СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ
METHOD OF INCREASING SERVICE LIFE OF OPTICAL CABLE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для увеличения срока службы оптического кабеля модульной конструкции.
Известно, что срок службы оптического кабеля в первую очередь зависит от срока службы оптического волокна, который определяется исходной прочностью оптического волокна и создаваемыми в оптическом волокне механическими напряжениями [1-3]. Известен способ уменьшения механических напряжений в оптическом волокне при воздействии растягивающих нагрузок на оптический кабель за счет размещения оптического волокна в модульной трубке оптического кабеля с избыточной длиной [1, 2]. Как следствие, оптическое волокно расположено в модульной трубке с изгибами по траектории, близкой к геликоиду. Средний радиус изгибов оптического волокна в модульной трубке тем меньше, чем больше избыточная длина оптического волокна. Известно, что с уменьшением радиуса изгиба оптического волокна возрастают дополнительные потери и увеличивается механическое напряжение в оптическом волокне на изгибе. Соответственно, при разработке конструкций оптического кабеля избыточную длину оптического волокна выбирают достаточно большой, чтобы снизить нагрузку на оптическое волокно при растягивающих усилиях, приложенных к оптическому кабелю, до допустимой, но при этом и достаточно малой, чтобы дополнительное затухание на изгибах оптического волокна не превышало допустимых значений. При этом учитывают, что при понижении температуры избыточная длина оптического волокна в модульной трубке увеличивается. При отсутствии внешних нагрузок на оптический кабель механические напряжения оптических волокон практически полностью определяются напряжениями на изгибах оптических волокон в модульных трубках. А поскольку радиусы изгибов оптического волокна в модульной трубке распределены вдоль длины оптического кабеля случайным образом [2-4], то очевидно, что срок службы будет определяться максимальным значением механического напряжения оптического волокна на изгибе, которое имеет место на участке кабеля с минимальным радиусом изгиба оптического волокна в модульной трубке.
Соответственно, чтобы минимизировать обусловленное изгибами затухание оптического волокна и увеличить срок службы оптического кабеля в процессе производства кабеля стремятся уменьшить разброс значений избыточной длины оптического волокна, а значит, и радиусов изгиба, вдоль длины оптического кабеля. Известны способы контроля и управления избыточной длиной оптического волокна в оптическом модуле в процессе изготовления оптических модулей оптических кабелей [5-7]. Реализующие данные способы системы позволяют измерять значение избыточной длины оптического волокна в модульной трубке по всей длине оптического модуля путем непрерывного сравнения скорости пучка оптических волокон со скоростью модульной трубки и, корректируя эти скорости, регулировать избыточную длину оптического волокна. Эти способы эффективны в том случае, если в дальнейшем исключена усадка полимерной трубки и, следовательно, дальнейшее изменение "избыточной длины". Однако известно [8, 9], что говорить о неизменности избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле на последующих производственных операциях можно, лишь, когда полимерная оболочка оптического модуля (модульная трубка) жестко связана с силовым элементом, что существенно ограничивает их область применения.
Известен способ увеличения срока службы оптического кабеля [10], заключающийся в том, что барабан с испытуемой строительной длиной оптического кабеля подвергают воздействию температурных циклов с целью определения стабильности затухания кабеля, работающего в условиях изменения температуры, и выявления по оценкам стабильности затухания наличия недопустимых микроизгибов волокна в конструкции кабеля, приводящих к ускоренному старению оптического волокна, при этом барабан с испытуемой строительной длиной оптического кабеля помещают в климатическую камеру, в которой после этого выполняют несколько температурных циклов, при этом в течение каждого цикла температуру в климатической камере сначала последовательно понижают до заданных отрицательных значений, а затем последовательно повышают до заданных положительных значений, после чего завершают цикл, при этом переход от одного заданного значения температуры к другому выполняют в течение заданного интервала времени и каждое заданное значение температуры устанавливают в климатической камере на заданный интервал времени.
Данный способ увеличивает срок службы выпускаемых изделий за счет отбора строительных длин оптического кабеля, удовлетворяющих требованиям по стабильности затухания в условиях изменения температуры. Соответственно, количество температурных циклов, заданные значения температуры и длительностей интервалов времени для данного способа выбираются из условий наиболее эффективного выявления строительных длин оптического кабеля, не удовлетворяющих требованиям по стабильности затухания в процессе испытаний. Воздействие температурных циклов на строительную длину при реализации данного способа не предназначено для уменьшения разброса радиусов изгиба оптического волокна вдоль длины оптического кабеля и, как следствие, увеличения минимального радиуса изгиба и снижения максимального напряжения на изгибе оптического волокна на строительной длине кабеля. Все это ограничивает область применения способа для увеличения срока службы оптического кабеля.
