Как делают оптоволокно: фоторепортаж из Саранска
Поводом для экскурсии по заводу стал выпуск четырёхмиллионного километра оптического волокна. Ускорение производства произошло благодаря обновлению оборудования, средства на которое были получены в том числе от Фонда развития промышленности (ФРП), организовавшего это мероприятие.
Попытки организовать массовое производство оптоволокна на территории страны предпринимались неоднократно: на рубеже веков дошло даже до закупок оборудования, но дальше дело не двинулось. Саранский завод тоже не сразу строился. Компания «Оптиковолоконные системы» была основана в 2008 году, ещё несколько лет ушло на переговоры относительно инвестиций с Газпромбанком, Роснано и Республикой Мордовия. В 2011 году был подписан договор с финской Nextrom (когда-то бывшей частью Nokia) о поставках оборудования, но только через два года началось строительство завода, который заработал в 2015 году. А первая продукция попала на рынок только в 2016 году. Впоследствии ФРП выдало предприятию заём на модернизацию производства — обновлённые линии как раз и были продемонстрированы в ходе экскурсии.
Сейчас на заводе работают около 130 человек. Практически все они местные, за исключением некоторых руководителей. В основном на работу берут выпускников локальных университетов, обучавшихся по техническим специальностям в области физики и химии, — и потом их ещё два месяца доучивают. У многих из них научными руководителями были сотрудники НЦВО РАН и ИХВВ РАН. Впрочем, так было не всегда. Первый состав местных специалистов нужной квалификации пришлось искать с трудом, так как мало кто из них работал по специальности: кто-то занимался починкой компьютеров, кто-то продавал мобильные телефоны в одном из известных салонов связи.
Как бы то ни было, производство работает. Сейчас оно состоит из двух частей: собственно вытяжки волокна и небольшого цеха по изготовлению преформ.
На преформу или, говоря по-русски, заготовку, приходится более половины себестоимости продукции. Именно от неё во многом зависят качество и характеристики будущего оптоволокна. Сейчас заготовки закупаются у японской компании Sumitomo Electric — на данном этапе это экономически выгодно. Переход на полный цикл производства с собственным изготовлением преформ имеет смысл только при отгрузке более 10 млн км волокна ежегодно, тогда как сейчас спрос в России и Белоруссии (они рассматриваются как единый рынок) составляет только 9 млн км в год. Впрочем, про экономику мы ещё поговорим. Сейчас собственное опытное производство заготовок на заводе тоже имеется. Оно нужно для отработки технологического процесса и для изготовления преформ под особые нужды некоторых заказчиков.
Сама преформа — это большой массивный цилиндр из кварцевого стекла. Конусообразный на одном конце и с тонкой «ручкой» на другом. Заготовка состоит из чистого — примесей не более одной частицы на миллиард — кварца с небольшим легированием германием в сердцевине. Это не единственный материал для создания оптоволокна, но самый распространённый. Конкретных способов изготовления тоже несколько. Это, например, спекание кварцевой крупки внутри полой стеклянной тубы или же парофазное осаждение. В последнем случае газовая смесь из тетрахлоридов кремния и германия вкупе с кислородом нагревается, реагирует и осаждается в виде оксидов на небольшую заготовку или на стенки полой трубы. На последнем этапе преформа спекается.
Тетрахлориды нужной чистоты производятся в Дзержинске и Нижнем Новгороде, но пока в малых объёмах. Для маленьких преформ под спецзаказы на волокна с особыми характеристиками хватает. Другие газы, используемые в производстве — аргон, гелий, азот, углекислый, дейтерий, — закупаются в России. Защитное покрытие заказывается в Голландии, но пробуют и продукцию отечественных заводов. Вся прочая мелочёвка переведена на местное производство. Также на заводе есть опытный участок изготовления тестовых преформ для многомодового оптоволокна методом FCVD.
Под все эти задачи есть отдельная небольшая линия производства, седьмая по счёту. Остальные шесть линий работают с обычными покупными заготовками. На заводе после модернизации используются типовые преформы диаметром 150 мм (возможна модернизация до Ø230 мм) и длиной чуть больше полутора метров, которые позволяют получить около 2000 км волокна. Ранее использовался стандарт 115 мм на 1000 км волокна.
