CN104272158A - 架空光纤电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了适于架空安装的电缆设计，其中电缆包括多光纤紧缓冲套单元的束，其具有围绕该束的共形的薄皮容纳层。该多光纤紧缓冲套单元具有丙烯酸酯柔性内层，其保护光纤并将传递到光纤的力最小化；和坚硬、牢固的丙烯酸酯外层，其提供抗压碎性。该薄皮容纳层在最小化尺寸和重量增加的情况下提供了电缆集成度。该薄皮容纳层套被包裹进外部保护护套中。

Description

架空光纤电缆
相关申请
本申请要求2012年3月2日提交的临时申请61/606,033的优先权，其通过引用在此并入本文。
技术领域
本发明涉及专门适于架空安装的光纤电缆(optical fiber cable)。
背景技术
(该背景技术的各部分可能构成或可能不构成现有技术。)
架空分布式电缆适合用于光纤到家、光纤到房屋、或光纤到节点的宽带通信网络。尤其值得的是在小镇和农村地区建设这种高速网络，在这些地区最经济的是使用现有的架空通道(right of way)来提供通信服务。
传统的松管(loose tube)或中央芯光缆相对庞大和笨重，并且难以在外壳(closure)、接线盒等处安装和处理，在这些地方电缆护套可能需要被剥除以布线光纤和电缆。此外，如果电缆又大又重，可能需要加固或替换现有的电话线杆来支撑光分布式电缆所增加的重量。最后，松管电缆的管或中央芯带状电缆中的带难以在外壳中布线。松缓冲管往往坚硬而难以弯曲，而带虽然易于弯曲但却难以布线。
对于松管电缆的设计，经常使用坚硬的薄壁塑料管。这些通常由例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)的聚合物制成的坚硬的管要比电缆单元所需要的尺寸大，并且在处理时易于永久性弯曲。在某些情况下，有必要移除坚硬的缓冲管并在更加柔韧的管中对相对脆弱的光纤进行布线。这些手段增加了配置光宽带分布式网络的时间和开销。
减小架空电缆的尺寸和重量的另一种途径是使用这样一种电缆来捆束光纤：其包含薄壁，以及用来捆束光纤的软的“微护套(microsheath)”管，正如Sagem SA在U.S.6,334,015和7,082,241所公开的。软管可以满足单元所需要的紧凑尺寸，但这些管通常包含填充化合物，其必须被清理，这对安装者来说是种烦恼。另外，这种软的微护套管材料有时候容易粘在过度挤压的(overextruded)电缆套管上。当这种情况发生时，而且安装者试图移除电缆套管时，微护套管材料可能会被不经意地移除或撕裂从而暴露出光纤，这使得更难以确定哪个光纤是哪个。屏障带(Barrier tapes)或其它保护材料可以被包含在电缆套管结构中以助于防止损坏微护套管，但这增加了电缆的成本和复杂性。
在一些欧洲国家曾使用的一种替代的解决方案是首先架空安装轻量的微管，然后在微管中安装气吹式电缆光纤单元(常被称作ABFU)，例如OFS的AccuBreezeTM或许多类似的市售产品。然而这样效率低下，因为需要两个不同的安装步骤。并且能够安装在管道中的光纤数量也有限制，因为目前的市售ABFU限制光纤数量为12根。
因此需要一种改进的重量轻的、紧凑的、具有高光纤数量且能够在一次操作中容易地安装的架空光缆。
发明内容
我们设计了一种新的电缆结构，适于架空安装，其使用容纳在公共薄皮容纳套管(containment sheath)中的多个多光纤紧缓冲套单元(multifiber tightbuffer encasement unit)。该多光纤紧缓冲套单元包括由丙烯酸酯树脂制成的双层光纤缓冲套，其具有柔性的丙烯酸酯内层，用来保护光纤并尽量减少传递到光纤的力，以及坚硬、牢固的丙烯酸酯外层用来提供抗压碎性。该多光纤紧缓冲套单元被捆束，且优选地被弯曲，并被套上薄皮容纳套管。通过使用外保护聚合物护套来完成电缆。
附图说明
图1是本发明的多个多光纤紧缓冲单元电缆中所使用的多光纤紧缓冲单元的截面示意图；
图2是本发明的电缆设计的截面示意图，示出了在薄皮容纳套管和外护套内的3个多光纤紧缓冲单元；
图3是与图2类似的更大光纤数量的电缆的截面示意图。
具体实施例
