JP4386580B2 - ポリマー光ファイバの屈折率分布型プロフィールを作成するプロセス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリマー光ファイバの屈折率分布型プロフィールを作成するプロセスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光信号伝送にクォーツ・ガラス・ファイバの光導波管を使用することは、通信の分野では現在の一般的方法である。伝送特性および伝送の品質は、材料仕様や開口数とは別に、基本的に、通常は半径方向に対称的なファイバ・コアの屈折率プロフィールによって決定される。典型的な伝送特性は、（たとえばJohn M. Seniorの「Optical Fiber Communications, Second Edition」(Prentice Hall international series in optoelectronics, 1992)で提示されているように）ファイバの減衰、材料の拡散、マルチモード拡散、伝送速度および帯域／長の積である。
【０００３】
現在、いわゆるマルチモード屈折率分布型ファイバと並んで、電気通信に実際使用されているのは、主に単モード階段状屈折率ファイバである。標準的なマルチモード屈折率分布型ファイバは、軸方向に対称の放物線屈折率プロフィールを有する。ファイバ・コアの直径は、通常５０μｍである。逆に、標準的な単モード階段状屈折率ファイバは、コア領域に階段状の屈折率プロフィールを有し、コアのモード・フィールド直径は通常９μｍと１０μｍの間である。一般に使用されている両タイプのファイバの合計直径は１２５μｍである。
【０００４】
このようなファイバで満足できる伝送特性を決定する要因は、選択した屈折率プロフィールによるマルチモード分散の急激な減少であり、これは伝送距離が長い場合に検出可能な信号の重複を大幅に減少させる。単モード・ファイバでは、理想的には１モードしか伝搬することができず、その結果、優れた伝送特性を有する。
【０００５】
光信号伝送には、クォーツ・ガラス系のファイバに加えて、ポリマー光導波管も使用されている（開発レベルの情報については、O. Ziemanの「Bases and Applications of Optical Polymer Fibres」(Der Fernmeldeingenieur, 50, No.11/12, 1996)を参照のこと）。ポリカーボネート、ポリスチレンおよびポリ塩化ビニルで作成したファイバと並んで、現在はポリメチルメタクリレート（以下ＰＭＭＡと略す）で作成したファイバが圧倒的に好まれている。ＰＭＭＡファイバは、１ｍｍの標準直径を有し、その利点は、製造費が比較的低いことに加えて、接続（コネクタ、スプライス）の作成や分岐および結合要素の構成に容易に使用でき、さらに端面の処理が容易で、外部の機械的、物理的および環境的影響にそれほど敏感ではないことである。現在使用可能な伝送導波管は、可視スペクトル範囲にある。
【０００６】
以下の記述は、ＰＭＭＡで作成したポリマー光ファイバの例に関するが、他のポリマー光導波管にも同様に当てはまる。
【０００７】
ＰＭＭＡで作成したポリマー光ファイバの主な欠点は、頻繁に使用される６５０ｎｍの伝送波長における材料に固有の約１５０ｄＢ／ｋｍの高い減衰と、現在市販されている唯一のタイプのファイバが、階段状屈折率プロフィール専用である結果、マルチモード分散が非常に大きいことである。ポリマー光ファイバの階段状屈折率プロフィールは、ファイバ直径のほぼ全体にわたって一定の屈折率プロフィールを呈する。その結果、可能な伝送速度は比較的低く、結合状態にも大きく依存する。約１００ｍの伝送距離が、通信に重要なたとえば１２５メガビット／秒のデータ速度で実際に実現可能と見なすことができる。帯域／長の積が、約２５ｍのファイバ長について１．５ＭＨｚ・ｋｍで計算され、５ＭＨｚ・ｋｍと６ＭＨｚ・ｋｍの間で測定される。
【０００８】
現在、ＰＭＭＡで作成したポリマー光ファイバは、特に低い伝送速度での機械制御の分野、さらにセンサ技術、ロボット工学の分野、および単純な照明システムに使用されている。比較的温度が安定したポリカーボネート・ファイバの仕様が、自動車分野のさらなる用途として検討されている。さらに、短距離、つまりいわゆる「最後の１００ヤード」の「家屋内」、または社内通信（ローカルエリアネットワーク＝ＬＡＮ）の分野にポリマー光ファイバを使用することにも、大きな関心がある。
【０００９】
伝送特性を改善し、したがってポリマー光ファイバの可能な用途の領域を広げるため、屈折率分散型プロフィールを備えたファイバ・コアを有するＰＭＭＡファイバを製造するため、集中的な努力がされてきた。いわゆる「インタフェース・ゲル共重合」で所望の放物線屈折率プロフィールを構築しようとする試みが知られている。プレフォームを作成するため、種々のモノマーＰＭＭＡ誘導体の様々な拡散速度が開発されている。このように作成し、放物線屈折率プロフィールおよび６００μｍのコア直径を有するＰＭＭＡファイバは、まだ市販されていない。しかし、これはデータ伝送速度が大幅に上昇し、減衰値が優れていることを特徴とする。
【００１０】
しかし、拡散速度のために、処理速度が非常に遅い。拡散される物質が常に外側から、つまりファイバのクラッド表面から浸透するので、屈折率プロフィールの形態に関して大きな制限がある。
