Влияние термомеханического воздействия на длину оптического волокна в трубке оптического модуля

МЕХАНИКА

УДК 621.391:681.327.02

О. В. Бондаренко, Д. Н. Степанов

Одесская национальная академия связи им. А. С. Попова

ВЛИЯНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ДЛИНУ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА В ТРУБКЕ ОПТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ

В работе исследовано влияние термомеханического воздействия на изменение длины оптического волокна (ОВ) в трубке оптического модуля (ТОМ). Оно показало, что при температуре выше 20°С выбранная модульная конструкция оптического кабеля (ОК) вызывает появление сил растяжения ОВ, а при температуре ниже 20°С - сил сжатия. Причиной этого является наличие в конструкции ОК элементов, выполненных из материалов с различными значениями температурного коэффициента линейного расширения, из-за чего длины ОВ и трубки оптического модуля под воздействием температуры изменяются по-разному. Результаты расчетов изменения длины ОВ показали, что его сжатие в трубке оптического модуля приводит к созданию в структуре волокна макроизгибов, а растяжение - к образованию микротрещин, что требует необходимости учета и создания избыточной длины волокна при его интеграции в ТОМ при производстве. В работе показано, что применение поликарбоната в качестве материала трубки оптического модуля позволяет добиться при изменении температуры меньшего отличия длин оптического волокна и ТОМ.

Ключевые слова: оптический кабель, оптическое волокно, трубка оптического модуля, удлинение, сжатие, растяжение, температурный коэффициент линейного расширения.

O. V. Bondarenko, D. N. Stepanov

Odessa National A. S. Popov Academy of Telecommunications

INFLUENCE OF THERMOMECHANICAL IMPACT ON OPTICAL FIBER LENGTH IN OPTICAL MODULE TUBE

The influence of the thermomechanical impact on the changing of the optical fiber (OF) length in the optical module tube (OMT) is investigated. It has shown that at temperature higher than 20°C the selected modular design of an optical cable (OC) causes the appearance of OF stretching, and at a temperature below 20°C - compression forces. The reason for this is the presence in the OC design the elements, which are made of materials with different values of the temperature coefficient of linear expansion, due to which the lengths of the OF and optical module tube are different under the influence of temperature. The results of the calculations of the OF length shown that its compression in the optical module tube leads to the creation of macro-bends in the structure of the fiber, but the stretching - to formation of microcracks, which requires the need to record and create an excess fiber length when it is integrated into production. It has been shown that the usage of polycarbonate as a material of the optical module tube can be achieved the smaller difference between the lengths of the optical fiber and OMT at changing of the temperature.

Key words: optical cable, optical fiber, optic module tube, elongation, compression, stretching, temperature coefficient of linear expansion.

Введение. Предусмотрение физической целостности оптических волокон (ОВ) в сердечнике оптических кабелей (ОК) и стабильности их параметров передачи не только при нормированной температуре 20°С, но и во всем диапазоне температур эксплуатации является актуальной задачей конструирования ОК.

Одним из внешних дестабилизирующих факторов является влияние температуры окружающей среды эксплуатации на конструкцию

ОК и его элементы (ОВ, трубки оптических модулей, центральный и периферический силовые элементы, защитные оболочки и др.). При изменении температуры ОК в его конструкции возникает напряженно-деформированное состояние в результате разности значений температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) материалов элементов, в первую очередь, оптических волокон и трубки оптического модуля (ТОМ), в которую они помещены [1]. Такое

состояние ОК может привести к появлению в ОВ экстремальных растягивающе-сжимающих сил, которые повлекут непредсказуемое изменение параметров передачи (коэффициента затухания и дисперсию сигнала), преждевременное старение и выход из строя всей волоконно-оптической линии передачи.

В настоящее время в научной и технической литературе отсутствуют в полной мере данные о термомеханическом воздействии на длины ОВ в ТОМ конструкции ОК под действием изменения температур среды эксплуатации.

Целью данной работы является обоснование метода определения влияния термомеханического действия на длину ОВ в трубке оптического модуля оптического кабеля и предоставление практических рекомендаций по обеспечению технической целостности ОВ при эксплуатации кабеля в различных температурах.

Основная часть. Наличие в конструкции ОК элементов, изготовленных из материалов с различными ТКЛР, является причиной изменения геометрических размеров ОВ, в частности его длины. При изменении температуры эксплуатации это приводит к возникновению сил сжатия или растяжения ОВ. Указанное может привести кроме дополнительных потерь передаваемого оптического сигнала к сокращению срока службы ОК за счет появления микротрещин, макро- и микроизгибов в ОВ.

Как известно, уменьшение длины оптического волокна в конструкции оптического модуля под действием температуры может привести к ограничению свободного передвижения ОВ в середине ТОМ. Это уменьшит величину максимальной допустимой растягивающей нагрузки ОК ниже номинального значения.

Под действием температуры длина элементов ОК, расположенных вдоль продольной оси кабеля, изменяется (увеличивается или уменьшается по сравнению с начальной длиной) [2]:

Д/ = /0 -ДТ  ТКЛР,

где Д/ - абсолютное изменение длины линейного элемента ОК, мм; /0 - начальная длина элемента ОК, мм; ДТ - разность температур, К;

ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения материала элемента ОК, К-1.

