责任编辑：匿名 (未验证)
2011/07/25
作者：吴仪温 张磊 阮云芳 杨晨 王瑞春
一、前言
国际电信联盟ITU-T通过的弯曲不敏感单模光纤G.657标准建议的最新修订版本中，维持了A和B两个大类的整体结构，A大类与G.652光纤能够完全兼容，而B大类在部分指标上并不要求与G.652光纤兼容[1]。G.657-A2光纤既具有优异的弯曲性能又与现有G652光纤完全兼容，是一种不仅可以在FTTH 中广泛使用，又在室外光缆中具有广阔的应用前景的“全能光纤”[2]。在目前城市光缆管道资源日益紧张的背景下，光缆小型化成为新的发展趋势，研发具有同等性能的小外径光纤成为研究的热点之一。光纤小型化可采取玻璃部分小型化以及涂覆层厚度降低等方式，不改变玻璃部分的尺寸而通过降低涂覆厚度来获得与现有光纤好的兼容性自然成为首选，降低涂覆厚度往往以牺牲光纤的机械性能和抗微弯性能为代价，G657-A2光纤以其优异的抗弯性能以及与G652光纤完全的兼容性，成为开发小型化光纤光缆的最佳选择。
长飞公司在符合ITU-T G.657-A2标准的基础上，开发了只有200μm外径的小外径G657-A2光纤：EasyBand® Plus –Mini，本文介绍了该光纤的基本特点，并通过相关测试结果展示了小外径G.657-A2光纤优异的性能，最后结合国内外管孔资源现状，从光缆结构尺寸小型化的发展趋势的角度，探讨了小外径弯曲不敏感光纤在室外光缆，尤其在小型化光缆的应用前景。
二、200μm小外径G657-A2光纤： EasyBand® Plus -Mini简介
EasyBand® Plus -Mini光纤是长飞公司在原有G.657-A2光纤EasyBand® Plus的基础上[3]，仍保持玻璃部分直径125μm，通过优化光纤涂料性能以及内外层厚度匹配[4]，将涂覆后的光纤外径从250μm降低到200μm。虽然 EasyBand® Plus -Mini光纤减小了涂料层的厚度，但是通过特殊工艺设计和精密的参数控制，使光纤具有优良的光学性能和机械性能，从而保证了小外径弯曲不敏感光纤在光纤和光缆使用中性能的稳定和可靠。所以除涂覆层外径外，EasyBand® Plus -Mini既满足了ITU-T 的G.657.A2相关标准，具有优异的弯曲不敏感性能，并全面兼容G.652光纤；又缩小了光纤外径，使 EasyBand® Plus -Mini光纤更易于在小型化光缆中的应用。
1、关键性能测试方法
宏弯附加损耗测试方法参照IEC 60793-1-4中规定的方法，由于波长越长对弯曲越敏感，所以主要测试光纤在1625nm的弯曲附加损耗，以准确评估光纤在全波段范围内（尤其是L波段）的弯曲敏感性。将光纤按一定直径绕成1圈或10圈，然后将圆圈放开，测试打圈前后光功率的变化，以此作为光纤的宏弯附加损耗。
为了准确评价光纤的机械性能，必须用可靠的方法来测试光纤的强度分布。筛选测试可以查出了裂纹较大的光纤，通过筛选测试的光纤必须经过进一步分析测试以发现和评价光纤的可靠性。按IEC 60793-1-31，用20米光纤测试光纤的抗拉强度；按IEC 60793-1-33，采用两点弯曲的方法测光纤的抗疲劳参数nd值。其中，两点弯曲的方法接近于实际应用，其结果有利于分析判断光纤的可弯曲半径。
2、测试结果与分析
（1）常规参数
EasyBand® Plus -Mini小外径弯曲不敏感光纤的主要光学参数见表1。由表1可见，EasyBand® Plus -Mini光纤的光学参数完全满足ITU-T G.657-A2光纤技术标准，可以与G.652光纤全面兼容。
