（机械工程专业论文）熔锥型保偏光纤耦合器制造的关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 保偏光纤耦合器最大的特点在于能稳定地传输两个正交的线偏振光，并能保 持各自的偏振态不变，从而成为各种民用或军用干涉型传感器和相干通信的关键 器件，是构成高精度高性能光纤陀螺和水听器的基础元件之一。针对目前保偏光 纤耦合器制作中存在的速度慢、产量低、成品率低、器件性能的一致性差和产品 价格高的特点，对保偏光纤耦合器熔融拉锥制造理论和关键技术进行研究，探索 光波传输界面与制造界面的融合机制，获得光纤器件功能机械精度唏8 造 工艺制造能量与运动状态的相关规律，提出光纤器件性能升级的典型制造技 术与设备的解决方案，主要研究工作包括以下几个部分： l 、保偏光纤自动化对轴仿真研究 以p a n d a 光纤为例，基于p o l 法，利用光束传播法( b pm e t h o d ) 进行了定 轴仿真研究，基于数值仿真结果和实验结果，查明p o l 法成像机理，并对本课题 中采用的改进p o l 法一五点特征值法进行了理论分析，从而为保偏光纤自动化 对轴提供理论依据。 2 、熔锥型保偏耦合器耦合模型的建立与耦合过程理论研究 基于热。结构电磁多物理场耦合理论，借助有限元分析软件，分析了熔融拉锥 过程中应力区形状、应力区与包层折射率差、偏振主轴角度差、熔锥的熔融度等 参数对p a n d a 光纤耦合器传输特性的影响规律；基于缓变、非正规光波导理论， 建立了熔锥型保偏耦合器耦合模型，并对其耦合过程进行了分析，导出适应于圆 芯型、偏振主轴非平行时保偏光纤耦合器的耦合系数计算公式，形式简单、应用 方便。 3 、保偏光纤耦合器制造系统的构建 对保偏光纤耦合器制造系统的技术难点进行了分析，据此提出设计要求和原 则；以解决高精度、自动化和低成本为目标，构建了保偏光纤耦合器制造系统， 并对系统的性能进行了分析。 4 、保偏耦合器熔融拉锥工艺参数控制研究 影响熔锥型保偏耦合器性能的工艺参数有很多，选取对耦合器性能影响明显 的四个主要参数拉锥速度、氢气流量、氧气流量以及火头高度进行研究， 通过大量的工艺试验，应用正交试验方法分析这些参数对耦合器性能参数如分光 比、附加损耗以及熔锥长度的影响规律，总结出各工艺参数对各性能指标的影响 规律。 主题词：保偏光纤偏振轴光纤耦合器自动化对轴熔融拉锥 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t p o l a r i z a t i o n m a i n t a i n i n gc o u p l e r s ，w h i c h c a nt r a n s m i t o r t h o g o n a ll i n e a r l y p o l a r i z e dl i g h ts t e a d i l ya n dc a nm a i n t a i nas t a t eo fp o l a r i z a t i o no v g rl o n gl e n g t h ，a r e n e c e s s a r yf o rc o h e r e n to p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s , f i b e r - o p t i cs e n s i n gs y s t e m si n m i l i t a r ya n dc i v i lf i e l d , e s p e c i a l l yi nt h eh i g hp e r f o r m a n c eo p t i c a lf i b e rg y r o sa n dp m h y d r o p h o n e s u n t i ln o w ，f u s e db i c o n i c a lt a p e rp r o c e s sh a sb e e nd o n em a n u a l l y ，u s i n g h i g h l ys k i l l f u lt e c h n i q u e s c o n s e q u e n t l y ，t h ef a b f i c m i o ny i e l dh a sb e e nl o w ，t h e c o n s i s t e n c yo fp mc o u p l e r sp e r f o r m a n c eh a sb e e nb a d , a n dh a sl e dt oh i l g hp d c e sf o r t h e s ed e v i c e s t a k i n gt h et h e o r yo f m a n u f a c t u r i n ga n dt h ek e yt e c h n i q u e sb yf b ta st h e p o i n to fr e s e a r