本文根據最新的文獻資料和國際技術交流信息綜述光纖預制棒制造技術的當前狀態與發展趨勢,重點是“兩步法”工藝,包括各種芯棒制造技術(OVD、VAD、MCVD、PCVD)和外包層制造技術(套管法、等離子噴涂法、火焰水解法、熔膠--凝膠法),希望對國內光纖產業的發展有所裨益。
目前,已形成光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)光(guang)(guang)(guang)(guang)纜全(quan)球(qiu)性大(da)發展(zhan)的(de)(de)良好(hao)氣候,美國KMI公司(si)預測(ce), 今后(hou)10年,全(quan)球(qiu)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)光(guang)(guang)(guang)(guang)纜需求將持續增長,為(wei)適應全(quan)球(qiu)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)光(guang)(guang)(guang)(guang)纜需求的(de)(de)增長,國際上各大(da)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)生產(chan)(chan)廠商正(zheng)進行(xing)新(xin)一(yi)輪的(de)(de)擴(kuo)產(chan)(chan),同時,國內光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)產(chan)(chan)業的(de)(de)發展(zhan)勢頭也(ye)很強勁,有的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)生產(chan)(chan)企業正(zheng)在擴(kuo)產(chan)(chan),還將新(xin)建幾個大(da)型光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)廠。這里,技術路線的(de)(de)選(xuan)擇是很重(zhong)要的(de)(de)。

一(yi)、制造預制棒的“兩(liang)步法” 光纖工業在70年代(dai)興起。

20多年來(lai),光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)制(zhi)(zhi)造商工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)一直在不斷(duan)發展。由于光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)預(yu)制(zhi)(zhi)棒(bang)(bang)(bang)(bang)制(zhi)(zhi)造技術(shu)是(shi)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)制(zhi)(zhi)造工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)的(de)(de)核心,光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)行業(ye)歷來(lai)用(yong)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)預(yu)制(zhi)(zhi)棒(bang)(bang)(bang)(bang)制(zhi)(zhi)造技術(shu)來(lai)命(ming)名(ming)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)制(zhi)(zhi)造工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)。按(an)照傳統的(de)(de)命(ming)名(ming)方法(fa),當(dang)前光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)技術(shu)市場(chang)上四種工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)共(gong)存,即OVD、VAD、MCVD、PCVD。然(ran)而,僅(jin)用(yong)上述工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)名(ming)稱簡單地表示當(dang)前的(de)(de)生產(chan)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)已經是(shi)很(hen)不全面了。當(dang)前商業(ye)生產(chan)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)預(yu)制(zhi)(zhi)棒(bang)(bang)(bang)(bang)的(de)(de)汽相沉積工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)都已經發展為“兩(liang)步(bu)法(fa)”(Two-step Processes)。圖1較為全面地描述了當(dang)前商業(ye)生產(chan)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)預(yu)制(zhi)(zhi)棒(bang)(bang)(bang)(bang)的(de)(de)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi),其中,OVD、MCVD等工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)名(ming)稱僅(jin)僅(jin)表示生產(chan)預(yu)制(zhi)(zhi)棒(bang)(bang)(bang)(bang)的(de)(de)第1步(bu),即生產(chan)芯棒(bang)(bang)(bang)(bang)(Core-rod/Primary Preform/Initial Preform)所用(yong)的(de)(de)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi),

在(zai)(zai)生產(chan)芯(xin)(xin)棒(bang)(bang)時,不僅要(yao)制(zhi)造芯(xin)(xin)也必需制(zhi)造部分(fen)包層,這(zhe)是為了(le)確保(bao)光纖(xian)的(de)光學質量,隨后,可以(yi)把芯(xin)(xin)棒(bang)(bang)拉細(xi)成很(hen)多小芯(xin)(xin)棒(bang)(bang),也可以(yi)不拉細(xi),這(zhe)取決(jue)于芯(xin)(xin)棒(bang)(bang)的(de)大(da)小。第二步,在(zai)(zai)芯(xin)(xin)棒(bang)(bang)上附(fu)加(jia)外包層(俗(su)稱外包技(ji)術或Overcladding),制(zhi)成預(yu)制(zhi)棒(bang)(bang),拉絲(si)(si)之前,可以(yi)把預(yu)制(zhi)棒(bang)(bang)拉細(xi)也可以(yi)不拉細(xi),這(zhe)取決(jue)于預(yu)制(zhi)棒(bang)(bang)和拉絲(si)(si)爐的(de)大(da)小。

