CN1150480A - 有扩大的收缩窗的纤维光缆及制造该缆的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的纤维光缆(10)包括至少一个纵向延伸的、包围着伸长的中心支承组件(14)的通道(16)。每个通道确定一个通道轴(18)。每个通道(16)中至少定位着一根光纤(20)，且室温下该光纤有一个在从通道轴(18)向中心支承组件(14)径向向内延伸方向上的平均位置偏移。在一个实施例中，一个通道由一个或多个绞合着中心支承组件(14)的缓冲管(16)界定。在另一个实施例中，一个通道由具有一个或多个纵向延伸的槽的芯界定。光纤缆(10)还可包括包围中心支承组件(14)的一个保护套(22)和通道界定装置(16)、光纤(20)有一个小于保护套(22)、通道界定装置(16)和中心支承组件(14)、其中一个的热膨胀系数的热膨胀系数。因此，通过在室温下在从通道轴(18)径向向内延伸方向上偏移光纤的平均位置，使纤维光缆(10)的热收缩窗增加。

Description

有扩大的收缩窗的纤维光缆 及制造该缆的方法和装置
本发明涉及通信光缆领域，尤其涉及一种纤维光缆及制造该光缆的相应装置和方法。
采用光纤的通信光缆被广泛地应用在电信产业中。特别地，多光纤光缆广泛地应用于长距离电话通信、交换电话网等。纤维光缆也适用于有线电视中以取代传统的同轴电缆。光纤可允许长间隔的信号中继器或免除对所有这些中继器的需要。另外，光纤提供极宽的带宽和低噪声的工作。
典型的纤维光缆包括一个缆芯和一个外护套。在一个缆芯中包含一个或多个光纤。对于一种典型的光缆，譬如用于长距离通信中的光缆，多根光纤以松套缓冲关系被包容在一个由缆芯界定的通道内，以便当光缆被安装时及以后，使光纤至少与施加到光缆上的应力的一部分隔离开来。
典型的松套缓冲的光缆缆芯，如从Hickory，Noreh Carolina的Siecor的MINIBUNDLETM牌产品中可以得到的缆芯，包括一系列绕同心层中心支承元件绞合的塑料缓冲管。在这种设计中，塑料缓冲管界定缆芯的通道。在每个塑料缓冲管中通常设置一根或多根光纤。光纤可以是单根地或成束地设置在缓冲管中，其中成束的光纤捆束是被包裹的。光纤还可以是一或多个装配在缓冲管中的纤维带缆。
另一种情况，缆芯可包括一种骨架式缆芯，典型地由挤出到中心支承元件周围的塑料构成。骨架式芯包含一条或多条纵向延伸的槽，每个槽确定了一条有纵向轴的通道。由骨架式芯确定的槽通常以螺旋形或以一个反转的振荡螺旋方式延伸下去。通常是把光纤束或纤维带缆形式的一根或多根光纤分别放置在缆芯的槽内。在一个骨架式缆芯的纤维光缆实施例中，每个容放着一条或多条分别以光纤束或纤维带缆形式布置的光纤的缓冲管，可以置入槽中。
当光纤以松套缓冲的关系装在各条通道中时，每个光纤通常保持在沿各个通道中心线或轴的中间位置，如每个缓冲管的缓冲管轴或每个缆芯槽的轴上。例如，传统的绞合缓冲管纤维光缆的光纤位置从各个缓冲管的缓冲管轴偏移不同的径向距离，并且是在沿纤维光缆长度不同位置处的变化方向上偏移。然而，这种传统光缆中，光纤的平均中间位置在室温下沿缓冲管轴延伸。
这种譬如用于远距离通信或有线电视网的纤维光缆通常包括架空安装部分，其纤维光缆在垂直支承部位，如公用杆之间延伸。这些光缆按需要提供在希望的温度范围内，具有相对较低的单位距离预定光信号传输衰减。例如，传统的纤维光缆设计成在-40℃～70℃这一Bellcore对纤维光缆的标准所规定的温度范围内提供稳定的光信号传输。
传统的纤维光缆的组件在希望的工作温度范围内有不同的扩张和收缩，这是因为制成光缆组件的各种材料有不同的热膨胀系数。例如，典型的绞合缓冲管式纤维光缆的缓冲管和环绕缓冲管的外护套一般地由塑料材料做成。同样地，对于骨架式光缆，绕中心支承元件挤出的骨架式芯和环绕的外护套一般地也由塑料材料制成。另外，中心支承元件通常由电介质材料制成，如玻璃增强或芳族聚酰胺增强塑料，或一条或多条金属线。
除光纤之外，光缆组件如外护套，中心支承元件和缓冲管或骨架式芯捆扎在一起，使得这些光缆组件的膨胀和收缩量实质上相等。具体地说，除光纤之外光缆组件的有效热膨胀系数αEFF为： α EFF = Σ i = 1 n A i E i α i Σ i = 1 n A i E i - - - ( 1 )
此处Ai是每种材料各自的横截面积，光缆包含的成份用i表示；Ei是每种材料的杨氏模量；αi是每种材料的热膨胀系数。
相反，光纤通常并不与光缆的其它组件捆扎在一起，而是疏松地放置在一条或多条纵向延伸的通道中。光纤通常包括一种材料，如玻璃，其热膨胀系数显著地小于光缆其它组份的热膨胀系数αEFF。因此，当温度升高或降低时光缆其它组件组合体的膨胀和收缩程度，要远大于光纤的膨胀收缩程度。因此，传统的纤维光缆，如缓冲管绞合的纤维光缆或骨架式纤维光缆，做为光纤和光缆其它组件的热膨胀、收缩率不同的结果在界定的通道内的径向位置上移动。
例如，在一种缓冲管绕中心支承组件绞合的传统纤维光缆中，当温度升高或拉力负载施加到光缆上时，光纤从缓冲管轴沿径向向内延伸的方向向中心支承元件移动。或当温度降低时，光纤从缓冲轴沿径向向外延伸离开中心支承元件。
