(57)【要約】【課題】  生産性が良好で、且つ良好な伝送性能を有し、特にＧＩ−ＰＯＦに準ずる広帯域化が可能なマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバを提供する。【解決手段】  同心円状に配置された３以上の層からなるコア部と、その外周にクラッド部とを有するマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバであって、前記３以上の層がそれぞれ、実質的にＣ−Ｈ結合をもたない非結晶性のポリマー組成物からなり、且つ前記コア部の屈折率が中心から外周に向けて小さくなるように前記３以上の層が配置されたマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバである。好ましくは、前記コア部中の隣接する層間の屈折率差が、いずれも実質的に同一で、且つ前記コア部の屈折率が、Ｇ乗分布に近似している前記マルチステップインデックス型プラスチック光ファイバである。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心円状に配置された３以上の層からなるコア部と、その外周にクラッド部とを有するマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバであって、前記３以上の層がそれぞれ、実質的にＣ−Ｈ結合をもたない非結晶性のポリマー組成物からなり、且つ前記コア部の屈折率が中心から外周に向けて小さくなるように前記３以上の層が配置されたマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバ。
【請求項２】
前記コア部中の隣接する層間の屈折率差が、いずれも実質的に同一で、且つ前記コア部の屈折率が、Ｇ乗分布に近似している請求項１に記載のマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバ。
【請求項３】
同心円状に配置された２以上の層からなるコア部と、その外周にクラッド部とを有するマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバであって、前記２以上の層がそれぞれ、実質的にＣ−Ｈ結合をもたない非結晶性のポリマー組成物からなり、前記コア部の屈折率が中心から外周に向けて小さくなるように各層が配置され、且つ前記クラッド部の屈折率が、前記コア部の最外層の屈折率に対して３％以上低いマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバ。
【請求項４】
前記実質的にＣ−Ｈ結合をもたない非結晶性のポリマーが、重水素化ポリマー又はフッ素化ポリマーである請求項１〜３のいずれか１項に記載のマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチック光学部材の技術分野に属し、特に、屈折率分布型プラスチック光ファイバ（ＧＩ−ＰＯＦと略記することがある）に準ずる、広帯域化が可能な多段階屈折率分布を有するマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバ（ＭＳＩ−ＰＯＦと略記することがある）の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
プラスチック光学部材は、同一の構造を有する石英系の光学部材と比較して、製造および加工が容易であること、および低価格であること等の利点があり、近年、光ファイバおよび光レンズ、光導波路など種々の応用が試みられている。特にこれら光学部材の中でも、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦと略記することがある）は、素線が全てプラスチックで構成されているため、伝送損失が石英系と比較してやや大きいという短所を有するものの、良好な可撓性を有し、軽量で、加工性がよく、石英系光ファイバと比較して、口径の大きいファイバとして製造し易く、さらに低コストに製造可能であるという長所を有する。従って、伝送損失の大きさが問題とならない程度の短距離用の光通信伝送媒体として種々検討されている。
【０００３】
プラスチック光ファイバは、一般的には、重合体をマトリックスとする有機化合物からなる芯（本明細書において「コア部」と称する）と、コア部と屈折率が異なる（一般的には低屈折率の）有機化合物からなる外殻（本明細書において「クラッド部」と称する）とから構成される。特に、中心から外側に向かって屈折率の大きさに分布を有するコア部を備えた屈折率分布型プラスチック光ファイバは、伝送する光信号の帯域を大きくすることが可能なため、高い伝送容量を有する光ファイバとして最近注目されている（例えば、特許文献１および２参照）。この様な屈折率分布型光学部材の製法の一つに、界面ゲル重合を利用して、光学部材母材（本明細書において、「プリフォーム」と称する）を作製し、その後、前記プリフォームを延伸する方法が提案されている。
【０００４】
ＧＩ−ＰＯＦの問題点は生産性の低さにある。上記界面ゲル重合を利用したプリフォームロッドは、コア重合工程でのドーパントの分子の拡散状態を利用して屈折率分布を形成するものであるから、該ロッドの太さや長さに限界がある。その観点から、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡと略記することがある）を主体としたＭＳＩ−ＰＯＦの提案がなされている（例えば、特許文献３、４および５参照）。しかし、ＭＳＩ−ＰＯＦは、ＧＩ−ＰＯＦに比べて伝送容量が低いという問題点があった。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−１３０９０４号公報
【特許文献２】ＷＯ９３／０８４８８号公報
【特許文献３】特開平１０−１１１４１４号公報
【特許文献４】特開平１０−１３３０３６号公報
