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光纤光缆技术研究新的进展

1 引言
  光纤通信业内人士十分清楚,光纤通信是由光纤、光器件和系统设备三大部分组成的。在实际工程中光纤是以光缆形式应用的。光缆作为光纤的具体应用形式,其中包含着二重含义:一方面可以用不同品种的光纤制成同一结构的光缆,供不同层次的网络使用;另一方面可以用不同的材料制成不同结构的光缆来满足不同应用环境的需要。自20世纪80年代初至今,光纤光缆应用场所经历了从核心网到城域网、接入网的发展过程,未来将继续向着家庭桌面延伸或者说现在正经历着由室外向室内的发展。光纤光缆的发展无论是从材料选择、结构优化、制造工艺,还是从应用环境、铺设方式等方面都得到了长足的发展。

  然而,面对着全球经济发展步伐缓慢,全球光纤光缆市场竞争日趋激烈。在这种大环境下,光纤制造商竞相研制性能更优的新型光纤,而光缆制造商则在确保光缆的基本光传输性能和机械性能的基础上,通过设计新型结构的光缆、积极采用新的光缆材料等措施来达到降低光缆成本和施工费用的目的。

  为此,本文作者在阅读最新光纤光缆资料的基础上,结合最近国内外一些研究成果,向读者介绍一下光纤光缆技术最新研究进展及发展趋势。

2 光纤光缆技术研究的进展
2.1 新型光纤不断出现
   随着光传送网向更高速率、更大容量、更长距离方向发展,光纤通信不同层次网络对光纤要求不尽相同,如核心网光纤性能要求于色散、色散斜率、非线性效应等;城域网光纤性能则更重视工作波长范围。局域网光纤性能强调的是工作带宽和接续成本。
  现在核心网采用光纤主要是G.655光纤。由于G.655光纤的性能在逐渐的完善,所以各个光纤制造厂商不断推出新产品,如康宁公司推出的Pure Mode PM系列新型光纤;阿尔卡特推出的Teralight Ultra光纤,实现了单波道40Gbit/s、总容量10.2 Tbit/s的DWDM传输100km。而日本住友开发出的超低损耗纯硅芯光纤PSCF,其衰减仅0.151dB/km,而光纤有效面积已经达到了170μm2,使传输的非线性大大减少。特别是2003年1月20日至31日在瑞士日内瓦ITU-T SG15召开的会议上将G.655光纤类别由G.655A 、G.655B进一步细分为G.655A、 G.655B、 G.655C三类,以适应了核心干线网络发展的要求。

  城域网光纤主要是工作波长扩展光纤(又称为低水峰光纤)。低水峰光纤发展历程分别为:1998年朗讯就推出了AllWave全波光纤;2001年4月康宁推出了SM-28e低水峰光纤,同年阿尔卡特也推出ESMF增强型单模光纤。日本住友也开发出了水峰压缩WPS-NZ-DSF光纤,如图1所示。这类低水峰光纤都是在原有G.652或G.655光纤基础上通过控制OH根压缩1385nm窗口的吸收峰(俗称水峰),这样其可用波长范围扩展到1270~1650nm整个波段,使得CWDM可以开通16个波长。
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图1
  局域网光纤性能强调的是工作带宽和接续费用。特别是随着吉比特以太网和10G比特以太网快速发展多模光纤已经成为首选传输媒质。国内外光纤厂家如,康宁、阿尔卡特、朋来、长飞等先后推出了吉比特以太网多模光纤并已经大量商用。2002年IEEE在802.3ae标准中,又提出了一种高带宽50/125μm多模光纤。它提高了850nm波长的带宽,在链路中选用低价格的850nm波长垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和两级编码技术,这种多模光纤的“激光器带宽”为2000MHz.km,足以支持10Gb/s以太网传输达300m。当前,高带宽50/125μm 多模光纤正在成为吉比特以太网采用的主要光纤。

  2002年,Ericsson公司研制出了一种多模和单模结合的MM-SM光纤,它与多模光纤连接时可用作多模光纤,与单模光纤连接时用作单模光纤。这种新型光纤适用于FTTH,它使得光纤线路可由多模向单模升级。这为光纤的研究又提供了一个新的思路。
除了玻璃光纤新品迭出之外,塑料光纤最近又有了较大的技术突破。又据2003年3月23日至28日在美国召开的OFC’s报道,塑料光纤以单波长2.5Gb/s速率可传输144m。我们相信,塑料光纤将会在光纤到家庭和光纤到桌面中大显身手。

2.2 新型结构的光缆
  众所周知,现在大多数室外光缆都是松套光缆。究其原因是松套光缆具有三大优点:1. 松套管能够为光纤提供初级保护;2. 松套管可以容纳阻水油膏;3. 松套管还可为光纤提供合适的余长,使光纤处在松疏状态。松套光缆按照缆芯可以容纳的纤芯数的多少和缆芯的剖面结构形状可以分为三种基本结构形式:中心管式光缆、层绞式光缆、骨架式光缆。

