利用调幅和调频旋转函数形成超低PMD光纤的系统和方法

摘要

公开了一种用于制造单模光纤的系统和方法，其在制造过程中将旋转引入熔融的光纤中。旋转的引入使称作偏振模色散(PMD)的一种类型失真最小，并且已知，改变旋转即改变其特性可进一步减小PMD。然而，将旋转引入熔融光纤上可能导致也将扭曲引入到光纤上。扭曲是冷却光纤上的一种非永久性旋转力，可引起应力，应该避免。公开了一种旋转函数，不仅包含用于减小PMD的高度可变性，而且还保证光纤上的机械扭曲最小，从而减小光纤上的应力。该旋转函数在一周期开始处调制振幅、频率，或者调制两者，以使光纤上的扭曲最小。

说明书

背景技术

本发明涉及制造单模光纤的系统和方法。更准确地说，涉及定义用于在宽带光纤双折射上减小PMD(偏振模色散)，同时使引入光纤上的扭曲最小的旋转函数。

众所周知，通信系统中普遍使用的所谓“单模光纤”不是纯粹的单一模式。相反，在单模光纤中存在两个具有垂直偏振的模式。参见例如Dandliker，R.的Anisotropic and Nonlinear OpticalWaveguides(各向异性和非线性光波导)，C.G.Someda和G.Stegeman(编者)，Elsevier，N.Y.，39-76，1992。从数学上，这两个偏振形成一正交基础集(orthogonal basis set)。从而，可由这两个模的线性叠加表示通过单模光纤传播的任何光形态。

如果光纤在几何形状和内部以及所施加的应力方面均为完全圆对称，则这两个偏振模发生简并。两个偏振模将以相同群速度传播，并且在光纤中传播相同距离之后没有时间延迟差。不过，典型光纤并非完全圆对称。诸如几何形状和形变以及应力不对称性的缺陷，打破两模的简并。参见例如Rashleigh，S.C.，Journal of LightwaveTechnology，LT-1：312-331，1983。结果，两个偏振模以不同传播常数(β₁和β₂)传播。传播常数之差称为双折射(Δβ)，且被表示为：

        Δβ＝β₁-β₂

双折射使光纤中传播的光的偏振态沿光纤长度方向周期性演变。偏振态回到其初始状态所需的距离为光纤拍频长度(L_b)，它反比于光纤双折射。具体来说，拍频长度L_b给出如下：

        L_b＝2π/Δβ

因此，具有较大双折射的光纤具有较小拍频长度，反之亦然。实际中观察到的典型拍频长度是从短至2-3毫米(高双折射光纤)到长达10-50米(低双折射光纤)。

除了导致光纤中传播的光偏振态周期性改变以外，存在双折射意味着两个偏振模以不同群速度传播；该差别随双折射增大而增大。两个偏振模之间的时间延迟差称为偏振模色散或PMD。PMD引起对高位速系统和模拟通信系统非常有害的信号失真。

已经公开了多种减小PMD的方法。一种减小PMD的现有技术方法包括在光纤拉制过程中旋转预制棒(由纯玻璃形成光纤)。参见，例如Barlow等人，Applied Optics(应用光学)，20：2962-2968，1981；Payne等人，IEEE Journal of Quantum Electronics，QE-18：477-487，1982；Rashleigh，“Fabrication of CircularlyBirefringent Single Mode Fibers”，Navy Technical DisclosureBulletin 5：7-12，1980；和PCT专利公开No.WO83/00232。旋转能使沿轴方向光纤的内部几何形状和/或应力不对称性围绕光纤轴旋转。通过在拉制过程中，即预制棒的根部基本熔化时进行旋转，实质上对光纤非对称性进行纯粹的旋转，其与光纤拉制之后如果发生扭曲产生的非对称性旋转和引入旋转应力的组合不同。为了讨论利用旋转减小PMD，参见例如Schuh等人，Electronics Letters，31：1172-1173，1995；和Ulrich等人，Applied Optics，18：2241-2251，1979。

