JP3258605B2 - 多段階屈折率分布プラスチック光ファイバ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、グレーディッドイ
ンデックス（ＧＩ）型プラスチック光ファイバに準ずる
広帯域を有する多段階屈折率分布プラスチック光ファイ
バに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＧＩ型光ファイバは、ファイバの中心の
屈折率が最も高く、外側にゆくに従って屈折率が二次分
布的に低くなるように形成された光ファイバのことであ
り、伝送帯域の広いことが特長である。このＧＩ型光フ
ァイバとしてプラスチック製のものが昭和４０年代から
多数提案されているが、中でも優れたものとしては、慶
応大学の大塚、小池らの開発によるものがある。

【０００３】これらのＧＩ型プラスチック光ファイバ
は、主としてプリフォーム方式で製造される。この方式
は、予め屈折率分布を持たせたプリフォームロッドと呼
ばれる棒を重合によって形成し、それを熱で伸ばしてフ
ァイバとするものである。重合体としては主としてメチ
ルメタクリレート系重合体が用いられている。プリフォ
ームロッドに屈折率分布を持たせるには、主としてメチ
ルメタクリレートモノマーと高屈折率の重合性モノマー
或いは非重合性化合物を静置、或いは回転させ、細心の
注意を払いながら長時間かけて重合固化させて製造して
いる。このプリフォームロッドの出来具合が、ＧＩ型光
ファイバの伝送損失や帯域などの重要な性能を決定す
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のＧＩ型プラスチ
ック光ファイバの問題点は生産性に劣る点にある。プラ
スチック光ファイバの特長は大口径で扱い易いことであ
るが、この特長が有効な０．５〜１．０ｍｍ程度の直径
の光ファイバを上記したプリフォーム方式で製造する
と、ファイバ長の短いものしか得られない。即ち、前記
した通り、プリフォームロッドは重合過程の分子の拡散
状態を利用して屈折率分布を形成したものであるから、
形成し得るロッドの大きさには限界がある。従って、工
業的に安定した品質のものを量産し、しかも経済的に生
産することが困難であった。

【０００５】また、従来のＧＩ型プラスチック光ファイ
バは、屈折率分布が狭いために、ファイバを曲げた時の
光量ロスが大きいという問題もあった。

【０００６】本発明の目的は、上記従来のＧＩ型プラス
チック光ファイバに代わり、量産が可能で伝送帯域が広
く且つ曲げによる光量ロスの小さいプラスチック光ファ
イバを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ｎ層（Ｎは５
以上の整数）の同心円状多層構造を有し且つ屈折率が中
心から外側に向かって順次段階的に低くなる樹脂製のプ
ラスチック光ファイバであり、中央芯を第１層、最外層
を第Ｎ層とした時、第１層〜第Ｎ−２層の樹脂がメチル
メタクリレート系重合体であり、第１層〜第Ｎ−１層の
樹脂の光透過性が、各樹脂を芯とし、第Ｎ層樹脂を鞘と
したステップインデックスプラスチック光ファイバの伝
送損失値で表わした場合、６５０ｎｍの単色光に対し
て、第１層〜第Ｎ−２層の各樹脂が２００ｄＢ／ｋｍ以
下であり、第Ｎ−１層の樹脂が３０００〜１０００００
ｄＢ／ｋｍであり、且つ、屈折率が第１層〜第Ｎ−１層
までは各層の半径に対しほぼ二次分布的に段階的に低下
し、且つ隣り合った各層間の屈折率差が０．０１以下で
あり、第Ｎ−１層と第Ｎ層との屈折率差が０．０２以上
であり、第１層〜第Ｎ層の各樹脂を同時に溶融状態で多
層複合紡糸して得られたことを特徴とする多段階屈折率
分布プラスチック光ファイバである。

