一、 概述

光纖通信技術(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，其近年來發(fā)展速度之快、應用面之廣是通信史上罕見的，也是世界新技術革命的重要標志和未來信息社會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，一方面因為3G網(wǎng)絡的覆蓋建設、FTTX網(wǎng)絡的規(guī)模推廣以及IPTV網(wǎng)絡在城市的試點開展，另一方面運營商業(yè)務容量的急速膨脹，以及不斷開發(fā)出豐富且多樣性的業(yè)務內(nèi)容，同時，運營商隨著城市化的發(fā)展而不斷地建設并完善其基礎物理光纖網(wǎng)絡，既有其發(fā)展的必要性，又有其保持競爭地位的需要。因此，來自基礎建設和業(yè)務發(fā)展這兩方面的大量需求，直接導致了運營商對光纖光纜需求的快速增長。

由于用于敷設光纜的城市地下管網(wǎng)資源在相當長的一段時間內(nèi)和一定空間范圍內(nèi)的增加又是有限的，并且具有獨占性和稀缺的特點。而光纖帶光纖光纜具有光纖密度大，光纜外徑小，易于敷設等特點，較好地解決了運營商發(fā)展的需要與面臨城市地下管網(wǎng)不足的矛盾。這些年來，運營商對光纖帶光纜的運用也越來越普遍，運用的地域也越來越廣泛，運營的網(wǎng)絡層次也由核心層逐步向重點接入層擴散，而且芯數(shù)也在不斷增加，已經(jīng)運行的大芯數(shù)光纖帶光纜已經(jīng)達到了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構設計原理，通過對不同材質(zhì)的光纖帶套管的選擇、不同套管尺寸的設計和性能比較，以及相關的試驗，驗證了采用不同材料的光纖帶套管時，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，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強度隨電信號的幅度(頻率)變化而變化，并通過光纖發(fā)送出去;在接收端，檢測器收到光信號后把它變換成電信號，經(jīng)解調(diào)后恢復原信息。

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：短波長多模光纖、長波長多模光纖和長波長單模光纖。采用光纖通信是通信史上的重大變革，美、日、英、法等20多個國家已宣布不再建設電纜通信線路，而致力于發(fā)展光纖通信。中國光纖通信已進入實用階段。

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、移動通信并列為20世紀90年代的技術。進入21世紀后，由于因特網(wǎng)業(yè)務的迅速發(fā)展和音頻、視頻、數(shù)據(jù)、多媒體應用的增長，對大容量(超高速和超長距離)光波傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡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)實現(xiàn)信息傳輸，達到通信目的的一種最新通信技術。

通信的發(fā)展過程是以不斷提高載波頻率來擴大通信容量的過程，光頻作為載頻已達通信載波的上限，因為光是一種頻率極高的電磁波 ，因此用光作為載波進行通信容量極大，是過去通信方式的千百倍，具有極大的吸引力，光通信是人們早就追求的目標，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：它傳輸頻帶寬、通信容量大;傳輸損耗低、中繼距離長;線徑細、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;還具有抗腐蝕能力強、抗輻射能力強、可繞性好、無電火花、泄露小、保密性強等優(yōu)點，可在特殊環(huán)境或軍事上使用。

二、 光纖帶光纜套管設計的理論分析

1.光纖帶套管尺寸設計

光纖帶可以分為兩種結構，既邊緣粘接型和整體包覆型，整體包覆型結構相對邊緣粘接型結構來說，光纖帶厚度和寬度相應較大?？紤]到光纖帶光纜在實際生產(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構生產(chǎn)光纖帶為主。

光纖帶中光纖的標識，一般建議選擇全色譜的方式識別，以便工程接續(xù)和將來光纖分配的現(xiàn)場管理。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角線的長度，它的長度是我們設計套管尺寸的依據(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，K值考慮的大，那么光纖疊帶在套管中可活動的空間就大，套管中的光纖疊帶質(zhì)量就更有保證，但是若套管外徑設計的過大，那么光纜的成本就會大幅升高。

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計的，但是從實際光纖帶光纜的解剖結果看，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為形變時的疊帶，如圖3所示：

疊帶的等效內(nèi)徑公式修正如下：

因此，實際套管的內(nèi)徑是以光纖疊帶形變時的等效內(nèi)徑為最終依據(jù)設計的。

1.2套管壁厚的設計

套管壁厚的設計，需兼顧套管的耐壓扁性能，耐扭轉(zhuǎn)性能和曲折性能。這些性能的測試結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。行業(yè)標準已規(guī)定了相應的試驗方法。

為了方便設計，套管的壁厚與側(cè)壓強度及彎曲強度的關系可以通過套管的結構強度因子和材料強度因子進行理論預估。其中套管的結構強度因子和套管的內(nèi)空、壁厚相關，而不同材料有不同的材料強度因子，材料強度因子和材料的壓縮模量、彎曲模量呈線性關系。套管的結構強度因子可以通過以下公式進行估算：

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

因此，根據(jù)以上套管內(nèi)徑和壁厚的設計，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、熱力學上穩(wěn)定的微型晶核;這種微晶結構使得PP材料的結晶度更大，從而造成制品具有較好的抗沖擊特性。這類結晶好壞可以通過擠出后測定套管的后收縮現(xiàn)象進行評估，后收縮現(xiàn)象嚴重的材料，形成微晶的比例較小，對應套管的耐沖擊性能、拉伸屈服強度和耐壓性能較差。PBT是一種極性聚酯類高分子材料，由具有硬段結構的對苯二甲酸單體和具有軟段結構的1，4-丁二醇單體縮聚而成。硬段結構提供材料足夠的抗張強度和彎曲強度，軟段結構提供一定的柔韌性。它的結晶過程非?？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晶將形成不同密度、結構的晶體，從而造成套管的力學性能和收縮特性有所變化。

兩種不同材質(zhì)的套管在諸多文獻中已有大量的描述，其主要比較結果為：假設結構設計完全相同，PBT套管會具有更好的拉伸機械強度、耐沖擊性能、抗彎曲強度和耐壓扁強度，但對彎折半徑比較敏感。非改性PP的耐熱氧老化性能較差，PBT在高溫濕熱條件下，存在較嚴重的水解反應。

兩種材料加工出來的套管實際上都處于未完全結晶狀態(tài)，都會具有一定的結晶后回縮;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與牽引輪之間位置都將嚴重影響PBT套管在玻璃化溫度下(60度左右)的后回縮指標。一般來說，套管入水冷卻溫度越高，套管回縮越大，而結晶后回縮越小;反之，冷卻水溫較低，套管回縮較小，但結晶后回縮會很大，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)中應避免出現(xiàn)這種后回縮現(xiàn)象。相反PP的結晶后回縮程度受冷卻水溫的影響相對較小，更容易控制。