海底光纜要求長距離、低衰減的傳輸，而且要適應海底的環境，對抗水壓、抗氣損、抗拉伸、抗沖擊的要求都特別嚴格，因此用于海底光纜的光纖比陸地光纜所用的光纖有更高的要求；要求低損耗、高強度、制造長度長，要求能經受強大的壓力和拉力。深海光纜的結構比較復雜：光纖設在U形槽塑料骨架中，槽內填滿油膏或彈性塑料體形成纖芯。纖芯周圍用高強度的鋼絲繞包，在繞包過程中要把所有縫隙都用防水材料填滿，再在鋼絲周圍繞包一層銅帶并焊接搭縫，使鋼絲和銅管形成一個抗壓和抗拉的聯合體。在鋼絲和銅管的外面還要再加一層聚乙烯護套。這樣嚴密多層的結構是為了保護光纖、防止斷裂以及防止海水的侵入。在有鯊魚出沒的地區，在海纜外面還要再加一層聚乙烯護套。 典型海底光纜的結構解析

1 聚乙烯層

海底光纜的特殊需求

無論是陸地光纜的設計還是海底光纜的設計，都是為了能夠保證光纖在相對穩定和安全的環境中工作，可以做到長期、穩定的傳輸光信號而免受外界干擾，只是根據光纖所處的環境不同，對光纜的制作要求有所不同。海底光纜設計必須保證光纖不受外力和環境影響，其基本要求是：能適應海底壓力、磨損、腐蝕、生物等環境；有合適的鎧裝層防止漁輪拖網、船錨及鯊魚的傷害；光纜斷裂時，盡可能減少海水滲入光纜內的長度；能防止從外部滲透到光纜內的氫氣與防止內部產生的氫氣；具有一個低電阻的遠供電回路；能承受敷設與回收時的張力；使用壽命一般要求在25年以上。

海底光纜中光纖的性能要求及生產工藝優化

海底光纜要求長距離低衰減的傳輸，而且要適應海底的環境，對抗水壓、抗氣損、抗拉伸、抗沖擊的要求特別嚴格。光纖的傳輸容量大，中繼站間的距離長，適用于海底長距離的通信。為滿足這些特定的要求，海底光纜的基本結構是將經過一次或兩次涂層處理后的光纖螺旋地繞包在中心，加強構件（用鋼絲制成）的周圍，并放在專制的不銹鋼管中，該管外繞高強度拱形結構的鋼絲，鋼絲層又包上銅管，使得光纜鋪設時不發生微/宏彎。最后擠塑外護套。雖然海纜的制造工藝避免了海纜在鋪設過程中造成的光纖微/宏彎損耗，但是在海纜生產過程中的不均勻性，使得金屬或油膏對光纖縱向的擠壓不均勻，導致光纖所受外界的應力不均勻，以最大程度地降低光纖的衰減，實現更遠距離的傳輸。用于海底光纜的光纖比陸地光纜所用的光纖有更高的要求；要求低損耗、高強度、制造長度長，要求能經受強大的壓力和拉力。

海纜系統的標稱工作波長宜為C波段（1530～1560nm）或C+L（1530～1625nm）波段，目前很多廠家所生產的常規單模光纖在1550nm處的衰減均可達到0.19dB/km甚至以下，已經很接近石英光纖的理論極限最小值，因此對于海纜用光纖而言，除了光學傳輸性能以外，主要還是要考慮降低光纖的微彎損耗及高強度、大盤長兩個方面，另外提高篩選強度，篩選出性能更為優良的光纖。

1.優化光纖的抗微彎性能

隨著1625nm波長被越來越多的應用，增加光纖在L波段（1560～1625nm）的宏彎及微彎性能就越發重要，由于海纜本身的結構以及所使用的環境決定了海纜中的光纖單元在使用過程中的宏彎損耗是可以忽略不計的，需要密切關注的是光纖的微彎損耗，圖2是光纖的微彎示意圖。

光纖的接觸面因擠壓不均勻導致產生μm級或低于mm級的微小彎曲，導致光纖的微彎損耗增加，微彎傳輸損耗主要是由于模式耦合導致的。

存在微彎損耗的光纖比沒有彎曲的光纖在1625nm處，甚至是1550nm處的衰減值明顯增高，可見微彎損耗對于長波長衰減有著很大的影響，尤其是在海纜這種要求長距離低衰減的通信系統中，如何控制好微彎損耗就顯得尤為重要。

