光纖預(yù)制棒技術(shù)簡(jiǎn)介

摘 要：根據(jù)最新的文獻(xiàn)資料和技術(shù)交流信息,綜述了光纖預(yù)制棒制造技術(shù)的狀態(tài)與發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：光纖預(yù)制棒；兩步法；芯棒；外包層
　
　　 本文根據(jù)最新的文獻(xiàn)資料和國(guó)際技術(shù)交流信息綜述光纖預(yù)制棒制造技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)與發(fā)展趨勢(shì),重點(diǎn)是“兩步法”工藝,包括各種芯棒制造技術(shù)(OVD、VAD、MCVD、PCVD)和外包層制造技術(shù)(套管法、等離子噴涂法、火焰水解法、熔膠--凝膠法),希望對(duì)國(guó)內(nèi)光纖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有所裨益。

目前,已形成光纖光纜全球性大發(fā)展的良好氣候,美國(guó)KMI公司預(yù)測(cè),　今后10年,全球光纖光纜需求將持續(xù)增長(zhǎng),為適應(yīng)全球光纖光纜需求的增長(zhǎng),國(guó)際上各大光纖生產(chǎn)廠(chǎng)商正進(jìn)行新一輪的擴(kuò)產(chǎn),同時(shí),國(guó)內(nèi)光纖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭也很強(qiáng)勁,有的光纖生產(chǎn)企業(yè)正在擴(kuò)產(chǎn),還將新建幾個(gè)大型光纖廠(chǎng)。這里,技術(shù)路線(xiàn)的選擇是很重要的。

一、制造預(yù)制棒的“兩步法” 光纖工業(yè)在70年代興起。
　　 20多年來(lái),光纖制造商工藝一直在不斷發(fā)展。由于光纖預(yù)制棒制造技術(shù)是光纖制造工藝的核心,光纖行業(yè)歷來(lái)用光纖預(yù)制棒制造技術(shù)來(lái)命名光纖制造工藝。按照傳統(tǒng)的命名方法,當(dāng)前光纖技術(shù)市場(chǎng)上四種工藝共存,即OVD、VAD、MCVD、PCVD。然而,僅用上述工藝名稱(chēng)簡(jiǎn)單地表示當(dāng)前的生產(chǎn)工藝已經(jīng)是很不全面了。當(dāng)前商業(yè)生產(chǎn)光纖預(yù)制棒的汽相沉積工藝都已經(jīng)發(fā)展為“兩步法”(Two-step Processes)。圖1較為全面地描述了當(dāng)前商業(yè)生產(chǎn)光纖預(yù)制棒的工藝,其中,OVD、MCVD等工藝名稱(chēng)僅僅表示生產(chǎn)預(yù)制棒的第1步,即生產(chǎn)芯棒(Core-rod/Primary Preform/Initial Preform)所用的工藝,

　　 在生產(chǎn)芯棒時(shí),不僅要制造芯也必需制造部分包層,這是為了確保光纖的光學(xué)質(zhì)量,隨后,可以把芯棒拉細(xì)成很多小芯棒,也可以不拉細(xì),這取決于芯棒的大小。第二步,在芯棒上附加外包層(俗稱(chēng)外包技術(shù)或Overcladding),制成預(yù)制棒,拉絲之前,可以把預(yù)制棒拉細(xì)也可以不拉細(xì),這取決于預(yù)制棒和拉絲爐的大小。

　　所以,所謂“兩步法”并不局限于兩步,光纖預(yù)制棒的光學(xué)特性主要取決于芯棒制造技術(shù)；光纖預(yù)制棒的成本主要取決于外包技術(shù),因此,芯棒制造技術(shù)加上外包技術(shù)才能全面說(shuō)明當(dāng)前光纖預(yù)棒制造工藝的特征。參見(jiàn)圖1。

