光纤偏振模色散与外应力的关系

2019-11-03 18:23:48

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供稿：网友

谢晓红
　　(南京华新藤仓光通信有限公司，江苏南京210038)　

　　摘　要:文章介绍了光纤上的外应力对偏振模色散(PMD)的影响，并通过实验数据分析了外应力与PMD的关系.

　　关键词：偏振模色散；应力；收线张力

　　光纤的偏振模色散(PMD)不同于其它光学特性，除了光纤的本征特性外，它对外界的温度、弯曲和扭转等所带来的外应力的作用相当敏感，这使PMD的变化和数值测试变得难以把握.在光纤和光缆制造过程中及敷设后的光缆线路上，最易发生变化、最容易受到的外界影响就是外应力的大小.所以了解和研究应力与PMD的关系对光纤光缆的制造与使用都有很大的意义.

　　1　PMD的测试与分析

　　1.1　PMD在光纤内的形成与变化

　　我们目前所生产的普通单模光纤从理论上说应属于圆均匀光波导,在横截面上，折射率在一系列同心圆构成的环状区域内均匀分布.但是由于工艺不稳定因素的影响,实际的产品已非严格意义上的圆均匀光波导,而具有了非圆光波导的特征,即在光纤截面上两组正交的偏振模LP y和LPx的传播常数βx和βy不相等,形成双折射,这就是PMD形成的机理.PMD的形成从制造的角度分析有两个原因：生产过程无法保证光纤纤芯截面是绝对的圆形,总有一定的椭圆度；材料的热膨胀系数不一致造成光纤横截面上各向异性而导致光纤折射率的各向异性.这两种原因都使得光纤横截面上βx方向和βy方向的传播常数不一样.光纤的PMD除上述本征因素外,还会受到其它外因的干扰.若光纤受到外力的作用,涂覆层部分会因外力而对光纤内部产生剪切力,导致光纤传输层(包层和纤芯部分)的形变，形变又会导致βx方向和βy方向的传播常数发生变化.另一方面,因βx方向和βy方向相差很小,在外力的作用下,这两种偏振模会随机地互相耦合.因此这两种原因都会使PMD发生变化.

　　在光纤的实际生产中，受到纯应力作用的可能性很小,一般情况下，光纤都是在一定的应力下，以一定的弯曲半径存在.本文要讨论的就是这种情况，即保持弯曲半径不变，了解外应力对PMD的作用.

　　1.2　试验的背景条件

　　在最新颁布的《单模光纤偏振模色散试验方法》(YD/T1065-2000)标准中,规定了无论何种测试方法,都要求试样卷绕半径最小不得超过150mm,所受的外力基本为0(典型值为0. 15N),正确的测试数据应在这样的条件下得到.若要满足这样的测试条件，弯曲半径的要求是可以达到的，光纤盘的半径通常为150mm，但要求外力为0无法满足,无论光纤处于哪一制造工艺过程中,必将受到大于0.15N的收线张力的作用.常用的收线张力为0.9（半成品的收线张力）、0.7、0.6 N（成品纤可能的收线张力）.我们想通过测试了解在弯曲半径为 150mm的情况下，不同收线张力对PMD的影响.

　　1.3　试验的设计

　　(1) 设定加载在光纤上的张力：0.9、0.8、0.7、0.6、0.4、0 N;(说明：所谓0张力是指将光纤以任意的张力卷绕在盘上,完成后,将光纤盘抽出,使光纤处于松散状态).

　　(2) 所用光纤盘的直径：300mm.

　　(3) 试验光纤：为减少试验的偶然因素,将实验分为两个批次进行,每一批次选择20盘光纤, 盘长为2km.

　　(4) 试验过程:将所有光纤依次以设定的收线张力卷绕在盘上,测试其PMD值，在整个试验过程中，除改变收线张力外，盘径和长度均要求保持不变.

　　1.4　试验数据与分析

　　我们用两个多月完成了整个试验过程，经测试获得了39组有效数据，先将所有PMD数据做一总结，如表1所示.

　　从各收线张力下的PMD平均值来看，无论是第一批次还是第二批次的光纤，在其它条件基本不变的前提下，PMD数值随着收线张力的变化而变化.当收线张力逐渐变小时，PMD数值也呈递减趋势(见图1).这样的结论是否严密,是否适用于每个试样单位呢?为了更深入地了解,我们将每一组数据进行详细的分析，发现了以下几个问题：

　　(1) PMD随收线张力的变化是非线性的.如果PMD随着收线张力的变化是线性的,当以同样间隔大小改变张力时,PMD的变化值也应是一样的.例如，我们将张力从0.9 N减到0.8 N再减到 0.7N,那么从0.9 N减到0.8 N所对应的PMD的变化值与从0.8N再减到0.7N时对应的PMD 的变化值应该是一致的.但实际的数据并非如此,我们就以0.9N到0.7N的数据为例,图2 是将两组变化值的差值再做减取绝对值后的分布图.我们可以看到,这些数据非常的不集中, 可见,这两组变化值的一致性很差，其它张力下的情况亦是如此.因此PMD随张力的变化是非线性的,当收线张力均匀变化时,PMD的变化是非均匀的.

　　(2) 不同的张力对PMD的影响程度是不一样的.当收线张力从0.9 N变到0.8 N时,PMD的变化量

集中在之间,平均为0.024 ps/

;当收线张力从 0.8N变到0.7N时,PMD的变化量集中在-0.02～0.04 ps/

之间,平均为0.014ps /

;当收线张力从0.7N变到0.6N时,PMD的变化量集中在0.009～0.09 ps/

之间,平均为0.035 ps/

;当收线张力从0.6 N变到0.4 N时,PMD的变化量集中在-0.049～0.051 ps/

之间,平均为0.006 ps/

.

