微細光纜靜水高壓環境下的傳輸衰減特性試驗研究

沈明學，王 磊，黃劍平，崔維成

（1哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001；2中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；3中國電子科技集團公司第二十三研究所，上海 200437）

微細光纜靜水高壓環境下的傳輸衰減特性試驗研究

沈明學1,2，王 磊2，黃劍平3，崔維成2

（1哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001；2中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；3中國電子科技集團公司第二十三研究所，上海 200437）

最近我國也研制成功了微細光纜，該光纜直徑小于1mm，極限拉伸強度約400N。如果它在高壓環境下的傳輸衰減特性能滿足要求，則它在很多水下工程結構如各類大潛深潛水器以及海底觀測基站上會有很廣泛的應用前景。文章的主要目的就是介紹該種國產微細光纜在靜水高壓環境下的傳輸損耗試驗情況。文中對微細光纜的靜水高壓傳輸損耗試驗進行了介紹和描述，并對試驗結果進行了初步分析，獲得了一些有用的結論。

微細光纜；光學傳輸；光學衰減

1 引 言

光纖纜是現今唯一一種可以在水下進行長距離、高速率傳輸數據的傳輸介質。微細光纜是一種直徑在1mm左右的光纖纜，它與傳統的光纖纜相比具有重量輕、成本低等特點。采用微細光纜取代深海潛水器的金屬導線，對于深海潛水器來說，有著相當多的優點[2]。現在它已越來越多地在水下工程中得到應用，其主要用途是用于各種水下數據信息的傳輸[11-15]。

微細光纜應用到深海潛水器或其它深海裝備或設施時，有一個重要的問題需要解決，即光纜的深海傳輸損耗或衰減問題。微細光纜在深海的傳輸損耗最主要的原因是微細光纜受到深海壓力導致徑向壓縮不均勻產生微彎而引起傳輸損耗。本文在最大靜水壓力可達70MPa的模擬深水環境下對這種傳輸損耗進行了測試和測量。

2 微細光纜樣品

此次試驗選用的微細光纜樣品由中國電子科技集團公司第二十三研究所生產，試驗微細光纜長度約4km。由于微細光纜小直徑高強度的要求，利用傳統意義上的成纜技術和工藝將會很困難。根據微細光纜的使用要求和二十三所之前研究微細光纜的技術基礎，參考國外同類產品，最終樣品的研制是利用已有的抗彎曲、耐疲勞微細光纜，進一步設計合適的結構，選擇合適的增強和膠合材料，利用增強纖維增強和涂膠一次完成工藝制作微細光纜。微細光纜樣品的剖面結構如圖1所示，樣品實物如圖2所示。

圖3 微細光纜成纜過程Fig.3 Production process of the FOMC

微細光纜的特點為小纖芯直徑，具有凹陷內包層和比工作波長略大的截止波長；碳密封涂覆，抗彎曲、耐疲勞；光纖材料為純石英。

其主要指標如下：

3 微細光纜試驗用水密穿艙件

在壓力筒進行微細光纜的高水壓試驗時，需要解決微細光纜從壓力筒引出時的高壓密封問題。可以通過購置商業化的光纖水密接插件產品作為貫穿件以解決光纜的高壓密封問題。水密接插件產品價格昂貴而且尺寸大小固定，定制需要一定的時間周期等。為了對微細光纜這種小直徑光纜進行靜水高壓試驗，專門設計了一種微細光纜壓力筒水密穿艙件，其密封可靠，造價低，尺寸與試驗設備已有的貫穿件匹配，使用簡單。

該水密穿艙件采用不銹鋼制成，下端為一段空腔錐體，中間為空腔的柱體，上端為帶有螺紋的封蓋。其密封形式主要采用用環氧樹脂填充空腔的方法實現，如圖4所示。為滿足環氧樹脂固化條件，選擇照明燈和加熱器共同加熱來保證其固化溫度，如圖5所示。固化后的水密穿艙件和已有的壓力筒貫穿件配合進行靜水高壓下的密封，如圖6所示。試驗證明，此種方法是可靠的，在加壓與保壓過程中沒有發生任何泄漏。

