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摘 要：为了保证光纤在低温或高温下的正常工作，需确保光纤在不同温度环境下的附加衰减维持在较低的水平。本文通过光纤的高低温循环实验，探究影响光纤环境温度性能的因素，实验结果表明，提高涂料的流动性、提高光纤涂覆层的固化度、降低涂层内部缺陷、使用与拉丝工艺相匹配的涂料可以降低低温环境下光纤的附加损耗。本文的研究为改善光纤在恶劣环境中的使用条件提供了理论依据。
关键词：光纤；高低温循环；微弯；衰减；附加損耗
中图分类号：TN818 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）03-0035-03
Research on the Factors Affecting Additional Loss of Optical Fiber at
High and Low Temperatures
PENG Chuyu，XIONG Tao
（Fujikura Optical Fiber Technology Co.，Ltd.，Wuhan 430070，China）
Abstract：In order to ensure the normal operation of optical fibers at low or high temperatures，it is necesSary to ensure that the additional attenuation of optical fibers at different temperatures remains at a low level. In this paper，the factors affecting the ambient temperature performance of optical fibers are explored through high and low temperature cycling experiments of optical fibers. The experimental results show that the additional loss of optical fibers in low temperature environment can be reduced by improving the fluidity of coatings，increasing the curing degree of optical fibers coatings，reducing the internal defects of coatings，and using coatings matching the drawing process. This study provides a theoretical basis for improving the use of optical fibers in harsh environments.
Keywords：optical fiber；high and low temperature cycle；micro bending；attenuation；additional loss
0 引 言
光纤作为光通信传输的唯一信息载体，具有衰减小、带宽高、传输稳定等优势，被广泛用于长距离的信息传输。常用光纤的工作温度范围一般在-40～70℃，当光纤的使用温度超过此范围时，由于涂料性质的变化会引起光纤微弯，使损耗增大，进而影响通信线路的传输性能。随着运营商的信息网络建设延伸到极寒极热或者昼夜温差极大等环境恶劣的地区，若光纤在高温或低温下的附加损耗过大，则会导致整个链路损耗增大，传输距离急剧降低。因此，研究低温或高温下光纤的衰减性能，并降低该条件下的温度附加损耗具有十分重要的意义。
1 实验部分
温度循环实验方法：取2.2km长的松绕状态下的光纤放入高低温箱中，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。
2 实验结果及分析
光纤由芯层、包层以及涂层三部分组成。其中芯层和包层的主要原料是SiO2，它具有良好的温度稳定性，而涂层的常用原料是丙烯酸树脂，其性能会随温度发生显著变化。因此，要保证光纤在低温或高温下具有较小的附加损耗，涂层的性能至关重要。在低温下，光纤涂层材料的收缩会对光纤表面造成挤压，导致光纤微弯，使光纤的微弯损耗增加[1]。因此，若光纤涂覆状态不好或者涂层异常，会导致低温下的温度附加损耗较大。下面对可能影响光纤温度附加损耗的原因进行探究。