【特許文献５】特開平１１−５２１４６号公報
【特許文献６】特開２００２−３１１２５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は前記諸問題に鑑みなされたものであって、従来のＭＳＩ−ＰＯＦの優れた生産性を維持しつつ、良好な伝送性能を有し、特にＧＩ−ＰＯＦに準ずる広帯域化が可能なマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決する手段は以下の通りである。
［１］  同心円状に配置された３以上の層からなるコア部と、その外周にクラッド部とを有するマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバであって、前記３以上の層がそれぞれ、実質的にＣ−Ｈ結合をもたない非結晶性のポリマー組成物からなり、且つ前記コア部の屈折率が中心から外周に向けて小さくなるように前記３以上の層が配置されたマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバ。
［２］  前記コア部中の隣接する層間の屈折率差が、いずれも実質的に同一で、且つ前記コア部の屈折率が、Ｇ乗分布に近似している［１］のマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバ。
［３］  同心円状に配置された２以上の層からなるコア部と、その外周にクラッド部とを有するマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバであって、前記２以上の層がそれぞれ、実質的にＣ−Ｈ結合をもたない非結晶性のポリマー組成物からなり、前記コア部の屈折率が中心から外周に向けて小さくなるように各層が配置され、且つ前記クラッド部の屈折率が、前記コア部の最外層の屈折率に対して３％以上低いマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバ。
［４］  前記実質的にＣ−Ｈ結合をもたない非結晶性のポリマーが、重水素化ポリマー又はフッ素化ポリマーである［１］〜［３］のいずれかのマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバ。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、従来のＭＳＩ−ＰＯＦの優れた生産性を維持しながら、良好な光伝送能を有し、且つＧＩ−ＰＯＦに準ずる広帯域化が可能なマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバを提供することができる。
【発明の実施の形態】
【０００９】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバ（ＭＳＩ−ＰＯＦ）は、同心円状に配置された複数の層からなるコア部と、その外周にクラッド部とを有する。前記コア部を構成する層はそれぞれ、実質的にＣ−Ｈ結合をもたない非結晶性ポリマーを含有する組成物からなる。本発明では、前記複数層の各々を、Ｃ−Ｈ結合を有しないポリマーを用いて形成しているので、Ｃ−Ｈ結合に起因した光伝送損失を大きく軽減することができる。さらに、非結晶性ポリマーを用いているので、散乱損失を大幅に低減できる。
【００１０】
前記非結晶ポリマーは、（Ａ）重水素化ポリマー又は（Ｂ）フッ素化ポリマーから選ばれるのが好ましい。前者（Ａ）は、Ｃ−Ｈ結合を、主としてＣ−Ｄ結合に代替したポリマー類であり、後者（Ｂ）はＣ−Ｈ結合を主としてＣ−Ｆ結合に代替したポリマー類である。（Ａ）及び（Ｂ）の双方に属するＣ−Ｄ結合及びＣ−Ｆ結合の双方を有するポリマー類も、勿論使用することができる。
【００１１】
まず、前者（Ａ）重水素化ポリマー類について説明する。前記（Ａ）重水素化ポリマー類は、ポリマー中のＣ−Ｈ結合の水素原子が、重水素原子に置換されたポリマーであれば、基本的には如何なる種類のポリマーでもよい。なお、本発明に用いるポリマーは、実質的にＣ−Ｈ結合を持たないポリマーであり、（Ａ）重水素化ポリマー類の重水素化置換率は、９５％以上であるのが好ましい。（Ａ）ポリマー中に、一部フッ素原子が混在、すなわちＣ−Ｆ結合があってもよい。例えば、ポリマーの種類としては、ポリ（メタ）アクリル酸エステル類、ポリカーボネート類、ポリエステル類、およびノルボルネン系ポリマー類などが挙げられる。その中でも、ポリ（メタ）アクリル酸エステル類がもっとも好ましい。モノマーの具体例を挙げるとすると、それぞれ重水素化された、（メタ）アクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸ｔ−ブチル、（メタ）アクリル酸ベンジル、（メタ）アクリル酸フェニル、（メタ）アクリル酸ノルボルニル、（メタ）アクリル酸イソボルニル、（メタ）アクリル酸（ビシクロ−２，２，１−ヘプチル−２）、（メタ）アクリル酸−１−アダマンチル、（メタ）アクリル酸−２−アダマンチル、（メタ）アクリル酸−３−メチル−１−アダマンチル、（メタ）アクリル酸−３，５−ジメチル−１−アダマンチル、メタクリル酸２，２，２−トリフルオロエチル、メタクリル酸２，２，３，３，３、−ペンタフルオロプロピル、メタクリル酸２，２，３，３−テトラフルオロプロピル、メタクリル酸ヘキサフルオロ−２−プロピル、メタクリル酸パーフルオロヘキシルメチル、メタクリル酸パーフルオロ−ｔ−ブチルなどが好ましく、それぞれ重水素化されたメタクリル酸メチル、メタクリル酸ｔ−ブチル、メタクリル酸ベンジル、メタクリル酸フェニル、メタクリル酸ノルボルニル、メタクリル酸イソボルニル、メタクリル酸２，２，２−トリフルオロエチル、メタクリル酸２，２，３，３、３−ペンタフルオロプロピル、メタクリル酸２，２，３，３−テトラフルオロプロピル、メタクリル酸ヘキサフルオロ−２−プロピルが特に好ましい。
【００１２】