今天,作为室外光缆制造厂商和用户都十分熟悉光缆是由光纤和各种材料共同组成的。光缆的传输性能是由光纤的品种及其性能决定的,而光缆的机械性能和环境性能是由光缆材料的内在质量与制造工艺技术水平决定的。任何结构和材料变化都将直接影响到光缆的性能和成本。

  笔者认为新型结构的光缆要解决的主要问题是:1.设法积极选择新的材料,为研究新的光缆结构奠定物质基础;2.减小光缆尺寸,降低光缆重量,节约光缆材料(降低光缆成本,提高生产和施工速度);3.采用干式结构,缩短接续时间,节省施工费用等。

2.2.1小直径、轻重量光缆
  一般,评价光缆质量优劣的性能包括:光传输性能、机械性能、环境性能。光缆的光传输性能是由光缆中采用的光纤类型所决定的。光缆的机械性能和环境性能则取决于光缆结构、选用的材料种类及其质量、光缆制造技术水平。
针对目前光纤通信工程中,光缆结构发展趋势呈现出以管道光缆为主,以直埋光缆和室外架空光缆为辅的格局。人们自然会想是否可以将对光缆结构的重型保护移植到管道上或者选择其他的光缆材料,这样做既可以降低光缆成本(减小光缆尺寸,降低光缆重量),又可以节约施工费用(节约管道空间和施工更简便)。美国OFS BrightWave Carrollton的Richard.G.Gravely论文[1]指出减小松套管光缆尺寸和重量的办法是首先在保证光缆耐低温弯曲和机械性能稳定的前提下,设法减小松套管和中心加强件的尺寸,其次是减小护套和皱纹金属覆膜带厚度。这种方法适用于全介质单层护套光缆、轻型铠装光缆(单层护套、单层铠装)、铠装光缆(双层护套、单层铠装)和短跨度接入ADSS光缆。例如,他们研制的144芯单层护套小直径管道光缆的直径仅为13.4mm,而典型商用144芯单层护套管道光缆的直径为18.8mm。

  目前国内光缆制造厂商纷纷在采用减小松套管尺寸的方法来减少光缆材料的用量,进而达到降低光缆成本,以此提高市场竞争力。但是,本文作者要提请广大用户注意,在验收光缆时您应该重点对光缆做温度循环试验,测量出光纤的温度衰减性能,以此来证明您购买的即将投入使用的光缆余长是合理的。

2.2.2 全干式松套光缆
  众所周知,光缆最忌讳水,究其原因是水即会引起光纤的水峰衰减,又可以通过渗透腐蚀作用导致光纤断裂。在潮湿条件下,水还会通过光缆护套扩散进入内部形成自由水的凝聚。如果不加控制,水会沿着光缆缆芯纵向迁移流到接头盒给通信系统带来潜在的危险甚至造成业务中断。传统光缆采用的填充阻水措施是将憎水油膏填满光缆中的松套管的所有空间来切断水的纵向流动路径。
  填充的阻水油膏基本作用是除了能够阻止光缆内部的纵向水迁移,还能够提供给光缆缓解外来压力和振动阻尼作用。尽管传统光缆具有良好的性能和可靠性,但是在光缆接续前要清除油膏和清洁光纤。在光缆安装施工操作中这是一项增加费用和降低生产效率的耗费时间的工作。填充阻水油膏的光缆也会明显地增加光缆重量,增加长途线路安装所需要的人和设备。另外,阻水油膏是粘连或油腻的油脂,所以光缆接续需要在一个活动的帐篷或者带篷的卡车中进行。为了克服填充阻水油膏的光缆的上述缺点,最近美国OFS(原朗讯)光纤光缆部的Richard H.Norris等人共同开发出12~216芯一系列的中心管完全没有填充阻水油膏的室外用全干式中心管光纤带光缆[2],其结构从光缆中心至光缆外护层依次是光纤带、空气、纤用高级吸水膨胀阻水带(代替纤用阻水油膏)、改善了冲击性能的聚丙烯松套管、缆芯用高级吸水膨胀阻水带(代替缆用阻水油膏)、皱纹金属覆膜带铠装层、两根平行金属加强件钢丝和高密度聚乙烯外护层(HDPE)。

  如果这种光缆被用于雷电频繁和存在干扰电流的场所时金属加强件应该采用全介质的玻璃钢/环氧树脂棒,在棒的外面应该涂上一层紫外固化 “摩擦涂层”,以求在棒与护层之间形成良好的机械耦合力。这里要特别提请读者注意的是,为了防止水在外护层和缆芯之间流动,缆芯用的标准高级吸水膨胀阻水带是缠绕在聚丙烯松套管上的。这类光缆外护层采用HDPE的理由为HDPE具有良好的硬度、强度和小的摩擦系数,从而满足了所有光缆安装性能要求。

