JP3745507B2

JP3745507B2 - 多段階屈折率分布多心プラスチック光ファイバ

Info

Publication number: JP3745507B2
Application number: JP20511797A
Authority: JP
Inventors: 真一豊島
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1997-07-31
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2017-07-31
Also published as: JPH1152147A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、パソコンや、オーディオビジュアル機器、交換機、電話、ＯＡ機器、ＦＡ機器などの機器に近接した部分に設置される可動な光通信伝送媒体として、或いは、光電スイッチの光ファイバセンサーユニットなどとして使用されるプラスチック光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の通信用多心プラスチック光ファイバとしては、屈折率の高い透明な芯樹脂からなる複数本の芯繊維の周りを鞘樹脂でとり囲み一まとめにした多芯プラスチック光ファイバか、または、芯繊維の各々を同心円状に鞘樹脂で取り囲み鞘層となし、さらにそれらを第３の樹脂で取り囲んで一まとめにした多心プラスチック光ファイバが使用されていた。すなわち、個々の心線は屈折率の高い芯と屈折率の低い鞘からなる１段の屈折率差からなる１段ステップインデックス型多心プラスチック光ファイバであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の多心プラスチック光ファイバの信号伝送帯域を上げようとした場合、芯樹脂と鞘樹脂の屈折率差を小さくし、プラスチック光ファイバ心線の開口数を小さくする。しかし、このように開口数が小さくなると、受光量が減少するという問題があった。一方、屈折率分布型のプラスチック光ファイバでは、中程度の開口数でも伝送帯域を確保することができるが、この場合、ファイバの直径を大きくしてプラスチック光ファイバの特長である取扱性を上げようとすると、曲げによる光量ロスが大きいという問題があった。本発明は、大口径で取扱い易く、広伝送帯域のプラスチック光ファイバの提供を課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多層複合紡糸ダイにより、３層以上の同心円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低くなる樹脂製の心線を７本以上形成すると同時に、各心線の相対的位置関係を保ったまま各心線の最外層において融着一体化して大口径化してなるプラスチック光ファイバであって、最外層を第Ｎ層（Ｎは３以上の整数）とした時、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層の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、第１層〜第Ｎ−１層の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０．０２〜０．１５であることを特徴とする多段階屈折率分布多心プラスチック光ファイバである。
【０００５】
本発明においては、心線を構成する樹脂としてメチルメタクリレート系樹脂が好ましく用いられる。また、心線を構成する樹脂のうち最外層を形成する樹脂がビニリデンフロライド系樹脂であり、該最外層以外の層を形成する樹脂がメチルメタクリレート系樹脂である組み合わせも好ましく適用される。
【０００６】
また、本発明においては、各心線の屈折率が心線の中心から半径方向にほぼ２次分布的に低くなっていることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的に説明するが、便宜上、本発明にかかる心線をＮ層（Ｎは３以上の整数）構造とし、中心層を第１層、最外層を第Ｎ層と記す。
【００１０】
図１にＮ＝５とした本発明の多段階屈折率分布多心プラスチック光ファイバの一実施形態の断面図を示す。図中、１〜５は互いに屈折率の異なる透明樹脂からなる層であり、本実施形態では５層構造の心線６を７本融着一体化してなる。
【００１１】
本発明において、心線の個々の一本は多段階に屈折率分布を有するプラスチック光ファイバである。すなわち、３層以上の同心円多層構造体であり、第１層の樹脂を一番屈折率の高い樹脂で形成し、外側の層になるに従い、屈折率が段階的に低くなるように屈折率分布をつけた細径のプラスチック光ファイバである。これを本発明では心線と称する。
【００１２】
心線の中の屈折率分布は階段状である。製造コストとの兼ね合いから、当該屈折率分布は心線の伝送帯域に改善が見られる３段階（即ち３層構造）以上、好ましくは５段階以上にするのがよい。
【００１３】
