NO862946L - Optisk fiber med flerlagsbelegg. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører plastbelegging av optiske glassfibre.

Det er vanlig praksis å beskytte overflaten av nylig trukne optiske glassfibre med et eller flere plastbelegg. Slike belegg er nyttige med hensyn til å beskytte glassoverflaten fra å bli foringet på grunn av atmosfæriske angrep, og tje-ner også til å gi beskyttelse mot mekanisk skade og gi ytterligere styrke til omhyllingen. På den anne side har be-leggene en tendens til å innføre problemer som knytter seg til induseringen av mikrobøyetap. En analyse av mikrobøye-tap-problemer i forhold til optiske fibre som er forsynt med enkelte belegg og med dobbelte belegg er gitt i publikasjonen med tittelen "Optical-Fiber Packaging and Its In-fluence on Fiber Straightness and Loss" av D. Gloge offent-liggjort i Bell System Technical Journal, Vol. 54 no. 2, side 245-266 (februar 1975). Analysen av denne publikasjon indikerer at et dobbelt belegg bestående av et høymodulus-lag og et lavmoduluslag gir meget bedre beskyttelse for en fiber enn et eneste lag av enten høy eller lavmodulus. Ifølge dette består en vanlig konstruksjon av plastpakket fiber av et primært belegg av et materiale med forholdsvis lav modulus, f.eks. silikongummi, innelukket i et sekundært belegg av et materiale med forholdsvis høy modulus, f.eks. nylon. Anvendelsen av slike belegg for silisiumoksyd-fibre som er konstruert for drift ved et bølgelengdeområde av størrelsesorden 1,5 pm, har fremskaffet fibre som tilfreds-stillende kan kables i en "tett" konstruksjon uten å inn-føre ekstreme mikrobøyetap. I forbindelse med singelmodus-fibre blir dette mikrobøyetap fremskaffet som en innsnevring av spektraltransmisjonsvinduet for fiberen fra dennes langbølgelengdeende. Denne innsnevring er et resultat av det forhold at tapet som innføres ved mikrobøyning, er mest alvorlig for det svakest ledede lys, dvs. lyset med lengst bølgelengde. Av denne grunn er mikrobøyetap-virkningen noen ganger kjent som bøyekantvirkningen.

Som en følge av utviklingen av bruken av silikongummier for det primære plastbelegg for optiske fibre, er det funnet at man generelt kan oppnå forbedret styrke på den primært be-lagte fiber, med hensyn til fiberstrekking ved en gitt prø-vepåkjenning, når et uretanakrylatbelegg blir brukt istedenfor silikongummien. Når en fiber som har et primærbelegg av uretanakrylat blir forsynt med et sekundært belegg av nylon, vil det imidlertid være en tendens til opptreden av en betydelig bøyekantvirkning ved anvendelsen av det sekundære belegg eller ved kabling. Denne oppdagelse stemmer overens med Gloges analyse, for bruken av uretanakrylat istedenfor silikongummi har gitt som resultat en endring i konstruksjonen fra en "hard-på-myk" (hardt skall) pakke til en "hard-på-hard" pakke.

UK patentskrift 2096353A omtaler en optisk fiber som er plastpakket med et trefoldig plastbelegg. Det primære be-

legg er et høymodulusmateriale i området 200 - 400 kg/mj<2>

(ca. 2,0 - 4,0 GPa), og er eksemplifisert ved en varme-herdende harpiks, 200 pm tykk og med en modulus på 200

kg/mm . En fenolharpiks er foreslått som et alternativt materiale. Det sekundære belegg er et lavmodulus materiale i området 0,2 - 0,9 kg/mm<2>(ca. 2,0 - 9,0 MPa), og er eksemplifisert ved en silikongummi. Dette lag er 150 pm tykt og har en modulus på 0,35kg/mm 2. En akrylonitrilgum-

mi er foreslått som et alternativ materiale..Det tredje be- / legg er et høymodulusmateriale i omradet 40*300 kg/mm

