《光纖光纜制備》課件第6章

學(xué)習(xí)情境六：特種石英光纖制備與應(yīng)用6.1學(xué)習(xí)目標(biāo)6.2學(xué)習(xí)內(nèi)容

★了解特種石英光纖的分類(lèi)；

★了解特種光纖的應(yīng)用領(lǐng)域；

★了解特種光纖關(guān)鍵指標(biāo)的測(cè)試；

★了解特種光纖的關(guān)鍵制備工藝；

★簡(jiǎn)單了解應(yīng)用特種光纖的光器件。6.1學(xué)習(xí)目標(biāo)

6.2.1特種石英光纖概述

一般來(lái)說(shuō)，非通信用石英光纖和非石英光纖都可以統(tǒng)稱(chēng)為特種光纖。特種光纖包括特種石英光纖和塑料光纖。

特種石英光纖是在傳統(tǒng)石英光纖上通過(guò)改變光纖內(nèi)的摻雜元素或進(jìn)行特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而制成的。特種光纖擴(kuò)大了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)了科研和生產(chǎn)的發(fā)展。6.2學(xué)習(xí)內(nèi)容近年來(lái)，特種光纖發(fā)展非常迅速，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光通信、傳感、材料加工和國(guó)防科技等領(lǐng)域。目前制造低損耗、高性能和多功能集成的特種光纖是眾多從事光纖制造的科研人員所追求的目標(biāo)。

從應(yīng)用領(lǐng)域角度來(lái)說(shuō)，特種光纖的用途很廣泛，幾乎涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域。特種光纖種類(lèi)繁多，而且還在不斷擴(kuò)展新的類(lèi)型，這里僅就目前商業(yè)應(yīng)用比較廣泛的幾大類(lèi)特種石英光纖作一簡(jiǎn)單介紹，包括摻稀土光纖、色散補(bǔ)償光纖(DCF，DispersionCompensationFiber)、保偏光纖(PMF，PolarizationMaintainingFiber)、光子晶體光纖(PCF，PhotonicCrystalFiber)、傳能光纖、抗輻射光纖(RRF，RadiationResistantFiber)等。另外，光纖光柵中用到的光敏光纖、光器件中應(yīng)用的特殊截止波長(zhǎng)單模光纖，以及高溫環(huán)境中應(yīng)用的耐高溫光纖也是重要的特種光纖，由于篇幅限制，此處不作介紹。6.2.2摻稀土光纖

1.概述

摻稀土光纖是指纖芯摻雜稀土離子的光纖，主要作為光纖激光器和放大器中的增益介質(zhì)來(lái)使用，是主要的一類(lèi)特種光纖。

稀土(或稱(chēng)鑭系)元素一共有15個(gè)，在元素周期表中位于倒數(shù)第2行的位置，排首的為鑭(La，原子數(shù)為57)，排尾的為镥(Lu，原子數(shù)為71)，所有的稀土原子都具有相同的外電子結(jié)構(gòu)5s25p66s2，即滿(mǎn)殼層。在4f支殼層內(nèi)占據(jù)的電子數(shù)決定著元素的光學(xué)性質(zhì)。稀土元素的電離通常以形成三價(jià)狀態(tài)的形式發(fā)生，如釹(Nd3+)等，它們均溢出2個(gè)6s和1個(gè)4f電子。由于剩下的4f電子受到屏蔽作用，因此它們的熒光與吸收波長(zhǎng)不易受外場(chǎng)的影響，較為穩(wěn)定。圖6-1是摻稀土光纖中常見(jiàn)的摻雜稀土的能級(jí)結(jié)構(gòu)。

摻稀土光纖的發(fā)展始于在光通信中的應(yīng)用，自20世紀(jì)80年代末期摻鉺光纖成熟，90年代初研制成商用摻鉺光纖放大器(EDFA)，并開(kāi)始應(yīng)用于1550nm波段的光纖通信系統(tǒng)以來(lái)，推動(dòng)了光纖通信向全光傳輸方向發(fā)展。目前在國(guó)際光通信領(lǐng)域EDFA的技術(shù)開(kāi)發(fā)和商品化很成熟，在實(shí)際中也得到了廣泛的應(yīng)用。到目前為止，摻稀土特種光纖已經(jīng)有了很大的發(fā)展，所用的摻雜劑有Nd3+、Er3+、Pr3+、Ho3+、Eu3+、Yb3+、Dy3+、Tm3+等。摻稀土光纖對(duì)于包括光纖激光器、放大器和傳感器在內(nèi)的各種應(yīng)用是十分有吸引力的。它的特點(diǎn)是圓柱形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，芯徑小，表面與體積比值高，因此很容易實(shí)現(xiàn)高密度泵浦，激射閾值低，散熱性能好，大小與通信光纖很匹配，耦合容易且效率高，可形成傳輸光纖與有源光纖一體化，是實(shí)現(xiàn)全光通信的基礎(chǔ)。圖6-1摻稀土光纖的摻雜稀土的能級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)于摻稀土光纖來(lái)說(shuō)，光纖基質(zhì)材料是玻璃。玻璃大都是由形成無(wú)序基體的共價(jià)鍵分子組成的。稀土離子對(duì)玻璃基質(zhì)的摻雜，實(shí)際上是稀土離子作為網(wǎng)格改體存在或填隙于玻璃網(wǎng)格中。玻璃基質(zhì)對(duì)稀土離子的光譜能級(jí)施加兩種影響：其一是導(dǎo)致斯塔克(Stark)分裂，能級(jí)中存在的任何簡(jiǎn)并都會(huì)因基質(zhì)原子鍵引起的電場(chǎng)非均勻分布的影響而取消；其二是導(dǎo)致能級(jí)展寬，展寬機(jī)制有聲子展寬和基質(zhì)電場(chǎng)擾動(dòng)展寬。聲子展寬是因能級(jí)間躍遷時(shí)伴有聲子產(chǎn)生或湮滅一類(lèi)的能量交換引起的，聲子的能量與溫度有關(guān)，溫度提高時(shí)聲子數(shù)增多，因而光譜變寬。聲子展寬的作用對(duì)所有稀土離子都是相同的，所以是均勻展寬?；|(zhì)電場(chǎng)擾動(dòng)展寬是基質(zhì)電場(chǎng)引起的，這種作用對(duì)各稀土離子因遠(yuǎn)近而不同，所以相應(yīng)的展寬是非均勻的。顯然，這種展寬與溫度無(wú)關(guān)。

2.分類(lèi)

按照纖芯中摻雜的稀土離子的不同，摻稀土光纖可以分為摻鉺光纖(Er-dopedFiber)、摻鐿光纖(Yb-dopedFiber)、摻銩光纖(Tm-dopedFiber)、摻釹光纖(Nd-dopedFiber)、摻鈥光纖(Ho-dopedFiber)、摻釤光纖(Sm-dopedFiber)、摻譜光纖(Pr-dopedFiber)、摻銪光纖(Eu-dopedFiber)、摻鏑光纖(Dy-dopedFiber)、鉺鐿共摻光纖(Er-YbcodopedFiber)、銩鈥共摻光纖(Tm-HocodopedFiber)、鐿鈥共摻光纖(Yb-HocodopedFiber)等。

