传统海底光缆按产品结构特征一般可分为中心管式海底光缆、层绞式海底光缆，以及骨架式海底光缆。骨架式海底光缆在制造技术、工艺难度、生产设备等方面的要求相对较高，其应用已日渐减少；中心管式海底光缆结构简单，其直径和质量相对较小，但受制于不锈钢光纤单元加工工艺，一般中心管式海底光缆光纤最大容量仅为96芯。
层绞式海底光缆正中间一般为中心加强件，在中心加强件外层绞合多根不锈钢光纤单元，因此与中心管式海底光缆相比，可以容纳更多的光纤芯数。而层绞式海底光缆由于不锈钢光纤单元成缆绞合设备的装盘容量限制，无法实现大长度层绞式海底光缆的生产。
本文研究了一种层绞式海底光缆及其不锈钢光纤单元过渡接头，通过在不锈钢光纤单元成缆绞合生产过程中对不锈钢光纤单元进行在线接续，实现大长度层绞式海底光缆生产，并通过试验验证过渡接头处层绞式海底光缆的性能，验证过渡接头对层绞式海底光缆性能的影响。
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大长度层绞式海底光缆方案设计
1层绞式海底光缆缆型设计
层绞式海底光缆由中心加强件、不锈钢光纤单元、内护层、钢丝铠装，以及外被层构成。不锈钢光纤单元以加强件为中心进行绞合，形成多管结构，层绞式海底光缆由6根96芯不锈钢光纤单元绞合成缆，其光纤总芯数为576芯，层绞式海底光缆结构示意图见图1。
图1 层绞式海底光缆缆型结构
本工作拟实现符合GB/T 18480、YD/T 2283相关光学性能、力学性能、环境性能等要求的双铠型结构，层绞式海底光缆主要性能设计指标见表1。
表1 层绞式海底光缆主要性能设计指标
2过渡接头方案设计
为突破层绞式海底光缆的不锈钢光纤单元成缆绞合设备的限制，实现大长度层绞式海底光缆连续生产，本工作研究一种不锈钢光纤单元过渡接头接续方法，在不锈钢光纤单元绞合生产时进行在线接续，从而增加层绞式海底光缆连续生产长度。
在层绞式海底光缆不锈钢光纤单元成缆绞合过程中，需要在接续不锈钢光纤单元母管和不锈钢光纤单元母管中光纤进行熔接后，采用钢管外套结构，将外套不锈钢管套接在熔接后光纤外，并分别与两端的不锈钢光纤单元母管搭接一段距离，外套不锈钢管内径较不锈钢光单元母管外径略大，外套不锈钢管壁厚与不锈钢光单元母管壁厚相同，层绞式海底光缆光单元过渡接头示意图见图2。
图2 层绞式海底光缆光单元过渡接头示意图
保证过渡接头接续的质量，要求光纤在1550nm波长的熔接损耗单向最大值不大于0.1dB，双向平均值不大于0.05dB。在外套不锈钢管套接与不锈钢光纤单元母管处采用合适的工艺密封形成整体，保持光纤单元的密封性能好，避免水分和气体通过搭接处的间隙渗进不锈钢管内产生氢损，造成光纤衰减的增加。
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不锈钢光纤单元过渡接头研究
不锈钢光纤单元过渡接头的接续质量影响其成缆绞合性能，本工作采用A、B、C等3种不同接续工艺进行试验。A工艺采用胶水黏连套接段，使不锈钢光纤单元母管外壁与外套不锈钢管内壁密封黏结；B工艺采用工装压接套接段，使套接段外套不锈钢管压接在不锈钢光纤单元母管表面；C工艺采用激光焊接外套不锈钢管与不锈钢光纤单元母管交界面。A、B、C等3种工艺接续样品见图3。
图3 不锈钢光纤单元过渡接头接续样品
A、B、C三种接续工艺下的光单元接续管测试结果见表2。采用A工艺制作的过渡接头，其抗拉强度较差，抗拉强度仅能达到本体的50%；采用B工艺制作的过渡接头的抗弯曲性能较差，曲挠30次后，外套不锈钢管与不锈钢光纤单元母管之间开裂，静水压试验后，过渡接头内有水迹；C工艺制作的过渡接头通过了拉力、曲挠、扭转和抗静水压试验，具有良好的性能。因此试验选用C工艺可保障不锈钢光单元的接续质量。
表2 不锈钢光纤单元过渡接头试验结果
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大长度层绞式海底光缆试验验证
1光学性能与电气性能
在1550nm波长下，大长度层绞式海底光缆成品的光学性能、电气性能测试结果见表3。由此可知，层绞式海底光缆光学、电气性能均符合技术指标的要求。
表3 层绞式海底光缆光学性能、电气性能测试结果
2机械性能
对于海底光缆，其机械性能的设计主要是为了保护光纤。通过试验模拟海底光缆在施工过程中受到的侧压、拉伸、弯曲、扭转等工况，验证海底光缆的工程应用能力，试验布置见图4。
图4 层绞式海底光缆机械性能试验
由于大长度层绞式海底光缆存在不锈钢光纤单元过渡接头，其过渡接头为层绞式海底光缆的结构薄弱点，在施工过程中存在过渡接头受力失效的情况，对其机械性能的研究更为关键。参照 ITU-T G.976、GB/T 18480-2001 和YD/T 2283-2011等相关标准要求，对大长度层绞式海底光缆在各承力状态下进行试验，同步测试光纤附加衰减及光纤应变情况。
压扁试验用于验证层绞式海底光缆在施工或者运行过程中受到外力的侧压，由于大长度层绞式海底光缆存在过渡接头，其压扁性能是最重要的机械性能之一。将层绞式海底光缆过渡接头在100mm的压块下，压力以100N·s-1的速率增加至40kN，保压3min，其附加衰减最大为0.011dB。
为了进一步验证过渡接头处与本体层绞式海底光缆的差异，在上述试验的基础上继续增加压力至50kN，在50kN的压力下，层绞式海底光缆压扁试验情况见图5。
图5 层绞式海底光缆压扁试验情况
由图5（a）可知，本体处光纤附加衰减正常；由图5（b）可知，过渡接头处3个通道光纤附加衰减明显超标，已无法承受50kN压力。
张力弯曲试验用于模拟施工过程中海底光缆通过鼓轮的工况，在此条件下，海底光缆在一定的弯曲半径下，同时承受轴向的拉力、鼓轮对光缆的侧压力，为海底光缆施工过程中最严苛的工况，可能出现海缆扭转、弯折等情况，导致过渡接头失效。
将层绞式海底光缆过渡接头点在短暂拉伸载荷下通过弯曲半径1.5m的轮盘3次，层绞式海底光缆张力弯曲试验情况见图6。
图6 层绞式海底光缆张力弯曲试验情况
由图6可知，拉伸载荷下，层绞式海底光缆的附加衰减最大为0.015dB，过渡接头未失效。
3环境性能
层绞式海底光缆光纤余长由不锈钢光纤单元造管过程的套管余长和不锈钢光纤单元成缆绞合造成的绞合余长组成，因此层绞式海底光缆光纤余长较中心管式海底光缆更大；光纤余长过大时，将导致海底光缆低温性能劣化。
为验证层绞式海底光缆工作、贮存的环境温度，将层绞式海底光缆置于高低温试验箱内，分别在-20℃、-30℃、50℃、60℃的温度下进行两个温度循环试验，温度循环情况见图7。
图7 层绞式海底光缆温度循环试验
经温度循环试验后，测得光纤的最大附加衰减为0.009dB，即层绞式海底光缆工作、贮存的环境下光纤基本不受温度影响。
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