CN100462760C - 改良的光缆 - Google Patents

Abstract

说明书介绍了一种改良的光缆，其中光缆横截面是圆形，并装有多个成束的光纤。光纤束可以包括若干随机间隔开的光纤或在一种光纤带结构中对准的光纤。光纤束包装在一种聚合物壳层中，上述壳层机械式耦合到每根光纤上，优选的是，各光纤与最近的相邻光纤间隔开，以便改良耦合。在某些实施例中，壳层比较硬，并且精密地制成粘合到光纤束上。因此壳层介质起一种有效的应力转移介质作用，上述应力转移介质精密地将光缆上的应力转移到各光纤上。本发明的光缆构造基本上是无空隙的，并提供一种具有防水能力的干燥光缆。

Description

改良的光缆

发明领域

本发明涉及各种具有改良的光传输特性的光缆。更具体地说，它涉及光波传输光缆结构，及用于它们的制造方法，其中各光纤独立悬挂，以便减少弯曲损耗。

发明背景

各种大容量光波传输光缆经常包括组织成一种光纤带的多个光纤或者成束的光纤结构。常规成束的光缆通常具有两根或多根在光缆芯处随机组织的光纤。在努力增加光纤密度和空间效率时，设计若干带状光缆。在本说明书中，把各种带状光缆看成是光纤束其中一种，其中各光纤更精密组织。各带状光缆通过将两根或多根光纤并排排列，和使各光纤熔融的涂装，以使它们在一个平面阵列中粘合在一起制成。然后可以将一个或多个带状光缆成缆固定在一个光缆中，用于大容量光传输系统。在使用一个以上光纤带的地方，有效的配置是将若干带状光缆叠加，并加一个光缆护套，以便包围和保护叠层。叠层通常具有一种矩形横截面。叠层式带状光缆的一个优点是，各单根光纤在成缆操作期间和在使用中，整个光缆长度始终都保持组织好。因此对光纤数比较少的光缆，一根规定光纤的输入端和输出端很容易匹配。(对光纤数量大的光缆，通常是用各光纤带或光纤上的彩色代码式涂层识别各光纤末端。)叠层式带状光缆的另一个重要优点是空间效率。在叠层式光纤带构造中每根光纤所需的光缆体积，通常比一个光纤束中一根规定的光纤所用的体积小。然而，其中若干光纤随机组织的一些光纤束仍然广泛使用，尤其是对于光纤数比较少的光纤束更是如此。

长期都认为，光纤的弯曲是一种主要的信号损耗机制。弯曲半径越小(微弯)则光从光纤的纤芯逸出得越多并损失。当多根光纤在一个光缆中形成阵列时，微弯问题受阵列的性质影响，因为各光纤的光纤束彼此机械地相互作用，及与光缆套管相互作用。使用在整体光纤带中形成阵列的若干光纤控制那种相互作用达到某种程度，但各带状光缆具有它们自已独特的微弯性能。(若干整体光纤带定义为其中若干光纤熔融在一起或者用一种光纤带涂层固定在一起的那些光纤带。在一种具有一矩形横截面的整体带状光缆中，平面外的弯曲刚度大大低于平面中的弯曲刚度，同时产生所谓优选的弯曲轴线。在另一些结果中，这种优先的弯曲特性在光缆装入期间可能引起光纤带中某些光纤上的非随机应力。这些应力可以使光缆中各光纤的信号传输特性退化。因此若干带状光缆在形成光缆时存在特殊的考虑。

