CN105051586A - 直径减小的多模光纤电缆 - Google Patents

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Abstract

本文描述的是用于室内安装的新的电缆设计，其中所述电缆包括丙烯酸树脂的双层光纤缓冲封套。所述缓冲封套具有保护纤维和最小化应力传递到纤维的丙烯酸酯柔性内层，和提供抗压性的坚硬丙烯酸酯外层。双层光纤缓冲封套用加固纱线缠绕和包封在外部保护护套中。保护护套相对较厚且具有刚性，其厚度为0.7-3.0毫米，和模量大于240MPa。

Description

直径减小的多模光纤电缆
技术领域
本发明涉及多模光纤电缆。
背景技术
(该背景技术的部分可以构成或可以不构成现有技术。)
从铜线通信电缆开始过渡到光纤电缆现在已经有几十年的时间了。在这种过渡中，迄今为止最大的变化是玻璃光纤在电缆中对应力的敏感性。铜的电传输性能相对来说不受机械力影响。与之相对，光纤电缆上作用的机械应力会明显地影响光纤的光传输特性。存在有多种这样的影响以及多种原因。这使得概念简单的光纤电缆的设计在实践中变得极为复杂。
多年来，标准的多模光纤(MMF)按62.5微米的芯尺寸和125微米的总尺寸进行制造。目前，50微米的多模光纤(50-MMF)由于比传统多模光纤更宽的带宽和更远的传输距离潜力而日益普及。50-MMM纤维提供近三倍的带宽和超过两倍的距离，其被推荐用于新的用途，包括建筑内部连接。
但是，相比于单模光纤和62.5MMF，50-MMF倾向于对于由机械应力产生的纤维的小弯曲或大弯曲而造成的信号衰减更加敏感。结果是，最近的研究表明，一些50-MMF光纤电缆在标准的机械资格测试中表现出明显的信号衰减，而老的SMF电缆在这些测试中则显现出最小的信号衰减。
对于终端用户需要更小的光纤电缆且增加的光纤堆填密度来说，这个问题变得更加严重。传统上，用50-MMF的室内布线电缆在每个单独的光纤上采用紧密的缓冲涂层，从而为单个光纤提供机械保护。通常的紧密缓冲层直径包括900微米和600微米。采用紧密缓冲光纤的配电或中继电缆倾向于大且笨重，对到达终端用户存在挑战。首先，对于终端用户来说，将这些较大的电缆直接布线至设备上的接点(connectionpoints)或互连点(interconnectionpoints)或群座(shelve)或电缆盘(tray)内很困难。终端用户经常必须从大的缓冲光纤配线电缆过渡到更小的灵活的互连电缆上。但是，这将增加安装的复杂性和成本。另外，在大的数据中心或存储区域网络中，通常需要大量的配电电缆用于设备互连。应用大型配电电缆有可能填满架空或地板下电缆桥架的有限空间，并限制冷空气的流动。终端用户对于可直接布线至互连点的紧凑、高密度的50MMF配电电缆有需求。
发明内容
为了解决这些问题，提出了用于室内安装的新的50-MMF电缆设计。所述电缆包括以热固性丙烯酸酯树脂状态存在的双层光纤缓冲封套多层50-MMF纤维，并与具有机械特性的其它层组合，组合在一起恢复符合国际工业标准要求的传输性能。所述缓冲封套包含保护纤维和最小化应力传递到光纤的丙烯酸酯柔性内层，和提供强固性和抗压性的坚硬丙烯酸酯外层。双层光纤缓冲封套用加固层包裹和包封在外部保护护套中。为了满足工业防火要求，向电缆中加入阻燃剂。这也影响前面提到的机械相互作用。
附图说明
图1为本发明电缆设计的示意图，给出了双层光纤缓冲封套、聚芳酰胺纱线层和外部护套；和
图2为更大纤维支数电缆的示意图，其中多个双层光纤缓冲封套一起形成电缆。
具体实施方式
