光传输介质以及制备光传输介质的方法和设备的制作方法

专利名称：光传输介质以及制备光传输介质的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于制备光传输介质的方法和用于制备光传输介质的设备，尤其涉及优选用于配制塑料光传输介质的制备方法和设备。本发明也涉及具有优良机械性能的塑料光传输介质。
背景技术：
近年来，基于塑料的光传输介质已引起了广泛关注，其取代了先前基于硅材料的光传输介质。由于基于塑料的光传输介质的种种优点，比如与具有相同结构的基于硅的光传输介质相比，其制备更为简便并且可以较低的成本加工，因此基于塑料的光传输介质广泛用于包括光纤和光学透镜在内的各种实际应用中。由于塑料光纤中的基本(element)纤维的整个区域由塑料材料构成，并由此具有略大的传输损耗，因而塑料光纤略次于硅基光纤，但是，塑料光纤具有优良的柔性、重量轻的特性、可成形性、并且在制备大孔径纤维和低成本制备方面具有更好的适用性，因而塑料光纤在以上这些方面优于基于硅的光纤。这样，可以将塑料光纤作为用于光通信的传输介质来进行研究，其中塑料光纤所适用的光通信是在相对短的距离上起作用，以使得大的传输损耗可以忽略不计。
塑料光纤通常具有由有机化合物构成的中心芯部(在规范中称为“芯区”)，并且包括一聚合体母材(matrix)，以及由有机化合物构成的外部包皮(shell)(在规范中称为“涂层区”)，其折射率不同于(通常小于)芯区的折射率。已经提出了用于配制塑料光纤的各种方法，比如直接拉丝法、挤压拉伸法或包括制备预制棒(preform)和拉伸母材的方法。特别是，沿着从芯部到外部的方向具有分布的折射率的塑料光纤最近已得到了高度的关注，这种光纤能够确保高的传输容量。
已知的制备塑料光纤的传统方法中的一种涉及一种制备光纤的预制棒，然后拉伸该预制棒的方法。例如，用于制备具有优良的光传输特性的梯度折射率纤维的已知方法中的一种方法，包括通过界面凝胶方法制备它的预制棒。通常，该预制棒在圆柱形加热炉中加热时，对其进行拉伸，该加热炉由电加热器等加热其内部空间。例如，预制棒悬挂在加热炉的上端，并慢慢地使其向下通过加热炉从而使得该预制棒熔融。加热预制棒从而使其充分软化以允许纤维拉丝，并在然后向下拉伸位于预制棒下端的熔融部分，并使其在拉坯辊(pulling roll)之间通过。如此可进行连续的拉伸。
在传统的圆柱形加热炉中，由于塑料材料低的热传导性，预制棒表现出在其表面快速的温度上升，而在其内部则表现出较慢的温度上升。为了使预制棒的全部的温度上升到足以允许进行拉伸的温度，预制棒必须在炉子中保持很长的时间。因此，预制棒在加热炉中接受不必要的加热历程(heat history)，从而引起诸如树脂分解等的热退化。这样就降低了所获得的纤维的光特性。
另一方面，为了提高生产率，有必要使拉伸速度加快。然而，为了使拉伸速度更快，就会缩短预制棒在加热炉中的停留时间，从而使预制棒到达加热炉的拉伸区域时，其中心芯部尚未充分加热和熔融，并且有可能出现拉伸失败的问题。更具体而言，预制棒的中心芯部的不充分加热和熔融出乎期望地增加了拉伸张力，并且使合成的纤维在直径上变大，难于弯曲，而且拉伸度也不充分。这可以引起诸如张力计的失效和拉坯辊的损坏等问题。此外，在预制棒吊架上施加过度的张力会引起比如预制棒折叠器、万向接头、纤心调节器等的各种结构的断裂的问题。
在用于增大拉伸速度的同时避免拉伸失败的一种已知方法中，多个加热炉单元堆叠在一起以增加预制棒的停留时间，并由此允许对预制棒进行充分加热以加热至其的纤芯部分。较快的牵引速度旨在提高生产率，然而，不可避免地增加了加热炉的高度，这使得很难均匀地拉伸出具有有限长度的预制棒的整个长度，并且增大了损耗从而降低了预期的生产效率。典型地由多个加热炉单元堆叠在一起而延长了预制棒的加热区域所带来的另一个问题在于，可能加热到其熔点或更高温度的预制棒的范围可能过长，并且从加热炉内部在一宽范围内开始拉伸预制棒。在这种情况下，即使在温度中的最小的不均匀性或在加热炉中的波动也能够改变拉伸的开始位置和使拉伸的开始位置不稳定，并且拉伸的开始位置的向上或向下的移动将抑制稳定的拉伸。
另一个问题在于预制棒的直径在从开始拉伸的位置向着拉伸结束的位置的方向上逐渐地减小，并且随着预制棒的直径变小，拉伸纤维的速度将加快。因此，除非在获得预定的纤维直径之后快速的冷却纤维，否则纤维就会在处于软化状态下的时候接触到传送部件，比如拉坯辊，并且这将引起纤维的扭转或偏斜。在传统的加热炉中，由于来自加热区域的传导热或辐射热，不能有效地冷却拉伸出的纤维，并且有时这将增大主要归因于结构不一致的传输损耗，比如在芯皮界面处的不匹配、芯直径的变化和微弯。
在拉伸过程中调节张力也是在塑料光纤的制造中的重要因素。例如，太小的张力很可能会使所获得的光纤的强度降低，并且甚至在敷设等过程中，在弱张力下的操作也足以使其断裂。相反，太大的张力则会提高拉伸纤维在其纵向方向上的抗张强度，但会使纤维在弯曲时变得很脆(会降低打结(knot)强度)，并且这也增加了实际的问题。在通过拉伸来使分子定向(orient)的同时，这种分子定向出乎期望地增大了热收缩的系数，使的纤维的局部收缩随环境发生变化，并因此降低光纤的光学特性。因此，强烈需要提供一种不仅在纵向方向上具有所需强度，而且在其横向方向上也具有所需强度的塑料光纤，并且不会由于不均匀的延长和收缩引起光学特性的损坏。
需要进一步指出，预制棒的传统拉伸过程中的张力主要是受加热炉温度调节的影响，但是实际上很困难在拉伸过程中通过调节加热炉的温度来控制张力，而且对具有前述特性的塑料光纤的稳定制备也尚未实现。传统的方法也受到由于在加热炉中拉伸开始点的波动，并且由于在纵向方向上预制棒的不均匀的熔融状态而使得光纤直径不稳定的问题的困扰。
发明概述本发明的一个目的是提供一种能够以稳定和高产率方式制备具有理想特性的光传输介质的方法和设备。
本发明的另一个目的是提供在敷设等过程中具有高强度、优良的操作特性，以及减缓了伸长特性的各向异性的塑料光传输介质，以及用于制备这种塑料光传输介质的方法和设备。本发明的另一个目的是提供能够减小所获得的纤维直径的变化的方法，并确保优良的制备稳定性，以及用于该方法的设备。
一方面，本发明提供一种用于制备光传输介质的方法，该方法包括拉伸光传输介质的预制棒的熔融部分以形成光传输介质的拉伸步骤，其中，在拉伸步骤中，通过激光辐射加热该预制棒，从而使其部分地熔融。
依据本发明的上述实施例，通过激光辐射加热预制棒，从而使其部分地熔融，并且拉伸该熔融部分。由于激光辐射不仅可以有选择地在极有限的区域中加热预制棒，而且可以瞬时和大功率的方式深入加热预制棒的内部，因而即使在高速拉伸的情况下也可以避免拉伸失败。与在传统的加热炉中加热预制棒相比，可以减少预制棒所接收的热历程(heat history)，并且在稳定地制备具有理想特性的光传输介质方面也是有利的。由于典型地来自加热炉的热传导，尽管传统的方法受到光传输介质的不充分冷却的影响的困扰，在该实施例中，加热炉也是可省略或可以减小尺寸的，并且这成功地解决了由于不充分冷却引起的光纤传输损耗的问题。
控制激光输出比传统加热炉的温度控制更容易，而且不会由在加热炉中可观察到的对流、辐射等引起任何传热，并且能够确保通过利用狭窄的辐射区域十分快速地响应温度控制。通过控制激光的输出调节光传输介质的直径可确保具有均匀直径的光传输介质的稳定制备。
如本发明的实施例，提供由塑料构成其中所述预制棒的方法，所述激光具有0.7到20.0微米的波长；在该方法的拉伸步骤中，至少控制激光的输出以调节光传输介质的直径；在该方法中激光的辐射能量效率是1％或大于1％；在该方法中激光器是二氧化碳气体激光器；在该方法的拉伸步骤中，所述激光辐射的区域的直径DL满足下面的关系公式(1)DL≤2.5×DP(1)其中DP(mm)是垂直于所述预制棒的纵向方向的平面的横截面的最外部直径，在该方法的所述拉伸步骤中，从两个或多个彼此不同的方向辐射所述激光至所述预制棒；该方法进一步包括在所述拉伸步骤之前，使用不同于激光加热源的加热源以低于预制棒的玻璃相变点的温度预加热所述预制棒的预加热步骤；在该步骤中所述预制棒具有折射率的分布；并且在该步骤中所述激光是脉冲激光。
如本发明的实施例，提供在拉伸步骤中以固定方向旋转预制棒的方法。
依据上述实施例，在加热下拉伸预制棒的同时，以固定方向旋转预制棒，从而获得光传输介质。在加热条件下的拉伸过程中，旋转预制棒，并且分子的定向由拉伸矢量和旋转矢量之和确定。以通过远离传输介质的纵向方向的预定角度倾斜定向光传输介质中的分子，并且分子的这种倾斜定向有助于提高垂直于纵向方向的横向方向上的强度，而且减小伸长特性的各向异性。由于拉伸轴的位移，在旋转下的拉伸也可减小在结构和直径中的不均匀性，并能提高生产稳定性。
如本发明的实施例，提供的该方法中，围绕几乎平行于拉伸轴的轴旋转所述预制棒；在该方法中，(Lr/Ld)的值落在从0.01到95的范围内，其中Ld表示由于拉伸产生的在拉伸方向上引起的在所述预制棒的表面上任意点的每单位时间上的最大位移，而Lr表示由于旋转产生的在垂直于拉伸方向上引起的其任意点的每单位时间上的位移；并且在该方法中，拉伸角度落在从5°到85°的范围内。
另一方面，本发明提供用于制备光传输介质的设备，其包括用于利用激光辐射部分地加热和熔融光传输介质的预制棒的加热装置，以及用于拉伸预制棒的熔融部分的拉伸装置。
