(57)【要約】【課題】  プラスチック光ファイバの通常使用温度での寿命を短時間に予測する方法を提供する。【解決手段】  本発明のプラスチック光ファイバの寿命予測方法は、同種のプラスチック光ファイバに対して３種以上の試験温度にて促進試験を実施し、各試験温度毎に用いられた各プラスチック光ファイバに対して伝送損失スペクトルデータを所定試験時間毎に取得し、得られた伝送損失スペクトルデータに基づいて解析することで、実使用環境下におけるプラスチック光ファイバの耐用年数を予測することを特徴とする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
同種のプラスチック光ファイバに対して３種以上の試験温度にて促進試験を実施し、各試験温度毎に用いられた各プラスチック光ファイバに対して伝送損失スペクトルデータを所定試験時間毎に取得し、得られた伝送損失スペクトルデータに基づいて解析することで、実使用環境下におけるプラスチック光ファイバの耐用年数を予測することを特徴とするプラスチック光ファイバの寿命予測方法。
【請求項２】
以下の（Ａ）から（Ｅ）に示す過程を有することを特徴とする請求項１に記載のプラスチック光ファイバの寿命予測方法。
（Ａ）３種以上の試験温度にて促進試験を実施し、各試験温度における伝送損失スペクトルデータを所定試験時間毎に取得する。
（Ｂ）プラスチック光ファイバを使用する際に用いられる光源の波長より短い波長の光を１つ選び、その波長における試験時間と増加損失との関係を、各試験温度毎に、（Ａ）の促進試験で取得した伝送損失スペクトルデータから求める。
（Ｃ）限界増加損失を定め、（Ｂ）で求めた関係により、プラスチック光ファイバの増加損失が限界増加損失に達する時間（ｔｉ）を、各試験温度（Ｔｉ）毎に求める（ｉは１以上の整数）。
（Ｄ）各試験温度（Ｔｉ）における、プラスチック光ファイバの増加損失が限界増加損失に達する時間（ｔｉ）をアレニウスプロットする。
（Ｅ）（Ｄ）でアレニウスプロットした各点同士を直線近似し、近似した直線に基づいて使用温度でのプラスチック光ファイバの増加損失が限界増加損失に達する時間を求め、その時間を寿命とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチック光ファイバの寿命を予測する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラスチック光ファイバは、機器間・車内・宅内での光信号伝送による通信用媒体として、或いはライティングやポイントセンサー用途等に使われている。ところで、通信用途での使用に際しては、使用環境下において所望の性能を満足し得る期間を把握する為に、光ファイバの寿命予測データが求められている。この要求に応じたものとしては、ある特定の波長を選び、その波長においていくつかの温度における耐久性を評価し、光伝送特性が変化しない時間を示すという方法でプラスチック光ファイバの寿命を示すことがあった（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】オー・ジーマン（O.Ziemann）ら、“リザルツ  オブ  ア  ジャーマン  ６０００アワーズ  アクセレレイティッド  エージング  テスト  オブ  ＰＭＭＡ  ＰＯＦ  アンド  コンスクエンシス  フォ  ザ  プラクティカル  ユース  オブ  ＰＯＦ（Results of a german 6000hours accelerated aging test of PMMA POF and consequences for the practical use of POF）”，プロシーディング  オブ  ザ  ナインス  インターナショナル  カンファレンス  オン  プラスチック  オプティカル  ファイバズ（Proceedings of the 9th international conference on Plastic Optical Fibres）, ２０００年，ｐｐ１７３−１７７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
非特許文献１に記載された試験方法では、試験時間を短縮するため、試験温度を高くして劣化を促進させている。しかしながら、この高温での促進試験データにおいては、その試験温度領域での光ファイバの劣化速度の大小は分かるものの、室温付近の温度領域の劣化速度までは分からなかった。そのため、実用使用領域である７０℃より低い温度での光ファイバの寿命予測はされていなかった。つまり、通常、光ファイバは室温付近の温度領域で使用されることが多いにもかかわらず、従来の寿命予測方法では、その室温付近の温度領域での寿命が予測できないという問題を有していた。
