专利名称：制造塑料光纤的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及制造塑料光纤的方法和设备。
背景技术：
最近在通讯工业中的发展已经增加了对具有低传输损失和低制造成本的光纤的需求。与具有相同结构的玻璃光学部件相比，塑料光学部件具有设计方便和制造成本低的优点。尤其是，因为与玻璃光纤相比，塑料光纤在优异的柔韧性、轻重量和高的可加工性方面具有优点，所以全部由塑料材料构成的塑料光纤(称为“POF”)适于以低成本制造大直径的光纤。因此，计划使用塑料光纤作为传输损失小的短距离光传输介质(例如参见日本特开(JP-A)第61-130904号)。
POF由塑料制成的纤芯部分和折射率低于纤芯部分的折射率的塑料制成的外壳(称作“包层”或“包层部分”)组成。举例来说，通过熔体-挤出形成管状包层部分(称作“套管”)，并且通过在套管中形成纤芯部分来制造POF。纤芯部分中的折射率从纤芯部分的中央至表面逐渐降低的渐变折射率(GI)型POF具有高的传输频带和高的传输能力。公开了许多GI型POF的制造方法。例如，美国专利第5,541,247号(相应于日本专利第3332922号)描述了通过使用界面凝胶聚合形成光纤基体(以下称作“预制棒”)，然后在加热炉中熔拉该预制棒来制备GI型POF的方法。
在制造玻璃光纤时，如在JP-A第2003-171139号中所述，以气密的方式密封保持加热炉并且用惰性气体清洗，所以外部空气不会流入加热炉中。因而，可以防止加热炉的氧化和玻璃光纤由于氧化而劣化。
用于形成POF、尤其是渐变折射率型和多阶梯型POF的预制棒包括具有不同熔体粘度的多层树脂层，所以如果加热炉中的温度在熔拉预制棒时波动，就会扰乱预制棒的熔化条件。结果，要拉丝的POF的直径也会波动，因而例如光传输损失的光学性质变差。另外，在POF周围形成保护层的涂敷过程中，如果POF的直径波动，涂敷涂敷设备中的喷嘴或冲模将会碰到POF。喷嘴或冲模碰到POF引起制备过程和所制造的POF质量的问题。分隔加热炉以降低加热炉中的温度紊乱不足以控制POF的外径。JP-A第2003-171139号中描述的方法可以将加热炉从外部空气中隔开，但是不能处理加热炉中温度分布波动的问题。JP-A第2003-171139号中描述的方法叙述了玻璃光纤，所以在熔拉过程中需要高的加热温度(大约2000℃)。因为加热炉中的高温，所以加热炉中小的温度变化不会引起光纤直径的波动。
为了防止在熔拉预制棒来制造POF时由于冷却了的树脂的收缩所引起的空隙(气泡)和变形，公知形成具有中空圆柱形状的预制棒。建议不合C-H键的含氟无定形聚合物作为预制棒的材料。为了在从中空圆柱形预制棒制造的POF中防止空隙，研究实现了中空部分中的减压程度、中空预制棒外径和内径之比、外径等的最优设计(例如参见JP-A第8-334366号和PCT公开WO/40768)。
在JP-A第8-334366号中描述的方法叙述了为了能够在宽的波长范围中传输而旋转形成的不含C-H键的含氟无定形聚合物预制棒。根据制造成本预制棒的纤芯部分从丙烯酸树脂制成，但是JP-A第8-334366号中描述的方法不能用于制造丙烯酸树脂POF。
在PCT公开WO/40768中，预制棒的材料局限于无C-H键的含氟无定形聚合物，所以在制造丙烯酸POF时难以使用预制棒的中空部分中的减压条件、直径比和外径的规则。因此，当为了降低制造成本从中空圆柱形预制棒形成丙烯酸POF时，残留在POF中的例如气泡的空隙引起光学透射率的劣化。
本发明的目的是提供能够控制塑料光纤的外径波动的制造塑料光纤的方法和设备。
本发明的另一个目的是提供通过降低塑料光纤中的气泡而从中空圆柱形预制棒制造出光学性质优异的塑料光纤的方法。
发明内容
通过以气密的方式密封加热炉并且控制加热炉中的温度波动实现了上面的目的。在优选的实施方案中，加热炉具有两个以上独立控制的加热器单元。在加热器单元之间提供孔板以分开加热器单元，并且在底侧和/或顶侧至少之一上提供密封部件来保持加热炉与外部空气隔开。在连接到加热炉顶侧的密封部件中形成基本上圆形的开口。顶侧的密封部件的开口的直径D3(毫米)足够大，可以通过直径为D1(毫米)的塑料光纤基体材料。直径D1和D3优选满足下面的条件D1＜D3≤1.5×D1作为替代，当用一部分密封部件涂敷了塑料光纤基体材料的外表面时，直径D1和D3满足下面的条件0.75×D1≤D3≤D1在连接到加热炉底侧的密封部件中形成穿过塑料光纤的开口。塑料光纤的直径D5(毫米)和底侧的密封部件的开口的直径D6(毫米)满足下面的条件1.2×D5≤D6≤10×D5加热炉的分隔区域中的温度距设定温度的波动优选为±0.5℃，更优选±0.3℃，并且最优选±0.2℃。优选提供供气装置以向加热炉中供应氦气、氩气和氮气中之一。
上面的目的还可以通过将纤芯部分的中空部分在从(-10kPa至大气压)至(-0.4kPa至大气压)的压力进行减压下，熔拉具有中空圆柱形纤芯部分和绕着该纤芯部分的包层部分的塑料光纤基体材料来实现。优选将用来加热并熔拉塑料光纤基体材料的加热炉分成多个能够独立控制温度的段。在从入口侧至基体材料的中空部分消失的段的每个段中，优选温度变化相对设定值为±0.5℃。
在另一个优选的实施方案中，减压压力相对设定压力P的变化为0.001×P至0.05×P。减压压力的变化优选等于或小于0.5kPa。塑料光纤基体材料的外径D1(毫米)优选为10毫米至100毫米。塑料光纤基体材料中空部分的直径D2(毫米)优选为0.05×D1(毫米)至0.4×D1(毫米)，更优选为0.05×D1(毫米)至0.35×D1(毫米)，并且最优选为0.05×D1(毫米)至0.3×D1(毫米)。纤芯部分的主要组分优选是可以本体聚合的单体的聚合物。该聚合物优选是丙烯酸树脂，并且更优选是聚甲基丙烯酸甲酯。
纤芯部分具有折射率从中央至与包层部分的界面降低的折射率分布。通过将包括可聚合单体和折射率控制剂的反应溶液倒入至少形成了包层部分的中空圆柱形管中、使中空管水平并且在旋转中空圆柱形管的同时聚合反应溶液来形成这种纤芯部分。可聚合单体优选是甲基丙烯酸甲酯。
根据本发明，通过使用孔板和密封部件控制加热炉中的温度变化相对设定温度在±0.5℃之内，可以降低所制造的塑料光纤的外径的波动。
另外，因为塑料光纤基体材料的中空部分中的压力为从(-10kPa至大气压)至(-0.4kPa至大气压)，所制造的塑料光纤中的气泡的量降低。因而，可以防止塑料光纤的传输损失的劣化。
图1是塑料光纤的制造方法的流程图；图2是制造塑料光纤包层部分的设备的必要部分的剖视图；
图3是包层部分的生产线的示意图；图4是图3的生产线的必要部分的剖视图；图5A是用于塑料光纤的预制棒的剖视图；图5B是表示在预制棒径向方向的折射率分布的曲线图；图6是塑料光纤的制造设备的示意图；图7是图6设备的必要部分的剖视图；图8是图6的制造设备配备的密封部件的必要部分的平面图；图9是制造设备的变体的必要部分的示意图；图10是图9的制造设备配备的密封部件的必要部分的平面图；图11至13是制造设备的变体的必要部分的示意图；图14是根据第二实施方案制造预制棒的反应器的部分透视图；图15是用于塑料光纤的预制棒的剖视图；图16是根据第二实施方案的塑料光纤制造设备的示意图；且图17是图16设备的必要部分的剖视图。
具体实施例方式塑料光纤具有均由聚合物形成的纤芯部分和包层部分。在优选的实施方案中，POF(塑料光纤)包含纤芯部分和包层部分。
图1是POF制造方法的流程图。在套管制造过程11中，通过熔体-挤出作为原材料的聚合物来制备套管12。将要详细描述套管制造过程11。然后，在外纤芯聚合过程13中，在套管12的内表面上形成外纤芯20a(参见图5A)。在制备出包含可聚合组合物的外纤芯形成溶液(外纤芯溶液)后，将该外纤芯溶液倒入套管12中，进行外纤芯的聚合。然后，在内纤芯聚合过程14中，在外纤芯20a中形成内纤芯20b(参见图5A)。在制备出内纤芯形成溶液(内纤芯溶液)后，将该内纤芯溶液倒入具有外纤芯20a的套管12中。通过内纤芯溶液的聚合形成内纤芯20b。通过形成组成纤芯部分20的外纤芯20a和内纤芯20b，获得预制棒15。
在将要详细说明的拉丝过程16中，加热预制棒15并且使之进行熔拉过程以制备POF17。尽管POF17本身就可以用作光传输介质，但是优选用保护POF17的表面并且容易处理的涂层涂敷POF17。在涂敷过程18中围绕POF17形成涂层后，得到塑料光纤束19(称作“光纤束”)。也将光纤束19称作塑料光纤电缆。
(纤芯部分)优选选择容易进行本体聚合的可聚合单体作为纤芯部分的原材料。具有高的光学透射率和容易进行本体聚合的原材料的实例是(甲基)丙烯酸酯类[(a)无氟的(甲基)丙烯酸酯，(b)含氟的(甲基)丙烯酸酯]、(c)苯乙烯型化合物、(d)乙烯酯等。纤芯部分可以从由这些单体之一组成的均聚物、由至少两种这些单体组成的共聚物，或者所述均聚物和/或共聚物的混合物形成。其中，可以使用(甲基)丙烯酸酯作为可聚合单体。
具体地说，作为可聚合单体的(a)无氟(甲基)丙烯酸酯的实例是甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸异丙酯、甲基丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸苄酯(BzMA)、甲基丙烯酸苯酯、甲基丙烯酸环己酯、甲基丙烯酸二苯基甲酯、甲基丙烯酸三环[5.2.1.02.6]癸酯、甲基丙烯酸金刚烷酯、甲基丙烯酸异龙脑酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸苯酯等。(b)含氟的(甲基)丙烯酸酯的实例是甲基丙烯酸-2，2，2-三氟乙酯、甲基丙烯酸-2，2，3，3-四氟丙酯、甲基丙烯酸-2，2，3，3，3-五氟丙酯、甲基丙烯酸-1-三氟甲基-2，2，2-三氟甲酯、甲基丙烯酸-2，2，3，3，4，4，5，5-八氟戊酯、甲基丙烯酸-2，2，3，3，4，4，-六氟丁酯等等。此外，在(c)苯乙烯型化合物中，有苯乙烯、α-甲基苯乙烯、氯苯乙烯、溴苯乙烯等。在(d)乙烯酯中，有醋酸乙烯酯、苯甲酸乙烯酯、醋酸乙烯苯酯、氯醋酸乙烯酯等。可聚合单体不局限于上述单体。优选地，选择单体的种类和组成，从而使纤芯部分中均聚物或共聚物的折射率与包层部分中的折射率相似或者比包层部分中的折射率更高。作为用于原材料的聚合物，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(透明的树脂)是更优选的。
