康宁：全干式光缆的可靠性研究

1/20/2017,全干式“无油膏”室外光缆在北美市场商业应用经过了10年的里程碑，从2004年全干式光缆在北美商用以来，每年用量和占比都在迅速增长，到2016年，全干式光缆需求占北美总光缆需求约99%。在过去的10年商用过程中，没有任何因阻水材料导致的故障，现在是时候总结全干式光缆的现场应用性能，同时相关的行业标准也在随着全干式技术的演进而更新。

   目前，市场上使用的全干式光缆，大部分采用阻水纱线和阻水带阻水，在松套管中放置阻水纱，很多出版刊物和文献资料对这些全干式光缆有详细的介绍。而本文研究的是松套管中采用高吸水树脂（SAP）粉末的全干式光缆技术及长期可靠性，这是一种全新的光缆制造技术，与以往的全干式光缆相比，具有结构更小、更紧凑、接续更快的优势。本文将探索全干式阻水材料SAP给光缆设计和测试带来的挑战，如何确保光缆在各种环境下的阻水性能、温度性能、老化性能等，以及在没有粘性介质情况下，如何确保光纤和松套管之间的耦合力值，以保证光缆坡度或垂直布放时光纤余长的稳定和均匀。同时，本文开发了一些测试程序，充分考虑SAP的特性和光缆的应用环境，以便更加全面地评估SAP全干式光缆的长期稳定性。

   所有的室外光缆都要求阻水技术，防止水分渗入光缆和在光缆中纵向传播。早在上世纪80年代，室外光缆主要采用油膏胶体达到水密性，在松套管里面以及松套管和护套之间都采用油膏填充式。此外，油膏在松套管中的作用还有：提供光纤和套管之间的耦合，有助于控制套管加工工艺和控制套管中光纤适当的余长。然而，在今天的市场上，许多客户希望更工艺友好的光缆，因此，这个行业已转移到无油膏填充式阻水方式，也称全干式光缆。在很大程度上，“全干式”替代“油膏填充式”这一演进源于光缆部署应用环境变化的驱动。在过去，大部分光缆部署用于跨国跨省长途干线网络，那时光缆接续还不频繁，接续量不大。然而，一旦光纤网络进入接入网和配线网络，超大接续工作量，必须提高光缆接续效率，因此，推动了这种无油膏填充式的技术。这一技术主要起源于日本，在上世纪90年代，日本大规模发展光纤到户（FFTx），然而随着光纤到户（FTTx）部署数量和范围的增长，全干式光缆技术在全球产生了日益浓厚的兴趣。起初，很多光缆生产厂家使用吸水膨胀的阻水带，纵包在光缆缆芯外，替代油膏用于缆芯和护套之间阻水。当开剥光缆准备端接时，这减少了现场工人的清洁工作。然而，这种半干式光缆，套管中依然采用油膏填充，这种油膏不仅提供了阻水效果，同时由于其自身的高粘度系数性能提供了光纤和套管很好的耦合作用。

   2000年以后， 随着SAP技术和光缆工艺技术的进步，使得光缆套管中的填充油膏可以完全去除，使用全干式阻水材料替代，如聚酯纱线和SAP纤维复合纱线，或聚酯纱线附着SAP颗粒，在松套管挤出过程中将这些阻水材料随着光纤一起放入套管。这些进步大大减少了施工现场端接的劳动量，同时提供了更干净的光纤表面，光纤的熔接质量更好。全干式光缆设计的演进，如今在北美市场，几乎所有的运营商都选择全干式光缆。此外，北美一些大的光缆供应商都以全干式光缆产品为主要产品。图1是北美市场全干式光缆和油膏填充式光缆接受比例。而且，在日本市场，99%的光缆都是采用全干式技术。
 


