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摘要：
光纤监测技术以其耐高温、耐高压、抗腐蚀、抗磁电干扰性强、数据动态监测等一系列特征越来越多的应用到了油气开发中，尤其是在稠油开采的过程中，温度这项参数在控制蒸汽注入和油气开采的整个过程都起着十分重要的作用。氢损是一种无处不在的物理化学侵蚀现象，特别是在井下的复杂酸性环境中更加严重。本文讨论了氢损现象发生的机理和主要根源，介绍了目前氢损测试的研究方法，并从材料、降低光纤氢敏感性以及减少氢气来源三个方面提出了减少氢损的方法，对困扰光纤领域的光纤氢损问题做出了探讨。
关键词：光纤、光缆材料、氢损
中图分类号：TN818文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）30-0001-01
1. 引言
1983年，N. Uchida在文献[1]中介绍了一条铺设两年多的光缆的显著的光纤衰减变化，使的光纤在传输过程中的损耗成为人们研究的热点，之后，通过实验及理论研究得知，这是由于氢分子渗入光纤芯区，与光纤的玻璃基体发生作用或形成OH键，引起附加损耗的现象，即俗称的光纤的“氢损”。
2. 光纤氢损的机理及特征
光纤氢损的机理分为两类：
（1）氢分子与玻璃网格之间及与任何一种新型玻璃结构之间的相互作用[2]，即氢分子由于振动作用扩散至光纤的二氧化硅网状结构中的间隙中，在氢分子主要谐振及谐波频率上产生光吸收，引起光纤衰减增加，称为吸收氢损或间隙氢损。
由于氢分子的高次振动模的作用，在石英光纤光谱上，氢吸收峰主要在1.08、1.13、1.24、1.59，其中1.24处出现最大的损耗峰，而且在封闭空间里该吸收峰随温度、时间的增加而增大。
这种原因引起的氢损是可逆的，当光纤中的氢分子消失时，光纤的衰减会恢复，氢损也随之消失。
（2）由于光纤在制备和拉制过程中，原子的无序排列以及张力作用下化学键的断裂等原因会造成光纤的缺陷，而氢分子与二氧化硅结构中的缺陷发生化学反应，形成OH而引起衰减增加，这个过程是不可逆的，称为永久氢损。
该氢损的主要化学反应过程为[3][4]：
Si-OO-Si+H22Si-O-H （1）
Si-O-OSi+ H2Si-O-O-H+H-Si （2）
Si-O-O-H+H-SiSi-O-O-Si+ H2 （3）
经研究表明，由于OH引起的光纤衰减与光纤中的掺杂剂、氢分压、温度和时间等因素有关系。
Si-OH的主吸收峰为1.38，Ge-OH的主要吸收峰为1.415， 而P-OH会对光纤传输产生较大损耗，所以光纤中应尽量避免磷的掺入。OH引起的损耗在氢分压小于1kPa大气压时，不会产生明显的氢损耗。
3. 光纤氢损的测试
（1）光纤光缆用材料析氢量测试
造成光纤氢损的氢主要来源于光缆的塑料构件和填充油膏的析出，现在对于材料析氢量的测量方法主要是气相色谱法，其工作原理是[5]，以惰性气体作为流动相，利用试样中各组分在色谱柱中的气相和固相间的不同分配系数、组分在两相间反复多次进行分配，由于固定相对各组分的吸附能力不同，各组分在色谱柱中的运动速度就不同，便于分离，顺序离开色谱柱进入检测器，得到各组分的色谱峰。
上海电缆研究所[6]用气相色谱法对光纤光缆用材料的析氢量进行了检测，检测表明，材料的析氢量会随时间趋于稳定，稳定值服从阿仑尼乌斯定律：
（4）
其中，为常数（mol/kg）；为活化能（J/mol）； R为8.315（J/molk）；T为绝对温度（K）。根据检测结果，在实际应用中选择合适的材料。
（2）光纤氢损的测试
氢损的测试是对常态氢损过程的加速模拟过程[7]，氢损大小和反应物的浓度成正比，汪洪海在文献中[7]介绍了G652C光纤氢损测试以及热加速测试两种方法，测试光纤氢损对于保证其衰减稳定性是非常重要的。
4. 改善氢损的措施
光纤的氢损对光纤的衰减产生巨大的影响，进而影响光纤乃至光缆的使用寿命，因此要尽可能的减小光纤的氢损，减小氢损主要可以从光纤的生产过程、降低光纤对氢的敏感性、减少氢气来源三个方面采取措施：
（1）光纤制造过程中的缺陷会产生永久氢损，因此要改善光纤的制造工艺，减少缺陷的产生。汪洪海[7]在光纤的材料组成和拉丝工艺两方面做了阐述。
