用国产ULL-G.652光纤的超低损耗OPGW
摘要：采用国产ULL-G.652光纤，利用常规的OPGW结构设计和生产设备，成缆后24根光纤在1550nm波长处的衰减为0.163dB/km～0.177dB/km，获得了平均衰减为0.167dB/km的超低衰减。本文比对了ULL-G.652与G.652D光纤的主要性能，介绍了OPGW缆的结构、制造过程中衰减的变化及相关的主要性能试验结果，验证了国产ULL-G.652超低损耗光纤用于OPGW的可行性。
关键词：OPGW；G.652光纤；ULL-G.652光纤；损耗；超低损耗
1.前言
光缆通信系统正在向高速大容量发展，采用光放大（如掺铒光纤放大器和拉曼分布放大等）和将多个波长信号光复用到一根光纤上直接传输的波分复用（WDM）技术已成为主要传输方式，近年来还实现了传输速率更高（如40Gbit/s、100Gbit/s或更高）、更加高密度化的密集波分复用（DWDM）传输方式。
光通信系统的传输距离（或中继距离）与光纤衰减成反比，当光传输受损耗限制时，降低光纤衰减可增大传输距离；或在线路中加掺铒光纤放大器(EDFA)和采用分布式拉曼光纤放大器(DRA)来对衰减的信号进行放大，以此来延长传输距离。
OPGW是当前电力系统通信的传输主体，它必须服从输电线路的规划、设计和建设而展开，其路由没有选择性。由于特高压电网的输电半径大（如能适应2000公里的远距离直流输送），且沿途的气象、地理和环境条件十分复杂，当光传输距离受限时，中继站的选址、建设和维护非常困难，故要求OPGW的传输距离足够大，电力光通信系统的超长距离无中继传输是有实际意义的。
超长距离无中继光通信是一个涉及光纤、光缆、光通信设备等的系统技术问题，首当其冲的是努力降低OPGW的传输衰减。用ITU-T G.652光纤的商用OPGW在1550nm工作波长下的衰减通常在0.20dB/km左右，还取决于光纤本身和OPGW工艺过程中及运行环境（如风、冰、温度变化）导致的附加衰减。努力降低光纤衰减是光纤领域工作者的不断追求。
2008年，康宁公司发布了SMF-28®ULL超低损耗光纤是一种超低衰减、满足G.652标准的单模光纤，是为高速率长途和区域性网络中能达到更远的传输距离和更长的中继距离而设计的，它的衰减比常规G.652光纤要低。
2010年，黄俊华等人首次验证了将SMF-28®ULL光纤用于OPGW工艺可行性，成缆后在1550nm处的最大衰减为0.173dB/km，最小衰减为0.164dB/km，平均衰减为0.167dB/km［1］。
2012年，用SMF-28®ULL光纤的OPGW被成功用于号称“电力天路”的“青藏±400kV直流联网工程”，该OPGW在1550nm波长下的衰减≤0.18dB/km，平均衰减≤0.172dB/km，-55℃时的附加衰减≤0.01dB/km［2］。
与此同时，国内主流光纤厂商抓紧了超低损耗光纤的研发，国产超低损耗光纤己面世。
2.OPGW用的光纤选型
2.1 光纤衰减分级
光纤衰减有时被称为光纤损耗，可大致分为表1所示的常规光纤、低损耗光纤（Low Loss，LL）、超低损耗（Ultra Low Loss，ULL）光纤等三级。
表1光纤损耗分级
| 衰减分级 | 衰减（dB/km） | |
| @1310nm | @1550nm | |
| 常规损耗光纤 | ≤0.34 | ≤0.20 |
| 低损耗（LL）光纤 | ≤0.32 | ≤0.18 |
| 超低损耗（ULL）光纤 | ≤0.31 | ≤0.17 |
按光纤分类和损耗分级可有：G.652、LL-G.652、ULL-G.652或G.654、LL-G.654、ULL-G.654等称渭。
我国在OPGW发展早期采用的是G.652A/B（B1.1）单模光纤，中期采用了G.652D（B1.3）和少量G.655类（B4类）光纤，近期大量采用的G.652D光纤己接近低损耗（LL）分级。自青藏线使用了进口的SMF-28®ULL超低损耗光纤以来，超低损耗OPGW的呼声渐高。
2.2 光纤的主要性能对比
表2给出国产G.652D和ULL-G.652光纤的主要技术性能，图1是实测的损耗谱特性。
表2几种光纤的主要性能比对表
| 损耗分级 | ULL-G.652 | G.652D | |
| 型号规格 | 长飞： 全贝R超强 | 长飞： 全贝R | |
| 衰减(dB/km) | 1310nm | ≤0.30 | ≤0.34 |
