光纤通信技术第3章光缆.ppt

第3章光缆 学习目标1 了解光纤存在的缺陷 2 掌握光缆的设计原则 3 理解光缆的分类意义和方法 4 掌握各种光缆的结构特点5 掌握性能是评判光缆质量准则 知识要点 3 1光缆设计原则 3 1 1保护光纤1 保护作用光缆是光纤的实际应用形式 光缆的结构如此繁多源于光纤应用的场所的环境条件多变 从材料科学角度得知 石英玻璃是脆性材料 其表面会存在一定的微裂纹 这些微裂纹本身对外界的机械应力和水的作用非常敏感 因为机械应力会使光纤发生疲劳断裂 水渗入光纤会在1383nm波长引起很大的衰减 使光纤通信系统的光传输质量劣化 同时水侵蚀光纤表面的微裂纹 也会使光纤发生疲劳断裂 所以光缆的设计的使命就是要确实做到使光缆中的光纤免遭机械应力和水的作用 2 考虑因素光缆设计时要考虑的各种因素以下 1 抗拉强度在光缆的安装中 例如 将光缆拉过管道时 光缆应该具有大的抗拉强度 当光缆吊在一个垂直的管道中 或者在光缆被悬挂在电线杆之间 或者当光缆被安装在海底时 光缆中的抗拉加强件应能够承受光缆的自重 悬挂在电线杆之间的光缆也会受到严重的覆冰和风载的作用 2 耐压光缆使用中经常会受到大的径向压力作用 过大的径向压力可能会压断玻璃光纤 一些直埋光缆中的光纤要能够经受住大型交通工具 如汽车 拖拉机等 正好停在或驶过其上的压力作用 3 防止过小弯曲在光缆敷设期间 急剧的小弯曲会出现两个问题 其一是在弯曲处产生光的辐射损耗 其二是光纤可能发生断裂 为了防止光缆出现过小弯曲 国家通信行业标准YD T901 2009 层绞式通信用室外光缆 规定了光缆的最小弯曲半径 4 防止摩损如果玻璃光纤受到摩损 它们会发生严重的损伤 摩损引起的小缺陷可以通过玻璃进行传输 从而显著地增加了光损耗 5 隔离震动震动将会引起光纤的损耗变大 设计的光缆要保证光纤对震动能够进行缓冲 衰减过多的运动 6 防潮气和防化学侵蚀长期暴露在潮气和化学侵蚀中 玻璃光纤性能会发生劣化 光缆设计要保证光纤避免与这些污染物接触 3 1 2设计原则1 基本原则在充分考虑光缆设计因素的基础上 为了确保光缆在各种各样的实际应用环境使用要求 在光缆设计时应该遵循的一些基本原则如下 1 极好的机械保护光缆结构必须能够对缆中的光纤提供极好的机械保护 使其具有抵抗外界的拉 弯 压等机械应力和良好的适应环境温度变化的性能 为此 光缆中要设置能够承受规定负荷的机械外力作用的加强件 同时 在缆芯外视光缆的应用环境不同增加各种形式的耐压和抗冲击的外护层或金属铠装层 2 良好的阻水防潮光缆应该注意防止水分和化学腐蚀性气体侵入光缆与光纤直接接触 水分渗入光缆后与光纤接触会劣化光纤的传输性能和降低光纤强度 为了满足光缆的阻水要求 光缆中都要填充有阻水 防潮的油膏或阻水带 纱 3 合理的光纤余长为了确保光缆中的光纤具有25年使用寿命和良好的环境温度特性 光缆中的光纤余长必须合理 所谓光纤余长就是指当光缆从正常状态拉伸到光缆中光纤刚受到拉伸应变时 光缆的相对伸长就是光缆中的光纤余长 业内人士深知 光缆中光纤余长与光缆的结构 抗拉强度和温度特性关系密切 例如 常用中心管式光缆和层绞式光缆的光纤余长一般在0 20 0 3 而ADSS光缆和OPGW光缆的光纤余长为0 5 0 6 2 合理的结构要保证光纤传输性能不发生劣化 必须使所设计的光缆结构合理 