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技术论文
室内光缆技术应用与发展探讨

蒋小强  万冰  江苏通鼎光电股份有限公司
 
摘要:本文回顾了室内光缆产品和技术的发展历史,展望了室内光缆技术的发展趋势,指出随着通信技术的发展,室内光缆的应用领域不断扩大,并描述了适用于不同应用场景下的室内光缆产品。
关键词:室内光缆    光纤到户     带宽
 
1. 室内光缆技术发展的推动力
        光缆的作用在于使光纤免受环境变化和机械应力等外界因素对光纤造成影响,从而使光纤得以保持良好的光传输性能。因此,光缆的结构取决于光缆的应用场景。应用场景的环境特点,施工要求,成本要求和现有光缆设计制造水平等因素决定了光缆的结构。这几个因素中,施工方法可以创新,成本要求从属于技术性能要求,光缆制造水平会随光缆结构的要求而发展。所以,对光缆结构而言,光缆应用的所处环境特点是最具有决定性的因素。
        室内光缆的技术和发展也是如此。室内光缆最早主要应用于电信机房的设备跳纤,电信机房内的环境条件是室内光缆结构设计的主要依据。随着FTTH,3G/4G建设,三网融合,智能电网等进展,室内光缆的应用场景发生了变化,室内光缆的应用领域从电信机房扩展到了进户水平布线,楼内垂直布线,射频拉远,数据中心等等。这些新的应用场景对室内光缆的机械性能,环境性能等提出了新的要求,这些要求导致室内光缆的结构发生了深刻的变化。同时,在这些场景的应用中,现有的各种类型的室内光缆在应用过程中会逐渐体现出其优缺点。各种室内光缆在对现有应用场景下的机械性能、环境性能和施工方便性的改进将是这些室内光缆技术发展的方向。
        随着光纤应用向用户侧的不断延伸,光纤的大规模应用逐步推进到各种类型的室内场景,为室内光缆的技术发展提供了强大的推动力。
 