(ca. 400 - 3000 MPa) og er eksemplifisert ved nylon, 200 pm tykt og med en modulus på 250 kg/mm 2. Polytetrafluoretyl-

en er foreslått som et alternativt materiale. Ulempen med den lære som medfølger den spesielle beskrivelse, er at bruken av en spesiell høy modulus og forholdsvis tykt primærbelegg er nødvendig for avstivning av fiberen, for der-

ved å beskytte den fra langsgående kompresjon som fremskaf-

fes ved diferensielle termiske ekspansjonsvirkninger som innbefatter det tredje belegg.

Det er funnet at disse differensielle ekspansjonsinduserte langsgående kompresjonsvirkninger ikke er så betydelige som foreslått, forutsatt at der gjøres effektiv bruk av den læ-

re som vedrører styringen av krystallinskheten ved ekstru-

deringen av nylonen og som er omtalt i publikasjonen av S.R. Barnes et al med tittelen "Processing and Characteri-sation of Tight Nylon Secondary Coating for Optical Fibres" presentert ved "Plastics in Telecommunications III" konfe-ransen, London, september 1982 (konferansepublikasjonssider 15-1 til 15-12). Videre er det funnet at selv om en over-gang fra et primærbelegg av silikongummi til et belegg av en typisk uretanakrylat, som dervetøker modulus (strekkmo-dulus ved 2,5% strekking) fra området på ca 2,0 - 6,0 MPa til noen få hundre magapascal, skaffer en nyttigøkning i fiberstyrke, vil man får en ytterligereøkning i modulus for primærbelegget til ca. 1 GPa som skyldes bruken av en akrylat med høy styrke, selv om den kan fremskaffe en ytterligere forbedring med hensyn til fiberstyrke, med denne vil være beheftet med en betydelig foringelse av optiske egenskaper for fiberen sammenlignet med dem som oppnås med uretanakrylaten med lavere modulus. Det er grunn til å tro at bruken av et primærbelegg med enda høyere modulus i området 200 - 400 kg/mm 2 foreslått i GB publikasjon 2096353A vil fremskaffe en ytterligere foringelse av optiske egenskaper.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er der skaffet

en plastpakket optisk glassfiber som inneholder sin optiske bølgelederkonstruksjon inne i glasset, idet plastpakken består av primær-, sekundær- og tertiær omhyllingslag av henholdsvis forholdsvis høy, forholdsvis lav og forholdsvis

høy modulus, idet det primære omhyllingslag er en UV herdbar harpiks med en modulus i området 5 - 100 MPa og en tykkelse på minst 30 pm, idet det sekundære omhyllingslag har en modulus av minst to størrelsesordener mindre enn den for primærbelegningen, og en tykkelse på minst 50 pm, og idet tertiærbelegget har en modulus i området 400 - 3000 MPa og en tykkelse på minst 40 pm.

Typisk er materialet for det første belegg en uretanakrylat, for det annet belegg en silikongummi, og for det tredje belegg en nylon eller en polyesterelastomer.

Der følger nå en beskrivelse av en plastpakket optisk glassfiber som omfatter oppfinnelsen på en foretrukket måte. Beskrivelsen henviser til de vedføyde tegningsfigur-er. Fig. 1 er en skjematisk anskueliggjøring av et tverrsnitt gjennom den pakkede fiber. Fig. 2 anskueliggjør spektralegenskapene hos fiberen etter at den har blitt pålagt det primære plastbelegg. Fig. 3 er en skjematisk representasjon av et tverrsnitt gjennom en kabel som innbefatter den pakkede fiber på fig. 1. Fig. 4 anskueliggjør spektralegenskapen hos fiberen etter at den har mottatt alle tre plastbeleggene og er blitt kablet. Fig. 5 anskueliggjør spektralegenskapen hos en lignende optisk fiber etter at den har mottatt sitt primærbelegg, men i dette tilfellet et belegg som ikke er i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Fig. 6 anskueliggjør spektralegenskapen hos fiberen ifølge fig. 4 etter at den har mottatt sitt sekundær- og tertiær-plastbelegg og er blitt kablet på samme måte som kabelsam-menstillingen anvendt med hensyn til kabelen på fig. 3. Fig. 7 er en skjematisk representasjon av et tverrsnitt av en firerkabel idet i det minste to av de fire elementer ut-gjøres av pakkede fibre ifølge fig. 1.

