JP5128030B2 - 光ファイバ端面への誘電体膜成膜方法と誘電体膜成膜装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本件発明の一つは、光ファイバの端面に誘電体膜を成膜する方法に関するものである。本件出願の他の一つは、光ファイバの端面に誘電体膜を成膜可能な装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光ファイバの端面(以下「ファイバ端面」)に誘電体膜を成膜するための装置として従来図9に示すような誘電体膜成膜装置がある。この誘電体膜成膜装置は、真空チャンバーAの内に、少なくとも2基の電子ビーム銃(EBガン)B、B’と、2つの容器(ルツボ)C、C’と、図示されていない光ファイバの端部をセット可能な回転ドームDと、活性分子を照射可能なイオン銃Fと、負電荷の熱電子を照射可能なニュートライザGが設けられたものである。
【0003】
図9に示す誘電体膜成膜装置によって、ファイバ端面に誘電体膜を成膜するには次のようにする。図示されていないホルダーを介して前記回転ドームDに光ファイバの端部をセットし、ファイバ端面を真空チャンバーA内に露出させる。次に、回転ドームDを回転させながら、一方の電子ビーム銃Bから一方の容器C内に収容されている誘電体膜の原料(高屈折材料又は低屈折材料)に向けて電子ビームを照射して同原料を溶融させて蒸発させ、蒸発した原料分子又は原子をファイバ端面に蒸着させる。所定量の原料分子又は原子が蒸着したら、当該電子ビーム銃Bからの電子ビームの照射を停止すると共に、隣接するシャッターHを回動させて当該容器Cを閉塞する。次いで、他方の電子ビーム銃B’から他方の容器C’内に収容されている誘電体膜の原料(低屈折材料又は高屈折材料)に向けて電子ビームを照射し、前記と同様にして先にファイバ端面に蒸着している原料分子又は原子の上に当該容器C’から蒸発した原料分子又は原子を蒸着させて積層する。所定量の原料分子又は原子が蒸着したら、当該電子ビーム銃B’からの電子ビームの照射を停止すると共に、隣接するシャッターH’を回動させて当該容器C’を閉塞する。以後、これを繰り返して、ファイバ端面に高屈折材料による膜(以下「高屈折材料膜」)と低屈折材料による膜(以下「低屈折材料膜」)を交互に積層して所定膜厚の誘電体膜を成膜する。
【0004】
尚、図9に示す前記イオン銃Fは、形成される誘電体膜の緻密性を向上させるために、ファイバ端面に向けて活性分子(O2活性分子、Ar活性分子、He活性分子、N2活性分子、CO2活性分子、H2O活性分子等)を照射して、同端面に蒸着される原料分子又は原子にエネルギーを付与するものである。また、前記ニュートライザGは、成膜中のファイバ端面が正に帯電するのを防ぐために、負電荷の熱電子を同端面に向けて照射して電気的中立を保つためのものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前記のようにしてファイバ端面に誘電体膜を成膜することには次のような課題があった。
ファイバ端面への原料分子又は原子の蒸着開始時における真空チャンバーA内の温度は室温とほぼ同一であるが、蒸着開始後は電子ビーム銃B等の輻射熱やイオン銃Fのアシスト効果等によって真空チャンバーA内の温度に変化が生じる。かかる温度変化によってファイバ端面に積層される前記高屈折材料膜及び低屈折材料膜の屈折率が夫々変化し、結果として誘電体膜の光学特性が所期の光学特性とは異なったものとなってしまう。例えば、図9に示す誘電体膜成膜装置を使用して前記高屈折材料膜の一つであるTa2O5膜を成膜した際、真空チャンバーA内に図10に示すグラフに表される温度変化が生じた。かかるグラフから、真空チャンバーA内の温度はTa2O5膜の成膜開始後、時間経過と共に上昇し、成膜開始時と終了時とでは60℃の温度変化が生じていることがわかる。