DE3234392A1

DE3234392A1 - Verfahren zum herstellen eines optischen faserkabels und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3234392A1
Application number: DE19823234392
Authority: DE
Inventors: Bernard Raymond 30247 Lilburn Georgia Eichenbaum; Manuel Roberto 30360 Doraville Georgia Santana
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1981-09-21
Filing date: 1982-09-16
Publication date: 1983-04-28
Also published as: CA1189367A; US4859023A; JPS5862603A; IT8223342A0; NL8203635A; FR2513388A1; GB2106266B; FR2513388B1; GB2106266A; IT1191011B

Description

Beschreibung

Verfahren zum Herstellen eines optischen Faserkabels und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Faserkabels, das eine oder mehrere von einer Umhüllung umgebene optische Fasern besitzt, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Herstellung optischer Faserkabel werden eine oder mehrere optische Fasern regelmäßig von Umhüllungs- und Verstärkungsgliedern im benötigten Umfang umgeben, um Herstellung, Installation und Betrieb des Kabels ohne eine Beschädigung der optischen Fasern zu ermöglichen. So sind typischerweise Schritte zu unternehmen, um ein Ausbuckeln der optischen Fasern als Folge während der Herstellung oder während des nachfolgenden Betriebs des Kabels auftretender Longitudinaldruckkräfte zu verhindern und damit das Auftreten bedeutsamer Mikrobiegungsverluste zu· vermeiden. Mikrobiegungsverluste erhöhen die Dämpung der optischen Strahlung in den Fasern und begrenzen die Ubertragungslänge in einer Faser. Siehe beispielsweise die Arbeit von Gardner "Microbending Loss in Optical Fibers¹', Bell System Technical Journal, Band 54, Heft 2, Seiten 457 465, Februar 1975. Ein Kabelkonstruktionstyp ist in der

US-PS 42 41 979 beschrieben. Bei jenem Kabel werden Mikrobiegungsverluste wesentlich reduziert oder vermieden durch Entkoppeln der optischen Fasern vom umgebenden Kabel. D. h., die optischen Fasern, die typischerweise zu Bändern vereinigt sind, sind innerhalb einer Innenumhüllung mit ausreichendem Abstand zwischen den Bändern und der Umhüllung angeordnet,· um zu verhindern, daß Longitudinalkräfte von der Umhüllung wesentlich auf die Fasern einwirken können. Zusätzlich sind die Bänder leicht verdrillt, um Biegespannungen zu verringern.

Um einen Wassereintritt in Kabel, einschließlich optischer Faserkabel, zu verhindern, kann eine Füllverbindung zur Verfüllung der Zwischenräume zwischen den Fasern innerhalb des Kabels verwendet werden, siehe z. B. US-PS 42 59 950. Das resultierende Kabel wird häufig als "verfülltes Kabel" bezeichnet. Die Füllverbindung liegt zumeist in Form eines Gels vor, das eine Flexibilität des Kabels ermöglicht, aber einen nennenswerten Wassereintritt verhindert. Füllverbindungen können aber, wenn sie bei optischen Faserkabeln benutzt werden, die optischen Fasern mit der umgebenden Umhüllung koppeln, so daß Longitudinalspannungen in der Umhüllung zu einem gewissen Ausmaß auf die Fasern übertragen werden. Wenn daher eine Kontraktion der Umhüllung während des Herstellungsverfahrens oder während der Betriebszeit des Kabels auftritt, können verfüllte Kabel zu einem unbe-

friedigend hohen Mikrobiegungsverlust bei den optischen Fasern des Kabels führen. Eine solche Kontraktion ist mit größerer Wahrscheinlichkeit bedeutsam, wenn die Umhüllung, wie dies regelmäßig geschieht, aus einem polymeren Material hergestellt ist.