次に後者の（Ｂ）フッ素化ポリマー類について説明する。（Ｂ）フッ素ポリマー類は、ポリマー中の水素原子がフッ素原子に置換されたポリマーであれば、基本的には如何なる種類のポリマーでもよい。なお、本発明に用いるポリマーは、実質的にＣ−Ｈ結合を持たないポリマーであり、フッ素化置換率は９０％以上であるのが好ましい。重水素化置換率に比べて、置換率の下限値が小さいのは、伝送損失に対するＣ−Ｆ結合の悪影響がＣ−Ｄ結合に対して小さいからである。（Ｂ）フッ素化ポリマー類中に残存するＣ−Ｈ結合はＣ−Ｄ結合に変換されるのが好ましい。例えば、ポリマーの種類としては、含フッ素ポリエーテル、含フッ素芳香族ポリエステル、含フッ素芳香族ポリカーボネートおよび含フッ素ポリイミドから選ばれる少なくとも１種であり、さらにポリマー主鎖に環構造を有する含フッ素ポリマーが好ましい。該ポリマーの例として、特開２００２−３１１２５４号公報に記載のポリマーが挙げられる。
【００１３】
前記非結晶性ポリマーは、重合性モノマーを公知の重合方法で重合することによって調製できる。溶液重合、懸濁重合、塊状重合のいずれも用いることが可能であるが、伝送損失の観点から、塊状重合系が最も好ましく、異物や酸素の混入による着色を防ぐ為、外部と遮断された系の中で、重合するのが好ましい。前記非結晶性ポリマーの分子量については特に制限はないが、延伸により線引きしてＰＯＦの形態にする場合は、延伸時における機械的特性を所望の範囲とすると、生産性の向上に寄与する。かかる観点から、分子量は、１万〜２００万であるのが好ましく、３万〜１００万であるのがより好ましい。ポリマーの分子量は、重合性モノマーの重合速度および重合度を、重合開始剤および所望により添加される連鎖移動剤によって制御することによって、所望の範囲に調整することができる。
【００１４】
前記重合性モノマーの重合は、重合開始剤によって進行させるのが好ましい。重合開始剤としては、用いるモノマーや重合方法に応じて適宜選択することができるが、過酸化ベンゾイル（ＢＰＯ）、ｔ−ブチルパーオキシ−２−エチルヘキサネート（ＰＢＯ）、ジ−ｔ−ブチルパーオキシド（ＰＢＤ）、ｔ−ブチルパーオキシイソプロピルカーボネート（ＰＢＩ）、ｎ−ブチル４，４，ビス（ｔ−ブチルパーオキシ）バラレート（ＰＨＶ）などのパーオキサイド系化合物、または２，２’−アゾビスイソブチロニトリル、２，２’−アゾビス（２−メチルブチロニトリル）、２，２’−アゾビス（２−メチルプロパン）、２，２’−アゾビス（２−メチルブタン）、２，２’−アゾビス（２−メチルペンタン）、２，２’−アゾビス（２，３−ジメチルブタン）、２，２’−アゾビス（２−メチルヘキサン）、２，２’−アゾビス（２，４−ジメチルペンタン）、３，３’−アゾビス（３−メチルペンタン）、３，３’−アゾビス（３，４−ジメチルペンタン）、３，３’−アゾビス（３−エチルペンタン）、ジメチル−２，２’−アゾビス（２−メチルプロピオネート）、ジエチル−２，２’−アゾビス（２−メチルプロピオネート）、ジーｔ−ブチル−２，２’−アゾビス（２−メチルプロピオネート）などのアゾ系化合物が挙げられる。なお、重合開始剤は２種類以上を併用してもよい。
【００１５】
前記重合性モノマーは、連鎖移動剤の存在下で重合させるのが好ましい。前記連鎖移動剤は、主に重合体の分子量を調整するために用いられる。連鎖移動剤の存在下で重合させると、重合性モノマーの重合速度および重合度を前記連鎖移動剤によってより制御することができ、重合体の分子量を所望の分子量に調整することができる。例えば、時前記重合体からなる複数層を同心円状に積層してなる円筒管を作製した後、延伸により線引きして、光伝送体の形態にする場合は、分子量を調整することによって延伸時における機械的特性を所望の範囲とすることができ、生産性の向上にも寄与する。前記連鎖移動剤については、併用する重合性モノマーの種類に応じて、適宜、種類および添加量を選択することができる。各モノマーに対する連鎖移動剤の連鎖移動定数は、例えば、ポリマーハンドブック第３版（Ｊ．ＢＲＡＮＤＲＵＰおよびＥ．Ｈ．ＩＭＭＥＲＧＵＴ編、ＪＯＨＮ  ＷＩＬＥＹ＆ＳＯＮ発行）を参照することができる。また、該連鎖移動定数は大津隆行、木下雅悦共著「高分子合成の実験法」化学同人、昭和４７年刊を参考にして、実験によっても求めることができる。
【００１６】
連鎖移動剤としては、アルキルメルカプタン類（ｎ−ブチルメルカプタン、ｎ−ペンチルメルカプタン、ｎ−オクチルメルカプタン、ｎ−ラウリルメルカプタン、ｔ−ドデシルメルカプタン等）、チオフェノール類（チオフェノール、ｍ−ブロモチオフェノール、ｐ−ブロモチオフェノール、ｍ−トルエンチオール、ｐ−トルエンチオール等）などを用いるのが好ましく、中でも、ｎ−オクチルメルカプタン、ｎ−ラウリルメルカプタン、ｔ−ドデシルメルカプタンのアルキルメルカプタンを用いるのが好ましい。また、Ｃ−Ｈ結合の水素原子が重水素原子やフッ素原子で置換された連鎖移動剤を用いることもできる。なお、前記連鎖移動剤は、２種類以上を併用してもよい。
【００１７】
本発明のＭＳＩ−ＰＯＦのコア部は、互いに屈折率の異なる複数の層を同心円状に、且つ屈折率が中心から外側に向かって小さくなるように配置した構造を有する。この構造により、ファイバ内に内側の層から外側の層に向かって階段状に屈折率勾配が形成される。コア部は３以上の層からなるのが好ましい。屈折率の段階的な変化が３段階以上、即ち、屈折率の異なる層を３以上積層することにより、より優れた効果が得られる。コア部を構成する層の数が多くなる程、屈折率の勾配は滑らかになり、ＧＩ型ファイバに近い効果が得られるが、一方で、層の数を増やすと製造コストが増加し、ＧＩ型ファイバと同程度になってしまう。性能とコストの双方をバランスよく備えたＭＳＩ−ＰＯＦとするには、コア部は、３〜２０層程度からなるのが好ましく、５〜１０層程度からなるのがより好ましい。
【００１８】