c h , t h ec o u p l i n gm e c h a n i s m so fi n t e r f a c eb e t w e e nl i g h tw a v e t r a n s m i s s i o na n dm a n u f a c t u r i n ga r ea n a l y z e d , a n dt h er u l e sb e t w l lf u s e dt a p e r c o m p o n e n t sf u n c t i o na n dt h e i rp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa r cp r e s e n t e d t h ep u r p o s eo f t h i s w o r ki st od e v e l o pt y p i c a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e sa n de q u i p m e n t sf o rp mf u s e d c o u p l e r s t h ec o n t e n t sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 a z i m u t h a la l i g n m e n tf o rp mf i b e ri sr e s e a r c h e d u s i n gb e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ，c o m p u t e rs i m u l a t i o no f a z i m u t h a la l i g n m e n tf o r p a n d af i b e r si sd o n e ，w h i c hb a s e do np o l a r i z a t i o no b s e r v a t i o nb yl e n s - e f f e c t - t r a c i n g ( p o l ) t e c h n i q u e b a s i n go ns i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h ei m a g i n g m e c h a n i s l t l so fp o lm e t h o da r eo b t a i n e d a n dt h et h e o r yo ff i v ec h a r a c t e r i s t i cp o i n t s m e t h o di sa n a l y z e d t h ec o n c l u s i o n sc a np r o v i d et h e o r e t i c a ld i r e c t i o nt oa z i m u t h a l a l i g n m e n tf o rp o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n go p t i c a lf i b e r 2 t h ec o u p l i n gm o d e lo fp mf u s e dc o u p l e ri sg i v e na n dt h ec o u p l i n gp r o c e s s t h e o r yi sa n a l y z e d b a s i n go nt h et h e o r yo ft h e r m a l - s t r u c t u r a l - e l e c t r o m a g n e t i cm u l t i p h y s i c s f i e l d i n t e r a c t i o n , t h em o d e lo fp mf u s e dc o u p l e ri sg i v e n u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n a l y s i st h ee f f e c t so ft h ep r o p a g a t i o np r o p e r t i e sf o rp m f u s e dc o u p l e r s ，i n c l u d i n gt h e s h a p eo fs t r e s sa p p l y i n gp a r t s ，t h er e f r a c t i v e i n d e xd i f f e r e n c eb e t w e e i lt h es t r e s s a p p l y i n gp a r ta n dc l a d d i n g ，t