WO2001084203A1

WO2001084203A1 - Optische übertragungselemente enthaltendes kabel und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: WO2001084203A1
Application number: PCT/DE2001/001368
Authority: WO
Inventors: Andreas Stingl
Original assignee: Ccs Technology, Inc.
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2001-11-08
Also published as: US6895150B2; US20030099447A1; JP3908538B2; JP2003532155A; DE10020912A1

Abstract

Wesentliche Komponente des SZ-verseilten Kammerkabels ist das zylindrische Zentralelement (ZE), auf dessen Mantel mehrere, jeweils nach aussen offene Kammern nebeneinander in Form einer Spirale mit periodisch wechselnder Drehrichtung umlaufen. Aufgrund ihrer Biegeeigenschaften nehmen die stapelförmig übereinanderliegend in der Kammer (K) angeordneten LWL-Bändchen (LB) dort allerdings eine bevorzugte Orientierung ein, so dass das Kabel zwei ausgeprägte Hauptachsen mit unterschiedlichem Biegeverhalten aufweist. Die damit einhergehenden Nachteile (z.B. starke mechanische Belastung der im Stapel aussenliegenden LWL-Bändchen) lassen sich vermeiden, indem man der den LWL-Bändchen durch den Kammerverlauf aufgeprägten SZ-Verseilung zusätzlich noch eine Gleichschlagverseilung überlagert. Letztere wird durch eine synchrone Drehung der LWL-Bändchen um ihre Längsachse erzeugt, wobei der Drehwinkel 360° pro SZ-Schlaglänge beträgt.

Description

Beschreibung

Optische Übertragungselemente enthaltendes Kabel und Verfahren zu dessen Herstellung

Das bereits vor mehr als 30 Jahren entwickelte Kammerkabel zeichnet sich insbesondere durch seine hohe Zug- und Querdruckfestigkeit und, trotz der Vielzahl der in den Kammern des Zentralelements geschützt angeordneten Lichtwellenleiter, durch seinen kompakten Aufbau aus. Optische Kabel dieses Typs werden beispielsweise in US 5,517,591 und US 5,199,094 beschrieben.

Wesentliche Komponente des Kammerkabels ist das zylindrische Zentralelement, auf dessen Mantel mehrere, jeweils nach außen offene Kammern nebeneinander, in Form einer Helix oder Spirale, gegebenenfalls mit periodisch wechselnder Drehrichtung umlaufen. Verfahren zur Herstellung eines solchen Zentralelements sind beispielsweise aus US 4,997,258 und US 5,380,472 bekannt .

Die Erfindung betrifft ein optische Übertragungselemente enthaltendes Kabel mit einem Zentralelement und in Kammern des Zentralelements angeordneten Lichtwellenleiterbändchen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung ei^¬ nes solchen Kabels .

Um die Anzahl der als optische Übertragungselemente dienenden, aus einem Glaskern (Brechungsindex n_κ) , einem Glasmantel (Brechungsindex n_M < n_κ) und einer ein- oder mehrschichtigen

Schutzhülle (Coating) bestehenden Lichtwellenleiter (LWL) im Kammerkabel zu erhöhen, werden typischerweise 8 - 16 LWL zu einem Bändchen mechanisch zusammengefaßt und mehrere dieser Bändchen stapeiförmig ubereinanderliegend in eine Kammer des Zentralelements eingelegt. Hierzu wird insbesondere auf US 4,997,258 und US 5,380,472 verwiesen. Beschreibt die Kammer im Außenbereich des Zentralelements eine Helix, deren Dreh- richtung sich periodisch ändert, werden auch die LWL-Bändchen entsprechend tordiert und damit einer sogenannten SZ- Verseilung unterworfen. Die den LWL-Bändchen aufgezwungene Torsion induziert allerdings Rückstellkräfte, welche dafür sorgen, dass die LWL-Bändchen in der Kammer eine Vorzugsrichtung einnehmen. Aufgrund dieser Ausrichtung der LWL-Bändchen in der Kammer besitzt auch das Kabel zwei ausgeprägte Hauptachsen mit unterschiedlichem Biegeverhalten. Daraus resultieren folgende Nachteile:

a) Die Längen der einzelnen LWL-Bändchen sind ungleich auf die bei Biegung des Kabels zug- und stauchbelasteten Bereiche verteilt. Insbesondere die äußeren LWL-Bändchen des Stapels unterliegen daher großen mechanischen Bela- stungen, so daß sich deren Signaldämpfung aufgrund von Mikro- und Makrokrümmungen deutlich erhöht.

b) Die bevorzugte Ausrichtung der LWL-Bändchen führt bei kleinen Biegeradien zu einer mechanisch instabilen Kon- figuration. Dies kann während der Biegung des Kabels dazu führen, dass sich die Ordnung der LWL-Bändchen in der Kammer durch Relaxation spontan ändert. Letzteres wirkt wieder dämpfungserhöhend.