本発明の目的は、劣化の進行速度が極めて遅く、劣化の程度が見え難い場合であっても、効率的に試験を行うことによってプラスチック光ファイバの通常使用温度における寿命を短時間に予測する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明のプラスチック光ファイバの寿命予測方法は、同種のプラスチック光ファイバに対して３種以上の試験温度にて促進試験を実施し、各試験温度毎に用いられた各プラスチック光ファイバに対して伝送損失スペクトルデータを所定試験時間毎に取得し、得られた伝送損失スペクトルデータに基づいて解析することで、実使用環境下におけるプラスチック光ファイバの耐用年数を予測することを特徴とする。
本発明のプラスチック光ファイバの寿命予測方法においては、以下の（Ａ）から（Ｅ）に示す過程を有してもよい。
（Ａ）３種以上の試験温度にて促進試験を実施し、各試験温度における伝送損失スペクトルデータを所定試験時間毎に取得する。
（Ｂ）プラスチック光ファイバを使用する際に用いられる光源の波長より短い波長の光を１つ選び、その波長における試験時間と増加損失との関係を、各試験温度毎に、（Ａ）の促進試験で取得した伝送損失スペクトルデータから求める。
（Ｃ）限界増加損失を定め、（Ｂ）で求めた関係により、プラスチック光ファイバの増加損失が限界増加損失に達する時間（ｔｉ）を、各試験温度（Ｔｉ）毎に求める（ｉは１以上の整数）。
（Ｄ）各試験温度（Ｔｉ）における、プラスチック光ファイバの増加損失が限界増加損失に達する時間（ｔｉ）をアレニウスプロットする。
（Ｅ）（Ｄ）でアレニウスプロットした各点同士を直線近似し、近似した直線に基づいて使用温度でのプラスチック光ファイバの増加損失が限界増加損失に達する時間を求め、その時間を寿命とする。
【０００５】
本明細書において、寿命とは、使用に耐え得る最長の時間のことであり、耐用年数と同義である。
プラスチック光ファイバとは、芯、鞘並びに保護層全てがプラスチック材料で構成されている光ファイバのことである。このプラスチック光ファイバにおいては、屈折率の絶対値あるいはそのプロファイルがどのようなものであっても構わない。また、同種のプラスチック光ファイバとは、構造や樹脂組成などが同じものである。
また、通信用途とは、光を変調することで送りたい情報を光に載せる光通信の全てを指す。
促進試験とは、試験対象物に、温度等のような外部負荷を通常の状態より多く与えることによって劣化を速めた試験のことである。本発明においては、試験対象物はプラスチック光ファイバであり、外部負荷は温度である。このような促進試験では、複数の試験対象物同士の寿命を比較できる。
増加損失とは、促進試験後の伝送損失と促進試験前の伝送損失との差、つまり増加した伝送損失のことである。
限界増加損失とは、通信用途で許容される最大の増加損失のことであり、この値は通信の仕様に応じて予め決められる。
アレニウスプロットとは、絶対温度の逆数を横軸、時間の対数を縦軸にとってプロットしたグラフあるいはそのグラフの作成のことである。本発明においては、絶対温度で表した促進試験温度の逆数（１／Ｔ）を横軸、プラスチック光ファイバの増加損失が限界増加損失に達する時間の対数（ｌｏｇｔ）を縦軸にとってプロットしたグラフあるいはそのグラフの作成のことである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、プラスチック光ファイバの使用温度での寿命を予測できる。しかも、短時間に予測できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明のプラスチック光ファイバの寿命予測方法の一実施形態例について説明する。
まず、３種以上の異なる温度に設定された恒温漕を各温度毎に用意し、これらの恒温槽中に、予め波長毎の伝送損失スペクトルデータを測定したプラスチック光ファイバを入れて促進試験を行う。そして、所定試験時間毎にプラスチック光ファイバを各恒温槽から取り出し、波長毎の伝送損失スペクトルデータを測定する。ここで、所定試験時間は、通常数週間であるが、数ヶ月あるいは数年であってもよく、例えば、１００時間、３００時間、１０００時間、３０００時間、１００００時間などである。また、促進試験が行われる温度は、芯材がポリメチルメタクリレートあるいはポリカーボネートのプラスチック光ファイバの場合、通常、６０℃から９０℃くらいの間の温度である。
【０００８】
