DE3108109A1

DE3108109A1 - "schutzelement fuer lichtwellenleiter mit temperaturkompensiertem profilkoerper"

Info

Publication number: DE3108109A1
Application number: DE19813108109
Authority: DE
Inventors: Hans Leo Dipl.-Ing. 5060 Bergisch-Gladbach Ditscheid
Original assignee: Philips Kommunikations Industrie AG
Current assignee: Philips Kommunikations Industrie AG
Priority date: 1981-03-04
Filing date: 1981-03-04
Publication date: 1982-09-23
Also published as: DE3108109C2

Description

Schutzelement für Lichtwellenleiter mit temperaturkompen-
siertem Profilkörper.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schutzelement für Lichtwellenleiter, bestehend aus einem diese zumindest teilweise umgebenden Profilkörper, dessen resultierender linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient und dessen Verhalten gegenüber Zug- und Druckkräften denjenigen der Lichtwellenleiter angepaßt ist.
Aus der DE-OS 29 02 576 ist es bereits bekannt, eine Schutzhülle für Lichtwellenleiter zur optischen Signalübertragung und/oder zur Registrierung physikalischer Zustände bzw. deren Anderung mit einem Glaskern und einem Glasmantel sowie ggf. mit einer die Oberfläche des Lichtwellenleiters schützenden, im Vergleich zum Faserdurchmesser dünnen Schicht eines synthetischen Werkstoffes als Profilkörper derart auszubilden, daß dessen resultierender linearer, thermischer Ausdehnungskoeffizient und dessen Verhalten gegenüber Zug-und Druckkräften denjenigen der Lichtleitfaser angepaßt ist und daß die Lichtleitfaser lose in diesem Profilkörper geführt wird. Dabei dient dieser Profilkörper praktisch als sogenanntes Sekundärcoating. Als Material für den Profilkörper wird eine temperaturkompensierte Bisen-Nickel-Legierung oder Glas vorgeschlagen, so daß ein linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient erreicht wird, der dem des Lichtwellenleiters aus Quarzglas von etwa 5x1O7/K angenähert ist.
In der Praxis muß Metall in vielen Fällen als Konstruktionselement in Lichtwellenleiterkabeln ausscheiden, und zwar dann, wenn der Anwendungsfall auf die Metallfreiheit dieses neuen Übertragungsmediums abzielt.
Glasstäbe als Konstruktionselemente werfen bekanntlich ähnliche Probleme auf wie die Lichtwellenleiter selbst, sie sind wenig zugfest und sehr empfindlich gegen Scherung, Torsion und gegen Knicken.
Die in der Lichtwellenleitertechnik weit verbreiteten Kunststoffasern aus aromatischem Polyamid, bekannt unter den Handelsnamen (eingetr. Warenzeichen) Aramid und Kevlar schützen als hochzugfeste Konstruktionselemente die Lichtwellenleiter zwar gegen Überdehnung, sie verhindern aber in der bisherigen Verwendungsform weder die temperatur- und zeitabhängigen Effekte des Sekundärcoatings noch kalten Fluß und Schrumpfung aller übrigen aus Kunststoff bestehenden Aufbauelemente des Lichtwellenleiterkabels.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein nichtmetallisches Schutzelement für einen oder mehrere Lichtwellenleiter zu schaffen, das die Temperaturabhängigkeit der Übertragungseigenschaften der Lichtwellenleiter und die Lebensdauer verkürzenden Einflüsse auf den Lichtwellen.
