光纤光缆的基本知识

光纤光缆的基本知识与制造 基础知识 课程纲要 光纤通信简史 光纤通信的优点 光纤的基本结构和传输原理 母棒的生产制造工艺 光纤的导光基本原理 几个主要的有关名词与术语 光纤的生产制造工艺 光缆预期使用寿命及保证措施 光缆的特性和材料 光缆的主要结构和特性 光缆的命名方法 光纤带色谱识别 光纤带光缆主要型式 光缆结构图解 光缆主要生产与测试设备 光缆主要原材料清单 质量保证体系 光纤通信简史 光纤通信是以光波为载体 光纤为传输媒质的通信方式 1965年之前光纤已在学技术中得到应用 但仅限于短距离传输图象 衰减为1000dB km1966年英籍华人高锟博士提出石英光纤理论和光纤通信的概念 通过理论推导指出石英玻璃的衰减可降到20dB km以下可用于通信 1970年美国康宁公司生产出衰减为20dB km的光纤 之后光纤通信飞速发展 现在普通单模光纤在1550nm处衰减已降到0 2dB km以下 光纤通信的优点 传输衰减低 中继距离长 同轴 市话电缆一般在20db km左右 传输带宽宽通信容量大 尺寸小 重量轻 光纤直径小 6 36芯光缆12mm左右 玻璃比重2 2g cm3 铜的比重8 9g cm3 同径下的重量比是1 15 运输敷设方便 带状光缆密集度更高 不受电磁感应 强电 雷电干扰 不会产生放电 火花等 传送光信号 非金属不导电媒质 在电力线路 矿井 军火库 电气化铁路 多雷电地区 易燃易爆场所可以使用 光纤间无电磁干扰无串光 不会串音 保密性好节省自然资源 有色金属 1km光纤只有27gSiO2价廉 不会腐蚀 纤芯 SiO2 GeO2纯度99 9999 n1 包层 SiO2纯度99 9999 n2 一次涂层 丙烯酸树脂 二次涂层 丙烯酸树脂 传输基本条件 折射率n1 n2 光纤的基本结构和传输原理 从光学意义上讲光在光纤中的传输利用了光的全反射原理 光在均匀媒质中是直线传播的 在不同的媒质中传输速率不同v c n光经过两种介质交界面时会发生偏折现象 光纤的导光基本原理 光线经过两种不同介质的交界面时 就会发生偏折现象 一般称之为光的折射 当光线由光密媒质射向光疏媒质 且入射角大于临界角时 就会发生全反射现象 光纤就是利用光的这种全反射特性来导光的 如下图所示 0 2 1 媒质2折射率为n2 媒质1折射率为n1 n1 n2当 2 0时 实现全反射 0为临界角 几个主要的有关名词与术语 信号 一种物理现象 它的一个或多个特征可能变化而代表信息 时分复用 为了在一条公共信道上传输若干个信号 而在时间上使它们相互错开的一种复用 传导模 同时满足全反射和相位一致等两个条件的光线束称之为传导模 多模光纤 是指一种能够承载多个模式的光纤 光纤中存在多个传导模 单模光纤 是指一种只能传输一种模式的光纤 光纤只能传输基模 最低阶模 模场直径 单模光纤中只有基模传播 通俗地说 模场直径就是基模光斑的大小 截止波长 是单模光纤所特有的一个参数 常用符号 C表示 判断一根光纤是不是单模光纤 只要比较一下它的工作波长 与截止波长 C大小就可以了 如果 C则为单模光纤 该光纤只能传输基模 如果 C就不是单模光纤 光纤中除了基模外 还能传输其它高阶模 色散 是指不同颜色的束光通过透光物质后被散开的现象 色散系数 是指单位波长间隔所生产的群时延差 是单模光纤的一个重要特征参数 带宽 在多模光纤中由于各个模式的传播路径和传播速度不同而产生各个模之间的时延差 一窄光脉冲从光纤一端入射 经过光纤之后 在光纤出射端形成被展宽的光脉冲 这种现象称之为带宽 数值孔径 是指光纤的集光能力 可以表示为临界角的正弦 是多模光纤的一个重要参数 母棒的生产制造工艺 主要采用四种气相沉积工艺 