CN101957483B - 光传输元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光传输元件，包括：具有多根光纤(12)的核心部分(10)，其中每一光纤与至少两根其它光纤接触；具有包皮层(21)的包皮部分(20)，包皮层包围核心部分(10)使得包皮层(21)与光纤(12)接触。本发明使能在经光传输元件的光纤进行并行数据传输的同时经光传输元件的不同光纤传送的信号的时延低。

Description

光传输元件

技术领域

本发明涉及可提供在光缆内以传输光信号的光传输元件。此外，本发明还涉及制造光传输元件的方法。

背景技术

光缆包括可分组为光传输元件子单元的大量光纤。每一光传输元件包含由聚合管包围的一束光纤。前述管可通过挤压成形工艺形成在光纤周围。作为例子，光缆的每一管可被填充高达36的光纤数。为识别管内的各根光纤，光纤被着色并另外用标记编码。由于管材料的刚性，这些管的弯曲性能有限。此外，管材料的强度阻止容易地接近包围在管内的各根光纤。因此，为接近管内的各根光纤，必须使用工具如小刀或剃刀片以切开管从而使能从光缆取出单一光纤。

在近些年，高速数据传输已变得越来越重要。尤其在数据中心，巨量的数据以高达几十Gb的比特率在服务器之间交换。传输速度的增加可通过以并行方式经光纤传输比特而实现。假定光传输元件包含十二根光纤，该技术使数据能在十二根光纤上并行传输。在高速数据网络中，当数据经具有300m长度的光缆近些传输时，经光缆的光传输元件的光纤传送的不同比特之间的时延(时滞)通常不允许大于0.75ns。这是使用标准光传输元件如常规缓冲管不能实现的、非常严厉的要求。

关于必须经不同光纤并行传送的信号之间的低时延的要求目前仅可使用光纤带实现。光纤带包括高达36根光纤，这些光纤安排在水平面中并嵌入在丙烯酸酯基体材料中。然而，光纤带具有有限的弯曲性能，因此，如果光缆必须用于室内应用，其中光缆通常必须安装在建筑拐角附近，通常避免使用光纤带。

需要提供一种高度柔软的光传输元件，其使能经光传输元件的光纤并行进行数据传输同时经光传输元件的不同光纤传送的信号的时延低。此外，希望提供制造高度柔软且使能以光传输元件的不同光纤之间的低时延经光纤并行数据传输的光传输元件的方法。

发明内容

根据光传输元件的实施方式，光传输元件包括具有多根光纤的核心部分，其中每一光纤与至少两根其它光纤接触。此外，光传输元件包括具有包皮层的包皮部分，包皮层包围核心部分使得包皮层与光纤接触。

根据光传输元件的实施方式，光纤以高密度包装在光传输元件的核心部分内。为获得高包装密度，包皮层挤压成形成与安排在光传输元件的核心部分中的、与包皮层内表面邻近的光纤接触。每一光纤与每一相邻光纤接触。此外，布置在光传输元件的核心部分的外区域中的每一光纤由于高包装密度也与包皮层材料接触。因此，光纤彼此连结且还与包皮层连结。

相比于其中光纤布置成使得不是所有外光纤均与包皮层接触的松散光纤结构，本发明光传输元件在外光纤和包皮层之间没有任何空的空间。因此，光纤以笔直的方式排列在光传输元件的核心部分中，这使核心部分内的微弯曲效应最小化。各根光纤具有小于0.05％的光长度偏差。这意味着光信号可以在经光传输元件的不同光纤传送的光信号或比特之间小于2.5ps/m的低时延(时滞)经光传输元件的光纤并行传输。

光传输元件可包括第一组和第二组光纤。第一组光纤由第二组光纤包围。包皮层与第二组光纤接触。

根据另一实施方式，包皮层通过挤出机执行的挤压成形过程布置在核心部分周围，挤出机包括具有内管和包围内管的外管的喷嘴。内管具有第一直径的开口，及外管具有第二直径的开口。第一直径和第二直径之间的关系在1.5∶2.1和1.5∶2.5之间。根据光缆的另一实施方式，包皮层通过挤出机执行的挤压成形过程布置在核心部分周围，挤出机包括具有内管和包围内管的外管的喷嘴。内管具有第一直径的开口，及外管具有第二直径的开口。挤出机构造成使得在第二直径和第一直径之间形成的第一商及在包皮层的外径和核心部分的直径之间形成的第二商的关系大于1.0，优选在1.1到1.3之间的范围中。

