本发明涉及一种在带槽金属芯中装有光纤的水下光缆。 自从发现光纤很适于陆地之间及海底通讯，它们常被用作水下或海底缆线的传输介质。当然，在这种环境下使用的光纤必须装在一个价格适中的有效缆线结构中。
将光纤用于海底缆线所面临的一个主要问题是需要对光纤提供防潮的密封保护。在静态疲劳现象的作用下，潮湿和压力的双重作用会降低光纤的强度。此外，水下光缆必须包括通以直流电的线路以对系统中的光学中继器供电;它还必须足够坚固以抵抗上述压力，并适于在水下环境中常年工作。
上述问题被美国专利US4156104所公开的用于光纤通信的海底光缆解决了。其中，芯线包括一个纵向延伸的加强元件，它可由高强度的导电或介电材料构成，被称为中线。在中线周围的一层塑料材料（如Hytrel塑料）中埋有一组螺旋缠绕的光纤。在该塑料层外可有一层由尼龙或其它高熔点材料构成地保护套。
在保护套外面缠绕几层钢线，它们通过一个将芯线密封的管状铜屏蔽层与保护套相接触。该铜屏蔽层还可用作对中继器提供电源的电线，并将缆线的各构件捆在一起。这些钢线，特别是最内层的钢线，用来抵抗缆线在使用中受到的水压。一个由聚乙烯塑料材料构成的外套置于密封屏蔽层之外。如果需要附加的强度，还可有另一个高密度聚乙烯外套。在制造缆线时，在钢线间以及最内层钢线与芯线之间引入防水材料。
已有技术还包括美国专利US4484963。其中，芯线包括一条中线，它由弹性材料包围，在弹性材料中埋有光纤。加在弹性材料上的尼龙保护套具有一层涂上的粘接材料。该粘接材料在尼龙保护套与绕在保护套上的第一层钢线之间形成紧密连接。这种连接防止了蠕变，并保证了在铺设、打捞及使用缆线时芯线随着钢线一起运动。在第一层钢线上绕有第二层钢线，在其上面具有一个铜制的导电管状元件。在铜管外围有一层塑料外套。
上述光缆结构属于紧密结合型，因为光纤通过塑料材料与中线紧密结合，这样它们受到与光缆其它部件一样的拉力。然而在这种光缆中难于接触到单个的光纤。此外，在光缆制造过程中横向加于芯线的压力会通过嵌有光纤的塑料材料加到光纤上。
在水下光缆中还可采用另外的结构。其中一种结构被称为带槽缆芯光缆，它具有一个由塑料构成的中心放置的芯线，该芯线具有许多容纳光纤的槽，每个槽的开口朝向芯线的外表面。在每个槽中放置一根或数根光纤。将一种粘性填充材料注入槽中，并使光纤与芯线之间可产生相对移动。参见美国专利US4548664。在另一种带槽缆芯光缆结构中，槽中部分填有一种材料，它在缆线的工作温度下是粘性的，但被冷却以使该材料可逆地硬化。在槽中放入光纤后盖上该粘性材料。参见美国专利US4422889。
带槽缆芯光缆易于对光纤进行处理，并使槽中的光纤不受横向压力的作用。但是，与上述美国专利US4156104中公开的光缆相反，上述带槽缆芯光缆的特点是在光纤与芯线之间为松散的结合。
对光纤与其芯紧密结合的水下光缆的一种加强方法为，当将制造及安装光缆时在轴向所加的载荷去掉时，使光纤沿光缆长度方向均匀复原。而对于用在海底的长距离光缆来说，去掉安装张力载荷后长度的复原会引起不均匀的光纤长度复原，光纤与光缆的其它部分不是紧密地结合。
这个问题可通过使光纤与芯线紧密结合来加以解决。以这种方式，光纤与芯线一起移动并受到同样的拉力。如果不是这样，则当去掉光缆载荷时，光纤会产生过分的弯曲，从而导致微弯。这种问题对水下光缆更为严重，因为光缆会受到比地下缆线大得多的拉力。
看来，已有技术中没有一种适用于各种环境且在光纤与芯线间保持紧密结合而且制造本较低的光缆。理想的缆线结构应当是可容纳数根光纤、成本低、较坚固且密封的缆线。此外，较好的光缆应当可以容易地对光纤进行处理。
上述已有技术中的问题可以通过权利要求书所给出的光缆加以解决。
图1是本发明光缆的端面图;
图2是已有技术光缆的端面图;
图3是本发明光缆中芯线的端面图;
图4是具有径向槽的芯线的端面图;
图5是具有非径向槽的芯线的端面图;
