JP5100125B2 - 光ファイバ心線及び光ファイバテープ心線 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバケーブル内に収納される光ファイバ心線に関するものである。特に、光ファイバ用被覆樹脂と着色樹脂を適正化し、使用環境や経年劣化によって、光ファイバの伝送ロス増加を抑制した光ファイバ心線に関するものである。

光ファイバは、石英ガラスの線引工程において、光ファイバの強度低下を防ぐため、直ちにその外周に被覆樹脂が被覆される。光ファイバ用の被覆樹脂としては、主に紫外線硬化型樹脂が用いられている。紫外線硬化型樹脂としては、ウレタンアクリレート系もしくはエポキシアクリレート系が用いられている。

光ファイバにおいて、様々な外的応力やそれによって発生するマイクロベンドによって伝送ロスが増加する。そのため、そのような外的応力から光ファイバを保護するため、一般的には光ファイバ心線は２層構造からなる被覆が施されている。石英ガラスと接触する内層には比較的ヤング率の低い樹脂を用いることでバッファ層とし（以下、プライマリ層と呼ぶ）、外層には比較的ヤング率の高い樹脂を用いることで保護層としている（以下、セカンダリ層と呼ぶ）。

光ファイバ心線は、石英ガラスを主成分とするプリフォームから線引炉によって、加熱溶融、線引きされた石英ガラス製光ファイバに、コーティングダイスを用いて紫外線硬化型樹脂を塗布し、続いてこれに紫外線を照射して紫外線硬化型樹脂を硬化させ、プライマリ層、セカンダリ層を被覆して製造される。そして、できあがった光ファイバ心線に、次の工程において、識別のために着色層をコーティングすることによって、第１図に示したような着色光ファイバ心線となる。なお、一般に、光ファイバに被覆樹脂を被覆したものを光ファイバ素線、さらに着色層を設けたものを光ファイバ心線と呼ぶこともあるが、本願明細書においては、説明の都合上、光ファイバに何らかの被覆を施したものは光ファイバ心線と呼ぶことにする。

一般的には、着色層にも紫外線硬化型樹脂が用いられている。そしてさらに、上記のようにして得られた着色光ファイバ心線を、第２図に示したように複数本並行に並べてその外周を例えば、紫外線硬化型樹脂からなるテープ層で一括被覆し、これに紫外線を照射することによってテープ層を硬化させて光ファイバテープ心線としている。このような光ファイバテープ心線は、主に高密度光ファイバケーブル用として用いられることが多い。

光ファイバを、水に浸漬した状態で長期間使用していると、伝送ロスが増大するケースがある。例えば、特許第２９２５０９９号（特許文献１）においては、光ファイバテープ心線は、高湿度の雰囲気で使用した場合、セカンダリ層と着色層との間、または、着色層とテープ層との間に吸湿による異常なふくれが発生し、これにより、石英ガラスにストレスがかかり、そのため伝送ロスが増大するということが開示されている。そしてこの特許文献１においては、着色層としてのインクの浸水による重量変化率を適正化することで、伝送ロスの増大を抑制している。

ところで、近年の光ファイバの著しい普及によって、光ファイバケーブルはその適用範囲が拡大している。これは光ファイバケーブルが使用される環境が多様化することを意味する。そのため、光ファイバケーブルに求められる長期信頼性はさらに厳しいものとなってきている。

このような状況も手伝い、特許文献１に記載のように、着色層としてのインクの浸水による重量変化率を適正化してもなお、光ファイバ心線が水浸状態に曝され、伝送ロスが増大する場合がある。

本発明者等は、この原因を鋭意研究し、水浸状態に曝され伝送ロスが増大した光ファイバ心線には、セカンダリ層／着色層界面、または、着色層／テープ層界面のみならず光ファイバ／プライマリ層界面においても剥離した状態すなわちデラミネーションが観察されることが多いことを見出した。このように光ファイバ／プライマリ界面にデラミネーションが発生すると、その部分における応力は不均一なものとなり、光ファイバは、マイクロベンドによる伝送ロス増を生じることになる。したがって、本発明における課題は、例えば、光ファイバケーブルに収納されている光ファイバ心線が、使用環境や経年劣化、特に、水に曝された場合においても伝送ロスが増加しにくい光ファイバ心線、光ファイバテープ心線を提供することにある。

