淺談光纖及其制造技術(shù)d

        光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展，加快了“光速經(jīng)濟”的到來。為了適應(yīng)通信技術(shù)和Internet的高速發(fā)展對超高速、超帶寬、超大容量的通信系統(tǒng)的要求，除了需要研制出更好的光纖無源器件和有源器件外，還需要開發(fā)出超低損耗、長波長工作窗口的新型光纖材料，以及更合理的新型光纖結(jié)構(gòu)和精良的制造工藝。（管內(nèi)CVD(化學(xué)汽相沉積)法、棒內(nèi)CVD(化學(xué)汽相沉積)法、PCVD(等離子體化學(xué)汽相沉積)法以及VAD(軸向汽相沉積)法都是正確的光纖制作方式。

        光纖材料

        以SiO2材料為主的光纖，工作在0.8μm-1.6μm的近紅外波段，目前所能達到的最低理論損耗在1550nm波長處為0.16dB/km，已接近石英光纖理論上的最低損耗極限。如果再將工作波長加大，由于受到紅外線吸收的影響，衰減常數(shù)反而增大。因此，許多科學(xué)工作者一直在尋找超長波長(2μm以上)窗口的光纖材料。這種材料主要有兩種，即非石英的玻璃材料和結(jié)晶材料，晶體光纖材料主要有AgC1、AgBr、KBr、CsBr以及KRS-5等，目前AgC1單晶光纖的最低損耗在10.6μm波長處為0.1dB/km。因此，需要尋求新型基體材料的光纖，以滿足超寬帶寬、超低損耗、高碼速通信的需要。

        氟化物玻璃光纖是當(dāng)前研究最多的超低損耗遠紅外光纖，它是以ZrF4-BaF2、HfF4-BaF2兩系統(tǒng)為基體材料的多組分玻璃光纖，其最低損耗在2.5μm附近為1×10(的負三次方)dB/km，無中繼距離可達到1×10(的5次方)km以上。1989年，日本NTT公司研制成功的2.5μm氟化物玻璃光纖損耗只有0.01dB/km，目前ZrF4玻璃光纖在2.3μm處的損耗達到外0.7dB/km，這離氟化物玻璃光纖的理論最低損耗1×10(的負三次方)dB/km相距很遠，仍然有相當(dāng)大的潛力可挖。能否在該領(lǐng)域研制出更好的光纖，對于開辟超長波長的通信窗口具有深遠的意義。

        硫化物玻璃光纖具有較寬的紅外透明區(qū)域(1.2-12μm)，有利于多信道的復(fù)用，而且硫化物玻璃光纖具有較寬的光學(xué)間隙，自由電子躍遷造成的能量吸收較少，而且溫度對損耗的影響較小，其損耗水平在6μm波長處為0.2dB/km，是非常有前途的光纖。而且，硫化物玻璃光纖具有很大的非線性系數(shù)，用它制作的非線性器件，可以有效地提高光開關(guān)的速率，開關(guān)速率可以達到數(shù)百Gb/s以上。

        重金屬氧化物玻璃光纖具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和機械物理性能，但紅外性質(zhì)不如鹵化物玻璃好，區(qū)域可透性差，散射也大，但若把鹵化物玻璃與重金屬氧化物玻璃的優(yōu)點結(jié)合起來，制造成性能優(yōu)良的鹵-重金屬氧化物玻璃光纖具有重要的意義。日本Furukawa電子公司，用VAD工藝制得的GeO2-Sb2O3系統(tǒng)光纖，損耗在2.05μm波長處達到了13dB/km，如果經(jīng)過進一步脫OH-的工藝處理，可以達到0.1dB/km。

