DE2944947C2

DE2944947C2 - Optische Faser

Info

Publication number: DE2944947C2
Application number: DE2944947A
Authority: DE
Inventors: Naoya Mito Ibaraki Uchida; Toru Yokohama Kanagawa Yamanishi; Masaaki Yoshida
Original assignee: Nippon Telegraph & Telephone Public Corp Tokyo; Nippon Telegraph and Telephone Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1978-11-07
Filing date: 1979-11-07
Publication date: 1982-06-16
Also published as: DE2944947A1; US4344669A; GB2038021B; FR2441185B1; GB2038021A; JPS5564203A; FR2441185A1

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Faser zur Lichtübertragur? mit einem Glasfaserkern, einer inneren Schicht, die aus einem Organopolysiloxan besteht, dessen Brechungsindex größer als der des Glasfaserkerns ist, und mit einer .Zwischenschicht aus einem Organopolysiloxan.

In Hinblick auf die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der Faseroptik bezüglich der Verminderung von Lichtverlusten aufgrund der Absorption durch eine optische Faser sind viele Versuche unternommen worden, eine optische Faser als Nachrichtenverbindungsmedium zu verwenden, so daß in absehbarer Zeit eine kommerzielle Anwendung der Lichtübertragung möglich sein wird. Während optische Fasern, die in einem Kabel aufgenommen sind, was im folgenden als optisches Kabel bezeichnet wird, für eine Vielzahl von Nachrichtenverbindungsarten verwandt werden können, ist die fehlende elektrische Induktion von optischen Fasern für die Möglichkeit von Interesse, das optische Kabel mit einem Energiekabel zu einem zusammengesetzten Nachrichtenverbindungsenergiekabel zu kombinieren. Es sind daher verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, optische Fasern in einem Energiekabel aufzunehmen und diese zum Übertragen von Steueroder Nachrichtenverbindungssignalen zu verwenden. Einige Verfahren sind darüber hinaus bereits versuchsweise eingesetzt worden.

Es ist bekannt, daß der Leiter selbst und die Umgebung eines Energiekabels, insbesondere eines Starkstromkabels, durch den Jouie'schen Effekt auf etwa 90⁰C erwärmt werden. Es ist daher notwendig, sicherzustellen, daß eine dieser Temperatur für eine lange Zeitdauer ausgesetzte optische Faser ihre Übertragungseigenschaften oder mechanischen Eigenschaften nicht ändert

Eine optische Faser ist im allgemeinen mit einem Kunststoffüberzug geschützt, um ihre mechanische Festigkeit zu erhöhen oder ihre Handhabung zu erleichtern. In den F i g. 1 bis 3 der zugehörigen Zeichnung ist die bisher bekannte Art des Überzugs von optischen Fasern dargestellt In F i g, 1 bis 3 sind ein Glasfaserkern, eine primäre Überzugsschicht aus einem thermoplastischen Kunstharz 2, eine primäre Überzugsschicht 3 aus einem in Wärme aushärtenden Kunstharz und eine Pufferschicht 4 aus einem Kunstharz mit einem kleinen Young'schen Modul oder einem geschäumten Kunstharz dargestellt

Aus der DE-OS 27 29 648 ist ein zugfester -üchtwel-Ienleiter bekannt, der auf einem Glasfaserkern zwei Überzüge trägt Diese bestehen in keinem Fall aus einem Organopolysiloxan. Die Lichtleitfaser gemäß DE-OS 2512312 weist einen unmittelbar mit dem Glasfaserkern in Berührung stehenden Überzug auf, der nicht aus einem Organopolysiloxan besteht

In der DE-OS 29 25 338 wird eine optische Faser der eingangs beschriebenen Gattung genannt Untersuchungen der bekannten beschichteten optischen Faser haben ergeben, daß bei einer hohen Temperatur diese Beschichtungen aufgrund der Restspannung, die vom Formen der Kunststoffüberzüge stammt, oder eine Volumenänderung, begleitet von einer höheren Kristallinität, zu einem höheren Klemmeffekt auf das Faserinnere führen, wodurch infolge von Mikrobiegun-

gen größere Übertragungsverluste hingenommen werden müssen.

