光缆老化实例分析
光缆老化实例分析
摘要：光缆老化问题具一定隐蔽性，但其对电信传输网的运行质量与安全构成巨大威胁，可能造成企业重大损失，需要我们高度重视。文章先选取湖南省干光缆两则老化的实例详细描述了其特征，然后介绍光缆老化的四方面的原因及特征：包括氢损、温度特性劣化、外界应力、进潮。再通过特征比对的方式对两则实例进行分析，揭示其发生机制。最后笔者从光缆的选购、应用等方面提出因应光缆老化的七项措施。
关键词：光缆 老化 氢损 温度特性
光缆的预期寿命一般在20-25年，在我省敷设的10-15年长途光缆中已出现了光缆老化，损耗增加，达不到传输系统的要求的现象。个别光缆甚至敷设不到5年就出现老化。
实例一：
我省二级干线长石光缆常德－益阳段，光缆中继段长约100千米，为皱纹钢带铠装铝聚乙烯粘接护套松套管层绞式金属加强芯光缆（GYTA53）。于1997年建成投产，全程以埋式敷设为主。2001年初时就发现纤芯平均损耗出现异常，向厂商提出索赔。至2003年时已出现影响承载其上省干SDH系统情况。在历年半年度测试过程中的损耗变化情况如图一所示。
对光缆进－步测试调查，还有以下特征：
（1）每根光纤损耗特性均不同程度出现劣化，个别纤芯个别段落出现严重劣化。
（2）同根光纤1550比1310损耗增加更明显，直埋敷设部分与管道敷设部分损耗增加无显著差别。
（3）光缆金属护套对地绝缘与接头盒绝缘测试均正常。
（4）光缆中纤芯无明显变脆，自然断纤增加现象。
实例二：
我省二级干线郴州－桂阳、郴州－资兴光缆等，光缆中继段长均约38千米，为细圆钢丝铠装聚乙烯外护套松套管层绞式非金属加强芯光缆，于1993年建成投产。2004年开始，发现在秋末至夏初间，每当气温突降（如太阳落山）时，光缆的损耗发生突变，承载光缆上的波分系统出现收光功率低告警，严重时引起系统中断。持续几十分钟至一二小时后，又自动恢复正常，其损耗的变化如图二所示。
用OTDR对光缆中纤芯进行测试检查出现如下结果：
异常时，测试光缆中纤芯，每根纤增加的损耗并不相同，波长不同增加的损耗也不同，1550比1310损耗增加大。
异常时损耗增加不是因单点造成，而是一段段光缆损耗增加；主要是架空部分变化，而管道部分几乎无变化。
损耗增加段每根光纤基本一致，但也不完全一致；每次异常时损耗变化较大段落位置进行比较，基本相同，但又不完全相同。
正常情况下测试光缆中纤芯，曲线很好，与竣工时比光纤平均损耗几乎没有增加。
光缆老化的原因
光缆老化，特别是未达到预期寿命的传输性能严重劣化，全程损耗普遍增加的原因是多样的。主要有以下四方面原因。
1、氢损
光纤的氢损，从本质上讲，是氢气扩散入光纤玻璃之中，同时和玻璃中的缺陷发生反应，在一些特征波长上造成光纤衰减增加的过程，这种过程包括物理过程和化学过程两个方面。物理过程主要是指氢气在光纤玻璃中的扩散过程，这个过程中，氢分子并未和玻璃的缺陷发生反应，因此其造成的氢损也仅仅和渗透进纤芯的氢分子的吸收光谱特性有关。试验表明氢分子造成的吸收损耗曲线如图三。其附加损耗1550nm比1310nm大，在1240nm、1590nm 、1640nm等波长处出现衰减峰。这类氢损大小只与光纤中氢分子浓度有关，温度高时光纤玻璃中溶入的氢少，造成的氢损就小。其过程也是可逆的，当外界不存在氢氛围，光纤中的氢又可渗出，氢损消除。
?氢损的化学过程在于，氢分子在玻璃中扩散的同时，氢将和玻璃中存在的缺陷发生反应，形成某些特定的化学键，这些化学键的本征振动或高次振动模，同样会在其特征波长上造成衰减增加。研究表明，氢损的主要反应机理为：
Si-O O-Si + H2 Si-O-H + H-O-Si （1）
Si-O-O Si + H2 Si-O-O-H + H-Si （2）
Si-O-O-H + H-Si Si-O-O-Si + H2 （3）
?上述反应涉及光纤中两种主要的结构缺陷，即Si-O··O-Si，和Si-O-O··Si，分别被称为非桥氧空心缺陷（NBOHCs）和Si-E’心缺陷。反应（1）（2）的特征吸收峰分别在1 383 nm、1 530 nm波长，也就是说，上述氢损过程将使1 383 nm和1 530 nm的衰减增加。反应式（3）实是反应（2）的自愈反应，即Si-O-O-H 与H-Si继续反应析出氢，同时原有的缺陷消失，但其反应是有限的。而其中反应（1）是单向的、永久性的。
光纤中还存在其它一些缺陷，氢与缺陷发生反应同样发生氢损，其波长可涵盖1350－1600nm范围。氢损的物理和化学过程在光纤的氢损发生过程中同时存在。
2、温度特性恶化
