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Bereich der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen optische Kabel und
insbesondere ein Kabel mit Adern, in welchen optische Fasern frei
vorhanden sind. Die optischen (Fasern) Kabel werden zum Beispiel
bei der Telekommunikation eingesetzt, um Sprach-, Daten-, Video-
und Multimedia-Information zu übertragen.
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Das
US-Patent 5,224,192 betrifft ein optisches Übertragungskabel mit einer
Mehrzahl von Adern, wobei jede Ader eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern
und eine Füllverbindung
hält. Die
Adern werden in einer äußeren Röhre gehalten.
Zwischen den Adern und der äußeren Röhre befindet
sich ein Matrixmaterial, in welchem eine Mehrzahl von dehnbaren
Fäden eingebettet
sind. Um das Kabel auszubilden, werden die Adern, welche die Lichtwellenleiter
halten, zusammen mit einer Mehrzahl von dehnbaren Fäden, welche
mit einem härtenden
Material beschichtet sind, verseilt. Das härtende Material wird dann gehärtet, und
eine äußere Röhre wird
dann über
die Adern und die beschichteten dehnbaren Fäden extrudiert.
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Das
US-Patent 5,013,127 betrifft ein flexibles optisches Faserverteilungskabel,
welches eine erste Röhre,
welche eine Mehrzahl von optischen Fasern enthält; eine zweite Röhre, welche
die erste Röhre enthält; und
eine metallische Röhre
mit mindestens 15 Querwellen pro Zoll zwischen der ersten Röhre und
der zweiten Röhre
umfasst.
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Die
JP 57-141606 betrifft ein optisches Kommunikationskabel, wobei eine
optische Faser aufeinander folgend mit einer primären Beschichtung,
einer Dämpfungsschicht,
einer FRP-Abdeckung und einer Klebeschicht eines unter Hitze schmelzenden
Typs überdeckt
wird, um eine optische Kommunikationsleitung auszubilden. Dann werden
FRP-überdeckte optische
Kommunikationsleitungen, welche ausgebildet sind, wie es vorab erwähnt ist,
verseilt und dann mit einer Hülle
aus thermoplastischem Harz durch Extrusion überdeckt, und die Klebeschicht
wird durch eine Hitze geschmolzen, welche während der Extrusionsbeschichtung
erzeugt wird, um die FRP-Abdeckung und die Hülle aus thermoplastischen Harz
miteinander zu verkleben.
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Hintergrund
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Viele
Faktoren werden berücksichtigt,
wenn Kabel entworfen werden, einschließlich geringer Kosten und einer
kompakten Größe. Ein
kompakter Kabelentwurf ist wichtig, um eine hohe Effizienz (d.h. eine
hohe Faseranzahl in einem kleinen Kabelvolumen) zu erzielen. Eine
andere Betrachtung ist die Leistung des Kabels während Temperaturveränderungen
in der Umgebung, in welchen das Kabel installiert ist. Temperaturveränderungen
bewirken, dass sich das Kabel ausdehnt und zusammenzieht, was zu
einer Signaldämpfung
führt.
Eine Signaldämpfung
ist insbesondere bei Kabelentwürfen
mit einem mittigen Hohlraum problematisch.
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Mit
Bezug auf 1 weist ein Kabel 1 mit
einem mittigen Hohlraum 1 eine äußere Hülle 2 auf, in welcher
sich Adern 3 befinden. Jede der Adern 3 umgibt
eine Mehrzahl von frei vorhandenen optischen Fasern 5.
Die äußere Hülle 2 und
die Adern 3 sind typischerweise aus Kunststoffmaterialien
hergestellt. Diese Kunststoffmaterialien weisen einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
als die Glasmaterialien auf, welche die optischen Fasern 5 ausbilden. Daher
neigen die äußere Hülle 5 und
die Adern 3 während
Temperaturveränderungen
dazu, sich stärker
als die optischen Fasern 5 zu verformen. Dieser relative
Verformungsunterschied bewirkt, dass sich die Adern 3 biegen
oder in einem extremen Fall krümmen,
wodurch ein Signalverlust zunimmt.