当POF 17用于近红外线时，光学部件中的C-H键引起吸收损失。通过使用用重氢(D)或氟(F)取代C-H键的氢原子(H)的聚合物，引起传输损失的波长范围移向更大的波长区。日本专利第3332922号教导了这种聚合物的实例，例如氘代的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA-d8)、聚甲基丙烯酸三氟乙酯(P3FMA)、聚2-氟代丙烯酸六氟异丙基酯(HFIP2-FA)等等。因而，可以降低透射光的损失。注意在聚合前应该充分地去除单体中引起色散的杂质和异物，从而保持聚合后的POF17的透明度。
(包层部分)为了使纤芯部分中的透射光在纤芯部分和包层部分间的界面完全反射，需要包层部分的材料具有小于纤芯部分的折射率并且表现出与纤芯部分优异的适合性。如果在纤芯部分和包层部分之间有不规则性，或者如果用于包层部分的材料不适合纤芯部分，可以在纤芯部分和包层部分之间提供另一层。例如，由与纤芯部分的基质相同的组分在纤芯部分表面(管状套管的内壁)上形成的外纤芯层可以改善纤芯部分和包层部分间的界面状况。后面将解释外纤芯层的说明书。代替外纤芯层，可以由与纤芯部分的基质具有相同组成的聚合物形成包层部分。
具有优异的韧性、耐湿性和耐热性的材料对于包层部分是优选的。例如，含氟单体的聚合物或者共聚物是优选的。作为含氟单体，偏二氟乙烯(VDF)是优选的。使用通过聚合一种或多种具有10重量％偏二氟乙烯的可聚合单体获得的氟树脂也是优选的。
在通过熔体-挤出形成聚合物包层部分的情况中，熔融聚合物的粘度要适当。熔融聚合物的粘度与分子量，尤其是重均分子量有关。在本优选的实施方案中，重均分子量优选为10,000-1,000,000，并且更优选为50,000-500,000。
还优选使纤芯部分防湿。因此，使用具有低吸水性的聚合物作为包层部分的材料。包层部分可以由饱和吸水性(吸水率)小于1.8％的聚合物形成。更优选地聚合物的吸水率小于1.5％，并且最优选小于1.0％。外纤芯层优选由具有相似吸水率的聚合物形成。按照ASTM D570试验，通过在将聚合物样品浸泡在23℃的水中一周后测量吸水率来获得吸水率(％)。
(聚合引发剂)在聚合单体形成作为纤芯部分和包层部分的聚合物时，可以添加聚合引发剂来引发单体的聚合。根据单体和聚合方法适当地选择要添加的聚合引发剂。聚合引发剂的实例是过氧化物，例如过氧化苯甲酰(BPO)、叔丁基过氧基-2-乙基己酸酯(PBO)、二叔丁基过氧化物(PBD)、叔丁基过氧异丙基碳酸酯(PBI)、正丁基-4，4-二(叔丁基过氧基)戊酸酯(PHV)等。聚合引发剂的其它实例是偶氮化合物，例如2，2′-偶氮二异丁腈、2，2′-偶氮二(2-甲基丁腈)、1，1′-偶氮二(环己烷-1-碳硝酰(carbonitryl))、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(2-二甲基己烷)、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)、二甲基-2，2′-偶氮二(2-甲基丙酸盐)、二乙基-2，2′-偶氮二(2-甲基丙酸盐)、二叔丁基-2，2′-偶氮二(2-甲基丙酸盐)等。注意聚合引发剂不局限于上述物质。可以组合一种以上的聚合引发剂。
(链转移剂)用于包层部分和纤芯部分的可聚合组合物优选包含主要用于控制聚合物分子量的链转移剂。链转移剂可以在由可聚合单体形成聚合物时控制聚合的速度和聚合程度，因此可以控制聚合物的分子量。举例来说，在对预制棒拉丝来制造POF时，通过链转移剂调节分子量可以控制拉丝过程中的POF的机械性质。因此，添加链转移剂可以增加POF的生产率。
根据可聚合单体的种类选择链转移剂的种类和用量。链转移剂对于各种单体的链转移系数举例来说在“Polymer Handbook，第3版”，(J.BRANDRUP & E.H.IMMERGUT编著，JOHN WILEY&SON出版)中描述。另外，可以通过在“Experiment Method of Polymers”(TakayukiOhtsu和Masayoshi Kinoshita编著，Kagakudojin出版，1972)中所述方法中的实验来计算链转移系数。
链转移剂优选的实例是烷基硫醇类[例如正丁硫醇、正戊硫醇、正辛硫醇、正十二烷基硫醇、叔十二烷基硫醇等]和苯硫酚类[例如苯硫酚、间溴苯硫酚、对溴苯硫酚、间甲苯硫酚、对甲苯硫酚等]。使用烷基硫醇类中的正辛硫醇、正十二烷基硫醇和叔十二烷基硫醇是尤其优选的。此外，链转移剂中C-H键上的氢原子可以由氟原子(F)或者氘原子(D)取代。注意链转移剂不局限上述物质。可以组合一种以上的链转移剂。
(折射率控制剂)优选地可以向用于纤芯部分的可聚合组合物中添加折射率控制剂。也可以向用于包层部分的可聚合组合物中添加折射率控制剂。通过提供折射率控制剂的浓度分布可以容易地形成具有折射率分布的纤芯部分。在没有折射率控制剂的情况下，可以通过在纤芯部分中提供一种以上的可聚合单体的共聚合比例的分布来形成具有折射率分布的纤芯部分。但是，考虑到控制共聚物的组成，添加折射率控制剂是优选的。
将折射率控制剂称作“掺杂剂”。掺杂剂是具有与要结合的可聚合单体的折射率不同的化合物。掺杂剂与可聚合单体间的折射率差值优选大于或等于0.005。与不包括掺杂剂的聚合物相比，掺杂剂具有增加聚合物折射率的特性。与从日本专利公开第3332922号和日本特开第5-173026号中所述的单体制备的聚合物相比，掺杂剂具有溶液参数的差值小于或等于7(cal/cm3)1/2，并且折射率差值大于或等于0.001的特性。如果这种材料能改变折射率并与聚合物稳定存在，并且该材料在如上所述的可聚合单体的聚合条件(例如温度和压力条件)下是稳定的，任何具有这种特性的材料都可以用作掺杂剂。
本实施方案表示了通过界面凝胶聚合方法控制聚合的方向，并且通过在由与掺杂剂混合的可聚合组合物形成纤芯部分的过程期间提供作为掺杂剂的折射率控制剂的浓度梯度，而在纤芯中形成折射率分布的方法。下文中，将具有折射率分布的纤芯称作“渐变折射率纤芯”。这种渐变折射率纤芯用于具有宽的传输频带范围的渐变折射率型塑料光纤(GI型POF)。
掺杂剂可以是可聚合的组合物，并且在此情况下，与没有掺杂剂的聚合物相比，具有掺杂剂作为共聚合组分的共聚物增加折射率是优选的。这种共聚物的实例是MMA-BzMA共聚物。
如日本专利公开第3332922号和日本特开第11-142657号中所述，掺杂剂的实例是苯甲酸苄酯(BEN)、苯硫醚(DPS)、磷酸三苯酯(TPP)、邻苯二甲酸苄基正丁酯(BBP)、邻苯二甲酸二苯酯(DPP)、联苯(DB)、二苯甲烷(DPM)、磷酸三甲苯酯(TCP)、二苯亚砜(DPSO)、苯硫醚衍生物、二噻烷衍生物。其中，BEN、DPS、TPP、DPSO、苯硫醚衍生物、二噻烷衍生物是优选的。为了改善在较长波长范围内的透明度，可以使用用氘取代氢原子的化合物。可聚合组合物的实例是甲基丙烯酸三溴苯酯。作为掺杂剂的可聚合组合物在耐热方面是有利的，但是因为可聚合单体和可聚合掺杂剂的共聚合而难以控制其许多性质(尤其是光学性质)。
通过控制要与纤芯混合的折射率控制剂的密度和分布可以控制POF的折射率。根据POF的用途、纤芯材料等可以适当地选择折射率控制剂的用量。可以添加一种以上的折射率控制剂。
(其它添加剂)只要透射率性质不降低，纤芯部分和包层部分中可以包含其它添加剂。举例来说，可以使用增加抗气候性和耐用性的添加剂。此外，为了放大光学信号可以添加诱导发射的功能化合物。当向单体中添加这种化合物时，通过激发光放大弱信号光，从而传输距离增加。因此，可以使用具有这种添加剂的光学部件作为光纤放大器。通过聚合所述添加剂与单体可以在纤芯部分和/或包层部分中包含这些添加剂。
(制造预制棒的方法)将作为本发明的优选结构说明制造具有纤芯部分和包层部分的渐变折射率型塑料光纤基体的方法。下面两个结构不限制本发明。
在制造第一结构的塑料光纤时，聚合用于包层部分的可聚合组合物来形成中空圆柱形管(第1过程)。作为替代，通过熔体挤出热塑性树脂来形成中空的圆柱形管。通过在中空圆柱形管中界面凝胶聚合用于纤芯部分的可聚合组合物来形成纤芯部分，从而制备出具有纤芯部分和包层部分的预制棒(第2过程)。根据本发明的方法和设备使预制棒改变其形状(第3过程)来制造POF。
在制造第二结构的塑料光纤时，在相应于第一结构的包层部分的中空管内形成外纤芯部分(第1’过程)。在本结构中，将位于预制棒中央的纤芯部分称作内纤芯部分。在下面的说明书中，术语“纤芯部分”还表示“内纤芯部分”。
举例来说，从含氟树脂，例如聚偏二氟乙烯形成中空圆柱形管。通过旋转聚合用于外纤芯的可聚合组合物在单层圆柱形管内形成外纤芯层来制备包括两层的圆柱形管(第1’过程)。然后，通过界面凝胶聚合用于内纤芯部分的可聚合组合物在双层圆柱形管的中空区域中形成内纤芯部分(第2’过程)，这样制备出预制棒。在适当地改变预制棒的形状(第3过程)后，制造出作为光学部件的POF。
尽管如上所述逐步形成了根据第二结构的双层圆柱形管，可以通过熔体挤出用于包层部分的含氟树脂和用于外纤芯部分的可聚合组合物来一步形成双层圆柱形管。
用于包层部分的可聚合单体的组成优选与用于根据第一结构的纤芯部分的可聚合单体的组成相同。在第二结构中，用于外纤芯部分的可聚合单体的组成优选与用于内纤芯部分的可聚合单体组成相同。可聚合单体的组成比例不必是相同的，并且要加入到可聚合单体中的辅助组分不必是相同的。提供相同种类的可聚合单体可以改善包层部分与纤芯部分间界面(或者外纤芯部分与内纤芯部分间界面)的光学透射率粘附性。当包层部分或者外纤芯部分的树脂是其组分具有不同折射率的共聚物时，可以容易地在纤芯部分和包层部分(或者内纤芯部分)之间提供大的折射率差异。结果，容易提供渐变折射率结构。
在第二结构中，包层部分和纤芯部分之间的外纤芯层可以防止由于用于包层部分和纤芯部分的材料差异引起的POF粘附性和生产率的降低。因此，可以增加可以用于包层部分和纤芯部分的材料的种类。可以在商品氟树脂的熔体挤出过程或者在旋转可聚合单体组合物的聚合过程中控制相应于包层部分的圆柱形管的厚度和直径。在圆柱形管的中空区域，使外纤芯部分的可聚合组合物接受旋转聚合，从而在圆柱形管内形成外纤芯部分。可以通过共挤出由氟树脂和可聚合组合物组成的共聚物来形成相同的结构。
在这些优选的结构中，通过提供折射率控制剂的浓度分布来制造GI型POF，本发明还可以应用于其它类型的POF。另外，通过后面所述的界面凝胶聚合和旋转凝胶聚合可以提供折射率控制剂的浓度分布。
可以根据各组分的种类确定用于包层部分、外纤芯部分和内纤芯部分的可聚合组合物的各组分优选量。通常，聚合引发剂的用量优选为可聚合单体的0.005重量％至0.5重量％，并且更优选为0.01重量％至0.5重量％。链转移剂的用量优选为可聚合单体的0.10重量％至1.0重量％，并且更优选为0.15重量％至0.50重量％。折射率控制剂的用量优选为可聚合单体的1重量％至30重量％，并且更优选为1重量％至25重量％。
