CN113031183B - 一种有中继海底光缆的光纤余长设计方法及成型工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有中继海底光缆的光纤余长设计方法及成型工艺，包括建立基于大容量超低损G654光纤的有中继海底光缆光纤余长边界条件，通过轮式牵引设备将不锈钢光单元经由拉拔模牵出，得到带张力的不锈钢光单元，经过轮式牵引的不锈钢光单元牵引张力释放，不锈钢管弹性应变消失，而不锈钢光单元中的光纤长度保持，由此形成光纤余长，通过合理调整轮式牵引设备的张力、光纤放线张力和纤膏填充比率，实现光纤余长控制。通过上述方式，本发明所述的有中继海底光缆的光纤余长设计方法及成型工艺，建立了大容量G654光纤的有中继海底光缆光纤余长的设计方法，并指出其成型工艺要点，以保证成缆光纤余长的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及海底光缆技术领域，特别是涉及一种基于G654光纤的大容量有中继海底光缆的光纤余长设计方法及成型工艺。
背景技术
有中继海底光缆通信系统是全球网络通信的关键载体，承担着 95％以上的国际通信流量，意义重大。随着5G、云计算、数据中心等技术的进一步发展，跨洋有中继海底光缆系统的通信容量不断加大，整体跨距不断提高，应用大有效截面积超低损G654光纤成为发展趋势。相比于G652光纤，G654光纤对于弯曲更为敏感，成缆光纤附加衰减以及在运行过程中的光纤衰减波动更难控制，为此必须设计合理的光纤余长，一方面避免G654光纤因较小的弯曲半径而引起较大的附加衰减，同时仍需保证海底光缆在承受拉力载荷时，有足够的光纤余长以避免过大的光纤应变而引起较大的附加衰减。
前期有中继海底光缆的光纤类型主要是G652光纤，光纤容量一般在12纤对以下，其光纤余长设计方法不再适用于大容量G654光纤有中继海底光缆，为此亟需基于现有理论建立基于大有效截面积超低损G654光纤的大容量(16纤对以上)有中继海底光缆光纤余长的设计方法。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种有中继海底光缆的光纤余长设计方法及成型工艺，设计合理的光纤余长，避免较大的附加衰减，同时满足在特定工况下的光纤寿命，保障大容量有中继海底光缆系统的光传输性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种有中继海底光缆的光纤余长设计方法，包括建立基于大容量超低损 G654光纤的有中继海底光缆光纤余长边界条件：
超低损G654光纤对于弯曲较为敏感，为避免过大的弯曲损耗，光纤最小弯曲半径应不小于200mm，采用光纤束的概念来模拟多芯数光纤在松套管中的情形，等效直径de与光纤直径df的关系近似满足
光纤束在松套管中的形态通常近似为螺旋模式和正弦模式，在螺旋模式下，光纤束的最小弯曲半径与光纤束余长的关系满足
式中，εhmax为螺旋模式下光纤最大余长；Rb为光纤束最小弯曲半径，基于超低损G654光纤的设计，该值应不小于200；Ph为螺旋线节距；de为光纤束等效直径；Rt为松套管内半径，等于松套管外半径减去松套管壁厚；RI为中间物理量，长度量纲，以上以长度为量纲的物理量单位均为mm；
在正弦模式下，光纤束的最小弯曲半径与正弦曲线方程满足
式中，y＝RI×sin(Psx)为正弦曲线方程；Rb为光纤束最小弯曲半径，基于超低损G654光纤的设计，该值应不小于200；Ps为正弦曲线角频率；以上以长度为量纲的物理量单位均为mm，对正弦曲线 y＝RI×sin(Psx)在一个周期内的曲线长度与周期长度进行分析可得到在正弦模式下光纤的最大余长εsmax；
由以上可得到光纤余长的上边界
εmax＝min(εhmax，εsmax)
式中min()表示取一组数的最小值；
另一方面，有中继海底光缆的光纤应具有一定的余长以降低在特定运行工况下的光纤应变，满足光纤寿命的设计要求；光纤的最小余长可由以下公式确定
