WO2000039614A1 - Appareil de communication optique - Google Patents

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WO2000039614A1
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optical fiber
emitting element
optical
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PCT/JP1999/007177
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Tomonari Yoshimura
Noritaka Saito
Akimitsu Okita
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Mitsubishi Rayon Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to an optical transmission technology using a plastic optical fiber, and more particularly to an optical transmission device aimed at improving heat resistance and long-distance transmission. .
  • blue light emitting diodes and green light emitting high output light emitting diodes have been developed, and their use as light sources for optical communication is expected.
  • LEDs green light emitting high output light emitting diodes
  • the use of a blue light emitting element as a light source of an optical transmission device from the viewpoint of heat resistance is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H08-116609. You.
  • the optical transmission device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-11609 uses a blue light emitting element as a light source, the light source itself has excellent heat resistance.
  • the heat resistance of this plastic optical fiber is inferior.
  • a blue light-emitting element that emits light having a short wavelength has a wide bandgap, so that the effect of temperature change on light emission characteristics is small. This results in excellent heat resistance.
  • electronic transition absorption due to thermal oxidative degradation of the optical fiber occurs more prominently with light having a shorter wavelength, and the loss increases in the blue region.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. Heisei 9-131853 discloses an optical transmitter / receiver for performing bidirectional communication using a single-core optical fiber, which comprises a yellow light-emitting element having an emission wavelength of 570 nm and a polymer.
  • An optical transceiver using a plastic optical fiber having methyl methacrylate as a core is disclosed.
  • this optical transmitter / receiver is a single-core bidirectional communication and is not intended for long-distance transmission, it has poor S / N and cannot perform long-distance optical transmission. There are seven.
  • optical transmission device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-1-1609 and the optical transmission / reception device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9-316853 all use optical fibers that are used. It was not suitable for transmission of light in the short wavelength region such as blue or yellow, so it was not suitable for long-distance transmission.
  • An object of the present invention is to provide an optical transmission device using a plastic optical fiber, having good heat resistance and capable of long-distance transmission, in view of the above-described problems of the prior art. Is to do.
  • a short-wavelength light-emitting element and externally using light emitted from the short-wavelength light-emitting element
  • An optical transmitter that emits an optical signal corresponding to the electric signal input from the
  • the core material is composed of a methacrylate polymer containing no benzene ring, the amount of sulfur atoms not bonded to the polymer in the core material is 5 ppm or less, and one end is A plastic optical fiber optically coupled to the short wavelength light emitting device;
  • An optical transmission device comprising: a light receiving element optically coupled to the other end of the plastic optical fiber; and an optical receiver for emitting an output electric signal based on an output of the light receiving element.
  • the amount of yellow atoms not bonded to the polymer in the core material is 3 ppm or less.
  • the amount of sulfur atoms bonded to the polymer in the core material is in the range of 200 to 100 ppm.
  • the short-wavelength light-emitting element has a maximum emission wavelength of 6 OO nm or less. In one embodiment of the present invention, the short-wavelength light-emitting element has a yellow light-emitting diode having a maximum light-emitting wavelength in a range of 560 to 590 nm, or a light-emitting diode having a maximum light-emitting wavelength of 490 to 550 nm. It is a green light emitting diode within the range.
  • An optical transmitter that has a yellow light emitting element and emits an optical signal corresponding to an electric signal input from the outside using light emitted from the yellow light emitting element; and a methacrylate polymer whose core material does not contain a benzene ring.
  • a plastic optical fiber having one end optically coupled to the yellow light emitting element; and a light receiving element optically coupled to the other end of the plastic optical fiber, and an output electric signal based on an output of the light receiving element.
  • An optical receiver comprising: an optical receiver that emits light through the plastic optical fiber in one direction only.
  • the amount of sulfur atoms not bonded to the polymer in the core material is 5 ppm or less, preferably 3 ppm or less.
  • the yellow light-emitting element is a light-emitting diode having a maximum emission wavelength within a range of 560 to 590 nm, a full width at half maximum of 40 nm or less, and a total emission light amount of 0 dBm or more, and
  • the optical fiber has a transmission loss of 0.1 dBZm or less at a wavelength of 560 to 590 nm, the connection loss between the yellow light emitting element and the plastic optical fiber is 10 dB or less, and the optical receiver has a wavelength of The minimum receiving sensitivity is -25 dBm or less at 560 to 590 nm.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an embodiment of an optical transmission device according to the present invention.
  • Fig. 2 is a diagram showing the wavelength dependence of the transmission loss of a plastic optical fiber.
  • Figure 3 is a diagram showing the wavelength dependence of the transmission loss of the plastic optical fiber before and after the heat test.
  • FIG. 4 is a diagram showing the temperature characteristics of the transmission level.
  • an optical transmitter is connected to one end of the plastic optical fiber, and an optical receiver is connected to the other end.
  • Light emitted from the optical transmitter propagates through the plastic optical fiber and travels to the optical receiver.
  • a short-wavelength light-emitting element included in an optical transmitter is shorter than a red light-emitting element (a maximum light emission wavelength of 640 to 670 nm) which is a light source used in a conventional plastic optical fiber transmission device. It is a light-emitting element with a maximum emission wavelength.
  • a light-emitting element having a maximum emission wavelength of 600 nm or less for example, a yellow light-emitting element having a maximum emission wavelength of 560 to 590 nm and a green light-emitting element having a maximum emission wavelength of 490 to 550 nm can be used.
  • the maximum emission wavelength of the short wavelength light emitting element is, for example, 400 nm or more.
  • the short-wavelength light emitting device examples include a GaN-based or ZnSe-based semiconductor laser and a light emitting diode (LED) as a green light-emitting device.
  • examples of the yellow light emitting element include an InGaN-based or InGaAlP-based semiconductor laser and an LED.
  • GaN-based green light-emitting or InGaN-based yellow light-emitting LEDs are particularly preferable because of their large light emission. In order to reduce the full width at half maximum of the wavelength of the short wavelength light emitting LED, it is preferable to use an LED having a quantum well structure.
  • a short-wavelength light-emitting element such as a yellow light-emitting element having a full width at half maximum of 40 nm or less and a total emission light of 0 dBm or more.
  • a LED having a single quantum well structure In order to reduce the full width at half maximum of the short wavelength light emitting LED such as a yellow light emitting LED, it is preferable to use a LED having a single quantum well structure.
  • the optical transmitter may have a known structure.
  • the short-wavelength light-emitting element a driving circuit for the short-wavelength light-emitting element, and the driving circuit for modulating an externally input electric signal. It can be composed of a modulation circuit or the like to be supplied to the device.
  • the plastic optical fiber a known optical fiber having a core portion through which propagating light mainly passes can be used.
  • a step having a core-sheath structure in which the refractive index changes abruptly at the interface can be used.
  • An index type or a graded index type in which the refractive index of the core continuously decreases from the center toward the outer periphery can be used.
  • a multi-core plastic optical fiber in which a plurality of cores are integrated while being separated from each other by a marine material is preferably used.
  • a plastic optical fiber or the like which has a core portion in which (co) polymers having different refractive indices are coaxially laminated in a multilayer, and in which the refractive index decreases stepwise from the center toward the outer periphery.
  • a plastic optical fiber can be obtained by a known method, and for example, can be manufactured by using a melt composite spinning method.
  • the emission wavelength range of the short-wavelength light-emitting element (when using a yellow light-emitting element as a short-wavelength light-emitting element, the wavelength of 560 nm or more (O nm or less) It is preferable to use a plastic optical fiber having a transmission loss of 0.1 dB Zm or less.
  • a methacrylate polymer containing no benzene ring is used as the core material, which is the material of the core.
  • An optical fiber using a methacrylate polymer containing no benzene ring as the core material has particularly excellent transmission characteristics for light from short-wavelength light-emitting elements such as a yellow light-emitting element and a green light-emitting element used in the optical transmission device of the present invention. I have.
  • a methyl acrylate polymer a polymethyl methacrylate polymer is preferably used.
  • the polymethyl methacrylate-based polymer it is preferable to use a polymer containing 60% by weight or more of methyl methacrylate, and it is more preferable to use a polymer containing 80% by weight or more.
  • the monomer to be copolymerized with methyl methacrylate fluorinated alkyl methacrylate is preferable, and 2,2,3,3-tetrafluoropropyl methacrylate is particularly preferable from the viewpoint of realizing a low-loss optical fiber.
  • each layer of the core portion is made of methyl methacrylate having a different copolymer composition ratio and 2,2. It is preferable to use a (co) polymer with 2,3,3-tetrafluoropropyl methacrylate because high-speed signals can be transmitted over a long distance.
  • the molecular weight of the polymer is adjusted in order to adjust the viscosity at the time of melting during shaping as an optical fiber and to prevent the scattering factor from increasing due to structure formation during shaping. It is preferable to use a mercaptan-based chain transfer agent for adjustment.
  • chain transfer agents the sulfur component bonded to the polymer by the chain transfer reaction does not increase the light absorption loss when heated or the scattering loss when humidified, but rather the heat resistance of the optical fiber. Increase degradability.
