光纤构成了当今世界通讯的主干网络，已成为人类活动的底层构架。近年来，随着世界互连和物联网万物互联的快速发展和延伸，赋有信息传输、传感与监测等更多功能的特种石英光纤成为了研究热点。

但是基于化学气相沉积法、堆拉法、熔芯法的传统石英光纤制造技术在开发复杂结构、多组分掺杂的新型特种光纤上具有局限性，同时面临着长时间的人工劳动、纤芯定位精度等问题。而增材制造可实现高效精准的复杂结构和组分掺杂的特种石英光纤的开发，在满足多结构、多功能、高精度和低成本光纤制造的需求上提供了新的可能。

光纤通信发展历史

自高琨（K.C.Guo）和霍克曼（G.A.Hckman）于1966年提出玻璃纤维可传输光信号，并明确指出通讯光纤的要求是每公里衰减小于20分贝之后，通信领域开启了光纤通信技术时代。光纤通信的技术自此层出不穷，推动了光纤通信的快速发展。

1970年，美国康宁公司首次研制成功石英光纤；1972年，首次光纤通信实验成功；1977年，美国芝加哥研制成功第一套光纤通信系统；1987年，英国南安普顿大学研制出掺铒光纤放大器（EDFA）；1992年，美国朗讯公司研制出实用化的波分复用（WDM）系统；1996年，波分复用WDM系统开始商用；1999年，华为公司推出商用的32×10Gbit/sDWDM系统产品；2001年，NEC在OFC上展示了10.92Tbit/s（273×40Gbit/s）WDM无电中继传输试验。

全光网的诞生

随着光纤传输容量的不断提高，基于数字电子技术的电处理系统已经逼近电子器件的处理上限，进一步提高设备处理容量的难度越来越大，电子技术的发展速度已经远远赶不上光纤容量的增长速度。基于WDM/OTN技术，在光信号上直接完成光信号的转发，成为行业共识，催生了全光网的诞生。所谓的全光网，即从ONT上行，到CO局点，到城域和骨干承载，最后进入DC，全链路均采用光纤作为介质并尽可能减少电层处理和转发，实现“一跳入云”的理想组网方式。

高速发展时期

2000年3月的OFC会议，Agilent首次公开演示了光交叉器件，同期Xros公司展出了第一个1152×1152端口交叉的全光交叉连接设备X-1000；2001年，Agere公司推出基于MEMS技术的64×64光开关阵列，开始了商用；与之同时，世界各国也争相投入了财力资助全光网应用，如美国国防部（DARPA）资助的多波长光网络MONET、国家透明光网络NTON等计划，欧洲的RACE，ACTS等计划，日本的SUCCESS计划，意大利的PROMETEO计划，以及中国的“中国高速信息示范网”国家“八六三”重大项目等，全光网进入高速发展时期。

在这段时期，各式各样新技术层出不穷，全光网中的关键光器件技术得到长足发展，如可调激光器、可调滤波器和全光波长转换器等。各类公司都纷纷提出了光层解决方案，而到了2018年，华为发布了业界首款商用OXC平台OSN9800 P32，从此真正开启了全光交换的时代。

这一时期，数据业务发展突飞猛进，FTTX宽带接入方式盛行，造就了Internet，IPTV、视频通信等业务的开展，造成数据业务流量超过语音业务成为主要流量来源，通信业务流量的发展大大缩小了2000年泡沫时代市场需求与技术发展之间巨大的鸿沟。高带宽需求的数据业务的突发性和不可预测性要求传送网更灵活，光层可配置传送设备日益受到青睐。

现阶段，电信网上巨大的SDH/DSL存量设备仍然是运营商重要收益来源，尤其是一些两欧运营商。所以，全光网的发展不可能一蹴而就，必然要经历由点及面、逐步扩展的过程。在初始阶段，全光网在不同领域会以不同的形式表现出来，在骨干网、城域核心网，会以全ROADM/OXC的全光交换网出现。而在接入网，会以FTTH/FTTR等形式表现出来。相比20年前，现在最大的变化是FTTX替代铜线已经成为共识，随着带宽需求量的上升及高性价比技术的不断涌现，SDH/DSL等设备被替换的节奏也在不断加快，全光组网、一跳入云已不再是纸面上的理想。

