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光纖預制棒的工藝發展歷史

從 20 世紀 70 年代末期開始規模生產光纖以來, 對光纖預制棒制造技術的研究和完善改進就從來沒有間斷過。美國 AT&T(Lucent)發 明了改進的化學汽相沈積法(MCVD,Modified Chemical Vapor Deposition)工藝後,美國 Corning 公司隨後開發出了適合光纖大規 模生產的管外汽相沈積法(OVD,Outside Vapor Deposition)工藝, 其後 OVD 工藝又有不斷改進,目前已發出第七代工藝,使生產效率和 生產成本大幅度降低;而日本 NT&T 在 OVD 的基礎上進行改進,推出 了汽相軸向沈積法 (VAD, Vapor Axial Deposition) 工藝; 法國 Alcatel 則利用高頻等離子技術開發出了先進的等離子體汽相沈積法(APVD, Advance Plasma Vapor Deposition)預制棒生產工藝;荷蘭 Philips 則開發了等離子體化學(PCVD,Plasma Chemical Vapor Deposition ) 工藝逼供成功地在生產中加以應用。

早期光纖預制棒制造技術采用壹步法,1980年初開始用套管法制備光纖預制棒,從而使光纖預制棒制造工藝實現了從壹步法到二步法的轉變,即先制造預制棒芯棒,然後在芯棒外采用不同技術制造 外包層,增加單根預制棒的可拉絲公裏數,以提高生產效率。壹般認為,芯棒的制造決定了光纖的傳輸性能,而外包層則決定光纖的制造成本。在芯棒的制造技術中,MCVD 和 PCVD 稱為管內沈積工藝,OVD 和 VAD 屬於外沈積工藝;在外包層工藝中,外沈積技術是指 OVD 和 VAD,外噴技術主要指用等離子噴塗石英砂工藝。現今光纖外包層制造技術包括套管法、阿爾卡特(Alcatel)公司發明的等離子噴塗法(PlasmaSpary)、火焰水解法(SOOT)和美國朗訊科技公司發明的溶膠法-凝膠法(Sol-gel法),其中SOOT法是泛指OVD和VAD等火焰水解外沈積工藝。

MCVD法現采用外沈積技術取代套管法制作大預制棒,形成MCVD外沈積工藝相結合的混合工藝,從而改變了傳統MCVD工藝沈積速度低、幾何尺寸精度差的缺點,降低了生產成本,提高了預制棒的質量。此後,又有壹些公司開發了低成本大尺寸的套管工藝,套管制備工藝為Sol-gel和OVD法。

預制棒制備工藝OVD法近二十年來已從單噴燈沈積發展到多噴燈同時沈積,沈積速率成倍增加,並實現壹臺設備同時沈積多根棒,並且從依次沈積芯包層制成預制棒的壹步法發展到二步法,即先制備出大直徑的芯棒,再拉制成小直徑芯棒或不拉細,然後采用外包層技術制備出光纖預制棒,提高了生產效率,降低了生產成本。並且,MCVD法尤其是PCVD法、OVD和VAD法更易精確控制芯棒的徑向折射率分布,因而對於制備多模光纖MMF和非零色散光纖DZDF芯預制棒更有效。

近20年來,光纖預制棒外包層技術已有許多發展,美國CORNING公司首先采用SOOT外包技術代替了套管法應用於工業生產。1990年,阿爾卡特Alcatel等離子噴塗技術及美國朗訊公司開發的Sol-gel外包技術替代了套管技術,因而采用套管法制備光纖預制VAD制造光纖芯棒的生產廠家都采用SOOT外包技術。 ●最初的MCVD是在壹臺車床上依次進行包層沈積、芯沈積、熔縮成預制棒,這是典型的“壹步法”。目前,阿爾卡特已經將沈積與熔縮分開,在沈積之後,用另壹臺專用車床熔縮成棒,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,沈積長度1.2~1.5m。

●最重要的是,用各種外沈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與外沈積工藝相結合的混合工藝。這此新技術彌補了傳統MCVD工藝沈積速率低、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。 ●70年代的VAD工藝,芯和包層同時沈積、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“壹步法”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,並實施了再開發,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,此後,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。順便提壹下,SpecTran公司已在1999年末被美國朗訊購並。 ●從單噴燈沈積到多噴機同時沈積,沈積速率成倍提高。

●從壹臺設備壹次沈積壹根棒發展到壹臺設備同時沈積多根棒。

●從依次沈積芯、包層連續制成預制棒的“壹步法”發展到“二步法”;即先用陶瓷棒或石墨棒為靶棒,只沈積芯材料(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沈積包層,制成光纖預制棒,大大提高了生產率、降低了成本。 ●與MCVD壹樣,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,沈積速率提高到2~3g/min,沈積長度1.2~1.5m。

●目前仍是用套管法制做成大預制棒,但壹根套管就重達幾公斤。

●原則上與MCVD壹樣,也可形成PCVD與外沈積工藝相結合的混合工藝,但迄今未見報道。

目前,各種技術路線都有生產廠家在采用,所生產的光纖都能夠 符合國際標準,在市場上也有壹定的競爭力。隨著市場對光纖產品需 求的多樣性,就要求生產廠家生產不同性能的、在經濟上具有競爭力 的光纖產品滿足這種多樣化的需求。

現在市場上大量使用的普通 G.652 單模光纖, 對於長途幹線則采 用 G.655 光纖,局域網則采用數據光纖,但並不是任何壹種工藝均能 最佳化生產所有的光纖品種。就生產 G.652 光纖而言,芯幫的外沈積 技術(DVD、VAD)優於內沈積技術(MCVD、PCVD),外沈積技術主要 優勢在於:不用價格很貴的合成石英管,沈積速率、沈積層數不會受 到襯低管直徑的限制,特別有利於以高沈積速率制造大型預制棒。此 外,外沈積技術還能生產 G.652 (C)低水峰光纖。就生產 G.655 光 纖而言,芯幫的管內沈積技術(PCVD 工藝活 MCVD 工藝)頗具優勢, 與 DVD、 VAD 相比的最大優點是: 可精確控制徑向折射率分布 (RIP) 。 而這壹優點,特別有利於制造最新壹代的通信光纖,例如大有效面積 光纖、局部色散平坦的大有效面積光纖、降低色散斜率的直波光纖等 等,這些光纖通常都是多包層的負責 RIP 結構,數據光纖已經新壹代 的多模光纖的生產,采用 PCVD 工藝更具競爭力。

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