一種空芯塑料光纖與光纜的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空芯塑料光纖與光纜，其中，所述空芯塑料光纖設(shè)置包覆層、過渡層與空芯層；所述空芯層空置；所述過渡層的折射率大于所述包覆層的折射率。采用上述方案，本發(fā)明采用空心設(shè)計，大大降低了光信號的傳輸衰減，突破了塑料光纖只能傳輸可見光的限制，可以實現(xiàn)全光譜光傳輸，并且完全兼容現(xiàn)有光纖系統(tǒng)使用，生產(chǎn)成本下降，易于產(chǎn)業(yè)化，并且傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)，傳輸?shù)乃俾矢?，克服了現(xiàn)有階躍式塑料光纖的不足，不僅可完全替代現(xiàn)有的通信級別階躍式塑料光纖，而且還能替代銅網(wǎng)絡(luò)線，達(dá)到節(jié)省銅資源、節(jié)能環(huán)保的效果和目的，具有很高的市場應(yīng)用價值。
【專利說明】一種空芯塑料光纖與光纜【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及LED照明，尤其涉及的是，一種空芯塑料光纖與光纜。
【背景技術(shù)】
[0002]塑料光纖(Plastic Optical Fiber，POF)，也稱聚合物光纖、高聚物光纖，是由高折射率的透明聚合物芯層與低折射率的透明聚合物包覆層組成，尤其適合制成通信用塑料光纖使用，它是最近二十年發(fā)展起來的一種采用高透明聚合物材料制造的光導(dǎo)纖維，是使用高分子材料制成 的低碳環(huán)保產(chǎn)品，在信息傳輸領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用需求，被列入了國家《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，其行業(yè)發(fā)展方向完全符合國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。光纜一般是指有外包護(hù)套的成品線纜，光纖一般是指光纜內(nèi)用于傳輸?shù)睦w芯，但有人也把光纜稱為光纖。
[0003]通信用塑料光纖的芯通常由俗稱亞克力的高分子材料PMMA(polymethylmethacrylate,聚甲基丙稀酸甲酯)制成的，是一種新型的光波導(dǎo)光纖。這種光纖柔韌性好、芯徑較大、對接容易，帶寬較高，可滿足高速寬帶網(wǎng)、駐地網(wǎng)、多媒體網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的迫切需要，可在網(wǎng)絡(luò)末端替代目前廣泛使用的銅網(wǎng)線，并與主干石英光纖配合建設(shè)全光網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)選介質(zhì)。塑料光纖已經(jīng)成為全光網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、互聯(lián)、飛機(jī)、醫(yī)療、家庭智能網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制系統(tǒng)及裝飾照明等應(yīng)用領(lǐng)域中的新材料、新工藝、新產(chǎn)品，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004]光電子技術(shù)是未來信息產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)之一，通信級塑料光纖作為光電子應(yīng)用的重要組成部分，其應(yīng)用系統(tǒng)具有不怕震動、可靠性高、抗電磁干擾等特點，特別是在汽車網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和國防軍工等領(lǐng)域具有獨特的應(yīng)用前景，未來會有很大的發(fā)展機(jī)遇。
[0005]在高磁場高電場的電力系統(tǒng)中，以塑料光纖作為傳輸媒介的信息傳輸系統(tǒng)，因沒有電磁干擾，具有傳輸數(shù)據(jù)可靠性高、穩(wěn)定性好、實時性強(qiáng)、容量大、成本低、易施工等特點，即便在雷電多發(fā)區(qū)域等特殊環(huán)境中，也能夠全面支持電力行業(yè)用電數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)、智能變電站、電力視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)場景的應(yīng)用，在短距離通信領(lǐng)域等方面具有獨特優(yōu)勢和較強(qiáng)的應(yīng)用價值。
[0006]在工業(yè)控制系統(tǒng)中，塑料光纖更是大有用武之地。POF可全面應(yīng)用在工業(yè)以太網(wǎng)、集中式控制設(shè)備集群、自動化機(jī)床、自動化生產(chǎn)線、使用各種控制協(xié)議的設(shè)備如RS-232、RS-422、RS-485、can總線、bus總線中。工業(yè)企業(yè)和生產(chǎn)現(xiàn)場,惡劣的電磁干擾環(huán)境對各類控制用銅導(dǎo)線會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，如何避免這種影響一直是工業(yè)控制行業(yè)的困擾，而塑料光纖沒有電磁干擾問題，恰好解決了這一點，從而保證控制信息傳輸過程實時、準(zhǔn)確、可靠、安全、穩(wěn)定。
