重新塗敷拼接的光纖段及其製作方法和設備的製作方法
2023-05-12 10:21:36
專利名稱：重新塗敷拼接的光纖段及其製作方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及重新塗復拼接的光纖段及其製作方法和設備。
將光纖應用推廣到經常處於惡劣條件的環境，如在水下電纜中，需要對光纖的物理性能提出更嚴格的要求，例如在強度方面。對於這些更高要求的應用也象對於其它較低要求的應用一樣，越來越常見的是要把不論是偶然性折斷的還是在作適當試驗時折斷的光纖拼接起來。此外，還可以將利用現有的製造工藝獲得的多段光纖拼接起來而得到特別長的光纖段。為了各方面的應用，將塗復材料從兩段光纖的端部去除而後端對端地熔融拼接在一起，提供一種合適的，以可容許的損耗將兩段玻璃纖維的端面連接起來的方法。然而，裸露的拼接光纖端部的重新塗復，仍然是一個有待解決的問題，特別是在需要保持與塗復光纖有關的尺寸和強度參數的嚴格要求時。
在美國專利4，410，561中公開了一種對拼接的光纖端部進行重新塗復的方法。該方法包括將已經去除原始塗復材料的拼接光纖端部及其鄰接部放入組合模具中的凹槽形腔內的步驟。凹槽的有效直徑要比每段光纖中保留有塗層部分的直徑略大一些。光纖的安置應該使得，當其易損的無塗復的拼接端部保持懸空而不與凹槽表面接觸時，只有光纖有塗復層部分的一部分同凹槽所限定的表面接觸。於是組合模具就會被復蓋而封住凹槽，而將合適的可固化塗層材料注入凹槽以重新塗復裸露的拼接光纖端部。當光纖端部以及沿原始塗層材料鄰接在徑向平面外表面的搭接部分處的原始塗層材料被去除時，重新塗復的材料便基本上沿著外露的徑向平面與鄰近的拼接光纖原始塗復部分接觸。隨後塗復材料固化，而得到一橫截面要比光纖上具有原始塗層材料處的截面大的重新塗復的拼接部分。
這種模壓過程提供了一個重新塗復的拼接件，然而，必須採取步驟以避免重新塗復材料中不希望有的殘留氣泡的數量。氣泡的存在，在光纖的隨後處理中可能導致應力的集中。這對於處在難以拼接的場所，並多年處在應力作用下的水下電纜中是特別不希望的。
氣泡似乎有三個來源。就是早已存在於重新塗復材料中的空氣，模壓過程中帶進來的空氣以及重新塗復材料固化時收縮期間形成的氣泡。由材料收縮形成的氣泡，勢必會集中在未裸露光纖部分的塗層材料和重新塗復材料之間的交界面上。這是由於固化時重新塗復材料脫離未裸露光纖部分上的塗復材料所引起的。
重新塗復材料與未裸露光纖部分上原始塗復材料之間的搭接不當，則是另一個問題。光纖的長期完整性、可能由於重新塗復材料的破損、造成與鄰近拼接端部分的光纖上的原始塗復材料的搭接不當而受到影響。它還可能導致現有的和重新塗復材料的剝落而使光纖裸露。
新近出現的另一個問題涉及到光纖在系留運載工具中的應用。在這些運載工具中，纏繞在松出裝置並與導向系統相連的光纖，隨運載工具的運動而松出來。此松出裝置包括有一段精確纏繞的光纖。
對於系留的運載工具來說，將光纖纏繞在松出裝置上，必須按照精確的方式來完成。否則松出可能遭到破壞。而且還發現，使用按現有工藝製作的重新塗復拼接光纖，是難以纏繞出精確部件來的。假如橫過光纖縱軸的重新塗復部分的橫截面與原始塗復的光纖的橫截面不一樣，那麼在松出裝置上的纏繞模式十之八九是不均勻的。這樣就會使光纖隨系運載工具的滑曳松出成了問題。