传统的纤维光缆的光纤在各自的通道内移动以适应不同的伸长和收缩率，直到光纤破裂或被弯曲过度，比如在较低的温度下，光纤可能会因光缆其它组件的收缩而弯曲过度。在光纤被弯曲过度的情况下，光信号的传输损耗大大增加。另外，光纤如果经受过度的拉力则会断裂，因为传统的光纤在断裂之前一般地仅能伸长其长度的约1％。
没被赋于应力的纤维光缆可承受的最大伸长通常被称之为光缆的伸长窗。同样地，没有被过度弯曲而导致传递信号严重衰减时光纤遭受的最大收缩通常被称之为光缆的收缩窗。一般地，纤维光缆的伸长和收缩窗在一个参考温度，如室温下，被确定。
收缩窗和膨胀窗部分地由通道的尺寸，如缓冲管的内直径或骨架式芯的槽的尺寸，设置在每个通道中的光纤数，光纤的直径和通道的形状，如螺旋管的直径和螺旋或反转振荡螺旋形式环绕中心支承元件的通道的螺距等因素决定。例如，在一个绞合缓冲管的纤维光缆中，缓冲管内直径的增大或放置在缓冲管中的光纤数的降低将扩大收缩窗和膨胀窗，既使光纤在室温下的中间位置在缓冲管的轴上。
例如，在美国专利US4,695,128中Zimmerman等人对光缆的伸长和收缩窗做了描述。这份专利公开了一种具有绞合在一个中心加强组件上的各个缓冲管的纤维光缆，其中缓冲管的横截面呈矩形或椭圆形。椭圆形缓冲管的主轴或矩形缓冲管的长边从中心支承元件向外径向延伸。矩形或椭圆形缓冲管通过提供光纤的附加空间而增大收缩窗或伸长窗，光纤在附加空间内径向移动以补偿伸长量和收缩量上的不同。
美国专利US4,944,570中Ogleoby等人公开了一种具有伸长窗被延长的地面高架纤维光缆线。高架线包括多个绞合在中心加强元件的缓冲管，其中光纤长于缓冲管，从而增大了光缆的膨胀窗。例如，在高架线光缆的一个实施例中，光纤长度与各缓冲管长度的比值被定在1.001至1.005。
另外，日本专利JP60-257,414的Katsuyama Yutaka等人公开了一种纤维光缆，有一根或多根光纤设置在多根管子，如缓冲管的每一个当中。然后，管子又绕中心支承元件绞合。这个专利涉及光纤和光缆在大约室温或预定的最大温度下各自的热膨胀系数。管子的间距及光纤和管子之间空隙的选取要保证光缆在从室温到预定的最大温度之间的正常工作。
纤维光缆的理想设计是横截面积相对较小。因此，诸如缓冲管或由骨架式芯界定的槽等通道最好不要过大，既使缓冲管的内径或槽的尺寸的增加一般地会增大光缆的伸长窗和收缩窗。另外传统的纤维光缆包含预定数目的光纤。在很多情况下，既使数量的减少会增加光缆的伸长窗和收缩窗，也不希望减少每个通道内的光纤数。相反，非常希望每个通道内包含尽可能多的光纤，以使光缆单位截面上的光纤量达到最大并因而也使光缆的全部光信号传输量与光缆的成本比为最大。
在很多情况下，纤维光缆的伸长窗足以允许纤维光缆在预定的最大温度和预定的最大拉力负载下工作。然而这些纤维光缆的收缩窗在通常情况下是不足的。因此，在低温下光纤不能相对于通道轴径向向外充分地移动而离开中心支承元件。对光纤移动的受限使得在这种较低的温度下光纤的过度弯曲和光信号传输损耗严重地增加。
考虑到前述的背景情况，本发明的一个目的在于提供一种纤维光缆以及制造这种光缆的方法和装置，该种光缆适于在预定温度范围内传递光信号，承受达到预定最大负载的拉力负载，并具有基本均匀的信号衰减。
本发明的另一个目的在于提供一种纤维光缆以及制造这种光缆的相应方法和装置，这种光缆有一个扩大的热收缩窗。
本发明的这些目的、优点及特征通过一种纤维光缆得以实现，这种光缆包括用于至少确定一个通道的通道限定装置，该通道通常纵向延伸并邻接伸长的中心支承元件，且每条通道都有一个通道轴，该纤维光缆还包括定位于每个通道内的光纤，在大约室温下，即约20℃～26℃的温度范围内该光纤在从通道轴向中心支承元件的径向向内的方向上有一个中间位置偏移。光缆最好还包括一个环绕通道限定装置和中心支承元件的保护套。光纤有一个小于通道限定装置和保护套热膨胀系数的热膨胀系数。因此，通过在近似室温下从通道轴向中心支承元件的径向向内延伸的方向上使光纤中间位置的偏移，纤维光缆的热收缩窗被增大。
在一个实施例中，通道限定装置至少包括一个环绕中心支承元件的纵向延伸的缓冲管。室温下光纤的中间位置偏移及缓冲管内径的最佳选择使得对于预定的最低温度，如-40℃，光纤有一个均匀的损耗。中心位置的偏移最好介于缓冲管内径的约1％～49％之间。
光纤在室温下中间位置的偏移以及缓冲管的内径，也在光纤和邻近的缓冲管内部之间确定一个空间。这个光纤和邻近的缓冲管内部之间的空间为光纤光缆提供一个预定的伸长窗。室温下光纤中间位置的偏离及缓冲管内径的最佳选择应使得在至少约70℃的温度以及当放置在600lbs的拉力负载下，光纤有基本上均匀的损耗和不受到过度的拉紧。
缓冲管和保护套通常是塑料的，中心支承组件通常至少包括一种金属线或一种介质材料。缓冲管最好还有一个预定的圆环形截面。
缓冲管最好并排地圆周环绕着中心支承组件。在一个实施例中，多个缓冲管至少以两层环绕着中心支承组件。缓冲管一般也布置成反振荡螺旋敷设形式或螺旋敷设形式。另外，在一实施例中，本发明的纤维光缆至少包括一个围绕着中心支承组件的纵向延伸的填充物。
在本发明的另一个实施例中，通道界定装置包括一个伸长的骨架式芯。伸长的骨架式芯最好包围着中心支承组件并至少确定一个纵向延伸的槽。反过来，槽也确定一个至少接受一根光纤的通道。
