JPWO2008012926A1 - 光ファイバ - Google Patents
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Abstract
Description
そして一般的には、前記1次被覆層2にはヤング率が3MPa以下の紫外線硬化型樹脂が、2次被覆層3にはヤング率が500MPa以上の紫外線硬化型樹脂がそれぞれ使用されている。
このような光ファイバテープ心線を水に浸漬した場合、ガラス光ファイバ1と1次被覆層2との界面で剥離が生じる場合がある。
このような剥離が生じた場合、これが原因でガラス光ファイバに不均一な力が作用して、マイクロベンドを生じさせ、伝送損失を増加させることとなる。そこで剥離を生じさせないために、各被覆層の材質をよく吟味し、1次被覆層2とガラス光ファイバ1との層間に十分な接着性を確保するために多大な努力がなされている。
しかしながら、各被覆層の機能を維持したまま、十分な接着性を確保することには限界があり、ケーブル構造やテープ層あるいは着色層の材質を適正化したり、製造条件を調整することが行われている。
これらの手法を用いたものとしては、たとえば、光ファイバの被覆樹脂層の吸水率を規定することで伝送特性を良好に保つ方法が特開2002−122761号公報(特許文献1)に開示されている。
また、着色層の吸水率を低下させ、光ファイバに到達する水分をより少なくする方法が、特開2002−372655号公報(特許文献2)に開示されている。
また、特許文献2に記載の方法であっても、光ファイバに到達する水分を完全に遮断することはできないため、使用環境によってはマイクロベンドによる損失増加が発生してしまう。
したがって、光ファイバを水に浸漬した場合においても、伝送損失の増加を抑制する極めて有効な手段が得られていないのが現状である。
上記の問題に鑑み本発明の目的は、水に浸漬した場合においても、ガラス光ファイバと1次被覆層の層間剥離が生じ難い光ファイバを提供することにある。
前記目的を達成すべく請求項1記載の光ファイバは、コアとクラッドからなるガラス光ファイバと、該ガラス光ファイバ上に被覆された1次被覆層と、該1次被覆層上に施された2次被覆層とを有する光ファイバにおいて、前記2次被覆層の緩和弾性率が400MPa以下であることを特徴とする。
このようにしてなる請求項1記載の光ファイバによれば、2次被覆層の緩和弾性率を400MPa以下としたことにより、光ファイバの製造時にガラス光ファイバと1次被覆層の層間に生じる残留応力を小さく抑えることができ、ガラス光ファイバと1次被覆層の層間が剥離しにくい光ファイバが得られる。そのため、ガラス光ファイバに水分が到達しても伝送損失の増加を起こしにくく、伝送路としての性能が高く、かつ信頼性の高いものが得られる。
さらに、請求項2記載の光ファイバは、請求項1記載の光ファイバにおいて、1次被覆層に用いる紫外線硬化型樹脂にシランカップリング剤が1.0質量部以上添加してなることを特徴とする。
このようにしてなる請求項2記載の光ファイバによれば、水に浸漬された際のガラス光ファイバと1次被覆層の接着力を大きくすることができるので、さらに水に浸漬した場合においてもガラス光ファイバと1次被覆層の層間が剥離しにくい光ファイバを得ることができる。これにより、光ファイバに水分が達したとしても伝送損失がなく、長期信頼性に非常に優れた光ファイバケーブルを得ることができる。
以上のように本発明によれば、光ファイバを水に浸漬した場合においても、ガラス光ファイバと軟質被覆層との間での剥離を防止できる。これにより、マイクロベンドによる伝送損失の増加を抑制することができる。
第2図は、緩和弾性率測定中のサンプルの温度及び歪のプロファイルを示すグラフである。
第3図は、緩和弾性率の測定における引張り応力プロファイルを弾性率に換算したグラフである。
第1図は本発明の光ファイバの一実施例を示す横断面模式図である。第1図に示すように本発明の光ファイバは、中心部にコアとクラッドからなるガラス光ファイバ1と、このガラス光ファイバ1上に被覆された1次被覆層2と、この1次被覆層2上に施された2次被覆層3を有するもので、2次被覆層3の緩和弾性率を400MPa以下としたことを特徴としている。
2次被覆層3の緩和弾性率を400MPa以下とした理由は、緩和弾性率が400MPaを超えると、ガラス光ファイバ1と1次被覆層2の層間において残留応力が大きくなり、光ファイバを水に浸漬した場合にガラス光ファイバと1次被覆層の層間で剥離が起こりやすく、伝送損失が増加しやすいためである。
本発明でいう2次被覆層の緩和弾性率とは、2次被覆層を応力のない状態でガラス転移温度(Tg)以上まで昇温した後、室温まで冷却しながら一定引張歪速度を与え続けていき、室温に達した後は、温度を保持したまま、セカンダリ層にかかる応力が緩和するまで一定引張歪みを与え続け、この緩和時の応力から算出する弾性率である。
さらに、1次被覆層2に用いる樹脂にシランカップリング剤を1.0質量部以上添加することを特徴としている。
