JP2992352B2 - プラスチック光ファイバ及び光ファイバケーブル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は光情報通信媒体として利用可能な広帯域ステ
ップインデックス型プラスチック光ファイバ（以下「SI
型POF」という）及び光ファイバケーブルに関する。

背景技術 光伝送は大容量で電磁ノイズの影響を全く受けないと
いう特長を生かして通信媒体として広く用いられてい
る。現在、実用化されている光伝送用の媒体である光フ
ァイバとしては、その素材により石英系光ファイバとプ
ラスチック系光ファイバ（以下「POF」という）に分類
される。

POFの利点は、１）大口径でありながら柔軟で取り扱
い性がよい、２）他のPOFや発光素子との結合において
位置あわせの許容範囲が広いので接続が容易で高価な装
置が不要である、３）接続の光学系が不要である点など
が挙げられる。

これらの利点を生かしてPOFはデータリンクなどの短
距離通信やセンサー等への応用が浸透しつつある。また
今後、FA、OA用などフロアー内外の機器間LANのような
施設網や加入者網（FTTH）における末端配線など、接続
点の多い近距離の低コスト情報伝送線として期待されて
いる。また、柔軟性も優れているため振動する環境でも
破損、折損や劣化がおきにくく、この点でも石英系より
も優れ、自動車、電車、飛行機、などの移動体中のネッ
トワークなど信号伝送線への応用も図られている。

一方、これらの通信用途においては伝送速度の高速化
への要求が年々高まってきている。POFの単位時間に伝
送可能な量をあらわす指標として帯域を用いると、これ
まで実用化されてきたPOFの帯域は、通常、高々５〜6MH
z・km（−3dB）である。この帯域では最適化されたLED
モジュールを用いても100mファイバ長の実用的な通信レ
ートが100Mbps（ビット毎秒）以下であり、中高速LANな
どの用途には帯域が狭すぎる。

SI型POFとしてはポリメタクリル酸メチル（PMMA）を
コア材としフッ素系重合体をクラッド材としたものが種
々提案されている。

日本国特開昭59−36111号公報はクラッド材として、
長鎖フルオロアルキルメタクリレート、メタクリル酸と
メタクリル酸メチルからなる共重合体を開示している。
しかしながら、このクラッド材は長鎖フルオロアルキル
メタクリレートを65％以上含有するものであって、メタ
クリル酸メチルの含有量は29％以下である。従って、ク
ラッド材の屈折率は1.420以下であり、光ファイバの開
口数は0.45以上であって、広帯域特性を有するPOFを示
唆する記載はない。

また、日本国特開昭61−66706号公報はクラッド材と
して、長鎖フルオロメタクリレート、短鎖フルオロアル
キルメタクリレートとメタクリル酸メチルからなる共重
合体を開示している。しかし、このクラッド材中のメタ
クリル酸メチル含有量も50％以下であって、広帯域特性
を有するPOFを示唆する記載はない。

最近、Conference Proceedings of 3rd Internat
ional Conference on Plastic Optical Fibers
＆ Applicationsの148−151頁及び147頁において、フ
ァイバの開口数を小さくすることによってSI型POFに広
帯域特性を付与することが提案されている。

また、本願の優先権主張の基礎出願である日本国特願
平７−116174号の出願後に公知となった、日本国特開平
７−239420号公報は、PMMAをコア材料とし特定のフルオ
ロアルキルメタクリレートとMMAの共重合体をクラッド
材料とするPOFを開示している。この文献はコア材とク
ラッド材の屈折率を近づけることにより広帯域化が可能
であること、また特定のフルオロメタクリレート共重合
体をクラッド材とすることによりPOFの耐熱性が向上す
ることを示している。しかしながらこのPOFは、クラッ
ド材料中に短鎖フルオロメタクリレートを含んでいるの
で、POFの機械的特性が不十分である。

