光纤余长与光缆参数影响的研究

光纤余长与光缆参数影响的研究

作者：王蕾 郭建强 刘畅

来源：《中国科技博览》2013年第32期

摘要：光纤余长是光缆生产过程中的重要参数，与光缆的使用性能和光缆质量直接相关。在松套结构的光缆中，光纤有一定的活动空间和余长，并在光缆中形成一定的弯曲形态，使得光缆在受到外界环境变化时，保证了光纤处于不受力的状态，使其性能稳定，并对光纤起到保护作用。本文从光纤余长的产生机理、影响因素以及光纤余长类型的选择出发，仿真研究了松套结构光缆中的光纤余长与各影响参数的关系，为进一步的光缆设计与提供了设计参数。 关键字：光纤余长 松套结构 仿真

中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-291-02 1.光纤余长的机理

当光缆受环境变化，如温度变化或拉力作用时，光纤的自然长度恰好弥补光缆的最大应变量，这个余度称为光纤余长，即在光纤不受拉力的前提下，光缆所允许的最大应变量[1]。在光缆中，光纤余长的形成主要有两种方式，即套管余长与绞合余长。光纤套管余长主要取决于制造温度和使用温度，而绞合余长主要取决于光缆的结构。 2.光纤套管余长原理

光纤在进行二次被覆时，套管冷却收缩，迫使套管内的光纤受力弯曲，通过这种方式获得的余长称为套管余长[1]。松套管中的光纤状态，一般由正弦模型和螺旋模型来描述。如图1所示为光纤的状态模型，其中 为正弦空间周期， 为螺旋节距。 （a）正弦模型 （b）螺旋模型

图1 光线在松套管中的典型状态 （1）正弦模型

在正弦模型中，套管中的光纤以正弦状态存在，如图1（a）所示。则套管余长 可表示为： （1）

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式中参数 （2）

其中，Rc为松套管等效内半径，R内为松套管内半径，Rf为光纤束等效半径。它们之间有如下关系式： （3）

由此得到，当正弦空间周期Ps越大，则光纤余长越小。同时，松套管等效半径Rc越大，光纤余长越大。

为了更好的比较余长与自变量的变化关系，我们应用Matlab绘图并进行分析。这里我们取Rf为自变量，取值区间在100～400mm之间，同时为了体现Rc的影响情况，我们分别取Rc的值为0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm，应用Matlab仿真得到下图

分析所得曲线，与公式（1）所得结论相同：正弦空间周期Ps越大，则光纤余长越小；松套管等效半径Rc越大，光纤余长越大。 （2） 螺旋模型

光纤在松套管中的另一种形式是螺旋线分布，如图1（b）所示。套管受温度升高影响或纵向拉力作用时，光纤被拉伸。假设套管的最大应变量为△L，则套管余长为： （4）

即螺旋节距越小，光纤余长越大，同时，松套管等效半径越大，光纤余长越大。 图 3 正弦模型光纤余长与空间周期及套管等效半径的关系曲线

同样的，我们结合仿真软件与计算公式，代入光缆的结构参数，绘制余长量与各自变量的取值关系图像。

在这里，为了与正弦模型作比较，我们参数的取值与上同。得到曲线见下图： 图 4 螺旋模型余长与螺距和套管等效半径的关系图

从图像上可以得到结论：螺旋节距越小，光纤余长越大；松套管等效半径越大，光纤余长越大。

3.光纤的绞合余长

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通过将含有光纤的松套管以螺旋线状绞合在中心加强件上产生的余长叫做绞合余长，在层绞式结构光缆中的光纤余长主要是绞合余长。图2所示为绞合余长产生的基本原理示意图。 （a）光缆收缩时光纤向套管外侧移动

（b）光纤在套管中完全不受力的位置，光纤在套管中心 （c）光缆拉伸时光纤向套管内侧移动 图2层绞式结构光缆中的光纤余长示意图

当光缆不受力的作用时，光纤处于自然状态，自然位于套管的中心部位，如图2（a）所示。由于光纤在束管内有一定活动区域，所以当光缆拉伸或收缩时，使其光纤在光缆拉伸时向内侧偏移，而在光缆压缩时向外侧偏移，如图1（c）和图1（a），从而产生了一定的余长，称为绞合余长。

绞合余长与中心加强件半径、绞合节距和套管内半径相关。通常在计算绞合余长时，可以认为套管余长为零。设 为绞合节距， 为套管中心至加强件圆心的距离， h是松套管壁厚， 为中心加强件的半径， 为光纤束等效半径，绞合余长为 （5）

绞合节距Rf的取值区间与上同，因为层绞式的光缆是套管绞合而成，实际应用中要考虑光缆尺寸，套管半径与加强件半径应该小一些，我们取加强件半径为0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm。松套管壁厚取0.1mm，光纤束等效半径0.1mm。得到余长的曲线图如下所示：

图 5 余长与绞合节距和加强件半径的关系

分析图5，绞合节距越大，光纤余长越小；加强件半径越大，光纤余长越大。

比较套管余长与绞合余长的关系，取两种结构光缆的各结构参数相等，下面做出与正弦及螺旋模型相同参数的绞合余长的曲线图。 图6 与正弦模型等参数的绞合余长曲线图

分析图3、图4与图6，在等参数的中心束管式光缆与层绞式光缆中，层绞式光缆的余长更长，可适应的环境温度范围更广，可承受的拉力更大。 4.结论

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光纤余长在光缆的设计、生产与敷设过程中占据重要地位，是光缆生产的一个重要参数，严格检测光纤余长对光纤性能和光缆的敷设环境具有重要意义。本文详细仿真了在正弦模型、螺旋模型和层绞式模型的余长与光缆参数的关系，得到了三者的数量大小，为指导光缆铺设设计提供了详细的数据，并对引起余长变化的物理过程的环境因数进行了分析。 参考文献：

[1] 吴平，严映律.光纤与光缆技术.成都：西南交通大学出版社.2003，148-151. [2] 肖翔鸿. 层绞式ADSS光缆的设计与制造[J]. 现代传输，2009，（05）：53-60. [3] 安平. 光缆的余长设计与温度特性分析[J]. 科技创业月刊，2006，（05）：195-196. [4] 徐建成. 层绞光缆中光纤余长的最佳选择[J]. 光纤与电缆及其应用技术，1993，（03）：22-23.

[5] 茹文功. 光纤余长的探讨[J]. 光纤与电缆及其应用技术，1996，（04）：57-60. [6] 王伟斌，郑庆利，吴炯，王惠芳，姚栋梁，白建庚. 光纤余长与光缆寿命相关性的剖析[J]. 电线电缆，1997，（05）：2-7.

基金项目：国家大学生科研训练计划 项目编号：201210613061

第一作者简介：王蕾，1990年12月生，女，西南交通大学电讯专业，本科在读