本発明のＭＳＩ−ＰＯＦのコア部は、コア部の中心から外側に向かって段階的に屈折率が小さくなるように、複数の層が同心円状に配置されている。コア部の屈折率は、いわゆるＧ乗分布に沿って変化するように作製されているのが好ましい。このＧ乗分布は、Ｎｃをコア中心の屈折率、δＮをコア中心とコア最外周部との屈折率差、Ｒｃｏｒｅをコア半径とした場合に、コア中心から半径Ｒの位置の屈折率が次式：
Ｎ＝［Ｎｃ×  １−２δＮ（Ｒ／Ｒｃｏｒｅ）G］1/2
で近似される値となる分布である。なお、一般的に、広帯域を実現したＭＳＩ−ＰＯＦを作製するには、Ｇの値を２程度として、コア中心からＲに位置する各層の屈折率が、上記式によって導き出される屈折率Ｎを示す様に、各層の屈折率を調整するのが好ましい。
【００１９】
本発明のＭＳＩ−ＰＯＦは、前記コア部の屈折率がＧ乗分布に近似し、且つ、前記コア部中の隣接する層間の屈折率差がいずれも実質的に同一であるのが好ましい。例えば、コア部がｎ（但しｎは３以上の自然数である）層からなる場合、内側からｘ（但し、２≦ｘ≦ｎを満足する自然数）番目の層ｎxとその隣接する（ｘ−１）番目の層ｎx-1との屈折率差、及びｘ番目の層ｎxとその隣接する（ｘ＋１）番目の層ｎx+1との屈折率差は、等しいのが好ましい。なお、「実質的に等しい」とは、その値±０．０００５の範囲を意味するものとする。
【００２０】
従来、構成する層の厚みΔＲを同一として、屈折率が中心から外側にＧ乗分布的に減少する様に、コア部を設計するのが一般的であった。しかし、本発明のＭＳＩ−ＰＯＦでは、構成する層の厚み（ΔＲ）が同一であることについては、必須ではない。上記した様に、コア部中の隣接する層間の屈折率差がいずれも実質的に同一である態様が好ましい。
図１に、コア部中の隣接する層間の屈折率差が実質的に同一である態様の屈折率分布の概略図、及びその下に、その断面形状の概略図を示す。また、図２に、コア部中の構成する層の厚みが実質的に同一である態様の屈折率分布の概略図、及びその下に、そのファイバの断面形状の概略図を示す。どちらも屈折率がＧ乗分布しているが、図２に示すＭＳＩ−ＰＯＦでは、構成する層の厚みΔＲが同一であり、一方、図１に示すＭＳＩ−ＰＯＦは、コア間の屈折率差ΔＮが同一である。図１の態様が好ましく、該態様のＭＳＩ−ＰＯＦであれば、１ＧＨｚ・１００ｍを越える、数ＧＨｚ・１００ｍ程度の帯域を得ることが可能となる。
【００２１】
次に、図３〜図５に、本発明のＭＳＩ−ＰＯＦの帯域を計算機シミュレーションで求めた結果を示す。図３は３層、図４は５層及び図５は１０層からなるコア部を有するＭＳＩ−ＰＯＦの帯域（縦軸）を、上記式１のＧの値（横軸）を変化させて計算機シミュレーションによりそれぞれ求めた結果である。いずれのシミュレーションにおいても、入射系のＮＡ（開口数）は０．３とし、入射光の強度分布はガウス分布であるとし、且つファイバ全長は１００ｍとした。各グラフ中の実線は、隣接する層間の屈折率差ΔＮがそれぞれ、０．００７５、０．００５、０．００２５、０．００１２５で同一であり、且つ屈折率がＧ乗分布に近似するように配置していると想定したＭＳＩ−ＰＯＦのモデルについて、その帯域を、Ｇの値を変化させてそれぞれ求めた。なお、隣接するコア間の屈折率差ΔＮは、上記コア中心とコア最外周部との屈折率差δＮを、ステップ数によって除した値である。一方、破線は、コア部を形成する層の厚みが同一であり、且つ屈折率がＧ乗分布に近似するように配置していると想定したＭＳＩ−ＰＯＦのモデルについて、その帯域を、Ｇの値を変化させてそれぞれ求めた結果である。
【００２２】
図３〜５に示される通り、帯域の最大値は、ステップ数（層数）３、５及び１０の構成において、各々約３ＧＨｚ・１００ｍ、約５ＧＨｚ・１００ｍ、約７ＧＨｚ・１００ｍとなった。また、Ｇの値が変化しても、帯域はさほど変化しないことがわかる。さらに、破線で示される厚みΔＲを一定としたＭＳＩ−ＰＯＦの帯域が、最大でも１ＧＨｚ・１００ｍ程度であるのに対して、実線で示される屈折率差ΔＮを一定としたＭＳＩ−ＰＯＦの帯域は、数ＧＨｚ・１００ｍ程度となり得、ＧＩ−ＰＯＦの帯域に準ずるまで広帯域化が可能であることがわかる。
【００２３】
上記構造のコア部を作製するためには、コア部を構成する各層の屈折率を所望の値に調整する方法が必要であり、例えば、以下の２種類の方法がある。
まず、第一の方法は、非結晶性ポリマーとして、複数種類のモノマーの共重合体を用い、その共重合比を調整することによって、各層の屈折率を所望の値にする方法である。具体的には、各層の非結晶性ポリマーとして、複数種類のモノマーの共重合体であって共重合比が互いに異なるコポリマーをそれぞれ用いる。前記コポリマーは共重合比の違いに起因して、屈折率が異なっているので、各コポリマーを含有する組成物から形成された層の屈折率にも差が生じる。
第二の方法は、層の形成材料として、非結晶性ポリマーとともに、該ポリマーとの屈折率差が０．００１以上ある屈折率調整剤（ドーパントと称することがある）を含有する組成物を用い、該ドーパントの濃度を調整することによって、各層の屈折率を所望の値にする方法である。具体的には、各層の原料である組成物として、非結晶性ポリマーとドーパントとを含有する組成物であって、ドーパントの濃度が互いに異なる組成物を用いる。前記組成物は、ドーパントの濃度の違いに起因して、屈折率が異なっているので、各組成物から形成された層の屈折率にも差が生じる。この方法を利用する場合に用いる非結晶性ポリマーは、ホモポリマーであっても、コポリマーであってもよい。前記屈折率調整剤も実質的にＣ−Ｈ結合を有しないことが好ましい。
【００２４】
前記第一の方法で利用する非結晶性コポリマーの例には、重水素化された、メタクリル酸メチルとメタクリル酸ベンジル、メタクリル酸メチルとメタクリル酸トリフルオロエチルなどのコポリマーが含まれる。前者のコポリマーでは、重水素化されたメタクリル酸ベンジルの、後者のコポリマーでは、メタクリル酸メチルの相対比率を上げることで、コポリマーの屈折率を上げることができる。相対比率を調整した、共重合比の異なる複数種類のコポリマーを用いることにより、所望の屈折率分布構造のコア部を作製することができる。
