耿鹏程，李昌峰，韩志辉

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220)

铒镱共掺保偏光纤的结构优化与加工工艺研究

耿鹏程，李昌峰，韩志辉

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220)

采用全矢量有限元分析方法研究了应力区大小、应力区与纤芯之间距离、纤芯区域热膨胀系数等参数对铒镱共掺保偏光纤双折射与应力分布的影响，通过改进超声波打孔、硼棒磨抛与抽真空封装等预制棒加工技术，较大程度上提高了铒镱共掺保偏光纤预制棒的加工工艺水平，最终将光纤的偏振串音控制在-23,dB/10,m 以下，双折射提高至3.9×10-4以上，为制备性能更加优化的高双折射、低偏振串音铒镱共掺保偏光纤奠定了理论与工艺基础。

偏振串音 双折射 应力区 铒镱共掺

0 引 言

相比于掺铒光纤，铒镱共掺光纤具有非常宽的吸收带(800～1,070,nm)，可极大地扩展泵浦光源的范围，进而有效提高激光器的光光转换效率。[1]然而，随着光纤激光雷达探测技术的飞速发展，[2-3]人们对铒镱共掺光纤激光器的性能提出了更高要求，即要求激光器为线偏振输出。如要使激光器输出的光束具有线偏振特性，最有效的方法即是把光纤做成保偏结构。由于有源保偏光纤加工工艺的限制，国内尚无单位研制出可满足实用要求的铒镱共掺保偏光纤。因此，对铒镱共掺保偏光纤预制棒的加工工艺开展深入研究是十分必要的，这对低偏振串音铒镱共掺保偏光纤的研制具有重要的借鉴意义。

本文在分析应力区半径及位置等因素对光纤双折射与应力分布影响的基础上，采用改进的超声波打孔工艺结合真空镶嵌工艺制备出了铒镱共掺石英有源保偏预制棒，最后对拉制出的铒镱共掺保偏光纤的偏振串音、双折射与吸收光谱进行了测试，为制备高性能铒镱共掺保偏光纤奠定了理论与工艺基础。

1 光纤结构对双折射与应力的影响

基于本单位现有技术基础与国外有源保偏光纤在售产品的结构，在光纤应力结构设计时，选取了熊猫型结构。[4]与常规熊猫保偏光纤不同，铒镱共掺保偏光纤纤芯中包含一定量的稀土氧化物和三氧化二铝，三氧化二铝的引入使纤芯区域的线膨胀系数得到了极大提高。与常规保偏光纤相比，铒镱共掺保偏光纤的纤芯更容易变形，进而导致光纤传输损耗增加、激光器光束质量变差。因此，需要对光纤的结构进行特殊设计。

本文采用有限元分析方法计算了光纤结构对铒镱共掺保偏光纤双折射的影响，计算中采取的参数如下：光纤纤芯直径为 12,µm，包层直径为 130,µm，应力区的直径为 32,µm，纤芯中心与应力区中心的距离为 33,µm。纤芯、应力区、包层的线膨胀系数分别为1.1×10-6,K-1、2.55×10-6,K-1、0.55×10-6,K-1。光纤材料的密度为 2,203,kg/m3，弹性模量为 76×109,Pa，泊松比为 0.186。此外，考虑到应力区掺硼材料的软化温度，设定光纤应力区开始施加应力的起始温度为1,600,℃，而光纤最终冷却至室温(设定为 20,℃)。计算结果如图1所示。

图1 铒镱共掺保偏光纤横截面上的应力双折射分布Fig.1 The stress birefringence distribution on the cross section of an erbium-ytterbium co-doped polarization maintaining fiber

由图1可知，铒镱共掺保偏光纤的双折射主要分布在应力区边缘附近区域与纤芯内部，其他区域双折射的值接近于零。对于掺稀土光纤，纤芯的掺杂浓度越大，纤芯的线膨胀系数就越大。当纤芯线膨胀系数分别为1.1×10-6,K-1与1.5×10-6,K-1时，x轴与y轴上的应力分布如图2所示。

图2 纤芯掺杂浓度对光纤应力分布的影响Fig.2 Effect of core doping concentration on the stress distribution of fiber

由图2可知，当纤芯线膨胀系数由1.1×10-6,K-1增加至1.5×10-6,K-1时，纤芯及附近区域x轴上的应力值增加较明显，而y轴上只有纤芯区域内应力增加较多。由于纤芯及附近区域内的应力越大纤芯越容易变形，所以对于高掺杂铒镱共掺保偏光纤需要适当优化光纤结构。经计算，应力区半径 r越大，纤芯区域的双折射与纤芯边缘处的应力值越大；r保持不变时，应力区中心与纤芯中心的距离 d越大，纤芯区域的双折射与纤芯边缘处的应力值越小。

