塑料光纖及其制備方法

專利名稱：塑料光纖及其制備方法
技術領域：
本發明涉及能夠傳播帶寬高于10GHz·m的高頻信號的光學塑料纖維，更具體地說涉及漸變折射率(GI)型多模塑料光纖，與常規GI型多模塑料光纖相比，它在堅固性和生產成本方面得到改善。
背景技術：
在玻璃光纖領域，使用多模模式作為能夠以大直徑的形式連接的纖維模式，并且特別是在塑料光纖領域，多模模式經常用作基本模式。塑料光纖，本文后面有時稱之為“POF”，由于其單元纖維的整個區域是由塑料材料制成的因而具有略大的傳輸損耗，因此略遜于石英基纖維，但是由于具有優異的彈性、重量輕的性能、可加工性、在制備大孔徑纖維方面較好的應用性和較低的成本，因此優于石英基光纖。因此研究塑料光纖作為光通信的傳播介質，它在相對短的距離內使得其略大的傳輸損耗可以被忽略。
塑料光纖通常具有由有機化合物制成并包括聚合物基質的中心(本說明書中稱之為“纖芯區”)，和由折射率與纖芯區的不同(通常低于它)的有機化合物制成的外殼(本說明書中稱之為“包層區”)。具有由均勻組成形成的纖芯區的POF稱作階躍折射率型POF，一些可商購獲得，并且幾乎所有的都可以支持小于10GHz·m的帶寬范圍。另一方面，漸變折射率POF，本文后面有時稱之為“GI-POF”，包括具有沿從中心到其外面的方向變化的折射率的纖芯區，公開在JPA1986-130904(本文使用的術語“JPA”是指待審公開的日本專利申請)、日本專利3332922等，最近由于其作為光纖可以保證高的傳輸容量而受到很大關注。作為這種GI-POF的一種制備方法，已提出一種包括利用界面凝膠聚合反應形成纖維基本單元(本說明書中稱之為“預制棒”)然后拉制該預制棒的方法。根據該方法，將一種具有高折射率的控制劑加入到基質的材料中，基質中控制劑的比例呈逐漸徑向變化，因此可以獲得所需的折射率分布。
然而，根據上述GI型光學塑料纖維的制備方法，需要精確的反應控制來制備預制棒，并且制備期間的反應條件難以控制。特別是，根據JPA 1986-130904中公開的方法，使用界面凝膠聚合反應，花費長時間來形成折射率逐漸徑向變化的預制棒，并且獲得的預制棒的大小例如長度或直徑可能受到限制。因此難以降低預制棒的制備步驟或預制棒的拉制步驟的制造成本。并且，根據上述方法，具有折射率分布的預制棒是由具有高折射率的低分子量化合物和基質的材料的組合形成的，并且從保證質量的角度，要求這種分布在不同的溫度范圍內長時間不改變。然而，本發明人對具有高折射率的低分子量化合物和基質的材料的組合進行各種研究，結果發現能夠滿足質量保證要求的組合的數量有限，盡管可以以與上面相同的方式通過共聚合多個折射率彼此不同的可聚合單體來制備具有折射率分布的預制棒，但是它們也發現通過共聚合反應制得的一些預制棒由于界面失配等而顯示大的光損耗，并且材料的選擇窄。

發明內容
本發明的目的在于提供一種新型光纖，它不僅在頻率帶寬方面優異，而且在長期穩定性和溫度-濕度穩定性方面也優異。本發明的另一目的在于提供一種GI型光纖，與常規GI型光纖相比，它可以以較低成本并在較短時間內制得。
為了提供這種GI型光纖，本發明人進行了各種研究，結果發現必需根本上改變產生折射率分布的方法，由此使預制棒的制備步驟能夠簡單且快速地進行，并且與基于具有高折射率的低分子量化合物在具有低折射率的基質材料中的濃度分布的折射率分布(由于多種材料之間相容性的喪失而可能容易紊亂)相比，產生幾乎不紊亂的折射率分布。他們還發現基于纖芯區中分子取向分布的具有折射率分布的光纖，與基于纖芯區中組成分布的已知折射率分布不同，可以解決前述問題。基于這些發現，完成了本發明。
在一個方面，本發明提供了一種光學塑料纖維，包括纖芯區并沿纖維的縱軸具有中心線，在與中心線垂直的任意平面內，纖芯區的折射率沿從周圍部分到中心線的方向增加，和在與中心線平行并含有中心線的任意平面內，雙折射率沿從中心線到與中心線垂直的周圍部分的方向變化。
在本發明的實施方式，提供了纖芯區由具有正內稟雙折射的材料形成的光學塑料纖維，在與傳播方向平行并且含有中心線的任意平面內，雙折射率的絕對值Δn沿從中心線到與中心線垂直的周圍部分的方向增加，其中，Δn＝nx-ny＞0，nx是與縱軸平行的折射率，ny是與縱軸垂直的折射率；纖芯區由具有負內稟雙折射的材料形成的光學塑料纖維，在與傳播方向平行并且含有中心線的任意平面內，雙折射率的絕對值Δn沿從中心線到與中心線垂直的周圍部分的方向降低，其中，Δn＝nx-ny＜0，nx是與縱軸平行的折射率，ny是與縱軸垂直的折射率；其中纖芯區的組成是均勻的光學塑料纖維；和纖芯區的分子沿縱軸取向并且取向度沿從中心線到與中心線垂直的周圍部分的方向改變的光學塑料纖維。
在另一方面，本發明提供了一種光學塑料纖維的制備方法，包括將包括至少一個由具有內稟雙折射的材料形成的區域的預制棒拉制成纖維，同時將該預制棒通過至少兩個溫度設置為彼此不同的區域，由此在預制棒拉制成纖維之前在預制棒的中心部分和周圍部分之間產生5℃或更大的溫差。
作為本發明的實施方式，提供了這樣一種方法，其中預制棒包括由具有正雙折射率的材料形成的纖芯區，拉制是通過包括多級加熱區的拉制設備進行的，首先預制棒通過將預制棒加熱至拉制溫度的區域，接著通過開始拉制預制棒并且其形狀改變成圓錐形的區域，接著通過在拉制成纖維之前施加冷風將預制棒快速冷卻的區域，由此在中心部分和周圍部分之間產生20℃或更大的溫差；和所述方法中的預制棒包括由具有負雙折射率的材料形成的纖芯區，拉制是通過包括多級加熱區的拉制設備進行的，首先預制棒通過溫度設置為30℃或更低的區域，接著通過將預制棒快速加熱至拉制溫度的區域，由此在周圍部分和中心部分之間產生20℃或更大的溫差。
本發明的多模光纖可以通過如下制得在與光傳播方向平行并且含有中心線的任意平面內沿纖維的縱軸產生相位差分布，因此在與光傳播方向垂直的任意平面內產生改善光纖帶寬所需的折射率分布。根據本發明，通過使用均勻組成可以制得多模光纖，并且與基于組成分布的常規折射率分布相比，該折射率分布幾乎不會因溫度和濕度改變而紊亂。而且，為了制備本發明的光纖，不需要進行任何復雜的步驟例如進行以產生基于組成分布的折射率分布為目的的界面凝膠聚合反應，并且僅需要進行簡單的步驟例如在產生中心部分和周圍部分之間的溫差并由此產生不均勻的分子取向的條件下拉制預制棒。因此本發明可以顯著縮短時間并降低光纖的制造成本。


圖1是用于解釋本發明的光纖的模型示意圖。
圖2是描述日本專利3332922中公開的一個光纖實例的折射率橢球的簡圖。
