我国光纤预制棒技术进展

责任编辑:匿名 (未验证) 2009/05/29 作者:熊向峰 王彦亮 李诗愈 唐仁杰 陈伟
一、引言
        自从1970年康宁制造出20dB/km的光纤以来,世界光纤光缆已经经历了39年的发展历程,中国光纤光缆的发展从上世纪七十年代中期以来很快就要走过30多个春秋,其发展历程可谓既艰难与曲折,又充满挑战困难的乐趣和收获成功的喜悦!
        1974年,邮电部批准成立武汉邮电科学研究院光通信研究室,标志着中国进入光纤通信的基础研究,我国开始了光纤预制棒制造技术与设备研究。我们从一无所有起步,迅速取得初期成果:1976年,武汉邮电科学研究院建立了材料提纯、MCVD熔炼车床、拉丝机、测试等初级设备与仪表;1976年,武汉邮电科学研究院研制出可供系统联试用的石英光纤,并成功进行一路黑白电视的传送试验。随后,我国在武汉、上海、天津、北京四个城市建成的光纤通信实验工程和“七五”期间的一系列国家光纤通信示范工程,当时采用的光纤及预制棒大都是我国自己制造的。
        我国加强了光纤的自主创新研究与产业化发展,光纤预制棒制造技术与设备研究及产业化等方面均实现了跨越式发展:
        ·1990年,国内自主知识产权的光纤预制棒核心制造设备――等离子体化学气相沉积(PCVD)国产化设备在武汉邮电科学研究院研制成功,并投入光纤预制棒的生产,实现了民族光纤预制棒技术质的突破;
        ·1992年,武汉邮电科学研究院负责筹建的长飞光纤光缆有限公司投入光纤的生产,当时其光纤光缆的产销量分别为5万公里和5000皮长公里的设计能力;
        ·1998年,日本VAD技术获得引进,并成立了“杭州富通通信技术股份有限公司”,开发形成VAD光纤预制棒制造技术;
        ·1999年,江苏法尔胜光子有限公司成立,开发形成MCVD+OVD二步法的规模生产光纤预制棒技术;
        ·2002年,烽火通信科技股份有限公司开发形成了PCVD+OVD的混合工艺制造光纤预制棒的技术。
        可以看出2000年以后,国内具备光纤预制棒制造能力的厂家发展到4家。各个光纤企业扩大生产厂房,或通过合资、战略兼并重组扩大生产规模,形成产业化升级与大规模生产化生产。该阶段以长飞光纤光缆有限公司为代表进行规模化技术引进与产业扩张,其分别引进Draka和Alcatel光纤制造技术,形成光纤预制棒450吨、单模光纤1500万公里、光缆30万皮长公里的生产规模;2002年,烽火通信科技股份有限公司的现代化光纤厂房投产,2005年与日本藤仓合资,2006年收购南京华新藤仓,达到700万公里单模光纤生产规模,多模光纤达到50万公里的生产规模,光缆达到600万公里的生产规模。富通、亨通集团、江苏法尔胜等都进行了不同程度的技术升级与产业扩张,已经形成了具备大规模化生产的民族化的产业。
        经过30余年的发展,国内形成了并且具备了如下核心技术:
        (1)光纤芯棒的制造工艺技术:烽火通信具备了单模芯棒、多模芯棒、特种光纤芯棒、国际前沿的光子晶体光纤制造技术;富通创新地开发了全合成外沉积技术;法尔胜开发了全火焰水解法制棒技术;
        (2)高速率与大尺寸光纤外包层技术:从传统的套管法(RIT)发展到RIC和APVD工艺,长飞的预制棒直径达到150-180mm,单棒拉丝长度达到2000-3500km,富通和法尔胜的单棒拉丝长度也达到3000km以上;
        (3)光纤预制棒设备技术:由武汉邮电科学研究院具备自行设计开发制造的MCVD、PCVD设备,发展到富通研制VAD设备,法尔胜还开发出了“单床双棒”OVD沉积设备,每棒拉丝长度达到1000km 。
        总之,我国缺乏预制棒核心技术的“瓶颈”问题初步得到解决,并且,国内企业已经掌握了低水峰光纤及其预制棒生产技术,打破了国外大公司的技术垄断、遏制了国外产品对中国市场的倾销,为我国光纤产业在新世纪的健康发展创造了条件。
 