| 1550nm | ≤0.17 | ≤0.20 | |
| 1625nm | ≤0.20 | ≤0.23 | |
| 模场直径(μm) | 1310nm | 8.7～9.5 | 8.7～9.5 |
| 1550nm | 9.9～10.9 | 9.9～10.9 | |
| 色散(ps/nm·km) | 1310nm | -3.4～3.4 | 3.4 |
| 1550nm | ≤18 | ≤18 | |
| 色散斜率（ps/nm2·km） | 0.092 | 0.091 | |
| 截止波长（nm） | ≤1260 | ≤1260 | |
图1G.652D与ULL-G.652光纤实测的损耗谱特性
从表2可知：ULL-G.652光纤与G.652D光纤的基本性能相同。
从图1可见：
-在E波段（扩展波段，1360～1460nm）的“水峰”特征区域，ULL-G.652光纤的衰减（≤0.4dB/km）略大于G.652D光纤（≤0.3dB/km）；
-在L波段（长波段，1565～1625nm）的尾部和U没段（超长波段，1625～1675nm），ULL-G.652光纤与D.652D光纤的衰减几乎相同（或略低）；
-在除此之外的所有频段上，包括O波段（初始波段，1260～1360nm）、S波段（短波段，1460～1530nm）、1550nm及C波段（常规波段，1530～1565nm）和L波段，ULL-G.652光纤的衰减比G.652D光纤有明显的降低。
3.采用ULL-G.652光纤的OPGW结构和主要参数
该OPGW采用了ULL-G.652超低损耗大有效面积光纤，其结构和主要参数见表3。
表3验证用OPGW的结构和主要参数
| 结 构 | 项目 | 单位 | 参数 |
中心：1/2.6mmLB20 ACS; 第1层: 1/2.5mmLB20 ACS+1/2.5mm SUS管 第2层：12 /2.5mmLB20 ACS |
光纤数量和类型（ULL-G.652） | 芯 | 24 |
| 缆外径 | mm | 12.6 | |
| 重量 | kg/km | 615 | |
| 承载截面积 | mm2 | 88.76 | |
| 额定拉断力(RTS) | kN | 107 | |
| 最大允许拉力(MAT) (40%RTS) | kN | 42.8 | |
| 年平均运行张力(EDS)(25%RTS) | kN | 26.75 | |
| 应变限量(70%RTS) | kN | 74.9 | |
| 直流电阻（20℃） | Ω/km | 0.972 | |
| 短路热容量(I2t)(40～2000C) | kA2·s | 34.89 |
从表3可知该OPGW的主要特征：
-采用了常规设计，是经典的1+6+12的全铝包钢结构；
-在外直径为2.5mm的不锈钢管光单元中置入24根ULL-G.652光纤；
-OPGW的额定拉断力（RTS）为107kN，最大允许拉力（MAT）为42.8kN。
4.OPGW工艺过程
OPGW和生产流程如图2所示。
图2 OPGW制造流程示意图
光纤着色工艺是对本色光纤着色便于识别，由于现有色标仅有12种，所以将24根光纤分为2组，其中一组在12色基础上加上色环。光单元制造工艺是制作含有光纤和阻水纤膏的密封不锈钢管。绞线成缆工艺是将不锈钢管与金属线材按一定的规律组合成缆体。
在这三个工艺环节中，都可能由于各种原因导入附加衰减。
5.OPGW的主要性能验证
5.1 成缆后的光纤衰减
成缆后OPGW长度为4.2km，可以满足通常的配盘要求，缆内24根ULL-G.652光纤在1550nm处的衰减系数列于表4，衰减系数分布见图3。
表4OPGW中24根ULL-G.652光纤在1550nm处的衰减系数（dB/km）
| 纤号 | 颜色（无色环） | 衰减 | 纤号 | 颜色（单色环） | 衰减 |
| 1 | 蓝 | 0.166 | 13 | 蓝+ | 0.165 |
| 2 | 桔 | 0.163 | 14 | 桔+ | 0.17 |
| 3 | 绿 | 0.163 | 15 | 绿+ | 0.176 |
| 4 | 棕 | 0.165 | 16 | 棕+ | 0.169 |
| 5 | 灰 | 0.165 | 17 | 灰+ | 0.165 |
| 6 | 白 | 0.164 | 18 | 白+ | 0.177 |
| 7 | 红 | 0.169 | 19 | 红+ | 0.165 |
