微细光缆静水高压环境下的传输衰减特性试验研究

沈明学，王 磊，黄剑平，崔维成

（1哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001；2中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；3中国电子科技集团公司第二十三研究所，上海 200437）

微细光缆静水高压环境下的传输衰减特性试验研究

沈明学1,2，王 磊2，黄剑平3，崔维成2

（1哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001；2中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；3中国电子科技集团公司第二十三研究所，上海 200437）

最近我国也研制成功了微细光缆，该光缆直径小于1mm，极限拉伸强度约400N。如果它在高压环境下的传输衰减特性能满足要求，则它在很多水下工程结构如各类大潜深潜水器以及海底观测基站上会有很广泛的应用前景。文章的主要目的就是介绍该种国产微细光缆在静水高压环境下的传输损耗试验情况。文中对微细光缆的静水高压传输损耗试验进行了介绍和描述，并对试验结果进行了初步分析，获得了一些有用的结论。

微细光缆；光学传输；光学衰减

1 引 言

光纤缆是现今唯一一种可以在水下进行长距离、高速率传输数据的传输介质。微细光缆是一种直径在1mm左右的光纤缆，它与传统的光纤缆相比具有重量轻、成本低等特点。采用微细光缆取代深海潜水器的金属导线，对于深海潜水器来说，有着相当多的优点[2]。现在它已越来越多地在水下工程中得到应用，其主要用途是用于各种水下数据信息的传输[11-15]。

微细光缆应用到深海潜水器或其它深海装备或设施时，有一个重要的问题需要解决，即光缆的深海传输损耗或衰减问题。微细光缆在深海的传输损耗最主要的原因是微细光缆受到深海压力导致径向压缩不均匀产生微弯而引起传输损耗。本文在最大静水压力可达70MPa的模拟深水环境下对这种传输损耗进行了测试和测量。

2 微细光缆样品

此次试验选用的微细光缆样品由中国电子科技集团公司第二十三研究所生产，试验微细光缆长度约4km。由于微细光缆小直径高强度的要求，利用传统意义上的成缆技术和工艺将会很困难。根据微细光缆的使用要求和二十三所之前研究微细光缆的技术基础，参考国外同类产品，最终样品的研制是利用已有的抗弯曲、耐疲劳微细光缆，进一步设计合适的结构，选择合适的增强和胶合材料，利用增强纤维增强和涂胶一次完成工艺制作微细光缆。微细光缆样品的剖面结构如图1所示，样品实物如图2所示。

图3 微细光缆成缆过程Fig.3 Production process of the FOMC

微细光缆的特点为小纤芯直径，具有凹陷内包层和比工作波长略大的截止波长；碳密封涂覆，抗弯曲、耐疲劳；光纤材料为纯石英。

其主要指标如下：

3 微细光缆试验用水密穿舱件

在压力筒进行微细光缆的高水压试验时，需要解决微细光缆从压力筒引出时的高压密封问题。可以通过购置商业化的光纤水密接插件产品作为贯穿件以解决光缆的高压密封问题。水密接插件产品价格昂贵而且尺寸大小固定，定制需要一定的时间周期等。为了对微细光缆这种小直径光缆进行静水高压试验，专门设计了一种微细光缆压力筒水密穿舱件，其密封可靠，造价低，尺寸与试验设备已有的贯穿件匹配，使用简单。

该水密穿舱件采用不锈钢制成，下端为一段空腔锥体，中间为空腔的柱体，上端为带有螺纹的封盖。其密封形式主要采用用环氧树脂填充空腔的方法实现，如图4所示。为满足环氧树脂固化条件，选择照明灯和加热器共同加热来保证其固化温度，如图5所示。固化后的水密穿舱件和已有的压力筒贯穿件配合进行静水高压下的密封，如图6所示。试验证明，此种方法是可靠的，在加压与保压过程中没有发生任何泄漏。

