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    光纖光纜技術研究新的進展

    點擊: 時間:2015-09-03
    1 引言
    光纖通信業內人士十分清楚,光纖通信是由光纖、光器件和系統設備三大部分組成的。在實際工程中光纖是以光纜形式應用的。光纜作為光纖的具體應用形式,其中包含著二重含義:一方面可以用不同品種的光纖制成同一結構的光纜,供不同層次的網絡使用;另一方面可以用不同的材料制成不同結構的光纜來滿足不同應用環境的需要。自20世紀80年代初至今,光纖光纜應用場所經歷了從核心網到城域網、接入網的發展過程,未來將繼續向著家庭桌面延伸或者說現在正經歷著由室外向室內的發展。光纖光纜的發展無論是從材料選擇、結構優化、制造工藝,還是從應用環境、鋪設方式等方面都得到了長足的發展。
     
    然而,面對著全球經濟發展步伐緩慢,全球光纖光纜市場競爭日趨激烈。在這種大環境下,光纖制造商競相研制性能更優的新型光纖,而光纜制造商則在確保光纜的基本光傳輸性能和機械性能的基礎上,通過設計新型結構的光纜、積極采用新的光纜材料等措施來達到降低光纜成本和施工費用的目的。
     
    為此,本文作者在閱讀最新光纖光纜資料的基礎上,結合最近國內外一些研究成果,向讀者介紹一下光纖光纜技術最新研究進展及發展趨勢。
     
    2 光纖光纜技術研究的進展
    2.1 新型光纖不斷出現
    隨著光傳送網向更高速率、更大容量、更長距離方向發展,光纖通信不同層次網絡對光纖要求不盡相同,如核心網光纖性能要求于色散、色散斜率、非線性效應等;城域網光纖性能則更重視工作波長范圍。局域網光纖性能強調的是工作帶寬和接續成本。
    現在核心網采用光纖主要是G.655光纖。由于G.655光纖的性能在逐漸的完善,所以各個光纖制造廠商不斷推出新產品,如康寧公司推出的Pure Mode PM系列新型光纖;阿爾卡特推出的Teralight Ultra光纖,實現了單波道40Gbit/s、總容量10.2 Tbit/s的DWDM傳輸100km。而日本住友開發出的超低損耗純硅芯光纖PSCF,其衰減僅0.151dB/km,而光纖有效面積已經達到了170μm2,使傳輸的非線性大大減少。特別是2003年1月20日至31日在瑞士日內瓦ITU-T SG15召開的會議上將G.655光纖類別由G.655A 、G.655B進一步細分為G.655A、 G.655B、 G.655C三類,以適應了核心干線網絡發展的要求。
     
    城域網光纖主要是工作波長擴展光纖(又稱為低水峰光纖)。低水峰光纖發展歷程分別為:1998年朗訊就推出了AllWave全波光纖;2001年4月康寧推出了SM-28e低水峰光纖,同年阿爾卡特也推出ESMF增強型單模光纖。日本住友也開發出了水峰壓縮WPS-NZ-DSF光纖,如圖1所示。這類低水峰光纖都是在原有G.652或G.655光纖基礎上通過控制OH根壓縮1385nm窗口的吸收峰(俗稱水峰),這樣其可用波長范圍擴展到1270~1650nm整個波段,使得CWDM可以開通16個波長。
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    圖1
    局域網光纖性能強調的是工作帶寬和接續費用。特別是隨著吉比特以太網和10G比特以太網快速發展多模光纖已經成為首選傳輸媒質。國內外光纖廠家如,康寧、阿爾卡特、烽火、長飛等先后推出了吉比特以太網多模光纖并已經大量商用。2002年IEEE在802.3ae標準中,又提出了一種高帶寬50/125μm多模光纖。它提高了850nm波長的帶寬,在鏈路中選用低價格的850nm波長垂直腔表面發射激光器(VCSEL)和兩級編碼技術,這種多模光纖的“激光器帶寬”為2000MHz.km,足以支持10Gb/s以太網傳輸達300m。當前,高帶寬50/125μm 多模光纖正在成為吉比特以太網采用的主要光纖。
     
