摘 要：该文介绍了偏振保持光纤的机械可靠性机理，包括光纤中缺陷形成的原理、光纤中裂纹生长原理等。在此基础之上给出了表征光纤机械可靠性的3种试验方法：张力筛选、动态拉伸和应力腐蚀敏感性。并分别对这3种试验方法特点进行了分析与讨论，给出了这3种试验方法的试验装置及具体试验步骤，最后指出了在偏振保持光纤领域目前普遍使用的验证机械可靠性性能所使用的具体方案。
关键词：偏振保持光纤 张力筛选 动态拉伸 应力腐蚀敏感性
中图分类号：TN818 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）05（b）-0068-03
在特种光纤领域，偏振保持光纤由于其独特的偏振保持传输性能而被广泛应用于惯性导航系统中。偏振保持光纤的机械可靠性是决定光纤使用寿命的关键因素之一，作为惯性导航系统中光信号的主要传播介质，保偏光纤机械可靠性的质量决定了惯性导航系统的运行可靠性。多年来国内外研究机构对石英光导纤维断裂机理和断裂端口形态进行了深入研究，取得了许多显著成果。但对于偏振保持光纤这种剖面结构非圆对称的特种光纤的机械可靠性研究相对较少，随着偏振保持光纤日益广泛地应用于光纤陀螺等惯性导航器件领域，由于其在整体系统中的重要作用，其机械可靠性已成为必须在应用领域评估的关键指标之一[1]。该文分析了保偏光纤的机械可靠性机理，分析了表征熊猫型保偏光纤机械可靠性的3种试验方法。包括张力筛选、动态拉伸试验和应力腐蚀敏感性试验，最后分析和评估了这3种测试方法的特征。
1 光纤机械可靠性机理
1.1 光纖中的缺陷
从应力区域的结构可以将保偏光纤分为熊猫型、蝶结型和椭圆型。文中所介绍的偏振保持光纤是熊猫型结构。从光纤端面来看，该型光纤是由纤芯、隔离层和对称圆形应力区组成的波导结构，其纤芯位于光纤端面的中心，并具有最高的折射率。主要成分是高纯度二氧化硅（SiO2）（杂质含量为ppm），为了获得更高的折射率，少量掺杂剂掺入其中，通常主要是氧化锗（GeO2）。光导纤维隔离层的材料是高纯度二氧化硅（杂质含量为ppm级）。二氧化硅材料的X射线衍射分析证明：硅四面体是熔融石英和晶体石英的基本结构单元，硅四面体之间的旋转角完全无序。这充分表明，在石英中，硅氧四面体不可能通过边缘或面连接，而只能通过顶角连接。形成发展成三维空间的框状结构，并且石英材料的微结构如图1所示。石英材料本身是一种具有高硬度的脆性材料。它的机械强度水平由其微结构中的Si-O键的化学键合力决定。
如果抛开其他因素，仅仅分析材料结构理论，那么石英光纤的强度可以达到300N以上（对于Φ125μm光纤而言）。但实际上，常规光纤所能够承受的拉伸应力远远小于该理论计算值，这其中的主要原因是：普通的石英光纤和内表面存在许多非常小的缺陷，这些缺陷通常被称为微裂纹。当石英纤维的表面受到外力时，微裂纹变大和变长，最终导致光纤断裂。即使没有受到外力作用，这些微裂纹也会随着时间的增加而生长，此外，如果石英光纤所处环境恶劣，这些微裂纹还会在潮湿和其他因素的影响下加速生长。因此，光导纤维的机械强度不是反映材料本身特性的参数，而是反映石英表面缺陷尺寸分布的统计参数[2]。同时，通过机械强度的筛选，也可以降低今后发生断裂的概率，提高光纤的工作可靠性。
光纤中存在的缺陷根据分布位置的不同可以分为内部缺陷和表面缺陷。表面缺陷是在预制棒加工工艺过程中引入的，例如在操作过程中有硬物将预制棒表面划伤，加工过程中的环境清洁度不高，导致杂质粘附在预制件表面上。表面缺陷对光导纤维的机械可靠性具有更大和更重要的影响，并且其生产过程更复杂。
1.2 裂纹生长理论
通常，脆性材料的表面在存在微裂纹或缺陷的情况下易于破裂，所述微裂纹或缺陷非常容易受水分、灰尘或化学品的影响。在外力的作用下，应力集中发生在裂纹尖端，当裂纹扩展达到一定的临界值时，会导致光导纤维强度降低而破裂。
光导纤维表面的微裂纹将在外部水蒸气和应力的作用下生长。因此，随着时间的延续，这些微裂纹的不断扩展是影响光导纤维机械可靠性的关键因素。根据最薄弱理论来进行推算，对于一颗光纤而言，其因断裂而导致失效的概率分布是沿着光纤表面的所有裂纹强度分布的组合。光导纤维的强度分布可以通过一定的机械强度试验方法获得，这样，我们就可以通过结合光纤强度分布和微裂纹的生长趋势来综合评估光纤在使用过程中的机械可靠性（也就是光纤使用寿命）（见图2）。
1.3 保偏光纤中的裂纹（缺陷）及其生长