【０００８】 本発明において、好ましくは上記第Ｎ−
１層の樹脂の伝送損失値が６０００〜３００００ｄＢ／
ｋｍである。

【０００９】即ち本発明は、屈折率の異なる樹脂を同心
円状に多層積層することにより、ファイバ内に段階状の
屈折率勾配を形成してＧＩ型に疑似的なマルチステップ
インデックス型のプラスチック光ファイバとし、特に最
外層周辺の構造を特定することにより、光ファイバの曲
げ特性を改善したものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の多段階屈折率分布プラス
チック光ファイバにおいては、屈折率の異なる樹脂を積
層しているため、ファイバ内に階段状に屈折率勾配が形
成される。該屈折率分布を形成した効果は、Ｎ＝５、即
ち５種類以上の樹脂を積層することにより得られる。樹
脂の種類を無限に増やせば該勾配は滑らかになり、従来
のＧＩ型のファイバと同様の効果が得られるが、層数を
増やすと設備費が増加するため、必要以上に層数を増や
すことは好ましくなく、Ｎ＝２０程度が上限である。

【００１１】本発明において、中央の芯を第１層、最外
層を第Ｎ層とした時、第１層から第Ｎ−２層までの層か
らなる部分は本発明のプラスチック光ファイバに、広帯
域性と低損失性を付与する部分である。そのため各層の
樹脂の屈折率は、ナトリウムＤ線で２０℃で測定した屈
折率を目安として、第１層から第Ｎ−１層までは各層の
半径に対しほぼ二次分布的に段階的に低下せしめ、且つ
隣りあった各層間の屈折率差は０．０１以下とする。こ
れは、５００ＭＨｚ・５０ｍ程度の広帯域を確保するた
めの条件である。より好ましくは、０．０００５〜０．
００５である。

【００１２】これに対し、第Ｎ層はプラスチック光ファ
イバの曲げによる光ロスを抑制するための光回収層であ
る。そのため第Ｎ層樹脂の屈折率は出来るだけ低くし
て、第Ｎ−１層から漏れた光を反射回収させる。従っ
て、第Ｎ−１層と第Ｎ層の屈折率差は０．０２以上の大
きな差をつける必要がある。より好ましくは０．０４〜
０．１程度の差をつけるのが効果的である。

【００１３】さて、各層の樹脂の光透過性について述べ
れば、第１層から第Ｎ層まで全ての樹脂が光透過性を有
する必要があるが、各層毎に要求される光透過性には規
定がある。即ち、第１層〜第Ｎ−２層の樹脂は、その中
を光が常に透過しているわけであり、これらの樹脂は極
めて光透過性が高くなければならない。

【００１４】一方、第Ｎ−１層は基本的にはこのファイ
バの帯域を決する反射層であり、第Ｎ−１層に第１層〜
第Ｎ−２層と同様の高い光透過性があれば、第Ｎ−１層
を透過した光は第Ｎ層で全長にわたり反射されるため、
結果として帯域は低下してしまうことになる。よって本
発明では、第Ｎ−１層の樹脂の光透過性を抑制した。こ
れにより、第Ｎ−１層を透過して第Ｎ層で全反射を繰り
返すような高次モードの光も、全ファイバ長を透過する
うちに減衰して無視できるようになり、他方でファイバ
をある部分で急峻に曲げたような時には第Ｎ−１層を漏
洩した光が第Ｎ層で反射し短距離の伝播のうちにモード
変換して第Ｎ−２層内に有効回収することができる。

【００１５】各層樹脂の光透過性を定量的に表現する指
標として、各層樹脂を芯とし、第Ｎ層樹脂を鞘としたス
テップインデックスプラスチック光ファイバを製造し、
その伝送損失値を用いる。第１層〜第Ｎ−２層について
は、各樹脂の伝送損失値は６５０ｎｍの単色光に対し、
２００ｄＢ／ｋｍ以下であり、好ましくは１５０ｄＢ／
ｋｍ以下である。また第Ｎ−１層の樹脂は、３０００ｄ
Ｂ／ｋｍ〜１０００００ｄＢ／ｋｍの範囲にある必要が
ある。この値が小さい場合には、短距離のファイバでの
帯域が狭くなる。大き過ぎると、ファイバを曲げた時の
光の回収率が下がる。特に好ましくは、６０００ｄＢ／
ｋｍ〜３００００ｄＢ／ｋｍである。これらの評価のた
めのステップインデックスプラスチック光ファイバにつ
いては、公知の方法により製造した、１ｍｍφの直径の
ファイバで測定し、第１層〜第Ｎ−２層の樹脂からなる
プラスチック光ファイバについては５２ｍ−２ｍのカッ
トバック法で、第Ｎ−１層については伝送損失値の程度
に応じて、例えば、３０００ｄＢでは５ｍ−１ｍ程度の
カットバック法で、１０００００ｄＢ／ｋｍのレベルで
は２０ｃｍと１０ｃｍのカットバック法により測定した
ものである。

