專利名稱：光纖帶和減緩損耗的方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及纖維光學，具體的講，本發(fā)明涉及一種用于減緩光纖帶中損耗的裝置和方法。
背景技術：
通常，光傳輸系統(tǒng)工作在光波長的O波段，即，1260至約1310納米(nm)處。然而，因為現在越來越多的數據通過這些系統(tǒng)進行傳輸，所以目前正研制在較長波長處工作的較高比特率系統(tǒng)。隨著較高比特率傳輸系統(tǒng)的正在研制，就需要新的光纖設計具有理想的光學性質以進行高比特率例如40Gbits/sec或更高的有效E-、C-、L-和U-波段傳輸，即分別在1360至1460、1530至1565、1565至1625、1625至1675nm的波長處。但下一代的光纖可能更敏感于微彎曲，這是因為其具有較大的有效面積，而該較大的有效面積是處理較高功率密度波分復用(WDM)傳輸所需的。
從光纖研制之初開始，由光纖彎曲所引起的額外光學傳輸損耗已經在本領域中被評述和討論過。而且，也已經知道微彎曲損耗在光的較長波長處顯著增加。因此，當希望以較高比特率在較長距離上進行傳輸時，總是將傳輸波段區(qū)域(location)移至較長波長處。然而，這些光纖具有較大的有效面積，因而經常難于達到期望的衰減水平。另外，這類光纖也會更敏感于偏振模式色散(PMD)。
作為用來遏制較長波長處由于施加微彎曲而引起衰減增加的方法，已經設計出一種實驗室試驗來再現這種現象。圖1和2示出纏繞在生產線軸(production spool)上的典型12光纖帶的衰減光譜掃描與施加特定微彎曲的實驗心軸組件的對比。圖1和2示出在L-和U-波段區(qū)域周圍衰減級的顯著增加和波動。
另外，授予Cain等人的美國專利US5,062,685披露了在多層聚合物涂層中含有一根或多根玻璃光纖的光纜。該多層涂層包括一個織構化聚合物外層和至少一個設置在該織構化聚合物外層與玻璃光纖間的軟緩沖層，該緩沖層包含有低Tg的聚合物，而且優(yōu)選的是具有這樣的層厚度，即該層厚度至少足以在0℃-60℃范圍內的介質工作溫度下在光通信介質內保持低于0.5db/km的熱誘導微彎曲損耗。
然而，Cain等人披露的這種光纜是為吹入安裝進現有管道支架而設計的，并不是設計用于鋪設在野外的新型光纜。另外，希望微彎曲損耗的減少大于0.5db/km，并且希望有一種能夠有效工作在0℃-60℃溫度范圍外的光纜。此外，在信號波長約為1300納米(nm)時，Cain等人提出的光纜的微彎曲損耗被減小。從而，希望在更寬的溫度范圍和比1300納米(nm)更長的波長處減小微彎曲損耗。
因此，迄今為止，在工業(yè)上就存在著解決上述和/或其它與光纖微彎曲/變形有關缺陷和不足的需要。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種用于減緩光纜中損耗的裝置和方法。其中，主要描述的這種光纜的一個實施例包括一個外套；和一個設置在該外套內的光纖帶，其中該帶包括多于一根的光纖和設置在光纖上的至少兩個不同的基質涂層，這些涂層具有不同的性質。這兩個基質涂層可以包括一個底涂層和一個外涂層，其中底涂層覆蓋單個的光纖并填滿其間的孔隙，外涂層設置在底涂層上并包圍底涂層，由此形成光纖帶。在一個優(yōu)選實施例中，底涂層是一個軟涂層，而外涂層可以是一個較硬的涂層。
具有在光纖上設置有至少兩個不同基質涂層的光纖帶有許多優(yōu)點。例如，不同材料特性的結合(即“硬”涂層涂覆在“軟”涂層上)就促使能很容易地處理單個光纖，而不需要任何專門工具。另外，這種雙基質或多基質帶設計保持了產業(yè)上提出的光纖操作要求。此外，這種雙基質或多基質帶設計適合產業(yè)上標準的單熔化和多熔化結合要求。
