JPH06186442A - 屈折率分布型プラスチック光伝送体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 光伝送体を構成する重合体と相溶性があり
かつ該重合体よりも高屈折率を有する無色透明の非重合
性化合物が、光伝送体の中心部から外周部へと連続的に
減少する濃度分布で分散され、中心部から外周部へと連
続的に低下する屈折率分布を有するプラスチック光伝送
体である。前記重合体として脂肪族系のＮ−置換マレイ
ミドモノマ単位を共重合成分として含む無色透明の重合
体を用いる。 【効果】 透光性能、機械的特性、及び耐熱性がとも
に優れた屈折率分布型光伝送体となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバやロッドレ
ンズなどの光伝送体に好適に使用される、中心から外周
方向に連続的に低下する屈折率分布を有するプラスチッ
ク光伝送体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光伝送体は石英ガラス及び／
又はプラスチックから製造されている。石英系光伝送体
は、優れた透光性能を持っているが、加工性や可撓性が
良くないばかりでなく高価であり、さらにファイバとし
て使用する場合、径が非常に細いため接続も高精度を要
求され、高度な技術と高価格の装置が必要である。

【０００３】これに対して、プラスチック系光伝送体
は、透光性能では石英系よりも劣るが、軽くて加工性が
良く、可撓性も良く、安価である等の利点がある。

【０００４】このプラスチック系光伝送体のなかでもロ
ッドレンズや広帯域光ファイバなどに利用される、中心
部から外周部へと連続的に低下する屈折率分布を有する
光伝送体を製造する方法が既にいくつか提案されてい
る。

【０００５】例えば、屈折率が重合体と異なる単量体
を、光伝送体を主に形成する重合体の表面又は中空状内
面に接触させて重合体内部に拡散させて濃度分布を持た
せた後に重合する方法（特公昭52-5857 号、特公昭56-3
7521号公報等）、屈折率および単量体反応性比が異なる
２種類以上の単量体を透明容器内で光重合させることに
よって屈折率分布を持たせる方法（特公昭54-30301号、
特開昭61-130904 号公報等）、揮発性が高く重合体と異
なる屈折率の単量体を含有した重合体を紡糸し、表面よ
り単量体を揮発させて濃度分布を持たせた後に重合する
方法（特開昭62-209402 号公報等）、単量体反応性比は
かなり近似するが屈折率は異なる２種類以上の単量体
を、この単量体に溶解される重合体容器内に充填した後
に重合する方法（特開平4-97302 号、特開平4-97303 号
公報）などがある。

【０００６】しかし、これらの方法は全て、屈折率が大
きく異なる（例えば０．０４以上）重合体が生成され、
かつ単量体反応性比が多少なりとも異なる２種類以上の
単量体を反応させ、又は、先に形成されている重合体成
形体内でこの重合体と屈折率が大きく異なる重合体を与
える単量体の単独重合反応などが行われるため、重合が
完結した重合体内に屈折率の異なるミクロな相分離構造
が形成されることを避けることができなかった。このた
め、透光性能に悪影響を与えてしまうという欠点があっ
た。

【０００７】そこで、光伝送体を形成する重合体内に、
この重合体とは屈折率が異なりかつ非重合性の化合物
（例えば、可塑剤としてポリマ中に配合される低分子物
質）を均一に濃度勾配をつけて分散させ、一定方向に連
続的な屈折率分布を持たせる方法が提案されている（平
成４年度高分子学会予稿集，Vol.41，No.3，798, 79
9）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法は透
光性能では優れているが、重合体内に非重合性化合物を
添加分散させているので、その重合体のガラス転移温度
が低下し、耐熱性が悪化するという問題があった。これ
は、従来より耐熱性が石英系よりも低いために石英系光
伝送体に比し適用範囲が限られていたプラスチック光伝
送体の耐熱性をさらに低下させることになる。

