责任编辑：匿名 (未验证)
2010/04/29
作者：Steven R. Schmid, Pratik Shah, Long Han, Xiaosong Wu
一、导言
通信信号通过光纤传输接入家庭和多用户接入单元（MDU）时，玻璃光纤受到更大的压弯，这就要求光纤生产商提供G657抗宏弯光纤。同时，对带宽日益增长的需求给已部署网络所能提升的余地造成压力。本文报告能明显减小光纤微弯衰减的新型光纤防护涂料的最新研发成果，即当今网络部署中更重要的潜在属性。
大量参考文献报告了关于光纤微弯敏感性的调查情况。其中，只有Overton等人和Kobayashi等人提供了关于玻璃和涂料的个人贡献的测试详情。目前笔者不得不进一步解析该主题并探讨是否可以进一步改善涂料系统因此减小光纤微弯敏感性，特别是在极端温度和波长的情况下。此外，探讨该主题也是为了开始确定新一代涂料是否可以给未来通信网络带来巨大利益，即，通过卓越的传输性能（显著减少衰减）可以最大限度地降低对光功率再生或放大的需求并节约运行网络的功耗。新一代涂料的其他好处包括在室外温度极端情况下（包括引起网络耗损并导致高额维修费用的季节性周期）的可靠性更高和减少低温环境下网络故障的风险。最后，通过提供更多的目前用作监督渠道的1625nm带宽，明显减少了微弯，这能够进一步保障未来的网络投资。
二、实验
多个商业开发涂料系统应用于速度为750m/m ~ 2100m/m的自制模拟拉丝塔（DTS）的直径130微米的不锈钢丝。尽管拉丝塔高不足6m，但是，各涂料设备之间的距离接近商业光纤拉丝塔的距离。DTS配置了五个Fusion公司生产的紫外光固化灯（D灯），两个用于内层固化，三个用于外层固化，在涂料试验中均以600W的功率工作。
图1 模拟拉丝塔
这些相同的涂料系统采用湿对湿制备方法，应用于从速度为700~1000m/m的独立商业光纤生产商G652D预制棒中拉出的直径为125微米的光纤。拉丝塔配备了两个以600W功率工作的紫外光固化灯（D灯）。
对在线模量和玻璃化温度下的不锈钢丝和光纤涂料系统进行测试。光纤以编织篮的形式在玻璃筒上卷绕成型，并按照IEC 62221 TR方法D在-60℃~+85℃的范围内进行五次温度循环，每一次用时24小时。图2是纤维拉出、缠绕和温度循环的流程示意图，图3说明了所使用的温度循环方案。
图2 光纤拉出、缠绕和温度循环流程示意图
图3 温度循环方案
三、光纤涂料系统开发
在过去的30年里，光纤涂料系统开发取得了重大进展，并对性能进行改善以满足光纤生产商、室外网络提供商的需要。这些改进在很大程度上是通过利用新化学品和新涂层表征技术实现的。最早的涂层测试技术是基于通常在室温下进行的玻璃板薄膜拉伸测试，以确定模量、伸长率和终极拉伸强度。后来应用动态力学分析等非破坏性技术来测试各种温度下涂层的模量特性。后者提供了玻璃和橡胶阶段的涂层模量特性的详细观察，及其与交联密度相称的均衡值。
图4 显示了标准新一代外部基准内层涂料的系列DMA特性。
图4 内层涂料的DMA特性
S24内层涂料是一种具有较高抗微弯性的新型商业涂料。S15内层涂料是一种标准性能的商业涂料。S21内层涂料是一种本项研究中采用的商业外部基准涂料。
1、模拟拉丝塔上测试涂料系统力学性能