本發(fā)明同時也提供用來減緩光纜中光學損耗的方法。在這點上，其中這類方法的一個實施例可以寬范地概括為下列步驟提供一個光纖帶，其中所述帶包括多于一根的光纖，至少兩個不同的基質涂層設置在所述光纖上，這些涂層具有不同的性質；和用波長的C-波段、L-波段和U-波段的至少一個來進行傳輸。
很明顯，本發(fā)明的一些實施例顯示出除上述提到優(yōu)點外的很多優(yōu)點。另外，在參閱下面的附圖和詳細描述的基礎上，本領域的熟練人員將更明白本發(fā)明的其它系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點。所有這些附加的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點都應包括在本說明中、并處于本發(fā)明的范圍內且由所附權利要求來保護。


參看下面的附圖會更好的理解本發(fā)明的很多方面。附圖中的部件并不必按比例繪制，相反，其重點在于清楚的圖示出本發(fā)明的原理。而且，在附圖中，類似的參考標記表示整個幾幅圖中相應的部件。
圖1是描繪一種現有技術光纖帶的光譜損耗的曲線圖，示出一個在1383nm周圍的典型水峰(water peak)；圖2是描繪一種現有技術光纖帶其光譜損耗的曲線圖，用來指示在光波長的C-、L-和U-波段處的微彎曲；圖3是本發(fā)明一個光纖帶實施例的側剖面圖；圖4是圖3光纖帶的分解局部圖；圖5是底涂層與外涂層厚度的比率(22∶21)對光纖第一級包層涂層界面上的壓力的影響的分析模擬圖表，其中的光纖第一級包層涂層界面用在圖3的光纖帶內；圖6是用在圖3光纖帶內、典型UV丙烯酸脂基質材料的彈性模量作為溫度函數的圖表；圖7是用在圖3光纖帶內、典型UV丙烯酸脂基質材料的δtan(tan-delta)作為溫度函數的圖表，其中該tan-delta曲線的峰值表示所列材料的各個玻璃轉化溫度Tg；圖8是用在圖3光纖帶內、底涂層與外涂層UV丙烯酸脂基質材料的彈性模量比率作為濕度函數的圖表；圖9是在典型的O、C和L波段傳輸波長處、對比單層基質光纖帶和雙層基質光纖帶其衰減的柱狀圖；圖10是對于在典型的O、C和L波段傳輸波長處、單層基質光纖帶和雙層基質光纖帶、對比圖6中衰減變化的柱狀圖。
具體實施例方式
新穎的帶設計被期望能減緩位于適當光纜設計中的光纖，以將由下一代光纖對微彎曲的高敏感性而引起的微彎曲損耗及諸如熱載荷和粗糙的芯-管表面引起的環(huán)境應力降至最小。本發(fā)明包括在光纖帶結構和含有該光纖帶結構的光纜中的雙層或多層基質涂層。優(yōu)選的是，這些層包括至少一個相對軟的內涂層和至少一個相對硬的外涂層，類似于在光纖結構中經常采用的第一層和第二層。這些基質涂層的重要特性是其厚度的比率、其彈性模量的比率及其玻璃轉化溫度(Tg)的差別。
在這點上，參看附圖。圖3示出本發(fā)明光纖帶10一個實施例的側剖面圖。該帶10包括至少兩根光纖11、第一底涂層13和至少一個第二外涂層12。光纖11優(yōu)選在水平面上彼此相鄰設置，以使其外層彼此鄰接。在光纖11周圍設置該第一底涂層材料13，以涂覆單個光纖11并填滿其間的間隙。外涂層12設置在底涂層13之上并圍繞底涂層13。盡管圖3的帶10描繪的是一個12-光纖帶，但是應當理解，任何光纖數的帶都可以用作本發(fā)明的帶10，包括但不限于2-光纖、4-光纖、6-光纖、8-光纖、12-光纖和/或24-光纖帶。
圖4是圖3光纖帶一部分的放大圖。示出了光纖11上外涂層覆蓋21的厚度和底涂層覆蓋22的厚度，以及整個底涂層覆蓋的厚度23和整個帶的厚度24。外涂層覆蓋21的厚度可在約20微米(μm)至約100微米的范圍內。底涂層覆蓋22的厚度可在約25微米(μm)至約50微米的范圍內。
對于用來減緩施加給光纖的外應力或壓力并從而提高微彎曲損耗性能的規(guī)定帶設計，底涂層覆蓋22與外涂層覆蓋21的覆蓋厚度比是很重要的，如圖5所示。在給定的整個帶厚度24處覆蓋厚度的最佳比率是重要的，這是因為給定的帶設計應當符合標準光纜尺寸。