国际电信联盟ITU-T通过的弯曲不敏感单模光纤G.657标准建议的最新修订版本中，维持了A和B两个大类的整体结构，A大类与G.652光纤能够完全兼容，而B大类在部分指标上并不要求与G.652光纤兼容[1]。G.657-A2光纤既具有优异的弯曲性能又与现有G652光纤完全兼容，是一种不仅可以在FTTH 中广泛使用，又在室外光缆中具有广阔的应用前景的“全能光纤”[2]。在目前城市光缆管道资源日益紧张的背景下，光缆小型化成为新的发展趋势，研发具有同等性能的小外径光纤成为研究的热点之一。光纤小型化可采取玻璃部分小型化以及涂覆层厚度降低等方式，不改变玻璃部分的尺寸而通过降低涂覆厚度来获得与现有光纤好的兼容性自然成为首选，降低涂覆厚度往往以牺牲光纤的机械性能和抗微弯性能为代价，G657-A2光纤以其优异的抗弯性能以及与G652光纤完全的兼容性，成为开发小型化光纤光缆的最佳选择。
长飞公司在符合ITU-T G.657-A2标准的基础上，开发了只有200μm外径的小外径G657-A2光纤：EasyBand® Plus –Mini，本文介绍了该光纤的基本特点，并通过相关测试结果展示了小外径G.657-A2光纤优异的性能，最后结合国内外管孔资源现状，从光缆结构尺寸小型化的发展趋势的角度，探讨了小外径弯曲不敏感光纤在室外光缆，尤其在小型化光缆的应用前景。
二、200μm小外径G657-A2光纤： EasyBand® Plus -Mini简介
EasyBand® Plus -Mini光纤是长飞公司在原有G.657-A2光纤EasyBand® Plus的基础上[3]，仍保持玻璃部分直径125μm，通过优化光纤涂料性能以及内外层厚度匹配[4]，将涂覆后的光纤外径从250μm降低到200μm。虽然 EasyBand® Plus -Mini光纤减小了涂料层的厚度，但是通过特殊工艺设计和精密的参数控制，使光纤具有优良的光学性能和机械性能，从而保证了小外径弯曲不敏感光纤在光纤和光缆使用中性能的稳定和可靠。所以除涂覆层外径外，EasyBand® Plus -Mini既满足了ITU-T 的G.657.A2相关标准，具有优异的弯曲不敏感性能，并全面兼容G.652光纤；又缩小了光纤外径，使 EasyBand® Plus -Mini光纤更易于在小型化光缆中的应用。
1、关键性能测试方法
宏弯附加损耗测试方法参照IEC 60793-1-4中规定的方法，由于波长越长对弯曲越敏感，所以主要测试光纤在1625nm的弯曲附加损耗，以准确评估光纤在全波段范围内（尤其是L波段）的弯曲敏感性。将光纤按一定直径绕成1圈或10圈，然后将圆圈放开，测试打圈前后光功率的变化，以此作为光纤的宏弯附加损耗。
为了准确评价光纤的机械性能，必须用可靠的方法来测试光纤的强度分布。筛选测试可以查出了裂纹较大的光纤，通过筛选测试的光纤必须经过进一步分析测试以发现和评价光纤的可靠性。按IEC 60793-1-31，用20米光纤测试光纤的抗拉强度；按IEC 60793-1-33，采用两点弯曲的方法测光纤的抗疲劳参数nd值。其中，两点弯曲的方法接近于实际应用，其结果有利于分析判断光纤的可弯曲半径。
2、测试结果与分析
（1）常规参数
EasyBand® Plus -Mini小外径弯曲不敏感光纤的主要光学参数见表1。由表1可见，EasyBand® Plus -Mini光纤的光学参数完全满足ITU-T G.657-A2光纤技术标准，可以与G.652光纤全面兼容。
表1 EasyBand® Plus -Mini小外径弯曲不敏感单模光纤主要光学参数
图1 G652光纤与EasyBand® Plus -Mini弯曲性能对比
图2 典型拉伸测试结果
三、EasyBand® Plus -Mini小外径弯曲不敏感光纤在光缆中的应用
