JP2003012348A - 光導波路の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 紫外線照射劣化を大きく低減して長期間の使
用に耐える光導波路を製造できる方法を提供する。 【解決手段】 本発明の方法は、所定波長の紫外光を伝
送するように設計された光導波路を製造する。まず、石
英ガラス製のコアを有する光導波路を用意し、コアに電
磁波を照射する。これにより、ガラス欠陥になる可能性
がある前駆体が強制的にガラス欠陥に変換される。次
に、コアに水素を添加してから、コアに電磁波を再び照
射する。第一回目にコアに照射する電磁波は、製造され
る光導波路で伝送しようとする紫外光の波長よりも短い
波長を有し、したがってより高いエネルギーを有してい
る。このため、伝送紫外光のエネルギーで欠陥に変化す
るような前駆体が確実に欠陥に変化し、前駆体が効率良
く除去されるので、紫外線照射劣化が大きく低減され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光導波路の製造方法
に関し、特に紫外光伝送用の光導波路を製造する方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】３００ｎｍ以下の波長を有する紫外光
は、近年、フォトリソグラフィ、レーザー加工、殺菌、
消毒等の分野において利用価値が高まっている。特に半
導体チップの微細化に伴って、より短波長の紫外光を伝
送する技術の開発が進められている。現在は２４８ｎｍ
の波長を有するＫｒＦエキシマレーザ光が主に使用され
ているが、１９３ｎｍ波長のＡｒＦエキシマレーザ光や
１５７ｎｍ波長のＦ₂レーザ光が今後は主流になるもの
と思われる。紫外光伝送用の光導波路の典型的な例は光
ファイバであり、実際に医療や微細加工等の分野で利用
されている。

【０００３】ガラス光ファイバで紫外光を伝送すると徐
々にガラスが劣化して伝送損失が増加するという現象、
すなわち紫外線照射劣化が知られている。石英ガラスを
コアとする石英系光ファイバは多成分系ガラス光ファイ
バに比べると伝送損失増加が小さいため紫外光伝送用と
して好適であるが、やはり紫外線照射劣化の問題は残っ
ている。

【０００４】紫外線照射劣化の主因はガラスの結合欠陥
の生成にあると言われている。本明細書においてガラス
の結合欠陥とは、ガラスネットワーク構造の一部の結合
が完全に切断された状態、もしくはネットワークの一部
に歪が加わることにより結合距離が大きく引き延びたり
して極めて切断されやすい状態になっていることをい
う。図３に現在報告されている石英ガラスのガラス欠陥
のうち数例を示す。このうち紫外線領域の光を吸収する
代表的なものとして≡Ｓｉ・（Ｅ′センター）や≡Ｓｉ
−Ｓｉ≡といった酸素欠損型欠陥が挙げられる。

【０００５】紫外線照射劣化を低減する方法としては、
本発明者らによる特開平１１−２９３３５号公報記載の
方法が知られている。この方法は、適当な長さに切断さ
れた石英系光ファイバの端面から電磁波を照射してコア
中の前駆体をＥ′センター欠陥に変化させ、その後、コ
アに水素を添加してから電磁波を再度照射することによ
り、最初の照射で形成されたＥ′センター欠陥に水素を
固定するものである。紫外光を吸収する欠陥の前駆体が
除去されることにより紫外光伝送中の欠陥の増加が抑え
られ、紫外線照射劣化が低減される。上記公報は、水素
の添加の前に光ファイバに照射する電磁波として、紫外
線（４００〜１ｎｍ）、Ｘ線（数十〜０．０１ｎｍ）、
γ線（０．０１ｎｍ以下）など、その照射によってガラ
スに結合欠陥を生じさせ得るエネルギー、すなわち３．
５ｅＶ以上の量子エネルギーを有する電磁波を挙げてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、伝送光
の短波長化に伴って紫外線照射劣化の問題が顕著になっ
てきており、劣化低減技術の改良や最適化が必要とされ
ている。

【０００７】本発明は、上記に鑑みなされたもので、紫
外線照射劣化を大きく低減して長期間の使用に耐える光
導波路を製造することの可能な方法を提供することを課
題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、所定波長の紫
外光を伝送するように設計された光導波路を製造する方
法を提供する。本発明の方法は、石英ガラス製のコアを
有する光導波路を用意し、コアに第１の電磁波を照射し
てガラス欠陥を生じさせる第１工程と、第１電磁波が照
射されたコアに水素を添加する第２工程とを備えてお
り、第１電磁波は、前記紫外光の所定波長よりも短い波
長を有している。

