JP2886500B2 - 熱膨張適合層を有する光ファイバディスペンサ - Google Patents

熱膨張適合層を有する光ファイバディスペンサ

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JP2886500B2
JP2886500B2 JP8146233A JP14623396A JP2886500B2 JP 2886500 B2 JP2886500 B2 JP 2886500B2 JP 8146233 A JP8146233 A JP 8146233A JP 14623396 A JP14623396 A JP 14623396A JP 2886500 B2 JP2886500 B2 JP 2886500B2
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グレゴリー・ロストラッコー
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− ピン・シュウ ホイ
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/44Mechanical structures for providing tensile strength and external protection for fibres, e.g. optical transmission cables
    • G02B6/4439Auxiliary devices
    • G02B6/4457Bobbins; Reels

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光ファイバ技術およ
び光ファイバディスペンサに関し、特に光ファイバパッ
クとボビンとの間の熱膨張差による悪影響を最小にする
ように構成された光ファイバディスペンサに関する。
【0002】
【従来の技術】光ファイバは、それを通って伝送された
光が内部全反射されるように処理されたガラスファイバ
の撚線(strand)である。ガラス光ファイバは、典型的に
一方が他方の内側に配置された2つの異なる光屈折率の
ガラスのプレフォームを準備して、このプレフォームを
ファイバに処理することによって製造される。光ファイ
バは、すり傷またはその他の損傷からガラスを保護する
ためにバッファと呼ばれるポリマー層で被覆されてい
る。寸法の一例として、典型的な構造ではガラス光ファ
イバの直径は約125 マイクロメートルであり、“光ファ
イバケーブル”と呼ばれる光ファイバとポリマーバッフ
ァの直径の和は約250 マイクロメートル(ほぼ0.010 イ
ンチ)である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このような非常に微細
な光ファイバに対して、その機械的な強度および、また
は光伝送特性を減少させる可能性のある損傷を回避する
光ファイバケーブルの処理が重要になってくる。1つの
方法では、光ファイバケーブルは、多数の巻きが互いに
隣接するように並んだ状態に円筒型またはテーパーを有
する円筒型ボビン(テーパーの角度はゼロでもよいが、
ここではまとめて“テーパーを有する”円筒型ボビンと
呼ぶ)に巻回される。1つの層が完成した後、光ファイ
バケーブルの別の層が第1の層上に巻回され、以下同様
にして巻回されていく。光ファイバケーブルの層の位置
を保持するために、典型的に弱い接着剤がそれらに供給
される。ボビンとそれに巻回された光ファイバケーブル
との最終的な構造体をディスペンサと呼び、巻回された
光ファイバケーブル全体をファイバパックと呼ぶ。後に
光ファイバケーブルが使用される場合、光ファイバケー
ブルはディスペンサからテーパーを有するシリンダの軸
にほぼ平行な方向に繰り出される。
【0004】一般に、ディスペンサはある温度で準備さ
れるが、貯蔵、処理およびサービス中に別の温度にさら
される。ボビンおよび光ファイバパックは、異なる熱膨
張係数を有しており、熱により誘起された歪みおよび変
形が温度変化の結果としてディスペンサ中に種々の欠陥
を生じさせる可能性がある。光ファイバパックの実効熱
膨張係数は、円周方向において低く、光ファイバにおけ
るガラスとほぼ同じである。光ファイバパックの実効熱
膨張係数は縦方向(シリンダ軸に平行な方向)において
