特種光纖技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)

        “十一五”期間，在國家有關(guān)部門和各級(jí)政府的重點(diǎn)支持下，特別是國家科技部在“十一五”國家科技攻關(guān)和“863”光電子新材料研究計(jì)劃中，安排了光纖預(yù)制棒科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目，國內(nèi)光纖企業(yè)積極迎接挑戰(zhàn)、踴躍投入，各相關(guān)行業(yè)協(xié)會(huì)大力促進(jìn)，加快了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光纖預(yù)制棒新技術(shù)、新工藝和新材料的開發(fā)步伐。在國家自主創(chuàng)新政策的引領(lǐng)下，民族光纖的自主創(chuàng)新研究顯著增強(qiáng)，我國的預(yù)制棒技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，光纖預(yù)制棒制造技術(shù)與設(shè)備研究及產(chǎn)業(yè)化等方面均實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展：制造工藝從MCVD與PCVD，發(fā)展到OVD與VAD技術(shù)，光棒制造能力從2家發(fā)展到4家，國內(nèi)光纖制造商的單模光纖年生產(chǎn)能力突破1000萬芯公里的企業(yè)迅猛增加到4家，我國已經(jīng)發(fā)展稱為名符其實(shí)的光纖制造第一大國。

　　雖然，我國常規(guī)單模產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)了歷史性跨越與進(jìn)步。但是，在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，常規(guī)單模光纖的競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化。加之發(fā)達(dá)國家將制造業(yè)向中國轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)實(shí)的環(huán)境更是加速了民族光纖產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，價(jià)格迅速下滑，產(chǎn)能將再度出現(xiàn)供大于求的窘境。

　　因此，民族光纖產(chǎn)業(yè)一方面要更一步增強(qiáng)自主創(chuàng)新，狠抓光纖上游核心—－光纖預(yù)制棒規(guī)?；夹g(shù)，搶奪利潤來源主體；另一方面，民族光纖企業(yè)家需要站在全球化市場(chǎng)的戰(zhàn)略高度，苦練內(nèi)功，強(qiáng)化管理，將民族光纖產(chǎn)業(yè)走出國門，推向全球市場(chǎng)；第三，面對(duì)利潤微薄的常規(guī)光纖市場(chǎng)實(shí)際，要?jiǎng)?chuàng)造性地展開差異化競(jìng)爭(zhēng)，自主創(chuàng)新地研究與開發(fā)特種光纖新產(chǎn)品，拓展新的利潤增長點(diǎn)。

一、光子晶體光纖

　　烽火通信科技股份有限公司在十一五國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973項(xiàng)目“微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備工藝的創(chuàng)新與基礎(chǔ)研究”（2003CB314905）、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目“863”計(jì)劃“光子晶體光纖及器件的研制與開發(fā)”（2007AA03Z447）、973計(jì)劃項(xiàng)目“微結(jié)構(gòu)光纖的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、精確制備及其標(biāo)準(zhǔn)化”（2010CB327606）的支撐下，從微結(jié)構(gòu)光纖設(shè)計(jì)、制備技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)等多方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，取得了重大的科研成果。烽火通信已經(jīng)初步形成了微結(jié)構(gòu)光纖（光子晶體光纖）的工藝技術(shù)與設(shè)備控制技術(shù)，以及自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)，先后制造出的光子晶體光纖，包括：高非線性光子晶體光纖、色散平坦光子晶體光纖、FTTH用微結(jié)構(gòu)光纖、大模場(chǎng)單模光子晶體光纖、空心PBG型光子晶體光纖、全固態(tài)PBG型光子晶體光纖，以及雙包層摻鐿光子晶體光纖、摻鉺光子晶體光纖等。

　烽火通信將上述光子晶體光纖提供給國內(nèi)的清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)、天津大學(xué)、南開大學(xué)、燕山大學(xué)、深圳大學(xué)、國防科技大學(xué)進(jìn)行基礎(chǔ)應(yīng)用研究：清華大學(xué)采用本公司提供的高非線性光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)了慢光，實(shí)現(xiàn)了0.5脈沖當(dāng)量的光減速；天津大學(xué)采用本公司提供的高非線性光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)了400nm~1400nm兩倍頻程的超連續(xù)光譜；北京郵電大學(xué)利用本單位的高非線性光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)了波長變換器件的研制；南開大學(xué)采用本單位的柚子型光敏微結(jié)構(gòu)光纖，實(shí)現(xiàn)了多參量傳感新型光纖光柵的刻寫等，他們?nèi)〉昧诵滦透咝阅艿墓怆娮悠骷膰H前沿的研究成果。