二、烽火通信科技股份有限公司的光纤预制棒技术
        据2008年3月在武汉召开的“十一五”国家科技支撑计划“光纤及原材料制备技术”重点项目课题进展交流研讨会会议纪要,烽火通信公司承担的“十一五”国家科技支撑计划“宽带多模光纤技术及产业化”课题已经取得预期进展。通过大力改进自制的PCVD设备和自主研发的预制棒工艺,自主创新了无磨损密封接头,采用5KW功率的微波腔体,用直径35mm衬底管,制造多模光纤预制棒。对于62.5/125光纤,每棒可拉丝100km以上;对于50/125光纤,每棒可拉丝长度200km,达到国际先进水平,并已投入规模化生产。
        烽火通信在特种光纤预制棒研制方面发挥着强大的创新能力,开发出多种新型高性能的特种光纤及其器件:
        (1)高速大容量光通信系统需求的宽带色散补偿光纤及其器件(DCM)成功商用,实现C波段的色散和色散斜率的双功能补偿,并且大规模应用在波分复用(WDM)及OTN光通信系统中,解决了该器件依赖于进口的局面;
        (2)高性能掺稀土光纤成功获得“国家重点新产品”称号,打破了国外对我国高功率双包层掺稀土光纤的技术封锁与产品禁运。目前,烽火通信科技股份有限公司的单根掺镱光纤成功实现1640W的1080nm的激光功率输出,这是国内特种光纤的首次技术突破,达到了当前国际先进水平,促进了我国国防科学技术的进步。烽火通信科技股份有限公司制造的掺铒光纤、铒镱双包层光纤、掺铥光纤都成功实现了商用化,促进了国内掺铒光纤放大器、光纤激光器等新型光纤器件的发展,为我国新型光电子器件的发展奠定基础;
        (3)大功率高损伤阈值能量传输光纤及其器件的规模应用:烽火通信科技股份有限公司采用自主知识产权的PCVD工艺技术,成功开发出大功率高损伤阈值能量传输光纤,损伤阈值达到3.5GW/cm2,单根光纤承受激光功率突破1kW。烽火通信科技股份有限公司的能量光纤及光纤铠装跳线产品不仅应用在激光器的能量传输,而且应用在太阳能光伏产业,以及国防激光技术等领域;
        (4)国际前沿的光子晶体光纤日益商用化:烽火通信科技股份有限公司在十一五国家重点基础研究发展计划973项目“微结构光纤结构设计及制备工艺的创新与基础研究”(2003CB314905)和高新技术产业化项目“863”计划“光子晶体光纤及器件的研制与开发”(2007AA03Z447)的支撑下,从微结构光纤设计、制备技术和应用技术等多方面进行了系统深入的研究,取得了重大的科研成果。烽火通信已经初步形成了微结构光纤(光子晶体光纤)的工艺技术与设备控制技术,以及自主知识产权的专利技术。研制的系列光子晶体光纤样品如下图1-图12所示:





       烽火通信将上述光子晶体光纤提供给国内的清华大学、北京邮电大学、天津大学、南开大学、燕山大学、深圳大学、国防科技大学进行基础应用研究,他们取得了新型高性能的光电子器件的国际前沿的研究成果。
        烽火通信科技股份有限公司通过并购南京华新藤仓公司,使烽火光纤的产能大大提高,2008年生产规模已突破700万芯公里;2009年将再次进行光纤扩产,产业实力将跃上1000万芯的台阶。烽火通信科技股份有限公司目前拥有光纤类发明专利30余项,具备了雄厚的光纤创新研发能力与人才实力。目前正在积极酝酿大规模、低成本的国际先进水平的光纤预制棒产业化项目。至“十一五”末,烽火通信科技股份有限公司的光纤光缆产业将成功跻入全球第一梯队的位置。
 
三、我国光纤预制棒产业发展的最新状况
        当前,实际有预制棒制造技术和预制棒生产能力的中国厂家只有4家(长飞、烽火、富通、法尔胜),这里不计入外国独资公司。据行业协会资料,这4家生产企业都具有预制棒制造技术的自主知识产权,目前总计有2000多万公里/年的光纤预制棒生产能力,完善后预计能达到4000万公里的生产能力。表1列出我国的预制棒制造厂家当前采用的技术及产能状况。
表1  当前我国的预制棒制造厂家情况
预制棒厂家 预制棒制造技术 目前年产能 备注
烽火通信 PCVD+RIT
PCVD+OVD
20吨多模,相当于单模光纤180万公里 自主开发PCVD,有管内法+OVD专利
武汉长飞 PCVD+RIT
PCVD+RIC/ODD
PCVD+等离子喷涂
500吨,相当于单模光纤1500万公里 与荷兰德拉克合资,有PCVD+RIC直接拉丝专利
杭州富通 VAD+OVD
MCVD+OVD
80吨,相当于单模光纤240万公里 与日本住友合资,自主开发VAD+OVD,有相关专利
江阴法尔胜 MCVD+OVD
OVD+OVD
60吨,相当于单模光纤180万公里 与澳大利亚合资,有MCVD+OVD专利,自主开发OVD+OVD
        然而,不容回避的事实是,我国现有的预制棒产能并未充分发挥,即使是有生产能力的厂家也在大量地进口光纤预制棒,我国使用的大部分预制棒仍然依靠进口,多年来进口预制棒的比例居高不下,进口比例依然维持在70%-80%。
        另外值得注意的是,我国拥有预制棒技术的光纤厂家又添新军,亨通的预制棒项目已在2008年12月进入试生产阶段,计划2010年一期投产30吨,相当于100万公里单模光纤/年。2008年10月,富通与日本住友正式签约,在光通信产业领域开展合作,合作的重点是在杭州富阳投资1.45亿美元生产光纤预制棒,计划2010年9月投产。
        据新浪财经网报道,烽火通信科技股份有限公司董事会在2009年3月17日发布公告,烽火通信拟与日本藤仓共同在武汉设立生产光纤预制棒的公司。合资公司将全套引进滕仓的当前最新一代的VAD设备技术和工艺技术,目标是打造国内一流的光纤预制棒生产基地,力争1—2年左右实现1000万芯公里的光棒生产能力,占国内总需求的20%以上。预计在今后几年内,我国的光纤预制棒产业将有更为重大的进展。
 
