DE4446324A1

DE4446324A1 - Lichtwellenleiter

Info

Publication number: DE4446324A1
Application number: DE4446324A
Authority: DE
Inventors: Tomoko Noguchi; Kazuo Naito; Tasuku Saito; Ryo Sakurai; Minoru Ishiharada
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1994-12-23
Publication date: 1995-06-29
Also published as: US5546493A; JP3365021B2; JPH07198967A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter oder Leiter für optische Wellen mit einer transparenten Hülle, die mit einem transparen ten flüssigen Kern gefüllt ist, der einen höheren Brechungsindex als die Hülle aufweist.

Flüssigkeits-Lichtwellenleiter mit einer flexiblen transparenten hohlen Einrichtung, die im Inneren mit einem flüssigen Kern gefüllt ist, sind gut bekannt. Ein typischer Aufbau eines solchen Lichtwellenleiters ist in der Fig. 1 dargestellt und umfaßt ein zylindrisches flexibles Rohr oder eine zylindrische flexible Hülle 1, das beziehungsweise die im Inneren mit ei nem flüssigen Kern 2 gefüllt ist, der einen höheren Brechungsindex als die Hülle aufweist. Die Hülle 1 besitzt gegenüberliegende offene Enden (von denen nur eines dargestellt ist), an denen eine Fenstereinrichtung 3 vorge sehen ist, welche das offene Ende der Hülle 1, die den flüssigen Kern 2 ent hält, dicht verschließt. Die Fenstereinrichtung 3 besteht aus einem zylin drischen, transparenten, festen Stöpsel, welcher dazu dient, die Lichtwel len des eintretenden oder austretenden Lichtes in geeigneter optischer Weise zu leiten. Die Hülle 1 ist mit Hilfe einer Endklammer 4 an der Fen stereinrichtung 3 befestigt.

Ein Beispiel eines Lichtwellenleiterrohrs des Lösungs-Typs ist in der japa nischen Patentveröffentlichung Nr. 23 1904/ 1987 beschrieben als Licht wellenleiter mit hohem Wirkungsgrad mit einem flüssigen Kern und einer Hülle aus einem Polymer mit einem niedrigeren Brechungsindex als dem der Kernflüssigkeit. Bei solchen Lichtwellenleitern mit hohem Wirkungs grad werden üblicherweise fluorierter Kautschuk, Fluorkohlenstoffharze, Silikonkautschuk und Butylkautschuk als Hüllmaterial und Phosphatöle, fluorierte Öle und Silikonöle als Kernmaterialien verwendet. Das Material, aus dem der Kern des Lichtwellenleiters gebildet ist, sollte eine möglichst minimale Lichtabsorption in dem Wellenlängenspektrum des zu übertra genden Lichtes aufweisen, eine hohe Lichtdurchlässigkeit und einen brei ten Arbeits-Temperaturbereich aufweisen und gegenüber dem Hüllmate rial möglichst inert sein (das heißt das Material nicht quellen, lösen, damit reagieren etc.). Die üblicherweise als Kernmaterial verwendeten Phos phatöle, beispielsweise Trioctylphosphat (TOP) besitzen den Nachteil, daß sie bei Temperaturen oberhalb 80°C abgebaut werden und sich gelb verfär ben, selbst bei Raumtemperatur mit den für die Hülle verwendeten Sili konmaterialien reagieren, eine bemerkenswerte Lichtabsorption im nahen Infrarotbereich zeigen und eine schlechte Lichtdurchlässigkeit aufweisen. Im Vergleich mit den Phosphatölen sind die fluorierten Oligomere optisch überlegen und wärmebeständig. Die fluorierten Oligomere besitzen jedoch das Problem der Wechselwirkung mit den Hüllmaterialien, insbesondere mit fluorierten Materialien bei erhöhten Temperaturen. Die Silikonöle be sitzen ebenfalls den Nachteil der Wechselwirkung mit den Hüllmaterialien bei erhöhten Temperaturen.

