康宁公司科技工艺部
摘要：本文介绍了实现低PMD光纤的光纤拉丝技术，理论上分析了光纤拉丝原理，并讨论了光纤拉丝技术的应用情况。
关键词：光纤设计和制作、单模光纤
1. 引言
偏振模式色散（PMD）是限制长距离、高速率光传输网络系统发展的主要因素。光纤自身缺陷可能增大PMD，比如几何和压力不对称将导致两种偏振模式以不同的群速率在单模光纤中传输。在数字传输系统，PMD将导致脉冲分离和脉冲展宽，从而限制了比特速率和传输距离。
在过去十年，科学家就如何降低系统PMD做了大量努力。主要有两种方法，一是提高光纤在折射率和侧压方面的对称性，这主要在光纤生产过程中改善，保证光纤几何性能并减低光纤侧压。另一种方法是通过光纤拉丝来控制偏振模式耦合。光纤拉丝技术在上世纪90时代开始应用于光纤生产，并证明是降低光纤PMD的有效方案。
2. 光纤拉丝技术
Barlow在20多年前就提出光纤拉丝概念。那时的拉丝技术主要针对预制棒，这种方法对低速光纤而言简单适用，但不适用于高速光纤，因为发动机必须同时保持高速旋转。技术在90年代中后期得到改善，改良方案直接对光纤而不是预制棒进行拉丝。该方案如图1所示，光纤拉丝设备安装在顶部直接旋转光纤。、图中展示了两种光纤拉丝装置。
一种如图1（a）所示，滑轮和光纤相连。轮子在水平位置基础上倾斜几度，按照一定扭矩旋转光纤。第二种方案如图1（b），两个滑轮水平安装并和光纤相连。两个滑轮以相反的方向来回运动，从而旋转光纤。直接对光纤拉丝避免了高速旋转预制棒的问题。此外，该方案灵活性大，可以更好地控制不同拉丝方法，更大地减低PMD。
图1：光纤制作过程中的光纤拉丝技术，光纤拉丝装置图：（a）倾斜安装的滑轮；（b）两相对运动的滑轮
图2：不同光纤拉丝技术的PMD减少量：恒定、正弦曲线、频率调制（FM）和幅度调制（AM）
图2是光纤拉丝过程中几种典型方案，包括恒定或单向、正弦曲线、频率调制和幅度调制。恒定拉丝只有一个参数——拉丝幅度，因此最简单、直接。
但在制作线轴上经常会出现光纤缠绕聚合物，最近发明的专门绕缠工具可以解决这一问题。正弦拉丝来回旋转光纤，因此避免了缠绕聚合物。此外，正弦方案有两个参数——拉丝幅度和周期，可以更好地优化拉丝光纤PMD性能。在该方案中，幅度和周期必须预先设定从而最大地降低PMD值。为了更好地降低PMD，还可以采用频率或幅度调制。
拉丝技术还在发展，将来肯定会出现更好的方法，制作出更低PMD的光纤。
3. 利用耦合模式理论的光纤拉丝模型
上面提到了两种通过光纤拉丝技术降低PMD的方案。一种方案基于偏振状态，偏振色散向量的演变取决于动态平衡，与本地双折射向量相关。解决动态平衡可得到偏振色散向量，其系数表述了不同微分群时延（DGD）。
另一种方案基于Jones矩阵耦合模式原理。在该方案，两种偏振模式的拉丝幅度由耦合模式等式表示：
而A =(A1, A2)是拉丝幅度向量，K是2x2耦合系数矩阵，与之相关的有光纤双折射，光纤拉丝参数和其他扰动如外部弯曲和侧压。解决耦合模式等式可确定拉丝幅度和Jones矩阵。DGD可通过Jones矩阵计算出。为了推出PMD减少量，引入了名为PMD减少因子参数PMDRF ζ，定义为拉丝光纤（τ）和非拉丝光纤（τ0）的DGD的比值：
两个方案在理论上有相同的效果。在下面的分析中采用Jones矩阵模型。利用该方案可推出拉丝光纤的各种性能和特征。
4. 拉丝光纤性能
图2比较了恒定、正弦曲线、FM和AM旋转方案的PMD减少因素。如图2所示拉丝幅度为3转/米。在恒定拉丝中，PMD减少量随着光纤拍长增加而变大，因此不适用于短拍长、低拉丝速率情况。对于正弦拉丝，如果相位匹配条件或最佳条件满足，PMD可降低到0。相位匹配条件最初取决于拉丝幅度和拉丝相位。举个例子，图3所示为正弦拉丝模式中PMD减少因子vs.拉丝幅度和拉丝周期的分布图。通过图形可找到相位匹配条件，拉丝参数必须控制在很小的范围内。频率或幅度调制拉丝功能包括更多的傅立叶频率成分。它们可通过大范围的光纤拍长来提供极好的PMD性能。同时也减少光纤PMD分配的偏移量。
光纤拉丝模型与随机模式耦合理论结合让我们对拉丝光纤性能有了更多的了解。拉丝光纤在最佳拉丝条件和非最佳拉丝条件下有相当大的区别。短距离非最佳拉丝光纤在无随机干扰条件下，DGD与非旋转光纤长度保持线性比例变化。对于短距离最佳拉丝光纤，DGD不随光纤长度变化而在一固定范围内振荡。
在长距离随机模式耦合中，最佳和非最佳拉丝光纤的平方根规律对非旋转光纤仍然有效，只是比例系数不同，该系数取决于光纤拉丝参数。对于非最佳拉丝光纤，DGD随着模式耦合增加而降低，非拉丝光纤也有同样的结论。
另一方面，对最佳拉丝光纤而言，DGD随着模式耦合增加而增长。此外，光纤拉丝影响光纤偏振变化。可以发现偏振变化的空间周期，与PMD减少因素成反比。
光纤拉丝技术广泛应用于光纤生产，并证明是制作低PMD光纤的有效方法。举个例子，图4所示为康宁公司LEAF®光纤的PMD积分均值柱状图。由图可知采用拉丝技术的光纤PMD积分均值低于0.036 ps/√km。
图3：PMD减少量分布图
图4：LEAF®光纤的PMD积分均值柱状图
5. 总结
拉丝技术是生产低PMD光纤的有效方法。不同拉丝技术对降低PMD和提高拉丝光纤性能方面有很大影响。目前有更多的机构参与了拉丝光纤各方面的研究，相信不久会出现更优越的拉丝方案。
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摘自 光纤新闻网
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