DE69604183T2

DE69604183T2 - Optische faser und optisches faserband mit zugehoerigem herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69604183T2
Application number: DE69604183T
Authority: DE
Inventors: Christopher Mcnutt
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1995-05-03
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 2000-04-06
Anticipated expiration: 2016-05-01
Also published as: CN1183144A; WO1996035135A1; DE69604183D1; EP0839335A1; JPH11511865A; ES2136990T3; FR2733844A1; EP0839335B1; FR2733844B1; BR9608324A; US5990267A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Faser, ein Band aus optischen Fasern und ein Verfahren zur Herstellung dieser letzteren.
In wohlbekannter Weise ist eine optische Faser zur Übertragung von Lichtwellen bestimmt und besteht aus einem optischen Kern aus einem Material auf der Basis von Silicium, der von einem optischen Mantel umgeben ist, ebenfalls aus einem Material auf der Basis von Silicium. Der optische Kern ist zur Sicherstellung der Leitung der Mehrheit der Von der optischen Faser übertragenen Lichtwellen bestimmt. Diese beiden Elemente (optischer Kern und Mantel) bilden den optischen Teil der Faser, der blanke optische Faser genannt wird. Dieser Teil ist gegenüber äußeren Störungen sehr empfindlich, wobei diese letzteren eine Verschlechterung seiner Übertragungseigenschaften und somit eine verschlechterte Funktion der optischen Faser nach sich ziehen können.
Um die blanke Faser vor diesen äußeren Störungen zu schützen, ist es wohlbekannt, den optischen Mantel mit einer Schutzschicht aus einem Kunststoffmaterial zu umhüllen, die primäre Ummantelung genannt wird. Über dieser primären Ummantelung sind eventuell weitere Schutzschichten und insbesondere eine zweite Schutzschicht, die sekundäre Ummantelung genannt wird, sowie eine Kennzeichnungsschicht, die meistens eingefärbt ist, zu finden.
Die gegenwärtig zur Ausführung der Schutzschichten verwendete Lösung besteht darin, den optischen Mantel mit einem wärmehärtbaren Harz (d. h. das durch Erwärmen aushärtet, wobei es sich vernetzt), beispielsweise einem unter Einwirkung einer Ultraviolettstrahlung vernetzbaren Harz zu umhüllen. Die Ultraviolettstrahlung dient dazu, die für die Vernet zungsreaktion notwendige Wärme zuzuführen (in der Praxis ist eine Temperatur in der Größenordnung von 200ºC für die Vernetzung notwendig).
In ebenfalls bekannter Weise ist ein Band aus optischen Fasern ein Aufbau aus einer Vielzahl von blanken oder mit einer oder mehreren Schutz- oder Kennzeichnungsschichten umhüllten optischen Fasern, die im wesentlichen in derselben Ebene nebeneinander und zueinander parallel angeordnet sind, wobei diese Fasern mittels einer gemeinsamen Matrize aus einem Kunststoffmaterial zusammengehalten werden, die die Rolle eines Schutzes für die Fasern gegenüber äußeren Störungen spielt. Diese gemeinsame Matrize besteht aus einem wärmehärtbaren Harz, beispielsweise einem unter Einwirkung einer Ultraviolettstrahlung vernetzbaren Harz.
Um eine optische Faser mit einer Ummantelungsschicht aus wärmehärtbarem Harz zu umhüllen oder auch mittels eines solchen Harzes die Schutzmatrize eines Bandes aus optischen Fasern auszuführen läßt man den zu behandelnden Körper (Faser oder Aufbau von Fasern) in einer Beschichtungsdüse, die das nicht vernetzte und folglich flüssige Harz enthält, dann dahinter in einer Vorrichtung ablaufen, die gestattet, ihm die für die Bewirkung der Vernetzung notwendige Energie (in Form von Wärme) zu liefern.
Eine solche Vorrichtung muß komplexe Heizmittel und insbesondere im Fall eines unter Einwirkung einer Ultraviolettstrahlung vernetzbaren Harzes Ultraviolettlampen umfassen, die mit angepaßten Reflektoren verbunden sind, um die Strahlung auf den zu behandelnden Körper zu fokussieren. Außerdem ist es notwendig, in diesem letzteren Fall Mittel vorzusehen, die die Infrarotstrahlung, die zusammen mit der Ultraviolettstrahlung emittiert wird, daran zu hindern, bis zum zu behandelnden Körper zu gelangen, wobei die Gefahr besteht, daß diese Infrarotstrahlung diesen Körper übermäßig erwärmt und so die mechanischen und optischen Eigenschaften verschlechtert.
Diese Vorrichtungen sind komplex und folglich ziemlich kostspielig.
Außerdem erfordern sie eine dauernde Wartung, die ebenfalls teuer ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist somit die Entwicklung einer optischen Faser und eines Bandes aus optischen Fasern, deren Herstellung nicht die Verwendung einer an sich oder durch ihre Wartung kostspieligen Ausstattung erfordert.