非常に高く、ポリマーバッファ材料とほぼ同じである。
ボビンの熱膨張係数をこのような円周方向と軸方向で異
なる光ファイバパックの熱膨張係数の異方性状態に容易
に一致させることはできないため、少なくとも1方向に
おける熱膨張の不一致が事実上避けられない。
【0005】ディスペンサ中の熱膨張変形を避け、或は
少なくともその熱膨張変形を減少させるために種々の手
段が提案されている。このような熱により誘起された応
力を減少させることにより、光ファイバ中の欠陥の発生
が減少され、光ファイバディスペンサの平均寿命および
関連した効率性が改良されることができる。しかしなが
ら、前述のように光ファイバパックの実効熱膨張係数
は、光ファイバを巻いた円周方向においては比較的低い
実効熱膨張係数を有しており、縦方向では比較的高い実
効熱膨張係数を有しているためこれらの両方の方向でボ
ビンの熱膨張係数を整合させることは困難であり、少な
くとも1方向における熱膨張の不一致が事実上避けられ
ない。本発明の目的は、ボビンおよび光ファイバパック
がボビンの縦方向において異なる熱膨脹係数を有してい
る光ファイバディスペンサで、縦方向の熱膨脹係数の相
違によって生じる熱応力を減少させることのできる光フ
ァイバディスペンサを提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の光ファイバディ
スペンサは、外面を有するボビンと、このボビンの外面
を覆ってボビンに取付けられている熱膨張適合層と、こ
の熱膨張適合層上に巻回されている光ファイバパックと
を具備し、ボビンおよび光ファイバパックがボビンの縦
方向において異なる熱膨脹係数を有しており、熱膨張適
合層は容易に変形して光ファイバパックとボビンとの異
なる縦方向の熱膨張係数に適合することができる材料に
よって構成され、この熱膨張適合層のボビンの外面と光
ファイバパックの内面との間の厚さは3.17mm以上
であって光ファイバパックとボビンとの縦方向の熱膨張
係数の相違によって生じる熱応力を光ファイバパックの
故障を生じさせる応力より小さな値に減少させるために
十分な厚さに設定されていることを特徴とする。このよ
うな構成の本発明の光ファイバディスペンサは、ボビン
と光ファイバパックとの間の熱膨張の不整合を許容す
る。熱膨張の不整合およびその他の原因のために生じた
歪みが調整され、光ファイバパック中で生じる応力の大
きさを減少させる。その結果、ファイバパックのひび割
れや非弾性的接着剤の歪み等の欠陥が減少され、望まし
くは完全に回避される。ディスペンサの膨脹および収縮
は、連続的にスムーズに発生する。さらに、本発明の方
法はディスペンサ内の応力状態を制御するために使用さ
れることができる。この方法は各種の形式のボビンおよ
び光ファイバケーブルに使用可能である。
【0007】本発明によると、光ファイバディスペンサ
は、外面を備えたテーパーを有するシリンダ形態のボビ
ンと、内面を備え、ボビンを覆うように位置された光フ
ァイバパックとを含んでいることが好ましい。光ファイ
バパックは典型的に複数の層として形成され、各層が光
ファイバケーブルのらせん状の巻回を含む。ボビンおよ
び光ファイバパックは、ボビンの縦方向で異なる熱膨張
係数を有している。
【0008】ボビンと光ファイバパックとの間には熱膨
張適合層(以下、TEALと呼ぶ)が存在し、ボビンの
外面と光ファイバパックの内面に接触している。熱膨張
適合層は、容易に変形して光ファイバパックとボビンの
縦方向の熱膨張係数の相違に適合する材料から形成され
ている。TEALは、異なる縦方向の熱膨張係数によっ
て生じる熱応力を減少させて、光ファイバパックの故障
強度、特に光ファイバパックにおいて使用される接着剤
の故障強度より小さくするのに十分な厚さをボビンの外
面と光ファイバパックの内面との間に有している。ボビ
ンおよび光ファイバパックの典型的な寸法に対して、T
EALの厚さは 3.17mm(1/8 インチ) 以上である。
【0009】熱膨張適合層は、等方性材料または異方性
材料から形成されることができる。TEALは、シリコ
ーン樹脂等のエラストマーから少なくとも部分的に形成
されていることか好ましい。TEALの異方性を実現す
るために、第2の相の細長い硬質ファイバが秩序正しい
配列で柔らかいマトリクス材料に付加されてもよい。例
えば、硬質ファイバが主として円周方向に延在するよう
に付加された場合、TEALは縦方向ではなく円周方向
