[科普中國(guó)]-全石英光纖

定義

石英光纖（Silica Fiber）是以二氧化硅（SiO2）為主要原料，并按不同的摻雜量，來(lái)控制纖芯和包層的折射率分布的光纖。石英（玻璃）系列光纖，具有低耗、寬帶的特點(diǎn)，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于有線(xiàn)電視和通信系統(tǒng)。

石英玻璃光導(dǎo)纖維的優(yōu)點(diǎn)是損耗低,當(dāng)光波長(zhǎng)為1.0～1.7μm（約1.4μm附近），損耗只有1dB/km，在1.55μm處最低，只有0.2dB/km。

全石英光纖：纖芯和包層都用多組分石英制成的一類(lèi)光纖。

光纖定義光纖即光導(dǎo)纖維，是一種達(dá)致光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理傳輸?shù)墓鈧鲗?dǎo)工具。

光纖是由石英玻璃特制而成，并以傳輸光信號(hào)為目的的一種介質(zhì)。光纖由于傳輸損耗低、帶寬大、重量輕、容易鋪設(shè)和材料來(lái)源豐富等特點(diǎn)，而成為通信、廣播電視領(lǐng)域最重要的傳輸介質(zhì)。

光纖分類(lèi)按照制造光纖所用的材料分類(lèi)有：2

石英系光纖

多組分玻璃光纖

塑料包層石英芯光纖

塑料光纖

氟化物光纖 等

光纖材料基于光纖中非線(xiàn)性效應(yīng)的光子學(xué)器件在光通信、光傳感、制造業(yè)、醫(yī)療、軍事等眾多領(lǐng)域獲得了非常重要的應(yīng)用。由于石英光纖具有損耗小、機(jī)械強(qiáng)度高、成本低等特點(diǎn)，目前絕大多數(shù)光纖光子學(xué)器件都基于傳統(tǒng)的石英光纖。但石英光纖有著自身難以克服的缺點(diǎn)，例如相對(duì)較窄的光學(xué)透過(guò)窗口（僅覆蓋300-2500nm）、小的三階非線(xiàn)性系數(shù)、較大的聲子能量等，這在一定程度上限制了它的應(yīng)用范圍。為了克服石英光纖的這些缺點(diǎn)，拓展光纖及光纖器件的應(yīng)用領(lǐng)域，探索新的光纖材料、光纖結(jié)構(gòu)、新型光纖中的非線(xiàn)性效應(yīng)及其應(yīng)用具有重要的意義。

石英光纖性能介紹光纖在各種光網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際應(yīng)用決定了對(duì)光纖技術(shù)性能的要求。

對(duì)于短距離光傳輸網(wǎng)絡(luò)，考慮的重點(diǎn)是適合激光傳輸和模式帶寬更寬的多模光纖，以支持更大的串行信號(hào)信息傳輸容量。對(duì)于長(zhǎng)距離海底光纜傳輸系統(tǒng)而言，為了減少價(jià)格昂貴的光纖放大器數(shù)量應(yīng)重點(diǎn)考慮采用具有大模場(chǎng)直徑面積和負(fù)色散的光纖增大傳輸距離。而對(duì)陸上長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)考慮的重點(diǎn)是能夠傳輸更多的波長(zhǎng)，而且每個(gè)波長(zhǎng)都盡可能以高速率進(jìn)行傳輸，同時(shí)還要解決光纖的色散問(wèn)題，即使光纖的色散值隨波長(zhǎng)的變化達(dá)到最小值。對(duì)于局域網(wǎng)和環(huán)形饋線(xiàn)來(lái)說(shuō)，由于傳輸?shù)木嚯x相對(duì)比較短，考慮的重點(diǎn)是光網(wǎng)絡(luò)成本而不是傳輸成本。就是說(shuō)要解決好光纖傳輸系統(tǒng)中上/下路的分/插復(fù)用問(wèn)題，同時(shí)還必須把插/分波長(zhǎng)的成本降至最低。

