影響光纖高低溫附加損耗的因素探究

彭楚宇 熊濤

摘 要：為了保證光纖在低溫或高溫下的正常工作，需確保光纖在不同溫度環(huán)境下的附加衰減維持在較低的水平。本文通過光纖的高低溫循環(huán)實驗，探究影響光纖環(huán)境溫度性能的因素，實驗結(jié)果表明，提高涂料的流動性、提高光纖涂覆層的固化度、降低涂層內(nèi)部缺陷、使用與拉絲工藝相匹配的涂料可以降低低溫環(huán)境下光纖的附加損耗。本文的研究為改善光纖在惡劣環(huán)境中的使用條件提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：光纖；高低溫循環(huán)；微彎；衰減；附加損耗

中圖分類號：TN818 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）03-0035-03

Research on the Factors Affecting Additional Loss of Optical Fiber at

High and Low Temperatures

PENG Chuyu，XIONG Tao

（Fujikura Optical Fiber Technology Co.，Ltd.，Wuhan 430070，China）

Abstract：In order to ensure the normal operation of optical fibers at low or high temperatures，it is necesSary to ensure that the additional attenuation of optical fibers at different temperatures remains at a low level. In this paper，the factors affecting the ambient temperature performance of optical fibers are explored through high and low temperature cycling experiments of optical fibers. The experimental results show that the additional loss of optical fibers in low temperature environment can be reduced by improving the fluidity of coatings，increasing the curing degree of optical fibers coatings，reducing the internal defects of coatings，and using coatings matching the drawing process. This study provides a theoretical basis for improving the use of optical fibers in harsh environments.

Keywords：optical fiber；high and low temperature cycle；micro bending；attenuation；additional loss

0 引 言

光纖作為光通信傳輸?shù)奈ㄒ恍畔⑤d體，具有衰減小、帶寬高、傳輸穩(wěn)定等優(yōu)勢，被廣泛用于長距離的信息傳輸。常用光纖的工作溫度范圍一般在-40～70℃，當(dāng)光纖的使用溫度超過此范圍時，由于涂料性質(zhì)的變化會引起光纖微彎，使損耗增大，進(jìn)而影響通信線路的傳輸性能。隨著運營商的信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)延伸到極寒極熱或者晝夜溫差極大等環(huán)境惡劣的地區(qū)，若光纖在高溫或低溫下的附加損耗過大，則會導(dǎo)致整個鏈路損耗增大，傳輸距離急劇降低。因此，研究低溫或高溫下光纖的衰減性能，并降低該條件下的溫度附加損耗具有十分重要的意義。

1 實驗部分

溫度循環(huán)實驗方法：取2.2km長的松繞狀態(tài)下的光纖放入高低溫箱中，測量室溫下光纖在不同波長處的衰減，然后以1℃/min的溫度變化速率將溫度調(diào)到-60℃或85℃，并在該溫度下保溫兩小時，然后測定該溫度下光纖在不同波長下的衰減，兩次之間的差值為附加損耗。

2 實驗結(jié)果及分析

光纖由芯層、包層以及涂層三部分組成。其中芯層和包層的主要原料是SiO2，它具有良好的溫度穩(wěn)定性，而涂層的常用原料是丙烯酸樹脂，其性能會隨溫度發(fā)生顯著變化。因此，要保證光纖在低溫或高溫下具有較小的附加損耗，涂層的性能至關(guān)重要。在低溫下，光纖涂層材料的收縮會對光纖表面造成擠壓，導(dǎo)致光纖微彎，使光纖的微彎損耗增加[1]。因此，若光纖涂覆狀態(tài)不好或者涂層異常，會導(dǎo)致低溫下的溫度附加損耗較大。下面對可能影響光纖溫度附加損耗的原因進(jìn)行探究。