2.1 温度对光纤附加损耗的影响
为了探究温度对光纤附加损耗的影响，取6盘纤，其中6个样品做常温-低温-高温-低温-高温试验，另外6个样品做常温-高温-低温-高温-低温试验。
首先考察光纤低温-高温循环下的附加损耗，低温-高温循环的附加损耗如图1所示，光纤在第一次低温时，1550nm波长的附加损耗分布在0.005～0.05dB/km之间，当温度升高后，所有光纤的衰减基本恢复到常温水平。当温度第二次降到-60℃时，附加损耗较第一次低温明显降低，所有光纤在1550nm波长的附加衰减降到0.01dB/km以下。当温度再次升到85℃时，衰减又恢复到常温水平。
接着考察了光纤高温-低温循环下的附加损耗，高温-低温循环的附加损耗如图2所示，光纤先在85℃下保温两小时，其高温的衰减与室温相比增加得并不明显。当温度第一次降低到-60℃时，光纤在1550nm波长处的第一次低温附加损耗已经降低到0.02dB/km以下，第二次低温的附加损耗与第一次基本持平。 从光纤的低温-高温以及高温-低温循环实验可以看出，当光纤经历过高温保温后，低温下的附加损耗明显降低，第二次高温基本不再产生影响。推测可能是光纤在高速生产过程中涂料固化不充分，涂层与光纤之间存在局部应力。光纤在85℃下保温时，涂料粘度降低，通过热处理增强了涂料与光纤之间的附着程度，改善了涂料与光纤之间的涂覆状态。因此，当光纤经历高温保温过程再降到低温时，附加损耗会明显降低。
通过上述实验结果可以推测得出：涂层的固化度会影响光纤的低温环境性能，并且当因固化不充分导致的低温附加损耗偏大时，热处理能够起到一定的改善作用。通过生产工艺的优化，可以降低高低温循环实验中首次低温的附加损耗。
2.2 涂料保温温度对温度附加损耗的影响
涂料的粘度随温度变化而变化，在拉丝过程中，通过水浴对涂料进行加热，从而保证涂料在涂覆过程中具有特定的粘度，满足涂层厚度和涂覆状态的控制[2]。不同涂料保温温度对光纤高低温附加损耗的影响如图3所示，从中可以看出，当涂料保温温度提高后，光纤的低温附加损耗有所降低。推测其原因可能是随着水浴温度的升高，涂料内小分子热运动加快，涂料的粘度降低，使涂料具有更好的流动性。在这种条件下，涂料与光纤接触更加充分均匀，增强了内涂与光纤之间的粘附力，降低了在低温下产生的局部应力，从而使光纤的低温附加损耗降低。
虽然提高涂料保温温度可以降低涂料粘度，提高涂料的流动性，但是涂料的保温温度也不能升得过高，因为当涂料温度过高时，由于涂料粘度过低，流动太快，会使涂料与光纤表面的附着力大幅下降，光纤涂覆不均匀，造成光纤涂层中出现气泡甚至涂层缺失等现象，大大影响光纤的传输性能。因此，在光纤实际生产过程中，需要避免此类情况的发生。
2.3 固化炉光照度对温度附加损耗的影响
由于拉丝塔的结构已经固定，在不改变固化炉数量的前提下，固化炉的工作状态是决定涂料固化状态的关键因素，而固化炉的工作状态的重要衡量指标是光照度。通过提高紫外光功率、改善石英管透光率、清洁或更换反射罩可以提高固化炉的光照度。固化炉维护后光纤的高低温附加损耗如图4所示，从中可以看出，当固化炉维护后，光纤的低温附加损耗较之前有所降低，这是因为提高固化炉的光照度，涂料的光化学反应进行得更加充分，涂层固化更加完全，降低了低温下的附加损耗。
2.4 涂层内部缺陷對温度附加损耗的影响
涂层内部缺陷也会直接影响着涂覆光纤的衰减性能。光纤涂层存在气泡的情况下的光纤高低温附加损耗如图5所示，从实验结果中可以看出，涂层存在气泡的光纤在低温时的附加损耗明显增大，远远超出前文中因固化不完全造成的低温附加损耗，且附加损耗的值波动较为剧烈，但是高温时的衰减与室温相比几乎没有什么变化。推测其原因可能是当光纤涂层内存在气泡时，随着温度的降低，涂层、气泡以及裸纤逐渐收缩，但是涂层、气泡及裸纤之间的热膨胀系数并不匹配，导致裸纤受到挤压，产生局部应力，造成了附加损耗。由于气泡在高温保温过程中并不会消失，因此，光纤经过高温再降到低温后，仍然有较大的附加损耗。附加损耗的大小与气泡的状态和数量有关，与此同时，涂层细线、脱落等缺陷均可能导致光纤的低温附加衰减异常大。
2.5 涂料性质对温度附加损耗的影响
由于裸纤直接与内涂接触，因此涂料性质会直接影响光纤衰减及使用寿命。本文仅从理论上介绍涂料性质对光纤温度附加损耗的影响。
