(57)【要約】【課題】紫外線・放射線伝送用光ファイバ中にドープした水素が経時的に外部に抜け出るのを抑制する。【解決手段】光ファイバＦは、コア１１とそれを囲うように設けられたクラッド１３とを備える。コア１１は、水素及び／又はフッ素がドープされた石英で形成されている。クラッド１３は、コア１１を囲うように配設され、各々、コア１１に沿って延びる複数の中空部１５が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアとそれを囲うように設けられたクラッドとを備えた光ファイバであって、
上記コアは、水素及び／又はフッ素がドープされた石英で形成されており、
上記クラッドは、上記コアを囲うように配設され、各々、該コアに沿って延びる複数の中空部が形成されている光ファイバ。
【請求項２】
請求項１に記載された光ファイバにおいて、
上記クラッドの複数の中空部には水素、酸素、及びフッ素のうち少なくとも一種を含むガスが封入されている光ファイバ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された光ファイバにおいて、
上記クラッドの複数の中空部は複数層を構成するように設けられている光ファイバ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載された光ファイバにおいて、
紫外線伝送用途又は放射線環境下に暴露される用途に用いられる光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外線は、可視光や近紫外線光に比べて波長が短く、エネルギー密度が高いという特徴から、半導体プロセス、電子部品の微細加工、医療分野など幅広く利用されている。これらの用途における紫外線の発生光源としては、例えば、水銀ランプ、水銀キセノンランプ、エキシマレーザーが用いられる。また、紫外線を伝送する光デバイスとしては石英製の光ファイバが用いられる。
【０００３】
ところで、石英製の光ファイバで紫外線を伝送する場合、紫外線伝送により高いエネルギー準位まで励起された電子と酸素イオンに結合することができなかった結晶欠陥との相互作用によってＳｉとＯとの結合が切断されて紫外線吸収端が形成され、それによって紫外線の透過率が経時的に劣化することが知られている。また、かかる問題は、原子力発電所で使用されているイメージガイドファイバのように、放射線の環境下で石英製の光ファイバを使用しても同様の現象が生じることが知られている。
【０００４】
そこで、この問題を解消乃至軽減すべく、光ファイバ中に水素或いはフッ素をドープし酸素欠陥を修復する技術が知られている。光ファイバに水素をドープする方法としては、高圧水素処理装置を用いて光ファイバを高温高圧の水素雰囲気に暴露するものが挙げられる。また、特許文献１には、光ファイバの外周を水素拡散防止層で被覆し、光ファイバ中にドープした水素が経時的に外部に抜け出るのを抑制することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３２１２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、光ファイバ中にドープされた水素が経時的に外部に抜け出るのを抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、コアとそれを囲うように設けられたクラッドとを備えた光ファイバであって、
上記コアは、水素及び／又はフッ素がドープされた石英で形成されており、
上記クラッドは、上記コアを囲うように配設され、各々、該コアに沿って延びる複数の中空部が形成されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、水素及び／又はフッ素がドープされたコアを囲うクラッドにコアを囲うように複数の中空部が配設されているので、それらの中空部が障壁となってコアにドープされた水素が経時的に外部に抜け出るのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態１に係る光ファイバの斜視図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は実施形態１に係る光ファイバの製造方法を示す説明図である。