leiter nicht aufweist und geeignet ist, anstelle des üblichen Sekundärcoatings eingesetzt zu werden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Profilkörper aus untereinander kraftschlüssig verbundenen, in Längsrichtung des Lichtwellenleiters parallel verlaufenden Fasern besteht, die einen negativen linearen thermischen Ausdehungskoeffizienten in Faserlängsrichtung aufweisen. Dabei ist es erfindungsgemäß von Vorteil, wenn der negative lineare thermische Ausdehnungskoeffizient der Fasern im Bereich von O bis -3x10 6/K liegt. Als vorteilhafte Materialien kommen Fasern aus aromatischem Polyamid und/oder Kohlenstoffasern in Betracht. Derartige Fasern haben eine Querschnittsfläche von ca. 1x10-4mm2, Dabei sind diese Fasern grundsätzlich nicht im geringsten auf Druck in Faserrichtung belastbar, auch dann nicht, wenn sie von einer Kunststoffhülle zu einem Bündel zusammengefaßt sind. Denn diese Fasern geben schon den kleinsten Stauchkräften infolge thermischer Kontraktion der umgebenden Medien oder durch Langzeitschrumpfung derselben nach, sofern sie nicht unter Vorspannung stehen, was in aller Regel nach erfolgter Installation eines Kabels nicht der Fall ist. Weiterhin wurde sogar beobachtet, und dies ist bei Kohlenstoffasern ausgeprägter beispielsweise als bei Fasern aus aromatischem Polyamid, daß diese durch Stauchung sogar zerstört werden können. Damit erscheinen die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fasern zunächst ungeeignet für die Verwendung bei Lichtwellenleitern und daraus hergestellten Kabeln.
Erst durch die erfindungsgemäße Mahnahme, daß die einzelnen Fasern untereinander kraft schlüssig miteinander verbunden werden, werden die vorstehenden Nachteile überwunden, und es ergibt sich ein Element, das nicht nur für die erfindungsgemäße Verwendung geeignet ist, sondern auch den bisher bekannten Elementen in seinen Eigenschaften überlegen ist. Denn der aus den miteinander kraftschlüssig verbundenen Fasern mit negativen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufgebaute Profilkörper ist nicht nur in Zug-, sondern auch in Faserrichtung druckstabil und neigt bei thermisch bedingter Kontraktion nicht zum Ausknicken, Kräuseln oder dergleichen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Schutzelementes für eine oder mehrere Lichtwellenleiter erhalten diese eine ihren physikalischen Eigenschaften nahezu ideal angepaßte Umgebung. Dadurch wird der Lichtwellenleiter nicht mehr bei Temperaturänderung gereckt bzw.
gestaucht. Der mit Zug-, Druck- und Biegebeanspruchung einhergehende Mikrobendingeffekt und die damit verbundene hohe Instabilität der Ubertragungseigenschaften wird weitgehendst vermieden. Die bei extrudierten Schutzhüllen festzustellende Längs schrumpfung und die damit verbundene Stauchung der eingeschlossenen Lichtleitfaser, ein Effekt, der neben der vorerwähnten temperaturabhängigen Längenänderung als Langzeiteffekt zusätzlich auftritt, ist ebenfalls nicht mehr vorhanden.
Erfindungsgemäß kann es von Vorteil sein, wenn die einzelnen Fasern durch ein Bindemittel kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Damit erfolgt eine matrixartige Einbettung der einzelnen Fasern in einen geeigneten aushärtbaren Werkstoff, wodurch eine kraftschlüssige Verbindung untereinander erreicht wird. Als Bindemittel bieten sich Massen an, deren Elastizitätsmodul größer oder gleich 1000N/mm2 ist, wobei es sich um härtbare Formmassen handelt. Dabei kann ein Gießharz auf Polyesterbasis oder Epoxydbasis oder Imidbasis sowie Phenolbasis verwendet werden.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß das Bindemittel aus einem Material mit positivem thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht, wobei erreicht wird, daß der resultierende thermische Ausdehnungskoeffizient des Profilkörpers 6 kleiner gleich 5x10 /K beträgt, Die erfindungsgemäß verwendeten Fasern haben einen Durchmesser von ca. 5 bis 15 Mikrometer, und das Volumenverhältnis bei einer matrixartigen Einbindung der Fasern in einem Bindemittel zwischen Faser und Binder ist größer gleich 1:1. Bei den erfindungsgemäß verwendeten Fasern handelt es sich um quasi Endlosfasern, die nicht geschnitten sind.
Bei den erfindungsgemäßen Fasern kann auch eine Kombination von Fasern aus aromatischem Polyamid und Kohlestoffasern verwendet werden, wie auch eine Kombination von Fasern aus aromatischem Polyamid und/oder Kohlestoffasern mit Glasfasern, vorzugsweise mit einem Durchmesser von 7 bis 15 Mikrometer verwendet werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 10 bis 19 enthalten.
Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 bis 10 Querschnitte durch verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Schutzelemente mit eingelagerten Lichtwellenleitern.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, kann das erfindungsgemäße Schutzelement einen allseitig geschlossenen Profilkörper, der als Hohlzylinder 1 ausgebildet ist, aufweisen, in den ein einzelner Lichtwellenleiter 2 konzentrisch eingelagert ist. Der Lichtwellenleiter 2 ist mit einem Primärcoating 3 umgeben, das allseitig wiederum von einem weichen Polster 4 eingeschlossen ist. Der als Hohlzylinder 1 ausgebildete Profilkörper besteht aus Fasern mit einem negativen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, vorzugsweise im Be-6 reich von 0 bis -3x10 /K, die matrixartig in einem Brndemittel eingebettet sind, so daß zwischen den einzelnen Fasern eine kraftschlüssige Verbindung vorhanden ist. Derartige Fasern haben etwa eine Querschnittsfläche von ca.
1x10 4mm ,und ein derartiger Profilkörper kann beispielsweise 103 bis 105 derartiger Einzelfasern enthalten. Als Fasern kommen vorzugsweise Kohlenstoffasern oder Fasern aus aromatischem Polyamid oder ein Gemisch von beiden Materialien in Frage. Als Bindemittel kann vorzugsweise ein Epoxydharz verwendet werden.
In Fig. 2 ist eine ähnliche Ausbildung eines Schutzelementes mit ein geschlossenem Lichtwellenleiter dargestellt wie in Fig. 1, jedoch mit dem Unterschied, daß das Schutzelement als zweiteiliger Hohlzylinder 5 ausgebildet ist, dessen Trennebenen kraftschlüssig, beispielsweise durch eine Klebeschicht 6,miteinander verbunden sind.
Fig. 3 zeigt eine an sich bekannte Ausführungsform eines für die Einlagerung von Lichtwellenleitern konzipierten Profilkörpers 7, der aus dem gleichen Material wie die Profilkörper der Fig. 1 und 2 hergestellt ist, und nach außen weisende Ausnehmungen 8 aufweist, in die Lichtwellenleiter 2 eingelagert sind. Die Ausnehmungen 8, die geradlinig, mäanderförmig oder schraubenlinienartig ausgebildet sein können und entlang der Oberfläche des Profilkörpers 7 verlaufen, sind beispielhaft mit einer Abdeckung 9 verschlossen. Diese Abdeckung 9 kann aus Folien-, Faden- oder Fasermaterial bestehen oder als geschlossene Hülle aufextrudiert sein.
In Fig. 9 ist eine ähnliche Ausführungsform wie in Fig. 3 gezeigt, wobei gleiche Teile mit denselben Bezugsziffern versehen sind, jedoch mit dem Unterschied, daß die schwierige Formgebung der Ausnehmungen 9 in einem Hohlkörper 10 aus weicherem Werkstoff als der des Profilkörpers 11 erfolgt ist, der von dem Hohlkörper 10 konzentrisch und eng anliegend umgeben wird.
In Fig. 4 sind mehrere gleichartige als Schutzelemente dienende Profilkörper 12 mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet und miteinander verseilt. In der Lage-der verseilten Profilkörper 12 folgt jeweils jedem Profilkörper 12 ein Lichtwellenleiter 2, die zweckmäßigerweise mit einer weiteren thermoplastischen Schutzhülle 13 umgeben sind, so daß der Durchmesser derselben vergrößert wird. Alle Elemente sind im vorliegenden Beispiel mit einer äußeren Hülle 14 umgeben. In Fig. 5 ist die Grundbauform eines Flachbandkabels dargestellt, die allerdings auch entsprechend kreisförmig ausgebildet sein kann. Hierbei sind die Lichtwellenleiter 2 und die als Schutzelemente dienenden Profilkörper 15 in einer Ebene angeordnet, wobei die Profilkörper 15 in eine gemeinsame Hülle 16, beispielsweise aus einem verzellten Werkstoff, eingelagert sind. Der Hohlraum 17 kann so gestaltet sein, daß mehrere Lichtwellenleiter darin nebeneinander untergebracht werden können. Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Flachbandkabels, das mehrere einzeln angeordnete, mit den Lichtwellenleitern 2 in einer Ebene befindliche temperaturkompensierte Profilkörper 18 aufweist. Die Lücken 19 werden zu beiden Seiten mit ebenen Elementen 20 abgedeckt, die beispielsweise als heißsiegelfähige Folien ausgebildet sein können. Die Profilkörper 18 sind mit den ebenen Elementen 20, beispielsweise über eine Klebeschicht 21 verbunden.
