CN1084880C - 光缆 - Google Patents

Abstract

一种至少让一根光纤以周期性反转方向的方式成螺旋形地盘绕在中心构件上的光缆。在一个实施例中，光纤在从一个螺旋线方向反转点到下一个反转点的距离范围内、在中心构件的圆周方向上转过的扭纹反转角是在275°±55°+360°×n的范围内，其中n是零或整数。

Description

光缆

本发明涉及电缆。更具体地说，它涉及一种改进的光缆，该光缆至少让一根光纤以周期地倒转方向的方式成螺旋形地盘绕在中心构件上。

通常，通过把单向股绞的若干光纤容纳在一个定位架中的螺旋形凹槽中来制造各种光缆。为改善光缆工作的效率和可靠性起见，在未审查的、己公布的日本专利申请第126238/1977号中已经提出把各光纤容纳在一定位架中按给定间隔倒转螺旋线方向的螺旋形凹槽中。该方法在改善光缆工作的效率和可靠性方面是有效的。但是，它产生了一些在单绞合方向结构的光缆中未出现过的新问题。这些问题是：由于光缆弯曲而增加了传输损耗以及该损耗依赖于光缆弯曲的方向。理论上和实验上都己证明：当光缆〔该光缆中的各光纤被容纳在外径9毫米的定位架的螺旋形凹槽中，该槽在每个360°点处倒转螺旋线的方向〕以100毫米的半径弯曲时，在各光纤中产生不小于1％的应变。在检验试验中通常作筛选制成的光纤的判断标准的保证强度是0.7％，而因为光传输损耗和光纤寿命缩短的原因，所述1％的应变是不容许的。

用于制造光缆的另一种通常的方法是这样盘绕多股绞合的光纤、使得它们沿着相同方向的一些螺旋形路径环绕一个中心构件。为了改善用该方法拧成的光缆的工作效率和可靠性，在日本实用新型公开第39362/1980号中己经提出：沿着一个公共的中心构件的外表面股绞这些光纤、同时以纵向适当间距周期性地反转扭纹方向。该方法在改善拧成的光缆的工作效率和可靠性方面是有效的但是该方法具有关于光损耗和缩短了光纤寿命方面的缺点，这些缺点和未审查的、己公布的日本专利申请第126238/1977号中所公开的相同。

例如，理论和实验都己表明：当光缆(构成该光缆的方法是：环绕一根具有9毫米外径的中心构件螺旋形地盘绕各光纤，同时以200毫米的间隔、在每个360°点处反转扭纹方向)以100毫米的半径弯曲时，在所述各光纤中产生高达1％的应变。

还不清楚为什么在上述两项先有的专利中所述光缆具有不好的弯曲特性，就确保产生与光缆弯曲方向无关的最小应变的扭纹反转角而言，还没有做过充分的设计考虑。术语“扭纹反转角”意指这样的角度：在从螺旋线方向的一个反转点到下一个反转点的距离范围内、光纤在中心构件的园周方向上转过的角度。该术语的上述定义用图解法示于图2中。当扭纹的反转开始于中心构件上的点F1而结束于扭纹方向再次反转的点F2时，光纤在中心构件1的园周方向上转过的角度就称为该光纤的“扭纹反转角”。

因此，本发明的目的是要提供这样一种光缆：它免除了由传统结构所带来的各种问题、并以最佳扭纹反转角为特征。

本发明的第一方面是提供这样一种光缆：它的各光纤容纳在一个定位架中的、螺旋线方向周期地反转的螺旋形凹槽中，其特征在于扭纹反转角(它表示这样的角度：在从螺旋线方向的一个反转点到下一个反转点的距离范围内，定位架中的螺旋形凹槽在所述定位架的园周方向上转过的角度)设定为230°和330°之间的值。

在一个优选实施例中，所述扭纹反转角是这样的值：可以把上面规定的230°和330°之间的值加上360°×n(n是正整数)。在一个更佳实施例中，该扭纹反转角设定为大约275°或275°+360°×n(n是正整数)。