在光缆设计中还普遍认为，控制微弯损耗的一种优选方法是使各光纤与周围光缆机械式分开。这样对光缆的机械冲击或应力就不转移或很少转移到各光纤上。已经采用各种技术来达到这个目的。早期的一些方法包括将光纤或光纤束松散地放置在一种比较坚硬的管中。目的是让各光纤“浮动”在管中。在一些可供选择的设计中，各光纤涂装一个主涂层，所述主涂层通常是一种聚合物涂层，并将一个光缆护层加在上述涂层上，上述光缆护层通常也是一种聚合物。主涂层在这种情况下制成软的，以便光缆所经受的应力不转移到光缆内的各光纤上。在还有另一种旨在同样目标的设计中，各光纤都涂装一种胶，以便减少各光纤与周围光缆护层之间的机械耦合。见2000年3月7日发布的美国专利NO，6,035,087。

如本文所用的术语“壳层”定义为包围各光纤的主要介质。

具有使各光纤分开的设计目标的一些光纤成缆技术只获得了适度的成功。这部分是由于当光缆适度弯曲时，光缆内成束的光纤可能翘曲或皱折。皱折通常是在弯曲半径内部形成。因而弯曲本身可能具有比较大的半径，这是一种超过产生严重微弯损耗范围的半径，各种皱折的弯曲小得多，并很容易转移到各光纤上，同时造成微弯损耗。因此用于消除或减小成束的光缆中这些皱折代表该技术中的重要进步。

用于带状光缆涂层或壳层的详尽讨论在2001.11.13所发布的美国专利No.6,317,542中出现。这个专利描述了各种实施例，其中将一些相似的壳层用于各种带状光缆叠层，并且这个专利包括在本文中作为参考文献。

发明内容

我们发现，与常规实际做法相反，增加各光纤束和周围光缆之间的耦合，提供了一些料想不到的好处，并减少了各光缆翘曲和皱折的可能性。增加的耦合和减少的微弯损耗通过三个特点的一种组合达到。首先，采用一种较高弹性模量的壳层。其次，促进各光纤与壳层之间的粘合力。包围光纤束的一种比较坚硬的介质和光纤束与周围介质之间比较高粘合力的组合，能将光缆外部上的应力转移到各光纤上。将应力转移到各光纤上能用光纤束中的玻璃纤维作为压缩强度件。禁止各光纤上的压缩应力减少了光缆在弯曲半径内部形成皱折的可能性。

紧密耦合式光缆设计的另一个优点是固有地防水。当每根光纤都用壳层材料包围(在横截面中)亦即在各光纤间没有空隙存在时，这种性能最有效。这种结果可以通过当施加壳层时在各光纤之间具有一精密空间，并保持最终产品中各光纤之间分开得到。

各间隔开的光纤可以安排成一种随机构造，或者在一种规则四边形的拐角处组枳。在一种伪带状光缆中，在各光纤或“一直线”组织情况下，各光纤之间的分离能使各单个的光纤能独立地对应力起反应，因此减少了所涉及的弯曲轴线效应。