図11は、真空チャンバーAに設けられた光学式膜厚計(図示しない)によって測定された光量変化パターンを示すグラフであり、同グラフ中のA点における正弦波の山と谷の差P1は成膜開始から15分後におけるTa2O5膜(膜厚90nm)の屈折率を示し、B点における正弦波の山と谷の差P2は成膜開始から42分後におけるTa2O5膜(膜厚270nm)の屈折率を示す。図12は、前記図11に示すグラフに基づいて算出したTa2O5膜の屈折率を表すグラフである。同グラフから、本来、膜厚に拘らず一定であるはずのTa2O5膜の屈折率が、成膜開始から15分後の時点におけるTa2O5膜(膜厚90nm)と、成膜開始から42分後の時点におけるTa2O5膜(膜厚270nm)とでは、0.13も異なることがわかる。
【0006】
以上のような真空チャンバー内の温度変化に起因する屈折率の変化は、Ta2O5膜以外の高屈折材料膜(例えば、TiO2膜やNb2O5膜等)及び低屈折材料膜(例えば、SiO2膜等)についても同様に発生する。従って、これら高屈折材料膜と低屈折材料膜とをファイバ端面に交互に積層して誘電体膜を成膜すると、成膜された誘電体膜の光学特性が所期の光学特性とは異なったものとなってしまう。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的の一つは、ファイバ端面に誘電体膜を成膜するにあたって、周囲温度の変化を可及的に少なくし、所期の光学特性を備えた誘電体膜を成膜可能とした方法を提供することにある。本発明の目的の他の一つは、前記方法を実現可能な誘電体膜成膜装置を提供することにある。
【0008】
本件出願の光ファイバ端面への誘電体膜成膜方法は、チャンバー内に光ファイバの端面を配置して、同端面に誘電体膜の原料原子又は分子を蒸着させる光ファイバ端面への誘電体膜成膜方法において、前記チャンバー内を、誘電体膜の原料分子又は原子の蒸着開始時から蒸着終了時までのチャンバー内の温度変化が所定の温度範囲以内となる所定温度に予備加熱してから光ファイバの端面への原料分子又は原子の蒸着を開始し、前記誘電体膜が、高屈折材料膜と低屈折材料膜が交互に成膜された層からなり、前記高屈折材料膜と低屈折材料膜がそれぞれ1層成膜された後に、チャンバー内の温度が前記所定温度に低下するまで待ってから続く膜の成膜を開始するものである。
【0009】
本件出願の誘電体膜成膜装置の一つは、チャンバー内に露出した光ファイバの端面に誘電体膜の原料分子又は原子を蒸着させて誘電体膜を成膜可能な誘電体膜成膜装置であって、光ファイバの端面への原料分子又は原子の蒸着を開始する前に、チャンバー内を予備加熱するための第1加熱源を備え、前記第1加熱源は誘電体膜の原料分子又は原子の蒸着開始時から蒸着終了時までのチャンバー内の温度変化が所定の温度範囲以内となる所定温度に予備加熱することができるものであり、前記誘電体膜の原料を溶融させて、その分子又は原子を蒸発させるための電子ビーム銃をチャンバー内に備え、その電子ビーム銃の近傍に、電子ビーム銃の脱ガスを行い、かつチャンバー内を前記所定温度に予備加熱するための第2加熱源を前記第1加熱源とは別にさらに備えたものである。
【0010】
本件出願の誘電体膜成膜装置の他の一つは、前記チャンバー内に、光ファイバを固定するためのドームが備えられ、前記チャンバー内で前記ドームの電子ビーム銃と反対側に配置された温度計によって前記所定温度が測定されるものとすることもできる。
【0011】
本件出願の誘電体膜成膜装置の他の一つは、前記チャンバー内に、光ファイバを固定するためのドームと、前記ドームの温度を測定するための放射温度計が備えられ、前記放射温度計から前記所定温度が導かれるものとすることもできる。
【0012】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
