CN111971864B - 具有高压隔离功能的海底光中继器 - Google Patents

具有高压隔离功能的海底光中继器 Download PDF

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Abstract

本文描述的系统和方法提供了一种海底光中继器，其中多个导热的电绝缘的陶瓷构件形成具有内部体积的中空结构，当与在中空结构的外部保持的相对较低的第二电压相比，该中空结构的内部体积保持在相对较高的第一电压。设置在内部体积中的处于第一电压的导电元件向设置在中空结构的内表面上的光中继器提供电力。电力从导电元件径向向外流向光中继器，再到海底光中继器周围的周围环境。导热陶瓷构件将光中继器与第二电压电隔离，同时为光中继器操作期间生成的热量提供导热路径，以消散到周围环境中。

Description

具有高压隔离功能的海底光中继器
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年4月6日提交的美国临时申请序列号第62/653,980号的权益，其教导内容以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及用于海底应用的光中继器。
背景技术
海底光纤上使用的中继器通常使用位于光缆终端的陆上恒定电流电源供电。光缆上每个中继器使用的电力由同轴电缆的内导体承载，该同轴电缆还承载数据传输光纤。同轴电缆周围的水提供了接地的外部导体。内导体可以维持在高达10kV的电压下。在每个中继器内部插入分流转换器电路，以降低足以运行泵浦激光器和相关电子器件的电力。该电路可以处于与中央导体的操作电压一样高的电位。中继器的壳体与周围水接触，因此处于接地电位。因此，在中继器壳体内包含电子器件的结构必须与壳体电隔离。另外，中继器电子器件在操作期间会发热。因此，热路径必须将中继器电子器件与周围水相连，以提供冷却并防止中继器电子器件过热和过早损坏。
附图说明
随着以下详细描述的进行并参考附图，所要求保护的主题的各个实施例的特征和优点将变得显而易见，其中相同的附图标记表示相同的部件，并且其中：
图1是根据本文描述的至少一个实施例的示例性光中继器系统的截面图，其中多个导热陶瓷构件形成中空结构，在该中空结构的内表面上安装一个或多个光中继器，并且使用具有相对较高的第一导热率和相对较高的介电常数的材料制造多个导热陶瓷构件中的每一个；
图2是根据本文描述的至少一个实施例的示例性光中继器系统的截面正视图，其中三个导热陶瓷构件被设置成形成等边三角形形式的多边形中空结构；
图3是根据本文描述的至少一个实施例的示例性光中继器系统的透视图，其中三个大体上平面导热陶瓷构件使用多个连接器沿着边缘纵向地耦接；
图4是根据本文描述的至少一个实施例的示例性光中继器系统的截面图，其中三个大体上平面导热陶瓷构件使用多个连接器沿着边缘纵向地耦接；
图5是根据本文描述的至少一个实施例的示例性海底光纤通信系统的示意图，其中包括多个光中继器系统的光缆可通信地将第一光收发器耦接到远程第二光收发器510B；
图6是根据本文描述的至少一个实施例的示例性海底光中继器制造方法的流程图；
图7是根据本文描述的至少一个实施例的附接导热陶瓷构件的纵向边缘以形成中空结构的示例性方法的流程图；
图8是根据本文描述的至少一个实施例的在围绕中空结构的导热材料中形成光纤托架，并且经由光纤托架将光纤路由到设置在中空结构中的光中继器/从设置在中空结构中的光中继器路由光纤的示例性方法的流程图；以及
图9是根据本文描述的至少一个实施例的使用诸如图1至图4中所描述的海底光中继器的示例性通信方法的流程图。
虽然下面的具体实施方式将参考示例性实施例进行，但是其许多替代、修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。
具体实施方式
本文公开的系统和方法提供了海底光中继器，其中中继器电子器件设置在中空结构内部，该中空结构使用多个物理耦合的陶瓷构件形成，该陶瓷构件将相对高电压的中继器与处于接地电位的周围水电隔离，但是其将中继器与周围水热耦合，以使中继器的操作温度保持在可接受的温度范围内。本文所述的系统和方法使用陶瓷构件形成中空结构，该陶瓷构件包括一种或多种材料，诸如氮化铝(A1N)，其表现出高的导热率(例如，150瓦/米·开尔文(W/mK)至250W/mK)和相对较高的介电常数(例如，125千伏/厘米(kV/cm)至200kV/cm)。配电系统和/或电路以及中继器电路设置在中空结构内部。光中继器可以物理地固定到陶瓷构件的内表面，以使从中继器通过陶瓷材料到相对凉爽的周围水的热传递最大化。保持在周围水的电位下的一种或多种导热材料可以设置在中空结构的外部周边的至少一部分周围。中空结构和一种或多种导热材料可以设置在诸如铝或不锈钢管或类似物的刚性壳体内部。本文描述的系统和方法将电子器件安装在陶瓷构件上，从而使得能够将高压/海地接口定位在中继器壳体内的任何点，而不会损害发热组件与周围水之间的热路径。