[0007]塑料光纖已在汽車產(chǎn)業(yè)中得到了應(yīng)用。因為汽車產(chǎn)業(yè)是一個國家工業(yè)的脊梁，它不僅代表了一個國家的工業(yè)發(fā)達(dá)程度，而且也表明了科技應(yīng)用的水平。現(xiàn)代的汽車產(chǎn)業(yè)中采用了大量的新工藝、新材料、新技術(shù)和新方法。塑料光纖現(xiàn)已經(jīng)被應(yīng)用于高檔豪華汽車上面，目前已被 BMW、Daimler Chrysler、Aud1、VW、Land Rover、Saab、Fiat、Mitsubish1、Jaguar>Volvo>Hyundai和Porsche等50多種車型采用，主要使用在車載多媒體娛樂系統(tǒng)、GPS、車載電話、車載資訊設(shè)備、倒車可視雷達(dá)等等。
[0008]并且，塑料光纖在軍事通信上具有明顯的優(yōu)勢。柔軟輕便、抗震動抗干擾能力強(qiáng)、無需任何專業(yè)的工具與輔助材料而快速連接，這些特點特別適合戰(zhàn)地移動網(wǎng)絡(luò)、軍事保密網(wǎng)絡(luò)、軍事指揮網(wǎng)絡(luò)、軍事裝備的通訊連接網(wǎng)絡(luò)，因此塑料光纖正在被一些發(fā)達(dá)國家開發(fā)用于軍事機(jī)載設(shè)備、軍用戰(zhàn)車、艦船、飛行器、士兵穿戴式的輕型電腦系統(tǒng)、頭盔顯示器等場合。我們相信，在不久的未來，塑料光纖必定在我國的軍事領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。
[0009]塑料光纖是一種新型的網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介，這種光纖既有石英光纖的大容量、高帶寬優(yōu)點，又能像銅網(wǎng)絡(luò)電纜那樣連接方便，而且便宜易安裝。塑料光纖的芯徑一般為0.75?I毫米，比石英光纖粗很多，因此光纖對接要求不會像石英光纖那么精密和嚴(yán)格。
[0010]塑料光纖的研制是近三十年來的事情，國外最早是美國杜邦公司在上世紀(jì)七十年代開始研究。八十年代，日本三菱公司開發(fā)出可用于通信領(lǐng)域的PMMA(聚甲基丙稀酸甲酯)塑料光纖，其光信號損耗參數(shù)(衰減系數(shù))已經(jīng)小于200dB/km，日本的東麗公司(TORAY)和旭硝子公司(Asahi Glass)也先后開發(fā)出通信級別的塑料光纖。日本的三家企業(yè)，基本控制了世界市場的80%以上，目前光纖原材料和成品光纜的生產(chǎn)主要由日本企業(yè)壟斷。衰減系數(shù)是指光在通過光纖時的衰減程度，一般以dB/km作為單位，階躍式通信級別的塑料光纖衰減一般要求越小越好，最好能夠小于200dB/km。
[0011]國內(nèi)在2000年后才開始研發(fā)生產(chǎn)塑料光纖，現(xiàn)有江西大圣塑料光纖公司、四川匯源科技公司、安徽中熹科技公司及內(nèi)蒙古金三角科技公司開發(fā)并生產(chǎn)出PMMA塑料光纖，其衰減系數(shù)已小于或接近200dB/km。在產(chǎn)品的質(zhì)量上還與日本產(chǎn)品有一定的差距。
[0012]由于塑料光纖具有直徑大、柔韌性好、密度小、在可見光區(qū)有低損耗窗口、成本及加工費用低等優(yōu)點而在光照明、裝飾裝璜、傳感器、局域網(wǎng)、汽車控制系統(tǒng)等領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)有塑料光纖主要是階躍式塑料光纖，其也稱為SI塑料光纖(SI P0F)。此種光纖的芯材料和包覆層材料為均勻分布，它們的折射率都是固定常量。芯折射率大于包覆層折射率，兩者交界處材料折射率是突變的，故此稱為突變式也稱為階躍式塑料光纖。這種光纖是塑料光纖中現(xiàn)被大量使用和普及的，是塑料光纖真正應(yīng)用的代表。單芯光纜的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括光纖芯層(Core) 101、包覆層(Clad) 102及外護(hù)套層(Jacket) 103。光在塑料光纖的傳輸如圖2所示，光線104的傳輸方向在芯層101以及包覆層102之間折射，階躍式塑料光纖在傳輸過程中，光是通過芯層的材料不斷反射前進(jìn)而到達(dá)接收端。由于芯層材料的透光率一般只有93%?94%，衰減系數(shù)較大，材料對光有明顯損耗，因此階躍式塑料光纖的傳輸距離一般較短，例如，不超過100m。造成光纖衰減的主要因素包括本征、彎曲、擠壓、雜質(zhì)、不均勻和對接等。
[0013]塑料光纖具有以下特點:1.抗干擾能力強(qiáng)，塑料光纖抗干擾能力強(qiáng)，無電磁輻射，保密性好，通信容量大，使用壽命長，無雙絞線的近端串?dāng)_等問題。2.重量輕、柔性好、易連接安裝，由于塑料材質(zhì)本身的特點，使得塑料光纖本身很輕，柔性好、易彎曲、易連接，在建筑物內(nèi)安裝時，可根據(jù)實際要求，現(xiàn)場切斷與連接，工具簡單，一般人稍加熟悉一下就會使用了。安裝連接時，不需要復(fù)雜的安裝工藝及設(shè)備，塑料光纖兩端沒有任何接頭，直接插入光設(shè)備的接口即可，非常容易。3.維護(hù)成本低，由于塑料光纖兩端不用任何連接器件，可直接剪裁使用，不用像石英光纖那樣一定要專業(yè)人員才可以連接。其次塑料光纖內(nèi)使用的是波長650nm可見紅光，其功率很小，對人體不構(gòu)成任何傷害，檢修人員可直接觀察到光纖內(nèi)光路的通斷情況，對故障的查找和判斷極其方便，不用專業(yè)的儀器設(shè)備即可完成，方便快捷且低成本。