CN1445567A - 带低收缩率缓冲层的光纤及其生产方法 - Google Patents

带低收缩率缓冲层的光纤及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带缓冲的光纤及其生产方法。带缓冲的光纤包括一根光纤和一缓冲层，缓冲层通常包裹光纤并具有低收缩率特性，以便在象温度变化等情况下，仍能保证光纤的光学性能。在另一个实施例中，至少一条带缓冲的光纤可能是一光纤带。

Description

带低收缩率缓冲层的光纤及其生产方法
发明领域
本发明涉及光纤，特别是具有至少一缓冲层的光纤。
发明背景
光纤可以传输声音、视频和/或数据信息等信号，光纤是一种脆弱的硅基丝状导线束，并需要保护以保证其光学特性。比如，光纤不能被大角度和/或小角度弯曲，以防止其光学性能降低。
为了满足这些要求，光纤可能包括一保护层。比如，可在光纤周围包裹缓冲层以在光纤被弯曲时保护光纤。缓冲层可以松散地也可以紧密地布置在光纤周围。松散缓冲的光纤在光纤和缓冲层之间有一个较小的间隙，比如说100微米。而紧密缓冲的光纤的光纤和缓冲层之间的间隙更小甚至没有间隙。美国5,917,978号专利申请公开了一个松散缓冲的光纤的实例，在此一并讨论以供参考。此外，一界面层可能完全包围光纤以隔离缓冲层和光纤涂层，从而提高光纤和缓冲层之间的可剥离性。
带缓冲的光纤可以用作带缓冲的光纤互联组件，该带缓冲的光纤互联组件包括一根带缓冲的光纤和至少一个与之相连的光学连接器。带缓冲的光纤互联组件可以用于连接光学设备等。带缓冲的光纤互联组件的光学性能是可以测量的，比如通过测量其插入损失。插入损失是指在互联组件中损失的光信号的片断，通常采用分贝为测量单位。总的说来，插入损失导致传输的光信号变弱，因此插入损失是不合需要的。并且，如果光纤的末端面被分开的话，也会出现光信号的损失；因此光纤的末端面必须采用光连接器进行有效的连接加以维护。光纤和光纤的分离，由于两个玻璃末端界面中的某一个会发生菲涅尔反射，也会产生插入损失。
缓冲层通常采用挤压工艺制造，即将缓冲层制造材料在较高的温度下熔化，然后挤压在正通过比如十字头模具的光纤上。当缓冲材料被挤压在光纤上之后，使带缓冲的光纤通过一冷却水槽。当缓冲层材料如聚氯乙烯(PVC)冷却时，缓冲层材料会出现收缩。缓冲层的收缩会在光纤上产生无法预计的轴向压力，该压力会导致光纤上出现无法预计的大张力，从而导致无法预计的光纤性能的降低。
此外，还有其他一些导致光学性能降低的引起缓冲层收缩的原因。比如，在野外环境中，带缓冲的光纤互联组件要承受较大的环境温度和/或湿度变化。这些变化能够导致，比如，缓冲层的膨胀和收缩。缓冲层的膨胀和收缩产生的拉力和压力能够传送到互联组件内的光纤上，进而导致互联组件的光学性能降低。
发明综述
本发明为具有以下特征的带缓冲的光纤，光纤具有一纤芯，一包层和至少一涂层，缓冲层通常包裹光纤，其中，缓冲层的一部分通常和至少一涂层的一部分相接触。从带缓冲的光纤的第一末端开始算，缓冲层具有平均约3mm或更小的收缩量。
本发明也可为具有以下特征的带缓冲的光纤，该带缓冲的光纤包括一缓冲层，该缓冲层通常包裹光纤，并且，带缓冲的光纤作为互联组件的一部分，其中，互联组件在-40℃～85℃之间循环温度的热循环测试中、在基准波长约为1625nm时具有约0.04dB或更小的平均最大插入损失增量。
本发明可进一步为生产带缓冲的光纤的方法，包括：开卷放好至少一根光纤；在至少一根光纤周围挤压一缓冲层，带缓冲的光纤的一部分通常和至少一涂层的一部分相接触。其中，从带缓冲的光纤的第一末端开始算，缓冲层具有平均约3mm或更小的收缩量。
本发明还可进一步为具有以下特征的带缓冲的光纤，该带缓冲的光纤包含至少一根光纤，一缓冲层通常包裹光纤。从带缓冲的光纤的第一末端开始算，缓冲层具有平均约0.5mm或更小的收缩量。
本发明也可为具有以下特征的带缓冲的光纤，该带缓冲的光纤至少包含一根光纤，一缓冲层通常包裹光纤。其中，当50cm长的缓冲层从带缓冲的光纤的一端部剥离时，缓冲层具有约为5牛顿的平均剥离力。
附图简要说明
图1是依据本发明制造的示例性带缓冲的光纤的截面图。
图2所示柱状图比较了采用按照本发明要求的示例性缓冲层材料和采用传统用缓冲层材料制成的图1所示带缓冲的光纤的平均收缩率。
图3所示柱状图比较了在不同光源波长下，采用按照本发明要求的示例性缓冲层材料和采用传统用缓冲层材料制成的图3a所示带缓冲的光纤互联电缆组件的平均最大插入损失增量。
图3a是依照本发明的示例性带缓冲的光纤互联组件的示意图。
图4是用于生产本发明实施例光纤的示例性生产线的示意图。
图5是用于生产依照本发明的带缓冲的光纤的示例性挤压设备的截面示意图。
图5a是图5所示挤压设备的局部放大图。
图5b是从图5中线b-b处看过去的挤压设备出口面的局部放大图。
图6表示的是图1所示使用依据本发明的缓冲层材料制造的带缓冲的光纤的缓冲层的平均收缩率和工艺参数之间的关系。
图7表示的是图1所示使用依据本发明的缓冲层材料制造的带缓冲的光纤的缓冲层的平均收缩率和相对湿度之间的关系。
图7a表示的是图1所示依据本发明的缓冲层材料的缓冲层内径以及光纤的水分含量同相对湿度之间的关系。
图8是根据本发明的另一个实施例制造的示例性带缓冲的光纤的结构的截面图。
图9是依据本发明制造的带缓冲的光纤带的截面图。
图9a是根据本发明的另一个实施例制造的示例性带缓冲的光纤带的截面图。
发明的详细描述
参考图1，以示例性带缓冲的光纤10为参照描述本发明。带缓冲的光纤10包括至少一根光纤12，在其附近至少有一缓冲层14。依据本发明的缓冲层14具有低收缩率的特性以保证在温度变化和/或高湿度环境等条件下光纤的光学特性。缓冲层14的一部分能够和光纤10的涂层接触；在其他的实施例中，可以在缓冲层14和光纤12的外涂层之间插入界面层15。如果在缓冲层14和光纤12之间插入了界面层可以提高缓冲层14的尺寸控制和可剥离性。但是，在本发明中即使不采用界面层15，带缓冲的光纤10的可剥离性能依然可以得到保证。
