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CN1113823C - 用于减小极化模式色散的调制旋转的光纤 - Google Patents

用于减小极化模式色散的调制旋转的光纤 Download PDF

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CN1113823C CN97191779A CN97191779A CN1113823C CN 1113823 C CN1113823 C CN 1113823C CN 97191779 A CN97191779 A CN 97191779A CN 97191779 A CN97191779 A CN 97191779A CN 1113823 C CN1113823 C CN 1113823C
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Abstract

一种通过按照具有充分谐波含量的旋转函数在拉制期间使光纤旋转来减小单模光纤中的极化模式色散(PMD)而使具有事先未知的光纤拍长(包括光纤不同部分的拍长)的商用光纤的PMD较低的方法。所揭示的旋转函数利用了在极化模式之间进行能量转移从而大大减小宽范围拍长的PMD的某些谐振的优点。合适的旋转函数的例子包括频率调制和幅度调制的正弦波。

Description

用于减小极化模式色散的调制旋转的光纤
相关临时申请的共同参考文献
本申请根据美国的35 USC§119(e)，请求保护1996年1月22日申请的临时申请60/010,376。
发明背景
本发明涉及单模光纤中减小极化模式(PMD)色散的方法。本发明尤其涉及减小光纤双折射宽带上的PMD。
人们知道，通信系统中通常使用的所谓“单模光纤”并不完全是单模的。实际上，在单模光纤中存在垂直极化的两个模式。例如，可参见Dandliker，R.，“Anisotropic and Nonliear Optical Waveguide”(出版商C.G.Someda and G.Stegeman，Elsevier，New York，39-76，1992)。在数学上，这两种极化形成一个正交基组。因此，任何一种通过单模光纤传播的光结构可以用这两种模式的线性叠加来表述。
如果光纤既在几何上又在内部是完全圆形对称的并施加应力，那么这两种极化模式是简并的。它们以同一群速度传播并在光纤中传播了相同的距离以后没有时间延迟差。然而，实际上光纤不是完全圆形对称的。诸如几何和形式变形的不完美以及应力的不对称破坏了两个模式的简并。例如，见Rashleigh，S.C.，Journalof Lightwave Technology，LT-1：312-331，1983。结果，两个极化模以不同的传播常数(β1和β2)传播。传播常数之间的差异称为双折射(Δβ)，双折射的幅度由两个正交模的传播常数之差给出：
Δβ＝β1-β2                             (1)
双折射使得光在光纤中传播时的极化状态沿光纤的长度方向周期地展开。极化状态返回到其原始状态所需的距离为光纤拍长(Lb)，它反比于光纤双折射。具体说来，拍长Lb由下式给出：
Lb＝2π/Δβ                              (2)因此，具有多个双折射的光纤的拍长较短，反之也然。实践中观察到的典型的拍长可以短到2-3毫米(高双折射光纤)，长到10-50米(低双折射光纤)。
除了引起光在光纤中传播的极化状态的周期变化以外，双折射的存在意味着两种极化模式以不同的群速度(group velocity)传播，群速度的不同随双折射的增加而增加。二个极化模式之间的微分时间延迟称为极化模色散，即PMD。PMD使信号失真，对高位速率系统和模拟通信系统很不利。
