1、2023年第1期基于六西格玛方法的 G.657.B3 光纤研发方案Development scheme ofG.657.B3 optical fiber based on six sigma methodWU Chunfeng,CHEN Yali,CHEN Jingjing,ZHOU Jianfeng,XU Gongming,ZHANG Yefeng(Zhongtian Technology Advanced Material Co.,Ltd.,Nantong Jiangsu 226009,China)Abstract:In order to solve the problems of lon
2、g test cycle,high research and development cost and unstable product quality inthe research and development to production stage of optical fiber products in the field of optical communication,based on the sixSigma quality management method,the invention problem solving theory（TRIZ）-design of experim
3、ents（DOE）-process capabil-ityCpkmodel was established and applied to the development of anti-bending fiber G.657-B3.This model is beneficial to carryout efficient test design and test cost control,determine the best combination of refractive index profile parameters of G.657.B3fiber,and apply to mas
4、s production.The experimental results show that at the wavelength of 1550 nm and 1625 nm,the typicalloss of macro bending is 0.063 dB and 0.165 dB,respectively,when the bending radius is 5 mm and one circle is made,and themacro bending performance of the fiber is good.Key words:optical fiber,G.657.B
5、3,six Sigma method,bending loss,refractive index profile吴椿烽,陈娅丽,陈京京,周建峰,徐功明,张烨锋（中天科技精密材料有限公司，江苏 南通226009）摘要：为了解决光通信领域中光纤产品在研发-生产阶段存在试验周期长、研发成本高和产品品质不稳定等问题，基于六西格玛质量管理方法，建立发明问题解决理论（TRIZ）-实验设计（DOE）-过程能力Cpk模型应用于抗弯曲光纤 G.657.B3的研制，通过这一模型有利于开展高效的试验设计与试验成本控制，确定了 G.657.B3 光纤折射率剖面参数的最佳组合，并应用于批量化生产。实验结果表明：在 15
6、50 nm、1625 nm 波长处，弯曲半径为 5 mm 且绕 1 圈时，光纤的宏弯典型损耗均值分别是 0.063 dB、0.165 dB，光纤的宏弯性能优良。关键词：光纤；G.657.B3;六西格玛方法;弯曲损耗；折射率剖面中图分类号：TN929.1文献标志码：A文章编号：1002-5561（2023）01-0081-05DOI：10.13921/ki.issn1002-5561.2023.01.015开放科学（资源服务）标识码（OSID）：引用本文：吴椿烽,陈娅丽,陈京京，等.基于六西格玛方法的G.657.B3光纤研发方案J.光通信技术，2023，47（1）：81-85.0引言近年来，光纤
7、宽带网络不断升级优化，性能更优、适应更苛刻环境的特种光纤逐步受到高度青睐。通信产业网分析报告指出：2024年，中国特种光纤市场规模将达到187.4亿元，年复合增长率为13.9%1，拥有超强抗弯曲性能的G.657.B3光纤将在工业、海洋、航空航天和生物医学等光传输领域发挥着越来越重要的作用2-4。光纤预制棒制备是G.657.B3光纤最关键的工艺技术，其决定了光纤的光学性能。因此，通过对光纤预制棒的波导结构、掺杂参数等进行独特的设计，可以使光纤具备超小弯曲直径、狭窄空间或百圈级以上缠绕等应用条件下的专属特性5-6。G.657.B3光纤独特的抗弯曲性能，使其折射率剖面结构的复杂度远高于常规的G.65
8、2或G.657A1/A2光纤，制备工艺也更为复杂。研究人员往往需要开展大量的试验来摸索合适的剖面结构参数以满足实际生产要求，存在研发周期长、品质稳定性差等弊端。因此，如何开展高效的产品研发显得尤为重要。本文提出基于六西玛方法的G.657.B3光纤研发方案，将科学收稿日期：2022-07-12。作者简介：吴椿烽(1982)，男，江苏南通市人，硕士，正高级工程师，六西格玛黑带。长期从事光纤预制棒的研发、生产和质量控制。负责完成国家级、省级项目10项，获省级科技进步二等奖1项、市级科技进步二等奖2项和三等奖1项，在全国质量管理成果发表交流活动中获“专业级”荣誉。光 纤 光 缆812023年第1期吴椿
