專利名稱:低折射率內(nèi)敷層光纜的制作方法
本發(fā)明涉及一種低折射率內(nèi)敷層光纜，這種光纜包括多個(gè)單元，每個(gè)單元又由多根光纖組成，每根光纖都有內(nèi)敷層，內(nèi)敷層的折射率(index of refraction)小于外敷層的折射率。上述的多個(gè)單元包在一個(gè)鞘層系統(tǒng)內(nèi)的共用套管里。
盡管希望光導(dǎo)光纖頻帶寬、尺寸小、但是光導(dǎo)光纖在機(jī)械上是很脆的，在拉伸負(fù)載的作用下呈現(xiàn)脆性碎裂，導(dǎo)光性能下降。在溝道(duct)中使用的光纜必須能經(jīng)的起當(dāng)光纜被拉入溝道時(shí)所施加的拉伸負(fù)載以及彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力，在城市內(nèi)的市區(qū)環(huán)形工廠(loop plant)中這是經(jīng)常發(fā)生的。結(jié)果是，已經(jīng)研制出多種光纜結(jié)構(gòu)能在機(jī)械上保護(hù)這些光纖。
已經(jīng)研制的幾種光纜結(jié)構(gòu)包括松管光纜、帶纜和成束(stranded)光纜。請見第4，153，332號美國專利，帶纜包括一個(gè)芯子，該芯子具有一個(gè)或多個(gè)帶子，每個(gè)帶子包括多根總排列為一個(gè)平面陣的光纖。該芯子被一個(gè)松配合的塑料內(nèi)管套和一個(gè)用強(qiáng)力件(strength member)加強(qiáng)的外套包著。另一種適用于溝道系統(tǒng)的通訊光纜公開于第4，241，979號中美國專利。這種光纜包括兩個(gè)分離強(qiáng)力件層，它們以相反的方向螺旋式卷繞。在持續(xù)的拉伸負(fù)載的作用下這兩層強(qiáng)力件層圍著該光纜產(chǎn)生大小相等但方向相反的力矩，以保證光纜無扭曲。在另一種通訊光纜中多根光纖被包在一個(gè)熱模壓塑料管內(nèi)，以構(gòu)成一個(gè)單元，多個(gè)這種套管的單元又被包在一個(gè)共用的模壓塑料管內(nèi)，這個(gè)共用的塑料管被包在一個(gè)鞘層系統(tǒng)內(nèi)。這些包在每個(gè)單元管內(nèi)的光纖圍著一個(gè)中心的強(qiáng)力件一起成束(strand)。
一般說來，這些現(xiàn)有技術(shù)的光纜如帶纜、成束纜和松管纜，由于這些帶、成束單元或管是在各自生產(chǎn)線上生產(chǎn)出來的，因此造成了例如在成束的光纜的制造中，多個(gè)事先分別包在管內(nèi)或成束的單元被送入一條施加共用套管及外套的生產(chǎn)線上。因?yàn)閹Щ蚬苄疽话憬宇A(yù)定的距離(lay)成束，其制造和在芯子內(nèi)的帶或管的距離(lay)的組裝就要使用相當(dāng)重的轉(zhuǎn)動設(shè)備，從生產(chǎn)角度上說這是不希望的。
另外，在一條光纜中，沿光纖軸的微小波動(稱為微彎曲)就會產(chǎn)生光損耗，使能量通過敷層逸失。由這種彎曲造成的傳輸衰減稱為微彎曲損耗。有關(guān)微彎曲損耗的論述。見S.E.米勒(S.E.Miller)等人的、《光纖電信》(Optical Fiber Telecommunication)紐約科學(xué)院出版社(1979)第158～161頁;H.G昂爾加(H.G.Unger)的《平面光波導(dǎo)及光纖》(Planar Opfical Wareguides and Fibers)Clarendon出版社、牛津，第六章，第552～648頁;以及D.馬庫賽(D.Marcuse)的“單模纖維的微變形的損耗”《應(yīng)用光學(xué)》(Applied Optics)第23卷第7期，1984年4月1日第1082～1091頁。這個(gè)問發(fā)生在防水填料摻入到纜芯中以防水浸入時(shí)就是一例。典型的情況是，現(xiàn)有技術(shù)的防水材料在纜線制作及處理時(shí)經(jīng)受的應(yīng)變的條件下并不屈服，這就防止了光纖在纜線內(nèi)和光纖接頭處的移動，因?yàn)楣饫w以相當(dāng)小的周期與未達(dá)屈服點(diǎn)的填充材料的表面接觸。這可以通過光纖成束以使在光纖應(yīng)力下形成新的螺旋體，從而避免微彎曲損耗，使這個(gè)問題得到解決。但是，眾所周知，成束技術(shù)(stranding)要求生產(chǎn)線采用較低的速度運(yùn)行。
由于這些光纖被包在護(hù)套層內(nèi)，這種微彎曲損耗在室溫下是不可察覺的。這些護(hù)套層在室溫下吸收微擾，使光纖基本上保持無微擾狀態(tài)。但是，在較低的溫度下，也就是在-40℃范圍內(nèi)，該護(hù)套層材料經(jīng)歷熱變化而引起光纜中的光纖軸彎曲。由于該護(hù)套層材料和光纜的特性，所以該護(hù)套層材料僅能部分地吸收這些微擾而一些微擾被傳遞到光纖上去。