| 8 | 黑 | 0.165 | 20 | 本+ | 0.165 |
| 9 | 黄 | 0.167 | 21 | 黄+ | 0.164 |
| 10 | 紫 | 0.165 | 22 | 紫+ | 0.169 |
| 11 | 粉红 | 0.164 | 23 | 粉红+ | 0.172 |
| 12 | 青绿 | 0.167 | 24 | 青绿+ | 0.165 |
| 平均衰减 | 0.167 | ||||
从表4可见，成缆后OPGW在1550nm波长下的衰减系数：
-衰减最大值为0.177 dB/km；
-衰减最小值为0.163dB/km；
-平均衰减为0.167 dB/km。
图31550nm衰减系数分布图
从图3可知：
-在24根光纤中，有20根在1550nm处衰减≤0.170dB/km，占83%；
-其中，有14根光纤的衰减≤0.165dB/km，占58%。
5.2 工艺过程中的附加衰減变化
OPGW在图2所示各工艺过程中，相对于本色纤的附加衰减（ 1550nm）变化示于图4。
图4OPGW在各工艺过程中在1550nm处的附加衰减变化
从图4可见：附加衰减的变化量计算值≤±0.01dB/km。
5.3 拉伸和应力应变性能
电力行业标准要求：OPGW在60%RTS下的光纤应变≤0.25%和附加衰减≤0.05dB［3］。
从表3可知该OPGW的RTS为107kN，则60%RTS相当于64kN。
按电力行业标准的试验装置和方法测量光纤的应变和附加衰减，向OPGW施加65kN拉伸力，其结果示于图5（a）；然后将拉伸力增大到110kN（相当于100%RTS），其结果示于图5（b）。
（a）0-60%RTS拉伸力（b）0-100%RTS拉伸力
图5 OPGW的拉伸和应力应变性能测量结果（1550nm）
在1550nm波长下，图5的测量结果显示：
-在60%RTS（65kN）拉力下，OPGW内的光纤无应变，附加衰减≤0.05dB；
-在75%RTS（80kN）拉力下，光纤开始产生应变，附加衰减≤0.05dB；
-在100%RTS（110kN）拉力下，OPGW内的光纤应变≤0.15%，附加衰减≤0.05dB。
可见：该OPGW满足并优于电力行业标准对拉伸和应力应变的性能的要求。
5.4 温度循环
电力行业标准要求：在-40℃～+65℃范围，OPGW相对于20℃时的附加衰减应不大于0.1dB/km［3］。
按电力行业标准的试验装置和方法，并将最高温度扩展至85℃，该OPGW中每根光纤的附加衰减变化示于图6。
图6OPGW在-40℃和+85℃时的附加衰减变化
从图6可见：在1550nm波长下，OPGW中24根ULL-G.652光纤在-40℃至85℃的附加衰减≤±0.01dB，满足并优于电力行业标准的环境性能要求。
6.结论
为了验证国产ULL超低损耗光纤应用于OPGW的可行性，设计了结构较为紧凑的全铝包钢OPGW，是经典的1+6+12的全铝包钢结构，在外直径为2.5mm的不锈钢管光单元中置入24根国产ULL-G.652光纤，额定拉断力（RTS）为107kN，缆长约4.2km。
在1550nm波长下，国产ULL-G.652光纤在OPGW工艺过程中的附加衰减变化≤±0.01dB/km；成缆后，衰减最大值为为0.177dB/km，衰减最小值为0.163 dB/km，平均衰减为0.167 dB/km；从-40℃至超高温的85℃范围内，每根光纤的附加衰减变化≤0.±01dB/km；在拉伸和应力应变试验中，70%RTS的光纤应变≤0.25%，附加衰减≤0.05dB。其主要性能均满足并优于相关标准的要求。
检验结果表明：国产ULL-G.652光纤可以用于OPGW。
致谢
感谢长飞公司提供了ULL-G.652光纤，通光光缆公司周峰工程师为本项目作出了贡献，谨在此一并致谢。
参考文献
1.黄俊华等.首条釆用超低损耗光纤的超低衰减OPGW［J］电力系统通信，2010，31（216）：6-11.
2.谢书鸿等.用于-55℃超低温的超低损耗OPGW的研究［J］电力系统通信，2012，33（240）：49-54.
3.中华人民共和国电力行业标准.光纤复合架空地线［S］.DL/T832-2003.
作者简介
樊红君（1975-），男，江苏海门市人，工程师，主要研究方向为光电线缆装备、工艺和工程应用。
李晓琴（1975-），女，江苏海门市人，工程师，主要研究方向为光纤光缆检测技术和质量管理。