按照包層結(jié)構(gòu)不同，摻稀土光纖可以分為單包層光纖(Single-modeFiber)、雙包層光纖(Double-cladFiber)和多包層光纖(Multi-cladFiber，常見(jiàn)為三包層光纖)，如圖6-2所示。

圖6-2摻稀土光纖的分類(lèi)按照獲得的激光波長(zhǎng)不同，摻稀土光纖可以分為可見(jiàn)光波段增益光纖、1000nm波段增益光纖、O-Band增益光纖、S-Band增益光纖、C-Band增益光纖、L-Band增益光纖、人眼安全波段增益光纖。

3.研究進(jìn)展與應(yīng)用

近年來(lái)，摻稀土光纖的研究主要集中于單包層和雙包層摻鉺光纖、雙包層摻鐿光纖、雙包層鉺鐿共摻光纖、雙包層摻銩光纖以及摻稀土微結(jié)構(gòu)光纖(詳見(jiàn)6.2.5節(jié))。

1)摻鉺光纖

光纖通信網(wǎng)絡(luò)是信息社會(huì)的支柱，是“信息高速公路”的骨干網(wǎng)，也是世界通信建設(shè)今后發(fā)展的主體。密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)在未來(lái)光纖通信網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用，特別是與光放大技術(shù)的結(jié)合使用為全光網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行提供了一個(gè)解決容量問(wèn)題的最佳方案，在光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和性能改善上起關(guān)鍵作用的摻鉺光纖放大器(EDFA)將在DWDM系統(tǒng)中扮演越來(lái)越重要的角色。EDFA以其高增益、高功率輸出、低噪聲、寬帶和與光纖網(wǎng)絡(luò)良好的兼容性，在DWDM系統(tǒng)中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，有力地推動(dòng)了光纖通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。可以說(shuō)，EDFA的出現(xiàn)是光纖通信發(fā)展史上里程碑式的進(jìn)步。圖6-3為EDFA實(shí)物圖。

圖6-3EDFA實(shí)物圖摻鉺光纖的信號(hào)放大作用是利用光纖中摻入的Er3+離子在泵浦光作用下的受激輻射而實(shí)現(xiàn)的。摻鉺光纖中，Er3+離子吸收由泵浦光源(如980nm或1480nm的LD)發(fā)出的光，被激發(fā)到較高能級(jí)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。此時(shí)，從較高能級(jí)躍遷到基態(tài)就發(fā)射一個(gè)光子，這個(gè)過(guò)程可以是自發(fā)的，也可以是受激輻射的。當(dāng)光子能量等于能級(jí)4I13/2和4I15/2之間的能量差的信號(hào)光(1530～1565nm)通過(guò)摻鉺光纖時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生受激輻射，信號(hào)光被直接放大。受激亞穩(wěn)態(tài)的長(zhǎng)壽命(約10ms)可保證大多數(shù)鉺離子能等待形成受激輻射以放大光信號(hào)，而不至于產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲。根據(jù)光纖通信網(wǎng)絡(luò)中使用位置的不同，對(duì)摻鉺光纖的技術(shù)要求也有所不同。EDFA總的發(fā)展趨勢(shì)是向超寬帶、高增益、低噪聲、增益譜形超平坦的方向發(fā)展，這就要求摻鉺光纖在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝上有所創(chuàng)新，重點(diǎn)圍繞如何實(shí)現(xiàn)高摻雜、低背景損耗、高摻鋁和其他共摻雜劑等。表6-1為常見(jiàn)摻鉺光纖指標(biāo)。

表6-1常見(jiàn)摻鉺光纖指標(biāo)2)雙包層光纖

雙包層光纖在纖芯外有兩個(gè)包層，內(nèi)包層起著使激光約束在單模纖芯內(nèi)和成為泵浦光的多模導(dǎo)管的作用，外包層用于將泵浦光限制在內(nèi)包層之內(nèi)。內(nèi)包層的直徑一般為幾百微米，使得泵浦光無(wú)需單模，可用高功率多模半導(dǎo)體激光器作泵浦源，一部分光耦合到纖芯中，而大部分光耦合到內(nèi)包層中。內(nèi)包層中的光受外包層限制，在內(nèi)包層之間來(lái)回反射，不斷地穿過(guò)纖芯，不斷地被吸收，所以泵浦光在光纖的一端耦合進(jìn)入光纖，在光纖的整個(gè)長(zhǎng)度上被泵浦，大大提高了泵浦功率。雙包層光纖提高了泵浦功率，卻降低了泵浦效率，這是因?yàn)楸闷止馊肷湮恢煤徒嵌炔煌?，進(jìn)入光纖后，光的運(yùn)動(dòng)形式分為子午光線(xiàn)和偏射光線(xiàn)，而偏射光線(xiàn)與纖芯不相交，這種光線(xiàn)的吸收率很低，因此影響了泵浦效率。通過(guò)對(duì)內(nèi)包層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以改善雙包層光纖的泵浦效率。首臺(tái)100W級(jí)衍射限制的光纖激光器由IPG于2000年推出。這種激光器應(yīng)用光纖側(cè)耦合技術(shù)，具有高功率輸出，可用于焊接、燒結(jié)以及低功率的銅焊。由于其采用了光纖熔錐結(jié)構(gòu)，可直接熔接耦合進(jìn)行側(cè)泵，因此既不需要任何光學(xué)元件，還可以避免損傷光纖端面，容易提高泵源的注入。同時(shí)，這種泵浦方式可以采用多個(gè)泵浦源進(jìn)行泵浦，這就降低了單個(gè)泵浦激光器的功率，因此可避免強(qiáng)激光單點(diǎn)引起的非線(xiàn)性效應(yīng)和模式惡化，易于泵源的散熱，提高了壽命，且有利于維修和更換。

這種結(jié)構(gòu)的光纖激光器實(shí)現(xiàn)了全光纖結(jié)構(gòu)，因此其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧，使用靈活方便，易于實(shí)現(xiàn)高效率和高功率，輸出激光光束質(zhì)量好。這些正是傳統(tǒng)固體激光器和氣體激光器的不足，因此在材料加工等領(lǐng)域，光纖激光器有著代替?zhèn)鹘y(tǒng)激光器的趨勢(shì)，被認(rèn)為是第三代激光器的主要代表。摻稀土光纖的主要生產(chǎn)廠(chǎng)家有：美國(guó)的康寧公司、OFS公司、IPG公司、Nufern公司、恩耐公司、相干公司，英國(guó)的Fibercore，日本株式會(huì)社藤倉(cāng)，加拿大的Coractive公司，丹麥的CrystalFiber公司等。其中，最大的摻鉺光纖供應(yīng)商是康寧公司；IPG公司的相關(guān)產(chǎn)品供應(yīng)內(nèi)部器件的需要，不對(duì)外銷(xiāo)售；CrystalFiber公司提供摻稀土微結(jié)構(gòu)光纖。國(guó)內(nèi)從事?lián)较⊥凉饫w工藝研究的單位較少，企業(yè)性質(zhì)的研究單位主要有烽火通信、電子科技集團(tuán)46所(天津)、電子科技集團(tuán)23所(上海)，高?？蒲袉挝恢饕腥A中科技大學(xué)、北京交通大學(xué)等。

