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

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                      2008-10-15 23:32:00 [點擊下載:20081015233037241.pdf]

                      一、全波光纖的發展情況 隨著我國信息技術的飛速發展,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,國內光纖用量的年增長率達到15%~20%。G.652單模光纖的技術也得到了進步,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光纖的產品技術指標[1][3] 三.全波光纖的優勢 全波光纖的出現使多種光通信業務有了更大的靈活性。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務段而分別使用??梢灶A見,未來中小城市城域網的建設,將會大量采用這種全波光纖。人類追求高速、寬帶通信網絡的欲望是永無止境的,在目前帶寬需求成指數增長的情況下,全波光纖正越來越受到業界的關注,它的諸多優點已被通信業界廣泛接受。[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,可復用的波長數大大增加; 2)由于上述波長范圍內,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),是目前最先進的城域網用非色散位移光纖,結構上和普通G.652單模光纖無異。1998年美國朗訊(現在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制造技術,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的全部波長范圍內都可以用于光通信。 2000年9月,在世界電信標準大會(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波長區的一半,因而,容易實現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公里而無需色散補償。 3)可以分配不同的業務給最適合這種業務的波長傳輸,改進網絡管理。例如可以在1310nm波長區傳輸模擬圖像信號,在1350~1450波長區傳輸高速信號(高達10Gbps),在1450nm以上波長區傳輸其他信號。 4)可用波長范圍大大擴展后,允許使用波長間隔較寬、波長精度和穩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的成本。例如,通過增加波長間隔,網絡可以使用較便宜的無制冷直接調制激光器,避免了昂貴的外調制激光器;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%,波長間隔進一步增加到400GHz,濾波器成本降低70%左右。 四.全波光纖的國內外發展情況 從2001年下半年開始,光通信產業一路下滑,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,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,不是大量向中國國內傾銷低價光纖,就是在國內建廠拉絲。到2003年末,國內實際光纖產量已經接近3500萬公里,而實際光纖預制棒的產量(國內只有長飛、法爾勝、富通具有自制單模預制棒的能力)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進行競爭的。 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非色散位移單模光纖產業正式提交的反傾銷調查申請,請求對原產于美國、日本和韓國的進口非色散位移單模光纖進行反傾銷調查。經過歷時1年的調查取證,2004年6月16日,商務部給出了反傾銷初裁結果,進口的美國,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,光纖生產廠家克服重重困難,不斷提升技術水平,改進產品質量,全波光纖的研究和生產得到了迅速發展。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的實際衰減值比常規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、機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光纖標準,全波光纖的推出全面提升了公司的技術水平和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) 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方法生產的無水峰光纖,在衰減和水峰上具有優勢,1385nm衰減水平最低可以達到0.27 dB/km,1550nm衰減達到0.187 dB/km左右。 2)OVD方法生產的無水峰光纖,在MFD的控制上要比VAD和MCVD法制作的要好。 3)MCVD方法生產的無水峰光纖在色散控制上要比OVD和VAD法生產的要好。 4)PCVD方法和MCVD方法生產的無水峰光纖水平相當。 下面簡單介紹一下各種工藝生產全波光纖的過程。 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(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。 在旋轉的芯棒頂部用火焰水解法沉積芯層和內包層,制成疏松體。內包層直徑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。因為D/d值小,一部分光能會在內包層和套管中進行傳輸,各種雜質包括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嚴格。商業化生產的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入芯棒孔隙中取代C,其產生的Si-Cl鍵吸收波長在25微米,遠離光纖工作波段。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 芯棒在爐內繼續升溫到1500℃,通入氦氣進行燒結。