在材料的组成方面，芯层的纯度越高氢损程度越低，纯硅芯光纤的氢损是最小的。降低芯层掺杂光纤的氢损可以采用共掺杂过程，即将Ge原子和Cl原子或者Ge原子和F原子同时掺杂在光纤芯层中，以改善玻璃的结构弛豫时间，减少残余应力，减少光纤基体的缺陷从而降低氢损。
光纤制造过程中的拉丝过程是造成光纤缺陷的工艺之一，光纤的拉丝速度越大，光纤的氢损越大，拉丝张力越大，氢损也越大。谢康[8]等通过实验得出了拉丝速率与光纤氢損的拟合经验公式：
（5）
其中：
—氢损（dB/km）
—拉丝速率（m/min）
（2）通过老化处理降低光纤对氢的敏感性。J. Stone[9] 早期提出基于式（6），氘气可以降低光纤的氢敏感性。
2Si-OH+ D2 （g） 2Si-OD+ H2 （g） （6）
用OD取代OH，由于OD的基波和一次谐波基本都处于传输波段范围外（1265 ～1625nm），因此可基本实现全波传输。
在氘气处理光纤的老化过程中，主要是将氘气与过氧基结合，从而阻止后续氢气与过氧基的结合，降低光纤的氢敏感性。另一方面，OD键的键能比OH键的键能大，OD键与过氧基的结合比OH键更牢固更稳定，保证了经过氘气处理后光纤的抗氢化能力。 此外，对光纤表面进行碳层涂覆密封也可以增强光纤的抗氢渗透能力。H2在石英中的扩散系数[8]为1.510-11cm2/s，在碳涂覆光纤中的扩散系数为1.2510-17cm2/s，进行一层碳层的涂覆密封，有效的防止了氢气向光纤中的渗入，降低氢损程度。
（3） 减少氢气的来源，采用析氢小的光缆材料并在光缆的油膏中加入吸氢剂。肖晓明在文献[10]中提出了光缆氢浓度的影响因素有光纤油膏及光缆油膏析氢及酸值高、金属加强件析氢、金属元件受潮腐蚀以及不同金属元件由于水份电解。通过实验得出使用磷化钢丝或FRP作为中心加强件有利于减小氢损，油膏应选用析氢值小、酸值小、水份含量析微的高质量油膏填充光缆也可以减小氢气的来源，从而降低氢损。
5. 总结
本文对光缆光纤的氢损现象进行了较为全面的阐述，介绍了光纤氢损现象产生的机理及特征，氢损的测试，包括光纤光缆用材料的测试以及光纤氢损的测试方法，并重点介绍了改善氢损现象的措施，通过对氢损现象的改善和减小，从而保证光纤长期使用的稳定性。
6.参考文献：
[1] Zhang Zaixuan， et al. The research of distributed optical fiber Raman gain amplifier. SPIE， Vol， 4579， APOC 2001.
[2] Akira lino， etc. 硅基光纤中的氢损机理. Journal of Lightwave Tekhnology. 1990，8.
[3] A. Joseph Antos， Timothy L. Hunt et al. Optical Fiber Resistant to Hydrogen-induced Attenuation. U.S. Patent 6， 128， 928， 2000
[4] D.R. Simons et al. Sensitivity of Fibers to Hydrogen-induced Attenuation. Technology Exchange Meeting 2001-2， POF-YOFC.
[5] 丁关森等，光纤光缆用材料析氢量测定方法的研究，上海电缆研究所.
[6] 王临堂，光缆中的氢损效应，电线电缆，No.6 2002.
[7] 汪洪海，光纤的氢损，现代有线传输，Vol（3），长飞光纤光缆有限公司研发部，2002.
[8] 谢康等，氘气处理消除光纤氢敏感性，光纤通信，Vol（7），2004.
[9] J. Stone. Interaction of Hydrogen and Deuterium with silica optical fibers： A review. J. Lightwave Tech， 1987.
[10] 王德榮，氢扩散引起光纤传输损耗增加的研究，光纤与电缆及其应用技术，No.1， 1999.
