光纤预制棒制造技术的状态与发展趋势

光纤预制棒制造技术的状态与发展趋势目前,已形成光纤光缆全球性大发展的良好气候,美国KMI公司预测,今后10年,全球光纤光缆需求将持续增长,为适应全球光纤光缆需求的增长,国际上各大光纤生产厂商正进行新一轮的扩产,同时,国内光纤产业的发展势头也很强劲,有的光纤生产企业正在扩产,还将新建几个大型光纤厂。这里,技术路线的选择是很重要的。本文根据最新的文献资料和国际技术交流信息综述光纤预制棒制造技术的当前状态与发展趋势,重点是“两步法”工艺,包括各种芯棒制造技术(OVD、VAD、MCVD、PCVD)和外包层制造技术(套管法、等离子喷涂法、火焰水解法、熔胶--凝胶法),希望对国内光纤产业的发展有所裨益。一、制造预制棒的“两步法”光纤工业在70年代兴起。20多年来,光纤制造商工艺一直在不断发展。由于光纤预制棒制造技术是光纤制造工艺的核心,光纤行业历来用光纤预制棒制造技术来命名光纤制造工艺。按照传统的命名方法,当前光纤技术市场上四种工艺共存,即OVD、VAD、MCVD、PCVD。然而,仅用上述工艺名称简单地表示当前的生产工艺已经是很不全面了。当前商业生产光纤预制棒的汽相沉积工艺都已经发展为“两步法”(Two-stepProcesses)。图1较为全面地描述了当前商业生产光纤预制棒的工艺,其中,OVD、MCVD等工艺名称仅仅表示生产预制棒的第1步,即生产芯棒(Core-rod/PrimaryPreform/InitialPreform)所用的工艺,在生产芯棒时,不仅要制造芯也必需制造部分包层,这是为了确保光纤的光学质量,随后,可以把芯棒拉细成很多小芯棒,也可以不拉细,这取决于芯棒的大小。第二步,在芯棒上附加外包层(俗称外包技术或Overcladding),制成预制棒,拉丝之前,可以把预制棒拉细也可以不拉细,这取决于预制棒和拉丝炉的大小。所以,所谓“两步法”并不局限于两步,光纤预制棒的光学特性主要取决于芯棒制造技术；光纤预制棒的成本主要取决于外包技术,因此,芯棒制造技术加上外包技术才能全面说明当前光纤预棒制造工艺的特征。参见图1。这里要说明的是：●图1中的芯棒技术名称和套管法,已经是众所周知,此外无须赘述。●“SOOT”法,国外文献中常用“sootprocess”来泛指OVD、VAD等火焰水解外沉积工艺。在本文中我们称之为：SOOT外包技术,而不用OVD术语,以示与OVD芯棒技术的区别,该技术在美国和日本各公司已广为应用。●等离子喷涂(PlasmaSpray),是指用高频等离子焰将石英粉末熔制于芯棒上制成大预制棒的技术,由阿尔卡特发明、使用。●溶胶--凝胶法(Sol-gel)用作外包技术,是美国朗讯发明的,包括两条途径。其一,先用溶胶--凝胶法制成合成石英管作为套管,再用套管法制成大预制棒；其二,先用溶胶--凝胶法制成合成石英粉末,再用高频等离子焰将合成石英粉末熔制于芯棒上制成大预制棒的技术,所以从本质上看它应属于SOOT或等离子喷涂法。二、芯棒制造工艺的发展趋势2.1各种化学汽相沉积工艺从1980年到2000年的发展MCVD是最早成熟的工艺,早期的多模光纤主要是该工艺生产的,进入80年代以后,伴随着常规单模光纤(SMF)的成熟,OVD、VAD在光纤市场的份额迅速增加,美国康宁和日本各公司均停止使用MCVD工艺,MCVD的市场份额迅速下降,OVD、VAD工艺的份额迅速增加。但是,MCVD工艺不断改进,纳入了多项新技术,因此迄今仍占约1/3的市场份额。表1列出4种化学汽相沉积工艺从1980年到2000年所占市场份额的变化。表1各种化学汽相沉积工艺所占市场份额(%)的变化(1980年--2000年)注：这里所述的各种工艺所占的份额均是以芯棒的制造工艺来划分,不考虑其外包工艺。2.2MCVD的发展●最初的MCVD是在一台车床上依次进行包层沉积、芯沉积、熔缩成预制棒,这是典型的“一步法”。目前,阿尔卡特已经将沉积与熔缩分开,在沉积之后,用另一台专用车床熔缩成棒,并用石墨感应炉代替氢氧焰做热源进行熔缩成棒。