JP2011107217A - プラスチッククラッド光ファイバ心線の製造方法およびプラスチッククラッド光ファイバ心線 - Google Patents

Abstract

【課題】小さな曲げ径で０．１ｄＢ／turn以下の曲げ損失耐性を有するプラスチッククラッド光ファイバ心線の製造方法およびプラスチッククラッド光ファイバ心線を提供する。
【解決手段】シリカガラスを主成分としてＧｅを含有するスス体を焼結、透明化したコアプリフォームとし、該コアプリフォームの外周を直径比で２％以上研削により除去した研削体を溶融および線引してコア部２とする。そして、コア部２より低い屈折率を有するプラスチックをコア部２に被覆してクラッド部３とするプラスチッククラッド光ファイバ心線１の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラスチッククラッド光ファイバ心線の製造方法およびプラスチッククラッド光ファイバ心線に関し、特に一般家庭やオフィスなどで使用されるＵＳＢケーブルやＨＤＭＩケーブル（又はコード）、携帯電話内などに使用されるプラスチッククラッド光ファイバ心線の製造方法、およびこのプラスチッククラッド光ファイバ心線に関する。

光ファイバ心線の一種に、ハードポリマークラッドファイバ心線（以下、ＨＰＣＦ心線と云う）と呼ばれるものがある。このＨＰＣＦ心線は、石英系ガラスからなるコアガラスの外周に、該ガラスよりも屈折率の低いフッ素系樹脂をクラッド層として被覆してＨＰＣＦ素線を形成している。このＨＰＣＦ素線上に、フッ素系熱可塑性樹脂からなる樹脂被覆層を押出被覆してＨＰＣＦ心線を形成している。
ＨＰＣＦ心線は、パルス光源と受光器との結合効率が高く、接続が容易であるためにＦＡ（Factory Automation）など短距離通信の分野で使用されている。

ＨＰＣＦ心線は、オールガラス製ファイバよりもコアとクラッドとの比屈折率差を大きくすることが可能な光ファイバである（例えば、特許文献１）。具体的には、Ｇｅを添加して純シリカよりも屈折率を高くし、クラッドにフッ素樹脂を使用して屈折率を純シリカよりも低くして、コアとクラッドとの比屈折率差を大きくしている。

特開平１１−６４６６５号公報

例えば、光複合ＵＳＢケーブルでは曲げ径４φ（曲げ半径Ｒ＝２mm）という小さな曲げ径で０．１ｄＢ／turn以下の曲げ損失耐性を有するという厳しい規格のマルチモードファイバが求められている。
ＨＰＣＦ心線は、上記のような小さな曲げ径に曲げられると、マクロベンド損失が発生して、信号強度の低下や大きな変動となって、符合誤りが発生して通信異常の原因になることが知られている。これを防ぐには、マクロベンド損失を極力低減する必要がある。

本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、小さな曲げ径で０．１ｄＢ／turn以下の曲げ損失耐性を有するプラスチッククラッド光ファイバ心線の製造方法およびプラスチッククラッド光ファイバ心線を提供することにある。

本発明の構成は、以下の様である。
（１）シリカガラスを主成分としてゲルマニウムを含有するスス体を焼結、透明化してコアプリフォームとし、該コアプリフォームの外周を直径比で２パーセント以上研削して除去した研削体を溶融および線引してコア部とし、該コア部より低い屈折率を有するプラスチックを前記コア部に被覆してクラッド部とすることを特徴とするプラスチッククラッド光ファイバ心線の製造方法。

（２）純シリカよりも屈折率の高いガラスコアと、純シリカよりも屈折率の低いプラスチッククラッドと、からなるプラスチッククラッド光ファイバ心線であって、
前記コアがステップインデックスであり、且つ前記コアの外周から該コアの直径の２パーセント以内の部分を含めて前記コアの屈折率が実質的に一定値であることを特徴とするプラスチッククラッド光ファイバ心線。

本発明のプラスチッククラッド光ファイバ心線の製造方法およびプラスチッククラッド光ファイバ心線によれば、小さな曲げ径で０．１ｄＢ／turn以下の曲げ損失耐性を得ることができる。

本発明に係るプラスチッククラッド光ファイバ心線の一例を示す概略断面図である。 本発明に係るプラスチッククラッド光ファイバ心線の開口数と曲げ損失との相関図である。 本発明に係るプラスチッククラッド光ファイバ心線（ＳＩ型）の外研前後のコアプロファイルの屈折率分布を示す概念図である。 本発明に係るプラスチッククラッド光ファイバ心線の製造プロセスを示すフローである。

以下、本発明に係るプラスチッククラッド光ファイバ心線（以下、ＰＣＦ心線と云う）の製造方法およびプラスチッククラッド光ファイバ心線の実施形態について図面を参照して説明する。