考虑所得预制棒的拉丝过程，通过聚合用于包层部分、外纤芯部分和内纤芯部分的可聚合组合物获得的聚合物的重均分子量优选为10,000至1,000,000。更优选地，重均分子量为30,000至500,000。预制棒的拉丝性质受分子量分布(MWD)的影响，MWD通过重均分子量除以数均分子量来计算。因为具有极高分子量的部分表现出差的拉丝性质，并且更糟糕的是预制棒不能拉丝，所以具有大的MWD不是优选的。因此，MWD的值优选小于或等于4，并且更优选小于或等于3。
接下来，将详细地说明根据第一结构和第二结构(尤其是第一结构)的每个制造过程。
(第一过程)在第一过程中，制备用于包层部分的单层圆柱形管，或者用于包层部分和外纤芯部分的双层圆柱形管。通过聚合单体并且使其成型为管状形式来制备这种圆柱形管。举例来说，如JP-A第8-262240、5-173025和2001-215345号中所述，通过树脂的旋转聚合和熔体挤出来制备圆柱形管。
通过旋转聚合方法由可聚合的组合物形成中空的圆柱形管，其中在圆柱形的聚合室中，在旋转该组合物的同时聚合可聚合的组合物来形成聚合物层。例如，在将用于包层部分的可聚合组合物放入聚合室中后，旋转聚合室(优选聚合室的轴保持水平)并且聚合可聚合的组合物。由此，在圆柱形聚合室内形成包层部分。然后，将用于外纤芯部分的可聚合组合物放入包层部分中，并且在旋转包层部分时聚合该组合物。由此，形成在包层部分的内壁上具有外纤芯部分的中空圆柱形管。
在放入用于包层部分或外纤芯部分的可聚合组合物前，优选过滤可聚合的组合物以除去可聚合组合物中包含的灰尘。另外，如JP-A10-293215中所公开，为了容易处理可以调节原材料(可聚合组合物)的粘度，并且为了缩短聚合时间进行预聚合，只要这些过程不会引起预制棒质量的降低并且预处理或后过程不会变得复杂就行。根据将用于聚合的单体和聚合引发剂来确定聚合过程的温度和时间。通常，优选的聚合时间为5小时至24小时。优选的聚合温度为60℃-150℃。如JP-A第08-110419号中所述，可以使原材料接受预聚合来增加其粘度。这种预聚合可以缩短形成圆柱形管的聚合时间。因为如果聚合室在旋转时变形，圆柱形聚合物管就会扭曲，所以聚合室优选是具有高度刚性的金属或玻璃室。
可以由粒状或粉状树脂(优选氟树脂)形成圆柱形管。在密封包含粒状或粉状树脂的圆柱形聚合室的两端后，旋转聚合室(优选聚合室的轴保持水平)。然后，通过在高于树脂熔点的温度下加热树脂，制造中空圆柱形聚合物管。为了阻止熔融树脂热氧化引起的加热、氧化和降压，优选用例如氮气、二氧化碳气体、氩气等的惰性气体填充聚合室。另外，优选在聚合过程前充分干燥树脂。
在通过挤出熔融聚合物形成包层部分的情况中，通过使用例如挤出的模制技术适当地控制聚合后聚合物的形状(在本实施方案中是圆柱形)。用于聚合物熔体挤出的设备有两种类型内定型模类型和外模减压吸收型。
参照图2，说明内定型模类型的熔体挤出设备。在该熔体挤出设备中，单螺杆挤出机(未显示)向模体32挤出用于包层部分的原料聚合物31。在模体32中，提供将原料聚合物31的形状改变成圆柱形的导向部件33。通过导向部件33，原料聚合物31通过模体32和内棒34之间的流道34a。从模体32的出口32a中挤出原料聚合物31，从而形成具有中空圆柱形管的包层部分35。尽管就包层部分35的生产率和均匀性而言，对于包层部分35的挤出速度没有限制，但是挤出速度优选为1厘米/分钟至100厘米/分钟。
模体32优选包括用于加热原料聚合物31的加热器。举例来说，沿着流道34a提供一个或多个加热器(例如使用蒸汽、热油和电加热器的产热装置)，从而包敷模体32。在模体32的出口32a附近提供温度计36。为了控制加热温度，温度计36测量出口32a附近包层部分35的温度。
模体32中的加热温度没有限制。具体地说，当原料聚合物31是PVDF时，加热温度优选是200℃至290℃。因为通过温度的快速变化降低了包层形状的变化，所以包层部分35的温度优选为40℃或更高。可以通过固定到模体32上的恒温器(例如使用如水、抗冻溶液和油的液体的冷却装置和电冷却装置)控制包层35的温度。可以使用模体32的自然冷却来冷却包层35。当模体32配备加热装置时，优选在相对于原料聚合物31的流动方向的加热装置的下游侧中提供冷却装置。
参照图3和4，说明外模减压吸收型的熔体挤出设备。图3表示了包括熔体挤出设备的生产线40的实施方案。在图4中，显示了生产线40中的压模(molding die)43的横截面。参照图3，生产线40包括熔体挤出设备41、挤出模42、压模43、冷却装置44和进料机45。在熔体挤出设备41中提供的熔融段41a中熔化从铸粒料斗46中供应的原料聚合物。通过挤出模42挤出熔融的聚合物，然后供给压模43。压模43与真空泵47连接。挤出速度S(米/分钟)优选为0.1(米/分钟)至10(米/分钟)，更优选为0.3(米/分钟)至5.0(米/分钟)，并且最优选为0.4(米/分钟)至1.0(米/分钟)。挤出速度S(米/分钟)不局限于上述的优选范围。
如图4所示，压模43具有将原料聚合物定形以形成中空圆柱形包层52的模管50。在模管50中有多个吸孔50a。吸孔50a与在模管50外面提供的减压室53连接。当通过真空泵47使减压室53减压时，包层52的外壁与模管50的模制表面(内表面)紧密接触，所以包层52的厚度变得均匀。减压室53中的压力(绝对压力)优选为20kPa至50kPa，但是不局限于此范围。为了调节包层52的直径，优选在压模43的入口处固定喉状部件(直径调节部件)54。
将通过用于定形的压模43的包层52送到冷却装置44，其中提供了向包层52喷淋冷却水56的多个喷嘴55。因而，包层52被冷却并固化。在储水池57中收集喷淋的冷却水56，然后通过排水口57a排出。从冷却装置44向卷绕机45对包层52拉丝。卷绕机45包括驱动辊58和压辊59。卷绕机45的卷绕速度由与驱动辊58连接的马达60控制。将包层52夹在驱动辊58和压辊59之间。由压模43调节挤出速度。另外，由驱动辊58调节包层52的进料速度，并且由压辊59调节包层52的进料位置。因而，可以保持包层52的形状和厚度。如果需要，驱动辊58和压辊59可以是带状的。
为了提供例如机械强度和不燃性等功能，包层可以由多层组成。另外，在形成了算术平均粗糙度在一定范围内的中空圆柱形管后，可以用氟树脂等涂敷圆柱形管的外表面。
考虑到光学性质和生产率，包层52的外径D1(相应于预制棒15的外径)优选为10毫米至100毫米。更优选，直径D1介于20毫米至50毫米之间。只要包层52能保持其形状，包层52的厚度t1可以是小的。厚度t1优选为0.3毫米至20毫米，并且更优选为0.5毫米至15毫米。外径D1和厚度t1这些数值范围不限制本发明。
作为外纤芯层原材料的可聚合单体的实例与内纤芯部分的实例相同。外纤芯层主要用于形成内纤芯部分，所以只要可以本体聚合内纤芯部分，外纤芯层的厚度可以是小的。在内纤芯部分本体聚合后外纤芯层可以与内纤芯部分合并以形成单芯部分。因此，本体聚合前外纤芯层的厚度t2的下限优选为0.5毫米至1.0毫米。只要内纤芯部分具有折射率分布，可以根据预制棒的尺寸选择厚度t2的上限。
由聚合物形成的单层或双层圆柱形结构优选具有底部接以封闭所述圆柱形结构的一端，用于放置作为纤芯部分(内纤芯部分)原材料的可聚合组合物。优选所述底部由与圆柱形管的聚合物具有优异的粘附性和适合性的材料形成。所述底部可以由与圆柱形结构相同的聚合物形成。举例来说，通过在为聚合而旋转聚合室之前或者在形成了中空圆柱形管之后，通过聚合注入保持竖直的聚合室中的少量可聚合单体来形成聚合物底部。可以用化学稳定的材料堵住圆柱形管的一端，从而圆柱形管不会熔化进入用于内纤芯部分的可聚合组合物中，或者不会影响内纤芯部分的聚合过程。
为了促进旋转聚合后残留的单体与聚合引发剂的反应，可以在高于旋转聚合过程中温度的温度加热中空聚合物管。在形成中空聚合物管后，可以排出未聚合的化合物。
(第二过程)在第二过程中，聚合填充在中空聚合物管中的可聚合组合物中的可聚合单体，形成纤芯部分(内纤芯部分)。在界面凝胶聚合中，可聚合单体从中空管的内壁向其中央聚合。当使用一种以上的可聚合单体时，与中空管的聚合物具有较高亲合力的单体首先聚合，从而这种单体集中在中空管的内壁附近。具有较高亲合力的单体的比例从表面向中央降低，同时其它单体的比例增加。如此，单体的比例在相应于纤芯部分的区域中逐渐变化，从而产生折射率的分布。
如日本专利第3332922号所述，当聚合有折射率控制剂的单体时，纤芯液体固化中空管的内壁，并且内壁中的聚合物膨胀，从而形成凝胶。在此聚合期间，与中空管具有较高亲合力的单体集中在中空管的内壁附近的区域。因此，在中空管内壁附近的区域中聚合物的折射率控制剂的浓度变小，并且折射率控制剂的浓度从纤芯部分的表面向中央增加。如此，产生折射率控制剂的浓度分布，因而在纤芯部分中提供了折射率分布。
通过聚合引发剂和根据需要添加的链转移剂来调节可聚合单体的聚合速度和程度，并从而调节聚合物的分子量。举例来说，在对聚合物拉丝形成POF的情况中，通过使用链转移剂调节分子量(优选10,000至1,000,000，并且更优选30,000至500,000)，拉丝过程中的机械性质落入所需范围。因此，改善了POF的生产率。
在第二过程中，在相应于纤芯部分的区域中引入了折射率分布，但是聚合物的热行为根据折射率而变化。因此，当纤芯部分中的单体在相同的温度下聚合时，聚合中体积收缩的响应在相应于纤芯部分的区域上由于热行为的差异而变得不同。因此，在预制棒中混入了气泡。还可能在预制棒中产生微观间隙，以及在加热预热棒和对预制棒拉丝时产生气泡。太低的聚合温度引起聚合效率的降低。另外，当聚合温度太低时，预制棒的生产率变得较差，并且所制造的光学部件的光学透射率由于不适当聚合引起的低光学透明度而变得较差。另一方面，如果初始聚合温度太高，初始聚合速度过度增加。结果，因为聚合物不能减轻纤芯部分区域中的体积收缩，所以容易在预制棒中产生气泡。
为了防止上述问题，优选将初始聚合温度T1(℃)保持在下面的范围内(Tb-10)℃≤T1(℃)≤Tg(℃)应当指出Tb是可聚合单体的沸点，并且Tg是可聚合单体的聚合物的玻璃化转变点(玻璃化转变温度)。通过将初始聚合温度调节在上面的范围内，聚合速度变小，从而可以改善初始聚合期间聚合物的减轻体积收缩的性质。
