海底光纜用高強(qiáng)度大盤長單模光纖
時(shí)間:2015-01-12 09:24:08 來源：
自從1985年世界上第一條海底光纜問世以來，海底光纜的建設(shè)在全世界得到了蓬勃的發(fā)展。海底光纜以其大容量、高可靠性、優(yōu)異的傳輸質(zhì)量等優(yōu)勢，在通信領(lǐng)域，尤其是國際通信中起到重要的作用。由于海底光纜特殊的使用環(huán)境，施工和維護(hù)的成本非常高，所以海底光通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性一直是該領(lǐng)域內(nèi)的研究重點(diǎn)之一。其中作為通訊的主要傳輸媒質(zhì)——光纖，也相對于普通光纜用光纖，有著自己特殊的要求。在海底光纜的敷設(shè)、使用、打撈以及受到意外外力等過程中，光纖雖然受到了光纜外部結(jié)構(gòu)的保護(hù)，但是還是要承受一定的應(yīng)變和殘余應(yīng)力。因此為了防止敷設(shè)、維護(hù)以及意外張力對光纖單元的破壞性影響，海底光纜用光纖必須要有較普通光纜用光纖更高的強(qiáng)度；而大盤長則是為了減少中繼距離內(nèi)的接頭數(shù)目，盡量做到光纜盤長和系統(tǒng)的中繼距離一致。為了滿足中天科技海纜有限公司以及其他廠家對海底光纜用光纖的特殊要求，通過技術(shù)改進(jìn)，中天光纖已經(jīng)成功開發(fā)出高強(qiáng)度大盤長光纖，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。ADSS光纜
1影響光纖強(qiáng)度和盤長的因素
常用單模光纖是由二氧化硅玻璃制造的，二氧化硅玻璃理論上有20GPa的斷裂應(yīng)力。但實(shí)際上由于各種因素的影響，光纖表面會存在一定數(shù)量的微裂紋，集中在裂紋尖端的應(yīng)力會引起光纖在較低的應(yīng)力水平下斷裂。而光纖在被制造成光纜以及光纜的敷設(shè)、使用、維護(hù)當(dāng)中，均會受到大小不一的應(yīng)力。為了不使光纖在這些應(yīng)力下產(chǎn)生斷裂，必須對拉絲后生產(chǎn)出的光纖施加一定的應(yīng)力，以提前篩除這些光纖上的薄弱點(diǎn)。而光纖的強(qiáng)度就和這些薄弱點(diǎn)的數(shù)量有關(guān)。對于光纖的盤長，除了受到上述原因的影響外，還受到光纖幾何和光學(xué)參數(shù)的均勻性的影響。針對這些影響因素，并綜合考慮到海底光纜所用光纖的特殊要求，我們對原材料和拉絲工藝等都作出了相應(yīng)的優(yōu)化。
2原材料和拉絲工藝的優(yōu)化
2.1原材料的優(yōu)化
在原材料采購方面，中天光纖具有嚴(yán)格的來料檢驗(yàn)程序，同時(shí)也借鑒了長飛公司在原材料控制方面的經(jīng)驗(yàn)，使得中天光纖在原料環(huán)節(jié)上保持了很大的優(yōu)勢。在保證了原材料的優(yōu)良品質(zhì)的前提下，中天光纖對這些原材料進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化處理。
預(yù)制棒作為光纖生產(chǎn)中最重要的原材料，是影響光纖質(zhì)量的極為重要的因素。其中預(yù)制棒的光學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù)的均勻性，直接影響到光纖的光學(xué)和幾何參數(shù)的均勻性，也就同時(shí)影響到了光纖所能產(chǎn)生的最大盤長。中天光纖所選擇的預(yù)制棒供應(yīng)商采取的是將沉積熔縮好的大直徑預(yù)制棒直接拉伸成為標(biāo)準(zhǔn)尺寸直徑的預(yù)制棒的工藝，這在很大程度上保證了預(yù)制棒在較長距離內(nèi)的幾何和光學(xué)參數(shù)的相對均勻性，也就保證了光纖在較長距離內(nèi)的光學(xué)和幾何參數(shù)的均勻性，也就是說可以產(chǎn)出大盤長的光纖。此外不管是購買預(yù)制棒拉絲還是自己制棒拉絲，在預(yù)制棒的運(yùn)輸、存放的過程中，或多或少都會對預(yù)制棒表面形成污染和造成缺陷。