CN101542347B - 光纤芯线 - Google Patents

Abstract

提供一种光纤芯线，即使在高湿度状态或浸水状态下，传输损失也难以增加。为了解决上述课题，本发明的光纤芯线是一种光纤着色芯线，该光纤着色芯线在包括至少由软质层和硬质层两层被覆层覆盖的玻璃光纤的光纤线材上，进一步覆盖由着色树脂构成的被覆层，该光纤芯线的特征在于，利用正电子湮灭法求得的该硬质层和该着色层的自由体积半径为0.290nm以上。

Description

光纤芯线

技术领域

本发明涉及一种容纳在光缆内的光纤芯线。具体地说，涉及抑制因使用环境和经时劣化而引起的光纤传输损失增加的光纤芯线，特别是涉及即使长期处于高湿度状态或浸水状态下传输损失也不增加的耐水性优异的光纤芯线。

背景技术

在制造光纤时，为了防止光纤的强度下降，在石英玻璃的拉丝工序中，直接在其外周覆盖被覆树脂。作为光纤用的被覆树脂，主要使用紫外线固化型树脂。作为紫外线固化型树脂，使用聚氨酯丙烯酸酯类或环氧丙烯酸酯类。

由于各种外界应力及由此产生的微弯曲，光纤的传输损失增加。因此，为了保护光纤不受上述外界应力的影响，一般在光纤芯线上覆盖软质层和硬质层两层结构。在和石英玻璃接触的内层使用杨氏模量较低的软质树脂而作为缓冲层(以下称为第一层)，在外层使用杨氏模量较高的硬质树脂而作为保护层(以下称为第二层)。一般来讲，第一层使用杨氏模量在3MPa以下的树脂，第二层使用杨氏模量在500MPa以上的树脂。

光纤线材的制造方法如下，利用拉丝炉对以石英玻璃为主成分的预制坯进行加热熔融、拉丝而得到石英玻璃制光纤，使用涂布模(Coating die)在该石英玻璃制光纤上涂布液体状的紫外线固化型树脂，接着对其照射紫外线，使紫外线固化型树脂固化，从而覆盖第一层和第二层。

进而在下面的工序中，在得到的光纤线材的外周覆盖由着色树脂等构成的被覆层，从而制造光纤着色芯线。图1表示光纤线材的结。在本说明书中，将如上所述由第一层和第二层覆盖玻璃光纤的产品称为光纤线材，将在光纤线材的外周进一步覆盖由着色树脂等构成的被覆层的产品称为光纤着色芯线，进而将多根光纤芯线排列成平面状并利用带树脂统一覆盖的产品称为光纤带芯线。此外，将在玻璃光纤的外周具有被覆层的产品即光纤线材、光纤着色芯线和光纤带芯线统称为光纤芯线。

若将上述光纤芯线浸渍于水中，存在传输损失增大的情况。为了制造即使如上所述在水中浸渍的状态下长期使用也能防止光纤传输损失增大的可靠性高的光纤，提出了改善第一层和玻璃光纤之间的贴合力等各种方案。

发明内容

随着近年来光纤的显著普及，光缆的适用范围得到大幅扩大。这意味着光缆的使用环境逐渐多样化，进一步意味着新的缆结构逐步得到开发。因此，光缆所要求的长期可靠性非常严格。

正是在上述情况下，展开了对即使暴露于浸水状态下传输损失也难以增加的光纤芯线的研究。但是，在取得各层界面粘结性的平衡的同时应对上述问题时存在限度，目前通过进一步研究缆结构、软线(Cord)或外壳(Sheath)材质，避免水分到达光纤芯线，减少水分的到达量，从而实现实用化，但是其可靠性不够充分。

本发明的目的在于提供一种光纤芯线，例如容纳在光缆中的光纤芯线，即使使用环境改变或随时间劣化，特别是暴露于水或高湿度下，传出损失也难以增加。

为了解决上述课题，本发明的光纤芯线是一种光纤着色芯线，该光纤着色芯线在包括至少由软质层和硬质层两层被覆层覆盖的玻璃光纤的光纤线材上，进一步覆盖由着色树脂构成的着色被覆层，该光纤芯线的特征在于，利用正电子湮灭法求得的该硬质层和该着色被覆层的自由体积半径为0.290nm以上。

