光纤制造工艺衰减优化

林旺

三星光通信 海南省海口市 570206

摘要：自从1970年第一根低损耗量产光纤以来，光纤已经走过了半世纪的发展，从最初的20dB/km到当下的0.17dB/km以内的超低损耗。低损耗意味着中继可以减少，降低铺设成本，高品质的光纤数据传输保证了信息传输的稳定性。网络的更新换代，从2G到当今流行的5G，光纤承载的信息量成指数级的增长。衰减是光纤的重要特性，各大运营商对光纤供应商的衰减有严格的要求，保证网络稳定性及光纤使用寿命。本文主要对光纤制造工艺常见的影响因素分析，进行优化。

关键词：光纤；衰减；制造工艺

引言

衰减表明光纤这个载体对光能量的传输损耗。光纤衰减是指在一定长度距离内的光功率损失，随着传输距离的增加，光功率会减少。光功率减少意味着承载的信息量减少，因此，衰减是重要的传输指标。光纤的衰减与制造工艺有着密切关系。本文根据本人多年光纤制造的经验，分享如何改善光纤制造工艺非固有衰减。

光纤衰减α定义

α＝lg (dB/km)

L:光纤长度，单位：km；

P1光纤输入功率，单位：mw或μw；

P2光纤输出功率，单位：mw或μw；

一．影响光纤衰减α因素

实际中的光纤衰减分为固有衰减和非固有衰减。

固有衰减：光纤主要由SiO₂组成， SiO₂材料的特性本身有紫外吸收（瑞利散射）和红外吸收的影响决定了光纤衰减的下限。

非固有衰减是光纤制造和应用过程中的缺陷引起的附加损耗，可以通过改善光纤制造工艺和应用条件降低衰减。这些缺陷有杂质，气泡等，还有光纤弯曲造成的损耗，这是本文谈论的内容。

二．光纤的制造工艺过程：

原材料→ 沉积→烧结 → 高温熔融→涂覆→固化→光纤→氘气处理

拉丝

预制棒

简单来说，要制成光纤有2个步骤：预制棒制造和拉丝成纤。

1. 预制棒制造原材料有SiCl₄或硅氧烷

光纤的玻璃部分是纯SiO_2，如果出现气泡或污染，会对光在光纤中产生折射，光能就损耗。所以对原材料的纯度要控制：SiCl₄ 99%以上，硅氧烷 98.5%以上，减少杂质的影响。

2. 预制棒制造

1. 沉积工序

沉积工序的过程是：液体原材料通过蒸发器蒸发形成气体，和O₂燃烧，形成SiO₂粉末状颗粒。燃烧过程放热，温度在1100~1200℃。在热流力的作用下，燃烧形成的SiO₂颗粒，由于反应腔体内的温度差，会从高温部分移到低温部分，这就是热泳效应。

1. 如果液体原材料中，在气化过程中，会随管道和主材一起反应，在反应时会掺杂在SiO₂粉棒上，会对SiO₂纯度影响。由于原材料中的杂质一般是密度大的杂质，一般会沉淀在腔体下部，所以SiO₂粉棒下端被污染几率大。可以在反应腔体下端预留清洁口，定期清洁。

2. 沉积过程中，需要燃烧，燃烧可燃物有天然气或H₂，助燃剂是O₂。此过程必然产生H₂O，H₂O在高温下产生OH^-, OH^-是对衰减影响的关键因素，尤其在1383nm波段吸收峰，而1383衰减是低水峰光纤的关键。工艺上，要控制好开始阶段，也就是目标棒表面的预热时间，预热时间过长会产生过多水分；预热时间过少，由于热泳效应，会影响颗粒的聚集效果，从而影响生产性，因为为了达到目标的SiO₂粉密度，就会在沉积正常阶段需要燃烧更多时间，同时也会产生更多的H₂O。所以这个沉积开始阶段的预热环节时间需要平衡，尽少减少H₂O的产生，多余的H₂O到下个烧结工序处理。

