KR100564886B1 - A Method for Producing a Preform for Plastic Optical Fiber Having a Graded index profile - Google Patents

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Abstract

본 발명은 굴절률이 다른 폴리머 원판과 모노머를 반복적으로 적층하여 공중합시킴으로써 대용량의 데이터 전송이 가능하도록 하는 언덕형 굴절률 분포를 갖는 고분자 광섬유 모재의 제조방법을 개시한다.The present invention discloses a method for producing a polymer optical fiber base material having a hill-shaped refractive index distribution to enable large-capacity data transmission by repeatedly stacking and copolymerizing polymer discs having different refractive indices and monomers.

본 발명은 광섬유의 굴절률이 축방향으로 변화를 가짐에 따라 광신호 대역폭을 증가시키고 전송 대역폭을 증가시키기 위한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 서로 다른 굴절율을 가지는 폴리머 원판과 모노머를 반복적으로 적층시켜 이들을 공중합시킨 고분자 광섬유 모재를 제조하는 언덕형 굴절률 분포를 갖는 고분자 광섬유 모재의 제조방법을 제안한다.The present invention is to increase the optical signal bandwidth and increase the transmission bandwidth as the refractive index of the optical fiber has a change in the axial direction. To this end, the present invention proposes a method of manufacturing a polymer optical fiber base material having a hill-shaped refractive index distribution to produce a polymer optical fiber base material copolymerized by repeatedly stacking polymer discs and monomers having different refractive indices.

이와 같이 하여 본 발명은 광섬유의 길이방향을 따라 주기적으로 변화하는 굴절률 분포를 가짐에 따라 모드 믹싱(mode mixing)에 의해 대역폭이 증가하고 전송 속도가 크게 향상된 광섬유를 제조할 수 있으며, 화상정보를 포함한 고화질의 멀티미디어 정보를 보다 신속하게 전송시킬 수 있는 유용한 효과가 있다.In this manner, the present invention has a refractive index distribution that changes periodically along the longitudinal direction of the optical fiber, thereby manufacturing an optical fiber having an increased bandwidth and a significantly improved transmission speed by mode mixing, including image information. There is a useful effect that can transmit high-quality multimedia information more quickly.

Description

언덕형 굴절률 분포를 갖는 고분자 광섬유 모재의 제조방법{A Method for Producing a Preform for Plastic Optical Fiber Having a Graded index profile}A method for producing a preform for plastic optical fiber having a graded index profile

도 1은 본 발명에 따른 고분자 광섬유 모재를 제조하기 위한 장치의 개략적인 모식도이다.
도 2는 본 발명에서 제시하는 고굴절 고분자 원판(80)의 단면과 측면이다.
1 is a schematic diagram of an apparatus for manufacturing a polymer optical fiber base material according to the present invention.
2 is a cross-sectional view and a side surface of the high refractive polymer disc 80 presented in the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10: 모노머 저장소 20: 모노머 용액 30: 유속조절 장치10: monomer reservoir 20: monomer solution 30: flow rate control device

40: 크래딩 50: 저굴절 고분자 60 고굴절 고분자40: cladding 50: low refractive polymer 60 high refractive polymer

70: 가열장치 80: 폴리머 원판
81: 고굴절 고분자 원판 측면도
70: heater 80: polymer disc
81: high refractive polymer disc side view

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본 발명은 축 방향을 따라 점진적으로 변화하는 굴절률 분포를 갖는 광통신용 플라스틱 광섬유(Graded index plastic optical fiber; GI-POF) 모재(preform)의 제조에 관한 것이다. 굴절률이 다른 두 개의 고분자층과 단분자를 적층하여 공중합함에 따라, 광섬유의 길이방향을 따라 주기적으로 변화하는 굴절률 분포를 갖는 GI-POF 모재를 제조하는 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to the manufacture of a plastic indexed fiber optical fiber (GI-POF) preform having a refractive index distribution that changes gradually along the axial direction. The present invention relates to a method of manufacturing a GI-POF base material having a refractive index distribution that periodically changes along the longitudinal direction of an optical fiber by laminating and copolymerizing two polymer layers having different refractive indices and a single molecule.