使轻松套管尽可能靠近起支撑作用的部件 选择组成光缆的材料得当 所有的材料彼此应该相容且析氢量非常小 得当的材料选用一定会为光缆赢得最佳的传输 机械和环境性能 除此之外 所设计光缆结构还应该满足制造工艺简单 运输方便 价格便宜等要求 作者认为 光缆研究人员的责任和义务就是在保证光缆使用要求特性的前提下 尽量简化结构 减小直径 降低重量 以最大限度的发挥光纤具有的尺寸小 重量轻等优点 最近 国内外开展的 干缆芯 干式光缆 光纤到户建设使光缆结构 制造技术和施工方法发生了巨大的变化 例如 光纤到户所用的集微管 微缆 气吹为一体的微型光缆使光缆的结构和施工方法都发生了革命性的变化 3 2光缆分类 3 2 1光缆分类为了便于读者理解方便 我们按照光缆服役于网络层次 光纤状态 光纤形态 缆芯结构 敷设方式 使用环境等可以将光纤通信中所使用的光缆细分分成图3 1所示各种结构类型 3 3结构特点 3 3 1结构类型根据光缆适用场所 敷设方法和特殊要求等 光缆结构类型可分为 室外光缆 室外 内光缆 室内光缆和特殊光缆 合理的光缆结构是能够确保在光缆生产过程和使用期间光纤的传输性能不会发生永久性变化 除了要根据用户要求纤芯数选择合适的光缆基本结构类型和松套管或骨架尺寸外 还要使选择的各种材料具有最佳的性价比 一般光缆结构主要取决于光缆路由情况 敷设方式和性能要求等条件 反之 不同的结构赋予光缆不同的机械 环境和特殊保护性能 3 3 2室外光缆1 中心管式光缆中心管式光缆是光纤松套管位于光缆中心的光缆 中心管式光缆结构是由一根二次光纤松套管或螺旋形光纤松套管 无绞合直接放在缆中心位置 纵包阻水带和双面覆塑钢 铝 带 两根平行加强圆磷化碳钢丝或玻璃钢圆棒位于聚乙烯护层中组成的 按松套管中放入的是分离光纤 光纤束 光纤带 中心管式光缆可进一步分为 分离光纤中心管式光缆 光纤束中心管式光缆和光纤带中心管式光缆 三种中心管式光缆的结构 如图3 2所示 图3 2 a 所示的分离光纤中心管式光缆是利用分离光纤制成的纤芯数 12芯的小光缆 为了解决分离光纤中心管式光缆纤芯数太少的缺点 美国贝尔实验室开发出了纤芯数在2 120芯的光纤束中心管式光缆 其结构如图3 2 b 所示 图3 2 b 所示的是光纤束中心管式光缆 与分离光纤中心管式光缆相比 光纤束中心管式光缆的优点是 1 缆中容纳的纤芯多 既采用纱线将若干根分离光纤 最多12根光纤 扎成光纤束 每个光纤束中的每根光纤通过全色谱光纤和扎纱的颜色进行识别 2 光缆外径小 例如120芯光缆外径仅为18mm 光纤带中心管式光缆 如图3 2 c 所示 光纤带中心管式光缆的最大优点是 其最多可以容纳的纤芯多为216芯 12芯 带 18带 故在3种中心管式光缆中光纤带中心管式光缆单位截面的光纤密度最大且直径最小 2 层绞式光缆层绞式光缆是光纤松套管围绕中心加强件呈一层或多层分布的光缆 层绞式光缆结构是由4根或更多根二次被覆光纤松套管 或部分填充绳 绕中心金属加强件绞合成圆整的缆芯 缆芯外先纵包复合铝带并挤上聚乙烯内护套 再纵包阻水带和双面覆膜皱纹钢 铝 带再上一层聚乙烯外护层组成 层绞式光缆的结构特点是光缆中容纳的光纤数多 分离光纤144芯 光纤带720芯以下 光缆中光纤余长易控制 光缆的机械 环境性能好 它适宜于直埋 管道敷设 也可用于架空敷设 