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海底光缆用高强度大盘长单模光纤

晃晃

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发表于 2011-9-22 08:34:20 |只看该作者 |倒序浏览

摘要：由于海底光缆特殊的使用环境，施工和维护的成本非常高，所以海底光通信系统的稳定性一直是该领域内的研究重点之一。本工作从海底光缆的使用要求入手，结合实际经验分析，提出海缆的光纤单元相对于普通光缆而言，除光学传输性能之外，主要的性能提升为高强度和大盘长。本文主要阐述了中天光纤通过技术改进研发出海底光缆用高强度大盘长单模光纤的改进结果。
　　关键词：高

强度、100km盘长、原材料优化、工艺优化
　　引言
　　自从1985年世界上第一条海底光缆问世以来，海底光缆的建设在全世界得到了蓬勃的发展。海底光缆以其大容量、高可靠性、优异的传输质量等优势，在通信领域，尤其是国际通信中起到重要的作用。由于海底光缆特殊的使用环境，施工和维护的成本非常高，所以海底光通信系统的稳定性一直是该领域内的研究重点之一。其中作为通讯的主要传输媒质——光纤，也相对于普通光缆用光纤，有着自己特殊的要求。在海底光缆的敷设、使用、打捞以及受到意外外力等过程中，光纤虽然受到了光缆外部结构的保护，但是还是要承受一定的应变和残余应力。因此为了防止敷设、维护以及意外张力对光纤单元的破坏性影响，海底光缆用光纤必须要有较普通光缆用光纤更高的强度；而大盘长则是为了减少中继距离内的接头数目，尽量做到光缆盘长和系统的中继距离一致。为了满足中天科技海缆有限公司以及其他厂家对海底光缆用光纤的特殊要求，通过技术改进，中天光纤已经成功开发出高强度大盘长光纤，并实现量产。
　　1影响光纤强度和盘长的因素
　　常用单模光纤是由二氧化硅玻璃制造的，二氧化硅玻璃理论上有20GPa的断裂应力。但实际上由于各种因素的影响，光纤表面会存在一定数量的微裂纹，集中在裂纹尖端的应力会引起光纤在较低的应力水平下断裂。而光纤在被制造成光缆以及光缆的敷设、使用、维护当中，均会受到大小不一的应力。为了不使光纤在这些应力下产生断裂，必须对拉丝后生产出的光纤施加一定的应力，以提前筛除这些光纤上的薄弱点。而光纤的强度就和这些薄弱点的数量有关。对于光纤的盘长，除了受到上述原因的影响外，还受到光纤几何和光学参数的均匀性的影响。针对这些影响因素，并综合考虑到海底光缆所用光纤的特殊要求，我们对原材料和拉丝工艺等都作出了相应的优化。
　　2原材料和拉丝工艺的优化
　　2.1原材料的优化
　　在原材料采购方面，中天光纤具有严格的来料检验程序，同时也借鉴了长飞公司在原材料控制方面的经验，使得中天光纤在原料环节上保持了很大的优势。在保证了原材料的优良品质的前提下，中天光纤对这些原材料进行了进一步的优化处理。
　　预制棒作为光纤生产中最重要的原材料，是影响光纤质量的极为重要的因素。其中预制棒的光学参数和几何参数的均匀性，直接影响到光纤的光学和几何参数的均匀性，也就同时影响到了光纤所能产生的最大盘长。中天光纤所选择的预制棒供应商采取的是将沉积熔缩好的大直径预制棒直接拉伸成为标准尺寸直径的预制棒的工艺，这在很大程度上保证了预制棒在较长距离内的几何和光学参数的相对均匀性，也就保证了光纤在较长距离内的光学和几何参数的均匀性，也就是说可以产出大盘长的光纤。此外不管是购买预制棒拉丝还是自己制棒拉丝，在预制棒的运输、存放的过程中，或多或少都会对预制棒表面形成污染和造成缺陷。这些污染和缺陷对于拉出的光纤的质量，将会产生较大影响。这些污染物一些为有机成分（如手上分泌的油脂汗渍、包装袋上的脱模剂等）靠通常的擦拭和清洗不能完全清除。在拉丝炉中高温的情况下会分解，并与二氧化硅发生反应，形成碳化硅之类较二氧化硅熔点高，或者在较低温度时产生析晶的成分，这样在光纤表面就直接产生了一个巨大的缺陷，从而影响了光纤的强度。至于那些无机物污染物，也会对光纤强度造成相似的影响。同样的，在预制棒运输和存放的过程中，也会使预制棒表面出现碰撞和划伤所引起的微小缺陷，这些缺陷在拉丝的过程中，由于现在拉丝速度的提高以及拉丝炉热区的相对较短，并不能在拉丝炉中熔融状态下得到充分的愈合，从而在拉出的光纤表面形成了不应有的缺陷，继而影响了光纤的强度。
