JP3719776B2 - 紫外線伝送用光ファイバー、その製造方法及びそれを用いた伝送線 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１７０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線、特に、Ｎ2エキシマレーザー(３３７ｎｍ)、ＸｅＣｌエキシマレーザー(３０８ｎｍ)、ＫｒＦエキシマレーザー(２４８ｎｍ)、ＫｒＣｌエキシマレーザー(２２２ｎｍ)、ＡｒＦエキシマレーザー(１９３ｎｍ)、Ｘｅ2エキシマレーザー(１７２ｎｍ)、Ｎｄ：ＹＡＧ第４高調波レーザー(２６５ｎｍ)、Ｎｄ：ＹＡＧ第５高調波レーザー(２１２ｎｍ)等のエネルギー密度の高いレーザー光を好適に伝送することができる光ファイバー、その製造方法並びに紫外線伝送用の伝送線に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバーを利用して紫外線、特に、ＫｒＦエキシマレーザーまたはＡｒＦエキシマレーザーを照射、伝送する際に、光エネルギー(ｈν)の作用により光ファイバーを構成するガラスは下記の式に従って損傷、劣化し、光ファイバーの透過率のような光学特性が低下することが知られている：
【化１】
【０００３】
ところが、水素分子をコア部及びクラッド部にドープした光ファイバーにおいては、この水素分子が、光ファイバーに紫外線、特にエキシマレーザーを照射、伝送する際に下記のように作用して光ファイバーの損傷、劣化を抑制することができる：
【化２】
【０００４】
例えば、特開平６−34830号公報には、コアが純粋石英、クラッドがフッ素ドープ石英からなるファイバーと、このファイバーを収容する金属パイプと、この金属パイプ内に封入される高圧の水素ガスと、この水素ガス雰囲気を高温に維持する発熱体とを具備することを特徴とする紫外線伝送用ファイバーが開示されている。
【０００５】
また、特開平６−56457号公報には、コアが純粋石英、クラッドがフッ素ドープ石英からなる光ファイバー母材を一端から溶融線引きしてファイバー化するとともに、線引き直後の高温のファイバーを水素雰囲気にさらすことを特徴とする紫外線伝送用ファイバーの製造方法が開示されている。
【０００６】
また、光ファイバーは、長期使用中に水素や水分の作用による劣化を生ずることがあり、水素あるいは水分の光ファイバー内への侵入を防ぐために、光ファイバーの表面にハーメチックコーティングを施すことが提唱されている。例えば、特開平４−158311号公報には、光ファイバーのコアの外部に設けられた天然石英製膜よりなる水酸基侵入防止膜、及び該防止膜の外部に設けられたハーメチック被覆膜を具備するハーメチック被覆光ファイバーケーブルが開示されている。
【０００７】
また、特開平４−187548号公報には、コア及びクラッドを有する光ファイバーの表面に炭素または炭素化合物を堆積させてハーメチック被覆層を形成させるハーメチック被覆光ファイバーを製造する方法において、前記ハーメチック被覆層形成後、該ハーメチック被覆層の表面に塩素化合物のガスまたは塩素化合物の蒸気を接触させて該ハーメチック被覆層を表面処理することを特徴とするハーメチック被覆光ファイバーの製造方法が開示されている。
【０００８】
また、特開平４−285041号公報には、光ファイバー母材から延伸した石英ガラス系光ファイバーを延伸後ただちに反応管内に導入し反応管内を通過させると共に、不活性ガスにより希釈された炭化水素ガスを反応管内に供給し、炭化水素を熱分解して光ファイバー表面に炭素被膜を形成する光ファイバーの製造方法において、炭化水素ガスが１５〜３５％の範囲の濃度に希釈されていることを特徴とするハーメチックコート光ファイバーの製造方法が開示されている。
【０００９】
更に、特開平５−241054号公報には、表面に炭素を被覆してなる通信用ハーメチックコート光ファイバーであって、前記炭素を、３００Å以上の膜厚であって、かつ、１ｎｍ以下の中心線平均粗さに被覆してあることを特徴とする通信用ハーメチックコート光ファイバーが開示されている。
【００１０】
また、ＤＥ４０３４０５９には、高出力密度の紫外光の伝送のため、コアと、本質的に石英ガラスからなり、コアを囲み、コアよりも小さい屈折率を有するスリーブとを有する可撓性の光学的構造部材であって、伝送される紫外光の入射方向へ見て少なくとも１つの可撓性の円筒形範囲の前に、入射方向へ定常的に縮小する横断面を設け、紫外光を放射する光源に向く端面に入射面を有し、光源とは反対側の端面に放射面を有する形式のものにおいて、コア・ガラス(5)が、５０〜１２００ｐｐｍの範囲のヒドロキシルイオン量及びガラス１ｇ当たり１０17よりも小さい酸素イオン・ホール濃度を有し、スリーブ・ガラス(6)が５０〜２５０ｐｐｍの範囲のヒドロキシルイオン量を含み、コア・ガラス(5)及びスリーブ・ガラス(6)の水素濃度及び／または重水素濃度が合計で５×１０6分子／ｃｃ〜５×１０21分子／ｃｃの範囲にあり、狭搾範囲(3)の長さ(Ｌ)が、円筒形範囲(2)のコア径(Ｄｋ)の１５〜１５０倍の数値を有し、入射面(15)と円筒形範囲(2)のコア横断面との比が、２〜１００の数値を有することを特徴とする構造部材が開示されている。
【００１１】
また、光ファイバーを冷却することにより、光ファイバーの劣化並びに光学損失を抑制することも知られており、例えば、特開平１−224702号公報には、１６０〜３００ｎｍの範囲内の波長をもつ光学輻射線を伝送するための伝送線として、金属イオン汚染物に関して高純度のガラス質合成二酸化珪素よりなるコアと硼素酸化物及びフッ素の少なくとも一方を添加したガラス質合成二酸化珪素よりなるクラッディングを備えてなる少なくとも１本の光ファイバー及び１６０〜３００ｎｍの範囲内の波長をもつ光学輻射線を透過させるために、光ファイバーをその長さの実質上全体にわたり−５３℃以下の温度へ冷却するための手段よりなる伝送線が開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平６−34830号公報に記載された紫外線伝送用ファイバーは、水素ガス雰囲気を常に高温、高圧雰囲気に維持するものであり、その取り扱いには常に危険が伴う。また、特開平６−56457号公報に記載された方法においては、水素雰囲気の温度を１０００〜２０００℃以上の温度範囲とすることも開示されているが、水素ドープ処理の温度は低ければ低い程、光ファイバーにより多量の水素をドープすることができ、このような高温では、水素ドープ量に限度があると共に、ドープした水素の逸出を防止するための方策が何ら採られていない。
【００１３】
また、特開平４−158311号公報、同４−187548号公報、同４−285041号公報、同５−241054号公報には、ハーメチックコートとして炭素被覆を用いた光ファイバーが開示されているが、これらの公報においては、光ファイバーへの水素あるいは水分の光ファイバー内への侵入を防止することを目的としたものであり、水素ドープ済光ファイバーにおいて、ドープした水素分子の逸出を抑制する技術思想については何ら記載されていない。
【００１４】
更に、特開平１−224702号公報に記載された伝送線は、光ファイバーを冷却するものであるが、水素ドープ済光ファイバーを冷却すると、ドープした水素分子の光ファイバーからの逸出を抑制することは何ら記載されていない。
【００１５】
従って、本発明の目的は、１７０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線を好適に伝送することができる光ファイバーを提供することにある。
【００１６】
また、本発明の他の目的は、上記光ファイバーの製造方法を提供することにある。
【００１７】
更に、本発明の他の目的は、１７０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線を好適に伝送することができる光ファイバーを備えてなる伝送線を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、少なくともコア部分及びクラッド部分から構成される１７０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線を伝送するための光ファイバーにおいて、コア部分は、不純物金属元素濃度がＬｉ：１質量ｐｐｂ以下、Ｎａ：１質量ｐｐｂ以下、Ｍｇ：１質量ｐｐｂ未満、Ｋ：１質量ｐｐｂ未満、Ｃａ：１質量ｐｐｂ未満、Ｔｉ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｃｒ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｆｅ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｎｉ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｃｕ：０．１質量ｐｐｂ未満である高純度シリカガラスまたはフッ素を６０００質量ｐｐｍ添加したシリカガラスからなり、クラッド部分がフッ素またはホウ素のいずれか１種または２種以上を添加したシリカガラスからなり、更に、該高純度シリカガラス及びシリカガラスが１×１０１６分子／ｃｍ３以上の濃度の水素分子を含有してなり、且つクラッド部分の外周面に水素拡散防止層を設けてなることを特徴とする紫外線伝送用光ファイバーを提供することにある（以下、第１発明という）。
【００１９】
また、本発明の紫外線伝送用光ファイバーは、前記水素拡散防止層の外周面に保護コーティング層を有する構成のものであってもよい(以下、第２発明という)。
【００２０】
更に、本発明の紫外線伝送用光ファイバーは、前記水素拡散防止層の外周面に保護コーティング層を有すると共に、前記クラッド部分と前記水素拡散防止層の間に第２の保護コーティング層を有する構成のものであってもよい(以下、第３発明という)。
【００２１】
また、本発明は、前記第１発明に係る紫外線伝送用光ファイバーの製造方法において、火炎加水分解法によりケイ素化合物原料から棒状の透明な不純物金属元素濃度がＬｉ：１質量ｐｐｂ以下、Ｎａ：１質量ｐｐｂ以下、Ｍｇ：１質量ｐｐｂ未満、Ｋ：１質量ｐｐｂ未満、Ｃａ：１質量ｐｐｂ未満、Ｔｉ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｃｒ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｆｅ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｎｉ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｃｕ：０．１質量ｐｐｂ未満である高純度シリカガラスまたはフッ素を６０００質量ｐｐｍ添加したシリカガラスを合成し、次に、その外側にプラズマ法によりフッ素及び／またはホウ素を添加したケイ素化合物原料からシリカガラスを合成して光ファイバー用プリフォームを製造し；次いで、該プリフォームを電気炉により溶融線引きし、更に、連続して水素拡散防止層の被覆処理を行うことにより光ファイバーを得；次いで、該光ファイバーを圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力範囲、１００〜８００℃の温度範囲にて水素ドープ処理を行うことを特徴とする光ファイバーの製造方法を提供することにある（以下、第４発明という）。
【００２２】