心線内の屈折率分布のつけ方として、屈折率をナトリウムＤ線の２０℃の値を基準にして述べれば、第１層を一番高い値とし、第Ｎ層の値は、それより０．０１〜０．２の範囲で低いものを選ぶことができる。通常は０．０１〜０．１５の範囲である。その分布は中心から半径方向にほぼ直線的、即ち１次分布的ないし３次分布的に低くなるようにして帯域の向上を図るが、より好ましくは２次分布である。
【００１５】
また、光が通過していく第１層〜第Ｎ−２層の樹脂としては、可能な限り光透過性の高いものが良く、各樹脂を芯とし、第Ｎ層の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、２００ｄＢ／ｋｍ以下であり、望ましくは１５０ｄＢ／ｋｍ以下である。
【００１６】
本発明にかかる心線を形成する樹脂としては、単独重合体、共重合体の他に、異なる重合体同志の混合体であってもよい。中でも特に好ましい樹脂としてはメチルメタクリレート系樹脂である。即ちメチルメタクリレートモノマー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可能なアクリレート又はメタ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出来る。
【００１７】
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が選定でき、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が選定できる。そのほか、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も選定できる。
【００１８】
上記樹脂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荷重にて０．２〜６０ｇ／１０分の範囲であり、特に好ましくは１．０〜４０ｇ／１０分である。これらの重合体は、高い透明性が確保できる連続重合ができ、異物や酸素の混入による重合体の着色を排除して、原料モノマーの仕込みから重合反応、揮発成分の除去工程の一連の工程を連続的に行い、直接複合紡糸ダイに供給できるので、伝送損失の低い心線が得られる。
【００１９】
本発明にかかる心線の第Ｎ層の樹脂については、特にビニリデンフロライド系樹脂とすることも好ましい。ビニリデンフロライド系樹脂で第Ｎ層を形成することにより、心線を互いに融着させる際に、心線同志が機械的に強固に融着される。従って、光ファイバの使用条件が機械的に苛酷な場合には、この組合せは特に好ましい。
【００２０】
上記ビニリデンフロライド系樹脂としては、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。そして、これらのビニリデンフロライド系樹脂とメチルメタクリレート樹脂やエチルメタクリレート樹脂との透明な混合体が挙げられる。
【００２１】
さらに本発明の多段階段屈折率分布のプラスチック光ファイバにおいて、伝送帯域を高度に保ちつつ、曲げによる光ロスを最小限に抑える手法として、第１層〜第Ｎ−１層までは屈折率を段階的にほぼ２次分布的に下げ、そして第Ｎ層にて著しく大きく屈折率を下げる。同時に、第Ｎ−１層のみを光透過性を下げたものとする。当該構成では、第Ｎ−１層が第１鞘層となり、その屈折率がこのファイバの帯域を規定する。第Ｎ−１層で全反射出来なかった光は当該層を透過して、第Ｎ層で反射回収されるが、上記したように第Ｎ−１層４は透明性を低くしているため、このような高次モードの光は以降第Ｎ−１層を透過する度に減衰を繰り返して消失し、その結果、帯域を維持することができる。一方、このような光ファイバが急峻に曲げられた時については、当然曲げの箇所で光の漏洩が生じるが、そのうちの幾分かは、うまく内側の層を反射して行く光となるように、第２鞘層である第Ｎ層で反射回収されるため、曲げによる光ロスが抑制される。
【００２２】
上記構成において、第Ｎ−１層の樹脂の光透過性は、第Ｎ−１層の樹脂を芯とし、第Ｎ層の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３０００〜１０００００ｄＢ／ｋｍである。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。また大き過ぎると、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、６０００〜３００００ｄＢ／ｋｍである。また、第１層〜第Ｎ−１層の各層間の屈折率差は０．０１以下である。これは５００ＭＨｚ・５０ｍ程度の広帯域を確保するためである。より好ましくは０．０００５〜０．００５である。また、第Ｎ−１層と第Ｎ層との屈折率差は０．０２〜０．１５である。さらに、第Ｎ−１層は第１層〜第Ｎ−２層とは異なり、厚さが１〜２０μｍの薄い層であることが好ましい。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。
【００２３】
