專利名稱：纖維光纜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有改進(jìn)了能力的纖維光纜，用來使光纖與可能引起光傳輸損耗的外應(yīng)力或?qū)е鹿饫w斷裂的應(yīng)力侵蝕脫離。
光纖是由很細(xì)的純石英或玻璃的絞合線構(gòu)成，其機(jī)械性能上可能以完全彈性易碎為特點。為了給光纖提供保護(hù)使其不受可能造成斷裂的外應(yīng)力，通常以保護(hù)材料，例如以厚的快速固化的聚合物材料層涂覆這些光纖。如美國專利No．5675686中所述的這種保護(hù)材料，可以保護(hù)裸露光纖免受裝運和加工時遭受的應(yīng)力。還有，也可以用緩沖材料，例如可粘附到涂過的光纖上的膨脹的PTFE來包覆涂過的光纖。
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的纖維光纜，其中新的柔順性組合結(jié)構(gòu)使傳遞給光纖的負(fù)荷和在光纜的生產(chǎn)、處理及裝載過程中和裝運時強(qiáng)加給光纖的位移，兩者都能減到最小程度，以便能夠設(shè)計干式芯、高光纖數(shù)(HFC)光纜，把由光纖微彎曲和／或宏彎曲引起的光傳輸損耗減至極其之小。
另外一個目的是通過讓更多的光纖裝到預(yù)定的光纜直徑內(nèi)，為HFC設(shè)計增加光纖組裝密度。
本發(fā)明的上述和其它目的及優(yōu)點，通過提供一種纖維光纜來達(dá)到，其包括一或多個柔順性纜芯組件封入支承用的外套內(nèi)。每個柔順性纜芯組件包括至少一條光纖封入一柔順性組合結(jié)構(gòu)且被支承。這樣的結(jié)構(gòu)可由一種高膨脹的聚合泡沫材料，或?qū)嵸|(zhì)上同高膨脹的聚合泡沫材料一樣具有彈性作用的材料構(gòu)成。在壓縮變形下，此纜芯組件被夾持在外套內(nèi)，但是允許在其間相對移動。
本發(fā)明用作泡沫材料的彈性作用，是以對壓縮應(yīng)變直到大約60％具有幾乎恒定的、相當(dāng)?shù)偷膽?yīng)力為特征。
在優(yōu)選的實施例中，每個柔順性纜芯組件包括一個平行光纖束，例如多條光纖的條帶或線性陣列。
上面已經(jīng)闡明了本發(fā)明的一些目的和優(yōu)點，隨著結(jié)合附圖繼續(xù)進(jìn)行說明，其他目的和優(yōu)點將變得更清楚，其中

圖1是體現(xiàn)本發(fā)明特點的纖維光纜的透視圖；圖2是沿圖1中線2-2所取的放大剖視圖；圖3表示幾種可能適用于本發(fā)明的柔順性纜芯組件剖視圖；圖4為本發(fā)明中使用的一種類型的高膨脹聚合泡沫的壓縮應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系圖；圖5表示在無負(fù)荷條件和30％壓縮負(fù)荷條件下柔順性纜芯組件的剖視圖；以及圖6是一柔順性組合結(jié)構(gòu)光纜截面的有限元分析等值曲線圖，并示出壓縮于0．62″直徑光纜外套內(nèi)的6個0．25″直徑組合結(jié)構(gòu)之一的最小主應(yīng)力分布圖。
現(xiàn)在，將參照表示本發(fā)明優(yōu)選實施例的附圖，更全面地描述本發(fā)明如下。然而，本發(fā)明可以有許多不同的方式實施，并不是要限于這里提出的實施例；不如說，提供這些實施例是要使本公開完全徹底，并將本發(fā)明的范圍完全通告本領(lǐng)域的技術(shù)人員。同樣的標(biāo)號適用于所有同樣的元件。
更詳細(xì)地說參照附圖，圖1-2示出了實施本發(fā)明的一個纖維光纜10，該纖維光纜包括三個柔順性纜芯組件20，被夾持在傳統(tǒng)的外套30內(nèi)。每個柔順性纜芯組件20由一束平行的玻璃光纖22的組成，在圖示的實施例中，它由6個疊層條帶24構(gòu)成，每個條帶中有6條光纖排成橫向?qū)R陣列。更具體地說，每個條帶的6條光纖均涂以常用的粘結(jié)料，例如丙烯酸基(acrylate-based)的材料，以形成整體結(jié)構(gòu)。每個條帶的光纖數(shù)，每個纜芯組件的條帶數(shù)及每個光纜的纜芯組件數(shù)都不限于圖中所示的數(shù)目。該光纖22為通常用于纖維光纜中的大小，一般直徑大約為250μm(微米)。
