KR101234919B1 - 플라스틱 광학 섬유 및 그 제조방법, 그리고 광학 전송시스템 - Google Patents

플라스틱 광학 섬유 및 그 제조방법, 그리고 광학 전송시스템 Download PDF

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Abstract

POF (12) 는 반경 R1인 코어 (65), 외부 셸 (66) 및 최외곽 셸 (67) 을 포함한다. 코어 (65) 는 동심원 층들을 포함한다. 제 1 층 (61) 은 외주 측에 있고, 제 n 층 (64) 은 코어 (65) 의 중심에 있다. 굴절률은 제 1 층 (61) 에서부터 제 n 층 (64) 으로 증가한다. 반경 R1인 코어 (65) 의 중심에서 반경 방향으로 거리 r만큼 떨어진 위치에서의 굴절률 N(r) 은, 코어 (65) 의 단면 원형의 중심이 N1의 굴절률을 가지고, 코어 (65) 의 최외곽부가 N2의 굴절률을 가지며, 굴절률 분포 계수를 g로 나타내는 경우, 하기 수학식 (1) 및 (2) 를 만족한다.
[수학식 (1)]
N(r) = N1[1-2△(r/R1)g]1/2
[수학식 (2)]
△=(N12-N22)/(2N12)
플라스틱 광학 섬유, 광학 전송, 굴절률

Description

플라스틱 광학 섬유 및 그 제조방법, 그리고 광학 전송 시스템{PLASTIC OPTICAL FIBER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND OPTICAL TRANSMISSION SYSTEM}
본 발명은 플라스틱 광학 섬유 및 그 제조 방법, 그리고 광학 전송 시스템에 관한 것이다.
최근, 컴퓨터 및 인터넷 사용의 증가에 따라, 정보 전송에 대한 요구가 급증되고, 높은 전송 용량을 가지는 전송 시스템이 요구된다. 2002년 6월에, lOGigabit Ethernet (등록 상표) 가 IEEE (등록 상표) 802.3ae로 표준화되어 있다. 따라서, 높은 전송 용량을 가지는 전송 시스템을 구성하는 정보 전송 장치 및 정보 전송 매체의 상용화가 기대되고, 정보 전송 장치 납품업체 및 정보 전송 매체 제작업체는 정보 전송 장치 및 정보 전송 매체의 전송 용량의 개선을 고려한다.
이러한 상황으로 인하여, 정보 전송 매체로서의 종래 금속 케이블의 사용이 광학 섬유 케이블의 사용으로 변하고 있다. 광학 신호를 다루는 광학 섬유 케이블은, 전기 신호를 다루는 금속 케이블보다 낮은 신호 감쇠 때문에 초장 거리 데이터 통신을 수행할 수 있다. 또한, 광학 신호의 누설 차단이 전기 신호의 누설보다 더 용이하기 때문에, 다수의 광학 섬유 케이블이 상호 간섭 없이 묶일 수 있다.
광학 섬유 케이블의 종류로서, 실리카 유리 광학 섬유 케이블 및 플라스틱 광학 섬유 케이블 등이 있다. 특히, 플라스틱 광학 섬유 케이블이 실리카 유리 광학 섬유 케이블에 비해 저비용으로 쉽게 제조 및 프로세싱될 수 있다.
플라스틱 광학 섬유 케이블은 도광 경로로서 플라스틱 광학 섬유 (POF) 를 구비한다. POF 는 광을 전송하기 위한 코어 및 코어 내부의 광을 유지하기 위해 코어 둘레에 제공되는 외부 셸을 포함한다. 코어로 진입하는 광은 POF를 통과하면서, 상이한 굴절률을 가지는 코어 및 외부 셸 사이의 계면에서 전체 반사를 반복한다. 최근, 굴절률이 반경 방향에서 코어의 중심 측으로 점진적으로 증가하는 경사형 굴절률 POF (graded-index POF, GI-POF) 가 많은 주목을 끌고 있다. GI-POF에 있어서, 중심을 통과하는 광 및 주변부로 진입하는 광은 그 특정 굴절률 분포 (프로파일) 에 의해 대략 동일한 시간으로 전송된다. 따라서, 입력 신호에서 왜곡이 발생하지 않으며, 이것은 고속 통신 및 전송의 대용량을 실현한다.
POF의 제조 방법으로서, POF 프리폼을 형성한 다음 가열-드로잉하여 원하는 직경을 가지는 POF가 되게 하는 방법이 있다. 일본 공개 특허공보 제 10-96825 호 (본 발명의 발명자에 의함) 에 있어서, 프리폼 제조 공정에서, 중합성 조성물이 파이프에 주입 (pouring) 되고 회전 파이프가 회전될 때 중합성 조성물이 중합되어, 파이프 내부에 폴리머층이 형성된다. 상기 공정을 반복하여 동심원으로 적층된 복수의 폴리머층을 가지는 프리폼을 형성한다. 다른 층들과 상응하는 굴절률이 상이한 각 층의 중합성 조성물이 사용되기 때문에, 원하는 굴절률 분포를 가지는 GI-POF 를 제조할 수 있다.
한편, 전송 장치의 정보 전송 용량을 증가시키기 위한 또 다른 해결책으로서, 파장-분할 멀티플렉싱 (WDM), 조밀 파장 분할 멀티플렉싱 (DWDM) 등이 제안된다. 이들 방법은 상이한 파장의 광 빔이 서로 간섭하지 않는 광학 특성을 이용하고 있다. 상이한 파장을 가지는 광학 신호가 광학 섬유에서 동시에 전송되기 때문에, 광학 섬유의 정보 전송 용량은 급격히 증가될 수 있다.
하지만, WDM 또는 DWDM 을 이용한 전송 시스템은 이 시스템의 전송 장치가 고비용을 요구하기 때문에, 현재 몇몇 특정 분야에서만 사용된다. 따라서, 저비용으로 우수한 전송 특성을 가지는 전송 시스템을 제공하기 위해서, 우수한 전송 특성을 가지는 POF가 요구된다. 하지만, 10Gbps의 고-대역폭 특성을 가지는 POF의 제조 방법, 및 10Gbps의 고-대역폭 특성을 발현하는 POF의 굴절률 분포는 여전히 개시되어 있지 않다.
본 발명의 목적은 우수한 전송 특성을 가지는 POF 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 POF를 사용하는 광학 전송 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 개시
상기 목적 및 다른 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 플라스틱 광학 섬유는 광을 전송하기 위한 코어 및 코어 내부의 광을 유지시키기 위해 코어 둘레에 제공되는 외부 셸을 포함한다. 코어는 하기 식 (1) 로 나타낸 제 1 중합성 화합물 및 하기 식 (2) 로 나타낸 제 2 중합성 화합물의 코폴리머를 포함한다. 코어 는, 코어 (65) 의 단면 원형의 중심이 N1의 굴절률을 가지고, 코어의 최외곽부가 N2의 굴절률을 가지며, 코어의 반경을 R1으로 나타내고, 그리고 굴절률 분포 계수를 g로 나타내는 경우, 하기 수학식 (1) 및 수학식 (2) 를 만족하는 굴절률 분포를 가진다.
[수학식 (1)]
N(r) = N1[1-2△(r/R1)g]1/2
[수학식 (2)]
△=(N12-N22)/(2N12)
[식 (1)]
Figure 112008051929413-pct00001
식 (1) 중, R1 및 R2 각각은 독립적으로 H 또는 D를 나타내고; R3은 H, D, CH3, CD3 또는 할로겐 원자를 나타내며; R4는 2 ~ 8개의 탄소 원자 및 불소 원자로 치환된 적어도 하나의 수소 원자를 가지는 알킬기를 나타낸다. 바람직하게, R1 및 R2는 D이다. 바람직하게, R3은 H, D, CH3, CD3 또는 불소 원자나 염소 원자이 고, 보다 바람직하게, CD3 또는 불소 원자나 염소 원자이며, 보다 더 바람직하게 CD3 이다. 바람직하게, R4는 2 ~ 6개의 탄소 원자를 가지는 불소-치환 알킬기이고, 보다 바람직하게 2 ~ 4개의 탄소 원자를 가지는 불소-치환 알킬기이다. 불소 치환 알킬기는 분지쇄 또는 시클릭일 수 있지만, 바람직하게 직쇄이다. 바람직하게는, 불소-치환 알킬기에 존재하는 C-H 결합은 부분적으로 또는 전체적으로 C-D 결합으로 치환된다. 구체적으로, 식 (1) 은 바람직하게 중수소화된 플루오로알킬 메타크릴레이트를 가지고, 중수소화도는 바람직하게 95% 에서 100% 미만이다.
[식 (2)]
Figure 112008051929413-pct00002
식 (2) 중, R1 및 R2 각각은 독립적으로 H 또는 D를 나타내고; R3은 H, D, CH3, CD3 또는 할로겐 원자를 나타내며; X1 내지 X5 각각은 독립적으로 H, D, 할로겐 원자 또는 CF3을 나타내고, X1 내지 X5 중 적어도 하나는 할로겐 원자 또는 CF3이다. 바람직하게, R1 및 R2는 D이다. 바람직하게, R3은 H, D, CH3, CD3 또는 불소 원자이거나 염소 원자이며, 보다 바람직하게 CD3 이다. 바람직하게, X1 내지 X5 각각은 독립적으로 불소 원자, 염소 원자 또는 CF3 이고, 보다 바람직하게 불소 원자 또는 염소 원자이다. 식 (2) 에서, 페닐기 상의 할로겐 원자 (구체적으로 바람직하게는 불소 원자) 의 수는 바람직하게 적어도 2이고, 가장 바람직하게 적어도 3이다. 구체적으로, 식 (2) 는 바람직하게 중수소화된 할로게노페닐 메타크릴레이트를 가지고, 중수소화도는 바람직하게 95% 에서 100% 미만이다.
굴절률 분포 계수 g가 하기 식 (3) 을 만족하는 것이 바람직하다.
[식 (3)]
2≤g≤2.3
코어가 60 ~ 250㎛ 범위의 일정한 외직경을 가지는 것이 바람직하다. 플라스틱 광학 섬유의 곡률 반경이 10mm이고, 벤딩 (bending) 각도가 360°인 경우, 전송 손실의 증가량이 1.0dB 미만인 것이 바람직하다. 또한, 전송 손실 값이 20dB/km 내지 200dB/km의 범위인 것이 바람직하다.
본 발명의 광학 전송 시스템은 플라스틱 광학 섬유, 광 전송기 및 광 수신기를 포함한다. 광 전송기는 변조 신호 10Gbps를 생성하기 위해 플라스틱 광학 섬유의 일단에 연결된 변조기, 및 변조 신호에 기초하여 광학 신호를 출력하기 위한 파장 850nm의 광원을 포함한다. 광 수신기는 광학 신호를 검출하고 광학 신호에 기초하여 변조 신호를 출력하기 위한 광 검출기, 및 변조 신호의 복조를 수행하기 위한 복조기를 포함한다. 플라스틱 광학 섬유는 0.03m ~ 50m 범위의 길이 를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 플라스틱 광학 섬유의 제조 방법은 아래에 열거된 단계를 포함한다. 먼저, 파이프의 공동부에 중합성 조성물을 주입하며, 중합성 조성물은 하기 식 (3) 으로 나타낸 제 3 중합성 화합물 및 하기 식 (4) 로 나타낸 제 4 중합성 화합물을 포함한다. 다음, 회전축으로서 단면 원형의 중심 둘레로 파이프를 회전시키면서 중합성 조성물을 중합하여, 파이프의 내벽 안에 폴리머층을 형성한다. 제 3 중합성 화합물에 대한 제 4 중합성 화합물의 비를 점차로 증가시키면서 주입 단계 및 중합 단계를 차례로 추가 수행하여, 폴리머층의 복수층이 파이프 안에 동심원으로 적층되는 코어 프리폼을 형성한다. 또한, 홀을 가지는 외부 셸 프리폼을 형성한다. 외부 셸 프리폼은, 굴절률이 코어 프리폼의 굴절률 이하인 폴리머로 형성된다. 다음, 코어 프리폼을 외부 셸 프리폼의 홀에 삽입함으로써 섬유 프리폼을 형성한다. 마지막으로, 섬유 프리폼을 가열-드로잉하여 광을 전송하기 위한 코어 및 코어 내부의 광을 유지시키기 위해 코어 둘레에 제공되는 외부 셸을 포함하는 플라스틱 광학 섬유를 형성한다. 코어는, 코어 (65) 의 단면 원형의 중심이 N1의 굴절률을 가지고, 코어의 최외곽부가 N2의 굴절률을 가지며, 코어의 반경을 R1으로 나타내고, 그리고 굴절률 분포 계수를 g로 나타내는 경우, 하기 수학식 (4) 및 수학식 (5) 를 만족하는 굴절률 분포를 가진다.
[수학식 (4)]
N(r) = N1[1-2△(r/R1)g]1/2
[수학식 (5)]
△=(N12-N22)/(2N12)
[식 (3)]
Figure 112008051929413-pct00003
식 (3) 중, R1 및 R2 각각은 독립적으로 H 또는 D를 나타내고; R3은 H, D, CH3, CD3 또는 할로겐 원자를 나타내며; R4는 2 ~ 8개의 탄소 원자 및 불소 원자로 치환된 적어도 하나의 수소 원자를 가지는 알킬기를 나타낸다. 바람직하게, R1 및 R2는 D이다. 바람직하게, R3은 H, D, CH3, CD3 또는 불소 원자나 염소 원자이고, 보다 바람직하게, CD3 또는 불소 원자나 염소 원자이며, 보다 더 바람직하게 CD3 이다. 바람직하게, R4는 2 ~ 6개의 탄소 원자를 가지는 불소-치환 알킬기이고, 보다 바람직하게 2 ~ 4개의 탄소 원자를 가지는 불소-치환 알킬기이다. 불소 치환 알킬기는 분지쇄 또는 시클릭일 수 있지만, 바람직하게 직쇄이다. 바람직하게는, 불소-치환 알킬기에 존재하는 C-H 결합은 부분적으로 또는 전체적으로 C-D 결합으로 치환된다. 구체적으로, 식 (3) 은 바람직하게 중수소화된 플루오 로알킬 메타크릴레이트를 가지고, 중수소화도는 바람직하게 95% 에서 100% 미만이다.