　　针对这种情况，中天光纤对于将要拉丝的预制棒，采取了氢氧焰抛光的方式，极大的减少的此类缺陷的产生。高温下氢氧焰中富裕的氢气和二氧化硅反应产生易蒸发的一氧化硅和水，继而被高速的氢氧焰气流带走，同时将预制棒表面的污染物带走。因为在抛光的过程中实际上是利用氢氧焰将预制棒表面抛去了几十个微米的二氧化硅，所以预制棒表面的微裂纹也得到了愈合，至于较大的缺陷，则由于高温的原因得到了最大程度的修复。因此极大的改善了预制棒的表面状况，减少了由于预制棒表面缺陷和污染带来的强度问题。
　　光纤的UV涂料作为光纤的保护介质，对光纤的强度、使用寿命、光学性能，都有着很大的影响。中天光纤除了对原料供应商采取了严格的审核外，还对于每一批涂料进行抽检，针对每批涂料的粘度、粒子数等相应的调整后续的拉丝工艺，以期达到最佳的涂覆效果。
　　2.2拉丝工艺的优化
　　同样的原材料在不同的拉丝工艺下所生产出的光纤，有着明显的差别。因此对于要求有高强度和大盘长的光纤产品，对拉丝工艺也有着特殊的要求。针对这些要求，中天光纤对相关的拉丝工艺进行了一系列的优化工作。
　　拉丝炉作为预制棒熔缩为光纤的场所，需要有大量的惰性气体的保护，其中气体的流向分布和气体用量，又对光纤的强度产生较大的影响。在拉丝炉中的高温环境中，石墨件会产生一些微小的固体颗粒（一般为自身挥发物和长时间气流冲刷后产生的石墨颗粒），同时炉中所用的惰性保护气体也会携带一些固体杂质（通常为气体管道或者储气容器中的固体颗粒）。这些固体颗粒如果在气流的作用下与脆弱的裸光纤发生碰撞，就会在光纤表面产生一些微裂纹，也就是薄弱点，这会对光纤的强度造成很大的影响。因此我们除了对石墨件的挥发物数量、致密度以及表面粗糙度有着严格要求外，还对进到拉丝炉前的惰性保护气体进行了二次过滤，保证了气体的洁净度。同时，我们对拉丝炉中的气流进行了一系列的优化，使气体严格的按照层流方式运动，以使石墨件产生的颗粒在气流的吹扫下，以不与熔融玻璃和光纤相接触的轨迹被带出炉外或者附着在拉丝炉下部的内壁；同时避免气流直接吹到玻璃的熔融区及光纤形成区，以免气体中的固体颗粒附着在熔融玻璃表面或者与已成型光纤发生碰撞，减少了表面微裂纹的产生，提高了光纤的强度。
　　在光纤从拉丝炉的高温区出来后，我们优化了光纤的冷却方式，使残余在光纤中的应力降低，减少了由于残余应力而致使微裂纹发生扩张从而产生更多的薄弱点的情况发生。同时残余应力的降低，也对光纤的光学参数产生积极的影响减小了光弹效应，对于PMD值的改善，也是有着积极的意义。
　　对于光纤的UV涂料的涂覆，我们进行了相应的优化。根据不同涂料的性质，优化了涂覆温度和涂覆压力，改善了涂层的均匀性和涂层与裸光纤之间的结合性能；同时我们对UV固化系统进行了改进，优化了固化炉中的气体以及紫外光的照射方向，保证了光纤涂层在各个方向固化性能的均匀性和固化度的适当性。这些改进改善了涂层与裸光纤的结合能力，加强了涂料对光纤表面微裂纹的弥补能力，也在一定程度上提高了光纤的强度，此外也减少了涂层中的残留应力对裸光纤的影响，减小了由于涂层应力的局部不均匀引起的微弯效应，也就减少了由于微弯效应引起的局部光纤光学参数不均匀，提高了光纤盘长。
　　通过对原材料和拉丝工艺的优化，我们使得光纤的筛选断点率降低到2&permil;左右。
　　3筛选工艺的改进
　　考虑到海底光缆使用环境的特殊性，对光纤的强度有着特殊要求。因此中天光纤在筛选工艺上，对于海底光缆用光纤，执行了严格的要求。一般光纤采用的是100千磅/平方英寸（Kilo-poundpersquareinch, Kpsi）的筛选张力，筛选应变为1%，而对于海底光缆用光纤，我们将筛选张力提高到200千磅/平方英寸（Kilo-pound per square inch, Kpsi），筛选应变大于2%，是普通光纤的两倍，避免了低强度点的存在。在采取了这样的筛选工艺要求之后，我们仍然可以提供筛选长度达100公里的大盘长光纤，是普通光纤的四倍。

