關鍵詞：室外光纜;結構;材料
眾所周知，光纖通信硬件是由光纖、光器件和系統設備3大部分組成的.在實際工程中光纖是以光纜形式應用的.光纜作為光纖的具體應用形式，包含著兩重含義：(1) 可以用不同品種的光纖制成同一結構的光纜，供不同層次的網絡使用;(2) 可以用不同的材料制成不同結構的光纜來滿足不同應用場所的需要.自20世紀80年代初至今，光纜應用場所經歷了從核心網到城域網、接入網的發展過程,未來將再度向著家庭桌面延伸或者由室外向室內發展.在光纖發展的同時，光纜無論是從材料選擇、結構優化和制造工藝，還是從應用場所、鋪設方式等方面都得到了長足的發展.
然而，近年來全球經濟發展步伐緩慢，光纜建設工程數量減少，國內外出現了光纖、光纜供過于求的局面.特別是2002年國內光纜市場競爭十分激烈.光纜競爭的具體b體現形式是價格.正是光纜的價格和鋪設方式等因素，促使聰明的光纜制造商在確保光纜的基本光傳輸性能和機械性能的基礎上，通過設計新結構的室外光纜，積極采用新的光纜材料等具體措施來達到降低室外光纜成本和施工費用的目的.
為此，本文作者在閱讀了2002年11月18～21日在美國佛羅里達州召開的第51屆國際線纜會的會議論文集的基礎上，通過分析幾種新室外光纜的結構和性能之后，推測出室外光纜結構的發展趨勢，供廣大光纜制造商和用戶參考.
1 結構設計
光纖通信中常用的光纖是由石英玻璃制成的.盡管石英玻璃光纖具有優良的物理和化學性能，但是石英玻璃光纖的脆性，使其在由預制棒拉成光纖的過程中會在光纖表面產生一些微裂紋.光纜結構設計的關鍵就是要想方設法保證光纖表面產生的一些微裂紋不會受到外界環境機械應力和潮氣的作用，否則光纖上的微裂紋會擴展甚至引起疲勞斷裂.如果光纜結構設計不合理，材料選擇不恰當，那么光纜受到的外界環境機械應力和潮氣會使光纖上的微裂紋擴展甚至引起疲勞斷裂.光纜中的光纖斷裂就意味著光纜線路出現光信號傳輸中斷故障，進而會導致整個光纖通信系統業務中斷.因此，光纜的結構設計就是要選擇合理的結構和優質的材料來有效地保護光纜中的光纖不受外界環境機械應力和潮濕氣體的直接作用.在室外光纜的設計、生產和應用的發展過程中，人們逐漸認識到室外光纜研究的5個主要問題是：(1) 一定要按照光纜應用的實際場所的具體情況、敷設方法來設計光纜結構.(2) 光纜中所用的各種材料應該賦予光纜必要的機械性能和環境性能，如護套料給光纜以耐摩擦性能、阻水性能，油膏給光纜以良好的加工、阻水性能，金屬加強件、金屬復合帶為光纜提供耐外界環境機械應力作用的性能.(3) 特種光纜的特殊性能是由特殊材料賦予的，如尼龍12、無鹵阻燃護套料、耐電痕護套料分別賦予光纜防白蟻、無鹵阻燃、耐電痕作用的性能.(4) 用先進的制造設備和良好的生產技術來制造優質的光纜.(5) 設法建立一整套適用于檢測各種不同結構光纜性能的科學合理的試驗方法.
現在，大多數室外光纜都是松套光纜.究其原因是松套光纜具有3大優點：(1) 松套管能夠為光纖提供初級保護;(2) 松套管可以容納阻水油膏;(3) 松套管可為光纖提供合適的余長，使光纖處在松疏狀態.松套光纜按照纜芯可以容納的纖芯數的多少和纜芯的剖面結構形狀可以分為3種基本結構形式：中心管式光纜、層絞式光纜和骨架式光纜.
今天，作為室外光纜制造廠商和用戶都十分熟悉光纜是由光纖和各種材料共同組成的.光纜的傳輸性能是由光纖的品種及其性能決定的，而光纜的機械性能和環境性能是由光纜材料的內在質量與制造工藝技術水平決定的.按照材料在光纜中所起的作用不同，可以將光纜材料分為3種：加強材料、阻水材料和特殊材料.加強材料為光纜提供良好的抗拉、耐側壓、抗沖擊和耐彎曲等機械性能.光纜中常用的加強材料有磷化鋼絲、不銹鋼絲、玻璃鋼棒和芳綸紗等.阻水材料賦予光纜完好的密封阻水性能.用作光纜的阻水材料有阻水油膏、阻水帶、阻水紗、金屬-塑料復合帶和護套料等.特殊材料給予光纜特殊性能，如阻燃、耐電痕等.
筆者認為新結構的室外光纜變化要解決的主要問題是：(1) 積極選擇新的材料，為研究新的光纜結構奠定物質基礎;(2) 減小光纜尺寸，降低光纜重量，節約光纜材料(降低光纜成本，提高施工速度);(3) 采用干式結構，縮短接續時間，節省施工費用.
2 新結構的室外光纜
2.1小直徑、輕重量光纜
一般評價光纜質量優劣的性能包括：光傳輸性能、機械性能和環境性能.光纜的光傳輸性能是由光纜中采用的光纖類型所決定的.光纜的機械性能和環境性能則取決于光纜結構、選用的材料種類及其質量、光纜制造技術水平.
針對目前光纖通信工程中，光纜結構發展趨勢呈現出以管道光纜為主，直埋光纜和室外架空光纜為輔的格局.人們自然會想是否可以將對光纜結構的重型保護移植到管道上或選擇其他的光纜材料，這樣做既可以降低光纜成本(減小光纜尺寸，降低光纜重量)，又可以節約施工費用(節約管道空間和施工更簡便).美國OFS BrightWave Carrollton的Richard.G.Gravely的論文[1]指出減小松套管光纜尺寸和重量的辦法是：(1) 在保證光纜耐低溫彎曲和機械性能穩定的前提下，設法減小松套管和中心加強件的尺寸;(2) 減小護套和皺紋金屬覆膜帶厚度.這種方法適用于全介質單層護套光纜、輕型鎧裝光纜(單層護套、單層鎧裝)、鎧裝光纜(雙層護套、單層鎧裝)和短跨度接入ADSS光纜.例如，他們研制的144芯單層護套小直徑管道光纜的直徑僅為13.4 mm，而典型商用144芯單層護套管道光纜的直徑為18.8 mm.表1給出了與傳統光纜相比，直徑小、重量輕的光纜的直徑、重量降低的百分比數值.
在這里應該強調，減小光纜直徑和重量的具體途徑是先設法使用機械與環境性能好的成本更低的松套管材料，再減少油膏、加強件、皺紋金屬覆膜帶和護套的用量，從而減少光纜重量和降低光纜價格.這樣也可以為積極開發全干式松套光纜和微型管道吹氣安裝光纜奠定良好的結構基礎.在減小光纜直徑和降低光纜重量時，應特別注意控制好松套工藝和光纖與松套管的余長.這種直徑小、重量輕的松套光纜的顯著優點是直徑越小，重量越輕，價格越便宜;光纜盤長越長，施工越方便.正因如此，這種松套光纜越來越受到廣大用戶青睞.
目前國內光纜制造商紛紛采用減小松套管尺寸的方法來減少光纜材料的用量，進而實現降低光纜成本、提高市場競爭力.但是，本文作者要提請廣大用戶注意，在驗收光纜時您應該重點對光纜做溫度循環試驗，測量出光纖的溫度衰減性能，以此來證明您購買的即將投入使用的光纜余長是合理的.
2.2全干式松套光纜
眾所周知，光纜最忌諱水，究其原因是水既會引起光纖的水峰衰減，又可以通過滲透腐蝕導致光纖斷裂.在潮濕條件下，水還會通過光纜護套擴散進入內部形成自由水的凝聚.如果不加控制，水會沿著光纜纜芯縱向遷移流到接頭盒，給通信系統帶來潛在的危險甚至造成業務中斷.傳統光纜采用的填充阻水措施是將憎水油膏填滿光纜中的松套管的所有空間，以切斷水的縱向流動路徑.
填充阻水油膏的基本作用是除了能夠阻止光纜內部的縱向水遷移外，還能夠緩解外來壓力和振動阻尼的作用.盡管傳統光纜具有良好的性能和可靠性，但在光纜接續前仍要清除油膏和清潔光纖.在光纜安裝施工操作中這是一項增加費用和降低生產效率的耗費時間的工作.填充阻水油膏也會明顯地增加光纜重量，增加長途線路安裝所需要的人力和設備.另外，阻水油膏是粘性或油膩的物質，所以光纜接續需要在一個活動的帳篷內或者帶篷的卡車中進行.為了克服填充阻水油膏的光纜的上述缺點，最近美國OFS(原朗訊)光纖光纜部的Richard H.Norris等人共同開發出了12～216芯一系列的中心管完全沒有填充阻水油膏的室外用全干式中心管光纖帶光纜\[2\]，其結構從光纜中心至光纜外護層依次是光纖帶、空氣、纖用高級吸水膨脹阻水帶(代替纖用阻水油膏)、改善了沖擊性能的聚丙烯松套管、纜芯用高級吸水膨脹阻水帶(代替纜用阻水油膏)、皺紋金屬覆膜帶鎧裝層、兩根平行金屬加強件鋼絲和高密度聚乙烯外護層(HDPE).
如果這種光纜被用于雷電頻繁和存在干擾電流的場所，金屬加強件應該采用全介質的玻璃鋼/環氧樹脂棒，在棒的外面應該涂上一層紫外固化 “摩擦涂層”，以求在棒與護層之間形成良好的機械耦合力.這里要特別提請讀者注意的是，為了防止水在外護層和纜芯之間流動，纜芯用的標準高級吸水膨脹阻水帶是纏繞在聚丙烯松套管上的.這類光纜外護層采用HDPE是因為HDPE具有良好的硬度、強度和小的摩擦系數，能夠滿足所有光纜安裝性能要求.
為了驗證這種光纜結構設計是否合理，Richard H.Norris等人按照美國標準Telcordia GR20“光纖和光纜總規范-第2款”和FOTP82對該光纜進行了阻水性能試驗、機械性能試驗、環境性能試驗、老化性能試驗和安裝模擬試驗.
阻水性能試驗就是用一系列滲水試驗來驗證纖用高級吸水膨脹阻水帶是否能阻止水在中心管內具有的大空間的滲透.具體的做法是將光纜試樣放置于1 m靜壓頭下，讓水靜壓頭作用到多個纜芯試樣上，以滿足光纜阻水性能標準規范要求.表2列出了全干式中心管光纖帶光纜的阻水性能試驗結果.
機械性能試驗是按照美國標準Telcordia GR20對金屬加強和非金屬加強全干式中心管光纖帶光纜進行試驗，以驗證其是否滿足機械性能要求.表3列出了直徑為18.5 mm的216芯非金屬全干式中心管光纖帶光纜，在各種機械試驗條件下的附加衰減變化情況.從表3可以看出，這種光纜的附加衰減遠遠小于GR20的規定值.
2.3微型吹氣安裝光纜
在當前全球經濟蕭條的形勢下，電信業務運營商面臨著兩大問題：(1) 投入資金有限，但還要建設光纜路由來滿足用戶帶寬日益增長的需要;(2) 要想方設法減少光纜路由基礎設施費用，降低光纜生產成本.光纜制造商解決這兩個問題的具體方法是：(1) 光纜可以利用城市現有的基礎設施(如在交通道路、煤/天然氣管道、下水道中安裝布放光纜的子管)或者通過城市新建的微型管道系統引入用戶.(2) 為了最大限度地利用子管系統和微型管道系統的資源，需用一種新的小直徑微型吹氣安裝光纜.
為此，美國OFS光纜部的H.Paul Debban等人開發出了一種新的小直徑(直徑與鉛筆相當)微型吹氣安裝光纜，其結構為48或72芯中心管式光纖帶光纜[3].這種光纜的設計思想是尺寸、剛性、柔軟性必須滿足小直徑管道安裝要求.光纖芯數應該足以保證城市路由基礎設施需要.光纜要有足夠的機械保護和抗拉強度來滿足施工安裝和光纖保護要求.在期望工作的溫度范圍內，光纜的衰減性能要好.此外，光纜中的光纖要容易識別.
這種光纜從纜芯至外護層的具體結構分別是光纖帶、纖用阻水油膏、松套管、螺旋纏繞的玻璃鋼棒、螺旋纏繞的玻璃纖維增強塑料帶、撕裂繩和HDPE外護層.選用中心管式結構是為了提高小直徑光纜的強度.與光纖束和分立光纖相比較，采用光纖帶既增加了光纖密度，又節約了接續時間和施工費用，而且光纖帶識別方便.6根玻璃鋼棒加強件螺旋纏繞在中心管周圍，以防止光纜產生小的彎曲.HDPE外護層完完全全包圍著加強件和中心管構成一個預應力結構來抵抗光纜受到的側壓和沖擊力的作用.HDPE外護層通過薄層賦予光纜堅韌性能和高溫下的小的摩擦系數.
表4給出了這種48或72芯中心管式光纖帶微型吹氣安裝光纜的外徑、光纖密度、光纜重量、抗拉強度.這種光纜的正常工作溫度范圍為-40～70℃.
2.4泡沫阻水光纜
眾所周知，傳統的松套管光纜采用填充阻水油膏或吸水膨脹阻水紗來實現縱向阻水.然而阻水油膏會給光纜施工和環境帶來一定的負面影響，如擦拭阻水油膏的溶劑揮發會刺激人的皮膚，長期使用會引起濕疹;擦拭阻水油膏的衛生紙會污染環境.為此，光纜施工安裝和現場測試人員期待著不采用填充阻水油膏或吸水膨脹阻水紗的干式光纜的誕生.正是為了克服阻水油膏和阻水紗的缺點，愛立信網絡技術公司的Borje Lindblom等研制出了一種泡沫阻水光纜[4].
泡沫阻水光纜的關鍵技術是用發泡的熱塑彈性體來代替阻水油膏作為光纜的縱向阻水材料.泡沫阻水光纜的結構是在外護層以下、中心加強件和松套管之間的所有空間都填充了發泡的熱塑彈性體泡沫.采用泡沫阻水的優點是既能夠減小光纜尺寸和改善光纜機械性能，又可以提高光纜施工速度.在護套工藝過程中發泡熱塑彈性體材料很容易與PE外護套材料結合為一體.這樣合理地控制發泡過程，就可以獲得阻水效果十分完美的密封泡沫結構.
Borje Lindblom等按照光纜的國際標準IEC607941分別對他們研制的架空、管道和直埋泡沫阻水光纜的有關性能進行了全面測試.測試結果表明，這種泡沫阻水光纜完全滿足實際使用要求。
3 結論
由以上的介紹我們可以得到如下結論：新室外光纜結構的變化趨勢應該是向著直徑小、重量輕、全干式和布放快的方向發展，只有這樣才能進一步減少光纜路由投資、降低光纜成本、提高布放速度和節約施工費用。
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