一方 コア／クラッド／保護層の３層からなるPOFは
従来から提案されている。日本国特開昭62−204209号公
報はPMMAを主成分とするコア材上に、含フッ素樹脂から
成るクラッド材を２層設けたPOFを開示している。この
文献はクラッド層を２層とすることによってPOFの耐熱
性を向上させ、しかも１層目のクラッド層の厚みを３〜
４μｍと薄くすることによってPOFの耐屈曲性の改善を
図っている。しかしながらこのPOFも、クラッド材中に
ペンタフルオロプロピルメタクリレート、テトラフルオ
ロメタクリレートのような短鎖フルオロメタクリレート
を含んでいるので、POFの機械的特性が不十分である。
また、広帯域特性を有するSI型POFの設計思想は何ら開
示されていない。

日本国特開平５−249325号公報はPMMAを主成分とする
コア材と特定のフッ素樹脂から成るクラッド材とからな
るPOFを開示している。この文献はクラッド層を２層と
することによって、ジャッケット材中に含まれる可塑剤
がコア中やクラッド中へ拡散することを防ぎ、POFの伝
送損失の低下や機械的特性の劣化を防止する思想を提案
している。しかしながらこのクラッド材の屈折率は1.40
9以下であり、従ってPOFの開口数は0.48以上である。即
ちこの文献も広帯域特性を有するPOFを示唆していな
い。

前述したように、開口数を低下させたPOFは、広帯域
特性を有するSI型POFを得るための手段の一つである。
しかしながらPOFの開口数を低下させると、１）ファイ
バが屈曲したときに外部に放出される光線量が多くな
り、光伝送損失が増大するという問題と、２）POFと光
源との結合損失が増大するという問題が生じる。またPO
Fの実用的な機械的強度を確保することも重要である。

発明の開示 本発明の目的は、実用的な光伝送損失性能、広帯域特
性と機械的強度を兼ね備えたSI型POF及びSI型POFケーブ
ルを提供することにある。

本発明によれば、コア／クラッド／保護層の３層から
成り、コア材料がポリメタクリル酸メチルであり、クラ
ッド材料が下記の式（１）で示される長鎖フルオロアル
キルメタクリレート単位20〜45重量％とメタクリル酸メ
チル単位54〜79重量％とメタクリル酸単位0.05〜２重量
％との共重合体であることを特徴とするプラスチック光
ファイバが提供される。

CH₂＝Ｃ（CH₃）−COO−（CH₂）_２（CF₂）₇CF₃ （１） また本発明によれば、前記光ファイバをジャッケット
層で被覆したコア／クラッド／保護層／ジャッケット層
の４層からなるプラスチック光ファイバケーブルが提供
される。

図面の簡単な説明 図１は、POFケーブルの20mmR−180゜屈曲時の伝送損
失を測定するときのケーブルの曲げ状態を示す図であ
る。図１において符号１はPOFケーブル、符号２はLED、
符号３は受光体である。

図２は、POFケーブルの15mmR±90゜繰り返し屈曲時の
屈曲状態を示す図である。符号４は荷重である。図３
は、FFPの測定系を示す図である。符号５はフーリエ変
換光学系、符号６はLD、符号７はCCD素子である。

図４は、FFPの測定結果を示す図である。縦軸はファ
イバからの出射光量であり、最大値を1.0とする相対値
で表示されている。横軸はファイバからの出射角であ
る。

発明を実施するための最良の形態 本発明においてPOFのコア材としては光学的性能、機
械的強度、信頼性などの観点からポリメタクリル酸メチ
ルが用いられる。メタクリル酸メチルと共重合可能なメ
タクリル酸ブチル、メタクリル酸エチルやマレイミド化
合物を少量含む共重合体も使用できる。

本発明のPOFのクラッド材としては、フッ素系メタク
リレート（共）重合体、フッ素系メタクリレート−メタ
クリル酸エステル（共）重合体、α−フルオロメタクリ
レート（共）重合体、またはそれらの混合物が挙げられ
る。

