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(jì)”的到來。為了適應(yīng)通信技術(shù)和Internet的高速發(fā)展對(duì)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(zhǎng)波長(zhǎng)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(dá)到的最低理論損耗在1550nm波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)波長(zhǎng)(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(zhǎng)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(yuǎn)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(fù)三次方)dB/km，無中繼距離可達(dá)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(dá)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(fù)三次方)dB/km相距很遠(yuǎn)，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(duì)于開辟超長(zhǎng)波長(zhǎng)的通信窗口具有深遠(yuǎn)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(duì)損耗的影響較小，其損耗水平在6μm波長(zhǎng)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(dá)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(jī)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(diǎn)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(zhǎng)處達(dá)到了13dB/km，如果經(jīng)過進(jìn)一步脫OH-的工藝處理，可以達(dá)到0.1dB/km。

        聚合物光纖自19世紀(jì)60年代美國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)的范圍內(nèi)其強(qiáng)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(zhǎng)處為56dB/km，適合短距離通信。國(guó)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(shí)還具有折射率可調(diào)、耐熱及耐濕的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)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(duì)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(dá)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(dá)400℃以上，在600℃的光傳輸性能和機(jī)械性能仍然很好。采用冷的有機(jī)體在熱的光纖表面進(jìn)行非均勻成核熱化學(xué)反應(yīng)(HNTD)，然后在光纖表面進(jìn)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(kuò)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(zhǎng)距離、大容量通信的要求，可以對(duì)光纖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(zhǎng)產(chǎn)生位移，設(shè)計(jì)出了DSF(色散位移光纖)，即G.653光纖，它把零色散波長(zhǎng)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(duì)DSF進(jìn)行了改進(jìn)，通過設(shè)計(jì)折射率的剖面，對(duì)零色散點(diǎn)進(jìn)行位移，使其在1530-1565nm范圍內(nèi)，色散的絕對(duì)值在1.0-6.0ps/(nm.km)，維持一個(gè)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(shí)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(shí)無需進(jìn)行色散補(bǔ)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(jì)的，主要有美國(guó)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(kuò)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(zhǎng)距離傳輸時(shí)短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)之間的色散差異將隨著距離的增加而增大，勢(shì)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(hào)的傳輸距離，或者采用高代價(jià)的色散補(bǔ)償措施;而低波段端的色散又太小，多波長(zhǎng)傳輸時(shí)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(shí)際價(jià)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(guó)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(kuò)展到1625nm處。最近，美國(guó)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(qiáng)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(zhǎng)范圍內(nèi)總色散近于平坦，使光纖的帶寬得到擴(kuò)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(jìn)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(zhǎng)，在光路上進(jìn)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?fù)p失，限制了1350-1450nm波段的使用。為此，各個(gè)公司都致力于消除OH-吸收峰，開發(fā)出“無水峰光纖”，從而實(shí)現(xiàn)1350-1450nm第五窗口的實(shí)際應(yīng)用。美國(guó)Lucent公司開發(fā)出的All Wave光纖，克服了OH-的諧波吸收，從而實(shí)現(xiàn)了1280-1625nm范圍內(nèi)完整波段的利用。這一有效工作波長(zhǎng)范圍的增大，有利于通過增大波長(zhǎng)通道之間的間距來降低對(duì)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(shí)可以通過加大波分復(fù)用的密度，實(shí)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)的超大容量傳輸。

        強(qiáng)度調(diào)制一直接檢測(cè)的通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高碼速、大容量傳輸，而且具有調(diào)制容易的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)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(zhǎng)中繼、高傳輸速率優(yōu)點(diǎn)，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)。