DE3907115C2

DE3907115C2 - Optische Faser mit einem Mehrschichtmantel, Verfahren zur Herstellung derselben und Verwendung der optischen Faser

Info

Publication number: DE3907115C2
Application number: DE3907115A
Authority: DE
Inventors: Francois Fort
Original assignee: Fort Fibres Optiques Rech Tech
Current assignee: Fort Fibres Optiques Rech Tech
Priority date: 1988-03-18
Filing date: 1989-03-06
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2009-03-07
Also published as: FR2628847B1; IT1228566B; GB2217037A; DE3907115A1; IT8919644A0; GB8905943D0; FR2628847A1; GB2217037B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Fasern, die einen Mehrschichtmantel haben, ein Verfahren zur Her stellung dieser optischen Fasern und die Verwendung der optischen Fasern in Form eines Kabels.

Die DE 31 06 412 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung optischer Fasern, bei dem eine Vorform einer optischen Faser erhitzt und aufgeweicht und mit einer hohen Ge schwindikeit in eine optische Faser gezogen wird.

Die DE 31 51 198 beschreibt ein Verfahren zur Herstellun einer optischen Faser, bei dem eine aus einer Glasvorform gezogene Faser mit einer Harzmasse, die durch Wärme, ul traviolette Strahlung oder Elektronenstrahlung härtbar ist, beschichtet und dann gehärtet wird, das dadurch ge kennzeichnet ist, daß die gezogene Faser, bevor sie mit einem anderen festen Gegenstand in Kontakt kommt, gekühlt wird, indem man sie durch eine Kühleinrichtung führt, die mit einem nicht-reaktionsfähigen flüssigen Material ge füllt ist, bei dem es sich um das gleiche wie die Harz masse handelt, die jedoch frei ist von jeglicher Verbin dung, welche die Aushärtung des Harzes katalysiert, aus gewählt aus der Gruppe Härtungsmittel, Vernetzungsmittel Härtungskatalysator, Härtungsbeschleuniger, Sensibilisie rungsmittel und reaktionsfähiges Verdünnungsmittel, und daß dann die Faser mit der Harzmasse beschichtet und gehärtet wird.

Es handelt sich bei der Erfindung um optische Fasern, die von einem Kern aus dotiertem Siliciumdioxid und einer op tischen Hülle bzw. Ummantelung aus Siliciumdioxid gebil det sind, von denen bekannt ist, sie mit einem Überzug bzw. Mantel aus Epoxyacrylatharz zu versehen. Dieser Überzug bzw. Mantel muß zwingend aufgebracht werden, und zwar entweder sofort nach dem Ziehen der optischen Faser oder - meistens - gleichzeitig mit diesem Vorgang des Ziehens. Sein Vorhandensein ist notwendig, um die Oxida tion des gezogenen Quarzes (Siliciumdioxid) zu vermeiden. Gleichzeitig ermöglicht das vorstehend erwähnte Harz, die Mikroporositäten, die in der Faser vorhanden sind, welche gleichzeitig Ansatzstellen für einen Bruch derselben bil den, zu verstopfen bzw. zu verschmieren.

Mit der doppelten Schutzfunktion, bezüglich Oxidation und das Verstopfen der Mikroporositäten, verbindet der Überzug bzw. Mantel aus Epoxyacrylat bzw. Epoxyacrylat harz wegen der ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften dieses Materials eine mechanische Schutzfunktion.

Jedoch weist dieser Überzug bzw. Mantel den Hauptnachteil auf, daß er in Wasser oder in Feuchtigkeit bzw. Nässe lös lich ist, wodurch die Zerstörung oder die Aufblähung des Epoxyacrylats bzw. Epoxyacrylatharzes, welches die Faser schützt, herbeigeführt wird, das auf diese Weise permeabel für OH^--Ionen wird und mit der Zeit eine Brüchigkeit auf weist, die für seine Verwendung unannehmbar ist.

