張雪蓮,楊 鵬,劉永建,寧 鼎

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所,天津 300220,中國(guó))

0 引 言

光纖技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了光纖測(cè)試新技術(shù)的研發(fā)和原有技術(shù)的拓展。保偏光纖中間品和成品檢測(cè)是質(zhì)量控制的必要步驟,而高效的測(cè)試系統(tǒng)可以保證產(chǎn)品性能,提高成品率,極大降低經(jīng)濟(jì)損失。因此,對(duì)光纖制備原理和參數(shù)測(cè)試原理兩者結(jié)合的研究具有重要意義[1]。但過(guò)去的研究不夠全面,且知識(shí)成果較陳舊。鑒于此,本文作者從光纖生產(chǎn)的角度出發(fā),理論與實(shí)際并重,系統(tǒng)、完整地介紹了保偏光纖制備流程、測(cè)試的技術(shù)理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,重點(diǎn)顯現(xiàn)了光纖生產(chǎn)的最新技術(shù)。

1 保偏光纖制備工藝流程

圖1為保偏光纖制備主要工藝流程圖。主要分為保偏光纖預(yù)制棒和應(yīng)力棒制備、酸處理、保偏光纖單模棒和應(yīng)力棒拼接、清洗、接管、拉絲、保偏光纖終檢等步驟。單模預(yù)制棒制備流程包括:采用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積(modified chemical vapor deposition,MCVD)工藝制備單模棒[2];單模預(yù)制棒芯包尺寸和折射率檢驗(yàn);套管;單模棒退火;包層結(jié)構(gòu)加工和打孔;單模棒尺寸檢驗(yàn);單模棒酸處理清洗。將內(nèi)徑為19 cm、長(zhǎng)度為70 cm的高純石英反應(yīng)管兩端焊接支撐管和尾管,支撐管連接原料進(jìn)料端,尾管連接尾氣處理裝置,然后固定在氫氧焰燈加熱的車床上。氫氧焰燈沿著反應(yīng)氣體流動(dòng)的方向緩慢移動(dòng),在氧化反應(yīng)過(guò)程中,由于熱泳效應(yīng)[3],原料在主燈加熱點(diǎn)反應(yīng),在熱區(qū)下游沉積,當(dāng)主燈向前移動(dòng)時(shí),疏松層進(jìn)一步燒結(jié),避免了疏松層顆粒脫落,玻璃化完成。接著氫氧焰燈快速移到起點(diǎn),來(lái)回多次,直到反應(yīng)管表面沉積所需的疏松層厚度。旋轉(zhuǎn)的反應(yīng)管在高溫作用下變軟,由于表面張力及內(nèi)外壓差,實(shí)現(xiàn)縮棒[4-5]。

圖1 保偏光纖制備工藝流程圖Fig.1 Flow sheet of PM fiber preparation process

由于反應(yīng)管壁厚度的限制,實(shí)心光纖預(yù)制棒的芯包比無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需要,因此選擇合適的純石英套管,將預(yù)制棒放入套管內(nèi),在MCVD車床上使用氫氧焰燈熔融。若套管過(guò)大,熔融時(shí)由于重力作用預(yù)制棒會(huì)下墜,產(chǎn)生橢圓形的棒,同時(shí)熔融不能與預(yù)制棒完全結(jié)合,內(nèi)部產(chǎn)生氣泡,最終拉絲時(shí)形成缺陷,影響包層結(jié)構(gòu),降低光纖強(qiáng)度[6]。燒結(jié)后的單模預(yù)制棒需要放入高溫退火爐中進(jìn)行退火處理(恒溫1200 ℃,2 h→降溫500 ℃,5 h),以減少單模棒內(nèi)部應(yīng)力[7],去除殘余的小氣泡。

應(yīng)力棒制備步驟為:采用MCVD工藝制備保偏光纖應(yīng)力棒;應(yīng)力棒尺寸和折射率檢驗(yàn);應(yīng)力棒加工;酸處理。根據(jù)設(shè)計(jì),沉積一定厚度的硼棒后進(jìn)行縮棒,燒結(jié)透明后即得到保偏光纖應(yīng)力棒。

根據(jù)設(shè)計(jì)的芯包比,計(jì)算出合適的包層和應(yīng)力棒尺寸,將折射率剖面測(cè)試合格的預(yù)制棒和應(yīng)力棒在磨床上進(jìn)行鉆孔、打磨,并加工成需要的包層結(jié)構(gòu)和應(yīng)力棒尺寸[8]。本設(shè)計(jì)中先用去離子水沖加工后的單模棒內(nèi)孔和應(yīng)力棒,分別放入體積比為1∶2∶40的氫氟酸、鹽酸和高純水的混合酸溶液內(nèi)浸泡0.5 h～1 h,去除表面劃痕、雜質(zhì),同時(shí)酸溶液對(duì)預(yù)制棒成分二氧化硅也有強(qiáng)烈的腐蝕性,因此嚴(yán)格控制好腐蝕的時(shí)間,可得到尺寸更精確的光纖預(yù)制棒和應(yīng)力棒;再用熱的去離子水沖洗多次,去除水溶性雜質(zhì)后,進(jìn)行單模棒與兩應(yīng)力棒的拼接,分別將兩應(yīng)力棒放入單模棒打好的兩個(gè)孔內(nèi),使用氫氧焰火拋后熔燒,固定預(yù)制棒,烘烤至管內(nèi)無(wú)水汽,即可進(jìn)行拉絲[9]。