Arthur C.Hart，Jr.等人(下文中称为“Hart”)在美国专利No.5,298,047中公开了另一种减小PMD的方法，讨论了通过在拉制过程中以相对较低速度旋转光纤而减小PMD，与旋转预制棒不同。(也参见美国专利No.5,418,881)。具体来说，Hart专利公开了一种基本上以正弦方式变化的旋转函数。即，可以将以沿Hart光纤长度方向的距离z为函数的Hart旋转速度α写作：

α(z)＝α₀sin(2πfz)

其中α₀为以转数/米为单位的Hart旋转幅值，f为以米的倒数为单位的Hart纵向频率，即f代表Hart旋转速度α沿光纤长度方向的改变。

此处所用的术语“旋转函数”描述以距离z为函数的旋转速度即α(z)，或以时间t为函数的旋转速度即α(t)。由通过光纤拉制速度得出的相应距离旋转函数可直接推导出施加给光纤的时间旋转函数(反之亦然)。通常，拉制速度一般不变，不过可以改变。如下面更详细讨论的那样，光纤制造过程中采用的旋转函数，无论表示成距离的函数还是表示成时间的函数，和制成光纤中存在的所产生旋转函数一般不相同。这种差异的一个原因是由于操纵光纤的设备中的机械作用，例如光纤与用于向光纤和/或预制棒施加旋转函数的装置之间界面处的滑动。

Henderson的美国专利5,943,466(下文称为“Henderson”)公开了改进的旋转函数，即：(1)并非基本恒定，即大体上随着沿光纤长度方向的距离或时间而改变；(2)并非大体上为正弦；和(3)具有足够大的变化性，例如足够大的谐波成分，以对于多个拍频长度使PMD大大减小。

Henderson公开了多种非均匀旋转函数。例如，可以构造成不同频率正弦成分加权和的旋转函数，且选择成分数量和其权重，以产生可实现本发明PMD减小的整体作用。还可以随机产生旋转函数。在某些最佳实施例中，该旋转函数为调频或调幅的正弦函数，调制足以使旋转函数基本上不成为正弦形。

无论使用何种方法，施加到光纤上的旋转以及所施加旋转的性质均影响PMD减小的程度。当光纤处于热区域中时旋转被“施加”到光纤上，并引起扭转形变，导致光纤从其熔融状态冷却时形变被“冻结”到光纤中。一旦冷却，光纤就呈现出永久的“旋转”，即永久的扭转形变。然而，严重的是，实际引入熔融光纤中的旋转量并不总与试图引入的量相同。有多种因素影响旋转传递。

例如，图1说明用于形成光纤的设备。光纤25可以在施加扭曲的辊60上“滑动”。另外，熔融光纤与旋转装置60之间的光纤段长度影响冷却程度，从而影响实际施加的旋转量。旋转装置60可以包括一辊191或其他装置，以提供旋转并将角运动θ₁55施加给光纤。不过，该旋转装置60处于距离加热装置15一定距离处，从而经过涂覆涂层的时间光纤已经稍微冷却，并且一旦光纤与旋转装置接触则进一步冷却。因而，当旋转装置在下端施加角运动θ₁55时，不同的角运动θ₂28被施加到颈缩区域20附近，其值θ₁＜θ₂。这部分是由于：

1.颈缩区域与旋转装置之间的长段光纤；

2.涂层的粘滞拖曳特性；

3.颈缩区域本身的粘滞拖曳特性；

4.光纤在旋转装置中的滑动；以及

5.沿光纤长度方向光纤的温差。

从而，与试图引入的旋转相比，实际引入的旋转小于100％，但与试图引入的旋转密切相关。

除了“旋转”以外，在制造过程中测量的与光纤有关的另一量度为“扭曲”。旋转与扭曲度量相关，现有技术中有时互换使用这些术语。有时，在现有技术中不区分这些词，或者差别基于上下文，这有可能产生混淆。如此处所用，  “旋转”指引入熔融态光纤(即冷却之前)中的旋转，而“扭曲”指光纤冷却之后引入到光纤上的旋转。旋转施加到熔融光纤中，并且当光纤冷却时被永久固定。扭曲指光纤冷却之后施加在光纤上的机械旋转力，且可以改变。在光纤中发生扭曲一般是由于旋转过程，与旋转不同，扭曲通常是将扭曲应力引入到光纤上，这是因为扭曲在光纤冷却之后，并且与其熔融态相比变得相对无弹性时引入。通过沿另一方向施加旋转力，可以“取消”或减小扭曲，而旋转是永久的。过量扭曲可导致微观断裂，促使或导致光纤最终物理性破裂。因而，希望减小或消除引入光纤上的扭曲。