本发明的第二方面是要提供一种层股绞的光缆，它的多股光纤沿着一个公共中心构件的外表面成螺旋形地股绞，同时，扭纹的方向按适当的间隔周期地反转，其特征在于：该扭纹反转角(它表示这样的角度：在从扭纹方向的一个反转点到下一个反转点的距离范围内，各光纤的扭纹在所述中心构件的园周方向上转过的角度)设定为240°和310°之间的值。

在一个较佳实施例中，该扭纹反转角是这样的：可以把上面规定的240°和310°之间的值加上360°×n(n是正整数)。在一个更佳实施例中，该扭纹反转角被设定为大约275°或275°+360°×n(n是正整数)。

图1(a)是使用根据本发明的第一方面的凹槽形定位架的光缆的横截面图；

图1(b)是根据本发明的第二方面的层股绞光缆的横截面图；

图2是说明所述扭纹反转角的定义的示意图；

图3是用图解法表示具有按给定间隔周期地反转的扭纹方向的光缆的示意图；

图4是图3中所示光缆的二维表示法；

图5是说明扭纹反转角与光纤中弯曲应变之间的理论关系的曲线圈；

图6是说明光缆弯曲方向的定义的示意图；

图7是表示扭纹反转角与光纤中弯曲应变之间的实验关系的曲线图；以及

图8是描绘弯曲应变的示意图。

下文特别参照图1(a)中所示的使用凹槽形定位架的一种光缆来描述本发明。但是应指出，对于图1(b)中所示的层股绞光缆，如下的描述也是正确的。图3是用图解法表示具有按给定间隔周期地反转的扭纹方向的光缆的示意图。图3中，标号3表示等效于所示凹槽形定位架的中心构件，而4表示被容纳在螺旋形凹槽中的、具有按给定间隔周期地反转扭纹方向的光纤。图4是图3中所示光缆的二维表示法，其中把A点定在中心线上。图3和4的模型假定各光纤4和2分别被紧紧限制在各凹槽中。各图中的各标号4、7和16可以表示单光纤或多股光纤(这多股光纤可以是松散的若干光纤或者是一个成束的或股绞的光纤组件。但是为了简化，在下面的理论描述中假定标号4指的是单光纤。

如果图3的坐标系统中所示的中心构件3在x-z平面内弯曲、并且其弯曲中心位于x轴的正方向，那么，在图4中所示的光纤组件2的B-A和A-D各部分中出现压缩应变、而在同一光纤组件的C-B和D-C各部分中产生拉伸应变。如果图2中所示的扭纹反转角是180°或小于180°，那么，在该光纤组件的所有部分中产生压缩应变。为了避免这个问题，通常以如下的方式设计图1(a)中所示的那类光缆，即，使得扭纹反转角不小于180°。

本发明者对于360°扭纹反转角的情况(通常用于图1中所示类型的光缆)做了理论性研究。下面充分地陈述这些理论见解的细节。结果发现，甚至当各光纤具有随着光缆一起运动(该光缆在如上面参考图3所提到的同一方向弯曲)的灵活性时，出现在各光缆中的净应变，即、拉伸应变和压缩应变之间的差、有可能保持在显著的程度，因而不能忽略。本发明人认为，这是图1(a)中所示的、使用导向定位架的普通光缆的弯曲特性不好的原因。

本发明人的理论考虑从确定这样一种扭纹反转角开始，即，当图1(a)中所示的光缆弯曲时，该反转角将会在各光纤中产生相同数量的拉伸和压缩应变。参考图3中所示的模型，由点F1和F2限定的光纤段的几何形状可以用如下的方程组(1)来表示：

           x＝acosθ

           y＝asinθ

                            ....(1) $z=\frac{p}{2}+\frac{p}{2\mathrm{\π}}{\sin }^{-1}\frac{2\mathrm{\θ}}{\mathrm{\φ}}$ 其中a是原点O和点A之间的距离；θ是x轴与x-y平面中的半径矢量构成的角度；是扭纹反转角；以及P是光纤所走的螺旋形路径的螺距。可以由方程组(1)来确定该光纤上的点F1和F2所限定的线长度L_O′。