为了保证光纤具有较小的温度附加损耗，光纤内涂需具备以下几个特性：（1）合适的粘度，涂料粘度会影响拉丝过程中涂料的流动性，若涂料粘度不合适，可能导致涂层涂覆不均匀，甚至出现断流的现象；（2）固化速度快，若固化速度太慢，则涂层固化不完全；（3）低的玻璃化转变温度，当光纤在低温下工作时，低的玻璃化转变温度可以确保内涂的黏流态，避免内涂由黏流态向玻璃态转变时产生局部应力；（4）低的模量，且模量在使用的温度范围内随温度变化较小，保证裸纤与内涂之间具有更好的缓冲性能，从而降低微弯损耗[3]。
3 结 论
对光纤进行高低温循环实验的结果表明：（1）光纤在高温下保温时存在热固化过程，可以使没有固化完全的涂层充分固化。因此，当光纤先经历高温保温再降到低温时，其低温的附加损耗会降低；（2）提高涂料保温温度以及固化炉的光照度可以使涂层固化更加完全，降低低温下光纤微弯带来的附加损耗；（3）为保证光纤在低温下具有较小的附加损耗，需要保证光纤涂层的质量，避免涂层中出现气泡甚至涂层脱落等现象；（4）拉丝过程应使用与拉丝工艺相匹配的专用涂料。
参考文献：
[1] 李健，王春江，包清，等.光纤复合架空地线的缆芯低温损耗特性 [J].电线电缆，1990（4）：2-5.
[2] 潘丰.光纤涂覆技术和质量控制分析 [C]//中国通信学会2002年光缆电缆学术年会.中国通信学会2002年光缆电缆学术年会论文集.成都：2002：35-45.
[3] 邹立勇，尤庆亮，范和平，等.紫外光固化新型光纤涂料研究进展 [J].江汉大学学报（自然科学版），2014，42（1）：17-22.
作者简介：彭楚宇（1993-），男，汉族，湖北十堰人，品质工程师，理学硕士，研究方向：光纤测试；熊涛（1990-），男，汉族，湖北武汉人，品质工程师，工学学士，研究方向：光纤测试。
关键词：光纤；高低温循环；微弯；衰减；附加損耗
中图分类号：TN818 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）03-0035-03
Research on the Factors Affecting Additional Loss of Optical Fiber at
High and Low Temperatures
PENG Chuyu，XIONG Tao
（Fujikura Optical Fiber Technology Co.，Ltd.，Wuhan 430070，China）
Abstract：In order to ensure the normal operation of optical fibers at low or high temperatures，it is necesSary to ensure that the additional attenuation of optical fibers at different temperatures remains at a low level. In this paper，the factors affecting the ambient temperature performance of optical fibers are explored through high and low temperature cycling experiments of optical fibers. The experimental results show that the additional loss of optical fibers in low temperature environment can be reduced by improving the fluidity of coatings，increasing the curing degree of optical fibers coatings，reducing the internal defects of coatings，and using coatings matching the drawing process. This study provides a theoretical basis for improving the use of optical fibers in harsh environments.
