CN1030941C - 轻质光纤缆 - Google Patents

Abstract

极适合架空配线的光纤缆20包括至少一束光纤。光纤配置在适用于较宽温度范围的塑料材料制成、并由护套系统所包绕的管状构件中。使各光纤能置于管状构件中的预定过量长度足以防止当光缆芯受到各项因素影响且在象安装之类的处理过程中受力时光纤产生的不适当应变。此过量长度又不大得使光纤不适当地弯曲或使光纤与管状构件内壁过度相互接合。因光纤的过量长度值适当，对护套的要求不象现有技术光缆那么严格，大大减小了光缆的直径和重量。

Description

轻质光纤缆

本发明涉及一种轻质光纤缆。

目前的光缆有两种主要结构：松管式结构和松纤束式结构。典型的松管式结构中以独立的缓冲管将尽量多的光纤包起来，而若干缓冲管螺旋形地绞合在一起绕着一个中心构件形成缆芯。在某些光纤缆中，加强构件都配置在光缆横截面中心，例如德国公开专利2551210中介绍的就是这种光缆。在这种结构中，典型的作法通常是令光纤的长度等于管子的长度，而在螺旋绞合的缓冲管中的光纤因径向延伸而需过量长度。这种结构的空间本来就是不足，因而形成的光缆较大较重。

另一方面，松纤束式结构中有很多不绞合的光纤束配置在单个芯管中，这个单芯管不绞合，沿光缆的中心线延伸。这种结构没有中心加强构件，加强构件配置在芯管外，但在护套系统内。比起松管式结构来，这种结构更适宜进行光纤数较少时的最优化。参看美国专利US4,826,278。具有金属铠装层的松纤束式结构光缆是公知技术，但这种光缆局限于一个光纤束仅有12根光纤的情况。

那种有着过量长度光纤的光缆(即每根光纤的长度超过光缆的长度)也是大家所常见的。这样做是为了在安装过程中在曲折的路径上搬运和敷设光缆时不致在光纤中引起过度的应变。

在现有技术中，历来都不愿意使用过长的光纤。之所以不愿意是担心光纤过长会使光纤产生不希望有的弯曲，从而使光纤的衰减增加。由于一般光纤的过长程度小，因而，可用金属铠装层补足的加强构件系统必须要足以限制光缆因在负荷作用下伸长所引起的应力，使其不致超过光纤的安全应变极限值。

从顾客投入的资金和要求可以看出，在目前流行的架空敷设的用途中需要一种经济、质轻、最好含多达24光纤的光缆。迄今，大多数工程技术都把注意力放在用于干线无线电通信电话的光纤数较多的光纤缆上。可是大部分出售的光纤缆历来都是光纤数较少的光纤缆，即不多于24根光纤。目前市场上供有许多光纤数少的光缆，但它们的结构布局和那些光纤数较多的光缆类似。因此，无论在电话或其它专业市场上都需要为实现小光纤数最优化而设计的经济上实惠的光缆。我们的目标是这样一种经济上实惠的光缆，即直径较小、重量较轻、但仍保留优异的光学性能、且拉力负载额定值达600磅的光缆。这些要求看来与为防止光纤损伤的强度要求不协调。

现有技术中目前需要而看来还没有的光缆是光纤数受一定限制、重量较轻的光缆。这种光缆最好是价钱较便宜，而且可以用现有的生产设备制造。

本发明的光纤缆即解决了现有技术的上述问题。按照本发明，提供了一种光纤缆(20)，它包括：一个缆芯(22)，该缆芯(22)又包括多根光纤(25、25)和一个单管状构件(30)。该管状构件(30)具有一定的长度和横切其纵向轴线的圆形截面。该管状构件(30)将所述光纤包起来，管状构件的长度明显小于各光纤的长度。光纤缆(20)还包括一个护套系统(32)，护套系统(32)包括两个纵向延伸的加强构件和一个外套。外套包括一种塑料材料，且围绕缆芯配置。所述光缆的特征在于，各光纤的过量长度、所述管状构件中各光纤的横截面积以及所述管状构件的内径足以防止因光纤过度弯曲和因光纤与所述管状构件内壁的过度相互接合而引起的弯曲所造成的损耗，各光纤的过量长度足以允许所述加强构件的强度性能为一个预定的较低值。

