JP2004177954A

JP2004177954A - プラスチック光ファイバのプリフォーム

Info

Publication number: JP2004177954A
Application number: JP2003391880A
Authority: JP
Inventors: Whitney White; ホワイトホイットニー
Original assignee: Fitel USA Corp
Current assignee: Furukawa Electric North America Inc
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2004-06-24
Also published as: FR2847679A1; US6861148B2; US20040101691A1; KR20040045347A

Abstract

【課題】効率的な加熱が可能なプラスチック光ファイバのプリフォームを提供すること。
【解決手段】そこからプラスチック光ファイバが赤外加熱の炉内で線引きされることになるプリフォームはステップ・インデックス型もしくはグレーデッド・インデックス型のプロファイルを備えたコア部分、およびコア部分を取り巻くクラッド層、クラッド層を有する。ジャケット層がクラッド層を取り巻き、やはり少なくとも部分的にフッ素化されたジャケット材料で作製される。
【選択図】図２

Description

本発明は、優れた熱伝達特性を有するプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）のプリフォームに関する。

他の材料と組み合わせることも組み合わせないこともあり得るプラスチック材料、すなわちポリマーのコアとクラッド層の両方を含むプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）は短距離信号伝送線用の使用量の増大を進めてきた。概して述べると、そのようなファイバは通常のガラス光ファイバよりもかなり低コストである。しかしながら、それらは後者よりも高い損失を有し、それゆえに、用途はそれらが完全に有用であると証明されているＬＡＮ（ローカルエリア・ネットワーク）およびＩＳＤＮ（総合デジタル通信網）といった短距離に限定される。概して、そのようなＰＯＦは、たとえばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）の光学ポリマーのコアおよびそれのためのポリマークラッド層を含むことが可能である。概して、プラスチック光ファイバは封入ファイバの保護のためにジャケット層に入れられる。多くのタイプのＰＯＦで、ジャケット層はプリフォームからファイバを線引きした後に付着される。このジャケット層は剥離可能または剥離不可能のいずれであることも可能である。剥離可能なジャケット層は通常、クラッド層材料に対してきわめて弱い接着性を備えた材料を含み、コネクタ取り付け時にファイバの末端で剥ぎ取られる。剥離不可能なジャケット層は通常、クラッド層材料に対してきわめて強い接着性を備えた材料を含み、通常ではコネクタはそのようなジャケット層の上から付けられる。後者のケースでは、ジャケット材料はしばしばクラッド材料と化学的にきわめて類似した材料であり、化学的に同一であることさえ可能である。

熱伝達が主に輻射によって達成される線引き炉からファイバが線引きされるシリカを主原料とした光ファイバ（ガラス）とは異なり、ＰＯＦは、はるかに低い温度（２００〜３００℃）を伴うことが主な理由で大部分が伝導によって熱伝達を生じる抵抗炉から最も頻繁に線引きされる。そのような温度では、通常の電気抵抗炉から生じる黒体放射は大部分が１０ミクロン（μｍ）またはそれよりも長い中赤外波長で生じ、残念なことにそれはポリマーの光学吸収が特に強い領域である。そのような状況では、プリフォームの中心領域への熱伝達はきわめて遅く、プリフォームを横切って受容不可能な温度勾配を伴う。熱伝達に関するこの制限は最終的に最大線引き速度、ならびにＰＯＦ製造で使用することの可能なプリフォームのサイズに制限を加え、それゆえに、高い製造コストにつながり、ガラス・ファイバを超えるＰＯＦの利点を低下させる。
Ｋｏｉｋｅの米国特許第５，５４１，２４７号

熱伝達の方法は赤外線ランプの炉の使用を通じて従来技術で改善されてきており、それは通常、ハロゲン・ランプのアレーから構成される。そのようなランプは普通、２５００Ｋに近い温度で動作するフィラメントを有し、その結果、主に１から２ミクロン（１〜２μｍ）の範囲にある波長で輻射を発する。この波長領域では、ポリメチルメタクリレートのようなＰＯＦで使用される代表的な光学ポリマーは、さらに長い波長におけるよりもかなり透過性である。結果として、ランプから入射する輻射はプリフォーム内にさらに浸透し、その結果さらに均一でさらに迅速な熱伝達を伴う。この注目すべき改善にもかかわらず、１〜２μｍの帯域でさえＰＭＭＡのような光学ポリマーは１５から２０ミリメートル（１５〜２０ｍｍ）の厚さの中で入射輻射の大きな割合を吸収する。こうして、赤外線ランプをもってしても、熱伝達の方法はまだプリフォームの直径および線引きの速度に有意の制限を設定する。