圖3是描述本發明的一個光纖實例的折射率橢球的簡圖，該光纖包括由具有正內稟雙折射的材料形成的纖芯區。
圖4是描述本發明的一個光纖實例的折射率橢球的簡圖，該光纖包括由具有負內稟雙折射的材料形成的纖芯區。
圖5是拉制步驟期間形成的拉制圓錐的示意圖。
圖6是顯示可用于制備本發明光纖的基于內部定型系統的熔體擠出成型機的典型構造的示意圖。
圖7是可用于制備本發明光纖的基于外部模具真空吸引系統的熔體擠出成型機的生產線的典型配置的示意圖。
圖8是可用于制備部分光纖的成型模具的透視圖。
圖9是用于制備本發明光纖的典型拉制設備的截面示意圖。
圖10是顯示實施例中制備的樣品的拉制溫度和帶寬之間的關系的圖。
圖11是用于解釋實施例中制備用于評價雙折射率的樣品的方法的示意圖。
具體實施例方式
下面詳細地描述本發明的實施方式。首先，解釋在與本發明光纖的縱軸垂直的任意平面內的折射率分布和在與本發明光纖的縱軸平行的任意平面內的雙折射率分布之間的關系。
通常，折射率橢球是三維折射率分量(nx，ny，nz)的函數，對具有內稟雙折射的材料而言，當材料的分子未取向時，其折射率橢球保持真正的球形形狀。在這種情況下，滿足等式，nx＝ny＝nz，并且該折射率稱之為n0。另一方面，當主體材料的分子在任意方向取向時，所有三維折射率分量(nx，ny，nz)都不相同，或者換句話說，在材料內產生雙折射。
當具有正內稟雙折射的材料的分子僅沿x-軸取向時，對振動方向與該取向方向平行的光線的折射率，即nx，變得大于n0，并且對振動方向與該取向方向垂直的光線的折射率，即ny，與nz相等，變得小于n0。另一方面，當具有負內稟雙折射的材料的分子僅沿x-軸取向時，對振動方向與該取向方向平行的光線的折射率，即nx，變得小于n0，并且對振動方向與該取向方向垂直的光線的折射率，即ny，與nz相等，變得大于n0。
將考慮位于直角坐標空間(x，y，z)的長光纖的纖芯區的模型，其縱軸與x-軸平行，如圖1所示。在圖1中，平面Py-z與光纖的縱軸垂直，平面Px-y含有沿縱軸的中心線Lc并且與縱軸平行。圖2-4分別顯示了不同光纖在Py-z截面和Px-y截面的圖示折射率橢球。注意，在Px-z截面的圖示折射率橢球，是含有中心線Lc并且與縱軸平行的另一平面，由于它們分別與Px-y截面中的相同，因此未顯示。
圖2顯示了例如日本專利3332922中所述的常規GI-POF的纖芯區在Py-z截面(以nz和ny分量定義)(圖2(a))和在Px-y截面(以nx和ny分量定義)(圖2(b))的圖示折射率橢球。例如圖2所示的常規GI-POF具有以具有高折射率的低分子量化合物在基質材料中的漸變濃度分布為基礎的漸變折射率分布。因此，如圖2(a)所示，在Py-z截面的圖示折射率橢球可以描述為圓形，并且圓形的大小沿從中心部分到周圍部分的方向減小。并且如圖2(b)所示，在Px-y截面的圖示折射率橢球的形狀在中心部分和周圍部分都相似，并且圓形的大小沿從中心部分到周圍部分的方向減小，與Py-z截面中相似。
圖3顯示了本發明的GI-POF的纖芯區在Py-z截面(以nz和ny分量定義)(圖3(a))和在Px-y截面(以nx和ny分量定義)(圖3(b))的圖示折射率橢球。圖3所示的纖芯區是由具有正內稟雙折射的材料形成的，并且材料的分子沿縱軸(x-軸)以遠離中心部分并靠近周圍部分(沿y-軸)趨于更集中地取向。分子在Px-y平面的取向度沿從中心線Lc到周圍部分的方向增加，并且nx分量的大小隨取向度變化而增加。并且，如圖3(b)所示，在Px-y截面的圖示折射率橢球的形狀在遠離中心部分并靠近周圍部分的過程中趨于形成橄欖球形狀，它沿x-軸具有縱軸。結果在Px-y平面的這種取向度的變化能夠在Py-z平面引起相對折射率分布，在Py-z平面折射率沿從中心部分到周圍部分的方向降低。可以理解，對光傳播方向而言，在圖3中所示的纖芯區內發現的折射率分布等于在常規GI-POF的纖芯區內發現的折射率分布，后者是通過在折射率各向同性材料中產生漸變折射率分布而產生的。
圖4顯示了本發明的GI-POF的另一纖芯區在Py-z截面(以nz和ny分量定義)(圖4(a))和在Px-y截面(以nx和ny分量定義)(圖4(b))的圖示折射率橢球。圖4所示的纖芯區是由具有負內稟雙折射的材料形成的，并且材料的分子沿縱軸(x-軸)以遠離周圍部分并接近中心部分(沿y-軸)趨于更集中地取向。分子在Px-y平面的取向度沿從周圍部分到中心線Lc的方向增加，并且nx分量的大小隨取向度的變化而減小。并且，如圖4(b)所示，在Px-y截面的圖示折射率橢球的形狀在遠離周圍部分并靠近中心部分的過程中趨于形成盤形形狀，它沿y-軸具有縱軸。結果在Px-y平面的這種取向度的變化能夠引起Py-z平面內的相對折射率分布，在Py-z平面折射率沿從中心部分到周圍部分的方向降低。可以理解，就光傳播方向而言，在圖4中所示的纖芯區中發現的折射率分布與在常規GI-POF的纖芯區中發現的相等，后者是通過在折射率各向同性材料中產生漸變折射率分布而產生的。
如上所述，根據本發明，為了產生具有漸變折射率的纖芯區，不需要有意產生不均勻的材料組成，并且組成均勻的材料可用于制備該纖芯區。注意，本說明書中術語“組成均勻的材料”用于由單一成分組成的任意材料，還用于包括多種成分并且成分比例均勻沒有因區域而發生組成偏差的任意材料。根據本發明，纖芯區因此可以由具有內稟雙折射的單一成分材料形成，或者可以由多成分材料例如通過將具有內稟雙折射的摻雜劑(添加劑成分)均勻分散到沒有任何雙折射的基質材料中制得的材料，或者通過共聚合沒有任何雙折射的基質材料和具有內稟雙折射的摻雜劑(添加劑成分)制得的材料形成。摻雜劑可以選自不能聚合的或者可以聚合的低分子量化合物。
如上所述，雙折射率在與縱軸垂直的平面內變化的雙折射率分布可以通過沿縱軸的使分子取向并在中心部分和周圍部分之間產生取向度的差異來形成。在中心部分和周圍部分之間產生取向度的差異的一個簡單方法是在進行拉制時在中心部分和周圍部分之間產生溫差。例如，當將圓柱形預制棒拉制成纖維時，可以將熔融狀態的預制棒順流拉動，這樣其直徑可以沿拉制方向逐漸降低并且可能根本上改變形狀成為如圖5所示的圓錐形(預制棒根本上改變形狀成為圓錐形在本文后面有時稱之為“拉制圓錐”)。根據本發明，優選至少在一個選自從預制棒直徑開始降低的區域中的起點A1到預制棒直徑達到纖維直徑的終點A2的范圍內中心部分與周圍部分之間存在5℃或更大的溫差；更優選存在20℃或更大的溫差。因此優選通過如圖9所示具有多個溫度可以分別控制的隔室的拉制設備(本文后面稱之為“具有多級加熱區的拉制設備”)拉制預制棒，這是由于可以容易地產生中心部分和周圍部分之間的溫差。
