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光纖光纜和通信電纜的技能發展與思考

發布時間: 2024年01月16日 11:31
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1光纖技能發展的特點

  1.1網絡的發展對光纖提出新的要求
  
  下一代網絡(NGN)引發了許多的觀點和爭論。有的專家預言,不管下一代網絡如何發展,一定將要達到三個世界,即服務層面上的IP世界、傳送層面上的光的世界和接入層面上的無線世界。下一代傳送網要求更高的速率、更大的容量,這非光纖網莫屬,但高速骨干傳輸的發展也對光纖提出了新的要求。

  (1)擴大單一波長的傳輸容量

  目前,單一波長的傳輸容量已達到40Gbit/s,并已開始執行160Gbit/s的研究。 40Gbit/s以上傳輸對光纖的PMD將提出一定的要求,2002年的ITU-TSG15會議上,美國已提出對40Gbit/s系統引入一個新的光纖類別(G.655.C)的提議,并建議對其PMD傳輸中的一些疑問執行深入探討,也許不久的將來就會出現一種專門的40Gbit/s光纖類型。

  (2)實現超長距離傳輸

  無中繼傳輸是骨干傳輸網的理想,目前有的公司已能夠采用色散齊理技能,實現2000~5000km的無電中繼傳輸。有的公司正進一步改善光纖指標,采用拉曼光放大技能,可以更大地延長光傳輸的距離。

  (3)適應DWDM技能的運用

  目前32×2.5Gbit/sDWDM系統已經運用,64×2.5Gbit/s及 32×10Gbit/s系統已在開發并取得很好的進展。DWDM系統的大量運用,對光纖的非線性指標提出了更高的要求。ITU-T對光纖的非線性屬性及測試要領的標準(G.650.2)最近也已完成,當光纖的非線性測試指標明確之后,對光纖的有效面積將會提出相應指標,特別是對G.655光纖的非線性特征會有進一步改善的要求。

  1.2光纖標準的細分促進了光纖的準確運用

  2000年世界電信標準大會批準將原G.652光纖重新分為G.652.A、G.652.8和 G.652.C3類光纖;將G.655光纖重新分為G.655.A和G.655.B兩類光纖。這種光纖標準的細分促進了光纖的準確運用,細化標準的同時也提高了一些光纖的指標要求(如有些光纖幾何參數的容差變小),明確了對不同的網絡層次和不同的傳輸系統中運用的光纖的不同指標要求(如PMD值的規定),并提出了一些新的指標概念(如“色散縱向均勻性”等),對合理運用光纖取得了很好的作用。所有這些建議的修改、子建議的出現及新子建議的起草,都意味著光纖分類及指標、測試要領有某些改良,或有主要的提升;都標志著要求光纖質量的提高或運用方向上的調整,是值得留心的光纖技能新動向。

  1.3新型光纖在不斷出現

  為了適應市場的須要,光纖的技能指標在不斷改良,各種新型光纖在不斷涌現,同時各大公司正加緊開發新品種。

  (1)用于長途通信的新型大容量長距離光纖

  主要是一些大有效面積、低色散維護的新型G.655光纖,其PMD值極低,可以使現有傳輸系統的容量方便地升級至10~40Gbit/s,并便于在光纖上采用分布式拉曼效應放大,使光信號的傳輸距離大大延長。

  如康寧公司推出的PureModePM系列新型光纖運用了偏振傳輸和復合包層,用于10Gbit/s以上的DWDM系統中,據稱很適合于拉曼放大器的開發與運用。Alcatelcable推出的TeralightUltra光纖,據介紹已有傳輸100km長度以上單信道40Gbit/s、總容量 10.2Tbit/s的記錄。還有一些公司開發負色散大有效面積的光纖,提高了非線性指標的要求,并簡化了色散補償的方案,在長距離無再生的傳輸中表現出很好的性能,在海底光纜的長距離通信中效果也很好。

