光纤的机械可靠性及断裂形貌分析研究.pdf
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1、2023 年第 4 期光纤的机械可靠性及断裂形貌分析研究Analysis and research on mechanical reliability andfracture morphology of optical fiberQI Yongheng,HAN Yunzhao,WANG Xutao,LI Weike,LIU Naichang,HU Kai渊China Aviation Optical-Electrical Technology Co.,Ltd.,Luoyang Henan 471003,China冤Abstract:In order to analyze the main fa
2、ctors that affect the mechanical reliability and lifespan of optical fiber,through the simu-lating test conditions,the causes of optical fiber fracture are analyzed.The surface morphology of the experimental fiber fracturewas compared with the morphology characteristics of the optical fiber fracture
3、 source that appeared in actual working conditions,and the main reasons for the formation of optical fiber fracture were qualitatively analyzed.Analysis suggests that the presence ofwater or vapor in the working environment under external stress accelerates the growth and propagation of surface crac
4、ks on theoptical fiber,ultimately leading to fiber fracture.Key words:crack,stress corrosion,fracture morphology齐永恒,韩云钊,王旭涛,李卫可,刘乃常,胡 凯渊中航光电科技股份有限公司袁河南 洛阳 471003冤摘要院为了分析影响光纤机械可靠性和寿命的主要因素,通过模拟试验条件对比分析了引起光纤断裂的原因;将试验光纤断裂表面形貌与在实际工作状态下出现的光纤断裂源形貌特征进行对比,定性分析了引起光纤断裂形成的主要原因。分析认为是在外加应力的作用下,工作环境中水分或水汽的存在加速了光纤表
5、面裂纹的生长、扩展,最终导致光纤断裂。关键词院裂纹;应力腐蚀;断裂形貌中图分类号院TN256文献标志码院A文章编号院1002-5561渊2023冤04-0053-05DOI院10.13921/ki.issn1002-5561.2023.04.010开放科学渊资源服务冤标识码渊OSID冤院引用本文院齐永恒袁韩云钊袁王旭涛袁等.光纤的机械可靠性及断裂形貌分析研究J.光通信技术袁2023袁47渊4冤院53-57.0 引言光纤光缆是光纤通信网络中最重要的元件袁然而由于其应用环境的复杂性和严酷性袁例如院在航空航天系统中的低温环境袁地震监测系统中的高压尧高腐蚀环境袁以及海洋探测系统中的高温尧高湿环境等袁使
6、其成为整个通信网络中最薄弱的环节遥 因此袁光纤光缆的可靠性是保证光纤网络建设正常运行及影响光纤机械寿命的重要因素1-2遥光纤可靠性主要包括光学可靠性和机械可靠性袁本文主要研究光纤的机械可靠性遥 机械可靠性主要取决于原材料尧制造工艺尧成缆工艺尧敷设方式尧应用环境等因素遥 通常情况下袁光纤的抗拉强度可以达到5 GPa 以上袁但是由于光纤在实际生产制造过程中不可避免地存在裂纹等缺陷袁极大地降低了光纤的强度3-6遥目前袁 国内外对光纤机械可靠性的研究相对较少袁特别是在特定的技术环境下出现的光纤断裂原因及影响因素分析遥 因此袁本文结合在实际使用环境中断裂的原始光纤袁通过试验复现断纤现象袁分析探究影响光纤