4.稱合性好,塑料光纖比石英光纖粗很多,纖芯一般為0.75?Imm所以它的f禹合性很強(qiáng)，通光角度較大，連接時即使有30 μ m稍許偏差，也不會給通信造成影響。連接用的耦合器也很便宜。5.抗振性強(qiáng)，塑料光纖不怕振動，可廣泛的使用在交通工具、航海航空器及具有振動的工作環(huán)境中，在汽車、高速列車、艦船及飛機(jī)制造中，都可大量應(yīng)用。6.價格便宜成本低，節(jié)省銅資源，由于已批量化生產(chǎn)，國產(chǎn)的百兆塑料光纖價格已略低于優(yōu)質(zhì)百兆五類雙絞線價格，且塑料光纖價格在下降，而銅資源在減少，銅纜價格在上升。7.衰減為恒量，650nm塑料光纖的一個特點是，無論工作在何種帶寬下，其衰減系數(shù)不變，可預(yù)知其工作狀態(tài)下的衰減狀況。8.滿足特定場合的要求，在一些特定的場合下，例如易燃易爆的油庫及彈藥庫，高腐蝕的化學(xué)品庫，潮濕及常積水的礦井，強(qiáng)磁場的變電站及大功率設(shè)備附近的網(wǎng)絡(luò)，要求保密的軍事、金融等部門以及對防雷電要求較高的場合中使用。
[0014]例如，CN1415982A公開了一種氟化包覆層塑料光纖,其在纖芯或塑料光纖外有氟化包覆層，還提供了氟化包覆層塑料光纖的制造方法，包括備料:制備纖芯或塑料光纖；將纖芯或塑料光纖放入濃度為0.01%?10%的氟化爐，在10?80°C進(jìn)行氟化反應(yīng)2?72h，則制得氟化包覆層塑料光纖。
[0015]又如，CN1397810A公開了一種塑料光纖及其制造方法，其提供容易使用而且安全、連接成本低、可進(jìn)行短距離敷設(shè)、在高頻帶的傳輸容量大而且低傳輸損耗的可與玻璃制SM型光纖相互連接的SM型塑料光纖及其制造方法。是纖芯由實質(zhì)上沒有C 一 H鍵的非晶態(tài)含氟聚合物構(gòu)成、包覆層由折射率比含氟聚合物要低0.001以上的含氟聚合物構(gòu)成的導(dǎo)波模式為單模的塑料光纖，是利用熔融擠壓成形或由母材熔融拉絲的塑料光纖制造方法。
[0016]但是，現(xiàn)有的塑料光纖存在以下缺點:a.實芯材料結(jié)構(gòu)，光衰減較大，由于階躍式塑料光纖采用實心的塑料(聚合物)作光纖芯，其透光率都不理想，造成較大的光衰減，日本產(chǎn)階躍式塑料光纖的衰減基本上也是150?200dB/km，而國產(chǎn)階躍式塑料光纖的衰減基本上是200?250dB/km左右，能夠小于200dB/km的產(chǎn)品很少。這種現(xiàn)象是由于階躍式塑料光纖實心結(jié)構(gòu)所致。光線在芯材料中傳導(dǎo)時，光衰減不會有本質(zhì)上的突破。b.傳輸距離不遠(yuǎn)，由于階躍式塑料光纖的衰減較大，即便是通信級別的產(chǎn)品，一般也就傳輸100米左右，與現(xiàn)代通信的要求有較大的差距，如果要想解決這一問題，必須改變階躍式塑料光纖的結(jié)構(gòu)。c.傳輸帶寬及速率不高，階躍式塑料光纖的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到100Mb/s*100m，但更高的速率就很難達(dá)到了。d.不能與石英光纖系統(tǒng)兼容，階躍式塑料光纖只能傳輸可見光，對于成熟的石英光纖系統(tǒng)所傳輸?shù)募t外光衰減極大，所以階躍式塑料光纖不能與石英光纖系統(tǒng)兼容，對接必須通過轉(zhuǎn)換器進(jìn)行，不僅不方便，而且提高了成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種新的空芯塑料光纖與光纜。
[0018]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種空芯塑料光纖，其設(shè)置包覆層、過渡層與空芯層；所述空芯層空置；所述過渡層的折射率大于所述包覆層的折射率。
[0019]優(yōu)選的，所述空芯塑料光纖中，所述包覆層為含氟材料層。
[0020]優(yōu)選的，所述空芯塑料光纖中，所述過渡層至少包括聚甲基丙稀酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯其中之一。
[0021]優(yōu)選的，所述空芯塑料光纖中，所述空芯層的厚度、所述過渡層的厚度與所述包覆層的厚度按預(yù)設(shè)比例設(shè)置。
[0022]優(yōu)選的，所述空芯塑料光纖中，所述過渡層為復(fù)合層。
[0023]優(yōu)選的，所述空芯塑料光纖中，所述復(fù)合層的內(nèi)層材料的折射率大于或等于外層材料的折射率。
[0024]優(yōu)選的，所述空芯塑料光纖中，所述空芯層為圓柱形，所述過渡層與所述包覆層為環(huán)形。
[0025]本發(fā)明的又一技術(shù)方案是，一種光纜，其包括任一上述空芯塑料光纖。
[0026]優(yōu)選的，所述光纜還包括至少一保護(hù)層。
[0027]優(yōu)選的，所述光纜中，所述保護(hù)層的厚度為0.3至2.3毫米。
[0028]采用上述方案，本發(fā)明采用空心設(shè)計，大大降低了光信號的傳輸衰減，突破了塑料光纖只能傳輸可見光的限制，可以實現(xiàn)全光譜光傳輸，并且完全兼容現(xiàn)有光纖系統(tǒng)使用，并且傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)，傳輸?shù)乃俾矢?，具有很高的市場?yīng)用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的塑料光纖結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為圖1所示塑料光纖中的光線折射示意圖；
