一种空芯塑料光纤与光缆的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种空芯塑料光纤与光缆，其中，所述空芯塑料光纤设置包覆层、过渡层与空芯层；所述空芯层空置；所述过渡层的折射率大于所述包覆层的折射率。采用上述方案，本发明采用空心设计，大大降低了光信号的传输衰减，突破了塑料光纤只能传输可见光的限制，可以实现全光谱光传输，并且完全兼容现有光纤系统使用，生产成本下降，易于产业化，并且传输的距离更远，传输的速率更高，克服了现有阶跃式塑料光纤的不足，不仅可完全替代现有的通信级别阶跃式塑料光纤，而且还能替代铜网络线，达到节省铜资源、节能环保的效果和目的，具有很高的市场应用价值。
【专利说明】一种空芯塑料光纤与光缆【技术领域】
[0001]本发明涉及LED照明，尤其涉及的是，一种空芯塑料光纤与光缆。
【背景技术】
[0002]塑料光纤(Plastic Optical Fiber，POF)，也称聚合物光纤、高聚物光纤，是由高折射率的透明聚合物芯层与低折射率的透明聚合物包覆层组成，尤其适合制成通信用塑料光纤使用，它是最近二十年发展起来的一种采用高透明聚合物材料制造的光导纤维，是使用高分子材料制成 的低碳环保产品，在信息传输领域具有广泛的应用需求，被列入了国家《新材料产业“十二五”发展规划》，其行业发展方向完全符合国家战略性新兴产业发展方向。光缆一般是指有外包护套的成品线缆，光纤一般是指光缆内用于传输的纤芯，但有人也把光缆称为光纤。
[0003]通信用塑料光纤的芯通常由俗称亚克力的高分子材料PMMA(polymethylmethacrylate,聚甲基丙稀酸甲酯)制成的，是一种新型的光波导光纤。这种光纤柔韧性好、芯径较大、对接容易，带宽较高，可满足高速宽带网、驻地网、多媒体网络发展的迫切需要，可在网络末端替代目前广泛使用的铜网线，并与主干石英光纤配合建设全光网络的优选介质。塑料光纤已经成为全光网络、物联网、传感器、互联、飞机、医疗、家庭智能网络、工业控制系统及装饰照明等应用领域中的新材料、新工艺、新产品，具有广阔的应用前景。
[0004]光电子技术是未来信息产业的核心技术之一，通信级塑料光纤作为光电子应用的重要组成部分，其应用系统具有不怕震动、可靠性高、抗电磁干扰等特点，特别是在汽车网络、工业控制网络和国防军工等领域具有独特的应用前景，未来会有很大的发展机遇。
[0005]在高磁场高电场的电力系统中，以塑料光纤作为传输媒介的信息传输系统，因没有电磁干扰，具有传输数据可靠性高、稳定性好、实时性强、容量大、成本低、易施工等特点，即便在雷电多发区域等特殊环境中，也能够全面支持电力行业用电数据信息采集系统、智能变电站、电力视频监控等业务场景的应用，在短距离通信领域等方面具有独特优势和较强的应用价值。
[0006]在工业控制系统中，塑料光纤更是大有用武之地。POF可全面应用在工业以太网、集中式控制设备集群、自动化机床、自动化生产线、使用各种控制协议的设备如RS-232、RS-422、RS-485、can总线、bus总线中。工业企业和生产现场,恶劣的电磁干扰环境对各类控制用铜导线会产生严重的影响，如何避免这种影响一直是工业控制行业的困扰，而塑料光纤没有电磁干扰问题，恰好解决了这一点，从而保证控制信息传输过程实时、准确、可靠、安全、稳定。
[0007]塑料光纤已在汽车产业中得到了应用。因为汽车产业是一个国家工业的脊梁，它不仅代表了一个国家的工业发达程度，而且也表明了科技应用的水平。现代的汽车产业中采用了大量的新工艺、新材料、新技术和新方法。塑料光纤现已经被应用于高档豪华汽车上面，目前已被 BMW、Daimler Chrysler、Aud1、VW、Land Rover、Saab、Fiat、Mitsubish1、Jaguar>Volvo>Hyundai和Porsche等50多种车型采用，主要使用在车载多媒体娱乐系统、GPS、车载电话、车载资讯设备、倒车可视雷达等等。