POFの開口数を0.24以上、0.40以下とするためにクラ
ッド材としては屈折率が1.435以上、1.47以下のものが
用いられる。ファイバの開口数は小さすぎると屈曲時の
損失が大きくなり、また、結合損失も増大するので0.24
以上でなければならない。開口数は0.27以上がより好ま
しい。100mにおける帯域として80MHzを確保するために
は開口数は0.40以下とする必要がある。90MHz以上の帯
域を確保するには開口数は0.34以下がより好ましい。従
ってクラッド材の屈折率としては1.45以上1.465以下が
好ましい。

従って、屈折率が1.435以上、1.47以下の範囲となる
ような組み合わせ、組成のものが選択され、例えば、式
（１）で示される長鎖フルオロアルキルメタクリレー
ト、メタクリル酸メチルとメタクリル酸との共重合体が
挙げられる。この共重合体は機械的特性や透明性および
耐熱分解性の物性バランスが優れている。

CH₂＝Ｃ（CH₃）−COO−（CH₂）_２（CF₂）₇CF₃ （１） 長鎖フルオロアルキルメタクリレートの含有量が20重
量％未満のクラッド材では屈折率が1.467を超え開口数
が小さくなりすぎる。また、長鎖フルオロアルキルメタ
クリレートの含有量が45重量％を超えるクラッド材は結
晶性を示し、クラッド材中での光散乱に起因する伝送損
失が大きくなる。

クラッド材中の長鎖フルオロアルキルメタクリレート
単位の含有量は23〜35重量％であることが特に好まし
い。クラッド材中のメタクリル酸メチル単位の含有量
は、屈折率が所望の範囲になるように決定され、54〜79
重量％であることが好ましく63〜75重量％であることが
より好ましい。

メタクリル酸はクラッド材の耐熱分解性を向上させる
とともに、芯材との密着性を向上させるために必要であ
り、含有量は0.05重量％以上であることが好ましい。ま
た、加工性を考慮すると２重量％以下であることが好ま
しい。0.5重量％以上２重量％以下であることがより好
ましい。

クラッド材の厚みは特に限定されないが薄すぎると伝
送損失が増大するため５μｍ以上であることが好まし
い。後述のFFP法による検討によれば、クラッド材の厚
みを８μｍ以上とすればPOFの伝送帯域が格段と向上す
ることが判明している。

本発明のPOFにおいてはクラッドの外側に保護層が配
置される。この保護層は、POFのクラッドが受光した光
線の有効利用を可能にし、光源とPOFとの結合効率を改
善する働きをする。また保護層はコアからクラッドに漏
れた光の一部を再度コアに戻す働きをする。即ち、POF
が屈曲したときにコアから外部に放出される光線量は、
POFの開口数が小さい方が開口数が大きい場合と比較す
ると遥かに多量であるので、保護層は低開口数POFの光
伝送損失の増大防止に有効に機能する。

保護層の材料としてはファイバ内の伝播光のファイバ
側面から流出を防ぐ観点からクラッド材よりも屈折率の
低い材料を用いるのが好ましい。このような材料とし
て、フッ化ビニリデン70〜90モル％とテトラフルオロエ
チレン30〜10モル％との共重合体が挙げられる。この共
重合体は機械的特性、耐化学薬品性も優れているので好
ましい材料である。

また、この共重合体は、フッ化ビニリデン含有量が80
モル％組成のものが融点が最も低くなる。そのためにこ
の共重合組成の共重合体は、コア材としてのPMMAとの多
層紡糸が容易であり、またそれに続く延伸操作も容易に
行うことができる。尚、延伸操作はPOFの機械的強度向
上のために行なわれる。

保護層の厚みは特に限定されないが、経済性とファイ
バ性能との兼ね合いにより決定される。機械的特性や耐
化学薬品性を十分発揮するためには５μｍ以上であるこ
とが好ましい。