【図３】実施形態２に係る光ファイバの斜視図である。
【図４】実施形態３に係る光ファイバの斜視図である。
【図５】実施形態４に係る光ファイバの斜視図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）はその他の実施形態に係る光ファイバの斜視図である。
【図７】その他の実施形態に係る光ファイバの製造方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態について図面に基づいて説明する。
【００１１】
（実施形態１）
図１は実施形態１に係る光ファイバ心線１０を示す。この実施形態１に係る光ファイバ心線１０は、例えば、複数本が束ねられたバンドルとされて紫外線伝送用ライトガイド或いは放射線環境下に暴露されるイメージガイドとして用いられるものである。なお、紫外線とは、波長が１７０〜３５０ｎｍの光であり、具体的には、波長３３７ｎｍのＮ２エキシマレーザー、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザー、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、波長２２２ｎｍのＫｒＣｌエキシマレーザー、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長１７２ｎｍのＸｅ２エキシマレーザー、波長２６５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ第４高調波レーザー、波長２１２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ第５高調波レーザーが挙げられる。
【００１２】
実施形態１に係る光ファイバ心線１０は、石英製の光ファイバＦが樹脂製の被覆層１４で被覆された構成を有する。この光ファイバ心線１０は、例えば、心線長が１〜１０ｍ、及び心線径が０．４〜２．０ｍｍである。
【００１３】
光ファイバＦは、コア１１とそれを囲うように設けられた第１クラッド１２とそれをさらに囲うように設けられた第２クラッド１３とを有する。光ファイバＦのファイバ径は例えば０．２〜１．０ｍｍである。
【００１４】
コア１１は、水素及び／又はフッ素がドープされた石英で形成されている。従って、コア１１には、水素のみがドープされていてもよく、また、フッ素のみがドープされていてもよく、さらに、水素及びフッ素の両方がドープされていてもよい。水素の濃度は１．６×１０１７〜９．８×１０１７分子／ｃｍ３であることが好ましく、１．８×１０１７〜９．５×１０１７分子／ｃｍ３であることがより好ましい。水素濃度を定量するＯＨ基濃度としては４００〜２０００ｐｐｍ（質量分率、以下同じ）であることが好ましく、５００〜１２００ｐｐｍであることがより好ましい。フッ素の濃度は５００〜２０００ｐｐｍであることが好ましい。特に、放射線環境下で使用される場合には、放射線耐性はフッ素濃度に大きく影響されるため、水素ドープよりもフッ素ドープが好ましく、その際も、フッ素濃度は５００〜２０００ｐｐｍであることが好ましい。コア１１には、その他に、例えば、Ｐが５００〜１００００ｐｐｍ、ＢＦ３が５００〜４００００ｐｐｍ、Ｇｅが５００〜２００００ｐｐｍ、Ａｌが１００００〜４００００ｐｐｍ、Ｅｒが１００〜１００００ｐｐｍ等ドープされていてもよい。但し、放射線環境下で使用される場合には、放射線特性を悪化させることからコア１１にはＣｌが含まれないことが好ましい。コア径は例えば５０〜４００μｍである。
【００１５】
第１クラッド１２は、コア１１よりも低屈折率の石英材料、例えば、ＦやＢＦ３がドープされた石英で中実に形成されている。Ｆ或いはＢＦ３の濃度は、コア１１との屈折率差が１〜１．２％程度となって、コア１１のＮＡが０．２〜０．２３となるように、３００００〜５００００ｐｐｍであることが好ましく、４００００〜４５０００ｐｐｍであることがより好ましい。第１クラッド１２の層厚さは例えば５５〜４４０μｍである。
