JP2006201469A

JP2006201469A - プラスチッククラッド光ファイバ

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Publication number: JP2006201469A
Application number: JP2005012957A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Nakae; 俊博中江; Takenori Shimoda; 雄紀下田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2005-01-20
Filing date: 2005-01-20
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】所定の温度変化範囲におけるピストニングの発生が抑制されるとともに、光ファイバ素線への応力が緩和され、コネクタに被覆を除去することなく接続可能で、しかも、低コストで製造でき信頼性に優れた光プラスチッククラッド光ファイバを提供する。
【解決手段】石英ガラスのコア１１と紫外線硬化型フッ素含有樹脂のクラッド１２からなる光ファイバ素線１３の外周に、紫外線硬化型の樹脂からなる保護層１５が密着し、保護層１５の外側に被覆層１４が密着して設けられる。被覆層１４の収縮力（−４０℃から＋１２５℃までの温度変化における）の最大値をＳmax（ｇ／ｍｍ）、クラッド１２と保護層１５との密着力をＡ１（ｇ／ｍｍ）、保護層１５と被覆層１４との密着力をＡ２（ｇ／ｍｍ）としたとき、Ｓmax＜Ａ１、かつ、Ｓmax＜Ａ２となるように形成されている。また、保護層１５は、ヤング率がクラッドのヤング率より小さく、非透光性の材料で形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、石英ガラスのコアとフッ素樹脂を含有する樹脂のクラッドからなるプラスチッククラッド光ファイバに関する。

プラスチッククラッド光ファイバは、屋内や自動車内等の比較的近距離でのデータ通信、光センサー用配線等に適したものとして需要が増えている。このプラスチッククラッド光ファイバは、一般的には、図２に示すように、石英ガラスからなるコア１の外周を透明の有機高分子重合体からなるクラッド２で同心状に囲んだ光ファイバ素線３を、被覆層４で保護した構成のものが用いられている。

コア１は、光透過性に優れた高純度の石英ガラスが用いられ、外径２００μｍ程度に形成されている。クラッド２は、コア１よりやや屈折率が小さい可撓性に優れた、例えば、紫外線硬化型のフッ素含有アクリレートポリマ等のフッ素含有樹脂が用いられ、厚みが１５μｍで外径が２３０μｍ程度になるように形成されている。被覆層４は、外径０.５ｍｍ又は０.９ｍｍ程度となるように押出し機で光ファイバ素線３の外周に成形される。その材料としては、例えば、ナイロンやテトラフルオロエチレン共重合体等が用いられ、コア１とクラッド２からなる光ファイバ素線３を、外部からの物理的、化学的刺激や汚染から保護している。

このプラスチッククラッド光ファイバは、コア１とクラッド２からなる光ファイバ素線３と、有機高分子からなる被覆層４との線膨張係数が著しく異なり、また、コア１とクラッド２の密着力と比べて、クラッド２と被覆層４との密着力が小さい。このため、温度変化があると光ファイバの端末部において、光ファイバ素線３が、被覆層４から突き出したり、或いは引っ込んだりするピストニングと言われている現象が生じやすい。このピストニング現象が起こると、光ファイバ端面と発光、受光素子等の光学素子との距離が変化し、結合光量が変化したり、損失が増加するなどの不都合が生じる。

このピストニングは、光ファイバ素線３のクラッド２と被覆層４との密着力を高めることにより低減させることができる。しかし、光ファイバは、端末部に光コネクタ等を接続して用いることが多い。この光コネクタの接続には、被覆層４を除去するのが一般的である。クラッド２と被覆層４との密着力を高めると、被覆層４の除去作業が難しくなり、光ファイバ素線３の表面に傷をつけたり、折損したりして光学特性を劣化させる原因となる。