底涂層與外涂層的覆蓋厚度比(22∶21)可在約0.5至2.0的范圍內。優(yōu)選的是，底涂層與外涂層的覆蓋厚度比在約0.7至1.4的范圍內。在一個優(yōu)選實施例中，整個的底涂層厚度23大約是300微米(μm)，由此整個帶厚度24大約是340微米(μm)。
與所期望工作溫度范圍上的溫度有關的基質模量的特性也是設計很重要的一方面。用在該雙涂層光纖帶10中的各種丙烯酸酯材料(標記作A、B、C和D)的彈性模量曲線示出在圖6中。同時，對應的tan-detla(δtan)曲線示出在圖7中。圖7中tan-detla的峰值一般表示材料的玻璃轉化點，在該點處材料從“橡膠”態(tài)轉變成“玻璃”態(tài)。如上所述的這種UV可固化基質A例如可以是一種包括樹脂、稀釋劑和光引發(fā)劑的混合物。該樹脂可以包括脂肪族或芳香族氨基甲酸乙酯丙烯酸酯和/或環(huán)氧丙烯酸酯/丙烯酸甲酯。稀釋劑可以包括具有100-1000道爾頓分子量的單功能或多功能丙烯酸酯。對于光引發(fā)劑，可以包括例如酮式化合物，像1-羥基環(huán)己基二苯甲酮、二乙氧基苯乙酮、苯乙酮、二苯甲酮、二苯乙醇、蒽醌和苯甲基乙烷縮酮?；|A可以包括例如約50-90重量百分比的樹脂、約5-10重量百分比的稀釋劑和約1-10重量百分比的光引發(fā)劑。也可添加含有硅(Si)和氟(F)原子的添加劑來改進基質材料的脫模性質。一種合適材料的例子包括由Illinois州的Elgin的DSM Desotech公司制造、市場上可買到的DSM9-109TM。應當注意，本發(fā)明決不限于這種材料，而是包括任何滿足此處所述規(guī)格的基質材料。
具體到光纜，Tg是很重要的，這是因為光纜可能會處于從-60℃變化至85℃溫度的環(huán)境中。因此，如果帶10是由具有至少兩種不同Tg的層組成，則當溫度下降而且光纜既受到熱載荷又受到外載荷時，帶10將借助于處于“橡膠”態(tài)的材料優(yōu)選是底涂層13來向光纖11提供緩沖。當光纖遭受到外載荷和/或熱載荷時，與處于“玻璃”態(tài)的材料被施加這些載荷相比，橡膠狀的底涂層13會對光纖提供更好的緩沖。
在一個優(yōu)選實施例中，外涂層12和底涂層13是兩種不同的UV丙烯酸酯材料，它們的玻璃化溫度Tg差別很大而且模量的比很大。從而，希望底涂層13具有相對低的Tg，即圖7中的D型。由于這種帶10對熱應力的堅固性，所以這就使帶10尤其適用于低溫的環(huán)境。在本發(fā)明一個優(yōu)選實施例中的底涂層13可以具有約-60℃至約120℃范圍內的Tg。底涂層13的Tg也可以處于約-43℃至約85℃的范圍內。優(yōu)選的是，外涂層12具有較高的Tg，從而“堆疊”這些Tg涂層來提供光纜可以工作的寬溫度范圍。
正如上文所述，光纜可以工作在約-60℃至約85℃范圍內的任一溫度處。因此，希望外涂層12具有稍微高于85℃的Tg，以使外涂層工作在玻璃態(tài)而不是橡膠態(tài)。由此，外涂層12可以具有約90℃至約150℃范圍內的Tg。優(yōu)選的是，外涂層12具有約120℃至約140℃范圍內的Tg。希望使外涂層12工作在低于其Tg的溫度處，以便光纖11和其優(yōu)選的“橡膠”底涂層13被較堅硬外殼的玻璃態(tài)保護。因此，兩種涂層的玻璃轉化溫度的差可以相差大約200℃。
從圖6可以看出，底涂層材料和外涂層材料的Tg直接與每種材料的彈性模量有關。在一個優(yōu)選實施例中，底涂層13相對較軟，即具有相對低的模量。在室溫處，底涂層13可以具有約1兆帕(Mpa)一直至1千兆帕(Gpa)范圍內的模量。外涂層12可以具有約10兆帕(Mpa)一直至1千兆帕(Gpa)范圍內的模量。