此外，也可以形成为光纤带芯线，将多根上述光纤着色芯线排列成平面状，利用带树脂统一覆盖。

此外，本发明的光纤芯线或光纤带芯线的特征在于，上述至少两层的被覆层、着色被覆层和带层由紫外线固化型树脂构成。

根据本发明的光纤芯线，通过使用具有硬质层和着色层的光纤着色芯线，能够抑制暴露在水或高湿度下时的传输损失增幅，利用正电子湮灭法求得的上述硬质层和着色层的自由体积半径为0.290nm以上。

此外，通过使用上述光纤线材或光纤芯线，能够构成优选的光纤带芯线。

附图说明

图1是本发明光纤线材的实施例的剖视图。

图2是本发明光纤线材的其他实施例的剖视图。

图3是本发明光纤带芯线的剖视图。

标号说明

11玻璃光纤

12第一层

13第二层

14光纤线材

21着色层

22光纤着色芯线

31带树脂

32光纤带芯线

具体实施方式

下面，详细说明本发明。

本发明人对暴露在高湿度状态或浸水状态下的光纤的传输损失增大的原因进行认真研究的结果，发现在传输损失增大的光纤芯线上观察到在玻璃光纤/第一层界面产生剥离。

在玻璃光纤和被覆层的界面上，当撕扯被覆层的力超过玻璃光纤和被覆层的界面粘结力时，产生玻璃光纤/第一层界面的剥离。若在界面产生剥离，则施加在玻璃上的力变得不均匀，产生微弯曲，因此传输损失增加。

如下推测浸渍于水中时玻璃光纤和被覆层的界面粘结力下降的机理。若将光纤芯线浸渍于水中，或暴露在高湿度的氛围下，则水分透过被覆层，到达玻璃光纤和第一层的界面。虽然在玻璃光纤和第一层的界面产生有粘结力，但是，例如N.Akasaka et al.，“Design of OpticalFiber Coating”，Proc.of 19^th Australian Conference on Optical FibreTechnology(ACOFT)，p.375，1994的报告所述，粘结力一般由玻璃与树脂中官能团的氢键、和由粘结促进剂(Adhesive accelerator)引起的化学键构成。但是，氢键会因水等侵入玻璃和第一层的界面而被切断。由此，推测玻璃和第一层界面的粘结力因氢键被切断而下降。

作为用于实施本发明的方式，制作在玻璃光纤上覆盖第一层、第二层的光纤线材，并利用着色层覆盖该光纤线材而制作着色光纤芯线。构成各被覆层的树脂使用紫外线固化型树脂。进而，可以根据用途将多根该光纤芯线平行排列成平面状，并利用由紫外线固化型树脂构成的带树脂(Ribbon resin)统一覆盖，从而形成光纤带芯线。

另外，作为光纤线材的被覆树脂、着色树脂而使用的紫外线固化型树脂，主要由低聚物、稀释单体、光引发剂、链转移剂、硅烷偶合剂、和各种添加剂构成。作为低聚物，主要使用聚氨酯丙烯酸酯类、环氧丙烯酸酯类、和聚酯丙烯酸酯类。作为稀释单体，使用单官能丙烯酸酯或多官能丙烯酸酯。

本发明中的光纤着色芯线使用具有如下着色层的光纤着色芯线：利用正电子湮灭法求得的常温下硬质层和着色层的自由体积半径在0.290nm以上，从而本发明中的光纤着色芯线能够抑制传输损失增幅。