图1是本发明光纤缆的透视图。

图2是图1光纤缆的端视剖面图。

图3是包封着光纤纤芯的管状构件的内径相对于一组不同包封密度的光纤芯中的光纤数绘制的曲线。

图4和5是本发明光缆的光纤可能取的走线路径的示意图。

图6和7示出了本发明的光缆中螺线形和正弦形走线形式光纤的过量长度。

现在参看图1和2，图中示出了总体标号为20的光纤缆。光纤缆20有一个缆芯22，缆芯22中具有至少一根光纤25，最好是24根光纤25-25。各光纤最好分成4束23-23，每束6根光纤。在一个最佳实施例中，各光纤束配有一个包带27，呈螺旋形地把多个光纤包起来。

管状构件30套在光纤上。围绕管状构件30上配置有护套系统32。管状构件30通常由塑料制成，例如高密度聚乙烯(HDPE)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二烯酯(PBT)或尼龙等。

管状构件30的强度性能可以比现有技术管状构件高。制成这种管状构件的塑料材料的力一应变特性在到某一点为止一直呈线性，在该点之后呈非线性(即大幅度伸长而没有力的大幅度相应增加)。本发明的光缆中，管状构件包括塑料材料，此塑料材料的特征在于，加在光纤上的负载与应变之间的关系在相当大的范围内呈线性。直到与各光纤缆在某给定温度下所要求的过量长度相应的应变值为止，都可以呈现线性。对应于所要求的过量长度的应变等于对应于所加负载的应变加上补偿应变的和，补偿应变则包括几何应变和温度引起的应变。光缆向前卷绕在绞缆轮上而其护套系统伸长时，要将光纤配置得使其与管状构件30的内部接合就要考虑到几何应变，这样就可以允许过量长度的光纤配置在其中，如美国专利4,446,686中所示的那样。若不考虑补偿应变，则管状构件伸长之后的松弛可能会使过量长度比所要求的小。

本发明的光缆20还可以设防水措施，例如填料40(见图1)。从图1可以看出，填料40可以配置在管状构件30中和在光纤束23-23之间以及各光纤束内各光纤25-25之间的充填间隙中。本设计中所使用的填料防止水或其它液体沿缆芯流动。该填料在工作温度范围的流变学性能使光纤在产生变形时易于移动。这是通过考虑填料的临界剪应力特性实现的。这个性能在加工过程中控制光纤过量长度方面是个关键。此外在高温下填料应仍然保持在光缆中，而且在70℃下流动试验合格。填料应该不挥发、无毒，而且在化学性能上与光纤和其它光缆构件相适应。填料还应该在光缆的整个使用寿命中保持稳定。过去适用的填料40为胶体状凝胶，如美国专利4,701,016所公开的那一种。

上述Gartside等人的专利4,701,016公开了一种油脂混合物，包括油、胶体粒状填料，还可以加上防渗剂。这种油脂的临界屈服应力一般在20℃下小于140帕斯卡，最好低于70帕斯卡，在某些用途中小于35帕斯卡，剪切模量在20℃下小于大约13千帕斯卡。较理想的混合物包括77％至95％重量的ASTM103、104A或104B型石蜡油或环烷质残油或聚丁烯油、2％至15％重量的疏水性或亲水性发烟硅石，还可以加上多达15％重量的苯乙烯橡胶、或苯乙烯橡胶与苯乙烯的嵌段共聚物或半液体橡胶。

