专利名称：光纤心线的制作方法
技术领域：
本发明涉及待安置在光缆之内的光纤心线。更具体地说，本发明涉及一种抑制由 于环境或老化劣化而导致传输损耗增加的光纤心线；特别地，本发明涉及耐水的光纤心线， 其在高湿度和/或浸水期间，不容易发生传输损耗增加。
背景技术：
在制造光纤素线时，在拉丝工艺期间，在将石英玻璃纤维拉丝之后，为了防止所得 光纤的强度降低，立即将包覆树脂包覆在该纤维的外周。通常使用紫外线固化性树脂，特别 是聚氨酯_丙烯酸酯型或环氧_丙烯酸酯型树脂作为用于光纤的包覆树脂。光纤素线由于外应力和由这种外应力造成的微弯而使传输损耗增加。为了保护光 纤免受外应力，通常光纤素线包覆有两层(软质层和硬质层)包覆层。对于直接接触石英 玻璃的内层，使用具有低杨氏模量的软树脂作为缓冲层(以下称第一层)；并且对于外层， 使用具有高杨氏模量的硬树脂作为保护层(以下称第二层)。通常，将杨氏模量为3MPa以 下的树脂用作第一层，将杨氏模量为500MPa以上的树脂用作第二层。在典型的光纤素线制造方法中，通过在拉丝炉中加热预制体的底部部分，从而由 石英玻璃预制体拉丝出石英玻璃纤维；然后，利用涂覆模具对拉丝的石英纤维施涂液态紫 外线固化性树脂，并通过使用紫外光将树脂固化，从而包覆第一层和第二层。在接下来的工序中，通过在光纤素线的外周施涂由着色树脂制成的着色层来制作 着色光纤心线。光纤素线的结构示于图1中。在本说明书中，将以第一层和第二层包覆的石 英玻璃纤维称作光纤素线。将在光纤素线的外周使用由着色树脂制成的着色层包覆的光纤 称作着色光纤心线，将以平面阵列设置并用带状树脂结合在一起的多根光纤心线称作光纤 带心线。而且，术语“光纤心线”包括具有包覆层的玻璃纤维；更具体地，其包括光纤素线， 着色光纤心线，和光纤带心线。当将这种光纤心线浸入水中时，其传输损耗可能会增加。为了制造即使长期浸入 水中其传输损耗也不会增加的高度可靠的光纤，已经提出了多种建议，如提高第一层与玻 璃纤维之间的粘附强度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题近年来，随着光纤普及的扩大，光缆应用的数目也在增加，这表明使用光缆的环境 已变得多样化，并且正在开发新的线缆结构。因此，光缆所需的长期可靠性变得更加严格。 对应上述情况，正在考虑当浸入水中时，不容易发生传输损耗增加的光纤心线。然而，通过 控制各层之间的粘附强度来处理上述问题是有局限的；目前将这种技术与通过改变线缆结 构、软线和/或外皮材料来避免水分到达光纤心线或者减少到达光纤心线的水量的结构组 合使用。然而，这些方法都不能提供充分的可靠性。本发明的目的是例如提供一种设置在光缆内的光纤心线，所述光纤心线抑制了由于环境或老化劣化特别是曝露于高湿度和/或浸水时导致的传输损耗增加。解决问题的手段根据本发明，光纤心线包含由至少两个包覆层(软质层和硬质层)包覆的玻璃 光纤，其中除去所述光纤心线的所述至少两个包覆层后玻璃纤维的玻璃表面，在飞行时间 二次离子质谱法(TOF-SIMS)的阳离子分析中，C3H70+(m/z 59)或C4H90+(m/z 73)相对于 Si+(m/z 28)峰的峰强度比为0. 6以上。发明效果根据本发明，光纤心线包含由至少两个包覆层(软质层和硬质层)包覆的玻璃 纤维，其中除去所述光纤心线的所述至少两个包覆层后玻璃纤维的玻璃表面，在飞行时间 二次离子质谱法(TOF-SIMS)的阳离子分析中，C3H70+(m/z 59)或C4H90+(m/z 73)相对于 Si+(m/z 28)峰的峰强度比为0.6以上。即使当这种光纤心线曝露于水或高湿度环境时，其 也防止了传输损耗的增加。同样，可将上述光纤素线或光纤心线用于制备合适的光纤带心 线。