【００２５】
前記第二の方法で利用するドーパントは、低分子物質でも、オリゴマーでもどちらでもよい。該ドーパントは、上記ポリマーとの比較において、溶解性パラメータの差が７（ｃａｌ／ｃｍ3）1/2以内であることが好ましい。ここで溶解性パラメータとは、物質間の混合性の尺度となる特性値であり、溶解性パラメータをδ、物質の分子凝集エネルギーをＥ、分子容をＶとして、式δ＝（Ｅ／Ｖ）1/2で表される。
【００２６】
前記非結晶性ポリマーが、（Ａ）重水素化ポリマー類から選ばれる場合、ドーパントとしては、例えば、安息香酸ベンジル（ＢＥＮ）、硫化ジフェニル（ＤＰＳ）、リン酸トリフェニル（ＴＰＰ）、フタル酸ベンジルｎブチル（ＢＢＰ）、フタル酸ジフェニル（ＤＰＰ）、ビフェニル（ＤＰ）、ジフェニルメタン（ＤＰＭ）、リン酸トリクレジル（ＴＣＰ）、ジフェニルスルホキシド（ＤＰＳＯ）、硫化ジフェニル誘導体、ジチアン誘導体などが挙げられる。硫化ジフェニル誘導体、ジチアン誘導体については、下記に具体的に示す化合物の中から適宜選ばれる。中でも、ＢＥＮ、ＤＰＳ、ＴＰＰ、ＤＰＳＯおよび硫化ジフェニル誘導体が好ましい。なお、これらの化合物中に存在する水素原子を重水素原子に置換した化合物が好ましい。
【００２７】
【化１】
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【００２８】
一方、前記非結晶性ポリマーが、（Ｂ）フッ素化ポリマー類から選ばれる場合は、ドーパントとしては、例えば、１，３−ジブロモテトラフルオロベンゼン、１，４−ジブロモテトラフルオロベンゼン、２−ブロモテトラフルオロベンゾトリフルオライド、クロロペンタフルオロベンゼン、ブロモペンタフルオロベンゼン、ヨードペンタフルオロベンゼン、デカフルオロベンゾフェノン、パーフルオロアセトフェノン、パーフルオロビフェニル、クロロヘプタフルオロナフタレン、ブロモヘプタフルオロナフタレンなどの低分子化合物やクロロトリフルオロエチレンオリゴマーが挙げられる。クロロトリフルオロエチレンオリゴマーの好ましい分子量は、数平均分子量で５００〜１５００である。
【００２９】
上記ドーパントは、溶融状態にある前記非結晶性ポリマーに添加してもよいし、前記非結晶性ポリマーの溶液に添加してもよい。また、前記ドーパントの存在下で、重合性モノマーを重合させることによって、非結晶性ポリマー中に、混合させてもよい。調製の容易さの点において、前記ドーパントの存在下、重合性モノマーを重合して、ドーパントが混合された非結晶性ポリマーを得るのが好ましい。
ドーパントの相対比率を上げることで、屈折率を上げることができる。ドーパントの相対比率を調整した、含有濃度の異なる複数種類の組成物を用いることにより、所望の屈折率分布構造のコア部を作製することができる。
【００３０】
非結晶性ポリマーとドーパントとの好ましい組み合わせの具体例としては、
重水素化されたメタクリル酸メチルのホモポリマーと重水素化ブロモベンゼン（ＢＢ−ｄ５と称することがある）との組み合わせ；及び
ポリ（パーフルオロブテニルビニルエーテル）と１，３−ジブロモテトラフルオロベンゼンとの組み合わせ；
を挙げることができる。勿論、上記の組み合わせに限定されるわけではない。
【００３１】
本発明のプラスチック光ファイバでは、この屈折率の差の目安は、ファイバの中心部と最外層において、ナトリウムＤ線に対する屈折率ｎdが温度２０℃において０．００３以上、好ましくは０．００５以上、更に好ましくは０．０１以上である。また、隣接する層間の屈折率差については、形成する層の数などに応じて異なるが、５〜１０層程度形成する場合は、隣接する層間で屈折率が０．００１〜０．０３程度異なっているのが好ましい。
【００３２】
さらに本発明のＭＳＩ−ＰＯＦは、前記複数の層からなるコア部の外側に、クラッド部（クラッド層という場合もある）を有する。クラッド層は、ＰＯＦの機械的強度の向上に寄与する。前記クラッド層の屈折率は、コア部の最外層の屈折率に対して低いのが好ましく、具体的には、コア部の最外層の屈折率より少なくとも３％以上低いことが好ましい。クラッド層とコア部最外層との屈折率差が前記範囲であると、開口数をアップさせることができる。
【００３３】
前記クラッド層の形成には、屈折率が１．３〜１．４４程度の樹脂を使用することができる。コア部の最外層の樹脂の屈折率に注意して選択する。勿論、該樹脂との密着性も選択の重要なポイントである。クラッド層用樹脂としては、例えばフッ化ビニリデンとテトラフロロエチレン共重合体、フッ化ビニリデンとヘキサフロロプロペン共重合体、フルオロアルキルメタクリレート共重合体などが挙げられるがこれに限定されるものではない。前記クラッド層の形成には、市販品を用いてもよく、例えば、市販のペレット状の樹脂を溶融して、用いてもよい。また、クラッド層の厚さとしては、５〜５０μｍであることが好ましい。
【００３４】
次に、本発明のマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバ（ＭＳＩ−ＰＯＦ）の製造法について説明する。その製造法は、大きく分類すると２種類ある。（１）屈折率の異なる重合体からなる層を順次同心円状に積層してプリフォームを作製する方法、及び（２）予め製造した屈折率の異なる複数種の重合体もしくは重合体組成物を同時に成形してプリフォームを作製する方法がある。これらのプリフォームを、延伸することによってＭＳＩ−ＰＯＦを作製することができる。
【００３５】
まず、（１）の方法について説明する。
（１）の方法、即ち、各層を順次作製する方法としては、さらに２種類あり、外側から内側へと順次層を作製する方法と、その反対の方向に順次作製する方法がある。簡便さから前者のほうが好ましい。前者について説明する。屈折率ｎ1の第一の樹脂からなる外枠をまず作製し、その内側にｎ1より高い屈折率ｎ2の第二の樹脂の溶融物もしくは溶液、または第二の樹脂を形成可能な重合性組成物（低粘性のポリマーゾルでもよい）を供給し、回転しながら加熱し、溶融拡散もしくは脱溶媒、または重合して、第二の層を設ける。この操作を繰り返して作製する方法である。操作には、若干手間がかかるが、ＧＩに近い光学性能が得られる可能性がある。後者は、ディップコート法、ＣＶＤ法、溶液塗布乾燥法などを利用するものである。
