全波光纖(低水峰光纖LWPF或零水峰光纖ZWPF)新一代生產(chǎn)工藝介紹

一、全波光纖的發(fā)展情況 隨著我國信息技術(shù)的飛速發(fā)展，作為信息主要載體的光纖的需求量也越來越大。在過去幾年里，國內(nèi)光纖用量的年增長率達(dá)到15%~20％。G.652單模光纖的技術(shù)也得到了進(jìn)步，特別是打開了“第5窗口”，拓展了單模光纖的工作波長范圍，從1260nm到1625nm波長都可以使用，即全波光纖，也稱為G.652C和G.652D。下表是各種單模光纖的分類。包括了G.652、G.653和G.655。 二． G652 A/B/C/D光纖的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)[1][3] 三．全波光纖的優(yōu)勢 全波光纖的出現(xiàn)使多種光通信業(yè)務(wù)有了更大的靈活性。由于有很寬的帶寬可供通信之用，我們就可將全波光纖的波帶劃分成不同通信業(yè)務(wù)段而分別使用?？梢灶A(yù)見，未來中小城市城域網(wǎng)的建設(shè)，將會大量采用這種全波光纖。人類追求高速、寬帶通信網(wǎng)絡(luò)的欲望是永無止境的，在目前帶寬需求成指數(shù)增長的情況下，全波光纖正越來越受到業(yè)界的關(guān)注，它的諸多優(yōu)點(diǎn)已被通信業(yè)界廣泛接受。[2] 1）可用波長范圍增加100nm，使光纖可以從1260nm到1625nm的完整傳輸波段，全部可用波長范圍從大約200nm增加到300nm，可復(fù)用的波長數(shù)大大增加； 2）由于上述波長范圍內(nèi)，光纖的色散僅為全波光纖（All-Wave Fiber）也稱作低水峰光纖（LWPF）或零水峰光纖（ZWPF），是目前最先進(jìn)的城域網(wǎng)用非色散位移光纖，結(jié)構(gòu)上和普通G.652單模光纖無異。1998年美國朗訊（現(xiàn)在OFS）公司首先推出的這種新型單模光纖。它是采用一種新的生產(chǎn)制造技術(shù)，盡可能地消除OH離子1383nm附近處的“水吸收峰”，使光纖損耗完全由玻璃的本征損耗決定（如圖1），在1280～1625nm的全部波長范圍內(nèi)都可以用于光通信。 2000年9月，在世界電信標(biāo)準(zhǔn)大會（WTSA）上，ITU-T建議將其放在G.652光纖中，稱作G.652C光纖，并納入G.652－2000版本中。IEC 60793-2也將該種光纖納入其單模光纖的產(chǎn)品范圍，稱為B1.3類光纖。2003年1月，ITU又在G.652系列中增加了另一種低水峰光纖——G.652D。 1550nm波長區(qū)的一半，因而，容易實(shí)現(xiàn)高比特率長距離傳輸。例如在1400nm波長附近，10Gbps速率的信號可以傳輸200公里而無需色散補(bǔ)償。 3）可以分配不同的業(yè)務(wù)給最適合這種業(yè)務(wù)的波長傳輸，改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)管理。例如可以在1310nm波長區(qū)傳輸模擬圖像信號，在1350～1450波長區(qū)傳輸高速信號（高達(dá)10Gbps），在1450nm以上波長區(qū)傳輸其他信號。 4）可用波長范圍大大擴(kuò)展后，允許使用波長間隔較寬、波長精度和穩(wěn)定度要求較低的光源、合波器、分波器和其它元件，使元器件特別是無源器件的成本大幅度下降，這就降低了整個系統(tǒng)的成本。