本发明的方法是用于制造纤维光缆的，包括确定光纤在通道中的位置以使得在室温下从通道轴向中心支承组件径向向内延伸的方向上光纤有一个中心位置的编移等步骤。本方法的一个实施例，即制造缓冲管绞合的纤维光缆的方法包括向每个缓冲管施加拉力以伸长缓冲管的步骤。之后，保护套可围绕着多个缓冲管挤制出来。
根据本发明制造具有扩大的收缩窗的缓冲管绞合式纤维光缆的装置包括一个绞合装置，用于至少确定一个围着中心支承组件的缓冲管的位置；还包括拉紧装置，当缓冲管围绕着中心支承组件定位时向缓冲管施加拉力。缓冲管被拉紧伸长这使得定位于缓冲管之中的光纤在室温下从缓冲管轴向中心支承组件的径向向内延伸的方向上有一个中间位置偏移。根据本发明制造纤维光缆的装置最好还包括挤压装置，用于挤制出环绕中心支承组件定位的缓冲管的保护套。
根据本发明制造纤维光缆的方法的第二个实施例包括在每一通道内放置至少一根光纤，使得光纤的长度短于各自通道长度的步骤，在本发明方法该实施例的一个方面，在将光纤放置在各个通道的同时，向光纤施加拉力。拉力弹性地将光纤相对于通道界定装置拉长。一旦光纤被围绕着中心支承组件定位，光纤的拉力即被解除，光纤从通道轴向中心支承组件径向向内移动，在室温下建立平均位置偏移。
根据本发明制造纤维光缆方法的本实施例的另一方面，每个通道由包围着至少一根光纤的缓冲管界定。挤制的缓冲管然后被迅速冷却。因为迅速冷却，缓冲管的收缩被延迟，使光纤相对于缓冲管被弹性地拉伸。
图1是本发明具有扩大收缩窗的架空安装的纤维光缆剖视图。
图2是本发明纤维光缆一个端部的局部剖视图。
图3是图2所示纤维光缆沿3-3线的截面图。
图4是本发明纤维光缆包括两层围绕一个中心支承组件的缓冲管的实施例之截面图。
图5是本发明的纤维光缆除去外保护套以显示缓冲管按照反向振荡螺旋敷设方式定位的部分纤维光缆的侧垂直剖面图。
图6是本发明纤维光缆除去外保护套以显示出按照螺旋形敷设方式定位的缓冲管的部分纤维光缆侧垂直剖面图。
图7是本发明的纤维光缆在例如较低的温度下收缩期间径向向外运动的部分截面图。
图8是本发明的纤维光缆在例如较高的温度下伸长期间径向向内运动的部分截面图。
图9是本发明纤维光缆的截面图，其中光缆包括一个确定纵向延伸的、接受一根或多根光纤的通道的骨架式芯。
图10是根据本发明制造纤维光缆的一种装置简图。
图11是根据本发明制造纤维光缆的另一种装置简图。
图12是将缓冲管绕中心支承组件定位的绞线器沿图11的12-12线的截面图。
以下将参考附图对本发明做更全面的描述，其中对本发明的优选实施例也进行解释。但本发明可以多种不同的形式实施而不认为仅限于在此提出的实施例，相反，这些实施例的提供使本发明的公开更全面、彻底并相对于现有技术确定了本发明的范围。对于全文中相同的元件用相同的标号。对于在不同实施例中类似的元件，首次的给予注释。
参考图1-3，图示了本发明的纤维光缆10，纤维光缆10在整个预定的温度范围内，当经受达预定最大负载的拉力负载时，提供衰减大体均匀的光信号传递。图中的纤维光缆10架空装接在电杆或支承件12之间，使光缆暴露在变化的天气条件下。典型的架空安装的纤维光缆10被用于远距离的电话通讯或有线电视，如支线光缆或干线光缆。因此，这种架空安装的纤维光缆10一般地绕光缆吊索缠挂或绞合，光缆吊索(未示出)一般地包括多根金属线以支承光缆。虽然本发明的光缆10在图中是架空安装，但此光缆也可被埋于地下，如在管道中。
纤维光缆10包括一个伸长的、纵向延伸的中心支承组件14和确定一个基本上纵向靠近中心支承组件的通道确定装置。反过来，每个通道又确定一个通道轴。在图2和图3显示的实施例中纤维光缆10是一种缓冲管绞合式纤维光缆，它包括一个中心支承组件14和至少一个围绕中心支承组件纵向延伸的塑料缓冲管16。每个缓冲管确定一个缓冲管轴18，如图3中所示。另外，在每个缓冲管16中至少有一根光纤20以松套缓冲的关系定位。在室温下，也就是在20℃-26℃的温度范围内，光纤在从缓冲管轴18向中心支撑元件14的径向向内延伸的方向上有一个平均位置偏移。纤维光缆10还可包括一个包围着缓冲管16的塑料保护套22。
因为制造光缆的材料，光纤的热膨胀系数一般地小于光缆其它组件的有效热膨胀系数αEFF。换言之，光纤20的热膨胀系数至少小于缓冲管16、保护套22和中心支承组件14其中一个的热膨胀系数。
因此，在近似室温的温度下，缓冲管中的光纤在从缓冲管轴18向中心支承组件14径向向内延伸的方向上的平均位置偏移ds，与传统的光纤光缆中光纤平均位置沿通道轴，如缓冲管轴延伸的情况相比，增加了本发明光缆10的热收缩窗。纤维光缆10的热收缩窗通过从缓冲管轴18向中心支承组件14径向向内地偏移光纤20的平均位置而得以增加，这是因为在较低的温度下光纤被提供以附加的空间，在其中，当纤维光缆的收缩，光纤径向向外的移动。
因为光缆其它组件包含的材料的特性，光纤的热膨胀系数小于光缆其它组件的有效热膨胀系数αEFF。例如，光纤20一般的是一种带有聚合物保护涂层的玻璃，而缓冲管16和保护套22主要是塑料。更具体地，保护套22可以是聚乙烯，这对于本领域的技术人员来说是很容易理解的。缓冲管16还可以是热塑性聚合物，如聚丁烯、对酞酸盐、缩醛或聚丙烯。
另外，中心支承组件14最好是棒、线或绞合线等具有较高拉伸模量的材料，如钢，或是增强型的介质材料，如玻璃或芳族聚酰胺增强塑料。虽然没有标出，中心支承组件14也可包括一个对本领域技术人员已知的塑料覆层。
