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  • 论光纤网建设中的若干技术问题

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    上海电信工程公司 徐耀光 副总工程师
    摘 要:本文就光纤制造的最新发展技术,从光纤尺寸、机械可靠性和光纤的非线性对光纤的接续、安装和宽带传输的影响进行了讨论、并对光纤网建设提出了建议。

    关键词:光纤网建设 光纤的几何特性 光纤的机械可靠性光纤的非线怀

      自从人们在电信和CATV领域内广泛采用光纤以来,光纤在网络中的应用一直在不断深化,因而对光纤性能的要求也越来越高。随着光纤在宽带网建设中的应用,特别是大纤芯数的干线光缆向接入网延伸,安装施工技术人员面临由于光纤接点增多和灵活性要求增高而带来的新的挑战。对安装施工者的要求直接转化成对光纤的要求,例如简化接续过程,降低接续损耗,提高光纤布放和接续的强度,改善光纤传输的性能。

      近几年来光纤在几何性能上的一些改进,对提高接续效果起到了很大的作用。例如,在1986年接续12芯光纤需费时180分钟,到如今大约只需费时30分钟。现在,只要光纤平直,尺寸准确且纤芯恰好处于中心,即使采用冷接方法(无源定位)接续,也可以取得极佳的接续效果。光纤冷接方法确实有接续成本低、接续速度快、方便易行等一些优点。对于重视节约成本的安装施工者来说,其意义很大。就目前市话局所用的光纤网络中,接续成本要占网络铺设总成本的10%左右,因而降低接续成本是一项重要的工作。

      在光纤网络进一步延伸到用户的过程中,另一个突出的问题是在较小的体积内要安装更多的光纤可能加剧光纤的外应力。因而需要更为严格的光纤弯曲性能。这些问题会影响到光纤机械可靠性,并有可能严重影响整个网络的寿命。

      宽带光纤网的建设,DWDM技术的发展,用户端语音、图像、数据三网合一的构想,在传输链路和网络接点处的光纤系统非线性问题日显凸现,由非线性引入的干扰使各个波长的光信号功率没有增加,反而还有减少,这必然导致系统的抗干扰能力下降。

      针对上述的光纤问题,我们对光纤的属性和对光纤的最新技术发展对这些问题的影响进行一些讨论。

    一、光纤的几何尺寸

      包层直径 包层直径是指光纤的外径(系石英玻璃光纤),对包层直径的不良控制,有可能导致光纤在熔接机或连接器内的位置偏高或偏低。不良的包层直径影响着机械接续,现场安装压接连接器及用V型槽固定的机械熔接机的接续效果,从而迫使安装者使用成本较高的有源纤芯定位方法。

      目前,光纤生产制造商已将光纤外径规格从125.0±3提高到125.0±1微米,现有的测量技术还未能达到±1微米的测量精度。此光纤(规格为125.0±1微米)外径规格是最精确的规格,从而使光纤接续在无源定位时,损耗95%均在0.1dB以内。

      光纤翘曲度 翘曲度是指在特定长度光纤上测量到的弯曲度,可用曲率半径来表示弯曲度。可以设想将光纤放在一个大平面上并伸出平面一些,伸出部分因光纤属性(非重力)所自然形成的弯曲就是光纤翘曲。光纤翘曲度就是此弯曲的曲率半径。翘曲度(即曲率半径)数值越大,意味着光纤越直。在V型槽接续中,光纤的翘曲可能引起纤芯的不良反应,由此可能造成高损耗,从而需要使用成本较高的有源纤芯定位技术来克服此问题。光纤翘曲度在带状光纤中是非常重要的指标。目前,光缆制造商推出翘曲度大于等于4米的世界上最严的规格。

      纤芯包层同心度 所谓纤芯包层同心度,是指纤芯在光纤芯内所处的中心程度。不良的纤芯包层同心度,在各类接续设备与连接器内部会引起接续困难和定位不良。

      目前光纤制造商已将纤芯包层同心度从小于等于0.8微米的规格提高到小于等于0.5微米的规格。优良的光纤几何特性,是简化接续过程、降低接续损耗的关键所在。在包层直径、光纤翘曲度、纤芯包层同心度三个光纤几何特性中,纤芯包层同心度对接续损耗的影响最大,其次就是翘曲度。光纤翘曲度和纤芯包层同心度共同作用,可以对接续效果造成很大影响。根据模拟结果的分析,若采用最新的光纤,前述几何性质的改变在0.1dB的限值下,将熔接头合格率由93%提高到99%。由此可节约单芯光纤熔接入工成本6%。如果单芯光纤熔接成本为120元,则每个接头可节约7.2元。