【００１１】
逆に、ポリマーの屈折率は電離放射線によって変更できることが知られている（W.F.X. Frankその他の「Optical Waveguides in Polymer Materials by Ion Implantation」(SPIE Vol.1559 (1991) 344-353)を参照のこと）。
【００１２】
前述した問題から進んで、本発明の目的は、屈折率プロフィールの設計で可能な最大処理速度と可能な最大の融通性とを実現できる画定された屈折率プロフィールを有するポリマー光ファイバを、単純な方法で作成することができるプロセスを提供することである。
【００１３】
【問題を解決するための手段】
本発明の目的は、請求項１の独特の特徴によって達成される。
【００１４】
本発明によるプロセスでは、電離放射線を使用して、ポリマー光ファイバの材料に化学物理的変化を起こし、これはファイバの全長に沿って、好ましくはコア領域に、ポリマー光ファイバの縦軸に垂直の均一な半径方向屈折率分布型プロフィールが形成されるような方法で、ポリマー光ファイバの屈折率を変化させる。さらに、プロセスは、必要に応じてファイバ・クラッドの屈折率プロフィールに追加的に特定の変更を加えるのに適している。本発明によると、ポリマー光ファイバの代わりにファイバ・プレフォームに照射する。同様に、ファイバ作成に、いわゆる「棒を管に入れる」プロセスを選択する場合は、プレフォームの形態で後のファイバ・コア（単純にするために、以下「ファイバ・コア・プレフォーム」と呼ぶ）を独自に照射することが可能である。この場合、照射後、および適宜焼き戻し後、ファイバ・コア・プレフォームを、ファイバ・クラッド材料として設けた長さの等しい中空円柱にぴったり合った状態で導入し、高温でファイバを前記プレフォームの構成から一緒に引き抜く。
【００１５】
コア領域を変更する場合は、ポリマー光ファイバ、プレフォームまたはファイバ・コア・プレフォームを、縦方向に移動させながら、電離放射線で少なくとも１回照射する。照射は、均一で半径方向に屈折率が分布するプロフィールが実際に獲得されるよう、回転対称でなければならない。
【００１６】
適切な電離放射線のタイプおよび継続時間にすると、照射によって生じる屈折率の変化が適正な屈折率プロフィールを生成する。焼き戻し（ポリマー光ファイバ、プレフォームまたはファイバ・コア・プレフォームを、使用温度より高い規定の温度に、所与の期間だけ保持する）が、最終的に、所望の均一で半径方向に屈折率が分布したプロフィールを形成するような方法で、屈折率プロフィールを最適化する。
【００１７】
さらなる有利な実施形態が、従属項に記載される。
【００１８】
回転対称の照射は、請求項２により獲得され、ポリマー光ファイバ、プレフォームまたはファイバ・コア・プレフォームがファイバの中心線の周囲で所定の角度だけ回転動作を実行するか、光学系の要素が１つまたは複数の照射源とともに、ファイバの中心線の周囲で所定の角度だけ回転する。
【００１９】
請求項３は、電離放射線として電磁放射線（紫外線、Ｘ線またはガンマ線など）を使用する場合のプロセスの実施形態について述べる。
【００２０】
請求項４では、後者の代わりに、粒子放射線（電子、陽電子、重イオンなど）を使用する。
【００２１】
請求項５から８による実施形態は、ファイバ中の電離放射線の所望の空間的分布を、光学系要素でいかに決定するかを示す。前記光学系要素は、反射表面、レンズ、円柱レンズまたは開口でよい。
【００２２】
請求項９から１２は、屈折率変更の方法、速度およびコース、さらに減衰が、ファイバの開始材料に対する種々の追加によって影響される、本発明のさらなる実施形態を示す。同様に、追加を使用して、屈折率の変更に必要な電離放射線の波長または粒子タイプの効果に影響を与えることができる。したがって、例えば、規定された追加によって、可視光線が屈折率を変化させるよう保証することが可能である。さらに、特定の追加を使用して、能動的および受動的制御要素をファイバに組み込むことができる。
【００２３】
【実施の態様】
以下では、図面に関して例示的実施形態に基づき、本発明による解決策をさらに詳細に説明する。
【００２４】
記述を単純にするために、以下では、参照文字１を伴うＰＯＦの呼称は、その通りのポリマー光ファイバを指すばかりでなく、この呼称は同様に、ファイバ・プレフォームまたはファイバ・コア・プレフォームの使用も意味する。
【００２５】
図１ａおよび図１ｂは、ＰＯＦ１の断面にわたる屈折率ｎのプロフィールを概略的に示す。ＰＯＦ１の縦軸に平行な任意の線に沿った屈折率は一定である。最も単純なファイバのタイプは、図１ａに示すような、いわゆる階段状屈折率プロフィールを有する。コア半径ａおよび全半径ｂのＰＯＦ１は、この場合、２層の異なる屈折率ｎ1およびｎ2で構成され、前記層はファイバ・コアの周囲で同心である。図は、ファイバの中心線からゼロ点０から距離ｒにわたる屈折率ｎを示す。半径ａのＰＯＦ１のコアは、屈折率ｎ1のプラスチックで構成される。ファイバ・クラッドａ＜ｒ≦ｂは屈折率ｎ2を有し、これは屈折率ｎ1がｎ2より大きい場合である。光の伝搬は、屈折率ｎ1のコアの内側で生じる。ファイバ・コアａの半径が小さいほど、ファイバを通って伝導できる波長の光のモードが少なくなる。理想的な極端な場合には、１つの波長の１モードのみが光ファイバを通過することができる。
