JP2000089014A - 光ファイバー加工用位相マスク及びその製造方法 - Google Patents
光ファイバー加工用位相マスク及びその製造方法Info
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- JP2000089014A JP2000089014A JP25824198A JP25824198A JP2000089014A JP 2000089014 A JP2000089014 A JP 2000089014A JP 25824198 A JP25824198 A JP 25824198A JP 25824198 A JP25824198 A JP 25824198A JP 2000089014 A JP2000089014 A JP 2000089014A
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- Preparing Plates And Mask In Photomechanical Process (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 マスクに欠陥がある場合にも欠陥のない回折
格子を光ファイバー中に形成できる光ファイバー加工用
位相マスクとその製造方法。 【解決手段】 透明基板の１面に２次元的にアレー状に
配置された微小なセルの集合体からなる計算機ホログラ
ム１からなり、セルは透過光に対して各々独自の位相を
与える光路長を有しており、かつ、垂直に入射する光束
を計算機ホログラム１から所定距離Ｌ離れた面６上で１
次元方向に一定ピッチで０と１を繰り返す１の繰返領域
へのみ回折し、その繰返領域以外の領域には実質的には
回折しないような位相分布を有しており、計算機ホログ
ラム１を透過して回折された光をその面６近傍あるいは
その面と共役な面近傍に配置された光ファイバー２２に
照射してその光ファイバー２２中に回折格子を作製す
る。
格子を光ファイバー中に形成できる光ファイバー加工用
位相マスクとその製造方法。 【解決手段】 透明基板の１面に２次元的にアレー状に
配置された微小なセルの集合体からなる計算機ホログラ
ム１からなり、セルは透過光に対して各々独自の位相を
与える光路長を有しており、かつ、垂直に入射する光束
を計算機ホログラム１から所定距離Ｌ離れた面６上で１
次元方向に一定ピッチで０と１を繰り返す１の繰返領域
へのみ回折し、その繰返領域以外の領域には実質的には
回折しないような位相分布を有しており、計算機ホログ
ラム１を透過して回折された光をその面６近傍あるいは
その面と共役な面近傍に配置された光ファイバー２２に
照射してその光ファイバー２２中に回折格子を作製す
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバー加工
用位相マスク及びその製造方法に関し、特に、光通信等
に用いられる光ファイバー内に紫外線レーザ光を用いて
回折格子を作製するための位相マスク及びその製造方法
に関するものである。
用位相マスク及びその製造方法に関し、特に、光通信等
に用いられる光ファイバー内に紫外線レーザ光を用いて
回折格子を作製するための位相マスク及びその製造方法
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバーは地球規模の通信に大革新
をもたらし、高品質、大容量の大洋横断電話通信を可能
にしたが、従来より、この光ファイバーに沿ってコア内
に周期的に屈折率分布を作り出し、光ファイバー内にブ
ラック回折格子を作り、その回折格子の周期と長さ、屈
折率変調の大きさによって回折格子の反射率の高低と波
長特性の幅を決めることにより、その回折格子を光通信
用の波長多重分割器、レーザやセンサーに使用される狭
帯域の高反射ミラー、ファイバーアンプにおける余分な
レーザ波長を取り除く波長選択フィルター等として利用
できることが知られている。
をもたらし、高品質、大容量の大洋横断電話通信を可能
にしたが、従来より、この光ファイバーに沿ってコア内
に周期的に屈折率分布を作り出し、光ファイバー内にブ
ラック回折格子を作り、その回折格子の周期と長さ、屈
折率変調の大きさによって回折格子の反射率の高低と波
長特性の幅を決めることにより、その回折格子を光通信
用の波長多重分割器、レーザやセンサーに使用される狭
帯域の高反射ミラー、ファイバーアンプにおける余分な
レーザ波長を取り除く波長選択フィルター等として利用
できることが知られている。
【０００３】しかし、石英光ファイバーの減衰が最小と
なり、長距離通信システムに適している波長は１．５５
μｍであることにより、この波長で光ファイバー回折格
子を使用するためには、格子間隔を約５００ｎｍとする
必要があり、このような細かい構造をコアの中に作るこ
と自体が当初は難しいとされており、光ファイバーのコ
ア内にブラック回折格子を作るのに、側面研磨、フォト
レジストプロセス、ホログラフィー露光、反応性イオン
ビームエッチング等からなる何段階もの複雑な工程がと
られていた。このため、作製時間が長く、歩留まりも低
かった。
なり、長距離通信システムに適している波長は１．５５
μｍであることにより、この波長で光ファイバー回折格
子を使用するためには、格子間隔を約５００ｎｍとする
必要があり、このような細かい構造をコアの中に作るこ
と自体が当初は難しいとされており、光ファイバーのコ
ア内にブラック回折格子を作るのに、側面研磨、フォト
レジストプロセス、ホログラフィー露光、反応性イオン
ビームエッチング等からなる何段階もの複雑な工程がと
られていた。このため、作製時間が長く、歩留まりも低
かった。
【０００４】しかし、最近、紫外線を光ファイバーに照
射し、直接コア内に屈折率の変化をもたらし回折格子を
作る方法が知られるようになり、この紫外線を照射する
方法は複雑なプロセスを必要としないため、周辺技術の
進歩と共に次第に実施されるようになってきた。
射し、直接コア内に屈折率の変化をもたらし回折格子を