Die vorliegende Erfindung schlägt zu diesem Zweck eine optische Faser vor, die einen optischen Kern zum Leiten der Mehrheit der von der Faser übertragenen Lichtwellen umfaßt, der von einem optischen Mantel umgeben ist, der selbst von einer Schutzummantelung aus einem Kunststoffmaterial umgeben ist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Kunststoffmaterial ein Material mit thermisch reversibler Vernetzung ist.
Die vorliegende Erfindung schlägt auch ein Band aus optischen Fasern vor, daß eine Vielzahl von optischen Fasern umfaßt, die im wesentlichen in derselben Ebene nebeneinander und parallel zueinander angeordnet sind und im Inneren einer gemeinsamen Schutzmatrize aus einem Kunststoffmaterial eingelassen sind das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Kunststoffmaterial ein Material mit thermisch reversibler Vernetzung ist.
Die vorliegende Erfindung schlägt außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Faser oder eines solchen Bandes, wie in Anspruch 8 definiert, vor.
Die Materialien mit reversibler Vernetzung, auch "thermofluide" (oder auf Englisch "thermoflow") Materialien genannt, haben jenseits einer Übergangstemperatur genannten Temperatur, die beispielsweise zwischen 50 und 300ºC liegen kann, eine sehr geringe Viskosität, das heißt, daß sie jenseits dieser Temperatur flüssig sind. Genauer "trennt" sich die chemische Struktur bei dieser Temperatur (Bruch der chemischen Bindungen) und kehrt durch einfache fortschreitende Abkühlung von der Übergangstemperatur bis zu einer Temperatur, die im allgemeinen etwa 50ºC geringer als die Übergangstemperatur ist, zum vernetzten Zustand zurück (Wiederherstellung der chemischen Bindungen). Diese Reaktion ist reversibel, das heißt, daß sie in eine Richtung und in die andere erfolgen kann (Trennung, dann Vernetzung und umgekehrt). Die physikalischen und insbesondere mechanischen Eigenschaften dieser Materialien im vernetzten Zustand sind sehr gut: sie sind mit denjenigen der wärmehärtbaren Materialien im vernetzten Zustand vergleichbar, d. h., daß sie sich ganz und gar für eine Verwendung von Materialien mit reversibler Vernetzung bei den Schutzschichten von optischen Fasern oder Matrizen von Bändern von optischen Fasern eignen.
Beispiele von Materialien mit reversibler Vernetzung sind in der Druckschrift WO 95/00576 gegeben, deren Inhalt durch Bezugnahme aufgenommen wird. Die in dieser Druckschrift beschriebenen Materialien haben eine Übergangstemperatur zwischen 50 und 300ºC.
Eine Amplitude von etwa 50ºC ist notwendig, um eine Änderung der Viskosität um einen Faktor 100, d. h. eine quasi vollständige Fluidisation oder eine quasi vollständige Aushärtung, je nach Richtung der Reaktion, zu beobachten.
Weitere Beispiele dieser Materialien sind insbesondere, aber in nicht einschränkender Weise, in den Druckschriften US-3 435 003, US-3 678 016 und US-3 872 057 beschrieben.
Dank der Eigenschaften, die gerade genannt wurden, können die Materialien mit reversibler Vernetzung aufgrund ihres Fließvermögens bei Temperaturen, die höher als die Übergangstemperatur sind, leicht bei diesen Temperaturen eingesetzt werden, was gestattet, sie bei diesen Temperaturen zu verwenden, um einzelne oder zu einem Band zusammengesetzte optische Fasern zu umhüllen, und das beispielsweise mittels einer herkömmlichen Beschichtungsdüse.
Ihre Vernetzung vollzieht sich dann durch einfache Abkühlung, was vermeidet, die komplexen Vorrichtungen verwenden zu müssen, die üblicherweise eingesetzt werden, um die Vernetzung zu bewirken. Die Abkühlung kann beispielsweise mit Hilfe eines herkömmlichen Kühlsystems erfolgen, oder indem der behandelte Körper bei Umgebungstemperatur gelassen wird oder auch indem er in einem Wasserbad ablaufen gelassen wird.
So sind die Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung sehr einfach und weniger kostspielig als diejenigen aus dem Stand der Technik.
Schließlich gestatten die Reversibilität der Vernetzungsreaktion, die bei den wärmehärtbaren Materialien nicht vorkommt, sowie das Fließvermögen bei Temperaturen, die höher als die Übergangstemperatur der Materialien mit reversibler Vernetzung sind, (die ihnen bei diesen Temperaturen mechanische Eigenschaften verleiht, die denen von thermoplastischen Materialien ähnlich sind) die leichte Abmantelung der optischen Faser oder des Bandes bei diesen Temperaturen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung einer optischen Faser und eines Bandes von optischen Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung sowie eines Verfahrens zu deren Herstellung deutlich.
