光纤预制棒技术

摘 要：根据最新的文献资料和技术交流信息,综述了光纤预制棒制造技术的状态与发展趋势。

关键词：光纤预制棒；两步法；芯棒；外包层
　
　　 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。

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。

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-step Processes)。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/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。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“soot process”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(Plasma Spray),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。
　　
　　 2.2 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。