【００１６】
第２クラッド１３は、純粋石英で形成されていてもよいが、水素がドープされた石英で形成されていることが好ましい。第２クラッド１３の層厚さは例えば１２５〜５００μｍである。
【００１７】
第２クラッド１３には、各々、コア１１に沿って延び、そのコア１１を囲うように配設された複数の中空部１５が形成されており、それらがコア１１を囲う単一層を構成している。複数の中空部１５の大きさは均一であってもよく、また、不均一であってもよい。複数の中空部１５は、相互に均等に離間して設けられていてもよく、また、相互に不均等に離間して設けられていてもよい。中空部１５は、例えば、数が８０〜１５０個であり、内径が１０〜４０μｍ、肉厚は０．１〜１０μｍである。ＮＡを大きくし伝播特性を高めるためには、この内径は大きく、肉厚は薄いことが好ましい。
【００１８】
このように第２クラッド１３にコア１１を囲うように複数の中空部１５が配設されていることにより、これらの中空部１５が障壁となってコア１１にドープされた水素及び／又はフッ素が経時的に外部に抜け出るのを抑制することができる。そして、その結果、水素（特に紫外線伝送用途）或いはフッ素（特に放射線環境下使用用途）による酸素欠陥の修復が適正になされ、透過率の経時的な劣化を小さくすることができる。また、中空部１５によりコア１１を伝送する光の漏れを抑制することができ、そのため漏れ光による樹脂製の被覆層１４の劣化を抑えることができる。
【００１９】
中空部１５は、両端が封止されて、内部に酸素、水素、及びフッ素のうち少なくとも一種を含むガスが封入されていてもよい。この中空部１５に封入された酸素、水素、或いはフッ素による酸素欠陥の修復を期待することができる。封入ガスの圧力は９０〜２００ｋＰａであることが好ましく、１１０〜１３０Ｐａであることがより好ましい。封入ガス中の酸素の分圧は、その０〜２０％であることが好ましく、２〜１０％であることがより好ましい。封入ガス中の水素の分圧は、その８０〜１００％であることが好ましく、９０〜９８％であることがより好ましい。封入ガス中のフッ素の分圧は、その０〜２０％であることが好ましく、２〜１０％であることがより好ましい。
【００２０】
被覆層１４は、例えば、フッ素樹脂で形成されている。被覆層１４の層厚さは例えば０．１〜０．５ｍｍである。
【００２１】
次に、実施形態１に係る光ファイバ心線１０の製造方法の一例について説明する。
【００２２】
まず、図２（ａ）に示すように、旋盤に取り付けた石英パイプ３０に５〜１０Ｌ／ｍｉｎの流量で酸素を流しながら外側から火炎を当てて１２００〜１４００℃で空焼きを行った後、０．０４〜０．１Ｌ／ｍｉｎの流量で塩素を流して１０００〜１２００℃で洗浄する。石英パイプ３０は、例えば、長さが４００〜８００ｍｍ、外径が２８〜３４ｍｍ、及び肉厚が１．５〜４．０ｍｍである。石英パイプ３０は、結晶性を損なわない範囲でＯＨ基濃度が高いことが好ましく、ＯＨ基濃度が５００〜１２００ｐｐｍであることが好ましい。なお、石英パイプ３０へのＯＨ基のドープは高温高圧電気炉を用いて行うことができる。
【００２３】
次いで、図２（ｂ）に示すように、ＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapor Deposition ）法により、石英パイプ３０に、０．５〜１Ｌ／ｍｉｎの流量でＳｉＣｌ４、０．４〜０．８Ｌ／ｍｉｎの流量でキャリアガス（Ｈｅ）、０．４〜１．０Ｌ／ｍｉｎの流量で酸素、及び０．１〜０．５Ｌ／ｍｉｎの流量で水素を流しながら外側から火炎を当てて１６００〜１７５０℃で内部にコア形成部３１を堆積させると共にそれを透明化する。このとき、コア１１のＮＡ制御のために同時にＧｅＣｌ４やＡｌＣｌ４を流してもよい。
【００２４】