拉制包括由具有正內稟雙折射的材料形成的纖芯區的預制棒，必需產生纖芯的分子沿縱軸以遠離中心部分并且接近周圍部分趨于更集中地取向的條件。為了在預制棒中產生這種條件，周圍部分的溫度可以設定至低于中心部分的溫度，并且足夠高以使周圍部分的分子在進行預制棒的拉制時取向。通過如圖9所示具有多級加熱區的拉制設備拉制，預制棒在通過第一、第二和第三隔室的同時可以逐漸預熱，在通過第四隔室時開始拉制，并在通過第五隔室時施加冷風，其中拉制圓錐逐漸被拉薄，這樣僅周圍部分可以快速冷卻。
拉制包括由具有負內稟雙折射的材料形成的纖芯區的預制棒，必需產生纖芯區的分子沿縱軸以遠離周圍部分并且接近中心部分趨于更集中地取向的條件。為了在預制棒中產生這種條件，中心部分的溫度可以設定至低于周圍部分的溫度，并且足夠高以使中心部分的分子在進行預制棒的拉制時取向。或者換句話說，預制棒可能需要在加熱區經大功率電熱加熱裝置從外部加熱，這樣僅周圍部分的溫度可以快速變熱。更具體地說，通過如圖9所示的具有多級加熱區的拉制設備拉制，預制棒在通過第一和第二隔室時是冷卻而不是預熱，并且在通過第三隔室時快速加熱，這樣可以將周圍部分的溫度設置至高于中心部分的溫度。
拉制時所需的溫差范圍可以根據所用材料的類型而變化，并且經常，為了產生取向度的差異，該溫差理想地是在5℃-150℃的范圍內，更理想地是10℃-100℃，最理想是20℃-75℃。當溫差小于5℃時，折射率分布對于GI-POF可能不足。并且當溫差大于150℃時，一些預制棒可能僅在周圍部分熔融并且在中心部分保持堅硬，這樣它們不能被拉制。
如上所述，根據本發明，相對由組成均勻的內稟雙折射材料形成的纖芯區，通過在該纖芯區產生不一致的分子取向，產生在與縱軸垂直的任意平面內的折射率分布，并且這種不一致的分子取向可以通過纖芯區的溫度沿從中心部分到周圍部分的方向變化的同時拉制預制棒來產生。本發明的光纖因此可以傳播高帶寬光，可以低成本地生產，并且溫度-濕度穩定性提高。
本發明的一個實施方式涉及一種光纖，包括具有上述性能的纖芯區和覆蓋該纖芯區的包層區。纖芯區和包層區可以分別由通過聚合可聚合的組成而獲得的聚合物形成，所述可聚合的組成包括至少一種可聚合單體。下面將描述可用于制備該纖芯區或包層區的各種材料的實例。
用作纖芯區的材料的可聚合單體理想地選自能夠形成具有高透明度和高熱塑性聚合物的可聚合單體。這種可聚合單體的實例包括(甲基)丙烯酸酯類例如(a)不含氟的(甲基)丙烯酸酯類和(b)含氟的(甲基)丙烯酸酯類、(c)苯乙烯類、(d)乙烯基酯類和(e)碳酸酯類。該纖芯區可以由一種選自它們的單體的均聚物、兩種或多種選自它們的單體的共聚物或者這些均聚物和/或共聚物的混合物形成。特別是，根據本發明，該單體理想地選自能夠容易地形成雙折射聚合物的可聚合單體。正雙折射聚合物或能夠形成這種聚合物的單體的實例包括聚碳酸酯和甲基丙烯酸芐酯，能夠形成負雙折射聚合物的單體的實例包括甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、α-苯乙烯、氯苯乙烯和溴苯乙烯，并且該單體理想地選自這些實例。可聚合單體的內稟雙折射可以通過測定將該單體形成的聚合物單軸拉制獲得的樣品的雙折射來確定。然而，根據本發明，可以將能夠形成雙折射的任意材料用作纖芯區的材料，因此單體并不限于上面列舉的單體。單體的類型可以這樣決定，由單體形成的均聚物具有不低于包層區的折射率，或者兩種或多種單體的組成可以這樣決定，由單體的組合形成的共聚物具有不低于包層區的折射率。
當將該光學元件用于傳播近紅外光時，光可能由于在傳播期間被光纖中的C-H鍵吸收而損耗。為了將該吸收移向更長波長并因此降低這種光損耗，優選纖芯由至少一種選自氘化或氟化聚合物的聚合物形成，其中氫原子被氘或氟原子取代，例如日本專利3332922等中公開的氘化聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA-d8)，聚(甲基丙烯酸三氟乙酯)(P3FMA)或聚(2-氟丙烯酸六氟異丙酯)(HFIP 2-FA)。為了防止聚合之后透明度降低，優選在聚合之前從單體中將認為是散射的潛在原因的任何污染物或任何異物充分除去。
單體可以選自在側鏈中具有脂環族烴基或支化烴基的(甲基)丙烯酸酯類。含有大量來自該單體片段的聚合物，與沒有這種基團的(甲基)丙烯酸酯類例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)相比，具有脆性和略微低的拉伸性。因此，在使用在側鏈具有脂環族烴基或支化烴基的單體時，為了彌補脆性，可以將另一具有高塑性的單體與該單體在所得性能不低于所需的的條件下共聚合，或者包層區或任選設置在包層區的外面的涂層可以由氟碳橡膠形成。
包層區可以由具有比纖芯區低的折射率的聚合物形成，它是無定形的并且與纖芯區具有良好的附著力，以便通過纖芯區傳輸的光可以在纖芯區和包層區之間的界面完全反射回到纖芯區。當可能發生界面失配時，折射率分布可能偏離圖3或圖4中所示的理想分布，在纖芯區和包層區之間可以設置至少如下的一層。例如，可以在纖芯區和包層區之間，或者換句話說在包層管的內表面上設置由具有與纖芯基質相同組成的聚合物形成的外纖芯層，這樣可以改善纖芯區和包層區之間的界面的狀態。后面將詳細描述該外纖芯層。或者，不用設置該外層，包層區本身可以由具有與纖芯基質組成相同的聚合物形成。當通過旋轉聚合形成外纖芯層時，該層中的聚合物鏈趨于形成沿與中空管的內表面平行的曲線面取向的平面排列，由此產生折射率橢球。這能夠有助于補償傳播光的無序。
用于生成包層區的材料可以選自上面舉例的用于纖芯區的材料，并且其中該材料理想地選自韌性和溫度以及濕度穩定性優異的材料。從這一角度，包層區理想地由含氟單體的均聚物或至少一種含氟單體的共聚物形成。含氟單體的優選實例包括1，1-二氟乙烯。理想地使用含有10wt％或更高的得自1，1-二氟乙烯的單元的氟化均聚物或共聚物。
當通過后面詳細描述的熔體擠出成型制備包層區時，要求聚合物具有適宜的熔融粘度。聚合物的重均分子量可用作與聚合物的熔融粘度相關的性能。從這一角度，聚合物優選地選自重均分子量是在10,000-1,000,000的范圍內，更優選50,000-500,000的聚合物。
為了盡可能防止大量水滲入纖芯區，用于包層區的聚合物可以選自吸水率低的聚合物。包層區可以通過使用飽和吸水率(本說明書中有時稱之為“吸水率”)低于1.8％，理想地低于1.5％，更優選低于1.0％的聚合物制得。應注意，本說明書中的吸水率可以根據ASTMD570通過測定樣品在23℃的水中浸泡1周后的吸水率獲得。
