对光纤高低温衰减性能失效的原因探究

韩玉平　吕净宇

【摘要】为了保证光纤在高低温环境下正常工作，光纤的衰减性能的变化值需要维持在较低的水平。本文通过设计了一系列的实验对导致光纤高低温环境下附加衰减异常的原因进行了深入探究，并确认了导致光纤高低温性能失效的根本原因为光纤涂敷的均匀性，而内涂涂料树脂的性能会一定程度上影响光纤涂覆的均匀性，本文的研究为未来行业内制备不同应用场景下的光纤涂料的选型提供了支撑。

【关键词】光纤;高低温循环;附加衰减;光纤涂料

中图分类号：G212                                 文献标识码：A                          DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.09.082

随着光纤通信系统在80年代逐步投入商用，光纤的高带宽、低衰减、稳定传输等诸多优势使得光纤通信技术取得了飞速的发展，全球网络建设更是如火如荼的进行，大到国家信息高速公路，小到光纤入户，现在的信息科技已经和光通信技术到了难解难分的程度。如果没有光通信技术，我们将没有办法享受到上网看电影的乐趣，也享受不到3G、4G以及5G移动通信带来的各种便利。随着需求的增加，光通信技术的应用领域也越来越广泛，比如极高或者极低的温度环境下，而常规认定光纤的工作温度范围一般在-40～70℃之间，为了保证光纤的传输质量，国际电信联盟（ITU）对光纤的高低温测试提出的要求是：测量室温下光纤在不同波长处的衰减，然后以1℃/min的温度变化速率将温度调到-60℃或85℃，并在该温度下保温两小时，然后测定该温度下光纤在不同波长下的衰减，两次之间的差值为附加损耗，附加衰减必须小于0.05dB/km。如果光纤在高温或者低温环境下的衰减性能与正常温度时相差过大，可能会导致信息传输中断，严重影响客户的使用，所以保障光纤的高低温性能至关重要。

1. 高低温环境下光纤衰减性能的原因分析

根据目前的研究可知，光纤的高低温衰减性能失效的主要原因为高温或者低温环境下引起的光纤微弯损耗增加，从而影响光通信系统信号传输的稳定性。光纤在高温或者低温环境下的微弯损耗增加可能有两方面的原因导致：其一为光纤在制造成光缆过程中产生的附加应力增加，其二便是光纤本身的附加应力的残存。本文主要探究的是光纤本身存在的附加应力对高低温环境下光纤衰减的影响。

一般而言，光纤生产采用加压涂敷模式，涂覆后，可以看作光纤表面涂覆树脂均匀无缺损。在不受任何其他外力的作用的前提下，光纤表面的涂料树脂涂覆均匀无缺陷的话，光纤仅受到其表面树脂产生的张力的影响，而导致光纤表面树脂张力变化的原因可能是温度、压力等外界因素。在这种情况下，在光纤的横截面方向上，可认为来自各个方向的力相互抵消，即光纤受到的应力和为零，此时光纤的衰减性能不发生任何变化。为了进行实验验证上述结论，我们通过工艺调控和外力破坏的形式制备了不同树脂状态的光纤进行对比验证，制备好的光纤进行高低温循环测试，测试结果如图所示（图1）。从数据可知，当光纤涂覆层树脂存在压伤、固化不良、气泡等缺陷时（图1-2，1-3，1-4），光纤在1550nm波长下的附加衰减值均会超过0.05dB/km（图1-5），当涂覆层树脂内部存在气泡时的附加衰减值甚至超过了1.0dB/km（图1-5，红色曲线），而光纤树脂均匀无缺损时，1550nm波长下的附加衰减值≤0.05dB/km（图1-5，黑色曲线），基本没有变化。实验结果，直接证明了光纤涂覆层涂覆不均匀是导致光纤在高低温环境下附加衰减值不合格的根本原因，不同程度的不均匀导致的附加衰减的变化有所不同。

为了更进一步探究光纤涂覆层的不均匀对光纤受到的应力影响的差异，我们以光纤涂覆层树脂中存在气泡为研究对象进行了进一步的实验，分析导致光纤1550nm处附加衰减值超标的真实原因。在树脂厂家的协助下，实验结果如图2所示，存在涂覆层气泡的光纤经过一个高低温循环测试过程中气泡的状态。从图中可以明显看出，当温度从室温23℃降低到-60℃时，涂覆层中的气泡直径从11um增大到28um（图2-1，2-2），相当于气泡的体积增大了16倍。当温度重新回升到23℃后，氣泡又恢复到了11um（图2-3），继续升高温度到85℃时，气泡的直径依然保持在11um左右（图2-4），体积没有发生明显变化。

从实验结果也证实了我们的推测，在气泡不均匀分布时，在低温（-60℃）环境下，由于气泡体积的增大，裸光纤受到的应力和不再为零，从测试数据表现出来的则是在1550nm波长处，光纤附加衰减值超过了0.05dB/km。上述实验说明在不同的温度下，光纤涂覆层的不均匀确实导致裸光纤受到的外部应力发生了变化。