  (2)用于城域網通信的新型低水峰光纖

  城域網設計中須要考慮簡化設備和降低成本,還須要考慮非波分復用技能(CWDM)運用的可能性。低水峰光纖在1360~1460nm的延伸波段使帶寬被大大擴展,使CWDM系統被極大地優化,增大了傳輸信道、增長了傳輸距離。一些城域網的設計可能不僅要求光纖的水峰低,還要求光纖具有負色散值,一方面可以抵消光源光器件的正色散,另一方面可以組合運用這種負色散光纖與G.652光纖或G.655標準光纖,運用它來做色散補償,從而防止復雜的色散補償設計,節約成本。如果將來在城域網光纖中采用拉曼放大技能,這種網絡也將具有明顯的優勢。但是畢竟城域網的規范還不是很成熟,所以城域網光纖的規格將會隨著城域網模式的變化而不斷變化。

  (3)用于局域網的新型多模光纖

  由于局域網和用戶駐地網的高速發展,大量的綜合布線系統也采用了多模光纖來代替數字電纜,因此多模光纖的市場份額會逐漸加大。之所以選用多模光纖,是因為局域網傳輸距離較短,雖然多模光纖比單模光纖價格貴50%~100%,但是它所配套的光器件可選用發光二極管,價格則比激光管便宜很多,而且多模光纖有較大的芯徑與數值孔徑,容易連接與耦合,相應的連接器、耦合器等元器件價格也低得多。ITU-T至今未接受62.5/125μm型多模光纖標準,但由于局域網發展的須要,它仍然得到了廣泛運用。而ITU-T推選的G.651光纖,即50/125μm的標準型多模光纖,其芯徑較小、耦合與連接相應困難一些,雖然在部分歐洲國家和日本有一些運用,但在北美及歐洲大多數國家很少采用。針對這些疑問,目前有的公司已執行了改良,研制出新型的5O/125μm光纖漸變型(G1)光纖,區別于傳統的50/125μm光纖纖芯的梯度折射率分布,它將帶寬的正態分布執行了調整,以配合850nm和1300nm兩個窗口的運用,這種改良可能會為50/125pm光纖在局域網運用找到新的市場。

  (4)前途未卜的空芯光纖

  據報道,美國一些公司及大學研究所正在開發一種新的空芯光纖,即光是在光纖的空氣夠傳輸。從理論上講,這種光纖沒有纖芯,減小了衰耗,增長了通信距離,防止了色散導致的干擾現象,可以支持更多的波段,并且它允許較強的光功率注入,估計其通信能力可達到目前光纖的100倍。歐洲和日本的一些業界人士也十分關注這一技能的發展,越來越多的研究證明空芯光纖似有可能。如果真能實用,就能處理現有光纖系統長距離傳輸的疑問,并大大降低光通信的成本。但是,這種光纖運用起來還會遇到許多棘手的疑問,比如光纖的穩定性、側壓性能及彎曲損耗的增大等。因此,對于這種光纖的現場運用還需做進一步的探討。

  2光纜技能的發展特點

  2.1光網絡的發展使得光纜的新結構不斷涌現

  光纜的結構總是隨著光網絡的發展、運用環境的要求而發展的。

  新一代的全光網絡要求光纜提供更寬的帶寬、容納更多的波長、傳送更高的速率、便于安裝維護、運用壽命更長等。近年來,光纜結構的發展可歸納為以下一些特點。

  1)光纜結構根據運用的網絡環境有了明確的光纖類型的選擇,如干線網光纖、城域網光纖、接入網光纖、局域網光纖等,這決定了大范圍內光纜光纖傳輸特征的要求,具體運用的條件還有可依據的細分的標準及指標;

  2)光纜結構除考慮光纜運用環境條件以外,越來越多的與其施工要領、維護要領有關,必須統一考慮,配套設計;