缓冲层14可相对松散或紧密地布置在光纤12的周围。比如，光纤12的标称外径可以约为245微米，则缓冲层14的标称内径可以选择为255～350微米，255～320微米范围内更好，最好为255～270微米，而外径则可以高达900微米。当然，也可以选择其他的尺寸以提供合适的收缩率和可剥离性能。此外，在另一个实施例中，布置在光纤12周围的缓冲层14由许多层和/或材料构成。
不要把本发明中的缓冲层14和缓冲管相混淆。缓冲管典型结构包括一条或多条光纤放置在缓冲管中，光纤漂浮在防水油脂层中。而且，和置于其中的光纤的外径相比，缓冲管的内径相对较大。还有，防水油脂层也不能和界面层相混淆。防水油脂层的作用是抑制缓冲管中水的流动，而界面层的作用是提高光纤缓冲层的可剥离性。
在一个实施例中，采用了单模光纤12；当然也可以采用其他类型和/或结构的光纤，如光纤12可以是着色的、带状的、多模的、全模的、铒掺杂质的，极化保持光纤和/或其他适合的光导材料。每一光纤12都包含一个硅基的纤芯用于传输光，在纤芯上包裹了一折射指数比纤芯低的硅基包层。此外，在光纤12上可以有一层或多层的涂层，比如，在包层外是第一软性涂层，在第一软性涂层上涂以硬度较高的第二涂层。涂层可以采用墨水或其他适合标记等辨识手段进行区分，通常界面层被排除在外。纽约康宁公司可以提供合适的光纤。
也可使用由Teflon为主要材料制成的界面层15；此外，也可以使用其他合适的界面层，如UV丙烯酸酯和/或PVC。如果加入了界面层，界面层15就可以作为控制光纤12和缓冲层14之间的结合度的释放层，从而使得工作人员在进行终端程序期间，可以很容易地从光纤12上剥离缓冲层14。由于内径ID(图1)和/或缓冲层14选用的材料，本发明的实施例能够提供和传统的具有界面层的带缓冲的光纤相同或更好的剥离性能。在某些应用中，剥离较长长度的缓冲层14，如50cm或更长，是很便利的。但是，如果没有界面层15和需要剥离较长的长度，则需要不同的剥离技术，比如一种可实现长剥离长度的技术，首先在缓冲层14的预定剥离点处剪切和/或斫刻；然后，将从带缓冲的光纤10上移下的缓冲层14的部分平放在一平面上，并用胶带进行固定；最后，将光纤10从固定在桌面上的缓冲层14中抽出来。
发明人对根据本发明的带缓冲的光纤10进行了可剥离性实验，并和传统带缓冲的光纤的剥离性能进行了比较。发明人发现在采用本发明中示例性材料的前提下，随着光纤12标称外径和缓冲层14的标称内径ID之间距离的增加，通常剥离给定长度的缓冲层14所需的力会变小。但发明人也发现，随着光纤12标称外径和缓冲层14的标称内径ID之间距离的增加，在热变化等情况下，缓冲层14的收缩率通常会变大。缓冲层14收缩率的增加通常是不合需要的，因为其在热变化期间会降低光纤的光学性能，因此应当尽力避免增大缓冲层14的收缩率。
更具体地，从带缓冲的光纤上剥掉50cm长的缓冲材料。首先在带缓冲的光纤的预先确定好的位置处剪切，将要剥离的50cm长的缓冲层按照前面介绍的方法固定在平面上。将带缓冲的光纤未固定的一端通过滑轮插入拉力机。滑轮的直径为75mm，在其外表面缠胶带以降低带缓冲的光纤的摩擦力。拉力机用于检测和记录从带缓冲的光纤上剥离50cm长的缓冲材料所需的剥离力。每一样本要进行三次实验，将三次测量的平均值作为最终结果填入表1中，测量出完全剥离缓冲材料和带缓冲的光纤相对于缓冲层被固定部分初始运动时所需的力的峰值。并且测量出材料的从带缓冲的光纤移除的缓冲材料部分的间距为1mm～450mm之间范围的平均力。
明确地，依据本发明示例性材料的不含界面层的三个样品，和两种传统材料一起进行了剥离力性能测试。使用传统材料的样品具有基于Teflon材料的厚度约为5微米的界面层。表1中带星号的项是含有界面层的传统材料。根据本发明的三种样品采用的材料是马萨诸塞州Leominster的AlphaGary公司的热塑性合成橡胶(TPE)，商品名为GFO 9940DW。第一种传统材料是AlphaGary公司生产的PVC，商品名为GW2052S，第二种传统材料是密西西比州的Madison的NAP公司(Georgia Gulf Co.的分公司)生产的PVC，商品名为P1enex2400F。表1中列出了缓冲层的平均内径、剥离力测试结果和缓冲层的平均收缩率。在第一收缩率测试中，缓冲层平均收缩率是使用此处讨论的五个样品测得的。表1
缓冲层材料 缓冲层平均内径(微米) 剥离力峰值(N) 剥离力平均值(N) 缓冲层平均收缩率(mm)
GFO 9940DW  259  10.9  4.1  0.15
GFO 9940DW  326  12.6  0.2  1.10
GFO 9940DW  328  2.8  0.1  2.10
GW2052S*  265  18.9  7.2  0.96
2400F*  265  25.7  8.2  0.71
2400F*  267  11.9  6.1  3.08
在本发明的实施例中，缓冲层14在保持良好的剥离性能的同时有着较低的收缩率特性。比如，根据本发明的具有平均内径ID为259微米的实施例的平均剥离力比具有界面层且缓冲层内径较大的传统材料的平均剥离力要小。发明人研究了影响缓冲层14的收缩率特性的不同的方法和/或工艺，发明人发现：材料的选择、材料特性和/或工艺参数均可以用于控制缓冲层14的收缩率特性从而保证光纤的光学性能。更为明确的是，发明人在将许多材料和不同工艺参数进行组合并测定他们对缓冲层14的收缩率特性的影响后发现：具有低收缩率特性的缓冲层可以实质性地保证象带缓冲的光纤互联组件(图3a)等的光学特性。在此讨论的实施例是发明人确信能给出最佳结果的实施例；当然，依据本发明的思想，也可采用其他合适的材料与或不与其他工艺参数组合以得到合适的结果。
