JP4213091B2

JP4213091B2 - 紫外光伝送用光ファイバーの製造方法

Info

Publication number: JP4213091B2
Application number: JP2004229846A
Authority: JP
Inventors: 正敬大登
Original assignee: SWCC Showa Cable Systems Co Ltd
Current assignee: SWCC Corp
Priority date: 2004-08-05
Filing date: 2004-08-05
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2024-08-05
Also published as: JP2006045012A

Description

本発明は、紫外光、特に３００ｎｍ以下の紫外光を伝送させるのに好適な紫外光伝送用光ファイバーの製造方法に関する。

従来から、光ファイバーは情報通信等に使用される他、医療機器の分野、半導体製造装置等に使用されており、半導体製造工程のリソグラフィーにおいて使用されるエキシマレーザにも採用されている。

光ファイバーは、シリカガラス等で形成され、屈折率の高いコアの外周に屈折率の低いクラッドを設けたものであり、コアには屈折率を高めるため、ゲルマニウム、リン等がドープされ、クラッドには屈折率を低くするため、ホウ素やフッ素等がドープされている。

一方、エキシマレーザー、例えば、ＡｒＦレーザー、ＫｒＦレーザーは１９３ｎｍ、２４８ｎｍの高エネルギーの紫外光を発光する。これらの高エネルギーの紫外光のうち、２００〜３００ｎｍの所謂深紫外光、あるいは２００ｎｍ以下の所謂真空紫外光は、空気中を伝搬させると、Ｈ_２ＯやＯ_２の存在により吸収されるため、損失が大きくなり伝送が不可能であった。このため、真空中または不活性ガスを充填した光路を確保する必要から、エキシマレーザーを用いた露光装置は大掛かりな装置となっていた。このようなエキシマレーザーを用いた露光装置の小型化を図るため、取り扱いが容易となる光ファイバーの適用の要請があった。

また、深紫外光、真空紫外光を利用したものとしてエキシマランプがある。エキシマランプ、例えばＸｅ_２ランプ、ＫｒＣｌランプ、ＸｅＣｌランプはそれぞれ１７２ｎｍ、２２２ｎｍ、３０８ｎｍの深紫外光、真空紫外光を発光する。このようなエキシマランプは半導体ウェハや液晶用ディスプレイガラスの表面に付着した汚れを紫外光照射により光学的に分解、除去する表面洗浄装置に使用されるが、この表面洗浄装置においても露光装置におけると同様の理由により小型化を図り、取り扱いを容易とする光ファイバーの適用の要請があった。

そこで、本願出願人らは以前上記課題を解決するためにコアにフッ素を１００から１０００ｗｔ．ｐｐｍ含有させて３００ｎｍ以下の波長領域における伝送特性を改善した光ファイバーに関する発明を出願した（特許文献１参照）。

特開２００２−２１４４５４号公報

ところで、上記のような従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。

即ち、特許文献１の発明におけるフッ素ドープ光ファイバーはそれ以前の光ファイバーに比較して深紫外光あるいは真空紫外光の透過率及び紫外光照射に対する耐久性の点で格段に優れた性能を示すようになったが、光ファイバーに紡糸する以前のプレフォームロッドのガラス透過スペクトルから予想される波長よりも長波長側で深紫外光領域の透過率が低下するという問題があることがわかった。これは、紡糸後の光ファイバーの吸収端がプレフォームロッドの真性の吸収端（アーバック端）ではなく、紡糸により誘起された酸素欠乏欠陥（Ｏｘｙｇｅｎｎ−ＤｅｆｉｃｉｅｎｔＣｅｎｔｅｒ（Ｉ）、以下「ＯＤＣ（Ｉ）」という）により制限されているためである。

このように、特許文献１の発明におけるフッ素ドープ光ファイバーは、フッ素添加による効果でそれ以前の光ファイバーに比べて紫外光の透過率が格段に優れた特性を有することになったが、それに反してフッ素添加という理由から紡糸によりＯＤＣ（Ｉ）が生成しやすくなるという問題も生じることとなった。本発明は上記のような課題を解決して特に３００ｎｍ以下の紫外光の透過率をさらに改善した光ファイバー及びその製造方法を提供するものである。