本文描述的系统和方法的示例实现方式包括布置成形成三角形中空结构的三个平面陶瓷构件。可以使用具有相对较高的导热率和相对较高的介电常数的材料(诸如氮化铝)形成平面陶瓷构件。高压导体和功耗器件设置在三角形中空结构的内部。三角形中空结构被导热材料包围，该导热材料导电地耦接到周围水(即，处于接地电位)。例如不锈钢或铍青铜管之类的导热壳体可以包围导热材料。
如本文所使用，术语“纵向”是指通常平行于设置在由导热陶瓷构件形成的中空结构的内部区域中的相对高压导电元件的取向。
提供了一种海底光中继器。该光中继器可以包括：多个导热陶瓷构件，其被布置为形成中空结构，该中空结构限定内部空间并具有多个内表面和外部周边。多个导热陶瓷构件中的每一个可以包括具有第一介电强度和第一导热率的电绝缘材料。光中继器可以另外包括：配电构件，其至少部分地设置在内部体积中，该配电构件包括至少一个导体以承载相对较高的第一电压；至少一个光中继器，设置在中空结构的多个内表面中的至少一个上并耦接到至少一个导体，以及导热材料，设置成围绕中空结构的外部周边的至少一部分。导热材料可以包括具有大于第一导热率的第二导热率的材料。导热材料可以包括在相对较低的第二电压下操作的一种或多种材料。光中继器可以另外包括设置成围绕由导热材料形成的外部周边的至少一部分的壳体。壳体可以包括具有大于第一导热率的第三导热率的一种或多种材料。壳体可以在相对较低的第二电压下操作。
提供了一种制造海底光中继器的方法。该方法可以包括：布置多个导热陶瓷构件中的每一个，以形成具有由导热陶瓷构件中的每一个的内表面限定的内部空间的中空结构，多个陶瓷构件中的每一个具有各自的内表面并且包括具有第一介电强度和第一导热率的电绝缘材料；将配电构件至少部分地设置在中空结构的内部体积中，该配电构件包括至少一个导电构件以在相对较高的第一电压下操作；将一个或多个光中继器设置在中空结构的多个内表面中的至少一个上；将一个或多个中继器导电地耦接到至少一个导体；围绕中空结构的外部周边的至少一部分设置导热材料，该导热材料在相对较低的第二电压下操作，该导热材料包括具有大于第一导热率的第二导热率的材料；以及围绕导热材料的至少一部分设置壳体，该壳体在相对较低的第二电压下操作，该壳体包括具有大于第一导热率的第三导热率的材料。
提供了一种经由海底光中继器中继光信号的方法。该方法可以包括：将相对较高的第一电压施加到至少部分地设置在由多个导热陶瓷构件形成的中空结构的内部体积中的导电构件，多个导热陶瓷构件具有形成内部体积的相应的多个内表面，多个导热陶瓷构件中的每一个都包括具有第一介电强度和第一导热率的电绝缘材料。该方法还可以包括：通过耦接到多个导热陶瓷构件中的至少一个的内表面的多个光中继器中的每一个接收至少一个光信号；通过多个光中继器中的每一个生成光输出信号；将光输出信号传送到设置在由多个导热陶瓷构件形成的内部空间外部的光纤；通过附接到相应光中继器的导热陶瓷构件以及通过设置在中空结构的外部周边的至少一部分周围的导热材料来传递由多个光中继器中的每一个生成的热能，导热材料包括具有大于第一导热率的第二导热率的至少一种材料；通过围绕导热材料的至少一部分设置的壳体来传递由导热构件传递的热能，该壳体包括具有大于第一导热率的第三导热率的材料；以及使导热材料和壳体保持处于相对较低的第二电压。
图1是示例性光中继器系统100的截面图，其中多个导热陶瓷构件110A-110D(统称为“导热陶瓷构件110”)形成中空结构120，一个或多个光中继器130A-130D(统称为“光中继器130”)安装在中空结构120的内表面112A-112D(统称为“内表面112”)上，并在其中根据本文描述的至少一个实施例使用具有相对较高的第一导热率和相对较高的介电常数的材料制造多个导热陶瓷构件110中的每一个。配电构件140至少部分地设置在中空结构120中的内部空间122中。配电构件140包括保持在第一相对较高的电压(V1)的导电元件150，并且可以包括结构142，该结构承载将导电元件150连接到配电电路180A-180C(统称为“配电电路180”)的电缆引线，该配电电路可以包括但不限于：分流转换器电路；电涌抑制电路；DC/DC转换器电路；或其组合。
在操作中，中空结构内的区域122保持在相对较高的第一电压，而设置在中空结构120外部的一些或全部元件保持在相对较低的第二电压(V2)。导热陶瓷构件110为在光中继器130和设置在中空结构120中的其它电气组件的操作期间生成的热能提供导热路径，以向外流动到光中继器系统100周围的周围环境中。例如，在海底光中继器系统100中的光中继器130和/或中空结构120中的电气组件的操作期间生成的热能向外流动并流入周围水中。有利地，导热陶瓷构件110具有相对较高的介电常数，其防止中空构件120内部的区域与围绕光中继器系统100的外部区域短路。相对于采用具有相对较低的导热率的电绝缘体来将相对较高电压的组件(例如，光耦合器和附带的电源电路)与相对较低的接地电压的周围水隔离的现有光中继器系统，陶瓷构件110的使用提供了显著改进。这样的现有系统需要明显较大的表面区域以有效地消散光中继器生成的热量。