图2表示的是根据本发明实施例的缓冲层14的平均收缩率值，并与采用传统材料的缓冲层进行了比较。更为明确的是，进行试验的实施例中采用的缓冲层14的标称外径约为900微米、标称内径ID为260微米，光纤12的标称外径为245微米且没有界面层。传统带缓冲的光纤在光纤和传统缓冲材料之间有Teflon基的界面层。当然，本发明的思想也可以在有或没有界面层15和/或缓冲层具有其他合适尺寸的情况下得以实施。并且，试验结果可能会因为缓冲层14的内径ID和/或外径的变化而有所改变。
另外，工艺参数能够影响最终产品的特性。比如，图2中采用图形概括的本发明的实施例中采用的工艺参数为：约15英寸水银(Hg)的挤出真空，生产线速度约300米/分，水槽距离约为150mm。当然，也可以采用其他合适的工艺参数。比如，在不同生产线和/或不同设备上运行的实施例可能有着不同的工艺参数和/或不同的结果。此外，工艺参数的影响还要在此作更深入的讨论。
发明人进行了依据本发明的带缓冲的光纤10的样品的收缩率试验。并且，采用了两种不同的测试方案用于估计缓冲层14的性能。第一收缩率测试采用的样本为约1米长的带缓冲的光纤10。将样本置于温度约为150±2℃的温箱中5分钟后取出平放，约一个小时后，测量光纤12两端超出缓冲层14的部分的长度。对多个样本的测量结果取平均值作为第一测试方案的示例性平均收缩率值。第二收缩率测试采用的样本为约2米长的带缓冲的光纤10。将样本置于温度约为85±2℃、相对湿度约为85％的温箱中两个星期后取出，约一个小时后，测量光纤12两端超出缓冲层14的部分的长度。对多个样本的测量结果取平均值作为第二测试方案的示例性平均收缩率值。当然，在其他的平均收缩率测试中也可以采用其他合适的时间间隔和/或合适的样本长度。
柱22(图2)表示的是采用商品名为Plenex2400F的聚氯乙烯(PVC)材料的传统缓冲层在第一收缩率测试中测得的基准平均收缩率。对传统材料采用第一测试方案进行10次测量的平均收缩率约为5.4mm。传统缓冲层这种相对较高的收缩率可能导致象在光纤上产生压力和/或张力的情况，并导致光纤性能的降低。
某些材料和/或材料属性可能影响缓冲层14的收缩率特性。所涉及的材料，如热塑性合成橡胶(TPE)，和传统缓冲层材料相比，能够减小平均收缩率。当然采用其他合适的材料也可能达到相同的效果，比如热塑性聚亚胺酯(TPUs)。此外，与TPEs和TPUs具有相同材料属性和/或处在同等级、同族的材料和/或类似的混合物也可以达到减小平均收缩率的效果。
就材料属性而言，材料属性中的极限伸长范围、较好的硬度、开始熔化温度和/或交联机制均可能抑制缓冲层14的收缩率和/或保证光纤的性能。此外，其他合适的材料属性也会产生相应的影响，如，流变性质、拉伸模量、低结晶度和/或非晶形结构。当然，根据本发明的材料应满足带缓冲的光纤10对材料的全部要求。
根据本发明的一个方面，缓冲层14的材料具有预定的极限伸长范围，比如，采用ASTM D-412标准测量，极限伸长范围约为300％或更大，约为325％或更大更好，最好约为350％或更大。依据本发明思想选用的其他合适的材料可能有其他合适的极限伸长范围。当然，极限伸长范围通常是有限制的，比如达到使缓冲层难于剥离的程度。
本发明的另一个方面，采用ASTM D-2240标准，缓冲层14的材料具有50～60的肖氏D硬度。当然，硬度存在取值范围，比如在较小的硬度范围下，缓冲层就会难于剥离。
本发明的另一个方面，本发明用材料的开始熔化温度通常高于光缆的工作环境温度。开始熔化温度是指当熔化清晰可辨别时的最低温度。之所以要采用开始熔化温度是因为许多半结晶的聚合体没有明确的熔点。开始熔化温度可通过差示扫描量热法(DSC)加以测定。比如，根据本发明的合适的材料的开始熔化温度约为90℃或更高。当然，本发明中的材料的挤压温度通常高于其开始熔化温度。此外，具有阻止聚合体重新定位的交联机制能力也是有用的。
依据本发明思想的实施例的平均收缩率通常约为3mm或更小以保证光学性能。较好的平均收缩率为约2mm或更小，约1mm或更小则更好，最好为约0.5mm或更小。
图2也表示了本发明两种示例性材料在第一收缩率测试中的平均收缩率结果。柱24代表的是GFO 9940DW，一种热塑性合成橡胶(TPE)。已经测定出GFO 9940DW材料的平均第一测试收缩率约为0.2mm。GFO 9940DW的极限伸长范围约为650％(ASTM D-412)，肖氏D硬度约为48(ASTM D-2240)。
柱26代表的是密歇根州Wyandotte的BASF公司出售的商品名为Elastollan1154 D 10FHF的热塑性聚醚聚亚胺酯。Elastollan1154 D 10FHF的平均第一测试收缩率实质上为0.0mm，但为了说明起见，柱26显示为非零值。Elastollan1154 D 10 FHF的极限伸长范围约为350％(ASTM D-412)，肖氏D硬度约为58(ASTM D-2240)。
如图2中所示，和传统材料相比，两种示例性材料令人惊奇地减小了缓冲层14的平均收缩率。如，采用GFO 9940DW材料的缓冲层的收缩率仅为传统材料的4％，而采用Elastollan1154 D 10FHF则没有任何收缩率。在挤压螺旋体不运转时，Elastollan1154 D 10FHF往往会在其上发生硬化；当然采用不同的处理条件和/或添加剂会有助于避免出现这种问题。还有，在参与实验的两种示例性材料中，GFO 9940DW适合制造通用光纤(OFN)，Elastollan 1154 D 10FHF可能适合制造通用光纤(OFN)，但没有测试过。并且，在本发明的材料中还包括其他合适的添加剂以增强光纤的阻燃性能和/或加工性能。比如，缓冲层14可以按美国6,167,178号专利申请设计成具有阻燃性能的缓冲层，该主题在此一并叙述以供参考。缓冲层14中还可加入氢氧化铝，三氧化锑或其他合适的添加剂以提高缓冲层的阻燃性能。