Bisher hat man, um solche Spannungen daran zu hindern, auf die optischen Fasern übertragen zu werden, Verstärkungsglieder, beispielsweise längs verlaufende Stahldrähte, in verfüllten optischen Kabeln vorgesehen, um so das Auftreten einer wesentlichen Kontraktion während der Herstellung zu verhindern. Solche Verstärkungsglieder liegen typischerweise in der Kabelmitte oder innerhalb eines Bündels optischer Fasern oder sind in die innere polymere Umhüllung eingebettet. Die vorstehende Methode hat aber bedeutsame Nachteile. Beispielsweise ist es in vielen Fällen erwünscht, die durch Verstärkungsglieder bedingte Verkomplizierung und Gewichtserhöhung zu vermeiden. Des weiteren verkomplizieren solche Verstärkungsglieder den Entwurf der für die Installation erforderlichen Klemmen-Hardware. Es ist daher wünschenswert, ein alternatives Verfahren zum Herstellen eines optischen Faserkabels mit einer Umhüllung, die mit einer oder mehreren optischen Fasern gekoppelt ist, verfügbar zu haben, wobei Mikrobiegungsverluste in den Fasern eliminiert oder wesentlich reduziert sind.

Gemäß der Erfindung wird nun ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Faserkabels bereitgestellt, wobei eine eine oder mehrere optische Fasern umgebende Umhüllung vorgesehen wird. Die Umhüllung wird mit wenigstens einer der Fasern gekoppelt, typischerweise durch eine Füllverbindung, die innerhalb der Umhüllung in den Zwischenräumen zwischen den Fasern vorgesehen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die Wahl eines Umhüllungsmaterials mit ausreichend kleinem Gleichgewichts-Viskoelast'izitätsmodul, so daß im wesentlichen eine Null-Ausbucklung der Fasern erzeugt wird, und das Aufrechterhalten einer auf die Umhüllung einwirkenden longitudinalen Zugspannung, bis der Gleichgewichtsmodul erreicht. Das mit diesem Verfahren hergestellte Kabel enthält typischerweise kein innerhalb der inneren Umhüllung vorgesehenes oder in dieser eingebettetes Glied, das. während der Herstellung oder den zu erwartenden Betriebsbedingungen des Kabels unter nennenswerter longitudinaler Druckspannung steht.

Es zeigen;

Fig. 1 ein im vorliegenden Verfahren hergestelltes typisches optisches Faserkabel und

Fig. 2 eine typische Vorrichtung zur Herstellung des optischen Faserkabels im vorliegenden Verfahren.

Die nachstehende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Faserkabeis. Das vorliegende Verfahren wird mit Vorteil zur Verringerung von Mikrobxegungsverlusten während der Herstellung immer dann angewandt, wenn eine innere Umhüllung mit innerhalb des Kabels verlaufenden optischen Fasern gekoppelt ist. Eine solche Kopplung wird beispielsweise während der Herstellung beim Einführen einer Füllverbindung in die Zwischenräume zwischen den Fasern erzeugt.

Fig. 1 zeigt ein typisches optisches Faserkabel, das im vorliegenden Verfahren hergestellt worden ist. Der grundsätzliche Aufbau dieses Kabels ist ansonsten in der oben erwähnten US-PS 42 41 979 im einzelnen beschrieben. Bei diesem Kabel wird eine innere Umhüllung 102 auf zu Bändern 101 vereinigte optische Fasern 100 extrudiert oder anderweitig aufgebracht. Eine Füllverbindung 109 befindet sich in der Umhüllung und wird typischerweise während der Extrudierung der Umhüllung auf die Bänder eingebrächt, so daß die innere Umhüllung mit den Bändern über die Füllverbindung gekoppelt ist. Weitere Umhüllungen und verschiedene Verstärkungsglieder 103 bis 108 werden auf die innere Umhüllung aufgebracht, wie dieses im einzelnen in der erwähnten US-PS beschrieben ist. Für die vorliegenden Zwecke bezeichnet der Ausdruck "innere Umhüllung" die erste Umhüllung, die auf einer optischen Faser oder auf optischen Faserbändern

aufgebracht wird und umfaßt auch den Fall, daß nur eine einzige Umhüllung in einem Kabel vorhanden ist. Weiterhin soll der Ausdruck "optische Faser" sowohl beschichtete als auch unbeschichtete optische Fasern umfassen. Solche Fasern können bandweise oder in anderen Konfigurationen zusammengefaßt werden, in denen eine Vielzahl von Fasern vor dem Aufbringen der - typischerweise zylindrischen - Umhüllung vereinigt sind'.