随着光纤通讯的不断深入发展，对于运营商而言，原有的光缆管道路由资源显得越来越不够充足，首先，新建路由不仅要花费巨资，如一般城市通信管道的造价为5-8 万元/孔公里，省会城市为8-10 万元/孔公里，北京、上海、广州等一线城市的造价为13-18 万元/孔公里，而且随着城市的发展，通信管道的造价会越来越高；其次，新建路由需要行政审批，运营商不能控制建设进度，一旦错过，今后几年内都无法在同一地段得到管道资源。尤其如一些成熟的商务写字楼密集的地区，市政规划、道路开发等早已定型，没有合适的时机，根本无法建设新的通信管道。因此迫切需要在现有的管孔资源中敷设更多的光纤，从而催生了光缆结构尺寸小型化发展趋势。
1、光缆结构尺寸小型化的可行性及优势
EasyBand® Plus -Mini光纤具有良好弯曲不敏感特性且与G.652.D光纤完全兼容，而且其相对较小的光纤外径，为在光缆结构尺寸小型化中的应用带来了巨大的优势。如果要降低光缆结构尺寸，则必须降低套管尺寸，而目前降低套管尺寸基本方法有两种：一是降低套管壁厚，但机械学理论指出，套管壁厚的降低直接导致光缆抗压强度的减小，因此单纯靠降低套管尺寸来达到降低光缆尺寸目的的方法不可取。二是降低套管内径，对于同等壁厚的套管而言，内径越小其抗压强度越大，在满足相同抗压强度的情况下，减小内径的同时还可适当减小套管壁厚，因此通过降低套管内径来达到降低光缆尺寸不失为行之有效的方案。然而，套管内径的减小必然会带来极限温度状况下套管内光纤弯曲损耗增加的情况，这种损耗的增加主要来自松套管内过大的余长。因此，只有具有更好弯曲性能的光纤，才能增加套管内径的减小程度。
图4是G.657.A2类光纤与G.652.D光纤弯曲损耗对比图。不可否定，降低涂覆厚度部分牺牲了光纤的微弯性能，但是EasyBand® Plus –Mini光纤通过光纤剖面设计优化，特别是在长波段有效的弥补了这种不足，在1550nm后具有明显优越的抗微弯性能，在1300到1700nm波长范围的最大的弯曲损耗小于1.5dB，为小型化光缆的研制提供了保障。结合其优异的宏弯性能和与G652光纤良好的兼容性，该光纤非常适用于小尺寸G.657光缆的应用。
从表3可看出：如敷设常规的微缆，在一个规格为40/33的外保护管中，最多可容纳5根10/8 mm的子管，所能敷设光纤的最大芯数为360芯；如敷设小外径G.657-A2光纤的微缆，则可在同样的子管中敷设5根96芯总计480芯的光缆，光纤芯密度增加33%；如将40/33的外保护管中子管改为7根8/6 mm，则可敷设7根72芯总计504芯的光缆，光纤芯密度增加40%。
由此可见，采用200μm小外径弯曲不敏感光纤的光缆在提高光缆管道的利用率上相对普通光缆有了质的飞跃。
2、采用EasyBand® Plus –Mini光纤的光缆温度循环和机械性能试验
图6显示的是在1.3mm套管中容纳12根小外径G.657-A2 EasyBand® Plus -Mini光纤的松套层绞式结构光缆在温度循环过程中，1310nm、1383nm、1550nm和1625nm四个波长在-40℃~ +70℃的温度循环条件下的附加衰减变化。从图中可以看出，小外径G.657-A2光纤在松套层绞式结构光缆在温度循环过程中，各个波长的附加衰减均在0.01 dB/km左右，远远优于国家标准YD/T 901-2009中一级光纤小于0.05 dB/km的标准要求。
以上测试结果表明：良好的温度循环和机械性能充分显示了具有抗弯曲特性的小尺寸G.657.A2光纤的在小尺寸套管中的安全可靠性，其也完全满足IEC 60794-3-11(2007)的要求。
四、结论
长飞公司研发生产的200μm小外径弯曲不敏感单模光纤 EasyBand® Plus -Mini具有以下特点：一、弯曲性能满足并优于G.657.A2标准，与现有G.652光纤全面兼容；二、光纤外径降低到200μm，更适用于小型化光缆中的应用；三、采用优化的光纤折射率剖面以及涂料设计，保证了光纤以及光缆优异的光学和机械性能。
| 主要参数 | 典型值 | 范围 |
| 模场直径@1310nm(µm) | 8.8 | 8.8±0.4 |
