几种新结构的室外光缆

2019-11-03 18:21:14

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供稿：网友

胡先志

武汉邮电科学研究院

　　摘要：文章首先综述了几种新结构的室外光缆，其次推测出室外光缆结构的变化趋势.

　　关键词：室外光缆；结构；材料

　　众所周知，光纤通信硬件是由光纤、光器件和系统设备3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，包含着两重含义：(1) 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；(2) 可以用不同的材料制成不同结构的光缆来满足不同应用场所的需要.自20世纪80年代初至今，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,未来将再度向着家庭桌面延伸或者由室外向室内发展.在光纤发展的同时，光缆无论是从材料选择、结构优化和制造工艺，还是从应用场所、铺设方式等方面都得到了长足的发展.

　　然而，近年来全球经济发展步伐缓慢，光缆建设工程数量减少，国内外出现了光纤、光缆供过于求的局面.特别是2002年国内光缆市场竞争十分激烈.光缆竞争的具体体现形式是价格.正是光缆的价格和铺设方式等因素，促使聪明的光缆制造商在确保光缆的基本光传输性能和机械性能的基础上，通过设计新结构的室外光缆，积极采用新的光缆材料等具体措施来达到降低室外光缆成本和施工费用的目的.

　　为此，本文作者在阅读了2002年11月18～21日在美国佛罗里达州召开的第51届国际线缆会的会议论文集的基础上，通过分析几种新室外光缆的结构和性能之后，推测出室外光缆结构的发展趋势，供广大光缆制造商和用户参考.

1结构设计

　　光纤通信中常用的光纤是由石英玻璃制成的.尽管石英玻璃光纤具有优良的物理和化学性能，但是石英玻璃光纤的脆性，使其在由预制棒拉成光纤的过程中会在光纤表面产生一些微裂纹.光缆结构设计的关键就是要想方设法保证光纤表面产生的一些微裂纹不会受到外界环境机械应力和潮气的作用，否则光纤上的微裂纹会扩展甚至引起疲劳断裂.如果光缆结构设计不合理，材料选择不恰当，那么光缆受到的外界环境机械应力和潮气会使光纤上的微裂纹扩展甚至引起疲劳断裂.光缆中的光纤断裂就意味着光缆线路出现光信号传输中断故障，进而会导致整个光纤通信系统业务中断.因此，光缆的结构设计就是要选择合理的结构和优质的材料来有效地保护光缆中的光纤不受外界环境机械应力和潮湿气体的直接作用.在室外光缆的设计、生产和应用的发展过程中，人们逐渐认识到室外光缆研究的5个主要问题是：（1）一定要按照光缆应用的实际场所的具体情况、敷设方法来设计光缆结构.（2）光缆中所用的各种材料应该赋予光缆必要的机械性能和环境性能，如护套料给光缆以耐摩擦性能、阻水性能，油膏给光缆以良好的加工、阻水性能，金属加强件、金属复合带为光缆提供耐外界环境机械应力作用的性能.（3）特种光缆的特殊性能是由特殊材料赋予的，如尼龙12、无卤阻燃护套料、耐电痕护套料分别赋予光缆防白蚁、无卤阻燃、耐电痕作用的性能.（4）用先进的制造设备和良好的生产技术来制造优质的光缆.（5）设法建立一整套适用于检测各种不同结构光缆性能的科学合理的试验方法.

　　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3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3种基本结构形式：中心管式光缆、层绞式光缆和骨架式光缆.

　　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.按照材料在光缆中所起的作用不同，可以将光缆材料分为3种：加强材料、阻水材料和特殊材料.加强材料为光缆提供良好的抗拉、耐侧压、抗冲击和耐弯曲等机械性能.光缆中常用的加强材料有磷化钢丝、不锈钢丝、玻璃钢棒和芳纶纱等.阻水材料赋予光缆完好的密封阻水性能.用作光缆的阻水材料有阻水油膏、阻水带、阻水纱、金属-塑料复合带和护套料等.特殊材料给予光缆特殊性能，如阻燃、耐电痕等.

　　笔者认为新结构的室外光缆变化要解决的主要问题是：（1）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，提高施工速度）；（3）采用干式结构，缩短接续时间，节省施工费用.