Wenn ein Füllverbindungsgel im Kabel vorgesehen ist, liegt der Kopplungskoeffizient zwischen der inneren Umhüllung und den Fasern im wesentlichen bei 1. D. h.. eine longitudinale Kontraktion von einem Prozent in der inneren Umhüllung erzeugt eine Longitudinalkompression von einem Prozent in den optischen Fasern. Da das Glasmaterial der optischen Fasern regelmäßig praktisch inkompressibel ist, äußert sich eine Kompression der optischen Faser üblicherweise in einem Ausbuckeln der Fasern, was die oben erwähnten Mikrobiegungsverluste induziert. Die vorliegende Erfindung wird mit Vorteil angewandt wennimmer dieser Kopplungskoeffizient 0,1 überschreitet. In bestimmten Fällen lassen sich auch dann Vorteile realisieren, wenn der Kopplungskoeffizient nur bei 0,01 oder bei noch niedrigeren Werten liegt. Im Falle von optischen Multimodenfasern ist regelmäßig eine Vielzahl von Fasern innerhalb eines Kabels vorgesehen. In einigen Fällen, insbesondere bei optischen Einzelmodenfasern, kann

-1T-

aber auch nur eine einzige Paser innerhalb eines Kabels vorhanden sein. Die vorliegende Erfindung ist in beiden Fällen mit Vorteil anwendbar. Auch kann die innere Umhüllung mit einer Faser oder mit Fasern ohne Gegenwart einer Füllverbindung gekoppelt sein. Auch hier kann die vorliegende Erfindung mit Vorteil angewandt werden.

Für die vorliegenden Zwecke ist der Ausdruck "im wesentlichen Null-Ausbucklung" definiert an Hand des zulässigen Ausmaßes zusätzlicher Verluste als Folge von Mikrobiegungen einer optischen Faser im Vergleich zu jenen Verlustwerten bei fehlenden Mikrobiegungen. Bei Herstellungsdperationen ist es erwünscht, ein Ansteigen von Mikrobiegungsverlusten auf mehr als 10% der vor Verkabelung vorhandenen Dämpfung der optischen Faser zu vermeiden, vorzugsweise kleiner als 5% zu halten. Beispielsweise sollte eine optische Multimodenfaser mit einer Dämpfung vor Verkabelung von 6 dB/km bei einer Strahlungswellenlänge von 0,85 μΐη hinzugefügte Verluste als Folge von Mikrobiegungen von weniger als 0,6 dB/km vorzugsweise weniger als 0,3 dB/km nach Verkabelung haben. Weitere hinzugefügte Verluste, beispielsweise Verluste an Spleiß-Stellen, die während der Herstellung auftreten, sind in diesem Betrag nicht eingeschlossen. Um ein weiteres Beispiel zu geben,· eine bei 1,3 μπι Wellenlänge betriebene optische Einzelmodenfaser sollte typischerweise als Folge von Mikrobiegungen hinzugefügte Verluste von kleiner als

0,1 dB/km, vorzugsweise kleiner als 0,05 dB/km, haben.

Mit der vorliegenden Erfindung sind niedrige Mikrobiegungsverluste während der Herstellung optischer Faserkabel erhältlich, wobei eine innere Umhüllung auf eine oder mehrere Fasern extrudiert wird. Hierzu gehört erstens ein Umhüllungsmaterial mit hoher Kriechnachgiebigkeit gewählt. Zweitens wird auf das Kabel nach Extrudierung eine Belastung ausgeübt, so daß die.thermische Kontraktion der Umhüllung durch einen Kriechvorgang kompensiert wird. Diese Belastung wird so lange aufrechterhalten bis für die innere Umhüllung eine Gleichgewichtslongitudinalspannung von im wesentlichen Hull erhalten wird.

Zur Formulierung einer quantitativen Beschreibung dieses Ausbucklungsverhinderungsverfahrens sei eine lineare thermoviskoelastische Analyse gemacht. Hierbei werden verschiedene miteinander verknüpfte Terme im üblichen Sinn benutzt, um das Verhalten eines polymeren Materials bei Gegenwart von Spannung oder Dehnung zu beschreiben. Der Ausdruck "Viskoelastizitätsmodul" ist der Modul des Materials als Funktion der Zeit, der dem viskosen Fließen des polymeren Materials Rechnung trägt. Wenn Temperatureffekte auf diesen Modul ebenfalls eingeschlossen sind, wird der Ausdruck "Thermoviskoelastizitätsmodul" benutzt. Der Ausdruck

