JP2004086216A - プラスチック光ファイバ及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ガラス光ファイバの問題点を解決し、化学的耐久性、機械的強度及び耐熱性の面で優れたプラスチック光ファイバ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明によるプラスチック光ファイバは、コア-クラッド構造で形成される。光ファイバの耐熱性を向上させ、空気及び水分から光ファイバを保護するために、保護層又はコーティング層をコア-クラッド構造の光ファイバの外面に提供する。プラスチック光ファイバはコア材料として希土類成分を含有したフッ素化プラスチックを使用し、クラッド材料としては希土類成分を含有しない-[ＣＦ2]n-単量体を主成分として連結されてコア材料の屈折率より低い屈折率を有するポリマー鎖を主成分として構成されるフッ素化プラスチックを使用する。光ファイバは、溶融-線引き法によって製造される。
【選択図】図２

Description

　本発明は、プラスチック光ファイバに関し、特に、希土類成分(rare earth component)を含有したフッ化プラスチック(fluorinated plastic)光ファイバ及びその製造方法に関する。
　一般的に、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂなどの希土類元素は、３＋イオン状態で４ｆ−４ｆ電子遷移によって蛍光を放出することができる。このような希土類を含有した光ファイバは、誘導放出効果によって入力された光信号を増幅することができる。さらに、この光ファイバは、光ファイバ両端の反射率を適切に調節すると、誘導放出を連続的に発生する光ファイバレーザとして機能することができる。代表的な光通信帯域である１．３〜１．４μｍ波長ではＰｒ3+、Ｎｄ3+Ｄｙ3+及びＴｍ3+が蛍光を放出し、１．４ 〜１．５μｍ波長ではＴｍ3+が蛍光を放出し、１．５〜１．６μｍ波長ではＥｒ3+が蛍光を放出する。
　しかしながら、１．３〜１．４μｍ波長又は１．４ 〜１．５μｍ波長において、Ｐｒ3+、Ｎｄ3+及びＤｙ3+は石英ガラスで蛍光を放出する効率が低いため、この光ファイバ増幅器を実用化することが困難であった。これによって、従来では、フッ化物(fluoride)系ガラス光ファイバに希土類元素を添加することによって、蛍光を放出する効率を高めて光ファイバ増幅器を製造した（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
米国特許５０７１４６０号明細書 米国特許５５６７２１９号明細書
　しかしながら、フッ化物系ガラス光ファイバは、化学的結合が水分(moisture)によって壊れやすいといった特性を有するので、化学的耐久性及び機械的強度が非常に弱い。さらに、使用時間によって光透過率及び光増幅効率が急激に減少するという短所がある。特に、このような光ファイバは、光ファイバ間の接続部から外部保護コーティングを除去すると、空気及び水分に直接露出されるので、その接続部において急激な速度で腐食が進行するという短所がある。
　従来のプラスチック光ファイバは、近距離通信ネットワークの銅線通信の代わりとしてギガビットイーサネット（登録商標）用途に開発されてきた。一般的に、プラスチック光ファイバは、化学的に安定しており、日常的な温度範囲における使用性が優れているという長所がある。しかしながら、従来のプラスチック光ファイバは、炭化水素(hydrocarbon: ＣＨ)ポリマー鎖構造が赤外線波長を有する光を吸収するので、赤外線領域に対する応用が制限されるという短所がある。
　従って、当技術分野においては改善された光ファイバが必要である。
　本発明の目的は、ガラス光ファイバの問題点を解決し、化学的耐久性、機械的強度及び耐熱性の面で優れたプラスチック光ファイバ及びその製造方法を提供することにある。
　このような目的を達成するために、本発明のプラスチック光ファイバは、コア(core)及びクラッド(cladding)構造のプラスチック光ファイバにおいて、希土類成分を含有したフッ化プラスチックを主成分として構成されるコア材料と、希土類成分を含有しないコア材料の屈折率より低い屈折率を有するフッ化プラスチックを主成分として構成されクラッド材料と、からなることを特徴とする。
　このプラスチック光ファイバにおいて希土類成分は、下記のＡ）〜Ｅ）の組み合せのうちいずれか１つから構成されるとよい。
　Ａ）(Y1-nLan)1-mLnmX3 (m = 0.0001〜1.0, n = 0〜1.0)
　Ｂ）(La1-mLnm)2S3 (m = 0.0001〜1.0)
　Ｃ）(ZrF3-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)1-m(LnF3)m (m = 0.0001〜0.1)
