DE68909778T2

DE68909778T2 - Fiberoptischer kanister mit orthotropisch kontrollierter, thermischer expansionsspule und verfahren zu seiner herstellung.

Info

Publication number: DE68909778T2
Application number: DE90902102T
Authority: DE
Inventors: James Myers
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1988-12-30
Filing date: 1989-12-04
Publication date: 1994-02-10
Anticipated expiration: 2009-12-05
Also published as: JPH0744739U; CA2004858C; JP2533395Y2; KR930009004B1; ES2020072A6; NO177384B; NO903692L; EP0402459B1; IL92922A; JPH03503044A; NO903692D0; EP0402459A1; DE68909778D1; NO177384C; WO1990007464A1; AU619654B2; AU5027490A; CA2004858A1; KR910700191A; US4995698A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von optischen Fasern und insbesondere eine Struktur eines Spulenkörpers, der die optische Faser vor der Abwicklung trägt.
Optische Fasern bestehen aus Fäden bzw. Litzen aus optisch reinen Glasfasern, die derartig bearbeitet sind, daß Lichtstrahlen, die durch sie hindurch übertragen werden, einer internen Totalreflexion unterliegen. Ein großer Bruchteil der einfallenden Intensität des Lichtes, das in die Faser eingeführt wird, wird am anderen Ende der Faser empfangen, und zwar selbst dann, wenn die Faser mehrere hundert Meter lang ist. Optische Fasern zeigten sich im Hinblick auf Kommunikationsanwendungen als sehr vielversprechend, weil eine hohe Informationsdichte durch die Faser getragen werden kann und weil die Qualität des Signales externen Interferenzen unterschiedlichster Art weniger unterliegt als beispielsweise elektrische Signale, die mit metallischen Drähten übertragen werden. Darüber hinaus weisen die Glasfasern ein geringes Gewicht auf und sie sind aus der Substanz Siliziumdioxid hergestellt, die im Überfluß vorhanden ist.
Glasfasern werden typischerweise hergestellt, indem man ein Glashalbzeug aus zwei Gläsern mit unterschiedlichen optischen Brechungsindizes vorbereitet, und zwar das eine in dem anderen, oder indem man eine einzelne Glaszusammensetzung mit einer Beschichtung versieht, die die interne Totalreflexion sicherstellt, wobei man anschließend das Glashalbzeug in eine Faser auszieht, herauspreßt, oder andere Verfahren anwendet. Die optische Faser wird dann mit einer Polymerschicht beschichtet, die als Pufferbeschichtung bezeichnet wird, um so das Glas vor Kratzern oder anderen Schäden zu bewahren. Beispielhaft für die Abmessungen beträgt in einer typischen Konfiguration der Durchmesser der optischen Glasfaser ungefähr 125 Mikrometer und der Durchmesser der optischen Faser plus der Polymer-Pufferbeschichtung ungefähr 250 Mikrometer.
Für eine derartige, sehr feine optische Faser wird das Verfahren zur Handhabung der optischen Faser, um Schäden oder Spannungen zu vermeiden, die ihre Lichttransmissions- Eigenschaften vermindern könnten, zu einem wichtigen Punkt. Die optische Faser wird typischerweise auf ein zylindrisches oder sich zylindrisch verjüngendes Substrat aufgewickelt, das als "Spulenkörper" bezeichnet wird ("Bobbin") und das viele Wicklungen benachbart zueinander aufweist, und zwar Seite an Seite liegend, wobei eine Schicht gebildet wird. Nachdem eine Schicht vervollständigt ist, wird eine andere Schicht der optischen Faser auf die Oberseite der ersten Schicht aufgelegt, usw. Das Array aus gewundenen optischen Fasern wird als "Faserpaket" ("fiber pack") bezeichnet und die sich schließlich ergebende Anordnung aus Spulenkörper und gewundenen Schichten der optischen Faser wird als ein "Kanister" ("canister") bezeichnet. Zu einem späteren Zeitpunkt, an dem die optische Faser verwendet wird, wird die optische Faser aus dem Kanister in einem Abwindungsvorgang abgewickelt, wobei die Geschwindigkeit der Abwindung von der jeweiligen Anwendung abhängt.
Durch Erfahrung ist herausgefunden worden, daß in den Fällen, in denen die optische Faser aus dem Kanister sehr schnell abgewickelt wird, die Windungen der optischen Faser an ihrem Platz auf dem Kanister mit einem Bindemittel gehalten werden müssen, daß das optische Faserpaket zusammenhält. Das Bindemittel hält jede Windung der optischen Faser an ihrem Platz, und zwar wenn benachbarte Windungen und Schichten anfangs auf den Kanister aufgewickelt werden und gleichfalls wenn benachbarte Windungen und Schichten abgewickelt werden. Ohne die Verwendung eines Bindemittels kann es passieren, daß die Abwicklung der optischen Faser nicht einheitlich und ordnungsgemäß vonstatten geht, was zu Vielfachabgaben (dem simultanen Abwickeln von zwei oder mehr Schichten), Hindernissen oder sonstigen Unregelmäßigkeiten führen kann, die die optische Faser beschädigen oder zu Brüchen führen, wenn sie von dem Kanister abgewickelt wird.
In einigen optischen Faserpaketen, die auf Spulenkörper aufgewickelt worden sind, sind Defekte beobachtet worden, so wie Falten auf der Oberfläche, fehlausgerichtete und lose Wicklungen der optischen Faser, sowie Risse in dem Bindemittel, die sich von der äußeren Oberfläche des Faserpaketes nach unten zu der Oberfläche des Spulenkörpers erstrecken. Diese Unregelmäßigkeiten werden insbesondere dann deutlich, wenn der Kanister über einen Bereich von Temperaturen hinweg thermisch unterschiedlich belastet wird, was insbesondere dann auftritt, wenn der Kanister für eine Zeitperiode gelagert wird, bevor er Verwendung findet. Die Unregelmäßigkeiten können zu einer nicht einheitlichen Abwicklung der optischen Faser während der Verwendung des Kanisters führen, was zu einem Bruch der optischen Faser und zu katastrophalen Verlusten bei der Signalübertragung führen kann.