h ea n g l ed i s p a r i t yo f t h eb i r e f r i n g e n ta x e s ，a n dt h ed e f c e s o ff u s e dt a p e r a n dt h ec o u p l i n gm o d e lo fp mf u s e dc o u p l e ri sg i v e nb a s i n go nt h e c o u p l i n gm o d et h e o r yo fo p t i c a lw a v e g u i d e an e w f o r m u l af o rc o u p l i n gc o e f f i c i e n to f p mf u s e dc o u p l e r sh a sb e e nd e r i v e d ，w h i c hi sa p p r o p r i a t ef o ra n yp mf i b e rw i t hc o r e o f b o t hc i r c u l a ra n dn o n a l i g n e db i r e f r i n g e n ta x e s 3 am a n u f a c t u r i n gs y s t e mf o rp mf u s e dc o u p l e r si sp r o p o s e d t h ek e yt e c h n i q u e so ff b ts y s t e mf b rp mf u s e dc o u p l e r sa r ea a a l y z e d t h e n d e s i g n i n gr e q u i r e m e n t sa n dp r i n c i p l e sa l ep r e s e n t ah i g h - f r e ea u t o m a t i cm a n u f a c t u r i n g s y s t e mf 研p mf u s e dc o u p l e r si sp r e s e 咄a n d i ti sl o wc o s t t h ep e r f o r m a n c ei sg o o d 一 4 t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r so ff u s e db i c o n i e a lt a p e rf o rp mf u s e dc o u p l e ri s 第i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 s t u d i e d 1 1 圯p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so ff b tf o rp mf u s e dc o u p l e r sa r ei n v e s t i g a t e d a n e x p e r i m e n t a lm e t h o dt h a tt a k e si n t oa c c o u n tt h ed r a w i n gs l , e e d ，h y d r o g e nf l u x ，o x y g e n f l u x ，a n dh e a t e rh e i g h ti nt h ef b tp r o c e s si sp r o p o s e d b yt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ， t h ei n f l u e n c et ot h ec o u p l i n gr a t i o ，t h ee x t i n c t i o nr a t i oa n dt h el e n g t ho fp mf u s e d c o u p l e rb yt h o s ep a r a m e t e r si sa n a l y z e d t h ei n f l u e n c e so ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r st o c o u p l e rp e r f o r m a n c ea r ed e d u c e d k e yw 0 r d s ：p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n go p t i c a lf i b e r ，b i r e f r i n g e n ta x e s 。 