在一个最佳实施例中，防水措施可以包括具有搭接层44或纱线(图中未示出)的适当防水带42。美国专利4,909,592中即公开了这种设计。

本发明的缆芯的一个重要特点在于其包封密度。包封密度P_p的定义是：所有光纤和光纤上任何包覆层的横截面积(n)(af)(其中n为缆芯中的光纤数，a_f为各光纤的横截面积，它包括任何包覆或缓冲材料的横截面积)与管状构件30所包围的横截面总面积a_t之间的比值。用数学式表示，P_p＝na_f/a_t，还可用百分比表示。包封密度高的光缆既紧凑重量又轻。松纤束设计比独立的缓冲管设计可以提高包封密度，这是因为光纤束在单个而不是多个芯管中共用一个空间；但随着包封密度提高，由于各光纤受约束的程度更大而会有问题。若包封密度过高，缆芯中各光纤承受的应力较高，可能会在光缆处理过程中断裂。这发生在包封密度过高时，因为在使用填料防水且因此产生较大应力的情况下，光纤不能在管中充分活动以缓和可能在诸如弯曲时所产生的应力。在现有技术中，这个问题是通过把个个包覆着光纤或光纤束的独立缓冲管绞合起来解决的。但众所周知，绞合需要放慢加工速度，这使生产成本提高。此外这种光缆具有多个独立的缓冲管，这使光缆的直径和重量都增加。我们发现，本发明光纤缆芯包封密度的预定值以不超过大约0.5为宜。

包封密度给定时，已知数量光纤的缆芯管的尺寸可根据图3画出的曲线求出。光缆的包封密度较高时，结构紧凑、质轻。但上面已经说过，这里必须小心从事，因为随着包封密度的提高，光纤受约束的程度就更大。

此外我们还使光纤25-25具有过量长度∈。就是说，我们使各光纤的长度(L_f)超过光缆20的长度(L_c)。光纤的过量长度∈通常以过量长度百分比表示，

   ∈(％)＝100[(L_f-L_c)/L_c ]    (1)

因此，当光纤缆芯22受到张力负载时，管状构件30会在任何负载加到缆内的各光纤之前伸长。

传统上，松纤束光缆赋有大约0.1％数量级的少量光纤过量长度，以确保光纤不致超过安全设计短期应变极限值。经50千磅/平方英寸试验合格的光纤，其安全设计短期应变极限值约在0.33％的数量级。

赋予光纤过量的长度或有时所说的过度装填可能会导致微弯曲和/或宏弯曲，从而导致高得不能容许的传输损耗。微弯曲是指光纤轴线肉眼观察不到的小波动。这种弯曲的幅度只有几个毫微米，其周期仅为1毫米的几分之一。相反，宏弯曲是光纤轴线较大幅度的波动，即肉眼能看到的几个毫米级的波动。宏弯曲和微弯曲总的作用是引起光纤不希望有的传输损耗，特别是在诸如-40℃之类较低的温度下传输时。这些弯曲效应可以由包覆层、光缆敷设、安装和温度等引起。

赋予光纤过量长度时必须小心避免宏弯曲和微弯曲。过量填充的结果必然使光纤起伏。于是光纤受到拉伸力或压缩力时就会扩张或收缩。光纤呈起伏状时，必须注意避免其弯曲半径过小。若弯曲半径过小就会因宏弯曲而产生不希望有的传输损耗。随着过量填充的增加，起伏形成的波长减小。当内径固定的管状构件被相继地延长时，使用了更多的光纤，光纤所取的走线路径半径减小，这会产生宏弯曲，从而带来不必要的传输损耗。

另一个应考虑的问题是管状构件30的内径。这个内径当然确定了光缆中可提供给光纤的容量。另外，光纤过量长度相同时，管状构件30的内径减小时可能会使光纤的弯曲半径减小。芯管直径选得较小时会使起伏的长度较短，从而使传输损耗增加。

此外由于所赋予的过量长度增大，光纤被迫紧靠管状构件的内壁，于是包覆材料内的光纤可能会弯曲。这可能会使包覆层内的光纤轴线产生较小的变形，从而产生微弯曲进而产生传输损耗。

