论文总字数：24714字

摘 要

熊猫型保偏光纤是一些光学器件和光纤传感器件（如光纤陀螺）的核心原材料之一，同时也是目前应用相对较广泛的特种光纤种类之一。熊猫型保偏光纤的核心原材料应力棒质量的好坏极大地影响了保偏光纤的性能。因此对光纤应力棒的材料设计和制造工艺的研究是十分必要的。

本论文主要对熊猫型保偏光纤预制棒的制备工艺进行研究，首先采用改进的化学气相沉积（MCVD）制备不同硼掺杂浓度的应力棒，并对制得的应力棒进行热膨胀系数以及折射率剖面测试，满足保偏光纤预制棒的物理及光学要求；其次是采用熔缩打孔法完成了预制棒的制备，将应力棒按照所开孔的尺寸进行外圆机械打磨，组合固定好后即可得到光纤预制棒；将制得的熊猫型保偏光纤预制棒在拉丝塔上进行拉丝工艺，最终制成熊猫型保偏光纤。

最后对熊猫型保偏光纤开展了各项常规测试项目。光学参数和温度循环性能等测试所反馈的系列优良性能结果，表明了本课题制备的熊猫型保偏光纤预制棒的可行性和实用性。

关键词：熊猫保偏光纤；应力棒；光纤预制棒；改进的化学气相沉积

Abstract

PANDA poly-maintaining fiber maintaining fiber is one of the core raw materials of some optical devices and fiber optic sensors (such as fiber optic gyroscope), and it is also one of the special fiber types that are widely used at present. The quality of the stress bar of panda type polarization-maintaining fiber greatly affects the performance of polarization-maintaining fiber. Therefore, it is necessary to study the material design and manufacturing process of fiber optic stress rod.

This paper mainly studies the preparation process of PANDA poly-maintaining fiber prefabricated rods. Firstly, stress rods with different boron doping concentrations are prepared by improved chemical vapor deposition (MCVD), and the thermal expansion coefficient and refractive index profile of the stress rods are tested to meet the physical and optical requirements of poly-maintaining fiber prefabricated rods. Secondly, the fabrication of the prefabricated rod is completed by means of melting shrinkage drilling method. The stress rod is machined externally according to the size of the hole, and the fiber optic prefabricated rod can be obtained after being fixed in combination. The PANDA poly-maintaining fiber fiber was fabricated on the wiredrawing tower.

In the end, the PANDA poly-maintaining fiber is tested regularly.A series of excellent performance results from the optical parameters and temperature cycling performance test indicate the feasibility and practicability of the panda type polarization-maintaining fiber prefabricated rod prepared in this paper.

Keywords: PANDA polarization-maintaining fiber; stress rods; fiber preform; Modified chemical vapor deposition

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1保偏光纤概述 1

1.1.1保偏光纤的基本传输原理 1

1.1.2保偏光纤的类型 2

1.2保偏光纤国内外发展现状 3

1.3光纤预制棒的制备方法简介 5

1.4课题的目的、意义及论文的主要研究内容 8

1.4.1研究目的及研究意义 8

1.4.2论文的主要研究内容概述 9

第2章 熊猫型保偏光纤预制棒的制备工艺研究 10

2.1光纤预制棒制备简介 10

2.2硼掺杂应力预制棒的制备工艺研究 10

2.3硼掺杂实验结果讨论 12

2.3.1热膨胀系数 12

2.3.2折射率变化 13

2.4熊猫型保偏光纤后续工艺 14

2.5本章小结 15

第3章 熊猫型保偏光纤性能研究 16

3.1引言 16

3.2光纤几何性能测试 16

3.3光纤的折射率分布 17

3.4光纤光学性能测试 19

3.5光纤环境试验测试 21

3.6本章小结 22

第4章 总结与展望 23

4.1本论文的研究工作总结 23

4.2未来研究工作展望 23

参考文献 25

致 谢 27

附 录 28

第1章 绪论

1.1保偏光纤概述

随着信息技术不断发展和光纤应用领域的逐渐多元，人们对光纤的性能也提出了更高的要求，各式各样的特种光纤应运而生。可应用于光纤传感系统和相干光通信的保偏光纤具有独特的光学特性，相应地受到众多学者的关注，也得到了越来越深入的研究和探索。

