DE19940820A1 - Lichtwellenleiter-Kabel mit hinsichtlich ihrer Oberfläche optimierten LWL-Kammern - Google Patents

Lichtwellenleiter-Kabel mit hinsichtlich ihrer Oberfläche optimierten LWL-Kammern

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Abstract

Lichtwellenleiter-Kabel, mit einem Kammern zur Aufnahme der Lichtwellenleiterelemente enthaltenden Grundkörper (4), wobei die Kammern (6) eine die Oberflächenrauhigkeit herabsetzende und damit dämpfungsmindernde Kunststoffbeschichtung (12, 14) aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lichtwellenleiter -Kabel, im folgenden auch als LWL-Kabel bezeichnet, mit LWL- Kammern, wie durch den Oberbegriff des Patentanspruches 1 be­ schrieben.
Es ist bekannt, daß Lichtwellenleiter aufnehmende Kabel, ins­ besondere in den am Rande liegenden Fasern des Faserbündels, unterschiedlichen lateralen Belastungen unterliegen. Entspre­ chend der Größe der lateralen Belastung sind dabei unter­ schiedliche Dämpfungsverluste zu erwarten. Wenn die Beweg­ lichkeit des Faserbündels garantiert ist, können die Dämp­ fungsverluste aufgrund von Makrokrümmungen im allgemeinen vernachlässigt werden. Ein weiterhin bestehendes Problem bei derartigen LWL-Kabeln sind aber die Dämpfungsverluste auf­ grund von Mikrokrümmungen, welche im Bereich der optischen Signalübertragung unerwünscht sind. Mikrokrümmungen sind in der Theorie hinreichend beschrieben, z. B. durch die verein­ fachte Formel
ΔαMikro = cmech . Po
gemäß dem Mikrokrümmungsformalismus nach Petermann und erwei­ terten Modellen. Hierbei bezeichnet ΔαMikro die durch Mikro­ krümmungen hervorgerufene Änderung der Dämpfung und Po den lateralen Druck. In dem Faktor cmech sind der Einfluß der Fa­ ser- und Oberflächeneigenschaften auf die Signaldämfung zu­ sammengefasst. Insbesondere bei Fernverbindungen, wie z. B. Seekabeln, sind Dämpfungserhöhungen schon im Bereich von 0,01 dB/km störend. Als Gegenmaßnahme wird durch Kabeldimensionie­ rungen der wirkende Querdruck Po bekanntermaßen so klein als möglich gehalten. Jedoch ergeben sich Anwendungsfälle (Kun­ denwünche), bei denen Po nicht vernachlässigbar klein gehal­ ten werden kann.
Bekannt ist auch, daß Mikrokrümmungsverluste über Wandstärken und E-Moduli vom primären und sekundären Coating beeinflußt werden können, wobei als weiterer Einflußfaktor der MAC-Wert bekannt ist, der im wesentlichen den Glaseinfluß auf den Fak­ tor cmech widerspiegelt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, LWL-Ka­ bel zur Verfügung zu stellen, deren Dämpfungsverluste auf Grund von Makro- und Mikrokrümmungen so gering wie möglich gehalten werden können.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des un­ abhängigen Patentanspruches 1 gelöst, wobei zweckmäßige Aus­ führungsformen durch die Unteransprüche beschrieben sind.
Nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Kabel mit hinsichtlich der Oberflächenrauhigkeit optimierten LWL-Kam­ mern vorgesehen, wobei durch diese Optimierung der Faktor cmech so gering wie möglich gehalten werden kann, dessen Be­ herrschung als weiterer Einflußfaktor auf die Dämpfungserhö­ hungen als erforderlich erkannt wurde.
Gemäß der Erfindung wird durch eine geeignete Materialauswahl und eine entsprechende Auswahl der Fertigungsparameter die Oberflächenqualität der LWL-Kammern des Kabels beeinflußt. Dabei wird entweder eine glatte Kammeroberfläche mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra < 0,5 µm extrudiert, und/oder die störenden Ortsfrequenzen werden in den Bereich größer 20 l/mm oder kleiner 2 l/mm verlagert (als "Ortsfrequenzspektrum" oder "Leistungsspektrum" bezeichnet man die Fouriertransfor­ mierte der Autokorrelationsfunktion eines beispielsweise durch Abtastung einer Oberfläche mit einer Mikrosonde gewon­ nenen Rauhigkeitssignals). Der Vorteil dieser Maßnahme ist, daß die störende Querdruckbelastung durch die verbesserte Kammeroberflächenqualität weniger ins Gewicht fällt, d. h. cmech wird kleiner. Daß bedeutet, daß Einengungen, z. B. durch Durchmesserfertigungstoleranzen bzw. Faserüberlängenprobleme, solange diese keine Makrokrümmungsverluste bewirken, kompen­ siert werden können. Die Oberflächen der Kammern, in welchen LWL-Elemente wie z. B. Einzelfasern, Faserbündel oder Faser­ bändchen eingelagert sind, sind daher mit einer Oberfläche versehen, die den Kriterien hinsichtlich der Vermeidung von Rauhigkeit im für das jeweilige LWL-Element störenden Orts­ frequenzbereich entsprechen.