1 气相轴向沉积法 VAD法2 管外气相沉积法 OVD法3 改进的化学气相沉积法 MCVD法4 等离子体化学气相沉积法 PCVD法 富通昭和FSO 单模光纤生产工艺流程 水平玻璃车床 接棒 抛光 拉丝塔 预制棒准备 拉丝 一次涂覆 二次涂覆 收线 张力试验复绕机 张力筛选 综合性能测试仪 综合性能测试 光纤的生产制造工艺 2 夹棒 送棒装置3 光纤的位置控制 X Y水平装置 4 高温拉丝炉5 丝径监控仪6 一次冷却管7 裸光纤牵引装置8 一次涂覆9 一次涂覆同心度监控仪10 一次固化11 内涂层直径监控12 二次冷却管13 二次涂层14 外涂层同心度监控仪15 二次固化16 光纤直径监测17 PMD装置18 张力测试议19 摆轮 舞踏轮 20 双盘收线装置 光缆预期使用寿命及保证措施 光缆使用寿命主要取决于光缆所采用材料之间的相容性 耐环境适应性和光缆中光纤的余长控制 保证措施如下 1 对原材料的使用进行严格选取 2 根据用户对光缆的使用环境要求 合理设计光纤余长 严格控制生产工艺技术条件 确保光纤余长达到设计要求 3 依据光纤寿命的计算公式 对光纤寿命进行定量分析并做应变试验 验证设计和工艺控制的正确性 达到理论与实际相统一确保光缆预期使用寿命 光缆寿命计算 在静态负载应力 s下 经筛选试验的光纤在运行时间ts内的累计断裂概率F为 式中 ts预期寿命tp筛选试验时间Np筛选试验中每公里光纤的断裂次数L光纤总长度F光纤断裂概率n光纤疲劳系数m韦伯尔曲线斜率 p筛选试验中施加的应力 s静态负载施加的应力其中 C tp 取决于筛选试验中卸荷时间的系数 取决于材料和环境的常数由于 值和 值都很难确定 而典型光纤的C值很小 在0 10 2范围 当C 0时 F要大一些 因此 从保守角度考虑 取C 0 那么 我们可获得光缆寿命公式如下 在运行状态下的光缆 F 1 且1 e x x 则上式可简化为 其中 p光纤筛选时的应变 s光纤静态负载时应变保守取值 tp 1秒 F 0 01 Np 0 01 L 1000KM m 10 n 20 p 1 s 0 18 那么 ts 44 8年因而 可以保证我公司光缆使用寿命在30年以上 光缆的特性和材料 一 光缆特性光缆的主要特性包括 光缆中光纤的传输特性 光缆的机械传输特性 光缆的环境特性和光缆的电气特性 光缆的机械特性包括 光缆的拉伸 压扁 冲击 反复弯曲 扭转 卷绕 曲绕 弯折等 光缆的环境特性包括 光缆的温度特性 滴流性能 渗水性 阻燃性 防蚁性能 低温下弯曲性能和低温下耐冲击性能等 当光缆中含有作为导电或传输信号的电导体时 要检测光缆中电导体的电阻 电介质绝缘强度 绝缘电阻等 其它特殊用途的光缆还要根据其特殊性能要求进行特殊试验 二 光缆材料光缆是由光纤 高分子材料 金属 塑料复合材料及金属加强件等共同构成的光信息传输介质 光缆结构设计要点是根据系统通信容量 使用环境条件 敷设方式 制造工艺等 通过合理选用各种材料来赋予光纤抵抗外界机械作用力 温度变化 水作用等保护 光缆用材料很多 除了光纤外 构成光缆的材料可分为三大类 1 高分子材料 松套管材料 聚乙烯护套料 无卤阻燃护套料 聚乙烯绝缘料 阻水油膏 阻水带 聚脂带 当今 用作光纤松套管的材料有 聚对苯二甲酸丁二醇脂 PBT 聚丙烯 PP 和聚碳酸脂 PC 等 1 PBT以其优良的机械性能 热稳定性 尺寸稳定性 耐化学腐蚀性以及与光纤用填充阻水油膏和光缆用涂覆阻水油膏的很好的兼容性 而被广泛用来光纤松套管材料 评定PBT优劣的性能有 熔融指数 抗拉强度 断裂伸长率和兼容性等 2 聚乙烯护套料用作缆芯的防潮保护 称为内护套 聚乙烯护套料用作铠装保护层时称为外护套 