1.引言

1966年高琨發(fā)表論文《光頻率介電纖維表面波導(dǎo)》(Dielectric-fibre surface wave-guidesfor optical frequencies)[1]，首次提出通過控制玻璃的純度和成分制備傳輸損耗非常低的圓形截面玻璃介質(zhì)纖維波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)光波信號有效傳輸，單模光纖導(dǎo)光原理如圖1。幾年后，第一根低衰減光纖由康寧公司研制成功，1977年，第一根通訊光纜在芝加哥地下完成鋪設(shè)，實(shí)現(xiàn)了光纖技術(shù)應(yīng)用的“從0到1”。隨后，在通訊技術(shù)方面，光纖完成了“光進(jìn)銅退”的工程。同時(shí)，傳感與激光器兩個(gè)“新賽道”也高速發(fā)展起來，盡管光纖新應(yīng)用中不能稱為“主角”，但是作為元器件，在高功率激光器、航空航天、能源、海洋傳感監(jiān)測以及生物醫(yī)療應(yīng)用等領(lǐng)域中都起到了不可或缺的作用。

圖1 單模光纖導(dǎo)光原理

Figure 1 Light-guiding Principle of Single-mode Fiber

針對光電傳感技術(shù)，有兩套應(yīng)用路線：一是希望充分利用現(xiàn)有光纜的基礎(chǔ)，借助基礎(chǔ)設(shè)施或者附近布設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)石英單模光纖光纜通訊系統(tǒng)，(損耗已降至0.1 dB /km@1550 nm波長)，對傳輸過程中的信息進(jìn)行解調(diào)，用以檢測基礎(chǔ)設(shè)施的健康狀況(對解調(diào)的要求較高，有一些安全方面的隱患);二是通過優(yōu)化通訊單模光纖，對某些指標(biāo)的性能進(jìn)行強(qiáng)化，例如：保偏、多芯、微結(jié)構(gòu)、摻稀土元素、多組分玻璃、塑料光纖等，這些特殊光纖與石英標(biāo)準(zhǔn)單模光纖相比，結(jié)構(gòu)、材料構(gòu)成更為復(fù)雜[2]，因此被稱為“特種光纖”。但是不論哪一種技術(shù)路線，光纖都在逐漸形成地球表面的“神經(jīng)”網(wǎng)絡(luò)，對國防、工業(yè)進(jìn)行“感知”。

用一棵“光纖大樹”來看看這個(gè)行業(yè)(如圖2)。光纖大樹已經(jīng)發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)，光纖的上游領(lǐng)域(樹根部分)主要涉及玻璃、高分子材料、制造技術(shù)等，全球大量的科研院所、企業(yè)依然在這一基礎(chǔ)條件中貢獻(xiàn)著聰明智慧。下游應(yīng)用(樹枝部分)涉及光電通訊、光纖激光、光電傳感、生物醫(yī)療等幾大領(lǐng)域。通信單模光纖的應(yīng)用優(yōu)勢依然非常明顯(高帶寬、柔性、抗干擾、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、性價(jià)比高)，且占據(jù)著主要的地位。然而，特種光纖的發(fā)展對新一代的科技發(fā)展所起到的作用不可小視，它不僅提升了光纖技術(shù)的技術(shù)含量，對“5G”信息通信行業(yè)新基建發(fā)展起到了支撐和促進(jìn)作用，還對大環(huán)境(彩虹和烏云)“一帶一路”國際光纜干線戰(zhàn)略的建設(shè)，突破貿(mào)易戰(zhàn)中的技術(shù)壁壘，都具有重要的作用。

圖2 光纖發(fā)展樹

2.特種光纖的分類

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的興起和發(fā)展，人類對通信有了更高標(biāo)準(zhǔn)的需求;與此同時(shí)，光電傳感、激光器領(lǐng)域中大量的新穎應(yīng)用，都需要利用不同的結(jié)構(gòu)，或者化學(xué)元素，制備并合成更為可靠的、多樣化的光纖。

任何技術(shù)發(fā)展的目的都是為了解決某一實(shí)際問題，特種光纖往往是從定制化研究開始的。所以特種光纖的類型非常多，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的積累，可以梳理出一些規(guī)律(這里不考慮非光學(xué)應(yīng)用的纖維)。

如圖3，特種光纖按照結(jié)構(gòu)分類主要可以分為微結(jié)構(gòu)光纖(典型代表：空芯帶隙型光子晶體光纖)、多芯光纖、保偏光纖(典型代表：熊貓型保偏光纖)、異形芯光纖(典型代表：方形結(jié)構(gòu)纖芯光纖)等。

