CN100347110C - 用于制造有低偏振模式散射的光纤的方法 - Google Patents

Abstract

用于制造有低偏振模式散射的光纤的方法，包含如下步骤：a)提供一个玻璃材料的光纤预成品；b)加热光纤预成品末端部分的玻璃材料；c)以拉伸速度V拉伸已加热的玻璃材料以形成一根光纤，被拉伸的玻璃材料有一个粘性区域(4a)；d)在所述光纤(4)上施加一个基本的正弦旋转，此正弦旋转会被传输到所述粘性区域(4a)；其特征在于，所述旋转函数频率v、粘性区域(4a)的长度L与拉伸速度V能使转矩和至少50%的反转矩施加到所述粘性区域(4a)。

Description

用于制造有低偏振模式散射的光纤的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造有低偏振模式散射的光纤的方法。

背景技术

在单模光纤中传输的光信号包含两个正交的偏振模式，在光纤有直径一致的理想圆柱体内核的情况下，它们以共同的速率传播。然而，在真实的光纤中，圆柱状对称的内核可能会因为形状有缺陷或应力不一致而被破坏。结果，相位偏差在两模式间积累，并且所述光纤被认为显示出“双折射”。特别的，由形状或内部压力不对称而引入的双折射被称为“线性特性双折射”。

引起了双折射的光纤的结构与几何的不规则性典型地来源于预成品本身并且在拉伸光纤的过程中被修改。此拉伸过程通常由一种叫做“拉伸塔”的仪器来完成，从玻璃预成品开始。在实践中，在所述预成品被以纵向位置放置并且在适当的熔炉内被加热到软化点以上时，熔化的材料以能制造出形成光纤本身的线状元件的方式在受控速度下被向下拉伸。在此过程中，不对称的应力被典型地引入到光纤中。

在双折射光纤中，所述基本模式的两分量，初始时相互同相，只有在一定长度之后才会再次同相，此长度一般称作“拍长”。也就是说，所述拍长是偏振的一定状态的重复周期(假设所述光纤在此长度上保持双折射恒定)。

在所谓的“偏振维持(polarization-preserving)光纤”中，不对称性被有意地引入到光纤中以产生双折射。然而，在普通的(即非偏振维持)光纤中，双折射是有害的。事实上，当脉冲信号被传输进一根光纤中时，双折射是脉冲扩散的潜在原因，因为由脉冲激励的两个偏振分量以不同的群速度传播(即变得分散了)。这一现象，称为偏振模式散射(PMD)，在近些年中因为它在周期性放大光导***中的重要性而被广泛研究。

典型地，PMD现象导致了信号传输频带宽度的限制，并且因此，导致了传输上述信号的光纤的性能降低。这一现象因此不期望出现在沿光纤传播的信号传输***中，尤其是在跨越长距离运行的***中，其中有必要最小化信号中任何形式的衰减或散射以保证在发射与接收中的高性能。

为了降低光纤中的偏振模式散射，有人建议在拉伸的过程中旋转光纤以使得所述光纤被制成沿纵向轴缠绕，并导致熔炉中纤维材料的粘性区域产生扭转形变；当通过冷却使纤维失去了它的粘性状态时，此形变被冻结在纤维中。

因为旋转，纤维的偏振轴的转动被压印到(并冻结进)纤维中。结果，当光脉冲被传输进光纤时，它们交替地在慢速与快速双折射轴上传播，因此补偿了相对延迟并降低了脉冲扩散。这等价于脉冲有一个局部有效的折射率，它等于两轴上的平均折射率，均值是根据沿光纤的脉冲长度获得的。

在本说明书与权利要求书中，

·“应用旋转”或“应用转矩”指的是在拉伸过程中由一个旋转仪器施加到光纤上的转矩以使得光纤围绕它的纵向轴转动；

·“实际应用旋转”或“实际应用转矩”指的是在拉伸过程中有效地施加到纤维上的转矩，尽管在纤维与旋转仪器的接口处有一些可能的机械效应，比如滑动；

·“粘性区域”指的是光纤的玻璃材料的纵向部分在有足够高温度的熔炉中处于粘性状态；

·粘性区域长度”指的是上述纵向部分处于粘性状态的长度，它基本上对应于包含在熔炉的最热点与出口点之间部分的长度；例如在包含有一个上隔焰炉、一个界定了热区的芯部(core)隔焰炉和一个下隔焰炉的熔炉中，所述粘性区域长度大约等于包含在熔炉的热区的中央部分与下隔焰炉的下端之间部分的长度。