光纤监测技术以其耐高温、耐高压、抗腐蚀、抗磁电干扰性强、数据动态监测等一系列特征越来越多的应用到了油气开发中，尤其是在稠油开采的过程中，温度这项参数在控制蒸汽注入和油气开采的整个过程都起着十分重要的作用。氢损是一种无处不在的物理化学侵蚀现象，特别是在井下的复杂酸性环境中更加严重。本文讨论了氢损现象发生的机理和主要根源，介绍了目前氢损测试的研究方法，并从材料、降低光纤氢敏感性以及减少氢气来源三个方面提出了减少氢损的方法，对困扰光纤领域的光纤氢损问题做出了探讨。
关键词：光纤、光缆材料、氢损
中图分类号：TN818文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）30-0001-01
1. 引言
1983年，N. Uchida在文献[1]中介绍了一条铺设两年多的光缆的显著的光纤衰减变化，使的光纤在传输过程中的损耗成为人们研究的热点，之后，通过实验及理论研究得知，这是由于氢分子渗入光纤芯区，与光纤的玻璃基体发生作用或形成OH键，引起附加损耗的现象，即俗称的光纤的“氢损”。
2. 光纤氢损的机理及特征
光纤氢损的机理分为两类：
（1）氢分子与玻璃网格之间及与任何一种新型玻璃结构之间的相互作用[2]，即氢分子由于振动作用扩散至光纤的二氧化硅网状结构中的间隙中，在氢分子主要谐振及谐波频率上产生光吸收，引起光纤衰减增加，称为吸收氢损或间隙氢损。
由于氢分子的高次振动模的作用，在石英光纤光谱上，氢吸收峰主要在1.08、1.13、1.24、1.59，其中1.24处出现最大的损耗峰，而且在封闭空间里该吸收峰随温度、时间的增加而增大。
这种原因引起的氢损是可逆的，当光纤中的氢分子消失时，光纤的衰减会恢复，氢损也随之消失。
（2）由于光纤在制备和拉制过程中，原子的无序排列以及张力作用下化学键的断裂等原因会造成光纤的缺陷，而氢分子与二氧化硅结构中的缺陷发生化学反应，形成OH而引起衰减增加，这个过程是不可逆的，称为永久氢损。
该氢损的主要化学反应过程为[3][4]：
Si-OO-Si+H22Si-O-H （1）
Si-O-OSi+ H2Si-O-O-H+H-Si （2）
Si-O-O-H+H-SiSi-O-O-Si+ H2 （3）
经研究表明，由于OH引起的光纤衰减与光纤中的掺杂剂、氢分压、温度和时间等因素有关系。
Si-OH的主吸收峰为1.38，Ge-OH的主要吸收峰为1.415， 而P-OH会对光纤传输产生较大损耗，所以光纤中应尽量避免磷的掺入。OH引起的损耗在氢分压小于1kPa大气压时，不会产生明显的氢损耗。
3. 光纤氢损的测试
（1）光纤光缆用材料析氢量测试
造成光纤氢损的氢主要来源于光缆的塑料构件和填充油膏的析出，现在对于材料析氢量的测量方法主要是气相色谱法，其工作原理是[5]，以惰性气体作为流动相，利用试样中各组分在色谱柱中的气相和固相间的不同分配系数、组分在两相间反复多次进行分配，由于固定相对各组分的吸附能力不同，各组分在色谱柱中的运动速度就不同，便于分离，顺序离开色谱柱进入检测器，得到各组分的色谱峰。
上海电缆研究所[6]用气相色谱法对光纤光缆用材料的析氢量进行了检测，检测表明，材料的析氢量会随时间趋于稳定，稳定值服从阿仑尼乌斯定律：
（4）
其中，为常数（mol/kg）；为活化能（J/mol）； R为8.315（J/molk）；T为绝对温度（K）。根据检测结果，在实际应用中选择合适的材料。
（2）光纤氢损的测试
氢损的测试是对常态氢损过程的加速模拟过程[7]，氢损大小和反应物的浓度成正比，汪洪海在文献中[7]介绍了G652C光纤氢损测试以及热加速测试两种方法，测试光纤氢损对于保证其衰减稳定性是非常重要的。
4. 改善氢损的措施
光纤的氢损对光纤的衰减产生巨大的影响，进而影响光纤乃至光缆的使用寿命，因此要尽可能的减小光纤的氢损，减小氢损主要可以从光纤的生产过程、降低光纤对氢的敏感性、减少氢气来源三个方面采取措施：
（1）光纤制造过程中的缺陷会产生永久氢损，因此要改善光纤的制造工艺，减少缺陷的产生。汪洪海[7]在光纤的材料组成和拉丝工艺两方面做了阐述。
