光纖電纜的製作方法
2023-10-08 11:42:04
專利名稱：光纖電纜的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖電纜(在下文中稱為「光纜」)，尤其，涉及使用塑料光纖的光纜。
背景技術：
在近來的通信中，光纖己廣泛應用於快速可靠地傳輸大量信息。光纖包括石英光纖，如石英單模光纖，塑料光纖(POF)和其它光纖。尤其，塑料光纖具有比石英單模光纖更大的直徑，並具有更好的柔性。根據該觀點，光纜使用具有光傳輸線的塑料光纖，這種光纜在安裝和配線所需的光纖末端處理和連接處理中具有較好的可加工性。在從幹線電纜、分路電纜、或線電纜引入用於區域網系統之後，光纜的作用如同建築物中的短距離幹線。
光纜通常被構造成覆蓋光纖和抗拉強度加強杆件(受拉杆件)，以避免由於包層的張力引起的光纖延伸。一般，光纖具有覆蓋並施加在表面上的基本樹脂，以防止幹擾光進入，避免由於機械外力或其它原因造成的破壞。在光纜用於通信的情況下，通常包裹兩個或多個光纖用於輸入和輸出。
如圖4(a)所示，一種光纜包括光纖41a和41b，用於覆蓋光纖的基本包層42a、42b，和用於覆蓋光纖的第二包層43(見，例如JP-A-11-211945)。
圖4(b)中剖面示意圖所示光纜具有一結構，其中在包層45限定的空腔46中提供兩個光纖44a和44b，抗拉強度加強杆件被嵌在包層中(見，例如JP-U-60-60714)。
圖4(c)中剖面示意圖所示光纜具有一結構，其中將表面覆蓋有基本包層47的光纖48配置在包層49限定的空腔50中(見，例如JP-A-7-72356)。
然而，已經設計或使用的光纜具有以下問題1)在具有圖4(a)中所示結構的光纜中，熱試驗(70℃，24小時)顯示作為覆蓋材料的樹脂，如聚乙烯，會熱收縮，在光纖表面形成小孔，這樣根據衰減的增加會產生耐熱性的問題。
2)在具有圖4(b)中所示結構的光纜中，在單個空腔中提供多個光纖會產生耐壓性的問題，當向光纜施加外力時，如由於某人踏到光纜而引起的，單個空腔中的多個光纖將彼此接觸，並彼此壓迫、最壞的情況是彼此壓碎，或者遇到塑料變形以增加衰減。
3)在具有圖4(c)中所示結構的光纜中，通過確定空腔中光纖的未佔用比在2-30％，可以抑制由於彎曲過程中的撓曲作用引起的衰減增加。然而，產生了機械性質的問題，如不可能避免彎曲過程中撓曲作用引起的衰減增加，因為根據與光連接器的連接，未佔用比的上限受到限制，當光纜連接到光連接器時，需要光連接器。
尤其，分級折射率塑料光纖(在下文中稱為「GI-POF」)由於其快速和大量的數據傳送容量有望成為下一代通信的光纖，該光纖通過具有光纖截面方向的折射率分布實現了快速和大量的數據傳送容量。包裹GI-POF的光纜可能產生由於包層材料的熱收縮、外力的施加、彎曲中的撓曲作用或其它因素引起的小孔，由於這些幹擾可能使傳輸性質惡化。
通過覆蓋並塑造GI-POF和如受拉杆件的結構單元以實現具有GI-POF的光纜產品，受拉杆件用於抵抗如壓出熱塑樹脂的張力。例如在高溫下熱塑樹脂熔化的熱作用可能熱學去除GI-POF中的小分子化合物，在生產過程中改變GI-POF的折射率分布。根據該觀點，必須完成產品，使得在覆蓋和塑造過程中GI-POF不受熱影響。
發明內容
本發明的目的是提供一種光纜，它具有較好耐熱性和抗撓曲作用的機械性質，並能夠防止衰減的增加。