Aufgrund dieser Tatsache wird die mit Epoxyacrylat bzw. Epoxyacrylatharz überzogene optische Faser normalerweise in Mikrorohren angeordnet, die mit einem Petroleumgel überzogen sind, um sie vor den unerwünschten Wirkungen der Feuchtigkeit bzw. Nässe zu schützen.

Gleichwohl hat eine solche Struktur eine extrem schlechte mechanische Widerstandsfähigkeit wegen des Vorhandenseins des zum Schutz vorgesehenen Mikrorohrs, das ferner Fal zungen, Krümmungen, Biegungen u. ä. unterworfen ist und eine Elastizität aufweist, die für einen wirksamen Schutz der Faser ungeeignet ist.

Außerdem ermöglicht das System zum Schutz durch ein Mi krorohr, das mit Petroleumgel (= hydrophobes Material auf Ölbasis; im Handel erhältlich) überzogen ist, keine sehr starke Faserdichte (das heißt keine große Anzahl von Fa sern pro Kabel); diesen Durchmesser muß das Mikrorohr an nehmen, um das Einbringen und/oder die Aufnahme des Gels zu ermöglichen.

Beispielsweise wird darauf hingewiesen, daß die Rohre für eine optische Faser, die nicht mehr als 250 µm beträgt, einen Durchmesser von 1,5 bis 2,5 mm haben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher insbeson dere eine optische aus Kern und Mantel bestehende Quarz glasfaser mit einem ersten Überzug aus Epoxyacrylatharz sowie weiteren Überzügen zur Verfügung zu stellen, welche den Notwendigkeiten der Praxis besser entspricht als die bisher bekannten Fasern der gleichen Art, insbesondere insofern, als die optische Faser nach der Erfindung:

- eine extreme Dichte, dichte Packung, Festigkeit und Stabilität aufweisen soll, und da sie deshalb zu kleinen Kabeln verarbeitbar sein soll,
- eine vollständige Dichtigkeit gegenüber Wasser und Feuchtigkeit sowie Nässe aufweisen soll, und
- eine bessere Ausnutzung der optischen Kabel erlauben soll, die von einem Bündel aus mehreren Fasern gemäß der Erfindung gebildet sind.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine opti sche aus Kern und Mantel bestehende Quarzglasfaser (1) mit einem ersten Überzug (2) aus Epoxyacrylatharz sowie weiteren Überzügen, gekennzeichnet durch einen mit UV- Strahlung vernetzbaren Siliconfilm als zweiten Überzug (3) sowie einen den Siliconüberzug (3) umgebenden dritten Überzug (4) aus einem Kunststoff mit einer Zugfestigkeit von mindestens 160 N/mm², einer Stoßfestigkeit von wenig stens 36 N/mm², der Temperaturen im Bereich von -55°C bis +150°C widersteht.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer vorstehend genannten opti schen Faser, dadurch gekennzeichnet, daß die gezogene Fa ser

- mit Epoxyacrylatharz überzogen und mit UV-Licht ver netzt,
- darauf der aus einem Siliconharz bestehende Überzug (3) aufgebracht wird und mit UV-Strahlung vernetzt
- sowie darauf der dritte Überzug (4) aufgebracht wird.

Außer den vorstehenden Vorteilen und Merkmalen umfaßt die Erfindung noch andere Vorteile und Merkmale, die sich aus der folgenden Beschreibung und aus den Patentansprüchen ergeben.

Zu ihrem besseren Verständnis wird die Erfindung nachstehend unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung ausführlicher beschrieben, wobei diese Fi gur eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Aus führungsform einer optischen Fasern mit den Überzügen bzw. Ummantelungen gemäß der Erfindung veranschaulicht, wobei aus Darstellungsgründen Teile der einzelnen Überzüge bzw. Ummantelungen so weggeschnitten sind, daß der Kern und die aufeinanderfolgenden Überzüge bzw. Ummantelungen stu fenweise sichtbar sind.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist eine optische Faser bezeichnet, deren Durchmesser zum Beispiel ungefähr 125 µm beträgt, und die von einem Kern aus dotiertem Siliciumdioxid, insbesondere aus dotiertem Quarz, und einer optischen Hülle bzw. Ummantelung aus Siliciumdioxid, insbeson dere aus Quarz, gebildet ist (diese Bestandteile sind in der Zeichnung im einzelnen nicht dargestellt).

