NO180788B

NO180788B - Optisk fiber

Info

Publication number: NO180788B
Application number: NO902872A
Authority: NO
Inventors: Toshifumi Hosoya
Original assignee: Sumitomo Electric Industries
Priority date: 1989-06-28
Filing date: 1990-06-27
Publication date: 1997-03-10
Also published as: FI903226A0; DE69005720T2; NO902872L; DE69005720D1; US5058987A; JPH0329907A; EP0405549A1; EP0405549B1; NO902872D0; FI116244B; NO180788C

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en belagt optisk

fiber for telekoitutiunikasjon, med forbedrede transmisjons-ytelser.

Beskrivelse av teknikkens stand

En optisk fiber i trukket tilstand har enkelte mangler, som utilstrekkelig mekanisk styrke og dårlig bevaring av transmisjonskarakteristika. En trukket optisk fiber blir derfor belagt med for eksempel en harpiks. Generelt har den optiske fiber ett eller to belegglag. Fig. 1 viser et tverrsnitt gjennom en optisk fiber med et to-lags belegg som omfatter et mykt dempende lag 2 som er belagt rundt en optisk glassfiber 1, og et stivt beskyttende lag 3 som omgir det dempende lag 2.

Fig. 2 viser et tverrsnitt gjennom en optisk fiber med

et enkelt beskyttende lag 3. Et eksempel på denne type av optisk fiber er en optisk fiber som er belagt med en UV-herdbar harpiks og som anvendes i en undersjøisk kabel som krever stor styrke. Efterhvert som metoder for å

øke styrken og forbedre varmemotstandsdyktigheten til en optisk fiber er blitt utviklet, er nylig sterkt varmeresistente harpikser med stor Young's modul, som siliconharpikser av stigetypen eller polyimidharpikser, blitt anvendt for å danne det beskyttende lag.

Når harpiksen belegges på den optiske fiber i dens

trukne tilstand, avtar volumet av belegglaget efterhvert som den påførte harpiks herdes uaktet om det er en UV-herd-

bar harpiks eller herdeharpikser, som siliconharpikser av stigetypen. Volumminskningen for det påførte lag begynner i det øyeblikk harpiksen går over fra en flytende tilstand til fast tilstand ved oppvarming eller bestråling. Dette innebærer at volumminskningen begynner og stanser straks harpiksherdingen begynner. Når volumminskningen for det påførte lag sammentrykkeE eller ekspanderer glassfiberen i en radiusretning for fiberen med stor kraft, blir glassfiberen tøyd slik at lystransmisjonstap ved værelsetempera-

tur øker. Da transmisjonstapsøkningen er betydelig når det

beskyttende lag 3 er direkte dannet på glassfiberen eller det har en høy Young's modul, er unngåelse av økning av transmisjonstap i det belagte lag ett av de problemer som må løses for å øke den optiske fibers styrke.

For å hindre økningen i transmisjonstap er forskjellige forholdsregler blitt foreslått i forbindelse med fotoherdbare harpikser. For eksempel er i japansk patentpublikasjon (Kokai) nr. 54206/1987 anvendelse av en harpiks med høy lys-absorpsjonskoeffisient foreslått for å øke herdeegenskapene på en overflate, hvorved krympningen av harpiksen i radial retning undertrykkes. I japansk patentpublikasjon (Kokai)

nr. 95510/1987 foreslås en belagt optisk fiber med et belegglag av en harpiks med en herdekrympningsgrad av 0 (null).

I henhold til den ovennevnte teknikkens stand tas det imidlertid sikte på å minske trykk- eller ekspansjonskraften i radial retning til null ved å velge de spesielle harpikser. Valget av slike harpikser tilfredsstiller ikke kravet til fysikalske egenskaper, spesielt høyhastighetsherding, for et beleggmateriale for den optiske fiber.

I henhold til japansk patentpublikasjon (Kokai)

nr. 95510/1987 har harpiksene, siden alle de beskrevne ikke-krympbare harpikser er herdbare harpikser basert på ringåp-ningspolymerisasjon,. en meget lav herdehastighet sammenlignet med radikal-polymeriserte harpikser med vinylendegrupper som for tiden er utstrakt anvendt.