4.制備工藝

1955年，S.B.Poole和D.N.Payne等采用干法摻雜技術(shù)制作出了低損耗稀土摻雜光纖，這種制作方法可在MCVD預(yù)制棒制作平臺(tái)上一步完成，但稀土離子的摻雜濃度低。所有的氣相沉積工藝均需要克服摻雜元素鹵化物低蒸氣壓的問(wèn)題，采取的途徑主要是精確控制反應(yīng)物的預(yù)熱溫度，這增加了制作技術(shù)的復(fù)雜性，提高了對(duì)設(shè)備的要求和制造成本。1957年，S.B.Poole等人采用溶液摻雜技術(shù)首次制作出了單模低損耗摻鉺光纖(EDF)，這種方法在當(dāng)時(shí)大大提高了稀土離子的摻雜濃度，同時(shí)通過(guò)溶液混合容易摻入其他共摻物。此后溶液摻雜技術(shù)立即受到重視并得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在大部分商用摻鉺光纖就是通過(guò)溶液摻雜法制作的。

改良的化學(xué)氣相淀積工藝(MCVD)、外部氣相沉積工藝(OVD)、改進(jìn)的納米粒子直接沉積工藝(DND)和軸向氣相沉積工藝(VAD)都可以獨(dú)立或與溶液摻雜技術(shù)相結(jié)合來(lái)制作稀土摻雜光纖預(yù)制棒。圖6-4給出了這四種工藝的示意圖。相比于OVD、DND和VAD工藝，MCVD工藝的化學(xué)反應(yīng)在密封的純石英襯底管中進(jìn)行，容易達(dá)到所需的潔凈度要求。另外，MCVD工藝氧化過(guò)程生成的SiO2微粒粒徑小于OVD或VAD工藝水解過(guò)程生成的微粒粒徑，采用MCVD工藝結(jié)合溶液摻雜技術(shù)制作的稀土摻雜光纖具有較好的稀土離子摻雜均勻性。

圖6-4常用摻稀土光纖制備工藝

MCVD工藝結(jié)合溶液摻雜技術(shù)是制作稀土摻雜光纖常用的方法，如圖6-5所示，其工藝過(guò)程如下：

(1)采用標(biāo)準(zhǔn)的MCVD工藝沉積幾層與襯底管折射率一致的阻擋層，用以限制襯底管中雜質(zhì)離子向纖芯擴(kuò)散。SiCl4、GeCl4、O2、POCl3和SF6等通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)入襯底管，在氫氧焰噴燈(或感應(yīng)電爐)產(chǎn)生的高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的SiO2、GeO2等微粒附著在高溫區(qū)下游的管壁上，在噴燈經(jīng)過(guò)沉積的微粒時(shí)如果溫度足夠高，微粒將被熔化為透明的玻璃。阻擋層沉積完成之后，降低沉積溫度，SiO2、GeO2等微粒不會(huì)被熔化，將形成多孔的疏松層。制作疏松層的關(guān)鍵在于要將溫度控制在一個(gè)合適的范圍之內(nèi)，否則溫度過(guò)高SiO2、GeO2等微粒會(huì)被熔化為玻璃，溫度過(guò)低則將導(dǎo)致疏松層與管壁結(jié)合力降低，浸泡溶液過(guò)程中疏松層可能脫落。

圖6-5摻稀土光纖經(jīng)典制備工藝(MCVD+溶液摻雜法)

(2)將沉積好阻擋層和疏松層的襯底管浸泡入富含稀土離子的去離子水或有機(jī)溶液中，使得疏松層有機(jī)會(huì)吸附到稀土離子。溶液中也可摻雜其他共摻物的離子(如Al3+)，以改善稀土摻雜光纖的性能。

(3)浸泡一定時(shí)間后取出，將管子重新安裝到MCVD車(chē)床上，加溫到900～1000℃通Cl2、O2和He進(jìn)行脫水處理，以除去管中可能含有的水分子和羥基離子。

(4)升高溫度到1500～1700℃，將疏松層熔化為玻璃后再升溫到2200℃，將石英管熔縮為實(shí)心預(yù)制棒。6.2.3色散補(bǔ)償光纖

1.概述

色散補(bǔ)償光纖(DCF)是早在1990年由Lin等人提出的，如今它已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的補(bǔ)償技術(shù)，而且是唯一的寬帶解決方法，已經(jīng)大規(guī)模地商業(yè)化制造和生產(chǎn)。自1994年色散補(bǔ)償光纖開(kāi)始商用以來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多色散補(bǔ)償光纖的品種。

色散補(bǔ)償光纖可以按工作模式、補(bǔ)償譜寬及折射率剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)。按工作模式可以分為單模(LP01模)色散補(bǔ)償光纖和雙模(LP11模)色散補(bǔ)償光纖；按補(bǔ)償譜寬可分為窄帶補(bǔ)償光纖和寬帶補(bǔ)償光纖；按折射率剖面結(jié)構(gòu)可分為簡(jiǎn)單階躍、多包層型等。單模色散補(bǔ)償光纖是針對(duì)基模的設(shè)計(jì)，即利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的改變，如在纖芯中使用高的相對(duì)折射率差或在纖芯周?chē)黾硬煌凵渎实亩喟鼘?，以增?qiáng)LP01模的負(fù)波導(dǎo)色散。目前提出的單模色散補(bǔ)償光纖結(jié)構(gòu)有單階躍型、W型、三包層型和多包層型。雙模色散補(bǔ)償光纖是針對(duì)高階模的設(shè)計(jì)，即在接近截止波長(zhǎng)處工作的LP11模產(chǎn)生較高負(fù)色散。

對(duì)于已安裝的成纜光纖，色度色散是一個(gè)非常穩(wěn)定的值。這就提供了一個(gè)對(duì)整段光纖鏈路的色度色散進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臋C(jī)會(huì)。進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)之一就是使用色散補(bǔ)償光纖。其原理是：光纖線(xiàn)路的色散可以通過(guò)插入一段具有和光纖線(xiàn)路相反色散特性的單模光纖來(lái)補(bǔ)償。這樣，鏈路的總色散就幾乎為零，因此人們稱(chēng)之為色散補(bǔ)償光纖。通常色度色散的值為正，所以色散補(bǔ)償光纖的色散值為負(fù)值，一般為-50～-500ps/(nm·km)。

