CN1307451C - 带缓冲的光纤及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提出带缓冲的光纤10和30及其制造方法。代表性的带缓冲光纤10包括：通过其可传输光信号的光纤，该光纤具有包括玻璃纤维的芯和包层，围绕并且与所述光纤接触的第一层，所述第一层包括紫外可固化丙烯酸酯材料；围绕并且与所述第一层接触的第二层；围绕并且与所述第二层接触的第三层，其中所述第三层是具有足以保护所述光纤抵抗微弯曲力的模量、并增强低温性能的紫外(UV)可固化丙烯酸酯材料；以及围绕并且与所述第三层接触的第四层，所述第四层的材料的模量大于所述第三层的模量，所述材料具有热塑性并且是从包括聚酰胺、聚丙烯、聚酯和/或含氟聚合物的组中选出的。其中多层的组合防止低温下的衰减的加剧以及微弯损耗的增加。

Description

带缓冲的光纤及其制造方法
技术领域
概括而言本发明涉及光纤层，更准确地说，涉及一或多个对光纤进行缓冲并增强光纤抗微弯曲性和低温性能的光纤层。
背景技术
当前，光纤广泛地用作通信介质。传统光纤通常包括一玻璃芯和一或多个围绕该芯的包层。至少另一通常称为缓冲层或外层的材料层围绕包层，保护光纤免受损坏，并使光纤达到适当的硬度。当光纤与光纤连接器相连时，通常从光纤上机械地剥除外层。一般，外层由热塑性聚合材料构成，直接挤压在所涂敷的光纤上。用于形成外层的常用材料包括聚氯乙烯(PVC)，尼龙和聚酯，含氟聚合物(fluropolymer)等。
在许多情况下，必须在不破坏光纤包层的条件下去除热塑性外层。这可以通过使用能在不去除包层条件下去除外部缓冲材料的内层而很容易地实现。通过用作硬热塑性缓冲材料与光纤之间的顺从层(compliant layer)，此内层还使低温时的温度特性更佳。
传统双层密封带缓冲的光纤具有一由聚乙烯/乙烯-丙烯酸乙酯(PE/EEA)共聚物制成的内层。不过，这种材料具有多个缺点(美国专利5,684,910)。使用PE/EEA的一个缺点是，作为热塑性材料，在涂敷外层时PE/EEA共聚物的粘度降低，导致PE/EEA共聚物粘性小很多，更像液体。其影响在于，来自光纤包层的任何挥发作用，无论是湿气还是低分子量成分，均可能导致在内层中形成气泡。取决于大小和频率，气泡将使光纤中的衰减增大，这一般在低温(例如-20℃)下可以观察到。如果气泡比较严重，则在室温(～21℃)下可能发生衰减的增大。
该材料引发的另一个问题是，在低于-20℃温度下纤维光缆的衰减增大。低于-20℃温度下衰减增大可能归因于EEA弹性模量的增大。因而，EEA不满足在-40℃到80℃温度范围上具有最小弹性模量改变的内层的需要。
当应用于更新、更高带宽光纤〔例如具有异态模色散(differentialmodal dispersion)减小的50微米多模光纤〕时，内层的该关键特性更加显而易见。不过，一般这些光纤和其他具有更高带宽的光纤对微弯曲更为敏感。
因此，迄今为止在工业中存在解决上述缺点和不足的需要。
发明内容
简单而言，本发明的实施例提供带缓冲的光纤及其制造方法。根据本发明，一种带缓冲的光纤，包括：通过其可传输光信号的光纤，该光纤具有包括玻璃纤维的芯和包层，围绕并且与所述光纤接触的第一层，所述第一层包括紫外可固化的丙烯酸酯材料；围绕并且与所述第一层接触的第二层；围绕并且与所述第二层接触的第三层，其中所述第三层是具有足以保护所述光纤抵抗微弯曲力的模量、并增强低温性能的紫外可固化的丙烯酸酯材料；以及围绕并且与所述第三层接触的第四层，所述第四层的材料的模量大于所述第三层的模量，所述材料具有热塑性并且是从包括聚酰胺、聚丙烯、聚酯和/或含氟聚合物的组中选出的；其中，多层的组合防止低温下的衰减的加剧以及微弯损耗的增加。
制造该带缓冲的光纤的代表性方法包括：使具有第一和第二包敷层的光纤穿过沿垂直方向取向的涂敷头；在所述第二层上放置由紫外可固化材料制成的第三层；使具有所述第三层的光纤穿过沿垂直方向取向的紫外炉并且固化所述第三层的材料；利用转换滑轮，使所述光纤穿过水平处理系统；以及对所述第三层涂敷热塑性材料的第四缓冲层，并且冷却所述第四层，其中所述热塑性材料的模量大于所述第三层的材料的模量。