由上述分析可知，为降低在拉丝工艺过程中纤芯的变形量，在保证光纤具有一定双折射值的情况下，应尽量使应力区远离纤芯并控制应力区面积。此外，铒镱共掺保偏光纤的结构还需要结合加工工艺来合理设计。

2 铒镱共掺保偏光纤的加工工艺

打孔工艺制作铒镱共掺保偏光纤的工艺流程如下：①将铒镱共掺预制棒退火；②在预制棒两侧设定位置对称打两个孔；③将加工好的应力棒装入孔中；④将应力棒与带孔母棒进行抽真空封装。

与常规熊猫型保偏光纤预制棒相比，铒镱共掺保偏光纤预制棒的加工难度更大，主要体现在：①打孔过程中光纤预制棒更易碎裂。铒镱共掺保偏光纤纤芯的线膨胀系数较大，导致预制棒的残存应力较大，进而造成光纤预制棒在打孔过程中更易碎裂。②铒镱共掺保偏光纤对打孔精度要求更高。常规保偏光纤的纤芯均由气相沉积法生成，纤芯直径能够做到很大，几乎没有限制；而铒镱共掺保偏光纤的纤芯一般由沉积疏松层加液相掺杂法生成，纤芯直径一般在1.5,mm以下，由于芯包比的限制，预制棒的直径一般相对较小，所以铒镱共掺保偏光纤对加工精度要求更高。③抽真空封装难度更大。带孔铒镱共掺预制棒与硼棒的直径较小，对操作精度要求更高，铒镱共掺保偏光纤对封装过程中的加热均匀性要求也更高。

针对上述问题，我们采取的解决措施主要包括：①针对铒镱共掺预制棒残存应力较大的问题，在打孔工艺前，对预制棒进行褪火处理；②针对打孔过程中，预制棒容易碎裂的问题，在设计光纤结构时，适当增加孔与纤芯之间的距离；③为提高打孔精度，引入了显微镜精密测量装置，并结合自行设计制作的控制支架建立了打孔精确定位系统；④为提高硼棒与带孔母棒的匹配度，改进了硼棒磨抛工艺，有效降低了硼棒直径的波动量；⑤为提高封装工艺中的加热均匀性，专门设计制作了环形加热器。

3 结 语

本文采用全矢量有限元分析方法分析了应力区半径、应力区位置与纤芯区域热膨胀系数等参数对铒镱共掺保偏光纤双折射与应力分布的影响，为铒镱共掺保偏光纤的结构设计提供了理论依据，继而通过优化预制棒打孔与抽真空封装等加工工艺，最终制备出了结构较为均匀且满足设计要求的铒镱共掺保偏光纤，其双折射率为 3.96×10-4，偏振串音为-23.1,dB/10,m。本文的研究工作对于高精度有源保偏光纤的研制具有一定的借鉴意义。

［1］ 赵境辉. 高功率双包层铒镱共掺光纤激光器的研究[D]. 西安：西安电子科技大学，2012.

［2］ 赵小华，渠亮. 雷达反隐身技术的浅析[J]. 现代雷达，2007，29(3)：17-19.

［3］ 张飞飞，夏海云，孙东松. 1.55,μm相干激光雷达系统的硬目标速度探测[J]. 激光技术，2012，36(5)：602-606.

［4］ 沈建平. 保偏光纤预制棒的加工研究[D]. 长春：长春理工大学，2012.

Structure Optimization and Processing of Erbium-ytterbium Co-doped Polarization Maintaining Fibers

GENG Pengcheng，LI Changfeng，HAN Zhihui
(The 46th Research Institute of China Electronic Technology Group Company，Tianjin 300220，China)

The effects of stress region size，distance between stress zone and core，thermal expansion coefficient in the core zone on the birefringence and stress distribution of erbium-ytterbium co-doped polarization maintaining fiberswere studied by using the full vector finite element method．By improving ultrasonic drilling，Boron rod polishing and vacuum packaging processing technology，the processing level of the erbium-ytterbium co-doped polarization maintaining fiber preform was greatly enhanced．Finally，the polarization crosstalk of fiber was controlled under－23,dB/10,m and the birefringence was raised to more than 3.9×10-4，which provides both theory and technology foundation for the preparation of high birefringence，low polarization crosstalk of erbium-ytterbium co-doped polarization maintaining fibers.

polarization crosstalk；birefringence；stress region size；erbium-ytterbium co-doped

TN253

A

1006-8945(2016)01-0040-02

2015-12-06