| 零色散波长(nm) | 1315 | 1300-1324 |
| 衰减@1310nm(dB/km) | 0.332 | ≤0.35 |
| 衰减@1383nm(dB/km) | 0.302 | ≤0.35 |
| 衰减@1550nm(dB/km) | 0.190 | ≤0.21 |
| 衰减@1625nm(dB/km) | 0.200 | ≤0.23 |
| 光缆截止波长(nm) | 1240 | ≤1260 |
| 零色散波长斜率(ps/nm2.km) | 0.089 | ≤0.092 |
| 偏振模色散PMD(ps/km1/2) | 0.028 | ≤0.104 |
| 弯曲附加损耗@1550 nm(1圈，7.5mm 半径/dB) | 0.05 | ≤0.5 |
| 弯曲附加损耗@1625 nm(1圈，7.5mm 半径/dB) | 0.12 | ≤1.0 |
| 弯曲附加损耗@1550 nm(1圈，10mm 半径/dB) | 0.02 | ≤0.1 |
| 弯曲附加损耗@1625 nm(1圈，10mm 半径/dB) | 0.04 | ≤0.2 |
| 弯曲附加损耗@1550 nm(10圈，15mm 半径/dB) | 0.01 | ≤0.03 |
| 弯曲附加损耗@1625 nm(10圈，15mm 半径/dB) | 0.04 | ≤0.10 |
选取模场直径相同（8.8 µm@1310）和MAC值相近（6.8左右）的小外径弯曲不敏感单模光纤和普通G652光纤进行宏弯测试，取不同弯曲直径下每圈平均宏弯附加衰耗值，其在1625nm波长的抗弯曲性能比较如图1所示。结果表明，得益于长飞公司特殊的光学剖面设计和生产工艺控制， EasyBand® Plus -Mini小外径弯曲不敏感单模光纤在宏弯性能上优于现有G.657-A2标准，远远超越普通的G.652单模光纤。
图1 G652光纤与EasyBand® Plus -Mini弯曲性能对比
（2）特殊性能参数
为了确保光纤具有可靠的机械性能和稳定性，需要光纤具有高的抗疲劳参数nd值，而抗疲劳参数值nd值除与玻璃部分的性能有关外，还取决于涂覆层尤其是内涂覆层的性能， EasyBand® Plus -Mini光纤一方面采用低模量的树脂材料以有效缓冲外界施加的应力；另一方面通过工艺优化和控制，在涂层厚度和机械性能之间达到了很好的平衡。
为了确保光纤具有可靠的机械性能和稳定性，需要光纤具有高的抗疲劳参数nd值，而抗疲劳参数值nd值除与玻璃部分的性能有关外，还取决于涂覆层尤其是内涂覆层的性能， EasyBand® Plus -Mini光纤一方面采用低模量的树脂材料以有效缓冲外界施加的应力；另一方面通过工艺优化和控制，在涂层厚度和机械性能之间达到了很好的平衡。
图2 典型拉伸测试结果
EasyBand® Plus -Mini光纤典型的抗疲劳参数nd值和抗拉强度的测试结果如图2和图3所示，可见经过1%应变张力筛选的小外径弯曲不敏感单模光纤不仅具有良好的抗拉强度，还具有很高的抗疲劳参数nd值，从而确保光纤在长期小半径弯曲下可靠的机械性能。
图3 典型两点弯曲测试结果
三、EasyBand® Plus -Mini小外径弯曲不敏感光纤在光缆中的应用
随着光纤通讯的不断深入发展，对于运营商而言，原有的光缆管道路由资源显得越来越不够充足，首先，新建路由不仅要花费巨资，如一般城市通信管道的造价为5-8 万元/孔公里，省会城市为8-10 万元/孔公里，北京、上海、广州等一线城市的造价为13-18 万元/孔公里，而且随着城市的发展，通信管道的造价会越来越高；其次，新建路由需要行政审批，运营商不能控制建设进度，一旦错过，今后几年内都无法在同一地段得到管道资源。尤其如一些成熟的商务写字楼密集的地区，市政规划、道路开发等早已定型，没有合适的时机，根本无法建设新的通信管道。因此迫切需要在现有的管孔资源中敷设更多的光纤，从而催生了光缆结构尺寸小型化发展趋势。
