光缆1550nm窗口衰减变化分析及改善方法探讨

光纤与电缆及其应用技术 Optical Fiber＆Electric Cable 2000年第 2期 No．2 2000 [理论研究] 光缆 1 550nm 窗 口衰减变化分析 及改善方法探讨 铝 ⋯缆 ⋯ 。 g [擅 耍] 本文讨论了光缆中光纤在 1550nm渡长窗 口衰减变化的影响因素，重点分折了引起 衰减变化的两太主要因素 一一 余长和氢损问题，并提出了相应的改善方法，希望能给光缆、制造 ，塑光纤篮塑 先计 窑 [关-调]型，塑光纤篮墨量 椰 [中圈分粪号] TN81~：~TN811 ．5 [文献标识码] B [文章鳙号] 1006—1908(2000) 02—0003·-08 Analysis of attenuation change in optical fiber cable at 155岫 m window and research oD the improvement ZHU Chen—xi (Shmnfu Optical Fiber＆ Cables Co．，LTD．．Xi—an 7l008Z，China) Abstract：This article discusses the factors affecting the attenuation change of fiber in a cable at 1550nm window ，concentrating on excess fiber length and hydrogen loss， The corresponding im— provementmethods are proposed．which maybebe lpiuIto design+manufacture and use offiber op— tic cables． Key words：fiber optic cable；attenuation；excess fibe r lengthf hydrogen loss 1 引 言 我 国早期 生产 、使 用 的光缆 所用 光纤几 乎全部是 G．652单摸光纤(G．651多模光纤 很少使用，G．653单摸光纤极少使用)，并且， 主要使用在 1310nm 窗口，1550nm 窗口尚未 利用，随着通信事业的迅速发展，信息高速公 路 的推广 ，系统 扩容升 级 ，延长无 中继距 离， 近几年来 155Onto 窗口很快得到应用 ，尤其 是 掺铒光纤放大器(EDFA)、渡分复用技术 [牧■ 日期] 1999—09却 [作誊1膏介] 朱晨培(1965一 )，男，山东人，酉古光钎光 毵有傩 公 司技术部 砷部 长 ．高 缓工程 舜 ．西 安 市 首批 有 突出贡 t中青 年专家 [作者地址] 朱晨曩．西安撬园路 2o号．710082 (WDM)，以及色散补 偿技 术的成 功应用 ，在 1550nm 窗 口以多个高 比特 率波 长信道进 行 长系统距离传输得到普及，强计不久 G．655 光纤将在我国得到推广使用。故而，1550nm 窗口特性已显得更为重要。 2 存在问题 我 国以前已建 的光 缆网络 中 ，基本 没有 考虑 今后 开 通 1550nm 窗 口，未 研究 该 波长 窗口的传输特性，特别是其衰减变化，随着光 端 设备 和器 件的飞速发展 ，系统扩容 升级 ，使 用 1550nm 窗 口时，出 现 了 不 少 问 题 。如 1310nm 处衰减增加不 明显 ，但 1550nm 处衰 减却增加很大，已接近 13lOnm 处的衰减值； 维普资讯 http://www.cqvip.com 4 光纤与电缆及其应用技术 Z000年第 2期 成 品光 缆 存放 一 段 时 间后 ，1 550nm 处衰 减 明显增加；光缆经施工后或在严寒和酷暑条 件下 运行 ，会出现 1550nm 衰减 明显 增 加等 问题 。据权 威部 门透 露 ．