作る方法が知られるようになり、この紫外線を照射する
方法は複雑なプロセスを必要としないため、周辺技術の
進歩と共に次第に実施されるようになってきた。
【０００５】この紫外光を用いる方法の場合、上記のよ
うに格子間隔が約５００ｎｍと細かいため、２本の光束
を干渉させる干渉方法、（エキシマレーザからのシング
ルパルスを集光して回折格子面を１枚ずつ作る）１点毎
の書き込みによる方法、グレーティングを持つ位相マス
クを使って照射する方法等がとられている。
うに格子間隔が約５００ｎｍと細かいため、２本の光束
を干渉させる干渉方法、（エキシマレーザからのシング
ルパルスを集光して回折格子面を１枚ずつ作る）１点毎
の書き込みによる方法、グレーティングを持つ位相マス
クを使って照射する方法等がとられている。
【０００６】上記の２光束を干渉させる干渉方法には、
横方向のビームの品質、すなわち空間コヒーレンスに問
題があり、１点毎の書き込みによる方法には、サブミク
ロンの大きさの緻密なステップ制御が必要で、かつ光を
小さく取り込み多くの面を書き込むことが要求され、作
業性にも問題があった。
横方向のビームの品質、すなわち空間コヒーレンスに問
題があり、１点毎の書き込みによる方法には、サブミク
ロンの大きさの緻密なステップ制御が必要で、かつ光を
小さく取り込み多くの面を書き込むことが要求され、作
業性にも問題があった。
【０００７】このため、上記問題に対応できる方法とし
て、位相マスクを用いる照射方法が注目されるようにな
ってきたが、この方法は図６（ａ）に示すように、石英
基板の１面に凹溝を所定のピッチで所定の深さに設けた
位相シフトマスク２１を用いて、ＫｒＦエキシマレーザ
光（波長：２４８ｎｍ）２３をそのマスク２１照射し、
光ファイバー２２のコア２２Ａに直接屈折率の変化をも
たらし、グレーティング（格子）を作製するものである
（符号２２Ｂは光ファイバー２２のクラッドを示
す。）。なお、図６（ａ）には、コア２２Ａにおける干
渉縞パターン２４を分かりやすく拡大して示してある。
図６（ｂ）、図６（ｃ）はそれぞれ位相マスク２１の断
面図、それに対応する上面図の一部を示したものであ
る。位相マスク２１は、その１面に繰返ピッチＰで深さ
Ｄの凹溝２６を設け、凹溝２６間に略同じ幅の凸条２７
を設けてなるバイナリー位相型回折格子状の構造を有す
るものである。
て、位相マスクを用いる照射方法が注目されるようにな
ってきたが、この方法は図６（ａ）に示すように、石英
基板の１面に凹溝を所定のピッチで所定の深さに設けた
位相シフトマスク２１を用いて、ＫｒＦエキシマレーザ
光（波長：２４８ｎｍ）２３をそのマスク２１照射し、
光ファイバー２２のコア２２Ａに直接屈折率の変化をも
たらし、グレーティング（格子）を作製するものである
（符号２２Ｂは光ファイバー２２のクラッドを示
す。）。なお、図６（ａ）には、コア２２Ａにおける干
渉縞パターン２４を分かりやすく拡大して示してある。
図６（ｂ）、図６（ｃ）はそれぞれ位相マスク２１の断
面図、それに対応する上面図の一部を示したものであ
る。位相マスク２１は、その１面に繰返ピッチＰで深さ
Ｄの凹溝２６を設け、凹溝２６間に略同じ幅の凸条２７
を設けてなるバイナリー位相型回折格子状の構造を有す
るものである。
【０００８】位相マスク２１の凹溝２６の深さ（凸条２
７と凹溝２６との高さの差）Ｄは、露光光であるエキシ
マレーザ光（ビーム）２３の位相をπラジアンだけ変調
するように選択されており、０次光（ビーム）２５Ａは
位相シフトマスク２１により５％以下に抑えられ、マス
ク２１から出る主な光（ビーム）は、回折光の３５％以
上を含むプラス１次の回折光２５Ｂとマイナス１次の回
折光２５Ｃに分割される。このため、このプラス１次の
回折光２５Ｂとマイナス１次の回折光２５Ｃによる所定
ピッチの干渉縞の照射を行い、このピッチでの屈折率変
化を光ファイバー２２内にもたらすものである。
７と凹溝２６との高さの差）Ｄは、露光光であるエキシ
マレーザ光（ビーム）２３の位相をπラジアンだけ変調
するように選択されており、０次光（ビーム）２５Ａは
位相シフトマスク２１により５％以下に抑えられ、マス
ク２１から出る主な光（ビーム）は、回折光の３５％以
上を含むプラス１次の回折光２５Ｂとマイナス１次の回
折光２５Ｃに分割される。このため、このプラス１次の
回折光２５Ｂとマイナス１次の回折光２５Ｃによる所定
ピッチの干渉縞の照射を行い、このピッチでの屈折率変
化を光ファイバー２２内にもたらすものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、凹溝２
６を所定のピッチで設けた位相シフトマスク２１を密着
露光する場合は、位相シフトマスク２１の格子パターン
と光ファイバー２２中に形成される格子パターンとは１
対１の対応であるため、位相シフトマスク２１に欠陥が
ある場合にその欠陥がそのまま転写されてしまうという
問題がある。
６を所定のピッチで設けた位相シフトマスク２１を密着
露光する場合は、位相シフトマスク２１の格子パターン
と光ファイバー２２中に形成される格子パターンとは１
対１の対応であるため、位相シフトマスク２１に欠陥が
ある場合にその欠陥がそのまま転写されてしまうという
問題がある。
【００１０】また、凹溝２６の溝深さも、石英基板の１
段だけのエッチング加工によるため、そのπラジアンか
らのずれにより不要な０次回折光（透過光）や高次回折
光が発生して所望の高精度の回折格子が光ファイバー２
２中に形成されないという問題がある。
段だけのエッチング加工によるため、そのπラジアンか
らのずれにより不要な０次回折光（透過光）や高次回折
光が発生して所望の高精度の回折格子が光ファイバー２
２中に形成されないという問題がある。
【００１１】本発明は従来技術のこのような問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、計算機ホログラ
ムを用いることによりマスクに欠陥がある場合にも欠陥
のない回折格子を光ファイバー中に形成できる光ファイ
バー加工用位相マスクとその製造方法を提供することで
ある。
