全波光纤(低水峰光纤LWPF或零水峰光纤ZWPF)新一代生产工艺介绍

一、全波光纤的发展情况 随着我国信息技术的飞速发展，作为信息主要载体的光纤的需求量也越来越大。在过去几年里，国内光纤用量的年增长率达到15%~20％。G.652单模光纤的技术也得到了进步，特别是打开了“第5窗口”，拓展了单模光纤的工作波长范围，从1260nm到1625nm波长都可以使用，即全波光纤，也称为G.652C和G.652D。下表是各种单模光纤的分类。包括了G.652、G.653和G.655。 二． G652 A/B/C/D光纤的产品技术指标[1][3] 三．全波光纤的优势 全波光纤的出现使多种光通信业务有了更大的灵活性。由于有很宽的带宽可供通信之用，我们就可将全波光纤的波带划分成不同通信业务段而分别使用。可以预见，未来中小城市城域网的建设，将会大量采用这种全波光纤。人类追求高速、宽带通信网络的欲望是永无止境的，在目前带宽需求成指数增长的情况下，全波光纤正越来越受到业界的关注，它的诸多优点已被通信业界广泛接受。[2] 1）可用波长范围增加100nm，使光纤可以从1260nm到1625nm的完整传输波段，全部可用波长范围从大约200nm增加到300nm，可复用的波长数大大增加； 2）由于上述波长范围内，光纤的色散仅为全波光纤（All-Wave Fiber）也称作低水峰光纤（LWPF）或零水峰光纤（ZWPF），是目前最先进的城域网用非色散位移光纤，结构上和普通G.652单模光纤无异。1998年美国朗讯（现在OFS）公司首先推出的这种新型单模光纤。它是采用一种新的生产制造技术，尽可能地消除OH离子1383nm附近处的“水吸收峰”，使光纤损耗完全由玻璃的本征损耗决定（如图1），在1280～1625nm的全部波长范围内都可以用于光通信。 2000年9月，在世界电信标准大会（WTSA）上，ITU-T建议将其放在G.652光纤中，称作G.652C光纤，并纳入G.652－2000版本中。IEC 60793-2也将该种光纤纳入其单模光纤的产品范围，称为B1.3类光纤。2003年1月，ITU又在G.652系列中增加了另一种低水峰光纤——G.652D。 1550nm波长区的一半，因而，容易实现高比特率长距离传输。例如在1400nm波长附近，10Gbps速率的信号可以传输200公里而无需色散补偿。 3）可以分配不同的业务给最适合这种业务的波长传输，改进网络管理。例如可以在1310nm波长区传输模拟图像信号，在1350～1450波长区传输高速信号（高达10Gbps），在1450nm以上波长区传输其他信号。 4）可用波长范围大大扩展后，允许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的光源、合波器、分波器和其它元件，使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降，这就降低了整个系统的成本。例如，通过增加波长间隔，网络可以使用较便宜的无制冷直接调制激光器，避免了昂贵的外调制激光器；对于薄膜滤波器而言，波长间隔从100GHz增加到200GHz后，滤波器成本可以降低50％，波长间隔进一步增加到400GHz，滤波器成本降低70％左右。 四．全波光纤的国内外发展情况 从2001年下半年开始，光通信产业一路下滑，作为信息载体的光纤也没有躲过这次劫难。光纤价格从每公里100美元下降到15美元。世界范围内，仅有中国、日本、韩国、美国等市场还有增长。世界各大光纤巨头都将目光瞄准了中国市场，使得本来竞争激烈得中国市场变得更加水深火热。美国康宁、法国阿尔卡特、日本藤仓、日本住友、日本古河、韩国大韩电信、韩国三星等企业，不是大量向中国国内倾销低价光纤，就是在国内建厂拉丝。