在材料的组成方面，芯层的纯度越高氢损程度越低，纯硅芯光纤的氢损是最小的。降低芯层掺杂光纤的氢损可以采用共掺杂过程，即将Ge原子和Cl原子或者Ge原子和F原子同时掺杂在光纤芯层中，以改善玻璃的结构弛豫时间，减少残余应力，减少光纤基体的缺陷从而降低氢损。
光纤制造过程中的拉丝过程是造成光纤缺陷的工艺之一，光纤的拉丝速度越大，光纤的氢损越大，拉丝张力越大，氢损也越大。谢康[8]等通过实验得出了拉丝速率与光纤氢損的拟合经验公式：
（5）
其中：
—氢损（dB/km）
—拉丝速率（m/min）
（2）通过老化处理降低光纤对氢的敏感性。J. Stone[9] 早期提出基于式（6），氘气可以降低光纤的氢敏感性。
2Si-OH+ D2 （g） 2Si-OD+ H2 （g） （6）
用OD取代OH，由于OD的基波和一次谐波基本都处于传输波段范围外（1265 ～1625nm），因此可基本实现全波传输。
在氘气处理光纤的老化过程中，主要是将氘气与过氧基结合，从而阻止后续氢气与过氧基的结合，降低光纤的氢敏感性。另一方面，OD键的键能比OH键的键能大，OD键与过氧基的结合比OH键更牢固更稳定，保证了经过氘气处理后光纤的抗氢化能力。 此外，对光纤表面进行碳层涂覆密封也可以增强光纤的抗氢渗透能力。H2在石英中的扩散系数[8]为1.510-11cm2/s，在碳涂覆光纤中的扩散系数为1.2510-17cm2/s，进行一层碳层的涂覆密封，有效的防止了氢气向光纤中的渗入，降低氢损程度。
（3） 减少氢气的来源，采用析氢小的光缆材料并在光缆的油膏中加入吸氢剂。肖晓明在文献[10]中提出了光缆氢浓度的影响因素有光纤油膏及光缆油膏析氢及酸值高、金属加强件析氢、金属元件受潮腐蚀以及不同金属元件由于水份电解。通过实验得出使用磷化钢丝或FRP作为中心加强件有利于减小氢损，油膏应选用析氢值小、酸值小、水份含量析微的高质量油膏填充光缆也可以减小氢气的来源，从而降低氢损。
5. 总结
本文对光缆光纤的氢损现象进行了较为全面的阐述，介绍了光纤氢损现象产生的机理及特征，氢损的测试，包括光纤光缆用材料的测试以及光纤氢损的测试方法，并重点介绍了改善氢损现象的措施，通过对氢损现象的改善和减小，从而保证光纤长期使用的稳定性。
6.参考文献：
[1] Zhang Zaixuan， et al. The research of distributed optical fiber Raman gain amplifier. SPIE， Vol， 4579， APOC 2001.
[2] Akira lino， etc. 硅基光纤中的氢损机理. Journal of Lightwave Tekhnology. 1990，8.
[3] A. Joseph Antos， Timothy L. Hunt et al. Optical Fiber Resistant to Hydrogen-induced Attenuation. U.S. Patent 6， 128， 928， 2000
[4] D.R. Simons et al. Sensitivity of Fibers to Hydrogen-induced Attenuation. Technology Exchange Meeting 2001-2， POF-YOFC.
[5] 丁关森等，光纤光缆用材料析氢量测定方法的研究，上海电缆研究所.
[6] 王临堂，光缆中的氢损效应，电线电缆，No.6 2002.
[7] 汪洪海，光纤的氢损，现代有线传输，Vol（3），长飞光纤光缆有限公司研发部，2002.
[8] 谢康等，氘气处理消除光纤氢敏感性，光纤通信，Vol（7），2004.
[9] J. Stone. Interaction of Hydrogen and Deuterium with silica optical fibers： A review. J. Lightwave Tech， 1987.
[10] 王德榮，氢扩散引起光纤传输损耗增加的研究，光纤与电缆及其应用技术，No.1， 1999.