  • the content of the sulfur atom bonded to the polymer in the core material is preferably at least 200 ppm, more preferably at least 400 ppm. If the content of sulfur atoms bonded to the polymer is too small, the thermal decomposition resistance of the core material may be insufficient or the melt viscosity may be too high, which may make it difficult to shape the optical fiber. is there. Also, the melt viscosity of the core material becomes too low In order to prevent difficulties in shaping the rubber, the content of sulfur atoms bonded to the polymer is preferably at most 1,000 ppm, more preferably at most 800 ppm. .
  • the polymer for the core material examples include the content of unreacted mercaptan and sulfur atoms not bonded to the polymer such as disulfide compounds formed by the reaction of the mercaptan (hereinafter, simply referred to as “residual sulfur amount” as appropriate). It is preferable to use one having a small amount of sulfur, more preferably 5 ppm or less, more preferably 3 ppm or less, particularly preferably 1 ppm or less, of the sulfur atom not bonded to the polymer. If a large amount of sulfur atoms not bonded to the polymer are present in the core material, coloring occurs due to the thermal history of the core material, for example, when spinning is performed. Absorption loss may be large in a wavelength range of 600 nm or less, such as a wavelength range, and the heat resistance of the optical fiber in this wavelength range may be deteriorated.
  • a reaction mixture obtained by partially polymerizing a monomer as a raw material is used, for example, by using a vent-type extruder described in Japanese Patent Publication No. 52-17555. Can be obtained by devolatilization under appropriate conditions.
  • the reaction mixture containing the polymer preferably in a proportion of 30 to 70% by weight, is heated to 170 ° C. or more in advance and then extruded through a narrow gap such as a pore or a slit.
  • Most of the volatiles are sprayed directly to the screw in the supply section of the machine, separated and recovered in the first vent section under a pressure of 500 Torr or less, and the remaining volatile substances are further downstream of the first vent section.
  • a temperature of 200 ° C. to 270 ° C. preferably 230 ° C. to 270 ° C. and a pressure of 50 Torr or less at the second vent provided.
  • a third vent may be provided at 230 ° C. to 270 ° C. under a pressure of 50 T 0 rr or less to remove volatiles.
  • the volatiles include unreacted monomers, dimers, unreacted mercaptan and the like.
  • the supply amount of the reaction mixture and the vent extruder in order to reduce the content of the sulfur component not bound to the polymer to 5 ppm or less.
  • the relationship with the size is
  • mercaptan having a relatively high vapor pressure when producing a polymer for a core material it is preferable to use n-butyl mercaptan, t-butyl mercaptan, etc., with 3 to 3 carbon atoms. Six alkyl mercaptans are preferred. In order to reduce the amount of mercaptan used, it is particularly preferable to use n-butyl mercaptan having a large chain transfer constant.
  • Figure 2 shows the transmission loss of a plastic optical fiber using a polymethyl methacrylate polymer as a core, with the amount of residual sulfur not bound to the polymethyl methacrylate polymer in the core as a parameter. The results of the measurement of the wavelength dependence of are shown.
  • FIG. 3 shows the measurement results of the wavelength dependence of the transmission loss before and after the heat resistance test at 65 ° C for 100 hours using the residual sulfur amount as a parameter.
  • FIG. 3 shows the measurement results of a plastic optical fiber having a residual sulfur content of 3.4 ppm in the core material and a plastic optical fiber having a residual sulfur content of 14 ppm.
  • the broken lines are the measurement results before the heat resistance test, and the solid lines are the measurement results after the heat resistance test.
  • the amount of residual sulfur in the core material of the plastic optical fiber has little effect on transmission loss.
  • transmission loss can be significantly reduced by reducing the amount of residual sulfur in the core material.
  • the amount of residual sulfur in the core material of the plastic optical fiber is the heat resistance (increase in the transmission loss of the plastic optical fiber after the heat test). Has almost no effect.
  • the heat resistance can be remarkably improved by reducing the amount of residual sulfur in the core material. That is, a monomer-containing polymer containing no benzene ring, especially a polymer
  • a monomer-containing polymer containing no benzene ring especially a polymer
  • a short-wavelength light-emitting element such as green or yellow is used as a light-emitting element of an optical transmitter, and a plastic is used.
  • the conventional plastic optical fiber can be used.
  • the effect of preventing the coloring of the core material due to the thermal oxidation deterioration of sulfur atoms that do not bond to the polymer in the short wavelength region, which has been regarded as a problem, and improving the heat resistance it also has the effect of enabling long-distance transmission. Obtainable.
  • polymethyl methacrylate-based polymer of the core material those having a molecular terminal structure derived from a radical initiator having a structure represented by the following chemical formula (1) are preferable:
  • n is an integer greater than or equal to 1
  • the molecular terminal structure is the same as the structure of the methyl methacrylate monomer, and is not affected by light absorption or light scattering caused by the heterogeneous molecular structure of the radical initiator. Especially excellent.
  • an SMA type [IEC 60874-2 (Sectionals pe cificationforfibreopt icco nector—Ty pe F— SM A)] or F07 [JISC 5976 (F07 type 2-core optical fiber connector)].
  • a short-wavelength light-emitting element such as a yellow light-emitting element must be used. It is preferable to reduce the connection loss with the plastic optical fiber.
  • Such a low connection loss can reduce the light emitting area of a short wavelength light emitting device such as a yellow light emitting device, or reduce the numerical aperture (NA) of light incident on an optical fiber by using a lens (for example, by using a light emitting device). This can be achieved by controlling the NA of the fiber (for example, 0.5 or less).
  • a light receiving diode having sensitivity in a short wavelength region can be used.
  • a light receiving diode for example, a silicon pin photodiode can be used.
  • the optical receiver may have a known structure.
  • the light receiving element an amplifier circuit for processing an output signal from the light receiving element and obtaining an electric signal to be output to the outside, an identification circuit, and a demodulation circuit And so on.
  • the connector used for optical coupling between the other end face of the plastic optical fiber and the light receiving element is a connector used for optical coupling between the short wavelength light emitting element such as the yellow light emitting element described above and one end face of the plastic optical fiber.
  • a connector used for optical coupling between the short wavelength light emitting element such as the yellow light emitting element described above and one end face of the plastic optical fiber.
  • an SMA type or F07 type can be used.
  • the optical transmission device of the present invention can transmit only one-way light or one-way light to one plastic optical fiber. In order to perform long-distance optical transmission, it is preferable to transmit only one-way light to one plastic optical fiber.
  • a yellow light-emitting element is used as the short-wavelength light-emitting element, if an optical transmission device is configured to transmit only one direction of light to one plastic optical fiber, long-distance optical transmission is possible and It is preferable because the optical transmission device has excellent heat resistance.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an embodiment of an optical transmission device according to the present invention.
  • an optical transmitter 1 and an optical receiver 3 are optically connected by a plastic optical fiber 2.
  • An input electric signal 11 is input to the optical transmitter 1 from the outside, and the optical The machine 3 outputs an output electric signal 35 to the outside.
  • Optical coupling between the optical transmitter 1 and one end of the plastic optical fiber 2 is made using the SMA connector 4, and the optical receiver 3 and the plastic optical Optical coupling with the other end of the fiber 2 is made by using the SMA connector 5.
  • the optical transmitter 1 includes a modulation circuit 12, a yellow light emitting diode 14, and a driving circuit 13 for driving the yellow light emitting diode 14.
  • the input electric signal 11 is FSK-modulated. For example, when the input electric signal 11 is 0V, the input electric signal 11 is converted to a 125 kHz signal, and the input electric signal 11 is converted to a 5V signal. In this case, the signal is converted to a 500 kHz signal.
  • the drive circuit 13 drives the yellow light emitting diode 14 at a high level of 20 mA and a low level of OmA, for example, based on the signal from the modulation circuit 12.
  • the yellow light emitting diode 14 is, for example, an InGaN type light emitting diode having a maximum emission wavelength of 570 nm, a full width at half maximum of 38 nm, and a total emitted light amount of 0 dBm at a current value of 2 OmA. Can be.
  • the light emitting region of the yellow light emitting diode 14 is a square of 0.2 mm square, and the NA of the light incident on the optical fiber is 0.5.
  • the optical receiver 3 includes a silicon pin photodiode 31 having sensitivity in a short wavelength region such as a yellow region, a light receiving / amplifying circuit 32, an identification circuit 33, and a demodulation circuit 34.
  • the photoreceiver / amplifier circuit 32 converts the output current of the silicon pin photodiode 31 into a voltage and amplifies it.
  • the discrimination circuit 33 discriminates between the high level and the low level of the signal from the photoreceiver / amplifier circuit 32.
  • the demodulation circuit 34 demodulates the signal from the discrimination circuit 33, converts it to 0 V in the case of a 125 kHz signal and outputs it as an output electric signal 35, and outputs 5 in the case of a 500 kHz signal.
  • This optical receiver 3 satisfies a bit error rate (BER) of 1 CI- 7 for a NRZ signal of 20 kbps at a wavelength of 570 nm, and has an average minimum receiving sensitivity of 41.5 dBm.
  • the plastic optical fiber 2 is of a step-index type in which the core material is made of a polymethyl methacrylate polymer and the sheath material is made of a copolymer of vinylidene fluoride and tetrafluoroethylene. In this plastic optical fiber 2, the residual sulfur content in the core material is 0.7 ppm, and the content of sulfur atoms bonded to the polymer in the core material is 600 ppm.
  • Figure 2 shows the wavelength dependence of the transmission loss. The measurement of the sulfur atom content in the polymer used for the core material was performed as follows.
