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1、,学习情境六：特种石英光纤制备与应用,6.1 学习目标6.2 学习内容,了解特种石英光纤的分类；了解特种光纤的应用领域；了解特种光纤关键指标的测试；了解特种光纤的关键制备工艺；简单了解应用特种光纤的光器件。,6.1 学 习 目 标,6.2.1 特种石英光纤概述一般来说，非通信用石英光纤和非石英光纤都可以统称为特种光纤。特种光纤包括特种石英光纤和塑料光纤。特种石英光纤是在传统石英光纤上通过改变光纤内的掺杂元素或进行特殊的结构设计而制成的。特种光纤扩大了光纤的应用领域，促进了科研和生产的发展。,6.2 学 习 内 容,近年来，特种光纤发展非常迅速，已经广泛应用于光通信、传感、材料加工和国防科技等领
2、域。目前制造低损耗、高性能和多功能集成的特种光纤是众多从事光纤制造的科研人员所追求的目标。从应用领域角度来说，特种光纤的用途很广泛，几乎涉及国民经济的许多领域。特种光纤种类繁多，而且还在不断扩展新的类型，这里仅就目前商业应用比较广泛的几大类特种石英光纤作一简单介绍，包括掺稀土光纤、色散补偿光纤(DCF，Dispersion Compensation Fiber)、保偏光纤(PMF，Polarization Maintaining Fiber)、,光子晶体光纤(PCF，Photonic Crystal Fiber)、传能光纤、抗辐射光纤(RRF，Radiation Resistant Fiber
3、)等。另外，光纤光栅中用到的光敏光纤、光器件中应用的特殊截止波长单模光纤，以及高温环境中应用的耐高温光纤也是重要的特种光纤，由于篇幅限制，此处不作介绍。,6.2.2 掺稀土光纤1.概述掺稀土光纤是指纤芯掺杂稀土离子的光纤，主要作为光纤激光器和放大器中的增益介质来使用，是主要的一类特种光纤。稀土(或称镧系)元素一共有15个，在元素周期表中位于倒数第2行的位置，排首的为镧(La，原子数为57)，排尾的为镥(Lu，原子数为71)，所有的稀土原子都具有相同的外电子结构5s2 5p6 6s2，即满壳层。在4f支壳层内占据的电子数决定着元素的光学性质。,稀土元素的电离通常以形成三价状态的形式发生，如钕(N
4、d3+)等，它们均溢出2个6s和1个4f电子。由于剩下的4f电子受到屏蔽作用，因此它们的荧光与吸收波长不易受外场的影响，较为稳定。图6-1是掺稀土光纤中常见的掺杂稀土的能级结构。,掺稀土光纤的发展始于在光通信中的应用，自20世纪80年代末期掺铒光纤成熟，90年代初研制成商用掺铒光纤放大器(EDFA)，并开始应用于1550 nm波段的光纤通信系统以来，推动了光纤通信向全光传输方向发展。目前在国际光通信领域EDFA的技术开发和商品化很成熟，在实际中也得到了广泛的应用。到目前为止，掺稀土特种光纤已经有了很大的发展，所用的掺杂剂有Nd3+、Er3+、Pr3+、Ho3+、Eu3+、Yb3+、Dy3+、T
5、m3+等。掺稀土光纤对于包括光纤激光器、放大器和传感器在内的各种应用是十分有吸引力的。,它的特点是圆柱形波导结构，芯径小，表面与体积比值高，因此很容易实现高密度泵浦，激射阈值低，散热性能好，大小与通信光纤很匹配，耦合容易且效率高，可形成传输光纤与有源光纤一体化，是实现全光通信的基础。,图6-1 掺稀土光纤的掺杂稀土的能级结构,对于掺稀土光纤来说，光纤基质材料是玻璃。玻璃大都是由形成无序基体的共价键分子组成的。稀土离子对玻璃基质的掺杂，实际上是稀土离子作为网格改体存在或填隙于玻璃网格中。玻璃基质对稀土离子的光谱能级施加两种影响：其一是导致斯塔克(Stark)分裂，能级中存在的任何简并都会因基质原
6、子键引起的电场非均匀分布的影响而取消；其二是导致能级展宽，展宽机制有声子展宽和基质电场扰动展宽。声子展宽是因能级间跃迁时伴有声子产生或湮灭一类的能量交换引起的，声子的能量与温度有关，,温度提高时声子数增多，因而光谱变宽。声子展宽的作用对所有稀土离子都是相同的，所以是均匀展宽。基质电场扰动展宽是基质电场引起的，这种作用对各稀土离子因远近而不同，所以相应的展宽是非均匀的。显然，这种展宽与温度无关。,2.分类按照纤芯中掺杂的稀土离子的不同，掺稀土光纤可以分为掺铒光纤(Er-doped Fiber)、掺镱光纤(Yb-doped Fiber)、掺铥光纤(Tm-doped Fiber)、掺钕光纤(Nd-d