本発明はそのいくつかの実施形態の中で、プリフォームのさらに効率的な加熱を作り出すために過フッ素化もしくは部分的にフッ素化されたポリマーの使用を含む。フッ素化ポリマーは、プロトン化ポリマー内の炭素−水素ボンドと比べてさらに低い炭素−フッ素ボンドの共振周波数のせいで、プロトン化ポリマーよりも１〜２μｍ帯域ではるかに低い光学吸収を有する。その結果、炉の赤外線ランプからポリマーのプリフォームに至る熱伝達はポリマーのフッ素化の度合をプリフォームのさまざまな場所で制御することによって調節される。たとえば、１〜２μｍ帯域では、光学吸収はポリマーのフッ素化の度合に反比例する。その結果得られる特定の利点は、プリフォームにフッ素化物材料を導入することが、さらに長い赤外波長を使用して熱の所望の浸透深さを達成することを可能にすることである。さらに低温のフィラメント温度を伴う光源によってさらに長い波長が作り出されるので、光源の同様の動作とさらに長い部品寿命に結果的につながる。

本発明の第１の好ましい実施形態では、プリフォームは過フッ素化ポリマーのコアとクラッド層の両方を含む。付け加えると、線引き工程の前のプリフォームは機械的強度を加えるためにジャケットもしくは複数ジャケットを含み、それもやはり過フッ素化ポリマーである。その結果、ジャケットもしくは複数ジャケットを含めてプリフォーム全体が過フッ素化ポリマーを含む。

本発明のまた別の実施形態では、光学コア、光学クラッド層、およびジャケットもしくは強化層を含むプリフォーム全体が部分的にフッ素化されたポリマー材料を含む。この実施形態では、光学層の中のフッ素化の度合はファイバ（ＰＯＦ）に関する光学的透明度の規格によって決定される。アモルファスのポリマーの光学的透明度はフッ素化の度合が増すにつれて上がる。機械的層（ジャケット）では、必要なフッ素化の度合は炉から出る輻射が実質的にプリフォーム全体を通って浸透する必要性によって主に決定される。

本発明のさらに別の実施形態では、プリフォームの光学コアと光学クラッド層が過フッ素化ポリマーを含み、その理由はそのようなポリマーの総合的に優れた特性のせいであり、かつ機械的補強層（ジャケットもしくは複数ジャケット）が、炉から出る輻射が実質的にプリフォーム全体にわたって浸透することを確実化するのに充分な程度にフッ素化した部分的フッ素化ポリマーを含む。

本発明の実施形態のすべてで、ポリマー層の構成は光源の単純性と信頼性を最適化するように選択される。付け加えると、これらの実施形態はすべてプリフォームであって、ファイバを線引きする前にそれに対して機械的もしくは強化ジャケットが加えられており、その結果、線引きの後にファイバに強化もしくは機械的層を加える工程もしくは複数工程を排除する。

本発明およびそれに含まれる原理のこれらおよびその他の特徴は図面と連結させて読まれる以下の詳細な説明からさらに容易に明らかになるであろう。

図１では、プリフォーム１３からプラスチック光ファイバ１２を線引きするための従来技術の線引き炉１１が概略で描かれている。炉１１は、たとえばここで以前に検討を加えたように２５００°Ｋ近辺で動作して、プリフォームのポリマーがさらに長い波長におけるよりもさらに透明である１から２ミクロン（１〜２μ）範囲で輻射を発する１つまたは複数のハロゲン・ランプ１６を含むハウジング１４を有する。コアとクラッド層構造を有するファイバ１２が線引きされると、その後、コーティング装置１７に通すことによってそれは信号伝送部分であるプラスチック・ファイバ１２の主本体を保護するようにジャケットもしくはシース（図１に示していない）でコーティングされる。装置１７は、押し出し成形による金型コーティング、またはその他の適切な装置といったいかなる数の形式をとることも可能であり、それは製造時間、複雑さ、およびコストの両方を追加する。剥離不可能なジャケットのケースで、従来技術では普通、保護材料はファイバの光学機能層のガラス転移温度および／または熱膨張特性に合致するように選択されており、それにより、ファイバのマイクロベンドによって引き起こされる外因性の減衰を最小にする。剥離可能なジャケットのケースでは、ジャケット材料は通常、優れた耐熱性および優れた耐候性で選択される。ジャケット処理の後、ファイバ１７はたとえばドラム１８に巻き取られる。図１が単なる略図であり、図示した装置がいかなる特定の配列もしくは装置に限定するように意図されるものではないことは理解されるべきである。