        聚合物光纖自19世紀(jì)60年代美國杜邦公司首次發(fā)明以來，取得了很大的發(fā)展。1968年杜邦公司研制的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)階躍型塑料光纖(SI POF)，其損耗為1000dB/km。 1983年，NTT公司的全氘化PMMA塑料光纖在650nm波長處的損耗降低到20dB/km。由于C-F鍵諧波吸收在可見光區(qū)域基本不存在，即使延伸到1500nm波長的范圍內(nèi)其強度也小于1dB/km。全氟化漸變型PMMA光纖損耗的理論極限在1300nm處為0.25dB/km，在1500nm處為0.1dB/km，有很大的潛力可挖。近年來，Y.KOIKE等以MMA單體與TFPMA(四氟丙基丙烯酸甲酯)為主要原材料，采用離心技術(shù)制成了漸變折射率聚合物預(yù)制棒，然后拉制成GI POF(漸變折射率聚合物光纖)，具有極寬的帶寬(>1GHz.km)，衰減在688nm波長處為56dB/km，適合短距離通信。國內(nèi)有人以MMA及BB(溴苯)、BP(聯(lián)苯)為主要原材料，采用IGP技術(shù)成功地制備了漸變型塑料光纖。日本NTT公司最近開發(fā)出氟化聚酰亞胺材料(FULPI)在近紅外光內(nèi)有較高的透射性，同時還具有折射率可調(diào)、耐熱及耐濕的優(yōu)點，解決了聚酰亞胺透光性差的問題，現(xiàn)已經(jīng)用于光的傳輸。聚碳酸酯、聚苯乙烯的研究也在不斷的進行中，相信在不久的未來更好性能的聚合物光纖材料得到開發(fā)和利用。

        特殊的環(huán)境對光纖有特殊的要求，石英光纖的纖芯和包層材料具有很好的耐熱性，耐熱溫度達到400-500℃，所以光纖的使用溫度取決于光纖的涂覆材料。目前，梯型硅氧烷聚合物(LSP)涂層的熱固化溫度達400℃以上，在600℃的光傳輸性能和機械性能仍然很好。采用冷的有機體在熱的光纖表面進行非均勻成核熱化學(xué)反應(yīng)(HNTD)，然后在光纖表面進行裂解生成碳黑，即碳涂覆光纖。碳涂覆光纖的表面致密性好，具有極低的擴散系數(shù)，而且可以消除光纖表面的微裂紋，解決了光纖的“疲勞”問題。

        新型結(jié)構(gòu)的光纖

        光纖的結(jié)構(gòu)決定了光纖的傳輸性能，合理的折射率分布可以減少光的衰減和色散的產(chǎn)生。為了改善光纖的波導(dǎo)性能，特別是既想獲得低損耗，又想具有低色散，以適應(yīng)長距離、大容量通信的要求，可以對光纖的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，控制折射率的分布。如采用三角形折射率分布的結(jié)構(gòu)：區(qū)配包層、凹陷包層、四包層結(jié)構(gòu)，加大波導(dǎo)色散，從而使零色散波長產(chǎn)生位移，設(shè)計出了DSF(色散位移光纖)，即G.653光纖，它把零色散波長搬到1550nm的最低損耗窗口，使光纖的損耗特性與色散特性得到了優(yōu)化組合，提高了光纖通信系統(tǒng)的傳輸性能。

        G.653光纖在1550nm處的色散為零，給WDM(波分復(fù)用)系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的FWM(四波混頻)效應(yīng)，為了克服DSF的不足，人們對DSF進行了改進，通過設(shè)計折射率的剖面，對零色散點進行位移，使其在1530-1565nm范圍內(nèi)，色散的絕對值在1.0-6.0ps/(nm.km)，維持一個足夠的色散值，以抑制FWM、SPM(自相位調(diào)制)及XPM(交叉相位調(diào)制)等非線性效應(yīng)，同時色散值也足夠小，以保證單通道傳輸速率為10Gb/s，傳輸距離大于250km時無需進行色散補償。這種光纖即為NZDSF(非零色散位移光纖)，ITU-T稱之為G.655光纖。