  • the measurement was performed using a Dorman microcoulometric titrator MCTS-130.
  • a calibration curve was prepared by measuring a standard sample with a known sulfur atom concentration in advance. Next, the polymer used as the core material was dissolved in 10 times the amount of acetone, and the solution was dropped into methanol to precipitate the polymer. Only the polymer was separated and recovered, dried and dried. The combined sample was used. The polymer sample was measured, and the value read from the calibration curve was converted into the amount per unit weight of the polymer, and the value was regarded as the amount of sulfur atoms bonded to the polymer.
  • HP Gas Chromatograph 5890 SERIES (II) was used as a measuring device, and TC-WAX column, manufactured by GE Science Co., Ltd., was 30 m long, 0.53 mm inside diameter, and 1. 1. ⁇ thick.
  • the detector a flame photometric detector with high sensitivity to sulfur is used, and the ⁇ -butyl mercapone or ⁇ -year-old octyl mercapone remaining in the polymer and the disulfide formed by the reaction between these mercaptans are used. Quantitative analysis of the compound was performed.
  • n-butyl mercaptan when n-butyl mercaptan is used, the sum of the sulfur atom-converted values of n-butyl mercaptan and di-n-butyl-disulfide is n-octyl mercaptan.
  • the sum of the sulfur atom-converted values of the octyl mercaptan and g-n-octyl disulfide was defined as the content of sulfur atoms not bonded to the polymer.
  • the transmission loss measured with parallel light at a wavelength of 570 nm is 0.06 dBZm.
  • the transmission loss when the optical transmitter 1 is connected increases to 0.1 dB / m due to the spread of the wavelength of the light emitting diode 14 and an increase in loss due to higher-order mode components.
  • the yellow light emitting diode 14 is optically coupled to one end of the plastic optical fiber 2 by the SMA connector 4.
  • the average transmission level of the optical transmitter 1 (the light intensity level in a state where modulation is performed after transmission through the optical fiber lm) is 19 dBm.
  • the silicon pin photodiode 31 is optically coupled to the other end of the plastic optical fiber 2 by the SMA connector 5.
  • Fig. 4 shows the results.
  • the light level at a temperature of 25 ° C. is displayed as 0 dB. It was confirmed that the optical transmission device of Example 1 had a stable transmission level over a wide temperature range of 0 to 85 ° C. and had excellent heat resistance.
  • the optical transmission device of the first embodiment exhibits excellent heat resistance characteristics for both the light emitting element and the optical fiber, and is capable of long distance transmission of 30 ⁇ m in 20 kbps NRZ signal transmission (digital signal transmission in bit error rate 1 0 _ 7 below: below, was found to be similar) with respect to the transmission distance.
  • the same optical transmission device as the optical transmission device of Example 1 was configured except that a green light emitting diode was used instead of the yellow light emitting diode 14.
  • the green light-emitting diode used here is an InGaN type, and at a current value of 20 mA, the maximum emission wavelength is 525 nm, the full width at half maximum is 20 nm, and the total emitted light amount is 3 d B m.
  • the average transmission level of the optical transmitter 1 was 17 dBm.
  • FIG. 4 shows the results. It was confirmed that the optical transmission device of Example 2 had a stable transmission level over a wide temperature range of 0 to 85 ° C and had excellent heat resistance. Further, when the change over time in the transmission loss characteristics of the plastic optical fiber 2 was measured in the same manner as in Example 1 above, no increase in the transmission loss of the optical fiber was observed at a wavelength of 525 nm after 1 000 hours. .
  • the optical transmission device of the second embodiment exhibited excellent heat resistance characteristics for both the light emitting element and the optical fiber, and was capable of long-distance transmission of 320 m in 20 kbps NRZ signal transmission. .
  • a plastic optical fiber 2 with a residual sulfur content of 27 ppm in the core material and a content of sulfur atoms bonded to the polymer of 590 ppm (Fig. 2 shows the wavelength dependence of transmission loss) is used. Except for this, the same optical transmission device as the optical transmission device of the first embodiment was configured.
  • the transmission loss measured with parallel light was 0.09 dB / m.
  • the transmission loss when the optical transmitter 1 was connected increased to 0.13 dB / m due to the wavelength spread of the yellow light emitting diode 14 and an increase in loss due to higher-order mode components.
  • the heat resistance of the optical fiber is lower than that of the first embodiment, but the reduction is acceptable in practical use. Sex can be determined to be good.
  • 240 m transmission is possible with 20 kbps NRZ signal transmission, and from the results of the heat resistance test, it was found that if the thermal degradation at 10,000 hours at 85 ° C was predicted, the transmission distance would be 180 m. .
  • Red LED should be used instead of yellow LED 14 Except for this, the same optical transmission device as the optical transmission device of the first embodiment was configured.
  • the red light-emitting diode used here was of the GaAlAs type, and at a current value of 2 OmA, the maximum emission wavelength was 660 nm, the full width at half maximum of the wavelength was 20 nm, and the total emitted light amount was 6 dBm.
  • the transmission loss of the plastic optical fiber 2 at a wavelength of 660 nm is 0.17 dB / m, but when the optical transmitter 1 is connected, the transmission loss of the light emitting diode is The value was 0.23 dB / m due to the wavelength spread and the loss increase due to the higher-order mode components.
  • the average transmission level of the optical transmitter 1 was 16 dBm.
  • the average minimum light-receiving sensitivity that satisfies BER 1 O- 7 or less for the 20 kbps NRZ signal transmission of the optical receiver 3 was —43.0 dB at the wavelength of 660 nm.
  • the optical transmission device of Comparative Example 1 was inferior in heat resistance of the light emitting element, and was capable of transmitting only up to 150 m in a 20 kbps NRZ signal transmission. Furthermore, considering the temperature fluctuation at the transmission level of 0 to 85 ° C, the transmission distance was found to be 140 m.
  • Plastic optical fiber 2 with a residual sulfur content of 27 ppm in the core material and a content of 59 Opm of sulfur atoms bonded to the polymer (Fig. 2 shows the wavelength dependence of transmission loss)
  • the transmission loss measured with parallel light was 0.09 dB / m.
  • the transmission loss when the optical transmitter 1 was connected increased to 0.13 dB / m due to the wavelength spread of the light emitting diode 14 and the loss increase due to the higher-order mode components.
  • 1b The time-dependent change in the transmission loss characteristics of the plastic optical fiber 2 was measured in the same manner as in Example 1 above. After 1 000 hours, the transmission loss increased by about 0.018 dB / m at a wavelength of 525 nm. Was seen.
  • the optical transmission device of Comparative Example 3 is inferior in the heat resistance of the optical fiber, and is capable of transmitting 240 m in 20 kbps NRZ signal transmission. Predicting thermal degradation for 10,000 hours at ° C, the transmission distance was found to be 100 m.
  • a plastic optical fiber 2 with a residual sulfur content of 27 ppm in the core material and a content of sulfur atoms bonded to the polymer of 590 ppm (Fig. 2 shows the wavelength dependence of transmission loss) Except for this, an optical transmission device identical to that of Comparative Example 2 was constructed.
  • the transmission loss measured with parallel light was 0.18 dBZ m.
  • the transmission loss when the optical transmitter 1 was connected increased to 0.24 dBBZm due to the wavelength spread of the light emitting diode 14 and the increase in loss due to higher-order mode components.
  • the optical transmission device of Comparative Example 4 was inferior in heat resistance of the light emitting element, and could transmit only up to 150 m in 20 kbps NRZ signal transmission. Furthermore, considering the temperature fluctuation at the transmission level of 0 to 85 ° C, the transmission distance was found to be 140 m.
  • Table 1 shows the results of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3. ⁇ table 1 ⁇
  • the transmission level is the light level when modulated after transmitting 1 m of optical fiber.
  • Transmission distance is the maximum transmission distance at which the bit error rate is 10 or less
  • the same optical transmission device as the optical transmission device of Example 1 was configured except that a multi-core plastic optical fiber was used as the plastic optical fiber 2.
  • the multi-core plastic optical fiber used here is a sea-island type optical fiber in which 37 islands are united by a common sea with the islands separated from each other. The islands are composed of a core and a sheath.
  • the core material is made of a methyl methacrylate polymer, and the sheath material and the sea material are made of vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer.
  • the residual sulfur content in the core material was 0.8 ppm, and the content of sulfur atoms bonded to the polymer in the core material was 600 ppm.
  • the transmission loss measured with parallel light was 0.06 dBm.
  • the transmission loss when the optical transmitter 1 was connected was 0.1ldBZm due to the wavelength spread of the light emitting diode 14 and an increase in loss due to higher-order mode components.
  • the average transmission level of the optical transmitter 1 was 110 dBm.
  • the time-dependent change in the transmission loss characteristics of the multi-core plastic optical fiber used here was measured in the same manner as in Example 1 above. After 100 hours, the transmission loss of the optical fiber at the wavelength of 570 nm increased. Not seen.
  • the optical transmission device of Example 4 exhibited excellent heat resistance characteristics for both the light emitting element and the optical fiber, and was able to perform long-distance transmission of 290 m in 20 kbps NRZ signal transmission. all right.
  • An optical transmission device identical to the optical transmission device of Example 1 above was constructed, except that a multilayer plastic optical fiber was used as the plastic optical fiber 2.