层绞式光缆结构的缺点是光缆结构复杂 生产工艺环节多 工艺设备较复杂 材料消耗多等 按松套管中放入的分离光纤 光纤带 层绞式光缆又可分为 分离光纤层绞式光缆 光纤带层绞式光缆 它们的结构 如图3 3所示 由图3 3得知 分离光纤层绞式光缆与光纤带层绞式光缆的几何结构 制造方法基本相同 而不同之处在于 光纤形状 光纤识别 纤芯数等 光纤带层绞式光缆中的各个光纤带中的每根光纤是通过领示色或全色谱并在每根光纤带上数字的方法进行识别 一般分离光纤层绞式光缆最大纤芯数 144芯 而光纤带层绞式光缆的最大纤芯数可达到720芯 3骨架式光缆骨架式光缆是光纤嵌入多个骨架式槽的光缆 骨架式光缆的结构 如图3 4所示 骨架式光缆是一种全干式光纤带光缆 所谓全干式光缆顾名思义光缆没有填充阻水油膏的光缆 这种光缆主要采用4 6 8芯光纤带 骨架式光缆光纤带结构是将4芯或6芯或8芯光纤带 以矩阵形式叠放在U型螺旋骨架槽或SZ螺旋骨架槽中 骨架沿光缆成联销旋转 使放置于槽内的光纤带具有足够的余长 以保证光缆的抗拉 弯曲和温度特性 以绕包方式将阻水带缠绕在骨架上 使骨架与阻水带形成一个封闭的腔体 骨架既具有高的抗侧压能力 又可以防止开剥光缆时损伤光纤 阻水带的作用是 当阻水带遇水后 阻水粉吸水膨胀产生一种阻水凝胶屏障 阻水带外再纵包上双面覆塑钢带 金属带处挤上聚乙烯外护层 在金属带与阻水带之间放置撕裂绳 以便于护套开剥 骨架式光纤带光缆的优点是结构紧凑 缆径小 光纤芯密度大 由几十上百芯乃至芯至数千芯 施工接续中无需清除阻水油膏 接续效率高 全干式骨架式光纤带光缆特别适用于在城域光网络干线环路和接入网汇聚层的分路 局间中继 有线电视网络的馈线需要大芯数光缆时用作光传输的馈线光缆 骨架式光纤带光缆的缺点是制造设备复杂 需要专用的骨架生产线 工艺环节多 生产技术难度大等 4 低烟阻燃光缆低烟阻燃光缆是指其护套采用了低烟阻燃护套料的光缆 为确保要求低烟无卤阻燃场所的通信设备及网络的运行可靠 必须切实解决聚乙烯护层遇火易燃 滴落会造成的火灾隐患 以及阻燃聚氯乙烯护层在火灾中易释放大量黑色浓烟和有毒气体 造成 二次 环境污染和逃离困难等问题 因此 20世纪90年代以来 国内众多光缆厂家开发出无卤阻燃光缆 生态光缆 并陆续敷入要求低烟 无卤阻燃的各种场所 无卤阻燃光缆属于广义的生态光缆之一 生态光缆是从环境保护和节能减排的角度出发 应该积极研究开发对于人体和环境没有如何污染的环保新材料 利用这些具有环保性能的新材来制造光缆 以达到保护人类及其环境的目的 光缆阻燃有两个方面的含义 一方面是指光缆及其材料的阻燃性 包括可燃性 发热量 延燃性 熔滴性及发烟量等 另一方面是指在火灾过程中 光缆处于高温及燃烧条件下保持正常传输信号的能力 即所谓耐火性 要达到光缆阻燃的目的 需要用适当的结构及选用性能优良的合适材料 低烟无卤阻燃光缆的结构型式包括层绞式 中心管式 骨架式或室内软光缆 可以是金属加强件光缆 也可以是非金属加强件光缆 最简单的低烟无卤阻燃室内光缆结构 如图3 5所示 5 微管气吹微缆微管气吹微缆是一种采用气吹方法 放入微型管道的微型光缆 微管气吹微缆具有施工快捷 保护可靠 节约管道资源等特点 在光纤接入网中的建设中 如何减少光缆占用通信管道空间和提高施工速度 一直是光缆设计与制造商的研究热点问题 为此 国内外一些光缆制造厂商已经开发出了一种微型光缆 