外护套主要起到抗侧压 防湿 耐磨 抗紫外线等作用 评定聚乙烯护套料质量好坏的性能指针有 熔融指数 抗拉强度 断裂伸长率和耐环境应力开裂等 3 无卤阻燃聚烯烃护套料主要作用有低烟 无卤阻燃要求的光缆的外护层 评定它的质量的主要性能指针有 抗拉强度 断裂伸长率 极限氧指数 4 耐电压痕黑色聚乙烯护套料是为了防止由于放电作用而使光缆外护层产生电痕电蚀 因为ADSS光缆外护层必须选用耐电痕的材料 评定它的质量好坏的主要性能指针有 抗拉强度 断裂伸长率 耐环境应力开裂 介电常数 介电损耗等 5 高密度聚乙烯绝缘料蚀以其优良的机械特性 化学稳定性和良好的电气性能使之在光缆中分别用作骨架和填充绳材料 它具有良好的耐热应力开裂和耐环境应力开裂性能 与光缆阻水油膏有好的兼容性 评定指针主要有 熔融指数 抗拉强度 断裂伸长率等 6 由于光纤对水和潮气产生的氢氧根极为敏感 为了防止水和潮气渗入光缆 需要往松套管内纵向注入纤用阻水油膏 Fillingcompounds 并沿缆芯纵向的其它空隙填充缆用阻水油膏 floodingcompounds 旨在防止各护层破裂后水向松套管和缆芯纵向渗流 纤用阻水油膏应具有良好的化学稳定性 温度稳定性 憎水性 析氢分油极小 含气泡少 与光纤和PBT或PP兼容性好 并且对人无毒害无害等 缆用阻水油膏一般为热膨胀或吸水膨胀化合物 特别是吸水膨胀缆用阻水油膏具有吸水特性 评定阻水油膏质量的共同性能指针有 针入度 钢网分油 蒸发损失 酸值和析氢等 7 聚脂带具有良好的耐热性 化学稳定性和抗拉强度 并具有收缩小 尺寸稳定性好 低温柔性好等优点 聚脂带在光缆中用包扎材料 评聚脂带质量的主要性能指针包括 收缩率 抗拉强度 伸长率等 8 阻水带的阻水机理是吸水膨胀型阻水 即干性水溶膨胀材料阻水 阻水带是用粘接剂将吸水树脂粘附在两层聚脂纤维无纺布上构成的带状材料 阻水带除了具有良好的阻水性 化学稳定性 热稳定性 机械强度外 还免去了接续中擦掉阻水油膏的工作并兼有对缆芯的绕包带和缆芯进行保护的作用 评定的主要指针有 厚度 宽度 5min膨胀高度 拉断力 伸长率 含水量等 9 架设在高压电力输电线路上的全介质自承式光缆 ADSS光缆 其重量不是靠悬挂钢索支承 而是靠光缆自身配置的抗拉组件玻璃钢圆棒和芳纶纱来支承和抗拉强度悬挂在杆塔上 芳纶纱的优点是重量轻 抗拉强度大 一般 用芳纶纱作为标准组件的ADSS光缆的跨度范围为75 1000m 评价质量的主要性能指针有 线密度 破断韧性 破断时的伸长率及拉伸应变等 2 金属 塑料复合带 钢塑复合带 铝塑复合带 对于室外光缆 通常采用钢塑复合带或铝塑复合带来对缆芯进行纵向铠装 再与聚乙烯外护层构成综合性外护套 光缆经金属复合带铠装后 除了能达到防水隔潮作用外 还保护了缆芯免遭机械损伤 并提高了光缆抗冲击 耐侧压等机械性能 评定金属 塑料复合带质量的主要性能指针有 金属带厚 覆塑膜厚度 抗拉强度 断裂伸长率 金属带与覆塑膜之间的剥离强度和耐油膏侵蚀性等 3 中心加强件 磷化钢丝 不锈钢丝 玻璃钢圆棒等 为了抵御室外光缆在敷设和使用中可能产生的轴向应力 保证光缆在所允许的应力作用下工作 所以必须选用加强件来赋予光缆良好的抗拉伸 压扁和弯曲等机械性能 玻璃钢FRP FiberReinforcedPlastic 中心加强件的主要特点是重量轻 机械性能良好和抗电磁干扰 评价磷化钢丝质量的主要性能指针有 钢丝直径 抗拉强度 扭转次数和反复弯曲次数等 评价玻璃钢圆棒质量优劣的主要性能指针有 抗拉强度 拉伸模量 弯曲模量 弯曲强度和最小弯曲半径等 光缆的主要结构和特性 光缆的主要结构按缆芯结构分主要有三种 中心束管式 层绞式 骨架式 