CN115826129A - 光纤缆线 - Google Patents

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小池康博
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Abstract

本发明提供能够在短距离传送中实现高品质的信号传送的光纤缆线。本发明的光纤缆线用于通过将来自发光元件的光束传送至受光元件而进行的光通信，其中，该光纤缆线具有作为发光元件侧的端部的近端、和作为受光元件侧的端部的远端，从远端侧返回至发光元件侧的光束的M2值为1.7以上，长度为50m以下。

Description

光纤缆线
本申请是申请日为2018年9月11日、申请号为201880058634.9、发明名称为“光纤缆线”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及光纤缆线。特别地，本发明涉及能够在短距离传送中实现高品质的信号传送的光纤缆线。
背景技术
以往，光纤是在中距离、长距离干线系统中，出于高速通信的长距离化的目的而被开发、使用的。
另一方面，在主要以在家庭内等进行100m以下的影像设备间的短距离通信为目的的情况下，使用的是以HDMI为代表的电缆。
近年来，在实用广播所预定的4K、8K影像等大容量数据传送中，电缆的传送容量的不足、消耗电力的增加、电磁噪声的增大已成为严重问题。为此，已研究了将可传送大容量通信信号的光纤用于以家庭内的消费者用光通信为代表的短距离传送。
但已发现，如果在这样的家庭内等的短距离传送中使用传统的光纤，则会产生在长距离通信的情况下几乎未考虑过的与噪声相关的新问题，高品质的高速信号传送会由于该噪声的影响而变得困难。
在光通信系统中使用的半导体激光模块中，为了使来自光纤的反射回光衰减、不易产生由反射回光引起的噪声，也有采用了光隔离器的情况。
日本特开2003-014992号公报中公开了下述技术：在采用光隔离器的半导体激光模块中，以与出射的光的偏振面一致的方式设置起偏镜，从而通过起偏镜和光隔离器这两者使反射回光衰减。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003-014992号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，现有技术试图通过追加光隔离器、起偏镜等设备来降低来自光纤的回光的影响，而并未尝试过通过光纤缆线本身的特性来解决由回光引起的问题。
本发明提供能够在短距离传送中实现高品质的信号传送的光纤缆线。
解决问题的方法
本发明人等着眼于在短距离通信用的光链路中由于来自远方的回光使发光元件变得不稳定而对信号传送造成的影响。
图1示出了使用本发明的光纤缆线的短距离通信用光链路的示意性概念图。来自远方的回光是指：在从VCSEL(垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emittinglaser)等发光元件出射、从发光元件侧光纤的端部即近端(端部A)入射并在光纤内传播的光中，在受光元件侧光纤的端部即远端(端部B)侧(端部B、受光元件(PD)、或连接器等)被反射并再次返回至发光元件侧的光。作为返回至发光元件侧的光，也可考虑到来自发光元件附近(端部A等)的回光，但这样的来自附近的回光并不认为是导致发光元件变得不稳定的原因。
本发明人等进行了深入研究，结果得到了下述见解：来自远方的回光所引起的比发光元件的弛豫频率更低频的波动特别是导致短距离传送中的传送品质劣化的主要原因。
另外，作为表征可降低来自远方的回光的光纤缆线的特性的因子，本发明人等着眼于以往被用作表征光束品质的参数的M2值。
M2值是以高斯光束(TEM00模式)为基准，使用波长λ、用二阶矩定义的光束半径W(D4σ)、及光束的发散角θ(半角)，以下述式(1)表示的，表征光束的与聚光度相关的品质的参数：
[数学式1]
Figure BDA0003855803630000021
其中，光束半径W(D4σ)可以根据出射的激光的近场图像(Near Field Pattern(NFP))求出，发散角θ(半角)可以根据激光的远场图像(Far Field Pattern(FFP))求出。在理想的高斯光束中，M2值为1。
对于从光纤出射的激光的情况而言，该M2值依赖于传播模式。在单模光纤中，可传播的导波模式为一个(HE11模式)，因此，不会由于光散射等使得M2值因长度而变化。另一方面，在存在多个传播模式的多模光纤中，出射光的M2值为不同M2值的模式的叠加，而由于起因于光散射的模耦合，高阶模式成分变得越多(聚光性变差)则M2值越大、光束品质越差。其结果，除了放射损耗变大以外，无法将来自光纤的出射光全部接收，因此导致光信号的传送品质降低。因此，预先减小从多模光纤出射的激光的M2值被认为对于光信号的传送品质的保持是重要的。