    2002年,Ericsson公司研制出了一種多模和單模結合的MM-SM光纖,它與多模光纖連接時可用作多模光纖,與單模光纖連接時用作單模光纖。這種新型光纖適用于FTTH,它使得光纖線路可由多模向單模升級。這為光纖的研究又提供了一個新的思路。
    除了玻璃光纖新品迭出之外,塑料光纖最近又有了較大的技術突破。又據2003年3月23日至28日在美國召開的OFC’s報道,塑料光纖以單波長2.5Gb/s速率可傳輸144m。我們相信,塑料光纖將會在光纖到家庭和光纖到桌面中大顯身手。
     
    2.2 新型結構的光纜
    眾所周知,現在大多數室外光纜都是松套光纜。究其原因是松套光纜具有三大優點:1. 松套管能夠為光纖提供初級保護;2. 松套管可以容納阻水油膏;3. 松套管還可為光纖提供合適的余長,使光纖處在松疏狀態。松套光纜按照纜芯可以容納的纖芯數的多少和纜芯的剖面結構形狀可以分為三種基本結構形式:中心管式光纜、層絞式光纜、骨架式光纜。
     
    今天,作為室外光纜制造廠商和用戶都十分熟悉光纜是由光纖和各種材料共同組成的。光纜的傳輸性能是由光纖的品種及其性能決定的,而光纜的機械性能和環境性能是由光纜材料的內在質量與制造工藝技術水平決定的。任何結構和材料變化都將直接影響到光纜的性能和成本。
     
    筆者認為新型結構的光纜要解決的主要問題是:1.設法積極選擇新的材料,為研究新的光纜結構奠定物質基礎;2.減小光纜尺寸,降低光纜重量,節約光纜材料(降低光纜成本,提高生產和施工速度);3.采用干式結構,縮短接續時間,節省施工費用等。
     
    2.2.1小直徑、輕重量光纜
    一般,評價光纜質量優劣的性能包括:光傳輸性能、機械性能、環境性能。光纜的光傳輸性能是由光纜中采用的光纖類型所決定的。光纜的機械性能和環境性能則取決于光纜結構、選用的材料種類及其質量、光纜制造技術水平。
    針對目前光纖通信工程中,光纜結構發展趨勢呈現出以管道光纜為主,以直埋光纜和室外架空光纜為輔的格局。人們自然會想是否可以將對光纜結構的重型保護移植到管道上或者選擇其他的光纜材料,這樣做既可以降低光纜成本(減小光纜尺寸,降低光纜重量),又可以節約施工費用(節約管道空間和施工更簡便)。美國OFS BrightWave Carrollton的Richard.G.Gravely論文[1]指出減小松套管光纜尺寸和重量的辦法是首先在保證光纜耐低溫彎曲和機械性能穩定的前提下,設法減小松套管和中心加強件的尺寸,其次是減小護套和皺紋金屬覆膜帶厚度。這種方法適用于全介質單層護套光纜、輕型鎧裝光纜(單層護套、單層鎧裝)、鎧裝光纜(雙層護套、單層鎧裝)和短跨度接入ADSS光纜。例如,他們研制的144芯單層護套小直徑管道光纜的直徑僅為13.4mm,而典型商用144芯單層護套管道光纜的直徑為18.8mm。
     
    目前國內光纜制造廠商紛紛在采用減小松套管尺寸的方法來減少光纜材料的用量,進而達到降低光纜成本,以此提高市場競爭力。但是,本文作者要提請廣大用戶注意,在驗收光纜時您應該重點對光纜做溫度循環試驗,測量出光纖的溫度衰減性能,以此來證明您購買的即將投入使用的光纜余長是合理的。
     
