飞瓴光电：特种光纤材料、制备技术领域的佼佼者

7/24/2024，光纤在线讯，2023年度中国光学十大产业技术评选中，有这样一家企业：他们聚焦特种光纤，以非金属元素石英掺杂技术为核心，构建常压微波等离子体技术体系，所研发的“常压微波等离子体合成石英制备与加工技术”在100余项技术中脱颖而出，荣获2023年度中国光学十大产业技术提名奖兼人气奖。

它就是刚刚成立3年的武汉市飞瓴光电科技有限公司（以下简称“飞瓴光电”）。飞瓴光电秉承“驭光守正，创新推动科技向善”的使命，致力于加速特种光纤装备技术与制备技术国产化升级进程，光电汇编辑采访了飞瓴光电董事长童维军，为我们讲述这项获奖技术的特殊的制备工艺魅力所在。


飞瓴光电董事长 童维军


自主研发，实现关键装备国产化
光纤，这个应用最为广泛的“无源器件”，数十年来支持着人类社会的电话、电视和互联网服务。随着人工智能推动超算需求增长，“光进铜退”成为大势所趋，普通光纤已无法满足所有需求，特种光纤应运而生。

根据《2024中国激光产业发展报告》，2023年中国激光器用特种光纤市场销售收入为16.6亿元。然而，高技术门槛和工艺难度，以及美国等国家的出口限制，导致我国在关键技术和原材料上依赖进口，国产化亟待加强。

在创立飞瓴光电前，童维军曾在线缆行业标杆企业从事了22年研发和新业务拓展工作，作为技术型高管，他一直在参与和主持涉及光纤光缆类“973计划”、“863计划”、国家科技支撑计划、国家重点研发计划等科研项目，谈起特种光纤的制备工艺他如数家珍。

“纵向来看，国产的特种光纤预制棒制备工艺，主要是由以前通讯光纤预制棒制备的四种工艺改造而来，这也就意味着它们在针对非金属元素掺杂存在一定的技术瓶颈。”童维军介绍道。

传统的四种制备工艺指的是OVD、VAD管外水解法和MCVD、PCVD管内法。其中，OVD和VAD管外水解法难以实现高掺杂浓度和折射率径向分布的精准控制。MCVD管内法难以实现低成本与高效率沉积。PCVD管内法难以制作大芯径芯棒，沉积速率低，高温熔缩易导致掺杂元素的扩散和二次挥发。


四大光纤预制棒制备工艺比较

而德国知名企业采用常压射频等离子体外包沉积工艺垄断了深掺氟合成石英材料的供应链。升级的MCVD沉积工艺垄断系列有源光纤的制备技术和装备技术。

“从横向来看，国内半导体行业、芯片行业甚至光伏行业，已经从负压等离子体制备走到常压等离子体制备这个进程，所以我们也考虑，有没有可能在常压条件下用等离子体实现掺杂和沉积。”

概念有了，童维军迅速利用校企合作的平台验证它的可行性。

“第一步要完成的就是验证能不能把常压的气体、蒸汽等稳态电离；第二步要把常压的火炬拿来做四氯化硅和玻璃的掺杂；第三步则是做装备技术和工艺稳定性研究。”童维军解释道，“我们非常幸运，用了一年半左右的时间就完成了常压微波等离子体技术从概念到设备稳定性验证，再到掺杂工艺平台的三步走，代表性深掺氟包层材料也达到了可替代进口材料的水平。”

凭借自主研发实力，飞瓴光电成功实现了两项关键装备的国产化：一是适用于石英材料热加工的常压微波等离子体热处理平台；二是常压微波等离子体外沉积装备平台，该平台集成了微波等离子体激发、机械及控制系统。

依托这两大自主研发的装备平台，飞瓴光电进一步掌握了两大核心技术：
一是常压微波等离子体石英热加工技术。该技术摒弃了危险气体氢的使用，无需建设供氢设施，且预制棒中的羟基含量极低，无需脱氢处理，同时减少了氯气的使用，具有环境友好性和高能量转化效率，相较于传统电感线圈加热方式，微波能量转化效率超过90%；

二是非金属元素掺杂技术。该技术能够直接制备出玻璃态的光纤预制棒，省去了脱羟处理和烧结玻璃化的步骤，掺杂元素浓度显著提高。飞瓴光电所生产的F-SiO2预制棒已达到0.19的数值孔径（包含工艺固有的应力折射率），掺杂元素测试浓度最高可达5.3 mol%，掺杂浓度和大棒几何尺寸等技术指标已达到国外先进产品的性能水平。此外，该技术适用于多种形状和大尺寸的靶棒，工艺灵活性高，特别适宜于各类传能和传感光纤的制造。