本發明提供了一種光纖電纜，它包括包層所圍繞空間中包裹的兩個或多個光纖和分區隔板；分區隔板包括一軸部分和多個分區板部分；分區隔板的截面形狀為分區板部分從軸部分向包層的內環表面徑向延伸；每個分區板部分的前端都帶有接觸包層內環表面的放大部分，和連接放大部分和軸部分的連接部分；其中分區板部分將包層圍繞的空間分成多個分離的狹槽，分配各個光纖，使得兩個或多個光纖不在一個分離狹槽中。
較佳的是，分區隔板的截面形狀具有以下的關係(1)和(2)，其中每個放大部分在垂直於半徑方向的方向上具有最大直徑L，每個連接部分在半徑方向上具有長度K，每個連接部分在垂直於半徑方向的方向上具有寬度W，每個光纖具有外徑RL-W≥R (1)K≥R(2)光纜適於為其中使用帶有分級折射率塑料光纖的光纜。
較佳的是，在分離狹槽中提供至少一個受拉杆件，而非在其中提供光纖。在分離狹槽中可以提供至少電力線和信息傳輸線的其中之一，而非在其中提供光纖。
較佳的是，包層的硬度不高於95肖氏A硬度(Shore A hardness)。在這種情況下，較佳的是，包層由熱塑樹脂製成，並且該熱塑樹脂選自軟氯乙烯、氯化聚乙烯和軟聚乙烯。
本發明還提供了上述光纖電纜的製備方法，該方法包括將光纖分配在分區隔板中，然後用樹脂擠壓機中壓出的熱塑樹脂形成包層。在該方法中，較佳的是，在製備光纖電纜之前，將分區隔板放在70-90℃的熱環境中熱處理。
根據本發明，光纜中容納的光纖是塑料製成的裸光纖或光縴繩。光縴繩覆蓋至少一個覆有包層的裸光纖(包括帶狀光纖等等)。雖然對於包層材料沒有特定的限制，但是較適用的是覆蓋裸光纖的熱塑樹脂。熱塑樹脂的實例有聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、和乙烯四氟乙烯共聚物。
裸光纖的實例可以由氟樹脂製成、由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)樹脂製成、由聚碳酸酯樹脂製成。其中，在較好的傳輸性能方面，由氟樹脂製成的或由PMMA樹脂製成的是較佳的。由氟樹脂製成的更佳，因為所用光的波長可以從寬範圍中選擇。作為氟樹脂，實質上不具有C-H鍵的非晶氟樹脂是較佳的。
作為根據本發明的光纖，多級折射率光纖、分級折射率光纖等等是較佳的，分級折射率光纖是更佳的。JP-A-8-5848中揭示了這種由氟樹脂製成的分級折射率光纖的特例。
在根據本發明的光纖中，圍繞容納光纖的空間的包層最好是由熱塑樹脂製成。較佳的是，包層的硬度不高於95肖氏A硬度，更好的是硬度為70-80肖氏A硬度。雖然對熱塑樹脂沒有限制，但是熱塑樹脂的實例是軟氯乙烯、氯化聚乙烯和軟聚乙烯。其中，在低溫模壓性能方面軟氯乙烯是較佳的。
分區隔板和光纖一同位於包層圍繞的空間中，它包括軸部分和多個分區板部分。分區隔板的截面形狀為分區板部分從軸部分向包層的內環表面徑向延伸。每個分區板部分的前端都帶有接觸包層內環表面的放大部分，和連接放大部分和軸部分的連接部分。
