[科普中国]-包层不圆度

包层不圆度是指光纤包层边界点确定最佳拟合椭圆，其长、短轴直径差值与光纤直径的比例。其一般测试方法为最小二乘法的椭圆拟合。

光纤包层不圆度与偏振模色散间关系的研究随着光纤通信系统的迅猛发展,原本微小的基模偏振现象越来越引起人们的关注。在核心网的光传输系统中,光纤的偏振模色散(PMD)是限制其向10Gbit/s以上高速、超长距离传输等方向发展的主要因素之一。而最近有研究表明,即使在接入网中,为保障传输信号的质量,也需要对光纤的PMD加以重视。本文将对光纤的包层不圆度与PMD的关系做深入分析,指出光纤的包层不圆度应控制在某一合理范围内才能有效限制光纤的PMD及其波动范围,一旦超过这一范围,则需要运用搓扭装置,对光纤进行有效的旋转,来改善光纤的PMD,并控制其变化范围。

PMD的相关概念和影响因素单模光纤传输中,光波的基模是由两个相互正交的偏振模耦合而成的。光在理想圆柱形对称光纤中传播且光纤受力均匀的情况下,这两个偏振模将是同相的,且具有相同的群速度,这样光波在传输时将不会因此而产生脉冲展宽。然而,在实际的光纤中,由于光纤截面或多或少会有一定的椭圆度,而且在光纤的制造过程中,其内部的残余应力很难被消除,这两个相互正交的偏振模将具有不同的相位和群速度,由此耦合而成的基模在传输时将形成脉冲展宽,产生高阶畸变,使信号失真。这种因两个正交偏振模之间步伐不一致造成的差分群时延,称之为PMD。

在实际度量中,根据影响因素的不同,将PMD分为本征PMD和非本征PMD。所谓本征PMD,是指由光纤本身不圆度、内部残余应力引起的双折射效应,该值是对光纤本身特性的一个描述。非本征PMD是指光纤在受到各种作用力如侧向压力、弯曲、扭转以及光纤连接等情况下引起的PMD。通常光纤厂商给出的PMD值都是光纤在绕盘状态下(光纤被卷绕在盘具上)测试得到的值,是光纤PMD的非本征值。基模的两个偏振模之间会发生能量转换,产生模式耦合,这种耦合对温度、压力和光源波长等的轻微波动很敏感,故模式耦合具有一定的随机性,因此PMD是个统计量,而光纤的非本征PMD则会因外界条件的变化而变化,是个随机值。真正有意义的是光纤的本征PMD。如果光纤PMD的本征值能控制在一个很小值,并且只能在一个狭小的范围内波动,则外界条件对其的影响将被限制,其非本征值也会稳定在一个很小的范围内。

试验思路设计虽然光纤的本征PMD才是光纤本身特性的一个真实反映,但是要得到光纤PMD的本征值就必须将光纤进行松绕,使其处于完全松散不受力的态。一盘光纤一旦松绕之后将很难再完好地卷绕在盘具上,实际上松绕之后的光纤除了进行相关指标测试外基本上就等于报废了。实际可行的操作还是对光纤进行绕盘测试。那么由绕盘测试得到的PMD有多大的可信度呢?由于光纤的不圆度对光纤的PMD具有关键的影响,如果光纤的不圆度能控制在一个合理的区间内,则光纤PMD的本征值也能控制在一个较小范围内,从而约束其绕盘PMD值,使其不会偏离本征值太远,进而使绕盘值具有一定的可信度。我们决定对具有不同包层不圆度的光纤进行PMD的绕盘值与其本征值的对比研究,如果在某个光纤包层不圆度值下,光纤PMD的本征值比其绕盘值要小或者差别不大,则选取绕盘值为基准是安全的;反之,如果在某个光纤不圆度值以上,光纤PMD的本征值比其绕盘值要大,则选取绕盘值就是不可信的,这样的光纤就需要废弃或者对其进行处理,控制其PMD的波动范围,使其绕盘值具有可信度。也就是说,我们需要选取在合理不圆度波动范围内的光纤,虽然国标内并没有对光纤不圆度进行严格的规定,但是为保证产品的质量,应该将具有质量隐患的产品控制在工厂内,不能让其外流。