聚合引發劑可以根據各種因素例如可聚合單體的類型或聚合方法的類型選自已知的可聚合引發劑。聚合引發劑的實例包括過氧化物例如過氧化苯甲酰(BPO)，過-2-乙基己酸叔丁酯(PBO)，過氧化二叔丁基(PBD)、叔丁基過氧異丙基碳酸酯(PBI)或4，4-雙(叔丁基過氧基)戊酸正丁酯(PHV)；和偶氮化合物例如2，2′-偶氮二異丁基腈、2，2′-偶氮二(2-甲基丁腈)、1，1′-偶氮二(環己烷-1-腈)、2，2′-偶氮二(2-甲基丙烷)、2，2′-偶氮二(2-甲基丁烷)、2，2′-偶氮二(2-甲基戊烷)、2，2′-偶氮二(2，3-二甲基丁烷)、2，2′-偶氮二(2-甲基己烷)、2，2′-偶氮二(2，4-二甲基戊烷)、2，2′-偶氮二(2，3，3-三甲基丁烷)、2，2′-偶氮二(2，4，4-三甲基戊烷)、3，3′-偶氮二(3-甲基戊烷)、3，3′-偶氮二(3-甲基己烷)、3，3′-偶氮二(3，4-二甲基戊烷)、3，3′-偶氮二(3-乙基戊烷)、2，2′-偶氮二(2-甲基丙酸)二甲酯、2，2′-偶氮二(2-甲基丙酸)二乙酯或2，2′-偶氮二(2-甲基丙酸)二叔丁酯。
用于本發明的聚合引發劑并不限于上面舉例的那些。可以將兩種或多種聚合引發劑組合使用。
制備纖芯區或包層區時，可聚合單體的聚合理想地在有鏈轉移劑的情況下進行。鏈轉移劑主要用于調節所得聚合物的分子量。在單體的聚合時使用鏈轉移劑，可以控制聚合速度和聚合度，這樣可以獲得具有所需分子量的聚合物。可以制備適合拉制的聚合物，并且將該聚合物拉制制備光纖，生產率提高。
可以考慮所用的單體來適當選擇鏈轉移劑。不同單體的鏈轉移劑的鏈轉移常數可以參見如下出版物″Polymer Handbook 3rdedition″，J.BRANDRUP和E.H.IMMERGUT編輯，JOHN WILEY&SON出版。鏈轉移常數也可以按照″Kohbunshi gousei no jikkenhou(Experimental methods for polymer synthesis)″，由Takayuki Ohtsu和Masaetsu Kinoshita撰寫，Kagaku-Dojin Publishing Company，INC出版(1972)公開的方法通過試驗檢驗獲得。
鏈轉移劑的實例包括烷基硫醇類例如正丁基硫醇、正戊基硫醇、正辛基硫醇、正月桂基硫醇、叔十二烷基硫醇；和苯硫酚類例如苯硫酚、間溴苯硫酚、對溴苯硫酚、間甲苯硫酚或對甲苯硫酚。其中，優選烷基硫醇類例如正辛基硫醇、正月桂基硫醇或叔十二烷基硫醇。也可以使用C-H鍵的至少一部分氫原子用氘原子替換的鏈轉移劑。可以將兩種或多種鏈轉移劑組合使用。
纖芯區或包層區可以含有其它添加劑，其量是在不使傳播能力降低的范圍內。例如，為了具有與包層區差異非常大的折射率，纖芯區可以含有折射率控制劑。纖芯區或包層區也可以含有穩定劑以具有提高的耐候性或耐久性。為了提高光傳播性能，也可以加入用于放大光信號的感應發射材料。由于通過加入這種化合物可以將甚至衰減的光信號放大由此使傳輸的長度伸長，因此該化合物通常可用于在一部分光傳輸鏈路中產生纖維放大器。在加入這種添加劑之后，可以將可聚合單體聚合形成含有所述添加劑的纖芯區或包層區。
接下來，描述本發明方法的實施方式；然而，本發明的方法并不限于下面所述的實施方式。下面描述包括纖芯區和包層區的光學塑料纖維的制備方法的實施方式。
本發明的光纖可以通過包括拉制光纖的預制棒的步驟的方法制得。預制棒可以通過擠出聚合物、在中空管中將可聚合的組成聚合形成包層區等制得。下面主要描述包括后者的方法。本發明的一種方法包括通過擠出含氟聚合物例如聚偏1，1-二氟乙烯制備相應于包層區的中空管的第一步，通過在管的中空部分將可聚合的組成聚合形成相應于纖芯區的區域的第二步，由此制備包含分別相應于纖芯區和包層區的區域的預制棒，和將所得的預制棒加工成所需形狀的第三步。在第一步和第二步之間可以進行在中空管的內表面上制備外纖芯層的步驟。
在相應于包層區、外層或纖芯區的區域中含有的聚合物，理想地選自重均分子量為10,000-1000,000，更理想地為30,000-500,000的聚合物。定義為重均分子量與數均分子量之比的MND的值可以影響拉伸性。在具有高MWD值的聚合物中的極高分子量組分會降低聚合物的拉伸性，即使該組分的量非常小，并且這樣一些聚合物無法拉制。MND的值因此理想地不大于4，更理想地不大于3。具有所需MWD值的聚合物可以通過控制可聚合單體與聚合引發劑或鏈轉移劑的聚合速度或聚合度來獲得。
在第一步中，制得相應于包層區的單層管。該單層中空管可以通過日本專利3332922中公開的旋轉聚合制得，這樣單體組分聚合形成中空管，熔體擠出成型等。當通過旋轉聚合制備中空管時，用于包層區或外層的可聚合的組分可以倒入圓柱形聚合容器或由氟聚合物形成的管中，然后在旋轉(優選在保持圓柱形容器的軸水平的同時)容器或管的同時可以進行聚合，稱之為“旋轉聚合”，由此形成具有由聚合物制得的層的中空管或具有兩個同心層的中空管。在倒入容器或管之前，單體組分可以經過濾除去組分中的粉塵。并且除非性能降低或預處理或后處理變得復雜，為了提高易處理性，單體組分可以制成具有適當粘度，如JPA 10-293215(1998-293215)中所述，或者為了縮短聚合時間，可以進行單體組分的預聚合。可以根據所用單體或聚合引發劑的類型改變聚合的適宜溫度和時間。一般說來，該聚合反應優選在60-150℃下進行5-24小時。如JPA 8-110419(1996-110419)中所述，本文所用的單體組分可以在聚合之前進行預聚合以提高其粘度，這樣可以縮短進行聚合反應所需的時間。由于當容器可能因旋轉而變形時所得中空結構可能變形，因此優選使用具有足夠剛度的金屬或玻璃容器。
由聚合物形成的中空管也可以通過如下制得將顆粒狀或粉狀聚合物(優選含氟樹脂)放置在圓柱形容器中，關閉靠近容器兩端，將容器加熱至高于聚合物熔點的溫度，同時保持反應器旋轉(優選保持圓柱體的軸水平)，由此使聚合物熔融。該方法理想地在惰性氣體環境例如氮或氬氣下并在聚合物組分完全干燥之后進行，以避免熔融引起的熱分解、氧化分解或熱-氧化分解。
就通過熔體擠出聚合物形成包層區的情形而言，也可以制得該聚合物，然后通過成型技術例如擠出成型獲得所需幾何形狀(在本實施方式中是圓柱形)的結構成分。本文可以利用的熔體擠出機分成兩類，內部定型模具系統和外部模具真空吸引系統。
