Page 27 - 网络电信2020年9月刊下
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光 通 信
当进行氯、氟掺杂时， 对比卤素原子掺杂引起的折射率变化：当掺杂剂为氯时，
它打断石英玻璃的≡Si-O-Si≡键，替换为≡Si-Cl键，导致石
英玻璃网络结构的重排。氯离子的半径大于氧离子的半径(氯离
子半径为181pm, 氧离子的半径为140pm)，所占用的体积较大，
在石英玻璃中起到扩张网络结构的作用, 导致结构紧密程度显
根据计算设定的Δ值可分别得出Δ 1 ，Δ 2 。以此可得出氯、 著降低，因之降低了玻璃的粘度从而降低了其熔化温度。另一
氟的掺杂浓度。具体的光纤参数，如纤芯直径，剖面各部分的 方面,被氯打断结构的石英玻璃最终结构更加开放，离子极化率
折射率差可用模拟方法求得。光缆截止波长设定为1530nm。 增加，从而增加了石英玻璃的折射率。而氟离子半径为133pm,
但是值得关注的是，由于卤素的掺杂机理和锗的掺杂机理 与氧离子半径相差较小，对结构的影响较小,与氯相比,氟具有
不同，卤素在石英晶格内仅能以[SiO 1.5 X]的形式存在，且掺杂 更小的极化率，且Si-F键的结合能远大于Si-O键的结合能，石
浓度较高时在高温下易富集并变为SiX 4 逸散，所以如何提高卤 英玻璃整体极化率降低,氟虽然改变石英玻璃的结构，但其造成
素的掺杂浓度是目前光纤预制棒制备工艺中亟需解决的问题。 离子极化率的降低，从而降低了石英玻璃的折射率。
但是通过在芯层中进行一定浓度的氯掺杂以降低芯/包的粘度失 此外，由于锗、氟和氯的相对原子质量不同，所以在计算
配和光纤衰减，仍是极有潜力的技术发展方向。 质量百分比时，质量百分比与摩尔百分比的换算可见下式：
图4为粘度匹配型光纤的示例折射率分布剖面图。图中，
Δ 1 为掺氯纤芯与纯二氧化硅的折射率差，Δ 2 为掺氟浅层下陷包
层与纯二氧化硅的折射率差，两者形成光纤基模的主导光面。 其中，Mr(A)为掺杂元素的相对原子质量，Mr(B)为纯石
Δ 3 为掺氟环沟型深层凹陷包层与纯二氧化硅的折射率差，此为 英的相对分子质量，Mr(C)为对应掺杂元素在石英玻璃中最
增强高斯场的集中度，减小光纤宏弯损耗的包层结构。 小晶格的分子质量（即锗为［GeO 2 ］、氟为[SiO 1.5 F]、氯为
图4 粘度匹配型光纤的示例折射率分布剖面图 [SiO 1.5 Cl]）。
由于掺杂物的相对于石英整体的分子质量影响较小，则可
近似地认为质量百分比与被掺杂石英的折射率同样存在线性关
系。
（3）掺杂对石英损耗的影响
瑞利散射损耗为密度起伏产生的瑞利散射损耗以及组分起
伏产生的瑞利散射损耗之和，密度起伏的瑞利散射损耗如下式
所示，
式中，λ为入射光波长，p为光弹性系数，n为折射率，k B
为波兹曼常数，β T 为等温压缩率，T f 为假想温度，光纤的假想
温度的定义是SiO 2 液态结构凝固而转变为玻璃态时的温度。
因瑞利散射主要是由密度波动冻结所形成的，故其正比于
（2）掺杂对石英折射率的影响 假想温度。因而减小假想温度可减小瑞利散射系数，当二氧化
石英玻璃中掺杂的锗、氟和氯的摩尔百分比与其对石英折 硅玻璃掺氯时可以降低玻璃的粘度，从而降低其假想温度。所
射率的影响在相同温度下可认为是线性关系的，其具体影响可 以，掺氯的石英玻璃有较小的密度波动引起的瑞利散射损耗。
见图5： 再者，在芯层掺入降低玻璃粘度的掺杂剂可以减少光纤拉
丝时玻璃的结构弛豫时间，有利于提高密度的均匀性，从而减
图5 锗、氟、氯掺杂对石英折射率的影响
小密度波动引起的瑞利损耗。氯比氟更有利于减小瑞利散射。
氯几乎不引起浓度波动，但可减小拉丝退火弛豫时间，降低假
想温度，故掺氯有利于降低光纤损耗。
掺杂剂浓度增加会引起因组分起伏形成的瑞利散射损耗的
增加。因组分起伏形成的瑞利散射损耗如下式所示，
式中，M j 和x j 分别为第j个掺杂物质在二氧化硅晶格中掺杂
形成的最小晶格的相对分子质量和掺杂量；N A 为阿佛加德罗常
数; 折射率n和密度的偏微分由实验数据确定。纤芯因组份起伏
引起的瑞利散射损耗与掺杂形成最小晶格的分子质量以及掺杂
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