如本发明的实施例，提供的设备进一步包括用于检测拉伸出的预制棒的直径的控制装置，并且基于该检测值至少控制所述激光的输出；其中所述加热装置是使用激光辐射在辐射区域中部分地加热和熔融所述光传输介质的加热装置，其中具有直径DL(mm)的辐射区域满足下面的关系公式(1)DL≤2.5×DP(1)其中DP(mm)是垂直于所述预制棒的纵向方向的平面的横截面的最外部直径。设备进一步包括在通过所述加热装置部分地加热和熔融所述预制棒之前，以低于其玻璃相变点的温度，对所述预制棒进行预加热的预加热装置；在该设备中，所述预加热装置是通过使得所述预制棒通过以低于所述预制棒的玻璃相变点的温度为条件的腔室来对所述预制棒进行预加热的装置。在设备中，所述加热装置能够以1％或大于1％的能量效率加热所述预制棒；在设备中，所述拉伸装置是通过在向下输送所述预制棒的速度和向下拉伸所述预制棒的速度之间产生速度差，来将所述预制棒拉伸成纤维的装置；在该设备中，所述拉伸装置是通过在向下输送所述预制棒的速度v1和向下拉伸所述预制棒的速度v2之间产生的速度差，来将所述预制棒拉伸成纤维的装置，并且所述控制装置是基于所述检测的值，进一步控制v1和/或v2的装置；该设备进一步包括在拉伸过程中用于保持所述旋转的预制棒的同时支持所述预制棒的旋转支持装置。
另一方面，本发明提供一种由塑料构成的塑料光传输介质，其中以不平行所述塑料光传输介质的纵向方向的特定方向定向塑料的分子。
由于如通过远离传输介质的纵向方向的预定角度倾斜地均匀定向本发明的塑料光传输介质中的分子，光传输介质不仅在纵向方向上具有大的强度，而且在横向方向上也具有大的强度。因此，除了在纵向方向上的抗张强度，光传输介质在比如打结强度、弯曲强度等各种特性方面都是优良的，这些优良的特性在敷设过程中是实际需要的。并且由于通过远离传输介质的纵向方向的预定角度倾斜地均匀定向分子，减小了归因于分子定向的各向异性，而且成功地避免了由于不均匀的伸长而引起的光学特性(光学损耗等)的降低。
如本发明的实施例，提供塑料光传输介质，其中围绕几乎平行于所述塑料光传输的纵向方向的轴螺旋定向塑料的分子；其中以远离所述塑料光传输的纵向方向5°到85°倾斜地定向所述塑料的分子；当在以70℃和40％RH为条件的耐气候性测试中进行48小时的检测时，其具有2％或小于2％的收缩因数；并且塑料光传输介质具有50Mpa或大于50Mpa的打结强度。
附图简述

图1是用于本发明的一个实施例中的示意性制备设备的横截面示意图；图2A和2B是示出了在拉伸下的预制棒的示意图；图3A和3B是示出了本发明的塑料光传输介质的另一个实施例的示意图。
发明的详细描述下面描述本发明的一些实施例，其中这些实施例仅用于描述，而且本发明并不受限于这些实施例。
本发明的方法适用于制备塑料光纤的方法。
下面参考相关的附图描述本发明的第一实施例。
图1是一个拉伸设备的横截面示意图，该拉伸装置适用于依据本发明的制备光传输介质的方法的一个实施例。在图1中示出的拉伸设备也是用于制备依据本发明的光传输介质的设备的一个实施例。
图1中示出的拉伸设备，包括用于支持棒状预制棒9的臂1、用于加热预制棒9的激光发生装置11、以及在预制棒9在加热下软化之后用于拉伸预制棒9的一对拉坯辊15，其中使用激光发生器11通过激光辐射对预制棒9进行加热。臂1连接至通过电机4驱动的螺杆驱动器3的螺杆2，并且构造螺杆以使其可以上升或下降。将臂1设计成可以借助于对准装置5在水平方向移动预制棒9的中心轴，从而校正拉伸轴的位移。在臂1的端部，万向接头7和预制棒支持器8是连结在一起的，从而可以悬挂方式支持预制棒。
通过准直仪12对从激光发生器11发射的激光进行准直，然后通过包括适用于二氧化碳激光器的锌-硒透镜、反射镜等的光学系统调节激光的强度和辐射图案，并且随后将激光辐射至预制棒9上。根据场合需要，可以使用单独一组准直仪12或者两组或多组准直仪12以及光学系统。更为优选地是从彼此不同的两个或两个以上方向辐射预制棒9，这样可以更为均匀和快速地加热预制棒9。同样优选地方案是在预制棒9周围设置多个激光发生器，并使用单独的发生器辐射预制棒。还优选地，使用反射镜或诸如此类的装置对来自激光发生器的激光进行分光，从而可以从彼此不同的多个方向辐射预制棒9。需要注意，对于如图1所示的仅从一个单独方向辐射激光的情况，使用多个激光发生器可以更快速地加热预制棒9。
辐射到预制棒9的激光被预制棒9吸收，并且以快速和均匀的方式加热预制棒9。为了更有效的辐射预制棒9，优选将激光辐射图案的直径调节的稍微大于预制棒的直径。然而，这种激光辐射区域略大的调节使得激光的一部分直接到达预制棒9的后面而不会被预制棒9吸收。在，入射至预制棒9的激光束也能够在预制棒中被折射之后，部分地穿过，并且再次到达预制棒的后面。因此，基本上必须使用诸如耐火砖等的材料，构造至少一壁表面，使得激光可以入射到该壁表面，从而即使在壁表面直接曝光于激光的情况下，也可以避免热拉伸设备的内部部件的断裂。对于在图1中示出的示例性的情况，优选在圆柱形腔室10`的内壁上设置耐火砖等，其中预制棒在该圆柱形腔室内被辐射。
对于在预制棒9周围设置多个激光发生器，并且通过单独的激光发生器辐射预制棒9的示例性情况，将这些发生器中的任何发生器相对设置，同时将预制棒9设置在其中间，这将会导致由来自其它激光发生器的激光引起的一个激光发生器或其中的光学系统的损坏。因此，对于使用多个激光发生器辐射预制棒9的情况，优选以远离预制棒9的纵向方向的特定角度辐射激光，从而使得相对的激光发生器不会受到激光的辐射。更具体地，优选地设置激光发生器11以避免激光发生器位于相同的平面上。如果在同一平面上设置激光发生器，优选使用奇数个激光发生器用于辐射，或者优选使用反射镜等以一定的角度倾斜光路。为了提高激光的辐射效率，也允许使用反射镜等以指引激光，使激光一旦到达预制棒后面就再次返回到预制棒上。还允许在预制棒9的纵向方向上传导多级激光辐射。
还优选在旋转预制棒的同时辐射激光，从而可以更均匀地将热量施加于预制棒。例如，通过在臂1和预制棒折叠器8之间设置一旋转装置，并通过围绕预制棒9的中心轴(沿着纵向方向)旋转预制棒9，激光可以沿着预制棒的圆周更加均匀地进行辐射。
辐射至预制棒9的激光的输出影响纤维9`的直径。因此激光不仅可以作为用于加热和熔融预制棒9的装置，而且可以作为用于控制纤维9`的直径的装置。例如，在从加热器10至拉坯辊15的路径上，由一个激光测量计14b对纤维9`的直径进行检测，并控制激光发生器11的输出，从而使检测到的纤维直径与预定的最佳值之间的偏差减小至零。利用如图1所示的计算机17可以方便地控制激光发生器11的输出。也允许不仅根据纤维9`的直径，而且根据从张力计14a获得的预制棒9的张力，和/或根据从距离计数器14c获得的检测值，来控制激光发生器11的输出。
这里需要注意，如后面描述的，通过控制拉坯辊15的拉伸力可以调节纤维9`的直径，但考虑到使光学特性稳定(level)，控制激光输出将更为有利。随后将描述该问题的原因。
工业应用的大功率输出的激光发生器包括准分子激光器、YAG激光器和二氧化碳气体激光器。激光发生器11可以是这些激光发生器中的任何一种，其中倘若能够提供用于以集中方式熔融预制棒的充足的能量，则其它任何类型的激光发生器也是可以使用的。由于预制棒9由塑料构成，优选使用适于有机化合物的伸长振动模式(stretching vibration modes)的长波长激光器，其中其波长位于从0.7到20.0微米的范围内。具体地，由于二氧化碳气体激光器能够产生高至10kW左右的输出，能够向预制棒9提供充足的能量，并且由于其激光的波长匹配有机化合物的伸长振动模式，可以有效地将施加的能量转换成热量，所以二氧化碳气体激光器是优选的。另一方面，由于准分子激光器仅能够产生较低的输出，并且其主要运转与紫外区域中的分子的分裂有关，因而准分子激光器适用于加热以金属为基础、以陶瓷为基础或以玻璃(排除石英)为基础的预制棒，而不适用于由塑料构成的预制棒的本实施例。当使用1.064nm的基波时，YAG激光器能够产生高达几千瓦的输出。
脉冲激光在易于稳定输出方面，比连续波激光器更具优势，并且考虑到更易于在加热过程中控制热量，脉冲激光是特别优选的。在本实施例中需要对由塑料构成的预制棒进行拉伸，因此二氧化碳气体激光器的脉冲辐射是更优选的。
通过从激光发生器11发射的激光加热和熔融预制棒9，其中也允许利用如图1所示的电子加热器，将激光发生器11与传统加热炉结合使用。通过利用多个加热器，可以更有效地加热预制棒9，并且加热器可以减小其体积和成本。加热炉10具有圆柱形状，并通常被分成垂直堆叠的两个或多个隔间，并且独立地控制各个隔间的温度。在隔间的每个接口处设置一环形的孔，并保持与预制棒相距1mm至5mm的距离。尽管并不禁止预制棒9和该孔之间的距离小于1mm，该距离优选地保持于上面的范围中，从而避免考虑预制棒的直径的变化和使用对准装置5的一致性的问题。优选地，将加热器10的各个隔间的内部空间的温度控制在不引起促进预制棒9的退化的温度上，并且对于聚合物的典型情况，通常优选将温度控制在低于聚合物的Tg(玻璃相变点)的范围中(通常40℃到120℃)。然后，纤维9`通过设置于加热炉10下游的冷却室21的内部空间，该冷却室由从冷却风扇20提供的冷空气供给，这样可对纤维进行冷却。由于来自加热炉的热传导，小体积的加热炉10对避免光纤的冷却抑制是有利的。这优选用于减小归因于光纤不充分冷却的传输损耗。在本实施例中，通过激光辐射实现预制棒的加热和熔融，从而不需要按比例增加加热炉10。更确切地说，减小加热炉10的体积可理想地减小由于不充分冷却而引起的光纤传输损耗的可能性。
设计一对拉坯辊15以在箝捏部分中箝捏预制棒9，并使其向下拉伸。通过可以调节向下拉伸力的牵引电机16驱动两个拉坯辊中的一个。将未由电机驱动的另一个拉坯辊设计为由一个加压装置18对其施加压力，使其压向由电机驱动的拉坯辊，从而该拉坯辊可以跟随电机驱动辊旋转。典型地，计算机可以根据从用于检测预制棒9的张力的张力计14a、用于检测预制棒9的直径的激光测量计14b、和/或在从加热器10至拉坯辊15的路径上设置的距离计数器14c获得的检测值对预制棒9的向下拉伸速度进行控制。
通过在臂1的帮助下的控制预制棒9的下降速度，来取代控制拉伸速度，或和控制拉伸速度一起可以调节纤维的直径。依据本实施例，由于在通过臂1向下输送所述预制棒的速度v1和通过辊15向下拉伸所述预制棒的速度v2之间有差异，所以预制棒是被拉伸成纤维形式的。通过控制v1和/或v2可以调节光纤的直径。