-.13 -

"Kriech-Nachgiebigkeit" ist ein Maß der Dehnung im Material als Funktion einer ausgeübten konstanten Spannung. Sie ist typischerweise ebenfalls eine Funktion von Zeit und Temperatur. Der Ausdruck "Relaxationsmodul" wird ebenfalls häufig benutzt und ist ein Maß der Spannung im Material bei ausgeübter konstanter Dehnung. Auch dieser Modul ist typischerweise Zeit- und temperaturabhängig. Eine hinreichende Bedingung zum Vermeiden eines FaserausbuckeIns ist, die von der Umhüllung geführte Longitudinalbelastung kleiner zu machen als die gesamte Longitudinalbelastung auf das Kabel für alle Zeiten nach Kopplung (der Kern innerhalb der Umhüllung muß etwas von jeder Last führen). D. h., wenn CF(Sc, t) die momentane Longitudinalspannung im Punkt χ zur Zeit t in der Umhüllung ist, dann ist es zur Vermeidung eines Faserausbuckelns hinreichend, daß für eine Kopplung während der ganzen Zeit die Bedingung gilt

F(t) > Γ σ(χ, t)dA (1)

^As

Hierin bedeuten F(t) die momentane auf das Kabel einwirkende XiOngitudinalbelastung und A den Umhüllungsquerschnitt. Jeder Überschuß der linken Seite von Ungleichung (1) wird von den Fasern und den zugeordneten Materialien im Kern geführt.

-H-

Die momentane Spannung in einem thermoviskoelastischen Material hängt von dessen Geschichte sowie vom derzeitigen Zustand ab: Zunächst gilt ohne Berücksichtigung von Temperaturänderungen für jeden Punkt χ

t
, t) = I E(t-r) --M¹¹- dr, (2)

hierin bedeuten

E den Elastizitätsmodul, der üblicherweise mit zunehmendem Argument monoton abnimmt,

e die momentane mechanische Dehnung zur Zeit r und t die früheste Zeit in der Probengeschichte, die für die Bestimmung von σ relevant ist, d. h. die Zeit., wenn die Kern/Umhüllung-Kopplung beginnt.

Nach Vereinigung von (1) und (2) erhält man

t .

P(t) >/ Γ E(t-r) äi-iri- _{dr dA} (3) JJ dr

als hinreichende Bedingung für keine Lichtleiter-Ausbucklung.

Wenn nach der Extrudierung die Umhüllung abkühlt, tritt eine thermische Kontraktion der Umhüllung mit einer Geschwindigkeit von Λ (T) dT/dt auf. Hierin bedeuten T die momentane Temperatur und CL den Temperaturausdehnungskoeffizient bei der Temperatur T. Zur Vermeidung einer Faser-Ausbucklung wird diese Kontraktion durch eine mechanische Dehnung ausgeglichen, die durch eine Longitudinallast (Spannung) erzeugt werden kann. Wenn die mechanische Dehnungsgeschwindigkeit und die thermische Kortraktionsgeschwindigkext einander angepaßt werden, erhält man

SI ♦ 41 - ·· ⁽⁴⁾

Es gilt dann

> - J J

F(t)> - J J E(t-r) ct(T) l^drdA (5)

als hinreichende Bedingung für kein Faserausbuckeln.

Gleichung (2) schließt Temperaturänderungen nicht explizit ein, es ist aber aus der Natur von Gleichung (5) mit deren expliziter Temperaturabhängigkeit ersichtlich, daß Gleichung (2) zur Berücksichtigung von Temperaturänderungen wie folgt verallgemeinert werden muß

r^fc dt

*äi" ^d- ·

(6)

Das neue Argument von E, nämlich /dt /a„(T-T ) wird als reduzierte Zeit bezeichnet. Es stellt die effektive Zeitdifferenz dar und errechnet sich durch Anwenden einer temperaturabhängigen Gewichtsfunktion a auf die Uhrzeitverzögerung zwischen Dehnungserzeugung und Spannungsabschätzung. Diese stärker verallgemeinerte Form führt zu. einer stärker verallgemeinerten Form von Gleichung (5), der

Bedingung für kein Ausbuckeln, wie folgt t

rt

a"

Γ -St

Jd_T(T(t)-T_o)

- T

dr dA. (7)

Das Zeitintegral in der Ungleichung (7) sei nun separiert in zwei Zeitintervalle:

Λ/

t (wenn T -*■ Raumtemp.)