如上所述，光纤电缆的设计虽然概念简单，但在实践中是非常复杂的。复杂的主要原因由多个因素造成，这些因素干扰在光纤电缆的外边界处施用的机械力，和玻璃光纤有时在电缆内深埋。在追踪从源通过电缆传输到光纤的力时，横贯许多材料界面。例如，在美国专利US.7720338中描述和要求专利权的光纤电缆设计，由OFSFitel,LLC提供了非常成功的商用单模光纤产品。例如AccuPackTM，力跨越结合六层材料的七个界面，每一个均具有不同的机械性能。应用现有已建立起的模型，可以预测它们中的一些，但是还有许多无法预测。可以直观地认识到，在任何层(一个或多个)中冲击力(impact)的变化可能极其复杂和具有不可预见的后果。结果是现代的光纤电缆设计沿着如下道路前行：应用复杂的机械设计工具并结合大量消耗成本和昂贵的经验研究。这种背景部分地解释了为什么在一个已知的光纤电缆设计中看似简单的光纤尺寸变化可以造成性能的下降，和为什么维修这种下降并不是简单明显的事情。
当光纤为单模时，上面提到的电缆设计非常好地运行。但当替代为50-MMF时，电缆的性能降低。对这种降低的原因进行探讨，发现外部护套的特性对电缆的机械和光学性能的影响比原先预想的要大得多。如前所述的六个材料层和七个界面的情况，因为在电缆内部深处影响光纤的传输性能，将电缆护套最大可能地排除。因此预期其对光纤具有最小的影响。但经验研究证明相反。
设计的复杂性使得可以模拟改变众多设计参数的任一个，以试图预测整个电缆的机械应力曲线，但这些结果只是最好的估计，而且不总是准确。如果这些预测准确，则有可能改写电缆设计的法则，并且行业内会作为特征商业产品予以接受。但行业内认识到多层电缆设计的复杂性和无法准确预测设计变化的后果。这样，在生产商可能表示电缆设计按行业标准是可以接受的之前，国际电缆行业标准则需要经验测量的性能数据。
参照附图1，其中给出了本发明的12根50MMF纤维的实施方案，其中12根50-MMF光纤11被包封和嵌入(embed)在柔性丙烯酸酯基质12中。图中的元件没有按比例绘制。用于包围和包封柔性丙烯酸酯基质的是相对较硬的丙烯酸酯封套层13。50-MMF光纤、丙烯酸酯基质和丙烯酸酯封套层一起组成圆形的双层光纤缓冲封套。在本实施方案中，光纤缓冲封套包含12根50-MMF光纤，但也可以包含2-24根光纤。可以预期的是包含4-12根50-MMF光纤的光纤缓冲封套在工业实践中最常用。
光纤缓冲封套的双层丙烯酸酯结构(包含柔性的内层和坚硬的外层)用于最小化弯曲和挤压力传递至光纤，从而最小化信号衰减。替代地，光纤缓冲封套可以具有椭圆形横截面。
术语基质指具有基质材料横截面的主体，在其中可以嵌入其它主体(光纤)。护套指一种层，其围绕和接触其它主体或层。
柔性的丙烯酸酯基质和硬的丙烯酸酯护套优选为可UV固化的丙烯酸酯。可以用其它聚合物替代。可UV固化树脂可以包含阻燃剂以提高电缆的整体防火性。所述丙烯酸酯可以是透明的或彩色编码的。彩色编码或其它合适的标记可以表示纤维50-MM的类型和阻燃特性。
替代地，可以在双层光纤缓冲封套上挤出阻燃聚合物层。这在特别苛刻的用途中为了满足NFPA262-2011Plenum防火标准是有用的。这种挤出的阻燃型涂层可以由如下制得：PVC、低烟PVC、PVDF、FEP、PTFE、组合含氟聚合物的共混物、低烟无卤素聚烯烃基树脂、阻燃热塑性弹性体和阻燃性尼龙。具体的例子有DowChemicalDFDE-1638-NTEXP2无卤素树脂和3MDyneon31508/0009的PVDF。
NFPA262-2011防火标准是整个行业中应用的严格的阻燃测试。其可以由NationalFireProtectionAssociation(美国国家消防协会)获得。试验直截了当，因此为简洁起见，其细节不在此重复。该标准适用于本说明书中描述的整个电缆设计。在行业中还应用其它防火标准，比如IEC60332-3-24火焰蔓延测试和IEC61034-2烟排放测试。概括而言，国际阻燃标准可以称作D级、C级或B2级EN50399火安全测试。这里描述的具有合适阻燃剂和/或阻烟剂的电缆设计被设计为满足这些标准。作为通用描述，它们被称为防火标准。
在一些工业应用中，对于光纤电缆脱除含卤素材料具有要求。它们被称为无卤素电缆。从一般意义上讲，这里的描述适用于无卤素电缆。