图6是槽的深度能容纳一根包层光纤的芯线端面图;
图7是具有单槽的芯线的端面图;
图8是芯线的端面图，它包括许多槽，每个槽中放置一根光纤。
参照图1，其中光缆由标号20表示。如图1所示，光缆20包括缆芯22及包覆系统24。
光缆20很适于水下使用，并且由于它所具有的优点，可用来替代已有技术的光缆。图2画出了已有技术中典型的水下光缆25。可以看到，光缆25包括一个缆芯，它由中心配置的、纵向延伸的加强元件26构成，称为中线。加强元件26可由导电材料构成，例如包铜的钢丝。围绕着加强元件26是一层具有高挠曲模量的塑料材料27。这种材料可为市售的商标为Hytrel的塑料。由玻璃芯、包层及一层或多层涂覆层构成的许多根光纤28-28围绕着塑料材料层27而分开。围绕着光纤28-28是一层附加的Hytrel塑料层29，使得光纤埋嵌在Hytrel塑料中。包覆系统由围绕在第二层Hytrel塑料外的尼龙塑料层30构成。
图2所示的光缆中在尼龙层30外是一个加强元件系统，它由许多围绕芯线重叠缠绕的螺旋钢31-31构成。为了形成缆线的直流通路，围绕钢丝31-31的外层是一个铜或铝制的不透水的导电屏蔽层33。该屏蔽层33除了形成对沿缆分布的光学中继站（未示出）供电的直流通路外，还可用作光缆中很有效的防潮层。该屏蔽层33还对钢丝31-31起到夹持作用。在屏蔽层外有一个塑料外套35。这种光缆公开在上述引为参考文献的美国专利US4156104中。屏蔽层33的外表面有粘接剂，与外套35粘合。在钢丝间隙以及最内层钢丝与芯线间填有一种隔水材料37，以使钢丝与芯线结合在一起。
图3详细画出了图1中光缆20实施例的缆芯22。另一种缆芯公开并提出权利要求在美国专利申请07/860960中。缆芯22包括一个纵向延伸的中心芯线34，它在垂直于缆芯纵轴的平面中呈圆形截面。芯线34由金属材料制成，在最佳实施例中为铜制的。
如图3所示，纵向延伸的芯线34具有许多槽36-36，每个槽形成在芯线的径向。此外，每个槽具有相互平行的侧壁或具有稍微倾斜的侧壁。这就是说，每个槽的侧壁朝向芯线的中心略微岔开或合拢。
在至少一个槽36-36中放置至少一根光纤。在图3所示的实施例中，每个槽36-36沿圆周测得的宽度大于准备放入槽中的光纤的外径。当然，应当清楚，放入槽中的光纤可包括一层或多层涂覆材料，则光纤的外径指的是光纤芯和包层以及涂于其上的涂层的外径。在图3的实施例中，两根光纤沿径向线置于每个槽中。每个槽36的深度大于放入槽中的光纤外径乘以2。此外，在最佳实施例中，槽36-36以直线沿着芯线的长度构成，而没有卷绕。在其它实施例中，槽可沿着芯线构成螺旋状或波浪形。
置于每个槽36中的光纤最好与芯线紧密结合。这样，它们被固定于其中，不能移动。这可通过将基底材料38放入槽36中来实现。在最佳实施例中，基底材料38包括一种紫外固化的塑料，它被公开在引为参考文献的美国专利US4900126中。
基底材料38与光纤一起构成了整体形成的光纤带。通常有些基底材料会被填在相邻的光纤之间。此外，如图3所示，槽中基底材料的外表面呈凹形。由于有这种形状，槽中的基底材料不会受周围的包覆系统损坏。
此外，再说明一下，每个槽36的宽度和深度刚好超过光纤排列的宽度及深度。例如，在图3的实施例中，光纤外径约为0.010英寸，而每个槽的深度约为0.030英寸。
采用紫外固化材料来将光纤固定在槽中有几个好处。这种材料是热固性材料，它在对光缆进行进一步处理，例如涂以塑料外套时不变形。此外，紫外基底材料形成的光纤带尺寸与相应的槽相适应。另外，采用紫外固化的基底材料使得易于对槽中的光纤进行处理。
图3画出的芯线34的槽的构形是本发明多个构思的一种。在图4所示的实施例中，芯线50包括三个槽52-52，每个槽可容纳三根光纤。
图5所示的芯线其槽不是沿径向安置的。芯线66包括一组沿截面的弦线配置的槽。每个槽的内表面沿着芯线的径向设置，而槽朝向芯线的纵向中轴设置的侧壁与一个同芯线外圆周共心的圆的切线平行。另外，图5的实施例中每个槽容纳4根光纤。