如果以某一方向上的半径R来弯曲光缆模型中的中心构件3、从而与x轴构成角度α，那么，从方程组(1)可以推导出如下的方程组(2)(略去数学计算的细节)：

可以由方程组(2)确定线长度L_R，该L_R是当以某一方向的半径R来弯曲所述中心构件，从而与x轴构成角度α时，由光纤4上的点F1和F2限定的。

可以由下面的方程(3)来计算在光纤4上的点F1和F2之间产生的应变ε(％)： $\mathrm{\ϵ}=\frac{L_R-L_O}{L_O}\×100(\%)\…\left(3\right).$

由图3可明白，ε表示在复盖P12(或者光纤形成的螺旋线的半个螺距)的光纤4的那段中产生的应变。显然，最好是把扭纹反转角设定在使所述应变等于0的值上。

图5中描绘了理论计算的结果，这些理论计算确定了当光缆以100毫米和300毫米的半径(R)弯曲时，在P＝400毫米的情况下方程(3)中的ε与扭纹反转角的关系。R＝100毫米的结果用实线表示，而R＝300毫米的结果用虚线表示。y轴表示图2所定义的扭纹反转角。每条应变曲线两端的短划线上的数字表示用于限定光缆弯曲方向的角度(参考图6中所示的示意图)。

图5中所示的结果表明，如果扭纹反转角在275°附近，那么，在上面规定的条件下无论光纤以什么半径弯曲和弯向什么方向，在光纤中产生的净应变都减小到零。因为，所讨论的光缆具有这样的结构，即，各光纤被股绞和限制在一个园柱形定位架中具有周期地反转的扭纹方向的螺旋形凹槽中，所以显然可见，如果把上述计算所确定的扭纹反转角的最佳值275°加上360°的话，那么，也将得到相同的结果。

为了证明上述理论见解的可应用性，用如下方法制造并试验了一些光缆样品。准备了5个具有9毫米外径的定位架，每个定位架具有其扭纹方向按400毫米螺距周期地反转的螺旋形凹槽。这5个定位架的扭纹反转角分别是180°、250°、310°和360°。一些裸光纤被紧紧地限制在各定位架的螺旋形凹槽中、并被固定在定位架的两端。当光纤以所述方向(根据图5该方向将会产生最大应变)弯曲时，用相移法测量在每个定位架的光纤中产生的应变，在该方法中，光线从一端射入光纤中，然后通过检测在另一端接收到的光线的相位变化来测量所发生的任何光纤延伸率。图7中示出各测量结果，其中实线表示R＝100毫米的结果、而虚线表示R＝300毫米的结果。图7中所示的实验结果与图5中所示的由理论计算得到的结果基本上一致。

通常以下述方式设计光缆：对于长期使用，允许弯曲半径等于光缆直径的20至30倍；对于短期使用，允许弯曲半径等于光缆直径的大约10倍。因此，从传输损耗和光纤寿命的观点出发，要求光纤所经受的应变在长期使用的情况下不超过0.2％的普通保证强度等级，而对于短期使用的情况则不超过0.7％。

假定用作理论计算模型的光缆具有10毫米的外径，这样，当弯曲半径是光缆直径的30倍时，该半径R是300毫米；当弯曲半径是光缆直径的10倍时，该半径R是100毫米。图5中所示的理论计算结果和图7中所示的实验结果清楚地表明：为了使光纤满足上面规定的净应变的允许范围(对于长期使用小于等于0.2％，对于短期使用小于等于0.7％)，所述扭纹反转角最好应当在240°至310°的范围内。还发现，因为当把光纤组装和限制在定位架的螺旋形凹槽中时，通常为光纤长度提供大约0.1％的容隙，所以即使所述扭纹反转角是在230°至330°的较宽的范围内，也能够把可能在光纤中产生的应变限制在容许的范围内。正如在说明图5中所示的理论结果时已经指出的，即使把上面规定的扭纹反转角的最佳范围加上360°的整数倍，从而把它扩展到从230°+360°×n到330°+360°×n(n是零或正整数)的范围，也得到与图1(a)中所示类型的光缆基本上相同的结果。