2020年10月，欧盟监管机构 Body of European Regulators for Electronic Communications (BEREC)正式采纳“Very High Capacity Network”VHCN 指导方针，对于全光网络的产业拓展工作无疑是注入了一剂强心针。对照2020年7月欧盟委员会颁布的欧洲振兴计划提到的“绿色与数字孪生”的价值主张以及欧盟委员会颁布的千兆社会政策，而 Policy、Plan、Guidelines 三者的交集就是全光。

这里包含很多方面的考量，但有一个不可忽视的事实：欧洲约90%的互联网流量通过固定宽带（FBB）承载，随着疫情期间工作、服务转到线上，为满足日益增加的连接需求，稳定、环保和超低延时的全光网络变得更加重要，也非常适合Wi-Fi 6和5G共同使用。

在此背景下，无处不在、可靠的数字基础设施至关重要，最新数据显示，欧洲各地的光纤部署速度正在加快。光纤网络既是唯一面向未来的基础设施，也能够大大节省能源，是欧洲经济复苏的重要组成部分，也是实现欧洲绿色宏伟目标的关键。

回顾历史，我们可以看到一条清晰的脉络，即网络的发展起源于末端用户的实际需求，因创新技术而加速，最后在多种因素的共同作用下逐渐形成行业和社会共识，被确定为未来的方向。对全光网络而言，业务需求和技术创新这两个先决条件已然成熟，当前最大的社会共识当属绿色低碳，而全光网络作为最节能高效的通信技术，天然就具备绿色低碳的特征，所以光联万物、使能千行百业的未来大概不远了。

国产替代需求强烈

近年来，随着我国电子信息产业、电光源产业的迅速发展、光伏产业的爆发式增长，石英制品行业工业总产值保持较快增长。

在半导体领域中，石英是不可或缺的原料。几乎所有工序从生产辅助部件到用于实际硅片加工的工具都或多或少的使用着石英制品。石英坩埚用于制造单晶硅环节，石英玻璃钟罩用于光刻工程，石英管制作的石英舟和石英支架可以用于IC外延、扩散和光刻工程等。半导体行业的快速发展将带动上游高纯石英材料的需求增长。

在光纤通信领域，高纯石英玻璃产品是光纤生产过程中的重要材料。广泛应用于光纤预制棒制成和光纤拉丝工艺中，其中芯棒的纯度要求最高（大于5N）。光纤半导体市场对石英材料的纯净度、规格精度、质量稳定性要求高，国内大部分石英制品生产企业不具备生产高纯石英砂及电子级石英制品的能力，因此，目前国内光纤半导体厂商仍以向国外企业进口石英制品为主。国际知名石英企业——贺利氏、迈图、信越石英等占据了中国大部分光纤半导体应用市场。光纤芯棒以及套管的制造原材料主要由尤尼明垄断。目前光纤预制棒石英套管产品主要依赖进口，进口光纤石英套管成本较高，国产替代需求强烈。

目前，国家已经制定了多项石英行业现行国家标准、行业标准和地方标准。例如对于光伏高纯石英砂要求，具有一定透明度的白色颗粒，无异色；石英砂的粒径应在70~350μm范围内，且在该粒径范围的累积质量分数应大于或等于90%。粒径小于100μm或大于300μm的累积质量分数均应小于1%。二氧化硅含量应大于或等于99.99%，灼烧失量应小于或等于0.01%；杂质元素含量应小于或等于25μg/g，其中钾、锂、钠含量总和小于2.5μg/g等具体指标。

石英光纤引入增材制造

•基于DLP技术的石英光纤增材制造

虽然利用增材制造技术实现了石英玻璃的制造，但是增材制造的石英玻璃制造尺寸普遍为毫米级别，远远达不到光纤预制棒的制造尺寸，原因可能是预制棒尺寸较大，导致脱脂后预制棒中容易残留杂质，且烧结后降温速率过慢也会导致析晶或陶瓷化，致使预制棒整体失透。

为了解决该问题，张建中教授课题组给出了一种优化方案，利用增材制造技术完成了百毫米级别光纤预制棒的制造，经拉制形成了单模和多模石英光纤，解决了脱脂过程中可能出现的开裂坍塌和烧结过程中可能出现的析晶或陶瓷化问题。