Der Erfindung 'i'egt daher die Aufgabe zugrunde, beschichtete optische Fasern zur Verfügung zu stellen, bei denen keine oder nur eine unwesentliche Mikrobiegung und damit nur geringe Übertragungsverluste festgestellt werden.

Diese Aufgabe wird bei einer optischen Faser der genannten Gattung durch eine Außenschicht aus einem thermoplastischen Kunstharz, das auf die Zwischenschicht in einer Stärke von weniger als 100 μπι aufgetragen ist, gelöst

Diese neuen optischen Fasern weisen nur ein geringeres Schrumpfen aufgrund der vom Formen des thermoplastischen Kunstharzes zurückbleibenden Restspannung oder eine geringere Volumenänderung der Seele aufgrund höherer Kristallinität auf, so daß die Faser keine wesentliche Mikrobiegung aufgrund eines auf das Innere wirkenden Klemmeffektes zeigt

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert;

F i g. 1 bis 3 zeigen herkömmliche Beschichtungen von optischen Fasern;
Fig.4 zeigt eine Querschnittsansicht der hochwärmefesten Seele eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Faser;

F i g. 5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines zusammengesetzten Kabels, bei dem ein optisches Kabel mit einem Energiekabel kombiniert ist;

F i g. 6 zeigt eine vergrößerte Ansicht des in F i g. 5 dargestellten optischen Kabels.

Die im folgenden verwandte Numerierung als erste und zweite Schicht bezieht sich auf die Reihenfolge, in der die jeweiligen Schichten vom Glasfaserkern aus in Richtung Außenschicht auftreten.

Im allgemeinen hat ein aushärtbares Organopolysiloxangemisch, das die äußerste Schicht der Glasfaser bildet, mit einem Brechungsindex, der über dem von Glas liegt, als erste erfindungsgemäß vorgesehene Schicht einen Grundaufbau, der eine Polysiloxanbindung Si-O-Si und Phenylgruppen als Seitenkettensubstituenten umfaßt Ein repräsentatives Phenylpolysil-

oxangemisch besteht im Gnindaufbau aus dem Bestandteil

R Γ C₆H₅

(i) H₂C = CH-\-O—Si-

O—Si-

C₆H₅

-CH = CH₂

H₂C = CH-

R O—Si-

oder

H₂C = CH-

C₆H₅

O—Si

C₆H₅

■0—Si

C₆H₅

QH₅

I
O—Si

-CH = CH₂

wobei R eine substituierte oder nicht-substituierte einwertige Kohlenwasserstoffgruppe ohne aliphatische ungesättigte Verbindung ist, aus (ii) einem Organohydrodienpolysiloxanbestandteil, in dessen Molekül wenigstens 3 Wasserstoffatome direkt an ein Siliciumatom gebunden sind, in einem Anteil, der ausreicht, um 0,7 bis 5 derartige Wasserstoffatome pro Phenylgruppe des Bestandteils (i) zu liefern, und aus (iii) einem katalytischen Anteil einer Platinverbindung. Beispiele für geeignete Platinverbindungen sind diejenigen Verbindungen, die mit dem obigen beiden Bestandteilen gut kompatibel sind, beispielsweise ein Olefinkomplex oder eine Chlorplatinsäure, in der ein Teil des Chlors durch einen Alkohol, ein Aldehyd oder ein Keton substituiert sein kann oder nicht Um die mechanische Festigkeit des ausgehärteten Produktes und die Fluidität des Gemisches zu erhöhen, können die drei Bestandteile mit einem Organopolysiloxangemisch kombiniert werden, das (CH₂=CH)R₂SiO₀A R₃SiO₀J und SiO₂ umfaßt, wobei R eine substituierte oder nicht-substituierte einwertige Kohlenwasserstoffgruppe ohne aliphatische ungesättigte Verbindung ist, das molare Verhältnis der Summe von (CHj = CH)R₂SiOoJ und R₃SiO₀^ zu SiO₂ im Bereich von 0,5 bis 2,0 liegt und der Gehaii der Phenylgruppe im Bereich von 0,5 bis 3 Gewichtsprozent liegt. Der Phenylgehalt dieses Phenylpolysiloxangemisches kann so eingestellt werden, daß der Brechungsindex des Gemisches auf einen Wert im Bereich von etwa 1,40 bis etwa 1,52 gesteuert wird. In der oben angegebenen Formel sind m und η positive ganze Zahlen derart, daß das Phenylpolysiloxangemisch den gewünschten Brechungsindex und eine Viskosität bei 25⁰C von 50 bis 100 000 cSt vorzugsweise von 1000 bis lOOOOcSt hat. Das einzige Erfordernis für das aushärtbare Organopolysiloxangemisch für die erste Schicht besteht darin, daß das Gemisch, das die äußerste Schicht der optischen Faser bildet, einen Brechungsindex, der über dem von Glas liegt, d.h. einen Brechungsindex von 1,458 oder mehr hat, wobei auch andere Gemische als dis oben angegebene geeignet sind.

