1  立项重大意义

随着国家宽带信息化建设、物联网、激光装备制造业、节能环保建设发展的需求，对各种特种光纤的需求越来越大，而我国前期主要集中在常规光纤的产业建设，对于特种光纤建设较少。因此， 当前我国的特种光纤基本依赖于进口， 其原因在于我国缺乏特种光纤预制棒的产业化支撑。 

本课题旨在解决宽带信息化建设关键光电子器件 EDFA 用掺铒光纤与铒镱共掺光纤、激光装备制造业急需的双包层掺镱光纤、 节能环保与物联网行业需要的传感光纤与大芯径传能光纤等特种光纤预制棒的技术瓶颈，实现特种光纤预制棒关键技术的核心突破。 通过本课题的研究， 掌握自主创新的特种光纤专有技术， 形成特种光纤的核心自主知识产权，形成具备带动性强的特种光纤关键共性技术，提升光电子器件行业、激光装备制造业、节能环保行业与物联网行业的技术进步与整体竞争力。

2  特种光纤预制棒核心技术攻关内容

2.1  特种光纤预制棒装备平台的研究与建设

光纤预制棒装备是制造光纤的核心装备，特种光纤的性能与常规光纤不同。因此，其材料组份及工艺过程与常规光纤都不尽相同，其对光纤预制棒装备的要求也不相同。本专项将从三个方面进行特种光纤预制棒装备平台的研究。

（1）研究稀土离子（包括铒离子、镱离子、铥离子）全气相掺杂装备

常规工艺采用 MCVD 进行液相法进行掺杂，稀土离子的浓度融入程度差，浓度分布不均匀，导致光纤产品的均匀性非常差，不能够满足应用的要求。因此，本专项将开发全气相的稀土离子掺杂装备，以气态的形式进行稀土离子的掺杂，从根本上解决稀土离子掺杂浓度不高，掺杂不均匀等科学难题与技术瓶颈。该攻关技术如能成功，将实现稀土离子掺杂的光纤预制棒装备技术突破。

（2）研究节能环保型的光纤预制棒沉积工艺平台

该工艺平台将主要研制出无水冷沉积加热炉系统，该系统采用国际先进技术，无需传统水冷却方式， 采用先进的保温材料与隔热结构， 避免了常规加热炉系统不仅向周围环境散发大量热量，而且被冷却水带走大量热量，浪费了大量的能源。该节能环保型预制棒沉积工艺平台将节约电能30％以上，去掉了循环水冷却系统，节约了大量的光棒制造成本。

（3）研究节能环保型的光纤预制棒熔缩装备平台

主要研制电感应炉节能环保型的预制棒熔缩设备，避免传统氢氧焰的加热熔缩方式，传统方式不仅浪费大量的气体，污染预制棒工艺环境，而且造成预制棒材料的挥发。该节能环保设备，熔缩材料成本将下降 10％以上，预制棒挥发量减少 20％以上。

2.2 特种光纤预制棒关键制备工艺攻关

特种光纤预制棒关键制备工艺攻关包括：稀土离子的高浓度均匀掺杂工艺技术、高纯大芯径光纤预制棒制造工艺。预制棒工艺技术是特种光纤的核心工艺，它是处于光纤生产线与产业链的上游工序，是否掌握该关键工艺直接决定特种光纤的产业成败。因此，需要开展特种光纤预制棒关键制备工艺的攻关。

本专项将着重进行稀土离子（包括铒离子、镱离子、铥离子等）的高浓度掺杂工艺，将稀土离子的掺杂浓度提升到 10 000 ppm 以上，从而提升掺稀土光纤的光转换效率，促进高端光电子器件的产业技术进步，达到节约能源，降低成本，提升市场竞争力的目的；同时，本专项还将研究稀土离子的均匀化技术，解决稀土离子的团簇问题，消除高功率情况下的光暗化，提升光电子器件的功率水平与可靠性水平，形成 1 000 W 级的稀土光纤工艺技术；最后，研究高纯大芯径光纤预制棒制造工艺，着重研究原材料的纯化工艺技术，高纯石英沉积工艺技术，制造出纯硅芯的大芯径光纤预制棒，为节能环保能量传输光纤及传感光纤的规模化生产奠定基础。

2.3  特种光纤拉丝工艺平台的研究与建设

特种光纤拉丝平台与常规光纤拉丝装备存在较多的区别，如特种光纤的外直径差异较大，细光纤直径为 80 μm，大直径光纤直径达到 1 000 μm。这就要求使用不同的拉丝模具，以适应不同外径的光纤的拉制；而且特种光纤的材料组份与常规光纤显著不同，其软化温度、高温熔体的粘度与石英玻璃差别较大，因此高温炉的温控系统、功率水平等需求不一样，同时，特种光纤预制棒的直径差别也较大，细棒直径为 10 mm，粗棒直径为 80 mm，这些需要为之配套的高温炉加热系统；另外，特种光纤的涂覆材料种类较多，涂料粘度、固化速率、固化折射率等差异较大，因此需要配套的涂覆系统与固化系统。本专项将针对特种光纤的特殊性，自主设计并构建特种光纤拉丝工艺平台，包括：高温炉加热系统、涂料输送系统、涂覆模具系统、固化系统、收丝控制系统等。

