胡先志 烽火通信科技股份有限公司
光纖和激光器的問世，拉開了光纖通信的序幕。與此同時，計算機和互聯(lián)網(wǎng)日益普及，又大大地刺激人們對信息交換的需求。正是光纖、激光器、系統(tǒng)設(shè)備、計算機、互聯(lián)網(wǎng)共同構(gòu)筑的通信平臺創(chuàng)造出了一個嶄新的信息時代。
一、光纖制造
通信用光纖大多數(shù)是由石英玻璃材料組成的。光纖的制造要經(jīng)歷光纖預(yù)制棒制備、光纖拉絲等具體的工藝步驟。最常使用的工藝是兩步法：第一步采用四種氣相沉積工藝，即：外氣相沉積（Outside Vapour Deposition-OVD）、軸向氣相沉積（Vapour Axial Deposition-VAD）、改進的化學(xué)氣相沉積（Modified Chemical Vapour Deposition-MCVD）、等離子化學(xué)氣相沉積（Plasma Chemical Vapour Deposition-PCVD）中的任一工藝來生產(chǎn)光纖預(yù)制棒的芯棒；第二步是在氣相沉積獲得的芯棒上施加外包層制成大光纖預(yù)制棒。值得強調(diào)的是，光纖預(yù)制棒的光學(xué)特性主要取決于芯棒的制造技術(shù)，光纖預(yù)制棒的成本主要取決于外包技術(shù)。
1．芯棒制造
芯棒制造技術(shù)普遍采用氣相沉積工藝，如OVD、VAD、MCVD、PCVD。其中OVD工藝是1970年美國康寧公司的Kapron研發(fā)的簡捷工藝。OVD工藝的化學(xué)反應(yīng)機理為火焰水解，即所需的芯玻璃組成是通過氫氧焰或甲烷焰中攜帶的氣態(tài)鹵化物（SiCl4等）產(chǎn)生"粉末"逐漸地一層一層沉積而獲得的。OVD工藝有沉積和燒結(jié)兩個具體工藝步驟：先按所設(shè)計的光纖折射分布要求進行多孔玻璃預(yù)制棒芯棒的沉積（預(yù)制棒生長方向是徑向由里向外），再將沉積好的預(yù)制棒芯棒進行燒結(jié)處理，除去殘留水份，以求制得一根透明無水份的光纖預(yù)制棒芯棒，OVD工藝最新的發(fā)展經(jīng)歷從單噴燈沉積到多噴燈同時沉積，由一臺設(shè)備一次沉積一根棒到一臺設(shè)備一次沉積多根棒，從而大大提高了生產(chǎn)率，降低了成本。
VAD工藝是1977年由日本電報電話公司的伊澤立男等人，為避免與康寧公司的OVD專利的糾紛所發(fā)明的連續(xù)工藝。VAD工藝的化學(xué)反應(yīng)機理與OVD工藝相同，也是火焰水解。與OVD工藝不同的是，VAD工藝沉積獲得的預(yù)制棒的生長方向是由下向上垂直軸向生長的。燒結(jié)和沉積是在同一臺設(shè)備中不同空間同時完成的，即預(yù)制棒連續(xù)制造。VAD工藝的最新發(fā)展由70年代的芯、包同時沉積燒結(jié)，到80年代先沉積芯棒再套管的兩步法，再到90年代的粉塵外包層代替套管制成光纖預(yù)制棒。
MCVD工藝是1974年由美國AT&T公司貝爾實驗室的Machesney等人開發(fā)的經(jīng)典工藝。MCVD工藝為朗訊等公司所采用的方法。MCVD工藝是一種以氫氧焰熱源，發(fā)生在高純度石英玻璃管內(nèi)進行的氣相沉積。MCVD工藝的化學(xué)反應(yīng)機理為高溫氧化。MCVD工藝是由沉積和成棒兩個工藝步驟組成。沉積是獲得設(shè)計要求的光纖芯折射率分布，成棒是將巳沉積好的空心高純石英玻璃管熔縮成一根實心的光纖預(yù)制棒芯棒�，F(xiàn)MCVD工藝采用大直徑合成石英玻璃管和外包技術(shù)，例如用火焰水解外包和等離子外包技術(shù)來制作大預(yù)制棒。這些外包技術(shù)彌補了傳統(tǒng)的MCVD工藝沉積速率低、幾何尺寸精度差的缺點，提高了質(zhì)量、降低了成本，增強了MCVD工藝的競爭力。
PCVD工藝是1975年由荷蘭飛利浦公司的Koenings提出的微波工藝。長飛公司采用的就是這種工藝。PCVD與MCVD的工藝相似之處是，它們都是在高純石英玻璃管管內(nèi)進行氣相沉積和高溫氧化反應(yīng)。所不同之處是熱源和反應(yīng)機理，PCVD工藝用的熱源是微波，其反應(yīng)機理為微波激活氣體產(chǎn)生等離子使反應(yīng)氣體電離，電離的反應(yīng)氣體呈帶電離子。帶電離子重新結(jié)合時釋放出的熱能熔化氣態(tài)反應(yīng)物形成透明的石英玻璃沉積薄層。PCVD工藝制備芯棒的工藝有兩個具體步驟，即沉積和成棒。沉積是借助低壓等離子使流進高純石英玻璃沉積管內(nèi)氣態(tài)鹵化物和氧氣在大約1000C°的高溫下直接沉積成設(shè)計要求的光纖芯玻璃組成。成棒則是將沉積好的石英玻璃管移至成棒用的玻璃車床上，利用氫氧焰高溫作用將該管熔縮成實心的光纖預(yù)制棒芯棒。PCVD工藝的最新發(fā)展是采用大直徑合成石英玻璃管為沉積襯底管，沉積速率提高到了2~3g/min，沉積長度達到1.2~1.5m。
