特種光纖技術及其發(fā)展趨勢

        “十一五”期間，在國家有關部門和各級政府的重點支持下，特別是國家科技部在“十一五”國家科技攻關和“863”光電子新材料研究計劃中，安排了光纖預制棒科技支撐計劃項目，國內(nèi)光纖企業(yè)積極迎接挑戰(zhàn)、踴躍投入，各相關行業(yè)協(xié)會大力促進，加快了具有自主知識產(chǎn)權的光纖預制棒新技術、新工藝和新材料的開發(fā)步伐。在國家自主創(chuàng)新政策的引領下，民族光纖的自主創(chuàng)新研究顯著增強，我國的預制棒技術取得了突破性進展，光纖預制棒制造技術與設備研究及產(chǎn)業(yè)化等方面均實現(xiàn)了跨越式發(fā)展：制造工藝從MCVD與PCVD，發(fā)展到OVD與VAD技術，光棒制造能力從2家發(fā)展到4家，國內(nèi)光纖制造商的單模光纖年生產(chǎn)能力突破1000萬芯公里的企業(yè)迅猛增加到4家，我國已經(jīng)發(fā)展稱為名符其實的光纖制造第一大國。

　　雖然，我國常規(guī)單模產(chǎn)能實現(xiàn)了歷史性跨越與進步。但是，在經(jīng)濟全球化的今天，常規(guī)單模光纖的競爭日趨白熱化。加之發(fā)達國家將制造業(yè)向中國轉移，這種現(xiàn)實的環(huán)境更是加速了民族光纖產(chǎn)業(yè)的競爭，價格迅速下滑，產(chǎn)能將再度出現(xiàn)供大于求的窘境。

　　因此，民族光纖產(chǎn)業(yè)一方面要更一步增強自主創(chuàng)新，狠抓光纖上游核心—－光纖預制棒規(guī)?；夹g，搶奪利潤來源主體；另一方面，民族光纖企業(yè)家需要站在全球化市場的戰(zhàn)略高度，苦練內(nèi)功，強化管理，將民族光纖產(chǎn)業(yè)走出國門，推向全球市場；第三，面對利潤微薄的常規(guī)光纖市場實際，要創(chuàng)造性地展開差異化競爭，自主創(chuàng)新地研究與開發(fā)特種光纖新產(chǎn)品，拓展新的利潤增長點。

一、光子晶體光纖

　　烽火通信科技股份有限公司在十一五國家重點基礎研究發(fā)展計劃973項目“微結構光纖結構設計及制備工藝的創(chuàng)新與基礎研究”（2003CB314905）、高新技術產(chǎn)業(yè)化項目“863”計劃“光子晶體光纖及器件的研制與開發(fā)”（2007AA03Z447）、973計劃項目“微結構光纖的創(chuàng)新設計、精確制備及其標準化”（2010CB327606）的支撐下，從微結構光纖設計、制備技術和應用技術等多方面進行了系統(tǒng)深入的研究，取得了重大的科研成果。烽火通信已經(jīng)初步形成了微結構光纖（光子晶體光纖）的工藝技術與設備控制技術，以及自主知識產(chǎn)權的專利技術，先后制造出的光子晶體光纖，包括：高非線性光子晶體光纖、色散平坦光子晶體光纖、FTTH用微結構光纖、大模場單模光子晶體光纖、空心PBG型光子晶體光纖、全固態(tài)PBG型光子晶體光纖，以及雙包層摻鐿光子晶體光纖、摻鉺光子晶體光纖等。

　烽火通信將上述光子晶體光纖提供給國內(nèi)的清華大學、北京郵電大學、天津大學、南開大學、燕山大學、深圳大學、國防科技大學進行基礎應用研究：清華大學采用本公司提供的高非線性光子晶體光纖實現(xiàn)了慢光，實現(xiàn)了0.5脈沖當量的光減速；天津大學采用本公司提供的高非線性光子晶體光纖實現(xiàn)了400nm~1400nm兩倍頻程的超連續(xù)光譜；北京郵電大學利用本單位的高非線性光子晶體光纖實現(xiàn)了波長變換器件的研制；南開大學采用本單位的柚子型光敏微結構光纖，實現(xiàn)了多參量傳感新型光纖光柵的刻寫等，他們?nèi)〉昧诵滦透咝阅艿墓怆娮悠骷膰H前沿的研究成果。

