光纖緩衝層

在室內光纜中的光纖多採用緊套結構,光纖的緊套結構通常有兩種:一種使用紫外線固化一次塗覆光纖，直接緊套;另一種是將光纖外面塗覆一層緩衝層(緩衝層外徑為350-500 μm)後再緊套，這層緩衝層就是光纖緩衝層。

光纖的緩衝層應由一層或幾層相同的或不同的材料組成,光纖若不經進一步增強保護是不能直接施工使用的,其原因在於大部分光纖的斷裂伸長率極低,拉伸、彎曲和扭轉應變會影響光纖使用壽命,也會引起損耗增加.因此光纖在實際使用前必須增加被覆層來保護.

中文名稱	光纖緩衝層
英文名稱	fiber buffer
定　　義	用來保護光纖以防物理損害的材料結構。
套用學科	通信科技（一級學科），光纖傳輸與接入（二級學科）

基本介紹

• 中文名：光纖緩衝層
• 外文名：fibre buffer
• 材質：紫外線固化丙烯酸脂或矽橡膠
• 外徑：250-500 μ m
• 作用：延長光纖使用壽命，保護光纖
• 性能要求：低水滲性，高抗拉強度等

概述

添加緩衝層原因

為使光纖具有高的強度, 須在剛拉出的光纖上塗上一次增強塗層為減少微彎損耗, 改善溫度特性, 增加機械保護等還須在一次被復光纖上塗復上緩衝層和二次被復層, 構成光纖單元以供成纜。

光纖上的塗復層有多種多樣。一種是薄的（幾個μm）一次增強塗層。這可藉助於帶錐度的軟性塗復器對從中通過的光纖產生所謂的定中心力來改善該塗層的同心度。但是目前尚無法實現線上監測。一種是厚的(n+μm)的透明一次增強塗層。這可藉助於後向散射技術對該塗層同心度作線上監測, 保證該塗層有滿意的同心度。這一技術在拉絲過程中獲得了廣泛使用。再一種是厚的(n+μm透明的光纖緩衝層。對這層緩衝層至今還沒有合適的辦法來獲得滿意的同心度, 更不用說線上監測。

緩衝層直徑為250μm

用於室內及野戰通信、艦船、飛行器等特殊套用場合的光纖, 要求在其使用期內可承受多次人工處理(如移動等) , 使之易於安裝、維護。其中, 比較好的解決方案就是在光纖成纜之前, 先塗覆緩衝層, 用帶有緩衝層的光纖擠包PVC (聚氯乙烯) 或其它材料製成緊套光纖, 然後再成纜。這就要求緩衝層必須具有好的彎曲性能、阻隔水汽性能和極小的附加損耗。

緩衝層通常所採用的材料有丙烯酸酯類、有機矽樹脂類等。緩衝層塗料塗覆到光纖上以後, 可以採用多種固化方式, 其中以紫外(UV ) 固化最為適合。UV固化具有效率高、速度快、清潔、環保等特點。目前國外已有合格的UV 固化光纖緩衝層塗料, 但是價格昂貴, 交貨周期長, 並且有時對國內禁運。為了改變這種局面, 一些國內廠家和研究機構進行了UV 固化光纖緩衝層塗料的研製工作。但到目前為止, 尚無公認的合格產品可以替代進口塗料使用。

性能要求

近年來典型光纖結構的包層外徑為125Lm, 一次塗覆內外塗層均採用UV 固化丙烯酸酯樹脂, 標稱直徑分別為180～ 200Lm、245Lm (或250Lm)。UV固化光纖緩衝層塗料塗覆在一次塗覆後的光纖上,標稱直徑是500Lm (或400Lm )。一般來說, 光纖緩衝層塗料首先必須滿足粘度、潤濕性能的要求。粘度太大或太小, 都不能得到適當厚度的塗層。潤濕性能不好, 塗料就難以塗覆上去。另外, 光纖緩衝層塗料固化後, 外面要再擠包PVC 或尼龍等材料, 標稱外徑為900Lm, 稱為緊套光纖。固化應滿足如下要求:

1) 低的水滲透;

2) 具有一定的抗拉強度;