【００２６】
約１ｍｍの普通のコア直径を有するポリマー光ファイバは、このような理想的な場合から遠く離れている。通信に関連する信号は特定のスペクトル信号幅を有し、したがって複数の波長で構成され、それぞれが複数のモードで伝搬することができる。しかし、異なる波長は、異なる光路のためにその伝搬可能なモードにおいて異なる速度で伝導されるので、信号の元の形態は比較的短い伝送距離に既に広がり、初期の段階で既に分離が不可能になる。
【００２７】
この状況は、屈折率分布型プロフィールを備えたファイバ・コアを設けることによって、改善することができる。図１ｂは、一例として、放物線屈折率プロフィールを示す。この場合は、図１ａの場合と同様に、ＰＯＦ１が屈折率ｎ2のファイバ・クラッドを有する。ＰＯＦ１のコアは均一な屈折率を持たない。代わりに、領域０≦ｒ≦ａ内でファイバ中心の屈折率ｎmaxから値ｎ2まで放物線状に低下する。このような屈折率の勾配は、ファイバ中心に向かって異なる強度で異なるモードを屈折させるという特性を有する。したがって、モードの伝搬時間の差は広範囲に相殺され、信号はそれほど迅速に広がらず、信号伝送の有効範囲が大幅に増加する。
【００２８】
本発明によるプロセスの目的は、単純かつ変動可能な方法で、ポリマー光ファイバ、ポリマー・プレフォームまたはファイバ・コア・プレフォームにこのような上述した屈折率分布型プロフィールを生成することである。
【００２９】
図２は、例示的に本発明によるプロセスをさらに詳細に説明するベースとなる構成を概略的に示す。これは、ファイバ中心線７、放射線源５、鏡７、さらに窓４を備えたスリーブ２を有するＰＯＦ１を示す。ＰＯＦ１は、放射線源５からの電離放射線に露出し、これはプロセスの変形では、ファイバの中心線７に集束するために特に有利な均質の放射線特性を有するよう意図される。たとえば、放射線源５は紫外線灯でよい。ＰＯＦを好ましくはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）で作成する場合、有効波長範囲は、この場合、ＰＭＭＡの紫外線吸収端に到達しているので、λ＜３８０ｎｍの波長で始まり、放射線はこの範囲で化学物理的構造を最も適切に変化させる。他の材料の場合、他の範囲の電磁スペクトルを使用することも可能である。例えば、感光性物質を追加することにより、可視スペクトル範囲の光でもポリマーに所望の変化を生じさせることが可能である。
【００３０】
同様に、電離放射線として電子、陽電子などの粒子放射線を使用することが可能である。放射線は、特に放射性プレパラートの形態で入手可能であり、例えば電界または磁界の作用でＰＯＦ１に適切に集束することができる。
【００３１】
次に、ＰＯＦ１内で放射線強度が半径方向に不均質に分散するような方法で、放射線源５からの電離放射線をＰＯＦ１に配向しなければならない。最も単純な場合、電離放射線は、この目的のためＰＯＦ１のファイバ中心線７に集束し、その結果、屈折率の変化はその点で最大となる。図１ｂで示すように、屈折率はＰＯＦ１の縁に向かって減少する。この例では、鏡３によって集束が達成され、鏡はＰＯＦ１のファイバ中心線７の周囲で例えば放物面形または長楕円形で湾曲するのが理想的である。ＰＯＦ１のファイバ中心線７は、鏡３の集束線に正確に配置しなければならない。均一で回転対称形の照射を獲得するため、ＰＯＦ１および／または鏡３は、ＰＯＦ１の縦軸を中心に少なくとも規定された角度だけ回転しなければならない。角度は鏡３の幾何学的形状に依存する。１８０°以上の回転角度の場合、均一な照射が獲得される。ＰＯＦ１の全ての側から均一に照射するため、さらなる鏡３およびさらなる放射線源５を使用することも可能である。環状放射線源を使用することも想定される。ファイバ軸に平衡にＰＯＦ１を案内する上で、最大の精度は、スリーブ２によって達成され、これに窓４を設ける。本発明によると、支持のないファイバの案内は、図４でさらに詳細に述べる形態でも達成することができる。
【００３２】
照射中にＰＯＦ１全体を、鏡３、放射線源５およびスリーブ２で構成されたシステムによって、縦軸の方向に引っ張る。これにより、屈折率がＰＯＦ１のファイバ中心線７に沿って一定であることが保証される。引張り速度は、屈折率で所望の変化を獲得するために、必要に応じて適応させる。この構成は、鏡３の形状を変化させることにより、ＰＯＦ１内の放射線強度の分布、したがって屈折率プロフィールを制御することが可能である。
【００３３】
プロセスは、照射中にＰＯＦ１に追加の化学的および／または物理的変化を引き起こす感光性付加物によって、加速または減速することができる。例えば、このような物質をファイバ、プレフォームまたはファイバ・コア・プレフォームの製造中に、開始材料を混合することによって導入するか、その後に拡散によって導入することができる。同様に、付加物の量および分配を通して、屈折率プロフィールまたは減衰に影響することが可能である。
【００３４】
さらに、特定の光学活性付加物および／または適切に標的を定めた照射によって、ＰＯＦ１に受動的または能動的制御要素を実現することができる。
【００３５】
照射後、経時的に安定した屈折率プロフィールが獲得できるよう、ＰＯＦ１を特定の長さの時間だけ焼き戻す。これは、例えば（使用温度より高い）規定の温度で、しばしば既に製造プロセスの一部である作業を維持することによって達成することができる。
