浅析OPGW光缆生产中的光纤特性变化

 

前言

光纤截止波长、模场直径、色散、数值孔径等参数取决于光纤折射率分布和几何尺寸，在光缆生产过程中这些参数基本保持不变。但由于光纤受力后会产生光弹性效应，导致折射率变化，所以理论上光纤性能也不是恒定不变的。如光纤衰减、强度以及老化等问题都与光缆生产工艺以及光缆材料有关。在光缆生产过程中会有残余应力存留于光纤中，在高温、高湿、低温环境中，如果光缆生产工艺不合理，光缆材料析氢等问题都会导致光纤衰减和强度特性下降，严重影响光缆使用寿命。本文简要分析了在OPGW光缆生产过程中，光纤特性可能发生的变化。

关键词：OPGW光缆；光纤筛选；强度；老化。

Abstract

Optical fiber cutoff wavelength, mode field diameter, dispersion, numerical aperture are decided by the optical fiber refractive index distribution and the geometry size, these parameters maintain invariable basically in the cable production process. However, the force will be formed fiber photoelastic effect, leading to refractive index changes, so in theory, optical fiber performance is not constant. Such as optical fiber attenuation, intensity and aging concerns with the cable technique of production as well as the cable material. In the cable manufacturing process will be retained stress in the optical fiber, in high temperature, high humidity, low temperature environment, if the cable production process is unreasonable, cable materials precipitation hydrogen and other issues will cause the optical fiber attenuation and the intensity characteristic drops, and seriously affect the cable lifetime. This paper analyzes the production process in the OPGW cable, the change which the optical fiber characteristic possibly occurred.

Key words：Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire; optical fiber filtering; intensity; optical fiber aging.

一、光纤筛选后强度

光缆厂使用的所有合格的光纤，在光纤厂都会经过100kpsi（约860g）的强度筛选，但是在光缆生产过程中仍然会出现在低于筛选应变值的情况下，光纤发生断裂。这说明通过筛选的光纤其最低强度低于筛选应变值。另外，光纤在储存、光缆生产过程中都会受到环境影响而导致强度下降。

光纤筛选后光纤最小强度取决于光纤初始裂纹分布和筛选张力卸载时间t_u，卸载时间t_u越短，光纤最小强度越高，反之光纤最小强度就越低，见图1。因此，光缆厂在使用光纤前不可再次对其进行筛选。

 

施加应力σa

t

筛选应力σp

加载时间tl

筛选时间td

卸载时间tu

图1：筛选试验中应力与时间的关系

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

在光纤生产企业，我们以400kpsi的高张力，对未经筛选的100km光纤进行试验，负载施加和释放速率保持在400kpsi/s，试验环境为20℃，60%相对湿度。试验中，在光纤负载释放阶段发生了13次断裂，最小断裂强度为147kpsi，即筛选幸存光纤的最小强度仅有筛选强度的37%。

按此计算，100kpsi应变筛选后的光纤，最低强度只有37kpsi，即318g。当然，高张力筛选试验的结果对100kpsi的低张力筛选或许问题没那么严重，但是分析说明负荷释放速度低时，会导致裂纹继续扩大，使筛选后的光纤强度大幅度下降，导致光纤在光缆生产过程中，在低于筛选张力的情况下发生断裂。

因此，光缆厂家不可以光纤筛选张力作为光纤强度的验收标准，尤其是在光缆生产工艺控制中，应考虑到筛选后的光纤强度将减小。

二、光纤储存环境

光纤应在避光、干燥、低温的环境中存放，长时间高温、潮湿的环境会降低光纤的疲劳因子值，将使光纤的最小强度降低。

根据光纤在不同环境条件下测试的断裂强度分布数据，低温、真空（液氮）环境下光纤具有很高的断裂强度，但在室温环境中光纤强度大幅度降低。

光纤长度方向分布着非常小的物理缺陷或微裂纹，这种光纤的临界断裂常常发生在受到潮湿、尘埃、化学物质作用的条件下，光纤涂层旨在减小这些消弱光纤强度的作用。在理想惰性环境条件下（低温、湿度为零、高真空），任何裂纹都不会生长。仅当外界施加的应力增加到断裂韧度时，断裂才会发生。对非惰性环境下的光纤（高温、潮湿、环境中有水分或化学物质），任何施加应力会使裂纹生长。由于SiO₂键发生水解，故它被称为应力腐蚀。