氦氣是一種分子體積很小而傳熱系數很高的氣體,能夠將熱量帶到芯部,是疏松體依靠表面張力而生成透明的玻璃體。燒結效果取決于下送速度、燒結溫度、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制棒,需要經過一道延伸工序來使外徑變均勻變細。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著的芯棒進行軸向移動,高達9000℃的火焰將芯棒表面的一層物質迅速升華揮發。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,用環形氫氧焰沿軸線從上到下進行加熱,同時用真空泵抽去縫隙內的空氣,使套管燒結在芯棒上,形成一體的預制棒。 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的關系 7)光纖拉制 光纖拉制工藝屬于傳統工藝,這里不在復述。 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 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 在旋轉的靶棒(Al2O3)外沉積一層碳,而后沉積芯層和內包層。靶棒的一端有一特制的抽芯管,沉積結束后,需要將靶棒從疏松體中抽出。 2)芯棒脫水和燒結 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的水份造成的。雖然芯棒疏松體經過了脫水和燒結,但中心孔周圍的部分在脫水以后很容易吸收水分。當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生物理吸附水(OH2)和化學吸附水(Beta OH),從而導致光纖水峰的增加。 嚴格控制中心孔部分的暴露于含氫環境是降低水峰的關鍵。辦法1是在懸掛著的芯棒疏松體底端插入一個玻璃塞,然后放入爐內進行脫水。馬弗管和中心孔先分別通He進行吹掃。爐內溫度控制在1000℃-1200℃,在爐內再通入氯氣進行脫水,氯氣和氦氣的比例大約為1:25。隨后將溫度逐漸上升為1500℃進行燒結,中心孔上端加10TORR的負壓,有利于孔在燒結中閉合,這種方法可以將芯棒的水份控制在1ppb以內。 方法2是在脫水過程中先用He進行吹掃,然后用He作為載氣從裝D2O的鼓泡瓶中載帶一定量的D2O進入馬弗管,接著再通入He進行吹掃,最后通入氯氣和氦氣的混合氣體進行脫水。 3)延伸芯棒 燒結好的芯棒需要經過和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,而后進行脫水和燒結。此方法已經較為普通,不再復述。也有文獻報道采用(Rod-in SOOT tube)工藝進行套管成棒,但還未見詳細描述。 5)光纖拉制這里也不再復述。 5.3 MCVD制作無水峰光纖 MCVD工藝制作光纖的工藝已經廣為人知,用MCVD方法制作全波光纖需要注意很多地方,在工藝、設備和原料方面進行了各種改進后,使生產出來的光纖水峰能進一步降低。 1)提高反應溫度去除基管內壁雜質 研究發現,不僅基管的外表面的雜質(包括OH離子)會對光纖的損耗產生影響,基管內表面的雜質也很有影響。沉積內包層時,提高管壁的溫度,將管壁溫度上升到1700℃以上,有利于內表內的易揮發雜質的去除。 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步,目前的原料中雜質含量可達到幾個ppb以下,為生產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散到芯層,有必要采用較大的b/a的比值,即加厚內包層的厚度,來阻止水份的擴散。 4)采用低水峰的基管 低水峰基管的運用也是十分必要,Heareus已經向客戶提供低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,拉絲過程中會擴散到芯部,造成光纖水峰的增加。傳統的表面處理方法有機械磨拋、化學腐蝕和等離子蝕洗。 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,溫度場集中穩定等特點,火焰中心的溫度高達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速,改變臥式車床為豎式車床。 6)OD置換法 另外,意大利CSELT實驗室E.MODONE等人曾經報道一種方法[13],在基管內和/或玻璃化的沉積層內通入D2,可以將內表層的OH離子置換為OD離子,反應式如下 ≡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,所以激發置換反應必須在300℃以上的溫度。置換后,水峰發生位移,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[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下,水分子分解成具有高度活性的游離態,與氟利昂作用產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]進一步說明,PCVD工藝可以生產出低水峰光纖,但需要在如下幾個問題上進行控制:1)原料,包括氯氣、氧氣和基管。2)機械部件,如氣體密封裝置、旋轉接頭。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,會產生一些無序的Si-Oo自由基團[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過氘處理,才能夠經受得住長時間的含氫環境的侵蝕。氘處理的原理是讓氘和Si-Oo自由基團形成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自由基團的反應如下:2≡Si-O? + D2 → 2≡Si-OD 。按照ITU-T G.652C/D的要求,光纖在經過氫老化后光纖的1383±3nm處的衰減系數要不低于1310nm處的衰減,才能稱作全波光纖。 六.結束語 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展,如住友公司的水峰抑制PureMetro光纖,康寧的MetroCore光纖等。所以現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的結合預示著FTTP(光纖到家庭)的未來。在未來的幾年之內,我們要結合自身工藝特點,生產出滿足市場需求的全波光纖。
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