第2章光纤拉制及成缆.ppt

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1、第 2 章 光纤拉制及成缆,2.1 光纤的分类 2.2 光 纤材 料 2.3 光纤的拉制 2.4 光纤成缆技术 思考与练习,随着通信技术的进一步发展, 光纤光缆已逐步取代电缆成为国家通信的主干线。 内容：光纤的种类、材料和制作方式, 以及光缆的类型、设计要求和制造工艺、拉制和成缆。,2.1光纤的分类,光纤的基本结构十分简单,是由光折射率较高的纤芯和折射率较低的包层所组成。纤芯和包层的折射率差异导致光在纤芯发生全内反射,从而使光在纤芯内传播。 为了保护光纤不受外力和环境的影响,在包层的外面一般都加有涂敷层。 典型的通信用光纤截面图,对于单模光纤,其标 准包层直径是125m,加上涂敷层后,光纤直径

2、约为250m。 不同类型的光纤虽然由纤芯、包层、涂敷层三个基本部分组成,各自的几何尺寸差异却很大。,阶跃光纤与渐变光纤的横截面和折射率分布,光纤的分类,光纤的分类方式多种多样, 一般按照光纤内部光能传输的稳定模式数来确定。 多模光纤：能以多种模式传光的光纤即为多模光纤。 单模光纤：而只能传输单一模式的光纤则称为单模光纤。,多模光纤,阶跃多模光纤是一种具有大的芯径和大的数值孔径的光纤, 纤芯与包层界面上折射率呈阶跃分布, 即纤芯和包层的折射率各自保持常数, 纤芯折射率较高, 包层折射率较低, 一般由多组分玻璃化合物或掺杂石英玻璃制成。 大芯径和大的数值孔径有利于提高光纤收集光功率的效率, 在图像

3、传输和照明中使用广泛;但芯径和数值孔径的增大也使光纤的模式色散增加, 不利于长途通信。,阶跃多模光纤和渐变光纤,渐变光纤的横截面折射率则是渐变的,芯径相对较小,具有更好的抗弯曲性能。 制备这种光纤选用的材料纯度比大多数阶跃光纤材料纯度高,加上折射率梯度分布,使得这种光纤具有小的色散和低的衰减,其性能特征比阶跃型多模光纤要好。 但和光波长有关的折射率微小变化会引起残余色散,不同模式间相互干扰还会产生模噪声,从而限制了渐变光纤的性能,使这种光纤同样不适合于长距离通信。,单模光纤,单模光纤以其损耗低、频带宽、容量大、成本低、易于扩容等优点, 成为一种理想的长距离通信介质得到广泛的应用。 随着光纤放大

4、器、时分复用技术、波分复用技术和频分复用技术的发展,单模光纤的传输距离、通信容量和传输速率都得到了很大的提高。 但复用技术也使光纤的色散和非线性效应更为显著, 为解决光纤的色散问题,研究人员开发出了几种折射率特殊分布的单模光纤: 非色散位移光纤、色散位 移光纤、截止波长位移光纤、非零色散位移光纤、色散平坦光纤、色散补偿光纤。,光纤其他分类,光纤按其本身的材料组成不同, 可分为石英光纤、多组分玻璃光纤、液芯光纤、塑料光纤、氟化物光纤、硫硒碲化合物光纤。 按光纤横截面上折射率分布状况, 可分为阶跃光纤、梯度光纤、W型光纤、三角形光纤等。 按传输光的工作波长可分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤

5、。 按光纤用途不同, 除通信用的光纤外, 还有军事上的高强度导弹用的光纤、医学上激光手术 刀用的传能光纤、内窥镜用的传像光纤、特 种传感器用的偏振光纤。,表 2. 1 大芯径阶跃折射率石英光纤的特性*,* 芯径超过200m 的光纤的带宽未给出额定值 , 因为它们很少用于通信。,2. 2 光纤材料,材料是光纤的核心, 如果没有高度透明的材料, 光纤通信是不现实的。 在选择制造光纤的材料时主要考虑的因素有: 纯度高、透明度高、折射率径向分布易于精确控制等, 同时要注意材料自身的机械强度和化学稳定性。 气体材料在可见光和近红外区域光衰减很小, 但折射率难以控制。 一些液体材料的光衰减也很小, 但液体