2. 高低温环境下涂料树脂性能对光纤衰减性能的影响

除了光纤涂覆层的均匀性外，我们还发现涂覆层树脂的性能也会对光纤的附加衰减性能产生影响，比如玻璃化转变温度（Tg），固化速度等。

3. 涂料树脂玻璃化转变温度对光纤衰减性能的影响

常规使用的涂覆层树脂的主要成分为70%-80%左右的丙烯酸酯，其热膨胀系数85×10-6/K，内层涂覆层树脂固化后的玻璃化转变温度Tg在-30～-40℃之间，而裸光纤玻璃二氧化硅的热膨胀系数仅为4.5×10-6/K。在-60℃时，温度已经低于内涂树脂的玻璃化转变温度Tg，树脂由高弹态逐渐转变为玻璃态，刚性增加，不同状态的树脂的收缩程度不同但是收缩程度均大于玻璃的收缩，因此裸光纤受到的应力变得不均匀，附加衰减增大，光纤微弯损耗增大;当温度升高到85℃时，温度远远高于内层树脂的玻璃化转变温度Tg，树脂由玻璃态基本全部转变为高弹态，弹性强且对外力的缓冲能力增加，应对玻璃膨胀的能力提高，涂覆状态与常温时一致，裸光纤受到的不均匀的应力也与常温时基本保持一致，因此附加衰减值基本没有变化，光纤的微弯损耗也没有明显变化。

为了验证内涂层树脂材料玻璃化转变温度Tg对光纤低温性能的影响，我们选择了不同的Tg的树脂进行实验，光纤均采用加压涂覆且光纤涂覆层均匀无缺陷。实验结果如下图3所示，涂料树脂A的Tg为-25℃高于涂料树脂B（Tg为-32℃）和C（Tg为-45℃），在-60℃时，涂覆涂料树脂A的光纤在1550nm处的附加衰减值在0.025dB/km左右，明显大于树脂B和C涂覆的光纤的附加衰减。说明在光纤表面涂覆层树脂涂覆均匀时，树脂材料的Tg对光纤的高低温性能确实存在影响。

4. 涂料树脂的固化速度对光纤衰减性能的影响

验证涂覆树脂固化速度对光纤1550nm处附加衰减性能的影响，我们设计了两组实验：（1）在固化距离3米时不同固化速度的树脂涂覆光纤和（2）同一树脂不同的固化距离涂覆的光纤进行验证，实验结果如下，从实验数据可知（图4-1），在固定3m的固化距离的前提下，对于固化速度为300mJ/cm2的涂料树脂而言，涂覆层固化度只有72%，而100mJ/cm2固化度接近100%，图4-2的数据表明光纤的固化度越低，其1550nm处附加衰减值变化越大。说明涂覆层固化不良造成了光纤涂覆层的不均匀，光纤受到的应力不均匀。此外，图4-2中固化速度300mJ/cm2对应的光纤的附加衰减值在第一个温度循环时，明显超过了0.05dB/km，但是第二个温度循环时，附加衰减值下降到合格范围内，原因是第一次温度循环中，当温度升高到85℃时，对光纤表面的涂覆层进行了二次热固化，因此涂覆层相较于第一个温度循环变得更加均匀，光纤的附加衰减值降低，微弯损耗降低。

图4-3验证了固化距离对固化度的影响，因为涂料树脂的固化是一种高分子聚合反应，反应完成后形成一种致密的网状结构包裹在裸光纤表面，保护光纤免于外力的损坏，但反应需要一定的时间，而固化距离越长，则提供树脂固化的时间则越长，树脂固化的越均匀。从图4-4的数据中明显看出，固化距离5m时，1550nm处光纤的附加衰减值基本没有明显变化，而3m的固化距离则经历了一个二次固化的过程。因此从实验结果可知，延长固化距离可以一定程度上使涂覆层反应的更加彻底，光纤的涂覆更加均匀。

对于高分子树脂而言，其他的性能如模量、粘度等参数可能也会光纤的衰减性能造成影响，比如树脂的粘度较大时，其中的大分子物质较多，也间接反映其灵活性不够，会导致固化后的涂覆层看似均匀，实则存在微观差异性，表现出来的则是光纤的微弯损耗等参数的变化。树脂涂料的成分较多，可能依然存在其他未知的影响。此外，光纤生产过程中，光纤涂料树脂中的凝胶、杂质等进入到光纤涂覆层中也会导致涂覆层不均匀，进而影响裸光纤在不同温度下受到的应力的不均匀，导致光纤的微弯损耗增加。

造成光纤高低温环境下附加衰减增大的原因是光纤涂覆层树脂不均匀。导致光纤涂覆树脂缺陷的原因一方面在生产工艺的控制，另一方面则在于涂料树脂的性能。随着光纤产业的发展，光纤的细分领域越来越多，比如医学内窥镜、军事通信、雷達和微波系统方面、光纤水听器系统和安防监控领域等，为了满足变幻的应用场景下的不同需求，在精细化的生产工艺的调控基础上，涂料树脂性能的研究和开发将成为保证光纤树脂层涂覆均匀的关键。

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