また、本発明は、前記第２発明に係る紫外線伝送用光ファイバーの製造方法において、火炎加水分解法によりケイ素化合物原料から棒状の透明な不純物金属元素濃度がＬｉ：１質量ｐｐｂ以下、Ｎａ：１質量ｐｐｂ以下、Ｍｇ：１質量ｐｐｂ未満、Ｋ：１質量ｐｐｂ未満、Ｃａ：１質量ｐｐｂ未満、Ｔｉ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｃｒ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｆｅ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｎｉ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｃｕ：０．１質量ｐｐｂ未満である高純度シリカガラスまたはフッ素を６０００質量ｐｐｍ添加したシリカガラスを合成し、次に、その外側にプラズマ法によりフッ素及び／またはホウ素を添加したケイ素化合物原料からなるシリカガラスを合成して光ファイバー用プリフォームを製造し；次いで、該プリフォームを電気炉により溶融線引きし、更に、連続して水素拡散防止層の被覆処理及び保護コーティング層の被覆処理を行うことにより光ファイバーを得；次いで、該光ファイバーを圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力範囲、１００〜４００℃の温度範囲にて水素ドープ処理を行うことを特徴とする光ファイバーの製造方法を提供することにある（以下、第５発明という）。
【００２３】
また、本発明は、前記第３発明に係る紫外線伝送用光ファイバーの製造方法において、火炎加水分解法によりケイ素化合物原料から棒状の透明な不純物金属元素濃度がＬｉ：１質量ｐｐｂ以下、Ｎａ：１質量ｐｐｂ以下、Ｍｇ：１質量ｐｐｂ未満、Ｋ：１質量ｐｐｂ未満、Ｃａ：１質量ｐｐｂ未満、Ｔｉ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｃｒ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｆｅ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｎｉ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｃｕ：０．１質量ｐｐｂ未満である高純度シリカガラスまたはフッ素を６０００質量ｐｐｍ添加したシリカガラスを合成し、次に、その外側にプラズマ法によりフッ素及び／またはホウ素を添加したケイ素化合物原料からシリカガラスを合成して光ファイバー用プリフォームを製造し；次いで、該プリフォームを電気炉により溶融線引きし、更に、連続して第２の保護コーティング層の被覆処理を行うことにより光ファイバーを得；次いで、該光ファイバーを圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力範囲、２５〜４００℃の温度範囲にて水素ドープ処理を行い；次いで、水素ドープ済光ファイバーに水素拡散防止層の被覆処理及び保護コーティング層の被覆処理を行うことを特徴とする光ファイバーの製造方法を提供することにある（以下、第７発明という）。
【００２４】
更に、本発明は、１７０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線を伝送するための光ファイバーを備える伝送線において、光ファイバーが少なくとも１本の前記第１発明ないし第３発明の紫外線伝送用光ファイバーからなり、且つ該光ファイバーをその長さの実質上全体にわたり冷却するための手段を備えてなることを特徴とする伝送線を提供することにある(以下、第７発明という)。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の第１発明に係る光ファイバーは、そのコア部分を構成する高純度シリカガラスまたは微量元素添加シリカガラス、及びクラッド部分を構成するシリカガラスに１×１０16分子／ｃｍ3以上の濃度の水素分子をドープし、一旦ドープした水素分子が光ファイバーから逸出するのを防止するために、光ファイバーのクラッド部分の外周面に水素拡散防止層を設けてなることを特徴とするものである。
【００２７】
ここで、コアを構成する不純物金属元素濃度がＬｉ：１質量ｐｐｂ以下、Ｎａ：１質量ｐｐｂ以下、Ｍｇ：１質量ｐｐｂ未満、Ｋ：１質量ｐｐｂ未満、Ｃａ：１質量ｐｐｂ未満、Ｔｉ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｃｒ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｆｅ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｎｉ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｃｕ：０．１質量ｐｐｂ未満である高純度シリカガラスまたはフッ素を６０００質量ｐｐｍ添加したシリカガラスは高純度ケイ素化合物を原料とした火炎加水分解法により合成された合成シリカガラスである。主原料としてはＳｉＣｌ４、ＨＳｉＣｌ３、ＣＨ３ＳｉＣｌ３、（ＣＨ３）２ＳｉＣｌ２、（ＣＨ３）３ＳｉＣｌ、ＣＨ３Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、（ＣＨ３）２Ｓｉ（ＯＣＨ３）２、Ｓｉ（ＯＣＨ３）４等が利用可能であり、火炎としては酸水素火炎、プロパン火炎が使用できる。
【００２８】
また、クラッド部分を構成するフッ素またはホウ素のいずれか１種または２種を添加したシリカガラスとは高純度ケイ素化合物を主原料としたプラズマ法により合成された合成シリカガラスである。主原料としてはＳｉＣｌ4、副原料としてはＢＢｒ3、ＢＣｌ3、ＳｉＦ4、ＳＦ6等を使用することができる。ここで、フッ素またはホウ素の添加量は、２〜６mass ％、好ましくは３〜５mass ％の範囲内である。なお、フッ素の方が屈折率を下げる効果が大きいので、フッ素を使用する方が添加量を少なくすることができる。
【００２９】
なお、光ファイバーを構成するコア部分の直径は特に限定されるものではなく、慣用の通信用光ファイバーのそれより大きく、例えば１０〜５００μｍ、好ましくは６０〜１５０μｍの範囲内とすることができる。また、クラッド部の厚さもまた特に限定されるものではなく、慣用の通信用光ファイバーのそれと同様もしくは薄めであり、例えば２〜１００μｍ、好ましくは５〜２０μｍの範囲内とすることができる。
【００３０】
また、第１発明に係る光ファイバーは、コア部分を構成する高純度シリカガラス及びクラッド部分を構成するシリカガラスが１×１０16分子／ｃｍ3以上、好ましくは１×１０17分子／ｃｍ3以上、更に好ましくは１×１０18分子／ｃｍ3以上の水素分子を含有してなるものであるが、コア部分及びクラッド部分に水素分子をドープすることにより、光ファイバーの耐紫外線性、特に耐エキシマレーザー性を飛躍的に向上させることができる。なお、水素分子の濃度が１×１０16分子／ｃｍ3未満であると、紫外線照射による光ファイバーの劣化防止に余り効果がないために好ましくない。また、ドープされる水素分子は、Ｈ2分子及び／またはＤ2分子であることができる。
【００３１】
上記構成の水素分子をドープした光ファイバーでは、ドープした水素分子が時間の経過と共に逸出し、それによって水素分子濃度の低下を来し、紫外線を伝送する際の光ファイバーの経時劣化が著しくなるため、第１発明の光ファイバーにおいては、クラッド部分の外周面に水素拡散防止層を設け、ドープした水素分子をコア部分及びクラッド部分にできる限り長期間にわたり留めるところが最大の特徴である。
【００３２】
該水素拡散防止層は、アルミニウム、クロム、ニッケル、鉛、銀及び金からなる群から選択される１種または２種以上の金属薄膜または炭素、炭化物、酸窒化物及び窒化物から選択される１種または２種以上のセラミック薄膜またはシリカガラス厚膜から構成することができ、その厚さは金属薄膜にあっては、１〜１００μｍ、好ましくは１０〜３０μｍの範囲内であり、また、セラミック薄膜にあっては、０.００１〜１０μｍ、好ましくは０.００１〜１μｍの範囲内であり、シリカガラス厚膜では２０〜５００μｍ、好ましくは２０〜２００μｍの範囲内である。ここで、水素拡散防止層の厚さが上記下限未満であると、水素分子の逸出を十分に抑制することができないために好ましくなく、また、上記上限を超えても、コア及びクラッド部分への水素ドープ処理が困難となったり、溶存水素の外部拡散防止効果の増加が認められないために好ましくない。
【００３３】
上述のような構成を有する第１発明に係る光ファイバーは、ドープされた水素分子を長期間にわたりコア部分及びクラッド部分に留めることができ、水素分子の作用と相俟って、長期間にわたり紫外線照射に対する光ファイバーの劣化を防止することができるものである。
【００３４】
なお、第２発明に係る光ファイバーにおいて、光ファイバーの機械的強度等を確保すると共に水素拡散防止層を保護する目的で保護コーティング層が設けられている。この保護コーティング層には、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素ゴム及びシリコーンゴムよりなる群から選択された１種または２種以上で構成することができるが、後述するように、水素分子のドープ操作は、溶融線引きし、水素拡散防止層及び保護コーティング層を被覆した光ファイバーを加圧並びに加熱条件とするものであるため、第２発明においては、これらの条件に対して耐性を有する保護コーティング層を設けることが好ましく、例えばポリイミド樹脂を使用することが好ましい。なお、保護コーティング層の厚さは特に限定されるものではないが例えば１〜３００μｍ、好ましくは２〜１００μｍ、最適には５〜３０μｍの範囲内である。ここで、保護コーティング層の厚さが１μｍ未満では、その被覆効果がないために好ましくなく、また、３００μｍを超えても被覆効果が向上するわけではなく、かえって光ファイバーでは問題となるために好ましくない。
【００３５】
なお、前記保護コーティング層は、水素拡散防止層が金属薄膜よりなるものである場合には、金属薄膜は上述のように比較的厚く被覆されるものであり、また、金属薄膜の材質によっては保護コーティング層の機能を兼備することができるので特に必要はないが、水素拡散防止層がセラミック薄膜よりなるものである場合には、セラミック薄膜は上述のように比較的薄い厚さで被覆されるものであり、また、その特性からも、この保護コーティング層を備えてなる構成とすることが好ましい。
【００３６】
次に、第３発明に係る紫外線伝送用光ファイバーは、前記水素拡散防止層の外周面に前記保護コーティング層を有すると共に、前記クラッド部分と前記水素拡散防止層の間に第２の保護コーティング層を備えてなる構成のものである。なお、この第２の保護コーティング層は、コア部分及びクラッド部分からなる光ファイバーの機械的強度等を確保する目的で設けられているものである。この第２の保護コーティング層は、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素ゴム及びシリコーンゴムよりなる群から選択された１種または２種以上で構成することができるが、後述する水素分子のドープ操作においては、溶融線引きし、第２の保護コーティング層を被覆した光ファイバーを加圧並びに加熱条件とするものであるため、第２の保護コーティング層は、これらの条件に対して耐性を有し、且つドープ操作の際に水素分子を自由に透過できる性質を有するコーティング層とすることが好ましく、例えばポリイミド樹脂を使用することが好ましい。なお、第２の保護コーティング層の厚さは特に限定されるものではなく、光ファイバーに通常施される範囲内であれば特に問題はなく、例えば１〜３００μｍ、好ましくは２〜１００μｍの範囲内である。ここで、保護コーティング層の厚さが１μｍ未満では、その被覆効果がないために好ましくなく、また、３００μｍを超えても被覆効果が向上するわけではなく、かえって光ファイバー設計上問題が生じ、特にハンドルファイバーでは問題となるために好ましくない。
