光纤预制棒

简介

　　人们在制造光纤时先要制做出光纤预制棒，预制棒一般直径为几毫米至几十毫米（俗称光棒）。光纤的内部结构就是在预制棒中形成的，因而预制棒的制作是光纤工艺中最重要的部分。光棒的制作有多种方法，常用的制作工艺是气相氧化法。在气相氧化法中，高纯度金属卤化物的蒸汽和氧气发生反应，形成一些氧化物微粒，这些氧化物微粒会沉积在玻璃或者石英体的表面上（或管状体的内壁），然后通过烧结形成透明的玻璃棒（如果是管状，还要进行收缩使其成为棒状），这样光棒就做成啦。此时光棒已经具备了光纤的基本结构，通过拉丝机拉出来的裸纤就包括了纤芯和包层。有些光纤品种为了保护裸玻璃光纤，使其不受光和水汽等外部物质的污染，在光纤拉成的同时，就给它涂上弹性涂料（被覆层）。光纤由纤芯、包层和被覆层组成，导光的部分是处于轴线上的实心纤芯，包层的作用是提供一个圆柱形的界面，以便把光线束缚在纤芯之中。被覆层是一种弹性耐磨的塑料材料，它增强了光纤的强度和柔软性。

功用

　　在光纤预制棒完成后，就进入到光纤拉丝的过程。其作法是在无尘室中将光纤预制棒固定在拉丝机顶端，并逐渐加热至2000摄氏度。光纤预制棒受热后便逐渐融化并在底部累积液体，待其自然垂下，就形成光纤，这有点儿像我们吃拔丝山药时拉出糖丝的情景。这里的关键在于均匀加热、拉制速度的控制等。拉制技术无误时，拉出的光纤结构会与光纤预制棒的结构相同（只不过是缩小了很多）。涂覆材料也在拉丝机上及时涂敷，以保护光纤免受潮气、磨损的伤害。有的涂覆材料是通过自然冷却附在光纤上，有的是用某种光线（紫外线）照射光纤使涂覆材料固化。拉丝的过程中，光纤直径的测量及控制非常重要。光纤的直径和结构等质量参数多与拉制速度有关，自动化的测量监控会随时调节拉丝的速度。

生产工艺

　　国际上生产石英光纤预制棒的方法有十多种，其中普遍使用，并能制作出优质光纤的制棒方法主要有以下四种：
　　---改进的化学汽相沉积法(MCVD：Modified Chemical Vapour DepositiON)
　　---轴向汽相沉积法(VAD：Vapour phase Axial Deposition)
　　---棒外化学汽相沉积法(OVD：Outside Chemical Vapour Deposition)
　　---（微波）等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD：Plasma activated Chemical Vapour Deposition )
　　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-step Processes)。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/Primary Preform/Initial Preform)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。

工艺发展历史

　　从 20 世纪 70 年代末期开始规模生产光纤以来， 对光纤预制棒制造技术的研究和完善改进就从来没有间断过。美国 AT&T（Lucent）发 明了改进的化学汽相沉积法（MCVD，Modified Chemical Vapor Deposition）工艺后，美国 Corning 公司随后开发出了适合光纤大规 模生产的管外汽相沉积法（OVD，Outside Vapor Deposition）工艺， 其后 OVD 工艺又有不断改进，目前已发出第七代工艺，使生产效率和 生产成本大幅度降低；而日本 NT&T 在 OVD 的基础上进行改进，推出 了汽相轴向沉积法 （VAD， Vapor Axial Deposition） 工艺； 法国 Alcatel 则利用高频等离子技术开发出了先进的等离子体汽相沉积法（APVD， Advance Plasma Vapor Deposition）预制棒生产工艺；荷兰 Philips 则开发了等离子体化学（PCVD,Plasma Chemical Vapor Deposition ） 工艺逼供成功地在生产中加以应用。
　　早期光纤预制棒制造技术采用一步法，1980年初开始用套管法制备光纤预制棒，从而使光纤预制棒制造工艺实现了从一步法到二步法的转变，即先制造预制棒芯棒，然后在芯棒外采用不同技术制造 外包层，增加单根预制棒的可拉丝公里数，以提高生产效率。一般认为，芯棒的制造决定了光纤的传输性能，而外包层则决定光纤的制造成本。在芯棒的制造技术中，MCVD 和 PCVD 称为管内沉积工艺，OVD 和 VAD 属于外沉积工艺；在外包层工艺中，外沉积技术是指 OVD 和 VAD，外喷技术主要指用等离子喷涂石英砂工艺。现今光纤外包层制造技术包括套管法、阿尔卡特（Alcatel）公司发明的等离子喷涂法（PlasmaSpary）、火焰水解法（SOOT）和美国朗讯科技公司发明的溶胶法－凝胶法（Sol－gel法），其中SOOT法是泛指OVD和VAD等火焰水解外沉积工艺。
　　MCVD法现采用外沉积技术取代套管法制作大预制棒，形成MCVD外沉积工艺相结合的混合工艺，从而改变了传统MCVD工艺沉积速度低、几何尺寸精度差的缺点，降低了生产成本，提高了预制棒的质量。此后，又有一些公司开发了低成本大尺寸的套管工艺，套管制备工艺为Sol－gel和OVD法。
　　预制棒制备工艺OVD法近二十年来已从单喷灯沉积发展到多喷灯同时沉积，沉积速率成倍增加，并实现一台设备同时沉积多根棒，并且从依次沉积芯包层制成预制棒的一步法发展到二步法，即先制备出大直径的芯棒，再拉制成小直径芯棒或不拉细，然后采用外包层技术制备出光纤预制棒，提高了生产效率，降低了生产成本。并且，MCVD法尤其是PCVD法、OVD和VAD法更易精确控制芯棒的径向折射率分布，因而对于制备多模光纤MMF和非零色散光纤DZDF芯预制棒更有效。
　　近20年来，光纤预制棒外包层技术已有许多发展，美国CORNING公司首先采用SOOT外包技术代替了套管法应用于工业生产。1990年，阿尔卡特Alcatel等离子喷涂技术及美国朗讯公司开发的Sol－gel外包技术替代了套管技术，因而采用套管法制备光纤预制VAD制造光纤芯棒的生产厂家都采用SOOT外包技术。

