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国内外光纤光缆现状及发展趋势

作者:LunWen 来源:中华论文网-免费论文下载 加入时间:2005-9-20

——光缆通信在我国已有20多年的使用历史,这段历史也就是光通信技术的发展史和光纤光缆的发展史。光纤光缆在我国的发展可以分为这样几个阶段:对光缆可用性的探讨;取代市内局间中继线的市话电缆和PCM电缆;取代有线通信干线上的高频对称电缆和同轴电缆。这两个取代应该说是完成了;现正在取代接入网的主干线和配线的市话主干电缆和配线电缆,并正在进入局域网和室内综合布线系统。目前,光纤光缆已经进入了有线通信的各个领域,包括邮电通信、广播通信、电力通信和军用通信等领域。

1 光纤

——符合ITU-T G.652.A规定的普通单模光纤是最常用的一种光纤。随着光通信系统的发展,光中继距离和单一波长信道容量增大,G.652.A光纤的性能还有可能进一步优化,表现在1550nm区的低衰减系数没有得到充分的利用和光纤的最低衰减系数和零色散点不在同一区域。符合ITU-T G.654规定的截止波长位移单模光纤和符合G.653规定的色散位移单模光纤实现了这样的改进。G.653光纤虽然可以使光纤容量有所增加,但是,原本期望得到的零色散因为不能抑制四波混频,反而变成了采用波分复用技术的障碍。

——为了取得更大的中继距离和通信容量,采用了增大传输光功率和波分复用、密集波分复用技术,此时,传输容量已经相当大的G.652普通单模光纤显得有些性能不足,表现在偏振模色散(PMD)和非线性效应对这些技术应用的限制。在10Gb/s及更高速率的系统中,偏振模色散可能成为限制系统性能的因素之一。光纤的PMD通过改善光纤的圆整度和/或采用“旋转”光纤的方法得到了改善,符合ITU-T G.652.B规定的普通单模光纤的PMDQ通常能低于0.5ps/km1/2,这意味着STM-64系统的传输距离可以达到大约400km。G.652.B光纤的工作波长还可延伸到1600nm区。G.652.A和G.652.B光纤习惯统称为G.652光纤。

——光纤的非线性效应包括受激布里渊散射、受激拉曼散射、自相位调制、互相位调制、四波混频、光孤子传输等。为了增大系统的中继距离而提高发送光功率,当光纤中传输的光强密度超过光纤的阈值时则会表现出非线性效应,从而限制系统容量和中继距离的进一步增大。通过色散和光纤有效芯面积对非线性效应影响的研究,国际上开发出满足ITU-T G.655规定的非零色散位移单模光纤。利用低色散对四波混频的抑制作用,使波分复用和密集波分复用技术得以应用,并且使光纤有可能在第四传输窗口1600nm区(1565nm-1620nm)工作。目前,G.655光纤还在发展完善,已有TrueWave、LEAF、大保实、TeraLight、PureGuide、MetroCor等品牌问世,它们都力图通过对光纤结构和性能的细微调整,达到与传输设备的最佳组合,取得最好的经济效益。

——为了在一根光纤上开放更多的波分复用信道,国外开发出一种称为“全波光纤”的单模光纤,它属于ITU-T 652.C规定的低水吸收峰单模光纤。在二氧化硅系光纤的谱损曲线上,在第二传输窗口1310nm区(1280nm-1325nm)和第三传输窗口1550nm区(1380nm-1565nm)之间的1383nm波长附近,通常有一个水吸收峰。通过新的工艺技术突破,全波光纤消除了这个水吸收峰,与普通单模光纤相比,在水峰处的衰减降低了2/3,使有用波长范围增加了100nm,即打开了第五个传输窗口1400nm区(即1350nm-1450nm区),使原来分离的两个传输窗口连成一个很宽的大传输窗口,使光纤的工作波长从1280nm延伸到1625nm。

