專利名稱：塑料光纖及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及塑料光纖，并且更具體而言，涉及含有稀土成分的氟化塑料光纖及用于制備塑料光纖的方法。
背景技術(shù)：
通常，稀土元素如La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb在3+離子態(tài)，通過4f-4f電子躍遷而可以發(fā)射熒光。含有這些稀土元素的光纖由于受激發(fā)射效應(yīng)可以放大輸入的光信號。還有，如果對光纖兩端的反射率進行適當?shù)卣{(diào)整，這種光纖可以行使持續(xù)地產(chǎn)生受激發(fā)射的光纖激光的職責。在波長范圍為1.3至1.4μm下，這個波長范圍是具有代表性的用于光通訊的帶寬，因為Pr3+、Nd3+、Dy3+和Tm3+發(fā)射熒光，Tm3+在波長范圍為1.4至1.5μm發(fā)射熒光，而Er3+在波長范圍為1.5至1.6μm發(fā)射熒光。
但是，這種光纖放大器一般沒有投入實際應(yīng)用，因為在波長范圍為1.3至1.4μm或1.4至1.5μm下，Pr3+，Nd3+，Dy3+在石英玻璃中發(fā)射熒光的效率差。由于這點，用將稀土元素加入到氟化基玻璃光纖的方法來制備常規(guī)的光纖放大器，由此改善熒光的發(fā)射效率。例如，在U.S.P.5,071,460和5,567,219中公開了關(guān)于此生產(chǎn)過程的詳細資料。
但是，氟化基玻璃光纖的化學穩(wěn)定性和機械強度較差，因為它們的化學鍵容易因潮濕而斷裂。此外，它們還有一個缺點，即氟化基玻璃光纖的透光率和光放大效率隨著時間而迅速降低。具體而言，這種光纖在光纖間的連接處被迅速腐蝕，因為當從連接處除去外部的保護涂層時，這些連接處直接暴露在空氣和潮濕之中。
還注意到，將常規(guī)光纖開發(fā)用于吉比特以太網(wǎng)中，在局部地區(qū)通訊網(wǎng)絡(luò)中吉比特以太網(wǎng)代替了銅線通訊。一般而言，塑料光纖在正常的溫度范圍下是化學穩(wěn)定的并展示出出眾的使用性能。但是，常規(guī)塑料光纖有一個缺點，即在紅外區(qū)的應(yīng)用受到限制，因為碳氫化合物(C-H)高聚物鏈結(jié)構(gòu)吸收具有紅外波長的光。
因此，在本領(lǐng)域中有改進塑料光纖的需要。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明是要解決在現(xiàn)有技術(shù)中玻璃光纖發(fā)生的上述問題。本發(fā)明的目的在于提供塑料光纖及其制備方法，該光纖具有改進的化學穩(wěn)定性，機械強度和耐熱性。
為了達成此目的，提供芯-包層結(jié)構(gòu)的光纖，其中芯材料基本上由氟化塑料組成，該氟化塑料含有稀土成分，和包層材料不含有稀土成分，但基本上由折射率低于芯材料的氟化塑料組成。
與上述的常規(guī)塑料光纖相反，當用作光纖時，具有碳-氟(C-F)鍵的氟化塑料很好地傳送紅外光并因此可以用于紅外通訊。此外，當與現(xiàn)有的碳氫化合物基塑料相比時，氟化塑料應(yīng)用范圍更寬，因為它有相當出眾的化學穩(wěn)定性和可以在更寬溫度范圍內(nèi)使用。具體而言，無定形的氟化塑料作為用于通訊的光纖來說是一種很有希望的材料，這歸于其低的瑞利散射損失。TeflonTM和CytopTM是氟化塑料的實例。
光纖還可以包括保護層，該保護層是在芯-包層結(jié)構(gòu)的外表面上由聚合物形成的。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了制備塑料光纖的方法；該方法包括以下步驟將有氟化塑料粉末分散于其中的氟化溶劑和稀土成分加入到反應(yīng)器中；通過對反應(yīng)器內(nèi)部抽真空來蒸發(fā)溶劑，同時加熱和旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器，然后固化氟化塑料的方法，形成芯預(yù)成型坯；將芯預(yù)成型坯裝配在包層預(yù)成型坯的中心，該包層預(yù)成型坯不含有稀土成分，但基本上由折射率低于芯材料的氟化塑料組成；加熱并軟化前面步驟制備的氟化塑料預(yù)成型坯；和從軟化的預(yù)成型坯中拉出光纖。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了用于制備塑料光纖的方法。該方法包括以下步驟混合氟化塑料粉末和稀土成分的粉末，并將混合后的粉末加入到壓力容器中；通過加熱和擠出混合粉末形成芯預(yù)成型坯；將芯預(yù)成型坯裝配在包層預(yù)成型坯的中心，該包層預(yù)成型坯不含有稀土成分，但基本上由折射率低于芯材料的氟化塑料組成；加熱并軟化前面步驟制備的氟化塑料預(yù)成型坯；和從預(yù)成型坯中拉出光纖。