[0008]并且，塑料光纤在军事通信上具有明显的优势。柔软轻便、抗震动抗干扰能力强、无需任何专业的工具与辅助材料而快速连接，这些特点特别适合战地移动网络、军事保密网络、军事指挥网络、军事装备的通讯连接网络，因此塑料光纤正在被一些发达国家开发用于军事机载设备、军用战车、舰船、飞行器、士兵穿戴式的轻型电脑系统、头盔显示器等场合。我们相信，在不久的未来，塑料光纤必定在我国的军事领域中被广泛应用。
[0009]塑料光纤是一种新型的网络传输媒介，这种光纤既有石英光纤的大容量、高带宽优点，又能像铜网络电缆那样连接方便，而且便宜易安装。塑料光纤的芯径一般为0.75?I毫米，比石英光纤粗很多，因此光纤对接要求不会像石英光纤那么精密和严格。
[0010]塑料光纤的研制是近三十年来的事情，国外最早是美国杜邦公司在上世纪七十年代开始研究。八十年代，日本三菱公司开发出可用于通信领域的PMMA(聚甲基丙稀酸甲酯)塑料光纤，其光信号损耗参数(衰减系数)已经小于200dB/km，日本的东丽公司(TORAY)和旭硝子公司(Asahi Glass)也先后开发出通信级别的塑料光纤。日本的三家企业，基本控制了世界市场的80%以上，目前光纤原材料和成品光缆的生产主要由日本企业垄断。衰减系数是指光在通过光纤时的衰减程度，一般以dB/km作为单位，阶跃式通信级别的塑料光纤衰减一般要求越小越好，最好能够小于200dB/km。
[0011]国内在2000年后才开始研发生产塑料光纤，现有江西大圣塑料光纤公司、四川汇源科技公司、安徽中熹科技公司及内蒙古金三角科技公司开发并生产出PMMA塑料光纤，其衰减系数已小于或接近200dB/km。在产品的质量上还与日本产品有一定的差距。
[0012]由于塑料光纤具有直径大、柔韧性好、密度小、在可见光区有低损耗窗口、成本及加工费用低等优点而在光照明、装饰装璜、传感器、局域网、汽车控制系统等领域逐渐得到广泛应用。现有塑料光纤主要是阶跃式塑料光纤，其也称为SI塑料光纤(SI P0F)。此种光纤的芯材料和包覆层材料为均匀分布，它们的折射率都是固定常量。芯折射率大于包覆层折射率，两者交界处材料折射率是突变的，故此称为突变式也称为阶跃式塑料光纤。这种光纤是塑料光纤中现被大量使用和普及的，是塑料光纤真正应用的代表。单芯光缆的结构如图1所示，其包括光纤芯层(Core) 101、包覆层(Clad) 102及外护套层(Jacket) 103。光在塑料光纤的传输如图2所示，光线104的传输方向在芯层101以及包覆层102之间折射，阶跃式塑料光纤在传输过程中，光是通过芯层的材料不断反射前进而到达接收端。由于芯层材料的透光率一般只有93%?94%，衰减系数较大，材料对光有明显损耗，因此阶跃式塑料光纤的传输距离一般较短，例如，不超过100m。造成光纤衰减的主要因素包括本征、弯曲、挤压、杂质、不均匀和对接等。
[0013]塑料光纤具有以下特点:1.抗干扰能力强，塑料光纤抗干扰能力强，无电磁辐射，保密性好，通信容量大，使用寿命长，无双绞线的近端串扰等问题。2.重量轻、柔性好、易连接安装，由于塑料材质本身的特点，使得塑料光纤本身很轻，柔性好、易弯曲、易连接，在建筑物内安装时，可根据实际要求，现场切断与连接，工具简单，一般人稍加熟悉一下就会使用了。安装连接时，不需要复杂的安装工艺及设备，塑料光纤两端没有任何接头，直接插入光设备的接口即可，非常容易。3.维护成本低，由于塑料光纤两端不用任何连接器件，可直接剪裁使用，不用像石英光纤那样一定要专业人员才可以连接。其次塑料光纤内使用的是波长650nm可见红光，其功率很小，对人体不构成任何伤害，检修人员可直接观察到光纤内光路的通断情况，对故障的查找和判断极其方便，不用专业的仪器设备即可完成，方便快捷且低成本。4.稱合性好,塑料光纤比石英光纤粗很多,纤芯一般为0.75?Imm所以它的f禹合性很强，通光角度较大，连接时即使有30 μ m稍许偏差，也不会给通信造成影响。连接用的耦合器也很便宜。5.抗振性强，塑料光纤不怕振动，可广泛的使用在交通工具、航海航空器及具有振动的工作环境中，在汽车、高速列车、舰船及飞机制造中，都可大量应用。6.价格便宜成本低，节省铜资源，由于已批量化生产，国产的百兆塑料光纤价格已略低于优质百兆五类双绞线价格，且塑料光纤价格在下降，而铜资源在减少，铜缆价格在上升。7.衰减为恒量，650nm塑料光纤的一个特点是，无论工作在何种带宽下，其衰减系数不变，可预知其工作状态下的衰减状况。8.满足特定场合的要求，在一些特定的场合下，例如易燃易爆的油库及弹药库，高腐蚀的化学品库，潮湿及常积水的矿井，强磁场的变电站及大功率设备附近的网络，要求保密的军事、金融等部门以及对防雷电要求较高的场合中使用。