信息产业部在今明两 年将 对 已建 线 路 进行 质 量普 查，尤 其是 155Onm 窗 口 近 年 来 建 设 的 各 光 缆 工 程 均 已 对 1 550nm 窗 口制 定 了严 格 的 要求 ，现 在对 光 缆 1550nm 处 衰减 的要求 已近乎 苛 刻(平 均 值≤ 0．20dB／km，最大值≤0．2]dB／km)。而 1 550nm 窗 口衰减对 各种 因素 特别 敏 感 ，必 须在设 计 和制造 中严格 控制 ，才 能达到稳 定 可靠的产品质量要求 这给各光缆厂提出 了 新的挑战。光纤厂不断改进光纤结构设计 ，谋 求 光纤具 有最佳 的抗弯 曲(抗微弯 )特性 。光 缆 厂 通过 改 善光缆 结 构设 计 和严格 工 艺 控 制 ，使光 纤在制缆后 产生 尽 可能 小 的跗加 衰 减 ，并使衰减长期稳定 ，这成 为各光缆 厂重点 解决的技术难题 ， 3 衰减 增大 的原 因分析 引起 光缆衰减变 化 的 因素 很多 ，按 出现 的先后顺 序 可分 为 以下三种类 型 ：制造 中的 衰减 变化 ，施工 造成 的衰减 变化和 长期使 用 中的衰减劣 化 3．1 制造 中的衰减 变化 生产制造 中造成 的衰减变化是光缆衰减 变化的主要环节 ，它 与光缆 结构 设计 、材料选 择 、工艺 条件和设备 因素 密切相关 。 在制造 过程 中 ，光 缆 中的光 纤衰减 变化 主要表 现 为衰减 增大 ，但也有 一些 衰减减 小 情况 ，这 主要是 由于光纤弯 曲半径增大所致 ， 极少数情况下是由于光纤抗弯曲(抗微弯)特 性差 造成 。 制 缆中的衰减增 加 主要 表现 在着 色后、 套塑后 、成缆后和挤 制护套后。 注 ： 下束 注明的 衰蕾 均指 在 155Onm扯 的衰碱 着色 引起衰减增加是 因为收线 张力较大 或排线不整齐或固化不 良所致，甚至有段差 现象 出现 。多数没有影响 ，经 复绕 后可恢复正 常 套塑 引起 衰减 增加的 因素 较 多．PBT 和 纤膏材料特性 、工艺条 件的变化 、设 备因素等 对 衰减增 加都有很 大影 响 ，最 终结果 为套 塑 余长不合适造成衰减增大 台适余长的松套光纤经成 缆后 发现衰减 增加 ，多半是 由于成缆 中放纤 张力过大 ．吃掉 了松套 管 中光纤余 长所 致 ，这 种情况 中心 柬 管式光缆尤为多见。松套层绞式光缆 的绞台 节距的控制也是重要因素之一 。骨架 式光缆 ， 由于裸 光纤直 接放入 骨架槽 内，因此其 衰减 增 加 与骨架 足寸 (槽 型 和节距 )、槽壁表 面及 材料 的选用(骨架料 和油膏 )有关 ．此外 ，光纤 放 线张力 和骨架 放线 张力匹 配也极 为重要 ， 否则 ，余长过大产生过度弯 曲，余长过小 光纤 受侧压 ，均会产生 1 550nm 衰减增加 。 在 正常情况 下 ，挤护 套不 会产 生衰减 变 化 ，只有 在余 长控制不 当或材料 选择 不 当的 情况 下会产生 衰减 增加 ，其主要原 因是 牵 引 张力 和缆 芯放 线 张力过大 或护套 冷却 不够， 造成缆纵向 回缩 ，余长变 化所 致 再者，材料 选用 不 当，析 氢较 严 重 ，使 光 纤谱 损 产 生 劣 化 ，水 峰 增 高，谱 损 曲 线 尾 部 上 翘，造 成 15O0nm 衰 减 增大 ，多在挤 护 套 后 摆 放一 段 时问后 出现此 现象 。 3．2 施工 造成衰减变化 光 缆施工完后 ，出现 1 550nm 衰减增加 ， 则一 要检查 光缆 中光 纤余 长是否 够长 ，二 要 计算光缆 中的加强件是 否能保证抗短 期和长 期拉 力 ，这 要求光缆 的设 计切实满 足施工 的 实际条件 ，尤其 是短 期拉 力下 ，加强件应在弹 性 范围内 ，光缆应变 可恢复 。施 工后 衰减 发生 变化 多见于低成本 的农话光缆 中 。 3．3 光缆在运行使用 中衰减劣化 光缆在运行使用中衰减变化多发生在架 维普资讯 http://www.cqvip.com 朱晨曦：光缆 1550nm 窗口衰减变化分析及改善方法探讨 空光缆上 ，架 空光缆处 在严寒 酷 暑、风力 、冰 受的恶劣环境中。