在温度T1初始聚合后，在满足下面条件的温度T2(℃)聚合单体Tg(℃)≤T2(℃)≤(Tg+40)(℃)T1(℃)＜T2(℃)通过在把温度从T1升高至T2后完成聚合，可以防止光学透明度的劣化，从而获得具有优异光学透射率的预制棒。另外，预制棒的热劣化和解聚效应变得较小，并且可以降低预制棒中的聚合物密度的偏差，并且改善预制棒的透明度。聚合温度T2(℃)优选为Tg(℃)至(Tg+30)℃，并且更优选大约(Tg+10)℃。低于Tg(℃)的聚合温度T2不能获得这种效应。当聚合温度T2高于(Tg+40)(℃)时，预制棒的透明度因为热劣化和解聚而降低。另外，在形成渐变折射率型纤芯部分时，破坏了纤芯部分中的折射率分布，所以POF的性质大大降低。
优选在聚合温度T2下聚合可聚合单体直至聚合完成，从而不残留聚合引发剂。如果在处理预制棒，尤其是在熔融拉丝过程中加热残留在预制棒中的未反应的聚合引发剂，聚合引发剂减压，从而，在预制棒中产生气泡。所以聚合引发剂完全反应是优选的。尽管优选的聚合时间取决于聚合引发剂的种类，但是在聚合温度T2下的聚合时间优选等于或大于温度T2下聚合引发剂的半衰期。
聚合引发剂优选是10小时半衰期温度为(Tb-20)℃或更高的化学试剂，其中Tb是可聚合单体的沸点。使用10小时半衰期温度等于或高于(Tb-20)℃的聚合引发剂在初始聚合温度T1(℃)下聚合单体可以降低初始阶段的聚合速度。另外，在满足上面条件的初始聚合温度T1(℃)下使单体聚合等于或大于聚合引发剂半衰期10％的时间是优选的。因而，聚合物可以快速减轻在初始聚合期间因压力引起的体积收缩。设置上述条件可以降低初始聚合的速度，并且改善在初始聚合中对体积收缩的响应。结果，因为降低了由于体积收缩而引入预制棒中的气泡的量，所以可以改善生产率。应当指出聚合引发剂的10小时半衰期温度是聚合引发剂的量通过分解在10小时内变成一半的温度。
在初始聚合温度T1(℃)，用满足上述条件的聚合引发剂聚合单体等于或者大于聚合引发剂半衰期10％的时间中，可以保持初始聚合温度T1(℃)直至聚合完成。但是，为了获得具有高的光学透明度的光学部件，在高于初始聚合温度T1(℃)的聚合温度T2(℃)下完成聚合是优选的。聚合温度T2(℃)的优选温度和在温度T2(℃)的聚合时间如上所述。
当在第二过程中使用沸点Tb为100℃的甲基丙烯酸甲酯(MMA)作为可聚合单体时，可以使用PBD和PHV作为10小时半衰期温度为(Tb-20)℃或更高的聚合引发剂。举例来说，当使用MMA作为可聚合单体并且使用PBD作为聚合引发剂时，优选保持初始聚合温度T1(℃)为100-110℃并保持48-72小时，升高温度至120-140℃的聚合温度T2(℃)，并且在T2(℃)下进行聚合24-48小时。在使用PHV作为聚合引发剂的情况中，优选初始聚合温度T1(℃)保持为100-110℃并保持4-24小时，升高温度至120-140℃的聚合温度T2(℃)，并且在T2(℃)下进行聚合24-48小时。可以逐步地或者连续地增加聚合温度。优选尽可能快地增加聚合中的温度。
在第二过程中，如JP-A第09-269424号或日本专利第3332922号中所述，可以增加或降低聚合中的压力。另外，可以在聚合期间改变压力。通过改变聚合中的压力，可以改善在初始聚合温度T1(℃)，接近沸点Tb(℃)并且满足上述条件以及聚合温度T2(℃)下的聚合效率。在加压条件下聚合单体(加压聚合)时，优选将包含可聚合单体的中空管承载在夹具的中空部分中。另外，在聚合前在低压条件下进行脱水和脱气可以有效地降低产生气泡。
承载中空管的夹具具备用于插入上述中空管的中空部分，并且夹具的中空部分优选具有与中空管相同的形状。换句话说，夹具优选具有中空圆柱形状。夹具可以防止中空管在加压聚合期间变形，并且可以承载中空管足以随着加压聚合的进行而减轻纤芯部分的收缩。因此，夹具的中空部分的直径优选大于中空管的直径，从而夹具中的中空管不会与中空管的内壁接触。与中空管的外径相比，中空部分的直径优选比中空管的外径大0.1％至40％，并且更优选比中空管的外径大10％至20％。
包含中空管的夹具安装在聚合室中。聚合室中中空管的纵向优选保持竖直。在固定了由聚合室中的夹具承载的中空管后，对聚合室加压。在进行加压聚合中，优选在例如氮气的惰性气体气氛中加压聚合室。尽管优选的压力取决于要聚合的单体的类型，但是聚合的压力(表压)通常优选为0.05MPa至1.0MPa。
制造纤芯部分的方法不局限于上述方法。例如，可以通过旋转聚合方法在旋转用于纤芯部分的单体的同时进行界面凝胶聚合来形成内纤芯(纤芯部分)。在下面的解释中，形成内纤芯。在具有外纤芯的套管中，注入内纤芯溶液。然后，在密封套管的一端后，将套管水平地保持在聚合室中(在套管的纵向保持水平的状态中)，在旋转套管的同时使内纤芯溶液进行聚合。可以一次性、连续或逐次地在套管中注入内纤芯溶液。代替GI型POF，通过调节内纤芯可聚合组合物的量、组成和聚合程度可以制造具有阶梯形折射率分布的多阶梯型光纤。在优选的实施方案中，将上述聚合方法称为纤芯部分旋转聚合方法(纤芯部分旋转凝胶聚合方法)。
与界面凝胶聚合相比，因为纤芯溶液的表面积大于凝胶的表面积，所以旋转聚合方法可以排出从纤芯溶液中产生的气泡。因此，减少了在制得的预制棒中的气泡。另外，通过旋转聚合方法形成纤芯部分，预制棒中央可以具有空隙。在此情况下，通过熔融拉丝过程填充预制棒中的空隙从而制造出例如POF的塑料光学部件。通过在熔融拉丝过程中封闭预制棒中的空隙，这种预制棒可以用作其它类型的光学部件，例如塑料透镜。
通过在完成第二过程的阶段，在控制压力下以恒定的冷却速度冷却预制棒，可以降低聚合过程后产生的气泡的量。在纤芯部分的压力响应方面，纤芯部分在氮气气氛中压力聚合是优选的。但是，不能从预制棒中完全排出气体，并且冷却过程将引起聚合物的快速收缩，从而由于气体向预制棒中的空隙积累形成的气泡核而产生气泡。这了防止这种问题，优选控制冷却速度。冷却速度优选为0.001℃/分钟至3℃/分钟，更优选为0.01℃/分钟至1℃/分钟。可以根据在将温度改变为玻璃化转变温度Tg(℃)时纤芯部分中聚合物的体积收缩的进行，通过两步或更多步骤来实施冷却过程。在此情况下，优选在刚聚合后设置高的冷却速度，然后逐渐降低冷却速度。
上述加工后的预制棒具有均匀的折射率分布和充分的光学透明度。另外，减少了气泡和微观空隙的量。包层部分(或者外纤芯部分)与纤芯部分之间的界面的平坦性变得优异。尽管上面的制造方法描述了具有单个外纤芯层的圆柱形预制棒，但是可以形成具有两层或更多层的外纤芯部分。在通过界面凝胶聚合和拉丝过程制造出光纤后，可以合并外纤芯部分与内纤芯部分。
在图5A中，显示了预制棒15的横截面。为了获得优异的透射率，内纤芯20b优选是折射率从中央向外围降低的渐变折射率型(GI型)(参照图5B)。外纤芯20a由在形成内纤芯20b时能够界面凝胶聚合的材料形成。预制棒15的形状没有限制。套管12的外径D1(毫米)优选为10毫米至100毫米，并且套管12的厚度t1优选为0.5毫米至15毫米。外径D1小于10毫米的POF17引起生产率降低。另一方面，当POF17的外径D1大于100毫米时，难以进行预制棒15的熔拉。在界面凝胶聚合中，优选在形成厚度t2(毫米)为2毫米至15毫米的外纤芯后形成直径D2(毫米)为2毫米至15毫米的内纤芯20b。
通过处理预制棒可以制造各种塑料光学部件。举例来说，在与纵向垂直的方向将预制棒切成薄片可以制造出具有平坦表面的盘形或者圆柱形透镜。通过熔拉预制棒可以制造POF。当预制棒的纤芯部分具有折射率分布时，可以以高的生产率稳定地制造出具有均匀的光学透射率的POF。
(第三过程)在作为第三过程的熔拉中，穿过加热室(例如圆柱形加热室)来加热并熔化预制棒并且对熔融的预制棒拉丝。根据预制棒的材料能够确定加热温度。通常，加热温度优选为180℃至250℃。可以根据POF的材料和直径来确定拉丝条件(例如拉丝温度)。在形成纤芯部分中具有折射率分布的GI型POF时，必需均匀地在POF的径向实施拉丝过程，从而不破坏折射率分布。因此，优选将能够在其剖面上均匀加热预制棒的圆柱形加热器用于加热过程。加热室优选在预制棒的拉丝方向具有温度分布。为了防止破坏折射率分布，预制棒中的加热面积优选尽可能地小。换句话说，优选在加热区前面的位置处实施预热过程，并且在加热区后面的位置处实施冷却过程。用于所述加热过程的加热装置可以是可以在小的加热区中供应高能量的激光装置。
用于拉丝过程的拉丝设备优选具有纤芯位置调节机构以保持纤芯的位置，从而保持预制棒的圆形度。通过调节拉丝条件可以控制POF聚合物的取向，从而可以控制机械性质(例如抗弯性能)、热收缩等。
在图6中，显示了制造POF17的制造设备70。通过X-Y对准装置71由垂直移动臂72(以下称作“臂”)承载预制棒15。通过垂直移动螺杆73(以下称作“螺杆)的旋转移动臂72在垂直方向上可移动。当旋转螺杆73来向下缓慢移动(例如1毫米/分钟至20毫米/分钟)臂72时，预制棒15的下端进入中空圆柱形加热炉74中。后面将说明加热炉的细节。熔化并且从其下端逐渐对预制棒15拉丝，从而形成POF17。为了在加热过程前保持预制棒15附近的气氛，优选用将预制棒15与外部灰尘和气流隔开的柔性圆筒75涂敷预制棒15的整个表面。上端部分是闭端结构的柔性圆筒75是优选的，这是因为降低从加热炉74向上通风。将加热炉74储存在加热炉室76中以使加热炉74与外部气氛隔开。因而，可以保持穿过预制棒15的区域中的气氛。另外，优选提供供气装置77来使加热炉74处于惰性气体气氛下。
使用直径测量装置测量所制造的POF17的直径。基于测量的直径，控制臂72的移动速度、加热炉74的加热温度、POF17的拉丝速度等，从而使POF17的直径变成设定值。为了降低由于POF直径波动引起的传输损失，控制直径的控制系统优选是快速响应的。在图6的制造设备70中，通过调节卷绕轴79的卷绕速度控制POF17的直径。还可以通过制造设备中的其它部件来控制直径。例如，当使用快速响应的加热装置(例如激光装置)加热预制棒时，可以控制激光装置的加热能量。最后，绕着卷绕轴79卷绕POF17。
如JP-A第7-234322号中所述，拉丝过程中的张力(拉丝张力)优选为0.098N(10克)或更大。如JP-A第7-234324号中所述，为了在熔拉过程后在POF17中不留下扭曲，拉丝张力优选小于或等于0.98N(100克)。因为拉丝张力根据POF的直径和材料而改变，所以拉丝张力不局限于上述条件。如JP-A第8-106015号中所述，可以在熔拉中进行预热过程。如JP-A第8-54521号中所述，通过设置所制造的POF的断裂伸长率和硬度改善了POF的抗弯和侧压力性质。另外，通过提供低折射率层作为绕着POF的反射层改善了POF的透射性质。