(8)

Für t > t versehwindet das zweite Integral auf der rechten Seite von Gleichung (8). da dT/dr = 0 innerhalb seinen Grenzen ist. Im allgemeinen ist F = F(t) auch nach t da E = E(t) ist. Jedoch kann nach einem gewissen Zeitbetrag der Wert von E innerhalb des ersten Integrals in Gleichung (8) für einige Materialien durch eine Materialkonstante ,

den Gleichgewichtsmodul (E) angenähert werden. In solchen Fällen wird F eine Konstante und die Ungleichung (7) kann umgeschrieben werden zu

F > -Ε_Ω / J *(T(r)) "^ dr dA (9)

i V

für t ausreichend >t . Gleichung (9) kann, weil hier alle Funktionen überall differenzierbar sind, umgeschrieben werden zu

^{F >} ~^Ee J J ^{A{T) dT dA}* ⁽¹⁰⁾

^As ^To

Wenn nun die Temperaturabhängigkeit des Radius und des Azimut innerhalb der Umhüllungswandung vernachlässigt wird und das innere Integral an Hand eines Mittelwertes für d = Cf- abgeschätzt wird, dann gilt

F > E_e A <k Δ Τ (11)

hierin bedeuten ΔΤ = T -T und A das Umhüllungsquerschnittsgebiet .

Die gesuchte quantitative Beschreibung, verkörpert durch Ungleichung (7) und den wichtigen Spezialfall der Ungleichung (11) ist damit vollständig. Ungleichung (7) gibt an, daß, solange eine Last, F(t) auf die Umhüllung zu allen Zeiten t ausgeübt wird und größer ist als das Integral auf der rechten Seite, ein Ausbuckeln der Fasern nicht auftreten kann. Zu beachten ist, daß diese geforderte Belastung nicht nur von den Momentanwerten von zeitabhängigen Parametern abhängig ist, sondern auch von der Geschichte jener Parameter. Wenn gewartet wird, bis sich die Umhüllung auf Raumtemperatur befindet, und wenn ein Gleichgewichtsmodul dem Umhüllungsmaterial zugeschrieben werden kann, dann ist die erforderliche Last F zur Vermeidung eines Faserausbuckelns nicht länger zeitabhängig und kann von dem einfacheren Ausdruck, der Ungleichung (1I)₇ bestimmt werden.

Tatsächlich, wenn der Gleichgewichtsmodul im wesentlichen Null ist, . besteht nach seinem Erreichen keine Notwendigkeit, weiterhin eine Belastung aufrechtzuhalten, um Faserausbuckeln zu vermeiden. Dieses Verhalten ist, wonach gesucht wurde: es gibt keine verbleibende Treibkraft, die Faserausbuckeln verursachen könnte. Der Ausdruck "Gleichgewicht", wie er hierin benutzt wird, bezieht sich auf den Zustand der Umhüllung zu einem Zeitpunkt ausreichend lange nach der Extrudierung derart, daß während der Betriebs zeit des Kabels praktisch keine weitere Änderung im Modul auf-

tritt. Wenn daher der Gleichgewichtsmodul (E ) klein ist, tritt nach Wegnehmen der Longitudinalbelastung praktisch kein Schrumpfen auf und es wird praktisch die Druckkraft Null auf die Faser ausgeübt. Das Gleichgewicht wird üblicherweise nach Abkühlung der extrudierten Umhüllung auf Raumtemperatur erreicht, aber in einigen Fällen kann auch eine weitere Relaxation noch nach dieser Zeit auftreten.Wie rasch ein Material seinen E -Wert ,erreicht und wie niedrig dieser Wert ist, sind Erwägungen von kritischer,praktischer Bedeutung. Die Zeit sollte vernünftig kurz sein, in der Größenordnung der Bearbeitunszeit liegen, und E sollte dicht bei Null liegen.

Ein Material, das sich in dieser Hinsicht als geeignetes Material für die innere Umhüllung erwiesen hat, ist Polyvinylchlorid (PVC).