        第一代G.655光纖主要為C波段(1530-1565nm)通信窗口設(shè)計的，主要有美國Lucent公司的True　Wave和Corning公司的SMF-LS光纖，它們的色散斜率較大。隨著寬帶寬光放大器(BOFA)的發(fā)展，WDM系統(tǒng)已經(jīng)擴展到L波段(1565-1620nm)。在這種情況下，如果色散斜率仍然維持原來的數(shù)值(0.07-0.10ps/(nm2·km))，長距離傳輸時短波長和長波長之間的色散差異將隨著距離的增加而增大，勢必造成L波段高瑞過大的色散，影響了10Gb/s及以上高碼速信號的傳輸距離，或者采用高代價的色散補償措施;而低波段端的色散又太小，多波長傳輸時不足以抑制FWM、SPM、XPM等非線性效應(yīng)，因此，研制和開發(fā)出低色散斜率的光纖具有重要的實際價值。

        第二代G.655光纖適應(yīng)了上述要求，具有較低的色散斜率，較好地滿足了DWDM(密集波分復(fù)用)的要求。第二代G.655光纖主要有美國Lucent公司的True　Wave-RS光纖和True Wave-XL光纖，其色散斜率降低到0.05ps/(nm2·km)以下，Corning公司的LEAF(大有效面積光纖)、Pirelli公司新近推出的FreeLight光纖，把工作窗口擴展到1625nm處。最近，美國Lucent公司新研制出了LazrSpeed多模光纖。第二代G.655光纖成功地克服了光纖非線性所帶來的傳輸損傷，大大地提高了光纖通信系統(tǒng)的傳輸性能。

        隨著光纖通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，又出現(xiàn)了DFF(色散平坦光纖)，它采用特殊的雙包層或多包層結(jié)構(gòu)，形成狹而深的折射率陷講，加強波導(dǎo)色散，從而在1300nm和1550nm處獲得零色散，使光纖在1300-1600nm的波長范圍內(nèi)總色散近于平坦，使光纖的帶寬得到擴展，有利于DWDM及相干光通信的發(fā)展。

        DWDM系統(tǒng)希望能夠在盡可能寬的可用波段上進行波分復(fù)用，將各種不同速率和性質(zhì)的業(yè)務(wù)分配給不同的波長，在光路上進行選路與分插，而可用波段內(nèi)的1385nm附近羥基(OH-)吸收峰的存在，造成了光功率的嚴(yán)重損失，限制了1350-1450nm波段的使用。為此，各個公司都致力于消除OH-吸收峰，開發(fā)出“無水峰光纖”，從而實現(xiàn)1350-1450nm第五窗口的實際應(yīng)用。美國Lucent公司開發(fā)出的All Wave光纖，克服了OH-的諧波吸收，從而實現(xiàn)了1280-1625nm范圍內(nèi)完整波段的利用。這一有效工作波長范圍的增大，有利于通過增大波長通道之間的間距來降低對OPD(光無源器件)、OAD(光有源器件)的要求，大大降低了通信系統(tǒng)的成本，同時可以通過加大波分復(fù)用的密度，實現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)的超大容量傳輸。

        強度調(diào)制一直接檢測的通信系統(tǒng)可以實現(xiàn)高碼速、大容量傳輸，而且具有調(diào)制容易的優(yōu)點，但實質(zhì)上是一種“噪聲通信系統(tǒng)”，而相干光通信-外差式的通信系統(tǒng)具有長中繼、高傳輸速率優(yōu)點，它采用光的相位、偏振來傳遞信息。為了適應(yīng)相干通信系統(tǒng)的要求，已經(jīng)研制出了“熊貓”型、“蝴蝶結(jié)”型和“扁平”型的高雙折射保偏光纖，以及具有“邊坑”型的單模單偏振保偏光纖，為未來全光通信奠定了基礎(chǔ)。