   目前，市场上使用的全干式光缆，大部分采用阻水纱线和阻水带阻水，在松套管中放置阻水纱，很多出版刊物和文献资料对这些全干式光缆有详细的介绍。但是，本文研究的是另一种新型的全干式技术，在光缆松套管中填充少量SAP树脂粉末达到全截面阻水效果，这一技术还鲜有报道。SAP全干式技术，比阻水纱线提供了多方面的优势。最初采用SAP粉末的目的是，在更理想的张力窗口下，可以有效的减少松套管尺寸。光缆套管中使用传统阻水纱线时，需要更大的松套管来减小阻水纱线对光纤的负面作用，或者减少光缆可以使用的环境范围。通过采用SAP粉末，套管可以做到尺寸更小，同时这种光缆安装更容易、更快捷、更安全[3]。采用SAP阻水技术的全干式光缆，除了以上优势以外，光缆的维护性能和耐久型远超过行业标准对光缆的要求。
   随着新材料的引入和光缆新型设计的演进，现有的行业标准对有些关键的性能指标难以准确的测试盒表征，需要开发额外的测试来评估这些关键性能。本论文阐述了这些测试方法并提供相关数据来显示全干式光缆技术的可靠性。

1.2高吸水树脂
   目前用于全干式松套管中的高吸水树脂是一种含有亲水集团的交联聚丙烯酸，以钠盐中和。与水接触时，SAP吸收水分通过渗透压和氢键。由于SAP树脂内部和被侵入液体之间钠离子浓度的差异产生的渗透压，SAP树脂内部和外部离子浓度趋向平衡，从而快速捕获入侵的水分。SAP树脂分子链是线性的，分子链上的羧基基团有50%-70%以钠盐的形式存在。当接触水时，SAP分子链上羧基游离成带负电荷的羧酸根离子。离子间的负电排斥力使得SAP分子展开，同时大量的羧酸根与外部的水分形成氢键结合，从而SAP形成网络结构，吸收大量的水分。图2是SAP分子吸水机理示意图。
 


影响SAP吸水性能的两个因素：
1,水溶液中离子浓度
2,高吸水树脂的交联度
   用于光缆中的SAP通常是轻交联度的树脂，这有助于最大化的吸水能力。因此，这种SAP树脂的吸水膨胀性能主要取决于水溶液中离子浓度。当水中含有带正电的离子，这些正电离子吸引到SAP树脂中羧酸根离子上，从而降低了SAP树脂的吸水膨胀性能。这就解释了为什么随着离子浓度增加，SAP吸水性能下降。一个典型的SAP树脂可以吸收其自身体积300被的去离子水或自来水；但在1%氯化钠溶液中只能吸收其自身体积的30到40倍；在1%氯化钙溶液中，其吸收水量更小。
对于光缆来说，其填充的阻水材料必须具有快速的吸水速率和一定的吸水能力，以便快速阻止水分蔓延。此外，阻水材料还需要有一定的强度，以便在压力水环境下阻止水分蔓延，行业标准要求，1米水柱压力下，保持24小时不渗漏。

2,测试
   在光缆松套管中采用高吸水树脂（SAP）作为阻水材料是一种新型的设计，现有的光缆行业标准不能全方面的表征其有效性和可靠性。本文开发了一系列的测试程序，以便更有效地表征这种全干式新型光缆的可靠性能。

以下是本文考虑的一些潜在的性能测试：
1,SAP树脂粉末是否会从套管中脱落？是否会污染工作环境或存在健康和安全风险？
2,与其他全干式光缆相比，此光缆在接续时如何操作？
3,光纤是否能够与套管有效耦合，以确保使用过程中光纤余长稳定均匀？
4,SAP粉末颗粒会刮伤光纤涂层吗？
5,在一些极端环境下阻水效果，包括在盐水中的阻水效果？
6,当在零度以下的冰冻条件下，SAP吸水冰冻后光纤附加衰减？
7,随着光缆的老化，其机械性能变化