隨著MSTP(多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái))、WDM(波分復(fù)用)、RPR(彈性分組環(huán))等新技術(shù)在城域網(wǎng)中廣泛應(yīng)用，城域網(wǎng)的傳輸速率越來(lái)越高，而作為連接各城域網(wǎng)的主要通道，長(zhǎng)途光纜傳輸網(wǎng)所面臨的帶寬壓力越來(lái)越大。受此推動(dòng)，國(guó)內(nèi)各電信運(yùn)營(yíng)商都將長(zhǎng)途光纜網(wǎng)的擴(kuò)容作為近期的業(yè)務(wù)重點(diǎn)。我國(guó)長(zhǎng)途光纜中95%是基于G

.652光纖構(gòu)筑的，其在1310nm波長(zhǎng)有最小的色散，但衰減較大，而在1550nm波段有最低的衰減(約0.20dB/km)。所以，人們迫切希望利用1550nm這一波長(zhǎng)窗口。特別是近幾年來(lái)工作在1550nm波段的摻鉺光纖放大器(EDFA)的成功開(kāi)發(fā)和實(shí)用化，進(jìn)一步消除了衰減對(duì)通信系統(tǒng)的限制。這使得1550nm波段成了大容量、長(zhǎng)距離光波系統(tǒng)的優(yōu)選窗口。但G．652光纖在1550nm色散較大(約15～20ps/(nm·km))，因此為了充分利用摻鉺光纖放大器帶來(lái)的好處，必須研究解決色散問(wèn)題。為了解決1310nm零色散標(biāo)準(zhǔn)單模光纖通信網(wǎng)絡(luò)在1550nm波段的升級(jí)及擴(kuò)容問(wèn)題，近年來(lái)研究人員對(duì)色散補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了研究，先后提出了如下色散補(bǔ)償?shù)墓饩饧夹g(shù)：

(1)光纖光柵補(bǔ)償。

(2)鏡像相位陣列補(bǔ)償。

(3)平面波導(dǎo)器件補(bǔ)償。

(4)利用非線(xiàn)性效應(yīng)—中點(diǎn)譜反轉(zhuǎn)法補(bǔ)償。

(5)

DCF(色散補(bǔ)償光纖)補(bǔ)償。DCF通過(guò)減小光纖的模場(chǎng)直徑來(lái)改變光信號(hào)在光纖中的有效傳輸面積，通過(guò)合理設(shè)計(jì)使光纖的纖芯具有較大的折射率，從而實(shí)現(xiàn)較大的負(fù)色散值和色散斜率。

2.制備工藝

色散補(bǔ)償光纖預(yù)制棒的制備工藝和常規(guī)單模光纖的制備工藝基本相同，可以是常見(jiàn)的四種制備工藝中的任意一種。由于PCVD工藝可以沉積數(shù)千層芯層，具有高精度折射率控制、高沉積效率、極好的靈活性等特點(diǎn)，在模場(chǎng)直徑、帶寬、偏振模色散和色散控制等關(guān)鍵技術(shù)上有非凡的品質(zhì)，能提供性能杰出的單模光纖，尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的單模光纖，因此，PCVD工藝在制備色散補(bǔ)償光纖預(yù)制棒方面有一定的優(yōu)勢(shì)。色散補(bǔ)償光纖由于折射率剖面結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖6-6)復(fù)雜且芯徑較小，在光纖預(yù)制棒制備過(guò)程中需要特別注意控制光纖預(yù)制棒的同心度誤差和水分的含量。原材料提純、沉積和成棒工藝控制、高精度套管技術(shù)是色散補(bǔ)償光纖預(yù)制棒制備的關(guān)鍵技術(shù)。

圖6-6常見(jiàn)色散補(bǔ)償光纖折射率剖面形狀合適的拉絲溫度和速度可以改善光纖衰減，色散補(bǔ)償光纖拉絲采用比常規(guī)光纖拉絲更低的速度，一般為50～800m/min。實(shí)現(xiàn)光纖搓扭控制可以減小PMD數(shù)值。另外，根據(jù)需要，選擇合適的光纖直徑可以改變色散的數(shù)值。

3.色散補(bǔ)償模塊

色散補(bǔ)償光纖應(yīng)用在光系統(tǒng)中是以模塊的形式出現(xiàn)的。常見(jiàn)的色散補(bǔ)償模塊補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)單模光纖色散的長(zhǎng)度有20km、40km、60km、80km、100km和120km等。色散補(bǔ)償模塊的外觀(guān)如圖6-7所示。

圖6-7色散補(bǔ)償模塊的外觀(guān)圖為了對(duì)現(xiàn)有的大量1310nm零色散標(biāo)準(zhǔn)單模光纖通信系統(tǒng)進(jìn)行改造，使其在1550nm波段進(jìn)行大容量、長(zhǎng)距離的傳輸，在1310nm零色散標(biāo)準(zhǔn)單模光纖通信系統(tǒng)中加入一段適當(dāng)長(zhǎng)度的在1550nm具有很大負(fù)色散的色散補(bǔ)償光纖，以抵消原標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在1550nm處的正色散，使通信線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)在1550nm處總為零色散或較小的色散(由于發(fā)射機(jī)的非線(xiàn)性效應(yīng)和可能的啁啾，完全補(bǔ)償未必最佳)，即

(6-1)式中，DSMF和DDCF分別為1310nm零色散標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和色散補(bǔ)償光纖在1550nm處的色散系數(shù)；LSMF和LDCF分別為兩種光纖的長(zhǎng)度。因此，進(jìn)行色散補(bǔ)償所要加入的色散補(bǔ)償光纖的長(zhǎng)度為

(6-2)

色散補(bǔ)償光纖(DCF)的一個(gè)缺點(diǎn)是增大了總的鏈路衰減，這可用摻鉺光纖放大器來(lái)彌補(bǔ)，如圖6-8所示。

圖6-8加入色散補(bǔ)償光纖和摻鉺光纖放大器的系統(tǒng)示意圖增加的衰減必須由放大器的附加增益來(lái)補(bǔ)償，由此降低了信噪比并增加了系統(tǒng)成本。為了克服這一問(wèn)題，DCF在1550nm處的色散系數(shù)DDCF應(yīng)盡可能高，衰減αDCF應(yīng)盡可能低。因此，色散補(bǔ)償光纖的品質(zhì)因數(shù)(FOM)可以定義為

(6-3)

對(duì)于多信道高速WDM系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的色散補(bǔ)償是必要的。這意味著除了色散之外還有必要補(bǔ)償色散斜率。系統(tǒng)的總色散斜率為

(6-4)其中，SSMF和SDCF分別為1310nm零色散標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和色散補(bǔ)償光纖的色散斜率。要實(shí)現(xiàn)斜率補(bǔ)償(即ST

=

0)，DCF的色散斜率必須是負(fù)的。如果選擇DCF的長(zhǎng)度使得總色散補(bǔ)償DT

=

0，那么總斜率補(bǔ)償?shù)臈l件是DCF的相對(duì)色散斜率(RDS)應(yīng)等于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的相對(duì)色散斜率，即

(6-5)

式中，相對(duì)色散斜率定義為色散斜率與色散之比：

(6-6)在具有總色散補(bǔ)償?shù)珒H有部分斜率補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)中，系統(tǒng)的總色散斜率計(jì)算式為

(6-7)