　Ｄ）(InF3-GaF3-PbF2-CdF3)1-m(LnF3)m (m = 0.0001〜0.1)
　Ｅ）(RX-GeS2-As2S3-Ga2S3)1-m(LnX3)m (m = 0.0001〜0.1)
　この場合、Ｌｎは、ランタニド系金属元素であり、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂのうち少なくとも１つを含むとよい。
　Ｒは、アルカリ金属元素であり、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓのうち少なくとも１つを含むとよい。
　Ｘは、ハロゲン族元素であり、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉのうち少なくとも１つを含むとよい。
　クラッド材料の屈折率は、コア材料の屈折率より０．０１〜１０％低いとよい。
　フッ化プラスチックは、-[ＣＦ2]n-単量体を主成分として連結されたポリマー鎖を主成分として構成されるようにする。このように、炭素-フッ素(Ｃ-Ｆ)結合からなるフッ化プラスチックは、赤外線の光をよく透過するので、フッ化プラスチックを光ファイバとして使用すると、赤外線通信が可能になる。あわせて、フッ化プラスチックは、化学的耐久性及び使用温度範囲が既存の炭化水素系プラスチックに比べて非常に優れているので、その適用範囲が広いという長所がある。特に、非結晶性(amorphous)フッ化プラスチックは、レイリー(Rayleigh)散乱損失が低いので、通信用光ファイバとして最も期待される材料である。
　代表的なフッ化プラスチックの例として、テフロン（登録商標）（TeflonTM（登録商標））、サイトップ（登録商標）（CytopTM（登録商標））などがある。
　本発明によるプラスチック光ファイバは、コア及びクラッディング構造の外面にポリマーで構成された保護層をさらに含むとよい。すなわち、クラッドの外面にポリマーから構成された保護層をさらに備えるようにするとよい。
　また、本発明では、フッ化プラスチック粉末が分散されたフッ化溶剤及び希土類成分を反応器に注入する過程と、反応器を加熱及び回転させながら、反応器内部を真空排気し溶剤を蒸発させることによってフッ化プラスチックを硬化してコア母材を形成する過程と、コア母材を、希土類成分を含有しないコア材料の屈折率より低い屈折率を有するフッ化プラスチックを主成分として構成されるクラッド母材の中心に組み立てる過程と、フッ化プラスチック母材を加熱して軟化する過程と、軟化させたフッ化プラスチック母材から光ファイバを線引きする過程と、からなることを特徴とするプラスチック光ファイバの製造方法を提供する。
　この方法においてフッ化プラスチックの分散量は容積比率０．０１〜０．３０であり、希土類成分粉末の分散量は容積比率０．０１〜０．１０であるとよい。
　フッ化プラスチックを硬化してコア母材を形成する過程は、１００〜３００℃の温度範囲で反応器を加熱しながら、反応器内部を真空排気して溶剤を蒸発させる過程と、フッ化プラスチックの硬化が開始すると、反応器の回転速度及び温度を低下させることによって、棒状のフッ化プラスチックコア母材を形成する過程と、からなるとよい。
　また、フッ化プラスチックを硬化してコア母材を形成する過程は、１００〜３００℃の温度範囲で反応器を加熱しながら、反応器内部を真空排気して溶剤を蒸発させる過程と、フッ化プラスチックの硬化が開始すると、反応器の回転速度を維持したまま、温度を低下させることによって、管状のフッ化プラスチックコア母材を形成する過程と、からなるようにしてもよい。
　フッ化プラスチック母材を加熱して軟化する過程は、１５０〜５００℃の温度範囲で遂行されるとよい。
　軟化させたフッ化プラスチック母材から光ファイバを線引きする場合、ポリマー保護層をコーティングする過程をさらに含むとよい。
　さらに、本発明では、フッ化プラスチック粉末と希土類成分粉末を混合して圧力容器に充填する過程と、混合粉末を加熱及び圧出してコア母材を形成する過程と、コア母材を、希土類成分を含有しないコア材料の屈折率より低い屈折率を有するフッ化プラスチックを主成分として構成されるクラッド母材の中心に組み立てる過程と、フッ化プラスチック母材を加熱して軟化する過程と、軟化させたフッ化プラスチック母材から光ファイバを線引きする過程と、を含むことを特徴とするプラスチック光ファイバ製造方法をも提供する。
　本発明のプラスチック光ファイバは、ガラス光ファイバの問題点を解決し、化学的耐久性、機械的強度及び耐熱性の面で優れているという長所がある。
　以下、本発明に従う好適な一実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明確にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。