光纤缓冲封套用加固纱线的包裹14包封，虽然可以应用玻璃纱线，但所述纱线优选为聚芳酰胺纱线。纱线可以直行缠绕，也可以螺旋形扭曲缠绕。外部阻燃聚合物护套15形成在缓冲封套和加固纱线周围。合适的护套聚合物为PVC、低烟PVC、PVDF、FEP、PTFE、组合含氟聚合物的共混物、低烟无卤素聚烯烃基树脂、阻燃热塑性弹性体和阻燃性尼龙。所述护套聚合物可以含有UV稳定剂，以允许电缆在暴露环境中使用。
在双层丙烯酸酯缓冲封套中应用可UV固化丙烯酸酯的优点是用于施加UV固化涂料的成缆操作快速且成本高效。下面描述以高成缆速度生产双层丙烯酸酯缓冲封套。所使用的方法是施加作为预聚物的涂层材料，并应用UV光固化所述预聚物。双层丙烯酸酯涂层串联(intandem)或同时(应用两室双模施用器)施加。串联方法，有时称为“干上湿法(wetondry)”，施加第一涂层且固化，然后在经固化的第一层上施加第二涂层且固化。同时双涂层排布法有时称为“湿上湿法(wetonwet)”，两个涂层均以预聚物状态施加，且同时固化。可UV固化的聚丙烯酸酯预聚物对于UV固化辐射(即波长通常为200-400nm)来说足够透明，允许在高的抽出速度下完全固化。其它透明涂层材料如烷基取代的硅氧烷和倍半硅氧烷、脂族聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯和乙烯基醚也可用作UV固化涂层。例如参见S.A.Shama,E.S.Poklacki,J.M.Zimmerman的美国专利US4956198(1990)"Ultraviolet-curablecationicvinyletherpolyurethanecoatingcompositions(可紫外线固化的阳离子乙烯基醚聚氨酯涂料组合物)"、S.C.Lapin,A.C.Levy的美国专利US5139872(1992)"Vinyletherbasedopticalfibercoatings(乙烯基醚基光纤涂层)"、P.J.Shustack的美国专利5352712(1994)"Ultravioletradiation-curablecoatingsforopticalfibers用于光纤的可紫外线辐射固化的涂层"。使用可UV固化材料的涂层技术也已高度开发。也可以应用使用可见光(即在400-600nm的光)固化的涂层。优选的涂层材料为带有UV光引发剂加入其中的丙烯酸酯或氨基甲酸酯-丙烯酸酯。
适用在本发明电缆的光纤缓冲封套中使用的涂层材料的例子有：
内层和外层材料可以用各种方法表征。由上文通用的描述，很明显的是内层的模量应该小于外层的模量。应用ASTMD882标准测量方法，内层推荐的拉伸模量为0.1-50MPa，优选为0.5-10MPa。外层的合适范围为100-2000MPa，和优选为200-1000MPa。
层材料也可以用玻璃化转变温度来表征。推荐的是内层的Tg小于20℃，优选小于0℃，和外层的Tg大于40℃。为了本描述的目的，玻璃化转变温度Tg为转化曲线中间的点。Tg通常也可以定义为在动态力学分析(DMA)图谱中tan(δ)曲线的峰值。
用于聚芳酰胺层的合适聚芳酰胺纱线可由TeijinTwaron获得，标识为1610dTexType2200Twaron纱线。纱线可以以直线缠绕或扭曲缠绕。
电缆的尺寸很大程度地决定于双丙烯酸酯小单元的大小。对于上述的12根光纤缓冲封套来说，典型的直径为1.425mm。在大多数试试方案中，缓冲封套直径(2-12根纤维)，直径小于2mm。所述加固纱线层和外部护套通常使电缆直径增加2-3mm。
例如，外部护套的厚度可以为0.7-3.0mm，优选为1.0-2.0mm。外部护套的模量大于240MPa，和在一些优选的实施方案中，为300-500MPa。为了满足这里描述的性能标准，推荐该模量范围以及指定的厚度范围。一种有效的护套的例子为1.06mm厚的DyneonSOLEF31508/0009护套。在另一个优选的实施方案中，护套为PolyOneECCOH5700低烟无卤素的。