人们已进行了各种尝试来减小PMD。现有技术中减小PMD的一种方法是在光纤拉制过程中使预制件旋转。例如，可参见Barlow等人：Applied Optics，20：2962-2968，1981；Payne等人：IEEE Journal of Quantm Electronics，QE-18：477-487，1982；Rashleigh：“Fabreication of Circularly Birefringent SingleMode Fibers”Navy Technical Disclosure Bulletin，5：7-12，1980；以及PCT专利申请WO83/00232。旋转使得光纤的内部几何和/或应力不对称性随光纤沿轴向向下行进中围绕光纤的轴旋转。在拉制期间通过旋转，即，当预制件的根部基本上熔化时，根据光纤的不对称性执行基本上是纯碎的旋转，这与光纤在拉伸后扭曲时出现的不对称旋转和旋转应力的引入相结合的情况相反。对于采用扭转来减小PMD的讨论见Schuh等人的Electronics Letter，31：1172-1173，1995；以及Ulrich等人的Applied Optics，18：2241-2251，1979。
旋转产生PMD的减小正比于旋转速度。不幸的是，处理典型光纤的不对称性常常需要很高的旋转速度；例如，在旋转速度大于5000rpm(每分的旋转圈数)。在这样的速度下使预制件旋转对于商用光纤生产是不实际的。类似地，与预制件相反，在这样高的速度下使光纤旋转也是很不实际的。
授权给Arthur C.Hart，Jr等人的美国专利5,298,047(以及美国专利5,418,881)中讨论了在拉制过程中，与预制件相反以相当低的速度使光纤旋转来减小PMD的方法。但是，Hart的专利没有认识到，在某些条件下，可以实现最大程度的PMD减小。因为Hart专利没有认识到或者利用最大程度PMD减小的优点，所以，Hart专利中揭示的实现PMD减小的方法不如由本发明的方法所实现的PMD减小那么大。
更具体地说，Hart专利揭示的旋转速度基本上是以正弦波方式变化的。即，可以将沿Hart光纤长度方向作为距离z的函数的Hart旋转速度α写成：
α(z)≈α0sin(2πfz)，                       (3)式中，α0是以圈/米表示的Hart旋转幅度，f是与米成反比的Hart纵向频率，即，f代表沿光纤长度方向Hart旋转速度α变化的速度。
术语“旋转函数”将用来描述作为距离z的函数的旋转速度，即α(z)，旋转速度也可以是时间t的函数，即，α(t)，应用于光纤的时间旋转函数可以通过光纤拉制速率从相应的距离旋转函数得到，光纤拉制速率通常是常数，但在一般意义上说也可以是一个变量。正如在下文中将要详细讨论的那样，制作光纤中采用的旋转函数，无论是以距离表述的还是以时间表述的，以及成品光纤中出现的以距离表述的合成旋转函数，一般是不同的，这是因为光纤和用来向光纤和/或预制件施加旋转函数的装置之间的连接处存在机械效应例如滑动的缘故。
上面的等式(3)描述了这一差异，Hart专利描述了其应用的作为振荡的旋转函数，即，纯正弦函数，对于1.5米/秒的拉制速度是60圈/分(图6中Hart曲线60)，或对于3.0米/秒的拉制速度是106圈/分(图6中的Hart曲线61)，而图6中示出的光纤中观察到的旋转函数只是近似为正弦函数。重要的是，相对于本发明来说，Hart与纯正弦函数的偏离还不足以实现本说明书所揭示的PMD的减小。
具体说来，按照本发明，已经确定，为了减小PMD，正弦旋转函数仅对于某些双折射拍长来说是最佳的，实现最佳化的特定拍长是正弦旋转函数的αo和f值的函数。对于其他的拍长，正弦旋转函数不是最佳的，而可能是很差的。
由于商用光纤沿长度方向以及不同的光纤间其几何和应力不对称是不同的，所以有各种各样的拍长。因此，Hart专利的大体成正弦波形的旋转函数至多只能对某些光纤和/或特定光纤某些部分提供最佳程度的PMD减小。