[0014]例如，CN1415982A公开了一种氟化包覆层塑料光纤,其在纤芯或塑料光纤外有氟化包覆层，还提供了氟化包覆层塑料光纤的制造方法，包括备料:制备纤芯或塑料光纤；将纤芯或塑料光纤放入浓度为0.01%?10%的氟化炉，在10?80°C进行氟化反应2?72h，则制得氟化包覆层塑料光纤。
[0015]又如，CN1397810A公开了一种塑料光纤及其制造方法，其提供容易使用而且安全、连接成本低、可进行短距离敷设、在高频带的传输容量大而且低传输损耗的可与玻璃制SM型光纤相互连接的SM型塑料光纤及其制造方法。是纤芯由实质上没有C 一 H键的非晶态含氟聚合物构成、包覆层由折射率比含氟聚合物要低0.001以上的含氟聚合物构成的导波模式为单模的塑料光纤，是利用熔融挤压成形或由母材熔融拉丝的塑料光纤制造方法。
[0016]但是，现有的塑料光纤存在以下缺点:a.实芯材料结构，光衰减较大，由于阶跃式塑料光纤采用实心的塑料(聚合物)作光纤芯，其透光率都不理想，造成较大的光衰减，日本产阶跃式塑料光纤的衰减基本上也是150?200dB/km，而国产阶跃式塑料光纤的衰减基本上是200?250dB/km左右，能够小于200dB/km的产品很少。这种现象是由于阶跃式塑料光纤实心结构所致。光线在芯材料中传导时，光衰减不会有本质上的突破。b.传输距离不远，由于阶跃式塑料光纤的衰减较大，即便是通信级别的产品，一般也就传输100米左右，与现代通信的要求有较大的差距，如果要想解决这一问题，必须改变阶跃式塑料光纤的结构。c.传输带宽及速率不高，阶跃式塑料光纤的数据传输速率可达到100Mb/s*100m，但更高的速率就很难达到了。d.不能与石英光纤系统兼容，阶跃式塑料光纤只能传输可见光，对于成熟的石英光纤系统所传输的红外光衰减极大，所以阶跃式塑料光纤不能与石英光纤系统兼容，对接必须通过转换器进行，不仅不方便，而且提高了成本。
【发明内容】
[0017]本发明所要解决的技术问题是提供一种新的空芯塑料光纤与光缆。
[0018]本发明的技术方案如下:一种空芯塑料光纤，其设置包覆层、过渡层与空芯层；所述空芯层空置；所述过渡层的折射率大于所述包覆层的折射率。
[0019]优选的，所述空芯塑料光纤中，所述包覆层为含氟材料层。
[0020]优选的，所述空芯塑料光纤中，所述过渡层至少包括聚甲基丙稀酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯其中之一。
[0021]优选的，所述空芯塑料光纤中，所述空芯层的厚度、所述过渡层的厚度与所述包覆层的厚度按预设比例设置。
[0022]优选的，所述空芯塑料光纤中，所述过渡层为复合层。
[0023]优选的，所述空芯塑料光纤中，所述复合层的内层材料的折射率大于或等于外层材料的折射率。
[0024]优选的，所述空芯塑料光纤中，所述空芯层为圆柱形，所述过渡层与所述包覆层为环形。
[0025]本发明的又一技术方案是，一种光缆，其包括任一上述空芯塑料光纤。
[0026]优选的，所述光缆还包括至少一保护层。
[0027]优选的，所述光缆中，所述保护层的厚度为0.3至2.3毫米。
[0028]采用上述方案，本发明采用空心设计，大大降低了光信号的传输衰减，突破了塑料光纤只能传输可见光的限制，可以实现全光谱光传输，并且完全兼容现有光纤系统使用，并且传输的距离更远，传输的速率更高，具有很高的市场应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为现有技术的塑料光纤结构示意图；
[0030]图2为图1所示塑料光纤中的光线折射示意图；
[0031]图3为本发明一个实施例的空芯塑料光纤结构示意图；