导热材料190至少部分地围绕中空结构120。导热材料190辅助传递来自设置在中空结构120中、设置在其上或设置在其周围的组件和/或电路的热能。在各实施例中，至少部分地包围中空结构120的导电材料190可以保持在周围环境的电位或电压下。例如，包围中空结构120的导热材料190可以保持在等于接地电位的第二电压。壳体192至少部分地包围和/或封装导热材料190。在各实施例中，壳体192可以包括具有相对较高的导热率的高强度和/或结构刚性的材料，诸如铍青铜或不锈钢。
一个或多个电路和/或光学系统组件170A-170D(统称为“光学系统组件170”)可以设置在形成中空结构120的导热陶瓷构件110的一个或多个外表面114A-114D(统称为“外表面114”)上。这种光学系统组件170可以包括一个或多个能够在中空结构120外部的相对较低的电压环境中操作的电路。例如，一个或多个光学系统组件170可以包括设置在导热陶瓷构件110的一个或多个外表面114的全部或一部分中、设置在其上、设置在其周围或设置在其两端(disposed across)的电路或光学组件。一些或全部光学系统组件170可以封装在介电材料中，可以设置在导热陶瓷构件110的一个或多个外表面114的全部或一部分中、设置在其上、设置在其周围或设置在其两端。在操作中，电力从相对较高电压的导电元件150中流过配电电路180到达设置在陶瓷构件110的内表面112上的光中继器130，再到设置在中空结构120周围的相对较低电压的环境。
多个导热陶瓷构件110形成中空结构120。在各实施例中，多个导热陶瓷构件110可以包括任何当前可用或将来开发的导热电绝缘体，诸如具有相对较高的导热率和相对较高的介电常数的陶瓷材料。多个导热陶瓷构件110中的每一个可以具有相同或不同的物理几何形状、大小或尺寸。在一些实施例中，导热陶瓷构件110中的每一个可以包括平面导热陶瓷构件。导热陶瓷构件110可以包括一种或多种导热且电绝缘的化合物，诸如：氮化铝(A1N)；氧化铍(BeO)；和类似物。在实施例中，导热陶瓷构件110可以包括嵌入在主体材料或载体基质中的一种或多种导热且电绝缘的陶瓷材料。例如，导热陶瓷构件110可以包括嵌入在疏水主体材料或载体基质中的一种或多种陶瓷材料，诸如尼龙12或类似物。在实施例中，多个导热构件110中的一些或全部中的每一个可以形成为一体结构。在其它实施例中，多个导热构件110中的一些或全部中的每一个可以通过将多个较小的导热构件永久地固定或可拆卸地附接在一起以形成导热构件110而形成。在实施例中，多个导热陶瓷构件110中的每一个可以具有以下导热率：大于约25瓦/米-开尔文(W/m-K)；大于约50W/m-K；大于约100W/m-K；大于约125W/m-K；大于约150W/m-K；大于约175W/m-K；大于200W/m-K；大于约250W/m-K；或大于约300W/m-K。在实施例中，导热陶瓷构件110中的每一个可以具有以下介电常数：大于约50千伏/厘米(kV/cm)；大于约75kV/cm；大于约100kV/cm；大于约125kV/cm；大于约150kV/cm；或大于约175kV/cm。导热陶瓷构件110中的每一个可以具有任何厚度。在实施例中，导热陶瓷构件110中的每一个可以具有以下厚度：小于约2毫米(mm)或更小；小于约5mm；小于约7mm；小于约10mm；小于约12mm；小于约15mm；或小于约20mm。
可以耦接任何数量的导热陶瓷构件110以形成中空结构120。在实施例中，形成中空结构的一些或全部导热陶瓷构件110可以是弯曲的、弓形的、拱形的或类似的。在各实施例中，形成中空结构120的一些或全部导热陶瓷构件110可以是平面的。在实施例中，导热陶瓷构件110可以包括沿纵向边缘耦接以形成具有多边形横截面的中空结构120的任意数量的平面导热陶瓷构件110A-110n。例如，三个导热陶瓷构件110A-110C可以沿着纵向边缘耦接以形成具有三角形横截面轮廓的中空结构120。在另一示例中，六个导热陶瓷构件110A-110F可以沿着纵向边缘耦接以形成具有六边形截面轮廓的中空结构120。
导热陶瓷构件110可以使用能够固定导热陶瓷构件110以形成具有定义的横截面轮廓的中空结构120的任何数量的当前可用和/或将来开发的连接系统、材料和/或装置和/或其组合来耦接。在一些实施例中，导热陶瓷构件110可以沿一些或全部导热陶瓷构件110的纵向边缘化学可拆卸地结合在一起和/或热可拆卸地结合在一起或不可拆卸地结合在一起。在一些实施例中，导热陶瓷构件110可以使用一个或多个紧固件、夹子或类似的可移动或不可移动器件沿一些或全部导热陶瓷构件110的纵向边缘可拆卸地或不可拆卸地耦接在一起。耦接的导热陶瓷构件110形成中空结构120。可以将至少部分地设置在中空结构120的内部空间122内的一些或全部组件和/或电路保持在相对较高的第一电压V1。
多个光中继器130A-130D中的每一个设置在形成中空结构120的导热陶瓷构件110A-110D的内表面112A-112D的至少一部分内、设置在其上或设置在其周围。在实施例中，光中继器130中的每一个可以例如使用导热胶泥或类似材料导热地耦接到相应的导热陶瓷构件110。光中继器130可以包括能够接收和重新传播光信号的任何数量的当前可用和/或将来开发的系统和/或设备和/或其组合。光中继器130导电地耦接到由配电构件140承载的导电元件150并从其接收电力。