Für die in dem optischen Faserpaket beobachteten Defekte gab es keine Erklärung und keine Lösung und es gab keinen Lösungsansatz zum Verhindern dieser Unregelmäßigkeiten. Daher besteht ein Bedarf an einem Lösungsansatz für optische Faser-Speicherkanister, die Unregelmäßigkeiten in dem Faserpaket vermeiden und ein glattes Abwickeln der optischen Faser sicherstellen, wenn sie verwendet wird. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und sorgt für die damit zusammenhängende Vorteile.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung sorgt für einen optischen Faserkanister, der gegen die Entwicklung von Unregelmäßigkeiten sehr resistent ist, die zu einer fehlerhaften Abwicklung der optischen Faser bei ihrer Verwendung führen können, und für ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Kanisters. Der Kanister wird durch neue Anwendungen von bestehenden zusammengesetzten Material-Technologien vorbereitet, und er ist leichter als bekannte Kanister, die die gleiche Länge der optischen Faser halten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein optischer Faserkanister einen Spulenkörper, der einen umfangsseitigen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, der an den longitudinalen thermischen Expansionskoeffizienten einer zuvor ausgewählten optischen Faser angepaßt ist, sowie einen axialen thermischen Expansionskoeffizienten entlang der Länge des Spulenkörpers, der an den transversalen thermischen Expansionkoeffizienten der optischen Faser angepaßt ist, sowie eine optische Faser, die auf dem Spulenkörper aufgewickelt ist. Ein Verfahren zum Vorbereiten bzw. Herstellen eines Kanisters für optische Fasern umfaßt die Schritte des Zuführens einer optischen Faser, die einen longitudinalen thermischen Expansionskoeffizienten parallel zu ihrer Länge aufweist und einen transversalen thermischen Expansionskoeffizienten senkrecht zu ihrer Länge; Herstellen eines Spulenkörpers, der einen umfangsseitigen thermischen Expansionskoeffizienten in der umfangsseitigen Richtung aufweist, der an den longitudinalen thermischen Expansionskoeffizienten der optischen Faser angepaßt ist, und einen axialen thermischen Expansionskoeffizienten entlang der Länge der Längsrichtung des Spulenkörpers, der an den transversalen thermischen Expansionskoeffizienten der optischen Faser angepaßt ist; und Aufwickeln der optischen Faser auf den Spulenkörper.
Die Unregelmäßigkeiten, die mit den Faserpaketen auf bekannten Kanistern beobachtet worden sind, entstehen wenigstens zu einem großen Teil infolge von Fehlanpassungen der thermischen Ausdehnung zwischen der Spule und dem optischen Faserpaket. Zuvor sind Spulenkörper aus einem Material hergestellt worden, wie beispielsweise aus bearbeiteten Aluminium, die in ihrer normalen polykristallinen Form im Hinblick auf die thermische Expansion im wesentlichen isotrop waren. Im folgenden wird der Ausdruck "isotrop" so verwendet, daß ein Material im wesentlichen die gleichen Eigenschaften in allen Richtungen aufweist. Aluminium weist einen isotropen Koeffizienten der thermischen Expansion von ungefähr 23 Teilen pro Million pro Grad C (oder, anders ausgedrückt, 23 x 10&supmin;&sup6; Inch pro Inch pro Grad C).
Die optische Faser, die auf den Spulenkörper aufgewickelt wird, weist thermische Expansionseigenschaften auf, die mit der Richtung der Messung variieren. Wie bereits oben diskutiert worden ist, weist eine typische optische Faser ein Glaszentrum auf, das von einer Polymer-Pufferbeschichtung umgeben wird, die das Glaszentrum schützt. Parallel zu der Länge bzw. zu der longitudinalen Richtung der optischen Faser entspricht der thermische Expansionskoeffizient im wesentlichen dem von Glas, der nahezu Null ist. Senkrecht zu der optischen Faser, nämlich in der transversalen Richtung, ist der thermische Expansionskoeffizient erheblich größer, und zwar infolge des erheblich größeren Koeffizienten des Polymer-Puffers, dessen Expansion in dieser Richtung nicht eingeengt ist. Der Expansionskoeffizient in der transversalen Richtung ist typischerweise 70 bis 110 Teile pro Million pro Grad C (70 bis 110 x 10&supmin;&sup6; Inch pro Inch pro Grad C).
Wenn das optische Faserpaket auf einen im wesentlichen zylindrischen, isotropen Aluminium-Spulenkörper bei einer ersten Temperatur aufgewickelt wird und wenn sich die Temperatur später vermindert, dann schrumpft der Spulenkörper in der umfangsseitigen Richtung mehr als das optische Faserpaket, was dazu führt, daß die Wicklungen der optischen Faser an Straffheit verlieren. Demgegenüber schrumpft das optische Faserpaket mehr als der Spulenkörper in der axialen Richtung parallel zu der zylindrischen Achse des Spulenkörpers, was eine Zugspannung in dem optischen Faserpaket induziert, die am größten nahe der Spulenkörper/Faserpaketschnittstelle ist. Diese Spannung muß durch das Zwischenfaser-Bindemittel übertragen werden. Wenn die Zugstärke des Bindemittels überschritten wird, können Risse durch die Dicke des optischen Faserpaketes hindurch von seiner Oberfläche bis hin zum Spulenkörper die Folge sein, wie man in einigen bekannten Kanistern beobachtet hat.
