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1光纖散射機理

（1）根據相關報道，光纖損耗的80％主要來自瑞利散射［3］，其瑞利散射系數是由密度散射損耗系數Ad和濃度散射損耗系數Ac組成。降低光纖瑞利散射損耗的關鍵是降低或改善光纖中的密度不均勻和摻雜濃度不均勻。光纖材料密度不均勻引起的散射損耗可表示為［4］：αd＝8π3／（3λ4）n8p2kTfβT＝Ad／λ4（2）式中λ為波長，n為折射率，p為Pockel光彈系數，k為波爾茲曼常數，Tf為假想溫度，βT為等溫壓縮率。可見，光纖材料密度不均勻引起的散射與波長四次方成反比，與Tf成正比。光纖摻雜濃度不均勻引起的散射損耗可表示為：αc＝（1＋CRΔni）AR／λ4＝Ac／λ4（3）式中AR為純石英光纖的瑞利散射系數，CR為經驗常數（不同摻雜光纖的AR和CR如表1所示），Δni為摻雜i時折射率變化。

2低損耗光纖生產工藝的改進

2．1光纖芯棒折射率的優化

在VAD沉積過程中通過摻雜來改變芯層的折射率，構成光纖所需要的折射率分布及其傳輸性能。通常光纖都是由純石英構成包層和摻Ge的高折射率石英構成芯層組成，但是芯層摻Ge破壞了石英作為傳導部分的單一成分，加劇了微觀結構不均勻性，增加了瑞利散射損耗，不利于降低光纖衰減。圖1顯示了隨著摻Ge量增加，光纖1310nm和1550nm衰減系數呈增加的趨勢。因此，對于摻Ge的石英單模光纖，可以通過降低VAD沉積中的芯層摻Ge量來降低光纖瑞利散射系數，但同時需要通過調節其它參數或途徑來平衡芯層與包層間的折射率差Δ，例如摻F，否則會引起光纖的光學性能發生變化，諸如衰減、截止波長、模場直徑、色散系數等［5－6］。為保證光纖的歸一化頻率V和光纖光學性能，需要結合相對折射率差來選擇合適的芯徑a，即Δ和a成為設計關鍵。圖2a）顯示了摻F優化后的折射率分布，圖2b）顯示了折射率優化前后的光纖衰減系數。

2．2光纖摻雜濃度的控制

由于GeO2和F的摻雜，使得不同摻雜部分的石英具有不同的黏度，其關系式如下：lgη＝lgηSi＋KGeΔnGe＋KFΔnF（4）式中ηSi為純石英的黏度；KGe，KF分別為摻Ge和參F石英的黏度靈敏度系數；ΔnGe，ΔnF分別為摻Ge和摻F后的折射率變化。雖然摻F和GeO2都會在一定程度上降低石英的黏度，但在等同的石英折射率變化下，摻F的石英黏度是摻GeO2的三倍［7］。在光纖芯層和包層中摻入Ge、F的濃度差別越大，則相應石英黏度差別也越大，在高溫拉絲時容易引起芯層和包層的界面發生相對黏滯流動，產生缺陷和斷鍵，這類缺陷會隨著拉絲速度的增加而增多，影響光纖的衰減。因此，必須控制光纖中的GeO2和F的摻入濃度，使得光纖的芯層和包層具有相近的黏度。