Hart考虑到可能发生扭曲，并发现了一种减小光纤上扭曲的方法。Hart揭示出通过展开和重绕光纤而“重新缠绕”光纤，不过这种校正扭曲的方法费时且劳动量大。最好避免或使制造过程中引入的扭曲最小，达到可接受的水平，并避免制造之后进行附加控制或处理来减小扭曲。Hart还公开了使用纯正弦旋转函数，结果对于一给定周期在光纤上引入大小基本相等且符号相反的扭曲，使净扭曲为零。不过，Henderson也公开了一种可变旋转函数，其与纯正弦旋转函数相比，在减小PMD时更加有效，不过没有提出使扭曲最小的方法。选择一种旋转函数(Hart)使扭曲最小，而选择另一函数(Henderson)使PMD最小。

因而需要一种使PMD最小，同时使引入光纤中的扭曲最小的旋转函数。

发明概述

本发明的一个目的在于提供一种光纤，其具有纵轴和一通过一旋转函数施加的可在该光纤中观察到的旋转，从而使该旋转函数所施加旋转：(i)具有足够大的可变性，以对于多个拍频长度提供减小偏振模色散；和(ii)在所述旋转函数产生所述变化的点之间没有产生净旋转。

本发明的另一目的在于提供一种光纤，其具有一纵轴和一可在光纤中观察到的旋转，其中所述旋转通过一旋转函数产生，对于至少一部分光纤该旋转函数随沿所述轴的距离而改变，从而使所述旋转函数为一调制正弦函数，其中所述调制正弦函数在与其整周期数相应的间隔上具有零净转数。

本发明的又一目的在于提供一种制造光纤的方法，包括从预制棒拉制光纤，由旋转装置将一旋转施加到该光纤上，其中该旋转装置使用一为调制正弦函数的旋转函数，其中所述调制正弦函数在与其整周期数相应的间隔上产生零净旋转。

附图简要说明

图1描绘一在制造过程中拉制光纤的设备。

图2A-2B描绘用于图1光纤制造设备中的现有技术的旋转装置，其使用和不使用倾斜(cant)将旋转引入光纤制造中。

图3A描绘图2A-2B的现有技术旋转装置所采用的一种均匀、线性旋转函数。

图3B描绘图2A-2B的现有技术旋转装置中所采用的纯正弦旋转函数。

图3C描绘由图2A-2B的现有技术旋转装置使用图3B中描绘的纯正弦旋转函数，根据正弦旋转函数赋予光纤中的旋转的测量结果。

图4描绘现有技术中频率可变的另一旋转函数。

图5A描绘根据本发明一个实施例，一用于旋转扭曲减小的光纤的可变振幅旋转函数。

图5B描绘根据本发明原理的一个实施例，一用于旋转扭曲减小的光纤的可变频率旋转函数。

图6描绘根据本发明一个实施例，一用于旋转扭曲减小的光纤的组合可变振幅和可变频率的旋转函数。

本发明详细说明

下面将参照附图更加充分地描述本发明，在附图中表示出本发明的部分但非全部实施例。当然，可以多种不同方式实施这些发明，不应该视作限于此处提出的实施例；相反，提供这些实施例，使本公开将满足可应用性正当要求。在附图中相同附图标记表示相同元件。

随着使用光纤以越来越快的传输速度传输信息，光纤质量变得更加关键。在低传输速度时无关紧要的多种缺陷，可能会成为影响更高传输速度的重要因素。一种这类缺陷为称为偏振模色散(PMD)的失真类型。如上所述，众所周知单模光纤实际上包含基模两个偏振态。这些状态彼此正交，并具有能以不同速度传播的性质。理想情况下每个模以相同速度传播，不过光纤中的缺陷可导致双折射，即两个偏振态之间的相对传播延迟。

