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1、第三届中国通信光电线缆产业高峰论坛暨中国光纤光缆3 0 年大会几种低水峰光纤损耗特性的对比分析吴金东吴海港李群星浙江富通光纤技术有限公司摘要：本文对比三种低水峰光纤产品的损耗特性，分析了影响损耗的因素以及改进光纤损耗的途径，并对超低损耗光纤的开发进行了探讨。一，引言自1 9 9 8 年美国朗讯的O F S 首先推出了全波光纤( A l lW a v eF i b e r ) 以来，G 6 5 2 光纤在1 3 8 3 n m 附近由于O H - 吸收造成的损耗峰( 水峰) 被成功抑制或消除，这种光纤通常称为低水峰光纤( G 6 5 2 C D ) ，在城域网、接入网方面得到大量的应用，在G 6
2、 5 2 光纤市场中占据了主导的地位。以市场为导向和驱动力，全世界的主要光纤厂家都推出了低水峰光纤产品，其产品性能也在不断提高。尤其是最近几年来，制造技术的发展十分迅速，低水峰光纤产品性能得到提高，并且把低水峰特性推广到其它单模光纤，相继开发出G 6 5 5 类和G 6 5 6 类低水峰非零色散位移光纤，纯二氧化硅芯低水峰光纤，提高受激布里渊散射阈值的低水峰光纤，抗弯曲的低水峰光纤等新型光纤。尽管多年以来，在降低光纤损耗方面没有取得多大实质性进展，但是光纤的损耗依然是最为关键的技术参数，由于减小光纤损耗是进一步增大传输的中继距离，减少中继放大器的关键，尤其对于城域网的建设仍然是至关重要的，所以
3、一直以来降低光纤的损耗是一个焦点。全合成工艺在大规模低成本生产低水峰光纤方面具有独到的优势，占据很大的市场份额。本文对比分析了三种全合成低水峰光纤产品的损耗组成特性，对进一步改善光纤损耗以及开发超低损耗光纤进行了探讨。二、损耗理论光纤的传输损耗是由两方面原因引起的：一是光纤材料的内在原因引起的本征损耗，包括红外吸收，紫外吸收拖尾以及光散射。红外吸收起源于分子振动态的改变，紫外吸收拖尾起源于光纤材料的电子能态跃迁，当紫外吸收很强时，它的尾巴会拖到长波段引起损耗。本征散射损耗有三种，即瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射，分别是由材料的密度和浓度起伏、声学声子和光学声子之间的相互作用所引起的，三种散射的
4、强度与波长都存在入一4 关系，说明在更长波长处，散射损耗明显地降低。二是外在原因引起的非本征损耗，这是在光纤制造过程中所引入的，包括光纤结构不完善所引起的光散射和杂质的吸收。杂质吸收包括过渡金属离子、O H 一离子等杂质对光的吸收。在可见光和近红外区，石英玻璃中过渡金属离子会引起宽阔和强烈的吸收，在低损耗光纤研制初期，过渡金属离子曾是损耗的主要来源。对于一1 3 9 第二届中国通信光电线缆产业高峰论坛暨中国光纤光缆3 0 年大会石英玻璃光纤而言，瑞利散射通常是布里渊散射的二十几倍，更比拉曼散射大三个数量级。但是当入射进光纤的光功率足够强时，会由于非线性效应引起受激布里渊散射( S B S )
5、和受激拉曼散射( S R S ) ，使信号光的能量被非线性地衰减。在非线性条件下，S B S 和S R S 是不能忽视的。因此，除非线性的的受激拉曼散射和受激布里渊散射外，光纤的损耗是各种损耗叠加的结果，可以表示为：QT= aI R + Qu v + QR + QI M + aO H + aM( 1 )式中QT 为总的光纤损耗，QI R 为红外吸收损耗，aU V 为紫外吸收拖尾，QR 为瑞利散射损耗，aI M 为芯包界面不完善的结构散射损耗，QO H 为叫一离子对光的吸收损耗，aM 为金属杂质离子的吸收损耗。对于掺锗单模光纤，由于光纤原材料与制备工艺的完善，过渡金属离子的吸收损耗已经降到测量不