对于不同的光缆外径，通过适当选择各光纤螺旋线螺距、同样可应用上述结果。

为了检验上述结果，本发明人进行了如下的数学运算。

参考图3(该图用图解法表示具有按给定间隔周期地反转扭纹方向的光缆)，如果光缆在x-z平面内弯曲，那么人们确实可以这样认为：由方程组(1)所表示的三维空间曲线将由于其z分量而产生一种应变。由表示弯曲应变的图8可以明白，如果光纤在某一点处的z方向小线段dz以半径R弯曲，那么该线段的长度将增加到(R+X)dξ。由于中心线的长度保持不变，所以如下的关系是正确的：

Rdξ＝dz                         ...(4)，因此可以推导出如下的关系： $(R+x)\mathrm{d\ξ}=\mathrm{dz}+\frac{\mathrm{xdz}}{R}\…\left(5\right).$

由方程(5)，dΔlz或由于以半径R弯曲引起的dz的伸长(如果x取负值则是收缩)由下列给出： $\mathrm{d\Δlz}=\frac{1}{R}\mathrm{xdz}\…\left(6\right).$

为便于进一步计算起见，让我们把方程组(1)中的变量θ变换成用如下的函数表示的变量t： $t={\sin }^{-1}\frac{2\mathrm{\θ}}{\mathrm{\φ}}\…\left(7\right).$

把方程(7)代入方程(1)，再把方程(1)代入方程(6)则图3所示的点F1和F2之间产生的总伸长可以用下式表示： $\mathrm{\Δlz}=\frac{1}{R}{\∫}_{\frac{-\mathrm{\π}}{2}}^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}\mathrm{xdz}=\frac{\mathrm{Pa}}{2\mathrm{\πR}}{\∫}_{\frac{-\mathrm{\π}}{2}}^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}\cos \left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\sin t\right)\mathrm{dt}$ $=\frac{\mathrm{Pa}}{\mathrm{\πR}}{\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}\cos \left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\sin t\right)\mathrm{dt}\…\left(8\right).$

显然，扭纹反转角的最佳值是这样的值：它使得方程(8)的积分值变为零。

如果光缆以在某一方向(该方向将与x轴构成角度α，见图6)上的半径R弯曲，那么，可以用如下的式子表示图3中所示的点F1和F2之间产生的总伸长(略去计算的细节)： $\mathrm{\Δl}=\frac{\mathrm{Pa}}{\mathrm{\πR}}\cos \mathrm{\α}{\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}\cos \left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\sin t\right)\mathrm{dt}\…\left(9\right).$

对于α＝0，即光缆在x-z平面内弯曲的情况，该方程与方程(8)等效。

求积分式 的值，其结果是： $\frac{\mathrm{\π}}{2}{J}_0\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)\…\left(10\right)$ 其中Jo(Φ/2)是零阶贝塞尔函数。确定Jo(Φ/2)的第一个零点： $\frac{\mathrm{\φ}}{2}=2.4\…\left(11\right)$

Φ的角度表示法是Φ＝275°。第二个和更高次数的零点位于大约275°加上360°的整倍数的值附近。

上文的讨论提供了以下事实的理论验证，即，在小于360°的情况下，275°的扭纹反转角确保了与光纤的螺旋线螺隔P及弯曲半径R无关的最佳结果。

下文就本发明的两个方面中的每个方面描述本发明的光缆的具体实施例。结合本发明的第一方面制造一种光缆样品。如图1(a)中用图解法所表示的，该光缆的光纤容纳在定位架的螺旋形凹槽中，同时，扭纹方向按给定的间隔周期地反转，用标号6表示的该定位架有4个螺旋形凹槽(它们具有280°的扭纹反转角Φ、400毫米的螺距P)以及9毫米的外径。光纤组件7被容纳在由包裹在该定位架周围的塑料固定带8所构成的4个空腔中的每一个中。塑料带8又用一层PE LAP外皮包裹。该光缆有一个在其中心位置的受拉构件9。