式中，DSCR是色散斜率補(bǔ)償率，定義為

(6-8)

4.商用研究進(jìn)展與展望

色散補(bǔ)償光纖和模塊的國(guó)外主流供應(yīng)商有日本藤倉(cāng)、美國(guó)康寧、美國(guó)OFS等，國(guó)內(nèi)主要供應(yīng)商有武漢長(zhǎng)飛和烽火通信。色散補(bǔ)償模塊的關(guān)鍵參數(shù)如表6-2所示。表6-2主要DCF生產(chǎn)廠(chǎng)商80km的G

.652光纖C波段色散補(bǔ)償模塊參數(shù)項(xiàng)目單位廠(chǎng)商康寧藤倉(cāng)OFS長(zhǎng)飛色散ps/nm1313±271360±411360±27-1340±40插入損耗dB≤8.0≤7.0≤7.2≤8.0PMDps≤0.6≤0.7≤0.75≤0.8RDSnm-10.0036±10%0.0034±20%0.0035±20%0.0036±10%

DCF的損耗較大，通常與EDFA一起使用。原則上，DCF可以放在中繼的任何位置，不過(guò)一般放在EDFA的前面，因?yàn)镈CF的芯徑比常規(guī)單模光纖小，經(jīng)EDFA放大的光脈沖能量很強(qiáng)，在DCF中容易產(chǎn)生非線(xiàn)性效應(yīng)，不僅減弱了DCF的補(bǔ)償作用，還會(huì)惡化系統(tǒng)性能。在應(yīng)用中通常用品質(zhì)因素來(lái)衡量色散補(bǔ)償光纖的補(bǔ)償能力，DCF品質(zhì)因素越大越好。

目前色散補(bǔ)償光纖的色散系數(shù)有望得到進(jìn)一步的提高，以期使用更短的DCF補(bǔ)償更長(zhǎng)的G

.652光纖，有利于降低模塊插損并使其小型化。除了現(xiàn)在需求較大的補(bǔ)償G

.652光纖的C波段DCF外，L波段、C+L波段、S+C+L波段的DCF需求也會(huì)逐漸增加。隨著光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，用于補(bǔ)償G

.655和G

.656光纖的C波段、L波段、C+L波段、S+C+L波段的各型DCF也有廣泛的應(yīng)用。此外，色散補(bǔ)償光纖還需要解決偏振模色散、插入損耗、彎曲損耗等進(jìn)一步降低的問(wèn)題，以滿(mǎn)足將來(lái)光纖通信中更高速率、更大容量的需要。6.2.4偏振保持光纖

1.概述

偏振保持光纖(PMF，PolarizationMaintainingFiber)簡(jiǎn)稱(chēng)保偏光纖。光纖的雙折射和偏振特性是單模光纖所具有的性質(zhì)。單模光纖波導(dǎo)所支持的LP01模式，若考慮模式傳輸?shù)钠裉匦?，?yīng)當(dāng)包括兩個(gè)偏振態(tài)相互垂直的模式LP01x和LP01y。在完美的單模光纖中，LP01x和LP01y模式具有完全相同的傳輸參數(shù)，是完全簡(jiǎn)并的。但在實(shí)際的光纖產(chǎn)品中，由于幾何不對(duì)稱(chēng)性、殘余應(yīng)力等的作用，會(huì)導(dǎo)致LP01x和LP01y模式的傳輸參數(shù)不一致而使其解簡(jiǎn)并，這種情況被稱(chēng)為模式雙折射。由于模式雙折射的存在，光纖的傳輸情況會(huì)變得更為復(fù)雜，一般單模光纖的偏振模色散PMD即源于光纖的模式雙折射。保偏光纖也稱(chēng)為高雙折射光纖，它人為地打破纖芯幾何形狀或折射率分布的圓對(duì)稱(chēng)性，使x方向和y方向的兩個(gè)偏振基模之間具有相當(dāng)大的傳輸常數(shù)差，導(dǎo)致兩線(xiàn)偏振基模之間的交叉耦合系數(shù)變得相當(dāng)小，于是PMF就能在長(zhǎng)距離上保持原有的傳輸偏振態(tài)。由于對(duì)線(xiàn)偏振光具有較強(qiáng)的偏振保持能力，并且與普通單模光纖有良好的相容性，因此PMF在光纖通信和光纖傳感系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著電子信息技術(shù)的進(jìn)步，光纖偏振器、光纖偏振耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器和水聽(tīng)器等相干檢測(cè)器以及光纖陀螺對(duì)PMF的需求量越來(lái)越大。表征單模光纖線(xiàn)雙折射現(xiàn)象的參數(shù)主要有拍長(zhǎng)和串音。光纖的拍長(zhǎng)反映了LP01x和LP01y模式的有效折射率差的大小。光纖的串音表示保偏光纖兩個(gè)正交偏振態(tài)之間的能量耦合交換能力，有時(shí)這種耦合交換能力也用消光比或者耦合常數(shù)來(lái)表征。拍長(zhǎng)、串音、消光比這三個(gè)參數(shù)是相互聯(lián)系的。2.分類(lèi)

1979年，L.P.Kaminow等人首次提出了PMF的概念和相應(yīng)的制造方法。國(guó)外在20世紀(jì)80年代掀起了PMF研究及應(yīng)用的高潮，各廠(chǎng)家依據(jù)各自的具體條件通過(guò)各種不同的途徑來(lái)制作PMF，通過(guò)在光纖中引入不對(duì)稱(chēng)的幾何形狀或者不對(duì)稱(chēng)的應(yīng)力分布，出現(xiàn)了多種保偏光纖結(jié)構(gòu)形式：邊坑型、邊通道型、平板包層型、熊貓型、領(lǐng)結(jié)型和橢圓包層型等。經(jīng)過(guò)性能、工藝、成本等多方面的競(jìng)爭(zhēng)，熊貓型、領(lǐng)結(jié)型和橢圓包層型三種應(yīng)力致偏型是目前仍然應(yīng)用的類(lèi)型。其中，熊貓型PMF的應(yīng)用最普遍。圖6-9是目前常用的保偏光纖的結(jié)構(gòu)形式。

圖6-9三種主要的保偏光纖結(jié)構(gòu)根據(jù)光纖中雙折射的不同，存在線(xiàn)性雙折射、圓雙折射以及橢圓雙折射等不同的情況。當(dāng)前，在實(shí)際中被應(yīng)用的主要是線(xiàn)性雙折射光纖。

3.制備工藝

不同結(jié)構(gòu)的保偏光纖其制備工藝不同。下面簡(jiǎn)單介紹領(lǐng)結(jié)型、熊貓型、橢圓包層型保偏光纖的制備工藝。

1)領(lǐng)結(jié)型保偏光纖

領(lǐng)結(jié)型保偏光纖常用的制作方法是氣相腐蝕法(Gas-PhaseEtching)和管套棒法。氣相腐蝕法的制作流程如圖6-10所示。

(1)用MCVD法沉積幾層輕度摻雜氟磷緩沖層，再沉積幾層摻雜硼硅酸鹽玻璃層。

(2)車(chē)床停止旋轉(zhuǎn)，沿石英管兩側(cè)對(duì)稱(chēng)加熱，同時(shí)向管內(nèi)通入含有氟氣的氣流，腐蝕掉石英管被加熱部分內(nèi)壁上的硼硅酸鹽層，然后沉積下一個(gè)氟磷包層，再沉積摻鍺纖芯層。