——为了提高光缆传输密度,国外开发了一种多芯光纤。据报道,一种四芯光纤的玻璃体部分呈四瓣梅花状,涂覆层外形为圆形,其外径与普通单芯光纤相同(见图1a)。光纤的折射率分布采用突变型时,光纤的平均衰减在1310nm波长上为0.375±0.01dB/km;在1550nm波长上为0.225±0.01dB/km。这种光纤的接头采用硅棒加热可缩套管的方法(见图1b),其接头损耗的平均值为
0.17dB,标准偏差为0.10dB。

2 核心网光缆

——我国已在干线(包括国家干线、省内干线和区内干线)上全面采用光缆,其中多模光纤已被淘汰,全部采用单模光纤,包括G.652光纤和G.655光纤。G.653光纤虽然在我国曾经采用过,但今后不会再发展。G.654光纤因其不能很大幅度地增加光纤系统容量,它在我国的陆地光缆中没有使
用过。

——干线光缆中采用分立的光纤,不采用光纤带。

——干线光缆主要用于室外,在这些光缆中,曾经使用过的紧套层绞式和骨架式结构,目前已停止使用。当前我国广泛使用的干线光缆有松套层绞式和中心管式两种结构,并且优先采用前者。松套层绞式光缆采用SZ绞合结构时的生产效率高,便于中间分线,同时也能使光缆取得良好的拉伸性能和衰减温度特性,目前它已获得广泛采用。

——骨架式光缆的设计原理虽然和松套层绞式光缆相似,但是目前的实际工艺技术难以实现这一设计目标,使光缆拉伸性能难于达到规定的要求。这一点已为国内有关的光缆产品检测所证实,为此.目前我国的干线网已不再使用骨架式光缆。

——在长途线路中,由于距离长、分支少,光缆在系统中所占费用比例相对较高。因此,干线光缆将通过采用G.655光纤和波分复用、密集波分复用技术来扩大容量。光缆本身的基础结构己相对成熟,不会有大的改变。但是,光缆的某些防护结构和性能仍有待开发完善。例如,全介质光缆具有众所周知的优良防雷和防强电的性能,但它的直埋结构和防鼠性能始终不尽人意,是值得开发的课题。

——据国外报道,采用玻纤增强塑料圆丝销装结构和外护层中夹入玻璃纱层的结构,或者在护套料中掺杂0.4%的驱兽剂微囊,都能取得良好的防鼠效果。

——海底光缆所受机械力,特别是拉力的作用,往往比陆地光缆要严峻得多。为此,海底光缆结构适应性的研究,以及光缆加强构件蠕变问题的研究,对确保光纤光缆的安全使用都是很重要的。据报道,针对使用环境条件开发了某些实用产品,例如,8000m深海用的轻型光缆,2000m深海、有船只拖挂危险地区用的轻铠光缆,1500m深海、多岩石、有船只拖挂危险地区用的单铠光缆,400m深海、多岩石、多浪、有船只拖挂危险地区用的单铠光缆,200m深海、多岩石、易磨损和压碎、有船只拖挂危险地区用的专门铠装光缆,以及防鲨鱼用的特殊光缆。

——光纤的氢损问题在海底光缆中更加引入关注。据报道,普通单钢丝铠装和双钢丝铠装的光缆,经8-10年之后,在1550nm波长上可测试到0.01-0.O4dB/km的氢损。在光缆填充物中加入吸氢材料和采用金属密封管作松套管,则没有出现光纤的氢损现象。

3 接入网光缆

——接入网中的光缆距离短,分支多,分插频繁,为了增加网的容量,通常是增加光纤芯数。特别是在市内管道中,由于管道内径有限,在增加光纤芯数的同时增加光缆的光纤集装密度、减小光缆直径和重量,是很重要的。

——接入网使用G.652普通单模光纤和G.652.C低水峰单模光纤。低水峰单模光纤适合于密集波分复用,目前在我国已有少量的使用。

——接入网用光缆中广泛采用光纤带型式,它可使光缆适应芯数大和光纤集装密度高的要求,而且可以通过光纤带整带接续的方式提高光缆接续效率。但是,在小芯数光缆情况下,也直接采用分立的光纤。

