塑料光纤及其制备方法

专利名称：塑料光纤及其制备方法
技术领域：
本发明涉及能够传播带宽高于10GHz·m的高频信号的光学塑料纤维，更具体地说涉及渐变折射率(GI)型多模塑料光纤，与常规GI型多模塑料光纤相比，它在坚固性和生产成本方面得到改善。
背景技术：
在玻璃光纤领域，使用多模模式作为能够以大直径的形式连接的纤维模式，并且特别是在塑料光纤领域，多模模式经常用作基本模式。塑料光纤，本文后面有时称之为“POF”，由于其单元纤维的整个区域是由塑料材料制成的因而具有略大的传输损耗，因此略逊于石英基纤维，但是由于具有优异的弹性、重量轻的性能、可加工性、在制备大孔径纤维方面较好的应用性和较低的成本，因此优于石英基光纤。因此研究塑料光纤作为光通信的传播介质，它在相对短的距离内使得其略大的传输损耗可以被忽略。
塑料光纤通常具有由有机化合物制成并包括聚合物基质的中心(本说明书中称之为“纤芯区”)，和由折射率与纤芯区的不同(通常低于它)的有机化合物制成的外壳(本说明书中称之为“包层区”)。具有由均匀组成形成的纤芯区的POF称作阶跃折射率型POF，一些可商购获得，并且几乎所有的都可以支持小于10GHz·m的带宽范围。另一方面，渐变折射率POF，本文后面有时称之为“GI-POF”，包括具有沿从中心到其外面的方向变化的折射率的纤芯区，公开在JPA1986-130904(本文使用的术语“JPA”是指待审公开的日本专利申请)、日本专利3332922等，最近由于其作为光纤可以保证高的传输容量而受到很大关注。作为这种GI-POF的一种制备方法，已提出一种包括利用界面凝胶聚合反应形成纤维基本单元(本说明书中称之为“预制棒”)然后拉制该预制棒的方法。根据该方法，将一种具有高折射率的控制剂加入到基质的材料中，基质中控制剂的比例呈逐渐径向变化，因此可以获得所需的折射率分布。
然而，根据上述GI型光学塑料纤维的制备方法，需要精确的反应控制来制备预制棒，并且制备期间的反应条件难以控制。特别是，根据JPA 1986-130904中公开的方法，使用界面凝胶聚合反应，花费长时间来形成折射率逐渐径向变化的预制棒，并且获得的预制棒的大小例如长度或直径可能受到限制。因此难以降低预制棒的制备步骤或预制棒的拉制步骤的制造成本。并且，根据上述方法，具有折射率分布的预制棒是由具有高折射率的低分子量化合物和基质的材料的组合形成的，并且从保证质量的角度，要求这种分布在不同的温度范围内长时间不改变。然而，本发明人对具有高折射率的低分子量化合物和基质的材料的组合进行各种研究，结果发现能够满足质量保证要求的组合的数量有限，尽管可以以与上面相同的方式通过共聚合多个折射率彼此不同的可聚合单体来制备具有折射率分布的预制棒，但是它们也发现通过共聚合反应制得的一些预制棒由于界面失配等而显示大的光损耗，并且材料的选择窄。

发明内容
本发明的目的在于提供一种新型光纤，它不仅在频率带宽方面优异，而且在长期稳定性和温度-湿度稳定性方面也优异。本发明的另一目的在于提供一种GI型光纤，与常规GI型光纤相比，它可以以较低成本并在较短时间内制得。
为了提供这种GI型光纤，本发明人进行了各种研究，结果发现必需根本上改变产生折射率分布的方法，由此使预制棒的制备步骤能够简单且快速地进行，并且与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质材料中的浓度分布的折射率分布(由于多种材料之间相容性的丧失而可能容易紊乱)相比，产生几乎不紊乱的折射率分布。他们还发现基于纤芯区中分子取向分布的具有折射率分布的光纤，与基于纤芯区中组成分布的已知折射率分布不同，可以解决前述问题。基于这些发现，完成了本发明。
在一个方面，本发明提供了一种光学塑料纤维，包括纤芯区并沿纤维的纵轴具有中心线，在与中心线垂直的任意平面内，纤芯区的折射率沿从周围部分到中心线的方向增加，和在与中心线平行并含有中心线的任意平面内，双折射率沿从中心线到与中心线垂直的周围部分的方向变化。
在本发明的实施方式，提供了纤芯区由具有正内禀双折射的材料形成的光学塑料纤维，在与传播方向平行并且含有中心线的任意平面内，双折射率的绝对值Δn沿从中心线到与中心线垂直的周围部分的方向增加，其中，Δn＝nx-ny＞0，nx是与纵轴平行的折射率，ny是与纵轴垂直的折射率；纤芯区由具有负内禀双折射的材料形成的光学塑料纤维，在与传播方向平行并且含有中心线的任意平面内，双折射率的绝对值Δn沿从中心线到与中心线垂直的周围部分的方向降低，其中，Δn＝nx-ny＜0，nx是与纵轴平行的折射率，ny是与纵轴垂直的折射率；其中纤芯区的组成是均匀的光学塑料纤维；和纤芯区的分子沿纵轴取向并且取向度沿从中心线到与中心线垂直的周围部分的方向改变的光学塑料纤维。
在另一方面，本发明提供了一种光学塑料纤维的制备方法，包括将包括至少一个由具有内禀双折射的材料形成的区域的预制棒拉制成纤维，同时将该预制棒通过至少两个温度设置为彼此不同的区域，由此在预制棒拉制成纤维之前在预制棒的中心部分和周围部分之间产生5℃或更大的温差。
作为本发明的实施方式，提供了这样一种方法，其中预制棒包括由具有正双折射率的材料形成的纤芯区，拉制是通过包括多级加热区的拉制设备进行的，首先预制棒通过将预制棒加热至拉制温度的区域，接着通过开始拉制预制棒并且其形状改变成圆锥形的区域，接着通过在拉制成纤维之前施加冷风将预制棒快速冷却的区域，由此在中心部分和周围部分之间产生20℃或更大的温差；和所述方法中的预制棒包括由具有负双折射率的材料形成的纤芯区，拉制是通过包括多级加热区的拉制设备进行的，首先预制棒通过温度设置为30℃或更低的区域，接着通过将预制棒快速加热至拉制温度的区域，由此在周围部分和中心部分之间产生20℃或更大的温差。
本发明的多模光纤可以通过如下制得在与光传播方向平行并且含有中心线的任意平面内沿纤维的纵轴产生相位差分布，因此在与光传播方向垂直的任意平面内产生改善光纤带宽所需的折射率分布。根据本发明，通过使用均匀组成可以制得多模光纤，并且与基于组成分布的常规折射率分布相比，该折射率分布几乎不会因温度和湿度改变而紊乱。而且，为了制备本发明的光纤，不需要进行任何复杂的步骤例如进行以产生基于组成分布的折射率分布为目的的界面凝胶聚合反应，并且仅需要进行简单的步骤例如在产生中心部分和周围部分之间的温差并由此产生不均匀的分子取向的条件下拉制预制棒。因此本发明可以显著缩短时间并降低光纤的制造成本。