由Griffith断裂理论得知，断裂应力σ与裂纹长度L的关系为：

σ=(2Er/πL)^1/2                     1式

式中E是杨氏模量，r是表面能。

用裂纹尖端的应力场表示应力强度因子K_I则有：

K_I=σ(πL)^1/2                     2式

将1式代入2式，可得到断裂条件为：

K_k=(2πr)^1/2                      3式

K_k是应力强度因子的临界值，称为断裂韧度。当裂纹应力强度因子K_I增加到K_k时，光纤上的微裂纹将会生长、扩展直至发生断裂。

光纤在存放过程中，受到较强的UV辐射会使涂层材料产生UV降解反应，首先发生在涂料表面逐步向光纤内部发展，长期UV辐射可能导致光纤低温损耗增加。因此在光纤存放和使用过程中应避免受到UV辐射。另外，光纤在着色后，可减小UV辐射涂层降解反应。

三、光纤着色及成缆过程受损

光纤在正式使用前需经过着色处理，在光纤着色过程中如果出现一段光纤颜色偏淡或完全未着色时，取样品在显微镜下观察一般可发现光纤涂层受损，引起这一现象的主要原因是清洗光纤着色模具和管道的溶剂中含有微小粉尘，着色过程中微小粉尘进入模具后堵塞模具，从而导致光纤颜色偏淡或完全未着色。同时，光纤过模具时的张力会突然上升，发现此情况时，因立刻剪断光纤，清洗模具和管道后再继续着色，否则会将强度低的光纤流入后工序。

因此，光纤着色工序中着色模具及颜料管道应清洗干净，同时着色机周围应保持较高的洁净度。

在OPGW光缆造管过程中，光纤在放线架上的放线速度波动、光纤在盘上的排线质量不好、以及生产速度不稳都会导致光纤跳舞轮频繁抖动，将产生附加张力，可能使低强度光纤断裂。另外，着色工序收线张力太小，在测试、搬运过程中光纤压线，则光纤放线时会导致光纤断裂。

OPGW光缆造管工艺中应产生一定的光纤余长，光纤在套管内是以一定的弯曲状分布的。因此若光纤粘壁引起光纤微小弯曲，在测试光纤衰减时会发现损耗台阶。且此微小弯曲也可能导致光纤断裂，光纤弯曲半径与弯曲应力见下表1、图2。

表1

光纤弯曲半径mm	12.4	8.8	6.1	3	2	1.4
应力Gpa	0.37	0.53	0.76	1.6	2.53	3.54
应变%	0.5	0.7	1	2	3	4

    由上述图表可见，光纤在套管内微弯半径小于6mm后，光纤应力应变将迅速增加。因此为保证光纤强度及其传输性能，在实际生产中应减小光纤在套管内的微小弯曲，即精确控制光纤余长，不可产生过大的光纤余长。

四、光纤零应力老化

光纤在成缆后，除了应力导致光纤裂纹扩张外，还存在零应力老化问题，即光纤在应力释放状态下，光纤强度会随时间增长而降低，导致光纤零应力老化的主要因素是光纤表面粗糙和化学腐蚀，零应力老化与温度关系很大。如果光纤表面微裂纹很少、很小，且涂层未破坏，化学腐蚀小，则光纤零应力老化将不严重。

现有的绝对大部分光缆结构中，均将光纤放在纤膏中，其目的是实现光缆结构纵向密封，以阻止潮气侵入光纤，而且纤膏的缓冲作用增强了光纤对外力的抑制作用。然而，使用与光纤涂料相容性不好的纤膏却对光纤强度、抗弯曲特性产生不利影响。当光纤涂料与纤膏相容性差时，在100℃加速热老化试验30天后光纤强度明显降低。这是由于涂层吸取油膏中的油类，光纤涂层原有性能明显劣化。在50℃和70℃老化时，涂层中的低分子量物质被纤膏中油类萃取，残留于光纤涂层中的潮气通过油膏的萃取过程更加深入渗透于光纤，使光纤微裂纹扩大速度加快，从而使光纤强度下降。另一方面光纤涂层在油膏中老化，降低了涂层对力的缓冲保护，使光纤对微弯更加敏感。所以我们再选择纤膏时一定要重视纤膏与光纤涂层相容性的问题，由于光纤涂层的选择取决于光纤结构设计的要求和UV固化速度等因素，我们应对纤膏进行选择，使之适应光纤涂料，尽可能相容以确保光纤的可靠性。

因此，在OPGW光缆生产过程中选择与光纤涂层相容性好的纤膏是很重要的，光纤涂层给光纤实施机械力和化学保护，可有效降低光纤零应力腐蚀，纤膏则在套管内进一步保护光纤。

另外，由于光纤零应力老化与温度关系密切，高温将加速光纤老化，而OPGW光缆在出现短路电流时会产生较高的温度。因此，在OPGW光缆金属绞线的选择及绞合设计时，应考虑温度对光纤的影响，进行合理配置以减小OPGW光缆最大工作温度。

五、结束语

以上分析了光纤筛选后强度变化以及在OPGW光缆生产过程中，光纤可能发生的各种特性变化。在OPGW光缆实际生产中应尽可能完善工艺水平，保持光纤原有机械强度和传输性能，以提高OPGW光缆产品合格率和工作寿命。