【００３７】
次に、本発明の第４発明は、上記第１発明に係る光ファイバーの製造方法にある。即ち、第１発明の光ファイバーは、火炎加水分解法によりケイ素化合物原料から棒状の透明高純度シリカガラスまたはフッ素を微量添加したシリカガラスを合成し、次に、その外側にプラズマ法によりフッ素及び／またはホウ素を添加したケイ素化合物原料からシリカガラスを合成して光ファイバー用プリフォームを製造し；次いで、該プリフォームを電気炉により溶融線引きし、更に、連続して水素拡散防止層の被覆処理を行うことにより光ファイバーを得；次いで、該光ファイバーを圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力範囲、１００〜８００℃の温度範囲にて水素ドープ処理を行う工程から製造することができる。
【００３８】
第４発明に係る製造方法において、光ファイバー用プリフォームを溶融線引きする工程までは、慣用の公知の工程をそのまま適用することができ、次に、クラッド部分の外周面に水素拡散防止層を被覆する。水素拡散防止層としては、上述のようにアルミニウム、クロム、ニッケル、鉛、銀及び金からなる群から選択される１種または２種以上の金属薄膜層、炭素、炭化物、酸窒化物及び窒化物から選択される１種または２種以上のセラミック薄膜層等を用いることができる。ここで、金属薄膜は各種金属ハロゲン化物原料の熱ＣＶＤ法、各種金属材料のスパッタリング法、各種金属材料のメルトコーティング法等により施すことができる。また、セラミック薄膜層は各種水素化合物、ハロゲン化物原料の熱ＣＶＤ法、真空蒸着法等により施すことができる。
【００３９】
次に、得られた光ファイバーに水素分子をドープするが、この工程は、光ファイバーをリール等に巻き取り、圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力範囲、１００℃〜８００℃の温度範囲で処理することにより行うことができる。ここで、水素含有ガス雰囲気としては、１００％水素ガス(Ｈ2ガス、Ｄ2ガス)の他、水素ガスをＡｒ等の不活性ガスで希釈したものを使用することができる。なお、水素ドープ処理の圧力が２０００ｋｇｆ／ｃｍ2を超えると圧力容器が大型化してしまい、工業的に意味がなくなるために好ましくない。更に、水素ドープ処理の温度が１００℃未満であると水素の拡散係数が小さいため、充分な濃度の水素分子をドープすることが難しくなるために好ましくなく、また、８００℃を超えると光ファイバー自体や水素拡散防止層を破損する危険性があるために好ましくない。
【００４０】
本発明の第５発明は、第２発明の光ファイバーの製造方法に係るものである。即ち、第２発明の光ファイバーは、火炎加水分解法によりケイ素化合物原料から棒状の透明高純度シリカガラスまたはフッ素を微量添加したシリカガラスを合成し、次に、その外側にプラズマ法によりフッ素及び／またはホウ素を添加したケイ素化合物原料からシリカガラスを合成して光ファイバー用プリフォームを製造し；次いで、該プリフォームを電気炉により溶融線引きし、更に、連続して水素拡散防止層の被覆処理及び保護コーティング層の被覆処理を行うことにより光ファイバーを得；次いで、該光ファイバーを圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力範囲、１００〜４００℃の温度範囲にて水素ドープ処理を行う工程から製造することができる。
【００４１】
第５発明において、水素拡散防止層の被覆処理までは、上記第４発明と同様の工程にて製造することができ、その後、水素拡散防止層の外周面に保護コーティング層の被覆処理を行う。保護コーティング層は上述のようにフッ素樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素ゴム及びシリコーンゴムよりなる群から選択された１種または２種以上から形成することができ、保護コーティング層は例えばメルトコーティング法等により形成することができる。
【００４２】
保護コーティング層を被覆した後に、水素ドープ処理を行うが、第５発明において、水素ドープ処理の圧力は１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ2の範囲内である。なお、２０００ｋｇｆ／ｃｍ2を超えると圧力容器が大型化してしまい、製造コストが上昇し、工業的に意味がないために好ましくない。更に、水素ドープ処理の温度は１００〜４００℃の範囲内である。該温度が１００℃未満であると水素拡散防止層が存在するために充分な濃度の水素分子を短時間にドープすることが難しいために好ましくなく、また、４００℃を超えると保護コーティング層を破損する危険性があるために好ましくない。
【００４３】
次に、本発明の第６発明は、第３発明の光ファイバーの製造方法に係るものである。即ち、第３発明の光ファイバーは、火炎加水分解法によりケイ素化合物原料から棒状の透明高純度シリカガラスまたはフッ素を微量添加したシリカガラスを合成し、次に、その外側にプラズマ法によりフッ素及び／またはホウ素を添加したケイ素化合物原料からシリカガラスを合成して光ファイバー用プリフォームを製造し；次いで、該プリフォームを電気炉により溶融線引きし、更に、連続して第２の保護コーティング層の被覆処理を行うことにより光ファイバーを得；次いで、該光ファイバーを圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力範囲、２５〜４００℃の温度範囲にて水素ドープ処理を行い；次いで、水素ドープ済光ファイバーに水素拡散防止層の被覆処理及び保護コーティング層の被覆処理を行う工程から製造することができる。
【００４４】
第６発明においては、慣用の方法により第２の保護コーティング層を有する光ファイバーを製造した後に、水素ドープ処理を行うが、第６発明において、水素ドープ処理の圧力は１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ2の範囲内である。なお、２０００ｋｇｆ／ｃｍ2を超えると圧力容器が大型化してしまい、製造コストが上昇し、工業的に意味がないために好ましくない。更に、水素ドープ処理の温度は２５〜４００℃の範囲内である。該温度が２５℃未満であると充分な濃度の水素分子を短時間にドープすることが難しいために好ましくなく、また、４００℃を超えると保護コーティング層並びに第２の保護コーティング層を破損する危険性があるために好ましくない。
【００４５】
次に、本発明の第７発明に係る１７０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線を伝送するための光ファイバーを備える伝送線は、光ファイバーが少なくとも１本の上記第１発明ないし第３発明の紫外線伝送用光ファイバーからなり、且つ該光ファイバーをその長さの実質上全体にわたり冷却するための手段を備えてなることを特徴とするものである。
【００４６】
第７発明の伝送線によれば、上記光ファイバーを実質上その長さ全体にわたり０℃以下、好ましくは−２０℃以下の温度へ冷却することにより、冷却していない光ファイバーと比較して紫外線の透過率を更に良好なものとすることができる。この理由は、冷却によりファイバー内に溶存する水素の外部拡散が抑制されることにより、ファイバー内での水素と、紫外線ダメージを受けたシリカガラス構造との反応が促進されるためである。
【００４７】
第７発明において、冷却手段は光ファイバーの長さの実質上全て(好適には光ファイバーの長さのおよそ９０％以上)を冷却できる手段であれば特に限定されるものではなく、例えば、光ファイバーが断熱材よりなる外被により包囲されていることが好都合であり、好適な実施態様においては、該外被は冷却用ジャケットであり、冷却剤を装入するための接続口及び排出するための接続口を備える構成を有するものである。なお、金属薄膜が光ファイバー表面に設定されている場合は、少なくとも１つのヒートシンクが光ファイバー表面の薄膜の少なくとも１部分に冷却用として接続される。これは金属の大きな熱伝導率を有効利用した手法である。例えばペルチュ型冷却素子が活用できるものである。
【００４８】
なお、第７発明の伝送線は、光ファイバーと冷却手段よりなるものであるが、使用される光ファイバーは１本に限定されるものではなく、１つの冷却手段に複数の光ファイバーを設置することも本発明の範囲内である。
【００５２】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
実施例１
▲１▼コア材の合成：
酸水素火炎加水分解法のスート再溶融法により高純度四塩化ケイ素(ＳｉＣｌ4)原料からＯＨ基を含有しない高純度合成シリカガラスを合成し、棒状コア材を得た。なお、ＯＨ基並びにＣｌの含有量は以下の表１に記載する通りであった。
【００５３】
▲２▼クラッド材の合成と光ファイバー用プリフォームの作成：
プラズマ法で四塩化ケイ素原料及び六フッ化イオウ原料からフッ素を所定濃度で含有させたクラッド材を合成し、このクラッド材を前記棒状コア材の外周部分に所定の寸法に成長させて光ファイバー用プリフォームとした。プリフォームの寸法は、φ３５ｍｍ×Ｌ７００ｍｍ、コア直径に対するクラッド直径の比率(クラッド直径／コア直径)は１.１に設定した。なお、クラッド材のＯＨ基含有量及びＦ含有量は以下の表１に記載する通りであった。
また、得られたプリフォームのコア部分のプラズマ質量分析法(ＩＣＰ−ＭＳ法)による不純物金属元素の濃度は下記の通りであった：
元素 濃度 ( 単位： mass ppb)
Ｌｉ １
Ｎａ １
Ｍｇ ＜１
Ｋ ＜１
Ｃａ ＜１
Ｔｉ ０.１
Ｃｒ ＜０.１
Ｆｅ ０.１
Ｎｉ ＜０.１
Ｃｕ ＜０.１
【００５４】
また、プリフォームの絶対屈折率は下記の通りであった：
コア部(６３３ｎｍ) １.４５７１
コア部(１０６４ｎｍ) １.４４９８
クラッド部(６３３ｎｍ) １.４４０
クラッド部(１０６４ｎｍ) １.４３３
【００５５】
▲３▼プリフォームの線引き並びに水素拡散防止層の被覆処理：
上述のようにして得られたプリフォームを線引き用円筒型電気炉により慣用の操作にて溶融線引きし、コア直径２００μｍ、クラッド直径２２０μｍの光ファイバーとし、連続して表層に金属アルミニウムをメルトコーティング法によりクラッド部分の外周面に３０μｍの厚さで被覆することにより光ファイバー表面に水素拡散防止層を形成した。
【００５６】
▲４▼水素ドープ処理：
上述のようにして得られた光ファイバーをステンレススチール製ジャケットのオートクレーブに装填し、所定の水素圧力、温度にて１０時間加熱処理することにより光ファイバーに水素をドープした。なお、水素ガスとしては重水素ガス(Ｄ2)を使用した。なお、アルゴンレーザラマン法による水素の含有量は以下の表１に記載する通りであった。
【００５７】
実施例２
▲１▼コア材の合成：