Diese Faser 1 hat einen ersten Überzug bzw. Mantel 2, der von einem Film aus Epoxyacrylatharz gebildet ist, dessen Dicke so wie der Durchmesser der vorgenannten optischen Faser ist, die mit diesem ersten Überzug bzw. Mantel ver sehen ist, und zwar beispielsweise ungefähr 250 µm, das heißt also, daß die Dicke dieses ersten Überzugs bzw. Man tels in der Größenordnung der Dicke der Faser 1 liegt; das Epoxyacrylat bzw. Epoxyacrylatharz ist wegen seiner ausge zeichneten mechanischen Eigenschaften als Mittel für den Schutz gegen die Oxidation des Quarzes, welcher die Faser bildet (während des Ziehens bzw. ab dem Ziehen des letzte ren) bekannt, sowie als wirksames Mittel für das Verstopfen der Mikoporositäten, die in der Faser vorhanden sind, wie auch dafür, daß es mittels Ultraviolettstrahlen (UV) ver netzbar, das heißt härtbar, ist.

Gemäß der Erfindung ist die Schicht bzw. der Überzug 2 aus Epoxyacrylat bzw. Epoxyacrylatharz von einem zweiten Über zug bzw. Mantel 3 (Zwischenüberzug bzw. -mantel bzw. mittle rer Überzug bzw. Mantel) umgeben, insbesondere umschlossen, der von einem Siliconfilm gebildet ist, dessen Dicke wie der Durchmesser der Faser 1 ist, die mit den Überzügen bzw. Ummantelungen 2 und 3 versehen ist, wobei diese Dicke zum Beispiel etwa 410 µm beträgt; die Dicke des Überzugs bzw. Mantels 3 liegt daher, allgemein ausgedrückt, in der Grö ßenordnung der Dicke der Faser 1, wobei mit "Größenord nung" in Bezug auf die Dicke insbesondere ein Bereich von ein Zehntel bis zum Zehnfachen, besonders bevorzugt ein Fünftel bis zum Fünf fachen, verstanden werden soll.

Außerdem hat die Faser 1 einen dritten Überzug bzw. Mäntel 4, der von einer äußeren Hülle bzw. Ummantelung aus Kunst stoff gebildet ist, welche es ermöglicht, eine extreme Dichte, Gedrängtheit, Festigkeit, Stabilität der Faser in ihrer Gesamtheit zu erhalten, so daß diese infolgedessen zu einem kleinen bzw. dünnen Kabel (oder "Mikro kabel") verarbeitet werden kann: Zu diesem Zweck kann man vorteilhafterweise Polyetherimid verwenden, das eine Zug- bzw. Reißfestigkeit van 160 N/mm² und eine Stoßfestigkeit (gegen GARDNER-Schlag bzw. -Stoß) von 36 N/mm² aufweist, und das Temperaturen aushält, die zwischen -55°C und +150°C liegen. Dieses Material ist ebenso bemerkenswert hinsichtlich sei ner extrem erhöhten Kriechfestigkeit bzw. wegen seiner ex trem hohen Widerstandsfähigkeit gegen plastisches Fließen.

Die Dicke der Schicht bzw. des Überzugs aus Kunststoff ist wie die der Faser allgemein ausgedrückt in der Größenordnung des Durchmessers der Faser 1, so daß die mit dem oben be schriebenen dreifachen Überzug bzw. Mantel versehene Faser einen Gesamtdurchmesser in der Größenordnung von 1000 µm, das heißt 1 mm, aufweist; dieser Durchmesser ist we sentlich kleiner als derjenige, den man nach dem Stande der Technik erhält, wenn man die gleiche Faser, die mit Epoxy acrylat bzw. Epoxyacrylatharz überzogen ist, mit einem mit Petroleumgel überzogenen Mikrorohr schützt (es sei diesbezüglich auf die oben gegebene Beschreibung des Standes der Technik hinge wiesen).

