纺丝纤维 spun fibers

2022-10-25 14:01:18 浏览:202

定义

在纤维拉伸过程中被扭曲以获得修饰的极化性能的纤维。

纺丝光纤是光纤(通常是单模二氧化硅光纤),其中光纤在制造(拉伸)过程中被扭曲。应用这样的程序是为了获得有关通过光纤发送的光的偏振的影响的特殊性质;结果与使用标准光纤或传统保极化光纤获得的结果有很大不同。

纺丝纤维的制造技术

旋转预制棒

最初提出的技术是基于纤维拉丝过程中纤维预制棒的稳定旋转[1]。通常,预坯以恒定的速率旋转,这与恒定的拉动速度相结合,导致一定的恒定旋转速率。例如,可以获得3 m的自旋速率−1(即,每米3圈)如果拉拔速度为1 m/s,并且预制棒每秒旋转3次(即180 rpm)。

旋转预制棒方法非常适合实现高精度的单向纺纱。然而,高旋转速率与高拉速相结合很难获得,这对于电信光纤来说是可取的,因为预制棒必须非常快速地旋转。

扭曲纤维

另一种方法是使预制棒保持固定,但用合适的旋转装置[4]扭曲光纤,例如,该装置可以放置在光纤缠绕机构之前的纤维拉丝塔中。后者可能必须进行优化,以使光纤不会在线轴上扭曲,因为这可能会对应用造成干扰。

例如,可以通过通过两个旋转轮之间的小间隙送入纤维来实现扭曲。这些车轮被推到纤维上,可以沿着它们的旋转轴向相反的方向移动,通常以振荡的方式,使得它们以时间依赖的方式扭曲纤维。可以使用第二对这样的旋转轮来避免线轴上的纤维扭曲。

由于旋转轮可以相对较小且重量轻,因此即使与高拉动速度相结合,也可以实现高旋转速率。然而,这种技术的一个基本限制是不可能均匀扭曲;车轮只能在有限的范围内移动,然后需要向后移动。因此,该技术适用于周期性旋转模式,例如正弦,三角形或梯形形状,但不适用于单向旋转。也可以使用非周期性模式,例如“频率调制”,但在任何情况下,车轮运动的偏移都有限。

事实证明,扭曲光纤方法允许的各种自旋模式非常适合低PMD电信光纤(见下文)。

纺纱效果

在纤维拉伸过程中,预坯的纺丝有效地导致玻璃材料在纤维中的分布得到改变。这就是纺纱对应用的基本影响。

仅在相当有限的程度上,它还会导致纤维内部的机械(扭转)应力,因为纺丝主要在粘度还不是很高的热状态下影响纤维。因此,纺丝纤维不会通过光弹性效应表现出基于机械应力的实质性偏振效应,并且实际上在偏振演化演化计算中经常忽略这些极化效应。在这方面,这种纤维与在冷态下扭曲的纤维有很大不同,在冷态下,应力效应很大。

纺丝纤维的极化演变

例如,纺丝纤维中偏振演变的计算远比普通保持偏振的纤维复杂得多 - 特别是当必须考虑随机双折射并且必须评估统计性质时。例如,在电信环境中就是这种情况。

对于具有恒定取向的光纤的双折射轴,如在标准的高双折射保持偏振光纤中,斯托克斯矢量(描述庞加莱球中的偏振状态)将在双折射轴周围表现出进动。然而,在足够快的纺纱下,双折射轴旋转得如此之快,以至于在保持近似恒定的任何长度的光纤中,偏振矢量的进动角都非常小。结果,进动在很大程度上被抑制,偏振矢量仅表现出小振幅的快速振荡,此外还可能表现出缓慢漂移。

在数学上,可以用简化的模型来处理这种情况,忽略光纤的圆形双折射,并计算等效的双折射矢量(对于给定的自旋曲线),该矢量不会重现所提到的低振幅快速振荡。等效双折射向量可以包含随机量,描述双折射的随机性。(奇怪的是,它通常具有确定性的圆形双折射分量,尽管没有假设光纤的圆形实际双折射。通过这些数学方法,对于感兴趣的典型案例,人们可以获得相对简单的分析结果(尽管并非没有非平凡的计算)[11]。例如,与未纺丝的纤维相比,可以计算纺丝在多大程度上抑制了双折射。

