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新一代全波光纤(下)

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  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。

  致谢:技术质量部经理康晓健、孙建军高级工程师等提出了宝贵的意见和建议,在此表示感谢。

参考文献
[1] ITU-T G.652, Characteristics of a single-mode optical fiber and cable, Prepublished Recommendation, March 2003
[2] Gordon Thomas, Towards the clarity limit in optical fibre, Nature, Vol 404(6775) 16 March 2000, pp 262-264
[3] 唐仁杰,光纤技术的最新发展及光纤标准动态,全国第二届光纤光缆用材料技术研讨会, pp2-pp20
(转P17页)
(接P31页)
[4] 薛建军、查健江,迎接下一代光纤网络的挑战,全国第二届光纤光缆用材料技术研讨会,pp108-pp114
[5] Kazumasa Ohsono, High Performance Optical Fibers for Next Generation transmission Systems, Hitachi Cable Review No. 22 (August 2003)
[6] 陈炳炎,通信光纤的进展和规范:从G.652到G.655,光纤与电缆及其应用技术,No.1 2002,pp1-pp12
[7] 徐乃英,现代单模光纤的改进及其制造技术,光纤与电缆及其应用技术,No.3 2002,pp1-pp8
[8] George E. Berkey, Low water peak optical waveguide and method of manufacturing same, U.S. patent 6477305, Nov. 5, 2002
[9] Fred Paul Partus, Optical fiber with low OH impurity and communication system using the optical fiber, U.S. patent 5692087, Nov. 25, 1997
[10] Kai Huei Chang, Method of making a fiber having low loss at 1385 nm by cladding a Vad preform with a D/d<7.5, U.S. patent 6131415, Oct. 17, 2000

[11] 谢康,长飞公司全贝(FullBand)光纤及其特性,第三届中国光通信技术与市场研讨会, pp167-pp171
[12] P.Matthijsse, Towards the low limits of 1383 nm loss in PCVD enabled single mode fiber production, presented at OFC 2004, Los Angeles, Paper TuB5 Feb. 2004
[13] E.Modone, OH reduction in preforms by isotope exchange, Eletronics Letters, Vol. 17 No. 21, Oct 15, 1981 作者:查健江 江苏法尔胜光子公司    来源:《网络通信世界》

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