みてなされたものであり、その目的は、計算機ホログラ
ムを用いることによりマスクに欠陥がある場合にも欠陥
のない回折格子を光ファイバー中に形成できる光ファイ
バー加工用位相マスクとその製造方法を提供することで
ある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の光ファイバー加工用位相マスクは、透明基板の１面
に２次元的にアレー状に配置された微小なセルの集合体
からなる計算機ホログラムからなり、前記セルは透過光
に対して各々独自の位相を与える光路長を有しており、
かつ、垂直に入射する光束を前記計算機ホログラムから
所定距離離れた面上で１次元方向に一定ピッチで０と１
を繰り返す１の繰返領域へのみ回折し、その繰返領域以
外の領域には実質的には回折しないような位相分布を有
しており、前記計算機ホログラムを透過して回折された
光を前記面近傍あるいはその面と共役な面近傍に配置さ
れた光ファイバーに照射してその光ファイバー中に回折
格子を作製することを特徴とするものである。
明の光ファイバー加工用位相マスクは、透明基板の１面
に２次元的にアレー状に配置された微小なセルの集合体
からなる計算機ホログラムからなり、前記セルは透過光
に対して各々独自の位相を与える光路長を有しており、
かつ、垂直に入射する光束を前記計算機ホログラムから
所定距離離れた面上で１次元方向に一定ピッチで０と１
を繰り返す１の繰返領域へのみ回折し、その繰返領域以
外の領域には実質的には回折しないような位相分布を有
しており、前記計算機ホログラムを透過して回折された
光を前記面近傍あるいはその面と共役な面近傍に配置さ
れた光ファイバーに照射してその光ファイバー中に回折
格子を作製することを特徴とするものである。
【００１３】この場合、セルは縦横に碁盤の目状に配置
されていることが望ましい。
されていることが望ましい。
【００１４】また、セルの位相分布は２段階以上に多値
化されているものであることが望ましい。
化されているものであることが望ましい。
【００１５】その場合に、セルの最大の位相を有するも
のと最小の位相を有するものとの位相差はπラジアンで
あり、その間が多値化の数に基づいて２以上に均等に分
割され、最大及び最小の位相を有するもの以外のセルが
その分割された何れかの位相を有することが望ましい。
のと最小の位相を有するものとの位相差はπラジアンで
あり、その間が多値化の数に基づいて２以上に均等に分
割され、最大及び最小の位相を有するもの以外のセルが
その分割された何れかの位相を有することが望ましい。
【００１６】また、計算機ホログラムはフーリエ変換ホ
ログラムであることが望ましい。
ログラムであることが望ましい。
【００１７】本発明の光ファイバー加工用位相マスクの
製造方法は、透明基板の１面に２次元的にアレー状に配
置された微小なセルの集合体からなる計算機ホログラム
からなり、前記セルは透過光に対して各々独自の位相を
与える光路長を有しており、かつ、垂直に入射する光束
を前記計算機ホログラムから所定距離離れた面上で１次
元方向に一定ピッチで０と１を繰り返す１の繰返領域へ
のみ回折し、その繰返領域以外の領域には実質的には回
折しないような位相分布を有しており、前記計算機ホロ
グラムを透過して回折された光を前記面近傍あるいはそ
の面と共役な面近傍に配置された光ファイバーに照射し
てその光ファイバー中に回折格子を作製する光ファイバ
ー加工用位相マスクを、電子線描画装置によるエッチン
グマスク作成と、作成されたエッチングマスクを介して
の透明基板の部分エッチングとを複数回繰り返すことに
より作製することを特徴とする方法である。
製造方法は、透明基板の１面に２次元的にアレー状に配
置された微小なセルの集合体からなる計算機ホログラム
からなり、前記セルは透過光に対して各々独自の位相を
与える光路長を有しており、かつ、垂直に入射する光束
を前記計算機ホログラムから所定距離離れた面上で１次
元方向に一定ピッチで０と１を繰り返す１の繰返領域へ
のみ回折し、その繰返領域以外の領域には実質的には回
折しないような位相分布を有しており、前記計算機ホロ
グラムを透過して回折された光を前記面近傍あるいはそ
の面と共役な面近傍に配置された光ファイバーに照射し
てその光ファイバー中に回折格子を作製する光ファイバ
ー加工用位相マスクを、電子線描画装置によるエッチン
グマスク作成と、作成されたエッチングマスクを介して
の透明基板の部分エッチングとを複数回繰り返すことに
より作製することを特徴とする方法である。
【００１８】本発明においては、光ファイバー加工用位
相マスクが透明基板の１面に２次元的にアレー状に配置
された微小なセルの集合体からなる計算機ホログラムか
らなり、前記セルは透過光に対して各々独自の位相を与
える光路長を有しており、かつ、垂直に入射する光束を
前記計算機ホログラムから所定距離離れた面上で１次元
方向に一定ピッチで０と１を繰り返す１の繰返領域への
み回折し、その繰返領域以外の領域には実質的には回折
しないような位相分布を有しているので、計算機ホログ
ラムからなる位相マスクに欠陥がある場合であっても、
ホログラムの冗長性により欠陥のない回折格子を光ファ
イバー中に形成することができる。
相マスクが透明基板の１面に２次元的にアレー状に配置
された微小なセルの集合体からなる計算機ホログラムか
らなり、前記セルは透過光に対して各々独自の位相を与
える光路長を有しており、かつ、垂直に入射する光束を
前記計算機ホログラムから所定距離離れた面上で１次元
方向に一定ピッチで０と１を繰り返す１の繰返領域への
み回折し、その繰返領域以外の領域には実質的には回折
しないような位相分布を有しているので、計算機ホログ
ラムからなる位相マスクに欠陥がある場合であっても、
ホログラムの冗長性により欠陥のない回折格子を光ファ
イバー中に形成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下に、まず本発明の光ファイバ
ー加工用位相マスクの原理について説明する。いま、あ
るホログラムを考え、それからの再生距離がホログラム