图1是用于解释本发明的光纤的模型示意图。
图2是描述日本专利3332922中公开的一个光纤实例的折射率椭球的简图。
图3是描述本发明的一个光纤实例的折射率椭球的简图，该光纤包括由具有正内禀双折射的材料形成的纤芯区。
图4是描述本发明的一个光纤实例的折射率椭球的简图，该光纤包括由具有负内禀双折射的材料形成的纤芯区。
图5是拉制步骤期间形成的拉制圆锥的示意图。
图6是显示可用于制备本发明光纤的基于内部定型系统的熔体挤出成型机的典型构造的示意图。
图7是可用于制备本发明光纤的基于外部模具真空吸引系统的熔体挤出成型机的生产线的典型配置的示意图。
图8是可用于制备部分光纤的成型模具的透视图。
图9是用于制备本发明光纤的典型拉制设备的截面示意图。
图10是显示实施例中制备的样品的拉制温度和带宽之间的关系的图。
图11是用于解释实施例中制备用于评价双折射率的样品的方法的示意图。
具体实施例方式
下面详细地描述本发明的实施方式。首先，解释在与本发明光纤的纵轴垂直的任意平面内的折射率分布和在与本发明光纤的纵轴平行的任意平面内的双折射率分布之间的关系。
通常，折射率椭球是三维折射率分量(nx，ny，nz)的函数，对具有内禀双折射的材料而言，当材料的分子未取向时，其折射率椭球保持真正的球形形状。在这种情况下，满足等式，nx＝ny＝nz，并且该折射率称之为n0。另一方面，当主体材料的分子在任意方向取向时，所有三维折射率分量(nx，ny，nz)都不相同，或者换句话说，在材料内产生双折射。
当具有正内禀双折射的材料的分子仅沿x-轴取向时，对振动方向与该取向方向平行的光线的折射率，即nx，变得大于n0，并且对振动方向与该取向方向垂直的光线的折射率，即ny，与nz相等，变得小于n0。另一方面，当具有负内禀双折射的材料的分子仅沿x-轴取向时，对振动方向与该取向方向平行的光线的折射率，即nx，变得小于n0，并且对振动方向与该取向方向垂直的光线的折射率，即ny，与nz相等，变得大于n0。
将考虑位于直角坐标空间(x，y，z)的长光纤的纤芯区的模型，其纵轴与x-轴平行，如图1所示。在图1中，平面Py-z与光纤的纵轴垂直，平面Px-y含有沿纵轴的中心线Lc并且与纵轴平行。图2-4分别显示了不同光纤在Py-z截面和Px-y截面的图示折射率椭球。注意，在Px-z截面的图示折射率椭球，是含有中心线Lc并且与纵轴平行的另一平面，由于它们分别与Px-y截面中的相同，因此未显示。
图2显示了例如日本专利3332922中所述的常规GI-POF的纤芯区在Py-z截面(以nz和ny分量定义)(图2(a))和在Px-y截面(以nx和ny分量定义)(图2(b))的图示折射率椭球。例如图2所示的常规GI-POF具有以具有高折射率的低分子量化合物在基质材料中的渐变浓度分布为基础的渐变折射率分布。因此，如图2(a)所示，在Py-z截面的图示折射率椭球可以描述为圆形，并且圆形的大小沿从中心部分到周围部分的方向减小。并且如图2(b)所示，在Px-y截面的图示折射率椭球的形状在中心部分和周围部分都相似，并且圆形的大小沿从中心部分到周围部分的方向减小，与Py-z截面中相似。
图3显示了本发明的GI-POF的纤芯区在Py-z截面(以nz和ny分量定义)(图3(a))和在Px-y截面(以nx和ny分量定义)(图3(b))的图示折射率椭球。图3所示的纤芯区是由具有正内禀双折射的材料形成的，并且材料的分子沿纵轴(x-轴)以远离中心部分并靠近周围部分(沿y-轴)趋于更集中地取向。分子在Px-y平面的取向度沿从中心线Lc到周围部分的方向增加，并且nx分量的大小随取向度变化而增加。并且，如图3(b)所示，在Px-y截面的图示折射率椭球的形状在远离中心部分并靠近周围部分的过程中趋于形成橄榄球形状，它沿x-轴具有纵轴。结果在Px-y平面的这种取向度的变化能够在Py-z平面引起相对折射率分布，在Py-z平面折射率沿从中心部分到周围部分的方向降低。可以理解，对光传播方向而言，在图3中所示的纤芯区内发现的折射率分布等于在常规GI-POF的纤芯区内发现的折射率分布，后者是通过在折射率各向同性材料中产生渐变折射率分布而产生的。
图4显示了本发明的GI-POF的另一纤芯区在Py-z截面(以nz和ny分量定义)(图4(a))和在Px-y截面(以nx和ny分量定义)(图4(b))的图示折射率椭球。图4所示的纤芯区是由具有负内禀双折射的材料形成的，并且材料的分子沿纵轴(x-轴)以远离周围部分并接近中心部分(沿y-轴)趋于更集中地取向。分子在Px-y平面的取向度沿从周围部分到中心线Lc的方向增加，并且nx分量的大小随取向度的变化而减小。并且，如图4(b)所示，在Px-y截面的图示折射率椭球的形状在远离周围部分并靠近中心部分的过程中趋于形成盘形形状，它沿y-轴具有纵轴。结果在Px-y平面的这种取向度的变化能够引起Py-z平面内的相对折射率分布，在Py-z平面折射率沿从中心部分到周围部分的方向降低。可以理解，就光传播方向而言，在图4中所示的纤芯区中发现的折射率分布与在常规GI-POF的纤芯区中发现的相等，后者是通过在折射率各向同性材料中产生渐变折射率分布而产生的。
如上所述，根据本发明，为了产生具有渐变折射率的纤芯区，不需要有意产生不均匀的材料组成，并且组成均匀的材料可用于制备该纤芯区。注意，本说明书中术语“组成均匀的材料”用于由单一成分组成的任意材料，还用于包括多种成分并且成分比例均匀没有因区域而发生组成偏差的任意材料。根据本发明，纤芯区因此可以由具有内禀双折射的单一成分材料形成，或者可以由多成分材料例如通过将具有内禀双折射的掺杂剂(添加剂成分)均匀分散到没有任何双折射的基质材料中制得的材料，或者通过共聚合没有任何双折射的基质材料和具有内禀双折射的掺杂剂(添加剂成分)制得的材料形成。掺杂剂可以选自不能聚合的或者可以聚合的低分子量化合物。