【０００９】なお、「光導波路」とは、光をコアに閉じ
込めて伝送する回路または線路をいい、光ファイバや平
面導波路、複数本の光ファイバを束ねた構造のバンドル
ファイバなどが含まれる。また、第２工程でコアに添加
する水素は、質量数１の同位体に限定されず、質量数２
の同位体、すなわち重水素であってもよい。

【００１０】本発明の方法により製造される光導波路で
伝送しようとする紫外光（以下、「伝送光」と呼ぶ）の
波長よりも短い波長を有し、したがってよりエネルギー
の高い電磁波が第１工程でコアに照射されるので、伝送
光のエネルギーで欠陥に変化するような前駆体が確実に
欠陥に変換される。これにより前駆体が効率良く除去さ
れるので、紫外線照射劣化が大きく低減される。

【００１１】第１工程は、石英ガラス製のプリフォーム
から光導波路を線引する工程と、線引された光導波路の
側面に第１電磁波を照射する工程とを備えていてもよ
い。また、第１工程は、第１電磁波が照射された光ファ
イバに被覆を付ける工程を更に備えていてもよい。

【００１２】光導波路の端面からではなく側面から第１
電磁波が照射されるので、第１電磁波の波長が短く、そ
のためコア中での伝送損失が大きい場合であっても、コ
アの全体にわたって第１電磁波が十分に照射される。こ
の結果、前駆体がいっそう効率良く欠陥に変換され、紫
外線照射劣化を更に低減することができる。また、線引
工程中に第１電磁波の照射を行うことができるので、線
引後に光導波路の端面から電磁波照射を行う従来の方法
よりも製造効率を高めることができる。

【００１３】本発明の方法は、第２工程で水素が添加さ
れたコアに第２の電磁波を照射する第３工程を更に備え
ていてもよい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下では、図１および図２を参照
しながら本発明の実施形態に係る光導波路製造方法を具
体的に説明する。ここで図１は、本実施形態の方法の全
体的な流れを示すフローチャートである。また図２は、
図１のステップ１０１〜１０４で使用される線引装置１
の構成を模式的に示している。

【００１５】本実施形態では、ＡｒＦエキシマレーザ光
源から出力されるＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３
ｎｍ）を伝送するように設計された光ファイバを製造す
る。まず、図２に示される線引装置１を用いてプリフォ
ーム２から光ファイバを線引する。このプリフォーム２
は、略円柱状のコア部と、このコア部の側面に密着して
コア部を同心状に包囲する略円管状のクラッド部を有し
ている。コア部およびクラッド部は石英ガラスから構成
されており、クラッド部はコア部より低い屈折率を有し
ている。本実施形態では、コア部にフッ素が１重量％含
まれており、クラッド部にフッ素が３重量％含まれてい
る。コアにフッ素を添加することにより、紫外線照射劣
化や紫外光伝送損失を抑えることができる。

【００１６】プリフォーム２を加熱炉４内で加熱するこ
とにより線引工程が開始される（図１のステップ１０
１）。すなわち、プリフォーム２は加熱炉４によって約
２０００℃の温度で加熱溶融され、光ファイバ８に線引
される。矢印９で示されるように、光ファイバ８はその
長手方向に沿って下方に移動し、Ｆ₂レーザ光照射装置
２４の前方を通過する。Ｆ₂レーザ光照射装置２４は、
電磁波の一つであるＦ₂レーザ光（波長１５７ｎｍ）の
ビーム２６を光ファイバ８の側面に照射する（ステップ
１０２）。

【００１７】上述した特開平１１−２９３３５号公報で
も述べているように、本発明者は、電磁波を石英系光フ
ァイバに照射することによって、ガラス欠陥になる可能
性のある前駆体が強制的に欠陥に変換されると考えてい
る。すなわち、本発明者の考察によれば、石英ガラスに
含まれるＳｉ−Ｓｉ結合は、光吸収によって結合エネル
ギーを超えるエネルギーを受け取ると切断され、これに
より１個のＳｉ−Ｓｉ結合から２個のＥ′センター欠陥
（Ｓｉ・）が生成される。このようにＳｉ−Ｓｉ結合は
Ｅ′センターの源、すなわち前駆体であり、石英系光フ
ァイバのコアにＳｉ−Ｓｉ結合が含まれていると、紫外
光がコア中を伝送されるときにＳｉ−Ｓｉ結合に吸収さ
れてＥ′センターが生成される場合があると思われる。
実際、Ｓｉ−Ｓｉ結合は１６３ｎｍおよび２４８ｎｍに
吸収ピークを有していると考えられ、本実施形態で製造
する光ファイバの伝送光（波長１９３ｎｍ）を十分に吸
収しうる。この結果、コア中の欠陥の数が徐々に増加
し、伝送損失の増加、すなわち紫外線照射劣化を生じる
と考えられる。特に、Ｓｉ−Ｓｉ結合から生成される
Ｅ′センターは２１５ｎｍを中心とした波長域の光を吸
収すると考えられるので、本実施形態で製造する光ファ
イバではＥ′センターに起因する紫外線照射劣化が顕著
であると思われる。