因为各自的热膨胀系数不同，光纤20的伸长和收缩小于光缆的其它组件。因此，光纤20必须在绞合的缓冲管16中移动以补偿光缆伸长和收缩的不同。
如图3所示，缓冲管16一般地有一个预定的环形横截面。另外，缓冲管16环绕着中心支承组件14边靠边地在其周围定位。在另一个实施例中，缓冲管16’两层或更多层地绕中心支承组件14’定位。例如，如图4所示，纤维光缆10’的另一个实施例包括一个边靠边地环绕着中心支承组件14’圆周形定位的六个缓冲管16’的第一层或内层。十二个缓冲管16’的第二层又环绕着中心支承组件14’和第一缓冲管层边靠边地定位。实施例中纤维光缆的其它组件用第一次的注解注释并与第一图示的实施例中的讨论相似。对于本领域的技术人员很容易理解，包括两层或多层缓冲管的纤维光缆一般是高光纤数光缆，包含很大数量的光纤，比如包括216根光纤。
本发明的纤维光缆10还可包括一或多个填充元件17。如图3和4所示，填充元件17一般地包括一种塑料材料并且与缓冲管16有基本上相同的尺寸和形状。在图3和4的实施例中，填充元件17和缓冲管16边靠边地环绕着中心支承组件14定位。虽然填充元件17表示为一个实心捧，但实际上可以是同于现有技术的一个管件。
最好是多条缓冲管16绞合着中心支承组件14。在制造期间，捆束23，如纱线，缠绕着缓冲管，将缓冲管固定到中心支承组件14，以便于操作。如图2所示，捆束23可包括一个或多个螺旋绞合缓冲管16的纱线包皮。如图4所示，包括另一和第二缓冲管16’的纤维光缆10’和填充元件17’最好分别有绞合第一和第二层缓冲管的第一和第二捆束23’。对于本领域的技术人员很容易理解，本发明的实施例中的缓冲管16和填充元件17(如果有的话)，布置成图5中所示的反向振荡螺旋敷设方式。在另一个实施例中，缓冲管16和填充元件17(如果有的话)，布置成图6中所示的围绕中心支组组件14螺旋敷设方式。
对于光缆领域的技术人员还很容易理解的是，根据本发明的纤维光缆10最好还包括向光缆赋予抗拉强度的纵向延伸装置，如一个或多个螺旋形缠绕的芳族聚酰胺纱线24，如杜邦公司生产的KEVLAR纱线，环绕缓冲管16。纵向延伸的抗拉装置可由其它材料提供，如各种细线，包括玻璃丝、金属线，金属线的绞合物，玻璃纱、芳族聚酰胺或玻璃增强塑料棒。
另外，纤维光缆10最好还包括环绕纵向延伸的抗拉装置24的金属铠装层26。环绕的金属铠装层26对光缆提供另外的保护并被加工成带波纹的，以允许纤维光缆10弯曲。纵向延伸的抗拉装置也可包括一个或多个沿缓冲管16和铠装层26外侧纵向延伸的加强组件。加强组件可以是一对对置的实心钢丝，未标出，它有预定的直径，向光缆提供强度以抵抗拉应力和弯曲力。一个撕开绳28也可在防护层26之下纵向延伸，以便于铠装层26和保护套22的移除。
图7是本发明的缓冲管绞合式纤维光缆10的部分横截面图，图中显示了两个位于中心支承组件14相对两侧的缓冲管16。为了更清楚地图示本发明纤维光缆中纤维20的平均位置偏移ds和纤维光缆10收缩时光纤的移动，保护套22和其它缓冲管16没有画出。室温下光纤20在平均位置偏移处的位置由图7中的虚线标出。实线表示在光缆10的收缩因热减少期间光纤20的位置。
光纤20在从缓冲管轴18向中心支承组件14径向向内延伸的方向上平均位置偏移ds可按下式计算： d s = 1 2 [ D - 1 n 1 ( 1 + ∈ ) 2 ( π 2 D 2 + P 2 ) - P 2 ] - - - ( 2 ) 此处D是相对的缓冲管16的缓冲管轴18之间的中心到中心的距离。如图7中所示；P是螺旋缠绕缓冲管的螺距。另外，∈值是基于光纤20和缓冲管16长度上的差别。更具体地说，∈的计算按照： ∈ = L B L F - 1 - - - ( 3 ) 此处LB是缓冲管16的长度，LF是光纤20的长度。对于根据本发明方法制造的纤维光缆，其中在制造纤维光缆期间向缓冲管施加拉力，∈也涉及缓冲管16的伸长，正如以下的详述所述以及在以上方程(3)中所反映的。
中心到中心的距离D可根据中心支承组件14和缓冲管16的直径计算。中心支承组件14的直径范围最好在3.0mm与4.0mm之间，更适宜等于3.3mm。因此，对于具有单层缓冲管16的纤维光缆10，每个缓冲管外径约为3.0mm，围绕着中心支承组件14，相对的缓冲管的缓冲管轴之间中心到中心的距离最好约为6.30mm。
另外，本发明的缓冲管绞合式纤维光缆10的螺距P长度范围在90mm和180mm之间，更准确地说，对于具有单层包围中心支承组件14的纤维光缆，螺距P在90mm至120mm之间。
如以上所述，纤维光缆的收缩窗被定义成光纤没有过度弯曲、光信号的传递没有严重衰减的情况下光缆可收缩的最大值。对于光纤的平均位置沿着缓冲管轴的传统纤维光缆，收缩窗可按下式计算： ∈ c = 1 - 1 - π 2 P 2 4 d c ( D + d c ) - - - ( 4 ) 此处dc是在缓冲的壁收缩之前光纤在从轴上平均位置径向朝外的方向上可移动的距离。
相比之下，对于具有延伸的热收缩窗的本发明纤维光缆10，延伸的热收缩窗∈c’可按下式计算： ∈ c ′ = 1 - 1 - π 2 P 2 4 d c ( D + d c ) - π 2 P 2 4 d s ( D - d s ) - - - ( 5 )