실리카 광섬유의 경우, 광 네트워크에 사용되는 다중모드(multi-mode) 광섬유는 코어(core)의 직경이 약 10 마이크론 이상으로서 단일모드(single-mode) 광섬유에 비해서 매우 크기 때문에, 광원이나 검출기 또는 광섬유간의 연결이 단일모드 광섬유 보다 용이한 반면, 모드간의 전파속도 차이에 의한 모드분산(modal dispersion) 현상으로 인해 다량의 데이터를 전송할 수 없다는 단점이 있다.In the case of silica optical fibers, multi-mode optical fibers used in optical networks have a core diameter of about 10 microns or more and are much larger than single-mode optical fibers, so that they are light sources, detectors or optical fibers. While the connection between the two is easier than the single-mode fiber, there is a disadvantage in that a large amount of data cannot be transmitted due to the modal dispersion phenomenon caused by the difference in propagation speed between the modes.

이러한 다중모드의 모드간 분산 문제를 해결하기 위해, 광섬유의 코어 부분의 굴절률을 부드러운 곡선으로 형성시켜 점진적으로 변화하는 굴절률 분포를 갖는 GI형(graded index) 실리카 광섬유가 개발되었다. 이 GI형 플라스틱 광섬유는 실리카 광섬유보다 다루기 쉽고 전송 대역폭이 넓은 장점으로 인해 근거리 광통신 및 홈 네트워크에 적용하는 연구 개발이 진행되고 있다. 한편 속이 빈 실린더 형태의 유리관을 다발 형태로 묶고 그 중심에는 속이 찬 실린더 형태의 유리봉을 넣어 제작하는 실리카 유리 광자결정 광섬유(photonic crystal fiber) 또는 다공질 광섬유(holey fiber)가 개발된 바 있다. 이는 코어의 직경은 크지만 단일모드 형태로 작동하거나 또는 유도되는 모드의 수가 크게 줄어든 다중모드 형태로 작동하므로 사용이 간편하고 동시에 데이터 전송량도 크게 할 수 있고, 또한 일반 광섬유에 비해 특이한 색 광학특성을 갖는다. 그러나, 이러한 광자결정 광섬유는 모재 제조공정 및 광섬유 인출 조건이 까다롭기 때문에 광신호 전달용 광섬유로는 적합하지 않은 단점이 있다. GI-POF 제조과정은 표면 젤 효과를 이용하가나 고굴절 첨가물과, 단분자의 비중차를 이용한 방법과, 회전에 의한 제조방법이 있으나 제조 공정이 매우 어렵고 원하는 굴절률 분포를 이루기 어렵다는 단점이 있다.In order to solve this multimode dispersion problem, a GI grade (graded index) silica optical fiber having a gradually changing refractive index distribution has been developed by forming the refractive index of the core portion of the optical fiber in a smooth curve. This GI type plastic optical fiber is easier to handle than silica fiber and has a wider transmission bandwidth. Therefore, research and development for the short distance optical communication and home network is progressing. Meanwhile, a silica glass photonic crystal fiber or a porous fiber has been developed in which a hollow cylinder-shaped glass tube is bundled into a bundle, and a hollow cylindrical glass rod is inserted at the center thereof. It has a large diameter but operates in a single mode or in a multimode mode in which the number of induced modes is greatly reduced, which makes it easy to use and at the same time increases the data transmission rate. Have However, such a photonic crystal optical fiber has a disadvantage that it is not suitable as an optical signal transmission optical fiber because the process of manufacturing the base material and the fiber drawing conditions are difficult. GI-POF manufacturing process has a surface gel effect, but there is a high refractive index additive, a method using a specific molecular weight difference of the single molecule, and a manufacturing method by rotation, but the manufacturing process is very difficult and difficult to achieve the desired refractive index distribution.

이에 본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 플라스틱 광섬유 모재를 제조함에 있어서 볼록렌즈 형태의 고굴절률 폴리머 원판과 단분자를 반복적으로 적층하므로 폴리머와 단분자의 계면에서 표면 겔 현상에 의해 GI-POF 모재로 된 광섬유 모재를 제조하는 방법을 개발하기에 이른 것이다.Therefore, in order to solve this problem, the present inventors repeatedly laminated convex lens-type high-refractive-index polymer plates and monomolecules in manufacturing a plastic optical fiber base material. It has begun to develop a method for manufacturing an optical fiber base material.

