熔锥型光纤双窗宽带分路器EL与PDL的实验研究

熔锥型光纤双窗宽带分路器 EL与PDL的实验研究 尹伟1，杨健1,2，陈蒙蒙1 (1大连理工大学物理与光电学院， 辽宁大连  116024) （2大连光达理工科技有限公司， 辽宁大连  116025） 摘  要：根据实验数据得到附加损耗EL（Excess Loss）随拉伸速度增大而减小。并且所有分路器1310/1550nm副路偏振相关损耗PDL（Polarization Dependent Loss）与拉伸速度均呈抛物线变化，随分光比增大PDL最低点对应的速度增大。通过EL和PDL与拉伸速度的关系，找出效率高且优质的制作速度。与仿真结果比较，得出影响PDL的主要因素为两个光纤的熔融度。 关键词：光纤双窗宽带分路器；附加损耗EL；偏振相关损耗PDL；熔融拉锥；熔融度 中图分类号：TN253                  文献标识码：A 0 引言 光纤分路器广泛应用于光纤放大器、光纤通信系统和光纤测试设备中[1]，是一种重要的光无源器件。在应用中，光分路器的PDL是一个不可忽视的性能指标。但目前市场上制作PDL 0.1dB的小分光比宽带光分路器仍是难点。本文从实验上发现了制作双窗宽带光分路器PDL 0.1dB的拉伸速度区间，得出了各分光比双窗宽带光分路器速度与PDL值的变化关系，。同时将仿真与实验结果比较，分析影响PDL的因素，发现影响PDL整体变化趋势的主要因素是两根光纤的熔融度。并且找到了制作熔锥型光纤分路器EL与拉伸速度的变化关系。综合PDL值与速度的关系，提高生产效率的同时也提高了生产质量。 1 EL的变化规律 1.1 实验条件 本文以氢氧焰为恒温加热源，所用氢气流量150sccm。加热烧嘴内径10mm，光纤与烧嘴间距2.8mm。采用康宁SMF28单模光纤，光纤直径125μm。 图1为拉锥系统示意图。在光纤分路器拉锥之前，手工对光纤进行剥覆、清洁、预拉、打绞等。在光纤耦合器的拉制过程中，光功率探测器将探测到的光功率转换成电信号，经过转换电路转换成数字信号，传送到计算机中。计算机对数据进行处理后，得出分光比、插入损耗、附加损耗等参数，并进行实时监控。当输出端达到预设的分光比时，计算机发出停机指令，拉锥平台自动停止拉伸并退出火焰。若器件合格则进行封装，并记录相应数据。 图1 拉锥系统示意图 Fig.1 Schematic of fused biconical system 1.2 EL与速度的变化规律 附加损耗EL是指光纤耦合器两个端口的输出总功率与输入功率的比值，数学表达式为： （1） 附加损耗主要包括微弯损耗和弯曲损耗。对于熔锥型光纤分路器，附加损耗是体现器件制造工艺质量的考核指标，反映器件制作过程的固有损耗。 在制作合格器件的前提下，即插入损耗合格，同时EL 0.3dB。本文得到了EL与拉伸速度的普遍规律，以30/70双窗宽带光纤分路器为例：在0.05mm/s至0.45mm/s的拉伸速度范围内，每隔0.01mm/s制作一组数据，每组数据在参数不变的情况下制作五个合格器件，然后进行数据处理取平均值。将所得数据进行统计，分析得到统计规律。如下图 图2 分光比为30/70的光分路器EL与拉伸速度关系图 Fig.2 Relationship between EL of optical couplers with 30/70and stretching speed 从图中可以看出，随着拉伸速度的增大，EL整体呈下降的趋势。并不是只有在一定的速度下才能得到合格的优质光分路器[2]。速度对EL的影响可能原因是，当拉伸速度增大时，光纤熔融部分被及时拉伸。因为熔融区光纤自身重力而产生的微弯[3]情况减少，EL值相应减小。故而拉伸速度增大，EL减小。但是因为影响EL的因素众多，这里只给出造成这种现象的可能原因，更多的合理解释有待研究。 1.3 速度与成品率 产品的成品率是生产过程中决定生产成本的因素之一。制作熔锥型光纤分路器要想得到比较高的成品率。其中EL是器件制作过程中对成品率影响最大的参数之一。这里不仅要考虑拉伸速度对应的附加损耗EL大小，也要考虑拉锥过程中各参数控制的难易程度。 图3 成品率与拉伸速度关系曲线 Fig.3 The Curve of Yield and stretching speed 图3为熔锥型光纤双窗宽带分路器的拉伸速度与成品率的统计规律。从图中可以看出起始时随速度增加成品率增大，当速度大于0.28mm/s时，随速度增大，成品率反而逐渐下降。因为EL是器件是否合格的决定性因素之一。综合上文所述分析得：（1）当速度小于0.28mm/s时，速度越大EL相对减小，所以成品率增加。（2）当速度大于0.28mm/s时，虽然EL随速度增大而减小，但是在实验过程中，当速度大于0.28mm/s时1550nm的分光比越来越难控制在合格范围内，故而成品率下降。所以呈现出速度与成品率抛物线状的变化关系。 