光缆的结构设计与原理详解

光缆是为保护光纤而存在的，所以光纤在光缆中是必不可少的。看似一句废话，但生活中，我们很多人往往本末倒置，不知道光缆的目的之所在，为了保证光缆的性能而忽视掉对光纤的保护。光缆就是通过合理的结构设计和材料的选用，让光纤在不同的使用环境中保证其性能，并满足其使用寿命。

随着光纤的使用范围逐步扩大到社会生活的方方面面，对光缆以及光纤的要求也有很大变化。光缆必须适应使用环境，如从早期的室外环境延伸到室内应用，从骨干网分支到局域网，从公网走向专网，从高成本降到低成本，从高大上的“精英分子”沦落至“普罗大众”，这就要求对光缆结构的设计、材料的选用、光纤种类的选择以及特殊防护措施等的重新考虑。

光缆的结构设计，特别是护层的设计是基于通信电缆的设计理念和经验，并结合光纤“玻璃”特性加以改进。而缆芯的设计最早有两种基本的技术走向，即以日本为代表的骨架结构和以欧美为代表的松套管结构。改革开放早期，中国设备制造能力落后，光纤光缆等高科技产品的设备主要依赖进口，所以中国早年在选择光缆技术时就面临两种选择，实际上，选择了何种设备就决定了采用何种技术。

毋庸置疑，骨架缆技术属日本最为成熟和先进。早年日本电报电话公司（NTT）牵头组织藤仓、住友、古河等几大光纤光缆厂共同研发各种产品，并形成其独特的骨架光缆技术。但是在20世纪80年代末到90年代初，中国亟须引进各种高精尖技术时，日本企业对技术转让设置较高的门槛，并提出高昂的价格和一系列附加条件，所以骨架缆在中国没有得到发展。就世界上来说，也仅是少数国家或地区以生产和使用骨架缆为主。

欧美国家扎实的基础研究和精密制造成就了Corning，Heathway，Philips，Swisscab，Siemens，Alcatel等一批顶尖的线缆科技企业，并立足于松套结构光缆的研发、生产。中国企业在很难得到日本骨架缆生产设备、技术后，只能转向欧美国家以获取松套光缆技术以及制棒、拉丝技术。于是在很长的一段时间内，国内基本是松套光缆的天下，直到城域网大量建设时期，大芯数光缆需求增大，骨架缆因其纤密度高、干式缆芯等的优势才让运营商侧目。

从性能来说，骨架光缆和松套光缆各有优劣。最基本的特点是骨架光缆抗侧压能力较强，光纤密集度高，干式结构；松套结构光纤余长设计方便，套管中的油膏能有效防止水、水汽等浸入，光缆耐环境性能好。

但在材料和工艺技术发展过程中，现有的这些特点也并非一开始就这样。比如，我们现在见到的骨架光缆基本都是带状光缆和干式结构，好像骨架光缆天生就是这个样子的，其实早期骨架光缆既有充气保护结构，也有油膏填充结构，并且是散纤的。

合理的设计，可有效保证光纤寿命，包括各种外力和环境的影响。但不管哪一种结构的光缆，都需要考虑以下的一些设计因素或材料的选取。

（1）光纤余长设计。“余长”理论上讲是光缆受外力影响伸长到光纤刚刚开始受力时光纤相对光缆长度的富余量。这种理论上的余长不方便测量，所以常用一段光缆或套管中富余长度的光纤与光缆或套管的比值来定义余长。光缆中的光纤，必须保证其有合适的余长，这是光缆在生产、敷设和使用过程中确保光纤寿命最基本的要求！所谓“合适”，亦即要有一定富余的长度，但不能过长。当光缆受力拉伸或自然伸长时，光纤不可长期受力；当光缆因环境温度下降，光纤也不可产生过多的富余量而导致大的弯曲。

余长是一个工艺参数，用户对余长没必要关心，也不用去关心，通过应力应变和温度循环测试基本可以判断光缆余长设计的合理性。虽然温度循环测试对一些特殊应用场合的光缆不尽合理，如大跨越ADSS光缆和其他的自承式光缆需要设计出足够的大余长，但以这样的理念设计将可能导致在光缆盘测时低温性能的劣化。合适的余长设计既保证光缆架设后光纤不受力，也能保证出厂检验时性能满足要求。

（2）光纤着色。光纤着色纯粹为了光缆熔接和维护时光纤的识别，同时也有利于光缆生产和使用环节的识别。Alcatel的锁色工艺为了省略着色工序，在拉丝环节中，将颜色直接混入涂层材料。早期光缆芯数小，通过套管的领示色识别光纤，也就没有着色工序了。随着光缆芯数越来越大，不采用着色，已经是不可想象的情况了。普通光缆采用国标12色，对超过12芯一管的，不得不采用色环光纤或色带捆扎加以识别。光纤喷色环与着色工艺原理是一样的。