如上所述，双折射率在与纵轴垂直的平面内变化的双折射率分布可以通过沿纵轴的使分子取向并在中心部分和周围部分之间产生取向度的差异来形成。在中心部分和周围部分之间产生取向度的差异的一个简单方法是在进行拉制时在中心部分和周围部分之间产生温差。例如，当将圆柱形预制棒拉制成纤维时，可以将熔融状态的预制棒顺流拉动，这样其直径可以沿拉制方向逐渐降低并且可能根本上改变形状成为如图5所示的圆锥形(预制棒根本上改变形状成为圆锥形在本文后面有时称之为“拉制圆锥”)。根据本发明，优选至少在一个选自从预制棒直径开始降低的区域中的起点A1到预制棒直径达到纤维直径的终点A2的范围内中心部分与周围部分之间存在5℃或更大的温差；更优选存在20℃或更大的温差。因此优选通过如图9所示具有多个温度可以分别控制的隔室的拉制设备(本文后面称之为“具有多级加热区的拉制设备”)拉制预制棒，这是由于可以容易地产生中心部分和周围部分之间的温差。
拉制包括由具有正内禀双折射的材料形成的纤芯区的预制棒，必需产生纤芯的分子沿纵轴以远离中心部分并且接近周围部分趋于更集中地取向的条件。为了在预制棒中产生这种条件，周围部分的温度可以设定至低于中心部分的温度，并且足够高以使周围部分的分子在进行预制棒的拉制时取向。通过如图9所示具有多级加热区的拉制设备拉制，预制棒在通过第一、第二和第三隔室的同时可以逐渐预热，在通过第四隔室时开始拉制，并在通过第五隔室时施加冷风，其中拉制圆锥逐渐被拉薄，这样仅周围部分可以快速冷却。
拉制包括由具有负内禀双折射的材料形成的纤芯区的预制棒，必需产生纤芯区的分子沿纵轴以远离周围部分并且接近中心部分趋于更集中地取向的条件。为了在预制棒中产生这种条件，中心部分的温度可以设定至低于周围部分的温度，并且足够高以使中心部分的分子在进行预制棒的拉制时取向。或者换句话说，预制棒可能需要在加热区经大功率电热加热装置从外部加热，这样仅周围部分的温度可以快速变热。更具体地说，通过如图9所示的具有多级加热区的拉制设备拉制，预制棒在通过第一和第二隔室时是冷却而不是预热，并且在通过第三隔室时快速加热，这样可以将周围部分的温度设置至高于中心部分的温度。
拉制时所需的温差范围可以根据所用材料的类型而变化，并且经常，为了产生取向度的差异，该温差理想地是在5℃-150℃的范围内，更理想地是10℃-100℃，最理想是20℃-75℃。当温差小于5℃时，折射率分布对于GI-POF可能不足。并且当温差大于150℃时，一些预制棒可能仅在周围部分熔融并且在中心部分保持坚硬，这样它们不能被拉制。
如上所述，根据本发明，相对由组成均匀的内禀双折射材料形成的纤芯区，通过在该纤芯区产生不一致的分子取向，产生在与纵轴垂直的任意平面内的折射率分布，并且这种不一致的分子取向可以通过纤芯区的温度沿从中心部分到周围部分的方向变化的同时拉制预制棒来产生。本发明的光纤因此可以传播高带宽光，可以低成本地生产，并且温度-湿度稳定性提高。
本发明的一个实施方式涉及一种光纤，包括具有上述性能的纤芯区和覆盖该纤芯区的包层区。纤芯区和包层区可以分别由通过聚合可聚合的组成而获得的聚合物形成，所述可聚合的组成包括至少一种可聚合单体。下面将描述可用于制备该纤芯区或包层区的各种材料的实例。
用作纤芯区的材料的可聚合单体理想地选自能够形成具有高透明度和高热塑性聚合物的可聚合单体。这种可聚合单体的实例包括(甲基)丙烯酸酯类例如(a)不含氟的(甲基)丙烯酸酯类和(b)含氟的(甲基)丙烯酸酯类、(c)苯乙烯类、(d)乙烯基酯类和(e)碳酸酯类。该纤芯区可以由一种选自它们的单体的均聚物、两种或多种选自它们的单体的共聚物或者这些均聚物和/或共聚物的混合物形成。特别是，根据本发明，该单体理想地选自能够容易地形成双折射聚合物的可聚合单体。正双折射聚合物或能够形成这种聚合物的单体的实例包括聚碳酸酯和甲基丙烯酸苄酯，能够形成负双折射聚合物的单体的实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，并且该单体理想地选自这些实例。可聚合单体的内禀双折射可以通过测定将该单体形成的聚合物单轴拉制获得的样品的双折射来确定。然而，根据本发明，可以将能够形成双折射的任意材料用作纤芯区的材料，因此单体并不限于上面列举的单体。单体的类型可以这样决定，由单体形成的均聚物具有不低于包层区的折射率，或者两种或多种单体的组成可以这样决定，由单体的组合形成的共聚物具有不低于包层区的折射率。
当将该光学元件用于传播近红外光时，光可能由于在传播期间被光纤中的C-H键吸收而损耗。为了将该吸收移向更长波长并因此降低这种光损耗，优选纤芯由至少一种选自氘化或氟化聚合物的聚合物形成，其中氢原子被氘或氟原子取代，例如日本专利3332922等中公开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-氟丙烯酸六氟异丙酯)(HFIP 2-FA)。为了防止聚合之后透明度降低，优选在聚合之前从单体中将认为是散射的潜在原因的任何污染物或任何异物充分除去。
单体可以选自在侧链中具有脂环族烃基或支化烃基的(甲基)丙烯酸酯类。含有大量来自该单体片段的聚合物，与没有这种基团的(甲基)丙烯酸酯类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，在使用在侧链具有脂环族烃基或支化烃基的单体时，为了弥补脆性，可以将另一具有高塑性的单体与该单体在所得性能不低于所需的的条件下共聚合，或者包层区或任选设置在包层区的外面的涂层可以由氟碳橡胶形成。
包层区可以由具有比纤芯区低的折射率的聚合物形成，它是无定形的并且与纤芯区具有良好的附着力，以便通过纤芯区传输的光可以在纤芯区和包层区之间的界面完全反射回到纤芯区。当可能发生界面失配时，折射率分布可能偏离图3或图4中所示的理想分布，在纤芯区和包层区之间可以设置至少如下的一层。例如，可以在纤芯区和包层区之间，或者换句话说在包层管的内表面上设置由具有与纤芯基质相同组成的聚合物形成的外纤芯层，这样可以改善纤芯区和包层区之间的界面的状态。后面将详细描述该外纤芯层。或者，不用设置该外层，包层区本身可以由具有与纤芯基质组成相同的聚合物形成。当通过旋转聚合形成外纤芯层时，该层中的聚合物链趋于形成沿与中空管的内表面平行的曲线面取向的平面排列，由此产生折射率椭球。这能够有助于补偿传播光的无序。
用于生成包层区的材料可以选自上面举例的用于纤芯区的材料，并且其中该材料理想地选自韧性和温度以及湿度稳定性优异的材料。从这一角度，包层区理想地由含氟单体的均聚物或至少一种含氟单体的共聚物形成。含氟单体的优选实例包括1，1-二氟乙烯。理想地使用含有10wt％或更高的得自1，1-二氟乙烯的单元的氟化均聚物或共聚物。