本发明人等针对将自以往开始被用作表征激光光束品质的参数的M2值用作多模光纤的设计值进行了深入研究，结果得到了如下见解：特别是在短距离通信的情况下，通过使用M2值被控制为特定值这样的光纤缆线，可以降低来自远方的回光的影响。
虽然不受任何理论的约束，但可认为，光纤具有数百埃左右的相关长度的微观不均结构时，能够增大基于前向散射的模耦合，可以在控制传播损耗的同时有效地控制从光纤出射的光的M2值。可认为，通过使用M2值被控制为特定值这样的光纤缆线，与伴随基于模耦合的高阶模式的增加而产生的传送损耗相比，由来自远方的反射回光的影响减少所带来的噪声的降低更占优势，因而传送品质提高。
即，本发明涉及一种光纤缆线，其用于通过将来自发光元件的光束传送至受光元件而进行的光通信，其中，该光纤缆线具有作为发光元件侧的端部的近端、和作为受光元件侧的端部的远端，从远端侧返回至发光元件侧的光束的M2值为1.7以上，该光纤缆线的长度为100m以下。
在本发明的光纤缆线中，光束的M2值优选为5.0以下。
本发明的光纤缆线可以为折射率分布(GI)型。
另外，本发明的光纤缆线可以为塑料光纤(POF)。
在该情况下，塑料光纤(POF)的芯材优选为全氟类、部分氟类、或部分氯类、部分氘化类的材料。
另外，在该情况下，芯材可以含有掺杂剂。
发明的效果
根据本发明，特别是在短距离传送中能够实现高品质的信号传送。
附图说明
图1是使用本发明的光纤缆线的短距离通信用光链路的示意性概念图。
图2是将作为本发明的一个实施方式的多模光纤与传统的多模光纤的M2值加以对比的图。
图3是本发明的实施例中采用的用于计算关于光纤缆线的M2值的测定系统的示意性概念图。
图4是本发明的实施例中采用的用于测定有关光纤缆线的BER的测定系统的示意性概念图。
图5是将作为本发明的一个实施方式的多模光纤与传统的多模光纤的BER的对数值加以对比的图。
具体实施方式
塑料光纤(POF)是纤芯和包层均以塑料为材料的光纤，其相对于石英类光纤而言的最大特征在于，柔软且弯曲性强，能够以大口径实现简易连接。另外，纤芯的折射率分为均一的SI型和纤芯具有折射率分布的GI型，但在SI型中，由于传播时间因光的路径(模式)而不同，因此信号脉冲扩散，不适于高速通信，与此相对，在GI型中，传播时间差由于折射率分布而大幅降低，因此能够实现远远超过千兆位的高速通信。
本发明的光纤缆线的来自远方的回光的M2值为1.7以上。
在图2中，对比地示出了在基于线偏振光的近似高斯光束的中心激发下，对本发明的一个实施方式的多模光纤与传统的多模光纤的M2值进行评价而得到的值。入射光源是保偏单模光纤(SMF)尾纤输出的线偏振单频激光器(Thorlabs制，DBR852P)。通过透镜对来自该光纤尾纤的出射光进行准直、聚光，并如图2所示地，入射至评价纤维中心。通过该实验系统，可以测定相对于可近似于入射时被激发的高斯光束的最低阶模式，由介入了光散射的模耦合引起的M2值的变化的推移，并可以将其作为表征本发明的噪声降低效果的指标。另外，尾纤的出射端面为APC是为了不使激光变得不稳定，从而能够实现稳定的M2值测定。横轴表示光纤的长度，纵轴表示M2值。
在传统的光纤中，不依赖于光纤的长度，M2值在M2＝1.3-1.5附近显示出基本恒定的值。另一方面，已知在本发明的光纤的情况下，M2＝1.7以上，且随着光纤的长度变大，M2值也变大。
以往，主要从在激光加工领域不依赖于长度而获得稳定且高品质的出射光束等的观点出发，所期待的是M2值小、而且即使光纤的长度增大也不会导致M2值变大的光纤。当然，在使用了多模光纤的光通信用途中，也由于在M2值变大时会导致传送损耗增大，因而要求同样的特性。本发明人等惊讶地发现，在使用了多模光纤的短距离传送的情况下，反而在M2值较大的情况下，与传送损耗相比，来自远方的反射回光的影响减少，由此传送品质提高。
M2值的大小可根据构成光纤的纤芯的材料的种类、纤芯折射率分布及光纤的制造条件来进行控制。另外，虽也依赖于所使用的激光的激光直径、入射条件，但通过将按照上述实验系统及评价条件测定的光纤出射光的M2值作为基准，可以再现性良好地进行基于微观不均结构的M2值的评价及控制。能够成为M2值变动的主要原因的因素基本不存在于光学系统中，在激光直径变化时会使发散角变窄，其乘积被保留，因此不会对M2值造成影响。因此，可认为能够成为M2值变化的主要原因的因素仅为波长。
本发明的光纤缆线在能够在实用中使用光纤的长度的下限长度下，来自远方的回光的M2值为1.7以上。M2值小于1.7时，会由于反射回光所造成的影响而导致传送品质降低，因而不优选。
另外，本发明的光纤缆线的长度为100m以下，优选在使用光纤的长度的上限长度下，来自远方的回光的M2值为5.0以下。M2值大于5.0时，由高阶模式的增加所引发的传送损耗变大，因而不优选。