下面的段落将描述利用上面描述的拉伸设备的拉伸方法的概况。
预制棒9连接至臂1的预制棒支持器8，并以悬挂方式支持该预制棒。当驱动螺杆驱动器3时，螺杆2以恒定的速度旋转，臂1下降，并且预制棒9插入加热器10。预制棒9由加热器10的各个隔间依次地预加热至低于Tg的温度。当预制棒9进一步下降，然后由从激光发生器11发射的激光的辐射加热预制棒9，并且设置于加热器10的下游的拉坯辊15对预制棒9的熔融末端进行拉伸，这样拉伸完成。臂1使预制棒9以预定速度下降，并由拉坯辊15以预定的速度对其进行拉伸，其中这两个速度之间的差使得预制棒连续地被拉伸成纤维形式，从而制备纤维9`。
通过利用激光辐射，以将高能量集中于一个小区域内的方式，可有选择地和瞬时地对预制棒9进行深入至其内部的加热，而且均匀和迅速地熔融预制棒9。图2A示意性示出了在由激光辐射加热下拉伸熔融的预制棒的情形，而图2B示意性示出了在使用加热炉加热下，拉伸熔融预制棒的情形。仅使用加热炉加热预制棒，由于热量从预制棒的表面逐步到达内部深处，因而在达到允许拉伸的温度之前，需要花费相对长的时间，并且在拉伸速度增大的情况下会出现诸如拉伸失败的问题。因此需要如图2B所示逐渐减小预制棒的直径。为了完全地加热预制棒，有必要使用大体积的加热炉，以使隔间堆叠至相当的高度，从而允许预制棒可以在加热炉内部保持较长的时间。然而这样，预制棒将接收不必要的热历程，因此出现热降解，比如其中的树脂分解，并且降低了其光学特性。还有必要在拉伸之后迅速地冷却光纤，但由于热传导或来自加热炉的辐射不能有效地冷却光纤，并且有时这将增大归因于诸如纤芯包层界面处的不匹配、纤芯直径的变化和微挠曲的结构缺陷的传输损耗。另一方面，由激光辐射的加热能够以大功率的方式加热至预制棒内部深处，并且即使在小区域中加热也能够升高至足以进行拉伸的温度。因此可将预制棒的直径突然地减小为如图2A所示的状态，并且可以升高拉伸速度。即使在使用加热炉的情况下，也不再需要扩大加热炉，甚或可减小加热炉的体积以减小由热传导引起的影响，并且这样能够解决可能由传统的加热炉引起的问题。
如图2A所述，激光辐射的优势在于可以以大功率方式在非常狭窄的区域中实现加热。利用由下面作为指标(index)的方程(2)确定的Ep可以确定加热的优选条件Ep＝1/2×(D1/L)(2)其中，D1表示在开始拉伸的位置(a)处预制棒的直径，而L表示位置(a)和通过拉伸使预制棒的直径变成1/2×D1时的位置之间的距离。
在本实施例中，Ep的值优选为0.25或大于0.25，更优选地为0.3或大于0.3，并且还更优选地为0.5或大于0.5，其中当实际考虑拉伸速度和加热区域之间的关系时，其上限是1.5。另一方面，对于使用如图2B所示的加热炉的情况，Ep通常落在从0.10至0.23左右的范围内。
在图1示出的拉伸设备中，由在纵向方向上设置于不同位置(在图1中上部和下部的两个位置)处的两种加热装置(加热炉10和激光发生器11)加热预制棒9，从而使预制棒9具有其中直径以不同的变化比率减小的部分“a”和“b”。在这种情况下，即，对于在纵向方向上对预制棒进行多步加热，并因此预制棒具有以不同的变化比率减小的直径的多个部分的情况，则假定表现为最大变化比率的部分(在图1中的位置“a”，并通常为最接近诸如拉坯辊的拉伸部件的部分)为拉伸开始位置(测量D1的位置)。
由激光辐射可能使得预制棒的最高温度达到过高的温度，这将引起预制棒的局部分解和热退化，并特别是在出现起泡的情况下，这将趋于抑制均匀的拉伸。另一方面，由于最低温度过低在拉伸过程中增大了张力，会引起强的分子定向，并由此趋于降低比如弯曲性能的特性，因而出于获得理想的纤维的考虑，太低的最高温度也是不理想的。
由于预制棒在拉伸轴上的一个宽范围上接收辐射，并且在预制棒中的多个点处开始拉伸，从而使拉伸不稳定，因此激光辐射中太大的辐射区域是不理想的。特别是当由激光辐射一具有分布折射率的预制棒时，由于预制棒可以具有分布的Tg，因而控制辐射区域是更重要的。辐射区域的直径过大也引起激光辐射处于扩散状态，这是不理想的，不仅由于预制棒的不充分辐射降低了辐射的效率，而且由于激光辐射没有落在预制棒上而会损坏拉伸炉。假定现在DP(mm)表示沿着垂直于纵向方向的平面获得的预制棒的横截面的最外部的直径，并且DL(mm)表示辐射区域的直径，当满足下面的关系式时，就可以成功避免前述的倾向，并可使光纤具有更高的产率。
DL≤2.5×DP (1)当考虑激光辐射区域周围可能的辐射、预制棒的直径和构成预制棒的材料的传导率时，即使DL的下限降到其直径之下也可以熔融预制棒。当辐射区域的直径的下限随前述的因素变化时，认为其具体值为至少DP的0.7倍或左右。也就是说，DL优选落在0.7×DP至2.5×DP的范围内，更优选地，落在1.2×DP至于1.5×DP的范围内。
需要注意，在本说明书中辐射区域的直径意味着在该直径上的输出分布的积分值达到98％或总和。通过改变散焦透镜的组合，可以调节辐射区域的直径。如果在激光辐射中的辐射区域为圆形，可以假定这种辐射区域的直径为DL，反之如果其不为圆形(例如椭圆形)，则假定最长直径和最短直径的平均值为DL。类似的，如果预制棒的横截面为圆形，则假定预制棒的直径为DP，反之如果不为圆形，则假定最长直径和最短直径的平均值为DP。
辐射至预制棒的激光的辐射能量越大越好。辐射能量效率优选为1％或大于1％。通过基于构成预制棒的材料，合适地选择激光的波长，可以提高能量效率。更具体的，对于预制棒由有机材料构成的情况，由于施加的能量可以有效地用于热量产生，优选使用适于有机化合物的伸长振动模式的长波长激光器。也允许通过调节激光辐射的区域提高能量效率。
需要注意，在上下文中的“能量效率”意味着用于升高预制棒的温度的能量(基于预制棒具体的热量和温度升高计算的能量)与全部辐射能量的比率。
通过控制激光的输出优选调节纤维的直径。通过调节激光的输出，能够获得，不仅在纤维直径上，而且在其光学特性上均表现出卓越的均匀性。存在另一种根据牵引速度(pulling speed)来控制直径的方法。例如，通过检测光纤直径和通过控制牵引速度可以以高精度确保直径的均匀性，从而保持检测值的恒定。控制牵引速度以保持外部直径恒定不变，然而，在拉伸预制棒的方法中，通过改变拉伸速度(drawing speed)来产生具有预定外部直径的纤维。当以高速度拉伸预制棒时，张力增大，而且由预制棒的母材构成的树脂分子高度地排列成定向(orient)状态。相反，当以低速度拉伸预制棒时，和上面相比张力减小，并且和上面相比分子排列程度较低。即使对于不易于定向和结晶的具有母材树脂的材料，也可以观察到随拉伸速度的不同，分子定向中的这种变化。这对纤维的机械强度造成负面影响，并就纤维的均匀性而言也是不理想的。依据短周期性的张力的变化会引起分界面的不一致性，并会恶化纤维的传输损耗等。
如果通过控制激光的输出来调节纤维的直径，则可以以恒定的速度连续牵引，而且这成功地避免了光学特性变得不均匀。因此通过控制激光的输出，或通过将控制激光输出与其他任何制备条件的控制相结合在一起的方法，可能以恒定方式制备具有均匀直径和均匀光学特性的纤维。例如，为了调节预制棒的直径，可以将对激光输出的控制和对通过臂1向下输送所述预制棒的速度v1的控制，和/或通过臂1向下牵引所述预制棒的速度v2的控制结合在一起。
所得到纤维的直径优选位于0.2mm至2.0mm的范围内，但并不局限于此。芯部的直径优选位于0.1mm至1.5mm的范围内，但并不局限于此。
下面描述制备本发明的光传输介质的方法的第二实施例。
除了用一臂取代该臂1，其中在该臂和预制棒支持器8之间具有一旋转装置，并且将该臂构造成使得在实现拉伸的同时使得预制棒9围绕预制棒的中心轴旋转，使用如图1所示的设备可以实现第二实施例。
依据该实施例，在该旋转装置以恒定的速度旋转该预制棒9的同时，预制棒9沿纵向方向被拉伸。如图3A示意性地示出的，在拉伸过程中，预制棒9的圆周区域上的任意点a1在单位时间中移动至点a2。这可以用分子状态来表示，在分子状态中，分子是沿着a1-a2方向螺旋定向的，该a1-a2方向围绕着平行于预制棒的纵向方向的螺旋轴。以在图3B中的表面的展开图表示预制棒上的任意点的位移。现在定义预制棒9的直径为R(m)、旋转速度为Vr(转/秒)和定义拉伸速度为Vd(m/sec)，由于旋转的作用(逆时针)，任意点a1在圆周方向(拉伸的水平方向)上以每单位时间Lr＝πR×Vr移动，并且由于牵引的作用，在纵向方向上以Ld＝Vd移动，从而到达点a2。在以分子状态的表示中，分子以偏离纵向方向θ角度的倾斜方向(a1-a2)均匀地定向。
预制棒的直径定义为在三个任意点处获得的其外部直径的平均测量值。
通过拉伸处理，以围绕与纤维的纵向方向平行的螺旋轴螺旋定向其分子的形式可以方便地获得塑料光纤。也可以通过合适地将旋转速度Vr和拉伸速度Vd在所需的范围中调节θ。为了恒定地获得具有以预定方向定向的分子的塑料光纤，优选将比率(Lr/Ld)调节在范围0.01-0.95中，其中比率(Lr/Ld)为由于旋转的作用在圆周方向上以每单位时间的的位移Lr和由于拉伸作用在纵向方向上的位移Ld的比率。将Lr/Ld调节到该范围中，有利于制备具有以偏离拉伸轴5°至85°的角度定向分子的塑料光纤。在旋转下的拉伸也有利于稳定得到的纤维的直径，而且这样提高了制备稳定性。
当通过不是激光的加热设备，例如加热炉，加热预制棒时也可以获得在拉伸过程中通过旋转获得的特殊效果。