以下、本発明の光ファイバ端面への誘電体膜成膜方法及び誘電体膜成膜装置の実施形態の一例を説明する。ここに示す本発明の誘電体膜成膜装置は図1に示すように、内部が密閉空間となる真空チャンバー1内に2基の電子ビーム銃(EBガン)2a、2bと、誘電体膜の原料を収容可能な2つの容器(ルツボ)3a、3bと、図示されていない光ファイバの端部をセット可能な回転ドーム4と、活性分子を照射可能なイオン銃5と、負電荷の熱電子を照射可能なニュートライザ6と、当該真空チャンバー1内の温度を制御可能な温度制御機構7と、ファイバ端面に成膜された誘電体膜の膜厚を測定可能な光学式膜厚計8を設けたものである。電子ビーム銃2a、2b、容器3a、3b、回転ドーム4、イオン銃5、ニュートライザ6は、前記図9に示すそれらと同一の構造を備え、同一の作用を奏するものであり、ここでは説明を省略する。
【0013】
前記温度制御機構7は、真空チャンバー1内に配置された第2加熱源(シースヒータ)10と、シースヒータ10へ給電するヒータ電源11と、真空チャンバー1内の温度を検知するセンサ(熱電対)12と、熱電対12の検知結果に基づいて真空チャンバー1内の温度を測定し、測定結果に基づいて前記ヒータ電源11を制御する温度コントローラー13とから構成されている。この温度制御機構7では、温度コントローラー13が測定された真空チャンバー1内の温度に基づいてヒータ電源11に制御信号を出力し、同電源11からシースヒータ10へ給電される電力量を増減させて同ヒータ10の発熱量を調整することによって真空チャンバー1内の温度を制御する。
【0014】
前記光学式膜厚計8は、図1に示すガラス板20、第1及び第2のミラー21a、21b、光源23、検出器24から構成されている。前記ガラス板20は前記回転ドーム4の回転軸25の先端に配置されており、当該ガラス板20の表面にファイバ端面と同一の条件で誘電体膜の原料分子又は原子が蒸着されるようにしてある。前記第1のミラー21aは光源23から発生した光をガラス板20に向けて反射させるものである。具体的には前記回転軸25は中空としてあり、第1のミラー21aによって反射された光は回転軸25の内部を光路として伝搬し、ガラス板20に照射される。前記第2のミラー21bはガラス板20に照射された光のうち、反射した光を前記検出器24に向けて反射させて、同検出器24に入射させるものである。検出器24は入射した光のうち、特定波長の光の光量変化に基づいてガラス板20の表面に蒸着された原料分子又は原子の量(膜厚)を検出するものである。
【0015】
ここに示す本発明の光ファイバ端面への誘電体膜成膜方法は、前記本発明の誘電体膜成膜装置を使用してファイバ端面に誘電体膜を成膜するものであり、具体的には次の工程からなる。
(1)図1に示す誘電体膜成膜装置の回転ドーム4に図示されていないホルダーを介して光ファイバの端部をセットし、ファイバ端面を真空チャンバー1内に露出させる。
(2)シースヒータ10によって真空チャンバー1内を加熱し、同チャンバー1内の温度を70℃(図1の温度コントローラ13による測定値)まで上昇させる。
(3)真空チャンバー1内の温度が70℃となったら、ファイバ端面への成膜を開始する。具体的には、回転ドーム4を回転させながら、一方の電子ビーム銃2a又は2bから一方の容器3a又は3b内の高屈折材料(ここではTa2O5)に向けて電子ビームを照射して同材料を溶融させて、その分子又は原子を蒸発させ、これをファイバ端面に蒸着させる。所定量のTa2O5分子又は原子がファイバ端面に蒸着したら、即ち、ファイバ端面に所定膜厚のTa2O5膜が成膜されたら、当該電子ビーム銃2a又は2bからの電子ビームの照射を停止すると共に、隣接するシャッター30a又は30bを回動させて当該容器3a又は3bを閉塞する。