附图简介

图1是一种松散光纤带法的透视图，所述松散光纤带法将若干带状光缆成缆，以便使光纤带和整个光缆结构之间的耦合最小；

图2是一种松散光纤法的透视图，所述松散光纤法将若干光纤以随机阵列式光纤束成缆；

图3是类似于图1的透视图，示出一第二种方法，所述第二种方法将若干带状光缆成缆，以便使光纤带和整个光缆之间耦合减至最小；

图4是类似于图2的透视图，示出一第二种方法，所述第二种方法将若干光纤束成缆，以便使各光纤和整个光缆结构之间的耦合减至最小；

图5是利用一个方形上各拐角的4根光纤的一种间隔开的光缆设计的透视图；

图6是利用一种伪光纤带构造中4根光纤的一种间隔开的光缆设计的透视图；

图7是示出一种椭圆形横截面作为图6中圆形横截面替代物的一种间隔开的光缆其中一部分的剖视图；

图8是示出用来确定按照本发明的原理所述最近的相邻涂装的光纤之间间距的各尺寸的一种图；

图9是利用一个方形上各拐角的4根光纤的一种间隔开的光缆设计，但间隔开太接近以致不能合适的应用壳层的示意图；

图10是类似于图9中所示的一种间隔开的光缆设计但各光纤适当间隔开的示意图；

图11是各光纤安排在一个伪光纤带构造中的一种间隔的光缆设计的示意图；及

图12是示出用于在一种伪光纤带间隔开的光缆中将各光纤间隔开一种可供选择的实施例图。

详细说明

参见图1，图1示出一种带状光缆11包装在一个光缆护层中。光缆护层包括管12和管涂层13。在这个示图中，带状光缆具有6根光纤，具有4根或8根光纤和更多光纤的带状光缆是常见的，并且在市场上可买到。应该理解，这些数字是任意的，用于举例说明的目的。对于有关带状光缆结构的更详细情况见美国专利No.4,900,126，该专利包括在本文中作为参照文献。在图1的实施例中，光纤叠层11基本上完全与护层管12分开。这是所谓的“松散管”组件，所述“松散管”组件设计成使光纤叠层能“浮动”在管内部。当在管中出现一些小的弯曲或凹痕时，它们极少地转移到光纤上。

一种可供选择的束状光缆设计在图2中示出。光纤束用标号21示出，管用标号22示出，和管涂层用标号23示出，若干光纤可以用一种纱线24缠绕。光缆外表面上的应力由于松散管安排而与光纤束分开。

图3和4示出一种带状光纤来实施例和一种随机光纤束实施例二者，它们之中利用可供选择的装置束将光纤束与光缆的外表面分开。在图3中，带状光纤束31示出包装在一个壳层32和一个外面保护层33中。图4示出一种具有壳层42和保护层43的随机组织式光纤束。在一些典型的先有技术安排中，分开是通过两种机构的其中之一或二者实现。一个内壳层用一种比较软的材料制成。在直觉上，可以理解，如果包围光纤的材料是软的，则它是一种无效的转移力的介质。这可以看成是图1设计理论的一种延伸，图1中内部壳层材料是不存在的。用于减少光纤束和包装之间力转移的第二种机构是使光纤束中各光纤与内部壳层之间的粘合力减至最小。如果光纤束中各光纤在壳层内自由滑动；则拉伸力和压缩力较少有效地在它们之间成对出现。

在本发明的束状光缆中，若干光纤精密地耦合到光缆的外表面上。这种结构的优点在2003年4月22日发布的美国专利申请序号NO.420,309中详细作了介绍。本发明当应用到随机光纤束上时在图5中示出，图5示出4根光纤，所述4根光纤以一种间隔开的阵列安装在一个方形的4个拐角处。若干光纤52包装在壳层51中。应该注意，在图5的实施例中，只有一个涂装层用来形成光缆。

各光纤52包括一个玻璃纤芯，一个玻璃包层，和一个聚合物涂层。这是光纤的常规形式。聚合物涂层在拉制光纤期间涂布，并且由于至少两个原因是很重要的。首先，普遍认为，涂装新拉制的玻璃纤维表面对于玻璃纤维的强度和整体性来说很重要。其次，和尤其是与本发明有关，当拉制光纤时涂布到光纤上的涂层固有地完全粘合到玻璃纤维上。正如将变得显而易见的，光缆的外表面和各光纤之间的有效应力转移要求每个界面都牢固粘合，其中包括玻璃光纤和光纤涂层之间的界面。如本文所用的术语光纤涂层意思是指当拉制光纤时普遍涂布到光纤上的主要光纤涂层。这种涂层可以具有多于一层并包括一种以上材料。

一种伪光纤带实施例在图6中示出，此处光纤63包装在壳层61中。在这个实施例中，示出一种外壳层64。这一层是任选的。光纤包括2—8根光纤，它们的中心安装在一个公用轴线上。所示的实施例称之为一种伪光纤带，因为它省去了常规的光纤带涂层，涂布涂层以便形成典型的带状光缆。这是本发明一种增加的经济特征。在图6所示的实施例中，光缆的横截面是圆形。这种横截面的一种直接修改在图7中示出，此处各光纤73包装在一种具有椭圆形横截面的壳层中。作为定义，术语基本上是圆形当在本文中使用时预定包括这种修改。