Daher besteht ein Bedürfnis dafür, die oben erwähnten Probleme der Kernmaterialien von Lichtwellenleitern zu lösen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Licht wellenleiter mit einer transparenten Hülle und einem transparenten Kern mit höherem Brechungsindex als dem der Hülle zu schaffen, welcher nicht die oben angesprochenen Probleme zeigt.

Es hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe dadurch gelöst werden kann, daß man als Flüssigkeit für den Kern des Lichtwellenleiters oder optischen Wellenleiters ein Oligomer mit Phosphazenstruktur verwendet, welches hierfür das optimale Material darstellt.

Die oben angesprochene Aufgabe wird daher gelöst durch die kennzeich nenden Merkmale des Lichtwellenleiters gemäß Hauptanspruch. Die Un teransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen dieses Erfin dungsgegenstandes.

Es hat sich gezeigt, daß wenn man einen Lichtwellenleiter mit einer trans parenten Hülle im Inneren mit einem transparenten flüssigen Kern mit ei nem höheren Brechungsindex als der Hülle füllt, bei welcher Flüssigkeit es sich um ein Oligomer mit einer Phosphazenstruktur oder einem Phospha zenskelett handelt, man einen optischen Lichtwellenleiter mit verbesser ter Wärmebeständigkeit und Witterungsbeständigkeit erhält, der einen stabilen Betrieb innerhalb eines breiten Temperaturbereiches während ei ner langen Zeitdauer ermöglicht und eine gute Lichtdurchlässigkeit über einen weiten Wellenlängenbereich zeigt.

Das erfindungsgemäß verwendete Oligomer mit Phosphazenstruktur ist sehr hitzebeständig, feuerbeständig, unbrennbar, besitzt Schmierwir kung, ist frei von Abbaurisiken, Verunreinigung und Korrosion, chemisch inert, nicht schädlich für verschiedenartige thermoplastische Harze, be sitzt einen niedrigen Dampfdruck, ist mit verschiedenen Lösungsmitteln verträglich und gegenüber Chemikalien beständig. Darüber hinaus ist das Oligomer, welches nur geringe Wechselwirkung mit verschiedenartigen Kautschuken und Fluorkohlenstoffharzen eingeht, frei von oder besitzt nur wenige harmonische Schwingungen der C-H-Streckschwingung und besitzt einen Brechungsindex, der in starkem Maße in Abhängigkeit von funktionellen Gruppen in dem Oligomermolekül variiert. Wenn daher eine Flüssigkeit, die das Oligomer mit Phosphazenstruktur oder -gerüst mit diesen Vorteilen als Kernmaterial des Lichtwellenleiters verwendet wird, wird das Kernmaterial bei erhöhten Temperaturen nicht abgebaut und vergilbt auch nicht, tritt nicht in Wechselwirkung mit dem Hüllmaterial (indem es dieses nicht quillt, löst oder damit reagiert), hält seine Leistung in stabiler Weise während einer langen Zeitdauer aufrecht, zeigt eine hohe Lichtdurchlässigkeit innerhalb eines breiten Wellenlängenbereiches ein schließlich des ultravioletten, sichtbaren und infraroten Spektralberei ches und besitzt einen breiten Bereich von Brechungsindizes, so daß belie bige gewünschte Winkelöffnungen für den angestrebten besonderen An wendungszweck ausgewählt werden können. Der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter kann daher bei einer Vielzahl von Anwendungszwecken als Lichtübertragungsleitung verwendet werden.

Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefüg ten Zeichnung erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine axiale Schnittansicht des Endbereiches eines Lichtwellenleiters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Kurvendarstellung, welche das Transmis sionsspektrum eines Phosphatöls (Trioctylphos phat, TOP) wiedergibt;

Fig. 3 eine Kurvendarstellung, die das Lichttransmis sionsspektrum eines Silikonöls mit einem Bre chungsindex n = 1,50 wiedergibt;

Fig. 4 eine Kurvendarstellung, die das Lichttransmis sionsspektrum des Phosphazenöls HI-10 mit einem Brechungsindex n = 1,526 wiedergibt;