由于关注包皮层的尺寸，包皮层可具有1.25mm和1.35mm之间的外径及1.0mm和1.10mm之间的内径。

核心部分可包括凝胶或白垩材料或遇水膨胀材料。光纤可嵌入在凝胶中或白垩材料中或遇水膨胀材料中。

包皮层可包含具有甲基乙酸乙酯、线性低密度聚乙烯、无机填料和稳定剂的材料组成。

根据光传输元件的另一实施方式，包皮层形成在第二组光纤周围使得光纤具有小于0.05％/m的光长度偏差。光纤安排在核心部分中使得经不同组的光纤传送的光信号之间的时延低于2.5ps/m。

将光纤从一段1m的光传输元件的核心部分拉出所需要的力在4N和10N之间。如果考虑核心部分包括十二根光纤的光传输元件实施例，包皮层包围光纤使得核心部分由光纤占用的区域为包皮层包围的核心部分区域的68％。

在下面说明制造光传输元件的方法。根据该制造光传输元件的方法，提供多根光纤。光纤布置成使得每一光纤与至少两个其它光纤接触。将包皮层挤压成形在多根光纤周围使得包皮层与光纤接触。

根据本发明方法的另一实施方式，多根光纤布置成使得第一组光纤由第二组光纤包围。包皮层挤压成形在多根光纤周围使得包皮层与第二组光纤接触。

提供挤出机以将材料挤压成形在光纤周围从而形成包皮层。挤出机可包括具有内管和外管的喷嘴，外管包围内管。内管具有第一直径的开口，及外管具有第二直径的开口。挤出机构造成使得第一直径和第二直径之间的关系在1.5∶2.1和1.5∶2.5之间。材料从形成在内管和外管之间的挤出机狭缝挤出以将包皮层布置在光纤周围。

根据另一实施方式，提供包括具有内管和外管的喷嘴的挤出机，外管包围内管。内管具有第一直径的开口，及外管具有第二直径的开口。挤出机构造成使得在第二直径和第一直径之间形成的第一商及在包皮层的外径和核心部分的直径之间形成的第二商的关系大于1.0，优选在1.1到1.3之间的范围中。材料从形成在内管和外管之间的挤出机狭缝挤出以将包皮层布置在光纤周围。

应当理解，前面的概括描述和下面的详细描述均呈现目前光传输元件及制造光传输元件的方法的实施方式，且意于提供用于理解本发明光传输元件及其制造方法的实质和特征的概览或框架。包括附图以提供对光传输元件及其制造方法的进一步理解，且其构成本说明书的一部分。附图示出了光传输元件、光缆及制造光传输元件的方法的多个实施例，连同在此进行的描述一起用于阐释光传输元件及其制造方法的原理和运行。

附图说明

光传输元件、光缆及制造光传输元件的方法的实施方式在下述图中图示，其中：

图1示出了光缆的光传输元件的实施例，包括由包皮层包围的光纤。

图2示出了光传输元件的实施例，包括光纤与包围光纤的包皮层接触。

图3示出了光传输元件的实施例，包括光纤嵌入在包围光纤的包皮层材料中。

图4示出了光纤的实施例。

图5A示出了从光传输元件的核心部分拉出单一光纤的实施例的路线。

图5B示出了光传输元件实施例的路线。

图6A示出了光缆的一实施例。

图6B示出了包括光传输元件的光缆的实施例。

图7A示出了用于制造光传输元件的挤出机的实施例。

图7B示出了提供来制造光传输元件的挤出机的喷嘴的实施例。

具体实施方式

图1示出了光缆的光传输元件300的实施例，包括由包皮部分20包围的光纤11、12。包皮部分20的包皮层21可通过挤压成形工艺形成在光传输元件的核心部分10周围。包皮层21可挤压成形为管的形式使得在邻近包皮层21的内表面布置的外光纤12之间提供空的空间。