●采用大直径合成石英管代替天然水晶粉熔制成的小直径石英管做为衬底管,目前在生产上用的合成石英衬底管外直径约为40mm,沉积长度1.2~1.5m。＂●最重要的是,用各种外沉积技术取代了套管法来制作大预棒,例如用火焰水解外包和等离子外包技术在芯棒上制作外包层,形成了MCVD与外沉积工艺相结合的混合工艺。这此新技术弥补了传统MCVD工艺沉积速率低、几何尺寸精度差的缺点,降低了成本、提高了质量、增强了竞争力。●开发低成本、高质量、大尺寸的套管的制造方法(如溶胶--凝胶法,OVD法),供套管使用。2.3VAD工艺的发展●70年代的VAD工艺,芯和包层同时沉积、同时烧结,号称预制连续制造工艺。●80年代的VAD工艺是先做出大直径芯棒,然后把该大直径芯棒拉细成多根小芯棒,再用套管法制成预制棒,从“一步法”发展到“二步法”。●90年代改成用SOOT外包代替套管法制成光纤预制棒。●90年代以来,使用VAD的生产厂家增多了,除了日本古河、滕仓之外,信越、日立、三菱、昭和等公司从日本NTT获得了使用VAD工艺生产光纤的许可,并实施了再开发,实现了商业化VAD工艺,朗讯也从住友公司购得了使用VAD工艺的许可,另外还与住友在美国建立了VAD法的合资光纤厂,从而有机会多年观察VAD光纤生产,此后,朗讯将VAD工艺引进到它的亚特兰大光纤厂。美国SpecTran公司在购买ENSIGN-BICKFORD公司的资产的同时,也获得了VAD工艺。顺便提一下,SpecTran公司已在1999年末被美国朗讯购并。2.4OVD工艺的发展●从单喷灯沉积到多喷机同时沉积,沉积速率成倍提高。●从一台设备一次沉积一根棒发展到一台设备同时沉积多根棒。●从依次沉积芯、包层连续制成预制棒的“一步法”发展到“二步法”；即先用陶瓷棒或石墨棒为靶棒,只沉积芯材料(含少量包层)做出大直径芯棒,经去水烧结后,把该大直径芯棒拉细成多根小直径芯棒,再用这些小直径芯棒为靶棒来沉积包层,制成光纤预制棒,大大提高了生产率、降低了成本。2.5PCVD工艺的发展●与MCVD一样,当前的PCVD工艺也采用了大直径合成石英管代替天然水晶熔制的石英管做为衬底管。●荷兰POF公司已开发了四代PVCD工艺,衬底管内直径从最初的16mm增大到60mm以年,沉积速率提高到2~3g/min,沉积长度1.2~1.5m。●目前仍是用套管法制做成大预制棒,但一根套管就重达几公斤。●原则上与MCVD一样,也可形成PCVD与外沉积工艺相结合的混合工艺,但迄今未见报道。2.6各种芯棒工艺的比较各种芯棒工艺生产同一种光纤产品的生产率有很大差别；生产特定品种的光纤将要求采用最适合的芯棒工艺,鉴于在最近的将来,国际上使用最多的光纤仍是SMF。因此,图2示出各种工艺生产SMF的最新经济分析结果。该分析比较了生产100万km光纤所需的设备数量；其中MCVD需6~12台(套)；VAD需4~6台(套)；OVD需1~2台(套)。显然,MCVD要求较多的机械设备投资。不过,各种设备的单价是不同的,以MCVD设备的单价最低。所以,设备总投资的差异不会如设备数量的差别那么大。2.7小结从表1可见,MCVD芯棒占世界市场的份额连续减少,其它3种工艺则逐年增加。据预测,今后10,多模光纤(MMF)和非零色散光纤(NZDSF)的市场份额都将持续增加,SMF的市场份额将有所下降,因为MMF和NZDSF的传输特性对径向折射率分布(RIP)的缺陷很敏感。在芯棒制造过程中要精确控制RIP,在这方面,MCVD、尤其是PVCD与OVD、VAD相比具有明显优势。NZDSF和MMF市场的扩大,意味着更多地应用MCVD、PCVD工艺。用OVD工艺的美国康宁和用VAD工艺的几家日本公司如住友、藤仓、古河、信越等,在80年代曾放弃了MCVD,据报道,当前,可能考虑在其工厂中重新起用MCVD或引进PCVD。三、外包技术的发展趋势3.1各种外包技术从1980年到2000年的发展80年代初,国际上开始用套管法制作大预制棒,对于MCVD和PCVD芯棒,这是采用最普遍的外包方法。