芯线的构造也可以是其槽的深度可容纳一根具有一层或多层涂层的光纤。如图6所示，芯线70可包括许多可容纳两根光纤的槽72-72。沿芯线径向测得的每个槽72的深度大于一根涂覆光纤的外径。同样，在该实施例中芯线由铜制成。
在本发明的另一个实施例中，芯线80（见图7）包括一个槽82，它可放置三行光纤，每行4根光纤。槽82的宽度大于光纤外径乘以4，而其沿芯线径向测得的深度大于光纤外径乘以3。
图8所示的另一个实施例中，包括一个芯线90。在加强元件上形成许多其轴线沿着径向的槽94-94。每个槽94可容纳一根光纤及部分固定材料，例如紫外固化的塑料材料。
再参照图1，可以看到包覆系统24包括一组加强元件101-101，它最好为钢丝或钢缆，围绕着缆芯22设置在最内层。围绕此内层加强元件101-101的是一组加强元件105-105，其中至少一部分由铜制成。在最佳实施例中，外层的十六根线中有八根是铜的。在相邻的铜线105-105之间设置钢线之类加强元件107。
各加强元件与铜制芯线相结合。这可通过将加强元件绕芯线螺旋缠绕来实现。这种缠绕应使最内层的加强元件与芯压合在一起。除了线101-101与芯线的压合之外还应有隔水材料108。隔水材料填在加强元件101-101、105-105及107-107之间以及内层加强元件101-101与芯线34之间。
此外，采用铜制芯线时，使加强元件包住芯线的过程不用象采用塑料芯线时那样精确。另外，内层加强元件可与带涂层的芯线压合，以使其相互结合。对于塑料芯线，应将加强元件仔细绕上，以避免对芯线过度压迫。
另外，由于有更紧固的芯线，不是所有加强元件都需用钢制成。由于包含了提供直流通路的铜线，所以不必采用铜屏蔽层。相反，屏蔽层110可用钢等材料制成，其导电性远小于铜的导电性，它将铜线和钢线包住以提供密封保护。屏蔽层110围绕线而构成，具有纵向接缝。屏蔽层110的相邻纵向部分被焊在一起。围绕着屏蔽层110的是一个塑料外套112，在最佳实施例中它由中等密度聚乙烯制成。屏蔽层110的外表面涂以粘接材料，以使屏蔽层与外套112的内表面粘接在一起。
应当清楚，虽然如上所述单根光纤以一根或多根放入芯线的槽中，但本发明也包括那些将上述美国专利US4900126所公开的光纤带放入一个或全部槽中的光缆及芯线。
此外，应当清楚芯线的每个槽中不必都放入光纤。制造商可使某种芯线标准化，例如可使其包括六个径向设置的槽，而以一定次序在其中三个槽中放入光纤。在这种情况下，可将基底材料加入到未使用的槽以及放置光纤的槽中，以加固芯线并使压力均等。当然，制造商也可优化芯线结构，例如图4所示的带三个槽的芯线。在变通的实施例中，可将廉价的光纤填料填入不设置传输光纤的槽中或者实际放置的光纤数少于槽中可以容纳数目的那些槽中。这样比用多余的基底材料来填充这些槽要节约费用。
可以用彩色编码来区别光纤。可对光纤本身进行彩色编码。在变通实施例中，每个槽中的基底材料可有选择地上色，或者用彩色的盖覆盖每个槽中的基底材料。置于每个槽中以将光纤和芯线结合起来的可固化材料可为弹性模量较低的材料，而用少量的彩色高弹性模量材料覆盖各槽。在另一实施例中，在每个槽的内表面的着色材料层可粘在基底材料上，当将光纤从槽中移出时，着色剂随基底材料一起移出。当然，每个槽中的基底材料或芯本身可用机械方法或用激光来标记。
本发明的光缆具有几个优点。本发明的光缆对光纤易于进行处理。在芯线露出后，较容易处理槽中的光纤。在已有技术中，如前所述光纤埋嵌在芯线的整个基底材料中。用来替代已有技术中铜屏蔽层的钢屏蔽层使光缆增加了坚固性，可抵抗压力并获得低成本的密封保护。替代塑料芯线的铜芯线以及铜线层提供了直流通路。采用铜芯线的成本可通过用钢屏蔽层代替铜屏蔽层来补偿。由于芯线整体性的增加，坚固性也得到增强。