9、烽,陈娅丽,陈京京，等.基于六西格玛方法的G.657.B3光纤研发方案的质量统计学应用于G.657.B3光纤的研制工作中，确定最佳工艺参数，从而实现性能稳定的产品规模化生产。1基于六西格玛方法的产品研发流程六西格玛是一种系统、专业性强的科学质量管理方法。本文借助该方法应用于光纤通信领域，以独特的解题流程指导科研生产，可有效提高研发效率。基于六西格玛方法与光纤性能特点建立的发明问题解决理论（TRIZ）7-8-实验设计（DOE）7-9-过程能力指数Cpk7模型，如图1所示。具体研发设计流程为：根据市场或客户需求开展新产品研制，如G.657.B3光纤需具备优良的宏弯性能；基于TRIZ帮助人们打破思考
10、问题的盲目性和知识面局限性，利用TRIZ中矛盾矩阵和光纤传输原理，提出经济又适宜的光纤研制工艺；确定工艺方法后，通过DOE统计解析自变量因子Xs（折射率剖面结构参数）和因变量Y（宏弯损耗）之间的影响关系及其显著因子的最佳设计值；基于选定值进行连续性生产，采用统计过程控制（SPC）技术来描述产品指标周期内变化趋势，并以Cpk值表征其稳健能力水平。2应用案例-抗弯曲G.657.B3光纤的研制2.1宏弯机理分析基于阶跃型单模光纤的弯曲损耗机理1014，可得出弯曲损耗c的理论公式为c=AcR-1 2exp-KR（1）Ac=30（n）1 4-1 2（c）3 2（2）K=0.705（n3 2）（2.748
11、-0.996c）3（3）n=（ncore-n0)n0（4）其中，Ac为工作波长下基模的振幅，R为光纤弯曲半径，K为弯曲损耗系数，n为芯/包相对折射率差，为工作波长，c为截止波长，ncore为芯层折射率，n0为纯硅包层折射率。由式（1）式（4）可知，在R和一定的情况下，n、c是光纤弯曲损耗c的主要影响因素。G.657.B3光纤作为传输介质不仅需要具备优良的抗弯曲性能，还要满足模场直径（MFD）、截止波长c等指标要求，从而保证光纤在小尺寸弯曲条件下的正常通信。因此，G.657.B3光纤设计为多包层结构，并设计凹陷沟渠11来约束光在芯层中传输，避免在光纤弯曲条件下出现泄漏损耗。然而，MARCUSE
12、D等人1213的研究表明，单一阶跃型光纤宏弯理论中的剖面结构设计参数，无法直接指导生产获得良好的抗弯曲性能。在实际生产中，需要通过调节掺杂浓度、几何尺寸等大量试验来确定最佳的折射率剖面结构参数，满足光纤各项性能要求。图2为多包层结构抗弯曲G.657.B3光纤的折射率剖面结构示意图。2.2基于TRIZ的三步法制备工艺大尺寸多包层折射率剖面结构G.657.B3光纤的制备工艺面临的主要问题是如何实现剖面结构中宽而深的掺氟层制备，一般采用气相轴向沉积（VAD）法来制备掺氟层。但是，采用VAD法制成的粉末棒在玻璃化过程中氟元素容易扩散至芯层，抵消了芯层掺锗提高折射率的作用，继而会影响芯层相对折射率差。随
13、着掺氟层越深越宽（掺氟量增加），这种影响也越显著。如果将芯层、光学层和掺氟层从一步成型分为多步制备，则可以避免上述问题。因此，本文提出了基于TRIZ的三步法研制抗弯曲光纤的工艺：首先，采用VAD法制备芯层和光学层，并玻璃化；然后，再以VAD法在玻璃化的光学层表面制备掺氟层，可阻隔氟元素向内扩散；最后，匹配外包层形成光纤预制棒。图1基于六西格方法与发明性能特别建立的模型流程图图2抗弯曲G.657.B3光纤折射率剖面结构示意图光 纤 光 缆822023年第1期2.3 DOE论证与优化2.3.1 DOE因子效应数据采集通过对图2中G.657.B3光纤折射率剖面结构的研究，归纳出6个自变量因子Xs来表
14、征折射率剖面结构参数：X1为芯层直径2a、X2为芯层相对折射率差、X3为掺氟层厚度c、X4为掺氟层相对折射率差、X5为包芯比b a、X6为外包倍率d a。分辨度为的DOE因子试验设计方案实施表如表1所示。每个因子取高、低2个水平来验证6个自变量因子Xs（折射率剖面结构参数）与因变量Y（光纤1550 nm波长处弯曲半径R=5 mm、1圈时的宏弯损耗）之间的关系。其中，5#、10#、16#为中心点（各因子高低水平的中心）的3次重复试验，试验总次数为2（6-2）+3次（试验量较单因子法至少降低50%）。然后，按表1所列的光纤预制棒折射率剖面结构参数开展制备试验，将所拉制光纤的宏弯损耗一并填入表1，即
15、完成DOE因子效应分析前的数据采集。2.3.2 DOE因子效应分析筛选前后因子对宏弯性能影响效应的分析结果如表2所示。按照因子显著效应的判断准则，一般取显著性水平为0.05（置信水平为95%）时，采用统计学中方差分析、t检验对表1中自变量因子Xs和因变量Y进行计算，得到各个因子效应及二阶交互效应的T值和P值（T值是统计学中2个水平试验差异性t检验的统计量值，P值是统计学中t检验或F检验所认定因子为显著性时的错误概率）。由因子效应的P值判断其显著性7，当P值0.05，说明该因子效应显著，应予保留；反之，可剔除。从表2可以看出，因子X2、X3、X4、X6以及X2X4、X2X6的P值0.05，说明其
16、对宏弯性能影响不显著。表3为采用统计分析的一般线性模型对筛选后所得因子进行方差分析的结果7。其中，F值是统计学中多水平差异性F检验的统计量值。可以看出，回归模型的P值0.05，说明经筛选后保留的因子所构成的回归模型显著有效。由统计学中t检验查表7可知，显著性水平为0.05，残差自由度为12，相应的显著影响界限T临 界值为2.18。经筛选后各显著因子T值的柏拉图分布图如图3所示。可以看出，各显著因子效应的T值均超出T临界值，表明因子X2、X3、X4、X6是影响宏弯损耗的主要因素，X2分别与X4、X6存在显著的交互作用，共同影响宏弯性能。项筛选前筛选后T值P值T值P值X10.430.6860.686X2-17.430.000-17.60.000X3-20.740.000-20.910.000X416.270.00016.390.000X50.200.853X66.280.0026.330.000X1X20.770.467X1X31.00.361X1X4-0.210.839X1X5-2.200.079X1X6-0.290.782X2X46.350.0016.400.000X2X64.200.
