纖是按照權(quán)利要求1生產(chǎn)的單模光導(dǎo)纖維。
全文摘要
在單模光導(dǎo)纖維中出現(xiàn)(一般不是故意的)雙折射會(huì)嚴(yán)重限制用于高比特率或模擬光纖通信系統(tǒng)的光纖的效用，這歸因于由此引起的偏振模色散(PMD)?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，若在拉制光纖13期間把轉(zhuǎn)矩加到光纖上致使對(duì)光纖施加旋壓，便能顯著減低PMD。最好如此施加轉(zhuǎn)矩致使加到光纖上的旋壓沒有恒定空間頻率，例如，有順時(shí)針和反時(shí)針方向交替的螺旋性。至少一部分按本發(fā)明的光纖具備其空間頻率超過(guò)4轉(zhuǎn)/米的旋壓。
文檔編號(hào)G02F1/01GK1083449SQ9310963
公開日1994年3月9日 申請(qǐng)日期1993年8月2日 優(yōu)先權(quán)日1992年8月3日
發(fā)明者小·A·C·哈特, R·G·哈夫, K·L·沃克 申請(qǐng)人:美國(guó)電話電報(bào)公司