本发明的光纤缆线的长度为100m以下。长度大于100m时，由前向散射引起的散射损耗的影响比回光的降低效果更大，反而会导致传送品质降低。
如上所述，本发明的光纤缆线的M2值可以根据芯材的种类、光纤的制造条件而得到。
为了增大M2值，例如可考虑使光纤的纤芯内具有数百埃左右的相关长度的微观不均结构。由此，能够增大与在石英类玻璃类光纤中观测到的所谓瑞利散射不同的前向散射。其结果，可以在控制传播损耗的同时，诱发有效的模耦合，从而降低噪声。
例如，丙烯酸类聚合物由于存在于分子内的酯基而存在分子内及分子间的相互作用。与此相对，二氧杂环戊烯等的全氟化聚合物中不存在这样的酯基。因此，分子内、分子间相互作用比丙烯酸类聚合物小。由于该差异，高分子链本身的构象会发生变化，可以控制不均结构的大小以及折射率波动。无论在哪一种情况下，聚合物通常均为具有数百埃大小的惯性半径的分子线团的聚集体，但在不具有这样的分子的石英玻璃中不存在微观不均结构。
在使用含氟聚合物(包含全氟、部分氟材料)作为本发明的光纤缆线的芯材的情况下，可以通过如下所述的方法来合成。
[合成例A]全氟类材料的合成方法
作为全氟材料，通常可使用产品名TEFRON-AF(DuPont公司)、HyflonAD(Solvay公司)、CYTOP(旭硝子株式会社)。另外，也可以使用在这些材料的主环结构中利用四氟乙烯等共聚而成的全氟聚合物。另外，也可以使用具有二氧杂环戊烯骨架的全氟聚合物。接下来，对具有二氧杂环戊烯骨架的全氟材料的合成方法进行叙述。
构成本发明的光纤的纤芯部及包层部的聚合物可以利用该领域中公知的方法来制造。例如，可列举使构成聚合物的单体的混合物进行溶液聚合、本体聚合、乳液聚合或悬浮聚合等的方法等。其中，从防止异物、杂质的混入的观点考虑，优选本体聚合法。
此时的聚合温度没有特别限制，例如，80～150℃左右是适宜的。反应时间可以根据单体的量、种类、后面叙述的聚合引发剂、链转移剂等的量、反应温度等而适当调整，20～60小时左右是适宜的。这些聚合物可以在将后面叙述的纤芯部和/或包层部成形时，同时或连续地制造。
构成纤芯部的聚合物可例示出例如：作为(甲基)丙烯酸酯类化合物的甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸正丙酯、甲基丙烯酸正丁酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丙酯、丙烯酸正丁酯等；作为苯乙烯类化合物的苯乙烯、α-甲基苯乙烯、氯苯乙烯、溴苯乙烯等；作为乙烯基酯类的乙酸乙烯酯、苯甲酸乙烯酯、乙酸乙烯基苯基酯、氯乙酸乙烯酯等；作为马来酰亚胺类的N-正丁基马来酰亚胺、N-叔丁基马来酰亚胺、N-异丙基马来酰亚胺、N-环己基马来酰亚胺等、这些单体的C-H键的氢原子的一部分经氯取代、氟取代、氘取代而成的物质。
制造聚合物时，优选使用聚合引发剂和/或链转移剂。作为聚合引发剂，可列举常规的自由基引发剂。可列举例如：过氧化苯甲酰、过氧化-2-乙基己酸叔丁酯、过氧化二叔丁基、过氧化异丙基碳酸叔丁酯、4,4-双(叔丁基过氧化)戊酸正丁酯等过氧化物类化合物；2,2'-偶氮二异丁腈、2,2'-偶氮双(2-甲基丁腈)、1,1'-偶氮双(环己烷-1-甲腈)、2,2'-偶氮双(2-甲基丙烷)、2,2'-偶氮双(2-甲基丁烷)、2,2'-偶氮双(2-甲基戊烷)、2,2'-偶氮双(2,3-二甲基丁烷)、2,2'-偶氮双(2-甲基己烷)、2,2'-偶氮双(2,4-二甲基戊烷)、2,2'-偶氮双(2,3,3-三甲基丁烷)、2,2'-偶氮双(2,4,4-三甲基戊烷)、3,3'-偶氮双(3-甲基戊烷)、3,3'-偶氮双(3-甲基己烷)、3,3'-偶氮双(3,4-二甲基戊烷)、3,3'-偶氮双(3-乙基戊烷)、2,2'-偶氮双(2-甲基丙酸二甲酯)、2,2'-偶氮双(2-甲基丙酸二乙酯)、2,2'-偶氮双(2-甲基丙酸二叔丁酯)等偶氮类化合物等。它们可以单独使用，也可以组合2种以上使用。
相对于全部单体，聚合引发剂适宜以0.01～2重量％左右使用。作为链转移剂，没有特别限定，可使用公知的链转移剂。可列举例如：烷基硫醇类(正丁硫醇、正戊硫醇、正辛硫醇、正月桂硫醇、叔十二烷基硫醇等)、苯硫酚类(苯硫酚、间溴苯硫酚、对溴苯硫酚、间甲苯硫酚、对甲苯硫酚等)等。其中，可以适宜使用正丁硫醇、正辛硫醇、正月桂硫醇、叔十二烷基硫醇等烷基硫醇。另外，可以使用C-H键的氢原子被氘原子或氟原子取代而成的链转移剂。它们可以单独使用，也可以组合2种以上使用。
链转移剂通常是为了在成形上及物性上调整为适当的分子量而使用的。链转移剂对各单体的链转移常数可参考例如聚合物手册第3版(J.BRANDRUP及E.H.IMMERGUT编、JOHNWILEY&SON发行)“高分子合成的实验法”(大津隆行、木下雅悦合著、化学同人、昭和47年刊)等、通过实验而求出。因此，优选考虑链转移常数、根据单体的种类等而适当地调整其种类及添加量。例如，可列举相对于全部单体成分100重量份为0.1～4重量份左右。