酸水素火炎加水分解法のダイレクト法により高純度四塩化ケイ素(ＳｉＣｌ4：純度９９.９９９９重量％)原料からＯＨ基を含有する高純度合成シリカガラスを合成し、棒状コア材を得た。なお、ＯＨ基並びにＣｌの含有量は以下の表１に記載する通りであった。
【００５８】
▲２▼クラッド材の合成と光ファイバー用プリフォームの作成：
プラズマ法で四塩化ケイ素原料及び六フッ化イオウからフッ素を所定濃度で含有させたクラッド材を合成し、このクラッド材を前記棒状コア材の外周部分に所定の寸法に成長させて光ファイバー用プリフォームとした。プリフォームの寸法は、φ３５ｍｍ×Ｌ７００ｍｍ、コア直径に対するクラッド直径の比率(クラッド直径／コア直径)は１.１に設定した。なお、クラッド材のＯＨ基含有量及びＦ含有量は以下の表１に記載する通りであった。
また、得られたプリフォームのコア部分のプラズマ質量分析法(ＩＣＰ−ＭＳ法)による不純物金属元素の濃度は下記の通りであった：
元素 濃度 ( 単位： mass ppb)
Ｌｉ ＜１
Ｎａ ＜１
Ｍｇ ＜１
Ｋ ＜１
Ｃａ ＜１
Ｔｉ ＜０.１
Ｃｒ ＜０.１
Ｆｅ ０.１
Ｎｉ ＜０.１
Ｃｕ ＜０.１
【００５９】
また、プリフォームの絶対屈折率は下記の通りであった：
コア部(６３３ｎｍ) １.４５７０
コア部(１０６４ｎｍ) １.４４９７
クラッド部(６３３ｎｍ) １.４４０
クラッド部(１０６４ｎｍ) １.４３３
【００６０】
▲３▼プリフォームの線引き並びに水素拡散防止層の被覆処理：
上述のようにして得られたプリフォームを線引き用円筒型電気炉により慣用の操作にて溶融線引きし、コア直径２００μｍ、クラッド直径２２０μｍの光ファイバーとし、連続して表層に炭化水素ガス原料の光ＣＶＤ法にてカーボン薄膜を０.０１μｍ厚さで被覆することにより光ファイバー表面に水素拡散防止層を形成した。
【００６１】
▲４▼保護コーティング層の形成：
上述のようにして得られた水素拡散防止層の外周面に、更に、メルトコーティング法によりポリイミド系レジン薄膜を被覆することにより保護コーティング層を形成した。
【００６２】
▲５▼水素ドープ処理：
上述のようにして得られた光ファイバーをステンレススチール製ジャケットのオートクレーブに装填し、所定の水素圧力、温度にて１００時間加熱処理することにより光ファイバーに水素分子をドープした。なお、水素ガスとしては重水素ガス(Ｄ2)を使用した。なお、アルゴンレーザラマン法による水素の含有量は以下の表１に記載する通りであった。
【００６３】
実施例３
上記実施例１と同様の方法により酸水素火炎加水分解法のスート再溶融法により棒状コア材を得た以外は、実施例２と同様の方法にて、光ファイバーを作成した。
【００６４】
実施例４
コア材の合成において、酸水素炎加水分解法のスート再溶融法にてフッ素化合物を微量含有する四塩化ケイ素原料から、ＯＨ基とＦを含有する棒状コア材を得た以外は実施例２と同様の方法にて光ファイバーを作成した。
【００６５】
実施例５
水素ドープ処理条件を４００℃、１０００ｋｇｆ／ｃｍ2とし、それ以外は実施例２と同様の方法にて光ファイバーを作成した。
【００６６】
実施例６
実施例１と同様に作成した光ファイバーの外側に更にポリイミド樹脂コーティングを施し、その後水素ドープ処理及びエキシマレーザー伝送実験を行った。
【００６７】
実施例７
▲１▼プリフォームの線引き並びに第２の保護コーティングの被覆処理：
上記実施例３〜６と同様のプリフォームを線引き用円筒型電気炉により慣用の操作にて溶融線引きし、コア直径２００μｍ、クラッド直径２２０μｍの光ファイバーとし、連続して外周面にポリイミド系レジンを原料とするメルトコーティング法により厚さ５μｍの保護コーティング層を形成した。
【００６８】
▲２▼水素ドープ処理：
上述のようにして得られた光ファイバーをステンレススチール製ジャケットのオートクレーブに装填し、所定の水素圧力、温度にて１０時間加熱処理することにより光ファイバーに水素分子をドープした。なお、水素ガスとしては重水素ガス(Ｄ2)を使用した。なお、アルゴンレーザラマン法による水素の含有量は以下の表１に記載する通りであった。
【００６９】
▲３▼水素拡散防止層の被覆処理：
水素ドープ処理後の光ファイバーを１ｍ長に切断し、真空蒸着装置内にセットし、高純度カーボンを原料とする真空蒸着法により光ファイバーの外周面に厚さ０.０１μｍの水素拡散防止層を形成した。
【００７０】
▲４▼保護コーティング層の被覆処理：
水素拡散防止層の外周面にメルトコーティング法によりポリイミド系レジンの保護コーティング層を形成した。
【００７１】
上述のようにして得られた光ファイバーにつき、ＫｒＦエキシマレーザー及びＡｒＦエキシマレーザーを使用して伝送特性を調査した：
(ａ)ＫｒＦエキシマレーザー(２４８ｎｍ)伝送実験
長さ１０００ｍｍの光ファイバーを用い、室温(２５℃)で、６５μＪ／ｓｈｏｔ、２００ｍＪ／ｃｍ2・ｓｈｏｔ、１０Ｈｚ、２３ｎｓｅｃ、合計１×１０5ｓｈｏｔの条件下での透過率(％)。
(ｂ)ＫｒＦエキシマレーザー(２４８ｎｍ)伝送実験
長さ１０００ｍｍの光ファイバーを用い、室温(２５℃)で、１５μＪ／ｓｈｏｔ、５０ｍＪ／ｃｍ2・ｓｈｏｔ、１００Ｈｚ、２３ｎｓｅｃ、合計１×１０6ｓｈｏｔの条件下での透過率(％)。
(ｃ)ＡｒＦエキシマレーザー(１９３ｎｍ)伝送実験
長さ３００ｍｍの光ファイバーを用い、室温(２５℃)で、３μＪ／ｓｈｏｔ、１０ｍＪ／ｃｍ2・ｓｈｏｔ、２０Ｈｚ、２０ｎｓｅｃ、合計１×１０4ｓｈｏｔの条件下での透過率(％)。
得られた結果を以下の表１に併記する。
【００７４】
実施例８
実施例４で得られた光ファイバーを６カ月間室内に放置後、エキシマレーザー伝送実験を行った。得られた結果を以下の表２に併記する。
【００７５】
比較例１
水素ドープ処理工程を行わない以外は実施例２と同様にして光ファイバーを得た。得られた光ファイバーにつき、上記と同様にエキシマレーザー伝送実験を行った。得られた結果を以下の表３に併記する。
【００７６】
比較例２
水素ドープ処理工程を行わない以外は実施例３と同様にして光ファイバーを得た。得られた光ファイバーにつき、上記と同様にエキシマレーザー伝送実験を行った。得られた結果を以下の表３に併記する。
【００７７】
比較例３
水素拡散防止層の被覆工程を行わない以外は実施例３と同様の方法により得られた光ファイバーを６カ月間室内に放置後、実施例１と同様にエキシマレーザー伝送実験を行った。得られた結果を以下の表３に併記する。
【００７８】
比較例４
コア材を合成するための原料として普通純度四塩化ケイ素(ＳｉＣｌ4：純度９９.９重量％)原料を使用した以外は、実施例１と同様の方法により光ファイバーを得た。なお、本例において使用したプリフォームのコア部分のＩＣＰ−ＭＳ法及び原子発光分析法(ＩＣＰ−ＡＥＳ法)による不純物金属元素の濃度は下記の通りであった：
元素 濃度 ( 単位： mass ppb)
Ｌｉ ５０
Ｎａ ４０
Ｍｇ １００
Ｋ １
Ｃａ １００
Ｔｉ １００
Ｃｒ ＜０.１
Ｆｅ ２００
Ｎｉ ＜０.１
Ｃｕ ４
得られた光ファイバーにつき、上記と同様の方法にてエキシマレーザー伝送実験を行った。得られた結果を以下の表３に併記する。
【００７９】
【表１】
【００８０】
【表２】
【００８１】
【表３】
【００８２】
【発明の効果】
本発明によれば、紫外線、特にエキシマレーザーの照射、伝送に対して劣化の少ない紫外線伝送用光ファイバー並びに伝送線を提供することができる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、１７０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線、特に、Ｎ2エキシマレーザー(３３７ｎｍ)、ＸｅＣｌエキシマレーザー(３０８ｎｍ)、ＫｒＦエキシマレーザー(２４８ｎｍ)、ＫｒＣｌエキシマレーザー(２２２ｎｍ)、ＡｒＦエキシマレーザー(１９３ｎｍ)、Ｘｅ2エキシマレーザー(１７２ｎｍ)、Ｎｄ：ＹＡＧ第４高調波レーザー(２６５ｎｍ)、Ｎｄ：ＹＡＧ第５高調波レーザー(２１２ｎｍ)等のエネルギー密度の高いレーザー光を好適に伝送することができる光ファイバー、その製造方法並びに紫外線伝送用の伝送線に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバーを利用して紫外線、特に、ＫｒＦエキシマレーザーまたはＡｒＦエキシマレーザーを照射、伝送する際に、光エネルギー(ｈν)の作用により光ファイバーを構成するガラスは下記の式に従って損傷、劣化し、光ファイバーの透過率のような光学特性が低下することが知られている：
【化１】
ところが、水素分子をコア部及びクラッド部にドープした光ファイバーにおいては、この水素分子が、光ファイバーに紫外線、特にエキシマレーザーを照射、伝送する際に下記のように作用して光ファイバーの損傷、劣化を抑制することができる：
【化２】
例えば、特開平６−34830号公報には、コアが純粋石英、クラッドがフッ素ドープ石英からなるファイバーと、このファイバーを収容する金属パイプと、この金属パイプ内に封入される高圧の水素ガスと、この水素ガス雰囲気を高温に維持する発熱体とを具備することを特徴とする紫外線伝送用ファイバーが開示されている。
【０００５】
また、特開平６−56457号公報には、コアが純粋石英、クラッドがフッ素ドープ石英からなる光ファイバー母材を一端から溶融線引きしてファイバー化するとともに、線引き直後の高温のファイバーを水素雰囲気にさらすことを特徴とする紫外線伝送用ファイバーの製造方法が開示されている。
【０００６】
また、光ファイバーは、長期使用中に水素や水分の作用による劣化を生ずることがあり、水素あるいは水分の光ファイバー内への侵入を防ぐために、光ファイバーの表面にハーメチックコーティングを施すことが提唱されている。例えば、特開平４−158311号公報には、光ファイバーのコアの外部に設けられた天然石英製膜よりなる水酸基侵入防止膜、及び該防止膜の外部に設けられたハーメチック被覆膜を具備するハーメチック被覆光ファイバーケーブルが開示されている。
【０００７】
また、特開平４−187548号公報には、コア及びクラッドを有する光ファイバーの表面に炭素または炭素化合物を堆積させてハーメチック被覆層を形成させるハーメチック被覆光ファイバーを製造する方法において、前記ハーメチック被覆層形成後、該ハーメチック被覆層の表面に塩素化合物のガスまたは塩素化合物の蒸気を接触させて該ハーメチック被覆層を表面処理することを特徴とするハーメチック被覆光ファイバーの製造方法が開示されている。
【０００８】
また、特開平４−285041号公報には、光ファイバー母材から延伸した石英ガラス系光ファイバーを延伸後ただちに反応管内に導入し反応管内を通過させると共に、不活性ガスにより希釈された炭化水素ガスを反応管内に供給し、炭化水素を熱分解して光ファイバー表面に炭素被膜を形成する光ファイバーの製造方法において、炭化水素ガスが１５〜３５％の範囲の濃度に希釈されていることを特徴とするハーメチックコート光ファイバーの製造方法が開示されている。
【０００９】
更に、特開平５−241054号公報には、表面に炭素を被覆してなる通信用ハーメチックコート光ファイバーであって、前記炭素を、３００Å以上の膜厚であって、かつ、１ｎｍ以下の中心線平均粗さに被覆してあることを特徴とする通信用ハーメチックコート光ファイバーが開示されている。
【００１０】