各光纤精密地与最近的相邻光纤间隔开，以便使壳层能完全包围光纤的表面。这是在随机光纤束和伪光纤带束二者中的情况。在每种情况下，壳层都具有与先有技术中趋势相反的重要特点。首先，壳层材料比较坚硬，这使壳层外部的应力能精密地转移到光纤束中的光纤上。由于这种功能，推荐壳层材料具有一弹性模量为大于170MPa，和优选的是大于210MPa。优选的壳层用特殊材料是聚稀烃类和酯基聚合物，如聚乙稀，聚丙烯，聚氯乙烯，乙烯乙酸乙烯酯聚合物类，乙烯丙烯酸聚合物类，酯基聚合物类，及上述材料的共聚物。这些材料当作例子给出，同时不限制可能合适的材料。在每种情况下，各聚合物的密度和其它性能可以通过该技术中众所周知的方法特制，以便提供本发明的机械特性，以及其它所希望的性能。例如，在建筑物内部使用的束状光缆可能要求各种阻燃聚合物。一个例子是DGDA-1638-NT，这是一种可从道氏(DOW)化学公司购买的阻燃低烟零卤素树脂。在23℃下，这种材料具有一弹性模量为大约213MPa。一种非阻燃的优选材料是DFDA-6115，这是一种可以从道氏化学公司购买的低密度聚乙烯。这种材料在23℃下具有一弹性模量为大约213MPa。

壳层的第二个特点是它制成粘合到光纤束中的每个光纤上。结果是从每个光纤都与它最近的相邻光纤间隔开的特性得出的。各光纤与壳层之间的适度粘合，和一种比较硬的壳层介质的结合，有效地把应力转移到光纤束中各光纤上。众所周知，玻璃纤维在拉伸和压缩两方面都具有高刚度。在图5和6的间隔开光纤束中，各玻璃纤维起压缩强度件的作用，同时有效地防止光缆翘曲或别的畸变。长的，细长的结构如各种光纤或光纤带由于翘曲而在它们起一和压缩刚度件作用的能力上受到限制。一旦翘曲，结构的有效压缩刚度就显著降低，并且在某些情况下，实际上消失。当与图1—4的先有技术实施例比较时，壳层介质的存在往往会通过增加为触发弹性不稳定性所要求的压缩应变能阈值来延缓翘曲的开始。因此按照本发明所述形成的壳层使光纤带能在翘曲之前承载更大的压缩载荷或应变。另外，壳层可以在翘曲状态下起一种切向刚度基体的作用；同时限制带状光缆侧向偏转的幅度和使翘曲降低有效压缩刚度的程度减至最小。这些特点的更具体讨论在涉及上述情况的应用中给出。

耦合式壳层的一个附加特点是，它形成一种自然防水.这省去了充胶或吸附剂带。

用于生产本发明间隔开的束状光缆的优选方法是挤出。另一些技术如涂布预聚物和UV(紫外线)或热固化法使各光纤在相当大面接触的情况下成束在一起。这导致在壳层中产生空隙。可以作出努力来通过这些技术形成间隔开的束状光缆，但当光纤束通过一种常规预聚物涂布机中单一模具时，没有足够的装置来保持各光纤之间的可靠间隙。在一种挤出设备中，模具可以采用已知的设计方法设计成将壳层材料加到光纤束的内槽中。这是当涂布粘性壳层材料时挤出设备施加到粘性壳层材料上的压力作用的结果。聚合物材料可靠的高粘度使流体静压力能跨过整个光缆横截面施加，同时迫使聚合物材料进入光缆的中心。相反，即使将一种模具设计成用于这个目的，预聚物涂层材料的低粘度特性也不能施展足够的流体静压力。