衰减发生变化是由于余长 过大 或选用加 强件 截面过小或杨 氏模 量过低 所致 ，如光缆衰减增大长期无恢复 ，则 多半说 明氧损造成光缆 1 550nm 衰减 劣化 。 4 改善衰减变化 的几点措施 4．1 光缆 的设 计 ， 光缆 的设计思想是最大 限度完 善光纤 的 各项性能指标 ，不使其在制缆后产生劣化 ，并 能使光缆具 有较 宽 的应用范 围。 1)光纤的选择 光纤是光缆 的传输媒体 ．是光缆的核心 ． 根据 光网络 系统 的不 同使用 要求 ，选择 合适 的光纤种类 是至关 重要 的。 对我 国现 行 使用 最 为普 遍 的 G．652单 模光 纤而 言 ，不 同厂商 及 品牌的成 品光纤 其 差 异 突 出反 映 在衰 减 特 性上 ．1550nm 窗 口 衰 减特 别敏感 ，其抗 弯 曲特性 (抗微弯特 性 ) 各 不 相 同．所 以 ．ITU—T 在 G．652、G．653、 G．654、G．655中都 分别对 1550nm 弯曲特 性 做 了明确的规定 。选择抗微 弯特性好 的光纤 制缆 ．对 1 550nm 衰 减 能够 保持稳 定 不变 是 至关 重要 的。 21光缆 中光 纤余 长设计 中心管式光 缆(或松套光纤 )余 长计算方 法 如下 (a)螺旋状态 ： = (L1+ (呈 ) t 一 1}× 100 (1) p 弯曲半径： 一 [1一 ) ] (2 (b)正弦状态 ： ‘一 (1+K )“ [1一÷( × 100 (3) 其中K一笔墨 弯 曲半径 ：n一 [1+ ( )2c。 ( in( z) (4) 当 f一(2n+1) 时，p 为最小 ． D 2 最小 一 __ ‘5) 式中． 、 为光纤 在松套管 中的余 长． 为松 套 管内半径 为螺旋节距 ，P 为正弦节距 ． 为光纤 弯曲半径 (螺 旋状 态下)． 为光 纤 弯 曲半径 (正 弦状 态下)，t为参 变量 ，K 为节 径 比 ( (口l 图 1 光纤 在橙 套 管 中的典 型就 态 )光 纤呈螺 旋状 态 ；(b)光奸呈 正 弦牲态 对 中心管式光纤 ，从式(1)和式(33可知 ． 光纤 余长与 管 内半径 和节距 有关 ．一般 内半 径大 ．节距小 ，余长则大 但节距小易使光纤 弯曲半径变小 ．弯曲半径小到一定程度(据我 们 的经 验 ，其 I临界 值接近 70mm)时 ．光 纤要 产生 附加弯 曲损耗 。增 大管内半径是增加余 长的最好办法 。 松套层绞式光缆余长计算方法 如下 套管和光缆的余长 ： s一 ×100％ ㈣ 一瓦 弯曲半 一 1+ ( ㈣ 式 中，￡为松套 管和光缆 的余 长 ，D 为等效节 维普资讯 http://www.cqvip.com 6 光 纤 与 电缆 厦其 应用技 木 2000年第 2期 距 圆直 径 ，R为松套管 内半径 ， 绞台节距 。 筻 褂 量 虫 缬 {三__!与 收缩 仁== 自由状态 王兰三三暑 伸 匠 图 2 描 套 层绞 式 光 缆 杂 长 窗 口(印光 纤 伸 长和 光缆 伸长 ) 松套层绞式光缆余长由两部分构成 (e+ 或 )，主要余长为绞台余长式(6)，松套光 纤的余长为附加余长式(1)、式(3)。从式(6) 可知 ，增 大加强件外径和管 内半径 ，减小绞台 节距 ，均可增大余长 增加加强件外径 ，即产 生 1+6绞系至 1+12绞系，但光缆外径较 粗 ，成本较高 。所 以，尽管采用 减小 绞舍 节距 和适当加大管内半径，增大余长较好，这只对 生产效率略有减小。 3)光缆材料选择 光缆主要原材料的合理选择对光缆 中光 纤余长控{}I且保持长期稳定至关重要；选择 不 当会 造成析 氢量 过大 ，光缆产生 氢损 引起 1550rim 衰减增大 。 影响光缆中的光纤在制造、施 工 运行过 程中余 长变 化的主要 原材料有 ： (a)PBT 我们选择 了材料理 化性 能较好 (数据 差 异 不大)的不 同厂家不 同牌号 的 6种 光纤套 管用 PBT做了较全面性能试验 ，包括工 艺试 验和产品试验 其工艺试验主要数据对比如 表 1所示 。