7、oped Fiber)、掺钬光纤(Ho-doped Fiber)、掺钐光纤(Sm-doped Fiber)、掺谱光纤(Pr-doped Fiber)、掺铕光纤(Eu-doped Fiber)、掺镝光纤(Dy-doped Fiber)、铒镱共掺光纤(Er-Yb codoped Fiber)、铥钬共掺光纤(Tm-Ho codoped Fiber)、镱钬共掺光纤(Yb-Ho codoped Fiber)等。按照包层结构不同，掺稀土光纤可以分为单包层光纤(Single-mode Fiber)、双包层光纤(Double-clad Fiber)和多包层光纤(Multi-clad Fiber，常见为三包层光
8、纤)，如图6-2所示。,图6-2 掺稀土光纤的分类,按照获得的激光波长不同，掺稀土光纤可以分为可见光波段增益光纤、1000 nm波段增益光纤、O-Band增益光纤、S-Band增益光纤、C-Band增益光纤、L-Band增益光纤、人眼安全波段增益光纤。,3.研究进展与应用近年来，掺稀土光纤的研究主要集中于单包层和双包层掺铒光纤、双包层掺镱光纤、双包层铒镱共掺光纤、双包层掺铥光纤以及掺稀土微结构光纤(详见6.2.5节)。,1)掺铒光纤光纤通信网络是信息社会的支柱，是“信息高速公路”的骨干网，也是世界通信建设今后发展的主体。密集波分复用(DWDM)技术在未来光纤通信网络中的广泛应用，特别是与光放大
9、技术的结合使用为全光网络的运行提供了一个解决容量问题的最佳方案，在光纤网络设计和性能改善上起关键作用的掺铒光纤放大器(EDFA)将在DWDM系统中扮演越来越重要的角色。EDFA以其高增益、高功率输出、低噪声、宽带和与光纤网络良好的兼容性，在DWDM系统中独领风骚，有力地推动了光纤通信网络的发展。可以说，EDFA的出现是光纤通信发展史上里程碑式的进步。图6-3为EDFA实物图。,图6-3 EDFA实物图,掺铒光纤的信号放大作用是利用光纤中掺入的Er3+离子在泵浦光作用下的受激辐射而实现的。掺铒光纤中，Er3+离子吸收由泵浦光源(如980 nm或1480 nm的LD)发出的光，被激发到较高能级，形
10、成粒子数反转。此时，从较高能级跃迁到基态就发射一个光子，这个过程可以是自发的，也可以是受激辐射的。当光子能量等于能级4I13/2和4I15/2之间的能量差的信号光(15301565 nm)通过掺铒光纤时，就会产生受激辐射，信号光被直接放大。受激亚稳态的长寿命(约10 ms)可保证大多数铒离子能等待形成受激辐射以放大光信号，而不至于产生自发辐射噪声。,根据光纤通信网络中使用位置的不同，对掺铒光纤的技术要求也有所不同。EDFA总的发展趋势是向超宽带、高增益、低噪声、增益谱形超平坦的方向发展，这就要求掺铒光纤在结构设计和制备工艺上有所创新，重点围绕如何实现高掺杂、低背景损耗、高掺铝和其他共掺杂剂等。
11、表6-1为常见掺铒光纤指标。,表6-1 常见掺铒光纤指标,2)双包层光纤双包层光纤在纤芯外有两个包层，内包层起着使激光约束在单模纤芯内和成为泵浦光的多模导管的作用，外包层用于将泵浦光限制在内包层之内。内包层的直径一般为几百微米，使得泵浦光无需单模，可用高功率多模半导体激光器作泵浦源，一部分光耦合到纤芯中，而大部分光耦合到内包层中。内包层中的光受外包层限制，在内包层之间来回反射，不断地穿过纤芯，不断地被吸收，所以泵浦光在光纤的一端耦合进入光纤，在光纤的整个长度上被泵浦，大大提高了泵浦功率。,双包层光纤提高了泵浦功率，却降低了泵浦效率，这是因为泵浦光入射位置和角度不同，进入光纤后，光的运动形式分为
12、子午光线和偏射光线，而偏射光线与纤芯不相交，这种光线的吸收率很低，因此影响了泵浦效率。通过对内包层结构的设计，可以改善双包层光纤的泵浦效率。首台100 W级衍射限制的光纤激光器由IPG于2000年推出。这种激光器应用光纤侧耦合技术，具有高功率输出，可用于焊接、烧结以及低功率的铜焊。由于其采用了光纤熔锥结构，可直接熔接耦合进行侧泵，因此既不需要任何光学元件，还可以避免损伤光纤端面，容易提高泵源的注入。,同时，这种泵浦方式可以采用多个泵浦源进行泵浦，这就降低了单个泵浦激光器的功率，因此可避免强激光单点引起的非线性效应和模式恶化，易于泵源的散热，提高了寿命，且有利于维修和更换。这种结构的光纤激光器实
