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光纖光纜與通信電纜技術(shù)
摘 要
綜述了近期光纖光纜和通信電纜在制造、施工及維護技術(shù)上的發(fā)展特點(diǎn)，分析了其發(fā)展趨勢，并就我國光纖光纜及通信電纜技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了一些值得思考的問(wèn)題。 關(guān)鍵詞 光纖光纜 通信電纜 itu-t建議 技術(shù)發(fā)展
目錄
摘 要…………………………………………………………1
光 纖 技 術(shù)……………………………………………… 1
通 信 電 纜 技 術(shù)……………………………………… 5
1 光纖技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn) 1.1 網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展對光纖提出新的要求 下一代網(wǎng)絡(luò )（ngn）引發(fā)了許多的觀(guān)點(diǎn)和爭論。有的專(zhuān)家預言，不管下一代網(wǎng)絡(luò )如何發(fā)展，一定將要達到三個(gè)世界，即服務(wù)層面上的ip世界、傳送層面上的光的世界和接入層面上的無(wú)線(xiàn)世界。下一代傳送網(wǎng)要求更高的速率、更大的容量，這非光纖網(wǎng)莫屬，但高速骨干傳輸的發(fā)展也對光纖提出了新的要求。 1.1.1 擴大單一波長(cháng)的傳輸容量 目前，單一波長(cháng)的傳輸容量已達到40 gbit/s，并已開(kāi)始進(jìn)行160 gbit/s的研究。40gbit/s以上傳輸對光纖的pmd將提出一定的要求，2002年的itu-t sg15會(huì )議上，美國已提出對40gbit/s系統引入一個(gè)新的光纖類(lèi)別（g.655.c）的提議，并建議對其pmd傳輸中的一些問(wèn)題進(jìn)行深入探討，也許不久的將來(lái)就會(huì )出現一種專(zhuān)門(mén)的40gbit/s光纖類(lèi)型。 1.1.2 實(shí)現超長(cháng)距離傳輸 中繼傳輸是骨干傳輸網(wǎng)的理想，目前有的公司已能夠采用色散齊理技術(shù)，實(shí)現2000～5000km的無(wú)電中繼傳輸。有的公司正進(jìn)一步改善光纖指標，采用拉曼光放大技術(shù)，可以更大地延長(cháng)光傳輸的距離。 1.1.3 適應dwdm技術(shù)的運用 目前32×2.5gbit/s dwdm系統已經(jīng)運用，64×2.5gbit/s及32×10gbit/s系統已在開(kāi)發(fā)并取得很好的進(jìn)展。dwdm系統的大量使用，對光纖的非線(xiàn)性指標提出了更高的要求。itu-t對光纖的非線(xiàn)性屬性及測試方法的標準（g.650.2）最近也已完成，當光纖的非線(xiàn)性測試指標明確之后，對光纖的有效面積將會(huì )提出相應指標，特別是對g.655光纖的非線(xiàn)性特性會(huì )有進(jìn)一步改善的要求。 1.2 光纖標準的細分促進(jìn)了光纖的準確應用 2000年世界電信標準大會(huì )批準將原g.652光纖重新分為g.652.a、g.652.8和g.652.c 3類(lèi)光纖；將g.655光纖重新分為g.655.a和g.655.b兩類(lèi)光纖。這種光纖標準的細分促進(jìn)了光纖的準確使用，細化標準的同時(shí)也提高了一些光纖的指標要求（如有些光纖幾何參數的容差變�。�，明確了對不同的網(wǎng)絡(luò )層次和不同的傳輸系統中使用的光纖的不同指標要求（如pmd值的規定），并提出了一些新的指標概念（如“色散縱向均勻性”等），對合理使用光纖取得了很好的作用。所有這些建議的修改、子建議的出現及新子建議的起草，都意味著(zhù)光纖分類(lèi)及指標、測試方法有某些改進(jìn)，或有重要的提升；都標志著(zhù)要求光纖質(zhì)量的提高或運用方向上的調整，是值得注意的光纖技術(shù)新動(dòng)向。 1.3 新型光纖在不斷出現 為了適應市場(chǎng)的需要，光纖的技術(shù)指標在不斷改進(jìn)，各種新型光纖在不斷涌現，同時(shí)各大公司正加緊開(kāi)發(fā)新品種。 