Page 26 - 网络电信2020年9月刊下
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图2 光纤损耗谱 图3 GeO 2 掺杂纤芯的热膨胀系数以及氟掺杂包层的热膨胀系数和掺
杂量的函数关系。
密度起伏产生的散射损耗, 因而G.652.D光纤在1550nm波长损耗
为0.18-0.20dB/Km; 而G654.E纯硅芯光纤在1550nm波长损耗为 响也与氟类似。相对于锗掺杂，氯掺杂同样能够有效降低光纤
0.16-0.17dB/Km。 各层结构间的热膨胀系数失配的问题。
在G.652.D光纤中，纤芯中的锗掺杂是光纤衰减增加的主要
原因之一，在光纤进行锗掺杂的情况下，材料固有的损耗满足 二、G.654.E光纤的设计探讨
以下公式： 为了解决上述纯硅芯与掺氟包层界面之间高温粘度失配以
及纯硅芯与掺氟包层的热胀系数的不同带来的问题, 本文第一
个设计方案是采用纤芯掺氯，包层掺氟来实现纤芯和包层的高
上述公式中，λ为工作波长，计算时单位以微米计；Δ为 温粘度匹配，从而消除芯/包界面因粘度失配产生的应力导致界
锗掺杂带来的折射率变化，单位为%。其中α IR 为红外吸收损 面应变产生的附加损耗。第二个设计方案是采用纤芯掺氯的梯
耗，与掺杂浓度无关，α UV 为紫外吸收损耗，在低浓度掺杂的情 度型折射率分布，同样也能使纤芯/包层界面因折射率相同而
况下，对损耗的影响也极小，主要对衰减产生影响的是与波长 避免了粘度失配和热膨胀失配造成的附加损耗。现分别说明如
四次方成反比的瑞利散射α RS 部分。 下：
根据上式，当不进行锗掺杂时，工作波段为1550nm时，光 1、纤芯掺氯、包层掺氟的粘度匹配光纤
纤的理论损耗（排除应力影响）约为0.152dB/km。而当芯层进 （1）纤芯掺氯、包层掺氟的粘度匹配光纤的设计
行掺杂后，每使得芯层的Δ变化0.1%，则造成瑞利散射加剧而 针对粘度匹配问题，假设光纤的纤芯与二氧化硅的相对折
使衰减增加的值为：0.0135dB/km。常规的G.652.D光纤纤芯掺 射率差为Δ 1 ，纤芯粘度为η 1 ，匹配包层与二氧化硅的相对折射
锗，Δ为0.32%时，光纤损耗为0.19dB/km。 率差为Δ 2 ，匹配包层粘度为η 2 ，则可根据下式进行粘度匹配的
为了得到在1550nm波长上光纤的最低损耗，在传统的 计算：
G.654.E光纤中均采用纯二氧化硅纤芯以及掺氟包层以得到波 设定：
导结构，从而避免因纤芯掺锗引起的分子组份起伏产生的瑞
利散射损耗。但是，实际市场上G654.E商品光纤没有达到理
论上的低衰减水平，其原因是因为波导缺陷损耗（waveguide
imperfection loss）所产生的附加损耗。波导缺陷损耗是由于 则粘度匹配时，必需满足下列条件，
芯/包界面的几何波动引起的。界面的不规整性产生光的散射导 K 1 Δ 1 =K 2 Δ 2
致衰减的增大。界面的几何波动是在工艺过程中的残余应力所 最终可得到以下公式：
引起的，此残余应力源自纯硅芯纤芯和掺氟包层之间的高温粘
度失配以及拉丝张力。另外，由于纯硅芯与掺氟包层的热胀系
数的不同在纤芯包层界面的应力导致衰减的增大以及在光棒脱
水烧结工艺中会引起开裂。 式中，Δ=Δ 1 -Δ 2 为芯/包折射率差。
对于Ge掺杂的二氧化硅，热膨胀系数(CTE) (单位，1/℃) 当进行氯、氟等材料掺杂时，在1650℃时，根据不同的掺
和Δ％与GeO 2 浓度[GeO 2 ](单位，wt％)相关，如下式所示： 杂浓度（wt%）, 石英玻璃的粘度可参见以下公式：
CTE＝(5 .05+0 .42075[GeO 2 ])×10 -7
Δ％＝0 .055[GeO 2 ] ， 式中, η 0 （泊）为纯二氧化硅粘度，
图3为GeO 2 掺杂纤芯的热膨胀系数以及氟掺杂包层的热膨胀
系数和掺杂量的函数关系。
由于氯的掺杂结构与氟相近，所以对石英热膨胀系数的影 式中，T为凯尔文度。
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