减小PMD的一种众所周知的方法，是在形成光纤时旋转该光纤。图1说明一种典型光纤设备。预先形成一纯玻璃预制棒10，以为光纤提供材料。使用传统方法由热源15加热该预制棒。一旦将预制棒加热到其熔点，并拉制出光纤，就形成称作颈缩20的有角度的区域。单根光纤25从半熔融态预制棒中冒出，并通过一直径监测器30。该光纤被继续向下拉，并通过一涂层敷贴器40，涂覆一涂层来保护该光纤。该光纤还通过使该光学涂层固化的装置43，以及监测该涂层涂覆之后总直径的监测器45。然后该光纤25遇到一旋转装置60，该旋转装置60可以包括一辊191，其将一旋转施加到光纤中。在先专利中已经描述了这类旋转装置，可能包含辊或缠绕轮(参见例如美国专利5,298,047)。之后光纤25最终遇到一系列牵引光纤的辊65。然后围绕卷筒(未示出)缠绕该光纤。

图2由另一透视图更详细说明图1中的辊60，65，其中图1旋转装置60的辊191相应于图2中的辊291，依此类推。在图2A中，辊291不将任何旋转施加到在此说明中的光纤25上。不过，图2B说明，辊291倾斜一角度，用于将旋转施加到光纤上。辊291前前后后地振动，从而引入所需扭曲量。如前所述，根据上述因素，所施加的旋转少于试图施加的旋转(由旋转函数定义)。不过，可将旋转施加到熔融光纤上，并可使用多种技术进行测量。

可利用将不同幅值施加到光纤中的不同旋转函数来调制辊291。使用图3A-3B中的曲线说明某些传统旋转函数。图3A说明一种常数旋转函数，其在一米长度上沿单一方向具有恒定旋转速度。在该图中，在光纤长度上表现出恒定的3转/米。在图3B中，表示一纯正弦旋转函数，其中该旋转函数沿光纤长度方向按照正弦波函数以周期方式改变。正值表示沿一个方向旋转，负值表示沿另一方向旋转。至于对于正值或负值，哪个方向是顺时针或逆时针并不重要，因为旋转方向是相对的。

图1中旋转装置60的操作，受执行包含旋转函数的软件算法的处理器(未示出)的控制。该处理器还可以控制图1中典型光纤设备的其他方面。这些具体方面，包括通过改变包括绞盘70在内的辊65的速度控制拉制速度；控制热源15的热量；以及从直径测量装置30接收直径测量结果。

如前所述，所施加的实际旋转不等于试图施加的旋转。该旋转函数代表后者一试图施加的。Hart专利描述了一种对于1.5米/秒拉制速度，所施加的作为60周/分即纯正弦形式的振荡的旋转函数。测量施加到光纤上的实际旋转，其相应于由Hart的图6复制的图3C的曲线380。同样，对于3.0米/秒拉制速度，106周/分的纯正弦旋转函数产生图3C中曲线381描绘的被测出的所施加旋转函数。不过，为了说明本发明，重点放在该旋转装置的旋转函数上，认为实际施加的旋转函数可以稍有不同。从而，观察到施加在光纤中的旋转与旋转函数稍有不同。因此，虽然旋转函数在与整周期数相应的时间段上可以具有零净转数，不过在相应时间间隔上使用该函数施加到光纤上的实际旋转可能具有一小净转数(即一非零值)。这种轻微差别在预料之中，不应该断定用不包含本发明原理的旋转函数制造这类光纤。

返回图3B，假定光纤拉制速度不变，则在X轴上表示的光纤长度与时间成正比。从而，选择图3B中由L₁ 320和L₂ 330界定的光纤长度，导致ΔL 340的长度与可表示成ΔT 370的T₁ 350和T₂ 360有关。在该间隔内(视作时间周期或光纤长度)，由代表旋转函数的曲线和代表零旋转速度的线围成区域₁ 310。另外，区域₁ 310可以表示成L₁与L₂之间旋转函数的积分。该面积相当于“(转/米)×米”，且是该间隔内施加到光纤中的转数。由于所公开的旋转函数是周期性的，并且具有相同振幅，故得出区域₁ 310与区域₂ 320面积相等，不过代表相反方向的旋转。将区域₁ 310与区域₂ 320相加，产生最终结果为零，意味着净转数等于零，其相当于施加到光纤上零净扭曲。因此，纯正弦旋转函数在光纤上不产生净扭曲。可以在下式中将其表示成在一个或多个周期上积分该旋转函数，结果为零： $>\underset{}{\overset{}{}}$>