なおクラッド層は、前者の方法では、例えば、円筒管のクラッド層を予め作製して、順次その内側にコア部の各層を形成してもよいし、コア部を順次外側から内側に向かって形成してから、最後にクラッド層のみを、ディップコート法、ＣＶＤ法、溶液塗布乾燥法等で形成してもよい。後者の方法では、クラッド部を最後にディップコート法、ＣＶＤ法、溶液塗布乾燥法等によって形成することができる。
【００３６】
次に、（２）の方法、即ち、一度にＭＳＩ−ＰＯＦを作製する方法について説明する。
（２）の方法には、主に２種類ある。一つは、複数の異なる屈折率を有する樹脂の溶融体を、例えば、多層複合紡糸ダイに供給し、溶融押し出し、プリフォームを得、そのまま連続して延伸してファイバを得る方法である。他方は、予め複数の異なる屈折率で、所望の屈折率分布になるように設計された樹脂のパイプを重ね合わせ（ただし、中心部は一番屈折率の高いポリマーロッド）、それらの重ね合わせたパイプを加熱溶融して、延伸してファイバを得る方法である。これらの中で、性能と、経済的な観点からは、連続重合をして、そのまま複数種類の屈折率の異なる樹脂を得、そのまま溶融状態で、例えば多層複合紡糸ダイに供給し、溶融押し出しし、さらに延伸して本発明のＭＳＩ−ＰＯＦを得るのが好ましい。製造には、例えば、特開平１０−１３３０３６号公報の図２に記載されている多層複合紡糸ダイを用いることができる。
なお、クラッド部の作製方法としては、前記した多層複合紡糸ダイに、さらに１層を追加して、内側の多層構造と同時に一体的に製造してもよいし、また、内側の多層構造のみを前記の多層複合紡糸ダイにて製造した後、クロスヘッドダイやコーティング法などによりクラッド層樹脂を被覆して、作製してもよい。
【００３７】
本発明では各々の層は、その屈折率がファイバの内側の層から外側の層に向かって屈折率が二次分布的に低下しているのが好ましい。本明細書において「二次分布的」とは、厳密な意味での二次分布のみを意味するのではなく、二次分布に近似する種々の分布を含む広い意味で用いるものとし、段階的な変化に基づく分布も勿論含まれる。屈折率の大きさを縦軸とし、断面中心から半径方向の距離を横軸とした場合に、中心から遠ざかるに従って、実質的に左右対称に屈折率が低下している分布は、本明細書において「二次元的分布」に含まれるものとする。
【００３８】
図６にＭＳＩ−ＰＯＦの屈折率と中心からの距離との関係を模式的に示した。縦軸が屈折率、横軸が中心からの距離である。一般的には、ＭＳＩ−ＰＯＦは、図６（Ａ）に示す様に、各層の屈折率は均一である。しかし、本発明のＭＳＩ−ＰＯＦはこの態様に限定されるものではなく、図６（Ｂ）及び（Ｃ）に示す様に、各層中の屈折率も均一でなく、傾斜していてもよい。例えば、前述の製造方法において、屈折率調整剤の濃度が、非結晶性ポリマー中に均一に含有されるのではなく、その濃度が傾斜する様に重合したり；プリフォーム形成後に、加熱などの操作によって屈折率調整剤を拡散させて、その濃度を傾斜させる等により、図６（Ｂ）又は（Ｃ）に示す様な、各層における屈折率の分布構造を形成することができる。
【００３９】
前記コア部と前記クラッド部とを有する本発明のプラスチック光ファイバは、そのままの形態で種々の用途に供することができる。また、保護や補強を目的として、さらに、その外側に被覆層を有する形態、繊維層を有する形態、および／または複数のファイバを束ねた形態で、種々の用途に供することができる。被覆工程は、例えばファイバ素線に被覆を設ける場合では、ファイバ素線の通る穴を有する対向したダイスにファイバ素線を通し、対向したダイス間に溶融した被覆用の樹脂を満たし、ファイバ素線をダイス間を移動させることで被覆されたファイバを得ることができる。被覆層は可撓時に内部のファイバへの応力から保護するため、ファイバ素線と融着していないことが望ましい。さらにこの時、溶融した樹脂と接することでファイバ素線に熱的ダメージを加わるので、極力ダメージを押さえるような移動速度や低温で延伸できる樹脂を選ぶことも望ましい。この時、被覆層の厚みは被覆材の物性値や素線の引き抜き速度、被覆層の冷却温度による。
【００４０】
素線を被覆することにより、プラスチック光ファイバケーブル製造が可能となる。その際にその被覆の形態として、被覆材とプラスチック光ファイバ素線の界面が全周にわたって接して被覆されている密着型の被覆と、被覆材とプラスチック光ファイバ素線の界面に空隙を有するルース型被覆がある。ルース型被覆では、たとえばコネクターとの接続部などにおいて被覆層を剥離した場合、その端面の空隙から水分が浸入して長手方向に拡散されるおそれがあるため、通常は密着型が好ましい。しかし、ルース型の被覆の場合、被覆と素線が密着していないので、ケーブルにかかる応力や熱とはじめとするダメージの多くを被覆材層で緩和させることができ、素線にかかるダメージを軽減させることができるため、使用目的によっては好ましく用いることができる。水分の伝播については、空隙部に流動性を有するゲル状の半固体や粉粒体を充填することで、端面からの水分伝播を防止でき、かつ、これらの半固体や粉粒体に耐熱や機械的機能の向上などの水分伝播防止と異なる機能をあわせ持つようにすることでより高い性能の被覆を形成できる。ルース型の被覆を製造するには、クロスヘッドダイの押出し口ニップルの位置を調整し減圧装置を加減することで空隙層を作ることができる。空隙層の厚みは前述のニップル厚みと空隙層を加圧／減圧することで調整が可能である。
【００４１】
さらに、必要に応じて被覆層（１次被覆層）の外周にさらに被覆層（２次被覆層）を設けても良い。２次被覆層に難燃剤や紫外線吸収剤、酸化防止剤、ラジカル捕獲剤、昇光剤、滑剤などを導入してもよく、耐透湿性能を満足する限りにおいては、１次被覆層にも導入は可能である。