到2003年末，国内实际光纤产量已经接近3500万公里，而实际光纤预制棒的产量（国内只有长飞、法尔胜、富通具有自制单模预制棒的能力）但只有不到800万公里。这么少的制棒能力是无法和国外大企业进行竞争的。 2003年5月7日长飞光纤光缆有限公司和江苏法尔胜光子有限公司代表国内非色散位移单模光纤产业正式提交的反倾销调查申请，请求对原产于美国、日本和韩国的进口非色散位移单模光纤进行反倾销调查。经过历时1年的调查取证，2004年6月16日，商务部给出了反倾销初裁结果，进口的美国，韩国和日本等国的G.652单模光纤都将额外增加数目不等的反倾销税。 虽然面临着诸多的不利于因素，光纤生产厂家克服重重困难，不断提升技术水平，改进产品质量，全波光纤的研究和生产得到了迅速发展。各家相继推出了自己的低水峰光纤或无水峰光纤。如美国朗讯、康宁；法国阿尔卡特公司；日本藤仓公司、住友公司；韩国大韩公司、三星公司；我国的长飞公司和法尔胜光子公司等等，法尔胜光子公司的Ｇ652Ｃ单模光纤已经批量推向市场。 江苏法尔胜光子公司的全波光纤在1310nm和1550nm的实际衰减值比常规G.652.B要低很多，在1385nm附近衰减为0.28dB/km左右，基本消除了OH根在此波长的吸收峰；其传输性能、几何参数、机械性能等各个方面性能都大大的满足ITU-T建议将其放在G.652C光纤标准,全波光纤的推出全面提升了公司的技术水平和G.652光纤的市场竞争能力。 五．新一代全波光纤的技术水平比较 六．各种制作全波光纤的方法比较 制作方法 VAD+SOOT(套管) OVD+SOOT MCVD+SOOT PCVD＋套管 专利限制 没有 US6477305 没有(除美国国内) 法国 衰减 1 3 2 2 水峰控制 1 2 3 3 MFD变化控制 2 1 2 2 色散 3 2 1 1 1、2、3分别表示各种工艺制作的光纤参数控制的容易程度，1代表较容易，2代表一般，3代表较难。各种方法制作全波光纤的方法比较下来： 1）VAD方法生产的无水峰光纤，在衰减和水峰上具有优势，1385nm衰减水平最低可以达到0.27 dB/km,1550nm衰减达到0.187 dB/km左右。 2）OVD方法生产的无水峰光纤，在MFD的控制上要比VAD和MCVD法制作的要好。 3）MCVD方法生产的无水峰光纤在色散控制上要比OVD和VAD法生产的要好。 4）PCVD方法和MCVD方法生产的无水峰光纤水平相当。 下面简单介绍一下各种工艺生产全波光纤的过程。 5.1 VAD制作无水峰光纤 VAD制作全波光纤的过程如下[6]： 1）VAD法制作芯棒（内包层D/芯层直径<7.5） 2）芯棒在氯气气氛中脱水（1200℃） 3）芯棒在氦气气氛中烧结（1500℃） 4）延伸芯棒（氢氧焰为热源） 5）等离子火焰蚀洗除去OH-污染层 6）在芯棒外面套低OH-含量的套管 7）光纤拉丝 各工序简单介绍如下 1）用VAD工序制作芯棒。 在旋转的芯棒顶部用火焰水解法沉积芯层和内包层，制成疏松体。内包层直径D/芯层直径d的比值略小于7.5。由于VAD制芯工艺是成本较高的工艺，沉积量和(D/d)2成正比。D/d越小，对外套管的要求越高。因为D/d值小，一部分光能会在内包层和套管中进行传输，各种杂质包括OH-离子就会增加传输损耗。由于OH-离子在很容易在热处理（尤其是拉丝过程中）从外包层运动到芯层，因此工艺对外套管的含OH-离子的浓度要求就相当严格。商业化生产的D/d比值一般在2.0～7.5之间。 2）芯棒在氯气气氛中脱水 沉积好的芯棒疏松体要放在1200℃含氯或含氟的气氛中。脱水的原理是氯气进入芯棒孔隙中取代C，其产生的Si-Cl键吸收波长在25微米，远离光纤工作波段。脱水的速率取决于脱水温度和氯气的流量。脱水后OH-离子的含量将少于8X10-10(w%)。 3）芯棒在氦气气氛中烧结 芯棒在炉内继续升温到1500℃，通入氦气进行烧结。