2. 烧结工序

烧结工序是对沉积工序形成的疏松的SiO₂粉棒的粒子重新组合收缩，玻璃化的过程。往往在烧结工序的前期，会对上个沉积工序产生的H₂O，进行物理蒸发和化学反应带走OH^-。先进行物理蒸发，通过排气管道带走大部分H₂O，剩下的少量H₂O在SiO₂粉棒的里层，所以通过H₂O与Cl₂反应，并用分子量小的惰性气体载体带走生成物。这阶段，惰性气体用量和温度比较关键。温度过高，SiO₂粉棒表面的SiO₂颗粒会开始结合收缩，形成一层致密的玻璃化层，SiO₂粉棒里层的H₂O挥发不出来，因此影响衰减。温度和时间是这阶段的关键。

经过了初期的水分去除阶段，绝大部分的H₂O已经去除了，SiO₂粉棒会在更高的温度下开始收缩，即玻璃化。由于SiO₂粉棒密度比玻璃小，所以颗粒间的间隙比较大，如果玻璃化过快，残留在间隙的气体就会被包在玻璃棒中，产生气泡。如何有梯度层次地对SiO₂粉棒进行加温玻璃化，是烧结工序控制的关键。这个阶段主要防止预制棒中气泡和烧结不透明的产生，这是光纤缺陷的工艺来源之一。

3. 拉丝工艺

1. 拉丝高温熔融工序

高温熔融工序是指预制棒在高温炉中融化，形成直径为125微米的标准光纤的过程。高温炉里有冷却气体，形成稳定的温场。从原理上讲，高温炉内温场会对Si-O链的断裂产生影响。Si-O链断裂产生的缺陷增多，会增加衰减。大的温度梯度对光纤玻璃内部产生大的内应力，大的内应力会使Si-O链的断裂。所以如何控制温度梯度是拉丝工序优化衰减的关键。

在预制棒熔融状态到冷却管前，要减小光纤内应力就要避免急剧冷却，方法可以有：延长拉丝炉延伸管长度，增加退火管，冷却管的阶梯冷却等等。经过实验，这部控制可以优化1310nm衰减0.003dB/km左右。另外，温场不均和炉内的异物颗粒，也会影响玻璃的内应力。

2. 拉丝涂覆工序

拉丝涂覆工序是在裸玻璃光纤上涂上丙烯酸树脂材料，以保护玻璃，减少玻璃裂纹缺陷。涂覆的树脂液体材料有一定的粘度特性，涂覆过程中会有气泡，会在后续的固化工序中存在涂覆层中，在低温（-40℃）下，气泡会产生向玻璃光纤挤压形成内应力，衰减会增大。

涂覆层有内层和外层涂覆层，内层涂覆层保护裸光纤微裂纹并且减少光纤弯曲时光能量损耗，外层起防水防外力冲击作用。内层和外层的厚度和是一定的，内层的厚度越大，越能减小光纤弯曲损耗，但外层的厚度会变小，外界的机械力对光纤产生应力，对衰减不利。数据表明：内层与外层厚度比例6：4是个临界点。

3. 拉丝固化工序

拉丝固化工序是对涂覆液体树脂材料迅速在紫外光的左右下，聚合反应迅速固化。此过程的氧浓度会对聚合反应影响，从而影响固化度，固化度对1550nm衰减会有0.005dB/km左右的影响。

4. 光纤后处理-氘气D₂处理

拉丝生产处光纤后，衰减还不稳定，因为拉丝过程中在2000℃左右的高温下，OH^-会进入芯层，与芯层中断裂的Ge-O链结合生产Ge-OH，几周后，衰减会增大0.05dB/km。氘气在一定浓度和压强下，会抑制OH^-与断裂键的反应，从而保证衰减的稳定性。O-D键取代O-H键，而O-D键主要振动吸收峰在1600nm以上，不影响1383nm的传输窗口，所以可以优化1383nm衰减稳定性。实验证明，D₂的浓度和D₂处理时间和密封装置的压力会影响1383nm的衰减稳定性。

三． 结语

本文从预制棒到光纤生产的各个工序，对衰减影响的因素分析。OH^-和玻璃内应力的影响是衰减增大的重要原因。因此，从如下方面考虑优化衰减：提高原材料的纯度，减小光纤拉丝表面温度梯度，，合理优化内外层涂覆厚度，减少预制棒的气泡、杂质、内应力不均等缺陷，以及光纤后期氘气处理等等是优化光纤衰减的途径。

参考文献：

• [1]丁旭. 用于气相沉积的微波等离子技术研究[D].武汉邮电科学研究院,2020.

• [2]尚振峰. 光纤制造工艺对其性能影响分析[D].天津大学,2016.