在图7中，显示了加热炉74。供气装置77供应惰性气体，使加热炉74处于惰性气体气氛中。加热炉74包括五个沿着对预制棒15拉丝的方向堆叠的加热器单元90、91、92、93和94。加热器单元的数量不局限于五个。加热炉74优选具有2个加热器单元至10个加热器单元，更优选3个单元至8个单元。尽管一个供气装置77与加热炉74连接，但是对于每个加热器单元90-93可以提供多个供气装置77。也可以对于多个加热器单元提供一个供气装置77。至于向加热炉74中供应的气体，可以是氮气(热导率0.0242W/m·K))和稀有气体，例如氦气(热导率0.1415W/m·K))、氩气(热导率0.0015W/m·K))和氖气。就制造成本而言，优选使用氮气。就热导率而言，氦气是优选的。在获得所需热导率并且降低制造成本方面优选混合气体，例如氦气和氩气的混合气体。因为供应惰性气体来保持加热炉处于惰性气体气氛中并且控制加热炉74中的热导率，所以可以循环惰性气体。循环惰性气体可以降低制造成本。惰性气体的优选供应取决于加热条件和要供应的气体种类。至于氦气，供应优选为1升/分钟至10升/分钟(室温下)。
在最上面加热器单元90的顶面上提供孔板95。在相邻的加热器单元之间提供孔板96-99。在最下面加热器单元94的底面上提供孔板100。这些孔板95-100可以将加热炉74分成多个可以独立调节温度的加热段。各个加热段可以分别具有温度计101-105。基于温度计101-105测量的每段中的温度，控制加热器单元90-94的输出功率。与最上面孔板95的顶面连接密封部件106。如图8所示，在密封部件106中形成直径为D3(毫米)的开口107。预制棒15通过密封部件106中的开口107进入加热器单元90中。
当密封部件106与预制棒15接触时，密封部件106表现出高的密封作用，所以密封部件106需要具有耐热性和不会损伤预制棒15的柔软性。作为密封部件106的材料，碳毡和例如硅橡胶的橡胶片是优选的。只要不损伤预制棒15，还可以使用具有优异耐热性的玻璃和陶瓷。
为了用预制棒15密封加热炉74，优选开口107的直径D3(毫米)小于预制棒15的直径D1(毫米)。在从开口107的边缘107a向外的径向方向提供多个切割线107b。切割线107b的边缘在基本上为圆形的开口(外部开口)107c的上面。外部开口107c具有直径D4(毫米)。将从开口107的边缘107b至外部开口107c的区域称作接触预制棒15的接触区107d。穿过密封部件106的预制棒15与密封部件106的接触区107d接触，所以使用密封部件106可以密封加热炉74的顶侧。结果，阻止外部空气通过加热炉74底侧的开口进入加热炉74中。因此，可以控制加热炉74中的温度分布。
外径D3(毫米)优选满足下面的条件0.75×D1(毫米)≤D3(毫米)≤D1(毫米)更优选，外径D3满足下面的条件0.80×D1(毫米)≤D3(毫米)≤0.90×D1(毫米)外部开口107c的直径D4(毫米)满足下面的条件D1(毫米)＜D4(毫米)≤1.50×D1(毫米)更优选，外径D4满足下面的条件1.10×D1(毫米)≤D4(毫米)≤1.30×D1(毫米)开口107的直径D3(毫米)不必小于预制棒15的直径D1(毫米)。
例如，当开口103的直径D3满足大于D1(毫米)且等于或小于1.20×D1(毫米)的条件时，密封部件106可以提供充分的密封作用。在此情况下，因为密封部件106不接触预制棒15，所以可以选择许多种材料作为密封部件106。因为最上面的加热单元90的温度是高的(例如150℃至290℃)，所以优选使用具有优异耐热性的陶瓷作为密封部件106的材料。
参考图9，在相对于POF17的拉丝方向在加热炉74的下游侧中提供密封部件110。密封部件110与最下面的孔板100的底面连接。在图9中，为了简化附图没有显示供气装置。如图10所示，在密封部件110中形成开口111以通过POF17。在拉丝的POF17具有所需直径后，密封部件110与孔板100的底面连接，同时POF17穿过密封部件110中的开口111。因而，可以阻止由于来自加热炉74下侧的外部空气引起的加热炉74的温度紊乱。密封部件110的材料没有限制。但是考虑到容易加工和制造成本，密封部件110可以是金属板(例如不锈钢板和铝板)。另外，密封部件110可以是具有足够的耐热性而在高温下不会变形的橡胶板或塑料板。密封部件110优选由耐热的塑料板制成。最下面的加热器单元94的温度与其它加热器单元比较是相对低的(例如30至80℃)，所以密封部件110可以由容易加工的塑料制成。
下方密封部件110中的开口111的直径D6(毫米)优选等于或大于1.20×D5(毫米)且等于或小于10×D5(毫米)，并且更优选等于或大于1.50×D5(毫米)且等于或小于5.0×D5(毫米)。应当指出D5(毫米)表示POF17的外径。例如，当POF17的直径D5为1.0毫米时，开口111的直径D6(毫米)优选为2毫米至3毫米。如果直径D6(毫米)小于1.20×D5(毫米)，当POF17的通道波动时POF17容易与密封部件110接触。在此情况下，POF17的外表面受到损伤，并因此影响POF17的光学性质。另一方面，如果直径D6(毫米)大于10×D5(毫米)，难以或不可能实现本发明阻止外部空气进入加热炉74中的作用。
代替在密封部件110中形成开口111，可以连接能够改变直径D4(毫米)的开闭器型密封部件。通过改变直径D4(毫米)，在改变通过熔拉过程形成的POF17的直径D5(毫米)的情况中，可以缩短调节加热炉74设置的时间。另外，密封部件可以包含两片可以打开和关闭的叶片。密封部件是部分分隔的。在此情况下，在熔拉过程开始时部分分隔密封部件，并且在POF17的直径变成设定值后固定密封部件的分隔部分。通过使用这种密封部件，形成具有所需直径POF后设置密封部件的操作变得容易。
图11中所示的加热炉74具有与加热炉74的顶侧和底侧连接的密封部件106、110。在图11中，为了简化附图没有显示供气装置。因为在加热炉74的两侧上连接密封部件，所以可以在顶侧和底侧将加热炉74与外部空气隔开。由此，可以阻止加热炉中的气流，从而阻止加热炉74中的温度紊乱。通过控制加热单元90-94的温度，可以在预制棒15和POF17中获得所需的温度分布，因此保持熔拉过程中的条件。
图12中的加热炉74在最上面的孔板95上具有隔板121。应当注意图12中没有显示供气装置。用于预热并熔化预制棒15的加热器单元90保持在高温(例如150℃至290℃)。如上所述，密封部件122具有涂敷预制棒15的外表面而改善密封作用的形状。因此，密封部件122优选由在预制棒15的表面上不引起损伤，例如划痕的软材料制成。密封部件122的材料的实例是例如具有一定水平耐热性的聚酰亚胺树脂和PET的塑料膜(优选是工程塑料膜)、和弹性体(例如聚硅氧烷橡胶、尿烷弹性体和成形树脂)。密封部件122的这些软材料不具有足够的耐热性，所以加热孔板95上的密封部件122被热损伤。因此，优选在孔板上连接隔板121并且将密封部件122(与图6中的密封部件106相同)连接到隔板121上。隔板121的材料没有限制，但是具有优异耐热性的陶瓷(例如褐块石棉和Hemisal)和玻璃布是优选的。
如图13所示，加热炉74配备了隔板131和密封部件132。隔板131和密封部件132与图12中所示的相同。在最下面的孔板100下方，连接了圆柱形管133的一端，并且将密封部件134(与图10中的密封部件110相同)连接到圆柱形管133的另一端上。密封部件134可以控制圆柱形管133中的气流。因而，可以阻止就在熔拉过程后的软的POF17的变形(例如表面上的线)。圆柱形管133的长度L1(毫米)没有限制，但是长度L1(毫米)优选为100毫米至1000毫米。圆柱形管133的内径优选为10毫米至50毫米。在图13中，为了简化附图没有显示供气装置。
通常，为了改善抗挠性和耐气候性、防止吸湿引起的性质降低、改善拉伸强度、提供耐冲模性、提供耐燃性、保护不受化学试剂损害、防止来自外部光的噪声、增加着色值等等，POF至少涂敷了一层保护层。
(涂层的结构)通过涂敷POF和/或光纤束制造出塑料光纤电缆(光纤电缆)。至于涂层的类型，有涂层与POF整个表面接触的接触型涂层以及在涂层和POF之间提供间隙的松散型涂层。当剥离松散型涂层来与连接器连接时，湿气可能进入POF和涂层之间的间隙中并且在光纤电缆的纵向延伸。因此，接触型涂层是优选的。
但是，松散型涂层由于涂层和POF之间的间隙而在减轻因应力和热导致的对光纤电缆的损伤方面是有利的。因为降低了对POF的损伤，优选将松散型涂层用于一些用途。通过在间隙中填充胶凝的或者粉末材料可以屏蔽湿气从光纤电缆的侧边进入。如果提供具有改善耐热性和机械强度功能的胶凝的或者粉末材料作为填料，可以实现具有优异性质的涂层。通过调节十字头冲模的挤出头的位置，并且通过控制减压装置中的压力可以形成松散型涂层。通过调节挤出头的厚度和对间隙层的压力可以控制POF和涂层之间的间隙层的厚度。
用于保护层的材料的实例是热塑性树脂，例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)、乙烯丙烯酸乙酯共聚物(EEA)、聚酯和尼龙。除了热塑性树脂外，也可以使用弹性体类。具有高弹性的弹性体在提供机械强度，例如抗弯性能方面是有效的。弹性体的实例是橡胶(例如异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶和二烯特种橡胶)、液体橡胶(例如聚二烯和聚烯烃)和热塑性弹性体。液体橡胶在室温下表现出流动性并且通过加热丧失流动性而成为固体。热塑性弹性体在室温下表现出弹性，并且在高温下塑化定形。可以使用聚合物前体和反应性试剂的混合物的热固化溶液，例如在WO/26374中描述的由具有NCO基团的尿烷预聚体组成的单包装型热固性尿烷组合物以及尺寸为20微米或更小的固体胺。
只要所述材料在低于POF聚合物的玻璃化转变温度Tg的温度下可以定型，上面列出的材料不限制本发明。可以使用上面列出的材料或者其它材料的共聚物。另外，可以使用混合物聚合物。为了改善保护层的性质，可以添加添加剂和填料。所述添加剂的实例是阻燃剂、抗氧化剂、自由基俘获剂和润滑剂。可以由有机和/或无机化合物来制备填料。
POF可以具有绕着作为第一保护层的上述保护层第二(或者更多)保护层。如果第一保护层厚度足以降低对POF的热损伤，对第二保护层的硬化温度的要求与第一保护层相比变得不太严格。第二保护层可以具备添加剂，例如阻燃剂、抗氧化剂、自由基俘获剂和润滑剂。