上記のような点を改善するために、例えば、特許文献１には、クラッドと被覆層との密着力を２４〜３７ｇ／ｍｍ^２とすること、被覆層の引張り弾性率を５００ｋｇ／ｍｍ^２とすることが開示されている。また、特許文献２には、光ファイバ素線と被覆層の間の密着力が１０〜２０ｇ／ｍｍとすることが開示されている。さらに、特許文献３には、最外層がフッ化ビニリデン系重合体からなる光ファイバ素線と１次、２次の被覆からなる被覆層の間にポリアミド系重合体材料を含む密着層を設け、被覆層外径と密着層外径を所定の関係にすることが開示されている。
特開平８−６２４３６号公報特開２００１−２６４５９７号公報特開２００３−７５６９２号公報

今後、メタル線から光ファイバへの切り替えの需要増加が見込まれているが、光ファイバの端末部の加工容易性、加工コストがネックとなる。一般的に、プラスチッククラッド光ファイバの端末形成では、光ファイバの端部の被覆層を除去して、コアとクラッドからなる光ファイバ素線を露出させ、光コネクタのフェルールを固定する方法が用いられている。上記の特許文献１〜２には、被覆層の密着力を選定することにより、光ファイバの被覆層の除去を容易にし、ピストニング現象を低減する試みがなされている。しかし、光ファイバ素線は、外径が０.３ｍｍ以下と細く、機械特性や光学特性を損なわないよう傷を付けずに被覆を除去するのが容易でなく、自動化するのが難しいとされている。

このため、低コストで光コネクタを組立てる方式として、光ファイバの端部の被覆層を除去することなく光コネクタに固定することが検討されている。この場合、外側の被覆層がフェルールに固定されるが、ピストニング現象を抑制するには、光ファイバ素線と被覆層との密着力を考慮する以外に、光ファイバ素線に被覆層の歪みが及ばないようにすることも必要である。加えて、プラスチッククラッド光ファイバ自体の信頼性向上と生産性の向上が求められている。

特許文献３には、光ファイバ素線と被覆層の間に、密着層を設けることも開示されているが、光ファイバ素線と被覆層との密着性を高めるために介在させるもので、被覆層の応力が光ファイバ素線に及ぶのを緩和するものではない。また、密着層にポリアミド系重合体を用いているため、高温での押出し加工が必要となり、成形性を考慮すると高速での製造が難しく、生産性がよくない。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、所定の温度変化範囲におけるピストニングの発生が抑制されるとともに、光ファイバ素線への応力が緩和され、コネクタに被覆を除去することなく接続可能で、しかも、低コストで製造でき信頼性に優れた光プラスチッククラッド光ファイバの提供を課題とする。

本発明によるプラスチッククラッド光ファイバは、石英ガラスのコアと紫外線硬化型フッ素含有樹脂のクラッドからなる光ファイバ素線の外周に、紫外線硬化型の樹脂からなる保護層が密着して設けられ、保護層の外側に被覆層が密着して設けられる。そして、被覆層の収縮力（−４０℃から＋１２５℃までの温度変化における）の最大値をＳmax（ｇ／ｍｍ）、クラッドと保護層との密着力をＡ１（ｇ／ｍｍ）、保護層と被覆層との密着力をＡ２（ｇ／ｍｍ）としたとき、Ｓmax＜Ａ１、かつ、Ｓmax＜Ａ２となるように形成されている。また、保護層は、ヤング率がクラッドのヤング率より小さく、非透光性の材料で形成される。

本発明によれば、保護層には、クラッド材と同じ紫外線硬化型の樹脂を用いているため、光ファイバ素線の線引き工程でタンデムに形成することができ、別途の押出し機による形成を不要とし、低コストで製造することができる。また、クラッド表面に異物が付着したり機械的応力が加わる前に設けることができるため、光ファイバの信頼性を向上させることができる。また、本発明による保護層は、光ファイバ素線と被覆層との密着性を高めてピストニングの発生を抑制することができると共に、被覆層の伸縮による応力が光ファイバ素線に及ぶのを緩和し、伝送損失の増加を抑制することができる。さらに、保護層に非透光性の紫外線硬化型樹脂を用いることにより、透過光の通過断面積が大きくなって帯域特性が低下するのを抑制することもできる。