2.1 SAP粉末是否会脱落污染工作环境和危害健康？
   虽然松套管中SAP树脂的量很少，但也可能存在潜在的风险，SAP粉末是否会脱落污染一些敏感的仪器或危害到敏感性体质人群的健康？SAP粉末脱落性能测试程序如下。

a)SAP粉末脱落测试
这个测试是用来模拟光缆安装工人在接续操作过程中，SAP粉末脱落的可能性。同时，选择了采用阻水纱线的全干式光缆作为对比，因为阻水纱线全干式光缆从2000年到现在一直在使用，而且证明是安全可靠的。
测试光缆样品长度2米，两端开口，从15cm高度上竖直跌落到预先称量的干净容器中，每段样品竖直跌落5次。然后，称量收集的重量。同时，使用了阻水纱线全干式光缆同样的测试。
测试结果：采用0.1mg精度天平称量，SAP全干式光缆和阻水纱全干式光缆两种样品，收集器皿重量前后都没有变化，都没有任何的粉末脱落情况。因此，可以判断两者都不会污染工作环境。
b)健康和安全性评估
尽管SAP粉末不会从套管中脱落，那么在接续操作过程中可能接触到SAP粉末，因此，需要进一步测试SAP粉末是否存在健康和安全方面的风险。

   本测试由第三方测试机构评估SAP粉末的工业卫生健康。本研究的目的是确定全干式光缆处理过程的三个阶段SAP的可吸入浓度。光缆接续的三个阶段，第一阶段，开剥光缆，取出套管；第二阶段，去除套管，准备光纤熔接；第三阶段，安装区域的上方。为了模拟最坏的情况，本实验接续光缆数量是平时接续环境下的2.5倍。
呼吸道尘埃样本收集，使用BGI气旋连接到每分钟2.2升的采样泵。样品被收集到酸冲洗的2微米聚四氟乙烯过滤器。采用OSHA ID125G样本的分析方法。这项研究的测试结果如下表：

表1 空气中监测到SAP浓度


结果表明，在实验操作车厢内，可呼吸的尘埃浓度远远低于制造厂商推荐的浓度限值，因此，这种光缆的接续操作过程不存在危害健康。

2.2 SAP全干式光缆的接续
   最初设计这种全干式光缆的目的是提高全干式光缆的接续效率，因为没有油膏，开剥和准备接续光纤时不需要擦拭油膏，节省了大量的时间[3]。通过使用SAP可以去除阻水纱线，减小套管的尺寸，也会进一步提高接续效率。
本研究对比了以下几种接续环境，光缆端接、中间下线、松套管接入、熔接托盘和光缆接头盒。标准的工具和操作程序，按照行业技术标准要求准备光缆接续工作，取平均时间进行评估。对比采用阻水纱线和采用SAP树脂的两种全干式光缆接续准备时间。
这两种全干式光缆的接续准备时间相当，然而，SAP松套管处理过程中显示明显的优势，弯曲半径更小，弯曲更灵活，不容易弯折。

2.3 光纤与松套管耦合
   对于还没有绞合的直线松套管，光纤和松套管之间几乎没有耦合力。光缆中光纤与松套管如果不能有效地耦合，其运行风险很高，光纤余长不稳定，将导致光纤损耗增加。因此，在各种条件下，光纤与松套管之间的耦合力非常关键。

a）光纤在光缆中的耦合力值测试
   光纤在光缆中静态耦合力值测试方法：拉力测试机，从不同长度的光缆样品中将光纤拉出，测量光纤的拉出力值，同时与油膏填充光缆进行对比。确保测试光缆样品平直和水平放置，如图3所示，从一端开剥出约1米的光纤，将光纤固定在负载夹具上，将光纤以100±25mm/分钟速率水平拉出，当负载力值不再增加时停止实验。


 
   与采用阻水纱线和油膏填充式的光缆结构相比，松套管采用SAP树脂的光缆中光纤的耦合力值最好。所有测试样品长度小于5米，太长的光缆样品会导致光纤拉断。随着套管内径减小，光纤在光缆中的耦合力值增大。
图4显示不同结构样品光纤在光缆中的耦合力值。光纤力值大于150N以上将不再测试，因为超过150N以上，光纤容易被拉断。根据图4所示，松套管采用SAP的光缆，光纤耦合力值最大。
  


b）垂直安装和震动条件下光纤衰减
   当光纤耦合力值很小时，对于垂直布放的光缆，尤其存在震动的情况下，光纤容易下移。这种光纤的移动导致顶部光纤受拉力、损耗增加，而底部光纤余长过大受压应力容易断纤。通过两个方面的测试来评估此光缆垂直布放的适应性能，一是测量光纤的相对位移，另一个是测量光纤损耗。
   将光缆垂直悬挂10米长度，并在顶部放置一个震动源，震动时间持续1小时，分别从顶部和底部测量光纤的位移。同时，对阻水纱全干式光缆结构做相同的测试，对比测试结果。第二个测试，每15分钟测试光纤损。