独辟蹊径，引领差异化新赛道
“当前光电行业对高性能石英材料的需求背景是多方面的。”谈及飞瓴光电如何在激烈的市场中立足，童维军说道：“在光通讯行业，随着5G、6G等新一代通讯技术的部署，对光纤的传输速度和容量提出了更高的要求，高性能石英材料因其低损耗、高透明度和良好的热稳定性，成为制造高速光纤的关键材料。同时，在光纤激光器、光纤传感器等高端应用领域，以及核电、航空航天、医疗设备等特殊环境下的工业应用中，对石英材料的纯度、均匀性和结构精度要求极高。在半导体行业，石英材料用于制造光刻掩模、晶圆承载器等关键部件，对材料的纯度、平整度和应力控制要求极高。在光电集成电路领域，石英材料作为衬底材料，替代了传统的有机材料。这要求石英材料具有高纯度、低结构缺陷和良好的平整度，以支持高密度的电路设计和制造。”

“从以上三个领域对石英材料的要求来讲，我们相对于水解法和管内法有一个明显的短板，那就是我们的材料利用率较低，因此在常规波导材料制造中，我们的技术并不是最优选择。”童维军解释道，“我们的优势在非金属材料的深掺杂方面，因此能够在特定的细分领域和高端应用市场占据一席之地，尤其在那些需要精准控制非金属元素浓度的应用中，比如康宁的7979系列产品。”

从基础机理问题到实际装备落地，再到工艺实现的全面创新，飞瓴光电在石英材料制造领域开辟了一个新的技术路径。“我们可以很自豪地讲，我们的核心技术体系是面向国产化的制备技术原创和装备技术自主可控，不是仿制老外的常压射频等离子体，也不是模仿现有PCVD的负压等离子体技术。”

随着光电市场的不断发展和成熟，过去几年，整个行业饱受“价格战”之苦。童维军认为，这种机会主义的商业行为会造成“劣币驱逐良币”的恶劣现象，最终影响整个行业的健康发展。

“我们处于光电行业产业链的上游，但我们不愿意成为价格杀手，不愿意通过降低价格来破坏市场秩序，而是更倾向于通过技术创新和性能提升来为行业贡献价值。这种策略事实上有助于维护行业的良性竞争环境，避免过度内卷和价格战，从而回归商业本质。”

“技术的进步，能够为整个产业链带来两个方面的利益：一是性能提升的价值，二是通过规模效益和技术能力降低成本。”童维军表示，一旦实现了规模化，飞瓴光电愿意与行业分享这些成果。目前，飞瓴光电的重点关注仍然是通过性能改进和提升来为各行业贡献价值。


首席科学家黄巍教授汇报飞瓴光电常压微波等离子体制备技术。左图是合成掺杂石英沉积平台；右图是化学配方调配实验平台


核心技术支撑，赋能细分市场
飞瓴光电并不局限于单一市场，而是聚焦通信传感、工业激光、军工核电、生物医疗、能源交通等五大领域提供关键原材料、光纤预制棒、特种光纤与衍生产品及解决方案的定制化服务。

成立一年多，飞瓴光电就进入规上企业。2024上半年，飞瓴光电更是完成了2023同期双倍的营收，增长如此强劲，这与飞瓴光电的技术路线和战略规划分不开。

技术路线，童维军总结了“3+1”条技术路线。“3”指的是“常压微波等离子体热处理技术”、“常压微波等离子体外沉积制备技术”以及“常压微波等离子体管内沉积制备技术”，在机理上用好常压微波等离子体火炬的物理热处理和适合非金属元素高效化学反应的特征，在装备上从硬件功能部件到软件源代码实现国产化自主可控，在制备技术方面面向应用场景用足常压微波等离子体对非金属元素深掺杂技术的优势，重构特种光纤性能突破。

“其中，前两类技术我们已经实现了规模化投产。”童维军解释，“第三类技术进入工艺验证和产品试制阶段。我们团队有坚强的意志和决心，把行业已具备的临界绝对真空度的沉积技术提升到常压状态的大棒管内沉积技术，以提升在强激光、强辐照、强电磁、耐高温和极寒环境下光学材料原有性能的天花板。”

“1”则指的是正在开发的常压微波等离子体火炬用于制备微纳结构平面波导，童维军称之为“预研类技术”。它涉及到等离子体化学反应机理与光学材料制备技术的结合。这种技术在光学材料和半导体行业中的应用，特别是在光学衬底材料的生产上，已经显示出其效率和潜力。“事实上，这个技术开发出来不仅能够推动现有光学材料的技术进步，还为未来的光电子新材料制备和应用开辟了新的道路。这种前瞻性的技术开发对于我们保持行业领先地位和满足未来市场需求也至关重要。”

对于公司未来的发展，童维军表示，飞瓴光电将主要立足于核电军工、工业激光市场，同时兼顾通感知多模态工业光网络的应用场景。“工业激光市场的民用化是一个重要的发展方向，光纤激光器已深度进入消费电子领域。另外，自动驾驶、核电和汽车行业对光纤的通信与传感功能需求也日益增长。飞瓴光电正在进行细分市场调研和预演阶段的工作，围绕核心技术体系，加速构建和补充脆性材料加工平台、光纤拉丝平台、光纤衍生产品制造平台、测试平台，旨在为这些新兴领域提供基础光学材料+新型预制棒+系列化特种光纤+光纤组件的产品组合工具包，面向客户应用场景提供专业定制化的光纤解决方案。”