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专利名称:低折射率内敷层光缆的制作方法
本发明涉及一种低折射率内敷层光缆,这种光缆包括多个单元,每个单元又由多根光纤组成,每根光纤都有内敷层,内敷层的折射率(indexofrefraction)小于外敷层的折射率。上述的多个单元包在一个鞘层系统内的共用套管里。
尽管希望光导光纤频带宽、尺寸小、但是光导光纤在机械上是很脆的,在拉伸负载的作用下呈现脆性碎裂,导光性能下降。在沟道(duct)中使用的光缆必须能经的起当光缆被拉入沟道时所施加的拉伸负载以及弯曲产生的应力,在城市内的市区环形工厂(loopplant)中这是经常发生的。结果是,已经研制出多种光缆结构能在机械上保护这些光纤。
已经研制的几种光缆结构包括松管光缆、带缆和成束(stranded)光缆。请见第4,153,332号美国专利,带缆包括一个芯子,该芯子具有一个或多个带子,每个带子包括多根总排列为一个平面阵的光纤。该芯子被一个松配合的塑料内管套和一个用强力件(strengthmember)加强的外套包着。另一种适用于沟道系统的通讯光缆公开于第4,241,979号中美国专利。这种光缆包括两个分离强力件层,它们以相反的方向螺旋式卷绕。在持续的拉伸负载的作用下这两层强力件层围着该光缆产生大小相等但方向相反的力矩,以保证光缆无扭曲。在另一种通讯光缆中多根光纤被包在一个热模压塑料管内,以构成一个单元,多个这种套管的单元又被包在一个共用的模压塑料管内,这个共用的塑料管被包在一个鞘层系统内。这些包在每个单元管内
的光纤围着一个中心的强力件一起成束(strand)。
一般说来,这些现有技术的光缆如带缆、成束缆和松管缆,由于这些带、成束单元或管是在各自生产线上生产出来的,因此造成了例如在成束的光缆的制造中,多个事先分别包在管内或成束的单元被送入一条施加共用套管及外套的生产线上。因为带或管芯一般接预定的距离(lay)成束,其制造和在芯子内的带或管的距离(lay)的组装就要使用相当重的转动设备,从生产角度上说这是不希望的。
另外,在一条光缆中,沿光纤轴的微小波动(称为微弯曲)就会产生光损耗,使能量通过敷层逸失。由这种弯曲造成的传输衰减称为微弯曲损耗。有关微弯曲损耗的论述。()等人的、《光纤电信》(OpticalFiberTelecommunication)纽约科学院出版社(1979)第158~161页;()的《平面光波导及光纤》(PlanarOpficalWareguidesandFibers)Clarendon出版社、牛津,第六章,第552~648页;()的“单模纤维的微变形的损耗”《应用光学》(AppliedOptics)第23卷第7期,1984年4月1日第
1082~1091页。这个问发生在防水填料掺入到缆芯中以防水浸入时就是一例。典型的情况是,现有技术的防水材料在缆线制作及处理时经受的应变的条件下并不屈服,这就防止了光纤在缆线内和光纤接头处的移动,因为光纤以相当小的周期与未达屈服点的填充材料的表面接触。这可以通过光纤成束以使在光纤应力下形成新的螺旋体,从而避免微弯曲损耗,使这个问题得到解决。但是,众所周知,成束技术(stranding)要求生产线采用较低的速度运行。
由于这些光纤被包在护套层内,这种微弯曲损耗在室温下是不可察觉的。这些护套层在室温下吸收微扰,使光纤基本上保持无微扰状态。但是,在较低的温度下,也就是在-40℃范围内,该护套层材料经历热变化而引起光缆中的光纤轴弯曲。由于该护套层材料和光缆的特性,所以该护套层材料仅能部分地吸收这些微扰而一些微扰被传递到光纤上去。
所需要的是一种这样的光缆结构,即制造相当容易和成本低廉并能防止引入不适当的、导致光纤微弯曲的应力。还需要在大约-40°F范围内的比较低温度下,在其性能的一致性方面的有所改进。所需要的是一种这样的光缆即结构紧凑并能防止引入不适当的应力(该应力会在光纤中在通常可接受的温度范围内引起的微弯曲损耗)。
本发明的光缆克服了前述的问题。本发明的一种光缆包括多根光纤,这些光纤不是故意成束地被组装在一起,以形成一个沿该缆线纵轴方向延展的单元。该光缆可包含多个单元。一个用塑料制成的长管包着多根光纤,并平行于该光缆的纵轴。所有这些单元都安排在一个共用的塑料管中,而不是使每个单元排在一个相关的单个管中。每根光纤都包括一个芯子,一层内敷层和一层外敷层。该内敷层的折射率小于外敷层的折射率。每根光纤的总折射率之差,也就是该芯子与该内敷
层折射率之差,是足够高以至于每根光纤基本上对微弯曲不敏感。此外,该内敷层直径与该芯子直径的比值以及该内、外敷层折射率之差与该内敷层和该芯子的折射率差的比值能使根光纤能以预定的波长、以单模方式工作。还有,多根光纤的总横截面的面积与该套管的内管径横截面面积之比不超过一个预定值,在一个实施例中,该优选的、。
这种光缆至少还包含一个加强件和一个外套,该外套是由塑料制成的并包住该长管。在一个实施例中,一种放在管中的防水材料基本上填充纤维之间的空隙,它具有在-20℃时不大于70帕斯卡(Pa)临界屈服应力。如果光缆包含多个单元,则每个单元只用防水材料与其它单元隔开,并且该多个单元都被包在一个共用的套管内,而不是象现有技术那样包在各自的套管内。
图1是本发明的一种光缆的***图;
图2是图1光缆的端面视图;
图3是一根被护套的光纤的端面视图;
图4A和4B分别是本发明光缆的一根相配敷层的光纤和根据优选实施的低折射率敷层的纤维的折射率结构剖面图;
图5是对一种防水材料施加的应力与应变的关系示例曲线;
图6A和6B分别示出在同一个工作波长时本发明的光缆与现有技术的光缆相关的附加损耗的图;
图7A和7B分别示出在另一个工作波长时本发明的光缆和现有技术的光缆相关的附加损耗的图;
图8是本发明光缆的另一实施例的***图;
图9是图8光缆的端面视图。
现在参阅图1和图2,该图示出了本发明优选的实施例的光缆20。该光缆包括一个芯子21,该芯子21包括多个单元,每个单元都用标号22标注,它包括多个单个的护套的光纤24。另外每根护套的光纤24都含有一根纤维25,纤维25含有一个芯子26和敷层27(clading)和一个或多个护套层(coating)28(见图3)。应该理解,这儿“光纤”这个词是指纤维本身和任何施加的护套层。一般地说,对于一个单模的光纤而言,芯子26的直径是在8~9μm(微米)范围内外敷层直径约为125μm。每个单元22或是成束的,或是非成束的,即该单元总是平行于该缆的纵轴26延伸,或者以一种摆动拧法(oscillatinglay)来形成。
应该懂得,这些包含在优选实施例的每一个单元22的光纤
24不成束地组装在一起,另外每个单元自身以不定位置距离(infinitelaylength)地被组装着。这些光纤可沿着这单元的一些部分波动,这使每根光纤的长度至少比任何包着鞘层系统的光纤的长度略长一点。这将防止光缆在生产、安装和维护时不致给予光纤24不适当的应变。
如图1和2所示,芯子21包括多个单元,这些单元分别用扎线32绑在一起并包装在套管34中。套管34是用塑料如聚***乙烯和聚乙烯制成的,它容纳多个各自未套管的绑好的单元,并都平行于光缆20的纵轴29延伸。
本发明的光缆的一个重要的特征是它的填装密度(Packingdensity)。填装密度定义为所有的光纤和其上所有敷层的横截面的面积与该套管34包装的总截面面积之比。如果填装密度太高,则在操作处理该光缆时芯子内的光纤会承受相当大的应力,可能碎裂。这种情况发生在填装密度太高的情况下,这是因为当使用较高应力屈服点的防水材料时,光纤不能在套管中充分移动以消除诸如弯曲时产生的应力而造成的。在优选的实施例中,。
如上所述,在光纤轴上的微扰(微波动)亦称为微弯曲能使能量通过敷层逸失而产生光损耗。光能封闭的程度和对微弯曲导致的光损耗的敏感度可用斑点的大小亦称为横场直径和基本传播模式的有效系数(effectiveindex)来表征。这些公知的参数以及在下文中所用的其他参数都定义在诸如上文提过的
MitterUnger和Marcuse的公开文件中。影响微弯曲损耗的关键参数分别是该芯子的直径d和该芯子与该敷层的折射率nc和ncL的差值。该差值通常表示为百分比差值并标以△。请看如图4A所示的标为36的一种典型单模光纤的折射率剖面图的例子。具有如图4A所示的折射率剖面图的光纤称为相配敷层光纤。图中芯子用标号37表示,直径为d和折射率为nC。敷层用标号38表示,整个敷层是均匀的,折射率为nCL。一种典型的相配敷层光纤的△%。在一个给定的波长时,参数d和△决定了斑点的大小和有效系数。小的斑点尺寸和高的有效系数保证光能密闭地封闭在纤维芯子区域内,因此具有很高的抗微弯曲引入损耗的性能。
虽然改进的微弯曲性能可通过增大△和减小d来减少的斑点的大小来得到,但众所周知,随着斑点的大小的减少实现纤维接头的低损耗的困难就增加了。而且当芯子的直径减小时,零色散波长增大,当零色散波长超出工作波长时,纤维色散增加和工作波长的最大带宽减小。这些与之相反的后果,增加纤维接头损耗和增加纤维色散,则限制了为达到最佳工作条件。。
以前提到斑点的大小和零色散波长对△的依赖性较少。例如,一种具有较高△的光纤可在保持适于低的连接损耗的斑点尺寸时用来提供抗微弯曲的性能。但是为了改善微弯曲性能而加大△将要提高该纤维的截止波长。众所周知,截止波长是这样的波长,即低于它时高次模式能够传播。因为如果高次模式存在,该纤维的带宽就要急剧降低,所以任何截止波长的升高都必须得到控制,以保持在系统的波长时的单模工作。
这个问题可以这样克服,即通过让那些用来供给单元22的光纤24具有这样的特征,即具有一层内敷层40(见图3),该层40具有的折射率比外敷层42的折射率低。这样的纤维称为具有一层低折射率的内敷层。已经发现,低折射率内敷层光纤的优越性在于,这样的纤维可以被设计成具有相当高的抗微弯曲引入的光损耗的性能。如图4B所示,芯子26的直径d和折射率44,它对于相应于外敷层42的折射率nCLO。的参考线45的相对折射率差为△+。标号为43的内敷层40直径为D、折射率为nCLi,具有对于同一参考线45的相对折射率差△-。从芯子到内敷层的总折射率差标为△。
低折射率内敷层光纤的一个优点是截止波长除了依赖于芯子直径d和总折射率差△之外,还依赖于内敷层直径45与芯子直径的比值D/d和内敷层折射率与总折射率差的比值△-/△。例如,当D/d减小时,截止波长也降低。标称的D/,但是一个有用的范围可能包括3左右这样低的值。因为斑点的大小、有效系数和零色散波长在这考虑的范围内对这些比值不敏感,因而可以通过选择合适的D/d和△-/△的值去控制截止波长来补偿改进微弯性能所要求的较高的
△值。典型的D/d和△-/△值能降低截止波长100nm或更多,从所可以在较高△的抗微弯曲的纤维中实现单模工作。
所需要的是一种这样的△-/△和D/d值,即它们适合于提供一个这样的截止波长,该截止波长具有相同的芯子尺寸和折射率差的相配敷层纤维显著地低的波长。所提供的是一种具有按这样的方式选定参数的光纤,以使一根大体上对微弯曲不敏感的纤维能在预定的波长下进行单模方式工作。本发明的光缆便于在相当高的总折射率差△下的工作。这就允许单模工作,,。在优选实施例中,。
本发明的光缆含有一些低色散、低损耗的纤维,这些纤维具有△、芯子直径D、D/d和△/△,。一根具有过掺杂的芯子与及低掺杂的敷层的纤维能提供高的△。如第4,439,007号美国专利所提出的,当使用低掺杂的敷层时,一个相当高的△。足够低的截止波长、低色散和适合于低损耗连接的斑点尺寸是通过适当选择d、D/d和△-/△,并具有导致低的装配损耗(packagingloss)的相当高的△来得到的。典型的
△-的值是在△的(10~40)%之间的范围内。在优选实施例中,d=,D=54μm,△+=%,△-=%和△=%。
在图1和2所示的实施例中,单元22和该单元和套管34之间的芯子用适当的防水材料46填充。业已明确,在一条光缆中,填充成份也必须对保持光纤在相当低的应力状态起作用。
缆线填充材料或防水材料特别是光缆的填充合成物(composition)应该满足各种要求。在这些要求中包括在一个相当宽的温度范围(从-40℃左右到76℃左右)内该缆线的物理特性保持在可接受的限度内的要求。还希望在上述温度范围内填充材料是相当防脱油收缩(syneresis)的材料,脱油收缩是在施加应力的情况下油从凝胶中的分离。用于光缆中填充材料还应该具有相当低的剪切模数。按照现有技术,剪切模数是光缆填充材料的关键的材料参数,因为人们确信它直接与微弯曲损耗量相关。一般地说,在长波长时的微弯曲损耗要比在短波长时更难控制。因而,。
较好的防水材料是一种这样的合成物,这种合成物包含两种主要成分,即油和诸如胶粒这样的胶状物,可选择的话,还有防漏剂可做为第三种主要成份。诸如热氧化稳定剂这样的其它成份是可选用的。