因此，本发明的纤维光缆10的热收缩窗大于传统的纤维光缆的收缩窗并且提供充足的空间用于光纤20离开中心支承组件14径向朝外移动，在预定的最低温度下提供具有基本上均匀衰减的光信号传递。本发明光缆10的光纤20的径向朝外运动，比如在较低温度下的运动，被示于图7中。
参考图8，光纤20在大约室温下的平均位置偏移ds和缓冲管16的内径最好也在光纤和缓冲管的内邻近部分限定一个空间。从而对本发明的纤维光缆10提供一个预定的伸长窗，使得光纤20在纤维光缆10伸长时可在径向朝中心支承组件14的向内方向移动，譬如在向光缆施加拉力时。
传统纤维光缆的伸长窗∈e中，光纤的平均位置沿缓冲管轴延伸，伸长窗∈e可按下式计算： ∈ e = 1 + π 2 P 2 4 d e ( D - d e ) - 1 - - - ( 6 ) 在此，de是光纤在接触到缓冲管壁之前可从缓冲管轴径向向内移动的距离。
本发明光缆10的伸长窗∈e’可按下式计算： ∈ e ′ = 1 + π 2 P 2 4 d e ( D - d e ) - π 2 P 2 4 d s ( D - d s ) - 1 - - - ( 7 )
因此，本发明纤维光缆10的伸长窗∈e’小于传统纤维光缆10的伸长窗。然而，本发明纤维光缆10的伸长窗仍然在纤维光缆10伸长之前，当纤维光缆伸长时为光纤20向中心支承组件14的径向向内移动提供足够的空间。通过对光纤向外和径向移动提供足够的空间，纤维光缆10以大体均匀的衰减提供信号传递并保护光纤因光缆遭受至少为最高预定温度如70℃而带来的不希望的应力以及光缆经受预定的最大拉力负荷如600磅所带来的应力。
在本发明的一个实施例中，使本发明的纤维光缆10提供大体上均匀衰减的光信号传递的预定温度范围至少约为-40℃～70℃。本领域的技术人员将会理解，当光纤破裂时，譬如是因为伸长过度，将导致信号传递的完全失败或损耗。同样地，当光纤弯曲，譬如因为光缆10的收缩使得光纤的弯曲半径小于其预定的光纤最小允许弯曲半径时，将使光纤遭受急剧的损耗增长。因而，对于具有预定尺寸预定数目之纤维的纤维光缆10，包含的材料有预定的热膨胀系数，并按照已知的模式有缓冲管包围着中心支承组件，在近似室温下光纤20的平均位置有偏移及缓冲管16内径适宜选择，为使当温度至少下降到最小预定温度，如大约为-40℃时，光纤有一个大体上均匀的衰减。光纤20在大约室温的温度下平均位置偏移以及这种光缆10的缓冲管16之内径的选取最好在温度高达最高预定温度如70℃时，有基本上均匀的损耗，并且当光缆经受预定的最大拉力负载如600磅时，也是如此。
特别地，光缆10中光纤20的平均位置偏移最好在缓冲管16内径的1％至49％的范围内、尤其在4％至20％范围内选取，在这个范围内设置光纤为的是提供基本上均匀损耗的光信号传递。在一个实施例中，缓冲管16最好有一个界于0.5mm至10.0mm之间、尤其是为2.0mm的内径。因此，为了有一个界于0.5mm～10.0mm之间的内径，光纤的平均位置偏移ds最好在0.005mm至4.9mm之间，尤其在0.02mm至2.0mm之间。更特别地，对一个内径为2.0mm的缓冲管16来说，光纤20的平均偏移位置ds一般地界于0.08mm至0.4mm之间。另外，具有2.0mm内径的缓冲管16的外径最好界于2.5mm至3.5mm之间，尤其约等于3.0mm。
如图9所示，本发明的纤维光缆10可以是一种骨架式纤维光缆10”，它包括一个延长的芯15”，芯通常包含一种绕中心支承组件14”挤出的塑料材料，芯15”界定一个或多个开口朝外的，纵向延伸的槽19”。这些槽19”界定出接收一根或多根光纤20”的通道。另外，槽19”界定一个基本上纵向延伸的槽轴21”。如本领域技术人员所知，根据敷设方式的种类，如螺旋方式或反振荡的螺旋敷设方式将槽19”限定在芯15”中。
如上所述，光纤20”的收缩和膨胀基本上小于光缆的其它组件，包括骨架式芯15”在内。因此，根据本发明，光纤20”定位在从槽轴21”径向向内延伸的方向上，各槽轴21”分别由槽19”限定。因此骨架式光缆10”的热收缩窗以与缓冲管绞合式纤维光缆类似的方式增大。
虽然图9所示的骨架式芯15”包围着中心支承组件14”，但骨架式纤维光缆10”的其它实施例可包括一个与骨架式芯结合或挤出在一起的中心支承组件。例如，骨架式纤维光缆10”可包括一个完整的骨架式芯，芯的一部分形成中心支承组件，这不脱离本发明的实质和范围。
根据本发明制造具有扩大的收缩窗的纤维光缆10，如缓冲管绞合式或骨架式纤维光缆的方法包括，将至少一根光纤20定位在至少一个由通道限定装置限定的通道中的步骤，使由此形成的光缆中的纤维在从通道轴向中心支承组件14径向向内延伸的方向上，在室温下有一个平均位置偏移。
根据制造缓冲管绞合式纤维光缆方法的另一个方面，光纤定位的步骤包括至少将一根光纤20设置在缓冲管16之中的步骤。随后，每个缓冲管16绕中心支承组件14定位或绞合。根据这种方法设置在缓冲管16中的光纤20比各组的缓冲管短，使得一旦缓冲管环绕中心支承组件14定位，光纤在从各自的缓冲管轴18向中心支承组件的径向向内延伸的方向上、在近似室温的温度下，有一个平均位置偏移ds。
另外，骨架式纤维光缆10”可根据本发明的方法，利用在骨架式芯15”限定的槽19”中设置一或多根光纤20”来制造。根据本方法的这一方面设置在槽19”中的光纤20”沿槽轴21”测量时，也短于槽，使得在室温下光纤有一个从槽轴21”向中心支承组件14”径向向内延伸的平均位置。