式中，εmin为光纤最小余长；
εc为特定运行工况下的海底光缆应变；
εf为满足光纤设计寿命的光纤应变；
εp为光纤筛选应变；
Tf为光纤设计寿命，单位：秒；
tp为光纤筛选时间；
φ为设计寿命中光纤的断纤概率；
Np为光纤筛选断纤概率，可由光纤供应商提供；
N为光纤芯数；L为有中继海底光缆系统设计长度，单位为公里；
n为光纤疲劳系数，可由光纤供应商提供；
m为光纤威布尔斜率，可由光纤供应商提供；
由以上可得到基于超低损G654光纤的有中继海底光缆光纤余长εEFL的边界条件为
εmin≤εEFL≤εmax。
在本发明一个较佳实施例中，所述φ可取10-6。
在本发明一个较佳实施例中，对应于有中继海底光缆的不同运行工况：NTTS工况、NOTS工况、NPTS工况，光纤的设计寿命应分别不小于1小时、48小时、25年。
在本发明一个较佳实施例中，典型的光纤筛选时间为1秒。
在本发明一个较佳实施例中，200kpsi筛选强度下的光纤筛选应变为2％。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种有中继海底光缆的的成型工艺，包括：将G654光纤由光纤放线架放出，并在成型过程中，维持光纤放线张力的稳定；
通过光纤路由导轮设计光纤放线路由，使得各光纤路由间隔均匀，不出现光纤交叉，并控制相同光纤路由上各光纤的长度相当；
利用分纤盘将多纤对数光纤分为几束；
将不锈钢带经过切刀模完成切边，优化不锈钢带的边缘，提升后续激光焊无缝焊接质量；不锈钢带经过滚轮成型模形成管状结构；
将G654光纤经过分纤盘后送入到针管中，针管采用双层套管结构，光纤经由内层套管导入到不锈钢带中，吸氢纤膏经由外层套管导入到不锈钢带中，控制合理的纤膏填充率，其中，90％以上的纤膏填充率可有效提升不锈钢光单元的阻水阻氢性能；
通过激光器产生高功率激光进行不锈钢带的无缝激光焊接，形成不锈钢光单元，焊接完成的不锈钢光单元由钳口牵引设备牵出；
通过轮式牵引设备将不锈钢光单元经由拉拔模牵出，得到带张力的不锈钢光单元，通过冷拉拔的加工硬化方法显著提升不锈钢管的屈服强度，优化其机械性能，在轮式牵引设备的牵引下，不锈钢光单元上将产生较大的牵引张力，不锈钢管在牵引张力的作用下将产生弹性应变，经过轮式牵引的不锈钢光单元牵引张力释放，不锈钢管弹性应变消失，而不锈钢光单元中的光纤长度保持，由此形成光纤余长，通过合理调整轮式牵引设备的张力、光纤放线张力和纤膏填充比率，实现光纤余长控制。
在本发明一个较佳实施例中，所述分纤盘采用由圆柱形导轮组成的网格状结构。
在本发明一个较佳实施例中，采用均分方法，对应于32纤对有中继海底光缆，将32纤对光纤分为8束，每束包含4纤对光纤，采用分纤盘避免了大纤对数光纤之间的错乱交叉，降低光纤余长一致性控制难度。
本发明的有益效果是：本发明指出的一种有中继海底光缆的光纤余长设计方法及成型工艺，基于大有效截面积超低损G654光纤，建立大容量(16纤对以上)有中继海底光缆光纤余长的设计方法，并指出其成型工艺要点，以保证成缆光纤余长的一致性，有效降低成缆附加衰减以及在运行过程中的光纤衰减波动，提升了有中继海底光缆系统的光传输性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明一种有中继海底光缆的成型工艺一较佳实施例的生产线示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
由于G654光纤相比于G652光纤对于弯曲更为敏感，前期基于 G652光纤的有中继海底光缆光纤余长设计方法不再适用，亟需基于现有理论建立基于大有效截面积超低损G654光纤的大容量有中继海底光缆光纤余长设计方法。
本发明实施例包括：
一种有中继海底光缆的光纤余长设计方法及成型工艺，以32纤对有中继海底光缆为例，包括建立基于大容量超低损G654光纤的有中继海底光缆光纤余长边界条件：
超低损G654光纤对于弯曲较为敏感，为避免过大的弯曲损耗，光纤最小弯曲半径应不小于200mm，采用光纤束的概念来模拟多芯数光纤在松套管中的情形，等效直径de与光纤直径df的关系近似满足
