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2011/11/28
作者：Ashutosh Goel，G. Siva Srinivas（赖天明 译）
一、引言
伴随着波分复用技术在互联网上的发展，各种各样多媒体业务越来越丰富，这直接导致了光纤这种拥有更高传输带宽的传输介质随之快速增长。随着光功率的增加，工程安全需要考虑光纤可承受的光功率的阀值，以避免在高度弯曲条件下造成的潜在伤害。我们利用阿累尼乌斯法研究使用不同涂层材料的光纤保持25年的生命周期，是基于如下的假设：即使操作条件有差别，但是只要导致的最高可忍受温度相同，则相应的最终使用寿命也相同。我们同样也研究了光纤涂层在1480nm波长的近红外线（NIR）光谱，对设定弯曲条件和功率的光纤的平衡温度与涂层吸收率的关系，以及光吸收性能与光纤使用寿命之间的关系。
早前介绍的预测光纤使用寿命的方法比较费时耗资。光纤在大功率下传输失败通常的原因是光纤涂层吸收能量从而导致涂层受热，使得在涂层和玻璃纤芯都无法进行正常传输。那么我们通过热重分析法（TGA），来研究涂层退化与预期的光纤寿命，这样可以节约不少的时间。
二、实验
关于实验的具体设置，另有文章专门介绍。这里我们选择两根光纤分别被覆涂料1和涂料2，其MAC值（模场直径/截止波长）为7.1。高功率实验在1480nm 波长下进行，涵盖多种传输功率和弯曲条件。平衡温度由前视红外（FLIR）摄像机测试。热重分析法将两根光纤的升温速率分别定为1，2.5，5，10，大气温度20℃。温度范围从环境温度到600℃之间。样品就是从两根光纤上需剥除的涂层，放置在白金盘上，典型样品重量在10-40mg之间。
三、结果与讨论
图1显示的是样品1其导致故障的功率与弯曲直径关系图。从曲线上可看到R1，R2和R3不同的损伤级别（R1：传输中断，R2涂层融化，R3涂层变色）。关于R1，R2和R3损伤的介绍，另有文章专门论述。从样品2获得的曲线图也与此图类似，这里不再介绍。
图2显示了两个样品R3损伤的阀值比较。由此可以很明显看到，样品1较样品2明显更优异。造成这个差异的最主要原因就是两个样品的涂层在1480nm波长的吸光率特性不同。样品1相比样品2有较低的吸光率，因而样品1的损伤阀值较高。由于吸光率数据在目前具有专利，因此就不在这里详细阐述了。
图1 样品1其导致故障的功率与弯曲直径曲线关系图
图2 可以很清楚地看到，两个样品在R3损伤下的损伤阀值比较，样品1较样品2明显表现更优异
图3 样品1在不同弯曲直径下，平衡温度与功率曲线的关系图
图3展示了样品1在不同弯曲直径下，平衡温度与功率曲线的关系图。由此可见，光纤的弯曲直径越小，其平衡温度越高。
样品2的曲线与样品1类似（图上没有展示），只是在Y轴上略往上平移。这是由于样品2的涂层具有较高的吸光率，导致了更高的平衡温度。
图4是关于样品1的阿累尼乌斯（Arrhenius）曲线图。可以看到在182℃左右，曲线斜率发生了明显的改变，这说明光纤涂层在这里发生了退化。根据阿累尼乌斯（Arrhenius）定律推测，要使得光纤的使用寿命超过25年，其平衡温度需低于72℃。
图4 样品1的临界失效时间与平衡温度的关系对应图。弯曲直径为4-15mm，发射功率为800mW-4.5W
利用图4获得的安全温度数据，计算出可以确保这两种涂层的光纤有25年寿命的最大传输功率和相应的弯曲直径。相应的图形请参见图5。
图5 确保光纤25年寿命的最大光功率和弯曲直径的关系对应图（样品1及2）
从图5得出结论，如果给定一个弯曲直径，就可以计算出确保光纤25年寿命的相应光功率。这里再次重申，样品1的表现比样品2更好。
