偏振保持光纖機械可靠性試驗分析

王東波

摘 ?要：該文介紹了偏振保持光纖的機械可靠性機理，包括光纖中缺陷形成的原理、光纖中裂紋生長原理等。在此基礎之上給出了表征光纖機械可靠性的3種試驗方法：張力篩選、動態(tài)拉伸和應力腐蝕敏感性。并分別對這3種試驗方法特點進行了分析與討論，給出了這3種試驗方法的試驗裝置及具體試驗步驟，最后指出了在偏振保持光纖領域目前普遍使用的驗證機械可靠性性能所使用的具體方案。

關(guān)鍵詞：偏振保持光纖 ?張力篩選 ?動態(tài)拉伸 ?應力腐蝕敏感性

中圖分類號：TN818 ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）05（b）-0068-03

在特種光纖領域，偏振保持光纖由于其獨特的偏振保持傳輸性能而被廣泛應用于慣性導航系統(tǒng)中。偏振保持光纖的機械可靠性是決定光纖使用壽命的關(guān)鍵因素之一，作為慣性導航系統(tǒng)中光信號的主要傳播介質(zhì)，保偏光纖機械可靠性的質(zhì)量決定了慣性導航系統(tǒng)的運行可靠性。多年來國內(nèi)外研究機構(gòu)對石英光導纖維斷裂機理和斷裂端口形態(tài)進行了深入研究，取得了許多顯著成果。但對于偏振保持光纖這種剖面結(jié)構(gòu)非圓對稱的特種光纖的機械可靠性研究相對較少，隨著偏振保持光纖日益廣泛地應用于光纖陀螺等慣性導航器件領域，由于其在整體系統(tǒng)中的重要作用，其機械可靠性已成為必須在應用領域評估的關(guān)鍵指標之一[1]。該文分析了保偏光纖的機械可靠性機理，分析了表征熊貓型保偏光纖機械可靠性的3種試驗方法。包括張力篩選、動態(tài)拉伸試驗和應力腐蝕敏感性試驗，最后分析和評估了這3種測試方法的特征。

1 ?光纖機械可靠性機理

1.1 光纖中的缺陷

從應力區(qū)域的結(jié)構(gòu)可以將保偏光纖分為熊貓型、蝶結(jié)型和橢圓型。文中所介紹的偏振保持光纖是熊貓型結(jié)構(gòu)。從光纖端面來看，該型光纖是由纖芯、隔離層和對稱圓形應力區(qū)組成的波導結(jié)構(gòu)，其纖芯位于光纖端面的中心，并具有最高的折射率。主要成分是高純度二氧化硅（SiO2）（雜質(zhì)含量為ppm），為了獲得更高的折射率，少量摻雜劑摻入其中，通常主要是氧化鍺（GeO2）。光導纖維隔離層的材料是高純度二氧化硅（雜質(zhì)含量為ppm級）。二氧化硅材料的X射線衍射分析證明：硅四面體是熔融石英和晶體石英的基本結(jié)構(gòu)單元，硅四面體之間的旋轉(zhuǎn)角完全無序。這充分表明，在石英中，硅氧四面體不可能通過邊緣或面連接，而只能通過頂角連接。形成發(fā)展成三維空間的框狀結(jié)構(gòu)，并且石英材料的微結(jié)構(gòu)如圖1所示。石英材料本身是一種具有高硬度的脆性材料。它的機械強度水平由其微結(jié)構(gòu)中的Si-O鍵的化學鍵合力決定。

如果拋開其他因素，僅僅分析材料結(jié)構(gòu)理論，那么石英光纖的強度可以達到300N以上（對于Φ125μm光纖而言）。但實際上，常規(guī)光纖所能夠承受的拉伸應力遠遠小于該理論計算值，這其中的主要原因是：普通的石英光纖和內(nèi)表面存在許多非常小的缺陷，這些缺陷通常被稱為微裂紋。當石英纖維的表面受到外力時，微裂紋變大和變長，最終導致光纖斷裂。即使沒有受到外力作用，這些微裂紋也會隨著時間的增加而生長，此外，如果石英光纖所處環(huán)境惡劣，這些微裂紋還會在潮濕和其他因素的影響下加速生長。因此，光導纖維的機械強度不是反映材料本身特性的參數(shù)，而是反映石英表面缺陷尺寸分布的統(tǒng)計參數(shù)[2]。同時，通過機械強度的篩選，也可以降低今后發(fā)生斷裂的概率，提高光纖的工作可靠性。