试验条件 ：挤 制 42．0mm 松套管 ． 4纤／管 ，各 2km；生 产线 速度 50m／rain，干燥 条 件为 120℃ ，2h。 寰 1 工艺试验对 比寰 注 ：挤出 温度为 各供 应商提 供 的最 佳塑化 祖度 ，根据设 备实 际状况 略加谭 整。 从表 1所示 的生 产结果 看，在 正常 生产 工艺条件下 ，不同的 PBT 只在外观上和挤 出 状况不同外，常温下的 PBT松套光纤余长无 明显变化。 维普资讯 http://www.cqvip.com 朱 晨曦 ：光 缆 1550ran窗 口衰碱变 化分 析 厦改善 方法 探讨 后收缩试验结果 如表 2所示 。试 验条 件 套管各取 6个样 品 ，3m／个 ，70℃ ，24h。 裹 2 后收缩试验结果 从表 2所示 的试验 结果可 看 出 ，在高温 下 ，X2和 X4的后收 缩 率较 小 ，X3和 X1后 收缩率较 大 。 耐水 解 性能实 验结果 如表 3所 示 ，实 验 条件 ：温度 100℃，相对 湿度 100 ，】0天 。 寰 3 耐水解性能实验结果 从表 3所示的实验结果可看 出 ，X6耐水 解 性能 最差 ，髟 响光缆 的使用寿命 。X5和 X2 耐水解性 能较 好 ，可保证光缆寿命达 25年以 上 ， 将上述六种 PBT材料制成光缆 2kin，对 该光缆进行机械物理性能 和耐环境温度性能 及产品工 序衰减 (】550nm)试验和测试 机械 物理 性能试 验结 果如表 4所示 ，系按照 GB． 7452{光缆 的机械性能试验方法 》的要求进行 的拉伸、压扁、冲击试验。 从表 4所示 的试验结果可看 出 ，X4料 管 的光纤应变最太，说明余长最小；x5料管的 光纤应变最小，说明余长最太 压扁、冲击性 能均符合相关标 准 ，证 明这几种 PBT 的机械 强度是满足要求 的。 环境 温度试 验按 照 GB．8405{光缆 的环 境性能 试验 办法 》进行试 验，温度循 环为 ：一 2o。C一 一 30。C一 一 40。C一 一 50。C一 ～ 6O。C一 + 70℃ 一 + 2O℃ 一 一 40~C~ 一 50。C一 + 70。C 一 +2O℃ 在 各个温度点光纤 1550nm 的附 加衰减 如表 5所示 。 寰 4 机械性能试验结果 维普资讯 http://www.cqvip.com 光 纤与 电缆 及其应 用技 术 2000年第 2期 从表 5所示 的温度 结 果可 以 看 出，X6、 X2和 X4三种料管 的光纤 附加衰 减较 小 ，其 中 X4料管 的光纤 在 低 温下 衰 减降低 0．023 dB／km，说 明该管中的光纤余长偏小}另外三 种 (X1、X3、X5)PBT料管 的光纤 附加衰减 均 较大，说明余长较大，为 PBT后收缩所致。 在 制缆 试验 中，生 产(1+ 6)结 构 的松套 层纹 式光缆 ，~km，各工 序 1550nm 衰减变化 统计见表 6。 衰 6 工序寰曩统计(155ikmt) ~／dB·km 疰 ：J为喜 塑 ，A 为毂绣 ·S为 护套 ，A—T为套 塑至 绞线 ·S—A 为较线 至护套 ．S T 为套塑 至护套 。 从工序问衰减统计结果可看出，X5挤制 造成光纤余长的增加，xl余长也偏大，这一 的松套光纤在挤护层后衰减增加很 大，X3挤 结果 与前面的试验结 果基 本吻合 制的松套光纤在挤护层后的最大附加衰减也 在光缆批量试验中，选择上述各项性能 达到 0·036dB／km，明显超过其它光纤(≤0． 均较好 的PBT(Xe)~Ya缆批量生产试验 试 02dB／km)，说 明这两 种 PBT 的收缩较 大 而 验条件 ：挤 制 十2．0mm 松套 管 ，4纤／管 ，康 宁 维普资讯 http://www.cqvip.com 来 晨曦 ：光缆 1550am 窗 口衰减 变 化舟析 及改 善方法 探讨 9 28光 纤 ，2km／$ ×4盘 ，西 古 Vm 光 纤 ， 3kin／盘 ×1盘 。试 验结 果如表 7和图 3所示 。 