Если описывать процесс производства совсем уж упрощённо, то он сводится к плавлению заготовки и вытягиванию из неё ниточки. Кажется, что всё довольно просто, но на практике есть масса нюансов.
Каждая производственная линия вытянута по вертикали и занимает восемь этажей. На последнем этаже находятся печи. В них и помещается преформа, которая подвешивается за «ручку» и аккуратно центруется, а в процессе её положение дополнительно корректируется. По мере расхода материала заготовка постепенно опускается всё глубже и глубже в печь, хотя заметить это невооружённым глазом затруднительно, так как скорость погружения на полной мощности составляет около одного миллиметра в минуту.
Внутри печи находятся графитовые элементы, повторяющие форму заготовки. Они нагреваются от высокочастотного индуктора и передают тепло преформе в нужных местах, а она, в свою очередь, постепенно плавится. Температура держится около 2000 °C, и лишь во время смены преформы «на горячую» — то есть без полного цикла охлаждения и последующего разогрева длительностью несколько часов — опускается примерно до 1200 °C. Под внешней обшивкой печи проходят трубы охлаждения, по которым постоянно циркулирует вода. Однако находиться около работающей установки даже на расстоянии пары метров уже не очень комфортно — от неё буквально пышет жаром.
Верхняя часть печи закрыта кварцевыми створками, а снизу из неё выходит стеклянная труба, которая заканчивается в дли-и-инном шкафу высотой в несколько этажей. Сделано это не просто так — до определённого момента весь рабочий материал находится в изолированной среде. Внутри печи циркулирует аргон, который защищает нагретый графит от контакта с кислородом воздуха. В самой башне воздух соответствует классу чистоты ИСО 7, а внутри вышеупомянутого шкафа классу ИСО 6.
На первом этапе после начального разогрева заготовки формируется довольно крупная капля, которая отрезается на уровне 7-го этажа, а оставшийся кончик толщиной 3-4 мм уходит вниз и стягивается, постепенно утончаясь. Больше половины пути будущее волокно, по сути, равномерно остывает. Попутно несколько раз лазерными датчиками измеряется его положение в пространстве, уровень натяжения (по длине стоячей волны) и диаметр. На уровне третьего этажа его температура падает с почти 2000 °C до примерно 350 °C и оно попадает в трубу охлаждения. Труба омывается водой из чиллера, а внутри неё находится гелий, изолированный азотными затворами. На выходе из трубы температура волокна равна примерно 60 °C.
Последний этап — нанесение полимерного слоя. Волокно проходит через блок цилиндров с фильерами, куда подаётся акрилатное покрытие, предварительно очищенное и разогретое до температуры 55-57 °C: первичное, а сразу за ним и вторичное. Далее оно проходит в азотной среде мимо пяти УФ-ламп для полимеризации покрытия, которое в итоге значительно улучшает механические свойства оптоволокна. «Голое» волокно не получится согнуть с диаметром изгиба менее 10-15 сантиметров, а с покрытием его можно свернуть в колечко радиусом несколько миллиметров.
В конце концов уже на первом этаже волокно попадает в протяжный механизм, который автоматически регулирует натяжение для сохранения толщины и формы нити в соответствии с данными измерений вышестоящих лазерных датчиков. После этого оно наматывается на катушки, способные вместить до 250 км волокна. Рабочая скорость намотки составляет 1700-1800 метров в минуту. В тестовом режиме одна из линий работает на скорости 2100 м/мин. Её можно разогнать до 2500 м/мин. А вообще это не предел — на зарубежных заводах скорость приближаются к порогу в 3000 м/мин., но там и объёмы другие. Ускорение процесса зависит в первую очередь от эффективности охлаждения и числа УФ-ламп, а также приёмников волокна.
На этом путь оптоволокна вовсе не заканчивается. Впереди ещё перемотка с большой катушки на малые (обычно на них умещается 25-50 км волокна) с дополнительным натяжением и тестированием на дефекты порядка одного микрона. Далее идут тесты, связанные с оптическими и механическими параметрами продукции: длиной волокна в катушке; коэффициентом затухания; диаметром/некруглостью/концентричностью сердцевины, оболочки и обоих слоёв защитного покрытия; длиной волны отсечки; диаметром модового поля; хроматической дисперсией и так далее. Всего тестируется полтора десятка различных параметров.