光纖中存在的缺陷根據(jù)分布位置的不同可以分為內(nèi)部缺陷和表面缺陷。表面缺陷是在預制棒加工工藝過程中引入的，例如在操作過程中有硬物將預制棒表面劃傷，加工過程中的環(huán)境清潔度不高，導致雜質(zhì)粘附在預制件表面上。表面缺陷對光導纖維的機械可靠性具有更大和更重要的影響，并且其生產(chǎn)過程更復雜。

1.2 裂紋生長理論

通常，脆性材料的表面在存在微裂紋或缺陷的情況下易于破裂，所述微裂紋或缺陷非常容易受水分、灰塵或化學品的影響。在外力的作用下，應力集中發(fā)生在裂紋尖端，當裂紋擴展達到一定的臨界值時，會導致光導纖維強度降低而破裂。

光導纖維表面的微裂紋將在外部水蒸氣和應力的作用下生長。因此，隨著時間的延續(xù)，這些微裂紋的不斷擴展是影響光導纖維機械可靠性的關(guān)鍵因素。根據(jù)最薄弱理論來進行推算，對于一顆光纖而言，其因斷裂而導致失效的概率分布是沿著光纖表面的所有裂紋強度分布的組合。光導纖維的強度分布可以通過一定的機械強度試驗方法獲得，這樣，我們就可以通過結(jié)合光纖強度分布和微裂紋的生長趨勢來綜合評估光纖在使用過程中的機械可靠性（也就是光纖使用壽命）（見圖2）。

1.3 保偏光纖中的裂紋（缺陷）及其生長

就偏振保持光纖而言，其缺陷及裂紋生長的原理與普通石英光纖是一致的，但也有其特殊性：首先，偏振保持光纖的結(jié)構(gòu)不同。為了實現(xiàn)線偏振光的偏振態(tài)傳輸，偏振保持光纖在結(jié)構(gòu)上不同于普通的石英光纖，圓形應力區(qū)對稱分布在芯的兩側(cè)。這兩個應力區(qū)的摻雜劑成份不同于普通光纖中的二氧化硅材料，通常采用的是氯化硼，此外，氯化硼的含量遠高于核中氧化鈰的含量。不同摻雜劑的引入降低了偏振保持光纖本身的機械強度。其次，偏振保持光纖的制作工藝復雜，工序繁多，這也就造成在偏振保持光纖的生產(chǎn)過程中有更大概率引進各種各樣的雜質(zhì)，同時，在隨后的加工中，預制件表面上的微裂紋相應地更多。最后，偏振保持光纖主要應用于慣性導航系統(tǒng)，工作環(huán)境復雜，光纖更容易受到各種因素的影響而加速其表面裂紋的生長。

2 ?光纖機械可靠性試驗

2.1 張力篩選試驗

張力篩選是光纖制造業(yè)中常用的標準機械可靠性測試方法。對于標準直徑為Φ125μm的保偏光纖，常用的篩選強度為1%應變篩選（690MPa）。然而，當光纖受到瞬時拉應力時，張力篩選過程本身也是加速疲勞和光纖損壞的過程。這將不可避免地導致表面微裂紋尺寸的增加，從而降低纖維的強度水平。