次に、本発明の光ファイバは、上記した心線を７本以上、各心線の相対的位置関係を保ったまま、融着一体化して大口径化されている。
【００２４】
本発明において、心線の数としては最低７本用いると円形配置が可能となり好ましく、最大数については、特に制限はないが本発明の光ファイバを製造する多層複合ダイの調達の困難性の問題から５００本程度が限度である。
【００２５】
また、１本当りの心線の直径が大きいと、心線を曲げたときの光量ロスが大きくなり、このロスを小さくするためにはどうしても心線の直径を出来るだけ小さくする必要がある。しかし、直径が小さくなると必然的に受光量が減るという問題を生じる。本発明では、細径の心線を多数本細密的に充填した多心プラスチック光ファイバとすることで、受光量減少の防止と光量ロスの低減を図ったものである。
【００２６】
本発明において、各心線の直径は５μｍ〜５００μｍが好ましく、より好ましくは５０μｍ〜３５０μｍ程度である。また、本発明の多心プラスチック光ファイバの直径としては０．１ｍｍ〜３ｍｍであり０．１ｍｍ未満では細過ぎて扱いずらく、３ｍｍを越えると剛直になり扱いづらくなる。通常は０．５〜１．５ｍｍである。
【００２７】
また本発明においては、各心線の相対的位置関係を保ったまま、融着一体化されている。各心線の相対的位置関係を保った状態とは、光ファイバのどの断面においても各心線が全く同じ位置関係にあるということである。その理由は、光源ＬＥＤやＬＤの光は小さなスポットであったり、中央部の光密度が高いのが常であるため、多心プラスチック光ファイバの中央部の心線で受けた光をそのまま反対の端面の中央部で小口径のレシーバーなどに効率よく接続するためである。しかもどの端面を切断しても、先端がばらけることなく固定され、左右の心線の位置関係が保たれ、且つ多心プラスチック光ファイバの先端での心線が突出や引っ込みを起こさないためにはそれらが融着していることが必要である。そのため、本発明の多段階屈折率分布多心プラスチック光ファイバの製造には、図２に示すような、多段階屈折率分布多心プラスチック光ファイバ用の多層複合紡糸ダイで一気に多段階屈折率分布心線を多数形成しつつ、それらを一体的に融着する方法を用いるのが特に好ましい。
【００２８】
この多層複合紡糸ダイは本発明を実現するための一つの対応装置例であり、図２は図１に示したような５層構造の心線からなる多段階屈折率分布多心プラスチック光ファイバを形成する場合に用いる複合紡糸ダイの断面模式図である。図中、１１〜１５は樹脂口、１７はガイドパイプ、１８は集合ノズルである。第１樹脂口１１に心線の第１層の樹脂が供給され、ガイドパイプ１７から排出される。同様に第２樹脂口１２〜第５樹脂口１５にそれぞれ屈折率の異なる樹脂が供給され、それぞれ同心円状に配置されたガイドパイプ１７を経て５層の構造体が７心排出され、それらが集合され一体的に融着して、集合ノズル１８から太い円形糸として排出される。これを引き伸ばし所望の太さにして、本発明の多段階屈折率分布多心プラスチック光ファイバを得ることができる。
【００２９】
本発明の多段階屈折率分布多心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、多段階屈折率分布多心光ファイバケーブルとして用いられる。
【００３０】
【実施例】
［参考例］
精製された原料モノマーとしてメチルメタクリレートとベンジルメタクリレートを用い、５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によって連続完全混合１段のバルク重合を行ない、それぞれの重合体供給系列から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て、図２に示した５層７心複合紡糸ダイの樹脂口１１〜１５に供給した。本参考例に用いた共重合体のモノマー組成と屈折率及び樹脂供給量を表１に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
本参考例において紡糸温度は２３０℃とした。５層７心複合紡糸ダイの集合ノズルから排出されたストランドを引き伸ばし、延伸処理を行い、直径０．５ｍｍの５段階７心プラスチック光ファイバ裸線を得た。各々の心線の直径は１６２μｍであった。図３に本実施例のプラスチック光ファイバの各心線の屈折率分布を示す。図中、横軸は心線の中心からの距離を示す。心線の半径方向の層の厚さは図３に示すように、中心層の半径が３６μｍ、第２層の厚さが１８μｍ、第３層〜第５層の厚さがそれぞれ９μｍであった。上記プラスチック光ファイバ裸線の外側を黒色ポリエチレンで被覆し、ケーブルとした。
【００３３】
本参考例のプラスチック光ファイバの伝送損失は６５０ｎｍにて２００ｄＢ／ｋｍであった。また、このプラスチック光ファイバの伝送帯域は５００ＭＨｚ・５０ｍ以上が認められた。さらに、このケーブルの曲げに対する光量のロスを調べたところ、入射角０．２ラジアンの光に対し、曲げ半径１０ｍｍで、３６０°曲げ１回で９０％以上の光量が保持できた。
【００３４】
［実施例１］