根据光传输元件300的实施例，光纤11、12松散布置在核心部分10内。光纤也可嵌入在凝胶中。凝胶可布置在光纤和包皮层21之间。包皮层21挤压成形为与布置在核心部分的外区域中的至少部分外光纤相距一定距离以避免横向影响光纤11、12的任何压力。由于松散结构，各根光纤在核心部分内可靠着彼此移动。在制造期间施加到光纤的不同拉力导致核心部分内各根光纤稍微不同的机械长度。光纤的长度偏差可在0.1％和0.2％每米之间，因而导致经光纤传输的信号的时滞高达10ps每米。

图2示出了光缆的光传输元件100的实施例，其中布置在光传输元件的核心部分10内的光纤11、12由光传输元件的包皮部分20的包皮层21包封。用附图标记11标记的第一内组光纤由用附图标记12标记的第二外组光纤包围。相较内光纤11，外光纤12位置上更靠近包皮层21即更靠近包皮层21的内表面。外光纤布置成使得没有另外的光纤布置在外光纤之一和包皮层之间。包皮层21包围核心部分10使得布置在核心部分的外区域中的所有外光纤12与包皮层21接触。

此外，包皮层21施加朝向光纤的力使得光纤也被保持彼此接触。包皮层21紧密挤压成形在光纤周围使得光纤以高密度包装在光传输元件的核心部分内，从而每一光纤与至少两根其它光纤接触。如图2中所示的光传输元件200的实施例使光纤11和12能彼此连结及使光纤12与包皮层21的内表面接触。

光纤11、12可嵌入在填料材料30如凝胶中。凝胶防止施加到包皮层21的力直接传递到光纤11、12。此外，凝胶阻止水进入及防止湿气沿光纤扩展。根据另一实施方式，光传输元件具有干式核心部分，从而光纤不嵌入在凝胶中。然而，核心部分可包含遇水膨胀材料。遇水膨胀材料确保在水进入的情况下阻止水沿光纤纵向扩展。光纤也可嵌入在白垩材料中。具体地，白垩可布置在光纤的外表面上。该结构使包皮层能挤压成形为与光纤接触，其中光纤不附着到包皮层的挤压成形材料。

作为例子，包皮层21可挤压成形为具有1.25mm和1.35mm之间的外径及1.0和1.05mm之间的内径。如果核心部分内布置十二根光纤，如图2的实施例所示，包皮层21挤压成形在光纤11、12周围使得核心部分的未由光纤占用的空的空间截面区域在包皮层包围的核心部分10的总截面区域的30％到40％之间。在如图2中所示的结构中，核心部分内的空的空间例如减少到32％。这意味着核心部分10由光纤11和12占用的截面区域为包皮层21的内表面包围的核心部分10的总截面区域的68％。

光纤包装在核心部分中的密度也可通过所谓的拉出力表征，其指从光传输元件的核心部分拉出整个光纤束所需要的力。根据图1中所示的光缆的实施例，将整个光纤束从长度为1m的一段光传输元件拉出所需要的拉出力在0.4N到0.5N之间。这意味着图1中所示的十二根光纤可通过施加在0.4N和0.5N之间的光纤拉力而从光缆的光传输元件的核心部分拉出。

相比于将光纤从图1的核心部分拉出所需要的低拉出力，将按高包装密度布置的光纤拉出所需要的拉出力在3N到10N之间。根据如图2中所示的包括十二根光纤的光传输元件的实施例，将光纤拉出核心部分的拉出力为5N。包括彼此连结且还连结到周围的包皮层21的光纤的光传输元件实施例使能以小于2.5ps/m的时滞经光纤并行传输数据信号如光信号。这意味着，如果考虑经1m长的光传输元件的光纤进行数据传输，经光传输元件的不同光纤传送的数据信号之间的时延小于2.5ps。

图3示出了光缆的光传输元件200的实施例，其中光纤以高密度包装在光传输元件的核心部分10中。核心部分包括十二根光纤。光纤布置成使得三根光纤11由九根光纤12包围，这与图2中所示的光纤结构类似。由包皮层21形成的包皮部分20包围核心部分10使得光纤彼此直接接触且还与包皮层21的材料连结。