図１に示すように、ＰＣＦ心線１は、石英系ガラスからなるガラスコア２と、このガラスコア２より屈折率の低い樹脂である紫外線硬化型フッ化アクリレート樹脂などの紫外線硬化型フッ素樹脂からなりガラスコア２の外周面を包囲するプラスチッククラッド層３と、からなるプラスチッククラッド光ファイバ素線（以下、ＰＣＦ素線と云う）４を備えている。このクラッド層３の外周に、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）などのフッ素系熱可塑性樹脂からなる樹脂被覆層５を形成している。

ガラスコア２は、ＶＡＤ法によりプリフォームから作成される。このガラスコア２の屈折率は、ゲルマニウム（Ｇｅ）が添加されることにより純シリカよりも高くなっている。ガラスコア２の屈折率分布は、ステップインデックス（ＳＩ）型であり、コアの屈折率（又は比屈折率差）は一定である。特筆すべきは、コアの外周からコア直径の２％以内の部分（コアの外周部分）は、通常のコアでは屈折率（又は比屈折率差）が一定とならない（外周にかけて屈折率が小さくなる）のであるが、本発明のプラスチッククラッド光ファイバ心線はその部分まで屈折率（又は比屈折率差）が一定である（図３参照）。

ガラスコア２の曲げ耐性を向上させるには、Ｇｅ添加コアのステップインデックス（ＳＩ）型ファイバとすると良い。図２に示した開口数（ＮＡ）と曲げ損失の傾向から推測すると、１．０％Ｇｅ添加コア（コアの純シリカに対する比屈折率差が１．０％になるようにＧｅを添加したコア）の完全なＳＩ型ファイバでは、ＮＡ値は０．４３となり、曲げ損失は０．０５ｄＢ／turnまで向上し、目標の０．１ｄＢ／turnを達成することになる。しかし、実際は０．１ｄＢ／turnよりも損失が大きくなってしまう。

これは、製造プロセス中のコアプロファイルの崩れが原因である。すなわち、Ｇｅ添加ＳＩコアを作成する際に、Ｇｅ添加シリカのスス付けを行い、続いて焼結を行うが、その際特に炉に近いコアプリフォームの外面近傍において、Ｇｅが揮発して比屈折率差が低くなるという現象が起こる。これにより、比屈折率差が低くなった分だけＮＡ値が実効的に低くなり、曲げ損失耐性が予想値から外れるものと考えられる。

本発明のＰＣＦ心線１は、コアプリフォームの外周を直径比で２％以上、好ましくは５％程度外周研削により除去することで、コアプリフォームの比屈折率差を均一にすることができる。すなわち、図３（ａ）に示すように、比屈折率差Δが外周部分では純シリカレベル（Ｂレベル）であり、中心部分では均一（Ａレベル）であるＳＩ型コアプリフォーム（外径Ｄ１）において、Ｇｅが揮発して屈折率が低下した部位（研削量ｔ）を外周研削により除去して、図３（ｂ）に示すような研削体（外径Ｄ２）を作成して、この研削体からＰＣＦ心線１を作成する。なお、図３中の縦軸は比屈折率差Δ、横軸はガラスコア径Ｄである。

例えば、外径Ｄ１が８０ｍｍのコアプリフォームの外周を、研削量ｔを１．６ｍｍ（直径の２％）とすると、研削後の外径Ｄ２が７６．８ｍｍの研削体となる。特に、細径コア（コア径５０〜８０μm）に有効である。これにより、曲げ損失は０．０４ｄＢ／turnとなり、目標の０．１ｄＢ／turn以下のＰＣＦ心線１を得ることができ、一般の家庭やオフィス等でこのＰＣＦ心線を含むＵＳＢケーブルやＨＤＭＩケーブルを使用することができる。この例のように、コアプリフォームの外周を直径比で２パーセント以上研削するというのは、研削後のコアプリフォームの直径が研削前の直径に比べて２％以上小さくなるように研削することを言う。研削後のコアプリフォーム（研削体）の直径は研削前のコアプリフォームの直径の９８％以下となる。

プラスチッククラッド層３の屈折率は、純シリカに対して比屈折率差が−３．０％以下であり、Ｇｅ添加コアの屈折率は、純シリカに対して比屈折率差が＋０．８％以上であることが好ましい。

プラスチッククラッド層３の樹脂としては、純シリカに対して屈折率が低く、紫外線等の活性エネルギー線で硬化することが可能であり、さらにはこの樹脂組成物を硬化することによって機械的強度があり、可撓性を有し、かつ透明性に優れた硬化物が得られる樹脂であることが必要である。