图1示出了本发明的一种典型的多光纤紧缓冲套单元。在图1中示出了一个12根光纤的实施例，其中12根光纤11被包裹并嵌入在柔软的丙烯酸酯基质(matrix)12中。众所周知，提到光纤指的是涂覆有聚合物保护涂层的玻璃光纤。图中的元件并未按比例画出。围绕并且包裹该柔软的丙烯酸酯基质的是相对坚硬的丙烯酸酯套层13。该光纤、丙烯酸酯基质、以及丙烯酸酯套层一起组成了圆形的双层光纤紧缓冲套。在这个实施例中该多光纤紧缓冲套包含了12根光纤，但也可以包含2-24根光纤。具有4至12根光纤的多光纤紧缓冲套在商业实践中可以预计是最普遍的。图1中所示出的多光纤紧缓冲套单元在美国专利7,720,338中进行了更详细的描述，其通过引用在此并入本文。
多光纤缓冲套的这一具有柔软内层和坚硬外层的双层丙烯酸酯结构，起到了使传递到光纤的弯曲力和压碎力最小化的作用，从而使信号的衰减降至最小。在一些实施例中多光纤紧缓冲套可以具有椭圆截面。
术语“基质”意指在其基质材料的横截面上嵌入了其它物体(光纤)的物体。“套”意指包围且接触另一物体或层的层。
该柔软的丙烯酸酯基质和坚硬的丙烯酸酯套优选是紫外线(UV)可固化的丙烯酸酯。其它聚合物也可替代。UV可固化树脂可以包含阻燃剂以改进电缆的总体防火性。其可以是在光纤缓冲套外挤压(extruded)的聚合物层，且可能在有特别要求的应用中是有用的，例如需要符合NFPA262全防火标准(Plenum firestandard)的电缆。该挤压的阻燃剂涂层可由PVC、低烟PVC、PVDF、FEP、PTFE、复合含氟聚合物混合物、低烟无卤素聚烯烃基树脂、阻燃热塑性弹性体、以及阻燃尼龙制造。具体实例是Dow Chemical的DFDE-1638-NT EXP2和AlphaGary Megolon 8142。
根据本发明，高光纤数量的架空电缆是通过将多个多光纤紧缓冲套单元捆束在单一的电缆中制成。与其类似的现有技术在上述被引用专利的图2中示出。但该电缆设计通过使用这里所描述的光缆设计来改进。根据本发明，多光纤紧缓冲单元被捆束在挤压的薄皮容纳套管内，如图2中的24所示。该多光纤紧缓冲套单元具有如图1所示的基本的整体构造，其具有软丙烯酸酯基质23中的多光纤21且其设置于硬丙烯酸酯套22中。在该实施例中，电缆具有三个多光纤紧缓冲套单元，单元的中心处在三角形的角上。在图2的电缆的一个实施方式中，三个1.4毫米的12根光纤单元被一起被包裹在最大直径为3.3毫米的36根光纤电缆中。注意该薄皮容纳套管24是共形的，在此情况下制造的光缆形状接近三角形。“共形的”在本发明上下文中意指薄皮容纳套管的形状具有一个或者多个反映该多光纤紧缓冲套单元的束的形状的特征。术语“束”意指集合在一起的多光纤紧缓冲套单元的组，在多数情况下至少一些单元与另一单元接触。在这里所描述的电缆设计的上下文中，高光纤数量的电缆包含至少12根光纤，且典型地大于24根。
所述的薄皮容纳套管可以是能在薄层中无跳过或无针孔地挤压的任意合适材料，并且能够承受典型架空环境中的压力和温度范围。适合薄皮容纳套管的树脂包括LDPE、LLDPE、其它聚乙烯、冲击改性(impact modified)的聚丙烯、乙烯/醋酸乙烯酯聚合物、塑化PVC、以及上述材料的混合物。可以在基体树脂中加入无机填料或其它填料来减少收缩和热膨胀，并改进随温度变化的衰减性能。
在一些安装中，对穿过被服务的建筑内部的一部分的架空电缆进行布线可能是有益的。在这种情况下可以使用填料来给薄皮容纳套管赋予阻燃性。在优选的实施例中，薄皮容纳套管由Megolon 8110UV BK制造，其是一种可由AlphaGary、Leominster、MA和Melton Mowbray UK商业获得的无卤素阻燃树脂。多个多光纤紧缓冲单元可以通过纱或线捆束在一起，以替代薄皮容纳套管。该薄皮层的厚度小于大约0.3毫米，优选地小于0.15毫米。
为防止不期望的侵入的水沿电缆的长度方向行进，可以使遇水膨胀(waterswellable)纱或其它遇水膨胀材料(如图2中的27所示)在多光纤紧缓冲单元中延伸(run)。显然，在这种电缆设计中，这些元件占据的是“剩余空间”，也就是说不增加电缆的尺寸。
本发明的架空电缆设计具有至少三个单元。根据需要可能多于三个单元。图3展示了具有四个多光纤紧缓冲套单元的电缆。在图3示出的电缆的优选实施例中，四个1.4毫米的12根光纤单元一起被包裹在最大直径为3.6毫米的48根光纤电缆中。图3中图2和3共有的元件具有相同附图标记。增加的多光纤紧缓冲套单元包括元件31-33。该实施例显示了五个遇水膨胀纱37。