[0031]圖3為本發(fā)明一個實施例的空芯塑料光纖結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖4為圖3所示實施例另一方向的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖5為圖3所示實施例中的光線折射示意圖；
[0034]圖6為本發(fā)明一個實施例的光纜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖7為圖6所示實施例中的光線折射示意圖。
【具體實施方式】
[0036]為了便于理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明。附圖中給出了本發(fā)明的較佳的實施例。但是，本發(fā)明可以通過許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本說明書所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。
[0037]需要說明的是，當(dāng)元件被稱為“固定于”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當(dāng)一個元件被認(rèn)為是“連接”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。本說明書所使用的術(shù)語“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及類似的表述只是為了說明的目的。
[0038]除非另有定義，本說明書所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本說明書中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實施例的目的，不是用于限制本發(fā)明。本說明書所使用的術(shù)語“和/或”包括一個或多個相關(guān)的所列項目的任意的和所有的組合。
[0039]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明是在成熟的階躍式塑料光纖生產(chǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上，發(fā)明了一種全新管狀結(jié)構(gòu)的空芯塑料光纖。該發(fā)明引用了光波導(dǎo)原理，利用光線折射和全反射的特性，讓光線在空氣中傳導(dǎo)，使光衰減呈現(xiàn)最小化狀態(tài)，提高光纖的傳輸距離及帶寬，并使生產(chǎn)成本下降，達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的目的。該發(fā)明的出發(fā)點是改變階躍式塑料光纖結(jié)構(gòu)，引入空心概念，使傳輸?shù)墓饩€在空氣中通過，不僅解決了階躍式塑料光纖的前述缺點與不足，解決了產(chǎn)業(yè)化的問題。這種方案即能在保持塑料光纖獨特性的前提下，又與石英光纖系統(tǒng)較好的兼容，使用起來更簡單、更方便。以塑料光纖技術(shù)的創(chuàng)新形式，達(dá)到塑料光纖大量推廣和應(yīng)用的目的。
[0040]例如，本發(fā)明空芯塑料光纖的結(jié)構(gòu)如圖3所示，即光纖的橫向剖面示意圖，其縱向剖面圖如圖4所示，該光纖中間為空心結(jié)構(gòu)，其形狀為管狀。光纖由兩種介質(zhì)組成，其外側(cè)為包覆層，主要是氟材料或氟化聚合物，內(nèi)側(cè)為過渡層，主要由PMMA、PC (Poly-Carbonate,聚碳酸酯)、PS(Poly-Styrene,聚苯乙烯)與包覆層配對而成。如圖3所示,本發(fā)明的一個實施例是，一種空芯塑料光纖，其設(shè)置包覆層203、過渡層202與空芯層201 ;所述空芯層空置；即所述空芯塑料光纖中間是空的，這樣，有效地改變了現(xiàn)有階躍式塑料光纖結(jié)構(gòu)，變實心結(jié)構(gòu)為空心結(jié)構(gòu)，這樣的空心結(jié)構(gòu)設(shè)計，大大降低了光信號的傳輸衰減，突破了塑料光纖只能傳輸可見光的限制，可以實現(xiàn)全光譜光傳輸，并且完全兼容現(xiàn)有光纖系統(tǒng)使用；并且，其采用過渡層與包覆層的雙介質(zhì)反射鏡結(jié)構(gòu)；相對于透光率為93%左右的芯層材料，消除了衰減系數(shù)的影響，最大限度地避免了芯層材料對光的明顯損耗；優(yōu)選的，所述空芯層為氮氣層或者氦氣層；又如，所述空芯層為空氣層，即不用額外處理，這樣成本最低；優(yōu)選的，在使用中，所述空芯層真空設(shè)置；這是理論上可能存在的最優(yōu)效果，但是成本較高。
[0041]優(yōu)選的，所述空芯層的厚度、所述過渡層的厚度與所述包覆層的厚度按預(yù)設(shè)比例設(shè)置。例如，按預(yù)設(shè)比例設(shè)置所述過渡層的厚度與所述包覆層的厚度；例如，所述過渡層的厚度與所述包覆層的厚度按預(yù)設(shè)比例為I至2.5:1設(shè)置。優(yōu)選的，所述過渡層的厚度與所述包覆層的厚度按預(yù)設(shè)比例為1.8至2.5:1設(shè)置。例如，所述空芯層、所述過渡層與所述包覆層的厚度比例為(2.0至9.0):(1.8至2.5):1。優(yōu)選的，所述空芯層的厚度、所述過渡層的厚度與所述包覆層的厚度，三者的比例為2至8:1至2.5:1 ;優(yōu)選的，所述包覆層為含氟材料層。例如，所述空芯層、所述過渡層與所述包覆層的厚度比例為(3.6至68):(1.8至
