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光纖預制棒技術的最新發展

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光纖預制棒技術的最新發展

發布日期:2015-05-25 16:45 來源:http://www.railsbricks.net 點擊:

摘 要:根據最新的文獻資料和技術交流信息,綜述了光纖預制棒制造技術的狀态與發展趨勢。

  關鍵詞:光纖預制棒;兩步法;芯棒;外包層

  目前,已形成光纖光纜全球性大發展的良好氣候,美國KMI公司預測, 今後10年,全球光纖光纜需求将持續增長,為适應全球光纖光纜需求的增長,國際上各大光纖生産廠商正進行新一輪的擴産,同時,國内光纖産業的發展勢頭也很強勁,有的光纖生産企業正在擴産,還将新建幾個大型光纖廠。這裡,技術路線的選擇是很重要的。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态與發展趨勢,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、等離子噴塗法、火焰水解法、熔膠--凝膠法),希望對國内光纖産業的發展有所裨益。

  一、制造預制棒的“兩步法” 光纖工業在70年代興起。

  20多年來,光纖制造商工藝一直在不斷發展。由于光纖預制棒制造技術是光纖制造工藝的核心,光纖行業曆來用光纖預制棒制造技術來命名光纖制造工藝。按照傳統的命名方法,當前光纖技術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前的生産工藝已經是很不全面了。當前商業生産光纖預制棒的汽相沉積工藝都已經發展為“兩步法”(Two-step Processes)。當前商業生産光纖預制棒的工藝中,OVD、MCVD等工藝名稱僅僅表示生産預制棒的第1步,即生産芯棒(Core-rod/Primary Preform/Initial Preform)所用的工藝,在生産芯棒時,不僅要制造芯也必需制造部分包層,這是為了确保光纖的光學質量,随後,可以把芯棒拉細成很多小芯棒,也可以不拉細,這取決于芯棒的大小。第二步,在芯棒上附加外包層(俗稱外包技術或Overcladding),制成預制棒,拉絲之前,可以把預制棒拉細也可以不拉細,這取決于預制棒和拉絲爐的大小。

  所以,所謂“兩步法”并不局限于兩步,光纖預制棒的光學特性主要取決于芯棒制造技術;光纖預制棒的成本主要取決于外包技術,因此,芯棒制造技術加上外包技術才能全面說明當前光纖預棒制造工藝的特征。

  這裡要說明的是:

  ●“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芯棒技術的區别,該技術在美國和日本各公司已廣為應用。 

  ●等離子噴塗(Plasma Spray),是指用高頻等離子焰将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。

  ●溶膠--凝膠法(Sol-gel)用作外包技術,是美國朗訊發明的,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,再用高頻等離子焰将合成石英粉末熔制于芯棒上制成大預制棒的技術,所以從本質上看它應屬于SOOT或等離子噴塗法。 

  二、芯棒制造工藝的發展趨勢

  2.1各種化學汽相沉積工藝從1980年到2000年的發展

  MCVD是最早成熟的工藝,早期的多模光纖主要是該工藝生産的,進入80年代以後,伴随着常規單模光纖(SMF)的成熟,OVD、VAD在光纖市場的份額迅速增加,美國康甯和日本各公司均停止使用MCVD工藝,MCVD的市場份額迅速下降,OVD、VAD工藝的份額迅速增加。但是,MCVD工藝不斷改進,納入了多項新技術,因此迄今仍占約1/3的市場份額。

  2.2 MCVD的發展

  ●最初的MCVD是在一台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,阿爾卡特已經将沉積與熔縮分開,在沉積之後,用另一台專用車床熔縮成棒,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,目前在生産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、增強了競争力。