目前，对光纤的需求促使生产商全力运营，推动了不断加快拉丝速度的需求。因此，重要的是，生产商应了解涂料系统特性如何在光纤上根据拉丝速度发生变化。例如，如果涂料固化在更快的拉丝速度下过度衰减，则在性能上可能带来意想不到的惊喜。外层涂料特别考虑的是在拉丝速度不断加快时模量和玻璃化温度可能影响衰减的情况。拉丝速度更快时，高交联网络的性能无法实现全面开发，这可能导致剥离力、横向荷载保护和微弯敏感性等方面欠佳。
为了在光纤拉丝塔上模拟涂料系统的应用，于是DTS将涂料系统应用于不锈钢丝。在不锈钢丝上或在线涂料模量和玻璃化温度根据拉丝速度确定。
图5展示了图4中三种内层涂料的与DTS拉丝速度相应的在线模量特性。
很容易看出，S15和S24内层涂料在拉丝速度的大范围内有着相当一致的在线模量（ISM）。但是，随着拉丝速度加快，外部基准内层涂料的模量明显降低。最后，新开发的内层涂料具有显著减少的更低平均模量。
图5 DTS丝和拉伸纤维的ISM对比
在已安装的光纤的25-30年的使用寿命中，保持光纤的性能是很重要的。Telcordia的《GR-20-CORE》第三篇第4部分规定，某些光纤性能在其暴露于85℃和85%RH的加速老化的环境下30天前后测量。图6展示了新内层涂料在暴露于加速老化环境后表现出的稳定的在线模量性能。
图6 暴露于85℃/85%RH后1个月的ISM特性
2、DTS丝和拉伸纤维的内层涂料对比
尽管DTS对涂料将如何在商业拉丝塔上运用做了深入了解，最终只能在商业拉丝塔上获得验证。同时，重要的是要记住，各种拉丝塔在高度、拉丝速度、灯数量和灯功率等特点上各有不同。图7和图8展示了在用内层涂敷器的2600 W/in灯和外层涂敷器的3600 W/in灯固化的丝以及用两种湿对湿涂敷器的两个600 W/in灯相同速度下的光纤上测出的内层涂料在线模量和Tg。
下图结果显示光纤上获得的ISM数值通常与在1800 m/m的DTS速度下获得的ISM数量相关，证明了DTS是确定将在商业拉丝塔上验证的涂料力学性能的一种有用的预测工具。
图7 DTS丝和拉伸纤维的内层涂料ISM对比
（Coating system：涂料系统；In-situ modulus：在线模量；
DTS-750m/分钟，湿对干；DTS-1800m/分钟，湿对干 ；拉丝塔 – 700m/分钟，湿对湿）
图8 DTS丝和拉伸纤维的内层涂料Tg
（Coating system：涂料系统；DTS-750m/分钟，湿对干；DTS-1800m/分钟，湿对干；拉丝塔 – 700m/分钟，湿对湿）
四、微弯
图9 1310nm、1550nm和1625nm波长的温度附加衰减
图10只取前述数值中的-40℃温度和1625nm波长展示。可以看出不同涂料系统间的高达0.1db/km的差异。
图10 1625波长在-40℃的诱导衰减
图11描绘了相同波长但温度为-60℃的相同涂料系统的附加衰减。将几个系统的附加衰减扩大到0.6分贝/千米以上，其中一个系统超过了1.0分贝/千米。更重要的是，很多新开发的系统不超过0.2分贝/千米。
图11 1625波长的-60℃附加衰减
图12 在-10℃的100倍放大（左：亚洲故障光纤；左：新抗微弯涂料系统）
如果在本测试中评估高衰减值的光纤，那么，在部署前避免现场故障是很有可能的。鉴于此，笔者建议采取行动实现微弯测试方法标准化，形成微弯规范，以进行适合未来发展的网络投资。最近我们已与Telcordia达成一个合作项目，向电信行业协会（TIA）TR-42技术委员会提交测量和解析光纤光缆中微弯引起的损耗的开发概述，并向TR-42.12光纤和光缆专门委员会成员发放FOTP（光纤光学测试程序）草案。此外，我们将努力探讨IEC（国际电工委员会） SC86A委员会的并行标准化：光纤和光缆专门委员会与TIA TR-42工程委员会的USTAG（美国技术顾问组）的并行标准化。对于发布记录GR-20-CORE第三篇未提及的光纤和光缆产品的低温微弯性和测试方法问题的GR-20-ILR（事项列表报告），我们也将提供支持。