【０００９】通信用途などに適用する場合、信頼性の点
で耐熱性が８５℃以上である必要があるが、プラスチッ
ク光伝送体に一般的に使用されているポリメタクリル酸
メチルを用い、これに非重合性化合物を分散含有させて
屈折率分布型プラスチック光伝送体を作製したのでは、
８５℃以上の耐熱性を維持することは難しい。まして、
さらに高い耐熱性が必要な用途には適応困難である。

【００１０】また、ポリカーボネートを使用して作製す
ることも考えられるが、これを使用した光伝送体は耐熱
性の点で良好であるが、透光性能及び耐熱耐久性が問題
である。これは、重合反応の際に生成した副生物の除去
が困難であったり、副生物や重合体の分解物によって着
色するためである。

【００１１】以上のように、従来の方法では、８５℃以
上という耐熱性水準を保ちながら透光性能が良く連続的
な屈折率分布を有するプラスチック光伝送体を作製する
ことは困難であった。

【００１２】そこで、本発明は、上記のような従来技術
の欠点を解消し、ポリメタクリル酸メチル系のステップ
インデックス型光伝送体に匹敵する透光性能や機械的特
性ばかりでなく、８５℃以上の耐熱性をも有する、中心
部から外周部へと連続的に低下する屈折率分布を有する
プラスチック光伝送体を提供することを主な目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明は、光伝送体を構成する重合体と相溶性であ
りかつ該重合体よりも高屈折率を有する無色透明な非重
合性化合物が、光伝送体の中心部から外周部へと連続的
に減少する濃度分布で分散され、中心部から外周部へと
連続的に低下する屈折率分布を有するプラスチック光伝
送体であって、前記重合体が脂肪族系のＮ−置換マレイ
ミドモノマ単位を共重合成分として含む無色透明な重合
体であることを特徴とする屈折率分布型プラスチック光
伝送体からなる。

【００１４】本発明では、光伝送体の中心部から外周部
へと連続的に低下する屈折率分布を、光伝送体の重合体
を形成する単量体とは重合しない高屈折率化合物を、重
合体内の中心部から外周部へと連続的に減少する濃度分
布で分散させることによって形成させている。

【００１５】この高屈折率化合物は、光伝送体を構成す
るベースの重合体よりも高い屈折率、例えば０．０２以
上高い屈折率を有すること、この重合体と相溶性があっ
て該重合体中に均一分散できること、無色透明であるこ
と、及び、非重合性であって、重合体もベース重合体の
単量体との共重合体も形成しないことが必要である。さ
らに、沸点が２００℃以上のような高沸点、及び、前記
重合体を形成する単量体よりも分子量が大きいことが好
ましい。このような非重合性の高屈折率化合物を用いれ
ば、重合が完結した重合体内に屈折率の異なるミクロな
相分離構造が形成されることがなく、透光性能の低下を
防止することができる。

【００１６】この高屈折率化合物としては、例えば、フ
タル酸ベンジルｎ−ブチル、フタル酸ジメチル、フタル
酸ジアリル、フタル酸ジオクチル、ジプロピレングリコ
ールジベンゾエート、ジエチレングリコールジベンゾエ
ート、リン酸トリフェニルなどを用いることができる。

【００１７】これに対し、屈折率分布を形成させる化合
物として、光伝送体を構成するベースの重合体よりも屈
折率が大きい重合体を与える単量体を用いるのでは、そ
の共重合によって屈折率の異なるミクロな相分離構造が
形成され透光性能の低下を生じるので不適当である。

【００１８】また、光伝送体を構成するベースの重合体
には、脂肪族系のＮ−置換マレイミドモノマ単位を共重
合成分として含む無色透明の重合体を用いることが必要
である。

【００１９】脂肪族系Ｎ−置換マレイミドモノマ単位は
副反応の可能性が少なく、可視領域にポリメチルメタク
リレートよりも大きな特性吸収がなく、さらに、得られ
る重合体の機械的特性、ガラス転移温度、熱安定性等の
バランスからして、光伝送体の耐熱性を向上させるため
の共重合成分として好適である。