氦气是一种分子体积很小而传热系数很高的气体，能够将热量带到芯部，是疏松体依靠表面张力而生成透明的玻璃体。烧结效果取决于下送速度、烧结温度、氦气流量等因素。 4）芯棒延伸 VAD制作的芯棒一般都较粗且外径不均匀，无法直接插入套管合成预制棒，需要经过一道延伸工序来使外径变均匀变细。芯棒延伸可以采用成本较低的氢氧火焰作为热源，但氢氧焰会造成芯棒表面OH-离子污染，需要后面进行等离子蚀洗或酸洗。另外一种办法是采用等离子体作为热源进行延伸，可以省去一个去OH-离子的过程。延伸工艺有横延，由上往下延伸，由下往上延伸等多种方法。 5）等离子蚀洗 等离子蚀洗的原理是：等离子火焰沿着旋转着的芯棒进行轴向移动，高达9000℃的火焰将芯棒表面的一层物质迅速升华挥发。一般的蚀洗深度是0.25±0.15mm,足以将表面的OH-离子去除干净。 6）低OH-含量的合成石英管作外包层 由于采用了更大的外套管，整个光纤的成本急剧降低。对石英管的要求是高纯、低损耗和高抗拉强度。石英管的OH-含量决定了芯棒制作时的D/d值的大小。在套管车床上将芯棒和套管装配在一起，用环形氢氧焰沿轴线从上到下进行加热，同时用真空泵抽去缝隙内的空气，使套管烧结在芯棒上，形成一体的预制棒。 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的关系 7）光纤拉制 光纤拉制工艺属于传统工艺，这里不在复述。 5.2 OVD制作无水峰光纤 OVD制作全波光纤的过程如下： 1）OVD法制作芯棒及抽芯 2）芯棒的脱水和烧结 3）延伸芯棒 4）在芯棒外沉积外包层 5）光纤拉丝 各工序简单介绍如下 1）OVD法制作芯棒 在旋转的靶棒（Al2O3）外沉积一层碳，而后沉积芯层和内包层。靶棒的一端有一特制的抽芯管，沉积结束后，需要将靶棒从疏松体中抽出。 2）芯棒脱水和烧结 和VAD工艺不同，OVD的芯棒疏松体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闭合前残留其内的水份造成的。虽然芯棒疏松体经过了脱水和烧结，但中心孔周围的部分在脱水以后很容易吸收水分。当脱水后的芯棒疏松体遇到含氢气氛（不仅限于H2O）时，中心孔那表面就会产生物理吸附水（OH2）和化学吸附水（Beta OH），从而导致光纤水峰的增加。 严格控制中心孔部分的暴露于含氢环境是降低水峰的关键。办法1是在悬挂着的芯棒疏松体底端插入一个玻璃塞，然后放入炉内进行脱水。马弗管和中心孔先分别通He进行吹扫。炉内温度控制在1000℃-1200℃，在炉内再通入氯气进行脱水，氯气和氦气的比例大约为1:25。随后将温度逐渐上升为1500℃进行烧结，中心孔上端加10TORR的负压，有利于孔在烧结中闭合，这种方法可以将芯棒的水份控制在1ppb以内。 方法2是在脱水过程中先用He进行吹扫，然后用He作为载气从装D2O的鼓泡瓶中载带一定量的D2O进入马弗管，接着再通入He进行吹扫，最后通入氯气和氦气的混合气体进行脱水。 3）延伸芯棒 烧结好的芯棒需要经过和VAD芯棒相同的延伸过程，以获得直径较小的适合套管或外沉积的芯棒。有的芯棒不在烧结过程中闭合中心孔，而是在延伸过程中闭合，芯棒顶部一直施以负压。 4）在芯棒外沉积外包层 在延伸好的芯棒外沉积疏松体，而后进行脱水和烧结。此方法已经较为普通，不再复述。也有文献报道采用(Rod-in SOOT tube)工艺进行套管成棒，但还未见详细描述。 5）光纤拉制这里也不再复述。 5.3 MCVD制作无水峰光纤 MCVD工艺制作光纤的工艺已经广为人知，用MCVD方法制作全波光纤需要注意很多地方，在工艺、设备和原料方面进行了各种改进后，使生产出来的光纤水峰能进一步降低。 1）提高反应温度去除基管内壁杂质 研究发现，不仅基管的外表面的杂质（包括OH离子）会对光纤的损耗产生影响，基管内表面的杂质也很有影响。