发际线高适合寸头吗:中心束管式带状光缆设计及工艺性能优化

中心束管式带状光缆设计及工艺性能优化

北京康宁光缆有限公司 高级研发部技术工程师

城域网及接入网的高速发展将增加对光纤的需求,带状光缆由于其光纤集成度高且铺设费用低将得到广泛使用,本文介绍中心束管式带状光缆的设计方法,制造过程中工艺参数对带状光缆性能的影响,以及如何进行工艺参数优化使用光缆具有良好的传输性能,机械性能及环境性能.


    目前光纤网络的建设逐渐由国家骨干网转向区域网及城域接入网,在光纤城域网及接入网中,由连接的节点较多,往往需要铺设大芯数的光缆,而采用带状光缆有很多优点:
· 带状光缆其光缆的集成度,即相同的光纤芯可以将光缆结构做得较小,占用路由资源较少;
· 降低光缆熔接费用,提高安装效率;
· 由于光纤成本的下降,带状光缆的成本降低;骨干
· 光纤带及光缆制造技术的进步,使得带状光缆与普通的散纤光缆的光纤损耗基本相近;
· 光纤带比光纤具有更好的机械性能;
    在国外,光缆长途干线上亦大量采用带状光缆,而在国内在大城市的城域网中多采用带状光缆.带状光缆按其结构有中心束管式, 层绞式,骨架式结构. 中心束管式带状光缆由于其具有良好的抗侧压及弯曲性能,单位面积其光纤芯数最大即相同大小的外形尺寸其光纤芯数最大等特点在国内外得到广泛使用.

光缆缆芯设计
    中心束管式带状光缆缆芯在整个光缆设计中基础,主要起到保护光纤的作用,在套管与光纤带之间填充光纤油膏，对光纤带受到侧压时起到很好的缓冲作用。设计主要是根据光纤带尺寸及芯数来确定缆芯尺寸即缆芯的内径, 厚度及外径及根据生产中光纤带的制造节距及控制余长来验证光纤的曲率半径不能引起光纤损耗增加.其设计主要原则:

    其中: W- 光纤带的宽度, n-光纤带数量,T-光纤带厚度,Di-光缆缆芯管内径
其光缆的缆芯芯管厚度根据光纤带数量的多少可选择在0.7mm~1.5mm左右.因此芯管外径：

    由(1),(2)式可知：要使芯管尺寸最小且光纤带填充度最大，其光纤带排列（W*nT）的宽度及重叠厚度应相等，据此可对芯管内的光纤带类型进行选择，一般常用的光纤带芯数为6芯，12芯或 24芯。
 根据以上关系，可以得出芯管最大内径与光缆总芯数及光纤带类型的关系图：
从左图可知：为使光缆结构合理，紧凑且芯管尺寸最小，光纤芯数在48芯之下，可选用6芯光纤带， 48~216芯可选用12芯光纤带，而在288以上则选择24芯光纤带。
下图是12芯带光缆(216芯)及24芯带（432芯光缆）的芯管结构设计图。
   

光缆加强单元设计
光缆的加强单元可据光缆的不同应用环境可分为金属加强及非金属加强。光缆在铺设及应用过程中所经受的机械张力主要由加强单元来承担，因此加强单元的设计计算及加强材料的选择显得十分重要。
其主要计算公式：
上式中：
e_fel 光纤余长
e_c-加强单元允许最大应变
e_fiber-光纤允许应变
F-光缆允许的最大拉力（N）
d-加强单元的直径
n-加强单元的数量
E-加强单元的弹性模量
m-设计安全参数

    其光纤在光缆中的余长，光缆应变及光纤应变的关系图可参考上图，根据上图及 （3）式可计算加强单元的大小及数量。一般来说,光缆应变0.3%~0.4%之间,光纤应变在0.05%~0.25% 是合理区间,而中心束管式带状光缆的余长控制在0.15%之下较合理.

光缆结构设计
    在确定光缆芯管及加强单元后，即可进行光缆结构设计，包括阻水材料，铠装层及护套材料的选择及尺寸确定。中心束管式带状光缆常用的光缆结构有以下两种：一种是以两根平行加强单元，比较适合于216芯以下带状光缆，包括金属加强及非金属加强;另一种是采用加强单元绞合结构，包括金属及非金属加强绞合结构, 在216芯以上的光缆多采用此种结构，特别是非金属绞合结构层既对光缆主要起抗张作用,又增强对光缆缆芯的抗侧压能力, 对光纤带及芯管起很好的保护作用。外加阻燃护套可在城域网中与电力管道同沟铺设, 具有很广阔的应用前景. 下图是几种典型的带状光缆结构:


与层绞式带状光缆结构比较
    光缆结构设计最重要的任务是在外力及环境变化时能保证光纤的传输性能基本不变，即所有的光缆结构设计均是围绕如何更好地保护光纤。 对于带状光缆来说，最容易受外力及环境变化引起光纤性能变化的是光纤带排列矩阵中的边角光纤( corner fiber of ribbon stack) , 对于中心束管式而言，不论其光纤芯数多少，光纤带的边角光纤总是4根，而层绞式光缆中每一套管中便有4根边角光纤，随着其光纤芯数增大，其边角光纤随之增多。因此层绞式带状光缆在套管绞合工序或在光缆铺设过程中，对这些边角光纤造成压应力而产生微弯损耗的可能性增大。
相对于层绞式光缆结构来说，中心束管式的带状光缆由于光纤带位于光缆中心位置，因而具有较好的抗侧压及弯曲性能，同时其单位面积的光纤芯数最多即光纤集成度高，重量轻，结构尺寸较小，容量开剥，可以节约路由资源及便于施工。

带状光缆工艺及性能优化
    带状光缆制造工艺是光缆设计的具体实现，良好的制造设备及工艺工装设计必须达到以下的主要目的：
· 光纤带的制造过程中的过程增加损耗最小
· 光纤带有合适的余长使光缆具有良好的机械性能
· 光缆具有良好的温度特性即高低温性能

    光缆的质量来自于过程的制造质量而非检验出来的，因此必须通过工艺优化设计来达到光缆的综合性能即具有良好的过程附加损耗，机械性能及温度特性。在带缆制造工艺中,光纤带的放线张力及绞入节距, 填充油膏温度,光纤带余长控制都是关键工艺参数,特别是当以机械牵引方式产生余长的生产线上必须严格优化其张力大小来控制其光纤余长.在实际中可通过正交试验设计方法来进行工艺参数优化, 从而达到光缆性能优化的目的。下面以216芯中心束管式带状光缆为例进行说明如何优化光缆性能.

216芯带状光缆工艺及性能优化
通过对过程进行分析以下因会影响光纤带成缆附加损耗，光缆机械性能及温度特性：
· A.填充油膏温度 Temp. Of filling compound
· B.光纤带绞入节距 Lay length of ribbon stack
· C.余长牵引张力 Big wheel tensions
    根据对经验数据进行分析对每一因素选取二水平即进行三因素二水平的正交试验设计，其设计表如下表左侧。 试验生产光缆长度为1.4km，采用12芯光纤，216芯共有18列光纤带矩阵，其中第一带及第十八带的BL,AQ纤均为边角光纤，四组光纤带采用同一组光纤带，对四次试验后的光缆进行OTDR光纤损耗测试，光缆机械性能(拉伸)试验及高低温试验 （-40?C,70?C, Keep 24Hours）。下表右侧为试验后光缆的附加损耗，边角光纤的光纤应变及光缆高低温试验中光纤的损耗变化。图形中左图为四盘试验光缆的低温附加损耗图，右图为四盘光缆边角光纤应变与温度特性关系图。


   通过对以上试验结果进行各因素及交互作用统计分析可知：
在第二次重复验证上次试验条件组合,即采用T1(A1B2C1)及T2(A2B1C2)的工艺条件分别生产一盘带状光缆,其光纤低温损耗曲线图如下: 从上面二次试验说明:
· 不同的工艺参数对光缆的性能结果影很大
· 边角光纤的成缆附加损耗及低温附加损耗较其它位置光纤高

· 在相同的拉力作用下，边角光纤的光纤应变较其它位置光纤应变大。光纤应变从0.05%到0.25%之间变化时，高温时 (+70?C)边角光纤附加损耗基本不变，但在低温时(-40?C)对边角光纤影响很大，因此边角光纤在制造工艺窗口比较窄。在实际生产时必须严加控制光纤带的制造余长。
· 上述优化的试验条件具有重复性,即第一次试验结果组合的试验条件能优化光缆的机械,环境及加工性能.
· A1B2C1组合工艺参数可以优化光缆性能使光纤的附加损耗较低，光缆具有良好的机械性能及温度特性。

总结
   中心束管式带状光缆具有光纤集成度高及其良好的综合机械性能特别是的抗侧压及弯曲性能,将在城域网及接入网中得到广泛使用,在中心束管式带状设计中,其缆芯结构设计及加强单元的设计与选择至关重要,中心束管式带状光缆主要有两种结构,其结构的选择可依据应用环境及光纤带数量的多少而定; 光缆的制造工艺对光缆的性能产生很大影响, 当光缆设计确定后,必须对光缆制造工艺进行总体优化,才能使带状光缆具有良好的传输性能,机械性能及环境性能, 即优化的光缆设计必须通过优化的制造工艺去实现.