在本發(fā)明中，希望但并不要求具有外涂層模量與底涂層模量的很大比率，即底涂層大大軟于外涂層，使得含有光纖11的帶10被軟的、橡膠態(tài)的底涂層13保護，從而光纖11能夠變形而不會對其施加過度的應力，而且額外的相對硬且相對堅固的外涂層12進一步保護帶13，使其免受外部施加的載荷和由環(huán)境溫度循環(huán)引起的熱載荷。在一個優(yōu)選實施例中，在室溫下底涂層彈性模量與外涂層彈性模量的比率處于約1.000至約0.005的范圍內。底涂層和外涂層模量間比率的溫度效應清楚地示出在圖8中，這也是本發(fā)明的一個方面。
被設想用于本發(fā)明帶10的例舉材料的彈性模量示出在圖6中。應當注意，圖6示出的這些材料的彈性模量僅僅代表可能的帶設計，而這些性質的實際參數可能會超出這些精確的規(guī)格，但仍舊是在本發(fā)明的范圍之內。
在室溫下，進行一個初步試驗來對比當前生產式的標準12光纖帶與本發(fā)明雙涂層12光纖帶10的微彎曲性能。試驗產生的結果示出在圖9的柱狀圖中。圖9的結果是對于具有下列例舉物理參數而制作的帶10而言的·整個外涂層厚度24340微米(μm)·底涂層覆蓋與外涂層覆蓋的比率(22∶21)1.25·底涂層與外涂層基質模量的比率1.00圖10是對于在波長O、C和L波段處的單層和雙層基質光纖帶、對比圖9衰減變化的柱狀圖。特別注意的是，正如圖9中所示，但在圖10中描繪地更加清楚，與現有技術具有單層基質的傳統(tǒng)12光纖帶相比，對于本發(fā)明的帶10，在波長的L波段處衰減可被減小大約0.09分貝/千米(dB/km)。因此，可以最終地確定，本發(fā)明光纖帶的這種多層基質設計減小了和減緩了由微彎曲現象引起的的衰減和傳輸損耗，特別是在較高的波長處。
雖然本發(fā)明的帶10特別適合于減小微彎曲損耗，但是也可將其應用擴展到用來降低光纖11對偏振模式色散(PMD)的敏感性。PMD不僅受光纖自身性質的極大影響，而且也受施加在光纖上的外界載荷像應力誘導載荷的影響。
本發(fā)明也包括減緩光纜內光損耗的方法。在這點上，其中這類方法的一個實施例包括提供一個光纖帶10，該帶10包括多于一根的光纖11和設置在光纖11上的至少兩個不同基質涂層，這些涂層具有不同的性質；用波長的C-波段、L-波段和U-波段的至少一個來進行傳輸。提供光纖帶10的步驟既包括單程處理又包括雙程處理。光纖11上的兩個涂層增強了帶10減緩光纜內損耗的能力。
在該優(yōu)選實施例方法中提供的兩個基質涂層包括底涂層13和外涂層12。底涂層13覆蓋單個的光纖11并填滿其間的孔隙，外涂層12設置在底涂層13上并包圍底涂層13，從而形成光纖帶10。在光纖帶19內設置的底涂層13和外涂層12具有上面描述的性質。在一個優(yōu)選實施例中，當光纖11工作在L波長波段即約1625nm處時，底涂層13和外涂層12將衰減至少降低0.09dB/km。
具有在光纖上設置有至少兩個不同基質涂層的光纖帶有許多優(yōu)點。例如，不同材料特性的結合(即“硬”涂層涂覆在“軟”涂層上)就促使能很容易地處理單個光纖，而不需要任何專門工具。另外，這種雙基質或多基質帶設計支持了產業(yè)上提出的光纖操作要求。此外，這種雙基質或多基質帶設計適合產業(yè)上標準的單熔化和多熔化結合要求。因此，本發(fā)明的帶設計不僅減緩損耗，而且在堅持產業(yè)標準的同時還具有許多別的優(yōu)點。
應當強調的是，上述包括本發(fā)明任何“優(yōu)選實施例”的實施例都僅僅是實施的可能實例，并且僅僅是為了清楚地理解本發(fā)明的基本原理而提出的。只要不基本脫離本發(fā)明的精神和原理，可以對上述的本發(fā)明實施例作出多種改變和改進。所有的這些改進和改變都應包括在本發(fā)明公開的范圍內，并由下述的權利要求書來保護。
權利要求
