海底光纜中的光纖在性能方面有哪些要求

海底光纜要求長距離、低衰減的傳輸，而且要適應(yīng)海底的環(huán)境，對(duì)抗水壓、抗氣損、抗拉伸、抗沖擊的要求都特別嚴(yán)格，因此用于海底光纜的光纖比陸地光纜所用的光纖有更高的要求；要求低損耗、高強(qiáng)度、制造長度長，要求能經(jīng)受強(qiáng)大的壓力和拉力。深海光纜的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜：光纖設(shè)在U形槽塑料骨架中，槽內(nèi)填滿油膏或彈性塑料體形成纖芯。纖芯周圍用高強(qiáng)度的鋼絲繞包，在繞包過程中要把所有縫隙都用防水材料填滿，再在鋼絲周圍繞包一層銅帶并焊接搭縫，使鋼絲和銅管形成一個(gè)抗壓和抗拉的聯(lián)合體。在鋼絲和銅管的外面還要再加一層聚乙烯護(hù)套。這樣嚴(yán)密多層的結(jié)構(gòu)是為了保護(hù)光纖、防止斷裂以及防止海水的侵入。在有鯊魚出沒的地區(qū)，在海纜外面還要再加一層聚乙烯護(hù)套。 典型海底光纜的結(jié)構(gòu)解析

1 聚乙烯層

海底光纜的特殊需求

無論是陸地光纜的設(shè)計(jì)還是海底光纜的設(shè)計(jì)，都是為了能夠保證光纖在相對(duì)穩(wěn)定和安全的環(huán)境中工作，可以做到長期、穩(wěn)定的傳輸光信號(hào)而免受外界干擾，只是根據(jù)光纖所處的環(huán)境不同，對(duì)光纜的制作要求有所不同。海底光纜設(shè)計(jì)必須保證光纖不受外力和環(huán)境影響，其基本要求是：能適應(yīng)海底壓力、磨損、腐蝕、生物等環(huán)境；有合適的鎧裝層防止?jié)O輪拖網(wǎng)、船錨及鯊魚的傷害；光纜斷裂時(shí)，盡可能減少海水滲入光纜內(nèi)的長度；能防止從外部滲透到光纜內(nèi)的氫氣與防止內(nèi)部產(chǎn)生的氫氣；具有一個(gè)低電阻的遠(yuǎn)供電回路；能承受敷設(shè)與回收時(shí)的張力；使用壽命一般要求在25年以上。

海底光纜中光纖的性能要求及生產(chǎn)工藝優(yōu)化

海底光纜要求長距離低衰減的傳輸，而且要適應(yīng)海底的環(huán)境，對(duì)抗水壓、抗氣損、抗拉伸、抗沖擊的要求特別嚴(yán)格。光纖的傳輸容量大，中繼站間的距離長，適用于海底長距離的通信。為滿足這些特定的要求，海底光纜的基本結(jié)構(gòu)是將經(jīng)過一次或兩次涂層處理后的光纖螺旋地繞包在中心，加強(qiáng)構(gòu)件（用鋼絲制成）的周圍，并放在專制的不銹鋼管中，該管外繞高強(qiáng)度拱形結(jié)構(gòu)的鋼絲，鋼絲層又包上銅管，使得光纜鋪設(shè)時(shí)不發(fā)生微/宏彎。最后擠塑外護(hù)套。雖然海纜的制造工藝避免了海纜在鋪設(shè)過程中造成的光纖微/宏彎損耗，但是在海纜生產(chǎn)過程中的不均勻性，使得金屬或油膏對(duì)光纖縱向的擠壓不均勻，導(dǎo)致光纖所受外界的應(yīng)力不均勻，以最大程度地降低光纖的衰減，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的傳輸。用于海底光纜的光纖比陸地光纜所用的光纖有更高的要求；要求低損耗、高強(qiáng)度、制造長度長，要求能經(jīng)受強(qiáng)大的壓力和拉力。

海纜系統(tǒng)的標(biāo)稱工作波長宜為C波段（1530～1560nm）或C+L（1530～1625nm）波段，目前很多廠家所生產(chǎn)的常規(guī)單模光纖在1550nm處的衰減均可達(dá)到0.19dB/km甚至以下，已經(jīng)很接近石英光纖的理論極限最小值，因此對(duì)于海纜用光纖而言，除了光學(xué)傳輸性能以外，主要還是要考慮降低光纖的微彎損耗及高強(qiáng)度、大盤長兩個(gè)方面，另外提高篩選強(qiáng)度，篩選出性能更為優(yōu)良的光纖。