二、色散補償光纖及模塊

　　隨著網(wǎng)絡技術的應用日益廣泛，人們對寬帶傳輸?shù)男枨笱杆僭鲩L，因此，光通信系統(tǒng)需要不斷增大傳輸距離、傳輸容量和提高傳輸速率。光纖通信的傳輸速率從最初的兆比特/秒1（Mbps），2.5G比特/秒（Gbps）到10 Gbps，現(xiàn)在高達40 Gbps，甚至160 Gbps。但是，常規(guī)單模光纖（G.652）由于在1530nm-1625nm（C+L波段）通信波段內(nèi)具有11-21ps/nm·km的正色散，非零色散位移光纖（G.655）在C波段內(nèi)具有1-10ps/nm·km的正色散。通信數(shù)據(jù)傳輸一段距離后，系統(tǒng)的累積色散不斷增加，導致傳輸信號的波形畸變，造成信號的失真。

　　為了減小通信鏈路累積色散對通信系統(tǒng)傳輸性能的影響，目前，國際上采用色散補償技術來改善鏈路色散，包括負色散光纖補償技術、光纖光柵色散補償技術、電子色散補償技術等，其中采用負色散光纖進行色散補償?shù)募夹g最方便有效，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，成本低。采用色散補償光纖進行通信鏈路的色散補償是當前國際上的主流技術，CIR研究表明：到2012年，全球色散補償模塊和器件的市場將會達到7.55億美圓。

　　高速大容量光通信系統(tǒng)需求的寬帶色散補償光纖及其器件（DCM）成功商用，實現(xiàn)C波段的色散和色散斜率的雙功能補償，并且大規(guī)模應用在波分復用（WDM）及OTN光通信系統(tǒng)中，解決了該器件依賴于進口的局面。隨著密集波分系統(tǒng)的規(guī)?；ㄔO，國內(nèi)對色散補償光纖模塊的需求量迅速增長，預計到2015年國內(nèi)需求將達到60000套，市場容量將達到2.2億元。

　烽火通信科技股份有限公司采用自主知識產(chǎn)權的PCVD裝備與工藝技術，獨立開發(fā)出商用化的色散補償光纖及光纖型補償模塊，成功應用在國內(nèi)10G和40G通信系統(tǒng)中，并批量出口。表1為其色散補償光纖模塊的性能指標。

　　常規(guī)色散補償光纖模塊對G.652光纖的補償比率在1:8～1:10，如果采用光子晶體前沿技術進行補償，理論上可以達到1:100的補償比率，實現(xiàn)色散的高效補償。烽火通信在國家科技計劃的支撐下，研制出高負色散光子晶體光纖。該光纖測試的色散曲線見圖10所示，其峰值波長為1570nm，峰值負色散為－666.2ps/nm.km，其補償帶寬為40nm，補償比率3倍以上。

三、保偏光纖

　　保偏光纖在許多與偏振相關的應用領域具有使用價值。隨著通信系統(tǒng)傳輸速率的提高和光纖陀螺等高級光纖傳感器件的發(fā)展,對偏振態(tài)系統(tǒng)控制的問題變得非常重要。

　　國際上,目前有各種類型的保偏光纖產(chǎn)品進入市場，知名的保偏光纖制造公司有生產(chǎn)領結型保偏光纖的FiberCore公司,有生產(chǎn)橢圓包層保偏光纖的3M公司,以及生產(chǎn)熊貓型保偏光纖的Fujikura,Corning ,Nufern、YOFC和OFS等公司。所有的這些公司生產(chǎn)的保偏光纖都具有良好的雙折射性能。目前市場需求量為5000km，市場容量在5000萬元左右，國內(nèi)對保偏光纖的需求量逐年增大，表2為典型的熊貓型保偏光纖的技術指標。