參照圖6解釋內部定型模具系統的輪廓，圖6是基于內部定型模具系統的熔體擠出成型機的典型構造的截面示意圖。
將形成包層區的源聚合物40經具有彎頭(未顯示)的單螺桿擠出機通過主部件11向模區14擠出。模區14具有插入其中的導管30，用于將源聚合物40導入流道40a、40b。源聚合物40由導管30通過，流過在模區14和內桿31之間形成的流道40a、40b，從模區的出口14a擠出，由此形成圓柱形中空包層19。包層19的擠出速度沒有特別的限制，考慮到形狀穩定性和生產率優選設置在1cm/min-100cm/min的范圍內。
模區14優選配備有用于加熱源聚合物40的加熱裝置。在一種允許的構造中，配置一個或兩個加熱裝置(使用蒸汽、熱載體油、電加熱器等的裝置)以沿源聚合物40的前進方向包圍模區14。另一方面，優選在該模區的出口14a連接溫度傳感器41，并且使用該溫度傳感器41控制模區的出口14a處的包層19的溫度。鑒于保持包層19的均勻幾何形狀，優選將該溫度調整至不高于源聚合物40的玻璃化轉變點。鑒于抑止因溫度突然變化引起的幾何形狀的變化，包層19的溫度也優選調整至不低于40℃。包層19的溫度控制可以通過將冷卻裝置(使用液體例如水、防凍液或油，或者基于電冷卻的裝置)連接到模區14上、或者通過自然空氣冷卻模區14來實現。對于在模區上配置加熱裝置的情形，冷卻裝置優選設置在加熱裝置的下游側。
下面將描述基于外部模具真空吸引系統的形成方法的概述，參照圖7和8，其中前者顯示基于外部模具真空吸引系統的熔體擠出成型機的生產線典型配置，后者是因此可使用的成型模具53的透視圖。
圖7所示的生產線50包括熔體擠出機51、推擠模具52、成型模具53，冷卻裝置54和拉制裝置55。從粒料進料斗(本文后面稱之為進料斗)56進料的源聚合物在熔體擠出機51中熔融，經推擠模具52擠出，并加入到成型模具53中。擠出速度S優選滿足關系0.1≤S(m/min)≤10，更優選0.3≤S(m/min)≤5.0，最優選0.4≤S(m/min)≤1.0，盡管并不限于這些范圍。
如圖8所示，成型模具53配備有模塑管70，熔融樹脂60能夠通過它并模塑產生圓柱形包層61。模塑管70有多個在其上形成的抽吸孔70a，并且當使用真空泵57抽空經安裝以包圍模塑管70的減壓室71時(參見圖7)，能夠使包層61的外壁表面壓在模塑管70的模塑表面(內壁)70b上，由此產生具有均勻厚度的包層61。減壓室71內的壓力優選調整至20kPa-50kPa的范圍內，盡管并不限于此。優選在成型模具53的入口連接喉管(外徑限制構件)58用于限制包層61的外徑。
然后將通過成型模具53形成的包層61送到冷卻裝置54。冷卻裝置54具有多個噴嘴80，由此將冷卻水81朝向包層61噴射并將包層61冷卻和固化。還能夠在接受盤82上收集冷卻水81，并從排放口82a排放。包層61被拉制裝置55從冷卻裝置54拉出。拉制裝置55包括主動輥85和加壓輥86。主動輥85與馬達87相連，以使其可以控制包層61的拉出速度。加壓輥86配置以與主動輥85相對，同時在輥85和86之間放置包層61，從而即使包層61略微錯位也能精細校正。通過控制主動輥85的拉出速度和熔體擠出成型機51的擠出速度，或者通過精細調整包層61的位移，可以制備幾何形狀特別是厚度極其均勻的包層61。
包層區可以由多層構成以具有許多功能例如提高的機械強度和阻燃性。還優選制備中空管，使其內壁具有在預定范圍內的算術平均粗糙度，并用含氟樹脂等覆蓋其外表面。
所得包層區的外徑(D1)，或者換句話說預制棒的外徑，優選具有一定的長度以便可以顯著地產生在纖芯區和周圍區域之間的溫差，特別優選滿足關系20≤D1(mm)≤500，更優選滿足關系25≤D1(mm)≤100。只要包層區可以保持其自身形狀，包層區的厚度t可以盡可能薄，并且經常該厚度優選滿足關系2≤t(mm)≤20。并且從確保邊緣的足夠長度以穩定地開始聚合或者拉制的角度，預制棒的長度理想地不短于200mm，更優選500mm-3000mm。然而，本發明并不限于上述范圍。
單層或雙層中空圓柱形管理想地具有底部，以便可以在第二步將用于纖芯區的材料倒入到該圓柱中。底部的優選材料是具有與圓柱的聚合物良好的親和力和粘合性的材料。底部可以由與圓柱相同的聚合物形成。例如，底部可以在進行旋轉聚合之前或之后通過倒入少量單體到容器中，并在容器處于直立狀態的同時進行單體的聚合而制得。
在第二步，可以將單體組分倒入獲得的相應于包層區的管的中空部分并聚合。該單體組分可以含有添加劑例如聚合引發劑或鏈轉移劑。單體組分中所含的成分的量的優選范圍可以考慮所用物質種類之后適當決定，其中相對可聚合單體組成的重量，聚合引發劑的添加量理想地在0.005-0.5wt％的范圍內，更理想地在0.010-0.50wt％的范圍內；并且相對于可聚合單體組成的重量，鏈轉移劑的添加量理想地在0.10-0.40wt％的范圍內，更理想地在0.15-0.30wt％的范圍內。
在第二步，該聚合反應可以在如JPA 9-269424(1997-269424)中所述的增壓下，在如日本專利3332922中所述的減壓下，或者根據情況改變壓力的同時進行。這樣控制壓力可以有利于提高單體在接近單體的沸點的溫度下的聚合效率。當在壓力下進行聚合時(本文后面稱之為“壓力聚合”)，優選將所述單層或雙層圓柱放置在裝配架的中空空間，并在保持圓柱得到裝配架支持的同時進行該聚合。使用脫水或脫氣單體可用于防止形成氣泡。
如上所述，從防止聚合期間變形的角度，該聚合可以在將單層或雙層圓柱放置在裝配架的中空空間中進行。裝配架優選形狀為具有可以插入該結構的中空空間，并且該中空空間優選具有與該結構相似的外形。由于在本實施方式中以圓柱形形狀形成相應于包層區的結構，因此優選裝配架也具有圓柱形形狀。裝配架可以抑制壓力聚合期間單層或雙層圓柱變形，并且支持圓柱以減輕壓力聚合過程中相應于纖芯區的區域的收縮。優選裝配架具有直徑大于單層或雙層圓柱的外徑的中空空間，并且裝配架以非粘合的方式支持相應于包層區的圓柱。由于在本實施方式中裝配架具有圓柱形形狀，因此裝配架的內徑優選比相應于包層區的圓柱的外徑大0.1-40％，更優選大10-20％。
在纖芯區的聚合結束之后通過在控制壓力下以恒定速度冷卻所得預制棒可以防止氣泡的形成。從纖芯區的壓力響應的角度，壓力聚合，例如在填充有加壓惰性氣體例如氮氣的反應容器中進行的聚合反應，有利于產生纖芯區。然而基本上不可能完全從預制棒中除去氣體，并且冷卻期間聚合物的快速收縮可能因聚合物內包含的氣體聚集而產生氣泡中心，并導致形成氣泡。為了避免形成氣泡，冷卻理想地在0.001-3℃/min，更理想地0.01-1℃/min的控制冷卻速度下進行。可以根據在接近聚合物的Tg期間，特別是接近形成纖芯區的聚合物的Tg期間的聚合物收縮過程逐步進行冷卻。在這種情況下，優選聚合之后即刻的冷卻速度高，并且逐漸降低。