鉴于光纤在传输大功率激光信号的时候，由于涂层的吸收发热可能会造成光纤和涂层失效，那么热重法就是一个行之有效的来分析光纤的安全温度并预测光纤维持至少25年的使用寿命的方法。按照所介绍的方法，可以用此方法研究出涂覆量由时间和温度来决定，重量的损失可通过在不同环境下（氮气，空气或者氧气环境）的不同温度和加热速度来测量，而且只需要非常少量的样品（几毫克）。热重法数据在特定的时间和温度的区间内来获得，并推算出更宽范围内的时间和温度的关系。光纤性能在在类似的加速条件下进行单独测试，可以很容易的建立它和热重法数据之间的联系。一旦这种联系被确定下来，热重法就能提供一种有效评估光纤热稳定性的定量计算方法。详细过程读者可参考文献的文章，这里我们仅介绍当前工作的研究成果。
图6是样品1在不同加热速度下的热重法曲线图。我们在样品2上也获得了类似的曲线，这里不再赘述。当涂层重量范围在40%~100%时，曲线随着加热速度增加而向右边发生改变。当剩余重量低于40%时，加热速度不能长期保持，这表明材料变得不稳定并开始分解。利用以上的分析方法从动态的热重法曲线来获得寿命数据。尽管目前光纤的失效规律还不得而知，当其重量损失约为25%时，就可以计算出光纤的寿命。
图6 样品1在空气中用不同加热速度所取得的动态热重法曲线
图7 是样品1在空气环境里测到的阿累尼乌斯曲线图。该曲线由假定光纤涂层重量损失25%而得。而下面的表1则展示了在空气环境里，样品1和样品2通过热重法测到的生命周期内的温度数据变化，以及通过大功率破坏法得到的安全操作的运行温度。
图7 样品1在空气环境中失重25%的阿累尼乌斯曲线图
四、结论
我们对两种采用不同涂层材料的光纤风险分析已经完成。实验证明涂层的吸光率性能在维持光纤至少25年的使用寿命中扮演着重要的角色。同等条件下，使用较低吸光率涂层的光纤可以维持更长的使用寿命。
与大功率破坏法计算出的温度相比，动态热重分析法看来可以提供更合理精确的温度预测。今后我们还将对多种光纤涂层进行类似相关测试，并尝试与当前的研究成果建立起联系。
伴随着波分复用技术在互联网上的发展，各种各样多媒体业务越来越丰富，这直接导致了光纤这种拥有更高传输带宽的传输介质随之快速增长。随着光功率的增加，工程安全需要考虑光纤可承受的光功率的阀值，以避免在高度弯曲条件下造成的潜在伤害。我们利用阿累尼乌斯法研究使用不同涂层材料的光纤保持25年的生命周期，是基于如下的假设：即使操作条件有差别，但是只要导致的最高可忍受温度相同，则相应的最终使用寿命也相同。我们同样也研究了光纤涂层在1480nm波长的近红外线（NIR）光谱，对设定弯曲条件和功率的光纤的平衡温度与涂层吸收率的关系，以及光吸收性能与光纤使用寿命之间的关系。
早前介绍的预测光纤使用寿命的方法比较费时耗资。光纤在大功率下传输失败通常的原因是光纤涂层吸收能量从而导致涂层受热，使得在涂层和玻璃纤芯都无法进行正常传输。那么我们通过热重分析法（TGA），来研究涂层退化与预期的光纤寿命，这样可以节约不少的时间。
二、实验
关于实验的具体设置，另有文章专门介绍。这里我们选择两根光纤分别被覆涂料1和涂料2，其MAC值（模场直径/截止波长）为7.1。高功率实验在1480nm 波长下进行，涵盖多种传输功率和弯曲条件。平衡温度由前视红外（FLIR）摄像机测试。热重分析法将两根光纤的升温速率分别定为1，2.5，5，10，大气温度20℃。温度范围从环境温度到600℃之间。样品就是从两根光纤上需剥除的涂层，放置在白金盘上，典型样品重量在10-40mg之间。
三、结果与讨论
图1显示的是样品1其导致故障的功率与弯曲直径关系图。从曲线上可看到R1，R2和R3不同的损伤级别（R1：传输中断，R2涂层融化，R3涂层变色）。关于R1，R2和R3损伤的介绍，另有文章专门论述。从样品2获得的曲线图也与此图类似，这里不再介绍。