看來，要使重新塗復的拼接段與非拼接的光纖具有相同的橫截面，通過採用已有技術的方法和設備是不能實現的。重新塗復部分的橫截面必將較大，以便為重新塗復材料與鄰接在重新塗復端部的原始塗復材料部分提供搭接，否則除了通過裸露端部暴露的徑向面之外，同原始塗復材料的必要粘附將無法實現。當重新塗復部分的橫截面做得比原始塗復材料部分的橫截面大時，重新塗復部分的材料就會與鄰接在光纖重新塗復端部開頭上的原始塗復光纖段的邊緣部分粘附在一起，並補充了沿徑向面的粘附作用。
需要的、而且看來又是已有技術無法提供的，就是能夠用來提供相當長的，譬如可以用在系留運載工具導向裝置中的光纖段的重新塗復的光纖拼接。這樣的重新塗復拼接必須是容易實現的，必須具有與原始塗復光纖相同的橫截面，還必須在一段時間內使重新塗復材料粘附在原始塗復材料上且具有完整性。還要尋找一些用來塗復拼接光纖端部的方法和設備，實質上能夠避免形成氣泡的就更好。
上述的已有技術的拼接重新塗復的問題已為本發明提出來的重新塗復拼接件及其製造方法和設備所克服。將第一段光纖熔融粘接到第二段光纖上。在粘接之前要為每段光纖拼接作準備。這就要靠用化學的方法將每段光纖端部的塗復材料去除來實現。塗復材料的去除，為的是讓每段光纖的端部接近頂端處留出一裸露的光纖部分，並為了從裸露部分延伸到接近端部的光纖部分留出一錐形的原始塗層材料段。這樣，增加出來的一段表面就成了原始塗復材料和重新塗復材料之間的交界面。其結果是使原始塗復材料和重新塗復材料之間的粘附作用增強，從而保證了重新塗復材料在光纖段拼接部分上的完整性。進一步說，這就使拼接端部的重新塗復，在使橫過光纖縱軸的光纖拼接段的截面實質上不變的情況下得以完成。
在對光纖段拼接部分重新塗復的方法中，將兩段光纖中的每段端部的塗復材料去除，使得留下一裸露部分和一塗復材料成錐形的部分。拼接在一起的特別處理過的端部被安置在夾具的通道中，與上述端部鄰接並被夾持在位於夾具的相對端上的相對真空吸盤中的原始塗復部分也裝在夾具中。有一個注入口將所提供的重新塗復固化材料注入該通道中。此通道做成材料模塊的形式，而該材料對用來使重新塗復材料固化的輻照是透明的。此材料模塊架設在金屬支架上。沿支架的上表面有槽，此槽有一個拋光了的反射面，與上述通道對準並與其留有一定間隔。
本發明所述的方法和設備能夠保證覆蓋在光纖段拼接部分上的重新塗復材料均勻地固化。在可固化的重新塗復材料經注入口注入通道並使端部的裸露部分和錐形部分灌封之後，通過在適合的輻照下曝光而使其固化。金屬支架上的槽有一個拋物面形的橫截面。最好使通道位於此槽的拋物面的焦點上，以便使穿過光纖的輻射被該槽壁反射並交於未直接暴露在輻射下的光纖的外圍部分。其結果是使處在通道內的光纖部分的整個圓柱表面得到均勻的固化。
圖1為根據本發明為接受重新塗復材料而經特別處理過的兩段光纖拼接端部的透視圖;
圖2為根據已有技術的方法和設備為進行重新塗復而處理過的光纖段端部的透視圖;
圖3為將重新塗復材料塗敷其上之後圖2端部之一的側視圖;
圖4為將重新塗復材料塗敷其上之後圖1拼接端部之一的側視圖;
圖5為使塗復材料從光纖段的一部分上去除用的設備的原理圖;
圖6為對兩段光纖的拼接部分進行重新塗復用的設備的透視圖;
圖7為圖6所示設備中可以用來支持光纖段的拼接端部以便根據本發明進行塗復用的夾具的透視圖;
圖8為已有技術中用來支持拼接的光纖端部以便進行重新塗復用的夾具的透視圖;
圖9為纏繞在捲筒上的拼接光纖段的透視圖，其拼接部分是根據已有技術的方法重新塗復過的;
圖10為纏繞在捲筒上的拼接光纖段的透視圖，所示的拼接部分是根據本發明的方法重新塗復過的;