2.1 溫度對光纖附加損耗的影響

為了探究溫度對光纖附加損耗的影響，取6盤纖，其中6個樣品做常溫-低溫-高溫-低溫-高溫試驗，另外6個樣品做常溫-高溫-低溫-高溫-低溫試驗。

首先考察光纖低溫-高溫循環(huán)下的附加損耗，低溫-高溫循環(huán)的附加損耗如圖1所示，光纖在第一次低溫時，1550nm波長的附加損耗分布在0.005～0.05dB/km之間，當(dāng)溫度升高后，所有光纖的衰減基本恢復(fù)到常溫水平。當(dāng)溫度第二次降到-60℃時，附加損耗較第一次低溫明顯降低，所有光纖在1550nm波長的附加衰減降到0.01dB/km以下。當(dāng)溫度再次升到85℃時，衰減又恢復(fù)到常溫水平。

接著考察了光纖高溫-低溫循環(huán)下的附加損耗，高溫-低溫循環(huán)的附加損耗如圖2所示，光纖先在85℃下保溫兩小時，其高溫的衰減與室溫相比增加得并不明顯。當(dāng)溫度第一次降低到-60℃時，光纖在1550nm波長處的第一次低溫附加損耗已經(jīng)降低到0.02dB/km以下，第二次低溫的附加損耗與第一次基本持平。

從光纖的低溫-高溫以及高溫-低溫循環(huán)實驗可以看出，當(dāng)光纖經(jīng)歷過高溫保溫后，低溫下的附加損耗明顯降低，第二次高溫基本不再產(chǎn)生影響。推測可能是光纖在高速生產(chǎn)過程中涂料固化不充分，涂層與光纖之間存在局部應(yīng)力。光纖在85℃下保溫時，涂料粘度降低，通過熱處理增強(qiáng)了涂料與光纖之間的附著程度，改善了涂料與光纖之間的涂覆狀態(tài)。因此，當(dāng)光纖經(jīng)歷高溫保溫過程再降到低溫時，附加損耗會明顯降低。

通過上述實驗結(jié)果可以推測得出：涂層的固化度會影響光纖的低溫環(huán)境性能，并且當(dāng)因固化不充分導(dǎo)致的低溫附加損耗偏大時，熱處理能夠起到一定的改善作用。通過生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，可以降低高低溫循環(huán)實驗中首次低溫的附加損耗。

2.2 涂料保溫溫度對溫度附加損耗的影響

涂料的粘度隨溫度變化而變化，在拉絲過程中，通過水浴對涂料進(jìn)行加熱，從而保證涂料在涂覆過程中具有特定的粘度，滿足涂層厚度和涂覆狀態(tài)的控制[2]。不同涂料保溫溫度對光纖高低溫附加損耗的影響如圖3所示，從中可以看出，當(dāng)涂料保溫溫度提高后，光纖的低溫附加損耗有所降低。推測其原因可能是隨著水浴溫度的升高，涂料內(nèi)小分子熱運動加快，涂料的粘度降低，使涂料具有更好的流動性。在這種條件下，涂料與光纖接觸更加充分均勻，增強(qiáng)了內(nèi)涂與光纖之間的粘附力，降低了在低溫下產(chǎn)生的局部應(yīng)力，從而使光纖的低溫附加損耗降低。

雖然提高涂料保溫溫度可以降低涂料粘度，提高涂料的流動性，但是涂料的保溫溫度也不能升得過高，因為當(dāng)涂料溫度過高時，由于涂料粘度過低，流動太快，會使涂料與光纖表面的附著力大幅下降，光纖涂覆不均勻，造成光纖涂層中出現(xiàn)氣泡甚至涂層缺失等現(xiàn)象，大大影響光纖的傳輸性能。因此，在光纖實際生產(chǎn)過程中，需要避免此類情況的發(fā)生。

2.3 固化爐光照度對溫度附加損耗的影響

由于拉絲塔的結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定，在不改變固化爐數(shù)量的前提下，固化爐的工作狀態(tài)是決定涂料固化狀態(tài)的關(guān)鍵因素，而固化爐的工作狀態(tài)的重要衡量指標(biāo)是光照度。通過提高紫外光功率、改善石英管透光率、清潔或更換反射罩可以提高固化爐的光照度。固化爐維護(hù)后光纖的高低溫附加損耗如圖4所示，從中可以看出，當(dāng)固化爐維護(hù)后，光纖的低溫附加損耗較之前有所降低，這是因為提高固化爐的光照度，涂料的光化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得更加充分，涂層固化更加完全，降低了低溫下的附加損耗。