上記課題を解決するため、
（１）本発明の第１の観点による光ファイバ心線は、光ファイバに少なくとも２層の被覆樹脂を被覆した光ファイバ心線であって、最も外側に被覆される前記被覆樹脂は着色樹脂からなる着色層であり、前記光ファイバ心線を６０℃に加熱した水に１６８時間浸漬した際に前記光ファイバ心線からの前記被覆樹脂の溶出率が１．５質量％以下であることを特徴とする。
（２）本発明の第２の観点による光ファイバ心線は、同、第１の観点による光ファイバ心線において、前記光ファイバ心線の着色層を施す前の光ファイバ心線を６０℃に加熱した水に１６８時間浸漬した際に該光ファイバ心線の被覆樹脂からの溶出率が１．５質量％以下となるようにする。
（３）本発明の第３の観点による光ファイバ心線は、第１の観点による光ファイバ心線であって、前記着色層被覆後の前記ファイバ心線を６０℃に加熱した水に１６８時間浸漬した際の前記被覆樹脂の溶出率が、前記着色層被覆前の前記ファイバ心線を６０℃に加熱した水に１６８時間浸漬した際の前記被覆樹脂の溶出率よりも少ないことを特徴とする。
（４）本発明の第４の観点による光ファイバ心線は、同、第１、第２および第３の観点のいずれかによる光ファイバ心線であって、前記被覆樹脂及び前記着色樹脂が紫外線硬化型樹脂からなるものである。
（５）本発明の第５の観点による光ファイバテープ心線は、同、第１ないし第４の観点のうちのいずれかの観点による光ファイバ心線を複数本平面状に並べ、テープ樹脂により一括被覆したものである。

前述のような光ファイバ心線を水に浸漬した時に伝送ロス増が発生するメカニズムは次のように考えられる。すなわち、着色光ファイバ心線やテープ状光ファイバ心線が、水に浸漬されると、水分は、被覆層を透過して、ガラスとプライマリ層界面まで到達する。ガラスとプライマリ層界面には接着力が発生しているが、例えば Proc.19^th ACOFT，375(1994)”Design of Optical Fiber Coating”の報告にあるように、一般的には接着力はガラスと樹脂中の官能基との水素結合と、接着促進剤による化学結合からなっている。しかし、水素結合は、ガラスとプライマリ層との界面に水等が侵入することによって切断されてしまうと考えられている。このように、水素結合が切断されるとガラスとプライマリ層界面の接着力が低下する。

一方、例えば、プライマリ層、セカンダリ層、着色層などの光ファイバ心線被覆樹脂の溶出率が大きいと、光ファイバ心線が水に浸漬されたときに、水分の拡散移動とともに光ファイバ心線被覆樹脂中の溶出成分が光ファイバ心線外に散逸する。とくに樹脂が柔軟でガラスに接しているプライマリ層からの散逸の影響は大きい。光ファイバ心線が水に浸漬された状態では、被覆樹脂の溶出分と同じかあるいはそれ以上の水分が吸水されていれば事実上の体積収縮は生じないことになる。

しかしながら、光ファイバ心線が長期にわたって水に浸漬された状態にあると、溶出成分は徐々にではあるが光ファイバ心線外に放出されることになる。その時に光ファイバ心線被覆樹脂の体積収縮が発生し、これが長期わたって発生すると、前記のガラスとプライマリ層界面の接着力低下が相乗的に作用し、伝送ロス増を増大させる部分的なデラミネーションを引き起こす。

また、この被覆樹脂の溶出成分は、非反応性添加剤に加えて各種反応性添加剤や光ファイバ心線製造過程における硬化反応の際の未反応成分の量と架橋した部分の分子構造との親和性等により決定される。

また、着色層は本来は識別のための目的で設けられているものであるが、そのヤング率・ガラス転移温度・架橋密度といった樹脂特性を変えたり、添加する配合成分を制御することによってプライマリ層やセカンダリ層を含む光ファイバ心線被覆樹脂からの溶出量を制御、抑制することができることを見い出し、本発明を完成した。

一般的には、着色層を高分子膜と見なせば、ガラス状態における高分子膜の自由体積すなわち分子レベルあるいはそれに近いサイズのボイド（空孔）、よくミクロボイドと表現されるが、このミクロボイドの量・サイズ・形状・分布によって透過性が決定されることになる。気体分子のようなものであれば理論的に解明されているが、水のように極性を持つために高分子膜と相互作用がある場合は、その透過性は複雑になってくる。特に、本発明における被覆層からの溶出成分は、水浸漬した際に被覆層自体からの溶出してくる成分なので被覆層との相互作用は当然強く、溶出性を推測することは難しいが、ヤング率・ガラス転移温度・架橋密度を高くすることによって、透過する物質の透過性を抑制することができる。配合する成分としては二官能モノマー等の多官能モノマーをより多く添加することによって、ヤング率・ガラス転移温度・架橋密度を高くすることができる。