构成纤芯部和/或包层部的聚合物的重均分子量为5～30万左右的范围是适宜的，优选为10～25万左右。这是为了确保适当的挠性、透明性等。在纤芯部和包层部中，例如，为了调整粘度等，分子量也可以是不同的。重均分子量是指例如通过GPC(凝胶渗透色谱法)测定的聚苯乙烯换算的值。
在不损害作为光纤的透明性、耐热性等性能的范围内，也可以根据需要而在构成本发明的光纤的聚合物中配合配合剂，例如热稳定化助剂、加工助剂、耐热性改善剂、抗氧剂、光稳定剂等。它们分别可以单独使用或组合2种以上使用，将这些配合物与单体或聚合物混合的方法可列举例如：热共混法、冷共混法、溶液混合法等。
＜全氟-4-甲基-2-亚甲基-1,3-二氧杂环戊烷的合成＞
通过使2-氯-1-丙醇、1-氯-2-丙醇及三氟丙酮酸甲酯进行脱水缩合反应而得到了2-羧甲基-2-三氟甲基-4-甲基-1,3-二氧杂环戊烷的纯化物。接下来，进行全氟-4-甲基-2-亚甲基-1,3-二氧杂环戊烷的氟化。使用1,1,2-三氯三氟乙烷作为溶剂，使氮气及氟气各以一定的流速流通，在氮气/氟气的气体氛围中，将预先准备的2-羧甲基-2-三氟甲基-4-甲基-1,3-二氧杂环戊烷缓慢地添加至反应槽中，由此进行氟化处理，得到了全氟-2,4-二甲基-1,3-二氧杂环戊烷-2-羧酸。用氢氧化钾水溶液中和上述蒸馏物，得到了全氟-2,4-二甲基-2-羧酸钾-1,3-二氧杂环戊烷。将该钾盐真空干燥，进一步在氩气气氛中，将盐分解，由此得到了全氟-4-甲基-2-亚甲基-1,3-二氧杂环戊烷。将上述得到的全氟-4-甲基-2-亚甲基-1,3-二氧杂环戊烷和全氟过氧化苯甲酰放入玻璃管中，将其在冷冻/解冻真空机中脱气后，再填充氩气，加热了数小时。内容物成为固体，得到了透明的聚合物。使用该聚合物制作了光纤。
就含氟聚合物(包含全氟、部分氟材料)在熔融状态下的粘度而言，优选在熔融温度200℃～300℃下为103～105泊。熔融粘度过高时，不仅熔融纺丝变得困难，而且难以发生折射率分布的形成所必须的掺杂剂的扩散，折射率分布的形成变得困难。另外，熔融粘度过低时，会产生实用方面的问题。即，在作为电子设备、汽车等中的光传送体使用的情况下，暴露于高温下会发生软化，光的传送性能降低。
含氟聚合物的数均分子量优选为10000～5000000，更优选为50000～1000000。分子量过小时，有时会阻碍耐热性，过大时，难以形成具有折射率分布的光传送体，因而不优选。
在使用部分氯类材料作为本发明的光纤缆线的芯材的情况下，可以通过与上述的作为常规制作方法的全氟材料的合成方法同样的方法来合成。
[合成例B]部分氯材料的合成(参照日本专利第5419815号)
接下来，简单叙述部分氯类材料的制作方法。分别精确称量预先经过了蒸馏纯化的甲基丙烯酸三氯乙酯、经过了升华纯化的环己基马来酰亚胺、及作为折射率赋予剂的掺杂剂的二苯硫醚，加入至玻璃容器。进一步，添加相对于总重量中的浓度为给定量的作为聚合引发剂的过氧化二叔丁基及作为链转移剂的正月桂硫醇。将该溶液充分混合后，使其通过细孔径的膜滤器，由此加入至玻璃制聚合容器中进行了过滤。接下来，一边向放入有该溶液的玻璃制聚合管中导入氩气，一边通过冷冻脱气法除去溶存空气。将该玻璃聚合管放入烘箱，一边导入氩气一边提高聚合容器的温度，使单体聚合，进一步提高温度，由此使聚合反应结束。将该玻璃管开封，得到了凝固了的透明聚合棒。
在掺杂剂的溶解度参数与聚合物的溶解度参数相等、相容性良好的情况下，掺杂剂均匀地存在于聚合物基质内。另一方面，随着掺杂剂与聚合物的溶解度参数之差变大，掺杂剂彼此相互凝聚的倾向增加，会形成由掺杂剂的浓度分布引起的折射率不均结构。除了一般的溶解度参数的见解以外，再加上掺杂剂与聚合物的局部相互作用(例如，对应于特定的官能团间的二次电子极化等)，由此也可以形成掺杂剂的微观浓度分布。作为适于全氟类的芯材的掺杂剂，通常使用比全氟聚合物更高折射率的物质。即，基于与全氟聚合同样的理由，物质掺杂剂是实质上不具有C-H键的物质，更优选其折射率比全氟聚合物大0.05以上。折射率更大时，为了形成期望的折射率分布所必须的掺杂剂的含量可以更少，因此玻璃化转变温度的降低可以较少，其结果，光纤的耐热性提高，因此，特别优选大0.1以上。
作为掺杂剂，优选为含有苯环等芳香族环、氯、溴、碘等卤原子、醚键等键合基团的、低分子化合物、低聚物、聚合物，但在为聚合物的情况下，如果分子量变大，则与全氟聚合物的相容性降低，其结果，会导致光散射损耗变大，因此，不优选分子量太大的聚合物。另外，相反地，在分子量小的化合物的情况下，与含氟聚合物的混合物中的玻璃化转变温度变低，会成为光纤的耐热温度降低的原因，因此，过小也是不优选的。因此，掺杂剂的数均分子量优选为3×102～2×103，更优选为3×102～1×103。
