光纖包層不圓度與偏振模色散間關係的研究
隨著光纖通信系統的迅猛發展,原本微小的基模偏振現象越來越引起人們的關注。在核心網的光傳輸系統中,光纖的偏振模色散(PMD)是限制其向10Gbit/s以上高速、超長距離傳輸等方向發展的主要因素之一。而最近有研究表明,即使在接入網中,為保障傳輸信號的質量,也需要對光纖的PMD加以重視。本文將對光纖的包層不圓度與PMD的關係做深入分析,指出光纖的包層不圓度應控制在某一合理範圍內才能有效限制光纖的PMD及其波動範圍,一旦超過這一範圍,則需要運用搓扭裝置,對光纖進行有效的旋轉,來改善光纖的PMD,並控制其變化範圍。
PMD的相關概念和影響因素
單模光纖傳輸中,光波的基模是由兩個相互正交的偏振模耦合而成的。光在理想圓柱形對稱光纖中傳播且光纖受力均勻的情況下,這兩個偏振模將是同相的,且具有相同的群速度,這樣光波在傳輸時將不會因此而產生脈衝展寬。然而,在實際的光纖中,由於光纖截面或多或少會有一定的橢圓度,而且在光纖的製造過程中,其內部的殘餘應力很難被消除,這兩個相互正交的偏振模將具有不同的相位和群速度,由此耦合而成的基模在傳輸時將形成脈衝展寬,產生高階畸變,使信號失真。這種因兩個正交偏振模之間步伐不一致造成的差分群時延,稱之為PMD。
在實際度量中,根據影響因素的不同,將PMD分為本徵PMD和非本徵PMD。所謂本徵PMD,是指由光纖本身不圓度、內部殘餘應力引起的雙折射效應,該值是對光纖本身特性的一個描述。非本徵PMD是指光纖在受到各種作用力如側向壓力、彎曲、扭轉以及光纖連線等情況下引起的PMD。通常光纖廠商給出的PMD值都是光纖在繞盤狀態下(光纖被卷繞在盤具上)測試得到的值,是光纖PMD的非本徵值。基模的兩個偏振模之間會發生能量轉換,產生模式耦合,這種耦合對溫度、壓力和光源波長等的輕微波動很敏感,故模式耦合具有一定的隨機性,因此PMD是個統計量,而光纖的非本徵PMD則會因外界條件的變化而變化,是個隨機值。真正有意義的是光纖的本徵PMD。如果光纖PMD的本徵值能控制在一個很小值,並且只能在一個狹小的範圍內波動,則外界條件對其的影響將被限制,其非本徵值也會穩定在一個很小的範圍內。
試驗思路設計
雖然光纖的本徵PMD才是光纖本身特性的一個真實反映,但是要得到光纖PMD的本徵值就必須將光纖進行松繞,使其處於完全鬆散不受力的態。一盤光纖一旦松繞之後將很難再完好地卷繞在盤具上,實際上松繞之後的光纖除了進行相關指標測試外基本上就等於報廢了。實際可行的操作還是對光纖進行繞盤測試。那么由繞盤測試得到的PMD有多大的可信度呢?由於光纖的不圓度對光纖的PMD具有關鍵的影響,如果光纖的不圓度能控制在一個合理的區間內,則光纖PMD的本徵值也能控制在一個較小範圍內,從而約束其繞盤PMD值,使其不會偏離本徵值太遠,進而使繞盤值具有一定的可信度。我們決定對具有不同包層不圓度的光纖進行PMD的繞盤值與其本徵值的對比研究,如果在某個光纖包層不圓度值下,光纖PMD的本徵值比其繞盤值要小或者差別不大,則選取繞盤值為基準是安全的;反之,如果在某個光纖不圓度值以上,光纖PMD的本徵值比其繞盤值要大,則選取繞盤值就是不可信的,這樣的光纖就需要廢棄或者對其進行處理,控制其PMD的波動範圍,使其繞盤值具有可信度。也就是說,我們需要選取在合理不圓度波動範圍內的光纖,雖然國標內並沒有對光纖不圓度進行嚴格的規定,但是為保證產品的質量,應該將具有質量隱患的產品控制在工廠內,不能讓其外流。