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines optische Übertragungselemente enthaltenden Kabels, insbesondere eines SZ- verseilten Kammerkabels, mit einem hinsichtlich der Signaldämpfung verbesserten Biegeverhalten. Die Komponenten des Kabels sollen derart aufeinander abgestimmt sein bzw. zusammen- wirken, dass das Kabel in allen Biegerichtungen annähernd dieselbe Flexibilität aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein ein optisches Übertragungselement enthaltendes Kabel gelöst mit den folgenden Merkmalen: - es besitzt ein sich in Richtung der Kabellängsachse erstreckendes Zentralelement, wobei das Zentralelement mindestens eine nach außen offene Kammer aufweist und die Kammer an der Außenseite des Zentralelements helix- oder schrau- benförmig, mit periodisch wechselnder Drehrichtung umläuft;

- als Übertragungselernente dienen mehrere, in der Kammer stapeiförmig ubereinanderliegend angeordnete LWL-Bändchen, wobei der den LWL-Bändchen durch den Kammerverlauf aufgeprägten SZ-Verseilung zusätzlich noch eine Gleichschlagversei- lung überlagert ist;

- ein ein- oder mehrschichtig aufgebauter Mantel umhüllt das Zentralelement .

Ein Verfahren zur Herstellung eines optische Übertragungsele- ente enthaltenden Kabels umfaßt die Ausführung folgender Schritte:

- Bereitstellen eines Zentralelements, wobei das Zentralelement mindestens eine, nach außen offene Kammer aufweist und die Kammer an der Außenseite des Zentralelements _. helix- oder schraubenförmig, mit wechselnder Drehrichtung umläuft,

- Abziehen mehrerer, als optische Übertragungselemente dienender LWL-Bändchen von entsprechenden Vorratsspulen,

- Zusammenführen der LWL-Bändchen zu einem Stapel , - Einlegen des mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit um seine Längsachse rotierenden Bändchenstapels in die Kammern und

- Aufbringen eines ein- oder mehrschichtigen Außenmantels .

Die abhängigen Ansprüche haben Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen des Kabels bzw. des Herstellungsverfahrens zum Gegenstand.

Die bevorzugte Ausrichtung der LWL-Bändchen in den Kammern läßt sich vermeiden, indem man der den LWL-Bändchen durch den Kammerverlauf aufgeprägten SZ-Verseilung zusätzlich noch eine Gleichschlagverseilung überlagert. Damit ergeben sich insbesondere die folgenden Vorteile:

- das Kabel besitzt keine ausgeprägten Hauptachsen mit un- terschiedlichem Biegeverhalten;

- die Flexibilität des Kabels verbessert sich deutlich;

- für alle LWL-Bändchen des Stapels entspricht die Länge der zugbelasteten Abschnitte immer der Länge der stauch- oder druckbelasteten Abschnitte; - während der Biegung des Kabels tritt keine spontane Um- ordnung der LWL-Bändchen in der Kammer auf .

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei- spielen und diesen zugeordneten Zeichnungen näher erläuter . Es zeigen:

Figur 1 Zentralelemente mit verschiedenen Kammerverläufen, welche den eingelegten LWL-Bändchen eine Gleichschlag- (S-) Verseilung (Figur la) , eine Wechsel- schlag- (SZ-)Verseilung (Figur lb) und eine Gleichschlag- (Z-) Verseilung aufprägen;

Figur 2 die Projektion einer ausgewählten Kammer auf die

Querschnittsfläche des Zentralelements an verschie- denen Stellen der Kabellängsachse (= Längsachse des

Zentralelements) zwischen benachbarten Umkehrstellen;

Figur 3 die in Figur 2 dargestellte Projektion der Kammer auf die Querschnittsfläche des Zentralelements, sowie die beiden orthogonalen Biegeachsen;

Figur 4 den Graph der Besselfunktion J₀(Φo/2) Nullter Ordnung und deren den idealen Umkehrwinkeln Φ₀ entspre- chende Nullstellen; Figur 5 die Ortsabhängigkeit der Krümmung der die Mittelpunkte der Kammer verbindenden Raumkurve entlang der Kabellängsachse ;

Figur 6 die zu Figur 5 korrespondierende Ortsabhängigkeit des Krümmungsradius entlang der Kabellängsachse;

Figur 7 die Projektion des Krümmungsvektors der die Mittelpunkte der Kammer verbindenden Raumkurve auf die Querschnittsfläche des Zentralelements an verschiedenen Stellen der Kabellängsachse zwischen benachbarten Umkehrstellen;

Figur 8 die Ortsabhängigkeit des vom Krümmungsvektor und dem radialen Einheitsvektor eingeschlossenen Winkels an verschiedenen Stellen der Kabellängsachse zwischen benachbarten Umkehrstellen;

Figur 9 ein LWL-Bändchen im Querschnitt;

Figur 10 mehrere, zu einem Stapel zusammengefaßte LWL-Bändchen im Querschnitt;

Figur 11 die Lage des Bändchenstapels innerhalb der Kammer, an verschiedenen Positionen zwischen benachbarten

Umkehrstellen;

Figur 12 die sich in den SZ-verseilten LWL-Bändchen des Stapels bei einer Biegung des Zentralelements um die y- Achse aufbauende Schub- und Dehnungsenergie in Abhängigkeit vom Biegeradius;

Figur 13 die Lage des Bändchenstapels innerhalb der Kammer vor und nach einer Biegung des Zentralelements um die x-Achse; Figur 14 die sich in den SZ-verseilten LWL-Bändchen des Stapels bei einer Biegung des Zentralelements um die x- Achse aufbauende Schub- und Dehnungsenergie in Abhängigkeit vom Biegeradius;

Figur 15 der gestreckte Bändchenstapel und der um den Winkel 2π pro SZ-Schlaglänge S um seine Längsachse tor- dierte Bändchenstapel;