1.3.1 用于長(cháng)途通信的新型大容量長(cháng)距離光纖 主要是一些大有效面積、低色散維護的新型g.655光纖，其pmd值極低，可以使現有傳輸系統的容量方便地升級至10～40gbit/s，并便于在光纖上采用分布式拉曼效應放大，使光信號的傳輸距離大大延長(cháng)。如康寧公司推出的pure mode pm系列新型光纖利用了偏振傳輸和復合包層，用于10 gbit/s以上的dwdm系統中，據稱(chēng)很適合于拉曼放大器的開(kāi)發(fā)與應用。alcatel cable推出的teralight ultra光纖，據介紹已有傳輸100km長(cháng)度以上單信道40gbit／s、總容量10.2 tbit／s的記錄。還有一些公司開(kāi)發(fā)負色散大有效面積的光纖，提高了非線(xiàn)性指標的要求，并簡(jiǎn)化了色散補償的方案，在長(cháng)距離無(wú)再生的傳輸中表現出很好的性能，在海底光纜的長(cháng)距離通信中效果也很好。 1.3.2 用于城域網(wǎng)通信的新型低水峰光纖 城域網(wǎng)設計中需要考慮簡(jiǎn)化設備和降低成本，還需要考慮非波分復用技術(shù)（cwdm）應用的可能性。低水峰光纖在1360～1460nm的延伸波段使帶寬被大大擴展，使cwdm系統被極大地優(yōu)化，增大了傳輸信道、增長(cháng)了傳輸距離。一些城域網(wǎng)的設計可能不僅要求光纖的水峰低，還要求光纖具有負色散值，一方面可以抵消光源光器件的正色散，另一方面可以組合運用這種負色散光纖與g.652光纖或g.655標準光纖，利用它來(lái)做色散補償，從而避免復雜的色散補償設計，節約成本。如果將來(lái)在城域網(wǎng)光纖中采用拉曼放大技術(shù)，這種網(wǎng)絡(luò )也將具有明顯的優(yōu)勢。但是畢竟城域網(wǎng)的規范還不是很成熟，所以城域網(wǎng)光纖的規格將會(huì )隨著(zhù)城域網(wǎng)模式的變化而不斷變化。 1.3.3 用于局域網(wǎng)的新型多模光纖 由于局域網(wǎng)和用戶(hù)駐地網(wǎng)的高速發(fā)展，大量的綜合布線(xiàn)系統也采用了多模光纖來(lái)代替數字電纜，因此多模光纖的市場(chǎng)份額會(huì )逐漸加大。之所以選用多模光纖，是因為局域網(wǎng)傳輸距離較短，雖然多模光纖比單模光纖價(jià)格貴50％～100％，但是它所配套的光器件可選用發(fā)光二極管，價(jià)格則比激光管便宜很多，而且多模光纖有較大的芯徑與數值孔徑，容易連接與耦合，相應的連接器、耦合器等元器件價(jià)格也低得多。itu-t至今未接受62.5/125μm型多模光纖標準，但由于局域網(wǎng)發(fā)展的需要，它仍然得到了廣泛使用。而itu-t推薦的g.651光纖，即50/125μm的標準型多模光纖，其芯徑較小、耦合與連接相應困難一些，雖然在部分歐洲國家和日本有一些應用，但在北美及歐洲大多數國家很少采用。針對這些問(wèn)題，目前有的公司已進(jìn)行了改進(jìn)，研制出新型的5o/125μm光纖漸變型（g1）光纖，區別于傳統的50/125μm光纖纖芯的梯度折射率分布，它將帶寬的正態(tài)分布進(jìn)行了調整，以配合850nm和1300nm兩個(gè)窗口的運用，這種改進(jìn)可能會(huì )為50/125pm光纖在局域網(wǎng)運用找到新的市場(chǎng)。 1.3.4 前途未卜的空芯光纖 據報道，美國一些公司及大學(xué)研究所正在開(kāi)發(fā)一種新的空芯光纖，即光是在光纖的空氣夠傳輸。從理論上講，這種光纖沒(méi)有纖芯，減小了衰耗，增長(cháng)了通信距離，防止了色散導致的干擾現象，可以支持更多的波段，并且它允許較強的光功率注入，預計其通信能力可達到目前光纖的100倍。歐洲和日本的一些業(yè)界人士也十分關(guān)注這一技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的研究證明空芯光纖似有可能。如果真能實(shí)用，就能解決現有光纖系統長(cháng)距離傳輸的問(wèn)題，并大大降低光通信的成本。但是，這種光纖使用起來(lái)還會(huì )遇到許多棘手的問(wèn)題，比如光纖的穩定性、側壓性能及彎曲損耗的增大等。