JP2004272248A - 光結晶プラスチック光ファイバの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ファイバの性能を向上する光結晶プラスチック光ファイバの製造方法を提供。
【解決手段】光結晶プラスチック光ファイバの製造方法であって、光結晶プラスチック光ファイバは、コアとクラッドからなっており、クラッドはクラッドポリマーマトリクス中に縦軸方向に周期的に配置されたキャビティから形成されており、光結晶プラスチック光ファイバの製造方法は下記ステップからなっている。クラッドポリマーの前駆物質であり、紫外線放射によって硬化可能な液体の第１組成物（A）を、注入プレートにおける第１の孔列に注入するステップと、紫外線放射に未反応であり、液体組成物またはガス組成物から選択される第２の組成物（B）を、周期的に配置され各孔に最も近接して第１の孔列の孔を備えているプレートの第２孔列に第１組成物（A）と同時に注入してフローを形成するステップと、フローに紫外線を放射して光結晶プラスチック光ファイバを形成するステップ。
【選択図】図１

Description

本発明は光ファイバの分野、より正確には光結晶プラスチック光ファイバの製造方法に関する。

孔部を備えたプラスチック光ファイバ、および、光結晶プラスチック光ファイバは、極短い期間だけ当業者に知られていた。これらのファイバは、クラッドを備え、クラッドは、周期的に配置され、空気を含み、ポリマー材のクラッドマトリクス内に長軸方向に配置された微細な直径のキャビティを備えている。

上述したキャビティの周期的な配置は、ディフェクトによって中断され、ディフェクトは、意図的に創造されファイバのコアとして機能し、クラッドによって覆われている。ディフェクトの大きさ、および、形は配置によって異なる。

コア/クラッドの境界面における全反射によって導かれ、光はコア内に閉じ込められる。この構造において、一般的にコアは固体であり、クラッドマトリクスと同一材料によって形成されている。

光は、クラッドの光バンドカット効果(photonic band cutting effect)（反射光および屈折光の干渉）によって、コア内に閉じ込められる。この構造において、コアは一般的に空気からなっており、従って、クラッドの実効的な屈折率よりも小さい屈折率を有しており、そして、近接する空気キャビティの直径よりも大きい直径を備えている。

他のファイバと同様に、光結晶プラスチック光ファイバは、複数のポリマー例えばポリメタクリル酸メチル（PMMA）の毛管、あるときは固体ロッドから作製される固体プリフォームから製造される。ファイバ線引き後、これらは所望のアレーを生ずるように積み重ねられる。

固体プリフォームを使用する際の問題は、光結晶光ファイバの構造をその全長にわたり維持することである。即ち、キャビティは変形しやすく、更にはファイバ線引き間に閉塞してしまい、許容できないファイバの光損失を引き起こす。

この発明の目的は、ファイバの性能（即ち、低コストで伝送水準を高めバンド幅を広げること）を向上する光結晶プラスチック光ファイバの連続した、信頼性のある再現可能な製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、この発明は、次の方法を提供する。即ち、光結晶プラスチック光ファイバの製造方法であって、光結晶プラスチック光ファイバは、コア材からなるコアと前記コアを覆うクラッドからなっており、クラッドは、クラッドポリマーマトリクス中に縦軸方向に配置されたキャビティ材の少なくとも第１の実質的に周期的に配置されたキャビティから形成されており、

前記クラッドを製造するための、光結晶プラスチック光ファイバの製造方法は下記ステップからなっている：
前記クラッドポリマーの前駆物質であり、紫外線放射によって硬化可能な液体の第１組成物（A）を、注入プレートにおける第１の孔列に注入し、そして、前記紫外線放射に未反応であり、液体組成物またはガス組成物から選択される第２の組成物（B）を、実質的に周期的に配置され、各孔に最も近接して前記第１の孔列の孔を備えている、前記注入プレートの第２孔列に、前記第１組成物（A）と同時に、注入してフローを形成するステップと、そして、
前記フローに紫外線を放射して、前記光結晶プラスチック光ファイバを形成するステップ。