所需要的是一種這樣的光纜結(jié)構(gòu)，即制造相當(dāng)容易和成本低廉并能防止引入不適當(dāng)?shù)?、?dǎo)致光纖微彎曲的應(yīng)力。還需要在大約-40°F范圍內(nèi)的比較低溫度下，在其性能的一致性方面的有所改進(jìn)。所需要的是一種這樣的光纜即結(jié)構(gòu)緊湊并能防止引入不適當(dāng)?shù)膽?yīng)力(該應(yīng)力會在光纖中在通常可接受的溫度范圍內(nèi)引起的微彎曲損耗)。
本發(fā)明的光纜克服了前述的問題。本發(fā)明的一種光纜包括多根光纖，這些光纖不是故意成束地被組裝在一起，以形成一個(gè)沿該纜線縱軸方向延展的單元。該光纜可包含多個(gè)單元。一個(gè)用塑料制成的長管包著多根光纖，并平行于該光纜的縱軸。所有這些單元都安排在一個(gè)共用的塑料管中，而不是使每個(gè)單元排在一個(gè)相關(guān)的單個(gè)管中。每根光纖都包括一個(gè)芯子，一層內(nèi)敷層和一層外敷層。該內(nèi)敷層的折射率小于外敷層的折射率。每根光纖的總折射率之差，也就是該芯子與該內(nèi)敷層折射率之差，是足夠高以至于每根光纖基本上對微彎曲不敏感。此外，該內(nèi)敷層直徑與該芯子直徑的比值以及該內(nèi)、外敷層折射率之差與該內(nèi)敷層和該芯子的折射率差的比值能使根光纖能以預(yù)定的波長、以單模方式工作。還有，多根光纖的總橫截面的面積與該套管的內(nèi)管徑橫截面面積之比不超過一個(gè)預(yù)定值，在一個(gè)實(shí)施例中，該優(yōu)選的、護(hù)套的光纖該值約為0.5。
這種光纜至少還包含一個(gè)加強(qiáng)件和一個(gè)外套，該外套是由塑料制成的并包住該長管。在一個(gè)實(shí)施例中，一種放在管中的防水材料基本上填充纖維之間的空隙，它具有在-20℃時(shí)不大于70帕斯卡(Pa)臨界屈服應(yīng)力。如果光纜包含多個(gè)單元，則每個(gè)單元只用防水材料與其它單元隔開，并且該多個(gè)單元都被包在一個(gè)共用的套管內(nèi)，而不是象現(xiàn)有技術(shù)那樣包在各自的套管內(nèi)。
圖1是本發(fā)明的一種光纜的透視圖;
圖2是圖1光纜的端面視圖;
圖3是一根被護(hù)套的光纖的端面視圖;
圖4A和4B分別是本發(fā)明光纜的一根相配敷層的光纖和根據(jù)優(yōu)選實(shí)施的低折射率敷層的纖維的折射率結(jié)構(gòu)剖面圖;
圖5是對一種防水材料施加的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系示例曲線;
圖6A和6B分別示出在同一個(gè)工作波長時(shí)本發(fā)明的光纜與現(xiàn)有技術(shù)的光纜相關(guān)的附加損耗的圖;
圖7A和7B分別示出在另一個(gè)工作波長時(shí)本發(fā)明的光纜和現(xiàn)有技術(shù)的光纜相關(guān)的附加損耗的圖;
圖8是本發(fā)明光纜的另一實(shí)施例的透視圖;
圖9是圖8光纜的端面視圖。
現(xiàn)在參閱圖1和圖2，該圖示出了本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例的光纜20。該光纜包括一個(gè)芯子21，該芯子21包括多個(gè)單元，每個(gè)單元都用標(biāo)號22標(biāo)注，它包括多個(gè)單個(gè)的護(hù)套的光纖24。另外每根護(hù)套的光纖24都含有一根纖維25，纖維25含有一個(gè)芯子26和敷層27(clading)和一個(gè)或多個(gè)護(hù)套層(coating)28(見圖3)。應(yīng)該理解，這兒“光纖”這個(gè)詞是指纖維本身和任何施加的護(hù)套層。一般地說，對于一個(gè)單模的光纖而言，芯子26的直徑是在8～9μm(微米)范圍內(nèi)外敷層直徑約為125μm。每個(gè)單元22或是成束的，或是非成束的，即該單元總是平行于該纜的縱軸26延伸，或者以一種擺動擰法(oscillating lay)來形成。
應(yīng)該懂得，這些包含在優(yōu)選實(shí)施例的每一個(gè)單元22的光纖24不成束地組裝在一起，另外每個(gè)單元自身以不定位置距離(infinite lay length)地被組裝著。這些光纖可沿著這單元的一些部分波動，這使每根光纖的長度至少比任何包著鞘層系統(tǒng)的光纖的長度略長一點(diǎn)。這將防止光纜在生產(chǎn)、安裝和維護(hù)時(shí)不致給予光纖24不適當(dāng)?shù)膽?yīng)變。
如圖1和2所示，芯子21包括多個(gè)單元，這些單元分別用扎線32綁在一起并包裝在套管34中。套管34是用塑料如聚氯乙烯和聚乙烯制成的，它容納多個(gè)各自未套管的綁好的單元，并都平行于光纜20的縱軸29延伸。
本發(fā)明的光纜的一個(gè)重要的特征是它的填裝密度(Packing density)。填裝密度定義為所有的光纖和其上所有敷層的橫截面的面積與該套管34包裝的總截面面積之比。如果填裝密度太高，則在操作處理該光纜時(shí)芯子內(nèi)的光纖會承受相當(dāng)大的應(yīng)力，可能碎裂。這種情況發(fā)生在填裝密度太高的情況下，這是因?yàn)楫?dāng)使用較高應(yīng)力屈服點(diǎn)的防水材料時(shí)，光纖不能在套管中充分移動以消除諸如彎曲時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力而造成的。在優(yōu)選的實(shí)施例中，填裝密度約不超過0.5。