図１は、上記促進試験で測定した１種の温度の伝送損失スペクトルデータについて、波長の逆数であるエネルギーを横軸、伝送損失を対数軸の縦軸にとってプロットした図である。通常は、図１の伝送損失スペクトルデータのパターンのように、波長４００ｎｍから６００ｎｍまでの間の伝送損失のみが急激に変化しているのが観測される。また、短波長側（高エネルギー側）には伝送損失の上昇が見られる。これは通常Ｕｒｂａｃｈ則と呼ばれる経験則に基づいたものであり、紫外部における電子遷移吸収の裾が可視部の伝送損失に影響を与えたことによるものである。なお、通信用途で採用される波長である６５０ｎｍの伝送損失に対しては、促進試験初期には紫外吸収の裾は殆ど影響を与えないが、長時間試験を行うと影響を与えるようになり、この促進試験でも長時間側で６５０ｎｍの伝送損失に対して紫外吸収の影響が見られる。また、試験温度が高い方が、紫外吸収の影響が早く現れる傾向にある。
【０００９】
次いで、プラスチック光ファイバを使用する際に用いられる光源の波長（ここでは、通信用途で採用される波長）より短い波長を１つ選び、上記結果に基づいて、その波長における各温度毎の、試験時間と増加損失との関係をグラフにする。そのグラフを図２に示す。ここで、プラスチック光ファイバを使用する際に用いられる光源の波長より短い波長を選ぶのは、短い波長では劣化によって伝送損失が増加しやすい傾向にあるためである。さらに、その選ばれる波長は、プラスチック光ファイバを使用する際に用いられる光源の波長より短波長の、例えば４００ｎｍから５００ｎｍの間の波長であって、その波長より長波長側に電子遷移吸収に基づく吸収のピークが観測されない波長である。なお、４００ｎｍ未満の波長は、通常、劣化はより早いが、紫外吸収の肩が出やすいため適切ではない上に、実際に通信に使う波長（６５０ｎｍ）より離れすぎており、６５０ｎｍでの寿命を推測するには推定誤差が大きくなりやすい。
そして、予め定めた限界増加損失をプラスチック光ファイバの使用限界とし、図２のグラフから、プラスチック光ファイバの増加損失が限界増加損失に達する時間（ｔｉ、以下、限界増加損失到達時間という）を各温度（Ｔｉ）の曲線から読み取る（ｉは１以上の整数）。すなわち、使用限界に達する時間を温度毎に求める。なお、限界増加損失の値は、通信に使用する際の事情により予め定められ、例えば、光量が初期の半分、すなわち、３ｄＢダウン、あるいは、１．５ｄＢダウンなどになる増加損失である。
【００１０】
次いで、図２から求めた各温度（Ｔｉ）における限界増加損失到達時間（ｔｉ）をアレニウスプロットする。つまり、各試験温度の絶対温度の逆数（１／Ｔｉ）を横軸、限界増加損失到達時間（ｔｉ）の対数を縦軸に取ってプロットしてグラフを作成する。そのグラフを図３に示す。
そして、各点同士を直線近似する。このとき、その近似の相関係数Ｒが０．９以上である場合には、この伝送損失劣化はただ一つの機構によるものと推定されるため、この寿命予測方法を好適に適用できる。この相関係数の値が０．９５以上であるような、特に高い数値であれば、より精度の高い寿命予測値が得られる。
特にこのように本法を適用可能なことを確認した後、図３中の直線を延長し、その延長した直線から、通信用途で使用する際の温度（Ｔｒ）における限界増加損失到達時間（ｔｒ）を読み取る。ここで、限界増加損失到達時間（ｔｒ）は、プラスチック光ファイバの寿命に相当する。以上のようにして、通信用途で使用する際の温度（Ｔｒ）における寿命を予測することができる。
なお、各点を直線近似した際に、その近似の相関係数Ｒが０．９未満となるような小さい値を示した場合（複数の傾きを有する直線で表される場合）には、伝送損失劣化は複数の機構で生じていると考えられるので、この寿命予測方法では不充分である。
【００１１】
上述した寿命予測方法において、試験温度を３種以上にするのは、３種以上にすることでアレニウスプロットにて直線性を評価できるからである。また、その直線性評価の精度が増すことから、試験温度は４種以上が好ましく、５種以上がさらに好ましい。
【００１２】
上述した実施形態例によれば、３種以上の試験温度で促進試験を行い、その３種以上の試験温度の結果から温度と限界増加損失到達時間との関係を導き、その関係に基づいて予測するので、試験温度領域以外の温度、具体的には使用温度環境下での寿命を予測できる。しかも、促進試験の結果に基づいているので、プラスチック光ファイバの寿命を短時間に予測できる。
【００１３】