【００１６】次に第Ｎ−１層の厚さについて述べれば、
基本的にはこの層は光反射が目的であり、あまり厚くす
るのは、無駄であり、２μｍ〜５０μｍである。より好
ましくは５μｍ〜２０μｍである。

【００１７】本発明において、第１層〜第Ｎ−２層の樹
脂は、極めて光透過性に優れているものでなければなら
ないことから連続溶液重合又は連続塊状重合が可能で屈
折率が共重合組成で容易に調整可能なメチルメタクリレ
ート系の重合体を用いる必要がある。

【００１８】本発明において用いられるメチルメタクリ
レート系重合体とは、メチルメタクリレートの単独重合
体及びメチルメタクリレートをモノマー主成分とする共
重合体であり、メチルメタクリレートの単独重合体を標
準にして、メチルメタクリレートと共重合体可能なアク
リレート又はメタクリレートとの共重合体を適宜選定す
ることにより、屈折率の異なる重合体を得ることができ
る。例えば、屈折率の高い重合体を得るには、ベンジル
（メタ）アクリレート、フェニル（メタ）アクリレート
のようにフェニル構造のあるもの、或いはシクロヘキシ
ル（メタ）アクリレートのようなコモノマーを用いれば
良く、屈折率の低い重合体を得るには、炭素数１〜８の
アルキルアクリレートやフルオロアルキル（メタ）アク
リレートのようなコモノマーを用いれば良い。その他、
メチルメタクリレートとスチレン或いはアクリロニトリ
ルなどとの共重合体を用いることもできる。

【００１９】上記重合体は、連続重合法により重合され
ることが好ましい。これは、プラスチック光ファイバの
伝送損失が大きくなる原因である、異物や酸素の混入に
よる重合体の着色を防止するためである。ここで、連続
重合法とは、連続塊状重合法、連続溶液重合法のことを
意味し、原料モノマーと重合開始剤と連鎖移動剤の仕込
みから重合反応を連続して行うものである。その後の工
程としては、引き続き未反応モノマーや溶剤などの揮発
成分を連続的に除去する脱揮押出機などの脱揮装置を経
由して重合体のみを分離し、固形化することなく溶融状
態のまま、引き続きギヤポンプなどの定量性のある搬送
装置で多層複合紡糸ダイに供給する。この工程により、
重合体は異物の混入を防ぎ、空気に触れさせることな
く、最低の熱履歴のみで光学的に優れた重合体をファイ
バに形成することができる。連続重合法の中でも特に好
ましい工程は、完全混合の重合反応器を１段で行うもの
で、これは、微分的な組成の重合体ができるので透明性
に優れており好ましい。

【００２０】上記のようにして重合したメチルメタクリ
レート系重合体の好ましいメルトフローインデックスは
オリフィスの直径２ｍｍ、長さ８ｍｍで、２３０℃、
３．８Ｋｇの荷重にて０．２〜６０ｇ／１０分の範囲の
ものであり、特に好ましくは１．０〜４０ｇ／１０分の
ものである。

【００２１】第１層〜第Ｎ−２層に用いられるメチルメ
タクリレート系重合体の組み合わせとしては、例えば、
第１層にメチルメタクリレート単独重合体を用い、第２
層以上にメチルメタクリレートとフルオロアルキルメタ
クリレートの共重合体を用いた組み合わせや、第Ｎ−２
層にメチルメタクリレート単独重合体を用い、第１層〜
第Ｎ−３層にメチルメタクリレートとベンジルメタクリ
レート或いはスチレンとの共重合体を用いた組み合わせ
などが好ましい。