本发明克服了Hart专利的这一不足。这是通过提供基本上不是正弦波形的改进的旋转函数来实现的。借助于这些旋转函数，与现有技术的方法相比，可以实现更大的PMD减小的结果。举例来说，通过使用本发明的方法，对于商用光纤的密度(例如含有100根光纤的密度)可以达到小于0.1ps/km1/2的PMD值，如果光纤是不旋转的，则具有这样密度的光纤将给出一个拍长范围，或者PMD值范围，例如，对于具有至少10公里长度的光纤，光纤间的PMD值的变化多达1.0ps/km1/2，在给定光纤内变化多达1.0ps/km1/2。
发明概述
因此，本发明的目的是提供一种减小PMD的改进方法。更具体地说，本发明的目的是提供一种对在给定的光纤中和/或不同的光纤间具有一个拍长以上的光纤减小PMD的方法。
本发明的进一步的目的是提供减小PMD且无需旋转预制件的方法。
本发明的另一个目的是提供减小PMD且没有过高旋转速率的方法，例如，最大旋转速率(最大幅度)小于10圈/米，最好小于4圈/米。
本发明通过提供旋转函数实现了这些和其他的目的，这些旋转函数是：(1)大体上不是恒定的，即，它们沿光纤的长度大体作为距离的函数而变化，或者作为时间的函数而变化；(2)大体上不是正弦形式的；以及(3)具有充分的可变性，例如，充分的谐波含量，以对多个拍长提供PMD的大幅度减小。
在一般情况下，旋转函数可以例如被构成是不同频率的正弦分量的加权和，通过选择分量的个数和它们的权重产生一个整体函数，以实现本发明的PMD的减小。旋转函数可以是随机产生的。在某些较佳实施例中，旋转函数是一个经频率调制或幅度调制的正弦函数，进行充分调制，使得旋转函数大体上不是正弦形式的。
通过本发明的旋转函数，就能克服其他减小PMD的方法的缺点和限制。
附图简述
在结合附图对本发明进行了详细描述以后，本发明的上述目的和其他目的将变得很清楚。其中，
图1是当旋转函数是直线时旋转速率作为长度函数的图。
图2是当旋转函数是具有恒定幅度和频率的正弦函数时旋转速率作为长度函数的图。
图3描绘的是上述Hart专利与图6所示曲线60相关的数据点的复变Fourier分析结果。
图4描绘的是上述Hart专利与图6所示曲线61相关的数据点的复变Fourier分析结果。
图5描绘的是在极化模间实现最大能量转移的假设的光纤结构。
图6描绘的是正弦旋转函数。
图7描绘的是图6所示正弦旋转函数的近似。
图8描绘的是图7所示的旋转部分耦合在其邻近不旋转部分的快轴和慢轴之间并作为旋转速率函数的光量，即，给出作为旋转速率函数的耦合谐振。
图9-12给出代表性的旋转函数，这些旋转函数对按照本发明的应用给出(图9-19)或不给出(图11-12)充分的可变性。每一图中的A图给出的是旋转函数，而B图给出的是通过函数的复变富利叶(Fourier)分析确定其谐振分量的的结果。
图13描绘的是作为按照本发明制备的光纤的长度函数的频率调制正弦旋转速率。
图14是作为拍长函数的PMD减小的图。
图15是描绘频率调制旋转函数出现的最大PMD减小的图。
图16是描绘幅度调制旋转函数出现的最大PMD减小的图。
图17是可以用作产生本发明的旋转函数的装置。
发明的详细描述
本发明提供了一种在拉制期间通过使光纤旋转产生变化来减小PMD的方法。更具体地说，这意味着将传统的光纤预制件加热到传统的拉制温度，并从预制件拉制光纤，使光纤产生旋转。本方法最好包含光纤旋转而不是预制件旋转。也可以(尽管不是最好)按照需要使预制件旋转以取代光纤的旋转，或与光纤一起旋转。
然而，现有技术还使光纤旋转以减小PMD，现有技术的旋转函数或者是一个直线函数即恒定的旋转速率，或者大体上是一个正弦旋转函数，正弦函数的频率和幅度大体为常数。
图1描绘的是现有技术中用来减小PMD的直线旋转函数。图1中所示的旋转函数可以写成α＝α0，其中，α0是用圈数/米表示的旋转幅度。图2描绘的是用来减小PMD的现有技术方法中所使用的正弦类型的旋转函数。图2所示的旋转函数具有恒定的幅度和频率，并且可以写成α＝α0sin(2πfz)，其中，与上面定义的一样，α0是用圈数/米表示的旋转幅度，f是用米的倒数表示的纵向频率，而z是光纤中的位置。
如上所述，本发明的旋转函数与现有技术中的旋转函数的不同点在于，旋转函数基本上不是正弦形式的，并且充分可变，可对多个拍长使PMD大大减小。