13、现了全光纤结构，因此其结构简单，体积小巧，使用灵活方便，易于实现高效率和高功率，输出激光光束质量好。这些正是传统固体激光器和气体激光器的不足，因此在材料加工等领域，光纤激光器有着代替传统激光器的趋势，被认为是第三代激光器的主要代表。,掺稀土光纤的主要生产厂家有：美国的康宁公司、OFS公司、IPG公司、Nufern公司、恩耐公司、相干公司，英国的Fibercore，日本株式会社藤仓，加拿大的Coractive公司，丹麦的Crystal Fiber公司等。其中，最大的掺铒光纤供应商是康宁公司；IPG公司的相关产品供应内部器件的需要，不对外销售；Crystal Fiber公司提供掺稀土微结构光纤。国
14、内从事掺稀土光纤工艺研究的单位较少，企业性质的研究单位主要有烽火通信、电子科技集团46所(天津)、电子科技集团23所(上海)，高校科研单位主要有华中科技大学、北京交通大学等。,4.制备工艺1955年，S.B.Poole和D.N.Payne等采用干法掺杂技术制作出了低损耗稀土掺杂光纤，这种制作方法可在MCVD预制棒制作平台上一步完成，但稀土离子的掺杂浓度低。所有的气相沉积工艺均需要克服掺杂元素卤化物低蒸气压的问题，采取的途径主要是精确控制反应物的预热温度，这增加了制作技术的复杂性，提高了对设备的要求和制造成本。1957年，S.B.Poole等人采用溶液掺杂技术首次制作出了单模低损耗掺铒光纤(ED
15、F)，这种方法在当时大大提高了稀土离子的掺杂浓度，,同时通过溶液混合容易掺入其他共掺物。此后溶液掺杂技术立即受到重视并得到广泛应用。现在大部分商用掺铒光纤就是通过溶液掺杂法制作的。改良的化学气相淀积工艺(MCVD)、外部气相沉积工艺(OVD)、改进的纳米粒子直接沉积工艺(DND)和轴向气相沉积工艺(VAD)都可以独立或与溶液掺杂技术相结合来制作稀土掺杂光纤预制棒。图6-4给出了这四种工艺的示意图。相比于OVD、DND和VAD工艺，MCVD工艺的化学反应在密封的纯石英衬底管中进行，容易达到所需的洁净度要求。,另外，MCVD工艺氧化过程生成的SiO2微粒粒径小于OVD或VAD工艺水解过程生成的微粒
16、粒径，采用MCVD工艺结合溶液掺杂技术制作的稀土掺杂光纤具有较好的稀土离子掺杂均匀性。,图6-4 常用掺稀土光纤制备工艺,MCVD工艺结合溶液掺杂技术是制作稀土掺杂光纤常用的方法，如图6-5所示，其工艺过程如下：(1)采用标准的MCVD工艺沉积几层与衬底管折射率一致的阻挡层，用以限制衬底管中杂质离子向纤芯扩散。SiCl4、GeCl4、O2、POCl3和SF6等通过质量流量计进入衬底管，在氢氧焰喷灯(或感应电炉)产生的高温下发生化学反应，生成的SiO2、GeO2等微粒附着在高温区下游的管壁上，在喷灯经过沉积的微粒时如果温度足够高，微粒将被熔化为透明的玻璃。,阻挡层沉积完成之后，降低沉积温度，Si
17、O2、GeO2等微粒不会被熔化，将形成多孔的疏松层。制作疏松层的关键在于要将温度控制在一个合适的范围之内，否则温度过高SiO2、GeO2等微粒会被熔化为玻璃，温度过低则将导致疏松层与管壁结合力降低，浸泡溶液过程中疏松层可能脱落。,图6-5 掺稀土光纤经典制备工艺(MCVD+溶液掺杂法),(2)将沉积好阻挡层和疏松层的衬底管浸泡入富含稀土离子的去离子水或有机溶液中，使得疏松层有机会吸附到稀土离子。溶液中也可掺杂其他共掺物的离子(如Al3+)，以改善稀土掺杂光纤的性能。(3)浸泡一定时间后取出，将管子重新安装到MCVD车床上，加温到9001000通Cl2、O2和He进行脱水处理，以除去管中可能含有
18、的水分子和羟基离子。(4)升高温度到15001700，将疏松层熔化为玻璃后再升温到2200，将石英管熔缩为实心预制棒。,6.2.3 色散补偿光纤1.概述色散补偿光纤(DCF)是早在1990年由Lin等人提出的，如今它已经成为应用最广泛的补偿技术，而且是唯一的宽带解决方法，已经大规模地商业化制造和生产。自1994年色散补偿光纤开始商用以来，已经开发了许多色散补偿光纤的品种。色散补偿光纤可以按工作模式、补偿谱宽及折射率剖面结构进行分类。按工作模式可以分为单模(LP01模)色散补偿光纤和双模(LP11模)色散补偿光纤；按补偿谱宽可分为窄带补偿光纤和宽带补偿光纤；按折射率剖面结构可分为简单阶跃、多包层
19、型等。,单模色散补偿光纤是针对基模的设计，即利用波导结构的改变，如在纤芯中使用高的相对折射率差或在纤芯周围增加不同折射率的多包层，以增强LP01模的负波导色散。目前提出的单模色散补偿光纤结构有单阶跃型、W型、三包层型和多包层型。双模色散补偿光纤是针对高阶模的设计，即在接近截止波长处工作的LP11模产生较高负色散。对于已安装的成缆光纤，色度色散是一个非常稳定的值。这就提供了一个对整段光纤链路的色度色散进行补偿的机会。进行色散补偿的技术之一就是使用色散补偿光纤。其原理是：光纤线路的色散可以通过插入一段具有和光纤线路相反色散特性的单模光纤来补偿。,这样，链路的总色散就几乎为零，因此人们称之为色散补偿
