带孔光纤与卷曲软光缆

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1、第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 带孔光纤与卷曲软光缆 徐乃英 电信科学技术第一研究所 摘 要 本文介绍 F T T H网络中在室内应用的低损耗带孔光纤这种光纤在 1 . 5 5 m波长上具有与常规单模光纤相同的 0 . 2 0 5 d B / k m的低传输损耗因为在这种光纤的纤芯四周做了几个孔其有效折射率指数要比常规单模光纤高得多在 1 0 m m的弯曲直径上具有 0 . 0 5 d B / 圈的低弯曲损耗小于常规单模光纤的 1这种带孔光纤还具有优异的接头性能与可靠性而特别适用于室内软光缆把这种带孔光纤的直径从 1 2 5 m缩小到8 0 m还能够提高它的可靠性而不影响其传输性能文章接着介

2、绍了用这种带孔光纤制作的卷曲软光缆这种卷曲软光缆的尺寸非常紧凑直径只有 1 7 m m 所以它适合于各种类型的连接器性能试验结果证明这种卷曲软光缆当拉长到原长的 2 0 0 时没有出现损耗的增加它还具有优良的温度性能机械性能和阻燃性能 关键词光子晶体光纤 带孔光纤 有效折射率 卷曲软光缆 弯曲损耗 1 引 言 近年来随着各种宽带业务的引用传输容量快速地增加由于 F T T H 光纤到家的传输容量大而且上下行速度对称 F T T H 已经逐渐成为满足业务需求的最有前途的方法在发展 F T T H 的过程中室内布线是最重要的问题之一 图 1 室内光布线区 第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 图 1

3、示出在住宅和商业驻地的情况下的室内光纤布线区 这个区域一直到达光网络单元O N U而预期会延伸到用户终端在过去住宅驻地大多采用多模光纤现在随着传输速率的提高已经开发出千兆级速率的多模光纤但是尽管如此相对于单模光纤系统而言究竟采用哪种光纤可以使总的系统成本最低尚难预测 室内光纤在安装之后一般都由用户来处理容易受到小直径弯曲所以对于室内光缆而言减少对弯曲的敏感性是一项重要的要求另外许多 O N U 或用户终端常要求在一定范围内的可移动性而光缆需要有一定的松弛长度为了避免这种松弛长度受到意外的损伤要求把它卷曲成小直径的圈能够自动伸长与缩短 为了解决这些问题本文介绍一种低损耗和对弯曲不敏感的单模带孔光

4、纤H o l e y F i b e r以及采用这种光纤制作的卷曲软光缆O p t i c a l C u r l C o r d 2 带孔光纤 2 . 1 概述 常规单模光纤I T U - T G . 6 5 2 A 1 3 1 0 n m波长上的 M F D 8 . 6 9 . 5 m 在 3 0 m m弯曲半径时在 1 5 5 0 n m波长上的宏弯损耗小于 0 . 5 d B / 1 0 0圈减小模场直径能够减小弯曲损耗日本住友电气曾用这种方法选用了在 1 3 1 0 n m 上 6 . 3 m 作为 M F D 的标称值这种光纤用 7 . 5 m m 弯曲半径时的弯曲损耗小于 0 .

5、 5 d B / 1 0 0 圈 1 然而要容许更小的弯曲半径比较困难而且对光纤的衰减色散和截止波长等其他性能会产生较大的影响 1 9 9 6 年研制出了第一根光子晶体光纤P C F P h o t o n C r y s t a l F i b e r按照导光的原理 P C F 能够划分为两个不同的种类 一类是光纤的横截面由非常微小的孔阵列组成的光子带隙型P B G F类似于晶体中的晶格光子晶体由此而得名另一类是依靠常规的全内反射T I R 的机理在包层中有规律地排列了许多孔来减小其折射率纤芯可以是纯二氧化硅的也可以是掺杂而具有高折射率的这种依靠全内反射的 P C F常被称为带孔光纤H o