(3)縮棒后即制成領(lǐng)結(jié)型PMF。

管套棒法是將7根預(yù)制棒(4根純石英棒，2根摻鋁或硼的應(yīng)力棒，1根摻鍺的纖芯棒)，集成為一束插入到純石英襯底管中，再升溫至2100℃左右拉絲制成PMF。此法的缺點(diǎn)是應(yīng)力棒、石英棒和外套管之間的位置很難固定和精確，特別是拉絲過(guò)程中的位置精度更難保證。管套棒法也可以用來(lái)制作熊貓型PMF。

圖6-10氣相腐蝕法制備領(lǐng)結(jié)型PMF預(yù)制棒的流程

2)熊貓型保偏光纖

熊貓型保偏光纖常用的制作方法是護(hù)套打孔法(Pit-in-Jacket)。此法是在已加工好的單模光纖預(yù)制棒上，沿縱向?qū)ΨQ(chēng)地加工兩個(gè)預(yù)應(yīng)力孔，如圖6-11所示，然后根據(jù)已成孔的形狀尺寸要求，將摻硼棒研磨、拋光后鑲嵌到預(yù)應(yīng)力孔中，并保證最小間隙的滑動(dòng)配合，加熱后熔為一體，制成熊貓型PMF預(yù)制棒。其關(guān)鍵技術(shù)是如何打制高質(zhì)量的預(yù)應(yīng)力孔，因?yàn)榭椎膶?duì)稱(chēng)性、直線(xiàn)度、孔內(nèi)壁的表面粗糙度以及孔棒的配合精度都會(huì)直接影響到成纖后PMF的性能。

圖6-11護(hù)套打孔法制作熊貓型PMF預(yù)制棒

3)橢圓包層型保偏光纖

橢圓包層型保偏光纖常用的制作方法是預(yù)制棒研磨法和減壓燒縮法。

(1)預(yù)制棒研磨法。該法制作工藝簡(jiǎn)單，如圖6-12(a)所示，在用MCVD法沉積包層和纖芯之前，先把石英襯底管相對(duì)兩側(cè)邊磨平，然后沉積硼硅酸鹽包層和純石英纖芯或摻雜纖芯，高溫縮棒時(shí)，表面張力使得預(yù)制棒外表成為圓形，而包層成為橢圓形；或者先制成預(yù)制棒，再把預(yù)制棒兩側(cè)邊磨平，拉絲后制成橢圓包層PMF。

(2)減壓燒縮法。此法用MCVD法在純石英襯底管內(nèi)壁上沉積硼硅酸鹽玻璃層、緩沖層和摻鍺芯層，如圖6-12(b)所示，然后減小管內(nèi)氣壓，在適當(dāng)溫度(1800℃)下縮棒，應(yīng)力層會(huì)變成橢圓形。其關(guān)鍵之處是要保證管內(nèi)氣壓低于大氣壓，并在縮棒時(shí)進(jìn)行溫度和氣壓的精確控制。

圖6-12橢圓包層型PMF預(yù)制棒制作流程圖除以上兩種方法外，還有氣相腐蝕法、護(hù)套打孔法、管套棒法等。這些方法的特點(diǎn)分別是：減壓燒縮法要求制造設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣壓和高溫的精確控制；氣相腐蝕法需要進(jìn)行有毒尾氣的處理；護(hù)套打孔法需要用超聲波打深孔，打孔設(shè)備價(jià)格昂貴；管套棒法由于是將預(yù)制棒套入石英管，加溫以后各棒相互間的位置難以控制，因此會(huì)影響成纖后的光纖性能；預(yù)制棒研磨法降低了設(shè)備要求，容易操作，成品率高，但由研磨以后的預(yù)制棒拉制出的光纖其橫截面形狀不規(guī)則，同時(shí)縱向均勻性也難以保證。

4.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，各國(guó)都在競(jìng)相研究和開(kāi)發(fā)高性能的保偏光纖。目前，國(guó)外已經(jīng)研究出了一系列高性能的保偏光纖，實(shí)用窗口為630nm、850nm、980nm、1300nm、1400～1490nm、1500nm～16××nm，偏振串音高達(dá)-45dB。當(dāng)前商用保偏光纖的典型技術(shù)指標(biāo)如表6-3所示。

表6-3當(dāng)前商用保偏光纖的典型技術(shù)指標(biāo)國(guó)際上，關(guān)于保偏光纖的研究和制造已經(jīng)有了較長(zhǎng)的時(shí)間，而且有各種類(lèi)型的保偏光纖產(chǎn)品已進(jìn)入市場(chǎng)。知名的保偏光纖制造公司有生產(chǎn)領(lǐng)結(jié)型保偏光纖的FiberCore公司，生產(chǎn)橢圓包層型保偏光纖的3M公司，主要生產(chǎn)熊貓型保偏光纖的Fujikura、康寧、Nufern和OFS等公司。這些公司生產(chǎn)的保偏光纖都具有良好的雙折射性能。

國(guó)內(nèi)對(duì)于保偏光纖的研究開(kāi)發(fā)已有近20年的歷史。在2000年以前，主要有西安205研究所、北京玻璃研究院以及天津46所進(jìn)行保偏光纖產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)。從結(jié)構(gòu)上看，北京玻璃研究院研制了領(lǐng)結(jié)型保偏光纖，而天津46所研制的保偏光纖是熊貓型結(jié)構(gòu)的。2000年以后，江蘇法爾勝光子公司和長(zhǎng)飛光纖光纜有限公司也開(kāi)發(fā)了保偏光纖產(chǎn)品。其中，江蘇法爾勝光子公司所開(kāi)發(fā)的“一”字型保偏光纖是一種類(lèi)橢圓包層型保偏光纖，而長(zhǎng)飛光纖光纜有限公司所研制的保偏光纖為熊貓型保偏光纖。6.2.5光子晶體光纖