Для исследования влияния термомеханического действия на ОВ, расположенного в ТОМ, используем подход к этому вопросу, представленный в [3].

Как отмечалось в этой работе, ТКЛР характеризует относительное изменение длины элемента ОК в зависимости от изменения температуры по выражению

8= — = ТКЛР -ДТ,

/0

где в - относительное удлинение элемента ОК; Д/ - абсолютное удлинение элемента ОК, м; /0 - начальная длина элемента кабеля, м; ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения элемента кабеля, К-1; ДТ - разность температур среды, К.

При равенстве длин ОВ и ТОМ относительное изменение их длины определяется по выражению [1]

Вов,том =ДТКЛР -ДТ =

=

где в - изменение длины ОВ относительно длины ТОМ; ТКЛРОВ, ТКЛРТОМ - температурный коэффициент линейного расширения ОВ и ТОМ соответственно, К-1; ^ - температура среды, К; ¿0 - температура, при которой начальная избыточная длина ОВ условно равна нулю, К.

В табл. 1 приведены типичные значения ТКЛР материалов ОВ и ТОМ, используемых при изготовлении ОК [1-3].

В табл. 2 приведены данные о характере напряженного состояния ОВ, расположенного внутри ТОМ при изменении температуры [1].

Как показано в табл. 2, для обеспечения термостабильной конструкции сердечника кабеля, чтобы при изменении температуры оптическое волокно не испытывало механических нагрузок и оставалось целостным, необходимо на этапе разработки ОК и в процессе интеграции ОВ в ТОМ предусмотреть избыток длины ОВ в трубке оптического модуля.

Таблица 1

Характеристики материалов для изготовления оптического волокна и трубки оптического модуля

Элемент ОК Материал Модуль Юнга, Н/мм2 Плотность, г/см3 ТКЛР, К-1

Оптическое волокно Кварцевое стекло 72 500 2,20 5,5 • 10-7

Трубка оптического модуля Полибутилентерефталан 1 600 1,31 1,5 • 10-4

Полиамид 1 700 1,06 7,8 • 10-5

Поликарбонат 2 300 1,20 6,5 • 10-5

О. В. Бонларенко, А. Н. Степанов

45

Таблица 2

Характер напряженного состояния ОВ, расположенного внутри ТОМ при изменении температуры

Сопоставление ТКЛР материалов ОВ и ТОМ Изменение длин ОВ Д/ОВ и ТОМ Дтом Напряженное состояние ОВ

при увеличении температуры при уменьшении температуры при увеличении температуры при уменьшении температуры

Положительные ТКЛР ТКЛРов < ТКЛРтом Увеличение длины ОВ и ТОМ Д1ТОМ > ДОВ Уменьшение длины ОВ и ТОМ Д1ТОМ < Д1ОВ Удлинение ТОМ больше удлинения ОВ, появление сил растяжения ОВ

Исходя из табл. 1 и того, что для заданных материалов значение ТКЛР ОВ меньше, чем ТКЛР материалов ТОМ, изменение длины ОВ по сравнению с длиной трубки модуля будет происходить так, как показано на рис. 1.

Трубка оптического модуля Оптическое волокно К Ц

1ТОМ ~ 1ОВ

Начальная длина

Трубка оптического модуля -ЗУ

Оптическое волокно

1ТОМ ~ 1ОВ

Начальная длина б

Рис. 1. Изменение длины ОВ сравнительно с длиной ТОМ: а - при увеличении температуры; б - при уменьшении температуры

Одним из важных процессов при проверке качества изготовления ОВ на заводе-изготовителе является профтест сил натяжения и удлинения ОВ, которые не должны превышать 4 Н и 0,5% соответственно [1, 3].

Сила приращения длины ОВ может быть определена по данным силы натяжения и удлинения ОВ при профтесте во время его отбраковки на предприятии:

р = .

1 ОВ

где РОВ - сила приращения длины ОВ при удлинении, Н; вОВ - изменение длины ОВ от температуры окружающей среды; втестОВ - удлине-

ние ОВ при тестировании его качества, %, втестОВ = = 0,5%; РтестоВ - значение растяжения усилия ОВ при тестировании, Н, РтестОВ ~ 4 Н.

В качестве примера в данной работе были определены силы приращения длины и относительного удлинения ОВ в сравнении с ТОМ, в которой оно расположено, при значениях ТКЛР материалов ОВ и ТОМ из табл. 1. Расчет изменения длины ОВ в трубке ОМ выполняется при ^ = 20°С (293 К), при изменении температуры t в диапазоне от -40 до +60°С (рис. 2).