Figur 16 die Lage des SZ-verseilten und zusätzlich um seine Längsachse tordierten Bändchenstapels innerhalb der Kammer an verschiedenen Stellen der Kabellängsachse zwischen benachbarten Umkehrstellen, falls der Bändchenstapel gedreht einläuft (Figur 16a) bzw. gerade einläuft (Figur 16b) ;

Figur 17 die sich in den SZ-verseilten und zusätzlich um ihre Längsachse tordierten LWL-Bändchen des Stapels bei einer Biegung des Zentralelements um die y-Achse aufbauende Schub- und Dehnungsenergie in Abhängigkeit vom Biegeradius;

Figur 18 die sich in den SZ-verseilten und zusätzlich um ihre Längsachse tordierten LWL-Bändchen des Stapels bei einer Biegung des Zentralelements um die x-Achse aufbauende Schub- und Dehnungsenergie in Abhängigkeit vom Biegeradius;

Figur 19 den Bändchenablauf und das Einlegewerkzeug einer Li- nie zur Herstellung eines SZ-verseilten Kammerkabels mit Zusatzschlag;

Figur 20 ein Ausführungsbeispiel eines Kammerkabels im Querschnitt und

Figur 21 den räumlichen Verlauf des SZ-verseilten und mit einer zusätzlichen Gleichschlagverseilung (Torsion um 2π/S) versehenen Bändchenstapels zwischen benachbarten Umkehrstellen.

Das Zentralelement

Der Verlauf der Kammern im Zentralelement bestimmt die Art der Verseilung der in die Kammern eingelegten und dem Kammer- strang folgenden LWL-Bändchen. Prinzipiell unterscheidet man zwischen einer Gleichschlagverseilung (S- oder Z-Verseilung) und der sogenannten Wechselschlagverseilung (SZ-Verseilung) . Die eine entsprechende Verseilung des LWL-Bändchens bewirkenden Zentralelemente ZE sind in Figur 1 perspektivisch dargestellt. Die beispielsweise 8 Kammern K des in Figur la gezeigten, zylindrischen Zentralelements ZE beschreiben jeweils eine in Richtung der Kabellängsachse, also der Längsachse des Zentralelements ZE fortschreitende, linksdrehende Helix oder Spirale (S-Verseilung der LWL-Bändchen) , die Kammern K des in Figur lc gezeigten Zentralelements ZE ebenfalls eine in Richtung der Kabellängsachse fortschreitende, allerdings rechts- drehende Helix oder Spirale (Z-Verseilung der LWL-Bändchen) .

Um die LWL-Bändchen einer SZ-Verseilung zu unterwerfen, müssen die Kammern K den in Figur lb dargestellten, annähernd harmonischen Verlauf (Sinus oder Kosinus) auf der Peripherie des zylindrischen Zentralelements ZE aufweisen. Dieser Ver- lauf kommt dadurch zustande, dass man die Drehrichtung der Helix beispielsweise nach einer Anzahl N von Umläufen wech^¬ selt, die Drehrichtung für die folgenden N-Umläufe beibehält, um erneut mit der ursprünglichen Drehrichtung fortzufahren. Auf der Mantelfläche des Zentralelements ZE folgen somit "S- verseilte" und "Z-verseilte" Abschnitte ("Helicals") peri^¬ odisch aufeinander. Zwischen benachbarten, "gleichschlagsver- seilten" Abschnitten liegt jeweils ein als "Reversal" bezeichneter Übergangsbereich.

b) Koordinatensystem und Parametrisierung Für die folgende Abhandlung genügt die Betrachtung einer der beispielsweise acht, im zylindrischen Zentralelement ZE vorhandenen und weitgehend parallel verlaufenden Kammern K. In Figur 2 ist die Projektion einer solchen Kammer an verschie- denen Orten der Kabellängsachse zwischen aufeinanderfolgenden Umkehrstellen in der xy-Ebene des zugeordneten Koordinatensystems dargestellt. Hervorgehoben sind sowohl die Lage der ausgewählten Kammer an den beiden Umkehrstellen (Kammerquerschnitte K_R und K_R«) als auch die Lage der Kammer in der Mitte des dazwischenliegenden Gleichschlagsbereichs (Kammerquerschnitt K_H) . Die gestrichelte Linie soll die Lage der Kammermitte an den anderen Stellen des betrachteten Achsenabschnitts symbolisieren. Der mit D_s bezeichnete Pfeil deutet die Drehrichtung des Kammerverlaufs an.

Aufgrund der Geometrie des Zentralelements ZE bietet sich ein zylindrisches Koordinatensystem zur mathematischen Beschreibung des Kammerverlaufs an. Die den Winkelnullpunkt des Koordinatensystems definierende x-Achse verläuft vorteilhafter- weise durch die Mitte des dem Helical zugeordneten Kammerquerschnitts K_H, SO dass dann die den Umkehrstellen zugeordneten Kammerquerschnitte K_R und K_R> symmetrisch zur x-Achse liegen. Der die azimutale Lage der Kammer in der xy-Ebene beschreibende Winkel φ nimmt für die dargestellten Kammerquer- schnitte K_R, K_R< und K_H dann die Werte φ_R = -Φ₀/2, <p_H = 0 und φ_R, = φ₀/2 an. Die Längsachse des Zentralelements ZE bildet die z-Achse des Koordinatensystems.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der sogenannte Um- kehrwinkel Φ₀ weniger als 360°, d.h. der linksdrehende Kammerstrang läuft zwischen aufeinanderfolgenden Umkehrstellen nicht vollständig auf der Mantelfläche des Zentralelements ZE um.

