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2013/04/29
作者：吴雯雯 李代军 吴松
一、引言
光纤的截止波长是单模光纤的特有参数，是指光纤中只能传导基模（LP01）的最短波长。传输光的波长在该波长之下时，光纤可传播多种模式（包含高阶模）的光；超过该波长时，光纤只传输一种模式（基模）的光。
截止波长λc的理论计算公式为：
其中：a为纤芯半径
n1为芯层折射率
n2为包层折射率
Vc为归一化截止频率（对于阶跃光纤，Vc=2.405）
由公式可以看出，λc由纤芯半径和芯层、包层折射率所决定，截止波长的均匀性取决于光纤中这些参数的均匀性。截止波长变化越小，说明光纤均匀性越好，而光纤的均匀性会影响到光缆的接续，由此产生的接头损耗和反射光的增加都会影响通信系统的运行效果[1]。
二、MCVD工艺简介
MCVD是Modified Chemical Vapor Deposition的简称，译为改进的化学气相沉积法，是管内沉积法。MCVD工艺从旋转的石英基管一端由氧气带入高纯的原料（SiCl4、GeCl4、POCl3、SF6、BBr3等），外部用石英喷灯或石墨炉高温加热，反应生成的疏松体在热源下游沉积在基管内壁，热源经过时疏松体玻璃化成透明的玻璃体，而没有沉积下来的反应物由工艺气体载带入尾管、尾部灰粒收集箱，部分直接抽吸到洗涤塔处理（见图1），沉积完毕后直接在设备上进行塌缩过程。MCVD工艺可以根据不同设计需要由工艺配方程序（Recipe）实现不同厚度、折射率的芯层和包层，在制备不同种类的光纤上具有很强的灵活性，成为预制棒生产的四大主要方法之一。
MCVD沉积的机理一般认为是热泳机理，即顺着温度梯度下降的方向沉积。反应包络面中生产的玻璃体在热源所在位置的下游管壁沉积下来，示意图如下：
六、结束语
MCVD工艺通过对原料量、加热器移动速度、温度等参数的修正，可以实现芯棒结构的良好纵向均匀性，使光纤性能更稳定、光纤的质量提高。
光纤的截止波长是单模光纤的特有参数，是指光纤中只能传导基模（LP01）的最短波长。传输光的波长在该波长之下时，光纤可传播多种模式（包含高阶模）的光；超过该波长时，光纤只传输一种模式（基模）的光。
截止波长λc的理论计算公式为：
其中：a为纤芯半径
n1为芯层折射率
n2为包层折射率
Vc为归一化截止频率（对于阶跃光纤，Vc=2.405）
由公式可以看出，λc由纤芯半径和芯层、包层折射率所决定，截止波长的均匀性取决于光纤中这些参数的均匀性。截止波长变化越小，说明光纤均匀性越好，而光纤的均匀性会影响到光缆的接续，由此产生的接头损耗和反射光的增加都会影响通信系统的运行效果[1]。
二、MCVD工艺简介
MCVD是Modified Chemical Vapor Deposition的简称，译为改进的化学气相沉积法，是管内沉积法。MCVD工艺从旋转的石英基管一端由氧气带入高纯的原料（SiCl4、GeCl4、POCl3、SF6、BBr3等），外部用石英喷灯或石墨炉高温加热，反应生成的疏松体在热源下游沉积在基管内壁，热源经过时疏松体玻璃化成透明的玻璃体，而没有沉积下来的反应物由工艺气体载带入尾管、尾部灰粒收集箱，部分直接抽吸到洗涤塔处理（见图1），沉积完毕后直接在设备上进行塌缩过程。MCVD工艺可以根据不同设计需要由工艺配方程序（Recipe）实现不同厚度、折射率的芯层和包层，在制备不同种类的光纤上具有很强的灵活性，成为预制棒生产的四大主要方法之一。
图1 MCVD设备示意图
MCVD制作芯棒的纵向均匀性指的是芯棒各参数沿沉积长度的分布，包括各层厚度、相对折射率差值以及这些参数对拉制而成的光纤产品的模场直径、截止波长等指标的分布影响，光纤预制棒的良好纵向均匀性是拉制光纤获得分布均匀的模场直径、截止波长、损耗等的重要前提条件。MCVD沉积的机理一般认为是热泳机理，即顺着温度梯度下降的方向沉积。反应包络面中生产的玻璃体在热源所在位置的下游管壁沉积下来，示意图如下：