配电构件140至少部分地设置在由导热陶瓷构件110形成的中空结构120的内部空间122内。导电元件150可以设置在配电构件140中、设置在其上或设置在其周围。在一些实施例中，导电元件150可以设置在配电构件140的内部空间142中。与设置在中空结构120外部的导热材料190和壳体192的相对较低的第二电压相比，导电元件150可以在相对较高的第一电压下操作。在实施例中，导电元件150可以相对于第二电压处于以下第一电压：大于约250伏(V)；大于约500V；大于约1kV；大于约2.5kV；大于约5kV；或大于约10kV。除了导电元件150之外，一个或多个配电电路180可以被设置在配电构件140中、设置在其上或设置在其周围。
一个或多个电缆引线将配电电路180导电地耦接到光中继器130。配电电路180以适当的电压向一些或全部光中继器130和/或一些或全部光学系统组件170提供干净的、经过滤波的电力。光学系统组件170可以包括能够在相对较低的第二电压下的环境中操作的任何数量的组件和/或电路和/或其组合。配电电路180可以包括但不限于：一个或多个分流转换器；一个或多个电涌抑制器；一个或多个DC/DC转换器；或其组合。配电电路180导电地耦接到导电元件150。
中空结构120的内部空间122可以包括空隙空间，或者可以被电介质或类似材料部分或完全填充。导热材料190可以至少部分地包围形成中空结构120的导热陶瓷构件110A-110D的外表面114A-114D。在实施例中，导热材料190可以包括能够有效地和高效地将热能从导热陶瓷构件110的外表面114传递到壳体192的任何数量的当前可用的和/或将来开发的材料和/或其组合。在实施例中，导热材料190可以包括一种或多种导热和电绝缘的材料，诸如氧化铝(Al2O3，即，氧化铝)和/或具有以下导热率的其它陶瓷材料：大于约25瓦/米·开尔文(W/mK)；大于约50W/m-K；大于约100W/m-K；大于约125W/m-K；大于约150W/m-K；大于约175W/m-K；大于200W/m-K；大于约250W/m-K；或大于约300W/m-K。导热材料190可以保持在相对较低的第二电压。在实施例中，导热材料190可以保持在光中继器系统100周围的环境的电压下。
壳体192至少部分地包围导热材料190。壳体192可以包括具有合理的导热率并能够保护光中继器系统100的内容物免受外部环境影响的任何材料或材料的组合。在实施例中，壳体192可以封装光中继器系统100，并且可以包括连接器和/或耦合件，以利于电力经由导电元件150通过和/或光信号经由一根或多根光纤通过。在一些实现方式中，壳体192可以将光中继器系统100与外部环境气密密封。壳体192可以由一种或多种金属制成，所述金属包括但不限于：铝和/或含铝化合物、不锈钢、铍和/或含铍化合物、钛和/或含钛化合物以及类似材料。虽然在图1中被描绘为圆形，但是壳体192可以具有任何物理几何形状、尺寸、形状或构型。
图2是根据本文描述的至少一个实施例的示例性光中继器系统200的截面正视图，其中三个导热陶瓷构件110A-110C被设置成形成等边三角形形式的多边形中空结构210。如图2中所描绘，三个导热陶瓷构件110A-110C可以沿着边缘纵向结合以形成三角形中空结构210。承载导电元件150的配电构件140可以设置在三角形中空结构210的内部体积122内。保持在导电元件150的相对较高的第一电压下的组件的热输出通过导热材料190从导热陶瓷构件110导离，从而产生热能经由光中继器系统100的径向向外流动。
图3是根据本文描述的至少一个实施例的示例性光中继器系统300的透视图，其中三个大体上平面导热陶瓷构件110A-110C使用多个连接器310A-310C沿边缘纵向耦接。如图3中所描绘，在实施例中，导热材料190可以包括一个或多个刚性的导热构件190，其设置在导热陶瓷构件110A-110C的外表面114附近。
图4是根据本文描述的至少一个实施例的示例性光中继器系统400的截面图，其中三个大体上平面导热陶瓷构件110A-110C使用多个连接器310A-310C沿边缘纵向耦接。如图4中所描绘，一个或多个电路板410A-410C(统称为“电路板410”)可以被设置在导热陶瓷构件110A-110C的内表面112A-112C附近。在实施例中，光中继器130A-130C可以设置在一个或多个电路板410中、设置在其上或设置在其周围。除了一个或多个光中继器130之外，一个或多个分流转换器电路可以被设置在一个或多个电路板410中、设置在其上或设置在其周围。
如图4中所描绘，光学系统组件170可以包括一个或多个增益块420A-420C以及一个或多个光学模块430A-430C。光学系统组件170可以被设置在一些或全部导热陶瓷构件110A-110C的外表面114A-114C附近，或者在光学模块内部或增益块420内部。
