专利名称：光纤带和减缓损耗的方法
技术领域：
本发明一般涉及纤维光学，具体的讲，本发明涉及一种用于减缓光纤带中损耗的装置和方法。
背景技术：
通常，光传输系统工作在光波长的O波段，即，1260至约1310纳米(nm)处。然而，因为现在越来越多的数据通过这些系统进行传输，所以目前正研制在较长波长处工作的较高比特率系统。随着较高比特率传输系统的正在研制，就需要新的光纤设计具有理想的光学性质以进行高比特率例如40Gbits/sec或更高的有效E-、C-、L-和U-波段传输，即分别在1360至1460、1530至1565、1565至1625、1625至1675nm的波长处。但下一代的光纤可能更敏感于微弯曲，这是因为其具有较大的有效面积，而该较大的有效面积是处理较高功率密度波分复用(WDM)传输所需的。
从光纤研制之初开始，由光纤弯曲所引起的额外光学传输损耗已经在本领域中被评述和讨论过。而且，也已经知道微弯曲损耗在光的较长波长处显著增加。因此，当希望以较高比特率在较长距离上进行传输时，总是将传输波段区域(location)移至较长波长处。然而，这些光纤具有较大的有效面积，因而经常难于达到期望的衰减水平。另外，这类光纤也会更敏感于偏振模式色散(PMD)。
作为用来遏制较长波长处由于施加微弯曲而引起衰减增加的方法，已经设计出一种实验室试验来再现这种现象。图1和2示出缠绕在生产线轴(production spool)上的典型12光纤带的衰减光谱扫描与施加特定微弯曲的实验心轴组件的对比。图1和2示出在L-和U-波段区域周围衰减级的显著增加和波动。
另外，授予Cain等人的美国专利US5,062,685披露了在多层聚合物涂层中含有一根或多根玻璃光纤的光缆。该多层涂层包括一个织构化聚合物外层和至少一个设置在该织构化聚合物外层与玻璃光纤间的软缓冲层，该缓冲层包含有低Tg的聚合物，而且优选的是具有这样的层厚度，即该层厚度至少足以在0℃-60℃范围内的介质工作温度下在光通信介质内保持低于0.5db/km的热诱导微弯曲损耗。
然而，Cain等人披露的这种光缆是为吹入安装进现有管道支架而设计的，并不是设计用于铺设在野外的新型光缆。另外，希望微弯曲损耗的减少大于0.5db/km，并且希望有一种能够有效工作在0℃-60℃温度范围外的光缆。此外，在信号波长约为1300纳米(nm)时，Cain等人提出的光缆的微弯曲损耗被减小。从而，希望在更宽的温度范围和比1300纳米(nm)更长的波长处减小微弯曲损耗。
因此，迄今为止，在工业上就存在着解决上述和/或其它与光纤微弯曲/变形有关缺陷和不足的需要。
发明内容
本发明提供一种用于减缓光缆中损耗的装置和方法。其中，主要描述的这种光缆的一个实施例包括一个外套；和一个设置在该外套内的光纤带，其中该带包括多于一根的光纤和设置在光纤上的至少两个不同的基质涂层，这些涂层具有不同的性质。这两个基质涂层可以包括一个底涂层和一个外涂层，其中底涂层覆盖单个的光纤并填满其间的孔隙，外涂层设置在底涂层上并包围底涂层，由此形成光纤带。在一个优选实施例中，底涂层是一个软涂层，而外涂层可以是一个较硬的涂层。
具有在光纤上设置有至少两个不同基质涂层的光纤带有许多优点。例如，不同材料特性的结合(即“硬”涂层涂覆在“软”涂层上)就促使能很容易地处理单个光纤，而不需要任何专门工具。另外，这种双基质或多基质带设计保持了产业上提出的光纤操作要求。此外，这种双基质或多基质带设计适合产业上标准的单熔化和多熔化结合要求。