通过依据本发明的制备方法制备的塑料光传输介质的一个实施例涉及一种具有纤芯部分和涂层部分的塑料光纤，其中纤芯部分和涂层部分都由聚合物构成，构成纤芯部分和涂层部分的聚合物的分子，围绕几乎与光纤的纵向方向平行的螺旋轴螺旋定向。在图3A和图3B中示出了本实施例的塑料光纤的示意图。箭头“x”表示塑料光纤的纵向方向，而箭头“y”表示分子定向的方向。如图3A所示，本实施例的塑料光纤具有以围绕平行于由箭头“x”表示方向的螺旋轴的由箭头“y”表示的方向螺旋定向的分子。通过如图3B所示的表面的部分的展开图对其进行进一步的表示，其中单个聚合物的分子沿箭头“y”的方向定向，该箭头“y”的方向偏离箭头“x”的方向(纵向方向)θ角度倾斜(0°＜θ＜90°，优选地5°≤θ≤85°，并且更为优选地30°≤θ≤84°)。
分子定向影响比如强度和伸长方向性的各种特性。通常，在定向方向上强度大，而在垂直于该定向方向的方向上强度小。仅在平行于拉伸方向的方向上进行分子定向的实施例中，施加至纤维上的弯曲力在垂直于拉伸方向的方向上产生剪力，与在定向方向施加压力的情况相比，纤维更容易断裂。相反，本实施例中具有螺旋定向分子的塑料光纤，不仅对于从拉伸方向(在该实施例中的纵向方向)施加的压力表现出高强度，而且对于从偏离拉伸方向的倾斜方向施加的压力也表现出高强度。这样纤维不仅在纵向方向上的抗张强度是优良的，而且在敷设等过程实际需要的各种强度也是优良的，比如打结强度和抗弯强度。分子定向也增大了在定向方向上的伸长特性，即，产生了伸长特性中的各向异性。仅在平行于拉伸方向上定向分子的实施例中，基于比如存储过程中的温度和湿度的环境因素，仅在拉伸方向(在该实施例中的纵向方向)上伸长纤维，这些因素将导致光学特性的退化。相反，本实施例的塑料光纤由螺旋定向的分子构成，从而减少了伸长特性中的各向异性，并减小了在预定方向上的部分伸长。
本实施例的塑料光纤优选具有在纵向方向上70Mpa或大于70Mpa的抗张强度，更优选地为90Mpa或大于90Mpa，而且还更优选地为150Mpa或大于150Mpa。依据JIS C6861-1999可以测量在纵向方向上的抗张强度。以在JIS C0010中详述的标准条件(温度15°到35°，相对湿度25％到85％，大气压86kPa到106kPa)来表示测试环境。可用的测试仪器的一个示例可以是由Orientec公司生产的“Tensilon Universal Tester(张力通用测试仪)”。
本实施例的塑料光纤优选具有50Mpa或大于50Mpa的打结强度，更优选地为60Mpa或大于60Mpa，而且还更优选为70Mpa。虽然更大的打结强度是更为优选的，但通常的限定是落至40Mpa或40Mpa之下。通过在光纤中打一个打结，并通过测定在纵向方向上该光纤的抗张强度，可以确定该打结强度。
当以70℃和40％RH对光纤进行48小时的耐气候性测试时，本实施例的塑料光纤优选具有在纵向方向上的2％或小于2％的收缩因数，更优选地为1％或小于1％，还更优选地是0.5％或小于0.5％。收缩因数越小越好。然而，具有分子定向的任何材料会引起一定程度的收缩，并且该因数通常落在2到5％或更高的范围内。这里需要注意，在本说明书中，“耐气候性测试”意味着，在该测试中，将1米长的塑料光纤至于70℃和40％RH条件下的耐气候性测试室中，且不施加张力。
依据本发明，通过拉伸预制棒来制备光传输介质，其中该预制棒是依据诸如熔体挤压法和整体聚合(bulk polymerization)法的各种已知方法制备的。由于整体聚合法可以容易和稳定地制备具有优良特性的预制棒，所以依据整体聚合法可以理想地制备预制棒。下面将详细描述由整体聚合法构成的用于制备预制棒的方法，然而，本发明不限于此。
依据整体聚合法可以制备预制棒，尤其可以依据界面凝胶聚合法制备预制棒。使用整体聚合法的用于制备预制棒的方法包括第一步，制备对应于包层区域的中空结构(例如圆柱体)；第二步，通过在该结构的中空部分中对可聚合的合成物(composition)进行聚合，制备出由分别对应于纤芯区域和涂层区域的区域构成的预制棒。
在第一步骤中，获得由聚合物构成的中空结构(例如圆柱体)。如在国际专利公布WO93/08488中典型描述的，将可聚合的单体投进圆柱形聚合管中，并且随后在实现聚合的同时旋转(同时优选保持圆柱体的轴水平)管(在下文中，将在旋转的同时实现聚合称为“旋转聚合”)，以形成由聚合物构成的圆柱体。可以将比如聚合引发剂、链转移剂和稳定剂的另一种材料添加至单体中。依据使用的种类，聚合引发剂和链转移剂的理想的添加量是不同的，然而，通常，聚合引发剂的理想添加量可以在单体的0.01到1.00wt％的范围中，更优选地在单体的0.40到0.60wt％的范围中；而链转移剂的理想添加量可以在单体的0.10到0.40wt％的范围中，更优选地在单体的0.15到0.30wt％的范围中。考虑到所利用的单体，可以决定聚合温度和聚合时间。通常，优选在60-90℃下进行5到24个小时的聚合。
涂层区域的折射率理想地低于纤芯区的折射率，以将所传输的光限制在纤芯区域。涂层区理想地对传输光透明。用于涂层区的单体的实例包括甲基丙烯酸甲酯(MMA)、氘化甲基丙烯酸酯(例如MMA-d8、d5和d3)、氟化烷基丙烯酸酯(例如三氟乙基丙烯酸甲酯(3FMA)、六氟异丙基-2-氟丙烯酸酯(HFIP 2-FA))、二乙二醇，双烯丙基碳酸酯。涂层区可以由两种或多种单体的共聚物构成。从透明度的角度来看，用于制备涂层区的聚合单体的主要成分优选与用于制备纤芯区的聚合单体相同。组成涂层区的聚合物的实例包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物、α-甲基苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物、氟化烷基甲基丙烯酸甲酯-四氟乙烯共聚物、全氟烯丙基乙烯基醚聚合体(perfluoroallylvinylether)、氟化-氘化-聚合体和氘化聚甲基丙烯酸甲酯。
一种或多种聚合引发剂和诸如链转移剂的聚合控制剂可以添加至单体中。根据所利用的单体可以合适地选择聚合引发剂。其中可能的例子包括比如过氧化苯甲酰(BPO)、t-丁基过氧-2-乙烷基己烷(t-butylperoxy-2-ethylhexanate)(PBO)、二-t-丁基过氧化物(PBD)、t-丁基过氧异丙基碳酸盐(PBI)和n-丁基-4，4-二(t-丁基过氧)戊酸酯(PHV)的过氧化物；以及比如2，2`-偶氮二异丁基腈、2，2`-偶氮二(2-甲基丁基腈)、1，1`-偶氮二(环己胺-1-羧基乙酸乙烯酯(cyclohexane-1-carbonytrilie))的偶氮化合物。依据可用的温度范围对聚合引发剂进行分类；第一组聚合引发剂，可以用在相对高的温度下，具体地不低于80摄氏度，由异丙基苯过氧化氢物、叔丁基过氧化物(tert-butylperoxide)、过氧化二枯基，和二-叔丁基过氧化物(di-tert-butylperoxide)构成；第二组聚合引发剂，可以用在中等的温度下，具体地从大约40到大约80摄氏度，由苯酰过氧化物、月桂酰过氧化物、过硫酸钾、过硫酸铵和偶氮二异丁腈构成；第三组聚合引发剂，可以用在相对低的温度下，具体地从大约-10到大约40摄氏度，由氮过氧化铁盐、过硫酸盐酸钠亚硫酸盐异丙基苯氢过氧化铁盐、苯酰过氧化物-二甲基苯胺构成。在可以以不低于室温使用的引发剂中，苯酰过氧化物和偶氮二异丁基腈是优选的。过氧化物-有机烷基金属和氧的有机烷基金属的组合也可以用于引发聚合。
聚合控制剂通常主要用于调节聚合体的分子重量，并可以根据所利用的单体合适地选择聚合控制剂。在聚合控制剂中，链转移剂是优选的。链转移剂通常主要用于减小聚合物物理特性中的不均匀性和变化，并用于控制聚合体的重量。根据所利用的单体可以合适地选择链转移剂。该实例包括烷基硫醇(n-丁硫醇、n-戊硫醇、n-辛硫醇、n-十二烷硫醇、t-十二烷硫醇等)、苯硫酚(苯硫酚、m-溴苯硫酚、p-溴苯硫酚、m-甲苯硫醇、p-甲苯硫醇等)、硫基乙酸和二异丙基环氧乙烷(diisopropyoxanethogen)。优选的种类是烷基硫醇，比如n-辛硫醇、n-十二烷硫醇、t-十二烷硫醇、丁硫醇或戊硫醇t-十二烷硫醇。允许使用链转移剂的两种或多种。也允许使用已知的链转移剂，比如脂族硫醇或二丙基环氧乙烷(dipropyoxyanethogen)，然而，丁硫醇和十二烷硫醇是优选的，而且从其中的气味角度来看，丁硫醇是更优选的。
其它可能的策略涉及将其它添加剂添加至涂层区域，从某种程度上讲，这种添加不会使光传输特性退化，例如，可以添加添加剂以提高耐气候性或耐用性。也允许添加用于放大光信号的发射感应材料，从而提高光传输特性。由于即使衰减的光信号也可以通过添加这种化合物而被放大，从而延长了传输的长度，因此该化合物典型地适于制备光传输链路部分中的光纤放大器。
这些添加剂可以添加至纤芯区。
对应于涂层区的圆柱体优选具有底部部分，从而可在第二步骤中将用于纤芯区的材料浇铸在该圆柱体中。用于底部部分的优选材料是与圆柱体的聚合物具有良好的亲和性和粘着性的材料。该底部部分可以由与圆柱体的聚合物相同的聚合物构成。例如，在实现旋转聚合之前或之后通过将少量的单体浇铸到一个管中就可以制备该底部部分；并以静止矗立(still standing)的管来实现单体的聚合。
在这种旋转聚合之后，执行在层涂层区的内部表面上制备外部纤芯层的步骤，其中该外部纤芯层由对于组成纤芯区的单体具有高亲和性的聚合物构成，从而益于在第二步骤中对涂层区的聚合。为了使剩余单体或剩余聚合引发剂的完全反应，也允许在这种旋转聚合之后，以高于聚合温度的温度进行退火，或去除非聚合的化合物。
这里使用的单体可以在聚合之前进行预聚合，从而如JP-A No.hei 8-110419中所述提高其中的粘性。由于当由旋转引起管变形时，所获得的中空结构可能变形，因而优选使用具有足够刚性的金属的或玻璃的管。
在第一步骤中，通过使用诸如挤压成型的已经知成型技术，对聚合物进行成型，也可以制备出具有理想形状(在本实施例中为圆柱形)的结构。