図１により本発明の実施の形態を説明する。図中、１１はコア、１２はクラッド、１３は光ファイバ素線、１４は被覆層、１５は保護層を示す。
本発明によるプラスチッククラッド光ファイバは、石英ガラスからなるコア１１の外周を、紫外線硬化型のフッ素含有樹脂からなるクラッド１２で囲んで形成された光ファイバ素線１３が用いられる。そして、光ファイバ素線１３の外周面には、紫外線硬化型の樹脂による保護層１５を介して被覆層１４を形成する。

コア１１は、光透過性に優れた高純度の石英ガラスを用い、例えば、太径のガラス母材から外径１００μｍ〜６００μｍ程度に線引きして形成される。クラッド１２には、コア１１よりやや屈折率が小さい可撓性のある樹脂、例えば、紫外線硬化型のフッ化アクリレートポリマ等のフッ素含有樹脂が用いられ、コア１１の外周に厚み１５μｍ〜２５μｍ程度被覆して形成される。なお、本発明において、光ファイバ素線１３とは、前記のコア１１とクラッド１２からなる構成を言い、光ファイバ素線１３として、石英ガラス母材から所定の外径になるように線引きした直後のコア１１上に、クラッド１２としての樹脂材を直接被覆して形成される。

被覆層１４は、光ファイバ素線１３を機械的外力から保護して傷等が付くのを防止すると共に、油分等の化学物質から保護するものである。この被覆層１４は、外囲気に曝されることから、耐油性、耐熱性、難燃性等を備えた材料を用いることができ、例えば、ポリアミド系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂等の各種被覆材で形成することができる。また、被覆層１４は、単一の層で形成する以外に複数層で形成してもよく、目的に応じた材料選択の自由度を高めることができる。

通常、被覆層１４は、光ファイバ素線１３の外周に直接被覆して形成されるが、本発明においては、被覆層１４と光ファイバ素線１３との間に保護層１５を介して被覆する。この保護層１５は、厚さ１０μｍ〜２００μｍ程度で、ヤング率が１〜１０００ＭＰａ程度の紫外線硬化型の樹脂（例えば、ウレタンアクリレート樹脂等）を用いて形成される。保護層１５として、クラッド１２と同様に紫外線硬化型の樹脂を用いることにより、コア１１を線引きしてクラッド１２を形成する塗布工程に引続いて、タンデムに形成することができる。

したがって、光ファイバの製造に際して、保護層１５は、クラッド１２の表面に異物が付着したり、機械的外力が加わる機会を著しく減少させることができ、光ファイバとしての信頼性を高めることができる。また、保護層１５の形成工程は、光ファイバ素線１３の線引きライン工程の一つとして組込むことができるので、新たに被覆ラインを設けて形成する必要がなく、コスト的には僅かな増加で済ますことができる。

保護層１５は、光ファイバ素線１３のクラッド１２と密着すると共に、被覆層１４とも密着する材料で形成されるのが望ましい。また、−４０℃から＋１２５℃の温度変化における被覆層１４の最大収縮力をＳmax（ｇ／ｍｍ）、クラッド１２と保護層１５との密着力をＡ１（ｇ／ｍｍ）、保護層１５と被覆層１４との密着力をＡ２（ｇ／ｍｍ）としたとき、Ｓmax＜Ａ１であり、且つ、Ｓmax＜Ａ２とするのが望ましい。

ここで、光ファイバと光コネクタとの接続で、光ファイバの端部の被覆層を除去することなく光コネクタに固定する方式を用いたとする。この場合、光ファイバは、−４０℃から＋１２５℃の範囲の温度変化により、その被覆層１４に伸縮を生じ、光ファイバ素線１３と被覆層１４との膨張率の相違から、ピストニングが起ころうとする。しかし、保護層１５とクラッド１２、及び保護層１５と被覆層と１４の密着力は、いずれも保護層１５の収縮力より大きいので、光ファイバ素線１３と被覆層１４との間で密着状態が維持される。この結果、被覆層１４に対する光ファイバ素線１３のピストニングを抑制することができる。