シランカップリング剤の添加量1.0質量部以上とした理由は、添加量が1質量部未満だと、ガラス光ファイバ1と1次被覆層2の層間における接着力が低下するため、光ファイバに水分が到達した場合にガラス光ファイバと1次被覆層の層間で剥離が起こりやすく、伝送損失が増加しやすくなるためである。
一般に、光ファイバは以下のように製造される。まず、石英系ガラスからなる光ファイバ用母材の先端を2000℃程度に加熱、溶融し、張力をかけることにより細く引き伸ばしガラス光ファイバとする。さらに得られたガラス光ファイバに、例えば紫外線硬化型の被覆樹脂を塗布し、その後紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化させ、ガラス光ファイバの外周に被覆層を形成する。続いてキャプスタンと呼ばれる引取装置により引き取ることにより光ファイバが製造される。
この光ファイバの製造工程において、被覆層を形成する際、被覆層は樹脂の反応熱と紫外線ランプによる赤外線の輻射熱によって一旦加熱され、その後、キャプスタンにより引き取られるまでに徐々に冷却される。その際、1次被覆層と2次被覆層の線膨張係数の差が大きいと、1次被覆層には1次被覆層をガラス光ファイバから剥離する方向の残留応力が大きく残留する。この残留応力は2次被覆層の緩和弾性率によって大きく影響を受けるため、2次被覆層の緩和弾性率を400MPa以下とすることにより、1次被覆層に残留する残留応力を小さくすることができると考えられる。
2次被覆層の緩和弾性率は2次被覆層用樹脂のラジカル重合性オリゴマーの分子量を変えたり、またはラジカル重合性オリゴマーの両末端にある不飽和基を封止する割合を変えることによって容易に調整でき、2次被覆層用樹脂のラジカル重合性オリゴマーの分子量を大きくしたり、ラジカル重合性オリゴマーの両末端にある不飽和基を封止する割合を多くすると、2次被覆層の緩和弾性率を低くすることができる。
さらに、1次被覆層に用いる樹脂にシランカップリング剤を1.0質量部以上添加することによって、ガラス光ファイバと1次被覆層の水浸漬時の接着力を大きくすることができるので、光ファイバに水分が到達したとしても、ガラス光ファイバと1次被覆層は剥離し難くすることができる。
本発明に用いられる1次被覆層2と2次被覆層3は特に限定されないが、主に紫外線硬化型の樹脂組成物(以下、単にUV樹脂という)が用いられ、硬化速度の観点からウレタン−アクリレート系やエポキシ−アクリレート系のオリゴマーを主成分としたものが最適である。
UV樹脂は、一般的に、不飽和基(例えばアクリロイル基)を含有するラジカル重合性オリゴマー、反応性希釈剤としての反応性モノマー、光エネルギーを吸収してラジカル等の活性種を発生する重合開始剤を基本的構成成分として含有しており、更に各種添加剤として、顔料、着色剤、紫外線吸収剤、光安定剤、増感剤、連鎖移動剤、重合禁止剤、シランカップリング剤、レベリング剤、滑剤、酸化安定剤、老化防止剤、耐侯剤、保存安定剤、可塑剤、界面活性剤等が必要量配合されたものである。
シランカップリング剤としては、例えばγ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−メタアクリロキシプロピルトリメトキシシランなどが挙げられる。
また、UV樹脂は主にラジカル重合性オリゴマーの種類、構造、分子量、及び反応性モノマー、重合開始剤の種類を選定すること、及びラジカル重合性オリゴマー、反応性モノマー、重合開始剤の配合比を調整することによって、光ファイバの1次被覆層用途、2次被覆層用途として求められる各々の特性、例えば、透過度、硬化後のヤング率、硬化速度、吸水率等が適正値となるものが得られる。
また、1次被覆層のヤング率は常温(23℃)において2.5MPa以下が好ましく、より好ましくは1.5MPa以下であり、2次被覆層のヤング率は常温(23℃)において100〜2000MPaが好ましく、より好ましくは400〜1000MPaである。
1次被覆層のヤング率が2.5MPaを超えたり、2次被覆層のヤング率が2000MPaを超えると側圧特性が悪化し、2次被覆層のヤング率が100MPa未満では剛性が不十分となる。
また、1次被覆層と2次被覆層の厚さは特に制限されないが、1次被覆層と2次被覆層の各々の厚さが約10μm〜約50μmが好ましい。例えば直径約125μmのガラス光ファイバを使用する場合は、1次被覆層の外径が180μm〜200μm、2次被覆層の外径が230μm〜250μm程度となるように構成されることが一般的である。
尚、光ファイバは標準的なシングルモード光ファイバとし、ガラス光ファイバの外径を約125μm、1次被覆層の外径を約195μm、2次被覆層の外径を約245μmとした。
また、1次被覆層には、0.2mm硬化シートのヤング率が1.0MPaであるウレタンアクリレート系UV樹脂を数種類用い、2次被覆層には0.2mm硬化シートのヤング率が表1に示すようなウレタンアクリレート系UV樹脂S1〜S5を用いた。
