對光纖高低溫衰減性能失效的原因探究

韓玉平　呂凈宇

【摘要】為了保證光纖在高低溫環境下正常工作，光纖的衰減性能的變化值需要維持在較低的水平。本文通過設計了一系列的實驗對導致光纖高低溫環境下附加衰減異常的原因進行了深入探究，并確認了導致光纖高低溫性能失效的根本原因為光纖涂敷的均勻性，而內涂涂料樹脂的性能會一定程度上影響光纖涂覆的均勻性，本文的研究為未來行業內制備不同應用場景下的光纖涂料的選型提供了支撐。

【關鍵詞】光纖;高低溫循環;附加衰減;光纖涂料

中圖分類號：G212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.09.082

隨著光纖通信系統在80年代逐步投入商用，光纖的高帶寬、低衰減、穩定傳輸等諸多優勢使得光纖通信技術取得了飛速的發展，全球網絡建設更是如火如荼的進行，大到國家信息高速公路，小到光纖入戶，現在的信息科技已經和光通信技術到了難解難分的程度。如果沒有光通信技術，我們將沒有辦法享受到上網看電影的樂趣，也享受不到3G、4G以及5G移動通信帶來的各種便利。隨著需求的增加，光通信技術的應用領域也越來越廣泛，比如極高或者極低的溫度環境下，而常規認定光纖的工作溫度范圍一般在-40～70℃之間，為了保證光纖的傳輸質量，國際電信聯盟（ITU）對光纖的高低溫測試提出的要求是：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，附加衰減必須小于0.05dB/km。如果光纖在高溫或者低溫環境下的衰減性能與正常溫度時相差過大，可能會導致信息傳輸中斷，嚴重影響客戶的使用，所以保障光纖的高低溫性能至關重要。

1. 高低溫環境下光纖衰減性能的原因分析

根據目前的研究可知，光纖的高低溫衰減性能失效的主要原因為高溫或者低溫環境下引起的光纖微彎損耗增加，從而影響光通信系統信號傳輸的穩定性。光纖在高溫或者低溫環境下的微彎損耗增加可能有兩方面的原因導致：其一為光纖在制造成光纜過程中產生的附加應力增加，其二便是光纖本身的附加應力的殘存。本文主要探究的是光纖本身存在的附加應力對高低溫環境下光纖衰減的影響。

一般而言，光纖生產采用加壓涂敷模式，涂覆后，可以看作光纖表面涂覆樹脂均勻無缺損。在不受任何其他外力的作用的前提下，光纖表面的涂料樹脂涂覆均勻無缺陷的話，光纖僅受到其表面樹脂產生的張力的影響，而導致光纖表面樹脂張力變化的原因可能是溫度、壓力等外界因素。在這種情況下，在光纖的橫截面方向上，可認為來自各個方向的力相互抵消，即光纖受到的應力和為零，此時光纖的衰減性能不發生任何變化。為了進行實驗驗證上述結論，我們通過工藝調控和外力破壞的形式制備了不同樹脂狀態的光纖進行對比驗證，制備好的光纖進行高低溫循環測試，測試結果如圖所示（圖1）。從數據可知，當光纖涂覆層樹脂存在壓傷、固化不良、氣泡等缺陷時（圖1-2，1-3，1-4），光纖在1550nm波長下的附加衰減值均會超過0.05dB/km（圖1-5），當涂覆層樹脂內部存在氣泡時的附加衰減值甚至超過了1.0dB/km（圖1-5，紅色曲線），而光纖樹脂均勻無缺損時，1550nm波長下的附加衰減值≤0.05dB/km（圖1-5，黑色曲線），基本沒有變化。實驗結果，直接證明了光纖涂覆層涂覆不均勻是導致光纖在高低溫環境下附加衰減值不合格的根本原因，不同程度的不均勻導致的附加衰減的變化有所不同。

為了更進一步探究光纖涂覆層的不均勻對光纖受到的應力影響的差異，我們以光纖涂覆層樹脂中存在氣泡為研究對象進行了進一步的實驗，分析導致光纖1550nm處附加衰減值超標的真實原因。在樹脂廠家的協助下，實驗結果如圖2所示，存在涂覆層氣泡的光纖經過一個高低溫循環測試過程中氣泡的狀態。從圖中可以明顯看出，當溫度從室溫23℃降低到-60℃時，涂覆層中的氣泡直徑從11um增大到28um（圖2-1，2-2），相當于氣泡的體積增大了16倍。當溫度重新回升到23℃后，氣泡又恢復到了11um（圖2-3），繼續升高溫度到85℃時，氣泡的直徑依然保持在11um左右（圖2-4），體積沒有發生明顯變化。

從實驗結果也證實了我們的推測，在氣泡不均勻分布時，在低溫（-60℃）環境下，由于氣泡體積的增大，裸光纖受到的應力和不再為零，從測試數據表現出來的則是在1550nm波長處，光纖附加衰減值超過了0.05dB/km。上述實驗說明在不同的溫度下，光纖涂覆層的不均勻確實導致裸光纖受到的外部應力發生了變化。