6、出的水平，紫外吸收拖尾在波长大于O 6 u m 的波长区域，属于弱吸收拖尾，且相对于瑞利散射等其它损耗非常小，对光纤的损耗特性不产生影响，为便于分析，可以将QM 、QU v 两项从( 1 ) 中略去，得到：aT aI R + QR q - QI M + QO H( 2 )这样，光纤的损耗取决于红外吸收，瑞利散射，0 H 吸收，芯包结构不完善散射。其中，o H 吸收和芯包结构不完善散射，可以通过制造工艺的改进完善加以抑制，低水峰光纤就是这一技术进步的典型成就。因此，光纤的损耗将主要由本征的红外吸收和瑞利散射决定。光纤的红外吸收损耗aI R 由文献 1 可以表示为：= 曰e x p ( 一手)式中
7、系数B ，Q 依赖于光纤材料。当材料和入波长一定时，为QI R 常数瑞利散射损耗QR 与光纤中光强分布P ( r ) 成正比，与波长的四次方成反比，由文献 2 可以写作：吼= “ ，( 5 )?式中，A i 为每层的瑞利散射系数，ri 为该层的功率限制因子。对于纯石英玻璃材料，瑞利散射系数A 0 由文献 3 可以得到：凡：孚张2P 口丁，( 6 )其d g A 0 是纯石英玻璃的瑞利散射系数，n ，p ，k B ，1 3 ，T f 分别为材料的折射率，光弹系数，玻尔兹曼常数，绝热压缩比，假想温度。假想温度T f 定义为石英玻璃中结构不再发生驰豫时的温度。显然，A 01 4 0 第三届中国通信光
8、电线缆产业高峰论坛暨中国光纤光缆3 0 年人会与假想温度T f 成正比。降低假想温度将会有效减小瑞利散射系数。此外瑞利散射系数还与材料的热历史相关 4 ，因此光纤的aR 与拉丝张力和速度等冈素相关。对于掺锗石英玻璃，折射率差与掺杂浓度成正比，其瑞利散射系数A 与纯石英玻璃相A 0 及折射率差的关系可由文献 5 给出。A 一 a ( L + 4 4 j( 7 )因此，对于芯层掺锗阶跃型G6 5 2 光纤，瑞利散射损耗dR 可由文献 6 给出，可以表示为：m= 专【l + 4 4 r 】( 8 )式中功率限制因子r 与L P 0 1 模的传输常数8 和相对折射率差有关。从上面各项损耗的计算公式进一
9、步推导光纤的损耗表达式，可以用公式( 9 ) 柬概括地表达：aT = A 4 + C ( ) + B( 9 )式中，A 为瑞利散射系数，B 为缺陷损耗，c 是波长x 的雨数代表红外损耗，弯曲损耗，O H 杂质吸收损耗等。光纾的红外损耗，弯曲损耗，在长波长区域会有所增加。本文将以公式( 9 ) 为理论基础，分析光纤样本的损耗的组成特征。三种光纤样本损耗对比根据公式( 9 ) ，对国外进口和国产三种全合成低水峰光纤样本的损耗酷线进行分析。进口光纤样本编号分别为s 1 ，s 2 ，国产光纤编号为F T O 。j 种光纤预制棒的折射率剖面见图1 ，从图可以看出，三个牛产厂家的芯棒都是聚) V A D
10、T 艺，预制棒折射率分布特征基本一样，尤其是s 1 与F T O 折射率分布更为接近，s 2 e e 心折射事变化斜率稍小。l 由于上艺细节方面存在差异，光纤预制棒折射率剖面只1 竽在细节的微小差异，表明二种光纤的波导特性差异也将会非常小。托捕中捌通信光电线缆产业高峰论坛暨中国光纤光缆3 0 年大会卜_ 1i 厂L卜斗一T 一 D m 1 1 l s )图l3F T O 的折射率剖面图1 、光纤预制棒折射率剖面三种预制棒的光纤样本的损耗谱见图2 。从损耗谱图可以看出，三种光纤的损耗总体上投有显著的差异，表明国产全合成预制棒低水峰光纤的损耗指标与进口预制棒光纤整体上一致，不存在差异。按照光纤损耗
11、的理论分析，运用公式( 9 ) 对三种光纤样本的损耗谱线进行了解析，可以得到光纤损耗各组成成份的情况，结果见图3 。1 4 2第三届中国通信光电线缆，“、高蜂论坛暨中国光纤光缆3 0 年大会图3 光纤样本损耗谱组成种光纤样本在1 3 1 0 、1 5 5 0 、1 6 2 5 、1 3 8 3 n m 处的损耗组成成份列于表l表1 光纤样本损耗的组成( 在1 3 1 0 n m ) ( d B k m )项目S IS 2F T O瑞利散射02 9 302 8 302 8 4缺陷损耗00 4 600 4 200 4 2一0 H 吸收损耗一红外吸收损耗一一总损耗03 3 7O3 2 503 2 4