本発明は以上の点を解決するため次のような構成からなるものである。

即ち、本発明はまず第１の態様として、フッ素の含有量が１００から１０００ｗｔ．ｐｐｍであるシリカガラスからなるコアを有し、このコアの周囲に前記コアよりも屈折率の低いクラッドを有する光ファイバーを紡糸後、５００から９００℃の温度範囲で水素含浸処理を行うにあたって、紡糸時にクラッドの外周に保護層を被覆し、前記水素含浸処理時に前記保護層を除去し、前記水素含浸処理をした後に保護層を再被覆することを特徴とする。

本願発明の紫外光伝送用光ファイバー及びその製造方法によれば、コアに所定量のフッ素を含有させたシリカガラスを用いて光ファイバーとし、この光ファイバー内のＯＤＣ（Ｉ）の濃度を１０^１２ｃｍ^−３以下としたこと、及び光ファイバー内のＯＤＣ（Ｉ）の濃度を１０^１２ｃｍ^−３以下とするために紡糸後の光ファイバーに５００から９００℃の温度範囲で水素含浸処理を行うようにしたので、３００ｎｍ以下の深紫外光若しくは真空紫外光の波長における透過率が改善される。このため、紫外光を使用するエキシマレーザー、エキシマランプ等に好適に使用でき、エキシマレーザー露光装置、エキシマランプ表面洗浄装置等の小型化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について具体例を用いて説明する。

本発明の紫外光伝送用光ファイバーはコアとしてフッ素含有量が１００から１０００ｗｔ．ｐｐｍ（重量ｐｐｍ）であるシリカガラスから構成される。フッ素は屈折率を低減させるドーパントとして従来はクラッドに添加されていたものであるが、フッ素をコアを形成するシリカガラスに１００から１０００ｗｔ．ｐｐｍ含有させることにより、光ファイバー中を伝送させる紫外光の透過率を高くすることができる。

そして本発明の紫外光伝送用光ファイバーは、コア、クラッドを含む光ファイバー内のＯＤＣ（Ｉ）の濃度が１０^１２ｃｍ^−３以下となっている。紡糸により誘起されるＯＤＣ（Ｉ）は深紫外光領域若しくは真空紫外光領域の透過率を低下させるので、このＯＤＣ（Ｉ）の濃度をできるだけ少なくする方がよい。ＯＤＣ（Ｉ）の濃度が１０^１２ｃｍ^−３を超えると深紫外光領域若しくは真空紫外光領域の透過率の低下を防止することができないのでＯＤＣ（Ｉ）の濃度は１０^１２ｃｍ^−３以下にする必要がある。

なお、コアとしてフッ素のシリカガラスに対する含有量が１００ｗｔ．ｐｐｍ未満であると、光ファイバー中を伝送される紫外光の透過率が低下し、また、クラッドに含有されるフッ素の含有量との関係により、フッ素のシリカガラスに対する含有量が１０００ｗｔ．ｐｐｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の紫外光伝送用光ファイバーは、クラッドとしてフッ素含有量が１０００から７０００ｗｔ．ｐｐｍであるシリカガラスまたはホウ素含有量が２０００から１００００ｗｔ．ｐｐｍであるシリカガラスから構成されることが好ましい。

フッ素、またはホウ素の所定量をシリカガラスに含有させることにより、光ファイバー中を伝送される光の透過率の低下を防止することができる。フッ素のシリカガラスに対する含有量を１０００ｗｔ．ｐｐｍ以上とするのは、コアに含有されるフッ素の含有量との関係によるものであり、また、７０００ｗｔ．ｐｐｍ以下とするのは、フッ素のシリカガラスに対する飽和量に該当するためである。