在本实施例中，针对32纤对有中继海底光缆，N＝64，df＝0.25mm，计算等效直径de＝2.32mm；
光纤束在松套管中的形态通常近似为螺旋模式和正弦模式，在螺旋模式下，光纤束的最小弯曲半径与光纤束余长的关系满足
式中，εhmax为螺旋模式下光纤最大余长；Rb为光纤束最小弯曲半径，基于超低损G654光纤的设计，该值应不小于200；Ph为螺旋线节距；de为光纤束等效直径；Rt为松套管内半径，等于松套管外半径减去松套管壁厚；RI为中间物理量，长度量纲，以上以长度为量纲的物理量单位均为mm，针对32纤对有中继海底光缆，设计Rt＝1.9mm，计算得到最大余长为0.924‰；
在正弦模式下，光纤束的最小弯曲半径与正弦曲线方程满足
式中，y＝RI×sin(Psx)为正弦曲线方程；Rb为光纤束最小弯曲半径，基于超低损G654光纤的设计，该值应不小于200；Ps为正弦曲线角频率；以上以长度为量纲的物理量单位均为mm，对正弦曲线 y＝RI×sin(Psx)在一个周期内的曲线长度与周期长度进行分析可得到在正弦模式下光纤的最大余长εsmax，针对32纤对有中继海底光缆，设计Rt＝1.9mm，计算得到最大余长为1.855‰；
由以上可得到光纤余长的上边界
εmax＝min(εhmax，εsmax)
式中min()表示取一组数的最小值；
另一方面，有中继海底光缆的光纤应具有一定的余长以降低在特定运行工况下的光纤应变，满足光纤寿命的设计要求；光纤的最小余长可由以下公式确定
式中，εmin为光纤最小余长；
εc为特定运行工况下的海底光缆应变；
εf为满足光纤设计寿命的光纤应变；
εp为光纤筛选应变，200kpsi筛选强度下的光纤筛选应变为2％；
Tf为光纤设计寿命，单位：秒，对应于有中继海底光缆的不同运行工况：NTTS工况、NOTS工况、NPTS工况，光纤的设计寿命应分别不小于1小时、48小时、25年；
tp为光纤筛选时间，典型的光纤筛选时间为1秒；
φ为设计寿命中光纤的断纤概率，在本实施例中，φ可取10-6；
Np为光纤筛选断纤概率，可由光纤供应商提供；
N为光纤芯数；L为有中继海底光缆系统设计长度，单位为公里；
n为光纤疲劳系数，可由光纤供应商提供；
m为光纤威布尔斜率，可由光纤供应商提供；
针对32纤对有中继海底光缆，计算得到最小光纤余长0.342‰；
由以上可得到基于超低损G654光纤的有中继海底光缆光纤余长εEFL的边界条件为
εmin≤εEFL≤εmax。
在本实施例中，对应于32纤对有中继海底光缆，根据计算，边界条件为0.342‰～0.924‰，实际控制范围可为0.4‰～0.8‰。
请参阅图1，一种有中继海底光缆的的成型工艺，包括：
将G654光纤1由光纤放线架2放出，并在成型过程中，维持光纤放线张力的稳定；
通过光纤路由导轮5设计光纤放线路由，使得各光纤路由间隔均匀，不出现光纤交叉，并控制相同光纤路由上各光纤的长度相当，如 3号标记的光纤水平路由简图以及4号标记的光纤竖直路由简图；
利用分纤盘7将多纤对数光纤分为几束，如图1中6号标记的分纤盘光纤路由简图，在本实施例中，分纤盘采用由圆柱形导轮组成的网格状结构，采用均分方法，对应于32纤对有中继海底光缆，将32纤对光纤分为8束，每束包含4纤对光纤，采用分纤盘7避免了大纤对数光纤之间的错乱交叉，降低光纤余长一致性控制难度，提升了光纤余长一致性；
将不锈钢带8经过切刀模9完成切边，优化不锈钢带的边缘，提升后续激光焊无缝焊接质量，将不锈钢带经过滚轮成型模11形成管状结构，生产自动化程度高；
将G654光纤经过分纤盘后送入到针管10中，在本实施例中，针管10采用双层套管结构，包括内层套管和外层套管，光纤经由针管10 的内层套管导入到不锈钢带中，吸氢纤膏经由外层套管导入到不锈钢带中，控制合理的纤膏填充率，确保90％以上的纤膏填充率，可有效提升不锈钢光单元的阻水阻氢性能；
通过激光器12产生高功率激光进行不锈钢带的无缝激光焊接，形成不锈钢光单元，焊接完成的不锈钢光单元由钳口牵引设备13牵出；