^ °С 80 60 40 20

1 0 -20 -40 -60 -80

Д1ТОМ > Д1ов

Растя жение О В

Нагрузк л вует

отсутст

Сжатие ОВ

Д1ТОМ < Д1ов 3 2 1

-0,01 -5 • 10-

5 • 10-

0.01 0,015

8ОВ,ТОМ

Рис. 2. Изменение длины оптического волокна относительно длины оптического модуля при разных значениях температуры и материалах ТОМ: 1 - полибутилентерефталан; 2 - полиамид;

3 - поликарбонат

При нагревании трубки ОМ до температуры, например, +60°С (333 К), оптическое волокно получит приращение относительно ТОМ, изготовленного из полибутилентерефталана

Вов,том = (5,5 -10-7 51,5 -1054)х х(333 5 293) = 50,006.

При охлаждении конструкции трубки ОМ из полибутилентерефталана до температуры -40°С (253 К) длина ОВ изменится относительно длины трубки ОМ на величину:

вОВТОМ =(5,5 -1057 51,5 -1054)х(2535293) = 0,09.

а

При растяжении ОВ при температуре +60°С вается поликарбонатом, так как возникает

сила растяжения будет равна: меньшая разница в длинах ОВ и ТОМ при из-

Л менении температуры. p = | 0,006 | ^ 4 = 4 8 н Заключение. Подводя итоги вышесказан-

ОВраст ^ °,°°5) ного, можно сделать следующие выводы.

1. Проведенное исследование влияния тер-

Это значение превышает силу растяжения в момеханического воздействия на изменения дли-

4 Н при профтесте и указывает на появление ны волокна в трубке ОМ показало, что при тем-

избыточных механических сил, которые могут пературе выше 2°°С выбранная модульная кон-

привести к разрыву ОВ при увеличении темпе- струкция ОК вызывает появление сил растяжения

ратуры до +6°°С. ОВ, а при температуре ниже 20°С - сил сжатия.

Анализируя величину изменения длины ОВ в 2. Результаты расчетов изменения длины

трубке ОМ, видим, что влияние отрицательных ОВ указывают на то, что его сжатие в трубке

температур на ТОМ, а значит на кабель в целом, оптического модуля приводит к образованию в

более критическое, чем положительных темпера- структуре волокна макроизгибов, а растяжение -

тур (за счет появления макроизгибов ОВ в ТОМ). к инициированию микротрещин, что требует

Из рис. 2 видно, что лучший результат сре- создания избыточной длины волокна в процес-

ди рассмотренных материалов ТОМ обеспечи- се его интеграции в ТОМ при производстве.

Литература

1. Ларин Ю. Т. Оптические кабели: методы расчета конструкции. Материалы. Надежность и стойкость к ионизированному излучению. М.: Престиж, 2006. 308 с.

2. Бондаренко О. В. Метод определения температурного коэффициента линейного расширения и модуля Юнга диэлектрического оптического кабеля // Науковi пращ Донецького нацюнального техшчного ушверситету. 2009. Серiя «Електротехшка i енергетика». Вип. 9 (158). С. 25-29.

3. Мальке Г., Гессинг П. Волоконно-оптические кабели: Основы проектирования кабелей, планирование систем. Новосибирск: Издатель, 1997. 264 с.

References

1. Larin Yu. T. Opticheskie kabeli: metody rascheta konstruktsii. Materialy. Nadezhnost' i stoykost' k ionizirovannomu izlucheniyu [Optical cables: methods of design calculation. Materials. Reliability and resistance to ionized radiation]. Moscow, Prestizh Publ., 2006. 308 p.

2. Bondarenko O. V. Method for determining the temperature coefficient of linear expansion and Young's modulus of a dielectric optical cable. Naukovy pratsi Donets'kogo natsional'nogo tekhnichnogo universytetu [Scientific works of Donetsk National Technical University]. Series "Electrical engineering and power engineering". 2009, issue 9 (158), pp. 25-29 (In Ukrainian).

3. Mal'ke G., Gessing P. Volokonno-opticheskie kabeli: Osnovy proektirovaniya kabeley, planirovanie sistem [Fiber Optic Cables: Basics of Cable Design, System Planning]. Novosibirsk, Izdatel' Publ., 1997. 264 p.

Информация об авторах

Бондаренко Олег Владимирович - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры волоконно-оптических линий связи, проректор по учебной работе. Одесская национальная академия связи им. А. С. Попова (65029, г. Одесса, ул. Кузнечная, 1, Украина). E-mail: vols@onat.edu.ua

Степанов Дмитрий Николаевич — кандидат технических наук, доцент, и. о. заведующего кафедры волоконно-оптических линий связи. Одесская национальная академия связи им. А. С. Попова (65029, г. Одесса, ул. Кузнечная, 1, Украина). E-mail: vols@onat.edu.ua

Information about the authors

Bondarenko Oleg Vladimirovich — PhD (Engineering), Professor, Vice Rector, Professor, the Department of Fiber Optic Communication Lines. Odessa National A. S. Popov Academy of Telecommunications (1, Kuznechnaya str., 65029, Odessa, Ukraine). E-mail: vols@onat.edu.ua

Stepanov Dmitry Nikolaevich - PhD (Engineering), Associate Professor, Acting Head of the Department of Fiber Optic Communication Lines. Odessa National A. S. Popov Academy of Telecommunications (1, Kuznechnaya str., 65029, Odessa, Ukraine). E-mail: vols@onat.edu.ua

Поступила 19.01.2018