再辅之以微管安放和气吹施工的技术 微型光缆直径与铅笔相当 其结构形式有 松套层绞式 全介质中心管式 不锈钢中心管式 光缆的纤芯数值为2 72芯 微型光缆具有的尺寸小巧 质量轻便 气吹安置性能好 抗机械应力和环境温度作用等优点 能够满足各种室外环境使用 特别是利用气吹装置可以进行快速地施工 通过节省的通信管道空间和提高了施工效率 从而大大地降低了光纤接入网的建设成本 微型光缆与HDPE微型子管之间有一定的摩擦系数 光缆的重量要准确 同时光缆应该具有一定的硬度 由图3 6可以清晰到看到 若干根60芯或120芯的微型光缆被安放在若干根小直径为7mm或10mm的高密度聚乙烯 HighDensityPolyethylene HDPE 子管中 而这些小HDPE子管则被安装在一根直径为25mm 32mm或者2540mmHPDE母管中 这种微缆 微管 气吹自动安置的方式受到了国内外电信运营商的青睐 中国移动 中国电信和中国联通公司正在利用这种光缆和施工技术构筑自己的成为城域光网络 接入网和智能建筑物 6 干式光缆干式光缆是指采用干式阻水措施的光缆 普通光缆的纵向阻水方法采用的是在松套管中填充纤用油膏 而在绞合的缆芯空间隙涂覆缆用油膏 因此 普通光缆名称为湿式光缆 尽管湿式光缆具有良好的纵向阻水性能 但是它们给光缆的现场施工接续带来了一定的困难 在光纤的接续中 清理光缆中的纤用油膏和缆用油膏既需要耗费时间和清洗材料 又会影响施工速度 外存 国内外光缆研究人员一直在积极开发干式光缆 干式光缆是指纵向阻水 防止渗水性能由阻水带 阻水纱和阻水涂层完成的光缆 干式光缆生产成本低 生产速度快捷 没有环境污染 运输过程容易等一系列优点 特别是干式光缆中没有任何潮湿粘性材料 其整体重量轻 接续不需要进行反复清洗 大大地提高了施工接续速度 从而降低了施工费用 因干式光缆中没有湿的阻水油场所布线使用 3 3 3室内 外两用光缆目前 在FTTH中最常用的引入光缆主要有 室内 外两用光缆 8 字型自承式光缆 2芯引入线光缆 以及光缆芯数为2 12芯 采用金属带纵包结构或非金属全介质结构 可用架空 管道或路面开槽方式的引入室内的引入光缆 室内 外光缆是室内 外都可以使用的光缆 室内 外光缆都是全阻水光缆 这种光缆是专门用于光纤接入网中两个建筑物之间光传输线路的光缆 这种光缆进入楼内时 可以省去所需的过渡接续或者直接终接 室内 外光缆结构 易于施工 能耐受室内 室外两种环境 防水 抗老化 在 40 80 范围内保证正常工作 低烟阻燃 柔软 耐弯折 易穿管道 可消除室内 外光缆交接 一种典型的室内 外两用光缆的具体结构 如图3 7所示 随着FTTH的推进 在用户终端 家庭 楼道 会需要一种像电线一样方便使用的缆线 室内 外一体化单芯光缆的具体结构 如图3 8所示 在该光缆中设置了金属软管 使光缆抗压 抗拉 抗折性能显著提高 同时防鼠咬破坏 弯曲柔韧性好 最小曲率半径可达10倍的缆径 具有阻燃性 尺寸小 施工方便 3 3 4室内光缆1 室内光缆的特点室内光缆仅限于室内使用的光缆 随着国内外光纤接入网的建设需要 从20世纪90年代中期开始 在国内外室内光缆的研究中取得了一些技术成果 例如 无卤阻燃光缆 多芯数室内光缆 悬吊式室内布线光缆 紧套光纤单元层绞式光缆等均为先后专利产品 