f i b e rc o u p l e r ，a u t o - a l i g n m e n t f u s e db i c o n i c a lt a p e r 第i n 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表1 1 国外商用熔锥型保偏耦合器典型技术指标3 表1 2 保偏光纤的分类4 表3 1p a n d a 光纤材料属性2 8 表4 。l 对轴方法比较 表5 1 熔锥型保偏耦合器性能因素和水平分布表5 2 表5 2 熔锥型保偏耦合器性能正交试验方案与结果5 2 表5 3 熔锥型保偏耦合器因素与指标关系- 5 3 表5 4 保偏耦合器性能测试结果5 8 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 保偏光纤耦合器2 图1 2 熔融拉锥制造参数与光纤器件性能间的关系2 图1 3 常见保偏光纤类型5 图1 4 保偏光纤耦合器工作原理5 图1 5 用于光纤耦合器制造的电加热器。 图2 。l 消光比极值法测试原理1 1 图2 2 外力对保偏光纤偏振主轴的影响1 2 图2 3 光弹效法测试原理1 2 图2 4p o l 技术原理1 3 图2 5p a s 技术原理1 4 图2 6p o l 法自动化对轴原理1 4 图2 7p a n d a 光纤截面1 7 图2 8p a n d a 光纤截面折射率模型。i 1 8 图2 9 观测平面位于离纤芯不同位置处( z 向) ，不同角度一下光强分布曲线( 匹 配型) 1 9 图2 1 0 实验中c c d 面阵成像及光强分布曲线2 0 图2 1 l 五个特征点随光纤方位角变化的曲线( 匹配型) 2 0 图2 1 2 五个特征点随光纤方位角变化及五点特征的实验曲线( 匹配型) 2 0 图2 1 3 匹配型p a n d a 光纤的p o l 曲线2 l 图2 1 4 观测平面位于z = 7 0 9 i n 时0 。、4 5 。、9 0 。光强分布仿真曲线( 非匹配型) 图2 1 5 中心峰值点光强分布随光纤方位角变化的曲线( 非匹配型) 2 2 图2 1 6 加匹配液时p a n d a 光纤在不同口角下的光强分布仿真曲线z = 7 0 9 i n 2 3 图2 1 7 观测平面位于x = 7 0 1 u m 时s m f - 2 8 光强分布仿真曲线2 3 图3 1 熔锥型p a n d a 光纤耦合器结构图2 7 图3 2 熔锥型p a n d a 光纤耦合器截面图2 7 图3 3 应力区椭圆率对传输常数的影响2 8 图3 4 应力区与包层折射率差对传输常数的影响2 9 图3 5 爿：模纵向电场分布 里! ：! 堡堡圭塑鱼壅茎翌焦笪堂墼盟墅堕= = = = = = 二= = = 二= = = = = = = = = = ：= 二= = ：= ：! q 第v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图3 7 熔锥的熔融度对传输常数的影响3 l 图3 8 保偏光纤耦合示意图3 2 图3 9 偏振主轴无夹角时的耦合 图3 1 0 拉伸长度与分光比的关系 图3 1 1 消光比随偏振主轴角度差p 的关系 3 4 3 6 3 7 图4 1 熔锥型保偏耦合器制造系统结构框图3 9 图4 2c c d 视觉对轴系统4 0 图4 3 对轴机械平台 图4 4 软件控制界面r 4 1 图4 5 光纤旋转示意图4 2 图4 6 光纤夹具4 2 图4 ，7 匹配型p a n d a 光纤的p o l 曲线和拟和曲线4 3 图4 8 熔融拉锥机总体结构4 5 图4 9 封装机构4 6 图4 1 0 保偏耦合器熔融拉锥系统4 7 图5 1 保偏耦合器熔融拉锥工艺流程4 8 图5 2f b t 参数控制界面5 0 图5 3 分光比测控界面- 5 0 图5 4 分光比的因素与指标关系图5 3 图5 5 附加损耗的因素与指标关系图。5 4 图5 6 熔锥长度的因素与指标关系图5 5 图5 ，7 火焰温度场的分布，5 6 图5 8 温度变化曲线( 火头高度2 m m ) 5 6 图5 9 保偏光纤耦合器消光比测试原理5 7 第页 独创性声明 蕾，、声明所呈交的学位论交是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：鉴焦型堡堡出红揖金墨剑造鲍羞缝撞垄堡窒 学位论文作者签名：圭蝗 日期：砌年，f 月? ；日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规毛，本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阒；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库连行捡索，可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：鉴堡型堡堡左丝登佥墨型量鲍羞鳇垫查丛塞 学位论文作者签名：堑显日期：w i 年i f 月哆日 侈者指导教师签名：錾王鍪l 日期：口6 年f ，月五多日 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 课题“熔锥型保偏光纤耦合器制造的关键技术研究”，来源于自然科学基金 重点资助项目“光纤器件的亚微米制造理论与关键技术”，批准号为“5 0 2 3 5 0 4 0 ”。 