二、色散補(bǔ)償光纖及模塊

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，人們對(duì)寬帶傳輸?shù)男枨笱杆僭鲩L，因此，光通信系統(tǒng)需要不斷增大傳輸距離、傳輸容量和提高傳輸速率。光纖通信的傳輸速率從最初的兆比特/秒1（Mbps），2.5G比特/秒（Gbps）到10 Gbps，現(xiàn)在高達(dá)40 Gbps，甚至160 Gbps。但是，常規(guī)單模光纖（G.652）由于在1530nm-1625nm（C+L波段）通信波段內(nèi)具有11-21ps/nm·km的正色散，非零色散位移光纖（G.655）在C波段內(nèi)具有1-10ps/nm·km的正色散。通信數(shù)據(jù)傳輸一段距離后，系統(tǒng)的累積色散不斷增加，導(dǎo)致傳輸信號(hào)的波形畸變，造成信號(hào)的失真。

　　為了減小通信鏈路累積色散對(duì)通信系統(tǒng)傳輸性能的影響，目前，國際上采用色散補(bǔ)償技術(shù)來改善鏈路色散，包括負(fù)色散光纖補(bǔ)償技術(shù)、光纖光柵色散補(bǔ)償技術(shù)、電子色散補(bǔ)償技術(shù)等，其中采用負(fù)色散光纖進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)最方便有效，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，成本低。采用色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行通信鏈路的色散補(bǔ)償是當(dāng)前國際上的主流技術(shù)，CIR研究表明：到2012年，全球色散補(bǔ)償模塊和器件的市場(chǎng)將會(huì)達(dá)到7.55億美圓。

　　高速大容量光通信系統(tǒng)需求的寬帶色散補(bǔ)償光纖及其器件（DCM）成功商用，實(shí)現(xiàn)C波段的色散和色散斜率的雙功能補(bǔ)償，并且大規(guī)模應(yīng)用在波分復(fù)用（WDM）及OTN光通信系統(tǒng)中，解決了該器件依賴于進(jìn)口的局面。隨著密集波分系統(tǒng)的規(guī)?；ㄔO(shè)，國內(nèi)對(duì)色散補(bǔ)償光纖模塊的需求量迅速增長，預(yù)計(jì)到2015年國內(nèi)需求將達(dá)到60000套，市場(chǎng)容量將達(dá)到2.2億元。

　烽火通信科技股份有限公司采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PCVD裝備與工藝技術(shù)，獨(dú)立開發(fā)出商用化的色散補(bǔ)償光纖及光纖型補(bǔ)償模塊，成功應(yīng)用在國內(nèi)10G和40G通信系統(tǒng)中，并批量出口。表1為其色散補(bǔ)償光纖模塊的性能指標(biāo)。

　　常規(guī)色散補(bǔ)償光纖模塊對(duì)G.652光纖的補(bǔ)償比率在1:8～1:10，如果采用光子晶體前沿技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，理論上可以達(dá)到1:100的補(bǔ)償比率，實(shí)現(xiàn)色散的高效補(bǔ)償。烽火通信在國家科技計(jì)劃的支撐下，研制出高負(fù)色散光子晶體光纖。該光纖測(cè)試的色散曲線見圖10所示，其峰值波長為1570nm，峰值負(fù)色散為－666.2ps/nm.km，其補(bǔ)償帶寬為40nm，補(bǔ)償比率3倍以上。

三、保偏光纖

　　保偏光纖在許多與偏振相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域具有使用價(jià)值。隨著通信系統(tǒng)傳輸速率的提高和光纖陀螺等高級(jí)光纖傳感器件的發(fā)展,對(duì)偏振態(tài)系統(tǒng)控制的問題變得非常重要。

　　國際上,目前有各種類型的保偏光纖產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，知名的保偏光纖制造公司有生產(chǎn)領(lǐng)結(jié)型保偏光纖的FiberCore公司,有生產(chǎn)橢圓包層保偏光纖的3M公司,以及生產(chǎn)熊貓型保偏光纖的Fujikura,Corning ,Nufern、YOFC和OFS等公司。所有的這些公司生產(chǎn)的保偏光纖都具有良好的雙折射性能。目前市場(chǎng)需求量為5000km，市場(chǎng)容量在5000萬元左右，國內(nèi)對(duì)保偏光纖的需求量逐年增大，表2為典型的熊貓型保偏光纖的技術(shù)指標(biāo)。