多光纤紧缓冲套单元与挤压的薄皮容纳套管的组合形成了比现有技术设计更轻且更小的整体电缆。该结果部分地是由于除去了在一些现有技术架空电缆设计中所使用的加强纱层。该加强纱层使架空电缆的制造复杂化且增加了费用。
再一次参见图2和3，围绕薄皮容纳套管形成外部聚含物电缆护套25。该电缆护套的厚度可以是例如10-20密耳(mil)。适合的电缆护套聚合物是PVC、PVDF、FEP、PTFE、复合含氟聚合物混合物。电缆护套可以包含钢或玻璃纤维增强件28，或其它适合的电缆加强件。
该双层丙烯酸酯缓冲套中使用UV固化的丙烯酸酯的优点是用于施加UV固化涂层的电缆敷设(cabling)操作是迅速且经济合算的。该双层丙烯酸酯涂层可以被先后或同时施加(使用两个隔室和双模具敷料器)。其它透明涂层材料，例如烷基取代硅树脂和倍半硅氧烷，脂肪聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯和乙烯基醚也被用作UV固化涂层。参见例如S.A.Shama，E.S.Poklacki，J.M.Zimmerman的题目为“紫外线可固化阳离子乙烯基醚聚氨酯涂层组合物(Ultraviolet-curable cationic vinyl ether polyurethane coating composition)”的专利号为4,956,198(1990)的美国专利；S.C.Lapin，A.C.Levy的题目为“基于乙烯基醚的光纤涂层(vinyl ether based optical fiber coatings)”的专利号为5,139,872(1992)的美国专利；P.J.Shustack的“光纤的紫外线辐射的可固化涂层(Ultraviolet radiation-curable coatings for optical fibers)”的专利号为5,352,712(1994)的美国专利。使用UV可固化材料的涂层技术发展较完善。也可以使用采用可见光固化的涂层，可见光即在400-600纳米范围内的光。优选的涂层材料是丙烯酸酯，或聚氨酯-丙烯酸酯，其添加有UV光引发剂。
内层和外层材料可以用多种方式表征。从以上的大体概述中，显然内层的模量(modulus)应该小于外层的模量。使用ASTM D882标准度量方法，推荐的用于内层的拉伸模量的范围是0.1到50MPa，优选是0.5到10MPa。外层的适合的范围是100MPa到2000MPa，并且优选为200MPa到1000MPa。
层的材料还可以用玻璃化转变温度来表征。推荐内层的Tg小于20摄氏度，并且外层的Tg大于40摄氏度。出于该说明书的目的，玻璃化转变温度Tg是在转变曲线的中间的那个点。
在多光纤紧缓冲单元中的单独的光纤可以用彩色编码，以有助于识别和组织这些光纤以用来连接。多光纤紧缓冲单元也可以被彩色编码以为组织光纤提供额外的帮助。
光纤缓冲套的紧凑尺寸允许制造比竞争电缆设计所见的更小的电缆。现有技术的架空电缆或ABFU/管道系统在6毫米直径的管道中通常具有至多12根光纤。然而，作为本发明的一个实施例而公开的架空电缆能够在7毫米直径的电缆中容纳36根或48根光纤。因此，本发明的电缆与现有技术的架空分布式电缆相比，具有高得多的光纤封装密度。在一个示例中，本发明的电缆实现了大于每平方毫米1根光纤的封装密度。一般而言，本发明的优选电缆设计具有大于每平方毫米0.5根光纤。光纤封装密度定义为基于电缆外部直径(OD)每平方毫米电缆区域内的光纤数目。
同样，本发明的光缆可以是非常轻便的。例如，根据以上的说明书，7.0毫米36根光纤架空光缆设计可能仅重32.9kg/km，而7.0毫米48根光纤架空光缆可能仅重34.4kg/km。一般地，本发明优选的光缆设计将具有小于10毫米的直径和小于40kg/km的重量。在相对小的直径上的轻量化使得立杆之间具有相对长的跨距长度，而不使用额外的捆扎(lashing)，并且允许将该光缆安装在现有的架空通道，而不用加强或替换现有的立杆。
除减缩尺寸之外，根据本发明的架空光缆设计的其它好处是安装成本的减少，可归因于该光缆可以一步安装。可以在已知的核准的管道的基础上进行安装，这使得用于安装所需的培训(training)极少。同样，在公共的表皮下将单元捆束在一起使得其易于在外壳中储存和处理光缆纤芯并且安装到最终用户，赋予安装者以灵活性。束单元可以作为单一的实体来处理，或者可以按照安装者的意愿拆开为单独的子单元。