其中α(z)表示以沿光纤的长度z为函数的某一旋转函数，z_n为该旋转函数第n周期的起点，T_n(z)为第n周期的长度，可以为沿光纤的长度的函数。

确实，虽然在一周期之内光纤给定部分上可能存在净扭曲，不过在该周期结束时净扭曲将恢复成零。结果没有净增加扭曲引入到光纤上，且对于与X周期相应的长度光纤上的扭曲应该不大于单个周期中的最大扭曲。

不过，如Henderson指出，纯正弦旋转函数或基本正弦旋转函数不能使PMD的减小最优。Henderson披露了一种实际上能进一步减小PMD的可变旋转函数。Henderson揭示，足够大的可变性，例如旋转函数具有足够的谐波成分，可使PMD显著减小。Henderson还揭示，如果需要可以同时执行频率和调幅，不过在这样做时必须注意两个调制不相互影响，以至于产生其中旋转速度基本恒定的光纤部分(从而不形成足够的谐波成分)。因此，Henderson揭示，为了保证足够的谐波成分，而非为了避免扭曲，最好分别而不是同时调制振幅或频率。Henderson中一例具有足够谐波成分的旋转函数为从Henderson复制的图4中公开的旋转函数。该旋转函数具有等振幅，不过在沿光纤距离的不同点处频率改变，D(z)。

然而，Henderson没有论述或认识到必须避免光纤中的扭曲。Henderson指出，通过在一周期中间改变频率而远离零净扭曲的旋转函数，如通过观察图4所证明的，披露了一种可变调频旋转函数。具体而言，注意代表一“周期”的Z₁ 410与Z₃ 430之间的距离，可以看出由该曲线与零轴界定的区域的积分不为零。区域₁ 450的面积当与区域₂460相加时不为零。与纯正弦旋转函数不同，该函数在一周期上的积分不得零值。换句话说，该旋转函数产生可导致将一净扭曲引入到光纤的净旋转。或者，如果由Z₂ 420和Z₄ 440定义该“周期”包含区域₂ 460和区域₃ 470，则由于频率逐渐增加，区域₂ 460必然大于区域₃ 470。因而，区域₂ 460与区域₃ 470的和必然非零，且一正的净扭曲被引入Z₂ 420与Z₄ 440之间。

可定义一其中不产生净扭曲的可变旋转函数。这种旋转函数具有改变频率或振幅或同时改变频率和振幅的特性，不过前提是改变发生在周期开始/结束处。换句话说，该旋转函数被调整到特定周期，具体来说是一周期的开始/结束。避免如Henderson所述在一周期期间改变频率/振幅，因为这可能引起净扭曲。

这可使用图5A进行说明，图5A描绘了一种可变振幅旋转函数。在本发明该实施例中，表示出一种具有恒定频率的旋转函数。具体而言，对于任何周期，表示成L₁，L₂，L₃，L₄等等的光纤长度间隔，等于另一周期的光纤长度，不过旋转函数的振幅发生改变。在L₁期间，正振幅等于负振幅。因为曲线界定的区域_L1-a 510与区域_L1-b520相等，故在这两个区域中施加到光纤中的转数相等，不过方向相反。从而，L₁期间引入光纤上的净扭曲为零。同样，区域_L2-a 530与区域_L2-b 540相等，L₂期间引入的净扭曲也为零。从而，如果考虑L₁+L₂的间隔，则净扭曲也为零。通过将分析扩展到其他周期，显然任何周期时间内的净扭曲均为零，并且在任何整数时间周期上的净扭曲也为零。因此，可变振幅旋转函数定义为，具有增加Henderson中所揭示的PMD减小，同时避免如Hart所述引入扭曲的优点。

