NO853303L - Preform med gradert brytningsindeks og fremgangsmaate for fremstilling av samme. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en preform med gradert brytningsindeks og en fremgangsmåte for fremstilling av preformmaterialer for bruk til trekking eller ekstrudering av optiske fibre.

Når elektromagnetiske bølger forplantes i et materiale, vil forplantningshastigheten være avhengig av materialets brytningsindeks. Hvis man benytter elektromagnetiske bølger med samme frekvens som synlig lys, kan man for enkelhets skyld si at den elektromagnetiske bølgen forplanter seg i materialet med lysets hastighet. Hvis man nå tenker seg at lyset skal forplantes i et materiale med større brytningsindeks enn f.eks. luft, vil lyshastigheten bli lavere i dette materialet enn i luften. Dette kan utledes av Snells lov.

Som en konsekvens av dette kan man si at lys som følger fiberaksen i en optisk fiber vil forplantes med en bestemt hastighet avhengig av fiberens brytningsindeks.

Lys som ikke følger fiberaksen men som forplantes utenom denne, vil enten bli reflektert fra fiberens ytre begrensning dvs. overgangen mellom fiberens materiale og det materialet som er utenfor fiberen, eller det vil forsvinne ut av fiberen.

Dette vil medføre at lyset som sendes gjennom fiberen, vil miste noe av sin intensitet på veien fra sendestedet til mottagningsstedet. Man sier at lyset dempes. Dessuten vil det reflekterte lyset ankomme med en viss faseforskyvning i forhold til det lyset som følger fiberaksen på grunn av den lengre vei det reflekterte lyset må gjennomløpe.

Rent praktisk kan man si at nevnte fenomen er tilstede i de såkalte trinngraderte fibre, dvs. optiske fibre hvor fiber-materialet har ensartet brytningsindeks fra aksen til neste endring av brytningsindeksen, som vanligvis er i overgangen mellom fiberens indre kjerne og dens ytre kappe.

Informasjon som sendes gjennom slike fibre i form av lyspulser blir med andre ord utvisket etter hvert som lyspulsene forplanter seg gjennom fiberen.

Hvis man derimot benytter optiske fibre som er optisk in-homogene (gradert indeksprofil), dvs. at brytningsindeksen forandrer seg kontinuerlig fra høyere brytningsindeks i fiberaksen til lavere brytningsindeks i fiberperiferien, vil lyset som sendes gjennom fiberen ikke bli reflektert som i trinngraderte fibre, men bli avbøyet kontinuerlig mot aksen.

Informasjon i form av lyspulser som sendes gjennom slike fibre, vil ankomme mottagningsstedet omtrent samtidig, og signalene blir derfor godt lesbare.

Denne egenskapen hos graderte indeksfibre har vært kjent i noen tid og er benyttet med hell ved overføring av informasjon i optiske fibre i glass og kvarts.

Det er imidlertid ikke beskrevet optiske fibre av kunststoff som er basert på dette prinsippet. Fra litteraturen er det således kun kjent optisk homogene fibre basert på prinsippet fibre med trinngradert indeks.

U.S. patentene 4.138.194 og 4.161.500 beskriver en metode for fremstilling av preformer hvor materialet er optisk homogent. Det benyttes en kopolymer på basis av metylmetakrylat og en liten tilsats av andre akrylater og metakrylater. Den fremstilte preformen benyttes så senere til ekstrudering av optiske fibre.

Vest-tysk utlegning nr. 14 97 545 beskriver også fremstillingen av trinngraderte fibre hvor fiberens kjerne er på basis av polystyren og hvor fiberkappen er basert på polymetylmetakrylat. Fremstillingen foregår således ved at kjerne-materialet fylles i et rør av polymetylmetakrylat slik at det fremkommer en preform med polystyren kjerne og polymetylmetakrylat kappe. Preformen varmes deretter til den blir plastisk, hvoretter den optiske fiberen trekkes.

Optiske fibre som er fremstilt fra preformer av nevnte art, vil være optisk homogene og derved være mindre egnet for overføring av informasjon over lengre avstander.

Nå viser det seg på en forbausende måte at man også kan fremstille optiske fibre av kunststoff med gradert indeks hvor brytningsindeksen kontinuerlig reduseres fra fiberaksen ut mot fiberperiferien. Dette gjøres i henhold til oppfinnelsen ved at monomere med tilnærmet like reaksjonsparametre og løselighetsparametre men med ulike brytningsindekser føres sammen under kontinuerlig endring av molforholdet mellom monomerene.

Monomerene avsettes deretter i henhold til oppfinnelsen på en roterende vegg av glass, kvarts og/eller et annet egnet materiale f.eks. et rørformet polymert materiale som kan ut-gjøre kappen.

Monomersjiktet bringes til polymerisasjon på kjent måte for materialet, f.eks. ved bruk av initiatorer på peroksydbasis eller ved bestråling, f.eks. ved bruk av UV-stråling eller ved bruk av f.eks. IR-stråling for oppvarming eller f.eks. ved en kombinasjon av to eller flere av de nevnte polymeri-sas jonsformer.

I fall polymerisasjonen skjer i forbindelse med bruk av glass som ytterform og det benyttes UV-stråling i forbindelse med polymerisasjonen, bør UV-strålingen ha en bølgelengde som sammenfaller med den minste UV-absorpsjonen i glasset.

Til bedre forståelse av oppfinnelsen henvises til Fig. 1 som viser et apparat for fremstilling av preformer sett rett fra siden.

Apparatet, som vises på Fig. 1, består av et ytre rør (1) av glass, kvarts eller plast. Under glass forstås her glass av alle kvaliteter. Under plast forstås såvel vannløselige som ikke-vannløselige kunststoff av syntetisk og naturlig art.

Røret (1) er tettet med endestykkene (2' og 2") som har flere funksjoner. For det første vil endestykkene (2<1>og 2") være det bærende organ for røret (1), og dernest være det organ med hvilket røret (1) kan dreies rundt.

Selve anordningen for rotasjon av røret (1) kan være av kjent art, f.eks. ved at endestykkene (2' og 2") er utstyrt med akseltapper eller at rotasjonen utføres direkte over endestykkene ved at disse innfestes i et roterende lager. Anordningen for dreiingen av røret utgjør ingen del av oppfinnelsen og er således ikke vist på fig. 1.

Endestykkene (2<1>og 2") festes til røret (1) på kjent måte f.eks. via skruforbindelse, via tetting med O-ringer av et inert materiale eller med en annen form for friksjonskobling mellom endestykkene og røret.

Endestykkene kan være laget av metall og/eller plast. Det vil være en fordel om materialet i endestykkene er av en slik art at de er resistente mot angrep fra monomerene og at de tåler varme, dvs. ikke deformeres under varmepåvirkning. Endestykket (2") er vist med en gjennomføring (3) og en kanyle (4) som kan beveges frem og tilbake i røret (1) gjennom endestykket (2"). Den frem- og tilbakegående be- vegelsen styres ved hjelp av en motor (5), og er antydet med en dobbelpil over kanylen (4).

For å sikre at oksygen og støvpartikler ikke trenger inn i røret (1) mellom endestykkene (2' og 2") kan man anordne en tilførsel (6) for f.eks. nitrogen, som inertgass (I), som leder inn i røret (1) langs gjennomføringen (3). Gjennom kanylen (4) ledes reagensene som i dette tilfelle utgjøres av monomerene og/eller Vi^ enten som rene monomerer eller som en kombinasjon av dem. Det er ikke noe krav om at man skal benytte kun én eller to monomerer, idet man vel kan tenke seg monomerkombinasjoner med både to og flere monomerer. Oppfinnelsen setter derfor ingen begrensning for hvor mange monomerer som skal benyttes eller hvilke som skal benyttes. Det avgjørende for valget av monomerer er de optiske egenskapene og de øvrige fysikalske data for det ferdige produkt.

Kanylen (4) er tilkoblet røret for tilførsel av monomer (M1 og M2), UV-initiator, kjedeoverfører og eventuelt andre hjelpemidler (H) som er egnet for formålet.

Apparatet som er beskrevet ovenfor har to bevegelser. For det første vil røret (1) med endestykkene (2<1>og 2") rotere. For det andre vil kanylen (4) bli ført frem og tilbake inne i røret (1) slik at den indre flate av røret etter en tid vil bli dekket med materiale fra kanylen (4).

Preformapparatet roteres med så stor hastighet at materialene blir jevnt fordelt. I det øyeblikk materialene begynner å sige er rotasjonshastigheten for lav. Praksis viser at man kan velge rotasjonshastigheter mellom 500 og 2 000 rpm, fortrinnsvis ca. 1 000 rpm.

Ovenfor er nevnt at kanylen (4) vil ha separate tilførsler av monomerene og I^, men det kan være fordelaktig også å ha en tredje tilførsel (H) for f.eks. kjedeoverfører og/eller UV-initiatorer.

Man kan også benytte andre metoder for initieringen som f.eks. bruk av peroksyder og azoforbindelser for dannelse av frie radikaler til initieringen.

Det er en fordel for den senere bruk at den fremstilte preform er så optisk ren som mulig, det vil si at den inneholder minst mulig av stoff som kan virke forstyrrende på de optiske signaler og som vil virke dempende på dem. Det er derfor en fordel å initiere polymerisasjonen og å gjennomføre den ved hjelp av UV-bestråling.

Det skal anføres at det er vanskelig å lede bort polymeri-sas jonsvarmen i preformen hvis man bruker systemer som ini-tieres ved hjelp av f.eks. peroksyder. Man vil derfor heller foretrekke den enklere og renere polymerisasjonsmåten ved hjelp av UV-bestråling.

Hvis UV-bestråling benyttes må røret (1) være gjennomtrenge-lig for dette. I praksis vil det si at man velger UV-stråler med en bølgelengde i området 300 til 400 nm.

På fig. 1 er vist en innretning (7) for bestråling med UV— stråler. Da røret (1) roterer med forholdsvis stor hastighet, vil bestrålingen kunne ansees som jevn over hele den inn-vendige del av røret (1).

Det er ikke ønskelig at molvekten blir for høy idet dette senere vil virke inn på trekkehastigheten og polymerens flyt-evne. Det tilsettes derfor kjedeoverfører for å holde molvekten i det rette molvektsområdet. For eksempel kan nevnes at polyakrylater vil ha egnede molvekter i området 30 000 til 200 000, mens polystyren vil være best egnet med molvekter i området 100 000 til 500 000.

Hensikten med ovennevnte apparat er at man i dette skal kunne fremstille en preform med avtagende brytningsindeks fra preformens rotasjonsakse og utover mot periferien.

Dette gjøres ved at det tilføres monomer eller monomerer med den laveste brytningsindeks ved start og deretter øker man brytningsindeksen ved kontinuerlig endring av molmengdene i blandingen av monomerene og . Til slutt vil det gjenstå et lite hulrom rundt kanylen (4) som er polymerfritt. Når dette hulrom er minst mulig og før det gror igjen med kanylen må kanylen trekkes ut og hulrommet fylles opp med den siste monomerblandingen, dvs. den monomeren eller monomerblandingen som har høyest brytningsindeks. Deretter etter-polymeres preformen til den er jevnt polymerisert.

Ovenfor der det forutsatt at brytningsindeksprofilen i den graderte indeksfiberen skal være jevnt avtagende fra fiberens akse og utover mot dens ytre begrensning, dvs. grensen mot fiberens kappe.

Det skal videre anføres at man etter foreliggende metode kan fremstille en hvilken som helst optisk fiber etter prinsippet gradert indeksfiber om brytningsindeksprofilen er jevnt avtagende eller parabolsk avtagende eller avtagende på annen måte. Det kan også fremstilles trinnvis graderte fibre etter nevnte metode ved at polymersjiktet inne i røret (1) bygges opp av polymere sjikt for sjikt med økende brytningsindeks fra røret (1) og mot preformens akse.

UV-bestråling av monomer kan foregå ved alle temperaturer, men man velger en temperatur som ikke forårsaker temperatur-oppbygging i preformen. Praksis viser at man godt kan benytte romtemperaturer (ca. 20 °C) eller lavere hvis polymerisasjonen gjennomføres med UV-bestråling.

Eksempelvis kan anføres en typisk sammensetning av de til-førte materialer til fremstilling av preformen.

Som monomer og iv^ velges slike som fortrinnsvis har en reaksjonsparameter lik 1,0, dvs. r^= r2— 1,0, men reaksjonsparametrene kan også være forskjellige fra 1,0.

Samtidig bør monomerene og 's solubilitets-parametere & i'°^^2 ^elst i^ke ^a større differanse enn aS= 1,0, men dette er ikke avgjørende da det finnes monomersystemer, hvor nevnte differanse er større men hvor monomerene allikevel er løselige i hverandre.

Claims (5)

1. Preform med gradert brytningsindeks, karakterisert vedat preformen utgjør et system av polymere forbindelser 20 med avtagende brytningsindeks, nD , fra preformens rotasjonsakse mot preformens periferi og hvor polymerene i preformen er fremkommet ved en kontinuerlig eller diskontinuerlig tilsetning av monomere og/eller monomerblandinger med økende brytningsindeks og tilsatt de nødvendige tilsatsstoffer og at nevnte monomere polymeriseres ved hjelp av bestråling og/eller ved radikalpolymerisas jon.

2. Preform ifølge krav 1, karakterisert vedat det benyttes ultrafiolett bestråling (UV-stråling) for polymerisering av monomere og at bølgelengden er fra 200 til 400 nm, fortrinnsvis fra 300 til 400 nm.

3. Preform ifølge kravene 1 og 2, karakterisert vedat det benyttes UV-initiator og/eller kjedeoverfører ved polymeriseringen.

4. Preform ifølge krav 1, karakterisert vedat det benyttes organiske peroksyder og/eller azoforbindelser ved radikalpolymerisasjonen.

5. Fremgangsmåte for fremstilling av preform med gradert brytningsindeks ifølge kravene 1 til 4,karakterisert vedat det i en innretning bestående av et ytre rør (1), som er avsluttet med endestykkene (2' og 2") og hvor røret og endestykkene bringes til rotasjon om lengde- aksen, hvoretter monomert materiale med nødvendige tilsatsstoffer tilføres røret (1) via en frem- og tilbakebevegelig kanyle (4) på en slik måte at rørets (1) indre flate dekkes med et sjikt av monomer som bringes til polymerisasjon ved hjelp av bestråling og/eller ved radikal polymerisasjon og at den videre oppbygging av monomersjiktene med etter-følgende polymerisering av disse skjer kontinuerlig eller diskontinuerlig slik at den dannede preform er sammensatt av polymere forbindelser med en økende brytningsindeks fra preformens periferi mot preformens rotasjonsakse og at kanylen (4) til slutt trekkes ut av preformen før denne er helt fylt med polymer og at det fremkomne hulrom i preformen fylles med monomer med den høyeste brytningsindeks som deretter polymeriseres.