【００３６】
したがって、本発明によるプロセスは、簡単に使用でき、屈折率プロフィールの選択に融通性があり、少なくとも一部で連続的プロセス作業が想定できるということを特徴とする。
【００３７】
図３は、少なくとも１つの集束ユニット６、好ましくはレンズを、放射線の集束に使用するプロセスの変形を示す。この場合、放射線源５からの放射線を、複数の点の形態で、または円柱レンズを使用している場合は、好ましくはファイバ中心線７と対応する集束線７上の線の形態で、集束ユニット６によって集束する。これは、この場合も照射強度が、したがって屈折率の変化も最大である箇所である。均一な回転対称の照射を獲得するため、ＰＯＦ１はファイバ中心線７の周囲でファイバの縦方向に回転する。集束ユニットがファイバ中心線７の周囲で回転する場合も、これが達成され、放射線源を同期して移動させることが可能である。
【００３８】
図４は、複数の円柱レンズ１０、１０’を使用する、本発明の有利な設計の実施形態を概略的に示す。この場合、対応する同心開口９、９’を有する２つの円形ディスク８、８’で、ＰＯＦ１を可能な限り最小の公差で距離ｄにわたって自由に案内する。周辺には少なくとも１つ、好ましくは複数の円柱レンズ１０、１０’を設ける。円柱レンズ１０、１０’の位置は、保持部片１１から１１'''によって固定し、これは調節装置としても働くことができる。円柱レンズ１０、１０’の数に対応する数の（可能であれば棒形の）放射線源１２、１２’を、ファイバ中心線７から同距離で円柱レンズ１０、１０’上に設ける。ＰＯＦ１がファイバ中心線７に平行に前方に移動する間、円柱レンズ１０、１０’が、好ましくはＰＯＦ１のファイバ中心線７の周囲で、棒形放射線源１２、１２’と同期して回転し、その結果、所望の屈折率プロフィールになる。このプロセスは、紫外線に特に適している。
【００３９】
図５は、Ｘ線またはガンマ線を使用してＰＯＲ１に屈折率分布型プロフィールを生成するのに適したプロセスの変形を示す。この場合、適切な数の細いビーム束１５、１５’、１５”を分離し、これを半径方向にファイバ中心線７に向かって照射するため、例えば複数の高エネルギー放射線源１３、１３’、１３”から発する放射線が、適切な幾何学的形状の対応する数の開口１４、１４’、１４”を通して配向される。ビーム束１６のインタフェースで、放射線強度の上昇によって屈折率が上昇する。照射中、ＰＯＦ１を、その縦軸の方向で前方に移動させる。この場合も、必要な屈折率プロフィールを獲得するため、高エネルギー放射線源１３、１３’、１３”が、好ましくはＰＯＦ１のファイバ中心線７の周囲で、開口１４、１４’、１４”とともに回転する。
【００４０】
原則的に、電離放射線によって屈折率を変更できれば、上述した方法で（ガラスなどの）非ポリマー材料を処理することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 階段状屈折率プロフィールを備えた光ファイバの断面図である。
【図１ｂ】 屈折率分布型プロフィールを備えた光ファイバの断面図である。
【図２】 反射および集束表面の一例として放物面鏡を使用する場合の、プロセスの実施形態を概略的に示す。
【図３】 ファイバを回転させ、ビームを集束するプロセスの実施形態を概略的に示す。
【図４】 放射線の集束に複数の円柱レンズを使用する場合の、プロセスの実施形態を概略的に示す。
【図５】 放射線の強度を増加させるため、複数の開口の構成を使用して、対応する数のビーム束をファイバ・コアに配向する方法を概略的に示す。
【符号の説明】
ｎ 光学的屈折率
ｎ1 導波管としてのファイバのコア屈折率
ｎ2 光導波管としてのファイバのクラッド屈折率：ｎ2＜ｎ1
ｎmax 放物線屈折率プロフィールの場合の最大コア屈折率
ｒ ファイバ中心線からの半径方向距離
ａ ファイバ・コアの半径
ｂ ファイバ全体の半径
０ 円形ファイバの断面積の中心点
ｄ 自由ファイバ長
１ ＰＯＦ
２ スリーブ
３ 反射表面
５ 放射線源
６ レンズ
７ ファイバ中心線
８、８’ 円形ディスク
９、９’ 同心開口
１０、１０’ 円柱レンズ
１１〜１１''' 保持部片
１２、１２’ 棒形放射線源
１３、１３’、１３” 高エネルギー放射線源
１４、１４’、１４” 開口
１５、１５’、１５” ビーム束
１６ ビーム束のインタフェース
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリマー光ファイバの屈折率分布型プロフィールを作成するプロセスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光信号伝送にクォーツ・ガラス・ファイバの光導波管を使用することは、通信の分野では現在の一般的方法である。伝送特性および伝送の品質は、材料仕様や開口数とは別に、基本的に、通常は半径方向に対称的なファイバ・コアの屈折率プロフィールによって決定される。典型的な伝送特性は、（たとえばJohn M. Seniorの「Optical Fiber Communications, Second Edition」(Prentice Hall international series in optoelectronics, 1992)で提示されているように）ファイバの減衰、材料の拡散、マルチモード拡散、伝送速度および帯域／長の積である。
【０００３】