【００１８】以上の考察に基づいて、本実施形態では、
ステップ１０２の電磁波照射によって前駆体を欠陥に変
化させて前駆体を除去し、その後の紫外光伝送による
Ｅ′センターの生成を抑制し、紫外線照射劣化を低減し
ている。

【００１９】Ｆ₂レーザ光照射装置２４を通過した光フ
ァイバ８は、外径測定器６によりその外径を測定された
後、コーティングダイ１０を通過する。光ファイバ８
は、コーティングダイ１０を通ることにより、第１およ
び第２の紫外線硬化型樹脂がそれぞれ所定の厚さで一括
して塗布される。この後、高圧水銀灯などの硬化装置１
２によって光ファイバ８に紫外線が照射され、第１およ
び第２紫外線硬化型樹脂が一括して硬化させられる。こ
れにより光ファイバ８の樹脂被覆が完了し、第１紫外線
硬化型樹脂からなる内側被覆と第２紫外線硬化型樹脂か
らなる外側被覆を備える光ファイバ素線１４が得られる
（ステップ１０３）。

【００２０】この光ファイバ素線１４は、キャプスタン
１６およびガイドローラ１８を介して巻き取りドラム２
０によって巻き取られる（ステップ１０４）。外径測定
器６およびキャプスタン１６には外径制御装置２２が接
続されている。外径制御装置２２は、入力される光ファ
イバ８の外径測定値に応じてキャプスタンの回転速度を
制御し、光ファイバ８が所定の外径を有するようにす
る。

【００２１】次に、上記のような線引工程によって得ら
れた光ファイバ素線１４のコアに水素を添加する（ステ
ップ１０５）。この水素添加処理は、たとえば水素分子
を含む雰囲気中に光ファイバ素線１４を保持することに
よって行うことができる。この雰囲気は、純粋な水素ガ
スであってもよいし、水素ガスと他のガス（たとえば、
窒素ガスおよび／または不活性ガス）との混合雰囲気で
あってもよい。水素添加処理の一例を挙げると、８０
℃、６気圧、水素ガス１００％の雰囲気中に光ファイバ
素線１４を１週間（１６８時間）曝す。

【００２２】特開平１１−２９３３５号公報でも述べら
れているように、本発明者は、このようにしてコアに添
加した水素がステップ１０２の電磁波照射で生成された
Ｅ′センター欠陥（Ｓｉ・）と結合し、Ｓｉ−Ｈ結合を
生成する結果、紫外光の伝送損失を低減できると考えて
いる。なお、コアに添加する水素として重水素を用いて
も同様の効果を得ることができる。

【００２３】次に、光ファイバ素線１４を所望の長さ
（たとえば１ｍ）に切断し、両端からＡｒＦエキシマレ
ーザ光（波長１９３ｎｍ）を照射する（ステップ１０
６）。これにより、本実施形態の光ファイバの製造が完
了する。

【００２４】ステップ１０６の電磁波照射は、Ｓｉ−Ｈ
結合における水素の脱離を防ぐためのものである。特開
平１１−２９３３５号公報にも記載するように、本発明
者は、電磁波照射が水素と欠陥との結合を促進し、より
安定な結合を生成できる、すなわち水素が固定された状
態となり、水素の抜けを防止できると考察している。

【００２５】このように本実施形態では、水素添加の前
後に光ファイバのコアに電磁波を照射する。以下では、
水素添加（ステップ１０４）の前に行われる電磁波照射
（ステップ１０２）を「前照射」と呼び、水素添加後の
電磁波照射（ステップ１０５）を「後照射」と呼ぶ。

【００２６】本実施形態の特徴は、（１）ステップ１０
２の前照射で使用される光が、製造される光ファイバに
よって伝送しようとする光（以下、「伝送光」と呼ぶ）
の波長よりも短い波長を有すること（上記実施形態で
は、伝送光の波長が１９３ｎｍであるのに対し、前照射
される電磁波の波長は１５７ｎｍである。）、および
（２）前照射が光ファイバの線引中において樹脂被覆工
程（ステップ１０３）の前に行われることである。