因此，對于這種光纖的現場(chǎng)使用還需做進(jìn)一步的探討。 2 光纜技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn) 2.1 光網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展使得光纜的新結構不斷涌現 光纜的結構總是隨著(zhù)光網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展、使用環(huán)境的要求而發(fā)展的。新一代的全光網(wǎng)絡(luò )要求光纜提供更寬的帶寬、容納更多的波長(cháng)、傳送更高的速率、便于安裝維護、使用壽命更長(cháng)等。近年來(lái)，光纜結構的發(fā)展可歸納為以下一些特點(diǎn)。 2.1.1光纜結構根據使用的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境有了明確的光纖類(lèi)型的選擇，如干線(xiàn)網(wǎng)光纖、城域網(wǎng)光纖、接入網(wǎng)光纖、局域網(wǎng)光纖等，這決定了大范圍內光纜光纖傳輸特性的要求，具體運用的條件還有可依據的細分的標準及指標； 2.1.2 光纜結構除考慮光纜使用環(huán)境條件以外，越來(lái)越多的與其施工方法、維護方法有關(guān)，必須統一考慮，配套設計； 2.1.3 光纜新材料的出現，促進(jìn)了光纜結構的改進(jìn)，如干式阻水料、納米材料、阻燃材料等的采用，使光纜性能有明顯改進(jìn)。 不同的場(chǎng)合和不同的要求造成了光纜的多結構的發(fā)展趨勢，新的光纜結構以及在現有結構上不斷改進(jìn)的各種結構也在不斷涌現，出現了如下一些類(lèi)型。 ·“干纜芯”式光纜：所謂“干纜芯”即區別于常用的填充管型的光纜纜芯。這種纜的阻水功能主要靠阻水帶、阻水紗和涂層組合來(lái)完成，其防水性能、滲水性能都與傳統的光纜相同，但它具有生產(chǎn)、運輸、施工和維護上的一些優(yōu)點(diǎn)。首先是方便，因為阻水材料不含粘性脂類(lèi)，操作使用比較方便安全；其次，干式光纜重量輕、易接續、易搬運，設備投資小、成本低，生產(chǎn)使用中也顯得干凈衛生，在長(cháng)期使用中還可減少纜芯中各種元件之間的相對移動(dòng)。特別是在接入網(wǎng)室內纜和用戶(hù)纜中，好處更加明顯。 ·生態(tài)光纜：一些公司從環(huán)境保護及阻燃性能的要求出發(fā)，開(kāi)發(fā)了生態(tài)光纜，應用于室內、樓房及家庭�，F有光纜中使用的一些材料已不符合環(huán)保的要求，如pvc燃燒時(shí)會(huì )放出有毒性氣體，光纜穩定劑中有時(shí)含鉛，都是對人體及環(huán)境有害的。2001年itu-t已通過(guò)了一項l45建議——“使電信網(wǎng)外部設備對環(huán)境的影響最小化”建議，通過(guò)對光纜、電纜光器件及電桿等基于壽命周期怦估（life cycleanalysis，lca）的方法來(lái)確定產(chǎn)品對環(huán)境的影響。由于環(huán)境因素正日益受到重視，對通信外部設備，特別是光纜產(chǎn)品規定這樣的指標已提到日程上來(lái)，如果不在材料和工藝上下功夫就難以達到環(huán)保的要求。因此已有不少公司針對此類(lèi)問(wèn)題開(kāi)發(fā)了一些新材料，如對室內用纜，開(kāi)發(fā)了含有阻燃添加劑的聚酞胺化合物，以及無(wú)鹵性阻燃塑料等。 ·海底光纜：海底光纜近年來(lái)有根快的發(fā)展，它要求長(cháng)距離、低衰減的傳輸，而且要適應海底的環(huán)境，對抗水壓、抗氣損、抗拉伸、抗沖擊的要求都特別嚴格。 ·淺水光纜（marinized terrestrail cable，mtc）：淺水光纜是區別于海底光纜而提出來(lái)的另一類(lèi)結構的水下光纜，適合于在海岸邊上、淺水中安裝，無(wú)需中繼、通信距離比較短的水下（如島嶼間、沿海岸邊上的城市）敷設使用。這種光纜區別于海底光纜的環(huán)境，需要的光纖數不多（中等），但要求結構簡(jiǎn)單、成本較低，易于安裝和運輸，便于修復和維護。