如上所述，在光纖軸上的微擾(微波動)亦稱為微彎曲能使能量通過敷層逸失而產(chǎn)生光損耗。光能封閉的程度和對微彎曲導(dǎo)致的光損耗的敏感度可用斑點(diǎn)的大小亦稱為橫場直徑和基本傳播模式的有效系數(shù)(effective index)來表征。這些公知的參數(shù)以及在下文中所用的其他參數(shù)都定義在諸如上文提過的Mitter Unger和Marcuse的公開文件中。影響微彎曲損耗的關(guān)鍵參數(shù)分別是該芯子的直徑d和該芯子與該敷層的折射率nc和ncL的差值。該差值通常表示為百分比差值并標(biāo)以△。請看如圖4A所示的標(biāo)為36的一種典型單模光纖的折射率剖面圖的例子。具有如圖4A所示的折射率剖面圖的光纖稱為相配敷層光纖。圖中芯子用標(biāo)號37表示，直徑為d和折射率為nC。敷層用標(biāo)號38表示，整個(gè)敷層是均勻的，折射率為nCL。一種典型的相配敷層光纖的△為0.30%。在一個(gè)給定的波長時(shí)，參數(shù)d和△決定了斑點(diǎn)的大小和有效系數(shù)。小的斑點(diǎn)尺寸和高的有效系數(shù)保證光能密閉地封閉在纖維芯子區(qū)域內(nèi)，因此具有很高的抗微彎曲引入損耗的性能。
雖然改進(jìn)的微彎曲性能可通過增大△和減小d來減少的斑點(diǎn)的大小來得到，但眾所周知，隨著斑點(diǎn)的大小的減少實(shí)現(xiàn)纖維接頭的低損耗的困難就增加了。而且當(dāng)芯子的直徑減小時(shí)，零色散波長增大，當(dāng)零色散波長超出工作波長時(shí)，纖維色散增加和工作波長的最大帶寬減小。這些與之相反的后果，增加纖維接頭損耗和增加纖維色散，則限制了為達(dá)到最佳工作條件。最小的纖維芯子的大小為1.3μm。
以前提到斑點(diǎn)的大小和零色散波長對△的依賴性較少。例如，一種具有較高△的光纖可在保持適于低的連接損耗的斑點(diǎn)尺寸時(shí)用來提供抗微彎曲的性能。但是為了改善微彎曲性能而加大△將要提高該纖維的截止波長。眾所周知，截止波長是這樣的波長，即低于它時(shí)高次模式能夠傳播。因?yàn)槿绻叽文Ｊ酱嬖?，該纖維的帶寬就要急劇降低，所以任何截止波長的升高都必須得到控制，以保持在系統(tǒng)的波長時(shí)的單模工作。
這個(gè)問題可以這樣克服，即通過讓那些用來供給單元22的光纖24具有這樣的特征，即具有一層內(nèi)敷層40(見圖3)，該層40具有的折射率比外敷層42的折射率低。這樣的纖維稱為具有一層低折射率的內(nèi)敷層。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，低折射率內(nèi)敷層光纖的優(yōu)越性在于，這樣的纖維可以被設(shè)計(jì)成具有相當(dāng)高的抗微彎曲引入的光損耗的性能。如圖4B所示，芯子26的直徑d和折射率44，它對于相應(yīng)于外敷層42的折射率nCLO。的參考線45的相對折射率差為△+。標(biāo)號為43的內(nèi)敷層40直徑為D、折射率為nCLi，具有對于同一參考線45的相對折射率差△-。從芯子到內(nèi)敷層的總折射率差標(biāo)為△。
低折射率內(nèi)敷層光纖的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是截止波長除了依賴于芯子直徑d和總折射率差△之外，還依賴于內(nèi)敷層直徑45與芯子直徑的比值D/d和內(nèi)敷層折射率與總折射率差的比值△-/△。例如，當(dāng)D/d減小時(shí)，截止波長也降低。標(biāo)稱的D/d值為6.5，但是一個(gè)有用的范圍可能包括3左右這樣低的值。因?yàn)榘唿c(diǎn)的大小、有效系數(shù)和零色散波長在這考慮的范圍內(nèi)對這些比值不敏感，因而可以通過選擇合適的D/d和△-/△的值去控制截止波長來補(bǔ)償改進(jìn)微彎性能所要求的較高的△值。典型的D/d和△-/△值能降低截止波長100nm或更多，從所可以在較高△的抗微彎曲的纖維中實(shí)現(xiàn)單模工作。
所需要的是一種這樣的△-/△和D/d值，即它們適合于提供一個(gè)這樣的截止波長，該截止波長具有相同的芯子尺寸和折射率差的相配敷層纖維顯著地低的波長。所提供的是一種具有按這樣的方式選定參數(shù)的光纖，以使一根大體上對微彎曲不敏感的纖維能在預(yù)定的波長下進(jìn)行單模方式工作。本發(fā)明的光纜便于在相當(dāng)高的總折射率差△下的工作。這就允許單模工作，而這通常在1.3μm波長時(shí)是不能實(shí)現(xiàn)的就是一個(gè)例子，這還保證了具有很高的抗微彎曲引入的損耗的功能即使該系統(tǒng)工作于1.55μm的較長波長也是如此這也是一個(gè)例子。在優(yōu)選實(shí)施例中，這種單模工作的預(yù)定波長為1.3μm并且具有在1.55μm時(shí)的低損耗工作的附加能力。