图5是根据本文描述的至少一个实施例的示例性海底光纤通信系统500的示意图，其中包括多个光中继器系统100A-100n的光缆510将第一光收发器520A可通信地耦接到远程第二光收发器520B。如图5所描绘，光缆510可以包括任何数量的单独的光通信光纤和在相对较高的第一电压下操作的至少一个导电元件150。沿着光缆510传送的信号被沿光缆510以规则或不规则间隔设置的光中继器系统100A-100n中的一些或全部接收。光中继器100A-100n中的每一个接收、放大和重发由光缆510中所包括的一根或多根光纤承载的光信号。
一个或多个导电元件150A-150n沿着光缆510向光中继器系统100A-100n中的每一个提供电力。光中继器系统100A-100n消耗电力以放大和重发由光缆510中所包括的成束光纤中的一些或全部承载的光信号，光缆510的至少一部分可以浸没在水体530中。在实施例中，光缆510可以包括数十、数百或甚至数千个单独的光纤。在实施例中，光缆510可以包括任何数量的导电元件150A-150n，每个导电元件在相对较高的第一电压下操作。在各实施例中，光缆510可以至少部分地设置在海底环境530中。
第一光收发器520A和第二光收发器520B可以包括一个或多个相应的恒流电源540A、540B，其向光缆510中所包括的导电元件150提供电力。在实施例中，第一光收发器520A和第二光收发器520B可以包括能够生成第一电压的一个或多个电源，该第一电压为：大于约250伏(V)；大于约500V；大于约1kV；大于约2.5kV；大于约5kV；或大于约10kV。
图6是根据本文描述的至少一个实施例的示例性海底光中继器制造方法600的流程图。该方法开始于602。
在604处，布置多个导热陶瓷构件110以形成中空结构120，该中空结构具有由导热陶瓷构件110中的每一个的内表面112限定的内部空间122。多个陶瓷构件110中的每一个可以使用具有第一介电强度和第一导热率的电绝缘材料制造或以其它方式形成。在实施例中，导热陶瓷构件110可以包括非平面构件，诸如弯曲的、弓形的、拱形的或刻面构件。在各实施例中，导热陶瓷构件110可以包括平面陶瓷构件。
在606处，配电构件140至少部分地设置在中空结构120的内部体积122内。配电构件140可以包括具有内部体积142的中空构件。一个或多个导电元件150可以设置在配电构件140中、设置在其上或设置在其周围。在各实施例中，导电元件150可以在相对较高的第一电压下操作。第一电压可以大于10kV。
在608处，一个或多个光中继器130被定位、放置或以其它方式设置在形成中空结构120的一个或多个导热陶瓷构件110的一个或多个内表面112的至少一部分中、设置在其上或设置在其上方。在实施例中，光中继器130可以可拆卸地或不可拆卸地附接到一个或多个导热陶瓷构件110的内表面112。
在610处，一个或多个光中继器130导电地耦接到导电元件150。来自导电元件150的电力可以在光中继器130之前通过一个或多个配电电路180，诸如一个或多个分流转换器、一个或多个电涌抑制器和/或一个或多个DC/DC转换器。
在612处，可以至少部分地围绕多个导热陶瓷构件110中所包括的每一个导热陶瓷构件110的外表面114设置导热材料190。在实施例中，导热材料190可以包括具有以下导热率的材料：大于约100瓦/米-开尔文(W/m-K)；大于约125W/m-K；大于约150W/m-K；大于约175W/m-K；大于约200W/m-K；大于约250W/m-K；或大于约300W/m-K。在一些实施例中，导热材料190的导热率可以大于导热陶瓷构件110的导热率。
在614处，围绕导热材料190的至少一部分设置壳体192。在实施例中，壳体192可以包括刚性材料以向海底光中继器100提供结构强度。在实施例中，壳体192可以包括密封和/或水密壳体192。在各实施例中，壳体192可以包括金属壳体，诸如使用铝、铝合金、铍、铍合金或不锈钢合金或钛制成的壳体。在实施例中，壳体192可以具有等于或大于导热陶瓷构件110的导热率。在实施例中，壳体192可以具有以下导热率：大于约100瓦/米-开尔文(W/m-K)；大于约125W/m-K；大于约150W/m-K；大于约175W/m-K；大于200W/m-K；大于约250W/m-K；或大于约300W/m-K。方法600在616处结束。
图7是根据本文描述的至少一个实施例的附接导热陶瓷构件110的纵向边缘以形成中空结构120的示例性方法700的流程图。方法700可以与在图6中详细描述的方法600结合使用。方法700开始于702。
在704处，可以使用一个或多个耦接结构来物理耦接多个导热陶瓷构件110。这样的耦接结构可以包括设置在中空结构内的一个或多个框架或类似的支撑元件。这样的耦接结构可以包括沿着每个导热陶瓷构件110的全部或部分纵向边缘设置的一个或多个连接构件310、耦合器或类似的设备或系统。在实施例中，连接构件310可以物理地固定到导热陶瓷构件110的纵向边缘以形成中空结构120。在其它实施例中，连接构件310可以被“按压”或“电阻”装配到导热陶瓷构件110的纵向边缘。方法700在706处结束。