当通过后面详细描述的熔体挤出成型制备包层区时，要求聚合物具有适宜的熔融粘度。聚合物的重均分子量可用作与聚合物的熔融粘度相关的性能。从这一角度，聚合物优选地选自重均分子量是在10,000-1,000,000的范围内，更优选50,000-500,000的聚合物。
为了尽可能防止大量水渗入纤芯区，用于包层区的聚合物可以选自吸水率低的聚合物。包层区可以通过使用饱和吸水率(本说明书中有时称之为“吸水率”)低于1.8％，理想地低于1.5％，更优选低于1.0％的聚合物制得。应注意，本说明书中的吸水率可以根据ASTMD570通过测定样品在23℃的水中浸泡1周后的吸水率获得。
聚合引发剂可以根据各种因素例如可聚合单体的类型或聚合方法的类型选自已知的可聚合引发剂。聚合引发剂的实例包括过氧化物例如过氧化苯甲酰(BPO)，过-2-乙基己酸叔丁酯(PBO)，过氧化二叔丁基(PBD)、叔丁基过氧异丙基碳酸酯(PBI)或4，4-双(叔丁基过氧基)戊酸正丁酯(PHV)；和偶氮化合物例如2，2′-偶氮二异丁基腈、2，2′-偶氮二(2-甲基丁腈)、1，1′-偶氮二(环己烷-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。
用于本发明的聚合引发剂并不限于上面举例的那些。可以将两种或多种聚合引发剂组合使用。
制备纤芯区或包层区时，可聚合单体的聚合理想地在有链转移剂的情况下进行。链转移剂主要用于调节所得聚合物的分子量。在单体的聚合时使用链转移剂，可以控制聚合速度和聚合度，这样可以获得具有所需分子量的聚合物。可以制备适合拉制的聚合物，并且将该聚合物拉制制备光纤，生产率提高。
可以考虑所用的单体来适当选择链转移剂。不同单体的链转移剂的链转移常数可以参见如下出版物″Polymer Handbook 3rdedition″，J.BRANDRUP和E.H.IMMERGUT编辑，JOHN WILEY&SON出版。链转移常数也可以按照″Kohbunshi gousei no jikkenhou(Experimental methods for polymer synthesis)″，由Takayuki Ohtsu和Masaetsu Kinoshita撰写，Kagaku-Dojin Publishing Company，INC出版(1972)公开的方法通过试验检验获得。
链转移剂的实例包括烷基硫醇类例如正丁基硫醇、正戊基硫醇、正辛基硫醇、正月桂基硫醇、叔十二烷基硫醇；和苯硫酚类例如苯硫酚、间溴苯硫酚、对溴苯硫酚、间甲苯硫酚或对甲苯硫酚。其中，优选烷基硫醇类例如正辛基硫醇、正月桂基硫醇或叔十二烷基硫醇。也可以使用C-H键的至少一部分氢原子用氘原子替换的链转移剂。可以将两种或多种链转移剂组合使用。
纤芯区或包层区可以含有其它添加剂，其量是在不使传播能力降低的范围内。例如，为了具有与包层区差异非常大的折射率，纤芯区可以含有折射率控制剂。纤芯区或包层区也可以含有稳定剂以具有提高的耐候性或耐久性。为了提高光传播性能，也可以加入用于放大光信号的感应发射材料。由于通过加入这种化合物可以将甚至衰减的光信号放大由此使传输的长度伸长，因此该化合物通常可用于在一部分光传输链路中产生纤维放大器。在加入这种添加剂之后，可以将可聚合单体聚合形成含有所述添加剂的纤芯区或包层区。
接下来，描述本发明方法的实施方式；然而，本发明的方法并不限于下面所述的实施方式。下面描述包括纤芯区和包层区的光学塑料纤维的制备方法的实施方式。
本发明的光纤可以通过包括拉制光纤的预制棒的步骤的方法制得。预制棒可以通过挤出聚合物、在中空管中将可聚合的组成聚合形成包层区等制得。下面主要描述包括后者的方法。本发明的一种方法包括通过挤出含氟聚合物例如聚偏1，1-二氟乙烯制备相应于包层区的中空管的第一步，通过在管的中空部分将可聚合的组成聚合形成相应于纤芯区的区域的第二步，由此制备包含分别相应于纤芯区和包层区的区域的预制棒，和将所得的预制棒加工成所需形状的第三步。在第一步和第二步之间可以进行在中空管的内表面上制备外纤芯层的步骤。
在相应于包层区、外层或纤芯区的区域中含有的聚合物，理想地选自重均分子量为10,000-1000,000，更理想地为30,000-500,000的聚合物。定义为重均分子量与数均分子量之比的MND的值可以影响拉伸性。在具有高MWD值的聚合物中的极高分子量组分会降低聚合物的拉伸性，即使该组分的量非常小，并且这样一些聚合物无法拉制。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值的聚合物可以通过控制可聚合单体与聚合引发剂或链转移剂的聚合速度或聚合度来获得。
在第一步中，制得相应于包层区的单层管。该单层中空管可以通过日本专利3332922中公开的旋转聚合制得，这样单体组分聚合形成中空管，熔体挤出成型等。当通过旋转聚合制备中空管时，用于包层区或外层的可聚合的组分可以倒入圆柱形聚合容器或由氟聚合物形成的管中，然后在旋转(优选在保持圆柱形容器的轴水平的同时)容器或管的同时可以进行聚合，称之为“旋转聚合”，由此形成具有由聚合物制得的层的中空管或具有两个同心层的中空管。在倒入容器或管之前，单体组分可以经过滤除去组分中的粉尘。并且除非性能降低或预处理或后处理变得复杂，为了提高易处理性，单体组分可以制成具有适当粘度，如JPA 10-293215(1998-293215)中所述，或者为了缩短聚合时间，可以进行单体组分的预聚合。可以根据所用单体或聚合引发剂的类型改变聚合的适宜温度和时间。一般说来，该聚合反应优选在60-150℃下进行5-24小时。如JPA 8-110419(1996-110419)中所述，本文所用的单体组分可以在聚合之前进行预聚合以提高其粘度，这样可以缩短进行聚合反应所需的时间。由于当容器可能因旋转而变形时所得中空结构可能变形，因此优选使用具有足够刚度的金属或玻璃容器。
由聚合物形成的中空管也可以通过如下制得将颗粒状或粉状聚合物(优选含氟树脂)放置在圆柱形容器中，关闭靠近容器两端，将容器加热至高于聚合物熔点的温度，同时保持反应器旋转(优选保持圆柱体的轴水平)，由此使聚合物熔融。该方法理想地在惰性气体环境例如氮或氩气下并在聚合物组分完全干燥之后进行，以避免熔融引起的热分解、氧化分解或热-氧化分解。