2．3光纖拉絲張力和溫度的控制

在光纖拉絲過程中，影響光纖材料密度的三個主要因素是拉絲張力F、拉絲溫度T和拉絲速度v，其關系式如下：v∝F／［3Sη（T）］（5）lgη＝－6．24＋（2．69×104）／T（6）式中S為光纖截面積，η（T）為相應溫度下的石英黏度。由此可見，在一定條件下，三者是相互關聯的。在高速拉絲中，光纖內部的殘余應力σ隨著拉絲張力F的增加而增大，其關系式如下：σ＝S2E2F／［S1（S1E1＋S2E2）（1＋η2S2／η1S1）］（7）式中E為彈性模量，下標1、2分別為芯層和包層。圖3顯示了拉絲速度v＝1500m／min時，不同拉絲張力F下，所制得光纖在1550nm波長的衰減系數。可見，拉絲張力越大，光纖在1550nm波長的衰減也隨之增加。因此，拉絲張力不能過高，否則將引起光纖衰減的增加；但張力也不能過低，否則同樣會因拉絲張力過小而引起光纖直徑波動以及光纖的芯徑和模場直徑的不穩定，增加光纖的散射損耗。在拉絲高溫下，光纖中的Ge和F粒子會發生擴散［8］以及存在GeO2→GeO的熱分解，從而影響光纖原有折射率的分布。因此，應針對不同的拉絲速度控制拉絲爐溫度及溫度場分布，改善拉絲溫度T對光纖衰減的影響。擴散系數D的表達式為：D＝D0exp［－Eact／（RT）］（8）式中D0為擴散常數，Eact為活化能，R為理想氣體常數。通常在相同溫度下F的擴散相比Ge更快，擴散系數隨摻雜濃度而變化。

2．4光纖拉絲熱歷史的控制

預制棒熔融成絲后，從2000℃高溫快速冷卻至常溫（通常為25℃），此時石英黏度在短時間內會發生劇烈變化。由于在冷卻過程中溫差較大，光纖內部應力無法得到充分釋放，內部結構仍處于無序的非晶狀態，這增加了光纖的密度不均勻性。這種結構變化與光纖冷卻固化時間有關，換言之，石英的無序性取決于冷卻速率（或拉絲速度），相應的凝固轉化溫度即為假想溫度Tf。由式（2）可知，Tf越低，光纖的退火效果越顯著，光纖內部的應力釋放越充分，光纖的瑞利散射系數就越小。圖4示出了不同冷卻方式對光纖性能的影響。圖5示出了光纖出爐后，熱處理優化過程，可見在一定時間內進行保溫退火，延長了光纖內部應力釋放的時間。圖6示出了光纖在1550nm波長的衰減系數隨拉絲速度加快呈增大的趨勢，經熱處理退火后，相同拉絲速度下的光纖衰減系數均有明顯的下降。這表明，延長冷卻速度（石英的假想溫度Tf降低），有利于釋放光纖驟冷過程中引起的內應力。因此，選擇合理的拉絲速度和熱處理工藝，對改善光纖材料密度均勻性和降低光纖衰減尤為重要。

2．5光纖拉絲錐形的控制

預制棒在拉絲爐中熔融拉絲，其錐形受拉絲爐結構、拉絲張力和拉絲速度等影響，拉絲爐熱區越大、拉絲速度越快或拉絲張力越高，錐形會越短。錐形的變化對光纖衰減有明顯的影響，錐形較長有利于降低光纖的衰減，這是因為延長錐形，可降低光纖的溫度和張力，有利于降低Tf，改善光纖材料密度均勻性。但錐形也不能過長，否則，光纖成形的最終位置將超出熱區范圍；并且下爐口溫度和氣流的均勻性相對較差，也會造成光纖直徑波動，從而影響光纖性能。

2．6光纖衰減優化結果

通過VAD工藝的優化設計、拉絲工藝的改善以及熱處理等優化后，采用OTDR對其制備的光纖進行測試，結果如圖7所示，優化后的光纖1550nm衰減系數中位值可降低0．006dB／km。

3結論

通過對光纖損耗機理的分析，闡述了瑞利散射損耗是光纖損耗的主要組成部分。結合導致光纖瑞利散射損耗的兩大因素，通過控制優化預制棒芯棒沉積折射率分布、摻雜類型與摻雜濃度，以及光纖拉絲工藝等，降低了單模光纖的損耗。通過OTDR進行檢測，結果表明在保證單模光纖其它性能指標的條件下，可進一步降低光纖的1550nm衰減系數約0．006dB／km。

作者：吳椿烽錢宜剛沈一春徐海濤單位：中天科技精密材料有限公司中天科技光纖有限公司