——由于光纤带光缆中光纤集装密度增大,可能损害光缆的拉伸性能和衰减温度特性,以及有可能损害光纤的传输衰减。因此,在获得大芯数、小外径要求的同时,光纤带光缆还有许多课题值得研究。

——接入网光缆主要用于室外,目前有松套层绞式、中心管式和骨架式三种类型。虽然这些结构在国内都得到应用,但是都还需要在获得高集装密度、小尺寸、良好性能、便于制造、低成本和便于使用(例如便于分线和下线)等方面经受考验。

——在中心管式光缆中,为了获得更大的芯数,往往采用增大光纤带芯数的方法,例如,采用24芯光纤带。据报道:采用24芯光纤带生产864芯的光缆,可以作到大于目前正式采用的1000芯骨架式光缆的集装密度。这种24芯光纤带由两根12芯子带构成,要求既要保持整带的稳定和牢固,又要易于手工分成两根结构独立完整的12芯带,便于整带熔接。

——松管结构中的光纤与松管壁之间有较大的空隙。据国外报道,如果采用柔软聚氯乙烯制造的半紧套管集装12根光纤(见图2),管外径为1.4mm,壁厚为0.2mm,则管子的截面积只有常规松套管的大约30%。不用中心加强构件,用螺旋绞或SZ绞方式把12根这样的半紧套管绞合成缆芯,然后在缆芯外加上中心管式结构的护套,构成144芯光缆。这种光缆适合于在管道内用牵引方法或气送方法安装。

——国外目前实际使用的骨架式光缆的最大芯数为1000芯,在它的骨架上有13个槽,共可放入125根8芯光纤带,这种8芯带可以方便地分成两个4芯带。近年来,骨架式光缆在减小光缆外径和重量、增加光缆的柔软性和改善光缆使用性能方面,也不断有所探讨和报道。最早的骨架式光纤带光缆采用螺旋槽结构,为了和松套SZ层绞式光缆一样便于下线,骨架式光缆也推出了SZ槽结构。光纤带在其厚度方向极易弯曲,在其宽度方向很难弯曲,即使强迫在宽度方向弯曲,则一定会使光纤带发生折转,同时会使光纤带两边的光纤产生一定的应力。据报道,通过采用专门的骨架槽截面的设计,可以适应光纤带的这种折转。近年来在减轻光缆重量方面也有一些探索,为了减少加强构件重量而采用非金属FRP加强构件代替钢绞线;为了减少光缆重量而干用内层为泡沫聚乙烯外层为实心聚乙烯的骨架和全部为泡沫聚乙烯的骨架,但为了保持骨架槽的内壁表面光滑,这两种骨架中采用内层为泡沫聚乙烯外层为实心聚乙烯的骨架更适用。

4 室内光缆

——室内光缆往往需要同时用于话音、数据和视频信号的传输。并目还可能用于遥测与传感器。

——国际电工委员会(IEC)在光缆分类中所指的室内光缆,笔者认为至少应包括局内光缆和综合布线用光缆两大部分。局用光缆布放在中心局或其他电信机房内,布放紧密有序和位置相对固定。综合布线光缆布放在用户端的室内,主要由用户使用,因此对其易损性应比局用光缆有更严格的考虑。

——多模光纤虽然不再用于核心网和接入网,但芯径/包层直径为62.5/125μm的渐变型多模光纤在室内综合布线中仍有较多的应用,今后也可能应用50/125μm渐变型多模光纤。这种情况与综合布线系统的现有技术状况有关,随着单模光纤系统的发送模块、接收模块和相关设备成本的降低,本身价廉的单模光纤仍然有可能取代综合布线用的多模光纤。

——随着我国FTTH、FTTC系统的采用和各种要求的智能大厦的建设,要求越来越多的室内光缆产品投入应用。目前所用的综合布线光缆芯数较小、缆芯不填充油膏、防火性能要求只限于阻燃或不延燃,这些光缆在品种、结构和性能等方面还急需进一步开发、完善和提高。