1、光缆结构尺寸小型化的可行性及优势
EasyBand® Plus -Mini光纤具有良好弯曲不敏感特性且与G.652.D光纤完全兼容，而且其相对较小的光纤外径，为在光缆结构尺寸小型化中的应用带来了巨大的优势。如果要降低光缆结构尺寸，则必须降低套管尺寸，而目前降低套管尺寸基本方法有两种：一是降低套管壁厚，但机械学理论指出，套管壁厚的降低直接导致光缆抗压强度的减小，因此单纯靠降低套管尺寸来达到降低光缆尺寸目的的方法不可取。二是降低套管内径，对于同等壁厚的套管而言，内径越小其抗压强度越大，在满足相同抗压强度的情况下，减小内径的同时还可适当减小套管壁厚，因此通过降低套管内径来达到降低光缆尺寸不失为行之有效的方案。然而，套管内径的减小必然会带来极限温度状况下套管内光纤弯曲损耗增加的情况，这种损耗的增加主要来自松套管内过大的余长。因此，只有具有更好弯曲性能的光纤，才能增加套管内径的减小程度。
图4是G.657.A2类光纤与G.652.D光纤弯曲损耗对比图。不可否定，降低涂覆厚度部分牺牲了光纤的微弯性能，但是EasyBand® Plus –Mini光纤通过光纤剖面设计优化，特别是在长波段有效的弥补了这种不足，在1550nm后具有明显优越的抗微弯性能，在1300到1700nm波长范围的最大的弯曲损耗小于1.5dB，为小型化光缆的研制提供了保障。结合其优异的宏弯性能和与G652光纤良好的兼容性，该光纤非常适用于小尺寸G.657光缆的应用。
图4 G.657-A2与G.652光纤微弯性能的对比
从光缆小型化的另一方面考虑，在套管内光纤占据了一定的体积，特别是对于越来越小的套管尺寸，光纤所占用的空间将不容忽视。
使用下面公式可计算出光缆中光纤的等效直径：D=1.16Xn1/2Xdf
其中：D 为光缆中光纤的等效直径；
n 为光纤数量；
df 为单根光纤的直径
以12根250μm光纤为例，其等效直径为1.01mm，如果采用 EasyBand® Plus -Mini小外径弯曲不敏感光纤，光纤直径由250μm减小到200μm，光缆中光纤的等效直径将会降到0.8mm。由于光纤等效直径降低，不仅套管内径可降低，满足相应强度的套管壁厚也可相应降低，因此套管外径将会大幅度降低，套管外径的降低同样也会使中心加强件的尺寸减小。如果套管外径减小到1.3mm，光纤的占空比将由23%迅速提高到62%，以1.3mm套管为单元构造的光缆尺寸将大幅度减小。
使用下面公式可计算出光缆中光纤的等效直径：D=1.16Xn1/2Xdf
其中：D 为光缆中光纤的等效直径；
n 为光纤数量；
df 为单根光纤的直径
以12根250μm光纤为例，其等效直径为1.01mm，如果采用 EasyBand® Plus -Mini小外径弯曲不敏感光纤，光纤直径由250μm减小到200μm，光缆中光纤的等效直径将会降到0.8mm。由于光纤等效直径降低，不仅套管内径可降低，满足相应强度的套管壁厚也可相应降低，因此套管外径将会大幅度降低，套管外径的降低同样也会使中心加强件的尺寸减小。如果套管外径减小到1.3mm，光纤的占空比将由23%迅速提高到62%，以1.3mm套管为单元构造的光缆尺寸将大幅度减小。
图5 不同结构管道敷设光缆的直径对比
图5和表2显示的是采用1.3mm套管中放置12根200μm小外径弯曲不敏感光纤生产的144芯管道敷设光缆与其它结构144芯管道敷设光缆的直径对比。如表2数据显示，采用200μm小外径弯曲不敏感光纤的光缆尺寸得到大幅度的下降，相对1.7mm套管的光缆，横截面积又下降了45%；与2.4mm套管光缆相比，横截面积降低了66%，原本只能敷设36芯（10mm左右）普通光缆的管孔能一次性敷设144芯光纤，管孔利用率提高了4倍。