　　 這里要說(shuō)明的是：
　　 ●圖1中的芯棒技術(shù)名稱(chēng)和套管法,已經(jīng)是眾所周知,此外無(wú)須贅述。
　　 ●“SOOT”法,國(guó)外文獻(xiàn)中常用“soot process”來(lái)泛指OVD、VAD等火焰水解外沉積工藝。在本文中我們稱(chēng)之為：SOOT外包技術(shù),而不用OVD術(shù)語(yǔ),以示與OVD芯棒技術(shù)的區(qū)別,該技術(shù)在美國(guó)和日本各公司已廣為應(yīng)用。
　　 ●等離子噴涂(Plasma Spray),是指用高頻等離子焰將石英粉末熔制于芯棒上制成大預(yù)制棒的技術(shù),由阿爾卡特發(fā)明、使用。
　　 ●溶膠--凝膠法(Sol-gel)用作外包技術(shù),是美國(guó)朗訊發(fā)明的,包括兩條途徑。其一,先用溶膠--凝膠法制成合成石英管作為套管,再用套管法制成大預(yù)制棒；其二,先用溶膠--凝膠法制成合成石英粉末,再用高頻等離子焰將合成石英粉末熔制于芯棒上制成大預(yù)制棒的技術(shù),所以從本質(zhì)上看它應(yīng)屬于SOOT或等離子噴涂法。

　　 二、芯棒制造工藝的發(fā)展趨勢(shì)

　　 2.1各種化學(xué)汽相沉積工藝從1980年到2000年的發(fā)展

　　 MCVD是最早成熟的工藝,早期的多模光纖主要是該工藝生產(chǎn)的,進(jìn)入80年代以后,伴隨著常規(guī)單模光纖(SMF)的成熟,OVD、VAD在光纖市場(chǎng)的份額迅速增加,美國(guó)康寧和日本各公司均停止使用MCVD工藝,MCVD的市場(chǎng)份額迅速下降,OVD、VAD工藝的份額迅速增加。但是,MCVD工藝不斷改進(jìn),納入了多項(xiàng)新技術(shù),因此迄今仍占約1/3的市場(chǎng)份額。表1列出4種化學(xué)汽相沉積工藝從1980年到2000年所占市場(chǎng)份額的變化。 表1 各種化學(xué)汽相沉積工藝所占市場(chǎng)份額(%)的變化(1980年--2000年) 注：這里所述的各種工藝所占的份額均是以芯棒的制造工藝來(lái)劃分,不考慮其外包工藝。
　　
　　 2.2 MCVD的發(fā)展
　　 ●最初的MCVD是在一臺(tái)車(chē)床上依次進(jìn)行包層沉積、芯沉積、熔縮成預(yù)制棒,這是典型的“一步法”。目前,阿爾卡特已經(jīng)將沉積與熔縮分開(kāi),在沉積之后,用另一臺(tái)專(zhuān)用車(chē)床熔縮成棒,并用石墨感應(yīng)爐代替氫氧焰做熱源進(jìn)行熔縮成棒。
　　 ●采用大直徑合成石英管代替天然水晶粉熔制成的小直徑石英管做為襯底管,目前在生產(chǎn)上用的合成石英襯底管外直徑約為40mm,沉積長(zhǎng)度1.2~1.5m。 ＂
　　 ●最重要的是,用各種外沉積技術(shù)取代了套管法來(lái)制作大預(yù)棒,例如用火焰水解外包和等離子外包技術(shù)在芯棒上制作外包層,形成了MCVD與外沉積工藝相結(jié)合的混合工藝。這此新技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)MCVD工藝沉積速率低、幾何尺寸精度差的缺點(diǎn),降低了成本、提高了質(zhì)量、增強(qiáng)了競(jìng)爭(zhēng)力。
　　 ●開(kāi)發(fā)低成本、高質(zhì)量、大尺寸的套管的制造方法(如溶膠--凝膠法,OVD法),供套管使用。

　　 2.3 VAD工藝的發(fā)展
　　 ●70年代的VAD工藝,芯和包層同時(shí)沉積、同時(shí)燒結(jié),號(hào)稱(chēng)預(yù)制連續(xù)制造工藝。
　　 ●80年代的VAD工藝是先做出大直徑芯棒,然后把該大直徑芯棒拉細(xì)成多根小芯棒,再用套管法制成預(yù)制棒,從“一步法”發(fā)展到“二步法”。
　　 ●90年代改成用SOOT外包代替套管法制成光纖預(yù)制棒。
　　 ●90年代以來(lái),使用VAD的生產(chǎn)廠(chǎng)家增多了,除了日本古河、滕倉(cāng)之外,信越、日立、三菱、昭和等公司從日本NTT獲得了使用VAD工藝生產(chǎn)光纖的許可,并實(shí)施了再開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化VAD工藝,朗訊也從住友公司購(gòu)得了使用VAD工藝的許可,另外還與住友在美國(guó)建立了VAD法的合資光纖廠(chǎng),從而有機(jī)會(huì)多年觀(guān)察VAD光纖生產(chǎn),此后,朗訊將VAD工藝引進(jìn)到它的亞特蘭大光纖廠(chǎng)。美國(guó)SpecTran公司在購(gòu)買(mǎi)ENSIGN-BICKFORD公司的資產(chǎn)的同時(shí),也獲得了VAD工藝。順便提一下,SpecTran公司已在1999年末被美國(guó)朗訊購(gòu)并。