1.概述

光子晶體光纖(PCF，PhotonicCrystalFiber)是基于光子晶體技術(shù)發(fā)展起來(lái)的下一代傳輸和集成光器件用光纖。目前對(duì)這種光纖的研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)。1991年英國(guó)巴斯(Bath)大學(xué)的P.Russell教授首次獨(dú)到地提出了具有規(guī)則微結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖的概念；1996年巴斯大學(xué)的J.C.Knight博士等人研制成功了世界上第一根光子晶體光纖；1998年J.C.Knight等人又利用蜂窩形空氣洞分布結(jié)構(gòu)制造出了基于光子帶隙限制效應(yīng)導(dǎo)光的微結(jié)構(gòu)光纖，即光子禁帶光纖(PBGFiber)；1999年R.F.Cregan博士等人又制造出了光在空氣纖芯中單模傳播的光子晶體光纖，這種光纖利用光子帶隙限制效應(yīng)把光限制在了低折射率的空氣纖芯中。光子晶體光纖也稱(chēng)為多孔光纖(HoleyFiber)和微結(jié)構(gòu)光纖(MSF，Micro-StructuredFiber)。它由晶格常數(shù)為光波長(zhǎng)量級(jí)的二維光子晶體構(gòu)成，即包層由規(guī)則排列著空氣孔的二氧化硅光纖陣列構(gòu)成，其核心由一個(gè)破壞了包層結(jié)構(gòu)周期性的缺陷構(gòu)成，這個(gè)缺陷可以是固體二氧化硅，也可以是空氣孔，并且這種結(jié)構(gòu)沿光纖軸向保持不變。

2.分類(lèi)

1)按導(dǎo)光機(jī)制不同的分類(lèi)

按導(dǎo)光機(jī)制的不同，光子晶體光纖可以分為兩大類(lèi)：全內(nèi)反射導(dǎo)光型(TIR，TotalInternalReflection)和光子帶隙導(dǎo)光型(PBG，PhotonicBandgapFiber)。

(1)全內(nèi)反射導(dǎo)光型光子晶體光纖。圖6-13所示為兩種最典型的全內(nèi)反射導(dǎo)光型光子晶體光纖。該光纖包層由周期性的空氣孔排列形成，芯子通過(guò)缺少一個(gè)或幾個(gè)空氣孔實(shí)現(xiàn)全內(nèi)反射，空氣孔周?chē)蓪?shí)心材料填充形成，因此芯區(qū)的折射率大于包層的等效折射率。其導(dǎo)光機(jī)制可以由類(lèi)似于傳統(tǒng)階躍光纖的全內(nèi)反射原理加以解釋。

圖6-13全內(nèi)反射導(dǎo)光型光子晶體光纖

(2)光子帶隙導(dǎo)光型光子晶體光纖。圖6-14所示為兩種典型的光子帶隙導(dǎo)光型光子晶體光纖，通常也稱(chēng)為光子帶隙光纖。圖6-14(a)所示的光纖包層由空氣孔按類(lèi)似于蜂窩的結(jié)構(gòu)周期性地排布形成，在其中的一個(gè)蜂窩單元中心處增加一個(gè)小空氣孔，從而引入缺陷，即形成芯區(qū)。圖6-14(b)所示的光纖在中間芯子處由一個(gè)非常大的空氣孔形成，而包層處使用空氣填充率比較高的空氣孔排布形成，這種光纖可以將光場(chǎng)束縛在中心的大空氣孔中傳輸，因此通常稱(chēng)其為空芯結(jié)構(gòu)光子帶隙光纖。這兩種光纖具有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即芯區(qū)的折射率比包層的等效折射率要小，因此使用全內(nèi)反射的原理無(wú)法解釋其導(dǎo)光機(jī)理，必須使用光子帶隙的原理加以理解。這類(lèi)光纖的包層由整齊排列的空氣孔形成二維光子晶體，當(dāng)其尺寸達(dá)到光波長(zhǎng)量級(jí)，且滿(mǎn)足一定的規(guī)律時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光子帶隙，頻率落在光子帶隙中的光波不能在光子晶體包層中傳輸，因此被束縛在缺陷芯區(qū)沿軸向傳輸。

圖6-14兩種結(jié)構(gòu)的光子帶隙光纖(a)蜂窩型結(jié)構(gòu)光子帶隙光纖(b)空芯結(jié)構(gòu)光子帶隙光纖最近科學(xué)家們用高折射率材料(如摻雜石英玻璃、液態(tài)晶體、金屬或有機(jī)聚合物)取代包層中的空氣孔，而纖芯保持無(wú)摻雜的二氧化硅，也可以形成禁帶效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，這種低折射率比的PBG光纖中存在較寬的傳輸窗口，而且其模式折射率和模場(chǎng)分布與傳統(tǒng)光纖類(lèi)似，便于兩者之間的耦合。不過(guò)，這種光纖的特性受到高折射率材料的顯著影響，對(duì)溫度、外加電壓或其他參量反應(yīng)敏感，這一特性也為制作可調(diào)諧器件提供了方便。由于取消了空氣孔的存在，因此這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為全固態(tài)微結(jié)構(gòu)光纖，如圖6-15所示。值得注意的是，這種PBG結(jié)構(gòu)并不需要很高的折射率比，制備工藝要求降低，適合工業(yè)生產(chǎn)，方便與其他類(lèi)型光纖熔接，受到了研究者的極大關(guān)注。

圖6-15全固態(tài)微結(jié)構(gòu)光纖

2)按照用途不同的分類(lèi)

按照用途不同，光子晶體光纖可分為無(wú)限單模光纖(EndlessSingleModeFibre)、高非線(xiàn)性光纖(High-NonlinearPCF)、多芯光纖(MulticoreOpticalFiber)、高雙折射光子晶體光纖(HighlyBirefringentPCF)、摻稀土微結(jié)構(gòu)光纖(RareEarthDopedMSF)、抗彎微結(jié)構(gòu)光纖(BendingInsensitivityMSF)、布拉格微結(jié)構(gòu)光纖(BraggMSF)等。不同用途的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)如圖6-16所示。PCF因其全新的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光機(jī)制、優(yōu)越的導(dǎo)光特性和靈活的設(shè)計(jì)自由度，為光纖激光器、放大器、光開(kāi)關(guān)、濾波器、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、半導(dǎo)體孤子發(fā)生器、光纖偏振器等的設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來(lái)了全新的觀(guān)念，成為光子晶體理論應(yīng)用最為成功的領(lǐng)域。

圖6-16不同用途的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)圖

3.制備工藝

1)概述

光子晶體光纖的制作與普通光纖的制作從大體上來(lái)說(shuō)是類(lèi)似的，分為光纖預(yù)制棒的制作和光纖拉絲兩部分。但是具體到這兩個(gè)部分的實(shí)際操作而言，光子晶體光纖的制作要復(fù)雜得多。制管(毛細(xì)管)、堆棒(堆積毛細(xì)管制成預(yù)制棒)和拉絲是制作PCF光纖的三個(gè)基本步驟。

光子晶體光纖預(yù)制棒的制作方法有管束堆積法、擠壓法、超聲波打孔法、熔合-酸腐蝕法、溶膠-凝膠法以及澆鑄法等。對(duì)以石英為基底的光子晶體光纖，最常用的方法是管束堆積法。該法簡(jiǎn)單、靈活，便于堆積各種結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖預(yù)制棒，而其他方法(如擠壓法、澆鑄法)更適合軟化溫度相對(duì)更低的復(fù)合玻璃材料。

