微細(xì)光纜靜水高壓環(huán)境下的傳輸衰減特性試驗(yàn)研究

沈明學(xué)，王 磊，黃劍平，崔維成

（1哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001；2中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082；3中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十三研究所，上海 200437）

微細(xì)光纜靜水高壓環(huán)境下的傳輸衰減特性試驗(yàn)研究

沈明學(xué)1,2，王 磊2，黃劍平3，崔維成2

（1哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001；2中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082；3中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十三研究所，上海 200437）

最近我國(guó)也研制成功了微細(xì)光纜，該光纜直徑小于1mm，極限拉伸強(qiáng)度約400N。如果它在高壓環(huán)境下的傳輸衰減特性能滿足要求，則它在很多水下工程結(jié)構(gòu)如各類大潛深潛水器以及海底觀測(cè)基站上會(huì)有很廣泛的應(yīng)用前景。文章的主要目的就是介紹該種國(guó)產(chǎn)微細(xì)光纜在靜水高壓環(huán)境下的傳輸損耗試驗(yàn)情況。文中對(duì)微細(xì)光纜的靜水高壓傳輸損耗試驗(yàn)進(jìn)行了介紹和描述，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了初步分析，獲得了一些有用的結(jié)論。

微細(xì)光纜；光學(xué)傳輸；光學(xué)衰減

1 引 言

光纖纜是現(xiàn)今唯一一種可以在水下進(jìn)行長(zhǎng)距離、高速率傳輸數(shù)據(jù)的傳輸介質(zhì)。微細(xì)光纜是一種直徑在1mm左右的光纖纜，它與傳統(tǒng)的光纖纜相比具有重量輕、成本低等特點(diǎn)。采用微細(xì)光纜取代深海潛水器的金屬導(dǎo)線，對(duì)于深海潛水器來說，有著相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)[2]。現(xiàn)在它已越來越多地在水下工程中得到應(yīng)用，其主要用途是用于各種水下數(shù)據(jù)信息的傳輸[11-15]。

微細(xì)光纜應(yīng)用到深海潛水器或其它深海裝備或設(shè)施時(shí)，有一個(gè)重要的問題需要解決，即光纜的深海傳輸損耗或衰減問題。微細(xì)光纜在深海的傳輸損耗最主要的原因是微細(xì)光纜受到深海壓力導(dǎo)致徑向壓縮不均勻產(chǎn)生微彎而引起傳輸損耗。本文在最大靜水壓力可達(dá)70MPa的模擬深水環(huán)境下對(duì)這種傳輸損耗進(jìn)行了測(cè)試和測(cè)量。

2 微細(xì)光纜樣品

此次試驗(yàn)選用的微細(xì)光纜樣品由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十三研究所生產(chǎn)，試驗(yàn)微細(xì)光纜長(zhǎng)度約4km。由于微細(xì)光纜小直徑高強(qiáng)度的要求，利用傳統(tǒng)意義上的成纜技術(shù)和工藝將會(huì)很困難。根據(jù)微細(xì)光纜的使用要求和二十三所之前研究微細(xì)光纜的技術(shù)基礎(chǔ)，參考國(guó)外同類產(chǎn)品，最終樣品的研制是利用已有的抗彎曲、耐疲勞微細(xì)光纜，進(jìn)一步設(shè)計(jì)合適的結(jié)構(gòu)，選擇合適的增強(qiáng)和膠合材料，利用增強(qiáng)纖維增強(qiáng)和涂膠一次完成工藝制作微細(xì)光纜。微細(xì)光纜樣品的剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示，樣品實(shí)物如圖2所示。

圖3 微細(xì)光纜成纜過程Fig.3 Production process of the FOMC

微細(xì)光纜的特點(diǎn)為小纖芯直徑，具有凹陷內(nèi)包層和比工作波長(zhǎng)略大的截止波長(zhǎng)；碳密封涂覆，抗彎曲、耐疲勞；光纖材料為純石英。