  ●開發低成本、高質量、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工藝的發展

  ●70年代的VAD工藝,芯和包層同時沉積、同時燒結,号稱預制連續制造工藝。

  ●80年代的VAD工藝是先做出大直徑芯棒,然後把該大直徑芯棒拉細成多根小芯棒,再用套管法制成預制棒,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,使用VAD的生産廠家增多了,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工藝生産光纖的許可,并實施了再開發,實現了商業化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,從而有機會多年觀察VAD光纖生産,此後,朗訊将VAD工藝引進到它的亞特蘭大光纖廠。美國SpecTran公司在購買ENSIGN-BICKFORD公司的資産的同時,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。

  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。

  ●從一台設備一次沉積一根棒發展到一台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,隻沉積芯材料(含少量包層)做出大直徑芯棒,經去水燒結後,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,大大提高了生産率、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,襯底管内直徑從最初的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。

  ●原則上與MCVD一樣,也可形成PCVD與外沉積工藝相結合的混合工藝,但迄今未見報道。

  2.6 各種芯棒工藝的比較

  各種芯棒工藝生産同一種光纖産品的生産率有很大差别;生産特定品種的光纖将要求采用最适合的芯棒工藝,鑒于在最近的将來,國際上使用最多的光纖仍是SMF。因此,生産100萬km光纖所需的設備數量中MCVD需6~12台(套);VAD需4~6台(套);OVD需1~2台(套)。顯然,MCVD要求較多的機械設備投資。不過,各種設備的單價是不同的,以MCVD設備的單價最低。所以,設備總投資的差異不會如設備數量的差别那麼大。

  2.7 小結

  據預測,今後10,多模光纖(MMF)和非零色散光纖(NZDSF)的市場份額都将持續增加,SMF的市場份額将有所下降,因為MMF和NZDSF的傳輸特性對徑向折射率分布(RIP)的缺陷很敏感。在芯棒制造過程中要精确控制RIP,在這方面,MCVD、尤其是PVCD與OVD、VAD相比具有明顯優勢。NZDSF和MMF市場的擴大,意味着更多地應用MCVD、PCVD工藝。用OVD工藝的美國康甯和用VAD工藝的幾家日本公司如住友、藤倉、古河、信越等,在80年代曾放棄了MCVD,據報道,當前,可能考慮在其工廠中重新起用MCVD或引進PCVD。

  三、外包技術的發展趨勢

  3.1 各種外包技術從1980年到2000年的發展

  80年代初,國際上開始用套管法制作大預制棒,對于MCVD和PCVD芯棒,這是采用最普遍的外包方法。同時,VAD工藝也采用了套管法,開始了SMF的商業化生産,這标志着預制棒制造工藝向“兩步法”的轉變,稍後,康甯公司将SOOT外包技術用于工業化生産,接着,用VAD生産光纖的廠家也用SOOT外包技術代替了套管法,在整個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塗技術取代了套管法;朗訊公司開發了溶膠--凝膠外包技術,幾乎所有用VAD、OVD制造光纖芯棒的生産廠家都用了SOOT外包技術。這些都使套管法的份額繼續下降。

  套管法份額下降的根本原因是:合成石英管的價格高。首先,成本分析表明,套管法若要是與其它外包技術競争,管子的價格必須下降到100$/kg。目前看來,管子的價格不大可能降低到這個水平。因此,用套管法制造預制棒的廠家将越來越少。其次,欲用套管法做大預制棒,這需要大尺寸厚壁套管,而制造這種規格的套管很困難,因而價格很高。

  随着光纖價格的繼續下降,光纖制造成本的高低将決定競争的成敗。而制造大預制棒有利于降低光纖制造成本(預制棒成本、拉絲成本、測試成本都會因預制棒的增大而降低)。因此,對于光纖制造者的生存,預制棒尺寸的增加日益關鍵,由于套管法難以做大預制棒,因此,繼阿爾卡特之後,其它的單模光纖制造者也将放棄套管法,并選擇可以高速率生産大預制棒的更經濟的外包技術。其中絕大多數将選用SOOT外包,因其設備和技術已有商品。