現在參見圖1，它表示拼接在一起形成接點35的兩段光纖，第一段32和第二段33的端部30-30。其中每段光纖都包括一根其上塗有塗復材料38的光導纖維36(見圖1)。眾所周知，光導纖維36包括一根芯和一包層。塗層光纖的外徑為250微米的數量級。至少部分地去除了塗復材料38的光纖裸露端部30-30，是通過諸如熔融粘接工藝拼接在一起的，此熔融粘接工藝已公開在D.L.Bisbee著的、標題為「光纖連接技術」的文章中，該文發表在1971年12月發行的貝爾系統技術雜誌Vol.50，No.10的3153頁開始。每段端部30的長度約為0.5英寸。拼接端部30-30的重新塗復是根據本發明的和設備進行的。
一般說來，重新塗復之前光纖段拼接端部如圖2所示。由圖中可以看出，塗復材料40已經從兩段光纖44和45的每段光纖端部42上去除，此兩段光纖44和45被拼接在一起形成接合點46。去除了塗復材料的那一部分，通常具有圓柱形管或者套筒的形狀。塗復材料暴露在外的端面47，通常位於與光纖的縱軸48一般為正交的平面內(見圖3)。在光纖段的端部被熔融粘接在一起之後，必須將其重新塗復。它可以通過使用如同美國專利4，627，942中公開的那樣一些設備和方法來實施。通常，重新塗復材料的一部分49，是越過光纖端部42的徑向端表面47並復蓋在原始塗復材料的一部分上的(見圖3)。這樣做是為了在原始塗復材料和重新塗復材料之間提供足夠的夾在兩面間的面積，以保證在一段時期內沿交界面之間塗復和重新塗復材料之間的完整性。
如從圖3中可清楚看出的，在沒有重疊的情況下，重新塗復材料49和原始塗復材料之間的界面，比原始塗復材料的截面的環形面積大不了多少。結果，原始塗復材料與重新塗復材料之間的粘附的可能性多少受到了限制。當然，可以對它增加重疊部分，但這造成橫過光纖縱軸的重新塗復光纖端截面超出有原始塗復材料光纖的截面。
使每段光纖除去了塗層的端部呈如圖1和圖4所示的形狀，就可以克服上述的問題。如從那些圖可看出的，從各自的端部30的一部分50將塗層材料38完全去除。而且，按一定方式從每一端部30靠近裸露部分50處將塗層材料的一管狀部分去除以便保留一錐形部分52。原始塗復材料的錐形部分52，具有一般截頭圓錐體形狀。換句話說，在拼接點35附近，從一實質上等於裸露部分50的未塗復包層的光纖橫斷面的橫斷面開始至原始塗層光纖的橫截面上，原始塗復材料是逐漸增加的。一般說來，從接縫35到錐形部分52開頭的距離，即裸露部分50的長度大約為0.64釐米或者更多一些，而原始塗復材料錐形部分的長度，至少要等於塗復光纖橫截面最大尺寸的三倍，但不得超過大約0.64釐米的值。
在去除塗復材料後保持塗復材料的這種外形，在重新進行塗復時是非常有利的。如從圖4中能夠清楚看到的，重新塗復材料51是沿著實質上比圖3中大的界面與原始塗復材料鄰接在一起的。其結果是使原始塗復材料38和重新塗復材料51之間具有堅實的面間接觸，以便提供充分的粘接和防止重新塗復材料從光纖段的拼接端部發生不希望有的脫落。
此外，重要地是，這樣增加的重新塗復材料51和原始塗復材料38的交界面間接觸，排除了如圖3中所用的重疊所需要的措施。結果，重新塗復端部30-30的截面就可能保持在實質上與其上具有原始塗復材料38的光纖相同的截面。換言之，沿其上有原始塗復材料38部分的塗復光纖及沿那些有重新塗復部分光纖的截面基本上是不變的。