制造这种光纤20短于各自通道的纤维光缆10的方法的另一方面之实施例，包括在设置光纤的步骤期间向光纤20施加拉力以弹性地伸长光纤20，使光纤相对于各自的缓冲管16或骨架式芯15”，处于应力或拉力之下。因此，在缓冲管16绕中心支承组件14定位期间，或在光纤20”定位于骨架式芯15”限定的槽19”中期间，光纤将确保有一个从通道轴径向向内的平均位置偏移，以解除施加到其上的拉力。
向设置在缓冲管16中的光纤20施加应力的装置30示于图10。如图所示，光纤20可从多个光纤供给盘32中并经挤出机34被拉出，在挤出机34中缓冲管16被挤出，环绕光纤20。如本领域技术人员所知，包含光纤20的被挤出的缓冲管16一般地要穿过冷却装置36，如装有冷水的箱子，在被缠到收线盘38之前固化缓冲管。每个光纤供给盘32最好包一个调节拉力的装置，从光纤供给盘32拉出的光纤20处于该拉力之下。通过增加光纤供应盘32上的拉力，例如从30grams增至80grams，尤其施加到光纤上的拉力增至100grams，光纤20的弹性伸长也得以增加。
制造缓冲管绞合式光缆10的方法一方面的另一实施例，包括接着缓冲管16绕着光纤20挤出之后，迅速地将其冷却的步骤。挤出的缓冲管16可被迅速地冷却，例如将缓冲管浸入增大量的冷水中。因为缓冲管16被迅速冷却，它不会象传统的逐渐被冷却的缓冲管那样严重的收缩。因此，即使光纤被弹性的拉长些许，因为施用到光纤上的拉力主要在30grams至80grams之间，当缓冲管环绕中心支承组件14定位时，设置在被迅速冷却的缓冲管16中的光纤20，在从缓冲管轴18径向向内延伸的方向上有一个平均位置偏移。当本发明这一方法的前述实施例被分解描述时，将可以理解，根据本发明可向光纤20施加更大值的拉力，同时伴以迅速冷却被挤出的缓冲管16，以更进一步的控制纤维光缆10的制造。
制造本发明的缓冲管绞合式纤维光缆10的方法之第二方面包括至少将一个缓冲管16环绕中心支承组件定位并向缓冲管施加拉力，使得缓冲管相对于设置其中的光纤20伸长。通过伸长缓冲管16，使得一旦缓冲管围绕中心支承组件定位，包含在每个缓冲管中的光纤20将在从缓冲管轴18向中心支承组件14径向向内延伸的方向上，在室温下有一个平均位置偏移。
根据本方法的第二方面制造缓冲管绞合式纤维光缆的装置40如图11所示。该装置包括一个供应盘42，伸长的中心支承组件14从中抽出。装置40还包括将大量缓冲管16围绕伸长的中心支承组件14定位的绞合装置。如图11所示，并如更详细的图12所示，绞合装置最好包括一个绞合器44，伸长的中心支承组件14行进通过其中。绞合器44绕前进的中心支承组件14旋转，使得缓冲管16从安置在绞合器上的缓冲管供给盘46中抽出并绞合到中心支承组件上。
如更详尽的图12所示，绞合器44可包括多个用于绕中心支承组件14绞合的缓冲管16的供给盘46。缓冲管供给盘46通常是缓冲管16如图10所示缠绕其上的收线盘38。在所示的实施例中，绞合器44包括缓冲管16的六个供给盘，并因而产生出一种具有六个缓冲管16一层绕中心支承组件14以边靠边的关系圆周形定位的纤维光缆10。如本领域技术人员所知，根据本发明制造纤维光缆10’的装置40还可包括一个第二绞合器，在第一绞合器44的下游，用于环绕缓冲管的第一层和中心支承组件14’的第二层缓冲管16’的定位。或者中心支承组件14可两次穿过单一的绞合器44，以将缓冲管16的第一和第二层绞合起来。
绞合器44可设计成在一个方向上旋转，将缓冲管16以螺旋环绕中心支承组件14的敷设方式定位。或者绞合器44可以周期性反转的方向旋转，将缓冲管16以反振荡螺旋环绕中心支承组件14的敷设方式定位。
如本领域的技术人员所知，缓冲管可根据各种绞合方法绕中心支承组件定位。例如，缓冲管可通过一种反振荡敷设机械、一种平面绞合器或一种涡轮绞合器，如Ceeco Machinary Manufaceuring Limit-ed of Concord，Outario，Cauada or AFA Industries of Garfield，NewJersey制造的器械环绕中心支承组件定位。
根据该方法的第二方面制造纤维光缆10的装置40还包括施力装置48，当缓冲管16环绕中心支承组件14定位时向缓冲管16施以拉力。缓冲管16因此被拉长，使得一旦缓冲管被绕着中心支承组件定位，光纤在近似室温的温度下，在从缓冲管轴18向中心支承组件14径向向内延伸的方向上有一个平均位置偏移。图11中装置40的施力装置48图示于图12中。例如，施力装置48可包括与每个缓冲管供给盘46连结的控制装置，用于控制缓冲管16被从缓冲管供给盘中拉出的拉力的大小。
因为施加的拉力，缓冲管伸长∈BT，∈BT可按下式计算： ∈ BT = 4 F πE ( D 0 2 - D i 2 ) - - - ( 8 ) 此处E是缓冲管包含材料的杨氏模量；D0是缓冲管的外径，Di是缓冲管的内径。例如，由聚对苯＝甲酸丁烯酯构成的缓冲管，在室温下杨氏模量为2180N/mm2。