本發(fā)明的光纜含有一些低色散、低損耗的纖維，這些纖維具有△、芯子直徑D、D/d和△/△，以提供了保證在1.3μm下單模工作的足夠低的截止波長。一根具有過摻雜的芯子與及低摻雜的敷層的纖維能提供高的△和在1.3μm附近的低的材料色散。如第4，439，007號美國專利所提出的，當(dāng)使用低摻雜的敷層時(shí)，一個(gè)相當(dāng)高的△并不一定產(chǎn)生在1.3μm附近的高的材料色散。足夠低的截止波長、低色散和適合于低損耗連接的斑點(diǎn)尺寸是通過適當(dāng)選擇d、D/d和△-/△，并具有導(dǎo)致低的裝配損耗(packaging loss)的相當(dāng)高的△來得到的。典型的△-的值是在△的(10～40)%之間的范圍內(nèi)。在優(yōu)選實(shí)施例中，d＝8.3μm，D＝54μm，△+＝0.25%，△-＝0.12%和△＝0.37%。
在圖1和2所示的實(shí)施例中，單元22和該單元和套管34之間的芯子用適當(dāng)?shù)姆浪牧?6填充。業(yè)已明確，在一條光纜中，填充成份也必須對保持光纖在相當(dāng)?shù)偷膽?yīng)力狀態(tài)起作用。
纜線填充材料或防水材料特別是光纜的填充合成物(composition)應(yīng)該滿足各種要求。在這些要求中包括在一個(gè)相當(dāng)寬的溫度范圍(從-40℃左右到76℃左右)內(nèi)該纜線的物理特性保持在可接受的限度內(nèi)的要求。還希望在上述溫度范圍內(nèi)填充材料是相當(dāng)防脫油收縮(syneresis)的材料，脫油收縮是在施加應(yīng)力的情況下油從凝膠中的分離。用于光纜中填充材料還應(yīng)該具有相當(dāng)?shù)偷募羟心?shù)。按照現(xiàn)有技術(shù)，剪切模數(shù)是光纜填充材料的關(guān)鍵的材料參數(shù)，因?yàn)槿藗兇_信它直接與微彎曲損耗量相關(guān)。一般地說，在長波長時(shí)的微彎曲損耗要比在短波長時(shí)更難控制。因而，重要的是能制出在長波如1.55μm時(shí)沒有明顯的成纜引入損耗的光纜。
較好的防水材料是一種這樣的合成物，這種合成物包含兩種主要成分，即油和諸如膠粒這樣的膠狀物，可選擇的話，還有防漏劑可做為第三種主要成份。諸如熱氧化穩(wěn)定劑這樣的其它成份是可選用的。
在防水材料中使用的各種油當(dāng)中，包括具有最小比重約為0.83的聚丁烯油，其最大固化點(diǎn)按美國材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)D97為低于大約18℃或美國標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)手冊(ASTM)103、104A或104B型，環(huán)烷或鏈烷油以及它們的混合物按美國材料標(biāo)準(zhǔn)ASTM D-226檢驗(yàn)最小比重為0.86，其最大固化點(diǎn)按ASTM D97，低于大約-4℃。用于本發(fā)明纜線的油的一種具體的樣油是聚丁烯油，它是合成的烴油，按ASTM D97具有-35℃的固化點(diǎn)，在99℃時(shí)國際賽氏秒(SVS)粘度為1005，0.8509的比重以及平均分子量460。在德克薩斯州德克薩斯市Amoco化學(xué)公司，按商業(yè)號L-100可以得到此種油。(The Amoc·Chemical Corporation，under the trade designation L-100)。另一種樣品油是白色礦物油，按ASTM D97具有-25℃的固化點(diǎn)，在99℃時(shí)SUS粘度為53.7，平均比重為0.884，含芳烴油按重量不超過1%。后種樣油可以從賓夕法尼亞州、巴特勒的彭瑞克(Penreco of Butler，在標(biāo)號Drakeol 35下找到。其它的油包括甘油三酯脂基的菜油諸如蓖麻子油和其它諸如聚丙烯油那樣的合成的烴油。在要求防火特性的應(yīng)用時(shí)，氯化的石臘油是有用的，它具有30～75%(按重量)氯含量，在25℃時(shí)粘度在100和10，000厘泊(cp)之間。這樣的油的一種樣油是Paroil 152，它可從俄亥俄州的Dover化學(xué)公司得到(The Dover Chemical Company of Dover Ohio)。聚丙烯酸的聚合脂或相似的材料可以用作固化點(diǎn)抑制劑，其添加量在重量的5%以下。一個(gè)樣例是ECA 7955，可從Exxon化學(xué)公司得到(Exxon Chemical Company)。
在油中的填充膠?？堪驯砻娴臍溲趸瘓F(tuán)結(jié)合起來使油膠化以形成網(wǎng)狀物。這樣的凝膠能承受在應(yīng)力臨界值之下的負(fù)載。在這個(gè)應(yīng)力值以上，這個(gè)網(wǎng)狀物瓦解了，材料呈液態(tài)特性并在應(yīng)力作用下流動。這樣的特性通常稱為觸變特性。