在第二步骤中，可聚合的单体被浇铸成圆柱体的中空结构，该中空结构通过第一步骤获得，并对应于涂层区，而且是在加热下实现单体的聚合。可以将一种或多种聚合引发剂、链转移剂，以及如果需要还可将用于调节折射率的试剂添加至单体中。依据所使用的添加剂的种类，其理想的添加量可以是变化的，然而，通常，单体的聚合引发剂的理想的添加量可以落在0.005到0.050wt％的范围中，更优选地落在0.010到0.020wt％的范围内；并且单体的链转移剂的理想添加量可以落在0.10到0.40wt％的范围中，更优选地落在0.15到0.30wt％的范围中。也可以通过使用两种或多种单体在纤芯区中建立折射率分布结构，而不使用用于调节折射率的试剂。
在第二步骤中，对作为源材料的单体进行聚合，其中该单体浇铸成圆柱体的中空结构。从在聚合之后的残留物的角度看，优选使用基于在国际专利公布No.WO93/08488中揭示的、无溶剂的界面凝胶聚合方法的方法进行聚合。在界面凝胶聚合方法中，由于凝胶效应，可聚合的单体的聚合沿着从圆柱体的内壁向中心的径向方向进行，其中圆柱体内壁上的粘性高。
对于使用两种或多种可聚合单体的情况，由于单体对圆柱体的聚合物具有不同的亲和性和在凝胶中的不同扩散(由于单体的固有体积和溶解参数的不同)，单体具有不同程度的聚合能力。这样与主要构成圆柱体的聚合物具有高亲和性的单体，在圆柱体的内部壁上分离开，然后进行聚合体，从而制备出具有包含这种单体较高含量的聚合物。在得到的聚合体中，高亲和性的单体的比率沿着趋向中心的方向减小。这样，沿着由涂层区的界面向纤芯区的中心的方向可以产生折射率的分布。
当在聚合中使用了添加有折射率调节剂的可聚合单体时，以如下方式进行聚合，该方式使得与该主要构成圆柱体的聚合物具有较高亲和性的单体在圆柱体的内壁上以大比率存在，并然后对其进行聚合，从而在外围制备具有较低折射率调节剂含量的聚合物。在获得的聚合物中，折射率调节剂的比率沿着朝向中心的方向增加。这成功地产生了折射率调节剂的分布，并将折射率的分布引入对应于纤芯区的区域中。
然而，用于纤芯区的源材料不限于对传输光具有透明性的聚合物，具有低的传输光损耗的材料是优选的。用于纤芯区的单体的优选举例包括(甲基)丙烯酸酯，其包括(a)非-含氟的(甲基)丙烯酸酯和(b)含氟的(甲基)丙烯酸酯、(c)以苯乙烯为基础的化合物、以及(d)乙烯酯。从上面选择出的两种或多种均聚物、共聚物，或者均聚物和/或共聚物的混合物可以用于纤芯区，在它们中，用于纤芯区的源材料理想地包括一种或多种(甲基)丙烯酸酯。
更具体的，该例子包括(a)比如(甲基)丙烯酸酯，比如甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯乙酸酯、i-甲基丙烯酸丙酯、t-甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸苄酯、苯基丙烯酸酯(phenyl methacrylate)、环己基丙烯酸酯(cyclohexylmethacrylate)、二-甲基丙烯酸苄酯、三环[5·2·1·02，6]丙烯酸癸酯(tricyclo[5·2·1·02，6]decanyl methacrylate)、十六丙烯酸酯(adamantyl methacrylate)、i-冰片基丙烯酸甲酯(i-bomylmethacrylate)、甲基丙烯酸盐、丙烯酸乙酯、t-丙烯酸丁酯和丙烯酸苯酯；(b)含氟的甲基丙烯酸酯和丙烯酸酯，比如2，2，2-三氟化甲基丙烯酸乙酯(2，2，2-trifluoroetyl methacrylate)、2，2，3，3-四氟化甲基丙烯酸丙酯(2，2，3，3-tetrafluoropropyl methacrylate)、2，2，3，3，3-五氟化甲基丙烯酸丙酯(2，2，3，3，3-pentafluoropropylmethacrylate)、1-三氟化甲基-2，2，2-三氟化甲基丙烯酸乙酯(1-trifluoromethyl-2，2，2-trifluoroethyl methacrylate)、2，2，3，3，4，4，5，5-八氟化甲基丙烯酸乙酯(2，2，3，3，4，4，5，5-octafluoropenthylmethacrylate)和2，2，3，3，4，4-六氟化甲基丙烯酸丁酯(2，2，3，3，4，4-hexafluorobuthyl methacrylate)；(c)以苯乙烯为基础的化合物，比如苯乙烯、α-甲基苯乙烯、氯苯乙烯和溴苯乙烯；以及(d)乙烯基酯，比如乙烯基醋酸盐、乙烯基苯酸盐、乙酸乙烯苯酯和乙烯基氯醋酸盐(yinyl chloroacetate)。
如上面所述，除了(甲基)丙烯酸酯的聚合化合物可用于本发明。以下示出可用于本发明的另一种聚合化合物的例子，但并不特定地限于此。
当光传输介质用于传输近红外光时，由于包括在纤芯区的聚合物中的C-H键吸收该光，因而出现了光损耗。在这种情况下，为了将由于光吸收而出现光损耗的波长带移至长波长带，并且为了减小光损耗，如日本专利No.3332922所述，在C-H的氢原子位置处，用氘原子代替聚合物，比如氘化的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA-d8)、聚-三氟异丙基甲基丙烯酸乙酯(P3MA)和聚六氟异丙基2-氟丙烯酸酯(HFIP 2-FA)都是理想地用作纤芯的材料，。充分地去除包括在单体中的杂质和外部材料的潜在的散射源，以不降低在聚合之后的纤芯区的透明度。
在用于纤芯区的聚合时，以上例示出的用于涂层部分的一种或多种聚合引发剂和聚合控制剂可以添加至单体中。
就提供具有高传输容量的分布折射率类型的塑料光纤而言，优选沿着从中心向其外部的方向将折射率的分布引入纤芯区。主要由(1)两种或多种单体的共聚合物，或者两种或多种单体的混合物，可以构成具有分布的折射率的纤芯区，其具有彼此不同的折射率，以及由(2)用于调节折射率的试剂(在下文中称为“掺杂物”)和聚合体母材构成。
当纤芯区由(1)构成时，依据折射率和其反应可从上述示例性给出的单体和聚合物中选择单体或聚合物。
折射率调节剂是一种试剂，其可使包括该试剂的合成物具有不同于，理想地高于不包含该试剂的合成物的折射率。具体地，在单纯的聚合体母材和添加了该试剂的聚合体单体之间的折射率之差不小于0.01。在聚合之前，通过将折射率调节剂添加进入用于纤芯区的源材料中，可将该试剂包括在纤芯区中，并进行该混合物的聚合。目前，将该折射率调节剂确定为，与不包括这种折射率调节剂的聚合物的折射率相比，当该试剂包括于聚合物之中时，聚合物的折射率将会升高。用于聚合单体的具有前述特性的、可以稳定地与聚合体兼容、并且不会与作为原材料的单体一起聚合、同时在聚合环境下也是稳定的任何化合物都是可用的。
这种可用的试剂的例子包括苯甲酸苄酯(BEN)、二苯硫化物(DPS)、磷酸三苯酯(TPP)、n-邻苯二甲酸丁苄酯(benzyl-n-butylphthalate)(BBP)、二苯邻苯二甲酸盐(diphenyl phthalate)(DPP)、二苯(DP)、二苯甲烷(DPM)、磷酸三邻甲苯酯(TCP)、二苯硫氧化物(DPSO)、苯基硫化福美双(benzyl sulthylate)、苯基苯甲基醚(benzyl phenyl ether)、安息香脱水(benzoic anhydrayde)、二苄醚、二甘醇二苯甲酰酸(diethylene glycol dibenzoate)、磷酸三苯酯、二苯酯、二苯硫化物，m-苯氧基甲苯，1，2-丙二醇二苯甲酰酸(propanedioldibenzoate)、磷酸二丁酯和二苯硫氧化物。其中，BEN、DPS和DPSO是优选的。试剂的例子包括从2到10纳米的低聚物。可以使用两种或多种试剂。
通过控制纤芯区中折射率调节剂的浓度和分布，可将塑料光纤的折射率调节至所需的值。典型地根据实际应用或所要合成的用于纤芯区的源材料，可以合适地选择其中的添加量。需要注意，通过使用两种或多种聚合单体来形成纤芯区，并在纤芯区中产生共聚合比率的分布，来取代使用折射率调节剂，也可以获得折射率分布结构。
在第二步骤中，优选在压力下实现聚合(在下文中称为“加压聚合”)。在加压聚合的情况中，优选将该圆柱体设置在一个夹具的中空空间中，并在保持该夹具支持该圆柱体的同时实现聚合。当在对应于涂层区域的结构的中空部分中实现加压聚合时，将该结构保持在被插入在该夹具的中空空间中，并且该夹具避免由于压力而引起的结构形状的变形。该夹具优选成形为具有该结构可插入的中空空间，并且中空空间优选具有类似于该结构的轮廓。由于在该实施例中以圆柱形形成对应于涂层区域的结构，夹具也优选具有圆柱形。在加压过程中夹具能够抑制圆柱体的变形，并支持圆柱体，从而减小由于加压聚合的进行对应于纤芯区的区域的收缩。优选地，夹具具有中空空间，该中空空间的直径大于对应于涂层区域的圆柱体的外部直径，并且优选地，夹具以非粘合方式支持对应于涂层区域的圆柱体，由于在本实施例中夹具具有圆柱形，夹具的内部直径优选大于对应于涂层区域的圆柱体的外部直径的0.1到40％，并且更优选地为10到20％。
可将对用于涂层区域的圆柱体设置于聚合管中，同时将其插入夹具的中空空间中。在聚合管中，期望圆柱体是封装的，从而使其垂直地对准其中的高度方式方向。在设置圆柱体之后，同时在聚合管中通过夹具对其支持，并对聚合管加压。优选地，使用比如氮的惰性气体实现对聚合管的加压，这样在惰性气体中优选实现加压聚合。在聚合过程中可以随单体的种类改变加压的优选范围，通常为0.02至10MPa或左右。
然而，可以依据聚合单体的种类改变聚合温度和聚合周期的优选范围，通常，优选以90到140℃实施24到96个小时的聚合。
通过第一和第二步骤可以获得用于塑料光学元件的预制棒。根据本发明，可以随后立即将该获得的预制棒提供给拉伸方法进行加工，或者在对该获得的预制棒进行涂敷处理后再提供拉伸方法进行加工。