本发明中示例性材料的低平均收缩率能够在像较高温度和/或较高湿度等环境变化中抑制光纤12承受的压力和/或张力。从而增强光纤12在环境变化时的光学性能。发明人对图2所示的实施例在变化的环境条件下(图3)进行了光学性能测试。
图3表示的是示例性带缓冲的光纤互联组件39(图3a)以分贝为单位的平均最大插入损失增量。在温度循环测试中，在1310nm、1550nm和1625nm三种光源波长下测得组件的平均最大插入损失增量。采用示例性材料和传统材料的带缓冲的光纤，包括单模光纤。
这里使用的插入损失增量是带缓冲的光纤互联组件的光学性能损失的一个量度。插入损失增量的产生是因为组件周围环境条件改变时，组件承受的压力和张力。插入损失增量不包括光纤、光纤连接器和/或接头在所处环境中的插入损失、固有衰减和其他损失。由于光纤的内在特性如反射率或不完整性等会使光纤产生一定的固有衰减损失。类似的，光纤连接器也会因为连接的光纤的纤芯未对准等因素而产生一定的插入损失。要测定插入损失增量，应首先测出光纤、光纤连接器和/或接头在所处环境条件下(如室内温度)的基准插入损失，然后从非环境条件插入损失中减去基准插入损失。非环境条件可以是导致带缓冲的光纤互联组件的光学性能降低的温度变化，所以一种方法是在测量带缓冲的光纤互联组件的光学性能时循环改变温度。
这里所用的温度循环测试方案是将长度为3.0±0.5m合适的光纤的两端和光纤连接器相连以构成带缓冲的光纤互联组件(下文中称互联组件)。将光纤连同连接器全部放在温箱中。在温箱内，将互联组件上的光纤连接器和其他合适的互联组件(通常具有与要测量的互联组件相类似的特性)配对联接，其他合适的互联组件又与适当的光学测量测试索具装备的输入端相连。让光信号通过互联组件，并测出环境温度为23℃时的基准插入损失。特别明确的是，温箱中的一个过程定义为：温度从23℃斜线上升至85℃，并保持该温度状态一个小时左右，然后将温度斜线下降至23℃，并保持在该温度状态一个小时左右；接下来，温度从23℃斜线下降至-40℃并保持在该温度状态1小时，然后将温度斜线上升至23℃并保持在该温度状态1小时。在两个温度状态之间的斜线上升或下降时间约为1个小时。在进入每一温度状态至少30分钟后测量该温度状态的插入损失。该过程要重复21次。测量出每个互联组件在整个温度循环测试中的最大插入损失。从最大插入损失减去基准插入损失再除以2用于计算光纤连接器对的最大插入损失增量。之所以要除2是因为在温度循环测试中互联组件的两个光纤连接器都放置在温箱中。
图3表示的是本发明的每种材料的五个样本在上述温度循环测试中测得的平均最大插入损失增量。柱32、32a、32b分别表示的是互联组件的平均最大插入损失增量，该互联组件包括带缓冲的光纤10，该光纤10具有采用传统材料Plenex 2400F制成的缓冲层14。测量插入损失所选用的光源波长如下：1310nm，损失约为0.032dB；1550nm，损失约为0.048dB；1625nm，损失约为0.051dB。
柱34、34a、34b分别表示的是互联组件的平均最大插入损失增量，该互联组件包括带缓冲的光纤10，该光纤10具有采用本发明的一种示例性材料GFO 9940DW制成的缓冲层14。测得的插入损失如下：波长1310nm，损失约为0.019dB；波长1550nm，损失约为0.019dB；波长1625nm，损失约为0.024dB。柱36、36a、36b分别表示的是互联组件的平均最大插入损失增量，该互联组件包括带缓冲的光纤10，该光纤10具有采用本发明的另一种示例性材料Elastollan1154D10FHF制成的缓冲层14。测得的插入损失如下：波长1310nm，损失约为0.022dB；波长1550nm，损失约为0.019dB；波长1625nm，损失约为0.027dB。
在温度循环测试中，和传统材料相比，本发明的示例性材料令人惊奇地降低了最大插入损失增量。如，在1625nm波长时，和传统材料Plenex2400F相比，Elastollan1154D10FHF和GFO 9940DW的平均最大插入损失增量降低了约50％。
如前所述，许多工艺参数均能影响根据本发明的缓冲层14的收缩率特性。其中影响最大的参数有：挤出真空、光纤水分含量、水槽距离、生产线速度和/或挤出比(DDR)。此外，挤压机温度曲线也会对收缩率特性产生影响。
图4表示的是用于生产带缓冲的光纤10的一条示例性生产线的示意图。光纤12通过放线轮42以合适的张力放出，光纤预热器44用于降低光纤中的水分含量。当然，光纤12中水分含量的降低可以在离线的状态下进行，或采用水分含量适当的光纤以省掉干燥过程。此外，如要使用界面层15，可通过涂层器45使之加在光纤12上，这一过程可象如图所示那样在线实现，也可离线实现。当然，该实施例的生产线可以去掉预热器44或涂层器45或两者都省掉。然后通过十字头挤压机46在光纤12周围挤压缓冲层14，这样就完成了带缓冲的光纤10的制造。水槽50用于冷却刚挤压后的温度较高的缓冲层14。水槽间距D是指十字头挤压机46的出口和水槽50入口之间的距离。带缓冲的光纤10通过水槽50后，通过牵引装置52缠绕在卷带盘54上。带缓冲的光纤10可以有两个温度区的水槽50中冷却，如第一温度区的温度约为40℃，第二温度区的温度约为15℃。当然也可以在水槽50中采用其他合适的水温和/或水温区。
图5、图5a、图5b是十字头挤压机46的示例性挤压工具100的示意图。作为示例，挤压工具100用于实施在光纤12周围挤压本发明的缓冲材料。当光纤12进入挤压工具100(图5)，本发明的缓冲材料在合适的温度和压力条件下被送入进料口102，并沿管道进入模具104和喷嘴106。缓冲材料在包裹光纤12后形成缓冲层14，从而完成带缓冲的光纤10的制造。
图5b是挤压工具100出口处的示意图。为说明起见，在出口处没有绘出缓冲材料或熔化物。在本发明的一个实施例中，喷嘴106具有一孔108，该孔108在喷嘴106的末端部分用于接收光纤12。喷嘴106的形状可以采用圆形或其他合适的形状以补充光纤12。喷嘴106的内径通常要比对应的光纤的直径和外径D1大。模具104包括一直径为D2的模具孔105。通常直径D1和D2要比加工好的缓冲层的内径d1和外径d2(图5a)大。这种挤出真空挤压使得缓冲层14的横截面通常都是圆的，如图1中的实施例中所示。在挤出真空处理中，喷嘴106的末端和模具104的端面是平齐的。