绞合器44的下游，本发明用于制造纤维光缆10的装置40最好包括一个缠绕如绕着缓冲管16和中心支承组件14的纱线的捆束23的装置50，以将缓冲管扎捆到中心支承组件上。虽然没有画出，但根据本发明的制造纤维光缆的装置也可包括一个施放纵向延伸的强度装置，如一个芳族聚酰胺纱线24。包层和环绕多个缓冲管的铠装层26，正如本领域的技术人员所知。此外，制造纤维光缆的装置40最好包括一个用于在将形成的纤维光缆10缠在收线盘52上之前，挤制出包围铠装层26、芳族聚酰胺底层24和多个缓冲管16的保护套22的装置。
根据本发明的纤维光缆10提供了一个延伸的收缩窗，以便于在最小的预定温度下进行损耗基本上均匀的光信号传递，同时维持一个伸长窗，当光缆处于最大的预定温度以及置放在预定的最大负载下时免受不希望的应力。为了提供理想的收缩和伸长窗而利用在室温下光纤20在缓冲管16中平均位置偏移的可控定位，在许多情况下，通道的尺寸可以减小而同时在预定的温度范围内仍维持足够的信号传递性能。因此，纤维光缆10的总体尺寸可以减小。或者在预定的温度范围内增加设置在每个通道内的光纤20数而同时维持足够的信号传递性能。从而预定尺寸的纤维光缆10的纤维数可以增加。
在附图和说明书中，已提出了本发明的一些优选实施例，尽管其中采用了具体的措词，但这些措词只是用于一般意义上的和说明意义上的描述，而不是为了限定的目的，本发明的范围由后附的权利要求书提出。

Claims (41)

1.一种具有扩大的热收缩窗的纤维光缆，包括：
一个伸长的中心支承组件；
一个通道界定装置，用于界定至少一个纵向延伸、毗邻中心支承组件的通道，上述至少一个通道确定一个通道轴；
一个包围着上述通道界定装置和中心支承组件的保护套；和
至少一根定位在所述至少一个通道中的光纤，该光纤的热膨胀系数小于上述通道界定装置、保护套和伸长的中心支承当中至少一个的热膨胀系数，所述至少一根光纤在室温下在从通道轴向中心支承组件的径向向内延伸的方向上有一个平均位置偏移，从而扩大了纤维光缆的热收缩窗。
2.根据权利要求1所述的纤维光缆，其特征在于，所述的通道界定装置至少包括一个纵向延伸的缓冲管。
3.根据权利要求2所述的纤维光缆，其特征在于，室温下的中心位置偏移和缓冲管的内径之选择使得所述至少一根光纤至少在预定的最低温度下有一个基本上均匀的衰减。
4.根据权利要求2所述的纤维光缆，其特征在于，上述在室温下的平均位置偏移的范围大约是所述至少一个缓冲管内径的1％-49％。
5.根据权利要求2所述的纤维光缆，其特征在于，所述室温下的平均位置偏移和所述缓冲管的内径在所述至少一根光纤和毗邻的缓冲管内的一部分之间确定一个空间，为所述纤维光缆提供一个预定的伸长窗。
6.根据权利要求5所述的纤维光缆，其特征在于，所述室温下平均位置偏移大约是所述至少一个缓冲管内径的1％～49％，其中所述至少一个缓冲管内径的选取使得在最高的预定温度下和所述光缆遭受最大的预定负载时，所述至少一根光纤不受到不期望的应力。
7.根据权利要求1所述的纤维光缆，其特征在于，中心支承组件包含一种增强的电介质材料。
8.根据权利要求1所述的纤维光缆，其特征在于，中心支承组件至少包括一根金属线。
9.根据权利要求2所述的纤维光缆，其特征在于，缓冲管有一个预定的圆横截面。
10.根据权利要求2所述的纤维光缆，其特征在于，所述至少一个缓冲管包括多个边靠边围绕着中心支承组件圆周定位的缓冲管。
11.根据权利要求2所述的纤维光缆，其特征在于，所述至少一个缓冲管包括多个围绕着中心支承组件两层定位的缓冲管。
12.根据权利要求2所述的纤维光缆，其特征在于，所述至少一个缓冲管围绕着中心支承组件以反向振荡螺旋敷设的方式定位。
13.根据权利要求2所述的纤维光缆，其特征在于，所述至少一个缓冲管围绕着中心支承组件以螺旋敷设的方式定位。
14.根据权利要求1所述的纤维光缆，其特征在于，所述通道界定装置包括一个包围着中心支承组件并界定至少一个基本上以向延伸的槽的伸长芯。
15.根据权利要求2所述的纤维光缆，还包括至少一个毗邻中心支承组件的纵向延伸的填充组件。
16.一种纤维光缆，包括：
一个纵向延伸的中心支承组件；
一个通道界定装置，用于至少界定至少一个纵向延伸的毗邻中心支承组件的通道，所述至少一个通道确定一个通道轴；和
至少一根定位在所述至少一个通道中的光纤，在从通道轴向中心支承组件的径向向内延伸的方向上，在大约20℃～26℃的温度范围内有一个平均位置偏移。
17.根据权利要求16所述的纤维光缆，其特征在于，上述的通道界定装置至少包括一个纵向延伸的缓冲管。
18.根据权利要求17所述的纤维光缆，还包括一个包围着所述至少一个缓冲管的保护套，其中所述至少一根光纤的热膨胀系数小于所述至少一个缓冲管、保护套和中心支承组件中至少之一的热膨胀系数。
19.根据权利要求17所述的纤维光缆，其特征在于，在大约20℃～26℃温度下的所述平均位置偏移及所述至少一个缓冲管内径的选择对纤维光缆提供一个热收缩窗，使得在大约-40℃的温度下，所述至少一根光纤有一个大体上均匀的衰减。
20.根据权利要求19所述的纤维光缆，其特征在于，在大约20℃～26℃温度范围内的所述平均位置偏移的范围为所述至少一个缓冲管内径的1％～49％。
21.根据权利要求17所述的纤维光缆，其特征在于，大约20℃～26℃温度下的所述平均位置偏移和所述至少一个缓冲管的内径限定一个位于所述至少一根光纤和相邻的缓冲管内部之间的空间，为所述纤维光缆提供一个预定的伸长窗。