其主要指標(biāo)如下：

3 微細(xì)光纜試驗(yàn)用水密穿艙件

在壓力筒進(jìn)行微細(xì)光纜的高水壓試驗(yàn)時(shí)，需要解決微細(xì)光纜從壓力筒引出時(shí)的高壓密封問題?？梢酝ㄟ^購(gòu)置商業(yè)化的光纖水密接插件產(chǎn)品作為貫穿件以解決光纜的高壓密封問題。水密接插件產(chǎn)品價(jià)格昂貴而且尺寸大小固定，定制需要一定的時(shí)間周期等。為了對(duì)微細(xì)光纜這種小直徑光纜進(jìn)行靜水高壓試驗(yàn)，專門設(shè)計(jì)了一種微細(xì)光纜壓力筒水密穿艙件，其密封可靠，造價(jià)低，尺寸與試驗(yàn)設(shè)備已有的貫穿件匹配，使用簡(jiǎn)單。

該水密穿艙件采用不銹鋼制成，下端為一段空腔錐體，中間為空腔的柱體，上端為帶有螺紋的封蓋。其密封形式主要采用用環(huán)氧樹脂填充空腔的方法實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。為滿足環(huán)氧樹脂固化條件，選擇照明燈和加熱器共同加熱來保證其固化溫度，如圖5所示。固化后的水密穿艙件和已有的壓力筒貫穿件配合進(jìn)行靜水高壓下的密封，如圖6所示。試驗(yàn)證明，此種方法是可靠的，在加壓與保壓過程中沒有發(fā)生任何泄漏。

4 靜水高壓試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

此次微細(xì)光纜樣品光透射性能變化的性能指標(biāo)最大值標(biāo)準(zhǔn)為0.2dB/km。因此，微細(xì)光纜的傳輸損耗能否滿足深海潛水器通信主要由以下兩個(gè)指標(biāo)決定：

（1）總的傳輸損耗必須滿足光端機(jī)所允許的總損耗范圍；

（2）微細(xì)光纜在深水環(huán)境下，光透射性能變化符合指標(biāo)以滿足通信需求。

試驗(yàn)即針對(duì)上述兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量測(cè)試，檢驗(yàn)此種微細(xì)光纜能否滿足深海潛水器應(yīng)用的指標(biāo)要求。

4.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)地點(diǎn)在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心深海環(huán)境壓力實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)流程如圖7所示。

圖6 微細(xì)光纜壓力筒水密穿艙件使用示意圖Fig.6 FOMC penetrator connecting to pressure tank

圖7 微細(xì)光纜試驗(yàn)過程Fig.7 Test procedure

在加壓過程中實(shí)時(shí)測(cè)量微細(xì)光纜傳輸損耗，每隔五分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中使用的測(cè)量微細(xì)光纜傳輸損耗的儀器—光時(shí)域反射儀（OTDR）如圖8所示。此OTDR可以測(cè)量?jī)煞N波長(zhǎng)光（1 310nm和1 550nm）的傳輸損耗。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)壓力隨時(shí)間變化情況如圖9所示。圖10和圖11分別為波長(zhǎng)1 310nm和1 550nm的光損耗曲線。

從圖10和圖11可以看出微細(xì)光纜光學(xué)傳輸隨壓力變化確實(shí)存在一定程度的損耗，且損耗隨著壓力的增大而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，當(dāng)壓力達(dá)到70MPa時(shí)，損耗達(dá)到最大值。光透射性能最大變化分別為0.015dB/km（1 310nm）和0.059dB/km（1 550nm），這均符合指標(biāo)要求。從圖中還可看出，加壓和卸壓過程中，光損耗在同一壓力下并不是對(duì)稱的，而是在卸壓過程中的損耗一定程度上大于加壓過程中的損耗，但是當(dāng)卸壓完全完成時(shí)，光損耗基本又回到初始值。這證明，此種光纜的加強(qiáng)材料是可行的，其對(duì)光纖產(chǎn)生的壓力并沒有使得光纖產(chǎn)生較大的塑性變形，當(dāng)回到常壓時(shí)，基本又可以回到初始狀態(tài)。此外，從圖中還可看出波長(zhǎng)1 550nm的光比波長(zhǎng)1 310nm的光透射性能隨壓力變化要明顯得多，這也符合理論分析，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中，前者確實(shí)對(duì)應(yīng)力比較敏感。