この発明の方法によると、光結晶プラスチック光ファイバの構造に関するコントロール、特に、キャビティの配置のコントロールを向上することができる。

この発明は、次の事実に基づいている。即ち、組成物は相互に接触するけれども、重要な相互拡散は無く、この発明における組成物間の接触時間は、充分短い、特にフローの粘性が高いときにはそうである。
組成物間の接触時間は、好ましくは１秒以下である。

得られるファイバにおけるキャビティの配置は、第２の孔列の配置と幾何学的に実質的に同一である。
硬化可能な液体組成物の表現は、少なくとも１つの機能性光橋かけオリゴマーおよび／またはポリマーからなる組成物、または、機能性光橋かけモノマーまたは２つの混合において、少なくとも非機能性オリゴマーおよび／またはポリマー溶液からなる組成物を意味する。

この発明の好ましい実施態様において、ファイバの製造を簡単にするために、コアを製造するための同時注入は、注入プレートの孔列から離れた実質的に中央の孔に、紫外線照射によって硬化し、好ましくは第１の組成物と同一の第３の液体組成物を注入する。

このように、中央の孔は、固体の光結晶光ファイバコアの製造に寄与する（即ち、液体または固体材料で充填されたコア）。
この発明の好ましい第２の実施態様においては、コアを製造するための同時注入は、注入プレートの孔列から離れた実質的に中央の孔に、紫外線照射に未反応で、液体組成物およびガス組成物から選択される第３の液体組成物を注入する。

好ましい態様において、周期的に配置された第２のキャビティを製造するための同時注入は、実質的に周期的に配置された第３の孔列に、紫外線照射に未反応で、好ましくは第２の組成物と同一の第４の液体組成物を注入する。

このように、クラッドマトリクスが２つのタイプに配置されたキャビティを備えた光ファイバが得られる。第２の配列のキャビティ間は、第１の配列のキャビティ間よりも一般的に大幅に小さく、第１のキャビティの大部分およびコアの周りに配置される。この種のファイバの１つの例は、「結晶ファイバ：将来のファイバ」OLE、Nadya Anscombe、２００１年１２月、２３−２５ページにシリカ光結晶光ファイバに関して記載されている。

好ましくは、この方法は、前記照射ステップの後、少なくとも１つの前記未反応組成物を、前記未反応組成物が液体であるとき、好ましくは熱処理によって除外するステップを備えている。
中空のキャビティ（固体又は液体材料が存在しない）は、中空のコアと別個にまたは同時に形成される。

除外ステップによって、少なくとも１つの領域を液体材料が存在しないようにし、そして、例えば圧力下で流れない組成物によって、上述した領域を充填するするステップを更に備えていてもよい。
各未反応ガス組成物の注入圧力は、好ましくは、第１組成物の注入圧力よりも高い。

各未反応組成物（B）の粘性は、好ましくは、第１組成物（A）の粘性よりも高く、そして、好ましくは、第１組成物の前記粘性の５倍以下である。

各硬化可能組成物（A）は、好ましくは、第１反応ビニルまたはアクリルモノマーソルベントおよび／またはアクリルビニルまたは第１ポリマーを含んでおり、各組成物は５ｄB以下の固有減衰を有している。
ポリマーは、ハロゲン化され、または、非ハロゲン化されている。

各未反応組成物（B）は窒素、空気、アルゴン等のガス、キシレン、キシレノール、ブチルプロパノール、シクロへキサノン、脂肪族アルコール、乳酸塩、フッ素ソルベント、ブチレングリコール、プロピレングリコール、シリコーン含有油等の未反応ソルベント、および、セルロースポリマー等のバイオディグレイダブルポリマーから選ばれた化合物を含んでいる。

この発明の特徴及び利点は、下記の記述を参照することによって容易に理解できる。図面を参照するこれらの記述は、説明のためになされるものであって、これらに限定されるものではない。

全ての図において、共通の部材は同一番号を付している。
図１は、この発明の製造方法の好ましい態様によって得られる光結晶プラスチック光ファイバの断面を模式的に示す。
例えば、光結晶プラスチック光ファイバF1は、１００〜１０００μｍの直径を有し、そして、直径１〜１００μｍの固体のコア１およびコア１を覆うクラッド２からなる六角形の構造をしている。