图2显示了两个样品R3损伤的阀值比较。由此可以很明显看到，样品1较样品2明显更优异。造成这个差异的最主要原因就是两个样品的涂层在1480nm波长的吸光率特性不同。样品1相比样品2有较低的吸光率，因而样品1的损伤阀值较高。由于吸光率数据在目前具有专利，因此就不在这里详细阐述了。
图1 样品1其导致故障的功率与弯曲直径曲线关系图
图2 可以很清楚地看到，两个样品在R3损伤下的损伤阀值比较，样品1较样品2明显表现更优异
图3 样品1在不同弯曲直径下，平衡温度与功率曲线的关系图
样品2的曲线与样品1类似（图上没有展示），只是在Y轴上略往上平移。这是由于样品2的涂层具有较高的吸光率，导致了更高的平衡温度。
图4是关于样品1的阿累尼乌斯（Arrhenius）曲线图。可以看到在182℃左右，曲线斜率发生了明显的改变，这说明光纤涂层在这里发生了退化。根据阿累尼乌斯（Arrhenius）定律推测，要使得光纤的使用寿命超过25年，其平衡温度需低于72℃。
图4 样品1的临界失效时间与平衡温度的关系对应图。弯曲直径为4-15mm，发射功率为800mW-4.5W
图5 确保光纤25年寿命的最大光功率和弯曲直径的关系对应图（样品1及2）
鉴于光纤在传输大功率激光信号的时候，由于涂层的吸收发热可能会造成光纤和涂层失效，那么热重法就是一个行之有效的来分析光纤的安全温度并预测光纤维持至少25年的使用寿命的方法。按照所介绍的方法，可以用此方法研究出涂覆量由时间和温度来决定，重量的损失可通过在不同环境下（氮气，空气或者氧气环境）的不同温度和加热速度来测量，而且只需要非常少量的样品（几毫克）。热重法数据在特定的时间和温度的区间内来获得，并推算出更宽范围内的时间和温度的关系。光纤性能在在类似的加速条件下进行单独测试，可以很容易的建立它和热重法数据之间的联系。一旦这种联系被确定下来，热重法就能提供一种有效评估光纤热稳定性的定量计算方法。详细过程读者可参考文献的文章，这里我们仅介绍当前工作的研究成果。
图6是样品1在不同加热速度下的热重法曲线图。我们在样品2上也获得了类似的曲线，这里不再赘述。当涂层重量范围在40%~100%时，曲线随着加热速度增加而向右边发生改变。当剩余重量低于40%时，加热速度不能长期保持，这表明材料变得不稳定并开始分解。利用以上的分析方法从动态的热重法曲线来获得寿命数据。尽管目前光纤的失效规律还不得而知，当其重量损失约为25%时，就可以计算出光纤的寿命。
图6 样品1在空气中用不同加热速度所取得的动态热重法曲线
图7 样品1在空气环境中失重25%的阿累尼乌斯曲线图
表1 25年寿命的安全工作温度
| 热重法测得的温度（℃） | 大功率破坏法测得的温度（℃） | |
| 样品1 | 83.5 | 72 |
| 样品2 | 66.85 | 59 |
如果我们设定当光纤涂层重量损失25%时，无论从光学指标还是机械性能上讲都不能再使用，因此这两种光纤要维持25年的生命周期，其运行温度需分别不高于83.5℃和66.85℃。当然，它们也可以在更高温度条件下运行使用，但是这需要以缩短使用寿命为代价。我们看到这个温度要比前文使用大功率破坏性法得到的温度要稍低，这是由于系统运行过程中的热辐射损失以及玻璃对光的吸收所致。我们使用大功率破坏法时，测试的是整根光纤；而使用热重分析法时，测试的只是涂层材料本身。
四、结论
我们对两种采用不同涂层材料的光纤风险分析已经完成。实验证明涂层的吸光率性能在维持光纤至少25年的使用寿命中扮演着重要的角色。同等条件下，使用较低吸光率涂层的光纤可以维持更长的使用寿命。
与大功率破坏法计算出的温度相比，动态热重分析法看来可以提供更合理精确的温度预测。今后我们还将对多种光纤涂层进行类似相关测试，并尝试与当前的研究成果建立起联系。