將每個疊層條帶封入一柔順性組合結(jié)構(gòu)且被支承，這里具體化為高膨脹(因而低密度)的聚合泡沫材料26，該泡沫材料在光纜被彎曲或碰到壓縮負(fù)荷時，足以讓光纖緩沖所施加的外應(yīng)力。該組合結(jié)構(gòu)用來把條帶保持在其疊層的關(guān)系，而不需要粘合劑之類將條帶固定在一起。該纜芯，即各光纖或條帶，可在壓縮情況下由該組合結(jié)構(gòu)加持，而不是以其它方式固定于該組合結(jié)構(gòu)或相互固定。因而，各光纖和／或條帶構(gòu)成的纜芯，都能相對于組合結(jié)構(gòu)和彼此相對自由移動。并且，在組合結(jié)構(gòu)內(nèi)該纜芯可以是直線或絞合的。泡沫材料構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)，可以利用公知的擠壓設(shè)備和技術(shù)擠壓在疊層條帶的周圍。
外圍的外套30可以包括任何常規(guī)的光纜結(jié)構(gòu)，眾所周知，其結(jié)構(gòu)可以包括一個芯管、鎧裝、加強(qiáng)件、棒、帶、粗紗、氣囊拉索以及外套(outer jacket)。一般說來，這種結(jié)構(gòu)的撓曲性能將超過光纖或條帶的撓性。但是，組合結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)偷娜犴樞詫⒂行У叵|芯與外套間的相互影響。因此，在芯纜與外套之間沒有一一對應(yīng)運動的撓曲位移耦合。該纜芯組件可在壓縮下由外套夾持，參看圖2，但各纜芯組件不是固定于外套或相互固定。這樣，各纜芯組件就能相對于外套和彼此相對自由移動。并且在外套內(nèi)，各纜芯組件可以是直線(如圖所示)或絞合的。
在所示的實施例中，外套包括三個不同的同心層，例如可以包括由聚合物芯管構(gòu)成的內(nèi)層、由加強(qiáng)件和／或鎧裝構(gòu)成的中間層及由聚合物套構(gòu)成的外層。并且，最好如圖2所示，在各組件與外套之間能形成空隙，如40所指，并且該外套夾持在壓縮變形下的各纜芯組件。
組合結(jié)構(gòu)的一個重要特點是，對相當(dāng)?shù)偷呢?fù)荷就呈現(xiàn)大的變形。而正如這里另外要說明的那樣，擇優(yōu)選用包括泡沫材料的組合結(jié)構(gòu)，是因為此組合結(jié)構(gòu)顯示很容易實現(xiàn)這一構(gòu)思，而其它結(jié)構(gòu)是不可能的。從固體力學(xué)基本原理出發(fā)，非常明確的是，剛性度歸結(jié)為結(jié)構(gòu)的幾何形狀和材料兩者。由幾乎不可壓縮的材料象橡膠之類制成的實心結(jié)構(gòu)，決不會產(chǎn)生所需要的負(fù)荷變形特性。然而，如果將能扭曲的結(jié)構(gòu)特點組合起來(例如加強(qiáng)肋、翅片、支桿、桁條、指條、隔膜等等)，于是幾乎不能壓縮的線性彈性材料就可能使用。關(guān)鍵在于創(chuàng)造具有所需支撐扭曲的負(fù)荷變形特性。就泡沫材料的情況來說，在微觀范圍內(nèi)，在泡沫材料加工過程中形成微孔壁和產(chǎn)生隔膜，制成扭曲和壓扁的結(jié)構(gòu)特點。
在微觀力學(xué)范圍內(nèi)，發(fā)泡材料微孔大小相對于光纖特征幾何尺寸應(yīng)足夠小，以便在光纖和泡沫材料之間實現(xiàn)接近均勻的負(fù)荷轉(zhuǎn)移。微孔的間隔大小也應(yīng)足夠無序自然，不然就相對于光纖傳輸過程為非諧波長度，為使微接觸的位置不會產(chǎn)生基于周期負(fù)荷而引發(fā)微彎曲的光學(xué)損耗。
在宏觀力學(xué)范圍內(nèi)，材料應(yīng)該顯示出傳統(tǒng)上與泡沫有關(guān)的壓縮測試特性。圖4說明壓縮應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線，就是典型的所需的泡沫特性。對于小應(yīng)變(＜0．05)，存在一最初的上升，其對應(yīng)于微孔結(jié)構(gòu)的小的、線性的彈性變形。隨著負(fù)荷增加，微孔璧被壓扁和扭曲，對對負(fù)荷的極小增加，應(yīng)變就大量增加。該曲線對于高達(dá)60％的應(yīng)變差不多是水平的，并有低于100磅／英寸2的極其小的應(yīng)力曲線平直部分，該曲線平直部分取決于多孔結(jié)構(gòu)和基本聚合物。隨著微孔完全壓扁，孔璧相互直接接觸，該曲線呈現(xiàn)陡峭向上傾斜。