本课题的目标是针对熔锥型保偏光纤耦合器制造理论与关键技术，研究其制造过 程中保偏光纤偏振主轴对准、保偏光纤耦合器的耦合理论以及制造工艺，探索光 波传输界面与制造界面的融合机制，获得光纤器件功能机械精度制造工 艺制造能量与运动状态的相关规律，提出光纤器件性能升级的典型制造技术 与设备的解决方案。 1 1 2 课题研究背景与意义 自二十世纪八十年代以来，光通信技术以其频带宽、信息容量大、传输损耗低、 抗电磁干扰等显著优点带来了通信业革命性的大发展。2 0 0 2 年世界光电子产业的 市场总额超过2 5 0 0 亿美元，预计2 0 1 0 年为5 0 0 0 亿美元，平均年增长率9 ，2 0 1 5 年为9 0 0 0 亿美元，年增长率可达1 1 ，呈现逐步上升的趋势【jj 。光纤器件作为光 技术的载体，其发展尤为迅速，据有关资料，仅光纤耦合器的全球市场在1 9 9 9 2 0 0 8 年间将从3 9 4 亿美元增长到1 7 5 亿美元，年均增长率达“1 2 j 。目前我国光 纤器件仍基本依赖进口或进口散件国内组装，国内的器件生产设备与技术全部依 靠进口。国内光纤耦合器的生产设备与技术基本全部依靠进口，最具代表性的武 汉邮电研究所和上海凯通电讯设备厂，均采用日本n t t 公司制造的熔融拉锥设备， 信息产业部2 3 所采用美国阿斯特公司的熔融拉锥设备p j 。我国要发展光通信产业， 必须对光纤器件制造原理和关键制造技术进行研究，提高光纤器件高精度制造的 能力。 光纤器件的制造是光学原理融合于机械科学的高精度、高难度的特殊制造技 术，对光纤器件功能生成原理、制造工艺规律的深层次研究是当前光纤器件制造 从技艺走向科学的必经之路。光纤器件的制造过程，可以认为是使光波在“光纤 一零件”结合界面上产生预期行为以实现光学原理与功能的过程，也是在设计、 加工、装配、检测的全过程对微细光纤器件亚微米精度的生成与保证的过程。 保偏光纤是一种对线偏振光具有较强的偏振保持能力的光纤，并且与普通单 模光纤具有良好的相容性而在光纤通信和光纤传感系统中得到了越来越广泛的应 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 以及复用的关键器件。它的最大特点在于能稳定地传输两个正交的线偏振光，并 能保持各自的偏振态不变，从而成为各种民用或军用干涉型传感器和相干通信的 关键器件，是构成高精度高性能光纤陀螺和水听器的基础元件之一【矾。 图1 1 保偏光纤耦合器 光纤耦合器的制造方法有二种：研磨法1 6 , 7 1 和熔融拉锥法p 1 0 1 。前者属于冷加 工法，即用传统的光学冷加工工艺，沿保偏光纤偏振主轴将光纤磨去一部分，然 后将磨去一部分的光纤用胶粘合在一起，这种方法工艺复杂、难度大、要求高、 且制成的耦合器体积大、温度稳定性差、实用价值不大，目前己很少采用；后者 属于热加工法，自1 9 8 5 年起，研究人员利用单模光纤间的消逝场相互耦合的机理， 利用熔融拉锥工艺，使一根光纤内的一部分光耦合到另一根光纤中，实现特定分 光比，从而制成光纤耦合器；熔融拉锥技术制成的光纤耦合器性能稳定、附加损 耗低，从而被广泛采用f “】。目前保偏光纤耦合器的制造大都是通过熔融拉锥法手 工完成的，即将两根光纤中部长约2 0 3 0 m m 部分的涂覆层剥去，擦拭干净，显微 对轴，然后采用紫外胶固定，再置于专用微火炬上进行熔融拉锥，使两根光纤融 合在一起，形成一双锥体，实现光的横向耦合，最后手工封装，形成耦合器协j 。图 1 2 是熔融拉锥制造参数与光纤器件性能间的关系。 图1 2 熔融拉锥制造参数与光纤器件性能间的关系 国内研究保偏耦合器的单位不是很多，北京玻璃研究所、电子工业部2 3 所、 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 国防科技大学、深圳朗光科技等单位都开展了保偏祸合器的研究工作，器件制作 基本上是手工操作，部分实现了半自动化，产量低，成品率也低，消光比 _ 1 8 d b ， 最好的可达3 0 d b 以上，已达当前国际水平，分光比典型值5 0 5 0 4 - 5 ，同国外相 当，附加损耗为o 5 d b 左右，略低于国外【5 】。表1 1 是美国l i g h t e l 公司、澳大利亚 a f w 公司、美国g e n e r a lp h o t o n i c s 公司以及n o v a w a v e 公司商用熔锥型保偏耦合 器典型技术指标。我国的保偏器件技术发展与国际基本同步，但在技术水平与产 业程度与国际先进水平相比存在一定的差距，不能形成规模化，主要是缺乏自主 知识产权的先进技术和创新成果，缺乏对光纤器件关键制造技术和装备的基础与 系统研究，自动化程度低，从而成为制约我国光纤器件制造水平和能力的颈瓶。 表1 1 国外商用熔锥型保偏耦合器典型技术指标 l i g h t e l 。