2. 高低溫環境下涂料樹脂性能對光纖衰減性能的影響

除了光纖涂覆層的均勻性外，我們還發現涂覆層樹脂的性能也會對光纖的附加衰減性能產生影響，比如玻璃化轉變溫度（Tg），固化速度等。

3. 涂料樹脂玻璃化轉變溫度對光纖衰減性能的影響

常規使用的涂覆層樹脂的主要成分為70%-80%左右的丙烯酸酯，其熱膨脹系數85×10-6/K，內層涂覆層樹脂固化后的玻璃化轉變溫度Tg在-30～-40℃之間，而裸光纖玻璃二氧化硅的熱膨脹系數僅為4.5×10-6/K。在-60℃時，溫度已經低于內涂樹脂的玻璃化轉變溫度Tg，樹脂由高彈態逐漸轉變為玻璃態，剛性增加，不同狀態的樹脂的收縮程度不同但是收縮程度均大于玻璃的收縮，因此裸光纖受到的應力變得不均勻，附加衰減增大，光纖微彎損耗增大;當溫度升高到85℃時，溫度遠遠高于內層樹脂的玻璃化轉變溫度Tg，樹脂由玻璃態基本全部轉變為高彈態，彈性強且對外力的緩沖能力增加，應對玻璃膨脹的能力提高，涂覆狀態與常溫時一致，裸光纖受到的不均勻的應力也與常溫時基本保持一致，因此附加衰減值基本沒有變化，光纖的微彎損耗也沒有明顯變化。

為了驗證內涂層樹脂材料玻璃化轉變溫度Tg對光纖低溫性能的影響，我們選擇了不同的Tg的樹脂進行實驗，光纖均采用加壓涂覆且光纖涂覆層均勻無缺陷。實驗結果如下圖3所示，涂料樹脂A的Tg為-25℃高于涂料樹脂B（Tg為-32℃）和C（Tg為-45℃），在-60℃時，涂覆涂料樹脂A的光纖在1550nm處的附加衰減值在0.025dB/km左右，明顯大于樹脂B和C涂覆的光纖的附加衰減。說明在光纖表面涂覆層樹脂涂覆均勻時，樹脂材料的Tg對光纖的高低溫性能確實存在影響。

4. 涂料樹脂的固化速度對光纖衰減性能的影響

驗證涂覆樹脂固化速度對光纖1550nm處附加衰減性能的影響，我們設計了兩組實驗：（1）在固化距離3米時不同固化速度的樹脂涂覆光纖和（2）同一樹脂不同的固化距離涂覆的光纖進行驗證，實驗結果如下，從實驗數據可知（圖4-1），在固定3m的固化距離的前提下，對于固化速度為300mJ/cm2的涂料樹脂而言，涂覆層固化度只有72%，而100mJ/cm2固化度接近100%，圖4-2的數據表明光纖的固化度越低，其1550nm處附加衰減值變化越大。說明涂覆層固化不良造成了光纖涂覆層的不均勻，光纖受到的應力不均勻。此外，圖4-2中固化速度300mJ/cm2對應的光纖的附加衰減值在第一個溫度循環時，明顯超過了0.05dB/km，但是第二個溫度循環時，附加衰減值下降到合格范圍內，原因是第一次溫度循環中，當溫度升高到85℃時，對光纖表面的涂覆層進行了二次熱固化，因此涂覆層相較于第一個溫度循環變得更加均勻，光纖的附加衰減值降低，微彎損耗降低。

圖4-3驗證了固化距離對固化度的影響，因為涂料樹脂的固化是一種高分子聚合反應，反應完成后形成一種致密的網狀結構包裹在裸光纖表面，保護光纖免于外力的損壞，但反應需要一定的時間，而固化距離越長，則提供樹脂固化的時間則越長，樹脂固化的越均勻。從圖4-4的數據中明顯看出，固化距離5m時，1550nm處光纖的附加衰減值基本沒有明顯變化，而3m的固化距離則經歷了一個二次固化的過程。因此從實驗結果可知，延長固化距離可以一定程度上使涂覆層反應的更加徹底，光纖的涂覆更加均勻。

對于高分子樹脂而言，其他的性能如模量、粘度等參數可能也會光纖的衰減性能造成影響，比如樹脂的粘度較大時，其中的大分子物質較多，也間接反映其靈活性不夠，會導致固化后的涂覆層看似均勻，實則存在微觀差異性，表現出來的則是光纖的微彎損耗等參數的變化。樹脂涂料的成分較多，可能依然存在其他未知的影響。此外，光纖生產過程中，光纖涂料樹脂中的凝膠、雜質等進入到光纖涂覆層中也會導致涂覆層不均勻，進而影響裸光纖在不同溫度下受到的應力的不均勻，導致光纖的微彎損耗增加。

造成光纖高低溫環境下附加衰減增大的原因是光纖涂覆層樹脂不均勻。導致光纖涂覆樹脂缺陷的原因一方面在生產工藝的控制，另一方面則在于涂料樹脂的性能。隨著光纖產業的發展，光纖的細分領域越來越多，比如醫學內窺鏡、軍事通信、雷達和微波系統方面、光纖水聽器系統和安防監控領域等，為了滿足變幻的應用場景下的不同需求，在精細化的生產工藝的調控基礎上，涂料樹脂性能的研究和開發將成為保證光纖樹脂層涂覆均勻的關鍵。

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