包皮层21可通过挤压成形工艺形成在核心部分10周围。如图3中所示，包皮层挤压成形在光纤11、12周围使得外光纤12布置成相较嵌入在包皮层21的材料中的内光纤11更靠近包皮部分20。包皮层21可挤压成形在光纤11、12周围使得包皮层的外径为1.30mm及包皮层的内径小于1.05mm。

核心部分可形成为干式结构使得光纤彼此接触但不嵌入在填料材料中。根据另一实施例，光纤11、12可嵌入在填料材料如凝胶中。凝胶防止施加在包皮部分20上的力传递到光纤。此外，凝胶具有阻水能力使得在水进入的情况下防止水沿核心部分内的光纤扩展。

根据光缆的光传输元件的实施例100和200，包皮层21可包括包含甲基乙酸乙酯、线性低密度聚乙烯、无机填料和稳定剂的混合物的材料组成。根据光缆的实施例，材料组成的各成分的质量比为50％的甲基乙酸乙酯、8％的线性低密度聚乙烯、40％的无机填料如氢氧化镁或白垩及约2％的稳定剂。该材料组成具有在80℃和90℃之间的低熔化温度。由于光纤材料的熔化温度高于包皮层材料的熔化温度，从而防止了挤压成形过程期间光纤和包皮层之间的粘附。此外，包皮层材料具有6MPa的低断裂伸长率，使得包皮层可容易地剥裂例如通过裸手指剥裂，从而不使用特殊工具即可使光纤暴露。

即使影响对包皮层21的横向压力，光纤11、12的衰减并没有明显增长。

根据光纤的第一实施例，光纤可具有约250μm的直径及包含光导纤芯区1和包围纤芯区的覆层区2。纤芯区1和覆层区2可由硅石组成。纤芯区也可以是掺有一种或多种掺杂剂的硅石以相对于纯硅石提供正折射率。

图4示出了包括微结构光纤的光缆的另一实施例。根据微结构光纤实施例，纤芯区1无孔，而覆层区2包括具有多个孔5的内区3及无孔外区4。例如，内区3具有不小于0.5μm和不大于20μm的径向宽度。含孔区可由未掺杂(纯)的硅石组成以获得降低的折射率。内区3也可包括具有多个孔的掺杂的硅石，例如掺氟的硅石。例如，孔以平行于光纤纵轴的方向沿长度伸展但不延伸到整个光纤的长度。孔可包括空气或任何其它气体，例如惰性气体。纤芯区和覆层区提供改善的耐弯曲性，使得光传输元件的弯曲半径降到5mm。

图5A示出了包括光纤的传统光传输元件300，其中光纤松散地布置在光传输元件的核心部分内。图5B示出了根据实施例100、200的光传输元件，包括包围光纤的包皮层，其中光纤彼此连结及其中至少所有外光纤与包皮层直接接触。由于高包装密度，图5B的光传输元件的光纤以笔直的方式布置在光传输元件的核心部分内，使得各根光纤之间的微弯曲相比于松散布置的光纤明显降低。

相比于图5B的光传输元件的直线路线，图5A中所示的光传输元件的光纤由于松散布置而在核心部分内具有更多弯曲，使得图5A的光传输元件展现波形路线。相比于其中光纤为松散排列从而在光纤和周围的包皮层之间有距离的光传输元件，由于图5B的光传输元件的核心部分内光纤的微弯曲减少，光纤具有更小的光长度偏差及更小的几何长度偏差。

图6A示出了包括光传输元件100的光缆OC1的实施例。根据图6A中所示光缆的实施例，光缆包括十二个光传输元件。光传输元件由热塑性光缆护套400包围。一层加强件元件500如纱布置在光传输元件100和光缆护套之间。

图6B示出了光缆OC2的另一实施例。光传输元件100布置在中央加强件元件700周围。一薄层无纺材料600布置在光传输元件100周围。无纺材料层可包括遇水膨胀粉末。光缆护套400挤压成形在无纺材料周围。

图7A示出了用于制造光缆的光传输元件的生产线。光纤提供成卷绕在相应储存设备2000的卷轴上。例如，为简单起见，在图7A中只示出了四个卷轴。为制造包括如图2和3中所示的光传输元件的光缆，生产线包括其上储存其它光纤的另八个卷轴。光纤可经变向滚筒3000引导到挤出机1000。光纤可以非绞合的方式布置在光传输元件的核心部分中。根据光缆的另一实施例，光纤可在绞合装置4000中绞合及随后输送到挤出机1000。