Slik det fremgår av fig. 1, representerer henvisningstall 1 en singelmodus optisk silisiumoksyd-fiber som rommer sin bølgelederkonstruksjon inne i glasset og er konstruert for drift ved bølgelengder i området 1,55 pm. Denne fiber har en modusfeltdiameter på 10 + 1,0 pm og en ytterdiameter på 125 pm. Den er trukket fra en preform med mye større tverr snitt og på linje med trekkeoperasjonen blir den nettopp trukne overflate forsynt med et primærbelegg 2 av plast for å beskytte den mot mekanisk skade og foringelse ved atmos-færisk angrep. Materialet i dette primærbelegg er et ure-tanakrylmateriale som kan herdes med ultrafiolett lys og markedsføres av Lankro under betegnelsen RCP 2280B. Materialet påføres ved dyppebelegning under trykk, og blir umiddelbart deretter herdet med UV lys. Beleggtykkelsen er slik at der skaffes en primærbelagt fiber med en total diameter på 250 pm.

Alternative materialer som kunne bli brukt istedenfor Lankro materialet innbefatter f.eks. uretanakrylat markeds-ført av De Soto under betegnelsen De Soto 131 eller den som markedsføres under betegnelsen Borden LUV.

Den trukne fiber spoles opp som en enkeltlagvikling uten noen overlappende vindinger, på en metalltrommel med glatt flate og plastoverflate og en diameter på ca. 30cm. Spektralegenskapen ifølge fig. 2 ble fremskaffet med fiberen oppspunnet på denne trommel. Det området som har interesse er spektralvinduet på den lange bølgelengdeside av OH absorbsjonstoppen i nærheten av 1400 nm. Spesielt vil det sees at bunnen av bølgedalen finner sted ved ca. 1550 nm, og at dempningen er økt med ca. 0,25 dB/km når bølgelengden blir skiftet ut til 1680 nm.

Den primærbelagte fiber spoles ut fra den trommel som den opprinnelig var spunnet opp på, og blir matet gjennom et tandemarrangement av påførere for påføring av det sekundære og tertiære plastbelegg henholdsvis 3 og 4. Materialet i sekundærbelegget er en silikongummi markedsført av Shinetsu under betegnelsen OF 162. Dette blir også påført ved dyppebelegning under trykk. Påføringen av dette sekundære belegg vil føre diameteren av den pakkede fiber opptil 375 pm. Istedenfor den UV herdede silikon i sekundærbelegget, kan f.eks. en termoherdende silikonharpiks bli benyttet, f.eks. SYLGARD 182. Deretter vil fiberen bli ført gjennom en krysshodeekstruder for påføring av det tertiære belegg, som er nylon 12, for å gi pakken en total diameter på 850 um. Når nylonekstrudatet forlater ekstruderen, blir det luft-kjølt på en styrt måte for regulering av graden av radial-komprimering i henhold til den lære som er gitt i publikasjonen av S.R. Barnes et al, som der er henvist til tidli-gere. Istedenfor nylon i tertiærbelegget, kunne f.eks. en polyesterelastomer blitt brukt, f.eks. det materialet som markedsføres av DuPont under betegnelsen HYTREL 4046.