이에 따라, 본 발명의 목적은 언덕형 굴절률 분포(Graded-index)를 갖는 광섬유의 굴절률이 축방향으로 변화를 가짐에 따라 광신호 대역폭을 증가시키고 전송 대역폭을 증가시킬 수 있는 언덕형 굴절률 분포를 갖는 고분자 광섬유(GI-POF) 모재의 제조방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to have a hill-shaped refractive index distribution that can increase the optical signal bandwidth and increase the transmission bandwidth as the refractive index of the optical fiber having a gradient-index has an axial change It is to provide a method for producing a polymer optical fiber (GI-POF) base material.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폴리머 원판과 모노머 혼합물을 주기적으로 적하하여 공중합시킴으로써 광섬유의 길이방향을 따라 주기적으로 변화하는 언덕형 굴절률 분포를 갖는 고분자 광섬유 모재의 제조방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a polymer optical fiber base material having a hill-shaped refractive index distribution that changes periodically along the longitudinal direction of the optical fiber by periodically dropping and copolymerizing the polymer disc and the monomer mixture.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에서는 광섬유 모재내에 길이방향으로 주기적 굴절률 분포를 형성하기 위하여, 굴절률이 서로 다른 폴리머 원판과 단분자를 적층하여 폴리머 원판과 단분자 계면에서의 계면 겔 현상을 이용하여 모재를 제조한다. 여기에 폴리머 원판의 굴절률 제어를 위한 첨가제를 혼합하여 사용할 수 있으며, 이들을 교대로 적하하면서 적층 중합시킴에 따라 모재를 제조하는 것을 특징으로 한다. 이러한 적하중합법은 고분자의 벌크 중합시 발생하는 체적 감소로 인한 공기방울 형성이나 잔류 모노머를 감소시킬 수 있기 때문에, 광섬유 인출시 기포 발생과 잔류 모노머에 의한 산란을 감소시킬 수 있다.In the present invention, in order to form a periodic refractive index distribution in the longitudinal direction in the optical fiber base material, the base material is manufactured using the interfacial gel phenomenon at the interface between the polymer disc and the single molecule by stacking polymer discs and single molecules having different refractive indices. An additive for controlling the refractive index of the polymer disc may be mixed therein, and the base material may be prepared by laminating polymerization while dropping them alternately. Since the drop polymerization method can reduce air bubble formation or residual monomers due to the volume reduction occurring during the bulk polymerization of the polymer, it is possible to reduce bubble generation and scattering due to residual monomers at the time of fiber extraction.

본 발명에서 사용되는 모노머로는 메틸메타크릴레이트(methyl methacrylate; MMA), 폴리스티렌(polystyrene; PS) 등이 있다. 상기 모노머에 굴절률을 제어하기 위한 첨가제, 예를 들면 굴절률 증가제로서 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 브로모벤젠(bromobenzene) 등을 혼합하여 사용하거나, 또는 굴절률 감소제로서 불소수지를 첨가하여 사용할 수 있다. 이들 첨가제는 모노머의 중량을 기준으로 5 내지 10 중량%의 함량으로 사용되는 것이 바람직하다. Monomers used in the present invention include methyl methacrylate (MMA), polystyrene (PS) and the like. An additive for controlling the refractive index of the monomer, for example, polystyrene (PS), polycarbonate (PC), bromobenzene, etc. may be mixed as a refractive index increasing agent, or used as a refractive index reducing agent. Fluorine resin can be added and used. These additives are preferably used in an amount of 5 to 10% by weight based on the weight of the monomers.

또한, 상기 폴리머 층 상부에 모노머 또는 모노머 혼합물을 적하시키는 경우 적하되는 분량은 1회 2 내지 4cc, 바람직하게는 3cc 정도의 분량으로 5 내지 10 초의 주기를 갖고 반응기에 공급한다. In addition, when the monomer or monomer mixture is added dropwise onto the polymer layer, the dropping amount is supplied to the reactor with a period of 5 to 10 seconds in an amount of 2 to 4 cc, preferably about 3 cc, once.

