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(huán)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(shè)計了一系列的實驗對導(dǎo)致光纖高低溫環(huán)境下附加衰減異常的原因進行了深入探究，并確認了導(dǎo)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(nèi)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(yè)內(nèi)制備不同應(yīng)用場景下的光纖涂料的選型提供了支撐。

【關(guān)鍵詞】光纖;高低溫循環(huán);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(tǒng)在80年代逐步投入商用，光纖的高帶寬、低衰減、穩(wěn)定傳輸?shù)戎T多優(yōu)勢使得光纖通信技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，全球網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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(xiàn)在的信息科技已經(jīng)和光通信技術(shù)到了難解難分的程度。如果沒有光通信技術(shù)，我們將沒有辦法享受到上網(wǎng)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(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，比如極高或者極低的溫度環(huán)境下，而常規(guī)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(zhì)量，國際電信聯(lián)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(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，附加衰減必須小于0.05dB/km。如果光纖在高溫或者低溫環(huán)境下的衰減性能與正常溫度時相差過大，可能會導(dǎo)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(guān)重要。

1. 高低溫環(huán)境下光纖衰減性能的原因分析

根據(jù)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(huán)境下引起的光纖微彎損耗增加，從而影響光通信系統(tǒng)信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。光纖在高溫或者低溫環(huán)境下的微彎損耗增加可能有兩方面的原因?qū)е拢浩湟粸楣饫w在制造成光纜過程中產(chǎn)生的附加應(yīng)力增加，其二便是光纖本身的附加應(yīng)力的殘存。本文主要探究的是光纖本身存在的附加應(yīng)力對高低溫環(huán)境下光纖衰減的影響。

一般而言，光纖生產(chǎn)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(chǎn)生的張力的影響，而導(dǎo)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(yīng)力和為零，此時光纖的衰減性能不發(fā)生任何變化。為了進行實驗驗證上述結(jié)論，我們通過工藝調(diào)控和外力破壞的形式制備了不同樹脂狀態(tài)的光纖進行對比驗證，制備好的光纖進行高低溫循環(huán)測試，測試結(jié)果如圖所示（圖1）。從數(shù)據(jù)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(nèi)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(jié)果，直接證明了光纖涂覆層涂覆不均勻是導(dǎo)致光纖在高低溫環(huán)境下附加衰減值不合格的根本原因，不同程度的不均勻?qū)е碌母郊铀p的變化有所不同。

為了更進一步探究光纖涂覆層的不均勻?qū)饫w受到的應(yīng)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(dǎo)致光纖1550nm處附加衰減值超標的真實原因。在樹脂廠家的協(xié)助下，實驗結(jié)果如圖2所示，存在涂覆層氣泡的光纖經(jīng)過一個高低溫循環(huán)測試過程中氣泡的狀態(tài)。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(fù)到了11um（圖2-3），繼續(xù)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(fā)生明顯變化。

從實驗結(jié)果也證實了我們的推測，在氣泡不均勻分布時，在低溫（-60℃）環(huán)境下，由于氣泡體積的增大，裸光纖受到的應(yīng)力和不再為零，從測試數(shù)據(jù)表現(xiàn)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(dǎo)致裸光纖受到的外部應(yīng)力發(fā)生了變化。

2. 高低溫環(huán)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(fā)現(xiàn)涂覆層樹脂的性能也會對光纖的附加衰減性能產(chǎn)生影響，比如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），固化速度等。

3. 涂料樹脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度對光纖衰減性能的影響

常規(guī)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(shù)85×10-6/K，內(nèi)層涂覆層樹脂固化后的玻璃化轉(zhuǎn)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(shù)僅為4.5×10-6/K。在-60℃時，溫度已經(jīng)低于內(nèi)涂樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，樹脂由高彈態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，剛性增加，不同狀態(tài)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(yīng)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(nèi)層樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，樹脂由玻璃態(tài)基本全部轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，彈性強且對外力的緩沖能力增加，應(yīng)對玻璃膨脹的能力提高，涂覆狀態(tài)與常溫時一致，裸光纖受到的不均勻的應(yīng)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(nèi)涂層樹脂材料玻璃化轉(zhuǎn)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(jié)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(shè)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(jié)果如下，從實驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yīng)力不均勻。此外，圖4-2中固化速度300mJ/cm2對應(yīng)的光纖的附加衰減值在第一個溫度循環(huán)時，明顯超過了0.05dB/km，但是第二個溫度循環(huán)時，附加衰減值下降到合格范圍內(nèi)，原因是第一次溫度循環(huán)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(huán)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(yīng)，反應(yīng)完成后形成一種致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包裹在裸光纖表面，保護光纖免于外力的損壞，但反應(yīng)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(shù)據(jù)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(jīng)歷了一個二次固化的過程。因此從實驗結(jié)果可知，延長固化距離可以一定程度上使涂覆層反應(yīng)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(shù)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(zhì)較多，也間接反映其靈活性不夠，會導(dǎo)致固化后的涂覆層看似均勻，實則存在微觀差異性，表現(xiàn)出來的則是光纖的微彎損耗等參數(shù)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(chǎn)過程中，光纖涂料樹脂中的凝膠、雜質(zhì)等進入到光纖涂覆層中也會導(dǎo)致涂覆層不均勻，進而影響裸光纖在不同溫度下受到的應(yīng)力的不均勻，導(dǎo)致光纖的微彎損耗增加。

造成光纖高低溫環(huán)境下附加衰減增大的原因是光纖涂覆層樹脂不均勻。導(dǎo)致光纖涂覆樹脂缺陷的原因一方面在生產(chǎn)工藝的控制，另一方面則在于涂料樹脂的性能。隨著光纖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光纖的細分領(lǐng)域越來越多，比如醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡、軍事通信、雷達和微波系統(tǒng)方面、光纖水聽器系統(tǒng)和安防監(jiān)控領(lǐng)域等，為了滿足變幻的應(yīng)用場景下的不同需求，在精細化的生產(chǎn)工藝的調(diào)控基礎(chǔ)上，涂料樹脂性能的研究和開發(fā)將成為保證光纖樹脂層涂覆均勻的關(guān)鍵。

參考文獻：

[1]中國數(shù)字科技館，光纖的發(fā)展故事[EB/OL]，2020.

[2]彭楚宇，熊濤.影響光纖高低溫附加損耗的因素探究[J].現(xiàn)代信息科技，2019，3（3）：35-37.

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

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

[5]儲九榮，溫序銘，徐傳驤，吳志勇.UV-光固化光纖涂料的研制[J].影像科學(xué)與光化學(xué)，2000，18（3）：271-276.

[6]張達，姜其斌，方蓉.紫外光固化聚氨酯丙烯酸酯涂料研究進展[J].涂料工業(yè)，2019，49（9）：54-60.