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Einerseits
ist die Aderverformung vernachlässigbar,
da die Adern 3 mit einer dünnen Wand versehen sind und
relativ zu den optischen Fasern 2 weich sind. Tatsächlich ist
es für
eine Kabelkompaktheit erstrebenswert, die Adern 3 mit so
wenig Material wie möglich
auszubilden. Damit sind die optischen Fasern 5 steif genug,
um den relativ schwachen Verformungskräften, welche durch die weichen
Adern 3 ausgeübt
werden, zu widerstehen und ihnen entgegenzuwirken. Darüber hinaus
haben die Adern 3 einen Freiraum, in welchem sich die optischen
Fasern 5 bewegen können.
Das heißt,
die optischen Fasern 5 sind frei bzw. ungebunden in den
Adern 3 vorhanden. Daher kann irgendeine Aderverformung
auftreten, ohne irgendeinen Effekt auf die optischen Fasern 5 darin
aufzuweisen.
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Andererseits
ist die Verformung der äußeren Hülle problematischer.
Insbesondere ist die äußere Hülle 2 voluminöser (sie
ist aus mehr Material pro Längeneinheit
hergestellt) als die Adern 3. Daher verformt sich die äußere Hülle 2 merklich
aufgrund thermischer Schwankungen. Darüber hinaus sind die Verformungskräfte der äußeren Hülle viel
stärker,
als dass die optischen Fasern 5 ihnen widerstehen können.
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Es
sei zum Beispiel ein Szenario betrachtet, bei welchem die Temperatur
der Umgebung von einer relativ hohen Temperatur, wie sie in 2(A) dargestellt ist, auf eine relativ niedrige
Temperatur, wie sie in 2(B) dargestellt
ist, absinkt. 2(A) stellt das Kabel 1 in
einem nicht gekrümmten
Zustand dar. Bei irgendeinem Punkt 10 entlang der Länge des
Kabels 1 befindet sich die innere Oberfläche der äußeren Hülle 1 reibend
in Eingriff mit der äußeren Oberfläche einer
der Adern 3' („eine in
Berührung
befindliche Ader").
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Wieder
mit Bezug auf 2(B) können sich, wenn die Temperatur
absinkt, die Adern 3, 3' etwas in einer Längsrichtung 15 zusammenziehen
(oder verformen). Aber dieser Kontraktion wirkt die Steifigkeit der
optischen Fasern 5 entgegen, oder sie wird aufgrund des
Freiraums in den Adern 3, 3' vollständig vermieden. Aufgrund ihrer
Voluminosität
zieht sich die äußere Hülle 2 jedoch
stark in der Längsrichtung 15 zusammen.
Die Voluminosität
der äußeren Hülle 5 erzeugt
auch wesentliche Kontraktionskräfte.
Der Eingriff mittels Reibung bei dem Kontaktpunkt 10 kombiniert
effektiv die Kontraktionskräfte
von der äußeren Hülle 2 und
der sich in Berührung
befindlichen Ader 3'.
Diese kombinierten Kontraktions- und Kontaktkräfte überwinden die Steifigkeit der
optischen Fasern 5 in der sich in Berührung befindlichen Ader 3'. Daher biegt
sich, wenn sich der Kontaktpunkt 10 um eine bestimmte Distanz
d nach rechts (zum Beispiel) bewegt, die sich in Berührung befindliche
Ader 3' und
krümmt
sich bei extremen Bedingungen. Eventuell befindet sich der innere
Durchmesser der sich in Berührung
befindlichen Ader 3' in
Eingriff mit den optischen Fasern 5 darin und biegt diese.
Dieses Phänomen
eines mikroskopischen Biegens/Krümmens
einer Faser aufgrund der kombinierten Kontakt- und Reibungskräfte ist
nach dem Stand der Technik als Mikrobiegung bekannt. Die Mikrobiegung erhöht den Signalverlust.
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Herkömmlicherweise
werden zwei Techniken eingesetzt, um die Mikrobiegung, welche sich aus
einer thermischen Verformung von Kabelelementen ergibt, zu überwinden.