光纤位移量如下表2： 


   相对于测试光缆的长度，光纤位移量微乎其微，这两种光缆的位移量相当，因此，在震动和垂直布放时，SAP光缆性能类似于阻水纱全干式光缆。在第二个测试中，两种光缆的损耗没有明显变化，这进一步证明SAP全干式光缆可以垂直布放。

2.4 SAP粉末是否擦伤光纤涂层？
   在松套管中，SAP颗粒与光纤直接接触。为了确保SAP均匀分散和良好的工艺条件，对SAP颗粒的大小和均匀性有一定的要求，在生产和使用过程中，这种SAP颗粒是否会擦伤光纤涂层呢？在没有经验的情况下，需要通过测试来评估这一风险。
如图4将光缆两端固定安装，两端安装在可以加载张力的设备上，中间绕过动滑轮，中间滑轮可以来回拉动，中间滑轮的尺寸最好选择20倍光缆直径，以模拟现场安装环境，在这种运动过程中，套管中的光纤和SAP颗粒可能存在摩擦作用。
   光缆的两端标准夹具固定住。将光缆拉倒最大允许拉力下，测试光纤损耗作为基准线。然后，来回移动轮子10次，停止后再测试光纤衰减。
 


   对比滑轮滑动前后光纤衰减，没有明显差异，说明没有光纤损伤或断裂。进一步检查套管中光纤，在高倍显微镜下观察其表面，没有发现擦伤和裂纹痕迹，这进一步说明光纤没有损害。

2.5 SAP树脂的阻水效果
   SAP树脂的主要作用是阻止水分进入光缆，而且需要迅速阻水。如果水分渗透到核心设备中，可能会损伤敏感的传输设备，造成很大的损失。在标准FOTP-82中对渗水测试要求使用自来水，然而，在现场条件下，光缆实际应用环境中，可能存在不同离子浓度的盐水。本文前面介绍了SAP树脂吸水性能对盐水浓度敏感，因此，本文设计了实验来测试光缆在盐水环境下的阻水效果，而且，SAP吸水后胶体需具备一定的强度，以便达到长久的阻水效果。

a）极端条件下的渗水测试
   松套管中采用SAP的全干式光缆完全能够通过24小时渗水测试（依照GR-20标准测试，光缆测试长度1米，1米高水柱）。然而，SAP是亲水性质的，需要考虑经过更长的浸水时间，水分是否会继续渗入。本文将测试时间延长到35天， 1米长度的光缆样品，在1米高度水压下，测试水柱使用3%氯化钠盐水，以便考察其的长期渗水稳定性。测试结果如图6所示。
 


   依据图6的测试结果，光缆样品经过35天渗水测试后，水渗入的长度小于1米， SAP全干式光缆在自来水和盐水环境下，渗水性能、吸水速率、长期阻水效果远远优于行业标准，证明是长期可靠的。

b）高压水下渗水测试
   行业标准中规定的渗水测试水压力为1米水柱（相当于1.4PSI压强）。为评估SAP全干式光缆在高压水下阻水能力，本文设计了更高水压下渗水测试。
   将SAP全干式光缆样品接到压强为50PSI和77PSI的水柱环境下，本实验使用两种水柱，自来水和3%的氯化钠溶液。测试后，将光缆开剥，观察缆芯渗水长度和松套管中渗水长度，记录结果列于表3，结果表明SAP即使在高压水环境下依然能达到有效的阻水性能。