の大きさに比べて十分に大きい場合であってホログラム
面に垂直に平行光で照明した場合、再生像面で得られる
回折光は、ホログラム面での振幅分布及び位相分布のフ
ーリエ変換で表される（フラウンホーファー回折）。
ー加工用位相マスクの原理について説明する。いま、あ
るホログラムを考え、それからの再生距離がホログラム
の大きさに比べて十分に大きい場合であってホログラム
面に垂直に平行光で照明した場合、再生像面で得られる
回折光は、ホログラム面での振幅分布及び位相分布のフ
ーリエ変換で表される（フラウンホーファー回折）。
【００２０】そこで、従来、再生像面に所定の回折光を
与えるために、ホログラム面と再生像面との間で束縛条
件を加えながらフーリエ変換と逆フーリエ変換を交互に
繰り返しながらホログラム面に配置する計算機ホログラ
ムを求める方法が、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎ
反復計算法として知られている（例えば、日本光学会
（応用物理学会）主催 第２２回冬期講習会テキスト
「ホログラムと回折型光学素子−基礎理論から産業応用
まで−」ｐｐ．３６〜３９）。
与えるために、ホログラム面と再生像面との間で束縛条
件を加えながらフーリエ変換と逆フーリエ変換を交互に
繰り返しながらホログラム面に配置する計算機ホログラ
ムを求める方法が、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎ
反復計算法として知られている（例えば、日本光学会
（応用物理学会）主催 第２２回冬期講習会テキスト
「ホログラムと回折型光学素子−基礎理論から産業応用
まで−」ｐｐ．３６〜３９）。
【００２１】ここで、ホログラム面での光の分布をｈ
（ｘ，ｙ）、それから所定距離離れた再生像面での光の
分布をｆ（ｕ，ｖ）とすると、 ｈ（ｘ，ｙ）＝ＡHOLO（ｘ，ｙ）ｅｘｐ（ｉφHOLO（ｘ，ｙ））・・（１） ｆ（ｕ，ｖ）＝ＡIMG （ｕ，ｖ）ｅｘｐ（ｉφIMG （ｕ，ｖ））・・（２） と書ける。ここで、ＡHOLO（ｘ，ｙ）はホログラム面で
の振幅分布、φHOLO（ｘ，ｙ）はホログラム面での位相
分布、ＡIMG （ｕ，ｖ）は再生像面での振幅分布、φ
IMG （ｕ，ｖ）は再生像面での位相分布である。
（ｘ，ｙ）、それから所定距離離れた再生像面での光の
分布をｆ（ｕ，ｖ）とすると、 ｈ（ｘ，ｙ）＝ＡHOLO（ｘ，ｙ）ｅｘｐ（ｉφHOLO（ｘ，ｙ））・・（１） ｆ（ｕ，ｖ）＝ＡIMG （ｕ，ｖ）ｅｘｐ（ｉφIMG （ｕ，ｖ））・・（２） と書ける。ここで、ＡHOLO（ｘ，ｙ）はホログラム面で
の振幅分布、φHOLO（ｘ，ｙ）はホログラム面での位相
分布、ＡIMG （ｕ，ｖ）は再生像面での振幅分布、φ
IMG （ｕ，ｖ）は再生像面での位相分布である。
【００２２】上記のフーリエ変換と逆フーリエ変換は、 となる。
【００２３】ここで、今後の議論を分かりやすくするた
め、ホログラム面でのＡHOLO（ｘ，ｙ）を"HoloAmp" 、
ホログラム面でのφHOLO（ｘ，ｙ）を"HoloPha" 、再生
像面でのＡIMG （ｕ，ｖ）を"ImgAmp" 、再生像面での
φIMG （ｕ，ｖ）を"ImgPha"で表現する。
め、ホログラム面でのＡHOLO（ｘ，ｙ）を"HoloAmp" 、
ホログラム面でのφHOLO（ｘ，ｙ）を"HoloPha" 、再生
像面でのＡIMG （ｕ，ｖ）を"ImgAmp" 、再生像面での
φIMG （ｕ，ｖ）を"ImgPha"で表現する。
【００２４】本発明においては、まず、このＧｅｒｃｈ
ｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎ反復計算法を利用して、背後か
らホログラム面に垂直に平行光で照明した場合に、１次
元方向に一定繰返ピッチ２ｄで０と１を繰り返す１の繰
返領域へのみ光を回折する計算機ホログラムを得ること
を考える。図１は、このためのフローチャートであり、
ステップで、ホログラム面領域ｘ0 ≦ｘ≦ｘ1 ，ｙ0
≦ｙ≦ｙ1 で、ホログラムの振幅HoloAmp を１に、ホロ
グラムの位相HoloPha をランダムな値に初期化して、ス
テップで、その初期化した値に上記式（３）のフーリ
エ変換を施す。ステップで、フーリエ変換で得られた
再生像面での振幅ImgAmpが所定の領域、ｕ0 ≦ｕ≦ｕ1
でかつ２ｍｄ≦ｕ≦（２ｍ＋１）ｄ（ｍは整数），ｖ0
≦ｖ≦ｖ1 内で略一定値になり、その所定領域外で略０
になったと判断された場合は、ステップで初期化した
振幅と位相が所望の計算機ホログラムとなる。ステップ
でこのような条件が満足されないと判断された場合
は、ステップで束縛条件が付与される。具体的には、
上記の所定領域内では再生像面での振幅ImgAmpは１にさ
れ、その外では０にされ、再生像面での位相ImgPhaはそ
のままに維持される。そのような束縛条件が付与された
後、ステップで、上記式（４）のフーリエ逆変換が施
される。そのフーリエ逆変換で得られたホログラム面で
の値は、ステップで束縛条件が付与され、振幅HoloAm
p は１にされ、位相HoloPha は多値化（元の関数をデジ
タルな階段状の関数に近似（量子化））される。そし
て、ステップでその値にフーリエ変換が施され、ステ
ップで、フーリエ変換で得られた再生像面での振幅Im
gAmpが上記の所定の領域、ｕ0 ≦ｕ≦ｕ1 でかつ２ｍｄ
≦ｕ≦（２ｍ＋１）ｄ（ｍは整数），ｖ0 ≦ｖ≦ｖ1 内
で略一定値になり、その所定領域外で略０になったと判
断された場合は、ステップで束縛条件が付与された振
幅と位相が所望の計算機ホログラムとなる。ステップ
でこのような条件が満足されないと判断された場合は、
ステップ→→→→のループがステップの条
件が満足されるまで（収束するまで）繰り返され、最終
的な所望の計算機ホログラムが得られる。
ｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎ反復計算法を利用して、背後か
らホログラム面に垂直に平行光で照明した場合に、１次
元方向に一定繰返ピッチ２ｄで０と１を繰り返す１の繰