Keywords：optical fiber；high and low temperature cycle；micro bending；attenuation；additional loss
0 引 言
光纤作为光通信传输的唯一信息载体，具有衰减小、带宽高、传输稳定等优势，被广泛用于长距离的信息传输。常用光纤的工作温度范围一般在-40～70℃，当光纤的使用温度超过此范围时，由于涂料性质的变化会引起光纤微弯，使损耗增大，进而影响通信线路的传输性能。随着运营商的信息网络建设延伸到极寒极热或者昼夜温差极大等环境恶劣的地区，若光纤在高温或低温下的附加损耗过大，则会导致整个链路损耗增大，传输距离急剧降低。因此，研究低温或高温下光纤的衰减性能，并降低该条件下的温度附加损耗具有十分重要的意义。
1 实验部分
温度循环实验方法：取2.2km长的松绕状态下的光纤放入高低温箱中，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。
2 实验结果及分析
光纤由芯层、包层以及涂层三部分组成。其中芯层和包层的主要原料是SiO2，它具有良好的温度稳定性，而涂层的常用原料是丙烯酸树脂，其性能会随温度发生显著变化。因此，要保证光纤在低温或高温下具有较小的附加损耗，涂层的性能至关重要。在低温下，光纤涂层材料的收缩会对光纤表面造成挤压，导致光纤微弯，使光纤的微弯损耗增加[1]。因此，若光纤涂覆状态不好或者涂层异常，会导致低温下的温度附加损耗较大。下面对可能影响光纤温度附加损耗的原因进行探究。
2.1 温度对光纤附加损耗的影响
为了探究温度对光纤附加损耗的影响，取6盘纤，其中6个样品做常温-低温-高温-低温-高温试验，另外6个样品做常温-高温-低温-高温-低温试验。
首先考察光纤低温-高温循环下的附加损耗，低温-高温循环的附加损耗如图1所示，光纤在第一次低温时，1550nm波长的附加损耗分布在0.005～0.05dB/km之间，当温度升高后，所有光纤的衰减基本恢复到常温水平。当温度第二次降到-60℃时，附加损耗较第一次低温明显降低，所有光纤在1550nm波长的附加衰减降到0.01dB/km以下。当温度再次升到85℃时，衰减又恢复到常温水平。
接着考察了光纤高温-低温循环下的附加损耗，高温-低温循环的附加损耗如图2所示，光纤先在85℃下保温两小时，其高温的衰减与室温相比增加得并不明显。当温度第一次降低到-60℃时，光纤在1550nm波长处的第一次低温附加损耗已经降低到0.02dB/km以下，第二次低温的附加损耗与第一次基本持平。 从光纤的低温-高温以及高温-低温循环实验可以看出，当光纤经历过高温保温后，低温下的附加损耗明显降低，第二次高温基本不再产生影响。推测可能是光纤在高速生产过程中涂料固化不充分，涂层与光纤之间存在局部应力。光纤在85℃下保温时，涂料粘度降低，通过热处理增强了涂料与光纤之间的附着程度，改善了涂料与光纤之间的涂覆状态。因此，当光纤经历高温保温过程再降到低温时，附加损耗会明显降低。
通过上述实验结果可以推测得出：涂层的固化度会影响光纤的低温环境性能，并且当因固化不充分导致的低温附加损耗偏大时，热处理能够起到一定的改善作用。通过生产工艺的优化，可以降低高低温循环实验中首次低温的附加损耗。
2.2 涂料保温温度对温度附加损耗的影响
涂料的粘度随温度变化而变化，在拉丝过程中，通过水浴对涂料进行加热，从而保证涂料在涂覆过程中具有特定的粘度，满足涂层厚度和涂覆状态的控制[2]。不同涂料保温温度对光纤高低温附加损耗的影响如图3所示，从中可以看出，当涂料保温温度提高后，光纤的低温附加损耗有所降低。推测其原因可能是随着水浴温度的升高，涂料内小分子热运动加快，涂料的粘度降低，使涂料具有更好的流动性。在这种条件下，涂料与光纤接触更加充分均匀，增强了内涂与光纤之间的粘附力，降低了在低温下产生的局部应力，从而使光纤的低温附加损耗降低。