I henhold til japansk patentpublikasjon (Kokai)

nr. 54240/1987 kan, fordi mesteparten av det utstrålte lys blir absorbert av harpiksen, denne bli underherdet. Spesielt er det for en :optisk fiber med en stor beleggtykkelse umulig å øke produktiviteten. I tillegg kan den forholdsregel som

er beskrevet i denne publikasjon bare anvendes i forbindelse med fotoherdbare harpikser, men ikke i forbindelse med varm-herdbare harpikser.

I japansk patentpublikasjon JP-A-59-90803 beskrives at den bestemte ytre diameter og Young's modul for et bufferlag kan forhindre økning i transmisjonstap forårsaket av tempera-turendring for en optisk fiber med bufferlag. Slike bufferlag hindrer bøyespenning på grunn av forskjell i termisk ekspansjonskoeffisient mellom kjerne og bufferlag. Således tas det sikte på å hemme økningen i transmisjonstap ved temperatur-endringer. For å nå dette mål undertrykkes spenningen i lengderetningen av den optiske fiber.

I en artikkel av S. Yamakawa et al. i "9th European Conference on Optical Communication'<1>26. okt. 1983, Geneve, sider 227-230, beskrives en kappe for en optisk fiber med termisk ekspansjonskoeffisient lik null og høy Young's modul. Målet er å minske transmisjonstapet forårsaket av forskjeller

i termiske ekspansjonskoeffisienter hos kjerne og kappe når temperaturen endres.

Oppsummering av oppfinnelsen

Det tas ved oppfinnelsen sikte på å tilveiebringe en

ny struktur for en belagt optisk, fiber som ikke er utsatt for lystransmisjonstap forårsaket av trykk- eller ekspan-sjonskrefter i radial retning forårsaket av den belagte harpiksens volumminskning.

Med oppfinnelsen tilveiebringes således en optisk fiber kjennetegnet ved at den omfatter en optisk glassfiber og et stivt beskyttende lag som er belagt direkte på glassfiberen, hvor det beskyttende lag utover en innsnevrende kraft F på fra -0,49 N til +0,49 N idet kraften F er definert ved den følgende ligning:

F = (Tverrsnittsareal for beskyttende lag) x

(Young<1>s modul for beskyttende lag) x

(Krympningsfaktor for beskyttende lags innvendige diameter), hvor krympningsfaktoren, D, for den innvendige diameter av det beskyttende lag er definert ved ligningen D=(d-d')/d hvor d er den optiske glassfibers ytre diameter og d' er det beskyttende lags indre diameter etter at glassfiberen er fjernet.

Når kraften F er positiv, sammenpresser det beskyttende lag den optiske glassfiber innad, mens dersom kraften F er negativ, trekker eller ekspanderer det beskyttende lag den optiske glassfiber utad, hvorved spenning dannes i den optiske glassfiber. Uavhengig av kraftens retning er kraften F betegnet som "innsnevrende kraft".

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Det har hittil vært forventet at lystransmisjonstapet gjennom den belagte optiske fiber øker efterhvert som den innsnevrende kraft fra det beskyttende lag øker. Den innsnevrende kraft er imidlertid ikke blitt virkelig målt. Oppfinnerne bak den foreliggende oppfinnelse har undersøkt forskjellige måter å måle den innsnevrende kraft til det beskyttende lag for den belagte optiske fiber på. Resul-tatet er at det har vist seg at når glassfiberen fjernes fra den belagte optiske fiber, som vist på Fig. 2, kan en absolutt verdi for den innsnevrende kraft måles ved å måle retningen og graden av endring av det beskyttende lags innvendige diameter.

Under henvisning til Fig. 3A og 3B vil beregningen av den innsnevrende kraft i henhold til oppfinnelsen bli for-klart.

Når glassfiberen fremdeles er tilstede, er det beskyttende lags 3 innvendige diameter lik en ytre diameter d for glassfiberen 1 (se Fig. 3A). Når glassfiberen fjernes fra det beskyttende lag, endres formen til det beskyttende lag til et lag 3' med en innvendig diameter d' da den innsnevrende kraft er tilstede med retning innad eller utad (se Fig. 3b).

En krympningsfaktor D for det beskyttende lags innvendige diameter kan da defineres ved D = (d - d')/d. Når det beskyttende lag krymper efter at glassfiberen er blitt fjernet, er faktoren D positiv (d>d')fmens når laget ekspanderer, er faktoren D negativ (d<d').