12、表2 光纤样本损耗的组成( 在1 5 5 0 n m ) ( d B k m )项目S 1S 2F T O 瑞利散射01 4 9O1 4 501 4 5缺陷损耗00 4 6O0 4 000 4 2O H 吸收损耗一红外吸收损耗00 0 500 0 100 0 5总损耗02 0 001 8 6O1 9 0表3 光纤样本损耗的组成( 在1 6 2 5 r L m ) ( d B k m )项目S lS 2F T 0瑞利散射01 2 301 2 001 2 0缺陷损耗00 4 6O0 4 2O0 4 4O H 吸收损耗一红外吸收损耗00 4 400 3 500 3 8总损耗02 1 301 9 70
13、2 0 2表4 光纤样本损耗的组成( 在1 3 8 3 n m ) ( d B k m )瑞利散射0 2 3 602 2 802 2 9缺陷损耗00 4 600 3 800 3 90 H 吸收损耗00 1 600 1 200 1 5红外吸收损耗总损耗02 9 802 7 802 8 31 4 3第三届中国通信光电线缆产业高峰论坛暨中国光纤光缆3 0 年大会从表1 4 可以看出，S 1 样本的瑞利散射比S 2 、F T O 的稍大，表明其瑞利散射系数稍大。S 1 的缺陷损耗比S 2 、F T O 稍大。三者1 3 8 3 n m 的水峰损耗比较来看，S 2 的水峰最低，S l 与F T O 相当
14、。损耗的组成上存在微小差异，此消彼张，但三者总的损耗水平差异非常小。三超低损耗单模光纤的开发当今开发生产的超低损耗纯石英玻璃光纤，其最低损耗达已经0 1 4 8 d B k m ，这种超低损耗光纤是通过改进纯石英纤芯实现的，模长直径为l2 2 u m ，截止波长1 4lu m ，纯石英光纤的瑞利散射系数为0 7 4 5 d B ( k m u m 4 ) 7 。该光纤的特性与G 6 5 2 C D 有比较大的差异。但是超低损耗纯石英光纤的开发成功对于开发超低损耗G 6 5 2 是很有启发意义的。从光纤损耗组成成份分析，在0 8 一1 6 u m 波长范围，瑞利散射损耗是光纤的主要损耗源，因此降
15、低瑞利散射是降低光纤损耗的有效途径。瑞利散射与材料的折射率、假想温度T f 有关。从公式( 8 ) 可以看出，光纤的瑞利散射损耗还与功率限制因子r 相关，即与光纤的结构，如芯径、掺杂浓度有一定关系。目前大量使用G 6 5 2 光纤在芯层掺锗，增加了瑞利散射，不利于降低光纤损耗。同时，由于G e 0 2 容易挥发，在玻璃化过程中会产生波导结构缺陷，也影响光纤损耗。研究表明，掺氟石英玻璃的瑞利散射比掺锗要低 ，同时掺氟降低石英玻璃的折射率，可以减少芯层锗的掺杂浓度。超低损耗纯石英光纤就是利用掺氟石英玻璃作包层，并在波导结构方面进行优化设计，使瑞利散射大幅度降低，从而得到超低的光纤损耗。因此，在光纤
16、结构和材料设计中，若有效地引入氟组成，从而降低光纤的瑞利散射，对于超低损耗G 6 5 2 光纤的研究开发，这是一个值得深入探讨的问题。瑞利散射与材料的假想温度成正比，与材料的热历史密切相关，因此光纤的瑞利散射损耗与拉丝条件，如拉丝温度，拉丝张力，拉丝速度等有关。降低拉丝温度，将会有效减小瑞利散射系数，从而降低损耗。在超低损耗光纤的研究开发过程中，拉丝是一个不容忽视的重要环节。关于拉丝对光纤损耗的影响，这里不再赘述。四，结语三种光纤损耗的组成分析表明，全合成国产低水峰光纤预制棒与进口预制棒的损耗达到相同的水平，已经同质化。在无中继传输系统中，低损耗光纤可使传输距离增大，因此开发更低损耗的光纤具有非常大的现实意义。目前，G 6 5 2 氐水峰光纤的损耗已经达到非常低的水平，但是通过完善制造工艺，尤其改进光纤结构与材料设计，减少构成光纤损耗的各种成份，可望实现更低的损耗。参考文献