例如，通過增加波長間隔，網(wǎng)絡(luò)可以使用較便宜的無制冷直接調(diào)制激光器，避免了昂貴的外調(diào)制激光器；對于薄膜濾波器而言，波長間隔從100GHz增加到200GHz后，濾波器成本可以降低50％，波長間隔進(jìn)一步增加到400GHz，濾波器成本降低70％左右。 四．全波光纖的國內(nèi)外發(fā)展情況 從2001年下半年開始，光通信產(chǎn)業(yè)一路下滑，作為信息載體的光纖也沒有躲過這次劫難。光纖價格從每公里100美元下降到15美元。世界范圍內(nèi)，僅有中國、日本、韓國、美國等市場還有增長。世界各大光纖巨頭都將目光瞄準(zhǔn)了中國市場，使得本來競爭激烈得中國市場變得更加水深火熱。美國康寧、法國阿爾卡特、日本藤倉、日本住友、日本古河、韓國大韓電信、韓國三星等企業(yè)，不是大量向中國國內(nèi)傾銷低價光纖，就是在國內(nèi)建廠拉絲。到2003年末，國內(nèi)實(shí)際光纖產(chǎn)量已經(jīng)接近3500萬公里，而實(shí)際光纖預(yù)制棒的產(chǎn)量（國內(nèi)只有長飛、法爾勝、富通具有自制單模預(yù)制棒的能力）但只有不到800萬公里。這么少的制棒能力是無法和國外大企業(yè)進(jìn)行競爭的。 2003年5月7日長飛光纖光纜有限公司和江蘇法爾勝光子有限公司代表國內(nèi)非色散位移單模光纖產(chǎn)業(yè)正式提交的反傾銷調(diào)查申請，請求對原產(chǎn)于美國、日本和韓國的進(jìn)口非色散位移單模光纖進(jìn)行反傾銷調(diào)查。經(jīng)過歷時1年的調(diào)查取證，2004年6月16日，商務(wù)部給出了反傾銷初裁結(jié)果，進(jìn)口的美國，韓國和日本等國的G.652單模光纖都將額外增加數(shù)目不等的反傾銷稅。 雖然面臨著諸多的不利于因素，光纖生產(chǎn)廠家克服重重困難，不斷提升技術(shù)水平，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，全波光纖的研究和生產(chǎn)得到了迅速發(fā)展。各家相繼推出了自己的低水峰光纖或無水峰光纖。如美國朗訊、康寧；法國阿爾卡特公司；日本藤倉公司、住友公司；韓國大韓公司、三星公司；我國的長飛公司和法爾勝光子公司等等，法爾勝光子公司的Ｇ652Ｃ單模光纖已經(jīng)批量推向市場。 江蘇法爾勝光子公司的全波光纖在1310nm和1550nm的實(shí)際衰減值比常規(guī)G.652.B要低很多，在1385nm附近衰減為0.28dB/km左右，基本消除了OH根在此波長的吸收峰；其傳輸性能、幾何參數(shù)、機(jī)械性能等各個方面性能都大大的滿足ITU-T建議將其放在G.652C光纖標(biāo)準(zhǔn),全波光纖的推出全面提升了公司的技術(shù)水平和G.652光纖的市場競爭能力。 五．新一代全波光纖的技術(shù)水平比較 六．各種制作全波光纖的方法比較 制作方法 VAD+SOOT(套管) OVD+SOOT MCVD+SOOT PCVD＋套管 專利限制 沒有 US6477305 沒有(除美國國內(nèi)) 法國 衰減 1 3 2 2 水峰控制 1 2 3 3 MFD變化控制 2 1 2 2 色散 3 2 1 1 1、2、3分別表示各種工藝制作的光纖參數(shù)控制的容易程度，1代表較容易，2代表一般，3代表較難。各種方法制作全波光纖的方法比較下來： 1）VAD方法生產(chǎn)的無水峰光纖，在衰減和水峰上具有優(yōu)勢，1385nm衰減水平最低可以達(dá)到0.27 dB/km,1550nm衰減達(dá)到0.187 dB/km左右。 2）OVD方法生產(chǎn)的無水峰光纖，在MFD的控制上要比VAD和MCVD法制作的要好。 