阻燃剂是具有诸如溴的卤素的树脂、含磷的添加剂和材料。优选使用金属氢氧化物作为阻燃剂来降低有毒气体的释放。金属氢氧化物包含在POF制造期间没有除去的结晶水。因此，优选绕着第一保护层提供防湿涂层并且绕着该防湿涂层形成作为阻燃剂的金属氢氧化物。至于阻燃的标准，UL(Underwriters Laboratory)制定了几个实验。从较低的阻燃性依次列出的规章是CMX(称作VW-1实验的燃烧实验)、CM(vertical tray combustion experiment垂直燃烧实验)、CMR(riserexperiment主干实验)、CMP(plenum experiment阻燃实验)。因为塑料光纤由可燃材料形成，所以为了防止火焰传播，塑料光纤电缆优选具有VW-1规章。
可以用具有多种功能的多涂层涂敷POF。这些涂层的实例是上述的阻燃剂层、防止吸湿的隔离层、位于保护层之间或者保护层中的吸湿剂(例如吸湿带或凝胶)、作为减轻弯曲POF时应力的减震剂的柔性材料层和苯乙烯形成层、增加刚性的增强层。作为涂层的热塑性树脂可以包含增加光纤电缆强度的结构材料。结构材料是具有高弹性的拉伸强度纤维和/或具有高刚性的金属丝。拉伸强度纤维的实例是芳族聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维。金属丝的实例是不锈钢丝、锌合金丝、铜丝。结构材料不局限于那些上述的材料。还可以提供其它材料，例如保护用金属管、保持光纤电缆的承载线。还可以施用增加装设光纤电缆的工作效率的机构。
根据使用方法，POF选择性地用作环形排列POFs的光纤电缆组体、线性排列POF的带纤芯线、使用带或LAP鞘捆绑带纤芯线的光纤电缆组件等等。
与传统光纤电缆相比，包含根据本发明的POF的光纤电缆在纤芯位置具有大的容许误差，并且可以直接连接光纤电缆。但是，优选通过使用光学连接器以确保固定作为根据本发明的光学部件的POF的端部。市场上广泛可以获得的光学连接器是PN型、SMA型、SMI型等。
通过POF、光纤线和光纤电缆传播光学信号的作为光学部件的系统包括光学信号处理装置，其包括光学组件，例如发光元件、光接收元件、光开关、光隔离器、光集成光路、光发送器和接收器组件等。这种系统可以与其它的POF结合。任何公知的技术都可以运用于本发明。举例来说，在“‘Basic and Practice of Plastic Optical Fiber’(由NTS公司出版)”、“‘Optical members can be Loaded on Printed WiringAssembly，at Last’，Nikkei Electronics，第2001年12月(3)卷，第110-127页”等中描述了这些技术。通过结合根据这些文献中的技术的光学部件，光学部件可以用于适合高速和大容量数据通讯和在无电磁波影响下控制的短距离光学传输系统。具体地说，光学部件可以用来在设备(例如计算机和许多数字设备)中布线、在火车和车辆中布线、在光学终端和数字设备之间及数字设备之间光学连接、在住宅、集体住宅、工厂、办公室、医院、学校中的室内光学LAN以及室外光学LAN。
此外，举例来说在“‘High-Uniformity Star Coupler Using DiffusedLight Transmission’，IEICE TRANS.ELECTRON.，第E84-C卷，第3期，2001年3月，第339-344页”、“‘Interconnection in Technique ofOptical Sheet Bath’，Journal of Japan Institute of Electronics Packaging，第3卷，第6期，2000年，第476-480页”中公开了与光传输系统结合的其它技术。另外，有光学总线(在日本特开第10-123350号、第2002-90571号、第2001-290055号等中公开的)、光学分支/耦合装置(在日本特开第2001-74971号，第2000-329962号，第2001-74966号，第2001-74968号，第2001-318263号，第2001-311840号等中公开的)、光学星形耦合器(在日本特开第2000-241655中公开的)、光信号传输装置和光学数据总线系统(在日本特开第2002-62457号、第2002-101044、第2001-305395号等中公开的)、光学信号处理装置(在日本特开第2000-23011号等中公开的)、光学信号交叉连接系统(在日本特开第2001-86537号等中公开的)、光传输系统(在日本特开第2002-26815号等中公开的)、多功能系统(在日本特开第2001-339554号、第2001-339555号等中公开的)、以及各种光学导波器、光分支、光耦合器、光多路调制器、光多路分配器等等。当用这些技术结合具有根据本发明的光学部件的光学系统时，可以构建发送/接收多路调制的光学信号的高级光传输系统。根据本发明的光学部件还可以适用于其它目的，例如发光、能量传输、照明和传感器。
将参考作为本发明实施方案的实施例(1)-(5)和作为比较的实施例(6)详细地说明本发明。只要改变在本发明的精神内，将改变材料、含量、操作等。因此，本发明的范围不局限于下述的实施例。下面的说明书详细地解释了实施例(1)。至于实施例(2)-(6)，将解释与实施例(1)不同的部分。
(实施例1)由聚偏二氟乙烯(PVDF)通过挤出形成的套管12具有20毫米的外径D1、19毫米的内径(包层厚度t1为0.5毫米)和900毫米的长度。将套管12插在内径20毫米且长度1000毫米的刚性聚合室中。在用纯水洗涤包含套管12的聚合室后，在90℃的温度干燥聚合室。此后，由Teflon(注册商标)塞子密封套管12的一端。用乙醇洗涤套管12的内壁，然后通过烘箱在80℃使套管12接受减压过程(-0.08MPa至大气压)12小时。
接着，实施外纤芯聚合过程13。在锥形瓶中制备外纤芯溶液。外纤芯溶液包含205.0克氘代的甲基丙烯酸甲酯(MMA-d8，由WakoPure ChemicalIndustries，Ltd生产)、0.0512克2，2′-偶氮二(异丁酸)二甲基和0.766克1-十二烷基硫醇(月桂基硫醇)。使用由AS ONE公司制造的超声清洗器USK-3(38000 MHz，输出功率360W)使外纤芯溶液接受超声辐射10分钟。然后，在将外纤芯溶液倒入套管12后，使用减压过滤机使套管12从0.01MPa减压至大气压，并且使用超声清洗器使套管12接受超声处理5分钟。
在用氩气替换套管12末端中的空气后，用硅塞子和密封带紧紧密封套管末端。在60℃的热水浴中振荡套管12的同时，使包含外纤芯溶液的套管12接受预聚合2小时。在预聚合后，使套管12保持水平(套管的纵向保持水平)并且在以500rpm旋转套管12并且保持60℃的温度的同时使套管12接受热聚合(旋转聚合)。此后，在3000rpm和60℃下使套管12接受旋转聚合16小时，然后在3000rpm和90℃下旋转聚合4小时。由此，在套管12内制得具有PMMA-d8外纤芯20a的圆柱形管。
实施形成内纤芯的初步过程。通过烘箱在90℃使具有外纤芯20a的套管12接受减压过程(-0.08MPa至大气压)。然后，实施内纤芯聚合过程14。在锥形瓶中制备包含82.0克氘代甲基丙烯酸甲酯(MMA-d8，由Wako Pure Chemical Industries，Ltd生产)、0.070克2，2′-偶氮二(异丁酸)二甲基、0.306克1-十二烷基硫醇(月桂基硫醇)和6.00克作为掺杂剂的苯硫醚(DPS)的内纤芯溶液。然后，使用超声清洗器USK-3使套管12接受超声处理辐射10分钟。
在80℃将具有外纤芯20a的套管12保持20分钟后，将内纤芯溶液倒入套管12的中空部分。用Teflon(注册商标)塞子密封套管12的一端。套管12在70℃的温度和3000rpm的转速下接受旋转凝胶聚合5小时。然后，在120℃对套管12进行热聚合和热处理24小时。由此，制备出具有内纤芯20b的预制棒15。预制棒15具有20毫米的外径D1、4.5毫米的内径和0.5毫米的套管厚度t1。
使用图6至8中所示的制造设备70使预制棒15接受拉丝过程16。加热炉74包括五个加热器单元90-94，每个加热器单元的内径为80毫米。加热器单元90-94的温度相对预制棒15的拉丝方向从上游侧依次为215℃、164℃、144℃、111℃和60℃。密封部件106由聚硅氧烷橡胶制成。密封部件106的直径D3为20毫米，其与预制棒15的直径D1相同。在密封部件106中没有提供接触区107d。进行熔拉过程，使所制造的POF17的直径D5为316微米。上侧加热器单元90-93的温度波动为±0.15℃，并且最下面的加热器单元94的温度波动为±0.4℃。在此条件下拉丝的POF17的直径波动为±3微米，所以实现了良好的结果。
(实施例2)在此实施例中，除了使用图9和10中所示的加热炉74外，条件与实施例1中相同。密封部件110的材料是聚硅氧烷橡胶，并且直径D4是2毫米。加热器单元90-94的温度波动为±0.1℃。在此条件下拉丝的POF17的直径波动为±2微米，所以实现了良好的结果。
(实施例3)在此实施例中，如图11所示，与加热炉74的上侧和下侧连接密封部件106、110。密封部件106的材料是聚碳酸酯，并且直径D3为20毫米。密封部件110的材料是聚硅氧烷橡胶，并且直径D6是2毫米。加热器单元90-94的温度波动为±0.1℃。在此条件下拉丝的POF17的直径波动为±2微米，所以实现了良好的结果。
(实施例4)在此实施例中，如图12所示，在加热炉74的上侧连接隔板121，并且在隔板121的上侧连接密封部件122。隔板121由作为保温体的Hemisal制成，并且隔板121的高度为10厘米。密封部件122的材料是尿烷橡胶，并且直径D3为19毫米。上侧加热器单元90-93的温度波动为±0.15℃，并且最下面的加热器单元94的温度波动为±0.4℃。在此条件下拉丝的POF17的直径波动为±3微米，所以实现了良好的结果。
(实施例5)在此实施例中，如图13所示，在加热炉74的上侧连接隔板131，并且在隔板131的上侧连接密封部件132。隔板131由作为保温体的Hemisal制成，并且隔板131的高度为5厘米。密封部件132的材料是聚硅氧烷橡胶，并且直径D3为19.5毫米。在加热炉74的下侧连接长度为20厘米且直径为1厘米的不锈钢圆柱形管133。在圆柱形管133的另一侧提供密封部件134。密封部件134的材料是聚碳酸酯，并且直径D6为2毫米。加热器单元90-94的温度相对预制棒15的拉丝方向从上游侧依次为220℃、170℃、150℃、116℃和64℃。POF17的直径D5为750微米。加热器单元90-94的温度波动为±0.1℃。在此条件下拉丝的POF17的直径波动为±4微米，所以实现了良好的结果。
通过将密封部件134的直径D6改变成3毫米进行相同的实验，获得与直径D6为2毫米的密封部件134相同的结果。