光纖內涂層折射率比石英玻璃偏大且彈性模量較低（幾百兆帕），可以很好地緩沖外界的應力，合適厚度的內涂層可以保證光纖良好的抗微彎性能，內涂層直徑的理想值在190μm左右；涂層的固化度對光纖的抗微彎性能也有影響，涂層的固化度過低，會影響光纖的衰減、外觀及后續的工序，若固化過度，則會引起光纖涂層的降解，因此必須將固化度控制在一合適范圍內，因所用涂料不同而異；另外涂層的同心度狀況對光纖的微彎性能同樣會有影響，這就要求光纖的涂層是均勻的，建議涂覆方式采取濕濕涂覆（wet-on-wet）方式，一方面可以節約空間，增加裸光纖的自然冷卻空間，另一方面濕濕涂覆生產出來的光纖同心度也很好，這依賴于模具使用前的調節要到位，可以安裝同心度在線監測裝置，在線微調模具的狀態，以達到較好的涂覆效果，同心度較好的內涂層可以均勻緩沖外界的壓力，減少光纖的微彎損耗。

除了上述幾個因素會對光纖的微彎損耗造成影響之外，所用的涂料本身的性能也對光纖的微彎性能有著很大的影響，圖4是不同涂料系統生產出的光纖進行高低溫循環時的衰減情況，全部樣品都是采用IECTR62221中測量光纖微彎敏感性的MethodD“Basketweave”法進行測試，在-60℃下，不同光纖的低溫性能有著很大的差別，涂料本身的性能對光纖微彎性能有著很大的影響，因此選擇一種性能優良的涂料對生產出高質量的光纖來說至關重要。

2.高強度、大盤長

海纜的光纖單元相對于普通光纜而言，除光學傳輸性能之外，主要的性能提升為高強度和大盤長。在海底光纜的敷設、使用、打撈以及受到意外外力等過程中，光纖雖然受到了光纜外部結構的保護，但是還是要承受一定的應變和殘余應力。因此為了防止敷設、維護以及意外張力對光纖單元的破壞性影響，海底光纜用光纖必須要有較普通光纜用光纖更高的強度；而大盤長則是為了減少中繼距離內的接頭數目，盡量做到光纜盤長和系統的中繼距離一致。

常用單模光纖是由二氧化硅玻璃制造的，二氧化硅玻璃理論上有20GPa的斷裂應力。但實際上由于各種因素的影響，光纖表面會存在一定數量的微裂紋，集中在裂紋尖端的應力會引起光纖在較低的應力水平下斷裂。而光纖在被制造成光纜以及光纜的敷設、使用、維護當中，均會受到大小不一的應力。為了不使光纖在這些應力下產生斷裂，必須對拉絲后生產出的光纖施加一定的應力，以提前篩除這些光纖上的薄弱點。而光纖的強度就和這些薄弱點的數量有關。對于光纖的盤長，除了受到上述原因的影響外，還受到光纖幾何和光學參數的均勻性的影響。針對這些影響因素，并綜合考慮到海底光纜所用光纖的特殊要求，主要對原材料和拉絲工藝等進行相應的優化。

（1）原材料的優化

預制棒作為光纖生產中最重要的原材料，是影響光纖質量的極為重要的因素。其中預制棒的光學參數和幾何參數的均勻性，直接影響到光纖的光學和幾何參數的均勻性，也就同時影響到了光纖所能產生的最大盤長。保證了預制棒在較長距離內的幾何和光學參數的相對均勻性，也就保證了光纖在較長距離內的光學和幾何參數的均勻性，也就是說可以產出大盤長的光纖。

此外，不管是購買預制棒拉絲還是自己制棒拉絲，在預制棒的運輸、存放的過程中，或多或少都會對預制棒表面形成污染和造成缺陷。這些污染和缺陷對于拉出的光纖的質量，將會產生較大影響。這些污染物一些為有機成分（如手上分泌的油脂汗漬、包裝袋上的脫模劑等）靠通常的擦拭和清洗不能完全清除。在拉絲爐中高溫的情況下會分解，并與二氧化硅發生反應，形成碳化硅之類較二氧化硅熔點高，或者在較低溫度時產生析晶的成分，這樣在光纖表面就直接產生了一個巨大的缺陷，從而影響了光纖的強度。至于那些無機物污染物，也會對光纖強度造成相似的影響。同樣的，在預制棒運輸和存放的過程中，也會使預制棒表面出現碰撞和劃傷所引起的微小缺陷，這些缺陷在拉絲的過程中，由于現在拉絲速度的提高以及拉絲爐熱區的相對較短，并不能在拉絲爐中熔融狀態下得到充分的愈合，從而在拉出的光纖表面形成了不應有的缺陷，繼而影響了光纖的強度。