2新结构的室外光缆

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、机械性能和环境性能.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，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的论文[1]指出减小松套管光缆尺寸和重量的办法是：(1) 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；(2) 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13.4 mm，而典型商用144芯单层护套管道光缆的直径为18.8 mm.表1给出了与传统光缆相比，直径小、重量轻的光缆的直径、重量降低的百分比数值.

　　在这里应该强调，减小光缆直径和重量的具体途径是先设法使用机械与环境性能好的成本更低的松套管材料，再减少油膏、加强件、皱纹金属覆膜带和护套的用量，从而减少光缆重量和降低光缆价格.这样也可以为积极开发全干式松套光缆和微型管道吹气安装光缆奠定良好的结构基础.在减小光缆直径和降低光缆重量时，应特别注意控制好松套工艺和光纤与松套管的余长.这种直径小、重量轻的松套光缆的显著优点是直径越小，重量越轻，价格越便宜；光缆盘长越长，施工越方便.正因如此，这种松套光缆越来越受到广大用户青睐.

　　目前国内光缆制造商纷纷采用减小松套管尺寸的方法来减少光缆材料的用量，进而实现降低光缆成本、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全干式松套光缆

　　众所周知，光缆最忌讳水，究其原因是水既会引起光纤的水峰衰减，又可以通过渗透腐蚀导致光纤断裂.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，以切断水的纵向流动路径.

　　填充阻水油膏的基本作用是除了能够阻止光缆内部的纵向水迁移外，还能够缓解外来压力和振动阻尼的作用.尽管传统光缆具有良好的性能和可靠性，但在光缆接续前仍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.填充阻水油膏也会明显地增加光缆重量，增加长途线路安装所需要的人力和设备.另外，阻水油膏是粘性或油腻的物质，所以光缆接续需要在一个活动的帐篷内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等人共同开发出了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，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是因为HDPE具有良好的硬度、强度和小的摩擦系数，能够满足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“光纤和光缆总规范-第2款”和FOTP82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、老化性能试验和安装模拟试验.

　　阻水性能试验就是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 m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.表2列出了全干式中心管光纤带光缆的阻水性能试验结果.

　　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试验，以验证其是否满足机械性能要求.表3列出了直径为18.5 mm的216芯非金属全干式中心管光纤带光缆，在各种机械试验条件下的附加衰减变化情况.从表3可以看出，这种光缆的附加衰减远远小于GR20的规定值.

2.3微型吹气安装光缆

　　在当前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) 投入资金有限，但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) 为了最大限度地利用子管系统和微型管道系统的资源，需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、撕裂绳和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.

　　表4给出了这种48或72芯中心管式光纤带微型吹气安装光缆的外径、光纤密度、光缆重量、抗拉强度.这种光缆的正常工作温度范围为-40～70℃.

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实现纵向阻水.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等研制出了一种泡沫阻水光缆[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了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改善光缆机械性能，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.

　　Borje Lindblom等按照光缆的国际标准IEC607941分别对他们研制的架空、管道和直埋泡沫阻水光缆的有关性能进行了全面测试.测试结果表明，这种泡沫阻水光缆完全满足实际使用要求.

3结论

　　由以上的介绍我们可以得到如下结论：新室外光缆结构的变化趋势应该是向着直径小、重量轻、全干式和布放快的方向发展，只有这样才能进一步减少光缆路由投资、降低光缆成本、提高布放速度和节约施工费用.

参考文献

［1］Richard Gravely G. Qualification of loose tube fiber optic cables with reduced weight and diameter [A].PRoceedings of the 51stIWCS /[C/].Florida，US：2002.227-230.

［2］Richard Norris H.Dry central tube ribbon cable for the outside plant environment [A]. Proceedings of the 51st IWCS[C].Florida，US：2002.202-210.

［3］Paul H Debban.Development of lightweight ribbon cables for blown installation[A].Proceedings of the 51st IWCS[C].Florida，US：2002.251-259.

［4］Borje Lindblom.A new filling concept for improved overall performance of fiber optical cables[A].Proceedings of the 51st IWCS[C].Florida，US：2002.221-226.

摘自　北极星电技术网

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