2. 室内光缆的结构
        室内光缆的结构可以从光单元,缆芯及加强构件,护套结构及材料等三个方面加以描述。其工艺技术也是相对于这四个方面的。
2.1 光单元
2.1.1  基本的光单元
        一般而言,室内光缆的光单元基本上是紧套光纤或光纤带。
        其中紧套光纤由光纤和被覆层组成。光纤可以是各种类型的单模/多模光纤;被覆层可以是聚氯乙烯,阻燃聚烯烃,弹性聚酯体,聚酰胺,紫外固化树脂等材料;被覆层与光纤的结合紧密程度可以是紧结构,半紧结构或松结构。
       在蝶形光缆中,直接以250μm着色光纤作为光纤单元来使用;在数据中心的布线中,为了减小光缆直径,也有直接使用着色光纤的多芯室内光缆的应用。着色光纤直接作为光单元的应用,拓展了室内光缆的光单元成员。
       目前,以紧套光纤、光纤带或着色光纤作为基本光单元的光缆构成了各种主要应用场景下的室内光缆。
2.1.2 新的光单元
(1)微单元(Micromodule或Microbundle
        在欧洲,近年出现了一种新的光单元结构:微单元(Micromodule或Microbundle)。这种微单元结构由多根着色光纤和一个薄壁松结构包覆层构成。光纤芯数主要是4芯、6芯或12芯;包覆层为LSZH材料,厚度为0.05mm~0.1mm;包覆层外径分别为0.9mm(4芯微单元)、1.1mm(6芯微单元)和1.3mm(12芯微单元)。
       这种微单元结构除了一般性的要求之外,主要特点在于不借助任何工具的情况下,在施工布放的过程中,可以用手掐的方式直接去除微单元的包覆层,一次性达10cm以上。另外一个特点是,可以借助微单元中的光纤,直接开剥包覆层。即用光纤以撕裂绳的方式开剥包覆层。以这样的微单元构成的室内光缆,为FTTH中楼道内的施工提供了极大的便利。
(2)松套结构
        以松套管为光单元的层绞式光缆主要应用于室外。松套管结构为光缆具有良好的抗冲击抗压扁能力提供了良好的基础;同时绞合结构可以产生光纤结构余长,使光缆具有良好的拉伸能力和温度性能。松套结构用于室内布线的主要障碍在于PBT和纤膏均不是阻燃材料,光缆的阻燃性能不能满足室内布线的需要。但是随着材料技术的进步和干式松套管技术的进步,以松套管作为光纤单元的室内光缆是否有好的应用前景,值得探讨。
(3)基于小直径的光单元
        为了解决光纤在城市内使用量增加导致管道资源的不足,室外光缆在光缆小型化方面进行了一些探索。其中基于200μm小直径光纤的室外光缆可以大大减少光缆的直径,提高管道的利用率,从而节省运营商的CAPEX。200μm光纤与常规光纤的差异主要在Coating的尺寸上,光纤的芯径和包层尺寸与常规光纤是一致的,因此,两种光纤在熔接和成端对接上没有任何问题。这种小尺寸的光纤,如果用于室内光缆直接作为光单元,或者以此为基础开发其他类型的光单元,均可以减少室内光缆的尺寸。对于在光纤用户密集的高层,超高层,商务楼宇和数据中心的布线,可以起到减少对布线空间的占用,提高布线中大芯数主干缆延墙柱拐角转弯的灵活性的作用。当然,这些还需要首先对这种光纤确定相应的行业标准,使得这样的一个技术方向得以规范有序的发展。
2.2 缆芯结构和加强构件
2.2.1 缆芯结构
        缆芯一般指由光单元(如松套管)加上中心加强件和其它构件(扎纱、阻水材料等)组合而成。其主要特征是生产过程中需要经过成缆工序。
        这里,对于缆芯结构可以理解得广义一些,而不以是否经过成缆工序为准。缆芯构成的基本单元可以是基本的光单元,也可以是自身能够单独使用的单芯或多芯室内光缆。室内光缆可以由单个或多个基本的光单元,如光纤、光纤带、紧套光纤等,直接构成构成缆芯。也可以由独立的单芯或多芯紧套光缆或蝶形缆组合成缆芯。总之,从广义上讲,室内光缆的缆芯结构是多样化的。缆芯基本单元的组合方式可以根据不同结构要求和基本光单元的特点采用直放、SZ绞或单项绞的方式组合而成。
2.2.2 加强构件
        室内光缆的加强构建一般采用芳纶、FRP、KFRP等非金属材料。除此之外,也有玻璃纤维纱、玻璃纤维带、芳纶带、超高分子量聚乙烯纤维纱等非金属材料作为室内光缆的加强构件的备选材料。采用非金属材料的好处在于光缆相对较柔软,易于室内或机柜内的布线。同时,可以避免室外雷电的引入,也可以确保与室内强电的绝缘。
        现在,出于提高蝶形光缆抗拉能力需要,在2mmX3mm蝶形缆和1.6mmX2mm的低摩擦蝶形缆中也有采用金属加强构件的产品。另外,由于室内光缆的应用范围已经中机房内走向了机房外,对于一些需要较高的侧压,抗冲击和防鼠咬的场合,也有以钢带绕包形成软钢管铠装层的室内光缆应用。对于这些含金属构件的室内光缆,在使用中应该限制在室内环境下使用,以避免室外雷电的引入。
        室内光缆的加强构件的放置方式也是多样化的。可以作为中心加强件放置于绞合缆芯的中央,也可以作为外围加强件放置于缆芯的外围,还可以对称嵌入在光缆的护套内。
        由于FTTH的室内布线与室外向室内的引入密切相关,出于施工方便性和降低工程总体成本的考虑,架空型和管道型引入光缆得到大量的应用。对于架空型引入光缆而言,一般由吊线部分和光缆主体部分连接而成。其中光缆主体部分一般为非金属结构,而吊线部分可能含有金属加强构件。对于这样的光缆,一般要求引入到建筑物的外墙处,对吊线部分剪断固定,其余光缆非金属主体部分单独进入建筑物内。
2.3 护套结构
        室内光缆的护套材料主要包括阻燃聚烯烃,聚氯乙烯和聚氨酯等等。
        护套的外观形状以圆形和易于撕裂分离的双圆形并列8字形为主。蝶形缆的出现打破了这一传统,蝶形缆的纵向沟槽结构,使得在光缆的施工中可以轻易地用手撕开护套,露出里面的光纤。
        2012年的IWCS上出现了一种新的护套结构。这种结构是在多芯蝶形光缆的基础上演变而来。这种护套结构上没有纵向的沟槽,代之以纵向的凸起。在施工中,借助简易的工具(如斜口钳),可以在任意指定的长度上对光缆“开天窗”,然后从中选取需要分歧引入到户内的光纤。从而使得在楼内布线中很容易的由多芯的光缆分歧至单芯的进户光缆。如图1所示。
              