用于本發(fā)明的纜線中的膠質(zhì)填充物包括親水性的或是增水性的硅膠，較好的是憎水的霧化硅，它具有大約在50到400m2/gm的BET表面積(用布魯瑞厄-埃梅特-泰勒法則測定催化劑表面積)。這種憎水霧狀硅石的一個(gè)樣例是具有大約80-120m2/gm BET表面積、并含有重量5%的碳，并用聚二甲基硅氧烷所覆蓋的霧化硅，它可從依利諾州的Cabot Corporation of Tuscola，在商業(yè)號Cab-O-Sil N70-TS下找到。一種試樣的親水的膠狀材料是大約175～225m2/gm表面積的霧化硅，標(biāo)稱顆粒大小為0.012μm，比重為2.2，可從Cabot Corporation在商業(yè)號Cab-O-Sil M-5下找到。用于本發(fā)明實(shí)踐中的其它的膠狀填充物是沉淀的硅和粘土，諸如皂漿土經(jīng)過或未經(jīng)過表面處理皆可。
本發(fā)明的油脂(grease)的油保存可通過在化合物中添加一種或多種防漏劑來改善。這防漏劑可以是橡膠嵌段異分子聚合物，它是相當(dāng)高粘度的半流體，有時(shí)也稱為半固體、橡膠或其它合適的橡膠。嵌段異分子聚合物及半流體橡膠將被統(tǒng)稱為橡膠共聚物。把橡膠共聚物加進(jìn)到油脂合成物中能減少膠粒量，這些膠粒必須加入到混合液中以防止凝膠脫油。這種減低用量可以節(jié)約費(fèi)用。它還可能使不漏油合成物的配方具有相當(dāng)?shù)偷呐R界屈服應(yīng)力。
在能用來做本發(fā)明纜線防水合成物的橡膠嵌段共聚物中是苯乙烯-橡膠和苯乙烯-橡膠-苯乙烯嵌段共聚物，它具有苯乙烯/橡膠比值約在0.1到0.8之間，它的分子量(如在25℃甲苯中的粘度所示的)是約從重量20%的橡膠溶液中100cp到重量5%的橡膠溶液中2000CP。示例的嵌段橡膠是a)苯乙烯-乙烯丙烯嵌段共聚物(SEP)，未增塑的，具有苯乙烯/橡膠比值約為0.59，比重約為0.93，折斷強(qiáng)度按ASTM D-412為300psi(磅/英吋2)可以從德克薩斯州Shell Chemical Company of Housfon，在商業(yè)號Kraton G1701下找到;b)苯乙烯-乙烯丁烯嵌段共聚物(SEB)具有苯乙烯/橡膠的比值約為0.41，是Shell Chemical Company的標(biāo)號TRW-7-1511的產(chǎn)品;c)苯乙烯-乙烯丁烯-苯乙烯嵌段(SEBS)，未增塑，具有苯乙烯/橡膠的比值約為0.16，比重約為0.90，750%伸長度，300%模數(shù)(按ASTM D-412)為350 pis，能在Shell Chemical Corporation在商業(yè)號Kraton G1657下找到。其它的苯乙烯-橡膠或苯乙烯-橡膠-苯乙烯嵌段共聚物是苯乙烯-異戊間二烯橡膠(SI)和苯乙烯-異戊間二烯-苯乙烯(SIS)橡膠，苯乙烯-丁二烯(SB)和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)橡膠。SIS的一個(gè)樣例就是Kraton D1107，SBS的一個(gè)樣例就是Kraton D1102，兩者都可以從Shell Chemical Corportion得到。
本發(fā)明的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)有用的半流體橡膠中包括具有大約20，000和70，000之間的θ(Flory)分子量的高粘度的聚異丁乙烯。它的一個(gè)樣例是具有θ分子量約為42，600～46，100，比重約為0.91在350°F(大約177℃)時(shí)Brookfield粘度為26，000～35，000 CP的聚異丁乙烯，它可從德克薩斯州的Exxon Chemical Corporation，of Houston，在商業(yè)號Vistanex LM-MS下得到。被認(rèn)為是有用的其它橡膠是丁基橡膠、乙烯-丙烯橡膠(EPR)、乙烯-丙烯二聚物橡膠(EPDM)和氯化的丁基橡膠，丁基橡膠具有Mooney粘度ML 1+8在100℃時(shí)按ASTM D-1646約為20到90之間。上述的樣例分別是Buty1077，Vistalon 404，Vistalon3708，和Chlorobutyl 1066，都可從Exxon Chemical Company得到。還被認(rèn)為是有用的是解聚橡膠，在38℃它有40，000到400，000cp的粘度。它的樣例是DPR75，從新澤西州的Harman，Inc Belleville可以得到。
防水材料46的合成物是力圖有效地阻止水進(jìn)入到芯21中，而使附加損耗降到最小以提供優(yōu)良的光學(xué)性能。雖然該合成物的保油特性是我們關(guān)注的，但最重要的特性是纜線20的光學(xué)性能。
表1示出對于兩種不同的油Drakeol 35和L-100來說，幾種不同防漏劑對油分離的效果。三種含嵌段共聚物的合成物包含重量92%的油和重量6%的Cab-O-Sil N70-TS膠狀填充物，和重量2%的防漏劑。半流體含橡膠合成物L(fēng)M.MS包含重量6%的N70-TS膠狀填充物、所表明的防漏劑用量及重量89%和84%的Drakeol 35。