[0032]图4为图3所示实施例另一方向的结构示意图；
[0033]图5为图3所示实施例中的光线折射示意图；
[0034]图6为本发明一个实施例的光缆结构示意图；
[0035]图7为图6所示实施例中的光线折射示意图。
【具体实施方式】
[0036]为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0037]需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0038]除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的【技术领域】的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0039]为了克服现有技术的不足，本发明是在成熟的阶跃式塑料光纤生产技术基础上，发明了一种全新管状结构的空芯塑料光纤。该发明引用了光波导原理，利用光线折射和全反射的特性，让光线在空气中传导，使光衰减呈现最小化状态，提高光纤的传输距离及带宽，并使生产成本下降，达到产业化的目的。该发明的出发点是改变阶跃式塑料光纤结构，引入空心概念，使传输的光线在空气中通过，不仅解决了阶跃式塑料光纤的前述缺点与不足，解决了产业化的问题。这种方案即能在保持塑料光纤独特性的前提下，又与石英光纤系统较好的兼容，使用起来更简单、更方便。以塑料光纤技术的创新形式，达到塑料光纤大量推广和应用的目的。
[0040]例如，本发明空芯塑料光纤的结构如图3所示，即光纤的横向剖面示意图，其纵向剖面图如图4所示，该光纤中间为空心结构，其形状为管状。光纤由两种介质组成，其外侧为包覆层，主要是氟材料或氟化聚合物，内侧为过渡层，主要由PMMA、PC (Poly-Carbonate,聚碳酸酯)、PS(Poly-Styrene,聚苯乙烯)与包覆层配对而成。如图3所示,本发明的一个实施例是，一种空芯塑料光纤，其设置包覆层203、过渡层202与空芯层201 ;所述空芯层空置；即所述空芯塑料光纤中间是空的，这样，有效地改变了现有阶跃式塑料光纤结构，变实心结构为空心结构，这样的空心结构设计，大大降低了光信号的传输衰减，突破了塑料光纤只能传输可见光的限制，可以实现全光谱光传输，并且完全兼容现有光纤系统使用；并且，其采用过渡层与包覆层的双介质反射镜结构；相对于透光率为93%左右的芯层材料，消除了衰减系数的影响，最大限度地避免了芯层材料对光的明显损耗；优选的，所述空芯层为氮气层或者氦气层；又如，所述空芯层为空气层，即不用额外处理，这样成本最低；优选的，在使用中，所述空芯层真空设置；这是理论上可能存在的最优效果，但是成本较高。
[0041]优选的，所述空芯层的厚度、所述过渡层的厚度与所述包覆层的厚度按预设比例设置。例如，按预设比例设置所述过渡层的厚度与所述包覆层的厚度；例如，所述过渡层的厚度与所述包覆层的厚度按预设比例为I至2.5:1设置。优选的，所述过渡层的厚度与所述包覆层的厚度按预设比例为1.8至2.5:1设置。例如，所述空芯层、所述过渡层与所述包覆层的厚度比例为(2.0至9.0):(1.8至2.5):1。优选的，所述空芯层的厚度、所述过渡层的厚度与所述包覆层的厚度，三者的比例为2至8:1至2.5:1 ;优选的，所述包覆层为含氟材料层。例如，所述空芯层、所述过渡层与所述包覆层的厚度比例为(3.6至68):(1.8至
2.5):1。例如，所述空芯层、所述过渡层与所述包覆层的厚度比例为4:2:1。又如，所述空芯层、所述过渡层与所述包覆层的厚度比例为5.6:2.2:1。例如，所述空芯层具有圆形截面，则其厚度为该圆形的直径。又如，所述过渡层、所述包覆层均为环形，其厚度为相应环形的外直径与内直径之差值。
[0042]并且，如图3所示，所述管状空芯塑料光纤为空心管状结构，其具有圆形截面主体；所述圆形截面主体包括三个同心圆；在正常的非受外部施力情况下，或者在仅仅受到自然重力的情况下，所述管状空芯塑料光纤具有圆形截面主体；所述圆形截面主体包括三个同心圆；并且，最小的一个同心圆是空心的。其中，最小的一个同心圆是空芯层201，中间的一个同心圆是过渡层202，最大的一个同心圆是包覆层203。