裹 7 橙套光纤案长统计 罩 罄 力 ，选 择合适的截面尺寸至关 重要 ．确保光缆 在最 大拉 力下 ，加强件 应变 曲线不进 入非线 性 区域 。 曙 r- 衰减 0B·k 图 4 ≠2．Omm 柑 套光 纤 (109kin)155Ohm 衰 减 统计 分布 其 中最 大 值 为 o 255dB／km；最 小值 为 0 l6Zd[3／km；平 均 值 为 0．188dg／km 0 l 2 3 4 5 拉 伸应 f A0 1％ 图 5 几种钢丝的拉忡应变曲线 其 中 2．6 l和 1 6(a)是粗 细 不 同 而 场 氏模 量 橱 同 ， 1 5(a)和 1 5 Cb)是 粗细 相同而 话氏模 量不 同 选 择光缆原 材料 还必须 考虑 析氢问 题． 为 保证光缆 中光纤 衰减 长期稳定 ，氢 损 的影 响必须 引起 足够 的重视 ．选择 合适 的光缆 材 料 (尤其 是金属材料和油膏)是很 重要的 以 下 是我们对磷化钢线 和镀锌钢线 分别在多组 份缆材混和后的析氢量试 验 。不 同缆材组合 维普资讯 http://www.cqvip.com 1O 光纤 与电缆及其应用技术 2000年第 2期 下 析 氢量 试验 结 果 如表 8所示 ，实 验条 件 8OC ，24h ㈣ 一一 光缆 期允 许持力 o I 2 34 5 6 7 8 910jl12l3 拉伸应变 0 I 图 6 光 缆拉 力和 应变 曲线 裹 8 不同缆材组台下析氢■试验彗果 洼 ：l 七种 材料 分 为三类 ：纤 膏或 缆 膏为 第一 组份 ；铝 塑 带或钢 塑 带为 第二 组份 ；镀 锌钢 丝 、或 镀锌 钢 绞 墼 +PE、或 磷化钢 丝第 三纽份 。 2 纤 膏 +缆 膏 ．两者 质量 比为 l00 】00，第 二组 份 与第 一组份 质量 比分别 为 】8·】00和 49 】00；第 三 组伢 与 第 一 组 份 质 量 比分 别 为 65·】00．69 l00和 65：lO0 析氢 量均 以油膏质 量计算 。 析 氢量随 时 间的变化 曲线 如图 7所示 。 试验条件：8O℃，时间不同。材料组合：缆膏 ： M ● j 商 时间 t／h 匿 7 析 氢量 随 时间 的变化 铝塑带 ：镀锌钢丝 一100：1 8：65(质量 比)， 结 果以缆膏质量计算 。 由图 7可见 ，同样材质的钢丝 ．在同等条 件下 ，表面磷 化和表 面镀锌 的析氢量 相差 1 个数量级还多 。析氢量选择合适原材料影响 较大 ，要保证 1550nm衰减不受氢损影响 ，应 选择合适 的材料 综 上所 述 ．要保 证光 缆 中光 缆 1 55Ohm 衰减稳定 ，不仅需控制好余长，而且应避免氢 损 ．这就 需要有合 理的结构 设计 和光纤 及光 缆 主要 原材料的合 理选 用 ，确保 光缆 达到设 计要求 。 4．2 制缆工艺控制 光缆在设计结构确定后 ，根 据不 同设 备 ， 产品类 型材料 制定做 最佳 工艺参数后 ．需 对 各工艺参数严格执行是保证光缆产品质量的 前提条件，尤其是影响余长的关键工序 ：套塑 工序和成缆工序 ，对套 塑工序生 产线速 、水冷 速度、放纤张力、余长牵引、收线 张力和成缆 工序的绞合 节距，放线张力等的严格控制 ，是 得到稳定工序余长的关键．这方面讨论较多， 在此 不再赘述 5 结 论 不论 是 中心 管式 光缆 、松套层 绞式 光缆 或骨架式光缆合理的结构设计，得 当的材料 选择和严格的工艺控制是制造优质光缆的关 键 ，是确 保光 缆 1550rim 衰 减长 期稳 定不 变 化的前提。 [ 参 考 文 献 ] [1] 1TLI T建议 G．651(1997年正式版奉 )、G．652、G． 653、G．654、G．655(1996年正式版车)_s]． [2] 邹韩森．中心瞥式和绞合式光垃中奸棠长探讨[I] 先 通信研 究 、l993(1)：3_7． ：3： 朱晨曦 骨架光境小型化设计研究 [J]电线 电鬟、 l993．(5)：2 6 蚴 蠕 z 维普资讯 http://www.cqvip.com