6、l e y F i b e r 或者孔助型 P C F H A P C F 因为带孔光纤的纤芯四周有很多的孔 调节孔的直径和排列方法就能够对有效折射率作比常规光纤更灵活的设计此外在纤芯与包层之间高的折射率差使得带孔光纤具有非常小的弯曲损耗特别适用于室内软光缆上为了带孔光纤在室内光缆中的实际应用有几个重要问题必须考虑这些问题将在下面几个小节中讨论 2 . 2 传输损耗 带孔光纤应具有与常规单模光纤相同类似的传输损耗带孔光纤的传输损耗能够表第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 达如下 absBA+4( 1 ) 式中 A B 和abs分别为瑞利散射系数不完善损耗O H 吸收和红外吸收损耗 日本日立公司制

7、作了一种带孔光纤 2 它具有与常规单模光纤相类似的掺锗的纤芯在纤芯的四周有 6 个孔为了实现低损耗的带孔光纤采用了具有低瑞利散射损耗和低吸收损耗的纯二氧化硅玻璃用掺锗的二氧化硅玻璃作纤芯材料和用 V A D 法做的纯二氧化硅玻璃作包层材料为了降低不完善损耗在拉丝期间在沿光纤长度上保持了孔的位置和孔的尺寸的均匀性 表 1 带孔光纤H F 与常规单模 光纤S M F 的典型特性1 5 5 0 n m H F S M F 色散 p s / k m / n m 2 1 1 6 损耗 d B / k m 0 . 2 0 5 0 . 2 M F D m 9 . 6 1 0 . 0 弯曲损耗 1 0 m m

8、 d B / 圈 0 . 0 5 4 0 0 . 0 0 10 . 0 10 . 111 01 0 005 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5弯曲直径 m m 弯曲损耗 d B / 圈 在1 5 5 0 n mS M F ( M F D = 1 0 )H F ( M F D = 9 . 6 )波长 nm 损耗 dB/km 图 3 带孔光纤的光谱损耗和截面 图 2 带孔光纤的折射率 第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 图 2示出带孔光纤的折射率 图 3示出带孔光纤的光波损耗和截面的照片孔的直径为 6 . 5 m 而孔的节距为 1 1 m 在 1 . 5 5 m 波长上的光损耗为 0 .

9、 2 0 5 d B / k m 与常规单模光纤的损耗相同 带孔光纤的特性列于表 1 因为纤芯四周有 6 个孔有效折射率比常规单模光纤高得多所以与常规单模光纤相比这种光纤的色散略高而 M F D 略小 图 4示出带孔光纤与常规单模光纤弯曲损耗特性的比较带孔光纤的光弯曲损耗小于常规单模光纤的1 / 5 0 0 即使当弯曲直径为1 0 m m 时弯曲损耗也只有0 . 0 5 d B / 圈 2 . 3 接头损耗 当应用带孔光纤时熔接接头的特性是十分重要的图 5 示出在带孔光纤与单模光纤之间的熔接接头损耗的直方图 平均损耗为 0 . 0 2 2 d B , 与常规单模光纤之间的熔接接头损耗相同 图

10、6 示出在带孔光纤与常规单模光纤之间的机械接头所引起损耗的直方图 平均损耗为 0 . 1 2 6 d B 也就是与常规单模光纤相同 024681 01 21 40 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 接头损耗 d B 频次024681 01 20 . 0 80 . 10 . 1 30 . 1 50 . 1 80 . 20 . 2 30 . 2 5接头损耗 d B 频次图 5 带孔光纤与单模光纤 熔接接头损耗直方图 图 6 带孔光纤与单模光纤 机械接头损耗直方图 2 . 4 可靠性 因为带孔光纤具有 6 个孔沿着光纤长度延伸带孔光纤的可靠性

11、是非常重要的首先要估计带孔光纤的韦泊尔概率为此, 把拉伸筛选试验的条件列于表2 图 7示出绘成韦泊尔概率的带孔光纤的断裂强平均0.022dB 标准差0.0102 N=30 平均0.126dB 标准差0.0284 N=30 表 2 拉伸验证试验的条件 光纤标准长度 m 0 . 3 拉伸速度 m m / m i n 5 0 试样数目 2 0 温度 2 4 湿度 4 0 第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 度虽然这种带孔光纤在纤芯周围有 6 个孔拉断强度在 6 0 N 以上也就是与常规单模光纤一样 图 8示出通过估计带孔光纤的动态疲劳特性来验证它的长期可靠性向一根带孔光纤施加一个 5 0 / m i