【００２７】まず、（１）の特徴について説明する。本
発明者の考察によれば、照射する電磁波のエネルギーが
高いほど前駆体を効率良く欠陥に変換できる。電磁波の
エネルギーは波長が短いほど高いので、伝送光の波長よ
りも短い波長の電磁波をコアに照射すれば、伝送光のエ
ネルギーで欠陥に変化するような前駆体を確実に欠陥に
変換し、十分な欠陥生成効率を得ることができると考え
られる。したがって、紫外線照射劣化が大きく低減さ
れ、長期間の使用に耐える光ファイバを製造することが
できる。

【００２８】次に、（２）の特徴について説明する。石
英系の光導波路では、紫外線領域において波長の短い光
ほど伝送損失が大きくなる傾向がある。このため、伝送
光よりも短い波長の電磁波を従来のように光導波路の端
面から照射しても、コアの全長にわたっては照射され
ず、照射の不十分な部分が残る可能性が高い。そこで本
実施形態では、光ファイバの側面から電磁波を前照射す
ることとし、そのために線引中において光ファイバに被
覆が付けられる前に前照射を行うこととした。これによ
り光ファイバのコアの全体にわたって電磁波を十分に照
射することができるので、前駆体を効率良く欠陥に変換
し、紫外線照射劣化を大きく低減することができる。ま
た、線引中に前照射を行うことで、線引後に光ファイバ
素線に対して前照射を行う従来の方法よりも製造効率を
高めることができる。

【００２９】以上、本発明をその実施形態に基づいて具
体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形
が可能である。

【００３０】例えば、上記実施形態では光ファイバに本
発明を適用したが、伝送光よりも短い波長の光を前照射
することは、平面導波路やバンドルファイバなど、石英
ガラス製のコアを有する他の光導波路に対しても同様に
適用することができる。また、線引中に前照射を実行す
ることも、線引により製造できる光導波路であれば同様
に適用することができる。

【００３１】また、光導波路の屈折率分布構造について
は特に限定されるところはなく、モノコア、マルチコ
ア、シングルモード、マルチモードのいずれでもよい。

【００３２】

【発明の効果】本発明では、光導波路に水素を添加する
前に照射する電磁波の波長が光導波路で伝送しようとす
る紫外光の波長よりも短く、より高いエネルギーを有し
ているため、伝送紫外光のエネルギーで欠陥に変化する
ような前駆体を確実に欠陥に変換し、効率良く除去する
ことができる。したがって本発明によれば、紫外線照射
劣化を大きく低減し、長期間の使用に耐える光導波路を
製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の光導波路製造方法を示すフローチャ
ートである。

【図２】光ファイバの線引中に電磁波照射を行う装置の
構成を示す模式図である。

【図３】ガラスの結合欠陥の例を、正常なガラス構造お
よび欠陥に水素を固定した安定構造とともに示す図であ
る。

【符号の説明】

２…プリフォーム、４…加熱炉、６…外径測定器、８…
光ファイバ、１０…コーティングダイ、１２…硬化装
置、１４…光ファイバ素線、１６…キャプスタン、１８
…ガイドローラ、２０…巻き取りドラム、２２…外径制
御装置、２４…Ｆ ₂レーザ光照射装置、２６…Ｆ₂レーザ
光ビーム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宍戸 資彦 神奈川県横浜市栄区田谷町１番地 住友電 気工業株式会社横浜製作所内 Ｆターム(参考） 4G059 AA20 AB09 AB11 AC24 AC30 4G060 AD43 AD44

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定波長の紫外光を伝送するように設計
   された光導波路を製造する方法であって、 石英ガラス製のコアを有する光導波路を用意し、前記コ
   アに第１の電磁波を照射してガラス欠陥を生じさせる第
   １工程と、 前記第１電磁波が照射された前記コアに水素を添加する
   第２工程と、を備え、 前記第１電磁波が前記紫外光の所定波長よりも短い波長
   を有している光導波路製造方法。
2. 【請求項２】 前記第１工程は、 石英ガラス製のプリフォームから光導波路を線引する工
   程と、 線引された前記光導波路の側面に前記第１電磁波を照射
   する工程と、を備えている、請求項１記載の光導波路製
   造方法。
3. 【請求項３】 水素が添加された前記コアに第２の電磁
   波を照射する第３工程を更に備える請求項１記載の光導
   波路製造方法。