Nachstehend ist der Extrudierungsprozeß des vorliegenden Verfahrens an Hand eines Beispiels beschrieben.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, laufen optische Faserbänder 21 durch einen Extruder 22 in welchem die Füllverbindung injiziert wird. Diese Füllverbindung hat vorteilhafterweise die in der nachstehenden Tabelle I angegebene Zusammensetzung. Der Extruder extrudiert auch die innere Umhüllung 21 auf die Bänder, deren Zwischenräume mit der Füllverbindung verfüllt

sind. Die Umhüllung läuft dann durch ein die Größe bestimmendes Ziehwerkzeug 24. Der Außendurchmesser der Umhüllung ist etwa 7/87 mm und der Innendurchmesser ist etwa 6,35 mm. Die Umhüllung wird bei etwa 193 ⁰C mit einer Geschwindigkeit von 15 cm pro Sekunde extrudiert. Die Zusammensetzung des Umhüllungsmaterials ist in der nachstehenden Tabelle II wiedergegeben. Die Umhüllung wird dann während ihres Durchlaufs durch einen etwa 12,2 m langen Wassertrog 25 gekühlt. Eine Wassertemperatur zwischen 10 und 21 ⁰C ist geeignet. Andere Kabelschichten, die weitere Umhüllungen, Verstärkungsglieder, Armierungss.chichten, Außenmantel usw. umfassen können, werden dann wie bei 26 schematisch angedeutet, aufgebracht. Das Kabel läuft dann durch einen Zug-Kapstan 28, der eine geeignete Zugspannung auf die .Umhüllung ausübt, um die oben angegebene Kontraktion zu verhindert. Es wurde gefunden,- daß eine Zugkraft auf die Umhüllung von etwa 2,2 bis 4,4 Newton in dieser Hinsicht geeignet ist. Das Kabel läuft dann auf eine Aufwickeltrommel 29. Es wurde gefunden, daß eine verstrichene Zeitspanne von etwa 90 Sekunden ab Extrudierung der inneren Umhüllung bis zum Verlassen des Zug-Kapstans für eine praktisch vollständige Relaxation der PVC-Umhüllung ausreichend ist,, d. h. daß dann praktisch keine Druckspannung mehr in der Umhüllung vorhanden ist.und damit praktisch keine Mikrobiegungsverluste in die optischen Fasern induziert werden.

Tabelle I Füllgelzusammensetzung Komponenten Gewichtsteile

Styroläthylenbutylen- 7

Blockcopolymer

(Kraton G 1650)

Mineralöl (Naptholisch) 93

(Drakeol 35)

Antioxidans 0.2

(Irganox 1035)

Tabelle II

Umhüllungszusammensetzung	Gewichtsteile
Komponenten	100
Polyvinylchlorid	30
Diundecylphthalat	7
Tribasisches Bleisulfat	2
Antimontrioxid	0.4
Dibasisches Bleistearat	0.4
N,N¹-Äthylenbisstearamid

Es ist auch möglich, das umhüllte Kabel direkt auf eine Aufwickeltrommel vor den weiteren Verkabelungsschritten aufzuwickeln. In diesem Fall kann ein Teil der erforderlichen Relaxationszeit nach Aufwickeln auf die Trommel erhalten werden. Dieses reduziert oder eliminiert beispielsweise die

durch den Wassertrog erforderliche Abkühlung. Die Umhüllung könnte dann unter ausreichender Zugspannung aufgewickelt werden, um wie erwähnt ein Ausbuckeln zu vermeiden, während das Kabel auf der Trommel auf Raumtemperatur abkühlt. Andere Abkühl- und Zugbelastungsmethoden können alternativ oder zusätzlich verwendet werden. Falls die weiteren Verkabelungsschritte wie dargestellt in-line vor dem Aufwickeln durchgeführt werden, ist es wünschenswert, daß die innere Umhüllung sich praktisch auf Null-Druckspannung vor dem Aufbringen der restlichen Kabelschichten entspannt. Dieses kann im Falle von PVC für die typischerweise betroffenen Bearbeitungszeiten leicht erreicht werden. Jedoch können auch abei der nachfolgenden Fertigstellung, die auf die innere Umhüllung weiter aufgebrachten Schicht in einigen Fällen restliche Druckspannungen aufnehmen, die von der inneren Umhüllung erzeugt werden, so daß eine Spannungsübertragung auf die Fasern vermieden ist. ■ . ■