[식 (4)]
Figure 112008051929413-pct00004
식 (4) 중, R1 및 R2 각각은 독립적으로 H 또는 D를 나타내고; R3은 H, D, CH3, CD3 또는 할로겐 원자를 나타내며; X1 내지 X5 각각은 독립적으로 H, D, 할로겐 원자 또는 CF3을 나타내고, X1 내지 X5 중 적어도 하나는 할로겐 원자 또는 CF3이다. 바람직하게, R1 및 R2는 D이다. 바람직하게, R3은 H, D, CH3, CD3 또는 불소 원자이거나 염소 원자이며, 보다 바람직하게 CD3 이다. 바람직하게, X1 내지 X5 각각은 독립적으로 불소 원자, 염소 원자 또는 CF3이고, 보다 바람직하게 불소 원자 또는 염소 원자이다. 식 (4) 에서, 페닐기 상의 할로겐 원자 (구체적으로 바람직하게는 불소 원자) 의 수는 바람직하게 적어도 2이고, 가장 바람직하게 적어도 3이다. 구체적으로, 식 (4) 는 바람직하게 중수소화된 할로게노페닐 메타크릴레이트를 가지고, 중수소화도는 바람직하게 95% 에서 100% 미만이다.
굴절률 분포 계수 g가 하기 식 (6) 을 만족하는 것이 바람직하다.
[식 (6)]
2≤g≤2.3
본 발명의 플라스틱 광학 섬유에 따르면, 코어는 식 (1) 로 나타낸 제 1 중합성 화합물 및 식 (2) 로 나타낸 제 2 중합성 화합물의 코폴리머를 포함하고, 코어 (65) 의 단면 원형의 중심이 N1의 굴절률을 가지고, 코어의 최외곽부가 N2의 굴절률을 가지며, 코어의 반경을 R1으로 나타내고, 굴절률 분포 계수를 g로 나타내는 경우, 코어가 수학식 (1) 및 수학식 (2) 를 만족하는 굴절률 분포를 가지기 때문에, 플라스틱 광학 섬유는 낮은 전송 손실 및 고-대역폭 특성 모두를 가질 수 있다.
제 1 중합성 화합물 및 제 2 중합성 화합물의 코폴리머가 굴절률의 낮은 파장 의존성을 가지기 때문에, 코어의 재료 분산은 감소되고, 코어는 수분을 흡수하는 경우에도, 낮은 전송 손실을 유지할 수 있고, 높은 광투과성을 가질 수 있다. 또한, 공지된 가열-드로잉 공정은 플라스틱 광학 섬유를 제조하기 위한 상기 코폴리머의 코어에 적용될 수 있고, 플라스틱 광학 섬유는 저비용으로 쉽게 제조될 수 있다.
식 (1)로 나타낸 제 1 중합성 화합물의 굴절률이 식 (2)로 나타낸 제 2 중합성 화합물의 굴절률과 상이하기 때문에, 상이한 굴절률을 가지는 코폴리머는 둘의 공중합시 조성비를 변화시킴으로써 획득될 수 있다. 따라서, 상이한 굴절률을 가지는 복수의 코폴리머층을 중합 공정에서 순차적으로 형성함으로써, 수학식 (1) 및 수학식 (2) 를 만족하는 굴절률 분포를 코어 프리폼에 적용할 수 있다.
상기 코어에 대해 수학식 (1) 내지 수학식 (3) 을 만족하는 굴절률 분포를 적용함으로써, 감소된 모드 분산 및 재료 분산을 가지는 플라스틱 광학 섬유가 형성될 수 있다. 상기 GI형 플라스틱 광학 섬유의 고대역폭 특성 때문에, 10Gbps의 데이터 전송은 광원의 단일 파장 (850nm) 에서 수행될 수 있다. 대역폭 특성의 측면에서, 수학식 (3) 에서의 g 값은 보다 바람직하게 2.05 ~ 2.25의 범위이고, 가장 바람직하게 2.1 ~ 2.2의 범위이다.
코어의 외직경이 너무 작은 경우, 광학 전송 장치 및 플라스틱 광학 섬유 사이의 축 오정렬은 그들의 연결시 발생할 수 있다. 축 오정렬은 전송 특성을 감소시킨다. 한편, 코어의 외직경이 너무 큰 경우, 플라스틱 광학 섬유가 연결되는, 광학 전송 장치의 광수신부에서의 광학 커플링 효율성이 감소된다. 이들 문제를 고려하여, 코어의 외직경은 바람직하게 60㎛ ~ 250㎛ 범위이고, 특히 lOO㎛ ~ 220㎛ 범위이며, 그리고 특히 더 120㎛ ~ 220㎛ 범위이다.
플라스틱 광학 섬유가 곡률 반경 10mm 및 벤딩 각도 360°에서 벤딩되는 경우, 전송 손실의 증가량이 1.0dB 미만이기 때문에, 배선 등으로 하기 위해 플라스틱 광학 섬유를 벤딩으로써 야기되는, 플라스틱 광학 섬유의 전송 특성의 저하가 방지될 수 있다.
코어의 전송 손실이 200dB/km 이상인 경우, 입사광의 최대 전송 거리는 짧아진다. 한편, 코어의 전송 손실이 20dB/km 미만인 경우, 입사 조건 (예를 들어, 광원의 모드 노이즈 등) 은 코어 내부를 직접 관통하는 것이며, 이것은 플라스틱 광학 섬유의 전송 특성의 저하를 야기한다. 상기 문제점들을 고려하여, 전송 손실은 바람직하게 20dB/km ~ 200dB/km 범위이고, 특히 20dB/km ~ 150dB/km 범위이며, 특히 더 20dB/km ~ lOOdB/km 범위이다.
본 발명의 광학 전송 시스템에 따르면, 광학 전송 시스템은 저비용으로 10Gbps의 고대역폭을 가질 수 있다. 또한, 광 전송기 및 광수신기가 파장 분할 멀티플렉싱 (WDM), 조밀 파장 분할 멀티플렉싱 (DWDM) 등을 이용하는 경우, 광학 전송 시스템은 보다 높은 대역폭 특성을 가질 수 있다.
플라스틱 광학 섬유의 길이가 너무 긴 경우, 모드 분산 및 전송 손실의 효과가 증가된다. 따라서, 플라스틱 광학 섬유가 lOGbps의 고 대역폭 특성을 유지할 수 없는 경우가 있을 수 있다. 한편, 플라스틱 광학 섬유의 길이가 너무 짧은 경우, 코어를 관통하는 광은, 광원 및 광 검출기 사이의 짧은 거리로 인해 노이즈를 가질 수 있다. 상기 문제점들을 고려하여, 플라스틱 광학 섬유의 길이는 바람직하게 0.03m ~ 50m 범위이고, 특히 0.2m ~ 50m 범위이며, 특히 더 5m ~ 20m 범위이다.
플라스틱 광학 섬유의 제조 방법에 따르면, 식 (3) 으로 나타낸 제 3 중합성 화합물 및 식 (4)로 나타낸 제 4 중합성 화합물을 포함하는 중합성 조성물을 파이프의 공동부 (hollow part) 에 주입하고, 파이프를 회전시키면서 중합성 조성물을 중합하여, 파이프의 내벽 안에 폴리머층을 형성하며, 제 3 중합성 화합물에 대한 제 4 중합성 화합물의 비를 점차로 증가시키면서 주입 단계 및 중합 단계를 순서대로 추가 수행하여, 복수의 폴리머층이 파이프 내부에 동심원으로 적층된 코어 프리 폼을 형성하고, 홀을 구비하고 코어 프리폼보다 크지 않은 굴절률을 가지는 외부 셸 프리폼을 형성하며, 코어 프리폼을 외부 셸 프리폼 안으로 삽입하여 섬유 프리폼을 형성하고, 그리고 섬유 프리폼을 가열-드로잉하여 광을 전송하기 위한 코어 및 코어 내부의 광을 유지하기 위해 코어 둘레에 제공되는 외부 셸을 포함하는 플라스틱 광학 섬유를 형성하며, 여기서 코어 (65) 의 단면 원형의 중심이 N1의 굴절률을 가지고, 코어의 최외곽부가 N2의 굴절률을 가지며, 코어의 반경을 R1으로 나타내고, 굴절률 분포 계수를 g로 나타내는 경우, 코어는 하기 수학식 (4) 및 (5) 를 만족하는 굴절률 분포를 가지며, 고대역폭 특성을 가지는 플라스틱 광학 섬유를 제조할 수 있다.
식 (3)으로 나타낸 제 3 중합성 화합물 및 식 (4)로 나타낸 제 4 중합성 화합물을 공중합하여 코어를 형성하기 때문에, 우수한 대역폭 특성을 가지는 플라스틱 광학 섬유가 제조될 수 있다. 또한, 제 3 중합성 화합물 및 제 4 중합성 화합물의 코폴리머의 코어는, 수분을 흡수하는 경우에도 낮은 전송 손실을 유지할 수 있고, 높은 광투과성을 가지면서 어떠한 광학 이방성도 가지지 않으며, 이것이 플라스틱 광학 섬유에 우수한 전송 특성을 제공하는데 도움을 준다. 또한, 공지된 가열-드로잉 공정이 플라스틱 광학 섬유의 제조시 상기 코폴리머의 코어에 적용될 수 있기 때문에, 플라스틱 광학 섬유가 저비용으로 용이하게 제조될 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 플라스틱 광학 섬유의 공정도이다.
도 2는 본 발명에 의한 제 1 부재의 공정도이다.
도 3은 반경 방향에서의 프리폼의 단면도이다.
도 4는 반경 방향에서의 POF의 단면도이다.
도 5는 반경 방향에서의 POF의 굴절률 분포를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명에 의한 광학 전송 시스템의 아웃라인을 나타낸 예시도이다.
도 7은 회전 중합을 위한 중합 콘테이너의 아웃라인을 나타낸 단면도이다.
도 8은 회전 중합 장치의 아웃라인의 사시도이다.
도 9는 회전 중합 장치에서의 중합 챔버의 회전을 도시한 예시도이다.
도 10은 제 1 층을 형성한 이후의 회전 중합 장치의 아웃라인을 나타낸 사시도이다.
도 11은 가열-드로잉 공정의 아웃라인을 나타낸 예시도이다.
도 12는 플라스틱 광학 섬유의 굴절률 분포를 나타낸 그래프이다.
도 13은 벤딩 테스트에서의 벤딩 반경 및 플라스틱 광학 섬유의 전송 손실의 증가의 상관관계도이다.
도 14는 반복되는 벤딩 테스트에서의 벤딩 수 및 플라스틱 광학 섬유의 전송 손실의 증가의 상관관계도이다.
도 15는 플라스틱 광학 섬유 측에 적용된 중량 부하 및 플라스틱 광학 섬유의 전송 손실의 증가의 상관관계도이다.
도 16은 굴절률 분배 계수 (g) 및 대역폭의 상관관계도이다.
본 발명을 수행하기 위한 최적 모드
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면을 참조하여 기재하지만, 이들 실 시형태는 본 발명을 제한하지 않는다. 먼저, POF (플라스틱 광학 섬유) 케이블 형성 공정 (10) 을 도 1을 참조하여 설명한다.
POF (12) 는 제 1 부재 (13), 제 2 부재 (14) 및 제 3 부재 (15) 의 결합체인 프리폼 (16) 을 가열-드로잉함으로써 획득한다. POF 케이블 형성 공정 (10) 은 굴절률 분포 (프로파일) 를 가지는 제 1 부재 (13) 를 형성하기 위한 제 1 부재 형성 공정 (18), 원통형 제 2 부재 (14) 를 형성하기 위한 제 2 부재 형성 공정 (19), 원통형 제 3 부재 (15) 를 형성하기 위한 제 3 부재 형성 공정 (20), 제 1 내지 제 3 부재 (13 ~ 15) 를 프리폼 (16) 으로 조합시키는 조합 공정 (23), 및 프리폼 (16) 을 POF (12) 로 가열-드로잉하기 위한 가열-드로잉 공정 (24) 을 포함한다.
제 1 부재 형성 공정 (18) 에서, 중합성 조성물 및 첨가제를 파이프 (28) 의 공동부에 주입하고, 중합 (회전 중합법) 을 위해 회전축으로서의 단면 원형의 중심의 둘레로 파이프 (28) 를 회전시킨다. 회전 중합법을 반복함으로써, 제 1 층 내지 제 n 층 (n은 적어도 3인 정수) 을 내부면에서 파이프 (28) 의 중심 측으로 순차적으로 적층한다. 이하, 제 1 부재 형성 공정 (18) 를 상세히 기재한다.
이 실시형태에서, 제 1 부재 (13) 는 파이프 (28) 로부터 제거된 n개 층의 동심원 구조이다. 하지만, 내부에 n-1개 층을 구비한 파이프 (28) 가 제 1 부재 (13) 일 수 있다. 제 1 부재 형성 공정 (18) 에서, 중합성 조성물의 파이프 (28) 로의 주입 양은 외층을 형성하는 경우보다 내층을 형성하는 경우에 더 작아진다. 따라서, 각 층은 다른 층과 동일하거나 근접한 두께를 가지기 위해 조절될 수 있다.
제 2 부재 형성 공정 (19) 및 제 3 부재 형성 공정 (20) 에서, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌-비닐리덴 플루오라이드의 3원 코폴리머 (THV) 의 제 2 부재 (14), 및 폴리메틸 메타크릴레이트 (PMMA) 의 제 3 부재 (15) 가 각각 형성된다. 제 2 부재 (14) 및 제 3 부재 (15) 의 형성법은 제한되지 않으며, 예를 들어, 상업형 용융-압출 머신 (압출기) 등에 의해 폴리머로부터 원통형으로 형성될 수 있거나, 또는 원통형으로 중합되는 중합성 화합물로부터 형성될 수 있다. 제 2 부재 (14) 및 제 3 부재 (15) 의 재료는 이후 상세히 기재된다.
다음, 조합 공정 (23) 에서, 제 1 부재 (13) 내지 제 3 부재 (15) 가 프리폼 (16) 으로 조합된다. 먼저, 제 1 부재 (13) 가 제 2 부재 (14) 의 공동부로 삽입된다 (제 1 조합 공정 (23a)). 다음, 제 1 조합 공정 (23a) 에서 형성된 결합 부재가 제 3 부재 (15) 의 공동부로 삽입된다 (제 2 조합 공정 (23b)). 따라서, 프리폼 (16) 이 형성된다. 또한, 제 2 부재 (14) 및 제 3 부재 (15) 가 먼저 조합된 다음, 제 1 부재 (13) 가 결합 부재로 삽입될 수도 있음에 유의한다.