2.5):1。例如，所述空芯層、所述過渡層與所述包覆層的厚度比例為4:2:1。又如，所述空芯層、所述過渡層與所述包覆層的厚度比例為5.6:2.2:1。例如，所述空芯層具有圓形截面，則其厚度為該圓形的直徑。又如，所述過渡層、所述包覆層均為環(huán)形，其厚度為相應(yīng)環(huán)形的外直徑與內(nèi)直徑之差值。
[0042]并且，如圖3所示，所述管狀空芯塑料光纖為空心管狀結(jié)構(gòu)，其具有圓形截面主體；所述圓形截面主體包括三個同心圓；在正常的非受外部施力情況下，或者在僅僅受到自然重力的情況下，所述管狀空芯塑料光纖具有圓形截面主體；所述圓形截面主體包括三個同心圓；并且，最小的一個同心圓是空心的。其中，最小的一個同心圓是空芯層201，中間的一個同心圓是過渡層202，最大的一個同心圓是包覆層203。
[0043]優(yōu)選的，僅設(shè)置一空芯層。優(yōu)選的，所述空芯層為圓柱體形狀；或者，所述空芯層為橢圓柱體形狀，其具有橢圓形截面，并且，所述過渡層具有圓形截面，其包圍所述橢圓形截面，即所述過渡層的厚度非均勻設(shè)計，這樣，對于折射和反射光路；優(yōu)選的，在所述過渡層中設(shè)置兩條加強(qiáng)筋，其設(shè)置于圓形截面與橢圓形截面的橢圓形短軸之間的位置；優(yōu)選的，所述加強(qiáng)筋的半徑為所述圓形直徑與橢圓形短軸的差值的1/5至1/4?；蛘?，所述過渡層內(nèi)部設(shè)置若干夾心層，每一所述夾心層空置；即所述夾心層內(nèi)部是空的；或者，所述過渡層內(nèi)部分離設(shè)置若干夾心層，即各夾心層非連通設(shè)置。優(yōu)選的，非連通設(shè)置的各夾心層具有弧形截面，并且，其圓心與所述空芯層的圓形截面的圓心相重合。優(yōu)選的，所述夾心層的厚度為20至50微米?；蛘撸瑑?yōu)選的，所述夾心層內(nèi)部設(shè)置折射率小于所述過渡層其他材料的材料，所述其他材料即除了夾心層內(nèi)部材料之外的材料。優(yōu)選的，所述過渡層與所述空芯層接觸的一面具有光滑表層。
[0044]本發(fā)明光纖的工作原理如圖5所示，光源發(fā)出的光線204經(jīng)光纖的端面以注入模式注入光纖中，經(jīng)過光纖空心部位，即空芯層201，而進(jìn)入過渡層202，在過渡層202與包覆層203接界處發(fā)生全反射。光從介質(zhì)I射入介質(zhì)2發(fā)生折射時，入射角91與折射角02的正弦之比Ii2Ai1稱為介質(zhì)2相對介質(zhì)I的折射率，即“相對折射率”。因此，“絕對折射率”可以看作介質(zhì)相對真空的折射率。它是表示在兩種介質(zhì)中光速比值的物理量。例如，根據(jù)折射定律，nlsin Θ j = n2sin θ 2,其中，θ i與θ 2分別是光在介質(zhì)界面上的入射角和折射角，兩種介質(zhì)的折射率分別是Ii1與η2。這時大部分模式的光線，由于符合根據(jù)過渡層與包覆層材料折射率數(shù)值而確定的數(shù)值孔徑NA條件，從而在與包覆層交界面上產(chǎn)生全反射。只要調(diào)整好過渡層的折射率，讓這些全反射的光線重新進(jìn)入光纖的空心位置。以這種形式不斷重復(fù)，形成光線在光纖中傳輸?shù)倪^程。
[0045]采用本發(fā)明各實施例所述空芯塑料光纖，使用簡單，成本低廉，無需連接頭，隨意剪斷使用，插入即可；這樣，非常有助于打破日本公司的行業(yè)壟斷，建立中國企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢。本發(fā)明立意高遠(yuǎn) ,解決了產(chǎn)業(yè)急需解決的衰減問題,還解決了生產(chǎn)成本和應(yīng)用問題,一舉多得。
[0046]并且，本發(fā)明各實施例中，所述過渡層的折射率大于所述包覆層的折射率。由于光在真空中傳播的速度最大，故其他媒質(zhì)的折射率都大于I。通常的，同一媒質(zhì)對不同波長的光，具有不同的折射率；在對可見光為透明的媒質(zhì)內(nèi)，折射率常隨波長的減小而增大，即紅光的折射率最小，紫光的折射率最大。例如，為了使得進(jìn)入光纖中的多模式光全部反射，要求過渡層材料的折射率要大于包覆層材料的折射率。當(dāng)光線從折射率大的介質(zhì)進(jìn)入折射率小的介質(zhì)時，根據(jù)折射理論，折射角將大于入射角，當(dāng)入射角Θ !增大時，折射角也隨之增大。當(dāng)入射角增大到某一角度時，折射角Φ2 = 90ο，折射角為90ο時，對應(yīng)的入射角Q1稱為臨界角θ c。這時折射定律變?yōu)?sin Θ c/sin90o = Ii1Ai2,由此推導(dǎo)出sin Θ c = Ii2Ai1,當(dāng)入射角Θ i大于臨界角0。時，_卩Θ P Θ c時，光由兩種介質(zhì)的界面按θ2= Θ i的角度全部反射回第一種介質(zhì)中，這種現(xiàn)象稱為光的全反射。也就是說，當(dāng)入射角Q1趨近臨界角θ。時，折射光的強(qiáng)度逐漸減弱，反射光的強(qiáng)度逐漸增大；當(dāng)入射角Q1以非常接近于臨界角Θ。時，折射光的強(qiáng)度非常弱，反射光的強(qiáng)度接近于入射光的強(qiáng)度；當(dāng)入射角Q1大于臨界角Θ。時，折射光消失，全反射發(fā)生，光能全部被反射回第一種介質(zhì)中。并且，只有當(dāng)光從折射率大的介質(zhì)入射到折射率小的介質(zhì)時，才能產(chǎn)生全反射。例如，當(dāng)光從玻璃入射到空氣時能產(chǎn)生全反射，而當(dāng)光從折射率小的空氣入射到折射率大的玻璃時，就不能產(chǎn)生全反射現(xiàn)象。優(yōu)選的，通過調(diào)整不同雙介質(zhì)的配對折射率值，可以增強(qiáng)全反射效應(yīng)。