Die erste Technik umfasst eine Aufnahme von größeren und mehreren Ankerelementen
in der Mitte des mittigen Hohlraumes des Kabels. 2(C) stellt ein Beispiel eines mittig angeordneten
Ankerelements dar, welches nach dem Stand der Technik als ein mittiges
Festigkeitsteil 4 („Strength
Member") bezeichnet
wird. Die Adern 3 werden während einer Kabelherstellung
um das mittige Festigkeitsteil 4 herum verseilt. Auf diese
Weise dient das mittige Festigkeitsteil 4 als ein „Anker" der Adern 3.
Das mittige Festigkeitsteil 4 wird aus Materialien ausgebildet,
welche steif sind und sehr geringe thermische Verformungseigenschaften
aufweisen. Folglich stellt das mittige Festigkeitsteil 4 einen
Widerstand gegen ein Krümmen
bereit und wirkt Kontraktionen der äußeren Hülle entgegen. Die zweite Technik
ist, das Kabel 1 mit einem vergrößerten Freiraum zu entwerfen,
in welchem sich die Adern 3 oder optischen Fasern 5 bewegen
können.
Dieser vergrößerte Freiraum
ermöglicht
den optischen Fasern 5, sich leicht von einem gekrümmten Abschnitt
der sich in Berührung
befindlichen Ader 3' weg
zu bewegen.
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Obwohl
diese herkömmlichen
Techniken im Allgemeinen als akzeptabel betrachtet werden können, weisen
sie bezüglich
einer Entwurfseffizienz Nachteile auf. Beide Techniken erhöhen nämlich die Abmessungen
des Kabels und verringern daher die Kabeleffizienz (d.h. eine kleinere
Faseranzahl pro Kabelvolumen). Darüber hinaus verringern die mittig angeordneten
Ankerteile wesentlich die Flexibilität des Kabels, was für einige
Anwendungen besonders problematisch ist.
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Es
ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, einen einzigartigen Kabelentwurf
bereitzustellen, welcher ein verbessertes Leistungsverhalten hinsichtlich
Temperaturveränderungen,
welche bei der Installationsumgebung auftreten, aufweist. Insbesondere
ist es die Aufgabe dieser Erfindung, effektiv eine Mikrobiegung
einer optischen Faser (und damit den damit verbundenen Signalverlust)
zu vermeiden, welcher sich aus einer thermischen Verformung ergibt, ohne
die Faseranzahl pro Kabelvolumen zu verringern.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Kabel, welches eine äußere Hülle mit einem mittigen Hohlraum
aufweist, in welchem sich eine Mehrzahl von Adern befinden. Mindestens
eine optische Faser ist in jeder der Adern vorhanden. Die Adern
sind zusammengekoppelt, um eine ungeteilte kompakte Kerneinheit
auszubilden, um einen Schlupf zwischen den Adern zu verhindern. Die
zusammen gekoppelten Adern weisen einen erhöhten Widerstand gegen ein Krümmen auf.
Die Kerneinheit ist gleitend in dem Kabel vorhanden. Gemäß einem
Aspekt der Erfindung koppelt ein Klebstoff die Adern zusammen. Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung werden die Adern zusammengeschmolzen.
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Die
oben aufgeführten
und andere Merkmale der Erfindung einschließlich verschiedener und neuer
Details einer Konstruktion werden nun genauer mit Bezug auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben und in den Ansprüchen dargelegt. Es ist klar,
dass die besondere erfindungsgemäße Ausführungsform
des Kabels nur in einer darstellenden Weise und nicht als Beschränkung der
Erfindung dargestellt wird. Die Prinzipien und Merkmale dieser Erfindung
können
in verschiedenen und zahlreichen Ausführungsformen eingesetzt werden,
ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Perspektivdarstellung eines Kabels mit einem mittigen Hohlraum;
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2(A) und 2(B) zeigen
Querschnitte des in 1 dargestellten Kabels in Längsrichtung;
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2(C) stellt ein Kabel mit einem mittigen Hohlraum
dar, in welchem ein mittig angeordnetes Ankerteil aufgenommen ist;
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3 stellt
einen quer verlaufenden Querschnitt eines Kabels gemäß einer
ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
dar;
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4 stellt
einen quer verlaufenden Querschnitt eines Kabels gemäß einer
zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform
dar;
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5(A) und 5(B) stellen
Querschnitte des in 3 dargestellten Kabels in Längsrichtung dar;
und
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6 stellt
einen quer verlaufenden Querschnitt des in 4 dargestellten
Kabels dar, wobei zusätzliche
Kabelelemente aufgenommen sind.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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3 stellt
ein Kabel 21 gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
dar. Das Kabel 21 weist eine äußere Hülle 22 auf, in welcher
sich Adern 23 befinden. Jede der Adern 23 umgibt
eine Mehrzahl von optischen Fasern 25, welche frei vorhanden sind.