　　 2.4 OVD工藝的發(fā)展

　　 ●從單噴燈沉積到多噴機(jī)同時(shí)沉積,沉積速率成倍提高。
　　 ●從一臺(tái)設(shè)備一次沉積一根棒發(fā)展到一臺(tái)設(shè)備同時(shí)沉積多根棒。
　　 ●從依次沉積芯、包層連續(xù)制成預(yù)制棒的“一步法”發(fā)展到“二步法”；即先用陶瓷棒或石墨棒為靶棒,只沉積芯材料(含少量包層)做出大直徑芯棒,經(jīng)去水燒結(jié)后,把該大直徑芯棒拉細(xì)成多根小直徑芯棒,再用這些小直徑芯棒為靶棒來(lái)沉積包層,制成光纖預(yù)制棒,大大提高了生產(chǎn)率、降低了成本。
　　
　　 2.5 PCVD工藝的發(fā)展
　
　　 ●與MCVD一樣,當(dāng)前的PCVD工藝也采用了大直徑合成石英管代替天然水晶熔制的石英管做為襯底管。
　　 ●荷蘭POF公司已開(kāi)發(fā)了四代PVCD工藝,襯底管內(nèi)直徑從最初的16mm增大到60mm以年,沉積速率提高到2~3g/min,沉積長(zhǎng)度1.2~1.5m。
　　 ●目前仍是用套管法制做成大預(yù)制棒,但一根套管就重達(dá)幾公斤。
　　 ●原則上與MCVD一樣,也可形成PCVD與外沉積工藝相結(jié)合的混合工藝,但迄今未見(jiàn)報(bào)道。

　　 2.6 各種芯棒工藝的比較

　　 各種芯棒工藝生產(chǎn)同一種光纖產(chǎn)品的生產(chǎn)率有很大差別；生產(chǎn)特定品種的光纖將要求采用最適合的芯棒工藝,鑒于在最近的將來(lái),國(guó)際上使用最多的光纖仍是SMF。因此,圖2示出各種工藝生產(chǎn)SMF的最新經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果。該分析比較了生產(chǎn)100萬(wàn)km光纖所需的設(shè)備數(shù)量；其中MCVD需6~12臺(tái)(套)；VAD需4~6臺(tái)(套)；OVD需1~2臺(tái)(套)。顯然,MCVD要求較多的機(jī)械設(shè)備投資。不過(guò),各種設(shè)備的單價(jià)是不同的,以MCVD設(shè)備的單價(jià)最低。所以,設(shè)備總投資的差異不會(huì)如設(shè)備數(shù)量的差別那么大。

　　 2.7 小結(jié)

　　 從表1可見(jiàn),MCVD芯棒占世界市場(chǎng)的份額連續(xù)減少,其它3種工藝則逐年增加。 據(jù)預(yù)測(cè),今后10,多模光纖(MMF)和非零色散光纖(NZDSF)的市場(chǎng)份額都將持續(xù)增加,SMF的市場(chǎng)份額將有所下降,因?yàn)镸MF和NZDSF的傳輸特性對(duì)徑向折射率分布(RIP)的缺陷很敏感。在芯棒制造過(guò)程中要精確控制RIP,在這方面,MCVD、尤其是PVCD與OVD、VAD相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。NZDSF和MMF市場(chǎng)的擴(kuò)大,意味著更多地應(yīng)用MCVD、PCVD工藝。用OVD工藝的美國(guó)康寧和用VAD工藝的幾家日本公司如住友、藤倉(cāng)、古河、信越等,在80年代曾放棄了MCVD,據(jù)報(bào)道,當(dāng)前,可能考慮在其工廠(chǎng)中重新起用MCVD或引進(jìn)PCVD。