“ a f w i 。“g e n e r a lp h o t o n i c s i l ”n o v a w a v e t l ，j 工作波长 1 3 1 0 r i m 带宽 士1 0 r i m：t ：4 0 n m：t ：2 0 n m士4 0 m n l c 如3 ) 分光比 1 , 5 ，l o ，2 0 , 3 0 ，4 0 ，5 0 1 , 2 ，5 ，l o ，5 0 5 0 ( 士5 ) 插入损耗：三o 5 d b! 抑6 d b 附加损耗 ! 田6 d b5 1 ，0 d b 回波损耗兰5 5 d b_ 5 5 d b 5 0 d b _ 2 0 r i b 消光比筮0 d b _ 2 0 d b _ 2 0 d b1 8 d b 方向性 5 5 d b _ 5 5 d b5 5 d b 光纤类型 p a n d ap mf i b e r 工作温度 0 7 0 5 7 0 - 4 0 1 2 8 5 5 c 7 0 1 2 存储温度 - 4 0 s 5 - 4 0 8 5 - 5 0 1 2 8 5 1 2- 4 0 8 5 自动化是提高光纤器件制造技术的唯一途径，也是行业亟需，从而实现低成 本批量化生产。本课题的研究为了适应军事和民用领域对高性能低成本的保偏光 纤耦合器越来越多的需求，针对目前保偏光纤耦合器制作中存在的速度慢、产量 低、成品率低、器件性能的一致性差和产品价格高的缺点，对保偏光纤耦合器的 熔融拉锥制造理论和关键技术进行研究，探索光波传输界面与制造界面的融合机 制，获得光纤器件功能机械精度制造工艺制造能量与运动状态的相 关规律，提出光纤器件性能升级的典型制造技术与设备的解决方案。 1 2 保偏光纤保偏光纤耦合器简介 1 2 1 保偏光纤 普通单模光纤中传输的是两个彼此正交的基模舰j 和h ，假想这两个基模 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的传输常数相同，即= 展一风= 0 ，则该光纤可以保持在其中传输的线偏振光 的偏振方向不变，即具有偏振保持能力。但在实际的应用过程中卢0 ，其原因 有二：光纤结构不可能达到数学上的理想几何结构，圆度、芯径等以及纤芯的 组成等有不均匀现象，结果使得0 ，等效于光纤x 轴和y 轴的折射率差不等于 零，即a n = 以一n y 0 ，该现象与双轴晶体类似，工轴与y 轴将分别视为慢轴和快 轴，即有了内部双折射；外部因素也会造成双折射，如光纤侧压力、温度的不 均匀、光纤弯曲、扭转等。内部双折射与光纤制造工艺水平有关，是固有双折射； 外界因素是随机的，偏振态变化也是随机的。为了克服这一缺点，在单模光纤中 人为引进一双折射，使得人为偏振态的变化远远大于随机偏振态的变化，将外界 随机干扰完全淹没，从而使偏振态得到控制和稳定，为调相式通信和传感提供基 础，这就是偏振保持光纤，简称保偏光纤i 肛1 9 l 。 二十世纪八十年代是保偏光纤研究发展的高峰时期，先后出现了多种类型， 如熊猫型 1 7 “1 9 】、蝴蝶结型伫o 】、椭圆纤芯型【2 l 】和椭圆包层型1 2 1 l 等。根据双折射类型 可分为高双折射和低双折射两种类型；也可按照双折射产生的原因分为应力效应 双折射和几何形状效应双折射。在实际的应用中并没有明确的区分低双折射和尚 双折射保偏光纤，通常以普通单模光纤的双折射b = 1 0 击1 0 4 作为区分高双折射和 低双折射保偏光纤的标准，如表1 2 所示保偏光纤的分类。 表1 2 保偏光纤的分类【l q 几何形状效应( g e )应力效应( s e ) 单偏振光纤 边槽型( s i d ep i t ) 蝴蝶结型( b o w - t i e ) ( s p ) 边隧道型( s i d et u n n e l ) 扁平包层型( f l a tc l a d d i n g ) 高双折射型 熊猫型( p a n d a ) ( h b ) 边槽型、边隧道型 蝴蝶结型、熊猫型，扁平包层 双偏振光纤 椭圆纤芯型( e l l i p t i c a lc o r e ) 型 ( t p ) 哑铃纤芯型( d u m b b e l lc o 他) 椭圆包层型( e l l i p t i c a l c l a d d i n g ) 四区纤芯型( f o r es e c t i o nc o r e ) 椭圆套层型( e l l i p t i c a lj a c k e t ) 低双折射型 ( l b ) 旋转型( s p u n ) 扭转型( t w i s t ) 保偏光纤的纤芯是椭圆形的，利用几何不对称性产生双折射效应：应力效应型常 见的有领结型、熊猫型和椭圆包层型三种保偏光纤，这类光纤的特点是在包层中 引入具有高膨胀系数的应力区挤压纤芯产生双折射效应，如图1 3 所示。在几种常 见的保偏光纤中，椭圆纤芯型保偏光纤由于其芯纤为椭圆形，在和其他光纤的耦 合上存在较大的问题，会造成较大的熔接损耗。