In jedem Fall ist es zum Vermeiden eines Ausbuckelns einer typischen optischen'Quarzglasfaser mit einem Außendurchmesser (Mantel) zwischen 9.0 und 150 μπι wünschenswert, die auf jede Faser übertragene Longitudinaldruckkraft kleiner als 4,45 -10 N

-4 (445.dyn) , vorzugsweise kleiner als 4,45-10 ¹N (44,5 dyn) zu halten. Zu beachten ist, daß diese Kraft eine Funktion der Restspannung der inneren Umhüllung im Gleichgewicht multipliziert mit dem Kopplungskocffizienten zwischen Umhüllung und

Faser ist. Die vorstehend erwähnte Spannung von im wesentlichen Null in der inneren Umhüllung wird typischerweise für eine Relaxationszeit erhalten, die kleiner als die restliche Herstellungszeit des Kabels, auf die Extrudierung der inneren Umhüllung folgend, ist. Diese Zeit ist typischerweise kleiner als zwei Minuten. Es kann jedoch, wie.erwähnt, eine teilweise Relaxation während der Umhüllungsoperation auftreten, wobei dann die weitere Relaxation auftritt, nachdem das. Kabel auf eine Trommel aufgewickelt worden ist. Dieses steht im Gegensatz zu bekannten verfüllten Kabelentwürfen, bei denen die Spannung in der inneren Umhüllung typischerweise lange Zeiten nach Herstellung und Installation aufrechterhalten wird und durch Verstärkungsglieder im Kabel kompensiert wird. Beim vorliegenden Kabelaufbau hält typischerweise kein innerhalb der inneren Umhüllung gelegenes oder in letztere eingebettetes Glied eine wesentliche Longxtudinaldruckkraft unter den zu erwartenden Betriebsbedingungen des Kabels aufrecht.

Die Wahl eines Umhüllungsmaterials, das im Gleichgewicht praktisch die Spannung Null hat (erzeugt durch eine hohe Kriech-Nachgiebigkeit oder mit anderen Worten durch einen niedrigen Viskoelastizitätsmodul) kann nach bekannten Unter- · suchungsmethoden bewerkstelligt werden. Siehe beispielsweise "Strain Control and Stress Measurements for Relaxation", in Creep And Relaxation Of Nonlinear Viscoelastic Materials, W. N. Findley et al, North-Holland Publishing Company, New· York (1976). Modulmessungen als Funktion der Dehnungs-

frequenz können ebenfalls angewandt werden. Erwünschtermaßen ist der Wert des Moduls in der sog. "Plateauzone" für das Material niedrig genug, um ein im wesentlichen Null-Ausbuckeln der Fasern zu erzeugen; siehe Viscoelastic Properties Of Polymers, Third Edition, J. D. Ferry, Wiley & Sons Publishers, New York (1976).

Polymere Umhüllungsmaterialien werden typischerweise durch Extrudieren bei erhöhter Temperatur aufgebracht. Eine Umhüllung kann aber auch durch Aufbringen eines längs verlaufenden Bandes, typischerweise bei Raumtemperatur, aufgebracht werden. Siehe hierzu die Schicht 103 in Fig. 1. Die Relaxation eines Polyvinylchloridbandes '!kann bei Zimmertemperatur innerhalb weniger Minuten oder noch schneller je nach Zusammensetzung, Dicke, ausgeübte Zugspannung usw. auftreten. Andere Umhüllungsmethoden können gleichfalls bei der Ausführung des vorliegenden Verfahrens angewandt werden.