·“冻结(freeze-in)旋转”或“冻结转矩”指的是，当冷却时，在旋转过程期间因为熔炉中纤维材料的粘性区域承受的扭转形变而永久压印到纤维上的转矩；

·“最大应用旋转”或“最大应用转矩”指的是应用转矩的最大值；

·“最大冻结旋转”或“最大冻结转矩”指的是冻结转矩的最大值；

·“反转矩”指的是有着与原转矩方向相反方向的转矩；

·“至少50％的反转矩”指的是适合于给予等于由原转矩给予的角位移的至少一半的角位移的反转矩；

·“复原率”指的是这个比率(T_appl-T_fr)/T_appl，其中T_appl是实际应用转矩的最大值而T_fr是冻结转矩的最大值；

·“基本的正弦旋转”指的是，如美国专利6,240,748文献所公开的一种旋转函数，其中它的一个振荡分量(基本分量)的系数大小支配了其它所有振荡分量(次要分量)和任何常数分量的系数大小。在数量方面，在当基本分量的系数大小至少大约是每个次要分量的系数大小和常数分量系数的三倍时，才会发生支配作用。上述系数大小可以由以下方法确定，即使用本领域内公知的传统方法对旋转函数实行一个复杂的傅立叶分析。

美国专利5,298,047公开的是，如果在拉伸纤维过程中，一个转矩被施加到纤维上以使得一个永久旋转(即，一个永久扭转形变)被压印到纤维中，那么PMD可以被实质地降低。此转矩被施加从而使得压印到纤维上的旋转有交替地顺时针与逆时针方向的螺旋。此文献声明，压印的旋转低于4圈/米的纤维不能展示PMD中的商业的显著缩减量。因此，这说明要向纤维上施加一个转矩以使得压印到(冻结进)纤维上的旋转，在至少其中一部分上，要超过4圈/米，优选地是要超过10个或至少20圈/米。

美国专利6,240,748声明，一个传统的正弦旋转函数，如上述美国专利5,298,047文献公开的，要适于在少数的纤维拍长内降低PMD。例如，美国专利6,240,748显示，一个有着3圈/米的旋转振幅与2米^-1的空间频率的传统正弦旋转函数，当在大约四分之一米的一个拍长内获得一个低PMD缩减因数时，不会在更长的拍长内维持此PMD缩减量。因此，美国专利6,240,748说明，可以根据一个有充分谐波成分的旋转函数在拉伸过程中通过旋转纤维在一个单模光纤中降低PMD，以达到能用于商业纤维的低PMD水平，用于商业的纤维拍长，包括所述纤维不同部分的拍长，是可变的并且因此不是可以预先知道的。适于使多种拍长获得低PMD水平的恰当的旋转函数的例子包括频率调制与振幅调制正弦波。然而，申请人指出，后一个文献公开的旋转函数需要使用复杂与昂贵的旋转仪器。

此外，美国专利6,240,748声明，制造纤维时使用的旋转函数和由此出现在已完成的纤维中的(冻结)旋转函数一般来说并不相同，这归因于纤维和用于将旋转函数应用到纤维上的旋转仪器之间的接口处的机械效应，比如滑动。尽管如此，它也声明，旋转仪器应用的旋转函数与由此发生在纤维中的旋转函数之间通常都有足够好的一致性，以获得在此公开的本发明的利益。

相反，申请人已经发现了一种制造低PMD纤维的新技术，其中所应用的旋转函数与“冻结”旋转函数之间有着本质的区别，甚至没有上述机械效应时也如此。根据本技术，当所述纤维材料经过熔炉时，一个转矩和至少50％的反转矩被施加到纤维材料的粘性区域。

申请人已经发现，当一个转矩和至少50％的反转矩都被施加到纤维材料的粘性区域时，即使所述冻结旋转函数的振幅远低于实际应用旋转函数的振幅，也可以获得一个显著的PMD缩减量。更特别的是，与上述美国专利5,298,047文献的说明相反的是，所述申请人已经发现，在这些条件下，甚至当最大冻结旋转低于4圈/米时也可以获得一个显著的PMD缩减量。事实上，本申请人指出，最大实际应用的旋转高于4圈/米就足够了。