现在参考附图图1是作为本发明实施方式的光纤素线的截面图，图2是作为本发明实施方式的着色光纤心线的截面图，以及图3是作为本发明实施方式的光纤带心线的截面图。符号说明11 玻璃纤维12 第一层13 第二层14光纤素线21 着色层22着色光纤心线31带状树脂32光纤带心线
具体实施例方式下文使用附图来详细说明本发明的光纤心线和光纤带心线。下文还将说明关于本 发明的细节。作为确定当光纤心线曝露于高湿度环境或浸入水中时传输损耗增加的原因的 锐意研究结果，本发明的发明人发现，在第一层与光纤心线的玻璃纤维之间观察到剥离，这 增加了其传输损耗。当与玻璃纤维和包覆层之间的界面粘附力相比，在玻璃纤维与包覆层之间的界面 中剥下包覆层的力更大时，第一层与玻璃纤维之间发生剥离。当在界面发生剥离时，施加至 玻璃的力变得不均勻，这造成微弯和随之发生的传输损耗的增加。当将光纤心线浸入水中时，玻璃纤维与包覆层之间的界面粘附力降低的机理推断 如下。当将光纤心线浸入水中或曝露于高湿度环境时，水分通过包覆层并到达玻璃纤维与第一层之间的界面。在玻璃纤维与第一层之间的界面处存在粘附力，并且一般来说，该粘 附力包括玻璃与树脂中的官能团之间的氢键以及来自粘附促进剂的化学键(参见例如， N. Akasaka 等，“光纤包覆层的设计(Design of Optical Fiber Coating)" , Proc. of 19th Australian Conference on Optical Fibre Technology (ACOFT),第 375 页，1994)。 然而，据信当水穿过玻璃与第一层之间的界面时，氢键断开。如上所述，据推断通过氢键的 断开，降低了玻璃与第一层之间的界面处的粘附力。作为本发明的实施方式，通过在玻璃纤维上包覆第一层和第二层来制造光纤素 线，并且通过将着色层施涂至光纤素线上来制造着色光纤心线。将紫外线固化性树脂用于 各包覆层。而且根据用途，可通过以平面阵列设置多根光纤素线或着色光纤心线，并用带状 树脂将它们结合在一起来制造光纤带心线。用作包覆树脂和/或着色树脂的紫外线固化性树脂主要包含低聚物、稀释剂单 体、光引发剂、链转移剂、硅烷偶联剂和其它添加剂。关于低聚物，主要使用聚氨酯_丙烯酸 酯型、环氧_丙烯酸酯型或聚酯_丙烯酸酯型。关于稀释剂单体，特别使用单官能丙烯酸酯 或多官能丙烯酸酯。所述光纤心线包含光纤素线，该光纤素线包括由至少两个包覆层(软质 层和硬质 层)包覆的玻璃纤维，其中除去所述光纤素线的所述至少两个包覆层后玻璃纤维的玻璃表 面，在飞行时间二次离子质谱法(TOF-SIMS)的阳离子分析中，C3H7O+(m/ z 59)或C4H9O+(m/ ζ 73)相对于Si+(m/z 28)峰的峰强度比为0.6以上，由此使所述光纤心线防止了传输损耗 的增加。下面说明飞行时间二次离子质谱法(TOF-SIMS)的原理。当将一次离子照射至高 真空环境内的样品表面时，构成样品表面的一些分子被离子化并作为二次离子释出。然后 使用质谱法评价样品表面的化学信息。这就是二次离子质谱法(SIMS)的基本原理。SIMS 测量法有两种不同的模式(动态SIMS和静态SIMS)。这一不同是通过改变一次离子的照 射量而产生的。T0F-SIMS是属于静态SIMS的范畴。因为产生二次离子的机理不同，在两 种模式之间，能够得到的信息质量显著不同。在静态SIMS的情况下，通过将一次离子的照 射量减少至充分小于构成样品表面的分子数，从而在保持样品分子结构的同时释出二次离 子。因为其获得了关于分子结构的大量信息，所以对于分析有机物的组成是有利的。而且， 因为仅由非常浅的区域(几个纳米)获得信息，所以对于分析与表面性能的相关性是有利 的。在TOF-SIMS中，以脉冲的方式照射一次离子，通常使用69Ga作为一次离子。然后 释出的二次离子获得一定的能量，并通过获得一定的能量来被引入质谱仪中。