Modulus for primærbelegget er ca 200 MPa, for sekundærbelegget i det minste to størrelsesordener mindre, og for tertiærbelegget ca 800 MPa. Tykkelsene av lagene er slik at primærbelegget og sekundærbelegget samvirker for å skaffe et første mekanisk filter for fiberen, mens sekundærbelegget og tertiærbelegget samvirker for å skaffe et annet me-kansik filter. Tykkelsen av sekundærbelegget er stort nok til å skaffe tilstrekkelig dekobling av disse to filtre.

Primærbelegget trenger å være minst 30 pm tykt fordi under denne verdi kan der ikke oppnås pålitelig sterke primærbelagte fibre. Sekundærbelegget bør være minst 50 pm tykt for å oppnå passende dekobling av de mekansike filtre. For mange anvendelser er det ønsket at sekundærbelegget ikke skal være større enn 200 pm tykt fordi, når lagtykkelsen øker utover denne verdi, vil foringelsen av den optiske egenskap ved lave temperaturer bli fremherskende i økende grad. Tertiærbelegget trenger å være minst 40 pm tykt for å være effektivt, og typisk være over 100 pm tykt dersom det påføres ved ekstrudering.

Slik det fremgår av fig. 3, ble den resulterende plastpakkede fiber 1, komplett med primærbelegg, sekundærbelegg og tertiærbelegg henholdsvis 2, 3 og 4, innlemmet i en konstruksjon for en singelfiber optisk kabel hvor den pakkede fiber er omsluttet av en ekstrudert kabelkappe 31 av polyesterelastomer markedsført av DuPont under betegnelsen HYTREL 7246, sammen med en kabelforsterkningsdel 32 omfat-tende 16 garn av 1580 dTex aramid fiber markedført av DuPont under betegnelsen KEVLAR 49. Aramidfibergarnene er anordnet rundt den pakkede fiber i to lag til en diameter på ca 2mm. Disse lag holdes på plass ved hjelp av en poly-esteromvikling 33 for påføringen av kappen 31 som har en ytterdiameter på 3mm. Spektralegenskapen for den pakkede fiber etter kabling er anskueliggjort på fig. 4. Ved sammenligning av spektralvinduene på den lange bølgelengdeside av OH absorbsjonstoppen i nærheten av 1400 nm, innebærer at den kablede fiber gir en noe bedre langbølgeeffekt enn da den var på trommelen etter å ha mottatt sitt primærbelegg. I tilfellet av den kablede fiber har dempningen ikke øket med 0,25 dB/km fra sin verdi i bølgedalen inntil bølgeleng-den er ca. 1740 nm, mens for den primærbelagte fiber på sin oppspolingstrommel ville det tilsvarende punkt finne sted ved en bølgelengde på ca. 1680 nm.

Der foreligger betydelige forskjeller mellom de to egenskaper på den korte bølgelengdeside for 1300 nm spektralvinduet. Disse forskjeller skyldes virkningene fra "cutting-on" av den neste høyere modusorden. I området for "cut-on" er den optiske føring meget svak, og således er dempningen spesielt følsom ovenfor endringer i bøyningsradius langs fiberlengden. som et resultat vil små endringer med hensyn til posisjoneringen av fiberen eller kabelen under måltag-ningen radikalt kunne endre spektralegenskapen i dette om-tådet. Ingenting av betydning med hensyn til egenskapene for fiberen eller kabelen som en singelmodusfiber bør der-for fratrekkes en sammenligning av et enkelt par av spek-tralegenskaper i dette spektralområdet hvor ytterligere modi begynner å "cut-on".