就通过熔体挤出聚合物形成包层区的情形而言，也可以制得该聚合物，然后通过成型技术例如挤出成型获得所需几何形状(在本实施方式中是圆柱形)的结构成分。本文可以利用的熔体挤出机分成两类，内部定型模具系统和外部模具真空吸引系统。
参照图6解释内部定型模具系统的轮廓，图6是基于内部定型模具系统的熔体挤出成型机的典型构造的截面示意图。
将形成包层区的源聚合物40经具有弯头(未显示)的单螺杆挤出机通过主部件11向模区14挤出。模区14具有插入其中的导管30，用于将源聚合物40导入流道40a、40b。源聚合物40由导管30通过，流过在模区14和内杆31之间形成的流道40a、40b，从模区的出口14a挤出，由此形成圆柱形中空包层19。包层19的挤出速度没有特别的限制，考虑到形状稳定性和生产率优选设置在1cm/min-100cm/min的范围内。
模区14优选配备有用于加热源聚合物40的加热装置。在一种允许的构造中，配置一个或两个加热装置(使用蒸汽、热载体油、电加热器等的装置)以沿源聚合物40的前进方向包围模区14。另一方面，优选在该模区的出口14a连接温度传感器41，并且使用该温度传感器41控制模区的出口14a处的包层19的温度。鉴于保持包层19的均匀几何形状，优选将该温度调整至不高于源聚合物40的玻璃化转变点。鉴于抑止因温度突然变化引起的几何形状的变化，包层19的温度也优选调整至不低于40℃。包层19的温度控制可以通过将冷却装置(使用液体例如水、防冻液或油，或者基于电冷却的装置)连接到模区14上、或者通过自然空气冷却模区14来实现。对于在模区上配置加热装置的情形，冷却装置优选设置在加热装置的下游侧。
下面将描述基于外部模具真空吸引系统的形成方法的概述，参照图7和8，其中前者显示基于外部模具真空吸引系统的熔体挤出成型机的生产线典型配置，后者是因此可使用的成型模具53的透视图。
图7所示的生产线50包括熔体挤出机51、推挤模具52、成型模具53，冷却装置54和拉制装置55。从粒料进料斗(本文后面称之为进料斗)56进料的源聚合物在熔体挤出机51中熔融，经推挤模具52挤出，并加入到成型模具53中。挤出速度S优选满足关系0.1≤S(m/min)≤10，更优选0.3≤S(m/min)≤5.0，最优选0.4≤S(m/min)≤1.0，尽管并不限于这些范围。
如图8所示，成型模具53配备有模塑管70，熔融树脂60能够通过它并模塑产生圆柱形包层61。模塑管70有多个在其上形成的抽吸孔70a，并且当使用真空泵57抽空经安装以包围模塑管70的减压室71时(参见图7)，能够使包层61的外壁表面压在模塑管70的模塑表面(内壁)70b上，由此产生具有均匀厚度的包层61。减压室71内的压力优选调整至20kPa-50kPa的范围内，尽管并不限于此。优选在成型模具53的入口连接喉管(外径限制构件)58用于限制包层61的外径。
然后将通过成型模具53形成的包层61送到冷却装置54。冷却装置54具有多个喷嘴80，由此将冷却水81朝向包层61喷射并将包层61冷却和固化。还能够在接受盘82上收集冷却水81，并从排放口82a排放。包层61被拉制装置55从冷却装置54拉出。拉制装置55包括主动辊85和加压辊86。主动辊85与马达87相连，以使其可以控制包层61的拉出速度。加压辊86配置以与主动辊85相对，同时在辊85和86之间放置包层61，从而即使包层61略微错位也能精细校正。通过控制主动辊85的拉出速度和熔体挤出成型机51的挤出速度，或者通过精细调整包层61的位移，可以制备几何形状特别是厚度极其均匀的包层61。
包层区可以由多层构成以具有许多功能例如提高的机械强度和阻燃性。还优选制备中空管，使其内壁具有在预定范围内的算术平均粗糙度，并用含氟树脂等覆盖其外表面。
所得包层区的外径(D1)，或者换句话说预制棒的外径，优选具有一定的长度以便可以显著地产生在纤芯区和周围区域之间的温差，特别优选满足关系20≤D1(mm)≤500，更优选满足关系25≤D1(mm)≤100。只要包层区可以保持其自身形状，包层区的厚度t可以尽可能薄，并且经常该厚度优选满足关系2≤t(mm)≤20。并且从确保边缘的足够长度以稳定地开始聚合或者拉制的角度，预制棒的长度理想地不短于200mm，更优选500mm-3000mm。然而，本发明并不限于上述范围。
单层或双层中空圆柱形管理想地具有底部，以便可以在第二步将用于纤芯区的材料倒入到该圆柱中。底部的优选材料是具有与圆柱的聚合物良好的亲和力和粘合性的材料。底部可以由与圆柱相同的聚合物形成。例如，底部可以在进行旋转聚合之前或之后通过倒入少量单体到容器中，并在容器处于直立状态的同时进行单体的聚合而制得。
在第二步，可以将单体组分倒入获得的相应于包层区的管的中空部分并聚合。该单体组分可以含有添加剂例如聚合引发剂或链转移剂。单体组分中所含的成分的量的优选范围可以考虑所用物质种类之后适当决定，其中相对可聚合单体组成的重量，聚合引发剂的添加量理想地在0.005-0.5wt％的范围内，更理想地在0.010-0.50wt％的范围内；并且相对于可聚合单体组成的重量，链转移剂的添加量理想地在0.10-0.40wt％的范围内，更理想地在0.15-0.30wt％的范围内。
在第二步，该聚合反应可以在如JPA 9-269424(1997-269424)中所述的增压下，在如日本专利3332922中所述的减压下，或者根据情况改变压力的同时进行。这样控制压力可以有利于提高单体在接近单体的沸点的温度下的聚合效率。当在压力下进行聚合时(本文后面称之为“压力聚合”)，优选将所述单层或双层圆柱放置在装配架的中空空间，并在保持圆柱得到装配架支持的同时进行该聚合。使用脱水或脱气单体可用于防止形成气泡。
如上所述，从防止聚合期间变形的角度，该聚合可以在将单层或双层圆柱放置在装配架的中空空间中进行。装配架优选形状为具有可以插入该结构的中空空间，并且该中空空间优选具有与该结构相似的外形。由于在本实施方式中以圆柱形形状形成相应于包层区的结构，因此优选装配架也具有圆柱形形状。装配架可以抑制压力聚合期间单层或双层圆柱变形，并且支持圆柱以减轻压力聚合过程中相应于纤芯区的区域的收缩。优选装配架具有直径大于单层或双层圆柱的外径的中空空间，并且装配架以非粘合的方式支持相应于包层区的圆柱。由于在本实施方式中装配架具有圆柱形形状，因此装配架的内径优选比相应于包层区的圆柱的外径大0.1-40％，更优选大10-20％。