在進行熔融粘接及重新塗復步驟以提供拼接光纖段之前，兩段光纖30-30的端部必須進行預處理。預處理包括將原始塗復材料從端部30的50部分完全去除。預處理還包括，去除接近50部分而橫截面沿著從50部分到鄰接在端部30上的塗復光纖方向上逐漸減少的那一部分原始塗復材料。
圖5中表示的是裝在容器55上的用來夾持光纖段32的夾具53。容器55中盛有合適的液體材料，如酸，可以用來將光纖端部30上的塗復材料去除，以便提供如圖1所示的外形。夾具53可以通過轉動凸輪57以適於作往復的垂直運動。
操作者將光纖32裝在夾具53中，並使接近光纖一端的光纖部分浸在容器55的液體材料中。這樣使塗復材料38從被浸的那部分上完全去除以形成裸露的部分。然後由操作者驅動凸輪57轉動。結果是使鄰接在裸露部分上的光纖端部30的一部分移動進入或者離開容器55中，在移動一或更多周期之後使塗復材料被局部去除。錐形部分52的外形，是容器55中液體材料的溫度和移動周期以及凸輪構形的函數。隨後操作者使裸露部分斷開，以提供所需長度的裸露部分50。
然後將按照上述方法去除了塗層材料的兩段光纖的端部拼接在一起，例如通過熔融粘接。拼接好的端部30-30現在已準備好將進行重新塗復。
圖6中給出一種從總體角度用編號60表示的，用來對拼接在一起的光纖段端部進行重新塗復的設備。該設備60包括一個底座62，它包括有沿底座62的縱軸相隔一段距離配置的兩條導軌64和66。在每條導軌64和66上裝有真空吸盤68。每個真空吸盤68又包括有通常是平行於底座縱軸伸展的凹槽71。凹槽71-71中的每一個都有一能夠夾持一段塗層光纖的橫截面。進一步說，凹槽71-71中的每個凹槽的壁都與真空源(圖中未示出)相連，以便在重新塗復過程中將塗層光纖夾持在凹槽中。
如從圖6中能進一步看到的(也見圖7)，底座62的中心部分73被略微提高在相鄰部分之上。該中心部分73包括一個橫截面為拋物面形狀的縱向伸展的輸送槽75。此輸送槽75被稱為反射腔，通常是在鋁製的底座上銑出來的。輸送槽75的表面是拋光的。
支撐在中心部分73上的是模塊80(參見圖6和圖7)。模塊80包括一個縱向伸展的凹槽82，該凹槽適用於夾持住兩段光纖的拼接端部。從模塊80的兩個角落向上伸出的是兩個定位銷84-84定位銷84-84用來使上模塊90同模塊80對準。這些模塊都是由透紫外輻射的材料製作的，例如樹脂玻璃(Plexiglas)紫外透明材料或等效的樹脂材料或石英。
上模塊90也包括一縱向伸展的凹槽92，該凹槽適合於同模塊80上的凹槽82配合，以便提供一條圍繞兩段拼接光纖端部的通道93。而且，上模塊90被固定到模塊80上，以便藉助四個螺栓94-94或其它適當的緊固裝置為那些端部提供一條緊密配合的凹槽。
當上模塊90被固定在下模塊80上時，通道93就與噴射嘴96相通(參見圖6)。噴射嘴96是按在重新塗復材料供應源上的，重新塗復材料最好與塗復拉制光纖所用的材料相同。這樣的材料例如可以是紫外固化的丙烯酸鹽材料。
鄰接在端部30-30上的光纖拼接段32和33部分，是被安放在吸盤68-68上的凹槽71-71中。在重新塗復工序中，施加真空使這些部分被夾持住。隨著這部分光纖段被夾持在真空吸盤68-68中，被拼接在一起的光纖段就被安排在由上模塊90和下模塊80的凹槽配合而形成的通道93中。
還應該看到，由上模塊90及下模塊80上的凹槽所形成的通道93是和反射腔75對準的。通道93和反射腔75的空間關係是這樣的，即將通道布置在反射腔拋物面形狀的焦點上。這樣安排的結果，實質上可使重新塗復材料由於對來自輻射源(沒有示出)的紫外輻射暴光的固化作用得到增強。這從對圖7和圖8的比較而可明顯看出來。圖8中描述了一個為使施加在拼接端部的重新塗復固化的已有技術的裝置100。當紫外輻射直接地穿過拼接端部分時，它射到一金屬基板99並被反射。反射輻射是不大可能直接射到重新塗復材料的下側的。因此，重新塗復材料不可能被均勻地固化。