将动能E与 飞行速度ν之间的关系示于下面的等式(1)中E = eV0 = mv2(1)其中，e 电荷V0 加速电压m 质量根据上述等式，飞行速度取决于离子质量。因为质量越小，到达检测器就越快，所 以根据飞行时间t(从一次离子碰撞样品时至二次离子到达检测器时的时间)来进行质量分离。以下面的等式(2)来表示飞行时间t。t = L0/v = L0 (m/2eV0)1/21(2)其中，L0是从样品表面到检测器的距离。通过时间_数字转换器(TDC)来测定飞 行时间t，并且质量换算后的结果为二次离子质谱。[实施例]作为本发明的实施例，制造了数种如图1中所示的光纤素线14，其包含由两层包 覆树脂(第一层12和第二层13)包覆的石英玻璃纤维11。将紫外线固化性树脂用于各层。 所述紫外线固化性树脂主要包含低聚物、稀释剂单体、光引发剂、链转移剂和添加剂。通过 改变这种紫外线固化性树脂的组成来制备所述光纤素线14。在TOF-SIMS的阳离子分析中， 通过对所述低聚物的骨架结构和分子量、所用稀释剂单体的种类和数量、或者添加剂如表 面改性剂进行调控，能够调节C3H7O+(m/z 59)或C4H90+(m/z 73)相对于Si+(m/z 28)的峰 强度比。更具体地说，如果添加表面改性剂如硅烷偶联剂，那么所述强度比变大。图2显示了在所述光纤素线14上使用着色层21包覆得到的着色光纤心线22。所 述着色光纤心线的制造方法如下1)制作光纤素线，所述光纤素线包含外径125 μ m的石英 玻璃纤维11，围绕所述玻璃纤维11且具有185 μ m或195 μ m外径的第一层12，以及围绕所 述第一层12且具有245 μ m外径的第二层13 ；2)然后，在单独的工序中，通过在所述光纤 素线上施涂着色层来制作具有255 μ m外径的着色光纤心线。然而，在实施例2和比较例 2中，为了使着色光纤心线具有255 μ m的外径，将着色剂直接添加至第二层，而不是施涂着 色层。此外，如图3中所示，通过以平面阵列设置四根光纤心线14，并使用由紫外线固化 性树脂制成的带状树脂31将它们结合在一起，能够制造光纤带心线32。还以同样的方式制 造了如表1中所示比较例的光纤心线和光纤带心线。除去包覆层之后，通过T0F-SIMS的阳 离子分析来测定光纤心线的玻璃表面。还测定了这些光纤心线的传输损耗。结果示于表1 中。(TOF-SIMS)通过使用TOF-SIMS的阳离子分析来计算C3H7O+(m/z 59)或C4H9O+(m/z 73)相对 于Si+(m/z 28)的峰强度比。通过使用光纤剥离器来除去样品光纤心线的包覆层。然后， 将各样品的玻璃部分浸入丙酮中进行超声波清洗，之后进行T0F-SIMS。(传输损耗的测定方法)将约Ikm的光纤心线或光纤带心线浸入60°C的水中。然后，在30天之后测定传输 损耗。使用安立(Anritsu)株式会社的光脉冲测试装置MW9060A来测定传输损耗的增加。 以1. 55 μ m的波长，使用背散射系数(OTDR)法。如果在浸入60°C的水中30天后，传输损耗 的增加大于0. ldB/km，那么就认为所述光纤心线或光纤带心线具有不充分的耐受性能(并 在表1中标记为X)。此外，通过用光学显微镜观察光纤心线或光纤带心线来发现光纤心线 内的剥离位置。如果在玻璃与第一层之间观察到任何剥离，那么就认为所述光纤心线或光 纤带心线具有不充分的耐受性能(并在表1中标记为X)。 η 00卜 I3Oh OOO〇(VdN)軎褂^键(VdW)軎辑 mimm^-m(uirl)S #豸 B + f ^ ^ O l· a苌鹄z/ui) +is i拟躲 ζ/ω)-KD6H17DLaJ隨驻 嘴铀革瞇萆>0。09_叩) nmmmm^萵母甭黑明覃瞎C*0F 光纤素线**CT0F 着色的光纤心线
