2.6　光缆

2.6.1　对光缆的基本要求

对光缆（Optical Cable）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，保持光缆的传输特性稳定。为此，必须根据使用环境，设计各种结构的光缆，以免光纤受应力作用和有害物质侵蚀。

石英光纤本身的理论断裂强度高达1 600kgf/mm2（1kgf≈9.8N），由于表面裂纹和水分作用，实际裸光纤断裂强度只有20kgf/mm2，相当于直径为0.125mm的光纤能经受0.25kgf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直径为0.125mm的光纤能经受1～3kgf的张力，平均能经受6～7kgf的张力，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，光缆必然受到外力（主要是拉力）的作用而伸长，或者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，以减小外力影响，延长光纤寿命。实现这种隔离的有效方法之一是把光纤封闭在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。光纤在套管内的长度要有一定余量。光纤在套管内要能适当地自由移动，并处于套管内应力最小的位置。光纤在套管中的位置如图2.6.1所示。在光缆制造时，光纤在应力最小的套管中心，如图2.6.1（a）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2.6.1（b）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2.6.1（c）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，衰减系数的增加为零。光纤无应变的窗口如图2.6.2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）与被覆和成缆材料的热膨胀系数不同，低温材料收缩产生微弯曲使衰减系数增加。充油松套管光纤成缆后，在低温仍然保持着良好的温度特性；而紧被覆光纤成缆后，低温衰减则大幅度地增加。

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。一次被覆光纤的

材料一般采用软塑料，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光纤和松套光纤两种，紧套光纤是指用杨氏模量大的尼龙12紧套在硅酮树脂一次被覆光纤表面上的光纤；松套光纤是指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，且套管内填充油胶（Jelly）的光纤。套管直径由拟容纳的光纤数目决定。一次被覆光纤在套管内的长度要有一定余量。一次被覆光纤在套管内可适度自由移动，这样可以避免应力作用和微弯损耗，改善低温特性。二次被覆光纤（芯线）结构如图2.6.3所示。

为增加光缆容纳的光纤数目，采用一种带状式的芯线。将4～12根的一次被覆光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

缆芯结构有多种多样，基本结构有以下4种形式。

（1）层绞式缆芯结构：是指把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成的结构。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）骨架式缆芯结构：是指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的结构。这种缆芯抗侧压力性能好，有利于对光纤的保护。

（3）中心套管式缆芯结构：是指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的结构。这种结构的缆芯，加强件同时起着护套作用，有利于减轻光缆重量。

（4）带状式缆芯结构：是指把带状芯线放入大套管内，加强件分布在套管周围的结构；也可以把带状芯线放入骨架凹槽内或放入松套管进行绞合而构成的结构。这种结构的缆芯有利于制造容纳数百根光纤的高密度光缆。带状式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，特别要注意缆芯抗侧压力，以及密封、防潮、耐腐蚀性能。对于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2.6.4所示。

在特殊场合使用的光缆结构要求更加严格。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制成，常用纤维增强塑料（FRP）制作光缆的加强件，如自承式光缆和缠绕式光缆。架空地线复合光缆（OPGW）是把无金属光缆包在空心地线内，并用一层或多层铝合金丝和铝包钢丝铠装的光缆。在矿区或地铁等场合要使用阻燃光缆，用聚醋酸乙烯酯（EVA）制作的护套可耐250℃以上的高温。常用光缆护套结构、主要特点和使用场合如表2.6.1所示。

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[33]。

1. 海底光缆分类

从应用的角度，海底光缆可分为有中继海底光缆、无中继海底光缆和可浸水陆地光缆。有中继海底光缆内有远供电系统使用的铜导体，而无中继海底光缆内却没有远供电系统使用的铜导体。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湖泊、河流。

从是否受到保护的角度，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2.6.5所示。轻型（LW）光缆和轻型保护（LWP）光缆适用的水深为1 000m，单铠装（SA）光缆适用的水深为20～1500m，双铠装（DA）、岩石铠装（RA）光缆适用的水深为0～20m[34]。

为了保护光纤，通常采用紧套光纤光缆和松套光纤光缆，分别如图2.6.5（a）和图2.6.5（b）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，光纤拉直的长度比光缆的长度短。

海底光缆由护套、钢丝、钢管、填充物、铜管和光纤等组成，通常使用的国际海底光缆纤芯数为8～16。切成3条的钢管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。

典型海底光缆外形如图2.6.6所示。

各种海底光缆特性如表2.6.2所示。

（1）深水（DW）海底光缆。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，适于深海应用。

（2）特殊应用（SPA）海底光缆。这种海底光缆包含DW海底光缆，用纵向金属隔离层保护，并覆盖高密度聚乙烯保护层。这种海底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。

（3）轻线铠装（LWP）海底光缆。这种海底光缆包含DW海底光缆，用单层中等强度钢丝铠装保护，适用于埋入海洋。

（4）单铠装（SA）海底光缆。这种海底光缆和LWA海底光缆相似，用单层钢丝铠装保护，强度较大，适用于非埋设应用。

（5）双铠装（DA）海底光缆。这种海底光缆是在DW海底光缆上施加两层钢铠装保护结构的光缆，适用于靠近海岸的区域，这种地方海底光缆受到损坏的危险最大。

2. 有中继海底光缆

对以光放大器为基础的长距离有中继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，海底光缆要经得起海洋严酷环境的考验。

有中继海底光缆要承受海水压力、侵蚀和拖网渔船的侵扰，为此，对有中继海底光缆的机械强度和密封性能要求很高。有中继海底光缆一般采用一层或多层镀锌圆钢丝的铠装结构，以保护缆芯和护套。