在上面的讨论中，认为曲线下的面积相等，且其和为零。应当理解在实际应用中数值会发生某些改变，使在可接受容限内面积基本相等，且其和基本为零。

图5B说明本发明另一实施例，表示一种可变频率旋转函数，不过是一种恒定振幅旋转函数。周期表示为L₁，L₂，L₃，L₄等等。此周期为不等间隔，不过每个周期的旋转具有相等振幅。与图5A的分析相似，由曲线界定的面积代表该间隔期间施加的转数。具体来说，区域_L5-a 560和区域_L5-b 570界定的面积代表该间隔(L₅)内的转数。由于区域_L5-a 560和区域_L5-b 570的面积和为零，故L₅期间引入光纤上的净旋转为零，从而在L₅上产生零净扭曲。同样，L₆期间引入的净旋转和扭曲也为零，且图5B中间隔L₅和L₆上组合净扭曲与旋转必须也为零。

可通过同时改变振幅和频率来说明本发明原理，用以获得超低PMD值同时仍然保持零净扭曲。在图6中进行说明，其中X轴代表时间。图6表示出相等的间隔，如t₂和t₃，不过振幅不同。同样，图6表示出旋转函数的振幅相等的间隔，如t₃和t₅，不过频率不同。然而，观察任何特定周期，表明函数在该周期上的积分为零。例如，对于t₂，由区域_t2-a 610和区域_t2-b 620界定的面积和为零。这是因为施加到区域_t2-a 610中的旋转大小等于区域_t2-b 620，但方向相反。因此，所施加的净旋转和净扭曲为零。该分析对t₁，t₃，t₄等产生相同结果。观察连续时间周期，例如t₃+t₄+t₅，也产生零净旋转与扭曲。再一次获得未将扭曲引入纤维光缆中的用于获得超低PMD值的可变旋转函数。

可以通过多种方法确定振幅、频率或两者组合的改变。为了使用上述旋转函数在光纤中产生适当程度的可变旋转，可由某类随机分布(即，均匀，正态等)或其它函数如线性函数，选择振幅或频率值序列，可以离线产生与所拉制任意固定长度光纤相应的旋转函数，并用于产生光纤旋转装置的动作命令。可以沿光纤方向顺序使用该固定长度序列，假定其长度足以覆盖光纤的基本长度(即500米)。还可在光纤旋转装置操作过程中产生随机序列，以对所产生的数值提供更大程度的变化性，将降低序列发生重复的可能性。还可能重新产生一将覆盖任意长度光纤的序列，而不对旋转函数的变化量进行任何明显限制。

可以将目前已知或者现有技术中随后研究的Hart中讨论的各种旋转机制或其他机制用于本发明实践中。参见，例如Arditty等人的美国专利No.4,509,968，描述了一种光纤拉制时围绕其轴旋转光纤的装置。概括而言，无论如何构成，旋转装置都将包括用于向光纤施加旋转力的光纤接触装置，例如一辊；和用于沿随时间改变的非正弦空间图案移动该光纤接触装置的驱动装置，例如一计算机控制驱动马达和用于限定光纤接触装置运动的相关机械连接。

根据此处公开的内容，实现本发明方法的其他机制对本领域技术人员而言是显而易见的。例如，有可能通过使用非正弦旋转预制棒的机制实现本发明，当单独使用或与向光纤施加旋转力一起组合使用这种预制棒旋转。

例如，图1，2A和2B所示的旋转装置60可以执行本发明的旋转函数。在这种情形中，可以控制辊191，使其遵从该旋转函数中的一个振动。例如，在一个实施例中，本发明的系统和方法控制该旋转装置，以使用与图5A所示类似的可变振幅旋转或与图5B所示类似的可变频率旋转来旋转光纤。另外，在某些实施例中，本发明的系统和方法可以控制该旋转装置，以如图6所示同时改变振幅和频率来旋转光纤。可以测量施加到光纤中并非严格等于该旋转函数的实际旋转。可以很容易确定所施加旋转的存在，例如通过显微检查光纤中的气泡以确定芯椭圆度或偏心率的旋转，或者通过移动磁光调制器，如M.J.Marrone等人，Optics Letters，Vol.12(1)，p.60所用。

上面提出了减小PMD的改进方法和设备。虽然公开了特定实施例，不过本领域技术人员知道，可通过所公开实施例以外的其他方法实现本发明，所公开的实施例为了说明而非限制的目的，而且本发明仅受后面权利要求限制。