3）MCVD方法生產(chǎn)的無水峰光纖在色散控制上要比OVD和VAD法生產(chǎn)的要好。 4）PCVD方法和MCVD方法生產(chǎn)的無水峰光纖水平相當(dāng)。 下面簡單介紹一下各種工藝生產(chǎn)全波光纖的過程。 5.1 VAD制作無水峰光纖 VAD制作全波光纖的過程如下[6]： 1）VAD法制作芯棒（內(nèi)包層D/芯層直徑<7.5） 2）芯棒在氯氣氣氛中脫水（1200℃） 3）芯棒在氦氣氣氛中燒結(jié)（1500℃） 4）延伸芯棒（氫氧焰為熱源） 5）等離子火焰蝕洗除去OH-污染層 6）在芯棒外面套低OH-含量的套管 7）光纖拉絲 各工序簡單介紹如下 1）用VAD工序制作芯棒。 在旋轉(zhuǎn)的芯棒頂部用火焰水解法沉積芯層和內(nèi)包層，制成疏松體。內(nèi)包層直徑D/芯層直徑d的比值略小于7.5。由于VAD制芯工藝是成本較高的工藝，沉積量和(D/d)2成正比。D/d越小，對外套管的要求越高。因?yàn)镈/d值小，一部分光能會在內(nèi)包層和套管中進(jìn)行傳輸，各種雜質(zhì)包括OH-離子就會增加傳輸損耗。由于OH-離子在很容易在熱處理（尤其是拉絲過程中）從外包層運(yùn)動到芯層，因此工藝對外套管的含OH-離子的濃度要求就相當(dāng)嚴(yán)格。商業(yè)化生產(chǎn)的D/d比值一般在2.0～7.5之間。 2）芯棒在氯氣氣氛中脫水 沉積好的芯棒疏松體要放在1200℃含氯或含氟的氣氛中。脫水的原理是氯氣進(jìn)入芯棒孔隙中取代C，其產(chǎn)生的Si-Cl鍵吸收波長在25微米，遠(yuǎn)離光纖工作波段。脫水的速率取決于脫水溫度和氯氣的流量。脫水后OH-離子的含量將少于8X10-10(w%)。 3）芯棒在氦氣氣氛中燒結(jié) 芯棒在爐內(nèi)繼續(xù)升溫到1500℃，通入氦氣進(jìn)行燒結(jié)。氦氣是一種分子體積很小而傳熱系數(shù)很高的氣體，能夠?qū)崃繋У叫静浚鞘杷审w依靠表面張力而生成透明的玻璃體。燒結(jié)效果取決于下送速度、燒結(jié)溫度、氦氣流量等因素。 4）芯棒延伸 VAD制作的芯棒一般都較粗且外徑不均勻，無法直接插入套管合成預(yù)制棒，需要經(jīng)過一道延伸工序來使外徑變均勻變細(xì)。芯棒延伸可以采用成本較低的氫氧火焰作為熱源，但氫氧焰會造成芯棒表面OH-離子污染，需要后面進(jìn)行等離子蝕洗或酸洗。另外一種辦法是采用等離子體作為熱源進(jìn)行延伸，可以省去一個去OH-離子的過程。延伸工藝有橫延，由上往下延伸，由下往上延伸等多種方法。 5）等離子蝕洗 等離子蝕洗的原理是：等離子火焰沿著旋轉(zhuǎn)著的芯棒進(jìn)行軸向移動，高達(dá)9000℃的火焰將芯棒表面的一層物質(zhì)迅速升華揮發(fā)。一般的蝕洗深度是0.25±0.15mm,足以將表面的OH-離子去除干凈。 6）低OH-含量的合成石英管作外包層 由于采用了更大的外套管，整個光纖的成本急劇降低。對石英管的要求是高純、低損耗和高抗拉強(qiáng)度。石英管的OH-含量決定了芯棒制作時的D/d值的大小。在套管車床上將芯棒和套管裝配在一起，用環(huán)形氫氧焰沿軸線從上到下進(jìn)行加熱，同時用真空泵抽去縫隙內(nèi)的空氣，使套管燒結(jié)在芯棒上，形成一體的預(yù)制棒。 芯棒D/d值 外套管OH-含量 7.5 <200 ppm 5.2 <1.0 ppm 4.4 <0.5 ppm 表6 外套管水份含量和芯棒 D/d的關(guān)系 7）光纖拉制 光纖拉制工藝屬于傳統(tǒng)工藝，這里不在復(fù)述。 