参考例と同じ５層７心複合紡糸ダイを用いてプラスチック光ファイバを得た。中心層の樹脂と第２層の樹脂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体で、第３層はメチルメタクリレートの単独重合体であり、それぞれ連続完全混合１段のバルク重合で重合し、脱揮押出機とギヤポンプからなる装置から複合紡糸ダイの各樹脂口１１〜１３に導入した。
【００３５】
第４層の樹脂は、第３層に用いたメチメタクリレート単独重合体とビニリデンフロライドとテトラフロロエチレンの８０モル対２０モルの樹脂の９６重量％と４重量％の混合体で、やや白濁した樹脂を用いた。そして第５層にはビニリデンフロライドとテトラフロロエチレンの８０モル対２０モルの樹脂を用いた。それぞれ押出機で溶融し、ギヤポンプで複合紡糸ダイの樹脂口１４、１５に供給した。これらの樹脂の供給量などを表２に記す。
【００３６】
上記第１層〜第４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５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３層の樹脂については５２ｍ−２ｍのカットバック法、第４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２に示す。
【００３７】
【表２】

【００３８】
本実施例において紡糸温度は２３０℃とした。５層７心複合紡糸ダイの集合ノズルから排出されたストランドを引き伸ばし、延伸処理を行い、直径０．５ｍｍの５段階７心プラスチック光ファイバ裸線を得た。各々の心線の直径は１６２μｍであった。図４に本実施例のプラスチック光ファイバの各心線の屈折率分布を示す。図中、横軸は心線の中心からの距離を示す。心線の半径方向の層の厚さは図４に示すように、中心半径が４０μｍ、第２層の厚さが２０μｍ、第３層が１０μｍ、第４層は３μｍ、第５層は８μｍであった。本プラスチック光ファイバ裸線に黒色ポリエチレンで被覆を行い、ケーブルを得た。
【００３９】
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１９５ｄＢ／ｋｍであった。このプラスチック光ファイバの伝送帯域は５００ＭＨｚ・５０ｍ以上が認められた。さらにこのケーブルの曲げに対する光量のロスを調べたところ、入射角０．２ラジアンの光に対し、曲げ半径１０ｍｍで、３６０度曲げ１回で９５％以上の光量が保持できた。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の多段階屈折率分布多心プラスチック光ファイバは、５０ｍ程度の伝送に耐える伝送損失を有し、伝送帯域も５００ＭＨｚ・５０ｍ以上の広帯域を実現し、且つファイバの直径を大きくとることができ、しかもを曲げた時の光量ロスも十分小さいものであるため、取り扱い性が良く、曲げが必要な狭いスペースでの使用にも好ましく適用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多段階屈折率分布多心プラスチック光ファイバの一実施形態の断面図である。
【図２】図１に示したような、多段階屈折率分布多心プラスチック光ファイバを形成する場合に用いる複合紡糸ダイの断面模式図である。
【図３】実施例１のプラスチック光ファイバの各心線の屈折率分布を示す図である。
【図４】実施例２のプラスチック光ファイバの各心線の屈折率分布を示す図である。
【符号の説明】
１〜５樹脂層
６多段階屈折率分布心線
１１〜１５樹脂口
１７ガイドパイプ
１８集合ノズル

Claims

多層複合紡糸ダイにより、３層以上の同心円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低くなる樹脂製の心線を７本以上形成すると同時に、各心線の相対的位置関係を保ったまま各心線の最外層において融着一体化して大口径化してなるプラスチック光ファイバであって、最外層を第Ｎ層（Ｎは３以上の整数）とした時、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層の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、第１層〜第Ｎ−１層の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０．０２〜０．１５であることを特徴とする多段階屈折率分布多心プラスチック光ファイバ。
心線を構成する樹脂がメチルメタクリレート系樹脂からなる請求項１記載の多段階屈折率分布多心プラスチック光ファイバ。
心線を構成する樹脂のうち最外層を形成する樹脂がビニリデンフロライド系樹脂であり、該最外層以外の層を形成する樹脂がメチルメタクリレート系樹脂である請求項１記載の多段階屈折率分布多心プラスチック光ファイバ。
各心線の屈折率が心線の中心から半径方向にほぼ２次分布的に低くなっている請求項１〜３いずれかに記載の多段階屈折率分布多心プラスチック光ファイバ。