就偏振保持光纤而言，其缺陷及裂纹生长的原理与普通石英光纤是一致的，但也有其特殊性：首先，偏振保持光纤的结构不同。为了实现线偏振光的偏振态传输，偏振保持光纤在结构上不同于普通的石英光纤，圆形应力区对称分布在芯的两侧。这两个应力区的掺杂剂成份不同于普通光纤中的二氧化硅材料，通常采用的是氯化硼，此外，氯化硼的含量远高于核中氧化铈的含量。不同掺杂剂的引入降低了偏振保持光纤本身的机械强度。其次，偏振保持光纤的制作工艺复杂，工序繁多，这也就造成在偏振保持光纤的生产过程中有更大概率引进各种各样的杂质，同时，在随后的加工中，预制件表面上的微裂纹相应地更多。最后，偏振保持光纤主要应用于惯性导航系统，工作环境复杂，光纤更容易受到各种因素的影响而加速其表面裂纹的生长。
2 光纤机械可靠性试验
2.1 张力筛选试验
张力筛选是光纤制造业中常用的标准机械可靠性测试方法。对于标准直径为Φ125μm的保偏光纤，常用的筛选强度为1%应变筛选（690MPa）。然而，当光纤受到瞬时拉应力时，张力筛选过程本身也是加速疲劳和光纤损坏的过程。这将不可避免地导致表面微裂纹尺寸的增加，从而降低纤维的强度水平。
普通张力筛选试验装置如图3所示：它是一组恒定的弯曲应变筛选试验，A、B和C是3个辊子，它们围绕它们各自的轴自由旋转，它们的轴线彼此平行。偏振保持光纤在足够的张力牵引下穿过3个自由旋转的弯曲形状的辊子，并且光纤的弯曲与3个辊子阵列的几何形状保持一致。根据光纤涂覆层的厚度，选择合适的辊直径，使得由于弯曲引起的光纤表面的最大应变等于所需的应变。为了确保对光纤表面的所有部分施加基本恒定的最大应变，应该使用与第一辊成一定角度的几组辊。通常可以使用彼此成45°角的4个辊组。在测试开始之前，需要调整光纤放线和收线装置，以避免偏振保持光纤在快速通过测试装置时失真[3]。
2.2 光纤动态拉伸试验
该测试通过改变应变速率来验证保偏光纤的疲劳性能，所使用的检测设备的示意图如图4所示。该试验方法适用于断裂应力值的对数与应变速率的对数呈线性关系的光纤和应变速率。
试验中使用的保偏光纤的长度应不小于500mm，并应对被测样品的末端进行夹紧，确保在拉动时光纤不会滑动，导致测试数据失真，必要时可用胶带固定。光纤在轮盘上依次缠绕，不应有交叉。在光纤伸长之前，两个轴芯之间的光纤长度应不小于500mm。同时，在进行拉伸试验时必须确保缠绕在轮子上的光纤不会受到弯曲应力，否则可能会导致光纤断裂。对于Φ125μm偏振保持光纤而言，最小轮盘直径应大于50mm，弯曲应力不应超过175MPa。有两种不同的对光纤施加应力的方法，但基本原理是相同的。伸长率表示为每分钟标距长度的百分比。
2.3 光纤应力腐蚀敏感性试验
应力腐蚀敏感性试验是在应力施加条件下加速保偏光纤的老化，以确定在特定应力条件下光纤的实际使用寿命。经过该试验，我们可以得到保偏光纤的应力腐蚀灵敏度参数。测量应力腐蚀敏感度参数时我们需要遵循的原则是：任何纤维的机械测试应基于模拟的断裂应力和疲劳特性，尽可能接近实际应用。
应力腐蚀敏感性试验中的一种试验方法是将光纤弯曲到一个恒定的弯曲半径，使光纤处于较大的弯曲应力状态下，实质是加速了光纤的老化，在这种极限条件下，观察并测量光纤的断裂时间。通过对很多组不同弯曲半径的光纤进行断裂时间的测试，就可以得到不同弯曲应力条件下光纤断裂时间和断裂应力的相应数据。该试验中的光纤的应力状态可以通过半圆形弯曲来近似。半圆形弯曲沿着光纤的长度引起均匀的弯曲。当光纤断裂时，退化强度等于已知的弯曲应力。试验装置的示意图见图5。
3 结语
该文介绍了保偏光纤的机械可靠性原理，并具体分析了光纤裂纹（缺陷）的成因和生长理论。然后介绍了保偏光纤机械可靠性试验的具体方法，重点分析了目前使用的光纤张力筛选试验。详细介绍了纤维动态拉伸试验和纤维应力敏感参数测量的基本方法和原理。这些测试对于评估光纤的机械性能是必要的，特别是对于对偏振保持光纤具有高机械可靠性要求的特殊光纤。必须采取多种手段验证其真实的强度水平以确保光纤在实际工作环境下的使用寿命。
参考文献
[1] 林翔云.浅析影响保偏光纤强度的因素[J].天津科技，2017，44（5）：67-69.
[2] Glaesemann， S.T.Gulati.Design methodology for the mechamicalreliability of optical fiber[J].Optical Engineering，June，1991，30（6）：709-715.
[3] 中華人民共和国国家技术监督局.GB/T 15972.3-1998，中华人民共和国国家标准[S].北京：中国标准出版社，1998.