5.2 OVD制作無水峰光纖 OVD制作全波光纖的過程如下： 1）OVD法制作芯棒及抽芯 2）芯棒的脫水和燒結(jié) 3）延伸芯棒 4）在芯棒外沉積外包層 5）光纖拉絲 各工序簡單介紹如下 1）OVD法制作芯棒 在旋轉(zhuǎn)的靶棒（Al2O3）外沉積一層碳，而后沉積芯層和內(nèi)包層。靶棒的一端有一特制的抽芯管，沉積結(jié)束后，需要將靶棒從疏松體中抽出。 2）芯棒脫水和燒結(jié) 和VAD工藝不同，OVD的芯棒疏松體中心有抽去靶棒而留下的中心孔。研究表明，水峰主要由于中心孔閉合前殘留其內(nèi)的水份造成的。雖然芯棒疏松體經(jīng)過了脫水和燒結(jié)，但中心孔周圍的部分在脫水以后很容易吸收水分。當(dāng)脫水后的芯棒疏松體遇到含氫氣氛（不僅限于H2O）時，中心孔那表面就會產(chǎn)生物理吸附水（OH2）和化學(xué)吸附水（Beta OH），從而導(dǎo)致光纖水峰的增加。 嚴(yán)格控制中心孔部分的暴露于含氫環(huán)境是降低水峰的關(guān)鍵。辦法1是在懸掛著的芯棒疏松體底端插入一個玻璃塞，然后放入爐內(nèi)進(jìn)行脫水。馬弗管和中心孔先分別通He進(jìn)行吹掃。爐內(nèi)溫度控制在1000℃-1200℃，在爐內(nèi)再通入氯氣進(jìn)行脫水，氯氣和氦氣的比例大約為1:25。隨后將溫度逐漸上升為1500℃進(jìn)行燒結(jié)，中心孔上端加10TORR的負(fù)壓，有利于孔在燒結(jié)中閉合，這種方法可以將芯棒的水份控制在1ppb以內(nèi)。 方法2是在脫水過程中先用He進(jìn)行吹掃，然后用He作為載氣從裝D2O的鼓泡瓶中載帶一定量的D2O進(jìn)入馬弗管，接著再通入He進(jìn)行吹掃，最后通入氯氣和氦氣的混合氣體進(jìn)行脫水。 3）延伸芯棒 燒結(jié)好的芯棒需要經(jīng)過和VAD芯棒相同的延伸過程，以獲得直徑較小的適合套管或外沉積的芯棒。有的芯棒不在燒結(jié)過程中閉合中心孔，而是在延伸過程中閉合，芯棒頂部一直施以負(fù)壓。 4）在芯棒外沉積外包層 在延伸好的芯棒外沉積疏松體，而后進(jìn)行脫水和燒結(jié)。此方法已經(jīng)較為普通，不再復(fù)述。也有文獻(xiàn)報道采用(Rod-in SOOT tube)工藝進(jìn)行套管成棒，但還未見詳細(xì)描述。 5）光纖拉制這里也不再復(fù)述。 5.3 MCVD制作無水峰光纖 MCVD工藝制作光纖的工藝已經(jīng)廣為人知，用MCVD方法制作全波光纖需要注意很多地方，在工藝、設(shè)備和原料方面進(jìn)行了各種改進(jìn)后，使生產(chǎn)出來的光纖水峰能進(jìn)一步降低。 1）提高反應(yīng)溫度去除基管內(nèi)壁雜質(zhì) 研究發(fā)現(xiàn)，不僅基管的外表面的雜質(zhì)（包括OH離子）會對光纖的損耗產(chǎn)生影響，基管內(nèi)表面的雜質(zhì)也很有影響。沉積內(nèi)包層時，提高管壁的溫度，將管壁溫度上升到1700℃以上，有利于內(nèi)表內(nèi)的易揮發(fā)雜質(zhì)的去除。 2）采用高純的原料 由于MCVD工藝中沒有脫水過程，沉積時直接玻璃化，所以有必要采用OH離子含量極低的原料。隨著原料提純工藝的不斷進(jìn)步，目前的原料中雜質(zhì)含量可達(dá)到幾個ppb以下，為生產(chǎn)無水峰光纖提供可能。 3）增加b/a的比值 為阻止基管中的水份在高溫下擴(kuò)散到芯層，有必要采用較大的b/a的比值，即加厚內(nèi)包層的厚度，來阻止水份的擴(kuò)散。 4）采用低水峰的基管 低水峰基管的運(yùn)用也是十分必要，Heareus已經(jīng)向客戶提供低OH離子含量（<10ppb）的基管和套管，且即將來華投資建廠。 