Die Faser mit ihrem Mehrschichtüberzug bzw. ihrer Mehr schichtummantelung gemäß der vorliegenden Erfindung weist insfolgedessen insbesondere die folgenden Vorteile auf:

- eine extreme Dichte, dichte Packung, Festigkeit und Sta bilität aufgrund der ausgezeichneten mechanischen Eigen schaften der Schicht aus Epoxyacrylatharz,
- eine perfekte Dichtheit gegen Feuchtigkeit, Nässe und gegen Wasser, und zwar aufgrund der Schicht bzw. des Überzugs aus Silcon, die bzw. der die Faser gegen die Feuchtigkeit und Nässe (das heißt gegen die OH^--Ionen, die in Feuchtigkeit und Nässe vorhanden sind) oder gegen mögliche andere von außen eindringende chemische Mittel schützt,
- eine extreme Dichte, Gedrängtheit, Festigkeit, Stabili tät, welche es ermöglicht, daß eine Faser einen äußeren Gesamtdurchmesser von 1 mm hat, und
- wie weiter oben präzisiert worden ist, eine Zug- bzw. Reißfestigkeit bei 19,6 daN = 196 N und eine radiale Belastbarkeit von 29,4 daN = 294 N pro 1 cm der Man tellinie der Faser.

Um die Liste der mechanischen Eigenschaften der Faser ge mäß der Erfindung zu vervollständigen (nachdem die geome trischen Eigenschaften weiter oben definiert worden sind), wird näher ausgeführt, daß bei einer Zugbeanspruchung von 15 daN = 150 N die Dämpfungsvariation des übertragenen Signals unterhalb von 0,1 dB/km bleibt oder gleich 0,1 dB/km ist und daß sie reversibel ist. Die Dehnung des Kabels ist unter 0,5%.

Außerdem bleiben die Zunahme der Dämpfung und die Dehnung ebenfalls reversibel für eine maximale Beanspruchung von 20 daN.

Weiterhin bewirkt eine Transversal- bzw. Querdruckbean spruchung von 200 N/cm der Mantellinie der Faser eine unterhalb von 0,1 dB liegende Dämpfungsvariation für eine Beanspruchungsdauer von 15 Minuten.

Der minimale statische Krümmungsradius ohne Verschlechte rung der optischen Kenndaten bzw. Charakteristika der Fa ser beträgt 10 mm, und bei einer Torsion von einer Umdre hung pro Meter Schaltader ist die Dämpfungsänderung unter halb von 0,1 dB und sie ist reversibel.

Die Umhüllungs- bzw. Ummantelungsmaterialien der Faser gemäß der Erfindung sind gemäß der technischen Spezifika tion CM26 (= technische Spezifikation der französischen Telefongesellschaft FRANCE TELECOM), das heißt sie leiten Feuer nicht.

Was die Reibungsbeanspruchung betrifft, so wird diese da durch bewirkt, daß eine Probe der Faser gemäß der Erfin dung zu einer Spule mit aneinanderstoßenden Windungen ge wickelt wird, deren Durchmesser gleich 100 mm ist; eine zweite Probe wird über dieses Schaltaderpolster mit einer Belastung von 50 g an einem seiner Enden geführt; danach wird der Wert der Verschiebung mit Bezug auf die angewandte Belastung notiert.

Die optischen Eigenschaften der Faser gemäß der Erfindung im Durchlaßbereich und die streckenbezogene Dämpfung sind derart, daß es möglich ist, beispielsweise die tech nischen Vertriebsspezifikationen für Fasern zu erfüllen, das heißt:

- Durchlaßbereich 200 MHz/km (bezogen auf den Durch laßbereich für das modulierte Signal) und Dämpfung kleiner oder gleich 4 dB/km, entsprechend 850 nm,
- Durchlaßbereich 200 MHz/km (bezogen auf den Durch laßbereich für das modulierte Signal) und Dämpfung kleiner oder gleich 1,5 dB/km, entsprechend 1300 nm.