作为掺杂剂的具体化合物，包括如日本特开平8-5848号公报中记载那样的作为三氟氯乙烯的5～8聚物的低聚物、作为二氯二氟乙烯的5～8聚物的低聚物、或使形成上述全氟聚合物的单体中可得到高折射率低聚物的单体(例如具有氯原子的单体)聚合而得到的2～5聚物低聚物。
除了如上述低聚物这样的含卤素脂肪族化合物以外，也可以使用不含与碳原子键合的氢原子的卤代芳香族烃、含卤素多环式化合物等。特别是，从与含氟聚合物的相容性方面考虑，优选作为卤原子仅含有氟原子(或含有氟原子和相对少数的氯原子)的氟代芳香族烃、含氟多环式化合物。另外，这些卤代芳香族烃、含卤素多环式化合物更优选不具有羰基、氰基等具有极性的官能团。
作为这样的卤代芳香族烃，包括例如式Φr-Zb表示的化合物[Φr为氢原子全部被氟原子取代而成的b价氟代芳环残基、Z为除氟以外的卤原子、-Rf、-CO-Rf、-O-Rf、或-CN。其中，Rf为全氟烷基、多氟全卤烷基、或1价Φr。b为0或1以上的整数]。作为芳环，有苯环、萘环。Rf即全氟烷基、多氟全卤烷基的碳原子数优选为5以下。作为除氟以外的卤原子，优选氯原子、溴原子。作为具体的化合物，包括例如1,3-二溴四氟苯、1,4-二溴四氟苯、2-溴四氟三氟甲苯、五氟氯苯、五氟溴苯、五氟碘苯、十氟二苯甲酮、全氟苯乙酮、全氟联苯、七氟氯萘、七氟溴萘等。由于与全氟聚合物、特别是主链中具有环结构的含氟聚合物的相容性良好、且耐热性良好等，因此，作为含氟多环式化合物的例子而特别优选的掺杂剂为：三氟氯乙烯低聚物、全氟(三苯基三嗪)、全氟三联苯、全氟四联苯、全氟(三苯基苯)、全氟蒽。通过使相容性良好，能够使含氟聚合物、特别是主链中具有环结构的含氟聚合物与待混合的物质在200～300℃下通过加热熔融而容易地混合。另外，通过在溶解于含氟溶剂中并混合后将溶剂除去，可以使两者均匀混合。
作为用于部分氯类或部分氟类的芯材的掺杂剂，(可列举低分子化合物或这些化合物中存在的氢原子被氘原子取代而成的化合物等。作为具有高折射率的低分子化合物，可列举二苯砜(DPSO)及二苯砜衍生物(例如，4,4'-二氯二苯砜、3,3',4,4'-四氯二苯砜等氯代二苯砜)、二苯硫醚(DPS)、二苯亚砜、二苯并噻吩、二噻烷衍生物等硫化合物；磷酸三苯酯(TPP)、磷酸三甲酚酯等磷酸化合物；苯甲酸苄酯；苯二甲酸苄基正丁酯；苯二甲酸二苯酯；联苯；二苯基甲烷等。作为具有低折射率的低分子化合物，可列举磷酸三(2-乙基己基)酯(TOP)等。它们可以单独使用，也可以组合2种以上使用。)
为了容易地制作微观不均结构、从而使光纤缆线的M2值成为优选的值，可以控制对光纤进行纺丝时的温度、抽取速度。作为使用了含氟聚合物的光纤的一般的制作方法，广为人知的是预成型法及熔融挤出法。预成型法为下述方法：预先制作被称为纤芯和包层的棒的棒状的塑料成型体；将该纤芯棒配置于中心，包层棒具有中空部，以覆盖纤芯的外周部的方式一体化，制成被称为预成型物的棒状物；将该预成型物设置于常规的纺丝装置，利用筒状的加热器等使预成型物外周部均匀地加热熔融，以一定速度对前端部分进行接取拉伸，制成纤维状，进行冷却卷曲，由此得到光纤。
另一方面，熔融挤出法是如下方法：将预先混合有给定量掺杂剂的聚合物作为纤芯用聚合物，将不含掺杂剂的聚合物作为包层聚合物，填充于常规的熔融挤出装置中，利用两个挤出机使熔融聚合物汇合并共挤出，从而从喷嘴将两种聚合物排出，得到光纤。一般可使用具有螺杆的挤出机，但也可以利用氮气等的压力进行熔融挤出。另外，根据需要，也可以设置包覆层。
通过将熔融纤芯聚合物和熔融包层聚合物共挤出后的热处理工序，还可以形成微观不均结构。例如，如果在共挤出之后进行骤冷，则产生聚合物的焓弛豫之前，聚合物在保持具有大体积的状态下直接成为玻璃态。另一方面，如果在玻璃化转变温度附近进行充分的热处理工序，则由于焓弛豫，体积略有减少。该焓弛豫在微区域中形成的情况下，会形成所谓的微观不均结构，使M2值增大。另外，如果在共挤出之后进一步加入拉伸工序，则熔融挤出后的纤维的分子受到取向，因其取向度而发生取向双折射。该取向双折射不仅在纤维轴方向上、最终在半径方向以及特异的方向上也会发生双折射。该双折射结构也会促进模耦合，结果使M2值增大。
作为制造本发明的光纤的方法，可利用该领域中公知的方法。例如，为了在1层或2层以上纤芯部的外周形成1层或2层以上包层部，可以利用界面凝胶聚合法、旋转聚合、熔融挤出掺杂剂扩散法、复合熔融纺丝及套管(Rod In Tube)法等。另外，也可以预先形成预成型物，并进行拉伸、拉线等。
具体而言，可举出制作中空状的包层部、在该包层部的中空部制作纤芯部的方法。在该情况下，将构成纤芯部的单体导入包层部的中空部，一边使包层部旋转一边使聚合物进行聚合，形成具有比包层部高的折射率的纤芯部。可以仅进行1次该操作而形成1层纤芯部，也可以通过重复该操作而形成由多层构成的纤芯部。