　図１は、本発明の一実施形態によるプラスチック光ファイバの構造を示す図である。
　本発明の一実施形態によるプラスチック光ファイバ１０は、基本的にコア１１-クラッド１２構造として形成され、さらに、空気及び水分から光ファイバを保護するために、保護層又はコーティング層１３をコア-クラッド構造の光ファイバ外面に提供することができる。
　本発明の一実施形態による光ファイバ１０は、コア材料として希土類成分を含有したフッ化プラスチックを使用し、クラッド材料としては、希土類成分を含有せず、-[ＣＦ2]n-単量体を主成分として連結され、屈折率がコア材料の屈折率より低いポリマー鎖を使用する。光ファイバ１０は、溶融-線引き法によって製造される。
　I．希土類成分を含有したフッ化プラスチックコア１１
　“希土類成分”は、下記のＡ）〜Ｅ）の組み合せのいずれか１つから構成される。
　Ａ）　(Y1-nLan)1-mLnmX3 (m = 0.0001〜1.0, n = 0〜1.0)
　Ｂ）　(La1-mLnm)2S3 (m = 0.0001〜1.0)
　Ｃ）　(ZrF3-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)1-m(LnF3)m (m = 0.0001〜0.1)
　Ｄ）　(InF3-GaF3-PbF2-CdF3)1-m(LnF3)m (m = 0.0001〜0.1)
　Ｅ）　(RX-GeS2-As2S3-Ga2S3)1-m(LnX3)m (m = 0.0001〜0.1)
　ここで、Ｌｎは、ランタニド系金属元素であり、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂのうち少なくとも１つを含む。
　Ｒは、アルカリ金属元素であり、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓのうち少なくとも１つを含む。
　Ｘは、ハロゲン族元素であり、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉのうち少なくとも１つを含み、Ｓは、硫黄を含む組成である。
　さらに、希土類成分は、０．０１〜１０％の濃度でランタニド系元素のうち少なくとも１つが添加されたフッ化ガラス又は硫化ガラス組成に制限されるようにしてもよい。
　上記において、フッ化プラスチックは、-[ＣＦ2]n-単量体を主成分として連結されたポリマー鎖から構成される。フッ化プラスチックの例としては、テフロン（登録商標）（TeflonTM（登録商標）(AF, FEP, PFA, PFTE)）、サイトップ（登録商標）（CytopTM（登録商標））などがある。
　II．フッ化プラスチックコア１１を囲むフッ化プラスチッククラッド１２
　クラッド１２は、希土類成分を含有せず、-[ＣＦ2]n-単量体を主成分として連結され、コアの屈折率より０．０１〜１０％低い屈折率を有するポリマー鎖から形成される。
　III．フッ化プラスチック光ファイバを囲むポリマーコーティング(例えば、コーティング層１３)
　ポリマーコーティングは、フッ化光ファイバの着色又は直径維持のために必要である場合に選択的に適用されることができる。
　以下、本発明の一実施形態によるプラスチック光ファイバ１０の製造方法を説明する。
　図２は、本発明の一実施形態によるプラスチック光ファイバ１０の製造過程を説明するための図である。
　まず、０．１〜１０μｍ直径のフッ化プラスチック粉末(容積比率０．０１〜０．３０)が分散されたフッ化溶剤(fluorinated solvent)、つまり、フロリナート（登録商標）(FluorinertTM（登録商標）)などに０．１〜１０μｍ範囲の直径分布の希土類成分粉末(容積比率０．０１〜０．１０)が均一に分散される(段階２０１)。
　この過程を通して準備した溶液を試験管に充填した後、変化しやすい溶液粘度のために試験管を１０〜２０００ｒｐｍで回転させて１００〜３００℃範囲の温度で加熱(heating)する。次に、試験管内部を真空排気(vacuum evacuating)することによって溶剤(solvent)を蒸発させ、フッ化プラスチックを硬化させる(段階２０２)。
　硬化が開始すると、試験管の回転速度を６０ｒｐｍ／ｍｉｎで０に至るまで下げ及び温度を１０℃／ｍｉｎで室温に至るまで低下させて棒状(rod shaped)のフッ化プラスチックコア母材を生成する(段階２０３)。また、硬化が開始した場合に、試験管の回転速度を維持したまま、温度を１０℃／ｍｉｎで室温に至るまで低下させて管状(tubular)のフッ化プラスチックコア母材を生成することもできる(段階２０４)。