在纤芯区的聚合结束之后通过在控制压力下以恒定速度冷却所得预制棒可以防止气泡的形成。从纤芯区的压力响应的角度，压力聚合，例如在填充有加压惰性气体例如氮气的反应容器中进行的聚合反应，有利于产生纤芯区。然而基本上不可能完全从预制棒中除去气体，并且冷却期间聚合物的快速收缩可能因聚合物内包含的气体聚集而产生气泡中心，并导致形成气泡。为了避免形成气泡，冷却理想地在0.001-3℃/min，更理想地0.01-1℃/min的控制冷却速度下进行。可以根据在接近聚合物的Tg期间，特别是接近形成纤芯区的聚合物的Tg期间的聚合物收缩过程逐步进行冷却。在这种情况下，优选聚合之后即刻的冷却速度高，并且逐渐降低。
通过上述方法获得的预制棒具有均匀的折射率分布、足够的光学透明度、尽可能少的气泡或大间隙、以及高度光滑的界面，它可以将进入纤芯的光在纤芯区和包层区之间进行反射，以便高产率地产生高性能的光纤。
可以将通过其他方法制得的预制棒，例如通过如下方法制得的预制棒用于本发明熔体挤出聚合物例如聚甲基丙烯酸甲酯的粒料成杆状或将熔融聚合物倒入杆状模具中并在高于聚合物熔点的温度下加热放置在该模具中的聚合物以经过足够的非取向处理。可以使用通过任意方法制得的预制棒，只要这些预制棒具有均匀的折射率分布，足够的光学透明度和尽可能少的气泡或大间隙。
接下来，在第三步，通过熔体拉制预制棒制备塑料光纤。
图9是可用于第三步的拉制设备的截面示意图。图9所示的拉制设备包括臂101、在臂101末端的万向接头107和预制棒夹持器108。它们以悬挂方式支持预制棒109。当螺杆传动器103通过马达104驱动时，螺杆102以恒定速度旋转，臂101下降，并且预制棒109插入到加热器110中。接着预制棒109在每个隔室中受热并熔融。预制棒109的熔融端在通过安装在加热器110的下方的冷却室111b被冷却风扇111a送来的冷空气冷却，夹在牵引辊115的夹住部分之间，并经牵引辊115向下拉制。一个牵引辊115受可以调整向下牵引力的牵引马达116驱动。预制棒109由臂101以恒定速度向下加料，并由牵引辊115以恒定速度拉制，并因此连续拉制形成光纤109′。
拉制轴可以借助定位设备105调整。以用于测定预制棒109的拉力的张力计114a、用于测定预制棒109的直径的激光量规114b和/或测定拉制长度的距离计数器114c获得的测定值为基础，通过计算机117控制马达116，可以使预制棒109的向下牵引速度最佳化。
如图9所示，当加热器110是多级时，在中心部分和周围部分之间产生本发明上述效果所需的温差可以通过精确控制每一隔室内的温度产生。为了精确控制每一隔室内部的温度，在彼此相邻的隔室之间理想地设置孔板119，如图9所示，以防一个隔室内的气氛泄漏到相邻隔室。
例如，当预制棒由具有正内禀双折射的材料形成时，可以将预制棒加热以使温度沿从中心部分到周围部分的方向逐渐降低。在这种情况下，预制棒可以进料到上游区例如温度足够高以将预制棒快速加热的第一隔室，接着进料到下一区例如第二或接下来的另一隔室，其中温度足够使得圆柱形预制棒能够被拉制，直径逐渐降低并转变成圆锥形。接着可以将该预制棒进料到送冷空气的下游区(相对任何加热区的温差理想地不低于30℃)并在拉制成所需直径的纤维的同时快速冷却。由于提供有冷空气，周围部分可以快速冷却，并且另一方面，中心部分会冷却不足，使得在纤芯区产生温度分布。
另一方面，当预制棒由具有负内禀双折射的材料形成时，可以将预制棒加热使得温度沿从周围部分到纤芯区的方向逐渐降低。在这种情况下，可以将预制棒进料到上游区例如第一个隔室或第一和第二隔室中，其中温度低，例如不高于30℃，不足以在上游区将预制棒预热。接着可以将预制棒进料到下一区域，其中温度足够高以在短时间内将纤芯区的周围部分快速加热并能够在纤芯区的中心部分与周围部分同样受热之前将预制棒拉制成所需直径的纤维。当上游区的冷空气的温度不低于30℃时，会将预制棒预热并且不能产生足够的温差。
在任意情况下，在拉制成所需直径的纤维之后，为了避免通过辊期间的变形可以进行冷却。
拉制温度可以根据预制棒的材料设定，并且通常拉制温度理想地是180-250℃。拉制的条件例如温度可以根据预制棒的直径、纤维的所需直径或预制棒的材料设定。本发明的光纤具有沿与中心线垂直的方向变化的双折射率，并且为了产生这种光纤，当拉制期间要求周围部分的温度足够高于中心部分的温度时，理想地使用电炉加热预制棒。电炉可以有效地加热预制棒的表面，并且产生周围部分和中心部分间足够的温差。另一方面，当拉制期间要求中心部分的温度足够高于周围部分的温度时，理想地使用激光器。激光器可以充分且快速地加热预制棒的中心部分。并且在快速加热之后，将预制棒快速冷却，特别是用吹入的冷空气冷却，这样在周围部分和中心部分之间可以产生足够的温差。
为了保持纤维的线性和圆形，优选使用具有保持中心位置恒定的定位机构的拉制旋转设备将预制棒拉制成纤维。
为了如JPA 7-234322(1995-234322)所述取向熔融塑料，可以将拉制张力设置至10g或更高，并且优选设置至100g或更低使得在如JPA7-234324(1995-234324)中公开的纺丝之后不留有应力。也可以使用在拉制之前具有预热步骤的方法，如JPA 8-106015(1996-106015)中所述。
当原料纤维的破裂拉伸和硬度各自在JPA 7-244220(1995-244220)中所述的范围内时，可以提高纤维的弯曲性能和层向压力性能。当纤维具有折射率低、可以起反射层的作用的外层时，如JPA8-54521(1996-54521)中所述，可以提高纤维的传输质量。在将预制棒例如PMMA棒拉制成所需直径的纤维之后，通过将也可用于包层区的材料的低折射组分涂覆到该表面，可以产生反射层。涂布型包层区的实例包括Addison Clear Wave Company生产的“AC R220B”紫外线固化型。
第三步加工之后的塑料光纤可以在没有任何改变下直接进行各种应用。为了保护或强化的目的，纤维也可以以在其外表面具有覆盖层或纤维层的形式和/或以具有许多纤维束的形式进行各种应用。对于对单元纤维提供涂层的情形，覆盖过程是这样的将单元纤维通过一对具有单元纤维通过的通孔的相对模具，在该相对模具之间填充涂覆用的熔融聚合物，并在模具之间移动单元纤维。为了防止内部单元纤维因弯曲而受压，该覆盖层优选不与单元纤维熔合。在该覆盖过程中，单元纤维典型地在与熔融聚合物接触时可能受热破坏。因此优选设置单元纤维的移动速度以使热损坏最小，并选择在低温范围内可以熔融用于形成覆盖层的聚合物。覆盖层的厚度可以考虑形成覆盖层用的聚合物的熔融温度、单元纤维的拉制速度和覆盖层的冷却温度因素而调整。