  3)光纜新材料的出現,促進了光纜結構的改良,如干式阻水料、納米材料、阻燃材料等的采用,使光纜性能有明顯改良。

  不同的場合和不同的要求造成了光纜的多結構的發展趨勢,新的光纜結構以及在現有結構上不斷改良的各種結構也在不斷涌現,出現了如下一些類型。

  “干纜芯”式光纜:所謂“干纜芯”即區別于常用的填充管型的光纜纜芯。這種纜的阻水功能主要靠阻水帶、阻水紗和涂層組合來完成,其防水性能、滲水性能都與傳統的光纜相同,但它具有生產、運輸、施工和維護上的一些優點。首先是方便,因為阻水材料不含粘性脂類,操作運用比較方便安全;其次,干式光纜重量輕、易接續、易搬運,設備投資小、成本低,生產運用中也顯得干凈衛生,在長期運用中還可減少纜芯中各種元件之間的相對移動。特別是在接入網室內纜和用戶纜中,優點更加明顯。

  生態光纜:一些公司從環境保衛及阻燃性能的要求出發,開發了生態光纜,運用于室內、樓房及家庭?,F有光纜中運用的一些材料已不符合環保的要求,如PVC燃燒時會放出有毒性氣體,光纜穩定劑中有時含鉛,都是對人體及環境有害的。2001年ITU-T已通過了一項L45建議——“使電信網外部設備對環境的影響最小化”建議,通過對光纜、電纜光器件及電桿等基于壽命周期怦估 (LifeCycleAnalysis,LCA)的要領來確定產品對環境的影響。由于環境因素正日益受到重視,對通信外部設備,特別是光纜產品規定這樣的指標已提到日程上來,如果不在材料和工藝上下功夫就難以達到環保的要求。因此已有不少公司針對此類疑問開發了一些新材料,如對室內用纜,開發了含有阻燃添加劑的聚酞胺化合物,以及無鹵性阻燃塑料等。

  海底光纜:海底光纜近年來有根快的發展,它要求長距離、低衰減的傳輸,而且要適應海底的環境,對抗水壓、抗氣損、抗拉伸、抗沖擊的要求都特別嚴格。

  淺水光纜(MarinizedTerrestrailCable,MTC):淺水光纜是區別于海底光纜而提出來的另一類結構的水下光纜,適合于在海岸邊上、淺水中安裝,無需中繼、通信距離比較短的水下(如島嶼間、沿海岸邊上的城市)敷設運用。這種光纜區別于海底光纜的環境,須要的光纖數不多(中等),但要求結構基本、成本較低,易于安裝和運輸,便于修正和維護。ITU-T在2001年提出了ITU- TG.972定義下的淺水光纜建議,為建設類似的水下光纜提供了一組規范,隨后也有可能形成相應的國際標準。

  微型光纜:為了配合氣壓安裝(或水壓安裝)施工系統的運用,各種微型的光纜結構已在設計和運用中。

  對于氣壓安裝的微型光纜,要求光纜與管道之間有一定的系數,光纜重量要準確,具有一定的硬度等。這種微型光纜和自動安裝的方式是未來接入網,特別是用戶駐地網絡中綜合布線系統很有潛力的一種方式,如在智能建筑中運用的智能管道中就非常適合這種安裝。

  采用了納米材料的光纜:近來,一些廠商已開發出納米光纖涂料、納米光纖油膏、納米護套用聚乙烯(PE)及光纖護套管用納米PBT等材料。采用納米材料的光纜,運用了納米材料所具有的許多優異性能,對光纜的抗機械沖擊性能、阻水、阻氣性都有一定的改善,并可延長光纜的運用壽命。目前此類材料尚處于試用階段。

  全介質自承式光纜(ADSS):全介質光纜對防止電磁影響及防雷電都有優良的特征,而且重量輕、外徑小,架空運用非常方便,在電力通信網中已得到大量的運用。估計2000~2005年,每年電力部門對ADSS光纜需求約15000km。ADSS同時也是電信部門在對抗電磁干擾及雷暴日高的敷設環境中一種很好的光纜類型的選擇。在今后一段時間內,如何在滿足要求的前提下,盡量減小ADSS光纜的外徑,減輕光纜的重量,提高其耐電壓性能是ADSS光纜研究改良的課題。