所(suo)以,所(suo)謂“兩步法(fa)”并不(bu)局限于兩步,光纖(xian)(xian)預制(zhi)棒(bang)的光學特(te)性主(zhu)要(yao)取(qu)決于芯棒(bang)制(zhi)造技(ji)(ji)術(shu)；光纖(xian)(xian)預制(zhi)棒(bang)的成本主(zhu)要(yao)取(qu)決于外(wai)包技(ji)(ji)術(shu),因此,芯棒(bang)制(zhi)造技(ji)(ji)術(shu)加(jia)上(shang)外(wai)包技(ji)(ji)術(shu)才(cai)能全(quan)面(mian)說明當前光纖(xian)(xian)預棒(bang)制(zhi)造工藝的特(te)征。參見圖1。

這里要說明的是：

●圖1中的芯棒技術名稱和套管法,已經是眾所周知,此外無須贅述。
●“SOOT”法,國外文獻中常用“soot process”來泛指OVD、VAD等火焰水解外沉積工藝。在本文中我們稱之為：SOOT外包技術,而不用OVD術語,以示與OVD芯棒技術的區別,該技術在美國和日本各公司已廣為應用。
●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制棒的技術,由阿爾卡特發明、使用。
●溶(rong)膠--凝(ning)膠法(Sol-gel)用(yong)(yong)作(zuo)外包技(ji)術(shu),是(shi)美國朗訊發(fa)明(ming)的(de),包括兩條途徑(jing)。其(qi)一,先用(yong)(yong)溶(rong)膠--凝(ning)膠法制(zhi)(zhi)成(cheng)合成(cheng)石英管(guan)作(zuo)為(wei)套管(guan),再用(yong)(yong)套管(guan)法制(zhi)(zhi)成(cheng)大(da)預制(zhi)(zhi)棒(bang)；其(qi)二,先用(yong)(yong)溶(rong)膠--凝(ning)膠法制(zhi)(zhi)成(cheng)合成(cheng)石英粉末,再用(yong)(yong)高頻等離子焰將合成(cheng)石英粉末熔制(zhi)(zhi)于芯棒(bang)上制(zhi)(zhi)成(cheng)大(da)預制(zhi)(zhi)棒(bang)的(de)技(ji)術(shu),所以從本質上看它應(ying)屬于SOOT或(huo)等離子噴涂法。