2 光纤双窗宽带分路器PDL 2.1 光纤双窗宽带分路器PDL实验研究 经过大量的实验数据积累、整理及分析，发现光纤双窗宽带分路器PDL与拉伸速度呈抛物线型变化，如图4所示 (a) 1310nm副路的PDL平均值与拉伸速度关系 (b) 1550nm副路的PDL平均值与拉伸速度关系 图4 五个分光比光纤分路器1310/1550nm副路PDL与拉伸速度变化关系图 Fig.4 1310/1550nmCoupled arm’s PDL of 5 different optical couplers versus stretching speed 图中给出2/98、5/95、10/90、30/70、50/50典型分光比的光纤分路器副路1310/1550nm的PDL与拉伸速度的关系。从图中可以看出，（1）所有分光比1310/1550nm两个波长副路PDL平均值与拉伸速度均按抛物线趋势变化。类比得出，所有分光比PDL与拉伸速度均呈抛物线变化（2）随着分光比的增大，PDL平均值总体变小。（3）随分光比增大，抛物线开口变大。而且波长1550nm对应的抛物线平坦化趋势更快。（4）各分光比PDL平均值最低点对应的拉伸速度随着分光比的增大右移，即随着分光比的增大，PDL最低点对应的速度变大。（5）各分光比1310/1550nm都存在PDL平均值小于0.1dB的速度区间。 实验中得到各分光比光分路器PDL 0.1dB的速度区间见表1。 表1 不同分光比光分路器PDL 0.1dB的速度区间 Tab.1 The Range of Speed which PDL of different optical splitters are lower than 0.1dB 分光比 1310nm PDL 0.1dB的 速度区间(mm/s) 1550nm PDL 0.1dB的 速度区间(mm/s) 双窗光分路器PDL 0.1dB的速度区间(mm/s) 1/99 0.12-0.18 0.12-0.20 0.12-0.18 2/98 0.14-0.22 0.16-0.24 0.16-0.22 5/95 0.14-0.26 0.18-0.28 0.18-0.26 10/90 0.12-0.32 0.16-0.38 0.16-0.32 20/80 0.16-0.34 0.20-0.40 0.20-0.34 30/70 0.18-0.46 0.26-0.50 0.26-0.46 50/50 0.08-0.46 0.06-0.50 0.08-0.46         市场上提供的优级双窗宽带分路器的PDL，在小分光比时最小为0.15dB[4]。由上可知，本文得到副路1550nm的PDL小于0.1dB的各分光比光纤双窗宽带分路器，其经济效益是相当可观的。 2.2 结果分析 在制作熔锥型光纤分路器的过程中，影响PDL的因素包括形状双折射、两根光纤打绞而引起的扭曲、拉伸过程中由于温度场以及拉伸速度引起的应力双折射等。扭曲对偏振相关损耗的影响，不仅与打绞的位置有关，与拉锥过程中两光纤的扭曲程度有关[5]，应力双折射对PDL的影响非常复杂[6]。 图5光分路器熔融区光纤横截面图 Fig.5 Schematic of Conical section of fused biconical-taper coupler 单模光纤光分路器是由两波导构成的耦合系统。两光纤熔融相切，其横截面示意图如图5所示。随着光纤的拉伸，两根光纤进行耦合，其熔融去形状发生变化，这里用熔融度描述这种变化程度。熔融度定义为D=2a/(b+c)。图6为仿真得到5/95副路PDL与熔融度D的关系图（仿真得到的PDL与波长无关）。 图6 仿真得到分光比5/95的PDL与D关系图 Fig.6 Simulation of PDL of Couplers with 5/95 versus D 图中显示随着D的增大，PDL呈先减小后增大的变化趋势，当D为1.88时PDL减小到最小值0.003dB，接近零点。按照实验的PDL测试要求，可以认为此时的PDL零，即形状双折射为零。相关文献中指出当发生形状双折射的两个光束在光纤轴向传输与在各向同性介质中传输一样，折射率不变，PDL值为零[7]。 守恒模型下，推导出熔融度D近似等于 （2） 其中W为有效加热宽度，L为拉伸长度。根据烧嘴与光纤间距，取W=4.2mm。 根据上式，将仿真的PDL曲线向上平移后与实验结果进行比较，见图7为分光比5/95分路器副路波长1310nm的实验结果与仿真结果的比较图。 图7 分光比5/95副路1310nm波长仿真结果与实验结果的D与PDL比较 Fig.7 Comparison of D and PDL of coupling ratio 5/95 of 1310nm wavelength of simulation results with experimental results 图7中的仿真结果和实验结果的PDL都是呈中间小，两侧大的变化趋势。并且实验结果和仿真结果变化趋势一致。实验中，波长1310 nm的PDL最低点的位置在区间1.876D1.885。仿真PDL最小值对应的D等于1.88。实验数据比较离散，PDL最小值对应的D不明确，但是实验和仿真的PDL最低点位置基本一致。从图7得出，光分路器的PDL与熔融度D有直接关系。 