Im folgenden wird nicht der mathematisch nur schwer erfass^¬ bare reale Verlauf der räumlich ausgedehnten Kammer, sondern nur die die Mittelpunkte der Kammer verbindende und durch die Spitze des Vektors T beschriebene Raumkurve näher untersucht. Die periodisch im Winkel φ mit den Maximalwerten φ_max = ±Φ₀/2 um die z-Achse schwingende Vektor T weist die konstante Länge r₀ auf, so dass die Parametrisierung der die Mittelpunkte der Kammer verbindenden Raumkurve in Zylinderkoordinaten wie folgt lautet:

wobei ro, Φo, S folgende Bedeutung aufweisen: ro : konstanter radialer Abstand zur z-Achse Φ₀ : Umkehrwinkel

S : Schlaglänge (2-facher axialer Abstand benachbarter Umkehrstellen)

Mit x = r₀cos(φ) und y = r₀sin(φ) läßt sich die Raumkurve in kartesischen Koordinaten darstellen als:

Sowohl in Zylinderkoordinaten als auch in kartesischen Koordinaten ist die, die Kammermittelpunkte verbindende, im folgenden auch als Verseilkurve bezeichnete Raumkurve somit ein^¬ dimensional in z bestimmt.

c) Idealer Umkehrwinkel Φ₀

Der Umkehrwinkel Φ₀ beschreibt den azimutalen Abstand der be^¬ nachbarten Umkehrstellen zugeordneten Kammerquerschnitte K_R und K_R- in der xy-Ebene. Um die Flexibilität des Zentralele- ments ZE und damit auch des Kabels zu gewährleisten, uss bei gleichmäßiger Biegung um eine vorgegebene Achse anteilig gleich viel Länge eines LWL in den stauch- und den zugbelasteten Bereichen des Kabels liegen. Diese Bedingung ist bei gleichschlagsverseilten Kammerkabeln notwendigerweise immer, bei SZ-verseilten Kammerkabeln hingegen nur für diskrete Werte des Umkehrwinkels Φ₀ erfüllt.

Betrachtet werde zunächst die Biegung des in Figur 3 im Quer- schnitt dargestellten Zentralelements ZE um die x-Achse als Biegeachse. In diesem Fall liegen, unabhängig von der Größe des Umkehrwinkels Φ anteilig gleich viel Länge der Verseilkurve auf dem positiven und dem negativen Abschnitt der y- Achse, so dass auch die Länge der stauchbelasteten Faserab- schnitte der Länge der zugbelasteten Faserabschnitte entspricht .

Eine Biegung des Zentralelements ZE um die y-Achse hat demgegenüber zur Folge, dass das Verhältnis der im positiven Ab- schnitt der x-Achse liegenden Länge der Verseilkurve und der im negativen Abschnitt der x-Achse liegenden Länge der Verseilkurve sich abhängig vom Umkehrwinkel Φ stetig ändert. Ist der Umkehrwinkel Φ kleiner als Φ = 180° gewählt, liegt die gesamte Länge der Verseilkurve im positiven Bereich der x- Achse, also je nach Biegerichtung gänzlich im stauch- oder zugbelasteten Abschnitt des Kabels. Mit wachsendem Umkehrwinkel 180°< Φ < 360° verringert sich das Ungleichgewicht zwischen den im positiven und im negativen Abschnitt der x-Achse liegenden Längen der Verseilkurve kontinuierlich und gleicht sich beim gesuchten idealen Umkehrwinkel Φ₀ schließlich aus.

Die Bedingung, wonach die Länge der Verseilkurve im positiven Abschnitt der x-Achse der Länge der Verseilkurve im negativen Abschnitt der x-Achse entsprechen soll, führt zu der Forde- rung τ(z)_κdz ≡ 0 , _{( 3 )} o

wobei T_x(z) die x-Komponente des Vektors T{ z ) bezeichnet. Unter Berücksichtigung in den Gleichungen (1) und (2) angegebe- nen Parametrisierung läßt sich Gleichung (3) in eine Bestim- mungsgleichung für den idealen Umkehrwinkel Φ₀ umformen.

Jro-cos Φo

(4)

Das Integral entspricht der Besselfunktion J₀(Φo/2) 0-ter Ordnung, deren Nullstellen den gesuchten idealen Umkehrwinkeln entsprechen.

In Figur 4 ist der durch numerische Integration errechnete Wert des Integrals I(Φo) für Umkehrwinkel im Bereich 0° < Φo < 1200° dargestellt. Der Absolutwert des Integrals hängt hierbei unter anderem auch von der beispielsweise auf S = 500 mm festgelegten Schlaglänge ab. Da die Schlaglänge S die Lage der Nullstellen nicht beeinflusst, betragen die optimalen Umkehrwinkel Φ₀ = 275,5°, 632,6° usw. In guter Näherung liegen die möglichen Umkehrwinkel Φo auf der durch

Φo = 359,29° ^■ n - 85.223°

gegebenen Gerade .

d) Krümmung, Krümmungsradius und Krümmungsrichtung der Verseilkurve

Bei den in Figur la und lc dargestellten Zentralelementen ZE sind sowohl die Krümmung als auch der Krümmungsradius der den jeweiligen Kammerverlauf beschreibenden Raumkurven konstant und die Krümmungsrichtung, also der Vektor der Kurvennormalen in Richtung des Krümmungsmittelpunktes, stets nach innen auf die Längsachse des Zentralelements ZE gerichtet (S- oder Z- Verseilung) . Dies unterscheidet sie grundlegend von der dem Kammerverlauf des "SZ-verseilten" Zentralelements ZE zugeordneten und durch die Spitze des Vektors T beschriebenen Raumkurve, deren Krümmung, Krümmungsradius und Krümmungsrichtung jeweils eine Ortsabhängigkeit aufweisen.