通信信号通过光纤传输接入家庭和多用户接入单元（MDU）时，玻璃光纤受到更大的压弯，这就要求光纤生产商提供G657抗宏弯光纤。同时，对带宽日益增长的需求给已部署网络所能提升的余地造成压力。本文报告能明显减小光纤微弯衰减的新型光纤防护涂料的最新研发成果，即当今网络部署中更重要的潜在属性。
大量参考文献报告了关于光纤微弯敏感性的调查情况。其中，只有Overton等人和Kobayashi等人提供了关于玻璃和涂料的个人贡献的测试详情。目前笔者不得不进一步解析该主题并探讨是否可以进一步改善涂料系统因此减小光纤微弯敏感性，特别是在极端温度和波长的情况下。此外，探讨该主题也是为了开始确定新一代涂料是否可以给未来通信网络带来巨大利益，即，通过卓越的传输性能（显著减少衰减）可以最大限度地降低对光功率再生或放大的需求并节约运行网络的功耗。新一代涂料的其他好处包括在室外温度极端情况下（包括引起网络耗损并导致高额维修费用的季节性周期）的可靠性更高和减少低温环境下网络故障的风险。最后，通过提供更多的目前用作监督渠道的1625nm带宽，明显减少了微弯，这能够进一步保障未来的网络投资。
二、实验
多个商业开发涂料系统应用于速度为750m/m ~ 2100m/m的自制模拟拉丝塔（DTS）的直径130微米的不锈钢丝。尽管拉丝塔高不足6m，但是，各涂料设备之间的距离接近商业光纤拉丝塔的距离。DTS配置了五个Fusion公司生产的紫外光固化灯（D灯），两个用于内层固化，三个用于外层固化，在涂料试验中均以600W的功率工作。
图1 模拟拉丝塔
对在线模量和玻璃化温度下的不锈钢丝和光纤涂料系统进行测试。光纤以编织篮的形式在玻璃筒上卷绕成型，并按照IEC 62221 TR方法D在-60℃~+85℃的范围内进行五次温度循环，每一次用时24小时。图2是纤维拉出、缠绕和温度循环的流程示意图，图3说明了所使用的温度循环方案。
图2 光纤拉出、缠绕和温度循环流程示意图
图3 温度循环方案
在过去的30年里，光纤涂料系统开发取得了重大进展，并对性能进行改善以满足光纤生产商、室外网络提供商的需要。这些改进在很大程度上是通过利用新化学品和新涂层表征技术实现的。最早的涂层测试技术是基于通常在室温下进行的玻璃板薄膜拉伸测试，以确定模量、伸长率和终极拉伸强度。后来应用动态力学分析等非破坏性技术来测试各种温度下涂层的模量特性。后者提供了玻璃和橡胶阶段的涂层模量特性的详细观察，及其与交联密度相称的均衡值。
图4 显示了标准新一代外部基准内层涂料的系列DMA特性。
图4 内层涂料的DMA特性
1、模拟拉丝塔上测试涂料系统力学性能
目前，对光纤的需求促使生产商全力运营，推动了不断加快拉丝速度的需求。因此，重要的是，生产商应了解涂料系统特性如何在光纤上根据拉丝速度发生变化。例如，如果涂料固化在更快的拉丝速度下过度衰减，则在性能上可能带来意想不到的惊喜。外层涂料特别考虑的是在拉丝速度不断加快时模量和玻璃化温度可能影响衰减的情况。拉丝速度更快时，高交联网络的性能无法实现全面开发，这可能导致剥离力、横向荷载保护和微弯敏感性等方面欠佳。