前記クラッド材料とこの保護層の材料との併用によっ
てPOF及びPOFケーブルの伝送帯域が格段と向上するとと
もに屈曲時の伝送損失の増加が抑制される。

POFの帯域の広狭は、ファイバ内を伝播する光のうち
伝搬速度が遅い高次モード光によって影響される。POF
を広帯域化するためにはこの高次モード光の量を減少さ
せることが必要である。本発明者等はPOFの開口数の低
下とファイバ構造の選定により高次モード光の量の減少
を達成した。

POF及びPOFケーブルとしては、全モード励振条件下で
100mのファイバを伝搬後の出射FFPにおいて、出射角−2
0゜以上、＋20゜以下の範囲に対する積分値Spと全角度
範囲に対する積分値Ｓの比Ｒ＝Sp/Sが98％以上のもので
あることが好ましい。

尚、FFPとはPOFの光出射端面が点と見なせる程度に充
分離れた距離の位置からみたPOFの出射光量の出射角分
布のことである。伝搬光のモードの高低は伝搬角度の大
小に対応するので、FFPはPOFの伝搬光のモード分布を現
している。

本発明のPOFは、１）連続塊状重合直接紡糸プロセス
によってMMAの重合工程、重合系からの揮発成分の脱気
工程、PMMAの紡糸工程を連続的に行い、コア材であるPM
MAと共に、他のスクリュー型押し出し機等からそれぞれ
供給されたクラッド材、保護材を共押し出し（複合紡
糸）する方法、２）スクリュー型押し出し機等からそれ
ぞれ供給されたPMMA（コア材）、クラッド材、保護材を
共押し出しする方法等によって製造することができる。
これらの方法のうちPOFの伝送損失を十分下げるには
１）の方法を用いるのが好ましい。

POFケーブルのジャケット層の材料は機械的特性や耐
熱性、難燃性を加味して選択される。ポリエチレン、ポ
リ塩化ビニル、塩素化ポリエチレン、ポリオレフィン系
エラストマーが用いられる。

本発明のPOFケーブルは、20mmR−180゜屈曲時の伝送
損失増加が1dB以下、15mmR±90゜繰り返し屈曲時の破断
屈曲回数が１万回以上である。

ここで20mmR−180゜屈曲時の伝送損失増加とは、通常
の状態化における伝送損失値に対して、図１に示すよう
にケーブルの中間部を半径20mmの曲率をもって曲げた状
態化における伝送損失値の増加をいう。また、15mmR±9
0゜繰り返し屈曲時の破断回数とは、図２に示すように
半径15mmの曲率を有する円筒体もしくは円柱体でケーブ
ルを挟んだ状態でケーブルを左右に90゜ずつ（合計180
゜）の屈曲を繰り返したときに伝送損失が急激に増加し
てケーブルが実質的に破断したと判断されたときの屈曲
回数をいう。尚、各実施例において破断屈曲回数は図２
に示すようにケーブルに500gの荷重をかけて測定され
る。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
尚、POF、POFケーブルの他の特性値は以下の１）〜６）
の方法によって測定した。

１）開口数NA;JIS−C6862反射法によって測定する。

２）全モード励振における伝送帯域;102m−2mのカット
バック法により、励振NAが0.65における100m長の−3dB
帯域をインパルス応答法にて測定する。測定装置として
浜松ホトニクス（株）製の光サンプリングオシロスコー
プ、光源として東芝（株）製半導体レーザTOLD9410を用
い、発光波長は650nmとする。

３）伝送損失；光源からの光を分光器を用いて波長650n
mに単色化し、励振NAはレンズを用いて0.1にあわせる。
25m−5mカットバック法により測定する。

４）屈折率；アッべの屈折計を用いて温度20℃における
n_Dを測定する。

５）出射FFP（Far Field Pattern）；励振NA＝0.65に
設定した光源（東芝製半導体レーザTOLD9410 発光波長
650nm）を用いて、ファイバの100m伝搬後の出射光のFFP
を図３に示すフーリエ変換光学系を用いて測定する。