  • the multilayer plastic optical fiber used here is an optical fiber composed of multiple layers such that the refractive index decreases stepwise from the center toward the outer periphery, and the inner layer core material is made of methyl methacrylate polymer.
  • the outer core material is methylmethacrylate and 2,2,3,3-tetrafluoropropylmethacrylate.
  • the sheath material consists of a polymer of methylmethacrylate and 1,1,2,2-tetrafluoroperfluorodecylmethacrylate.
  • the diameter of the inner core is 450 m
  • the thickness of the outer core is 135 m
  • the thickness of the sheath is 15 ⁇
  • the fiber diameter is 750 ⁇ .
  • This multilayer plastic optical fiber has a residual sulfur content in the inner layer core material of 0.7 ppm, an outer layer core, a remaining stone in the inner layer core material: 1 ⁇ ; TL B3 ⁇ 4J: lp pm; The content of the yellow atom bound to the stone was 600 ppm, and the content of the sulfur atom bound to the polymer of the outer core material was 560 ppm.
  • the transmission loss measured with parallel light was 0.06 dBZ m.
  • the transmission loss when the optical transmitter 1 was connected was 0.1 dB / m due to the wavelength spread of the light emitting diode 14 and the increase in loss due to higher-order mode components.
  • the average transmission level of the optical transmitter 1 was 14 dBm.
  • the optical transmission device of Example 5 exhibited excellent heat resistance characteristics for both the light emitting element and the optical fiber, and was capable of long distance transmission of 250 m in 20 kbps NRZ signal transmission.
  • the transmission distance is short, the heat resistance of the light emitting element is inferior, and the residual in the core material of the plastic optical fiber Reducing the sulfur content had little effect on transmission distance or heat resistance.
  • the amount of residual sulfur in the core material of the plastic optical fiber must be reduced. As a result, the transmission distance could be greatly extended, and the heat resistance could be further improved.
  • the optical transmission device it is effective to use a short-wavelength light-emitting element and to use a material having a small amount of residual sulfur in the core material of the plastic optical fiber to extend the transmission distance and improve the heat resistance. I found it. [Industrial applicability]
  • the optical transmission device can be used for long-distance transmission with good heat resistance.
  • a combination of a yellow light emitting element and a plastic optical fiber made of a methacrylate polymer whose core material does not contain a benzene ring is used so that light propagates through the plastic optical fiber in only one direction. Since the optical transmission device is configured, long-distance transmission with good heat resistance is possible.

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Description

明 細 書 光伝送装置 【技術分野】 本発明は、 プラスチック光ファイバを用いた光伝送の技術に属するもの であり、 特に耐熱性の向上と長距離伝送とを目指した光伝送装置に関する ものである。
【背景技術】
近年、 L A Nなどのプラスチック光フアイバを用いた光通信の需要が 高まるにつれて、 その伝送距離の延長と耐環境性とくに耐熱性 (温度変化 に対して伝送特性が変化しないこと) の向上とが要求されてきている。 従来、 光通信用の光伝送路を構成するプラスチック光ファイバとして は、 低光吸収等の利点をもつポリメチルメタクリレ一卜樹脂を芯材とする ものが広く利用されている。 そして、 このようなプラスチック光ファイバ を光伝送路とする光伝送装置においては、 一般に光源として赤色発光ダイ ォードが用いられている。
以上のような赤色発光ダイォードとポリメチルメタクリレート樹脂を芯 材とするプラスチック光ファイバとを用いた従来の光伝送装置では、 温度 変動により光源の発光波長が変動しやすく、 更にこの発光波長変動の発生 に伴いプラスチック光ファイバの伝送損失が急激に増加し、 なかでも波長 半値全幅が広い発光素子の場合には波長 6 5 0 n mの近傍以外の波長成分 が急速に減衰していくために伝送損失が大きくなり、 長距離の光伝送が困 難であった。 プラスチック光ファイバを用いた現在市販されている光伝送 装置では、 1 0 O m程度の伝送が限度である。
近年、 発光ダイオード (L E D ) として青色発光のものや緑色発光の高 出力のものが開発されており、 それらの光通信用光源としての利用が期待 されている。 たとえば、 耐熱性の観点から青色発光素子を光伝送装置の光 源として用いること力 特開平 8— 1 1 6 3 0 9号公報に記載されてい る。
しかし、 この特開平 8 - 1 1 6 3 0 9号公報に記載の光伝送装置は、 青 色発光素子を光源として使用しているので、 光源自体の耐熱性は優れる が、 一方では、 この光源を従来のプラスチック光ファイバと組み合わせて 使用すると、 このプラスチック光フアイバの耐熱性が劣るという問題点が ある。
即ち、 特開平 8— 1 1 6 3 0 9号公報に記載のように、 波長の短い光を 発する青色発光素子は、 広い禁制帯幅を持つことで温度変化による発光特 性への影響は少なく、 これにより耐熱性に優れたものとなる。 しかし、 従 来のプラスチック光ファイバは、 光ファイバの熱酸化劣化による電子遷移 吸収が波長の短い光ほど顕著に生じるので、 青色領域では損失が増大する のである。
また、 特開平 9一 3 1 8 8 5 3号公報には、 一芯の光ファイバで双方向 の通信を行う光送受信装置であって、 発光波長が 5 7 0 n mの黄色発光素 子とポリメチルメタクリレー卜をコアとするプラスチック光ファイバとを 使用した光送受信装置が開示されている。 しかし、 この光送受信装置は、 一芯で双方向の通信を行うものであり、 長距離伝送を目的としたものでな いため、 S / Nが悪く長距離の光伝送を行うことができないという欠点が あつ 7こ。
更に、 特開平 8 - 1 1 6 3 0 9号公報に記載の光伝送装置及び特開平 9 - 3 1 8 8 5 3号公報に記載の光送受信装置は、 いずれも使用されている 光フアイバが青色や黄色などの短波長領域の光の伝送に適したものでない ため、 長距離の伝送には適さないものであった。