從結(jié)合附圖的下面的詳細描述，本發(fā)明的上面和其它的目的、特征和優(yōu)點將會更加清楚，其中圖1所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的塑料光纖的橫截面圖；圖2圖示根據(jù)本發(fā)明一個實施方案制備塑料光纖的方法；圖3圖示根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案制備塑料光纖的方法；和圖4所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施方案制備的光纖的熒光發(fā)射譜圖。
具體實施例方式
本發(fā)明優(yōu)選的實施方案將結(jié)合附圖進行描述。在本發(fā)明下面的描述中，當并入其中的已知的功能和結(jié)構(gòu)的詳細描述可以使本發(fā)明的主題有點不清楚時，將省略對其進行詳述。
圖1顯示的是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的塑料光纖10的結(jié)構(gòu)。
塑料光纖10基本上形成為芯11和包層12的結(jié)構(gòu)。也可以在它的外表面上提供保護層或防護層13，用于保護芯-包層結(jié)構(gòu)的塑料光纖10不受空氣和潮濕的影響。
塑料光纖10使用含有稀土成分的氟化塑料作為芯的材料，和用基本上由不含稀土成分的連接-[CF2]n-單體組成的、并且具有比芯材料低的折射率的聚合鏈作為包層材料。光纖10通過熔融和拉伸技術(shù)而制備。
I、含有稀土成分的氟化塑料芯11
“稀土成分”包括下列組合A)至E)的任何一種A)(Y1-nLan)1-mLnmX3(m＝0.0001-1.0，n＝0-1.0)；B)(La1-mLnm)2S3(m＝0.0001-1.0)；C)(ZrF3-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)1-m(LnF3)m(m＝0.0001-0.1)；D)(InF3-GaF3-PbF2-CdF3)1-m(LnF3)m(m＝0.0001-0.1)；和E)(RX-GeS2-As2S3-Ga2S3)1-m(LnX3)m(m＝0.0001-0.1)。
其中Ln是鑭系金屬成分，其包括Ce、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Fr、Tm和Yb中的至少一種；R是堿金屬成分，其包括Li、Na、K、Rb和Cs中的至少一種；X是鹵素成分，其包括F、Cl、Br和I中的至少一種；和Sn是一種包括硫的成分。
此外，稀土成分可以受限于氟化玻璃或硫化物玻璃的組成，其中加入的至少一種鑭系元素的濃度為0.01-10％。
在上述中，氟化塑料是由基本上由鍵合的-[CF2]n-單體組成的聚合物鏈形成的。例如，此類氟化塑料可以是TeflonTM(AF、FEP、PFA、PFTF)、CytopTM等。
II、圍繞氟化塑料芯11的氟化塑料包層12包層12由一種聚合物鏈形成，該聚合物鏈基本上由不含稀土成分的鍵合的-[CF2]n-單體組成，并具有比芯材料低0.01-10％的折射率。
III、圍繞氟化塑料光纖的聚合物涂層(即層13)當要求對氟化的光纖著色或保持光纖的直徑時，聚合物涂層可以選擇地使用。
現(xiàn)在，將描述根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案制備塑料光纖10的方法。
圖2圖示根據(jù)本發(fā)明一個實施方案制備塑料光纖的方法。
首先，顆粒直徑分布為0.1至10μm的稀土成分的粉末按體積比0.01至0.1均勻地分散在氟化溶劑中(FluorinertTM)，其中在此溶劑中，將顆粒直徑為0.1至10μm的氟化塑料粉末按體積比0.01至0.3分散(步驟201)。
通過上述步驟制備的溶液加入到試管中，且試管以10至1000rpm的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，并將其加熱至100至300℃。其中旋轉(zhuǎn)速度和溫度對于溶液的粘度是可變的，然后將試管抽真空，以便將溶劑蒸發(fā)，并且將氟化塑料固化(步驟202)。
當固化開始時，將試管的旋轉(zhuǎn)速度降低和將試管的溫度降低。近似地，旋轉(zhuǎn)速度將(速率＜60rpm/min)降至0，且溫度將(速率＜10℃/min)降至室溫。此時，制備了棒狀的氟化塑料預(yù)成型坯(步驟203)。當固化開始時，也可以降低試管的溫度同時保持試管的旋轉(zhuǎn)速度，以制備管狀的氟化塑料的芯預(yù)成型坯(步驟204)。