如JP-A No.hei 5-181023和No.hei 6-194530所述，取代第二步骤或在执行第二步骤中，在加热下可以在圆柱涂层的内部实现用于纤芯区的聚合，同时逐滴地将聚合引发剂和能够组成具有不同于涂层区域中的折射率的纤芯区的聚合体的单体的混合物添加进圆柱形涂层；如WO93/08488所述，可以在加热条件下，在由聚合物构成的圆柱形涂层中实现对单体、聚合折射率增强剂和聚合引发剂的混合物的聚合，从而基于增强剂的浓度分布产生分布的折射率结构；也可以使用在JP-A No.4-97302中描述的用于连续改变聚合物的单体比率的方法。
如JP-A No.2-16504所述，取代实施上面的方法，可以同心地挤压两种或多种聚合混合物以形成具有其大量的同心层结构。
以上描述了用于制备塑料光纤的预制棒的方法，然而，本发明的方法并不受限于本实施例。依据本发明的方法也可以被施加到用于制备以硅为基础的光传输介质的方法中。然而，在本实施例中，术语“光纤”用作获得的光传输介质，其直径和长度并不受限。依据本发明的方法可以应用于制备具有各种形状的光传输介质。
以上描述了在本发明中用于制备用于塑料光纤的预制棒，其中在塑料光纤中，折射率从纤芯区到涂层区连续地变化，称为GI-模式塑料光纤，然而，依据本发明的方法并不限于用于制备GI-模式塑料光纤的方法。依据本发明的方法也能应用于制备单模塑料光纤、阶跃折射率模式的塑料光纤等。
在塑料光纤进行了依据本发明的拉伸步骤处理之后，该塑料光纤可以不需任何修改地经历各种应用中。纤维也可以在其外表面具有保护层或纤维层的形式，和/或以具有用于保护或加固的多束纤维的形式进行各种应用。
对于对基本线(element wire)提供保护的情况，保护方法是这样的运转基本线，使其通过一对相对的模具，该模具具有用于使基本纤维通过的通孔，将用于包敷的熔融的聚合物填充在相对的模具之间，并且使基本纤维在模具之间移动。优选地，从避免保护层内部的基本纤维由弯曲而受压的观点看，该保护层最好不与基本纤维一同熔化保护。在保护方法中，典型地，通过与熔融聚合物的接触，基本纤维会遭受热损伤。因此，优选将基本纤维的移动速度，设置为使得热损伤最小化，并选择用于形成该保护层的聚合体可以在较低的温度范围内被熔融。根据用于形成保护层的聚合体的熔化温度、基本纤维的拉伸速度，以及保护层的冷却温度可以调节保护层的厚度。
用于在纤维上形成保护层的其它已知方法包括对在光纤元件上包敷单体进行聚合的方法，在纤维周围缠绕薄片的方法，以及使光学元件通过由挤压成形所获得的中空管的方法。
基本纤维的保护使得能够制备塑料光纤缆。保护的方式包括接触保护，其中以保护材料覆盖在塑料光纤上，从而使在整个圆周之上二者的边界都紧密接触；松散保护，其中在保护材料和塑料光纤的边界之间具有间隙。典型地，当保护层的一部分在与连接器的耦合区域处被去皮时，由于松散保护趋于允许水从保护层的末端进入间隙，并沿着其纵向方向扩散，因而接触保护通常是优选的。然而，由于保护层和基本纤维并没有紧密接触的松散保护能够最大程度地减缓施加给光缆的损害，比如施加到该光缆的压力或热，并由此能够减少对基本纤维的损害，因而松散保护在一些用途中是优选的。通过用液体凝胶、半固态或粉状材料填充间隙可以避免来自端平面的水的扩散。如果半固态或粉状材料提供的功能不是防止水扩散功能，而是比如那些提高热阻抗、机械特性等的功能，则可以获得更高性能的保护。
通过调节十字头模具的头部接头(head nipple)的位置，并通过控制以形成间隙层的减压装置，可以获得松散保护。通过控制接头(nipple)的厚度或对间隙层进行加压/减压，可以调节间隙层的厚度。
进一步允许提供另一种保护层(第二保护层)以环绕在保护层(主保护层)的周围。，第二保护层还可以添加阻燃剂、UV吸收剂、抗氧剂、自由基捕获剂、润滑剂等，只要能够确保抗湿气渗透性达到令人满意的水平，这些添加剂也可以包括在主保护层中。
虽然包含溴或其它卤素或磷的已知的树脂或添加剂可以作为阻燃剂，但从诸如减少有毒气体辐射的安全的观点来看，那些包含金属氢氧化物的物质必然成为主流。金属氢氧化物在其结构中存在结晶状的水，而且这使其在制备方法中，不能完全去除粘着的水，从而阻燃剂保护优选地作为环绕本发明的抗湿气渗透层(主保护层)的外部保护层(第二保护层)。
还允许堆叠具有多种功能的保护层。例如，除了阻燃剂，允许提供用于基本纤维吸湿的阻碍层，或用于去除水的湿气吸收剂，其以处于保护层中，或位于保护层之间的吸湿带或吸湿凝胶为代表。也允许提供用于免除由弯曲而引起的应力的柔性材料层、比如泡沫层的缓冲材料、以及用于提高刚性的加固层，根据用途选择上面的全部物质。除了树脂，优选将高弹性纤维(所谓的抗张强度纤维)和/或线材料，比如高刚性金属，作为结构材料添加至热塑性树脂中，其可加强所获得的光缆的机械强度。
抗张强度纤维的举例包括芳香尼龙纤维、聚酯纤维和聚酰胺纤维。金属线的举例包括不锈钢线、锌合金线和铜线。这两种物质绝不受以上所述实例的限制。还可以结合任何其它的保护铠装，比如金属管、用于航空电缆的辅助线以及用于提高在配线过程中的可操作性的机制。
光缆的类型包括具有同心捆束基本纤维的集合光缆(collectivecable)；所谓的具有线性对准于其中的基本纤维的带状线(tapeconductor)；并且集合电缆进一步通过紧压缠绕或包装保护套进行捆束；以上这些光缆可基于实际应用进行合适地选择。
然而，光缆可以由通过对接接头连接的光纤构成，光缆理想地由通过连接器连接它们的末端的光纤构成，从而可固定连接部分。商业上可用的连接器比如PN类型、SMI类型、F05类型、MU类型、FC类型或FC类型连接器均可使用。
依据本发明制备的光纤或光纤光缆可用在用于传输光信号的系统中，该系统包括各种光发射元件、光接收元件、光开关、光隔离器、光集成电路和光传输介质以及接收模块。如果需要，其它光纤也可与之一同使用。参考“Purasuchikku Oputicaru Faiba no Kiso to Jissai(塑料光线的基础和实践Basics and Practice of Plastic Optical Fiber)”，由N.T.S.Co.出版，在“NIKKET ELECTRONICS 2001.12.VOL.3”上110-127页，任何已知的技术也是可以应用的。依据本发明制备的塑料光纤可以与上述文献中描述的各种技术相结合，并可以用在各种实际应用中，比如在各种数字设备，如计算机中作为配线，、车辆和船只的配线、光学终端和数字设备之间的光链路的配线，能够快速传输高容量数据的光传输系统的配线，或适于在短距离中传送光以用于控制等的系统，且没有电磁波影响、比如室内或房屋、复合住宅、工厂、办公室、医院、学校等的区域内部的光局域网。
依据本发明制备的光纤也可以与一下技术相结合在2001年3月的IEICE TRANS.ELECTRON，.VOL.E84-C，No.3中从339页到344页的“High-Uniformity Star Coupler Using Diffuse Light Transmission”中描述的技术，以及在Journal of Japan Institute of Electronics Packging，Vol.3，No.6，2000中的476到480页的“Interconnection by optical sheetbus”描述的技术；在JP-A No.10-123350，No.2002-90571和No.2001-290055中典型描述的光学总线技术；在JP-A No.2001-74971，No.2000-329962，No.2001-74966，No.2001-74968，No.2001-318263和No.2001-311840中典型描述的光学分支/耦合装置；在JP-A No.2000-241655中典型描述的光学星形耦合器；在JP-ANo.2002-62457，No.2002-101044和No.2001-305395中典型描述的光信号传输装置和光数据总线系统；在JP-ANo.2002-23011中典型描述的光信号处理器；在JP-ANo.2001-86537中典型描述的光信号交叉连接系统；在JP-A No.2002-26815中典型描述的光传输系统；在JP-ANo.2001-339554和No.2001-339555中典型描述的多功能系统；各种光波导、分束器、耦合器或分支过滤器，从而构造出包括复用的两种传输的先进的光学传输系统。
依据本发明制备的光传输介质也可以用于灯饰、传输能量、照明、传感器等技术领域。
举例参照具体实施例具体描述本发明。需要注意，只要不脱离本发明的思想，任何材料、试剂、使用比率、操作都可以适当地更改。因此，本发明的范围绝不受下面示出的具体实施例的限制。
(例子1-1)通过蒸馏，对600重量份的甲基丙烯酸甲酯单体进行提纯，以将水含量降低至0.008％，在分离的玻璃容器中单独地称重1.4重量份的脱水和净化的过氧化苯甲酰作为聚合引发剂，以及1.6重量份的丁硫醇作为聚合控制剂(链转移剂)，将其组合，并在黑暗环境下通过搅拌使其混合并溶解，从而获得原材料溶液。将原材料溶液的一部分灌浇进由PTFE(聚四氟乙烯)制成而且具有25mm的内部直径和1,000mm的长度的圆柱形试管中。密封试管，并且在70℃的水浴中摇动试管2个小时以使试管内的溶液反应。之后，将该试管水平保持在热空气恒温室中，并在保护管中以3,000rpm对其进行旋转，从而使得试管内的溶液在离心力的作用下压向试管的内壁，并且聚合2个小时，以获得由PMMA制成的用作涂层管的圆柱形中空管。
从试管中取出涂层管并保持于90℃。通过蒸馏，对700重量份的甲基丙烯酸甲酯单体进行提纯，以将其水含量降低至0.008％，在分离的玻璃容器中单独地称重0.01重量份的脱水和净化的二-叔丁基过氧化物作为聚合引发剂，0.3重量份的月桂硫醇作为聚合调节剂(链转移剂)，以及相对于MMA的10wt％的二苯硫溶液作为用于制备渐变折射率纤芯部分的折射率调节剂，将其组合，并在黑暗环境下通过搅拌使其混合并溶解，从而获得原材料溶液。通过具有0.2微米的孔径大小的PTFE薄膜过滤器对原材料溶液进行过滤，并且将滤出液灌浇进保持在90℃的涂层试管的中空部分。允许混合物在120℃的0.1Mpa的压强下在氮气中反应50个小时，从而形成纤芯部分。这样就获得具有22mm的直径和800mm的长度的预制棒。当利用由SeikoEG&G Co.，Ltd生产的折射率截面分布仪(profiler)测试时，发现预制棒具有通过平方近似的2.8的折射率的分布图案。