Umgekehrt dehnt sich der Aluminium-Spulenkörper in der umfangsseitigen Richtung schneller aus als das ihn umgegebende Faserpaket, und zwar wenn die Temperatur des Kanisters erhöht wird, was zu einer Erhöhung der Spannung bzw. Straffheit in dem Paket führt. In einer Richtung parallel zur Längsachse des Spulenkörpers dehnt sich das Aluminium langsamer aus als das Faserpaket, sofern sich die Temperatur erhöht, was einen Druckspannungszustand in dem optischen Faserpaket induziert. Daher führen Änderungen der Temperatur der Kanister, die Spulenkörper aus Aluminium oder anderen orthotropischen Materialien gemäß dem Stand der Technik verwenden, zu einer Vielzahl von Spannungen, die die Ausrichtung oder die Geometrie des optischen Faserpaketes stören und zu einem Ausfall während der Abwicklung der optischen Faser von dem Spulenkörper führen können.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß Unterschiede in der thermischen Expansion des Faserpaketes und des Spulenkörpers diese Unregelmäßigkeiten in dem Faserpaket bedingen und stellt eine Lösung in der Form eines orthotropen Spulenkörpers bereit. Der Spulenkörper gemäß der vorliegenden Erfindung weist thermische Expansionskoeffizienten auf, die orthotrop sind. Gemäß dieses Aspektes der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Kanister für optische Fasern einen Spulenkörper, der wenigstens zu einem Teil aus einem orthotropen Material hergestellt ist, und eine optische Faser, die auf den Spulenkörper aufgewunden ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der thermische Expansionskoeffizient des Spulenkörpers klein in der umreifungs- oder umfangsseitigen Richtung, um an den kleinen Koeffizienten angepaßt zu sein, der entlang der longitudinalen Richtung der optischen Faser beobachtet worden ist. Der thermische Expansionskoeffizient des Spulenkörpers ist groß in axialer Richtung transversal zu den optischen Fasern, um an den vergleichsweise großen thermischen Expansionskoeffizienten des optischen Faserpaketes in dieser Richtung angepaßt zu sein. Als ein Ergebnis hiervon wird das optische Faserpaket in der Umreifungsrichtung nicht gelockert oder in axialer Richtung nicht in einem Zustand mit großer Zug- oder Druckspannung versetzt. Das optische Faserpaket haftet auf dem Spulenkörper, sobald es aufgewickelt worden ist und die Integrität des Paketes verbleibt einwandfrei während dem Vorgang des Aufwickelns und nach längerer Lagerung und unterschiedlicher thermischer Belastung.
Der orthotropische Spulenkörper wird am einfachsten hergestellt, in dem Verbundwerkstoffe verwendet werden, die die orthotropen thermischen Expansionseigenschaften inhärent aufweisen. Ein bevorzugter Typ eines Verbundmateriales weist einseitig ausgerichtete, strukturelle Fasern auf, die in einem Polymer oder einer Plastikmatrix eingebettet sind. Ein derartiges Material weist typischerweise einen thermischen Expansionskoeffizienten auf, der vergleichsweise klein parallel zu den strukturellen Fasern und erheblich größer senkrecht zu den strukturellen Fasern ist. Bei der Beschreibung des Kanisters muß eine klare Unterscheidung zwischen zwei Typen von beteiligten Fasern gemacht werden. Die strukturellen Fasern werden in einer Matrix implantiert, die verwendet wird, um den Spulenkörper zu bilden, und die optischen Fasern werden auf den Spulenkörper aufgewickelt.
In Übereinstimmung mit diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Kanister für optische Fasern einen im wesentlichen zylindrischen Spulenkörper, der eine umfangsseitige Richtung und eine axiale Richtung aufweist und der wenigstens zu einem Teil aus einem Verbundmaterial aus strukturellen Fasern gebildet ist, die in einer Matrix eingebettet sind, wobei die strukturellen Fasern parallel zu der Oberfläche des Spulenkörpers liegen; und eine optische Faser, die auf den Spulenkörper aufgewunden ist. Vorzugsweise ist das Verbundmaterial, das den Spulenkörper bildet Glas, Quarz, Kevlar, Graphit oder Kohlenstoff und die Matrix ist ein nicht-metallischer Polymer so wie ein Epoxyharz oder Phenol. Im folgenden wird der Ausdruck "im wesentlichen zylindrisch" dahingehend verwendet, als das der Spulenkörper entweder ein Zylinder oder ein sich verjüngender Zylinder ist, mit einer Verjüngung von im allgemeinen einigen Grad oder weniger. Sowohl der Zylinder als auch der sich leicht verjüngende Zylinder kann derartig beschrieben werden, als das er eine zylindrische Achse und eine umreifungs- oder umfangsseitige Richtung aufweist.
Der Lösungsansatz gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt eine angepaßte Auslegung der Spulenkörperstruktur, so daß sie an unterschiedliche optische Fasermaterialien und Abwicklungsbedingungen angepaßt ist. Unterschiedliche Typen von orthotropen Materialien können zusammen verwendet werden, um eine bestimmte Kombination von thermischen Expansions-Eigenschaften zu erzielen. Das Hauptaugenmerk liegt in der Anpassung der thermischen Expansionskoeffizienten des Spulenkörpers und des Faserpaketes in den unterschiedlichen, in einer Ebene liegenden Richtungen der Spulenkörper-Hülse.