通過上述方法獲得的預制棒具有均勻的折射率分布、足夠的光學透明度、盡可能少的氣泡或大間隙、以及高度光滑的界面，它可以將進入纖芯的光在纖芯區和包層區之間進行反射，以便高產率地產生高性能的光纖。
可以將通過其他方法制得的預制棒，例如通過如下方法制得的預制棒用于本發明熔體擠出聚合物例如聚甲基丙烯酸甲酯的粒料成桿狀或將熔融聚合物倒入桿狀模具中并在高于聚合物熔點的溫度下加熱放置在該模具中的聚合物以經過足夠的非取向處理。可以使用通過任意方法制得的預制棒，只要這些預制棒具有均勻的折射率分布，足夠的光學透明度和盡可能少的氣泡或大間隙。
接下來，在第三步，通過熔體拉制預制棒制備塑料光纖。
圖9是可用于第三步的拉制設備的截面示意圖。圖9所示的拉制設備包括臂101、在臂101末端的萬向接頭107和預制棒夾持器108。它們以懸掛方式支持預制棒109。當螺桿傳動器103通過馬達104驅動時，螺桿102以恒定速度旋轉，臂101下降，并且預制棒109插入到加熱器110中。接著預制棒109在每個隔室中受熱并熔融。預制棒109的熔融端在通過安裝在加熱器110的下方的冷卻室111b被冷卻風扇111a送來的冷空氣冷卻，夾在牽引輥115的夾住部分之間，并經牽引輥115向下拉制。一個牽引輥115受可以調整向下牽引力的牽引馬達116驅動。預制棒109由臂101以恒定速度向下加料，并由牽引輥115以恒定速度拉制，并因此連續拉制形成光纖109′。
拉制軸可以借助定位設備105調整。以用于測定預制棒109的拉力的張力計114a、用于測定預制棒109的直徑的激光量規114b和/或測定拉制長度的距離計數器114c獲得的測定值為基礎，通過計算機117控制馬達116，可以使預制棒109的向下牽引速度最佳化。
如圖9所示，當加熱器110是多級時，在中心部分和周圍部分之間產生本發明上述效果所需的溫差可以通過精確控制每一隔室內的溫度產生。為了精確控制每一隔室內部的溫度，在彼此相鄰的隔室之間理想地設置孔板119，如圖9所示，以防一個隔室內的氣氛泄漏到相鄰隔室。
例如，當預制棒由具有正內稟雙折射的材料形成時，可以將預制棒加熱以使溫度沿從中心部分到周圍部分的方向逐漸降低。在這種情況下，預制棒可以進料到上游區例如溫度足夠高以將預制棒快速加熱的第一隔室，接著進料到下一區例如第二或接下來的另一隔室，其中溫度足夠使得圓柱形預制棒能夠被拉制，直徑逐漸降低并轉變成圓錐形。接著可以將該預制棒進料到送冷空氣的下游區(相對任何加熱區的溫差理想地不低于30℃)并在拉制成所需直徑的纖維的同時快速冷卻。由于提供有冷空氣，周圍部分可以快速冷卻，并且另一方面，中心部分會冷卻不足，使得在纖芯區產生溫度分布。
另一方面，當預制棒由具有負內稟雙折射的材料形成時，可以將預制棒加熱使得溫度沿從周圍部分到纖芯區的方向逐漸降低。在這種情況下，可以將預制棒進料到上游區例如第一個隔室或第一和第二隔室中，其中溫度低，例如不高于30℃，不足以在上游區將預制棒預熱。接著可以將預制棒進料到下一區域，其中溫度足夠高以在短時間內將纖芯區的周圍部分快速加熱并能夠在纖芯區的中心部分與周圍部分同樣受熱之前將預制棒拉制成所需直徑的纖維。當上游區的冷空氣的溫度不低于30℃時，會將預制棒預熱并且不能產生足夠的溫差。
在任意情況下，在拉制成所需直徑的纖維之后，為了避免通過輥期間的變形可以進行冷卻。
拉制溫度可以根據預制棒的材料設定，并且通常拉制溫度理想地是180-250℃。拉制的條件例如溫度可以根據預制棒的直徑、纖維的所需直徑或預制棒的材料設定。本發明的光纖具有沿與中心線垂直的方向變化的雙折射率，并且為了產生這種光纖，當拉制期間要求周圍部分的溫度足夠高于中心部分的溫度時，理想地使用電爐加熱預制棒。電爐可以有效地加熱預制棒的表面，并且產生周圍部分和中心部分間足夠的溫差。另一方面，當拉制期間要求中心部分的溫度足夠高于周圍部分的溫度時，理想地使用激光器。激光器可以充分且快速地加熱預制棒的中心部分。并且在快速加熱之后，將預制棒快速冷卻，特別是用吹入的冷空氣冷卻，這樣在周圍部分和中心部分之間可以產生足夠的溫差。
為了保持纖維的線性和圓形，優選使用具有保持中心位置恒定的定位機構的拉制旋轉設備將預制棒拉制成纖維。
為了如JPA 7-234322(1995-234322)所述取向熔融塑料，可以將拉制張力設置至10g或更高，并且優選設置至100g或更低使得在如JPA7-234324(1995-234324)中公開的紡絲之后不留有應力。也可以使用在拉制之前具有預熱步驟的方法，如JPA 8-106015(1996-106015)中所述。
當原料纖維的破裂拉伸和硬度各自在JPA 7-244220(1995-244220)中所述的范圍內時，可以提高纖維的彎曲性能和層向壓力性能。當纖維具有折射率低、可以起反射層的作用的外層時，如JPA8-54521(1996-54521)中所述，可以提高纖維的傳輸質量。在將預制棒例如PMMA棒拉制成所需直徑的纖維之后，通過將也可用于包層區的材料的低折射組分涂覆到該表面，可以產生反射層。涂布型包層區的實例包括Addison Clear Wave Company生產的“AC R220B”紫外線固化型。
第三步加工之后的塑料光纖可以在沒有任何改變下直接進行各種應用。為了保護或強化的目的，纖維也可以以在其外表面具有覆蓋層或纖維層的形式和/或以具有許多纖維束的形式進行各種應用。對于對單元纖維提供涂層的情形，覆蓋過程是這樣的將單元纖維通過一對具有單元纖維通過的通孔的相對模具，在該相對模具之間填充涂覆用的熔融聚合物，并在模具之間移動單元纖維。為了防止內部單元纖維因彎曲而受壓，該覆蓋層優選不與單元纖維熔合。在該覆蓋過程中，單元纖維典型地在與熔融聚合物接觸時可能受熱破壞。因此優選設置單元纖維的移動速度以使熱損壞最小，并選擇在低溫范圍內可以熔融用于形成覆蓋層的聚合物。覆蓋層的厚度可以考慮形成覆蓋層用的聚合物的熔融溫度、單元纖維的拉制速度和覆蓋層的冷卻溫度因素而調整。
在纖維上形成覆蓋層的其它已知方法包括將光學元件上涂覆的單體聚合的方法、將薄片卷繞的方法和將光學元件通過經擠壓成型獲得的中空管的方法。