Typische Beispiele für Phenylpolysiloxangemische sind auf dem Markt erhältliche Substanzen.

Die Stärke der ersten Schicht beträgt vorzugsweise

Die zweite Schicht kann entweder 1.) ein Phenylpolysiloxangemisch, wie es oben beschrieben wurde, 2.) ein aushärtenbares, Trifluoralkylgruppen-enthaltendes Organopolysiloxan oder 3.) ein aushärtenbares Organopo-Iysiloxan, das eine substituierte oder nicht-substituierte einwertige Kohienwasserstoffgruppe ohne aliphatische ungesättigte Verbindung in den Seitenk^tten enthält, beispielsweise Dimethylpolysiloxan sein. Das obige Phenylpolysiloxangemisch (1) hat eine hohe Wärmefestigkeit und einen hohen Brechungsindex, ist jedoch relativ teuer. Das die Trifluoralkylgruppe enthaltende aushärtenbare Organopolysiloxan ist gleichfalls hochwärmefest, hat jedoch einen relativ niedrigen Brechungsindex, der im allgemeinen unter 1,458 liegt, so daß es nicht als erste Beschichtung verwandt werden kann. Das aushärtenbare Organopolysiloxan (3) hat keine hohe Wärmefestigkeit, ist jedoch relativ preiswert und kann schnell ausgehärtet werden. Diese Materialien werden in geeigneter Weise in Abhängigkeit von den speziellen für die zweite Schicht gewünschten Eigenschaften verwandt

Der Brechungsindex der zweiten Beschichtung ist nicht von ausschlaggebender Bedeutung, das für die zweite Beschichtung verwandte Polysilox£.n hat jedoch vorzugsweise eine Viskosität von etv/a 50 bis etwa lOOOOOcSt, insbesondere von 1000 bis lOOOOcSt bei 25° C

Das für die ers.e und die zweite Schicht verwandte Polysiloxan hat vorzugsweise einen Young'schen Modul von weniger als 04 kg/mm². Die zweite Schicht kann einen Füllstoff, wie beispielsweise Rauciiquarz, ausgefälltes Siliciumdioxid, Aluminiumsilikat, Quarzpulver, Quarzglaspulver, Kieselgur, Calciumcarbonat, Titandioxid und Kohlenstuifruß enthalten. Die Menge an Füllstoff in der zweiten Schicht ist vorzugsweise derart begrenzt, daß der Modul des Polysiloxan 0,5 kg/mm² nicht überschreitet. Die Stärke der zweiten Beschich-

tung beträgt vorzugsweise 50 bis 200 μπι. Wenn das Organopolysiloxan in der ersten und der zweiten Schicht gleich ist, können beide Schichten zu einer einzigen Beschichtung kombiniert werden.

