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淺談下一代高心數高密度光纜技術與發展現況


壹  前言

隨著全球通訊邁入5G時代,高頻寬和高速率的網路已成常態,這驅使邊緣運算大幅增長,並促使資料傳輸達到巨量級別。為了部署5G網路應用,我們擴展物聯網(IoT)並結合人工智慧以推動智慧製造、智慧醫療和智慧交通等領域的發展,從而實現智慧城市和智慧國家的願景。同時,提升光纖覆蓋率和5G的普及程度也刻不容緩。

為了配合5G網路中small cell的計畫,數據中心和核心網路對光纖數量和密度的需求也日益增加[1]。根據歐洲電信標準協會(ESTI)的建議,所有方案都應採用光纖技術,光纖需求量可能增加至目前的10倍[2]。大型數據中心所需的光纜以及擴建接取網路的光纜通常安裝在管道中,為應對不斷增長的傳輸需求,必須在有限的管道空間內增加光纖數量,因此高密度光纜的發展勢在必行。

貳  高心數高密度光纜發展現況

一、 國外高心數光纜發展

傳統的外線光纜主要有束管型光纜、溝槽型光纜及卷束式光纜,束管型光纜是將單心光纖集合於束管內,在束管內、外空隙處填充防水石油膠保護光纖,使束管型光纜具更強的防水能力。溝槽型光纜為溝槽設計,四心以上並狀光纖帶相疊置於溝槽中,溝槽提供光纖帶強力保護並使光纜更耐側壓。為了開發更高心數的光纜,製造商在光纖以及帶狀技術方面引入了多項創新,首先,使用耐彎曲光纖來填充高密度光纜,以防止光纖因應力造成的損失,再者,光纖被覆由250µm減少至200µm甚至更小,然而一般帶狀光纖帶限制了光纜的結構,因此製造商採用了一種靈活設計即網狀光纖帶,網狀光纖帶可以卷曲使其排列密度更高,能夠放入更多的光纖帶至光纜中,四心以上網狀光纖帶所集合而成的光纜稱卷束式光纜,此光纜完成外徑達最小及重量最輕。將卷束式光纜在相同光纜外徑23mm但不同被覆厚度下進行比較,光纖被覆採用250µm時,光纖心數最高填充至2000心,光纜重量為400公斤/公里,若光纖被覆採用200µm時,光纖心數最高則可填充至3000心,心數增加1.5倍,光纜重量減輕至370公斤/公里[3],實現了更高密度的高心數光纜。

發展高心數光纜的公司分別有Sumitomo、Furukawa、Fujikura、Corning、Prysmian、OFS、CommScope等至少七家公司[4-10],光纜心數最高至6912心,皆採用光纖被覆200µm之12心光纖帶,光纜外徑範圍介於29mm至38.9mm之間,其中光纜外徑最小、密度最高為Furukawa公司所製造如圖1。

圖1 Furukawa公司6912心高心數高密度光纜(資料來源:FURUKAWA ELECTRIC)

二、 國內光纜發展現況

目前國內使用三種光纜的最高心數分別為216心束管型光纜、300心溝槽型光纜以及300心卷束式光纜,主要為本公司建設在管道內之接取網路幹纜,因地制宜選用不同類型光纜,國營事業最高使用96心束管型光纜建立環島光纜,其他電信業者大部分使用200心以下光纜。針對5G建設需大量光纜傳送需求,本公司已開發三種300心以上高心數光纜,光纜擴增一倍心數,分別為432心束管型光纜、600心溝槽型光纜以及600心卷束式光纜,以達到節省管道資源效益。

432心束管型光纜採雙層排列結構,中心為抗張體,第一層為6個束管,第二層為12個束管,每個束管內有24心光纖,光纖使用ITU-T G.652D,最外層為被覆體,如圖2,其內部空隙充滿高品質之防水混合物,在常溫下為膠狀,光纜完成外徑為22.5mm,束管內24心光纖填充率為34%,小於佈放管道要求的45%,在此條件下光特性不易受到影響,且光纖在束管內仍可輕易移動不受阻礙。

圖2 432心束管型光纜

600心溝槽型光纜採用八心並狀光纖帶,光纖使用ITU-T G.652D,中心溝槽體為八個溝槽,前七溝放入10片八心並狀光纖帶,最後一溝放入五片八心並狀光纖帶,各溝槽之空隙,視需要填充止水纖維材,外層加上止水不織布與被覆體等成為光纜,如圖3,光纜完成外徑為21.8mm。