仿真得到的PDL明显小于前面实验的到的PDL值。且实验中不存在PDL=0的点，这是因为： （1）实际中，光纤本身存在椭圆化、缺陷、瑕疵，光纤弯曲等产生微小损耗。 （2）PC连接器产生的二次反射、光源波动等引起的PDL [8]。 （3）实验过程中受环境、不稳定温度场、打绞等诸多因素影响，使实际器件的PDL偏大。 3 结 论 本文得到了产业中制作低PDL双窗宽带光分路器的速度区间，同时得到了各分光比双窗宽带光分路器速度与PDL值的变化关系。并且找到了影响PDL的主要因素为熔融拉锥两光纤的熔融度。从熔融度的角度，定量的解释实验中拉伸速度与PDL呈抛物线变化的原因。另外发现了制作熔锥型光纤分路器EL与拉伸速度的变化关系。综合PDL值与速度的关系，可以在高效率的情况下制作小PDL的任何分光比的光纤双窗宽带分路器。 致 谢 感谢杨健教授对本文以及实验过程中的悉心指导，同时感谢曹邹艳同学提供的有效加热宽度数据。 参  考  文  献 [1] 杨伟.光纤无源器件技术发展趋势 [J].宽带世界，2003(3)：38～40 [2] 帅词俊.工艺参数对光纤耦合器性能影响的实验研究 [J].光通信技术，2004(12) [3] Lloyd C. Bobb. Bending Effects in Biconically Tapered Single-ModeFibers[J].Journal of Light-wave Technology, Vol. 8,No. 7, 1990 [4] 深圳郎光科技有限公司.双窗口耦合器DWC[EB/OL]，，2007/2013-03 [5] Junichi Sakai , Tatsuya Kimura. Birefringence caused by thermal stress in elliptically deformed core optical fibers[J]. IEEE J. of Quantum Electronics, Vol.QE-18, No. 11, Nov., 1982 [6] Yijiang Chen. Effect of twist on fused couplers[J]. Applied Optics,Vol.27, No.23, Dec., 1982 [7] Xueheng Zheng. Finite-element analysis for fused couplers[J].Electronics Letters,Vol.22，No.15,1986 [8] 影响偏振相关损耗测量的重要因素[EB/OL]. . Study on Polarization Dependent Loss and Excess loss of Fused Dual-window and Wide-band Fused Optic Fiber Coupler YIN Wei1,YANG Jian1,2,CHEN Mengmeng1 (1.Physics and Optoelectronic Technology Institute of Dalian University of Technology, Dalian116024，China) (2. Dalian light of institute of science and technology co., LTD, Dalian 116025,China) Abstract:  According to experimental data，Excess loss (EL) decreases with increasing drawing speed. At the same time,1310/1550 nm Coupled arm’s polarization dependent loss (PDL) are in parabola changes with the stretching speed increases. The minimum PDL correspond speed increased with coupling ratio is increasing. According to EL and PDL's relationship with stretching speed, I find out the high efficiency and quality production. Compared with the simulation results, the main influence factor of PDL is melting degree D of the two fused fibers. Key words: Dual-window and Wide-band Fiber Optical Coupler; excess loss; polarization dependent loss; fused biconical taper; melting degree