***0FT 光纤带心线****G/P 第一层和玻璃纤维之间的剥离根据以上说明，所述光纤心线包含由至少两个包覆层(软质层和硬质层)包覆 的玻璃纤维，其中除去所述光纤心线的所述至少两个包覆层后玻璃纤维的玻璃表面，在 TOF-SIMS 的阳离子分析中，C3H7O+(m/z 59)或 C4H90+(m/z 73)相对于 Si+(m/z 28)峰的峰 强度比为0. 6以上，因而即使将所述光纤心线浸入水中30天，在玻璃纤维与第一层之间的 界面处没有任何剥离，防止了传输损耗的增加 。此外，当所述光纤心线以着色光纤心线的形 式(表1中的实施例3和5)或光纤带心线的形式(表1中的实施例4、6、7和8)时，也得 到了相同的结果。在另一方面，从比较例1 7的结果来看，在TOF-SIMS的阳离子分析中，如果 C3H7O+(m/z 59)或C4H9O+(m/z 73)相对于Si+(m/z 28)的峰强度比小于0. 6，那么或者光纤 心线在玻璃与第一层之间的界面处具有剥离，或者其传输损耗的增加超过0. ldB/km。如上所述，在TOF-SIMS的阳离子分析中，通过增加光纤心线的C3H7O+(m/z 59)或 C4H9O+(m/z 73)相对于Si+(m/z 28)的峰强度比，所述光纤心线在玻璃与第一层之间的界 面处不会经历任何剥离，并且不会增加其传输损耗。分析中检测到的阳离子是在丙酮超 声波清洗之后，在玻璃表面的极薄和浅的区域(例如几纳米)中残留的有机成分。在该分 析中，检测到多种阳离子和阴离子；然而，如果C3H70+(m/z 59)或C4H9O+(m/z 73)相对于 Si+(m/z 28)的峰强度比高，那么即使将所述纤维浸入水中，也不会在玻璃与第一层之间的 界面处引起任何剥离，并且不会增加其传输损耗。据推测，C3H70+(m/z 59)或C4H9O+(m/z 73)源自于紫外线固化性树脂中低聚物的骨架成分；并且因为低聚物的该成分与玻璃表面 强烈结合，所以防止了玻璃表面和第一层之间的界面处的剥离，并且传输损耗长时间不会 增加。在实施例中，使用具有常见的阶跃型折射率分布的单模光纤。然而，对于本领域的 普通技术人员显而易见的是，本发明可适用于具有其它分布的光纤。如上所述，根据本发明，能够获得这样的光纤心线和光纤带心线，其抑制了由于环 境或老化劣化特别是高湿度状态和/或浸水状态下导致的传输损耗增加。工业实用性本发明的光纤心线即使在曝露于高湿度或浸入水中时，其也长时间地抑制了传输 损耗的增加，并且其可被用作光缆中的光纤心线。
权利要求
一种光纤素线，其包含由至少两个包覆层软质层和硬质层包覆的玻璃纤维，其中除去所述光纤素线的所述至少两个包覆层后玻璃纤维的玻璃表面，在飞行时间二次离子质谱法(TOF SIMS)的阳离子分析中，C3H7O+(m/z 59)或C4H9O+(m/z 73)相对于Si+(m/z 28)峰的峰强度比为0.6以上。
2.使用权利要求1的光纤素线的着色光纤心线，其中所述硬质层包括着色剂。
3.使用权利要求1的光纤心线的光纤带心线，其包含以平面阵列将多根光纤心线结合 在一起的带状树脂。
4.权利要求1的光纤心线或权利要求2的光纤带心线，其中所述至少两个包覆层、所述 着色层和所述带状树脂由紫外线固化性树脂制成。
全文摘要
本发明的光纤心线包含由至少两个包覆层(软质层和硬质层)包覆的玻璃纤维，其中除去所述光纤心线的所述至少两个包覆层后玻璃纤维的玻璃表面，在飞行时间二次离子质谱法(TOF-SIMS)的阳离子分析中，C3H7O+(m/z 59)或C4H9O+(m/z 73)相对于Si+(m/z 28)峰的峰强度比为0.6以上。所述光纤心线即使在曝露于高湿度环境或浸入水中时，其仍避免传输损耗的任何增加。
文档编号G02B6/44GK101971069SQ20098010820
公开日2011年2月9日 申请日期2009年2月16日 优先权日2008年3月14日
发明者中岛康雄, 望月浩二, 田中广树 申请人:古河电气工业株式会社