沉积内包层时，提高管壁的温度，将管壁温度上升到1700℃以上，有利于内表内的易挥发杂质的去除。 2）采用高纯的原料 由于MCVD工艺中没有脱水过程，沉积时直接玻璃化，所以有必要采用OH离子含量极低的原料。随着原料提纯工艺的不断进步，目前的原料中杂质含量可达到几个ppb以下，为生产无水峰光纤提供可能。 3）增加b/a的比值 为阻止基管中的水份在高温下扩散到芯层，有必要采用较大的b/a的比值，即加厚内包层的厚度，来阻止水份的扩散。 4）采用低水峰的基管 低水峰基管的运用也是十分必要，Heareus已经向客户提供低OH离子含量（<10ppb）的基管和套管，且即将来华投资建厂。 5）采用无OH离子的热源. 在MCVD工艺中，原先采用的氢氧火焰会将水份带到基管外表面，在套管后水份将留在芯棒界面上，拉丝过程中会扩散到芯部，造成光纤水峰的增加。传统的表面处理方法有机械磨抛、化学腐蚀和等离子蚀洗。 采用无OH离子的热源如等离子火炬，用于沉积包层、芯层和塌缩芯棒等步骤，可避免OH离子对基管的污染。等离子火炬作为热源是朗讯的专利，具有温度高，温度场集中稳定等特点，火焰中心的温度高达9000℃，边缘温度也有几千度。作为MCVD工艺热源，必须控制好缩径、均匀性，解决的方法有提高转速，改变卧式车床为竖式车床。 6）OD置换法 另外，意大利CSELT实验室E.MODONE等人曾经报道一种方法[13]，在基管内和/或玻璃化的沉积层内通入D2，可以将内表层的OH离子置换为OD离子，反应式如下 ≡Si-OH + D2 → ≡Si-OD + HD ≡Si-OH + HD → ≡Si-OD + H2 OD的键能为466 kJ/mol，而OH的键能为460 Kj/mol，所以激发置换反应必须在300℃以上的温度。置换后，水峰发生位移，使1385 nm处的水峰下降。 5.4 PCVD制作无水峰光纤 2003年光通信会议报告的文献[11]中介绍了在PCVD工艺中通入氟利昂可以降低羟基含量。理由是在等离子状态下，水分子分解成具有高度活性的游离态，与氟利昂作用产生氟化氢和二氧化碳排走，从而降低羟基含量的作用。 P.Matthijsse在2004年2月OFC大会上作的报告[12]进一步说明，PCVD工艺可以生产出低水峰光纤，但需要在如下几个问题上进行控制：1）原料，包括氯气、氧气和基管。2）机械部件，如气体密封装置、旋转接头。3）工序中表面沾污，如管子安装、塌缩、芯棒储存、套管等。另外，报告也指出，塌缩工艺中引用O2/C2F2等离子蚀洗。不同的是PCVD在管子中心通入C2F2刻蚀掉中心线上的污染物。塌缩以后还要用HF湿化学侵蚀法去除外表面的污染物。目前报道PCVD可以把水峰控制在0.30 dB/km。 5.5 光纤氘处理过程 光纤在拉制过程中，会产生一些无序的Si-Oo自由基团[4]，极易和Ho生成Si-OH，造成1385nm处的水峰增加。因此各种全波光纤拉完丝后都要经过氘处理，才能够经受得住长时间的含氢环境的侵蚀。氘处理的原理是让氘和Si-Oo自由基团形成Si-OD，吸收峰在1850nm，这样在光纤的整个寿命期间，氢就无法取代氘的位置。氘和Si-Oo自由基团的反应如下：2≡Si-O? + D2 → 2≡Si-OD 。按照ITU-T G.652C/D的要求，光纤在经过氢老化后光纤的1383±3nm处的衰减系数要不低于1310nm处的衰减，才能称作全波光纤。 六．结束语 除了G.652光纤消除了1383 nm 处的水峰，打开了E波段。其他光纤如G.655也朝着低水峰的方向发展，如住友公司的水峰抑制PureMetro光纤，康宁的MetroCore光纤等。所以现在全波光纤的概念也不局限于G652光纤了。 另外，全波光纤和CWDM的结合预示着FTTP（光纤到家庭）的未来。在未来的几年之内，我们要结合自身工艺特点，生产出满足市场需求的全波光纤。