ここで以前に指摘したように、赤外線輻射の使用を通じて実現される熱伝達の改善にもかかわらず、１〜２μｍ帯域でさえ、ＰＭＭＡのような光学ポリマーは１５から２０ミリメートルの厚さの中で入射輻射の大きな割合を吸収する。したがって、プリフォームの中心まで熱伝達が浸透することを可能にするために線引き工程は必然的に遅くされる。ＰＭＭＡに対する赤外炉の熱伝達の従来技術の研究によると、ＰＭＭＡの吸収スペクトルは、均一なスペクトル強度と仮定すると１〜２μｍ帯域では入射輻射の約５０パーセント（５０％）がプリフォーム表面の１５ｍｍ以内で吸収される。その結果、プリフォームの直径が４５〜６０ｍｍを超える場合、有意の温度変化がプリフォームの外表面と中心部の間で生じる。

図２では本発明のプリフォーム２１の断面が示されており、コア２２、クラッド層２３、および外側のジャケットもしくはシース２４を含む。ジャケット２４がプリフォームの一部として含まれるとき、それは線引き工程に加わり、炉１１から出るものはジャケット処理されたファイバ１２であり、したがって図１に示した装置１７を不必要にして線引き工程内の複雑さ、時間の遅れ、およびコストを削減する。これまで、プリフォームがジャケット層を含んできたとき、それは熱伝達を極度に長くさせ、プリフォームのサイズ（直径）に制限を設定し、したがってプリフォームから線引きされることが可能なファイバの量を制限してきた。本発明によると、プリフォームに入射する輻射の浸透深さはジャケット層２４にフッ素化物材料を使用することによって増加される。炭素−フッ素結合の共振周波数はプロトン化したポリマーの炭素−水素結合のそれよりもかなり低いので、フッ素化ポリマーはプロトン化したポリマーよりもはるかに低い光学吸収を１〜２μ帯域で有する。こうして、クラッド層２３が含まれるポリマー、およびコアのポリマーもまたフッ素化することが有利である。以下は本発明の好ましい実施形態および使用される材料の範例である。

プリフォーム２１は、クロロトリフルオロエチレンのオリゴマーのような屈折率上昇用ドーパントと組み合わされたテトラフルオロエチレン−ｃｏ−２，２−ビストリフルオロメチル−４，５−ジフルオロ−１，２−ジオキソール（さらに一般的にはＴｅｆｌｏｎＡＦという商標名で知られている）共重合体のようなアモルファスの過フッ素化ポリマーで構成されたステップ・インデックス型もしくはグレーデッド・インデックス型のコアで作製される。その後、このコア材料が非ドープのＴｅｆｌｏｎＡＦクラッド層材料によって取り巻かれて光導波路を形成する。その後、線引きされたファイバに機械的強度を加えるためにクラッド層の外側に第３の層が追加される。ＴｅｆｌｏｎＡＦ材料はきわめて高価であるので、最外層についてはフッ素化されたエチレンプロピレンのようなさらに安価なフッ素化ポリマーを選択することが望ましい。この実施形態およびこれに続く実施形態では、ジャケット層は、過フッ素化ポリマーの混合物、または部分フッ素化ポリマーと過フッ素化ポリマーの混合物として結晶または部分的に結晶化した過フッ素化ポリマーから形成されることが可能である。

このタイプのプリフォームは、１〜２ミクロンの波長帯域で通常は１メートルを超える浸透深さを備えて近赤外で優れた透明度を示すであろう。それゆえに、長波長を発射する赤外炉がこの実施形態で推奨されることが最も可能性があるであろう。

従来技術によって、たとえば界面ゲル重合技術（Ｋｏｉｋｅの米国特許第５，５４１，２４７号）を使用してグレーデッド・インデックスのプリフォーム２１が作製される。そのような方法では、部分的にフッ素化されたポリ（アルキルメタクリレート）のチューブの内側に主に２，２，２−トリフルオロエチルメタクリレート（これ以降はフッ素化メタクリレートと称する）と適切な屈折率上昇用のドーパントの溶液を混合し、続いてフッ素化メタクリレートを重合させることが可能である。重合工程の過程で、屈折率上昇用ドーパントは混合物の中心付近に優先的に集中し、その結果として部分的にフッ素化されたグレーデッド・インデックスのプリフォームが得られるであろう。