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Es
ist wesentlich, dass die Adern 23 zusammengekoppelt sind,
um einen Schlupf zwischen benachbarten Adern 23 zu verhindern.
Diesbezüglich bilden
die Adern 23 eine ungeteilte, kompakte Kerneinheit 100 aus.
Es ist klar, dass die Kopplung stark genug ist, um für einen
Widerstand gegen ein Krümmen
zu sorgen; aber die Adern können
leicht getrennt werden, um das Kabel leicht abzuschließen, wie
es im Folgenden diskutiert wird. Die Aderkopplung kann durch eine
Vielzahl von Mitteln erzielt werden. Zum Beispiel kann, wie es in 3 dargestellt ist,
ein Klebstoff 30 die Adern 23 zusammen verbinden.
Abhängig
von der Anwendung und dem Herstellungsverfahren kann der Klebstoff 30 ein
Heißkleber oder
ein unter ultraviolettem Licht härtender
Klebstoff sein. Solche Klebstoffe sind nach dem Stand der Technik
gut bekannt und daher ist eine detaillierte Diskussion derselben
nicht vorhanden.
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Vorzugsweise
ist die Haltefestigkeit des Klebstoffes 30 geringer als
die Reißfestigkeit
der Adern 23. Dementsprechend kann, wenn auf die optischen
Fasern 25 zugegriffen wird (um zum Beispiel ein Spleißen von
Fasern durchzuführen),
eine ausgewählte
Ader 23 einfach von der Kerneinheit 100 entkoppelt
werden.
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Es
ist klar, dass das Kabel 21 kein Ankerelement aufweist,
welches in der Mitte des Hohlraumes angeordnet ist. Dieses Merkmal
versieht den vorliegenden Kabelentwurf vorteilhafter Weise mit einer verbesserten
Kabeleffizienz. Das heißt,
der vorliegende Kabelentwurf weist eine erhöhte Faseranzahl pro Kabelvolumen
verglichen mit denjenigen der herkömmlichen Kabelentwürfe auf.
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4 stellt
eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform
dar. Die zweite Ausführungsform weist
dieselben Elemente wie diejenigen, welche in 3 dargestellt
sind, auf. Die Ausführungsform
in 4 verwendet jedoch keinen Klebstoff, um die Adern 23 zusammenzukoppeln.
Stattdessen werden die Adern 23 zusammengeschmolzen, um
die Kerneinheit 100 auszubilden.
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Ein
Verschmelzen kann thermisch, chemisch oder durch eine Kombination
der zwei Methoden erfolgen. Zum Beispiel werden die Adern 23 für eine thermische
Verschmelzung über
ihre Schmelztemperatur erhitzt und zusammengedrückt, so dass die sich berührenden
Oberflächen
von benachbarten Adern 23 zusammen verbunden werden. Vorzugsweise
tritt das Aufheizen der Adern genau nach einem Extrusionsschritt
auf, um den erwünschten
thermischen Verschmelzungsef fekt zu erzielen. Zusätzlich zu
(oder als eine Alternative dazu) der vorab ausgeführten thermischen
Verschmelzung kann eine chemische auf den Adern vorgenommen werden,
um einen chemischen Verschmelzungseffekt, d.h. eine chemische Verbindung
zwischen den sich berührenden
Oberflächen
der benachbarten Adern 23, erzielen.