给定旋转函数是否“基本上是正弦的”，可以通过对旋转函数进行复变富利叶分析并比较由此确定的函数各个分量的系数的幅度来确定。复变富利叶分析是用本领域中熟知的传统技术来进行的。例如，分析可以用市售软件，如WlframResearch，Inc.销售的软件来进行，该软件的商标是MATHEMATICA。该公司的地址是Champaign，Illinois。
按照本发明，当旋转函数的一个振动分量(基本分量)系数的幅度相对于所有其他振动分量(二次分量)的系数幅度以及任何常数分量的系数幅度来说占主导地位时，那么该旋转函数基本上是正弦形式的。从数量上说，这种主导地位出现在基本分量的系数幅度至少是每个二次分量的系数幅度以及常数分量的系数幅度的三倍时出现。
图3和图4是进行复变富利叶分析的结果，具体说来，该复变富利叶分析是用上述MATHEMATICA程序对图6所示Hart专利的曲线60和61的数据点进行的有限复变富利叶分析。对于该程序，常数系数为频率“1”。从这些图中可以明显地看到Hart旋转函数基本的正弦形式本质，每一组数据点的基本分量(频率“2”)的幅度至少是所有其他分量的三倍。
图3和图4的分析是用图6所示Hart专利的配合曲线而不是该图的数据点来重复进行的。配合曲线先作数字化，随后用MATHEMETICA程序进行分析。这样，分析结果表明，基本振动分量的主导性更大，该分量系数的幅度至少是所有其他系数的幅度的五倍。
除了非正弦形式以外，本发明的旋转函数必须具有充分的可变性，从而对多个拍长充分减小PMD。旋转函数的可变性可通过确定旋转函数的谐波分量再借助于复变富利叶分析而极其容易地检查出来。
按照本发明，人们可以发现，不管是在恒定速率下还是在正弦旋转速率下，旋转本身一般是不会使商用光纤实现PMD的最佳减小的。相反，旋转速率应当在幅度上和空间分布上沿光纤的长度方向变化，从而使PMD的减小为最佳。处于这样的变化状态时，旋转就对各种拍长实现了极化模式间(模式耦合)的能量转移。这样的能量转移在减小商用光纤的PMD方面是高度有效的。
与变化旋转的情况相反，在恒定速率下的旋转不仅会减小PMD，而且无需在极化模式间转移能量。正弦旋转，或者在更一般的情况下，低变化旋转可以实现极化模式间的能量转移。然而，能量转移在很大程度上依赖于拍长，对于给定的正弦旋转幅度和频率，这种依赖性对于某些拍长较大，而对于其他的拍长则依赖性较小。结果，PMD的减小呈现谐振，仅对某些拍长出现强烈的PMD减小。如上面讨论的那样，商用光纤给出各种各样的拍长，这些拍长可以是与正弦旋转的PMD谐振一致，也可以是不一致的。若疏忽了这些谐振，就不能实现PMD的充分减小。
图5-8描绘了本发明的这些方面。图5描绘的是实现极化模式间最大能量转移的假想的光纤结构。图中给出沿极化防护光纤长度方向的截面，具体说来，是沿椭圆内芯光纤长度方向的截面，这样的光纤被分成几个相同长度的部分，每一部分相对前一部分旋转90°。
每一部分的快模式和慢模式分别沿椭圆的短轴和长轴方向。因为每一部分已经被切割下来并旋转了90°，所以，来自快模式的能量在每次切割时被耦合到慢模式内，类似地，来自慢模式的能量被耦合到快模式内。因此，在下一部分中精确补偿了每一部分的模式色散，使得整个光纤基本上没有PMD。从该图中可以清楚地看到极化模式间的能量转移在减小PMD方面的效果。
从图6和图7可以看到，大体呈正弦的旋转函数无法对多个拍长实现最佳PMD减小，图6示出正弦旋转函数，而图7示出对这样一种函数的近似，以简化分析。具体说来，在图7中，正弦旋转函数是由一系列不旋转和旋转的部分来近似的，旋转部分具有恒定的幅度，但旋转方向是变化的。
可以分析图7的结构，来确定旋转部分是否与图5中的切割部分起同样的作用，即，它们是否用来在不旋转部分的慢极化模式和快极化模式间转移能量。如果出现这样的能量转移，那么每个不旋转部分的模式色散将在下一个旋转部分中得到补偿。由于不旋转部分对PMD的贡献比起旋转部分对PMD的贡献要大得多，这样又对光纤给出总体较小的PMD，因而如果要减小总体PMD的话，必须减小这一贡献。