さらに、プラスチック光ファイバの寿命が上記の方法によって予測できるのは以下の理由による。すなわち、プラスチック光ファイバの芯材は不純物ができるだけ混入しないように製造され、しかもかなり安定したポリマーが使われているので、これらのファイバの光学的特性は、通常、かなり安定している。しかし、長年の使用にあたっては、何らかの要因により伝送損失が少しずつ変化するものと考えられる。伝送損失の劣化要因としては、通常、芯材あるいは鞘材の酸化等による化学変化あるいは芯鞘界面不整の増加が考えられる。これらの変化において、何らかの反応が関係する場合であって、その反応のメカニズムが１つである場合は反応速度論的な扱いができるはずである。一般に、ポリマーの劣化は酸化反応に起因するものが多いと言われており、酸化反応に起因する場合、その反応はアレニウス型を示すと考えられる。劣化がアレニウス型を示すことは、複数温度における耐久性データを取得し、そのデータをもとにアレニウスプロットし、さらに、そのアレニウスプロットが直線近似することで確認できる。そして、劣化がアレニウス型であることが確認できた場合には、その直線を利用することにより寿命予測できるようになる。
【００１４】
なお、上記実施形態例の寿命予測方法では、十分に長い試験時間であったので、紫外吸収の影響が波長６５０ｎｍの伝送損失に対して長時間側で現れたが、試験時間が短すぎた場合には、紫外吸収の影響が波長６５０ｎｍの伝送損失に対して現れず、促進試験で求めた増加損失が予め定めた限界増加損失を超えないことがある。その場合、そのデータを用いて寿命予測しても、正確な劣化の状態が考慮されておらず適切ではないので、正確な寿命を求めることはできない。そのため、紫外吸収の影響が波長６５０ｎｍの伝送損失に対して見られなかった場合には、以下のようにする。
まず、上記実施形態例の寿命予測方法と同様にして試験時間と増加損失との関係のグラフを作成する（図４参照）。そして、全ての試験温度で取得できている増加損失値の中から仮の限界増加損失を選ぶ。
次いで、最も高い試験温度（ここでは、温度Ｔ１）のみ、予め定めた真の限界増加損失を超えるまで再び促進試験して、図４におけるグラフのＴ１の曲線を延長する。そして、試験温度Ｔ１における真の限界増加損失到達時間ｔ１tを求める。ここで、最も高い試験温度で試験するのは、温度が高い方が損失劣化しやすいためである。
【００１５】
次いで、図５に示すように、各試験温度における仮の限界増加損失到達時間をアレニウスプロットし、さらに、試験温度Ｔ１と真の限界増加損失到達時間ｔ１tとをアレニウスプロットする（図５の点Ａ’）。そして、各試験温度における仮の限界増加損失到達時間をアレニウスプロットした各点を直線近似する（図５の直線Ｌ１）。ここで、劣化の機構は変化せず、活性化エネルギー（直線Ｌ１の傾き）は同じであると考えられるので、点Ａ’を通り、直線Ｌ１に平行な直線Ｌ２を引き、その直線Ｌ２に基づいてプラスチック光ファイバの寿命を求める。このような方法によれば、促進試験において試験時間が短すぎた場合でも、使用温度におけるプラスチック光ファイバの正確な寿命を求めることができる。
【実施例】
【００１６】
次に、本発明の実施例について説明する。
屈折率１．４９、直径９８０μｍのポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）で形成されたコアの周辺に、屈折率１．４０、厚さ１０μｍのフッ素化メタクリレートのクラッド層を設けたステップインデックス型プラスチック光ファイバについて、波長を変動させて伝送損失を通常のカットバック法にて測定した。この際、伝送損失は２５ｍと１ｍの長さでのカットバックによって測定した。次に、６５℃、７５℃、８０℃、８５℃の恒温槽を用意し、２５ｍずつに切断したプラスチック光ファイバを数本ずつ入れ、一定時間毎に取り出し、上記と同様の方法によって伝送損失を測定した。
次いで、横軸を測定波長の逆数であるエネルギーとし、対数軸の縦軸を伝送損失とし、それぞれの試験温度毎にグラフを作成した。図１は、試験温度８５℃におけるグラフであり、下側から順番に、０時間、３００時間後、１０００時間後、３０００時間後、５０００時間後、８０００時間後、１００００時間後、１２０００時間後、１５０００時間後、１８０００時間後、２００００時間後、２２０００時間後の促進試験後の伝送損失スペクトルデータである。
【００１７】
この図１において、５０００時間以降のデータを見ると、紫外領域における電子遷移吸収の立ち上がりの裾が、可視域である波長４００ｎｍから６５０ｎｍ付近の伝送損失に影響を及ぼしており、さらに、この裾はライン（ａ）のような傾きを持っていることが分かった。また、試験時間が長くなるほど、紫外領域における電子遷移吸収の立ち上がりの裾が長波長側の損失に与える影響が大きくなっていくのが確認できた。このことより、５０００時間以降の伝送損失劣化と５０００時間以内の伝送損失劣化とは同じ原因で起こっていると推察できる。なお、０時間における紫外領域における電子遷移吸収はライン（ｂ）程度あるいはこれ以下と考えられるので、促進試験前のサンプルでは、紫外領域における電子遷移吸収が、プラスチック光ファイバを通信用途で採用する場合の通信波長である波長６５０ｎｍに与える影響は無視できると言える。