Die gesuchte Ortsabhängigkeit läßt sich analytisch oder numerisch mit Hilfe der oben angegebenen Parametrisierung berechnen, wobei die Krümmung und der Krümmungsradius qualitativ den in Figur 5 bzw. Figur 6 dargestellten Verlauf entlang der Kabellängsachse (z-Achse) innerhalb eines S = 500 mm langen Abschnitts zeigen. Im Gleichschlagbereich ist die Krümmung maximal , der Krümmungsradius demzufolge minimal . In den zwischen zwei Gleichschlagsbereichen liegenden, die "Umkehrstelle" enthaltenden Achsenabschnitten verhält es sich genau umgekehrt, d.h. die Krümmung durchläuft dort ein Minimum, während der Krümmungsradius einen Maximalwert annimmt.

In Figur 7 sind die Projektion des ebenfalls aus obiger Parametrisierung abgeleiteten, die Krümmungsrichtung repräsentierenden Krümmungsvektors k an verschiedenen Stellen der z- Achse auf den Querschnitt des Zentralelements ZE schematisch dargestellt. Es zeigt sich, dass der Krümmungsvektor k an den Umkehrstellen tangential nach außen, im Gleichschlagsbereich hingegen radial nach innen gerichtet ist. Trägt man den vom Krümmungsvektor k und dem radialen Einheitsvektor e_r einge- schlossenen Winkel α in Abhängigkeit von der z-Koordinate auf, erhält man die in Figur 8 dargestellte Funktion α(z) .

e) LWL-Bändchen und Bändchenstapel

Der durch den Kammerverlauf im Zentralelement ZE vorgegebenen Ortsabhängigkeit der Krümmung und der Krümmungsrichtung ist auch der in die Kammer eingebrachte lichtführende Teil des Kabels unterworfen. Handelt es sich hierbei um eine einzelne, aus einem Glaskern, einem Glasmantel und einer üblicherweise mehrschichtigen Schutzhülle (Coating) bestehenden LWL, bereitet der gewundene Kammerverlauf keine Probleme. Aufgrund sei- ner großen Flexibilität und RadialSymmetrie kann der LWL der Verseilkurve sehr leicht folgen.

Ein in dieser Hinsicht völlig anderes Verhalten zeigt das in Figur 9 im Querschnitt dargestellte LWL-Bändchen LB, welches beispielsweise 16, bezüglich ihrer Längsachsen ausgerichtete und durch einen Kunststoffmantel BC mechanisch zusammengehaltene, Lichtwellenleiter LWLl - LWLn umfaßt. Das LWL-Bändchen LB besitzt zwei Hauptachsen mit unterschiedlichem Biegeverhalten, wobei die sogenannte schwache Biegeachse (leichte Biegbarkeit des Bändchens) senkrecht zur Bändchenlängsachse orientiert ist und in der durch das Bändchen LB aufgespannten Ebene liegt; und die steife Biegeachse (schwere Biegbarkeit des Bändchens) , die sowohl auf der Bändchenlängsachse als auch auf der schwachen Biegeachse senkrecht steht. Wird ein solches Bändchen LB in eine den oben angegebenen Krümmungsverlauf aufweisende Kammer eingelegt, baut sich im Bändchen LB daher ein sehr komplexer Spannungszustand auf.

Ein dem Bändchen LB ähnliches Verhalten zeigt der in Figur 10 im Querschnitt dargestellte Bändchenstapel BS . Im gezeigten

Ausführungsbeispiel besteht der Stapel BS aus fünf ubereinan^¬ derliegend angeordneten und parallel ausgerichteten Einzel- bändchen LBl - LB5 , welche jeweils vier, als signalführende Elemente dienende LWL enthalten. Wie die einzelnen Bändchen LBi besitzt auch der Stapel BS zwei Hauptachsen mit unterschiedlicher Biegesteifigkeit . In Figur 10 sind die schwache Biegeachse mit J, die steife Biegeachse mit 1 bezeichnet.