图7所示的系统可以借助于琼斯(Jones)矩阵来分析，Jones矩阵用以计算光在穿过不旋转部分、恒定旋转部分然后是另一不旋转部分以后在线性极化模式中的光量。有关的Jones矩阵如下所述： J = a - b * b a * - - - - - - ( 4 ) 式中，a＝cos(gd)cos(αd)+α/g sin(gd)+jΔβu/g sin(gd)cos(αd)                             (5)
b＝cos(gd)sin(αd)-α/g sin(gd)cos(αd)                       (6) g = α 2 + Δβ u 2 - - - - - - ( 7 ) 这些等式中，α是用弧度/米表示的旋转部分的恒定旋转速率，而Δβ是用弧度/米表示的不旋转光纤的双折射。
图8示出用该Jones矩阵计算的结果。该图示出了光量从前面的不旋转部分中的快轴在穿过旋转部分以后耦合到后面的不旋转部分中的慢轴。这一计算是以图示旋转速率针对长度为1米的旋转和不旋转部分而且不旋转光纤的拍长是1米的情况进行的。
因为该图给出的是从快轴到慢轴的耦合，所以接近1的耦合比意味着从快模式到慢模式有显著的光转移。这又意味着将大大补偿不旋转部分的色散，因此总体PMD将是低的。另一方面，耦合比接近零意味着将有很少的光从快模式转移到低模式，因此补偿较低，而PMD较高。
从图8可以明显地看到系统的谐振性。只有某些旋转速率可以对所选择的拍长和部分尺寸实现所要求的高耦合比。重要的是，那些使色散最小的旋转速率对于不同的拍长和/或不同的部分尺寸是不同的。正是这一原因，使得旋转函数必须具有高度的可变性，以便使PMD的减小为最佳。没有这样的可变性，就无法确保具有可变拍长的商用光纤既在光纤的不同部分又在光纤之间真的出现PMD减小的谐振。
图9-12给出实现(图9-10)和不实现(图11-12)按照本发明的充分可变性的代表性的旋转函数。每一图的A图给出的是旋转函数，而B图给出的是函数的复变富利叶分析结果，以确定其谐波分量。具体说来，B图给出各种分量的归一化幅度，而归一化是用具有最大幅度的分量进行的。
图9和图10的旋转函数是用下面的等式(8)描述的频率调制正弦函数。用来产生这些图的这一等式的参数是：
图9：α0＝1.0圈/米，
     f0＝5.0米-1，
     fm＝5.0米-1，
     Λ＝5.0米，
图10：α0＝1.0圈/米，
    f0＝2.0米-1，
    fm＝2.0米-1，
    Λ＝5.0米。
图11和图12所示的旋转函数分别成方波和三角波，每一种情况下的最大旋转速率和重复周期分别是1.0圈/米和1.0米。
方波和三角波的频谱检查表明，只有几个低频分量具有大于0.2的归一化幅度，更高频率分量的幅度可以忽略。因此，这些波形以PMD的减小即它们的可变性来衡量与正弦波形相似。另一方面，对于两个频率调制波，存在许多归一化幅度高于0.2的频率分量。这些频率分量为商用光纤的最佳PMD减小提供了所需的可变性。
图9-12所示的分析过程可以用来确定特定的旋转函数对多个拍长提供PMD大大减小是否具有充分的可变性。类似于频率调制波形的函数具有充分的谐波含量提供所需的可变性，而方波和三角波则不是。根据这些原理，本领域的技术人员可以确定他或她想要使用的任意特定旋转函数是否能成功地对多个拍长减小PMD。
如上所述，在某些较佳实施例中，本发明的方法在拉制过程中，按照经频率调制或幅度调制的正弦旋转函数使光纤旋转。本发明的频率调制旋转函数可以写成：
α(z)＝α0sin(2π[f0z+fmsin(2πz/Λ)])                   (8)式中，α0是用圈数/米表示的旋转幅度，f0是用米的倒数表示的中心频率，fm是用米的倒数表示的调制频率，z是光纤中的位置，而Λ是调制周期。
对于幅度调制，旋转函数可以写成：