对于图5所示的实施例，适当地安装4个光纤盘，用于将4根光纤送入挤出机中。间隙可以利用例如在挤出机入口处的一个开槽模具保持。

各光纤之间合适的间距对获得上述优点很重要。图8示出当在两中心之间测量时相关的最近相邻的间距C。如上所述，光纤包括一个纤芯81，一个包层82，和一个聚合物涂层83。这些元件在总直径方面的典型尺寸是；纤芯—5-15微米，包层(包括纤芯)125微米，和涂层(整个光纤直径D)250微米。间距C应当是足够大，以便在挤出壳层期间使壳层材料能进入光缆的内部区域。然而，如果间距很大，则光缆直径可能过大，并浪费壳层材料。推荐的最近的相邻光纤外表面之间的间距范围为20—250微米，优选的是20—150微米。

图9是一种近似按比例(相对尺寸)的示意图。4根光纤直径各为250微米，光缆的整个直径为0.8mm，和最近的相邻光纤之间的中心间的间距C为260微米。如示意图中所示，壳层不完全充填各光纤之间的间距，同时在光缆的中心处留下一个空隙。这从如上所述的耦合和也如上所述的防水两个观点来看，都是不可接受的。

图10示意示出一种类似于图9也是近似按相对比例的间隔开的光缆，但具有间距C为280微米。这种间距与最近的相邻光纤外表面之间30微米的间距等效，上述间距足以使壳层材料完全充填光缆中心处可能存在的空隙。

图11按相对比例示出一种伪光纤带实施例，所述伪光纤带具有4根如图所示成一行排列的光纤。光纤带构造横截面固有地大于一种方形或多角形定中心式排列(图5)。在这个视图中，各光纤直径为250微米，中心到中心的间距C为大约330微米(外表面之间为80微米)，和整个直径为大约1.6微米。尽管伪光纤带设计比随机光纤束在光缆直径方面特性上有效的空间要少，但伪光纤带具有另一些优点如可靠的光纤组织，和与现有的接头技术相容性。例如，用于光纤带接头所设计的某些多光纤接头具有V形槽配置，上述V形槽配置具有若干与对接光纤带中各光纤相对应的槽。在那种情况下接头中的各V形槽间隔开一个距离，所述距离对应于光纤带中各光纤的直径。同一设备可以很方便地用作带一个间隔开的光缆的多接头，所述间隔开的光缆具有如图11中所示的中心对中心的间距，亦即2X光纤直径。在这种情况下，每个另外的V形槽都被一根光纤占据。

如图6中所示，可以设置一个任选的外部聚合物涂层用于附加的保护。在这种情况下，主壳层(图6中的61)可以较薄，上述主壳层主要用来充填光纤束中可能存在的空隙。优选的是，如在最外面光纤的外表面和光缆外部表面之间所测量的聚合物材料总厚度足够大，以便防止光纤穿过壳层伸出。推荐的这个厚度范围为50—500微米。这个厚度可能取决于伪希望的整个光缆的直径，例如，如果目标光缆直径是1.0mm，则一个4根光纤伪光纤带设计将具有比例如一种2根光纤设计更薄的外涂层。

一个或多个外壳层(图6中64)通常是一种聚合物，所述聚合物具有为预定光纤应用而制造的性能。外层可以是阻燃的，作为用户进行各种应用的前提，它可以专门设计成用于各种气压运送设备。见09/03/2002发布的美国专利申请序号No.10/233，719，该专利包括在本文中作为参考文献。外层64优选的是具有一弹性模量为210—2000MPa。一些合适外层材料的其它详细情况可以在美国专利No.6,317,542中找到。