中心束管式 光纤束管直接放在光缆的中心位置 加强构件有的是平行于中心管放置在外护套中的两根钢丝 也有的是螺旋绞合在中心管周围的多根钢丝 层绞式光缆 二次被覆的紧套或松套光纤螺旋绞合在中心加强件上 S SZ骨架式光缆 光纤元件置于骨架槽内的光缆 具有较好的抗侧压能力 光缆的主要特性包括 光缆中光纤的传输特性 光缆的机械传输特性 光缆的环境特性和光缆的电气特性 光纤的传输特性包括 光纤衰减常数 截止波长 色散等 光缆的机械特性包括 光缆的拉伸 压扁 冲击 反复弯曲 扭转 卷绕 曲挠 弯折等 光缆的主要特性 光传输特性 机械传输特性 环境特性 电气特性 光纤的传输特性 光纤衰减常数 截止波长 色散等 光缆的机械特性 光缆的拉伸 压扁 冲击 反复弯曲 扭转 卷绕 曲挠 弯折等 光缆的环境特性 光缆的温度特性 滴流性能 渗水性 阻燃性 防蚁性能 低温下弯曲性能和低温下耐冲击性能等 光缆的电导绝缘特性 及当光缆中含有作为导电或传输信号的电导体时 要检测光缆中电导体的电阻 电介质绝缘强度 绝缘电阻等 特殊性能 其它特殊用途的光缆还要根据其特殊性能要求进行特殊试验 1 采用全色谱识别 每根带表面喷印数字 每带中光纤色谱顺序如下 2 采用领示色谱识别 光纤从左到右序号和光纤带从上到下的序号及色谱应符合下表 光纤带色谱识别 中心管式带状光缆主要型式 层绞式带状光缆的主要型式 GYDTA GYDTA53 GYDTA33 GYDTS GYDTY53 金属加强构件 光纤带松套层绞填充式 铝 聚乙烯粘结护套通信用室外光缆 金属加强构件 光纤带松套层绞填充式 铝 聚乙烯粘结护套 纵包皱纹钢带铠装 聚乙烯套通信用室外光缆 金属加强构件 光纤带松套层绞填充式 铝 聚乙烯粘结护套 单细圆钢丝铠装 聚乙烯套通信用室外光缆 金属加强构件 光纤带松套层绞填充式 钢 聚乙烯粘结护套通信用室外光缆 金属加强构件 光纤带松套层绞填充式 聚乙烯护套 纵包皱纹钢带铠装 聚乙烯套通信用室外光缆 光缆结构图解 2 144芯松套层绞式光缆 铝带纵包 产品型号 GYSTA应用范围 适用于长途通信和局间通信光纤松套管金属中心加强件敷设方式 管道 架空SZ层绞缆芯内填充油膏双面涂塑铝带粘结PE护套适用温度 40 60 UV固化光纤 2 144芯松套层绞式光缆 钢带纵包 产品型号 GYTS应用范围 适用于长途通信和局间通信光纤松套管金属中心加强件敷设方式 管道 架空SZ层绞缆芯内填充油膏双面涂塑钢带粘结PE护套适用温度 40 60 2 144芯直埋松套层绞式光缆产品型号 GYTA53应用范围 适用于长途通信和局间通信光纤松套管金属中心加强件敷设方式 直埋SZ层绞缆芯内填充油膏皱纹铝塑复合带粘结PE内护层适用温度 40 60 皱纹钢塑复合带粘结PE外护套 2 144芯防蚁直埋松套层绞式光缆产品型号 GYTA54应用范围 适用于长途通信和局间通信光纤松套管金属中心加强件敷设方式 直埋SZ层绞缆芯内填充油膏皱纹铝塑复合带粘结PE内护层适用温度 40 60 皱纹钢塑复合带粘结PE外护套 防白蚁外护套 2 144芯松套层绞式水线光缆产品型号 GYTA53 33应用范围 适用于长途通信和局间通信光纤松套管金属中心加强件敷设方式 水下SZ层绞缆芯内填充油膏皱纹铝塑复合带粘结PE内护层适用温度 40 60 皱纹钢塑复合带粘结PE外护套 镀锌钢丝铠装 聚乙烯外护套 2 144芯松套层绞式光缆 钢带铠装 产品型号 GYTY53应用范围 适用于长途通信和局间通信光纤松套管金属中心加强件敷设方式 管道 架空 直埋SZ层绞缆芯内填充油膏PE内护层适用温度 40 60 皱纹钢塑复合带粘结PE外护套 全介质自承式光缆 ADSS 产品型号 GYFTCY