使用的聚合容器可以利用在玻璃、塑料或金属性的圆筒管形状的容器(管)中、具有可耐受由旋转带来的离心力等外力的机械强度及加热聚合时的耐热性的容器。聚合时的聚合容器的旋转速度可例示出500～3000rpm左右。通常，优选通过过滤器对单体进行过滤，将单体中所含的尘埃除去后导入聚合容器内。
进一步，也可以是使用2台以上熔融挤出机和2层以上多层模头及多层用纺丝喷嘴形成纤芯部及包层部的方法。也就是说，可以分别使构成纤芯部及包层部的聚合物等加热熔融，从各个流路向多层模头及多层用纺丝喷嘴注入。通过在利用该模头及喷嘴将纤芯部挤出成形的同时，向其外周挤出1层或2层以上同心圆状的包层部，进行焊接一体化，由此可形成纤维或预成型物。
需要说明的是，为了在光纤中形成GI型的折射率分布，可例示出例如：如WO93/08488号中记载的那样，使单体组成比一定，添加掺杂剂，使单体在聚合物的界面进行本体聚合，通过该反应赋予掺杂剂的浓度分布的界面凝胶聚合；或者通过旋转聚合法进行该界面凝胶聚合的反应机理的旋转凝胶聚合法；以及使折射率不同的单体投料组成比率逐渐变化，也就是控制前一层的聚合率(使聚合率低)，并进行达到更高折射率的下一层的聚合，以使折射率分布从与包层部的界面至中心部逐渐增加的方式进行旋转聚合等方法。
另外，可例示出：使用2台以上熔融挤出机和2层以上多层模头及多层用纺丝喷嘴形成纤芯部及包层部后，接着在设置的热处理区使掺杂剂向周边部或中心部扩散，从而赋予掺杂剂的浓度分布的熔融挤出掺杂剂扩散法；在2台以上熔融挤出机中分别导入改变了掺杂剂量的聚合物等，以多层结构将纤芯部和/或包层部挤出成形的方法等。
在形成SI型的折射率分布的情况下，使单体组成比和/或掺杂剂的添加量从最初到最后恒定而进行旋转聚合等是适宜的。在赋予多阶型的折射率分布的情况下，优选在旋转聚合等中，控制前一层的聚合率(使聚合率高)，并进行达到更高折射率的下一层的聚合。
[制作例]
使用上述合成的聚合棒进行了GI-POF的制作(装置参照日本专利第5514802号)。本制作是通过熔融挤出掺杂剂扩散法得到光纤的方法。将在上述合成例中制作的聚合棒填充于熔融挤出装置的中心的纤芯的部位。另外，对于包覆层，预先将经过干燥的PMMA树脂(聚甲基丙烯酸甲酯树脂)填充于包层的挤出机的料斗。同样地，对于成为最外层的包覆层，将经过干燥的PC树脂(聚碳酸酯树脂)填充于外包层的挤出机的料斗。对填充于该挤出装置的纤芯部、包层部、外包层部中的聚合物进行加热。对纤芯部上端面施加氮气压，另外，通过利用螺杆挤出机将3种聚合物共挤出，从而将填充于包层及外包层中的树脂从喷嘴排出。这样地，以成为3层结构的方式进行熔融挤出纺丝处理，得到了GI-POF。
优选本发明的光纤的包层材料使用与纤芯相同的材料，但也可以使用不同的材料。
在本发明的光纤中，可以在外层(包层)的更外侧设置保护包覆层。作为该保护包覆层的材料，只要是合成树脂就没有特别限制，可使用作为除含氟聚合物以外的材料的热塑性树脂、固化性树脂的固化物等。其中，优选为以往已被作为光纤的保护包覆层使用的或已被提出了可作为光纤的保护包覆层使用的合成树脂。作为保护包覆层的作用，在要求提高机械强度的情况下，需要一定程度以上厚度的层，另外，优选使用拉伸强度、弹性模量高的合成树脂。作为保护包覆层的材料，优选热塑性树脂，其中，特别优选丙烯酸树脂、聚碳酸酯树脂、环状聚烯烃树脂。另外，该保护包覆层也可以为2层以上的多层，其中1层可以是氯乙烯树脂、聚烯烃树脂、聚偏氟乙烯树脂、乙烯-四氟乙烯共聚物树脂等比较软质的热塑性树脂。
作为发光元件，可使用能够进行千兆位级的传送的VCSEL、端面发光激光器等。在这样的激光器中，通常存在反射回光的问题。
对应于激光的波长、传送速度，主要可使用GaAs PIN PD等。一般而言，AR涂层涂布于PD上，但不能使由PD导致的反射完全达到0，这成为导致激光变得不稳定的原因之一。
比特差错率(BER)是数字通信系统中相对于传送信号的总比特数的错误比特数，一般被用作表征传送系统的品质的指标。由于信号水平的降低或噪声水平的增加，传送品质劣化，BER变大。即使在存在噪声的情况下，如果BER的值低，则表示可以没有问题地进行传送，在实施例中，利用BER来评价本发明的光纤缆线的品质是重要的。
实施例
以下，举出实施例对本发明进行具体说明，但本发明不限定于这些实施例。
[合成例1]使用了部分氟类材料的POF材料的合成方法
分别制作纤芯棒和中空结构的包层棒，接下来，向纤芯棒的外周部插入中空包层棒，制作了预成型物。
纤芯棒的制作如下：首先，作为单体材料，使用了作为甲基丙烯酸甲酯的部分氟衍生物的α-氟丙烯酸六氟异丙酯。该材料在常温下为液体，将约10g的该材料填充于内径5cm长度7cm的管形瓶内。进一步，分别添加所需量的掺杂剂和聚合引发剂及链转移剂。作为添加量，依次设为8.0mol％、0.1mol％、0.1mol％。作为掺杂剂使用的是十氟联苯。作为聚合引发剂，使用了过氧化-2-乙基己酸叔丁酯，作为链转移剂，使用了丁硫醇。对这样准备的溶液进行充分搅拌，转移至内径1cm、长度30cm的安瓿管。然后，将每个该安瓿管置于冷冻脱气处理装置，去除溶存氧。接着，将该安瓿管的上端部在减压状态下封管。将其在60℃的油浴中浸浴24hr，接下来，在80℃下进行24hr的聚合反应，最终在120℃下进行24hr的聚合反应。接下来，将安瓿管开封，将凝固了的样品取出。将其作为纤芯用棒。