1.一種光纖光纜，包括外套；和設置在所述外套內的光纖帶(10)，其中所述帶包括多于一根的光纖(11)和所述光纖帶；其特征在于至少兩個不同的基質涂層(12，13)設置在所述光纖上，這些涂層具有不同的性質，其中所述兩個基質涂層包括一個底涂層(13)和一個外涂層(12)，所述底涂層具有約-60℃至約120℃范圍內的玻璃轉化溫度，所述外涂層具有約90℃至約150℃范圍內的玻璃轉化溫度。
2.權利要求1的光纜，其中所述光纖(11)用波長的C-波段、L-波段和U-波段的至少一個來進行傳輸。
3.權利要求1的光纜，其中所述底涂層(13)覆蓋所述單個的光纖(11)并填滿其間的空隙，所述外涂層(12)設置在所述底涂層上并包圍所述底涂層，由此形成所述光纖帶(10)。
4.權利要求3的光纜，其中所述底涂層(13)是一個軟涂層，而所述外涂層(12)是一個硬涂層，而且所述底涂層和所述外涂層的玻璃轉化溫度具有很大的差別，所述兩個涂層玻璃轉化溫度的差可達到約200℃。
5.權利要求4的光纜，其中所述底涂層的玻璃轉化溫度小于所述外涂層的玻璃轉化溫度。
6.權利要求3的光纜，其中所述底涂層(13)和所述外涂層(12)都具有一個單獨的彈性模量，而且所述底涂層在室溫處的彈性模量處于約1兆帕(Mpa)至約1千兆帕(Gpa)的范圍內，所述外涂層在室溫處的彈性模量處于約10Mpa至約1Gpa的范圍內。
7.權利要求7的光纜，其中在室溫處所述底涂層彈性模量與所述外涂層彈性模量的比率處于約1.000至約0.005的范圍內。
8.權利要求1的光纜，其中所述底涂層(13)和所述外涂層(12)都形成一個對所述光纖的覆蓋區(qū)，所述底涂層覆蓋區(qū)(22)具有不同于所述外涂層覆蓋區(qū)(21)的厚度，而且所述底涂層對所述光纖的覆蓋區(qū)與所述外涂層對所述光纖的覆蓋區(qū)的比率處于約0.5至約2.0的范圍內。
9.權利要求3的光纜，其中所述底涂層的厚度大約是300微米，所述整個帶的厚度大約是340微米。
10.一種減小在光纖傳輸中損耗的方法，包括提供一個光纖帶，其中所述帶包括多于一根的光纖和所述光纖帶；其特征在于至少兩個不同的基質涂層設置在所述光纖上，這些涂層具有不同的性質，其中所述兩個基質涂層包括一個底涂層和一個外涂層，所述底涂層具有約-60℃至約120℃范圍內的玻璃轉化溫度，所述外涂層具有約90℃至約150℃范圍內的玻璃轉化溫度；和用波長的C-波段、L-波段和U-波段的至少一個來進行傳輸。
11.一種減小在光纖傳輸內偏振模式色散的方法，包括提供一個光纖帶，其中所述帶包括多于一根的光纖和所述光纖帶；其特征在于至少兩個不同的基質涂層設置在所述光纖上，這些涂層具有不同的性質，其中所述兩個基質涂層包括一個底涂層和一個外涂層，所述底涂層具有約-60℃至約120℃范圍內的玻璃轉化溫度，所述外涂層具有約90℃至約150℃范圍內的玻璃轉化溫度；和用波長的C-波段、L-波段和U-波段的至少一個來進行傳輸。
全文摘要
本發(fā)明披露一種減緩損耗的光纖光纜，其中該光纜包括一個外套，和一個設置在該外套內的光纖帶(10)，該帶包括多于一根的光纖(11)和設置在光纖上的至少兩個不同的基質涂層(12，13)，這些涂層具有不同的性質。優(yōu)選的是，內涂層(13)是相對軟的，且具有比相對堅硬的外涂層(12)較低的彈性模量。同時，本發(fā)明也披露一種減緩光纖傳輸中損耗的方法，包括提供一個光纖帶，其中該帶包括多于一根的光纖和設置在光纖上的至少兩個不同的基質涂層，這些光纖具有不同的性質；和用波長的C－波段、L－波段和U－波段的至少一個來進行傳輸。
文檔編號G02B6/44GK1484057SQ03142708
公開日2004年3月24日 申請日期2003年6月11日 優(yōu)先權日2002年9月17日
發(fā)明者維迪安娜達·班格勞爾·昌德雷亞, 伍驕熱, 肯尼思·維德·杰克遜, 維德 杰克遜, 維迪安娜達 班格勞爾 昌德雷亞 申請人:菲特爾美國公司