    2.2.2 全干式松套光纜
    眾所周知,光纜最忌諱水,究其原因是水即會引起光纖的水峰衰減,又可以通過滲透腐蝕作用導致光纖斷裂。在潮濕條件下,水還會通過光纜護套擴散進入內部形成自由水的凝聚。如果不加控制,水會沿著光纜纜芯縱向遷移流到接頭盒給通信系統帶來潛在的危險甚至造成業務中斷。傳統光纜采用的填充阻水措施是將憎水油膏填滿光纜中的松套管的所有空間來切斷水的縱向流動路徑。
    填充的阻水油膏基本作用是除了能夠阻止光纜內部的縱向水遷移,還能夠提供給光纜緩解外來壓力和振動阻尼作用。盡管傳統光纜具有良好的性能和可靠性,但是在光纜接續前要清除油膏和清潔光纖。在光纜安裝施工操作中這是一項增加費用和降低生產效率的耗費時間的工作。填充阻水油膏的光纜也會明顯地增加光纜重量,增加長途線路安裝所需要的人和設備。另外,阻水油膏是粘連或油膩的油脂,所以光纜接續需要在一個活動的帳篷或者帶篷的卡車中進行。為了克服填充阻水油膏的光纜的上述缺點,最近美國OFS(原朗訊)光纖光纜部的Richard H.Norris等人共同開發出12~216芯一系列的中心管完全沒有填充阻水油膏的室外用全干式中心管光纖帶光纜[2],其結構從光纜中心至光纜外護層依次是光纖帶、空氣、纖用高級吸水膨脹阻水帶(代替纖用阻水油膏)、改善了沖擊性能的聚丙烯松套管、纜芯用高級吸水膨脹阻水帶(代替纜用阻水油膏)、皺紋金屬覆膜帶鎧裝層、兩根平行金屬加強件鋼絲和高密度聚乙烯外護層(HDPE)。
     
    如果這種光纜被用于雷電頻繁和存在干擾電流的場所時金屬加強件應該采用全介質的玻璃鋼/環氧樹脂棒,在棒的外面應該涂上一層紫外固化 “摩擦涂層”,以求在棒與護層之間形成良好的機械耦合力。這里要特別提請讀者注意的是,為了防止水在外護層和纜芯之間流動,纜芯用的標準高級吸水膨脹阻水帶是纏繞在聚丙烯松套管上的。這類光纜外護層采用HDPE的理由為HDPE具有良好的硬度、強度和小的摩擦系數,從而滿足了所有光纜安裝性能要求。
     
    為了驗證這種光纜結構設計是否合理,Richard H.Norris等人按照美國標準Telcordia GR-20對該光纜進行了阻水性能試驗、機械性能試驗、環境性能試驗、老化性能試驗、安裝模擬試驗。阻水性能試驗就是要用一系列滲水試驗來驗證纖用高級吸水膨脹阻水帶是否能夠阻止水在中心管內具有的大空間的滲透。具體的做法是將光纜試樣放置于1米靜壓頭下,讓水靜壓頭作用到多個纜芯試樣上,以滿足光纜阻水性能標準規范要求。機械性能試驗是按照美國標準Telcordia GR-20對金屬加強和非金屬加強全干式中心管光纖帶光纜進行了試驗,以驗證其是否滿足機械性能要求。
     
    2.2.3 微型吹氣安裝光纜
    在當前的全球經濟蕭條的形勢下,電信業務運營商面臨著兩大問題:1.在投入資金有限的同時,還要建設光纜路由來滿足用戶帶寬日益增長的需要;2.要想方設法減少光纜路由基礎設施費用,降低光纜生產成本。光纜制造商解決這兩個問題的具體方法是:1.光纜可以利用城市現有的基礎設施(如在交通道路、煤/天然氣管道、下水道中安裝布放光纜的子管)或者通過城市新建的微型管道系統引入用戶。2.為了最大限度的利用子管系統和微型管道系統的資源,需要用一種新的小直徑微型吹氣安裝光纜。
     