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Bei
einer dritten Ausführungsform
weist das Kabel 21 dieselben Elemente wie bei der ersten
und zweiten Ausführungsform
auf. Jedoch werden die Adern 23 nicht durch einen Klebstoff
(erste Ausführungsform)
oder eine Verschmelzungsverbindung (zweite Ausführungsform) zusammengehalten.
Stattdessen weisen äußere Oberflächen bei
den Adern 23 eine hohe Reibung auf. Zum Beispiel können die äußeren Oberflächen strukturiert
sein. Darüber
hinaus kann ein Faden um die Adern 23 herum gewickelt sein
und diese in Kontakt miteinander halten. Die Oberflächen mit
der hohen Reibung und der Faden wirken zusammen, um einen Schlupf
zwischen benachbarten Adern 23 zu verhindern. Die Adern 23 und
der Faden bilden die Kerneinheit 100.
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Bei
einer vierten Ausführungsform
werden die Adern 23 mechanisch zusammengekoppelt. Zum Beispiel
kann eine Ader 23 eine äußere Oberfläche mit
einer Vertiefung aufweisen, welche sich mit einer komplementär geformten äußeren Oberfläche einer benachbarten
Ader 23 in Eingriff befindet. Abhängig von ihren Formen (und
einer eingreifenden Wechselwirkung) können die Vertiefungen in den äußeren Oberflächen der
Adern 23 derart fungieren, dass sie einen Schlupf zwischen
benachbarten Adern verhindern und auch die Adern 23 zusammen
in einer ungeteilten, kompakten Kerneinheit 100 halten.
Alternativ können
die äußeren Oberflächen mit
einer Vertiefung zusammen mit anderen Kopplungsmitteln, wie z.B.
einem Klebstoff (erste Ausführungsform)
oder einer Verschmelzungsverbindung (zweite Ausführungsform) vorhanden sein.
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Die
vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung werden nun mit
Bezug auf 5(A) und 5(B) beschrieben. 5(A) stellt das Kabel 21 bei einer relativ
hohen Temperatur dar, und 5(B) stellt
das Kabel 21 bei einer relativ niedrigen Temperatur dar.
Zur Verdeutlichung stellen die 5(A) und 5(B) die Kerneinheit 100 im Allgemeinen
und die Details von nur einer Ader 23 und den optischen
Fasern 5 darin dar.
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Wie
in 5(A) dargestellt ist, existiert
ein Punkt 200 entlang der Länge des Kabels 21,
bei welchem sich die innere Oberfläche der äußeren Hülle 22 mittels Reibung
in Eingriff mit der äußeren Oberfläche der
dargestellten Ader 23' („der sich
in Berührung
befindlichen Ader")
befindet.
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Wieder
Bezug nehmend auf 5(B) können sich, wenn die Temperatur
absinkt, die Adern 23, 23' leicht in einer Längsrichtung 15 zusammenziehen (oder
verformen). Aber dem Zusammenziehen der Adern wirkt die Steifheit
der optischen Fasern 5 entgegen oder sie wird aufgrund
des Freiraums in den Adern 23, 23' vollständig vermieden. Die äußere Hülle 22 zieht
sich auch in Längsrichtung
zusammen. Aufgrund ihrer Voluminosität zieht sich die äußere Hülle 22 deutlicher
und mit mehr Kraft zusammen. Die Kerneinheit 100 wird jedoch
nicht gebogen/gekrümmt.
Stattdessen weist die Kerneinheit 100 einen ausreichend
großen
Widerstand gegenüber
einem Krümmen
auf, um den Eingriff mittels Reibung bei dem Berührungspunkt 200 zu überwinden.
Dementsprechend gleitet die innere Oberfläche der äußeren Hülle 22 gegenüber der äußeren Oberfläche der
sich in Berührung
befindlichen Ader 23' bei
dem Berührungspunkt 200.
Das heißt,
die anfängliche
Berührungsoberfläche 201 der äußeren Hülle 22 kann
sich relativ zu der Kerneinheit 100 um eine bestimmte Distanz
d bewegen.