二、芯(xin)棒制造工藝的發展趨勢

2.1各種(zhong)化(hua)學汽相(xiang)沉積工藝從1980年到(dao)2000年的發(fa)展

MCVD是最早成(cheng)熟的(de)(de)工(gong)藝(yi),早期的(de)(de)多(duo)模(mo)光(guang)纖(xian)(xian)主要(yao)是該工(gong)藝(yi)生產的(de)(de),進入(ru)80年(nian)代以后,伴隨著常(chang)規單模(mo)光(guang)纖(xian)(xian)(SMF)的(de)(de)成(cheng)熟,OVD、VAD在光(guang)纖(xian)(xian)市(shi)場(chang)的(de)(de)份(fen)(fen)額迅(xun)速增(zeng)加,美國康寧和日本各公司(si)均(jun)(jun)停止(zhi)使用MCVD工(gong)藝(yi),MCVD的(de)(de)市(shi)場(chang)份(fen)(fen)額迅(xun)速下(xia)降,OVD、VAD工(gong)藝(yi)的(de)(de)份(fen)(fen)額迅(xun)速增(zeng)加。但是,MCVD工(gong)藝(yi)不(bu)斷改(gai)進,納入(ru)了多(duo)項新技術,因此迄今(jin)仍占約1/3的(de)(de)市(shi)場(chang)份(fen)(fen)額。表(biao)1列出4種(zhong)化(hua)學汽(qi)相沉積(ji)工(gong)藝(yi)從1980年(nian)到2000年(nian)所占市(shi)場(chang)份(fen)(fen)額的(de)(de)變化(hua)。 表(biao)1 各種(zhong)化(hua)學汽(qi)相沉積(ji)工(gong)藝(yi)所占市(shi)場(chang)份(fen)(fen)額(%)的(de)(de)變化(hua)(1980年(nian)--2000年(nian)) 注：這(zhe)里所述的(de)(de)各種(zhong)工(gong)藝(yi)所占的(de)(de)份(fen)(fen)額均(jun)(jun)是以芯棒的(de)(de)制造工(gong)藝(yi)來(lai)劃分,不(bu)考慮其外包工(gong)藝(yi)。

2.2 MCVD的發展

●最初的MCVD是在一臺車床上依次進行包層沉積、芯沉積、熔縮成預制棒,這是典型的“一步法”。目前,阿爾卡特已經將沉積與熔縮分開,在沉積之后,用另一臺專用車床熔縮成棒,并用石墨感應爐代替氫氧焰做熱源進行熔縮成棒。
●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,用各種外沉積技術取代了套管法來制作大預棒,例如用火焰水解外包和等離子外包技術在芯棒上制作外包層,形成了MCVD與外沉積工藝相結合的混合工藝。這此新技術彌補了傳統MCVD工藝沉積速率低、幾何尺寸精度差的缺點,降低了成本、提高了質量、增強了競爭力。
●開發低成(cheng)本、高質量、大尺寸的(de)套管(guan)(guan)的(de)制造方法(fa)(如溶膠(jiao)--凝膠(jiao)法(fa),OVD法(fa)),供套管(guan)(guan)使用。

2.3 VAD工(gong)藝的發展

●70年代的VAD工藝,芯和包層同時沉積、同時燒結,號稱預制連續制造工藝。
●80年(nian)代的(de)VAD工藝是先做出(chu)大直徑芯(xin)棒(bang),然后把(ba)該大直徑芯(xin)棒(bang)拉細成多根(gen)小芯(xin)棒(bang),再(zai)用套管法制(zhi)(zhi)成預制(zhi)(zhi)棒(bang),從“一步法”發展到“二步法”。

●90年代改成用SOOT外包代替套管法制成光纖預制棒。
●90年代以來,使(shi)用VAD的(de)(de)生產廠家(jia)增(zeng)多(duo)了(le),除了(le)日本古河、滕倉之外(wai),信越、日立(li)、三菱、昭和等(deng)公司(si)(si)從日本NTT獲(huo)得了(le)使(shi)用VAD工藝生產光纖(xian)的(de)(de)許(xu)可(ke),并(bing)實施了(le)再開發,實現了(le)商業化VAD工藝,朗(lang)訊(xun)(xun)也從住(zhu)友公司(si)(si)購(gou)得了(le)使(shi)用VAD工藝的(de)(de)許(xu)可(ke),另外(wai)還與(yu)住(zhu)友在美(mei)國建立(li)了(le)VAD法的(de)(de)合資光纖(xian)廠,從而有機會多(duo)年觀察VAD光纖(xian)生產,此后(hou),朗(lang)訊(xun)(xun)將(jiang)VAD工藝引進到(dao)它的(de)(de)亞(ya)特蘭大光纖(xian)廠。美(mei)國SpecTran公司(si)(si)在購(gou)買ENSIGN-BICKFORD公司(si)(si)的(de)(de)資產的(de)(de)同時,也獲(huo)得了(le)VAD工藝。順便提一下,SpecTran公司(si)(si)已在1999年末被美(mei)國朗(lang)訊(xun)(xun)購(gou)并(bing)。