接下来，制作了包层用中空管。即，使用市售的丙烯酸树脂(MAA树脂)，通过周知的方法制作了外径2.2cm、内径1.1cm、长度60cm的PMMA制中空管。
将前述制作的纤芯用棒和该中空管切齐为相同长度(此处为约20cm)。然后，将纤芯用棒插入中空管内，在两端盖上氟树脂的盖。进一步用热收缩管覆盖其整体，将其在160℃的烘箱中加热两天。加热结束后，去除热收缩管，得到了预成型物。
[合成例2]全氟类材料的合成方法
将2-氯-1-丙醇、1-氯-2-丙醇及三氟丙酮酸甲酯的混合物139g加入烧瓶中，向其中加入三氟丙酮酸甲酯，通过脱水缩合反应得到了2-羧甲基-2-三氟甲基-4-甲基-1,3-二氧杂环戊烷的纯化物230g。接下来，进行了全氟-4-甲基-2-亚甲基-1,3-二氧杂环戊烷的氟化。作为溶剂，使用1,1,2-三氯三氟乙烷，使氮气以1340cc/min、使氟气以580cc/min的一定的流速流通，在氮气/氟气的气体氛围中，将前述准备的2-羧甲基-2-三氟甲基-4-甲基-1,3-二氧杂环戊烷230g缓慢加入至反应槽中，由此进行氟化处理，得到了全氟-2,4-二甲基-1,3-二氧杂环戊烷-2-羧酸约150g。基于该工序的氟化收率约为85％。使用氢氧化钾水溶液将其中和，由此得到了全氟-2,4-二甲基-2-羧酸钾-1,3-二氧杂环戊烷。对该钾盐进行真空干燥，进一步在氩气气氛中使盐分解，得到了全氟-4-甲基-2-亚甲基-1,3-二氧杂环戊烷。将上述得到的全氟-4-甲基-2-亚甲基-1,3-二氧杂环戊烷和全氟过氧化苯甲酰放入玻璃管，使用冷冻/解冻真空机对其进行脱气后，再填充氩气，加热数小时。内容物为固体，得到了透明的聚合物约120g。使用该聚合物制作了光纤。
[制作例1]使用了部分氟类材料的GI-POF的制作方法
由合成例1中得到的预成型物通过上面叙述的预成型法制作了光纤。即，将预成型物设置于常规的纺丝装置，在210℃下进行熔融拉伸，得到了长度200m、外径约500μm、纤芯直径约80μm的GI-POF。
将该长条纤维切成1m(实施例1)、10m(实施例2)、30m(实施例3)的长度，进行了评价。另外，对除了使长度为60m以外与实施例1同样的光纤缆线进行了同样的评价(实施例4)。
[制作例2]使用了全氟类材料的POF材料及GI-POF的制作方法
利用熔融挤出掺杂剂扩散法制作了光纤。
将合成例2中合成的全氟-4-甲基-2-亚甲基-1,3-二氧杂环戊烷、和作为掺杂剂的(1,1,3,5,6-五氯全氟己烷)5重量％放入容器内进行了混合。将其加热至约200℃，将内容物充分搅拌，使其均匀地熔融。接下来，将其冷却凝固后，从容器中取出，得到了纤芯构件。
将在合成例2中合成的全氟-4-甲基-2-亚甲基-1,3-二氧杂环戊烷在容器内于约200℃进行加热熔融，将其冷却凝固后，取出，得到了包层构件。
使用得到的纤芯构件、包层构件、以及外包层构件，利用可得到3层结构的纤维的熔融挤出掺杂剂扩散装置制作了GI-POF。对于外包层，将XYLEXX7300CL[产品名、SABICInnovative Plastics公司制、聚酯改性聚碳酸酯]树脂干燥后使用。将纤芯构件、包层构件及外包层构件分别放入给定的挤出装置的料斗。对纤芯部、包层部、外包层部的流路进行加热，由此使各个树脂熔融汇合而制成3层结构，将其从喷嘴中排出，由此得到了光纤。得到了长度200m、外径约500μm、纤芯直径约50μm的GI-POF。
将该长条纤维切成1m(实施例5)、2m(实施例6)、5m(实施例7)、10m(实施例8)、20m(实施例9)、30m(实施例10)的长度，进行了评价。
[评价方法1]NFP及FFP的测定方法
将NFP及FFP的测定系统示于图3。
使用透镜(4)，使来自中心波长850nM的单一频率DBR激光器(1)的保偏单模光纤(2)尾纤(APC研磨)的出射光(3)(模场直径5.3μM)入射至光纤(5)。此时，使用利用CCD相机(6)进行的显微观察，使光通过透镜(4)后入射至光纤的纤芯中心，进行在中心激发条件下的评价。然后，使用NFP测定装置(Hamamatsu Photonics制A6501)(8)测定从光纤的与入射端面相反侧的端面出射的光(7)的NFP，使用FFP测定装置(Hamamatsu Photonics制A3267-12测定FFP，对使用二阶矩定义的光束直径W(Dσ4)及发散角θ(半角)进行了确定。
[评价方法2]BER的测定方法
将BER的测定系统示于图4。