1.優(yōu)化光纖的抗微彎性能

隨著1625nm波長被越來越多的應(yīng)用，增加光纖在L波段（1560～1625nm）的宏彎及微彎性能就越發(fā)重要，由于海纜本身的結(jié)構(gòu)以及所使用的環(huán)境決定了海纜中的光纖單元在使用過程中的宏彎損耗是可以忽略不計(jì)的，需要密切關(guān)注的是光纖的微彎損耗，圖2是光纖的微彎示意圖。

光纖的接觸面因擠壓不均勻?qū)е庐a(chǎn)生μm級(jí)或低于mm級(jí)的微小彎曲，導(dǎo)致光纖的微彎損耗增加，微彎傳輸損耗主要是由于模式耦合導(dǎo)致的。

存在微彎損耗的光纖比沒有彎曲的光纖在1625nm處，甚至是1550nm處的衰減值明顯增高，可見微彎損耗對(duì)于長波長衰減有著很大的影響，尤其是在海纜這種要求長距離低衰減的通信系統(tǒng)中，如何控制好微彎損耗就顯得尤為重要。

光纖內(nèi)涂層折射率比石英玻璃偏大且彈性模量較低（幾百兆帕），可以很好地緩沖外界的應(yīng)力，合適厚度的內(nèi)涂層可以保證光纖良好的抗微彎性能，內(nèi)涂層直徑的理想值在190μm左右；涂層的固化度對(duì)光纖的抗微彎性能也有影響，涂層的固化度過低，會(huì)影響光纖的衰減、外觀及后續(xù)的工序，若固化過度，則會(huì)引起光纖涂層的降解，因此必須將固化度控制在一合適范圍內(nèi)，因所用涂料不同而異；另外涂層的同心度狀況對(duì)光纖的微彎性能同樣會(huì)有影響，這就要求光纖的涂層是均勻的，建議涂覆方式采取濕濕涂覆（wet-on-wet）方式，一方面可以節(jié)約空間，增加裸光纖的自然冷卻空間，另一方面濕濕涂覆生產(chǎn)出來的光纖同心度也很好，這依賴于模具使用前的調(diào)節(jié)要到位，可以安裝同心度在線監(jiān)測(cè)裝置，在線微調(diào)模具的狀態(tài)，以達(dá)到較好的涂覆效果，同心度較好的內(nèi)涂層可以均勻緩沖外界的壓力，減少光纖的微彎損耗。

除了上述幾個(gè)因素會(huì)對(duì)光纖的微彎損耗造成影響之外，所用的涂料本身的性能也對(duì)光纖的微彎性能有著很大的影響，圖4是不同涂料系統(tǒng)生產(chǎn)出的光纖進(jìn)行高低溫循環(huán)時(shí)的衰減情況，全部樣品都是采用IECTR62221中測(cè)量光纖微彎敏感性的MethodD“Basketweave”法進(jìn)行測(cè)試，在-60℃下，不同光纖的低溫性能有著很大的差別，涂料本身的性能對(duì)光纖微彎性能有著很大的影響，因此選擇一種性能優(yōu)良的涂料對(duì)生產(chǎn)出高質(zhì)量的光纖來說至關(guān)重要。

2.高強(qiáng)度、大盤長

海纜的光纖單元相對(duì)于普通光纜而言，除光學(xué)傳輸性能之外，主要的性能提升為高強(qiáng)度和大盤長。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(duì)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。

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(huì)存在一定數(shù)量的微裂紋，集中在裂紋尖端的應(yīng)力會(huì)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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，主要對(duì)原材料和拉絲工藝等進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

（1）原材料的優(yōu)化

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。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(duì)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(huì)對(duì)預(yù)制棒表面形成污染和造成缺陷。這些污染和缺陷對(duì)于拉出的光纖的質(zhì)量，將會(huì)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(huì)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(huì)對(duì)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(huì)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(duì)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(duì)這種情況，對(duì)于將要拉絲的預(yù)制棒，可以采取氫氧焰拋光的方式，極大的減少此類缺陷的產(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。

（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(duì)于要求有高強(qiáng)度和大盤長的光纖產(chǎn)品，對(duì)拉絲工藝也有著特殊的要求。

拉絲爐作為預(yù)制棒熔縮為光纖的場(chǎng)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(duì)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(huì)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(huì)攜帶一些固體雜質(zhì)（通常為氣體管道或者儲(chǔ)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(huì)在光纖表面產(chǎn)生一些微裂紋，也就是薄弱點(diǎn)，這會(huì)對(duì)光纖的強(qiáng)度造成很大的影響。因此我們除了對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)，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(duì)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(duì)于PMD值的改善，也是有著積極的意義。

對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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）篩選工藝的優(yōu)化

考慮到海底光纜使用環(huán)境的特殊性，對(duì)光纖的強(qiáng)度有著特殊要求。因此我們?cè)诤Y選工藝上，對(duì)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(duì)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-poundpersquareinch，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。