光纖預(yù)制棒

簡介

　　人們在制造光纖時(shí)先要制做出光纖預(yù)制棒，預(yù)制棒一般直徑為幾毫米至幾十毫米（俗稱光棒）。光纖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是在預(yù)制棒中形成的，因而預(yù)制棒的制作是光纖工藝中最重要的部分。光棒的制作有多種方法，常用的制作工藝是氣相氧化法。在氣相氧化法中，高純度金屬鹵化物的蒸汽和氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成一些氧化物微粒，這些氧化物微粒會(huì)沉積在玻璃或者石英體的表面上（或管狀體的內(nèi)壁），然后通過燒結(jié)形成透明的玻璃棒（如果是管狀，還要進(jìn)行收縮使其成為棒狀），這樣光棒就做成啦。此時(shí)光棒已經(jīng)具備了光纖的基本結(jié)構(gòu)，通過拉絲機(jī)拉出來的裸纖就包括了纖芯和包層。有些光纖品種為了保護(hù)裸玻璃光纖，使其不受光和水汽等外部物質(zhì)的污染，在光纖拉成的同時(shí)，就給它涂上彈性涂料（被覆層）。光纖由纖芯、包層和被覆層組成，導(dǎo)光的部分是處于軸線上的實(shí)心纖芯，包層的作用是提供一個(gè)圓柱形的界面，以便把光線束縛在纖芯之中。被覆層是一種彈性耐磨的塑料材料，它增強(qiáng)了光纖的強(qiáng)度和柔軟性。

功用

　　在光纖預(yù)制棒完成后，就進(jìn)入到光纖拉絲的過程。其作法是在無塵室中將光纖預(yù)制棒固定在拉絲機(jī)頂端，并逐漸加熱至2000攝氏度。光纖預(yù)制棒受熱后便逐漸融化并在底部累積液體，待其自然垂下，就形成光纖，這有點(diǎn)兒像我們吃拔絲山藥時(shí)拉出糖絲的情景。這里的關(guān)鍵在于均勻加熱、拉制速度的控制等。拉制技術(shù)無誤時(shí)，拉出的光纖結(jié)構(gòu)會(huì)與光纖預(yù)制棒的結(jié)構(gòu)相同（只不過是縮小了很多）。涂覆材料也在拉絲機(jī)上及時(shí)涂敷，以保護(hù)光纖免受潮氣、磨損的傷害。有的涂覆材料是通過自然冷卻附在光纖上，有的是用某種光線（紫外線）照射光纖使涂覆材料固化。拉絲的過程中，光纖直徑的測量及控制非常重要。光纖的直徑和結(jié)構(gòu)等質(zhì)量參數(shù)多與拉制速度有關(guān)，自動(dòng)化的測量監(jiān)控會(huì)隨時(shí)調(diào)節(jié)拉絲的速度。

生產(chǎn)工藝

　　國際上生產(chǎn)石英光纖預(yù)制棒的方法有十多種，其中普遍使用，并能制作出優(yōu)質(zhì)光纖的制棒方法主要有以下四種：
　　---改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法(MCVD：Modified Chemical Vapour DepositiON)
　　---軸向汽相沉積法(VAD：Vapour phase Axial Deposition)
　　---棒外化學(xué)汽相沉積法(OVD：Outside Chemical Vapour Deposition)
　　---（微波）等離子體激活化學(xué)汽相沉積法(PCVD：Plasma activated Chemical Vapour Deposition )
　　按照傳統(tǒng)的命名方法，當(dāng)前光纖技術(shù)市場上四種工藝共存，即OVD、VAD、MCVD、PCVD。然而，僅用上述工藝名稱簡單地表示當(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)。其中，OVD、MCVD等工藝名稱僅僅表示生產(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)才能全面說明當(dāng)前光纖預(yù)棒制造工藝的特征。