Der wichtigste Unterschied in den Anforderungen für die erste und die zweite Beschichtung besteht darin, daß die erste Beschichtung einen Brechungsindex von 1,458 oder mehr haben muß, was für die zweite Beschichtung nicht erforderlich ist.

Der Überzug aus thermoplastischem Kunststoff über der zweiten Schicht kann allein aus einem thermoplastischen Kunstharz oder einem Harzgemisch bestehen, das ein thermoplastisches Kunstharz, andere Harze, anorganische Füllstoffe, organische Füllstoffe, Vernetzungsmittel, Pigmente und/oder Farbstoffe umfaßt. Es kann irgendein thermoplastisches Kunstharz oder ein thermoplastisches Kunstharzgemisch verwandt werden, so lange das verwandte Material durch ein Schmelzextrudierverfahren als Schicht aufgebracht werden kann, bevorzugte thermoplastische Kunstharze sind Polyamide, wie Nylon 12, Nylon 11, Nylon 610, Nylon 66, Nylon 6, Nyloncopolymerisat, Nylongemische, hochdichtes Polyäthylen, niedrigdichtes Polyäthylen, Polycarbonat. lonomerharze, Polyäthylenterephthalat. Polybutylenterephthalat, Norylharz, Polypropylen, Polymethylmethacrylat. Polystyrol, Polyurethan, Polytetrafluoräthylen, Polychlortrifluoräthylen, Tetrafluoräthylen-Hexafluorpropylen-Copolymerisat, Äthylen-Tetrafluoräthylen-Copolymerisat, polyfluoriniertes Vinyliden, Äthylen-Chlorfluoräthylen-Mischpolymerisat und ähnliches.

Im folgenden wird die Erfindung in Beispielen anhand der zugehörigen Zeichnung weiter erläutert.

In den F i g. 4a, 4b und 4c sind ein Glasfaserkern 1, ein Siliconharz 5 mit hohem Brechungsindex, das eine Phenylgruppe enthält, eine Schicht 2 aus einem thermoplastischen Kunstharz mit einer Stärke von weniger als 100 μττι. eine Schicht 6 aus einem Siliconharz, das eine Trifluoralkylgruppe enthält, ein Siliconharz 7 mit einer Phenylgruppe, und eine Schicht 8 aus einem Siliconharz dargestellt, die einen Füllstoff, beispielsweise Rauchquarz, enthält Die dritte Schicht aus thermoplastischem Kunstharz der optischen Faser, die in der in F i g. 4 dargestellten Weise beschichtet ist, hat eine Stärke von weniger als 100 μπι, so daß die Faser nur einem geringen Schrumpfen aufgrund der Restspannung vom Formen des thermoplastischen Kunstharzes oder einer geringen Volumenänderung der Seele aufgrund höherer Kristallinität ausgesetzt ist, so daß die Faser folglich keine wesentliche Mikrobiegung aufgrund eines höheren Klemmeffektes zeigt, der auf das Innere wirkt. Dev untere Grenzwert der Stärke der thermoplastischen Kunstharzschicht ist nicht von einschlägiger Bedeutung, jedoch notwendigerweise durch das zur Ausbildung dünner Schichten verwandte Herstellungsverfahren begrenzt

Untersuchungen haben ergeben, daß dann, wenn die dritte Schicht eine Stärke von mehr als 100 μπι hat ein höherer Grad an Kristallisation zu einem verringerten Faservolumen führt, was seinerseits bewirkt, daß die Glasfaser zusammengeklemmt und mikrogebogen wird, so daß sich größere Ubertragungsverluste ergeben. Die optische Faser mit dem erfindungsgemäßen Aufbau zeigt andererseits keine wesentliche Zunahme der Übertragungsverluste, wenn sie einer Temperatur von 100°C oder mehr für eine lange Zeitdauer ausgesetzt wird. Da die erste Schicht 5 weiterhin einen Brechungsindex hat, der größer als der von Glas ist, wird weiterhin keine unerwünschte Lichtübertragung in der Hülle auftreten. Die zweiten Schichten 6, 7 und 8 sind hochwärmefest, so daß sie in ihren physikalischen Eigenschaften selbst dann nur geringe Änderungen zeigen, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt werden.