(4)次いで、他方の電子ビーム銃2b又は2aから他方の容器3b又は3a内の低屈折材料(ここではSiO2)に向けて電子ビームを照射し、前記(3)と同様にして先にファイバ端面に成膜されているTa2O5膜の上に当該容器3b又は3aから蒸発したSiO2原子又は分子を蒸着させて積層する。所定膜厚のSiO2膜が成膜されたら、当該電子ビーム銃2b又は2aからの電子ビームの照射を停止すると共に、隣接するシャッター30b又は30aを回動させて当該容器3b又は3aを閉塞する。尚、Ta2O5膜及びSiO2膜の膜厚は前記光学式膜厚計8によって測定することは勿論である。
(5)以後、前記(3)(4)を繰り返して、ファイバ端面に所定膜厚のTa2O5膜及びSiO2膜を交互に積層して所定膜厚の誘電体膜を成膜する。
【0016】
図2〜図4は、図1に示す真空チャンバー1内を予備加熱してから、ファイバ端面への成膜を開始することによって、所期の光学特性を備えた誘電体膜を成膜可能であることを裏付けるために行った実験結果を示す図である。図2は前記図1に示す真空チャンバー1内を70℃に予備加熱した上で、ファイバ端面に前記Ta2O5膜のみを成膜した際の当該真空チャンバー1内の温度変化を表すグラフである。このグラフから、真空チャンバー1内を予備加熱しておくことによって、成膜開始から終了までの間の当該真空チャンバー1内を温度変化が10℃以内に抑えられていることがわかる。図3は前記図2に示すグラフ中のC点(成膜開始から42分後)及びD点(成膜開始から66分後)において図1に示す光学式膜厚計8が測定した光量変化パターンを表すグラフであり、同グラフ中のC点における正弦波の山と谷の差P1は成膜開始から15分後におけるTa2O5膜(膜厚90nm)の屈折率を示し、D点における正弦波の山と谷の差P2は成膜開始から66分後におけるTa2O5膜(膜厚360nm)の屈折率を示す。図4は、前記図3に示すグラフに基づいて算出したTa2O5膜の屈折率を示すグラフである。同グラフから、成膜開始後15分の時点におけるTa2O5膜(膜厚90nm)と、成膜開始後66分の時点におけるTa2O5膜(膜厚360nm)との屈折率差は0.03であることがわかる。
【0017】
以上より、図1に示す真空チャンバー1内を予備加熱すると、成膜中のチャンバー1内の温度変化が一定範囲内に抑制され、所定屈折率のTa2O5膜を成膜可能であることがわかる。これはTa2O5膜以外の高屈折材料膜(例えば、TiO2膜やNb2O5膜等)及び低屈折材料膜(例えば、SiO2膜等)についても同様である。従って、本発明のように真空チャンバー1内を予備加熱すれば、ファイバ端面に所定の屈折率の高屈折材料膜及び低屈折材料膜が成膜され、所期の光学特定を備えた誘電体膜を成膜することができる。
【0018】
(実施形態2)
以下、本発明の誘電体膜成膜装置の実施形態の他例を説明する。ここに示す本発明の誘電体膜成膜装置の基本構成は前記図1に示すものと同一である。異なるのは図5に示すように、真空チャンバー1内に前記シースヒータ10とは別の加熱源(第2加熱源:ハロゲンランプ)40を設け、シースヒータ10及びハロゲンランプ40の双方によって真空チャンバー1内の温度を制御可能としたことである。尚、ハロゲンランプ40は主にファイバ端面への成膜開始前に真空チャンバー1内を予備加熱するために機能する。また、電子ビーム銃2a及び2bの近傍が最も温度変化が大きいので、真空チャンバー1内の温度変化を可及的に小さくする観点からは、当該ハロゲンランプ40を電子ビーム銃2a及び2bの近傍に配置することが望ましい。さらに、ハロゲンランプ40を電子ビーム銃2a及び2bの近傍に配置すると、同電子ビーム銃2a及び2b回りの脱ガスを行うこともできる。もっとも、当該加熱源40はハロゲンランプ以外のものとすることもできる。
【0019】