随着时间的推移，在应力和潮气的影响下，光纤的强度下降，缺陷的幅度增加。应力不变时，这种现象通常叫做静态疲劳。根据静态疲劳考虑，假设使用寿命是40年，则50千磅/平方英寸试验合格的光纤其最小容许弯曲半径约为45毫米。这里这个值还是保守的，因为弯曲时产生故障的可能性明显比张力均匀时小。这是对光纤最小弯曲半径的一个约束条件。另一个约束条件，是因弯曲而引起的衰减增加。

象图1所示的松纤束结构中的光纤所取的路径其适应过量长度的阻力最小。这个路径可以数学方法处理为具有螺旋形或正弦形的形状。

图4和5分别示出了螺旋和正弦模型连同其相应的几何参数的示意图。为推导出作为管状构件30的内径(D)、光纤束直径(d)、螺距(P)和光纤束曲率半径(R)等参数的函数的光纤过量长度，让我们先看看图4的螺旋(标以下标h)形模型。

光纤或光纤束在螺旋曲线一个周期中的长度(l_f)、光纤过量长度(∈_eh)和螺旋模型的曲率半径(R_h)可用下式求出：

l_f＝[P_h ²＋(πD_t)²]^；    (2) ${\∈}_{\mathrm{eh}}=100\[{(1+{\left\{\frac{\mathrm{\π}{D}_t}{P_h}\right\}}^2)}^{1/2}-1\]---\left(3\right);$ 和 $R_h=\frac{D_t}{2}\[{\left\{\frac{P_h}{\mathrm{\π}{D}_t}\right\}}^2+1\]----\left(4\right)$ 其中螺旋直径D_t与半径R_t之间的关系可用下式表示：

             D_t＝2R_t＝D-d                  (5)将(3)和(4)结合起来得出： $\frac{R_h}{R_t}=\frac{a}{a-1}----\left(6\right);$ 和 $\frac{R_h}{R_t}=2\mathrm{\π}{\[\frac{1}{a-i}\]}^{1/2}----\left(7\right)$ 其中 $a={\[1+\frac{{\∈}_{\mathrm{eh}}}{100}\]}^2----\left(8\right)$ 图6示出了∈_eh和P_h/R_t作为螺旋模型弯曲半径的函数的曲线。至于正弦(标以下标s)模型，光纤或光纤束沿图5的正弦曲线一个周期的长度l_f可用下式表示： $l_f=\frac{{2P}_s}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}{\[1+k^2{\cos }^2\mathrm{\φ}\]}^{1/2}\mathrm{\α\φ}----\left(9\right)$ 其中 $k=\frac{\mathrm{\π}{D}_t}{P_s}----\left(10\right)$ (9)式中的积分是可用无穷级数表示的第二类椭圆积分。正弦模型的光纤过量长度(∈_es)可用下式表示：

∈_es＝100[(1＋k²)^[1-p]-l]  (11)其中 $p=\frac{1}{4}{q}^2+\frac{3}{64}{q}^4+\frac{1}{256}{q}^6+\·\·\·;----\left(12\right)$ 且 $q=\frac{k}{{\[1+k^2\]}^{1/2}}----\left(13\right)$ 正弦模型的最小曲率半径可用下式表示： $R_s=\frac{D_t}{2}{\[\frac{P_s}{\mathrm{\π}{D}_t}\]}^2----\left(14\right)$ 从(11)式可以看到，该式的第一项与螺旋形模型的光纤过量长度相同，且正弦模型的过量长度较小。此外，螺旋形模型沿曲线的曲率半径保持不变，相比之下，正弦模型的曲率半径可变。在某给定的光纤过量长度的情况下，正弦模型是不变的，且所产生的最小半径比螺旋模型小。

将(11)和(14)式结合起来得出： $\frac{R_s}{R_t}=\frac{1-q^2}{q^2}----\left(15\right);$ 和 $\frac{P_s}{R_t}=2\mathrm{\π}{\[\frac{1-q^2}{q^2}\]}^{1/2}$ 图7示出了正弦模型中∈_es和P_s/R_t作为最小弯曲半径的函数的两条曲线。