同时,VAD工艺也采用了套管法,开始了SMF的商业化生产,这标志着预制棒制造工艺向“两步法”的转变,稍后,康宁公司将SOOT外包技术用于工业化生产,接着,用VAD生产光纤的厂家也用SOOT外包技术代替了套管法,在整个80年代,套管法的份额逐年下降。90年代,阿尔卡特用等离子喷涂技术取代了套管法；朗讯公司开发了溶胶--凝胶外包技术,几乎所有用VAD、OVD制造光纤芯棒的生产厂家都用了SOOT外包技术。这些都使套管法的份额继续下降。参见表2。套管法份额下降的根本原因是：合成石英管的价格高。首先,成本分析表明,套管法若要是与其它外包技术竞争,管子的价格必须下降到100$/kg。目前看来,管子的价格不大可能降低到这个水平。因此,用套管法制造预制棒的厂家将越来越少。其次,欲用套管法做大预制棒,这需要大尺寸厚壁套管,而制造这种规格的套管很困难,因而价格很高。随着光纤价格的继续下降,光纤制造成本的高低将决定竞争的成败。而制造大预制棒有利于降低光纤制造成本(预制棒成本、拉丝成本、测试成本都会因预制棒的增大而降低)。因此,对于光纤制造者的生存,预制棒尺寸的增加日益关键,由于套管法难以做大预制棒,因此,继阿尔卡特之后,其它的单模光纤制造者也将放弃套管法,并选择可以高速率生产大预制棒的更经济的外包技术。其中绝大多数将选用SOOT外包,因其设备和技术已有商品3.2对各种外包技术的分析1985年以后,套管法一直在走下坡路;溶胶凝胶法尚未形成气候。因此,这里主要对等离子法和SOOT法做分析。这两种方法的主要差别如表3所示。●原料方面:天然石英粉,来自优质水晶矿产,资源有限(我国目前生产光纤及石英管所用的天然石英粉尚需进口);天然石英粉的纯度有限。而四氯化硅是半导体行业的副产品,来源丰富;用SOOT工艺生产的是合成石英材料,纯度高,有利于光纤的强度和寿命参数。在这方面,SOOT工艺优于等离子工艺。●工艺方面:SOOT工艺过程中产生氯化氢等废气(对其需要进行处理),而且,为了提高沉积速率,不得不牺牲沉积效率(远低于50%)，在烧结时需要用氯气(剧毒)和氨气(昂贵),这些都不利于降低成本。而等离子工艺没有上述问题,沉积之后就是透明的预制棒,在这方面,等离子工艺优于SOOT工艺。●热源方面:等离子技术比较复杂,而氢--氧焰技术简单,在用天然气的情况下,费用很低．在这方面,SOOT工艺优于等离子工艺。3.3小结从表2可见,1985年以后,套管法占世界市场的份额连续减少,SOOT工艺的则逐年增加。目前,各种工艺占世界市场的份额为:套管法28%,SOOT62%,等离子8%,溶胶-凝胶法2%。套管法的主要限制因素是合成石英管的价格高。事实上,当前采用套管法的几家公司已经表示,如果能得到大尺寸套管,他们将制造出更大的预制棒。只要合成石英管的价格降得足够低,这种方法最简单、最实用。阿尔卡特等离子喷涂技术的主要限制因素是天然石英粉自然资源有限。溶胶-凝胶法正在发展中,溶胶-凝胶法合成石英粉与等离子喷涂的结合可能是很好的技术,这取决于投入的开发力度。SOOT工艺已占绝对的优势。因其设备和技术已有商品,其应用将日益广泛。对于已拥有OVD或VAD的厂家,采用SOOT外包工艺很方便;对于只有MCVD或PCVD的厂家则需投巨资购买设备和技术。四、光纤成本的比较4.1预制棒技术与光纤成本据认为,OVD芯棒加SOOT外包的预制棒工艺的成本最低。据估计,其生产成本约15$/km。VAD芯棒加SOOT外包的生产成本比OVD芯棒加SOOT外包的高出25%;MCVD加套管法的生产成本比OVD芯棒加SOOT外包高40%。三种预制棒工艺的成本比较见表4。4.2生产规模与光纤成本假定各光纤厂采用同一水平的技术,用VAD芯棒加SOOT外包生产SMF,则不同生产能力或规模对生产成本的影响如图3所示。该图表明,大规模生产具有相当大的成本优势。随着光纤价格的下降以及生产率的提高,可行的最小经济生产规模将增大,从过去