また、ＤＥ４０３４０５９には、高出力密度の紫外光の伝送のため、コアと、本質的に石英ガラスからなり、コアを囲み、コアよりも小さい屈折率を有するスリーブとを有する可撓性の光学的構造部材であって、伝送される紫外光の入射方向へ見て少なくとも１つの可撓性の円筒形範囲の前に、入射方向へ定常的に縮小する横断面を設け、紫外光を放射する光源に向く端面に入射面を有し、光源とは反対側の端面に放射面を有する形式のものにおいて、コア・ガラス(5)が、５０〜１２００ｐｐｍの範囲のヒドロキシルイオン量及びガラス１ｇ当たり１０17よりも小さい酸素イオン・ホール濃度を有し、スリーブ・ガラス(6)が５０〜２５０ｐｐｍの範囲のヒドロキシルイオン量を含み、コア・ガラス(5)及びスリーブ・ガラス(6)の水素濃度及び／または重水素濃度が合計で５×１０6分子／ｃｃ〜５×１０21分子／ｃｃの範囲にあり、狭搾範囲(3)の長さ(Ｌ)が、円筒形範囲(2)のコア径(Ｄｋ)の１５〜１５０倍の数値を有し、入射面(15)と円筒形範囲(2)のコア横断面との比が、２〜１００の数値を有することを特徴とする構造部材が開示されている。
【００１１】
また、光ファイバーを冷却することにより、光ファイバーの劣化並びに光学損失を抑制することも知られており、例えば、特開平１−224702号公報には、１６０〜３００ｎｍの範囲内の波長をもつ光学輻射線を伝送するための伝送線として、金属イオン汚染物に関して高純度のガラス質合成二酸化珪素よりなるコアと硼素酸化物及びフッ素の少なくとも一方を添加したガラス質合成二酸化珪素よりなるクラッディングを備えてなる少なくとも１本の光ファイバー及び１６０〜３００ｎｍの範囲内の波長をもつ光学輻射線を透過させるために、光ファイバーをその長さの実質上全体にわたり−５３℃以下の温度へ冷却するための手段よりなる伝送線が開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平６−34830号公報に記載された紫外線伝送用ファイバーは、水素ガス雰囲気を常に高温、高圧雰囲気に維持するものであり、その取り扱いには常に危険が伴う。また、特開平６−56457号公報に記載された方法においては、水素雰囲気の温度を１０００〜２０００℃以上の温度範囲とすることも開示されているが、水素ドープ処理の温度は低ければ低い程、光ファイバーにより多量の水素をドープすることができ、このような高温では、水素ドープ量に限度があると共に、ドープした水素の逸出を防止するための方策が何ら採られていない。
【００１３】
また、特開平４−158311号公報、同４−187548号公報、同４−285041号公報、同５−241054号公報には、ハーメチックコートとして炭素被覆を用いた光ファイバーが開示されているが、これらの公報においては、光ファイバーへの水素あるいは水分の光ファイバー内への侵入を防止することを目的としたものであり、水素ドープ済光ファイバーにおいて、ドープした水素分子の逸出を抑制する技術思想については何ら記載されていない。
【００１４】
更に、特開平１−224702号公報に記載された伝送線は、光ファイバーを冷却するものであるが、水素ドープ済光ファイバーを冷却すると、ドープした水素分子の光ファイバーからの逸出を抑制することは何ら記載されていない。
【００１５】
従って、本発明の目的は、１７０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線を好適に伝送することができる光ファイバーを提供することにある。
【００１６】
また、本発明の他の目的は、上記光ファイバーの製造方法を提供することにある。
【００１７】
更に、本発明の他の目的は、１７０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線を好適に伝送することができる光ファイバーを備えてなる伝送線を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、少なくともコア部分及びクラッド部分から構成される１７０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線を伝送するための光ファイバーにおいて、コア部分は、不純物金属元素濃度がＬｉ：１質量ｐｐｂ以下、Ｎａ：１質量ｐｐｂ以下、Ｍｇ：１質量ｐｐｂ未満、Ｋ：１質量ｐｐｂ未満、Ｃａ：１質量ｐｐｂ未満、Ｔｉ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｃｒ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｆｅ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｎｉ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｃｕ：０．１質量ｐｐｂ未満である高純度シリカガラスまたはフッ素を６０００質量ｐｐｍ添加したシリカガラスからなり、クラッド部分がフッ素またはホウ素のいずれか１種または２種以上を添加したシリカガラスからなり、更に、該高純度シリカガラス及びシリカガラスが１×１０１６分子／ｃｍ３以上の濃度の水素分子を含有してなり、且つクラッド部分の外周面に水素拡散防止層を設けてなることを特徴とする紫外線伝送用光ファイバーを提供することにある（以下、第１発明という）。
【００１９】
また、本発明の紫外線伝送用光ファイバーは、前記水素拡散防止層の外周面に保護コーティング層を有する構成のものであってもよい(以下、第２発明という)。
【００２０】
更に、本発明の紫外線伝送用光ファイバーは、前記水素拡散防止層の外周面に保護コーティング層を有すると共に、前記クラッド部分と前記水素拡散防止層の間に第２の保護コーティング層を有する構成のものであってもよい(以下、第３発明という)。
【００２１】
また、本発明は、前記第１発明に係る紫外線伝送用光ファイバーの製造方法において、火炎加水分解法によりケイ素化合物原料から棒状の透明な不純物金属元素濃度がＬｉ：１質量ｐｐｂ以下、Ｎａ：１質量ｐｐｂ以下、Ｍｇ：１質量ｐｐｂ未満、Ｋ：１質量ｐｐｂ未満、Ｃａ：１質量ｐｐｂ未満、Ｔｉ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｃｒ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｆｅ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｎｉ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｃｕ：０．１質量ｐｐｂ未満である高純度シリカガラスまたはフッ素を６０００質量ｐｐｍ添加したシリカガラスを合成し、次に、その外側にプラズマ法によりフッ素及び／またはホウ素を添加したケイ素化合物原料からシリカガラスを合成して光ファイバー用プリフォームを製造し；次いで、該プリフォームを電気炉により溶融線引きし、更に、連続して水素拡散防止層の被覆処理を行うことにより光ファイバーを得；次いで、該光ファイバーを圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力範囲、１００〜８００℃の温度範囲にて水素ドープ処理を行うことを特徴とする光ファイバーの製造方法を提供することにある（以下、第４発明という）。
【００２２】
また、本発明は、前記第２発明に係る紫外線伝送用光ファイバーの製造方法において、火炎加水分解法によりケイ素化合物原料から棒状の透明な不純物金属元素濃度がＬｉ：１質量ｐｐｂ以下、Ｎａ：１質量ｐｐｂ以下、Ｍｇ：１質量ｐｐｂ未満、Ｋ：１質量ｐｐｂ未満、Ｃａ：１質量ｐｐｂ未満、Ｔｉ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｃｒ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｆｅ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｎｉ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｃｕ：０．１質量ｐｐｂ未満である高純度シリカガラスまたはフッ素を６０００質量ｐｐｍ添加したシリカガラスを合成し、次に、その外側にプラズマ法によりフッ素及び／またはホウ素を添加したケイ素化合物原料からなるシリカガラスを合成して光ファイバー用プリフォームを製造し；次いで、該プリフォームを電気炉により溶融線引きし、更に、連続して水素拡散防止層の被覆処理及び保護コーティング層の被覆処理を行うことにより光ファイバーを得；次いで、該光ファイバーを圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力範囲、１００〜４００℃の温度範囲にて水素ドープ処理を行うことを特徴とする光ファイバーの製造方法を提供することにある（以下、第５発明という）。
【００２３】
また、本発明は、前記第３発明に係る紫外線伝送用光ファイバーの製造方法において、火炎加水分解法によりケイ素化合物原料から棒状の透明な不純物金属元素濃度がＬｉ：１質量ｐｐｂ以下、Ｎａ：１質量ｐｐｂ以下、Ｍｇ：１質量ｐｐｂ未満、Ｋ：１質量ｐｐｂ未満、Ｃａ：１質量ｐｐｂ未満、Ｔｉ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｃｒ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｆｅ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｎｉ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｃｕ：０．１質量ｐｐｂ未満である高純度シリカガラスまたはフッ素を６０００質量ｐｐｍ添加したシリカガラスを合成し、次に、その外側にプラズマ法によりフッ素及び／またはホウ素を添加したケイ素化合物原料からシリカガラスを合成して光ファイバー用プリフォームを製造し；次いで、該プリフォームを電気炉により溶融線引きし、更に、連続して第２の保護コーティング層の被覆処理を行うことにより光ファイバーを得；次いで、該光ファイバーを圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力範囲、２５〜４００℃の温度範囲にて水素ドープ処理を行い；次いで、水素ドープ済光ファイバーに水素拡散防止層の被覆処理及び保護コーティング層の被覆処理を行うことを特徴とする光ファイバーの製造方法を提供することにある（以下、第７発明という）。
【００２４】
更に、本発明は、１７０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線を伝送するための光ファイバーを備える伝送線において、光ファイバーが少なくとも１本の前記第１発明ないし第３発明の紫外線伝送用光ファイバーからなり、且つ該光ファイバーをその長さの実質上全体にわたり冷却するための手段を備えてなることを特徴とする伝送線を提供することにある(以下、第７発明という)。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の第１発明に係る光ファイバーは、そのコア部分を構成する高純度シリカガラスまたは微量元素添加シリカガラス、及びクラッド部分を構成するシリカガラスに１×１０16分子／ｃｍ3以上の濃度の水素分子をドープし、一旦ドープした水素分子が光ファイバーから逸出するのを防止するために、光ファイバーのクラッド部分の外周面に水素拡散防止層を設けてなることを特徴とするものである。