22.根据权利要求21所述的纤维光缆，其特征在于，大约20℃～26℃温度下的所述平均位置偏移的范围是所述至少一个缓冲管内径的1％～49％，其中所述至少一根缓冲管内径的选取使得约70℃的温度下，和当所述光缆遭受约600lbs的负载时，所述至少一根光纤不受到不期望的应力。
23.根据权利要求17所述的纤维光缆，还包括至少一个邻近中心支承组件的纵向延伸的填充组件。
24.根据权利要求16所述的纤维光缆，其特征在于，所述的通道界定装置包括一个包围着中心支承组件并界定至少一个纵向延伸的槽的伸长芯。
25.一种具有扩大的热收缩窗的纤维光缆，纤维光缆包括：
一个伸长的中心支承组件；
至少一个邻近中心支承组件的纵向延伸的缓冲管，所述至少一个缓冲管有一个预定的圆形截面并限定一个缓冲管轴；
一个包围着至少一个缓冲管的保护套；和
至少一根定位于所述至少一个缓冲管之内的光纤，所述至少一根光纤的热膨胀系数小于所述至少一个缓冲管，保护套和中心支承组件其中之一的热膨胀系数，所述至少一根光纤在室温下有一个从所述至少一个缓冲管轴向中心支承组件径向向内延伸的方向上的范围大约在所述至少一个缓冲管内径的1％～49％的平均位置偏移，因而增加了所述纤维光缆的热收缩窗，室温下的所述平均位置偏移和所述至少一个缓冲管的内径确定了一个界于所述至少一根光纤和邻近的缓冲管内部之间的空间，为所述纤维光缆提供了一个预定的伸长窗。
26.根据权利要求25所述的纤维光缆，其特征在于，在大约室温下的所述平均位置偏移及所述至少一个缓冲管内径的选择使得至少一根光纤有一个在至少大约-40℃的温度下大体上均匀的衰减。
27.根据权利要求25所述的纤维光缆，其特征在于，大约室温下的所述平均位置偏移和所述至少一个缓冲管的内径二者的选取使得约70℃的温度下以及当所述光缆遭受约600lbs的负载时，光纤不受到不期望的应力。
28.一种制造纤维光缆的方法，该纤维光缆包括一个伸长的中心支承组件和一个界定邻近中心支承组件纵向延伸的至少一个通道的通道界定装置，通道确定一个通道轴，该方法包括在至少一个通道内定位至少一根光纤的步骤，使得该光纤在大约室温下，在从通道轴向中心支承组件径向向内延伸的方向上有一个平均位置偏移。
29.根据权利要求28所述的制造纤维光缆的方法，其特征在于，通道界定装置包括至少一个缓冲管，并且其中的光纤定位步骤包括向至少一个缓冲管施加拉力以相对于所述至少一根光纤伸长缓冲管的步骤。
30.根据权利要求29所述的制造纤维光缆的方法，还包括在光纤定位步骤之后挤制环绕所述至少一个缓冲管的保护套的步骤。
31.根据权利要求29所述的制造纤维光缆的方法，其特征在于，至少一个的缓冲管包括多个缓冲管，所述方法还包括在光纤定位步骤之后，将多个缓冲管围绕着中心支承组件边靠边地定位的步骤。
32.根据权利要求29所述的制造纤维光缆的方法，其特征在于，至少一个的缓冲管包括多个缓冲管，该方法还包括在光纤定位之后，将多个缓冲管围绕着中心支承组件两层地定位的步骤。
33.根据权利要求29所述的制造纤维光缆的方法，还包括在光纤定位的步骤之后，将所述至少一个缓冲管以反向振荡螺旋敷设的形式环绕着中心支承组件定位的步骤。
34.根据权利要求29所述的制造纤维光缆的方法，还包括在光纤定位的步骤之后，将所述至少一个缓冲管以螺旋敷设的形式环绕着中心支承组件定位的步骤。
35.根据权利要求29所述的制造纤维光缆的方法，还包括在光纤定位的步骤之后，将至少一个填充组件邻近中心支承组件定位的步骤。
36.根据权利要求28所述的制造纤维光缆的方法，其特征在于，至少一个通道确定一个通道轴，并且上述光纤定位的步骤包括在至少一个通道内设置至少一根光纤，使得沿着通道轴的至少一根光纤的长度短于通道的长度。
37.根据权利要求36所述的制造纤维光缆的方法，其特征在于，通道界定装置包含至少一个缓冲管，并且所述的设置步骤包括在设置步骤期间向所述至少一根光纤施加拉力，以弹性地拉长该光纤达到各自缓冲管的长度步骤，使得一旦各缓冲管环绕中心支承组件定位并且拉力解除，该光纤将保证有一个平均位置偏移。
38.根据权利要求36所述的制造纤维光缆的方法，其特征在于，通道界定装置包括一个包围着中心支承组件并至少界定一个纵向延伸的槽的伸长芯，其中上述的设置步骤包括在设置期间向至少一根光纤施加拉力，以弹性地拉长该光纤达到沿通道轴测量的槽的长度的步骤，使得一旦该光纤定位在槽中并且拉力解除，该光纤将确保有一个平均位置偏移。
39.根据权利要求36所述的制造纤维光缆的方法，其特征在于，通道界定装置包括至少一个界定接收至少一根光纤的通道的缓冲管，并且上述设置步骤包括：
挤制环绕该至少一根光纤的缓冲管；和
在缓冲管环绕着中心支承组件定位之前，迅速冷却挤制的缓冲管以抑制缓冲管的收缩，使得该至少一根光纤相对于缓冲管的长度被弹性地拉长。
40.一种制造纤维光缆的装置，包括：
绞合装置，用于使至少一个缓冲管环绕着伸长的中心支承组件定位，每个缓冲管确定一个缓冲管轴并至少包含一根光纤；和
施力装置，在该至少一个缓冲管环绕着中心支承组件定位的同时向该缓冲管施以拉力以伸长该缓冲管，使得在约20℃～26℃的温度范围内该至少一根光纤在从缓冲管轴向中心支承组件的径向向内延伸的方向上有一个平均位置偏移。
41.根据权利要求40所述的制造纤维光缆的装置，还包括挤制环绕缓冲管的保护套的挤压装置。
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