這些污染和缺陷對于拉出的光纖的質(zhì)量，將會產(chǎn)生較大影響。這些污染物一些為有機(jī)成分（如手上分泌的油脂汗?jié)n、包裝袋上的脫模劑等）靠通常的擦拭和清洗不能完全清除。在拉絲爐中高溫的情況下會分解，并與二氧化硅發(fā)生反應(yīng)，形成碳化硅之類較二氧化硅熔點(diǎn)高，或者在較低溫度時(shí)產(chǎn)生析晶的成分，這樣在光纖表面就直接產(chǎn)生了一個(gè)巨大的缺陷，從而影響了光纖的強(qiáng)度。至于那些無機(jī)物污染物，也會對光纖強(qiáng)度造成相似的影響。同樣的，在預(yù)制棒運(yùn)輸和存放的過程中，也會使預(yù)制棒表面出現(xiàn)碰撞和劃傷所引起的微小缺陷，這些缺陷在拉絲的過程中，由于現(xiàn)在拉絲速度的提高以及拉絲爐熱區(qū)的相對較短，并不能在拉絲爐中熔融狀態(tài)下得到充分的愈合，從而在拉出的光纖表面形成了不應(yīng)有的缺陷，繼而影響了光纖的強(qiáng)度。
針對這種情況，中天光纖對于將要拉絲的預(yù)制棒，采取了氫氧焰拋光的方式，極大的減少的此類缺陷的產(chǎn)生。高溫下氫氧焰中富裕的氫氣和二氧化硅反應(yīng)產(chǎn)生易蒸發(fā)的一氧化硅和水，繼而被高速的氫氧焰氣流帶走，同時(shí)將預(yù)制棒表面的污染物帶走。因?yàn)樵趻伖獾倪^程中實(shí)際上是利用氫氧焰將預(yù)制棒表面拋去了幾十個(gè)微米的二氧化硅，所以預(yù)制棒表面的微裂紋也得到了愈合，至于較大的缺陷，則由于高溫的原因得到了最大程度的修復(fù)。因此極大的改善了預(yù)制棒的表面狀況，減少了由于預(yù)制棒表面缺陷和污染帶來的強(qiáng)度問題。
光纖的UV涂料作為光纖的保護(hù)介質(zhì)，對光纖的強(qiáng)度、使用壽命、光學(xué)性能，都有著很大的影響。中天光纖除了對原料供應(yīng)商采取了嚴(yán)格的審核外，還對于每一批涂料進(jìn)行抽檢，針對每批涂料的粘度、粒子數(shù)等相應(yīng)的調(diào)整后續(xù)的拉絲工藝，以期達(dá)到最佳的涂覆效果。
2.2拉絲工藝的優(yōu)化
同樣的原材料在不同的拉絲工藝下所生產(chǎn)出的光纖，有著明顯的差別。因此對于要求有高強(qiáng)度和大盤長的光纖產(chǎn)品，對拉絲工藝也有著特殊的要求。針對這些要求，中天光纖對相關(guān)的拉絲工藝進(jìn)行了一系列的優(yōu)化工作。
拉絲爐作為預(yù)制棒熔縮為光纖的場所，需要有大量的惰性氣體的保護(hù)，其中氣體的流向分布和氣體用量，又對光纖的強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響。在拉絲爐中的高溫環(huán)境中，石墨件會產(chǎn)生一些微小的固體顆粒（一般為自身揮發(fā)物和長時(shí)間氣流沖刷后產(chǎn)生的石墨顆粒），同時(shí)爐中所用的惰性保護(hù)氣體也會攜帶一些固體雜質(zhì)（通常為氣體管道或者儲氣容器中的固體顆粒）。這些固體顆粒如果在氣流的作用下與脆弱的裸光纖發(fā)生碰撞，就會在光纖表面產(chǎn)生一些微裂紋，也就是薄弱點(diǎn)，這會對光纖的強(qiáng)度造成很大的影響。因此我們除了對石墨件的揮發(fā)物數(shù)量、致密度以及表面粗糙度有著嚴(yán)格要求外，還對進(jìn)到拉絲爐前的惰性保護(hù)氣體進(jìn)行了二次過濾，保證了氣體的潔凈度。同時(shí)，我們對拉絲爐中的氣流進(jìn)行了一系列的優(yōu)化，使氣體嚴(yán)格的按照層流方式運(yùn)動，以使石墨件產(chǎn)生的顆粒在氣流的吹掃下，以不與熔融玻璃和光纖相接觸的軌跡被帶出爐外或者附著在拉絲爐下部的內(nèi)壁；同時(shí)避免氣流直接吹到玻璃的熔融區(qū)及光纖形成區(qū)，以免氣體中的固體顆粒附著在熔融玻璃表面或者與已成型光纖發(fā)生碰撞，減少了表面微裂紋的產(chǎn)生，提高了光纖的強(qiáng)度。