In den folgenden Figuren zeigen:
Fig. 1 die Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur für ein thermoplastisches Material, ein wärmehärtbares Material und ein Material mit reversibler Vernetzung,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße optische Faser im Querschnitt,
Fig. 3 ein Band aus optischen Fasern gemäß der Erfindung im Querschnitt,
Fig. 4 in sehr schematischer Weise eine Vorrichtung zur Herstellung einer Faser oder eines Bandes gemäß der Erfindung.
In allen diesen Figuren tragen gemeinsame Elemente die gleichen Bezugsziffern.
In Fig. 1 zeigen:
- Die Kurve A die Viskosität log η eines thermoplastischen Materials in Abhängigkeit von der Temperatur T,
- die Kurve B die Viskosität log η eines wärmehärtbaren Materials in Abhängigkeit von der Temperatur T,
- die Kurve C die Viskosität log η eines Materials mit reversibler Vernetzung in Abhängigkeit von der Temperatur T.
Fig. 1 gestattet, das Verhalten eines Materials mit reversibler Vernetzung mit demjenigen von wärmehärtbaren Materialien, wie den Harzen, die üblicherweise zum Umhüllen der optischen Fasern verwendet werden, und mit demjenigen von thermoplastischen Materialien zu vergleichen.
Es ist zu sehen, daß die Materialien mit reversibler Vernetzung (Kurve C) eine Viskosität haben, die sich von einer Übergangstemperatur Tt aus (bei dem in der Figur gezeigten Beispiel in der Größenordnung von 175ºC) stark verringert, so daß sie jenseits dieser Temperatur flüssig sind. Unterhalb dieser Temperatur haben sie eine erhöhte Viskosität, das heißt, daß sie vernetzt und somit fest sind.
Für die wärmehärtbaren Materialien (Kurve B) ist das Phänomen genau umgekehrt. Außerdem ist die Reaktion nicht reversibel, so daß es unmöglich ist, sie durch Erhöhung der Temperatur in den flüssigen Zustand zurückzubringen, wenn sie einmal gehärtet sind.
Die thermoplastischen Materialien (Kurve A), wie beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen, für welche die Formgebung keine Vernetzung ins Spiel bringt, haben eine Viskosität, die sich verringert, wenn sich die Temperatur erhöht. Ihr Einsatz erfolgt durch Extrusion, was eine komplexe Ausrüstung erfordert, und außerdem macht sie sehr hohe Temperaturen notwendig, was ihre Verwendung bei optischen Fasern oder Bändern von optischen Fasern unmöglich macht, weil die Gefahr besteht, daß solche Temperaturen eine Verschlechterung ihrer optischen Leistungen hervorrufen.
In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße optische Faser 1 mit einem Außendurchmesser nahe 250 um zu sehen, die koaxial von innen nach außen angeordnet umfaßt:
- einen optischen Kern 2 aus einem Material auf der Basis von Silicium,
- einen optischen Mantel 3 aus einem Material auf der Basis von Silicium,
- eine primäre Ummantelung 4 aus einem Material mit reversibler Vernetzung,
- eine sekundäre Ummantelung 5, ebenfalls aus einem Material mit reversibler Vernetzung,
- eine eingefärbte Kennzeichnungsschicht 6, wieder aus einem Material mit reversibler Vernetzung.
Erfindungsgemäß kann jede beliebige Schutzschicht (primäre Ummantelung, sekundäre Ummantelung oder weitere) oder Kenn zeichnungsschicht aus einem Material mit reversibler Vernetzung ausgeführt werden.
Insbesondere wird das Material mit reversibler Vernetzung, das für die Schutzschichten 4 und 5 verwendet wird, aus den in der Druckschrift WO 95/00576 beschriebenen Materialien ausgewählt, die vorzugsweise eine Übergangstemperatur (Schmelztemperatur) in der Größenordnung von 70ºC aufweisen. Diese Materialien werden durch die Reaktion eines nichtlinearen Polyimids, das eine Imidfunktion von wenigstens drei aufweist, und eines Polyamins hergestellt, das wenigstens zwei primäre oder sekundäre Aminfunktionen umfaßt.
Eine nahe bei 70ºC gewählte Übergangstemperatur gestattet sicherzustellen, daß das Kabel, in welchem die Fasern oder Bänder gemäß der Erfindung verwendet werden, im Betrieb Temperaturen aushalten kann, die bis zu 70ºC gehen, was eine übliche Forderung für Telekommunikationskabel ist.
Andererseits ist es bevorzugt, daß die Übergangstemperatur die geringst mögliche oberhalb des oben erwähnten bevorzugten Wertes ist, um die für die Erwärmung des verwendeten Materials mit reversibler Vernetzung nötige Ausrüstung maximal zu vereinfachen.