表2 不同结构管道敷设光缆的直径对比
| 光缆芯数 | 单元数 | 套管厚度/mm | 光缆外径/mm | 截面积降低率 |
| 122—144 | 12 | 2.4 | 17 | 0% |
| 1.7 | 13.4 | 38% | ||
| 1.3 | 9.8 | 66% |
由此可见，采用200μm小外径弯曲不敏感光纤的光缆在提高光缆管道的利用率上相对普通光缆有了质的飞跃。
表3 采用不同外径光纤的光缆直径对比
| 常规250µm外径光纤层绞式微缆 | 采用小外径G657.A2光纤的光缆 | ||||
| 芯数 | 光纤直径 | 适用微管内外径 | 芯数 | 光纤直径 | 适用微管内外径 |
| <60 | 5.6 | 10/8 | ≤72 | ≤5 | 8/6 |
| 62-72 | 6.2 | 10/8 | 74-96 | 5.8 | 10/8 |
| 74-96 | 7.3 | 12/10 | 98-120 | 6.7 | 12/10 |
| 98-144 | 9.5 | 16/13.5 | 122-144 | 7.5 | 12/10 |
图6显示的是在1.3mm套管中容纳12根小外径G.657-A2 EasyBand® Plus -Mini光纤的松套层绞式结构光缆在温度循环过程中，1310nm、1383nm、1550nm和1625nm四个波长在-40℃~ +70℃的温度循环条件下的附加衰减变化。从图中可以看出，小外径G.657-A2光纤在松套层绞式结构光缆在温度循环过程中，各个波长的附加衰减均在0.01 dB/km左右，远远优于国家标准YD/T 901-2009中一级光纤小于0.05 dB/km的标准要求。
图6 温度循环试验结果
根据IEC60794-1-2标准对该结构光缆进行了多项主要机械性能试验。试验结果分别显示在下表中。
表4 机械性能试验结果
| 项目 | 试验方法 | IEC60794-3-11要求 | 结果 |
| 冲击 | IEC60794-1-2 method E4 |
条件：3焦耳冲击能量，10mm冲击柱半径，间距大于150mm的三个点各一次。 要求：残余附加衰减小于0.1dB@1550nm；护套和光缆构件无目力可见开裂。 |
合格 |
| 压扁 | IEC60794-1-2 method E3 |
条件：1000N，持续1min 要求：衰减变化小于0.1dB@1550nm；护套和光缆构件无目力可见开裂。 |
合格 |
| 拉伸 | IEC60794-1-2 method E1 |
条件：允许安装拉力 TM 为1km光缆重量的1.5倍；光缆长期运行张力TL为TM的30%。（1km光缆重110kg）TM=1600N， TL=480N。 要求：在允许安装拉力 TM 下，光纤应变小于0.33%；在光缆长期运行张力TL下，光纤应变小于0.05%且附加衰减小于0.1dB@1550nm；无残余附加衰减。 |
合格 |
| 扭转 | IEC60794-1-2 method E7 |
条件：2m试样，180°扭转，5个循环 要求：衰减变化小于0.1dB@1550nm且无残余附加衰减；护套和光缆构件无目力可见开裂。 |
合格 |
| 反复弯曲 | IEC60794-1-2 method E7 |
条件：弯曲半径为20倍光缆直径，反复弯曲25次。 要求：护套和光缆构件无目力可见开裂。 |
合格 |
四、结论
长飞公司研发生产的200μm小外径弯曲不敏感单模光纤 EasyBand® Plus -Mini具有以下特点：一、弯曲性能满足并优于G.657.A2标准，与现有G.652光纤全面兼容；二、光纤外径降低到200μm，更适用于小型化光缆中的应用；三、采用优化的光纤折射率剖面以及涂料设计，保证了光纤以及光缆优异的光学和机械性能。