【００２７】
ここで、コアを構成する不純物金属元素濃度がＬｉ：１質量ｐｐｂ以下、Ｎａ：１質量ｐｐｂ以下、Ｍｇ：１質量ｐｐｂ未満、Ｋ：１質量ｐｐｂ未満、Ｃａ：１質量ｐｐｂ未満、Ｔｉ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｃｒ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｆｅ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｎｉ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｃｕ：０．１質量ｐｐｂ未満である高純度シリカガラスまたはフッ素を６０００質量ｐｐｍ添加したシリカガラスは高純度ケイ素化合物を原料とした火炎加水分解法により合成された合成シリカガラスである。主原料としてはＳｉＣｌ４、ＨＳｉＣｌ３、ＣＨ３ＳｉＣｌ３、（ＣＨ３）２ＳｉＣｌ２、（ＣＨ３）３ＳｉＣｌ、ＣＨ３Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、（ＣＨ３）２Ｓｉ（ＯＣＨ３）２、Ｓｉ（ＯＣＨ３）４等が利用可能であり、火炎としては酸水素火炎、プロパン火炎が使用できる。
【００２８】
また、クラッド部分を構成するフッ素またはホウ素のいずれか１種または２種を添加したシリカガラスとは高純度ケイ素化合物を主原料としたプラズマ法により合成された合成シリカガラスである。主原料としてはＳｉＣｌ4、副原料としてはＢＢｒ3、ＢＣｌ3、ＳｉＦ4、ＳＦ6等を使用することができる。ここで、フッ素またはホウ素の添加量は、２〜６mass ％、好ましくは３〜５mass ％の範囲内である。なお、フッ素の方が屈折率を下げる効果が大きいので、フッ素を使用する方が添加量を少なくすることができる。
【００２９】
なお、光ファイバーを構成するコア部分の直径は特に限定されるものではなく、慣用の通信用光ファイバーのそれより大きく、例えば１０〜５００μｍ、好ましくは６０〜１５０μｍの範囲内とすることができる。また、クラッド部の厚さもまた特に限定されるものではなく、慣用の通信用光ファイバーのそれと同様もしくは薄めであり、例えば２〜１００μｍ、好ましくは５〜２０μｍの範囲内とすることができる。
【００３０】
また、第１発明に係る光ファイバーは、コア部分を構成する高純度シリカガラス及びクラッド部分を構成するシリカガラスが１×１０16分子／ｃｍ3以上、好ましくは１×１０17分子／ｃｍ3以上、更に好ましくは１×１０18分子／ｃｍ3以上の水素分子を含有してなるものであるが、コア部分及びクラッド部分に水素分子をドープすることにより、光ファイバーの耐紫外線性、特に耐エキシマレーザー性を飛躍的に向上させることができる。なお、水素分子の濃度が１×１０16分子／ｃｍ3未満であると、紫外線照射による光ファイバーの劣化防止に余り効果がないために好ましくない。また、ドープされる水素分子は、Ｈ2分子及び／またはＤ2分子であることができる。
【００３１】
上記構成の水素分子をドープした光ファイバーでは、ドープした水素分子が時間の経過と共に逸出し、それによって水素分子濃度の低下を来し、紫外線を伝送する際の光ファイバーの経時劣化が著しくなるため、第１発明の光ファイバーにおいては、クラッド部分の外周面に水素拡散防止層を設け、ドープした水素分子をコア部分及びクラッド部分にできる限り長期間にわたり留めるところが最大の特徴である。
【００３２】
該水素拡散防止層は、アルミニウム、クロム、ニッケル、鉛、銀及び金からなる群から選択される１種または２種以上の金属薄膜または炭素、炭化物、酸窒化物及び窒化物から選択される１種または２種以上のセラミック薄膜またはシリカガラス厚膜から構成することができ、その厚さは金属薄膜にあっては、１〜１００μｍ、好ましくは１０〜３０μｍの範囲内であり、また、セラミック薄膜にあっては、０.００１〜１０μｍ、好ましくは０.００１〜１μｍの範囲内であり、シリカガラス厚膜では２０〜５００μｍ、好ましくは２０〜２００μｍの範囲内である。ここで、水素拡散防止層の厚さが上記下限未満であると、水素分子の逸出を十分に抑制することができないために好ましくなく、また、上記上限を超えても、コア及びクラッド部分への水素ドープ処理が困難となったり、溶存水素の外部拡散防止効果の増加が認められないために好ましくない。
【００３３】
上述のような構成を有する第１発明に係る光ファイバーは、ドープされた水素分子を長期間にわたりコア部分及びクラッド部分に留めることができ、水素分子の作用と相俟って、長期間にわたり紫外線照射に対する光ファイバーの劣化を防止することができるものである。
【００３４】
なお、第２発明に係る光ファイバーにおいて、光ファイバーの機械的強度等を確保すると共に水素拡散防止層を保護する目的で保護コーティング層が設けられている。この保護コーティング層には、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素ゴム及びシリコーンゴムよりなる群から選択された１種または２種以上で構成することができるが、後述するように、水素分子のドープ操作は、溶融線引きし、水素拡散防止層及び保護コーティング層を被覆した光ファイバーを加圧並びに加熱条件とするものであるため、第２発明においては、これらの条件に対して耐性を有する保護コーティング層を設けることが好ましく、例えばポリイミド樹脂を使用することが好ましい。なお、保護コーティング層の厚さは特に限定されるものではないが例えば１〜３００μｍ、好ましくは２〜１００μｍ、最適には５〜３０μｍの範囲内である。ここで、保護コーティング層の厚さが１μｍ未満では、その被覆効果がないために好ましくなく、また、３００μｍを超えても被覆効果が向上するわけではなく、かえって光ファイバーでは問題となるために好ましくない。
【００３５】
なお、前記保護コーティング層は、水素拡散防止層が金属薄膜よりなるものである場合には、金属薄膜は上述のように比較的厚く被覆されるものであり、また、金属薄膜の材質によっては保護コーティング層の機能を兼備することができるので特に必要はないが、水素拡散防止層がセラミック薄膜よりなるものである場合には、セラミック薄膜は上述のように比較的薄い厚さで被覆されるものであり、また、その特性からも、この保護コーティング層を備えてなる構成とすることが好ましい。
【００３６】
次に、第３発明に係る紫外線伝送用光ファイバーは、前記水素拡散防止層の外周面に前記保護コーティング層を有すると共に、前記クラッド部分と前記水素拡散防止層の間に第２の保護コーティング層を備えてなる構成のものである。なお、この第２の保護コーティング層は、コア部分及びクラッド部分からなる光ファイバーの機械的強度等を確保する目的で設けられているものである。この第２の保護コーティング層は、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素ゴム及びシリコーンゴムよりなる群から選択された１種または２種以上で構成することができるが、後述する水素分子のドープ操作においては、溶融線引きし、第２の保護コーティング層を被覆した光ファイバーを加圧並びに加熱条件とするものであるため、第２の保護コーティング層は、これらの条件に対して耐性を有し、且つドープ操作の際に水素分子を自由に透過できる性質を有するコーティング層とすることが好ましく、例えばポリイミド樹脂を使用することが好ましい。なお、第２の保護コーティング層の厚さは特に限定されるものではなく、光ファイバーに通常施される範囲内であれば特に問題はなく、例えば１〜３００μｍ、好ましくは２〜１００μｍの範囲内である。ここで、保護コーティング層の厚さが１μｍ未満では、その被覆効果がないために好ましくなく、また、３００μｍを超えても被覆効果が向上するわけではなく、かえって光ファイバー設計上問題が生じ、特にハンドルファイバーでは問題となるために好ましくない。
【００３７】
次に、本発明の第４発明は、上記第１発明に係る光ファイバーの製造方法にある。即ち、第１発明の光ファイバーは、火炎加水分解法によりケイ素化合物原料から棒状の透明高純度シリカガラスまたはフッ素を微量添加したシリカガラスを合成し、次に、その外側にプラズマ法によりフッ素及び／またはホウ素を添加したケイ素化合物原料からシリカガラスを合成して光ファイバー用プリフォームを製造し；次いで、該プリフォームを電気炉により溶融線引きし、更に、連続して水素拡散防止層の被覆処理を行うことにより光ファイバーを得；次いで、該光ファイバーを圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力範囲、１００〜８００℃の温度範囲にて水素ドープ処理を行う工程から製造することができる。
【００３８】
第４発明に係る製造方法において、光ファイバー用プリフォームを溶融線引きする工程までは、慣用の公知の工程をそのまま適用することができ、次に、クラッド部分の外周面に水素拡散防止層を被覆する。水素拡散防止層としては、上述のようにアルミニウム、クロム、ニッケル、鉛、銀及び金からなる群から選択される１種または２種以上の金属薄膜層、炭素、炭化物、酸窒化物及び窒化物から選択される１種または２種以上のセラミック薄膜層等を用いることができる。ここで、金属薄膜は各種金属ハロゲン化物原料の熱ＣＶＤ法、各種金属材料のスパッタリング法、各種金属材料のメルトコーティング法等により施すことができる。また、セラミック薄膜層は各種水素化合物、ハロゲン化物原料の熱ＣＶＤ法、真空蒸着法等により施すことができる。
【００３９】
次に、得られた光ファイバーに水素分子をドープするが、この工程は、光ファイバーをリール等に巻き取り、圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力範囲、１００℃〜８００℃の温度範囲で処理することにより行うことができる。ここで、水素含有ガス雰囲気としては、１００％水素ガス(Ｈ2ガス、Ｄ2ガス)の他、水素ガスをＡｒ等の不活性ガスで希釈したものを使用することができる。なお、水素ドープ処理の圧力が２０００ｋｇｆ／ｃｍ2を超えると圧力容器が大型化してしまい、工業的に意味がなくなるために好ましくない。更に、水素ドープ処理の温度が１００℃未満であると水素の拡散係数が小さいため、充分な濃度の水素分子をドープすることが難しくなるために好ましくなく、また、８００℃を超えると光ファイバー自体や水素拡散防止層を破損する危険性があるために好ましくない。
【００４０】
本発明の第５発明は、第２発明の光ファイバーの製造方法に係るものである。即ち、第２発明の光ファイバーは、火炎加水分解法によりケイ素化合物原料から棒状の透明高純度シリカガラスまたはフッ素を微量添加したシリカガラスを合成し、次に、その外側にプラズマ法によりフッ素及び／またはホウ素を添加したケイ素化合物原料からシリカガラスを合成して光ファイバー用プリフォームを製造し；次いで、該プリフォームを電気炉により溶融線引きし、更に、連続して水素拡散防止層の被覆処理及び保護コーティング層の被覆処理を行うことにより光ファイバーを得；次いで、該光ファイバーを圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力範囲、１００〜４００℃の温度範囲にて水素ドープ処理を行う工程から製造することができる。
【００４１】
