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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,已形成光纖光纜全球性大發展的良好氣候,美國KMI公司預測, 今后10年,全球光纖光纜需求將持續增長,為適應全球光纖光纜需求的增長,國際上各大光纖生產廠商正進行新一輪的擴產,同時,國內光纖產業的發展勢頭也很強勁,有的光纖生產企業正在擴產,還將新建幾個大型光纖廠。這里,技術路線的選擇是很重要的。
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,光纖行業歷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產工藝已經是很不全面了。當前商業生產光纖預制棒的汽相沉積工藝都已經發展為“兩步法”(Two-step Processes)。圖1較為全面地描述了當前商業生產光纖預制棒的工藝,其中,OVD、MCVD等工藝名稱僅僅表示生產預制棒的第1步,即生產芯棒(Core-rod/Primary Preform/Initial Preform)所用的工藝,
在生產芯棒時,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質量,隨后,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。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,再用高頻等離子焰將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或等離子噴涂法。
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產的,進入80年代以后,伴隨著常規單模光纖(SMF)的成熟,OVD、VAD在光纖市場的份額迅速增加,美國康寧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。表1列出4種化學汽相沉積工藝從1980年到2000年所占市場份額的變化。 表1 各種化學汽相沉積工藝所占市場份額(%)的變化(1980年--2000年) 注：這里所述的各種工藝所占的份額均是以芯棒的制造工藝來劃分,不考慮其外包工藝。
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,號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,然后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的生產廠家增多了,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光纖生產,此后,朗訊將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公司的資產的同時,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
各種芯棒工藝生產同一種光纖產品的生產率有很大差別；生產特定品種的光纖將要求采用最適合的芯棒工藝,鑒于在最近的將來,國際上使用最多的光纖仍是SMF。因此,圖2示出各種工藝生產SMF的最新經濟分析結果。該分析比較了生產100萬km光纖所需的設備數量；其中MCVD需6~12臺(套)；VAD需4~6臺(套)；OVD需1~2臺(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別那么大。
2.7 小結
從表1可見,MCVD芯棒占世界市場的份額連續減少,其它3種工藝則逐年增加。 據預測,今后10,多模光纖(MMF)和非零色散光纖(NZDSF)的市場份額都將持續增加,SMF的市場份額將有所下降,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確控制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,意味著更多地應用MCVD、PCVD工藝。用OVD工藝的美國康寧和用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的商業化生產,這標志著預制棒制造工藝向“兩步法”的轉變,稍后,康寧公司將SOOT外包技術用于工業化生產,接著,用VAD生產光纖的廠家也用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涂技術取代了套管法；朗訊公司開發了溶膠--凝膠外包技術,幾乎所有用VAD、OVD制造光纖芯棒的生產廠家都用了SOOT外包技術。這些都使套管法的份額繼續下降。參見表2。
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爭,管子的價格必須下降到100$/kg。目前看來,管子的價格不大可能降低到這個水平。因此,用套管法制造預制棒的廠家將越來越少。其次,欲用套管法做大預制棒,這需要大尺寸厚壁套管,而制造這種規格的套管很困難,因而價格很高。
隨著光纖價格的繼續下降,光纖制造成本的高低將決定競爭的成敗。而制造大預制棒有利于降低光纖制造成本(預制棒成本、拉絲成本、測試成本都會因預制棒的增大而降低)。因此,對于光纖制造者的生存,預制棒尺寸的增加日益關鍵,由于套管法難以做大預制棒,因此,繼阿爾卡特之后,其它的單模光纖制造者也將放棄套管法,并選擇可以高速率生產大預制棒的更經濟的外包技術。其中絕大多數將選用SOOT外包,因其設備和技術已有商品
3.2 對各種外包技術的分析 1985年以后,套管法一直在走下坡路;溶膠凝膠法尚未形成氣候。因此,這里主要對等離子法和SOOT法做分析。這兩種方法的主要差別如表3所示。
●原料方面:天然石英粉,來自優質水晶礦產,資源有限(我國目前生產光纖及石英管所用的天然石英粉尚需進口);天然石英粉的純度有限。而四氯化硅是半導體行業的副產品,來源豐富;用SOOT工藝生產的是合成石英材料,純度高,有利于光纖的強度和壽命參數。在這方面,SOOT工藝優于等離子工藝。
●工藝方面:SOOT工藝過程中產生氯化氫等廢氣(對其需要進行處理),而且,為了提高沉積速率,不得不犧牲沉積效率(遠低于50%)，在燒結時需要用氯氣(劇毒)和氨氣(昂貴),這些都不利于降低成本。而等離子工藝沒有上述問題,沉積之后就是透明的預制棒,在這方面,等離子工藝優于SOOT工藝。
●熱源方面:等離子技術比較復雜,而氫--氧焰技術簡單,在用天然氣的情況下,費用很低．在這方面,SOOT工藝優于等離子工藝。 3.3小結 從表2可見,1985年以后,套管法占世界市場的份額連續減少,SOOT工藝的則逐年增加。
目前,各種工藝占世界市場的份額為:套管法28%,SOOT62%,等離子8%,溶膠-凝膠法2%。套管法的主要限制因素是合成石英管的價格高。事實上,當前采用套管法的幾家公司已經表示,如果能得到大尺寸套管,他們將制造出更大的預制棒。只要合成石英管的價格降得足夠低,這種方法最簡單、最實用。 阿爾卡特等離子噴涂技術的主要限制因素是天然石英粉自然資源有限。
溶膠-凝膠法正在發展中,溶膠-凝膠法合成石英粉與等離子噴涂的結合可能是很好的技術,這取決于投入的開發力度。
SOOT工藝已占絕對的優勢。因其設備和技術已有商品,其應用將日益廣泛。對于已擁有OVD或VAD的廠家,采用SOOT外包工藝很方便;對于只有MCVD或PCVD的廠家則需投巨資購買設備和技術。
四、光纖成本的比較
4.1預制棒技術與光纖成本 據認為,OVD芯棒加SOOT外包的預制棒工藝的成本最低。據估計,其生產成本約15$/km。 VAD芯棒加SOOT外包的生產成本比OVD芯棒加SOOT外包的高出25%;MCVD加套管法的生產成本比OVD芯棒加SOOT外包高40%。三種預制棒工藝的成本比較見表4。
4.2生產規模與光纖成本 假定各光纖廠采用同一水平的技術,用VAD芯棒加SOOT外包生產SMF,則不同生產能力或規模對生產成本的影響如圖3所示。該圖表明,大規模生產具有相當大的成本優勢。隨著光纖價格的下降以及生產率的提高,可行的最小經濟生產規模將增大,從過去認為的年產量5O萬km光纖增大到100萬km。
此外,以上分析僅對單一技術、單一產品的情況進行比較,若考慮到具有多種技術生產多種產品的情況,大多數人認為,在這種情況下,大型廠家仍然有利。
五、總結
當前商業生產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”,生產常規單模光纖,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,意味著將更多地應用MCVD、PCVD工藝。各種芯棒工藝都需要選擇適當的外包技術來代替套管法,其中絕大多數將選用SOOT外包,因其設備和技術已有商品,除了工藝的選擇之外,生產規模對光纖成本有明顯影響,大規模生產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、生產同樣的產品,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、副產品能否綜合利用、管理制度等具體因素也必需考慮。此外,為了增強企業的競爭力,應當擁有適合于生產多種產品的多種技術。
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