なお、難燃剤については臭素を始めとするハロゲン含有の樹脂や添加剤や燐含有のものがあるが、毒性ガス低減などの安全性の観点で難燃剤として金属水酸化物を加える主流となりつつある。金属水酸化物はその内部に結晶水として水分を有しており、またその製法過程での付着水が完全に除去できないため、金属水酸化物による難燃性被覆は本発明の対透湿性被覆（１次被覆層）の外層被覆（２次被覆層）として設けることが望ましい。
また、複数の機能を付与させるために、様々な機能を有する被覆を積層させてもよい。例えば、本発明のような難燃化以外に、素線の吸湿を抑制するためのバリア層や水分を除去するための吸湿材料、例えば吸湿テープや吸湿ジェルを被覆層内や被覆層間に有することができ、また可撓時の応力緩和のための柔軟性素材層や発泡層等の緩衝材、剛性を挙げるための強化層など、用途に応じて選択して設けることができる。樹脂以外にも構造材として、高い弾性率を有する繊維（いわゆる抗張力繊維）および／または剛性の高い金属線等の線材を熱可塑性樹脂に含有すると、得られるケーブルの力学的強度を補強することができることから好ましい。
抗張力繊維としては、例えば、アラミド繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維が挙げられる。また、金属線としてはステンレス線、亜鉛合金線、銅線などが挙げられる。いずれのものも前述したものに限定されるものではない。その他に保護のための金属管の外装、架空用の支持線や、配線時の作業性を向上させるための機構を組み込むことができる。
【００４２】
また、ケーブルの形状は使用形態によって、素線を同心円上にまとめた集合ケーブルや、一列に並べたテープ心線と言われる態様、さらにそれらを押え巻やラップシースなどでまとめた集合ケーブルなど用途に応じて選ぶことができる。
【００４３】
本発明の光学部材としての光ファイバ、および光ファイバケーブルを用いて光信号を伝送するシステムには、種々の発光素子、受光素子、他の光ファイバ、光バス、光スターカプラ、光信号処理装置、接続用光コネクター等で構成される。それらに関する技術としてはいかなる公知の技術も適用でき、例えば、プラスティックオプティカルファイバの基礎と実際（エヌ・ティー・エス社発行）等の他、特開平１０−１２３３５０号、特開２００２−９０５７１号、特開２００１−２９００５５号等の公報に記載の光バス、特開２００１−７４９７１号、特開２０００−３２９９６２号、特開２００１−７４９６６号、特開２００１−７４９６８号、特開２００１−３１８２６３号、特開２００１−３１１８４０号等の公報に記載の光分岐結合装置、特開２０００−２４１６５５号等の公報に記載の光スターカプラ、特開２００２−６２４５７号、特開２００２−１０１０４４号、特開２００１−３０５３９５号等の公報に記載の光信号伝達装置や光データバスシステム、特開２００２−２３０１１号等の公報に記載の光信号処理装置、特開２００１−８６５３７号等の公報に記載の光信号クロスコネクトシステム、特開２００２−２６８１５号等の公報に記載の光伝送システム、特開２００１−３３９５５４号、特開２００１−３３９５５５号等の公報に記載のマルチファンクションシステムなどを参考にすることができる。
【実施例】
【００４４】
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、試薬、割合、操作等は、本発明の精神から逸脱しない限り適宜変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例に制限されるものではない。
【００４５】
［実施例１］
図７と同一の構造の多層複合紡糸ダイを用いて、７層構造のマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバを製造した。図７中、１〜７は樹脂受け入れ口であり、８はガイドパイプである。精製原料モノマーとして、重水素置換したメチルメタクリレート（ＭＭＡ−ｄ８）、重水素に置換したフェニルメタクリレート（ＰｈｅＭＡ−ｄ１０）を用い、ジｔ−ブチルパーオキシド（ＰＢＤ）、ｎ−ラウリルメルカプタン（ｎ−ＬＭ）を用いて重合体を得た。両モノマーの重水素置換率は９９．６％と９９．４％であった。
【００４６】
重合装置は７系列からなる１段の完全混合重合反応器と引き続き脱揮押出機とギヤポンプからなる。それぞれの重合体供給系列から上記２種のモノマーの共重合比率を調節した重合体を得て、多層複合紡糸ダイの供給口に供給した。各重合体の組成と屈折率は表１に示す通りである。重合体のメルトフローインデックスは２３０℃で１〜６ｇ／１０分の範囲であった。工程中の重合体の温度を２００〜２２０℃に保ち、多層複合紡糸ダイの出口から排出されたストランドを引き伸ばし、延伸処理を行い、直径０．５０ｍｍのプラスチック光ファイバのコア部を得た。さらにそのコア部の外側に、クロスヘッドダイを介してクラッド樹脂を被覆した。該クラッド樹脂として、屈折率が１．４２３のＰＶＤＦ樹脂を用いた。
なお、各層の屈折率は、透過型干渉顕微鏡（溝尻光学製）で測定した。
【００４７】
上記クラッド樹脂の被覆層の厚みは２０μｍで、最終的な光ファイバの直径は０．５４ｍｍであった。得られたＭＳＩ−ＰＯＦは、下記表１に示した様に、コア部の各層が、Ｃ−Ｈ結合を実質的に有しない非結晶性のＭＭＡ−ｄ８／ＰｈｅＭＡ−ｄ１０共重合体からなり、各層はその共重合組成の違いにより、屈折率が異なり、隣接する層間の屈折率差ΔＮはいずれも０．００２で同一であった。即ち、得られたＭＳＩ−ＰＯＦは、図１に示す屈折率分布を有していた。
次に、作製した光ファイバに黒色ポリエチレンで被覆（厚み０．８ｍｍ）を行い、ケーブルを得、伝送損失を測定したところ、６５０ｎｍで９０ｄＢ／ｋｍ、８５０ｎｍで１７０ｄＢ／ｋｍであった。