尚、硬化シートのヤング率は、大気中、UV照度200mW/cm2、UV照射量1000mJ/cm2の条件で硬化させた0.2mm厚シートを作成し、23℃、引張り速度1mm/分の条件で引張り試験を行い、2.5%歪時の引張り強さから算出されたものである。
また、得られた実施例1〜8及び比較例1〜5の光ファイバの1次被覆層のヤング率、2次被覆層のヤング率を表1に示す。なお、光ファイバの1次被覆層のヤング率は特開2001−328851に記載された方法を用い、1次被覆層の剛性率を測定し、ポアソン比を0.45として算出した。光ファイバの2次被覆層のヤング率は特開2003−322775号に記載された方法により測定した。
上記で得られた光ファイバを着色用紫外線硬化樹脂を塗布し、紫外線を照射して硬化させることで着色層を施して着色光ファイバ心線を得た。そして、着色光ファイバ心線を4本並列に並べ、その外周にテープ用紫外線硬化樹脂を一括塗布し、紫外線を照射することで、テープ状光ファイバ心線を得た。
このようにして得られたテープ状光ファイバ心線について、60℃温水に浸漬後、ガラス光ファイバと1次被覆層間の剥離の有無の観察を行うとともに、伝送損失の増加を測定した。結果を表2に示す。
[2次被覆層の緩和弾性率の測定方法]
光ファイバを液体窒素に浸漬した後、ガラス光ファイバを引き抜くことで、長さ30mmのチューブ状の1次被覆層/2次被覆層の一体化物である測定用サンプルを得た。そのサンプルを、応力のない状態で140℃まで昇温した後、室温まで1℃/分で徐冷しながら、一定引張歪速度0.02%/分を与え続けていき(サンプル標線間距離20mm)、室温まで冷却した時に2%の引張歪みがかかるようにした。その後、温度は室温に、引張歪は2%に固定したまま、300分放置後、そのときにサンプルにかかっている引張応力から弾性率を算出し、緩和弾性率とした。なお、測定中のサンプルの温度及び歪のプロファイルを第2図に、また、そのとき測定された引張り応力プロファイルを弾性率に換算した典型的な例を第3図に示す。第2図および第3図において、太線はそれぞれ歪、弾性率を示し、細線は温度を示す。
尚、測定には、粘弾性測定装置(Dynamic mechanical analyzer)SEIKO Instruments DMS6100を用いた。
[ガラス光ファイバと1次被覆層間の剥離の有無の観察]
約1mの光ファイバを60℃のイオン交換水中に30日間浸漬後、光学顕微鏡を用いて透過光でガラス光ファイバと1次被覆層との界面を観察した。尚、倍率は100倍程度とした。
表2には、剥離が全く無いものを◎、極微小剥離(問題ないレベル)が存在するものを○、剥離の有るものを×として示した。
[伝送損失の増加の測定]
束取りした1000mの長さの光ファイバを60℃のイオン交換水中に30日間浸漬させた後にOTDRを用いて伝送損失を測定した。測定波長は1550nmとした。得られた伝送損失とイオン交換水中に浸漬前に同様にOTDRを用いて測定した伝送損失との差を伝送損失の増加とした。伝送損失の増加は小さいほうが良く、1.00dB/km以下が実用レベルである。
表2から明らかなように、本発明の光ファイバである実施例1〜8は60℃のイオン交換水中に30日間浸漬後でも、ガラス光ファイバと1次被覆層との層間は剥離することがなく、伝送損失は1.00dB/km以下に抑えられていることがわかる。さらに、1次被覆材へのシランカップリング剤添加量を1.0質量部以上とすることで、伝送損失の増加は0.05dB/km以下に抑えることができることがわかる。シランカップリング剤を2.0質量部とすれば、伝送損失の増加は0.02dB/km以下と非常に小さくできることがわかる。
本発明の光ファイバは、例えばこれに着色層を施した光ファイバ心線及びこの光ファイバ心線を用いたテープ心線、さらには光ファイバ心線やテープ心線を複数本集合して光コードや光ケーブルとしてもよく、汎用の種々の形態の光ファイバ心線、テープ心線、光コード、光ケーブルに使用できることはいうまでもない。
以上のように本発明の光ファイバによれば、2次被覆層の緩和弾性率を400MPa以下とすることにより、水に浸漬した場合においても、ガラス光ファイバと1次被覆層の層間剥離の生じにくい光ファイバを得ることができる。さらに、シランカップリング剤添加量を1.0質量部以上とすることで、より高い効果を得ることができる。
Claims (2)
- コアとクラッドからなるガラス光ファイバと、該ガラス光ファイバ上に被覆された1次被覆層と、該1次被覆層上に施された2次被覆層とを有する光ファイバにおいて、前記2次被覆層の緩和弾性率が400MPa以下であることを特徴とする光ファイバ。
- 請求項1記載の光ファイバにおいて、1次被覆層に用いる樹脂にシランカップリング剤を1.0質量部以上添加してなることを特徴とする光ファイバ。
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