現在、いわゆるマルチモード屈折率分布型ファイバと並んで、電気通信に実際使用されているのは、主に単モード階段状屈折率ファイバである。標準的なマルチモード屈折率分布型ファイバは、軸方向に対称の放物線屈折率プロフィールを有する。ファイバ・コアの直径は、通常５０μｍである。逆に、標準的な単モード階段状屈折率ファイバは、コア領域に階段状の屈折率プロフィールを有し、コアのモード・フィールド直径は通常９μｍと１０μｍの間である。一般に使用されている両タイプのファイバの合計直径は１２５μｍである。
【０００４】
このようなファイバで満足できる伝送特性を決定する要因は、選択した屈折率プロフィールによるマルチモード分散の急激な減少であり、これは伝送距離が長い場合に検出可能な信号の重複を大幅に減少させる。単モード・ファイバでは、理想的には１モードしか伝搬することができず、その結果、優れた伝送特性を有する。
【０００５】
光信号伝送には、クォーツ・ガラス系のファイバに加えて、ポリマー光導波管も使用されている（開発レベルの情報については、O. Ziemanの「Bases and Applications of Optical Polymer Fibres」(Der Fernmeldeingenieur, 50, No.11/12, 1996)を参照のこと）。ポリカーボネート、ポリスチレンおよびポリ塩化ビニルで作成したファイバと並んで、現在はポリメチルメタクリレート（以下ＰＭＭＡと略す）で作成したファイバが圧倒的に好まれている。ＰＭＭＡファイバは、１ｍｍの標準直径を有し、その利点は、製造費が比較的低いことに加えて、接続（コネクタ、スプライス）の作成や分岐および結合要素の構成に容易に使用でき、さらに端面の処理が容易で、外部の機械的、物理的および環境的影響にそれほど敏感ではないことである。現在使用可能な伝送導波管は、可視スペクトル範囲にある。
【０００６】
以下の記述は、ＰＭＭＡで作成したポリマー光ファイバの例に関するが、他のポリマー光導波管にも同様に当てはまる。
【０００７】
ＰＭＭＡで作成したポリマー光ファイバの主な欠点は、頻繁に使用される６５０ｎｍの伝送波長における材料に固有の約１５０ｄＢ／ｋｍの高い減衰と、現在市販されている唯一のタイプのファイバが、階段状屈折率プロフィール専用である結果、マルチモード分散が非常に大きいことである。ポリマー光ファイバの階段状屈折率プロフィールは、ファイバ直径のほぼ全体にわたって一定の屈折率プロフィールを呈する。その結果、可能な伝送速度は比較的低く、結合状態にも大きく依存する。約１００ｍの伝送距離が、通信に重要なたとえば１２５メガビット／秒のデータ速度で実際に実現可能と見なすことができる。帯域／長の積が、約２５ｍのファイバ長について１．５ＭＨｚ・ｋｍで計算され、５ＭＨｚ・ｋｍと６ＭＨｚ・ｋｍの間で測定される。
【０００８】
現在、ＰＭＭＡで作成したポリマー光ファイバは、特に低い伝送速度での機械制御の分野、さらにセンサ技術、ロボット工学の分野、および単純な照明システムに使用されている。比較的温度が安定したポリカーボネート・ファイバの仕様が、自動車分野のさらなる用途として検討されている。さらに、短距離、つまりいわゆる「最後の１００ヤード」の「家屋内」、または社内通信（ローカルエリアネットワーク＝ＬＡＮ）の分野にポリマー光ファイバを使用することにも、大きな関心がある。
【０００９】
伝送特性を改善し、したがってポリマー光ファイバの可能な用途の領域を広げるため、屈折率分散型プロフィールを備えたファイバ・コアを有するＰＭＭＡファイバを製造するため、集中的な努力がされてきた。いわゆる「インタフェース・ゲル共重合」で所望の放物線屈折率プロフィールを構築しようとする試みが知られている。プレフォームを作成するため、種々のモノマーＰＭＭＡ誘導体の様々な拡散速度が開発されている。このように作成し、放物線屈折率プロフィールおよび６００μｍのコア直径を有するＰＭＭＡファイバは、まだ市販されていない。しかし、これはデータ伝送速度が大幅に上昇し、減衰値が優れていることを特徴とする。
【００１０】
しかし、拡散速度のために、処理速度が非常に遅い。拡散される物質が常に外側から、つまりファイバのクラッド表面から浸透するので、屈折率プロフィールの形態に関して大きな制限がある。
【００１１】
逆に、ポリマーの屈折率は電離放射線によって変更できることが知られている（W.F.X. Frankその他の「Optical Waveguides in Polymer Materials by Ion Implantation」(SPIE Vol.1559 (1991) 344-353)を参照のこと）。
【００１２】
前述した問題から進んで、本発明の目的は、屈折率プロフィールの設計で可能な最大処理速度と可能な最大の融通性とを実現できる画定された屈折率プロフィールを有するポリマー光ファイバを、単純な方法で作成することができるプロセスを提供することである。
【００１３】
【問題を解決するための手段】
本発明の目的は、請求項１の独特の特徴によって達成される。
【００１４】