20、光纤。通常色度色散的值为正，所以色散补偿光纤的色散值为负值，一般为-50-500 ps/(nmkm)。随着MSTP(多业务传送平台)、WDM(波分复用)、RPR(弹性分组环)等新技术在城域网中广泛应用，城域网的传输速率越来越高，而作为连接各城域网的主要通道，长途光缆传输网所面临的带宽压力越来越大。受此推动，国内各电信运营商都将长途光缆网的扩容作为近期的业务重点。我国长途光缆中95%是基于G.652光纤构筑的，其在1310 nm波长有最小的色散，但衰减较大，而在1550 nm波段有最低的衰减(约0.20 dB/km)。,所以，人们迫切希望利用1550 nm这一波长窗口。特别是近几年来工作在155
21、0 nm波段的掺铒光纤放大器(EDFA)的成功开发和实用化，进一步消除了衰减对通信系统的限制。这使得1550 nm波段成了大容量、长距离光波系统的优选窗口。但G652光纤在1550 nm色散较大(约1520 ps/(nmkm)，因此为了充分利用掺铒光纤放大器带来的好处，必须研究解决色散问题。,为了解决1310 nm零色散标准单模光纤通信网络在1550 nm波段的升级及扩容问题，近年来研究人员对色散补偿技术进行了研究，先后提出了如下色散补偿的光均衡技术：(1)光纤光栅补偿。(2)镜像相位阵列补偿。(3)平面波导器件补偿。(4)利用非线性效应中点谱反转法补偿。(5)DCF(色散补偿光纤)补偿。DC
22、F通过减小光纤的模场直径来改变光信号在光纤中的有效传输面积，通过合理设计使光纤的纤芯具有较大的折射率，从而实现较大的负色散值和色散斜率。,2.制备工艺色散补偿光纤预制棒的制备工艺和常规单模光纤的制备工艺基本相同，可以是常见的四种制备工艺中的任意一种。由于PCVD工艺可以沉积数千层芯层，具有高精度折射率控制、高沉积效率、极好的灵活性等特点，在模场直径、带宽、偏振模色散和色散控制等关键技术上有非凡的品质，能提供性能杰出的单模光纤，尤其是结构复杂的单模光纤，因此，PCVD工艺在制备色散补偿光纤预制棒方面有一定的优势。,色散补偿光纤由于折射率剖面结构(见图6-6)复杂且芯径较小，在光纤预制棒制备过程中
23、需要特别注意控制光纤预制棒的同心度误差和水分的含量。原材料提纯、沉积和成棒工艺控制、高精度套管技术是色散补偿光纤预制棒制备的关键技术。,图6-6 常见色散补偿光纤折射率剖面形状,合适的拉丝温度和速度可以改善光纤衰减，色散补偿光纤拉丝采用比常规光纤拉丝更低的速度，一般为50800 m/min。实现光纤搓扭控制可以减小PMD数值。另外，根据需要，选择合适的光纤直径可以改变色散的数值。,3.色散补偿模块色散补偿光纤应用在光系统中是以模块的形式出现的。常见的色散补偿模块补偿标准单模光纤色散的长度有20 km、40 km、60 km、80 km、100 km和120 km等。色散补偿模块的外观如图6-7
24、所示。,图6-7 色散补偿模块的外观图,为了对现有的大量1310 nm零色散标准单模光纤通信系统进行改造，使其在1550 nm波段进行大容量、长距离的传输，在1310 nm零色散标准单模光纤通信系统中加入一段适当长度的在1550 nm具有很大负色散的色散补偿光纤，以抵消原标准单模光纤在1550 nm处的正色散，使通信线路实现在1550 nm处总为零色散或较小的色散(由于发射机的非线性效应和可能的啁啾，完全补偿未必最佳)，即(6-1),式中，DSMF和DDCF分别为1310 nm零色散标准单模光纤和色散补偿光纤在1550 nm处的色散系数；LSMF和LDCF分别为两种光纤的长度。因此，进行色散补
25、偿所要加入的色散补偿光纤的长度为(6-2)色散补偿光纤(DCF)的一个缺点是增大了总的链路衰减，这可用掺铒光纤放大器来弥补，如图6-8所示。,图6-8 加入色散补偿光纤和掺铒光纤放大器的系统示意图,增加的衰减必须由放大器的附加增益来补偿，由此降低了信噪比并增加了系统成本。为了克服这一问题，DCF在1550 nm处的色散系数DDCF应尽可能高，衰减DCF应尽可能低。因此，色散补偿光纤的品质因数(FOM)可以定义为(6-3)对于多信道高速WDM系统来说，宽波长范围内的色散补偿是必要的。这意味着除了色散之外还有必要补偿色散斜率。系统的总色散斜率为(6-4),其中，SSMF和SDCF分别为1310 n