分區板部分提供其中分配光纖的分離狹槽。分配各個光纖，使得兩個或多個光纖不在一個分離狹槽中。這種分配可以防止一光纖接觸另一光纖，還可以防止一光纖和另一光纖彼此推壓。根據光纖數目、光纖的外徑、存在或缺少的受拉杆件、各個杆件的形狀、各個杆件的分配圖形等等，適當確定分區板部分的截面形狀。尤其如以下描述的圖1中所示，較佳的是，分區隔板的截面形狀具有以下關係(1)和(2)，其中放大部分在垂直於半徑方向的方向上具有最大直徑L(在下文中稱為「最大截面尺寸」)，連接部分在半徑方向上具有長度K，連接部分在垂直於半徑方向的方向上具有寬度W，光纖具有外徑RL-W≥R(1)K≥R (2)可以形成分區隔板，使得在其中縱向，也就是光纜的縱向，螺旋形地提供分離狹槽。螺旋分區隔板提供的優點是在撓曲光纜時，不產生內環和外環的長度差，也不增加衰減，因為光纖沿分區隔板的螺旋相等地位於光纜的外環側和內環側。
最好通過擠壓塑造分區隔板，因為隔板需要保持光纜縱向截面形狀的結構連續性。至於分區隔板的材料，適用的是硬度相對較低的熱塑樹脂，如軟(低密度)聚乙烯或軟氯乙烯。當使用在220N的拉伸負荷下在光纜的縱向上拉伸比不高於2％的材料形成分區隔板時，分區隔板本身可以作為受拉杆件，它提供的優點是可以除去受拉杆件。
除去塑造分區隔板時給出的隔板熱滯後，以抑制由於製備光纜過程中給出熱量造成的變形，根據該觀點，在放入包層所圍繞空間之前，在70-90℃的熱環境下將分區隔板熱處理是有效的。
在根據本發明的光纜中，在分離狹槽中提供至少一個受拉杆件，而非在其中提供光纖，以保護光纖抵抗光纜的張力，除了在分區隔板主要作為受拉杆件的情況下。其中對受拉杆件的材料沒有限制。材料的實例可以是線材，如金屬線或FRP線，或者是高硬性的連續光纖，如芳族聚醯胺連續光纖。尤其，當向光纜施加外力時，如衝擊和壓力，在減少光纜彎曲和減小對光纖的損壞方面，高硬性的連續光纖，如芳族聚醯胺連續光纖是較佳的。
在分離狹槽中提供至少一根電力線和信息傳輸線，而非在其中提供光纖，有利於在建築物中或其它地方的配線簡化。信息傳輸線的實例可以是同軸電纜，無屏蔽雙絞線等等。
本發明提供了上述光纖電纜的製備方法，其特徵在於該方法包括在將光纖分配在分區隔板中之後，用樹脂擠壓機中壓出的熱塑樹脂形成包層。
在附圖中圖1是根據本發明實施例的光纜的剖面示意圖；圖2是根據本發明另一實施例的光纜中分區隔板的剖面示意圖；圖3是解釋本發明光纜的製備方法的示意圖；圖4(a)到(c)是傳統光纜的剖面示意圖。
具體實施例方式
現在，將參考圖1的剖面示意圖，相對於根據本發明實施例的光纜，詳細描述本發明，所述光纜中容納了兩個GI-POF。
圖1中所示的光纜10具有位於包層11所圍繞空間中的一對GI-POF 12a和12b，分區隔板13，和受拉杆件14a和14b。
分區隔板13包括軸部分15和四個分區板部分17a、17b、17c、17d。每個分區板部分17a、17b、17c、17d的截面形狀為每個都從軸部分15向包層11的內環表面16徑向延伸。分區板部分17a、17b、17c、17d將包層11所圍繞空間分成四個分離的狹槽18a、18b、18c、18d，它們沿分區隔板13的縱向延伸。
各個分區板部分17a、17b、17c、17d的前端帶有基本上為圓形且接觸包層11之內環表面16的放大部分19a、19b、19c、19d。各個放大部分19a、19b、19c、19d通過連接部分20a、20b、20c、20d連接到軸部分15。
在圖1中所示的光纜10中，分離狹槽18a和18c中分別提供了GI-POF 12a和12b，使得兩個或多個GI-POF不在單個分離狹槽中。在分離狹槽18b和18d中分別提供了受拉杆件14a和14b，它們具有比GI-POF 12a和12b大的拉伸強度。