Die vorliegende Erfindung sorgt für einen erheblichen Fortschritt in dem Bereich der optischen Faserkanister. Der Kanister, der angepaßte Koeffizienten der thermischen Expansion für den Spulenkörper und das Faserpaket aufweist ist stabiler und unterliegt in geringerem Umfang Defekten, die während der Lagerung und der unterschiedlichen thermischen Belastung entstehen, mit dem Ergebnis, daß eine größere Wahrscheinlichkeit für eine weiche, störungsfreie Abwicklung der optischen Faser entsteht. Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform deutlich, die in Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung zu sehen ist, und zwar weil sie mittels Beispielen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung illustriert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines optischen Faserkanisters;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teiles einer optischen Faser;
Fig. 3 eine perspektivische Zeichnung eines optischen Faserkanisters während einer Abwicklung;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Kanisters aus Fig. 1 mit einer darauf aufgewickelten optischen Faser, wobei ein Teil des optischen Faserpaketes aus Klarheitsgründen weggeschnitten ist;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Details des Kanisters aus Fig. 1, entnommen entlang der Ebene 5-5, in der ein möglicher Einfluß einer Verminderung der Temperatur während unterschiedlichen thermischen Belastungen einer auf einen Spulenkörper aufgewundenen optischen Faser illustriert ist, welcher aus einem isotropen Material hergestellt ist;
Fig. 6 eine Endrißansicht des in Fig. 5 gezeigten Kanisters;
Fig. 7 eine Draufsicht auf einen aus einem Verbundwerkstoff hergestellten Spulenkörper;
Fig. 8 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Verbundwerkstoffes, der verwendet wird, um den Spulenkörper herzustellen;
Fig. 9 eine diagrammartige Draufsicht auf eine erste Orientierung für den Verbundwerkstoff, der einen Spulenkörper bildet;
Fig. 10 eine diagrammartige Draufsicht auf eine zweite Orientierung für den Verbundwerkstoff, der einen Spulenkörper bildet; und
Fig. 11 eine diagrammartige Ansicht des Rutschdefektes in einem Verbundwerkstoff, der auf einem isotropischen Spulenkörper ausgebildet ist.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In Fig. 1 ist ein Kanister 20 aus optischen Fasern 22 illustriert. Der Kanister 20 enthält einen im wesentlichen zylindrischen Spulenkörper 24, wobei optische Fasern 22 in einer geordneten Art und Weise auf den Spulenkörper 24 aufgewickelt sind. Der Spulenkörper 24 kann ein Zylinder sein, der aus einer zylindrischen Hülse gebildet wird, oder er kann ein sich verjüngender Zylinder sein, der einem Zylinder ähnlich ist, der aber von einem Ende zum anderen eine leichte Verjüngung aufweist. Der Ausdruck "im wesentlichen zylindrisch" wird im folgenden derartig verwendet, daß er beide geometrische Formen umfaßt. Der in Fig. 1 illustrierte Spulenkörper 24 ist von der bevorzugten, sich verjüngenden zylindrischen Form, bei der ein erster Durchmesser 26 an einem Ende des sich verjüngenden Zylinders größer ist als ein zweiter Durchmesser 28 an dem anderen Ende des sich verjüngenden Zylinders. Die Verjüngung des Zylinders ist vorzugsweise ungefähr 2 Grad, wodurch die Abwicklung der optischen Faser 22 erleichtert wird.
Ein Bezugssystem für den Spulenkörper 24 kann unter Bezugnahme auf seine im wesentlichen zylindrische Form definiert werden. Eine axiale Richtung 30 verläuft parallel zu der Achse 32 des Zylinders bzw. des sich verjüngenden Zylinders. Eine umreifungs- oder umfangsseitige Richtung 34 verläuft zur zylindrischen Hülse 36 tangential, welche den Körper des Spulenkörpers bildet, und sie liegt in einer Ebene senkrecht zur Achse 32.
Die optische Faser 22 ist in Fig. 2 dargestellt. Die optische Faser 22 enthält einen Glaskern 38, welcher herkömmlicherweise aus zwei unterschiedlichen konzentrischen Schichten aus optischem Glas mit unterschiedlichen Brechungsindizes hergestellt ist, und eine darüberliegende Pufferschicht 40, die aus einem Polymer hergestellt ist, das den Kern 38 vor Abrieb und anderen Arten von Beschädigungen schützt, die seine optische Leistungsfähigkeit vermindern könnten. Ein Bezugssystem für die optische Faser 22 kann von der zylindrischen Form der optischen Faser 22 ausgehend definiert werden. Eine longitudinale Richtung 42 verläuft parallel zu der Länge der optischen Faser 22. Eine transversale Richtung 44 verläuft senkrecht zur optischen Faser 22 und somit senkrecht zu der longitudinalen Richtung 42.