26、m零色散标准单模光纤和色散补偿光纤的色散斜率。要实现斜率补偿(即ST=0)，DCF的色散斜率必须是负的。如果选择DCF的长度使得总色散补偿DT=0，那么总斜率补偿的条件是DCF的相对色散斜率(RDS)应等于标准单模光纤的相对色散斜率，即(6-5),式中，相对色散斜率定义为色散斜率与色散之比：(6-6)在具有总色散补偿但仅有部分斜率补偿的系统中，系统的总色散斜率计算式为(6-7),式中，DSCR是色散斜率补偿率，定义为(6-8),4.商用研究进展与展望色散补偿光纤和模块的国外主流供应商有日本藤仓、美国康宁、美国OFS等，国内主要供应商有武汉长飞和烽火通信。色散补偿模块的关键参数如表6-2所示。,
27、表6-2 主要DCF生产厂商80 km的G.652光纤C波段色散补偿模块参数,DCF的损耗较大，通常与EDFA一起使用。原则上，DCF可以放在中继的任何位置，不过一般放在EDFA的前面，因为DCF的芯径比常规单模光纤小，经EDFA放大的光脉冲能量很强，在DCF中容易产生非线性效应，不仅减弱了DCF的补偿作用，还会恶化系统性能。在应用中通常用品质因素来衡量色散补偿光纤的补偿能力，DCF品质因素越大越好。目前色散补偿光纤的色散系数有望得到进一步的提高，以期使用更短的DCF补偿更长的G.652光纤，有利于降低模块插损并使其小型化。除了现在需求较大的补偿G.652光纤的C波段DCF外，,L波段、C+L
28、波段、S+C+L波段的DCF需求也会逐渐增加。随着光纤通信系统的发展和系统设计的要求，用于补偿G.655和G.656光纤的C波段、L波段、C+L波段、S+C+L波段的各型DCF也有广泛的应用。此外，色散补偿光纤还需要解决偏振模色散、插入损耗、弯曲损耗等进一步降低的问题，以满足将来光纤通信中更高速率、更大容量的需要。,6.2.4 偏振保持光纤1.概述偏振保持光纤(PMF，Polarization Maintaining Fiber)简称保偏光纤。光纤的双折射和偏振特性是单模光纤所具有的性质。单模光纤波导所支持的LP01模式，若考虑模式传输的偏振特性，应当包括两个偏振态相互垂直的模式LP01x和L
29、P01y。在完美的单模光纤中，LP01x和LP01y模式具有完全相同的传输参数，是完全简并的。但在实际的光纤产品中，由于几何不对称性、残余应力等的作用，会导致LP01x和LP01y模式的传输参数不一致而使其解简并，这种情况被称为模式双折射。,由于模式双折射的存在，光纤的传输情况会变得更为复杂，一般单模光纤的偏振模色散PMD即源于光纤的模式双折射。保偏光纤也称为高双折射光纤，它人为地打破纤芯几何形状或折射率分布的圆对称性，使x方向和y方向的两个偏振基模之间具有相当大的传输常数差，导致两线偏振基模之间的交叉耦合系数变得相当小，于是PMF就能在长距离上保持原有的传输偏振态。由于对线偏振光具有较强的偏
30、振保持能力，并且与普通单模光纤有良好的相容性，因此PMF在光纤通信和光纤传感系统中得到了广泛应用。,随着电子信息技术的进步，光纤偏振器、光纤偏振耦合器、波分复用器、调制器和水听器等相干检测器以及光纤陀螺对PMF的需求量越来越大。表征单模光纤线双折射现象的参数主要有拍长和串音。光纤的拍长反映了LP01x和LP01y模式的有效折射率差的大小。光纤的串音表示保偏光纤两个正交偏振态之间的能量耦合交换能力，有时这种耦合交换能力也用消光比或者耦合常数来表征。拍长、串音、消光比这三个参数是相互联系的。,2.分类1979年，L.P.Kaminow等人首次提出了PMF的概念和相应的制造方法。国外在20世纪80年
31、代掀起了PMF研究及应用的高潮，各厂家依据各自的具体条件通过各种不同的途径来制作PMF，通过在光纤中引入不对称的几何形状或者不对称的应力分布，出现了多种保偏光纤结构形式：边坑型、边通道型、平板包层型、熊猫型、领结型和椭圆包层型等。经过性能、工艺、成本等多方面的竞争，熊猫型、领结型和椭圆包层型三种应力致偏型是目前仍然应用的类型。其中，熊猫型PMF的应用最普遍。图6-9是目前常用的保偏光纤的结构形式。,图6-9 三种主要的保偏光纤结构,根据光纤中双折射的不同，存在线性双折射、圆双折射以及椭圆双折射等不同的情况。当前，在实际中被应用的主要是线性双折射光纤。,3.制备工艺不同结构的保偏光纤其制备工艺不
