[科普中国]-预制棒

用途概述

可以用来拉制光纤的材料预制件。光纤预制棒是制造石英系列光纤的核心原材料。

生产工艺国际上生产预制棒的方法有十多种，其中普遍使用，并能制作出优质光纤的制棒方法主要有以下四种:

---改进的化学汽相沉积法(MCVD:Modified Chemical Vapour DepositiON)

---轴向汽相沉积法(VAD:Vapour phase Axial Deposition)

---棒外化学汽相沉积法(OVD:Outside Chemical Vapour Deposition)

---(微波)等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD:Plasma activated Chemical Vapour Deposition )

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)。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。

工艺发展历史从 20 世纪 70 年代末期开始规模生产光纤以来， 对光纤预制棒制造技术的研究和完善改进就从来没有间断过。美国 AT&T(Lucent)发 明了改进的化学汽相沉积法(MCVD，Modified Chemical Vapor Deposition)工艺后，美国 Corning 公司随后开发出了适合光纤大规 模生产的管外汽相沉积法(OVD，Outside Vapor Deposition)工艺， 其后 OVD 工艺又有不断改进，目前已发出第七代工艺，使生产效率和 生产成本大幅度降低;而日本 NT&T 在 OVD 的基础上进行改进，推出 了汽相轴向沉积法 (VAD， Vapor Axial Deposition) 工艺; 法国 Alcatel 则利用高频等离子技术开发出了先进的等离子体汽相沉积法(APVD， Advance Plasma Vapor Deposition)预制棒生产工艺;荷兰 Philips 则开发了等离子体化学(PCVD,Plasma Chemical Vapor Deposition ) 工艺逼供成功地在生产中加以应用。

早期光纤预制棒制造技术采用一步法，1980年初开始用套管法制备光纤预制棒，从而使光纤预制棒制造工艺实现了从一步法到二步法的转变，即先制造预制棒芯棒，然后在芯棒外采用不同技术制造 外包层，增加单根预制棒的可拉丝公里数，以提高生产效率。一般认为，芯棒的制造决定了光纤的传输性能，而外包层则决定光纤的制造成本。在芯棒的制造技术中，MCVD 和 PCVD 称为管内沉积工艺，OVD 和 VAD 属于外沉积工艺;在外包层工艺中，外沉积技术是指 OVD 和 VAD，外喷技术主要指用等离子喷涂石英砂工艺。现今光纤外包层制造技术包括套管法、阿尔卡特(Alcatel)公司发明的等离子喷涂法(PlasmaSpary)、火焰水解法(SOOT)和美国朗讯科技公司发明的溶胶法-凝胶法(Sol-gel法)，其中SOOT法是泛指OVD和VAD等火焰水解外沉积工艺。

MCVD1法现采用外沉积技术取代套管法制作大预制棒，形成MCVD外沉积工艺相结合的混合工艺，从而改变了传统MCVD工艺沉积速度低、几何尺寸精度差的缺点，降低了生产成本，提高了预制棒的质量。此后，又有一些公司开发了低成本大尺寸的套管工艺，套管制备工艺为Sol-gel和OVD法。

预制棒制备工艺OVD法近二十年来已从单喷灯沉积发展到多喷灯同时沉积，沉积速率成倍增加，并实现一台设备同时沉积多根棒，并且从依次沉积芯包层制成预制棒的一步法发展到二步法，即先制备出大直径的芯棒，再拉制成小直径芯棒或不拉细，然后采用外包层技术制备出光纤预制棒，提高了生产效率，降低了生产成本。并且，MCVD法尤其是PCVD法、OVD和VAD法更易精确控制芯棒的径向折射率分布，因而对于制备多模光纤MMF和非零色散光纤DZDF芯预制棒更有效。

近20年来，光纤预制棒外包层技术已有许多发展，美国CORNING公司首先采用SOOT外包技术代替了套管法应用于工业生产。1990年，阿尔卡特Alcatel等离子喷涂技术及美国朗讯公司开发的Sol-gel外包技术替代了套管技术，因而采用套管法制备光纤预制VAD制造光纤芯棒的生产厂家都采用SOOT外包技术。

