光缆结构设计中光纤余长的原理与产生分析

光缆结构设计中光纤余长的原理与产生分析

周杰

西南交通大学物理科学与技术学院周杰

摘要：光纤余长是光缆设计和生产中的重要参数。光纤的余长设计及控制对光缆的性能指标影响非常大。光纤余长的大小直接影响到光纤的抗拉性能、温度性能、直径、重量、成本和工艺参数等许多方面。本文分别介绍了套管余长中的螺线式余长分布和正弦余长分布余长数学模型，绞和余长和综合余长，讨论了各自余长的产生机理以及光缆的各个参数对余长的具体影响情况，为工业中如何设计和优化光纤余长提供了理论依据。

关键词：光纤余长；松套结构；光缆结构设计1、光纤余长的定义所谓光纤余长是指多于参照对象的光纤的长度，而在实际的应用中光纤余长的定义则为按照最短的路径计算所得的光纤的无纵向应变的物理长度和所参照的对象的物理长度两张只差，通常用百分数来表示。

2、光纤余长的产生机理和作用在松套结构光缆中，光纤在松套管或骨架盆中有一定的活动空间，同时光纤呈现自由弯曲状态。当光纤因受到纵向应力（或拉力）或由于温度变化，光纤会产生一定的长度应变。所谓的光纤余长，是指以最短路径计算的光纤无纵应变物理长度与参照物理长度之差以百分数表示的相对值。因此，光纤余长在光缆受到外应力时，可以为光纤提供一定的受力保护。光纤余长一般可以由所采用的抗张元件和光缆的受力指标来确定。

同时，根据光纤余长可以进一步确定套管内半径和光纤活动空间。

3、光纤余长的分类光纤在进行二次被覆时，由于套管的冷却收缩，使得套管内的光纤受力收缩，这种余长的产生方式称为套管余长。通过将含有光纤的松套管以螺线状绞合在中心件上的方式，也可以产生余长，这种方式称为绞合余长。一般而言，光纤的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结构。

3.1套管余长在一般光缆中，光纤在套管中有正弦和螺旋线两种可能的分布形式。

通常在工程设计中，所谓的曲率半径具体到实际问题中时，对应为光纤的宏弯半径。因此应考虑在最小曲率半径的条件下进行设计优化，以保证在实际应用中，设计的光缆能够符合应用要求并能正常工作。

根据余长的定义可知，当光纤呈螺线式分布的余长1ε和呈正弦式分布时的余长2ε分别为：

上面两式中，P为绞合节距，R为光纤的活动空间半径，又称松套管等效内半径，上两式是在P远大于R的条件下，并进行泰勒展开式展开，忽略二次以上的项近似所得。在一般的工程设计中，采用这样的近似是具有一定的合理性，而能够提高光缆设计的效率。

3.2两种余长分布式的比较同时比较前一节两式可以发现，在相同节距的情况下，螺线式分布的光纤要比正弦式分布能够获得更大的套管余长。而在余长相同时，正弦分布时的宏弯半径要小于螺线分布时的宏弯半径。正弦空间周期越大，光纤余长越小，松套管等效内半径越大，光纤余长越大；螺线的螺旋节距越大，光纤余长越小，松套管等效半径越大，光纤余长越大。

通常基于稳健设计的原则，在设计时应选择正弦式的光纤分布，同时根据曲率半径和余长的定量关系式来确定光纤的活动空间。

3.3绞合余长上述两种余长的产生主要是由于光纤在套管中呈现出一定的弯曲形态。

通过含有光纤的松套管以螺线状绞合在中心件上的方式，也可以产生余长。当包括套管和中心件的缆芯伸长时，套管内的光纤将向中心件方向移动。通过这种方法实现的光纤余长，称之为绞合余长。

3.4综合余长在层绞式光缆中，往往是套管余长和综合余长同时存在。

将两者的影响叠加而造成的余长称之为综合余长。通过相关的理论分析可知，层绞式光缆的综合余长在数值上可以近似表示为套管余长与绞合余长之和。

4、影响余长的工艺因素除上述在光纤余长设计中的结构影响因素外，在一般工业生产中，部分制造工艺方面的因素也会对光纤余长产生较大的影响。值得注意的是，这些因素之间既相互独立又相互制约。

下面分几个方面具体说明这些因素的影响。

热水槽温度对余长的影响。热水槽温度是工业上用于调节余长的主要参数。在其他参数不变的情况下，一般温度降低，余长减小；温度升高，余长增大。更为准确地说，温度差才是工业生产中最终决定余长的参数，一般温度差越大，导致束管收缩程度增大，进一步地使光纤余长增加，反之，温度差越小，导致束管收缩程度减小，光纤余长也随之减小。

余长张力对余长的影响。作为一般工业生产中主要的余长调节的工艺参数之一，余长张力对调节余长的效果较为显著。

一般而言，余长张力增大，余长减小；余长张力减小，余长增加。这种调节方式易于控制，容易调节，便于量度，不足之处是调节范围较小。

放纤张力对余长的影响。放纤张力越大，光纤被拉伸的程度越大，因此在热水槽阶段时，束管将产生更大的负余长，导致最终总的余长越小。在生产中应当尽量减小放线架不稳、放纤主力过大等现象造成的影响。

油膏性能对余长的影响。油膏的性能在很大程度上影响了余长的大小。油膏性能的影响主要体现在纤膏粘度上。纤膏粘度与其加热温度成反比，温度增加时，纤膏粘度降低。当纤膏粘度达到一定程度时，纤膏将不再对余长的控制产生影响。因此在工业生产中，当设备生产速度达到一定指标时，就会要求使用有一定特殊要求的纤膏。除纤膏粘度之外，纤膏挤出的模具油针和导纤针也会对光纤的余长产生一定的影响。

5、结束语本文介绍了光纤余长，光纤的余长的控制对光缆的众多性能有着非常大的影响。因此在一般光缆的工程设计中，应充分重视和合理使用光纤余长，为减少工程成本，提高光缆性能等作出贡献。

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[2]邹林森.光缆中光纤余长测试方法探讨.光通信研究.1993：33-37