[0043]优选的，仅设置一空芯层。优选的，所述空芯层为圆柱体形状；或者，所述空芯层为椭圆柱体形状，其具有椭圆形截面，并且，所述过渡层具有圆形截面，其包围所述椭圆形截面，即所述过渡层的厚度非均匀设计，这样，对于折射和反射光路；优选的，在所述过渡层中设置两条加强筋，其设置于圆形截面与椭圆形截面的椭圆形短轴之间的位置；优选的，所述加强筋的半径为所述圆形直径与椭圆形短轴的差值的1/5至1/4。或者，所述过渡层内部设置若干夹心层，每一所述夹心层空置；即所述夹心层内部是空的；或者，所述过渡层内部分离设置若干夹心层，即各夹心层非连通设置。优选的，非连通设置的各夹心层具有弧形截面，并且，其圆心与所述空芯层的圆形截面的圆心相重合。优选的，所述夹心层的厚度为20至50微米。或者，优选的，所述夹心层内部设置折射率小于所述过渡层其他材料的材料，所述其他材料即除了夹心层内部材料之外的材料。优选的，所述过渡层与所述空芯层接触的一面具有光滑表层。
[0044]本发明光纤的工作原理如图5所示，光源发出的光线204经光纤的端面以注入模式注入光纤中，经过光纤空心部位，即空芯层201，而进入过渡层202，在过渡层202与包覆层203接界处发生全反射。光从介质I射入介质2发生折射时，入射角91与折射角02的正弦之比Ii2Ai1称为介质2相对介质I的折射率，即“相对折射率”。因此，“绝对折射率”可以看作介质相对真空的折射率。它是表示在两种介质中光速比值的物理量。例如，根据折射定律，nlsin Θ j = n2sin θ 2,其中，θ i与θ 2分别是光在介质界面上的入射角和折射角，两种介质的折射率分别是Ii1与η2。这时大部分模式的光线，由于符合根据过渡层与包覆层材料折射率数值而确定的数值孔径NA条件，从而在与包覆层交界面上产生全反射。只要调整好过渡层的折射率，让这些全反射的光线重新进入光纤的空心位置。以这种形式不断重复，形成光线在光纤中传输的过程。
[0045]采用本发明各实施例所述空芯塑料光纤，使用简单，成本低廉，无需连接头，随意剪断使用，插入即可；这样，非常有助于打破日本公司的行业垄断，建立中国企业的技术优势。本发明立意高远 ,解决了产业急需解决的衰减问题,还解决了生产成本和应用问题,一举多得。
[0046]并且，本发明各实施例中，所述过渡层的折射率大于所述包覆层的折射率。由于光在真空中传播的速度最大，故其他媒质的折射率都大于I。通常的，同一媒质对不同波长的光，具有不同的折射率；在对可见光为透明的媒质内，折射率常随波长的减小而增大，即红光的折射率最小，紫光的折射率最大。例如，为了使得进入光纤中的多模式光全部反射，要求过渡层材料的折射率要大于包覆层材料的折射率。当光线从折射率大的介质进入折射率小的介质时，根据折射理论，折射角将大于入射角，当入射角Θ !增大时，折射角也随之增大。当入射角增大到某一角度时，折射角Φ2 = 90ο，折射角为90ο时，对应的入射角Q1称为临界角θ c。这时折射定律变为:sin Θ c/sin90o = Ii1Ai2,由此推导出sin Θ c = Ii2Ai1,当入射角Θ i大于临界角0。时，_卩Θ P Θ c时，光由两种介质的界面按θ2= Θ i的角度全部反射回第一种介质中，这种现象称为光的全反射。也就是说，当入射角Q1趋近临界角θ。时，折射光的强度逐渐减弱，反射光的强度逐渐增大；当入射角Q1以非常接近于临界角Θ。时，折射光的强度非常弱，反射光的强度接近于入射光的强度；当入射角Q1大于临界角Θ。时，折射光消失，全反射发生，光能全部被反射回第一种介质中。并且，只有当光从折射率大的介质入射到折射率小的介质时，才能产生全反射。例如，当光从玻璃入射到空气时能产生全反射，而当光从折射率小的空气入射到折射率大的玻璃时，就不能产生全反射现象。优选的，通过调整不同双介质的配对折射率值，可以增强全反射效应。