itu-t在2001年提出了itu-t g.972定義下的淺水光纜建議，為建設類(lèi)似的水下光纜提供了一組規范，隨后也有可能形成相應的國際標準。 ·微型光纜：為了配合氣壓安裝（或水壓安裝）施工系統的運用，各種微型的光纜結構已在設計和使用中。對于氣壓安裝的微型光纜，要求光纜與管道之間有一定的系數，光纜重量要準確，具有一定的硬度等。這種微型光纜和自動(dòng)安裝的方式是未來(lái)接入網(wǎng)，特別是用戶(hù)駐地網(wǎng)絡(luò )中綜合布線(xiàn)系統很有潛力的一種方式，如在智能建筑中運用的智能管道中就非常適合這種安裝。 ·采用了納米材料的光纜：近來(lái)，一些廠(chǎng)商已開(kāi)發(fā)出納米光纖涂料、納米光纖油膏、納米護套用聚乙烯（pe）及光纖護套管用納米pbt等材料。采用納米材料的光纜，利用了納米材料所具有的許多優(yōu)異性能，對光纜的抗機械沖擊性能、阻水、阻氣性都有一定的改善，并可延長(cháng)光纜的使用壽命。目前此類(lèi)材料尚處于試用階段。 ·全介質(zhì)自承式光纜（adss）：全介質(zhì)光纜對防止電磁影響及防雷電都有優(yōu)良的特性，而且重量輕、外徑小，架空使用非常方便，在電力通信網(wǎng)中已得到大量的應用。預計2000～2005年，每年電力部門(mén)對adss光纜需求約15000km。adss同時(shí)也是電信部門(mén)在對抗電磁干擾及雷暴日高的敷設環(huán)境中一種很好的光纜類(lèi)型的選擇。在今后一段時(shí)間內，如何在滿(mǎn)足要求的前提下，盡量減小adss光纜的外徑，減輕光纜的重量，提高其耐電壓性能是adss光纜研究改進(jìn)的課題。 ·架空地線(xiàn)光纜（opgw）：opgw已出現了很長(cháng)一段時(shí)間，近年來(lái)一直在改進(jìn)和提高之中。opgw的光纖單元中采用pbt，于套管外面再加上一層不銹鋼管，有的還在塑料套管與不銹鋼管之間加上一層熱塑膠，不銹鋼管用激光焊接長(cháng)度可達數十公里，光纖在這樣的多層保護管中得到了充分的機械保護。預計從現在到2005年，opgw光纜的需求將會(huì )逐年上升，每年增加約2500km，到2005年預計可達到20000km。當然對opgw光纖的防雷問(wèn)題一直是業(yè)界十分關(guān)注的問(wèn)題，也應配合具體環(huán)境和使用條件加以考慮，使之得到充分保護。 2.2 光纜的自動(dòng)維護、適時(shí)監測系統已逐漸完善，可保證大容量高速率的光纜不中斷傳輸 光纜的維護對于保證網(wǎng)絡(luò )的可靠性是十分重要。在已開(kāi)通的光網(wǎng)絡(luò )中，光纜的維護和監測應該是在不中斷通信的前提下進(jìn)行的，一般通過(guò)監測空閑光纖（暗光纖）的方式來(lái)檢測在用光纖的狀態(tài)，更有效的方式是直接監測正在通信的光纖。雖然itu-t長(cháng)時(shí)間收集和討論了國際上的最新資料，于1996年發(fā)布了l.25光纜網(wǎng)絡(luò )維護的建議書(shū)，對光纜的預防性維護和故障后維護規定了詳細的維護范圍和功能，但已經(jīng)不能滿(mǎn)足當前的需要，目前最新的建議是2001年12月iut-t sg16會(huì )議通過(guò)的“光纜網(wǎng)絡(luò )的維護監測系統”（l.40建議）。為了進(jìn)一步縮短檢測及修復時(shí)間，美國朗訊公司曾提出了新一代光纖測試及監控系統，能在1s內發(fā)出故障告警，3min內找到故障點(diǎn)，且工作人員可以遙控操作，據稱(chēng)該系統還將開(kāi)發(fā)有故障預測及對斷纖（纜）的快速反應能力。日本、意大利等國電信企業(yè)也提出了一些系統方案。 ·日本ntt方案：在局內運用光纖選擇器與系統的測試設備和傳輸設備相連形成了一種可對光纖狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監測的系統，保證有用信號在通過(guò)光纖選擇器測試證明良好的光纖上傳輸，對有故障的光纖可以預選監測出來(lái)及時(shí)傳送到維護中心進(jìn)行適當處理，避免不良狀況進(jìn)入有用的光傳輸信道，從而起到在運行中對整個(gè)光通信系統的支撐作用；在局外通過(guò)水敏傳感器裝置可監測外部設備光纜線(xiàn)路接頭盒浸水的位置，水敏傳感器安裝在空閑的光纖上，水敏傳感器中裝有吸水性膨脹物，當水滲人接頭盒時(shí)，吸水性物質(zhì)會(huì )膨脹使得接頭盒中的光纖受力，也就是使得這一空閑光纖彎曲，從而使光纖的損耗增加，在監測中心的otdr上就會(huì )反映出來(lái)。