为了在光纤拉丝塔上模拟涂料系统的应用，于是DTS将涂料系统应用于不锈钢丝。在不锈钢丝上或在线涂料模量和玻璃化温度根据拉丝速度确定。
图5展示了图4中三种内层涂料的与DTS拉丝速度相应的在线模量特性。
很容易看出，S15和S24内层涂料在拉丝速度的大范围内有着相当一致的在线模量（ISM）。但是，随着拉丝速度加快，外部基准内层涂料的模量明显降低。最后，新开发的内层涂料具有显著减少的更低平均模量。
图5 DTS丝和拉伸纤维的ISM对比
图6 暴露于85℃/85%RH后1个月的ISM特性
尽管DTS对涂料将如何在商业拉丝塔上运用做了深入了解，最终只能在商业拉丝塔上获得验证。同时，重要的是要记住，各种拉丝塔在高度、拉丝速度、灯数量和灯功率等特点上各有不同。图7和图8展示了在用内层涂敷器的2600 W/in灯和外层涂敷器的3600 W/in灯固化的丝以及用两种湿对湿涂敷器的两个600 W/in灯相同速度下的光纤上测出的内层涂料在线模量和Tg。
下图结果显示光纤上获得的ISM数值通常与在1800 m/m的DTS速度下获得的ISM数量相关，证明了DTS是确定将在商业拉丝塔上验证的涂料力学性能的一种有用的预测工具。
图7 DTS丝和拉伸纤维的内层涂料ISM对比
（Coating system：涂料系统；In-situ modulus：在线模量；
DTS-750m/分钟，湿对干；DTS-1800m/分钟，湿对干 ；拉丝塔 – 700m/分钟，湿对湿）
图8 DTS丝和拉伸纤维的内层涂料Tg
（Coating system：涂料系统；DTS-750m/分钟，湿对干；DTS-1800m/分钟，湿对干；拉丝塔 – 700m/分钟，湿对湿）
四、微弯
1、涂料系统性能的关系
在保护光纤不会因微弯而衰减方面，已证明双层涂料系统较早期单层涂料有显著改善。1975年，Gloge报告称，可以通过将大约100 MPa的更低模量内层涂料与大约1000 MPa的更硬外层涂料相结合减少微弯损失。在随后的几年，商用内层涂料的模量减少了30多倍，变成~3 MPa或更低，以助于提高抗微弯性。
1988年，Grasso和Meli发表了有关单模光纤和光缆的微弯损失的理论和实验调查报告。调查报告中所涉及的内层涂料的弹性模量为3.45MPa。
1994年，Unger和Stöcklein发表了有关光纤微弯敏感性的调查报告，称发现不同的涂料设计通过数量级影响了过度损失。遗憾的是，报告中没有提供这些差异的更多细节。
另有文献中提到在温度降低时内层涂料模量增加的情况。我们知道，温度降低时粘弹性涂料变得更硬。多年来，内层涂料已得到优化，阻碍了模量在低温时明显增加（见图4）并导致低温下诱导微弯情形减少。
1994年，Unger和Stöcklein发表了有关光纤微弯敏感性的调查报告，称发现不同的涂料设计通过数量级影响了过度损失。遗憾的是，报告中没有提供这些差异的更多细节。
另有文献中提到在温度降低时内层涂料模量增加的情况。我们知道，温度降低时粘弹性涂料变得更硬。多年来，内层涂料已得到优化，阻碍了模量在低温时明显增加（见图4）并导致低温下诱导微弯情形减少。
2、光纤-测量方法-微弯敏感性
迄今为止，进行微弯敏感性的可靠、标准化评估仍是略微困难的。过去的微弯敏感性调查使用了各种技术模拟光纤的不规则曲率和光缆内遇到的机械应力。Garg和Eol用砂纸覆盖的圆桶和金属网进行了一项试验，Grasso和Meli使用了可膨胀的圆桶，Unger和Stöcklein使用了可膨胀的圆桶和金属网。
