長(cháng)飛特種光纖系列之四-水聽(tīng)器用高性能彎曲不敏感光纖

  ICCSZ訊  光纖水聽(tīng)器是一種新型光纖傳感器，用于檢測水下聲信號，被稱(chēng)為光纖聲納，是建立海洋生態(tài)環(huán)境、海底觀(guān)測網(wǎng)的先進(jìn)手段，可用于漁業(yè)、地震預測及洋流等信息的收集。光纖水聽(tīng)器根據原理分類(lèi)有強度型、偏振型、相位干涉型等。其中，相位干涉型光纖水聽(tīng)器因其精度高、穩定性好、體積小以及易于大規模組成陣列等優(yōu)勢，已成為目前研究和開(kāi)發(fā)使用的主要對象。相位干涉型光纖水聽(tīng)器基于Michelson和Mach-Zehnder干涉原理制成，其干涉結構已進(jìn)入成熟的產(chǎn)品化階段。兩者基本原理相同，均為首先由光電探測器探測傳感臂(接受聲壓信號發(fā)生相位波動(dòng))和參考臂(密封保護作為參考基底)中光波干涉條紋的變化，然后經(jīng)信號處理器提取聲壓信號。其關(guān)鍵部件是由光纖繞制的光纖環(huán)，同時(shí)基于追求小型化的目的，這種環(huán)的尺寸一般比較小，直徑最低可達到10mm。因此光纖水聽(tīng)器對光纖提出了兩個(gè)特殊要求：彎曲損耗低及機械可靠性高。

  長(cháng)飛光纖光纜股份有限公司(股票代碼HK6869,以下簡(jiǎn)稱(chēng)長(cháng)飛公司)基于以上要求，為水聽(tīng)器應用專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了高強度彎曲不敏感光纖，用以繞制關(guān)鍵部件光纖環(huán)，使用該光纖繞制的小彎曲直徑光纖環(huán)仍能保持低損耗，為大型水聽(tīng)器陣列組網(wǎng)提供了性能和可靠性保障。

  1)彎曲不敏感光纖的宏彎損耗

  光纖波導由纖芯和包層組成，纖芯折射率高于包層，其導光原理為全內反射，即光線(xiàn)由纖芯射向包層時(shí)，當入射角大于界面的臨界角，光線(xiàn)完全反射回纖芯。而當光纖彎曲(這里指彎曲半徑遠大于光纖直徑，即宏彎)時(shí)，有一部分光線(xiàn)在界面的入射角發(fā)生變化，小于臨界角，這部分光將穿透界面形成消逝場(chǎng)，造成損耗(如圖1所示)。此外，彎曲所導致的折射率變化也會(huì )影響光纖的損耗。

  圖1彎曲導致的光纖損耗原理圖

  提高光纖抗彎曲損耗能力的方法是減小臨界角，具體到光纖上是提高芯包邊界兩側的折射率差，即提高光纖數值孔徑(NA)。目前，國內最佳水平可以做到在25匝彎曲半徑為5mm時(shí)的損耗在0.02dB以下(長(cháng)飛公司的BI1015型號)。

  2)彎曲不敏感光纖的機械可靠性

  光纖在制備過(guò)程中不可避免的會(huì )在玻璃包層表面形成微裂紋，在外界應力或活性環(huán)境下，微裂紋會(huì )生長(cháng)，最終導致光纖斷裂。在大張力下，裂紋沒(méi)來(lái)得及生長(cháng)，無(wú)明顯鏡面，斷面無(wú)規則形狀，有尖角。斷裂原因：a)光纖彎曲;b)光纖側面受力過(guò)大;c)排線(xiàn)不好，壓線(xiàn)。

  圖2光纖在不同應力下的斷裂端面圖(應力從左到右變小)

  光纖在低應力下疲勞斷裂，存在裂紋擴展、升速、失穩幾個(gè)階段，有明顯鏡面，鏡面上有顯著(zhù)特征(mirror區，mist區和hackle區)。斷裂原因：a)光纖表面存在較大外部顆?；驊ν蛔凕c(diǎn);b)預制棒或光纖與外界摩擦，表面形成微裂紋;c)光纖存放條件不妥，水分子等腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入。圖2顯示的是光纖在外界應力作用下光纖的斷裂端面圖。

  對光纖水聽(tīng)器而言，其極小的彎曲半徑是導致光纖斷裂的主要原因，例如，125μm光纖在R=7.5mm的彎曲半徑下，外側表面所受拉應力約為585MPa(大約對應85kpsi)。而相同條件，80μm光纖所受拉應力約為374MPa，為125μm光纖的64%，因此光纖外徑越小，優(yōu)勢越明顯。

  提高光纖抗彎曲斷裂的方法主要是減少光纖包層表面缺陷，具體措施包括采用高純合成石英原材料，大尺寸預制棒及高潔凈度生產(chǎn)車(chē)間。另外采用特殊工藝，在光纖表面形成壓應力也可以提高光纖的抗彎曲斷裂能力(原理類(lèi)似鋼化玻璃)。同時(shí)在存儲和使用上，避免光纖涂覆層損傷，避免活性環(huán)境，繞制時(shí)避免光纖壓線(xiàn)等都是重要手段。

  長(cháng)飛公司是國內最早一批研制彎曲不敏感光纖的企業(yè)，篩選強度從100kpsi到150kpsi再到200kpsi，抗彎直徑目前最小設計為10mm，覆蓋普通125/250光纖和細徑80/165光纖。在幾何上，涂覆層外徑公差可控制在±2μm以?xún)?，而包層公差在?.5μm以?xún)?如圖3所示)，這對精確排線(xiàn)和降低熔接損耗至關(guān)重要。

  圖3 長(cháng)飛公司BI1015-B系列光纖涂覆層和包層統計數據

  在強度上，除了滿(mǎn)足200kpsi篩選，在抗拉和抗老化方面也表現良好(如圖4所示)。對客戶(hù)所關(guān)心的彎曲半徑下的使用壽命，我們也進(jìn)行了比較驗證(如圖5所示)，所得驗證數據根據行業(yè)內默認公式推導得出的使用壽命結果遠超過(guò)了客戶(hù)要求。

  圖4 老化前后彎曲不敏感光纖的斷裂力測試數據(TC表示老化)

  圖5 極小彎曲半徑下，國內外彎曲不敏感光纖斷裂時(shí)間對比

  除宏彎損耗低和機械強度高等優(yōu)勢外，長(cháng)飛公司生產(chǎn)的彎曲不敏感光纖也具備良好的拉錐和研磨性能，并提供配套的水聽(tīng)器件，如光纖耦合器、隔離器、DWDM、環(huán)形器及法拉第旋鏡等。在新技術(shù)方面，長(cháng)飛公司已成功實(shí)現了表面呈壓應力和特殊涂層涂覆的高強度彎曲不敏感光纖的研制開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，并且該光纖易于成纜，為光纖水聽(tīng)器系統的整體可靠性提供了有力保障，為中國海洋事業(yè)做出新的貢獻!