Die Art und Weise der Abwicklung der optischen Faser 22 von einem Spulenkörper 24 kann der Fig. 3 entnommen werden und die Vielfach-Schichtstruktur der Faserpackung der Fig. 4. Die optische Faser 22 ist mit einer Vielzahl von Wicklungen 46 Seite an Seite angeordnet. Wie in Fig. 3 dargestellt, werden bei der Abwicklung die Windungen 46 seriell in Richtung des schmaleren Endes des Spulenkörpers 24 hin abgezogen. Die Windungen 46 sind in einer Mehrzahl von Schichten angeordnet, wie in Fig. 4 illustriert (so wie gleichfalls in Fig. 11). Die erste Schicht der optischen Faser 22 wird auf eine Drahtgrundlage 50 gewunden, die zuvor auf den Spulenkörper 24 aufgewunden worden ist, wobei nachfolgende Schichten der optischen Faser 22 derartig aufgewunden werden, daß sie auf den zuvor aufgebrachten Schichten aufliegen. Es können zwanzig oder mehr Schichten 48 auf einen Spulenkörper 24 unter Zug aufgewunden werden, wobei Vorsicht geboten ist, um sicherzustellen, daß keine Spalten oder Unregelmäßigkeiten entstehen. Die Windungen 46 und Schichten 48 der optischen Faser 22 werden kollektiv als Faserpaket 52 bezeichnet, und sie sind in den Figs. 1 und 11 illustriert. Die Windung 46 und die Schichten 48 des Faserpakets 52 werden mit einem Bindemittel 54 untereinander verbunden.
Im allgemeinen hängt der thermische Expansionskoeffizient der Materialien von der Richtung der Messung in einem Bezugssystem relativ zu dem Material ab. Der thermische Expansionskoeffizient ist eine meßbare Eigenschaft des Materiales und er ist als die Längenänderung des Materiales pro Einheitslänge des Materiales definiert, und zwar pro Grad Temperaturänderung. (Die Einheit der thermischen Expansion ist typischerweise Inch pro Inch pro Grad C, oder Teile pro Million pro Grad C). Der thermische Expansionskoeffizient der optischen Faser 22 wird zum einen durch die Anwesenheit des Glaskernes 38 bestimmt, welcher normalerweise einen geringen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, und zum anderen durch den Puffer 40, welcher normalerweise einen erheblich höheren thermischen Expansionskoeffizienten aufweist. In longitudinaler Richtung 42 ist der thermische Expansionskoeffizient klein, nämlich typischerweise ungefähr Null, da der Kern 38 den Puffer 40 am Ändern seiner Länge, um die er sich unbehindert verlängern würde, hindert. In transversaler Richtung 44 trägt der Kern 38 wenig zur Ausdehnung bei, da er selbst einen niedrigen Koeffizienten hat, aber er engt die Ausdehnung des Puffers 40 nicht ein. Der thermische Expansionskoeffizient der Faser 22 ist in transversaler Richtung 44 daher vergleichsweise groß, und er ist auf 70 bis 110 Inch pro Inch pro Grad C bestimmt worden. Diese gleichen Charakteristiken werden auf das Faserpaket 52 übertragen, so daß sein thermischer Expansionskoeffizient in der umfangsseitigen Richtung 34 klein ist, aber sein thermischer Expansionskoeffizient in der axialen Richtung 30 vergleichsweise groß ist.
Spulenkörper nach dem Stand der Technik sind aus polykristallinen Metallen sowie aus Aluminium hergestellt worden, deren thermische Expansionskoeffizienten isotrop sind, was bedeutet, daß sie in den unterschiedlichen Richtungen nicht signifikant variieren. Der thermische Expansionskoeffizient von Aluminium beträgt ungefähr 23 Inch pro Inch pro Grad C, egal ob er in axialer Richtung oder in umfangsseitiger Richtung gemessen wird.
Daher wird deutlich, daß die thermischen Expansionskoeffizienten der Faserpackung und der Spulenkörper nach dem Stand der Technik, auf denen sie aufgewunden worden sind, erheblich unterschiedlich sind, was zu Fehlern der Art führt, die in den Figs. 5 und 6 illustriert sind. Der thermische Expansionskoeffizient des Spulenkörpers nach dem Stand der Technik ist in umfangsseitiger Richtung erheblich größer als der thermische Expansionskoeffizient der Faserpackung in umfangsseitiger Richtung. Ein Ergebnis war, nämlich wenn der Kanister während thermischer Wechselbeanspruchung während seiner Lagerung heruntergekühlt worden ist, daß der Spulenkörper sich schneller zusammenzog als die Faserpackung, wodurch er von der Faserpackung in der Art und Weise weggezogen worden ist, die in Fig. 6 durch eine beginnende Spalte 56 dargestellt ist, die in der Figur aus Illustrationszwecken vergrößert worden ist. Dies bedeutet, daß die Spannung in der optischen Faser 22 verlorengeht und bei einer zusätzlichen Schrumpfung eine sichtbare radiale Spalte zwischen der Faserpackung und dem Spulenkörper auftauchen kann. Demgegenüber ist der axiale thermische Expansionskoeffizient des Spulenkörpers gemäß dem Stand der Technik erheblich kleiner als der axiale thermische Expansionskoeffizient der Faserpackung entlang der Achse 32, wodurch eine axiale Zugspannung in der Faserpackung während der Kühlung erzeugt wird. Die axiale Zugspannung ist notwendigerweise durch das Bindemittel übertragen worden und konnte zu einem Ausfall des Bindemittels und zur Erzeugung von einem oder von mehreren Rissen 58 führen, wie in Fig. 5 illustriert. Wenn die Temperatur vermindert wird, wird sowohl das Bindemittel als auch der Puffer härter und weniger geschmeidig und sie werden weniger in der Lage sein, sich mechanischen Spannungen anzupassen, die aus Unterschieden der thermischen Expansionsrate des Spulenkörpers 24 und der Faserpackung 52 resultieren. Das Ergebnis hiervon ist eine sich erhöhende Tendenz, bei derartigen niedrigen Temperaturen Risse zu bilden. Es ist beobachtet worden, daß die Risse 58 unter einigen Voraussetzungen durch die gesamte Dicke der Faserpackung verlaufen, und zwar in Fällen, in denen Aluminium-Spulenkörper verwendet werden. Die durch die thermische Expansion erzeugten Spannungen führen zu verschiedenen anderen Typen von Unregelmäßigkeiten in der Faserpackung, so wie beispielsweise zu Hinaufschiebungen oder Verrutschungen, und zwar in der Art und Weise, wie sie in Fig. 11 dargestellt sind. Diese Fehler in der Faserpackung können die Packungsgeometrie unterbrechen und zu einer zerbrochenen optischen Faser führen, wenn die Faser in der Art und Weise abgewickelt wird, wie in Fig. 3 illustriert.