由于海洋环境的特殊性，有中继海底光缆的设计和制造要求十分严格。

有中继海底光缆的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。有中继海底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。有中继海底光缆的保护程度取决于海水深度，大陆架暗礁的环境比深海平地的环境对有中继海底光缆的要求更加严格。要根据海洋环境的实际状况，设计不同类型的有中继海底光缆，以适应不同环境的使用。有中继海底光缆包括4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结构。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，或者用多层铠装材料。

3. 无中继海底光缆

无中继海底光缆一般可以选择3种类型的传输光纤：纤芯为纯SiO2的G.654截止波长位移光纤、掺锗（GeO2-SiO2）的G.652标准单模光纤、G.653色散位移光纤和G.655非零色散位移光纤，这些光纤的特性如表2.5.3所示。在远离岸边的海底光缆中接入一段20～50m掺铒（Er）光纤，从终端站对其泵浦来提供传输信号的增益，可延长中继距离。虽然掺铒光纤与一般光纤的传输特性不同，但是与一般光纤同样可靠，也可以成缆。

无中继海底光缆和有中继海底光缆的结构相似，只是其直径约为有中继海底光缆直径的60%，这样的设计可降低光缆在浅水应用中的成本。这种无中继海底光缆的组成特点是：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；铠装保护结构由金属带、聚乙烯和铠装钢丝组成。

各种无中继海底光缆的主要参数如表2.6.3所示。无中继海底光缆的应用和特点如表2.6.4所示。

4. 海底光缆电气及机械性能

海底光缆的电气性能有绝缘电阻、直流电阻、耐直流电压和绝缘寿命。海底光缆的电气性能如表2.6.5所示。

无中继海底光缆系统可采用有供电导体的海底光缆，可不用严格限制导体直流电阻，但应满足光缆故障检测的需求[34]。

光纤在松套管中应具有一定的余长，光纤余长应满足光纤最小弯曲半径和机械性能对光纤应变的要求。

海底光缆的机械性能有永久拉伸负荷（NPTS）、工作拉伸负荷（NOTS）、短暂拉伸负荷（NTTS）、断裂拉伸负荷（CBL）、反复弯曲要求、抗压要求和冲击要求。海底光缆典型的机械性能如表2.6.6所示。

海底光缆的机械性能应按表2.6.6的规定进行试验，当试验后其衰减变化绝对值不大于0.03dB时，可判定为无明显的残余附加衰减。

短暂拉伸负荷按规定试验后，试样应无裂纹、开裂或断裂。短暂拉伸负荷下，保持1min，光纤应变不应大于0.15%。短暂拉伸负荷试验后，光纤应无残余附加衰减。

工作拉伸负荷、反复弯曲要求按规定试验后，试样应无裂纹、开裂或断裂。工作拉伸负荷试验后，光纤应无残余附加衰减。

2.6.4　海底光缆选择注意事项

海底光缆铺设在一个极其复杂的海洋环境中，其长度很长，铺设深度不一，所遇到的情况千差万别。铺设在浅海区及靠近岸边的海底光缆，要经受海底物质、污泥、微生物、鲨鱼、海水流动、海浪等的影响和侵蚀，以及许多外来因素，诸如抛锚、渔网的袭击；铺设在深海区域的海底光缆，相对比较平静，外来因素较少，但受到海水压力较大，铺设打捞时所受的张力也大。因此，对铺设在不同深度的海底光缆有不同的技术要求[35]，通常要注意以下问题。

1. 段长

为了提高海底光缆系统的可靠性，要求在中继段海底光缆中无光接头，即要求光缆制造长度和中继段长度一致，通常海底光缆的制造长度要达到25km或更长。

2. 抗张力

海底光缆在铺设、打捞时都要经受张力的影响。铺设海底光缆时，会受到与海底光缆自重、铺设深度有关的张力；打捞海底光缆时，受到的张力还与铺设所在海区的海底物质有关。此外，铺设在浅海区域的海底光缆还要考虑被船锚、渔具等牵拉钩起受到的张力，此张力与渔具、船锚所在船只的动力有关。一般来说，海底光缆要抗100kN的拉力。

3. 耐水压

海底光缆铺设在海底，水深每增加10m，就要增加一个大气压力，越洋海底光缆铺设深度极限值约为8000m，这就要经受800个大气压力。这不仅要求海底光缆径向能承受这样大的压力，而且要求其纵向也要在这样的压力下具有一定的阻水能力。

按照ITU-T G.976的规定，海底光缆的渗水性能属于可靠性的范畴。对海底光缆进行纵向渗水试验，以量化海底光缆长期暴露于海水及若海底光缆断裂经受的潜在腐蚀和浸水后对传输性能的影响。

海底光缆要能够经受被铺设时水深的静水压力。海底光缆对渗水的要求如表2.6.7所示，通常要求在给定的水压下，持续14天的渗水长度不大于一定的值。

4. 抗弯曲钮结

在铺设和打捞海底光缆过程中，要求海底光缆不产生扭结现象，而且具有能够承受反复弯曲的能力。

5. 耐腐蚀

在浅海区海底淤泥中，硫化氢会腐蚀海底光缆外面的保护层，潮流也会引起钢丝电腐蚀，因此对铺设在浅海区的海底光缆中的钢丝要有足够的保护，使其具有良好的抗腐蚀性能。

海底光缆可分为浅海型和深海型两大类。浅海和深海的界限一般为500～800m。深海处可使用无铠装光缆，可直接沉放在海底；浅海处可使用单铠装光缆或轻型铠装光缆。在水深不足20m的情况下，由于海底光缆易受波浪、船锚的损伤，所以必须采用岩石铠装海底光缆。