另外，該材料必須在整個溫度和時間范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的特性。該材料還應(yīng)呈現(xiàn)低強(qiáng)度，以便容易除去材料露出條帶以便拼接。
圖3說明一些纜芯組件可能想到的代表性形狀。本發(fā)明的范圍不僅包括這些形狀，而且同樣包括其任何組合或變型。圓形是簡單的擠壓形狀，能自由疊層絞合。正方形用料少，還可以有圓形的邊緣。有拐角的構(gòu)造提供特別的保護(hù)以免角部光纖受損，且除去邊緣上不需要的材料。瓦片或聯(lián)鎖的圖形提供一種促進(jìn)防止光纖損耗和纜內(nèi)組件構(gòu)造的形狀。偏斜形提供條帶圖形可以與棱形疊層不同，包括徑向扇形。通用優(yōu)化的形狀說明，可利用不規(guī)則形狀和內(nèi)部空隙或填充物以達(dá)到所要求的性能。
在纜芯組件外邊可能需要外皮，以增進(jìn)耐用性和提高防水能力。組合結(jié)構(gòu)的目的是提供柔順性懸置疊層條帶，適應(yīng)纜內(nèi)和疊層條兩者的幾何形狀，而且纜和光纖之間負(fù)荷傳遞相對較低。因此，抗壓存在于外套而不是纜芯組件結(jié)構(gòu)中。纜芯組件結(jié)構(gòu)上的剛性外骨架成為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上多余的部分，而事實上以減少封裝利用率來彌補(bǔ)光纖密度增加。而且，剛性外骨架顯示出可以利用光纖于拼接。
通過選擇具有與曲線(圖4)平直部分相關(guān)的相當(dāng)?shù)蛻?yīng)力水平的發(fā)泡材料，能夠象要求的那樣在纜內(nèi)壓縮纜芯組件，而光纖接觸負(fù)荷卻極少增加，因此極小引起傳輸損耗。高壓縮性避免了橡膠和其它幾乎不能壓縮的超彈性材料遇到的巨大流體靜應(yīng)力成分的問題。
優(yōu)選的泡沫材料是高膨脹(＞90％)的聚合物如聚烯烴類，通過在基本聚合物內(nèi)引入微孔而產(chǎn)生。作為具體的例子，可優(yōu)先選用低密度聚乙烯和聚丙烯。這種材料和相關(guān)的加工設(shè)備，在本制造領(lǐng)域都是公知的。發(fā)泡材料的明確要求是壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。特別是，發(fā)泡材料應(yīng)呈現(xiàn)圖4所示的彈性作用。關(guān)鍵特性如下1)該曲線應(yīng)呈現(xiàn)出由微孔璧彈性扭曲而引起的曲線平直部分，規(guī)定作為對于高達(dá)60％的壓縮應(yīng)變幾乎恒定的、低應(yīng)力(小于100磅／英寸2)的區(qū)域。該曲線平直部分的開始處應(yīng)該在5％到10％壓縮應(yīng)變之間。
2)在曲線平直部分開始前，應(yīng)無大的“快速過”負(fù)荷；即，該應(yīng)力從零到曲線平直部分的范圍應(yīng)該平穩(wěn)、單調(diào)、彈性的方式增大。
3)壓縮量在60％以上時，由于微孔壁幾乎完全壓扁，泡沫被壓實，應(yīng)力-應(yīng)變曲線將沿著陡峭向上斜率增大。準(zhǔn)確的斜率無特殊意義。
4)要求整個應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)該有彈性，除去壓縮負(fù)荷時材料無永久性殘留變形。但是，在有些情況下，可能發(fā)現(xiàn)應(yīng)力松弛是需要的(即，對于固定扭曲，應(yīng)力衰減到零超時)。
5)泡沫必須是高度可壓縮的，如以有效泊松比表示極限近似于零，或剪變形與體積彈性模量之比近似于2／3。
實例利用CO2注入產(chǎn)生2．5倍體積膨脹，將含有由Union Carbide提供的商標(biāo)為DFDA1253的低密度聚乙烯(LDPE)的泡沫成分發(fā)泡。對所得的泡沫化后的合成物進(jìn)行測試，它顯示一種壓縮應(yīng)力-變形曲線，其與圖4所示的曲線完全一樣。
有限元計算機(jī)分析，利用測出的泡沫數(shù)據(jù)，模擬和分析6個柔順性纜芯組件的裝配光纜，如圖6所示。