图8是根据本文描述的至少一个实施例的在围绕中空结构120的导热材料190中形成光纤托架，并且经由光纤托架将光纤路由到设置在中空结构中的光中继器130/从光中继器130进行路由的说明性方法800的流程图。方法800可以与在图6中详细描述的方法600和/或在图7中详细描述的方法700结合使用。方法800开始于802。
在804处，可以在至少部分地包围中空结构120的导热材料190中、在其上或其周围形成或以其它方式形成一根或多根光纤路由托架。在实施例中，光纤路由托架可以直接形成在导热材料190中。在实施例中，光纤路由托架可以包括一个或多个插入物，其可以装配到导热材料190中的凹部或凹口中。
在806处，将一根或多根光纤耦接到光中继器130。在各实施例中，可将一根或多根光纤路由到其上安装有光中继器130的导热陶瓷构件110中、该导热陶瓷构件110的周围或穿过导热陶瓷构件110。
在808处，将耦接到光中继器130的一根或多根光纤设置、定位或以其它方式放置在光纤路由托架中。在至少一些实施例中，可以将一根或多根光纤引出光中继器系统100，例如作为在包含多根光纤的光缆中包括的光纤。方法800在810处结束。
图9是根据本文描述的至少一个实施例的使用诸如图1至图4中所描述的海底光中继器100的说明性通信方法900的流程图。在实施例中，海底光中继器100A-100n可以沿着光通信电缆510以规则或不规则的间隔设置。沿着光通信电缆510传送的光信号可以随着距离的增加而衰减。沿着光通信电缆510放置的光中继器系统100A-100n增强信号强度，以最小化光通信电缆510携带的光信号中的下降和错误。方法900开始于902。
在904处，远程电源540向设置在由多个导热陶瓷构件110A-110n形成的中空结构120中的导电元件150提供相对较高的第一电压。在实施例中，导电元件150可以由配电构件140承载和/或设置在配电构件140中、设置在其上或设置在其周围，配电构件140设置在由导热陶瓷构件110形成的中空结构120的内部空间122中。在实施例中，导电元件可以处于第一电压，该第一电压：大于约250伏(V)；大于约500V；大于约1kV；大于约2.5kV；大于约5kV；或大于约10kV。在实施例中，中空结构120的内部体积122可以保持在导电元件150所承载的相对较高的第一电压处或附近。
在906处，在设置于形成中空结构120的导热陶瓷构件中的一个的内表面112上的光中继器130处接收一个或多个光信号。
在908处，光中继器130放大接收到的光信号。光中继器130消耗的电力生成热能。
在910处，光中继器130重新传输放大的光信号。
在912处，由光中继器130生成的热能通过承载光中继器130的导热陶瓷构件110被径向向外传送。在各实施例中，导热陶瓷构件110可以包括具有第一导热率的一种或多种材料。
在914处，流过导热陶瓷构件110的热能径向向外流动通过至少部分地围绕中空结构120的外表面设置的导热材料190。在实施例中，导热材料190可以包括具有大于导热陶瓷构件110的第一导热率的第二导热率的一种或多种材料。
在916处，流过导热材料190的热能径向向外流过至少部分地围绕导热材料190的外表面设置的壳体192。在实施例中，壳体192可以包括具有大于导热陶瓷构件110的第一导热率的第三导热率的一种或多种材料。
在918处，可以将导热材料190和/或壳体192维持在相对较低的第二电压。电力可以从保持在导电元件150上的相对较高的第一电压径向向外流动到在光中继器系统100的外部周围保持的相对较低的第二电压。方法900在920处结束。
虽然图6至图9示出了根据一个或多个实施例的示例性海底光中继器的制造和通信方法，但是应当理解，可能对于其它实施例，并非图6至图9所示的所有操作都是必需的。此外，图6至图9中描绘的操作序列是示例性的，并且一些或所有操作可以被改变、调整或重新布置。操作的这种重新布置可以帮助利于自动化和/或提高制造效率-这种重新布置的操作应当被认为包括在本发明的范围内。实际上，本文中充分考虑到，在本发明的其它实施例中，图6至图9中所描绘的操作和/或本文所述的其它操作可以以未在任何附图中具体示出的方式进行组合，且仍然与本发明完全一致。因此，针对未在一个附图中确切示出的特征和/或操作的权利要求被认为在本发明的范围和内容内。
如在本申请和权利要求书中使用，由术语“和/或”连接的项目列表可以表示所列项目的任何组合。例如，短语“A、B和/或C”可以表示A；B；C；A和B；A和C；B和C；或A、B和C。如在本申请和权利要求书中使用，由术语“至少一个”连接的项目列表可以表示所列出术语的任何组合。例如，短语“A、B或C中的至少一个”可以表示A；B；C；A和B；A和C；B和C；或A、B和C。
本文描述的系统和方法提供了一种海底光中继器，其中多个导热电绝缘的陶瓷构件形成中空结构，与在中空结构的外部保持的相对较低的第二电压相比，该中空结构的内部体积保持在相对较高的第一电压。设置在内部空间中的处于第一电压的导电元件向设置在中空结构的内表面上的光中继器提供电力。能够在第二电压下操作的附加光学组件和/或电路可以设置在中空结构的外表面上。设置在中空结构的外表面上的导热材料和设置在导热材料周围的壳体保持在第二电压。电力从导热元件径向向外流动到光中继器，并在海底光中继器周围向外流到周围环境。导热陶瓷构件将光中继器与第二电压电隔离，同时为光中继器操作期间生成的热量提供导热路径，以消散到周围环境中。