Um die auf die Bändchen LBi des Stapels BS einwirkenden Schub- und Normalkräfte (Zug- und Stauchkräfte) im geraden Kabel möglichst klein zu halten, werden die lichtführenden Elemente in eine hinreichend große, ein freies Drehen der LWL-Bändchen LBi erlaubende Kammer eingelegt. Aufgrund ihrer Steifigkeit führen die LWL-Bändchen LBi in der Kammer eine Rückdrehung aus, welche der ihnen durch den Kammerverlauf aufgezwungenen Torsion um die Bändchenlängsachse entgegen- wirkt. Diese Rückdrehung führt zu einer bevorzugten Ausrichtung der Bändchen Lbi in der Kammer derart, dass die steife Biegeachse der Bändchen LBi im gewählten Koordinatensystem annähernd in Richtung der y-Achse zeigt. Wie in Figur 11 dargestellt, "steht" der Bändchenstapel BS am Helical demzufolge senkrecht in der Kammer, während er an den beiden benachbarten Umkehrstellen eine eher "liegende" Position einnimmt. Aufgrund dieser Rückdrehung weist nur das mittlere Bändchen LB (Bändchen Nr. 3) des Stapels BS den idealen Umkehrwinkel Φo auf. Für die Bändchen Nr. 1 und 2 ist der Umkehrwinkel hingegen größer, für die Bändchen Nr. 4 und 5 dagegen kleiner als der Idealwert. Wie oben bereits erläutert, sind die beiden außen liegenden Bändchen (Bändchen Nr. 1/2 und Nr. 4/5) in dieser Konfiguration somit nicht vollständig verseilt, d.h. im Falle einer Biegung des Kabels im besonderen Maße dämpfungserhöhend wirkenden Stauch- und Zugbelastungen unterworfen.

Die Figur 12 zeigt die sich bei einer Biegung des Zentralelements ZE um die y-Achse in den einzelnen Bändchen LBi auf- bauende Summe der Schub und Dehnungsenergie in Abhängigkeit vom Biegeradius. Aufgrund der unvollständigen Verseilung sind das oberste und das unterste Bändchen (Bändchen Nr. 1 und 5) im Stapel BS am stärksten, das mittlere Bändchen (Bändchen Nr. 3) hingegen am wenigsten belastet.

Bei einer Biegung des Zentralelements ZE um die x-Achse wer^¬ den die Bändchen LBi über ihre steife Biegeachse (Achse 1 in Fig. 10) belastet. Da die Bändchen LBi lose in der Kammer liegen, können sie dieser Belastung durch eine Drehung um die z-Achse ausweichen. Wie in Figur 13 angedeutet, nehmen die

Bändchen LBi, ausgehend von der im linken Teil der Figur 13 dargestellten Situation, schließlich die im rechten Teil der Figur 13 gezeigte Position innerhalb der Kammer an den benachbarten Umkehrstellen und dem dazwischenliegenden Helical ein.

Im entsprechenden Energiediagramm (siehe Figur 14) erkennt man bei Biegeradien von kleiner als 0,4 m eine Instabilität, d.h. die aufgebaute mechanische Spannung wird durch eine spontane Drehung der Bändchen LBi um die z-Achse spontan abgebaut. Dies stört die Ordnung der Bändchen LBi im Stapel BS, was sich wiederum dämpfungserhöhend auswirkt.

f) gedrehter und gerader Einlauf der Bändchen in die Kammer

Die oben beschriebenen Nachteile sind durch das Rückdrehverhalten der Bändchen LB und der daraus resultierenden, bevorzugten Ausrichtung des Bändchenstapels BS in der Kammer bedingt. Die bevorzugte Ausrichtung läßt sich aufheben, indem man der den Bändchen LB durch den Kammerverlauf aufgeprägten Torsion (SZ-Verseilung) eine Gleichschlagsverseilung überlagert. Letztere läßt sich, wie in Figur 15 dargestellt, durch eine zusätzliche, synchrone Drehung des Bändchenstapels BS um seine Längsachse erzeugen, wobei der Drehwinkel 2π pro SZ- Schlaglänge S beträgt.

Bei der Verseilung mit Zusatzschlag ist die Art des Einlaufs der Bändchen LB in die Kammer K von großer Bedeutung. Man unterscheidet zwischen "gedreht" einlaufend und "gerade" einlaufend, wobei diesen Begriffen folgende Bedeutung zukommt:

gedreht einlaufend

Der Bändchenstapel BS ist an den Helicals jeweils derart in der Kammer K angeordnet, dass die schwache Biegeachse k des Stapels BS bzw. der Bändchen LBi und die x-Achse des ein- gangs definierten Koordinatensystems parallel verlaufen bzw. die schwache Biegeachse k des Stapels BS senkrecht auf der durch den Kammerboden definierten Ebene steht (der Sta- pel BS "liegt" am Helical in der Kammer; vergleiche Figur 16a) .

gerade einlaufend Die steife Biegeachse 1 des Bändchenstapels BS bzw. der

Bändchen Lbi und die x-Achse verlaufen parallel (der Stapel "steht" am Helical in der Kammer; vergleiche Figur 16b) .

Beide Einlegearten unterscheiden sich also nicht hinsichtlich der Art der den Zusatzschlag hervorrufenden Torsion um die Stapellängsachse, sondern lediglich hinsichtlich der Orientierung des Bändchenstapels BS innerhalb der Kammer an den Helicals. Anhand der Figur 16 läßt sich allerdings sofort erkennen, dass sämtliche Bändchen Lbi des Stapels BS nur dann den idealen Umkehrwinkel Φ₀ aufweisen, wenn der Stapel BS "gedreht" einläuft.

In den Figuren 17 und 18 sind die den Figuren 12 und 14 entsprechenden Energiediagramme für ein gedreht einlaufendes , SZ-verseiltes und zusätzlich um seine Längsachse tordierten (2π pro Schlaglänge S) Bändchenstapel BS dargestellt, wobei Figur 17 die Belastung der Bändchen LBi bei einer Biegung des Zentralelements ZE um die y-Achse und Figur 18 wieder die Belastung der Bändchen LBi bei einer Biegung des Zentralele- ents ZE um die x-Achse dokumentiert. Bis auf die der SZ-Verseilung überlagerte Gleichschlagverseilung blieben alle für die Berechnung der Energieniveaus relevanten Modellparameter unverändert .