圖5說明對由12×12光纖帶和如上實例所述的泡沫合成物構(gòu)成的纜芯組件，壓縮變形30％。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員得益于上述說明書和相關(guān)附圖中所描述的教導(dǎo)，就會想出本發(fā)明的許多變更和其它實施例。因此，應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于已公開的具體實施例，而那些變更和其它實施例也確定為包括在所附權(quán)利要求書內(nèi)。雖然這里采用了專用術(shù)語，但只是用于一般描述了解而不是為了限制起見。
權(quán)利要求
1．一種纖維光纜，包括至少一個柔順性纜芯組件，其包括至少一條光纖封入一實質(zhì)上同膨脹聚合物泡沫一樣具有彈性作用的組合結(jié)構(gòu)且被支承；以及一個外套，其密封和支承上述至少一個纜芯組件，以便允許該纜芯組件與外套之間相對移動。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維光纜，其特征在于該組合結(jié)構(gòu)的彈性作用對于壓縮應(yīng)變趨近60％具有幾乎恒定的、相對低應(yīng)力的特征。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的纖維光纜，其特征在于所述的一個柔順性纜芯組件包括一束平行光纖。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的纖維光纜，其特征在于所述的一束平行光纖的剖面是正方形構(gòu)造。
5．根據(jù)權(quán)利要求3所述的纖維光纜，其特征在于所述的組合結(jié)構(gòu)經(jīng)由該纜芯組件和外套之間的接觸受到壓縮變形。
6．一種纖維光纜包括多個柔順性纜芯組件，其中每個纜芯組件包括一束平行光纖封入一柔順性組合結(jié)構(gòu)且被支承；所述的結(jié)構(gòu)由膨脹的聚合物泡沫材料構(gòu)成，所述的材料在光纜彎曲時有效地使該束光纖緩沖加上的外應(yīng)力，以及一個外套，密封和支承所述的多個纜芯組件，以便允許在各個纜芯組件與外套之間相對移動。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的纖維光纜，其特征在于所述的聚合物泡沫材料選自包括聚乙烯和聚丙烯的組。
8．根據(jù)權(quán)利要求6所述的纖維光纜，其特征在于所述的聚合物泡沫材料是經(jīng)由各纜芯組件和外套之間的接觸受到壓縮變形。
9．根據(jù)權(quán)利要求6所述的纖維光纜，其特征在于所述的平行光纖束包括多個疊層條帶，且每個條帶包括一排橫向?qū)R的光纖。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的纖維光纜，其特征在于所述的疊層條帶只以所述密封組合結(jié)構(gòu)彼此保持。
11．根據(jù)權(quán)利要求9所述的纖維光纜，其特征在于所述的疊層條帶是在壓縮下通過組合結(jié)構(gòu)被夾持，而不是固定于組合結(jié)構(gòu)上或相互固定，因此該條帶相對于該組合結(jié)構(gòu)和彼此相對自由移動。
12．根據(jù)權(quán)利要求6所述的纖維光纜，其特征在于所述的聚合物泡沫具有彈性作用，對直到60％的壓縮應(yīng)變該彈性作用具有幾乎恒定的，相對低的應(yīng)力為特征。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種纖維光纜的構(gòu)造,以便使光學(xué)傳輸損耗減至最小,該光纜包括一或多個夾持在外皮內(nèi)的柔順性纜芯組件。每個柔順性纜芯組件由平行光纖束,例如疊層條帶構(gòu)成,并封入一柔順性組合結(jié)構(gòu)且受支承。該結(jié)構(gòu)可從發(fā)泡的材料,例如聚乙烯,將其擠壓成環(huán)繞光纖束而得到其柔順性。泡沫材料足以使光纖束緩和當(dāng)彎曲光纜或遇到壓縮負(fù)荷時所加的外應(yīng)力。
文檔編號G02B6/44GK1279407SQ0011933
公開日2001年1月10日 申請日期2000年6月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月29日
發(fā)明者
羅伯特, 布朗 J, 小克萊德, 杰斐遜, 來佛, 小肯尼思, 泰勒 L 申請人:朗迅科技公司