带有多于一个多纤维缓冲封套的光纤电缆提供另一种有吸引力的设计，产生增加的光纤数同时仍然相对小且紧凑。在单个护套中可以组合任意数量(如2-12)的缓冲封套。如图2所示，在带有6个光纤缓冲封套21的电缆中获得了高效的装填。这种设计具有中心加强元件22，以辅助组织在聚芳酰胺纱线层23和外部护套24内的缓冲封套。替代地，所述中心空间可以由另一光纤缓冲封套占据。如上所述，可以对单个光纤用颜色编码以有助于识别和组织光纤用于捆绑(ribbonizing)、转接(connectorizing)或拼接(splicing)。在图2所示的实施方案中，也可以对电缆护套进行颜色编码，以在组织光纤中提供更多的帮助。
如在由图1所表示的实施方案中，外部护套的厚度例如为0.7-3.0mm，优选为1.0-2.0mm。同样，最小值0.7mm或1.0mm预期以使电缆设计满足这里描述的性能标准。1.0-2.0mm厚的DyneonSOLEF31508/0009护套是有效护套的一个例子。
与通常竞争的电缆设计中发现相比，光纤缓冲封套的紧凑尺寸允许制造更小电缆。例如，本发明的电缆设计使得生产的带有十二根光纤的四个封套的电缆外径为5mm或更小。
对本领域熟练技术人员来说，很明显的是UV固化的丙烯酸酯树脂包含可在最终电缆产品中识别的光引发剂。在实施本发明的过程中可以应用任何合适的光引发剂。
如上所述，当在电缆中应用50-MMF时，设计按图2所述的电缆以符合行业标准。按北美ICEA-S-596和TelcordiaGR-409标准上述电缆的性能测试显示下表中的值。
关于本发明的材料和电缆设计的更多细节可以在美国专利US7,720,338和PCT/US12/48517中找到，它们均在这里作为参考引入。
在结束本详细描述时，应当注意的是对本领域的熟练技术人员来说，很明显在基本不偏离本发明的原则下可以对优选实施方案做各种改变和调整。如权利要求所述，所有这些改变、调整和等同物均作为本发明范围内的内容在这里包括。

Claims (10)

1.一种光纤电缆，包括：
(a)至少一个光纤缓冲封套，所述封套包括：
i.在聚合物基质中包封的至少两个50微米的多模光纤，所述聚合物基质包括模量为0.5-10MPa的UV固化的丙烯酸酯，
ii.包封聚合物基质的UV固化的丙烯酸酯聚合物封套，其模量为200-1000MPa，丙烯酸酯聚合物封套和聚合物基质具有圆形横截面，
(b)包围光纤缓冲封套的纱线缠绕强化层，
(c)包围纱线缠绕强化层的电缆护套，第一电缆护套基本上由具有如下性质的聚合物材料组成：
i.圆形横截面，
ii.厚度为0.7-3.0mm，
iii.模量大于240MPa，
(d)足够的阻燃剂，以满足一个或多个工业防火标准。
2.权利要求1的光纤电缆，其中所述光纤电缆包括多于一个封套。
3.权利要求2的光纤电缆，其中所述光纤电缆包括2-12个封套。
4.权利要求2的光纤电缆，其中所述聚合物封套的玻璃化转变温度大于40℃。
5.权利要求2的光纤电缆，其中所述缠绕纱线为聚芳酰胺纱线。
6.权利要求2的光纤电缆，其中所述电缆护套的模量为300-500MPa。
7.权利要求2的光纤电缆，其中所述厚度为1.0-2.0mm。
8.权利要求2的光纤电缆，其中限制标准(d)为国家消防协会NFPA262-2011标准。
9.权利要求2的光纤电缆，其中限制标准(d)选自基本上由以下标准组成的组：NFPA262-2011、IEC60332-3-24、IEC61034-2、EN50399的D类、C类和B2类。
10.权利要求2的光纤电缆，其中所述光纤电缆为非卤素电缆。
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