Während das verfüllte optische Faserkabel des vorstehend beschriebenen Beispiels ein repräsentatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in anderen Situationen angewandt werden. Beispielsweise entfällt mit der Erkenntnis, daß eine spannungsarme Umhüllung auf eine optische Faser aufgebracht werden kann, die Notwendigkeit, einen Spielraum zwischen der oder den umhüllten Fasern und der Umhüllung vorzusehen,

"· 25 —

oder diese Anforderung wird wenigstens reduziert, und zwar auch bei Kabeln, in denen kein Füllmaterial vorgesehen ist. Dieses kann beispielsweise zu einem kompakteren Kabel oder zu größerer Freiheit bei Herstellung und Entwurf dahingehend führen, daß ein innerer Spielraum für die Fasern nicht erforderlich ist. Des weiteren können, während beim dargestellten Ausführungsbeispiel eine innere Umhüllung gezeigt worden ist, auch andere Umhüllungsschichten entsprechend dem vorliegenden Verfahren aufgebracht werden. D. h. eine nachfolgende Umhüllungsschicht kann auf darunterliegende Kabelschichten so aufgebracht werden, daß die Umhüllung mit den optischen Fasern gekoppelt ist. Das vorliegende Verfahren kann dann vorteilhaft dazu benutzt werden, ein Ausbuckeln zu eliminieren, das ansonsten beim Aufbringen einer solchen Umhüllungsschicht auftreten würde. Wie.erwähnt, entfällt im vorliegenden Verfahren und bei der resultierenden Kabelstruktur typischerweise die Notwendigkeit für Longitudinaldruckkraft-Aussteifungsglieder. Aussteifungsglieder für andere Zwecke, beispielsweise zur Erhöhung der Zugfestigkeit, können verwendet werden. Weitere Abwandlungen sind möglich.

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Claims

BLUMBACH · WESER - BERGEN · KRAMER ZWIRNER .HOFFMANN PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Patentconsult RadedtestraOe 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Palenlconsull Palenlconsult Sonnenborger SlraOe 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegr.immo Pfllantconsult Western Electric Company, Incorporated Eichenbaum 7 New York, N. Y. 10038, USA Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines optischen Faserkabels, wobei durch eine ausgebrachte Umhüllung aus polymerem Material eine oder mehrere optische Fasern umfaßt werden, um wenigstens eine der Fasern mit der Umhüllung zu koppeln,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die longitudinale Druckspannung der Umhüllung im Gleichgewicht klein genug ist, um im wesentlichen eine NuIl-Ausbucklung der Fasern zu erzeugen, und

- eine longitudinale Zugspannung auf die Umhüllung ausgeübt wird, bis das Gleichgewicht im wesentlichen erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungskoeffizient von Umhüllung und wenigstens der einen Faser mindestens 0,01 beträgt.

• München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.Phys. Or. rer. nat. . E. Hoflmann Dipf.-Ing.

Wiesbaden: P G. Blumbach Dipl.-Ing. - P. Bergen Prof Dr jur. Dipl-Ing , Pnt-Ass., Pat.-Anw.bis 19/9 . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dlpl.-W.-Ing.

3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung eine aus Polyvinylchlorid gebildete innere Umhüllung ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichgewicht im wesentlichen innerhalb zweier Minuten ab Aufbringzeitpunkt der Umhüllung erreicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung bei erhöhter Temperatur aufgebracht wird und das Gleichgewicht nach Abkühlen der Umhüllung auf Umgebungstemperatur im wesentlichen erreicht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung durch Extrudierung aufgebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch ί,

dadurch gekennzeichnet, da£ die Umhüllung ein längs verlaufendes Band ist,

8. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Druckspannung im Gleichgewicht eine Längsdruckkraft von weniger als 445 dyri auf die Fasern eines Ummantelungsdurchmessers

von 90 bis- 150 μπι erzeugt.

9. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung der Umhüllung und der Fasern erzeugt wird durch ein in den Zwischenräumen innerhalb der Umhüllung angeordnetes flexibles Material.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei eine innere Umhüllung aus polymerem Material vorgesehen ist, die eine oder mehrere optische Fasern umgibt und einen Kopplungskoeffizient zu mindest einer der Fasern von wenigstens 0,01 besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß

die Umhüllung - bei fehlenden, innerhalb der Umhüllung vorgesehenen oder in diese eingebetteten longitudinalen Druckaussteifungselementen - auf die Fasern eine genügend kleine longitudinale Druckspannung überträgt, um im wesentlichen zu einer Null-Ausbucklung der Fasern zu führen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß die innere Umhüllung durch Polyvinylchlorid gebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen Umhüllung und Fasern im wesentlichen erzeugt wird durch ein in den Zwischenräumen innerhalb der Umhüllung gelegenes flexibles Material, das einen Wassereintritt in die Umhüllung im wesentlichen verhindert.