    為此,美國OFS光纜部的H.Paul Debban等人開發出了一種新的小直徑(直徑與鉛筆相當)微型吹氣安裝光纜,其結構為48或72芯中心管式光纖帶光纜[3]。這種光纜的設計思想是尺寸、剛性、柔軟性必須滿足小直徑管道安裝要求。光纖芯數應該足以保證城市路由基礎設施需要。光纜要有足夠的機械保護和抗拉強度來滿足施工安裝和光纖保護要求。在期望工作的溫度范圍內,光纜的衰減性能要好。此外,光纜中的光纖要容易識別。
     
    這種光纜從纜芯至外護層的具體結構分別是光纖帶、纖用阻水油膏、松套管、螺旋纏繞的玻璃鋼棒、螺旋纏繞的玻璃纖維增強塑料帶、撕裂繩、HDPE外護層。選用中心管式結構是為了提高小直徑光纜的強度。與光纖束和分立光纖相比較,采用光纖帶既增加了光纖密度,又節約了接續時間和施工費用,而且光纖帶的識別方便。6根玻璃鋼棒加強件螺旋纏繞在中心管周圍,以防止光纜產生小的彎曲。HDPE外護層完完全全包圍著加強件和中心管構成一個預應力結構來抵抗光纜受到的側壓和沖擊力的作用。HDPE外護層通過薄層賦予光纜堅韌性能和高溫下的小的摩擦系數。
     
    2.2.4 泡沫阻水光纜
    眾所周知,傳統的松套管光纜采用填充阻水油膏或吸水膨脹阻水紗來進行縱向阻水。然而阻水油膏會給光纜施工和環境帶來一定的負面影響,如擦拭阻水油膏的溶劑揮發會刺激人們的皮膚,長期使用會引起濕疹;擦拭阻水油膏的衛生紙會污染環境。為此,光纜施工安裝和現場測試人員十分期待著不采用填充阻水油膏或吸水膨脹阻水紗的干式光纜的誕生。正是為了克服阻水油膏和阻水紗的缺點,愛立信網絡技術公司的Borje Lindblom等研制出一種泡沫阻水光纜[4]。
     
    泡沫阻水光纜的關鍵技術是用發泡的熱塑彈性體來代替阻水油膏作為光纜的縱向阻水材料。泡沫阻水光纜的結構是在外護層以下,中心加強件和松套管之間的所有空間都填充發泡的熱塑彈性體泡沫。采用泡沫阻水的優點是既能夠減小光纜尺寸和光纜機械性能,又可以提高光纜施工速度。在護套工藝過程中發泡熱塑彈性體材料很容易與PE外護套材料結合為一體。這樣合理地控制發泡過程,就可以獲得阻水效果十分完美的密封泡沫結構。
     
    2.2.5 新型材料光纜
    現有光纜中使用的如PVC燃燒時會放出有毒性氣體,光纜穩定劑中有時含鉛,都是對人體及環境有害的。從環境保護及阻燃性能的要求出發,有光纜廠家已經采用環保材料開發出了生態環保光纜,應用于大樓及家庭等室內環境。如對室內用纜,可采用含有阻燃添加劑的聚酞胺化合物,以及無鹵性阻燃塑料。2001年ITU-T已通過了L45建議即“使電信網外部設備對環境的影響最小化”建議,以規范和控制光纜對環境的負面影響。另外光纜中還可采用納米光纖涂料、納米光纖油膏、納米護套用聚乙烯(PE)及光纖護套管用納米PBT等材料。采用納米材料的光纜,利用了納米材料所具有的許多優異性能,對光纜的抗機械沖擊性能、阻水、阻氣性都有一定的改善,并可延長光纜的使用壽命。
     
    總之,由以上的介紹我們可以得到如下結論,新型光纜結構的變化趨勢應該是向著直徑小、重量輕、全干式、布放快的方向發展。具體而言,光纜的結構形式要微型化,光纜阻水方式將會向著干式阻水發展,光纜技術研究的重點也將由室外光纜逐漸轉向室內光纜,光纜工程的施工將由人工敷設向氣吹敷設發展。
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