并且，本发明的实施例也可以采用其他的挤压工艺，比如采用不带挤出真空的管道挤压工艺或压力挤压工艺等。当然这些挤压工艺可能需要不同的生产设置。比如，不带挤出真空的管道挤压工艺无法快速和/或紧密地挤出缓冲层14，所以可能需要增加水槽距离D。而在压力挤压工艺中，所用模具孔105的尺寸通常要比管道加挤出真空工艺中的小。
图6表示的是采用本发明材料的缓冲层14的平均收缩率(mm)和挤出真空(英寸汞柱)的关系。更明确地，图6指出了采用GFO 9940DW材料制造的标称外径约为900微米的缓冲层14的平均收缩率和挤出真空在两个不同的收缩率测试中的关系。此外，和图6到图7a中数据相关的实施例的冷却所用水槽有两个温度区，温度分别为40℃/23℃，水槽距离D约为50mm，生产线速度约为150米/分钟，挤出比约为3.3。尽管未在图6中标明，缓冲层14的内径ID通常随挤出真空的增加而减小。
线60和62(图6)，分别表示的是缓冲层14在第一和第二收缩率测试中的平均收缩率。图6表明，当其他参数保持不变，随着挤出真空的增加缓冲层14的平均收缩率会相应减小。当挤出真空增加时，缓冲层14通常会被较紧地挤出在光纤12上，从而通过缓冲层14和光纤12之间的偶合而有助于减小缓冲层14的收缩率。尽管，通常较紧的缓冲层14可能比较难于实现将缓冲层14从光纤12上大长度剥离，但本发明的实施例同时具有低收缩率和良好的剥离特性。发明人确信当挤出真空增加到一定程度时，缓冲层14的收缩率就不会再减小了。
另一个影响缓冲层14的收缩率的参数是光纤12的水分含量。图7描述的是缓冲层14的平均第一测试收缩率和光纤12相对湿度条件(下文称湿度条件)之间的关系。更明确地，图7描述的是采用GFO 9940DW材料制造的缓冲层14的平均第一测试收缩率和湿度条件之间的关系。图7中的实施例的标称外径约为900微米，所用挤出真空为10英寸汞柱。如图7a所示，在其他参数都相等的条件下，随着湿度条件的增加，光纤12中的水分含量也会增加，缓冲层14的收缩率通常也增加。发明人认为光纤12中水分含量的增加会导致挤压过程中的除气作用，从而导致缓冲层内径的增加，其通常会导致缓冲层14在即将讨论的收缩率测试中的收缩率的增加。
发明人测量光纤12中水分含量以验证以上设想，水分含量以重量百分比表示，并以不同的相对湿度和相应的内径ID为条件。在这个实验中，采用GFO 9940DW材料的缓冲层的挤压温度曲线，从第一温度区到最后一个温度区约为170℃-215℃，挤出真空为10英寸汞柱，缓冲层的标称外径约为900微米。
图7a中的线74表明了光纤12中水分含量和湿度条件之间的关系。湿度条件的实现是通过将光纤12置入预先设定好湿度的干燥箱中至少48小时，从干燥箱中取出光纤12后立即进行带缓冲的光纤的生产。更明确地，光纤12从干燥箱中取出后，应立即置于挤压生产线上进行缓冲层包裹，这样可以避免光纤长时间暴露于周围的湿度环境中。如图所示，随着干燥箱中相对湿度的增加，光纤12的水分含量也随之增加。线76表示的缓冲层14的内径通常和光纤12的水分含量(线74)是相对应的。线76表明，当其他参数保持不变时，随着光纤12水分含量的增加，缓冲层14的内径通常也会增加。
比如，当光纤12中水分含量为0.13％时，缓冲层14的内径ID约为260微米，而当光纤12中水分含量为0.6％时，缓冲层14的内径ID则增加至约330微米。发明人将这一现象归因于缓冲层14在挤压过程中的除气作用。换言之，当温度较高的缓冲材料在光纤12上挤压时，光纤12中的水分会变成蒸汽从而导致缓冲层14内径的增大。为了控制制造公差和/或减小缓冲层14的收缩率就需要监测和/或控制光纤12中水分的含量。比如，当缓冲材料的挤压温度较高，超过了水的汽化温度时，可能就需要监测和/或控制光纤12中水分的含量。另一方面，象GFO 9940DW这样的材料，由于挤压温度相对较低，在生产过程中可能根本就不会发生除气作用。
许多不同的方法和/或技术可以用于控制和/或减少光纤12中水分的含量。比如在生产线中引入预热器44可以在挤压缓冲层14前干燥光纤12。光纤12也可以离线干燥和/或在生产前存储于比较干燥的环境中。当然，也可以采用其他合适的方法控制和/减少光纤12中水分的含量。
此外，发明人认为水槽距离D也能够影响缓冲层的平均收缩率，特别是在生产线速度增加时，水槽距离D对缓冲层平均收缩率的影响更大。水槽距离D的适宜范围为50～150mm，在50～80mm之间更好。但是，较长的水槽距离会因为重力等因素影响缓冲层14的几何变化。总的说来，较低的生产线速度和较长的水槽距离是有利的，因为这些参数能够使得被挤压的缓冲材料在通过水槽淬火前有足够的时间达到一种低应力的状态。换言之，这些参数改变了被挤压的材料在通过水槽冷却前变化为低应力状态的时间量，而材料一旦被冷却，其应力状态也就稳定下来了。通常，较低生产线速度意味着生产效率的下降，因此更高的生产线速度是有利的。然而，在某种程度上，生产线速度的增加可能需要通过改变水槽距离D来补偿以降低缓冲层14的收缩率和/或保证带缓冲的光纤10的光学性能。
另一个能够影响缓冲层14收缩率的工艺参数是挤出比。挤出比(DDR)可用如下公式求取： DDR = D 2 2 - D 1 2 d 2 2 - d 1 2
其中：D2-模具孔直径
      D1-喷嘴外径
      d2-缓冲层外径
      d1-缓冲层内径
比较常用的改变DDR的方法是改变喷嘴和模具工具，当然其他合适的方法也可以使用，比如改变模具104和喷嘴106之间的距离。较低的DDR有助于使被挤压的缓冲材料在淬火前达到低应力状态。DDR的取值范围为2.0～4.0，2.5～3.5更好，最好为3.3或更小。但是，此处讨论的工艺参数均是针对以GFO 9940DW为测试材料而言的。工艺参数对其他合适材料的影响可能会有所不同。