（3）光纤并带。为了提高光纤熔接效率，提高光缆中光纤密集度，将光纤并列成带。一般4芯及以上才会考虑并带，通过两组12芯带合并，最大可以做到24芯带。带纤芯数越多，在成缆过程中两侧边光纤的性能就越难保证，甚至有可能出现断纤现象。光纤带的平整度是并带的一个重要指标。并带分为边缘黏结型和整体包覆型两种。

（4）阻水材料。光缆阻水材料分光纤阻水材料和光缆阻水材料。光纤阻水材料一般采用石油膏；光缆阻水材料有油膏，也有阻水纱或阻水带等干式吸水膨胀材料。光纤怕水或水汽等，所以要求用憎水型的材料，让水或水汽与光纤隔离。光缆阻水材料的作用就是要保证一旦有水进入缆芯，不可让它继续扩展漫延，并有阻止一定压力的水“前进”的能力。缆膏一般不用憎水型油膏而用亲水型的，一旦有水进入，可快速吸收水分发生膨胀，以阻止水流继续往前渗透。干式吸水膨胀材料与缆膏作用一致，它的优点就是缆芯是“干”的，在光缆接头时不容易污染工作场所和环境。

除满足工艺性能要求外，缆膏的酸碱度以及析油性是控制的关键点。酸值太高，容易与光缆中的金属材料（如钢丝、钢带等）发生化学反应产生氢原子。析油严重，在高温环境下，光缆的端头部分将可能会有油渗出，逐步形成干燥的缆芯，破坏了光缆的结构，并且不能有效起到阻水的作用。干式吸水膨胀材料需关注其膨胀速率。(www.xing528.com)

（5）套管。套管工序又称为二次被覆。作为松套光缆的光单元，主流材料为聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT），这是一种综合性能较好，且稳定的高分子材料，主要不足之处是耐水解性能差。松套管主要起到保护光纤的作用，既要保证光纤有足够的活动空间，在受外力作用时，又不能太容易变形、弯折等，以免伤害到光纤。该工序是保证光缆性能优劣非常重要的一个环节，其重点是光纤余长的保证，以及管内各纤余长的一致性。光纤余长产生及控制机理在本书第4章中有详细介绍。

（6）加强元件。就材料大类来说，光缆加强件分金属和非金属两大类。按小类分，金属加强件主要有镀锌钢丝（钢绞线）、磷化钢丝，非金属有玻璃纤维增强塑料（FRP、GFRP）、芳纶纤维等。不管是中心加强型还是分散加强型的光缆结构，加强件的主要功能就是在生产、敷设和使用过程中不因外力作用而损坏光缆，包括拉伸和弯曲。

何种环境应该选择非金属加强件？中国光缆传统的设计就是金属加强件，皆因其机械性能好，且早期国内FRP生产不成熟，质量不高，产能也小，还主要靠进口，成本自然较高，电信运营商压根儿就没有精力或前瞻性去考虑日后全国大范围电网建设后感应电对光缆和电网的影响。金属光缆产生的高压感应电，甚至遭遇雷击时，会导致工程人员或维护人员发生电击的风险，如接地不好，还可能会击穿网络设备。为避免出现这种现象，当光缆的走向与高压电力线路存在大量平行或角度小于45°走向时，不管是架空还是直埋，最好是选用FRP加强件，甚至全非金属结构的光缆。

（7）骨架槽生产。骨架的好坏对整个骨架光缆性能的影响是非常大的，判断其好坏主要看骨架槽尺寸大小、均匀性、底部平整度以及骨架槽底部的宽度、强度。现在的骨架光缆一般用作放置光纤带，而且层数都不会太少，需要在骨架空间与成本之间做出权衡。光纤带在骨架中同样有余长一说，而余长大小除少量由光纤带入槽产生外，大部分与骨架槽的设计有关。国内的骨架缆设备和技术基本从日本而来，日本以4芯、8芯光纤带为主，为了适应国内用户对6芯光纤带的要求，国内光缆企业在日本技术基础上设计了6芯和12芯带的骨架。目前国内生产骨架缆的厂家不少，但是能够自行生产骨架的厂家非常少，设备及工艺技术还没有完全被掌握。特别是SZ骨架槽的设计，难度就更大。骨架槽内光纤带的识别不如松套管通过颜色就可以很容易辨别，需要看清骨架肋标上的记号，再数槽位。