　　在分析平均值时,曾得到PMD随张力减小而递减的趋势,当我们对每一组数据进行分析时,情况显得比较复杂.当收线张力减小时，PMD的变化量有正值,也有负值,但是大小不同的张力依次递减时,带给PMD的变化量是不一样的,除了以上所述的具体数据不同外,有两个较明显的特征：

　　· 当收线张力从0.7 N减少到0.6 N时,PMD值有明显的递减,差值都集中分布在正值区，并且这时递减的数值相比张力的其它变化时要大.所以在0.7～0.6 N之间应存在一个应力对P MD作用的临界点,在不需精确计算的情况下,可将0.7 N看成这个临界点.

　　· 当收线张力在低于0.6 N以下的张力区,收线张力对PMD几乎没有影响,图3我们虽然看到当收线张力从0.6 N减少到0.4 N时,PMD也有变化.但这时的变化量和其它情况下不同的是, 变化量的值集中分布在一个正负对称的区域内,从统计学的知识考虑,我们可以认为,这时张力的改变对PMD是没有影响的.

　　需要说明的是,以上对张力影响的分析与前面计算平均值时分析的结论并不矛盾，PMD确实会随着收线张力的减小而减小,只不过有些张力变化对它的影响程度大；有些张力对它的影响程度小.

　　(3) 光纤的本征PMD值.这里我们将光纤不受张力时的PMD值称为本征值.这时影响光纤PMD值的因素是光纤本身结构的不均匀和光纤的内应力.

　　从试验数据来看,NWF公司光纤PMD的本征值平均为

数据主要分布在0. 02～0.05之间(见图3)，这是一个比较理想的数值. 目前还无法推导出外应力和PMD的准确对应关系,因此还无法了解外应力下的PMD值和本征值的对应关系.

　　2　讨论

　　(1) 从以上的分析中，我们知道当收线张力从0.7N变化到0.6N时,PMD应有明显的递减.为了验证这点,我们又做了以下的测试比较：

　　将复绕的收线张力设为0.7 N,着色的收线张力设为0.6 N,那么着色后的PMD系数应小于着色前的PMD系数.我们取了300盘光纤,比较了着色前后的数据差值.实际数据没有理论分析得那么理想，从平均值来看，PMD系数确实减小了,但在整个数据的分布中，有部分PMD值增加了, 笔者分析产生的原因可能是,这次比对实验所用光纤的盘长较长(12.6 km),盘径较小(15 2mm),因此排线状态不好控制,影响了PMD的变化.另外,在实际生产中,还会有一些我们还不了解的影响PMD的因素.去除这些意外因素的影响,我们认为验证的结论是成立的.

　　(2) 若在光纤上加一纯拉应力，则可以证明，由于对称性不会产生感应双折射.但是如果把光纤拉伸以后，再绕在半径为R的轴上（这和生产中的情况是一样的），则在光纤上有一反作用力，这时弯曲引起的二级应力效应，再加上两个应力分量，就会产生附加的双折射, 此时因应力和弯曲引起的βx和βy相位差的表达式为

　　式中，A为光纤的外径;R为弯曲半径;SZZ为外加的轴向拉伸应变;ν为泊松比； p12、p11为光弹张量.

　　在石英光纤中，ν=0.17；p11=0.121；p12=0.270，我们可通过PMD系数计算出相位差，由以上的公式可求解不同PMD系数所对应的光纤的应变，如表2所示.

　　表2中的PMD是根据PMD系数换算而来（

），并且此处的PMD已减去了光纤的本征PMD（根据无张力下的测试情况，都以0.04 ps代入）.

　　可见,在弯曲半径一定的情况下,光纤的轴向应变与张力有直接关系,前面提到收线张力从 0.7 N变到0.6N,PMD会有较大的变化,同样,0.7N带给光纤的轴向应变与0.6N带给光纤的轴向应变相比,也会有较大的变化.

　　3　结论

　　根据以上试验分析，可得出如下结论：

　　(1) 在其它条件保持一定的情况下，在0.9～0N的外应力段,对PMD的影响可分为3个层次.

　　第1层：0.9～0.7 N;

　　第2层:低于0.7 N;

　　第3层:无外应力(0 N).

　　当外应力属于同一层时，对PMD的影响很小；当外应力的变化跨越层级时，将带来PMD的较大变化.

　　(2) 光纤的应变在测试上有很大难度.当有环境、设备的限制时，更难以操作，通过了解P MD与外应力的关系，我们也找到了了解光纤应变的新方法，在不必严格计算的情况下，此方法可为我们提供参考数据，同时如果我们知道光纤的应变，也就可以知道PMD的大致分布情况.

　　实际生产和使用光纤时，外界条件是无法完全控制的，因此在实际生产中反映出的特性和以上的分析可能不完全吻合.我们以后的实验方向将是继续寻找除应力外，影响PMD的其它因素，也希望在生产和使用中能将PMD控制在一个较好的水准上.

　　参考文献

　　［1］廖廷彪.光纤光学 [M].北京：清华大学出版社，2001.

　　［2］陈炳炎.单模光纤的偏振模色散及其测量原理 [A].光纤光缆的设计和制造论文集 [C].常州:中国电子元件行业协会光电线缆分会常州神雁光纤通信有限公司,2001:141-158.

摘自光通信研究

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