光纤损耗工艺研究论文.doc

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1、光纤损耗工艺研究论文１光纤散射机理（１）根据相关报道，光纤损耗的８０％主要来自瑞利散射［３］，其瑞利散射系数是由密度散射损耗系数Ａｄ和浓度散射损耗系数Ａｃ组成。降低光纤瑞利散射损耗的关键是降低或改善光纤中的密度不均匀和掺杂浓度不均匀。光纤材料密度不均匀引起的散射损耗可表示为［４］：αｄ＝８π３／（３λ４）ｎ８ｐ２ｋＴｆβＴ＝Ａｄ／λ４（２）式中λ为波长，ｎ为折射率，ｐ为Ｐｏｃｋｅｌ光弹系数，ｋ为波尔兹曼常数，Ｔｆ为假想温度，βＴ为等温压缩率。可见，光纤材料密度不均匀引起的散射与波长四次方成反比，与Ｔｆ成正比。光纤掺杂浓度不均匀引起的散射损耗可表示为：αｃ＝（１＋ＣＲΔｎｉ）ＡＲ／λ４＝Ａ

2、ｃ／λ４（３）式中ＡＲ为纯石英光纤的瑞利散射系数，ＣＲ为经验常数（不同掺杂光纤的ＡＲ和ＣＲ如表１所示），Δｎｉ为掺杂ｉ时折射率变化。２低损耗光纤生产工艺的改进２．１光纤芯棒折射率的优化在ＶＡＤ沉积过程中通过掺杂来改变芯层的折射率，构成光纤所需要的折射率分布及其传输性能。通常光纤都是由纯石英构成包层和掺Ｇｅ的高折射率石英构成芯层组成，但是芯层掺Ｇｅ破坏了石英作为传导部分的单一成分，加剧了微观结构不均匀性，增加了瑞利散射损耗，不利于降低光纤衰减。图１显示了随着掺Ｇｅ量增加，光纤１３１０ｎｍ和１５５０ｎｍ衰减系数呈增加的趋势。因此，对于掺Ｇｅ的石英单模光纤，可以通过降低ＶＡＤ沉积中的芯层掺Ｇｅ

3、量来降低光纤瑞利散射系数，但同时需要通过调节其它参数或途径来平衡芯层与包层间的折射率差Δ，例如掺Ｆ，否则会引起光纤的光学性能发生变化，诸如衰减、截止波长、模场直径、色散系数等［５－６］。为保证光纤的归一化频率Ｖ和光纤光学性能，需要结合相对折射率差来选择合适的芯径ａ，即Δ和ａ成为设计关键。图２ａ）显示了掺Ｆ优化后的折射率分布，图２ｂ）显示了折射率优化前后的光纤衰减系数。２．２光纤掺杂浓度的控制4学海无涯由于ＧｅＯ２和Ｆ的掺杂，使得不同掺杂部分的石英具有不同的黏度，其关系式如下：ｌｇη＝ｌｇηＳｉ＋ＫＧｅΔｎＧｅ＋ＫＦΔｎＦ（４）式中ηＳｉ为纯石英的黏度；ＫＧｅ，ＫＦ分别为掺Ｇｅ和参Ｆ石英的

4、黏度灵敏度系数；ΔｎＧｅ，ΔｎＦ分别为掺Ｇｅ和掺Ｆ后的折射率变化。虽然掺Ｆ和ＧｅＯ２都会在一定程度上降低石英的黏度，但在等同的石英折射率变化下，掺Ｆ的石英黏度是掺ＧｅＯ２的三倍［７］。在光纤芯层和包层中掺入Ｇｅ、Ｆ的浓度差别越大，则相应石英黏度差别也越大，在高温拉丝时容易引起芯层和包层的界面发生相对黏滞流动，产生缺陷和断键，这类缺陷会随着拉丝速度的增加而增多，影响光纤的衰减。因此，必须控制光纤中的ＧｅＯ２和Ｆ的掺入浓度，使得光纤的芯层和包层具有相近的黏度。２．３光纤拉丝张力和温度的控制在光纤拉丝过程中，影响光纤材料密度的三个主要因素是拉丝张力Ｆ、拉丝温度Ｔ和拉丝速度ｖ，其关系式如下：ｖ∝

5、Ｆ／［３Ｓη（Ｔ）］（５）ｌｇη＝－６．２４＋（２．６９×１０４）／Ｔ（６）式中Ｓ为光纤截面积，η（Ｔ）为相应温度下的石英黏度。由此可见，在一定条件下，三者是相互关联的。在高速拉丝中，光纤内部的残余应力σ随着拉丝张力Ｆ的增加而增大，其关系式如下：σ＝Ｓ２Ｅ２Ｆ／［Ｓ１（Ｓ１Ｅ１＋Ｓ２Ｅ２）（１＋η２Ｓ２／η１Ｓ１）］（７）式中Ｅ为弹性模量，下标１、２分别为芯层和包层。图３显示了拉丝速度ｖ＝１５００ｍ／ｍｉｎ时，不同拉丝张力Ｆ下，所制得光纤在１５５０ｎｍ波长的衰减系数。可见，拉丝张力越大，光纤在１５５０ｎｍ波长的衰减也随之增加。因此，拉丝张力不能过高，否则将引起光纤衰减的增加；但张力也不能

6、过低，否则同样会因拉丝张力过小而引起光纤直径波动以及光纤的芯径和模场直径的不稳定，增加光纤的散射损耗。在拉丝高温下，光纤中的Ｇｅ和Ｆ粒子会发生扩散［８］以及存在ＧｅＯ２→ＧｅＯ的热分解，从而影响光纤原有折射率的分布。因此，应针对不同的拉丝速度控制拉丝炉温度及温度场分布，改善拉丝温度Ｔ对光纤衰减的影响。扩散系数Ｄ的表达式为：Ｄ＝Ｄ０ｅｘｐ［－Ｅａｃｔ／（ＲＴ）］（８）式中Ｄ０为扩散常数，Ｅａｃｔ为活化能，Ｒ为理想气体常数。通常在相同温度下Ｆ的扩散相比Ｇｅ更快，扩散系数随掺杂浓度而变化。２．４光纤拉丝热历史的控制预制棒熔融成丝后，从２０００℃高温快速冷却至常温（通常为２５℃4学海无涯），此时

7、石英黏度在短时间内会发生剧烈变化。由于在冷却过程中温差较大，光纤内部应力无法得到充分释放，内部结构仍处于无序的非晶状态，这增加了光纤的密度不均匀性。这种结构变化与光纤冷却固化时间有关，换言之，石英的无序性取决于冷却速率（或拉丝速度），相应的凝固转化温度即为假想温度Ｔｆ。由式（２）可知，Ｔｆ越低，光纤的退火效果越显著，光纤内部的应力释放越充分，光纤的瑞利散射系数就越小。图４示出了不同冷却方式对光纤性能的影响。图５示出了光纤出炉后，热处