For sammenligningens skyld ble målinger av spektralegenskapene for en lignende fiber forsynt med et trefoldig plastbelegg som ikke tilfredsstiller kriteriene i henhold til den foreliggende oppfinnelse, utført, idet der istedenfor var innlemmet et akrylatbelegg mellom et vanlig lavmodulus indre belegg og et høymodulus ytre belegg hos en tolags plastbelagt fiber. I dette tilfellet var primærbelegget et 62,5 pm tykt lag av en lavmodulus silikongummi som markeds-føres av Dow Corning under betegnelsen SYLGARD 182. Sekun dærbelegget var et 62,5 ym tykt lag av akrylat med høy styrke med en modulus på ca. 1 GPa som markedsføres av De Soto under betegnelsen 950X101. Tertiærbelegget var et nylon 12 belegg i likhet med det for fiberen omtalt ovenfor under henvisning til fig. 1. Fig. 5 anskueliggjør spektralegenskapen hos fiberen med primærbelegg av silikonfummi og oppspolt på sin oppspolingstrommel. I området av interesse med hensyn til den lange bølgelengdeside av OH absorbsjonstoppen i nærheten av 1400 nm, så vil det sees at egenskapen synes å være meget lik den i forbindelse med fig. 2, selv om vinduet er noe smalere. (Forskjellen til den korte bøl-gelengdeside av toppen skyldes på lignende måte virkningene av "cutting-on" av modi av høyere orden, og er således på ligende måte ikke relevant med hensyn til fremskaffelsen av plastpakking). Fig. 6 anskueliggjør spektralegenskapen hos den pakkede fiber etter at denne har mottatt sitt sekundære og tertiære belegg, og er blitt kablet på den måte som ble benyttet for kabling av den pakkede fiber på fig. 1. Det er umiddelbart innlysende at kablingen har resultert i en betydelig innsnevring av vinduet, med det resultat at dempningen har allerede økt med tilnærmet 0,01 dB når man beve-ger seg fra bølgelengdeminimumet bare så langt som til 1550 nm .

I tillegg til den fordel å oppnå en fiber med høy styrke ved anvendelsen av et primærbelegg av uretanakrylat, er det funnet at der foreligger den ytterligere fordel at graden av utvikling av hydrogen ved detrte materialet er betydelig lavere enn den for andre nevnte plastmaterialer. Det er ønsket å beskytte optiske fibre så langt det lar seg gjøre fra hydrogen, fordi de ved absorbsjon av hydrogen får sin optiske dempning forverret i betydelig grad.

Det skal forståes at selv om den ovenfor omtale er relatert ene og alene til bruken av den pakkede fibre i kabelkon-struksjoner inneholdende bare en eneste fiber, kan den pakkede fiber også passende brukes i kablekonstruksjoner som innbefatter mer enn en optisk fiber i kabelkappen, f.eks. som kabelen ifølge fig. 7. Denne kabel består av en firer kabel med fire elementer 71, i det minste to av disse er plastpakkede fibre. Disse fire elementer 71 er anordnet rundt en sentral del 70 og er omgitt av et lag av aramid-fibergarn, og er innelukket i en polyesterelastomerkappe 73.

Claims (6)

1. En plastpakket optisk glassfiber som inneholder sin optiske bølgelederkonstruksjon inne i glasset, karakterisert ved at plastpakkingen består av primær-, sekundær- og tertiæromhyllingslag av henholdsvis forholdsvis høy, forholdsvis lav og forholdsvis høy modulus, idet primæromhyllingslaget er en UV herdbar harpiks med en modulus i området 5 - 100 MPa og en tykkelse på minst 30 pm, idet sekundæromhyllingslaget har en modulus på minst to størrelsesordener mindre enn den for primærbelegget, og en tykkelse på minst 50 pm, og idet tertiærbelegget har en modulus i området 400 - 3000 MPa og en tykkelse på minst 40 pm .

2. Fiber som angitt i krav 1, karakterisert ved at materialet for primærbelegget er uretalakrylat.

3. Fiber som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at materialet i sekundærbelegget er silikongummi.

4. Fiber som angitt i krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at materialet i tertiærbelegget er nylon eller polyesterelastomer.

5. Fiber som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at sekungærbelegget har en tykkelse som ikke overskrider 200 pm.

6. Optisk fiberkabel som inneholder en eller flere plastpakkede optiske fibre som angitt i et av de foregående krav.