　　 三、外包技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
　　 3.1 各種外包技術(shù)從1980年到2000年的發(fā)展 80年代初,國(guó)際上開(kāi)始用套管法制作大預(yù)制棒,對(duì)于MCVD和PCVD芯棒,這是采用最普遍的外包方法。同時(shí),VAD工藝也采用了套管法,開(kāi)始了SMF的商業(yè)化生產(chǎn),這標(biāo)志著預(yù)制棒制造工藝向“兩步法”的轉(zhuǎn)變,稍后,康寧公司將SOOT外包技術(shù)用于工業(yè)化生產(chǎn),接著,用VAD生產(chǎn)光纖的廠(chǎng)家也用SOOT外包技術(shù)代替了套管法,在整個(gè)80年代,套管法的份額逐年下降。90年代,阿爾卡特用等離子噴涂技術(shù)取代了套管法；朗訊公司開(kāi)發(fā)了溶膠--凝膠外包技術(shù),幾乎所有用VAD、OVD制造光纖芯棒的生產(chǎn)廠(chǎng)家都用了SOOT外包技術(shù)。這些都使套管法的份額繼續(xù)下降。參見(jiàn)表2。
　　 套管法份額下降的根本原因是：合成石英管的價(jià)格高。首先,成本分析表明,套管法若要是與其它外包技術(shù)競(jìng)爭(zhēng),管子的價(jià)格必須下降到100$/kg。目前看來(lái),管子的價(jià)格不大可能降低到這個(gè)水平。因此,用套管法制造預(yù)制棒的廠(chǎng)家將越來(lái)越少。其次,欲用套管法做大預(yù)制棒,這需要大尺寸厚壁套管,而制造這種規(guī)格的套管很困難,因而價(jià)格很高。
　　 隨著光纖價(jià)格的繼續(xù)下降,光纖制造成本的高低將決定競(jìng)爭(zhēng)的成敗。而制造大預(yù)制棒有利于降低光纖制造成本(預(yù)制棒成本、拉絲成本、測(cè)試成本都會(huì)因預(yù)制棒的增大而降低)。因此,對(duì)于光纖制造者的生存,預(yù)制棒尺寸的增加日益關(guān)鍵,由于套管法難以做大預(yù)制棒,因此,繼阿爾卡特之后,其它的單模光纖制造者也將放棄套管法,并選擇可以高速率生產(chǎn)大預(yù)制棒的更經(jīng)濟(jì)的外包技術(shù)。其中絕大多數(shù)將選用SOOT外包,因其設(shè)備和技術(shù)已有商品

　　 3.2 對(duì)各種外包技術(shù)的分析 1985年以后,套管法一直在走下坡路;溶膠凝膠法尚未形成氣候。因此,這里主要對(duì)等離子法和SOOT法做分析。這兩種方法的主要差別如表3所示。
　　 ●原料方面:天然石英粉,來(lái)自?xún)?yōu)質(zhì)水晶礦產(chǎn),資源有限(我國(guó)目前生產(chǎn)光纖及石英管所用的天然石英粉尚需進(jìn)口);天然石英粉的純度有限。而四氯化硅是半導(dǎo)體行業(yè)的副產(chǎn)品,來(lái)源豐富;用SOOT工藝生產(chǎn)的是合成石英材料,純度高,有利于光纖的強(qiáng)度和壽命參數(shù)。在這方面,SOOT工藝優(yōu)于等離子工藝。
　　 ●工藝方面:SOOT工藝過(guò)程中產(chǎn)生氯化氫等廢氣(對(duì)其需要進(jìn)行處理),而且,為了提高沉積速率,不得不犧牲沉積效率(遠(yuǎn)低于50%)，在燒結(jié)時(shí)需要用氯氣(劇毒)和氨氣(昂貴),這些都不利于降低成本。而等離子工藝沒(méi)有上述問(wèn)題,沉積之后就是透明的預(yù)制棒,在這方面,等離子工藝優(yōu)于SOOT工藝。
　　 ●熱源方面:等離子技術(shù)比較復(fù)雜,而氫--氧焰技術(shù)簡(jiǎn)單,在用天然氣的情況下,費(fèi)用很低．在這方面,SOOT工藝優(yōu)于等離子工藝。 3.3小結(jié) 從表2可見(jiàn),1985年以后,套管法占世界市場(chǎng)的份額連續(xù)減少,SOOT工藝的則逐年增加。
　　
　　 目前,各種工藝占世界市場(chǎng)的份額為:套管法28%,SOOT62%,等離子8%,溶膠-凝膠法2%。套管法的主要限制因素是合成石英管的價(jià)格高。事實(shí)上,當(dāng)前采用套管法的幾家公司已經(jīng)表示,如果能得到大尺寸套管,他們將制造出更大的預(yù)制棒。只要合成石英管的價(jià)格降得足夠低,這種方法最簡(jiǎn)單、最實(shí)用。 阿爾卡特等離子噴涂技術(shù)的主要限制因素是天然石英粉自然資源有限。
　　 溶膠-凝膠法正在發(fā)展中,溶膠-凝膠法合成石英粉與等離子噴涂的結(jié)合可能是很好的技術(shù),這取決于投入的開(kāi)發(fā)力度。
　　 SOOT工藝已占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。因其設(shè)備和技術(shù)已有商品,其應(yīng)用將日益廣泛。對(duì)于已擁有OVD或VAD的廠(chǎng)家,采用SOOT外包工藝很方便;對(duì)于只有MCVD或PCVD的廠(chǎng)家則需投巨資購(gòu)買(mǎi)設(shè)備和技術(shù)。