また、ファイバ状態における溶出率は、被覆する紫外線硬化樹脂の組成だけで決まる値ではなく、照度や照射量といった硬化条件によっても影響も受けることがわかっている。

即ち、本発明の第１および第２の観点による光ファイバ心線によれば、６０℃の水に１６８時間浸漬した場合の光ファイバ心線被覆樹脂の溶出率を１．５％以下とすることにより、伝送ロスの増加に寄与するガラス／プライマリ層界面など、光ファイバと被覆樹脂の界面のデラミネーションを抑制することができる。なお、１６８時間としたのは、１６８時間を経過することで被覆樹脂からの溶出がほぼ飽和するからである。

本発明の第３の観点による光ファイバ心線によれば、例えば、プライマリ層やセカンダリ層など着色層の内側に設けられる被覆樹脂の水に対する溶出率が大きい場合であっても、その外側に水に対する溶出率が小さい着色樹脂からなる着色層を設けることにより、光ファイバ心線の被覆樹脂全体の水に対する溶出率を小さく抑えることができる。従って、伝送ロスの増加に寄与する光ファイバと被覆樹脂の界面におけるデラミネーションの抑制と、プライマリ層、セカンダリ層の設計の自由度を両立させることができる。

本発明の第４の観点による光ファイバ心線によれば、請求項１から３に係るデラミネーションを抑制するための構成を一般的な光ファイバ心線に適用することができる。なお、光ファイバ心線の被覆樹脂や着色樹脂として用いる紫外線硬化型樹脂は主なものとして、オリゴマー、希釈モノマー、光開始剤、連鎖移動剤、添加剤等からなる。オリゴマーとしてはウレタンアクリレート系、エポキシアクリレート系、ポリエステルアクリレート系が主に用いられる。

希釈モノマーとしては、単官能アクリレートもしくは多官能アクリレートやＮ−ビニルピロリドンやＮ−ビニルカプロラクタムといったビニルモノマーが用いられる。

本発明の第５の観点による光ファイバテープ心線によれば、請求項１から４いずれか一つに係る光ファイバ心線を使用することにより、好適な光ファイバテープ心線を構成することができる。なお、光ファイバテープ心線にいかなる光ファイバ心線が使用されているかは、光ファイバテープ心線から単心に分離した光ファイバ心線の着色樹脂及び／又は被覆樹脂の溶出率や溶出量を測定することにより判定できる。

第１図は、光ファイバ心線の横断面図である。 第２図は、光ファイバテープ心線の横断面図である。

以下、図面を参照して、発明の実施の形態を説明する。

本発明を実施するための最良の形態として以下のものが好ましい。即ち、光ファイバにプライマリ層、セカンダリ層、着色層の３層の被覆樹脂を被覆し光ファイバ心線を作製する。各樹脂には紫外線硬化型樹脂を用いる。さらに、この光ファイバ心線を複数本平面状に並行に並べ、紫外線硬化型樹脂からなるテープ樹脂で一括被覆して光ファイバテープ心線とする。

本発明の実施例として第１図に示すよう石英ガラスからなる光ファイバ１にプライマリ層２、セカンダリ層３、着色層４の３層の被覆樹脂を被覆した数種類の光ファイバ心線５を作製した。各樹脂には紫外線硬化型樹脂を用いた。紫外線硬化型樹脂は、オリゴマー、希釈モノマー、光開始剤、連鎖移動剤、添加剤とからなるが、その構成材料を変えることで数種類の光ファイバ心線５を作製した。なお、いずれの実施例においても、石英ガラスからなる光ファイバ１の外径を１２５μｍ、プライマリ層２の外径を１９５μｍ、セカンダリ層３外径を２４５μｍ、着色層４の外径を２５５μｍとした。さらに、一部の光ファイバ心線５は、第２図に示すように、４本平面状に並行に並べ、紫外線硬化型樹脂からなるテープ樹脂６で一括被覆して光ファイバテープ心線７とした。

これらを下記の方法にしたがって、溶出率と伝送ロス増の測定を行った。その結果を表１に示す。なお、本実施例において、プライマリ、セカンダリ層被覆状態における光ファイバ心線のからの被覆樹脂の溶出率は、着色層被覆前後の光ファイバ心線にて測定した。