挤出机1000包括槽1001以加热用于挤压成形在光传输元件的核心部分周围的材料。核心部分10由光纤形成。在槽1001中加热热塑性材料之后，熔化的材料经传送器1002输送到挤出机的锥形喷嘴1100。喷嘴包括开口1111，光纤11、12穿过该开口进行输送。喷嘴1100还包括开口1121以将加热后的热塑性材料挤压成形在光传输元件的核心部分10周围。

喷嘴构造成使得包皮层材料挤压成形为与光纤接触。图7B在扩大图1100中示出了挤出机1000的喷嘴1100以说明喷嘴的各个部件的组装和尺寸。

喷嘴包括具有直径DE1的内管1110和包围内管的外管1120。外管1120为锥形。内管1110具有直径为DE1的开口1111，当储存在槽1001中的热塑性材料挤压成形在光传输元件的核心部分周围时，光纤穿过该开口进行输送。外管1120的直径大于内管1110的直径DE1。外管1120具有直径为DE2的开口1121，使得在内管和外管之间形成狭缝。

光纤在内管1110内引导并在开口1111离开喷嘴。包皮层材料在内管和外管之间的区域1121中引导。为制造光传输元件使得光传输元件的包皮部分20的直径小进而使得光纤包装成在核心部分10内彼此接触及还与包皮层21的材料接触，直径DE1和直径DE2之间的关系在1.5∶2.1和1.5∶2.5之间。例如，可提供内管1110的直径DE1为1.5mm的喷嘴。外管1120可具有直径DE2在2.1mm和2.5mm之间的开口。

如果第一商在直径DE2和直径DE1之间形成及如果第二商在包皮层21的外径DT2和光传输元件的核心部分的直径DT1之间形成，如图2中所示，可获得挤出机的另一特征。根据喷嘴的实施例，确定内管1110的直径DE1和挤出机的外管1120的开口1121的直径DE2使得第一商和第二商的关系大于1.0，优选在1.1和1.3之间的范围中。第一和第二商的关系通常指示为所谓的取存。发明人已发现取存关系在1.1和1.3之间的范围中确保每一光纤与至少两根其它光纤连结，及确保在包皮层挤压成形在光纤周围时光纤还与包皮层连结。

由构造成具有如上所述的喷嘴1100的内管1110尺寸和外管1120的开口尺寸的挤出机制造的光缆使能制造包括光传输元件的光缆，光传输元件包括光纤如十二根光纤，光纤以高包装密度包括在光缆的每一光传输元件的核心部分中。每一光纤与至少两根其它光纤接触，及外光纤与周围的包皮层接触使得避免核心部分内的光纤微弯曲。光传输元件的光纤具有小于0.05％每米的光长度偏差，这导致经包装在核心部分内的各根光纤传输的信号的时延小于2.5ps每米。包括根据图2和3的实施例的光传输元件的光缆使能进行高速数据传输，其中比特经各根光纤并行传输。因此，该光缆特别适合用于在数据中心中连接服务器。

尽管本发明光传输元件及制造光传输元件的方法已结合优选实施方式及其具体例子进行了图示和描述，但对本领域一般技术人员显而易见的是，其它实施方式和例子也可执行类似的功能和/或获得类似的结果。所有这样的等效实施方式和例子均在本发明光传输元件和制造光传输元件的方法的精神和范围内并由所附权利要求覆盖。对本领域技术人员还显而易见的是，在不背离光传输元件及其制造方法的情况下，可对本发明光传输元件及其制造方法进行各种修改和变化。因此，如果光传输元件及其制造方法的修改和变化落在所附权利要求及其等效方案的范围之内，则本发明光传输元件及制造光传输元件的方法覆盖这些修改和变化。

Claims (11)

1.一种光传输元件(200，300)，包括：

具有多根光纤(11，12)的核心部分(10)，其中所述多根光纤(11，12)中的每一光纤与所述多根光纤(11，12)中的至少两根其它光纤接触，所述多根光纤(11，12)包括第一组光纤(11)和第二组光纤(12)；

