熊貓保偏光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備工藝及性能研究.pdf

1、隨著通信系統(tǒng)傳輸速率的提高和光纖陀螺等高精度光纖傳感器件的發(fā)展，對偏振態(tài)的系統(tǒng)控制問題變得非常重要，相應(yīng)地廣泛開展了關(guān)于保偏光纖技術(shù)的研究。熊貓保偏光纖是通過在單模光纖纖芯兩側(cè)對稱引入一對高熱膨脹系數(shù)的圓形應(yīng)力區(qū)，使得具有正交偏振態(tài)的兩個基模LP01x 和LP01y 解簡并，形成特有的高雙折射性能。本文對熊貓保偏光纖理論設(shè)計、制造工藝及性能進行了研究，主要內(nèi)容如下： (1) 系統(tǒng)地調(diào)研了國內(nèi)外保偏光纖技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了保偏光

2、纖的原理和雙折射特性、制造方法和在光器件中的應(yīng)用。結(jié)合國內(nèi)外主要產(chǎn)品性能指標(biāo)，回顧了該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了國內(nèi)該領(lǐng)域發(fā)展嚴(yán)重滯后的技術(shù)瓶頸。 (2) 由于應(yīng)力型保偏光纖在常規(guī)單模光纖的結(jié)構(gòu)中引入了對稱的應(yīng)力區(qū)，并產(chǎn)生獨特的雙折射性能，因此，從理論上分析和設(shè)計保偏光纖的應(yīng)力結(jié)構(gòu)參數(shù)、探討雙折射性能的測試原理和評估保偏光纖的機械可靠性等問題顯得尤為重要。本文在理論分析與設(shè)計部分分別從應(yīng)力模型和經(jīng)典Maxwell 弱導(dǎo)近似原理

3、對熊貓保偏光纖的應(yīng)力區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)和芯區(qū)折射率剖面進行了深入的理論研究，給出了熊貓保偏光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)和性能指標(biāo)。系統(tǒng)地介紹了偏振光相關(guān)的基本概念，分析了通過差分群時延法測試保偏光纖在不同工作波長時光纖拍長的理論依據(jù)和測量誤差，結(jié)合與幾種經(jīng)典測試方法的比較結(jié)果，給出了適合規(guī)?；a(chǎn)的測試方法?；诔Ｒ?guī)通信光纖的壽命預(yù)期理論，考慮了結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的影響后推導(dǎo)了熊貓保偏光纖的失效機制和壽命預(yù)期理論，并給出了熊貓保偏光纖機械可靠性的評估方法。

4、 (3) 針對國內(nèi)該領(lǐng)域制造技術(shù)嚴(yán)重滯后的技術(shù)瓶頸，本文在制造工藝部分回顧了常規(guī)通信光纖的核心技術(shù)，重點分析了等離子化學(xué)氣相沉積（PCVD）工藝的工藝原理、工藝控制和實現(xiàn)方式。通過對PCVD 工藝沉積機理和拉絲過程中成錐機理的理論分析，對影響光纖預(yù)制棒的工藝參數(shù)和影響光纖性能參數(shù)的拉絲工藝參數(shù)分別進行了定性探討。基于PCVD 工藝提出了研制長距離、低損耗熊貓保偏光纖的“PCVD 大棒組合拉絲工藝”，并詳細介紹了熊貓保偏光纖制備工藝的

5、技術(shù)路線、工藝流程和關(guān)鍵工藝控制參數(shù)。同時基于高摻硼石英玻璃的材料性能研究，詳細介紹了制備應(yīng)力元件的材料設(shè)計和工藝控制方法。具有自主知識產(chǎn)權(quán)的制備工藝從本質(zhì)上克服了目前制備大尺寸應(yīng)力棒和對石英預(yù)制棒進行機械打孔等工藝瓶頸，結(jié)合熊貓保偏光纖預(yù)制棒的結(jié)構(gòu)特征進行拉絲工藝優(yōu)化后，制備了兩大類五種系列的熊貓保偏光纖。 (4) 光纖的光學(xué)性能參數(shù)決定了光纖的傳輸特性，是判斷光纖性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。而光纖的幾何性能參數(shù)的優(yōu)劣通常是通過光學(xué)參

6、數(shù)體現(xiàn)出來的，光纖的機械性能參數(shù)主要與光纖的使用壽命有關(guān)。在性能研究部分，基于對熊貓保偏光纖雙折射性能和機械可靠性測試原理的深入研究，本文給出了包括幾何性能、機械可靠性、雙折射性能、光學(xué)性能和環(huán)境適應(yīng)性能的測試方法。本文也詳細介紹了主要性能指標(biāo)的定義和測試方法，基于大量測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，本文重點討論了制造工藝對這些性能參數(shù)的影響。最后，根據(jù)熊貓保偏光纖的性能測試結(jié)果，反復(fù)優(yōu)化工藝后實現(xiàn)了五種系列產(chǎn)品的規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)。 本課題取

7、得的主要創(chuàng)新成果如下： (1) 建立了保偏光纖的應(yīng)力模型，并將其應(yīng)用到多種類型的應(yīng)力型保偏光纖。雙折射性能數(shù)值分析的結(jié)果對應(yīng)力區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計有指導(dǎo)意義； (2) 從應(yīng)力區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計、應(yīng)力區(qū)摻雜材料選擇和芯區(qū)折射率剖面等方面綜合考慮了熊貓保偏光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，給出了兩大類（125um 和80um）五種熊貓保偏光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能指標(biāo)； (3) 深入研究了熊貓保偏光纖雙折射性能的測試原理，提出了采用差分群時延法測試熊貓

8、保偏光纖在不同工作波長時拍長的測試方法。經(jīng)與Jones 矩陣法和Mueller矩陣法比較，可以判定該測試方法精度高、易操作，適合規(guī)?；a(chǎn)； (4) 基于常規(guī)通信光纖的壽命預(yù)期理論，考慮了結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的影響，推導(dǎo)了熊貓保偏光纖的失效機制和壽命預(yù)期，并給出了熊貓保偏光纖機械可靠性的評估方法； (5) 提出適合規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)的“PCVD 大棒組合拉絲工藝”制備熊貓保偏光纖系列產(chǎn)品，體現(xiàn)了良好的批次一致性和工藝通用性，成功實現(xiàn)