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Dieser
vorteilhafte Gleitvorgang wird realisiert, da die Kerneinheit 100 einen
vergrößerten Widerstand
gegenüber
einem Krümmen
verglichen mit einer einzelnen, ungekoppelten Ader 23 aufweist. Dieser
vergrößerte Widerstand
gegenüber
einem Krümmen
kann mindestens den folgenden Faktoren zugeschrieben werden. Erstens
werden, wenn die Adern 23 zusammengekoppelt sind, so dass
ihre Oberflächen
nicht relativ zueinander gleiten, die quer verlaufenden Kräfte, welche
durch die äußere Hülle 22 ausgeübt werden, über den
kombinierten Querschnittsbereichen von allen Adern 23, 23' statt nur von
dem Querschnittsbereich der sich in Berührung befindenden Ader 23' verteilt. Daher
biegt sich, wenn dieselbe quer verlaufende Kraft ausgeübt wird,
die Kerneinheit 100 weniger in einer quer verlaufenden Richtung.
Zweitens wirkt die Steifheit von allen optischen Fasern 25 (nicht
nur der optischen Fasern in der sich in Berührung befindenden Ader 23') den quer verlaufenden
Kräften,
welche durch die äußere Hülle 22 aufgebracht
werden, entgegen.
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Es
ist klar, dass der Widerstand der Kerneinheit 100 gegenüber einem
Krümmen
genug vergrößert sein
muss, um den Eingriff mittels Reibung bei dem Berüh rungspunkt 200 zwischen
der äußeren Hülle 22 und
der sich in Berührung
befindenden Ader 23' zu überwinden.
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Aufgrund
des Gleitvorgangs zwischen der Kerneinheit 100 und der äußeren Hülle 22 bei
dem Berührungspunkt 200 krümmt sich
die Kerneinheit 100 nicht. Dieser Vorgang verhindert oder
verringert größtenteils
die örtlich
begrenzten scharfen Biegungen oder Krümmungen der Adern bei den Berührungsstellen.
Dementsprechend befindet sich die in Berührung befindliche Ader 23' nicht in Eingriff
mit den optischen Fasern 5 darin und biegt/krümmt diese nicht.
Auf diese Weise verringert der vorliegende Kabelentwurf das Phänomen der
Mikrobiegung wesentlich (und die zugehörige vergrößerte Signaldämpfung),
welches sonst aufgrund von Temperaturschwankungen auftreten würde.
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Bei
dem vorliegenden Kabelentwurf können herkömmliche
Materialien eingesetzt werden, um die Kabelelemente herzustellen.
Herkömmliche
Materialien umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Polyethylen,
Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polyester, Polyamid oder Copolymer
oder ein Polymergemisch aus den vorab genannten. Solche Materialien
sind nach dem Stand der Technik gut bekannt, und daher ist eine
detaillierte Beschreibung derselben nicht vorhanden. Neue Materialien
können
auch ausgebildet werden, um eine Verschmelzung zwischen den Adern
zu erzeugen. Die Eigenschaften solcher neuer Materialien umfassen,
sind aber nicht darauf beschränkt,
eine geringe Oberflächenebenheit
und eine geringe thermische Stabilität der Oberfläche.
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Natürlich können andere
Elemente in den vorliegenden Kabelentwurf aufgenommen werden. Zum
Beispiel kann, wie es in 6 dargestellt ist, das Kabel 21 eine
Bewehrung 26, welche in der äußeren Hülle 22 vorhanden ist,
oder Festigkeitsteile 27 in der äußeren Hülle 22 umfassen. Das
Kabel 21 kann auch Fäden,
Bänder
und bei Nässe
schwellende Elemente umfassen. All diese zusätzlichen Kabelelemente sind
nach dem Stand der Technik gut bekannt, und daher ist eine detaillierte
Beschreibung derselben nicht vorhanden.
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Ein
Kabel gemäß der vorliegenden
Erfindung stellt wesentliche Vorteile bereit. Das vorliegende Kabel
weist nämlich
ein erhöhtes
Leistungsverhalten während
Temperaturveränderungen
auf, ohne eine Kompaktheit zu beeinflussen.