Idet det antas at tøyningen i det beskyttende lag efter at glassfiberen er blitt fjernet, blir fullstendig relaksert og laget krymper jevnt, er graden av relaksert tøyning pr. lengdeenhet av fiberen tilnærmet lik: (Krympningsfaktor for innvendig diameter) x (Young<1>s modul for beskyttende lag) x (Tverrsnittsareal for beskyttende lag).

Da hele kraften utviklet av spenningen i det beskyttende lag anses å bli påført på glassfiberen, kan spenningsgraden anses å være lik den innsnevrende kraft.

For en herdeharpiks er krympningsfaktorenD alltid positiv. For en fotoherdbar harpiks kan imidlertid krympningsfaktoren D være negativ fordi den fotoherdbare harpiks kan krympe utad på grunn av overflateherding. Generelt er faktoren D fra 0,5 til 3,0% for de varmherdende harpikser og fra

-1,0 til 4,0 % for de fotoherdbare harpikser.

Relasjoner mellom den beregnede innsnevrende kraft og lystransmisjonstapet for de optiske fibre er blitt undersøkt. Resultatene er vist på Fig. 4. De heltrukne og stiplede kurver på Fig. 4 representerer henholdsvis relasjonen for en SM (enkeltirodus) optisk fiber og en GI (gradert indekstype) optisk rifier. Hver optisk fiber ble fremstilt ved å belegge den optiske SM- eller GI-fiber som hadde en glassdiameter av 125^,um, med en harpiks med Young's modul av 9,8-2450 N/mm~ ved en tykkelse av 130-400^um. Krympningsfaktoren for lagets innvendige diameter ble målt, og derefter ble den innsnevrende kraft beregnet som angitt ovenfor. Relasjonen mellom lystransmisjonstapet og den innsnevrende kraft ble derefter avsatt.

Transmisjonstapet ble målt ved hjelp av OTDR-metoden (metode for å måle tilbakespredd lys) på en bunt av belagte optiske fibre med en lengde av 3000 m. Lyset anvendt for målingen hadde en bølgelengde av l,3^um og 0,85^um for henholdsvis den optiske SM-fiber og den optiske GI-fiber.

Den heltrukne kurve på Fig. 4 angir økningen (%) i trans-mis jonstap for den optiske SM-fiber med et tap på 2,2 dB/km som 100%, og den stiplede kurve på Fig. 4 angir økningen

(%) i transmisjonstap for den optiske GI-fiber med et tap av 2,2 dB/km som 100 %.

Det vil forstås fra Fig. 4 at når den innsnevrende

kraft er fra -0,49 til +0,49 N både for den optiske SM-fiber og den optiske GI-fiber, overskrider økningen i transmisjonstapet ikke 30% av transmisjonstapet for den dobbeltbelagte optiske standardfiber som er mindre påvirket av den innsnevrende kraft. Den ovennevnte økning i transmisjonstap for de optiske SM- og GI-fibre er akseptabel i praksis, tatt i betraktning den for tiden gjeldende kvalitetsstandard for en optisk fiber.

Når det er ønskelig å senke økningen i transmisjonstap til +10% eller mindre i henhold til strengere kvalitetsstandard, blir den innsnevrende kraft regulert til et område mellom -0,2 N og +0,2 N.

Standard transmisjonstap for en optisk SM-fiber som

ikke påvirkes av den innsnevrende kraft, er 0,3 dB/km ved en bølgelengde av 0,85^um.

Blant de parametre som definerer den innsnevrende kraft, kan det beskyttende lags tverrsnittsreal reguleres ved å regulere mengden av harpiks som skal påføres som belegg, og krympningsfaktoren for det beskyttende lags innvendige diameter kan reguleres ved å endre en herdekrympningsfaktor for harpiksen.

Ved å forandre disse tre parametre enkeltvis og ved

å begrense den innsnevrende kraft til innen det spesifiserte område kan transmisjonstapet lett minskes når det stive beskyttende lag er direkte påført som belegg på glassfiberen.

Som vist på Fig. 5 kan den optiske fiber med det direkte påførte beskyttende lag ha et dempningslag 4 og et ytter-ligere beskyttende lag 5 for å øke kantvise trykkegenskaper.