此外，从机械特性的观点出发，优选自由体积半径在0.35nm以下。

在此，正电子湮灭法是指如下方法：测量从正电子(e⁺)入射到试样开始直到湮灭为止的时间(正电子湮灭寿命)，从而测定物质中存在的空孔、局部空隙的大小、密度。正电子是电子的反粒子，是质量与电子相同且带正电荷的粒子。已知在分子晶体、非晶固体中当正电子和电子相遇时会因库仑力而形成电子-正电子对，然后湮灭。(例如，李洪玲，氏平祐輔，“陽電子消滅寿命法による高分子の自由体積の評価”，ぶんせき，1，11～20(1998)。)

该正电子-电子对呈现粒子性的行为，将其称为正电子素。正电子素包括成对的电子和正电子的自旋(Spin)平行的正-正电子素(o-Ps)和反平行的仲-正电子素(p-Ps)。若正电子射入高分子中，则存在正电子(e⁺)与从高分子中击出的电子之一结合而形成o-Ps的情况。e⁺、o-Ps被高分子材料中的电子密度低的部分、即高分子中的局部空隙所捕获，与从空隙壁出来的电子云重合而湮灭。当e⁺、o-Ps存在于高分子中的空隙中时，该空隙的大小与e⁺、o-Ps的湮灭寿命成反比例关系。即，若空隙小，则e⁺、o-Ps与周围电子的重合增多，正电子湮灭寿命缩短。另一方面，若空隙大，则e⁺、o-Ps与从空隙壁释放出的其他电子重合而湮灭的概率降低，e⁺、o-Ps的湮灭寿命延长。从而，通过测定e⁺、o-Ps的湮灭寿命能够评价高分子树脂中局部空隙的大小。

放射性同位素²²Na常作为正电子源而用于正电子寿命的测定。在²²Naβ衰变成²²Ne时，同时释放出正电子和1.28MeV的γ线。入射到高分子中的正电子经湮灭过程释放出511keV的γ线。从而，通过以1.28MeV的γ线为开始信号、以511keV的γ线为结束信号测量两者的时间差，能够求得正电子的湮灭寿命。

实施例

如图1所示，作为本发明的实施例，制作利用第一层12、第二层13两层被覆树脂层覆盖由石英玻璃构成的玻璃光纤11的多种光纤线材14。各树脂使用紫外线固化型树脂。紫外线固化型树脂由低聚物、稀释单体、光引发剂、链转移剂、和添加剂构成，通过改变其构成材料，制作多种光纤线材14。

关于紫外线固化树脂的自由体积半径，可以通过低聚物的骨架结构和分子量、以及所添加的稀释单体的种类和添加量来适宜地改变。另外，虽然不能一概而论，但是通过增大低聚物的分子量，或减少单体添加量，能够减小自由体积半径。

另外，实施例中的光纤线材在由石英玻璃构成的外径为125μm的玻璃光纤11的外周具有外径为185μm或195μm的第一层12，进而在其外周具有外径为245μm的第二层13。此外，在制作光纤线材14后，通过经由其他工序覆盖着色层21而形成外径为255μm的着色光纤芯线22的方法，制作图2所示的实施例3、5和比较例3、5、7的着色芯线。另一方面，图1所示的实施例2和比较例2的着色芯线是通过在第二层13中直接添加着色剂而形成外径为255μm的着色芯线14的方法制作。

进而，如图3所示，部分光纤着色芯线22平行排列4根成平面状，利用由紫外线固化型树脂构成的带树脂31统一覆盖而形成光纤带芯线32。并同样制作表1所示的比较例的光纤芯线和光纤带芯线。另外，实施例4的光纤带芯线是使用实施例3的着色芯线来制作，实施例6的光纤带芯线是使用实施例5的着色芯线来制作，比较例4、6、8的光纤带芯线是分别使用比较例3、5、7的着色芯线来制作。

根据以下方法，对上述实施例进行光纤线材的热膨胀量和光纤芯线的传输损失的测定。表1表示其结果。

(着色材料的自由体积)

通过测定正电子湮灭寿命来求得自由体积。

测定条件

线源：²²Na(强度1.85MBq)

测定时间：5小时

正电子寿命分析：合适的程序(fitting program)PATFIT

分析条件：3成分分析(设定值0.1，0.35，1ns)