返領域へのみ光を回折する計算機ホログラムを得ること
を考える。図１は、このためのフローチャートであり、
ステップで、ホログラム面領域ｘ0 ≦ｘ≦ｘ1 ，ｙ0
≦ｙ≦ｙ1 で、ホログラムの振幅HoloAmp を１に、ホロ
グラムの位相HoloPha をランダムな値に初期化して、ス
テップで、その初期化した値に上記式（３）のフーリ
エ変換を施す。ステップで、フーリエ変換で得られた
再生像面での振幅ImgAmpが所定の領域、ｕ0 ≦ｕ≦ｕ1
でかつ２ｍｄ≦ｕ≦（２ｍ＋１）ｄ（ｍは整数），ｖ0
≦ｖ≦ｖ1 内で略一定値になり、その所定領域外で略０
になったと判断された場合は、ステップで初期化した
振幅と位相が所望の計算機ホログラムとなる。ステップ
でこのような条件が満足されないと判断された場合
は、ステップで束縛条件が付与される。具体的には、
上記の所定領域内では再生像面での振幅ImgAmpは１にさ
れ、その外では０にされ、再生像面での位相ImgPhaはそ
のままに維持される。そのような束縛条件が付与された
後、ステップで、上記式（４）のフーリエ逆変換が施
される。そのフーリエ逆変換で得られたホログラム面で
の値は、ステップで束縛条件が付与され、振幅HoloAm
p は１にされ、位相HoloPha は多値化（元の関数をデジ
タルな階段状の関数に近似（量子化））される。そし
て、ステップでその値にフーリエ変換が施され、ステ
ップで、フーリエ変換で得られた再生像面での振幅Im
gAmpが上記の所定の領域、ｕ0 ≦ｕ≦ｕ1 でかつ２ｍｄ
≦ｕ≦（２ｍ＋１）ｄ（ｍは整数），ｖ0 ≦ｖ≦ｖ1 内
で略一定値になり、その所定領域外で略０になったと判
断された場合は、ステップで束縛条件が付与された振
幅と位相が所望の計算機ホログラムとなる。ステップ
でこのような条件が満足されないと判断された場合は、
ステップ→→→→のループがステップの条
件が満足されるまで（収束するまで）繰り返され、最終
的な所望の計算機ホログラムが得られる。
【００２５】ここで、ステップで、再生像面で振幅Im
gAmpが略所定の値に収束したと判断する評価関数として
は、例えば次のようなものを用いる。 ただし、ｕ，ｖに関するΣ（和）は、ｕ0 ≦ｕ≦ｕ1 ，
ｖ0 ≦ｖ≦ｖ1 内のホログラムのセルにおける値の和を
取ることを意味し、〈ＡIMG （ｕ，ｖ）〉はそのセル内
における理想的な振幅である。この（評価関数）が例え
ば０．０１以下になることをもって収束したと判断す
る。
gAmpが略所定の値に収束したと判断する評価関数として
は、例えば次のようなものを用いる。 ただし、ｕ，ｖに関するΣ（和）は、ｕ0 ≦ｕ≦ｕ1 ，
ｖ0 ≦ｖ≦ｖ1 内のホログラムのセルにおける値の和を
取ることを意味し、〈ＡIMG （ｕ，ｖ）〉はそのセル内
における理想的な振幅である。この（評価関数）が例え
ば０．０１以下になることをもって収束したと判断す
る。
【００２６】この他、計算ループの反復の前回の振幅の
値と今回の値の差を用いた次のような評価関数を用いる
こともできる。 ここで、ＡIMG i-1 （ｕ，ｖ）は前回の振幅の値、Ａ
IMG i （ｕ，ｖ）は今回の振幅の値である。
値と今回の値の差を用いた次のような評価関数を用いる
こともできる。 ここで、ＡIMG i-1 （ｕ，ｖ）は前回の振幅の値、Ａ
IMG i （ｕ，ｖ）は今回の振幅の値である。
【００２７】上記のようにして得られた計算機ホログラ
ムは位相HoloPha のみが分布している位相板であり、そ
の位相板は、背後からホログラム面に垂直に平行光で照
明した場合に、前方所定距離にある平面内のｕ0 ≦ｕ≦
ｕ1 でかつ２ｍｄ≦ｕ≦（２ｍ＋１）ｄ（ｍは整数），
ｖ0 ≦ｖ≦ｖ1 内へのみ光を回折する計算機ホログラム
である。その位相板の位相分布φHOLOは図２に示すよう
なｎ段階に多値化されているものである。
ムは位相HoloPha のみが分布している位相板であり、そ
の位相板は、背後からホログラム面に垂直に平行光で照
明した場合に、前方所定距離にある平面内のｕ0 ≦ｕ≦
ｕ1 でかつ２ｍｄ≦ｕ≦（２ｍ＋１）ｄ（ｍは整数），
ｖ0 ≦ｖ≦ｖ1 内へのみ光を回折する計算機ホログラム
である。その位相板の位相分布φHOLOは図２に示すよう
なｎ段階に多値化されているものである。
【００２８】以上のようにして求められた位相分布φ
HOLO（ｘ，ｙ）から、実際の計算機ホログラムの深さ分
布を求めるには、位相分布φ（ｘ，ｙ）を次の式（７）
に基づいて、計算機ホログラムの深さＤ（ｘ，ｙ）に変
換する。 Ｄ（ｘ，ｙ）＝λφ（ｘ，ｙ）／｛２π（ｎ1 −１）｝ ・・・（７） ここで、λは使用中心波長、ｎ1 は計算機ホログラムを
構成する材質の屈折率である。
HOLO（ｘ，ｙ）から、実際の計算機ホログラムの深さ分
布を求めるには、位相分布φ（ｘ，ｙ）を次の式（７）
に基づいて、計算機ホログラムの深さＤ（ｘ，ｙ）に変
換する。 Ｄ（ｘ，ｙ）＝λφ（ｘ，ｙ）／｛２π（ｎ1 −１）｝ ・・・（７） ここで、λは使用中心波長、ｎ1 は計算機ホログラムを
構成する材質の屈折率である。
【００２９】図３（ａ）に断面図を示すように、上記式
（７）で求めたＤ（ｘ，ｙ）の深さのレリーフパターン
２を形成することによって実際の計算機ホログラム１が
得られる。レリーフパターン２もｎ段階に多値化されて
いる。図３（ｂ）にこの計算機ホログラム１の平面図を
示す。この計算機ホログラム１は縦横Ｎ×Ｍ（図の場合
は１６×１６）の碁盤の目状に配置された縦横寸法がΔ
の微小なセル３の集合体からなり、各セル３がそれぞれ
式（７）で与えられる深さＤ（ｘ，ｙ）を有している。
（７）で求めたＤ（ｘ，ｙ）の深さのレリーフパターン
２を形成することによって実際の計算機ホログラム１が
得られる。レリーフパターン２もｎ段階に多値化されて
いる。図３（ｂ）にこの計算機ホログラム１の平面図を
示す。この計算機ホログラム１は縦横Ｎ×Ｍ（図の場合
は１６×１６）の碁盤の目状に配置された縦横寸法がΔ
の微小なセル３の集合体からなり、各セル３がそれぞれ
式（７）で与えられる深さＤ（ｘ，ｙ）を有している。
【００３０】この計算機ホログラム１が本発明による光