在光纖從拉絲爐的高溫區(qū)出來后，我們優(yōu)化了光纖的冷卻方式，使殘余在光纖中的應(yīng)力降低，減少了由于殘余應(yīng)力而致使微裂紋發(fā)生擴(kuò)張從而產(chǎn)生更多的薄弱點(diǎn)的情況發(fā)生。同時(shí)殘余應(yīng)力的降低，也對光纖的光學(xué)參數(shù)產(chǎn)生積極的影響減小了光彈效應(yīng)，對于PMD值的改善，也是有著積極的意義。
對于光纖的UV涂料的涂覆，我們進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化。根據(jù)不同涂料的性質(zhì)，優(yōu)化了涂覆溫度和涂覆壓力，改善了涂層的均勻性和涂層與裸光纖之間的結(jié)合性能；同時(shí)我們對UV固化系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化了固化爐中的氣體以及紫外光的照射方向，保證了光纖涂層在各個(gè)方向固化性能的均勻性和固化度的適當(dāng)性。這些改進(jìn)改善了涂層與裸光纖的結(jié)合能力，加強(qiáng)了涂料對光纖表面微裂紋的彌補(bǔ)能力，也在一定程度上提高了光纖的強(qiáng)度，此外也減少了涂層中的殘留應(yīng)力對裸光纖的影響，減小了由于涂層應(yīng)力的局部不均勻引起的微彎效應(yīng)，也就減少了由于微彎效應(yīng)引起的局部光纖光學(xué)參數(shù)不均勻，提高了光纖盤長。
通過對原材料和拉絲工藝的優(yōu)化，我們使得光纖的篩選斷點(diǎn)率降低到2‰左右。
3篩選工藝的改進(jìn)
考慮到海底光纜使用環(huán)境的特殊性，對光纖的強(qiáng)度有著特殊要求。因此中天光纖在篩選工藝上，對于海底光纜用光纖，執(zhí)行了嚴(yán)格的要求。一般光纖采用的是100千磅/平方英寸（Kilo-poundpersquareinch, Kpsi）的篩選張力，篩選應(yīng)變?yōu)?%，而對于海底光纜用光纖，我們將篩選張力提高到200千磅/平方英寸（Kilo-pound per square inch, Kpsi），篩選應(yīng)變大于2%，是普通光纖的兩倍，避免了低強(qiáng)度點(diǎn)的存在。在采取了這樣的篩選工藝要求之后，我們?nèi)匀豢梢蕴峁┖Y選長度達(dá)100公里的大盤長光纖，是普通光纖的四倍。
4光纖性能
4.1光纖的壽命
光纖在實(shí)際使用過程中，受到遠(yuǎn)低于其強(qiáng)度的靜態(tài)應(yīng)力和動態(tài)應(yīng)力，光纖斷裂前持續(xù)的時(shí)間就是光纖的壽命。影響光纖使用壽命的原因主要有：①光纖表面的微裂紋的存在和擴(kuò)大；②大氣環(huán)境中的水和水蒸氣分子對光纖表面的浸蝕；③不合理敷設(shè)光纜時(shí)殘留下來的應(yīng)力長期作用等。由于上述原因，使得以石英玻璃為基礎(chǔ)的光纖機(jī)械強(qiáng)度逐漸降低，衰耗慢慢增大，最后使光纖斷裂，終止了光纜的使用壽命。對于光纖壽命的預(yù)測，至今還沒有一個(gè)權(quán)威的理論系統(tǒng)來描述，光纖行業(yè)常用下面一個(gè)公式：
式中σp為光纖篩選應(yīng)變，通常為1％(單位無)；σr為光纖使用過程中所產(chǎn)生的應(yīng)變(相對拉長，單位無))；Fr為光纖斷裂概率(單位無)；L0為光纜線路中光纖總長度(單位公里)；Mp為光纖篩選每公里平均斷裂次數(shù)；n為光纖的疲勞參數(shù)(可用動態(tài)疲勞參數(shù)代替，單位無)；m為光纖斷裂強(qiáng)度韋伯爾分布曲線斜率(單位無)；tp為光纖出廠時(shí)加力篩選的持續(xù)時(shí)間(單位秒)；tr為光纖的估算壽命(單位年)一般n一20，σp／σr—4，光纖使用壽命可達(dá)30年以上，當(dāng)然這個(gè)值與要求的光纖發(fā)生斷裂的概率值Fr有關(guān)，F(xiàn)r越小，光纖壽命期越長。同樣，光纖的Nd值越大光纖的壽命也就越長，同時(shí)還可以降低對光纜的抗拉強(qiáng)度的要求，進(jìn)而降低光纜的成本
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