單元纖維的覆蓋能夠產生塑料光纖電纜。覆蓋的方式包括塑料光纖覆蓋有覆蓋材料以便二者的邊緣在整個周圍緊密接觸的接觸覆蓋；和在覆蓋材料和塑料光纖的邊緣具有空隙的松散覆蓋。由于當通常在與連接器的連接區剝離一部分覆蓋層時，松散覆蓋趨于能夠使水從覆蓋層的末端進入空隙，并沿其縱向擴散，因此通常優選接觸覆蓋。然而，未使覆蓋層與單元纖維緊密接觸的松散覆蓋優選用于一些目的，因為此時覆蓋層可以減輕大多數損壞例如施加到電纜上的應力或熱，并且因此可以降低對單元纖維的破壞。通過用流體凝膠形式、半固體或粉末材料填充空隙可以避免水從末端平面擴散。如果半固體或粉末材料同時具有防止水擴散的功能和除防止水擴散功能之外的功能，例如提高耐熱性、機械性能等的功能，將獲得具有較高性能的覆蓋。
通過調整直角模具的頭接頭的位置，并通過控制減壓裝置以形成間隙層，可以獲得松散覆蓋。通過控制接頭的厚度，或者加壓/減壓間隙層，可以調整間隙層的厚度。
還可以提供另一覆蓋層(第二覆蓋層)以包圍已有的覆蓋層(初始覆蓋層)。第二覆蓋層可以加入有阻燃劑、紫外線吸收劑、抗氧化劑、自由基捕獲劑、潤滑劑等，它們也可以包括在初始覆蓋層中只要確保令人滿意的防水分滲透性水平。
盡管有已知的樹脂或含溴或其它鹵素或磷的添加劑作為阻燃劑，但是從安全性例如減少有毒氣體的放出的角度，含有金屬氫氧化物的那些成為主流。金屬氫氧化物在其結構內具有結晶水，并且這樣使其不能在生產過程中完全除去結合水，使得阻燃劑覆蓋優選以包圍本發明的防水分滲透層(初始覆蓋層)的外覆蓋層(第二覆蓋層)提供。
也可以將具有多個功能的覆蓋層疊加。例如，除了阻燃之外，可以在覆蓋層內或之間提供阻擋單元纖維吸收水分的屏障層或除去水分的吸水劑(典型的是吸濕膠帶或吸濕凝膠)。也可以提供在彎曲時釋放應力的柔性材料層、緩沖材料層例如泡沫層和提高剛度用的強化層，所有它們都可以根據目的選擇。除了樹脂之外，高彈性纖維(所謂的抗拉強度纖維)和/或金屬絲材料例如高剛度金屬絲優選作為結構材料添加到熱塑性樹脂中加強所得電纜的機械強度。
抗拉強度纖維的實例包括芳族聚酰胺纖維、聚酯纖維和聚酰胺纖維，金屬絲的實例包括不銹鋼絲、鋅合金絲和銅絲。它們都絕不限于上面所述的那些實例。任何其它保護性鎧裝例如金屬管、空中敷設電纜用的輔線和接線期間改進可加工性的結構都可以包括。
電纜的類型包括具有同心捆扎的單元纖維的集合電纜；具有線性排列的單元纖維的所謂帶狀導線；和通過壓繞或包裝套管進一步捆扎它們的集合電纜；所有它們都可以根據應用適當選擇。
包括本發明的纖維的電纜對軸失配可以具有比原有電纜高的公差。因此，這些電纜可用于對接，然而，在這些情況下，理想地在末端使用光學連接器，以便確實固定連接部分。可以使用各種類型的可商購獲得的連接器例如PN、SMA、SMI、F05、MU、FC或SC型連接器。
本發明的光學元件可用作傳輸光信號的系統中使用的光纖電纜，該系統包括各種發光元件、光開關、光隔離器、光集成循環、光接收元件、其它光纖、光總線、光星形耦合器、光信號處理設備、連接用的光連接器等。可以使用任意已知的技術，參見“PurasuchikkuOputicaru Faiba no Kiso to Jissai(Basics and Practice of Plastic OpticalFiber)”，由N.T.S.Co.，Ltd.出版；“NIKEEI ELECTRONICS”vol.2001，12，3的第110-127頁等。本發明的光學元件可以與上述文獻中所述的任意技術組合，并且這些組合可以形成短距離的光傳輸系統例如不用電磁波的高速數據通信或控制。更具體地說，這些組合可以形成計算機或各種數字設備的內部布線；車輛或輪船中的內部布線；光學末端和數字設備之間或數字設備之間的光學連接；和單獨房間、多個房間、工廠、辦公室、醫院、學校的室內或地區間光學LAN。
而且，本發明的光學元件可以與如下文獻中所述的任意技術組合“High-Uniformity Star Coupler Using Diffused LightTransmission”，IEICE TRANS.ELECTRON.，VOL.E84-C，No.3，MARCH 2001，p.339-344；或“HIKARI SHITOBASU GIJYUTSUNIYORU INTACONEKUSYON(Interconnections by optical sheetbuses)”Joumal of Japan Institute of Electronics Packaging Vol.3，No.6，2000，p.476-480；JPA 1998-123350、2002-90571或2001-290055中典型地所述的光總線；JPA 2001-74971、2000-329962、2001-74966、2001-74968、2001-318263或2001-311840中典型地所述的光學分路/耦合設備；JPA 2000-241655中典型地所述的光星形耦合器；JPA2002-62457、2002-101044或2001-305395中典型地所述的光信號傳輸設備和光數據總線系統；JPA 2002-23011中典型地所述的光信號處理器；JPA 2001-86537中典型地所述的光信號交叉連接系統；JPA2002-26815中典型地所述的光傳輸系統；或者JPA 2001-339554或2001-339555中典型地所述的多功能系統；任意光導、任意光學產品和交叉、任意光耦合器、任意光學編譯過濾器或任意光分路過濾器；并且這些組合可以使用多個傳送和接收形成提高的光傳輸系統。
除了上述應用之外，本發明的光學元件可用于各種技術領域例如照明系統、能量發送器、照明或傳感器。
實施例參照具體實施例具體地描述本發明。應說明的是，在不背離本發明的精神下，可以對任意材料、試劑、使用比例、操作等進行適當改變。因此本發明的范圍并不限于下面顯示的具體實施例。
中空管(管道)，厚度為1mm，直徑為20mm，并且長度為1m，通過用具有如圖6所示相同結構的內部定型模具型熔體擠出機擠出熔融的聚偏1，1-二氟乙烯(PVDF)制得。管道的一端覆蓋有由PVDF形成的蓋，并且MMA組分示于下面，它可以產生由負雙折射PMMA形成的纖芯區，將其倒入所述管道的中空部分中。
(MMA組分)甲基丙烯酸甲酯 500g偶氮二異丁酸甲酯 0.25g正月桂基硫醇 1.75g倒入之后，逐步進行該組分的聚合，具體地說，將該管道放置在油浴中在60℃下24小時，90℃下24小時和120℃下24小時，由此獲得預制棒。