2.4 OVD工藝的發展

●從單噴燈沉積到多噴機同時沉積,沉積速率成倍提高。
●從一臺設備一次沉積一根棒發展到一臺設備同時沉積多根棒。
●從依次沉積芯、包層連續制成預制棒的“一步法”發展到“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,經去水燒結后,把該大直徑芯棒拉細成多根小直徑芯棒,再用這些小直徑芯棒為靶棒來沉積包層,制成光纖預制棒,大大提高了生產率、降低了成本。

2.5 PCVD工藝的發展

●與MCVD一樣,當前的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公司已開發了四代PVCD工藝,襯底管內直徑從最初的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制棒,但一根套管就重達幾公斤。
●原則上(shang)與(yu)MCVD一(yi)樣,也可形(xing)成PCVD與(yu)外沉積工(gong)藝相結合(he)的混合(he)工(gong)藝,但迄今未見報(bao)道。

2.6 各種芯棒工(gong)藝的比較

各種芯(xin)棒工(gong)藝生(sheng)產(chan)同一種光纖(xian)產(chan)品(pin)的(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)率有很大差(cha)別(bie)；生(sheng)產(chan)特定品(pin)種的(de)(de)(de)光纖(xian)將要(yao)求采用(yong)最(zui)適合的(de)(de)(de)芯(xin)棒工(gong)藝,鑒于在最(zui)近的(de)(de)(de)將來,國際(ji)上(shang)使用(yong)最(zui)多的(de)(de)(de)光纖(xian)仍是SMF。因(yin)此,圖2示出各種工(gong)藝生(sheng)產(chan)SMF的(de)(de)(de)最(zui)新經濟(ji)分析結果。該分析比較(jiao)(jiao)了生(sheng)產(chan)100萬km光纖(xian)所需(xu)(xu)的(de)(de)(de)設備數(shu)量(liang)(liang)；其中(zhong)MCVD需(xu)(xu)6~12臺(套(tao))；VAD需(xu)(xu)4~6臺(套(tao))；OVD需(xu)(xu)1~2臺(套(tao))。顯(xian)然,MCVD要(yao)求較(jiao)(jiao)多的(de)(de)(de)機械設備投(tou)資(zi)。不過,各種設備的(de)(de)(de)單價(jia)是不同的(de)(de)(de),以(yi)(yi)MCVD設備的(de)(de)(de)單價(jia)最(zui)低。所以(yi)(yi),設備總投(tou)資(zi)的(de)(de)(de)差(cha)異不會如(ru)設備數(shu)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)差(cha)別(bie)那么大。

2.7 小結

從(cong)表1可見,MCVD芯棒(bang)占世界市(shi)場的(de)(de)份(fen)額(e)連(lian)續減少,其它(ta)3種(zhong)工(gong)藝(yi)則(ze)逐(zhu)年(nian)增加(jia)。 據(ju)(ju)預測,今后10,多模光(guang)纖(xian)(MMF)和(he)(he)(he)非(fei)零(ling)色(se)散光(guang)纖(xian)(NZDSF)的(de)(de)市(shi)場份(fen)額(e)都將(jiang)持續增加(jia),SMF的(de)(de)市(shi)場份(fen)額(e)將(jiang)有所下降,因(yin)為MMF和(he)(he)(he)NZDSF的(de)(de)傳輸特性對徑向折(zhe)射率(lv)分布(RIP)的(de)(de)缺陷(xian)很敏感。在(zai)芯棒(bang)制造過(guo)程中(zhong)要(yao)精確控制RIP,在(zai)這(zhe)方面,MCVD、尤其是PVCD與OVD、VAD相比(bi)具有明顯優勢。NZDSF和(he)(he)(he)MMF市(shi)場的(de)(de)擴大(da),意味著更(geng)多地應用(yong)MCVD、PCVD工(gong)藝(yi)。用(yong)OVD工(gong)藝(yi)的(de)(de)美國康寧和(he)(he)(he)用(yong)VAD工(gong)藝(yi)的(de)(de)幾家日(ri)本公司如(ru)住友、藤(teng)倉、古河(he)、信越等,在(zai)80年(nian)代曾放棄了MCVD,據(ju)(ju)報(bao)道,當(dang)前(qian),可能考慮在(zai)其工(gong)廠中(zhong)重(zhong)新起(qi)用(yong)MCVD或引進PCVD。