クラッド２は、例えば実質的に円形で微細な直径のキャビティが周期的に配置（この態様では、六角形の配置）されて形成されている。微細な直径は、キャビティの平均直径が１μｍ以下で、１μｍまたは１０μｍのオーダである。この発明の例では、直径は例えば１〜３０μｍである。

これらの中空キャビティ（固体または液体が存在しない）は、例えば空気が存在し、紫外線放射により得られたクラッドのポリマーマトリクス２２に長軸方向に沿って配置されている。この例では、２つのキャビティ間の最短距離は、キャビティの半径よりも小さい。
製造を簡単にするために、コアの材料は、クラッドのポリマーの材料と同一である。

変形例として、中空キャビティには、他の如何なるガスが含まれてもよい。
図２および図３は、図１に示す光結晶プラスチック光ファイバF1を製造するこの発明の好ましい方法を説明する模式図である。

この方法の第１のステップにおいて、紫外線照射によって硬化する少なくとも１つの液体組成物A、および、組成物Aを硬化するための紫外線照射に反応しない少なくとも１つの他の組成物B、例えば液体組成物を、圧力下に同時に注入プレート４に注入して、流動物(フロー)ABが形成される。

更に、相互に連絡しない注入導管３が注入プレート４（例えば孔４０を備えたディスク形状）の上部分に配置されている。プレートは、例えばステンレス鋼のフローチャンバ５内に配置されている（図２の断面を参照）。導管３の各々に連係して（図示しない）ポジティブ変位ポンプによって、液体組成物AおよびBの圧力を制御（例えば６気圧に制御）する。

より正確には、組成物Aはクラッドのポリマー前駆物質（即ち、原料）組成物であり、モノマー型の第１反応溶媒（ソルベント）および/または第１ビニルまたはアクリルポリマー（ハロゲン化、または非ハロゲン化）を含んでいる。第１組成物Aは、好ましくは、５ｄB/m以下の固有の減衰を有している。

固体コアファイバF1の場合には、組成物Aは、コアのポリマーの前駆物質組成物でもある。
液体組成物Bは、キシレノール等の未反応溶媒、FC-77、ブチレングリコール、プロピレングリコール、シクロヘキサン、シリコーン含有オイル等のフッ素溶媒、および、セルロールポリマー等のバイオディグレイダブルポリマーから選ばれる化合物である。組成物Bは、好ましくは、上に列記した未反応溶媒およびバイオディグレイダブルポリマーの混合物（混合比は組成物の粘性をコントロールするように選択される）を含んでもよい。

組成物Bの粘性は、好ましくは、組成物Aの粘性よりも高く、流動物（フロー）ABの生成および所望のプロファイルを最適化する。組成物Bの粘性は好ましくは組成物Aの粘性の５倍を越えない。粘性は、２５℃で２００mPa.s〜５０００mPa.sの範囲内である。
組成物Bの粘性を選択することによって、ファイバFのキャビティの直径が調整される：粘性が低いほど、ファイバFのキャビティの直径が小さい。

図２に示す態様において、次のステップにおいて、リダクションコーンとして知られているチャンバ５の円錐状領域５１によって、流動物ABの径を小さくする。チャンバ５の上部境界は、注入プレート４の下部境界である。この幾何学上の類似の直径の変化によって、流動物ABが相互に拡散することなく、組成物Aおよび組成物Bの濃度プロフールを維持する。

流動物ABは、領域５１を通ってキャリブレートダイ６に導かれ、そこで、ファイバFの直径を所望の大きさにする。ダイ６は、取り外し可能な部材であって、チャンバ５を変更することなくキャリブレーションを容易に変更することができる。変形例として、ダイ６は、チャンバ５の一部であってもよい。

ダイは例えば六角形の構造を有していてもよい。
少なくとも部分的な極低温の冷却システムを円錐状領域５１に配置してもよい。それによって、流動物ABの粘性を、引きに適合する値に高める。

同様に、断熱装置を導管３に設置して、組成物Aおよび組成物Bの所望の粘性を得てもよい。
図３に示すように、上述した態様の変形として、円錐状領域５１を除外してもよい。その場合には、注入プレートからの出口における流動物ABの直径を、組成物の表面エネルギーによって自然にコントロールする。この場合には、ダイ６は最早や必要ではなく、プレート４から直接フローを得ることができる。