本発明によると、プレフォームを光ファイバに線引きする前に、部分的にフッ素化された材料（たとえば部分的にフッ素化されたポリ（アルキルメタクリレート）またはポリ（メチルメタクリレート）／ポリ（ビニリデンフルオリド）混合物）の追加の層がグレーデッド・インデックスのプリフォームに加えられることが可能である。もしも材料のすべてが約５０％フッ素化されるように選択されるならば、１〜２ミクロン帯域の赤外炉から入る輻射の浸透深さはＰＭＭＡに関するそれと比較しておよそ２倍になるであろう。それゆえに、（５０％の吸収で規定すると）およそ３０ｍｍの浸透深さを期待することが可能である。

クロロトリフルオロエチレンのオリゴマーのような低分子の屈折率上昇用ドーパントと組み合わされたポリ（ペルフルオロブテニルビニルエーテル）（商標名ＣＹＴＯＰでさらに普遍的に知られている）のようなアモルファスの過フッ素化ポリマーから構成されるステップ・インデックス型もしくはグレーデッド・インデックス型のコアでプリフォーム２１が作製される。その後、このコア材料は非ドープのＣＹＴＯＰクラッド層材料で取り巻かれて光導波路を形成する。その後、線引きされたファイバに機械的強度を加えるためにクラッド層の外側に第３のフッ素化物層が追加される。ＣＹＴＯＰ材料はきわめて高価であるので、最外層についてはポリ（メチルメタクリレート）／ポリ（ビニリデンフルオリド）混合物のようなさらに安価なフッ素化ポリマーを選択することが望ましい。フッ素化物の第３の層は、場合によっては、部分的にフッ素化されたポリマーの混合物、または部分的にフッ素化されたポリマーと１種もしくは複数種の非フッ素化ポリマーの混合物であってもよい。

もしも最外層を構成するポリマー混合物が約５０％フッ素化されるように選択されるならば、１〜２ミクロン帯域の赤外炉から入る輻射の浸透深さはおよそ３０ｍｍであろう。その結果、もしもプリフォームのフッ素化された（光学コアおよびクラッド層）部分が３０ｍｍの直径を有するならば、たとえ炉の長さがきわめて短くても、１００ｍｍの外径を備えたプリフォーム内の半径方向の温度分布は比較的均一であろう。

前述の複数の実施形態のすべてで、ジャケット２４は過フッ素化されるかまたは少なくとも部分的にフッ素化されるかのいずれかである。図２に破線で示したように、２つの層２４と２６を含むジャケット２４を有することもやはり可能である。

実施形態２のようにして、少なくとも部分的にフッ素化されたクラッド層２３を備えた部分的にフッ素化されたグレーデッド・インデックスのプリフォーム２１が作製される。その後、プリフォームから光ファイバを線引きする前に非フッ素化材料（たとえばポリ（メチルメタクリレート））の追加の層がグレーデッド・インデックスのプリフォームに追加される。この実施形態では、１〜２ミクロン帯域の赤外炉から入る輻射の浸透深さは外側層のおよそ１５ｍｍであるが、その理由はその層が非フッ素化物だからである。しかしながら、プリフォームの内側層（光学コアおよびクラッド層）ははるかに長い浸透深さを有し、もしも５０％がフッ素化されるならば約３０ｍｍであろう。その結果、もしもプリフォームのフッ素化された（光学コアおよびクラッド層）部分が４０ｍｍの直径を有するならば、たとえ炉の長さがきわめて短くても、７０ｍｍの外径を備えたプリフォーム内の半径方向の温度分布は比較的均一であろう。

この実施形態では、光学コアとクラッド層の部分的フッ素化はファイバの光学的損失を低減すること、およびプリフォーム内部への赤外輻射の浸透を容易にすることの両方に役立つ。

前述の複数の実施形態のすべてで、プリフォームは、材料としてコアとクラッド層への満足できる輻射浸透を妨げず、かつファイバの生産を単純でさらに短い時間消費とさらに安価な運転費にする外側保護ジャケットを有する。

本発明のさまざまな特徴が他のタイプのプリフォームに取り入れられる可能性があること、および他の改造もしくは適応が当業者にとって生じ得ることは理解されるべきである。そのような変形および改造のすべては特許請求項に述べたような本発明の範囲内としてここに含まれると意図される。さらにここに述べた特許請求項の中で、相当する構造、材料、行為、およびすべての手段もしくはステップ・プラス機能素子の同等物は、特定して権利主張されるいかなる構造、材料、または他の素子と組み合わせて機能を実施する行為も含むことを意図するものである。