2 保偏光纖標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試原理

2.1 單模棒尺寸和折射率測(cè)試原理和結(jié)果

單模棒和應(yīng)力棒使用光纖預(yù)制棒折射率測(cè)試儀,通過(guò)折射近場(chǎng)法利用動(dòng)態(tài)空間濾光片測(cè)量由橫向照射預(yù)制棒而產(chǎn)生的折射角,以此來(lái)測(cè)量預(yù)制棒的幾何尺寸和折射率的分布。理想狀態(tài)下光纖中的折射率n是軸對(duì)稱的,用柱坐標(biāo)(r,φ,z)分析,設(shè)光纖軸為z軸,光線方程的徑向分量為:

(1)

式中:r為徑向坐標(biāo)(離軸距離);s為光線的幾何路徑。當(dāng)光從折射率n0的介質(zhì)入射到光纖的端面(z=0)r=r0和φ=0處,入射角為θ0,入射平面和光纖的夾角φ=φ0,折射角為θn,r0處的折射率為n(r0),由折射定律有n(r0)sinθn=n0sinθ0=sinθ0,則:

(2)

(3)

將式(2)、式(3)代入式(1),并對(duì)z積分可得:

z=

(4)

因此只要知道輸入點(diǎn)坐標(biāo)r0,測(cè)出折射角,就能得到折射率分布n(r)、r和z的關(guān)系。

理論上纖芯的折射率為階躍和梯度分布,但對(duì)于實(shí)際的光纖,由于制造工藝的問(wèn)題,光纖纖芯和包層的分界面,以及纖芯的折射率總有梯度變化。設(shè)計(jì)的光纖工作波長(zhǎng)為1310 nm,而此梯度變化遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng),因此光纖芯/包分界面和纖芯中的折射率呈階躍分布狀態(tài);纖芯的折射率可作為變折射率分布,折射率隨離軸距離r的增加而不斷改變,如式(5)、式(6)所示[10-12]:

(5)

(6)

式中:a是纖芯半徑;n(0)是光纖軸上的折射率;n(r)為離軸距離r處的折射率;Δ為離軸距離r處相對(duì)折射率差。由圖2可知,纖芯與包層分界處的折射率呈階躍分布;當(dāng)芯徑離軸越遠(yuǎn),折射率變化減小,鋸齒狀折射率分布差逐漸變短[13]。

圖2 單模棒折射率差分布圖Fig.2 Refractivity of single-mode preform

本文中使用MCVD工藝制作預(yù)制棒,從測(cè)試結(jié)果可以看出,預(yù)制棒纖芯直徑為光纖內(nèi)部的折射率分布均勻,外徑為14.2 mm,包層直徑為6.12 mm,纖芯直徑為2.62 mm。精確的預(yù)制棒和應(yīng)力區(qū)尺寸設(shè)計(jì),引入幾何對(duì)稱的不均勻應(yīng)力實(shí)現(xiàn)高雙折射現(xiàn)象,消除應(yīng)力對(duì)入射光偏振態(tài)的影響,從而保持保偏工作[14-15]。

2.2 保偏光纖關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試

2.2.1 模場(chǎng)直徑和數(shù)值孔徑的測(cè)試原理和結(jié)果 模場(chǎng)直徑(mode-field diameter,MFD)設(shè)為D′,使用光分析測(cè)量?jī)x搭建測(cè)試平臺(tái),通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)掃描法確定;采用光纖橫截面基模的電磁場(chǎng)強(qiáng)度分布度量,遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)度為F2(θ),θ為遠(yuǎn)場(chǎng)角,則模場(chǎng)直徑為:

(7)

測(cè)量時(shí),2 m長(zhǎng)待測(cè)光纖的一端接注入光源,另一端接光探測(cè)器,測(cè)量出被測(cè)光纖的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng),經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得出遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)度F2(θ),再根據(jù)式(7)計(jì)算得到模場(chǎng)直徑的大小,測(cè)試結(jié)果如圖3所示。本文中的保偏光纖在入射工作波長(zhǎng)λ=1310 nm時(shí)的模場(chǎng)直徑D′=6.263 μm。

圖3 保偏光纖遠(yuǎn)場(chǎng)掃描及模場(chǎng)直徑和數(shù)值孔徑測(cè)試結(jié)果圖Fig.3 Far-field scanning of PM fiber and test results of MFD and NA

數(shù)值孔徑(numerical aperture,NA)設(shè)為DNA,同樣使用遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)法測(cè)試,其表征光接收能力,只與光纖的折射率有關(guān)[16],即:

(8)