更进一步，本发明思想可能有助于提高带缓冲的光纤10在其他环境条件下和/或非温度循环测试中的光学性能，而不仅仅是温度循环测试。比如，本发明思想可以在热老化、潮湿老化、高湿度循环和/或其他适合的环境条件下提高光学性能。
并且，本发明思想也可以在其他合适的带缓冲的光纤结构上得以有效的实施。比如，图8所示的带缓冲的组件10′，两条带缓冲的光纤并排压在一起。带缓冲的组件10′的结构可参考2000年12月27日申请的美国09/749,001号专利申请，这里一并叙述以供参考。当然，其他合适的带缓冲的光纤压缩组件结构和/或构造也可以采用本发明思想。同样的，带缓冲的组件10′可以采用适合的连接器以构成互联组件。此外，本发明思想可与其他适合的组件、构造和/或结构一起实施。比如，本发明思想可以用于美国5,966,489号专利申请中的光缆和/或组件，在此一并叙述以供参考。
而且，本发明思想可以在其他适合的光纤结构中得以实施。比如，图9展示的带缓冲的光纤带10″，可以采用本发明思想也可以采用传统的缓冲材料。带缓冲的光纤带10″包含通常被缓冲层14包裹的光纤带92，当然，可以使用一条或多条含相同和/或不同数量光纤的光纤带92。带缓冲的光纤带10″在常用的扁平或方形结构中提供了相对较高的光纤密度。界面层15不是必须的，但也可以在光纤带92的外表面和/或内部加入。在一个实施例中，可很容易从光纤带92上剥离缓冲层14，例如，采用在缓冲层14中划槽口94或其他合适的方法。在另一个实施例中，缓冲层14可以采用抗紫外线基体从而比较容易地从光纤带92剥离。如图9a所示，带缓冲的光纤带10″进一步包含了一层或多层填料层以阻止缓冲层14在光纤带92之间出现楔形和/或将光纤带92的边缘光纤92a和缓冲层14分离开，以保证光纤的光学性能。
填料层96可以部分或全部覆盖光纤带92的表面。在另一个实施例中，一层或多层填料层96没有重叠、没有完全包围光纤带92和/或相互接触。填料层96的肖氏A硬度最好为60或更小，以降低材料硬度并提高去耦和缓冲效果。填料层96可以采用一种或几种适合的材料制造，比如，TPEs、TPUs、热塑性橡胶(TPRs)等。在另一个实施例中，填料层是一种泡沫聚合体。起泡沫可以通过机械的、化学的、注入气体或其他合适的方法实现。并且，其他一些具有较高阻燃性的聚合体可用作填料层96，起泡沫的或其他形式，如PVCs或聚偏二氟乙烯(PVDFs)。其他合适的阻燃填料层96可以使用的材料有Nomex，Kapton，和/或Mica等，且最好采用柔软的编织基体以保证光纤的光学性能。为了增强缓冲性能和/或提高抗拉强度，填料层96可以是基体或纱线，比如芳族聚酸胺纤维线和聚酯，最好具有低收缩率。象玻璃纤维丝等硬度较大的丝线可以使用，但其光学性能不太令人满意。在另一个实施例中，填料层96使用的材料具有三维的网络连接结构。该部分内容可参考1999年5月28日申请的美国09/322,625号专利申请。该部分内容在此一并叙述以供参考。
更进一步，带缓冲的光纤带10″可以按照2000年12月26日申请的美国09/748,541号专利申请所公开的作为光缆的一部分。带缓冲的光纤带也可应用于其他合适的电缆设计中，比如中断电缆设计等。并且，带缓冲的光纤带10″可以作为具有合适的带连接器的互联电缆。
本发明思想也可以使用其他适合的缓冲材料、材料的混合物和/或添加剂。适用的材料有：热塑性聚亚胺酯(TPUs)，如Noveon公司的Estane58211或X-4928；AlphaGary公司的GTX-94-350B、BASF公司的WYO5352D-1。其他合适的热塑性合成橡胶(TPEs)有，热塑性硫化橡胶(TPVs)、AlphaGary公司的SGO-302阻燃性聚乙烯；部分交联的氯化聚烯烃；或聚偏二氟乙烯(PVDFs)。但是，这些材料中的某些品种的一些等级也可能不适用于本发明思想。
此外，本发明中的带缓冲的光纤还可作为光缆的一部分。比如依据本发明的带缓冲的光纤可以作为2002年1月4日申请的美国10/038,073号专利申请公开的光缆的一部分。该部分内容在此一并叙述以供参考。并且，在其他合适的光缆中也可以使用依据本发明生产的一条或多条带缓冲的光纤。
由于该专利的公开，本发明的许多修改和其他实施例，在本发明范围内，对于任何一个熟练技工均是显而易见的。比如，可采用其他适合的材料生产本发明带缓冲的光纤并应用于光缆中。所以本发明并不局限于在此公开的几个特定的实施例，其也包括其他一些修改和实施例。尽管本文中采用的是明确术语，但这些仅具有普通的、描述性的意义，而无任何限定性的目的。本发明参考带缓冲的光纤进行阐述，但本发明创造性的思想同样适用于其他结构的光纤。

Claims (67)

1、一种带缓冲的光纤，包括：
至少一根具有一纤芯、一包层和至少一涂层的光纤；以及
缓冲层通常包裹所述的光纤，其中，所述的缓冲层的一部分通常和所述的至少一涂层的一部分相接触，所述的缓冲层，从所述带缓冲的光纤的第一末端算起，其具有约为3mm或更小的平均收缩量。
2、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述平均收缩率是在150℃的温度下进行5分钟的缓冲层收缩率测试后一个小时时测得的。
3、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述的缓冲层平均收缩率约为1mm或更小。
4、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述平均收缩率是在85℃的温度和85％的相对湿度条件下进行两个星期的缓冲层收缩率测试后一个小时时测得的。
