光纖性質(zhì)的決定因素拉絲張力

1、光纖性質(zhì)的決定因素 拉絲張力拉絲張力受玻璃粘滯流動影響， 而粘滯流動受溫度控制。 所以拉絲張力主要受拉絲爐溫 控制，因此拉絲張力（F）可用拉絲溫度（T）表示為：F=A+B/T （ 1）式中 A 和 B 分別為表面張力和粘滯流動常數(shù)。但是玻璃是一種近程有序、遠(yuǎn)程無序的無定形 “過冷液體 ”。玻璃的粘度、離子擴(kuò)散速度 等一類性質(zhì)， 在高溫熔體冷卻過程中是逐漸變化的。 在轉(zhuǎn)變溫度以下主要取決于玻璃 網(wǎng)絡(luò) 結(jié) 構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)外離子的配位狀態(tài)的統(tǒng)計規(guī)則。光纖以非常高的冷卻速度（2000-8000 C/s）迅速從2000 C左右冷卻至室溫，使其高溫結(jié)構(gòu)迅速凍結(jié)。熔體在冷卻過程中質(zhì)點(diǎn)或原子團(tuán)重新 排列，玻璃結(jié)構(gòu)也

2、隨外界條件而變化，這就是拉絲張力對光纖性能起重大作用的根本原因。拉絲張力與光纖衰減的平衡點(diǎn)由于拉絲張力的大小是通過拉絲爐溫度來控制的， 拉絲爐溫度越高， 玻璃軟化程度越大， 拉絲張力就越小。從圖 1 中可以看出，對于 1310nm 窗口衰減，隨著拉絲張力的增加，光纖的衰減會發(fā) 生先降后升，呈拋物線形，而 1550nm 窗口處衰減在一點(diǎn)的拉絲張力范圍內(nèi)并沒有隨拉絲 張力發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象。25詁 <lft2r19lB17鳴15I 七 iMoiofcfafcg融幢岀I力片如EK的知3.2 9出11雀059 ats&9 &as&6H.15憩僮叢加E2拉期t辦時裁止謝申d

3、知鬧憾昭圖一 &圖這是由于在高溫下， 容易誘發(fā)石英玻璃內(nèi)部點(diǎn)缺陷的形成，造成光纖衰減的增大。在高溫下，石英內(nèi)部容易發(fā)生下面的反應(yīng)式(2):Si-O:O- Si+H2t Si -O-H+H-O-Si(2)Si-O-H的吸收峰正是在1380nm附近，這會帶動光纖在1310nm窗口處衰減一同增大。 同時，拉絲過程是高溫預(yù)制棒體積急劇變化的過程，預(yù)制棒在高溫下經(jīng)過拉伸，其本身的化學(xué)鍵可能被破壞，且光纖又經(jīng)過迅速冷卻降溫，更容易造成光纖本身缺陷的增加和原有缺陷 的發(fā)展，而這些缺陷會造成光纖瑞利散射衰減增大，溫度差越大，這種破壞越強(qiáng)。而瑞利散射是與波長的四次方成反比的，所以在1550nm處衰減隨溫

4、度的變化沒有1310nm波長處明顯。隨著溫度的降低，上述兩種作用機(jī)制共同作用， 使得光纖的衰減變小， 但是隨著溫度的 進(jìn)一步降低，光纖所受的張力越來越大，材料的粘度分布將逐漸由均勻分布到不均勻分布。 在此種條件下拉絲，會在石英材料中間形成不同程度的應(yīng)力集中，這會抵消溫度降低帶來的光纖衰減減小的效果。如果進(jìn)一步降低拉絲溫度，光纖中應(yīng)力集中占到更重要因素，使得光纖的衰減重新增加。單模光纖的兩大重要性能截止波長和模場直徑是單模光纖的兩個極為重要的性能參數(shù)， 拉絲張力是拉絲工藝中重 要的控制參數(shù)之一。截止波長指的是 , 單模光纖通常存在某一波長，當(dāng)所傳輸?shù)墓獠ㄩL超過該波長時， 光纖 只能傳播一種模式基

5、模的光，這一波長便稱為截止波長。截止波長大小由光棒的結(jié)構(gòu)參數(shù)， 如光纖的芯徑以及芯、 包層間的相對折射率差決定。模場直徑，因為單模光纖中關(guān)能量并不是完全集中在纖芯中 , 而是有相當(dāng)部分的能量存在包層中， 所以對單模光纖不宜用芯徑作 為其特征參數(shù)， 而是用模場直徑作為描述單模光纖中光能集中的范圍，一般以光強(qiáng)分布最大值的 1/e2 所對應(yīng)的 光斑大小作為模場直徑。拉絲張力為光纖成形區(qū)因石英粘度所產(chǎn)生的阻 力與光纖涂覆時所受的阻力之和。拉絲張力是由加熱爐工作溫度和拉絲速度共同決定的。溫度是光纖特性改變的關(guān)鍵截止波長的理論計算公式為：入 c=2na (n 1222)1/2 / 2.405(3)其中，a

6、為纖芯半徑，n1為芯層折射率，n2為包層折射率。由公式可以看出，入C由an1和n2決定，通常a和n2在拉絲中是不會變化的。然后當(dāng)加熱爐的工作溫度變化時， 光纖纖芯的折射率 n1 也會隨之改變。在拉絲生產(chǎn)中，通常根據(jù)拉絲張力來確定加熱爐工作 溫度，從而改變纖芯折射率 n1 的分布，使 n12-n22 在一定范圍內(nèi)變化，進(jìn)而改變光纖截 止波長和模場直徑。為增大拉絲張力，加熱爐 功率 減小，爐內(nèi)溫度降低，同時拉絲過程中，光棒芯層中的GeO2 存在以下熱分解平衡：GeO2=GeO+1/2O2( 4)當(dāng)溫度降低時，以上化學(xué)反應(yīng)向左 移動，造成 GeO2 的濃度增加，由于 GeO2 的折射 率大于 GeO

7、 的折射率，所以芯層折射率 n1 增大，由截止波長計算公式( 3)可知芯層折射 率 n1 增大，截止波長增大。同理，當(dāng)拉絲張力減小時，加熱爐內(nèi)溫度升高，以上分解反應(yīng) 向右移動，使 GeO2 的濃度減小，芯層折射率 n1 減小，故截止波長減小。通過以上分析可知， 在拉絲過程中張力增大， 必須使加熱爐內(nèi)溫度降低， 從而使得光棒 芯層中存在的熱分解化學(xué)反應(yīng)向左移動，造成 GeO2 的濃度增大，由于的 GeO2 折射率大 于 GeO 的折射率，所以芯層折射率 n1 增大，同時由于包層折射率 n2 在拉絲中是不變量， 所以芯層、包層折射率差 n=n 1-n2增大，因此折射至包層匯總的 光能量減少，集中在纖芯 中的光能量增強(qiáng)， 纖芯