32、同。下面简单介绍领结型、熊猫型、椭圆包层型保偏光纤的制备工艺。1)领结型保偏光纤领结型保偏光纤常用的制作方法是气相腐蚀法(Gas-Phase Etching)和管套棒法。气相腐蚀法的制作流程如图6-10所示。(1)用MCVD法沉积几层轻度掺杂氟磷缓冲层，再沉积几层掺杂硼硅酸盐玻璃层。,(2)车床停止旋转，沿石英管两侧对称加热，同时向管内通入含有氟气的气流，腐蚀掉石英管被加热部分内壁上的硼硅酸盐层，然后沉积下一个氟磷包层，再沉积掺锗纤芯层。(3)缩棒后即制成领结型PMF。管套棒法是将7根预制棒(4根纯石英棒，2根掺铝或硼的应力棒，1根掺锗的纤芯棒)，集成为一束插入到纯石英衬底管中，再升温至210
33、0左右拉丝制成PMF。此法的缺点是应力棒、石英棒和外套管之间的位置很难固定和精确，特别是拉丝过程中的位置精度更难保证。管套棒法也可以用来制作熊猫型PMF。,图6-10 气相腐蚀法制备领结型PMF预制棒的流程,2)熊猫型保偏光纤熊猫型保偏光纤常用的制作方法是护套打孔法(Pit-in-Jacket)。此法是在已加工好的单模光纤预制棒上，沿纵向对称地加工两个预应力孔，如图6-11所示，然后根据已成孔的形状尺寸要求，将掺硼棒研磨、抛光后镶嵌到预应力孔中，并保证最小间隙的滑动配合，加热后熔为一体，制成熊猫型PMF预制棒。其关键技术是如何打制高质量的预应力孔，因为孔的对称性、直线度、孔内壁的表面粗糙度以及
34、孔棒的配合精度都会直接影响到成纤后PMF的性能。,图6-11 护套打孔法制作熊猫型PMF预制棒,3)椭圆包层型保偏光纤椭圆包层型保偏光纤常用的制作方法是预制棒研磨法和减压烧缩法。(1)预制棒研磨法。该法制作工艺简单，如图6-12(a)所示，在用MCVD法沉积包层和纤芯之前，先把石英衬底管相对两侧边磨平，然后沉积硼硅酸盐包层和纯石英纤芯或掺杂纤芯，高温缩棒时，表面张力使得预制棒外表成为圆形，而包层成为椭圆形；或者先制成预制棒，再把预制棒两侧边磨平，拉丝后制成椭圆包层PMF。,(2)减压烧缩法。此法用MCVD法在纯石英衬底管内壁上沉积硼硅酸盐玻璃层、缓冲层和掺锗芯层，如图6-12(b)所示，然后减
35、小管内气压，在适当温度(1800)下缩棒，应力层会变成椭圆形。其关键之处是要保证管内气压低于大气压，并在缩棒时进行温度和气压的精确控制。,图6-12 椭圆包层型PMF预制棒制作流程图,除以上两种方法外，还有气相腐蚀法、护套打孔法、管套棒法等。这些方法的特点分别是：减压烧缩法要求制造设备能够实现对气压和高温的精确控制；气相腐蚀法需要进行有毒尾气的处理；护套打孔法需要用超声波打深孔，打孔设备价格昂贵；管套棒法由于是将预制棒套入石英管，加温以后各棒相互间的位置难以控制，因此会影响成纤后的光纤性能；预制棒研磨法降低了设备要求，容易操作，成品率高，但由研磨以后的预制棒拉制出的光纤其横截面形状不规则，同时
36、纵向均匀性也难以保证。,4.国内外研究现状自20世纪70年代以来，各国都在竞相研究和开发高性能的保偏光纤。目前，国外已经研究出了一系列高性能的保偏光纤，实用窗口为630 nm、850 nm、980 nm、1300 nm、14001490 nm、1500 nm16nm，偏振串音高达-45 dB。当前商用保偏光纤的典型技术指标如表6-3 所示。,表6-3 当前商用保偏光纤的典型技术指标,国际上，关于保偏光纤的研究和制造已经有了较长的时间，而且有各种类型的保偏光纤产品已进入市场。知名的保偏光纤制造公司有生产领结型保偏光纤的FiberCore公司，生产椭圆包层型保偏光纤的3M公司，主要生产熊猫型保偏光
37、纤的Fujikura、康宁、Nufern和OFS等公司。这些公司生产的保偏光纤都具有良好的双折射性能。国内对于保偏光纤的研究开发已有近20年的历史。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所进行保偏光纤产品的研制开发。从结构上看，北京玻璃研究院研制了领结型保偏光纤，而天津46所研制的保偏光纤是熊猫型结构的。,2000年以后，江苏法尔胜光子公司和长飞光纤光缆有限公司也开发了保偏光纤产品。其中，江苏法尔胜光子公司所开发的“一”字型保偏光纤是一种类椭圆包层型保偏光纤，而长飞光纤光缆有限公司所研制的保偏光纤为熊猫型保偏光纤。,6.2.5 光子晶体光纤1.概述光子晶体光纤(P