在圖1所示的光纜中，較佳的是，為了抑制GI-POF 12a和12b中由於壓力負荷引起的衰減增加，每個放大部分19a、19b、19c、19d的基本圓形最大截面尺寸，也就是每個放大部分19的直徑L，每個連接部分徑向測量到的長度K，連接部分在垂直於徑向的方向上的尺寸20a、20b、20c、20d，也就是每個連接部分20的寬度W，和GI-POF的截面外徑R具有以下關係(1)和(2)
L-W≥R(1)K≥R (2)例如，當GI-POF 12a和12b的截面外徑R為0.5mm時，較佳的是，放大部分19a、19b、19c、19d的直徑L為1mm或更長，所述放大部分位於分區板部分17a、17b、17c、17d的前端並且截面基本為圓形，分區隔板13中徑向測量到的連接部分20a、20b、20c、20d的長度K為0.5mm或更長，連接部分20a、20b、20c、20d的寬度W為0.5mm或更短。
通過確定各個部分的尺寸，可以提供以下優點。
當包層11具有施加於其上作為圖1中垂直方向外力的外部壓力負荷時，分區隔板13將變形。然而，可以抑制由於外部壓力負荷引起的GI-POF 12a和12b中衰減的增加，因為放大部分19a和19b確保空間具有大於分離狹槽18a中GI-POF 12a的直徑，還因為放大部分19c和19d確保空間具有大於分離狹槽18c中GI-POF 12b的直徑。
當包層11具有施加於其上作為圖1中側向外力的外部壓力負荷時，分區隔板13將變形，GI-POF 12a、12b將夾在分區隔板13和包層11之間。然而，當包層11的硬度不高於95肖氏A硬度時，可以抑制由於外部壓力負荷引起的GI-POF 12a和12b中衰減的增加，因為包層11與GI-POF 12a和12b相比足夠軟，以接受嵌入式的GI-POF 12a和12b。因為分區隔板13分開提供GI-POF 12a和12b，所以可以防止由於光纖相互接觸引起的任何永久變形，以抑制衰減的增加，這一點是有利的。
如圖2所示，其軸部分中包括受拉杆件22的分區隔板21是適用的。其中對受拉杆件22的位置沒有限制，只要受拉杆件位於分區隔板21的軸部分中。
這裡對用於製備本發明光纜的方法或裝置沒有特定的限制。只要能夠製備具有上述結構的光纜，任何方法或裝置都可以使用。例如，以下將解釋根據圖3所示方法製備具有圖1所示結構的光纜的情況。將從GI-POF提供器30a和30b卷出的GI-POF 12a和12b，從分區隔板提供器31卷出的分區隔板13，和從受拉杆件提供器32卷出的受拉杆件14a和14b提供給GI-POF絞紐器33。在GI-POF絞紐器33處，GI-POF 12a和12b分別被引入分區隔板13的分離狹槽18a和18c，並且受拉杆件14a和14b分別被引入分離狹槽18b和18d。之後，將帶有這些引入部分的隔板提供給覆蓋模具34的接口導管(未圖示)，並在前接口(未圖示)處與樹脂材料結合，該樹脂材料由樹脂擠壓機35壓出用作包層11。通過在覆蓋模具34的出口處提供某種形狀，並在冷卻池36中冷卻完成這樣組合的組件。
較佳的是，在卷出時施加給GI-POF張力為5-100g。當張力超過100g時，GI-POF可能被嚴重的拉伸，以增加衰減。當張力小於5g時，GI-POF可能遭遇振動偏移，並在覆蓋模具的出口處接觸熱熔樹脂，而被熱破壞，大大地增加了衰減。尤其，張力最好在20-60g，使得衰減的增加最小化，並且較佳的是，在成形之後可以控制GI-POF 12a和12b位於不接觸熔融樹脂的位置，也就是可以控制GI-POF位於GI-POF被引入分區隔板13中分離狹槽18a和18c的位置。
