光纤通信技术是指利用光波作为信息载体,以光纤作为传输介质的通信技术。这种技术的飞速发展,不仅推动了通信技术和互联网的快速发展,而且对超高速、超宽带宽、超大容量通信系统提出了更高的要求。为了适应这些要求,除了研制更好的光纤无源器件和有源器件之外,还需要开发新型的光纤材料和更合理的光纤结构,以及更精良的制造工艺。
光纤的制造技术主要包括化学汽相沉积法(CVD)、等离子体化学汽相沉积法(PCVD)、轴向汽相沉积法(VAD)等。化学汽相沉积法包括管内CVD法和棒内CVD法,这些方法都是通过化学反应在气相中沉积材料于基体表面,形成光纤。等离子体化学汽相沉积法通过在等离子体环境中沉积材料,得到光纤。轴向汽相沉积法则是通过从一端开始沿光纤轴向生长的方法来沉积材料。
光纤材料主要有两种,一种是以二氧化硅(SiO2)为主的玻璃材料,另一种是晶体材料。以SiO2为主的光纤,其工作波长范围为0.8μm-1.6μm,即近红外波段。目前,其最低理论损耗在1550nm波长处为0.16dB/km,已经接近石英光纤理论上的最低损耗极限。但是,如果将工作波长增加,由于红外线吸收的影响,衰减常数反而增大。
非石英玻璃材料和结晶材料是超长波长窗口的光纤材料,如AgCl、AgBr、KBr、CsBr以及KRS-5等晶体材料。这些材料在10.6μm波长处的损耗可以达到0.1dB/km,是非常有前途的光纤材料。此外,氟化物玻璃光纤是以ZrF4-BaF2、HfF4-BaF2两系统为基体材料的多组分玻璃光纤,其最低损耗在2.5μm附近为1×10^-3 dB/km,无中继距离可以达到1×10^5 km以上。日本NTT公司在1989年研制成功的2.5μm氟化物玻璃光纤损耗只有0.01dB/km。
硫化物玻璃光纤具有较宽的红外透明区域(1.2-12μm),有利于多信道的复用。硫化物玻璃光纤在6μm波长处的损耗水平为0.2dB/km,是一种非常有前途的光纤。硫化物玻璃光纤具有很大的非线性系数,制作的非线性器件可以有效提高光开关的速率,达到数百Gb/s以上。
重金属氧化物玻璃光纤具有优良的化学稳定性和机械物理性能,但其红外性质不如卤化物玻璃好,区域可透性差,散射也大。但是,如果将卤化物玻璃与重金属氧化物玻璃的优点结合起来,制造出性能优良的卤-重金属氧化物玻璃光纤将具有重要意义。
聚合物光纤自1960年代以来取得了很大的发展。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)阶跃型塑料光纤(SIPOF)在1968年损耗为1000dB/km。而全氘化PMMA塑料光纤在650nm波长处的损耗已降低到20dB/km。全氟化渐变型PMMA光纤的损耗理论极限在1300nm处为0.25dB/km,在1500nm处为0.1dB/km。目前,采用离心技术制造的渐变折射率聚合物光纤(GIPOF)具有极宽的带宽(>1GHz.km),适合短距离通信。
此外,特殊环境对光纤提出了特殊要求。石英光纤的纤芯和包层材料具有很好的耐热性,其耐热温度可以达到400-500℃。目前,梯型硅氧烷聚合物(LSP)涂层的热固化温度达到400℃以上,在600℃时的光传输性能和机械性能仍然很好。采用非均匀成核热化学反应(HNTD)在热的光纤表面生成碳黑,制成的碳涂覆光纤表面致密性好,具有极低的扩散系数。
在光纤技术领域,日本NTT公司开发的氟化聚酰亚胺材料(FULPI)在近红外光内具有较高的透射性,并且折射率可调,耐热及耐湿,解决了聚酰亚胺透光性差的问题。聚碳酸酯、聚苯乙烯的研究也在不断的进行中,相信不久的将来会有性能更好的聚合物光纤材料出现。
总结来说,光纤通信技术的进步依赖于光纤材料、光纤结构和光纤制造技术的不断创新和改进。随着通信技术的发展,对光纤的要求会越来越高,这需要科学家和工程师不断地研究和开发新型材料和制造工艺,以实现更高的传输速率、更大的传输容量和更长的传输距离,从而满足未来通信技术的需要。