傳輸用光纖

光纖技術(shù)在傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用，首先是通過(guò)各種不同的光網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。截止目前，建設(shè)的各種光纖傳輸網(wǎng)的拓樸結(jié)構(gòu)基本上可以分為三類(lèi)：星形、總線(xiàn)形和環(huán)形。而進(jìn)一步從網(wǎng)絡(luò)的分層模形來(lái)說(shuō)，又可以把網(wǎng)絡(luò)從上到下分成若干層，每一層又可以分為若干個(gè)子網(wǎng)。也就是說(shuō)，由各個(gè)交換中心及其傳輸系統(tǒng)構(gòu)成的網(wǎng)與網(wǎng)還可以繼續(xù)化分為若干個(gè)更小的子網(wǎng)，以便使整個(gè)數(shù)字網(wǎng)能有效地通信服務(wù)，全數(shù)字化的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）是通信網(wǎng)的總目標(biāo)。ADSL和CATV的普及、城域接入系統(tǒng)容量的不斷增加，干線(xiàn)骨干網(wǎng)的擴(kuò)容都需要不同類(lèi)型的光纖擔(dān)當(dāng)起傳輸?shù)闹厝巍?/p>

色散補(bǔ)償光纖（DCF）

光纖色散可以使脈沖展寬，而導(dǎo)致誤碼。這是在通信網(wǎng)中必須避免的一個(gè)問(wèn)題，也是長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中需要解決的一個(gè)課題。一般來(lái)說(shuō)，光纖色散包括材料色散和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)色散兩部分，材料色散取決于制造光纖的二氧化硅母料和摻雜劑的分散性，而波導(dǎo)色散通常是一種模式的有效折射率隨波長(zhǎng)而改變的傾向。色散補(bǔ)償光纖是在傳輸系統(tǒng)中用來(lái)解決色散管理的一種技術(shù)。

**非色散位移光纖（USF）**以正的材料色散為主，它與小的波導(dǎo)色散合并以后，在1310nm附近產(chǎn)生零色散。而色散位移光纖（DSF）和非零色散位移光纖（NZDSF）是采用技術(shù)手段后，故意把光纖的折射率分布設(shè)計(jì)為可產(chǎn)生與材料色散相比的波導(dǎo)色散，使材料色散和波導(dǎo)色散相加后，DSF的零色散波長(zhǎng)就移到了1550nm附近。1550nm波長(zhǎng)是當(dāng)前通信網(wǎng)中應(yīng)用最多的一個(gè)波長(zhǎng)。在海底光纜傳輸系統(tǒng)中，則是通過(guò)把兩種分別具有正色散和負(fù)色散的光纖相互結(jié)合來(lái)組成傳輸系統(tǒng)進(jìn)行色散管理的。隨著傳輸系統(tǒng)的距離增長(zhǎng)和容量的增加，大量的WDM和DWDM系統(tǒng)投入使用。在這些系統(tǒng)中，為了進(jìn)行色散補(bǔ)償又研制出了可在C波段和L波段上工作的雙包層和三包層折射率分布的DCF。在C波段上可進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)腟MF的色散值為6065Ps/nm/km，其有效面積（Apff）達(dá)到2328m2，損耗為0.2250.265dB/km。

放大用光纖

在石英光纖芯層內(nèi)摻雜稀土元素就可以制成放大光纖了，如摻鉺放大光纖（EDF），摻銩放大光纖（TOF）等等。放大光纖與傳統(tǒng)的石英光纖具有良好的整合性能，同時(shí)還具有高輸出、寬帶寬、低噪聲等許多優(yōu)點(diǎn)。

用放大光纖制成的光纖放大器（如EDFA）是當(dāng)今傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的關(guān)鍵器件。EDF的放大帶寬已從C波段（15301560nm）擴(kuò)大到了L波段（15701610），放大帶寬達(dá)80nm。最新研究成果表明EDF也可在S波段（14601530）進(jìn)行光放大，且已制造出感應(yīng)喇曼光纖放大器，在S波段上進(jìn)行放大。 對(duì)于L波段（15301560nm）放大光纖，在高輸出領(lǐng)域已研發(fā)出了雙包層光纖。其中第一包層多模傳輸泵浦光，在纖芯單模包層傳輸信號(hào)光并摻雜釘（Yb）作感光劑，以增大吸收系數(shù)。

