導(dǎo)語(yǔ)：光纖損耗工藝研究論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1光纖散射機(jī)理

（1）根據(jù)相關(guān)報(bào)道，光纖損耗的80％主要來(lái)自瑞利散射［3］，其瑞利散射系數(shù)是由密度散射損耗系數(shù)Ad和濃度散射損耗系數(shù)Ac組成。降低光纖瑞利散射損耗的關(guān)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(zhǎng)，n為折射率，p為Pockel光彈系數(shù)，k為波爾茲曼常數(shù)，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(zhǎng)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(shù)，CR為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（不同摻雜光纖的AR和CR如表1所示），Δni為摻雜i時(shí)折射率變化。

2低損耗光纖生產(chǎn)工藝的改進(jìn)

2．1光纖芯棒折射率的優(yōu)化

在VAD沉積過(guò)程中通過(guò)摻雜來(lái)改變芯層的折射率，構(gòu)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(gòu)成包層和摻Ge的高折射率石英構(gòu)成芯層組成，但是芯層摻Ge破壞了石英作為傳導(dǎo)部分的單一成分，加劇了微觀結(jié)構(gòu)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(shù)呈增加的趨勢(shì)。因此，對(duì)于摻Ge的石英單模光纖，可以通過(guò)降低VAD沉積中的芯層摻Ge量來(lái)降低光纖瑞利散射系數(shù)，但同時(shí)需要通過(guò)調(diào)節(jié)其它參數(shù)或途徑來(lái)平衡芯層與包層間的折射率差Δ，例如摻F，否則會(huì)引起光纖的光學(xué)性能發(fā)生變化，諸如衰減、截止波長(zhǎng)、模場(chǎng)直徑、色散系數(shù)等［5－6］。為保證光纖的歸一化頻率V和光纖光學(xué)性能，需要結(jié)合相對(duì)折射率差來(lái)選擇合適的芯徑a，即Δ和a成為設(shè)計(jì)關(guān)鍵。圖2a）顯示了摻F優(yōu)化后的折射率分布，圖2b）顯示了折射率優(yōu)化前后的光纖衰減系數(shù)。

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(guān)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(shù)；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(huì)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(yīng)石英黏度差別也越大，在高溫拉絲時(shí)容易引起芯層和包層的界面發(fā)生相對(duì)黏滯流動(dòng)，產(chǎn)生缺陷和斷鍵，這類缺陷會(huì)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(guò)程中，影響光纖材料密度的三個(gè)主要因素是拉絲張力F、拉絲溫度T和拉絲速度v，其關(guān)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(yīng)溫度下的石英黏度。由此可見，在一定條件下，三者是相互關(guān)聯(lián)的。在高速拉絲中，光纖內(nèi)部的殘余應(yīng)力σ隨著拉絲張力F的增加而增大，其關(guān)系式如下：σ＝S2E2F／［S1（S1E1＋S2E2）（1＋η2S2／η1S1）］（7）式中E為彈性模量，下標(biāo)1、2分別為芯層和包層。圖3顯示了拉絲速度v＝1500m／min時(shí)，不同拉絲張力F下，所制得光纖在1550nm波長(zhǎng)的衰減系數(shù)?？梢?，拉絲張力越大，光纖在1550nm波長(zhǎng)的衰減也隨之增加。因此，拉絲張力不能過(guò)高，否則將引起光纖衰減的增加；但張力也不能過(guò)低，否則同樣會(huì)因拉絲張力過(guò)小而引起光纖直徑波動(dòng)以及光纖的芯徑和模場(chǎng)直徑的不穩(wěn)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(huì)發(fā)生擴(kuò)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(yīng)針對(duì)不同的拉絲速度控制拉絲爐溫度及溫度場(chǎng)分布，改善拉絲溫度T對(duì)光纖衰減的影響。擴(kuò)散系數(shù)D的表達(dá)式為：D＝D0exp［－Eact／（RT）］（8）式中D0為擴(kuò)散常數(shù)，Eact為活化能，R為理想氣體常數(shù)。通常在相同溫度下F的擴(kuò)散相比Ge更快，擴(kuò)散系數(shù)隨摻雜濃度而變化。

2．4光纖拉絲熱歷史的控制

預(yù)制棒熔融成絲后，從2000℃高溫快速冷卻至常溫（通常為25℃），此時(shí)石英黏度在短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生劇烈變化。由于在冷卻過(guò)程中溫差較大，光纖內(nèi)部應(yīng)力無(wú)法得到充分釋放，內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍處于無(wú)序的非晶狀態(tài)，這增加了光纖的密度不均勻性。這種結(jié)構(gòu)變化與光纖冷卻固化時(shí)間有關(guān)，換言之，石英的無(wú)序性取決于冷卻速率（或拉絲速度），相應(yīng)的凝固轉(zhuǎn)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(nèi)部的應(yīng)力釋放越充分，光纖的瑞利散射系數(shù)就越小。圖4示出了不同冷卻方式對(duì)光纖性能的影響。圖5示出了光纖出爐后，熱處理優(yōu)化過(guò)程，可見在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行保溫退火，延長(zhǎng)了光纖內(nèi)部應(yīng)力釋放的時(shí)間。圖6示出了光纖在1550nm波長(zhǎng)的衰減系數(shù)隨拉絲速度加快呈增大的趨勢(shì)，經(jīng)熱處理退火后，相同拉絲速度下的光纖衰減系數(shù)均有明顯的下降。這表明，延長(zhǎng)冷卻速度（石英的假想溫度Tf降低），有利于釋放光纖驟冷過(guò)程中引起的內(nèi)應(yīng)力。因此，選擇合理的拉絲速度和熱處理工藝，對(duì)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(yù)制棒在拉絲爐中熔融拉絲，其錐形受拉絲爐結(jié)構(gòu)、拉絲張力和拉絲速度等影響，拉絲爐熱區(qū)越大、拉絲速度越快或拉絲張力越高，錐形會(huì)越短。錐形的變化對(duì)光纖衰減有明顯的影響，錐形較長(zhǎng)有利于降低光纖的衰減，這是因?yàn)檠娱L(zhǎng)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(guò)長(zhǎng)，否則，光纖成形的最終位置將超出熱區(qū)范圍；并且下爐口溫度和氣流的均勻性相對(duì)較差，也會(huì)造成光纖直徑波動(dòng)，從而影響光纖性能。

2．6光纖衰減優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)VAD工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)、拉絲工藝的改善以及熱處理等優(yōu)化后，采用OTDR對(duì)其制備的光纖進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7所示，優(yōu)化后的光纖1550nm衰減系數(shù)中位值可降低0．006dB／km。

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)光纖損耗機(jī)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(jié)合導(dǎo)致光纖瑞利散射損耗的兩大因素，通過(guò)控制優(yōu)化預(yù)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(guò)OTDR進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明在保證單模光纖其它性能指標(biāo)的條件下，可進(jìn)一步降低光纖的1550nm衰減系數(shù)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