第５発明において、水素拡散防止層の被覆処理までは、上記第４発明と同様の工程にて製造することができ、その後、水素拡散防止層の外周面に保護コーティング層の被覆処理を行う。保護コーティング層は上述のようにフッ素樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素ゴム及びシリコーンゴムよりなる群から選択された１種または２種以上から形成することができ、保護コーティング層は例えばメルトコーティング法等により形成することができる。
【００４２】
保護コーティング層を被覆した後に、水素ドープ処理を行うが、第５発明において、水素ドープ処理の圧力は１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ2の範囲内である。なお、２０００ｋｇｆ／ｃｍ2を超えると圧力容器が大型化してしまい、製造コストが上昇し、工業的に意味がないために好ましくない。更に、水素ドープ処理の温度は１００〜４００℃の範囲内である。該温度が１００℃未満であると水素拡散防止層が存在するために充分な濃度の水素分子を短時間にドープすることが難しいために好ましくなく、また、４００℃を超えると保護コーティング層を破損する危険性があるために好ましくない。
【００４３】
次に、本発明の第６発明は、第３発明の光ファイバーの製造方法に係るものである。即ち、第３発明の光ファイバーは、火炎加水分解法によりケイ素化合物原料から棒状の透明高純度シリカガラスまたはフッ素を微量添加したシリカガラスを合成し、次に、その外側にプラズマ法によりフッ素及び／またはホウ素を添加したケイ素化合物原料からシリカガラスを合成して光ファイバー用プリフォームを製造し；次いで、該プリフォームを電気炉により溶融線引きし、更に、連続して第２の保護コーティング層の被覆処理を行うことにより光ファイバーを得；次いで、該光ファイバーを圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力範囲、２５〜４００℃の温度範囲にて水素ドープ処理を行い；次いで、水素ドープ済光ファイバーに水素拡散防止層の被覆処理及び保護コーティング層の被覆処理を行う工程から製造することができる。
【００４４】
第６発明においては、慣用の方法により第２の保護コーティング層を有する光ファイバーを製造した後に、水素ドープ処理を行うが、第６発明において、水素ドープ処理の圧力は１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ2の範囲内である。なお、２０００ｋｇｆ／ｃｍ2を超えると圧力容器が大型化してしまい、製造コストが上昇し、工業的に意味がないために好ましくない。更に、水素ドープ処理の温度は２５〜４００℃の範囲内である。該温度が２５℃未満であると充分な濃度の水素分子を短時間にドープすることが難しいために好ましくなく、また、４００℃を超えると保護コーティング層並びに第２の保護コーティング層を破損する危険性があるために好ましくない。
【００４５】
次に、本発明の第７発明に係る１７０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線を伝送するための光ファイバーを備える伝送線は、光ファイバーが少なくとも１本の上記第１発明ないし第３発明の紫外線伝送用光ファイバーからなり、且つ該光ファイバーをその長さの実質上全体にわたり冷却するための手段を備えてなることを特徴とするものである。
【００４６】
第７発明の伝送線によれば、上記光ファイバーを実質上その長さ全体にわたり０℃以下、好ましくは−２０℃以下の温度へ冷却することにより、冷却していない光ファイバーと比較して紫外線の透過率を更に良好なものとすることができる。この理由は、冷却によりファイバー内に溶存する水素の外部拡散が抑制されることにより、ファイバー内での水素と、紫外線ダメージを受けたシリカガラス構造との反応が促進されるためである。
【００４７】
第７発明において、冷却手段は光ファイバーの長さの実質上全て(好適には光ファイバーの長さのおよそ９０％以上)を冷却できる手段であれば特に限定されるものではなく、例えば、光ファイバーが断熱材よりなる外被により包囲されていることが好都合であり、好適な実施態様においては、該外被は冷却用ジャケットであり、冷却剤を装入するための接続口及び排出するための接続口を備える構成を有するものである。なお、金属薄膜が光ファイバー表面に設定されている場合は、少なくとも１つのヒートシンクが光ファイバー表面の薄膜の少なくとも１部分に冷却用として接続される。これは金属の大きな熱伝導率を有効利用した手法である。例えばペルチュ型冷却素子が活用できるものである。
【００４８】
なお、第７発明の伝送線は、光ファイバーと冷却手段よりなるものであるが、使用される光ファイバーは１本に限定されるものではなく、１つの冷却手段に複数の光ファイバーを設置することも本発明の範囲内である。
【００５２】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
実施例１
▲１▼コア材の合成：
酸水素火炎加水分解法のスート再溶融法により高純度四塩化ケイ素(ＳｉＣｌ4)原料からＯＨ基を含有しない高純度合成シリカガラスを合成し、棒状コア材を得た。なお、ＯＨ基並びにＣｌの含有量は以下の表１に記載する通りであった。
【００５３】
▲２▼クラッド材の合成と光ファイバー用プリフォームの作成：
プラズマ法で四塩化ケイ素原料及び六フッ化イオウ原料からフッ素を所定濃度で含有させたクラッド材を合成し、このクラッド材を前記棒状コア材の外周部分に所定の寸法に成長させて光ファイバー用プリフォームとした。プリフォームの寸法は、φ３５ｍｍ×Ｌ７００ｍｍ、コア直径に対するクラッド直径の比率(クラッド直径／コア直径)は１.１に設定した。なお、クラッド材のＯＨ基含有量及びＦ含有量は以下の表１に記載する通りであった。
また、得られたプリフォームのコア部分のプラズマ質量分析法(ＩＣＰ−ＭＳ法)による不純物金属元素の濃度は下記の通りであった：
元素 濃度 ( 単位： mass ppb)
Ｌｉ １
Ｎａ １
Ｍｇ ＜１
Ｋ ＜１
Ｃａ ＜１
Ｔｉ ０.１
Ｃｒ ＜０.１
Ｆｅ ０.１
Ｎｉ ＜０.１
Ｃｕ ＜０.１
【００５４】
また、プリフォームの絶対屈折率は下記の通りであった：
コア部(６３３ｎｍ) １.４５７１
コア部(１０６４ｎｍ) １.４４９８
クラッド部(６３３ｎｍ) １.４４０
クラッド部(１０６４ｎｍ) １.４３３
【００５５】
▲３▼プリフォームの線引き並びに水素拡散防止層の被覆処理：
上述のようにして得られたプリフォームを線引き用円筒型電気炉により慣用の操作にて溶融線引きし、コア直径２００μｍ、クラッド直径２２０μｍの光ファイバーとし、連続して表層に金属アルミニウムをメルトコーティング法によりクラッド部分の外周面に３０μｍの厚さで被覆することにより光ファイバー表面に水素拡散防止層を形成した。
【００５６】
▲４▼水素ドープ処理：
上述のようにして得られた光ファイバーをステンレススチール製ジャケットのオートクレーブに装填し、所定の水素圧力、温度にて１０時間加熱処理することにより光ファイバーに水素をドープした。なお、水素ガスとしては重水素ガス(Ｄ2)を使用した。なお、アルゴンレーザラマン法による水素の含有量は以下の表１に記載する通りであった。
【００５７】
実施例２
▲１▼コア材の合成：
酸水素火炎加水分解法のダイレクト法により高純度四塩化ケイ素(ＳｉＣｌ4：純度９９.９９９９重量％)原料からＯＨ基を含有する高純度合成シリカガラスを合成し、棒状コア材を得た。なお、ＯＨ基並びにＣｌの含有量は以下の表１に記載する通りであった。
【００５８】
▲２▼クラッド材の合成と光ファイバー用プリフォームの作成：
プラズマ法で四塩化ケイ素原料及び六フッ化イオウからフッ素を所定濃度で含有させたクラッド材を合成し、このクラッド材を前記棒状コア材の外周部分に所定の寸法に成長させて光ファイバー用プリフォームとした。プリフォームの寸法は、φ３５ｍｍ×Ｌ７００ｍｍ、コア直径に対するクラッド直径の比率(クラッド直径／コア直径)は１.１に設定した。なお、クラッド材のＯＨ基含有量及びＦ含有量は以下の表１に記載する通りであった。
また、得られたプリフォームのコア部分のプラズマ質量分析法(ＩＣＰ−ＭＳ法)による不純物金属元素の濃度は下記の通りであった：
元素 濃度 ( 単位： mass ppb)
Ｌｉ ＜１
Ｎａ ＜１
Ｍｇ ＜１
Ｋ ＜１
Ｃａ ＜１
Ｔｉ ＜０.１
Ｃｒ ＜０.１
Ｆｅ ０.１
Ｎｉ ＜０.１
Ｃｕ ＜０.１
【００５９】
また、プリフォームの絶対屈折率は下記の通りであった：
コア部(６３３ｎｍ) １.４５７０
コア部(１０６４ｎｍ) １.４４９７
クラッド部(６３３ｎｍ) １.４４０
クラッド部(１０６４ｎｍ) １.４３３
【００６０】
▲３▼プリフォームの線引き並びに水素拡散防止層の被覆処理：
上述のようにして得られたプリフォームを線引き用円筒型電気炉により慣用の操作にて溶融線引きし、コア直径２００μｍ、クラッド直径２２０μｍの光ファイバーとし、連続して表層に炭化水素ガス原料の光ＣＶＤ法にてカーボン薄膜を０.０１μｍ厚さで被覆することにより光ファイバー表面に水素拡散防止層を形成した。
【００６１】
▲４▼保護コーティング層の形成：
上述のようにして得られた水素拡散防止層の外周面に、更に、メルトコーティング法によりポリイミド系レジン薄膜を被覆することにより保護コーティング層を形成した。
【００６２】
▲５▼水素ドープ処理：
上述のようにして得られた光ファイバーをステンレススチール製ジャケットのオートクレーブに装填し、所定の水素圧力、温度にて１００時間加熱処理することにより光ファイバーに水素分子をドープした。なお、水素ガスとしては重水素ガス(Ｄ2)を使用した。なお、アルゴンレーザラマン法による水素の含有量は以下の表１に記載する通りであった。
【００６３】
実施例３
上記実施例１と同様の方法により酸水素火炎加水分解法のスート再溶融法により棒状コア材を得た以外は、実施例２と同様の方法にて、光ファイバーを作成した。
【００６４】
実施例４
コア材の合成において、酸水素炎加水分解法のスート再溶融法にてフッ素化合物を微量含有する四塩化ケイ素原料から、ＯＨ基とＦを含有する棒状コア材を得た以外は実施例２と同様の方法にて光ファイバーを作成した。
【００６５】
実施例５
水素ドープ処理条件を４００℃、１０００ｋｇｆ／ｃｍ2とし、それ以外は実施例２と同様の方法にて光ファイバーを作成した。
【００６６】
実施例６
実施例１と同様に作成した光ファイバーの外側に更にポリイミド樹脂コーティングを施し、その後水素ドープ処理及びエキシマレーザー伝送実験を行った。
【００６７】
実施例７
▲１▼プリフォームの線引き並びに第２の保護コーティングの被覆処理：
上記実施例３〜６と同様のプリフォームを線引き用円筒型電気炉により慣用の操作にて溶融線引きし、コア直径２００μｍ、クラッド直径２２０μｍの光ファイバーとし、連続して外周面にポリイミド系レジンを原料とするメルトコーティング法により厚さ５μｍの保護コーティング層を形成した。
【００６８】
▲２▼水素ドープ処理：
上述のようにして得られた光ファイバーをステンレススチール製ジャケットのオートクレーブに装填し、所定の水素圧力、温度にて１０時間加熱処理することにより光ファイバーに水素分子をドープした。なお、水素ガスとしては重水素ガス(Ｄ2)を使用した。なお、アルゴンレーザラマン法による水素の含有量は以下の表１に記載する通りであった。
【００６９】
▲３▼水素拡散防止層の被覆処理：
水素ドープ処理後の光ファイバーを１ｍ長に切断し、真空蒸着装置内にセットし、高純度カーボンを原料とする真空蒸着法により光ファイバーの外周面に厚さ０.０１μｍの水素拡散防止層を形成した。