表1油分離防漏劑 Drakeol-35 L-100%分離 %分離2%SEP 2.5 0.72%SEB 11 3.52%SEBS 5 25%LM-MS 7 -10%LM-MS 2 -表2示出對幾種不包含防漏劑的合成物的油分離數(shù)據(jù)。很明顯，添加防漏劑是比增加合成物中的膠粒含量以防止油分離或滴出更有效。此外，增加油脂中膠粒含量到要避免脫油的一個(gè)點(diǎn)會引起臨界屈服應(yīng)力的增加。因而要完全避免脫油，在需要低值臨界屈服應(yīng)力的情況下不使用防漏劑時(shí)是不行的。表Ⅱ所示的數(shù)據(jù)是由N70-TS膠狀填充物和Drakeol 35號得到。
表Ⅱ油分離霧化硅(重量%) 6 7 8 10油分離(重量%) 36 28 20 14
圖5示出一個(gè)一般化的應(yīng)力一應(yīng)變曲線47，這是對觸變性材料(諸如用做防水材料46)以恒定的應(yīng)變率做出的，并標(biāo)識出一些重要的參數(shù)。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線47的線段48處，材料基本上是彈性固體。這段從零應(yīng)力延伸到臨界屈服應(yīng)力δC。對應(yīng)δC的應(yīng)變識別為臨界剪切應(yīng)變γC。根據(jù)定義，坐標(biāo)δC，γC指出屈服的開始，δC/γC(或dδ/dγ對δ＜δC)稱為材料的剪切模數(shù)(Ge)。
現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)我們光纜的填充材料需要較低的Ge值。但是已經(jīng)明確，至少對一些應(yīng)用來說，填充物的低Ge值并不足以保證纜線的低損耗，而還有一個(gè)參數(shù)，臨界屈服應(yīng)力δC也必須控制。典型地，本發(fā)明材料的屈服應(yīng)力不大于70pa，這是在20℃時(shí)測量的，剪切模數(shù)在20℃時(shí)小于13Kpa。
圖5的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線段49表示出對應(yīng)于上升的應(yīng)力而增加的應(yīng)變上升值。應(yīng)力δy是在給定的應(yīng)變率下材料所能承受的最大應(yīng)力值，γy是相應(yīng)的應(yīng)變。對于超過γy的應(yīng)變，首先應(yīng)力下降如線段50所示，然后對于更大的應(yīng)變值如線段51所示的應(yīng)力實(shí)際上變得與應(yīng)變無關(guān)了。這時(shí)防水材料呈現(xiàn)為液體，與γ＞γy的特性一樣。
對一個(gè)填充的纜線20，填充合成物一般含有重量約為77到95%的油。如果防漏劑存在，并且防漏劑是橡膠嵌段共聚物，則油含量一般是在重量的90%到95%之間。另一方面，如果防漏劑是半流體橡膠，則油含量一般是在重量的77%到91%之間。該合成物最多還含有重量的15%，較好是最多為重量的10%的膠粒。如果膠粒是霧化硅，那么一般的范圍是從重量的2%到大約10%，現(xiàn)在某些應(yīng)用中較好的是重量的5～8%。在合成物中防漏劑含量一般在大約0.5%到15%之間，對于嵌段聚合物橡膠的現(xiàn)行較好的范圍約在重量的0.5%到5%之間。另外，合成物中也可選擇地包含少量的氧化穩(wěn)定劑和其它添加物，一種穩(wěn)定劑的例子是四甲烷，可從Ciba-Geigy商業(yè)號Irganox 1010得到。一般地說，油膠粒、如果使用還有防漏劑占了整個(gè)合成物重量的大約99%或更多。
一些曾研究過的合成物按部分用重量地示于表Ⅲ，這合成物是以公知的方法首先在周圍環(huán)境溫度和壓力下，然后在環(huán)境溫度和部分真空下(一般小于大約300Torr)來制備的，一般說來包括混合油、防漏劑、防氧化劑和膠粒，有些合成物，如E，在攪拌時(shí)被加熱到150℃然后保持在高溫度大約4小時(shí)之久。作成的合成物要測試，包括由錐和板流變計(jì)確定一些的δC和GC。所有例子的性質(zhì)小結(jié)也在表Ⅲ中給出，所有δC和Ge的測量是在20℃下做的。
在表Ⅲ中所揭示的合成物的樣例中，樣例A是較好的。標(biāo)(a)的應(yīng)力值是未經(jīng)老化來確定的，而那些標(biāo)(b)的是經(jīng)指定時(shí)間老化的。在表Ⅲ的樣例中盡管許多都使用了防漏劑，仍有一些不能通過漏滴測試。但是，使用了表Ⅲ所列的任何一種合成物的纜線滿足光學(xué)性能要求的。