【００２０】この脂肪族系Ｎ−置換マレイミドモノマと
しては、例えば、メチル、エチル、イソプロピル、イソ
ブチル、第２ブチル、t-ブチル、2,2-ジメチルプロピ
ル、シクロヘキシル等の炭素数が１から６までの脂肪族
系炭化水素基でＮ置換されたマレイミドモノマが挙げら
れる。これらのうち、単量体の純度を高めるための蒸留
がし易く無色透明性および熱安定性が高いことから、常
温で液体であるイソプロピル、イソブチル、第２ブチ
ル、t-ブチル、2,2-ジメチルプロピル等の置換体が好ま
しく、なかでも無色透明性に最も優れているイソプロピ
ル置換体が特に好ましい。

【００２１】これに対し、芳香族基で置換されたＮ−置
換マレイミドは、黄色あるいは淡黄色と着色しているた
め、光伝送体の透光性能に悪影響を与えるので不適当で
ある。

【００２２】しかし、脂肪族系Ｎ−置換マレイミド単量
体の単独重合体は、無色透明性が高くガラス転移温度が
２００℃前後と高く耐熱耐久性を充分満たしているもの
の、機械的特性が不充分であるので光伝送体には不適当
である。

【００２３】従って、この重合体を形成する重合成分に
は、脂肪族系のＮ−置換マレイミドモノマ単位の他に、
光伝送体に通常用いられている重合成分を用いることが
必要である。

【００２４】この重合成分としては、例えば、メタクリ
ル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸イソプ
ロピル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸脂
肪族置換シクロヘキシルなどが挙げられる。これらの中
でも、メタクリル酸メチルが、得られる光伝送体が無色
透明性に優れかつ高いガラス転移温度が得られる点から
好ましい。

【００２５】この際の共重合組成は、前記脂肪族系Ｎ−
置換マレイミドが５〜７０モル％含まれることが好まし
く、さらに好ましくは１０〜５０モル％含まれる場合で
ある。

【００２６】脂肪族系Ｎ−置換マレイミドは、単独重合
した場合、ポリメチルメタクリレートのような通常の光
伝送体重合体に近い屈折率の無色透明性に優れた重合体
を与えることができる。しかも、脂肪族系Ｎ−置換マレ
イミドとメタクリル酸メチルとは単量体反応性比の差が
大きくないので、脂肪族系Ｎ−置換マレイミドをメチル
メタクリレートのような光伝送体用単量体に共重合させ
ても組成分布が生じ難く優れた透光性能を発揮すること
ができる。

【００２７】このように、脂肪族系Ｎ−置換マレイミド
を共重合させることによって、得られる共重合体の耐熱
性が向上し１３０℃以上のガラス転移温度とすることが
できるので、前記した非重合性の高屈折率化合物を分散
含有させても、９０℃以上のガラス転移温度とすること
ができる。

【００２８】本発明の光伝送体はバッチ作製法でも連続
作製法でも作製することができる。バッチ作製法は、予
め作製しておいた重合体製中空管の中空内に、その中空
管の重合体を溶解しかつ非重合性高屈折率化合物を分散
含有する重合性溶液（単量体成分、重合開始剤、分子量
調整剤を含む単量体混合物）を充填させ、非重合性高屈
折率化合物の拡散を促しながら外側から重合を進め、ロ
ッド状のプリフォームを得、その後に、所望の径になる
ように加熱延伸する方法である。

【００２９】この際の重合体製中空管は、非重合性の高
屈折率化合物を含有しない以外は中空部内に充填した物
と同じ単量体混合物から形成してもよいし、また、その
主成分となる単量体が同じであれば異なる単量体混合物
から形成してもよい。さらにまた、脂肪族系Ｎ−置換マ
レイミドモノマ単位を共重合させた重合体で構成されて
いてもよい。