——在布线光缆所用的光纤类型方面,国外正在探索采用多芯光纤,例如前面提到的四芯光纤,这样可使光缆外径小、重量轻、柔软性好。

——室内光缆的防火性能应是基本要求之一。传统的PVC护套虽具有耐延燃性,但其防潮性能较差,不宜用于室外。据报道,国外已开发了室内室外兼用的引入光缆或下杆光缆,它们既能耐室外低温和紫外线辐射、又能阻燃和便于弯曲布线。这种光缆采用PVC紧套光纤、吸水膨胀粉干式阻水和低烟无卤阻燃护套。

           

——随着通信业务的急剧增加,局内光缆布线的芯数将增加数倍,减小尾缆的直径,以便在有限的机房空间内布放更多的终端模块,就显得很重要。据国外报道,为了适应机房内的这种要求,已开发了两种微型光缆,一种的外径接近普通紧套光纤外径,为1mm;另一种的外径与普通的涂覆光纤一样,为0.25mm。外径1mm的光缆(见图3),其结构与常规单芯光缆相似,采用0.5mm直径的UV固化的二次涂覆光纤、芳纶纱加强和聚酰胺护套。外径0.25mm的光缆,第一种结构与常规的紧套光纤相似,采用涂覆光纤和由UV固化树脂涂覆的加强构件组成的外套(见图4a);另一种采用涂覆光纤和由的12根层绞钢丝与UV固化树脂组成的外套(见图4b)。据报道,还开发了一种单芯矩形软线和由这种软线构成的8芯软线(见图5)。8芯软线由8根单芯软线并列再加上总护套构成,又可方便地再分成8根单芯软线。

5 电力线路中的通信光缆

——光纤是介电质,光缆也可作成全介质,完全无金属。这样的全介质光缆将是电力系统最理想的通信线路。用于电力线杆路敷设的全介质光缆有两种结构:即全介质自承式(ADSS)结构和用于架空地线上的缠绕式结构。

——ADSS光缆因其可以单独布放,适应范围广,在当前我国电力输电系统改造中得到了广泛的应用。国内已能生产多种ADSS光缆满足市场需要。但在产品结构和性能方面,例如大志数光缆结构、光缆蠕变和耐电弧性能等方面,还有待进一步完善。ADSS光缆在国内的近期需求量较大,是目前的一种热门产品。

——缠绕式光缆通常芯数较少,因其布放方法需要专门工具,比较麻烦,在我国似无需求和生产。据国外报道,缠绕式光缆在大芯数结构和结构的耐热性方面都有新的研究。

——在高压电力线路同杆路敷设的另一类光缆是光纤架空复合地线(OPGW)。它把光纤放在电力线路的保护地线中,既用于通信,又作保护地线。这种光缆往往在新建地线和更换旧地线时才可能采用。目前国内已能生产这类产品,但在产品结构和性能方面也还有待进一步完善。在OPGW中采用金属管作松套管,除了有利于防上光纤发生氢损之外,还可很好的保证中心管中的光纤余长,提高光缆强度,提高容许的短胳电流和减小低温附加衰减。

6 汽车用光缆

——由于汽车的对发动机的综合监视、汽车诊断、智能信息系统、光电显示和可靠性、安全性的需要,光纤的应用已开始进入汽车之中。据国外报道,在汽车总线中加入了一种带微型扎纹管的POF(聚合物光纤)光缆,能用于智能车的导航、无线电收音机、光盘唱机、高保真度系统和无线电话。由于POF能够不受干扰地实时工作,从而确保汽车的安全要求。突变型折射率分布POF的衰减为150dB/km,100m长度上的数据传输速率为50Mb/s。如果采用氧化聚甲基丙烯酸甲酯生产的渐变型折射率分布光纤,预期传输衰减可降低到10dB/km和数据传输速率5Gb/s。

——目前,我国的干线光缆结构已较成熟。接入网光缆、室内光缆和电力线路光缆等都还处于发展中。为了适应光通信的发展需要,我国在光缆结构改进、新材料应用和性能提高等方面都还有进步.