6、的折射率随温度变化明显, 同样难以对折射率实现精确控制。,1. 光纤材料的选择,固体材料的光衰减虽然较大, 但光学特性稳定, 也容易实现对折射率的控制。 固体材料可分为非晶体材料和晶体材料。 晶体材料(如石英、蓝宝石、碱金属卤化物晶体)的光衰减比非晶体材料低, 但晶体材料的大规模生产极为困难, 而且晶体材料的折射率也不易控制。 非晶体材料中的玻璃是理想的光纤材料, 因为某些氧化物玻璃和氟化物玻璃在可见光和红外区域具有很小的光衰减, 这些玻璃极易制成纤维, 并且可通过改变这些玻璃的组成比例很容易地控制其折射率分布。,由 SiO2 组成的石英玻璃对可见光和近红外光有很高的透光能力, 并且这种玻璃具

7、有良好的化学稳定性和较高的机械强度, 通过添加不同的掺杂剂, 也很容易改变石英玻璃的折射率。 石英玻璃来源充足、价格低廉, 是制作光纤的首选材料。,石英光纤的主要原料是高纯度卤化物, 如四氯化硅 ( SiCl4 ) 、四氯化锗( GeCl4 ) 、三氯化磷( PCl3 ) 、三氯化硼( BCl3 ) 、三氯化铝( AlCl3 ) 等。 液态试剂沸点低、易汽化, 常含有一些金属氧化物、非金属化合物、含氢化物和络合物等。 其中金属杂质的吸收峰值波长区域从紫外波段0. 2m 起, 经过可见光波段, 一直到红外的1. 1m 附近, 它们将严重影响光纤0. 85m 短波长波段的衰减。,2. 光纤材料的提

8、纯,而 OH- 有很大的变形性, 容易产生振动吸收, 其影响程度和范围都很大, OH吸收衰减是影响光纤波长波段( 1. 01. 8m) 衰减的主要因素。 得到低损耗光纤, 必须降低试剂中金属杂质的总浓度, 尽量消除OH-离子的影响, 因此必须对卤化物原料进行严格的提纯。,分类:精馏法、吸附法或精馏吸附混合等方法。 过程:在氢氧火焰中燃烧SiCl4 , 产生氯化物蒸气和二氧化硅, 然后沉淀成白色、蓬松的粉尘状物。 由于SiCl4的沸点为 57. 6, SiCl4变成蒸气与氧气反应, 而其他铁、铜等金属氯化物 沸点比SiCl4高得多, 在 57. 6时仍然是液态。,目前广泛采用的提纯技术,优点:用

9、精馏法得到的熔石英可将杂质降低至十亿分之一的水平, 能满足生产光纤的需要。 缺点:精馏法不能有效地除去沸点与SiCl4相近的杂质和某些极性杂质,SiCl4中的OH- 对光纤的损耗影响最大。 原因: 它主要来源于SiHCl4和其他含氢化合物, 这些物质大多有极性, 容易形成化学键被吸附剂吸收。而SiCl4是非极性分子, 有稳定的电子结构, 不易形成化学键, 不易被吸附剂吸收。 解决办法:可利用被提纯物和杂质的化学键极性不同, 选择适当的吸附剂, 用吸附方法实现提纯的目的。,图2. 1 精馏吸附混合法提纯流程图,对于气态原料, 采用吸附法除去杂质。 当气体原料通过一 级或多级净化器后, 可以达到要

10、求的纯度。 目前通过蒸馏、吸附提纯方法, 可以将原料中的绝大部分过渡金属杂质浓度减少至10-9 以下, 从而可以忽略过渡金属离子对损耗的影响。通过改进工艺, 基本上可消除OH离子的影响, 实现长波长 “低衰减窗口”(1.30m、1.55m) , 使得光纤的损耗谱实现了“全窗口”谱线。,3. 光纤材料的折射率控制,提纯后的石英是制造光纤的基本材料, 但也不能用纯石英来制造光纤。原因：光纤需要高折射率的纤芯和低折射率的包层, 而所有纯石英具有单一的折射率, 从0. 55m处的1. 46 减小到1. 81m处的1. 444。 解决方法：需要对石英掺杂, 以改变它的折射率, 但掺杂必须选择, 以避免吸