圖3 600心溝槽型光纜

600心卷束式光纜以八心網狀光纖帶集合卷束成圓柱狀,每五片八心光纖帶組成1組40心光纖束,一共15組40心光纖束,每光纖束使用著色條帶區分,如圖4,與前兩種光纜不同的地方是,束管型光纜中的束管以及溝槽型光纜中的溝槽皆能保護光纖,卷束式光纜內僅使用著色條帶固定光纖,為避免光纜應力造成影響,因此採用符合ITU-T G.657A1之250µm光纖組成八心網狀光纖帶,此光纖具有優異的耐彎曲特性,相較於G.652D受彎曲造成的光損耗較低,光纜芯外對稱之兩側各放置一條防蝕鋼線作為抗張體,最後再加上被覆體成為光纜,光纜完成外徑為15.5mm。

圖4 600心卷束式光纜

三、 高心數光纜效益與應用

隨著5G網路的普及,世界變得越來越數位化,帶來了前所未有的數據傳輸需求,對頻寬的需求呈指數級增長,高心數光纜可以提供更多的光纖通道來支持巨量數據傳輸,利用高密度光纖把所有設備串接,提供都會區或是長距離、超高容量的傳輸需求,光纖是5G通信建設的基礎,5G基地台之間的連接需要以大規模光纖來佈署,尤其在新市鎮人口密集區、科學園區內大量傳輸數據的企業網路以及機房整併等大量光纖需求之基礎建設地區,能夠實現高密度的佈建提供便利性,而這些光纜大多佈放於管道中,高心數高密度光纜在相同的光纜內可容納更多的光纖心數,減少需要鋪設的光纜數量,避免重複建設耗費時間,更可以降低施工成本,另一方面提升了管道利用率,針對土地資源有限的數據中心或機房等能夠節省所需空間。

參  結論

國際上各光纜大廠已朝向高密度光纜發展,3456心以上高密度光纜已是未來趨勢,最高心數光纜甚至已達6912心,這些高心數光纜使用的光纖單元大多為十二心網狀光纖帶,由此可知網狀光纖帶因本身的可卷束型態,使得光纖帶在光纜中排列可以最為緊密且重量最輕,為高心數高密度光纜發展的主流。而國內目前使用的光纜心數僅到達300心,考量5G建設需大量光纜傳送需求,本公司已朝向300心以上高心數光纜發展,以達到節省管道資源、避免管道不足開挖增設、節省材料及施工建設成本之效益。在三種高心數光纜中,卷束式光纜完成外徑最小,未來擬將卷束式光纜擴增至2000心,並採用被覆200µm之耐彎曲光纖,預估光纜完成外徑僅21mm,卷束式光纜是目前本公司最具潛力往更高心數發展的光纜。

肆  參考文獻

[1] https://www.thefoa.org/tech/ref/cable/HighFiberCountCables.html
[2] ETSI - ETSI Fifth Generation Fixed Network White Paper paves the way for Fibre to Everywhere and Everything
[3] https://www.fujikura.co.jp/eng/rd/gihou/backnumber/pages/__icsFiles/afieldfile/2021/05/12/50e_01.pdf
[4] https://sumitomoelectric.com/sites/default/files/2022-04/download_documents/E94-15.pdf
[5] https://www.furukawa.co.jp/en/rd/review/fr051/fr51_10.pdf
[6] https://www.fujikura.co.jp/newsrelease/products/2057997_11541.html
[7] https://ecatalog.corning.com/optical-communications/US/en/Fiber-Optic-Cables/Indoor-Outdoor/Indoor-Outdoor-Riser-Cables/RocketRibbon%C2%AE-Indoor-Outdoor%2C-Riser-LSZH/p/rocketribbon-indoor-outdoor-riser-lszh
[8] https://na.prysmiangroup.com/576-6912f-masslink-flexribbon-multi-tube-na-200um
[9] https://fiber-optic-catalog.ofsoptics.com/documents/pdf/AccuTube-200-Micron-Rollable-Ribbon-Building-Cable-prem-248-web.pdf
[10] https://zh.commscope.com/product-type/cables/fiber-cables/indoor-outdoor-cables/item760250982/