상기 공중합 공정에서, 모노머 또는 모노머 혼합물에 개시제와 사슬이동제를 부가적으로 첨가할 수 있으며, 이때 이들의 사용량은 특별한 제한을 두지는 않으며 원하는 고분자의 물성과 제조공정 조건에 따라 달리한다.In the copolymerization process, an initiator and a chain transfer agent may be additionally added to the monomer or the monomer mixture, and the amount thereof is not particularly limited and depends on the physical properties of the desired polymer and the manufacturing process conditions.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 모재를 제조하기 위한 장치에서, 볼록렌즈로 이루어진 폴리머 원판(80)을 구비하고, 다른 굴절률을 갖는 모노머(20)가 모노머 저장소(10)에 저장되어 있으며, 저장된 모노머(20)를 주기적으로 공급하기 위한 유속조절밸브(30)가 부착되어 있고, 이 유속조절밸브(30)를 단속적으로 개폐되면서 굴절률이 다른 모노머(20)가 주기적으로 크래딩 내부에(40)에 공급된다. 이러한 폴리머 원판(80)과 모노머(20)가 각각 교대로 적하 공급되면서 공중합되어 크래딩 내부에는(40) 내에는 바닥에서부터 교대로 고분자층(50, 60)이 형성되어, 축 방향으로 주기적 굴절률 분포를 갖는 언덕형 굴절률 분포를 갖는 광섬유 모재가 제조된다. In the apparatus for manufacturing the base material according to the present invention as shown in FIG. 1, a polymer disc 80 consisting of convex lenses is provided, and monomers 20 having different refractive indices are stored in the monomer reservoir 10. A flow rate control valve 30 for periodically supplying the stored monomers 20 is attached, and the monomers 20 having different refractive indices are periodically inserted into the cladding while the flow rate control valve 30 is intermittently opened and closed ( 40). These polymer discs 80 and monomers 20 are alternately supplied dropwise to each other to copolymerize to form polymer layers 50 and 60 alternately from the bottom in the interior of the cladding 40. An optical fiber base material having a hill-shaped refractive index distribution having

이렇게 제조된 광섬유 모재는 진공하에서 100 내지 110 ℃에서 열처리시킬 수 있으며, 이러한 열처리 공정은 모노머(20)의 중합을 완전하게 하고, 미반응 모노머와 수분을 증발시켜 광섬유 내에서 산란에 의한 손실을 감소시킬 수 있다. Thus prepared optical fiber base material can be heat-treated at 100 to 110 ℃ under vacuum, this heat treatment process to complete the polymerization of the monomer 20, and to reduce the loss due to scattering in the optical fiber by evaporating the unreacted monomer and water. You can.

본 발명의 방법에서 사용되는 반응기 소재로는 특별한 제한을 두지 않으나, 열전도성이 좋고 원료 모노머 또는 생성 고분자와 반응을 하지 않는 재료이면 어떠한 것이든 사용될 수 있다.The reactor material used in the method of the present invention is not particularly limited, but any material may be used as long as the material has good thermal conductivity and does not react with the raw material monomer or the produced polymer.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. The invention can be better understood by the following examples, which are intended for the purpose of illustration of the invention and are not intended to limit the scope of protection defined by the appended claims.

실시예Example

실시예 1: 광섬유 모재의 제조Example 1 Preparation of Optical Fiber Base Material

반응기(직경 50 mm)를 사용하여, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 불소수지를 혼합한 후 중합하여 내부 빈 공간의 직경이 30 mm인 튜브 형태의 클래딩(두께 10 mm)을 제조하였다. 이 클래딩 튜브는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 이루어져 있고, 메틸메타크릴레이트(MMA) 용액과 브로모벤젠(bromobenzene)을 8:2로 혼합하여 200 마이크로미터 두께의 폴리머 원판울 제조하고 상기 원판의 직경은 25 mm이다. 이를 반응기 내부에 삽입한 후 메틸메타크릴레이트(MMA) 용액과 브로모벤젠(bromobenzene)을 9:1의 비율로 첨가한 모노머 혼합용액을 각각 1회 3cc의 분량으로 크래딩 내부에 주기적으로 공급하였으며, 이때 반응기 내의 온도는 90℃를 유지시켰다. 반응기에 교대로 고굴절률의 폴리머 원판과 저굴절률의 단분자가 주기적으로 공급된 상기 PMMA 및 모노머 혼합용액은 각각 공중합되어 얇은 막이 교대로 적층된 형태의 고분자화된 광섬유 모재를 제조하였으며, 이어서 이를 진공오븐에 넣고 100 ℃에서 열처리하였다.Using a reactor (50 mm in diameter), polymethyl methacrylate (PMMA) and fluororesin were mixed and polymerized to prepare a tube-type cladding (thickness 10 mm) having a diameter of 30 mm in the inner void space. This cladding tube is made of polymethyl methacrylate (PMMA), and mixed with methyl methacrylate (MMA) solution and bromobenzene at 8: 2 to prepare a 200 micrometer thick polymer disc, and the disc The diameter of is 25 mm. After inserting it into the reactor, a monomer mixed solution containing methyl methacrylate (MMA) solution and bromobenzene in a ratio of 9: 1 was periodically supplied to the inside of the cladding in a quantity of 3 cc each. At this time, the temperature in the reactor was maintained at 90 ℃. The PMMA and the monomer mixture solution, in which the high refractive index polymer disk and the low refractive index monomolecule were periodically supplied to the reactor, were copolymerized, respectively, to prepare a polymerized optical fiber base material in which thin films were alternately laminated. Placed in an oven and heat treated at 100 ℃.