Die vorliegende Erfindung sorgt für einen orthotropen Spulenkörper 60 (eine bestimmte Form des Spulenkörpers 24), von dem eine bevorzugte Form in Fig. 7 illustriert ist. Wie im folgenden verwendet deutet "orthotrop" an, daß der thermische Expansionskoeffizient des Materiales in unterschiedlichen Richtungen verschieden ist. In dem orthotropen Spulenkörper 60 ist der thermische Expansionskoeffizient in der umfangsseitigen Richtung 34 klein, nämlich vorzugsweise ungefähr Null, um an den thermischen Expansionskoeffizienten der Faserpackung 52 in der umfangsseitigen Richtung angepaßt zu sein. Der thermische Expansionskoeffizient in der axialen Richtung 30 ist erheblich größer. Um die größten, mit der vorliegenden Erfindung verbundenen Vorteile zu erzielen ist der thermische Expansionskoeffizient in der axialen Richtung 30 ungefähr gleich dem der Faserpackung 52. Indessen können einige Vorteile der vorliegenden Erfindung selbst dann erhalten werden, wenn der thermische Expansionskoeffizient des Spulenkörpers nicht exakt an den der Faserpackung angepaßt ist, da das Bindemittel und der Puffer sich an einige Spannungen anpassen können. Typischerweise wird der thermische Expansionskoeffizient des Spulenkörpers geringer sein als der der Faserpackung, und zwar in axialer Richtung, nämlich infolge von Beschränkungen bei den Herstellungsmaterialien. Je besser die thermischen Expansionskoeffizienten des orthotropen Spulenkörpers 24 und der Faserpackung 52 jeweils in umfangsseitiger und longitudinaler Richtung angepaßt sind, desto größer wird die Stabilität des Kanisters während der Lagerung und während thermischer Wechselbeanspruchungen.
Der orthotrope Spulenkörper 60 ist vorzugsweise aus einem zusammengesetzten Material 62 (Verbundwerkstoff) hergestellt, das aus strukturellen Faser 64 gebildet wird, die in einer Matrix 66 eingebettet sind, wie in Fig. 8 illustriert. Die strukturellen Fasern 64 sind vorzugsweise, nicht jedoch notwendigerweise aus Glas, Quarz, Kevlar, Graphit oder Kohlenstoff. Die Matrix 66 ist aus einem Polymer, wie beispielsweise aus einem Epoxyharz oder aus Phenol (Phenolic). Da "Fasern" sowohl in der Faserpackung als auch in dem orthotropen Spulenkörper 60 vorhanden sind, werden sie klar unterschieden, um jede Verwirrung zu vermeiden. Die "Faser" in der Faserpackung 52 ist die optische Faser 22, wohingegen die "Faser" in dem orthotropen Spulenkörper 60 die strukturelle Faser 64 ist. Die optische Faser 22 ist aus Glas, während die strukturelle Faser 64 aus Glas, Kevlar, oder Kohlenstoff, oder eine andere Art von Faser sein kann. Das Glas, das für die optische Faser 22 verwendet wird, ist von einer optischen Qualität und der Kern 38 der optischen Faser 22 wird gewöhnlich aus zwei Glasschichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes gebildet. Die strukturellen Fasern 64 sind nicht von optischer Qualität, selbst wenn sie aus Glas hergestellt sind, und sie weisen bestimmt nicht die Zwei-Schichtform auf, die für den Kern der optischen Faser 22 verwendet wird. Der thermische Expansionskoeffizient der meisten Materialien, die als strukturelle Fasern 64 verwendet werden, ist wesentlich geringer als der der Materialien, die als Matrix 66 verwendet werden, obwohl dies nicht notwendigerweise der Fall sein muß. Beispielsweise hat Kevlar einen thermischen Expansionskoeffizienten in transversaler Richtung von ungefähr 60 Inch pro Inch pro Grad C.
Das zusammengesetzte Material 62 (bzw. der Verbundwerkstoff 62) weist alle strukturellen Fasern 64 im wesentlichen parallel zueinander auf, nämlich in der Art und Weise, die in Fig. 8 illustriert ist. Ein derartiges Material wird, wenn es "gecured" bzw. gehärtet wird, inhärent orthotrop, wobei der thermische Expansionskoeffizient parallel zu den strukturellen Fasern 64 in Faserrichtung 68 erheblich niedriger ist als der thermische Expansionskoeffizient parallel zur gekreuzten Faserrichtung 70, die zu der Faserrichtung 68 senkrecht ist. Der thermische Expansionskoeffizient in anderen Richtungen innerhalb der Ebene, die durch die zwei Richtungen 68 und 70 definiert wird, liegt zwischen diesen zwei.