　　常規(guī)保偏光纖大多采用預(yù)制棒鉆孔的方法，然后置入應(yīng)力硼棒，形成應(yīng)力雙折射。光子晶體光纖科學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)，為保偏光纖技術(shù)提供了新的途徑。目前，國外已經(jīng)開始了光子晶體PMF的研究，利用氧化硅一空氣之間的折射率反差大，容易獲得高雙折射，研制出了保偏光子晶體光纖(PCF)．英國巴斯大學(xué)報(bào)道了其研制的高雙折射PCF，利用相同直徑不同壁厚的毛細(xì)管組合成預(yù)制棒，實(shí)現(xiàn)不同的微孔直徑．光纖外直徑125μm、節(jié)距1.46μm、小孔直徑0．54μm、大孔直徑1.14μm、在1 550 nm 的拍長為410μm ，雙折射B =3.8 x 10-3 ，約為目前熊貓型PMF的10倍．Theis P．hansen利用光子晶體光纖可以高設(shè)計(jì)自由度的優(yōu)勢(shì)，在光纖中引入雙纖芯，微孔點(diǎn)陣呈現(xiàn)三角形點(diǎn)陣，研制的光子晶體PMF雙折射達(dá)到1.0x10-3 ．目前研制的光子晶體PMF在1 550 am 窗口的損耗為1.3 dB／km，并以10 Gbit／s的速率進(jìn)行1．5 km的傳輸系統(tǒng)試驗(yàn)。

　　烽火通信在國家科技計(jì)劃的支撐下開展了光子晶體保偏光纖的研究，制備出的保偏光子晶體光纖，其模雙折射B＝3.1x10-3。并進(jìn)行了10G通信系統(tǒng)的PMD補(bǔ)償試驗(yàn)研究：圖12中的左圖表示系統(tǒng)沒有進(jìn)行PMD補(bǔ)償時(shí)的眼圖，系統(tǒng)的固定DGD為16ps，可以看出信號(hào)嚴(yán)重地受到系統(tǒng)PMD的影響而不能正常工作；采用的保偏光子晶體光纖對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PMD補(bǔ)償后，圖12中的右圖顯示通信系統(tǒng)的眼圖睜開，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

　　因此，光子晶體保偏光纖以其高設(shè)計(jì)自由度、高保偏性能，以及空隙中填充各種材料可以制造出各種纖維光學(xué)器件，將具有廣闊的應(yīng)用前景。

四、摻稀土光纖

　　隨著新型光電子器件的發(fā)展，摻稀土光纖的應(yīng)用越來越廣泛。摻稀土光纖主要包括摻鐿光纖、摻鉺光纖、摻銩光纖等，烽火通信的高性能摻稀土光纖成功獲得“國家重點(diǎn)新產(chǎn)品”稱號(hào)，打破了國外對(duì)我國高功率雙包層摻稀土光纖的技術(shù)封鎖。

　　烽火通信采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了稀土離子摻雜技術(shù)突破，鐿離子濃度迅速突破13000ppm，雙包層摻鐿光纖的纖芯直徑迅速突破100微米的技術(shù)關(guān)隘，達(dá)到115微米。

　　目前，烽火通信科技股份有限公司的單根摻鐿光纖成功實(shí)現(xiàn)1640W的1080nm的激光功率輸出，這是國內(nèi)特種光纖的首次技術(shù)突破，達(dá)到了當(dāng)前國際先進(jìn)水平，促進(jìn)了我國國防科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。

　　在開發(fā)摻鐿光纖的同時(shí)，烽火通信也開發(fā)出雙包層摻銩光纖，獲得了150W的中紅外激光輸出。烽火通信科技股份有限公司制造的摻鉺光纖、鉺鐿雙包層光纖、摻銩光纖都成功實(shí)現(xiàn)了商用化，促進(jìn)了國內(nèi)摻鉺光纖放大器、光纖激光器等新型光纖器件的發(fā)展，為我國新型光電子器件的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

　　常規(guī)的雙包層摻鐿光纖要維持較好的單模特性時(shí)，當(dāng)其纖芯數(shù)值孔徑達(dá)到0.03，其理論單模模場(chǎng)直徑的極限為25微米，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足高功率光纖激光器的大功率高光束質(zhì)量與高亮度的需求。光子晶體光纖技術(shù)的出現(xiàn)為雙包層摻稀土光纖及新型光纖激光器提供了新的技術(shù)途徑。采用空氣與石英的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，形成二維的三角形晶格點(diǎn)陣，當(dāng)空氣孔直徑d與晶格常數(shù)∧的比例小于0.42時(shí)，光波電磁場(chǎng)維持單模工作模式。國外已經(jīng)開發(fā)出纖芯直徑達(dá)到80微米的雙包層摻鐿光纖，具備良好的單模特性。同時(shí)，外包層采用大空氣孔取代常規(guī)的低折射率涂料極大地提高了內(nèi)包層的數(shù)值孔徑，并增強(qiáng)了其耐熱性。