將棒狀或管狀的芯預(yù)成型坯裝配在氟化塑料包層預(yù)成型坯的中心，該氟化塑料包層預(yù)成型坯是通過擠出方法等制備的，并且不含有稀土成分(步驟205)。
通過前述步驟制備的氟化塑料預(yù)成型坯通過加熱(例如在加熱爐中)至150至500℃進行軟化。用拉伸預(yù)成型坯的方法，即擠出方法，將用此方法軟化的預(yù)成型坯制成光纖(步驟206)。此外，在加熱預(yù)成型坯時，如果對預(yù)成型坯的中心抽真空，存在于芯和包層間的空穴將收縮和消失。明確地，如果采用管狀芯，用真空的方法，芯中央的空穴將收縮和消失。
任選地，在光纖拉伸之后，可以包括在光纖上涂布聚合物涂層膜的最后步驟(步驟207)。
圖3圖示根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案制備塑料光纖的方法。
首先，顆粒直徑分布在0.1至10μm的氟化塑料的粉末按體積比0.50至0.99和顆粒直徑為0.1至10μm的稀土成分的粉末按體積比0.01至0.50均勻地混合(步驟301)。
通過下面的方法制備棒狀的芯預(yù)成型坯將混合后的粉末加入到壓力容器中，加熱粉末至150至500℃，并施加103至107Pa的壓力(步驟302)。此時，如果在150至500℃將混合粉末拉伸，可以制備棒狀的芯預(yù)成型坯(步驟303)將棒狀或管狀的芯預(yù)成型坯裝配在氟化塑料包層預(yù)成型坯的中心，該氟化塑料包層預(yù)成型坯包層預(yù)成型坯是通過擠出方法等制備的，并且不含有稀土成分(步驟304)。
通過前述步驟制備的氟化塑料預(yù)成型坯通過加熱(例如在加熱爐中)至150至500℃進行軟化。用拉伸預(yù)成型坯的方法，即擠出方法，將用此方法軟化的預(yù)成型坯制成光纖(步驟305)。此外，在加熱預(yù)成型坯時，如果對預(yù)成型坯的中心抽真空，存在于芯和包層間的空穴將收縮和消失。明確地，如果采用管狀芯，用真空的方法，芯中央的空穴將收縮和消失。
任選地，在光纖拉伸之后，可以包括在光纖上涂布聚合物涂層膜的步驟(步驟306)。
實施例1、組成本申請人用下面的方法制備了TeflonTMFEP芯預(yù)成型坯，該預(yù)成型坯含有10體積％的組成式為(GeS2-As2S3-CsBr-Ga2S3)0.998(TmBr3)0.002的稀土成分。
2、制備方法按1∶9的比例向顆粒直徑為0.1至10μm的TeflonTMFEP粉末中加入組成式為(GeS2-As2S3-CsBr-Ga2S3)0.998(TmBr3)0.002并且顆粒直徑為0.1至10μm的稀土成分的粉末并混合。
用下面的方法制備棒狀的芯預(yù)成型坯將混合后的粉末加入到壓力容器中，在340℃施加106Pa的壓力。
圖4所示為根據(jù)上面的實施例制備的光纖的熒光發(fā)射譜圖。該譜圖是通過用分光鏡在紅外光的波長范圍內(nèi)測量熒光而得到的。該熒光是在波長為800nm的激光束入射到樣品的中心之后從樣品中產(chǎn)生的。如圖4所示，觀察到了可以放大S波段(波長的帶寬為1450至1520nm)的光信號的熒光發(fā)射。
如上所述，塑料光纖可以克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，并具有優(yōu)異的改善化學穩(wěn)定性，機械強度和耐熱性的優(yōu)點。
雖然參考本發(fā)明某些優(yōu)選實施方案對本發(fā)明進行了說明和描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解的是，在不脫離本發(fā)明的精神和如后附權(quán)利要求所定義的發(fā)明范圍的條件下，可以在形式和細節(jié)上進行各種改變。
權(quán)利要求
1.一種具有芯-包層結(jié)構(gòu)的光纖，其包括芯材料，其基本上由含有稀土成分的氟化塑料組成；和包層材料，其不含有稀土成分，但基本上由折射率低于芯材料的氟化塑料組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塑料光纖，其中所述稀土成分包括下列組合A)至E)的任何一種A)(Y1-nLan)1-mLnmX3(m＝0.0001-1.0，n＝0-1.0)；B)(La1-mLnm)2S3(m＝0.0001-1.0)；C)(ZrF3-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)1-m(LnF3)m(m＝0.0001-0.1)；D)(InF3-GaF3-PbF2-CdF3)1-m(LnF3)m(m＝0.0001-0.1)；和E)(RX-GeS2-As2S3-Ga2S3)1-m(LnX3)m(m＝0.0001-0.1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