(实施例6)至于比较实施例，没有密封部件与加热炉74连接。通过使用这种加热炉，进行预制棒15的熔拉过程，获得POF17。加热器单元90-94的温度波动为±(0.7℃至1.5℃)。在此条件下拉丝的POF17的直径波动为±15微米，这比上面的实验更差。
在上面的实施方案中，控制用于熔拉过程的加热炉中的温度来减小制造的POF的直径波动。为了改善POF的质量，必需减少POF中的气泡。接着，说明能够减少POF中气泡的制造方法。应当指出在实施方案2中，关于POF的结构(纤芯部分和包层部分)、聚合引发剂、链转移剂、折射率控制剂和涂层的说明书都与实施方案1相同，所以省略了关于这些部件的说明书。另外，形成预制棒的第一过程也与实施方案1相同，所以省略了关于第一过程的说明书。
(第二过程)在实施方案2中，通过旋转凝胶聚合来形成纤芯部分(或者内纤芯部分)，其中旋转作为套管的中空管并且通过在中空管中吸收的单体溶液来膨胀并熔化中空管的内壁。因而，聚合用于纤芯部分的单体溶液。应当指出在下面的说明书中形成纤芯部分。如图14所示，旋转聚合设备170包括旋转驱动段171和聚合段172。旋转驱动段171具有旋转在聚合段172中提供的聚合室173的马达(未显示)。聚合室173通过旋转轴174和转接器175与旋转驱动段171连接。通过旋转驱动段171的马达控制聚合室173的旋转速度。由一对承载板176，177支撑聚合室173，使聚合室的纵轴保持水平。旋转聚合设备170配备的加热装置(未显示)控制旋转聚合过程中的反应温度。
如果中空管(套管)具有优异的机械强度，可以使用中空管自身作为聚合室173。如果中空管没有足够的强度，或者如果聚合中中空管的旋转速度高，在旋转聚合前将中空管插在聚合室173中。至于聚合室173的材料，优选使用金属(例如不锈钢)、陶瓷和玻璃。
将内纤芯溶液倒入具有外纤芯的套管(中空管)的中空部分中。内纤芯溶液包含可聚合单体、例如聚合引发剂的添加剂、折射率控制剂(掺杂剂)等等。在倒入内纤芯溶液后，紧紧密封套管的一端并且在旋转聚合设备170中将作为聚合室173的套管水平设置(套管的纵轴保持水平)。套管通过转接器175与旋转轴174连接。然后，在1500rpm至4000rpm的转速下使包含内纤芯溶液的套管进行聚合。聚合中的反应温度为40℃至90℃。进行旋转聚合5小时至24小时。在形成具有均匀厚度的内纤芯部分时，在上述条件下的旋转聚合前进行预聚合过程是优选的。至于预聚合中的条件，可以设置转速为0rpm至1500rpm、反应温度为35℃至75℃并且聚合时间为0.5小时至3小时。但是预聚合中的条件不局限于这些。
可以一次性、连续或逐次地将内纤芯溶液注入套管中。代替GI型POF，通过调节内纤芯可聚合组合物的量、组成和聚合度，制备具有阶梯形折射率分布的多阶梯型光纤。
与界面凝胶聚合相比，因为纤芯溶液表面积大于凝胶的表面积，所以旋转聚合方法可以排出将从纤芯溶液中产生的气泡。因此，减少了在制得的预制棒中的气泡。另外，通过旋转聚合方法形成纤芯部分，预制棒中央可以具有空隙。在此情况下，通过熔融拉丝过程填充预制棒中的空隙从而制造出例如POF的塑料光学部件。通过在熔融拉丝过程中封闭预制棒中的空隙，这种预制棒可以用作其它类型的光学部件，例如塑料透镜。
通过在完成第二过程的阶段，在压力控制下以恒定的冷却速度冷却预制棒，可以降低聚合过程后将产生的气泡的量。在纤芯部分的压力响应方面，纤芯部分在氮气气氛中压力聚合是优选的。但是，不能从预制棒中完全排出气体，并且冷却过程将引起聚合物的快速收缩，从而由于气体向预制棒中的空隙积累形成的气泡核而产生气泡。这了防止这种问题，优选控制冷却速度。冷却速度优选为0.001℃/分钟至3℃/分钟，更优选为0.01℃/分钟至1℃/分钟。可以根据在将温度改变为玻璃化转变温度Tg(℃)时纤芯部分中聚合物的体积收缩的进行，通过两步或更多步骤来实施冷却过程。在此情况下，优选在刚聚合后设置高的冷却速度，然后逐渐降低冷却速度。
上述加工后的预制棒具有均匀的折射率分布和充分的光学透明度。另外，减少了气泡和微观空隙的量。包层部分(或者外纤芯部分)与纤芯部分之间的界面的平坦性变得优异。尽管上面的制造方法描述了具有单个外纤芯层的圆柱形预制棒，但是可以形成具有两层或更多层的外纤芯部分。在通过界面凝胶聚合和拉丝过程制造出光纤后，可以合并外纤芯部分与内纤芯部分。
在图15中，显示了预制棒115的横截面。为了获得优异的透射率，内纤芯120b优选是折射率从中央向表面降低的渐变折射率型(GI型)。外纤芯120a由在形成内纤芯120b时能够界面凝胶聚合的材料形成。
预制棒115的形状不局限于图15中所示的形状。套管112的外径D11(毫米)优选为10毫米至100毫米，并且套管112的厚度t11优选为0.5毫米至15毫米。小于10毫米的外径D11引起生产率变得较差，并且大于100毫米的外径D11难以进行拉丝过程16。优选在形成厚度t12(毫米)为2毫米至10毫米的外纤芯120a后，形成厚度t13(毫米)为2毫米至15毫米的内纤芯120b。由此，在内纤芯120b中形成中空部分121。中空部分121的直径(预制棒115的内径)D12(毫米)优选为1毫米至20毫米。优选直径D12(毫米)等于或大于0.05×D11(毫米)且等于或小于0.4×D11(毫米)。更优选直径D12等于或大于0.05×D11(毫米)且等于或小于0.35×D11(毫米)，并且最优选直径D12等于或大于0.05×D11(毫米)且等于或小于0.3×D11(毫米)。如果中空部分的直径D12大于0.4×D11(毫米)，中空部分121的尺寸相对于预制棒115的尺寸变大。结果，所制造的POF117可能变形或者在所制造的POF117中保留中空部分。
通过处理预制棒可以制造各种塑料光学部件。举例来说，在以足以封闭预制棒115的中空部分的拉丝速度对预制棒115拉丝后，在与纵向垂直的方向将预制棒切成薄片。因而，可以制造出具有平坦表面的盘形或者圆柱形透镜。通过熔拉预制棒可以制造POF。当预制棒的纤芯部分具有折射率分布时，可以以高的生产率稳定地制造出具有均匀的光学透射率的POF。
(第三过程)在作为第三过程的熔拉中，穿过加热室(例如圆柱形加热室)来加热预制棒并且对熔融的预制棒拉丝。根据预制棒的材料能够确定加热温度。通常，加热温度优选为180℃至250℃。可以根据POF的材料和直径来确定拉丝条件(例如拉丝温度)。在形成纤芯部分中具有折射率分布的GI型POF时，必需均匀地在POF的径向实施拉丝过程，从而不破坏折射率分布。因此，优选将能够在其剖面上均匀加热预制棒的圆柱形加热器用于加热过程。加热室优选在预制棒的拉丝方向具有温度分布。为了防止破坏折射率分布，预制棒中的加热面积优选尽可能地小。换句话说，优选在加热区前面的位置处实施预热过程，并且在加热区后面的位置处实施冷却过程。用于所述加热过程的加热装置可以是可以在小的加热区中供应高能量的激光装置。
用于拉丝过程的拉丝设备优选具有纤芯位置调节机构以保持纤芯的位置，从而保持预制棒的圆形度。通过调节拉丝条件可以控制POF聚合物的取向，从而可以控制机械性质(例如抗弯性能)、热收缩等。
在图16中，显示了制造POF117的制造设备180。通过转接器181由垂直移动臂182(以下称作“臂”)承载预制棒115。通过垂直移动螺杆183(以下称作“螺杆)的旋转移动臂182在垂直方向上可移动。当旋转螺杆183来向下缓慢移动(例如1毫米/分钟至20毫米/分钟)臂182时，预制棒115的下端进入包含在加热器185中的中空圆柱形加热炉184中。后面将说明加热炉184的细节。优选提供供气装置来使加热炉184处于惰性气体气氛下。
要供应的惰性气体的实例是氮气、氦气、氖气和氩气，但是惰性气体的种类不局限于上面列出的气体。就制造成本而言，优选使用氮气。就热导率而言，氦气是优选的。在获得所需热导率并且降低制造成本方面优选混合气体，例如氦气和氩气的混合气体。因为供应惰性气体来保持加热炉处于惰性气体气氛中并且控制加热炉184中的热导率，所以可以循环惰性气体。可以与加热炉184连接气体循环装置186来循环惰性气体，从而降低惰性气体的成本。惰性气体的优选供应取决于加热条件和要供应的气体种类。至于氦气，供应优选为1升/分钟至10升/分钟(室温下)。
使用直径测量装置187测量熔拉过程后的POF117的直径，然后绕着卷轴188卷绕POF117。控制臂182的移动速度、加热炉184的加热温度、卷轴188的卷绕速度等，从而获得具有所需直径的POF117。
通过具有优异粘附性的材料，预制棒115的一端紧密接触或者固定到转接器181上。为了抽空(减压)预制棒115的中空部分，与转接器181连接减压线路190。减压线路190具有压力表191、缓冲罐192、真空设备193和压力控制阀194。可以使用真空泵和减压鼓风机作为真空设备193。转接器181以气密的方式密封减压线路190和预制棒115的中空部分121之间的连接。减压程度优选等于或者高于(-10kPa至大气压)且等于或者低于(-0.4kPa至大气压)。如果中空部分121中的压力低于(-10kPa至大气压)，由于预制棒115内壁收缩太多预制棒115趋向于变形。另外，POF117的外径因为收缩中空部分121的位置波动而变得不均匀。如果中空部分121中的压力高于(-0.4kPa至大气压)，难以或者不可能在熔拉过程中降低在POF117中产生的气泡的量，并且难以或者不可能通过熔拉过程封闭预制棒115中的中空部分。
减压压力距设定压力P(Pa)的变化范围优选为0.001×P(Pa)至0.05×P(Pa)。作为替代，减压压力的变化优选等于或者小于0.5kPa。因而，可以保持封闭预制棒115的中空部分121的位置并且完全封闭中空部分121。因而，可以制得具有均匀直径的POF17。
在图17中，显示了加热炉184。气体循环装置186供应惰性气体，使加热炉184处于惰性气体气氛中。加热炉184包括五个沿着对预制棒115拉丝的方向堆叠的加热器单元200、201、202、203和204。加热器单元的数量不局限于五个。加热炉184优选具有2个加热器单元至10个加热器单元，更优选3个单元至8个单元。尽管一个气体循环装置186与加热炉184连接，但是对于每个加热器单元200-204可以提供多个气体循环装置。对于每个加热器单元200-204单独配备气体循环装置186。可以对于多个加热器单元提供一个气体循环装置。
在最上面加热单元200的顶面上提供孔板205。在相邻的加热器单元之间提供孔板206-209。在最下面加热器单元104的底面上提供孔板210。这些孔板205-210可以产生多个可以独立调节温度的加热段。各个加热段可以分别具有温度计211-215。基于温度计211-215测量的每段中的温度，控制加热器单元200-204的输出功率。由加热器单元200-204加热的每段中的温度波动优选小于或等于0.5℃。因而，可以保持封闭预制棒115的中空部分的位置并且完全封闭中空部分。
