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光纤及其制造技术的最新进展

2/14/2005来源:光纤通信人气:7445

哈尔滨理工大学材料科学与工程学院 张显友,陈伟,周宏
[摘 要] 介绍了国内外新型光纤材料、新型结构的光纤以及光纤预制棒的制造工艺的最新进展。
[关键词] 光纤;新材料;新结构;预制棒
  1 前言
  光纤通信技术的飞速发展,加快了“光速经济”的到来。为了适应通信技术和Internet的高速发展对超高妈速、超宽带宽、超大容量的通信系统的要求,除了需要研制出更好的光纤无源器件和有源器件外,还需要开发出超低损耗、长波长工作窗口的新型光纤材料,以及更合理的新型光纤结构和精良的制造工艺。
  2 光纤新材料
  以SiO2材料为主的光纤,工作在0.8μm-1.6μm的近红外波段,目前所能达到的最低理论损耗在1550nm波长处为0.16dB/km,已接近石英光纤理论上的最低损耗极限。如果再将工作波长加大,由于受到红外线吸收的影响,衰减常数反而增大。因此,许多科学工作者一直在寻找超长波长(2μm以上)窗口的光纤材料。这种材料主要有两种,即非石英的玻璃材料和结晶材料,晶体光纤材料主要有AgC1、AgBr、KBr、CsBr以及KRS-5等,目前AgC1单晶光纤的最低损耗在10.6μm波长处为0.1dB/km。因此,需要寻求新型基体材料的光纤,以满足超宽带宽、超低损耗、高码速通信的需要。
  氟化物玻璃光纤是当前研究最多的超低损耗远红外光纤,它是以ZrF4-BaF2、HfF4-BaF2两系统为基体材料的多组分玻璃光纤,其最低损耗在2.5μm附近为1×10(的负三次方)dB/km,无中继距离可达到1×10(的5次方)km以上。1989年,日本NTT公司研制成功的2.5μm氟化物玻璃光纤损耗只有0.01dB/km,目前ZrF4玻璃光纤在2.3μm处的损耗达到外0.7dB/km,这离氟化物玻璃光纤的理论最低损耗1×10(的负三次方)dB/km相距很远,仍然有相当大的潜力可挖。能否在该领域研制出更好的光纤,对于开辟超长波长的通信窗口具有深远的意义。
  硫化物玻璃光纤具有较宽的红外透明区域(1.2-12μm),有利于多信道的复用,而且硫化物玻璃光纤具有较宽的光学间隙,自由电子跃迁造成的能量吸收较少,而且温度对损耗的影响较小,其损耗水平在6μm波长处为0.2dB/km,是非常有前途的光纤。而且,硫化物玻璃光纤具有很大的非线性系数,用它制作的非线性器件,可以有效地提高光开关的速率,开关速率可以达到数百Gb/s以上。
  重金属氧化物玻璃光纤具有优良的化学稳定性和机械物理性能,但红外性质不如卤化物玻璃好,区域可透性差,散射也大,但若把卤化物玻璃与重金属氧化物玻璃的优点结合起来,制造成性能优良的卤-重金属氧化物玻璃光纤具有重要的意义。日本Furukawa电子公司,用VAD工艺制得的GeO2-Sb2O3系统光纤,损耗在2.05μm波长处达到了13dB/km,如果经过进一步脱OH-的工艺处理,可以达到0.1dB/km。
  聚合物光纤自19世纪60年代美国杜邦公司首次发明以来,取得了很大的发展。1968年杜邦公司研制的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)阶跃型塑料光纤(SI POF),其损耗为1000dB/km。 1983年,NTT公司的全氘化PMMA塑料光纤在650nm波长处的损耗降低到20dB/km。由于C-F键谐波吸收在可见光区域基本不存在,即使延伸到1500nm波长的范围内其强度也小于1dB/km。全氟化渐变型PMMA光纤损耗的理论极限在1300nm处为0.25dB/km,在1500nm处为0.1dB/km,有很大的潜力可挖。