2.6 光缆

2.6.1 对光缆的基本要求

对光缆的基本要求是保护光纤固有的机械特性和光学特性，防止在施工过程中和使用期间光纤断裂，保持传输特性的稳定。为此，必须根据使用环境，设计各种结构的光缆，以免光纤受应力的作用和有害物质的侵蚀。

石英光纤本身的理论断裂强度高达1600kg/mm2，由于表面裂纹和水分作用，实际裸光纤断裂强度只有20kg/mm2，相当于直径0.125mm的光纤能经受250g的张力。为了提高光纤的机械强度，要在光纤拉制的同时，用塑料对光纤表面进行被覆。被覆光纤断裂强度最小相当于1～3kg，平均6～7kg，完全满足应用的要求。为了确保成缆前光纤机械强度的可靠性，最有效的方法是进行张力筛选，筛选张力的大小与光纤使用寿命密切相关。

在施工过程和实际使用环境中，光缆受到拉力的作用而伸长，或由于低温的影响而收缩。为避免外力对光纤的作用，设计光缆时，要使外力和光纤隔离或至少有缓存，以减小外力的影响，延长光纤的寿命。实现这种隔离的有效方法之一是把光纤封闭在松套管内制成层绞式光缆。对套管的要求是内外表面平滑、杨氏模量大、热膨胀系数和光纤的相近。光纤在套管内有一定余长，能适当地自由移动，并取应力最小的位置，如图2.6.1所示。光缆制造时，光纤在应力最小的套管中心，如图2.6.1a所示；当光缆受拉力作用而伸长时，为保持无应力状态，光纤移向加强件，如图2.6.1b所示；当光缆在低温收缩时，光纤移向缆芯外缘，仍然处于无应力状态，如图2.6.1c所示。因此，这种光缆即使在一定范围内发生应变，还可以存在着一个保持光纤无应变的窗口，在这个窗口内，光纤衰减的增加为零，如图2.6.1d和图2.6.1e所示。光缆设计的目标是得到并增大这个无应变窗口。

事实上，光纤本身对温度是稳定的。由于光纤材料（SiO₂）与被覆材料和成缆材料的热膨胀系数不同，在低温状态下，材料收缩产生微弯曲而使光纤衰减增加。

2.6.2 光缆结构和类型

光缆由缆芯和护套两部分组成。缆芯一般包括被覆光纤（芯线）和加强件，有时加强件分布在护套中，这时缆芯主要就是芯线。芯线是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。加强件承受光缆的张力，通常采用杨氏模量大的钢丝或者非金属的芳纶纤维（Kevlar）。护套一般由聚乙烯（或聚氯乙烯）和钢带或铝带组成，对缆芯起机械保护和环境保护作用，要求有良好的抗压能力和密封性能。

1.被覆光纤（芯线）

为了提高光纤机械强度，抑制微弯损耗，通常要对光纤进行两次被覆。一次被覆材料一般用软塑料，如紫外固化的丙烯酸树脂或热固化的硅酮树脂，一次被覆光纤直径为0.25～0.40mm。二次被覆光纤有紧套和松套两种，紧套光纤是用模量大的尼龙12紧套在硅酮树脂一次被覆光纤的表面，松套光纤是把丙烯酸树脂一次被覆光纤放在高强度聚酰胺塑料套管内，套管充填油胶（Jelly）。套管直径由容纳的光纤数目决定。一次被覆光纤在套管内有一定余长，可适度自由移动，避免应力作用和微弯损耗，改善低温特性（见图2.6.2）。

为增加光缆容纳的光纤数目，采用一种带状式的芯线。将一次被覆光纤（4～12纤）平行排列并加被覆形成带状线，再把这种带状线一层一层叠加构成带状单元芯线。这种芯线可以放在大套管内，也可以放在骨架槽内，形成高密度光缆。

2.缆芯结构

缆芯结构多种多样，基本结构有四种形式。

1）层绞式：把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成，这种结构的缆芯制造设备简单，工艺相当成熟，得到广泛采用。该缆芯采用松套光纤可以增强抗拉强度，改善温度特性。

2）骨架式：把紧套光纤或丙烯酸一次被覆光纤，放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。这种缆芯抗侧压力性能好，有利于对光纤的保护。

3）中心套管式：把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件分布在套管周围而组成。这种结构加强件同时起着护套作用，有利于减轻光缆重量。

4）带状式：把带状芯线放入大套管内，加强件分布在套管周围；也可以把带状芯线放入骨架凹槽内，或者放入松套管进行绞合。带状缆芯结构有利于制造容纳数百根光纤的高密度光缆。带状光缆广泛应用于干线网和用户网。

3.护套结构

护套的作用是保护缆芯，防止机械损伤和有害物质的侵蚀，特别要注意抗侧压力，以及密封、防潮耐腐蚀性能。中心套管式和带状式缆芯结构，加强件分布在护套中，护套还起抗张力作用。基本光缆结构如图2.6.3所示。