Fig. 5 eine Kurvendarstellung, die das Lichttransmis sionsspektrum des Phosphazenöls HI-14 mit einem Brechungsindex n = 1,468 wiedergibt; und

Fig. 6 eine Kurvendarstellung, die das Lichttransmis sionsspektrum des Phosphazenöls HI-21 mit einem Brechungsindex n = 1,398 wiedergibt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Lichtwellenleiter oder optischer Wellenleiter mit einer transparenten Hülle oder einer trans parenten Umhüllung, die im Inneren mit einem transparenten flüssigen Kernmaterial gefüllt ist, welches einen höheren Brechungsindex als das Hüllmaterial aufweist. Dieser Lichtwellenleiter kann den gleichen Grund aufbau aufweisen wie die herkömmlichen Lichtwellenleiterröhren des Lö sungs-Typs, der in der Fig. 1 dargestellt ist. Dabei ist eine gewünschte Länge der zylindrischen Hülle 1 im Inneren mit einem flüssigen Kernmate rial 2 gefüllt, welches einen höheren Brechungsindex aufweist als das Hüllmaterial. Die beiden offenen Enden der Hülle sind mit dem Fensterstöp sel 3 versehen, der an die Öffnung eingepaßt und mit Hilfe einer Endklam mer 4 befestigt ist.

Die Hülle 1 kann aus einem transparenten Material bestehen, welches fle xibel ist, in Röhrenform gebracht werden kann und einen niedrigen Bre chungsindex aufweist, wozu man beispielsweise Kunststoffmaterialien und Elastomere verwenden kann. Beispiele für geeignete Hüllmaterialien schließen Polyethylen, Polypropylen, Polyamide, Polystyrol, ABS-Harze, Polymethylmethacrylat, Polycarbonate, Polyvinylchlorid, Polyvinyliden chlorid, Polyvinylacetat, Polyethylen-Vinylacetat-Copolymere, Polyvinyl alkohol, Polyethylen-Polyvinylalkohol-Copolymere, Fluorkohlenstoffhar ze, Silikonharze, Naturkautschuk, Polyisoprenkautschuk, Polybutadien kautschuk, Styrol-Butadien-Copolymere, Butylkautschuk, halogenierten Butylkautschuk, Chloroprenkautschuk, Acrylkautschuk, EPDM-Kaut schuk, Acrylnitril-Butadien-Copolymere, fluorierte Kautschuke, Silikon kautschuke und Polyurethane ein.

Bevorzugte Materialien dieser Art sind Silikonpolymere und fluorierte Po lymere mit niedrigem Brechungsindex. Besonders bevorzugte Silikonco polymere sind Dimethylsiloxanpolymere, Methylphenylsiloxanpolymere und Fluorsilikonpolymere. Besonders bevorzugte fluorierte Polymere sind Polytetrafluorethylen (PTFE), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Co polymere (FEP), Tetrafluorethylen-Perfluoralkoxyethylen-Copolymere (PFE), Polychlortrifluorethylen (PCTFE), Tetrafluorethylen-Ethylen-Co polymere (ETFE), Polyyinylidenfluorid, Polyvinylfluorid, Vinylidenfluorid- Trifluorethylenchlorid-Copolymere, Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen- Copolymere, Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Tretrafluorethylen-Ter polymere, Tetrafluorethylen-Propylen-Kautschuke und fluorierte thermo plastische Elastomere.

Diese Materialien können allein oder in Mischungen aus zwei oder mehre ren Materialien dieser Art eingesetzt werden. Man kann Röhren oder Hül len mit einfacher oder doppelter Wandung verwenden. Lediglich die innere Oberfläche des Rohrs oder der Hülle, die mit dem Kernmaterial in Kontakt kommt, kann mit Hilfe geeigneter Methoden geglättet werden, wie durch Beschichten oder durch doppelte Extrusion.

Zum Zweck der Lichtabschirmung kann die äußere Oberfläche der Hülle mit einer Umhüllung aus einem lichtundurchlässigen Material versehen werden.