领结型保偏光纤和椭圆包层型保 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 偏光纤目| ；i 大都采用改进的化学气相沉积法( m c v d ) 制造，由于这类光纤一般 包括外包层、应力层、内包层和芯层，而且所有的结构都一次沉积，同时熔缩成 形，制作过程中需要控制应力区的形状，同时保持内包层和纤芯的圆度和同心度， 因此制作过程复杂，成品率较低。熊猫型保偏光纤双折射效率高，结构简单、制 造效率高、制造方法灵活，因此在光纤市场上具有领先的地位。 图1 3 常见保偏光纤类型 保偏光纤因其特有的保偏能力而广泛地应用于各个领域。相干通信系统1 2 2 1 和 光纤陀螺口3 出1 是保偏光纤最早的应用领域，近年来保偏光纤还被广泛应用于光纤 偏振控制器1 2 5 堋、集成光学1 2 7 1 、光纤传感器瞄0 9 1 、光纤干涉仪3 0 l 、布拉格光纤光 栅洲、光纤水昕器f 3 2 1 、全光纤隔离器、光纤相位调制器l 州、光纤放大器和光 开关1 3 6 】等。 1 2 2 保偏光纤耦合器 保偏光纤耦合器的最大特点就是能稳定地传输两个正交的线偏振光，并能长 距离地保持各自的偏振态不变，这也是制造高性能、高精度光纤传感器和光纤惯 性器件的关键所在。保偏光纤耦合器能将在一根保偏光纤中传输的线偏振光分成 二路，在二根保偏光纤中传输，并保持偏振态不变，即保持仍沿主轴传输，且具 有高的消光比。工作原理如图1 4 所示。 f a s t - a x l s 兮船m 啦 图1 4 保偏光纤耦合器工作原理 保偏光纤耦合器的性能参数鄙主要有分光比、附加损耗和消光比，其中前两项 第5 页 黔芗 鳟 辊 国防科学技术大学研究生院学位论文 和普通单模光纤祸合器的性能参数相同，最后一项是保偏祸合器特有的性能参数。 ( 1 ) 分光比( c o u p l i n gr a t i o ) p c r 2 寻哥。1 0 0 ( 1 1 ) 厶o a t i 一输出端口相对于全部输出光功率的比例，分光比也称作耦合比。 ( 2 ) 附加损耗( e x c e s sl o s s ) 附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程带来的固 有损耗，定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值。 皿= 一1 0 1 9 一( d 8 ) ( 1 2 ) ，埘 ( 3 ) 消光比( e x t i n c t i o nr a t i o ) 保偏光纤耦合器消光比定义为 p e r = 1 0 1 9 詈- y ( 1 3 ) 一0 式中e 0 为沿主轴x 。输入的线偏振光的光功率，鼻，为保偏耦合器一输出端i i 中沿与 主轴x 。正交的偏振轴，】i 方向输出的光功率，它反映了耦合器对线偏振光的保偏程 度。在实际测试中，定义消光比为 p e r = 1 0 1 9 詈 ( 1 4 ) - 蛀 式中p 叫、p 劬分别为当偏振光沿耦合器输入端一偏振主轴x 。输入时，输出端光 功率的最大值和最小值( 其中最大值即为输出端沿偏振轴x 的光功率，最小值即 为输出端沿与主轴x 。正交的偏振轴z 方向输出的光功率) 1 3 熔锥型保偏光纤耦合器制造的国内外研究现状 目前可商用的保偏耦合器主要基于熔融拉锥法。熔锥型保偏耦合器的优势所 在，即是附加损耗低、体积小s - j q 。熔融拉锥法制作保偏耦合器，关键在于偏振主 轴的对准和控制，还要配合一系列专用技术，其中包括光纤平行靠紧熔融拉锥、 熔融拉锥工艺过程中保持偏振主轴稳定、器件封装等。此外对于保偏光纤也有特 殊要求，专用的光纤必须是折射率匹配型保偏光纾。 1 3 1 保偏光纤对轴技术 为了解决保偏光纤偏振主轴的测定与对准问题，世界上许多公司和研究组织 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 都进行了深入研究和开发。1 9 8 3 年日本n t t 研究人员k a w a l ao 等人提出了p a s ( p r o f i l e a l i g n m e n ts y s t e m ) 法，基于光纤透镜效应，通过测量焦平面上光强曲线 中两个最大光强峰值之间的距离变化，建立距离变化量与旋转角度之间的关系， 从而实现偏振主轴的测定，该法很快就应用到保偏光纤熔接机上。1 9 8 5 年日本n t t 研究人员k a t oy p s l 提出了消光比极值法，用非相干线偏振光注入保偏光纤入射端， 旋转检偏器和起偏器，通过检测输出功率极值的方位和消光比极值的方位，就可 确定保偏光纤输出端和输入端的偏振轴方位。1 9 8 8 年a b e b em 等人【3 9 j 将该法应用 到保偏光纤耦合器的制造过程中，探测精度可优于16 ，缺点是调整繁琐，而且不 能区分快慢轴。1 9 8 6 年美国s t a n f o r d 大学g i n z t o n 实验室和h a n s e n 物理实验室的 c a r r a r as l a 等人1 4 0 j 提出了光弹效应法，定轴可优于0 1 2 5 。