如图1所示，通过轮式牵引设备16将不锈钢光单元经由拉拔模14 牵出，得到带张力的不锈钢光单元15，通过冷拉拔的加工硬化方法显著提升不锈钢管的屈服强度，优化其机械性能，在轮式牵引设备16 的牵引下，由拉拔模14牵出的不锈钢光单元上将产生较大的牵引张力，产生带张力不锈钢光单元15，不锈钢管在牵引张力的作用下将产生弹性应变，经过轮式牵引的不锈钢光单元牵引张力释放，不锈钢管弹性应变消失，得到张力释放后的不锈钢光单元17，而不锈钢光单元中的光纤长度保持，由此形成光纤余长，通过合理调整轮式牵引设备16 的张力、光纤放线张力和纤膏填充比率，实现光纤余长控制，使得光纤余长在0.4‰～0.8‰。
综上所述，本发明指出的一种有中继海底光缆的光纤余长设计方法及成型工艺，建立了大容量有中继海底光缆光纤余长的设计方法，指明了32纤对有中继海底光缆的光纤余长设计范围，给出了基于大有效截面积超低损G654光纤的大容量有中继海底光缆的光纤余长成型工艺，指明了工艺要点，指导实际的生产。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种有中继海底光缆的光纤余长设计方法，基于G654光纤，其特征在于，包括建立基于大容量超低损G654光纤的有中继海底光缆光纤余长边界条件：
超低损G654光纤对于弯曲较为敏感，为避免过大的弯曲损耗，光纤最小弯曲半径应不小于200mm，采用光纤束的概念来模拟多芯数光纤在松套管中的情形，等效直径de与光纤直径df的关系满足
光纤束在松套管中的形态通常为螺旋模式和正弦模式，在螺旋模式下，光纤束的最小弯曲半径与光纤束余长的关系满足
式中，εhmax为螺旋模式下光纤最大余长；Rb为光纤束最小弯曲半径，基于超低损G654光纤的设计，Rb的值应不小于200；Ph为螺旋线节距；de为光纤束等效直径；Rt为松套管内半径，等于松套管外半径减去松套管壁厚；RI为中间物理量，长度量纲，以上以长度为量纲的物理量单位均为mm；
在正弦模式下，光纤束的最小弯曲半径与正弦曲线方程满足
式中，y＝RI×sin(Psx)为正弦曲线方程；Rb为光纤束最小弯曲半径，基于超低损G654光纤的设计，Rb的值应不小于200；Ps为正弦曲线角频率；以上以长度为量纲的物理量单位均为mm，对正弦曲线y＝RI×sin(Psx)在一个周期内的曲线长度与周期长度进行分析可得到在正弦模式下光纤的最大余长εsmax；
由以上可得到光纤余长的上边界
εmax＝min(εhmax，εsmax)
式中min( )表示取一组数的最小值；
另一方面，有中继海底光缆的光纤应具有一定的余长以降低在特定运行工况下的光纤应变，满足光纤寿命的设计要求；光纤的最小余长可由以下公式确定
式中，εmin为光纤最小余长；
εc为特定运行工况下的海底光缆应变；
εf为满足光纤设计寿命的光纤应变；
εp为光纤筛选应变；
Tf为光纤设计寿命，单位：秒；
tp为光纤筛选时间；
φ为设计寿命中光纤的断纤概率；
Np为光纤筛选断纤概率，可由光纤供应商提供；
N为光纤芯数；L为有中继海底光缆系统设计长度，单位为公里；
n为光纤疲劳系数；
m为光纤威布尔斜率；
由以上可得到基于超低损G654光纤的有中继海底光缆光纤余长εEFL的边界条件为
εmin≤εEFL≤εmax。
2.根据权利要求1所述的有中继海底光缆的光纤余长设计方法，其特征在于，所述φ可取10-6。
3.根据权利要求1所述的有中继海底光缆的光纤余长设计方法，其特征在于，对应于有中继海底光缆的不同运行工况：NTTS工况、NOTS工况、NPTS工况，光纤的设计寿命应分别不小于1小时、48小时、25年。
4.根据权利要求1所述的有中继海底光缆的光纤余长设计方法，其特征在于，典型的光纤筛选时间为1秒。
5.根据权利要求1所述的有中继海底光缆的光纤余长设计方法，其特征在于，200kpsi筛选强度下的光纤筛选应变为2％。
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