針對這種情況，對于將要拉絲的預制棒，可以采取氫氧焰拋光的方式，極大的減少此類缺陷的產生。高溫下氫氧焰中富裕的氫氣和二氧化硅反應產生易蒸發的一氧化硅和水，繼而被高速的氫氧焰氣流帶走，同時將預制棒表面的污染物帶走。因為在拋光的過程中實際上是利用氫氧焰將預制棒表面拋去了幾十個微米的二氧化硅，所以預制棒表面的微裂紋也得到了愈合，至于較大的缺陷，則由于高溫的原因得到了最大程度的修復。因此極大的改善了預制棒的表面狀況，減少了由于預制棒表面缺陷和污染帶來的強度問題。

（2）拉絲工藝的優化

同樣的原材料在不同的拉絲工藝下所生產出的光纖，有著明顯的差別。因此對于要求有高強度和大盤長的光纖產品，對拉絲工藝也有著特殊的要求。

拉絲爐作為預制棒熔縮為光纖的場所，需要有大量的惰性氣體的保護，其中氣體的流向分布和氣體用量，又對光纖的強度產生較大的影響。在拉絲爐中的高溫環境中，石墨件會產生一些微小的固體顆粒（一般為自身揮發物和長時間氣流沖刷后產生的石墨顆粒），同時爐中所用的惰性保護氣體也會攜帶一些固體雜質（通常為氣體管道或者儲氣容器中的固體顆粒）。這些固體顆粒如果在氣流的作用下與脆弱的裸光纖發生碰撞，就會在光纖表面產生一些微裂紋，也就是薄弱點，這會對光纖的強度造成很大的影響。因此我們除了對石墨件的揮發物數量、致密度以及表面粗糙度有著嚴格要求外，還對進到拉絲爐前的惰性保護氣體進行了二次過濾，保證了氣體的潔凈度。同時，我們對拉絲爐中的氣流進行了一系列的優化，使氣體嚴格的按照層流方式運動，以使石墨件產生的顆粒在氣流的吹掃下，以不與熔融玻璃和光纖相接觸的軌跡被帶出爐外或者附著在拉絲爐下部的內壁；同時避免氣流直接吹到玻璃的熔融區及光纖形成區，以免氣體中的固體顆粒附著在熔融玻璃表面或者與已成型光纖發生碰撞，減少了表面微裂紋的產生，提高了光纖的強度。

在光纖從拉絲爐的高溫區出來后，我們優化了光纖的冷卻方式，使殘余在光纖中的應力降低，減少了由于殘余應力而致使微裂紋發生擴張從而產生更多的薄弱點的情況發生。同時殘余應力的降低，也對光纖的光學參數產生積極的影響減小了光彈效應，對于PMD值的改善，也是有著積極的意義。

對于光纖的UV涂料的涂覆，我們進行了相應的優化。根據不同涂料的性質，優化了涂覆溫度和涂覆壓力，改善了涂層的均勻性和涂層與裸光纖之間的結合性能；同時我們對UV固化系統進行了改進，優化了固化爐中的氣體以及紫外光的照射方向，保證了光纖涂層在各個方向固化性能的均勻性和固化度的適當性。這些改進改善了涂層與裸光纖的結合能力，加強了涂料對光纖表面微裂紋的彌補能力，也在一定程度上提高了光纖的強度，此外也減少了涂層中的殘留應力對裸光纖的影響，減小了由于涂層應力的局部不均勻引起的微彎效應，也就減少了由于微彎效應引起的局部光纖光學參數不均勻，提高了光纖盤長。

通過對原材料和拉絲工藝的優化，我們使得光纖的篩選斷點率降低到2‰左右。

（3）篩選工藝的優化

考慮到海底光纜使用環境的特殊性，對光纖的強度有著特殊要求。因此我們在篩選工藝上，對于海底光纜用光纖，執行了嚴格的要求。一般光纖采用的是100千磅/平方英寸（Kilo-poundpersquareinch，Kpsi）的篩選張力，篩選應變為1%，而對于海底光纜用光纖，我們將篩選張力提高到200千磅/平方英寸（Kilo-poundpersquareinch，Kpsi），篩選應變大于2%，是普通光纖的兩倍，避免了低強度點的存在。在采取了這樣的篩選工藝要求之后，我們仍然可以提供篩選長度達100公里的大盤長光纖，是普通光纖的四倍。