国内外著名的光缆制造厂现在能够生产的室内光缆产品主要有 大芯数束状光缆 大芯数分支光缆 用户尾缆等 FTTH中 进行双向传输时选用双芯 8 字用户尾缆 进行单向芯传输时采用单芯用户尾缆 因室内光缆无须接地或防雷保护 故室内光缆都是全介质结构 保证了其抗电磁干扰性能 与室外光缆所不同的是 室内光缆的结构特点为 尺寸小 重量轻 柔软 耐弯 便于布放 易于分支及阻燃等 通常 室内光缆有 单芯室内光缆 双芯室内光缆 多芯室内光缆 多用途室内光缆 分支光缆和互连光缆等多种类型 各有其特点和用途 2 室内光缆的类型 1 单芯室内光缆单芯室内光缆是只包含一根光纤 仅供室内使用的光缆 单芯室内光缆是通信设备互连线和综合布线所用的室内光缆 单芯室内光缆中只包含一根单模光纤或一根多模光纤 单芯光缆可以采用紧套或松套两种结构 紧套单芯光缆的紧套层一般采用尼龙塑料 松套单芯光缆的松套管采用PBT塑料 为了满足不同使用环境的要求 单芯光缆可以选择不同材料 如聚氯乙烯 阻燃聚烯烃 聚氨酯的作为外护层 单芯光缆用作尾缆或跳线时 单模光纤光缆外护层宜选用黄色或桔色 多模光纤光缆外护层宜选用蓝色 绿色或灰色 2 双芯室内光缆双芯室内光缆是通信设备互连线和综合布线所用的室内光缆 双芯室内光缆中只包含两根单模光纤或多模光纤 双芯室内光缆也可以采用紧套或松套结构 双芯室内光缆有 紧套8字形扁结构 紧套圆形结构 松套8字形扁结构和松套中心管式的圆形结构 如图3 10所示的双芯室内光缆中应包含有加强构件 以增强光缆的机械性能 为了满足不同的使用要求 光缆可以选择不同材料 如聚氯乙烯 阻燃聚烯烃 聚氨酯的外护套 单芯光缆用作尾缆或跳线时 单模光纤光缆外护层宜选用黄色或桔色 多模光纤光缆外护层宜选用蓝色 绿色或灰色 3 多芯室内光缆图3 11所示的是多芯室内光缆 多芯室内光缆是室内传输设备 语音数据处理光接口设备之间传输用的光缆 以及室内通信设备互连线和综合布线所用的室内光缆 多芯室内光缆可由多根单芯光缆绞合后再加外护套而成 也可以由由多根紧套单芯光纤绞合本配置加强件后再挤上外护套而成 多芯室内光缆常常采用紧套结构 即采用单根紧套光纤或多个紧套光纤单元组成6芯 24芯 36芯分支或配线光缆 4 双芯悬挂式光缆紧凑结构 柔软 易施工 光缆易于固定 两单元在入户处分离 光纤单元直接入户 消除室内外光缆转接 敷设时无需架设吊线和挂钩 施工效率高 施工费用低 适合独立住户光缆架空引入使用 2芯悬挂式引入线光缆的具体结构 如图3 12所示 5 室内布线光缆适合室内布线使用 性能稳定可靠 采用小弯曲半径光纤生产 具有优良的抗弯性能 施工安全可靠 可像铜缆一样对待 不易出现施工故障 无需工具即可开剥光缆 光缆易于固定 安装成本低 光缆现场成端 室内布线光缆的具体结构 如图3 13所示 6 双芯 8 字用户尾缆光缆结构为 8 字结构 2根900 m紧套光缆 阻燃PVC紧套层 阻燃PVC外护层 预接优质的APC端头 保证端面反射损耗 60dB 柔软 易穿管道 双芯 8 字用户尾缆的结构 如图3 14所示 3 4光缆性能 3 4 1机械性能光缆机械性能试验是指检验光缆产品所具有的抗外部机械力作用能力的试验 光缆在制造 运输 施工和使用过程中都会受到各种外机械力作用 光缆在外机械力作用下 光缆中光纤很可能会受到外机械力作用 其传输性能可能发生变化 使用寿命