Сущностью предлагаемого изобретения является расширение области применения.
Эта сущность достигается тем, что согласно способу увеличения срока службы оптического кабеля, заключающемуся в том, что строительную длину оптического кабеля подвергают воздействию температурных циклов, для чего барабан со строительной длиной оптического кабеля помещают в климатическую камеру, в которой после этого выполняют несколько температурных циклов, причем сначала в начале каждого цикла в климатической камере устанавливают заданную положительную температуру, затем в течение цикла последовательно понижают температуру в климатической камере до заданных отрицательных значений, затем последовательно повышают температуру в климатической камере до заданных положительных значений, после чего завершают цикл, при этом переход от одного заданного значения температуры к другому осуществляют в течение заданного интервала времени и каждое заданное значение температуры устанавливают в климатической камере на заданный интервал времени и по завершении каждого заданного для заданных значений температуры интервала времени измеряют характеристики обратного рассеяния оптических волокон оптического кабеля, при этом по характеристикам обратного рассеяния оптических волокон оптического кабеля определяют распределения радиусов изгиба оптического волокна вдоль оптического кабеля при заданных значениях отрицательной температуры, оценки разброса значений радиусов изгиба и минимальный радиус изгиба, а количество циклов, заданные значения температуры и заданные длительности интервалов времени для заданных значений температуры выбирают из условий минимизации разброса оценок радиусов изгиба оптических волокон вдоль длины оптического кабеля после завершения обработки строительной длины оптического кабеля воздействием температурных циклов.
На чертеже (фиг. 1) представлена структурная схема устройства для реализации заявляемого способа.
Устройство содержит климатическую камеру 1 со шлюзом 2, строительную длину оптического кабеля 3 с оптическим волокном 4 на барабане 5, импульсный оптический рефлектометр обратного релеевского рассеяния 6, выход которого соединен со входом блока обработки и отображения данных 7. При этом строительная длина оптического кабеля 3 с оптическим волокном 4 на барабане 5 помещена в климатическую камеру 1, один конец испытуемой строительной длины оптического кабеля 3 с оптическим волокном 4 выведен через шлюз 2 климатической камеры 1 и на этом конце оптическое волокно 4 соединено со входом импульсного оптического рефлектометра обратного релеевского рассеяния 6.
Устройство работает следующим образом. В начале каждого температурного цикла импульсным оптическим рефлектометром обратного релеевского рассеяния 6 с выведенного через шлюз 2 климатической камеры 1 конца строительной длины оптического кабеля 3 при положительной температуре измеряют характеристику обратного рассеяния оптического волокна 4 строительной длины оптического кабеля 3 на барабане 5, установленном в климатической камере 1. Затем последовательно в течение заданных интервалов времени понижают температуру в климатической камере 1 до заданных отрицательных значений, после чего последовательно повышают температуру в климатической камере 1 до заданных положительных значений и завершают цикл. При этом переход от одного заданного значения температуры в климатической камере 1 к другому выполняют в течение заданного интервала времени и каждое заданное значение температуры устанавливают в климатической камере 1 на заданный интервал времени. В конце каждого заданного интервала времени измеряют характеристику обратного рассеяния оптического волокна 4 строительной длины оптического кабеля 3. По характеристикам обратного рассеяния оптического волокна 4 строительной длины оптического кабеля 3 определяют распределения радиусов изгиба оптического волокна 4 вдоль строительной длины оптического кабеля 3 при отрицательных температурах, а также оценки разброса значений радиусов изгиба и минимальный радиус изгиба. Повторяют несколько циклов воздействия температуры на строительную длину оптического кабеля 3. В процессе выполнения циклов при изменении температуры изменяется избыточная длина оптического волокна 4 в строительной длине оптического кабеля 3. При многократном повторении температурных циклов эти изменения происходят многократно. При соответствующем выборе заданных положительных и отрицательных значений температуры в климатической камере 1, а также заданных интервалов времени, распределение радиусов изгибов оптического волокна 4 вдоль строительной длины оптического кабеля 3 становится более равномерным, разброс оценок радиусов изгиба уменьшается и, соответственно, увеличивается минимальный радиус изгиба.
В качестве примера ниже приведены результаты обработки данных испытаний строительной длины оптического кабеля модульной конструкции с 12-ю стандартными ступенчатыми оптическими волокнами по 4 волокна в одном модуле. На строительную длину кабеля на барабане воздействовали тремя термоциклами, в каждом из которых кабель выдерживали последовательно при температуре -60°C и +70°C соответственно.
