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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。
致謝：技術質量部經理康曉健、孫建軍高級工程師等提出了寶貴的意見和建議，在此表示感謝。
參考文獻
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[2] Gordon Thomas, Towards the
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[3] 唐仁杰，光纖技術的最新發展及光纖標準動態,全國第二屆光纖光纜用材料技術研討會,
pp2-pp20
(轉P17頁)
(接P31頁)
[4]
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[11] 謝康，長飛公司全貝（FullBand）光纖及其特性,第三屆中國光通信技術與市場研討會,
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[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
江蘇法爾勝光子公司 摘自：《網絡通信世界》 |
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