[0047]優(yōu)選的，根據(jù)不同材料間的匹配性與兼容性，即兩者的折射率和物化性質(zhì)，設(shè)置所述過渡層與所述包覆層。不同的雙介質(zhì)組合，需要進(jìn)行匹配和調(diào)整，不僅使兩者的光學(xué)特性能達(dá)到全反射的匹配要求，即滿足雙介質(zhì)全反射的條件，而且關(guān)聯(lián)到光線通過過渡層進(jìn)入空心部位的參數(shù)要求，同時還要考慮現(xiàn)場應(yīng)用的成本要求，以此找出最佳匹配組合方案。并且，為了達(dá)到全反射條件的效果，其生產(chǎn)工藝必須保證過渡層內(nèi)部表面的精度及光潔度，同時減少雙介質(zhì)的交界面材料的相互影響等因素。
[0048]例如，采用PMMA作為過渡層材料，其折射率為1.49，則包覆層材料的折射率必須滿足小于此值，例如通常玻璃的折射率大于1.5，則包覆層材料不能選用玻璃；或者，又如，采用PC作為過渡層材料，聚碳酸酯在一 137?120°C的較寬溫度范圍內(nèi)性能良好，適于戶外使用，折射率為1.586 ;則包覆層材料的折射率小于1.586即可，優(yōu)選的，過渡層材料的折射率比包覆層材料的折射率大0.04 ;優(yōu)選的，過渡層材料的折射率比包覆層材料的折射率大0.1 ;例如，采用折射率低于1.43的硅酮樹脂；又如，選用普通材料作為包覆層材料，在其與過渡層材料接觸的一面設(shè)置一折射層，例如，在包覆層材料與過渡層材料接觸的一面設(shè)置一折射膜或者反射膜；又如，在包覆層材料與過渡層材料接觸的一面設(shè)置UV固化涂料層，由于UV固化涂料通常折射率小于1.4，這樣就可以確保過渡層材料的折射率大于包覆層材料的折射率。優(yōu)選的，所述空芯塑料光纖中，所述過渡層包括聚甲基丙稀酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯中的一種或多種。例如，所述過渡層包括聚甲基丙稀酸甲酯，又如，所述過渡層包括聚碳酸酯，又如，所述過渡層包括聚苯乙烯；例如，聚苯乙烯折射率為1.55至1.60，PMMA折射率為1.49，所述過渡層包括聚苯乙烯，所述包覆層包括聚甲基丙稀酸甲酯；又如，所述過渡層包括聚苯乙烯與聚碳酸酯，所述包覆層包括聚甲基丙稀酸甲酯和/或硅酮樹脂等。優(yōu)選的，所述過渡層為復(fù)合層；例如，所述過渡層包括聚甲基丙稀酸甲酯、聚碳酸酯與聚苯乙烯。優(yōu)選的，所述復(fù)合層的內(nèi)層材料的折射率大于或等于外層材料的折射率。又如，所述過渡層從內(nèi)到外順序設(shè)置聚甲基丙稀酸甲酯、聚碳酸酯與聚苯乙烯。優(yōu)選的，所述過渡層具有圓環(huán)形截面，或者，所述過渡層具有圓環(huán)形截面本體并且所述圓環(huán)形截面本體上凸出若干連續(xù)排列的弓形或者半圓形，這種結(jié)構(gòu)有助于增強(qiáng)所述空芯塑料光纖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并且不影響所述過渡層與所述包覆層之間的全反射效果。優(yōu)選的，所述半圓形的半徑為所述圓環(huán)形截面本體的外環(huán)半徑2%至3%，且各所述半圓形連續(xù)排列，順序連接，均布于所述圓環(huán)形截面本體的外環(huán)外部。優(yōu)選的，如圖3所示，所述空芯層為圓柱形，所述過渡層與所述包覆層為環(huán)形。優(yōu)選的，所述過渡層具有三層圓環(huán)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)環(huán)為聚碳酸酯，中環(huán)為折射率為1.58以下的聚苯乙烯，外環(huán)為聚甲基丙稀酸甲酯。例如，所述內(nèi)環(huán)的聚碳酸酯、中環(huán)的聚苯乙烯、外環(huán)的聚甲基丙稀酸甲酯的厚度比例為(1.0至1.3): (1.0至1.2):1 ;優(yōu)選的，所述內(nèi)環(huán)的聚碳酸酯、中環(huán)的聚苯乙烯、外環(huán)的聚甲基丙稀酸甲酯的厚度比例為1.2:1.1:1，即聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙稀酸甲酯的厚度比例為1.2:1.1:1 ;這樣，能夠獲得非常好的全反射效果，特別適合產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。又如，聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙稀酸甲酯的厚度比例為1:1:1。
[0049]優(yōu)選的，所述空芯塑料光纖直徑為0.3至1.0毫米，例如，所述空芯塑料光纖直徑為0.5,0.6或者0.8毫米等；或者，根據(jù)需求光纖的規(guī)格，設(shè)置所述空芯塑料光纖直徑；這樣，本發(fā)明所提供的空芯塑料光纖能夠完全替代現(xiàn)有各種相關(guān)光纖產(chǎn)品。這里所說的直徑是指所述空芯塑料光纖的外徑。優(yōu)選的，所述空芯塑料光纖中，所述包覆層的厚度為10至200微米，例如，所述包覆層的厚度為16、25、36、55、68、79、99、126、167、184或198微米等。又如，所述過渡層的厚度為10至200微米；例如，所述過渡層的厚度為15、28、34、49、64、75、89、96、111、138、146、168、179或者199微米等。優(yōu)選的，所述空芯塑料光纖中，所述過渡層的厚度與所述包覆層的厚度按預(yù)設(shè)比例設(shè)置。例如，所述包覆層的厚度為所述過渡層的厚度的2至6倍。優(yōu)選的，所述包覆層的厚度為所述過渡層的厚度的3.2至4.5倍。例如，所述包覆層的厚度為所述過渡層的厚度的3.6倍。優(yōu)選的，所述包覆層外部設(shè)置網(wǎng)狀保護(hù)層，其厚度為10至15微米，采用耐磨塑料制備。優(yōu)選的，所述網(wǎng)狀保護(hù)層為塑形層，用于在受力后保持一定形狀，以便于安裝與布線。例如，所述網(wǎng)狀保護(hù)層的網(wǎng)線為金屬絲。例如，所述本體直徑為1.0毫米，所述過渡層的厚度為100微米，所述包覆層的厚度為100微米，所述空芯層厚度為800微米。