　棒状又は管状のコア母材を、押出成形法などによって準備したフッ化プラスチッククラッド母材(希土類成分を含有せず)の中心に組み立てる(段階２０５)。
　前述した過程を通して準備したフッ化プラスチック母材は、１５０〜５００℃範囲で加熱されて(例えば、溶融炉(furance)にて)軟化される。このように軟化された母材は、母材を引き伸ばす方法(線引き法)によって光ファイバに製造される(段階２０６)。さらに、母材を加熱する過程において母材中心に真空を供給すると、コアとクラッドとの間の空隙が収縮して除去される。特に、管状コアを使用する場合、コア中心の空隙を真空によって収縮させて除去するようにする。
　光ファイバの線引き後、最終的にポリマーコーティング膜をコートする過程を実施する(段階２０７)。
　図３は、本発明の他の実施形態によるプラスチック光ファイバの製造過程を説明するための図である。
　まず、０．１〜１０μｍ直径のフッ化プラスチック粉末(容積比率０．５０〜０．９９)と０．１ 〜１０μｍ直径の希土類成分粉末(容積比率０．０１〜０．５０)を均一に混合する(段階３０１)。
　混合粉末を圧力容器(pressure container)に充填した後、１５０〜５００℃範囲で加熱し、１０３〜１０７Ｐａの圧力をピストン(piston)などで加えることによって、棒状のコア母材を製造する(段階３０２)。この時、混合粉末を１５０〜５００℃範囲の温度で圧出すると、棒状のコア母材を製造することができる(段階３０３)。
　棒状のコア母材を、押出成形法などによって準備したフッ化プラスチッククラッド母材(希土類成分を含有せず)の中心に組み立てる(段階３０４)。
　前述した方法によって準備したフッ化プラスチック母材は、１５０〜５００℃範囲で加熱されて(例えば、溶融炉にて)軟化される。このように軟化された母材は、引き伸ばす方法(線引き法)によって光ファイバに製造される(段階３０５)。さらに、母材を加熱する過程において母材中心に真空を供給すると、コアとクラッドとの間の空隙が収縮して除去される。
　光ファイバの線引き後、最終的にポリマーコーティング膜をコートする過程を含むことができる(段階３０６)。
　実施例
　１．組成
　(GeS2-As2S3-CsBr-Ga2S3)0.998(TmBr3)0.002組成の希土類成分を容積比率のうち１０％含有したテフロン（登録商標）(TeflonTM（登録商標））ＦＥＰコア母材を、以下のような方法を使用して製造する。
　２．製造方法
　０．１〜１０μｍ直径の(GeS2-As2S3-CsBr-Ga2S3)0.998(TmBr3)0.002組成の希土類成分を０．１〜１０μｍ直径のテフロン（登録商標）（TeflonTM （登録商標））ＦＥＰ粉末と１:９の割合で混合する。
　混合粉末を圧力容器に充填した後、３４０℃で１０６Ｐａの圧力を加えることによって、棒状のコア母材を製造する。
　図４は、この実施例によって製造された光ファイバの蛍光放出スペクトルを示す図である。スペクトルは、サンプルの中心に８００nm波長のレーザビームを入射した後、サンプルから発生する赤外線波長領域の蛍光を分光器を利用して測定した結果である。図４に示すように、Ｓ-バンド(１４５０〜１５２０nm波長帯域幅)の光信号を増幅することのできる蛍光放出が観察される。
　前述の説明では具体的な実施形態を参照して本発明を詳細に説明してきたが、本発明の範囲は前述の実施形態によって限られるべきではなく、本発明の範囲内で様々な変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。
本発明の一実施形態によるプラスチック光ファイバの断面構造を示す図。 本発明の一実施形態によるプラスチック光ファイバの製造過程を説明するための図。 本発明の他の実施形態によるプラスチック光ファイバの製造過程を説明するための図。 本発明の一実施形態によって製造された光ファイバの蛍光放出スペクトルを示す図。
符号の説明
１０　プラスチック光ファイバ
１１　コア
１２　クラッド
１３　コーティング層

Claims (15)

  1. 　コア及びクラッド構造のプラスチック光ファイバにおいて、
    　希土類成分を含有したフッ化プラスチックを主成分として構成されるコア材料と、
    　希土類成分を含有しないコア材料の屈折率より低い屈折率を有するフッ化プラスチックを主成分として構成されるクラッド材料と、からなることを特徴とするプラスチック光ファイバ。
  2. 　前記希土類成分は、下記のＡ）〜Ｅ）の組み合せのうちいずれか１つから構成される請求項１記載のプラスチック光ファイバ。
    　Ａ）(Y1-nLan)1-mLnmX3 (m = 0.0001〜1.0, n = 0〜1.0)
    　Ｂ）(La1-mLnm)2S3 (m = 0.0001〜1.0)