在解決光纖的非線(xiàn)性方面，采用共參雜Yb或La（鑭）等稀土元素制作出EYDF光纖。這種光纖幾乎無(wú)FWM發(fā)生。這是因?yàn)閅b離子與Er離子集結(jié)后增大了Er離子間的距離，解決了由于Ev離子過(guò)度集中集結(jié)而引起的濃度消光，同時(shí)也增加了Er離子摻雜量，提高了增益系數(shù)，從而降低了非線(xiàn)性。

對(duì)于L波段（15701610nm）放大光纖，已報(bào)導(dǎo)日本住友電工研發(fā)的采用C波段EDF需要長(zhǎng)度的1/3短尺寸EDF而擴(kuò)大到L波段的EDF。制作成功適合40Gb/s高速率傳輸，總色散為零的L波段三級(jí)結(jié)構(gòu)光纖放大器。該放大器第一段為具有負(fù)色散的常規(guī)EDF，而第二、三段波長(zhǎng)色散值為正值的短尺寸EDF。

對(duì)于S波段(14601530nm)放大光纖，日本NEC公司采用雙波長(zhǎng)泵浦GS-TDFA進(jìn)行了10.92Tb/s的長(zhǎng)距離傳輸試驗(yàn)，利用1440nm和1560nm雙波長(zhǎng)激光器（LD）實(shí)現(xiàn)了29%的轉(zhuǎn)換率；NTT采用單波和1440nm雙通道泵浦激光器實(shí)現(xiàn)了42%的轉(zhuǎn)換率（摻銩濃度為6000ppm）；Alcatel公司采用1240和1400nm多波喇曼激光器實(shí)現(xiàn)了48%轉(zhuǎn)換率，同時(shí)利用800nm鈦蘭寶石激光器和1400nm多級(jí)喇曼激光器雙波長(zhǎng)泵浦實(shí)現(xiàn)了50%的轉(zhuǎn)換率，最新報(bào)導(dǎo)日本旭硝公司又提出了以鉍（Bi）族氧化物玻璃為基質(zhì)材料的S波段泵浦放大方案。簡(jiǎn)而言之，需要解決的主要技術(shù)課題是如何降低聲子能量成份的摻雜量和提高量子效率問(wèn)題。

超連續(xù)波(SC)發(fā)生用光纖

超連續(xù)波是強(qiáng)光脈沖在透明介質(zhì)中傳輸時(shí)光譜超寬帶現(xiàn)象。做為新一代多載波光源受到業(yè)界廣泛關(guān)注。從1970年Alfano和shapiro在大容量玻璃中觀察到的超寬帶光發(fā)生以來(lái)，已先后在光纖，半導(dǎo)體材料、水等多種多樣物質(zhì)中觀察到超寬帶光發(fā)生。

采用單模光纖的SC光源就是應(yīng)用上述復(fù)數(shù)光源方法進(jìn)行解決技術(shù)課題的一個(gè)有效手段。

1997年，日本NTT公司研發(fā)成功雙包層和4包層折射率分布結(jié)構(gòu)，芯經(jīng)沿長(zhǎng)度方向（縱向）呈現(xiàn)錐形分布，具有凸型色散特性的光纖。2000年又研發(fā)成功采用SC光的保偏光纖（PM-SC光纖）。

高非線(xiàn)性SC光纖大都采用光子晶體纖維和錐形組徑纖芯纖維的高封閉結(jié)構(gòu)，光子晶體纖維制造技術(shù)已取得了新的突破，今后的研究方向是低成本SC光纖制造技術(shù)及如何在下一代網(wǎng)絡(luò)中具體應(yīng)用。

光器件****用光纖

隨著大量光通信網(wǎng)的建設(shè)和擴(kuò)容，有源和無(wú)源器件的用量不斷增大。其中應(yīng)用最多的是光纖型器件，主要有光纖放大器、光纖耦合器、光分波合波器、光纖光柵（FG）、AWG等。上述光器件必須具有低損耗、高可靠性、易于和通信光纖進(jìn)行低損耗耦合和連接才能應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)中。于是就研發(fā)生產(chǎn)出了FG用光纖和器件耦合用光纖（LP用光纖）。
FG是石英系光纖中的GeO2、B2O3、P2O5等摻雜劑受紫外光照射或與H2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后由于玻璃密度變化而引起折射率變化形成的。紫外線(xiàn)感應(yīng)折射率的變化值因玻璃成份不同而不同，所以為了提高光敏特性，實(shí)現(xiàn)FG的長(zhǎng)期溫度穩(wěn)定性，又研究了摻雜Sn，Sb等重金屬而解決紫外線(xiàn)吸收問(wèn)題。

