光纤及其制造技术分析

造成L波段高瑞过大的色散，影响了10Gb/s及以上高码速信号的传输距离，或者采用高代价的色散补偿措施;而低波段端的色散又太小，多波长传输时不足以抑制FWM、SPM、XPM等非线性效应，因此，研制和开发出低色散斜率的光纤具有重要的实际价值。
 
　　第二代G.655光纤适应了上述要求，具有较低的色散斜率，较好地满足了DWDM(密集波分复用)的要求。第二代G.655光纤主要有美国Lucent公司的True　Wave-RS光纤和True Wave-XL光纤，其色散斜率降低到0.05ps/(nm2·km)以下，Corning公司的LEAF(大有效面积光纤)、Pirelli公司新近推出的FreeLight光纤，把工作窗口扩展到1625nm处。最近，美国Lucent公司新研制出了LazrSpeed多模光纤。第二代G.655光纤成功地克服了光纤非线性所带来的传输损伤，大大地提高了光纤通信系统的传输性能。
 
　　随着光纤通信系统的迅速发展，又出现了DFF(色散平坦光纤)，它采用特殊的双包层或多包层结构，形成狭而深的折射率陷讲，加强波导色散，从而在1300nm和1550nm处获得零色散，使光纤在1300-1600nm的波长范围内总色散近于平坦，使光纤的带宽得到扩展，有利于DWDM及相干光通信的发展。
 
　　DWDM系统希望能够在尽可能宽的可用波段上进行波分复用，将各种不同速率和性质的业务分配给不同的波长，在光路上进行选路与分插，而可用波段内的1385nm附近羟基(OH-)吸收峰的存在，造成了光功率的严重损失，限制了1350-1450nm波段的使用。为此，各个公司都致力于消除OH-吸收峰，开发出“无水峰光纤”，从而实现1350-1450nm第五窗口的实际应用。美国Lucent公司开发出的All Wave光纤，克服了OH-的谐波吸收，从而实现了1280-1625nm范围内完整波段的利用。这一有效工作波长范围的增大，有利于通过增大波长通道之间的间距来降低对OPD(光无源器件)、OAD(光有源器件)的要求，大大降低了通信系统的成本，同时可以通过加大波分复用的密度，实现光纤通信系统的超大容量传输。
 
　　强度调制一直接检测的通信系统可以实现高码速、大容量传输，而且具有调制容易的优点，但实质上是一种“噪声通信系统”，而相干光通信-外差式的通信系统具有长中继、高传输速率优点，它采用光的相位、偏振来传递信息。为了适应相干通信系统的要求，已经研制出了“熊猫”型、“蝴蝶结”型和“扁平”型的高双折射保偏光纤，以及具有“边坑”型的单模单偏振保偏光纤，为未来全光通信奠定了基础。
 
　　光纤预制棒的制备技术
 
　　低损耗的单模和多模石英光纤大多采用“预制棒拉丝工艺”，光纤预制律工艺是光纤光缆制造中最重要的环节，目前，用于制备光纤预制棒的方法主要采用以下四种方法：改进化学汽相沉积法(MCVD)，外部汽相沉积法(OVD)，汽相轴向沉积法(VAD)和等离子体化学汽相沉积法(PCVD)。
 
　　1969年Jone和Hao采用SiCl4气相氧化法制成的光纤的损耗低至10dB/km，而且掺杂剂都是采用纯的TiO2、GeO2、B2O3及P2O5，这是MCVD法的原型，后来发展成为现在的MCVD所采用的SiCl4、GeCl4等液态的原材料。原料在高温下发生氧化反应生成SiO2、B2O3、GeO2、P2O5微粉，沉积在石英反应管的内壁上。在沉积过程中需要精密地控制掺杂剂的流量，从而获得所设计的折射率分布。采用MCVD法制备的B/Ge共掺杂光纤作为光纤的内包层，能够抑制包层中的模式耦合，大大降低光纤的传输损耗。MCVD法是目前制备高质量石英光纤比较稳定可靠的方法，该法制备的单模光纤损耗可达到0.2-0.3dB/km，而且具有很好的重复性。
 
　　OVD法又为“管外汽相氧化法”或“粉尘法”，其原料在氢氧焰中水解生成SiO2微粉，然后经喷灯喷出，沉积在由石英、石墨或氧化铝材料制成的“母棒”外表面，经过多次沉积，去掉母棒，再将中空的预制律在高温下脱水，烧结成透明的实心玻璃棒，即为光纤预制棒。该法的优点是沉积速度快，适合批量生产，该法要求环境清洁，严格脱水，可以制得0.16dB/km(1.55μm)的单模光纤，几乎接近石英光纤在1.55μm窗口的理论极限损耗0.15dB/km。
 
　　VAD法是由日本开发出来的，其工作原理与OVD相同，不同之处在于它不是在母棒的外表面沉积，而是在其端部(轴向)沉积。VAD的重要特点是可以连续生产，适合制造大型预制棒，从而可以拉制较长的连续光纤。而且，该法制备的多模光纤不会形成中心部位折射率凹陷或空眼，因此其光纤制品的带宽比MCVD法高一些，其单模光纤损耗目前达到0.22-0.4dB/km。目前，日本仍然掌握着VAD的最先进的核心技术，所制得的光纤预制棒OH-含量非常低，在1385nm附近的损耗小于0.46dB/km。
 
　　PCVD法是由菲利普研究实验室提出的，于1978年应用于批量生产。它与MCVD的工作原理基本相同，只是不用氢氧焰进行管外加热，而是改用微波腔体产生的等离子体加热。 PCVD工艺的沉积温度低于MCVD工艺的沉积温度，因此反应管不易变形;由于气体电离不受反应管热容量的限制，所以微波加热腔体可以沿着反应管轴向作快速往复移动，目前的移动速度在8m/min，这允许在管内沉积数千个薄层，从而使每层的沉积厚度减小，因此折射率分布的控制更为精确，可以获得更宽的带宽。而且，PCVD的沉积效率高，沉积速度快，有利于消除SiO2层沉积过程中的微观不均匀性，从而大大降低光纤中散射造成的本征损耗，适合制备复杂折射率剖面的光纤，可以批量生产，有利于降低成本。目前，荷兰的等离子光纤公司占据世界领先水平。
 
　　此外，在光纤制造过程中应采取措施从几何尺寸和光学上严格控制非圆度，优化折射率差，并采用三包层结构，从而减少偏振模色散(PMD)。另外，Shigeki Sakaguchi等研究了光纤中的瑞利散射损耗与Tf的关系，实验证实对光纤进行热处理可以降低微观不均匀性，减少瑞利散射损耗。
 
　　聚合物光纤的制备方法之一就是预制棒拉纤法，制备聚合物光纤预制棒的方法通常有：光共聚法、两步共聚法和界面凝胶法，其中界面凝胶法制备预制棒的技术最为成熟。利用不同折射率的单体的扩散速度不同，反就时的不同单体的竞聚率不同以及自动加速凝胶效应，使其折射率形成梯度，这样制造出的渐变折射率型的光纤预制棒具有