在特殊场合使用的光缆结构要求更加严格。海底光缆要承受海水压力和拖网渔船的干扰，防止海水浸蚀，对光缆的机械强度和密封性能要求很高。一般要用一层或多层镀锌圆钢丝进行铠装，以保护缆芯和护套。电力通信光缆要防止强电场特别是短路和雷击产生的强电场对光缆的影响，要采用无金属光缆，这种光缆一般用高强度非金属材料，常用的是纤维增强塑料（Fiber Reinforced Plastic,FRP）作加强件，如自承式光缆和缠绕式光缆。架空地线复合光缆（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire,OPGW）是把无金属光缆包在空心地线内，用一层或多层铝合金丝和铝包钢丝铠装。在矿区或地铁等场合要使用阻燃光缆，用聚醋酸乙烯酯（PVA）作护套，可耐250℃以上的高温。

2.6.3 海底光缆分类及性能

ITU-T G.978对海底光缆参数进行了规范［31］。

1.海底光缆分类及结构

从应用观点分，海底光缆可分为中继海底光缆、无中继海底光缆和可浸水陆地光缆。中继海底光缆内有远供电系统使用的铜导体，而无中继海底光缆却没有。无中继海底光缆应用于浅滩和深水，可浸水陆地光缆适用于穿湖过河。

从是否受到保护观点分，海底光缆可分为轻型（LW）光缆、轻型保护（LWP）光缆、单铠装（SA）光缆、双铠装（DA）光缆和岩石铠装（RA）光缆，典型海底光缆结构如图2.6.4所示。轻型（LW）光缆和轻型保护（LWP）光缆适用水深1000m以上，单铠装（SA）光缆适用水深20～1500m，双铠装（DA）、岩石铠装（RA）光缆适用水深0～20m。

图2.6.5表示轻型光缆、轻型保护光缆、单铠装光缆和双铠装光缆的结构。

为了保护光纤，通常采用紧套光纤和松套光纤，如图2.6.4a和图2.6.4b所示。在紧套光纤光缆结构里，光纤受力基本上与光缆的相同。在松套光纤光缆里，光纤可以自由移动，不受力，拉长值比光缆的短。

海底光缆由护套、钢丝、钢管、填充物、远供导体铜管和光纤组成，通常使用的国际海底光缆纤芯为8～16芯。钢管按经线方向装配组合在光纤单元外，主要作用是抵抗压力，外径标称值一般为6.1mm。数根钢丝以左右方向绕在钢管外围，以增强抵抗力。

我国中天科技海缆有限公司已有多种型号的海底光缆提供给国内外用户使用。

2.中继系统海底光缆

对以光放大器为基础的长距离中继系统海底光缆的基本要求是：光纤要满足大容量传输线路的独特性能，光缆要经得起海洋严酷环境的考验。

海底光缆要承受海水压力、浸蚀和拖网渔船的侵扰，为此，对光缆的机械强度和密封性能要求很高。一般要用一层或多层镀锌圆钢丝进行铠装，以保护缆芯和护套。

由于海洋环境的特殊性，海底光缆的设计和制造要求十分严格。

光缆设计要求使光纤与电导体和海洋环境隔离，以保护缆芯免受侵害。光缆设计与制造应在最低成本条件下，可靠地保持光纤的特性。光缆的保护程度取决于海水深度，大陆架暗礁比深海平地更加严酷。要根据海洋环境的实际状况，设计不同类型的光缆，以适应不同环境的使用。海底光缆包括四个主要部分：光纤构件、组合电导体、聚乙烯绝缘层和铠装保护。典型铠装材料是钢带或钢丝，制造不同类型光缆的方法是改变铠装材料和厚度，或用多层铠装。常用海底光缆的特性列于表2.6.1。

深水（DW）海缆：这是基本的海底光缆，由光纤构件、组合电导体和聚乙烯绝缘层组成，适合深海应用。

特殊应用（SPA）海缆：这种结构包含DW光缆，用纵向金属隔离层保护，并覆盖高密度聚乙烯保护层。这种光缆适用于有鱼类啃咬和存在意外磨损的区域，以及计划的光缆连接处。

轻型铠装（LWA）海缆：这种结构包含DW光缆，单层中等强度钢丝铠装保护。适合埋入海洋。

单铠装（SA）海缆：这种结构和LWA光缆相似，用单层钢丝铠装，强度较大，适用于非埋设应用。

双铠装（DA）海缆：在DW光缆上施加两层钢铠装保护，适用于靠近海岸的区域，这种地方受到损坏的危险最大。

3.无中继系统光缆

无中继系统海底光缆一般可以选择三种类型的传输光纤：纤芯为纯SiO₂的G.654光纤、掺锗（GeO₂-SiO₂）的G.652光纤、色散位移光纤G.653和G.655，这些光纤的特性见表2.5.3。在远离岸边的海底光缆中接入一段20～50 m的掺铒（Er）光纤，从终端站对其泵浦提供增益，可延长中继距离。虽然掺铒光纤的传输特性和传输光纤不同，但是与传输光纤同样可靠，也可以成缆。

无中继海底光缆和中继光缆的结构相似，只是直径约为中继光缆直径的60%，这样设计可降低浅水应用的光缆成本。这种无中继光缆的组成有：光纤构件包含的光纤可达24对；加强件提供抗张强度，防止操作时拉伸；铜导管在故障定位时作为电导体；绝缘套防止海水渗透；铠装保护由金属带与聚乙烯和铠装钢丝组成。