このような樹脂には、（ａ）分子内にフッ素原子を含有する（メタ）アクリレート単量体または重合体、（ｂ）（メタ）アクリレート単量体または重合体、（ｃ）コア材と化学結合を形成するカップリング剤、（ｄ）光重合開始剤から成る樹脂組成物を用いることが好ましい。成分（ａ）の分子中のフッ素原子数または成分を変えることや樹脂組成物中の成分（ａ）の濃度を変えることにより、望ましい屈折率を得ることができる。
分子内にフッ素原子を含有する（メタ）アクリレート単量体（ａ１）としては、下記化学式（Ａ）の物質や、２個以上の不飽和結合を有するものとして化学式（Ｂ１）乃至（Ｂ３）の物質が挙げられる。

化学式（Ａ）

化学式（Ｂ１）

化学式（Ｂ２）

化学式（Ｂ３）

フッ素原子を含有する（メタ）アクリレート重合体（ａ２）として、例えば数平均分子量が５万〜500万（スチレン換算）の下記化学式（Ｃ）で示されるような、エステル側鎖不飽和結合を有する（メタ）アクリレート共重合体を挙げることができる。

化学式（Ｃ）

［式中、Ｒ１およびＲ２はそれぞれ水素またはメチル基、Ｒｆはフルオロアルキル基、Ｒｘは不飽和結合を有する炭化水素基を表す。］
Ｒｘ基としては、ビニル基、アリル基、アクリル基、メタクリル基、内部オレフィン等を挙げることができる。
Ｒｆ基としては、−（ＣＨ_２）ａ−（ＣＦ_２）ｂ−ＣＦ_３
［式中、ａは１または２、ｂは２〜６である。］
を例示できる。

（メタ）アクリレート単量体（ｂ）としては、架橋性、即ち２個以上の不飽和結合を有するものとして、例えば次の化合物が挙げられる：
1,4−ブタンジオールジ（メタ）アクリレート、エチレングリコールジ（メタ）アクリレート、グリセロールジメタクリレート、テトラエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ジエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、1,3−ブチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ネオペンチルグリコールジ（メタ）アクリレート、トリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリグリセロールジアクリレート、1,6−ヘキサンジオールジ（メタ）アクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ペンタエリスリトールテトラ（メタ）アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート。

カップリング剤（ｃ）としては、例えば、次の化合物が挙げられる：
トリメトキシビニルシラン、メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、ジメチルエトキシビニルシラン等。
また、分子内に２個以上の不飽和結合を持つものとして、例えば、次の化合物が挙げられる：
ジエトキシジビニルシラン、ジメトキシジビニルシラン、ジメタクリロキシプロピルトリメトキシシラン等。

光重合開始剤（ｄ）としては、紫外線照射により容易にラジカルを発生する化合物が望ましく、次の化合物が挙げられる：
ベンゾフェノン、アセトフェノン、ベンジル、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル、ベンジルジメチルケタール、α，α′−アゾビスイソブチロニトリル、ベンゾイルパーオキサイド、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2,2−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン。

上述の構成の樹脂組成物を樹脂液とし、この樹脂液をコアに塗布してさらに紫外線を照射してクラッド層３を製造する形態が好ましい。樹脂液の塗布方法は、ダイスコーティング方式とすることが好ましい。

樹脂被覆層５は、耐熱性の高い熱可塑性樹脂からなる樹脂組成物により形成される。熱可塑性樹脂としては、例えば、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）等が挙げられる。または、ウレタンアクリレート樹脂、ウレタンアクリレート樹脂にエポキシアクリレート樹脂やポリエステルアクリレート樹脂等を配合した樹脂などの紫外線硬化型樹脂でも良い。

次に、ＰＣＦ心線の製造方法について説明する。

図４に示すように、ＳＩ型のコアプリフォームをＶＡＤ法によりシリカガラスを主成分としてＧｅを含有するスス付けを行う（Ｓ１０）。Ｇｅを含有するスス体を脱水・焼結してから透明化させてコアプリフォームとする（Ｓ１１）。コアプリフォームを抵抗炉内で延伸させる（Ｓ１２）。

次に、プリフォームアナライザ（ＰＡ）によりコアプリフォームの屈折率を検査して、外周研削量を設定する（Ｓ１３）。そして、コアプリフォームの外周研削と平滑仕上げ研磨を行う（Ｓ１４）。コアプリフォームの外周から直径比で２％〜２０％の部分を研削する。脱水・焼結時にコアプリフォームの外周部分のＧｅが揮発してその部分の比屈折率差が低くなるが、その部分を研削するので、得られた研削体は外周部分においても中央部分と屈折率（比屈折率差）が同じである。外周から直径比で２％の部分を研削すれば、Ｇｅが揮発して屈折率（比屈折率差）が小さくなった部分を十分に除去できる。また、２０％以上研削しても効果は変わらず、研削するだけ無駄である。