ファイバー加工用位相マスクとして用いられる。図４に
この位相マスク１を用いて投影露光により光ファイバー
２２のコア２２Ａ（図６）に屈折率の変化を与えること
によりグレーティング（格子）を作製する配置を示す。
位相マスク１の背面から垂直に紫外線（例えば波長２４
８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光）４を入射させると、
回折光５が前方へ生じ、位相マスク１から距離Ｌの仮想
面６上に、上記のように１次元方向に一定繰返ピッチ２
ｄで光強度が０と１を繰り返す格子パターンが形成され
る。この格子パターンを投影レンズ７により縮小してそ
の格子を横切るように光ファイバー２２を配置してその
コア２２Ａに直接屈折率の変化をもたらし、グレーティ
ング（格子）を作製する（符号２２Ｂは光ファイバー２
２のクラッドを示す。）。
ファイバー加工用位相マスクとして用いられる。図４に
この位相マスク１を用いて投影露光により光ファイバー
２２のコア２２Ａ（図６）に屈折率の変化を与えること
によりグレーティング（格子）を作製する配置を示す。
位相マスク１の背面から垂直に紫外線（例えば波長２４
８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光）４を入射させると、
回折光５が前方へ生じ、位相マスク１から距離Ｌの仮想
面６上に、上記のように１次元方向に一定繰返ピッチ２
ｄで光強度が０と１を繰り返す格子パターンが形成され
る。この格子パターンを投影レンズ７により縮小してそ
の格子を横切るように光ファイバー２２を配置してその
コア２２Ａに直接屈折率の変化をもたらし、グレーティ
ング（格子）を作製する（符号２２Ｂは光ファイバー２
２のクラッドを示す。）。
【００３１】次に、図５に電子線描画装置を用いて図３
に示したような本発明の光ファイバー加工用位相マスク
（計算機ホログラム）の製造方法の１実施例を説明す
る。
に示したような本発明の光ファイバー加工用位相マスク
（計算機ホログラム）の製造方法の１実施例を説明す
る。
【００３２】図５はこの実施例の工程の基本的部分を示
した断面図である。図５中、１０は位相マスクのブラン
ク、１１は石英基板、１２はクロム薄膜、１２Ａはクロ
ム薄膜パターン、１２Ｂはクロム薄膜開口部、１３は電
子線レジスト、１３Ａはレジストパターン、１３Ｂはレ
ジスト開口部、１４は電子線（ビーム）、２１’は中間
マスク、２６’は凹部、２７’は凸部である。
した断面図である。図５中、１０は位相マスクのブラン
ク、１１は石英基板、１２はクロム薄膜、１２Ａはクロ
ム薄膜パターン、１２Ｂはクロム薄膜開口部、１３は電
子線レジスト、１３Ａはレジストパターン、１３Ｂはレ
ジスト開口部、１４は電子線（ビーム）、２１’は中間
マスク、２６’は凹部、２７’は凸部である。
【００３３】まず、図５（ａ）に示すように、石英基板
１１上に１５０Å厚のクロム薄膜１２をスパッタにて成
膜したブランクス１０を用意した。クロム薄膜１２は、
後工程の電子線レジスト１３に電子線１４を照射する際
のチャージアップ防止に役立ち、石英基板に凹部２６’
を作製する際のマスクとなるものであるが、クロム薄膜
エッチングにおける解像性の点でもその厚さの制御は重
要で、１００〜２００Å厚が適当である。
１１上に１５０Å厚のクロム薄膜１２をスパッタにて成
膜したブランクス１０を用意した。クロム薄膜１２は、
後工程の電子線レジスト１３に電子線１４を照射する際
のチャージアップ防止に役立ち、石英基板に凹部２６’
を作製する際のマスクとなるものであるが、クロム薄膜
エッチングにおける解像性の点でもその厚さの制御は重
要で、１００〜２００Å厚が適当である。
【００３４】次いで、図５（ｂ）に示すように、電子線
レジスト１３としては、電子線レジストＲＥ５１００Ｐ
（日立化成（株）製）を用い、厚さ４００ｎｍに塗布
し、乾燥した。
レジスト１３としては、電子線レジストＲＥ５１００Ｐ
（日立化成（株）製）を用い、厚さ４００ｎｍに塗布
し、乾燥した。
【００３５】この後、図５（ｃ）に示すように、電子線
レジスト１３を電子線描画装置ＭＥＢＥＳIII （ＥＴＥ
Ｃ社製）にて露光量１．２μＣ／ｃｍ2 で露光した。
レジスト１３を電子線描画装置ＭＥＢＥＳIII （ＥＴＥ
Ｃ社製）にて露光量１．２μＣ／ｃｍ2 で露光した。
【００３６】露光後、９０℃で５分間ベーク（ＰＥＢ：
Ｐｏｓｔ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｂａｋｉｎｇ）した後、
２．３８％濃度のＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウム
ハイドロオキサイド）で電子線レジスト１３を現像し、
図５（ｄ）に示すような所望のレジストパターン１３Ａ
を形成した。なお、露光後のベーク（ＰＥＢ）は電子ビ
ーム１４が照射された部分を選択的に感度アップするた
めのものである。
Ｐｏｓｔ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｂａｋｉｎｇ）した後、
２．３８％濃度のＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウム
ハイドロオキサイド）で電子線レジスト１３を現像し、
図５（ｄ）に示すような所望のレジストパターン１３Ａ
を形成した。なお、露光後のベーク（ＰＥＢ）は電子ビ
ーム１４が照射された部分を選択的に感度アップするた
めのものである。
【００３７】次いで、レジストパターン１３Ａをマスク
として、ＣＨ2 Ｃｌ2 ガスを用いてドライエッチングし
て、図５（ｅ）に示すようなクロム薄膜パターン１２Ａ
を形成した。
として、ＣＨ2 Ｃｌ2 ガスを用いてドライエッチングし
て、図５（ｅ）に示すようなクロム薄膜パターン１２Ａ
を形成した。
【００３８】次いで、図５（ｆ）に示すように、クロム
薄膜パターン１２ＡをマスクとしてＣＦ4 ガスを用いて
石英基板１１を２段階以上の多段階の１段目の深さ（位
相をπだけずらす深さが２４０ｎｍであり、多段階の数
