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摘要：高性能气吹光纤单元（简称EPFU或FU）是FTTX中光纤接到用户的主流产品之一，相比传统光缆结构，其产品外径细小，质轻，柔软又不失刚性。本文主要介绍这种气吹光纤单元的研发背景、结构设计、工艺控制和试验结果等。

关键词：FTTX  EPFU  气吹光纤单元   结构设计  气吹性能

一、研发背景

随着5G和千兆光网的加速发展之下，光纤光缆作为最重要的基础设施，运营商对其需求进一步提升。目前国内的通信线路，光缆一般敷设到交换箱，而连接到用户终端的大多都是5类线、6类线等。互连网的高速发展伴随用户要求的提高、三网合一的普及和终端设备的降价，FTTX最终会替代现有的接入模式。即到用户终端也采用光纤接入，最后的接入线路往往只有几百米。但面对2亿多的家庭用户和众多的数据客户，其总体需求量是相当可观的，估计可以占到全网投资的三分之一左右。

根据这种情况我公司对国内外接入光缆市场进行调研。借鉴国外的发展模式及分析了国内的潜在市场，同时参照国外合作伙伴提出的要求，公司选定了一种基于气送敷设的超微型光缆。该种光缆一般被称为高性能光纤单元（EPFU），气送光纤单元最早于上个世纪80年代由英国电信提出，经过20多年的实践与改进，已经比较成熟，对正在发展中的FTTX的应用中特别有吸引力。气吹光纤系统的原理是在将要或可能走光纤的位置之间安装一根集束管，集束管中还有多根微管道。当需要在网络的两点之间铺设光纤时，通过专用的安装器则把光纤“吹”入微管道中，然后再用接头连接光纤。因为光纤单元能够被拆除、置换和在光纤芯数和光纤类型上升级。世界上许多电信运营商已经采用了这种系统，将它做为FTTX中光纤接入到用户终端的一种主流产品。目前国内已经有运营商利用国外的产品做了试验段，项目经评估受到很高的评价。相信随着运营商的逐步接收和公司的大力推广，FU这种产品会有很好的发展前景。该光缆在国外的生产厂家少，市场需求量较大，产品的利润高，而且在研发初期我公司的几个知名度较高的国外合作伙伴就承诺只要开发出该产品，就一定能帮我们销售并有一个可观的市场份额。

二、结构设计

2.1 技术设计路线

通过调研，市场上现有的气吹光纤单元（见图1、图2所示）主要缺陷在于其外护套由树脂构成，其强度较差，在施工过程中常常出现因设备推动轮的挤压而开裂的现象。而该现象在国外施工中时常发现，而且一经出现，管道中已敷设的那部分只能作废，还要吹出来再重新敷设，导致施工成本及周期增加。另外，产品是利用在外保护层上嵌入许多微小的中空玻璃珠来增加与空气的接触面积提高产品的气送性能。这种产品呢的表面极为粗糙，施工中表面的玻璃珠极易磨损气送设备的密封圈并大量脱落，需要经常更换密封圈和清洁设备，也会造成施工周期增加。

如果照搬国外的产品结构去开发，那么即便成功，也是在走别人的老路，产品实现规模性销售就很困难。如何在维持产品性能的基础上去除这个缺陷是首要问题，这里要提到一下我公司的气吹微型光缆，以往国外的气吹微型光缆的表面都是圆形，当时的市场占有情况与高性能光纤单元的情况类似，为了在国外拥有一定的市场份额，我们认真研究了光缆在管道内的气动原理，并建立了数学模型，同时作了大量的气吹试验，最终开发出一种表面带条纹的气吹微缆（见图3、图4所示），该产品与许多国外知名大厂的产品做了多次的对比试验，其性能完全超越了国外产品。

在设计论证期间，我们就意识到气吹微型光缆和高性能光纤单元都是利用气送的方式在管道内敷设，在其原理上两者必然有一定的相同性，虽然结构有很大差异，但必然有可借鉴之处。我们的高性能光纤单元的外保护层如果能借助这样的外形，就能够把这个缺陷很好的克服。

2.2 初步的结构设计

借鉴公司气吹微缆的外形，初步确定2芯～12芯光纤单元的结构如图5所示。

2.3 产品尺寸的初步确定

气吹光纤单元一般吹入直径5/3.5mm的微管中，根据气吹施工中光缆和管道占空比不能超过60%的经验，同时为了把外护层制成我们想要的形状并具有更好的强度，就不能采用树脂固化工艺，而要改为挤塑工艺，根据工艺上的可行性，我们把产品的标称直径和重量暂定如下：

2.4 结构工艺合理性及成熟性

从图5上可以看出， EPFU的结构分为两层，内层是利用紫外光固化工艺将一种特定的丙烯酸树脂把将光纤成束并包覆成圆形形成光单元，并寻求一个合适的固化时间及功率，使得光单元既有一定的强度保护光纤又具有良好的剥离性。同时，内层的光单元的直径必须严格控制，直径偏小，会导致树脂对光纤的保护强度不够，偏大会导致产品最终外径增大，影响气送长度。