[0050]優(yōu)選的，光纖的外徑根據(jù)使用場景不同，其直徑d值為0.3?1.0mm，其中包覆層厚度為10?100 μ m,過渡層的厚度為10?100 μ m,根據(jù)使用場景要求,兩層介質(zhì)的厚度相互調(diào)整配對而定。例如，光纖的直徑為0.6mm，其中包覆層厚度為0.36mm，過渡層的厚度為
0.12_，兩者的比例為3:1。如，光纖的直徑為0.8_，其中包覆層厚度為0.4_，過渡層的厚度為0.2mm,兩者的比例為2:1。
[0051]優(yōu)選的，所述空芯塑料光纖中，所述包覆層為含氟材料層。優(yōu)選的，所述包覆層內(nèi)部設(shè)置一夾心層，其設(shè)置為環(huán)形加強(qiáng)筋層，優(yōu)選的，其采用聚碳酸酯(PC)、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚合物(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料；優(yōu)選的，所述夾心層還設(shè)置線形加強(qiáng)筋層。優(yōu)選的，所述夾心層與所述過渡層非接觸設(shè)置。優(yōu)選的，所述線形加強(qiáng)筋層內(nèi)部設(shè)置若干金屬絲。優(yōu)選的，所述包覆層的氟含量為1%至2%，所述含量為質(zhì)量百分比。例如，所述包覆層至少部分設(shè)置CF4。又如，所述包覆層設(shè)置為兩種或者多種含氟聚合物的混合物。優(yōu)選的，所述包覆層中，CF4的摩爾含量為1%至4%。
[0052]與上述各實施例結(jié)合應(yīng)用，如圖6所示，本發(fā)明的又一實施例是，一種光纜，其包括上述任一實施例所述空芯塑料光纖。優(yōu)選的，所述光纜還包括至少一保護(hù)層，如圖6所示，所述光纜包括光纖與一保護(hù)層，由內(nèi)向外依序是空芯層201、過渡層202、包覆層203與保護(hù)層205 ;例如，所述圓形截面主體包括四個同心圓；并且，最小的一個同心圓是空心的。其中，最小的一個同心圓是空芯層，中間的一個同心圓是過渡層，其外圈的一個同心圓是包覆層，最大的一個同心圓是保護(hù)層。優(yōu)選的，所述保護(hù)層的厚度為所述包覆層的厚度的2至6倍；例如，所述保護(hù)層的厚度為所述包覆層的厚度的2.5倍。例如，保護(hù)層為PE保護(hù)層、PVC保護(hù)層、鋁/聚乙烯綜合保護(hù)層(LAP)、皺紋鋼帶縱包保護(hù)層、LAP+鋼帶繞包保護(hù)層、LAP+鋼帶鎧裝保護(hù)層、或者LAP+鋼絲鎧裝保護(hù)層等。優(yōu)選的，所述光纜中，所述保護(hù)層的厚度為0.3至2.3毫米。又如，所述光纜內(nèi)部容置一根、兩根或者多根所述空芯塑料光纖。
[0053]保護(hù)層的作用是保護(hù)纜芯，即上述空芯塑料光纖，防止機(jī)械損傷和有害物質(zhì)的侵蝕，對抗側(cè)壓能力、防潮密封、耐腐蝕等性能有嚴(yán)格要求。保護(hù)層對于光纜的使用壽命具有重要作用，例如，保護(hù)層結(jié)構(gòu)包括:內(nèi)護(hù)套、鎧裝層與外護(hù)層。其中，所述內(nèi)護(hù)套是位于鎧裝層與纜芯之間的同心層，起機(jī)構(gòu)保護(hù)與鎧裝襯墊作用。優(yōu)選的，內(nèi)護(hù)套設(shè)置為PE、PVC護(hù)套；鎧裝層是設(shè)置在內(nèi)護(hù)套與外護(hù)層之間的同心層，主要起抗壓或抗張的機(jī)構(gòu)保護(hù)作用。優(yōu)選的，鎧裝層由鋼絲或鋼帶構(gòu)成。鋼帶鎧裝層的主要作用是抗壓，適用于地下埋設(shè)的場合。鋼絲鎧裝層的主要作用是抗拉，主要用于水下或垂直敷設(shè)的場合。在海底光纜中，為防止?jié)O具及魚類對光纜的損傷，也有采用鋼帶和鋼絲聯(lián)合構(gòu)成鎧裝層的情況。優(yōu)選的，所述鎧裝層設(shè)置雙層，每一層包括鋼絲層及其外覆的塑料層；常用鋼帶和鋼絲的材料都是由低碳鋼冷軋制成。為防止腐蝕，要求鎧裝鋼帶必須有防蝕措施，如預(yù)涂防蝕漆或鍍鋅或鍍磷等，而鎧裝鋼絲則使用鍍鋅或鍍磷鋼絲、涂塑鋼絲、擠塑鋼絲等。外護(hù)層是設(shè)置在鎧裝層外面的同心層，主要對鎧裝層起防蝕保護(hù)作用。優(yōu)選的，所述外護(hù)層包括PE、PVC和硅橡膠護(hù)套等。
[0054]管狀的空芯塑料光纜橫向剖面圖如圖6所示，其縱向剖面圖如圖7所示。它是由塑料光纖增加保護(hù)層而成。保護(hù)層的材料可根據(jù)使用要求為PE、PVC、尼龍等材料，其厚度為0.3?2.3mm。例如，保護(hù)層為尼龍；例如，保護(hù)層包括厚度為0.8mm的尼龍。優(yōu)選的，所述保護(hù)層具有五層圓環(huán)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)環(huán)為PE，第二環(huán)為鋼絲，中環(huán)為PVC，第四環(huán)為鋼帶，外環(huán)為尼龍，例如，其中PE、鋼絲、PVC、鋼帶、尼龍厚度比例為1:1.2:1:1.2:1.05。這樣，特別適合在惡劣環(huán)境中應(yīng)用。