各光纤的弯曲半径视乎光纤的过量长度值和管状构件30的直径而定。应用正弦模型可以求出给定数量的光纤的最小弯曲半径。环境的影响也必须加以考虑，因为在最低的工作温度下会出现最坏的情况。这个最小的弯曲半径可与光纤的各参数配用来估计衰减的增加。一般说来，在目前现有的单模光纤的情况下，在大于30毫微米的弯曲半径下，在1300毫微米和1550毫微米处的衰减增加是微不足道的。

我们在提出本发明光纤缆芯的设计时考虑了若干因素，已经解决现有技术的光缆中的问题。根据给定的资料，我们用一种模型来计算管状构件30的内径，以求出会使衰减减小到最小程度的预定最小弯曲半径。

通常，光纤数和光纤的过量长度等参数是给定的或已确定了的。一旦知道管状构件30的直径和光纤的过量长度，且将形状拟成一定模型之后，就可以求出光纤半径，再根据该光纤半径预计传输损耗。这个方法是基于这样的认识提出的，即过量长度和管状构件30的内径、螺距和各光纤的弯曲半径都是彼此相关的。可以进行各种调节以确保衰减基本上保持在最小值。经测定，本发明光纤缆各光纤的过量长度可以取大约1％而不致引起不能容许的传输损耗。

光纤数和光纤的过量长度给定时，缆芯尺寸的最佳值就是根据上述诸项考虑求出的。举例说，应用图3，假设给定光纤数下的包封密度在10％与20％之间的范围内，可以求出管状构件30的初步直径。然后从图6和7就给定的光纤过量长度求出最小弯曲半径。最后估计弯曲损耗，以确定衰减增加是否处于容许范围。可以重复这个过程直到获得满意的布局为上。

本发明的缆芯是就光纤的过量长度进行最优化的，这样的好处是，减少了缆芯受力时光纤上的应变。这是通过认识到一系列因素之间的相互关系达到的，即光纤的过量长度、光纤数和光纤的横截面积、管状构件30的内径、光纤敷设螺距和最小弯曲半径等因素之间的相互关系。这样就可以对光缆20的护套系统提出较低要求。护套系统应能保护光纤免受加工、安装和工作环境的恶劣影响。具体地说，必须保护光纤使其免受这些环境所造成的过量拉伸和压缩应变等。本发明的光缆有一个护套系统32，该系统包括配置在外套54中的两个线性加强构件52-52，形成了复合结构。虽然图1中示出了撕绳56-56，但这些是可任选的，可以在需要时加上。

光缆中使用的聚合物材料在加工过程中会因热收缩而收缩。这种收缩如果过度，则会在光纤上引起大的压缩应变，且光纤约束成小的弯曲半径时衰减增加。为解决这个问题，目前采用了各种材料和各项技术。例如，采用具拉伸劲度和压缩劲度的加强元件(例如，金属丝或玻璃棒)和具较小压缩劲度、经略为浸渍的纤维玻璃粗纱来限制过度的收缩，取得了不同程度的成就。

光缆20的负载/应变响应曲线最好呈线性，这样就可以采用可预计的光纤过量长度。设有线性钢构件的护套系统可使响应曲线达到所要求的线性度。然而光采用半刚硬或略加浸渍的加强构件并不能使光缆具有足够的抗压缩性能，且还因此使光缆呈非线性的特性，在响应曲线中有一个“弯曲”部分。应力/应变曲线中出现大的弯曲部分表明光缆在600磅的额定负载下应变较大。弯曲效应必须通过增加光纤的过量长度来加以补偿，由此限制光纤上的安装应变。重要的是，由于光纤具有过量的长度，因此本发明光缆的护套系统可以采用刚性较小因而价钱更便宜的非金属或金属的加强构件。此外在没有啮齿动物问题的许多地区就无需加铠装层或类似的保护。