프리폼 (16) 은 가열-드로잉 공정 (24) 에서 드로잉되어, 원하는 직경의 POF (12) 가 된다. 드로잉 공정 (24) 에서, 원통형 프리폼 (16) 은 가열되고 그 종방향으로 드로잉된다. 드로잉되어 POF (12) 되기 이전에, 프리폼 (16) 은 자체적으로 광 전송 매체의 기능을 발휘함에 유의한다.
커버링 공정 (30) 에서, POF (12) 의 외주면은 커버링 재료로 커버된다. 이 공정에서, POF (12) 의 제 1 커버링 상에 제 2 커버링을 적용하는 것이 일반적 이다. 하지만, 커버링 층의 수는 1 또는 2로 제한되지 않는다. 커버링층이 도포된 POF (12) 를 POF 코드 (31) 라 칭한다.
조립 공정 (32) 에서, 단일 POF 코드 (31) 또는 복수 POF 코드 (31) 의 묶음이 원하는 길이로 절단된 다음, 미러 연마 (mirror polishing) 가 적용된 단일 POF 코드 (31) 또는 복수 POF 코드 (31) 의 묶음의 각 단면에 커넥터 (도 6의 33a) 가 부착된다. 이들 공정에서, POF 케이블 (33) 이 제조된다.
다음, 도 2를 참조하여 제 1 부재 형성 공정 (18) 이 상세히 기재된다.
제 1 층 형성 공정 (41) 에서, 제 1 층 (51) 용 제 1 중합성 조성물이 파이프 (28) 에 주입된다 (제 1 주입 공정 (41a)). 다음, 제 1 중합성 조성물이 중합되어 파이프 (28) 의 내부면 상에서 원통형의 제 1 층 (51) 이 된다 (제 1 중합 공정 (41b)). 다음, 제 2 층 형성 공정 (42) 에서, 제 2 중합성 조성물이 파이프 (28) 내의 제 1 층 (51) 상에 주입되고 (제 2 주입 공정 (42a)), 제 2 중합성 조성물이 중합되어 제 1 층 (51) 내부에서 원통형 제 2 층 (52) 이 된다 (제 2 중합 공정 (42b)). 상기 층 형성 공정은 원하는 수의 층이 형성될 때까지 계속 반복된다. 최내층 (제 n층 (54)) 바로 외부에 있는 제 n-1 층 (53) 을 형성하기 위해서, 제 1 층 및 제 2 층과 동일한 방법으로, 제 n-1 층 형성 공정 (43) 에서, 제 n-1 중합성 조성물이 주입되고 (제 n-l 주입 공정 (43a)), 제 n-1 중합성 조성물이 중합된다 (제 n-l 중합 공정 (43b)). 마지막으로, 제 n 층 형성 공정 (44) 에서, 제 n 중합성 조성물이 파이프 (28) 내의 제 n-1 층 (53) 상에 주입되고 (제 n 주입 공정 (44a)), 제 n 중합성 조성물이 중합되어 제 n 층 (54) 이 된다 (제 n 중합 공정 (44b)). 따라서, n개의 동심원 층의 제 1 부재 (13) 가 파이프 (28) 내에 형성된다 (도 3 참조). 각 중합 공정에서, 중합성 조성물을 포함하는 파이프가 파이프 축 둘레로 회전되어 중합성 조성물을 중합하는 회전 중합법에 주목한다.
제 1 내지 제 n 중합성 조성물은 제 1 중합성 화합물 및 제 2 중합성 화합물을 포함한다. 이 실시형태에서, 제 1 중합성 화합물은 굴절률 1.41의 폴리머인 중수소화된 2,2,2-트리플루오로에틸 메타크릴레이트 (3FMd7) 이고, 제 2 중합성 화합물은 굴절률 1.49의 폴리머인 중수소화된 펜타플루오로페닐 메타크릴레이트 (PFPMAd5) 이다. 제 1 내지 제 n 중합성 조성물은 서로 상이한 3FMd7 및 PFPMAd5 의 혼합비를 가진다. 각 중합성 조성물의 폴리머는 혼합비에 따라 굴절률을 가진다. 따라서, 제 1 내지 제 n 중합 조성물 및 첨가제로부터 형성된 제 1 부재 (13) 는 원하는 굴절률 분포를 가질 수 있다. 제 1 내지 제 n 중합성 조성물, 제 1 중합성 화합물 및 제 2 중합성 화합물이 상세히 후술된다.
다음, 도 3을 참조하여, 본 발명으로부터 획득된 프리폼 (16) 을 설명한다. 하지만, 본 발명은 이 실시형태에 제한되지 않는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 프리폼 (16) 은 최외곽 셸로서의 제 3 부재 (15), 제 3 부재 (15) 내에 제공된 제 2 부재 (14) 및 제 2 부재 (14) 내에 제공된 제 1 부재 (13) 를 포함한다. 제 1 부재 (13) 는 제 1 층 (51) 내지 제 n 층 (54) 을 포함하는 다층 구조를 가진다. 도 3에서, 프리폼 (16) 의 중간에 캐비티 (cavity, 58) 가 있다. 하지만, 캐비티 (58) 의 존재 유무 및 프리폼 (16) 의 외직경에 대한 그 직경의 비는 제한되지 않으며, 제조 조건에 따라 변할 수 있다. 설명의 편의상 도 3에서의 프리폼은 층들 (51 ~ 54) 중 각 2층 사이의 경계를 명확히 나타내지만, 경계의 명확성은 제조 조건에 의존하므로, 그 경계가 명확하지 않게 식별될 수 있다. 예를 들어, 제 1 층 (51) 및 제 2 층 (52) 의 중합성 조성물은 서로 접촉되고 소킹 (soaking) 될 수 있으며, 이것에 의해 경계가 눈에 보이지 않는다. 광 전송을 고려하여, 광학적으로 경계가 없는 것이 바람직하다.
제 1 내지 제 3 부재 (13 ~ 15) 각각은 결합될 때, 클리어런스 (59) 가 각 부재 사이에 형성되도록 외직경 및 내직경을 가지는 것이 바람직하다. 따라서, 각 부재를 손상시키지 않고 조합 공정 (23) 을 용이하게 수행할 수 있고, 광 등의 발산을 방지하여 낮은 전송 손실 등의 우수한 광학 특성을 가지는 POF (12) 를 제작하게 한다.
다음, 프리폼 (16) 을 용융-드로잉하여 제작한 POF (12) 를 도 4를 참조하여 설명한다. POF (12) 의 단면 형상은 프리폼 (16) 의 단면 형상과 유사하다. POF (12) 는 제 1 층 내지 제 n 층 (61 ~ 64) 을 가지는 동심원 n층 구조인 코어(65), 코어 (65) 의 외주 둘레의 외부 셸 (66), 및 외부 셸 (66) 의 외주 둘레의 최외곽 셸 (67) 을 포함한다.
코어 (65) 의 외직경 (D1) 은 바람직하게 60㎛ ~ 250㎛ 범위이고, 특히 lOO㎛ ~ 220㎛ 범위이며, 특히 더 120㎛ ~ 220㎛ 범위이다. 코어 (65) 및 외부 셸 (66) 을 가지는 POF (12) 는 10mm의 곡률 반경에서 360°벤딩되고, 전송 손실의 증가량은 1.OdB 미만이다. 따라서, 배선 등으로 하기 위해 POF를 벤딩으로써 야 기되는, POF 의 전송 특성의 저하가 방지될 수 있다.
도 5는 POF (12) 의 굴절률 분포를 나타낸다. 이 도면에서, 수평축은 POF (12) 의 반경 방향을 나타내고, 수직축은 굴절률을 나타낸다. 굴절률은 그래프의 선이 상향할 때 증가한다. 범위 (A) 는 외부 셸 (도 4의 66) 및 최외곽 셸 (도 4의 67) 에 상응하고, 범위 (B) 는 코어 (도 4의 65) 에 상응한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 층 (61) 은 코어 (65) 의 최외곽부이고, 제 2 층 (62) 은 제 1 층 (61) 의 내부면 상에 적층된다. 이러한 방식으로, 층들이 코어 (65) 의 중심 측으로 적층되고, 코어 (65) 의 최중심층이 제 n 층 (64) 이다. 굴절률은 제 1 층 (61) 에서 제 n 층 (64) 까지 점차로 증가한다. 즉, 코어 (65) 는 GI형 굴절률 분포를 가진다 (도 5 참조).
코어 (65) 의 단면 원형의 중심 (r=0) 이 N1의 굴절률을 가지고, 코어 (65) 의 최외곽부 (r=Rl) 가 N2의 굴절률을 가지며, 굴절률 분포 계수를 g로 나타내는 경우, 반경 R1인 코어 (65) 의 중심으로부터 반경 방향으로 거리 r만큼 떨어진 위치에서의 굴절률 N(r) 은 하기 수학식 (1) 내지 (3) 을 만족한다.
[수학식 (1)]
N(r) = N1[1-2△(r/R1)g]1/2
[수학식 (2)]
△=(N12-N22)/(2N12)
[수학식 (3)]
2<g≤2.3
GI형 POF의 대역폭 특성은 주로 모드 분산 및 재료 분산에 의해 지배된다. 모드 분산은, 상이한 입사 각도로 동시에 코어로 진입되는 2개의 입사광 빔이 코어를 관통하기 위해 서로 상이한 시간 길이를 취하는 현상이다. 재료 분산은 POF (12) 의 굴절률의 파장에 의존한다. 따라서, POF (12) 에 최고 대역폭 특성을 제공하기 위해서, POF (12) 재료는 굴절률의 파장 의존성을 고려하여 선택될 필요가 있고, 수학식 (1) 에서의 굴절률 분포 계수 g 는 POF (12) 의 재료에 따라서 선택될 필요가 있다.
본 발명의 실시형태에서, 코어 (65) 는 굴절률의 파장 의존성이 낮은 3FMd7 및 PFPMAd5 의 코폴리머로 형성된다. 수학식 (1) 및 (2) 를 만족하는 굴절률 분포를 코어 (65) 에 적용함으로써, 감소된 모드 분산 및 재료 분산과 고대역폭 특성을 가지는 POF (12) 가 형성될 수 있다.
또한, 코어 (65) 의 굴절률 분포가 수학식 (3) 을 만족하는 경우, 모드 분산 및 재료 분산은 보다 감소된다. 이들 효과의 결합은 POF (12) 의 대역폭 특성을 상당히 개선한다. 굴절률 분포 계수 g 는 바람직하게 2.05 ~ 2.25 범위이고, 특히 2.1 ~ 2.2 범위이다 (이 범위에서 POF (12) 의 대역폭 특성이 가장 개선된다). 구체적으로, 상술된 코어 (65) 를 가지는 POF (12) 는 10Gbps의 대역폭 특성을 발휘한다 (850nm의 광원에서). 코어 (65) 용 중합성 조성물을 상세히 후술한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 광학 전송 시스템 (70) 은 광 전송기 (71), 광 수 신기 (72), 및 광 전송기 (71) 와 광 수신기 (72) 사이에 연결된 POF 케이블 (33) 을 포함한다.
광 전송기 (71) 는 커넥터 (71a), 변조를 수행하는 변조기 (74), 및 850nm 파장의 광원으로서의 레이저 다이오드 (75) 를 포함한다. 커넥터 (71a) 는 광 전송기 (71) 의 케이싱 상에 제공된다. 광 전송기 (71) 는 퍼스널 컴퓨터와 같은 정보 단말기에 연결된다. 제어부 (미도시) 는 정보 단말기로부터의 데이터를 구체적인 포맷으로 전환하고, 전환된 데이터를 변조기 (74) 로 출력한다. 변조기 (74) 는 제어부로부터의 데이터를 lOGbps의 전기 변조 신호로 변조한다. 다음, 변조기 (74) 는 전기 변조 신호를 레이저 다이오드 (75) 로 출력한다. 레이저 다이오드 (75) 는 광전기적으로 변조기 (74) 로부터의 전기 변조 신호를 광학 변조 신호로 전환한다. 다음, 레이저 다이오드 (75) 는 커넥터 (71a) 를 통해서 광학 변조 신호를 출력한다. 레이저 다이오드 (75) 로서, 고속 응답을 가지는 임의의 공지된 타입이 사용될 수 있음에 유의한다. 예를 들어, 수직 캐비티 표면 에미팅 레이저 (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) 가 고속 응답 및 빔 발산 각도를 고려하여 사용되는 것이 바람직하다.
광 수신기 (72) 는 커넥터 (72a), 광 검출기로서의 광 다이오드 (76), 및 lOGbps 의 복조를 수행하는 복조기 (77) 를 포함한다. 커넥터 (72a) 는 광 수신기 (72) 의 캐이싱 상에 제공된다. 광 다이오드 (76) 는 커넥터 (72a) 를 통해서 광학 변조 신호를 수신한다. 다음, 광 다이오드 (76) 는 광전기적으로 광학 변조 신호를 전기 변조 신호로 전환하고, 전기 변조 신호를 복조기 (77) 로 출 력한다. 복조기 (77) 는 전기 변조 신호를 데이터로 복조한다. 복조기 (77) 에서의 복조 방법은 변조기 (74) 에서의 변조 방법에 상응한다. 다음, 복조기 (77) 는 데이터를 제어부 (미도시) 로 출력한다. 제어부는 데이터를 정보 단말기에 판독가능한 포맷으로 전환하고, 전환된 데이터를 정보 단말기로 출력한다.
변조 방법으로서, 본 발명의 실시형태는 전기 변조 신호에 따라서 레이저 다이오드 (75) 로부터 출력된 광이 턴 온/오프되는 직접 변조 방법을 사용한다. 하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 레이저 다이오드 (75) 로부터 출력된 광의 상, 진폭, 편광 등이 전기 변조 신호에 따라 변하는 외부 변조 방법이 사용될 수 있다. 또한, 변조기 (74) 에 대한 변조 방법으로서 임의의 공지된 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, AM, FM 및 PM 등의 아날로그 변조, ASK, PSK, FSK, QAM, DM, MSK, CCK 및 PCM 등의 디지털 변조, 그리고 PWM, PAM, PDM 및 PPM 등의 펄스 변조가 있다.
POF 케이블 (33) 의 커넥터 (33a) 가 커넥터 (71a 및 72a) 에 연결되어, POF 케이블 (33) 이 광학 변조 신호를 광 전송기 (71) 에서 광 수신기 (72) 로 전송한다. 따라서, 광 전송기 (71) 및 광 수신기 (72) 사이의 데이터 통신이 수행될 수 있다. 광학 전송 시스템 (70) 의 이러한 구조는 저비용으로 lOGbps 의 고대역폭을 가질 수 있다.
본 발명의 POF (12) 는 단일 파장에 대해서 lOGbps 의 고대역폭 특성을 가진다. 또한, 파장-분할 멀티플렉싱 (WDM), 조밀 파장 분할 멀티플렉싱 (DWDM) 등 이 사용되는 경우, 광학 전송 시스템은 보다 높은 대역폭 특성을 가질 수 있다.
코어 (65) 에서의 전송 손실이 너무 큰 경우, 입사광에 대한 최대 전송 거리는 단축된다. 한편, 코어 (65) 에서의 전송 손실이 너무 작은 경우, 코어 (65) 를 관통하는 입사광의 광학 특성은 입사 조건에 따라서 상당히 변한다. 상기 문제점들을 고려하여, 전송 손실은 바람직하게 20dB/km ~ 200dB/km 범위이고, 특히 20dB/km ~ 150dB/km 범위이며, 특히 더 20dB/km ~ lOOdB/km 범위이다.
POF 케이블 (33) 의 길이가 너무 긴 경우, 전송 손실 및 모드 분산의 효과가 커진다. 따라서, POF 케이블 (33) 이 lOGbps 의 고대역폭 특성을 유지할 수 없는 경우가 있을 수 있다. 한편, POF 케이블 (33) 의 길이가 너무 짧은 경우, 광원과 광 검출기 사이의 단거리로 인해, 광은 노이즈를 가지고 코어 (65) 를 통과할 수 있다. 상기 문제점들을 고려하여, POF 케이블 (33) 의 길이는 바람직하게 0.03m ~ 50m 범위이고, 특히 0.2m ~ 50m 범위이며, 특히 더 5m ~ 20m 범위이다.
(제 1 부재)
이하, 코어 (65) 의 프리폼인, 제 1 부재 (13) 용 재료를 설명한다. 제 1 부재 (13) 는 제 1 층 내지 제 n 층을 포함한다. 제 1 층 내지 제 n 층 각각은 제 1 내지 제 n 중합성 조성물 각각의 코폴리머를 포함한다. 제 1 중합성 화합물에 대한 제 2 중합성 화합물의 비율은 제 1 중합성 조성물로부터 제 n 중합성 조성물로 점차 증가된다. 제 2 중합성 화합물로부터 생성될 수 있는 호모폴리머의 굴절률은 제 1 중합성 화합물로부터 생성될 수 있는 호모폴리머의 굴절률보다 더 높다. 따라서, 중합 공정 (41b ~ 44b) 에서 형성된 각 층의 굴절률은 제 1 층 (51) 에서 제 n 층 (54) 으로 증가한다. 상술된 바와 같이, 제 1 내지 제 n 층 형성 공정 (41 ~ 44) 에 따라서, 원하는 굴절률 분포를 가지는 제 1 부재 (13) 가 형성될 수 있다.
제 1 중합성 화합물 및 제 2 중합성 화합물의 공중합으로 형성된 POF (12) 는 수분을 흡수하는 경우에도 낮은 전송 손실을 유지할 수 있다. 또한, POF (12) 는 높은 광투과성을 가지면서 어떠한 광학 이방성도 가지지 않으며, 이것이 POF (12) 에 우수한 전송 특성을 제공하는데 도움이 된다. 또한, 공지된 가열-드로잉 공정은 POF (12) 제조시 적용될 수 있고, POF (12) 는 저비용으로 용이하게 제조될 수 있다.
제 1 및 제 2 중합성 화합물의 가장 바람직한 예는 호모폴리머가 1.41의 굴절률을 가지는 중수소화된 2,2,2-트리플루오로에틸 메타크릴레이트 (3FMd7), 및 호모폴리머가 1.49의 굴절률을 가지는 중수소화된 펜타플루오로페닐 메타크릴레이트 (PFPMAd5) 이다. 제 1 부재 (13) 에서 원하는 굴절률 분포를 형성하기 위해서, 이들 2종류의 중합성 화합물은 제 1 부재 (13) 의 각 층에 대해 상응하는 화합비로 공중합된다. 이 실시형태에서, 수소 원자의 일부가 중수소 원자로 치환되는 3FMd7 및 PFPMAd5 는 각 층을 형성하기 위해서 사용된다. 광전송부의 중수소화된 폴리머의 사용은 POF (12) 에서의 전송 손실을 감소시키는데 바람직하다. 제 1 중합성 화합물 및 제 2 중합성 화합물의 다른 정보는 후술된다.
상이한 굴절률을 가지는 호모폴리머인 제 1 및 제 2 중합성 화합물은 층의 친화성 및 제조시의 취급성에 의해서 각 층에 사용되는 것이 바람직하다. 하지 만, 3종류 이상의 중합성 화합물은 최종 제품의 광학 및/또는 기계적 특성 또는 생산성을 고려하여 사용될 수 있다. 이러한 경우, 각 층에 대한 각 중합성 조성물은 다른 중합성 조성물과 상이한 종류의 내용물 및 상이한 화합비를 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, 굴절률이 상이한 중합성 화합물이 상이한 화합비로 공중합되기 때문에, 복수층의 각 층은 상이한 굴절률을 가질 수 있다.
또한, 타 층을 위한 타 중합성 조성물과 동일한 중합성 화합물을 포함하는 중합성 조성물로부터 각 층이 형성되기 때문에, 2개 층의 계면 친화성이 개선될 수 있고, 그 계면에서의 광산란이 감소될 수 있다. 수소화 화합물 및 중수소화 화합물 사이의 친화성은 수소화 화합물 사이의 친화성 및 중수소화 화합물 사이의 친화성과 동일하다. 따라서, 수소화 화합물 및 중수소화 화합물이 동일한 중합성 조성물로 취급될 수 있다. 한편, 인접하는 2개 층이 상이한 중합성 조성물로 형성되는 경우, 2개 층의 계면 친화성을 개선시키는 것은 어렵고, 이것은 광산란으로 인해 전송 손실을 증가시킨다.
상술된 방법 이외에, 제 1 부재 (13) 에 굴절률 분포를 적용하기 위해서, 굴절률 제어제를 층들 (51 ~ 54) 각각을 위한 중합성 조성물에 상이한 양으로 첨가하는 방법이 있다. 이 방법에서, 굴절률 제어제의 양은 코어 둘레에 위치하는 층에서 코어 중심에 위치하는 층으로 증가한다. 따라서, 둘레에서 센터 측으로 굴절률이 증가되는 코어가 형성된다.
(중합성 조성물)
다음, 제 1 내지 제 n 중합성 조성물이 상세히 기재된다. 제 1 내지 제 n 중합성 조성물로서, 중합시 비정질 폴리머가 되는 중합성 조성물이 바람직하게 사용된다. 비정질 폴리머로부터 형성된 코폴리머에서는, 광산란이 좀처럼 일어나지 않는다. 또한, 비정질 폴리머로부터 형성되는 층은 서로에 대해 높은 접착성을 가진다. 보다 바람직하게, 우수한 기계적 특성 및 열 및 수분에 대한 내구성을 가지는 폴리머가 사용된다.
이 실시형태에서, 3FMd7 및 PFPMAd5 가 제 1 내지 제 n 중합성 조성물에 대한 중합성 화합물로서 사용된다. 하지만, 제 1 중합성 화합물이 호모폴리머를 형성하고, 제 2 중합성 화합물이 제 1 중합성 화합물의 호모폴리머와는 굴절률이 상이한 호모폴리머를 형성하는 한, 제 1 중합성 화합물 및 제 2 중합성 화합물의 혼합물의 임의의 종류가 사용될 수 있다. 다음, 제 1 중합성 화합물 및 제 2 중합성 화합물이 상세히 기재된다. 이 명세서에서, 다른 언급이 없는 한, "H"는 수소 원자를 나타내고, "D"는 중수소 원자를 나타낸다. 또한, 다른 언급이 없는 한, 본 발명에서 단어 "중합" 은 "공중합"을 의미하는 경우가 있다.
제 1 내지 제 n 중합성 조성물의 각각은 식 (1) 에 도시된 제 1 중합성 화합물, 식 (2) 에 도시된 제 2 중합성 화합물, 및 중합 개시제와 같은 첨가제의 혼합물이다.
[식 (I)]
Figure 112008051929413-pct00005
식 중, R1 및 R2 각각은 독립적으로 H 또는 D를 나타내고; R3은 H, D, CH3, CD3 또는 할로겐 원자를 나타내며; R4는 2 ~ 8개의 탄소 원자 및 불소 원자로 치환된 적어도 하나의 수소 원자를 가지는 알킬기를 나타낸다. 바람직하게, R1 및 R2 는 D이다. 바람직하게 R3 은 H, D, CH3, CD3, 또는 불소 원자 또는 염소 원자이고, 보다 바람직하게 CD3, 또는 불소 원자 또는 염소 원자이며, 보다 더 바람직하게 CD3 이다. 바람직하게, R4는 2 ~ 6개의 탄소 원자를 가지는 불소-치환 알킬기이고, 보다 바람직하게 2 ~ 4개의 탄소 원자를 가지는 불소-치환 알킬기이다. 불소-치환 알킬기는 분지쇄 또는 시클릭일 수 있으나, 바람직하게 직쇄이다. 바람직하게 불소-치환 알킬기에 존재하는 C-H 결합은 부분적으로 또는 전체적으로 C-D 결합과 치환된다. 구체적으로, 식 (1) 은 바람직하게 중수소화된 플루오로알킬 메타크릴레이트를 가지고, 중수소화도는 바람직하게 95% 에서 100% 미만이다.
[식 (2)]
Figure 112008051929413-pct00006
식 중, R1 및 R2 각각은 독립적으로 H 또는 D를 나타내고; R3은 H, D, CH3, CD3 또는 할로겐 원자를 나타내며; X1 내지 X5 각각은 독립적으로 H, D, 할로겐 원자 또는 CF3을 나타내고, X1 내지 X5 중 적어도 하나는 할로겐 원자 또는 CF3이다. 바람직하게, R1 및 R2 는 D이다. 바람직하게 R3 은 H, D, CH3, CD3, 또는 불소 원자 또는 염소 원자이고, 보다 바람직하게 CD3 이다. 바람직하게, X1 내지 X5 각각은 독립적으로 불소 원자, 염소 원자 또는 CF3 이고, 보다 바람직하게 불소 원자 또는 염소 원자이다. 식 (2) 에서, 페닐기 상의 할로겐 원자 (특히 바람직하게 불소 원자) 의 수는 바람직하게 적어도 2이고, 가장 바람직하게 적어도 3이다. 구체적으로, 식 (2) 는 바람직하게 중수소화된 할로게노페닐 메타크릴레이트를 가지고, 여기서 중수소화도는 바람직하게 95% 에서 100% 미만이다.
식 (1) 의 화합물의 구체적인 예는 아래에 언급된다. 말할 필요도 없이, 본 발명은 이들 화합물에 제한되어서는 안된다.
Figure 112008051929413-pct00007
Figure 112008051929413-pct00008
식 (2)의 화합물의 구체적인 예는 아래에 언급된다. 말할 필요도 없이, 본 발명은 이들 화합물에 제한되어서는 안된다.
Figure 112008051929413-pct00009
Figure 112008051929413-pct00010
식 (1) 의 제 1 중합성 화합물의 호모폴리머의 굴절률은 식 (2) 의 제 2 중합성 화합물의 호모폴리머의 굴절률과 상이하다. 따라서, 식 (1) 의 제 1 중합성 화합물 및 식 (2) 의 제 2 중합성 화합물의 공중합에서의 조성비 변화는, 상이 한 굴절률을 가지는 코폴리머를 제공한다. 구체적으로, 예를 들어, 호모폴리머 (FA-I) 는 1.42의 굴절률을 가지고, 호모폴리머 (FP-I) 는 1.50의 굴절률을 가진다. 2개의 공중합에서 조성비를 점차로 변화시켜 굴절률 프로파일을 가지는 광학 수지를 제공할 수 있다.
열 및/또는 광이 중합성 조성물에 적용되는 경우, 이후 조성물 내의 함불소 중합성 모노머는 내부의 중합 개시제에 의해 생성된 라디칼의 작용으로 인해 중합하기 시작한다. 본 발명의 중합성 조성물은 내부에 불소-치환 화합물을 사슬 이동제로서 포함할 수 있기 때문에, 만일 있다면 폴리머에 잔존하는 화합물 (함불소 매트릭스) 은 폴리머로 형성된 광학 디바이스를 통해 전송 손실을 줄일 수 있으므로, 광학 부재의 광 전송성을 개선할 수 있다. 또한, 중합성 조성물 내에서의 식 (2) 의 제 2 중합성 화합물에 대한 식 (1) 의 제 1 중합성 화합물의 조성비가 점차로 변하는 경우, 그때 조성물은 굴절률 프로파일이 용이하게 내부에 도입되는 굴절률 프로파일 광학 부재를 형성할 수 있다. 조성물 내의 중합 속도 및 중합성 모노머의 중합도는 내부의 중합 개시제 및 사슬 이동제에 의해 제어될 수 있고, 제조된 폴리머는 원하는 분자량을 가질 수 있다. 따라서, 예를 들어, 획득된 폴리머는 연신되고 공학 섬유로 드로잉된 이후, 그 분자량을 제어하여 연신하기에 적합한 원하는 기계적 특성을 가지도록 설계될 수 있다. 이것은 폴리머 생산성을 개선하는 측면에 기여한다.
예를 들어, 제 1 층 내지 제 n 층 형성에 사용되는 중합성 화합물은 불소를 함유한 (메타)아크릴 에스테르이다. 각 층에 대한 중합성 내용물을 선택하기 위해서, 인접하는 층들에 대한 그 사이의 굴절률, 친화성 등의 관계가 고려되는 것이 바람직하다.
불소를 가지는 (메타)아크릴 에스테르의 예는 2,2,2-트리플루오로에틸 메타크릴레이트; 2,2,3,3-테트라플루오로 프로필 메타크릴레이트; 2,2,3,3,3-펜타플루오로 프로필 메타크릴레이트; 1-트리플루오로메틸-2,2,2-트리플루오로에틸 메타크릴레이트; 2,2,3,3,4,4,5,5-옥타플루오로펜틸 메타크릴레이트; 2,2,3,3,4,4,-헥사플루오로부틸 메타크릴레이트 등이다. 본 발명이 상기 종류의 중합성 화합물에 제한되지 않지만, 중합성 조성물로부터의 코폴리머가 그것으로부터 형성된 광 전송 매체에서 원하는 굴절률 분포를 가지도록, 중합성 조성물의 종류 및 상대 특성이 선택되는 것이 바람직하다.
제 1 및 제 2 중합성 화합물 이외에, 각 층에 대해 바람직한 중합성 화합물에 있어서, 예를 들어, 메틸메타크릴레이트 (MMA) 및 플루오로 (메타)아크릴레이트의 코폴리머가 있다. 플루오로 (메타)아크릴레이트에 있어서, 예를 들어, 트리플루오로에틸 메타크릴레이트 (3FM), 헥사플루오로 이소프로필 메타크릴레이트 등이 있다. 또한, MMA 및 지환족 (메타)아크릴레이트의 코폴리머가 있다. 지환족 (메타)아크릴레이트에 있어서, 분지 구조를 가지는 tert-부틸 메타크릴레이트, 이소보닐 메타크릴레이트, 노르보닐 메타크릴레이트, 트리시클로데카닐 메타크릴레이트 등의 (메타)아크릴레이트가 있다. 또한, 폴리카보네이트 (PC), 노르보르넨계 폴리머 (예를 들어, ZEONEX (등록 상표: ZEON corporation 제조)), 관능성 노르보르넨계 폴리머 (예를 들어, ARTON (등록 상표: JSR 제조)), 플루오로 폴 리머 (예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF) 등) 를 사용하는 것이 가능하다. 또한, 불소 수지 (예를 들어, PVDF계 코폴리머), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐 에테르 (PFA) 랜덤 코폴리머, 클로로트리플루오로에틸렌 (CTFE) 코폴리머 등의 코폴리머를 사용하는 것이 가능하다. 근적외선 전송을 위해 POF (12) 를 사용하기 위해서, 일본 특허 제 3332922호 및 일본 공개 특허 공보 제 2003-192708호에 기재된 것과 같은 폴리머가 사용된다. 이 폴리머에서, 흡수 손실이 C-H 결합에 의해 야기되기 때문에, 중수소 원자, 불소 등이 C-H 결합의 수소 원자로 치환된다. 이러한 종류의 폴리머를 사용함으로써, 전송 손실을 야기하는 파장 영역이 장파장측으로 쉬프트되고, 전송 신호 광의 손실을 줄이는 것이 가능하다. 이러한 종류의 폴리머와 관련하여, 예를 들어, 중수소화된 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA-d8), 폴리트리플루오로에틸메타크릴레이트 (P3FMA), 및 폴리헥사플루오로 이소프로필-2-플루오로아크릴레이트 (HFIP2-FA) 가 있다. 하지만, 이들 추가 내용물이 너무 많이 증가되는 경우, POF의 전송 성능 및 생산성이 저하되고, 본 발명의 효과가 사라진다. 따라서, 추가 내용물 양을 최소화하는 것이 바람직하고, 이들 추가 내용물을 첨가하지 않는 것이 보다 바람직하다. 말하자면, 중합 이후 POF의 투과성을 유지하도록, 중합 이전에 분산을 야기하는 원료 화합물 내의 불순물 및 이물질이 충분히 제거되어야 하는 것이 바람직하다.
(첨가제)
본 발명에서, 첨가제를 제 1 내지 제 n 중합성 조성물에 첨가하고, 제 1 내 지 제 n 중합성 조성물의 각각을 코폴리머로 공중합한다. 첨가제로서, 중합 개시제, 사슬 이동제 등이 있다.
(중합 개시제)
중합 개시제에 있어서, 라디칼을 생성하는 다양한 종류가 있다. 예를 들어, 벤조일 퍼옥시드 (BPO); 및 퍼옥시드 화합물 [예컨대, tert-부틸퍼옥시-2-에틸헥사네이트 (PBO); 디-tert-부틸퍼옥시드 (PBD); tert-부틸퍼옥시이소프로필카보네이트 (PBI); n-부틸-4,4-비스(tert-부틸퍼옥시)발레레이트 (PHV) 등] 이 있다. 중합 개시제의 다른 예는 2,2'-아조비스이소부틸로니트릴; 2,2'-아조비스(2-메틸부틸로니트릴); 1,1'-아조비스(시클로헥산-1-카르보니트릴) 등의 아조 화합물이다.
상술한 중합 개시제에 부가하여, 일본 공개 특허공보 제 2003-192714호 및 제 2003-246813호에 기재된 바와 같이, 중합 개시제로서 니트릴기가 없는 아조 화합물이 사용될 수 있다. (메타)아크릴 에스테르 모노머에 대한 중합 개시제로서 아조 화합물이 바람직하지만, 니트릴기를 가지는 아조 화합물은 열에 의해 상당히 착색되고, 광학 섬유와 같은 광학 부재에 요구되는 광학 전송 성능을 충족시킬 수 없다. 특히, 사슬 이동제로서 메르캅탄과 함께 사용되는 경우, 문제가 악화된다. 니트릴기가 없는 아조 화합물로서, 식 (5) 에 나타낸 화합물이 바람직하다.
[식 (5)]
Figure 112008051929413-pct00011
식 중, R1, R2 및 R3 각각은 독립적으로 탄소 원자수 1 ~ 6인 알킬기, 탄소 원자수 3 ~ 6인 시클로알킬기, -COOR4, 및 -CONR5R6를 나타내고; R4 는 탄소 원자수 1 ~ 5인 알킬기를 나타내며; R5 및 R6 각각은 독립적으로 탄소 원자수 1 ~ 9인 알킬기, 탄소 원자수 3 ~ 6인 시클로알킬기를 나타낸다. R5 및 R6 는 고리로 결합될 수 있다. R1 내지 R6 의 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있다. R1 내지 R6 의 알킬기로서, 메틸기, 에틸기, n-프로필기, tert-부틸기, n-펜틸기, 네오펜틸기 등이 있다. 이들 알킬기에서, 바람직하게는 메틸기, tert-부틸기, n-펜틸기 및 네오펜틸기가 사용되고, 보다 바람직하게는 메틸기, tert-부틸기 및 네오펜틸기가 사용된다. R1 내지 R3, R5 및 R6의 시클로알킬기로서, 시클로헥실기가 바람직하게 사용된다.
식 (5) 에 도시된 화합물의 구체적인 예로서, 2,2'-아조비스(2-메틸프로판); 2,2'-아조비스(2-메틸부탄); 2,2'-아조비스(2-메틸펜탄); 2,2'-아조비스(2,3-디메틸부탄); 2,2'-아조비스(2-메틸헥산); 2,2'-아조비스(2,4-디메틸펜탄); 2,2'-아조 비스(2,3,3-트리메틸부탄); 2,2'-아조비스(2,4,4-트리메틸펜탄); 3,3'-아조비스(3-메틸펜탄); 3,3'-아조비스(3-메틸헥산); 3,3'-아조비스(3,4-디메틸펜탄); 3,3'-아조비스(3-에틸펜탄), 디메틸-2,2'-아조비스(2-메틸프로피오네이트); 디에틸-2,2'-아조비스(2-메틸프로피오네이트); 디-tert-부틸-2,2'-아조비스(2-메틸프로피오네이트) 등과 같은 아조 화합물이 있다. 중합 개시제가 상기 물질에 제한되지 않음에 유의한다. 한 종류 이상의 중합 개시제가 조합될 수 있다.
(사슬 이동제)
제조되는 전체 플라스틱 광학 섬유에 대해서 코폴리머의 기계적 특성, 열 특성 등의 물리적 특성을 유지하기 위해서, 사슬 이동제 사용에 의해 중합도를 제어하는 것이 바람직하다. 사슬 이동제의 종류 및 양은 중합성 모노머의 종류에 따라서 선택된다. 각 모노머에 대한 사슬 이동제의 사슬 이동 계수는, 예를 들어, "폴리머 핸드북, 제 3 판", (J.BRANDRUP & E.H.IMMERGUT 편집, JOHN WILEY&SON 발행) 에 기재되어 있다. 또한, 사슬 이동 계수는 "폴리머의 실험 방법" (Takayuki Ohtsu 및 Masayoshi Kinoshita 편집, Kagakudojin 발행, 1972) 에 기재된 방법에서의 실험을 통해 계산될 수 있다.
사슬 이동제의 바람직한 예는 알킬메르캅탄류 [예를 들어, n-부틸메르캅탄; n-펜틸메르캅탄; n-옥틸메르캅탄; n-라우릴메르캅탄; tert-도데실메르캅탄 등], 및 티오페놀류 [예를 들어, 티오페놀; m-브로모티오페놀; p-브로모티오페놀; m-톨루엔티올; p-톨루엔티올 등] 이다. 알킬메르캅탄류에서 n-옥틸메르캅탄, n-라우릴메르캅탄, 및 tert-도데실메르캅탄을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 또한, 사슬 이동제에서 C-H 결합 상의 수소 원자가 불소 원자 (F) 또는 중수소 원자 (D) 에 의해 치환될 수 있다. 사슬 이동제는 상기 물질에 제한되지 않음에 유의한다. 한 종류 이상의 이동 사슬제가 조합될 수도 있다.
본 발명에 적용가능한 사슬 이동제는 상기에 제한되지 않는다. 바람직하게, 불소-치환 메르캅탄은 적어도 50 질량%, 보다 바람직하게 적어도 60 질량%의 불소 함량을 가진다. 불소-치환 메르캅탄은 하기 식 (6) 및 식 (7) 의 적어도 하나의 화합물인 것이 바람직하다.
[식 (6)]
Figure 112008051929413-pct00012
[식 (7)]
Figure 112008051929413-pct00013
식 중, A는 H, D 또는 불소 원자를 나타내고; p, q 및 r은 15 > p > r ≥ 0 및 15 > q > r ≥ 0 을 만족하는 정수이다. 이들을 만족하면서, p 는 바람직하게 1 ~ 15, 보다 바람직하게 2 ~ 12의 정수이고; q는 바람직하게 1 ~ 15, 보다 바람직하게 2 ~ 12의 정수이며, 그리고 r은 바람직하게 0 ~ 4, 보다 바람직하게 0 ~ 2의 정수이다.
식 (6) 및 식 (7)의 화합물의 예는 아래에 언급된다. 2종류 이상의 이동 사슬제는 본 명세서에서 조합된 것으로 사용될 수 있다.
Figure 112008051929413-pct00014
중합 개시제 및 사슬 이동제의 양을 추가하는 것과 관련하여, 제 1 내지 제 n 층에 사용되는 중합성 조성물의 종류 등에 따라서 바람직한 범위를 적당하게 결정하는 것이 가능하다. 이 실시형태에서, 중합 개시제는 제 1 내지 제 n 층에 사용되는 중합성 조성물에 대해 0.005 ~ 0.5 mol% 가 되도록 첨가된다. 이 첨가비를 0.010 ~ 0.1 mol% 범위 내로 설정하는 것이 더 바람직하다. 한편, 사슬 이동제는 제 1 내지 제 n 층에 사용되는 중합성 조성물에 대해 0.005 ~ 0.5 mol% 가 되도록 첨가된다. 이 첨가비를 0.01 ~ 0.1 mol% 범위 내로 설정하는 것이 더 바람직하다.
(굴절률 제어제)
원하는 굴절률 분포를 적용하기 위해서, 비중합성 화합물인 굴절률 제어제가 첨가제로서 첨가될 수 있다. 굴절률 제어제를 사용함으로써, 굴절률 분포 계수 g 가 원하는 범위로 용이하게 제어될 수 있다. 굴절률 제어제는 바람직하게 제 1 내지 제 n 중합성 조성물 각각의 0.01 wt.% ~ 25 wt.%, 보다 바람직하게 1 wt.% ~ 20 wt.% 로 첨가된다.
굴절률 제어제는 고 굴절률 및 큰 분자 체적을 가지는 저분자 화합물인 것이 바람직하고, 중합을 수반하지 않으며, 용융 폴리머에서 일정한 속도로 확산한다. 굴절률 제어제는 모노머에 한정되지 않으며, 올리고머 (이량체, 삼량체 등을 포함) 일 수도 있음에 유의한다.
또한, 굴절률 제어제로서, 예를 들어 벤질 벤조에이트 (BEN), 디페닐 술피드 (DPS), 트리페닐 포스피트 (TPP), 벤질-n-부틸 프탈레이트 (BBP), 디페닐 프탈레이트 (DPP), 디페닐 (DP), 디페닐메탄 (DPM), 트리크레실 포스페이트 (TCP), 디페닐 술폭시드 (DPSO) 등의 비중합성 저분자 화합물이 있고, 보다 바람직하게는 BEN, DPS, TPP, DPSO 이다. 굴절률 제어제가 제 1 내지 제 3 부재 (13 ~ 15) 용 폴리머에 첨가되어, 굴절률 제어제의 농도 분포가 제어되기 때문에, 각 부재의 굴절률이 원하는 값으로 제어될 수 있다.
(기타 첨가제)
전송 특성이 저하되지 않는 한, 기타 첨가제가 코어 내의 각 층에 포함될 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 내후성 및 내구성 증가를 위해 사용될 수 있다.
또한, 유도 방출 관능성 화합물 (induced emissive functional compound) 이 광학 신호의 증폭을 위해 첨가될 수 있다. 상기 화합물이 모노머에 첨가되는 경우, 전송 거리가 증가하도록 감쇠된 신호 광이 여기광에 의해 증폭된다. 따라서, 상기 첨가제를 가진 광학 부재는 광학 전송 링크에서 광학 섬유 증폭기로 사용될 수 있다. 이들 첨가제는 그 첨가제를 원료로서의 각종 중합성 조성물과 중합함으로써 코어의 층 또는 그 일부 내에 포함될 수 있다.
(제 2 부재 및 제 3 부재)
외부 셸 (66) 의 프리폼인 제 2 부재 (14), 및 최외곽 셸 (67) 의 프리폼인 제 3 부재 (15) 가 각각 중합성 조성물로 형성될 수 있으며, 이는 굴절률이 제 1 부재 (13) 보다 크지 않은 폴리머 또는 모노머를 생성한다. 이들 부재가 제 1 층 (51) 과 동일한 굴절률을 가질 수 있지만, 제 2 부재 (14) 가 바람직하게 제 1 층 (51) 보다도 낮은 굴절률을 가진다. 후술되는 실험에서, 제 2 부재 (14) 는 제 1 층 (51) 보다도 낮고, 제 3 부재 (15) 보다도 높은 굴절률을 가진다. 하지만, 굴절률은 코어 (65) 가 광을 확실히 전송할 수 있는 한, 상기에 제한되지 않는다. 이 실시형태에서, 굴절률이 중심에서 제 1 부재 (13) 둘레 측으로 감소되고, 제 2 부재 (14) 의 굴절률이 제 1 부재 (13) 보다 크지 않기 때문에, 제 3 부재 (15) 는 광 전송과 관계하지 않는다. 따라서, 제 3 부재 (15) 의 굴절률은 제한되지 않는다. 제 2 부재 (14) 및 제 3 부재 (15) 의 굴절률은, 제 1 부재 (13) 와 동일하게, 적어도 2개의 상이한 재료의 혼합비의 변화, 또는 상술된 굴 절률 제어제의 첨가에 의해 제어될 수 있다.
제 2 부재 (14) 용 재료는 바람직하게 열 및 습도에 대한 내구성 및 거칠기가 우수한 것이 바람직하다. 구체적인 예로서, 함불소 모노머의 코폴리머 및 호모폴리머가 있다. 함불소 모노머는 바람직하게 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌-비닐리덴 플루오라이드 3원 코폴리머 (THV) 이다. 하지만, 제 2 부재 (14) 는 또한 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로필렌 코폴리머 (FEP), 테트라플루오로에틸렌 퍼플루오로 알킬비닐 에테르 (PFA) 등으로도 형성될 수 있다.
제 3 부재 (15) 용 재료는 바람직하게 우수한 거칠기를 가진다. 구체적인 예로서, 메타크릴레이트 폴리머 (예컨대, PMMA) 가 있다. 폴리메타크릴레이트의 제 3 부재 (15) 는 POF (12) 에 우수한 거칠기를 제공하므로, POF (12) 의 생산성 및 취급성이 개선된다. 또한, 벤딩 또는 외압에 의한 변형으로 인해 POF (12) 에서의 전송 손실의 증가가 방지된다. 또한, PMMA 는 우수한 투과성을 가진다. 상기 이유 때문에 이 실시형태에서 제 3 부재 (15) 가 제공되지만, POF는 제 1 및 제 2 부재 (13, 14) 만을 포함하는 프리폼을 가열-드로잉하여 형성될 수 있다.
(회전 중합법)
회전 중합법은 도 7 내지 도 10을 참조하여 기재된다. 본 발명의 실시형태는 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 본 발명의 예시이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 중합 콘테이너 (85) 는 원통형 콘테이너 바디 (85a) 및 콘테이너 바디 (85a) 의 양단을 밀봉하기 위한 한 쌍의 리드 (85b) 를 포함한다. 콘테이너 바디 (85a) 및 리드 (85b) 는 SUS로 형성된다. 중합 콘테이너 (85) 의 내직경은 내부에 포함된 파이프 (28) 의 외직경보다 약간 더 크고, 파이프 (28) 의 회전은 중합 콘테이너 (85) 의 회전과 동기화된다.
먼저, 상업형 용융-압출 머신 등에 의해 형성된 파이프 (28) 가 중합 콘테이너 (85) 에 포함된다. 파이프 (28) 의 일단이 제 1 층 내지 제 n 층용 중합성 화합물에 의해 용해되지 않는 재료로 형성된 플러그 (86) 로 밀봉된다. 플로그 (86) 재료의 예는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 이다. 플러그 (86) 는 가소제를 흘러나오게 하는 화합물을 포함하지 않는다.
파이프 (28) 의 일단을 밀봉한 이후, 제 1 층 (51) 에 대한 제 1 중합성 조성물 (87) 을 파이프 (28) 의 공동부에 주입한다. 파이프의 타단이 플러그 (86) 로 밀봉된 다음, 중합 콘테이너 (85) 의 회전 동안 제 1 층 (51) 이 제 1 중합성 조성물 (87) 의 중합에 의해 형성된다. 중합 콘테이너 (85) 와 함께 파이프 (28) 의 회전을 확보하기 위해서, 지지 부재 등이 중합 콘테이너 (85) 의 내벽에 제공될 수 있다.
상술한 바와 같이, 중합 콘테이너 (85) 를 회전시키는 동안, 회전 중합 장치 (91) 가 사용된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 회전 중합 장치 (91) 는 복수의 회전 부재 (93), 구동부 (94) 및 서모스탯 (thermostat, 95) 을 포함한다. 회전 부재 (93) 는 하우징 (92) 내에 있고, 구동부 (94) 및 서모스탯 (95) 은 하우징 (92) 외부에 제공된다. 서모스탯 (95) 은 하우징 (92) 내의 온도를 측정하고, 측정된 결과에 기초하여 이 온도를 제어한다.
원통형 회전 부재 (93) 는, 중합 콘테이너 (85) 가 인접하는 2개의 회전 부재 (93) 에 의해 지지되도록 평행하게 배치된다. 회전 부재 (93) 의 일단은 하우징 (92) 의 내벽에 의해 회전하도록 지지되고, 구동부 (94) 에 의해 독립적으로 구동된다. 구동부 (94) 는 구동부 (94) 의 동작을 제어하기 위한 제어기 (미도시) 를 구비한다.
중합시, 도 9에 도시된 바와 같이, 중합 콘테이너 (85) 는 인접하는 회전 부재 (93) 의 표면 사이의 공간에서 홀딩되고, 회전축 (93a) 둘레로 회전 부재 (93) 를 회전시킴에 따라 회전된다. 중합 콘테이너 (85) 가 회전 중합 장치 (91) 에서 세팅되고 회전되기 때문에, 제 1 중합성 조성물 (87) 이 중합된다. 중합 콘테이너 (85) 를 회전시키는 방법은 이 실시형태에 기재된 표면 구동 타입에 한정되지 않는다.
도 9에 도시된 바와 같이, 리드 (85b) 에 제공되는 자석 (85c) 및 인접하는 회전 부재 (93) 아래에 제공되는 자석 (96) 때문에, 중합 콘테이너 (85) 는 회전하는 동안 상측 이동하는 것이 방지된다. 또한, 상부 회전 부재가 중합 콘테이너 (85) 상에 제공될 수 있고, 상부 회전 부재가 회전 부재 (93) 와 함께 회전될 수 있어, 중합 콘테이너 (85) 가 상측으로 이동하는 것이 방지된다. 또한, 중합 콘테이너 (85) 에 일정한 중량을 가하기 위해서 중합 콘테이너 (85) 상부에 홀딩 수단을 제공하는 것이 또한 가능하지만, 중합 콘테이너 (85) 를 홀딩하는 방법은 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
회전 중합 이전에, 제 1 층 재료가 예비 중합 처리될 수 있으며, 파이프 (28) 는 실질적으로 수직으로 유지된다. 예비 중합시, 필요하다면, 회전 메카니즘을 제공하여 파이프 (28) 를 원통 축 둘레로 회전시킬 수 있다. 회전 중합은, 파이프 (28) 의 장축이 수평으로 유지되기 때문에, 파이프 (28) 의 전체 내면 상에 제 1 층 (51) 을 형성할 수 있다. 제 1 층 (51) 형성시, 파이프 (28) 전체 내면 상에 제 1 층 (51) 을 형성하기 위해서 파이프 (28) 의 장축이 수평을 유지하는 것이 바람직하지만, 파이프 (28) 의 장축이 수평을 대략 유지할 수도 있다. 파이프 (28) 의 수직축의 허용 각도는 지면에 대해 약 5°이다.
제 1 내지 제 n 중합성 조성물은 바람직하게 여과 및 증류에 의해 억제제, 수분, 불순물 등을 제거한 이후 사용된다. 또한, 용존 가스 및 휘발 성분을 제거하기 위해서 모노머 및 중합 개시제의 혼합물을 초음파 공정 처리하는 것이 바람직하다. 파이프 (28) 및 제 1 중합성 조성물 (87) 은 필요하다면, 제 1 층 (51) 의 형성 직전 및/또는 직후에, 공지된 감압 장치의 사용에 의해 감압 공정 처리될 수 있다.
제 1 층 (51) 을 가지는 파이프 (28) 는 회전 중합 장치 (91) 로부터 취출된 다음, 파이프 (28) 는 소정 온도에서의 서모스탯 오븐 등의 가열 장치의 사용에 의해 가열 공정 처리된다.
제 2 내지 제 n 층 (52 ~ 54) 이 중합에 의해 순차적으로 형성된다. 제 1 층 (51) 형성시 사용된 중합 콘테이너 (85) 를 도시한 도 10을 참조하여, 제 2 중합성 조성물 (98) 을 제 1 층 (51) 의 공동부에 주입한다. 다음, 파이프 (28) 의 양 모서리가 플러그 (86) 에 의해 밀봉되게 하여 파이프 (28) 를 중합 콘테이너 (85) 에 세팅하고, 파이프 (28) 의 장축이 수평을 유지하도록 한다. 파이프 (28) 가 그 원통 축 둘레로 회전되는 동안, 제 2 중합성 조성물이 중합되어 제 2 층 (52) 을 형성한다. 제 2 내지 제 n 중합성 조성물의 중합은 제 1 층 (51) 형성시 사용된 회전 중합 장치 (도 8의 91) 를 사용하여 수행한다. 파이프 (28) 및 제 2 내지 제 n 중합성 조성물이, 필요하다면 제 2 내지 제 n 중합성 조성물을 주입하기 직전에 및/또는 직후에, 공지된 감압 장치의 사용에 의해 감압 공정 처리될 수 있다.
제 2 중합성 조성물 (98) 이 중합을 시작할 때, 제 2 중합성 조성물 (98) 이 제 1 층 (51) 의 내벽을 팽윤시켜, 중합 초기 단계에서 겔화된 팽윤층을 형성한다. 상기 팽윤층은 제 2 층 (52) 의 중합을 가속화한다 (겔 효과). 이 실시형태에서, 파이프 (28) 에 주입된 중합성 조성물은 회전하는 파이프 (28) 에 반응하여 팽윤층을 형성하고, 결국 중합성 조성물이 중합된다. 이러한 중합 공정을 회전 겔 중합 공정이라 칭한다. 이 공정에서, 파이프의 길이 방향은 바람직하게 수평으로 유지된다.
반응 속도를 제어하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 반응 속도는 1시간 동안의 전환율이 바람직하게 5-90%, 보다 바람직하게 10-85%, 가장 바람직하게 20-80% 되도록 조절된다. 반응 속도는 중합 개시제의 종류, 중합 온도 등을 조절함으로써 제어된다. 전환율을 측정하기 위한 임의의 주지된 방법이 적용될 수 있음에 유의한다. 예를 들어, 중합성 화합물의 정량 평가 및 육안 평가 사이의 관계를 획득하기 위해서 가스 크로마토그래피를 사용하여 미리 실험을 수행하므로, 육안 평가만에 의해 획득된 관계로부터 중합성 조성물의 전환율을 구할 수 있다. 회전 겔 중합의 반응 온도는 바람직하게 사용되는 중합성 화합물의 비점 이하이다. 회전 속도는 층 (51 ~ 54) 의 전환율 또는 다른 특성을 조절하기 위해 바람직하게 조절된다.
(가열-드로잉 공정)
이하, 본 발명의 실시형태에서의 가열-드로잉 공정 (24) 이 기재된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 가열-드로잉 공정 (24) 시, 프리폼 (16) 은 가열될 가열 로 (100) 에 배치된다. 프리폼 (16) 의 하부는 가열에 의해 용융된다. 가열 설정 온도가 제한되지 않지만, 15O℃ ~ 300℃의 범위, 특히 18O℃ ~ 240℃의 범위, 특히 더 190℃ ~ 220℃의 범위가 바람직하다. 드로잉은 POF (12) 를 획득하기 위해서 용융부의 끝단 (16a) 으로부터 시작된다. 다음, POF (12) 는 와인딩 장치 (102) 의 와인딩 축 (103) 둘레에 권취된다. 드로잉 동안, 직경 모니터 (101) 가 POF (12) 의 직경을 모니터링하여, 가열 로 (100) 에 대한 프리폼 (16) 의 위치, 가열 로 (100) 의 온도, 와인딩 장치 (102) 의 와인딩 속도 등을 조절한다. 따라서, 일정한 직경을 가지는 POF (12) 가 프리폼 (16) 으로부터 획득될 수 있다. 가열-드로잉 공정 (24) 시, 일본 공개 특허공보 제 07-234322호 등에 기재된 방법이 적용될 수 있다.
가열-드로잉 공정 (24) 에 의해, 제 1 내지 제 3 부재 (13 ~ 15) 가 서로 접촉하고, 프리폼 (16) 의 단면과 비슷한 단면을 가지는 POF (12) 가 형성된다. 이 상태에서, 캐비티 (58) 및 클리어런스 (도 3의 59) 가 사라진다. 가열-드로잉 공정 (24) 동안 캐비티 (58) 내부가 감압될 때, 버블이 거의 발생되지 않는 POF (12) 가 제조될 수 있다.
POF (12) 의 외직경은 POF (16) 의 드로잉 정도에 의해 결정된다. 코어 (65) 의 체적을 변화시키지 않고, 최외곽 셸 (67) 의 외직경을 제어하는 것이 바람직하다. 따라서, 큰 직경을 가지는 POF (12) 가 광 전송 성능을 저하시키지 않고 형성될 수 있다. 또한, POF (12) 의 직경 변화가 저비용으로 수행될 수 있다.
(커버링 공정 및 조립 공정)
POF 케이블 형성 공정 (10) 에서 커버링 공정 (30) 및 조립 공정 (32) 이 생략되는 경우가 있다. 예를 들어, 단일 광학 섬유를 가지는 POF 케이블의 경우, 제 2 커버링 공정을 수행하지 않고, 제 1 커버링 공정에 의해 커버된 최외곽층을 가진 광케이블을 이용하는 것이 가능하다. 커버링 종류에 대해서, 커버링 층이 POF 코드의 전표면을 접촉하는 접촉형 커버링이 있고, 커버링 층 및 POF 코드 사이에 갭이 제공되는 루스형 (loose type) 커버링이 있다. 루스형 커버링 층이 커넥터 부착시 박리되는 경우, 수분이 POF 코드 및 커버링 층 사이의 갭으로 들어가고, POF 케이블의 길이 방향으로 확장되는 것이 가능하다. 따라서, 접촉형 커버링이 바람직하다.
하지만, 루스형 커버링은 커버링 층 및 POF 코드 사이의 갭으로 인해 광학 섬유 케이블에 대한 가열 및 응력에 의해 야기되는 손상을 완화하는데 이점을 가진 다. POF 코드에 대한 손상이 감소하기 때문에, 루스형 커버링이 일부 목적에 바람직하게 적용된다. 반-겔화 또는 분말화된 재료를 갭에 충전함으로써 수분이 POF 케이블의 측 모서리로부터 들어가는 것을 차단하는 것이 가능하다. 충전제로서의 겔화 또는 분말화된 재료에 내열성 및 기계적 강도를 개선하는 기능이 제공된다면, 우수한 특성을 가지는 커버링 층이 실현될 수 있다. 루스형 커버링 층은 크로스 헤드 다이의 압출 니플의 위치를 조절하고, 감압 장치로 압력을 조절함으로써 형성될 수 있다. POF 코드 및 커버링 층 사이의 갭 층 두께는, 갭 층에 대한 니플 두께 및 압력을 조절함으로써 제어될 수 있다. 제 1 및 제 2 커버링 공정에서 POF 상에 형성된 커버링 층은 POF의 광학 특성에 영향을 주지 않는 한, 난연제, 자외선 흡수제, 산화 방지제, 셰이딩 제 (shading agent) 및 윤활제 등의 첨가제를 포함할 수 있다.
난연제는 브롬과 같은 할로겐을 포함하는 수지이고, 첨가제이며, 인을 포함한 재료이다. 알루미늄 수산화물 또는 마그네슘 수산화물 등의 금속 수산화물은 독가스 방출을 줄이기 위한 난연제로 사용되는 것이 바람직하다. 금속 수산화물은 POF 제조 동안 제거되지 않는 결정화된 물을 포함한다. 즉, 난연제로서의 금속 수산화물은 POF (12) 에 직접 접촉되는 커버링 층이 아닌, 광케이블의 최외곽 커버링층에 첨가하는 것이 바람직하다.
POF 케이블 (33) 은 다중 기능을 가지는 복수의 커버링 층으로 커버될 수 있다. 상기 커버층의 예는 상술한 난연제층, POF (12) 에서의 수분 흡수를 방지하기 위한 배리어층, POF (12) 에서의 수분을 제거하기 위한 흡습제 (예를 들어, 보호층 사이 또는 보호층 내에서의 흡습 테이프 또는 겔) 이다.
또한, 다른 기능층으로서, POF 벤딩시 응력을 완화하기 위한 충격 흡수제로서의 유연한 재료층 및 스티렌 형성층, 강성을 향상시키기 위한 강화층이 있다. 커버링 층으로서의 열가소성 수지는 POF 케이블의 강도를 증가시키기 위해 구조재 (structural material) 를 포함할 수 있다. 구조재는 고 탄성을 가진 인장 강도 섬유 및/또는 고 강성을 가진 금속 배선이다. 이들 재료는 제조된 POF 케이블 (33) 의 기계적 강도의 개선 측면에서 바람직하다.
인장 강도 섬유의 예로서 아라미드 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유가 있다. 금속 배선의 예로서 스테인리스 배선, 아연 합금 배선, 구리 배선이 있다. 구조재는 상기에 연결된 것에 제한되지 않는다. 또한, POF 케이블 (33) 의 보호를 위한 금속 파이프, POF 케이블 (55) 을 홀딩하기 위한 지지 배선 등의 다른 재료를 제공하는 것이 가능하다. 배선시 작업 효율성을 높이기 위한 메카니즘이 또한 POF 케이블 (33) 에 적용가능하다.
사용 방식에 따라서, POF 코드 (31) 가 원형으로 배열된 케이블 어셈블리, POF 코드 (31) 가 선형으로 배열되는 테이프 코어 배선, 테이프 코어 배선이 밴드 또는 LAP 쉬스 (sheath) 등을 사용하여 묶여진 어셈블리로서, POF 케이블 (33) 이 선택적으로 사용된다.
종래 광학 섬유 케이블과 비교하여, 본 발명의 프리폼 (16) 으로부터 획득된 POF 케이블 (33) 은 코어 위치에서의 허용가능한 에러가 크고, POF 케이블 (33) 이 직접 연결될 수 있다. 그러나, 광학 커넥터를 사용하여 본 발명에 의한 광학 부재로서의 POF 케이블의 끝단 고정을 확보하는 것이 바람직하다. 시중에서 널리 이용가능한 광학 커넥터는 PN 타입, SMA 타입, SMI 타입 등이다. 따라서, 본 발명의 POF 케이블 (33) 은 광학 신호를 전송하기 위한 시스템에 적용될 수 있고, 이것은 광방출 엘리먼트, 광수신 엘리먼트, 광학 스위치, 광학 아이소레이터, 광학 집적 회로, 광학 전송기 및 수신기 모듈 등의 광학 콤포넌트를 포함하는 광학 신호 전송 장치를 사용한다. 상기 시스템은 다른 광학 섬유와 결합될 수 있다. 임의의 공지된 기술이 상기 시스템에 적용될 수 있다. 그 기술은, 예를 들어, "'Basic and Practice of Plastic Optical Fiber' (NTS Inc. 발행)", " '0ptical members can be Loaded on Printed Wiring Assembly, at Last' in Nikkei Electronics, vol. Dec. 3, 2001", pp. 110-127" 등에 기재되어 있다.
이들 문헌 내의 기술에 의한 POF 케이블 (33) 를 결합함으로써, POF 케이블 (33) 은 고속 및 고용량 데이터 통신에 적합하고 전자기파의 영향이 없이 제어하기에 적합한 단거리 광학 전송 시스템에 적용가능하다. 구체적으로, POF 케이블 (33) 은 컴퓨터 등의 장치 및 다양한 디지털 장치 (예를 들어 DVI 및 HDMI) 내 배선과, 기차 및 배 내의 배선과, 광학 단자 및 디지털 장치 사이의 광학 연결과, 디지털 장치들, 주택, 집합 주택, 공장, 사무실, 병원, 학교에서의 옥내 광학 LAN 및 옥외 광학 LAN 사이의 광학 연결에 적용가능하다. 또한, 본 발명의 POF 케이블 (33) 은 고속 전송, 수분을 흡수하는 경우에도 낮은 전송 손실의 유지, 및 벤딩 또는 외압에 의한 변형으로 인한 전송 손실의 증가 방지 등의 우수한 광학 특성을 가진다. 따라서, 본 발명의 POF는 일정한 외압을 POF 또는 복수의 POF 벤딩에 요 구하는 광학 배선 시스템에 사용될 수 있다. 예를 들어, POF는 바람직하게 이동 전화 및 랩탑 컴퓨터의 광학 링크 시스템의 광학 배선에 사용된다.
또한, 광학 전송 시스템과 결합되는 다른 기술이, 예를 들어, "'High-Uniformity Star Coupler Using Diffused Light Transmission' in IEICE TRANS. ELECTRON., VOL. E84-C, No.3, MARCH 2001, pp. 339-344", "'Interconnection in Technique of Optical Sheet Bath' in Journal of Japan Institute of Electronics Packaging., Vol.3, No.6, 2000, pp.476-480" 에 개시되어 있다. 또한, 도파면 상의 광 방출 엘리먼트의 배열 (일본 공개 특허공보 제 2003-152284호에 개시), 광학 버스 (일본 공개 특허공보 제 10-123350호, 제 2002-90571호, 제 2001-290055호 등에 개시); 광학 브랜칭(branching)/커플링 장치 (일본 공개 특허공보 제 2001-74971호, 제 2000-329962호, 제 2001-74966호, 제 2001-74968호, 제 2001-318263호, 제 2001-311840호 등에 개시); 광학 스타 커플러 (일본 공개 특허공보 제 2000-241655호에 개시); 광학 신호 전송 장치 및 광학 데이터 버스 시스템 (일본 공개 특허공보 제 2002-62457호, 제 2002-101044호, 제 2001-305395호 등에 개시); 광학 신호의 프로세싱 장치 (일본 공개 특허공보 제 2002-23011호 등에 개시); 광학 신호의 교차 연결 시스템 (일본 공개 특허공보 제 2001-86537호 등에 개시); 광 전송 시스템 (일본 공개 특허공보 제 2002-26815호 등에 개시); 다기능 시스템 (일본 공개 특허공보 제 2001-339554호, 제 2001-339555호 등에 개시); 및 각종 종류의 광학 도파로, 광학 브랜칭, 광학 커플러, 광학 멀티플렉서, 광학 디멀티플렉서 등이 있다. 본 발명에 의한 광학 부재를 구비한 광학 시스템이 이들 기술로 결 합되는 경우, 멀티플렉싱된 광학 신호를 송신/수신하기 위한 진보된 광학 전송 시스템을 구축하는 것이 가능하다. 본 발명에 의한 광학 부재는 또한 라이팅 (lighting), 에너지 전송, 조명, 렌즈 및 센서 등의 다른 목적에 적용가능하다.
본 발명은 실험을 참조하여 상세히 설명된다. 본 발명의 범위는 이들 실험에 한정되지 않음에 유의한다.
[실험 (I)]
POF 케이블 형성 공정 (10) 에 따라, POF (12) 를 형성한다. 먼저, 용융-압출 몰딩에 의해, 18.5mm의 내직경, 19.5mm의 외직경 및 27cm의 길이를 가지는 PVDF의 파이프 (28) 을 형성한다. 제 1 중합성 조성물을 구멍 직경이 0.2㎛인 PTFE 멤브레인-필터를 통해서 파이프 (28) 의 공동부에 주입한다. 제 1 중합성 조성물을 제조하기 위해서, 3FMd7 (이하, 내용물 A) 21.73㎖ 및 PFPMAd5 (이하, 내용물 B) 4.56㎖를 중합성 조성물로 혼합한 다음, 내용물 A 및 내용물 B의 합의 0.1mol%의 2,2'-디메틸 아조비스 (이소부티레이트) 및 내용물 A 및 내용물 B의 합의 0.05mol%의 에틸 3-메르캅토프로피오네이트를 중합성 조성물에 첨가한다. 동일한 공정에서, 표 1 에 나타낸 각각의 주입 양에 따라 제 2 내지 제 11 중합성 조성물을 조제한다.
제 1 중합성 조성물을 포함하는 파이프 (28) 를 파이프 (28) 의 길이 방향이 수평이 되도록 회전 중합 장치 내의 콘테이너 바디 (85a) 에 세팅한다. SUS의 중합 콘테이너 (85) 를 9O℃ 분위기에서 2000rpm으로 2시간 동안 회전시켜 가열-중합을 수행한다. 고립된 열전쌍을 회전하는 중합 콘테이너 (85) 가까이 (예를 들어, 중합 콘테이너 (85) 로부터 1cm ~ 2cm의 거리) 에 제공하여 중합 콘테이너 (85) 의 온도를 측정하고, 측정된 온도를 중합 반응에 의한 가열 온도로 간주한다. 온도 (열) 의 측정된 발열 피크는 중합 시작으로부터 1시간 20분이 지난 이후의 시간에서 67℃이다. 따라서, 제 1 층이 파이프 (28) 내부에 형성된다. 획득된 폴리머의 전환율은 90%이다.
다음, 제 1 층을 구비한 파이프 (28) 를 중합 콘테이너 (85) 로부터 취출하고, 제 2 중합성 조성물을 파이프 (28) 의 공동부에 주입한다. 이후, 제 2 층이 회전 중합에 의해 형성된다. 중합 조건 및 절차는 제 1 층 형성에서와 동일하다. 동일한 공정에서, 제 3 층 ~ 제 11 층은 회전 중합 동안 파이프 (28) 로 제 3 ~ 제 11 중합성 조성물의 주어진 양 (표 1에 나타냄) 을 주입하는 것에 의해 형성된다.
제 1 ~ 제 11 층 각각에 대한 3FMd7 및 PFPMAd5의 혼합량, 및 제 1 ~ 제 11 중합성 조성물 각각의 코폴리머의 굴절률을 표 1에 나타낸다.
Figure 112008051929413-pct00015
제 11 중합성 조성물의 중합 이후, 파이프 (28) 를 90℃에서 6 시간 동안 가열하여 잔류 중합성 화합물을 반응시킨다. 다음, 제 1 부재 (13) 를 획득하기 위해 파이프 (28) 를 제거한다. 제 1 부재 (13) 의 외직경은 18.5mm이다.
제 2 부재 형성 공정 (19) 에서, 제 2 부재 (14) 를 DyneonTHV500G (등록 상표: Sumitomo 3M Limited 제조) 펠렛의 압출에 의해 형성한다. 제 2 부재 (14) 를 내직경이 18.8mm이고 외직경이 19.8mm인 원통 형상으로 형성한다. 제 2 부재 (14) 의 굴절률은 1.36이다. 제 1 조합 공정 (23a) 에서, 제 1 부재 (13) 를 제 2 부재 (14) 의 공동부에 삽입하여, 조인트 부재를 획득한다.
제 3 부재 형성 공정 (20) 에서, ACRYPET (등록 상표: Mitsubishi Rayon Co., Ltd. 제조) 펠렛의 용융-압출에 의해 제 3 부재 (15) 를 형성한다. 제 3 부재 (15) 를 내직경이 20.5mm이고 외직경이 64.5mm인 원통 형상으로 형성한다. 제 3 부재 (15) 의 굴절률은 1.49이다. 제 2 조합 공정 (23b) 에서, 조인트 부재 (제 1 조합 공정 (23a) 에서 획득됨) 를 제 3 부재 (15) 의 공동부에 삽입하여, 프리폼 (16) 을 획득한다.
프리폼 (16) 은 그 캐비티에서의 감압과 함께 200℃에서 용융-드로잉된다. 따라서, 캐비티가 폐쇄되고, 제 1 내지 제 3 부재 (13 ~ 15) 가 단단하게 접촉되며, POF (12) 가 획득된다. POF (40) 의 최외곽 셸 (67) 의 외직경은 500㎛이고, 코어 (65) 의 외직경 (D1) 은 125㎛이다. POF (12) 의 길이는 4000m이다. POF (12) 의 외직경 변화량은 ±15㎛이다. 전송된 듀얼빔 간섭 현미경 (TD-20, Mizojiri Optical Co., Ltd.) 을 사용하여 POF (12) 의 굴절률 분포를 측정함으로써, 도 12에 도시된 굴절률 분포 N1(r) 이 획득된다. 또한, 수학식 (1) ~ (3) 에서 코어 (65) 의 중심 및 둘레에서의 굴절률이 각각 N1 및 N2로 결정되고, 굴절률 분포 계수 g 가 2.2인 조건에서 계산된, 굴절률 분포 N2(r) 을 도 12에 나타낸다. N1(r) 및 N2(r) 은 대략 동일한 프로파일을 가진다. 즉, 수학식 (1) ~ (3) 을 만족하는 굴절률 분포 (굴절률 분포 계수 g=2.2) 가 POF (12) 에 형성됨이 확인된다.