普通張力篩選試驗裝置如圖3所示：它是一組恒定的彎曲應變篩選試驗，A、B和C是3個輥子，它們圍繞它們各自的軸自由旋轉(zhuǎn)，它們的軸線彼此平行。偏振保持光纖在足夠的張力牽引下穿過3個自由旋轉(zhuǎn)的彎曲形狀的輥子，并且光纖的彎曲與3個輥子陣列的幾何形狀保持一致。根據(jù)光纖涂覆層的厚度，選擇合適的輥直徑，使得由于彎曲引起的光纖表面的最大應變等于所需的應變。為了確保對光纖表面的所有部分施加基本恒定的最大應變，應該使用與第一輥成一定角度的幾組輥。通常可以使用彼此成45°角的4個輥組。在測試開始之前，需要調(diào)整光纖放線和收線裝置，以避免偏振保持光纖在快速通過測試裝置時失真[3]。

2.2 光纖動態(tài)拉伸試驗

該測試通過改變應變速率來驗證保偏光纖的疲勞性能，所使用的檢測設備的示意圖如圖4所示。該試驗方法適用于斷裂應力值的對數(shù)與應變速率的對數(shù)呈線性關(guān)系的光纖和應變速率。

試驗中使用的保偏光纖的長度應不小于500mm，并應對被測樣品的末端進行夾緊，確保在拉動時光纖不會滑動，導致測試數(shù)據(jù)失真，必要時可用膠帶固定。光纖在輪盤上依次纏繞，不應有交叉。在光纖伸長之前，兩個軸芯之間的光纖長度應不小于500mm。同時，在進行拉伸試驗時必須確保纏繞在輪子上的光纖不會受到彎曲應力，否則可能會導致光纖斷裂。對于Φ125μm偏振保持光纖而言，最小輪盤直徑應大于50mm，彎曲應力不應超過175MPa。有兩種不同的對光纖施加應力的方法，但基本原理是相同的。伸長率表示為每分鐘標距長度的百分比。

2.3 光纖應力腐蝕敏感性試驗

應力腐蝕敏感性試驗是在應力施加條件下加速保偏光纖的老化，以確定在特定應力條件下光纖的實際使用壽命。經(jīng)過該試驗，我們可以得到保偏光纖的應力腐蝕靈敏度參數(shù)。測量應力腐蝕敏感度參數(shù)時我們需要遵循的原則是：任何纖維的機械測試應基于模擬的斷裂應力和疲勞特性，盡可能接近實際應用。

應力腐蝕敏感性試驗中的一種試驗方法是將光纖彎曲到一個恒定的彎曲半徑，使光纖處于較大的彎曲應力狀態(tài)下，實質(zhì)是加速了光纖的老化，在這種極限條件下，觀察并測量光纖的斷裂時間。通過對很多組不同彎曲半徑的光纖進行斷裂時間的測試，就可以得到不同彎曲應力條件下光纖斷裂時間和斷裂應力的相應數(shù)據(jù)。該試驗中的光纖的應力狀態(tài)可以通過半圓形彎曲來近似。半圓形彎曲沿著光纖的長度引起均勻的彎曲。當光纖斷裂時，退化強度等于已知的彎曲應力。試驗裝置的示意圖見圖5。

3 ?結(jié)語

該文介紹了保偏光纖的機械可靠性原理，并具體分析了光纖裂紋（缺陷）的成因和生長理論。然后介紹了保偏光纖機械可靠性試驗的具體方法，重點分析了目前使用的光纖張力篩選試驗。詳細介紹了纖維動態(tài)拉伸試驗和纖維應力敏感參數(shù)測量的基本方法和原理。這些測試對于評估光纖的機械性能是必要的，特別是對于對偏振保持光纖具有高機械可靠性要求的特殊光纖。必須采取多種手段驗證其真實的強度水平以確保光纖在實際工作環(huán)境下的使用壽命。

參考文獻

[1] 林翔云.淺析影響保偏光纖強度的因素[J].天津科技，2017，44（5）：67-69.

[2] Glaesemann， S.T.Gulati.Design methodology for the mechamicalreliability of optical fiber[J].Optical Engineering，June，1991，30（6）：709-715.

[3] 中華人民共和國國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 15972.3-1998，中華人民共和國國家標準[S].北京：中國標準出版社，1998.