聽海洋的聲音 ——水聽器用特種光纖及解決方案

  ICC訊 聲音信號是唯一能在海水中進行遠距離傳播的能量形式，利用聲波作為信息載體對水下目標聲學特性的監測，是海底監測及資源勘測的先進手段。我國擁有三萬多公里的海岸線和豐富的海洋資源，為捍衛我國領海主權，同時加大海洋資源的開發，在我國重要海區建立完善的水下警戒系統，開發完備水聲探測系統具有深遠的戰略意義。

  光纖水聽器是水聲探測系統中的重要部件(見圖1)，它是先進光纖光電子技術與水聲工程技術結合的新產物，在海洋環境監測、先進水聲裝備等方向具有廣闊的應用前景。按照原理分類，光纖水聽器有強度型、偏振型、相位干涉型等。其中，相位干涉型光纖水聽器因其精度高、穩定性好、體積小以及易于大規模組成陣列等優勢，已成為目前研究和開發使用的主要對象。相位干涉型光纖水聽器基于Michelson和Mach-Zehnder干涉原理制成，其干涉結構已進入成熟的產品化階段。兩者基本原理相同(如圖2所示)，由激光器發出的激光經過光纖耦合器分為兩路：一路構成光纖干涉儀的傳感臂，接受聲波的調制，另一路則構成參考臂，提供參考相位。兩束波經后端反射膜反射后返回光纖耦合器，發生干涉，干涉的光信號經光電探測器轉換為電信號，經過信號處理就可以拾取聲波的信息。

  水聽器中的關鍵部件是光纖繞制的光纖環，這種環的尺寸一般比較小，直徑最低僅10mm，普通的光纖的宏彎損耗指標難以滿足其要求，同時這種海底用光纖的機械可靠性比常規光纖要求更高。

  一、水聽器用特種光纖

  長飛光纖光纜股份有限公司(以下簡稱“長飛公司”)是國內最早一批研制彎曲不敏感光纖的企業，采用“匹配溝槽”結構設計加上獨特的PCVD工藝(見圖3)，可以實現優良的光纖拉錐、研磨和抗彎性能，并且通過采用高可靠性涂料，保障了光纖的高強度與可剝離性，光纖主要優勢與特點如下：

  圖3 光纖結構設計

  1)光纖細徑化

  水聽器用彎曲不敏感光纖目前普遍朝著細徑化和高強度的方向發展，如何在減小光纖直徑的同時保障光纖的高強度是一大難點。如圖4，長飛第二代彎曲不敏感光纖的最小抗彎直徑目前設計為10mm，其光纖尺寸從125/250μm減小到80/165μm，于此同時光纖的篩選強度仍可以繼續保持200kpsi。另外第三代產品BI1015-F和BI1015-P保持了光纖的細徑、高篩選張力外，著重于涂層的改進與優化，采用耐水煮材料大大提高了光纖的機械穩定性。

  圖4 長飛彎曲不敏感光纖

  2)良好的幾何一致性

  在幾何上，通過精確的拉絲工藝控制，光纖涂覆層外徑公差可控制在±2μm以內，而包層公差在±1.0μm以內(如圖5所示)，這對精確繞制和降低熔接損耗至關重要。

  圖5 長飛BI1015-B系列光纖涂覆層和包層統計數據

  3)優異的拉錐性能

  在拉錐性能上，通過優化光纖波導結構和材料的配比，長飛水聽器用彎曲不敏感光纖具有優異的拉錐性能。以1550nm 50/50型光纖耦合器為例，根據耦合光纖在熔融拉錐過程中的過程損耗衡量和驗證光纖的拉錐性能(見圖6所示)。

 圖6 長飛BI1015-A與BI1015-B光纖拉錐性能驗證

  4)可靠的機械穩定性

  在強度上，除了滿足200kpsi篩選，在抗拉和抗老化方面也表現良好(如圖7所示)。對客戶所關心的彎曲半徑下的使用壽命，我們也進行了比較驗證(如圖8所示)，所得驗證數據根據行業內默認公式推導得出的使用壽命結果遠超過了客戶要求。

  圖7 老化前后彎曲不敏感光纖的斷裂力測試數據(TC表示老化)

  圖8極小彎曲半徑下，國內外彎曲不敏感光纖斷裂時間對比

  二、水下用特種光纜

  基于長飛的彎曲不敏感光纖，長飛公司制備出水下用特種光纜來進行水下觀測網用光纜、水下探測等應用。光纜可以應用的最大水深至5000米，光纜的拉力可以根據客戶所要求指標定制，光纜具備6.75Mpa縱向耐水壓性能。主要產品有拖曳纜、水密光纜、水聽光纜等。

  1)拖曳光纜

  長飛公司拖曳光纜采用耐水解聚氨酯材料作為護套保護材料，阻水芳綸作為加強原件，采用長飛特種抗彎高強度光纖作為光傳輸介質，可以根據客戶要求進行光單元和電單元進行設計(見圖9)。該光纜可以用于水下航行器、ROV水下航行器的遠程遙控、航行狀態監測、浮標用光纜及視頻數據等大容量信息的短距離傳輸。

  圖9 拖曳光纜結構示意圖

  2)水密光纜

  長飛公司水密光纜用于水下短距離傳輸用，能夠滿足徑向耐水壓試驗要求。緊套層采用雙層結構，內層為高模量抗壓材料，外層為高密度材料(見圖10)。光纜具備一定的機械性能，水壓下傳輸穩定。所采用的護套材料具備水密性能，能夠長時間水下通信，并且具備良好耐油性能，機械性能。

  圖10 水密光纜結構示意圖

  3)水聽光纜

  長飛公司水聽光纜應用于水下觀測網陣列鋪設，光纜具備輕量化，高柔韌性的優點。光纜采用長飛高強度抗彎光纖，硬度較低的聚氨酯彈性體成纜(見圖11)，確保光纜能夠滿足更小的彎曲半徑，以適應更為復雜的布線。光纜可適用于不同情況下開天窗的同時，具備耐油、耐水解、耐硅油特性，可運用于水聽光纜陣列布線。

  圖11 水聽光纜結構示意圖

  三、展望

  正是彎曲不敏感光纖的優異性能，保證了光纖水聽器的正常運行，從而可以讓我們傾聽海洋的聲音。目前，長飛公司生產的彎曲不敏感光纖已經在國內水聽器行業的投入應用，隨著世界新技術的飛速發展和新產品迭代，長飛公司也將通過不斷的技術努力，為光纖水聽器系統的整體可靠性提供了有力保障，為中國海洋事業做出新的貢獻。