海底光缆中的光纤在性能方面有哪些要求

电子设计 发表于 2018-09-13 09:31:00 收藏 已收藏
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海底光缆中的光纤在性能方面有哪些要求

电子设计 发表于 2018-09-13 09:31:00

海底光缆要求长距离、低衰减的传输,而且要适应海底的环境,对抗水压、抗气损、抗拉伸、抗冲击的要求都特别严格,因此用于海底光缆的光纤比陆地光缆所用的光纤有更高的要求;要求低损耗、高强度、制造长度长,要求能经受强大的压力和拉力。深海光缆的结构比较复杂:光纤设在U形槽塑料骨架中,槽内填满油膏或弹性塑料体形成纤芯。纤芯周围用高强度的钢丝绕包,在绕包过程中要把所有缝隙都用防水材料填满,再在钢丝周围绕包一层铜带并焊接搭缝,使钢丝和铜管形成一个抗压和抗拉的联合体。在钢丝和铜管的外面还要再加一层聚乙烯护套。这样严密多层的结构是为了保护光纤、防止断裂以及防止海水的侵入。在有鲨鱼出没的地区,在海缆外面还要再加一层聚乙烯护套。  典型海底光缆的结构解析

海底光缆中的光纤在性能方面有哪些要求

1 聚乙烯层

海底光缆的特殊需求

无论是陆地光缆的设计还是海底光缆的设计,都是为了能够保证光纤在相对稳定和安全的环境中工作,可以做到长期、稳定的传输光信号而免受外界干扰,只是根据光纤所处的环境不同,对光缆的制作要求有所不同。海底光缆设计必须保证光纤不受外力和环境影响,其基本要求是:能适应海底压力、磨损、腐蚀、生物等环境;有合适的铠装层防止渔轮拖网、船锚及鲨鱼的伤害;光缆断裂时,尽可能减少海水渗入光缆内的长度;能防止从外部渗透到光缆内的氢气与防止内部产生的氢气;具有一个低电阻的远供电回路;能承受敷设与回收时的张力;使用寿命一般要求在25年以上。

海底光缆中光纤的性能要求及生产工艺优化

海底光缆要求长距离低衰减的传输,而且要适应海底的环境,对抗水压、抗气损、抗拉伸、抗冲击的要求特别严格。光纤的传输容量大,中继站间的距离长,适用于海底长距离的通信。为满足这些特定的要求,海底光缆的基本结构是将经过一次或两次涂层处理后的光纤螺旋地绕包在中心,加强构件(用钢丝制成)的周围,并放在专制的不锈钢管中,该管外绕高强度拱形结构的钢丝,钢丝层又包上铜管,使得光缆铺设时不发生微/宏弯。最后挤塑外护套。虽然海缆的制造工艺避免了海缆在铺设过程中造成的光纤微/宏弯损耗,但是在海缆生产过程中的不均匀性,使得金属或油膏对光纤纵向的挤压不均匀,导致光纤所受外界的应力不均匀,以最大程度地降低光纤的衰减,实现更远距离的传输。用于海底光缆的光纤比陆地光缆所用的光纤有更高的要求;要求低损耗、高强度、制造长度长,要求能经受强大的压力和拉力。

海缆系统的标称工作波长宜为C波段(1530~1560nm)或C+L(1530~1625nm)波段,目前很多厂家所生产的常规单模光纤在1550nm处的衰减均可达到0.19dB/km甚至以下,已经很接近石英光纤的理论极限最小值,因此对于海缆用光纤而言,除了光学传输性能以外,主要还是要考虑降低光纤的微弯损耗及高强度、大盘长两个方面,另外提高筛选强度,筛选出性能更为优良的光纤。

1.优化光纤的抗微弯性能

随着1625nm波长被越来越多的应用,增加光纤在L波段(1560~1625nm)的宏弯及微弯性能就越发重要,由于海缆本身的结构以及所使用的环境决定了海缆中的光纤单元在使用过程中的宏弯损耗是可以忽略不计的,需要密切关注的是光纤的微弯损耗,图2是光纤的微弯示意图。

光纤的接触面因挤压不均匀导致产生μm级或低于mm级的微小弯曲,导致光纤的微弯损耗增加,微弯传输损耗主要是由于模式耦合导致的。

存在微弯损耗的光纤比没有弯曲的光纤在1625nm处,甚至是1550nm处的衰减值明显增高,可见微弯损耗对于长波长衰减有着很大的影响,尤其是在海缆这种要求长距离低衰减的通信系统中,如何控制好微弯损耗就显得尤为重要。

光纤内涂层折射率比石英玻璃偏大且弹性模量较低(几百兆帕),可以很好地缓冲外界的应力,合适厚度的内涂层可以保证光纤良好的抗微弯性能,内涂层直径的理想值在190μm左右;涂层的固化度对光纤的抗微弯性能也有影响,涂层的固化度过低,会影响光纤的衰减、外观及后续的工序,若固化过度,则会引起光纤涂层的降解,因此必须将固化度控制在一合适范围内,因所用涂料不同而异;另外涂层的同心度状况对光纤的微弯性能同样会有影响,这就要求光纤的涂层是均匀的,建议涂覆方式采取湿湿涂覆(wet-on-wet)方式,一方面可以节约空间,增加裸光纤的自然冷却空间,另一方面湿湿涂覆生产出来的光纤同心度也很好,这依赖于模具使用前的调节要到位,可以安装同心度在线监测装置,在线微调模具的状态,以达到较好的涂覆效果,同心度较好的内涂层可以均匀缓冲外界的压力,减少光纤的微弯损耗。

除了上述几个因素会对光纤的微弯损耗造成影响之外,所用的涂料本身的性能也对光纤的微弯性能有着很大的影响,图4是不同涂料系统生产出的光纤进行高低温循环时的衰减情况,全部样品都是采用IECTR62221中测量光纤微弯敏感性的MethodD“Basketweave”法进行测试,在-60℃下,不同光纤的低温性能有着很大的差别,涂料本身的性能对光纤微弯性能有着很大的影响,因此选择一种性能优良的涂料对生产出高质量的光纤来说至关重要。

2.高强度、大盘长

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。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。

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,主要对原材料和拉丝工艺等进行相应的优化。

(1)原材料的优化

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。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,对于将要拉丝的预制棒,可以采取氢氧焰抛光的方式,极大的减少此类缺陷的产生。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。

(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。

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‰左右。

(3)筛选工艺的优化

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。因此我们在筛选工艺上,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-poundpersquareinch,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。

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