次いで、フローに、紫外線照射源７によって、紫外線を照射するステップがある。組成物Aは硬化されて、クラッドのポリマーを形成する。これによって、光結晶プラスチック光ファイバFが製造される。
紫外線照射源７とダイ６の間の距離は、所望のキャビティの直径およびファイバの直径の関数として選択される。

ファイバFのキャビティは、非硬化液体組成物Bを含んでいる。ファイバFにおける光の伝送を向上するためには、組成物Bは、好ましくは、その屈折率がクラッドのポリマー（組成物A）の屈折率よりも低くなるように選択される。

クラッドのポリマーの屈折率は、例えば、１．３〜１．６である。ファイバFから液体組成物Bを、好ましくは、オーブン８を使用する熱処理によって、除去してファイバF1を製造することができる。即ち、組成物Bは蒸発して、排出される。

光ファイバF1はキャプストン９によってスプール１０上に巻かれる。
この発明の方法の第１の変形例では、液体組成物Bは示した紫外線照射源以外の他の手段によって、硬化されて個体のキャビティを形成する。
この発明の方法の第２の変形例では、液体組成物Bは除去されて、適切な屈折率を有する他の材料がキャビティに充填される。

他の変形例では、組成物Bはガスで、組成物Bの注入圧力は、好ましくは、液体組成物Aの注入圧力よりも高い。
この発明の方法の第３の変形例では、プレートの実質的に中央の孔は、組成物Aの代わりに、紫外線照射に反応しない第３の液体又はガス組成物Cを受け入れる。

このように、組成物Cを除去することによって、中空のコアの光結晶プラスチック光ファイバを形成することができる。
組成物Cが液体であり、且つ組成物Bと実質的に同一である場合には、熱処理、例えば、中空のキャビティを形成する際に使用したと正確に同一の熱処理によって組成物Cを除外することができる。

図４は、この発明の方法の好ましい態様において使用したと類似の構造を有する、孔４０’を備えた注入プレート４’を模式的に示す斜視図である。
組成物A等のクラッドのポリマーの前駆物質（原料）組成物は、第１の孔列４１（図４に黒で示す）に注入される。孔列は例えば円形の孔で、この発明の光結晶プラスチック光ファイバのクラッドマトリクスを形成することができるように配置されている。

例えば、ある組成物が、組成物A等のコアのポリマー前駆物質であり、固体コアの形成が可能なように配置された実質的に中央の円形の孔４２に注入される。
液体組成物Bまたはガス組成物等の紫外線照射に反応しない組成物が、第２の孔列４３に注入される。孔列４３は例えば円形の孔で、実質的に周期的に配置されており、この例では六角形の配置を示している。第２の孔列４３の各々の孔は、最も近くの隣に第１の孔列４１の６個の孔を備え、それらと共に線で示すように六角形Hを形成する。

２つの孔列の孔の大きさおよび形状は、正確に同一か、または、異なっていてもよい。
例えば、プレート４’の直径は、数ミリメートルであり、その厚さは孔の直径の３から５倍である。孔の直径は例えば１００μｍのオーダである。
プレート４’の各孔は、ノズルによって延伸してもよい。

この発明の方法の第４の変形例では、周期的に配置され、第２の列よりも小さい第３の孔列が、プレート４’に形成されている。これらの孔は、紫外線照射に未反応の液体またはガス組成物D（好ましくは、組成物Bと同一）を受け入れて、最初に設けられた大きなキャビティに加えて、キャビティ間の間隙を形成する。

この発明の方法によって製造されるプラスチック光ファイバにおいて、隣接するキャビティ間の距離、キャビティの形状、その直径、その数、および、実質的に周期的な配置は、第２孔列および／または第１孔列を修正することによって調整することができる。

この発明は、光結合された複数のコアを備えた光結晶プラスチック光ファイバの製造に適用することができる。

この発明は、光結合された複数のコアを備えた光結晶プラスチック光ファイバの製造に適用することができ、産業上の利用が可能である。

図１は、この発明の製造方法の好ましい態様によって得られる光結晶プラスチック光ファイバの断面を模式的に示す。 図２は、図１に示す光結晶プラスチック光ファイバF1を製造するこの発明の好ましい方法を説明する模式図である。 図３は、図１に示す光結晶プラスチック光ファイバF1を製造するこの発明の好ましい方法を説明する模式図である。 図４は、この発明の方法の好ましい態様において使用したと類似の構造を有する、注入プレート’を模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１ コア
２ クラッド
２１ キャビティ
２２ クラッドポリマーマトリクス
４２、４３ 孔
４、４’ 注入プレート

