截止波長模場直徑與抽絲張力

1、截止波長、模場直徑與抽絲張力 南京華新藤倉光通信有限公司 光纖部 王中偉摘要：本文主要討論和分析了抽絲張力對(duì)截止波長、模場直徑的影響，并對(duì)截止波長和模場直徑之間的關(guān)系進(jìn)行了探討和分析。一、前言截止波長和模場直徑是單模光纖所特有的同時(shí)也是極為重要的性能參數(shù)，抽絲張力是抽絲工藝中最重要的控制參數(shù)之一。如果改變抽絲張力可以改變截止波長和模場直徑的大小，我們則可通過使用不同的抽絲張力對(duì)截止波長偏大或偏小的光棒進(jìn)行抽絲，而使得光纖的截止波長在合格范圍內(nèi)或更加趨于合理。為此進(jìn)行了改變抽絲張力以了解截止波長和模場直徑變化情況的試驗(yàn)。二、名詞概要單模光纖,顧名思義,這種光纖只能傳輸一種模式(基模LP01)的光

2、,以便盡可能為通信系統(tǒng)提供最大帶寬。但這種行為取決于窗口的工作波長以及光纖的截止波長大小。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（工作波長）超過該波長時(shí),光纖只能傳播一種模式(基模LP01)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(duì)折射率差n決定。模場直徑，因?yàn)閱文９饫w中基模場并不是完全集中在纖芯中，而是有相當(dāng)部分的能量在包層中，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直徑。抽絲張力可理解為將光纖從熔融的光棒上拉下所需的力，

3、它間接反應(yīng)了加熱爐內(nèi)的溫度大小。三、抽絲張力試驗(yàn)1.試驗(yàn)理論基礎(chǔ)截止波長的理論計(jì)算公式為其中：為纖芯半徑 n1 為芯層折射率 n2為包層折射率以上公式中，纖芯半徑和包層折射率n2在抽絲中是不變量，因?yàn)楦淖兂榻z張力可以改變加熱爐的功率，從而在一定程度上改變加熱爐內(nèi)的溫度，若溫度變化可使光棒芯層折射率n1改變，則由以上理論公式可知，光纖的截止波長也會(huì)發(fā)生變化?；谝陨侠碚摷僭O(shè)，進(jìn)行了抽絲張力試驗(yàn)。2.試驗(yàn)內(nèi)容與試驗(yàn)數(shù)據(jù)2.1不良品試驗(yàn)用不良品光棒進(jìn)行試驗(yàn),抽絲中將張力從150g分別增加到170g、180g、190g，比較不同張力下光纖截止波長、模場直徑的變化量以及加熱爐功率的大小。試驗(yàn)結(jié)果如圖1和

4、圖2所示。從圖1可知增大抽絲張力可以提高截止波長，減小模場直徑。從圖2可知增大抽絲張力可降低加熱爐功率。2.2良品試驗(yàn)為了驗(yàn)證以上試驗(yàn)結(jié)果，隨后在D-9抽絲機(jī)上進(jìn)行了以下試驗(yàn)：由于目前光棒多抽段易出現(xiàn)截止波長因偏小而超標(biāo)的現(xiàn)象，故在良品光棒抽絲還剩100mm（多抽段）時(shí)， 圖1 圖2 將抽絲張力從150g改為180g，并以180g張力抽絲，共試驗(yàn)了16根光棒，對(duì)這批光棒張力第一盤光纖的截止波長和模場直徑數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并與同期其它抽絲機(jī)所抽16根光棒張力第一盤光纖的截止波長和模場直徑數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果如表1：參數(shù)抽絲張力 g150180截止波長 um1.181.21模場直徑 um9.119.

5、05 表1表1數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證了以上試驗(yàn)結(jié)論的正確性。四、分析與討論1. 截止波長變化的原因分析抽絲張力增大為何造成了截止波長的增大和模場直徑的減??？在上面的截止波長的理論計(jì)算公式中，纖芯半徑和包層折射率n2在抽絲中是不變量，造成截止波長增大的只有芯層折射率n1，n1在抽絲中是如何變化的？從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，抽絲過程中張力增大，造成加熱爐功率減小，從而使得爐內(nèi)溫度降低。同時(shí)抽絲過程中，光棒芯層中的GeO2存在以下熱分解平衡：當(dāng)溫度降低時(shí)，以上化學(xué)反應(yīng)向左移動(dòng)，GeO2的量增大，由于GeO2的折射率大于GeO的折射率，所以芯層折射率n1增大，由截止波長的理論計(jì)算公式：可知n1增大，截止波長c增大。

6、同理,當(dāng)抽絲張力減小時(shí)，加熱爐功率增大，爐內(nèi)溫度升高，以上分解反應(yīng)向右移動(dòng)，使GeO2的量減小，芯層折射率n1減小，由以上公式知截止波長c減小。2.模場直徑變化的原因分析因?yàn)樵诔榻z過程中張力增大，芯層折射率n1增大，芯層、包層折射率差n=n1- n2增大，集中在纖芯中的光能量增大，包層中的光能量減小，因此光斑的大小即模場直徑減小。3.截止波長和模場直徑關(guān)系的探討在本次試驗(yàn)和以往實(shí)踐中均發(fā)現(xiàn)截止波長與模場直徑存在著某種關(guān)系，它們之間的函數(shù)關(guān)系如何？截止波長試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2:參數(shù)張力 g150170180190截止波長um1.2121.2311.2391.246模場直徑um9.1219.0379.0

7、108.930表2設(shè)應(yīng)用數(shù)值分析中最小二乘原理，截止波長和模場直徑的擬合公式為： (1)所以上述數(shù)據(jù)即：i1234xi1.2121.2311.2391.246yi9.1219.0379.0108.930表2(1) 為一次多項(xiàng)式，其正規(guī)方程組為： (2)其中：S0=4.00將以上數(shù)據(jù)代入(2)得：解得： b=-5.3，a=15.6所以截止波長和模場直徑的擬合公式為：即：MFD=15.6-5.3C 其中:MFD為模場直徑 (um) C為截止波長 (um)通過以上經(jīng)驗(yàn)公式，我們可知在變張力情況下抽絲，模場直徑隨截止波長的增大而線性減小，以上關(guān)系存在的前提條件為光棒芯層折射率n1沿軸向變化率較小。五、結(jié)論從以上試驗(yàn)可知，在抽絲過程中，增大張力可以增大芯層折射率n1，從而提高光纖的截止波長，同時(shí)減小光纖的模場直徑。所以在實(shí)際抽絲生產(chǎn)中，如果遇到截止波長過大或過小的光棒，我們可以根據(jù)截止波長和模場直徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式來適當(dāng)減小或增大抽絲張力，以使得光纖的截止波長和模場直徑均在合格范圍內(nèi)或更加趨于合理。六、作者簡介王中偉：男，1998年畢業(yè)于吉林工業(yè)大學(xué)。2001年到南京華新藤倉光通信有限公司，目前為光纖部技術(shù)課工程師。七、參考文獻(xiàn)1、S.R.Nagel.J.B.MacChesney,and