一、 概述

光纖通信技術(shù)(optical fiber communications)從光通信中脫穎而出，已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。光纖通信作為一門新興技術(shù)，其近年來發(fā)展速度之快、應(yīng)用面之廣是通信史上罕見的，也是世界新技術(shù)革命的重要標(biāo)志和未來信息社會(huì)中各種信息的主要傳送工具。

在我國，光纖通信從70年代末開始運(yùn)用，到現(xiàn)在已有20年有余，尤其是近年來，光纖光纜的大規(guī)模采用，更為顯著，一方面因?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋建設(shè)、FTTX網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模推廣以及IPTV網(wǎng)絡(luò)在城市的試點(diǎn)開展，另一方面運(yùn)營商業(yè)務(wù)容量的急速膨脹，以及不斷開發(fā)出豐富且多樣性的業(yè)務(wù)內(nèi)容，同時(shí)，運(yùn)營商隨著城市化的發(fā)展而不斷地建設(shè)并完善其基礎(chǔ)物理光纖網(wǎng)絡(luò)，既有其發(fā)展的必要性，又有其保持競(jìng)爭(zhēng)地位的需要。因此，來自基礎(chǔ)建設(shè)和業(yè)務(wù)發(fā)展這兩方面的大量需求，直接導(dǎo)致了運(yùn)營商對(duì)光纖光纜需求的快速增長(zhǎng)。

由于用于敷設(shè)光纜的城市地下管網(wǎng)資源在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)和一定空間范圍內(nèi)的增加又是有限的，并且具有獨(dú)占性和稀缺的特點(diǎn)。而光纖帶光纖光纜具有光纖密度大，光纜外徑小，易于敷設(shè)等特點(diǎn)，較好地解決了運(yùn)營商發(fā)展的需要與面臨城市地下管網(wǎng)不足的矛盾。這些年來，運(yùn)營商對(duì)光纖帶光纜的運(yùn)用也越來越普遍，運(yùn)用的地域也越來越廣泛，運(yùn)營的網(wǎng)絡(luò)層次也由核心層逐步向重點(diǎn)接入層擴(kuò)散，而且芯數(shù)也在不斷增加，已經(jīng)運(yùn)行的大芯數(shù)光纖帶光纜已經(jīng)達(dá)到了432芯。正是基于光纖帶光纖光纜的發(fā)展，本文介紹了制造層絞式光纖帶光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，通過對(duì)不同材質(zhì)的光纖帶套管的選擇、不同套管尺寸的設(shè)計(jì)和性能比較，以及相關(guān)的試驗(yàn)，驗(yàn)證了采用不同材料的光纖帶套管時(shí)，光纖帶光纜的性能變化。

光纖通信的原理

光纖通信的原理是：在發(fā)送端首先要把傳送的信息(如話音)變成電信號(hào)，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強(qiáng)度隨電信號(hào)的幅度(頻率)變化而變化，并通過光纖發(fā)送出去;在接收端，檢測(cè)器收到光信號(hào)后把它變換成電信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)原信息。

光纖通信的發(fā)展

光纖通信是現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要傳輸手段，它的發(fā)展歷史只有一二十年，已經(jīng)歷三代：短波長(zhǎng)多模光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)多模光纖和長(zhǎng)波長(zhǎng)單模光纖。采用光纖通信是通信史上的重大變革，美、日、英、法等20多個(gè)國家已宣布不再建設(shè)電纜通信線路，而致力于發(fā)展光纖通信。中國光纖通信已進(jìn)入實(shí)用階段。

光纖通信的誕生和發(fā)展是電信史上的一次重要革命與衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信并列為20世紀(jì)90年代的技術(shù)。進(jìn)入21世紀(jì)后，由于因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展和音頻、視頻、數(shù)據(jù)、多媒體應(yīng)用的增長(zhǎng)，對(duì)大容量(超高速和超長(zhǎng)距離)光波傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)有了更為迫切的需求。

光纖通信就是利用光波作為載波來傳送信息，而以光纖作為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)信息傳輸，達(dá)到通信目的的一種最新通信技術(shù)。