[0055]進(jìn)一步地，本發(fā)明的實施例還包括，上述各實施例的各技術(shù)特征，相互組合形成的空芯塑料光纖與光纜，通過將階躍式塑料光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新改變，使其光纖特性發(fā)生本質(zhì)的變化，即保留了原塑料光纖的優(yōu)點與特性，又將其光纖傳輸特性質(zhì)變提高，使其能與石英光纖系統(tǒng)兼容。這種創(chuàng)新改變的本質(zhì)是變實心結(jié)構(gòu)為空心結(jié)構(gòu)，而光纖外形仍然保持不變，以便這種新型光纖仍然可以在階躍式塑料光纖系統(tǒng)使用，但不同的是傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)，傳輸?shù)乃俾矢?。塑料光纖的產(chǎn)業(yè)規(guī)模及市場容量巨大，對國家的多種行業(yè)需求及環(huán)境的影響不可忽視。空芯塑料光纖的價格完全低于優(yōu)質(zhì)百兆五類雙絞線價格，因此，本發(fā)明的管狀空芯塑料光纖的研制解決了現(xiàn)有塑料光纖的不足，是數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中光導(dǎo)纖維新產(chǎn)品，有著巨大的市場前景和發(fā)展的空間。
[0056]階躍式塑料光纖因為通信距離僅在100米以內(nèi)，這就限制了塑料光纖在許多領(lǐng)域中拓展應(yīng)用。如本應(yīng)該在三網(wǎng)融合技術(shù)中發(fā)揮應(yīng)有的作用，尤其是在解決最后I公里的問題上，其特性與優(yōu)點突出，但其100米距離限制了它的作用，沒能在三網(wǎng)融合應(yīng)用中體現(xiàn)出來，在控制、電力、交通、醫(yī)療及國防工業(yè)中都存在這個問題；本發(fā)明克服了現(xiàn)有階躍式塑料光纖的不足，不僅可完全替代現(xiàn)有的通信級別階躍式塑料光纖，而且還能替代銅網(wǎng)絡(luò)線，達(dá)到節(jié)省銅資源、節(jié)能環(huán)保的效果和目的。
[0057]本發(fā)明最重要的創(chuàng)新點是管狀的空芯塑料光纖結(jié)構(gòu)的設(shè)計，根據(jù)光學(xué)的全反射原理、反射定律及折射原理，將塑料光纖由實心改為空心利用折射和全反射原理，光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，當(dāng)入射角超過某一臨界角時，折射光完全消失，只剩下反射光，這樣，可以讓光線由原來在實心芯材料中傳導(dǎo)轉(zhuǎn)為在空氣中傳導(dǎo)，不僅使生產(chǎn)成本顯著下降，而且改善了光線在傳導(dǎo)過程中的衰減特性和信號的頻率響應(yīng)特性。這種改變使塑料光纖傳輸特性發(fā)生本質(zhì)變化，從而提高了傳輸速率及傳輸距離。
[0058]需要說明的是，上述各技術(shù)特征繼續(xù)相互組合，形成未在上面列舉的各種實施例，均視為本發(fā)明說明書記載的范圍；并且，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種空芯塑料光纖，其特征在于，設(shè)置包覆層、過渡層與空芯層；所述空芯層空置；所述過渡層的折射率大于所述包覆層的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述空芯塑料光纖，其特征在于，所述包覆層為含氟材料層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述空芯塑料光纖，其特征在于，所述過渡層至少包括聚甲基丙稀酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯其中之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述空芯塑料光纖，其特征在于，所述空芯層的厚度、所述過渡層的厚度與所述包覆層的厚度按預(yù)設(shè)比例設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述空芯塑料光纖，其特征在于，所述過渡層為復(fù)合層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述空芯塑料光纖，其特征在于，所述復(fù)合層的內(nèi)層材料的折射率大于或等于外層材料的折射率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述空芯塑料光纖，其特征在于，所述空芯層為圓柱形，所述過渡層與所述包覆層為環(huán)形。
8.一種光纜，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至7任一所述空芯塑料光纖。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述光纜，其特征在于，還包括至少一保護(hù)層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述光纜，其特征在于，所述保護(hù)層的厚度為0.3至2.3毫米。
【文檔編號】G02B6/032GK103941333SQ201410201686
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】胡衛(wèi)明, 陳明 申請人:深圳市圣諾光電科技有限公司