Page 28 - 网络电信2020年9月刊下

量（wt%）成正比。 图6 梯度分布纤芯光纤的示例折射率分布剖面图
G.652.D光纤的常规掺杂物质为纤芯掺锗，内包层不进行
掺杂或进行少量的氟掺杂。锗作为金属原子，以替代二氧化
硅中硅的位置在石英玻璃内部进行掺杂。而卤素原子（氟和氯
等）则以替代二氧化硅晶格中的氧原子的形式存在于石英玻璃
之中。故在上述公式中，锗掺杂需使用二氧化锗作为最小晶格
的分子质量进行计算，即为M（GeO 2 ）=104.6。而氟和氯掺杂
则应当使用[SiO 1.5 F]和[SiO 1.5 Cl]为最小晶格进行计算，即为M
（SiO 1.5 F）=71；M（SiO 1.5 Cl）=87.45。二氧化硅的分子质量为
M（SiO 2 ）=60。
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量（wt%）成正比。锗的分子质量
为104.6，而氯的分子质量为87.45；相对于SiO 2 折射率提高
0.1%，需掺锗1.8wt%, 而掺氯祇需1wt%, 所以纤芯掺氯因组份
起伏引起的瑞利散射损耗比掺锗小很多。 斯场的集中度，提高光纤抗宏弯性能的包层结构。
具有掺氯的二氧化硅纤芯和掺氟的二氧化硅包层的单模光
纤，在1550nm波长处能展现0.16dB/km或更低的损耗。 三、折射率下陷包层的抗弯曲特性
2、纤芯掺氯的梯度型折射率分布光纤的设计： 1、G.654.E光纤的抗弯曲特性
一种纤芯掺氯的梯度型折射率剖面分布，使纤芯包层界面 G.654.E光纤为降低非线性效应的损害需有大有效面积,而
两侧纤芯和包层的折射率相同，从而避免了界面的粘度失配， 由于光缆截止波长的限制，当有效面积增大时，光纤的宏弯损
同时不会增加纤芯因组份起伏引起的瑞利散射损耗。梯度型折 耗和微弯损耗会增大，研究表明，在包层中设置凹陷型或沟槽
射率剖面分布的纤芯/包层界面减少了纯硅芯与掺氟包层界面高 型折射率分布层可以在保证光缆截止波长小于1530nm的同时减
温粘度失配引起纤芯内应力增加而导致衰减的增大。纤芯掺氯 小光纤的宏弯损耗。凹陷型包层可以使光场的集中度提高，从
所得到的低粘度水平导致光纤拉丝工艺期间玻璃松弛的增加导 而在光纤弯曲时光纤尾场不溢出光纤。鉴于氟离子能显著降低
致更低的假想温度和对应的低光纤衰减水平。纤芯的梯度型折 石英玻璃的折射率而不致引起损耗增加的特性，因而通过掺氟
射率剖面中,中等至高度分级的折射率分布(例如，α为2到12) 来形成折射率下陷包层成为当今光纤设计和制作工艺的首选。
还可降低纤芯与包层之间的热膨胀系数相关(CTE)的失配。从而
图7 环沟形下陷包层折射率分布光纤
能避免芯/包界面的应力引起纤芯内应力增加而导致衰减的增
大以及在光棒脱水烧结工艺中引起的开裂。结合在一起，这些
影响可以降低纤芯中的内应力，导致更好的衰减特性。再者，
相比于其他掺杂剂选项(包括二氧化锗)，掺氯光纤有较低的成
本。
纤芯的梯度型折射率剖面分布函数为：

式中，n 1 为纤芯中心折射率,Δ为掺有氯的纤芯和纯SiO 2
的相对折射率差,α为纤芯半径。本文中取折射率分布参量
α=10, 通过单模光纤的等效阶跃光纤法 Equivalent Step
Index(ESI）,可求得光纤的LP 11 模的归一化频率的截止值为：
图7为环沟形下陷包层折射率分布光纤(Trench-assisted
Fiber)：这类光纤在包层区设置的与包层折射率差较大
的 环 沟 形 折 射 率 下 陷 区 ， 可 以 提 高 光 场 在 纤 芯 的 集 中 度
式中V e =2.405为等效阶跃光纤的LP 11 模的归一化频率的截止 （confinement）。从其折射率剖面可见，这里有两个导光界
值。 面，一个是纤芯-包层界面，纤芯折射率大于包层折射率，构
光缆截止波长为1530nm，具体的光纤参数，如纤芯直径， 成可实现全内反射的导光界面，由于单模光纤中的基模光强呈
剖面各部分的折射率差可用模拟方法求得。 高斯型分布，故而此界面为光纤的主要导光界面，将光场的绝
图6为梯度分布纤芯光纤的示例折射率分布剖面图。图中， 大部分光功率限制在纤芯内。另一个是环沟形下陷包层与包层
Δ 1 为掺氯梯度型纤芯中心与纯二氧化硅的折射率差，内包层为 的内界面，这里，包层折射率大于掺氟的环沟形下陷包层折射
率，构成了第二个可实现全内反射的导光界面。这个界面有效
纯二氧化硅，在纤芯包层界面形成光纤基模的主导光界面。Δ 2
为掺氟环沟型凹陷包层与纯二氧化硅的折射率差，此为增强高 地限制单模光纤中HE11基模的光场尾场,减小模场直径。尤其是

网络电信 二零二O年九月 47