の変形および低い熱膨張に対して大きい抵抗を有する。
TEALのこのような制御可能な特性は、所望されたと
きに、その自発的な変形に抵抗するようにファイバパッ
クに変形を与えるために有利に使用されることができ
る。
【0010】本発明の光ファイバディスペンサは、サー
ビス時の光ファイバケーブルの繰出しに悪影響を及ぼす
可能性のあるファイバパックにおける欠陥の発生を減少
させることによって技術的に重要な改良を実現する。本
発明の別の特徴および利点は、本発明の原理を例示した
以下の好ましい実施例の詳細な説明および添付図面から
明らかになるであろう。
【0011】
【発明の実施の形態】図1は、単一の層24の多数の巻回
22に巻かれた光ファイバケーブル20を示す。典型的に複
数の層が存在し、前の層のファイバの間に形成される溝
に次の層の別のファイバが巻回されることを除き、これ
は光ファイバディスペンサにおける光ファイバケーブル
の共通的な構成配置である。
【0012】光ファイバケーブル20は、中心のコア28と
コアを被覆するクラッド30から形成された光ファイバ26
を含む。コア28およびクラッド30はガラスであり、それ
は比較的低い熱膨脹係数を有する。光信号はコア28に沿
って伝送される。
【0013】バッファ層32は光ファイバ26を被覆してい
る。このバッファ層32は、比較的高い熱膨脹係数を有す
るポリマー材料から形成され、引掻き傷その他の損傷か
ら光ファイバ26を保護する。典型的な例において、クラ
ッド30の外径は約125 マイクロメートルであり、バッフ
ァ層32の外径は約250 マイクロメートルである。別の寸
法の光ファイバケーブル20もまた知られており、本発明
の利用はケーブルの特定の寸法によって限定されるもの
ではない。
【0014】光ファイバケーブル20の熱膨脹係数は、光
ファイバケーブル20がディスペンサ中に保持される方法
のために円周方向34と呼ばれる光ファイバ26の長手(延
在方向)に平行な方向において比較的低い。円周方向の
熱膨脹係数は、熱膨脹が光ファイバ26の膨張によって抑
制されるために低い。他方において、光ファイバケーブ
ル20の熱膨張は、縦方向36と呼ばれる光ファイバ26の長
手を横断する方向で比較的大きい。この横断方向の熱膨
脹係数は、バッファ層32の膨張によって影響を受け、光
ファイバ26のガラスはこの縦方向の膨張および収縮を抑
制しないために大きい。
【0015】光ファイバケーブル20の円周方向および縦
方向の膨張係数の間の異方性は、図2および3に示され
た光ファイバケーブル20のディスペンサ40の特性におい
て大きい役割を果たす。ディスペンサ40は、テーパーを
有する中空シリンダの形状のボビン42を含む。ボビン42
は、典型的に第1の端部44から第2の端部46に向かって
約1乃至3°のテーパーを有している(図3では説明の
ためにテーパーが誇張されている)が、テーパーはそれ
より大きくても小さくてもよく、或は事実上ゼロであっ
てもよい(この場合、ボビンは壁面が平行なシリンダで
ある)。ボビン42は、テーパーの大きさに応じてその長
手に沿って変化する外径Db を有する。第1の端部44に
は、支持部(示されていない)に対するボビン42、した
がってディスペンサ40全体の結合を容易にするためにフ
ランジ48が設けられる。図2では、ディスペンサの残り
のものの構造を明瞭に示すためにフランジ48は除去され
ているが、図3には示されている。
【0016】熱膨張適合層(TEAL)50はボビン42を
覆っている。TEAL50の内径は、実質的にボビン42の
外径Db と同じである。TEAL50は外径DT を有して
いる。以下、TEAL50の寸法および構成材料を詳細に
説明する。
【0017】光ファイバパック52は、TEAL50を覆っ
ている。この光ファイバパック52は、一般に図1の層24
の形態で光ファイバケーブル20の第1の層を巻回するこ
とによって形成される。光ファイバケーブル20の第2の
層は第1の層上に巻回され、光ファイバの各巻回の間の
その溝状の隙間に位置し、同様にして第3の層が第2の
層上に巻回され、以下同様にして巻回が行われる。通常
少量の接着剤が巻回動作中に供給され、隣接した巻回22
を接着させ、また隣接した層24を接着させる。接着剤
は、光ファイバパック52を一体のものとして動作させる
が、個々の巻回および層が剥離されることも可能にす
る。光ファイバパック中には典型的に20乃至50個の層が