图2 热泳反应示意图
由此可知MCVD存在一个缺陷，即在芯棒起始端的沉积厚度较薄，各种反应物的反应效率与较长的平稳段不尽相同。MCVD工艺通过工艺优化处理（ramp）的设定对温度、加热器速度、压力控制、原料量等参数进行调整，以此获得良好均匀性的芯棒参数、较短的芯棒锥度（从沉积起点到均匀段的长度），最终保证良好的光纤参数。
表1 ramp修正例表
| 设定温度(1860℃) | 实际温度(℃) | ||
| 沉积位置 | ramp系数 | 未使用ramp | 使用ramp |
| 0 | 0.65 | 1860 | 1209 |
| 100 | 0.70 | 1860 | 1302 |
| 200 | 0.90 | 1860 | 1674 |
| 300 | 0.93 | 1860 | 1730 |
| 400 | 0.98 | 1860 | 1823 |
| 500 | 1.00 | 1860 | 1860 |
| 800 | 1.00 | 1860 | 1860 |
| 1000 | 1.02 | 1860 | 1897 |
| 1100 | 1.03 | 1860 | 1916 |
| 1250 | 1.03 | 1860 | 1916 |
Ramp修正除了对芯棒结构调整起重要作用外，还对制棒工艺过程有优化作用。如：在沉积开端因温差较大容易出现大H2流量现象，使基管头端弯曲变形，甚至引起基管的跳动，使芯棒的不圆度增大，影响光纤几何性能，而用ramp修正降低起始端温度能有效避免此现象的产生。同样在沉积起点，因沉积量少，管壁较薄，若无压力ramp的修正，容易导致头端鼓起，影响后端的沉积。
三、MCVD工艺实现
MCVD工艺中利用ramp对配方各参数进行控制，各个参数之间相互关联，同时又对沉积状态产生影响，是一个十分复杂的工艺优化过程，最终目的是达到低成本、高利用率、芯棒纵向均匀性良好的最佳结合。在工艺过程中，参数的修正可以有很多组合能达到相同的调整目的。
芯层是光传输的重要部分，沉积时通入的总流量越大，锥度越难控制，所以一般芯层的气体总流量比包层气体量小。主要技术难点是对芯层折射率和芯层直径的优化。
芯径均匀性对截止波长的影响大于△（相对折射率）均匀性所产生的影响[2]。芯层直径的均匀性改善主要是通过ramp对沉积温度、加热器移动速度、SiCl4原料量、压力控制的修正进行的。在各项参数匹配合适的情况下，可使芯径在沉积起点200mm-950mm标准偏差小于3%。在优化芯径纵向均匀性的同时，也要注意到芯棒折射率的纵向分布会跟随上述各项参数的ramp产生变化，所以直径、折射率的均匀性控制不是孤立的优化过程。在考虑到上述参数对折射率影响的同时，可以对GeCl4/POCl3/SF6等能够改变折射率的原料进行ramp修正，可使芯层折射率波动控制在±0.00025。
四、其它过程存在的影响因素
MCVD法缩棒过程中，芯层GeO2在高温下分解挥发导致典型的光纤中心凹陷，该凹陷的宽度和深度会引起截止波长的变化[3]，因此消除中心凹陷是十分必要的。目前较常用的方法有两种，方法一是采用缩棒时增加Ge量来补偿GeO2的挥发，方法二是采用SF6蚀刻的方式将中心折射率凹陷部分消除掉。补Ge的方法对折射率均匀性影响较大，而SF6蚀刻的方法则可能对芯径分布造成较大的影响，因而缩棒过程对这两个参数的优化也是十分重要的。
拉丝张力是由加热炉工作温度和拉丝速度共同决定的。当加热炉工作温度不变时拉丝速度越高，张力越大；当拉丝速度不变时加热炉工作温度越高，拉丝张力越小。拉丝张力增大会造成光纤截止波长的增大和模场直径的减小[4]。在拉丝过程中，速度一定的情况下，张力增大、加热炉内温度降低，预制棒芯层GeO2浓度增大导致芯层折射率n1增大，截止波长随之增大。因此实际光纤生产时，针对预制棒的结构特点，可以采取调整张力的方法对锥度部分的截止波长、模场直径进行调整，能够有效提高预制棒的利用率。