【発明の開示】
本発明の目的は、 以上のような従来技術の問題点に鑑みて、 プラスチッ ク光ファイバを用いた光伝送装置において、 良好な耐熱性を備え且つ長距 離伝送が可能な光伝送装置を提供することにある。
本発明によれば、 上記目的を達成するものとして、
短波長発光素子を有し該短波長発光素子から発せられる光を用いて外部 から入力される電気信号に応じた光信号を発する光送信機と、
ベンゼン環を含まないメタクリレー卜系重合体を用いて芯材が構成され ており、 該芯材中での重合体に結合していない硫黄原子の量が 5 p p m以 下であり、 且つ一方端が前記短波長発光素子に光学的に結合されたプラス チック光ファイバと、
該プラスチック光フアイバの他方端に光学的に結合された受光素子を有 し該受光素子の出力に基づく出力電気信号を発する光受信機とを備えてい ることを特徴とする光伝送装置、
が提供される。
本発明の一態様においては、 前記芯材中での重合体に結合していない石」 黄原子の量が 3 p p m以下である。
本発明の一態様においては、 前記芯材中での重合体に結合している硫黄 原子の量が 2 0 0〜 1 0 0 0 p p mの範囲内である。
本発明の一態様においては、 前記短波長発光素子は、 最大発光波長が 6 O O n m以下である。 本発明の一態様においては、 前記短波長発光素子は 最大発光波長が 5 6 0〜5 9 0 n mの範囲内にある黄色発光ダイォード、 または、 最大発光波長が 4 9 0〜5 5 0 n mの範囲内にある緑色発光ダイ ォードである。
また、 本発明によれば、 上記目的を達成するものとして、
黄色発光素子を有し該黄色発光素子から発せられる光を用いて外部から 入力される電気信号に応じた光信号を発する光送信機と、 芯材がベンゼン 環を含まないメタクリレート系重合体からなり且つ一方端が前記黄色発光 素子に光学的に結合されたプラスチック光ファイバと、 該プラスチック光 ファイバの他方端に光学的に結合された受光素子を有し該受光素子の出力 に基づく出力電気信号を発する光受信機とを備えており、 前記プラスチッ ク光フアイバを光が一方向にのみ伝播するように構成されていることを特 徴とする光伝送装置、
が提供される。
本発明の一態様においては、 前記芯材中での重合体に結合していない硫 黄原子の量が 5 p p m以下好ましくは 3 p p m以下である。 本発明の一態様においては、 前記黄色発光素子は最大発光波長が 560 〜590 nmの範囲内にあり波長半値全幅が 40 nm以下で全出射光量が 0 d Bm以上の発光ダイオードであり、 前記プラスチック光ファイバは波 長 560〜590 nmにおける伝送損失が 0. 1 dBZm以下であり、 前 記黄色発光素子と前記プラスチック光ファイバとの接続損失が 1 0 dB以 下であり、 前記光受信機は波長 560〜590 nmにおいて最小受信感度 がー 25 d Bm以下である。
【図面の簡単な説明】
図 1は、 本発明による光伝送装置の一実施形態の構成を示すブロック図 である。
図 2は、 プラスチック光ファイバの伝送損失の波長依存性を示す図であ る。
図 3は、 耐熱試験前後のプラスチック光ファイバの伝送損失の波長依存 性を示す図である。
図 4は、 送信レベルの温度特性を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の光伝送装置においては、 プラスチック光ファイバの一端に光送 信機が接続され、 他端に光受信機が接続されている。 光送信機から発せら れた光は、 プラスチック光ファイバ中を伝播して光受信機へと向かう。 本発明において、 光送信機の有する短波長発光素子とは、 従来のプラス チック光ファイバ伝送装置に使用されている光源である赤色発光素子 (最 大発光波長 640〜670 nm) と比較して短かい最大発光波長の発光素 子である。 この短波長発光素子としては、 最大発光波長が 600 nm以下 の発光素子たとえば最大発光波長 560〜590 nmの黄色発光素子ゃ最 大発光波長 490〜550 nmの緑色発光素子を使用することができる。 短波長発光素子の最大発光波長は、 例えば 400 nm以上である。
短波長発光素子の具体例としては、 緑色発光素子として G aN系や Z n S e系の半導体レーザや発光ダイオード (L ED) を挙げることができ、 また黄色発光素子として I nGaN系や I nGaA l P系の半導体レーザ や L E Dを挙げることができる。 緑色発光の半導体レーザや黄色発光の半 導体レーザは現在のところ一般には入手困難であるので、 緑色発光の L E Dや黄色発光の L E Dを用いるのが好ましい。 これらのうちで、 G aN系 の緑色発光または I n GaN系の黄色発光の LEDは発光量が大きいので 特に好ましい。 また、 短波長発光 LEDの波長半値全幅を小さくするため には、 量子井戸構造の L E Dを使用することが好ましい。
また、 例えば 1 50m以上の長距離伝送を達成するために、 黄色発光素 子等の短波長発光素子としては、 波長半値全幅 40 nm以下、 全出射光量 0 d Bm以上のものを用いるのが好ましい。 黄色発光 LED等の短波長発 光 L E Dの波長半値全幅を小さくするためには、 単一量子井戸構造の L E Dを使用することが好ましい。
光送信機は、 公知の構造とすることができ、 例えば、 上記短波長発光素 子、 該短波長発光素子のための駆動回路、 及び外部から入力される電気信 号を変調して上記駆動回路に供給する変調回路等から構成することができ る。
プラスチック光ファイバとしては、 伝播する光が主に通過する芯部を有 する公知のものを使用することができ、 例えば、 芯 ·鞘構造を有しその界 面において屈折率が急激に変化するステップィンデックス型のものや芯部 の屈折率が中心から外周に向かって連続的に低下するグレーデッ ドィン デックス型のものを用いることができる。 また、 曲げ損失を小さくするた めには、 複数の芯部が海材によって互いに隔てられた状態で一体化されて なるマルチコア型のプラスチック光ファイバが好ましく用いられ、 伝送帯 域を広げるためには、 屈折率が異なる (共) 重合体が同軸状に多層積層さ れてなる芯部を有し、 芯部において屈折率が中心から外周に向かって段階 的に低下するプラスチック光ファイバなどが好ましく用いられる。 このよ うなプラスチック光ファイバは、 公知の方法により得ることができ、 例え ば溶融複合紡糸法を用いて製造することができる。 例えば 1 50m以上の 長距離伝送を達成するためには、 短波長発光素子の発光波長域 (短波長発 光素子として黄色発光素子を使用する場合には、 波長 560 nm以上 59 O n m以下) にわたつて伝送損失が 0 . 1 d B Zm以下のプラスチック光 ファイバを用いるのが好ましい。
芯部の材料である芯材にはベンゼン環を含まないメタクリレ一卜系重合 体が使用される。 芯材としてベンゼン環を含まないメタクリレート系重合 体を使用した光ファイバは、 本発明の光伝送装置に用いる黄色発光素子や 緑色発光素子などの短波長発光素子からの光に対する伝送特性が特に優れ ている。 このようなメ夕クリレー卜系重合体としては、 ポリメチルメタク リレート系重合体が好ましく用いられる。 ポリメチルメタクリレート系重 合体としては、 メチルメタクリレートを 6 0重量%以上含む重合体を使用 することが好ましく、 8 0重量%以上含む重合体を使用するのが更に好ま しい。 メチルメタクリレートと共重合させる単量体としてはフッ素化アル キルメタクリレ一卜が好ましく、 中でも 2, 2 , 3, 3—テトラフルォロ プロピルメタクリレートが低損失光ファィバの実現の観点から特に好まし レ、。 特に、 光ファイバとして屈折率の異なる (共) 重合体が同軸状に多層 積層されてなる芯部を有する光ファイバを使用する場合、 芯部の各層を共 重合組成比が異なるメチルメタクリレートと 2, 2 , 3 , 3—テトラフル ォロプロピルメタクリレートとの (共) 重合体から構成すると、 高速の信 号を長距離伝送することが可能になるので好ましい。
芯材用重合体の製造には、 光ファイバとして賦形する際に溶融時の粘度 を調整すること、 及び賦形時における構造形成による散乱因子増大を防ぐ ことを目的として、 重合体の分子量を調整するためにメルカブタン系連鎖 移動剤を使用することが好ましい。 この連鎖移動剤のうちで、 連鎖移動反 応によって重合体と結合した硫黄成分は、 加熱した場合の光吸収損失や加 湿した場合の散乱損失を大きくすることはなく、 かえって光ファイバの耐 熱分解性を高める。
芯材中の重合体に結合している硫黄原子の含有量は、 2 0 0 p p m以上 であることが好ましく、 4 0 0 p p m以上であることがより好ましい。 重 合体に結合している硫黄原子の含有量が少な過ぎると、 芯材の耐熱分解性 が不十分となったり、 溶融粘度が高くなり過ぎて、 光ファイバの賦形が困 難となるおそれがある。 また、 芯材の溶融粘度が低くなり過ぎて光フアイ バの賦形が困難になることを防ぐためには、 重合体に結合している硫黄原 子の含有量は、 1 000 p pm以下であることが好ましく、 800 p pm 以下であることがより好ましい。
芯材用重合体としては、 未反応のメルカブタン及びこのメルカブタンの 反応により生成するジスルフィ ド化合物等の重合体に結合していない硫黄 原子の含有量 (以下、 適宜、 単に 「残存硫黄量」 という) が少ないものを 使用することが好ましく、 重合体に結合していない硫黄原子が 5 p pm以 下であることが更に好ましく、 3 p pm以下望ましくは 1 p pm以下であ ることが特に好ましい。 重合体に結合していない硫黄原子が芯材中に多く 存在すると、 これを例えば紡糸加工した場合の熱履歴により着色が生じ、 特に本発明において主に使用される 49 0〜5 9 0 nmの波長域などの 6 0 0 nm以下の波長域での吸収損失が大きくなるおそれがあり、 また、 こ の波長域での光ファイバの耐熱性を劣化させる原因となる。