なお、被覆層１４の収縮力Ｓ（ｇ／ｍｍ）の測定は、例えば、図３に示した方法で測定することができる。この方法は、恒温槽内に対向配置した固定具間に張力計を介して試験品を設置し、恒温槽内の温度を変化させながら、張力計で収縮力を計測する。試験品の測定長がＬａ（ｍｍ）であるとすると、張力計の指示値をＬａで除すことにより、単位長さ当たりの収縮力Ｓ（ｇ／ｍｍ）を得ることができる。

また、保護層１５とクラッド１２との密着力Ａ１（ｇ／ｍｍ）及び保護層１５と被覆層１４との密着力Ａ２（ｇ／ｍｍ）の測定は、例えば、図４に示した方法で測定することができる。この方法は、互いに密着する層の内側層の端部を張力計に固定し、外側層の端部にダイスを当て、張力計に引張りを付与して外側層を軸方向に引き離す。或いは、張力計を固定して、ダイスを移動させて外側層を軸方向に引き離すようにしてもよい。このときの張力計の指示値を試験品長さＬｂ（ｍｍ）で除すことにより、単位長さ当たりの密着力Ａ１又Ａ２（ｇ／ｍｍ）を得ることができる。

また、保護層１５は、光ファイバ素線１３のクラッド１２より軟質な樹脂層、すなわちヤング率の小さい樹脂層で形成されていることが望ましい。保護層１５を軟質な樹脂層で形成することにより、温度変化で被覆層１４が伸縮変形した際に、その変形歪みが光ファイバ素線１３に及ぶのを緩和することができる。この結果、温度変化による光ファイバの光学特性が変動又は低下するのを抑制することができる。

さらに、保護層１５は、非透光性の樹脂で形成されていることが望ましい。光ファイバに入射された光の大体は、コア１１とクラッド１２の界面で反射を繰り返しながら、コア１１内を伝搬していくが、光の帯域の一部は界面を突き抜けてクラッド１２側に放射される。クラッド１２に放射された光は、クラッド１２と保護層１５との界面で反射して再びコア内に入射され、コア内を伝搬していく。すなわち、保護層１５を透光性の樹脂で形成すると、光の透過断面積が大きくなり帯域特性が劣化する可能性がある。そこで、保護層１５を非透光性の樹脂で形成することにより、上記のような透過断面積が大きくなるのを制限し、帯域劣化を防止することができる。

本発明によるプラスチッククラッド光ファイバの実施形態を説明する図である。従来の技術を説明する図である。収縮力の測定方法の一例を示す図である。密着力の測定方法の一例を示す図である。

符号の説明

１１…コア、１２…クラッド、１３…光ファイバ素線、１４…被覆層、１５…保護層。

Claims

石英ガラスのコアと紫外線硬化型フッ素含有樹脂のクラッドからなる光ファイバ素線の外周に、紫外線硬化型の樹脂からなる保護層が密着して設けられ、前記保護層の外側に被覆層が密着して設けられていることを特徴とするプラスチッククラッド光ファイバ。
前記被覆層の収縮力（−４０℃から＋１２５℃までの温度変化における）の最大値をＳmax（ｇ／ｍｍ）、前記クラッドと前記保護層との密着力をＡ１（ｇ／ｍｍ）、前記保護層と前記被覆層との密着力をＡ２（ｇ／ｍｍ）としたとき、Ｓmax＜Ａ１、且つ、Ｓmax＜Ａ２であることを特徴とする請求項１に記載のプラスチッククラッド光ファイバ。
前記保護層のヤング率は、前記クラッドのヤング率より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラスチッククラッド光ファイバ。
前記保護層は非透光性であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラスチッククラッド光ファイバ。