骨架光缆由于采用干式结构，中间分支下线（开天窗）非常方便，特别是SZ骨架缆。一旦剥离护层，清除扎纱及阻水材料后，光纤带就很容易散落下来。这是它有别于松套充油光缆的最大优势。

（8）缆芯绞合。目前层绞式松套光缆的缆芯基本是SZ绞合技术，该工艺的设计，彻底改变了传统电缆绞合设备粗、笨的形象。没有退扭，也不需要大的绞笼或框绞绞盘，在光缆盘长设计上也就有了较大的优势，特别是海缆。光缆余长的产生，除了套塑工序外，绞合也是一个关键环节。SZ绞合主要考虑换向节距的大小，节距过小，生产效率低，光缆长度与光纤长度差异也将变大；节距过大，产生的余长变小，而且光缆的弯曲性能差。

（9）铠装保护。根据光缆的使用环境，光缆需要施加各种保护措施，如架空用光缆，早年为防止人们可能用气枪或霰弹枪等打鸟而打断光纤，所以多采用钢带铠装保护；直埋型的光缆，有可能受到各种大型车辆的碾压，采用双护套及钢、铝双金属带铠装保护；对鼠害严重的地区，人们用FRP纤维等材料制成的带、纱等铠装保护等，不一而足。就像世界上没有包治百病的特效药一样，想用一种办法一劳永逸解决所有的问题，是不现实的。如一些用户在林区架设的光缆，提出非金属、防鼠、防白蚁、防火（阻燃）等设计要求，但是现实使用情况却一直不乐观。

两害相权取其轻，作为用户和光缆制造商都需要了解光缆最迫切需要的防护，这样才能想方设法予以解决。因为前面提到的这几种损害很难通过某一种材料或结构设计彻底解决的，譬如鼠害，可以通过机械办法增加防护手段，但是做成非金属材料，或者同时具备防蚁功能的难度就大了。因为白蚁不是我们很多人所认为的啃咬而损坏光缆，它主要是通过分泌蚁酸腐蚀再加上啃噬而破坏光缆，并不能通过简单的机械办法加以防护。但是白蚁也有它的“痛处”，幼虫怕见阳光，所以选择合适的铠装手段和施工办法，在光缆寿命期限内能够保护光纤的性能，就是成功的。

（10）外护层设计。不同的应用环境要求光缆能够耐高温，或耐低温，或防火，或阻燃，或耐辐照，或耐电腐蚀等，加上生产工艺、成本、质量稳定性、材料的获取难度等因素，决定了光缆外护层高分子材料的选择。高分子材料品种繁多，但是应用到光缆领域的并不多，基本的如聚乙烯（PE），聚氯乙烯（PVC），尼龙（PA）等，这些材料基本是从电缆护套料或绝缘料中延伸而来，因为电缆材料已经得到了足够长时间的验证，人们也基本了解其性能，所以技术方面相对成熟。

（11）特殊防护。光缆除了应用于陆地以外，还被应用于海洋、太空等场所。除了环境因素对光纤性能造成影响需要加以特殊防护外，外界动物、生物对光缆同样会造成损坏。做好防护，需要在充分调研的基础上，了解对光缆寿命造成最大威胁的因素才可以更好解决。比如海洋光缆，除人类活动可能造成对光缆的损坏外，地震、微生物、大型鱼类等都会造成光纤性能的劣化或光缆的损坏，除针对地震、火山等某一种或几种伤害无法预测以及防护外，其他的合理设计都可以尽量保证光纤寿命期内的安全可靠。

在光缆的应用历史上，曾经出现过一些光缆设计的误区或者失败的经验。一些设计人员以“人的感官”去设计和实施动物的伤害防护措施，如曾经风靡一时，现在还在少量应用的护套添加辣椒素（或称辣味素）防鼠，这是一种不可靠的经验。人怕辣，动物或虫豸也怕辣？还有，想象着老鼠啃噬光缆时，其中的碎玻纤会扎刺嘴巴，就不再啃咬了，因而采用玻璃纤维材料铠装防鼠，以为可以起到保护光缆的作用。岂知磨牙或啃噬乃天性，一个老鼠“上当”了，其他老鼠照样会前赴后继地去“上当”！更何况被老鼠啃噬后的光缆，外护层是一定被破坏了，光缆寿命缩短是一定的。

对以上的一些环节及结构考虑周全，以科学和务实的态度，在光缆设计寿命内对光纤的保护做最大的贡献，就是最佳的设计方案，这也是光缆结构设计意义之所在。