Durch die den LWL-Bändchen LB aufgeprägte Zusatzverseilung verhalten sie sich bei einer Biegung um orthogonale Achsen nahezu identisch (vergleiche den Verlauf der in den Fig. 17 und 18 dargestellten Kurven und die Ordinatenwerte) , d.h. das Biegeverhalten der Bändchen ist richtungsunabhängig und damit nahezu ideal. Die den einzelnen Bändchen LB zugeordneten

Energieniveaus liegen innerhalb des betrachteten Bereichs der Biegeradien sehr eng beieinander, was auf eine gleichmäßige Belastung der Bändchen LB hindeutet. Die Belastung ist zudem vergleichsweise gering, da das kleineren Biegeradien (r < 0,25 m) zugeordnete Energieniveau nur unwesentlich höher liegt als das Ausgangsniveau. Außerdem findet sich in keinem der Energiediagramme eine Instabilität.

g) Verfahren zur Herstellung eines SZ-verseilten Kammerkabels mit Zusatzschlag

Wie oben erläutert, läßt sich die bevorzugte Ausrichtung der Bändchen LB in der Kammer K durch eine der SZ-Verseilung überlagerte Gleichschlagverseilung aufheben. Zur Herstellung eines entsprechenden Kabels muss die beispielsweise aus [3] bekannte und dort ausführlich beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines SZ-verseilten Kammerkabels modifiziert werden. Da die Modifikation nur den Bändchenablauf und das üblicher Weise als "Finger" bezeichnete Einlegewerkzeug betreffen, können die übrigen Komponenten und Elemente der Fertigungslinie im folgenden außer Betracht bleiben.

Wie in Figur 19 nur schematisch dargestellt, besteht der ei^¬ ner Kammer K des Zentralelements ZE zugeordnete Bändchenab^¬ lauf der Fertigungslinie im gezeigten Ausführungsbeispiel aus insgesamt 5, an einem nicht gezeigten Gestell befestigten und jeweils um ihre Längsachse drehbar gelagerten Vorratsspulen

VS1 - VS5. Die von diesen_^ Vorratsspulen VS1 - VS5 abgezogenen Bändchen LBI - LB5 werden einander angenähert, ggf. in ein Führungsrohr eingefädelt und von einem langgestreckten Finger F mit beispielsweise O-förmigen oder kreisförmigen Quer- schnitt geordnet als Stapel BS in die entsprechende Kammer K des Zentralelements ZE eingelegt (siehe den vergrößerten Aus^¬ schnitt im rechten Teil der Figur 19) . Das Zentralelement ZE und das die Zugfestigkeit des Kabels gewährleistende Stahl^¬ seil S bewegen sich hierbei mit der konstanten Linien- oder Abzugsgeschwindigkeit v_L entlang der z-Achse. Gleichzeitig führen das Stahlseil S, das Zentralelement ZE, der Finger F und der Bändchenablauf, angedeutet durch die Doppelpfeile, eine harmonische Schwingung im Verseilwinkel Φ₀ um die z- Achse aus .

Um die Zusatzverseilung der Bändchen LB zu erzeugen, rotieren alle Vorratsspulen VS1 - VS5 im Ablauf synchron mit der konstanten Winkelgeschwindigkeit

ω_s = (2π/S) ^• v_L/ (6)

wobei S und v bedeuten: S : SZ-Schlaglänge V_L : Abzugsgeschwindigkeit,

um eine senkrecht auf der Längsachse der Vorratsspule VS1 - VS5 stehende Drehachse. Bei einer Abzugsgeschwindigkeit von typischerweise v_L = 20 m/Min und einer Schlaglänge von beispielsweise S = 0,5 m beträgt die Winkelgeschwindigkeit Cύ_s der Vorratsspulen VS1 - VS5 dann ω_s « 4 s^-1.

Nach dem gleichzeitigen Einlegen jeweils eines Bändchenstapels BS in die beispielsweise 8 Kammern, wird das Zentralelement ZE noch mit einem sogenannten Quellflies oder einer Be- spinnung umhüllt und anschließend mit einem ein- oder mehrschichtig aufgebauten Kunststoffmantel aus PE oder PP verse- hen. Das Quellflies soll die Kammern K nach außen hin abdichten, falls Wasser durch den beschädigten Mantel in die Kabelseele eindringt. Außerdem verhindert das Flies die Ausbreitung des Wassers im Kabelinnern.

Wie die Figur 20 zeigt, kann das mit einem solchen Verfahren hergestellte Kabel OK beispielsweise aus einem in eine Kunststoffmatrix KM eingebetteten zug- und/oder stauchfesten Element S (Stahlseil, glasfaserverstärkter Kunststoffstab, ARP (Ara id Reinforced Plastics) -Stab) , einem speichenförmigen, sechs Kammern K aufweisenden PE-Zentralelement ZE, einem

Quellflies QF oder einer Bestimmung und einem einschichtig aufgebauten PE-Außenmantel MA bestehen. Die Abmessungen der Kammern K müssen hierbei so bemessen sein, dass sich der Bändchenstapel BS frei in seiner Kammer K drehen kann. Die Kammer K kann insbesondere einen trapezförmigen aber auch einen annähernd kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der gedreht einlaufende Bändchenstapel BS beschreibt dann die in Figur 21 dargestellte, durch den Verlauf der Kammer im Zentralelement ZE vorgegebene Raumkurve zwischen benachbarten Umkehrstellen .