在分析下面附图和详细描述的基础上，对于本领域技术人员而言，本发明的其他特征和优点将是显而易见的。
附图说明
参照以下附图将能更好地理解本发明的多个方面。附图中的元件不必依照比例绘出，重点放在能清楚地说明本发明的原理。此外，在附图中，相同附图标记在多个附图中表示相同元件。
图1表示具有由紫外(UV)可固化的丙烯酸酯材料制成的内层和外部热塑性缓冲材料的代表性的带缓冲的光纤。
图2表示具有一光纤玻璃芯，一主层，一次层或次涂层，一由紫外可固化丙烯酸酯材料制成的内层，和一热塑性外部缓冲涂层或层的代表性的带缓冲的光纤。
图3表示图2所示纤维光缆的透视图。
图4表示图1和2所示光纤的制造过程的示意图。
图5表示图1和2所示带缓冲的光纤的代表性制造方法的流程图。
具体实施方式
概括来说，本发明实施例涉及有缓冲(例如密封或半密封)的光纤，可将该光纤制成光缆或缆索，具有增大的抗微弯曲性和改善的低温性能。该带缓冲的光纤可以为例如单纤维带缓冲的光纤，多纤维带缓冲的光纤束或阵列，或者有缓冲的带。
例如，本发明的带缓冲的光纤可以包括一内层和至少一个由紫外(UV)可固化丙烯酸酯材料构成的包敷层，可以改变该包敷层的模量和厚度以使性能最优。
构造内层和/或紫外可固化丙烯酸酯材料的包敷层使纤维光缆具有增大的抗微弯曲性，致使光纤能承受光缆或缆索(互连缆线)制造过程中遭受到的横向力，而不增大光缆中光纤的衰减。所产生的光缆或缆索还能很好地承受将光缆安装到服务环境过程中遭受到的横向力，从而避免增大衰减。另外，所产生的光缆和/或缆索具有更好的低温性能，这是由于构成光缆和/或缆索的材料的热膨胀系数会使光缆和/或缆索收缩，且在带缓冲的光纤中引起微弯曲。
紫外可固化的丙烯酸酯材料为挤压过程中基本上不象热塑性材料那样发生流动的固化(即交联)材料，传统构造中将热塑性材料用作内层材料。因此，使用固化材料能避免在内层中形成气泡。此外，紫外可固化丙烯酸酯材料在大约-40℃到85℃温度范围内呈现出最小弹性模量改变。这使内层能适应更宽温度范围，从而防止低温下的衰减损耗。
已经概括描述了本发明的光纤，现在将依次描述图1到5，以说明本发明的光学带缓冲的光纤及其相关制造方法的某些可能的实施方式。尽管结合图1到5以及相应正文描述带缓冲的光纤的实施例，但无意于将光纤的实施方式限制为这些描述。相反，意在覆盖本发明精神和范围之内所包括的所有选择、变型及等效物。
参见附图，图1说明具有一外层或缓冲层12，一内层14和一光纤16的带缓冲的光纤10。光纤16可以包括一玻璃芯和一或多个围绕该芯的包敷层(未示出)。在图1所示实施例中，围绕玻璃芯的包敷层可以由本领域中已知的材料制成。
内层14可以由紫外可固化丙烯酸酯材料制成。最好，内层14由诸如紫外可固化的聚氨酯丙烯酸酯、紫外可固化的硅丙烯酸酯(siliconacrylate)和/或紫外可固化的硅氧烷丙烯酸酯材料的紫外可固化丙烯酸酯材料制成。
当内层14由紫外可固化丙烯酸酯材料制成时，将改善带缓冲的光纤10的抗微弯曲性和低温性能。抗微弯曲性增大将使带缓冲的光纤10能承受光缆制造和安装过程中受到的横向力，从而产生最小光损耗。带缓冲的光纤10的低温性能的改善，允许构造由一或多个带缓冲的光纤10组成的光缆，从而产生最小光损耗。
此外，由紫外可固化丙烯酸酯材料制成的内层14可以具有一或多个下列特征。第一，内层14可以具有低于大约-10℃的玻变温度。具有低玻变温度内层14的带缓冲的光纤10，其低温光学性能增强。
第二，内层14在2.5％伸长下可具有的正割拉伸模量(2.5％下的拉伸模量)为大约0.5兆帕斯卡到大约10兆帕斯卡，大约0.8兆帕斯卡到大约2.5兆帕斯卡，或者最好为大约0.9兆帕斯卡到大约1.7兆帕斯卡。具有低拉伸模量内层14的带缓冲的光纤10具有增强的低温光学性能，增大的抗微弯曲性，且剥离力(strip force)保持在可接受范围之内。