5）采用無OH離子的熱源. 在MCVD工藝中，原先采用的氫氧火焰會將水份帶到基管外表面，在套管后水份將留在芯棒界面上，拉絲過程中會擴(kuò)散到芯部，造成光纖水峰的增加。傳統(tǒng)的表面處理方法有機(jī)械磨拋、化學(xué)腐蝕和等離子蝕洗。 采用無OH離子的熱源如等離子火炬，用于沉積包層、芯層和塌縮芯棒等步驟，可避免OH離子對基管的污染。等離子火炬作為熱源是朗訊的專利，具有溫度高，溫度場集中穩(wěn)定等特點(diǎn)，火焰中心的溫度高達(dá)9000℃，邊緣溫度也有幾千度。作為MCVD工藝熱源，必須控制好縮徑、均勻性，解決的方法有提高轉(zhuǎn)速，改變臥式車床為豎式車床。 6）OD置換法 另外，意大利CSELT實(shí)驗(yàn)室E.MODONE等人曾經(jīng)報道一種方法[13]，在基管內(nèi)和/或玻璃化的沉積層內(nèi)通入D2，可以將內(nèi)表層的OH離子置換為OD離子，反應(yīng)式如下 ≡Si-OH + D2 → ≡Si-OD + HD ≡Si-OH + HD → ≡Si-OD + H2 OD的鍵能為466 kJ/mol，而OH的鍵能為460 Kj/mol，所以激發(fā)置換反應(yīng)必須在300℃以上的溫度。置換后，水峰發(fā)生位移，使1385 nm處的水峰下降。 5.4 PCVD制作無水峰光纖 2003年光通信會議報告的文獻(xiàn)[11]中介紹了在PCVD工藝中通入氟利昂可以降低羥基含量。理由是在等離子狀態(tài)下，水分子分解成具有高度活性的游離態(tài)，與氟利昂作用產(chǎn)生氟化氫和二氧化碳排走，從而降低羥基含量的作用。 P.Matthijsse在2004年2月OFC大會上作的報告[12]進(jìn)一步說明，PCVD工藝可以生產(chǎn)出低水峰光纖，但需要在如下幾個問題上進(jìn)行控制：1）原料，包括氯氣、氧氣和基管。2）機(jī)械部件，如氣體密封裝置、旋轉(zhuǎn)接頭。3）工序中表面沾污，如管子安裝、塌縮、芯棒儲存、套管等。另外，報告也指出，塌縮工藝中引用O2/C2F2等離子蝕洗。不同的是PCVD在管子中心通入C2F2刻蝕掉中心線上的污染物。塌縮以后還要用HF濕化學(xué)侵蝕法去除外表面的污染物。目前報道PCVD可以把水峰控制在0.30 dB/km。 5.5 光纖氘處理過程 光纖在拉制過程中，會產(chǎn)生一些無序的Si-Oo自由基團(tuán)[4]，極易和Ho生成Si-OH，造成1385nm處的水峰增加。因此各種全波光纖拉完絲后都要經(jīng)過氘處理，才能夠經(jīng)受得住長時間的含氫環(huán)境的侵蝕。氘處理的原理是讓氘和Si-Oo自由基團(tuán)形成Si-OD，吸收峰在1850nm，這樣在光纖的整個壽命期間，氫就無法取代氘的位置。氘和Si-Oo自由基團(tuán)的反應(yīng)如下：2≡Si-O? + D2 → 2≡Si-OD 。按照ITU-T G.652C/D的要求，光纖在經(jīng)過氫老化后光纖的1383±3nm處的衰減系數(shù)要不低于1310nm處的衰減，才能稱作全波光纖。 六．結(jié)束語 除了G.652光纖消除了1383 nm 處的水峰，打開了E波段。其他光纖如G.655也朝著低水峰的方向發(fā)展，如住友公司的水峰抑制PureMetro光纖，康寧的MetroCore光纖等。所以現(xiàn)在全波光纖的概念也不局限于G652光纖了。 另外，全波光纖和CWDM的結(jié)合預(yù)示著FTTP（光纖到家庭）的未來。在未來的幾年之內(nèi)，我們要結(jié)合自身工藝特點(diǎn)，生產(chǎn)出滿足市場需求的全波光纖。