所有光缆的组件，包括缆芯和护套系统在内，在光缆的使用寿命期间必须在-40℃至70℃的工作温度范围内保持稳定。为确保在使用现场中具有卓越的性能，本发明的轻质光缆20经过一系列的机械试验。试验是按照贝尔通信研究(Bellcore)和电子工业协会(EIA)的试验程序进行的。光缆20符合或超过所有有关要求。机械试验包括EIA455-37第5.1.1.节规定的低温和高温温度等级试验、EIA455-25A第5.1.2节规定的耐冲击试验、EIA-455-41第5.1.3节规定的压缩强度试验、EIA-455-33A第5.1.4节规定的拉伸强度试验、EIA-455-85第5.1.5节规定的光缆扭曲试验、EIA-455-104第5.1.6节规定的循环弯曲试验和EIA-455-98A第5.1.7节规定的外冷冻试验。光缆20的光学特性与装有金属铠装层的光缆一样。试验结果表明，在光缆敷设过程中附加的传输损耗基本上为零。

除经过机械试验之外，光缆20还经过标准Bellcore的环境试验。试验结果表明，在-40℃至85℃的整个温度和老化范围内，光缆20的热稳定性优异。

本发明的光缆具有许多优点。由于本发明的光缆其光纤的过量长度相当大，因而光缆的加强措施无需象一般过量长度明显较小的光缆一样严格。此外由于没有金属铠装层，因而光缆的体积和重量减小了，这在光缆的架空安装方面是非常重要的，而且降低了生产成本。

应该理解的是，上述设计仅仅是对本发明的举例说明而已，本领域的技术人士可以设计出实施了本发明的原理的其它布局方式而仍然属于本发明精神实质和范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤缆(20)，它包括：一个缆芯(22)，该缆芯(22)又包括多根光纤(25、25)和一个单管状构件(30)，该管状构件(30)具有一定的长度和横切其纵向轴线的圆形截面，该管状构件(30)将所述光纤包起来，管状构件的长度明显小于各光纤的长度，光纤缆(20)还包括一个护套系统(32)，护套系统(32)包括两个纵向延伸的加强构件和一个外套，外套包括一种塑料材料，且围绕缆芯配置，所述光缆的特征在于，各光纤的过量长度、所述管状构件中各光纤的横截面积以及所述管状构件的内径足以防止因光纤过度弯曲和因光纤与所述管状构件内壁的过度相互接合而引起的弯曲所造成的损耗，各光纤的过量长度足以允许所述加强构件的强度性能为一个预定的较低值。

2.如权利要求1所述的光纤缆，其特征在于，所述各光纤的长度超过所述管状构件的长度达1％。

3.如权利要求1所述的光纤缆，其特征在于，所述管状构件包括具有下列特点的塑料材料：在直到与某给定温度下各光纤的过量长度相应的应变值的范围内，所加负载与应变之间的关系基本上呈线性。

4.如权利要求1所述的光纤缆，其特征在于，它还包括配置在所述管状构件中的防水材料(40)。

5.如权利要求4所述的光纤缆，其特征在于，所述防水材料包括配置在所述管状构件中的填料。

6.如权利要求5所述的光纤缆，其特征在于，所述填料在20℃下的临界屈服应力不大于约70帕斯卡，在20℃下的剪切模量小于大约13千帕斯卡。

7.如权利要求1所述的光纤缆，其特征在于，所述缆芯包括至少一束光纤。

8.如权利要求7所述的光纤缆，其特征在于，所述光纤束由一个包层包起来，此包层呈螺旋形地包绕着各所述光纤束。

9.如权利要求1所述的光纤缆，其特征在于，所述光纤束具有多根光纤，各光纤包括至少一层包覆材料和覆在其上的缓冲层，且包绕着缆芯的单管状构件其横截面积为所述管状构件的内壁所限定，从而使多个有包覆的光纤的横截面积与所述管状构件内的横截面积的比值不超过预定值。

10.如权利要求9所述的光纤缆，其特征在于，所述预定值不超过大约0.5。

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