本文已采用的术语和表达用作描述而非限制的术语，并且在使用此类术语和表达时，无意排除所显示和描述的特征(或其部分)的任何等效形式，并且应当认识到，在权利要求的范围内可以进行各种修改。因此，权利要求书旨在覆盖所有这些等效物。

Claims (31)

1.一种海底光中继器，包括：
多个导热陶瓷构件，被布置为形成中空结构，所述中空结构限定内部体积，并具有多个内表面和外部周边；
其中所述多个导热陶瓷构件中的每一个包括具有第一介电强度的电绝缘材料；并且
其中所述多个导热陶瓷构件中的每一个包括具有第一导热率的导热材料；
配电构件，至少部分地设置在所述内部体积中，所述配电构件包括至少一个导体以承载第一电压；以及
至少一个光中继器，设置在所述中空结构的所述多个内表面中的至少一个内表面上，并且耦接至所述至少一个导体。
2.根据权利要求1所述的海底光中继器，还包括：
导热材料，设置在所述中空结构的所述外部周边的至少一部分周围；
其中所述导热材料包括具有大于第一导热率的第二导热率的材料；并且
其中所述导热材料包括在低于所述第一电压的第二电压下操作的材料。
3.根据权利要求2所述的海底光中继器，还包括：
壳体，设置在由所述导热材料形成的外部周边的至少一部分周围；
其中所述壳体包括具有大于所述第一导热率的第三导热率的材料；并且
其中所述壳体包括在所述第二电压下操作的材料。
4.根据权利要求1所述的海底光中继器，其中所述多个导热陶瓷构件包括多个平面导热陶瓷构件。
5.根据权利要求4所述的海底光中继器，其中所述中空结构包括中空多边形结构，所述中空多边形结构具有由所述多个平面导热陶瓷构件中的每一个的内表面限定的内部空间。
6.根据权利要求5所述的海底光中继器，其中所述多个平面导热陶瓷构件包括多个平面导热构件，所述多个平面导热构件包括多晶氮化铝。
7.根据权利要求5所述的海底光中继器，其中所述多个平面陶瓷构件包括三个平面陶瓷构件，所述三个平面陶瓷构件布置成形成中空的三角多边形结构。
8.根据权利要求7所述的海底光中继器，还包括电绝缘拐角构件，所述电绝缘拐角构件设置在由所述三个平面陶瓷构件形成的所述三角多边形结构的每个顶点处。
9.根据权利要求1所述的海底光中继器，其中所述至少一个光中继器包括至少一个分流转换器电路SCC。
10.根据权利要求1所述的海底光中继器，其中所述多个导热陶瓷构件中的每一个包括具有从每开尔文25瓦/米到每开尔文250瓦/米的导热率的陶瓷构件。
11.根据权利要求10所述的海底光中继器，其中所述多个导热陶瓷构件中的每一个包括具有从120kV/cm到200kV/cm的介电强度的导热陶瓷构件。
12.根据权利要求1所述的海底光中继器，其中所述配电构件还包括以下项中的至少一个：一个或多个分流转换器、一个或多个电涌抑制器，或耦接到所述至少一个光中继器中的至少一个的一个或多个DC/DC转换器。
13.根据权利要求12所述的海底光中继器，还包括耦接到所述至少一个光中继器的放大器电路，光学系统组件设置在所述多个导热陶瓷构件中的至少一个的外表面上。
14.一种制造海底光中继器的方法：
布置多个导热陶瓷构件中的每一个以形成具有由所述导热陶瓷构件中的每一个的内表面限定的内部空间的中空结构，所述多个陶瓷构件中的每一个具有各自的内表面并包括具有第一介电强度和第一导热率的电绝缘材料；
将配电构件至少部分地设置在所述中空结构的内部体积中，所述配电构件包括至少一个导电构件以在第一电压下操作；
将一个或多个光中继器设置在所述中空结构的所述多个内表面中的至少一个内表面上；以及
将所述一个或多个中继器导电地耦接至所述至少一个导体。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
在所述中空结构的外部周边的至少一部分周围设置导热材料，所述导热材料用于在低于所述第一电压的第二电压下操作，所述导热材料包括具有大于所述第一导热率的第二导热率的材料。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
在所述导热材料的至少一部分周围设置壳体，所述壳体用于在所述第二电压下操作，所述壳体包括具有大于所述第一导热率的第三导热率的材料。
17.根据权利要求14所述的方法，其中布置所述多个导热陶瓷构件中的每一个以形成具有由所述导热陶瓷构件中的每一个的所述内表面限定的所述内部空间的所述中空结构包括：
布置多个平面导热陶瓷构件中的每一个，以形成具有由所述多个平面导热陶瓷构件中的每一个的所述内表面限定的所述内部空间的所述中空结构。
18.根据权利要求17所述的方法，其中布置所述多个平面导热陶瓷构件中的每一个以形成具有由所述多个平面导热陶瓷构件中的每一个的所述内表面限定的所述内部空间的所述中空结构包括：
布置所述多个平面导热陶瓷构件中的每一个，以形成具有由所述多个平面导热陶瓷构件中的每一个的所述内表面限定的所述内部空间的中空多边形结构。