      在带状光纤熔接中,接头合格率更为重要。在带状熔接机中,最多可有12根光纤分别在V型槽中对齐,同时完成接续。带状光纤接头的合格率取决于每根光纤的定位,而在带状熔接机中无法个别调整光纤,因而光纤的几何特性属于最为重要因素。选用纤芯包层同心度为0.8微米,翘曲度2.0米与纤芯包层同心度0.5微米、翘曲度4.0米两组光纤的带状熔接效果,相对于0.1dB的限值,合格率从40%提高到85%。这意味着每接续一带状12芯光纤可节省150元左右。

      带状熔接由于其节约成本的潜力,使得在网络建设和修复中,应用相当广泛。对此在光缆网建设中,应尽量使用光纤带状成型技术,使单芯与带状光纤熔接。

    二、光纤机械可靠性

      一般来说,二氧化硅包层光纤的机械可靠性已经得到广泛的认可。在光纤使用现场,由于经过专门的设计和安装技术的进步,很少遇到与光纤强度或疲劳比相关的机械可靠诠问题。

      然而在特定条件下,仍有可能发生断裂。在筛选中出现的光纤断裂是由光纤本身的缺陷造成的。只要光纤的距离足够长,在其上总会存在残存的缺陷,尽管这些缺陷数量很小;其中一些缺陷将导致光纤的强度勉强高于筛选水平。随着时间推移,这些缺陷甚至可能在应力大大低于筛选水平的情况下带来问题。在过去行业界的经验法则是确保光缆所受应力低于筛选水平的1/5。通常最大值为20Kpsi(千镑/平方英寸)。实验证据表明,在松套管内带状光纤比普通单芯所承受

    的响应力更大,并已随着光纤网应用的普及,控制较差而应力较高的安装将有更多机会出现。为了提高光纤机械可靠性,在光纤的外包层中掺入二氧化钛。在75、50、40mm光纤弯曲网络实验中,二氧化硅光纤和掺钛光纤的故障率都很低。但掺钛光纤与二氧化硅光纤相比,掺钛光纤可多承受10Kpsi(40%)的应力。从而可以增加网络的寿命。

    三、光纤的非线性

      宽带网络的建设,已经离不开光纤和由光纤组成的系统。随着网际网络的使用和其他数据、服务业务的高速成长,我们的网络宽带通信信道要求至少每两年增加一倍。

      网络带宽的物理限制有频带限制和功率限制两种。光纤信道显然不受频带限制,但却受功率限制。这种受制主要表现在光纤本身的功率容量有一定的限度,当传输的光信号的功率超过这一限度时,由非线性引起的各种恶化将迅速增加。增加光纤有效面积实际上是解决光纤各种非线性问题的主要途径。康宁公司的LEAF光纤是一种非零色散位移大有效面积的单模光纤,比传统非零色散光纤增大了三分之一有效面积,从而为密集波分复用系统提供了良好胜能和较低的成本。

      朗讯公司的TrueWave Rs光纤,由于在C波段和L波段有较小的色散斜率使其最低色散得以增加,比一般的非零色散位移光纤降低36%左右,从而更好地抑制四波混频(FWM)和非线性效应,这一点在目前的多媒体应用中相当重要。

      TrueWave Rs光纤、LEAF光纤与传统的单模光纤兼容,使用相同的安装和接续技术,并且在1550nm和1600nm两个应用波段中具有较好的抗微弯和宏弯性能。

    四、结论

      宽带网中的光纤被大量采用,在诸如接头损耗、安装应力、非线性等方面,存在着许多技术问题。然而,光纤技术的发展,特别是一些性能方面的改善,又大大促进了光纤的应用。

      光纤在几何特性方面的技术发展,能够使接续变得简单、快捷,节省大量的资金,从而为光纤到桌面的系统成为大量的应用的可能,例如以及AMP公司的MU、MT-RJ Connectors系统,使光纤连接变得像铜线一样简单易行,特别是3M公司的Volition系统,制作一个双纤光纤连接器,只需2分钟,且采用无源定位、连接损耗相当低,成本也很低。同样,光纤芯径的改善和掺钛光纤的出现,使得安装抗应力应变的阻力大大增强。目前,在宽带光纤网建设中,由于光纤纤芯数量大,安装空间受到环境的限制,往往非常拥挤,使得光纤的外应力大大增强。我们采用新型的光纤,那么对宽带光纤网的系统的可靠性将大大增强,无论对网络维护还是应用,均带来很大的效益

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