[0047]优选的，根据不同材料间的匹配性与兼容性，即两者的折射率和物化性质，设置所述过渡层与所述包覆层。不同的双介质组合，需要进行匹配和调整，不仅使两者的光学特性能达到全反射的匹配要求，即满足双介质全反射的条件，而且关联到光线通过过渡层进入空心部位的参数要求，同时还要考虑现场应用的成本要求，以此找出最佳匹配组合方案。并且，为了达到全反射条件的效果，其生产工艺必须保证过渡层内部表面的精度及光洁度，同时减少双介质的交界面材料的相互影响等因素。
[0048]例如，采用PMMA作为过渡层材料，其折射率为1.49，则包覆层材料的折射率必须满足小于此值，例如通常玻璃的折射率大于1.5，则包覆层材料不能选用玻璃；或者，又如，采用PC作为过渡层材料，聚碳酸酯在一 137?120°C的较宽温度范围内性能良好，适于户外使用，折射率为1.586 ;则包覆层材料的折射率小于1.586即可，优选的，过渡层材料的折射率比包覆层材料的折射率大0.04 ;优选的，过渡层材料的折射率比包覆层材料的折射率大0.1 ;例如，采用折射率低于1.43的硅酮树脂；又如，选用普通材料作为包覆层材料，在其与过渡层材料接触的一面设置一折射层，例如，在包覆层材料与过渡层材料接触的一面设置一折射膜或者反射膜；又如，在包覆层材料与过渡层材料接触的一面设置UV固化涂料层，由于UV固化涂料通常折射率小于1.4，这样就可以确保过渡层材料的折射率大于包覆层材料的折射率。优选的，所述空芯塑料光纤中，所述过渡层包括聚甲基丙稀酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯中的一种或多种。例如，所述过渡层包括聚甲基丙稀酸甲酯，又如，所述过渡层包括聚碳酸酯，又如，所述过渡层包括聚苯乙烯；例如，聚苯乙烯折射率为1.55至1.60，PMMA折射率为1.49，所述过渡层包括聚苯乙烯，所述包覆层包括聚甲基丙稀酸甲酯；又如，所述过渡层包括聚苯乙烯与聚碳酸酯，所述包覆层包括聚甲基丙稀酸甲酯和/或硅酮树脂等。优选的，所述过渡层为复合层；例如，所述过渡层包括聚甲基丙稀酸甲酯、聚碳酸酯与聚苯乙烯。优选的，所述复合层的内层材料的折射率大于或等于外层材料的折射率。又如，所述过渡层从内到外顺序设置聚甲基丙稀酸甲酯、聚碳酸酯与聚苯乙烯。优选的，所述过渡层具有圆环形截面，或者，所述过渡层具有圆环形截面本体并且所述圆环形截面本体上凸出若干连续排列的弓形或者半圆形，这种结构有助于增强所述空芯塑料光纤的结构稳定性，并且不影响所述过渡层与所述包覆层之间的全反射效果。优选的，所述半圆形的半径为所述圆环形截面本体的外环半径2%至3%，且各所述半圆形连续排列，顺序连接，均布于所述圆环形截面本体的外环外部。优选的，如图3所示，所述空芯层为圆柱形，所述过渡层与所述包覆层为环形。优选的，所述过渡层具有三层圆环结构，其内环为聚碳酸酯，中环为折射率为1.58以下的聚苯乙烯，外环为聚甲基丙稀酸甲酯。例如，所述内环的聚碳酸酯、中环的聚苯乙烯、外环的聚甲基丙稀酸甲酯的厚度比例为(1.0至1.3): (1.0至1.2):1 ;优选的，所述内环的聚碳酸酯、中环的聚苯乙烯、外环的聚甲基丙稀酸甲酯的厚度比例为1.2:1.1:1，即聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙稀酸甲酯的厚度比例为1.2:1.1:1 ;这样，能够获得非常好的全反射效果，特别适合产业应用。又如，聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙稀酸甲酯的厚度比例为1:1:1。
[0049]优选的，所述空芯塑料光纤直径为0.3至1.0毫米，例如，所述空芯塑料光纤直径为0.5,0.6或者0.8毫米等；或者，根据需求光纤的规格，设置所述空芯塑料光纤直径；这样，本发明所提供的空芯塑料光纤能够完全替代现有各种相关光纤产品。这里所说的直径是指所述空芯塑料光纤的外径。优选的，所述空芯塑料光纤中，所述包覆层的厚度为10至200微米，例如，所述包覆层的厚度为16、25、36、55、68、79、99、126、167、184或198微米等。又如，所述过渡层的厚度为10至200微米；例如，所述过渡层的厚度为15、28、34、49、64、75、89、96、111、138、146、168、179或者199微米等。