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截止波长、模场直径与抽丝张力

南京华新藤仓光通信有限公司 光纤部
王中伟

摘要：本文主要讨论和分析了抽丝张力对截止波长、模场直径的影响，并对截止波长和模场直径之间的关系进行了探讨和分析。

一、前言
截止波长和模场直径是单模光纤所特有的同时也是极为重要的性能参数，抽丝张力是抽丝工艺中最重要的控制参数之一。如果改变抽丝张力可以改变截止波长和模场直径的大小，我们则可通过使用不同的抽丝张力对截止波长偏大或偏小的光棒进行抽丝，而使得光纤的截止波长在合格范围内或更加趋于合理。为此进行了改变抽丝张力以了解截止波长和模场直径变化情况的试验。

二、名词概要
单模光纤,顾名思义,这种光纤只能传输一种模式(基模LP01)的光,以便尽可能为通信系统提供最大带宽。但这种行为取决于窗口的工作波长以及光纤的截止波长大小。
截止波长指的是,单模光纤通常存在某一波长,当所传输的光波长（工作波长）超过该波长时,光纤只能传播一种模式(基模LP01)的光,这一波长便称为截止波长。截止波长大小由光棒的结构参数,如光纤的芯径以及芯、包层间的相对折射率差Δn决定。
模场直径，因为单模光纤中基模场并不是完全集中在纤芯中，而是有相当部分的能量在包层中，所以对单模光纤不宜用芯径作为其特征参数，而是用模场直径作为描述单模光纤中光能集中的范围，一般以光强分布最大值的1/e2所对应的光斑大小作为模场直径。
抽丝张力可理解为将光纤从熔融的光棒上

拉下所需的力，它间接反应了加热炉内的温度大小。

三、抽丝张力试验
1.试验理论基础
截止波长的理论计算公式为

其中：α为纤芯半径
n1 为芯层折射率
n2为包层折射率
以上公式中，纤芯半径α和包层折射率n2在抽丝中是不变量，因为改变抽丝张力可以改变加热炉的功率，从而在一定程度上改变加热炉内的温度，若温度变化可使光棒芯层折射率n1改变，则由以上理论公式可知，光纤的截止波长也会发生变化。基于以上理论假设，进行了抽丝张力试验。

2.试验内容与试验数据
2.1不良品试验
用不良品光棒进行试验,抽丝中将张力从150g分别增加到170g、180g、190g，比较不同张力下光纤截止波长、模场直径的变化量以及加热炉功率的大小。
试验结果如图1和图2所示。
从图1可知增大抽丝张力可以提高截止波长，减小模场直径。从图2可知增大抽丝张力可降低加热炉功率。

2.2良品试验
为了验证以上试验结果，随后在D-9抽丝机上进行了以下试验：由于目前光棒多抽段易出现截止波长因偏小而超标的现象，故在良品光棒抽丝还剩100mm（多抽段）时，

图1

图2

将抽丝张力从150g改为180g，并以180g张力抽丝，共试验了16根光棒，对这批光棒张力第一盘光纤的截止波长和模场直径数据进行了统计，并与同期其它抽丝机所抽16根光棒张力第一盘光纤的截止波长和模场直径数据进行了比较，结果如表1：

参数
抽丝张力 g
150
180
截止波长 um
1.18
1.21
模场直径 um
9.11
9.05
表1
表1数据进一步验证了以上试验结论的正确性。

四、分析与讨论
1. 截止波长变化的原因分析
抽丝张力增大为何造成了截止波长的增大和模场直径的减小？在上面的截止波长的理论计算公式中，纤芯半径α和包层折射率n2在抽丝中是不变量，造成截止波长增大的只有芯层折射率n1，n1在抽丝中是如何变化的？从以上试验数据可知，抽丝过程中张力增大，造成加热炉功率减小，从而使得炉内温度降低。同时抽丝过程中，光棒芯层中的GeO2
存在以下热分解平衡：

当温度降低时，以上化学反应向左移动，GeO2的量增大，由于GeO2的折射率大于GeO的折射率，所以芯层折射率n1增大，由截止波长的理论计算公式：

可知n1增大，截止波长λc增大。
同理,当抽丝张力减小时，加热炉功率增大，炉内温度升高，以上分解反应向右移动，使GeO2的量减小，芯层折射率n1减小，由以上公式知截止波长λc减小。

2.模场直径变化的原因分析

因为在抽丝过程中张力增大，芯层折射率n1增大，芯层、包层折射率差Δn=n1- n2增大，集中在纤芯中的光能量增大，包层中的光能量减小，因此光斑的大小即模场直径减小。

3.截止波长和模场直径关系的探讨

在本次试验和以往实践中均发现截止波长与模场直径存在着某种关系，它们之间的函数关系如何？
截止波长试验数据如表2:
参数
张力 g
150
170
180
190
截止波长um
1.212
1.231
1.239
1.246
模场直径um
9.121
9.037
9.010
8.930
表2

设应用数值分析中最小二乘原理，截止波长和模场直径的拟合公式为：
(1)

所以上述数据即：
i
1
2
3
4
xi
1.212
1.231
1.239
1.246
yi
9.121
9.037
9.010
8.930
表2

(1) 为一次多项式，其正规方程组为：

(2)

其中：

S0=4.00

将以上数据代入(2)得：

解得： b=-5.3，a=15.6

所以截止波长和模场直径的拟合公式为：

即：MFD=15.6-5.3λC
其中:MFD为模场直径 (um)
λC为截止波长 (um)
通过以上经验公式，我们可知在变张力情况下抽丝，模场直径随截止波长的增大而线性减小，以上关系存在的前提条件为光棒芯层折射率n1沿轴向变化率较小。

五、结论

从以上试验可知，在抽丝过程中，增大张力可以增大芯层折射率n1，从而提高光纤的截止波长，同时减小光纤的模场直径。所以在实际抽丝生产中，如果遇到截止波长过大或过小的光棒，我们可以根据截止波长和模场直径的经验关系式来适当减小或增大抽丝张力，以使得光纤的截止波长和模场直径均在合格范围内或更加趋于合理。

六、作者简介

王中伟：男，1998年毕业于吉林工业大学。
2001年到南京华新藤仓光通信有限公司，目前为光纤部技术课工程师。

七、参考文献

1、S.R.Nagel.J.B.MacChesney,and K.L.
Walker,"MODIFIED CHEMICAL VAPOR DEP-
OSITION" AT&T Bell Laboratories Murray
Hill,New Jersey.

2、邹林森等 《光缆及工程应用》.