自由体积分布分析：使用拉普拉斯逆变换程序CONTIN

试样尺寸：10mm×10mm，重叠两张夹住线源而进行测定

使用根据正电子寿命值的第三成分求得自由体积半径的以下数学式，求得自由体积半径(nm)。

【数学式1】

${\mathrm{\τ}}_3=0.5\×{[1.0-\frac{R}{R_0}+\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sin \left(\frac{2\mathrm{\πR}}{R_0}\right)]}^{-1}$

τ₃：o-Ps的寿命(ps)，

R：自由体积半径(nm)，

R₀：R+ΔR，

ΔR：0.166nm

ΔR是表示电子云向自由体积中渗出的厚度的参数，0.166nm作为最佳的合适参数(fitting parameter)而使用。

(传输损失的测定方法)

将长度约1km的光纤芯线或光纤带芯线浸渍于加热到60℃的水中，测定30天后的传输损失增幅。使用アンリツ(株)制造的光脉冲试验器MW9060A，根据光后方散射损失系数(OTDR)法，使用1.55μm的波长进行传输损失增幅的测定。并且，当确认在60℃的温水中浸渍30天后传输损失增幅在0.1dB/km以上时，判断为相对于使用环境的耐性不充分(表1的×符号)。此外，利用光学显微镜观察试验后的光纤芯线或光纤带芯线，从而观察在光纤芯线何处的界面产生剥离。

从上述说明可知，根据本发明的光纤芯线，一种光纤线材包括至少由软质层和硬质层两层被覆层覆盖的玻璃光纤，利用正电子湮灭法求得的该硬质层的自由体积半径在0.290nm以上，一种光纤着色芯线在该硬质层中含有着色剂，或在光纤线材上进一步覆盖由着色树脂构成的被覆层，利用正电子湮灭法求得的该硬质层和该着色层的自由体积半径在0.290nm以上，通过使用上述光纤线材或光纤着色芯线，即使在60℃的温水中浸渍30天，传输损失也不增大。

此外，确认了无论是光纤着色芯线的状态(表1的实施例2、3、5)，还是光纤带芯线的状态(实施例4、6)，均可起到上述效果。

另一方面，从比较例1～8的测定结果确认，在上述自由体积半径小于0.290nm时，传输损失的增加达到0.1dB/km以上。

在本实施例中，使用通常的具有阶跃型折射率分布的单模纤维，但是本领域技术人员明白本发明也能够适用于具有其他分布的光纤。

如上所述，根据本发明，能够得到一种光纤芯线和光纤带芯线，即使使用环境改变或时间流逝，特别是暴露于水分或高湿度氛围中，传输损失也不会增加。

Claims (5)

1.一种光纤线材，包括至少由软质层和硬质层两层被覆层覆盖的玻璃光纤，上述至少两层的被覆层由紫外线固化型树脂构成，

其特征在于，

上述至少两层的被覆层的上述紫外线固化型树脂包括低聚物、稀释单体、光引发剂、链转移剂和添加物，

利用正电子湮灭法求得的该硬质层的自由体积半径为0.290nm以上。

2.一种光纤着色芯线，其特征在于，

在权利要求1所述的光纤线材的该硬质层中含有着色剂。

3.一种光纤着色芯线，其特征在于，

包括权利要求1所述的光纤线材和覆盖上述光纤线材的由着色树脂构成的着色被覆层，

上述着色被覆层由紫外线固化型树脂构成，

上述着色被覆层的上述紫外线固化型树脂包括低聚物、稀释单体、光引发剂、链转移剂和添加物，

利用正电予湮灭法求得的该硬质层和该着色被覆层的自由体积半径为0.290nm以上。

4.一种光纤带芯线，其特征在于，

将多根权利要求2或3所述的光纤着色芯线排列成平面状，利用带树脂统一覆盖。

5.根据权利要求4所述的光纤带芯线，其特征在于，

上述带树脂由紫外线固化型树脂构成。

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