(拉制)獲得的預制棒經具有與圖9所示相同結構并包括環狀電爐的拉制機拉制。電爐的加熱區為5階段，換句話說由5個隔室組成，如圖9所示，板119，通常稱之為“孔板”，在隔室之間趨于凸出，這樣隔室中的氣氛幾乎不泄漏到相鄰隔室中。總是將20℃的空氣送到第一和第二隔室；第三隔室的溫度調設置為9個水平，具體地說，205℃、210℃、215℃、220℃、225℃、230℃、235℃、240℃或245℃；并且在拉制預制棒時第四和第五隔室的溫度總是分別設置為170℃和140℃。由此獲得實施例1-9的樣品，或者換句話說外徑為1mm并且長度為50m的纖維。
使用模型試驗具體研究在上面拉制過程中在預制棒內部產生的溫差。至于模型試驗，制備其中包括兩個熱電偶的預制棒。它們中一個放置在與縱軸垂直的一個平面的中心部分，另一個放置在該平面的周圍部分。預制棒以與實施例8相同的方式拉制，具體地說在第三隔室的溫度設置為240℃的條件下，并且測定熱電偶溫度直到由于熱電偶達到拉制圓錐形部分(它是圖5中用A1顯示的水平或相鄰區域)而纖維發生破裂。并且測定顯示周圍部分的溫度是213℃，中心部分的溫度是190℃，它們之間的溫差是23℃。
(所得纖維的評價；光纖帶寬)脈沖光，其半寬為100微微秒，從650nm-LED發出作為光源，由數值孔徑為0.5的物鏡收集，并導入所得每一光纖的入口端。用取樣示波器檢測得自距離入口端50m的出口端的輸出光。通過將波形的半寬轉化成響應頻率來計算每個帶寬。所得結果示于表1。并且在圖10中相對拉制溫度繪制每一光纖帶寬。從圖10可以理解，光纖帶寬隨拉制溫度而變化，并且當將拉制溫度設置至約225℃時獲得最大頻率。
(所得纖維的評價；雙折射分布)通過下面所述的方法評價沿從與縱軸平行的中心線到周圍部分的垂直方向的雙折射分布。應說明的是，事實上評價相位差分布，或者換句話說Δn×d，其中Δn(＝nx-ny)是雙折射率，d是樣品的厚度。首先，分別制備所得光纖的10m樣品。將每一樣品放置在厚度為1mm的玻璃板上，覆蓋環氧樹脂并粘附到板上，如圖11所示。接下來，從環氧樹脂側，或者換句話說從圖11的上側，進行拋光至中心線的水平(用虛線L1顯示)。并將厚度為1mm的另一玻璃板放置在樣品的拋光面并用環氧樹脂固定。并從玻璃板的相對側，或者換句話說從圖11的下側進行拋光。隨著拋光的進行，將下側玻璃板切割，并將樣品拋光至圖11中虛線L2所示的水平，這樣樣品的厚度為0.1mm。通過上述步驟，分別獲得放置在玻璃板上的厚度為0.1mm的纖維樣品。在具有thick-berek-compensator，U-CTB的偏光顯微鏡(Olympus制造的″BX51″)下測定這些樣品，并且用觀察到的顏色評價其相位差分布。從這些觀察可以理解，所有樣品的相位差沿從中心線部分到纖芯區與包層區之間的界面的方向垂直地變化。相位差的絕對值示于表1。
(所得纖維的評價；溫度和濕度穩定性)在制備之后即刻通過回切法測定每一所得光纖在650nm下光損耗的量。接下來，將它們各自在70C-90％RH的環境下保持1000小時，然后再測定光損耗量。將兩個量之差看作是光損耗變化。所得纖維的光損耗變化示于表1。
如表1所示，可以理解由于雙折射率變化更顯著，因此獲得較寬的帶寬；或者換句話說，由于相位差差異的絕對值較大，因此在與縱軸垂直的任意平面產生更顯著的雙折射分布，并且獲得具有較高光傳輸性能的GI型光纖。
以與實施例1相同的方式制備預制棒。
(拉制)獲得的預制棒經具有與圖9所示相同結構并包括環狀電爐的拉制機拉制。第一和第二隔室的溫度分別設置為140℃和180℃，第三隔室的溫度設置為240℃，并且在拉制預制棒時第四和第五隔室的溫度分別設置為170℃和140℃。由此獲得對比例1的樣品，或者換句話說外徑為1mm并且長度為50m的纖維。
以與實施例1-9相同的方式評價所得纖維的光纖帶寬、雙折射率分布和溫度和濕度穩定性。所得結果示于表1。應注意對比例1的樣品具有相位差。然而，相位差量均勻并且沒有發現相位差分布。
以與日本專利3332922中所述的實施例4相同的方式制備GI型塑料光纖。在已知作為GI型光纖的制備方法的該方法中，使用摻雜劑并且以摻雜劑的濃度分布為基礎產生折射率分布。以與上述相同的方式評價所得光纖的性能。
表1

工業實用性根據本發明，通過在與縱軸平行的任意截面上產生雙折射分布可以在與光傳播方向垂直的任意截面產生折射率分布，并因此可以在不用摻雜劑的情況下，或者通過使用均勻組成生產GI型POF。通過本發明的方法制得的光纖，具有優異的帶寬，長期穩定性和溫度-濕度穩定性。
權利要求書(按照條約第19條的修改)7、如權利要求1-5任一項的光學塑料纖維，其中光損耗不大于250dB/km。
權利要求
1.光學塑料纖維，包括纖芯區并沿纖維的縱軸具有中心線，在與中心線垂直的任意平面內，纖芯區的折射率沿從周圍部分到中心線的方向增加，和在與中心線平行并含有中心線的任意平面內，雙折射率沿從中心線到與中心線垂直的周圍部分的方向變化。
2.如權利要求1的光學塑料纖維，其中纖芯區由具有正內稟雙折射的材料形成；并且在與傳播方向平行并含有中心線的任意平面內，雙折射率的絕對值Δn沿從中心線到與中心線垂直的周圍部分的方向增加，其中Δn＝nx-ny＞0，nx是與縱軸平行的折射率，ny是與縱軸垂直的折射率。
3.如權利要求1的光學塑料纖維，其中纖芯區由具有負內稟雙折射的材料形成；并且在與傳播方向平行并含有中心線的任意平面內，雙折射率的絕對值Δn沿從中心線到與中心線垂直的周圍部分的方向降低，其中Δn＝nx-ny＜0，nx是與縱軸平行的折射率，ny是與縱軸垂直的折射率。
4.如權利要求1-3任一項的光學塑料纖維，其中纖芯區的組成是均勻的。
5.如權利要求1-4任一項的光學塑料纖維，其中纖芯區的分子沿縱軸取向并且取向度沿從中心線到與中心線垂直的周圍部分的方向改變。
6.光學塑料纖維的制備方法，包括將包括至少一個由具有內稟雙折射的材料形成的區域的預制棒拉制成纖維，同時將該預制棒通過至少兩個溫度設置為彼此不同的區域，由此在所述預制棒拉制成纖維之前在預制棒的中心部分和周圍部分之間產生5℃或更大的溫差。
全文摘要
公開了一種新型的光學塑料纖維，其包括纖芯區并沿纖維的縱軸具有中心線。在與中心線垂直的任意平面內，纖芯區的折射率沿從周圍部分到中心線的方向增加，并且在與中心線平行并含有中心線的任意平面內，纖芯區的雙折射率沿從中心線到與中心線垂直的周圍部分的方向變化。
文檔編號G02B6/028GK1823285SQ20048001987
公開日2006年8月23日 申請日期2004年7月8日 優先權日2003年7月11日
發明者鐮田晃 申請人:富士膠片株式會社