当希望增加光缆强度时，可以在壳层和一个外层之间设置一层玻璃纤维或聚芳基酰胺线。这对于拉动光缆的操作提供增加的拉伸强度。

本发明所有实施例中壳层的横截面都具体和精密地是圆形。这种构造由于制造方便、安装方便和由于其它重要原因而是优选的。

在光纤束中各光纤和周围壳层之间所希望的粘合量基本上可以根据系统设计改变。如果粘合力太低，则壳层上的应力不能有效地转移到带状光缆叠层上。通常在所希望范围内的粘合力将由于本征材料特性，亦即聚合物对聚合物本征粘合力的结果，和用于涂布壳层的方法产生。用已知的挤出制造法很容易得到所希望的粘合力。

本文利用术语“壳层”来说明包围每根光纤的主要介质。如上所述，在本发明的光缆制品中可以有或者可以没有一种附加的涂层或光缆护层。

然而，尽管各光纤通常是分开，但实际上在各光纤的一部分之间可能有某些不可避免的接触。因此尽管分离是设计目标，但也许可以经历各光纤之间的某种接触。目的是使光缆中沿着光缆长度在纵向上延伸的空隙减至最小。即使各光纤偶尔接触，这也可以有效地达到。因此即使一个具体的间距可以规定，但与那种间距的某种小的偏差也可能出现。正常的中心对中心的间距打算意思是指最近的相邻光纤沿着光缆长度可以偶尔触及，但在其中大部分长度，比如长度的90％以上，最近的相邻光纤不触及。

在本发明的某些实施例中，也许理想的情况是加一个气囊拉索，以便帮助剥离接头用的壳层。

正如该技术中众所周知的，每根光纤都具有一个光纤涂层。为了简单起见，光纤涂层在某些附图中未示出。应该理解，壳层接触光纤涂层。亦即其间没有另外的涂层。尤其是，这最具有本发明一些伪光纤带实施例的情况，并具有一个优于常规光纤带结构的优点，上述常规光纤带具有一个用来形成光纤带的附加涂层。

对该技术的技术人员来说，本发明各种额外的修改将会发生。所有与本说明书一些具体技术的不一致都合适地考虑是在如上所述和声称的本发明范围之内，上述一些具体技术基本上都根据原理和技术通过这些原理前进的它们的等效物。

Claims (12)

1.一种光缆，由以下部件构成：

(a)一个光纤束，所述光纤束包括多个纵向上延伸并相互间隔开的光纤，所述光纤包括纤芯、包层和聚合物涂层，

(b)一个聚合物壳层，所述壳层具有基本为圆形的横截面并包围所述多根光纤中每一根，所述聚合物壳层具有在23℃下大于210MPa的弹性模量，以便光缆上的应力转移到光纤束上。

2.如权利要求1所述的光缆，其特征在于，各光纤中每个都具有中心，并且最近的相邻光纤的中心对中心间距至少为D+20微米，此处D是各光纤的直径。

3.如权利要求1所述的光缆，其特征在于，各光纤中每个都具有中心，并且最近的相邻光纤的中心对中心间距是在D+20—D+150微米的范围内，此处D是各光纤的直径。

4.如权利要求1所述的光缆，其特征在于，光纤束包括若干随机间隔开的光纤。

5.如权利要求4所述的光缆，其特征在于，该光缆具有1—8根光纤。

6.如权利要求1所述的光缆，其特征在于，该光缆具有4根光纤，所述4根光纤在一个方形的4个拐角上具有中心。

7.如权利要求1所述的光缆，其特征在于，光纤束包括至少3根光纤，各光纤都具有中心，同时各中心位于一共同轴线上。

8.如权利要求1所述的光缆，其特征在于，在壳层上还包括一个附加的聚合物层，所述附加的聚合物层在23℃下具有一弹性模量为至少210MPa。

9.如权利要求1所述的光缆，其特征在于，从一光纤外部到壳层外部所测量的壳层最小厚度在50—500微米范围内。

10.如权利要求1所述的光缆，其特征在于，壳层是低密度聚乙烯。

11.如权利要求1所述的光缆，其特征在于，使光缆中沿着光缆长度延伸的空隙最少。

12.如权利要求1所述的光缆，其特征在于，壳层横截面是椭圆形。

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