JP2001305327A - 屈折率摂動形成方法とグレーティングパターン形成方法 - Google Patents

屈折率摂動形成方法とグレーティングパターン形成方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 空間依存性として広範囲の関数形を指定する
ことができるような空間依存性周期を有するグレーティ
ングを形成する。 【構成】 光化学波長λを有する電磁放射の２つの平行
な同一直線上にないビームを発生し、これらのビームが
角度φで交差するように媒質の一部にビームを照射する
ことにより軸方向に周期的な干渉パターンを生成し、そ
の間に、干渉パターンの局所的なコヒーレンスが保存さ
れるように媒質に対して干渉パターンの照射部分を軸方
向に移動させ、その間に、グレーティングパターンが準
周期的であり空間的に変化する周期を有するように積λ
×０．５ｃｓｃ（φ／２）を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光学要素を形成するた
めの感光性材料の処理に関し、特に、光ファイバのよう
な導波体と集積される受動光学素子の形成に関する。
【０００２】
【従来の技術】ホトレジストなどとともに、少なくとも
シリカベースの光ファイバを含むいくつかの光学媒質
が、適当なスペクトル範囲の電磁放射で露光されること
によって修飾される。（このような放射は、一般に紫外
線であるが、以下では「化学線」という。）すなわち、
感光性光ファイバ（またはその他の光学媒質）を化学線
で露光することにより、その媒質の露光部分において屈
折率が変化する。例えばレーザからのほぼ単色光のビー
ムの対を重ね合わせて干渉パターンを生成することによ
り、照射光に周期的パターンをつけることができる。波
長λの２つのビームが交差角φで交差する場合、生じる
干渉パターンはΛ＝０．５λｃｓｃ（φ／２）で与えら
れる周期Λを有する。このようなパターン化された放射
場が、適当な感光性のコアを有する光ファイバまたはそ
の他の光導波路に入射する場合、対応するパターンはコ
ア屈折率における周期的（または準周期的）ゆらぎの形
でコアにつけられる。このようなパターンは、通常「ブ
ラッググレーティング」または「分布ブラッグ反射器
（ＤＢＲ）」と呼ばれ、電磁放射に対するスペクトル選
択性反射器として作用することが可能である。このよう
にして形成されるブラッググレーティングは、光ファイ
バレーザの終端反射器として特に有用である。このブラ
ッググレーティングは、スペクトル選択性があるだけで
なく、能動レーザ媒質を指示する同じ光ファイバ内に容
易に組み込まれるため、有用である。
【０００３】このブラッグ反射器を作成する技術は、米
国特許第４，７２５，１１０号（発明者：ダブリュ．エ
イチ．グレン(W. H. Glenn)他、発行日：１９８８年２
月１６日）、および、米国特許第４，８０７，９５０号
（発明者：ダブリュ．エイチ．グレン他、発行日：１９
８９年２月２８日）に記載されている。ＤＢＲ終端キャ
ビティを有する光ファイバは、ジー．エー．ボール(G.
A. Ball)、ダブリュ．ダブリュ．モレー(W. W. More
y)、「連続同調可能シングルモードエルビウムファイバ
レーザ」、Optics Lett.、第１７巻（１９９２年）第４
２０〜４２２ページ、に記載されている。
【０００４】ブラッググレーティングは、ファイバレー
ザの終端反射器以外のアプリケーションの受動光学素子
として有用である。例えば、ブラッググレーティング
は、波長分割多重およびその他の光信号処理アプリケー
ションのスペクトルフィルタとして有用である。光ファ
イバに形成されたブラッググレーティングからなる光フ
ィルタが、米国特許第５，００７，７０５号（発明者：
ダブリュ．ダブリュ．モレー他、発行日：１９９１年４
月１６日）に記載されている。
【０００５】同様の技術が、基板上のホトレジストのよ
うな感光性媒質にグレーティングパターンを形成するた
めに有用である。この基板は、レジストの露光および現
像の後、リソグラフィ加工される。
【０００６】いくつかのアプリケーションでは、周期的
ではなく準周期的なブラッググレーティングを設けるこ
とが好ましい。すなわち、グレーティングの周期（すな
わち、伝播軸に沿って、屈折率プロフィールの連続する
山または谷の間の直線距離）が一定でなく、伝播軸に沿
って所定の様式で変化する。最も一般的な準周期的グレ
ーティングは、その周期が、伝播軸に沿った位置の関数
（代表的にはおよそ線形の関数）として増大または減少
するものである。このようなグレーティングを「チャー
プ」グレーティングという。チャープグレーティング
は、とりわけ、広帯域光反射器を形成する場合に有用で
ある。光ファイバ通信レーザにおけるチャープグレーテ
ィングの応用例が、米国特許出願第０７／８２７，２４
９号（発明者：アール．アダー(R. Adar)他、出願日：
１９９２年１月２９日）に記載されている。グレーティ