1.1.1保偏光纤的基本传输原理

一般而言，保偏光纤是一种特殊的与偏振相关的单模光纤，即只存在有一个基础模态的光波在其中稳定传输工作。由光波的偏振态原理分析可知，基模LP₀₁可以分解成两个具有相互正交的线偏振态的模式，如图1.1所示，分别表示为LP₀₁^x和LP₀₁^y。

图1.1 LP₀₁^x和LP₀₁^y两种模态的线偏振模式

理想状态下，标准单模光纤的几何结构具有完美的对称性，且不受任何内外部应力作用的影响。此时偏振态LP₀₁^x和LP₀₁^y满足正交模式的二重简并，以相同的速度在光纤中传播，最终也能复合成LP₀₁的复合态模式，即保证光在光纤中传输时其偏振状态不会发生改变，如图1.2所示。

图1.2 理想状态下单模光纤传输光脉冲的偏振态

图1.3 一般单模光纤传输光脉冲的偏振态

但在实际生产制备光纤时，由于工艺水平的限制，光纤难以达到完美的轴对称状态，同时难以避免各种缺陷的存在，使得光纤无法消除本征残余应力。这种情况下，光波偏振态的输出就会变得杂乱无章，LP₀₁^x和LP₀₁^y的理想传输模式被打破，两个基模开始存在传播常数差，上述中的二重简并被破坏。即当线偏振光沿光纤的一个特征轴传输时，部分光信号会耦合进入另一个与之垂直的特征轴（如图1.3所示），这就是模态双折射效应，极大地降低了单模光纤的传输质量。为了保持良好的偏振态输出，两个相互正交的光学传输模式需要不同的折射率（RI）。研究学者想到了向光纤中引入更多额外的双折射效应方法，使传播常数不同，来降低LP₀₁^x和LP₀₁^y的耦合几率。

保偏光纤(Polarization-maintaining fibers)是具有很强双折射的、可以保持某一方向线偏振的入射光束的偏振态的特种光纤。一般地，保偏光纤可以通过制定的纤芯/包层几何形状或者设计应力施加部件（SAP）来引入^{[1, 2]}。后一种情况中，残余应力的存在是由预制件的不同材料成分之间的热膨胀系数（CTE）不匹配引起的^[3]。保偏光纤的高双折射使纤维对双折射的微小波动不敏感，这种波动通常出现在普通单模光纤中，是由于几何结构的不均匀性或机械扰动造成的。保偏光纤能够保证线偏振光波输出方向不变，所以其一般是应用在对偏振态比较敏感的应用中，如干涉仪，激光器，或用在光源与外调制器之间的连接中。

1.1.2保偏光纤的类型

保偏光纤的种类很多，按产生按产生双折射的原因可以划分成三类：应力致偏型、几何形状致偏型和波导结构致偏型^[4]，那么，现有的主要结构保偏光纤类型见表1.1所示。

表1.1 保偏光纤的具体类型

基于本项课题的所设置研究方向，我们将主要了解和介绍应力感应型保偏光纤，即熊猫型、领结型和椭圆包层型保偏光纤。观察如图1.4所示的基本结构示意图可知，这几类保偏光纤的截面结构明显不同，但是设计原理都是通过掺杂使纤芯内的芯层、包层石英管的材料成分之间的热膨胀系数（CTE）不匹配，来形成特定的应力施加区域（即应力区），高温拉丝之后将产生拉应力，使折射率在相互垂直两个方向出现差异（分为快轴和慢轴），产生双折射效应。同时已经由研究发现，应力施加部件的化学成分决定了用于传感应用的不同波长的高双折射保偏光纤的偏振特性。这3种保偏光纤达到双折射要求的方式有些许差异。椭圆包层型保偏光纤的椭圆度与双折射成正比。领结型保偏光纤以内外半径差异来影响双折射。熊猫型保偏光纤以猫眼的中心与纤芯的距离来影响双折射^[5], 两者越近双折射越高。

请支付后下载全文，论文总字数：24714字

相关图片展示：