在纤维上形成覆盖层的其它已知方法包括将光学元件上涂覆的单体聚合的方法、将薄片卷绕的方法和将光学元件通过经挤压成型获得的中空管的方法。
单元纤维的覆盖能够产生塑料光纤电缆。覆盖的方式包括塑料光纤覆盖有覆盖材料以便二者的边缘在整个周围紧密接触的接触覆盖；和在覆盖材料和塑料光纤的边缘具有空隙的松散覆盖。由于当通常在与连接器的连接区剥离一部分覆盖层时，松散覆盖趋于能够使水从覆盖层的末端进入空隙，并沿其纵向扩散，因此通常优选接触覆盖。然而，未使覆盖层与单元纤维紧密接触的松散覆盖优选用于一些目的，因为此时覆盖层可以减轻大多数损坏例如施加到电缆上的应力或热，并且因此可以降低对单元纤维的破坏。通过用流体凝胶形式、半固体或粉末材料填充空隙可以避免水从末端平面扩散。如果半固体或粉末材料同时具有防止水扩散的功能和除防止水扩散功能之外的功能，例如提高耐热性、机械性能等的功能，将获得具有较高性能的覆盖。
通过调整直角模具的头接头的位置，并通过控制减压装置以形成间隙层，可以获得松散覆盖。通过控制接头的厚度，或者加压/减压间隙层，可以调整间隙层的厚度。
还可以提供另一覆盖层(第二覆盖层)以包围已有的覆盖层(初始覆盖层)。第二覆盖层可以加入有阻燃剂、紫外线吸收剂、抗氧化剂、自由基捕获剂、润滑剂等，它们也可以包括在初始覆盖层中只要确保令人满意的防水分渗透性水平。
尽管有已知的树脂或含溴或其它卤素或磷的添加剂作为阻燃剂，但是从安全性例如减少有毒气体的放出的角度，含有金属氢氧化物的那些成为主流。金属氢氧化物在其结构内具有结晶水，并且这样使其不能在生产过程中完全除去结合水，使得阻燃剂覆盖优选以包围本发明的防水分渗透层(初始覆盖层)的外覆盖层(第二覆盖层)提供。
也可以将具有多个功能的覆盖层叠加。例如，除了阻燃之外，可以在覆盖层内或之间提供阻挡单元纤维吸收水分的屏障层或除去水分的吸水剂(典型的是吸湿胶带或吸湿凝胶)。也可以提供在弯曲时释放应力的柔性材料层、缓冲材料层例如泡沫层和提高刚度用的强化层，所有它们都可以根据目的选择。除了树脂之外，高弹性纤维(所谓的抗拉强度纤维)和/或金属丝材料例如高刚度金属丝优选作为结构材料添加到热塑性树脂中加强所得电缆的机械强度。
抗拉强度纤维的实例包括芳族聚酰胺纤维、聚酯纤维和聚酰胺纤维，金属丝的实例包括不锈钢丝、锌合金丝和铜丝。它们都绝不限于上面所述的那些实例。任何其它保护性铠装例如金属管、空中敷设电缆用的辅线和接线期间改进可加工性的结构都可以包括。
电缆的类型包括具有同心捆扎的单元纤维的集合电缆；具有线性排列的单元纤维的所谓带状导线；和通过压绕或包装套管进一步捆扎它们的集合电缆；所有它们都可以根据应用适当选择。
包括本发明的纤维的电缆对轴失配可以具有比原有电缆高的公差。因此，这些电缆可用于对接，然而，在这些情况下，理想地在末端使用光学连接器，以便确实固定连接部分。可以使用各种类型的可商购获得的连接器例如PN、SMA、SMI、F05、MU、FC或SC型连接器。
本发明的光学元件可用作传输光信号的系统中使用的光纤电缆，该系统包括各种发光元件、光开关、光隔离器、光集成循环、光接收元件、其它光纤、光总线、光星形耦合器、光信号处理设备、连接用的光连接器等。可以使用任意已知的技术，参见“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页等。本发明的光学元件可以与上述文献中所述的任意技术组合，并且这些组合可以形成短距离的光传输系统例如不用电磁波的高速数据通信或控制。更具体地说，这些组合可以形成计算机或各种数字设备的内部布线；车辆或轮船中的内部布线；光学末端和数字设备之间或数字设备之间的光学连接；和单独房间、多个房间、工厂、办公室、医院、学校的室内或地区间光学LAN。
而且，本发明的光学元件可以与如下文献中所述的任意技术组合“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中典型地所述的光总线；JPA 2001-74971、2000-329962、2001-74966、2001-74968、2001-318263或2001-311840中典型地所述的光学分路/耦合设备；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号传输设备和光数据总线系统；JPA 2002-23011中典型地所述的光信号处理器；JPA 2001-86537中典型地所述的光信号交叉连接系统；JPA2002-26815中典型地所述的光传输系统；或者JPA 2001-339554或2001-339555中典型地所述的多功能系统；任意光导、任意光学产品和交叉、任意光耦合器、任意光学编译过滤器或任意光分路过滤器；并且这些组合可以使用多个传送和接收形成提高的光传输系统。
除了上述应用之外，本发明的光学元件可用于各种技术领域例如照明系统、能量发送器、照明或传感器。
实施例参照具体实施例具体地描述本发明。应说明的是，在不背离本发明的精神下，可以对任意材料、试剂、使用比例、操作等进行适当改变。因此本发明的范围并不限于下面显示的具体实施例。
中空管(管道)，厚度为1mm，直径为20mm，并且长度为1m，通过用具有如图6所示相同结构的内部定型模具型熔体挤出机挤出熔融的聚偏1，1-二氟乙烯(PVDF)制得。管道的一端覆盖有由PVDF形成的盖，并且MMA组分示于下面，它可以产生由负双折射PMMA形成的纤芯区，将其倒入所述管道的中空部分中。
(MMA组分)甲基丙烯酸甲酯 500g偶氮二异丁酸甲酯 0.25g正月桂基硫醇 1.75g倒入之后，逐步进行该组分的聚合，具体地说，将该管道放置在油浴中在60℃下24小时，90℃下24小时和120℃下24小时，由此获得预制棒。