通信的發(fā)展過程是以不斷提高載波頻率來擴(kuò)大通信容量的過程，光頻作為載頻已達(dá)通信載波的上限，因?yàn)楣馐且环N頻率極高的電磁波 ，因此用光作為載波進(jìn)行通信容量極大，是過去通信方式的千百倍，具有極大的吸引力，光通信是人們?cè)缇妥非蟮哪繕?biāo)，也是通信發(fā)展的必然方向。

光纖通信與以往的電氣通信相比，主要區(qū)別在于有很多優(yōu)點(diǎn)：它傳輸頻帶寬、通信容量大;傳輸損耗低、中繼距離長(zhǎng);線徑細(xì)、重量輕，原料為石英，節(jié)省金屬材料，有利于資源合理使用;絕緣、抗電磁干擾性能強(qiáng);還具有抗腐蝕能力強(qiáng)、抗輻射能力強(qiáng)、可繞性好、無電火花、泄露小、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可在特殊環(huán)境或軍事上使用。

二、 光纖帶光纜套管設(shè)計(jì)的理論分析

1.光纖帶套管尺寸設(shè)計(jì)

光纖帶可以分為兩種結(jié)構(gòu)，既邊緣粘接型和整體包覆型，整體包覆型結(jié)構(gòu)相對(duì)邊緣粘接型結(jié)構(gòu)來說，光纖帶厚度和寬度相應(yīng)較大?？紤]到光纖帶光纜在實(shí)際生產(chǎn)中和使用的情況，為了提高光纖帶的抗側(cè)壓能力和抗扭轉(zhuǎn)能力，國內(nèi)光纜廠家目前選擇以整體包覆型結(jié)構(gòu)生產(chǎn)光纖帶為主。

光纖帶中光纖的標(biāo)識(shí)，一般建議選擇全色譜的方式識(shí)別，以便工程接續(xù)和將來光纖分配的現(xiàn)場(chǎng)管理。光纖帶可以疊加，就組成了光纖帶矩陣。矩陣的截面圖如圖1所示。

1.1套管內(nèi)徑通常采用以下近似公式

光纖帶矩陣的等效尺寸如圖2所示，其中光纖帶矩陣的寬度和高度決定了矩陣對(duì)角線的長(zhǎng)度，它的長(zhǎng)度是我們?cè)O(shè)計(jì)套管尺寸的依據(jù)。

套管內(nèi)徑的公式如下：

其中K值的大小與生產(chǎn)工藝控制有關(guān)，K值考慮的大，那么光纖疊帶在套管中可活動(dòng)的空間就大，套管中的光纖疊帶質(zhì)量就更有保證，但是若套管外徑設(shè)計(jì)的過大，那么光纜的成本就會(huì)大幅升高。

上述公式確定的套管內(nèi)徑是基于完全理想的矩形光纖疊帶而設(shè)計(jì)的，但是從實(shí)際光纖帶光纜的解剖結(jié)果看，光纖疊帶在套管中為菱形，且各帶之間有一定的間隙。因此，修正后的光纖疊帶的模型應(yīng)為形變時(shí)的疊帶，如圖3所示：

疊帶的等效內(nèi)徑公式修正如下：

因此，實(shí)際套管的內(nèi)徑是以光纖疊帶形變時(shí)的等效內(nèi)徑為最終依據(jù)設(shè)計(jì)的。

1.2套管壁厚的設(shè)計(jì)

套管壁厚的設(shè)計(jì)，需兼顧套管的耐壓扁性能，耐扭轉(zhuǎn)性能和曲折性能。這些性能的測(cè)試結(jié)果與在加工過程中套管過轉(zhuǎn)輪、絞合頭等處所需承受的側(cè)壓力、彎曲和扭轉(zhuǎn)情況相關(guān)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已規(guī)定了相應(yīng)的試驗(yàn)方法。

為了方便設(shè)計(jì)，套管的壁厚與側(cè)壓強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度的關(guān)系可以通過套管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因子和材料強(qiáng)度因子進(jìn)行理論預(yù)估。其中套管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因子和套管的內(nèi)空、壁厚相關(guān)，而不同材料有不同的材料強(qiáng)度因子，材料強(qiáng)度因子和材料的壓縮模量、彎曲模量呈線性關(guān)系。套管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因子可以通過以下公式進(jìn)行估算：