또한, POF (12) 에서 측정된 전송 손실값은 650nm 광원에서 90dB/km 이고, 780nm에서 54dB/km 이며, 850nm에서 75dB/km 이다.
또한, POF (12) 가 각종 곡률 반경에서 360°벤딩되는 벤딩 테스트가 수행된다. 벤딩 테스트에서, POF (12) 에서의 전송 손실의 증가량이 측정된다. 곡률 반경이 10mm인 경우, 전송 손실의 증가량은 0.02dB이다. 곡률 반경이 15mm, 18mm 및 23mm인 경우, 전송 손실의 증가량은 0.01dB이다. 곡률 반경이 적어도 25mm인 경우, 전송 손실의 증가량은 거의 제로이다 (도 13 참조).
POF (12) 의 반복되는 벤딩 테스트가 수행된다. 반복되는 벤딩 테스트에서, 15mm 곡률 반경으로 POF (12) 를 90°벤딩하는 제 2 시간에, 벤딩의 반복은 제 1 시간으로 계산된다. 벤딩의 반복이 10000 회에 이르는 경우, 전송 손실의 증가량은 0.04dB 이다 (도 14참조). 또한, 부하 25kg이 POF (12) 의 측면의 100mm 길이에 적용되는 경우, 전송 손실의 증가량은 0.02dB이다 (도 15 참조).
[실험 (2)]
3FMd7 및 PFPMAd5 의 코폴리머의 굴절률의 파장 의존성이 측정되고, 수학식 (1) 에서의 굴절률 분포 계수 g 의 값과 대역폭 사이의 관계가 WKB 방법에 의해 측정된 결과로부터 이론적으로 계산된다. 각 파장 (650nm, 780nm 및 850nm) 에서의 이론적인 계산 결과는 도 16에 도시된다. 실험 (1) 로 획득된 POF (12) 의 100m 길이의 대역폭이 시간-도메인 방법으로 측정되는 경우, 대역폭은 850nm 파장에서 7.3GHz이다 (도 16 참조). 그 결과는, 50m 이하의 POF (12) 가 lOGbps 데이터 전송을 수행할 수 있음을 나타낸다. 또한, 실험 (1) 의 POF (12) 를 포함하는 50m 길이의 POF 케이블 (33) 은 lOGbps 변조 신호를 생성하기 위한 광 전송기 (71) 및 lOGbps 변조 신호를 복조하기 위한 광 수신기 (72) 사이에 연결된다. 광 전송기 (71) 에 연결된 제 1 장치가 특정 데이터를 광 전송기 (71) 로 전송할 때, 광 수신기 (72) 에 연결된 제 2 장치는 광 수신기 (72) 로부터 데이터를 수신한다. 또한, 제 1 장치 및 제 2 장치 사이의 이러한 데이터 통신 동안에, 광 전송기 (71) 및 광 수신기 (72) 사이에서 lOGbps의 데이터 전송이 수행됨이 확인되었다. 또한, 오실로스코프를 사용한 통신파 프로파일의 관측을 통해서, 양호한 아이 (eye) 패턴이 형성됨이 확인되었다. 이들 사실은 POF (12) 에 형성된 굴절률 분포가 우수한 전송 특성에 도움이 됨을 나타낸다.
<비교 실험 1>
메틸 메타크릴레이트 (MMA, 여기서 물은 100ppm 이하로 감소됨) 액체의 소정량을 내직경 22mm이고 길이 600mm인 원통형 중합 콘테이너에 주입한다. 중합 개시제로서, MMA의 0.5 질량%의 탈수화된 벤조일 퍼옥시드가 포함된다. 또한, 사슬 이동제로서, MMA의 0.28 질량%의 n-부틸메르캅탄이 포함된다. 중합 콘테이너가 7O℃ 수욕에서 격동되는 동안, MMA 용액은 2시간 동안 예비 중합 처리된다. 이후, 중합 콘테이너를 7O℃에서 수평으로 유지한 다음 (원통형 폿의 축 방향이 수평으로 유지됨), 3000rpm 의 속도로 중합 콘테이너를 회전시키면서 가열 중합 공정을 3시간 동안 수행한다. 이후, 9O℃의 가열 공정을 24시간 동안 수행하여, 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA) 로 형성된 원통형 관을 획득한다.
다음, 코어 재료로서 MMA (여기서 물은 lOOppm 이하로 저하됨) 를 굴절률 제어제로서의 디페닐 술피드와 혼합한다. 디페닐 술피드의 양은 MMA의 12.5 질량% 이다. 혼합 용액을 0.2㎛ 정밀도의 폴리테트라플루오로에틸렌으로 형성된 멤브레인 필터를 통해서 여과한 이후, 여과된 용액을 원통형 관의 공동부에 직접 주입한다. 혼합 용액의 0.016 질량%의 디-tert-부틸퍼옥시드 (123.7℃에서 반감기가 10.5 시간임) 를 첨가한다. 사슬 이동제로서, 혼합 용액의 0.27 질량%의 도데실메르캅탄을 첨가한다. 이 혼합 용액을 포함하는 원통형 관을 원통형 관의 직경보다 9% 더 큰 직경을 가지는 유리 관에 삽입한 다음, 유리관을 압력 중합 챔버 내에서 정지한 상태로 수직하도록 유지한다. 다음, 질소 분위기에서, 압력 중합 챔버는 0.6MPa로 가압되고, 혼합 용액은 48시간 동안 열 중합 처리된다. 중합시 가열 온도는, Tb가 MMA 의 비점 (100℃) 이고, Tg가 PMMA 의 유리전이점 (110℃) 인 경우, 100℃이고, 이것은 적어도 (Tb-10)℃ 이고 Tg℃ 이하이다. 그 이후, 압력을 계속해서 가하면서, 혼합 용액을 120℃에서 24시간 동안 열 중합 처리하고, 이것은 적어도 Tg℃ 이고 (Tg+40)℃ 미만이다. 열 중합 이후, 열 처리를 수행하여 프리폼을 획득한다. 디-tert-부틸퍼옥시드의 반감기는 100℃에서 180시간이고 120℃에서 15시간임에 유의한다.
프리폼은 중합이 완성될 때, 체적 수축으로 인해 발생되는 어떠한 버블도 가지지 않는다. 프리폼은 230℃에서 가열되고 드로잉되어, 700㎛ ~ 800㎛ 범위의 직경을 가지는 POF를 획득한다. POF 의 측정된 전송 손실은 파장 650nm에서 165dB/km 이다. 전송된 듀얼빔 간섭 현미경 (TD-20, Mizojiri Optical Co., Ltd.) 을 사용하여 POF의 굴절률 분포를 측정하고, 식 (1) 을 측정된 굴절률 분포에 적용하는 것에 의해, g 값은 2.8이다. 획득된 POF의 100m 길이의 대역폭을 650nm 파장의 레이저 광을 사용하여 시간-도메인 방법으로 측정하는 경우, 대역폭은 1.5GHz 이다. 그 결과는 적어도 0.03m 이고 50m 이하인 POF 가 1OGbps 데이터 전송을 안정되게 수행할 수 없음을 나타낸다.
본 발명은 바람직하게 광학 전송 등을 이용하는 플라스틱 광학 섬유, 특히 대량의 데이터 전송을 요구하는 장치에 연결된 광학 전송용 플라스틱 섬유에 적용되고, 이 플라스틱 광학 섬유를 사용하는 광학 전송 시스템에 적용된다.

Claims (9)

  1. 광을 전송하기 위한 코어 및 상기 코어 내부에 상기 광을 유지시키기 위해 상기 코어 둘레에 제공된 외부 셸을 포함하는 플라스틱 광학 섬유로서,
    상기 코어는 하기 식 (1) 로 나타낸 제 1 중합성 화합물 및 하기 식 (2) 로 나타낸 제 2 중합성 화합물의 코폴리머를 포함하고,
    상기 코어 (65) 의 단면 원형의 중심이 N1의 굴절률을 가지고, 상기 코어의 최외곽부가 N2의 굴절률을 가지며, 상기 코어의 반경을 R1으로 나타내고, 그리고 굴절률 분포 계수를 g로 나타내는 경우, 상기 코어가 하기 수학식 (1) 및 수학식 (2) 를 만족하는 굴절률 분포를 가지며,
    [수학식 (1)]
    N(r) = N1[1-2△(r/R1)g]1/2
    [수학식 (2)]
    △=(N12-N22)/(2N12)
    [식 (1)]
    Figure 112011079748371-pct00016
    식 (1) 중, R1 및 R2 각각은 독립적으로 H 또는 D를 나타내고; R3은 H, D, CH3, CD3 또는 할로겐 원자를 나타내며; R4는 2 ~ 8개의 탄소 원자, 및 불소 원자로 치환된 적어도 하나의 수소 원자를 가지는 알킬기를 나타내고,
    [식 (2)]
    Figure 112011079748371-pct00017
    식 (2) 중, R1 및 R2 각각은 독립적으로 H 또는 D를 나타내고; R3은 H, D, CH3, CD3 또는 할로겐 원자를 나타내며; X1 내지 X5 각각은 독립적으로 H, D, 할로겐 원자 또는 CF3을 나타내고, X1 내지 X5 중 적어도 하나는 할로겐 원자 또는 CF3인, 플라스틱 광학 섬유.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 분포 계수 g는 하기 수학식 (3) 을 만족하는, 플라스틱 광학 섬유.
    [수학식 (3)]
    2≤g≤2.3
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어는 60㎛ ~ 250㎛ 범위의 일정한 외직경을 가지는, 플라스틱 광학 섬유.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라스틱 광학 섬유가 곡률 반경 10mm 및 벤딩 각도 360°로 벤딩되는 경우, 전송 손실의 증가량은 1.0dB 미만인, 플라스틱 광학 섬유.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송 손실 값은 20dB/km 내지 200dB/km의 범위인, 플라스틱 광학 섬유.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 플라스틱 광학 섬유;
    10Gbps의 변조 신호를 생성하기 위해 상기 플라스틱 광학 섬유의 일단에 연결된 변조기, 및 상기 변조 신호에 기초하여 광학 신호를 출력하기 위한 파장 850nm의 광원을 포함하는 광 전송기; 및
    상기 광학 신호를 검출하고 상기 광학 신호에 기초하여 상기 변조 신호를 출력하기 위한 광 검출기, 및 상기 변조 신호의 복조를 수행하기 위한 복조기를 포함하는 광 수신기를 포함하는, 광학 전송 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 플라스틱 광학 섬유는 0.03m ~ 50m 범위의 길이를 가지는, 광학 전송 시스템.
  8. 파이프의 공동부에 중합성 조성물을 주입하는 단계로서, 상기 중합성 조성물은 하기 식 (3) 으로 나타낸 제 3 중합성 화합물 및 하기 식 (4) 로 나타낸 제 4 중합성 화합물을 포함하는, 상기 중합성 조성물을 주입하는 단계;
    상기 파이프의 내벽 안에 폴리머층을 형성하기 위해, 회전축으로서 상기 단면 원형의 중심 둘레로 상기 파이프를 회전시키면서 상기 중합성 조성물을 중합하는 단계;
    상기 제 3 중합성 화합물에 대한 상기 제 4 중합성 화합물의 비를 점차로 증가시키면서 상기 중합성 조성물을 주입하는 단계 및 상기 중합성 조성물을 중합하는 단계를 차례로 추가 수행하여, 복수의 상기 폴리머층이 상기 파이프 안에 동심원으로 적층되는 코어 프리폼을 형성하는 단계;
    상기 코어 프리폼이 삽입될 수 있는 홀을 가지는 외부 셸 프리폼을 형성하는 단계로서, 상기 외부 셸 프리폼은 굴절률이 상기 코어 프리폼의 굴절률 이하인 폴리머로 형성되는, 상기 외부 셸 프리폼을 형성하는 단계;
    상기 코어 프리폼을 상기 외부 셸 프리폼의 상기 홀에 삽입함으로써 섬유 프리폼을 형성하는 단계; 및
    상기 섬유 프리폼을 가열-드로잉하여 광을 전송하기 위한 코어 및 상기 코어 내부에 상기 광을 유지시키기 위해 상기 코어 둘레에 제공된 외부 셸을 포함하는 플라스틱 광학 섬유를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 코어 (65) 의 단면 원형의 중심이 N1의 굴절률을 가지고, 상기 코어의 최외곽부가 N2의 굴절률을 가지며, 상기 코어의 반경을 R1으로 나타내고, 그리고 굴절률 분포 계수를 g로 나타내는 경우, 상기 코어가 하기 수학식 (4) 및 수학식 (5) 를 만족하는 굴절률 분포를 가지며,
    [수학식 (4)]
    N(r) = N1[1-2△(r/R1)g]1/2
    [수학식 (5)]
    △=(N12-N22)/(2N12)
    [식 (3)]
    Figure 112011079748371-pct00018
    식 (3) 중, R1 및 R2 각각은 독립적으로 H 또는 D를 나타내고; R3은 H, D, CH3, CD3 또는 할로겐 원자를 나타내며; R4는 2 ~ 8개의 탄소 원자, 및 불소 원자로 치환된 적어도 하나의 수소 원자를 가지는 알킬기를 나타내고,
    [식 (4)]
    Figure 112011079748371-pct00019
    식 (4) 중, R1 및 R2 각각은 독립적으로 H 또는 D를 나타내고; R3은 H, D, CH3, CD3 또는 할로겐 원자를 나타내며; X1 내지 X5 각각은 독립적으로 H, D, 할로겐 원자 또는 CF3을 나타내고, X1 내지 X5 중 적어도 하나는 할로겐 원자 또는 CF3인, 플라스틱 광학 섬유의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 굴절률 분포 계수 g는 하기 수학식 (6) 을 만족하는, 플라스틱 광학 섬유의 제조 방법.
    [수학식 (6)]
    2≤g≤2.3
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