·意大利的方案：此方案是一種綜合處理的新型連續光纜監測系統。主要特點(diǎn)是將光纜網(wǎng)絡(luò )、光纖及光纜護套的監測綜合在一起，既利用了otdr系統周期性地對光纖的衰減進(jìn)行監測，發(fā)現有衰減變化即發(fā)出警報，并進(jìn)行故障定位，同時(shí)也能連續監測光纜護套的完整性，包括護套對地絕緣電阻的監測，發(fā)現問(wèn)題（如護套進(jìn)水等）即馬上告警，達到更全面地預告故障發(fā)生的目的。 比較日本和意大利電信部門(mén)提出的光纜維護支撐系統的方案可見(jiàn)：日本方案在otdr自動(dòng)適時(shí)測試光纖的基礎上，加入了光纖選擇器，在外線(xiàn)上裝設水敏傳感器并進(jìn)行護套監測，形成了一套較完整的自動(dòng)維護、支撐系統，真正做到不中斷光通信的維護。意大利的方案中除監測光纖性能以外，還考慮了護套絕緣電阻的自動(dòng)監測。由此兩例可以看出全自動(dòng)的光纜維護應是一種發(fā)展方向。 3 通信電纜的發(fā)展特點(diǎn) 3.1 寬帶的hya通信電纜需要更好地為數字通信新業(yè)務(wù)服務(wù) 原有的電纜網(wǎng)絡(luò )雖然可以支持一些數字新業(yè)務(wù)，但是在實(shí)際使用中并不是特別理想，在通信距離、速率及質(zhì)量上仍有一定的限制。對于新的網(wǎng)絡(luò )當然是以光纖為主，對于光纖所不能達到的地方或因各種原因仍然要新建電纜網(wǎng)絡(luò )的地區，應該考慮新型寬帶結構的hya電纜（銅芯聚乙烯絕緣綜合護套市內通信電纜），以便更能符合新業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。一些公司對現有的電纜高頻特性作了測試，他們得到的結論是所研究的電纜（即現有的hya市話(huà)電纜）不能達到5類(lèi)電纜的技術(shù)要求，戶(hù)外電纜要實(shí)現j類(lèi)電纜的特性，必須通過(guò)特殊的設計和制造來(lái)達到。但在20mhz以下，所有電纜都顯示出充分適宜的傳輸性能。 美國已在1997年制定了用于寬帶的對絞通信電纜標準（ansi/icea s-98-688-1997及s-99-689-1997），包括非填充和填充兩種型式。傳輸頻寬已擴展到100mhz，可供數字網(wǎng)絡(luò )使用。iec對此問(wèn)題也進(jìn)行過(guò)較長(cháng)時(shí)間的討論，2001年，iec 62255-1文件“用于高比特頻率數字接入電信網(wǎng)絡(luò )的多對數電纜”提出了0.4～個(gè)0.8 mm線(xiàn)徑、1～150對、最高頻率30mhz等指標的建議，此建議的提出也許會(huì )為這種電纜開(kāi)辟一個(gè)新的空間，我國也開(kāi)始了這方面的探討和研制，并正在建立相應的標準。 3.2 超5類(lèi)及6類(lèi)電纜將替代5類(lèi)電纜成為布線(xiàn)系統發(fā)展的超蟄 隨著(zhù)智能化大樓、智能化建筑小區對寬帶布線(xiàn)的要求愈來(lái)愈高，超5類(lèi)和6類(lèi)電纜己逐漸成為布線(xiàn)系統中的主流。超5類(lèi)電纜與5類(lèi)電纜的頻帶都是100mhz，但其具有雙向通信的能力，用戶(hù)可以同時(shí)收發(fā)寬帶信息。因此超5類(lèi)電纜比5類(lèi)電纜在電阻不平衡性、絕緣電阻、對地電容不平衡性、傳輸速度等指標上都有提高，并且增加了近端串音衰減功率和等電平遠端串音功率等一些指標，因此在工藝和結構上要做一定的改進(jìn)才能達到。6類(lèi)電纜在超5類(lèi)的基礎上，又提高了傳輸頻帶，達到250mhz，其相應的指標也有較大的提高。同時(shí)，6類(lèi)電纜要求不但有嚴格的工藝，而且不少廠(chǎng)商在結構上也有一定的改進(jìn)和創(chuàng )新，如采用泡沫皮絕緣芯線(xiàn)或皮泡皮絕緣芯線(xiàn)、
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