存在しているが、パックは1層のものでも、或は200 層
程度であってもよい。光ファイバパック52の熱膨張係数
は、はじめに説明したように光ファイバケーブル層20の
熱膨張係数を反映している。すなわち、光ファイバパッ
ク52の熱膨張係数は縦方向36において比較的大きく、円
周方向34において比較的小さい。
【0018】ボビン42は、アルミニウムまたは補強され
た複合材料等の構造的に強い材料から形成される。ボビ
ンは光ファイバパック52に固定した支持部を提供しなけ
ればならず、またディスペンサ40が移送されるときの動
的な負荷に耐えなければならない。ボビン42の円周方向
の熱膨張係数は、典型的に光ファイバパック52の円周方
向の熱膨張係数以上である。しかしながら、ボビン42の
縦方向の熱膨張係数は典型的に光ファイバパック52の縦
方向の熱膨張係数よりはるかに小さい。
【0019】TEAL50がない場合、支持構造(ボビン
42)と支持された材料(光ファイバパック52)との間の
この熱膨脹係数の差は、温度が十分に大きい量で変化さ
れたときには常に、光ファイバパック52に欠陥を形成さ
せる。温度変化は、ディスペンサ40の製造中、貯蔵中ま
たはサービス中に発生する可能性が高い。欠陥は、光フ
ァイバパック52がその熱膨脹係数にしたがって異方性的
に膨張または収縮しようとするが、制約および支持して
いるボビン42が異なる量だけ異方性的に膨張または収縮
しようとするために発生する。欠陥には、例えば光ファ
イバパック52の表面からの光ファイバケーブルの飛び出
し(pop-up)、接着剤の不足により光ファイバパック52に
おけるクラックおよび接着剤の非弾性的な歪みが含まれ
る。これらおよびその他の欠陥のいずれか、または全て
のために、サービス中に光ファイバケーブル20をスムー
ズに繰出すことが不可能になり、これは欠陥のあるディ
スペンサを生じさせる。1つのこのような欠陥ですら光
ファイバパックを使用不可能にする。
【0020】熱膨張適合層50は、容易に変形することが
でき、ボビン42と光ファイバパック52との異なる縦方向
の熱膨脹係数に適合する固体材料から形成される。TE
AL50は、少なくとも部分的に弾性材料すなわちエラス
トマーから形成されることが望ましい。使用できるエラ
ストマーのタイプは、ゼネラル・エレクトリックRTV
11またはダウ・コーニング(Dow Corning)3140 として
入手可能なシリコーンポリマーである。TEALが完全
にこのような材料から形成された場合、その特性は実質
的に等方性である。
【0021】その代わりに、TEALは複合構造として
形成されてもよい。このような構造の一例において、細
長い比較的剛性で硬質の構造のファイバまたはフィラメ
ントが比較的柔らかいエラストマーマトリクス中に埋設
されてもよい。ファイバを差別的に方向付けることによ
って、TEALの特性は異方性にされることができる。
すなわち、典型的な場合において、硬質ファイバは、各
ファイバの長手方向の軸が円周方向34に平行に位置する
ように方向付けられる。硬質ファイバは、カーボンまた
はガラスファイバのような入手できる補強体であること
ができる。例えば円周方向にボビンに関してモールドを
回転することによる等の任意の適切な方法によって構造
的なファイバがTEAL中で方向付けられてもよく、液
体エラストマーとファイバの混合物がモールドとボビン
の間の空間に含まれている。マトリクスは、等方性TE
ALに関して説明されたエラストマーと同じ材料である
ことが好ましい。この方位付けは、縦方向36に関して円
周方向のTEAL50の強度を高め、熱膨張係数を減少さ
せる。したがって、TEALの特性は光ファイバパック
52のそれにさらに厳密に一致させられる。このTEAL
の特性は、特定のタイプ(すなわち、材料、寸法および
幾何学形状)のファイバ、特定のタイプのマトリクスお
よび複合構造中におけるファイバの体積比を選択するこ
とによって調節されることができる。
【0022】TEALは、異なる縦方向の膨脹係数によ
って生じる熱応力を減少させて、光ファイバパックの故
障強度、特に光ファイバパック中で使用される接着剤の
故障強度より小さくするのに十分な厚さ54をボビン42の
外面と光ファイバパック52の内面との間に有していなけ
ればならない。最少の厚さの厳密な値は、ボビン42の直
径および壁の厚さ、光ファイバパック52の寸法および特