　　烽火通信研制的雙包層摻鐿光子晶體光纖，經(jīng)過測(cè)試，該光纖的橋壁寬度為0.32 μm，內(nèi)包層數(shù)值孔徑為0.65，纖芯數(shù)值孔徑為0.06，有效模場(chǎng)面積為1 465.7μm2。

　　為烽火通信研制的摻鉺光子晶體光纖，該光纖較常規(guī)摻鉺光纖具有更好的抗輻照特性，以及較好的增益特性。

　　五、能量傳輸光纖

　　能量光電子與信息光電子是光電子領(lǐng)域的一對(duì)孿生姊妹，信息光電子是利用光子作為信息的載體，而能量光電子是利用光子作為能量的載體，逐漸形成未來社會(huì)不可缺少的科學(xué)技術(shù)。其實(shí)，能量光電子技術(shù)自1960年美國休斯實(shí)驗(yàn)室研制出世界第一臺(tái)紅寶石激光器之后，相繼研制開發(fā)了半導(dǎo)體激光器、CO2激光器、YAG激光器和高功率CO2激光器。特別是高功率激光器的研制成功，為激光加工技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、軍事、科學(xué)研究以及生活等領(lǐng)域的應(yīng)用和相關(guān)行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了巨大的技術(shù)進(jìn)步。

　　隨著能量光電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種新型高功率激光器與激光加工設(shè)備不斷涌現(xiàn)，激光設(shè)備采用光纖輸出激光的方式已經(jīng)取代傳統(tǒng)輸出方式。光纖輸出激光的方式具有傳輸功率損耗小、操作簡單方便、可以任意伸展待加工部位等優(yōu)點(diǎn)，大大地簡化并縮小了現(xiàn)代激光設(shè)備，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于材料表面熱處理、激光焊接、激光切割、激光醫(yī)療、激光美容、激光制導(dǎo)等領(lǐng)域。

　　目前，國內(nèi)激光設(shè)備制造商采用的能量光纖主要依靠進(jìn)口，主要原因有四個(gè)：一是國內(nèi)的能量光纖的激光損傷閾值較低；二是光纖的光透過率較國外低；三是國內(nèi)機(jī)械加工精度不夠，所生產(chǎn)的SMA905連接頭的同軸度差，不能夠滿足醫(yī)療激光即插即用的需求；四是光纖端面處理技術(shù)較為落后。隨著能量光電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和不斷壯大，該行業(yè)對(duì)能量傳輸光纖及其套件的需求會(huì)越來越大。

　　烽火通信科技股份有限公司采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PCVD工藝技術(shù)，成功開發(fā)出大功率高損傷閾值能量傳輸光纖，具體性能指標(biāo)見表3所示。烽火通信的能量光纖的損傷閾值達(dá)到3.5GW/cm2, 單根光纖承受激光功率突破1kW。烽火通信科技股份有限公司的能量光纖及光纖鎧裝跳線產(chǎn)品不僅應(yīng)用在激光器的能量傳輸，而且應(yīng)用在太陽能光伏產(chǎn)業(yè)，以及國防激光技術(shù)等領(lǐng)域。

　　六、特種光纖發(fā)展趨勢(shì)

　　目前，隨著我國3G與三網(wǎng)合一的信息化建設(shè)投資加大，以及振興中西部、發(fā)展農(nóng)村、擴(kuò)大內(nèi)需等政策的相繼出臺(tái)，我國對(duì)光纖光纜以及光電子器件保持旺盛增長勢(shì)頭，今后隨著信息基礎(chǔ)設(shè)施的完善與擴(kuò)大，預(yù)計(jì)對(duì)光纖光纜和光纖器件的需求將繼續(xù)增長。

　　特種光纖具有向如下幾個(gè)方向發(fā)展的趨勢(shì)：

　　(1) 高附加值、高技術(shù)含量的特種光纖

　　(2) 光纖通信器件：可調(diào)色散補(bǔ)償器、動(dòng)態(tài)PMD補(bǔ)償器、高功率放大器、光參量放大器OPA、慢光及全光緩存器、波長變換器件等；

　　(3) 能量光纖器件：全光纖化激光器、單頻、窄線寬等大功率有源光纖器件與無源光纖器件等；

　　(4) 醫(yī)療光纖器件：微創(chuàng)手術(shù)器件、內(nèi)窺醫(yī)療器件等；

　　(5) 傳感光纖器件：各種特殊環(huán)境應(yīng)用的器件，如壓力、溫度、位移等參量的傳感與探測(cè)器件，光纖陀螺等。

　　物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等新技術(shù)的出現(xiàn)，更加大了特種光纖及各種新型光電子器件的需求，特種光纖作為一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)，將面臨較大的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)，這也為我國民族光纖產(chǎn)業(yè)提供了橫向發(fā)展與縱向延伸的歷史舞臺(tái)。