Das zusammengesetzte Material 62 wird verwendet, um den orthotropen Spulenkörper 60 herzustellen. Grundsätzlich kann die Faserrichtung 68 im Hinblick auf die umfangsseitige Richtung 34 des Spulenkörpers unter einem Vorwinkel (bias angle) A orientiert sein, wie in Fig. 7 illustriert. Unterschiedliche Vorwinkel A sind in den Figuren 9 und 10 illlustriert, wobei der Vorwinkel A in Fig. 9 vergleichsweise groß ist und der in Fig. 10 vergleichsweise klein. Nachdem die thermischen Expansionskoeffizienten der optischen Faser 22 (und somit der Faserpackung 52) für beliebige vorgewählte Fasermaterialien durch direkte Messungen bestimmt worden sind, die dem Fachmann bekannt sind, können die Materialien und die Orientierung des zusammengesetzten Materiales 62 ausgewählt werden, so daß die thermischen Expansionskoeffizienten des Spulenkörpers 60 sich an die der Faserpackung 52 anpassen oder in optimaler Weise annähern. In den meisten Fällen können die umfangsseitigen thermischen Expansionskoeffizienten gut angepaßt werden, aber es kann ein Unterschied bei den axialen Koeffizienten der Faserpackung und des orthotropen Spulenkörpers verbleiben. Indessen ist jede Verminderung der Unterschiede der thermischen Expansionskoeffizienten verglichen mit dem isotropen Aluminium-Spulenkörper gemäß dem Stand der Technik von Vorteil und verbesserte Ergebnisse sind selbst in den Fällen beobachtet worden, in denen eine perfekte Anpassung nicht möglich war, da der Puffer und das Bindemittel in gewissen Umfang thermisch induzierte Spannungen aufnehmen können.
Der orthotrope Spulenkörper 60 ist hergestellt worden, in dem Verbundwerkstoffe 62 verwendet worden sind, die kommerziell erhältlich sind, und in dem Bearbeitungstechnologien verwendet worden sind, die dem Fachmann bekannt sind und die typischerweise von den Herstellern der Verbundwerkstoffe verfügbar sind. Die Technik der Faserwicklung wird bevorzugt verwendet. Es existieren unterschiedliche derartige Techniken und im folgenden wird das bevorzugte "Prepreg-Roving"-Verfahren beschrieben. Eine Spindel wird vorbereitet, die die Form der gewünschten inneren Oberfläche des Spulenkörpers 60 aufweist. Ein Material, das als "Prepreg- Roving" bezeichnet wird, wird dann auf die Spindel gewunden, und zwar in jedem gewünschten Muster, Abstand, Dichte, Anordnung und Vorwinkel A. Das Prepreg-Roving besteht aus Strängen bzw. Litzen aus dem gewünschten strukturellen Fasermaterial 64, das zuvor mit einem flüssigen Monomer- Matrixmaterial imprägniert worden ist, und einem Beschleuniger, um das Curing bzw. das Aushärten zu unterstützen, wobei es dann partiell gehärtet wird, so daß das Material handhabbar wird. Das Prepreg-Roving wird gewunden, wobei einige Schichten eine erste Orientierung und andere Schichten eine andere Orientierung aufweisen, und zwar so wie nötig, um die gewünschten orthotropen thermischen Expansionskoeffizienten in dem Endprodukt zu erzielen. Beispiele für zwei unterschiedliche Richtungen der Windung sind in den Figuren 9 und 10 dargestellt, in denen die Fasern unter unterschiedlichen Steigungen oder Vorwinkeln A zur umfangsseitigen Richtung des Spulenkörpers orientiert sind. Die Auswahl des Winkels A bestimmt den thermischen Expansionskoeffizienten des Spulenkörpers in der transversalen und der longitudinalen Richtung. Nachdem der Prepreg-Roving auf die Spindel aufgewickelt worden ist, wird er unter einem angelegten Druck erwärmt, um die Aushärtung des Monomers zu vervollständigen. Das sich ergebende zusammengesetzte Material bzw. der Verbundwerkstoff ist in Fig. 8 illustriert. Die Erhöhung des Verbundes, der derartig hergestellt ist, auf erhöhte Temperaturen wird den thermischen Deformations-Zustand der Faserpackung nicht beeinflussen, da die Faserpackung zu diesem Zeitpunkt noch nicht auf dem Spulenkörper 60 aufgewickelt ist.
Nachdem das zusammengesetzte Material gecured bzw. ausgehärtet ist wird die Spindel von der Innenseite des gehärteten Verbundwerkstoffes durch Abtragung oder Herausgleitenlassen entfernt. Wenn die Spindel entfernt ist besteht der verbleibende Spulenkörper 60 vollständig aus orthotropen Material.
Der letzte Schritt besteht darin, die optische Faser 22 auf den Spulenkörper 60 aufzuwickeln, wodurch die Herstellung des Kanisters vervollständigt wird. Während des Aufwicklungsverfahrens muß dahingehend Sorge getragen werden, daß eine Überlappung der Wicklungen der optischen Faser, Spalten zwischen den Wicklungen und andere Wicklungsmängel vermieden werden.
Der Lösungansatz gemäß der vorliegenden Erfindung sorgt für einen Kanister, der einen orthotropen Spulenkörper aufweist, dessen thermische Expansionskoeffizienten sich dichter an die der Faserpackung anpassen, die auf dem Spulenkörper aufgewickelt wird. Während Temperaturänderungen, die während einer Lagerung des Kanisters auftreten können, tritt daher eine erheblich verminderte Neigung für die Bildung von Spalten, Rissen, Verrutschungen, Aufklappungen und anderen Arten von Mängeln auf, die beobachtet werden, wenn konventionelle isotrope Aluminium-Spulenkörper verwendet werden. Daher wird die Perfektion der Wicklungsgeometrie, die die optische Faser zu anfangs erhalten hat, beibehalten, die Faserpackung weist eine geringe Tendenz zu Verschiebungen auf, und die Abwicklung der optischen Faser unterliegt seltener katastrophalen optischen Faserbrüchen.
Obgleich eine bestimmte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail aus Illustrationszwecken beschrieben worden ist, können verschiedene Modifikationen durchgeführt werden, ohne den Geist und den Umfang der Erfindung zu verlassen. Daher ist die Erfindung nicht zu begrenzen, außer durch die beigefügten Ansprüche.