【００２２】第Ｎ−１層の樹脂については第Ｎ−２層の
延長線上のメチルメタクリレート共重合体としたり、或
いはメチルメタクリレート系重合体とビニリデンフロラ
イド系樹脂の混合物としたりすることができる。この樹
脂は、光透過性があまり高いものは好ましくないのでメ
チルメタクリレート系重合体の場合は、成型材料に使用
されるようなペレットにして用いたり、他の樹脂などと
混合するなどの方法をとることができる。これらの樹脂
は押出機で溶融し、ギヤポンプなどの定量供給装置で多
層複合紡糸ダイに供給する。

【００２３】次に第Ｎ層の樹脂について述べる。この層
の樹脂は、プラスチック光ファイバの鞘樹脂として公知
のフルオロアルキルメタクリレート系樹脂やビニリデン
フロライド系樹脂が適用できる。ビニリデンフロライド
系樹脂組成物としてはビニリデンフロライドとヘキサフ
ロロプロペンの共重合体、或いはこれらの２元成分にさ
らに、トリフロロエチレンやテトラフロロエチレンを加
えた３元以上の共重合体、さらにビニリデンフロライド
とテトラフロロエチレンの２元共重合体、特に、ビニリ
デンフロライド８０モル％とテトラフロロエチレン２０
モル％からなる共重合体が好ましい。フルオロアルキル
メタクリレート系樹脂としては下記式で示されるフルオ
ロアルキルメタクリレートモノマーの１種類以上と、他
の共重合可能なフルオロアルキルアクリレートやアルキ
ルメタクリレートやアルキルアクリレートなどとの共重
合体が挙げられる。

【００２４】

【化１】

【００２５】上記フッ素系モノマーの他に、高屈折率成
分として、メチルメタクリレートやエチルメタクリレー
トなどのメタクリレートモノマーやメチルアクリレート
やエチルアクリレート、ブチルアクリレートなどのアク
リレートモノマーなどとのいろいろな組合せによる共重
合体が挙げられる。これらの樹脂は屈折率が１．３５〜
１．４３と比較的低いものである。これらの樹脂は第Ｎ
−１層と同様の取扱いで押出機とギヤポンプを介して多
層複合紡糸ダイに供給する。

【００２６】本発明においては、各層に応じて設計され
た重合体を、所定の層の断面積分に応じて多層複合紡糸
ダイに供給する。図２に９層構造の多層複合紡糸ダイの
縦断面模式図（ａ）とそのガイドパイプの横断面模式図
（ｂ）を示す。図２に示すように、多層複合紡糸ダイは
層の数に応じたダイプレートがあり、そのプレートに対
応する層の樹脂をガイドするパイプが同心円状に配置さ
れているのが好ましい。図中Ｈ１〜Ｈ９は樹脂受入口、
１０はガイドパイプである。多層構造化された樹脂は引
き落としを行ない、延伸して直径０．２５〜２．０ｍｍ
程度のファイバに成形される。

【００２７】本発明の多段階屈折率分布プラスチック光
ファイバは、通常、その外側にビニリデンフロライド系
樹脂等の保護被覆やポリエチレンやポリ塩化ビニル等の
保護被覆を行い、多段階屈折率分布プラスチック光ファ
イバケーブルとして用いられる。

【００２８】

【実施例】

［実施例１］図２に示した多層複合紡糸ダイを用いて９
層構造の多段階屈折率分布プラスチック光ファイバを製
造した。

【００２９】精製された原料モノマーとして、メチルメ
タクリレート、ベンジルメタクリレート、アゾビス−ｔ
ｅｒｔ−オクタン、ブチルメルカプタンを用いて、第１
層〜第７層の重合体を得た。重合装置は、７系列の完全
混合器と脱揮押出機とギヤポンプからなる装置からな
る。それぞれの重合体供給系列からはメチルメタクリレ
ートとベンジルメタクリレートの共重合比率を調節した
重合体を得た。

【００３０】一方、第８層樹脂として、メチルメタクリ
レートの単独重合体９６重量部とビニリデンフロライド
とテトラフロロエチレンの８０モル％体２０モル％の共
重合体４重量部との混合物からなる、屈折率１．４８９
の樹脂組成物を用いた。