虽然提高涂料保温温度可以降低涂料粘度，提高涂料的流动性，但是涂料的保温温度也不能升得过高，因为当涂料温度过高时，由于涂料粘度过低，流动太快，会使涂料与光纤表面的附着力大幅下降，光纤涂覆不均匀，造成光纤涂层中出现气泡甚至涂层缺失等现象，大大影响光纤的传输性能。因此，在光纤实际生产过程中，需要避免此类情况的发生。
2.3 固化炉光照度对温度附加损耗的影响
由于拉丝塔的结构已经固定，在不改变固化炉数量的前提下，固化炉的工作状态是决定涂料固化状态的关键因素，而固化炉的工作状态的重要衡量指标是光照度。通过提高紫外光功率、改善石英管透光率、清洁或更换反射罩可以提高固化炉的光照度。固化炉维护后光纤的高低温附加损耗如图4所示，从中可以看出，当固化炉维护后，光纤的低温附加损耗较之前有所降低，这是因为提高固化炉的光照度，涂料的光化学反应进行得更加充分，涂层固化更加完全，降低了低温下的附加损耗。
2.4 涂层内部缺陷對温度附加损耗的影响
涂层内部缺陷也会直接影响着涂覆光纤的衰减性能。光纤涂层存在气泡的情况下的光纤高低温附加损耗如图5所示，从实验结果中可以看出，涂层存在气泡的光纤在低温时的附加损耗明显增大，远远超出前文中因固化不完全造成的低温附加损耗，且附加损耗的值波动较为剧烈，但是高温时的衰减与室温相比几乎没有什么变化。推测其原因可能是当光纤涂层内存在气泡时，随着温度的降低，涂层、气泡以及裸纤逐渐收缩，但是涂层、气泡及裸纤之间的热膨胀系数并不匹配，导致裸纤受到挤压，产生局部应力，造成了附加损耗。由于气泡在高温保温过程中并不会消失，因此，光纤经过高温再降到低温后，仍然有较大的附加损耗。附加损耗的大小与气泡的状态和数量有关，与此同时，涂层细线、脱落等缺陷均可能导致光纤的低温附加衰减异常大。
2.5 涂料性质对温度附加损耗的影响
由于裸纤直接与内涂接触，因此涂料性质会直接影响光纤衰减及使用寿命。本文仅从理论上介绍涂料性质对光纤温度附加损耗的影响。
为了保证光纤具有较小的温度附加损耗，光纤内涂需具备以下几个特性：（1）合适的粘度，涂料粘度会影响拉丝过程中涂料的流动性，若涂料粘度不合适，可能导致涂层涂覆不均匀，甚至出现断流的现象；（2）固化速度快，若固化速度太慢，则涂层固化不完全；（3）低的玻璃化转变温度，当光纤在低温下工作时，低的玻璃化转变温度可以确保内涂的黏流态，避免内涂由黏流态向玻璃态转变时产生局部应力；（4）低的模量，且模量在使用的温度范围内随温度变化较小，保证裸纤与内涂之间具有更好的缓冲性能，从而降低微弯损耗[3]。
3 结 论
对光纤进行高低温循环实验的结果表明：（1）光纤在高温下保温时存在热固化过程，可以使没有固化完全的涂层充分固化。因此，当光纤先经历高温保温再降到低温时，其低温的附加损耗会降低；（2）提高涂料保温温度以及固化炉的光照度可以使涂层固化更加完全，降低低温下光纤微弯带来的附加损耗；（3）为保证光纤在低温下具有较小的附加损耗，需要保证光纤涂层的质量，避免涂层中出现气泡甚至涂层脱落等现象；（4）拉丝过程应使用与拉丝工艺相匹配的专用涂料。
参考文献：
[1] 李健，王春江，包清，等.光纤复合架空地线的缆芯低温损耗特性 [J].电线电缆，1990（4）：2-5.
[2] 潘丰.光纤涂覆技术和质量控制分析 [C]//中国通信学会2002年光缆电缆学术年会.中国通信学会2002年光缆电缆学术年会论文集.成都：2002：35-45.
[3] 邹立勇，尤庆亮，范和平，等.紫外光固化新型光纤涂料研究进展 [J].江汉大学学报（自然科学版），2014，42（1）：17-22.
作者简介：彭楚宇（1993-），男，汉族，湖北十堰人，品质工程师，理学硕士，研究方向：光纤测试；熊涛（1990-），男，汉族，湖北武汉人，品质工程师，工学学士，研究方向：光纤测试。