Claims (10)

1. 光結晶プラスチック光ファイバの製造方法であって、光結晶プラスチック光ファイバは、コア材からなるコアと前記コアを覆うクラッドからなっており、クラッドは、クラッドポリマーマトリクス中に縦軸方向に配置されたキャビティ材の少なくとも第１の実質的に周期的に配置されたキャビティから形成されており、
   前記クラッドを製造するための、光結晶プラスチック光ファイバの製造方法は下記ステップからなっている：
   前記クラッドポリマーの前駆物質であり、紫外線放射によって硬化可能な液体の第１組成物（A）を、注入プレートにおける第１の孔列に注入し、そして、前記紫外線放射に未反応であり、液体組成物またはガス組成物から選択される第２組成物（B）を、実質的に周期的に配置され、各孔に最も近接して前記第１の孔列の孔を備えている、前記注入プレートの第２孔列に、前記第１組成物（A）と同時に、注入してフローを形成するステップと、そして、
   前記フローに紫外線を放射して、前記光結晶プラスチック光ファイバを形成するステップ。
2. 前記組成物AおよびBの接触時間が１秒以下であることを特徴とする、請求項１に記載の光結晶プラスチック光ファイバの製造方法。
3. 前記コアを製造するために、前記同時注入は、前記孔列の孔から分離した注入プレートの実質的に中央の孔に、紫外線照射によって硬化可能な、好ましくは第１の組成物と同一の液体の第３組成物を注入することからなっている、請求項１または２に記載の光結晶プラスチック光ファイバの製造方法。
4. 前記コアを製造するために、前記同時注入は、前記孔列の孔から分離した注入プレートの実質的に中央の孔に、紫外線照射に反応せず、液体組成物およびガス組成物から選ばれた第３組成物を注入することからなっている、請求項１または２に記載の光結晶プラスチック光ファイバの製造方法。
5. 第２の周期的に配置されたキャビティを製造するために、同時注入は、実質的に周期的に配置された第３の孔列に、紫外線照射に反応せず、好ましくは第２の組成物と同一の液体組成物およびガス組成物から選ばれた第４組成物を注入することからなっている、請求項１から４の何れか１項に記載の光結晶プラスチック光ファイバの製造方法。
6. 前記照射ステップの後、少なくとも１つの前記未反応組成物を、前記未反応組成物が液体であるとき、好ましくは熱処理によって除外するステップを備えている、請求項１から５の何れか１項に記載の光結晶プラスチック光ファイバの製造方法。
7. 前記除外によって少なくとも１つの領域を液体材料が存在しないようにし、そして、前記少なくとも１つの領域を充填するするステップを更に備えている、請求項６に記載の光結晶プラスチック光ファイバの製造方法。
8. 各未反応ガス組成物の注入圧力が第１組成物の注入圧力よりも高いことを特徴とする、請求項１から７の何れか１項に記載の光結晶プラスチック光ファイバの製造方法。
9. 各未反応組成物（B）の粘性が第１組成物（A）の粘性よりも高く、第１組成物の前記粘性の５倍以下である、請求項１から８の何れか１項に記載の光結晶プラスチック光ファイバの製造方法。
10. 各硬化可能組成物（A）は、第１反応ビニルまたはアクリルモノマーソルベントおよび／またはアクリルビニルまたは第１ポリマーを含んでおり、前記組成物は５ｄB以下の固有減衰を有しており、そして、各未反応組成物（B）は窒素、空気、アルゴン等のガス、キシレン、キシレノール、ブチルプロパノール、シクロへキサノン、脂肪族アルコール、乳酸塩、フッ素ソルベント、ブチレングリコール、プロピレングリコール、シリコーン含有油等の未反応ソルベント、および、セルロースポリマー等のバイオディグレイダブルポリマーから選ばれた化合物を含んでいる、請求項１から９の何れか１項に記載の光結晶プラスチック光ファイバの製造方法。
    

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