실시예 1: 광섬유의 제조Example 1 Preparation of Optical Fiber

실시예 1에서 제조된 광섬유 모재를 전기로 온도가 270 ℃의 광섬유 인출용 가열로에서 10 m/분의 속도로 광섬유를 연신시켜, 직경이 700 ㎛인 광섬유를 수득하였다. The optical fiber base material prepared in Example 1 was stretched at an electric furnace temperature of 270 ° C. in a heating furnace for optical fiber extraction at a speed of 10 m / min to obtain an optical fiber having a diameter of 700 μm.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 굴절률이 다른 폴리머 원판과 모노머 용액을 주기적으로 적하하여 공중합됨으로써 제조된 모재는 축 방향으로 언덕형 굴절률 구배를 가짐과 함께 광신호의 밴드폭을 증가시키고, 나아가 기존의 계단형 굴절률을 갖는 PMMA 계열 폴리머 광섬광송신 전송속도 보다 100배 이상 증가시킬 수 있는 광섬유를 제조할 수 있으며, 인터넷을 통한 빠른 정보 전송 및 고화질의 멀티미디어 전송을 가능하게 되어 의료 정보가 포함되어진 화상정보를 병원 내의 네트웍을 통하여 신속하게 다량의 정보를 전달할 수 있어 환자의 진단 및 치료에 사용할 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.As described above, the base material prepared by periodically dropping and copolymerizing a polymer disc and a monomer solution having different refractive indices according to the present invention has a hill-shaped refractive index gradient in the axial direction and increases the bandwidth of the optical signal. It can manufacture optical fiber that can increase more than 100 times than PMMA series polymer optical scintillation transmission speed with stepped refractive index, and it enables fast information transmission and high-definition multimedia transmission through the Internet. The information can be quickly transmitted through a network in the hospital, which has a useful effect that can be used for diagnosis and treatment of patients.

Claims (5)

굴절률이 다른 폴리머 원판과 모노머 용액을 반복적으로 적하하여 공중합시킴을 특징으로 하는 언덕형 굴절률 분포를 갖는 고분자 광섬유 모재의 제조방법.A method for producing a polymeric optical fiber base material having a hill-shaped refractive index distribution, characterized in that the polymer disc and monomer solution having different refractive indices are repeatedly added and copolymerized. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 모노머 용액에 굴절률 증가제가 포함됨을 특징으로 하는 언덕형 굴절률 분포를 갖는 고분자 광섬유 모재의 제조방법.A method for producing a polymeric optical fiber base material having a hill-shaped refractive index distribution, characterized in that the monomer solution contains a refractive index increasing agent. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 폴리머 원판의 중심부가 볼록하게 됨을 특징으로 하는 언덕형 굴절률 분포를 갖는 고분자 광섬유 모재의 제조방법.The center of the polymer disc is convex, characterized in that the manufacturing method of the polymeric optical fiber base material having a hill-shaped refractive index distribution. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 굴절률 증가제는 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 브로모벤젠이고, 굴절률 감소제는 불소수지임을 특징으로 하는 언덕형 굴절률 분포를 갖는 고분자 광섬유 모재의 제조방법.A refractive index increasing agent is polystyrene, polycarbonate, bromobenzene, and a refractive index reducing agent is a manufacturing method of a polymeric optical fiber base material having a hill-shaped refractive index distribution, characterized in that the fluorine resin. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 모노머 용액에 굴절률 감소제가 포함됨을 특징으로 하는 언덕형 굴절률 분포를 갖는 고분자 광섬유 모재의 제조방법.Method for producing a polymeric optical fiber base material having a hill-shaped refractive index distribution, characterized in that the monomer solution contains a refractive index reducing agent.
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