決定光纖特性的拉絲張力

　　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(dòng)常數(shù)。

　　但是玻璃是一種近程有序、遠(yuǎn)程無(wú)序的無(wú)定形“過(guò)冷液體”。玻璃的粘度、離子擴(kuò)散速度等一類(lèi)性質(zhì)，在高溫熔體冷卻過(guò)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(jì)規(guī)則。光纖以非常高的冷卻速度(2000-8000℃/s)迅速?gòu)?000℃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(guò)程中質(zhì)點(diǎn)或原子團(tuán)重新排列，玻璃結(jié)構(gòu)也隨外界條件而變化，這就是拉絲張力對(duì)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(guò)拉絲爐溫度來(lái)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(duì)于1310nm窗口衰減，隨著拉絲張力的增加，光纖的衰減會(huì)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(méi)有隨拉絲張力發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象。

　　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?Si+H2→Si?O?H+H?O?Si (2)

　　Si?O?H的吸收峰正是在1380nm附近，這會(huì)帶動(dòng)光纖在1310nm窗口處衰減一同增大。同時(shí)，拉絲過(guò)程是高溫預(yù)制棒體積急劇變化的過(guò)程，預(yù)制棒在高溫下經(jīng)過(guò)拉伸，其本身的化學(xué)鍵可能被破壞，且光纖又經(jīng)過(guò)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(huì)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(zhǎng)的四次方成反比的，所以在1550nm處衰減隨溫度的變化沒(méi)有1310nm波長(zhǎng)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(lái)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(huì)在石英材料中間形成不同程度的應(yīng)力集中，這會(huì)抵消溫度降低帶來(lái)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(zhǎng)和模場(chǎng)直徑是單模光纖的兩個(gè)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(zhǎng)指的是, 單模光纖通常存在某一波長(zhǎng)，當(dāng)所傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)超過(guò)該波長(zhǎng)時(shí)，光纖只能傳播一種模式基模的光，這一波長(zhǎng)便稱(chēng)為截止波長(zhǎng)。截止波長(zhǎng)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(duì)折射率差△決定。模場(chǎng)直徑，因?yàn)閱文９饫w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(duì)單模光纖不宜用芯徑作為其特征參數(shù)，而是用模場(chǎng)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(duì)應(yīng)的光斑大小作為模場(chǎng)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(shí)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(zhǎng)的理論計(jì)算公式為：

　　λc=2πα(n12-n22)1/2 / 2.405 (3)

　　其中，α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，λc由α、n1 和n2 決定，通常α和n2 在拉絲中是不會(huì)變化的。然后當(dāng)加熱爐的工作溫度變化時(shí)，光纖纖芯的折射率n1也會(huì)隨之改變。在拉絲生產(chǎn)中，通常根據(jù)拉絲張力來(lái)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(zhǎng)和模場(chǎng)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(shí)拉絲過(guò)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(shí)，以上化學(xué)反應(yīng)向左移動(dòng)，造成GeO2的濃度增加，由于GeO2的折射率大于GeO的折射率，所以芯層折射率n1增大，由截止波長(zhǎng)計(jì)算公式(3)可知芯層折射率n1增大，截止波長(zhǎng)增大。同理，當(dāng)拉絲張力減小時(shí)，加熱爐內(nèi)溫度升高，以上分解反應(yīng)向右移動(dòng)，使GeO2的濃度減小，芯層折射率n1減小，故截止波長(zhǎng)減小。

　　通過(guò)以上分析可知，在拉絲過(guò)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(dòng)，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(shí)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Δn=n1-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)，纖芯中心所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)最大值增大，即光斑的大小—模場(chǎng)直徑減小。反之，升高拉絲爐溫使得拉絲張力減小，上面的反應(yīng)式向右方向移動(dòng)，芯層折射率就會(huì)變小，相對(duì)折射率差也變小，折射到包層中的光能量會(huì)增加，這樣模場(chǎng)直徑就會(huì)變大。