【００７０】
▲４▼保護コーティング層の被覆処理：
水素拡散防止層の外周面にメルトコーティング法によりポリイミド系レジンの保護コーティング層を形成した。
【００７１】
上述のようにして得られた光ファイバーにつき、ＫｒＦエキシマレーザー及びＡｒＦエキシマレーザーを使用して伝送特性を調査した：
(ａ)ＫｒＦエキシマレーザー(２４８ｎｍ)伝送実験
長さ１０００ｍｍの光ファイバーを用い、室温(２５℃)で、６５μＪ／ｓｈｏｔ、２００ｍＪ／ｃｍ2・ｓｈｏｔ、１０Ｈｚ、２３ｎｓｅｃ、合計１×１０5ｓｈｏｔの条件下での透過率(％)。
(ｂ)ＫｒＦエキシマレーザー(２４８ｎｍ)伝送実験
長さ１０００ｍｍの光ファイバーを用い、室温(２５℃)で、１５μＪ／ｓｈｏｔ、５０ｍＪ／ｃｍ2・ｓｈｏｔ、１００Ｈｚ、２３ｎｓｅｃ、合計１×１０6ｓｈｏｔの条件下での透過率(％)。
(ｃ)ＡｒＦエキシマレーザー(１９３ｎｍ)伝送実験
長さ３００ｍｍの光ファイバーを用い、室温(２５℃)で、３μＪ／ｓｈｏｔ、１０ｍＪ／ｃｍ2・ｓｈｏｔ、２０Ｈｚ、２０ｎｓｅｃ、合計１×１０4ｓｈｏｔの条件下での透過率(％)。
得られた結果を以下の表１に併記する。
【００７４】
実施例８
実施例４で得られた光ファイバーを６カ月間室内に放置後、エキシマレーザー伝送実験を行った。得られた結果を以下の表２に併記する。
【００７５】
比較例１
水素ドープ処理工程を行わない以外は実施例２と同様にして光ファイバーを得た。得られた光ファイバーにつき、上記と同様にエキシマレーザー伝送実験を行った。得られた結果を以下の表３に併記する。
【００７６】
比較例２
水素ドープ処理工程を行わない以外は実施例３と同様にして光ファイバーを得た。得られた光ファイバーにつき、上記と同様にエキシマレーザー伝送実験を行った。得られた結果を以下の表３に併記する。
【００７７】
比較例３
水素拡散防止層の被覆工程を行わない以外は実施例３と同様の方法により得られた光ファイバーを６カ月間室内に放置後、実施例１と同様にエキシマレーザー伝送実験を行った。得られた結果を以下の表３に併記する。
【００７８】
比較例４
コア材を合成するための原料として普通純度四塩化ケイ素(ＳｉＣｌ4：純度９９.９重量％)原料を使用した以外は、実施例１と同様の方法により光ファイバーを得た。なお、本例において使用したプリフォームのコア部分のＩＣＰ−ＭＳ法及び原子発光分析法(ＩＣＰ−ＡＥＳ法)による不純物金属元素の濃度は下記の通りであった：
元素 濃度 ( 単位： mass ppb)
Ｌｉ ５０
Ｎａ ４０
Ｍｇ １００
Ｋ １
Ｃａ １００
Ｔｉ １００
Ｃｒ ＜０.１
Ｆｅ ２００
Ｎｉ ＜０.１
Ｃｕ ４
得られた光ファイバーにつき、上記と同様の方法にてエキシマレーザー伝送実験を行った。得られた結果を以下の表３に併記する。
【００７９】
【表１】
【表２】
【表３】
【発明の効果】
本発明によれば、紫外線、特にエキシマレーザーの照射、伝送に対して劣化の少ない紫外線伝送用光ファイバー並びに伝送線を提供することができる。
Claims (14)
- 少なくともコア部分及びクラッド部分から構成される１７０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線を伝送するための光ファイバーにおいて、コア部分は、不純物金属元素濃度がＬｉ：１質量ｐｐｂ以下、Ｎａ：１質量ｐｐｂ以下、Ｍｇ：１質量ｐｐｂ未満、Ｋ：１質量ｐｐｂ未満、Ｃａ：１質量ｐｐｂ未満、Ｔｉ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｃｒ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｆｅ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｎｉ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｃｕ：０．１質量ｐｐｂ未満である高純度シリカガラスまたはフッ素を６０００質量ｐｐｍ添加したシリカガラスからなり、クラッド部分がフッ素またはホウ素のいずれか１種または２種以上を添加したシリカガラスからなり、更に、該高純度シリカガラス及びシリカガラスが１×１０１６分子／ｃｍ３以上の濃度の水素分子を含有してなり、且つクラッド部分の外周面に水素拡散防止層を設けてなることを特徴とする紫外線伝送用光ファイバー。
- 水素分子が、Ｈ２及び／またはＤ２である、請求項１記載の紫外線伝送用光ファイバー。
- 水素分子の濃度が、１×１０１８分子／ｃｍ３ないし１×１０２１分子／ｃｍ３の範囲内にある、請求項１または２記載の紫外線伝送用光ファイバー。
- 水素拡散防止層が、アルミニウム、クロム、ニッケル、鉛、銀及び金からなる群から選択される１種または２種以上の金属薄膜または炭素、炭化物、酸窒化物及び窒化物からなる群から選択される１種または２種以上のセラミック薄膜または厚膜シリカガラス層からなり、膜厚が水素ドープ処理可能な範囲であり、且つ紫外線伝送中に水素の外部拡散を防止するのに充分な膜厚である、請求項１ないし３のいずれか１項記載の紫外線伝送用光ファイバー。
- 光ファイバーが、２４８ｎｍＫｒＦエキシマレーザー、１９３ｎｍＡｒＦエキシマレーザー、２６５ｎｍＮｄ：ＹＡＧ第４高調波レーザーまたは２１２ｎｍＮｄ：ＹＡＧ第５高調波レーザーを伝送する、請求項１ないし４のいずれか１項記載の紫外線伝送用光ファイバー。
- 水素拡散防止層の外周面に保護コーティング層を設けてなる、請求項１ないし５のいずれか１項記載の紫外線伝送用光ファイバー。
- 保護コーティング層が、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素ゴム及びシリコーンゴムからなる群から選択される１種または２種以上の薄膜である、請求項６記載の紫外線伝送用光ファイバー。
- クラッド部分と水素拡散防止層の間に第２の保護コーティング層を設けてなる、請求項１ないし７のいずれか１項記載の紫外線伝送用光ファイバー。
- 第２の保護コーティング層が、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素ゴム及びシリコーンゴムからなる群から選択される１種または２種以上の薄膜である、請求項８記載の紫外線伝送用光ファイバー。
- 請求項１ないし５のいずれか１項記載の紫外線伝送用光ファイバーの製造方法において、火炎加水分解法によりケイ素化合物原料から棒状の透明な不純物金属元素濃度がＬｉ：１質量ｐｐｂ以下、Ｎａ：１質量ｐｐｂ以下、Ｍｇ：１質量ｐｐｂ未満、Ｋ：１質量ｐｐｂ未満、Ｃａ：１質量ｐｐｂ未満、Ｔｉ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｃｒ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｆｅ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｎｉ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｃｕ：０．１質量 ｐｐｂ未満である高純度シリカガラスまたはフッ素を６０００質量ｐｐｍ添加したシリカガラスを合成し、次に、その外側にプラズマ法によりフッ素及び／またはホウ素を添加したケイ素化合物原料からシリカガラスを合成して光ファイバー用プリフォームを製造し；次いで、該プリフォームを電気炉により溶融線引きし、更に、連続して水素拡散防止層の被覆処理を行うことにより光ファイバーを得；次いで、該光ファイバーを圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力範囲、１００〜８００℃の温度範囲にて水素ドープ処理を行うことを特徴とする光ファイバーの製造方法。
- 請求項１ないし７のいずれか１項記載の紫外線伝送用光ファイバーの製造方法において、火炎加水分解法によりケイ素化合物原料から棒状の透明な不純物金属元素濃度がＬｉ：１質量ｐｐｂ以下、Ｎａ：１質量ｐｐｂ以下、Ｍｇ：１質量ｐｐｂ未満、Ｋ：１質量ｐｐｂ未満、Ｃａ：１質量ｐｐｂ未満、Ｔｉ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｃｒ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｆｅ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｎｉ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｃｕ：０．１質量ｐｐｂ未満である高純度シリカガラスまたはフッ素を６０００質量ｐｐｍ添加したシリカガラスを合成し、次に、その外側にプラズマ法によりフッ素及び／またはホウ素を添加したケイ素化合物原料からなるシリカガラスを合成して光ファイバー用プリフォームを製造し；次いで、該プリフォームを電気炉により溶融線引きし、更に、連続して水素拡散防止層の被覆処理及び保護コーティング層の被覆処理を行うことにより光ファイバーを得；次いで、該光ファイバーを圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力範囲、１００〜４００℃の温度範囲にて水素ドープ処理を行うことを特徴とする光ファイバーの製造方法。
- 請求項１ないし９のいずれか１項記載の紫外線伝送用光ファイバーの製造方法において、火炎加水分解法によりケイ素化合物原料から棒状の透明な不純物金属元素濃度がＬｉ：１質量ｐｐｂ以下、Ｎａ：１質量ｐｐｂ以下、Ｍｇ：１質量ｐｐｂ未満、Ｋ：１質量ｐｐｂ未満、Ｃａ：１質量ｐｐｂ未満、Ｔｉ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｃｒ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｆｅ：０．１質量ｐｐｂ以下、Ｎｉ：０．１質量ｐｐｂ未満、Ｃｕ：０．１質量ｐｐｂ未満である高純度シリカガラスまたはフッ素を６０００質量ｐｐｍ添加したシリカガラスを合成し、次に、その外側にプラズマ法によりフッ素及び／またはホウ素を添加したケイ素化合物原料からシリカガラスを合成して光ファイバー用プリフォームを製造し；次いで、該プリフォームを電気炉により溶融線引きし、更に、連続して第２の保護コーティング層の被覆処理を行うことにより光ファイバーを得；次いで、該光ファイバーを圧力容器に装填し、水素含有ガス雰囲気中、１〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力範囲、２５〜４００℃の温度範囲にて水素ドープ処理を行い；次いで、水素ドープ済光ファイバーに水素拡散防止層の被覆処理及び保護コーティング層の被覆処理を行うことを特徴とする光ファイバーの製造方法。
- １７０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線を伝送するための光ファイバーを備える伝送線において、光ファイバーが少なくとも１本の請求項１ないし９のいずれか１項記載の紫外線伝送用光ファイバーからなり、且つ該光ファイバーをその長さの実質上全体にわたり冷却するための手段を備えてなることを特徴とする伝送線。
- 光ファイバーを０℃以下の温度に冷却する、請求項１３記載の伝送線。
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