In Fig. 7 sind die temperaturkompensierten Profilkörper 22 selbst kammartig ausgebildet, so daß sie mit gleichartigen temperaturkompensierten Profilkörpern 22 spiegelbildlich zusammengefügt, allseitig für die Aufnahme von Lichtwellenleitern 2 geeignete Kanäle bzw. Lücken 19 bilden, die in der Symmetrieebene liegen. Die Verbindungsflächen zwischen den kammartigen Profilkörpern 22 sind mit 21 bezeichnet.
Weiterhin ist es möglich, statt wie in Fig. 6 gezeigt, die im Querschnitt quadratischen temperaturkompensierten Elemente bzw. Profilkörper 20 durch im Querschnitt kreisförmige Profilkörper zu ersetzen, die als Abstandhalter dienen.
In Fig. 8 ist der temperaturkompensierte Profilkörper 23 als bandförmiger Körper mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet, was besonders günstige Herstellbarkeit gewährleistet.
Auf diesen Grundkörper sind beidseitig Formkörper 24 aufkaschiert, die nach außen weisende, der Aufnahme der Lichtwellenleiter 2 dienende Ausnehmungen 25 aufweisen. Diese Ausnehmungen 25 sind an der dem Profilkörper 23 zugewandten Basis so breit, daß sich die bei Biegung im konkaven Bereich befindlichen Lichtwellenleiter wellenförmig auslegen können. Alle Ausnehmungen 25 sind durch eine weitere Schicht, beispielsweise in Form einer heißsiegelfähigen Folie 26, nach außen verschlossen.
Eine noch günstigere und einfachere Ausgestaltung wie in Fig. 8 zeigt Fig. 10. Der gleichartig ausgebildete Profilkörper 23 wird nach außen von Profilkörpern 27 kraftschlüssig abgedeckt. Diese Profilkörper bestehen ebenfalls aus temperaturkompensiertem Material. Die Profilkörper 27 weisen dem inneren Profilkörper 23 zugewandte Ausnehmungen 28 auf, in die die Lichtwellenleiter 2 eingelagert sind.
Im dargestellten Beispiel ist der Abstand der Lichtwellenleiter von der neutralen Zone noch geringer und damit die bei Biegung auftretende Belastung der Lichtwellenleiter vernachlässigbar klein, Die mit der vorliegenden Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen außer in den äußerst günstigen mechanischen Eigenschaften, wie eingangs beschrieben, auch darin, daß die Lichtwellenleiter in den meisten Fällen keinem zusätzlichen Arbeitsgang des Sekundärcoatierens mehr unterzogen werden müssen. Mit den erfindungsgemäßen Schutzelementen lassen sich mittel- oder unmittelbar sehr einfache kostengünstige, aber äußerst robuste Kabelkonzepte realisieren, die keine teuren Fertigungsprozesse mehr erfordern. Bei geeignet gestalteter Matrix (zwischen Fasern und Bindemittel) und zweckmäßig dimensionierten Profilkörpern, die strangförmig ausgebildet sein können, lassen sich mit der vorliegenden Erfindung lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten für die Umgebung der Lichtwellenleiter realisieren, die nahezu exakt demjenigen der Lichtwellenleiter aus Quarzglas entsprechen, so daß im gesamten technisch relevanten Temperaturbereich so gut wie keine Zusatzdämpfung mehr zu erwarten ist.

Claims

Patentansprüche: 1. Schutzelement für Lichtwellenleiter, bestehend aus einem diese zumindest teilweise umgebenden Profilkörper, dessen resultierender linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient und dessen Verhalten gegenüber Zug- und Druckkräften denjenigen der Lichtwellenleiter angepaßt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß der Profilkörper (1,5,7,11,12,15,18,22,23,24,27) aus untereinander kraftschlüssig verbundenen, in Längsrichtung des Lichtwellenleiters (2) parallel verlaufenden Fasern besteht, die einen negativen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in Faserlängsrichtung aufweisen.
2. Schutzelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der thermische Ausdehnungs-6 koeffizient im Bereich von 0 bis -3x10 /K liegt.
3. Schutzelement nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die einzelnen Pasern durch ein Bindemittel kraft schlüssig verbunden sind.
4. Schutzelement nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß das Bindemittel aus einem Material mit positivem thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht und der resultierende thermische Ausdehnungskoeffizient des Schutzelementes kleiner gleich 5x10-6/K beträgt.
5. Schutzelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e daß als Material mit negativem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten Kohlenstoffasern und/oder aromatische Polyamidfasern verwendet werden.
6. Schutzelement nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Fasern aus aromatischem Polyamid und/oder die Kohlenstoffasern mit Glasfasern kombiniert werden.
7. Schutzelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Elastizitätsmodul des Bindemittels größer oder gleich 1000N/mm2 beträgt.
8. Schutzelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Bindemittel härtbare oder vernetzbare Formmassen dienen.
9. Schutzelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Bindemittel ein Gießharz auf Polyesterbasis oder Epoxydbasis oder Imidbasis oder Phenolbasis verwendet wird.
10. Schutzelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h mindestens zwei Profilkörper (5,23,24,27), die kraftschlüssig oder formschlüssig miteinander verbunden sind.
11. Schutzelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Profilkörper als Hohlzylinder (1,5) ausgebildet ist, in den ein oder mehrere Lichtwellenleiter (2) eingelagert ist/sind (Fig. 1 und 2).
12. Schutzelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Profilkörper (7,10,11,24) auf seiner Oberfläche mindestens eine nach außen offene Ausnehmung (8,25) aufweist, in die ein oder mehrere Lichtwellenleiter (2) eingelagert ist/sind (Pig. 3, 8 und 9).
13. Schutzelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Profilkörper (11,23) mit an sich glatter Oberfläche kraft- und/oder formschlüssig mit einem Formkörper (10,24) verbunden ist, der mindestens eine von dem Profilkörper wegweisende Ausnehmung (9,25) aufweist, in die ein oder mehrere Lichtwellenleiter (2) eingelagert ist/sind (Fig. 8 und 9).
14. Schutzelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens zwei Profilkörper (7,18,24) derart von einer verbindenden Hülle (9,20,26) umschlossen sind, daß in einem allseitig geschlossenen Hohlraum zwischen den benachbarten Profilkörpern ein oder mehrere Lichtwellenleiter (2) angeordnet sind (Fig. 3, 6 und 8).
15. Schutzelement nach Anspruch 13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die nach außen weisenden, der Aufnahme von Lichtwellenleitern (2) dienenden Ausnehmungen (28) in ihrer dem Profilkörper (23) zugewandten Basis breiter bemessen sind als der von den eingelagerten Lichtwellenleitern (2) bedeckten Fläche entspricht (Fig. 10).
16. Schutzelement nach Anspruch 13 oder 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die nach außen weisenden, der Aufnahme von Lichtwellenleitern (2) dienenden Ausnehmungen (8,25) mit einer Folienbewicklung (9,26) verschlossen sind oder mit einer Folie (9,26) kraftschlüssig z.B. durch Verkleben verschlossen sind (Fig. 3 und 8).
17. Schutzelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die in Verbindung mit den Ausnehmungen (8,25) stehenden und/oder dieselben abdeckenden Elemente aus tiefgezogenen Kunststoffolien bestehen.
18. Schutzelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die in Verbindung mit den Ausnehmungen (8,25) stehenden und/oder dieselben abdeckenden Elemente aus zumindest teilweise verzelltem Kunststoff oder aus vernetzbarem Werkstoff oder ausgefülltem Kunststoff bestehen.
19. Schutzelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß die in Verbindung mit den Ausnehmungen (8,25) stehenden und/oder dieselben abdeckenden Elemente halogenfrei und flammhemmend eingestellt sind.