本发明同时也提供用来减缓光缆中光学损耗的方法。在这点上，其中这类方法的一个实施例可以宽范地概括为下列步骤提供一个光纤带，其中所述带包括多于一根的光纤，至少两个不同的基质涂层设置在所述光纤上，这些涂层具有不同的性质；和用波长的C-波段、L-波段和U-波段的至少一个来进行传输。
很明显，本发明的一些实施例显示出除上述提到优点外的很多优点。另外，在参阅下面的附图和详细描述的基础上，本领域的熟练人员将更明白本发明的其它系统、方法、特征和优点。所有这些附加的系统、方法、特征和优点都应包括在本说明中、并处于本发明的范围内且由所附权利要求来保护。
参看下面的附图会更好的理解本发明的很多方面。附图中的部件并不必按比例绘制，相反，其重点在于清楚的图示出本发明的原理。而且，在附图中，类似的参考标记表示整个几幅图中相应的部件。
图1是描绘一种现有技术光纤带的光谱损耗的曲线图，示出一个在1383nm周围的典型水峰(water peak)；图2是描绘一种现有技术光纤带其光谱损耗的曲线图，用来指示在光波长的C-、L-和U-波段处的微弯曲；图3是本发明一个光纤带实施例的侧剖面图；图4是图3光纤带的分解局部图；图5是底涂层与外涂层厚度的比率(22∶21)对光纤第一级包层涂层界面上的压力的影响的分析模拟图表，其中的光纤第一级包层涂层界面用在图3的光纤带内；图6是用在图3光纤带内、典型UV丙烯酸脂基质材料的弹性模量作为温度函数的图表；图7是用在图3光纤带内、典型UV丙烯酸脂基质材料的δtan(tan-delta)作为温度函数的图表，其中该tan-delta曲线的峰值表示所列材料的各个玻璃转化温度Tg；图8是用在图3光纤带内、底涂层与外涂层UV丙烯酸脂基质材料的弹性模量比率作为湿度函数的图表；图9是在典型的O、C和L波段传输波长处、对比单层基质光纤带和双层基质光纤带其衰减的柱状图；图10是对于在典型的O、C和L波段传输波长处、单层基质光纤带和双层基质光纤带、对比图6中衰减变化的柱状图。
具体实施例方式
新颖的带设计被期望能减缓位于适当光缆设计中的光纤，以将由下一代光纤对微弯曲的高敏感性而引起的微弯曲损耗及诸如热载荷和粗糙的芯-管表面引起的环境应力降至最小。本发明包括在光纤带结构和含有该光纤带结构的光缆中的双层或多层基质涂层。优选的是，这些层包括至少一个相对软的内涂层和至少一个相对硬的外涂层，类似于在光纤结构中经常采用的第一层和第二层。这些基质涂层的重要特性是其厚度的比率、其弹性模量的比率及其玻璃转化温度(Tg)的差别。
在这点上，参看附图。图3示出本发明光纤带10一个实施例的侧剖面图。该带10包括至少两根光纤11、第一底涂层13和至少一个第二外涂层12。光纤11优选在水平面上彼此相邻设置，以使其外层彼此邻接。在光纤11周围设置该第一底涂层材料13，以涂覆单个光纤11并填满其间的间隙。外涂层12设置在底涂层13之上并围绕底涂层13。尽管图3的带10描绘的是一个12-光纤带，但是应当理解，任何光纤数的带都可以用作本发明的带10，包括但不限于2-光纤、4-光纤、6-光纤、8-光纤、12-光纤和/或24-光纤带。
图4是图3光纤带一部分的放大图。示出了光纤11上外涂层覆盖21的厚度和底涂层覆盖22的厚度，以及整个底涂层覆盖的厚度23和整个带的厚度24。外涂层覆盖21的厚度可在约20微米(μm)至约100微米的范围内。底涂层覆盖22的厚度可在约25微米(μm)至约50微米的范围内。
对于用来减缓施加给光纤的外应力或压力并从而提高微弯曲损耗性能的规定带设计，底涂层覆盖22与外涂层覆盖21的覆盖厚度比是很重要的，如图5所示。在给定的整个带厚度24处覆盖厚度的最佳比率是重要的，这是因为给定的带设计应当符合标准光缆尺寸。