本発明によるプロセスでは、電離放射線を使用して、ポリマー光ファイバの材料に化学物理的変化を起こし、これはファイバの全長に沿って、好ましくはコア領域に、ポリマー光ファイバの縦軸に垂直の均一な半径方向屈折率分布型プロフィールが形成されるような方法で、ポリマー光ファイバの屈折率を変化させる。さらに、プロセスは、必要に応じてファイバ・クラッドの屈折率プロフィールに追加的に特定の変更を加えるのに適している。本発明によると、ポリマー光ファイバの代わりにファイバ・プレフォームに照射する。同様に、ファイバ作成に、いわゆる「棒を管に入れる」プロセスを選択する場合は、プレフォームの形態で後のファイバ・コア（単純にするために、以下「ファイバ・コア・プレフォーム」と呼ぶ）を独自に照射することが可能である。この場合、照射後、および適宜焼き戻し後、ファイバ・コア・プレフォームを、ファイバ・クラッド材料として設けた長さの等しい中空円柱にぴったり合った状態で導入し、高温でファイバを前記プレフォームの構成から一緒に引き抜く。
【００１５】
コア領域を変更する場合は、ポリマー光ファイバ、プレフォームまたはファイバ・コア・プレフォームを、縦方向に移動させながら、電離放射線で少なくとも１回照射する。照射は、均一で半径方向に屈折率が分布するプロフィールが実際に獲得されるよう、回転対称でなければならない。
【００１６】
適切な電離放射線のタイプおよび継続時間にすると、照射によって生じる屈折率の変化が適正な屈折率プロフィールを生成する。焼き戻し（ポリマー光ファイバ、プレフォームまたはファイバ・コア・プレフォームを、使用温度より高い規定の温度に、所与の期間だけ保持する）が、最終的に、所望の均一で半径方向に屈折率が分布したプロフィールを形成するような方法で、屈折率プロフィールを最適化する。
【００１７】
さらなる有利な実施形態が、従属項に記載される。
【００１８】
回転対称の照射は、請求項２により獲得され、ポリマー光ファイバ、プレフォームまたはファイバ・コア・プレフォームがファイバの中心線の周囲で所定の角度だけ回転動作を実行するか、光学系の要素が１つまたは複数の照射源とともに、ファイバの中心線の周囲で所定の角度だけ回転する。
【００１９】
請求項３は、電離放射線として電磁放射線（紫外線、Ｘ線またはガンマ線など）を使用する場合のプロセスの実施形態について述べる。
【００２０】
請求項４では、後者の代わりに、粒子放射線（電子、陽電子、重イオンなど）を使用する。
【００２１】
請求項５から８による実施形態は、ファイバ中の電離放射線の所望の空間的分布を、光学系要素でいかに決定するかを示す。前記光学系要素は、反射表面、レンズ、円柱レンズまたは開口でよい。
【００２２】
請求項９から１２は、屈折率変更の方法、速度およびコース、さらに減衰が、ファイバの開始材料に対する種々の追加によって影響される、本発明のさらなる実施形態を示す。同様に、追加を使用して、屈折率の変更に必要な電離放射線の波長または粒子タイプの効果に影響を与えることができる。したがって、例えば、規定された追加によって、可視光線が屈折率を変化させるよう保証することが可能である。さらに、特定の追加を使用して、能動的および受動的制御要素をファイバに組み込むことができる。
【００２３】
【実施の態様】
以下では、図面に関して例示的実施形態に基づき、本発明による解決策をさらに詳細に説明する。
【００２４】
記述を単純にするために、以下では、参照文字１を伴うＰＯＦの呼称は、その通りのポリマー光ファイバを指すばかりでなく、この呼称は同様に、ファイバ・プレフォームまたはファイバ・コア・プレフォームの使用も意味する。
【００２５】
図１ａおよび図１ｂは、ＰＯＦ１の断面にわたる屈折率ｎのプロフィールを概略的に示す。ＰＯＦ１の縦軸に平行な任意の線に沿った屈折率は一定である。最も単純なファイバのタイプは、図１ａに示すような、いわゆる階段状屈折率プロフィールを有する。コア半径ａおよび全半径ｂのＰＯＦ１は、この場合、２層の異なる屈折率ｎ1およびｎ2で構成され、前記層はファイバ・コアの周囲で同心である。図は、ファイバの中心線からゼロ点０から距離ｒにわたる屈折率ｎを示す。半径ａのＰＯＦ１のコアは、屈折率ｎ1のプラスチックで構成される。ファイバ・クラッドａ＜ｒ≦ｂは屈折率ｎ2を有し、これは屈折率ｎ1がｎ2より大きい場合である。光の伝搬は、屈折率ｎ1のコアの内側で生じる。ファイバ・コアａの半径が小さいほど、ファイバを通って伝導できる波長の光のモードが少なくなる。理想的な極端な場合には、１つの波長の１モードのみが光ファイバを通過することができる。
【００２６】
約１ｍｍの普通のコア直径を有するポリマー光ファイバは、このような理想的な場合から遠く離れている。通信に関連する信号は特定のスペクトル信号幅を有し、したがって複数の波長で構成され、それぞれが複数のモードで伝搬することができる。しかし、異なる波長は、異なる光路のためにその伝搬可能なモードにおいて異なる速度で伝導されるので、信号の元の形態は比較的短い伝送距離に既に広がり、初期の段階で既に分離が不可能になる。
【００２７】
この状況は、屈折率分布型プロフィールを備えたファイバ・コアを設けることによって、改善することができる。図１ｂは、一例として、放物線屈折率プロフィールを示す。この場合は、図１ａの場合と同様に、ＰＯＦ１が屈折率ｎ2のファイバ・クラッドを有する。ＰＯＦ１のコアは均一な屈折率を持たない。代わりに、領域０≦ｒ≦ａ内でファイバ中心の屈折率ｎmaxから値ｎ2まで放物線状に低下する。このような屈折率の勾配は、ファイバ中心に向かって異なる強度で異なるモードを屈折させるという特性を有する。したがって、モードの伝搬時間の差は広範囲に相殺され、信号はそれほど迅速に広がらず、信号伝送の有効範囲が大幅に増加する。