【００１８】
図６は、各試験温度における波長４４０ｎｍでの増加損失と試験時間との関係をプロットしたグラフである。このグラフによれば、試験温度が高いほど劣化が早いのがわかる。また、このグラフより、増加損失２００［ｄＢ／ｋｍ］になる時間は、８５℃では２７００時間、８０℃では３７００時間、７５℃では５３００時間、６５℃では１０３００時間であった。そして、この増加損失２００［ｄＢ／ｋｍ］を仮の限界増加損失として次の過程に進んだ。
上記値をアレニウスプロット（横軸は試験温度の絶対温度（Ｔ）の逆数、縦軸は増加損失２００［ｄＢ／ｋｍ］になる時間の対数）すると、図７のようなグラフが得られた。このアレニウスプロットした各点を最小自乗法で直線近似すると、ｙ＝３５２４ｘ−６．４１４（ｘは１／Ｔ、ｙはｌｏｇｔである）で示され（図中の直線（ｃ））、また、この近似の相関関数Ｒは０．９９であった。このように、アレニウスプロットした各点が直線近似できたので、この温度範囲での増加損失は同一の劣化機構に起因する変化であると考えられる。
また、この直線（ｃ）の傾きは、伝送損失が増加するような劣化反応の活性化エネルギーを表している。
【００１９】
ところで、プラスチック光ファイバを通信用途で使用した場合に許容される増加損失が３０［ｄＢ／ｋｍ］である場合には、紫外吸収に起因する劣化は図１の直線（ａ）程度であることから、波長４４０ｎｍにおける増加損失は１５００［ｄＢ／ｋｍ］程度になる。つまり、この増加損失が波長４４０ｎｍにおける真の限界増加損失になる。波長４４０ｎｍにおいて、試験時間８５℃における真の限界増加損失１５００［ｄＢ／ｋｍ］に達する時間は、図６より、約１１６００時間と求められる。そして、試験時間８５℃、限界増加損失に達する時間１１６００時間を図７にプロットし、さらに、（８５℃，１１６００時間）の点を通り直線（ｃ）に平行な（傾きが同じ）直線（ｄ）を引いた。
ここで、劣化の活性化エネルギーは変わらないと考えられるので、直線（ｄ）は、温度と、波長４４０ｎｍでの増加損失が１５００［ｄＢ／ｋｍ］になる時間との関係を表したものであるとともに、波長６５０ｎｍでの増加損失が３０［ｄＢ／ｋｍ］になる時間との関係を表したものでもある。なお、増加損失が３０［ｄＢ／ｋｍ］とは、プラスチック光ファイバを通信で使用する場合、光が長さ５０ｍのファイバを伝搬した際、その光量が入射光量の７０％、つまり、−１．５ｄＢになることである。
【００２０】
直線（ｄ）は、ｙ＝３５２４ｘ−５．７８１で表される。
この直線（ｄ）に基づくと、平均使用温度が２５℃のときには、ｘ＝０．００３３６になり、ｙ＝６．０６０になる。したがって、増加損失が３０［ｄＢ／ｋｍ］に達する時間は１１４７０００時間であり、この時間は約１３１年に相当する。つまり、波長６５０ｎｍの増加損失が３０［ｄＢ／ｋｍ］まで許容されるならば、平均使用温度が２５℃のときのプラスチック光ファイバの寿命は約１３１年ということになる。
同様に、平均使用温度が３０℃のときには、ｘ＝０．００３３０になり、ｙ＝５．８４８になる。したがって、増加損失が３０［ｄＢ／ｋｍ］に達する時間は７０５０１７時間であり、この時間は約８０年に相当する。つまり、波長６５０ｎｍの増加損失が３０［ｄＢ／ｋｍ］まで許容されるならば、平均使用温度が３０℃のときの寿命は約８０年ということになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】プラスチック光ファイバの伝送損失スペクトルデータの一例を示すグラフである。
【図２】試験時間と増加損失との関係の一例を示すグラフである。
【図３】図２から求めた限界増加損失到達時間と試験温度とをアレニウスプロットしたグラフである。
【図４】試験時間と増加損失との関係の他の例を示すグラフである。
【図５】図４から求めた限界増加損失到達時間と試験温度とをアレニウスプロットしたグラフである。
【図６】実施例における試験時間と増加損失との関係を示すグラフである。
【図７】図６から求めた限界増加損失到達時間と試験温度とをアレニウスプロットしたグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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