5、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述的带缓冲的光纤作为互联组件的一部分，其中所述的互联组件，在温度范围为-40℃～85℃之间的热循环测试中、在基准波长约为1310nm时，其平均最大插入损失增量约为0.025dB或更小。
6、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述的带缓冲的光纤作为互联组件的一部分，此处所述的互联组件，在温度范围为-40℃～85℃之间的热循环测试中、在基准波长约为1550nm时，其平均最大插入损失增量约为0.04dB或更小。
7、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述的带缓冲的光纤作为互联组件的一部分，此处所述的互联组件，在温度范围为-40℃～85℃之间的热循环测试中、在基准波长约为1625nm时，其平均最大插入损失增量约为0.04dB或更小。
8、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由在采用ASTM D-2240标准时具有约为50～60的肖氏D硬度的材料制成。
9、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由热塑性合成橡胶(TPE)制成。
10、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由热塑性聚亚胺酯(TPU)制成。
11、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由聚醚型热塑性聚亚胺酯(TPU)制成。
12、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由在采用ASTM D-412标准时具有约为300％或更大的极限伸长范围的材料制成。
13、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由在采用ASTM D-412标准时具有约为325％或更大的极限伸长范围的材料制成。
14、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层具有通常为非圆形的截面。
15、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由开始熔化温度约为90℃或更高的材料制成。
16、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述的缓冲层平均收缩率约为0.5mm或更小。
17、根据权利要求16所述的带缓冲的光纤，所述带缓冲的光纤具有一界面层。
18、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述的带缓冲的光纤作为互联组件的一部分，其中所述的互联组件，在温度范围为-40℃～85℃之间的热循环测试中、在基准波长选为1310nm、1550nm或1625nm时，其平均最大插入损失增量约为0.03dB或更小。
19、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述的至少一根光纤的标称外径约为245微米，所述的缓冲层的内径(ID)约为350微米或更小。
20、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述的至少一根光纤是至少一条光纤带的一部分。
21、根据权利要求20所述的带缓冲的光纤，在所述的至少一条光纤带和所述的缓冲层之间进一步包括至少一缓冲材料。
22、根据权利要求1所述的带缓冲的光纤，所述的带缓冲的光纤的平均剥离力约为5牛顿或更小。
23、一种带缓冲的光纤，包括：
至少一根光纤；
一通常包裹所述光纤的缓冲层；以及
所述带缓冲的光纤作为互联组件的一部分，其中所述的互联组件，在温度范围为-40℃～85℃之间的热循环测试中、在基准波长约为1625nm时，其平均最大插入损失增量约为0.04dB或更小。
24、根据权利要求23所述的带缓冲的光纤，其中所述的平均最大插入损失增量约为0.03dB或更小。
25、根据权利要求23所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层的平均收缩率约为3mm或更小。
26、根据权利要求25所述的带缓冲的光纤，所述平均收缩率是在150℃的温度下进行5分钟的缓冲层收缩率测试后一个小时时测得的。
27、根据权利要求25所述的带缓冲的光纤，所述平均收缩率是在85℃的温度和85％的相对湿度条件下进行两个星期的缓冲层收缩率测试后一个小时时测得的。
28、根据权利要求23所述的带缓冲的光纤，所述的缓冲层平均收缩率约为1mm或更小。
29、根据权利要求23所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由在采用ASTM D-2240标准时具有约为50～60的肖氏D硬度的材料制成。
30、根据权利要求23所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由热塑性合成橡胶(TPE)制成。
31、根据权利要求23所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由热塑性聚亚胺酯(TPU)制成。
32、根据权利要求23所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由聚醚型热塑性聚亚胺酯(TPU)制成。
33、根据权利要求23所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由在采用ASTM D-412标准时具有约为300％或更大的极限伸长范围的材料制成。