其中第一组光纤(11)由第二组光纤(12)包围；

具有包皮层(21)的包皮部分(20)，包皮层包围核心部分(10)使得包皮层(21)与所述第二组光纤(12)接触，

及

其中包皮层(21)被紧密挤压成形在所述多根光纤(11，12)周围使得所述多根光纤(11，12)以高密度包装在所述光传输元件(200，300)的核心部分(10)内，并且与第二组光纤(12)接触，

其中包皮层(21)形成在第二组光纤(12)周围使得光纤具有小于0.05％/m的光长度偏差，并且其中光纤(11，12)安排在核心部分(10)中使得经不同组的光纤传送的光信号之间的时延低于2.5ps/m。

2.根据权利要求1的光传输元件，

其中包皮层(21)通过挤出机(1000)执行的挤压成形过程布置在核心部分(10)周围，挤出机包括具有内管(1110)和包围内管(1110)的外管(1120)的喷嘴(1100)；

其中内管(1110)具有第一直径(DE1)的开口(1111)，及外管(1120)具有第二直径(DE2)的开口；

其中第一直径(DE1)和第二直径(DE2)之间的关系在1.5∶2.1和1.5∶2.5之间。

3.根据权利要求2所述的光传输元件，

其中包皮层(21)具有在1.25mm和1.35mm之间的外径(DT2)及在1.00mm和1.10mm之间的内径(DT1)。

4.根据权利要求3所述的光传输元件，

其中核心部分(10)包括凝胶(13)或白垩材料。

5.根据权利要求3所述的光传输元件，

其中核心部分(10)包括遇水膨胀材料。

6.根据权利要求4或5所述的光传输元件，

其中包皮层(21)包含具有甲基乙酸乙酯、线性低密度聚乙烯、无机填料和稳定剂的材料。

7.根据权利要求1所述的光传输元件，

其中将光纤(11，12)从一段1m的光传输元件的核心部分(10)拉出所需要的力在3N和10N之间。

8.根据权利要求7所述的光传输元件，

其中核心部分(10)包括十二根光纤(11，12)；及

其中包皮层(21)包围光纤(11，12)使得光纤(11，12)占用的区域为包皮层(21)包围的直径(DT1)区域的68％。

9.制造光传输元件的方法，包括：

提供多根光纤(11，12)及布置光纤(11，12)使得每一光纤(12)与所述多根光纤(11，12)中的至少两个其它光纤(12)接触，所述多根光纤(11，12)包括第一组光纤(11)和第二组光纤(12)；

将包皮层(21)挤压成形在多根光纤(11，12)周围使得包皮层(21)与第二组光纤(12)接触，

其中第一组光纤(11)由第二组光纤(12)包围；及

其中包皮层(21)被紧密挤压成形在所述多根光纤(11，12)周围使得所述多根光纤(11，12)以高密度包装在所述光传输元件(200，300)的核心部分(10)内，并且与第二组光纤(12)接触，

其中包皮层(21)形成在第二组光纤(12)周围使得光纤具有小于0.05％/m的光长度偏差，并且其中光纤(11，12)安排在核心部分(10)中使得经不同组的光纤传送的光信号之间的时延低于2.5ps/m。

10.根据权利要求9的方法，包括：

提供包括具有内管(1110)和外管(1120)的喷嘴(1100)的挤出机(1000)，外管(1120)包围内管(1110)；

内管(1110)具有第一直径(DE1)的开口(1111)，及外管(1120)具有第二直径(DE2)的开口(1121)；

挤出机(1000)构造成使得第一直径(DE1)和第二直径(DE2)之间的关系在1.5∶2.1和1.5∶2.5之间；

将材料从形成在内管(1110)和外管(1120)之间的挤出机狭缝(1121)挤出以将包皮层(21)布置在光纤(11)周围。

11.根据权利要求9所述的方法，包括：

提供包括具有内管(1110)和外管(1120)的喷嘴(1100)的挤出机(1000)，外管(1120)包围内管(1110)；

内管(1110)具有第一直径(DE1)的开口(1111)，及外管(1120)具有第二直径(DE2)的开口(1121)；

将材料从形成在内管(1110)和外管(1120)之间的挤出机狭缝(1121)挤出以将包皮层(21)布置在光纤(11)周围。