另一方面，圖7所示的本發明的裝置實質上確保了重新塗復材料中固化的均勻性。紫外能量輻射通過光纖端部30-30並接觸到拋物面而被反射。因為重新塗復部是放置在拋物反射面的焦點上，所以反射輻射將會接觸到那些沒有直接暴露到發射輻射的重新塗復材料的邊緣部分，從而確保了固化的均勻性。
最終得到的產品是相對說來比較長的光纖段，它橫過光纖縱軸的截面實質上是不變的。橫過光纖縱軸的重新塗復拼接部分的截面實質上等於未拼接端部的截面。在將光纖纏繞到捲筒或其它松出裝置上時，橫截面的相等是特別有利的。而使用已有技術重新塗復，如前面所述，拼接部分的橫截面要比未拼接部分的大。結果，當這樣拼接部分隨光纖的旋繞側向並向外繞在捲筒上時，如圖9中箭頭101和102所示，繞出來的式樣是混亂的而產生不精確的纏繞。重新塗復材料的重疊部分49(見圖3和圖9)，會引起在同一層中相鄰匝之間和那些在拼接部分上面蓋住拼接部分的導體的相鄰匝數之間，在沿圖9中箭頭101所示方向上的不希望有的錯位。結果，使那些部分繞匝不能嵌套在相鄰層的相鄰匝之間。而且，加大了的接頭會引起直接覆蓋在拼接處光纖部分不希望有的凸起，如圖9中104，105，106及107部分所看到的那樣。這在當外層繞匝部分成為拼接部分及其相鄰繞匝之間的空隙中堵塞時，在松出期間可能造成意外的困難。用本發明的方法和裝置對拼接部分進行重新塗復，包括重新塗復部分及沒重新塗復部分的繞匝之間沒有任何間隙，能夠得到一種精確的纏繞式樣。
本發明的重新塗復技術，還有助於防止鄰近界面處氣泡的發生。氣泡勢必會被截留在原始塗復材料和重新塗復材料間的界面上。還有當施加重新塗復材料時，它收縮並勢必將氣泡從原始塗復材料向外抽到界面處。氣泡的存在是不希望的，尤其在交界面上，因為它可能對橫過界面的粘接水平產生有害的影響。已經發現，因為採用本發明的方法和設備能夠提供延伸了的界面，所以任何氣泡勢必朝光纖的外表面向外移動，而不滯留在重新拼接部分。
應該理解的是，上述方案是本發明的簡單說明。其它方案可由那些本技術領域中熟練的人員，利用本發明的原理推出，而將落入本發明的精神和範圍之內。
權利要求
1.一種拼接的光纖段，它由第一段和第二段光纖組成，所述第一及第二段光纖均由各自具有塗層材料作成外包層的光纖組成；上述第二段光纖有一個端部，與上述第一段光纖的端部拼接以便在其間形成一接合點，此拼接光纖段的特徵在於布置在上述接合點周圍並沿著由錐形表面構成的界面同每個端部上的塗層材料銜接的重新塗復材料，是從上述每個端部的光纖伸展到鄰接在上述每個端部的塗層光纖的一部分上的，其伸展方式是使橫過拼接光纖段縱軸的拼接光纖截面實質上保持不變。
2.如權利要求1所述的拼接光纖段，其中所述的重新塗復材料是與原始塗復材料相同的材料。
3.如權利要求1所述的拼接光纖段，其中所述的重新塗復材料與塗復材料之間界面伸展的距離，至少為塗層光纖直徑的三倍左右，但不得超過約0.64釐米的數值。
4.如權利要求1所述的拼接光纖段，其中每段光纖的每個端部，都包括一個與該端部的光纖銜接並鄰接在上述連接點上的圓柱形管部分的重新塗復材料，以及一個伸展在上述圓柱形管部分和鄰接在所述端部上的塗復光纖之間的錐形部分，所述錐形部分有一個環形截面，是在由上述圓柱管截面到塗層光纖的方向上逐漸減小的。