α(z)＝[α0sin(2πz/Λ)]sin(2πfz)                       (9)式中，Λ＞1/f，f是用米的倒数表示的旋转频率，而α0sin(2πz/Λ)代表经调制的幅度，其中，α0是用圈数/米表示的恒定幅度，而Λ是用米表示的调制周期。
如果需要，可以同时进行频率调制和幅度调制。这时，必须小心，两种调制不可相互干扰而产生其中旋转速率基本上是恒定的光纤部分。实践中，频率调制或幅度调制都可在旋转函数中引入充分的可变性，从而对多个拍长实现PMD的大大减小。因此，最好不是同时采用这些调制方法。
图13描绘的是按照本发明制备的光纤中观察到的频率调制正弦旋转函数。在所有的特征中，图13所示的旋转函数具有幅度互不相同(例如，将近似5米的最大值与近似3米的最大值比较)的多个最大值(局部最大值)。一般说来，本发明的旋转函数，不管是频率调制类型的还是幅度调制类型的或是某些其他类型的，例如正弦类型的和，都具有至少两个幅度各异的最大值(旋转速率)。
类似地，图13所示旋转函数的导数具有幅度各异的多个最大值(局部最大值)。再有，在一般情况下，本发明的旋转函数不管是频率调制类型的还是幅度调制类型的或是某种其他类型的都具有这一特征。
图13所示的曲线示出了用每米的圈数表示的旋转速率随长度而变的情况，它描绘了按照本发明制备的光纤的最终结果。很明显，假设拉制速度为恒定，并且所应用的旋转函数和光纤中的合成旋转函数间为一一对应关系，那么如果本发明的过程用圈数/秒表示的旋转速率随时间的变化来描述，则该过程可以产生一条互补曲线。
对于曲线幅度在最小幅度和最大幅度之间(例如在每米0和4圈之间)变化的调幅调制旋转函数，可以得到如图13所示的图。对于其他具有本发明的高度可变性的旋转函数，也可以得到类似的曲线。在每一种情况下，可以获得用圈数/每秒随时间的变化描绘的互补曲线，并且这些曲线对于恒定的拉制速度具有互补的形状。
对于本领域中的技术人员很明显的是，在实现本发明中所采用的旋转函数包含向光纤和/或预制件施加合适的力来改变作为时间函数的光纤的旋转速率。下面讨论施加这种力的装置。随着光纤的拉制，向光纤施加的瞬时旋转函数在光纤中被变换成空间旋转函数。光纤中的这一空间旋转函数可以在成品光纤中检测(例如检查通过光纤的隔开的截面)。参见Morrone等人的Optics Letters，第12卷，第60-62页，1987。图13是用这种方式得到的。
可以用来实施本发明的某种装置，如下面讨论的图17所示装置，不会在所应用的旋转函数和光纤中的合成旋转函数之间总是呈一一对应关系的。然而，一般情况下，这种对应关系良好，足以实现本发明的优点。因此，关于本发明的方法和装置，本发明的权利要求书是在拉制过程中采用的旋转函数来写成的，尽管光纤和预制件之间的相对旋转因此也是光纤内产生的旋转与应用的旋转函数可能不完全对应。按照权利要求书的产品是用光纤中实际观察到的旋转函数写成的。
通过光纤旋转的PMD减小的谐振性以及频率调制和幅度调制的优点可以进一步通过检查旋转光纤的PMD的τs与不旋转光纤的PMD的τ0比值来给出(下文中称为“PMD减小因素”或“RF参数”)：
RF＝τs/τ0                                      (10)
图14绘出的是作为拍长函数的RF参数，描绘了与现有技术的方法相比，本发明方法所获得的PMD的进一步减小。具体地说，图14对四种旋转函数绘出作为拍长函数的RF：(1)现有技术的恒定旋转函数，其中，α0＝3圈/米(用实线表示)；(2)现有技术的正弦旋转函数，其中，α0＝3圈/米，而f是2米-1(用短划线表示)；(3)本发明的频率调制正弦旋转函数(用虚线表示)；(4)本发明的幅度调制正弦旋转函数(用短划线加虚线表示)。
频率调制正弦旋转函数的参数如下：
α0＝3.0圈/米，
f0＝4.0米-1，
fm＝5.0米-1，
Λ＝5.0米。
幅度调制正弦旋转函数的参数如下：
α0＝5.0圈/米，
f＝0.1米-1，
Λ＝0.5米。
