JPWO2008012926A1 - 光ファイバ - Google Patents

Abstract

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提供する。本発明の光ファイバは、コアとクラッドからなるガラス光ファイバ１と、該ガラス光ファイバ上に被覆された１次被覆層２と、該１次被覆層上に施された２次被覆層３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以下に設定される。

Description

本発明は、光信号を伝送する光ファイバにおいて、信頼性の高い被覆層を有する光ファイバに関するものである。

従来の光ファイバは、第１図に示すように中心部に光信号を通す、コアと、その外側に設けられたクラッドを有する石英ガラスからなるガラス光ファイバ１の上に、柔軟な１次被覆層２を被覆せしめ、この１次被覆層２の上に硬質の２次被覆層３をさらに被覆した構造を有するものが一般的である。
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。

しかしながら、特許文献１に記載の方法によれば、光ファイバの保管状態を管理することで光ファイバの吸水率を低く保ち、被覆中に含まれる水分によって発生する発泡を抑止し、水圧特性、低温特性の低下を防止するとあるが、この方法は、前述した使用環境下で光ファイバに水分が到達して発生するマイクロベンドによる損失増加を防ぐ有効な手段とはなり得ない。
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。

以下に本発明の光ファイバを図を用いて詳細に説明する。
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。

前述した第１図に示す構造の光ファイバにおいて、２次被覆層３の緩和弾性率を変え、さらに、シランカップリング剤の添加量を変えて本発明の実施例に相当する光ファイバ及び比較例の光ファイバを用意した。なお、シランカップリング剤としては、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシランを用いた。これを表１に示す。
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／ｃｍ^２、ＵＶ照射量１０００ｍＪ／ｃｍ^２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。

更に、実施例１〜８、比較例１〜５の光ファイバに対して、２次被覆層の緩和弾性率を測定した。
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。

尚、２次被覆層の緩和弾性率の測定、ガラス光ファイバと１次被覆層間の剥離の有無の観察、伝送損失の増加の測定は以下のように行った。
［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)

1. 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。
2. 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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