    　Ｃ）(ZrF3-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)1-m(LnF3)m (m = 0.0001〜0.1)
    　Ｄ）(InF3-GaF3-PbF2-CdF3)1-m(LnF3)m (m = 0.0001〜0.1)
    　Ｅ）(RX-GeS2-As2S3-Ga2S3)1-m(LnX3)m (m = 0.0001〜0.1)
  3. 　前記Ｌｎは、ランタニド系金属元素であり、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂのうち少なくとも１つを含む請求項２記載のプラスチック光ファイバ。
  4. 　前記Ｒは、アルカリ金属元素であり、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓのうち少なくとも１つを含む請求項２記載のプラスチック光ファイバ。
  5. 　前記Ｘは、ハロゲン族元素であり、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉのうち少なくとも１つを含む請求項２記載のプラスチック光ファイバ。
  6. 　前記クラッド材料の屈折率は、前記コア材料の屈折率より０．０１〜１０％低い請求項１記載のプラスチック光ファイバ。
  7. 　前記フッ化プラスチックは、-[ＣＦ2]n-単量体を主成分として連結されたポリマー鎖を主成分として構成される請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のプラスチック光ファイバ。
  8. 　前記クラッドの外面にポリマーから構成された保護層をさらに備える請求項１記載のプラスチック光ファイバ。
  9. 　プラスチック光ファイバの製造方法において、
    　フッ化プラスチック粉末が分散されたフッ化溶剤及び希土類成分を反応器に注入する過程と、
    　前記反応器を加熱及び回転させながら前記反応器内部を真空排気し溶剤を蒸発させることによってフッ化プラスチックを硬化してコア母材を形成する過程と、
    　前記コア母材を、希土類成分を含有しないコア材料の屈折率より低い屈折率を有するフッ化プラスチックを主成分として構成されるクラッド母材の中心に組み立てる過程と、
    　前記フッ化プラスチック母材を加熱して軟化する過程と、
    　前記軟化させたフッ化プラスチック母材から光ファイバを線引きする過程と、からなることを特徴とするプラスチック光ファイバ製造方法。
  10. 　前記フッ化プラスチックの分散量は容積比率０．０１〜０．３０であり、希土類成分粉末の分散量は容積比率０．０１〜０．１０である請求項９記載のプラスチック光ファイバ製造方法。
  11. 　前記フッ化プラスチックを硬化してコア母材を形成する過程は、
    　１００〜３００℃の温度範囲で前記反応器を加熱しながら、該反応器内部を真空排気して溶剤を蒸発させる過程と、
    　前記フッ化プラスチックの硬化が開始すると、前記反応器の回転速度及び温度を低下させることによって、棒状のフッ化プラスチックコア母材を形成する過程と、からなる請求項９記載のプラスチック光ファイバ製造方法。
  12. 　前記フッ化プラスチックを硬化してコア母材を形成する過程は、
    　１００〜３００℃の温度範囲で前記反応器を加熱しながら、該反応器内部を真空排気して溶剤を蒸発させる過程と、
    　前記フッ化プラスチックの硬化が開始すると、前記反応器の回転速度を維持したまま、温度を低下させることによって、管状のフッ化プラスチックコア母材を形成する過程と、からなる請求項９記載のプラスチック光ファイバ製造方法。
  13. 　前記フッ化プラスチック母材を加熱して軟化する過程は、
    　１５０〜５００℃の温度範囲で遂行される請求項１１又は請求項１２記載のプラスチック光ファイバ製造方法。
  14. 　前記軟化させたフッ化プラスチック母材から光ファイバを線引きする場合、ポリマー保護層をコーティングする過程をさらに含む請求項９記載のプラスチック光ファイバ製造方法。
  15. 　プラスチック光ファイバの製造方法において、
    　フッ化プラスチック粉末と希土類成分粉末を混合して圧力容器に充填する過程と、
    　前記混合粉末を加熱及び圧出してコア母材を形成する過程と、
    　前記コア母材を、希土類成分を含有しない前記コア材料の屈折率より低い屈折率を有するフッ化プラスチックを主成分として構成されるクラッド母材の中心に組み立てる過程と、
    　前記フッ化プラスチック母材を加熱して軟化する過程と、
    　前記軟化させたフッ化プラスチック母材から光ファイバを線引きする過程と、を含むことを特徴とするプラスチック光ファイバ製造方法。
    　
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