从图14中可以看到，频率调制的旋转函数在近似为四分之一米的拍长处给出小于0.1的PMD减小因子。幅度调制的旋转函数在近似四分之三米的拍长处实现相同程度的PMD减小。相反，恒定旋转函数在拍长近似为2米以前不会得到小于0.1的PMD减小因子。正弦旋转函数在近似四分之一米的拍长下虽然得到极低的PMD减小因子，但这一PMD减小不会保持更长拍长，对于所有四分之一米以上的拍长，PMD减小因子仅为约0.3。
简而言之，在按照要求实现各种拍长的低水平的PMD方面，本发明的调制正弦旋转函数优于现有技术。正如上文中指出的那样，这一改进是基于这样的认识的，即，正弦旋转函数的最大PMD减小的出现有赖于三个参数：(1)旋转幅度；(2)旋转周期(频率)；以及(3)光纤拍长。由于现有技术方法的旋转函数的周期和幅度是大体固定的，这些旋转函数仅能减小较少几个拍长的PMD。本发明的较佳实施例改变了旋转函数的幅度或频率，因此可以减小较多数量拍长的PMD。
这些结果由图15和图16给出。当光纤按照具有固定幅度的正弦旋转函数在拉制过程中旋转时，最大PMD减小根据旋转函数的频率出现在各个拍长处。图15用点绘出的是对于按照α＝3sin(2πz/Λ)圈/米的旋转函数旋转的光纤出现最大PMD减小的图，其中，旋转函数的周期Λ(是旋转频率的倒数)调制在0和2米之间。
为了实现最大PMD减小，需要以对应于某一点的频率使光纤旋转。然而，点的位置取决于光纤的拍长，并且在一般情况下，商用光纤的拍长无法精确地事先知道。因为现有技术方法的正弦旋转函数的幅度和频率基本上是固定的，所以，只可能有有限个与这些点一致。因此，正如图14中由虚线绘出的(纯正弦曲线)那样，显著的PMD减小仅限于较少的几个拍长。
相反，本发明的方法利用了例如通过调制旋转函数的频率而出现最大PMD减小的优点。这使得有更大数量的与图15所示点的一致。在出现一致的每一频率处，在相应的拍长处出现PMD的大大减小。这使得如图14所示的虚线(频率调制线)那样，在大量的拍长处PMD大大减小。
对幅度调制旋转函数可以进行类似的分析。图16描绘的是对于由下式定义的旋转函数，作为旋转函数的幅度的函数在各个拍长处出现最大PMD减小的情况：
α＝α0sin(2πz/0.5)                                (11)式中，α0是在0和6圈/米调制的旋转函数的幅度。如图15所示，出现的最大PMD减小由点所示。
当旋转函数的幅度与出现最大PMD减小处的幅度“一致”时，PMD在相应的拍长处大大减小。因为现有技术方法的正弦旋转函数的幅度和频率基本上是固定的，所以，只可能有有限个数的“一致”。正如图14所示的划线(纯正弦曲线)那样，PMD大大减小限于少数拍长。
相反，本发明的方法利用调制旋转函数的幅度而产生最大PMD减小的优点。这使得有更多的与出现最大PMD减小处的幅度的“一致”。在每一出现一致的幅度处，在相应的拍长处出现PMD的大大减小。正如图14中的点划线(幅度调制线)所示的那样，这使得在大量的拍长处的PMD大大减小。
任何能够在光纤拉制过程中使光纤旋转并且还能够使旋转频率和/或幅度变化的装置都可以用来实施本发明。图17是上述Hart专利的图14的重现，其中，滚轮1912和192是拉伸塔(draw tower)的一部分引导机构。Hart专利描述的是通过使滚轮1912的轴在角度2θ’内正弦振荡而产生图6所示Hart专利的旋转函数。由于光纤外表面和滚轮表面的动态摩擦，轴的振荡在光纤中产生旋转。如上所述，Hart旋转函数的可变性还不足以实现本发明的上述优点。
本发明可以用Hart专利中所示的装置来实施，Hart专利中，通过改变作为时间函数的θ’而保持振荡频率不变来实现幅度调制，或保持θ’恒定而改变作为时间函数的振荡频率来实现频率调制。遵循本发明原理的其他旋转函数可以用类似的方式来实现。
