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决定光纤性质的关键因素 拉丝张力

2010-09-13 10:38
野明月
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  拉丝张力受玻璃粘滞流动影响,而粘滞流动受温度控制。所以拉丝张力主要受拉丝炉温控制,因此拉丝张力(F)可用拉丝温度(T)表示为:

F=A+B/T (1)

  式中A和B分别为表面张力和粘滞流动常数。

  但是玻璃是一种近程有序、远程无序的无定形“过冷液体”。玻璃的粘度、离子扩散速度等一类性质,在高温熔体冷却过程中是逐渐变化的。在转变温度以下主要取决于玻璃网络结构和网络外离子的配位状态的统计规则。光纤以非常高的冷却速度(2000-8000℃/s)迅速从2000℃左右冷却至室温,使其高温结构迅速冻结。熔体在冷却过程中质点或原子团重新排列,玻璃结构也随外界条件而变化,这就是拉丝张力对光纤性能起重大作用的根本原因。

  拉丝张力与光纤衰减的平衡点

  由于拉丝张力的大小是通过拉丝炉温度来控制的,拉丝炉温度越高,玻璃软化程度越大,拉丝张力就越小。

  从图1中可以看出,对于1310nm窗口衰减,随着拉丝张力的增加,光纤的衰减会发生先降后升,呈抛物线形,而1550nm窗口处衰减在一点的拉丝张力范围内并没有随拉丝张力发生明显变化的现象。

图一 &  图二

  这是由于在高温下,容易诱发石英玻璃内部点缺陷的形成,造成光纤衰减的增大。在高温下,石英内部容易发生下面的反应式(2):

Si-O:O-Si+H2→Si-O-H+H-O-Si   (2)

  Si-O-H的吸收峰正是在1380nm附近,这会带动光纤在1310nm窗口处衰减一同增大。同时,拉丝过程是高温预制棒体积急剧变化的过程,预制棒在高温下经过拉伸,其本身的化学键可能被破坏,且光纤又经过迅速冷却降温,更容易造成光纤本身缺陷的增加和原有缺陷的发展,而这些缺陷会造成光纤瑞利散射衰减增大,温度差越大,这种破坏越强。而瑞利散射是与波长的四次方成反比的,所以在1550nm处衰减随温度的变化没有1310nm波长处明显。

  随着温度的降低,上述两种作用机制共同作用,使得光纤的衰减变小,但是随着温度的进一步降低,光纤所受的张力越来越大,材料的粘度分布将逐渐由均匀分布到不均匀分布。在此种条件下拉丝,会在石英材料中间形成不同程度的应力集中,这会抵消温度降低带来的光纤衰减减小的效果。如果进一步降低拉丝温度,光纤中应力集中占到更重要因素,使得光纤的衰减重新增加。

  单模光纤的两大重要性能

  截止波长和模场直径是单模光纤的两个极为重要的性能参数,拉丝张力是拉丝工艺中重要的控制参数之一。

  截止波长指的是, 单模光纤通常存在某一波长,当所传输的光波长超过该波长时,光纤只能传播一种模式基模的光,这一波长便称为截止波长。截止波长大小由光棒的结构参数,如光纤的芯径以及芯、包层间的相对折射率差△决定。模场直径,因为单模光纤中关能量并不是完全集中在纤芯中, 而是有相当部分的能量存在包层中,所以对单模光纤不宜用芯径作为其特征参数,而是用模场直径作为描述单模光纤中光能集中的范围,一般以光强分布最大值的1/e2所对应的光斑大小作为模场直径。拉丝张力为光纤成形区因石英粘度所产生的阻力与光纤涂覆时所受的阻力之和。拉丝张力是由加热炉工作温度和拉丝速度共同决定的。

  温度是光纤特性改变的关键

  截止波长的理论计算公式为:

λc=2πα(n12-n22)1/2 / 2.405  (3)

  其中,α为纤芯半径,n1为芯层折射率,n2为包层折射率。由公式可以看出,λc由α、n1 和n2 决定,通常α和n2 在拉丝中是不会变化的。然后当加热炉的工作温度变化时,光纤纤芯的折射率n1也会随之改变。在拉丝生产中,通常根据拉丝张力来确定加热炉工作温度,从而改变纤芯折射率n1 的分布,使 n12-n22 在一定范围内变化,进而改变光纤截止波长和模场直径。

  为增大拉丝张力,加热炉功率减小,炉内温度降低,同时拉丝过程中,光棒芯层中的GeO2存在以下热分解平衡:

GeO2=GeO+1/2O2  (4)

  当温度降低时,以上化学反应向左移动,造成GeO2的浓度增加,由于GeO2的折射率大于GeO的折射率,所以芯层折射率n1增大,由截止波长计算公式(3)可知芯层折射率n1增大,截止波长增大。同理,当拉丝张力减小时,加热炉内温度升高,以上分解反应向右移动,使GeO2的浓度减小,芯层折射率n1减小,故截止波长减小。

  通过以上分析可知,在拉丝过程中张力增大,必须使加热炉内温度降低,从而使得光棒芯层中存在的热分解化学反应向左移动,造成GeO2的浓度增大,由于的GeO2折射率大于GeO的折射率,所以芯层折射率n1增大,同时由于包层折射率n2在拉丝中是不变量,所以芯层、包层折射率差Δn=n1-n2增大,因此折射至包层汇总的光能量减少,集中在纤芯中的光能量增强,纤芯中心所对应的光强最大值增大,即光斑的大小—模场直径减小。反之,升高拉丝炉温使得拉丝张力减小,上面的反应式向右方向移动,芯层折射率就会变小,相对折射率差也变小,折射到包层中的光能量会增加,这样模场直径就会变大。

  (编辑 Valiant)

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