光纤损耗工艺研究论文
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）ｎ８ ｐ２ｋＴｆβＴ＝Ａｄ／λ４（２）式中λ为波长，ｎ为折射率，ｐ为Ｐｏｃｋｅ ｌ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 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 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石英的黏度灵敏度系数；
Δ ｎＧｅ，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∝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／（Ｒ Ｔ）］（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℃）， 此时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，热处理优化过程，可见在一定时间内进行保温退火，延长了光纤内 部应力释放的时间。图６示出了光纤在１５５０ｎｍ波长的衰减系数随拉丝速度 加快呈增大的趋势，经热处理退火后，相同拉丝速度下的光纤衰减系数均有明显 的下降。这表明，延长冷却速度（石英的假想温度Ｔｆ降低），有利于释放光纤 骤冷过程中引起的内应力。因此，选择合理的拉丝速度和热处理工艺，对改善光 纤材料密度均匀性和降低光纤衰减尤为重要。
２．５光纤拉丝锥形的控制 预制棒在拉丝炉中熔融拉丝，其锥形受拉丝炉结构、拉丝张力和拉丝速度 等影响，拉丝炉热区越大、拉丝速度越快或拉丝张力越高，锥形会越短。锥形的 变化对光纤衰减有明显的影响，锥形较长有利于降低光纤的衰减，这是因为延长 锥形，可降低光纤的温度和张力，有利于降低Ｔｆ，改善光纤材料密度均匀性。
但锥形也不能过长，否则，光纤成形的最终位置将超出热区范围；
并且下炉口温 度和气流的均匀性相对较差，也会造成光纤直径波动，从而影响光纤性能。
２．６光纤衰减优化结果 通过ＶＡＤ工艺的优化设计、拉丝工艺的改善以及热处理等优化后，采用 ＯＴＤＲ对其制备的光纤进行测试，结果如图７所示，优化后的光纤１５５０ｎ ｍ衰减系数中位值可降低０．００６ｄＢ／ｋｍ。
３结论 通过对光纤损耗机理的分析，阐述了瑞利散射损耗是光纤损耗的主要组成 部分。结合导致光纤瑞利散射损耗的两大因素，通过控制优化预制棒芯棒沉积折 射率分布、掺杂类型与掺杂浓度，以及光纤拉丝工艺等，降低了单模光纤的损耗。
通过ＯＴＤＲ进行检测，结果表明在保证单模光纤其它性能指标的条件下，可进 一步降低光纤的１５５０ｎｍ衰减系数约０．００６ｄＢ／ｋｍ。
作者：吴椿烽 钱宜刚 沈一春 徐海涛 单位：中天科技精密材料有限公司 中天科技光纤有限公司