优选的，所述空芯塑料光纤中，所述过渡层的厚度与所述包覆层的厚度按预设比例设置。例如，所述包覆层的厚度为所述过渡层的厚度的2至6倍。优选的，所述包覆层的厚度为所述过渡层的厚度的3.2至4.5倍。例如，所述包覆层的厚度为所述过渡层的厚度的3.6倍。优选的，所述包覆层外部设置网状保护层，其厚度为10至15微米，采用耐磨塑料制备。优选的，所述网状保护层为塑形层，用于在受力后保持一定形状，以便于安装与布线。例如，所述网状保护层的网线为金属丝。例如，所述本体直径为1.0毫米，所述过渡层的厚度为100微米，所述包覆层的厚度为100微米，所述空芯层厚度为800微米。
[0050]优选的，光纤的外径根据使用场景不同，其直径d值为0.3?1.0mm，其中包覆层厚度为10?100 μ m,过渡层的厚度为10?100 μ m,根据使用场景要求,两层介质的厚度相互调整配对而定。例如，光纤的直径为0.6mm，其中包覆层厚度为0.36mm，过渡层的厚度为
0.12_，两者的比例为3:1。如，光纤的直径为0.8_，其中包覆层厚度为0.4_，过渡层的厚度为0.2mm,两者的比例为2:1。
[0051]优选的，所述空芯塑料光纤中，所述包覆层为含氟材料层。优选的，所述包覆层内部设置一夹心层，其设置为环形加强筋层，优选的，其采用聚碳酸酯(PC)、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚合物(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料；优选的，所述夹心层还设置线形加强筋层。优选的，所述夹心层与所述过渡层非接触设置。优选的，所述线形加强筋层内部设置若干金属丝。优选的，所述包覆层的氟含量为1%至2%，所述含量为质量百分比。例如，所述包覆层至少部分设置CF4。又如，所述包覆层设置为两种或者多种含氟聚合物的混合物。优选的，所述包覆层中，CF4的摩尔含量为1%至4%。
[0052]与上述各实施例结合应用，如图6所示，本发明的又一实施例是，一种光缆，其包括上述任一实施例所述空芯塑料光纤。优选的，所述光缆还包括至少一保护层，如图6所示，所述光缆包括光纤与一保护层，由内向外依序是空芯层201、过渡层202、包覆层203与保护层205 ;例如，所述圆形截面主体包括四个同心圆；并且，最小的一个同心圆是空心的。其中，最小的一个同心圆是空芯层，中间的一个同心圆是过渡层，其外圈的一个同心圆是包覆层，最大的一个同心圆是保护层。优选的，所述保护层的厚度为所述包覆层的厚度的2至6倍；例如，所述保护层的厚度为所述包覆层的厚度的2.5倍。例如，保护层为PE保护层、PVC保护层、铝/聚乙烯综合保护层(LAP)、皱纹钢带纵包保护层、LAP+钢带绕包保护层、LAP+钢带铠装保护层、或者LAP+钢丝铠装保护层等。优选的，所述光缆中，所述保护层的厚度为0.3至2.3毫米。又如，所述光缆内部容置一根、两根或者多根所述空芯塑料光纤。
[0053]保护层的作用是保护缆芯，即上述空芯塑料光纤，防止机械损伤和有害物质的侵蚀，对抗侧压能力、防潮密封、耐腐蚀等性能有严格要求。保护层对于光缆的使用寿命具有重要作用，例如，保护层结构包括:内护套、铠装层与外护层。其中，所述内护套是位于铠装层与缆芯之间的同心层，起机构保护与铠装衬垫作用。优选的，内护套设置为PE、PVC护套；铠装层是设置在内护套与外护层之间的同心层，主要起抗压或抗张的机构保护作用。优选的，铠装层由钢丝或钢带构成。钢带铠装层的主要作用是抗压，适用于地下埋设的场合。钢丝铠装层的主要作用是抗拉，主要用于水下或垂直敷设的场合。在海底光缆中，为防止渔具及鱼类对光缆的损伤，也有采用钢带和钢丝联合构成铠装层的情况。优选的，所述铠装层设置双层，每一层包括钢丝层及其外覆的塑料层；常用钢带和钢丝的材料都是由低碳钢冷轧制成。为防止腐蚀，要求铠装钢带必须有防蚀措施，如预涂防蚀漆或镀锌或镀磷等，而铠装钢丝则使用镀锌或镀磷钢丝、涂塑钢丝、挤塑钢丝等。外护层是设置在铠装层外面的同心层，主要对铠装层起防蚀保护作用。优选的，所述外护层包括PE、PVC和硅橡胶护套等。