显然,选取光纤包层不圆度的波动区间进行对应的PMD的研究比选取各个不圆度的值更切合实际情况。根据实际的情况,我们将包层不圆度的波动区间划分为7个区间,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。对各个区间内的PMD绕盘值和本征值进行对比分析,考察不圆度的最大合理控制区。

具体实施中,首先在没有通过旋转装置旋转光纤的情况下用各类预制棒拉制大量光纤并对其进行相应的松绕处理,采集相关数据,分析光纤未旋转情况下的最大合理包层不圆度控制区;然后在旋转光纤的情况下再做同样的工作,分析光纤旋转情况下的最大合理包层圆度控制区。从而为实际生产提供指导。

光纤未旋转情况下的试验结果我们对光纤在绕盘情况下的PMD值进行了统计分析,考察其标准偏差情况,选取各个包层不圆度区间为横坐标,绕盘PMD值为纵坐标,统计结果如图1所示。

由图1可以看出,所有光纤的PMD均在合格范围内,而且其均值均控制在0.05左右。各个包层不圆度区间之间的PMD波动差别也并不明显,虽然在PMD平均值上随包层不圆度的值变大有稍微上移的现象,但总体幅度很小。那么这个绕盘PMD值对比其本征值情况又会怎样呢?是否仍是如此平坦呢?我们对这些光纤进行了松绕测试,并将本征值与绕盘值相减,选取各个包层不圆度区间为横坐标,选取PMD的本征值与绕盘值之差为纵坐标绘成图2。

很明显,随着包层不圆度的增大本征值开始增大,在不圆度超过某一区间后,本征值已明显比绕盘值要大,差值也由负变为正。包层不圆度在0.02～0.10,0.1～0.2和0.2～0.3这些区间内,本征值与绕盘值的差值波动较小且为负值,说明在这些包层不圆度区间内的光纤绕盘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以上的区间内差值变为正并且急剧增大,说明这些区间内的光纤绕盘PMD值可信度较小,尤其是在包层不圆度为0.5以上的区间,PMD的绕盘值更不可信。

光纤旋转情况下的试验结果其后,我们对光纤在旋转状态下的PMD值进行了统计分析,仍是考察其标准偏差情况,选取各个包层不圆度区间为横坐标,绕盘PMD值为纵坐标,统计结果如图3所示。

与图1对比发现,在包层不圆度为0.3以下的区间,两图差别较小,而在0.3以上的区间,PMD的变化更趋平坦,PMD值随不圆度增大而上移的幅度更加小了。我们依然对这些光纤进行了松绕测试,将其本征值与绕盘值相减,选取各个包层不圆度区间为横坐标,选取PMD的本征值与绕盘值之差为纵坐标绘成图4。

由图4可知,差值曲线比图2变得要平缓些,差值波动较小且为负值的区间在原有的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上差值虽仍为负值或接近0,但相比上述区间已有较大幅度的上升,而不圆度为0.6以上的区间已开始为正值且上升幅度开始加剧。这说明旋转光纤的情况下,在0.4以下的包层不圆度区间内,光纤PMD的绕盘值具有很高的可信度,大于这一区间内的光纤最好作为次品处理。

结论从理论上讲,光纤的包层不圆度越低越有利于生产出具有较低PMD值的光纤。而经过上述分析我们认为,光纤的包层不圆度如能控制在一个较小的区间内(如0.3～0.4),就能避免由此带来的对光纤PMD值的不良影响,而如果采用光纤旋转技术,则包层不圆度的控制区间还可以扩大。处于这个包层不圆度区域的光纤,其绕盘PMD值将具有较高的可信度,可以作为一个选取光纤的基准。烽火藤仓公司出品的光纤其不圆度控制区间大量数据统计结果如图5所示。

超过99%的光纤其包层不圆度控制在0.4以下,已基本消除了包层不圆度为0.6以上的光纤。其PMD的绕盘值具有较高的可信度,可以为客户提供一定的参考基准。1

本词条内容贡献者为:

李晓林 - 教授 - 西南大学