Diese optimierten Kammeroberflächen werden vorzugsweise durch mit dem die LWL-Kammern aufnehmenden Grundkörper des Kabels koextrudierte dünne Kunststoffschichten realisiert, wobei für die Kammeroberflächen vorzugsweise im Vergleich zum Grundkör­ per weichere und/oder glattere Materialien zum Einsatz kom­ men, z. B. schrumpfarmes HDPE für den Grundkörper, und LDPE für die Beschichtung.
Das kammerbildende Kabelelement wie z. B. Minibündel- oder Ma­ xibündelader oder die Kammern von Kammerkabeln wurden aus Stabilitätsgründen häufig aus Werkstoffen hergestellt, die im ungünstigen, d. h. im störenden Ortsfrequenzbereich von 2 mm-1 -20 mm-1 vorzugsweise von 5 mm-1-12 mm-1 keine Rauhigkeiten aufweisen. Durch die Beschichtung dieser Elemente mit einer dünnen speziellen Kunstoffschicht von 10 µm-100 µm, vorzugs­ weise 20 µm-60 µm, werden die oberflächeninduzierten Mikro­ krümmungsverluste in solchen Kabeln deutlich verringert, wo­ bei der Effekt zu beobachten ist, daß an dieser Kunststoff­ schicht im Ortsfrequenzbereich von 2 mm-1 bis 20 mm-1 keine Oberflächenrauhigkeit Ra < 0.5 µm auftritt.
Die Dicke der oben genannten Schicht ist dabei vorzugsweise so groß gewählt, daß die Rauhigkeit des die LWL-Kammern auf­ nehmenden Grundelements, das z. B. aus hochkristallinem PE, PP, PBT, PA oder PC besteht, im oben genannten Ortsfrequenz­ bereich keinen Einfluß auf die mit dem Lichtwellenleiter in Berührung kommenden Oberfläche hat.
Neben der Koextrusion solcher Ortsfrequenz-Rauhigkeitsglätt­ schichten können auch Schutzfolien eingesetzt werden, die ebenfalls im empfindlichen Ortsfrequenzbereich die Rauhig­ keitsschwelle unterschreiten.
Durch gezielte Fertigungsparameter und eine entsprechende Ma­ terialauswahl ist der Wert Cmech vorzugsweise eingestellt auf:
(Cmech)min = 4 . 10-5[dB . m/N . km] bis (Cmech)max = 0,01[dB . m/N .km]
bevorzugt
(Cmech)min = 4 . 10-5[dB . m/N . km] bis (Cmech)max = 0,005[dB . m/N . km]
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Aus­ führungsformen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnun­ gen; darin zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Lichtwellenleiterkabel;
Fig. 2 bis 4 unterschiedliche Varianten der Beschichtung der Lichtwellenleiterkammern des Kabels nach Fig. 1.
Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Lichtwellenlei­ terkabel, mit einem Mantel 2 und einem Grundkörper 4 inner­ halb des Mantels 2, der Kammern 6 zur Aufnahme der Lichtwel­ lenleiterelemente wie z. B. optischen Fasern aufweist, die durch Stege 8 voneinander getrennt sind. In der Mitte des Grundkörpers 4 ist ein Zentralelement 10 dargestellt, daß der Stabilisierung und der Zugfestigkeit des Lichtwellenleiterka­ bels dient. Die Kammern 6 sind hierbei ohne Beschichtung dar­ gestellt.
Fig. 2 zeigt eine erste Variante der Beschichtung der Wände der Kammern 6, um diese entsprechend der Erfindung glatt zu gestalten. Bei der dargestellten Variante der Beschichtung ist diese in eine Kammerbodenbeschichtung 12 sowie Beschich­ tungen 14 der an den Mantel 2 angrenzenden Bereiche der Wände der Kammern 6 des Grundkörpers 4 aufgeteilt. Diese Art der Beschichtung setzt eine gute Haftung zwischen Grundkörper 4 und Beschichtung 12, 14 voraus. Um diese zu gewährleisten werden für Grundkörper 4 und Beschichtung 12, 14 entweder PE- Materialien verwendet, die sich verbinden, hier schrumpfarmes MDPE für den Grundkörper 4, und LDPE oder ebenfalls MDPE für die Beschichtung 12, 14, oder es kommt ein Kleber zwischen Grundkörper 4 und Beschichtung 12, 14 zum Einsatz. In diesem Fall können auch Beschichtungen aus Kunststoffen realisiert werden, die dem Grundkörperwerkstoff nicht ähneln, z. B. Te­ flon, PFA oder andere. Fluorierte Polymere, auch fluorierte Elastomere wie z. B. Viton sind damit möglich. Eine andere Möglichkeiten besteht in der Verwendung von steifem, vorzugs­ weise schrumpfarmem HDPE für den Grundkörper 4, und LDPE oder MDPE für die Beschichtung 12, 14. Schließlich besteht auch noch die Möglichkeit der Kombination von HDPE, PP, oder MDPE für den Grundkörper 4 und einem Makromelt für die Beschich­ tung 12, 14.