2．外包層制造
外包層制造技術(shù)主要有套管法、等離子噴涂法、火焰水解法等。外包層制造技術(shù)是光纖通信全球性高速發(fā)展應(yīng)運而生的大光纖預(yù)制棒制造新技術(shù)。外包層技術(shù)發(fā)展和完善的目的是將光纖預(yù)制棒做的更粗、更長，即提高光纖生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，使光纖通信比其他介質(zhì)的通信形式具有更大、更強的競爭力。外包層技術(shù)中的套管法是將氣相沉積工藝制成的芯棒置入一根作光纖外包層的高純石英玻璃管內(nèi)制造大預(yù)制棒技術(shù)。等離子噴涂法是用高頻等離子焰將石英粉末熔制于氣相沉積工藝得到的芯棒上制成大預(yù)制棒的技術(shù)�；鹧嫠夥ǎǚ勰┩獍⿲嵸|(zhì)上就是OVD、VAD等火焰水解外沉積工藝在芯棒上的應(yīng)用。
通常，將氣相沉積法工藝和外包層技術(shù)結(jié)合制成的大預(yù)制棒直徑縮小，且保持芯包比和折射率分布恒定的操作稱為光纖拉絲。拉絲過程中要對裸光纖施加預(yù)涂覆層保護。涂覆層既可以保護光纖的機械強度、隔離外界潮濕，又可以避免外應(yīng)力引起光纖的微彎損耗。此外，高速拉絲還應(yīng)注意光纖的充分冷卻，消除光纖中的殘余內(nèi)應(yīng)力，以求確保光纖的翹曲度指標(biāo)最優(yōu)。
二、光纖性能
當(dāng)今，光纖制造技術(shù)日趨完善，再加上器件和系統(tǒng)的飛速發(fā)展帶來了光纖品種不斷推陳出新，特別是網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)呈指數(shù)式增長勢態(tài)，使得光纖網(wǎng)帶寬每6~9月就可翻一番。為切實滿足網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)高速發(fā)展的需要，光纖通信業(yè)內(nèi)的科研工作者不懈地努力開發(fā)新光纖、新器件、新系統(tǒng)來實現(xiàn)高速率、大容量、遠距離光纖通信。正是高速率、大容量、遠距離光纖通信促使光纖的性能研究由最初的衰減、色散轉(zhuǎn)向非線性效應(yīng)、偏振模色散、色散斜率、色散絕對值大小。與之相應(yīng)的推出了一個供不同光纖通信系統(tǒng)選用的光纖系列，如：G.651、G.652、G.653、G.654、G.655、色散補償光纖等。
光纖業(yè)內(nèi)人士熟知光纖通信系統(tǒng)發(fā)展初期，傳輸距離短、傳輸速率低、傳輸容量小，故系統(tǒng)對光纖性能的要求僅僅停留在"衰減"一個性能上，與之適應(yīng)的光纖為G.651光纖。通信系統(tǒng)發(fā)展中期，傳輸距離延長、傳輸速率提高、傳輸容量增大，這時系統(tǒng)對光纖性能的要求就由"衰減"一個性能指標(biāo)轉(zhuǎn)向"低衰減"、"高帶寬"2個性能，從而誕生了G.652光纖。G.652光纖因其在1310nm波段上具有零色散（高帶寬）、低衰減特點，但在1550nm波段色散大約為18ps/(nm.km)，限制了其在1550nm波段傳輸寬帶和傳輸距離。人們通過改變光纖的折射率分布來改變波導(dǎo)色散，從而使光纖的總色散在1550nm波長上為零，這樣便研究開發(fā)出了在1550nm波長上兼有最低衰減和最大寬帶的G.653光纖。正是跨洋海底光纜線路需要用極低衰減的光纖，人們又開發(fā)出了衰減極小的G.654光纖。G.654光纖是一種截止波長大于1310nm，專門用于1550nm波段（衰減最小窗口）的海底光纖通信系統(tǒng)用光纖。今天正逢光纖通信發(fā)展的盛世，為實現(xiàn)超長傳輸距離、超高傳輸速率、超大容量傳輸發(fā)展需要用摻鉺光纖放大器來延長傳輸距離，用波分復(fù)用技術(shù)來增大傳輸容量，用時分復(fù)用技術(shù)來提高傳輸速率。