2.4  特种光纤测试平台的研究与建设

特种光纤的几何尺寸参数与光学性能参数都与常规光纤差异非常大，因此，常规光纤的测试平台不能够满足特种光纤的测试需求。本测试平台将建立下列测试平台：大芯径光纤的衰减测试装备、大芯径光纤的带宽测试平台、掺铒光纤的吸收谱测试平台、掺铒光纤的放大性能参数测试平台、掺镱光纤的吸收谱测试平台、掺镱光纤的激光性能测试平台、掺铥光纤的吸收谱与激光性能测试平台、大芯径光纤的能量损伤阈值测试平台、光纤耐高温测试装备等。

2.5  特种光纤预制棒的规模化生产工艺与技术

质量与成本是产品在市场上的竞争命脉， 特种光纤要打破国外的技术垄断与市场垄断就必须获得生产工艺技术的突破，同时形成规模化的生产技术，降低单位光纤的生产成本，提升特种光纤在市场上的竞争力。而预制棒是光纤的咽喉与生命线，掌握特种光纤预制棒的规模化生产工艺就可以实现特种光纤的技术主导地位，本专项将展开攻关，将特种光纤预制棒的直径提升到40 mm 以上，扩展特种光纤预制棒的生产规模，特种光纤年产能达到 3万千米以上。并建立特种光纤预制棒生产作业指导书与完整的质量体系，确保特种光纤的有序规模化生产。

3  特种光纤预制棒核心技术攻关目标

（1）建成特种光纤预制棒的专用制造装备

包括稀土离子全气相掺杂装备、新型节能型预制棒沉积加热系统装备、节能环保型预制棒熔缩装备，形成特种光纤预制棒示范性生产线 2条 。

（2）形成5项特种光纤预制棒核心共性技术

包括稀土离子高浓度掺杂共性工艺技术、稀土离子浓度均衡化工艺技术、沉积工艺技术、熔缩工艺技术、剖面设计技术，并获得相关知识产权 5 项以上。

（3）形成特种光纤预制棒系列化产品

包括掺铒光纤预制棒、铒镱共掺光纤预制棒、双包层掺镱光纤预制棒、传感光纤预制棒与大芯径能量传输光纤预制棒。

（4）特种光纤产能

特种光纤的年产能达到 3 万千米以上。

4  技术、经济效益、推广应用及产业化前景

4.1  技术、经济、社会效益分析

（1）技术效益分析

本重大科技专项的实施，将解决我国特种光纤预制棒装备能力，从根本上解决我国特种光纤预制棒的产业化瓶颈问题。同时，本科技专项将提升我国特种光纤预制棒及相关原材料的自主创新能力，实现我国特种光纤预制棒的国产化，使我国光电子器件行业摆脱长期进口特种光纤的技术现状，促进我国高端光电子器件的技术进步与产业升级。本专项技术具有行业辐射面广，技术突破能力强，横向与纵向产业链延伸能力强的特点。

（2）经济效益分析

① 特种光纤及预制棒形成系列化、规模化生产能力。建成 2 条特种光纤预制棒生产线，具备掺稀土光纤预制棒和大芯径光纤预制棒制备能力，年产 3 万千米、国内市场占有率达到 40%以上，新增产值达到 2 亿元以上，为我国光纤通信及高端光电子器件产业的可持续发展解决后顾之忧，将带动相关光电子器件产业链 10 亿元以上；

② 特种光纤预制棒装备平台的建设将显著提升我国光纤装备能力， 解决特种光纤关键装备，设备制造费用是国外价格的 30％左右，为我国节约大量的外汇，并且将有可能形成新的装备制造业；

③ 低能耗特种光纤预制棒装备具备环保节能的新型功能，符合国家绿色节能环保理念，符合国家可持续发展战略。其中节能环保型预制棒沉积工艺平台将节约电能 30％以上；光纤预制棒熔缩装备平台，主要研制电感应炉节能环保型的预制棒熔缩设备，避免传统氢氧焰的加热熔缩方式，该传统方式不仅浪费大量的气体，污染预制棒工艺环境，而且造成预制棒材料的挥发。该节能环保设备，熔缩材料成本将下降 10％以上，预制棒挥发量减少 20％以上。

（3）社会效益分析

本专项以特种光纤预制棒为主要攻关任务，研究并开发国际上新技术、新工艺，实现特种光纤预制棒装备及光纤材料的突破，解决我国高端光电子器件依赖特种光纤进口的局面，巩固我国国防科学技术的进步，提高我国在国际市场上的地位和竞争力。该项目产品有助于我国光电子器中国光电件的发展，将产生较大的社会效益。

4.2  推广应用与产业化前景

特种光纤预制棒关键技术攻关及产业化项目的实施， 将会打破国外对我国特种光纤的技术封锁，解决特种光纤预制棒的装备空白与技术瓶颈。该项目产品主要应用在光纤通信、物联网、光电子器件方面，可提高国内光纤行业的配套能力，并拓展在光电子器件领域的应用。

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