光纤基础器件及工艺实现介绍

对于多模光纤MMF，Δ≈ 1%； 对于单模光纤SMF，Δ≈ 0.3% SMF-28e Corning， Δ≈ 0.36%
Fiber
几种典型的折射率分布曲线
常见于单模光纤
常见于多模光纤 色散位移光纤
Fiber
❖数值孔径NA
NA（1310nm）=0.1246 NA（1550nm）=0.1244
Fiber
❖方法1：化学汽相沉积法（MCVD：Modificated Chemical Vapour Deposition）
❖方法2：汽相轴向沉积法（VAD：Vapour Phase Axial Deposition）
❖以SiCl4为原料，参杂GeCl4，PoCl3，BCl3。GeO2构成纤芯， B2O3构成包层
成缆
250um Bare Fiber 无这两步
Fiber
❖ 光纤的参量 1.折射率分布以及结构尺寸（a，n） 2.数值孔径NA、归一化频率v和传播模式 3.光纤的损耗与工作波长 4.光纤的色散 5.Oplink常用光纤 6.光纤-光纤的耦合损耗
Fiber
❖ 折射率分布以及相对折射率
相对折射率Δ =(n1- n2)/ n1;
Capillary
3路隔离器使用
三线毛细管
Capillary
间距最大128um，最小124um Switch，HWDM
四线毛细管
Pigtail
❖Oplink pigtail加工工艺 ❖pigtail的质量评价 ❖存在的工艺问题和后续改善
Pigtail
❖Oplink pigtail加工工艺-一般产品
❖归一化频率，反映光纤结构特征的参数
结论： 调整光纤的a或NA即可调节V参数； 阶跃光纤若想获得单模传输，则V<=2.405； 在保证单模传输情况下，V值越高越好，以保证有很小的弯曲损耗。事实 上V<3仍然可以保证单模工作（高阶模短暂出现，然后急剧衰减消逝）。
Fiber
❖传播模式，与光纤的a，NA，V值，工作 波长等边界条件相关
对于无折射率匹配接头，q t 0.47q e ；
端面倾斜 0.5o ~ 1o 将引起 0.05 ~ 0.2dB 的连接损耗。
Capillary
❖简介 ❖毛细管种类与用途
Capillary
❖ 毛细管是常规器件中重要的结构件，因为裸光 纤是不易操作的，例如研磨，耦合光路，封装 等。
❖ 材质：硼硅酸盐玻璃 ❖ 产家：NEG/F&D ❖ Oplink所用品种：单/双/三/四线，
SMF-28e在1300nm下， 传播模式只有一个，即保
持单模传输。
场能量分布x-y
Fiber
此2图中反映1300nm光，在 SMF-28e光 纤单模传输500um之后，接着在一段包
层中发散传播的情况。
Fiber
阶跃光纤模数 M=V^2/2 SMF-28e在1250nm下， 传播模式增加至3个，即 多模传输。
❖ 伴轴子午光线矢量在介质中的传输变换为线性变换，即变换方 程为：
r' = Ar+Bq
矩阵表示为
q' =Cr+Dq
qr''=C AD Bqr,M=C AD B
称矩阵M为介质的光线变换矩阵。
Lens
❖ 若光线连续通过变换矩阵为M1,M2…Mn的光学系 统
r q
M1
M2
…….
Mn
r q
则，
=
r q
Mn*….M2*M1
④单模光纤的内部损耗因子归结为唯一的参数：基模模场 半径W0； 单模光纤芯径小，对横向偏移和角向偏移敏感，要使 损耗小于0.05dB，调整误差应在零点几纳米以内。
Fiber
⑤菲涅尔反射损耗（单面）
( ) Ggap
= -10 lg 4ng nco ng + nco
2
ng：端面间隙材料折射率，
nc：o 纤芯轴线处材料折射率，
(dB )
（ a） 横 向 偏 移 （ b） 纵 向 偏 移 （ c） 角 向 偏 移
Fiber ( ) ( ) ( ) F = r0 k gWT2 ; G = z0 kgWT2 ; = WR WT 2
：光纤倾斜方向与包含光纤纤轴和横向位移的平面之间
的夹角； r0： 横 向 偏 移 量 。
在其它参数偏差为零，各个单个损耗因子引起的损耗：
外部损耗因子
r / a ——横向偏移 z / a ——纵向偏移
q / a ——角向偏移
端面处理的质量
端面反射损耗
Fiber
①内部因子引起的损耗是非互易的，
Δ 小 →Δ 大：损耗小； Δ 大 →Δ 小：损耗大；
.