牽引速度控制成形速度。較佳的是，控制該速度，使得位於覆蓋模具34出口處的分離狹槽18a和18b中的GI-POF 12a和12b的溫度不超過允許的耐熱溫度(如70℃)。當在包層11的樹脂成形溫度被設定的狀態下塑造光纜，使得GI-POF 12a和12b遭遇允許的耐熱溫度或更高溫度時，GI-POF 12被加熱拉伸，大大惡化了衰減。較佳的是，覆蓋模具34出口處GI-POF 12a和12b的溫度可以被控制設定成比允許耐熱溫度低20℃或更多的溫度。在圖3所示的實施例中，40℃到50℃的溫度是較佳的。
當使用自來水(溫度為5-25℃)執行冷卻池36中的冷卻時，可以抑制衰減的增加。當使用溫度為5℃到-20℃的冷卻劑，如60％的乙二醇溶液，執行快速冷卻時，可以以更穩定的方式抑制衰減的增加。
現在，參考本發明的實例和比較實例，詳細描述本發明。在以下的實例和比較實例中，使用以下材料，除非另外說明。
GI-POF全氟化GI-POF(全氟化非晶氟樹脂GI-POF)，其直徑為500μm，被PMMA樹脂覆蓋，由Asahi玻璃有限公司製造，並以Lucina的商標被推向市場。
分區隔板具有分區板部分，其十字形的截面形狀樣式如圖1的剖面示意圖所示，分區板部分的截面總長度為4mm(圖2中所示的Lt)，由低密度的聚乙烯製成，並在光纜製造前經過8小時80℃的熱處理。
受拉杆件有芳族聚醯胺連續纖維製成(由DuPont製造，並以Kevlaryarn的商標被推向市場)，外徑為1,140但尼爾。
覆蓋樹脂(包層)由軟氯乙烯製成(由Riken乙烯工業有限公司製造)，其厚度為0.4mm，硬度為80肖氏A硬度。
在以下的實例和比較實例中，根據圖3所示的方法製造光纜。
實例1使用分區隔板，其中各個分區板部分截面的L為1mm，W為0.5mm，K為0.75mm，截面的總長度為4mm，在分離狹槽中對角並分離地提供兩根GI-POF和兩根受拉杆件，以此製造光纜。
實例2使用分區隔板，其中各個分區板部分截面的L為0.8mm，W為0.3mm，K為1.05mm，截面的總長度為4mm，在分離狹槽中對角並分離地提供兩根GI-POF和兩根受拉杆件，以此製造光纜。
實例3以實例1的方法製造光纜，除了包層由軟氯乙烯樹脂製成，其硬度為95肖氏A硬度。
實例4使用分區隔板，其形狀與實例1相同，其中軸部分中徑向容納直徑為0.4mm、帶有芳族聚醯胺連續纖維的FRP線，在分離狹槽中對角提供GI-POF，以此製造在剩餘分離狹槽中不提供任何受拉杆件的光纜。
比較實例1使用分區隔板，其中各個分區板部分截面的L為0.5mm(也就是分區板部分沒有放大部分)，W為0.5mm，K為1.25mm，截面的總長度為4mm，在分離狹槽中對角並分離地提供兩根GI-POF和兩根受拉杆件，以此製造光纜。
根據以下方法，相對於實例1-4和比較實例1中製造的光纜，進行耐壓碎性評價和拉伸測試。耐壓碎性的評價結果如表1所示，拉伸測試的結果如表2所示。進行連續測量，使用850nm的LD(雷射二極體)觀察耐壓碎性評價和拉伸測試中光纖的衰減。
耐壓碎性評價根據JIS C6836中所述的方法，在10cm長度的範圍上向光纖施加每根光纖700N的負荷(每兩根光纖1400N)三分鐘，而後釋放壓力。