  架空地線光纜(OPGW):OPGW已出現了很長一段時間,近年來一直在改良和提高之中。OPGW的光纖單元中采用PBT,于套管外面再加上一層不銹鋼管,有的還在塑料套管與不銹鋼管之間加上一層熱塑膠,不銹鋼管用激光焊接長度可達數十公里,光纖在這樣的多層保衛管中得到了充分的機械保衛。估計從現在到 2005年,OPGW光纜的需求將會逐年上升,每年添加約2500km,到2005年估計可達到20000km。當然對OPGW光纖的防雷疑問一直是業界十分關注的疑問,也應配合具體環境和運用條件加以考慮,使之得到充分保衛。

  2.2光纜的自動維護、適時監測系統已逐漸完備,可保證大容量高速率的光纜不中斷傳輸

  光纜的維護對于保證網絡的可靠性是十分主要。在已開通的光網絡中,光纜的維護和監測應該是在不中斷通信的前提下執行的,一般通過監測空閑光纖(暗光纖)的方式來檢測在用光纖的狀態,更有效的方式是直接監測正在通信的光纖。雖然ITU-T長時間收集和討論了國際上的最新資料,于1996年揭曉了L.25光纜網絡維護的建議書,對光纜的預防性維護和故障后維護規定了細致的維護范圍和功能,但已經不能滿足當前的須要,目前最新的建議是2001年12月IUT-TSG16會議通過的“光纜網絡的維護監測系統”(L.40建議)。為了進一步縮短檢測及修正時間,美國朗訊公司曾提出了新一代光纖測試及監控系統,能在1s內發出故障告警,3min內找到故障點,且工作人員可以遙控操作,據稱該系統還將開發有故障預測及對斷纖(纜)的高速反應能力。日本、意大利等國電信企業也提出了一些系統方案。

  日本NTT方案:在局內運用光纖選擇器與系統的測試設備和傳輸設備相連形成了一種可對光纖狀況執行實時監測的系統,保證有用信號在通過光纖選擇器測試證明良好的光纖上傳輸,對有故障的光纖可以預選監測出來及時傳送到維護中心執行適當處理,防止不良狀況進入有用的光傳輸信道,從而起到在運行中對整個光通信系統的支撐作用;在局外通過水敏傳感器裝置可監測外部設備光纜線路接頭盒浸水的位置,水敏傳感器安裝在空閑的光纖上,水敏傳感器中裝有吸水性膨脹物,當水滲人接頭盒時,吸水性物質會膨脹使得接頭盒中的光纖受力,也就是使得這一空閑光纖彎曲,從而使光纖的損耗添加,在監測中心的OTDR上就會反映出來。

  意大利的方案:此方案是一種綜合處理的新型連續光纜監測系統。主要特點是將光纜網絡、光纖及光纜護套的監測綜合在一起,既運用了OTDR系統周期性地對光纖的衰減執行監測,發覺有衰減變化即發出警報,并執行故障定位,同時也可以連續監測光纜護套的完整性,包括護套對地絕緣電阻的監測,發覺疑問(如護套進水等)即馬上告警,達到更徹底地預告故障發生的目的。

  比較日本和意大利電信部門提出的光纜維護支撐系統的方案可見:日本方案在OTDR自動適時測試光纖的基礎上,加入了光纖選擇器,在外線上裝設水敏傳感器并執行護套監測,形成了一套較完整的自動維護、支撐系統,真實做到不中斷光通信的維護。意大利的方案中除監測光纖性能以外,還考慮了護套絕緣電阻的自動監測。由此兩例可以看出全自動的光纜維護應是一種發展方向。