Claims

Patentansprüche

1. Optische Übertragungselemente enthaltendes Kabel mit den folgenden Merkmalen: - es besitzt ein sich in Richtung der Kabellängsachse (z) erstreckendes Zentralelement (ZE) , wobei das Zentralelement (ZE) mindestens eine nach außen offene Kammer (K) aufweist und die Kammer (K) an der Außenseite des Zentralelements (ZE) helix- oder schraubenförmig, mit periodisch wechseln- der Drehrichtung umläuft;

- als Übertragungselemente dienen mehrere, in der Kammer (K) stapeiförmig ubereinanderliegend angeordnete LWL-Bändchen (LB) , wobei der den LWL-Bändchen (LB) durch den Kammerverlauf aufgeprägten SZ-Verseilung zusätzlich noch eine Gleichschlagverseilung überlagert ist;

- ein ein- oder mehrschichtig aufgebauter Mantel umhüllt das Zentralelement (ZE) .

2. Kabel nach Anspruch 1 , dadurch gekennz eichnet , dass die Gleichschlagverseilung durch kontinuierliches Drehen der LWL-Bändchen (LB) um ihre Längsachse hervorgerufen wird, wobei die Drehung um die Bandchenlangsach.se 360° pro Schlaglänge S der SZ-Verseilung beträgt.

3 . Kabel nach Anspruch 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Bändchenstapel (BS) an den jeweils in der Mitte zwischen aufeinanderfolgenden Umkehrstellen liegenden Orten (He- licals) derart in der Kammer (K) angeordnet ist, dass die hinsichtlich des Biegeverhaltens weniger steife Achse (k) der LWL-Bändchen (LB) annähernd senkrecht auf der durch den Ka-m- merboden definierten Ebene steht.

4. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a du r c h g e k e nn z e i c h n e t , dass die die Mittelpunkte der Kammer entlang der Kabellängsachse verbindende Raumkurve durch

gegeben ist und dass die Projektion eines von der Kabellängsachse ausgehenden, radial nach außen auf die Kammermitte ge- richteten Vektors auf eine senkrecht zur Kabellängsachse orientierte Ebene zwischen aufeinanderfolgenden Umkehrstellen den Winkel Φ₀ überstreicht, wobei der Winkel Φ₀ der Bedingung

]τ(z)_χdz≡0

genügt .

5. Kabel nach Anspruch 4, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Winkel Φ₀ die Werte Φ₀ = 275,5° + 0,5° und Φ₀

632,5° ± 0,5° annimmt.

6. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a du r c h g e k e nn z e i c hn e t , dass das Zentralelement (ZE) mehrere, annähernd parallel ver^¬ laufende Kammern (K) aufweist.

7. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a du r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass das Zentralelement (ZE) mit einer Bewicklung oder einer Bespinnung versehen oder mit einem bei Zutritt von Wasser quellenden Material umhüllt ist.

8 . Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , g e k e n n z e i c h n e t d u r c h ein Zug- und/oder Stauchkräfte aufnehmendes Kernelement (S) , wobei das Zentralelement (ZE) auf das Kernelement (S) auf- extrudiert ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines optische Übertragungselemente enthaltenden Kabels durch Ausführen der folgenden Schritte:

- Bereitstellen eines Zentralelements (ZE) , wobei das Zent- ralelement (ZE) mindestens eine, nach außen offene Kammer

(K) aufweist und die Kammer (K) an der Außenseite des Zentralelements (ZE) helix- oder schraubenförmig, mit wechselnder Drehrichtung umläuft,

- Abziehen mehrerer, als optische Übertragungselemente die- nender LWL-Bändchen (LBI - LB5) von entsprechenden Vorrats- spulen (VS1 - VS5) ,

- Zusammenführen der LWL-Bändchen (LBI - LB5) zu einem Stapel (BS) ,

- Einlegen des mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit um seine Längsachse rotierenden Bändchenstapels (BS) in die

Kammern (K) und

- Aufbringen eines ein- oder mehrschichtigen Außenmantels

(MA) .

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennz e i chnet , dass der Bändchenstapel (BS) mit der Winkelgeschwindigkeit C0_S = (2π/S) " v_L während des Einlegens um seine Längsachse rotiert, wobei die Größe S die Schlaglänge der dem Bändchensta- pel (BS) durch den Verlauf der Kammer (K) aufgezwungenen SZ- Verseilung und die Größe v_L die Abzugsgeschwindigkeit des Zentralelements (ZE) bezeichnen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadur ch g ekenn z ei chne t , dass jede der Vorratsspulen (VS1 - VS5) mit der Winkelge- schwindigkeit ω_s um eine jeweils senkrecht zu ihrer den Abzug des zugeordneten Lichtwellenleiterbändchens (LB) ermöglichenden Drehachse orientierten zweiten Achse rotiert.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadur c h g ekenn z e i chne t , dass ein den Bändchenstapel führendes und in die Kammer (K) einlegendes Werkzeug (F) mit der Winkelgeschwindigkeit Schlaglänge um seine Längsachse rotiert.