Согласно [1] увеличение срока службы оптического волокна при снижении приложенной к нему механической нагрузки определяется соотношением:
k
j
j
k
где t, t - срок службы оптического волокна при нагрузке σ и σ соответственно, а n - параметр статической усталости кварцевого оптического волокна, равный n=20±1.
Известно [11], что механическое напряжение на изгибе оптического волокна связано с радиусом изгиба соотношением:
где b - радиус кварцевого волоконного световода; E - величина модуля упругости кварцевого стекла при χ→0, равная 7,4 ГПа; χ - деформация растяжения наружного слоя кварцевого волокна; R(z) - радиус изгиба ОВ, z - расстояние по длине оптического кабеля 3.
Для реальных конструкций оптического кабеля справедливо соотношение [4]:
где δL(z) - избыточная длина волокна в модульной трубке кабеля;
m
r - внутренний радиус модульной трубки.
Тогда из (1) с учетом (2)-(3) следует, что
j
k
k
j
n
t/t=(δL/δL),
Отсюда, учитывая флюктуации избыточной длины волокна в модульной трубке, с надежностью 0,9 можно полагать:
i
i
i
δ=s(δL)/m(δL),
i
i
Здесь s(δL) и m(δL) - среднеквадратическое отклонение и математическое ожидание распределения избыточной длины оптического волокна в модульной трубке вдоль кабеля на i-том термоцикле;
1
3
δL и δL - распределения избыточной длины оптического волокна в модульной трубке вдоль кабеля, измеренные при одной и той же низкой отрицательной температуре для первого и третьего термоцикла соответственно.
На фиг. 2 в качестве примера приведены полученные по результатам обработки рефлектограмм изменения оценок (4) при воздействии термоциклов для трех оптических волокон.
В отличие от известного способа, которым является прототип, параметры температурных циклов, которыми воздействуют на строительную длину оптического кабеля, выбирают из условий минимизации разброса оценок радиусов изгиба оптических волокон вдоль длины оптического кабеля после завершения обработки строительной длины оптического кабеля воздействием температурных циклов. При этом в процессе обработки строительной длины оптического кабеля температурными циклами контролируют распределение радиусов изгиба оптического волокна вдоль строительной длины оптического кабеля, разброс оценок радиусов изгиба и минимальный радиус изгиба. В результате, за счет оптимизации выбора параметров обработки строительной длины оптического кабеля температурными циклами распределение радиусов изгиба оптического волокна в строительной длине оптического кабеля становится более равномерным по сравнению с прототипом, минимальный радиус изгиба оптического волокна в строительной длине оптического кабеля увеличивается по сравнению с прототипом и, как следствие, увеличивается срок службы оптического кабеля по сравнению с прототипом и расширяется область применения заявляемого способа.
Литература
1. Semjonov S.L., Glaesemann G.S. High-speed tensile testing of optical fibers -new understanding for reliability prediction//. Berlin: Springer, Micro- and Opto-Electronic Materials and Structures: Physics, Mechanics, Design, Reliability, Packaging, 2007, v.1 - pp. 595-626.
2. Мальке Г., Гессинг П. Волоконно-оптические кабели // Corning Cable Systems, 2001.-352 с.
3. Ларин Ю.Т. Оптические кабели: методы расчета конструкций. Материалы. Надежность и стойкость к ионизирующему излучению // Престиж, 2006. - 304 с.
4. Stueflotten S. Low temperature excess loss of loose tube fiber cables // Applied Optic, vol. 21, No. 23, 1982. - pp.4300-4307
5. Патент US 4921413.
6. Патент US 4983333.
7. For Loose Tube Fiber and Fiber Ribbon Cabling - Excess Fiber Length Manufacturing Measurement System, www.betalasermike.com
8. Авдеев Б.В., Барышников E.H., Длютров O.B., Стародубцев И.И. Изменение избыточной длины в процессе изготовления ВОК // Кабели и провода. - 2002. - №3(274) - с. 32-34.
9. Авдеев Б.В., Барышников Е.Н. Проблемы корректного определения избыточной длины оптического волокна в оптическом кабеле // Электротехника, электромеханика и электротехнологии: Тез. докладов III международной конференции 1999 г., Россия, Клязьма. - М.: МЭИ, 1999 г., - с. 86-87.
10. ГОСТ Р МЭК 794-1-93 Кабели оптические. Общие технические требования.
11. Glaesemann G.S. Optical fiber failure probability predictions from long-length strength distributions // International Wire&Cable Symposium Proceedings, 1991, pp.819-825.