底涂层与外涂层的覆盖厚度比(22∶21)可在约0.5至2.0的范围内。优选的是，底涂层与外涂层的覆盖厚度比在约0.7至1.4的范围内。在一个优选实施例中，整个的底涂层厚度23大约是300微米(μm)，由此整个带厚度24大约是340微米(μm)。
与所期望工作温度范围上的温度有关的基质模量的特性也是设计很重要的一方面。用在该双涂层光纤带10中的各种丙烯酸酯材料(标记作A、B、C和D)的弹性模量曲线示出在图6中。同时，对应的tan-detla(δtan)曲线示出在图7中。图7中tan-detla的峰值一般表示材料的玻璃转化点，在该点处材料从“橡胶”态转变成“玻璃”态。如上所述的这种UV可固化基质A例如可以是一种包括树脂、稀释剂和光引发剂的混合物。该树脂可以包括脂肪族或芳香族氨基甲酸乙酯丙烯酸酯和/或环氧丙烯酸酯/丙烯酸甲酯。稀释剂可以包括具有100-1000道尔顿分子量的单功能或多功能丙烯酸酯。对于光引发剂，可以包括例如酮式化合物，像1-羟基环己基二苯甲酮、二乙氧基苯乙酮、苯乙酮、二苯甲酮、二苯乙醇、蒽醌和苯甲基乙烷缩酮。基质A可以包括例如约50-90重量百分比的树脂、约5-10重量百分比的稀释剂和约1-10重量百分比的光引发剂。也可添加含有硅(Si)和氟(F)原子的添加剂来改进基质材料的脱模性质。一种合适材料的例子包括由Illinois州的Elgin的DSM Desotech公司制造、市场上可买到的DSM9-109TM。应当注意，本发明决不限于这种材料，而是包括任何满足此处所述规格的基质材料。
具体到光缆，Tg是很重要的，这是因为光缆可能会处于从-60℃变化至85℃温度的环境中。因此，如果带10是由具有至少两种不同Tg的层组成，则当温度下降而且光缆既受到热载荷又受到外载荷时，带10将借助于处于“橡胶”态的材料优选是底涂层13来向光纤11提供缓冲。当光纤遭受到外载荷和/或热载荷时，与处于“玻璃”态的材料被施加这些载荷相比，橡胶状的底涂层13会对光纤提供更好的缓冲。
在一个优选实施例中，外涂层12和底涂层13是两种不同的UV丙烯酸酯材料，它们的玻璃化温度Tg差别很大而且模量的比很大。从而，希望底涂层13具有相对低的Tg，即图7中的D型。由于这种带10对热应力的坚固性，所以这就使带10尤其适用于低温的环境。在本发明一个优选实施例中的底涂层13可以具有约-60℃至约120℃范围内的Tg。底涂层13的Tg也可以处于约-43℃至约85℃的范围内。优选的是，外涂层12具有较高的Tg，从而“堆叠”这些Tg涂层来提供光缆可以工作的宽温度范围。
正如上文所述，光缆可以工作在约-60℃至约85℃范围内的任一温度处。因此，希望外涂层12具有稍微高于85℃的Tg，以使外涂层工作在玻璃态而不是橡胶态。由此，外涂层12可以具有约90℃至约150℃范围内的Tg。优选的是，外涂层12具有约120℃至约140℃范围内的Tg。希望使外涂层12工作在低于其Tg的温度处，以便光纤11和其优选的“橡胶”底涂层13被较坚硬外壳的玻璃态保护。因此，两种涂层的玻璃转化温度的差可以相差大约200℃。
从图6可以看出，底涂层材料和外涂层材料的Tg直接与每种材料的弹性模量有关。在一个优选实施例中，底涂层13相对较软，即具有相对低的模量。在室温处，底涂层13可以具有约1兆帕(Mpa)一直至1千兆帕(Gpa)范围内的模量。外涂层12可以具有约10兆帕(Mpa)一直至1千兆帕(Gpa)范围内的模量。