Es können weitere bekannte Materialien mit reversibler Vernetzung, die die für eine Anwendung bei optischen Fasern oder Bändern aus optischen Fasern erforderlichen mechanischen Eigenschaften aufweisen, verwendet werden. Die Auswahl der für diese Anwendung zweckmäßigen Materialien mit reversibler Vernetzung aus allen bekannten Materialien mit reversibler Vernetzung ist dem Fachmann zugänglich, der sie durch einfache Routinearbeiten bestimmen kann.
Dies gilt auch für die Auswahl des Materials mit reversibler Vernetzung für die Kennzeichnungsschicht 6.
Fig. 3 zeigt ein Band 7 aus optischen Fasern gemäß der Erfindung. Das Band 7 umfaßt fünf optische Fasern 8, die jeweils einen optischen Kern 9 aus einem Material auf der Basis von Silicium aufweisen, der von einem optischen Mantel 10, ebenfalls aus einem Material auf der Basis von Silicium, umgeben ist, der wiederum von einer primären Ummantelung 11 aus einem Material mit reversibler Vernetzung, beispielsweise wie denjenigen, die für die Schichten 4 und 5 der Faser der Fig. 2 genannt wurden, gemäß der Erfindung umgeben ist.
Diese fünf optischen Fasern 8 sind im wesentlichen in derselben Ebene nebeneinander und zueinander parallel angeordnet und in einer gemeinsamen Schutzmatrize 12 aus einem Material mit reversibler Vernetzung eingelassen.
Insbesondere ist das Material mit reversibler Vernetzung, das für die gemeinsame Schutzmatrize 12 verwendet wird, aus den in der Druckschrift WO 95/00576 beschriebenen Materialien ausgewählt, die eine Übergangstemperatur (Schmelztemperatur) nahe bei 70ºC aufweisen. Diese Materialien werden durch die Reaktion eines nichtlinearen Polyimids, das eine Imidfunktion von wenigstens drei aufweist, und eines Polyamins hergestellt, das wenigsten zwei primäre oder sekundäre Aminfunktionen umfaßt.
Die Übergangstemperatur liegt aus den weiter oben genannten Gründen auch hier nahe bei 70ºC.
Die Auswahl der geeigneten Materialien mit reversibler Vernetzung ist ebenfalls dem Fachmann zugänglich.
In Fig. 4 wurde in sehr schematischer Weise eine Vorrichtung 100 dargestellt, die die Ausführung beispielsweise der primären 4 oder sekundären 5 Umhüllungen der optischen Faser 1 oder auch der Kennzeichnungsschicht 6 dieser letzteren gestattet.
Diese Vorrichtung 100 kann auch die Ausführung der primären Umhüllung 11 der optischen Fasern 8 sowie der Matrize 12 des Bandes 7 gestatten.
Die Vorrichtung 100 umfaßt eine Beschichtungsdüse 101, die das Material mit reversibler Vernetzung im flüssigen Zustand bei einer Temperatur über 70ºC enthält. In Ablaufrichtung, dargestellt durch den Pfeil F, des zu behandelnden Körpers, z. B. einer nicht umhüllten optischen Faser, folgt der Beschichtungsdüse 101 ein Luftkühlungssystem 102 jedes bekannten Typs, das gestattet, den zu behandelnden Körper auf Umgebungstemperatur zurückzubringen.
So geht die nicht umhüllte Faser zuerst durch die Beschichtungsdüse 101, an deren Ausgang sie mit einer nicht vernetzten Ummantelung aus Material mit reversibler Vernetzung umhüllt ist, dann durch das Kühlsystem hindurch, an dessen Ausgang diese Ummantelung vernetzt ist.
Die Vorrichtung 100 kann selbstverständlich verwendet werden, um jede beliebige Ummantelung aus einem Material mit reversibler Vernetzung gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt, die gerade beschrieben wurden.
In erster Linie können ein oder mehrere der weiter oben genannten Ummantelungen oder Schichten (primäre oder sekundäre Ummantelung, eingefärbte Kennzeichnungsschicht) gemäß der Erfindung im Innern derselben optischen Faser oder desselben Bandes ausgeführt sein. Es wird daran erinnert, daß es nicht notwendig ist, daß die Schutzschichten transparent sind.
Außerdem können bei einem erfindungsgemäßen Band die optischen Fasern blank oder durch eine primäre Schutzschicht ge schützt und eventuell mit einer eingefärbten Kennzeichnungsschicht umhüllt sein, ohne daß dies wesentlich ist.
Diese eingefärbte Kennzeichnungsschicht kann aus einem Material mit reversibler Vernetzung bestehen, dem gegebenenfalls das nötige Pigment zugefügt worden ist.
Offensichtlich können einige der obengenannten Schichten aus einem Material mit reversibler Vernetzung sein, während es die anderen nicht sind. Wenn dies nötig ist, muß jedoch beachtet werden, eine Schicht aus einem Material mit reversibler Vernetzung nur mit Schichten aus Materialien zu umhüllen, die keinen Einsatz bei einer Temperatur bei der Übergangstemperatur des betrachteten Materials mit reversibler Vernetzung erfordern.