MCVD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。

VAD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。

OVD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。
PCVD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。
　　目前，各种技术路线都有生产厂家在采用，所生产的光纤都能够 符合国际标准，在市场上也有一定的竞争力。随着市场对光纤产品需 求的多样性，就要求生产厂家生产不同性能的、在经济上具有竞争力 的光纤产品满足这种多样化的需求。
　　现在市场上大量使用的普通 G.652 单模光纤， 对于长途干线则采 用 G.655 光纤，局域网则采用数据光纤，但并不是任何一种工艺均能 最佳化生产所有的光纤品种。就生产 G.652 光纤而言，芯帮的外沉积 技术（DVD、VAD）优于内沉积技术（MCVD、PCVD），外沉积技术主要 优势在于：不用价格很贵的合成石英管，沉积速率、沉积层数不会受 到衬低管直径的限制，特别有利于以高沉积速率制造大型预制棒。此 外，外沉积技术还能生产 G.652 （C）低水峰光纤。就生产 G.655 光 纤而言，芯帮的管内沉积技术（PCVD 工艺活 MCVD 工艺）颇具优势， 与 DVD、 VAD 相比的最大优点是： 可精确控制径向折射率分布 （RIP） 。 而这一优点，特别有利于制造最新一代的通信光纤，例如大有效面积 光纤、局部色散平坦的大有效面积光纤、降低色散斜率的直波光纤等 等，这些光纤通常都是多包层的负责 RIP 结构，数据光纤已经新一代 的多模光纤的生产，采用 PCVD 工艺更具竞争力。

我国现状

　　光纤预制棒是光缆生产的最“源头”项目，目前国内光缆生产厂家约200家，大部分靠买进口光纤或光纤预制棒来生产光缆。为了满足我国光纤、光缆生产厂家对光纤预制棒的需求，更好地促进通信事业的发展，拟合资、合作建立制作光纤预制棒的系统设备，以填补国内生产光纤预制棒系统设备的空白。
　　我国目前实际具有预制棒制造技术和预制棒生产能力的厂家有长飞、烽火、富通和法尔胜等。据统计，2008年全年国内共消耗预制棒1550吨左右，其中国产的预制棒大约为250吨左右，剩下的1300多吨均需要从国外进口，进口比例接近90%。
　　针对这种被动局面，国内多家主流企业均加快了提高预制棒产量的布局。亨通光电的预制棒项目早在2007年就已开始，目前30吨/年的产能已经投产，公司准备在年内实现100吨/年的产能。分析人士指出，2010年我国光纤光缆企业在预制棒领域将迎来群体突破。
　　目前，预制棒的主流生产技术分别被康宁、古河、信越和阿尔卡特等国际大厂掌握，形成了高度垄断和竞争的格局。随着我国光纤光缆需求的升级，国外预制棒厂家纷纷瞄准中国市场，加紧向中国市场转移。他们采取与国内企业合资或者独资的形式，将预制棒项目落户中国。同时，随着我国企业技术工艺的不断成熟，企业之间的竞争实质是价格与规模，企业为降低成本有延长产业链、发展预制棒技术的内在需求。
　　在国内光纤光缆生产企业中，长飞是最早也是目前国内规模最大的预制棒生产商，该公司通过与荷兰德拉克公司多年的合作，掌握的“PCVD(等离子体化学气沉积)+RIC/ODD(套管)”法制棒技术具有世界领先的技术水平，预制棒产能已经达到500吨/年。富通在巩固和完善自主光纤预制棒全合成技术的基础上，积极推进光纤预制棒技术升级和产业化进程。2008年10月，富通与日本住友正式签约，合作的重点是在杭州富阳投资1.45亿美元生产光纤预制棒，计划于2010年9月投产。烽火拥有多模预制棒的生产能力，通过与藤仓公司合作生产单模预制棒，计划到2011年、2013年的预制棒产量为175吨、350吨，基本可满足自身需求。加上亨通、中天科技也在加快推进预制棒项目，可以预见，未来我国将成为预制棒产品的主要生产和消费国。