Claims

1. Ein Verfahren zum Vorbereiten eines Kanisters (20) für optische Fasern, das die Schritte umfaßt:

Zuführen einer optischen Faser (22), die einen longitudinalen thermischen Expansionskoeffizienten parallel zur ihrer Länge aufweist, sowie einen transversalen thermischen Expansionskoeffizienten senkrecht zu ihrer Länge;

Herstellen eines Spulenkörpers (24; 60), der einen umfangsseitigen thermischen Expansionskoeffizienten in einer umfangsseitigen Richtung aufweist, der an den longitudinalen thermischen Expansionskoeffizienten der optischen Faser angepaßt ist, sowie einen axialen thermischen Expansionskoeffizienten, und zwar entlang der Längsrichtung des Spulenkörpers, der an den transversalen thermischen Expansionskoeffizienten der optischen Faser angepaßt ist; und

Aufwickeln der optischen Faser auf den Spulenkörper.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, worin der umfangsseitige thermische Expansionskoeffizient des Spulenkörpers ungefähr gleich dem longitudinalen thermischen Expansionskoeffizienten der optischen Faser ist.

3. Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der axiale thermische Expansionskoeffizient des Spulenkörpers ungefähr gleich dem transversalen thermischen Expansionskoeffizienten der optischen Faser ist.

4. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Spulenkörper (60) wenigstens zu einem Teil aus einem orthotropen Material hergestellt ist.

5. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Schritt des Herstellens den Schritt umfaßt:

Ausbilden des Spulenkörpers aus einem verstärkten zusammengesetztem Material (62) aus strukturellen Fasern (64) in einer Polymermatrix (66).

6. Das Verfahren nach Anspruch 5, worin die strukturelle Faser aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Glas, Quarz, Kevlar, Graphit und Kohlenstoff besteht.

7. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der Spulenkörper vollständig aus einem verstärkten zusammengesetztem Material aus strukturellen Fasern in einer Polymermatrix hergestellt ist.

8. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin der Schritt des Herstellens die Schritte umfaßt:

Aufwickeln einer zusammengesetzten Materialroving auf eine Spindel, und

Curing der Roving um ein gecurtes zusammengesetztes Material zu bilden.

9. Ein Kanister (20) für optische Fasern mit:

einem Spulenkörper < 24, 60), welcher einen umfangsseitigen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, der an den longitudinalen thermischen Expansionskoeffizienten einer zuvor ausgewählten optischen Faser (22) angepaßt ist, sowie einen axialen thermischen Expansionskoeffizienten entlang der Längsrichtung des Spulenkörpers, der an den transversalen thermischen Expansionskoeffizienten der optischen Faser angepaßt ist; und

einer optischen Faser, die auf den Spulenkörper aufgewickelt ist.

10. Der Kanister nach Anspruch 9, in dem der Spulenkörper (60) wenigstens zu einem Teil aus einem orthotropischen Material hergestellt ist.

11. Der Kanister nach Anspruch 10, worin das orthotropische Material ein zusammengesetztes Material aus strukturellen Fasern ist, die in einer Polymermatrix eingebettet sind.

12. Ein Kanister nach Anspruch 11, worin die strukturelle Faser aus einem Material gebildet wird, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Glas, Quarz, Kevlar, Graphit und Kohlenstoff besteht.

13. Der Kanister nach Anspruch 11 oder 12, worin das orthotropische Material ein zusammengesetztes Material (62) aus strukturellen Fasern (64) ist, die in einer Matrix (66) eingebettet sind, und worin die strukturellen Fasern derartig orientiert sind, daß sie parallel zu der Oberfläche des Spulenkörpers (60) liegen.

14. Ein Kanister nach Anspruch 13, worin der Spulenkörper im wesentlichen eine zylindrische Form hat, wobei er eine umfangsseitige Richtung (34) und eine axiale Richtung aufweist, und worin die strukturellen Fasern wenigstens teilweise derartig orientiert sind, daß sie in einer Richtung liegen, die von der umfangsseitigen Richtung des Spulenkörpers und der axialen Richtung des Spulenkörpers verschieden ist.

15. Der Kanister nach einem der Ansprüche 9 bis 14, worin der umfangsseitige thermische Expansionskoeffizient des Spulenkörpers ungefähr der gleiche ist wie der longitudinale thermische Expansionskoeffizient der zuvor ausgewählten optischen Faser.

16. Der Kanister nach einem der Ansprüche 9 bis 15, worin der axiale thermische Expansionskoeffizient des Spulenkörpers ungefähr der gleiche ist wie der transversale thermische Expansionskoeffizient der optischen Faser.