[0054]管状的空芯塑料光缆横向剖面图如图6所示，其纵向剖面图如图7所示。它是由塑料光纤增加保护层而成。保护层的材料可根据使用要求为PE、PVC、尼龙等材料，其厚度为0.3?2.3mm。例如，保护层为尼龙；例如，保护层包括厚度为0.8mm的尼龙。优选的，所述保护层具有五层圆环结构，其内环为PE，第二环为钢丝，中环为PVC，第四环为钢带，外环为尼龙，例如，其中PE、钢丝、PVC、钢带、尼龙厚度比例为1:1.2:1:1.2:1.05。这样，特别适合在恶劣环境中应用。
[0055]进一步地，本发明的实施例还包括，上述各实施例的各技术特征，相互组合形成的空芯塑料光纤与光缆，通过将阶跃式塑料光纤内部结构进行创新改变，使其光纤特性发生本质的变化，即保留了原塑料光纤的优点与特性，又将其光纤传输特性质变提高，使其能与石英光纤系统兼容。这种创新改变的本质是变实心结构为空心结构，而光纤外形仍然保持不变，以便这种新型光纤仍然可以在阶跃式塑料光纤系统使用，但不同的是传输的距离更远，传输的速率更高。塑料光纤的产业规模及市场容量巨大，对国家的多种行业需求及环境的影响不可忽视。空芯塑料光纤的价格完全低于优质百兆五类双绞线价格，因此，本发明的管状空芯塑料光纤的研制解决了现有塑料光纤的不足，是数据传输及数据通信应用中光导纤维新产品，有着巨大的市场前景和发展的空间。
[0056]阶跃式塑料光纤因为通信距离仅在100米以内，这就限制了塑料光纤在许多领域中拓展应用。如本应该在三网融合技术中发挥应有的作用，尤其是在解决最后I公里的问题上，其特性与优点突出，但其100米距离限制了它的作用，没能在三网融合应用中体现出来，在控制、电力、交通、医疗及国防工业中都存在这个问题；本发明克服了现有阶跃式塑料光纤的不足，不仅可完全替代现有的通信级别阶跃式塑料光纤，而且还能替代铜网络线，达到节省铜资源、节能环保的效果和目的。
[0057]本发明最重要的创新点是管状的空芯塑料光纤结构的设计，根据光学的全反射原理、反射定律及折射原理，将塑料光纤由实心改为空心利用折射和全反射原理，光从光密介质射向光疏介质时，当入射角超过某一临界角时，折射光完全消失，只剩下反射光，这样，可以让光线由原来在实心芯材料中传导转为在空气中传导，不仅使生产成本显著下降，而且改善了光线在传导过程中的衰减特性和信号的频率响应特性。这种改变使塑料光纤传输特性发生本质变化，从而提高了传输速率及传输距离。
[0058]需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种空芯塑料光纤，其特征在于，设置包覆层、过渡层与空芯层；所述空芯层空置；所述过渡层的折射率大于所述包覆层的折射率。
2.根据权利要求1所述空芯塑料光纤，其特征在于，所述包覆层为含氟材料层。
3.根据权利要求2所述空芯塑料光纤，其特征在于，所述过渡层至少包括聚甲基丙稀酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯其中之一。
4.根据权利要求3所述空芯塑料光纤，其特征在于，所述空芯层的厚度、所述过渡层的厚度与所述包覆层的厚度按预设比例设置。
5.根据权利要求4所述空芯塑料光纤，其特征在于，所述过渡层为复合层。
6.根据权利要求5所述空芯塑料光纤，其特征在于，所述复合层的内层材料的折射率大于或等于外层材料的折射率。
7.根据权利要求6所述空芯塑料光纤，其特征在于，所述空芯层为圆柱形，所述过渡层与所述包覆层为环形。
8.一种光缆，其特征在于，包括如权利要求1至7任一所述空芯塑料光纤。
9.根据权利要求8所述光缆，其特征在于，还包括至少一保护层。
10.根据权利要求9所述光缆，其特征在于，所述保护层的厚度为0.3至2.3毫米。
【文档编号】G02B6/032GK103941333SQ201410201686
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2014年5月13日
【发明者】胡卫明, 陈明 申请人:深圳市圣诺光电科技有限公司