19.根据权利要求18所述的方法，其中布置所述多个平面导热陶瓷构件中的每一个以形成具有由所述多个平面导热陶瓷构件中的每一个的所述内表面限定的所述内部空间的所述中空多边形结构包括：
布置所述多个平面导热陶瓷构件中的每一个以形成具有由所述多个平面导热陶瓷构件中的每一个的所述内表面限定的所述内部空间的所述中空多边形结构，所述多个平面导热陶瓷构件中的每一个包括平面导热氮化铝陶瓷构件。
20.根据权利要求18所述的方法，其中布置所述多个平面导热陶瓷构件中的每一个以形成具有由所述多个平面导热陶瓷构件中的每一个的所述内表面限定的所述内部空间的所述中空多边形结构包括：
布置三个平面导热陶瓷构件，以形成具有由所述三个平面导热陶瓷构件中的每一个的所述内表面限定的所述内部空间的中空三角形结构。
21.根据权利要求18所述的方法，还包括：
经由设置在所述中空多边形结构的每个顶点处的连接构件将所述多个导热陶瓷构件中的每一个固定到所述多个导热陶瓷构件中的另一个上。
22.根据权利要求15所述的方法，还包括：
在所述导热材料中形成一个或多个路由托架；
将所述一个或多个光中继器中的每一个耦接到多根光纤中的至少一根；以及
将所述多根光纤中的每一根设置在形成于所述导热材料中的所述一个或多个路由托架中。
23.根据权利要求14所述的方法，还包括：
在所述多个导热陶瓷构件中的一个或多个的外表面上设置放大器电路，所述放大器电路耦接到所述一个或多个光中继器中的相应光中继器。
24.根据权利要求14所述的方法，其中将至少一个导电构件设置在所述中空结构的所述内部体积内，还包括：
在所述中空结构的所述内部体积中设置配电构件，所述配电构件包括所述至少一个导电构件，所述至少一个导电构件包括以下项的至少一个：一个或多个分流转换器、一个或多个电涌抑制器，或耦接到所述一个或多个光中继器中的至少一个光中继器的一个或多个DC/DC转换器。
25.一种光通信系统，包括：
光缆，所述光缆包括一根或多根光纤和在第一电压下操作的导电构件；以及
至少一个海底光中继器，所述至少一个海底光中继器包括：
多个导热陶瓷构件，被布置为形成中空结构，所述中空结构限定内部体积，并具有多个内表面和外部周边，
其中所述多个导热陶瓷构件中的每一个包括具有第一介电强度的电绝缘材料；并且
其中所述多个导热陶瓷构件中的每一个包括具有第一导热率的导热材料；
配电构件，至少部分地设置在所述内部体积中，所述配电构件包括至少一个导体；以及
至少一个光中继器，设置在所述中空结构的所述多个内表面中的至少一个内表面上，并耦接至所述至少一个导体。
26.根据权利要求25所述的光通信系统，还包括：
导热材料，设置在所述中空结构的所述外部周边的至少一部分周围；
其中所述导热材料包括具有大于所述第一导热率的第二导热率的材料；并且
其中所述导热材料包括在低于所述第一电压的第二电压下操作的材料。
27.根据权利要求26所述的光通信系统，还包括：
壳体，设置在由所述导热材料形成的外部周边的至少一部分周围；
其中所述壳体包括具有大于所述第一导热率的第三导热率的材料；并且
其中所述壳体包括在所述第二电压下操作的材料。
28.一种经由海底光中继器中继光信号的方法：
将第一电压施加到至少部分地设置在由多个导热陶瓷构件形成的中空结构的内部体积中的导电构件，所述多个导热陶瓷构件具有形成内部体积的相应的多个内表面，所述多个导热陶瓷构件中的每一个包括具有第一介电强度和第一导热率的电绝缘材料；
由耦接到所述多个导热陶瓷构件中的至少一个导热陶瓷构件的所述内表面的多个光中继器中的每一个进行接收；
由所述多个光中继器中的每一个生成光输出信号；
将所述光输出信号传送到设置在由所述多个导热陶瓷构件形成的所述内部体积外部的光纤；
通过附接到相应光中继器的导热陶瓷构件和通过设置在所述中空结构的外部周边的至少一部分周围的导热材料来传递由所述多个光中继器中的每一个生成的热能，所述导热材料包括具有大于所述第一导热率的第二导热率的至少一种材料；
通过设置在所述导热材料的至少一部分周围的壳体来传递由所述导热陶瓷构件传送的所述热能，所述壳体包括具有大于所述第一导热率的第三导热率的材料；以及
使所述导热材料和所述壳体保持处于低于所述第一电压的第二电压。
29.根据权利要求28所述的方法，其中将所述第一电压施加到至少部分地设置在由所述多个导热陶瓷构件形成的所述中空结构的所述内部体积中的所述导电构件包括：
将所述第一电压施加到至少部分地设置在由多个平面导热陶瓷构件形成的中空结构的内部体积中的所述导电构件。
30.根据权利要求29所述的方法，其中将所述第一电压施加到至少部分地设置在由所述多个平面导热陶瓷构件形成的所述中空结构的所述内部体积中的所述导电构件包括：
将所述第一电压施加到至少部分地设置在由所述多个平面导热陶瓷构件形成的中空多边形结构的内部体积中的所述导电构件。
31.根据权利要求28所述的方法，其中将所述第一电压施加到至少部分地设置在由所述多个平面导热陶瓷构件形成的所述中空多边形结构的所述内部体积中的所述导电构件包括：
将所述第一电压施加到至少部分地设置在由三个平面导热陶瓷构件形成的中空三角形结构的内部体积中的所述导电构件。
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