（溶出率の測定方法）
長さ５ｍの光ファイバ心線を６０℃恒温槽中にて２４時間乾燥した後、光ファイバ心線の質量からガラス部分の質量を差し引くことで樹脂部分の質量（ｗ１）を測定する。次に、その光ファイバ心線を６０℃に加熱した水に１６８時間浸漬する。その後、光ファイバ心線を６０℃に加熱した水から取り出し、光ファイバ心線を５０℃で２４時間乾燥した後の樹脂部分の質量（ｗ２）を測定する。測定したｗ１とｗ２から、下記式により溶出率を求めた。
溶出率（ｗｔ％）＝（ｗ１−ｗ２）／ｗ１×１００

（伝送ロス増の測定方法）
長さ約１ｋｍの光ファイバ心線あるいは光ファイバテープ心線を60℃に加熱温した水に浸漬し、100日後の伝送ロス増を測定した。伝送ロス増が0.10ｄＢ／ｋｍ以上を×、0.10ｄＢ／ｋｍ未満を○、なかでも0.03ｄＢ／ｋｍ未満を◎と判断した。伝送ロス増の測定は、アンリツ（株）製 光パルス試験器 MW９０６０Aを用い、光後方散乱損失係数（OTDR）により、１．５５μｍ帯の損失を長手方向に測定した。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、光ファイバに少なくとも２層の被覆樹脂を被覆した光ファイバ心線であって、最も外側に被覆される前記被覆樹脂は着色樹脂からなる着色層であり、前記光ファイバ心線を６０℃に加熱した水に１６８時間浸漬した際に前記光ファイバ心線からの前記被覆樹脂の溶出率を１．５質量％以下とすることによって、６０℃の温水に１００日間浸漬しても伝送ロス増は０．１０ｄＢ／ｋｍ未満であり、伝送ロスがほとんど増大しないことを確認できた。また、プライマリ、セカンダリ層被覆状態における光ファイバ心線のからの被覆樹脂の溶出率も１．５質量％以下とすることによって、６０℃の温水に１００日間浸漬しても伝送ロス増は0.03ｄＢ／ｋｍ未満であり、特に良好な結果が得られた。これらの効果は、光ファイバ心線の状態（実施例１、３、５、７）であっても、光ファイバテープ心線の状態（実施例２、４、６、８）であっても奏することが確認できた。一方、比較例１〜４の場合は、６０℃に加熱した水に浸漬した後の着色光ファイバ心線からの溶出率が１．５質量％以上だと伝送ロスの増加が０．１ｄＢ／ｋｍ以上であり、伝送ロスが増加することが認められた。

上述したとおり、本発明によれば、使用環境や経時変化、特に水分もしくは高湿度雰囲気に曝されても伝送ロスが増加しない光ファイバ心線や光ファイバテープ心線を得ることができる。

Claims (5)

1. 光ファイバと、
   前記光ファイバの外周に被覆されている被覆樹脂からなるプライマリ層と、
   前記プライマリ層の外周に被覆されている被覆樹脂からなるセカンダリ層と、
   前記セカンダリ層の外周に被覆されている着色された被覆樹脂からなる着色層と、
   を備える光ファイバ心線であって、
   前記着色層を設ける前の前記光ファイバ心線を６０℃に加熱した水に１６８時間浸漬した際に、前記着色層を設ける前の前記光ファイバ心線からの溶出率が１．７質量％以下であり、かつ
   前記着色層を設けた後の前記光ファイバ心線を６０℃に加熱した水に１６８時間浸漬した際に、前記着色層を設けた後の前記光ファイバ心線からの溶出率が１．５質量％以下である
   ことを特徴とする光ファイバ心線。
2. 請求項１記載の光ファイバ心線において、
   前記着色層を設ける前の前記光ファイバ心線からの前記溶出率が０．５質量％以下であり、かつ
   前記着色層を設けた後の前記光ファイバ心線からの前記溶出率が０．４質量％以下である
   ことを特徴とする光ファイバ心線。
3. 請求項１記載の光ファイバ心線であって、前記着色層を設けた後の前記光ファイバ心線からの前記溶出率が、前記着色層を設ける前の前記光ファイバ心線からの前記溶出率よりも少ないことを特徴とする光ファイバ心線。
4. 請求項１から３いずれか一つに記載の光ファイバ心線であって、前記被覆樹脂及び前記着色樹脂が紫外線硬化型樹脂からなることを特徴とする光ファイバ心線。
5. 請求項１から４いずれか一つに記載の光ファイバ心線を複数本平面状に並べ、テープ樹脂により一括被覆したことを特徴とする光ファイバテープ心線。

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