　　常規(guī)保偏光纖大多采用預制棒鉆孔的方法，然后置入應力硼棒，形成應力雙折射。光子晶體光纖科學技術的出現(xiàn)，為保偏光纖技術提供了新的途徑。目前，國外已經(jīng)開始了光子晶體PMF的研究，利用氧化硅一空氣之間的折射率反差大，容易獲得高雙折射，研制出了保偏光子晶體光纖(PCF)．英國巴斯大學報道了其研制的高雙折射PCF，利用相同直徑不同壁厚的毛細管組合成預制棒，實現(xiàn)不同的微孔直徑．光纖外直徑125μm、節(jié)距1.46μm、小孔直徑0．54μm、大孔直徑1.14μm、在1 550 nm 的拍長為410μm ，雙折射B =3.8 x 10-3 ，約為目前熊貓型PMF的10倍．Theis P．hansen利用光子晶體光纖可以高設計自由度的優(yōu)勢，在光纖中引入雙纖芯，微孔點陣呈現(xiàn)三角形點陣，研制的光子晶體PMF雙折射達到1.0x10-3 ．目前研制的光子晶體PMF在1 550 am 窗口的損耗為1.3 dB／km，并以10 Gbit／s的速率進行1．5 km的傳輸系統(tǒng)試驗。

　　烽火通信在國家科技計劃的支撐下開展了光子晶體保偏光纖的研究，制備出的保偏光子晶體光纖，其模雙折射B＝3.1x10-3。并進行了10G通信系統(tǒng)的PMD補償試驗研究：圖12中的左圖表示系統(tǒng)沒有進行PMD補償時的眼圖，系統(tǒng)的固定DGD為16ps，可以看出信號嚴重地受到系統(tǒng)PMD的影響而不能正常工作；采用的保偏光子晶體光纖對系統(tǒng)進行PMD補償后，圖12中的右圖顯示通信系統(tǒng)的眼圖睜開，系統(tǒng)恢復正常工作。

　　因此，光子晶體保偏光纖以其高設計自由度、高保偏性能，以及空隙中填充各種材料可以制造出各種纖維光學器件，將具有廣闊的應用前景。

四、摻稀土光纖

　　隨著新型光電子器件的發(fā)展，摻稀土光纖的應用越來越廣泛。摻稀土光纖主要包括摻鐿光纖、摻鉺光纖、摻銩光纖等，烽火通信的高性能摻稀土光纖成功獲得“國家重點新產(chǎn)品”稱號，打破了國外對我國高功率雙包層摻稀土光纖的技術封鎖。

　　烽火通信采用自主知識產(chǎn)權的專利技術，實現(xiàn)了稀土離子摻雜技術突破，鐿離子濃度迅速突破13000ppm，雙包層摻鐿光纖的纖芯直徑迅速突破100微米的技術關隘，達到115微米。

　　目前，烽火通信科技股份有限公司的單根摻鐿光纖成功實現(xiàn)1640W的1080nm的激光功率輸出，這是國內(nèi)特種光纖的首次技術突破，達到了當前國際先進水平，促進了我國國防科學技術的進步。

　　在開發(fā)摻鐿光纖的同時，烽火通信也開發(fā)出雙包層摻銩光纖，獲得了150W的中紅外激光輸出。烽火通信科技股份有限公司制造的摻鉺光纖、鉺鐿雙包層光纖、摻銩光纖都成功實現(xiàn)了商用化，促進了國內(nèi)摻鉺光纖放大器、光纖激光器等新型光纖器件的發(fā)展，為我國新型光電子器件的發(fā)展奠定基礎。

　　常規(guī)的雙包層摻鐿光纖要維持較好的單模特性時，當其纖芯數(shù)值孔徑達到0.03，其理論單模模場直徑的極限為25微米，這遠遠不能夠滿足高功率光纖激光器的大功率高光束質量與高亮度的需求。光子晶體光纖技術的出現(xiàn)為雙包層摻稀土光纖及新型光纖激光器提供了新的技術途徑。采用空氣與石英的復合材料結構，形成二維的三角形晶格點陣，當空氣孔直徑d與晶格常數(shù)∧的比例小于0.42時，光波電磁場維持單模工作模式。國外已經(jīng)開發(fā)出纖芯直徑達到80微米的雙包層摻鐿光纖，具備良好的單模特性。同時，外包層采用大空氣孔取代常規(guī)的低折射率涂料極大地提高了內(nèi)包層的數(shù)值孔徑，并增強了其耐熱性。