四、我国预制棒技术薄弱环节与今后的发展战略
        1、我国预制棒技术的薄弱环节
        国内光纤预制棒的自给率低,反映了我国的预制棒技术水平和产业化水平与国际先进水平有一定差距。这些差距也就是我们的薄弱环节,主要表现在以下几方面:
        (1)国内多数公司采用的大都是新开发的技术,在规模化生产方面还不够完善,光纤预制棒的合格率不高;
        (2)我国大部分预制棒厂家的生产规模偏小,缺乏规模效益,不利于降低成本,国际竞争力不够强大;
        (3)国内制造预制棒的主要原材料依赖进口,包括石英玻璃衬底管/套管、氦气、四氯化硅、四氯化锗等,原材料涨价对降低预制棒的生产成本、参与国际市场竞争带来困难;
        (4)我国预制棒生产所用的主要设备,基本上都是引进的。由于高价引进设备,折旧费摊入成本,成沉重负担,导致国内预制棒成本偏高,缺乏竞争力。这是中国预制棒产业的最薄弱环节,也是对持续发展影响最大的问题。
        2、我国光纤预制棒产业发展战略的建议
        针对我国光纤预制棒产业缺乏核心竞争力的局面,提出如下10条发展战略建议:
        (1)建议国家集中资金、重点扶持国内有设备研发实力和工艺研发实力的光纤预制棒厂家的技术提升和自主创新能力,对预制棒关键与核心技术进行攻关;
        (2)鼓励产业整合,加强我国中部(武汉)和江浙两大光纤预制棒产业基地建设,在基础研究、新品开发、知识产权、标准制定、国产材料应用、人才培养引进等方面予以积极地支持,在技术做强的基础上进一步扩大产业规模,集中国内资源,树立国产光纤预制棒品牌,与外国公司竞争,迅速改变国内光纤预制棒依赖进口的局面;
        (3)建议国家对合成石英管的关键技术开发进行支持,以实现石英管的国产化,降低成本以提高国产预制棒的国际竞争力;
        (4)要着眼长远的可持续发展,遵循发展循环经济的理念,将化工、多晶硅/锗生产和光纤预制棒产业协同发展、优化产业链;
        (5)发展配套的专用设备制造业:仅仅靠引进设备不可能形成具有真正竞争力的光纤制造业,也不可能形成一流的光纤产业。建议国家有关部门对于组织和建立与研发和生产紧密相连的设备制造业给予特别的大力支持,以形成我国发展预制棒光纤产业的基础,从而保证预制棒光纤产业的可持续发展。
        (6)培养高层次科学研究和工程技术人才,加强行业科技合作与交流,推动技术扩散和技术储备,创建光纤行业最高水平的科研基地,更好地服务于民族光纤产业与光纤通信产业链;
        (7)开展光纤行业国家前沿技术的基础工艺技术创新与设备技术创新研究,突破国外对我国高端工艺技术的封锁,形成自主知识产权的民族光纤核心工艺设备技术与产品技术,实现企业的可持续发展,避免简单合资形式引进无技术创新能力的大规模生产;
        (8)瞄准国际高技术前沿、针对光纤产业和行业发展中的重大需求,开展应用基础研究、关键技术和共性技术研究,增强技术辐射能力、提高光纤行业技术水平和企业自主创新能力;
        (9)逐步形成结构优化的企业国家重点实验室体系,显著提升企业自主创新能力和光纤产业国际竞争力,构建可持续的企业技术创新体系,促进本企业成为技术创新主体,为国家的中长期发展战略规划奠定基础;
        (10)构建光纤行业关键与核心设计平台、工艺平台、制造平台与测试平台等基础设施,夯实光纤行业技术积累,凝聚科技攻关能力,形成能够独立承担国家重大科研任务的能力。
        目前,随着我国发展3G、振兴中西部、振兴农村、扩大内需等政策的相继出台,我国对光纤光缆的需求保持旺盛增长势头,今后随着信息基础设施的完善与扩大,预计对光纤光缆的需求将继续增长。在这样的大好环境下,我国光纤预制棒产业具有广阔的发展空间与施展舞台,前景可期。

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