第三，内层14具有大于约70％，大约70％到95％，或者最好大约85％到95％的凝胶百分比。通过制造具有高凝胶百分比内层14的光缆10，可使处理过程中除气减小，从而降低界面空隙。
第四，内层14具有每秒大约2,000到10,000兆帕斯卡，或者最好每秒大约3,300到大约6,200兆帕斯卡的粘度。对于具有低粘度内层14的光缆10，可以增大处理线速度。此外，具有低粘度内层14的带缓冲的光纤10能以均匀方式覆盖光纤。
内层14的厚度可以为大约10μm到大约200μm，大约20μm到大约125μm，或者最好为大约35μm到大约95μm。
外层12可以为高模量材料，如聚氯乙烯(PVC)，聚酰胺(尼龙)，聚丙烯，聚酯(例如PBT)和含氟聚合物(例如PVDF或FEP)。此外，外层12可以包括一层或多层。最好，外层12的厚度为大约200μm到大约350μm。
图2表示带缓冲的光纤30的剖面图，图3表示带缓冲的光纤30的透视图。根据本实施例，带缓冲的光纤30包括一外层12，一内层14，一光纤32，一主涂敷层(a primary layer coating)36和一次层(asecondary layer)34。该主涂敷层36环绕该光纤芯38，该次层34环绕该主层。光纤芯38为用于传输能量(例如光)的管道，并且可以由诸如玻璃或塑料的材料制成。
主涂敷层36可以包括紫外可固化丙烯酸酯材料。最好，该主涂敷层36由诸如紫外可固化的聚氨酯丙烯酸酯、紫外可固化的硅丙烯酸酯和/或紫外可固化的硅氧烷丙烯酸酯材料的紫外可固化丙烯酸酯材料制成。当主涂敷层36由紫外可固化丙烯酸酯材料制成时，带缓冲的光纤30的抗微弯曲性增强。如上所述，抗微弯曲性增大将使带缓冲的光纤30能承受光缆制造和安装过程中遭受到的横向力，从而检测到最小光损耗。
此外，该主涂敷层36可具有一或多个下列特征。第一，主涂敷层36可以具有低于-10℃的玻变温度。具有低玻变温度主涂敷层36的光缆30，其低温光学性能增强。
第二，主涂敷层36的2.5％的正割拉伸模量(2.5％伸长下的拉伸模量)为大约0.5兆帕斯卡到大约10兆帕斯卡，大约0.8兆帕斯卡到大约2.5兆帕斯卡，或者最好为大约0.9兆帕斯卡到大约1.7兆帕斯卡。具有低拉伸模量主涂敷层36的带缓冲的光纤30的低温光学性能增强，抗微弯曲性增大，且剥离力保持在可接受范围之内。
第三，主涂敷层36具有大于约85％，大约85％到95％，或者最好大约90％到95％的凝胶百分比。通过制造具有高凝胶百分比主涂敷层36的带缓冲的光纤30，可使处理过程中除气减小，从而降低界面空隙。
第四，主涂敷层36具有每秒大约2,000到10,000兆帕斯卡，或者最好每秒大约3,300到大约6,200兆帕斯卡的粘度。对于具有相应低粘度主涂敷层36的光纤32，可以增加处理线速度。此外，低粘度内层14以均匀方式覆盖光纤32。
主涂敷层36的厚度可以为大约20μm到大约50μm，并且厚度最好为大约35μm到大约45μm。
例如，可以由诸如紫外可固化的聚氨酯丙烯酸酯、紫外可固化的硅丙烯酸酯和/或紫外可固化的硅氧烷丙烯酸酯材料的材料制造次层34。次层34的厚度范围可以从大约10μm到大约40μm，并且可以对厚度进行调节，以产生外径为例如约250μm的光纤32。可以调节主涂敷层36和次层34的厚度，以获得适当或所需抗微弯曲性和低温性能。例如，如果主涂敷层36和次层34的厚度分别为大约40μm和22μm，将实现抗微弯曲性和低温性能的改善。
上面参照图1描述了内层14和外缓冲层12。因而，此处不对这两层进行进一步讨论。应该注意，具有由紫外可固化丙烯酸酯材料制成的主涂敷层36和内层14的带缓冲的光纤30，可实现适当的抗微弯曲性。所产生的光缆或缆索也能很好地承受将光缆安装到服务环境中时遭受到的横向力，从而防止增大衰减。此外，所产生的光缆和/或缆索在低温时能很好地起作用。如上所述，由于构成光缆和/或缆索的材料的热膨胀系数能引起光缆和/或缆索收缩，且在带缓冲的光纤中引起微弯曲。这可以通过使用上述根据本发明的材料而得到避免。