また、ホウ素のシリカガラスに対する含有量が２０００ｗｔ．ｐｐｍ未満であると、コアの屈折率との関係から、光ファイバー中を伝送される光の透過率の低下を防止することが困難になり、１００００ｗｔ．ｐｐｍ以下とするのは、ホウ素のシリカガラスに対する飽和量に該当するためである。

さらに、本発明の紫外光伝送用光ファイバーのコアとしてフッ素含有量が１００から１０００ｗｔ．ｐｐｍであるシリカガラスは、ＯＨ基を４から７ｗｔ．ｐｐｍの範囲で含有することが、紫外光照射に起因する光ファイバーの劣化を防止することができるので好ましい。ＯＨ基のシリカガラスに対する含有量が４ｗｔ．ｐｐｍ未満であると、光ファイバー中を伝送される紫外光の透過率の低下を防止することができず、また、７ｗｔ．ｐｐｍを超えるとＯＨ基の吸収の影響が大きくなりやはり透過率の低下を生じることとなる。

また、前記した紫外光伝送用光ファイバーの外周には保護層を設けることが好ましい。保護層は光ファイバーを機械的に保護するとともに、環境から保護するために設けられる。保護層としては、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、ウレタン系樹脂、アクリレート系樹脂等が使用される。

次に本発明の紫外光伝送用光ファイバーの製造方法について以下に説明する。

まずコアの作成については、石英ガラス上に所定量のＳｉＯ_２の粒子を堆積させて火炎加水分解によってガラス化させて作成する直接ガラス化法や、別の焼結工程により作成する所謂スート法等で、口径２０ｍｍ程度のコアロッドを作成することができる。

そしてフッ素またはホウ素の所定量を含有したシリカガラスクラッドを有する紫外光伝送用光ファイバー用のプレフォームロッドを製造するには、ＶＡＤ法（気相軸付け法）、ＯＶＤ法（外付け法）、ＭＣＶＤ法（内付け法）等によることができるが、所定量のフッ素あるいはホウ素を含有させたシリカガラスから、外径３０ｍｍ程度の中空のドープ管を形成し、先に形成されたコアロッドを挿入して、プレフォームロッドを作成することもできる。

このプレフォームロッドを紡糸して紫外光伝送用光ファイバーを製造する。紡糸はプレフォームロッドを紡糸炉で加熱溶融しながら外径が所定の値になるように引取り機の速度を調整して引取り、光ファイバーとする。この光ファイバーの紡糸の際にクラッドの外周に保護層を被覆する。保護層の被覆は、保護層を形成する樹脂を紡糸炉の下流に設けたダイスによりクラッドの周囲に所定量押し出し、硬化装置若しくは架橋装置により樹脂を加熱硬化若しくは紫外線照射架橋して行う。この場合、保護層としてシリコーン樹脂、ポリイミド樹脂を使用する場合は加熱硬化され、ウレタン系樹脂、アクリレート系樹脂を使用する場合は紫外線照射架橋がなされる。

上記のようにして光ファイバーを紡糸した後に水素含浸処理を行う。水素含浸処理は深紫外光領域若しくは真空紫外光領域の透過率を低下させるＯＤＣ（Ｉ）の濃度を低減させるために行うもので、まず保護層を除去して光ファイバーのクラッドを露出させる。次にこの保護層を除去した光ファイバーを石英容器に入れ、５００℃から９００℃の温度範囲の水素中に放置して水素を含浸させる。

この時石英容器中の圧力は０．０５から１ＭＰａが好ましい。０．０５ＭＰａ未満では水素含浸処理の効率が悪くなり、１ＭＰａを超えても差し支えはないが、あまり圧力が高くなると取り扱いに注意を払わなければならなくなるので１ＭＰａ程度を限度とすることが好ましい。また、水素含浸処理に要する時間は２時間から１２時間程度が好ましい。２時間未満では十分に水素含心処理が行えない虞があり、１２時間を超えても差し支えはないが製造効率が悪くなるためである。