  为了验证这种光缆结构设计是否合理,Richard H.Norris等人按照美国标准Telcordia GR-20对该光缆进行了阻水性能试验、机械性能试验、环境性能试验、老化性能试验、安装模拟试验。阻水性能试验就是要用一系列渗水试验来验证纤用高级吸水膨胀阻水带是否能够阻止水在中心管内具有的大空间的渗透。具体的做法是将光缆试样放置于1米静压头下,让水静压头作用到多个缆芯试样上,以满足光缆阻水性能标准规范要求。机械性能试验是按照美国标准Telcordia GR-20对金属加强和非金属加强全干式中心管光纤带光缆进行了试验,以验证其是否满足机械性能要求。

2.2.3 微型吹气安装光缆
  在当前的全球经济萧条的形势下,电信业务运营商面临着两大问题:1.在投入资金有限的同时,还要建设光缆路由来满足用户带宽日益增长的需要;2.要想方设法减少光缆路由基础设施费用,降低光缆生产成本。光缆制造商解决这两个问题的具体方法是:1.光缆可以利用城市现有的基础设施(如在交通道路、煤/天然气管道、下水道中安装布放光缆的子管)或者通过城市新建的微型管道系统引入用户。2.为了最大限度的利用子管系统和微型管道系统的资源,需要用一种新的小直径微型吹气安装光缆。

  为此,美国OFS光缆部的H.Paul Debban等人开发出了一种新的小直径(直径与铅笔相当)微型吹气安装光缆,其结构为48或72芯中心管式光纤带光缆[3]。这种光缆的设计思想是尺寸、刚性、柔软性必须满足小直径管道安装要求。光纤芯数应该足以保证城市路由基础设施需要。光缆要有足够的机械保护和抗拉强度来满足施工安装和光纤保护要求。在期望工作的温度范围内,光缆的衰减性能要好。此外,光缆中的光纤要容易识别。

  这种光缆从缆芯至外护层的具体结构分别是光纤带、纤用阻水油膏、松套管、螺旋缠绕的玻璃钢棒、螺旋缠绕的玻璃纤维增强塑料带、撕裂绳、HDPE外护层。选用中心管式结构是为了提高小直径光缆的强度。与光纤束和分立光纤相比较,采用光纤带既增加了光纤密度,又节约了接续时间和施工费用,而且光纤带的识别方便。6根玻璃钢棒加强件螺旋缠绕在中心管周围,以防止光缆产生小的弯曲。HDPE外护层完完全全包围着加强件和中心管构成一个预应力结构来抵抗光缆受到的侧压和冲击力的作用。HDPE外护层通过薄层赋予光缆坚韧性能和高温下的小的摩擦系数。

2.2.4 泡沫阻水光缆
  众所周知,传统的松套管光缆采用填充阻水油膏或吸水膨胀阻水纱来进行纵向阻水。然而阻水油膏会给光缆施工和环境带来一定的负面影响,如擦拭阻水油膏的溶剂挥发会刺激人们的皮肤,长期使用会引起湿疹;擦拭阻水油膏的卫生纸会污染环境。为此,光缆施工安装和现场测试人员十分期待着不采用填充阻水油膏或吸水膨胀阻水纱的干式光缆的诞生。正是为了克服阻水油膏和阻水纱的缺点,爱立信网络技术公司的Borje Lindblom等研制出一种泡沫阻水光缆[4]。

  泡沫阻水光缆的关键技术是用发泡的热塑弹性体来代替阻水油膏作为光缆的纵向阻水材料。泡沫阻水光缆的结构是在外护层以下,中心加强件和松套管之间的所有空间都填充发泡的热塑弹性体泡沫。采用泡沫阻水的优点是既能够减小光缆尺寸和光缆机械性能,又可以提高光缆施工速度。在护套工艺过程中发泡热塑弹性体材料很容易与PE外护套材料结合为一体。这样合理地控制发泡过程,就可以获得阻水效果十分完美的密封泡沫结构。

2.2.5 新型材料光缆
  现有光缆中使用的如PVC燃烧时会放出有毒性气体,光缆稳定剂中有时含铅,都是对人体及环境有害的。从环境保护及阻燃性能的要求出发,有光缆厂家已经采用环保材料开发出了生态环保光缆,应用于大楼及家庭等室内环境。如对室内用缆,可采用含有阻燃添加剂的聚酞胺化合物,以及无卤性阻燃塑料。2001年ITU-T已通过了L45建议即“使电信网外部设备对环境的影响最小化”建议,以规范和控制光缆对环境的负面影响。另外光缆中还可采用纳米光纤涂料、纳米光纤油膏、纳米护套用聚乙烯(PE)及光纤护套管用纳米PBT等材料。采用纳米材料的光缆,利用了纳米材料所具有的许多优异性能,对光缆的抗机械冲击性能、阻水、阻气性都有一定的改善,并可延长光缆的使用寿命。

  总之,由以上的介绍我们可以得到如下结论,新型光缆结构的变化趋势应该是向着直径小、重量轻、全干式、布放快的方向发展。具体而言,光缆的结构形式要微型化,光缆阻水方式将会向着干式阻水发展,光缆技术研究的重点也将由室外光缆逐渐转向室内光缆,光缆工程的施工将由人工敷设向气吹敷设发展。

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