4 静水高压试验

4.1 试验目的

此次微细光缆样品光透射性能变化的性能指标最大值标准为0.2dB/km。因此，微细光缆的传输损耗能否满足深海潜水器通信主要由以下两个指标决定：

（1）总的传输损耗必须满足光端机所允许的总损耗范围；

（2）微细光缆在深水环境下，光透射性能变化符合指标以满足通信需求。

试验即针对上述两个指标进行测量测试，检验此种微细光缆能否满足深海潜水器应用的指标要求。

4.2 试验过程

试验地点在中国船舶科学研究中心深海环境压力实验室，试验流程如图7所示。

图6 微细光缆压力筒水密穿舱件使用示意图Fig.6 FOMC penetrator connecting to pressure tank

图7 微细光缆试验过程Fig.7 Test procedure

在加压过程中实时测量微细光缆传输损耗，每隔五分钟记录一次数据。试验中使用的测量微细光缆传输损耗的仪器—光时域反射仪（OTDR）如图8所示。此OTDR可以测量两种波长光（1 310nm和1 550nm）的传输损耗。

4.3 试验结果与分析

本次试验压力随时间变化情况如图9所示。图10和图11分别为波长1 310nm和1 550nm的光损耗曲线。

从图10和图11可以看出微细光缆光学传输随压力变化确实存在一定程度的损耗，且损耗随着压力的增大而呈现增加趋势，当压力达到70MPa时，损耗达到最大值。光透射性能最大变化分别为0.015dB/km（1 310nm）和0.059dB/km（1 550nm），这均符合指标要求。从图中还可看出，加压和卸压过程中，光损耗在同一压力下并不是对称的，而是在卸压过程中的损耗一定程度上大于加压过程中的损耗，但是当卸压完全完成时，光损耗基本又回到初始值。这证明，此种光缆的加强材料是可行的，其对光纤产生的压力并没有使得光纤产生较大的塑性变形，当回到常压时，基本又可以回到初始状态。此外，从图中还可看出波长1 550nm的光比波长1 310nm的光透射性能随压力变化要明显得多，这也符合理论分析，因为实际应用中，前者确实对应力比较敏感。

图12和图13给出了微细光缆在40MPa压力下的光学损耗衰减变化曲线，而图14和图15则给出了微细光缆在70MPa压力下的光学损耗衰减变化曲线。

微细光缆设计深度为4 000m，极限深度为7 000m。因此，在4 000m及7 000m的模拟深度环境下，光损耗性能将成为衡量指标是否满足要求的关键。从上图可以看出，40MPa下加压时，以1 310nm波长进行传输时的光损耗最大变化为0.005dB/km，1 550nm波长时的光损耗最大变化为0.032dB/km；卸压时1 310nm波长的光损耗最大变化为0.014dB/km，1 550nm的光损耗最大变化为0.053dB/km；70MPa下1 310nm的光损耗最大变化为0.015dB/km，1 550nm的光损耗最大变化为0.059dB/km。以上结果均符合指标（＜0.2dB/km）要求，这表明该微细光缆可以满足4 000m甚至7 000m深水环境的通信之用。

4 结 语

本文主要介绍了微细光缆深海传输损耗试验，试验结果总结整理如表1所示。

表1 微细光缆光损耗变化表Tab.1 FOMC attenuation during test

根据参考文献[13-15]，“UROV7K”潜水器30km微细光缆的总传输损耗分别＜12dB和＜9dB，因此，其使用的微细光缆在传输波长1 310nm时的光损耗＜0.4dB/km，波长1 550nm时的光损耗＜0.3dB/km。而从本次试验结果的分析可以得出，在模拟环境下的水压变化过程中（自常压至70MPa或自70MPa至常压），试验期间光损耗最大值分别为0.015dB/km（波长1 310nm）和0.059dB/km（波长1 550nm）。试验结果表明试验样品光损耗性能优于参考文献中的相关指标。此外，通过试验证明，该微细光缆的损耗性能处于参考文献[3]开发的潜水器样机所使用的光端机允许的总损耗范围内（允许的光纤传输总损耗分别为16.5dB和30.5dB）。

微细光缆深海模拟试验的完成，证明了微细光缆应用于深海潜水器通信的可行性。通过本次模拟深海压力试验，获得重要的实际测量参数将为微细光缆应用于深海工程通信提供宝贵的试验依据与数据积累。

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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

沈明学（1978-），男，中国船舶科学研究中心工程师，哈尔滨工程大学博士生。

book=794,ebook=410