プリフォームからＰＯＦを線引きするための装置の線図である。本発明のプリフォームの断面の正面図である。

Claims

プラスチック光ファイバを線引きするためのプリフォームであって、
コア、
前記コアを取り巻くクラッド層、および
前記クラッド層を取り巻くジャケット層を含み、前記ジャケット層が少なくとも部分的にフッ素化されたポリマー材料を含むプリフォーム。
ジャケット層が過フッ素化ポリマーである、請求項１に記載のプリフォーム。
ジャケット層がアモルファスのジャケット層が過フッ素化ポリマーである、請求項１に記載のプリフォーム。
ジャケット層が結晶または部分的に結晶化した過フッ素化ポリマーである、請求項１に記載のプリフォーム。
ジャケット層が過フッ素化ポリマーの混合物である、請求項１に記載のプリフォーム。
ジャケット層が部分的にフッ素化されたポリマーと過フッ素化ポリマーの混合物である、請求項１に記載のプリフォーム。
ジャケット層が部分的にフッ素化されたポリマーである、請求項１に記載のプリフォーム。
ジャケット層が部分的にフッ素化されたポリマーの混合物である、請求項１に記載のプリフォーム。
ジャケット層が１種または複数種の部分的にフッ素化されたポリマーと１種または複数種の非フッ素化ポリマーの混合物である、請求項１に記載のプリフォーム。
前記コアとクラッド層が、少なくとも部分的にフッ素化されるポリマーを含む、請求項１に記載のプリフォーム。
前記コアが、屈折率上昇用のドーパントを中に有するアモルファスの過フッ素化ポリマーを含むグレーデッド・インデックスのコアであり、かつ
前記クラッド層が非ドープの過フッ素化ポリマーである、請求項１０に記載のプリフォーム。
前記ジャケット層がフッ素化されたエチレンプロピレン材料である、請求項１１に記載のプリフォーム。
前記コアが、屈折率上昇用のドーパントを中に有する部分的にフッ素化されたアクリル系ポリマーを含み、かつ
前記クラッド層が部分的にフッ素化されたアクリル系ポリマーを含む、請求項１０に記載のプリフォーム。
前記ジャケット層が部分的にフッ素化されたアクリル系ポリマー材料を含む、請求項１３に記載のプリフォーム。
前記ジャケット層が、ポリ（メチルメタクリレート）とポリ（ビニリデンフルオリド）の部分的にフッ素化された混合物を含む、請求項１３に記載のプリフォーム。
前記コアの材料、前記クラッド層の材料、および前記ジャケット層の材料が各々約５０％フッ素化される、請求項１３に記載のプリフォーム。
前記コアが、屈折率上昇用のドーパントを中に有するポリ（ペルフルオロブテニルビニルエーテル）の過フッ素化ポリマーを含み、かつ
前記クラッド層が、非ドープのポリ（ペルフルオロブテニルビニルエーテル）の過フッ素化ポリマーを含む、請求項１０に記載のプリフォーム。
前記クラッド層が部分的にフッ素化されたポリ（アルキルメタクリレート）を含む、請求項１７に記載のプリフォーム。
前記クラッド層が、ポリ（メチルメタクリレート）とポリ（ビニリデンフルオリド）の部分的にフッ素化された混合物を含む、請求項１７に記載のプリフォーム。
前記クラッド層が部分的にフッ素化されたアクリル系ポリマー材料を含む、請求項１７に記載のプリフォーム。
前記ジャケット層が、少なくとも部分的にフッ素化された材料の内側層と非フッ素化材料の外側層を含む、請求項１に記載のプリフォーム。
前記外側層がポリ（メチルメタクリレート）材料を含む、請求項２１に記載のプリフォーム。
そこからプラスチック光ファイバが線引きされることになるプリフォームを作製する方法であって、
屈折率上昇用のドーパントと組み合わされたアモルファスの少なくとも部分的にフッ素化された材料を含むグレーデッド・インデックスのコアを形成する工程、
非ドープの少なくとも部分的にフッ素化されたポリマー材料の第１の層で前記コアを取り巻く工程、
少なくとも部分的にフッ素化されたポリマーの第２の層で前記第１の層を取り巻く工程を含む方法。
前記コア、前記第１の層、および前記第２の層の材料が過フッ素化される、請求項２３に記載の方法。
そこからプラスチック光ファイバが線引きされることになるグレーデッド・インデックスのプリフォームを作製する方法であって、
部分的にフッ素化されたポリ（アルキルメタクリレート）の内側にフッ素化されたメチルアクリレートと屈折率上昇用のドーパントの溶液を混合する工程、
フッ素化メタクリレートを重合させる工程、および
部分的にフッ素化されたポリマー材料の層で前記チューブを取り巻く工程を含む方法。