表Ⅲ合成物(部分重量)樣例A B C D E F G H I J K L M成分油(Drakeol 35) 93 97.5 92.5 92 92 95.5 92 92 88 83 91.5油(L-100) 93 92膠狀填充物(N70-TS)7.0 6.0 6.5 6.0 7.0 6.0 6.0 6.0 7.0 7.0 7.0膠狀填充物(M5) 2.5 2.5防漏劑(Kraton G1701) 1.5 1.5 2.0 2.0 2.0 1.5防漏劑(Kraton G1657) 2.0防漏劑(TRW-7-1511) 2.0防漏劑(LM-MS) 5.0 10穩(wěn)定劑(Irganox 1010) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2(a)δC(Pa) 10 9.4 7.2 8.1 6.6 8.1 3.6 15(a)Ge(KPa) 1.8 .5 1.5 1.7 1.7 1.7 2.0 2.6時(shí)間(小時(shí)) 16 16 16 16 16 16 22(b)δC(Pa) 10 13 14 15 17 6.9 27(b)Ge(KPa) 1.8 1.8 2.0 1.8 2.2 1.8 3.0
本發(fā)明的合成物的機(jī)械特性是膠粒含量的函數(shù)。例如，我們已確定了隨著膠粒含量的減少δC和Ge也減小。
有利的是，用來填充本發(fā)明的纜線芯子的防水材料46在足夠低的應(yīng)力下屈服，以使光纖24及單元22在當(dāng)纜線承受負(fù)載或產(chǎn)生彎曲時(shí)能在芯中移動。這流動性填充材料允許光纖在管34中移動，這能減少在其中的應(yīng)力因而延長了光纖的壽命。
如上所述，本發(fā)明的纜線能夠作成不是把單元絞合在一起的，如在優(yōu)選實(shí)施例中那樣，也可以或者成束或者擺動式安置。當(dāng)然，不成束是較好的，因?yàn)槌墒鴻C(jī)械可以省掉而且生產(chǎn)線速率加快。
套管34能被認(rèn)為是纜線20的鞘層系統(tǒng)52的一個(gè)元件。我們回到圖1和2，可以看到，在套管34上排列著鞘層系統(tǒng)的其它單元，包括一層墊層53和一組加強(qiáng)的件58，中間聚乙烯外套層60，另一層墊層62和另一組加強(qiáng)件66和外套層68。兩層外套層都是由聚乙烯作成的，然而其它塑料也能用，而且這兩個(gè)外套層的材料可以不同。加強(qiáng)件在優(yōu)選實(shí)施例中是鋼絲。然而很明顯，金屬的和非金屬的其它材料都能用于此件上。
回到圖6A和7A，該圖示出在相當(dāng)?shù)偷臏囟认潞头謩e在兩個(gè)不同的工作波長1.55和1.3μm時(shí)本發(fā)明的光纜的裝配所帶來的附加損耗。圖6B和7B也用圖表示出在現(xiàn)有技術(shù)光纜(該光纜包括有圖4B所示的相配敷層折射率的光纖)，在所示溫度下和分別在1.55μm和1.3μm工作波長下的附加損耗。每個(gè)矩形塊表示樣品的中間50%，每塊中的橫線是中線。從每塊中垂直延伸的虛線是表示樣品的上和下四分點(diǎn)?？梢郧宄乜吹?，在1.3μm的工作波長時(shí)，包括相配敷層的光纖在-40°F時(shí)的中間附加損耗為0.05分貝/公里(dB/km)，而對本發(fā)明的纜線來說，它為零。在1.55μm的工作波長時(shí)，相配合敷層纖維在-40°F時(shí)它的附加損耗為0.15dB/km，這大于本發(fā)明纜線的附加損耗值。
應(yīng)該明白，不同于圖1和2所示的鞘層系統(tǒng)也能用于本發(fā)明的纜線。例如，圖8和9所示的纜線70包括一個(gè)芯子21和管形件34。管形件34是被塑料外套層74包著在管形件34和外套層之間插入一個(gè)加強(qiáng)件系統(tǒng)80，該系統(tǒng)包括一層加強(qiáng)件84，層82和一層包括多個(gè)加強(qiáng)件88和幾個(gè)加強(qiáng)件84的層86。每個(gè)加強(qiáng)件84都是例如在聚氨基甲酸中浸過的玻璃紗，而加強(qiáng)件88則是在環(huán)氧樹脂中浸過的玻璃細(xì)絲。加強(qiáng)件88能夠抗壓縮也能抗拉伸應(yīng)力。
應(yīng)該理解，上述結(jié)構(gòu)是為了簡單地說明本發(fā)明，其它結(jié)構(gòu)也能由本領(lǐng)域內(nèi)的那些技術(shù)熟練者構(gòu)思出來，但這些結(jié)構(gòu)都體現(xiàn)了本發(fā)明的原理，并在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光纜，它包括多根光纖，它們不故意成束地組裝在一起以組成一個(gè)基本上沿纜線縱軸延伸的單元，每根所述的光纖包括一個(gè)芯子，一個(gè)外敷層和一個(gè)內(nèi)敷層；一個(gè)用塑料制成的套管包住多根光纖，多根光纖的截面積與套管內(nèi)截面積的比值不超過一個(gè)預(yù)定值，所述的套管基本上平行于纜線的縱軸；一個(gè)加強(qiáng)件系統(tǒng)；還有一個(gè)用塑料制成的護(hù)套，它包住上述套管；所述的纜線其特征在于每一所述纖維的所述內(nèi)敷層具有小于相關(guān)的外敷層的折射率，每根所述纖維的特征是所述的芯和所述內(nèi)敷層的折射率差是足夠高，以使得所述每根纖維基本上對微彎曲不敏感，其內(nèi)敷層直徑與芯直徑之比值及內(nèi)外敷層折射率差與芯和內(nèi)敷層折射率差的比值使得所述光纖能夠在預(yù)定的波長下以單模方式工作。
2.如權(quán)利要求
1所述的纜線，其中每根光纖有一個(gè)護(hù)套層，并且多個(gè)有護(hù)套層的光纖的總橫截面的面積與套管內(nèi)截面面積之比不超過大約0.5。