このような芯材は、 その原料となる単量体を一部重合させて得られる反 応混合物を、 例えば特公昭 5 2 - 1 7 5 5 5号公報に記載のベント型押出 機を使用し、 適切な条件下で脱揮することにより得ることができる。 この 場合、 重合体を好ましくは 3 0〜 70重量%の割合で含む反応混合物を予 め 1 70°C以上に加熱昇温した後、 細孔またはスリッ 卜などの狭い間隙を 通して、 ベント押し出し機の供給部のスクリューに直接吹きつけ、 揮発物 の大部分を 500 T o r r以下の圧力条件下にある第一ベン卜部で分離回 収し、 更に残揮発物を該第一ベント部の下流に設けた第二ベント部で、 2 〇 0 °C〜2 70°C好ましくは 2 30°C〜2 70°C、 圧力 50 T o r r以下 において除去することが好ましい。 更に下流に、 2 3 0°C〜2 70°C、 圧 力 5 0 T 0 r r以下の条件下にある第三ベン卜部を設けて揮発物を除去し てもよい。 なお、 この揮発物とは、 未反応単量体、 二量体、 未反応のメル カブタンなどをいう。
また、 ベント押出機として単軸のベント押出機を用いる場合には、 重合 体に結合していない硫黄成分の含有量を 5 p pm以下にするための、 反応 混合物の供給量とベント押出機の大きさとの関係は、
Q≤0. 002 Φ 2 (N) ここで、
Q :反応混合物供給量 [リッ トル Z h r ]
Φ : スクリュ一径 [ m m ]
N : スクリュ一回転数 [ r p m ]
を満足するように選択することが好ましい。
脱揮を容易に行うためには、 芯材用重合体を製造する際に比較的蒸気圧 の高いメルカブタンを使用することが好ましく、 n —プチルメルカプタ ン、 t 一プチルメルカブ夕ンなどの炭素数 3〜6個のアルキルメルカプ夕 ンが好ましい。 メルカブタンの使用量を少なくするためには、 連鎖移動定 数の大きい n—プチルメルカプタンを使用することが特に好ましい。
図 2に、 芯材中のポリメチルメタクリレ一卜重合体に結合していない残 存硫黄量をパラメ一タとして、 ポリメチルメタクリレート重合体を芯材と して用いたプラスチック光ファィバの伝送損失の波長依存性の測定結果を 示す。
図 3に、 残存硫黄量をパラメータとして、 6 5 °C 1 0 0 0時間の耐熱試 験を行った前後の、 伝送損失の波長依存性の測定結果を示す。 図 3におい ては、 芯材中の残存硫黄量が 3 . 4 p p mのプラスチック光ファイバと残 存硫黄量が 1 4 p p mのプラスチック光ファィバとについての測定結果を 示す。 破線がそれぞれ耐熱試験前の測定結果であり、 実線がそれぞれ耐熱 試験後の測定結果である。
図 2からわかるように、 波長 6 4 0〜6 7 0 n mの赤色では、 プラス チック光ファイバの芯材中の残存硫黄量は伝送損失に殆ど影響を与えな レ、。 一方、 波長 4 9 0〜5 5 0 n mの緑色や波長 5 6 0〜5 9 0 n mの黄 色では、 芯材中の残存硫黄量を少なくすることにより、 著しく伝送損失を 低減させることができる。 また、 図 3からわかるように、 波長 6 4 0〜6 7 0 n mの赤色では、 プラスチック光ファイバの芯材中の残存硫黄量は耐 熱性 (耐熱試験後のプラスチック光ファイバの伝送損失の増加) には殆ど 影響を与えない。 一方、 波長 6 0 0 n m以下の短波長領域では、 芯材中の 残存硫黄量を少なくすることにより、 著しく耐熱性を向上させることがで きる。 即ち、 ベンゼン環を含まないメ夕クリレー卜系重合体とくにポリメ チルメタクリレー卜重合体を芯材として用いたプラスチック光ファイバを 用いて光伝送装置を構成する場合に、 光送信機の発光素子として緑色や黄 色等の短波長発光素子を用い、 且つ、 プラスチック光ファイバとして芯材 中の残存硫黄量の少ないものを用いることにより、 長距離伝送が可能とな り且つ耐熱性が向上するのである。
このように、 緑色や黄色の短波長発光素子を用いた光送信機と、 芯材中 の残存硫黄量の少ないプラスチック光ファイバとの組み合わせを採用する ことによって、 従来のプラスチック光ファイバの使用での問題点とされて いた短波長領域での重合体に結合しない硫黄原子の熱酸化劣化による芯材 の着色が防止され耐熱性が向上する効果に加えて、 長距離伝送が可能とな る効果を得ることができる。
また、 芯材のポリメチルメタクリレート系重合体としては、 ラジカル開 始剤に起因する分子末端構造が下記の化学式 ( 1 ) に示す構造であるもの が好ましい:
H 3 C H 3
H3 C-C- (CH2 -C-) n - · · · · ( l )
C 00 C H3 C 00 C H3
(ここで、 nは 1以上の整数である)
この分子末端構造はメチルメタクリレート単量体の構造と同じであり、 ラジカル開始剤の異質な分子構造に起因する光吸収や光散乱の影響を受け ないため、 このような芯材は透光性能に特に優れている。
黄色発光素子などの短波長発光素子とプラスチック光ファィバの一方の 端面との光学的結合に用いられるコネクタとしては、 SMA型 [ I EC 60874-2 (S e c t i o n a l s pe c i f i c a t i o n f o r f i b r e o p t i c c o nne c t o r— Ty p e F— SM A) ] のものや F 07型 [J I S C 5976 (F 07型 2心光ファイバ コネクタ) ] のものを用いるのが好ましい。 また、 例えば 1 50m以上の 長距離伝送を達成するためには、 黄色発光素子などの短波長発光素子とプ ラスチック光ファイバとの接続損失を小さくするのが好ましい。 このよう な低接続損失は、 黄色発光素子などの短波長発光素子の発光領域を小さく したり、 レンズを使用して光ファイバへの入射光の開口数 (N A ) を小さ く したり (例えば光ファイバの N A [例えば 0 . 5 ] 以下) することで、 実現することができる。
受光素子としては、 短波長領域に感度をもつ受光ダイォ一ドを用いるこ とができる。 このような受光ダイオードとしては、 例えばシリコン p i n フォ トダイオードを用いることができる。
光受信機は、 公知の構造とすることができ、 例えば、 上記受光素子、 及 び該受光素子からの出力信号を処理し外部に出力する電気信号を得るため の増幅回路、 識別回路及び復調回路等から構成することができる。
プラスチック光ファイバの他方の端面と受光素子との光学的結合に用い られるコネクタとしては、 上記の黄色発光素子などの短波長発光素子とプ ラスチック光フアイバの一方端面との光学的結合に用いられるコネクタと 同様に、 S M A型のものや F 0 7型のものを用いることができる。
本発明の光伝送装置は、 1本のプラスチック光ファイバに一方向の光の みを伝送させることも可能であり双方向の光を伝送させることも可能であ る。 長距離の光伝送を行うためには、 1本のプラスチック光ファイバに一 方向の光のみを伝送させることが好ましい。 短波長発光素子として黄色発 光素子を用いた場合に、 1本のプラスチック光ファイバに一方向の光のみ を伝送させるように光伝送装置を構成すると、 長距離の光伝送が可能であ り且つ耐熱性に優れた光伝送装置となるので好ましい。
以下、 図面を参照しながら本発明の実施の形態を更に詳細に説明す る。
図 1は、 本発明による光伝送装置の一実施形態の構成を示すブロック図 である。 図 1において、 光送信機 1 と光受信機 3とがブラスチック光ファ ィバ 2により光学的に接続されており、 光送信機 1には外部から入力電気 信号 1 1が入力され、 光受信機 3からは外部に出力電気信号 3 5が出力さ れる。 光送信機 1 とプラスチック光ファイバ 2の一方端との光学的結合は S M Aコネクタ 4を用いてなされており、 光受信機 3とブラスチック光 ファイバ 2の他方端との光学的結合は S MAコネクタ 5を用いてなされて いる。
光送信機 1は、 変調回路 1 2と黄色発光ダイオード 14と該黄色発光ダ ィオード 14を駆動するための駆動回路 1 3とを有する。 変調回路 1 2で は、 入力電気信号 1 1を F S K変調し、 例えば、 入力電気信号 1 1が 0V の場合には 1 25 k H zの信号に変換し、 入力電気信号 1 1が 5 Vの場合 には 500 kH zの信号に変換する。 駆動回路 1 3は、 変調回路 1 2から の信号に基づき、 黄色発光ダイォ一ド 14を例えばハイレベル 20 mA且 つローレベル OmAで駆動する。 黄色発光ダイオード 14としては、 例え ば I n G aN系のもので、 電流値 2 OmAにおいて、 最大発光波長が 57 0 nmで波長半値全幅が 38 nmで全出射光量が 0 dBmであるものを用 いることができる。 黄色発光ダイオード 14の発光領域は 0. 2 mm四方 の正方形とされており、 光ファイバへの入射光の N Aは 0. 5とされてい る。
光受信機 3は、 黄色領域などの短波長領域に感度を有するシリコン p i nフォ トダイオード 3 1と受光増幅回路 32と識別回路 33と復調回路 3 4とを有する。 受光増幅回路 32はシリコン p i nフォトダイオード 3 1 の出力電流を電圧に変換し、 増幅する。 識別回路 33は受光増幅回路 32 からの信号のハイレベル、 ローレベルの識別を行う。 復調回路 34は識別 回路 33からの信号を復調し、 1 25 k H zの信号の場合には 0 Vに変換 して出力電気信号 35として出力し、 500 k H zの信号の場合には 5 V に変換して出力電気信号 35として出力する。 この光受信機 3は、 波長 5 70 nmにおいて、 20 k b p sの N R Z信号に対して、 符号誤り率 (B E R) 1 CI—7を満足し平均最小受信感度が一 41. 5 dBmである。 プラスチック光ファイバ 2は、 芯材がポリメチルメタクリレート重合体 からなり鞘材がフッ化ビユリデンーテトラフルォロェチレン共重合体から なるステップィンデックス型のものである。 このプラスチック光ファイバ 2は、 芯材中の残存硫黄量が 0. 7 p pmであり、 芯材中の重合体に結合 している硫黄原子の含有量が 600 p pmである。 その伝送損失の波長依 存性は図 2に示されている。 なお、 芯材に用いた重合体中の硫黄原子の含有量の測定は次のようにし て行った。