5.一種對於每段都具備外層塗復材料的光纖端部進行拼接及重新塗復的方法，它包括以下步驟將兩段光纖中每段光纖端部的塗復材料去除以便進行拼接，上述去除步驟的完成要使錐形塗復材料部分能夠保留在每個上述端部的一部分上;將一段光纖的端部接在另一段光纖的端部上以及將重新塗復材料覆蓋在光纖的端部，使其同每個端部上的錐形部分塗復材料的外表面接觸;覆蓋的完成要使橫過光纖縱軸重新塗復光纖端部的截面，基本上等於其上具有塗層材料的每段光纖的橫截面。
6.如權利要求5所述的方法，其中從一端部去除塗層材料步驟的完成，將使得接近光纖拼接端處的一個端部上面的塗復材料被剝去並從裸露部分延伸到鄰近端部的塗復光纖部分留下一錐形部分。
7.如權利要求6所述的方法，其中去除塗層的步驟包括將每個端部至少一個周期移動進入及離開盛有液體剝離材料浴槽的步驟。在該步驟中，光纖端部的一部分浸在液體剝離材料中，以便經過一段預定時間後使該塗層材料從該端部部分完全去除;之後，通過凸輪的轉動，使此端部的剩下部分在一周或更多周期中移動進入及離開剝離材料，從而使保留在端部剩下部分的塗層材料保持具有錐形的形狀，而其中剩餘塗層材料的錐形部分的幾何形狀，是該光纖端部運動進入其中以去除塗層材料所用浴槽溫度，周期的時間和凸輪形狀的函數。
8.如權利要求5所述方法，其中重新塗復材料是一種能固化的重新塗復材料，而該方法也包括用由一能源發出的輻射將重新塗復材料固化的步驟。
9.如權利要求8所述方法，其中所述的端部被安放在一彎曲的反射表面的焦點上，以便為固化重新塗復材料，穿過端部的發射輻射，反射而與未直接暴露在能源處的重新塗復材料的邊緣部分相互作用。
10.一種用來對拼接在一起的光纖段端部進行重新塗復的設備，包括用來夾持拼接在一起的靠近端部的光纖段部分的吸盤裝置;能夠提供一條通道的模具裝置，該通道可使拼接在一起的端部和處於被夾持在吸盤裝置中的部分與端部之間的那部分光纖能安放其中。能把可固化的重新塗復材料引進上述通道以使通道中端部重新塗復的注射裝置;能夠朝光纖的重新塗復部分發射能量與其作用的使重新塗復材料固化的輻射裝置;以及反射裝置，它由一個彎曲表面組成，是為了讓輻射能作反射運動通過重新塗復部分，而且使反射輻射能與未為上述輻射裝置發出輻射直接作用的重新塗復部分相互作用;其中，所述的表面具有拋物面形狀，而且所述通道與反射面的相對互相定位，使得該通道處於拋物面形反射面的焦點上。
全文摘要
兩段光纖的拼接端部(30—30)按一定方式進行重新塗敷，結果是使拼接光纖段橫過光纖縱軸截面實質上保持不變。這是以不損害固化的重新塗敷材料(51)與鄰接的原始塗敷材料(38)的粘接作用來達到的。為了提供這樣的重新塗敷部分，將原始塗敷材料去除以便拼接的去除方法是這樣的，以便在每段光纖端部留一錐形部分(52)。結果，使重新塗敷材料與原始塗敷材料之間的界面充分增大，以避免一部分重新塗敷材料重疊在靠近被拼接光纖部分上的原始塗敷材料上。而且，拼接了的重新塗敷端部被定位在拋物反射面(75)的焦點上，使得朝拼接端部發射以使重新塗敷材料固化的輻射的一部分被反射與未曝光的重新塗敷材料周圍部分作用，以保證固化的均勻性。
文檔編號G02B6/38GK1035484SQ88109240
公開日1989年9月13日 申請日期1988年12月15日 優先權日1987年12月16日
發明者羅爾夫·喬爾·達塞, 威廉·約瑟夫·赫德 申請人:美國電話電報公司