図6は前記図5に示す真空チャンバー1内をハロゲンランプ40によって75℃に予備加熱した上で、ファイバ端面にTa2O5膜のみを成膜した際の当該真空チャンバー1内の温度変化を表すグラフである。このグラフから、成膜開始から終了まで真空チャンバー1内の温度変化が5℃以内に抑えられていることがわかる。図7は前記図6に示すグラフ中のE点(成膜開始から32分後)及びF点(成膜開始から56分後)において、図5に示す光学式膜厚計8が測定した光量変化パターンを表すグラフであり、同グラフ中のE点における正弦波の山と谷の差P1は成膜開始から32分後におけるTa2O5膜(膜厚90nm)の屈折率を示し、F点における正弦波の山と谷の差P2は成膜開始から56分後におけるTa2O5膜(膜厚260nm)の屈折率を示す。図8は、前記図7に示すグラフに基づいて算出したTa2O5膜の屈折率を示すグラフである。同グラフから、成膜開始後32分の時点におけるTa2O5膜(膜厚90nm)と、成膜開始後56分の時点におけるTa2O5膜(膜厚270nm)との屈折率差は0.01以下であることがわかる。
【0020】
図6〜図8に示されたグラフから、シースヒータ10に加えてハロゲンランプ40を備えた場合は、シースヒータ10のみの場合に比べて、成膜中の真空チャンバー1内の温度変化がより小さくなり、高屈折材料膜及び低屈折材料膜の屈折率変化を一層抑制可能であることがわかる。
【0021】
尚、前記図5に示す誘電体膜成膜装置を使用する場合も本発明の光ファイバ端面への誘電体膜成膜方法に含まれることは勿論である。要は、本発明の誘電体膜成膜装置を使用するか、それ以外の誘電体膜成膜装置を使用するかに拘らず、ファイバ端面の周囲を予備加熱し、成膜中の同端面の周囲の温度変化を抑制することによって、同端面に成膜される高屈折材料膜及び低屈折材料膜の屈折率変化を抑制するものは、全て本発明の光ファイバ端面への誘電体膜成膜方法に含まれる。
【0022】
さらに、高屈折材料膜と低屈折材料膜を交互に成膜するにあたり、これらを連続して成膜するのではなく、断続的に成膜することによって、誘電体膜成膜装置の真空チャンバー内の温度変化を一定範囲内に抑制する場合も本発明の光ファイバ端面への誘電体膜成膜方法に含まれる。例えば、ファイバ端面に高屈折材料膜と低屈折材料膜を交互に4層積層された誘電体膜を成膜する場合、真空チャンバー内を70℃又は75℃に予備加熱してから1層目及び2層目を成膜する。その後、成膜を一時停止して上昇した真空チャンバー内の温度が70℃又は75℃に低下するまで待ってから、第3層目及び第4層目の成膜を開始する。このようにして成膜された誘電体膜の反射率は、設計値0.001%に対して0.003%であった。
【0023】
前記図1及び図5に示す誘電体膜成膜装置では、真空チャンバー1内の温度を熱電対12の検知結果に基づいて測定したが、当該熱電対12に代えて、又は当該熱電対12に加えて真空チャンバー1内に放射温度計を設け、回転ドーム4上の温度を直接測定可能としたものも本発明の誘電体膜成膜装置に含まれ、そのような装置を使用してファイバ端面に誘電体膜を成膜する場合も本発明の光ファイバ端面への誘電体膜成膜方法に含まれる。尚、同一条件下において、図1及び図5に示す熱電対12の検知結果に基づいて測定されるチャンバー内温度と、当該放射温度計によって測定されるチャンバー内温度には約20℃の差がある。例えば、前者が70℃の場合、後者は90℃となる。従って、予備加熱された真空チャンバー内の温度を放射温度計によって測定する場合は、前記測定温度差を考慮して成膜開始時期を決定することが好ましい。
【0024】
【発明の効果】
本件出願の光ファイバ端面への誘電体膜成膜方法は、ファイバ端面への成膜が行われるチャンバー内を予備加熱してから成膜を開始するので、成膜中のチャンバー内の温度変化が一定範囲内に抑制される。この結果、誘電体膜を構成する高屈折率膜及び低屈折率膜の屈折率が温度変換に起因して変化することがなくなり、所期の光学特定を備えた誘電体膜を成膜することができる。
【0025】