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2.4 室内光缆的工艺技术
        室内光缆的工艺技术主要涉及到光缆各个组成部分的制造技术。除了常规光纤光缆所共有的预制棒、光纤拉丝、光纤着色和并带工艺技术外,室内光缆还具有自己独特的工艺技术。如紧套光纤制造工艺,微单元制造工艺,光纤涂覆工艺,子单元成缆工艺,以及满足各种形状和技术要求的护套工艺。
        这些制造工艺的目的在于满足室内光缆的性能,包括传输性能、机械性能、环境性能等等。要达到这一目的,需要在材料的选择、工装模具的开发、工艺参数的调试等方面进行努力。
        对于成熟结构的室内光缆的工艺技术,其发展的主要驱动力在于降低光缆的成本,提高市场竞争力。这一点需要通过提升工艺可靠性,提升产品合格率,减少原材料消耗,引入更有竞争力的光缆材料,提高生产速度,提高生产效率等方式来实现。
        对于新结构的室内光缆,其主要驱动力在于满足新的应用场景的要求,或在原有场景下具有新的功能。这一点,需要通过在新材料的引入,工装模具的设计开发,生产线辅机的配置,甚至新生产设备的引进和开发等方面的努力来实现。
3 各种应用场景下的室内光缆
3.1 FTTH入户光缆
        FTTH入户光缆是指楼内布线中从用户家庭外进入家庭内的光缆。
3.1.1 蝶形缆
        目前大规模使用的是2mm×3mm尺寸的蝶形光缆,典型结构采用G657A2弯曲不敏感光纤,LSZH护套,以KFRP作为加强元件。这种光缆中平行对称放置的加强元件能够较好的保护光纤,使得光纤在如此小的光缆结构中具有良好的抗侧压抗冲击性能,以满足楼道内的光缆布放的施工和使用环境要求。但是这种光缆的抗拉能力不强,短期允许拉力仅为80N。当布放施工中遇到阻力较大的穿暗管场景,或遇到不规范施工作业的时候,其抗拉能力较弱的缺点就显现出来了。
3.1.2 圆形缆
        圆形入户光缆的抗拉能力相对于蝶形光缆得到较大的提升。可以根据需要提供不同拉力等级的圆形缆。其中3mm的圆形入户光缆的抗拉能力可以达到500N,对于光缆进户布放施工的可靠性提供了保证。
3.1.3 低摩擦入户缆
        低摩擦入户光缆是在原有蝶形光缆的基础上演化而成。与2mm×3mm蝶形缆相比主要特点是:光缆尺寸减小到1.6mm×2mm,采用低摩擦系数的LSZH护套,加强构件采用金属材料。这些改变的目的在于提高光缆的抗拉能力的同时,减小光缆在穿暗管入户时的阻力,以提高光缆对入户施工环境的适应性。
3.1.4 预连接入户缆
        预连接入户光缆是在入户施工前,根据入户光缆的长度要求预先裁剪,并在工厂内预先在光缆上将光纤连接器成端的光缆。光缆本身可以是各种不同类型的入户缆。可以分为单端预连接和双端预连接。单端预连接光缆在施工时可以根据需要裁剪多余的长度,双端预连接光缆需要处理处理多余光缆长度的盘留问题。实际使用中,对于单端预连接光缆往往使用两倍所需长度的双端预连接光缆,在现场剪短分离成两个单端预连接光缆。这样便于预连接光缆在工厂内和施工现场使用前的的测试。预连接光缆的优势在于可以减少施工现场快速连接器的使用,用工厂环境内预先制作的连接器加以代替。其好处在于降低了成本,提高了质量可靠性和施工效率。预连接光缆的缺点是需要事先确定入户光缆的长度,对FTTH项目的工程管理水平提出了要求。
3.1.5 气吹入户微缆
        气吹入户光缆是随着气吹微缆技术的发展而产生的。通过预先敷设气吹微管连接家庭内外的光纤接入点,当需要用户需要光纤时通过气吹的方式,将气吹微缆或气吹光纤单元吹送到用户户内。对于这种入户方式,采用的气吹微管的尺寸一般为5/3.5mm规格,入户气吹微缆的尺寸应不大于2.7mm。对于气吹入户来说,随着具有阻燃特性的气吹微管、气吹集束微管和微缆(或光纤单元)等产品的出现,这一方案对于具有微管敷设路由条件的小区以及事先规划的新建小区具有较好的应用价值。
3.1.6 OPLC入户缆
        电力光纤到户采用OPLC,即光纤复合低压电缆。
        可以有两种方式。第一种方式是将入户的光缆集成到电缆中,即常规的OPLC。
        第二种方式是先将气吹微管集成到电缆中,入户的OPLC敷设好了以后,再在需要的时候将入户气吹微缆吹送到用户家里。
 