( i ) 重合体に結合している硫黄原子の含有量の測定
ドーマン微量電量滴定装置 MCTS - 1 30を用いて測定した。 予め、 硫黄原子濃度既知の標準試料を測定して検量線を作成した。 次に、 芯材に 用いた重合体をその 1 0倍量のアセトンに溶解させ、 その溶液をメタノ一 ル中に滴下して重合体を沈殿させ、 重合体のみを分離回収し乾燥させて重 合体試料とした。 この重合体試料を測定し、 検量線から読み取った値を重 合体単位量あたりに換算した数値を重合体に結合している硫黄原子の量と した。
( i i ) 重合体に結合していない硫黄原子の含有量の測定
測定装置として H P社製ガスクロマ 卜グラフ 5890 S E R I E S ( I I ) を用い、 カラムはジ一エルサイエンス (株) 製 TC一 WAX長さ 30 m, 内径 0. 53mm、 膜厚 1. Ο μπιのものを用いた。 検出器は硫 黄に高い感度を有する炎光光度検出器を使用し、 重合体中に残存する η— プチルメルカプ夕ンあるいは η—才クチルメルカプ夕ン、 及びこれらのメ ルカプタンどうしの反応により生成するジスルフィ ド化合物の定量分析を 行った。 定量分析は、 溶媒をアセトンとし、 予め濃度既知の標準液を測定 して検量線を作成した後、 重合体濃度約 1 3wt/v o 1 %で溶解した試 料溶液を測定し、 検量線から得られた定量値を硫黄原子換算した値を重合 体に結合していない硫黄原子の含有量とした。
なお、 n—プチルメルカブ夕ンを用いた場合には n—プチルメルカプタ ンとジ一 n—ブチル -ジスルフィ ドとの硫黄原子換算した値の合計値、 n—ォクチルメルカプタンを用いた場合には n—才クチルメルカブ夕ンと ジー n—才クチルージスルフィ ドとの硫黄原子換算した値の合計値を重合 体に結合していない硫黄原子の含有量とした。
波長 570 nmの平行光で測定した伝送損失は、 0. 06 dBZmであ る。 光送信機 1を接続した場合の伝送損失は、 発光ダイオード 14の波長 の広がりと高次モード成分による損失増加のために 0. 1 dB/mまで増 加する。 黄色発光ダイオード 1 4は、 S M Aコネクタ 4によりプラスチック光 ファイバ 2の一方端と光学的に結合している。 尚、 光送信機 1の平均送信 レベル (光ファイバ l m伝送後に変調をかけた状態での光量レベル) は一 9 d B mである。
シリコン p i nフォ トダイオード 3 1は、 S M Aコネクタ 5によりプラ スチック光ファイバ 2の他方端と光学的に結合している。
上記図 1に関し説明した光伝送装置及びそれに一部変更を加えた光伝送 装置を用いて、 伝送実験と耐熱性試験とを、 以下の通り実施した。
[実施例 1 ]
図 1に示されている光伝送装置全体を恒温槽内に配置し、 送信レベルの 温度特性を測定した。 その結果を図 4に示す。 図 4では、 温度 2 5 °Cでの 光量レベルを 0 d Bとして表示している。 本実施例 1の光伝送装置は、 0 〜8 5 °Cの広い温度範囲で送信レベルが安定しており、 耐熱性が優れてい ることが確認された。
次に、 乾燥条件下、 温度 8 5 °Cで、 本実施例 1の光伝送装置で使用した プラスチック光フアイバ 2の伝送損失特性の経時変化を測定した。 その結 果、 1 0 0 0時間後に、 波長 5 7 0 n mにおいて伝送損失増加はみられな かった。
以上の結果から、 本実施例 1の光伝送装置は、 発光素子及び光ファイバ とも優れた耐熱特性を示し、 2 0 k b p s N R Z信号伝送において、 3 0 ◦ mの長距離伝送が可能 (デジタル信号伝送で符号誤り率 1 0 _ 7以下:以 下、 伝送可能距離に関して同様) であることがわかった。
[実施例 2 ]
黄色発光ダイオード 1 4の代わりに緑色発光ダイオードを用いることを 除いて上記実施例 1の光伝送装置と同一の光伝送装置を構成した。
ここで使用した緑色発光ダイオードは、 I n G a N系のもので、 電流値 2 0 m Aにおいて、 最大発光波長が 5 2 5 n mで波長半値全幅が 2 0 n m で全出射光量が 3 d B mであった。 光送信機 1の平均送信レベルは一 7 d B mであった。 光受信機 3の 2 0 k b p s N R Z信号伝送における B E R 1 0 - 7以下を満足する平均最小受光感度は、 波長 5 2 5 n mにおいて、 一 4 1. 0 d Bであった。
上記実施例 1と同様にして、 光伝送装置の耐熱試験を実施した。 その結 果を図 4に示す。 本実施例 2の光伝送装置は、 0〜85°Cの広い温度範囲 で送信レベルが安定しており、 耐熱性が優れていることが確認された。 また、 上記実施例 1と同様にして、 プラスチック光ファイバ 2の伝送損 失特性の経時変化を測定したところ、 1 000時間後、 波長 525 nmに おいて光フアイバの伝送損失増加はみられなかった。
以上の結果から、 本実施例 2の光伝送装置は、 発光素子及び光ファイバ とも優れた耐熱特性を示し、 20 k b p s N R Z信号伝送において、 32 0 mの長距離伝送が可能であることがわかった。
[実施例 3]
プラスチック光ファイバ 2として芯材中の残存硫黄量が 27 p pmで重 合体に結合している硫黄原子の含有量が 590 p pmのもの (図 2に伝送 損失の波長依存性を示す) を用いることを除いて上記実施例 1の光伝送装 置と同一の光伝送装置を構成した。
波長 570 nmにおいて、 平行光で測定した伝送損失は 0. 09 dB/ mであった。 光送信機 1を接続した場合の伝送損失は、 黄色発光ダイォ一 ド 1 4の波長の広がりと高次モード成分による損失増加のために、 0. 1 3 d B/mまで増加した。
上記実施例 1と同様にして、 プラスチック光ファイバ 2の伝送損失特性 の経時変化を測定したところ、 1000時間後、 波長 570 nmにおいて 0. 005 dBZm程度の伝送損失増加がみられた。
以上の結果から、 本実施例 3の光伝送装置は、 光ファイバの耐熱特性は 実施例 1の場合に比べて低下するが、 その低下は実際上の使用において許 容し得るものであり、 耐熱性は良と判定できる。 また、 20 k b p s N R Z信号伝送において、 240 mの伝送が可能であり、 耐熱試験の結果か ら、 85 °C 1万時間の熱劣化を予測すると、 伝送距離は 180 mとなるこ とがわかった。
[比較例 1 ]
黄色発光ダイオード 14の代わりに赤色発光ダイオードを用いることを 除いて上記実施例 1の光伝送装置と同一の光伝送装置を構成した。
ここで使用した赤色発光ダイオードは、 G aA l As系のもので、 電流 値 2 OmAにおいて、 最大発光波長が 660 nmで波長半値全幅が 20 n mで全出射光量が 6 d Bmであった。
図 2に示されているように、 プラスチック光ファイバ 2の波長 660 n mでの伝送損失は 0. 1 7 dB/mであるが、 光送信機 1を接続した場合 の伝送損失は、 発光ダイオードの波長の広がりと高次モード成分による損 失増加のために 0. 23 dB/mとなった。 光送信機 1の平均送信レベル は一 6 d Bmであった。 光受信機 3の 20 k b p s N R Z信号伝送におけ る B E R 1 O—7以下を満足する平均最小受光感度は、 波長 660 nmにお いて、 — 43. 0 d Bであった。
上記実施例 1 と同様にして、 光伝送装置の耐熱試験を実施した。 その結 果を図 4に示す。 本比較例 1の光伝送装置は、 0〜85°Cの温度範囲で送 信レベルが 2. 5 dBと大きく変化した。
また、 上記実施例 1と同様にして、 プラスチック光ファイバ 2の伝送損 失特性の経時変化を測定したところ、 1 000時間後、 波長 660 nmに おいて光ファィバの伝送損失増加はみられなかった。
以上の結果から、 本比較例 1の光伝送装置は、 発光素子の耐熱特性が 劣っており、 20 k b p s N R Z信号伝送において、 1 50mまでしか伝 送が可能でないことがわかった。 更に、 送信レベルの 0〜85°Cにおける 温度変動を見込むと、 伝送距離は 140mとなることがわかった。
[比較例 2]
プラスチック光ファイバ 2として芯材中の残存硫黄量 27 p pmで重合 体に結合している硫黄原子の含有量が 59 O p pmのもの (図 2に伝送損 失の波長依存性を示す) を用いることを除いて上記実施例 2の光伝送装置 と同一の光伝送装置を構成した。
波長 525 nmにおいて、 平行光で測定した伝送損失は 0. 09 dB/ mであった。 光送信機 1を接続した場合の伝送損失は、 発光ダイオード 1 4の波長の広がりと高次モード成分による損失増加のために、 0. 1 3 d B/mまで増加した。 1 b 上記実施例 1と同様にして、 プラスチック光ファイバ 2の伝送損失特性 の経時変化を測定したところ、 1 000時間後、 波長 525 nmにおいて 0. 0 1 8 dB/m程度の伝送損失増加がみられた。
以上の結果から、 本比較例 3の光伝送装置は、 光ファイバの耐熱特性が 劣っており、 20 k b p s N R Z信号伝送において、 240mの伝送が可 能であるが、 しかし、 耐熱試験の結果から 85 °C 1万時間の熱劣化を予測 すると、 伝送距離は 1 00mとなることがわかった。
[比較例 3]