本件出願の誘電体膜成膜装置は、光ファイバの端面への原料分子又は原子の蒸着を開始する前に、チャンバーを所定温度に予備加熱可能な加熱源(第1加熱源、第2加熱源)を備えているので、成膜中のチャンバー内の温度変化が一定範囲内に抑制される。この結果、誘電体膜を構成する高屈折率膜及び低屈折率膜の屈折率が温度変換に起因して変化することがなくなり、所期の光学特定を備えた誘電体膜を成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の誘電体膜成膜装置の実施形態の一例を示す説明図。
【図2】 70℃に予備加熱されたチャンバー内でTa2O5膜を成膜した際のチャンバー内温度の変化を示す図。
【図3】 70℃に予備加熱されたチャンバー内でTa2O5膜を成膜した際に光学式膜厚計によって測定された光量変化パターンを示す図。
【図4】 70℃に予備加熱されたチャンバー内で成膜されたTa2O5膜の屈折率を示す図。
【図5】 本発明の誘電体膜成膜装置の実施形態の他例を示す説明図。
【図6】 75℃に予備加熱されたチャンバー内でTa2O5膜を成膜した際のチャンバー内温度の変化を示す図。
【図7】 75℃に予備加熱されたチャンバー内でTa2O5膜を成膜した際に光学式膜厚計によって測定された光量変化パターンを示す図。
【図8】 75℃に予備加熱されたチャンバー内で成膜されたTa2O5膜の屈折率を示す図。
【図9】 従来の誘電体膜成膜装置の一例を示す説明図。
【図10】 予備加熱されていないチャンバー内でTa2O5膜を成膜した際のチャンバー内温度の変化を示す図。
【図11】 予備加熱されていないチャンバー内でTa2O5膜を成膜した際に光学式膜厚計によって測定された光量変化パターンを示す図。
【図12】 予備加熱されていないチャンバー内で成膜されたTa2O5膜の屈折率を示す図。
【符号の説明】
1 真空チャンバー
2 電子ビーム銃
3 容器
4 回転ドーム
5 イオン銃
6 ニュートライザ
7 温度制御機構
8 光学式膜厚計
Claims (4)
- チャンバー内に光ファイバの端面を配置して、同端面に誘電体膜の原料原子又は分子を蒸着させる光ファイバ端面への誘電体膜成膜方法において、前記チャンバー内を、誘電体膜の原料分子又は原子の蒸着開始時から蒸着終了時までのチャンバー内の温度変化が所定の温度範囲以内となる所定温度に予備加熱してから光ファイバの端面への原料分子又は原子の蒸着を開始し、前記誘電体膜が、高屈折材料膜と低屈折材料膜が交互に成膜された層からなり、前記高屈折材料膜と低屈折材料膜がそれぞれ1層成膜された後に、チャンバー内の温度が前記所定温度に低下するまで待ってから続く膜の成膜を開始することを特徴とする光ファイバ端面への誘電体膜成膜方法。
- チャンバー内に露出した光ファイバの端面に誘電体膜の原料分子又は原子を蒸着させて誘電体膜を成膜可能な誘電体膜成膜装置であって、光ファイバの端面への原料分子又は原子の蒸着を開始する前に、チャンバー内を予備加熱するための第1加熱源を備え、当該第1加熱源は誘電体膜の原料分子又は原子の蒸着開始時から蒸着終了時までのチャンバー内の温度変化が所定の温度範囲以内となる所定温度に予備加熱することができるものであり、前記誘電体膜の原料を溶融させて、その分子又は原子を蒸発させるための電子ビーム銃をチャンバー内に備え、その電子ビーム銃の近傍に、電子ビーム銃の脱ガスを行い、かつチャンバー内を前記所定温度に予備加熱するための第2加熱源を前記第1加熱源とは別にさらに配置したことを特徴とする誘電体膜成膜装置。
- 前記チャンバー内には光ファイバを固定するためのドームが備えられ、前記チャンバー内で前記ドームの電子ビーム銃と反対側に配置された温度計によって前記所定温度が測定されることを特徴とする請求項2記載の誘電体膜成膜装置。
- 前記チャンバー内には光ファイバを固定するためのドームと、前記ドームの温度を測定するための放射温度計が備えられ、前記放射温度計から前記所定温度が導かれることを特徴とする請求項2又は請求項3記載の誘電体膜成膜装置。
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