7、机械可靠性及光纤寿命的主要因素遥1 光纤及插头基本结构和安装使用环境光纤试样为美国康宁公司生产的 0.25 mm 裸光纤袁涂覆层材料为丙烯酸酯袁包层外径为 125 滋m袁涂覆层外径为 245 滋m遥 在实际安装使用时袁装配好的蓝色转接插头渊如图 1 所示冤会被装在通信基站的射频拉远单元渊RRU冤上与光模块对接袁外面通过防水外壳体防护袁整体与外界隔离可以实现IP66&67 密封遥收稿日期院2022-08-31遥作者简介院齐永恒渊1987要冤袁男袁机械设计及理论专业硕士袁工程师袁现就职于中航光电科技股份有限公司袁主要从事光纤连接器尧光纤和光缆组件的产品研发和光通信技术研究遥 参与完成河南省科学技术
8、厅科学技术成果和中国电子元件行业协会科技成果各1 项遥光 纤 光 缆輩輱訛2023 年第 4 期齐永恒袁韩云钊袁王旭涛袁等.光纤的机械可靠性及断裂形貌分析研究产品主要用于印度南方临海城市科钦地区袁 该地区每年 4-6 月为热季袁7-9 月为雨季袁 室外气温高达50 益遥 产品在安装使用之前存放在仓库中袁转接插头自身没有密封功能袁会受到外界高温高湿环境的影响遥当转接插头安装到室外通信基站 RRU 上与模块对接时所处的环境更加恶劣袁 在高空中受到太阳的直射和RRU 设备散发出的热量影响袁使得产品在实际使用环境中的温度可高达 70 益以上遥本次出现断纤的产品是在当时热季渊4-5 月冤安装到 RRU
9、上袁安装使用 3 个月左右后袁在 8 月初基站报警袁经查看发现转接插头中的光纤断裂遥根据产品的自身结构和实际使用环境进行综合分析袁认为本次断纤的主要原因如下院因光纤在连接器内留有一定的余量 渊弯曲余量产生一定的弯曲应力冤袁当连接器插头与光模块对接后袁 连接器内部光纤弯曲应力增加袁 导致光纤在弯曲最严重的位置产生应力集中点袁应力集中点在高温高湿环境影响下袁光纤表面产生裂纹袁随着时间的累积袁裂纹逐渐扩展袁直至出现断纤遥因此袁本文首先模拟仿真光纤在连接器内的应力情况袁然后通过试验对比分析验证光纤断裂的主要原因遥2 试验方法2.1 有限元模拟仿真光纤在连接器内的应力依据光纤在连接器内的实际弯曲状态 渊
10、如图 2 所示冤袁包括光纤在连接器内未受力情况下的自然弯曲状态渊如图 2渊a冤所示冤和连接器与斜面物理接触渊APC冤工装对接后袁光纤在受力情况下的弯曲状态渊如图 2渊b冤所示冤袁 本文采用 Abaqus 仿真分析软件模拟计算光纤在连接器内的受力情况遥模拟试验参数设置如下院光纤属性袁如杨氏模量渊72 GPa冤尧泊松比渊0.25冤尧光纤能够承受的最大应力渊5.7 GPa冤等由康宁公司提供遥 光纤的原始长度为 13.32 mm袁压缩总量为 1.54 mm袁压缩后光纤长度由 13.32 mm 变化到 11.78 mm遥 模拟压缩试验分为 2 次压缩院第 1 次压缩量为 0.84 mm渊模拟光纤在装上插
11、头后光纤的一次压缩量冤袁 第 2 次压缩量为0.7 mm 渊模拟插头与 APC 工装插头对接后光纤的二次压缩量冤遥2.2 试验条件及分组本文选用在基站安装的连接器中发生断纤的产品渊G.657A2 裸光纤冤作为标准断裂源渊A 组冤袁编号为1#5#遥 该产品的存放尧 安装使用环境为高温高湿环境袁为了复现和验证断纤的主要原因袁将不同试验条件下的试验样品分为 2 组渊B 组和 C 组冤袁每组测试数量为 100 件袁均参照 GR326 标准测试遥 具体试验条件及分组编号如表 1 所示袁 试验中所有的被测插头均与APC 工装对插测试 渊模拟转接插头与 RRU 上的光模块对接冤袁使得连接器内光纤弯曲量达到最
12、大遥2.3 测试过程试验前在图 3渊a冤所示的电荷耦合器件渊CCD冤显微镜下查看光纤表面的状态袁 保证试验前光纤涂覆层表面没有损伤遥试验过程中每隔 24 h 查看光纤通断情况袁使用笔式可视故障探测仪渊如图 3渊b冤所示冤通光检测光纤的通断情况及断纤位置遥 将试验过程中断裂的光纤及在实际使用过程中发生的断纤样品放在电子显微镜渊SEM袁型号为 JEM 2100袁如图 3渊c冤所示冤下查看光纤端面的断裂状态袁分析引起断裂的主要原因遥图 1 转接插头渊a冤 自然弯曲状态渊b冤 受力时的弯曲状态图 2 光纤在连接器内的 2 种弯曲状态表 1 试验条件及分组编号组别编号试验项目试验条件测试设备测试时间/h
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