11、收光或对光纤质量和透明性产生其他有害影响。,图2. 2 是常用的各种掺杂剂对石英玻璃折射率变化的作用示意图。 大部分掺杂剂能使石英的折射率增加, 可用于光纤的高折射率纤芯, 而纯石英用作较低折射率的包层。 最常见的纤芯掺杂剂是锗, 它在化学上与硅相似, 锗对光的吸收相当低, 二氧化锗(GeO2 ) 与石英一样, 也能用于制造玻璃。,从图2. 2可知, 仅有几种材料能降低石英的折射率, 其中最常用的是氟, 它降低石英的折射率后可用作光纤的底折射率包层, 从而使采用纯石英纤芯成为可能。硼也可以降低纯石英的折射率, 但不像氟那样明显。,目前常见的匹配包层、凹陷包层、塑料包层阶跃折射率石英光纤都是通过

12、在纯石英中添加不同掺杂剂来实现的。,图2. 3 三种阶跃光纤掺杂方式和折射率曲线。,匹配包层光纤是对光纤纤芯掺杂, 使其折射率高于纯石英的折射率, 而纯石英可用于整个包层; 凹陷包层光纤以更少的掺杂使光纤纤芯的折射率增加较小, 同时对包层掺杂( 通常用氟) , 以降低包层的折射率; 塑料包层光纤以纯石英作纤芯, 折射率低于石英的塑料作包层。 前两种设计通常用来制造单模阶跃光纤, 后一种设计可制造多模阶跃光纤。,2. 3 光纤的拉制,作为一种特殊的传光物质, 除对光纤结构、材料有特殊要求外, 其制作工艺也相当重要。 光纤制造要经过如图2. 4 所示的流程。所有这些工艺是全自动且高效的。在获得折射

13、率分布图和所需尺寸特性方面, 每种方法都可达到高级别的精度。,图2. 4 制造光纤的工艺流程,1. 制棒,把原材料通过提纯使之符合光纤制作要求后, 就可以开始制纤了。 首先是制棒, 即制作预制棒。制作出的预制棒一般是直径1020cm, 长 50 100cm 的圆柱形硅化合物。 预制棒结构是由外部折射率较低的包层和具有特定折射率分布图、损耗和其他特性的纤芯组成, 简单地说这就是一根加粗加大的光纤。,光纤预制棒的工艺,制作光纤预制棒的工艺很多, 大体可分为气相沉积法和非气相沉积法。 过程：气相沉积法是预制棒制备最常采用的方法。它是将液态的SiCl4 、掺杂剂和氧气混合, 在反应室内发生氧化反应生成

14、氧化物的粉尘, 这些粉尘沉积在基底棒或管上形成预制棒。 控制：由于粉尘是层层覆盖堆积升高的, 通过控制掺杂剂浓度, 精确地控制各层粉尘的折射率分布, 得到梯度折射率或阶跃折射率分布。,气相沉积法,气相沉积法根据粉尘状物沉积方式和最终熔化为预制棒方式的不同： 可分为棒外气相沉积法、改进的气相沉积法、等离子气相沉积法、轴相气相沉积法。 优点：气相沉积法可以制造优质光纤, 缺点： 但该方法所需原料昂贵、工艺复杂、光纤材料品种单一。,1) 化学气相沉积法( CVD),美国康宁公司1970 年首先得到 20dB/ km 的低损耗光纤所采用的方法 化学气相沉积法, 它是光纤制造采用的基本工艺。 这种工艺必

15、须满足两个要求, 即高纯度和精确控制折射率分布。 为形成具有光学质量的玻璃, 还必须将沉积产生的高纯度石英玻璃粉末进行烧结处理。,2) 改进的化学气相沉积法( MCVD),这一工艺由贝尔实验室在 1974 年开发出来, 被广泛用于渐变折射率光纤的生产。 MCVD 法的特点是在石英反应管内沉积内包层和芯层的玻璃, 整个系统处于封闭的超提纯状态下, 所以用这种方法可以生产高质量的单模和多模光纤。 这一工艺中, 预制棒分两步制造, 即沉积和成棒。,沉积时先将一根空心的石英玻璃管安装在同轴旋转的车床上, 将 SiCl4 、掺杂剂气体和氧气输入石英玻璃管, 用氢氧焰喷灯沿轴向匀速移动, 加热石英玻璃管外

16、表面。,图2. 5 改进的化学气相沉积法制造预制棒,3) 等离子气相沉积法( PCV D),这是由菲利浦公司、荷兰消费电子和电信公司在 1975 年联合开发出来的。 它不同于MCVD 的地方在于加热反应区的方法不是 通过燃烧灯把热量从外部传输进去, 而是利用微波激活气体, 使气体电离成为等离子, 即离子化气体, 简称等离子体。 带电离子重新结合时, 释放出的热量可用于熔化高熔点制纤材料。,PCVD 法工艺流程如图2. 6 所示。,图2. 6 等离子气相沉积法制造预制棒,在沉积阶段, 当炉体内的实际温度为1200时, 离子区内的粉尘电子可获得约60000的能量。 电子以非常高的速度移动, 当它们

17、与离子重新组合时, 相当可观的能量将以热能形式释放出来。 借助低压等离子产生的热量使流进空心石英玻璃管内的SiCl4 、掺杂剂气体和氧气发生反应, 使所需的氧化物直接沉积在基底硅管上, 而不形成粉尘。在这一工艺中并不需要固化阶段。因为不受粉粒子( 0. 1m) 尺寸的限制, PCVD法得到的沉积层厚度很薄, 大约1m, 在石英管内可沉积高达上千层的氧化物。 该方法适用于制造精密、复杂折射率分布的光纤。这就是 PCVD方法的关键优点。,4) 棒外气相沉积法( OV D),这是由康宁公司( Corning) 在 1972 年研发出来的第一个批量光纤制作工艺。 OVD 法通过沉积和固化两个步骤完成预

18、制棒的制作。 在沉积阶段, 用高纯度氧作载体将 SiCl4 气体送进火焰喷灯嘴, 在高温下发生水解反应, 生成构成纤芯和包层材料的玻璃氧化物粉尘, 用氢氧焰喷灯局部加热旋转棒外表面, 使这些氧化物粉尘沉积于旋转棒的周围, 如图2. 7 所示。,图2. 7 棒外气相沉积法制造预制棒,在沉积过程中, 通过改变每层的掺杂剂种类和掺杂浓度可以制成不同折射率分布的光纤预制棒。 旋转棒并不是光纤的一部分, 仅仅起着衬底的作用。 率先沉积的玻璃粉尘将形成光纤的纤芯, 随后沉积的玻璃粉尘形成光纤的包层。旋转棒的热膨胀系数与沉积在其上面的玻璃层的不同, 因此在玻璃熔结成预制棒之前, 可以容易地将旋转棒取出。该阶

19、段结果是产生一个粉尘预制棒。,日本科学家在1977年开发出了VA D 法。VAD法是把SiCl4 、掺杂剂气体送入氢氧火焰喷灯, 使之在氢氧火焰中水解, 生成氧化物粉尘, 即石英玻璃微粒。这些粉尘沉积在基底棒或种子棒的下端部, 而不是表面, 如图2. 8 所示。,5) 轴向气相沉积法(VAD),图 2. 8 轴向气相沉积法制造预制棒,非气相沉积法 6) 多组分玻璃法,多组分玻璃的成分是以重量占百分之几十的SiO2为主, 还包含有碱金属、碱土金属、铝、硼的氧化物等玻璃的总称。 特点是: 折射率一般比石英玻璃高, n=1. 49 1. 54, 可用来制作大数值孔径( NA = 0. 20. 6)

20、的光纤;熔融温度比石英系玻璃要低一些, 在1400以下; 抗压抗拉强度也低于石英玻璃 。,7) 凝胶法,凝胶法是一种生产塑料光纤预制棒的方法。 它利用高分子聚合物中分子体积不同而发生选择性扩散来制造梯度折射率分布的塑料光纤预制棒。,8) 机械成形光纤预制棒法( MSP),机械成形预制棒工艺-低成本的光纤生产工艺。 生产过程: 采用预先制好的、掺杂不同的纯石英粉, 分别用在纤芯和包层区, 并用填充机将这些纯粉料填充到石英管中, 利用高温工艺使粉料坯块稳定为一疏松的预制棒。放入高温中, 氯化脱水处理, 最后烧结成玻璃预制棒。 为了生产单模光纤, 可以将此预制棒再拉伸为细棒。然后再用原先的石英粉料外

21、包该细棒, 再把这疏松包层烧结处理后就可形成为具有单模几何结构的预制棒。 该工艺可拉制 出1. 30m 处衰 减为 0. 49dB/ km、1. 55m 处 衰 减为 0. 27dB/ km 的单 模 光纤。OH在 1. 38m 处吸水峰已降到了1dB/ km。,2. 拉丝,以上提及的预制棒相当 于一根大 尺寸的光纤, 必须拉丝 将制得的预制棒直径缩小才能得到真正的光纤。 这一过程是在称为“拉丝塔”的机械内完成的。拉丝塔一般是一对高楼, 比光纤制造工厂地面上的其他建筑要高。 在拉制过程中, 一般都能保持芯包比和折射率分布不变。这是因为玻璃中的分子扩散要比晶体中的难得多, 即使加热到2000的高

22、温去熔融预制棒, 已掺入棒体中的掺杂剂也不会扩散, 保持原预制棒中折射率分布。,典型的拉丝工艺是管棒法拉制,如图2. 10 所示。 预制棒由送料机构以一定的速度均匀地 送往管状加热炉中, 预制棒尖端热到一 定温度时, 棒体尖端的黏度变低, 靠自身重量逐渐下垂变细而成纤维。,这一工艺的关键是拉伸速率。 拉伸越慢, 制造商控制光纤质量越好。 拉伸越快, 给定时间内可生产的光纤越多。 一般可以从200m/ min 到 2000m/ min。 拉伸机械的所有旋转部分必须达到极高的耐受度和张力级别, 以使光纤能被高度精确地控制。,双坩埚拉丝法,双坩埚是由一套两个同心套装的铂合金坩埚组成, 如图2. 11

23、 所示。,坩埚中央底部有喷嘴。 内坩埚装有折射率较高的纤芯玻璃, 外坩埚装有折射率较低的包层玻璃。 通过调节坩埚喷嘴的尺寸来控制光纤芯和包层外径, 用调配玻璃组分的方法来改变纤芯和包层的折射率差。 拉丝的温度一般在 1000以下。拉丝速度每分钟可达几百米。双坩埚的加热一般用直流电流加热、感应加热等方式。 这种双坩埚工艺今天已非常少见, 可与一些特殊材料结合使用。,3. 涂敷、塑封和成筒,预制棒拉制成光纤后, 如果将裸光纤直接裸露在空气中, 光纤表面的缺陷扩大, 使局部应力集中到这里, 就造成裸光纤机械强度极低。 为了保证光纤的机械强度, 隔绝因外界污染而产生微小裂纹, 必须立即对光纤进行涂敷、

24、固化后才可与其他表面接触。 涂敷通常是在拉丝过程中进行时, 当光纤向下拉制时, 光纤通过涂敷器, 就可在光纤表面上均匀地涂上 30 150m 厚的热固化硅树脂或紫外光固化丙烯酸酯。,开口杯：开口杯涂敷器不能进行均匀涂敷。 压力涂敷器可以克服这一缺点。目前光纤涂敷工艺中已普遍采用压力涂敷器涂敷方法。 这种方法适用于高速拉丝, 且不会在涂料中搅起气泡。图2. 12 两种涂敷器的结构图。,图2. 12 涂敷器结构图,有时为加强对光纤的保护, 通常涂层都采用两次以上的涂敷, 即对光纤涂敷一层缓冲层。缓冲层可以保护光纤免遭引起微弯损耗的外力作用。 里面的一层用折射率比石英玻璃偏大的变性硅酮树脂, 可以用

25、来吸收透过包层的多余的光。 有利于提高光纤的低温性能和抗微弯性能。 一般光纤涂层厚度在 50100m。两层涂层中第一层是软的, 模量为几千克每平方米, 能阻止光纤受外部压力而产生的微弯; 第二层是硬的, 模量为几百千克每平方米, 能防止磨损和提供机械强度。,为了便于操作和提高光纤成缆时的抗张力, 增加光纤的机械强度, 要在涂敷的基础上再套上尼龙、聚乙烯或聚酯等塑料, 这就是对光纤的塑封。,塑封有紧套和松套两种,紧套管是在涂敷的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯或聚酯等塑料, 光纤不能自由活动。紧套塑封后, 由于冷却固化, 尼龙、聚乙烯等塑料会收缩, 光纤会产生微弯, 使传输损耗增大。为减少这种

26、因套塑引起的附加损耗, 应该使尼龙的冷却速度、挤压速度和光纤的拉伸速度之比达到最佳值, 同时要注意避免套塑时光纤的振动。 松套就是在涂敷层的外面再包上塑料套管, 光纤可以在套管中自由活动。使光纤在低温下塑料管收缩时也可在管内滑动自如, 从而改善了光纤的低温特性。,2. 4 光纤成缆技术,涂敷、塑封后的成品光纤虽然机械强度比裸光纤有很大的改善, 它仍对多种多样的环境非常敏感, 因此不能直接用于通信工程线路。 必须通过适当的方法, 妥善地对光纤进行保护, 使之能方便、安全地应用于线路施工、运行和维护, 下面几节将围绕成缆原因、光缆材料、光缆结构、光缆制作以及铺设等问题展开讨论。,2.4 1光缆概述

27、,1. 成缆原因,光纤成缆的一个原因是使光纤操作起来更加容易。 光纤成缆的另一个重要原因是为了保护光纤, 使之免受在光缆铺设和使用过程中有意或无意施加的力对光纤的自然破坏作用。 光纤受到侧向压力时, 会在受力局部产生微弯(曲率半径小于光纤半径量级的弯曲) 光纤宏弯(曲率半径大于光纤半径量级的弯曲) 水和潮气中的OH-会增加光纤损耗。 冲击、磨损、扭曲、化学腐蚀以及动物啃啮。,2. 光缆材料,材料的选择对光缆的特性起重要作用。 根据光缆适用环境、铺设方式的不同, 制造光缆的材料也各不相同。如穿过空气空间的室内光缆, 防火安全非常关键; 室外环境中, 抗潮湿和温度容限是关键; 架空光 缆必须能承受

28、住严重的温度极限、日光照晒和风力; 沿输送管牵引的光缆必须能承受住表面磨损和沿其长度方向的张力等。归纳起来光缆是由光纤、高分子材料、金属材料及复合材料共同构成的。,光缆中采用的高分子材料很多, 根据材料的性能不同用于光缆的各个部件。 常见的有工程塑料( PBT) 、通用聚乙烯( PE) 、聚氯乙烯( PV C) 、黑色聚乙烯或黑色聚烯烃、芳纶纤维( Kevlar) 、聚酯带( PET) 、热塑性橡胶等。,1) 高分子材料,工程塑料是一种特性与高聚分子量密切相关的材料。 当分子量足够大时, 材料的抗拉强 度、弯曲强 度、冲击强 度、杨氏模量就很高;PBT是脂类高聚物, 具有脂类高聚物耐溶剂、耐油

29、、耐化学腐蚀等特性。 PBT以其优良的机械性能、尺寸稳定性和耐化学性能, 被广泛地用作光纤的松管材料。,通用聚乙烯按密度的不同有柔顺性和延展性 较好的低密度聚乙 烯( LDPE) , 刚性、韧性和耐磨性好的高密度聚乙烯( HDPE) , 兼有 LDPE 的柔韧性和HDPE 的高强度的中密度聚乙烯( MDPE) , 以及有较好耐环境应力开 裂、刚性、耐热性低温的线性低密度聚乙烯( LLDPE) 。,聚氯乙烯中的氯原子能捕捉燃烧时产生的OH-游离基，有良好阻燃料效果。 它与增塑剂和稳定剂以一定比例混合塑化制作成含卤的阻燃料, 用来作为光缆的阻燃护套。但含卤阻燃料在燃烧时产生大量的氯化氢气体 和烟雾

30、, 造成二次伤害。 PV C 阻燃护套具有良好的柔顺性和延展性, 以及对热敏感的特性。 这是室内光缆的一种最常见的材料, 因需要不同而有各种等级。,黑色聚乙烯或黑色聚烯烃通常用来制作光缆的耐电痕护套。 应用于强电场环境中的光缆, 由于放电作用会导致光缆表面产生电痕、电蚀, 从而造成外护层的损伤和光缆使用寿命的降低, 因此必须使用耐电痕的护套。 黑色聚烯烃具有很强的耐电痕能力, 可适用于110kV 以上的电力线路。,芳纶纤维是一种芳香族的聚酰胺纤维, 由许多细丝胶合或平行集束而成。 由于制造使分子高度定向, 故具有很高的杨氏模量, 可达100GPa 以上。 芳纶是取代金属材料的非金属光缆中承担主

31、要抗拉作用的较理想的材料, 广泛用作室内布线光缆、野战光缆、ADSS 及强电环境中的其他非金属光缆中的主要抗拉元件。 芳纶还具备耐磨、耐切割、柔软、防弹、重量轻等良好性能。,聚酯带的化学名称是聚对苯二甲酸 乙二醇脂, 具有良好的耐热性、化学稳定性、尺寸稳定性、低温柔性和绝缘性等优点。 聚酯带用于层绞式光缆中松套管的环绕包扎, 起到稳定多根松套管几何结构和一定的防护作用。,缆用热熔胶是由具有高弹性、高伸长率的热塑性橡胶为基础材料, 与树脂、调节剂和稳定剂等在电热反应釜中经熔融、均化制成。 热熔胶具有黏接力强、黏接应力分布均 匀、固化速度快、热稳定性好、韧性好、低温柔性好、抗老化性能以及与其他材料

32、相容性好等优点。还有防止水和潮气渗入光缆的填充油膏和用吸水树脂黏接聚酯纤维无纺布构成的阻水带等高分子材料。,2) 金属材料,光缆中最常用的金属材料是钢丝。 钢丝在光缆中用作加强件和铠装件, 起到增强抗拉、耐侧压、抗弯、抗冲击、防机械损伤等功能。 同时由于具有很高的杨氏模量, 限制了高分子材料最为明显的热胀冷缩现象, 能有效地改善光缆的温度特性。,钢丝种类很多, 光缆中常用的有高碳钢丝。高碳钢丝具有更高的杨氏模量和更低的延伸率, 通常用作抗拉加强件; 低碳钢丝通常用作铠装层。 经过镀锌或磷化处理, 提高了钢丝的化学稳定性。其中磷化钢丝具有很好的防止析氢的作用。 对各类钢丝的性能指标要求主要有含碳

33、量、硫磷含量、直径公差, 以及杨氏 模量、抗拉强 度、弯 曲和扭转 等多项机械性能。,3) 复合材料,光缆中最常用的复合材料是由金属和塑料组成的金属复合带, 如钢塑复合带和铝塑复合带。 金属复合带是以镀锡钢带、镀铬钢带或工业纯铝箔为基材, 经一定工艺过程, 将塑料类材料双面涂敷或热贴合在金属带上而成。 对光缆的综合性能有一定影响, 与光缆的渗水性能有密切关系。复合带的耐水、耐油及与填充油膏的相容性等也很重要。 对金属复合带的外观质量、各层尺寸和物理机械性能也有相关要求。 光缆经复合铠装后, 除具有防水隔潮、耐侧压、耐冲击性能外, 还可保护缆芯免受机械损伤及对光缆加以电磁屏蔽。,3. 光缆结构,

34、由于光缆要在各种不同的环境中使用, 其结构实际上是变化多端的。 光纤紧缓冲器和松管光缆具有中心件, 光缆围绕中心件制造, 通常这些中心件是加强件, 加强件还可以捆扎在内部的光纤或子缆周围。可能暴露于啮齿动物或机械危害面前的光缆还需要铠装, 但所有光纤光缆都有一个共同的元素, 即首先把分离的光纤封装在三个不同元素 松管、紧包缓冲层和带状构造中的其中一 个之内。,图2. 13,( 1) 中心加强件及垫层。一般采用钢丝以增强光缆的抗拉强度。当中心加强件直径较大 时, 还会在 钢丝外加一 层塑料垫层, 以弥补钢丝直径的不足, 同时也可起到一定的缓冲和增大摩擦的作用。 ( 2) 填充绳。一种直径和松套管

35、一致的塑料绳, 当光纤芯数和松管套数量较少时, 用以保证光缆的圆度。( 3) 阻水油膏。触变型油膏, 填充在松套管内和松套管外缝 隙处, 主要起轴向阻水作用。,( 4) 铝( 钢) 塑复合带。通常为波纹形状双面覆膜的铝( 钢) 带。具有径向阻水、防机械损伤、增强抗侧压、抗弯、抗冲击能力和对光缆加以电磁屏蔽等多种功能。( 5) 内护层。塑料内保护层, 具有径向 阻水、抗弯、抗侧压、增大层间摩擦力等作用。(6) 钢丝铠装层。螺旋状紧密绞合于内护层外的钢丝, 主要作用是显著增强光缆的耐侧压和抗拉能力, 也能增强光缆的抗弯和抗扭绞能力。 ( 7) 外护层。光缆最外层的塑料保护层。具有径向阻水、耐磨、防

36、机械损伤、抗弯、防腐、阻燃等多种综合功能。,2. 4. 2 光缆类型,(1) 按 铺设方式 的不同, 可将光缆分为直埋光 缆、管道光缆、架空光缆和水底光缆。(2) 按光纤状态不同可分为紧结构光缆、松结构光缆和半松半紧结构光缆。 (3) 按缆芯结构不同可分为中心束管式、层绞式和骨架式。如图2. 14 所示。,1. 光缆的分类,图2. 14,2. 典型光缆,1) 室外光缆 室外光缆是为了承受住恶劣的室外条件而设计的, 大部分挂在高架电杆上, 或直接埋在地下, 或铺设在被称为输送管的地下管道中, 但在被保护区域的少数光缆暴露在表面环境条件下。大部分光缆带有聚乙烯护套, 能防止潮气进入, 同时能经受住

37、温度极限和强日光照射。,2) 直埋光缆 这是农村野外地区常采用的光缆类型。 采用松套结构, 保证光缆受侧压、受拉及因温度变化产生长度应变时。 缆芯多采用层绞式, 容纳芯数较多。 金属的中心加强件提高光缆的抗拉强度和抗弯能力。 聚乙烯外护层, 可显著提高光缆的对地绝缘能力、表面机械防护能力、防化学腐蚀能力和防虫害能力。,图2. 15,3) 通风道光缆 通风道光缆是一种特殊的建筑物内光缆, 是为在建筑物内包括天花板上的空间, 供热和通风管等空间中的使用而设计的, 其制造材 料能阻止火焰扩散, 燃烧时几乎不冒烟, 而且能保护电器设备在火中不受损坏。,4) 铠装光缆 在野外地区, 啮齿类动物是所有掩埋

38、光缆的天敌, 所以埋在这些地区的光缆应采用铠装光缆。铠装光缆与室外光缆类似, 只是外面有一层铠甲, 可以起机械保护作用和防止啮齿动物破坏。,5) 架空光缆 架空光缆一般吊挂在室外的电杆上, 有时还可以铺设在地下输送管内, 这种光缆一般含有多根光纤, 并有保护光纤免受应力影响的内应力件( 钢筋或合成纱) 。,6) 水底光缆 水底光缆工作在淡水或海水底, 从本质上讲它是一种更坚固而且阻水的直接掩埋光缆。,7) 全介质光缆 全介质光缆不含金属元件, 这种光缆采用绝缘的加强件, 如芳香尼龙细丝或Kevlar合成纤维, 全介质结构能防止 雷击或接地环路问题, 适合于长期处于强电场环境和多雷地区。 极高的

39、抗拉强度要求。,8) 光/电混合光缆 光/电混合的复合光缆或混合光缆同时含有光纤和铜导线, 能将不同的通信服务和电力发送到同一点。,9) 军用野战光缆 军用野战光缆是一种特别适用于军事的、方便地在野外各种地形条件下进行收放的短距离战术通信光缆。,2. 4. 3 光缆的制造与铺设,1. 光缆设计原则和设计内容 设计原则: 总的说来, 要针对光纤所需要保护的各个方面, 围绕光缆的附加损耗、机械性能、温度性能、阻水性能等方面的要求. 遵照国家和行业的有关技术要求和规范, 对光缆结构进行科学的设计。 设计内容: 保障光缆的低附加损耗、机械性 能、温 度性能、阻水性能等特性, 以及余长的设计、缆芯的选择等。,思考与练习,1. 比较几种单模光纤的折射率分布异同并说明其各自传光特点。 2. 简述光纤的拉制流程, 比较各种制棒方式的优劣。 3. 分析光纤成缆原因。4. 简述各类光缆的适用范围及其相应的铺设方法。,