圖12和圖13給出了微細(xì)光纜在40MPa壓力下的光學(xué)損耗衰減變化曲線，而圖14和圖15則給出了微細(xì)光纜在70MPa壓力下的光學(xué)損耗衰減變化曲線。

微細(xì)光纜設(shè)計(jì)深度為4 000m，極限深度為7 000m。因此，在4 000m及7 000m的模擬深度環(huán)境下，光損耗性能將成為衡量指標(biāo)是否滿足要求的關(guān)鍵。從上圖可以看出，40MPa下加壓時(shí)，以1 310nm波長(zhǎng)進(jìn)行傳輸時(shí)的光損耗最大變化為0.005dB/km，1 550nm波長(zhǎng)時(shí)的光損耗最大變化為0.032dB/km；卸壓時(shí)1 310nm波長(zhǎng)的光損耗最大變化為0.014dB/km，1 550nm的光損耗最大變化為0.053dB/km；70MPa下1 310nm的光損耗最大變化為0.015dB/km，1 550nm的光損耗最大變化為0.059dB/km。以上結(jié)果均符合指標(biāo)（＜0.2dB/km）要求，這表明該微細(xì)光纜可以滿足4 000m甚至7 000m深水環(huán)境的通信之用。

4 結(jié) 語

本文主要介紹了微細(xì)光纜深海傳輸損耗試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)整理如表1所示。

表1 微細(xì)光纜光損耗變化表Tab.1 FOMC attenuation during test

根據(jù)參考文獻(xiàn)[13-15]，“UROV7K”潛水器30km微細(xì)光纜的總傳輸損耗分別＜12dB和＜9dB，因此，其使用的微細(xì)光纜在傳輸波長(zhǎng)1 310nm時(shí)的光損耗＜0.4dB/km，波長(zhǎng)1 550nm時(shí)的光損耗＜0.3dB/km。而從本次試驗(yàn)結(jié)果的分析可以得出，在模擬環(huán)境下的水壓變化過程中（自常壓至70MPa或自70MPa至常壓），試驗(yàn)期間光損耗最大值分別為0.015dB/km（波長(zhǎng)1 310nm）和0.059dB/km（波長(zhǎng)1 550nm）。試驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)樣品光損耗性能優(yōu)于參考文獻(xiàn)中的相關(guān)指標(biāo)。此外，通過試驗(yàn)證明，該微細(xì)光纜的損耗性能處于參考文獻(xiàn)[3]開發(fā)的潛水器樣機(jī)所使用的光端機(jī)允許的總損耗范圍內(nèi)（允許的光纖傳輸總損耗分別為16.5dB和30.5dB）。

微細(xì)光纜深海模擬試驗(yàn)的完成，證明了微細(xì)光纜應(yīng)用于深海潛水器通信的可行性。通過本次模擬深海壓力試驗(yàn)，獲得重要的實(shí)際測(cè)量參數(shù)將為微細(xì)光纜應(yīng)用于深海工程通信提供寶貴的試驗(yàn)依據(jù)與數(shù)據(jù)積累。

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Experimental study on transmission attenuation of Fiber Optical Micro Cable under high hydraulic pressure

SHEN Ming-xue1,2,WANG Lei2,HUANG Jian-ping3,CUI Wei-cheng2
(1 Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;3 The 23rd Research Institute,CETC,Shanghai 200437,China)

A kind of Fiber Optical Micro Cable(FOMC)was developed recently in China.The diameter of FOMC is only about 1mm but with an ultimate tensile strength of 400N.This FOMC can be widely used in many underwater engineering structures such as submersibles and subsea stations if its transmission attenuation under high hydraulic pressure is also good.The purpose of this paper is to introduce this issue.The high hydraulic pressure test of FOMC’s transmission attenuation is introduced.The test procedure and the test results are presented and some useful conclusions are drawn.

Fiber Optical Micro Cable(FOMC);optical transmission;optical attenuation

U674.941

A

1007-7294（2010）07-0789-06

2010-01-17

沈明學(xué)（1978-），男，中國(guó)船舶科學(xué)研究中心工程師，哈爾濱工程大學(xué)博士生。

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