【００３０】また、重合開始剤としてはアゾビスイソブ
チロニトリル等のアゾ化合物、過酸化ベンゾイル等の過
酸化物等の通常のラジカル重合開始剤が、また、分子量
調整剤としてはｎ−ブチルメルカプタン等のメルカプタ
ン類等の通常のラジカル連鎖移動剤が用いられる。

【００３１】また、連続作製法は、２重同心円状の吐出
孔を有する紡出口金の外側部に、別の重合装置内あるい
は連続的につながった重合装置内で単量体混合液を重合
して重合開始剤と分子量調整剤を残したまま重合率５０
〜９０％で重合を止めた重合体単量体混合物、または重
合開始剤と分子量調整剤を残さずに重合率５０〜９０％
で重合を止めた後にさらに重合開始剤と分子量調整剤を
添加した重合体単量体混合物を導く。一方、同じ口金の
内側部には、高屈折率非重合性化合物を含有する単量体
混合液の重合しないままの混合液、あるいは、その単量
体混合液をある程度重合させ重合開始剤と分子量調整剤
とを含む重合率５０％以下の重合体単量体混合物（この
重合体単量体混合物は、重合開始剤と分子量調整剤とを
残したままで重合を中断させたものであってもよいし、
また、重合を中断させた後に重合開始剤や分子量調整剤
を添加したものであってもよい）を導く。そして、外側
の重合体単量体混合物の粘度が１０，０００〜１５０，
０００ポイズの状態で内側の（重合体）単量体混合物と
同時に口金から押し出し芯鞘状複合のロッド状物とし、
それをさらに内側混合物内の高屈折率非重合性化合物の
外周部への拡散を促しながら、または促してから熱重合
または光重合して完全な重合体とし、さらに、所望の径
になるように加熱引き延ばす方法である。

【００３２】本発明にいう光伝送体は、上記のように引
き延ばして得られる光ファイバで代表されるが、延伸せ
ずにロッドレンズとしてもよい。

【００３３】

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに説明す
る。

【００３４】実施例中の光ファイバの透光性能の評価は
次の方法によった。

【００３５】タングステンランプの光を回折格子で分波
し、レンズで集光した後、両端を研磨した１０〜３０ｍ
の光ファイバ（ファイバ長：Ｌs ｍ）の一端から入射
し、他の一端より出射した光をフォトダイオードで光電
力として検出した（Ｐs dBm ）。次に入射端を固定した
まま入射端より約２ｍのところで切断したリファレンス
ファイバ（ファイバ長：Ｌr ｍ）について、同様に測定
を繰り返す、いわゆるカットバック法を用いて測定した
（Ｐr dBm ）。そして次式に従って光ファイバの透光損
失値を算出した。

【００３６】透光損失値（dB／km）＝（Ｐs −Ｐr ）／
（Ｌs −Ｌr ）・1000 ここで、Ｌs 、Ｌr は、それぞれ、サンプル光ファイ
バ、リファレンスファイバのファイバ長（ｍ）であり、
また、、Ｐs 、Ｐr は、それぞれ、サンプル光ファイ
バ、リファレンスファイバの光電力値（dBm ）である。

【００３７】また、光ファイバの耐熱耐久性は次の方法
により評価した。

【００３８】測定に供せられた光ファイバを所定の時
間、熱風乾燥機で加熱した後、加熱前と加熱後の透光損
失を上記方法に従って測定し、それらの値を対比させ
た。

【００３９】［実施例１］Ｎ−イソプロピルマレイミド
３０重量部、メタクリル酸メチル７０重量部、アゾビス
イソブチロニトリル０．０１５重量部、及び、ｎ−ブチ
ルメルカプタン０．０１０重量部をそれぞれ蒸留した後
に混合物を調製し、０．０５μｍ孔のテフロン製フィル
ターで濾過してから水平に保持したガラス管に入れた。
そして両端をシールした後に回転させながら５０℃で１
６時間重合した後、徐々に温度を上げて最終的に９０℃
に１０時間保って重合を完結させて重合体製中空管を得
た。