耐壓碎性評價的標準為釋放壓力之後一分鐘內，與測試之前的衰減相比，衰減增量為0.2dB或更小。
拉伸測試向光纜施加220N的拉伸負荷，相對於每根光纜測量延伸率和衰減值的增量。標準是在施加拉伸負荷期間，延伸率為2％或更小，衰減增量為1dB或更小，並且在釋放拉伸負荷之後，衰減增量為0.2dB或更小。
如表1所示，實例2和3的電纜滿足耐壓碎性標準，雖然施加拉伸負荷期間的衰減值超出了標準。實例1中的電纜可以通過調節分區板部分的厚度，而改進耐壓碎性。相對於覆蓋樹脂的肖氏A硬度，實例3中的「95」為允許值。
如表2所示，將延伸率抑制在2％或更小，並且相對於帶有實例1和2中受拉杆件電纜，在釋放拉伸負荷之後不增加衰減。
表1
表2
根據本發明的光纜具有較好的耐熱性和彎曲機械性質，並能夠抑制衰減增加。本發明可以使用塑料光纖，尤其是GI-POF，作為光纖，以提供耐壓碎性、機械性質和熱耐久性較佳的光纜。
通過引用其全文，將2001年2月28日提交的日本專利申請號2001-53625的全部內容結合於此，其中包括說明書、權利要求書、附圖和摘要。
權利要求
1.一種光纖電纜，其特徵在於，它包括包層所圍繞空間中容納的兩個或多個光纖和分區隔板；分區隔板包括軸部分和多個分區板部分；分區隔板的截面形狀為分區板部分從軸部分向包層的內環表面徑向延伸；和每個分區板部分的前端都帶有接觸包層內環表面的放大部分，和連接放大部分和軸部分的連接部分；其中分區板部分將包層圍繞的空間分成多個分離的狹槽，分配各個光纖，使得所述兩個或多個光纖不在一個分離狹槽中。
2.如權利要求1所述的光纖電纜，其特徵在於，分區隔板的截面形狀符合以下關係(1)和(2)，其中每個放大部分在垂直於徑向的方向上具有最大尺寸L，每個連接部分在徑向上具有長度K，每個連接部分在垂直於徑向的方向上具有尺寸W，每個光纖具有外直徑RL-W≥R (1)K≥R (2)
3.如權利要求1或2所述的光纖電纜，其特徵在於，光纖包括分級折射率塑料光纖。
4.如權利要求1到3中任何一條所述的光纖電纜，其特徵在於，在分離狹槽中提供至少一個受拉杆件，而非在其中提供光纖。
5.如權利要求1到4中任何一條所述的光纖電纜，其特徵在於，在分離狹槽中提供電力線和信息傳輸線中的至少一種，而非在其中提供光纖。
6.如權利要求1到5中任何一條所述的光纖電纜，其特徵在於，包層的硬度不高於95肖氏A硬度。
7.如權利要求6所述的光纖電纜，其特徵在於，包層由熱塑樹脂製成，並且該熱塑樹脂選自軟氯乙烯、氯化聚乙烯和軟聚乙烯。
8.一種製備權利要求1到7中任何一條所定義光纖電纜的方法，該方法包括將光纖分配在分區隔板中，然後用樹脂擠壓機中壓出的熱塑樹脂形成包層。
9.如權利要求8所述的光纖電纜製備方法，其特徵在於，還包括在製備光纖電纜之前，將分區隔板放在70-90℃的熱環境中熱處理。
全文摘要
一種光纖電纜,它包括包層所圍繞空間中容納的軸部分和多個分區板部分;軸部分和分區板的截面形狀為分區板部分從軸部分向包層的內環表面徑向延伸;其中分區板部分將空間分成多個分離的狹槽,分區板部分的前端帶有接觸包層內環表面的放大部分,和連接放大部分和軸部分的連接部分,分配各個光纖,使得所述兩個或多個光纖不在單個分離狹槽中。
文檔編號G02B6/44GK1373382SQ0210662
公開日2002年10月9日 申請日期2002年2月28日 優先權日2001年2月28日
發明者松山祥孝 申請人:旭硝子株式會社