在不想被任何理论束缚的情况下，本申请人相信，当所述转矩和至少50％的反转矩都被施加时，就可以获得一个显著的PMD缩减量--尽管所述冻结旋转远低于应用旋转--这归因于这个事实，即由纤维材料的每一部分在熔炉中承受的所述粘性转矩会严重影响着所述光纤的几何不对称性，并且因此影响其局部双折射强度(即局部拍长)。本申请人相信，所述粘性转矩使所述双折射强度沿着光纤产生了扩散，因此旋转光纤的不同部分有着不同的拍长值。关于未旋转光纤，这样的沿着旋转光纤的拍长变化，甚至在一个简单的正弦旋转函数的情况下，也会大大增加两个正交偏振模式之间的混合，产生一个PMD缩减量。因此，本申请人相信，所述粘性转矩影响了沿着光纤的拍长以使在有多种拍长的(如未旋转)光纤中也获得一个PMD缩减量，甚至在一个简单的正弦旋转函数的情况下也如此。

因此，本申请人相信当一个转矩和至少50％的反转矩以粘性状态被施加到纤维上时，主要由于上述的粘性转矩效应而使PMD降低，并且因为冻结旋转效应而只发生在一部分上。

发明内容

本发明的第一个方面涉及的是一种用于制造有低偏振模式散射的光纤的方法，包含如下步骤：

a)提供一个玻璃材料的光纤预成品；

b)加热所述光纤预成品末端部分的玻璃材料；

c)以拉伸速度V拉伸已加热的玻璃材料以形成一根光纤，被拉伸的玻璃材料有一个粘性区域；

d)在所述光纤上施加一个基本上正弦的旋转，此正弦旋转会被传输到所述粘性区域；

其特性在于，

所述旋转函数频率v、粘性区域长度L与拉伸速度V能使转矩和至少50％的反转矩施加到所述粘性区域。

为了实现本发明的目的，所述条件“将转矩和至少50％的反转矩施加到粘性区域”同时包括两个条件，一个条件是将单独的一个转矩和单独的一个至少50％的反转矩施加到粘性区域，另一个条件是将多个转矩和反转矩施加到所述粘性区域，假设后一个反转矩要至少达到50％。

此外，上述条件符合如下条件，即选择旋转函数频率v、粘性区域长度L和拉伸速度V以获得至少0.5的复原率R。

附属的权利要求书涉及的是本发明的具体实施例。

优选的是，所述旋转函数频率v、粘性区域长度L和拉伸速度V能使转矩和至少60％的反转矩都被施加到所述粘性区域。此条件要符合如下条件，即所述旋转函数频率v、粘性区域长度L和拉伸速度V要能获得至少0.6的复原率R。

本申请人相信，带有至少50％(优选的是至少60％)的复原率的话，所述粘性转矩对PMD的缩减效应可以压过冻结转矩的效应。另外，本申请人相信，至少50％(优选的是至少60％)的复原率能使PMD被显著地降低，即使所述冻结旋转远低于应用旋转。

有利的是，所述旋转函数频率v、粘性区域长度L和拉伸速度V要使得1.2*L≤V/v≤6.7*L。本申请人发现这可以允许获得一个至少50％的复原率。优选的是，1.7*L≤V/v≤3.3*L。本申请人发现这可以允许获得一个至少60％的复原率。

有利的是，所述旋转函数频率v、所述旋转函数振幅θ₀和拉伸速度V能使最大应用转矩至少是4圈/米。有利的是，所述旋转函数频率v、所述旋转函数振幅θ₀和拉伸速度V能使最大冻结转矩不大于4圈/米。

有利的是，所述旋转函数振幅θ₀(单位：圈)要满足(2V)/(vπ)≤θ₀≤(2V)/[vπ(1-R)]，其中R是复原率，V是拉伸速度(单位为米/秒)并且v是旋转函数频率(单位Hz)。这使最大应用转矩至少是4圈/米并且最大冻结转矩不大于4圈/米。

附图说明

下面参考附图中给出的非限制性实施例描述了本发明的特性与优势，其中：

·图1所示是能应用于本发明的方法中的一个拉伸塔；

·图2是对一个熔炉内的光学预成品的光纤的形成过程的示意性描述(不按比例)，所述熔炉是图1中的拉伸塔的一部分；

·图3所示是最大应用转矩(如连续直线所示)和最大冻结转矩(如黑方块所示)的实验结果与旋转频率v的关系图，在一个振幅是5圈的正弦旋转函数和2m/s的拉伸速度下获得；

·图4所示是对应于图3中的结果的复原率与比率V/(vL)的关系图；

·图5所示是通过数值模拟所得的冻结旋转T(标准化为2πθ₀/L)在k取不同的值时与所述旋转函数频率v(标准化为V/L)的关系图，其中k在后来的描述中被定义。

·图6所示是通过数值模拟在k＝2的情况下所得的熔炉中的少量玻璃经历的粘性旋转总量的最大值与最小值。

具体实施方式

参考图1，一个拉伸塔1包含有多个装置，它们被基本上沿着纵向的拉伸轴2(来自于术语“塔”)对齐。

详细地说，塔1包含一个熔炉6，用于可控地熔化一个预成品3(也被称为瓶颈预成品)的低端部分，一个用于支撑预成品3并且将它从上面送入熔炉6的送料装置7，一个用于从预成品3拉伸纤维4的牵引装置8(在塔的低端)，和一个用于将纤维4贮存到一个卷轴(未示出)上的缠绕装置9。

典型地，玻璃预成品3的纤维材料包含SiO₂和GeO₂。

所述熔炉6可以是被设计成能可控地熔化所述预成品的任何传统的类型。熔炉6可以比如包含(最好如下面所描述的)一个上隔焰炉，一个提供了加热线圈并界定了熔炉6的热区的芯部隔焰炉，和一个下隔焰炉。

优选的，一个冷却装置12，例如一种具有一个冷却腔的类型，所述冷却腔能通过冷却气流，所述冷却装置12被置于熔炉6下面以冷却离开它的纤维4。所述冷却装置12被安排得与轴2同轴，以使得离开熔炉6的纤维4能通过它。

塔1也可以提供一个应力监测装置13(例如在美国专利5,316,562中描述的类型)和一个已知类型的、优选的被置于熔炉6与冷却装置12之间的直径检测器14，它们各自分别用于测量应力与纤维4的直径。

优选的是，所述拉伸塔1进一步包含已知类型的一个第一与第二涂层装置15，16，它们被沿纵向拉伸方向置于冷却装置12下面并被设计得能在纤维4通过时各自在上面涂有第一保护涂层和第二保护涂层。每个涂层装置15，16包含，特别的是，一个被设计得能在纤维4上施加有预定数量的树脂的各自的施加单元15a，16a，和各自的硫化单元15b，16b，例如一个紫外灯烤炉，用于硫化树脂，并因此提供一个稳定的涂层。

所述牵引装置8可以是单滑轮或双滑轮类型。在所例举的实施例中，所述牵引装置8包含一个单马达驱动滑轮(或“绞盘”)18，它被设计得能拉伸已被涂层并处于纵向拉伸方向的纤维4。所述牵引装置8也可以提供一个角速度传感器19，它被设计得能产生一个信号来指示滑轮18在运行过程中的角速度。所述滑轮18的转速和因此产生的纤维4的拉伸速度V在此过程中可以是变化的，例如响应由检测器14检测的直径变化。

有利的是，一个或多个滑轮31(或其它类型的引导部件)被提供用来将纤维4从牵引装置8引导到缠绕装置9。

另外，一个应力控制装置(未示出)，比如一个“浮动辊”，也可以被提供用来调节缠绕过程中纤维的应力。

所述缠绕装置9是一种已知类型。

所述拉伸塔1可以进一步包含一个控制单元(未示出)，被电力连接到所有的塔1中的装置、传感器和检测器，以从外部控制。

最后，所述拉伸塔1进一步包含一个旋转仪器20，它被置于涂层装置15，16与牵引装置8之间，用于在拉伸过程中关于纤维4的纵向轴给予它一个旋转。

根据本发明的方法，所述旋转仪器20适于给予纤维一个基本正弦的旋转。在美国专利6,324,872中描述了一个可以应用在本发明中的方法的旋转仪器的例子。

或者，所述旋转仪器可以如美国专利6,189,343中描述的那样与所述涂层装置15，16之一结合成一个整体(优选的是结合到第一涂层装置15中)。

所述拉伸塔1按如下操作。

所述支撑装置7将预成品3送入熔炉6中，其中一个低部分(瓶颈)被熔化。从瓶颈拉伸的纤维4被从牵引装置8拉伸下来并通过所述缠绕装置9被卷到一个卷轴上。

当纤维4被拉伸时，传感器13，14监测它的应力与直径。这样的监测可以被用来控制拉伸过程，例如通过影响拉伸速度。当退出熔炉6时，纤维4被冷却装置12冷却并且被涂层装置15，16涂有两层保护层。

在拉伸过程中，所述旋转仪器20将一个基本正弦的旋转施加到所述纤维上。此基本正弦旋转可以由下面的旋转函数来描述：

θ＝θ₀cos(2πvt)           (1)

其中，v是以赫兹表示的旋转函数频率，t是以秒表示的时间，θ₀是以圈数表示的旋转函数振幅，它用于指示光纤关于一个固定的参考点测量的转动角。

所述旋转仪器20的角速度是通过方程(1)对时间的导数来描述，即通过dθ/dt。因此，在旋转仪器20处的纤维的最大角速度是

Ω＝2πvθ₀                 (2)

最大应用旋转T是用圈数/米来表示，并且通过最大角速度与拉伸速度V之间的比率来描述：

T＝Ω/V＝2πvθ₀/V          (3)

根据本发明，所述旋转函数频率v、纤维的粘性区域长度L和拉伸速度V能使光纤的每个部分——当在熔炉6中处于粘性状态时——都能首先承受一个转矩然后承受一个至少50％的反转矩。

此外，所述旋转函数频率v、旋转函数振幅θ₀和拉伸速度V优选的是能使最大应用转矩(见方程3)达到至少4圈/米。另外，所述旋转函数频率v、旋转函数振幅θ₀和拉伸速度V有利的是能使最大冻结转矩不大于4圈/米。也就是说，有利的是要满足下面的关系：(2V)/(vπ)≤θ₀≤(2V)/[vπ(1-R)]，其中，R是(在上面的描述中被定义的)复原率。

典型地，所述拉伸速度V至少是5m/s。典型地，所述拉伸速度V不能超过20m/s。典型地，所述拉伸应力至少是40gr。典型地，所述拉伸应力不能超过400gr。典型地，所述粘性区域长度L至少是0.3m。典型地，所述粘性区域长度L不能超过2m。典型地，所述频率v至少是1。典型地，所述频率v不能超过10Hz。典型地，所述旋转函数振幅θ₀至少是2圈。典型地，所述旋转函数振幅θ₀不能超过10圈。

当旋转时，纤维4向上游和向下游传输相应的转矩。在上游，所述转矩被传输到预成品瓶颈以使得在熔炉6中处于粘性状态的纤维玻璃材料承受一个粘性扭转形变。如前面声明的，根据本发明的方法，纤维玻璃材料的每个部分——当在熔炉6中处于粘性状态时——都承受一个转矩和至少50％的反转矩。因为转矩和至少50％的反转矩导致的扭转形变在纤维冷却时被冻结进光纤4的每个相应的部分中。另一方面，在下游，所述转矩被有弹性地传输到卷绕的纤维4上。然而，由于基本正弦旋转函数，它交替地给予纤维一个顺时针与逆时针的转矩，所述卷绕的纤维4基本摆脱了扭转弹性应变。

本申请人已经发现，当一个转矩和至少50％的反转矩都被施加到在拉伸塔1中处于粘性状态的每个光纤部分时，所述冻结旋转要远低于实际应用旋转，并且尽管如此，也可以获得一个显著的PMD缩减量。

图2，为方便起见而采用横向，示意性地显示了熔炉6、在由3a指示的预成品瓶颈处拉伸的光纤4和在熔炉6内的纤维4的温度曲线(沿轴2)。一个箭头显示了纤维4的前进方向(从左到右)。

在此公开的实施例中，所述熔炉6包含一个上隔焰炉6a，一个被加热线圈6c包围的芯部隔焰炉6b，和一个下隔焰炉6d。所述温度图显示了熔炉内壁的温度曲线，由T_furnace来指示。被加热线圈6c包围的芯部隔焰炉6b的区域界定了熔炉6的一个热区，其长度由w来指示。在热区内部，温度T_furnace有一个峰值而且瓶颈3a的材料熔化了，并因此允许在这儿拉伸。

所述纤维4有一个在熔炉6内形成的粘性区域4a(以灰色表示)，即一个纵向部分，其中的温度如此之高以至于玻璃材料处于粘性状态。特别的，在粘性区域4a的纤维4的温度，由T_fiber来指示，要高于粘性临界温度T_viscous(在温度图中以水平线表示)。可以注意到，纤维4的温度曲线在熔炉6的热区内有一个峰值并且在下隔焰炉6d内逐渐减少。纤维4的粘性区域4a基本上从瓶颈3a的低端的一点上延伸，在瓶颈3a处的熔化材料有一个直径，它不足以没有形变地抵抗典型的旋转力(这一直径大约是最终纤维直径的两倍，为图2的清晰起见而没有显示)以到达纤维4上的一点，在这一点处温度T_fiber变得低于粘性临界温度T_viscous。过了这最后一点，纤维4的温度要低于粘性临界温度T_viscous并且纤维4的粘性如此之高以至于不再允许更多的粘性转矩。

本申请人验证，粘性区域4a的长度，在图2中由L指示，典型地是稍低于熔炉6中热区的中心与熔炉6中出口点之间的距离，其在本例中对应于下隔焰炉6d的低端。为简洁起见，粘性区域长度L可以近似等于此距离。

在传统的硅玻璃纤维材料的示例中，熔炉6的热区中的温度T_furnace典型地要至少达到大约1800℃。典型地，上述温度T_furnace不能超过2200℃。另外，所述粘性临界温度T_viscous典型地要至少达到1600℃。

实例

在第一个实验中，本申请人通过使用类似于图1所示的拉伸塔来拉伸一个玻璃预成品。

这儿使用的是核心部分涂有锗的硅预成品。

用于加热瓶颈预成品的温度是1800℃，拉伸应力大约是300gr，旋转函数振幅θ₀大约是5圈，拉伸速度V是2m/s，并且旋转函数频率v被设置为从0.25到1.75Hz之间的不同的值。纤维的粘性区域长度L大约等于熔炉6中热区的中心与下隔焰炉6d的低端之间的距离，在本示例中是1m。

此预成品被刻上一个纵向凹槽以使玻璃的角转动有一个视觉参考并且允许冻结进已拉伸纤维中的螺旋能在显微镜下被轻易的检测到。

获得的最大冻结转矩关于旋转频率v的关系的实验结果用黑方块显示在图3中，而最大应用转矩关于旋转频率v的关系(由方程3给出)的实验结果用连续直线显示在图3中。

在同样的实验中，根据WO 0133184所说明的方法(或根据F.Cocchini et al.“On-line fiber spinning monitoring for low PMDoptical fibers”，49^th IWCS proceedings(2000))，直径检测器14的信号被恰当处理，以获得此信号的功率谱和指示所给予的转矩的一个值。在旋转期间功率谱很稳定，而实际施加到纤维上的转矩也符合应用转矩。由此可以推导出，在光纤与旋转仪器的接口处没有机械效应，比如滑动。因此，所述应用转矩被完整地转移到纤维上(即所述应用转矩基本上等于实际应用转矩)。

尽管没有上述的机械效应，所述应用转矩与冻结转矩之间的一个显著差值在图3中也是显而易见的。更特别的是，所述应用转矩与冻结转矩之间的差值在频率v值低时很小并随着频率v值的增加而增加，而最大差值大约是1Hz。

图4所示是根据图3中的结果推导出来的关于比率V/(vL)的复原率(如上面的描述中被定义的)。

在图4中显而易见，在大约1.2≤V/(vL)≤6.7时，所述复原率等于或高于50％。此外，在大约1.7≤V/(vL)≤3.3时，所述复原率等于或高于60％。

当满足了v、V与L之间的关系时，前进的纤维——在沿着熔炉6处于粘性状态时——会经历一个转矩和至少50％(或60％)的反转矩，由此所述应用转矩被反转矩部分地转移并且作为结果的冻结旋转会低于所述应用旋转。

在第二个实验中，本申请人通过使用类似于图1所示的拉伸塔来拉伸玻璃预成品。此过程的参数与第一个实验相同。

几千米的纤维在没有旋转(作为一个比较性的例子)或以0.5、1和1.5Hz的频率旋转时被拉伸。PMD在带有波长扫描技术的1km长的零应力缠绕的纤维上被检测。结果如表1所示。

条件	PMD(ps/Km1/2)
		未旋转	0.133
未旋转	0.226
		v＝0.5Hz-V/(vL)＝4	0.050
v＝1.0Hz-V/(vL)＝2	0.059
		v＝1.5Hz-V/(vL)＝1.33	0.054

关于未旋转的参考例子，尽管在应用转矩与冻结转矩之间获得的显著的差别，在三个旋转的例子中都获得了一个显著的PMD缩减量(见图3和4)。

在第三个实验中，本申请人通过使用类似于图1所示的拉伸塔来拉伸玻璃预成品。除了所述旋转函数频率v被设置为从3到8Hz之间的值而所述拉伸速度V是12m/s之外(也就是说，比率V/(vL)在1.5与4之间)，此过程的参数与第一个实验相同。所述旋转函数频率、粘性区域长度和拉伸速度要使得每个光纤长度——当沿着熔炉6处于粘性状态时——经历一个转矩和至少50％的反转矩。

几千米的纤维在没有旋转，作为一个比较性的例子，或旋转时被拉伸。PMD在带有波长扫描技术的1km长的零应力缠绕的纤维上被检测。

在此实验中，所述冻结旋转的结果总是低于4圈/米。此外，还发现以3和4Hz旋转的纤维的PMD值总是低于0.1ps/Km^1/2，而发现未旋转纤维的平均PMD值不少于0.15ps/Km^1/2。

因此，由于本发明的方法，PMD被显著降低，甚至在冻结旋转的值低于4圈/米时。

本申请人实现数值模拟以在应用正弦旋转函数的情况下计算冻结旋转。根据本申请人使用的模型，一个应用于纤维的恒定转矩M产生了一个角速度ω，作为z的函数，根据如下的关系：

$M=\frac{\mathrm{\π}}{2}{R}^4\mathrm{\μ}\frac{\∂\mathrm{\ω}}{\∂z}---\left(4\right)$

所述纤维的粘性区域，其中可以发现一种可感知的粘性变化ω，可以被制作成一个有恒定半径R的圆筒，它沿着z以恒定速度(拉伸速度V)移动。此圆筒在0＜z＜L(有粘度μ和密度ρ)时会表现出纯粹的粘性，并且在z＞L时表现出弹性(刚性)。当弹性部分以角速度Ω转动时，此圆筒被抑制在z＝0处以阻止轴向转动。

通过使对z的转矩变化率等于动力矩随时间的变化率可以获得控制角速度ω(z)的相关性的方程。此转矩通过方程(4)给出。为了说明对z的全部运动，随时间的变化率也包含了对流项V/z 因此，对于粘性部分(0＜z＜L)可以获得如下关系：

$\frac{{\∂}^2(\mathrm{\ω}/\mathrm{\Ω})}{\∂{(z/L)}^2}=k(\frac{\∂(\mathrm{\ω}/\mathrm{\Ω})}{\∂(\mathrm{tV}/L)}+\frac{\∂(\mathrm{\ω}/\mathrm{\Ω})}{\∂(z/L)})---\left(5\right)$

边界条件为，在z＝0时ω＝0并且在z＝L且维度参数k等于比率ρVL/μ时ω＝Ω，其中ρ是纤维材料的密度而且μ是在粘性区域的纤维材料的粘度。所述粘度μ取决于熔炉中使用的加热温度。

在Ω恒定(相应的k＝∞)的情况下，时间的导数为零并且可以得到下面的角速度对z的开方和对z的角度：

$\frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\Ω}}=\frac{\exp (\mathrm{kz}/L)-1}{\exp \left(k\right)-1}---\left(6\right)$

$\frac{\mathrm{\φV}}{\mathrm{\ΩL}}=\frac{1-\exp (\mathrm{kz}/L)+\mathrm{kz}/L}{k[1-\exp \left(k\right)]}---\left(7\right)$

所述冻结转矩T(圈数/米)是在z＝L时角度对z的导数。这样的导数在方程7的左边总是1/L。因此，在Ω恒定的情况下，T＝Ω/V。

在另一种可选择的旋转的情况下，(即在Ω(t)＝2πvθ(t)并且θ(t)由方程1给出的情况下)，通过使用，例如MATHEMATICA商标下的Wolfram研究公司(美国伊利诺斯州Champaign市)出售的软件包，就可以获得冻结转矩T的解析解法。

图5所示是在取不同的k值时，将最大冻结转矩T(标准化为2πθ₀/L)作为频率v(标准化为V/L)的函数并因此获得的结果。假设旋转函数振幅θ₀恒定。

在图5中，k＝∞时，对应于粘度μ等于零的情况时，最大冻结旋转等于最大应用旋转(由上述方程3给出的直线)。对k＜∞时的曲线确证了图2的实验结果。事实上，它们显示出，所述应用转矩与冻结转矩之间的差值在小的vL/V值时基本为零并且随着vL/V值的增加而增加，并且在某个vL/V值时达到最大。例如，对于k＝1，在vL/V大约等于0.7时差值有最大值。对于k＝0.1，当旋转空间频率V/v等于L时可以获得一个100％的复原率，即当光纤每一部分处于粘性状态时都经历了一个完全的顺时针转矩和一个完全的逆时针转矩(一个转矩和一个100％的反转矩)。对于k＝1的曲线是能更好的描述图2的实验结果曲线中的一个。