Es hat sich weiterhin gezeigt, daß eine in der in F i g. 4 dargestellten Weise beschichtete optische Faser keine wesentliche Zunahme in den Übertragungsverlusten zeigt, selbst wenn sie einer Temperatur von 12O⁰C ein Jahr lang oder noch länger ausgesetzt wird. Eine Extrapolation der Messungen über die Arrheniusformel zeigt, daß die Eigenschaften der Faser bei einer Temperatur von 90° C für eine Zeitdauer von 10 Jahren oder mehr stabil bleiben werden. Um weiterhin eine optische Faser mit einer hohen Festigkeit zu erzeugen, ist es wünschenswert, einen schmelzgesponnenen Glasfaden unmittelbar mit der ersten Schicht aus Siliconharz zu beschichten, bevor er mit anderen Materialien in Kontakt kommt. Es ist auch möglich, die Herstellungsgeschwindigkeit der optischen Fasern dadurch zu erhöhen, daß ein Siliconharz verwandt wird, das unter ultravioletten Lichtstrahlen aushärtet. Es versteht sich, daß die erste oder die zweite Schicht aus Siliconharz nicht in Form von Einzelschichten ausgebildet werden muß, sondern daß jede Schicht einen mehrschichtigen Aufbau aus dem gleichen oder verschiedenen Materialien haben kann.

Fig.6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optischen Kabels, in dem die in F i g. 4 dargestellte optische Faser aufgenommen ist, und Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zusammengesetzten Kabels, bei dem das in F i g. 6 dargestellte optische Kabel mit einem Energiekabel kombiniert ist. Obwohl bei dem in F i g. 6 dargestellten Kabel vier Fasern im Kabel aufgenommen sind, kann jede gewünschte Anzahl von Fasern verwandt werden. Die Eigenschaften des Kabels können darüber hinaus wirksamer mit einem V- oder U-förmigen Zwischenabstandsstück oder einem Wärmeisoliermaterial stabilisiert werden. In ähnlicher Weise können mehr als drei optische Kabel in dem in F^;-g. 5 dargestellten zusammengesetzten Kabel aufgenommen sein. In F i g. 5 sind ein Energiekabel 9, ein optisches Kabel 10, ein äußerer Mantel 11, ein äußerer Mantel 12, ein äußerer Leiter 13, eine Isolierschicht 14 und ein innerer Leiter 15 dargestellt In F i g. 6 sind ein äußerer Mantel 16, ein Zwischenviererkabel 17, eine optische Faser 18 und ein Spannungselement 19 dargestellt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Optische Faser zur Lichtübertragung mit einem Glasfaserkern, einer inneren Schicht, die aus einem Organopolysiloxan besteht, dessen Brechungsindex größer als der des Glasfaserkerns ist, und mit einer Zwischenschicht aus einem Organopolysiloxan, gekennzeichnet durch eine Außenschicht (2) aus einem thermoplastischen Kunstharz, das auf die Zwischenschicht (6, 7, 8) in einer Stärke von weniger als 100 μίτι aufgetragen ist

2. Optische Faser nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Kunstharz ein Polyamid wie Nylon 12, Nylon 11, Nylon 610, Nylon 66, Nylon 6, ein Nyloncopolymerisat, Nylongemisch, hochdichtes Polyäthylen, niedrigdichtes Polyäthylen, Polycarbonat, Ionomer, PoIyäthyJenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Norylharz, Poijmethylmethacrylat, Polystyrol, Polyurethan, Polypropylen, ein Polytetrefkioräthylen-Hexafluorpropylen-Copolymerisat, Polyvinylidenfluorid, ein Äthylen-Tetrafluoräthylen-Copolymerisat und/ oder ein Äthylen-Chlortrifluoräthylen-Copolymerisat ist