近年来，作为专门委员会86A编写的技术报告，IEC62221于2001年10月首次出版，提供了测量光纤微弯敏感性的四项技术：
第一种方法要求至少400米的光纤以最小的张力缠绕在表面有固定粗糙材料的可膨胀圆桶上。
第二种方法要求至少400米的光纤以3N的张力缠绕在表面有固定粗糙材料的固定直径圆桶上。
第三种方法要求将金属网（负载下）应用于测试的光纤上
第四种方法要求2.5千米的光纤以“编织篮”的形式缠绕在固定直径的圆桶上
当然，只有第四种方法具体描述了测量取决于温度的光纤的微弯敏感性，并证明了衰减损失在大的温度范围内增长，尽管Overton在不同温度下运用了第二种方法。
尽管第四种方法比其他方法需要的光纤多得多，这也证明了它的一个优点，即提供更多的缠绕诱导微弯的统计抽样。
第四种方法提供了卷取力、引取宽度、引取间距、锥状堆栈和缠绕速度的详情，讨论了样品预处理、两种可替式衰减测量技术，并建议温度循环可以纳入更低的温度，如-60℃。
第一种方法要求至少400米的光纤以最小的张力缠绕在表面有固定粗糙材料的可膨胀圆桶上。
第二种方法要求至少400米的光纤以3N的张力缠绕在表面有固定粗糙材料的固定直径圆桶上。
第三种方法要求将金属网（负载下）应用于测试的光纤上
第四种方法要求2.5千米的光纤以“编织篮”的形式缠绕在固定直径的圆桶上
当然，只有第四种方法具体描述了测量取决于温度的光纤的微弯敏感性，并证明了衰减损失在大的温度范围内增长，尽管Overton在不同温度下运用了第二种方法。
尽管第四种方法比其他方法需要的光纤多得多，这也证明了它的一个优点，即提供更多的缠绕诱导微弯的统计抽样。
第四种方法提供了卷取力、引取宽度、引取间距、锥状堆栈和缠绕速度的详情，讨论了样品预处理、两种可替式衰减测量技术，并建议温度循环可以纳入更低的温度，如-60℃。
3、根据涂料系统力学性能评估诱导微弯
尽管早期研究对涂料如何影响微弯性做了一些深入了解，只有Overton等人提供了关于统一评估在相同玻璃上有显著不同力学性能的两层涂料的唯一参考文献。本文拟对这个主题进行更广泛的处理。
在本项研究中，G652.D光纤被选定为底物，因为其有从O到L的较宽的波段范围。其他G652光纤类型在超过1550nm窗口的波长下传输没有被优化，降低了对适应未来网络发展的能力。
在本项研究中，测量1310nm、1550nm和1625nm波长的光纤的衰减性。图9展示各种涂料系统和波长中增加的衰减的较大差异。据了解，在-60℃的极端温度下出现最高的附加衰减。
有人可能会质疑辨别在这种极端温度下的巨大差异的价值，因为这种极端温度通常只会在北极圈以北出现。除了为该地部署提供有用信息，该温度下表现出来的性能，也可使人们深入了解各涂料系统间的差异，以使各涂料系统可以明确要求在不那么极端的温度下布线。因此，延伸温度循环至60℃将为服务提供商提供另外的安全改进空间，以确保令人满意的性能。
在本项研究中，G652.D光纤被选定为底物，因为其有从O到L的较宽的波段范围。其他G652光纤类型在超过1550nm窗口的波长下传输没有被优化，降低了对适应未来网络发展的能力。
在本项研究中，测量1310nm、1550nm和1625nm波长的光纤的衰减性。图9展示各种涂料系统和波长中增加的衰减的较大差异。据了解，在-60℃的极端温度下出现最高的附加衰减。