顯然,選取光纖包層不圓度的波動區間進行對應的PMD的研究比選取各個不圓度的值更切合實際情況。根據實際的情況,我們將包層不圓度的波動區間劃分為7個區間,即:0.02～0.1,0.1～0.2,0.2～0.3,0.3～0.4,0.4～0.5,0.5～0.6,0.6以上。對各個區間內的PMD繞盤值和本徵值進行對比分析,考察不圓度的最大合理控制區。
具體實施中,首先在沒有通過旋轉裝置旋轉光纖的情況下用各類預製棒拉制大量光纖並對其進行相應的松繞處理,採集相關數據,分析光纖未旋轉情況下的最大合理包層不圓度控制區;然後在旋轉光纖的情況下再做同樣的工作,分析光纖旋轉情況下的最大合理包層圓度控制區。從而為實際生產提供指導。
光纖未旋轉情況下的試驗結果
我們對光纖在繞盤情況下的PMD值進行了統計分析,考察其標準偏差情況,選取各個包層不圓度區間為橫坐標,繞盤PMD值為縱坐標,統計結果如圖1所示。
圖1由圖1可以看出,所有光纖的PMD均在合格範圍內,而且其均值均控制在0.05左右。各個包層不圓度區間之間的PMD波動差別也並不明顯,雖然在PMD平均值上隨包層不圓度的值變大有稍微上移的現象,但總體幅度很小。那么這個繞盤PMD值對比其本徵值情況又會怎樣呢?是否仍是如此平坦呢?我們對這些光纖進行了松繞測試,並將本徵值與繞盤值相減,選取各個包層不圓度區間為橫坐標,選取PMD的本徵值與繞盤值之差為縱坐標繪成圖2。
圖2很明顯,隨著包層不圓度的增大本徵值開始增大,在不圓度超過某一區間後,本徵值已明顯比繞盤值要大,差值也由負變為正。包層不圓度在0.02～0.10,0.1～0.2和0.2～0.3這些區間內,本徵值與繞盤值的差值波動較小且為負值,說明在這些包層不圓度區間內的光纖繞盤PMD值的可信度都是可以接受的,而在0.4～0.5,0.5～0.6和0.6以上的區間內差值變為正並且急劇增大,說明這些區間內的光纖繞盤PMD值可信度較小,尤其是在包層不圓度為0.5以上的區間,PMD的繞盤值更不可信。
光纖旋轉情況下的試驗結果
圖3
圖4其後,我們對光纖在旋轉狀態下的PMD值進行了統計分析,仍是考察其標準偏差情況,選取各個包層不圓度區間為橫坐標,繞盤PMD值為縱坐標,統計結果如圖3所示。 與圖1對比發現,在包層不圓度為0.3以下的區間,兩圖差別較小,而在0.3以上的區間,PMD的變化更趨平坦,PMD值隨不圓度增大而上移的幅度更加小了。我們依然對這些光纖進行了松繞測試,將其本徵值與繞盤值相減,選取各個包層不圓度區間為橫坐標,選取PMD的本徵值與繞盤值之差為縱坐標繪成圖4。 由圖4可知,差值曲線比圖2變得要平緩些,差值波動較小且為負值的區間在原有的0.02～0.10,0.1～0.2和0.2～0.3上增加到0.3～0.4,而在0.4～0.5,0.5～0.6上差值雖仍為負值或接近0,但相比上述區間已有較大幅度的上升,而不圓度為0.6以上的區間已開始為正值且上升幅度開始加劇。這說明旋轉光纖的情況下,在0.4以下的包層不圓度區間內,光纖PMD的繞盤值具有很高的可信度,大於這一區間內的光纖最好作為次品處理。
結論
圖5從理論上講,光纖的包層不圓度越低越有利於生產出具有較低PMD值的光纖。而經過上述分析我們認為,光纖的包層不圓度如能控制在一個較小的區間內(如0.3～0.4),就能避免由此帶來的對光纖PMD值的不良影響,而如果採用光纖旋轉技術,則包層不圓度的控制區間還可以擴大。處於這個包層不圓度區域的光纖,其繞盤PMD值將具有較高的可信度,可以作為一個選取光纖的基準。烽火藤倉公司出品的光纖其不圓度控制區間大量數據統計結果如圖5所示。 超過99%的光纖其包層不圓度控制在0.4以下,已基本消除了包層不圓度為0.6以上的光纖。其PMD的繞盤值具有較高的可信度,可以為客戶提供一定的參考基準。