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。

VAD工艺的发展●70年代的VAD工艺，芯和包层同时沉积、同时烧结，号称预制连续制造工艺。

●80年代的VAD工艺是先做出大直径芯棒，然后把该大直径芯棒拉细成多根小芯棒，再用套管法制成预制棒，从"一步法"发展到"二步法"。

●90年代改成用SOOT外包代替套管法制成光纤预制棒。

●90年代以来,使用VAD的生产厂家增多了,除了日本古河、滕仓之外,信越、日立、三菱、昭和等公司从日本NTT获得了使用VAD工艺生产光纤的许可,并实施了再开发,实现了商业化VAD工艺,朗讯也从住友公司购得了使用VAD工艺的许可,另外还与住友在美国建立了VAD法的合资光纤厂,从而有机会多年观察VAD光纤生产,此后,朗讯将VAD工艺引进到它的亚特兰大光纤厂。美国SpecTran公司在购买ENSIGN-BICKFORD公司的资产的同时,也获得了VAD工艺。顺便提一下,SpecTran公司已在1999年末被美国朗讯购并。

OVD工艺的发展●从单喷灯沉积到多喷机同时沉积,沉积速率成倍提高。

●从一台设备一次沉积一根棒发展到一台设备同时沉积多根棒。

●从依次沉积芯、包层连续制成预制棒的"一步法"发展到"二步法";即先用陶瓷棒或石墨棒为靶棒,只沉积芯材料(含少量包层)做出大直径芯棒,经去水烧结后,把该大直径芯棒拉细成多根小直径芯棒,再用这些小直径芯棒为靶棒来沉积包层,制成光纤预制棒,大大提高了生产率、降低了成本。

PCVD工艺的发展●与MCVD一样,当前的PCVD工艺也采用了大直径合成石英管代替天然水晶熔制的石英管做为衬底管。

●荷兰POF公司已开发了四代PVCD工艺,衬底管内直径从最初的16mm增大到60mm以年,沉积速率提高到2~3g/min,沉积长度1.2~1.5m。

●目前仍是用套管法制做成大预制棒,但一根套管就重达几公斤。

●原则上与MCVD一样,也可形成PCVD与外沉积工艺相结合的混合工艺,但迄今未见报道。

目前，各种技术路线都有生产厂家在采用，所生产的光纤都能够 符合国际标准，在市场上也有一定的竞争力。随着市场对光纤产品需 求的多样性，就要求生产厂家生产不同性能的、在经济上具有竞争力 的光纤产品满足这种多样化的需求。

现在市场上大量使用的普通 G.652单模光纤， 对于长途干线则采 用 G.655 光纤，局域网则采用数据光纤，但并不是任何一种工艺均能 最佳化生产所有的光纤品种。就生产 G.652 光纤而言，芯帮的外沉积 技术(DVD、VAD)优于内沉积技术(MCVD、PCVD)，外沉积技术主要 优势在于:不用价格很贵的合成石英管，沉积速率、沉积层数不会受 到衬低管直径的限制，特别有利于以高沉积速率制造大型预制棒。此 外，外沉积技术还能生产 G.652 (C)低水峰光纤。就生产 G.655 光 纤而言，芯帮的管内沉积技术(PCVD 工艺活 MCVD 工艺)颇具优势， 与 DVD、 VAD 相比的最大优点是: 可精确控制径向折射率分布 (RIP) 。 而这一优点，特别有利于制造最新一代的通信光纤，例如大有效面积 光纤、局部色散平坦的大有效面积光纤、降低色散斜率的直波光纤等 等，这些光纤通常都是多包层的负责 RIP 结构，数据光纤已经新一代 的多模光纤的生产，采用 PCVD 工艺更具竞争力。

市场现状国际竞争光纤预制棒（简称光棒）被业界誉为光通信产业"皇冠上的明珠"。光缆的关键是光纤，而光纤的母体和瓶颈又是光棒。在光缆行业中，光纤预制棒、光纤、光缆所占整个行业链的利润为7：2：1，生产光纤预制棒的利润远超生产光纤和光缆的利润。

光纤预制棒的生产是国内光纤企业的瓶颈，制棒的主流生产技术分别被康宁、古河、信越和阿尔卡特等国际大厂掌握外并实行技术封锁，导致我国每年需要花大量外汇去进口光棒。为打破光棒制约我国光纤产业发展的被动局面，国家对该行业给予了大力支持，我国的几个主要光纤生产企业都加大了光棒的研发。并且随着我国光纤光缆需求的升级，国外预制棒厂家纷纷瞄准中国市场，加紧向中国市场转移。他们通过采取与国内企业合资或者独资的形式，将预制棒项目落户中国。随着2015年8月19日，商务部公告认定原产于日本和美国的进口光纤预制棒存在倾销，中国国内产业受到了实质损害威胁，且倾销与实质损害威胁之间存在因果关系，并决定对该产品实施反倾销措施。此举彰显了我国对于国产光纤预制棒的保护，确保在"互联网+"时代掌握主动权。