這樣，在用摻鉺光纖放大器和波分復(fù)用，甚至密集波分復(fù)用相結(jié)合的高速率、大容量、遠距離光纖通信線路中，大功率的激光光源和低衰減單模光纖的使用，使光纖芯內(nèi)光強度很高，低衰減使高光強連續(xù)傳輸很長距離。然而光場和光纖介質(zhì)相互作用產(chǎn)生非線性效應(yīng)變得十分顯著。光纖的非線性效應(yīng)會損傷系統(tǒng)傳輸信號質(zhì)量，引起數(shù)字信號誤碼和模擬信號畸變。在光纖放大器的使用波長（1530~1565nm）上，采用波分復(fù)用或密集波分復(fù)用的光纖通信系統(tǒng)中，減少光纖非線性效應(yīng)的辦法有，增大光纖有效受光面積和在1530~1565nm波段中引入一定的色散值等措施。減小光纖偏振模色散的方法是保證所生產(chǎn)的光纖纖芯截面為理想圓和避免光纖遭受內(nèi)、外應(yīng)力作用。這樣，人們又開發(fā)出了G.655光纖。毫無疑問，當(dāng)前在不斷發(fā)展中的時分復(fù)用、波分復(fù)用、摻鉺光纖放大器組成的光纖通信系統(tǒng)中，G.655光纖是最佳傳輸介質(zhì)的理想選擇。2000年，信息產(chǎn)業(yè)部武漢郵電研究院參照ITU-T有關(guān)單模光纖的最新建議，起草了單模光纖系列的最新國家標(biāo)準(zhǔn)，如：GB/T9771.1《非色散位移單模光纖特性》（G.652A、G.652B）；GB/T9771.3《波長段擴展的非色散位移單模光纖特性》（G.652C）；GB/T9771.4《色散位移單模光纖特性》(G.653)；GB/T977.2《截止波長位移單模光纖特性》（G.654）；GB/T9771.5《非零色散位移單模光纖特性》（G.655A、G.655B）。
三、應(yīng)用
選用光纖時，應(yīng)就其承擔(dān)的業(yè)務(wù)綜合考慮其傳輸容量、傳輸距離、系統(tǒng)傳輸質(zhì)量要求等因素，力求選用的光纖能考慮到近期的業(yè)務(wù)量，同時要兼顧業(yè)務(wù)中、遠期發(fā)展，還要能獲得良好的性能價格比。為此，我們有必要在充分了解各種光纖特點和性能的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的傳輸特點對所用的光纖能做出合理的選擇。
1．多模光纖
與單模光纖相比，多模光纖芯徑大，便于接續(xù)；但其衰減系數(shù)大，帶寬小，故目前多模光纖只適用于短距離、小用量的數(shù)據(jù)和模擬光信息傳輸。
2．單模光纖
�。�1）G.652光纖μm。G.652光纖特點是零色散波長在1.31μm，故其被稱為常規(guī)單模光纖或非色散位移單模光纖。G.652光纖在1.31μm處衰減系數(shù)為0.35dB/km左右，在1.55μm處衰減系數(shù)為人0.20dB/km左右，但1.55μm處的色散系數(shù)大約為17~20ps/km.nm，從而限制了其在工作波長為1550nm系統(tǒng)中的傳輸速率和傳輸距離。
（2）G.653光纖μm。G.653光纖特點是零色散波長由G.652光纖的1.31μm位移到1.55μm制得的光纖，故其稱為色散位移光纖。G.653光纖同時實現(xiàn)了1.55μm窗口的低衰減系數(shù)和小色散系數(shù)。但是當(dāng)其用于帶有摻鉺光纖放大器的波分復(fù)用系統(tǒng)中時，由于光纖芯中的光功率密度過大產(chǎn)生了非線性效應(yīng)，限制了G.653光纖在單信道速率10Gbit/s以上波分復(fù)用或密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用。
�。�3）G.655光纖。G.655光纖特點是在1.530~1.565μm波長區(qū)為非零色散，故其稱為非零色散位移光纖。G.655光纖解決G.653光纖在單信道速率10Gbit/s以上波分復(fù)用中出現(xiàn)的非線性效應(yīng)，特別是四波混頻，所以其在10Gbit/s以上波分復(fù)用或密集波分復(fù)用的高速率、大容量、遠距離光纖傳輸系統(tǒng)中得到極為廣泛地應(yīng)用。
當(dāng)今，消費者選用光纖主要是依據(jù)光纖的光傳輸性能（如衰減、色散、偏振模色散、非線性效應(yīng)）、系統(tǒng)單信道速率、傳輸距離，是否采用波分復(fù)用或密集波分復(fù)用或稀疏波分復(fù)用等因素綜合考慮。