在本发明中，希望但并不要求具有外涂层模量与底涂层模量的很大比率，即底涂层大大软于外涂层，使得含有光纤11的带10被软的、橡胶态的底涂层13保护，从而光纤11能够变形而不会对其施加过度的应力，而且额外的相对硬且相对坚固的外涂层12进一步保护带13，使其免受外部施加的载荷和由环境温度循环引起的热载荷。在一个优选实施例中，在室温下底涂层弹性模量与外涂层弹性模量的比率处于约1.000至约0.005的范围内。底涂层和外涂层模量间比率的温度效应清楚地示出在图8中，这也是本发明的一个方面。
被设想用于本发明带10的例举材料的弹性模量示出在图6中。应当注意，图6示出的这些材料的弹性模量仅仅代表可能的带设计，而这些性质的实际参数可能会超出这些精确的规格，但仍旧是在本发明的范围之内。
在室温下，进行一个初步试验来对比当前生产式的标准12光纤带与本发明双涂层12光纤带10的微弯曲性能。试验产生的结果示出在图9的柱状图中。图9的结果是对于具有下列例举物理参数而制作的带10而言的·整个外涂层厚度24340微米(μm)·底涂层覆盖与外涂层覆盖的比率(22∶21)1.25·底涂层与外涂层基质模量的比率1.00图10是对于在波长O、C和L波段处的单层和双层基质光纤带、对比图9衰减变化的柱状图。特别注意的是，正如图9中所示，但在图10中描绘地更加清楚，与现有技术具有单层基质的传统12光纤带相比，对于本发明的带10，在波长的L波段处衰减可被减小大约0.09分贝/千米(dB/km)。因此，可以最终地确定，本发明光纤带的这种多层基质设计减小了和减缓了由微弯曲现象引起的的衰减和传输损耗，特别是在较高的波长处。
虽然本发明的带10特别适合于减小微弯曲损耗，但是也可将其应用扩展到用来降低光纤11对偏振模式色散(PMD)的敏感性。PMD不仅受光纤自身性质的极大影响，而且也受施加在光纤上的外界载荷像应力诱导载荷的影响。
本发明也包括减缓光缆内光损耗的方法。在这点上，其中这类方法的一个实施例包括提供一个光纤带10，该带10包括多于一根的光纤11和设置在光纤11上的至少两个不同基质涂层，这些涂层具有不同的性质；用波长的C-波段、L-波段和U-波段的至少一个来进行传输。提供光纤带10的步骤既包括单程处理又包括双程处理。光纤11上的两个涂层增强了带10减缓光缆内损耗的能力。
在该优选实施例方法中提供的两个基质涂层包括底涂层13和外涂层12。底涂层13覆盖单个的光纤11并填满其间的孔隙，外涂层12设置在底涂层13上并包围底涂层13，从而形成光纤带10。在光纤带19内设置的底涂层13和外涂层12具有上面描述的性质。在一个优选实施例中，当光纤11工作在L波长波段即约1625nm处时，底涂层13和外涂层12将衰减至少降低0.09dB/km。
具有在光纤上设置有至少两个不同基质涂层的光纤带有许多优点。例如，不同材料特性的结合(即“硬”涂层涂覆在“软”涂层上)就促使能很容易地处理单个光纤，而不需要任何专门工具。另外，这种双基质或多基质带设计支持了产业上提出的光纤操作要求。此外，这种双基质或多基质带设计适合产业上标准的单熔化和多熔化结合要求。因此，本发明的带设计不仅减缓损耗，而且在坚持产业标准的同时还具有许多别的优点。
应当强调的是，上述包括本发明任何“优选实施例”的实施例都仅仅是实施的可能实例，并且仅仅是为了清楚地理解本发明的基本原理而提出的。只要不基本脱离本发明的精神和原理，可以对上述的本发明实施例作出多种改变和改进。所有的这些改进和改变都应包括在本发明公开的范围内，并由下述的权利要求书来保护。
权利要求
1.一种光纤光缆，包括外套；和设置在所述外套内的光纤带(10)，其中所述带包括多于一根的光纤(11)和所述光纤带；其特征在于至少两个不同的基质涂层(12，13)设置在所述光纤上，这些涂层具有不同的性质，其中所述两个基质涂层包括一个底涂层(13)和一个外涂层(12)，所述底涂层具有约-60℃至约120℃范围内的玻璃转化温度，所述外涂层具有约90℃至约150℃范围内的玻璃转化温度。