依靠相同的模型，本申请人可以执行数值模拟以推导在熔炉中行进的并且在0＜z＜L时有粘性表现的少量玻璃所经历的粘性旋转的总量，定义如下：

$T_{\mathrm{viscous}}\left(t_0\right)=\underset{t_0}{\overset{t_0+L/V}{\∫}}\left|\frac{\∂\mathrm{\ω}(z,t)}{\∂z}\right|{|}_{z=V(t-t_0)}\mathrm{dt}$

这里，ω是角速度，t₀是在z＝0时少量玻璃进入粘性区域的时间，并且使用绝对值是因为这个事实，即作用于纤维几何不对称性的粘性转动与顺时针或逆时针方向无关。在k＝2的情况下，粘性旋转总量的最大值与最小值(发生在t₀的一个特定值时，即在粘性区域中的行进时间与旋转函数之间相位的特定值时)与比率vL/V的关系图在图6中给出。

本申请人也证实，本发明的旋转技术减少了覆层的椭圆度。覆层椭圆度的改变也反映了内核椭圆度的改变，所述内核椭圆度会影响纤维的局部双折射。既然覆层椭圆度的主轴不必须与内核椭圆度的主轴一致，所以这些变化并不总是一致。

此外，本申请人表明，如图6所示，光纤的每个部分都经历了完全的粘性旋转，可以是从最大值到最小值之间的范围。因此，光纤不同的部分经历了不同的覆层椭圆度的削减。

后一个事实，和覆层与内核椭圆度之间的任意关系的发生，使得双折射强度沿着整个光纤产生了扩散。也就是说，光纤的不同部分将有不同的拍长值。根据本申请人，沿着旋转光纤的拍长变化，对于未旋转的光纤来说，使得两个正交偏振模式的混合大大增加(并因此降低了PMD)，并且使得光纤中(如未旋转的光纤一样)有大量的拍长，甚至在一个简单的正弦旋转函数的情况下也是如此。

本申请人表明，在现有技术公开的旋转技术中，所述旋转函数频率、粘性区域长度和拉伸速度能使实际应用旋转与冻结旋转之间基本一一对应。因此，在现有的技术中，PMD的降低主要是因为冻结旋转，即永久压印到纤维上的双折射轴的转动。

相反，根据本发明，所述旋转函数频率、粘性区域长度和拉伸速度能使光纤的每个部分都能在粘性区域中经历一个转矩和一个至少50％的反转矩。在此方式下，所述应用转矩被施加的反转矩部分地转移并且作为结果的冻结旋转会远低于所述应用旋转。因此，根据本发明，主要由于光纤的每个部分在通过熔炉时经历了粘性旋转效应才获得了一个显著的PMD缩减量。事实上，如上面声明的，本申请人相信，粘性旋转可以降低光纤内核的不对称性并且能沿整个光纤扩散双折射强度。

根据本发明的制造方法可以获得的光纤可以被拧成缆以应用于光学通信***。因此，根据本发明可以制造出至少包含一根光纤的光缆。

Claims (6)

1.一种用于制造有低偏振模式散射的光纤的方法，包含如下步骤：

a)提供一个玻璃材料的光纤预成品；

b)加热光纤预成品末端部分的玻璃材料；

c)以拉伸速度V拉伸已加热的玻璃材料以形成一根光纤，被拉伸的玻璃材料有一个粘性区域；

d)在所述光纤上施加一个基本正弦的旋转，此正弦旋转被传输到所述粘性区域；

其特征在于，

所述旋转函数频率v、粘性区域的长度L与拉伸速度V能使转矩和至少50％的反转矩施加到所述粘性区域，所述旋转函数频率v、粘性区域长度L和拉伸速度V能使1.2*L≤V/v≤6.7*L。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述旋转函数频率v、粘性区域长度L和拉伸速度V能使一个转矩和一个至少60％的反转矩都被施加到所述粘性区域。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述旋转函数频率v、粘性区域长度L和拉伸速度V能使1.7*L≤V/v≤3.3*L。

4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其中，所述旋转函数频率v、旋转函数振幅θ₀和拉伸速度V能使最大应用转矩至少是4圈/米。

5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其中，所述旋转函数频率v、旋转函数振幅θ₀和拉伸速度V能使最大冻结转矩不大于4圈/米。

6.根据从属于权利要求4的权利要求5所述的方法，其中，所述单位为圈数的旋转函数振幅θ₀能使(2V)/(vπ)≤θ₀≤(2V)/[vπ(1-R)]，其中，V是单位为米/秒的拉伸速度，v是单位为Hz的旋转函数频率，R是比率(T_appl-T_fr)/T_appl，T_appl是最大实际应用转矩，并且T_fr是最大冻结转矩。

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