，但由于此法会损 坏光纤，不适用于保偏耦合器的制造。1 9 9 3 年瑞典e r i c s s o n 公司的z h e n g w e n x i l l 】 提出了p o l ( p o l a r i z a t i o no b s e r v a t i o nb yt h el e n s - e f f e c tt r a c i n g ) 法，该法是测量光 纤的圆柱透镜效应焦点处的光强变化的种通用技术，测量距离短，便于集成到 便携设备中，1 9 9 4 年成功应用于保偏光纤自动熔接机上。现在商用的自动化保偏 光纤熔接机多是基于p o l 法实现偏振主轴的定位的。 光弹效应法会损耗光纤，所以不能用于保偏光纤耦合器制造过程中偏振主轴 的探测。消光比极值法装置复杂、调整费时费力，一般很少采用。p o l 法简便， 定轴精度较高( 1 。1 5 。) ，适用于各种类型的保偏光纤从而最具应用价值。但 是目前对其成像机理尚不明确，因为对于匹配型保偏光纤而言，应力区和包层的 折射率差极小， 0 ，1 ，在没有匹配液的情况下，仅凭肉眼是无法找到与其对 应的光强集中区域。查明其成像机理，有利用改进p o l 法，提高对轴精度。 1 3 2 熔融拉锥技术 熔融拉锥技术i 0 a 2 4 3 j 是将二根或数根剥除涂敷层的裸光纤以一定的方式( 打 绞或使用夹具) 靠近，在高温下加热熔融，同时向两侧拉伸，利用计算机监控其 光功率耦合曲线，并根据分光比与拉伸长度关系控制停火时间，最后在加热区形 成双锥形波导，从而制得全光纤器件的种技术，因其拉制的光纤大多为双锥形， 故又称为f b t ( f u s e db i c o n i c a lt a p e r ) 技术。加热方式大多采用气体燃烧，如氢 气焰、氢气氧气焰、甲烷氧气焰等，采用气体加热难以控制气流的稳定性，温度 漂移大。日本n ，r r 采用的是电加热方式，可实现闭环控制，温度漂移很小，缺点 是加热材料的寿命短。拉锥技术最早是人工控制，后来采用计算机控制，自动化 程度有所提高，但光纤涂敷层的剥除、清洁等还是需要手工操作。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 翻1 5 抖 于光纤耦合器制造的电加热器 用熔融拉锥技术研制的全光纤器件，经过2 0 多年的不断发展和提高，已经形 成可以开发除光非互易器件外的所有无源器件【1 1 m i ，如各类混合器、分路器、衰 减器、宽带窄带波分复用器等。熔融拉锥技术发展到现在，基本原理没有太大的 变化，技术上基本成熟。但到2 0 0 1 年以后，随着各种光纤新型器件的产生，如保 偏耦合器、偏振滤波器等保偏器件的广泛应用，给熔融拉锥技术提出了新的要求， 也给这种技术带来了新的生机。 1 4 论文主要研究内容 本论文对熔锥型保偏光纤耦合器的制造理论与关键技术进行深入研究，探索 光波传输界面与制造界面的融合机制，获得光纤器件功能机械精度制造 工艺制造能量与运动状态的相关规律，以提高器件质量，降低制造成本为目 标，实现熔融型保偏光纤器件的自动化制造，推进我国光纤器件制造业的发展。 论文主要研究内容有以下几个方面： l 、保偏光纤自动化对轴仿真研究 以p a n d a 光纤为例，基于p o l 法，利用光束传播法( b pm e t h o d ) 进行了定 轴仿真研究，基于数值仿真结果和实验结果，查明p o l 法成像机理，并对本课题 中采用的改进p o l 法五点特征值法进行了理论分析，从而为保偏光纤自动化 对轴提供理论依据。 2 、熔锥型保偏耦台器耦合模型的建立与耦合过程理论研究 基于热结构电磁多物理场耦合理论，借助有限元分析软件对影响熔锥区传输 常数的各种因素进行了仿真分析，得到其一般规律；基于缓变、非正规光波导理 论，建立了熔锥型保偏耦合器耦合模型，并对其耦合过程进行了分析，导出适应 于圆芯型、偏振主轴非平行时保偏光纤耦合器的耦合系数计算公式。 3 、保偏光纤耦合器制造系统的构建 对保偏光纤耦合器制造系统的技术难点进行了分析，据此提出设计要求和原 则。以解决高精度、自动化和低成本为目标，构建了保偏光纤耦合器制造系统， 第s 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 并对系统的性能进行了分析。 4 、保偏耦合器熔融拉锥工艺参数控制研究 影响熔锥型保偏耦合器性能的工艺参数有很多，选取对耦合器性能影响明显 的几个主要参数进行研究，通过大量的工艺试验，应用正交试验方法分析这些参 数对耦合器性能参数如分光比、附加损耗以及熔锥长度的影响规律，总结出各工 艺参数对各性能指标的影响规律，并确定保偏光纤耦舍器制作的最佳工艺参数。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章保偏光纤自动化对轴仿真研究 保偏光纤耦合器( p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gc o u p l e r ，p m c