2.权利要求1的光缆，其中所述光纤(11)用波长的C-波段、L-波段和U-波段的至少一个来进行传输。
3.权利要求1的光缆，其中所述底涂层(13)覆盖所述单个的光纤(11)并填满其间的空隙，所述外涂层(12)设置在所述底涂层上并包围所述底涂层，由此形成所述光纤带(10)。
4.权利要求3的光缆，其中所述底涂层(13)是一个软涂层，而所述外涂层(12)是一个硬涂层，而且所述底涂层和所述外涂层的玻璃转化温度具有很大的差别，所述两个涂层玻璃转化温度的差可达到约200℃。
5.权利要求4的光缆，其中所述底涂层的玻璃转化温度小于所述外涂层的玻璃转化温度。
6.权利要求3的光缆，其中所述底涂层(13)和所述外涂层(12)都具有一个单独的弹性模量，而且所述底涂层在室温处的弹性模量处于约1兆帕(Mpa)至约1千兆帕(Gpa)的范围内，所述外涂层在室温处的弹性模量处于约10Mpa至约1Gpa的范围内。
7.权利要求7的光缆，其中在室温处所述底涂层弹性模量与所述外涂层弹性模量的比率处于约1.000至约0.005的范围内。
8.权利要求1的光缆，其中所述底涂层(13)和所述外涂层(12)都形成一个对所述光纤的覆盖区，所述底涂层覆盖区(22)具有不同于所述外涂层覆盖区(21)的厚度，而且所述底涂层对所述光纤的覆盖区与所述外涂层对所述光纤的覆盖区的比率处于约0.5至约2.0的范围内。
9.权利要求3的光缆，其中所述底涂层的厚度大约是300微米，所述整个带的厚度大约是340微米。
10.一种减小在光纤传输中损耗的方法，包括提供一个光纤带，其中所述带包括多于一根的光纤和所述光纤带；其特征在于至少两个不同的基质涂层设置在所述光纤上，这些涂层具有不同的性质，其中所述两个基质涂层包括一个底涂层和一个外涂层，所述底涂层具有约-60℃至约120℃范围内的玻璃转化温度，所述外涂层具有约90℃至约150℃范围内的玻璃转化温度；和用波长的C-波段、L-波段和U-波段的至少一个来进行传输。
11.一种减小在光纤传输内偏振模式色散的方法，包括提供一个光纤带，其中所述带包括多于一根的光纤和所述光纤带；其特征在于至少两个不同的基质涂层设置在所述光纤上，这些涂层具有不同的性质，其中所述两个基质涂层包括一个底涂层和一个外涂层，所述底涂层具有约-60℃至约120℃范围内的玻璃转化温度，所述外涂层具有约90℃至约150℃范围内的玻璃转化温度；和用波长的C-波段、L-波段和U-波段的至少一个来进行传输。
全文摘要
本发明披露一种减缓损耗的光纤光缆，其中该光缆包括一个外套，和一个设置在该外套内的光纤带(10)，该带包括多于一根的光纤(11)和设置在光纤上的至少两个不同的基质涂层(12，13)，这些涂层具有不同的性质。优选的是，内涂层(13)是相对软的，且具有比相对坚硬的外涂层(12)较低的弹性模量。同时，本发明也披露一种减缓光纤传输中损耗的方法，包括提供一个光纤带，其中该带包括多于一根的光纤和设置在光纤上的至少两个不同的基质涂层，这些光纤具有不同的性质；和用波长的C－波段、L－波段和U－波段的至少一个来进行传输。
文档编号G02B6/44GK1484057SQ03142708
公开日2004年3月24日 申请日期2003年6月11日 优先权日2002年9月17日
发明者维迪安娜达·班格劳尔·昌德雷亚, 伍骄热, 肯尼思·维德·杰克逊, 维德 杰克逊, 维迪安娜达 班格劳尔 昌德雷亚 申请人:菲特尔美国公司