現(xiàn)已開(kāi)發(fā)研制出各種降低FBG損耗的光纖。如波導(dǎo)結(jié)構(gòu)多層膜埋入光纖等，為進(jìn)一步降低損耗，必須使包層和芯部的光敏特性盡量一致。在光敏特性變化量為10%、折射率變化量為110-3時(shí)則損耗值可小于0.1dB。

光器件用耦合光纖是隨著AWG與PLC光器件性能不斷提高而發(fā)展起來(lái)的，已開(kāi)發(fā)出與PLC的MFD值相同的高△光纖；通過(guò)熱擴(kuò)散膨脹法(TEC)使普通光纖高△值光纖的MFD達(dá)到一致，這種新型光纖采用的TEC法可以使光纖的連接損耗由原來(lái)的1.5dB降至目前的0.1dB以下。

保偏光纖

保偏光纖最早是用于相干光傳輸而被研發(fā)出來(lái)的光纖。此后，用于光纖陀螺等光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域。近幾年來(lái)，由于DWDM傳輸系統(tǒng)中的波分復(fù)用數(shù)量的增加和高速化的發(fā)展，保偏光纖得到了更加廣泛地應(yīng)用。目前應(yīng)用最多的是熊貓光纖(PANDA)。PANDA光纖目前大量用作尾纖使用，與其它光纖器件相連接為一體在系統(tǒng)中使用。

單模不可剝離光纖(SM-NSP)單模不可剝離光纖是一種即使去除光纖被復(fù)層以后仍有NSP聚脂層保留在光纖包層表面，以保護(hù)光纖的機(jī)械性能和高可靠性的新型光纖。

SM-NSP光纖與常規(guī)SM光纖具有相同的外徑、偏心量、不因度精度。但是ASM-NSP光纖具有的機(jī)械強(qiáng)度大大高于SM，具有優(yōu)良的可靠性，接續(xù)試驗(yàn)表明，無(wú)論是SM-NSP光纖相互連接還是把SM-NSP光纖與SM光纖連接，其接續(xù)特性、耐環(huán)境性能均良好?？蓮V泛用于傳輸系統(tǒng)的光纖，是一種理想的新型配線(xiàn)光纖。

深紫外光傳輸用光纖（DUV）

目前固體激光器和氣體激光器研究的課題之一就是深紫外光領(lǐng)域（250nm）的激光器振蕩技術(shù)。在固體激光器領(lǐng)域，采用CLBO(CsLiB6O10)結(jié)晶的Nd:YAG激光器的四倍波(=266nm)、五倍波(=213nm)；在氣體激光器領(lǐng)域，F(xiàn)2(=157nm)，KY2(=148nm)，Ar2（=126nm），而采用ArF的環(huán)氧樹(shù)脂激光器的振高波長(zhǎng)=193nm等。

在半導(dǎo)體基片表面處理，在生物化學(xué)領(lǐng)域中對(duì)DNA的分析測(cè)試和化驗(yàn)、在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)對(duì)近視治療等應(yīng)用領(lǐng)域中，深紫外光都得到了極其廣泛的應(yīng)用。對(duì)能傳輸深紫外光的光纖開(kāi)發(fā)工作也成為人所關(guān)注的重大技術(shù)課題。

從DUV光纖的損耗光譜化可以看出，在波長(zhǎng)為=200nm時(shí)，傳輸損耗發(fā)生急聚變化，而在1240和1380nm處出現(xiàn)二個(gè)峰值，我們認(rèn)為這是由OH的伸縮振動(dòng)引起的吸收造成的。相同的預(yù)制棒在拉絲過(guò)程中因拉絲條件不同，損耗光譜值也不同，DUV拉制過(guò)程中（當(dāng)