次いで、外周の石英パイプ３０の部分を研削して除去し、図２（ｃ）に示すように、ＯＶＤ（Outside Vapor Deposition）法により、コア形成部３１を芯材として外周に材料ガスを含有する火炎を当てて１５００〜１６００℃でＦやＢＦ３がドープされた石英の第１クラッド形成部３２を堆積させると共にそれを透明化する。このとき、ロッド状のコア形成部３１及び第１クラッド形成部３２の一体物が形成されるが、その外径は１７〜２０ｍｍである。
【００２５】
続いて、図２（ｄ）に示すように、石英製の第２クラッド形成パイプ３３に、ロッド状のコア形成部３１及び第１クラッド形成部３２の一体物を同軸に挿入すると共に、それらの間隙に中空部１５を形成するための石英キャピラリ３５を充填し、それをファイバ母材４０とする。第２クラッド形成パイプ３３は、例えば、長さが３５０〜５００ｍｍ、外径が２６〜２９ｍｍ、及び肉厚が５〜６ｍｍである。石英キャピラリ３５は、例えば、長さが３５０〜５００ｍｍ、外径が０．５〜０．８ｍｍ、及び肉厚が４０〜５０μｍである。第２クラッド形成パイプ３３及び石英キャピラリ３５は、いずれも純粋石英で形成されていてもよいが、水素がドープされた石英で形成されていることが好ましい。それらは、結晶性を損なわない範囲でＯＨ基濃度が高いことが好ましく、ＯＨ基濃度が５００〜１２００ｐｐｍであることが好ましい。なお、それらへのＯＨ基のドープは高温高圧電気炉を用いて行うことができる。
【００２６】
そして、図２（ｅ）に示すように、ファイバ母材４０を線引き機５０にセットし、炉内温度を２０３０〜２１００℃及び線引き速度を８〜１０ｍ／ｓとして光ファイバＦを線引きし、それをフッ素樹脂浴に通すことにより被覆層１４を設けて光ファイバ心線１０を得る。このとき、線引き中に石英キャピラリ３５内の圧力が高まるようにガスを封入して両端を封止しておいてもよい。また、石英キャピラリ３５に継続してガスを流入させてもよい。ガスの圧力は１０５〜１５０kＰａであることが好ましく、１１０〜１２０kＰａであることがより好ましい。ガスは酸素及び水素のうち少なくとも一方を含むことが好ましい。その場合、ガス中の酸素の分圧は、その１０〜４０％であることが好ましく、１５〜２０％であることがより好ましい。ガス中の水素の分圧は、その６０〜９０％であることが好ましく、８０〜８５％であることがより好ましい。さらに、線引き加工の周辺雰囲気を酸素及び水素のうち少なくとも一方を含む雰囲気とすることが好ましい。その場合、酸素の分圧は１０〜４０％であることが好ましく、１５〜２０％であることがより好ましい。水素の分圧は６０〜９０％であることが好ましく、８０〜８５％であることがより好ましい。なお、高温で線引き加工を行った場合には、水素が抜けやすくなることから、線引き路から一定の距離をおいて第２の炉を設け、そこで６００〜９００℃で加熱することにより水素が抜けるのを抑制してもよい。
【００２７】
（実施形態２）
図３は実施形態２に係る光ファイバ心線２０を示す。この実施形態２に係る光ファイバ心線２０も、例えば、複数本が束ねられたバンドルとされて紫外線伝送用ライトガイド或いは放射線環境下に暴露されるイメージガイドとして用いられるものである。
【００２８】
実施形態２に係る光ファイバ心線２０では、光ファイバＦは、コア２１とそれを囲うように設けられたクラッド２３とを有する。光ファイバＦのファイバ径は例えば０．２〜１．０ｍｍである。
【００２９】
コア２１は、水素及び／又はフッ素がドープされた石英で形成されている。従って、コア２１には、水素のみがドープされていてもよく、また、フッ素のみがドープされていてもよく、さらに、水素及びフッ素の両方がドープされていてもよい。水素の濃度は１．６×１０１７〜９．８×１０１７分子／ｃｍ３であることが好ましく、１．８×１０１７〜９．５×１０１７分子／ｃｍ３であることがより好ましい。水素濃度を定量するＯＨ基濃度としては４００〜２０００ｐｐｍであることが好ましく、５００〜１２００ｐｐｍであることがより好ましい。フッ素の濃度は５００〜２０００ｐｐｍであることが好ましい。特に、放射線環境下で使用される場合には、放射線耐性はフッ素濃度に大きく影響されるため、水素ドープよりもフッ素ドープが好ましく、その際も、フッ素濃度は５００〜２０００ｐｐｍであることが好ましい。コア２１には、その他に、例えば、Ｐが５００〜１００００ｐｐｍ、ＢＦ３が５００〜４００００ｐｐｍ、Ｇｅが５００〜２００００ｐｐｍ、Ａｌが５００〜４００００ｐｐｍ、Ｅｒが１００〜１００００ｐｐｍ等ドープされていてもよい。但し、放射線環境下で使用される場合には、放射線特性を悪化させることからコア２１にはＣｌが含まれないことが好ましい。コア径は例えば５０〜４００μｍである。