光學(xué)材料也有著不同的分類，石英玻璃材料是一種非常穩(wěn)定的玻璃基材，經(jīng)歷數(shù)十年的考驗(yàn)和發(fā)展，可以通過人工合成嚴(yán)格控制玻璃純度;稀土摻雜石英玻璃也是非常重要的一類光學(xué)材料，例如摻鉺光纖放大器(EDFA)[4]，工作波長正好為石英玻璃最低的衰減波長(1550 nm)，在光纖通訊領(lǐng)域的應(yīng)用效果顯著。

然而早期，人們選用石英玻璃材料之前，合適拉制光纖的光學(xué)玻璃材料還有氟化物玻璃、硫系玻璃等，被稱為“多組分玻璃”(也可稱為“軟玻璃”)。

圖3 特種光纖分類

2.1結(jié)構(gòu)類的特種光纖發(fā)展歷程[3]

光纖在使用過程中必然受到外部應(yīng)力作用，使光纖表現(xiàn)出一定程度的偏振模色散，1972年F.P.KAPRON首次開展單模光纖雙折射的研究，研究表明單模光纖的雙折射特性和信息傳輸與光纖長度相關(guān)，為此，能夠維持光波偏振態(tài)，減少偏振色散的保偏光纖(例如熊貓型保偏光纖)在20世紀(jì)80年代被廣泛研究應(yīng)用。圖4 為特種光纖的結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程。

第一根光子晶體光纖(PhotonicsCrystalfiber)誕生于1996年，其形狀為固體纖芯被正六邊形陣列的圓柱孔環(huán)繞，隨后各種結(jié)構(gòu)的空芯光子晶體光纖層出不窮，如1999年由巴斯大學(xué)光電組R. F. Cregan研究的空芯帶隙光子晶體光纖，以及2010年由巴斯大學(xué)氣相光子材料組研制的空芯反諧振光纖。光纖的衰減水平也持續(xù)優(yōu)化，有趕超通訊單模光纖的趨勢。

圖4 特種光纖結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程

1979年S.INAO為了開發(fā)高集成度大芯數(shù)光纜結(jié)構(gòu)而提出了多芯光纖的概念。經(jīng)過理論完善和實(shí)驗(yàn)研究，1994年，法國電信制作出了可實(shí)用的梅花形四芯單模光纖，多芯光纖開始走向了實(shí)用化、商品化。多芯光纖為增大光纖通信容量提供可能，同時(shí)由于其自身的敏感性，在光纖傳感領(lǐng)域的應(yīng)用也變得多樣化。目前光源或光接收設(shè)備還只能利用單模光纖連接，因此要推廣多芯光纖首要解決的問題是與單模光纖之間的連接，主要的解決方案為光纖束，空間透鏡和聚合波導(dǎo)等。

2.2材料類特種光纖發(fā)展歷程[3]

1952年英國南安普頓大學(xué)就對磷酸鹽玻璃的形成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，磷酸鹽玻璃可以形成基本結(jié)構(gòu)組成單元和孤對電子兩種結(jié)構(gòu)，因此可實(shí)現(xiàn)高濃度稀土摻雜，獲得激光輸出，該類光纖主要用作短距離的信號傳輸和圖像傳輸，且由于不同比例的材料成分制作出來的玻璃光學(xué)性質(zhì)不同，使得多組分玻璃的種類繁多，制造成本也比較低。目前主要的種類有：重金屬氧化物玻璃，氟化物玻璃、硫化物玻璃、碲酸鹽玻璃以及“肖特”體系玻璃等。圖5為特種光纖材料的發(fā)展歷程。

圖5 特種光纖材料發(fā)展歷程

1961年，摻釹玻璃被研制成功，首次應(yīng)用于激光器。1987年摻鉺單模光纖成功實(shí)現(xiàn)通信信號的放大，產(chǎn)生增益[4]，使全光通信距離延長至幾千公里，克服光纖損耗的限制，達(dá)到全光纖通信目的。自此稀土摻雜光纖受到重視，但摻雜是光纖抗輻射性能的主要限制因素，也成為科研的重點(diǎn)攻堅(jiān)方向。

1964年美國杜邦公司研制出聚甲基丙烯酸甲酯芯的塑料纖維，如今成為短距離通信網(wǎng)絡(luò)的理想傳輸介質(zhì)，在照明裝飾、未來家庭智能化、辦公自動化、工控網(wǎng)絡(luò)化、車載機(jī)載通信網(wǎng)以及多媒體設(shè)備中的數(shù)據(jù)短距離傳輸中具有重要的地位。(圖片來自于國外塑料期刊，文章名稱《塑料光纖產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)要點(diǎn)》)