がｎのとき、２４０ｎｍ／ｎ）だけエッチングした。深
さの制御はエッチング時間を制御することにより行われ
る。
薄膜パターン１２ＡをマスクとしてＣＦ4 ガスを用いて
石英基板１１を２段階以上の多段階の１段目の深さ（位
相をπだけずらす深さが２４０ｎｍであり、多段階の数
がｎのとき、２４０ｎｍ／ｎ）だけエッチングした。深
さの制御はエッチング時間を制御することにより行われ
る。
【００３９】この後、図５（ｇ）に示すように、７０℃
の硫酸にてレジストパターン１３Ａを剥離し、次いで、
図５（ｈ）に示すように、硝酸第二セリウムアンモニウ
ム溶液によりクロム薄膜パターン１２Ａをエッチングし
て除去し、洗浄処理を経て、深さ２４０ｎｍ／ｓ、縦横
寸法１９．８４μｍの微小セルからなる中間マスク２
１’を完成した。
の硫酸にてレジストパターン１３Ａを剥離し、次いで、
図５（ｈ）に示すように、硝酸第二セリウムアンモニウ
ム溶液によりクロム薄膜パターン１２Ａをエッチングし
て除去し、洗浄処理を経て、深さ２４０ｎｍ／ｓ、縦横
寸法１９．８４μｍの微小セルからなる中間マスク２
１’を完成した。
【００４０】上記図５（ａ）〜（ｈ）の工程をそれぞれ
異なるレジストパターン１３Ａについてｎ回繰り返すこ
とにより、図３に示したような本発明の光ファイバー加
工用位相マスクが完成した。
異なるレジストパターン１３Ａについてｎ回繰り返すこ
とにより、図３に示したような本発明の光ファイバー加
工用位相マスクが完成した。
【００４１】以上、本発明の光ファイバー加工用位相マ
スク及びその製造方法を実施例に基づいて説明してきた
が、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可
能である。
スク及びその製造方法を実施例に基づいて説明してきた
が、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可
能である。
【００４２】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の光ファイバー加工用位相マスク及びその製造方法によ
ると、光ファイバー加工用位相マスクが透明基板の１面
に２次元的にアレー状に配置された微小なセルの集合体
からなる計算機ホログラムからなり、前記セルは透過光
に対して各々独自の位相を与える光路長を有しており、
かつ、垂直に入射する光束を前記計算機ホログラムから
所定距離離れた面上で１次元方向に一定ピッチで０と１
を繰り返す１の繰返領域へのみ回折し、その繰返領域以
外の領域には実質的には回折しないような位相分布を有
しているので、計算機ホログラムからなる位相マスクに
欠陥がある場合であっても、ホログラムの冗長性により
欠陥のない回折格子を光ファイバー中に形成することが
できる。
の光ファイバー加工用位相マスク及びその製造方法によ
ると、光ファイバー加工用位相マスクが透明基板の１面
に２次元的にアレー状に配置された微小なセルの集合体
からなる計算機ホログラムからなり、前記セルは透過光
に対して各々独自の位相を与える光路長を有しており、
かつ、垂直に入射する光束を前記計算機ホログラムから
所定距離離れた面上で１次元方向に一定ピッチで０と１
を繰り返す１の繰返領域へのみ回折し、その繰返領域以
外の領域には実質的には回折しないような位相分布を有
しているので、計算機ホログラムからなる位相マスクに
欠陥がある場合であっても、ホログラムの冗長性により
欠陥のない回折格子を光ファイバー中に形成することが
できる。
【図１】本発明の光ファイバー加工用位相マスクを構成
する計算機ホログラムを得るためのフローチャートであ
る。
する計算機ホログラムを得るためのフローチャートであ
る。
【図２】図１のフローで求められた計算機ホログラムの
位相分布を示す図である。
位相分布を示す図である。
【図３】図１のフローで得られた１つの光ファイバー加
工用位相マスクの断面図と平面図である。
工用位相マスクの断面図と平面図である。
【図４】本発明の位相マスクを用いて光ファイバーにグ
レーティングを作製する配置を示す図である。
レーティングを作製する配置を示す図である。
【図５】本発明の位相マスクの製造方法の１実施例の工
程の基本的部分を示した断面図である。
程の基本的部分を示した断面図である。
【図６】従来の光ファイバー加工とそれに用いられる位
相マスクを説明するための図である。
相マスクを説明するための図である。
１…計算機ホログラム（光ファイバー加工用位相マス
ク） ２…レリーフパターン ３…セル ４…紫外線 ５…回折光 ６…仮想面 ７…投影レンズ １０…位相マスクのブランク １１…石英基板 １２…クロム薄膜 １２Ａ…クロム薄膜パターン １２Ｂ…クロム薄膜開口部 １３…電子線レジスト １３Ａ…レジストパターン １３Ｂ…レジスト開口部 １４…電子線（ビーム） ２１’…中間マスク ２２…光ファイバー ２２Ａ…光ファイバーのコア ２２Ｂ…光ファイバーのクラッド ２６’…凹部 ２７’…凸部
ク） ２…レリーフパターン ３…セル ４…紫外線 ５…回折光 ６…仮想面 ７…投影レンズ １０…位相マスクのブランク １１…石英基板 １２…クロム薄膜 １２Ａ…クロム薄膜パターン １２Ｂ…クロム薄膜開口部 １３…電子線レジスト １３Ａ…レジストパターン １３Ｂ…レジスト開口部 １４…電子線（ビーム） ２１’…中間マスク ２２…光ファイバー ２２Ａ…光ファイバーのコア ２２Ｂ…光ファイバーのクラッド ２６’…凹部 ２７’…凸部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H049 AA33 AA37 AA59 AA62 AA66 CA05 CA08 CA15 CA23 CA28 2H050 AC82 AC84 AD00 2H095 BB03 BB10 BC28
Claims (6)
- 【請求項１】 透明基板の１面に２次元的にアレー状に
配置された微小なセルの集合体からなる計算機ホログラ
ムからなり、前記セルは透過光に対して各々独自の位相
を与える光路長を有しており、かつ、垂直に入射する光