【００３０】
クラッド２３は、純粋石英で形成されていてもよいが、水素がドープされた石英で形成されていることが好ましい。クラッド２３の層厚さは例えば１２５〜５００μｍである。
【００３１】
クラッド２３には、各々、コア２１に沿って延び、そのコア２１を囲うように配設された複数の中空部２５が形成されており、それらがコア２１を囲う単一層を構成している。複数の中空部２５の大きさは均一であってもよく、また、不均一であってもよい。複数の中空部２５は、相互に均等に離間して設けられていてもよく、また、相互に不均等に離間して設けられていてもよい。中空部２５は、例えば、数が８０〜１５０個であり、内径が１０〜４０μｍ、肉厚は０．１〜１．０μｍである。ＮＡを大きくし伝播特性を高めるためには、この内径は大きく、肉厚は薄いことが好ましい。
【００３２】
この実施形態２に係る光ファイバ心線２０は、上記実施形態１に係る光ファイバ心線１０の製造方法において、母材作成時に第１クラッド形成部３２の堆積を行わないことにより製造することができる。
【００３３】
この実施形態２に係る光ファイバ心線２０では、コア２１の直ぐ外側に中空部２５が設けられているので、中空部２５による水素が経時的に外部に抜け出るのを抑制する効果及びコア２１を伝送する光の漏れを抑制する効果をより顕著に得ることができる。また、実施形態１に係る光ファイバ心線１０のような第１クラッド１２を形成しないので、その点でコストが低くなる。
【００３４】
その他の構成、及び作用効果は実施形態１と同一である。
【００３５】
（実施形態３）
図４は実施形態３に係る光ファイバ心線１０を示す。この実施形態３に係る光ファイバ心線１０も、例えば、複数本が束ねられたバンドルとされて紫外線伝送用ライトガイド或いは放射線環境下に暴露されるイメージガイドとして用いられるものである。なお、実施形態１と同一名称の部分は実施形態１と同一符号で示す。
【００３６】
実施形態３に係る光ファイバ心線１０では、実施形態１に係る光ファイバ心線１０に対比して、第２クラッド１２に、各々、コア１１に沿って延び、そのコア１１を囲うように配設された複数の中空部１５が形成されており、それらがコア１１を囲う複数層を構成している。例えば、図４では二層の中空部１５が設けられているが、内側層と外側層とで中空部１５の数は同一であってもよく、また、内側層の中空部１５の数が外側層の中空部１５の数よりも多くてもよく、さらに、内側層の中空部１５の数が外側層の中空部１５の数よりも少なくてもよい。内側層及び外側層のそれぞれの層の中空部１５の大きさは均一であってもよく、また、不均一であってもよい。内側層と外側層とで中空部１５の大きさは同一であってもよく、また、異なっていてもよい。内側層及び外側層のそれぞれの層の中空部１５は、相互に均等に離間して設けられていてもよく、また、相互に不均等に離間して設けられていてもよい。内側層の中空部１５は、例えば、数が８０〜１５０個であり、内径が１０〜４０μｍである。外側層の中空部１５は、例えば、数が８０〜１５０個であり、内径が１０〜４０μｍである。
【００３７】
この実施形態３に係る光ファイバ心線１０では、中空部１５が周期性を持つ複数層に設けられ、フォトニック結晶特性を持たせることにより、中空部１５による水素が経時的に外部に抜け出るのを抑制する効果及びコア１１を伝送する光の漏れを抑制する効果をより顕著に得ることができる。かかる観点からは、中空部１５間の距離が伝送光の波長の半分以下であることが好ましい。
【００３８】
その他の構成、及び作用効果は実施形態１と同一である。
【００３９】
（実施形態４）
図５は実施形態４に係る光ファイバ心線２０を示す。この実施形態４に係る光ファイバ心線２０も、例えば、複数本が束ねられたバンドルとされて紫外線伝送用ライトガイド或いは放射線環境下に暴露されるイメージガイドとして用いられるものである。なお、実施形態２と同一名称の部分は実施形態２と同一符号で示す。