  3.2 對各種外包技術的分析

  1985年以後,套管法一直在走下坡路;溶膠凝膠法尚未形成氣候。因此,這裡主要對等離子法和SOOT法做分析。

  ●原料方面:天然石英粉,來自優質水晶礦産,資源有限(我國目前生産光纖及石英管所用的天然石英粉尚需進口);天然石英粉的純度有限。而四氯化矽是半導體行業的副産品,來源豐富;用SOOT工藝生産的是合成石英材料,純度高,有利于光纖的強度和壽命參數。在這方面,SOOT工藝優于等離子工藝。 

  ●工藝方面:SOOT工藝過程中産生氯化氫等廢氣(對其需要進行處理),而且,為了提高沉積速率,不得不犧牲沉積效率(遠低于50%),在燒結時需要用氯氣(劇毒)和氨氣(昂貴),這些都不利于降低成本。而等離子工藝沒有上述問題,沉積之後就是透明的預制棒,在這方面,等離子工藝優于SOOT工藝。

  ●熱源方面:等離子技術比較複雜,而氫--氧焰技術簡單,在用天然氣的情況下,費用很低.在這方面,SOOT工藝優于等離子工藝。

  3.3 小結

  1985年以後,套管法占世界市場的份額連續減少,SOOT工藝的則逐年增加。

  目前,各種工藝占世界市場的份額為: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格高。事實上,當前采用套管法的幾家公司已經表示,如果能得到大尺寸套管,他們将制造出更大的預制棒。隻要合成石英管的價格降得足夠低,這種方法最簡單、最實用。 阿爾卡特等離子噴塗技術的主要限制因素是天然石英粉自然資源有限。


  溶膠-凝膠法正在發展中,溶膠-凝膠法合成石英粉與等離子噴塗的結合可能是很好的技術,這取決于投入的開發力度。


  SOOT工藝已占絕對的優勢。因其設備和技術已有商品,其應用将日益廣泛。對于已擁有OVD或VAD的廠家,采用SOOT外包工藝很方便;對于隻有MCVD或PCVD的廠家則需投巨資購買設備和技術。


  四、光纖成本的比較


  4.1 預制棒技術與光纖成本


  據認為,OVD芯棒加SOOT外包的預制棒工藝的成本最低。據估計,其生産成本約15$/km。


  VAD芯棒加SOOT外包的生産成本比OVD芯棒加SOOT外包的高出25%;MCVD加套管法的生産成本比OVD芯棒加SOOT外包高40%。


  4.2 生産規模與光纖成本


  假定各光纖廠采用同一水平的技術,用VAD芯棒加SOOT外包生産SMF,則不同生産能力或規模對生産成本的影響。大規模生産具有相當大的成本優勢。随着光纖價格的下降以及生産率的提高,可行的最小經濟生産規模将增大,從過去認為的年産量5O萬km光纖增大到100萬km。


  此外,以上分析僅對單一技術、單一産品的情況進行比較,若考慮到具有多種技術生産多種産品的情況,大多數人認為,在這種情況下,大型廠家仍然有利。


  五、總結


  當前商業生産光纖預制棒的汽相沉積工藝都已經發展為包括芯棒制造和外包技術的“兩步法”,生産常規單模光纖,用OVD芯棒加SOOT外包的預制棒工藝成本最低,NZDSF和MMF市場的擴大,意味着将更多地應用MCVD、PCVD工藝。各種芯棒工藝都需要選擇适當的外包技術來代替套管法,其中絕大多數将選用SOOT外包,因其設備和技術已有商品,除了工藝的選擇之外,生産規模對光纖成本有明顯影響,大規模生産具有相當大的成本優勢。


  以上結論不是絕對的,即便同樣的工藝、同樣的規模、生産同樣的産品,在不同的國家、地域、公司的效果也不會相同,因為,原材料來源、副産品能否綜合利用、管理制度等具體因素也必需考慮。此外,為了增強企業的競争力,應當擁有适合于生産多種産品的多種技術。


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