ング反射率スペクトルから不要な構造を除去するための
チャープの応用例が、「光学媒質における分布ブラッグ
反射器を形成する方法(Method for Forming Distribute
d Bragg Reflectors in Optical Media)」と題する米国
特許出願（発明者：ヴィ．ミズラヒ(V. Mizrahi)他）に
記載されている。
【０００７】（ホトレジストに）チャープグレーティン
グを形成する従来の方法では、感光性媒質に入射する干
渉ビームは平行にされていない。その代わりに、各ビー
ムは所定の発散角で発散される。ビームの発散の結果、
単一のうまく定義されたビーム間の交差角はない。その
代わりに、干渉パターン内の位置に依存する（感光性媒
質の伝播軸に沿って測定した）有効交差角がある。この
結果、空間に依存する周期を有するグレーティングが形
成される。この方法は、エックス．メイ(X. Mai)他、
「導波グレーティングを製造する簡単で多用途の方
法」、Appl. Optics、第２４巻（１９８５年）第３１５
５〜３１６１ページに記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】この従来の方法には、
周期が任意の空間依存性を有するグレーティングを形成
するために使用することができないという欠点がある。
その代わりにこの依存性は、ビームを発散させる方法に
よって利用可能な形しかとることができない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】われわれは、空間依存性
周期を有するグレーティング（例えばブラッググレーテ
ィング）を形成する新しい方法を発見した。従来技術の
方法とは異なり、この周期はグレーティングの相異なる
部分で独立に指定することができる。その結果、空間依
存性として広範囲の関数形を指定することができる。
【００１０】第１の実施例では、本発明は、感光性媒質
を露光することにより、ある軸（「光伝播軸」という）
に沿ってグレーティングを形成する方法にかかわる。こ
の軸の方向を「軸方向」という。この方法は、光化学波
長λ、すなわち、媒質内に屈折率変化を引き起こすこと
が可能な波長を有する２つの同一直線上にない平行な電
磁放射のビームを発生するステップを有する。この２つ
のビームは、交差角φで媒質の少なくとも一部に入射
し、周期的干渉パターンが入射部分に生成される。この
方法はさらに、干渉パターンの少なくとも局所的なコヒ
ーレンスが保存されるように、媒質に対して干渉パター
ンの照射部分を前進させるステップを有する。この方法
はさらに、前進ステップ中に、干渉パターンが空間的に
変化する周期を有するように、積λ×０．５ｃｓｃ（φ
／２）を変化させるステップを有する。
【００１１】本発明の第２の実施例では、干渉する光化
学ビームを発生し、それを感光性光学媒質に照射し、上
記のように媒質に対して干渉パターンの照射部分を前進
させることによってブラッググレーティングが形成さ
れ、その結果、媒質中に屈折率摂動が形成される。本発
明の方法は、この実施例では、さらに、前進ステップ中
に、結果の屈折率摂動のさまざまな点で受光される化学
線の線量を変化させるステップを有する。この変化の結
果、摂動の平均振幅は所定パターンに従って軸方向に変
化する。ここで「平均」振幅とは、多くの（例えば１０
個の）グレーティング周期にわたって平均化された空間
依存性振幅をいう。
【００１２】
【実施例】簡単のため、以下の説明は光ファイバ内にブ
ラッググレーティングを形成することに向けられる。し
かし、グレーティングは、直接の露光によって、また
は、ホトレジストの露光後通常のリソグラフィ加工をす
ることによって、他の光学媒質に形成することも可能で
ある。これらの他の媒質も本発明の技術的範囲に含ま
れ、また、ブラッググレーティング以外にも、反射グレ
ーティングのような他の種類のグレーティングも含まれ
る。
【００１３】われわれは、単一の、並進可能鏡の並進
が、ファイバまたはその他の感光性媒質に沿って、その
位置合わせを保ちつつ、すなわち、干渉パターンの位相
を変化させることなく、干渉パターンの照射部分の位置
を前進することができるような設計の走査干渉計を使用
して干渉パターンを生成することが有利であることを発
見した。ファイバまたはその他の媒質は静止したままで
あり、鏡は例えばファイバの露光中に並進される。その
結果、軸方向の照射部分自体よりも広い範囲を有する例
えばファイバに屈折率摂動が容易に形成される。
【００１４】このような露光を実行する現時点で好まし
い干渉計２０を図１に示す。これは、米国特許第４，０
９３，３３８号（発明者：ジー．シー．ビョークランド
(G.C. Bjorklund)他、発行日：１９７８年６月６日）に
詳細に記載されている。この干渉計の光学配置は、レー
ザ源１１、並進可能鏡１３、回転可能鏡２２、ならびに
鏡１４、１７、および２１を有する。干渉ビームは感光