34、根据权利要求23所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层具有通常为非圆形的截面。
35、根据权利要求23所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由开始熔化温度约为90℃或更高的材料制成。
36、根据权利要求23所述的带缓冲的光纤，所述的至少一根光纤的标称外径约为245微米，所述的缓冲层的内径(ID)约为350微米或更小。
37、根据权利要求23所述的带缓冲的光纤，所述的至少一根光纤是至少一条光纤带的一部分。
38、依据权利要求37中的带缓冲的光纤，在所述的至少一条光纤带和所述的缓冲层之间进一步包括至少一缓冲材料。
39、根据权利要求23所述的带缓冲的光纤，所述的带缓冲的光纤的平均剥离力约为5牛顿或更小。
40、根据权利要求23所述的带缓冲的光纤，所述的带缓冲的光纤不包含界面层。
41、根据权利要求23所述的带缓冲的光纤，所述的互联组件，在温度范围为-40℃～85℃之间的热循环测试中、在基准波长约为1550nm时，其平均最大插入损失增量约为0.04dB或更小。
42、根据权利要求23所述的带缓冲的光纤，所述的互联组件，在温度范围为-40℃～85℃之间的热循环测试中、在基准波长约为1310nm时，其平均最大插入损失增量约为0.03dB或更小。
43、一种带缓冲的光纤的生产方法，包括：
开卷放好至少一根光纤；并且
在所述的至少一根光纤周围挤压一缓冲层，所述的缓冲层的一部分通常和所述的至少一根光纤的至少一涂层的一部分相接触，其中所述的缓冲层，从所述的带缓冲的光纤的第一末端算起，其平均收缩量约为3mm或更小。
44、根据权利要求43所述的方法，所述平均收缩率是在150℃的温度下进行5分钟的缓冲层收缩率测试后一个小时时测得的。
45、根据权利要求43所述的方法，所述平均收缩率是在85℃的温度和85％的相对湿度条件下进行两个星期的缓冲层收缩率测试后一个小时时测得的。
46、根据权利要求43所述的方法，所述的带缓冲的光纤作为互联组件的一部分，其中所述的互联组件，在温度范围为-40℃～85℃之间的热循环测试中、在基准波长选为1310nm、1550nm或1625nm时，其平均最大插入损失增量约为0.03dB或更小。
47、根据权利要求43所述的方法，所述的挤压步骤中的挤出比(DDR)的范围约为2～4。
48、根据权利要求43所述的方法，所述的缓冲层挤压步骤中材料在采用ASTM D-2240标准时具有约为50～60的肖氏D硬度。
49、根据权利要求43所述的方法，所述的缓冲层挤压步骤的材料选自：热塑性合成橡胶(TPE)、热塑性聚亚氨酯(TPU)、部分交联的氯化聚烯烃、热塑性硫化橡胶(TPVs)、阻燃型聚乙烯(FRPEs)或聚偏二氟乙烯(PVDFs)。
50、根据权利要求43所述的方法，所述的挤压所述缓冲层的步骤中的材料的开始熔化温度约为90℃或更高。
51、根据权利要求43所述的方法，所述开卷放纤步骤中的光纤的标称外径约为245微米，所述的缓冲层挤压步骤中的缓冲层的标称内径约为350微米或更小。
52、根据权利要求43所述的方法，所述的开卷放纤步骤中的光纤的水分含量约占总重量的0.6％或更小。
53、根据权利要求43所述的方法，所述的平均收缩率约为1mm或更小。
54、一种带缓冲的光纤，包括：
至少一根光纤；和
一通常包裹所述光纤的缓冲层，其中所述的缓冲层，从带缓冲的光纤第一末端算起，其平均收缩率约为0.5mm或更小。
55、根据权利要求54所述的带缓冲的光纤，所述平均收缩率是在150℃的温度下进行5分钟的缓冲层收缩率测试后一个小时时测得的。
56、根据权利要求54所述的带缓冲的光纤，所述平均收缩率是在85℃的温度和85％的相对湿度条件下进行两个星期的缓冲层收缩率测试后一个小时时测得的。
57、根据权利要求54所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由热塑性合成橡胶(TPE)制成。
58、根据权利要求54所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由热塑性聚亚胺酯(TPU)制成。
59、根据权利要求54所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由聚醚型热塑性聚亚胺酯(TPU)制成。
60、根据权利要求54所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层具有通常为非圆形的截面。
61、根据权利要求54所述的带缓冲的光纤，所述缓冲层由开始熔化温度约为90℃或更高的材料制成。
62、根据权利要求54所述的带缓冲的光纤，所述的带缓冲的光纤作为互联组件的一部分，其中所述的互联组件，在温度范围为-40℃～85℃之间的热循环测试中、在基准波长选为1310nm、1550nm或1625nm时，其平均最大插入损失增量约为0.03dB或更小。
63、根据权利要求54所述的带缓冲的光纤，所述的至少一根光纤的标称外径约为245微米，所述的缓冲层的内径约为350微米或更小。
64、根据权利要求54所述的带缓冲的光纤，所述的至少一根光纤是至少一条光纤带的一部分。
65、根据权利要求54所述的带缓冲的光纤，在所述的至少一条光纤带和所述的缓冲层之间进一步包括至少一缓冲材料。
66、根据权利要求54所述的带缓冲的光纤，所述的带缓冲的光纤的平均剥离力约为5牛顿或更小。
67、一种带缓冲的光纤，包括：
至少一根光纤；和
一通常包裹所述光纤的缓冲层，其中，当从所述带缓冲的光纤的一端剥离50cm长的所述缓冲层时，缓冲层具有约为5牛顿或更小的平均剥离力。
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