②横向失准和角详失准对连接损耗的影响比纵向失准大得 多，且难调整。
③多模光纤 D 、a引起的损耗大，可达0.05~0.2dB。
Lens
❖高斯矩阵变换 ❖G-lens ❖C-lens ❖G-Lens/C-lens制作工艺
Lens
❖近轴子午光学系统的变换矩阵
❖
任一伴轴子午光线可由两个坐标参数表征为矢量 一个是光线离轴线的距离r，
r q
另一个是光线与轴线的夹角theta，我们规定光线出射方向在轴 线上方时,theta为正，反之为负。
❖工艺关键点：提纯去除OH离子，Cr3+，Fe2+等，以获得低损耗 ；无气泡，裂纹，灰尘；折射率分布。
❖将预制棒的顶端部分熔融，熔融的同时将顶端的软化部分拉出， 类似制作“糖人”。然后再用UV胶涂覆，形成裸纤。
❖工艺关键点：温度；包层和涂覆层尺寸的控制；熔融部分的位置 控制等；
套塑
❖形成900um Tight Buffer或者形成带状光纤，涂覆材料： PVC;Polyester;PVDF
MFD增大，NA和Δ减小
目的： MFD匹配 Minimize ω 0 PDL 经验获得，扩束有效长度不超 过0.6mm。Pigtail返工研磨不 能超过2次。 工艺控制点：气流、温度、时间 ，切断位置，BeamScaner测试。
Fiber
❖光纤-光纤的耦合损耗
a
内部损耗因子 相对折射率差Δ
失配
折射率分布参数g
sinA z n 0 c o s A z
A tr0 0
❖ G-lens的参数定义
入主
主出
物
射平
平射
象
面
面面
面面
面
O
F A H H B F I
-l
L
l
Lens
以入射面A点为基点 O→A的矩阵描述：
tr11=10 -1ltr00
A→B的矩阵描述：
(()) (()()) tr2 2 = - n 0 c o A ssiA n LA Lsinc A o s LA L n 0 A tr 1 1
Pigtail
❖Oplink pigtail加工工艺-双线TEC
开始
烧制
测试MFD
抽测光斑
用可见光光斑监控来料的 MFD
并纤装管
烧制时，光纤由于重力作用，会有微弯。并纤的作用就是使得两光 纤尽可能微弯方向一致。并且烧制后，光纤直径变小。并纤使 得光纤往毛细管的管壁靠拢。如果不采取并纤。两光纤将形成 微小空间角，从而影响IL。
1 Δ——相对折射率差；ａ——透镜的半径；
( ) () nr
=n11-2Dra
2
2
n0——透镜轴线处的折射率
自聚焦透镜在原理上是一段自聚焦光纤，只不过pitch短，NA较大0.2~0.6，离子交换。
Lens
❖ G-lens的近轴子午光线在透镜内的传输变换矩阵
(()) (( )()) r t = - n 0 c o A ssiA nzA z
装夹研磨
研磨时，要求被研磨光纤研磨量 不要超过0.2mm，且整盘光 纤需对其光纤，而不是对其
毛细管。从而最大限度保证 两光纤MFD匹配。
Pigtail
❖Oplink pigtail加工工艺-PM 双线
标志线
PM转猫眼
去应力
用来消除研磨过程中给PM光纤带来的应力
DH168
消除初期断纤的隐患
测猫眼角度
洗→断纤，拉力，TDL，管裂等
端面表面质量→磨料质量；环境；压力；时间；抛光液 配比；清洗→IL，RL，ER
研磨角度→夹具质量；装夹力度和对齐；压力→RL，IL 光纤排列→夹具质量；装夹对齐→IL，角度匹配
镀膜质量→清洁；膜厚；膜层致密性；膜料→RL，IL， 长期可靠性，PDL，IS，CT，ER
毛细管品质→来料，IPQC→IL，管裂等
测试猫眼方向，5度以上 报废
Pigtail
❖Oplink pigtail加工工艺-Mini SW 3线
做终端
使得加棱镜后，2线即使有光，亦可被消逝掉， 而不会有光返回。特别是针对1：1保护。
灌胶
光纤与刀片的切割角度为40°-60°
Pigtail
❖Pigtail的质量评价vs控制点vs影响
光纤长度、种类和外观→管理；记号→功能失效 光纤与毛细管的胶合质量→胶的品质和固化，毛细管清
B→I的矩阵描述：
r 1 t =0
l1tr22
总的传输矩阵：
(())(( )()) r t = 1 0l1 - n 0 c o A ss iA n L A Ls inc A o s LA L n 0A 1 0- 1 l tr 0 0
Lens
Lens
❖Sqrt（A）
Oplink Collimator/Pigtail Technics Instruction
Zhan Bi 2010-8-2
Content
❖Fiber ❖Capillary ❖Pigtail ❖Lens ❖Collimator ❖Reference