工藝發(fā)展歷史

　　從 20 世紀(jì) 70 年代末期開始規(guī)模生產(chǎn)光纖以來， 對光纖預(yù)制棒制造技術(shù)的研究和完善改進(jìn)就從來沒有間斷過。美國 AT&T（Lucent）發(fā) 明了改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法（MCVD，Modified Chemical Vapor Deposition）工藝后，美國 Corning 公司隨后開發(fā)出了適合光纖大規(guī) 模生產(chǎn)的管外汽相沉積法（OVD，Outside Vapor Deposition）工藝， 其后 OVD 工藝又有不斷改進(jìn)，目前已發(fā)出第七代工藝，使生產(chǎn)效率和 生產(chǎn)成本大幅度降低；而日本 NT&T 在 OVD 的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，推出 了汽相軸向沉積法 （VAD， Vapor Axial Deposition） 工藝； 法國 Alcatel 則利用高頻等離子技術(shù)開發(fā)出了先進(jìn)的等離子體汽相沉積法（APVD， Advance Plasma Vapor Deposition）預(yù)制棒生產(chǎn)工藝；荷蘭 Philips 則開發(fā)了等離子體化學(xué)（PCVD,Plasma Chemical Vapor Deposition ） 工藝逼供成功地在生產(chǎn)中加以應(yīng)用。
　　早期光纖預(yù)制棒制造技術(shù)采用一步法，1980年初開始用套管法制備光纖預(yù)制棒，從而使光纖預(yù)制棒制造工藝實(shí)現(xiàn)了從一步法到二步法的轉(zhuǎn)變，即先制造預(yù)制棒芯棒，然后在芯棒外采用不同技術(shù)制造 外包層，增加單根預(yù)制棒的可拉絲公里數(shù)，以提高生產(chǎn)效率。一般認(rèn)為，芯棒的制造決定了光纖的傳輸性能，而外包層則決定光纖的制造成本。在芯棒的制造技術(shù)中，MCVD 和 PCVD 稱為管內(nèi)沉積工藝，OVD 和 VAD 屬于外沉積工藝；在外包層工藝中，外沉積技術(shù)是指 OVD 和 VAD，外噴技術(shù)主要指用等離子噴涂石英砂工藝?，F(xiàn)今光纖外包層制造技術(shù)包括套管法、阿爾卡特（Alcatel）公司發(fā)明的等離子噴涂法（PlasmaSpary）、火焰水解法（SOOT）和美國朗訊科技公司發(fā)明的溶膠法－凝膠法（Sol－gel法），其中SOOT法是泛指OVD和VAD等火焰水解外沉積工藝。
　　MCVD法現(xiàn)采用外沉積技術(shù)取代套管法制作大預(yù)制棒，形成MCVD外沉積工藝相結(jié)合的混合工藝，從而改變了傳統(tǒng)MCVD工藝沉積速度低、幾何尺寸精度差的缺點(diǎn)，降低了生產(chǎn)成本，提高了預(yù)制棒的質(zhì)量。此后，又有一些公司開發(fā)了低成本大尺寸的套管工藝，套管制備工藝為Sol－gel和OVD法。
　　預(yù)制棒制備工藝OVD法近二十年來已從單噴燈沉積發(fā)展到多噴燈同時(shí)沉積，沉積速率成倍增加，并實(shí)現(xiàn)一臺(tái)設(shè)備同時(shí)沉積多根棒，并且從依次沉積芯包層制成預(yù)制棒的一步法發(fā)展到二步法，即先制備出大直徑的芯棒，再拉制成小直徑芯棒或不拉細(xì)，然后采用外包層技術(shù)制備出光纖預(yù)制棒，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。并且，MCVD法尤其是PCVD法、OVD和VAD法更易精確控制芯棒的徑向折射率分布，因而對于制備多模光纖MMF和非零色散光纖DZDF芯預(yù)制棒更有效。
　　近20年來，光纖預(yù)制棒外包層技術(shù)已有許多發(fā)展，美國CORNING公司首先采用SOOT外包技術(shù)代替了套管法應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。1990年，阿爾卡特Alcatel等離子噴涂技術(shù)及美國朗訊公司開發(fā)的Sol－gel外包技術(shù)替代了套管技術(shù)，因而采用套管法制備光纖預(yù)制VAD制造光纖芯棒的生產(chǎn)廠家都采用SOOT外包技術(shù)。

MCVD的發(fā)展

　　●最初的MCVD是在一臺(tái)車床上依次進(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，在沉積之后，用另一臺(tái)專用車床熔縮成棒，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)了競爭力。
　　●開發(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。

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)，號稱預(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,使用VAD的生產(chǎn)廠家增多了,除了日本古河、滕倉之外,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)施了再開發(fā),實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化VAD工藝,朗訊也從住友公司購得了使用VAD工藝的許可,另外還與住友在美國建立了VAD法的合資光纖廠,從而有機(jī)會(huì)多年觀察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。美國SpecTran公司在購買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年末被美國朗訊購并。

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。
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,但迄今未見報(bào)道。
　　目前，各種技術(shù)路線都有生產(chǎn)廠家在采用，所生產(chǎn)的光纖都能夠 符合國際標(biāo)準(zhǔn)，在市場上也有一定的競爭力。隨著市場對光纖產(chǎn)品需 求的多樣性，就要求生產(chǎn)廠家生產(chǎn)不同性能的、在經(jīng)濟(jì)上具有競爭力 的光纖產(chǎn)品滿足這種多樣化的需求。
　　現(xiàn)在市場上大量使用的普通 G.652 單模光纖， 對于長途干線則采 用 G.655 光纖，局域網(wǎng)則采用數(shù)據(jù)光纖，但并不是任何一種工藝均能 最佳化生產(chǎn)所有的光纖品種。就生產(chǎn) G.652 光纖而言，芯幫的外沉積 技術(shù)（DVD、VAD）優(yōu)于內(nèi)沉積技術(shù)（MCVD、PCVD），外沉積技術(shù)主要 優(yōu)勢在于：不用價(jià)格很貴的合成石英管，沉積速率、沉積層數(shù)不會(huì)受 到襯低管直徑的限制，特別有利于以高沉積速率制造大型預(yù)制棒。此 外，外沉積技術(shù)還能生產(chǎn) G.652 （C）低水峰光纖。就生產(chǎn) G.655 光 纖而言，芯幫的管內(nèi)沉積技術(shù)（PCVD 工藝活 MCVD 工藝）頗具優(yōu)勢， 與 DVD、 VAD 相比的最大優(yōu)點(diǎn)是： 可精確控制徑向折射率分布 （RIP） 。 而這一優(yōu)點(diǎn)，特別有利于制造最新一代的通信光纖，例如大有效面積 光纖、局部色散平坦的大有效面積光纖、降低色散斜率的直波光纖等 等，這些光纖通常都是多包層的負(fù)責(zé) RIP 結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)光纖已經(jīng)新一代 的多模光纖的生產(chǎn)，采用 PCVD 工藝更具競爭力。