另外根据客户要求，EPFU气吹长度在500米～1000米，为了提高产品的气吹性能，在保证产品外径不变的情况下，就只有增加产品的刚度，而提高刚度的手段有两个：①增加固化层或外护层的厚度，②提高固化层的模量。增加厚度的手段虽然会使刚度提高，但也会使产品的外径变大，达不到提高气送距离的目地。这里就只有采用提高固化树脂的模量，而树脂必须选用一种合适的模量，模量偏低起不到增加刚度目地，模量太高的话会导致产品不好开剥，同时固化后会对光纤产生较大的应力造成衰减超标。经过上百次的反复的试验我们选定了一种树脂，这种树脂的刚度达到了我们要求，但光纤的衰减有时会超标。为了抵消固化后树脂对光纤较大的收缩应力，我们采取适当增加光纤着色外径的方法来降低应力对光纤的影响，经过多次试验，这个方法是切实可行的。通过特殊着色工艺涂覆后的光纤外径普通的着色光纤直径大5μm。最终我们基本确定了内层每个构件的几何尺寸，见表2所示。

三、工艺控制

3.1 内层结构控制

光纤束固化是光单元工艺的关键点之一，光纤之间要刚好两两相挨，又不能过于挤压，只有这样才能将光纤更加紧密的成为一束，在一定的外径下树脂对光纤能提供足够强度的保护，光纤之间也不会有应力。另外，光纤之间刚好两两相挨才能使树脂固化时不进入光纤束内部，使光单元更加容易开剥。

根据光纤的排布和光单元的尺寸，我们设计了一整套固化工序的模具，模具设计如图6所示，模具由树脂进料口、树脂益处口、负压真空口、进纤摸、出纤摸和多个光纤定位板构成。

经过反复的试机和多次改进模具，逐步确定了固化功率、生产速度和树脂温度等主要工艺参数，目前我们已生产出2、4、8和12芯的光单元产品，其尺寸及结构达到预期要求。

3.2 外层结构确定

为了增强外护套的强度，我们采用挤塑工艺加工外护套，生产设备如下：

外护套的关键技术在于它的几何尺寸、外护套材料和外护层与光单元的间隙，这些都是该产品最为复杂的工艺控制点。

如图8所示，为了使产品具有更好的气送性能和强度，护套的几何尺寸必须按照图8所示，只有这样才能保证即增大了产品与空气的接触面积，又能保证护套的整体强度。而且外护套间的凸起部分不能太小，这是为了保证产品表面的印字内容有大部分是在凹槽内的，这样可以保证印字在施工中不易脱落。另外，为了达到这种效果就要精确严格控制挤出模具的精度、产品的冷却水温及流速，挤塑机的加工温度和收线速度。

同时为了使产品具有更好的气送性能，我们必须降低外护套的摩擦系数，同时还要增加外护套表面的粗糙度，我们知道物体间的摩擦力主要与摩擦系数有关，为了降低摩擦系数我们从美国道康宁公司专门购置了一种添加剂，成功地降低了产品外护套材料的摩擦系数。另外，除了将外护套制成具有多个突起的条纹，还将外护套表面利用特殊工艺处理成略为粗糙的状态，这样也能增加产品与空气的接触面积。

在生产试样期间，我们发现如果外护套与光纤元相贴的话，生产后由于外护套的结晶收缩会对光单元产生较大的轴向应力，这就要在生产的同时必须使外护套与光单元有一定的间隙，间隙小了起不到效果，如果间隙过大会导致产品增大，影响其气送性能，这已经超出光缆常规的工艺范畴，因为在这之前任何光缆制品的外护套都是与缆芯紧密相贴的。经过不断的研究并参考大量的相关资料，我们借鉴了生产管道的真空定径工艺，经过多次试机达不到产品初期构想，这是我方技术人员积极联系国外相关设备的生产厂家，定制了一套极为精密的真空定径装置，最后在通过不断试机并调整挤出模具，终于把产品外护套与光单元的间隙控制在0.02～0.03mm之间，达到了初期构想，这项工艺应用在光缆产品上在国内属汇源首创，这工艺也是整个产品生产的最难点。

四、试验结果

FU这种产品是利用高压气流将其敷设在集束管内，而集束管内又有多根微管，双重保护使该产品受到的保护还大于其它接入光缆。另外，微管的密集化提高了空间的利用率;它作为FTTX接入光缆的一种对比于其它品种的接入光缆有着不可替代的优势：

a.气吹施工对FU的损伤很小，可以利旧重复使用，这里不用了可以吹出来拿到其它地方使用;

b.FU在管道中有余长，当管道受拉力时微缆基本不受力;

c.施工受外界气候等因素干扰很小;

d.使一根管道中有多种型号的光纤成为了可能

e.普通接入光缆的建设一般都是一步到位，为了以后可能拥有的用户而提前预留的大量的光纤，这种做法往往造成大量资金的闲置，而且如果以后光纤更新换代，那预留的光纤就只能报废。FU这种产品只要有预留的管道空间就可以随着用户逐渐增多渐进性的进行投资，而且由于施工的特点，可随时更换光纤。

公司FU系列产品向国内外的几家测试公司提供了样品，样品的各项指标均达到国外和国内行业标准要求，国外测试方认为该产品在机械性能、温度性能完全达到了国外同行的水平，仅仅在气吹性能上略微偏低。经过这几个月的不断改进，汇源已经找到解决途径，并生产出新的样品。表3为瑞士波立门特（上海有限公司）对我公司该产品的测试结果。

五、结论

通过前面的分析和产品试制及测试，我们可以看到汇源开发的这款高性能气吹光纤单元作为一种理想的用户接入介质，有效地解决了用户宽带接入及施工中存在的各种问题，受到了国内外用户的广泛好评。同时也激励我们，要以市场为导向，为光通信市场输出更多、更好的光缆产品。

作者简介：

1.王晗：2002年毕业于哈尔滨工业大学，工学学士，现就职于四川汇源光通信股份有限公司光缆技术部从事微型光缆设计和工艺控制工作。