熊貓保偏光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(duì)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(guò)在單模光纖纖芯兩側(cè)對(duì)稱引入一對(duì)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(gè)基模LP01x 和LP01y 解簡(jiǎn)并，形成特有的高雙折射性能。本文對(duì)熊貓保偏光纖理論設(shè)計(jì)、制造工藝及性能進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容如下： (1) 系統(tǒng)地調(diào)研了國(guó)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(guó)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(guó)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(duì)稱的應(yīng)力區(qū)，并產(chǎn)生獨(dú)特的雙折射性能，因此，從理論上分析和設(shè)計(jì)保偏光纖的應(yīng)力結(jié)構(gòu)參數(shù)、探討雙折射性能的測(cè)試原理和評(píng)估保偏光纖的機(jī)械可靠性等問題顯得尤為重要。本文在理論分析與設(shè)計(jì)部分分別從應(yīng)力模型和經(jīng)典Maxwell 弱導(dǎo)近似原理

3、對(duì)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(jìn)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(jì)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(guò)差分群時(shí)延法測(cè)試保偏光纖在不同工作波長(zhǎng)時(shí)光纖拍長(zhǎng)的理論依據(jù)和測(cè)量誤差，結(jié)合與幾種經(jīng)典測(cè)試方法的比較結(jié)果，給出了適合規(guī)?；a(chǎn)的測(cè)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(jī)制和壽命預(yù)期理論，并給出了熊貓保偏光纖機(jī)械可靠性的評(píng)估方法。

4、 (3) 針對(duì)國(guó)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)方式。通過(guò)對(duì)PCVD 工藝沉積機(jī)理和拉絲過(guò)程中成錐機(jī)理的理論分析，對(duì)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(jìn)行了定性探討。基于PCVD 工藝提出了研制長(zhǎng)距離、低損耗熊貓保偏光纖的“PCVD 大棒組合拉絲工藝”，并詳細(xì)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(shí)基于高摻硼石英玻璃的材料性能研究，詳細(xì)介紹了制備應(yīng)力元件的材料設(shè)計(jì)和工藝控制方法。具有自主知識(shí)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(duì)石英預(yù)制棒進(jìn)行機(jī)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(jìn)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(guò)光學(xué)參

6、數(shù)體現(xiàn)出來(lái)的，光纖的機(jī)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(duì)熊貓保偏光纖雙折射性能和機(jī)械可靠性測(cè)試原理的深入研究，本文給出了包括幾何性能、機(jī)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(cè)試方法。本文也詳細(xì)介紹了主要性能指標(biāo)的定義和測(cè)試方法，基于大量測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，本文重點(diǎn)討論了制造工藝對(duì)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(cè)試結(jié)果，反復(fù)優(yōu)化工藝后實(shí)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?jiǎng)?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(duì)應(yīng)力區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義； (2) 從應(yīng)力區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jì)，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(cè)試原理，提出了采用差分群時(shí)延法測(cè)試熊貓

8、保偏光纖在不同工作波長(zhǎng)時(shí)拍長(zhǎng)的測(cè)試方法。經(jīng)與Jones 矩陣法和Mueller矩陣法比較，可以判定該測(cè)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(jī)制和壽命預(yù)期，并給出了熊貓保偏光纖機(jī)械可靠性的評(píng)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(shí)現(xiàn)