我國現(xiàn)狀

　　光纖預(yù)制棒是光纜生產(chǎn)的最“源頭”項(xiàng)目，目前國內(nèi)光纜生產(chǎn)廠家約200家，大部分靠買進(jìn)口光纖或光纖預(yù)制棒來生產(chǎn)光纜。為了滿足我國光纖、光纜生產(chǎn)廠家對光纖預(yù)制棒的需求，更好地促進(jìn)通信事業(yè)的發(fā)展，擬合資、合作建立制作光纖預(yù)制棒的系統(tǒng)設(shè)備，以填補(bǔ)國內(nèi)生產(chǎn)光纖預(yù)制棒系統(tǒng)設(shè)備的空白。
　　我國目前實(shí)際具有預(yù)制棒制造技術(shù)和預(yù)制棒生產(chǎn)能力的廠家有長飛、烽火、富通和法爾勝等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年全年國內(nèi)共消耗預(yù)制棒1550噸左右，其中國產(chǎn)的預(yù)制棒大約為250噸左右，剩下的1300多噸均需要從國外進(jìn)口，進(jìn)口比例接近90%。
　　針對這種被動(dòng)局面，國內(nèi)多家主流企業(yè)均加快了提高預(yù)制棒產(chǎn)量的布局。亨通光電的預(yù)制棒項(xiàng)目早在2007年就已開始，目前30噸/年的產(chǎn)能已經(jīng)投產(chǎn)，公司準(zhǔn)備在年內(nèi)實(shí)現(xiàn)100噸/年的產(chǎn)能。分析人士指出，2010年我國光纖光纜企業(yè)在預(yù)制棒領(lǐng)域?qū)⒂瓉砣后w突破。
　　目前，預(yù)制棒的主流生產(chǎn)技術(shù)分別被康寧、古河、信越和阿爾卡特等國際大廠掌握，形成了高度壟斷和競爭的格局。隨著我國光纖光纜需求的升級，國外預(yù)制棒廠家紛紛瞄準(zhǔn)中國市場，加緊向中國市場轉(zhuǎn)移。他們采取與國內(nèi)企業(yè)合資或者獨(dú)資的形式，將預(yù)制棒項(xiàng)目落戶中國。同時(shí)，隨著我國企業(yè)技術(shù)工藝的不斷成熟，企業(yè)之間的競爭實(shí)質(zhì)是價(jià)格與規(guī)模，企業(yè)為降低成本有延長產(chǎn)業(yè)鏈、發(fā)展預(yù)制棒技術(shù)的內(nèi)在需求。
　　在國內(nèi)光纖光纜生產(chǎn)企業(yè)中，長飛是最早也是目前國內(nèi)規(guī)模最大的預(yù)制棒生產(chǎn)商，該公司通過與荷蘭德拉克公司多年的合作，掌握的“PCVD(等離子體化學(xué)氣沉積)+RIC/ODD(套管)”法制棒技術(shù)具有世界領(lǐng)先的技術(shù)水平，預(yù)制棒產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到500噸/年。富通在鞏固和完善自主光纖預(yù)制棒全合成技術(shù)的基礎(chǔ)上，積極推進(jìn)光纖預(yù)制棒技術(shù)升級和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。2008年10月，富通與日本住友正式簽約，合作的重點(diǎn)是在杭州富陽投資1.45億美元生產(chǎn)光纖預(yù)制棒，計(jì)劃于2010年9月投產(chǎn)。烽火擁有多模預(yù)制棒的生產(chǎn)能力，通過與藤倉公司合作生產(chǎn)單模預(yù)制棒，計(jì)劃到2011年、2013年的預(yù)制棒產(chǎn)量為175噸、350噸，基本可滿足自身需求。加上亨通、中天科技也在加快推進(jìn)預(yù)制棒項(xiàng)目，可以預(yù)見，未來我國將成為預(yù)制棒產(chǎn)品的主要生產(chǎn)和消費(fèi)國。