プラスチック光ファイバ 2として芯材中の残存硫黄量 27 p pmで重合 体に結合している硫黄原子の含有量が 590 p pmのもの (図 2に伝送損 失の波長依存性を示す) を用いることを除いて上記比較例 2の光伝送装置 と同一の光伝送装置を構成した。
波長 660 nmにおいて、 平行光で測定した伝送損失は 0. 18 dBZ mであった。 光送信機 1を接続した場合の伝送損失は、 発光ダイオード 1 4の波長の広がりと高次モード成分による損失増加のために、 0. 24 d BZmまで増加した。
上記実施例 1と同様にして、 プラスチック光ファイバ 2の伝送損失特性 の経時変化を測定したところ、 1 000時間後、 波長 660 nmにおいて 光ファイバの伝送損失増加はみられなかった。
以上の結果から、 本比較例 4の光伝送装置は、 発光素子の耐熱特性が 劣っており、 20 k b p s N R Z信号伝送において、 1 50mまでしか伝 送が可能でないことがわかった。 更に、 送信レベルの 0〜85°Cにおける 温度変動を見込むと、 伝送距離は 140mとなることがわかった。
以下の表 1に、 実施例 1〜 3及び比較例 1〜3をまとめた結果を示す。 【表 1】
Figure imgf000019_0001
なお、 表 1において、
·送信レベルは、 光ファイバ 1 m伝送後に変調をかけた状態での光量レ ベル
'受信感度は、 符号誤り率が 1 0—7以上となる光量レベル
•伝送損失は、 単色平行光での測定値
•伝送距離は、 符号誤り率が 1 0 以下となる最大伝送距離
である。 [実施例 4 ]
プラスチック光ファイバ 2としてマルチコア型プラスチック光ファイバ を用いることを除いて、 上記実施例 1の光伝送装置と同一の光伝送装置を 構成した。
ここで使用したマルチコア型プラスチック光ファイバは、 3 7個の島部 が互いに隔てられた状態で共通の海部により一体化されてなる海島型の光 ファイバで、 島部が芯と鞘から構成されており、 芯材がメチルメタクリ レート重合体からなり鞘材及び海材がフッ化ビニリデンーテ卜ラフルォロ エチレン共重合体からなるものである。 このマルチコア型プラスチック光 ファイバは、 芯材中の残存硫黄量が 0 . 8 p p mであり、 芯材中の重合体 に結合している硫黄原子の含有量が 6 0 0 p p mであった。
波長 5 7 0 n mにおいて、 平行光で測定した伝送損失は 0 . 0 6 d B mであった。 光送信機 1を接続した場合の伝送損失は、 発光ダイオード 1 4の波長広がりと高次モード成分による損失増加のために、 0 . l d B Z mとなった。 光送信機 1の平均送信レベルは一 1 0 d B mであった。
上記実施例 1 と同様にして、 ここで使用したマルチコア型プラスチック 光ファイバの伝送損失特性の経時変化を測定したところ、 1 0 0 0時間 後、 波長 5 7 0 n mにおいて光ファイバの伝送損失増加はみられなかつ た。
以上の結果から、 本実施例 4の光伝送装置は、 発光素子及び光ファイバ とも優れた耐熱特性を示し、 2 0 k b p s N R Z信号伝送において、 2 9 0 mの長距離伝送が可能であることがわかった。
[実施例 5 ]
プラスチック光ファイバ 2として多層プラスチック光ファイバを用いる ことを除いて、 上記実施例 1の光伝送装置と同一の光伝送装置を構成し た。
ここで使用した多層プラスチック光ファイバは、 芯が中心から外周に向 かって屈折率が段階的に減少するように多層で構成された光ファィバで、 内層芯材がメチルメタクリレー卜重合体からなり、 外層芯材がメチルメ夕 クリレートと 2 , 2 , 3, 3—テトラフルォロプロピルメ夕クリレー卜と の共重合体からなり、 鞘材がメチルメ夕クリレートと 1 , 1 , 2, 2—テ 卜ラヒ ドロパーフルォロデシルメ夕クリレートとの重合体からなるもので ある。 内層芯の直径は 450 m、 外層芯の厚みは 1 35 m、 鞘材の厚 みは 1 5 μπιであり、 ファイバ径 750 μπιである。 この多層プラスチッ ク光ファイバは、 内層芯材中の残存硫黄量が 0. 7 ppmであり、 外層芯 あり、 内層芯材の ; 材中の残存石 1产;TL B¾J :が l p pmで ;合体に結合している石 j 黄原子の含有量が 600 p pmであり、 外層芯材の重合体に結合している 硫黄原子の含有量が 560 p pmであった。
波長 570 nmにおいて、 平行光で測定した伝送損失は 0. 06 dBZ mであった。 光送信機 1を接続した場合の伝送損失は、 発光ダイオード 1 4の波長広がりと高次モード成分による損失増加のために、 0. l dB/ mとなった。 光送信機 1の平均送信レベルは一 14 dBmであった。
上記実施例 1と同様にして、 ここで使用した多層プラスチック光フアイ バの伝送損失特性の経時変化を測定したところ、 1 000時間後、 波長 5 70 nmにおいて光ファイバの伝送損失増加はみられなかった。
以上の結果から、 本実施例 5の光伝送装置は、 発光素子及び光ファイバ とも優れた耐熱特性を示し、 20 k b p s N RZ信号伝送において、 25 0 mの長距離伝送が可能であることがわかった。
以上のように、 最大発光波長 660 nmの赤色発光ダイオードを使用し た光伝送装置の場合は、 伝送距離が短く、 発光素子の耐熱性が劣ってお り、 プラスチック光ファイバの芯材中の残存硫黄量を減少させても、 伝送 距離や耐熱性に殆ど影響を及ぼさなかった。 これに対して、 最大発光波長 570 nmの黄色発光ダイ才ード及び 525 nmの緑色発光ダイォードを 使用した光伝送装置の場合には、 プラスチック光ファィバの芯材中の残存 硫黄量を減少させることで、 伝送距離を大きく伸ばすことができ、 更に耐 熱性を改善することができた。
このように、 光伝送装置において、 短波長発光素子を使用し且つプラス チック光ファイバの芯材中の残存硫黄量の少ないものを用いることが、 伝 送距離の延長及び耐熱性の向上に有効であることがわかった。 【産業上の利用可能性】
以上の様に、 本発明によれば、 短波長発光素子と芯材がベンゼン環を含 まず且つ残存硫黄量が 5 p p m以下のメタクリレート系重合体を用いてな るプラスチック光ファイバとの組み合わせを用いて光伝送装置を構成して いるので、 良好な耐熱性での長距離伝送が可能になる。
また、 本発明によれば、 黄色発光素子と芯材がベンゼン環を含まないメ タクリレート系重合体からなるプラスチック光ファイバとの組み合わせを 用い、 プラスチック光フアイバを光が一方向にのみ伝播するように光伝送 装置を構成しているので、 良好な耐熱性での長距離伝送が可能になる。

Claims

δ 請 求 の 範 囲
1 . 短波長発光素子を有し該短波長発光素子から発せられる光を用い て外部から入力される電気信号に応じた光信号を発する光送信機と、 ベンゼン環を含まないメタクリレート系重合体を用いて芯材が構成され ており、 該芯材中での重合体に結合していない硫黄原子の量が 5 p p m以 下であり、 且つ一方端が前記短波長発光素子に光学的に結合されたプラス チック光ファイバと、
該プラスチック光ファイバの他方端に光学的に結合された受光素子を有 し該受光素子の出力に基づく出力電気信号を発する光受信機とを備えてい ることを特徴とする光伝送装置。
2 . 前記芯材中での重合体に結合していない硫黄原子の量が 3 p p m 以下であることを特徴とする、 請求項 1に記載の光伝送装置。
3 . 前記芯材中での重合体に結合している硫黄原子の量が 2 0 0〜1 0 0 0 p p mの範囲内であることを特徴とする、 請求項 1に記載の光伝送
4 . 前記短波長発光素子は最大発光波長が 6 0 0 n m以下であること を特徴とする、 請求項 1〜3のいずれかに記載の光伝送装置。
5 . 前記短波長発光素子は最大発光波長が 5 6 0〜5 9 0 n mの範囲0 内にある黄色発光ダイオードであることを特徴とする、 請求項 1〜3のい ずれかに記載の光伝送装置。
6 . 前記短波長発光素子は最大発光波長が 4 9 0〜5 5 0 n mの範囲 内にある緑色発光ダイォードであることを特徴とする、 請求項 1〜3のい ずれかに記載の光伝送装置。
5 7 . 黄色発光素子を有し該黄色発光素子から発せられる光を用いて外 部から入力される電気信号に応じた光信号を発する光送信機と、 芯材がべ ンゼン環を含まないメタクリレー卜系重合体からなり且つ一方端が前記黄 色発光素子に光学的に結合されたブラスチック光ファイバと、 該プラス チック光ファィバの他方端に光学的に結合された受光素子を有し該受光素0 子の出力に基づく出力電気信号を発する光受信機とを備えており、 前記プ ラスチック光ファィバを光が一方向にのみ伝播するように構成されている ことを特徴とする光伝送装置。
8. 前記芯材中にメタクリレート系重合体に結合せずに残存する硫黄 原子の量が 5 p pm以下であることを特徴とする、 請求項 7に記載の光伝
9. 前記芯材中にメタクリレート系重合体に結合せずに残存する硫黄 原子の量が 3 p pm以下であることを特徴とする、 請求項 8に記載の光伝
1 0. 前記黄色発光素子は最大発光波長が 560〜590 nmの範囲 内にあり波長半値全幅が 40 nm以下で全出射光量が 0 dBm以上の発光 ダイオードであることを特徴とする、 請求項 7に記載の光伝送装置。
1 1. 前記プラスチック光ファイバは波長 560〜590 nmにおけ る伝送損失が 0. l dBZm以下であり、 前記黄色発光素子と前記プラス チック光ファイバとの接続損失が 1 0 d B以下であることを特徴とする、 請求項 7〜1 0のいずれかに記載の光伝送装置。
1 2. 前記光受信機は波長 560〜590 nmにおいて最小受信感度 が— 25 d Bm以下であることを特徴とする、 請求項 7〜 1 0のいずれか に記載の光伝送装置。
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