(拉制)获得的预制棒经具有与图9所示相同结构并包括环状电炉的拉制机拉制。电炉的加热区为5阶段，换句话说由5个隔室组成，如图9所示，板119，通常称之为“孔板”，在隔室之间趋于凸出，这样隔室中的气氛几乎不泄漏到相邻隔室中。总是将20℃的空气送到第一和第二隔室；第三隔室的温度调设置为9个水平，具体地说，205℃、210℃、215℃、220℃、225℃、230℃、235℃、240℃或245℃；并且在拉制预制棒时第四和第五隔室的温度总是分别设置为170℃和140℃。由此获得实施例1-9的样品，或者换句话说外径为1mm并且长度为50m的纤维。
使用模型试验具体研究在上面拉制过程中在预制棒内部产生的温差。至于模型试验，制备其中包括两个热电偶的预制棒。它们中一个放置在与纵轴垂直的一个平面的中心部分，另一个放置在该平面的周围部分。预制棒以与实施例8相同的方式拉制，具体地说在第三隔室的温度设置为240℃的条件下，并且测定热电偶温度直到由于热电偶达到拉制圆锥形部分(它是图5中用A1显示的水平或相邻区域)而纤维发生破裂。并且测定显示周围部分的温度是213℃，中心部分的温度是190℃，它们之间的温差是23℃。
(所得纤维的评价；光纤带宽)脉冲光，其半宽为100微微秒，从650nm-LED发出作为光源，由数值孔径为0.5的物镜收集，并导入所得每一光纤的入口端。用取样示波器检测得自距离入口端50m的出口端的输出光。通过将波形的半宽转化成响应频率来计算每个带宽。所得结果示于表1。并且在图10中相对拉制温度绘制每一光纤带宽。从图10可以理解，光纤带宽随拉制温度而变化，并且当将拉制温度设置至约225℃时获得最大频率。
(所得纤维的评价；双折射分布)通过下面所述的方法评价沿从与纵轴平行的中心线到周围部分的垂直方向的双折射分布。应说明的是，事实上评价相位差分布，或者换句话说Δn×d，其中Δn(＝nx-ny)是双折射率，d是样品的厚度。首先，分别制备所得光纤的10m样品。将每一样品放置在厚度为1mm的玻璃板上，覆盖环氧树脂并粘附到板上，如图11所示。接下来，从环氧树脂侧，或者换句话说从图11的上侧，进行抛光至中心线的水平(用虚线L1显示)。并将厚度为1mm的另一玻璃板放置在样品的抛光面并用环氧树脂固定。并从玻璃板的相对侧，或者换句话说从图11的下侧进行抛光。随着抛光的进行，将下侧玻璃板切割，并将样品抛光至图11中虚线L2所示的水平，这样样品的厚度为0.1mm。通过上述步骤，分别获得放置在玻璃板上的厚度为0.1mm的纤维样品。在具有thick-berek-compensator，U-CTB的偏光显微镜(Olympus制造的″BX51″)下测定这些样品，并且用观察到的颜色评价其相位差分布。从这些观察可以理解，所有样品的相位差沿从中心线部分到纤芯区与包层区之间的界面的方向垂直地变化。相位差的绝对值示于表1。
(所得纤维的评价；温度和湿度稳定性)在制备之后即刻通过回切法测定每一所得光纤在650nm下光损耗的量。接下来，将它们各自在70C-90％RH的环境下保持1000小时，然后再测定光损耗量。将两个量之差看作是光损耗变化。所得纤维的光损耗变化示于表1。
如表1所示，可以理解由于双折射率变化更显著，因此获得较宽的带宽；或者换句话说，由于相位差差异的绝对值较大，因此在与纵轴垂直的任意平面产生更显著的双折射分布，并且获得具有较高光传输性能的GI型光纤。
以与实施例1相同的方式制备预制棒。
(拉制)获得的预制棒经具有与图9所示相同结构并包括环状电炉的拉制机拉制。第一和第二隔室的温度分别设置为140℃和180℃，第三隔室的温度设置为240℃，并且在拉制预制棒时第四和第五隔室的温度分别设置为170℃和140℃。由此获得对比例1的样品，或者换句话说外径为1mm并且长度为50m的纤维。
以与实施例1-9相同的方式评价所得纤维的光纤带宽、双折射率分布和温度和湿度稳定性。所得结果示于表1。应注意对比例1的样品具有相位差。然而，相位差量均匀并且没有发现相位差分布。
以与日本专利3332922中所述的实施例4相同的方式制备GI型塑料光纤。在已知作为GI型光纤的制备方法的该方法中，使用掺杂剂并且以掺杂剂的浓度分布为基础产生折射率分布。以与上述相同的方式评价所得光纤的性能。
表1

工业实用性根据本发明，通过在与纵轴平行的任意截面上产生双折射分布可以在与光传播方向垂直的任意截面产生折射率分布，并因此可以在不用掺杂剂的情况下，或者通过使用均匀组成生产GI型POF。通过本发明的方法制得的光纤，具有优异的带宽，长期稳定性和温度-湿度稳定性。
权利要求书(按照条约第19条的修改)7、如权利要求1-5任一项的光学塑料纤维，其中光损耗不大于250dB/km。
权利要求
1.光学塑料纤维，包括纤芯区并沿纤维的纵轴具有中心线，在与中心线垂直的任意平面内，纤芯区的折射率沿从周围部分到中心线的方向增加，和在与中心线平行并含有中心线的任意平面内，双折射率沿从中心线到与中心线垂直的周围部分的方向变化。
2.如权利要求1的光学塑料纤维，其中纤芯区由具有正内禀双折射的材料形成；并且在与传播方向平行并含有中心线的任意平面内，双折射率的绝对值Δn沿从中心线到与中心线垂直的周围部分的方向增加，其中Δn＝nx-ny＞0，nx是与纵轴平行的折射率，ny是与纵轴垂直的折射率。
3.如权利要求1的光学塑料纤维，其中纤芯区由具有负内禀双折射的材料形成；并且在与传播方向平行并含有中心线的任意平面内，双折射率的绝对值Δn沿从中心线到与中心线垂直的周围部分的方向降低，其中Δn＝nx-ny＜0，nx是与纵轴平行的折射率，ny是与纵轴垂直的折射率。
4.如权利要求1-3任一项的光学塑料纤维，其中纤芯区的组成是均匀的。
5.如权利要求1-4任一项的光学塑料纤维，其中纤芯区的分子沿纵轴取向并且取向度沿从中心线到与中心线垂直的周围部分的方向改变。
6.光学塑料纤维的制备方法，包括将包括至少一个由具有内禀双折射的材料形成的区域的预制棒拉制成纤维，同时将该预制棒通过至少两个温度设置为彼此不同的区域，由此在所述预制棒拉制成纤维之前在预制棒的中心部分和周围部分之间产生5℃或更大的温差。
全文摘要
公开了一种新型的光学塑料纤维，其包括纤芯区并沿纤维的纵轴具有中心线。在与中心线垂直的任意平面内，纤芯区的折射率沿从周围部分到中心线的方向增加，并且在与中心线平行并含有中心线的任意平面内，纤芯区的双折射率沿从中心线到与中心线垂直的周围部分的方向变化。
文档编号G02B6/028GK1823285SQ20048001987
公开日2006年8月23日 申请日期2004年7月8日 优先权日2003年7月11日
发明者镰田晃 申请人:富士胶片株式会社