对于振荡波长850nM、14Gb/s的Philips制面发光激光器(VCSEL)(9)，通过由比特差错率测试仪(BERT(Anritsu制MP2010A))的内置脉冲模式发生器产生的图案长为231-1的10Gb/s的NRZ伪随机模式、经由偏置器(Bias T)进行了直接调制。将调制信号电压设为0.1V(peak-to-peak值)、将VCSEL的偏流设为5MA。使用非球面透镜对(10)，使激光器出射光入射至光纤(5)的纤芯中心，并使得不存在除菲涅尔反射损耗以外的输入耦合损耗，进行了基于中心激发的评价。然后，使用14Gb/s的Philips制造的光电二极管(12)、利用非球面透镜对透镜接收从光纤的与入射端面相反侧的端面出射的光(11)，并使得不存在除菲涅尔反射损耗以外的耦合损耗，通过同轴线缆与BERT连接，通过内置错误检测器测定了BER(Bit ErrorRate)。
[比较例]
作为石英类玻璃，准备了Corning制OM4_TIA/EIA 492-AAAD，针对长度1m(比较例1)、2m(比较例2)、5m(比较例3)、10m(比较例4)、20m(比较例5)、30m(比较例6)的情况进行了与实施例同样的评价。将M2值的结果示于表1。
[表1]
Figure BDA0003855803630000161
根据表1中示出的实施例与比较例的M2值，可期待实施例的M2值得到1.7以上的值。
图5是在基于线偏振光的近似高斯光束的中心激发下，对本发明的一个实施方式的多模光纤与传统的多模光纤的BER的对数值加以对比的图。图5中示出的坐标图的纵轴表示BER的对数值，横轴表示光纤的长度。“低噪声GI POF”的各点表示光纤的长度为1m、2m、5m、10m、20m及30m的情况下与BER的对数值的关系，与表1的实施例5～10相对应。同样地，“二氧化硅GI MMF”的各点表示光纤的长度为1m、2m、5m、10m、20m及30m的情况下与BER的对数值的关系，与表1的比较例1～6相对应。
由图5可以明确，M2值可达到1.7以上的实施例5～10的BER的对数值小于M2值可小于1.7的比较例1～6的BER的对数值。这样，本发明的实施例5～10中使用的光纤缆线通过将M2值控制为1.7以上的特定的值，与随着由模耦合引起的高阶模式的增加而产生的传送损耗相比，可减少来自远方的反射回光的影响，其结果，噪声的降低更占优势，可提高传送品质。
工业实用性
本发明的光纤可利用于在短距离传送中要求高品质的信号传送的技术领域。

Claims (10)

1.一种光纤缆线，其用于通过将来自发光元件的光束传送至受光元件而进行的光通信，
其中，该光纤缆线具有近端和远端，所述近端为发光元件侧的端部，所述远端为受光元件侧的端部，
从所述发光元件侧入射并从所述远端侧出射的光束的M2值为1.7以上，
所述光纤缆线的长度为100m以下，
所述光纤缆线包含塑料光纤(POF)，
在传送经调制后的光信号的情况下，所述光纤缆线的比特差错率(BER)的对数值比M2值小于1.7的光纤缆线的比特差错率(BER)的对数值小。
2.一种光纤缆线，其用于通过将来自发光元件的光束传送至受光元件而进行的光通信，
其中，该光纤缆线具有近端和远端，所述近端为发光元件侧的端部，所述远端为受光元件侧的端部，
从所述发光元件侧入射并从所述远端侧出射的光束的M2值为1.7以上，
所述光纤缆线的长度为100m以下，
所述光纤缆线包含塑料光纤(POF)，
在传送经调制后的光信号的情况下，所述光纤缆线的比特差错率(BER)的对数值小于-6。
3.根据权利要求2所述的光纤缆线，其中，
所述光纤缆线的比特差错率(BER)的对数值为-6.5以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光纤缆线，其具有如下特性：
相对于该光纤缆线的长度，所述比特差错率(BER)在所述长度小于给定长度的情况下随着所述长度变大而减小，在所述长度大于给定长度的情况下随着所述长度变大而增加。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的光纤缆线，其中，
所述光束的M2值为5.0以下。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的光纤缆线，其中，
所述光纤缆线为折射率分布(GI)型。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的光纤缆线，其中，
所述光纤缆线为塑料光纤(POF)。
8.根据权利要求7所述的光纤缆线，其中，
所述塑料光纤(POF)的芯材为全氟类、部分氟类、或部分氯类、部分氘化类的材料。
9.根据权利要求7所述的光纤缆线，其中，
所述芯材含有掺杂剂。
10.一种传送系统，其具备：
所述发光元件、
权利要求1～9中任一项所述的光纤缆线、以及
所述受光元件。
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