下面描述使用与如图1所述类似构造的拉伸设备将制备的预制棒拉伸成纤维。
以悬挂方式将预制棒9固定至拉伸设备的预制棒悬挂固定装置8，而且将预制棒9的前端引进圆柱体加热炉10。加热炉10具有60mm的内部直径和250mm的高度，其中在它内部的上部阶段，设置具有50mm的高度和500W的最大输出的电加热器(未示出)，并且将下部200-mm部分构造成用于辐射来自二氧化碳气体激光发生器11的激光的圆柱形腔室10`，并且排列有抗热砖。将电子加热部分加热至50℃。在电子加热器的上部开放部分，设置具有35mm直径的孔径的制动器以抑制在拉伸过程中的热损耗。设置具有10.6微米的辐射波长和60W的最大输出的二氧化碳气体激光发生器11(1个单元)，从而使激光在电子加热器下的腔室10`中以45°的入射角度辐射至预制棒9。利用光学系统13将来自二氧化碳气体激光发生器11的激光(45W)分束成四束光束，并从四个方向辐射至预制棒9。将在准直之后通过二氧化碳气体激光的辐射区域调节为在直径上为45mm。
当预制棒的前端熔融并开始下降时，可以开始由预制棒制备纤维。进一步拉伸前端部分从而制备纤维，并将前端设置在拉坯辊上，以对其进行牵引。然后开始牵引纤维10`，并允许其伴随着预制棒悬挂固定装置自动下降，从而逐渐将预制棒送入加热炉10。通过初始的拉伸确定下降速度。利用激光测量计14b测量拉伸的纤维9`的直径，并用计算机进行控制从而保持恒定值。在拉伸之后，利用冷却风扇20以15℃以下的空气立即冷却纤维9`。
拉伸开始于2m/min的牵引速度，然后在观察预制棒9的拉伸的开始位置的状态的同时，以1m/min逐渐增大由拉坯辊15给出的牵引速度，并最后以12m/min的牵引速度进行拉伸从而制备具有750微米的外部直径的光纤。
当使用非接触的温度计测量时，在激光辐射之前立即发现预制棒的温度为50℃，当进行类似的测量时，在激光辐射之后立即发现预制棒的温度为260℃。基于预制棒的形状和物理特性估计在预制棒的加热中消耗的能量为10W或大于10W。加热的能量效率为20％或大于20％。
几乎保持预制棒的拉伸的开始位置“a”恒定，即使在12m/min的牵引速度下，也不会向上偏移或向下偏移，而且牵引的张力稳定在120g左右。
在拉坯辊15之后立即由具有400mm直径的卷绕(take-up)轴(未示出)自动卷绕拉伸的纤维9`。卷绕轴具有200mm宽的卷绕部分，并且在200mm的整个宽度上均匀地卷绕纤维9`，同时使用自动反向装置以往复方式使纤维沿着卷绕轴的轴向慢慢地滑动。
在观察24小时后，从卷绕轴24上取出缠绕的纤维，并表现出优良的形状，且没有缠绕过的惯态。得到的光纤在650nm的传输损耗是168dB/km，并且带宽特性，通过纤维同时传输的信息量的指数达到1.9GB/sec·100m宽。直径变化为750微米±20微米。
(例子1-2)将二氧化碳气体激光的输出减至35W，激光仅从单方向辐射，而且不通过光学系统进行分束，并取而代之，预制棒以12rpm进行旋转从而确保均匀加热，除此之外，在与例子1-1中类似的条件下对预制棒进行拉伸。
最后，以16m/min的牵引速度进行拉伸，从而制备具有750微米的外部直径的光纤，其中纤维的形状和折射率的分布理想地与在例子1-1中的情况类似。得到光纤在650nm的传输损耗是165dB/km，带宽特性也是理想的，表现出1.9GB/sec·100m的值。
(例子1-3)将二氧化碳气体激光的输出升高至50W，激光仅从单独的方向辐射，而且不通过光学系统进行分束，并且取而代之预制棒以20rpm进行旋转从而确保均匀加热，除此之外，在与例子1-1中类似的条件下对预制棒进行拉伸，以制备出具有29mm直径的预制棒，。
最后，以12m/min的牵引速度进行拉伸，从而制备具有750微米的外部直径的光纤，其中纤维的形状和折射率的分布理想地与在例子1-1中的情况类似。得到的光纤在650nm的传输损耗是175dB/km，带宽特性也是理想的，表现出1.8GB/sec·100m的值。
(例子1-4)使用两个单元的30-W的激光发生器，将单个激光分束成两束光束，然后从环绕预制棒的四个方向辐射全部的四束光束，除此之外，在与例子1-1中类似的条件下对制备的预制棒进行拉伸。
最后，以15m/min的牵引速度进行拉伸，其中纤维的直径和折射率的分布理想地与在例子1-1中的情况类似。得到的光纤在650nm的传输损耗是166dB/km，带宽特性是1.9GB/sec·100m。
(例子1-5)使用与如例子1-1所述类似的制备的预制棒，激光辐射到一个直径增大到70mm的激光辐射区域中(DL＝70mm和DP＝22mm，其代表了DL＞2.5×DP的例子)。
最后，将牵引速度减小至9m/min，但仍允许拉伸。与在例子1-1中的情况相比，纤维的形状和折射率的分布都退化了。由于热变形在炉子的内壁上的耐热衬板(lining)被损坏，其可能归因于由于激光没有落在预制棒上，而对内壁进行局部加热和突然加热。得到的光纤在650nm的传输损耗是281dB/km，带宽特性是0.6GB/sec·100m。
(例子1-6)在类似例子1中的环境下实施拉伸，除了基于激光测量计14b的输出，通过反馈控制调节用于加热的激光的输出。得到光纤在650nm的传输损耗是151dB/km，带宽特性，即通过纤维同时传输的信息量的指数达到2.2GB/sec·100m宽。直径变化为750微米±4微米。。
(对比例子1-1)以堆叠的方式使用五个单元的具有500W的最大输出的圆柱形电子加热器，如在例子1-1中使用的电子加热器，其中舍弃在例子1-1中使用的二氧化碳气体激光器。分别地将加热器加热至220℃。在电子加热器的上部的开放部分，设置具有35mm直径孔径的制动器，从而在拉伸过程中抑制热损失。使用该设备，依据在例子中的步骤相同的步骤拉伸预制棒。
当牵引速度达到5m/min时，由于预制棒的拉伸开始位置开始慢慢地下降，并且拉伸张力开始增大至大于250g，因而终止拉伸。与如在例子1-1中所述类似，拉伸出的光纤在400-mm的卷绕轴上卷绕，并且在24小时之后从卷绕轴24上取走光纤。从以2m/min卷绕的点到以4.5m/min卷绕的点，可以在光纤的整个长度上观察到缠绕惯态和偏斜。将用于获得与例子1-1中的纤维长度相同的纤维所需要的时间延长三倍或更多。以4.5m/min卷绕的得到的光纤在650nm的传输损耗是399dB/km，带宽特性也小至仅0.4GB/sec·100m。
(对比例子1-2)基于激光测量计的输出，通过反馈控制调节用于加热的激光的输出，除此之外，在与例子1-1中类似的条件下对预制棒进行拉伸。由于输出控制不能赶上拉伸速度，不能均匀地拉伸预制棒，并且得到的光纤的全部特性都显示出退化的值，并表现出在650nm的411dB/km的传输损耗，带宽特性为0.4GB/sec·100m的值。并且纤维的直径变化为750微米±40微米的。
(例子2-1)通过蒸馏，对600重量份的甲基丙烯酸甲酯单体进行提纯，以将水含量减少至0.008％，在分离的玻璃容器中单独地称重1.4重量份的脱水和提纯的过氧化苯甲酰作为聚合引发剂，以及1.6重量份的丁硫醇作为聚合控制剂(链转移剂)，将其组合，并随后在黑暗环境下，通过搅拌将其混合和溶解，从而获得原材料溶液。将原材料溶液的一部分灌浇进由PTFE(聚四氟乙烯)制成而且具有30mm的内部直径和1,000mm的长度的圆柱形试管中。密封试管，并且在70℃的水浴中摇动试管2个小时以使试管内的溶液反应。之后，将该试管水平保持在热空气恒温室中，并在保护管中以3,000rpm对其进行旋转，从而使得试管内的溶液在离心力的作用下压向试管的内壁，并且聚合2个小时，以获得由PMMA制成的用作涂层管的圆柱形中空管。
从试管中取出涂层管并保持于90℃。通过蒸馏，对700重量份的甲基丙烯酸甲酯单体进行提纯，以将其水含量降低至0.008％，在分离的玻璃容器中单独地称重0.01重量份的脱水和提纯的二-叔丁基过氧化物作为聚合引发剂，0.3重量份的月桂硫醇作为聚合调节剂(链转移剂)，以及相对于MMA的10wt％的二苯硫溶液作为用于制备渐变折射率纤芯部分的折射率调节剂，将其组合，并在黑暗环境下通过搅拌使其混合并溶解，从而获得原材料溶液。通过具有0.2微米的孔径大小的PTFE薄膜过滤器对原材料溶液进行过滤，并且将滤出液灌浇进保持在90℃的涂层试管的中空部分。允许混合物在120℃的0.1Mpa的压强下的氮气中反应50个小时，从而形成纤芯部分。这样就获得具有29mm的直径和800mm的长度的预制棒。
当利用由Seiko EG&G Co.，Ltd生产的折射率截面分布仪(profiler)测试时，发现预制棒具有通过平方近似的2.6的折射率的分布图案。
使用类似如图1所述构造的拉伸设备拉伸制备出的预制棒，除了具有40mm的内部直径和500mm的高度的加热器，其包括两个隔间，其中上部分隔间加热至200℃，并且下部分隔间加热至140℃，以取代用于加热和软化预制棒的激光发生器；并且具有旋转装置的臂用于在拉伸过程中使预制棒以0.1转/秒围绕沿纵向方向上的轴旋转。