4 靜水高壓試驗

4.1 試驗目的

此次微細光纜樣品光透射性能變化的性能指標最大值標準為0.2dB/km。因此，微細光纜的傳輸損耗能否滿足深海潛水器通信主要由以下兩個指標決定：

（1）總的傳輸損耗必須滿足光端機所允許的總損耗范圍；

（2）微細光纜在深水環境下，光透射性能變化符合指標以滿足通信需求。

試驗即針對上述兩個指標進行測量測試，檢驗此種微細光纜能否滿足深海潛水器應用的指標要求。

4.2 試驗過程

試驗地點在中國船舶科學研究中心深海環境壓力實驗室，試驗流程如圖7所示。

圖6 微細光纜壓力筒水密穿艙件使用示意圖Fig.6 FOMC penetrator connecting to pressure tank

圖7 微細光纜試驗過程Fig.7 Test procedure

在加壓過程中實時測量微細光纜傳輸損耗，每隔五分鐘記錄一次數據。試驗中使用的測量微細光纜傳輸損耗的儀器—光時域反射儀（OTDR）如圖8所示。此OTDR可以測量兩種波長光（1 310nm和1 550nm）的傳輸損耗。

4.3 試驗結果與分析

本次試驗壓力隨時間變化情況如圖9所示。圖10和圖11分別為波長1 310nm和1 550nm的光損耗曲線。

從圖10和圖11可以看出微細光纜光學傳輸隨壓力變化確實存在一定程度的損耗，且損耗隨著壓力的增大而呈現增加趨勢，當壓力達到70MPa時，損耗達到最大值。光透射性能最大變化分別為0.015dB/km（1 310nm）和0.059dB/km（1 550nm），這均符合指標要求。從圖中還可看出，加壓和卸壓過程中，光損耗在同一壓力下并不是對稱的，而是在卸壓過程中的損耗一定程度上大于加壓過程中的損耗，但是當卸壓完全完成時，光損耗基本又回到初始值。這證明，此種光纜的加強材料是可行的，其對光纖產生的壓力并沒有使得光纖產生較大的塑性變形，當回到常壓時，基本又可以回到初始狀態。此外，從圖中還可看出波長1 550nm的光比波長1 310nm的光透射性能隨壓力變化要明顯得多，這也符合理論分析，因為實際應用中，前者確實對應力比較敏感。

圖12和圖13給出了微細光纜在40MPa壓力下的光學損耗衰減變化曲線，而圖14和圖15則給出了微細光纜在70MPa壓力下的光學損耗衰減變化曲線。

微細光纜設計深度為4 000m，極限深度為7 000m。因此，在4 000m及7 000m的模擬深度環境下，光損耗性能將成為衡量指標是否滿足要求的關鍵。從上圖可以看出，40MPa下加壓時，以1 310nm波長進行傳輸時的光損耗最大變化為0.005dB/km，1 550nm波長時的光損耗最大變化為0.032dB/km；卸壓時1 310nm波長的光損耗最大變化為0.014dB/km，1 550nm的光損耗最大變化為0.053dB/km；70MPa下1 310nm的光損耗最大變化為0.015dB/km，1 550nm的光損耗最大變化為0.059dB/km。以上結果均符合指標（＜0.2dB/km）要求，這表明該微細光纜可以滿足4 000m甚至7 000m深水環境的通信之用。

4 結 語

本文主要介紹了微細光纜深海傳輸損耗試驗，試驗結果總結整理如表1所示。

表1 微細光纜光損耗變化表Tab.1 FOMC attenuation during test

根據參考文獻[13-15]，“UROV7K”潛水器30km微細光纜的總傳輸損耗分別＜12dB和＜9dB，因此，其使用的微細光纜在傳輸波長1 310nm時的光損耗＜0.4dB/km，波長1 550nm時的光損耗＜0.3dB/km。而從本次試驗結果的分析可以得出，在模擬環境下的水壓變化過程中（自常壓至70MPa或自70MPa至常壓），試驗期間光損耗最大值分別為0.015dB/km（波長1 310nm）和0.059dB/km（波長1 550nm）。試驗結果表明試驗樣品光損耗性能優于參考文獻中的相關指標。此外，通過試驗證明，該微細光纜的損耗性能處于參考文獻[3]開發的潛水器樣機所使用的光端機允許的總損耗范圍內（允許的光纖傳輸總損耗分別為16.5dB和30.5dB）。

微細光纜深海模擬試驗的完成，證明了微細光纜應用于深海潛水器通信的可行性。通過本次模擬深海壓力試驗，獲得重要的實際測量參數將為微細光纜應用于深海工程通信提供寶貴的試驗依據與數據積累。

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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

沈明學（1978-），男，中國船舶科學研究中心工程師，哈爾濱工程大學博士生。

book=794,ebook=410