4光纤性能
　　4.1光纤的寿命
　　光纤在实际使用过程中，受到远低于其强度的静态应力和动态应力，光纤断裂前持续的时间就是光纤的寿命。影响光纤使用寿命的原因主要有：①光纤表面的微裂纹的存在和扩大；②大气环境中的水和水蒸气分子对光纤表面的浸蚀；③不合理敷设光缆时残留下来的应力长期作用等。由于上述原因，使得以石英玻璃为基础的光纤机械强度逐渐降低，衰耗慢慢增大，最后使光纤断裂，终止了光缆的使用寿命。对于光纤寿命的预测，至今还没有一个权威的理论系统来描述，光纤行业常用下面一个公式来估计光纤寿命：

　　式中σp为光纤筛选应变，通常为1％(单位无)；σr为光纤使用过程中所产生的应变(相对拉长，单位无))；Fr为光纤断裂概率(单位无)；L0为光缆线路中光纤总长度(单位公里)；Mp为光纤筛选每公里平均断裂次数；n为光纤的疲劳参数(可用动态疲劳参数代替，单位无)；m为光纤断裂强度韦伯尔分布曲线斜率(单位无)；tp为光纤出厂时加力筛选的持续时间(单位秒)；tr为光纤的估算寿命(单位年)一般n一20，σp／σr—4，光纤使用寿命可达30年以上，当然这个值与要求的光纤发生断裂的概率值Fr有关，Fr越小，光纤寿命期越长。同样，光纤的Nd值越大光纤的寿命也就越长，同时还可以降低对光缆的抗拉强度的要求，进而降低光缆的成本。中天光纤为海底光缆研发的高强度大盘长光纤，其典型的三种不同拉伸速率下的Weibull分布和Nd值图如下：

　　从上面可以看出，该光纤的Nd值较高，而且不同拉伸速率下的Weibull分布比较集中，也表明其有较好的重复性和均匀性。从Nd值的大小来看该光纤的寿命能够满足海底光缆的要求。
　　4.2光纤的光学性能
　　要做到长距离无中继的长途通信，光纤的光学性能是其中的重点。中天光纤通过上述的原材料优化和拉丝工艺优化，可以提供：
　　衰耗:平均值<0.327 dB/km @ 1310 nm；
　　平均值<0.188dB/km@ 1550 nm
　　的100km盘长的高质量光纤，平均衰耗值的降低，有利于长距离通信的需要，特别是1550波段是现今长距离通讯的主要波段，它的降低，有利于高速率通讯的进行。
　　同时，长距离高速率的通讯（特别是对于DWDM来说）对光纤的PMD水平也提出了更高的要求，中天光纤对于PMD的优化，也有着很好的效果，通过对几何参数的优化从而降低了波导双折射的影响，又通过改良光纤的冷却，减小了光纤中的残余应力，减小了光纤中的光弹效应，进一步减小了PMD值。中天光纤典型的PMD值分布图如下：

　　从上图可以看出，中天光纤的PMD值分布主要集中于0.030附近。有着比较低的PMD值水平，能够充分的满足长距离通讯的需求。
　　5结束语
　　结合海底光缆的应用要求，通过技术改进，中天光纤已经成功开发出高强度大盘长光纤，并实现量产。为满足长距离无中继的光通讯要求也作出了有效的改进工作。目前提供的最大盘长为120公里，筛选应变大于2%，并可根据客户需求进行特殊定制。该光纤的研发成功，对提高海底光缆通信系统的稳定性具有非常积极的作用。