長(zhǎng)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(cè)水下聲信號(hào)，被稱為光纖聲納，是建立海洋生態(tài)環(huán)境、海底觀測(cè)網(wǎng)的先進(jìn)手段，可用于漁業(yè)、地震預(yù)測(cè)及洋流等信息的收集。光纖水聽(tīng)器根據(jù)原理分類有強(qiáng)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(wěn)定性好、體積小以及易于大規(guī)模組成陣列等優(yōu)勢(shì)，已成為目前研究和開(kāi)發(fā)使用的主要對(duì)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(jié)構(gòu)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(cè)器探測(cè)傳感臂(接受聲壓信號(hào)發(fā)生相位波動(dòng))和參考臂(密封保護(hù)作為參考基底)中光波干涉條紋的變化，然后經(jīng)信號(hào)處理器提取聲壓信號(hào)。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(dá)到10mm。因此光纖水聽(tīng)器對(duì)光纖提出了兩個(gè)特殊要求：彎曲損耗低及機(jī)械可靠性高。

  長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司(股票代碼HK6869,以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)飛公司)基于以上要求，為水聽(tīng)器應(yīng)用專門開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)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(dǎo)由纖芯和包層組成，纖芯折射率高于包層，其導(dǎo)光原理為全內(nèi)反射，即光線由纖芯射向包層時(shí)，當(dāng)入射角大于界面的臨界角，光線完全反射回纖芯。而當(dāng)光纖彎曲(這里指彎曲半徑遠(yuǎn)大于光纖直徑，即宏彎)時(shí)，有一部分光線在界面的入射角發(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(dǎo)致的折射率變化也會(huì)影響光纖的損耗。

  圖1彎曲導(dǎo)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(cè)的折射率差，即提高光纖數(shù)值孔徑(NA)。目前，國(guó)內(nèi)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(zhǎng)飛公司的BI1015型號(hào))。

  2)彎曲不敏感光纖的機(jī)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(yīng)力或活性環(huán)境下，微裂紋會(huì)生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致光纖斷裂。在大張力下，裂紋沒(méi)來(lái)得及生長(zhǎng)，無(wú)明顯鏡面，斷面無(wú)規(guī)則形狀，有尖角。斷裂原因：a)光纖彎曲;b)光纖側(cè)面受力過(guò)大;c)排線不好，壓線。

  圖2光纖在不同應(yīng)力下的斷裂端面圖(應(yīng)力從左到右變小)

  光纖在低應(yīng)力下疲勞斷裂，存在裂紋擴(kuò)展、升速、失穩(wěn)幾個(gè)階段，有明顯鏡面，鏡面上有顯著特征(mirror區(qū)，mist區(qū)和hackle區(qū))。斷裂原因：a)光纖表面存在較大外部顆粒或應(yīng)力突變點(diǎn);b)預(yù)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(yīng)力作用下光纖的斷裂端面圖。

  對(duì)光纖水聽(tīng)器而言，其極小的彎曲半徑是導(dǎo)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(cè)表面所受拉應(yīng)力約為585MPa(大約對(duì)應(yīng)85kpsi)。而相同條件，80μm光纖所受拉應(yīng)力約為374MPa，為125μm光纖的64%，因此光纖外徑越小，優(yōu)勢(shì)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(yù)制棒及高潔凈度生產(chǎn)車間。另外采用特殊工藝，在光纖表面形成壓應(yīng)力也可以提高光纖的抗彎曲斷裂能力(原理類似鋼化玻璃)。同時(shí)在存儲(chǔ)和使用上，避免光纖涂覆層損傷，避免活性環(huán)境，繞制時(shí)避免光纖壓線等都是重要手段。

  長(zhǎng)飛公司是國(guó)內(nèi)最早一批研制彎曲不敏感光纖的企業(yè)，篩選強(qiáng)度從100kpsi到150kpsi再到200kpsi，抗彎直徑目前最小設(shè)計(jì)為10mm，覆蓋普通125/250光纖和細(xì)徑80/165光纖。在幾何上，涂覆層外徑公差可控制在±2μm以內(nèi)，而包層公差在±1.5μm以內(nèi)(如圖3所示)，這對(duì)精確排線和降低熔接損耗至關(guān)重要。

  圖3 長(zhǎng)飛公司BI1015-B系列光纖涂覆層和包層統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

  在強(qiáng)度上，除了滿足200kpsi篩選，在抗拉和抗老化方面也表現(xiàn)良好(如圖4所示)。對(duì)客戶所關(guān)心的彎曲半徑下的使用壽命，我們也進(jìn)行了比較驗(yàn)證(如圖5所示)，所得驗(yàn)證數(shù)據(jù)根據(jù)行業(yè)內(nèi)默認(rèn)公式推導(dǎo)得出的使用壽命結(jié)果遠(yuǎn)超過(guò)了客戶要求。

  圖4 老化前后彎曲不敏感光纖的斷裂力測(cè)試數(shù)據(jù)(TC表示老化)

  圖5 極小彎曲半徑下，國(guó)內(nèi)外彎曲不敏感光纖斷裂時(shí)間對(duì)比

  除宏彎損耗低和機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)外，長(zhǎng)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(zhǎng)飛公司已成功實(shí)現(xiàn)了表面呈壓應(yīng)力和特殊涂層涂覆的高強(qiáng)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(tǒng)的整體可靠性提供了有力保障，為中國(guó)海洋事業(yè)做出新的貢獻(xiàn)!