性、TEAL50の寸法および材料特性、並びにディスペ
ンサ40がさらされる最大温度範囲に依存する。しかしな
がら、実際には典型的なディスペンサに対して、残留応
力が非常に小さいため光ファイバパックに欠陥を生成し
ない程十分な量だけ光ファイバパック52の縦方向36の歪
みを減少させるように十分剪断応力に適合させるために
は約 3.17mm (1/8インチ) の最少の厚さが要求されるこ
とが判明している。厚さ54が実質的にこの値より低い場
合、熱により誘起された変形は減少されるが、欠陥生成
の抑制が不十分である。
【0023】変形を減少するために維持されなければな
らない最大の厚さ54は存在しない。しかしながら、TE
AL50の厚さ54が大きくなると、光ファイバパック52の
支持体の剛性が低下されるため、ファイバパック中の張
力変化が激しくなり、パックは不安定になる。したがっ
て、TEAL50の最大の厚さ54は、典型的な光ファイバ
パックに対して約19.05mm (3/4インチ) より小さいこと
が好ましい。
【0024】TEAL50の使用には、熱応力の減少およ
び光ファイバパックにおける欠陥の減少に加えてその他
の利点もある。TEALの特性を調節することによっ
て、光ファイバパックの応力状態を制御することができ
る。これらの応力は、光ファイバパックの安定性および
光ファイバケーブルの繰出し特性に影響を与える可能性
が高い。TEALはまた製造、輸送、貯蔵およびサービ
ス中に支持構造に与えられる衝撃を和らげて光ファイバ
パックを保護するショックアブソーバとしてある程度作
用する。例えば、輸送中偶発的に落下事故が生じた場合
に、TEALは光ファイバパックに伝達される衝撃を軽
減する。
【0025】ディスペンサ40は、多数の異なる方法で生
成されることが可能であり、図4および5は2つの好ま
しい製造方法を例示している。図4に示された直接的な
構成方法において、符号60でボビン42が設けられる。ボ
ビンは、アルミニウム管からテーパーを有するシリンダ
を機械加工することによって、或は複合材料のフィラメ
ント巻回および硬化による通常の方法で処理される。符
号62の工程で熱膨張適合層50がボビン42上に付着され
る。ゼネラル・エレクトリックRTV11等のシリコー
ンエラストマーは、重合されていない液体の形態で市販
されている。所望のTEALの厚さ54を限定するモール
ド型がボビン42の周囲に配置され、液体エラストマーが
そのモールド型枠中に注入される。その代わりに、一連
の標準的な浸漬被覆工程によってTEAL材料がボビン
上に付着されてもよい。それがボビンに供給された後、
液体エラストマーが硬化され、製造業者によって推奨さ
れている通常の方法で固体ポリマーを形成する。TEA
Lが硬化されて固体にされた後、典型的に鋼鉄ワイヤか
ら形成されるベース層がTEAL上に巻回される(符号
64)。それから工程66で示されるように、ベース層上に
光ファイバケーブルが巻回されて、光ファイバパック52
が形成される。
【0026】別の方法は図5に示されている。ボビンが
通常の方法で設けられる(工程70)。光ファイバパック
は、最初に大きめの巻回基体を設けることによって個別
の独立した装置として準備される(工程72)。巻回基体
はボビンと同じ形状を有しているが、内側円筒形の直径
がTEALの厚さ54の2倍の量だけボビンの外径より大
きい。巻回基体は、剥離剤で被覆される。光ファイバケ
ーブルは、光ファイバパック52を形成するために所望の
最終的な巻回装置および接着剤を使用して上記のような
大きめの基体上に巻回される(工程74)。光ファイバパ
ック52は巻回基体から取外され、ボビン上に取付けられ
る(工程76)。すなわち、ボビンは、工具を使用して光
ファイバパック52の中心空洞内の中央にボビンと光ファ
イバパック52との間に均一な間隙を残して位置される。
所望される固体TEAL材料の前駆物質は、ボビンと光
ファイバパック52との間の間隙に注入され、その後硬化
される(工程78)。このようにして、光ファイバパック
52は、TEAL50を成形するための雌型モールド空洞と
して作用する。この別の製造方法により、TEAL材料
は第1のファイバ層の付近に流されて鋳造が行なわれ、
ベース層と同じ機能を果たすので、ベース層を設ける必
要がない。
【0027】所望の最終的な構造に適合するその他任意
のいくつかの可能な方法もまたディスペンサ40を準備す