3.2 楼内垂直布线缆
3.2.1 垂直布线缆的场景和特点
        楼内垂直布线主要用于高层、超高层用户密集的楼宇或商用用户密集的楼宇中,从楼宇底部的光缆配线点(ODF或楼道配线箱)到用户室内的路由条件比较紧张,不便于为每户单独设置独立进户光缆的场景下。垂直布线缆可以减少光缆布放的根数,减少对光缆布放空间的需求。一般在垂直布线缆的用户侧会设置一个光缆分配点,然后通过入户光缆进户。如果采用二级分光的方案,并将二级分光器设置于这个光缆分配点内,垂直布线缆中的光纤芯数可以大大减小,可以降低光缆的尺寸,进一步减小光缆布放对布放空间的要求。
        垂直布线缆不一定是垂直的,而是泛指需要通过一根光缆将光纤分歧至入户光缆的场景下的布线缆,从这个意义上讲,楼内垂直布线缆甚至可以是水平布放的。
        目前用于楼内垂直布放的光缆主要有以紧套光纤为基本光纤单元的多芯室内缆,多芯蝶形缆等等。这些光缆适用于点对点方式的布放。而不适用于垂直布线缆需要沿途分歧至不同位置的光缆分配点的点对多点的布放方式。
3.2.2 一种实现点对多点布放的垂直布线
        法国电信所使用的垂直布线缆的结构值得借鉴。

图 2
        如图2所示,48芯垂直布线缆内由0.9mm的微单元构成基本的光单元,护套内共12个微单元,每个微单元内包含4根光纤,护套为LSZH材料,两根对称的FRP作为加强元件嵌入在护套内。护套内部为椭圆,外部为带凸起的圆形。这样的光缆便于在施工中用简易的工具开天窗,在两个距离 6 米的天窗之间,可以轻易的抽取所需要的光纤微单元 ,光纤微单元的包覆层可以用手掐掉10cm以上,然后可以将光纤象撕裂绳那样使用,撕开包覆层,取得所需要的光纤长度。这些特点,为密集用户的垂直布线的施工提供了极大的便利。
        对于点对多点的楼内垂直线缆的应用场景,需要光缆具有尺寸小,柔软易弯曲,便于开天窗抽取光纤,施工简单方便等特点。
3.4 数据中心
       数据中心内的存储设备和服务器之间需要大量的线缆连接,以满足其海量的信息传输要求。其特点是连接线缆密集,传输带宽要求高。由于数据中心的机房空间、机柜空间和走线空间均有限,采用传统的单芯室内光缆跳线完成这些连接非常困难,同时后期的维护管理更加困难。
       数据中心光纤连接所使用的光缆中,需要减小尺寸,从而减少光缆布线所占用的空间,同时便于后期的管理和维护。多芯小尺寸室内光缆或集束式室内缆可以有效的解决这一问题。同时,在这种小尺寸室内光缆的两端预制MPO连接器或LC连接器,构成预连接光缆或预连接扇出光缆,可以极大的缩减对布线空间的需求,提高布线质量的可靠性。
       有源光缆AOC(Active Optical Cable)是在近几年发展起来的一项技术。其特点是有源光缆的两端分别是电连接的物理接口,中间的传输部分采用光缆,在两端的接口结构中,增加光电转换装置。
集成了VCSEL激光器,支持QSFP结口的有源光缆可以达到40G的传输速率。有源光缆在数据中心的布线中可以替代铜缆。从而起到减小布线空间,提高传输距离,降低功耗的作用。
3.5 高清音频视频连接
       在数字多媒体应用领域,高清晰度视频音频应用越来越广泛。2002年,日立、松下、飞利浦、Silicon Image、索尼、汤姆逊、东芝等数家公司共同推出了HDMI 1.0版标准。现在HDMI广泛用于高清摄像机,高清电视机,高清投影仪,蓝光播放器等产品中,用于传输高清晰度的音频和视频信号。
       但是采用铜缆连接的HDMI的传输距离仅有十几米,限制了长距离的高清视频应用。基于HDMI接口的有源光缆可以将传输距离扩展到几百米。可以为影院,娱乐场所,体育场所,机场候机厅等场所提供长距离高品质的音频和视频。
       除了HDMI接口外,PC数据传输中也面临铜线高速率传输传输距离受到限制的问题。目前针对Thunderbolt和USB3.0接口,均出现了有源光缆的应用,以实现长距离的传输。
 
4 结束语
        随着光纤的应用越来越广泛,越来越走进人们的日常生活,在室内环境中光缆的应用也越来越多,趋势非常明显。随着社会发展的进步,人们对带宽的要求的提高,室内场景下的光缆的应用会渗透到人们日常生活的各个角落。FTTH,3G/4G,电力光纤到户,数据中心,高清晰多媒体传送,高带宽高速率PC数据传送等领域的发展给室内光缆的发展带来强劲的生命力。
 
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