  3通信電纜的發展特點

  3.1寬帶的HYA通信電纜須要更好地為數字通信新業務服務

  原有的電纜網絡雖然可以支持一些數字新業務,但是在實際運用中并不是特別理想,在通信距離、速率及質量上仍有一定的限定。對于新的網絡當然是以光纖為主,對于光纖所不能達到的地點或因各種原由仍然要新建電纜網絡的地區,應該考慮新型寬帶結構的HYA電纜(銅芯聚乙烯絕緣綜合護套市內通信電纜),以便更能符合新業務發展的須要。一些公司對現有的電纜高頻特征作了測試,他們得到的結論是所研究的電纜(即現有的HYA市話電纜)不能達到5類電纜的技能要求,戶外電纜要實現j類電纜的特征,必須通過特殊的設計和制造來達到。但在20MHz以下,所有電纜都顯示出充分適宜的傳輸性能。美國已在1997年制定了用于寬帶的對絞通信電纜標準(ANSI/ICEAS-98-688-1997及S- 99-689-1997),包括非填充和填充兩種型式。傳輸頻寬已擴展到100MHz,可供數字網絡運用。IEC對此疑問也執行過較長時間的討論,2001年,IEC62255-1文件“用于高比特頻率數字接入電信網絡的多對數電纜”提出了0.4~個0.8mm線徑、1~150對、最高頻率 30MHz等指標的建議,此建議的提出也許會為這種電纜開辟一個新的空間,我國也開始了這方面的探討和研制,并正在建立相應的標準。

  3.2超5類及6類電纜將替代5類電纜成為布線系統發展的超蟄

  隨著智能化大樓、智能化建筑小區對寬帶布線的要求愈來愈高,超5類和6類電纜己逐漸成為布線系統中的主流。超5類電纜與5類電纜的頻帶都是100MHz,但其具有雙向通信的能力,用戶可以同時收發寬帶信息。因此超5類電纜比5類電纜在電阻不平衡性、絕緣電阻、對地電容不平衡性、傳輸速度等指標上都有提高,并且添加了近端串音衰減功率和等電平遠端串音功率等一些指標,因此在工藝和結構上要做一定的改良才能達到。6類電纜在超5類的基礎上,又提高了傳輸頻帶,達到250MHz,其相應的指標也有較大的提高。同時,6類電纜要求不但有嚴格的工藝,而且不少廠商在結構上也有一定的改良和創新,如采用泡沫皮絕緣芯線或皮泡皮絕緣芯線、骨架式結構隔離線對等都改善了電纜的高頻特征。

  3.3物理發泡射頻同軸電纜及漏泄同軸電纜將具有較好的發展前景

  由于移動通信的高速發展,無線電基路用物理發泡射頻同軸電纜,特別是超柔形結構的室內電纜、路由連結電纜都有了較大的市場需求。

  同時,隨著移動通信信號覆蓋面的不斷擴大,基站站數的增多,以及邊緣地區(電梯、地鐵、地下建筑、高層建筑室內等用戶)對移動信號的要求不斷提高,估計這類電纜將會有較好的發展前景。但對電纜指標的要求(如駐波比、屏蔽衰耗等要求)已明顯提高,要求電纜的工藝及結構應不斷改良,以與之適應。

  4光纖光纜及通信電纜技能與產業發展中多個值得思考的疑問

  4.1積極創新開發具有自主知識產權的新技能

  雖然這幾年來,我國光纜電纜技能有很大發展,有一些具有自主知識產權的技能已在發揮作用,但是應該看到這種比例仍是很小的,國內有近200家光纖光纜廠,但大多產品單一,沒有自主的知識產權,技能含量較低,競爭力不強。有資料統計,1997~1999 年國內企業申請光通信專利的有132件,其中光纖38件,光纜只有19件,而同期外國公司在中國申請光通信專利達550件,其中光纖光纜37件。還有資料報道:從1997年以來,國內光通信核心技能專利是90件,我國自主申請的只有9件,僅占10%。實際上我國的光纖光纜技能應該說與國際水平己差距下大,因此我們作為世界第二的光纜大國,應該把開發具有自主知識產權的技能作為我們工作的重中之重,爭取創造更多的光纖光纜專利。