表3 高压水下渗水测试结果


c）高温水环境下渗水测试
   本文还研究了再高温水环境下阻水效果，当护套破损水渗入光缆时，有些地区夏季水温较高，本文设计了实验来考察SAP全干式光缆在50℃水环境下阻水效果。将多跟30米的松套管插入50℃水柱下，水柱水温恒温，水柱高度1米，持续测试32天，每隔一周取出一根样品观察渗水长度。测试结果列于图7。
 


   图7 测试结果显示，即使在这种极端条件下，松套管渗水长度小于1米，这证明SAP全干式光缆在高温环境下依然具有很好的阻水效果，然而，光缆实际应用环境不太可能接触到50℃这么高温度的水。

2.6松套管中SAP吸水冰冻后对光纤衰减影响？
   在某些极端的情况下，当光缆破损，水分浸入，SAP吸水膨胀，然后在低温下冰冻，这可能会影响光纤的衰减。本实验设计用来测试这种极端条件下，SAP全干式光缆中光纤附加衰减。
   为了增加全干式光缆中SAP吸水长度，本实验将光缆样品剥开，去除护套，切开松套管，用注射器将自来水注入松套管，然后在-40℃下冰冻，同时监测光纤衰减。
   实验结果测得在1550nm处光纤附加衰减0.001Db/km，这表明，在-40℃下冰冻，光纤没有明显附加衰减。同时，也测试了采用阻水纱的全干式光缆样品，两者实验结果相当，光纤都没有明显附加衰减。采用阻水纱的全干式光缆已经在市场上大批量使用了十多年，实践验证，其阻水效果良好。

2.7光缆老化后是否影响其机械性能？
   将这种SAP阻水的全干式光缆，依照Telcordia GR-20和ICEA-640做温度循环测试和老化测试，并对老化后的样品测试全套机械性能，对比光缆老化前和老化后机械性能变化。
   实验结果显示，老化前和老化后的样品光缆，所有机械性能测试中，光纤应变和光功率没有显著差异。因此，可以判断光缆老化后，全套机械性能符合要求。

3.总结
   全干式光缆大批量商用已经十多年了，没有任何报道因阻水材料出现问题。随着光缆新型设计的演进，现有的行业标准测试方法难以表征其长期可靠性能，需要根据材料的特性和结构特性开发一些额外的测试程序。如本文描述的，通过这些新型的测试评估，这种新型的SAP全干式光缆，比阻水纱线全干式和传统油膏填充式光缆都更具有优势。更好的环境友好特性和安全可靠性能使得全干式光缆成为美国市场上首选结构。这种新型全干式技术，采用SAP粉末阻水的全干式光缆，在结构和使用方面，比阻水纱线全干式和传统油膏填充式光缆都更具有优势。

4.感谢
感谢康宁所有为全干式光缆做出贡献的人员。

参考文献
【1】K. Temple, A. Bringuier, D. Seddon, R. Wagman “Update: Gel-Free Outside Plant Fiber-Optic Cable Performance Results in Special Testing”, IWCS Proceedings, p. 561 (2007). 
【2】C. Clyburn, “Long-Term Stability of a Superabsorbent Gel for Water-blocking Performance”, IWCS Proceedings, p. 147 (2010). 
【3】N. German, J. Rowe, C. Quinn, “Performance of a Totally Dry Gel-free Stranded Loose Tube Cable Design”, IWCS Proceedings, p. 70 (2004). 

作者简介
Catharina(Kitty), Tedder, 女，康宁光缆系统材料专家，高级工程师，她从事光缆制造30年。 
Chris Quinn，男，康宁光缆系统材料研发经理，1999年加入康宁系统。
Dave Seddon， 男，康宁光缆系统结构设计专家，高级工程师，从事电缆和光缆设计40多年，获得24项光缆领域的专利。
Mike Ellwanger，男，1991年加入康宁光缆系统，高级工程师，产品经理。

The Reliability of Completely Dry Gel-free Optical Cables
Catharina L. Tedder， Christopher M. Quinn，David A. Seddon, Mike Ellwanger 
康宁光缆系统，北卡罗来纳州，喜科瑞 
+1-828-901-5000,Email: kitty.tedder@corning.com