式中:n1為纖芯的折射率;n2為包層折射率。根據(jù)圖2的折射率曲線可知:n1=n0+Δn12=1.45+0.017123=1.467,n2=n0-Δn02=1.45-0.000221=1.449。Δn02為匹配油與包層折射率差;Δn12為纖芯與包層折射率差,代入式(8),可得DNA=0.229,再將測(cè)試數(shù)值用最小二乘法擬合,掃描測(cè)試結(jié)果如圖3所示,計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果一致。

2.2.2 特征參數(shù)測(cè)試原理和結(jié)果 表征光纖的幾何特征參數(shù)是纖芯/包層直徑、不圓度、同心誤差,即幾何尺寸的測(cè)量[17-18]。本文中使用視頻灰度技術(shù)(傳輸近場(chǎng))測(cè)試保偏光纖的各特征參數(shù),實(shí)際光纖截面形狀可能是非圓、非橢圓,這時(shí)需要對(duì)整個(gè)光纖截面進(jìn)行分行掃描纖芯、應(yīng)力區(qū)、包層、涂層半徑,計(jì)算出半徑邊緣表,再將測(cè)量結(jié)果采用傅里葉擬合,得到所測(cè)量的數(shù)據(jù),此處僅介紹纖芯和包層傅里葉擬合曲線,如圖4所示。

光纖半徑傅里葉計(jì)算公式如下:

(9)

式中:k是等角度間隔的中點(diǎn)值,k=2/T;T是光纖半徑R(θ1)邊界掃描數(shù)據(jù)表中極坐標(biāo)(θ1,R)的等角度間隔值;A0是平均半徑;Am和Bm是正弦和余弦的模(傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù));n1是傅里葉級(jí)數(shù)中模Am和Bm的項(xiàng)數(shù),通常10

(10)

則直徑D為:

D=2A0

(11)

(12)

(13)

而不圓度Nc與最大和最小的軸半徑Rmax、Rmin及A0有關(guān),即:

(14)

如圖4a所示,取極坐標(biāo)(90°,39.718 μm),軸半徑Rmax=39.896 μm,Rmin=39.534 μm,則包層直徑為79.436 μm,將不圓度代入式(14),得到Nc=0.911%;如圖4b所示,取極坐標(biāo)(90°,3.067 μm),軸半徑Rmax=3.098 μm,Rmin=3.064 μm,則纖芯直徑為6.134 μm,不圓度Nc計(jì)算值為1.109%。

光分析測(cè)量系統(tǒng)得到的特征參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1所示。表中,rodC1和rodC2分別為結(jié)構(gòu)對(duì)稱的兩個(gè)應(yīng)力區(qū),與上述計(jì)算結(jié)果一致,纖芯和包層不圓度低,同心誤差小;保偏光纖實(shí)現(xiàn)了包層80 μm、內(nèi)涂層135 μm、外涂層165 μm的精確幾何尺寸設(shè)計(jì)(直徑精度±0.7 μm),應(yīng)力區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)稱、涂層均勻,滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

表1 特征參數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of characteristic parameters

2.3 高低溫老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

拉制10 km的保偏光纖隨機(jī)抽樣5根,每根325 m,抽樣率達(dá)16.25%,光纖彎曲直徑為15 cm,進(jìn)行高低溫老化實(shí)驗(yàn)。先降溫到-55 ℃,保持30 min,然后升溫到80 ℃,保持30 min,最后回到常溫25 ℃,變溫速率為1.5 ℃/min[19]。實(shí)驗(yàn)后的衰減、串音、拍長(zhǎng)測(cè)試[20-21]結(jié)果如表2所示。

表2 高低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of high and low temperature aging

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,極限溫度時(shí)(低溫-55 ℃,高溫80 ℃)光纖功率衰減與常溫相比有所增大,但功率衰減和串音變化幅度小,性能穩(wěn)定。經(jīng)高低溫老化后,每根光纖截取2 m左右測(cè)試拍長(zhǎng),測(cè)試得到的拍長(zhǎng)小,數(shù)值穩(wěn)定,偏振性能良好。

3 國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)對(duì)比

使用本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)國(guó)內(nèi)主要保偏光纖生產(chǎn)公司長(zhǎng)2700 m、工作波長(zhǎng)1310 nm、包涂直徑80 μm/135 μm的保偏光纖進(jìn)行損耗、拍長(zhǎng)、串音測(cè)試,結(jié)果如表3所示。

表3 各公司參數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of parameters of each company

從測(cè)試結(jié)果可以看出,本單位研制的光纖損耗低(0.42 dB/km)、拍長(zhǎng)短(2.15 mm)、串音小(-24.9 dB),處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。后續(xù)將致力于減小拍長(zhǎng)和損耗,進(jìn)一步提升保偏光纖產(chǎn)品性能。

4 結(jié) 論

采用MCVD工藝制備的80 μm/135 μm型保偏光纖,其幾何尺寸精確、結(jié)構(gòu)均勻、具有優(yōu)良的保偏性能;采用智能化的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行各項(xiàng)特征參數(shù)的測(cè)試,操作流程簡(jiǎn)單、測(cè)試結(jié)果高效準(zhǔn)確,高低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明光纖性能穩(wěn)定,已廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。