的塑料光纖，其中Ln是鑭系金屬成分，其包括Ce、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的塑料光纖，其中R是堿金屬成分，其包括Li、Na、K、Rb和Cs中的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的塑料光纖，其中X是鹵素成分，其包括F、Cl、Br和I中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塑料光纖，其中包層材料的折射率比芯低0.01至10％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任何一項所述的塑料光纖，其中氟化塑料包括聚合物鏈，該聚合物鏈基本上由鍵合的-[CF2]n-單體組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塑料光纖，其中光纖還包括保護層，該保護層是在芯-包層結(jié)構(gòu)的外表面上由聚合物形成的。
9.一種用于制備塑料光纖的方法，該方法包括以下步驟將氟化塑料粉末分散于其中的氟化溶劑和稀土成分加入到反應(yīng)器中；通過對反應(yīng)器內(nèi)部抽真空來蒸發(fā)氟化溶劑，同時加熱和旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器，然后固化氟化塑料的方法，形成芯預(yù)成型坯；將芯預(yù)成型坯裝配在包層預(yù)成型坯的中心，該包層預(yù)成型坯不含有稀土成分，但基本上由折射率低于芯材料的氟化塑料組成，以制備氟化塑料預(yù)成型坯；加熱并軟化氟化塑料預(yù)成型坯；和從軟化的氟化塑料預(yù)成型坯中拉出光纖。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中分散的氟化塑料粉末的含量以體積比計為0.01至0.30，和分散的稀土粉末的含量以體積比計為0.01至0.10。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中通過固化所得的氟化塑料而形成芯預(yù)成型坯的步驟包括通過對反應(yīng)器內(nèi)部抽真空，同時將反應(yīng)器加熱至100至300℃的方法，蒸發(fā)溶劑；和當?shù)玫降姆芰瞎袒_始時，通過降低反應(yīng)器的溫度同時降低旋轉(zhuǎn)速度的方法，形成棒狀氟化塑料芯預(yù)成型坯。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中通過固化所得的氟化塑料的方法而形成芯預(yù)成型坯的步驟包括通過對反應(yīng)器內(nèi)部抽真空，同時將反應(yīng)器加熱至100至300℃的方法，蒸發(fā)溶劑；和當?shù)玫降姆芰瞎袒_始時，通過降低反應(yīng)器的溫度同時保持旋轉(zhuǎn)速度的方法，形成管狀氟化塑料芯預(yù)成型坯。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中加熱和軟化氟化塑料預(yù)成型坯是在150至500℃進行的。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括當從軟化的氟化塑料預(yù)成型坯拉出光纖時，涂布聚合物層的步驟。
15.一種用于制備塑料光纖的方法，該方法包括以下步驟混合氟化塑料粉末和稀土成分的粉末，并將混合粉末加入到壓力容器中；通過加熱和擠出混合粉末的方法形成芯預(yù)成型坯；將芯預(yù)成型坯裝配在包層預(yù)成型坯的中心，該包層預(yù)成型坯不含有稀土成分，但基本上由折射率低于芯材料的氟化塑料組成，以制備氟化塑料預(yù)成型坯；加熱并軟化氟化塑料預(yù)成型坯；和從氟化塑料預(yù)成型坯中拉出光纖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種塑料光纖及其制備方法。將塑料光纖形成為芯－包層結(jié)構(gòu)的光纖。可以在芯－包層結(jié)構(gòu)的光纖的外表面上提供保護層或防護層，用以提高光纖的耐熱性能和保護光纖不受空氣和潮濕的影響。塑料光纖使用含有稀土成分的氟化塑料作為芯材料，和包層材料，其不含有稀土成分但基本上由聚合物鏈組成，該聚合物鏈基本上由鍵合的－[CF
文檔編號H01S3/067GK1485630SQ0315491
公開日2004年3月31日 申請日期2003年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月26日
發(fā)明者樸世鎬 申請人:三星電子株式會社