有人可能会质疑辨别在这种极端温度下的巨大差异的价值，因为这种极端温度通常只会在北极圈以北出现。除了为该地部署提供有用信息，该温度下表现出来的性能，也可使人们深入了解各涂料系统间的差异，以使各涂料系统可以明确要求在不那么极端的温度下布线。因此，延伸温度循环至60℃将为服务提供商提供另外的安全改进空间，以确保令人满意的性能。
图9 1310nm、1550nm和1625nm波长的温度附加衰减
图10 1625波长在-40℃的诱导衰减
图11 1625波长的-60℃附加衰减
4、低温下具有高微弯性的涂料的意义
具有经改善的微弯性的涂料对当今网络部署具有重大意义。这些涂料在室外极端温度的条件下具有更高的可靠性，并减少低温环境下的网络故障风险并因此在1625 nm波长时减少网络运营费用。从以下两个例子中，可对在低温下微弯可能对网络所产生的不利影响做深入了解。
《从设计到部署的FTTX手册：FFTX基础设施实用指南》用两章篇幅描写低温下网络面临的挑战。ADC和Bellcore （Telcordia的前身）发现了在-40℃~ 0℃之间重大信号遗失的情况。Gebizlioglu指出：“在寒冷天气下发生一系列影响服务的现场故障…使人们对松管光缆传输与温度相关的性能表示担忧。”传输损耗归因于“光纤随机接触缓冲管壁所引起的光纤微弯，而这些接触是与光缆中心构件有关的缓冲管的轴收缩引起的。”
目前还不清楚，但如果用功能强大的抗微弯涂料对光纤进行缓冲，这种现象可能会有所舒缓。
最近，在2008年冬至2009年，在亚洲发生了一起影响服务的事件，原因是光纤未具备最佳涂料特性。图12左边的照片展示了在现场经历过度衰减的光纤。对于这些照片，光纤冷却到-10℃并放大到100倍。我们相信，左边照片中所示的涂料的不均匀性导致衰减的增加。在交叉照明条件下放大后，呈现结晶状况。右边的照片展示了受抗微弯新涂料系统保护的光纤。
图12 在-10℃的100倍放大（左：亚洲故障光纤；左：新抗微弯涂料系统）
我们按IEC TR 62221第四种方法并根据图3所示的温度循环方案测试了上述两边照片中的光纤和经过标准涂料系统涂敷的光纤。表1和表2显示了1310nm、1550nm和1625nm的涂料系统的初始和附加衰减值。正如所料，在-60℃条件下，呈现结晶状况的涂料遭受了比标准或新涂料系统明显更高的附加衰减。
表1 初始衰减（分贝/千米）
| 光纤 | 涂料系统 | 1310 nm | 1550 nm | 1625 nm |
| 玻璃1 | 新系统（S24型） | 0.31 | 0.19 | 0.21 |
| 玻璃1 | 标准系统（S15型） | 0.33 | 0.23 | 0.30 |
| 玻璃2 | 亚洲故障光纤 | 0.32 | 0.23 | 0.38 |
表2 附加衰减（分贝/千米）
| 光纤 | 涂料系统 | 1310 nm | 1550 nm | 1625 nm |
| 玻璃1 | 新系统（S24型） | 0.37 | 0.30 | 0.35 |
| 玻璃1 | 标准系统（S15型） | 0.53 | 0.61 | 0.83 |
| 玻璃2 | 亚洲故障光纤 | 0.78 | 1.18 | 1.67 |
五、结论
本项工作表明，可以在按ICE 62221 TR第四种方法进行的温度循环中，特别是在低温和更长波长（1625 nm）的情况下，区分各种商用开发的光纤涂料系统在微弯性方面的明显差异。高微弯性的表现，部分是由于内层涂料的低模量和低玻璃转化温度两者的结合。笔者正与Telcordia合作建立一个TIA和IEC内的新微弯光纤光学测试程序，以协助网络所有者确保即使在极端条件下也能表现卓越传输性能。