尽管上述的重点在于适合于架空安装的光缆设计，应当理解高光纤数的、小的、轻质的光缆可以实现在其它各种应用上。如上所述的光缆构造可以安装在各种设施上。这些中的一些详细描述于“第二版PE管手册(The SecondEdition Handbook of PE Pipe)”的第14章节，其由Plastics Pipe Institute出版(http：//olasticpipe.ora/Ddf/chaDter14/odf)，通过引用在此并入本文。
以下给出本发明的架空光缆的实施例的实验结果。
机械性能测试基于TR-11-092实施，原型36-光纤，7.0毫米直径光缆，具有图2中示出的结构以确保光缆的机械可行性。遵循从相关的“TIA光纤测试工艺(FOTP)”选择(call out)的测试方法实施拉伸载荷、压缩、挠曲、冲力和温度循环测试。通过将光缆围绕3″(7.5毫米)直径的芯棒环绕三次来实施弯曲测试，其是从规范BT plc中通常选择的方法。在所有情况下，在施加机械应力期间监控光纤在1550纳米处的衰减，并且记录衰减的最大变化。测试在全部三个单元的光纤上实施：
单元1：12OFS G.657.A1全波弯曲单模光纤(测试4个)
单元2：12OFS G.657.A1全波弯曲单模光纤(测试4个)
单元3：12OFS G.657.A1全波弯曲单模光纤(测试4个)
测试结果：7.0毫米36根光纤架空分布式光缆
作为本详细说明的结束，应当注意到对本领域技术人员而言明显的是，可以对优选实施例做出许多变化和修改，并且不实质性偏离本发明的基本原理。所有这些变化、修改和等同物旨在在本发明的范围内包括于此，如权利要求所述。

Claims (18)

1.一种光纤电缆，包括：
(a)至少三个多光纤紧缓冲套单元的束，所述多光纤紧缓冲套单元每个包括：
i.包裹在聚合物基质中的至少两根光纤，所述聚合物基质具有第一模量，
ii.包裹所述聚合物基质的聚合物层，所述聚合物层具有第二模量，其中所述第二模量比所述第一模量更大，
(b)薄皮容纳层，围绕所述多光纤紧缓冲套单元的束，并且符合所述多光纤紧缓冲套单元的束的形状。
2.如权利要求1所述的光纤电缆，进一步包括：
(c)围绕所述薄皮容纳层的光缆护套。
3.如权利要求2所述的光纤电缆，其中所述聚合物基质和聚合物层都包括UV固化的丙烯酸酯。
4.如权利要求2所述的光纤电缆，其中所述聚合物基质的模量的范围是0.1到50MPa。
5.如权利要求4所述的光纤电缆，其中所述聚合物基质的模量的范围是0.5到10MPa。
6.如权利要求4所述的光纤电缆，其中所述聚合物层的模量的范围是100MPa到2000MPa。
7.如权利要求5所述的光纤电缆，其中所述聚合物层的模量的范围是200MPa到1000MPa。
8.如权利要求3所述的光纤电缆，其中所述聚合物基质的玻璃化转变温度小于20摄氏度。
9.如权利要求8所述的光纤电缆，其中所述聚合物层的玻璃化转变温度大于40摄氏度。
10.如权利要求2所述的光纤电缆，其中所述光缆的横截面的直径小于10毫米。
11.如权利要求10所述的光纤电缆，其中所述光缆的重量小于40Ib/km。
12.如权利要求2所述的光纤电缆，其中所述光纤被色彩编码。
13.如权利要求2所述的光纤电缆，其中所述多光纤紧缓冲套被色彩编码。
14.如权利要求2所述的光纤电缆，其中所述缓冲套涂有阻燃材料。
15.如权利要求2所述的光纤电缆，其中所述薄皮容纳层的厚度小于0.3毫米。
16.如权利要求2所述的光纤电缆，其中所述光缆中的光纤总数大于12根并且光纤封装密度大于每平方毫米1根光纤。
17.如权利要求2所述的光纤电缆，其中所述光缆护套包含至少一个增强件。
18.一种用于在地面上方安装架空电缆并且通过将电缆连接到房屋外部的步骤连接到客户房屋的方法，所述方法其特征在于光纤电缆包括：
(a)至少三个多光纤紧缓冲套单元的束，所述多光纤紧缓冲套单元每个包括：
i.包裹在聚合物基质中的至少两根光纤，所述聚合物基质具有第一模量，
ii.包裹所述聚合物基质的聚合物层，所述聚合物层具有第二模量，其中所述第二模量比所述第一模量更大，
(b)薄皮容纳层，围绕所述多光纤紧缓冲套单元的束，并且符合所述多光纤紧缓冲套单元的束的形状，以及
(c)围绕所述薄皮容纳层的光缆护套。
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