６）結合損失増加；光源としてLED（東芝製TLRA280）を
用いる。1m長のPOF又はPOFケーブルの一端に光源を取り
付け、他端からのファイバ出射光量I₀を測定する。POF
（またはPOFケーブル）として基準ファイバ（比較例１
のファイバ）を使用した時のファイバ出射光量をI₀と
し、評価対象のPOF（またはPOFケーブル）を使用した時
のファイバ出射光量をＩとし、次式で算出される値を結
合損失増加（dB）とする。

結合損失増加＝10×log₁₀（I₀/I） （実施例１） コア材としてポリメタクリル酸メチルを、クラッド材
として（１）式で示される長鎖フルオロアルキルメタク
リレート25wt.％、メタクリル酸メチル74wt.％とメタク
リル酸1wt.％との共重合体を用いた。この共重合体の屈
折率は、1.463であった。保護層としてフッ化ビニリデ
ン80モル％とテトラフルオロエチレン20モル％の共重合
体（ダイキン工業（株）製VP−50）を用いて、連続塊状
重合直接紡糸法で３層複合紡糸を行った。その結果ファ
イバ直径1000μｍ、クラッド層５μｍのコア／クラッド
／保護層からなる３層構造のPOFを得た。

このPOFの評価結果を表１に示した。

（実施例２） 実施例１で得られたPOFにポリエチレン被覆を施し、
外径2.2mmのPOFケーブルとした。このPOFケーブルの評
価結果を表１に示した。

（実施例３） クラッド材として（１）式で示される長鎖フルオロア
ルキルメタクリレート30wt.％、メタクリル酸メチル69w
t.％とメタクリル酸1wt.％との共重合体を用い、それ以
外の条件は実施例１と同様にして３層複合紡糸を行い、
ファイバ直径1000μｍ、クラッド厚５μｍの３層構造の
POFを得た。クラッド材の屈折率は1.455である。このPO
Fの評価結果を表１に示した。

（実施例４） 実施例１においてクラッド厚を10μｍとしそれ以外の
条件は実施例１と同様にしてPOFを得た。このPOFの評価
結果を表１に示した。

（実施例５） 実施例３においてクラッド厚を10μｍとしそれ以外の
条件は実施例３と同様にしてPOFを得た。このPOFの評価
結果を表１に示した。

（実施例６） クラッド材として（１）式で示される長鎖フルオロア
ルキルメタクリレート30wt.％、メタクリル酸メチル73.
1wt.％とメタクリル酸1.9wt.％の共重合体を得た。この
共重合体をクラッド材として用い、それ以外の条件は実
施例２と同様にしてPOFケーブルを得た。このPOFケーブ
ルの評価結果を表１に示した。

（実施例７〜９） 実施例３、実施例４及び実施例５のPOFに対してそれ
ぞれポリエチレン被覆を施し外形2.2mmのPOFケーブルを
得た。これらPOFケーブルの評価結果を表１に示した。

尚、実施例７、実施例８及び実施例９においては、そ
れぞれ実施例３、実施例４及び実施例５のPOFを用い
た。

（実施例10） 実施例７のPOFケーブルの出射FFPを測定し、図４の結
果を得た。比Ｒ＝Sp/Sは98％であった。

（比較例１） 実施例１において、クラッド材として（１）式で示さ
れる長鎖フルオロアルキルメタクリレート50重量％、
（２）式で示される短鎖フルオロアルキルメタクリレー
ト30重量％、メタクリル酸メチル18重量％とメタクリル
酸２重量％からなる共重合体を用いた。それ以外の条件
は実施例２と同様にしてPOFケーブルを得た。クラッド
材の屈折率は1.405であった。