【００３１】また、第９層樹脂としては、ビニリデンフ
ロライドとテトラフロロエチレンの８０モル％体２０モ
ル％の共重合体を用いた。

【００３２】上記第１層〜第８層の樹脂について予め光
透過性を確認するため、１段のステップインデックスプ
ラスチック光ファイバを製造した。即ち、各層の樹脂を
芯、上記第９層樹脂を鞘として用い、各樹脂を溶融状態
で重合工程と直結した１段複合紡糸ダイに供給して直径
が１ｍｍφのプラスチック光ファイバを得た。得られた
ファイバの伝送損失を、測定条件として、６５０ｎｍの
単色光、入射ＮＡ０．１５で、第１層〜第７層の樹脂に
ついては５２ｍ−２ｍのカットバック法、第８層の樹脂
については２ｍ−１ｍのカットバック法により測定し
た。結果を表１に示す。

【００３３】上記第１層〜第７層の樹脂を、重合反応装
置、脱揮押出機、ギヤポンプを介して、第８層及び第９
層の樹脂は溶融押出機、ギヤポンプを介して、それぞれ
複合紡糸ダイに供給した。供給量は表１の通りである。

【００３４】

【表１】

【００３５】多層複合紡糸ダイの温度は２３０℃で、ダ
イの出口から排出されたストランドを引き伸ばし、延伸
処理を行ない、直径１．０ｍｍのプラスチック光ファイ
バを得た。このプラスチック光ファイバの屈折率分布を
図１に示す。図中横軸はファイバの中心からの距離であ
る。

【００３６】上記プラスチック光ファイバに黒色ポリエ
チレンで被覆を行ない、ケーブルを得た。

【００３７】本実施例のプラスチック光ファイバの伝送
損失は６５０ｎｍにて１７０ｄＢ／ｋｍであった。ま
た、伝送帯域は１ＧＨｚ・５０ｍ以上が認められた。ま
た、上記ケーブルの曲げによる光ロスは光源の入射ＮＡ
を０．１５、ファイバ長１６ｍとし、１ｍおきに半径２
５ｍｍの９０°曲げを合計１５回付与した時で０．４ｄ
Ｂと十分小さいことが判明した。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
広い伝送帯域で曲げによる光量ロスを大幅に低減され、
しかも工業的な量産が可能なプラスチック光ファイバが
提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のプラスチック光ファイバの屈
折率分布を示す図である。

【図２】本発明の実施例のプラスチック光ファイバの製
造に用いた多層複合紡糸ダイの断面模式図である。

【符号の説明】

Ｈ１〜Ｈ９ 樹脂受入口 １０ ガイドパイプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/00 - 6/02 G02B 6/10 G02B 6/16 - 6/22

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｎ層（Ｎは５以上の整数）の同心円状多
   層構造を有し且つ屈折率が中心から外側に向かって順次
   段階的に低くなる樹脂製のプラスチック光ファイバであ
   り、中央芯を第１層、最外層を第Ｎ層とした時、第１層
   〜第Ｎ−２層の樹脂がメチルメタクリレート系重合体で
   あり、第１層〜第Ｎ−１層の樹脂の光透過性が、各樹脂
   を芯とし、第Ｎ層樹脂を鞘としたステップインデックス
   プラスチック光ファイバの伝送損失値で表わした場合、
   ６５０ｎｍの単色光に対して、第１層〜第Ｎ−２層の各
   樹脂が２００ｄＢ／ｋｍ以下であり、第Ｎ−１層の樹脂
   が３０００〜１０００００ｄＢ／ｋｍであり、且つ、屈
   折率が第１層〜第Ｎ−１層までは各層の半径に対しほぼ
   二次分布的に段階的に低下し、且つ隣り合った各層間の
   屈折率差が０．０１以下であり、第Ｎ−１層と第Ｎ層と
   の屈折率差が０．０２以上であり、第１層〜第Ｎ層の各
   樹脂を同時に溶融状態で多層複合紡糸して得られたこと
   を特徴とする多段階屈折率分布プラスチック光ファイ
   バ。
2. 【請求項２】 第Ｎ−１層の樹脂の伝送損失値が６００
   ０〜３００００ｄＢ／ｋｍである請求項１記載の多段階
   屈折率分布プラスチック光ファイバ。