3) 光固化速度快;

4) 具有較低的玻璃化溫度 (T g ) , 以保證其具有優良

的低溫性能 ;

5) 既具有優異的附著力 , 又具有合適

的可剝離性 ;

6) 塗覆後光纖附加損耗較小。

光纖緩衝層同心度的線上監測

塗層同心度定義為塗復光纖橫剖面上的塗層最厚部分b與其最薄部分a(在同一直徑上)的比, 即塗層同心度。一般認為同心度優於1.5的塗層已是可接受的了, 優於1.1就認為是非常理想的了。目前商品級光纖的塗層同心度有劣於3的, 且沿整個長度有變化。所以提高塗層同心度是一個大家關心的問題。目前提出一種新的技術, 可以對這種緩衝層的同心度作線上的監測, 從而調整塗復器的位置, 直至光纖緩衝層獲得良好的同心度為止。

塗層同心度示例

讓一束He一Ne雷射通過分光片分成二束光, 然後通過二片反射鏡讓二束光互成90度地一起垂直於光纖軸照射到光纖上, 得到二幅位相差度的前向散射圖形。這樣就可判定二維方向上的光纖緩衝層同心度的“ 大小” , 據此就可調整塗復器位置使同心度接近於“1 ” 。

目前研究了光纖緩衝層同心度的線上監測技術—前向散射技術。從靜態的前向散射圖形可以判斷出同心度優於盯的情況。建立了一套線上監測緩衝層同心度的裝置。使用這套裝置後緩衝層同心度已從2左右提高到優於1.3。

UV 固化光纖緩衝層塗料的組成

塗料基本組分的選擇

塗料基本組分對塗料性能有決定性的影響。以有機矽樹脂為基本組分的塗料具有耐熱性、耐寒性、耐候性、憎水性等特點, 當這種塗料採用UV 固化方式時, 具有固化速度特快、無需溶劑、清潔、環保等特點。因此, 以有機矽樹脂為基本組分的塗料適合作為光纖緩衝層塗料使用。有機矽樹脂矽原子上連結的不同有機基團使有機矽樹脂表現出不同的性能(參見圖)。在實際套用中可根據需要, 引入不同的有機基團。

帶有不同有機基團的有機矽樹脂的特性

塗料UV 光引發體系的選擇

UV 光引發體系是 UV 固化光纖緩衝層塗料的基本組分之一 , 直接影響緩衝層塗料固化交聯速度和緩衝層各種性能。

光敏引發劑的種類繁多, 如陽離子型、安息香型、苯乙酮類、芳香酮類和醯基氧化膦類等, 它們具有不同的結構、特性和引發機理。

塗覆後緩衝層的性能

光纖衰減是光纖的傳輸特性指標之一, 它主要由吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗、微彎損耗等引起。

對石英光纖來說, 吸收損耗來源於光纖材料的本徵吸收、雜質吸收和結構中的原子缺陷吸收。材料的本徵吸收是由於紫外區電子躍遷和從近紅外到遠紅外區的晶格振動或多聲子過程引起的吸收。雜質吸收主要是石英玻璃中過渡金屬離子產生的吸收。原子缺陷吸收是由於在光纖製造過程中, 玻璃受到某種熱激勵或強輻照而感生的。散射損耗包括固有的瑞利散射損耗和結構不完善引起的損耗。材料密度不均勻以及摻雜濃度不均勻產生折射率分布的微觀不均勻, 從而引起瑞利散射。結構缺陷包括纖芯與包層交界面存在的微小凹凸缺陷, 纖芯與包層直徑的微小變化及沿縱軸方向形狀的改變。

在成纜過程中, 光纖的軸線因發生隨機的微小變化, 即微彎而引起的損耗, 稱為微彎損耗。在生產緊套光纖時, 在一次被覆後的光纖上再塗覆一定厚度的光纖緩衝層, 就可以進一步防止橫向力對光纖的作用, 減少微彎損耗。當然光纖緩衝層要有適當的模量和適當的厚度。如果太厚, 緩衝層則會在冷卻過程中由於內外冷卻速度不一致而出現分層現象, 反而導致光纖衰減增加。