图4表示用于制造本发明的带缓冲的光纤10和/或带缓冲的光纤30的典型设备40的示意图。设备40包括一垂直处理系统45和一水平处理系统50。将光纤芯16和/或光纤芯38(下面称为光纤54)放置在线轴52上。光纤54向前通过沿垂直位置取向的涂敷头56，以将该内层设置到光纤54上。
在将该内层设置到光纤54上之后，经涂敷的光纤57通过紫外炉58，使此内层固化。涂敷头56沿垂直位置取向能对涂层进行几何控制，并且与涂敷头56沿水平方向取向相比，线速度更大。不过，应该注意，使涂敷头56和/或紫外炉58沿水平方向取向也能制造光缆10和30。
之后，转换滑轮60将所涂敷内层固化的光纤57引导到水平处理系统50中。所涂敷内层固化的光纤57通过十字头挤压机62，其将热塑性材料设置在涂敷有内层的光纤上。水槽64冷却并硬化热塑性涂层。然后将光纤缠绕在缠绕辊66上。
图5说明带缓冲的光纤10和/或带缓冲的光纤30的制造过程70的典型流程图。最初，如方块72所示，将光纤54送入垂直处理系统45中。然后，使光纤54通过垂直取向的涂敷头56，将内层涂敷到光纤上，从而形成涂敷有内层的光纤57，如方块74所示。之后，使涂敷有内层的光纤57通过紫外炉58，以固化该层，如方块76所示。
接下去，使所涂敷内层固化的光纤57通过水平处理系统50，如方块78所示。然后使所涂敷内层固化的光纤57进入热塑性材料挤压十字头62，其用热塑性材料涂敷光纤，然后通过水槽64，冷却并硬化热塑性材料，如方块80所示。之后，将带缓冲的光纤10和/或30缠绕在缠绕辊66上。
应该强调，本发明上述实施例，特别是任何“最佳”实施例，仅为本发明实施方式的例子，在此处提出以提供对本发明原理清楚地理解。在不偏离本发明范围和原理的条件下，可以对本发明上述实施例进行多种改变与变型。例如，可以由水平取向实现上述内包层涂敷步骤，可以由垂直取向实现缓冲层挤压步骤。所有这些变型与改变均处于本公开和本发明范围之内。

Claims (10)

1.一种带缓冲的光纤，包括：
通过其可传输光信号的光纤，该光纤具有包括玻璃纤维的芯和包层，围绕并且与所述光纤接触的第一层，所述第一层包括紫外可固化的丙烯酸酯材料；
围绕并且与所述第一层接触的第二层；围绕并且与所述第二层接触的第三层，其中所述第三层是具有足以保护所述光纤抵抗微弯曲力的模量、并增强低温性能的紫外可固化的丙烯酸酯材料；以及
围绕并且与所述第三层接触的第四层，所述第四层的材料的模量大于所述第三层的模量，所述材料具有热塑性并且是从包括聚酰胺、聚丙烯、聚酯和/或含氟聚合物的组中选出的；
其中，多层的组合防止低温下的衰减的加剧以及微弯损耗的增加。
2.如权利要求1所述的带缓冲的光纤，其中所述第四层的材料是尼龙聚酰胺。
3.如权利要求1所述的带缓冲的光纤，其中所述第四层的材料是PBT聚酯。
4.如权利要求2所述的带缓冲的光纤，其中所述第四层的材料是PVDF含氟聚合物。
5.如权利要求1所述的带缓冲的光纤，其中所述第一层的材料是可固化丙烯酸酯；所述第二层的材料是紫外可固化的丙烯酸酯；并且所述第三层的材料是紫外可固化的丙烯酸酯。
6.一种带缓冲的光纤的制造方法，包括：
使具有第一和第二包敷层的光纤穿过沿垂直方向取向的涂敷头；
在所述第二层上放置由紫外可固化材料制成的第三层；使具有所述第三层的光纤穿过沿垂直方向取向的紫外炉并且固化所述第三层的材料；
利用转换滑轮，使所述光纤穿过水平处理系统；以及
对所述第三层涂敷热塑性材料的第四缓冲层，并且冷却所述第四层，其中所述热塑性材料的模量大于所述第三层的材料的模量。
7.如权利要求6所述的带缓冲光纤的制造方法，其中所述第四层是从包括聚酰胺、聚丙烯、聚酯或含氟聚合物的组中选出的。
8.如权利要求6所述的带缓冲光纤的制造方法，还包括硬化所述第四层的步骤。
9.如权利要求6所述的带缓冲光纤的制造方法，其中所述第三层的材料是紫外可固化的硅丙烯酸酯材料或紫外可固化的硅氧烷聚氨酯丙烯酸酯材料之一。
10.如权利要求6所述的带缓冲光纤的制造方法，其中所述第四层的厚度为200μm到350μm。
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