るために使用されることができる。
【0028】本発明の特定の実施形態が説明のために詳
細に記載されているが、本発明の技術的範囲を逸脱する
ことなく種々の修正および改良が行われてもよい。した
がって、本発明は添付された特許請求の範囲によっての
み限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】巻回された光ファイバケーブルの層の一部分の
斜視図。
【図2】内部構造を示すために結合フランジが除去され
た本発明の光ファイバディスペンサの斜視図。
【図3】結合フランジが示されている図2のライン3−
3における光ファイバディスペンサの断面図。
【図4】光ファイバディスペンサの準備のための第1の
方法の処理フロー図。
【図5】光ファイバディスペンサの準備のための第2の
方法の処理フロー図。
フロントページの続き (72)発明者 ロナルド・ビー・チェスラー アメリカ合衆国、アリゾナ州 85716− 4936、タクソン、エヌ・カッレ・プリマ ローザ 80 (72)発明者 ホイ − ピン・シュウ アメリカ合衆国、カリフォルニ州 91325、エヌ・ランチョ、ゼルザー・ア ベニュー 9360 (56)参考文献 特開 平6−239536(JP,A) 特表 平3−504291(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02B 6/00 336

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外面を有するボビンと、ボビンの外面を覆ってボビンに取付けられている熱膨張
    適合層と、 この熱膨張適合層上に巻回されている 光ファイバパッ
    を具備し、 前記ボビンおよび前記光ファイバパックがボビンの縦方
    向において異なる熱膨脹係数を有しており、 前記熱膨張適合層は容易に変形して前記光ファイバパッ
    クとボビンとの異なる縦方向の熱膨張係数に適合するこ
    とができる材料によって構成され、この熱膨張適合層の
    ボビンの外面と光ファイバパックの内面との間の厚さは
    3.17mm以上であって光ファイバパックとボビンと
    縦方向の熱膨張係数の相違によって生じる熱応力を
    ファイバパックの故障を生じさせる応力より小さな値に
    減少させるために十分な厚さに設定されていることを特
    徴とする光ファイバディスペンサ。
  2. 【請求項2】 ボビンは実質的にテーパーを有するシリ
    ンダである請求項1記載の光ファイバディスペンサ。
  3. 【請求項3】 光ファイバパックは複数の層を含み、各
    層は光ファイバのらせん状の巻回を含んでいる請求項1
    記載の光ファイバディスペンサ。
  4. 【請求項4】 熱膨張適合層は、等方性材料から形成さ
    れている請求項1記載の光ファイバディスペンサ。
  5. 【請求項5】 熱膨張適合層は、異方性材料から形成さ
    れている請求項1記載の光ファイバディスペンサ。
  6. 【請求項6】 熱膨張適合層は、少なくとも部分的にエ
    ラストマーから形成されている請求項1記載の光ファイ
    バディスペンサ。
  7. 【請求項7】 熱膨張適合層は、シリコーンポリマーを
    含んでいる請求項1記載の光ファイバディスペンサ。
  8. 【請求項8】 熱膨張適合層は、柔らかいマトリクス中
    に埋設された硬質ファイバの複合物から形成されている
    請求項1記載の光ファイバディスペンサ。
  9. 【請求項9】 ファイバはマトリクス中で方向付けられ
    ている請求項記載の光ファイバディスペンサ。
JP8146233A 1995-06-07 1996-06-07 熱膨張適合層を有する光ファイバディスペンサ Expired - Fee Related JP2886500B2 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/478,297 US5594829A (en) 1995-06-07 1995-06-07 Optical fiber dispenser with thermal expansion accommodation layer
US478297 1995-06-07

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