1980年代初，新一代用于信息傳遞和光能傳輸?shù)募t外玻璃光纖被廣泛深入的探索(圖片來自于日本Fiber labs公司產(chǎn)品)，尤其是中紅外波段的激光傳輸，中紅外激光技術(shù)日漸發(fā)展成熟，但仍存在熱效應(yīng)累積造成的工作物質(zhì)損傷、熱透鏡效應(yīng)破壞光束質(zhì)量、激光器功率提高受限等問題。

3.保偏光纖

保偏光纖是特種光纖中發(fā)展最為成熟、應(yīng)用較為廣泛的一類。在國內(nèi)，保偏光纖在光纖傳感行業(yè)中經(jīng)歷了若干個(gè)“五年計(jì)劃”的發(fā)展，形成了成套制備及應(yīng)用技術(shù)。

3.1保偏光纖的分類及應(yīng)用

1980年以前，在光纖中實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)控制，以減小偏振帶來的模式色散是非常困難的。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在美國、日本和歐洲的保偏光纖技術(shù)愈漸成熟的驅(qū)動下，全球保偏光纖技術(shù)快速發(fā)展，我國的保偏光纖產(chǎn)品也在不斷的優(yōu)化和革新。保偏光纖按照結(jié)構(gòu)分類主要有(如表1)：熊貓型(PANDA)、領(lǐng)結(jié)型(bow-tie，也稱為蝴蝶型)、橢圓包層型(elliptical cladding)、橢圓纖芯型(elliptical core)、扁平包層型、邊槽型/邊隧道型、以及扭轉(zhuǎn)保偏光纖等。按照雙折射系數(shù)分類，可以分成高雙折射光纖(B~10-4)和低雙折射光纖(B~10-9)，無論高雙折射還是低雙折射，都存在多類型的技術(shù)方案。

表1 各類保偏光纖的優(yōu)缺點(diǎn)

保偏光纖應(yīng)用涵蓋了電信、醫(yī)學(xué)和傳感器等領(lǐng)域，相干光通訊和光纖陀螺儀傳感系統(tǒng)對偏振態(tài)的控制也非常重視，如光學(xué)相干反射法(OCR)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，外科醫(yī)生能夠通過這種方法區(qū)分血管壁和自身阻塞之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)“冠狀動脈慢性全阻塞”(CTO)區(qū)域的安全切除。

目前商用保偏光纖產(chǎn)品中熊貓型保偏光纖占領(lǐng)著主導(dǎo)地位，主要應(yīng)用于光纖陀螺(FOG)中，光纖的性能參數(shù)直接決定光纖陀螺的性能，是光纖陀螺中的敏感部分，也是至關(guān)重要的核心元件。

目前，光纖陀螺與激光陀螺、MEMS陀螺的競爭越來越激烈，一系列新型陀螺儀也不斷涌現(xiàn)，提高精度和降低成本成為必然。保偏光纖得益于光纖陀螺在航空、海洋環(huán)境的廣泛應(yīng)用，其衰減、偏振，非線性等光學(xué)性能以及幾何尺寸控制方面得到了快速的優(yōu)化提升，成為光纖陀螺應(yīng)用中不可替代的核心部分。因此為實(shí)現(xiàn)高性能光纖陀螺器件的輕型化、低成本，保偏光纖的包層直徑逐漸由125 μm演變?yōu)?0 μm、60 μm，還出現(xiàn)了40 μm和更細(xì)的光纖，如圖6。保偏光纖外徑尺寸不斷減小，如何在減小光纖外徑的同時(shí)保持光纖的良好性能成為光纖設(shè)計(jì)和制造過程中的一大難題;其熔接對軸設(shè)備的國產(chǎn)化替代，也是同樣需要進(jìn)一步研究解決。

圖6 光纖陀螺小型化，保偏光纖發(fā)展趨勢

3.2熊貓保偏光纖制備

基于石英玻璃材料制備的光纖經(jīng)過幾十年的發(fā)展，開發(fā)工藝程序基本定型，分為兩步：(1)預(yù)制棒的制備(2)光纖預(yù)制棒拉絲。

（1）傳統(tǒng)單模光纖的預(yù)制棒制備工藝主要采用：改進(jìn)化學(xué)汽相沉積法(MCVD)，外部汽相沉積法(OVD)，汽相軸向沉積法(VAD)和等離子體化學(xué)汽相沉積法(PCVD)。保偏光纖預(yù)制棒制備與單模光纖工藝類似，通過MCVD制備芯棒;對已沉積好的單模光纖預(yù)制棒進(jìn)行打孔，即在纖芯兩側(cè)鉆出用于布設(shè)應(yīng)力區(qū)的兩個(gè)尺寸一致的對稱平行孔;應(yīng)力棒是含了硼元素的摻雜石英玻璃;將應(yīng)力棒(硼硅玻璃)分別套入兩個(gè)孔內(nèi)，形成完整的熊貓型保偏光纖預(yù)制棒，如圖7。