为了更具体地进行描述，以悬挂方式将获得的预制棒固定至臂1的预制棒悬挂固定装置8，并利用旋转装置(未示出)使预制棒围绕沿纵向方向的轴以0.1转/秒预制棒的速度旋转。通过螺杆驱动器下降臂1以将预制棒的前端插进预热的圆柱形加热器(没有示出，与加热器10类似)。具有40mm的内直径和500mm的高度的加热器包括两个隔间，其中上部分隔间加热至200℃，并且下部分隔间加热至140℃。在两个隔间中加热和软化预制棒。然后，通过拉坯辊15，以3m/min的牵引速度，将软化的预制棒的前端从加热器的底部部分。在加热器的上部开放部分处，设置具有35mm直径孔径的制动器，从而在拉伸过程中抑制热损耗。然后开始通过拉坯辊15进行牵引，并且随之臂1以恒定的速度自动下降，从而逐渐将预制棒送入加热器中。通过初始的拉伸确定下降速度。利用激光测量计(未示出)测量牵引出的纤维的直径，并且控制牵引力从而保持其直径恒定。
在拉伸过程中，在图3A中示出的Lr(如由旋转导致的在圆周上每单位时间的位移)是9.1mm/sec，并且Ld(如由拉伸导致的在纵向方向上每单位时间的位移)是50mm/sec。在这里的Lr的计算是基于预制棒的直径“R”的，该直径是使用测直径器在圆周上三个任意点处测量的值的平均值。如此拉伸出的1m的纤维上，其直径变化是750微米±15微米，并发现其是均匀的。在650nm的传输损耗测量为158dB/km。
根据一下描述的方法，进一步测量如此获得的光纤的抗张强度，打结强度和收缩因数。
(测量抗张强度的方法)遵照JIS C6861-1999实施抗张强度的测量。将测试环境线定为在JIS C0010中描述的标准环境(温度15℃到35℃，相对湿度25％到85％，大气压86kPa到106kPa)。示范性可用的测试仪可以是由Orientec Coporation生产的“Tensilon Universal Tester(通用张力测试仪)”。在这里使用的样品是120mm到130mm长的纤维，并且连接至测试工具的卡盘。在这里使用的卡盘是气动卡盘，其气动地开启或者关闭，从而避免在测量过程中样品纤维在卡盘部分处断裂。将可拉伸长度(卡盘之间的长度)设置为100mm和伸长速度为10mm/min，同时伸长样品纤维直至它断裂，。使用负载单元测量施加至样品纤维的负载，相对于变形(延长)就负载的测量值进行绘图，从而获得负载和变形(延长)之间的关系，并基于该图，可估计出应力强度的值。这里抗张强度用应力强度表示为93Mpa。
(测量打结强度的方法)
利用由Orientec Coporation生产的“Tensilon Universal Tester(通用张力测试仪)”进行打结强度的测量。在这里使用的样品是100mm长的纤维。在这里使用的卡盘是气动卡盘，其气动地开启或者关闭，从而避免在测量过程中样品纤维在卡盘部分处断裂。将可拉伸长度(卡盘之间的长度)设置为50mm，通过使用上部卡盘将纤维箝在位于上端的12.5mm长的部分来固定样品纤维。在纤维中做一个松的打结，同时通过使用下部卡盘将纤维箝在位于下端的12.5mm长的部分来固定样品纤维。将伸长速度设置为10mm/min，同时伸长样品纤维直至它断裂。使用负载单元测量施加至样品纤维的负载，相对于变形(延长)就负载的测量值进行绘图，从而获得负载和变形(延长)之间的关系，并基于该图，可获得作为打结强度的负载值，该负载为引起样品纤维断裂的负载大小。测得打结强度为65Mpa。
(测量收缩因数的方法，耐气候性测试)在以70℃和40％RH为条件的耐气候性测试器(由TABEI ESPECCorp.生产的温度和湿度腔室PR-2SP)中，使得如此获得的1米长的塑料光纤在不受张立的条件下，保持48小时，并且在耐气候性测试之前和之后比较纤维的长度。发现在纵向方向上的收缩因数为1.2％。
然而，在例子2-1中，通过加热器加热预制棒，也可以如例子1-1的相同的方式通过激光的辐射加热预制棒。并在这种例子中，制备的纤维可以具有由使用激光辐射加热预制棒和在拉伸过程中由旋转预制棒引起的两方面的效应。
(对比例子2-1)除了不驱动旋转装置外，如在例子2-1中所示类似地拉伸预制棒和获得塑料光纤。
对这样获得的光纤进行抗张强度、打结强度和收缩因数的测量。以应力强度表示的抗张强度是95MPa，打结强度为37Mpa，与在例子2-1中的纤维相比，打结强度大大地降低了。收缩因数是2.8，与在例子2-1中的纤维相比，在纵向方向上的收缩因数大幅度地增加。得到的光纤在650nm的传输损耗为172dB/km。尽管与在例子2-1所述类似地对纤维进行控制，这样的纤维在1m长度上的直径变化达到至750微米±35微米大，。
尽管渐变折射率塑料光纤用于本发明， 很容易想到采用本发明可以拉伸SI(阶跃折射率)塑料光纤或多阶SI塑料光纤。
工业实用性本发明提供了一种用于制备光传输介质的方法和设备，其能够以稳定和高产率方式制备具有理想特性的光传输介质。
本发明也提供了高强度的、在敷设过程中具有优良的操作特性的、减缓了的伸长特性的各向异性的塑料光传输介质，以及制备这种塑料光传输介质的方法。本发明也提供制备光传输介质的方法，其能够减小在获得纤维的直径变化，并确保优良的生产稳定性。
权利要求
1.一种用于制备光传输介质的方法，该方法包括拉伸步骤，用于对光传输介质的预制棒的熔融部分进行拉伸，以形成光传输介质，其中，在拉伸步骤中，通过使用激光的辐射对所述预制棒进行加热，从而使其部分地熔融。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述预制棒是由塑料制成，并且所述激光具有0.7到20.0微米的波长。
3.如权利要求1所述的方法，其中在所述拉伸步骤中，至少控制所述激光的输出，以调节所述光传输介质的直径。
4.如权利要求1所述的方法，其中激光的辐射能量效率是1％或大于1％。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述激光器是二氧化碳气体激光器。
6.如权利要求1所述的方法，其中在所述拉伸步骤中，由所述激光辐射的区域的直径DL满足下面的关系式(1)DL≤2.5×DP(1)其中DP(mm)是垂直于所述预制棒的纵向方向的平面的横截面的最外部直径。
7.如权利要求1所述的方法，在所述拉伸步骤之前还包括，预加热步骤，用于使用不同于激光加热源的加热源将所述预制棒预加热至低于其玻璃相变点的温度。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述预制棒具有折射率的分布。
9.权利要求1所述的方法，其中在所述拉伸步骤中以固定方向旋转所述预制棒。
10.如权利要求9所述的方法，其中在所述拉伸步骤中，所述预制棒围绕几乎平行于拉伸轴的轴旋转。
11.如权利要求9所述的方法，其中在所述拉伸步骤中，(Lr/Ld)的值落在从0.01到95的范围内，其中Ld表示由于拉伸产生的在拉伸方向上引起的所述预制棒表面上任意点的每单位时间上的最大位移，而Lr表示由于旋转产生的在垂直于所述拉伸方向上引起的其任意点的每单位时间上的位移。
12.如权利要求9所述的方法，其中在所述拉伸步骤中，所述拉伸角度落在从5°到85°的范围内。
13.一种用于制备光传输介质的设备，其包括加热装置，用于使用激光辐射对光传输介质的预制棒进行部分地加热和熔融，以及拉伸装置用于拉伸所述预制棒的熔融部分。
14.如权利要求13所述的设备，进一步包括用于检测拉伸出的预制棒的直径的控制装置，并且基于该检测值至少控制所述激光的输出。
15.如权利要求13所述的设备，其中所述加热装置是通过激光辐射，在辐射区域中用于部分地加热和熔融所述预制棒的加热装置，其中所述辐射区域具有满足下面的关系式(1)的直径DL(mm)DL≤2.5×DP(1)其中DP(mm)是垂直于所述预制棒的纵向方向的平面的横截面的最外部直径。
16.如权利要求13所述的设备，在通过所述加热装置部分地加热和熔融所述预制棒之前，还包括一预加热装置，用于以低于所述预制棒的玻璃相变点的温度对所述预制棒进行预加热。
17.如权利要求13所述的设备，其中所述预加热装置是通过使得所述预制棒通过以低于所述预制棒的玻璃相变点的温度为条件的腔室，来对所述预制棒进行预加热的装置。
18.如权利要求13所述的设备，其中所述加热装置能够以1％或大于1％的能量效率加热所述预制棒。
19.如权利要求13所述的设备，其中所述拉伸装置是通过在向下输送所述预制棒的速度和向下拉伸所述预制棒的速度之间产生速度差，来将所述预制棒拉伸成纤维的装置。
20.如权利要求14所述的设备，其中所述拉伸装置是通过在向下输送所述预制棒的速度v1和向下拉伸所述预制棒的速度v2之间产生速度差，来将所述预制棒拉伸成纤维的装置，并且所述控制装置是基于所述检测值用于进一步控制v1和/或v2的装置。
21.如权利要求13所述的设备，进一步包括用于在拉伸过程中，在保持所述预制棒旋转的同时，支持所述预制棒的旋转支持装置。
22.一种由塑料构成的塑料光传输介质，其中塑料的分子以不平行所述塑料光传输介质的纵向方向的特定方向定向。
23.如权利要求22所述的塑料光传输介质，其中围绕几乎平行于所述塑料光传输的纵向方向的轴螺旋定向所述塑料的分子。
24.如权利要求22所述的塑料光传输介质，其中以远离所述塑料光传输的纵向方向5°到85°倾斜地定向所述塑料的分子。
25.如权利要求22所述的塑料光传输介质，当在以70℃和40％RH为条件的耐气候性测试中进行48小时的检测时，具有2％或小于2％的收缩因数。
26.如权利要求22所述的塑料光传输介质，具有50Mpa或大于50Mpa的打结强度。
全文摘要
揭示了一种用于制备光传输介质的新颖方法，其包括用于拉伸一预制棒的熔融部分，以形成光传输介质的拉伸步骤。在该方法中，在拉伸步骤中，通过使用激光的辐射加热预制棒，从而部分地将其熔融，并以固定方向旋转该预制棒。还揭示了一种装置，其包括用于通过使用激光辐射部分地加热和熔融预制棒的装置和用于拉伸该预制棒的熔融部分的装置。还揭示了由塑料构成的光传输介质，其中以不平行所述介质的纵向方向的特定方向对塑料分子进行定向。
文档编号B29C35/08GK1652922SQ0381129
公开日2005年8月10日 申请日期2003年5月16日 优先权日2002年5月17日
发明者小仓彻, 三好孝仁, 白仓幸夫 申请人:富士胶片株式会社