38、CF，Photonic Crystal Fiber)是基于光子晶体技术发展起来的下一代传输和集成光器件用光纤。目前对这种光纤的研究已经成为国内外的热点。1991年英国巴斯(Bath)大学的P.Russell教授首次独到地提出了具有规则微结构的光子晶体光纤的概念；1996年巴斯大学的J.C.Knight博士等人研制成功了世界上第一根光子晶体光纤；1998年J.C.Knight等人又利用蜂窝形空气洞分布结构制造出了基于光子带隙限制效应导光的微结构光纤，即光子禁带光纤(PBG Fiber)；,1999年R.F.Cregan博士等人又制造出了光在空气纤芯中单模传播的光子晶体光纤，这种光纤利用光子带隙限
39、制效应把光限制在了低折射率的空气纤芯中。光子晶体光纤也称为多孔光纤(Holey Fiber)和微结构光纤(MSF，Micro-Structured Fiber)。它由晶格常数为光波长量级的二维光子晶体构成，即包层由规则排列着空气孔的二氧化硅光纤阵列构成，其核心由一个破坏了包层结构周期性的缺陷构成，这个缺陷可以是固体二氧化硅，也可以是空气孔，并且这种结构沿光纤轴向保持不变。,2.分类1)按导光机制不同的分类按导光机制的不同，光子晶体光纤可以分为两大类：全内反射导光型(TIR，Total Internal Reflection)和光子带隙导光型(PBG，Photonic Bandgap Fiber
40、)。(1)全内反射导光型光子晶体光纤。图6-13所示为两种最典型的全内反射导光型光子晶体光纤。该光纤包层由周期性的空气孔排列形成，芯子通过缺少一个或几个空气孔实现全内反射，空气孔周围由实心材料填充形成，因此芯区的折射率大于包层的等效折射率。其导光机制可以由类似于传统阶跃光纤的全内反射原理加以解释。,图6-13 全内反射导光型光子晶体光纤,(2)光子带隙导光型光子晶体光纤。图6-14所示为两种典型的光子带隙导光型光子晶体光纤，通常也称为光子带隙光纤。图6-14(a)所示的光纤包层由空气孔按类似于蜂窝的结构周期性地排布形成，在其中的一个蜂窝单元中心处增加一个小空气孔，从而引入缺陷，即形成芯区。图6
41、-14(b)所示的光纤在中间芯子处由一个非常大的空气孔形成，而包层处使用空气填充率比较高的空气孔排布形成，这种光纤可以将光场束缚在中心的大空气孔中传输，因此通常称其为空芯结构光子带隙光纤。,这两种光纤具有一个共同的特点，即芯区的折射率比包层的等效折射率要小，因此使用全内反射的原理无法解释其导光机理，必须使用光子带隙的原理加以理解。这类光纤的包层由整齐排列的空气孔形成二维光子晶体，当其尺寸达到光波长量级，且满足一定的规律时，会产生光子带隙，频率落在光子带隙中的光波不能在光子晶体包层中传输，因此被束缚在缺陷芯区沿轴向传输。,图6-14 两种结构的光子带隙光纤,(a)蜂窝型结构光子带隙光纤(b)空芯
42、结构光子带隙光纤,最近科学家们用高折射率材料(如掺杂石英玻璃、液态晶体、金属或有机聚合物)取代包层中的空气孔，而纤芯保持无掺杂的二氧化硅，也可以形成禁带效应。研究发现，这种低折射率比的PBG光纤中存在较宽的传输窗口，而且其模式折射率和模场分布与传统光纤类似，便于两者之间的耦合。不过，这种光纤的特性受到高折射率材料的显著影响，对温度、外加电压或其他参量反应敏感，这一特性也为制作可调谐器件提供了方便。,由于取消了空气孔的存在，因此这种结构被称为全固态微结构光纤，如图6-15所示。值得注意的是，这种PBG结构并不需要很高的折射率比，制备工艺要求降低，适合工业生产，方便与其他类型光纤熔接，受到了研究者
43、的极大关注。,图6-15 全固态微结构光纤,2)按照用途不同的分类按照用途不同，光子晶体光纤可分为无限单模光纤(Endless Single Mode Fibre)、高非线性光纤(High-Nonlinear PCF)、多芯光纤(Multicore Optical Fiber)、高双折射光子晶体光纤(Highly Birefringent PCF)、掺稀土微结构光纤(Rare Earth Doped MSF)、抗弯微结构光纤(Bending Insensitivity MSF)、布拉格微结构光纤(Bragg MSF)等。不同用途的光子晶体光纤结构如图6-16所示。PCF因其全新的结构和导光机制
44、、优越的导光特性和灵活的设计自由度，,为光纤激光器、放大器、光开关、滤波器、波长转换器、半导体孤子发生器、光纤偏振器等的设计和应用带来了全新的观念，成为光子晶体理论应用最为成功的领域。,图6-16 不同用途的光子晶体光纤结构图,3.制备工艺1)概述光子晶体光纤的制作与普通光纤的制作从大体上来说是类似的，分为光纤预制棒的制作和光纤拉丝两部分。但是具体到这两个部分的实际操作而言，光子晶体光纤的制作要复杂得多。制管(毛细管)、堆棒(堆积毛细管制成预制棒)和拉丝是制作PCF光纤的三个基本步骤。光子晶体光纤预制棒的制作方法有管束堆积法、挤压法、超声波打孔法、熔合-酸腐蚀法、溶胶-凝胶法以及浇铸法等。,对