　　烽火通信研制的雙包層摻鐿光子晶體光纖，經(jīng)過測試，該光纖的橋壁寬度為0.32 μm，內(nèi)包層數(shù)值孔徑為0.65，纖芯數(shù)值孔徑為0.06，有效模場面積為1 465.7μm2。

　　為烽火通信研制的摻鉺光子晶體光纖，該光纖較常規(guī)摻鉺光纖具有更好的抗輻照特性，以及較好的增益特性。

　　五、能量傳輸光纖

　　能量光電子與信息光電子是光電子領域的一對孿生姊妹，信息光電子是利用光子作為信息的載體，而能量光電子是利用光子作為能量的載體，逐漸形成未來社會不可缺少的科學技術。其實，能量光電子技術自1960年美國休斯實驗室研制出世界第一臺紅寶石激光器之后，相繼研制開發(fā)了半導體激光器、CO2激光器、YAG激光器和高功率CO2激光器。特別是高功率激光器的研制成功，為激光加工技術在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、軍事、科學研究以及生活等領域的應用和相關行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了巨大的技術進步。

　　隨著能量光電子技術的不斷進步，各種新型高功率激光器與激光加工設備不斷涌現(xiàn)，激光設備采用光纖輸出激光的方式已經(jīng)取代傳統(tǒng)輸出方式。光纖輸出激光的方式具有傳輸功率損耗小、操作簡單方便、可以任意伸展待加工部位等優(yōu)點，大大地簡化并縮小了現(xiàn)代激光設備，已經(jīng)廣泛地應用于材料表面熱處理、激光焊接、激光切割、激光醫(yī)療、激光美容、激光制導等領域。

　　目前，國內(nèi)激光設備制造商采用的能量光纖主要依靠進口，主要原因有四個：一是國內(nèi)的能量光纖的激光損傷閾值較低；二是光纖的光透過率較國外低；三是國內(nèi)機械加工精度不夠，所生產(chǎn)的SMA905連接頭的同軸度差，不能夠滿足醫(yī)療激光即插即用的需求；四是光纖端面處理技術較為落后。隨著能量光電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和不斷壯大，該行業(yè)對能量傳輸光纖及其套件的需求會越來越大。

　　烽火通信科技股份有限公司采用自主知識產(chǎn)權的PCVD工藝技術，成功開發(fā)出大功率高損傷閾值能量傳輸光纖，具體性能指標見表3所示。烽火通信的能量光纖的損傷閾值達到3.5GW/cm2, 單根光纖承受激光功率突破1kW。烽火通信科技股份有限公司的能量光纖及光纖鎧裝跳線產(chǎn)品不僅應用在激光器的能量傳輸，而且應用在太陽能光伏產(chǎn)業(yè)，以及國防激光技術等領域。

　　六、特種光纖發(fā)展趨勢

　　目前，隨著我國3G與三網(wǎng)合一的信息化建設投資加大，以及振興中西部、發(fā)展農(nóng)村、擴大內(nèi)需等政策的相繼出臺，我國對光纖光纜以及光電子器件保持旺盛增長勢頭，今后隨著信息基礎設施的完善與擴大，預計對光纖光纜和光纖器件的需求將繼續(xù)增長。

　　特種光纖具有向如下幾個方向發(fā)展的趨勢：

　　(1) 高附加值、高技術含量的特種光纖

　　(2) 光纖通信器件：可調(diào)色散補償器、動態(tài)PMD補償器、高功率放大器、光參量放大器OPA、慢光及全光緩存器、波長變換器件等；

　　(3) 能量光纖器件：全光纖化激光器、單頻、窄線寬等大功率有源光纖器件與無源光纖器件等；

　　(4) 醫(yī)療光纖器件：微創(chuàng)手術器件、內(nèi)窺醫(yī)療器件等；

　　(5) 傳感光纖器件：各種特殊環(huán)境應用的器件，如壓力、溫度、位移等參量的傳感與探測器件，光纖陀螺等。

　　物聯(lián)網(wǎng)和云計算等新技術的出現(xiàn)，更加大了特種光纖及各種新型光電子器件的需求，特種光纖作為一個新興的產(chǎn)業(yè)，將面臨較大的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)，這也為我國民族光纖產(chǎn)業(yè)提供了橫向發(fā)展與縱向延伸的歷史舞臺。