Но и это ещё не всё! После всех тестов катушки с волокном на четверо суток отправляются принимать азотно-дейтериевые ванны. Дейтерий образует OD-группы, препятствуя появлению OH-групп. Так что волокно, проще говоря, не мутнеет со временем и сохраняет свои свойства на протяжении 25 лет — именно такую гарантию даёт завод на свою продукцию. Правда, производители кабелей, которые и закупают волокно, дают уже существенно меньший гарантийный срок на изделия — это могут быть и 5 лет.
Готовое одномодовое оптоволокно состоит из нескольких частей. В центре находится кварцевая сердцевина диаметром 8-10 мкм, именно она легирована германием. Вокруг неё — кварцевая же оболочка на 125 мкм. Всё это покрыто защитным слоем, так что итоговая толщина составляет 242 мкм. Опционально внешняя оболочка может быть окрашена в разные цвета: предлагается 8 вариантов, в том числе с рисунком. Окрашивание нужно лишь для удобства — при последующей сварке так гораздо проще отличить одно волокно от другого.
Сейчас основная продукция завода — это волокна стандарта G.652D и его изгибостойкого варианта G.657A1. Помимо упомянутых выше многомодовых версий и вариантов специального назначения, есть и опытные образцы волокон толщиной 200 мкм (требования к ним те же, что и для 242-мкм). Они актуальны для европейских заказчиков — в Европе в канализации уже просто не хватает места, поэтому большее число волокон при том же сечении кабеля крайне важно.
Основными потребителями оптоволокна являются кабельные заводы, реже — очень крупные телеком-операторы. Сейчас продукция поставляется трём заводам в ЕАЭС и ещё с семью налаживаются отношения, а около четверти продукции экспортируется в Италию, Великобританию, Австрию, Чехию, Польшу, Нидерланды — для европейских стран важна логистика и быстрая доставка, в течение недели. Экспорт идёт и в США, Китай, Пакистан, Индию.
Правда, структура сбыта поменялась — в первые годы упор был на экспорт (98%), сейчас же осваивается отечественный рынок. Связано это с непростой экономикой рынка. Общая мощность производства оптоволокна в мире составляет около 300 млн км в год. Но потребление его неравномерно. В частности, приводятся данные о том, что в России протяжённость оптоволоконных линий связи на душу населения в 4-5 раз меньше, чем в США, Южной Корее и Японии. Ещё один крупный, но непростой регион — Китай. Там, с одной стороны, правительство ещё 15 лет назад ввело заградительные пошлины, а с другой — были масштабные программы по развитию FTTx и 4G-сетей, которые привели к строительству новых заводов и резкому увеличению объёмов производства волокна.
Прямо сейчас наступило затишье перед внедрением 5G, поэтому китайские вендоры готовы продавать волокно даже себе в убыток — по $5/км, тогда как среднерыночная цена составляет $7/км, а в 2017 году она была на уровне $10/км. Такая ситуация, к слову, стала поводом для обращения в ФАС, так как есть опасения, что Corning, крупнейший производитель волокна в мире (60-70% рынка), вынудил кабельные заводы подписать долгосрочные контракты, и поэтому даже сейчас они не берут дешёвое, но достаточно качественное китайское волокно, не говоря уж об российском.
Ситуация осложняется ещё и тем, что, в отличие от кабелей, оптоволокно не является конечным продуктом, а потому под различные льготы и преференции в области импортозамещения не подпадает. К тому же любая перенастройка или обновление линий и материалов приводит к необходимости дополнительных тестов и прохождения сертификации у заказчиков, чего, кстати, с зарубежными поставщиками почему-то не происходит. Есть и другие аспекты.
В целом же руководство завода считает, что выбранный путь развития — постепенное освоение различных этапов полного цикла производства, которое продолжается до сих пор, и (пере)ориентация на нужные рынки — оказался верным. Попутно происходит и постепенная локализация, которая сейчас составляет около 50 %: если уж оборудование нужного класса в России не создаётся, то хотя бы материалы и вспомогательные компоненты вроде тех же катушек уже можно частично получать не у иностранных компаний. И всё же очень странно, конечно, осознавать, что такое предприятие — единственное в России. Хотя, казалось бы…