Der Kern 2 besteht aus einer transparenten Flüssigkeit, die ein Oligomer mit einer Phosphazenstruktur oder einem Phosphazengerüst umfaßt. Das Oligomer besitzt vorzugsweise die folgende Struktur:

worin X¹ und X² unabhängig voneinander Alkoxygruppen mit 1 bis 6 Koh lenstoffatomen, Aryloxygruppen mit 6 bis 10 Kohlenstoffatomen (bei spielsweise Phenoxygruppen). Gruppen der Formeln -NH₂, -NHR, -NR₂, -O-C_mF_2m+1 und -Cl (worin R eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffato men und m eine Zahl mit einem Wert von 1 bis 6 darstellen) und n den Poly merisationsgrad bedeuten.

Bei der praktischen Durchführung der Erfindung ist es bevorzugt, ein cy clisches Oligomer der Formel (1), worin n den Wert 3 besitzt, als Hauptbe standteil der vorhandenen Oligomere zu verwenden. Beispiele hierfür sind die folgenden Phosphazenöle der Formel (1), worin n den Wert 3 besitzt und worin Ph für eine Phenylgruppe steht:

Phospazenöl HI-10: -[N=P(OPh)_1,5(OCH₂CF₃)_0,5]_n-
Phospazenöl HI-14: -[N=P(OPh)_1,0(OCH₂CF₃)_1,0]_n-
Phospazenöl HI-21: -[N=P(OPh)_0,5(OCH₂CF₃)_1,5]_n-

Es ist festzuhalten, daß das als Kernmaterial verwendete Oligomer mit Phosphazenstruktur einen höheren Brechungsindex als das verwendete Hüllmaterial besitzen sollte. Der Brechungsindex des erfindungsgemäß verwendeten Oligomers mit Phosphazenstruktur variiert in starkem Maße in Abhängigkeit von den vorhandenen funktionellen Gruppen. So ändern Oligomere, die Gruppen der Formeln -O-C₆H₅ und -OCH₂CF₃ in den Sei tenketten aufweisen, ihren Brechungsindex in Abhängigkeit von dem Ver hältnis dieser Gruppen, wie es nachfolgend verdeutlicht wird. Wenn daher das Oligomer erfindungsgemäß als Kernmaterial verwendet wird, kann der Brechungsindex in der gewünschten Weise durch geeignete Auswahl der Seitenketten verändert werden, unter der Voraussetzung, daß der Bre chungsindex größer ist als der des Hüllmaterials. In dieser Weise wird es möglich, die Winkelöffnung des Lichtwellenleiters in Abhängigkeit von einem besonderen Einsatzzweck einzustellen beziehungsweise auszuwählen.

Der Fensterstöpsel 3 wird aus einem Material gebildet, das eine minimale Lichtabsorption in dem gewünschten Wellenlängenbereich aufweist und welches insbesondere ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung durchläßt. Die Fensterverschlußmaterialien sind typischerweise transpa rente Materialien wie Kronglas, Quarzglas, Flintglas, Chalcogenidglas, Saphir, Quarz, Polycarbonat, Methacrylharz, Silikonharz, Fluorkohlen stoffharz und Polystyrolharz. Gemäß einer Ausführungsform, nach der das Licht von der äußeren Peripherie des Rohrs abgestrahlt wird, kann der Endverschluß aus einem lichtundurchlässigen Material, wie einem Kera mikmaterial gebildet werden.

Die vorliegende Erfindung beschreibt somit Lichtwellenleiter mit hoher Beständigkeit gegen Wärme und Witterungseinflüsse, die einen stabilen Betrieb innerhalb eines weiten Temperaturbereiches während einer lan gen Zeitdauer ermöglichen und eine gute Lichtdurchlässigkeit innerhalb eines weiten Wellenlängenbereiches, der das ultraviolette, sichtbare und Infrarote Spektrum überstreicht, zeigen. Der erfindungsgemäße Lichtwel lenleiter ist daher geeignet als Transportleitung für hochenergetische Strahlung, beispielsweise für Bildleitungen für optische Kommunika tionsleitungen und Endoskope, Lichtleiter für Licht unterschiedlicher Wellenlänge, wie ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung und Lichtleitungsröhren für Sonnenlicht ausnützende Systeme, wie Unter wasserfarmen, Gewächshäuser und Wohnungen. Der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter findet insbesondere Anwendung bei Systemen zur Über tragung von infraroter Strahlung und Vorrichtungen, die mit Licht im nahen Ultraviolett arbeiten.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung, ohne sie jedoch einzuschränken.