【００２８】
本発明によるプロセスの目的は、単純かつ変動可能な方法で、ポリマー光ファイバ、ポリマー・プレフォームまたはファイバ・コア・プレフォームにこのような上述した屈折率分布型プロフィールを生成することである。
【００２９】
図２は、例示的に本発明によるプロセスをさらに詳細に説明するベースとなる構成を概略的に示す。これは、ファイバ中心線７、放射線源５、鏡７、さらに窓４を備えたスリーブ２を有するＰＯＦ１を示す。ＰＯＦ１は、放射線源５からの電離放射線に露出し、これはプロセスの変形では、ファイバの中心線７に集束するために特に有利な均質の放射線特性を有するよう意図される。たとえば、放射線源５は紫外線灯でよい。ＰＯＦを好ましくはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）で作成する場合、有効波長範囲は、この場合、ＰＭＭＡの紫外線吸収端に到達しているので、λ＜３８０ｎｍの波長で始まり、放射線はこの範囲で化学物理的構造を最も適切に変化させる。他の材料の場合、他の範囲の電磁スペクトルを使用することも可能である。例えば、感光性物質を追加することにより、可視スペクトル範囲の光でもポリマーに所望の変化を生じさせることが可能である。
【００３０】
同様に、電離放射線として電子、陽電子などの粒子放射線を使用することが可能である。放射線は、特に放射性プレパラートの形態で入手可能であり、例えば電界または磁界の作用でＰＯＦ１に適切に集束することができる。
【００３１】
次に、ＰＯＦ１内で放射線強度が半径方向に不均質に分散するような方法で、放射線源５からの電離放射線をＰＯＦ１に配向しなければならない。最も単純な場合、電離放射線は、この目的のためＰＯＦ１のファイバ中心線７に集束し、その結果、屈折率の変化はその点で最大となる。図１ｂで示すように、屈折率はＰＯＦ１の縁に向かって減少する。この例では、鏡３によって集束が達成され、鏡はＰＯＦ１のファイバ中心線７の周囲で例えば放物面形または長楕円形で湾曲するのが理想的である。ＰＯＦ１のファイバ中心線７は、鏡３の集束線に正確に配置しなければならない。均一で回転対称形の照射を獲得するため、ＰＯＦ１および／または鏡３は、ＰＯＦ１の縦軸を中心に少なくとも規定された角度だけ回転しなければならない。角度は鏡３の幾何学的形状に依存する。１８０°以上の回転角度の場合、均一な照射が獲得される。ＰＯＦ１の全ての側から均一に照射するため、さらなる鏡３およびさらなる放射線源５を使用することも可能である。環状放射線源を使用することも想定される。ファイバ軸に平衡にＰＯＦ１を案内する上で、最大の精度は、スリーブ２によって達成され、これに窓４を設ける。本発明によると、支持のないファイバの案内は、図４でさらに詳細に述べる形態でも達成することができる。
【００３２】
照射中にＰＯＦ１全体を、鏡３、放射線源５およびスリーブ２で構成されたシステムによって、縦軸の方向に引っ張る。これにより、屈折率がＰＯＦ１のファイバ中心線７に沿って一定であることが保証される。引張り速度は、屈折率で所望の変化を獲得するために、必要に応じて適応させる。この構成は、鏡３の形状を変化させることにより、ＰＯＦ１内の放射線強度の分布、したがって屈折率プロフィールを制御することが可能である。
【００３３】
プロセスは、照射中にＰＯＦ１に追加の化学的および／または物理的変化を引き起こす感光性付加物によって、加速または減速することができる。例えば、このような物質をファイバ、プレフォームまたはファイバ・コア・プレフォームの製造中に、開始材料を混合することによって導入するか、その後に拡散によって導入することができる。同様に、付加物の量および分配を通して、屈折率プロフィールまたは減衰に影響することが可能である。
【００３４】
さらに、特定の光学活性付加物および／または適切に標的を定めた照射によって、ＰＯＦ１に受動的または能動的制御要素を実現することができる。
【００３５】
照射後、経時的に安定した屈折率プロフィールが獲得できるよう、ＰＯＦ１を特定の長さの時間だけ焼き戻す。これは、例えば（使用温度より高い）規定の温度で、しばしば既に製造プロセスの一部である作業を維持することによって達成することができる。
【００３６】
したがって、本発明によるプロセスは、簡単に使用でき、屈折率プロフィールの選択に融通性があり、少なくとも一部で連続的プロセス作業が想定できるということを特徴とする。
【００３７】
図３は、少なくとも１つの集束ユニット６、好ましくはレンズを、放射線の集束に使用するプロセスの変形を示す。この場合、放射線源５からの放射線を、複数の点の形態で、または円柱レンズを使用している場合は、好ましくはファイバ中心線７と対応する集束線７上の線の形態で、集束ユニット６によって集束する。これは、この場合も照射強度が、したがって屈折率の変化も最大である箇所である。均一な回転対称の照射を獲得するため、ＰＯＦ１はファイバ中心線７の周囲でファイバの縦方向に回転する。集束ユニットがファイバ中心線７の周囲で回転する場合も、これが達成され、放射線源を同期して移動させることが可能である。
【００３８】