束を前記計算機ホログラムから所定距離離れた面上で１
次元方向に一定ピッチで０と１を繰り返す１の繰返領域
へのみ回折し、その繰返領域以外の領域には実質的には
回折しないような位相分布を有しており、前記計算機ホ
ログラムを透過して回折された光を前記面近傍あるいは
その面と共役な面近傍に配置された光ファイバーに照射
してその光ファイバー中に回折格子を作製することを特
徴とする光ファイバー加工用位相マスク。 - 【請求項２】 前記セルは縦横に碁盤の目状に配置され
ていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバー加
工用位相マスク。 - 【請求項３】 前記セルの位相分布は２段階以上に多値
化されているものであることを特徴とする請求項１又は
２記載の光ファイバー加工用位相マスク。 - 【請求項４】 前記セルの最大の位相を有するものと最
小の位相を有するものとの位相差はπラジアンであり、
その間が多値化の数に基づいて２以上に均等に分割さ
れ、最大及び最小の位相を有するもの以外の前記セルが
その分割された何れかの位相を有することを特徴とする
請求項３記載の光ファイバー加工用位相マスク。 - 【請求項５】 前記計算機ホログラムはフーリエ変換ホ
ログラムであることを特徴とする請求項１から４の何れ
か１項記載の光ファイバー加工用位相マスク。 - 【請求項６】 透明基板の１面に２次元的にアレー状に
配置された微小なセルの集合体からなる計算機ホログラ
ムからなり、前記セルは透過光に対して各々独自の位相
を与える光路長を有しており、かつ、垂直に入射する光
束を前記計算機ホログラムから所定距離離れた面上で１
次元方向に一定ピッチで０と１を繰り返す１の繰返領域
へのみ回折し、その繰返領域以外の領域には実質的には
回折しないような位相分布を有しており、前記計算機ホ
ログラムを透過して回折された光を前記面近傍あるいは
その面と共役な面近傍に配置された光ファイバーに照射
してその光ファイバー中に回折格子を作製する光ファイ
バー加工用位相マスクを、電子線描画装置によるエッチ
ングマスク作成と、作成されたエッチングマスクを介し
ての透明基板の部分エッチングとを複数回繰り返すこと
により作製することを特徴とする光ファイバー加工用位
相マスクの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25824198A JP2000089014A (ja) | 1998-09-11 | 1998-09-11 | 光ファイバー加工用位相マスク及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25824198A JP2000089014A (ja) | 1998-09-11 | 1998-09-11 | 光ファイバー加工用位相マスク及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000089014A true JP2000089014A (ja) | 2000-03-31 |
Family
ID=17317497
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25824198A Pending JP2000089014A (ja) | 1998-09-11 | 1998-09-11 | 光ファイバー加工用位相マスク及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000089014A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001255490A (ja) * | 2000-03-10 | 2001-09-21 | Mitsubishi Electric Corp | レーザ加工装置およびレーザ加工方法およびこの加工方法による光導波路の製造方法 |
| WO2002048772A2 (en) * | 2000-12-12 | 2002-06-20 | Civcom Devices & Systems Ltd. | Method and apparatus for producing fiber bragg gratings |
| JP2003098649A (ja) * | 2001-09-26 | 2003-04-04 | Dainippon Printing Co Ltd | 微小な集光レンズの形成方法 |
| JP2007003777A (ja) * | 2005-06-23 | 2007-01-11 | Dainippon Printing Co Ltd | 回折光学素子の作製方法 |
| JP2008276259A (ja) * | 2001-10-01 | 2008-11-13 | Seiko Epson Corp | フォトマスク、微細構造体、フォトマスクの製造方法及び露光装置 |
| CN106980224A (zh) * | 2016-01-19 | 2017-07-25 | 香港理工大学 | 一种相位掩模板以及光纤光栅的制造设备及方法 |
-
1998
- 1998-09-11 JP JP25824198A patent/JP2000089014A/ja active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2007003777A (ja) * | 2005-06-23 | 2007-01-11 | Dainippon Printing Co Ltd | 回折光学素子の作製方法 |
| JP4593385B2 (ja) * | 2005-06-23 | 2010-12-08 | 大日本印刷株式会社 | 回折光学素子の作製方法 |
| CN106980224A (zh) * | 2016-01-19 | 2017-07-25 | 香港理工大学 | 一种相位掩模板以及光纤光栅的制造设备及方法 |
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