12、n 的拉伸应力也就是拉伸应力速度为 1 0 / m i n 带孔光纤的动态疲劳系数 N 为 2 1 也就是与常规单模光纤一样 虽然带孔光纤的断裂强度与动态 虽然带孔光纤的断裂强度与动态疲劳系数都与常规单模光纤相同但是因为带孔光纤的非常小的弯曲损耗它往往被采用于需要以很小的弯曲直径弯曲的室内光缆中在这种情况下带孔光纤所受的应力是高的必须考虑失效概率问题 日立公司考虑了直径为 8 0 m 与 1 2 5 m 的两种尺寸的带孔光纤 并用文献 2 附录中的公式计算了 1 0年之后在这两种带孔光纤上弯曲半径与失效概率之间的关系计算结果示于图 9 当光纤直径与筛选试验水平分别为 1 2 5 m 和 1 时

13、带孔光纤的失效概率在 1 0 m m 的弯曲半径时约为 1 . 0 1 0- 6当光纤直径与筛选水平分别为 8 0 m 和 1 时即使在小到 5 m m 的弯曲半径下失效概率为 1 . 0 1 0- 6或更小断裂概率 % 拉伸强度 N 图 7 带孔光纤的韦泊尔概率 图 8 带孔光纤的动态疲劳特性 拉伸强度 kgf加载速度 mm/min n=21 筛选应变 1%光纤直径 弯曲半径 mm失效概率图 9 失效概率 损耗dB/km 波长 nm 图 1 0 8 0 m 外径的带孔光纤的 光损耗和截面的照片 第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 由此可见把光纤外径做细就大大改善光纤的可靠性 为了这个原因日立公

14、司制作了一种外径为 8 0 m 的带孔光纤图 1 0 示出这种光纤的光谱损耗和截面的照片孔径为7 m 而孔的节距为 1 1 m 在 1 . 5 5 m 波长上光损耗为 0 . 2 2 6 d B / k m 这种带孔光纤的特性列于表 3 应当注意到虽然带孔光纤的直径减小到 8 0 m 在光纤特性上没有什么影响 表 3 外径为 8 0 m 的带孔光纤的典型特性在 1 5 5 0 n m 色散 p s / k m / n m 传输损耗 d B / k m M F D m 弯曲损耗1 0d B / 圈 2 1 0 . 2 2 6 9 . 5 0 . 0 1 3 卷曲软光缆 随着 F T T H 网络

15、的日益扩大在用户驻地有各种不同的光纤配线形式因为在用户驻地光纤布线时常会被粗暴地处理需要抗侧压抗弯曲和阻燃的室内软光缆为了这些苛刻的要求日本 N T T 和日立公司都开发了用带孔光纤的卷曲光缆 3 . 1 卷曲软光缆的结构 图 1 1 示出卷曲软光缆的结构 缆的中心为一根 5 0 0 m 直径的带 U V 涂覆层的 1 2 5m的带孔单模光纤这根光纤与加强纱一起被挤在一个阻燃弹性体的护套中护套外径为 2 m m 1 2 5 m 直径的带孔光纤的横截面和折射率剖面分别示于图 2 与图 3 中 卷曲软光缆的正常长度为 5 0 0 m m 其卷曲直径为 1 7 m m 卷曲光缆的两端装有 S C 连接器也可以装其他类型的连接器如图 1 2 所示 3 . 2 缆中光纤弯曲半径的计算 图 1 1 软光缆的结构 (0.5mm) 图 1 2 卷曲软光缆的结构 第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 当卷曲光缆缩拢时带孔光纤的弯曲半径接近于卷曲半径但是当卷曲光缆被拉开时带孔光纤的弯曲半径就增加了如式( 2 )所示 () apaR22+= ( 2 ) 式中R 光纤的弯曲半径a 卷曲半径 p 卷曲节距 1 7 m m的卷曲软光缆中的光纤弯曲半径示于图 1 3 图中数据说明当卷曲软光缆缩拢时的弯曲半径最小所以在估计缆中光纤的静态寿命时应按照其最小半径来