也可以使用其他模型,例如基于模耦合理论的模型。这些对于名义上的非双折射纤维特别有用,其中弱耦合近似通常很好地实现。

数值模拟模型通常用于模拟具有随机双折射的纤维中极化演化的影响。分析结果仅适用于有限的一组情况,但对于识别某些一般关系等,分析结果可能相当有用。

可以考虑不同的旋转曲线。例如,可以简单地具有具有恒定旋转速率的单向旋转,就像通常使用旋转预制件方法获得的那样。其他可能性是三角形自旋轮廓,其中旋转方向有规律地反转,以及三角形,正弦或梯形旋转轮廓。在某些情况下,应用非周期性轮廓,例如频率调制模式作为正弦模式的修改形式。

来自名义上非双折射预制体的纤维

例如,电信光纤由普通光纤预制棒制成,没有任何故意引入的双折射,而只是在中等水平上只有一些随机的双折射。如果不旋转,光纤也只会表现出一些随机的双折射,但这足以引起问题 - 例如,在光纤通信中,它会导致偏振模色散(PMD),这可能是可实现传输容量的限制因素,特别是对于较大的传输距离。通过在制造中应用优化的自旋模式,即使局部双折射与无纺纱相似,也可以大量减少有效的双折射。从本质上讲,人们获得了一种平均效应。

在数学术语中,这可以描述为双折射相关长度的减少。实际上,这使光纤基本上更接近没有任何双折射的理想光纤,即理想的各向同性波导。在这种极限情况下,光纤将是理想的极化保留 - 即使对于特定的线性输入极化状态,但对于任何输入极化状态(例如圆极化)也是如此。

光纤PMD对外部效应的敏感性也很重要。

对于电信光纤,在实践中仅考虑对具有一定恒定双折射水平的光纤甚至具有随机双折射的光纤的偏振模色散的降低是不够的。这是因为另一个重要方面是对其他效应的敏感性,例如由于温度变化引起的宏观或微弯曲和机械应力。不同的自旋模式在对这种效应的敏感性方面可以有很大差异。此外,在短长度光纤(例如在某些光纤传感器中)或仅在长长度上(例如在电信应用中)的偏振演变是否相关也很重要。总体而言,例如,电信光纤的优化是一个相当复杂的问题,并且花了数年时间来确定与PMD相关的所有方面,而不仅仅是优化所需的光纤制造机械。

来自双折射预制体的纤维 

一些纤维是从预制棒中纺出的,带有故意引入的双折射,例如PANDA或领结设计 - 就像用于制造标准(未纺丝)保持极化纤维一样。在纤维拉伸过程中无需纺丝预制棒,即可获得具有大量双折射的纤维。然后,在输入光沿光纤的两个轴之一线性偏振的情况下,光的偏振在传播过程中得到很好的保留。然而,其他偏振状态 - 例如圆形或椭圆形偏振,或具有不同初始方向的线性极化 - 不会保留在此类光纤中。

当应用预坯的强力旋转时,此行为会发生重大变化。更具体地说,纺纱必须非常强,以至于自旋周期(对应于预制棒的一整圈)远小于极化节拍长度。一个人再次获得有效的双折射,尽管局部双折射很大,但非常弱。不仅保留了合适的线性偏振态,还保留了其他状态,例如圆偏振光。

纺丝高双折射纤维(与纺丝低双折射纤维相比)的一个实质性优点是,对与振动或热漂移有关的应力诱导的双折射的灵敏度要低得多。因此,例如在参数传感器中,可以获得更好的性能(见下文)。然而,HiBi纤维明显更昂贵,并且其中一些纤维表现出更高的传播损耗。

纺丝光子晶体光纤

也可以在制造含有微小气孔的光子晶体光纤时利用光纤的纺丝。例如,这些气孔描述了用于单向旋转的螺旋路径。也可以使用偏移芯(即,不在预制件中心的光纤芯),然后它也沿着螺旋路径。这种设计再次具有特殊的偏振性能[13],这与全玻璃纤维的设计有很大不同。

纺丝纤维的应用

纺丝光纤的特殊偏振特性在不同的应用领域中都很有趣:

  • 在光纤通信中,当在长光纤链路中实现非常高的传输容量时,低偏振模色散(PMD)是重要的。因此,用于高数据速率的电信光纤是纺丝光纤;这项技术早在20世纪90年代就已经推出。
  • 纺丝光纤也用于偏振光纤传感器。例如,有光纤电流传感器[3,12],其中利用了法拉第效应,光纤双折射的影响将令人不安。例如,这种传感器可用于检测高压输电线路上的高电流,其中需要对地电位的高电绝缘性。交流和直流电流均可测量。

纺丝电信光纤通常由在该应用领域建立的光纤制造商生产。然而,用于特殊应用的纺丝光纤,如光纤传感器,通常由专注于此类利基市场的小型制造商制造。

纺丝光子晶体光纤的应用似乎尚未在商业领域建立。

参考文献

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