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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
江苏法尔胜光子公司 摘自：《网络通信世界》 |
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