　　 四、光纖成本的比較

　　 4.1預(yù)制棒技術(shù)與光纖成本 據(jù)認(rèn)為,OVD芯棒加SOOT外包的預(yù)制棒工藝的成本最低。據(jù)估計(jì),其生產(chǎn)成本約15$/km。 VAD芯棒加SOOT外包的生產(chǎn)成本比OVD芯棒加SOOT外包的高出25%;MCVD加套管法的生產(chǎn)成本比OVD芯棒加SOOT外包高40%。三種預(yù)制棒工藝的成本比較見(jiàn)表4。
　　 4.2生產(chǎn)規(guī)模與光纖成本 假定各光纖廠(chǎng)采用同一水平的技術(shù),用VAD芯棒加SOOT外包生產(chǎn)SMF,則不同生產(chǎn)能力或規(guī)模對(duì)生產(chǎn)成本的影響如圖3所示。該圖表明,大規(guī)模生產(chǎn)具有相當(dāng)大的成本優(yōu)勢(shì)。隨著光纖價(jià)格的下降以及生產(chǎn)率的提高,可行的最小經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)規(guī)模將增大,從過(guò)去認(rèn)為的年產(chǎn)量5O萬(wàn)km光纖增大到100萬(wàn)km。
　　 此外,以上分析僅對(duì)單一技術(shù)、單一產(chǎn)品的情況進(jìn)行比較,若考慮到具有多種技術(shù)生產(chǎn)多種產(chǎn)品的情況,大多數(shù)人認(rèn)為,在這種情況下,大型廠(chǎng)家仍然有利。

　　 五、總結(jié)

　　 當(dāng)前商業(yè)生產(chǎn)光纖預(yù)制棒的汽相沉積工藝都已經(jīng)發(fā)展為包括芯棒制造和外包技術(shù)的“兩步法”,生產(chǎn)常規(guī)單模光纖,用OVD芯棒加SOOT外包的預(yù)制棒工藝成本最低,NZDSF和MMF市場(chǎng)的擴(kuò)大,意味著將更多地應(yīng)用MCVD、PCVD工藝。各種芯棒工藝都需要選擇適當(dāng)?shù)耐獍夹g(shù)來(lái)代替套管法,其中絕大多數(shù)將選用SOOT外包,因其設(shè)備和技術(shù)已有商品,除了工藝的選擇之外,生產(chǎn)規(guī)模對(duì)光纖成本有明顯影響,大規(guī)模生產(chǎn)具有相當(dāng)大的成本優(yōu)勢(shì)。
　　
　　 以上結(jié)論不是絕對(duì)的,即便同樣的工藝、同樣的規(guī)模、生產(chǎn)同樣的產(chǎn)品,在不同的國(guó)家、地域、公司的效果也不會(huì)相同,因?yàn)?原材料來(lái)源、副產(chǎn)品能否綜合利用、管理制度等具體因素也必需考慮。此外,為了增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力,應(yīng)當(dāng)擁有適合于生產(chǎn)多種產(chǎn)品的多種技術(shù)。