Diese Materialpaarungen lassen sich natürlich auch für die im folgenden Varianten der Beschichtung der Kammern 6 einsetzen.
Fig. 3 zeigt eine zweite Variante der Beschichtung der Kam­ mern 6 des Grundkörpers 4. Hierbei bedeckt eine Beschichtung 16 die gesamten Innenwände der Kammern 6 des Grundkörpers. Auch diese Art der Beschichtung setzt gute Haftbedingungen zwischen Grundkörper 4 und Beschichtung 16 voraus. Die zu in der Fig. 2 gezeigten Variante 1 gemachten Aussagen gelten daher entsprechend für die Variante 2 der Fig. 3.
Fig. 4 zeigt eine dritte Variante der glatten Beschichtung der Wände der Kammern 6 des Grundkörpers 4. Hierbei ist der Gesamte Grundkörper 4 von einer durchgehenden Schicht 18 überzogen.
Die Fig. 5 schließlich zeigt eine vierte Variante der Be­ schichtung der Kammern 6. Hierbei zieht sich eine Beschich­ tung 20 über die Kontaktflächen der Stege 8 des Grundkörpers 4 mit dem Mantel 2 des Kabels sowie teilweise über die daran angrenzenden Wände der Kammern 6.
Um mit der Beschichtung nicht den Freiraum der Kammer stark zu verkleinern, ist es angebracht, die Beschichtung so gering als möglich zu wählen, d. h. die Schichtstärke wird kleiner als 0,2 mm, vorzugsweise 0,01 bis 0,1 mm gewählt.
Die Koextrusion mit niedrigviskosen Kunststoffen wie für die Kammerbeschichtung vorgesehen, reduziert außerdem die Frikti­ on im Extrusionswerkzeug erheblich. Die Extrusionstemperatur bzw. die Schmelztemperatur kann deshalb abgesenkt werden, was zu folgenden Vorteilen führt:
  • - Das Extrudat des Grundkörpers weist im Austritt aus dem Extrusionswerkzeug eine hohe Formstabilität auf.
  • - Die Schrumpfung des Grundkörpers bei der nachfolgenden Ab­ kühlung wird reduziert.
Die Beschichtungsdicke kann entlang der Oberfläche des Kam­ merquerschnittes unterschiedlich sein. Es ist wichtig, daß an den Stellen des größten Anpreßdruckes die Beschichtungsdicke ausreichend groß ist. Durch gezielte Anordnung von Beschich­ tungsdickstellen kann die Kammergeometrie verändert werden, wie in den den Fig. 2 und 5 dargestellt.
Bei den Varianten 1 und 4 der Fig. 2 und 5 besteht der Vorteil einer Verringerung der Klemmwirkung zwischen Mantel 2 und Steg 8 sowie einer Verringerung der Oberflächenrauhigkeit in diesem kritischen Bereich.
Die Beschichtung aller Varianten 1 bis 4 ist vorzugsweise weicher, d. h. hat einen kleineren E-Modul, als der Trägerkör­ per. Die Fixierung zwischen Beschichtung und Grundkörper wird entweder durch Formschluß, Verschweißen oder Verkleben er­ reicht.
Natürlich ist auch eine Kombination der einzelnen Merkmale der Varianten 1 bis 4 denkbar und sinnvoll.

Claims (24)

1. Lichtwellenleiter-Kabel, mit einem Kammern (6) zur Auf­ nahme von Lichtwellenleiterelementen enthaltenden Grundörper (4), dadurch gekennzeichnet, daß die je­ weilige Kammer (6) eine glatte Oberfläche aufweist, die der Vermeidung von Rauhigkeit in dem für das jeweilige LWL-Ele­ ment störenden Ortsfrequenzbereich entspricht.
2. Lichtwellenleiter-Kabel Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtwellenleiter-Kabel aus einem Mantel (2) und einem die LWL-Kammern (6) aufwei­ senden Grundkörper (4) innerhalb des Mantels (2) besteht.
3. Lichtwellenleiter-Kabel Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere LWL-Kam­ mern (6) vorgesehen sind, die extrudiert und geschlossen sind.