紧接着，张建中教授课题组实现了从传统单模光纤和多模光纤到单芯和七芯铋铒共掺杂光纤（BEDF）的延伸，如图1所示成功展示了多组分、复杂结构石英光纤的增材制造。此外，DLP增材制造技术同样被应用于掺镱的微结构光纤的制造，充分展示了增材制造在光纤结构灵活性和材料多样性的优势。

•基于DIW技术的石英光纤增材制造

除DLP增材制造技术之外，南安普顿大学的光电子研究中心利用DIW技术在室温下以40 mm/s打印速度、500 μm层厚制造了外径2 mm、长度7 mm的掺铒石英玻璃棒，经600℃脱脂和1500℃烧结成透明玻璃棒插入到氟化物玻璃管内形成具有折射率差的石英光纤预制棒，最后拉制成为外径100 μm、芯径40 μm的多模掺铒石英光纤。光纤表现出了铒离子的典型吸收峰以及因杂质、有机物和OH残留引起的其它吸收峰。

•基于SLS技术的石英光纤增材制造

南安普顿大学的光电子研究中心同样利用选择性激光烧结（SLS）方式直接烧结球形二氧化硅粉末，构造了微结构光纤、反谐振光纤以及直径为12 mm玻璃棒，后将玻璃棒插入石英管中进行拉纤，表征结果表明，在800 nm处光纤损耗为23 dB/m，光纤损耗依然较大，原因是二氧化硅粉末的尺寸和形状直接限制了石英光纤的整体密度，打印参数设置不准确导致打印结构的翘曲，引起了光纤结构的改变。

为了削弱这些影响，经逐步优化后制造了纤芯中含有二氧化锗的多芯光纤预制棒，拉纤后在800 nm处将损耗减小到了14. 68 dB/m，相比于传统技术制造的光纤，损耗依然较高，这些损耗主要来源于原材料的纯度、析晶以及光纤结构的变化。

光纤通信技术发展展望

光纤通信技术从最初的低速传输发展到现在的高速传输，已成为支撑信息社会的骨干技术之一，并形成了一个庞大的学科与社会领域。今后随着社会对信息传递需求的不断增加，光纤通信系统及网络技术将向超大容量、智能化、集成化的方向演进，在提升传输性能的同时不断降低成本，为服务民生、助力国家构建信息社会发挥重要作用。

（一）智能化光网络

与无线通信系统相比，智能化光网络的光通信系统及网络在网络配置、网络维护及故障诊断方面仍处于初级阶段，智能化程度不足。由于单根光纤容量巨大（可能大于 100 Tbit/s），任一光纤故障的发生将给经济、社会带来很大影响，因此网络参数的监测对未来智能网络的发展至关重要。今后这方面需关注的研究方向有：基于简化相干技术与机器学习的系统参数监测系统、基于相干信号分析和相位敏感光时域反射（OTDR）的物理量监测技术。

（二）集成技术与系统

器件集成的核心目的是降低成本。在光纤通信技术中，通过不断的信号再生可以实现信号的短距离高速传输。但是由于相位和偏振态恢复的问题，目前相干系统的集成还较困难。另外，如果大规模集成的光 – 电 – 光（OEO）系统可以实现，也会显著提升系统容量。但是限于技术效率低、复杂度高、难以集成等因素，光通信领域不太可能广泛推广如全光 2R（再放大、再整形）、3R（再放大、再定时、再整形）等全光信号处理技术。因此，在集成技术与系统方面，今后研究的方向有：对空分复用系统的现有研究虽已较丰富，但学界、业界对空分复用系统关键器件尚未实现技术突破，需进一步加强研究，如集成激光器与调制器、二维的集成接收机、高能效的集成光放大器等；新型光纤可能会显著拓展系统带宽，但仍需深入研究以确保其综合性能与制造工艺能达到现有单模光纤的水平；研究通信链路中可与新型光纤搭配使用的各类器件。

（三）光通信器件

在光通信器件中，硅光器件的研发已初见成效。但目前国内相关研究多以无源器件为主，对有源器件的研究较为薄弱。在光通信器件方面，今后的研究方向有：有源器件与硅光器件的集成研究；非硅光器件集成技术的研究，如 III-V 族材料衬底集成技术的研究；新型器件研发的进一步跟进，如兼具高速与低功耗优点的集成铌酸锂光波导 。

文章来源：

文章来源： 中国工程院院刊，中国粉体技术网，华为，中国激光杂志社