I en slik optisk fiber kan strukturen i henhold til den foreliggende oppfinnelse effektivt innarbeides.

Som harpiks som danner det beskyttende lag kan hvilke som helst av herdeharpiksene og de fotoherdbare harpikser anvendes. Blant disse er en harpiks med en Young's modul av minst 9,8 N/mm 2foretrukken fordi virkningene av den foreliggende oppfinnelse er store med en slik harpiks. Spesifikke eksempler på harpiksene er UV-herdbare urethan-acrylatharpikser, UV-herdbare epoxy-acrylatharpikser, UV-herdbare silicon-acrylatharpikser, UV-herdbare siliconharpikser, UV-herdbare polyimidharpikser, siliconherdeharpikser, siliconherdeharpikser av stigetypen og polyimidherdeharpikser.

Eksempler 1- 7 og sammenligningseksempler 1- 5

Som vist i Tabellen ble ved anvendelse av én av de fire harpikser A, B, C og D med forskjellige herdetyper, Young's modul og krympningsfaktor for det beskyttende lags innvendige diameter, et enkelt beskyttende lag dannet med endring av lagets tykkelse for å endre den innsnevrende kraft på en optisk SM- eller GI-fiber med en diameter av 125^,un,og dens transmisjonstap ble målt ved romtemperatur.

Harpiksene A og B var UV-herdbare urethan-acrylatharpikser som omfattet en urethan-acrylatbaseoligomer, en trifunksjonell monomer og en fotopolymerisasjonsinitiator. Krympningsfaktorene for innvendig diameter med harpiksene A og B ble endret ved å anvende fotopolymerisasjons-initiatorer med forskjellig overflateherdbarhet.

Harpiksen C ble fremstilt ved å modifisere harpiksen

A ved å endre oligomeren til en epoxy-acrylatbaseoligomer med større stivhet for å øke Young's modul.

Harpiksen D var en siliconherdeharpiks av stigetypen som omfattet polysilylseskvioxan og ble herdet via en dehydratiserings-kondensasjonsreaksjon på molekylterminaler.

Glassfiberen ble belagt med harpiksen ved å påføre denne med en dyse og herde ved bestråling med en UV-lampe når harpiksene A, B og C ble anvendt, og med en IR-oppvarm-ingsovn når harpiksen D ble anvendt.

Transmisjonstapet ble målt ved en bølgelengde på 1,3 eller 0,85yUm for henholdsvis den optiske SM-fiber og den optiske GI-fiber.

Det vil forstås fra resultatene at den belagte optiske fiber med minsket transmisjonstap kan tilveiebringes ved å regulere den innsnevrende kraft innen området fra -0,49 til +0,49 N.

Claims

1. Optisk fiber, karakterisert ved at den omfatter en optisk glassfiber og et stivt beskyttende lag som er belagt direkte på glassfiberen, hvor det beskyttende lag utøver en innsnevrende kraft F på fra -0,49 N til +0,49 N idet kraften F er definert ved den følgende ligning: F=(Tverrsnittsareal for beskyttende lag) x (Young <*> s modul for beskyttende lag) x (Krympningsfaktor for beskyttende lags innvendige diameter), hvor krympningsfaktoren, D, for den innvendige diameter av det beskyttende lag er definert ved ligningen D=(d-d')/d hvor d er den optiske glassfibers ytre diameter og d' er det beskyttende lags indre diameter etter at glassfiberen er fjernet.

2. Optisk fiber ifølge krav 1, karakterisert ved at den innsnevrende kraft F er fra -0,2 til +0,2 N.

3. Optisk fiber ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det beskyttende lag er dannet av en harpiks valgt blant UV-herdbare urethan-acrylatharpikser, UV-herdbare epoxy-acrylatharpikser, UV-herdbare silLcon-acrylatharpikser, UV-herdbare siliconharpikser, UV-herdbare polyimidharpikser, siliconherdeharpikser, siliconherdeharpikser av stigetypen og polyimidherdeharpikser.

4. Optisk fiber ifølge krav 1-3, karakterisert ved at den er en enkeltmodus optisk fiber.

5. Optisk fiber ifølge krav 1-3, karakterisert ved at den er en optisk fiber av gradert indekstype.