国内企业崛起经过多年的快速直线式发展，中国已经成为全球第一大光纤光缆制造国2。CRU亚太光纤光缆大会首次在中国召开，而基于中国市场日益提升的重要性，明年CRU的全球大会也将在中国召开。中国已经成为全球光纤光缆市场技术和产业交流的重要平台，而国内厂商在预制棒领域也不断突破创新：

目前，国内主要的光纤生产企业有几十家，但有能力生产光纤预制棒的企业并不多，长飞、烽火、富通、亨通、中天等公司，或采取中外合资方式，或采取技术引进方式，在光纤预制棒研制和生产方面做了大量的工作，已经初步掌握了预制棒的制造技术，批量生产能力有所提高，但是在生产效率、生产规模和成本控制等方面与国际领先水平相比还有较大的差距。

国内光纤光缆生产企业中，长飞是最早也是目前国内规模最大的预制棒生产商，该公司通过与荷兰德拉克公司多年的合作，掌握的"PCVD(等离子体化学气沉积)+RIC/ODD(套管)"法制棒技术具有世界领先的技术水平。2015年6月飞与与日本信越化学签署合资协议，在湖北潜江成立一家光纤预制棒公司。合资双方股比为51:49（信越化学51%，长飞公司49%）。该项目将采用OVD工艺制造光纤预制棒，注册资本80亿日元（约4亿人民币），总投资为125亿日元（约6.25亿人民币），计划于2016年下半年投产。目前，长飞已经成为全球极少数的同时掌握三种预制棒制造技术的光纤光缆企业。

富通在巩固和完善自主光纤预制棒全合成技术的基础上，积极推进光纤预制棒技术升级和产业化进程。2008年10月，富通与日本住友正式签约，富通住电光纤（天津）有限公司是富通集团和住友电工双方构建全球竞争力战略的重要组成部分。公司引进了世界最先进的光纤预制棒制造设备，是当下全球先进制造技术的代表。2013年4月，富通住电光纤(天津)有限公司项目开始施工建设。2013年11月，项目主体厂房顺利结顶。2014年8月，项目竣工并正式点火试生产。

烽火拥有多模预制棒的生产能力，通过与藤仓公司合作生产单模预制棒。2011年11月，由烽火通信与日本藤仓公司合资成立的藤仓烽火3光电材料科技有限公司开业投产。烽火通信的光棒制造采用"OVD+VAD"工艺，实现了光纤预制棒从芯棒、包层到涂层的所有流程全套自制生产，技术达到国际先进水平。藤仓烽火光棒项目将分期建设，在起步阶段已实现了年产500万芯公里的目标，即将进入1000万芯公里的扩产阶段。后期，烽火通信还将进一步扩大产能，具备向全球市场供应的能力，成为国际重要的光棒制造基地。

2014年12月，江苏亨通光电股份有限公司4研发中心研发的大尺寸光棒正式进入大批量生产。单棒长6米，直径200毫米，可拉丝1.5万公里，相当于在苏州与北京之间7个来回，作为国内唯一具备自主研发光棒制造工艺和设备的企业，此举进一步奠定了其在全球光通信行业的地位。

2012年初中天科技精密材料生产的光纤预制棒已经向光纤制造商供货，经检测，产品成品率、均匀度等各项指标均到达国际先进水平。目前中天科技还在大规模公共网络用普通光纤的基础上开发了针对一些特殊场景的个性化产品，例如抗弯曲光纤、耐高温光纤、小径光纤等，以满足用户的多样化需求。

综上所述，虽然我国光纤预制棒生产过程中或多或少都有国外企业的"影子"，但是光棒自主化程度愈来愈高已成不争事实。除此之外，我国在新型光纤技术领域已基本保持与国际同步。"宽带中国"、"互联网+"以及"全光网络"的实施，为我国光纤光缆市场提供了难得机遇。光棒反倾销的裁定，也为国内光棒企业提供了"超越带"。国内企业当把握此良机勇摘光通信产业"皇冠上的明珠"。5

国内制棒水平目前国内主流光纤厂商已经具备了制棒能力，但是相对国外领先制棒水平而言，国内厂商还存在很多问题。对此，有专家罗列出了目前国内光纤预制棒产业主要存在的3个问题：

第一，工艺、设备技术落后，导致产品质量、合格率及生产能力均不能达到市场化水平;

第二，技术的落后导致了国内厂家原材料成本较国外厂家高;

第三，国内厂家技术不完整，很多技术还依赖国外厂商。