五、光纤测试指标
通过MCVD方法制作2种不同截止波长的产品的芯棒（截止波长分别为A-1050nm和B-920nm），各拉丝120km，每10km测试截止波长，芯棒数据及测试结果见表2、图4所示，所得光纤截止波长波动小于100nm，稳定性良好。
三、MCVD工艺实现
MCVD工艺中利用ramp对配方各参数进行控制，各个参数之间相互关联，同时又对沉积状态产生影响，是一个十分复杂的工艺优化过程，最终目的是达到低成本、高利用率、芯棒纵向均匀性良好的最佳结合。在工艺过程中，参数的修正可以有很多组合能达到相同的调整目的。
芯层是光传输的重要部分，沉积时通入的总流量越大，锥度越难控制，所以一般芯层的气体总流量比包层气体量小。主要技术难点是对芯层折射率和芯层直径的优化。
芯径均匀性对截止波长的影响大于△（相对折射率）均匀性所产生的影响[2]。芯层直径的均匀性改善主要是通过ramp对沉积温度、加热器移动速度、SiCl4原料量、压力控制的修正进行的。在各项参数匹配合适的情况下，可使芯径在沉积起点200mm-950mm标准偏差小于3%。在优化芯径纵向均匀性的同时，也要注意到芯棒折射率的纵向分布会跟随上述各项参数的ramp产生变化，所以直径、折射率的均匀性控制不是孤立的优化过程。在考虑到上述参数对折射率影响的同时，可以对GeCl4/POCl3/SF6等能够改变折射率的原料进行ramp修正，可使芯层折射率波动控制在±0.00025。
图3 ramp修正前后芯径、折射率波动
四、其它过程存在的影响因素
MCVD法缩棒过程中，芯层GeO2在高温下分解挥发导致典型的光纤中心凹陷，该凹陷的宽度和深度会引起截止波长的变化[3]，因此消除中心凹陷是十分必要的。目前较常用的方法有两种，方法一是采用缩棒时增加Ge量来补偿GeO2的挥发，方法二是采用SF6蚀刻的方式将中心折射率凹陷部分消除掉。补Ge的方法对折射率均匀性影响较大，而SF6蚀刻的方法则可能对芯径分布造成较大的影响，因而缩棒过程对这两个参数的优化也是十分重要的。
拉丝张力是由加热炉工作温度和拉丝速度共同决定的。当加热炉工作温度不变时拉丝速度越高，张力越大；当拉丝速度不变时加热炉工作温度越高，拉丝张力越小。拉丝张力增大会造成光纤截止波长的增大和模场直径的减小[4]。在拉丝过程中，速度一定的情况下，张力增大、加热炉内温度降低，预制棒芯层GeO2浓度增大导致芯层折射率n1增大，截止波长随之增大。因此实际光纤生产时，针对预制棒的结构特点，可以采取调整张力的方法对锥度部分的截止波长、模场直径进行调整，能够有效提高预制棒的利用率。
五、光纤测试指标
通过MCVD方法制作2种不同截止波长的产品的芯棒（截止波长分别为A-1050nm和B-920nm），各拉丝120km，每10km测试截止波长，芯棒数据及测试结果见表2、图4所示，所得光纤截止波长波动小于100nm，稳定性良好。
表2 产品A、B芯棒结构、截止波长数据
| 项目 | A | B | ||
| 平均值 | 标准偏差 | 平均值 | 标准偏差 | |
| 芯径mm | 1.54 | 0.0191 | 2.88 | 0.231 |
| 折射率 | 1.4654 | 0.0002 | 1.4629 | 0.0001 |
| 截止波长nm | 1075 | 20.4762 | 933 | 25.1884 |
图4 产品A、B的芯径、折射率、截止波长波动图
六、结束语
MCVD工艺通过对原料量、加热器移动速度、温度等参数的修正，可以实现芯棒结构的良好纵向均匀性，使光纤性能更稳定、光纤的质量提高。