2)管束堆積法制備PCF預(yù)制棒的基本流程

(1)使用光纖拉絲塔將石英管和石英棒拉制成具有精確外徑且沿縱向均勻的毛細(xì)管和毛細(xì)棒。

石英管通常是中心為圓孔的六邊形，管壁厚度可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇。

(2)將毛細(xì)管堆積成六邊形，中間去掉幾根毛細(xì)管或者用實(shí)心棒代替毛細(xì)管，以形成PCF的線(xiàn)缺陷。

(3)將這些堆積好的毛細(xì)管放到一個(gè)尺寸合適的薄壁石英外套管中，并用毛細(xì)棒將外圍空隙填滿(mǎn)。

(4)將毛細(xì)管和石英外套的兩端熔在一塊，以固定毛細(xì)管之間的相對(duì)位置，制成PCF預(yù)制棒。

圖6-17所示為光子晶體光纖預(yù)制棒管束堆積法的制作過(guò)程。

圖6-17光子晶體光纖預(yù)制棒管束堆積法的制作過(guò)程

3)

PCF光纖拉絲

可以對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行酸處理或熱處理，除掉預(yù)制棒表面的裂紋，以減小其在拉絲過(guò)程中變形的可能性。PCF可在傳統(tǒng)的光纖拉絲塔上拉制，精確控制溫度、送料速度和拉絲速度，根據(jù)需要采用一次或兩次拉制以達(dá)到預(yù)定的要求。拉絲時(shí)可以對(duì)PCF預(yù)制棒施加一個(gè)合適的恒定氣壓，以便PCF的多孔結(jié)構(gòu)得到很好的保持。

圖6-18光子晶體光纖拉絲過(guò)程

4.研究進(jìn)展和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

光子晶體光纖在模式特征、非線(xiàn)性系數(shù)、色散特性、保偏效應(yīng)、傳輸特性等多個(gè)方面具有靈活可控的調(diào)節(jié)功能，突破了傳統(tǒng)石英光纖難以跨越的自身極限，表現(xiàn)出了誘人的應(yīng)用前景。

目前，光子晶體光纖的制作工藝仍不是十分成熟，造價(jià)偏高，性能仍不太穩(wěn)定。從目前的發(fā)展情況來(lái)看，筆者認(rèn)為，光子晶體光纖并不會(huì)取代傳統(tǒng)光纖在傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用，而是作為傳統(tǒng)光纖的有效補(bǔ)充，在某些特種光纖領(lǐng)域(如高功率光纖激光器、非線(xiàn)性環(huán)鏡、全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、全光信號(hào)處理、超連續(xù)譜(SC)的產(chǎn)生、光纖放大器等非線(xiàn)性光纖光學(xué)領(lǐng)域)發(fā)揮作用。此外，光子晶體光纖將在高性能保偏光纖領(lǐng)域占據(jù)重要地位，應(yīng)用于氣體、液體傳感、光纖陀螺等特殊場(chǎng)合。在目前的光纖到戶(hù)即FTTH網(wǎng)絡(luò)中，抗彎微結(jié)構(gòu)光纖可能獲得一定的應(yīng)用空間，以便于在室內(nèi)進(jìn)行光纖布線(xiàn)。總之，在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，光子晶體光纖將主要扮演特種光纖的角色，應(yīng)用于非線(xiàn)性光纖光學(xué)、高功率傳導(dǎo)、光纖傳感等特殊場(chǎng)合。現(xiàn)在，光子晶體光纖的發(fā)展凸顯出了幾大主題，即新結(jié)構(gòu)、新材料、新應(yīng)用等，并吸引了國(guó)內(nèi)外的眾多研究機(jī)構(gòu)，如英國(guó)巴斯大學(xué)、南安普頓大學(xué)，美國(guó)麻省理工學(xué)院，丹麥技術(shù)大學(xué)以及日本、澳大利亞、法國(guó)、德國(guó)、加拿大、新加坡等國(guó)的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)對(duì)光子晶體光纖的研究起步稍晚于歐美各國(guó)，進(jìn)行光子晶體光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝研究的單位主要有清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢長(zhǎng)飛、烽火通信、天津大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)、上海光機(jī)所、北京交通大學(xué)、燕山大學(xué)、北京玻璃研究院、北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京郵電大學(xué)等，在基本理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵制備工藝創(chuàng)新方面基本以跟蹤國(guó)外先進(jìn)技術(shù)為主。6.2.6傳能光纖

1.概述和應(yīng)用

傳能光纖也稱(chēng)為能量傳輸光纖。從嚴(yán)格意義上說(shuō)，能實(shí)現(xiàn)較高的激光能量傳輸?shù)墓饫w都可以稱(chēng)為傳能光纖。比如，通信多模光纖也是一種傳能光纖。傳能光纖的芯層可以是純硅芯，也可以是硅鍺共摻芯層。一般純硅芯傳能光纖的包層可以是摻氟石英包層或摻氟低折射率涂層，而硅鍺共摻芯層傳能光纖的包層是純石英包層。大芯徑多模傳能光纖可在三維復(fù)雜空間中靈活、安全地傳輸高功率激光，并顯示出了優(yōu)勢(shì)，它可在保證光纖不被破壞的情況下傳輸較高的激光能量，從而達(dá)到應(yīng)用需求。目前，激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、增益系數(shù)大、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，除了廣泛應(yīng)用在材料表面熱處理、焊接、切割等工業(yè)加工領(lǐng)域之外，還在眼科、皮膚科手術(shù)及體內(nèi)手術(shù)等醫(yī)療、衛(wèi)生領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此用于傳輸大功率光輻射激光的傳能光纖的研究也就變得越來(lái)越重要。目前，國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)一些低端的傳能光纖，高端傳能光纖產(chǎn)品主要依靠進(jìn)口。圖6-19是傳能光纖的應(yīng)用實(shí)例。

圖6-19傳能光纖的應(yīng)用實(shí)例傳能光纖的主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：

(1)工業(yè)領(lǐng)域，包含激光功率傳送，激光雷達(dá)等軍事領(lǐng)域，激光器二極管尾纖，耦合器與泵浦組件，激光焊接、切割、打標(biāo)，材料加工等。

(2)傳感器領(lǐng)域，包含溫度探測(cè)、液位探測(cè)、位移與應(yīng)變等。

(3)高功率光譜學(xué)與熒光探測(cè)等。

(4)建筑裝飾。

(5)非線(xiàn)性光學(xué)研究。

(6)印刷底片成像。

(7)醫(yī)療領(lǐng)域，包含醫(yī)學(xué)診斷，激光醫(yī)療、美容、光動(dòng)力學(xué)治療等。

傳能光纖的主要生產(chǎn)廠(chǎng)家有美國(guó)CeramOptec、美國(guó)Nufern、德國(guó)Fibertech、日本三菱、日本藤倉(cāng)，以及國(guó)內(nèi)的武漢長(zhǎng)飛、烽火通信、南京春輝、中國(guó)建材研究院等。

2.分類(lèi)和主要技術(shù)指標(biāo)

傳能光纖根據(jù)包層材質(zhì)不同可以分為石英包層傳能光纖和塑料包層傳能光纖。石英包層傳能光纖是指包層為純石英或摻氟石英材質(zhì)的傳能光纖，一般可以應(yīng)用到大功率激光傳輸