【００４０】
実施形態４に係る光ファイバ心線２０では、実施形態２に係る光ファイバ心線２０に対比して、クラッド２３に、各々、コア２１に沿って延び、そのコア２１を囲うように配設された複数の中空部２５が形成されており、それらがコア２１を囲う複数層を構成している。例えば、図５では二層の中空部２５が設けられているが、内側層と外側層とで中空部２５の数は同一であってもよく、また、内側層の中空部２５の数が外側層の中空部２５の数よりも多くてもよく、さらに、内側層の中空部２５の数が外側層の中空部２５の数よりも少なくてもよい。内側層及び外側層のそれぞれの層の中空部２５の大きさは均一であってもよく、また、不均一であってもよい。内側層と外側層とで中空部２５の大きさは同一であってもよく、また、異なっていてもよい。内側層及び外側層のそれぞれの層の中空部２５は、相互に均等に離間して設けられていてもよく、また、相互に不均等に離間して設けられていてもよい。内側層の中空部２５は、例えば、数が８０〜１５０個であり、内径が１０〜４０μｍである。NAを大きくし伝播特性を高めるためには内径は大きく、肉厚は薄くすることが好ましい。外側層の中空部２５は、例えば、数が８０〜１５０個であり、内径が１０〜４０μｍである。特に、フォトニック結晶性質を有効に発揮させるためには周期性を持たせたほうが好ましい。
【００４１】
この実施形態４に係る光ファイバ心線２０では、中空部２５が複数層に設けられ、フォトニック結晶性質を持たせることにより、中空部２５による水素が経時的に外部に抜け出るのを抑制する効果及びコア２１を伝送する光の漏れを抑制する効果をより顕著に得ることができる。かかる観点からは、中空部２５間の距離が伝送光の波長の半分以下であることが好ましい。
【００４２】
その他の構成、及び作用効果は実施形態２と同一である。
【００４３】
（その他の実施形態）
実施形態１〜４では、光ファイバＦを樹脂製の被覆層１４，２４で被覆した光ファイバ心線１０，２０としたが、特にこれに限定されるものではなく、図６（ａ）〜（ｄ）に示すようにＡｌ層１６，２６で被覆した構成であってもよい。Ａｌ層１６，２６の厚さは例えば５０〜３００μｍである。このようなＡｌ層１６，２６により被覆された光ファイバ心線１０，２０は、図７に示すように、線引き後の光ファイバＦをＡｌ被覆装置６０において６９０〜７５０℃に加熱した溶融Ａｌ浴及びダイスを通して冷却することにより製造することができる。Al被服状態は線引き速度及びAlダイス温度によって影響されるために注意が必要。このＡｌ層１６，２６は、樹脂のように伝送する紫外線により劣化することがなく、また、外部への伝送する紫外線の漏れを抑制することにより安全性を高め、さらに、それ自体にＯＨ基を多く閉じ込めるためＯＨ基（水素源）の外部放出を抑制する。
【００４４】
上記実施形態１〜４では、石英キャピラリ３５を用いてファイバ母材４０を作製する光ファイバ心線１０の製造方法を示したが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、円柱体に中空部１５，２５を形成するための穿孔をしてファイバ母材を作製してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は光ファイバについて有用である。
【符号の説明】
【００４６】
Ｆ  光ファイバ
１０，２０  光ファイバ心線
１１，２１  コア
１２  第１クラッド
１３  第２クラッド
１４，２４  被覆層
１５，２５  中空部
１６，２６  Ａｌ層
２３  クラッド
３０  石英パイプ
３１  コア形成部
３２  第１クラッド形成部
３３  第２クラッド形成パイプ
３５  石英キャピラリ
４０  母材
５０  線引き機
６０  Ａｌ被覆装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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