三、外包技(ji)術的(de)發展趨勢 

 3.1 各(ge)種外(wai)(wai)包(bao)技(ji)(ji)術從1980年(nian)(nian)到(dao)2000年(nian)(nian)的(de)發展 80年(nian)(nian)代(dai)初,國(guo)際上開始(shi)用(yong)(yong)套(tao)(tao)(tao)(tao)管(guan)法(fa)制(zhi)作大(da)預制(zhi)棒(bang),對于(yu)MCVD和PCVD芯棒(bang),這(zhe)是采用(yong)(yong)最普遍的(de)外(wai)(wai)包(bao)方法(fa)。同時,VAD工(gong)藝也(ye)采用(yong)(yong)了套(tao)(tao)(tao)(tao)管(guan)法(fa),開始(shi)了SMF的(de)商業化(hua)生產,這(zhe)標志(zhi)著預制(zhi)棒(bang)制(zhi)造(zao)工(gong)藝向“兩步法(fa)”的(de)轉變,稍后,康寧公(gong)司將SOOT外(wai)(wai)包(bao)技(ji)(ji)術用(yong)(yong)于(yu)工(gong)業化(hua)生產,接(jie)著,用(yong)(yong)VAD生產光纖(xian)的(de)廠(chang)(chang)家也(ye)用(yong)(yong)SOOT外(wai)(wai)包(bao)技(ji)(ji)術代(dai)替了套(tao)(tao)(tao)(tao)管(guan)法(fa),在整個80年(nian)(nian)代(dai),套(tao)(tao)(tao)(tao)管(guan)法(fa)的(de)份額逐年(nian)(nian)下降(jiang)。90年(nian)(nian)代(dai),阿爾卡特用(yong)(yong)等離子噴涂技(ji)(ji)術取代(dai)了套(tao)(tao)(tao)(tao)管(guan)法(fa)；朗訊公(gong)司開發了溶膠(jiao)--凝膠(jiao)外(wai)(wai)包(bao)技(ji)(ji)術,幾(ji)乎所有(you)用(yong)(yong)VAD、OVD制(zhi)造(zao)光纖(xian)芯棒(bang)的(de)生產廠(chang)(chang)家都用(yong)(yong)了SOOT外(wai)(wai)包(bao)技(ji)(ji)術。這(zhe)些都使套(tao)(tao)(tao)(tao)管(guan)法(fa)的(de)份額繼續下降(jiang)。參見表2。

套(tao)管(guan)法(fa)份額(e)下(xia)降(jiang)的根本(ben)原因是：合成(cheng)石英管(guan)的價(jia)(jia)格(ge)高(gao)。首先(xian),成(cheng)本(ben)分析表明,套(tao)管(guan)法(fa)若(ruo)要是與其它外包技術(shu)競爭,管(guan)子(zi)的價(jia)(jia)格(ge)必須下(xia)降(jiang)到100$/kg。目(mu)前看(kan)來,管(guan)子(zi)的價(jia)(jia)格(ge)不(bu)大可能降(jiang)低到這個水平。因此,用(yong)套(tao)管(guan)法(fa)制(zhi)造預(yu)制(zhi)棒的廠家將(jiang)越來越少。其次,欲用(yong)套(tao)管(guan)法(fa)做大預(yu)制(zhi)棒,這需要大尺寸厚壁套(tao)管(guan),而制(zhi)造這種規格(ge)的套(tao)管(guan)很(hen)困難,因而價(jia)(jia)格(ge)很(hen)高(gao)。

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