  4.2開發具有先進技能水平、與運用環境、施工技能相配套的新產品

  電信網絡在不斷發展的同時也對光纜電纜產品不斷提出新的要求。不難發覺,光纜的結構越來越依賴于運用的環境條件及施工的具體要求,在海底光纜、淺水光纜、ADSS及OPGW光纜的開發中,會對這一點有深刻的體會。而今后光纜建設的重點將會隨著接入網、用戶駐地網的建設不斷展開,新一代的光纜結構和施工技能也會基于如微型光纜、吹入或漂浮安裝及迷你型微管或小管系統的全套技能而有一系列新的變化,以便有限的敷設空間得到充分、靈活的運用。這當中也包含了若干光纜設計、制造工藝、光纖光纜材料、施工安裝方面的新的技能課題。一些國家或公司已取得了一些體會,正逐漸形成新的系統技能專利。我國的用戶眾多,接入網和用戶駐地網具有很多的特色,對接入光纜也會有更多的要求,為我們研究和創新接入網和用戶駐地網光纜結構提供了很好的機會。應該說,多數光纜技能我們是跟在國外最新技能的后面,雖然緊跟了先進技能,但自我創新的成份太少。今后應當在這方面下些功夫,走自己的創新之路。在有中國特色的接入網及用戶駐地網中多采用一些有中國特色的光電纜產品。

  4.3運用已有設備與技能,改善HYA市話電纜的相應特征,為數字業務提供更好的服務

  對于已經敷設的銅電纜,我們只能在現有條件下盡量運用其特征開通數字新業務。而現有的HYA電纜,雖然亦可開通ADSL等一些新業務,但是容量有限,當ADSL數量增大到一定限度后還是會出現干擾疑問,而且還會影響以前開通的業務。因此,對新敷設的銅電纜,希望能提出一些新的寬帶指標要求,為將來開通更多更好的新業務作好準備?,F有的市話電纜生產廠商應深入研究自身的生產工藝,在不改動(或不大改動) 生產設備的情況下,認真設計和精心制造,把現有電纜的技能水平提高一個檔次,以提供更寬頻帶的電纜,為更多更好地開拓數字新業務提供高質量的通道。

  4.4改良光纜電纜的施工和維護要領

  目前,為了適應城市施工的特點,國際上較重視不挖溝的方式施工光、電纜,采用小地溝或微地溝技能安裝光纜,同時對光纜網執行自動監測,保證光纜網絡不中斷通信維護。

  與此相適應的是須要開發相應的元器件、工具和設備,并且要在體制上作一些改良與之相適應。ITU對 NH開發光纜用浸水傳感器、光纖自動測試時的光纖選擇器以及美國提出的1s告警、3min內定位的指標及意大利提出的光纖纖芯與光纜護套指標綜合監測等方案都十分重視。在當代化的光網絡中,這些方式已經起到明顯的作用。由此可見,為了保證光纜網絡工作的可靠性,在施工和維護中降低成本、節省勞力、節省時間,逐步推廣新的施工要領,逐步完備光纜網絡的自動監測維護系統和提高光纜網絡的不中斷維護水平已勢在必行。

  4.5冷靜地審視當前電信市場的發展,促進光纖光纜和通信電纜產業的發展

  2001年下半年以來,光纖光纜需求下降,這當然與世界電信行業的整體下滑以及寬帶網絡泡沫的破滅有很大聯系,但更多的則是受到從1999年下半年起由于光纖緊缺而各大公司擴產過多的影響。據資料介紹,在2000年,全球光纖廠商的投資額達到26億美元,為1999年的6倍,按推算到2002年全球光纖的產能將達到1.65~1.75億光纖公里,遠遠超過了實際需求。加上當前電信基礎建設的不景氣,光纖過剩的現象不可防止。

  光纖光纜及通信電纜的市場走勢雖然受到國際經濟大形勢發展的影響,特別是與整個電信行業的發展有密切的聯系,但應看到,在擠出了網絡泡沫的水份之后,隨著光纖網絡從骨干網的擴建到接入網、城域網的擴散以及向用戶駐地網的不斷延伸,光纖光纜及寬帶數字電纜的市場必將增長。據KMI估計,2003年世界光纖市場將開始有較大的增長,而到2004年的市場規模將超過敷設量最高的2000年。

  應該看到,信息通信業是一個充滿生機與活力的朝陽產業,網絡經濟有著強大的生命力,信息技能、網絡技能的發展,仍然是推動社會進步的主要動力,信息網絡化仍然是當今世界經濟、社會發展的強大趨勢。因此我們應樹立信心,在全球經濟好轉、通信市場復蘇及我國西部開發等有利條件下抓住機遇,促進光纖光纜和通信電纜技能與產業取得更大的進展]

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