なお、外周研削は、一定外周に研削可能なセンタレスグラインダを使用するが、光ファイバの長さ方向の安定性を向上させるためにはＮＣ制御が可能な外周研削機を使用するのが望ましい。この場合、長さ方向にプリフォームアナライザ（ＰＡ）により屈折率プロファイルを測定しておき、開口数（ＮＡ）が一定とすると長さ方向で外径が変化してしまう。それよりは、位置−屈折率のプロファイル図でコア部の面積が一定となるように各断面における研削量を算出する方がより好ましい。

次に、コアプリフォームをフッ酸（ＨＦ）に漬けて洗浄する（Ｓ１５）。コアプリフォームをダミー棒に接続する（Ｓ１６）。コアプリフォームを溶融・線引きしてコアを形成し、その外周にコアより低い屈折率を有するプラスチッククラッド層をダイスによりコーティングする（Ｓ１７）。そして、コア径およびクラッド径が設定通りにできているか構造検査を行う（Ｓ１８）。次に、クラッド外周に押出し成形により熱可塑性樹脂である被覆層を形成する（Ｓ１９）。最後に、構造および光学特性の最終検査を行う（Ｓ２０）。

以上説明したように、本実施形態のＰＣＦ心線の製造方法によれば、コアプリフォームの外周を直径比で２％以上外周研削により除去することで、コアプリフォームの比屈折率差を均一にすることができる。これにより、曲げ半径２mm程度の小さな曲げ径でも０．１ｄＢ／turn以下の曲げ損失耐性を得ることができる。

本実施形態のＰＣＦ心線によれば、外周から直径比２％以内の部分を含めてコアの屈折率（比屈折率差）が実質的に一定値で、曲げ損失０．１ｄＢ／turn以下を実現できる。このＰＣＦ心線を含むＵＳＢケーブルやＨＤＭＩケーブルは直径４ｍｍに曲げても曲げ損失が十分小さく、家庭やオフィスで安心して使用することができる。

本発明のＰＣＦ心線の実施例として、コア径２００μm、５０μmおよび１００μmのコアプリフォームの外周を直径比で２％〜５％削った研削プリフォームを実施例１〜３とした。一方、コア径８０μmの研削無しのプリフォームを比較例とした。これら各々コアプリフォームの曲げ半径２mmでの曲げ耐性を測定した。
なお、ＰＣＦ心線の開口数はいずれも０．４３とした。研削する前後で開口数が変化する。したがって、研削してＮＡ＝０．４３となり、コアプリフォームを研削しなければＮＡ＜０．４３となる。

実施例１〜３および比較例のＰＣＦ心線の曲げ損失値を表１に示す。

表１に示すように、半径２ｍｍの小径に曲げたときの曲げ損失の増加分は、実施例１〜３では、Ｇｅの揮発により比屈折率差が低下したコアプリフォームの外周を直径比で５％外周研削により除去した。これにより、コアプリフォームの比屈折率差を均一にすることができ、曲げ損失が０．１ｄＢ／turn以下の実用的に問題のないＰＣＦ心線を得ることができた。これに対して比較例では、Ｇｅの揮発により比屈折率差が低下した分だけＮＡ値が実効的に低くなり、曲げ損失の増加分が０．１ｄＢ／turn以上となり、実用に耐えないことが想定される。

また、得られたＰＣＦ心線の破断確率を求めたところ、コア径が１００μm以下では破断確率が１ｐｐｍ以下であったが、コア径が１００μmよりも大きな実施例１では破断確率が１ｐｐｍよりも大きかった。したがって、要求される破断確率が１ｐｐｍ以下の用途には、コア径が５０μm以下のＰＣＦ心線を使用するのが好ましい。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が自在である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置場所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

１…ＰＣＦ心線、２…コアガラス、３…クラッド層、４…ＰＣＦ素線、５…樹脂被覆層

Claims (2)

1. シリカガラスを主成分としてゲルマニウムを含有するスス体を焼結、透明化してコアプリフォームとし、該コアプリフォームの外周を直径比で２パーセント以上研削して除去した研削体を溶融および線引してコア部とし、該コア部より低い屈折率を有するプラスチックを前記コア部に被覆してクラッド部とすることを特徴とするプラスチッククラッド光ファイバ心線の製造方法。
2. 純シリカよりも屈折率の高いガラスコアと、純シリカよりも屈折率の低いプラスチッククラッドと、からなるプラスチッククラッド光ファイバであって、
   前記コアがステップインデックスであり、前記コアの外周から該コアの直径の２パーセント以内の部分を含めて前記コアの屈折率が実質的に一定値であることを特徴とするプラスチッククラッド光ファイバ。

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