近年来,Y.KOIKE等以MMA单体与TFPMA(四氟丙基丙烯酸甲酯)为主要原材料,采用离心技术制成了渐变折射率聚合物预制棒,然后拉制成GI POF(渐变折射率聚合物光纤),具有极宽的带宽(>1GHz·km),衰减在688nm波长处为56dB/km,适合短距离通信。国内有人以MMA及BB(溴苯)、BP(联苯)为主要原材料,采用IGP技术成功地制备了渐变型塑料光纤。日本NTT公司最近开发出氟化聚酰亚胺材料(FULPI)在近红外光内有较高的透射性,同时还具有折射率可调、耐热及耐湿的优点,解决了聚酰亚胺透光性差的问题,现已经用于光的传输。聚碳酸酯、聚苯乙烯的研究也在不断的进行中,相信在不久的未来更好性能的聚合物光纤材料得到开发和利用。
  特殊的环境对光纤有特殊的要求,石英光纤的纤芯和包层材料具有很好的耐热性,耐热温度达到400-500℃,所以光纤的使用温度取决于光纤的涂覆材料。目前,梯型硅氧烷聚合物(LSP)涂层的热固化温度达400℃以上,在600℃的光传输性能和机械性能仍然很好。采用冷的有机体在热的光纤表面进行非均匀成核热化学反应(HNTD),然后在光纤表面进行裂解生成碳黑,即碳涂覆光纤。碳涂覆光纤的表面致密性好,具有极低的扩散系数,而且可以消除光纤表面的微裂纹,解决了光纤的“疲劳”问题。
  3 新型结构的光纤
  光纤的结构决定了光纤的传输性能,合理的折射率分布可以减少光的衰减和色散的产生。为了改善光纤的波导性能,特别是既想获得低损耗,又想具有低色散,以适应长距离、大容量通信的要求,可以对光纤的结构进行设计,控制折射率的分布。如采用三角形折射率分布的结构:区配包层、凹陷包层、四包层结构,加大波导色散,从而使零色散波长产生位移,设计出了DSF(色散位移光纤),即G.653光纤,它把零色散波长搬到1550nm的最低损耗窗口,使光纤的损耗特性与色散特性得到了优化组合,提高了光纤通信系统的传输性能。
  G.653光纤在1550nm处的色散为零,给WDM(波分复用)系统带来了严重的FWM(四波混频)效应,为了克服DSF的不足,人们对DSF进行了改进,通过设计折射率的剖面,对零色散点进行位移,使其在1530-1565nm范围内,色散的绝对值在1.0-6.0ps/(nm·km),维持一个足够的色散值,以抑制FWM、SPM(自相位调制)及XPM(交叉相位调制)等非线性效应,同时色散值也足够小,以保证单通道传输速率为10Gb/s,传输距离大于250km时无需进行色散补偿。这种光纤即为NZDSF(非零色散位移光纤),ITU-T称之为G.655光纤。
  第一代G.655光纤主要为C波段(1530-1565nm)通信窗口设计的,主要有美国Lucent公司的True Wave和Corning公司的SMF-LS光纤,它们的色散斜率较大。随着宽带宽光放大器(BOFA)的发展,WDM系统已经扩展到L波段(1565-1620nm)。在这种情况下,如果色散斜率仍然维持原来的数值(0.07-0.10ps/(nm2·km)),长距离传输时短波长和长波长之间的色散差异将随着距离的增加而增大,势必造成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。
  4 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折射率分布可控,而且分布均匀的优点,是目前研究的热点。
  5 结语
  研制新型光纤,使其能够在很长的波段范围内具有低的损耗特性、低的色散及低的色散斜率,降低光信号的衰减,减少非线性效应引起的干扰,对于提高光纤通信系统的传输速率和传输容量具有相当大的作用。
摘自《光纤与电缆及其应用技术》2001.3