Beispiele 1 bis 3 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3

Man bereitet Lichtwellenleiter des in der Fig. 1 dargestellten Aufbaus un ter Verwendung von fluoriertem Kautschuk, Silikonkautschuk oder Butyl kautschuk als Hüllmaterial und Quarzglas als Fensterverschlußmaterial. Die für den Kern verwendeten Materialien sind nachfolgend angegeben.

Kernmaterial

Phosphatöl: TOP (Trioctylphosphat)
Fluoriertes Öl: -[CF₂C(Cl)F]_n- (n = 500)
Silikonöl:

Phenolgehalt 30%
Phosphazen:
Phospazenöl HI-10: -[N=P(OPh)_1,5(OCH₂CF₃)_0,5]_n-
Phospazenöl HI-14: -[N=P(OPh)_1,0(OCH₂CF₃)_1,0]_n-
Phospazenöl HI-21: -[N=P(OPh)_0,5(OCH₂CF₃)_1,5]_n-
worin N = 3 bedeutet.

Man läßt eine erste Gruppe von Lichtwellenleiterröhren während 80 Stun den bei Raumtemperatur stehen. Eine zweite Gruppe der Lichtwellenlei terröhren wird während 5 Stunden auf 80°C erhitzt. Die Lichtwellenleiter röhren der ersten und zweiten Gruppe werden bezüglich der Volumenquel lung und im Hinblick auf eine Wechselwirkung zwischen dem Hüllmaterial und dem Kernmaterial untersucht. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 aufgeführt.

Es ist aus den obigen Tabellen 1 und 2 ersichtlich, daß die Lichtwellenlei terröhren, die Phosphatöl, fluoriertes Öl und Silikonöl als Kernmaterial enthalten (Vergleichsbeispiele 1, 2 und 3) selbst bei Raumtemperatur stark quellen, während die erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter, die Phosphazenöl als Kernmaterial enthalten (Beispiele 1 bis 3) nur einer ge ringen oder keiner Quellung unterliegen, selbst wenn sie auf erhöhte Tem peratur erhitzt werden.

Die Lichttransmissionsspektren des Phosphatöls (TOP), des Silikonöls (n = 1,50) und der Phosphazenöle HI-10 (n = 1,526). HI-14 (n = 1,468) und HI- 21 (n = 1,398), die als Kernmaterial verwendet worden sind, wurden unter Verwendung einer Quarzzelle mit einer Dicke von 10 mm gemessen. Die hierbei erhaltenen Kurven sind in den Fig. 2 bis 6 dargestellt.

Es ist zu erkennen, daß im Vergleich zu den Spektren des Phosphatöls und des Silikonöls (Fig. 2 und 3) die Spektren der Phosphazenöle (Fig. 4 bis 6) eine geringere Absorption im nahen Infrarotbereich verdeutlichen. Es ist daher ersichtlich, daß die Phosphazenöle eine minimale Absorption bei etwa 800 bis 1100 cm^-1 aufweisen und eine gute Lichtdurchlässigkeit besitzen und daher optimale Kernmaterialien darstellen.

Claims

1. Lichtwellenleiter mit einer transparenten Hülle, die mit einem trans parenten Kern mit einem höheren Brechungsindex als dem der Hülle ge füllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern eine Flüssigkeit ist, wel che ein Oligomer mit einer Phosphazenstruktur umfaßt.

2. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Phosphazenöl HI-10 ist.

3. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Phosphazenöl HI-14 ist.

4. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Phosphazenöl HI-21 ist.