45、以石英为基底的光子晶体光纤，最常用的方法是管束堆积法。该法简单、灵活，便于堆积各种结构的光子晶体光纤预制棒，而其他方法(如挤压法、浇铸法)更适合软化温度相对更低的复合玻璃材料。,2)管束堆积法制备PCF预制棒的基本流程(1)使用光纤拉丝塔将石英管和石英棒拉制成具有精确外径且沿纵向均匀的毛细管和毛细棒。石英管通常是中心为圆孔的六边形，管壁厚度可以根据设计要求选择。(2)将毛细管堆积成六边形，中间去掉几根毛细管或者用实心棒代替毛细管，以形成PCF的线缺陷。(3)将这些堆积好的毛细管放到一个尺寸合适的薄壁石英外套管中，并用毛细棒将外围空隙填满。,(4)将毛细管和石英外套的两端熔在一块，以固定毛细管之
46、间的相对位置，制成PCF预制棒。图6-17所示为光子晶体光纤预制棒管束堆积法的制作过程。,图6-17 光子晶体光纤预制棒管束堆积法的制作过程,3)PCF光纤拉丝可以对预制棒进行酸处理或热处理，除掉预制棒表面的裂纹，以减小其在拉丝过程中变形的可能性。PCF可在传统的光纤拉丝塔上拉制，精确控制温度、送料速度和拉丝速度，根据需要采用一次或两次拉制以达到预定的要求。拉丝时可以对PCF预制棒施加一个合适的恒定气压，以便PCF的多孔结构得到很好的保持。,图6-18 光子晶体光纤拉丝过程,4.研究进展和技术发展趋势光子晶体光纤在模式特征、非线性系数、色散特性、保偏效应、传输特性等多个方面具有灵活可控的调节功
47、能，突破了传统石英光纤难以跨越的自身极限，表现出了诱人的应用前景。目前，光子晶体光纤的制作工艺仍不是十分成熟，造价偏高，性能仍不太稳定。从目前的发展情况来看，笔者认为，光子晶体光纤并不会取代传统光纤在传输领域的应用，而是作为传统光纤的有效补充，,在某些特种光纤领域(如高功率光纤激光器、非线性环镜、全光波长转换、全光信号处理、超连续谱(SC)的产生、光纤放大器等非线性光纤光学领域)发挥作用。此外，光子晶体光纤将在高性能保偏光纤领域占据重要地位，应用于气体、液体传感、光纤陀螺等特殊场合。在目前的光纤到户即FTTH网络中，抗弯微结构光纤可能获得一定的应用空间，以便于在室内进行光纤布线。总之，在较长一
48、段时间内，光子晶体光纤将主要扮演特种光纤的角色，应用于非线性光纤光学、高功率传导、光纤传感等特殊场合。,现在，光子晶体光纤的发展凸显出了几大主题，即新结构、新材料、新应用等，并吸引了国内外的众多研究机构，如英国巴斯大学、南安普顿大学，美国麻省理工学院，丹麦技术大学以及日本、澳大利亚、法国、德国、加拿大、新加坡等国的相关研究机构。国内对光子晶体光纤的研究起步稍晚于欧美各国，进行光子晶体光纤结构设计和制备工艺研究的单位主要有清华大学、华中科技大学、武汉长飞、烽火通信、,天津大学、南开大学、上海光机所、北京交通大学、燕山大学、北京玻璃研究院、北京大学、上海交通大学、北京邮电大学等，在基本理论、结构设
49、计和关键制备工艺创新方面基本以跟踪国外先进技术为主。,6.2.6 传能光纤1.概述和应用传能光纤也称为能量传输光纤。从严格意义上说，能实现较高的激光能量传输的光纤都可以称为传能光纤。比如，通信多模光纤也是一种传能光纤。传能光纤的芯层可以是纯硅芯，也可以是硅锗共掺芯层。一般纯硅芯传能光纤的包层可以是掺氟石英包层或掺氟低折射率涂层，而硅锗共掺芯层传能光纤的包层是纯石英包层。,大芯径多模传能光纤可在三维复杂空间中灵活、安全地传输高功率激光，并显示出了优势，它可在保证光纤不被破坏的情况下传输较高的激光能量，从而达到应用需求。目前，激光器具有转换效率高、增益系数大、输出功率大等优点，除了广泛应用在材料表
50、面热处理、焊接、切割等工业加工领域之外，还在眼科、皮肤科手术及体内手术等医疗、卫生领域得到了广泛应用。因此用于传输大功率光辐射激光的传能光纤的研究也就变得越来越重要。目前，国内主要生产一些低端的传能光纤，高端传能光纤产品主要依靠进口。图6-19是传能光纤的应用实例。,图6-19 传能光纤的应用实例,传能光纤的主要应用领域如下：(1)工业领域，包含激光功率传送，激光雷达等军事领域，激光器二极管尾纤，耦合器与泵浦组件，激光焊接、切割、打标，材料加工等。(2)传感器领域，包含温度探测、液位探测、位移与应变等。(3)高功率光谱学与荧光探测等。(4)建筑装饰。,(5)非线性光学研究。(6)印刷底片成像。