3.如權(quán)利要求
1所述的光纜，其中內(nèi)外敷層的折射率差大約是芯與內(nèi)敷層折射率差的10%到40%，內(nèi)敷層直徑與芯直徑比值大約不小于3。
4.如權(quán)利要求
1所述的光纜，它包括用所述套管包住的多個(gè)所述的單元，沒有中間套管把所述單元互相隔開，每個(gè)單元包括多根光纖，它們被一條扎線捆住，多根光纖的橫截面面積與套管內(nèi)截面面積之比不超過預(yù)定值，所述套管大體上平行于纜線的縱軸，所述纜線還包括配置在套管內(nèi)的防水材料，它基本上填充了套管內(nèi)的多個(gè)單元的光纖間的空隙和套管與多個(gè)單元之間的空隙，這種防水材料具有一個(gè)臨界屈服應(yīng)力和剪切模數(shù)，它們使得當(dāng)防水材料承受預(yù)定的應(yīng)力時(shí)在芯中的多個(gè)單元能夠移動，這套管是公共套管，它包住多個(gè)單元，每個(gè)單元間僅被防水材料互相隔開，每根光纖有一個(gè)護(hù)套層，其中預(yù)定值為0.5，并且管長不大于在每個(gè)單元中任何纖維的長度。
5.如權(quán)利要求
4所述的纜線，其中多個(gè)單元是成束在一起的。
6.如權(quán)利要求
4所述的光纜，其中防水材料具有在20℃時(shí)不大于70pa的臨界屈服應(yīng)力和在20℃時(shí)小于13kpa的剪切模數(shù)。
7.如權(quán)利要求
6所述的纜線，防水材料是一種物質(zhì)的合成物，它包含a)重量的77%到95%的油，它是從下列物質(zhì)組成的集團(tuán)(group)中選出的ⅰ.具有最小比重約為0.86和低于-4℃固化點(diǎn)的石臘油，并是美國標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)手冊中103，104A或104B型的(ASTM型的103，104A或104B);ⅱ.具有最小比重約為0.86和低于-4℃的固化點(diǎn)的環(huán)烴油;并是ASTM型的103，104A或104B的;ⅲ.具有最小比重約為0.83和固化點(diǎn)低于18℃的聚丁烯油;以及ⅳ.任何上述的混合物;b)重量的2～15%憎水的霧化硅膠粒。
8.如權(quán)利要求
6所述的纜線，防水物質(zhì)是一種物質(zhì)的合成物，它包括a)重量的77～95%是從下列物質(zhì)組成的集團(tuán)中選出的一種油;ⅰ.具有最小比重約為0.86及固化點(diǎn)小于-4℃的石臘油，并是ASTM103，104A或104B型的;ⅱ.具有最小比重約為0.86，固化點(diǎn)低于-4℃的環(huán)烴油，并是ASTM的103，104A和104B型的;ⅲ.具有最小比重約為0.83和固化點(diǎn)低于18℃的聚丁烯油;ⅳ.甘油三酸脂基的菜油;ⅴ.聚丙烯油;ⅵ.氯化石臘油，具有氯含量(重量)在30%到75%之間，在25℃時(shí)它的粘度在100到10，000cp之間;ⅶ.聚合脂ⅷ.上述物質(zhì)的混合物;b)從包含憎水的融化硅、親水的融化硅、沉淀硅和粘土組成的集團(tuán)中選出的重量2～15%的膠粒，該膠粒在50～400m2/g的范圍內(nèi)具有BET表面積。
9.如權(quán)利要求
8所述的纜線，其中物質(zhì)的合成物還包含重量不不大于15%的防漏劑，它是從下列物質(zhì)組成的集團(tuán)中選出的具有苯乙烯與橡膠的比值在0.1到0.8之間的苯乙烯-橡膠和苯乙烯-橡膠-苯乙烯嵌段共聚物、具有θ(Flory)分子量為20，000到70，000之間的半流體橡膠、在100℃時(shí)具有Mooney粘度約在20到90之間的丁基橡膠、乙烯-丙烯橡膠、乙烯、丙烯二聚物橡膠、氯化的丁基橡膠以及在38℃時(shí)粘度在40，000到400，000cp之間的解聚橡膠，其中油、膠粒和防漏劑重量的至少99%是由物質(zhì)的合成物組成的。
10.如權(quán)利要求
9所述的纜線，其中所述的合成物重量的大約90%到95%為油，大約2%到10%為膠粒。
專利摘要
光纜20包括含有多個(gè)單元22的芯21。各單元由多根不成束組裝在一起的光纖24組成。各光纖含有芯和內(nèi)外敷層，內(nèi)敷層折射率比外敷層的低，內(nèi)敷層直徑與芯直徑之比、內(nèi)外敷層折射率差值與芯和內(nèi)敷層折射率差值之比使各光纖在預(yù)定波長時(shí)以單模方式工作，芯和內(nèi)敷層的折射率差值足夠高以使各纖維大體上對微彎曲不敏感。多個(gè)單元包在共用套管34內(nèi)，防水材料46在該管內(nèi)填充空隙。該管包在鞘系統(tǒng)內(nèi)。該纜在低到-40時(shí)光學(xué)性能不下降。
文檔編號G02B6/036GK87104422SQ87104422
公開日1988年1月20日 申請日期1987年6月26日
發(fā)明者查爾斯H·加特賽德, 保爾F·格勞迪斯, 帕爾胡布海D·帕特爾 申請人:美國電話電報(bào)公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan