芯部被径向上弹性模数变化的 多个包覆层包围的光缆 【技术领域】
本发明一般地涉及光纤的领域，较具体点说，涉及芯部被保护套包围的光缆及其制造法。
背景技术
用于通信系统的光纤典型地包括一个玻璃的中心载光区被也是由玻璃制成的外包层包围。玻璃外层和玻璃中心载光区具有不同的光学性能。典型地还有一个或多个保护包覆层包围着中心载光区和外包层。这种纤维可由来自加热而部分熔化的、具有适当成分的玻璃预型的细纤维束拉制而成，并使环绕中心载光区的外包层也具有适当的成分。当柔软而熔化的玻璃从预型被拉出时，中心载光区的玻璃和外包层玻璃都被拉伸。在这过程中，中心载光区的玻璃留在纤维的中间，而外包层留在外周，这样就构成完工纤维的复合的中心载光区和外包层的结构。当纤维从预型内被拉出时，它使冷却而凝固并被敷设包覆层。这些过程在正常情况下都以高速率完成，因此纤维能以高速拉制。
在光纤通信系统内，光波按照要在系统内被传递的信息被调制成脉冲或不断变化的波从光纤的一端射入。光波沿着光纤传播地速率取决于许多因素，包括制成中心载光区和外包层的材料的光学性能和中心载光区的直径。沿着光纤投射的光波典型地包括一部分极化不同的光波，即构成光的电磁波具有不同的取向。如果光纤的中心载光区不是完全的圆柱形，而是具有大的和小的直径，那么其中一个极化光的电磁波将与中心载光区的大直径匹配，而另一个极化光的电磁波将与中心载光区的小直径匹配。光波中极化不同的部分，其传播速度也不同。除了这个几何效应以外，中心载光区和外包层在热膨胀上的不同会发生由应力引起的二次光折射的重折率，这也会增加极化不同的光波在传播速度上的不同。换言之，光纤在垂直于其长度的一个方向上有一“慢”的轴线，而在垂直于其长度的另一个方向上有一“快”的轴线。
极化方向与快轴一致的光波比极化方向与慢轴一致的光波传播得快。结果两种极化模式就以不同的传播常数传播。两个传播常数之差被称为重折率，重折率的量由两种正交模式的传播常数之差给出。重折率使在光纤内传播的光波的极化状态沿着光纤长度作周期性的演变。极化返回到其原始状态所需距离一般被称为光纤的节拍长度，该长度与光纤的重折率成反比。因此重折率较大的光纤，其节拍长度较短，反之亦然。
除了引起在光纤内传送的光的极化状态作周期性的变化之外，重折率的存在意谓两种极化模式以不同的组速度传送，其差异随着重折率的增加而增加。两种极化模式在时间延迟上的差异被称为极化模式偏离或PMD。除了载光区直径的差异外，光纤的不完善也能使PMD增加。PMD可扭曲沿着光纤传送的光脉冲或光波，这样来降低信号质量并限制信息能沿着光纤传送的速率。就高比特率系统和模拟通信系统而言，PMD对信号质量十分有害。减少PMD作用的一种方法是连续地使光纤的快轴和慢轴重新取向。这一点能够做到只要在拉制光纤时使它旋转，光纤的慢轴和快轴就可沿着光纤的长度反复地互相交换。
需要有能以高比特率、高频、远距离传送信息的光纤产品(如光纤、光纤带、光纤束、光缆和气吹光纤产品)。以高比特率、高频、远距离进行的信息通信一般需要用高功率来传送。但高功率传送一般会增加光纤产品的灵敏度，从而能对信号质量增添负面影响。
设计用于以高比特率、高频、远距离传送的下一代光纤的制造商曾经指出这种光纤对外加负载和环境条件十分敏感。这种光纤被设计成具有较大的有效面积为的是应付较高功率密度的要求，而该要求是目前的波长区分多路(WDM)传输系统以高比特率、远距离、进行多频道传送必需满足的。这种具有大的或超大的有效面积的光纤对某些传送性能包括微弯曲损失十分敏感。另外，外加负载(如光纤的弯曲)和某些环境条件还能增加PMD，如上所述，这会限制高比特率的传送。
已知为了保护光纤和光纤排列(如光纤带、含有多支光纤的光缆等)使免受有害环境条件和微弯曲的影响，可用一个或多个包覆层将单支光纤和光纤排列包覆起来。例如，可在光纤的玻璃外包层的界面上用一个柔软的缓冲包覆层来包覆，然后再用一个比缓冲包覆层厚的外部包覆层来包覆柔软的内部包覆层。缓冲层通常为弹性模数较低的材料，因此柔软，能够衬垫光纤并防止微弯曲损失，而外部层通常为弹性模数较高的材料用来保护被包覆的光纤使它免受环境的影响。
例如Cain等人的美国专利5,062,685号曾公开说，可用柔软的缓冲包覆层来包覆单支或多支光纤，该缓冲层为玻璃转变温度tg低的聚合物，其厚度足可防止有害的微弯曲，并用敷设在外部的、有结构的包覆层来包围柔软的缓冲包覆层。外部的、有结构的包覆层由具有足够强度的材料构成以资防止单支或成组光纤在被吹制的光纤应用时惯常要将单支或成组光纤推动通过一个孔眼而被损伤。这个技术应这样完成，即迫使一种气体如空气通过一个孔眼以资造成一个粘稠液体的牵引力来驱使光纤通过孔眼。这个技术被使用在光纤或光缆小及/或轻，而且孔眼与光纤或光缆在大小上相当接近的场合，即拉动它们通过孔眼而不是吹送它们通过孔眼，但这样做会有一个拉力作用在光纤或光缆上使它们断裂或受到损伤。
多层包覆的光纤或成组光纤的另一个例子见Cochinni等人的美国专利6,327,876号。Cochinni等人曾公开一种设备和方法可用来敷设软的内部的缓冲包覆层和较硬的外部包覆层使每一包覆层的包覆同心度(即给定包覆层的最小和最大厚度之比)得到提高，而这又会减少PMD。为了做到这一点，Cochinni等人曾公开说，当光纤通过模内孔眼被拉制并且在拉拔过程中各该包覆层被敷设时可分别转动包含在第一和第二敷设器内的第一及/或第二模，意思就是说，在敷设包覆层时只要转动可旋转模，那么光纤在被拉制时为了减少PMD而需的使光纤旋转就可被省去。
敷设包覆层的已知技术的一个缺点是，各个包覆层需用不同的材料，因为为了各种理由，各个包覆层需有不同的性能。例如内部包覆层应该是柔软的包覆层以便衬垫玻璃纤维，但还应有足够的较低的弹性模数以便防止有害的微弯曲。在另一方面，外部包覆层应该是较硬的包覆层，因此应具有较高的弹性模数。而且，根据用途，外部包覆层可能要具有其他保护特性(如Cain等人所公开的具有结构的)以资保护光纤使它免受环境的影响。由于包覆层材料的不同，敷设不同包覆层的已知技术和系统采用分开的敷设器(即每一个要被敷设的层使用一个敷设器)和分开的敷设包覆层的工步。
与采用多个敷设器和多种材料有关的需求会增加系统的费用并减少制造线的产出。因此最好能提供一种制造光纤产品的方法和设备，其中可使用单一的材料及/或单一的敷设器来敷设多个包覆层。这种光纤产品例如可包括单支光纤、多支光纤被成束地组合在一起的光缆和多支光纤被边靠边地形成一排或多排的光纤带。
【发明内容】
本发明提供的光缆包括一个具有单支或多支光纤的芯部被一保护套包围着，该保护套具有在径向上变化的弹性模数，还包括一种制造该光缆的方法。保护套包括由普通的包覆材料制成的第一和第二包覆层部。将变性剂分别加入到第一和第二包覆层内，使包覆层的弹性模数在径向上沿着从光缆芯部中心向外延伸的半径变化。该芯部例如可以是单支光纤、一束光纤、一个光纤带、一叠光纤带等。
本发明的设备具有一个包覆层敷设器，其设计使它能将弹性模数在径向上变化的包覆层敷设到上述芯部上。本发明的方法包括将弹性模数在径向上变化的包覆层敷设到芯部上，其完成方式可随本发明的设备的设计而变化。例如对于光纤束，弹性模数在径向上变化的包覆层可在一个与制造光缆光纤的过程分开并在其后的过程中敷设。对于光纤带或成叠光纤带，弹性模数在径向上变化的包覆层可在一个与制造光纤带的过程分开并在其后的过程中敷设。换言之，对于光纤束或带，光纤总是首先制造，随后再将弹性模数在径向上变化的包覆层敷设到包括在束或带中的众多光纤上。
最好，弹性模数在径向上变化的包覆层为单一的聚合物材料，其弹性模数在从芯部中心沿半径向外延伸的方向上逐渐从较低值增加到较高值，反之亦然。为了做到这一点，最好将不同数量的特定添加剂添加到单一敷设器内普通聚合物材料的各股不同的液流内，然后将这些液流敷设到芯部上使各股液流组合成单一的弹性模数在径向上变化的包覆层。
本发明的这些特点和优点可从下面的说明、附图和权利要求中获得了解。
【附图说明】
本发明的光纤通信介质的许多原理和特点及其制造方法可从下面的附图中得到较好的了解。附图的组成部分不一定按比例，而是将重点放在能清楚阐明本发明的原理和概念上。另外在整个附图中，相同的标号指相应的部分。
图1和2分别为本发明的光缆的示范实施例的端视图和透视图，其包覆层的弹性模数沿径向变化，其中光缆为单支光纤。
图3和4分别为本发明的光缆实施例的端视图和透视图，其包覆层的弹性模数沿径向变化，其中通信介质为具有一束光纤的光缆。
图5和6分别为本发明的光缆实施例的端视图和透视图，其包覆层的弹性模数沿径向变化，通信介质为具有一排光纤的光纤带。
图7和8分别为本发明的光缆实施例的端视图和透视图，其包覆层的弹性模数沿径向变化，通信介质为具有多排平行光纤的光纤带。
图9A、9B、9C为设计用来制造本发明的光缆的本发明的设备的几个示范实施例的平面视图。
【具体实施方式】
本发明的光纤通信介质例如可包括但并不限于：光纤如单模式光纤和多模式光纤、光纤带、光纤束、光缆、和吹气光纤产品。本发明的光纤通信介质的包覆层的弹性模数沿径向变化的方式和程度取决于各种因素如该产品是为何目的而设计的。例如如果光纤产品要对应力引起的弯曲或其他外加负载进行保护，那么包覆层弹性模数的变化须能使包覆层在保持同心度方面提供最大的保护和缓冲作用。如果保护层要对自然灾害、环境灾害或毁坏进行保护，那么包覆层的弹性模数应作相应的变化。
图1示出弹性模数沿径向变化的光纤110的横截面端视图，图2示出其透视图。光纤110具有至少一个中心载光区103、一个外包层104、和一个弹性模数沿径向变化的包覆层105、106和107。中心载光区103和外包层104互相毗连。本行业的行家当会知道，例如为了给光纤提供特定的折射指数分布以资补偿频散，在中心载光区103和外包层104之间还可设有一个或多个其他环形区(未示出)。但为了便于阐明，在图1中的中心载光区103和外包层104之间没有示出其他环形区。
中心载光区103和外包层104典型地由石英玻璃制成。按照本发明，包覆层105/106/107用有点的面积表示，点子的数目在从中心载光区103沿半径向外延伸的方向即箭头109所示的方向上增加。代表包覆层105/106/107的点子密度的逐渐增加例如可用来表示包覆层105/106/107的弹性模数逐渐从较低的区域105增加到较高的区域107。如上所述，本发明并不限于弹性模数在径向上的逐渐变化。这个变化可以是阶梯式的，即在包覆层内的某些位置上突然变化。为了便于说明，本文只用一个包覆层来说明，该包覆层在离开中心载光区的径向上，弹性模数或是逐渐增加或是逐渐减少。
包覆层105/106/107可被看作一个单一的包覆层，其内具有多个部分各有不同的弹性模数，或被看作用一种单一的材料构成的多个分开的包覆层各自经过变性而具有在径向上变化的弹性模数。为了便于说明，本文所论述的光缆将被作为具有弹性模数在径向上变化的单一包覆层来论述。
如同下面将要详细论述的那样，最好使用单一的敷设器来敷设包覆层，办法是在敷设器的各个不同的位置内具有由同一材料构成的多股包覆液流，在每一股液流内添加不同的变性剂或同一变性剂的不同数量，然后将这多股液流流到单一的敷设器内。在任一种情况下，多股液流的包覆材料都相同，但添加到各股液流内的变性剂或变性剂的数量却不同。结果是包覆层可具有在径向上变化的弹性模数。这样便可不需使用分开的敷设器来敷设不同的包覆层。
如图2所示，在包覆层105/106/107外部107的周围，光纤110还可具有一个添加的包覆层141，而在包覆层141的周围还可具有一个彩色层151如油墨。在另一个可替代的实施例中，包覆层141可以像包覆层105/106/107那样具有在径向上变化的弹性模数。本行业的行家当会知道在某些情况下各个包覆层的位置也是可以变换的。
图3为按照本发明另一个实施例的光纤束301的横截面端视图，该光纤束301具有四支光纤被具有在径向上变化的弹性模数的包覆层包围着。由标号303、304、305代表的包覆层分别代表弹性模数较低的、中等的和较高的区域。或者标号303、304、305也可代表弹性模数较高的、中等的和较低的区域。换言之，在从光纤束301的中心沿半径向外延伸的方向即前头307所示的方向上，相对的弹性模数可以增加或减少。
为了简单起见，只有四支变性光纤302被示出。但光纤束301也可具有较多或较少数目的光纤。光纤302可以是图1所示型式的光纤或者可以是熟知的光纤型式即具有一个内部的缓冲包覆层和一个外部的较硬的包覆层(即传统的光纤)。图4为光纤束301的横截面透视图。包覆层303/304/305可被一添加的包覆层或护套308包围。
图5为光纤带501的横截面端视图，该光纤带具有一个弹性模数沿径向变化的包覆层或基层。在本例中由区域503和504代表的带501的包覆层包围着三支光纤502，它们可以是图1所示的型式或上述传统光纤中的一种。应该注意到光纤带501的光纤可具有任何数目(如12支、24支光纤等)。而且，带501可具有多排(未示出)光纤。
术语沿径向变化的弹性模数当被用于图5所示型式的带时意味弹性模数是在从成排光纤502到包覆层503/504的外边505向外延伸的方向即箭头508所示的方向上变化的。图6为图5所示带501的横截面透视图，有一个增添的包覆层包围着包覆层503/504。
图7为光缆701的横截面端视图，该光缆具有多个光纤带，而该带可以是图5所示型式或传统的、或已知的型式。每一带由三支光纤构成，它们都各被一个具有包覆部703和704的包覆层包围着。包覆层703/704具有沿径向变化的弹性模数，这里所说径向即箭头706所示方向。图8为图7中光缆701的横截面透视图，有一添加的包覆层或护套705包围着包覆层703/704。
每一光纤可以是图1所示型式，或者可以是传统的、或已知的型式。虽然为了简单起见，图中只示出两个光纤带，应该注意到光纤带的数目可以不同于两个。同样，图中在每一带内只示出三支光纤，但多于三支或少于三支都是可以的。
图9A为按照本发明一个示范实施例的设备800的方块图。设备800的设计为可给光纤如图1和2所示光纤110提供弹性模数沿径向变化的包覆层。设备800具有一个敷设器810能将本发明的包覆材料敷设到移动通过敷设器810而具有中心载光区和外包层的光纤811上。设备800包括一个包覆分流器820能将包覆材料805区分成至少两股液流813和815。应该注意到虽然图中只示出两股液流，但也可能多于两股。
液流813和815分别具有混合物802和804，它们由同一材料构成，但由于分别添加了不同数量的变性剂，因而具有不同的弹性模数。混合物802和804在包覆层敷设器810内沿着光纤811的纵轴线818沉积在光纤811上。混合物802被沉积在光纤811的邻近，从而形成光纤811的包覆层部821。混合物804沉积在包覆层部821的邻近，从而形成包覆层部831。当包覆层例如在紫外光(UV)处理炉(未示出)内硬化后，光纤811由于包覆层部821和831的弹性模数不同便可具有沿径向变化的弹性模数。
包覆层部821的弹性模数可用下列各种方法使它与包覆层部831的弹性模数不同。例如可将不同数量的变性剂引入到液流813和815内。或者，可将不同型式的变性剂引入到液流813和815内。还可将不同数量的不同型式的变性剂引入到液流813和815内。不同数量的变性剂819被分别引入到液流813和815内，从而形成混合物802和804。例如变性剂819的第一重量比可被引入到液流813内而形成混合物802，变性剂819的第二重量比可被引入到液流815内而形成混合物804。第一重量比不等于第二重量比。第一和第二重量比的范围例如可为1到10％。
不同型式的包覆材料的例子包括可用紫外光(UV)硬化的包覆层如：DSM DesotechTM公司制造的950-106和950-108；Borden化学TM公司制造的9MKU70134和9MKU70135。
可被用于这个目的的不同形式的变性剂包括但不限于：填料、交联剂、聚合链转移剂、光引发剂及其各种组合。填料的例子包括纳米土、氧化硅微粒、氧化铝微粒、碳黑、玻璃纤维和聚合物粉。纳米土可具有各种小片型式如针状、板状和球状微粒。纳米土的另外一些例子包括从蒙脱石、锂蒙脱石、膨润土构成的组件中选取的矿物质。纳米土还有一些例子包括从铝和镁构成的组群中选取的硅酸盐。交联剂的例子包括单功能单体、多功能单体、低聚合物和其他活性树脂如丙烯酸酯。
光引发剂的例子包括α-羟基酮如Ciba Specialty chemicalTM所制造的Irgacure 184和Darocure 1173；还包括二苯二甲基缩酮，也被称为Irgacure 651，为Ciba Speciality ChemicalsTM所制造；另外还包括氧化膦如Ciba Speciality ChemicalsTM所制造的BAPO和BASF所制造的Lucerin TPO。聚合链转移剂的例子包括巯基丙酸异辛酯和烷基硫醇，而烷基硫醇的例子包括t-壬基硫醇和n-十二烷硫醇。
在液流813和815内引入型式相同但数量不同的变性剂的例子例如可包括将1％的BAPO光引发剂引入到液流813内而将3％的BAPO光引发剂引入到液流815内。另一个例子为将2％的纳米土引入到液流813内而将6％的纳米土引入到液流815内。
在方法的一个可替代的实施例中，数量相同而型式不同的变性剂被引入到液流813和815内。例如具有第一重量比的BAPO光引发剂可被引入到液流813内而具有第一重量比的Irgacure 184可被引入到液流815内。作为第二个例子，具有第一重量比的纳米土可被引入到液流813内而具有第一重量比的氧化硅微粒可被引入到液流815内。作为第三个例子，具有第一重量比的单功能单体可被引入到液流813内而具有第一重量比的三功能单体可被引入到液流815内。按照方法的另一个可替代的实施例，数量不同而型式不同的变性剂可被引入到液流813和815内，例如具有第一重量比的纳米土可被引入到液流813内而具有第二重量比的氧化硅微粒可被引入到液流815内。
应该注意到上面结合图9A说明的方法和设备的示范实施例可被设计得能包覆如图3和4所示那样的光纤束301。当然，这个过程应该发生在光纤束的单支光纤被制出和包覆之后。光纤束的光纤最好能同时移动通过包覆层敷设器810，这样本发明的包覆层可像敷设单支光纤那样制出包覆层121和131(图3)。同样，敷设器810可被设计得能将本发明的沿径向变化的包覆层敷设到图5和6所示那样的光纤带501上。
图9B示出按照本发明另一个示范实施例的设备900。按照这个实施例，包覆分流器920将包覆材料区分成两股液流913和915，但变性剂919只被引入到其中一股液流如913内，使液流913变成混合物906。然后当光纤912沿着其纵轴线918移动通过包覆层敷设器910时将混合物906和液流915沉积在光纤512上。经过一些时间后，变性剂919会从混合物906扩散到液流915内，这是因为在混合物906内变性剂具有较高的浓度而在液流915内没有变性剂。结果便可成为一个弹性模数在径向上变化的包覆层947。
如同上述图9A的实施例那样，设备900可被设计得能将弹性模数在径向上变化的包覆层敷设在光纤束或光纤带上。
图9C示出按照本发明的设备950的另一个示范的实施例，可用来在包覆层敷设器960内将弹性模数在径向上变化的包覆层敷设到光纤951(或光纤束或光纤带)上。按照这个实施例，第一数量的变性剂952与包覆材料955在第一混合器963内混合从而形成一个具有第一变性剂对包覆材料比的混合物956。同样，第二数量的变性剂952与包覆材料955在第二混合器965内混合从而形成一个具有第二变性剂对包覆材料比的混合物957。例如变性剂955和包覆材料952在混合器963内可以1∶1的重量比混合而形成混合物956。变性剂955和包覆材料952在混合器965内可以2∶1的重量比混合而形成混合物957。当然，对于混合物956和957，本发明并不限于任何特定的比率。
然后在包覆层敷设器960内将混合物956和957沿着光纤951的纵轴线沉积在光纤951上。混合物956被沉积在光纤951的邻近而形成第一包覆层部983，混合物957被沉积在包覆层983的邻近而形成第二包覆层部984。第一和第二包覆层部983和984结合而构成弹性模数在径向上变化的包覆层980。
应该知道这种方法也可用来将弹性模数在径向上变化的包覆层敷设到光纤束(未示出)和光纤带(未示出)上。还应注意到添加到包覆材料952内的变性剂955并不一定要用同一材料，换言之，并不一定要将数量不同的同一材料分别添加到混合器963和965的包覆材料内，而是可以用型式不同的变性剂分别在混合器963和965内与包覆材料952混合。还应注意到在图9A-9C的每一个实施例中都是只用单一的敷设器。这样做较好因为可以不需其他敷设器，因而能减少系统费用并增加制造线的输出。当然，并非必须要用单一的敷设器来敷设多个包覆层。如果需要也可使用多个敷设器，但这样做就不能实现本发明的所有利益了。
应该强调的是，上述这些较优实施例只是示范性的。本行业的行家当会知道，对上述这些实施例，可以作出许多变化和修改而没有离开本发明的范围，所有这种修改和变化都应包括在本发明的范围内。例如所使用的变性剂的型式及/或数量是可变化的。实际上，不管使用一个或多个敷设器，所能生产出来的弹性模数在径向上变化的光缆的型式是没有限制的。