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，套管壁厚一般設(shè)計(jì)為套管直徑的5%～10%，實(shí)際生產(chǎn)過程中套管壁厚一般控制在0.45～0.85mm。這樣設(shè)計(jì)的套管只要能承受大于400N的壓扁力，在實(shí)際生產(chǎn)過程中就比較安全。

因此，根據(jù)以上套管內(nèi)徑和壁厚的設(shè)計(jì)，就可以得到套管的外徑。

2.光纖帶套管材料的選擇

光纖帶套管中都需填充纖膏。纖膏的填充即可以保證套管內(nèi)徑圓整度的變化，同時(shí)還能滿足套管的阻水要求。非極性填充纖膏用于極性聚合物套管材料，極性填充纖膏用于非極性聚合物套管材料，以保障套塑材料與填充纖膏之間良好的相容性。

目前，常用的光纖帶套管材料為改型聚丙烯(PP)和聚對(duì)苯二甲酸丁二酯(PBT)兩種，國外歐美主要光纜制造廠商選用PP材料，國內(nèi)光纜制造廠商多選用PBT材料。

PP光纖帶套管材料一般是添加成核劑改型的高耐沖共聚非極性聚丙烯，在PP結(jié)晶成核過程中，高分子鏈段通過在成核劑表面吸附PP分子形成更多的、熱力學(xué)上穩(wěn)定的微型晶核;這種微晶結(jié)構(gòu)使得PP材料的結(jié)晶度更大，從而造成制品具有較好的抗沖擊特性。這類結(jié)晶好壞可以通過擠出后測(cè)定套管的后收縮現(xiàn)象進(jìn)行評(píng)估，后收縮現(xiàn)象嚴(yán)重的材料，形成微晶的比例較小，對(duì)應(yīng)套管的耐沖擊性能、拉伸屈服強(qiáng)度和耐壓性能較差。PBT是一種極性聚酯類高分子材料，由具有硬段結(jié)構(gòu)的對(duì)苯二甲酸單體和具有軟段結(jié)構(gòu)的1，4-丁二醇單體縮聚而成。硬段結(jié)構(gòu)提供材料足夠的抗張強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，軟段結(jié)構(gòu)提供一定的柔韌性。它的結(jié)晶過程非?？焖?，使得套管有更好的表面光澤和尺寸穩(wěn)定性，但不同冷卻速度下結(jié)晶將形成不同密度、結(jié)構(gòu)的晶體，從而造成套管的力學(xué)性能和收縮特性有所變化。

兩種不同材質(zhì)的套管在諸多文獻(xiàn)中已有大量的描述，其主要比較結(jié)果為：假設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全相同，PBT套管會(huì)具有更好的拉伸機(jī)械強(qiáng)度、耐沖擊性能、抗彎曲強(qiáng)度和耐壓扁強(qiáng)度，但對(duì)彎折半徑比較敏感。非改性PP的耐熱氧老化性能較差，PBT在高溫濕熱條件下，存在較嚴(yán)重的水解反應(yīng)。

兩種材料加工出來的套管實(shí)際上都處于未完全結(jié)晶狀態(tài)，都會(huì)具有一定的結(jié)晶后回縮;但值得注意的是，生產(chǎn)過程中前段冷卻水溫度以及光纖帶偶合點(diǎn)與牽引輪之間位置都將嚴(yán)重影響PBT套管在玻璃化溫度下(60度左右)的后回縮指標(biāo)。一般來說，套管入水冷卻溫度越高，套管回縮越大，而結(jié)晶后回縮越小;反之，冷卻水溫較低，套管回縮較小，但結(jié)晶后回縮會(huì)很大，甚至是套管回縮的1～2倍，從而給產(chǎn)品最終性能產(chǎn)生不良影響，因此在生產(chǎn)中應(yīng)避免出現(xiàn)這種后回縮現(xiàn)象。相反PP的結(jié)晶后回縮程度受冷卻水溫的影響相對(duì)較小，更容易控制。