CH₂＝Ｃ（CH₃）−COO−CH₂CF₂CF₃ （２） このPOFケーブルの評価結果を表１に示した。またPOF
ケーブルの出射FFPを図４に示した。比Ｒ＝Sp/Sは94％
であった。

（比較例２） 実施例１において、保護層がない３層構造のPOFケー
ブルを得た。このPOFケーブルの評価結果を表１に示し
た。

産業上の利用可能性 本発明のプラスチック光ファイバ及び光ファイバケー
ブルは光情報通信媒体として利用可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加茂 純 広島県大竹市御幸町20番１号 三菱レイ ヨン株式会社 中央研究所内 (72)発明者 島田 勝彦 富山県富山市海岸通３番地 三菱レイヨ ン株式会社 富山事業所内 審査官 福田 聡 (56)参考文献 特開 昭59−36111（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−204209（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−239420（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−66706（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−249325（ＪＰ，Ａ) 特表 平７−500856（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 6/00 - 6/54

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コア／クラッド／保護層の３層から成り、
   コア材料がポリメタクリル酸メチルであり、クラッド材
   料が下記の式（１）で示される長鎖フルオロアルキルメ
   タクリレート単位20〜45重量％とメタクリル酸メチル単
   位54〜79重量％とメタクリル酸単位0.05〜２重量％との
   共重合体であることを特徴とするプラスチック光ファイ
   バ。 CH₂＝Ｃ（CH₃）−COO−（CH₂）_２（CF₂）₇CF₃ （１）
2. 【請求項２】請求項１において、クラッド材料が長鎖フ
   ルオロアルキルメタクリレート単位23〜35重量％、メタ
   クリル酸メチル単位63〜75重量％とメタクリル酸単位0.
   5〜２重量％との共重合体であることを特徴とする光フ
   ァイバ。
3. 【請求項３】請求項１において、保護層材料がフッ化ビ
   ニリデン単位70〜90モル％とテトラフルオロエチレン単
   位30〜10モル％との共重合体であることを特徴とする光
   ファイバ。
4. 【請求項４】請求項１において、コア径が0.5〜1.5mm
   φ、ファイバの開口数が0.24〜0.40で、100mのファイバ
   長、全モード励振条件における伝送帯域が80〜340MHz、
   伝送損失が200dB/km以下である光ファイバ。
5. 【請求項５】請求項４において、ファイバの開口数が0.
   27〜0.34、伝送帯域が90〜250MHzである光ファイバ。
6. 【請求項６】請求項１〜請求項５において、全モード励
   振条件下で測定した100m伝搬後の出射FFP（Far Field
   Pattern）において、出射角−20゜以上、＋20゜以下
   の範囲に対する積分値Spと全角度範囲に対する積分値Ｓ
   の比Ｒ＝Sp/Sが98％以上であることを特徴とする光ファ
   イバ。
7. 【請求項７】請求項１〜請求項５の光ファイバをジャッ
   ケット層で被覆したコア／クラッド／保護層／ジャッケ
   ット層の４層からなるプラスチック光ファイバケーブ
   ル。
8. 【請求項８】請求項７において、コア径が0.5〜1.5mm
   φ、ファイバの開口数が0.24〜0.40で、100mのファイバ
   長、全モード励振条件における伝送帯域が80〜340MHz、
   伝送損失が200dB/km以下、20mm−180゜屈曲時の伝送損
   失増加が1dB以下、15mmR±90゜繰り返し屈曲時の破断屈
   曲回数が１万回以上である光ファイバケーブル。
9. 【請求項９】請求項７において、全モード励振条件下で
   測定した100m伝搬後の出射FFP（Far Field Pattern）
   において、出射角−20゜以上、＋20゜以下の範囲に対す
   る積分値Spと全角度範囲に対する積分値Ｓの比Ｒ＝Sp/S
   が98％以上であることを特徴とする光ファイバケーブ
   ル。