次に、該被覆ファイバについての曲げ損失試験を行った。特開平７−２４４２２０号公報に記載の実験方法によって曲げ試験を実施した。実験条件は、マンドレルの直径６０ｍｍで、該ファイバを該マンドレルに９０度に１回巻きつけてロス分を測定した。該ロスの増大の最大値は０．１ｄＢであった。また、伝送帯域は２．１ＧＨｚ・１００ｍが認められた。
【００４８】
【表１】
2005321686.tif 000003
【００４９】
［実施例２］
コア部の各層の共重合体の共重合組成比を、表２に示す共重合組成比に代えた以外は、実施例１と同様にして、ＭＳＩ−ＰＯＦを作製した。
得られたＰＯＦのクラッド層の厚みは２０μｍで、最終的な光ファイバの直径は０．５４ｍｍであった。得られたＭＳＩ−ＰＯＦは、下記表２に示した様に、コア部の各層が、Ｃ−Ｈ結合を実質的に有しない非結晶性のＭＭＡ−ｄ８／ＰｈｅＭＡ−ｄ１０共重合体からなり、各層はその共重合組成の違いにより、屈折率が異なり、隣接する層間の屈折率差は同一ではなかった。但し、構成する層の厚みΔＲは、いずれも同一であった。即ち、得られたＭＳＩ−ＰＯＦは、図２に示す屈折率分布を有していた。
この光ファイバに黒色ポリエチレンで被覆（厚み０．８ｍｍ）を行い、ケーブルを得、伝送損失を測定したところ、６５０ｎｍで９２ｄＢ／ｋｍ、８５０ｎｍで３８００ｄＢ／ｋｍであった。次に、実施例１と同一の方法で、被覆ファイバについての曲げ損失試験を行った結果、該ロスの増大の最大値は０．１ｄＢであった。また、伝送帯域は０．５ＧＨｚ・１００ｍであった。
【００５０】
【表２】
2005321686.tif 000004
【００５１】
［実施例３］
コア部の各層の原料として、全重水素化ポリメタクリル酸メチル（重水素化置換率９９．６％）ＰＭＭＡ−ｄ８と、表３に示す含有量で下記に示す屈折率調整剤とを含有する組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして、多層複合紡糸ダイを用いて７層構造のＭＳＩ−ＰＯＦを作製した。
【００５２】
得られたＰＯＦのクラッド層の厚みは２０μｍで、最終的な光ファイバの直径は０．５４ｍｍであった。得られたＭＳＩ−ＰＯＦは、下記表３に示した様に、コア部の各層が、Ｃ−Ｈ結合を実質的に有しない非結晶性のＰＭＭＡ−ｄ８を含有する組成物からなり、各層は組成物中に含有される屈折率調整剤の含有量の違いにより、屈折率が異なり、隣接する層間の屈折率差ΔＮはいずれも０．００２で同一であった。即ち、得られたＭＳＩ−ＰＯＦは、図１に示す屈折率分布を有していた。
この光ファイバに黒色ポリエチレンで被覆（厚み０．８ｍｍ）を行い、ケーブルを得、伝送損失を測定したところ、６５０ｎｍで７８ｄＢ／ｋｍ、８５０ｎｍで９０ｄＢ／ｋｍであった。次に、実施例１とおなじように該被覆ファイバについての曲げ損失試験を行った結果、該ロスの増大の最大値は０．１ｄＢであった。また、伝送帯域は２．２ＧＨｚ・１００ｍが認められた。
【００５３】
【化２】
2005321686.tif 000005
【００５４】
【表３】
2005321686.tif 000006
【００５５】
さらに、コアポリマーとして、ポリ（パーフルオロブテニルビニルエーテル）（屈折率１．３４）を、ドーパントとして１，３−ジブロモテトラフルオロベンゼン（屈折率１．５２）を、クラッドポリマーとして、テフロン  ＡＦ１６００（登録商標、屈折率１．３）を用いて実施例２と同様な試験をした結果、同様に良好な伝送性能結果が得られた。
また、クラッド層用の樹脂として、ポリｔ−ブチルメタクリレート（屈折率１．４６）を用いた以外は、実施例１と同様にして被覆ファイバを作製した。このファイバのコア部の最外層はＰＭＭＡからなり、屈折率は１．４９２であるので、コア部最外層とクラッド層との屈折率差は３％未満であった。実施例１と同様に、曲げ損失試験を行ったところ、ロス増大の最大値は１．０ｄＢであり、実施例１よりも機械的特性が劣っていることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明のマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバの一例のコア部の、基本的な屈折率分布特性と、その光ファイバの断面形状を示す概略図である。
【図２】マルチステップインデックス型プラスチック光ファイバの一例のコア部の、基本的な屈折率分布特性と、その光ファイバの断面形状を示す概略図である。
【図３】本発明のマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバの帯域を、コア屈折率のステップ数が３の場合について計算機シミュレーションで求めた結果を示すグラフである。
【図４】本発明によるマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバの帯域を、コア屈折率のステップ数が５の場合について計算機シミュレーションで求めた結果を示すグラフである。
【図５】本発明によるマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバの帯域を、コア屈折率のステップ数が１０の場合について計算機シミュレーションで求めた結果を示すグラフである。
【図６】本発明のマルチステップインデックス型プラスチック光ファイバのいくつかの態様について、コア部の屈折率と中心からの距離との関係を部分的に概略的に示した図である。
【図７】実施例において、コア部の作製に用いた多層複合紡糸ダイの断面模式図である。
【符号の説明】
【００５７】
１〜７  樹脂受け入れ口
８      ガイドパイプ
【図１】
2005321686.tif 000007
【図２】
2005321686.tif 000008
【図３】
2005321686.tif 000009
【図４】
2005321686.tif 000010
【図５】
2005321686.tif 000011
【図６】
2005321686.tif 000012
【図７】
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