利用调幅和调频旋转函数形成超低PMD光纤的系统和方法

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 Optical Waveguides(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 Lightwave Technology，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(Lb)，它反 比于光纤双折射。具体来说，拍频长度Lb给出如下：

        Lb＝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 Circularly Birefringent Single Mode Fibers”，Navy Technical Disclosure Bulletin 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： $\underset{z_n}{\overset{z_n+T_n\left(z\right)}{\int }}\alpha \left(z\right)\mathrm{dz}=0$

其中α(z)表示以沿光纤的长度z为函数的某一旋转函数，zn为该 旋转函数第n周期的起点，Tn(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-b 520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。

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