Page 26 - 网络电信2024年9月刊

伏导致介质内部折射率在空间上的微小随机起伏，并进而产生 SiO2和Ge掺杂SiO2样品，并得到假想温度与瑞利散射的线性关
对介质内部传输广场的散射作用，引起光能量的损失。对瑞利 系。研究表明随着假想温度从1700℃下降到1200℃，瑞利散射
散射现象的理论分析需要对材料内的密度起伏进行恰当的统计 系数降低了15%±2%。
描述才能得到。理论分析和实验研究结果表明，无论是气体、
液体还是固体介质，介质内由瑞利散射所引起的功率散失与光 图2 玻璃在冷却过程中的体积变化示意图
波长的四次方成反比。在熔融石英光纤低损耗窗口附近，由瑞
利散射所引起的光损耗为：

根据上式，在OH-等杂质浓度被充分降低的情况下，瑞利散 结合密度波动公式（3）从光纤拉丝工艺考虑，降低假想温
射损耗是石英光纤低损耗窗口内最主要的损耗来源。由于瑞利 度是降低光纤瑞利散射有效的方法。而光纤的假想的温度与拉
散射是不可避免的，因此瑞利散射损耗是光纤所能达到的最低 丝炉温度、拉丝速度等拉丝条件密切相关，由冷却速率和玻璃
理论极限。 黏度决定。对特定的光纤而言，光纤预制棒的种类、结构、黏
度等条件都是固定的，假想温度主要取决于拉丝速率，二者的
式中，常数C的大小范围是0.7-0.9，与光纤纤芯的组成有 关系可表示为：
关。在1.55μm波长对应的衰减为0.12~0.16dB/km。这说明，在
1.55μm波长附近，光纤的衰减主要由瑞利散射所决定。 式中，a1、a2为材料常数，q、q0为冷却速率，q0=1K/s。
从公式分析得到，降低冷却速率是降低光纤假想温度的有效方
2.1 密度波动和浓度波动 法。
单模光纤中的衰减瑞利散射占80%，对于石英光纤而言，瑞
利散射可以分为密度波动和浓度波动，因此降低光纤衰减主要 3.1 红外光谱法
的方向就是降低瑞利散射中的浓度波动和密度波动。密度波动 石英玻璃的红外反射光谱中，1122cm-1谱带归属于玻璃结构
带来的瑞利散射可表示为： 中的Si-O-Si键的伸缩振动，该谱带的位置与石英玻璃的结构及
其各种物化性质直接关联。通过测量该谱带位置v1来确定石英
式中，λ为波长，n为折射率，p为Pockel光弹系数 玻璃表面的假想温度，从而度量其表面结构弛豫。同时，石英
（1.38*10-23JK-1），k为玻尔兹曼常数，Tf为假想温度，βT为等 玻璃的红外吸收光谱中，2260cm-1谱带归属于[SiO4]基频振动的
温压缩率。 第一倍频。通过测量此谱带位置v2来表征石英玻璃体相结构弛
豫和假想温度。
引起光纤瑞利散射衰减的另一个重要原因是化学成分的不 红外反射光谱的计算公式：
均匀，即浓度波动。对于玻璃内进行GeO2和F掺杂的单模光纤而
言，由掺杂浓度波动（化学成分不均匀）带来的瑞利散射可表 红外吸收光谱的计算公式：
示为：
3.2 拉曼光谱法
与瑞利散射的基本性质相同，密度波动和浓度波动都与波 拉曼光谱在800cm-1处表现出宽的ω3峰，这归因于二氧化
长是四次方成反比。值得注意的是，密度波动引起的瑞利散射 硅玻璃固有的Si-O-Si变形振动，在605cm-1处呈现出窄的D2峰，
与石英玻璃的假想温度成正比，因此降低材料体系的假想温度 这归功于引起密度波动的3元环的拉伸振动。可以通过计算峰面
有利于降低瑞利散射。 积比D2/ω3来量化密度波动的程度。密度波动程度可以由虚拟
温度表示，该虚拟温度被定义为具有相同密度波动程度的SiO2
3 假想温度

石英玻璃的假想温度是指玻璃液态冷却到平衡态的温度。
不同的冷却速率将产生不同的后果。当玻璃在软化温度Ts点长
时间缓慢冷却时，将会结晶成为石英晶体。相反，如果在这个
温度下快速冷却，液态玻璃将不会结晶化，而成为过冷液体。
过冷液体缓慢冷却时，在转变点温度Tg下转化为固体；而快速
冷却时，则在假想温度Tf下转化为固体玻璃。

需要说明的是，在拉丝过程中，光纤材料内部的密度不
均匀并非由环境温度决定，而是由玻璃的假想温度（fictive
temperature）所决定。假想温度为玻璃材料由液态（软化状
态）向固态的转变温度Tf。由图2所示。

理论上，瑞利散射系数和假想温度成正比，这一点已经被
Tsujikawa等人证实。通过改变熔融温度，得到不同假想温度的

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