光缆温度特性恶化可能由以下深层次原因引起： 1) 光缆在常温时余长偏大，低温时余长进一步增加，造成较大宏弯损耗； 2) 光缆常温余长偏小，当光缆处在高温时，光纤呈负余长，光纤下沉在PBT管管壁，导致光纤产生微弯损耗； 3) 由于护套和PBT管低温收缩，“吃”掉接头盒中的光纤余量，使接头盒中光纤出现小弯曲，导致光纤损耗增加甚至断裂； 4) 光缆整体性差，形成“活塞效应”。即光缆中各元件耦合松紧的程度不高，通过多次温度循环，光缆结构松驰，光缆中的元件像活塞一样随温度变化而明显收缩与膨胀，引起光纤损耗。
5) 光纤油膏和光缆油膏质量不好。如光纤油膏低温锥入度小于200dmm时，纤膏变硬，其力可加于光纤产生微弯损耗。又如光缆油膏高温滴流和油分离，均会在光缆中造成气隙，致使潮气浸入光缆，油膏含水量大也会使光缆水汽增加，这些水汽在低温下结成微小冰粒，导致光纤受力弯曲，从而使光缆低温损耗增加。
3、外界应力
光缆中的光纤在缆化、敷设和使用过程中可能会受到拉伸、弯曲、扭转以及振动产生的应力，这些应力作用于光纤会导致损耗增加、光纤强度降低。
4、进潮
光缆中光纤对水与潮气产生的OH－离子极为敏感。水与潮气会使光纤上的微裂纹扩张，使光纤强度显著降低。光纤长期处于潮湿环境，其损耗将增加、光纤将变脆。这种情况下一般表现为光纤损耗增加同时，光纤自然断裂也增加。
分析与对策
实例一中光缆的老化符合氢损的表现，因其所有光缆中光纤均有损耗增加，其1550波段比1310增加更多，而且损耗增加后还呈周期性缓慢回落，但总体上损耗呈现增高趋势。我省9月份气温明显高于3月份，光纤中氢分子浓度低，造成损耗每年9月低3月高现象。应为光缆中纤膏或缆膏质量差， “析氢”现象严重，光缆内外护层又保持了氢气氛，光纤氢损的物理与化学过程同时发生，光纤损耗增加。光纤质量也存在一定问题，光纤内部缺陷较多，加速了氢损进程，并导致损耗不断呈增高趋势。因其光纤无变脆，自然断裂增加现象，光缆金属护层绝缘正常，故可排除进潮的原因。
实例二中光缆的老化是其温度特性较差造成。对照上面温度特性恶化的'原因深究，应是光缆余长不当与光缆中纤膏老化粘度变大所致。因石英光纤的热膨胀系数远小于PBT松套管的热膨胀系数，当温度降低时，松套管收缩，光纤将向远离缆芯方向运动，而套管中纤膏粘度大，如温度变化过快，一时光纤无法到位而形成宏弯，造成损耗增加。当温度升高时，松套管增长，光纤受拉力，向靠近缆芯方向运动，不存在微弯问题，故损耗正常。光纤在松套管中的运动如图四。
光缆老化问题具一定隐蔽性，但其对电信传输网的运行质量与安全构成巨大威胁，可能造成企业重大损失，需要我们高度重视。综合以上问题与分析，笔者提出以下应对措施：
1．严把工程材料关。在光缆选购时，必须要对光缆的结构形式、选用原材料、生产工艺及技术指标作深人了解，综合考虑。不能简单的以几芯价格多少来比较衡量。尤其要注意光缆中采用的光纤与纤膏的厂家与质量，千万不要选用价格过于便宜但未经严格检测的产品。 2、加强合同管理。选用劣质原材料或不当工艺生产的光缆，往往在最初的产品检测时，很难检出，因为老化需要一段时间。因此在采购合同中要明确光缆未达预期寿命的责任与赔偿事项，要求厂商提供相应光缆选用的光纤、纤膏、松套管、加强芯、复合铝带、护套料等主要原材料的厂家与规格。因其追溯期较长，一定要做好合同与相应附件的保存与管理。
3．加强对光缆上承载系统光功率变化的分析，及时发现问题。光缆的老化是一个渐进的过程，早发现可以早处理早预防。因此要充分运用设备时刻在线的优势，利用网管手段采集光性能参数，机线综合分析。同时要做好线路的定期测试与分析工作。
4、对已出现老化的光缆降级使用或与正常光缆混合使用。光缆老化引起损耗增加量直接与长度相关，通过对已老化光缆的介入长度控制，可使起损耗变化在设备容许值内，延长光缆在网时间。如省干老化光缆降为短断本地网用，又如在一个长距再生段中，一段采用正常光缆另一段采用老化光缆。
5、把好施工质量关。工程质量对光缆老化也也有一定影响，需做好工程质量管理。尤其是埋式光缆的绝缘合格率在施工时严格要求，防止接头与光缆进水。
6．光缆建设要分批平均进行，最好不要集中在某几年进行，降低老化风险。
7、加强对光缆老化问题的调查分析。目前，我省光缆网建设时间还不十分长，老化问题还不十分突出，有些问题还未暴露，防范手段还未发现，需进一步调查研究。
参考文献：
1、胡光志等篇著《光缆及工程应用》人民邮电出版社 1998.11
2、康宁公司技术白皮书 WP9007《The Impact of Hydrogen on Optical Fibers》
3、武汉长飞公司 汪洪洋 《光纤的氢损》
4、江苏阿尔法光电科技有限公司 王德荣《光缆寿命分析》
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