当该光缆以100毫米的半径弯曲时，在光纤中产生不超过0.2％的应变。当弯曲半径是300毫米时，光纤中产生的应变减小到0.1％或更小。

上文的描述涉及n＝0的情况，但是应当明白，本发明决不仅仅限于这种特殊的情况。即使n不是零，只要n是正整数、同样得到本发明的各种优点。为了给分支光缆的最后处理提供最大的长度，通常的做法是：使用一种凹槽形定位架，其中，在S方向转若干圈之后，各光纤扭纹的方向反转、以开始z方向的若干圈。作为这种光缆结构的例子，制造了一种使用n＝10凹槽形定位架的样品(未示出这种光缆的结构)。该定位架备有4个外径9毫米的螺旋形凹槽；各凹槽的几何形状使得各光纤将会以200毫米螺距在S方向绕10圈，然后，扭纹方向以275°的角反转，接着是光纤在z方向绕10圈。在由缠绕在该定位架周围的塑料固定带构成的4个空腔中的每一个中、容纳3根裸光纤。该塑料带又用一种PELAP外皮包裹、以构成光缆。当该光缆围绕所述扭纹反转点以100毫米的半径弯曲时，在各光纤中产生的应变不大于0.15％。当对具有360°的扭纹反转角的光缆进行同样的弯曲实验时，在各光纤中产生大约0.25％的应变。

结合本发明的第二方面制造了一种光缆样品。如图1/(b)中用图解法所表示的，该光缆的各光纤沿着中心构件外表面上的螺旋形路径股绞，同时，扭纹的方向以给定的间隔周期地反转。用标号16表示的各光纤组件环绕外径9毫米的中心构件17股绞和装配，同时，扭纹方向以200毫米的间隔在每个280°点处反转。装配好的光纤组件用塑料固定带(未示出)包裹、然后再用PELAP外皮15包裹、以构成光缆。

当该光缆以100毫米的半径弯曲时，在各光纤组件中产生不大于0.2％的应变。当弯曲半径是300毫米时，在各光纤组件中产生的应变减小到0.1％或更小。

用于本发明的第一和第二方面的恰当的n值将随着打算使用的光缆、光缆外径、光纤组件的数目以及装配设备的尺寸而改变。但是应当指出，本发明的实质与n值无关而是涉及确定任何光纤扭纹方向反转点的最佳扭纹反转角。

正如上文所描述的，根据本发明的第一方面的光缆的各光纤被容纳在定位架的螺旋形凹槽中，该槽的螺旋线方向周期地反转，其特征在于：把最佳扭纹反转角Φ调整到满足如下条件：

230°+360°×n≤Φ≤330°+360°×n其中n是零或正整数。当与用把单向股绞的光纤容纳的定位架的螺旋形凹槽中的方法所制造的普通光缆相比时，包含该特点的光缆具有显著地降低光缆制造成本的优点。此外，这种光缆没有随着光缆的弯曲的方向而增加传输损耗的问题；这个问题在普通类型的光缆中(在该光缆中，各光纤被容纳在定位架的螺旋形凹槽中，该槽的螺旋线方向接各给定的间隔周期地反转)遇到过、而由本发明作了仔细考虑。

根据本发明的第二方面的光缆让多股光纤遵循沿中心构件外表面的螺旋形路径而股绞、同时其扭纹方向按一些给定的间隔周期地反转、其特征在于把扭纹反转角Φ调整到满足如下条件：

240°+360°×n≤Φ≤310°+360°×n其中n是零或正整数。当与用把单向股绞的光纤容纳在定位架的螺旋形凹槽中的方法所制造的普通光缆比较时，包含该特点的光缆具有显著地降低光缆制造成本的优点。此外，这种光缆没有随着光缆弯曲方向而增加传输损耗的问题，这是曾经在普通类型的层股绞光缆中遇到的问题。

虽然已经结合那些目前认为最实际和最佳的实施例描述了本发明，但是显然，本发明不限于这些已公开的实施例，相反，本发明的意图是要覆盖包括在所附权利要求书的精神和范围中的各种变更和等同结构。

Claims (1)

1.一种光缆，包括：

一定位架，其外表面有至少一个螺旋形槽，该螺旋形槽周期性地反转其方向；

至少一光纤或光纤单元，装设在所述螺旋形槽中；和

所述光纤或光纤单元对于外鞘的内壁或所述螺旋形槽的表面是可动的，同时保持其螺旋形；

其特征在于：

光纤在定位架圆周方向上从螺旋方向的一个反转点至下一个反转点的距离范围内旋转的扭纹反转角φ为275°，从而抑制了在所述光缆弯曲时所述光纤所产生的变形；以及

每条所述螺旋形槽收容了一条以上的光纤。

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