优选在孔板205的顶侧连接密封部件216。当密封部件216与预制棒115接触时，密封部件216表现出高的密封作用，所以密封部件216需要具有耐热性和不会损伤预制棒115的柔软性。作为密封部件216的材料，碳毡和例如硅橡胶的橡胶片是优选的。只要不损伤预制棒115，可以使用具有优异耐热性的玻璃和陶瓷。至于对中空部分封闭的熔融预制棒115拉丝的拉丝条件，可以施用对无中空部分的预制棒拉丝的抽丝条件。拉丝张力可以在JP-A第7-234322和7-234324号中描述的范围内。还优选使用调节外径的机械来控制POF外径的波动。
通常，为了改善抗挠性和耐气候性、防止吸湿引起的性质降低、改善拉伸强度、提供耐冲模性、提供耐燃性、保护不受化学试剂损害、防止来自外部光的噪声、增加着色值等等，POF至少涂敷了一层保护层。只要不影响塑料光纤的性质，可以按照第三过程中与拉丝过程接替进行涂敷过程。涂层结构的细节与实施方案1中所述的相同。
将参考作为本发明实施例的实施例(7)-(9)和作为比较的实施例(10)-(11)详细地说明本发明。只要改变在本发明的精神内，将改变材料、含量、操作等。因此，本发明的范围不局限于下述的实施例。下面的说明书详细地解释了实施例(7)。至于实施例(8)-(11)，将解释与实施例(7)不同的部分。
(实施例7)预制棒115的细节与根据实施方案1的实施例1中解释的相同。将预制棒115固定到图16中所示的转接器181上。加热炉184包括五个加热器单元200-204，每个加热器的内径为80毫米。加热器单元200-204的温度相对预制棒115的拉丝方向从上游侧依次为215℃、164℃、144℃、111℃和60℃。没有密封部件与加热炉184的顶侧连接。以大约2毫米/分钟的恒定速度将预制棒115送入加热炉184中。当预制棒115的前端熔化并且细丝状熔融的预制棒向下移动时，操作减压线路90，从而在中空部分121中的压力P为(-1.0kPa至大气压)的条件下进行熔拉过程。以10米/分钟的拉丝速度获得长度为500米且外径为300微米的POF117。拉丝过程16期间减压压力的波动为0.02kPa。在第二加热器单元201中封闭中空部分121。上侧加热器单元200-203的温度波动为±0.2℃，并且最下面的加热器单元204的温度波动为±0.4℃。
使用CCD相机在整个长度上扫描所得的POF117，但是没有发现由于不正确封闭中空部分所引起的气泡。在650纳米的波长下(使用激光装置)POF117的传输损失为145dB/km，所以实现了良好的结果。
(实施例8)
预制棒115具有32毫米的外径D11、7毫米的内径D12(中空部分的直径)和1毫米的套管的厚度t11。如实施例7中所述，将预制棒115固定到转接器181上。加热器单元200-204的温度相对预制棒115的拉丝方向从上游侧依次为245℃、189℃、144℃、111℃和60℃。没有密封部件与加热炉184的顶侧连接。以大约1.2毫米/分钟的恒定速度将预制棒115送入加热炉184中。在中空部分121中的压力P为(-8kPa至大气压)的条件下进行熔拉过程。获得长度为300米且外径为750微米的POF117。拉丝过程16期间减压压力的波动为0.1kPa。在第二加热器单元201中封闭中空部分121。上侧加热器单元200-203的温度波动为±0.2℃，并且最下面的加热器单元204的温度波动为±0.3℃。
使用CCD相机扫描所得的POF117，但是没有发现由于不正确封闭中空部分所引起的气泡。POF117的传输损失为140dB/km，所以实现了良好的结果。
(实施例9)预制棒115具有50毫米的外径D11、6毫米的内径D12(中空部分的直径)和1毫米的套管12的厚度t11。加热器单元200-204的温度相对预制棒115的拉丝方向从上游侧依次为270℃、223℃、173℃、131℃和83℃。与加热炉184的顶侧连接由硅橡胶制成的密封部件216。以大约1.0毫米/分钟的恒定速度将预制棒115送入加热炉184中。在中空部分121中的压力P为(-5kPa至大气压)的条件下进行熔拉过程。获得长度为250米且外径为1.0毫米的POF117。拉丝过程16期间减压压力的波动为0.05kPa。在第三加热器单元202中封闭中空部分121。上侧加热器单元200-203的温度波动为±0.1℃，并且最下面的加热器单元204的温度波动为±0.3℃。
使用CCD相机扫描所得的POF117，但是没有发现由于不正确封闭中空部分所引起的气泡。POF117的传输损失为147dB/km，所以实现了良好的结果。
(实施例10)在作为比较实施例的实施例10中，除了中空部分中的减压压力为(-15kPa至大气压)外，按照与实施例7中相同的条件制得长度为500米的POF。拉丝过程16期间减压压力的波动为0.8kPa。在第二加热器单元201中封闭中空部分121。上侧加热器单元200-203的温度波动为±0.2℃，并且最下面的加热器单元204的温度波动为±0.4℃。在所得的POF中，有5个由于不正确封闭中空部分所引起的气泡。POF117的传输损失为185dB/km，其高于实施例(7)-(9)。
(实施例11)在作为比较实施例的实施例11中，预制棒115具有20毫米的外径D11、7毫米的内径D12和0.5毫米的套管厚度t11。从加热炉184中拆下减压线路190，所以中空部分121不接受减压。发现许多由于不正确封闭中空部分所引起的气泡。POF117的传输损失为250dB/km。
工业应用性本发明适用于例如塑料光纤、光学连接器、透镜、光学膜等的光学部件。另外，本发明适用于通过熔拉管状基体材料来制造结构。
权利要求
1.一种塑料光纤的制造设备，其通过将塑料光纤基体材料通过在加热炉顶侧形成的顶部开口插入到该加热炉中，并且通过在所述加热炉中熔拉所述塑料光纤基体材料，从而通过在所述加热炉底侧形成的底部开口对所述塑料光纤拉丝来制备所述塑料光纤，所述设备包括至少三个沿着对塑料光纤拉丝的方向布置的加热器单元，所述加热器单元能够独立控制所述加热炉中的温度；多个分隔部件，用来将所述加热炉分成多个段，每段中具备所述加热器单元；及密封部件，提供在所述加热炉的顶侧和底侧至少之一上，用来将所述加热炉与外部空气隔开。
2.根据权利要求1的制造设备，其中所述密封部件与所述加热炉的顶侧连接，并且在密封部件中形成的用来通过塑料光纤基体材料的开口的直径D3(毫米)满足下面的条件1.2×D1＜D3≤1.5×D1其中，D1(毫米)是所述塑料光纤基体材料的外径。
3.根据权利要求1的制造设备，其中所述密封部件与所述加热炉的顶侧连接，并且在所述密封部件中形成的用来通过所述塑料光纤基体材料的开口的直径D3(毫米)满足下面的条件0.75×D1≤D3≤D1其中，D1(毫米)是所述塑料光纤基体材料的外径。
4.根据权利要求1的制造设备，其中所述密封部件与所述加热炉的底侧连接，并且在所述密封部件中形成的用来通过所述塑料光纤的开口的直径D6(毫米)满足下面的条件1.2×D5≤D6≤10×D5其中，D5(毫米)是所述塑料光纤的外径。
5.根据权利要求1的制造设备，其进一步包括提供在所述加热炉顶侧和所述密封部件之间的具有耐热性的中空隔板。
6.根据权利要求1的制造设备，其进一步包括用来供应包括氦气、氩气和氮气中至少之一的气体的供气装置。
7.一种制造塑料光纤的方法，所述方法包括步骤(a)独立控制用来熔拉塑料光纤基体材料的加热炉中每个分隔段中的温度，从而使每段中的温度变化相对预定温度为±0.5℃，在所述加热炉的顶侧和底侧至少之一提供将所述加热炉与外部空气隔开的密封部件；(b)将所述塑料光纤基体材料插入到所述加热炉的顶侧形成的开口中；及(c)在所述加热炉中熔拉所述塑料光纤基体材料，从而通过在所述加热炉底侧形成的开口对塑料光纤拉丝。
8.一种制造塑料光纤的方法，所述方法包括步骤(a)在加热炉中熔拉中空圆柱形塑料光纤基体材料，所述光纤基体材料具有其中形成中空部分的纤芯部分以及绕着该纤芯部分的包层部分；及(b)在熔拉所述塑料光纤基体材料期间，将所述纤芯部分的所述中空部分在从(-10kPa至大气压)至(-0.4kPa至大气压)的压力下进行减压。
9.根据权利要求8的制造方法，其中沿着对塑料光纤拉丝的方向将所述加热炉分成多个段，独立控制每段中的温度，所述方法进一步包括步骤(c)控制在从插入所述塑料光纤基体材料的段至其中所述纤芯部分中的所述中空部分消失的段的各段中的温度，从而使每段中的温度变化相对设定温度在0.5℃以内。
10.根据权利要求8的制造方法，其中所述减压压力的变化为0.001×P至0.05×P，其中P表示所述减压压力的设定值。
11.根据权利要求8的制造方法，其中所述中空部分中的所述减压压力的变化等于或小于0.5kPa。
12.根据权利要求8的制造方法，其中所述塑料光纤基体材料的直径D11(毫米)为10毫米至100毫米。
13.根据权利要求8的制造方法，其中所述塑料光纤基体材料的所述中空部分的直径D12(毫米)满足下面的条件0.05×D11≤D12≤0.04×D11其中，D11(毫米)是所述塑料光纤基体材料的外径。
14.根据权利要求8的制造方法，其中所述纤芯部分的主要组分是可以本体聚合的单体的聚合物。
15.根据权利要求14的制造方法，其中所述聚合物是丙烯酸树脂。
16.根据权利要求8的制造方法，其进一步包括步骤(d)将包括可聚合单体和折射率控制剂的反应溶液倒入至少具有所述包层部分的中空圆柱形管；(e)使所述中空圆柱形管保持基本上水平；及(f)在旋转所述中空圆柱形管的同时聚合所述反应溶液来形成所述塑料光纤基体材料，因而所述纤芯部分具有其中折射率从与所述中空部分的界面向与所述包层部分的界面降低的折射率分布。
17.根据权利要求16的制造方法，其中所述可聚合单体是甲基丙烯酸甲酯。
全文摘要
将预制棒(15)从杆(72)悬挂在加热炉(74)中。加热炉(74)具有五个加热器单元(90－94)。供气装置(77)向加热炉(74)供应氮气。通过孔板(95－100)将加热炉(74)分成五个段，并且由在每段中提供的加热器单元(90－94)控制每个分隔段中的温度。连接到加热炉(74)顶侧的密封部件(106)将加热炉(74)从外部空气中隔开，所以可以防止加热炉(74)的分隔段中的紊乱。
文档编号G02B6/00GK1938617SQ20058001056
公开日2007年3月28日 申请日期2005年3月29日 优先权日2004年4月2日
发明者佐藤隆则, 中田周二, 气贺泽忠宏, 白仓幸夫 申请人:富士胶片株式会社