2.4 涂層內(nèi)部缺陷對溫度附加損耗的影響

涂層內(nèi)部缺陷也會直接影響著涂覆光纖的衰減性能。光纖涂層存在氣泡的情況下的光纖高低溫附加損耗如圖5所示，從實驗結(jié)果中可以看出，涂層存在氣泡的光纖在低溫時的附加損耗明顯增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出前文中因固化不完全造成的低溫附加損耗，且附加損耗的值波動較為劇烈，但是高溫時的衰減與室溫相比幾乎沒有什么變化。推測其原因可能是當(dāng)光纖涂層內(nèi)存在氣泡時，隨著溫度的降低，涂層、氣泡以及裸纖逐漸收縮，但是涂層、氣泡及裸纖之間的熱膨脹系數(shù)并不匹配，導(dǎo)致裸纖受到擠壓，產(chǎn)生局部應(yīng)力，造成了附加損耗。由于氣泡在高溫保溫過程中并不會消失，因此，光纖經(jīng)過高溫再降到低溫后，仍然有較大的附加損耗。附加損耗的大小與氣泡的狀態(tài)和數(shù)量有關(guān)，與此同時，涂層細(xì)線、脫落等缺陷均可能導(dǎo)致光纖的低溫附加衰減異常大。

2.5 涂料性質(zhì)對溫度附加損耗的影響

由于裸纖直接與內(nèi)涂接觸，因此涂料性質(zhì)會直接影響光纖衰減及使用壽命。本文僅從理論上介紹涂料性質(zhì)對光纖溫度附加損耗的影響。

為了保證光纖具有較小的溫度附加損耗，光纖內(nèi)涂需具備以下幾個特性：（1）合適的粘度，涂料粘度會影響拉絲過程中涂料的流動性，若涂料粘度不合適，可能導(dǎo)致涂層涂覆不均勻，甚至出現(xiàn)斷流的現(xiàn)象；（2）固化速度快，若固化速度太慢，則涂層固化不完全；（3）低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，當(dāng)光纖在低溫下工作時，低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以確保內(nèi)涂的黏流態(tài)，避免內(nèi)涂由黏流態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生局部應(yīng)力；（4）低的模量，且模量在使用的溫度范圍內(nèi)隨溫度變化較小，保證裸纖與內(nèi)涂之間具有更好的緩沖性能，從而降低微彎損耗[3]。

3 結(jié) 論

對光纖進(jìn)行高低溫循環(huán)實驗的結(jié)果表明：（1）光纖在高溫下保溫時存在熱固化過程，可以使沒有固化完全的涂層充分固化。因此，當(dāng)光纖先經(jīng)歷高溫保溫再降到低溫時，其低溫的附加損耗會降低；（2）提高涂料保溫溫度以及固化爐的光照度可以使涂層固化更加完全，降低低溫下光纖微彎帶來的附加損耗；（3）為保證光纖在低溫下具有較小的附加損耗，需要保證光纖涂層的質(zhì)量，避免涂層中出現(xiàn)氣泡甚至涂層脫落等現(xiàn)象；（4）拉絲過程應(yīng)使用與拉絲工藝相匹配的專用涂料。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李健，王春江，包清，等.光纖復(fù)合架空地線的纜芯低溫?fù)p耗特性 [J].電線電纜，1990（4）：2-5.

[2] 潘豐.光纖涂覆技術(shù)和質(zhì)量控制分析 [C]//中國通信學(xué)會2002年光纜電纜學(xué)術(shù)年會.中國通信學(xué)會2002年光纜電纜學(xué)術(shù)年會論文集.成都：2002：35-45.

[3] 鄒立勇，尤慶亮，范和平，等.紫外光固化新型光纖涂料研究進(jìn)展 [J].江漢大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，42（1）：17-22.

作者簡介：彭楚宇（1993-），男，漢族，湖北十堰人，品質(zhì)工程師，理學(xué)碩士，研究方向：光纖測試；熊濤（1990-），男，漢族，湖北武漢人，品質(zhì)工程師，工學(xué)學(xué)士，研究方向：光纖測試。