図４は、複数の円柱レンズ１０、１０’を使用する、本発明の有利な設計の実施形態を概略的に示す。この場合、対応する同心開口９、９’を有する２つの円形ディスク８、８’で、ＰＯＦ１を可能な限り最小の公差で距離ｄにわたって自由に案内する。周辺には少なくとも１つ、好ましくは複数の円柱レンズ１０、１０’を設ける。円柱レンズ１０、１０’の位置は、保持部片１１から１１'''によって固定し、これは調節装置としても働くことができる。円柱レンズ１０、１０’の数に対応する数の（可能であれば棒形の）放射線源１２、１２’を、ファイバ中心線７から同距離で円柱レンズ１０、１０’上に設ける。ＰＯＦ１がファイバ中心線７に平行に前方に移動する間、円柱レンズ１０、１０’が、好ましくはＰＯＦ１のファイバ中心線７の周囲で、棒形放射線源１２、１２’と同期して回転し、その結果、所望の屈折率プロフィールになる。このプロセスは、紫外線に特に適している。
【００３９】
図５は、Ｘ線またはガンマ線を使用してＰＯＲ１に屈折率分布型プロフィールを生成するのに適したプロセスの変形を示す。この場合、適切な数の細いビーム束１５、１５’、１５”を分離し、これを半径方向にファイバ中心線７に向かって照射するため、例えば複数の高エネルギー放射線源１３、１３’、１３”から発する放射線が、適切な幾何学的形状の対応する数の開口１４、１４’、１４”を通して配向される。ビーム束１６のインタフェースで、放射線強度の上昇によって屈折率が上昇する。照射中、ＰＯＦ１を、その縦軸の方向で前方に移動させる。この場合も、必要な屈折率プロフィールを獲得するため、高エネルギー放射線源１３、１３’、１３”が、好ましくはＰＯＦ１のファイバ中心線７の周囲で、開口１４、１４’、１４”とともに回転する。
【００４０】
原則的に、電離放射線によって屈折率を変更できれば、上述した方法で（ガラスなどの）非ポリマー材料を処理することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 階段状屈折率プロフィールを備えた光ファイバの断面図である。
【図１ｂ】 屈折率分布型プロフィールを備えた光ファイバの断面図である。
【図２】 反射および集束表面の一例として放物面鏡を使用する場合の、プロセスの実施形態を概略的に示す。
【図３】 ファイバを回転させ、ビームを集束するプロセスの実施形態を概略的に示す。
【図４】 放射線の集束に複数の円柱レンズを使用する場合の、プロセスの実施形態を概略的に示す。
【図５】 放射線の強度を増加させるため、複数の開口の構成を使用して、対応する数のビーム束をファイバ・コアに配向する方法を概略的に示す。
【符号の説明】
ｎ 光学的屈折率
ｎ1 導波管としてのファイバのコア屈折率
ｎ2 光導波管としてのファイバのクラッド屈折率：ｎ2＜ｎ1
ｎmax 放物線屈折率プロフィールの場合の最大コア屈折率
ｒ ファイバ中心線からの半径方向距離
ａ ファイバ・コアの半径
ｂ ファイバ全体の半径
０ 円形ファイバの断面積の中心点
ｄ 自由ファイバ長
１ ＰＯＦ
２ スリーブ
３ 反射表面
５ 放射線源
６ レンズ
７ ファイバ中心線
８、８’ 円形ディスク
９、９’ 同心開口
１０、１０’ 円柱レンズ
１１〜１１''' 保持部片
１２、１２’ 棒形放射線源
１３、１３’、１３” 高エネルギー放射線源
１４、１４’、１４” 開口
１５、１５’、１５” ビーム束
１６ ビーム束のインタフェース
Claims (9)
- ポリマー光ファイバに屈折率分布型プロフィールを作成するプロセスであって、
ポリマー光ファイバまたはプレフォームまたはファイバ・コア・プレフォーム（以下、単に「ＰＯＦ」）が、所与の速度で前記ＰＯＦの中心線に沿って前進する段階と、
所定の照射量および波長を有する電離放射線に前記前進するＰＯＦを露出する段階とを含み、前記露出は、前記中心線の周囲を所定の角度だけ相対的に回転しながら行われ、そして、前記ＰＯＦへの電離放射線の照射が回転対称であり、前記プロセスはさらに、
前記ＰＯＦを、所定の期間、所定の温度で焼き戻して、均一な屈折率分布型プロフィールを形成する段階とを含むことを特徴とするプロセス。 - 前記ＰＯＦの周囲の相対的な回転は、
前記ＰＯＦが、前記中心線で回転するか、または、
前記電離放射線を照射する放射線源を含む放射線装置が、前記中心線の周囲で回転するか、のうちのいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。 - 前記電離放射線は電磁放射線であることを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
- 前記電離放射線は粒子放射線であることを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
- 前記放射線装置は、１つまたは複数の反射面からなる光学系要素を含むことを特徴とする、請求項２に記載のプロセス。
- 前記放射線装置は、１つまたは複数のレンズからなる光学系要素を含むことを特徴とする、請求項２に記載のプロセス。
- 前記放射線装置は、１つまたは複数の円柱レンズからなる光学系要素を含むことを特徴とする、請求項２に記載のプロセス。
- 前記放射線装置は、１つまたは複数の開口からなる光学系要素を含むことを特徴とする、請求項２に記載のプロセス。
- 前記ＰＯＦの開始材料へ特定の付加物を添加する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
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