论文摘要
随着通信系统传输速率的提高和光纤陀螺等高精度光纤传感器件的发展,对偏振态的系统控制问题变得非常重要,相应地广泛开展了关于保偏光纤技术的研究。熊猫保偏光纤是通过在单模光纤纤芯两侧对称引入一对高热膨胀系数的圆形应力区,使得具有正交偏振态的两个基模LP01x和LP01y解简并,形成特有的高双折射性能。本文对熊猫保偏光纤理论设计、制造工艺及性能进行了研究,主要内容如下:(1)系统地调研了国内外保偏光纤技术的发展现状,介绍了保偏光纤的原理和双折射特性、制造方法和在光器件中的应用。结合国内外主要产品性能指标,回顾了该领域的技术发展现状,并分析了国内该领域发展严重滞后的技术瓶颈。(2)由于应力型保偏光纤在常规单模光纤的结构中引入了对称的应力区,并产生独特的双折射性能,因此,从理论上分析和设计保偏光纤的应力结构参数、探讨双折射性能的测试原理和评估保偏光纤的机械可靠性等问题显得尤为重要。本文在理论分析与设计部分分别从应力模型和经典Maxwell弱导近似原理对熊猫保偏光纤的应力区结构参数和芯区折射率剖面进行了深入的理论研究,给出了熊猫保偏光纤的结构设计参数和性能指标。系统地介绍了偏振光相关的基本概念,分析了通过差分群时延法测试保偏光纤在不同工作波长时光纤拍长的理论依据和测量误差,结合与几种经典测试方法的比较结果,给出了适合规模化生产的测试方法。基于常规通信光纤的寿命预期理论,考虑了结构残余应力的影响后推导了熊猫保偏光纤的失效机制和寿命预期理论,并给出了熊猫保偏光纤机械可靠性的评估方法。(3)针对国内该领域制造技术严重滞后的技术瓶颈,本文在制造工艺部分回顾了常规通信光纤的核心技术,重点分析了等离子化学气相沉积(PCVD)工艺的工艺原理、工艺控制和实现方式。通过对PCVD工艺沉积机理和拉丝过程中成锥机理的理论分析,对影响光纤预制棒的工艺参数和影响光纤性能参数的拉丝工艺参数分别进行了定性探讨。基于PCVD工艺提出了研制长距离、低损耗熊猫保偏光纤的“PCVD大棒组合拉丝工艺”,并详细介绍了熊猫保偏光纤制备工艺的技术路线、工艺流程和关键工艺控制参数。同时基于高掺硼石英玻璃的材料性能研究,详细介绍了制备应力元件的材料设计和工艺控制方法。具有自主知识产权的制备工艺从本质上克服了目前制备大尺寸应力棒和对石英预制棒进行机械打孔等工艺瓶颈,结合熊猫保偏光纤预制棒的结构特征进行拉丝工艺优化后,制备了两大类五种系列的熊猫保偏光纤。(4)光纤的光学性能参数决定了光纤的传输特性,是判断光纤性能优劣的关键指标。而光纤的几何性能参数的优劣通常是通过光学参数体现出来的,光纤的机械性能参数主要与光纤的使用寿命有关。在性能研究部分,基于对熊猫保偏光纤双折射性能和机械可靠性测试原理的深入研究,本文给出了包括几何性能、机械可靠性、双折射性能、光学性能和环境适应性能的测试方法。本文也详细介绍了主要性能指标的定义和测试方法,基于大量测试数据的统计分析,本文重点讨论了制造工艺对这些性能参数的影响。最后,根据熊猫保偏光纤的性能测试结果,反复优化工艺后实现了五种系列产品的规模化工业生产。本课题取得的主要创新成果如下:(1)建立了保偏光纤的应力模型,并将其应用到多种类型的应力型保偏光纤。双折射性能数值分析的结果对应力区的结构设计有指导意义;(2)从应力区结构设计、应力区掺杂材料选择和芯区折射率剖面等方面综合考虑了熊猫保偏光纤的结构参数设计,给出了两大类(125um和80um)五种熊猫保偏光纤的结构参数和性能指标;(3)深入研究了熊猫保偏光纤双折射性能的测试原理,提出了采用差分群时延法测试熊猫保偏光纤在不同工作波长时拍长的测试方法。经与Jones矩阵法和Mueller矩阵法比较,可以判定该测试方法精度高、易操作,适合规模化生产;(4)基于常规通信光纤的寿命预期理论,考虑了结构残余应力的影响,推导了熊猫保偏光纤的失效机制和寿命预期,并给出了熊猫保偏光纤机械可靠性的评估方法;(5)提出适合规模化工业生产的“PCVD大棒组合拉丝工艺”制备熊猫保偏光纤系列产品,体现了良好的批次一致性和工艺通用性,成功实现了长距离、低损耗熊猫保偏光纤的产业化;(6)成功地将PCVD工艺应用到大尺寸应力棒的制备工艺,实现了直径超过10mm、掺杂浓度约22mol%的硼掺杂应力棒;(7)成功地开发了石英预制棒机械打孔工艺,使用该工艺制备的双孔套管具有几何尺寸精度高、表面粗糙度低的特点。