除图17所示以外的其他装置，例如Hart专利中讨论的其他类型的旋转机构或已知的或本领域中陆续发展起来的类似的装置也可以用来实施本发明。例如，见Arditty等人的美国专利4,509,968，该专利中描述了使光纤在形成期间绕其轴旋转的装置。还可以参见共同转让并共同待批的美国专利申请60/012,290(申请人Robert M.Hawk，申请日1996年2月12日)和60/015,298(申请人Robert M.Hawk，Paul E.Blaszyk，William R.Christoff，Dan E.Gallagher，William J.Kiefer，Danny L.Henderson，Ming-Jun Li，Daniel A.Nolan和Glenda R.Washburn)，其标题分别是“在光纤中提供受控旋转的方法和装置”和“光纤中引入受控旋转的方法和装置”。一般说来，这样构筑的旋转装置将包括向光纤施加旋转力的光纤接触装置(如滚轮)，以及用作为时间函数的非正弦空间方式移动光纤接触装置的驱动装置，例如，计算机控制的驱动电机，和限定光纤接触装置的运动的相关机械联动装置。
对本领域中的技术人员来说，可以从上文的描述中清楚地看到实施本发明的方法的其他机构，例如，当单独采用这样的预制件旋转或与向光纤施加旋转力的组合而产生预制件的非正弦旋转的机构。例如，参见上述PCT专利公开83/00232。
上文中描述了减小PMD的改进的方法和装置。尽管上文中揭示了特定的实施例，但本领域的技术人员将会理解，本发明也可以用上文中揭示的实施例以外的方式来实现，上述实施例仅是描述性的，而非限定性的，本发明的保护范围仅由权利要求书来限定。

Claims (11)

1.一种单模光纤，所述单模光纤具有一纵轴，和一旋转函数，所述旋转函数可以在所述光纤中观察到，并且对于至少一部分光纤沿所述轴作为距离z的函数而变，从而所述旋转函数：(i)基本上不是正弦的；以及(ii)对于多个拍长具有足以提供极化模式色散减小的可变性。
2.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述旋转函数具有幅度互不相同的至少两个最大值。
3.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述旋转函数具有相对于z的微分，所述微分具有幅度互不相同的至少两个最大值。
4.一种单模光纤，所述单模光纤具有一纵轴，和一旋转函数，所述旋转函数可以在所述光纤中观察到，并且对于至少一部分光纤沿所述轴作为距离z的函数而变，从而所述旋转函数是一个频率调制的旋转函数，并且，所述旋转函数：(i)基本上不是正弦的；以及(ii)对于多个拍长具有足以提供极化模式色散减小的可变性。
5.一种单模光纤，所述单模光纤具有一纵轴，和一旋转函数，所述旋转函数可以在所述光纤中观察到，并且对于至少一部分光纤沿所述轴作为距离z的函数而变，从而所述旋转函数是一个幅度调制的旋转函数，并且，所述旋转函数：(i)基本上不是正弦的；以及(ii)对于多个拍长具有足以提供极化模式色散减小的可变性。
6.一种单模光纤，所述单模光纤具有一纵轴，和一旋转函数，所述旋转函数可以在所述光纤中观察到，并且对于至少一部分光纤沿所述轴作为距离的函数而变，从而所述旋转函数具有这样一个频谱，所述频谱包含至少三个具有至少为0.2的归一化幅度的分量，并且，所述旋转函数：(i)基本上不是正弦的；以及(ii)对于多个拍长具有足以提供极化模式色散减小的可变性。
7.如权利要求6所述的单模光纤，其特征在于，所述频谱包含至少五个具有至少为0.2的归一化幅度的分量。
8.如权利要求6所述的单模光纤，其特征在于，所述频谱包含至少十个具有至少为0.2的归一化幅度的分量。
9.如权利要求1至6中任一权利要求所述的单模光纤，其特征在于，与相应的不旋转的光纤相比，所述光纤的极化模式色散减小。
10.如权利要求1至6中任一权利要求所述的单模光纤，其特征在于，对于1.0和2.0米之间的拍长，所述光纤具有小于0.2的极化减小因子。
11.如权利要求1至6中任一权利要求所述的单模光纤，其特征在于，所述旋转函数的最大幅度小于10圈/米。
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