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製棒製造技術的當前狀態與(yu) 發展趨勢,重點是“兩(liang) 步法”工藝,包括各種芯棒製造技術(OVD、VAD、MCVD、PCVD)和外包層製造技術(套管法、等離子噴塗法、火焰水解法、熔膠--凝膠法),希望對國內(nei) 光纖產(chan) 業(ye) 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, 今後10年,全球光纖光纜需求將持續增長,為(wei) 適應全球光纖光纜需求的增長,國際上各大光纖生產(chan) 廠商正進行新一輪的擴產(chan) ,同時,國內(nei) 光纖產(chan) 業(ye) 的發展勢頭也很強勁,有的光纖生產(chan) 企業(ye) 正在擴產(chan) ,還將新建幾個(ge) 大型光纖廠。這裏,技術路線的選擇是很重要的。
一、製造預製棒的“兩(liang) 步法” 光纖工業(ye) 在70年代興(xing) 起。
20多年來,光纖製造商工藝一直在不斷發展。由於(yu) 光纖預製棒製造技術是光纖製造工藝的核心,光纖行業(ye) 曆來用光纖預製棒製造技術來命名光纖製造工藝。按照傳(chuan) 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(jin) 用上述工藝名稱簡單地表示當前的生產(chan) 工藝已經是很不全麵了。當前商業(ye) 生產(chan) 光纖預製棒的汽相沉積工藝都已經發展為(wei) “兩(liang) 步法”(Two-step Processes)。其中,OVD、MCVD等工藝名稱僅(jin) 僅(jin) 表示生產(chan) 預製棒的第1步,即生產(chan) 芯棒(Core-rod/Primary Preform/Initial Preform)所用的工藝,
在生產(chan) 芯棒時,不僅(jin) 要製造芯也必需製造部分包層,這是為(wei) 了確保光纖的光學質量,隨後,可以把芯棒拉細成很多小芯棒,也可以不拉細,這取決(jue) 於(yu) 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),製成預製棒,拉絲(si) 之前,可以把預製棒拉細也可以不拉細,這取決(jue) 於(yu) 預製棒和拉絲(si) 爐的大小。
所以,所謂“兩(liang) 步法”並不局限於(yu) 兩(liang) 步,光纖預製棒的光學特性主要取決(jue) 於(yu) 芯棒製造技術;光纖預製棒的成本主要取決(jue) 於(yu) 外包技術,因此,芯棒製造技術加上外包技術才能全麵說明當前光纖預棒製造工藝的特征。
這裏要說明的是:
●“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(men) 稱之為(wei) :SOOT外包技術,而不用OVD術語,以示與(yu) OVD芯棒技術的區別,該技術在美國和日本各公司已廣為(wei) 應用。
●等離子噴塗(Plasma Spray),是指用高頻等離子焰將石英粉末熔製於(yu) 芯棒上製成大預製棒的技術,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(liang) 條途徑。其一,先用溶膠--凝膠法製成合成石英管作為(wei) 套管,再用套管法製成大預製棒;其二,先用溶膠--凝膠法製成合成石英粉末,再用高頻等離子焰將合成石英粉末熔製於(yu) 芯棒上製成大預製棒的技術,所以從(cong) 本質上看它應屬於(yu) SOOT或等離子噴塗法。
二、芯棒製造工藝的發展趨勢
2.1各種化學汽相沉積工藝從(cong) 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(chan) 的,進入80年代以後,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。
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、熔縮成預製棒,這是典型的“一步法”。目前,阿爾卡特已經將沉積與(yu) 熔縮分開,在沉積之後,用另一台專(zhuan) 用車床熔縮成棒,並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製成的小直徑石英管做為(wei) 襯底管,目前在生產(chan) 上用的合成石英襯底管外直徑約為(wei) 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製作大預棒,例如用火焰水解外包和等離子外包技術在芯棒上製作外包層,形成了MCVD與(yu) 外沉積工藝相結合的混合工藝。這此新技術彌補了傳(chuan) 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(zheng) 力。
●開發低成本、高質量、大尺寸的套管的製造方法(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,號稱預製連續製造工藝。
●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,再用套管法製成預製棒,從(cong) “一步法”發展到“二步法”。
●90年代改成用SOOT外包代替套管法製成光纖預製棒。
●90年代以來,使用VAD的生產(chan) 廠家增多了,除了日本古河、滕倉(cang) 之外,信越、日立、三菱、昭和等公司從(cong) 日本NTT獲得了使用VAD工藝生產(chan) 光纖的許可,並實施了再開發,實現了商業(ye) 化VAD工藝,朗訊也從(cong) 住友公司購得了使用VAD工藝的許可,另外還與(yu) 住友在美國建立了VAD法的合資光纖廠,從(cong) 而有機會(hui) 多年觀察VAD光纖生產(chan) ,此後,朗訊將VAD工藝引進到它的亞(ya) 特蘭(lan) 大光纖廠。美國SpecTran公司在購買(mai) ENSIGN-BICKFORD公司的資產(chan) 的同時,也獲得了VAD工藝。順便提一下,SpecTran公司已在1999年末被美國朗訊購並。
2.4 OVD工藝的發展
●從(cong) 單噴燈沉積到多噴機同時沉積,沉積速率成倍提高。
●從(cong) 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(cong) 依次沉積芯、包層連續製成預製棒的“一步法”發展到“二步法”;即先用陶瓷棒或石墨棒為(wei) 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(wei) 靶棒來沉積包層,製成光纖預製棒,大大提高了生產(chan) 率、降低了成本。
2.5 PCVD工藝的發展
●與(yu) 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製的石英管做為(wei) 襯底管。
●荷蘭(lan) POF公司已開發了四代PVCD工藝,襯底管內(nei) 直徑從(cong) 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。
●目前仍是用套管法製做成大預製棒,但一根套管就重達幾公斤。
●原則上與(yu) MCVD一樣,也可形成PCVD與(yu) 外沉積工藝相結合的混合工藝,但迄今未見報道。#p#分頁標題#e#
2.6 各種芯棒工藝的比較
各種芯棒工藝生產(chan) 同一種光纖產(chan) 品的生產(chan) 率有很大差別;生產(chan) 特定品種的光纖將要求采用最適合的芯棒工藝,鑒於(yu) 在最近的將來,國際上使用最多的光纖仍是SMF。該分析比較了生產(chan) 100萬(wan) km光纖所需的設備數量;其中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(jia) 是不同的,以MCVD設備的單價(jia) 最低。所以,設備總投資的差異不會(hui) 如設備數量的差別那麽(me) 大。
2.7 小結
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,今後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(wei) MMF和NZDSF的傳(chuan) 輸特性對徑向折射率分布(RIP)的缺陷很敏感。在芯棒製造過程中要精確控製RIP,在這方麵,MCVD、尤其是PVCD與(yu) OVD、VAD相比具有明顯優(you) 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(cang) 、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。
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