水素含浸処理が終了した後には光ファイバーの強度を確保するために前記した樹脂を再被覆する。このようにして製造した光ファイバーはＯＤＣ（Ｉ）の濃度が１０^１２ｃｍ^−３以下となっており、深紫外光領域若しくは真空紫外光領域における光の透過率の大幅な改善が見られる。

コアとしてフッ素含有量が２００ｗｔ．ｐｐｍ、ＯＨ基含有量が５ｗｔ．ｐｐｍのフッ素ドープシリカガラスを用い、フッ素含有量が７０００ｗｔ．ｐｐｍのシリカガラスからなるクラッドを形成した。コア径は１０００μｍ、クラッド径は１２５０μｍとした。この光ファイバーのクラッドの周囲に保護層としてシリコーン樹脂を被覆した。次に、この光ファイバーを長さ１ｍだけ取り出し、保護層の樹脂を除去し、保護層のない裸の状態の光ファイバーとした後、この光ファイバーを室温で水素を満たした石英容器に封管した。この時石英容器中の圧力は０．０８ＭＰａとした。その後温度を室温から６００℃まで上げ、この温度で１２時間維持した。この水素含浸処理の後保護層を再被覆して紫外光伝送用光ファイバーを製造した。

このようにして製造した光ファイバーの透過率を図１の実線にて示す。横軸は波長、縦軸は透過率を示しているが、図１に示す波長範囲は１４０ｎｍから２２０ｎｍである。なお、図１には比較例として紡糸した状態のままで水素含浸処理を行っていない光ファイバーについても波線にて示している。また、図１にはＯＤＣ（Ｉ）が生じていないプレフォームロッドの透過率も一点鎖線にて併せて示している。

図１に示す結果より、比較例である紡糸した状態のままの光ファイバーでは１６３ｎｍの波長付近にＯＤＣ（Ｉ）による吸収が見られるのに対して、本発明の紫外光伝送用光ファイバーでは１６３ｎｍの波長付近の吸収が見られず、もともとＯＤＣ（Ｉ）のないプレフォームロッドの透過率と同様な特性を示している。これは紡糸により誘起された光ファイバー中のＯＤＣ（Ｉ）が水素含浸処理により低減若しくは消滅したことを示している。

図２は波長範囲が１５０ｎｍから３００ｎｍの間で図１に示す光ファイバーと同一の条件で水素含浸処理を行った光ファイバー（実施例；実線）と水素含浸処理を行っていない光ファイバー（比較例；波線）との透過率特性を示している。やはり横軸は波長、縦軸は透過率を示している。測定した光ファイバーの長さは１ｍである。

図２に示す結果より、比較例の光ファイバーに比べて実施例の光ファイバーは１９３ｎｍの波長付近で透過率が６５％（０．６５）から８０％（０．８）へ、また１８０ｎｍの波長付近で透過率が２５％（０．２５）から５０％（０．５）へと大幅に改善されていることが明らかである。

以上の結果より、本発明の紫外光伝送用光ファイバーは所定の温度範囲で水素含浸処理を行ったことにより、ＯＤＣ（Ｉ）の濃度を１０^１２ｃｍ^−３以下にすることができたので深紫外領域若しくは真空紫外光領域の透過率が著しく改善されていることがわかった。

本発明はコアとして所定量のフッ素を含有させたシリカガラス、クラッドとして光軸に平行な複数の中空孔を備えた、所謂フォトニクス結晶ファイバーにも適用することができる。

本発明の一実施例の透過率―波長特性を説明する図である。本発明の他の実施例の透過率―波長特性を説明する図である。

Claims

フッ素の含有量が１００から１０００ｗｔ．ｐｐｍであるシリカガラスからなるコアを有し、このコアの周囲に前記コアよりも屈折率の低いクラッドを有する光ファイバーを紡糸後、５００から９００℃の温度範囲で水素含浸処理を行う紫外光伝送用光ファイバーの製造方法において、紡糸時にクラッドの外周に保護層を被覆し、前記水素含浸処理時に前記保護層を除去し、前記水素含浸処理をした後に保護層を再被覆することを特徴とする紫外光伝送用光ファイバーの製造方法。