【００４０】次に、この中空管の内部に、Ｎ−イソプロ
ピルマレイミド２４重量部、メタクリル酸メチル５６重
量部、アゾビスイソブチロニトリル０．０１５重量部、
ｎ−ブチルメルカプタン０．０１０重量部、及び、フタ
ル酸ベンジルｎ−ブチル２０重量部からなる混合物を充
填した後、常温で４時間放置後、５０℃で１６時間重合
し、徐々に温度を上げて最終的に９０℃に１０時間保っ
て重合し、直径２０mmの無色透明なロッドを得た。外側
のガラス管は壊して取り去った。

【００４１】こうして得られたロッドを切断および粉砕
し、ロッドの中心部のみを取り出してガラス転移温度を
ＤＳＣで測定したところ、９８℃であった。

【００４２】このロッドを円筒型加熱器によって２３０
℃で溶融引き伸ばして直径１mmの光ファイバとした。

【００４３】得られた光ファイバの屈折率分布をインタ
ーファコ干渉顕微鏡で測定したところ、中心から外周に
かけて屈折率が連続的に減少していた。中心部の屈折率
は１．５１９であり、外周部の屈折率は１．５０６であ
った。この光ファイバの２５℃における透光損失値は、
６５０nmで１５４dB／kmであった。また、８５℃で１０
００時間熱処理した後の透光損失値は、６５０nmで１５
８dB／kmと、熱処理しても殆ど変化せず良好であった。
さらに、可撓性は、巻付け径を１mmまですることができ
良好であった。

【００４４】このように、得られた屈折率分布型光ファ
イバは、優れた透光性能と機械的特性を示し、しかも、
耐熱性にも優れていた。

【００４５】［実施例２］Ｎ−シクロヘキシルマレイミ
ド３０重量部、メタクリル酸メチル７０重量部、アゾビ
スイソブチロニトリル０．０１５重量部、ｎ−ブチルメ
ルカプタン０．０１０重量部からなる混合物をそれぞれ
蒸留して調製した後、０．０５μｍ孔のテフロン製フィ
ルターで濾過してから水平に保持したガラス管に入れ
た。そして両端をシールした後、実施例１と同様に重合
して重合体製中空管を得た。そして、この中空管の内部
にＮ−シクロヘキシルマレイミド２４重量部、メタクリ
ル酸メチル５６重量部、アゾビスイソブチロニトリル
０．０１５重量部、ｎ−ブチルメルカプタン０．０１０
重量部、フタル酸ベンジルｎ−ブチル２０重量部からな
る混合物を充填した後、実施例１と同様に重合し、直径
２０mmの無色透明なロッドを得た。ガラス管は壊して取
り去った。

【００４６】得られたロッドの中心部のガラス転移温度
は１０４℃であった。このロッドから実施例１と同様に
して直径１mmの光ファイバを得た。

【００４７】得られた光ファイバの屈折率分布は、中心
から外周にかけて屈折率が連続的に減少していた。中心
部の屈折率は１．５２２であり、外周部の屈折率は１．
５０９であった。この光ファイバの２５℃における透光
損失値は、６５０nmで１８７dB／kmであった。８５℃で
１０００時間熱処理した後の透光損失値は６５０nmで１
９０dB／kmと殆ど変化せず、良好であった。さらに、可
撓性は、巻付け径を１mmまですることができ良好であっ
た。