Allgemein werden die optischen Eigenschaften und die Dämpfungseigenschaften sowie die Duchlaßbereichseigen schaften der Fasern, die mit einer Umhüllung gemäß der Erfindung ausgerüstet sind, durch das Vorhandensein dieser Umhüllung nicht modifiziert, welche die Fasern nicht nur gegen Beanspruchungen jeder Art schützt, sondern unverändert auf Fasern anwendbar ist, die in der Monobetriebsweise wie auch in der Multibetriebsweise verwendet werden.

Die Faser gemäß der Erfindung hält einen Temperaturbe reich von -55°C bis +150°C aus, ohne daß permanente Ände rungen ihrer optischen und mechanischen Eigenschaften auftreten; dies gilt für eine Gesamtvariation von -0,70 dB bis +0,15 dB, wie durch Untersuchungen gezeigt werden konnte, die mit Hilfe einer Faser gemäß der Erfin dung ausgeführt wurden, welche eine Länge von 50 m hatte und zu einer Spule bzw. Wendel mit einem Durchmesser von 80 cm gewickelt worden ist.

Das verfahren zur Herstellung der Faser gemäß der Erfin dung umfaßt die folgenden Verfahrensschritte, nämlich daß die gezogene Faser

Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß darin als Überzug bzw. Mantel für Epoxyacrylat bzw. Epoxyacrylatharz ein Material verwendet wird das, ebenso wie ersteres mittels UV polymerisierbar ist, was ein Ziehen der Faser wegen der sofortigen Polymerisation, die in Gegen wart einer Ultraviolettstrahlungslichtquelle stattfindet, mit großer Geschwindigkeit ermöglicht.

Als UV-Strahlungsquelle kann jede geeignete Ultraviolettstrahlungsquelle verwendet wer den, die beispielsweise aus wenigstens einer UV-Bandleuch te von geeigneter Leistung bestehen kann.

Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß wegen der guten mechanischen und thermischen Widerstandsfähigkeit des "Mi krokabels", zu dem eine optische Faser, die mit einer zu sammengesetzten Umhüllung gemäß der Erfindung versehen ist, verarbeitet werden kann, dieses "Mikrokabel" unverändert in einem optischen Kabel weitergeleitet wer den kann, das ein Bündel von Fasern enthält, die gemäß der Erfindung umhüllt sind (oder von "Mikrokabeln"), ohne daß es notwendig ist, jede Faser ("Mikrokabel") des Bündels mit einer zusätzlichen Umhüllung zu versehen. Das bedeu tet, daß diese "Mikrokabel" sofort zu elektronischen Aus rüstungen, Geräten o. dgl. geleitet und mit diesen verbun den werden können, ohne daß irgendeine Verschweißung und/ oder Durchgangs- bzw. Abzweigdose erforderlich sind, was einen beträchtlichen Gewinn an Zeit und Wirtschaftlichkeit be deutet.

Claims

1. Optische aus Kern und Mantel bestehende Quarzglasfaser (1) mit einem ersten Überzug (2) aus Epoxyacrylatharz sowie weiteren Überzügen, gekennzeichnet durch einen mit W-Strahlung vernetzbaren Siliconfilm als zweiten Überzug (3) sowie einen den Siliconüberzug (3) umgebenden dritten Überzug (4) aus einem Kunststoff mit einer Zugfestigkeit von mindestens 160 N/mm², einer Stoßfestigkeit von wenigstens 36 N/mm², der Temperaturen im Bereich von -55°C bis +150°C widersteht.

2. Optische Faser (1) nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch Polyetherimid als dritten Überzug (4).

3. verfahren zum Herstellen einer optischen Faser nach An spruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gezogene Faser

1. mit Epoxyacrylatharz überzogen und mit UV-Licht ver netzt,
2. darauf der aus einem Siliconharz bestehende Überzug (3) aufgebracht wird und mit W-Strahlung vernetzt
3. sowie darauf der dritte Überzug (4) aufgebracht wird.

4. Verwendung der optischen Faser nach Anspruch 1 und 2 in gebündelter Form als optisches Kabel.