4. Lichtwellenleiter-Kabel nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (4) aus hochkristallinem PE, aus PP, aus PBT, PA oder PC besteht.
5. Lichtwellenleiter-Kabel nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die glatten Oberflächen der jeweiligen Kammern (6) einen Wert Ra < 0,5 µm aufweisen.
6. Lichtwellenleiter-Kabel nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die glatten Oberflächen der jeweiligen Kammern (6) derart ausge­ bildet sind, daß im Ortsfrequenzbereich von 2 mm-1 bis 20 mm-1 keine Oberflächenrauhigkeit Ra < 0,5 µm auftritt.
7. Lichtwellenleiter-Kabel nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die glatte Oberfläche der jeweiligen Kammer (6) durch koextru­ dierte dünne Kunststoffschichten (12, 14, 16, 18, 20) gebil­ det ist.
8. Lichtwellenleiter-Kabel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dünnen koex­ trudierten Kunstoffschichten (12, 14, 16, 18, 20) so groß ge­ wählt ist, daß die Rauhigkeit des Grundelements im Ortsfre­ quenzbereich von 2 mm-1 bis 20 mm-1 einen vernachlässigbaren Einfluß auf die mit dem Lichtwellenleiter in Berührung kom­ menden Oberfläche hat.
9. Lichtwellenleiter-Kabel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen koextrudierten Kunstoffschichten (12, 14, 16, 18, 20) eine Dicke von 10 µm- 100 µm aufweisen oder stellenweise gegen 0 geht und an anderer Stelle dementsprechend dicker (bis 500 µm) ist.
10. Lichtwellenleiter-Kabel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen koextrudierten Kunstoffschichten (12, 14, 16, 18, 20) vorzugsweise eine Dic­ ke von 20 µm-60 µm aufweisen.
11. Lichtwellenleiter-Kabel nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dün­ nen koextrudierten Kunstoffschichten (12, 14, 16, 18, 20) aus weichem und glattem Material und der Grundkörper (4) aus teilkristallinen oder amorphen Kunststoffen besteht.
12. Lichtwellenleiter-Kabel nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dün­ nen koextrudierten Kunstoffschichten (12, 14, 16, 18, 20) aus LDPE und der Grundkörper (4) aus HDPE gemacht sind.
13. Lichtwellenleiter-Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ schichtung der Oberflächen der jeweiligen Kammern (6) durch Schutzfolien gebildet sind.
14. Lichtwellenleiter-Kabel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzfolien im Ortsfre­ quenzbereich von 2 mm-1 bis 20 mm-1 die Rauhigkeitsschwelle un­ terschreiten.
15. Lichtwellenleiter-Kabel nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ schichtung (12, 14, 16, 18, 20) weicher ist als der Grundkör­ per (4).
16. Lichtwellenleiter-Kabel nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Fi­ xierung zwischen Beschichtung (12, 14, 16, 18, 20) und Grund­ körper (4) durch Formschluß erreicht ist.
17. Lichtwellenleiter-Kabel nach Anspruch 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftung zwischen Beschichtung und Grundkörper (4) durch Kleben oder Verschweißen erreicht ist.
18. Lichtwellenleiter-Kabel nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor Cmech gemäß der Formel
ΔαMikro = cmech . Po
der glatten Wände der Kammern (6) des Grundkörpers (4) in dem Bereich
(Cmech)min = 4 . 10-5[dB . m/N . km] - (Cmech)max = 0,01[dB . m/N . km]
liegt.
19. Lichtwellenleiter-Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Fak­ tor Cmech gemäß der Formel
αMikro = cmech . Po
der glatten Wände der Kammern (6) des Grundkörpers (4) in dem Bereich
(Cmech)min = 4 . 10-5[dB . m/N . km] - (Cmech)max = 0,005[dB . m/N . km]
liegt.
20. Lichtwellenleiter-Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die glatte Oberfläche einen Reibwert von < 0,3 (Haftreibungs­ koeffizient und Gleitreibungskoeffizient zwischen Bändchen und Beschichtung) aufweist.
21. Lichtwellenleiter-Kabel nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mit einer Be­ schichtung versehen ist, in deren Kunststoffmatrix Gleimittel für die Reduzierung des Reibwertes eingemischt ist.
22. Lichtwellenleiter-Kabel nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmittel wachsartig ist und nach der Beschichtung an die Oberfläche diffundiert.
23. Lichtwellenleiter-Kabel nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmittel aus einem Material besteht, das bie Extrusionsbeschichtung nicht auf­ schmilzt.
24. Lichtwellenleiter-Kabel nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mit einer Be­ schichtung versehen ist, die quellfähige Substanzen, wie quellfähige Polymere, in der Form von Flüssigkeiten aufweist, die nach dem Auftrag auf dem Grundkörper haften.
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