Claims

1. Optische Faser, die einen optischen Kern (2) zum Leiten der Mehrheit der von der Faser übertragenen Lichtwellen umfaßt, der von einem optischen Mantel (3) umgeben ist, der wiederum von einer Schutzummantelung aus einem Kunststoffmaterial (4) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial (4) ein Material mit thermisch reversibler Vernetzung ist.

2. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (4) eine Übergangstemperatur nahe bei 70ºC hat.

3. Faser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (4) durch Reaktion eines nichtlinearen Polyimids, das eine Imidfunktion von wenigstens drei aufweist, und eines Polyamins erhalten werden kann, das wenigstens zwei primäre oder sekundäre Aminfunktionen umfaßt.

4. Band (7) aus optischen Fasern, das eine Vielzahl von optischen Fasern (10) umfaßt, die im wesentlichen in derselben Ebene nebeneinander und zueinander parallel angeordnet sind und im Inneren einer gemeinsamen Schutzmatrize (12) aus einem Kunststoffmaterial versenkt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial (12) ein Material mit thermisch reversibler Vernetzung ist.

5. Band nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (12) eine Übergangstemperatur nahe bei 70ºC hat.

6. Band nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (12) durch Reaktion eines nichtlinearen Polyimids, das eine Imidfunktion von wenigstens drei aufweist, und eines Polyamins erhalten werden kann, das wenigstens zwei primäre oder sekundäre Aminfunktionen umfaßt.

7. Faser oder Band nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser oder Fasern (10) mit einer Kennzeichnungsschicht aus einem Material mit reversibler Vernetzung umhüllt sind.

8. Verfahren zur Herstellung einer Faser oder eines Bandes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das einen Schritt der Niederlegung des Kunststoffmaterials, das die Umhüllung oder die gemeinsame Schutzmatrize bildet, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Niederlegung bei einer Temperatur über 70ºC ausgeführt wird, bei welcher das Material flüssig ist, wobei die Vernetzung der Umhüllung durch Abkühlung auf eine Temperatur nahe der Umgebungstemperatur erfolgt.