圖7 熊貓保偏光纖制備過程

（2）光纖的“拉絲”是把預(yù)制棒拉伸成絲的“等比例縮小”過程。摻硼玻璃和石英玻璃存在不同的玻璃態(tài)溫度，同時(shí)拉制過程中，可將應(yīng)力固化在玻璃絲內(nèi)，即在纖芯中引入了應(yīng)力雙折射。因?yàn)榇嬖诓牧系葻崤蛎浵禂?shù)差異，保偏光纖相對于普通光纖更為“嬌貴”，對切割、熔接、彎曲等應(yīng)用操作的要求也很高。

4.特種光纖國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

保偏光纖作為較為成熟的一類傳感用的典型光纖，從保偏光纖的發(fā)展?fàn)顩r，也可以反映出其他特種光纖普遍存在的現(xiàn)象。保偏光纖經(jīng)歷了從進(jìn)口到全產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)化，尤其在光纖陀螺領(lǐng)域，不少行業(yè)專家評價(jià)說，國內(nèi)的光纖陀螺技術(shù)已經(jīng)逐漸從“并跑”達(dá)到了“領(lǐng)跑”全球。

特種光纖發(fā)展的60年里，每一種光纖都有自己的發(fā)展周期，都在經(jīng)歷從進(jìn)口到國產(chǎn)化的過程。如今全球主營的特纖公司達(dá)到50余家(如圖8)，主要集中在歐洲、美洲、亞洲地區(qū)，歐洲主營的公司有丹麥的NKT Photonics，德國J-fiber，法國GLO Photonics，英國Fiber Core等;美洲主營的公司有美國Corning、OFS、Nufern，加拿大Coractive、IVG Fiber等;亞洲主營公司主要集中在中國的長飛、烽火、長盈通和日本的Sumitomo、Hitachi等。

圖8 特種光纖主營企業(yè)分布情況

通過國內(nèi)外同類型產(chǎn)品的對比，國外技術(shù)有非常多值得我們學(xué)習(xí)和借鑒之處，其成熟產(chǎn)品對損耗、尺寸結(jié)構(gòu)、光學(xué)指標(biāo)的控制更加靈活、穩(wěn)定，技術(shù)成熟度普遍領(lǐng)先于國內(nèi)近10年。更關(guān)鍵的，國外針對特種光纖開發(fā)的配套測試儀器儀表相對于國內(nèi)精度更高，功能更全面。擁有良好的評判手段，是促進(jìn)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。我國如果要在特纖領(lǐng)域趕超，提高現(xiàn)有的特種光纖開發(fā)配套技術(shù)綜合能力，將是未來若干年發(fā)展的重中之重。

另一方面看，我國特種光纖的發(fā)展已經(jīng)完成了“從無到有”的歷史，現(xiàn)在進(jìn)入“從有到優(yōu)”的新階段。結(jié)合“5G”時(shí)代的到來，“一帶一路”戰(zhàn)略，以及我國的良好內(nèi)循環(huán)為契機(jī)，從根源上解決了特種光纖從開發(fā)到應(yīng)用的限制問題。我國也不斷地為行業(yè)注入新的技術(shù)。在一些產(chǎn)品領(lǐng)域，也具備了全球領(lǐng)先水平的能力。

5.結(jié)束語

了解了特種光纖技術(shù)如何走到今天，會更明確地知道我們未來將會面臨什么。特種光纖種類繁多、用途廣泛，物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等新技術(shù)的出現(xiàn)，使特種光纖及各種新型光電子器件的需求快速增加，特種光纖作為一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)，面臨巨大的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

特種光纖將更深入地應(yīng)用于工業(yè)智能裝備、生命健康監(jiān)控、航空和海洋探測，以及能源產(chǎn)業(yè)，成為城市的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”。然而，這依舊需要全行業(yè)的不斷努力，推進(jìn)“標(biāo)準(zhǔn)化”，讓特纖不再“特”;需要我們共同努力，解決特種光纖應(yīng)用配套技術(shù)依然存在依賴進(jìn)口的問題，讓特種光纖真正成為“好用”的光纖。

 

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