【００４８】このように、実施例１と同様に、透光性
能、機械的特性及び耐熱性に優れた屈折率分布型光ファ
イバとすることができた。

【００４９】［実施例３］メタクリル酸メチルを蒸留
し、アゾビスイソブチロニトリル及びｎ−ブチルメルカ
プタンを混合して単量体混合物を調製した後、０．０５
μｍ孔のテフロン製フィルターで濾過してから水平に保
持したガラス管中に入れた。そして両端をシールした後
に回転させながら常法に従い熱重合して重合体製中空管
を得た。そして、この重合管の内部にＮ−イソプロピル
マレイミド２４重量部、メタクリル酸メチル５６重量
部、アゾビスイソブチロニトリル０．０１５重量部、ｎ
−ブチルメルカプタン０．０１０重量部、フタル酸ベン
ジルｎ−ブチル２０重量部からなる混合物を充填した
後、実施例１と同様に重合し、直径２０mmの無色透明な
ロッドを得た。ガラス管は壊して取り去った得られたロ
ッド中心部のガラス転移温度は９８℃であった。このロ
ッドから実施例１と同様にして直径１mmの光ファイバを
得た。

【００５０】得られた光ファイバの屈折率分布は、中心
から外周にかけて屈折率が連続的に減少していた。中心
部の屈折率は１．５１７であり、外周部の屈折率は１．
４９４であった。この光ファイバの２５℃における透光
損失値は、６５０nmで１５３dB／kmであった。８５℃で
１０００時間熱処理した後の透光損失値は６５０nmで１
６０dB／kmと殆ど変化せず、良好であった。さらに、可
撓性は、巻付け径を１mmまでとすることができ良好であ
った。

【００５１】このように、実施例１、２と同様に、透光
性能、機械的特性及び耐熱性に優れた屈折率分布型光フ
ァイバとすることができた。

【００５２】［比較例１］メタクリル酸メチルを蒸留し
て、アゾビスイソブチロニトリル及びｎ−ブチルメルカ
プタンを混合して単量体混合物を調製した後、０．０５
μｍ孔のテフロン製フィルターで濾過してから水平に保
持したガラス管に入れた。そして両端をシールした後に
回転させながら常法に従い熱重合して重合体製中空管を
得た。そして、この中空管の内部にメタクリル酸メチル
８０重量部、アゾビスイソブチロニトリル０．０１５重
量部、ｎ−ブチルメルカプタン０．０１０重量部、フタ
ル酸ベンジルｎ−ブチル２０重量部からなる混合物を充
填した後、実施例１と同様に重合し、直径２０mmの無色
透明なロッドを得た。ガラス管は壊して取り去った。得
られたロッド中心部のガラス転移温度は７８℃と低かっ
た。このロッドから実施例１と同様にして直径１mmの光
ファイバを得た。

【００５３】得られた光ファイバの屈折率分布は、中心
から外周にかけて屈折率が連続的に減少していた。中心
部の屈折率は１．５１０であり、外周部の屈折率は１．
４９４であった。この光ファイバの２５℃における透光
損失値は、６５０nmで１２６dB／kmであり、８５℃で１
０００時間熱処理した後の透光損失値は、６５０nmで２
１０dB/km と大幅に悪化した。さらに、屈折率分布の形
状にも変化がみられた。

【００５４】

【発明の効果】本発明の、中心部から外周部へ連続的に
低下する屈折率分布を有するプラスチック光伝送体は、
優れた透光性能や機械的特性を保持するとともに、耐熱
耐久性にも優れ、実用的な耐熱温度８５℃で長期間に亘
って使用できる実用信頼性を具備している。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光伝送体を構成する重合体と相溶性が
   ありかつ該重合体よりも高屈折率を有する無色透明の非
   重合性化合物が、光伝送体の中心部から外周部へと連続
   的に減少する濃度分布で分散され、中心部から外周部へ
   と連続的に低下する屈折率分布を有するプラスチック光
   伝送体であって、前記重合体が脂肪族系のＮ−置換マレ
   イミドモノマ単位を共重合成分として含む無色透明な重
   合体であることを特徴とする屈折率分布型プラスチック
   光伝送体。
2. 【請求項２】 光伝送体の中心部における重合体のガ
   ラス転移温度が、９０℃以上であることを特徴とする請
   求項１記載の屈折率分布型プラスチック光伝送体。