性媒質１８に収束する。感光性媒質１８は例えば光ファ
イバである。干渉パターンの照射部分は、並進可能鏡１
３によってファイバに沿って（位相に影響を与えずに）
移動される。干渉パターンの周期は、光化学波長によっ
て、および、回転可能鏡２２の回転位置によって決定さ
れる。
【００１５】ブラッググレーティングを形成する好まし
い方法によれば、まず、露光される領域が直線になるよ
うにファイバの位置が固定される。ファイバは、放射
（一般的に紫外線）の有効な露光を受ける。さまざまの
適当な紫外線源が利用可能であり、当業者には周知であ
る。
【００１６】例えば、われわれは、約２４５ｎｍで発光
するエキシマポンプ周波数二重同調可能色素レーザが適
当な露光源であることを発見した。このような露光源の
使用は、米国特許出願第０７／８７８，７９１号（発明
者：ディ．ジェー．ディジョヴァンニ(D. J. DiGiovann
i)他、出願日：１９９２年５月５日）に記載されてい
る。そこに記載されているように、この露光源は、高度
にエルビウムをドープしたシリカベースの光ファイバに
グレーティングを形成するのに有用である。例えば、こ
のファイバは、毎秒２０パルスの反復レートで２ｍＪパ
ルスで露光される。円柱レンズが、レーザ光を、長さ約
０．５ｃｍ、幅１００〜２００μｍのバンドに集光す
る。代表的な露光は約３０秒間である。この方法によっ
て、ブラッググレーティングが、例えば約０．５μｍの
一定周期で容易に形成される。
【００１７】上記のように、交差する光化学ビームによ
って形成される干渉パターンの周期Λは、積λ×０．５
ｃｓｃ（φ／２）によって表される。所望の空間依存性
を有する準周期的グレーティングを生成するため、この
積が、並進鏡１３によって干渉パターンの照射位置を移
動させつつ変えられる。この積は、波長λを変化させる
ことによって、または、交差角φを変化させることによ
って、変えることが可能である。波長は、化学線源が同
調可能レーザであれば、容易に変化させられる。例え
ば、約２３５ｎｍ〜約２４５ｎｍの実用的範囲にわたっ
て発光するエキシマポンプ周波数二重色素レーザが容易
に利用可能である。一定の交差角で、このような露光源
によって、グレーティング周期は、グレーティングの長
さにわたって約４％だけ変化することが可能である。
【００１８】上記のように、干渉計を使用して、位相を
変化させずに、すなわち、コヒーレンスが保存されるよ
うに干渉パターンの照射部分を移動させることが望まし
い。しかし、波長がその移動とともに変化する場合、干
渉パターンは短い距離にわたってのみコヒーレントであ
る。代表的なグレーティングの設計は、１％未満しか波
長が変動しないことを要求する。従って、干渉パターン
は、波長変動があっても、一般的にグレーティング周期
の数十倍にわたって（よい近似で）コヒーレントとな
る。このような干渉パターンは「局所的にコヒーレント
である」という。
【００１９】グレーティングのチャープに対する制限の
１つは、干渉する光化学ビームのスポットサイズによっ
て課される。ブラッグ波長がこのサイズにわたって急に
変化すると、スポットの移動によって、グレーティング
の新たに書き込まれた部分が、直前に書き込まれた部分
に非コヒーレントに加わり、グレーティングが少なくと
も部分的に消失することになる。大まかな指針として、
このことは、１スポットサイズＬspotにわたるブラッグ
波長λBの変動δλBが次の関係式を満たす場合には回避
することができる。 （δλB／λB）Ｌspot ＜ （１／４）Λ ただし、Λは公称グレーティング周期である。
【００２０】化学線露光中に回転鏡２２によって交差角
を変化させることは一般に望ましくない。鏡軸受と光学
系の間の機械的結合によって、干渉パターンの安定性を
許容できないほどに劣化させる振動を生じることがあ
る。さらに、必要な波長シフトを生成する回転は小さす
ぎて実際に制御することができないことが多い。しか
し、回転鏡２２の実際的代替手段がある。すなわち、交
差角は、光学系の平面鏡のうちの１つを曲面鏡に置換す
ることによって容易に変化させることができる（詳細は
後述）。
【００２１】例えば、鏡１３を並進させるために第１の
電気力学的アクチュエータ（「並進アクチュエータ」）
を使用し、光源の同調を変化させるために第２の電気力
学的アクチュエータ（「周期設定アクチュエータ」）を
使用する。並進アクチュエータおよび周期設定アクチュ
エータの両方を制御するために、マイクロプロセッサに
基づくコントローラのようなプログラマブルコントロー
ラを使用する。コントローラは、グレーティングの各部
分の周期とその部分の軸方向の位置との間の所望の関数
関係を与えるようにプログラムされる。
【００２２】光学系に曲面鏡を含めることによって交差
角を変化させる場合には、チャープグレーティングを簡
単に形成することができる。グレーティング周期の空間
依存性は、光学系内の鏡のうちの１つの反射面の形状に
よって決定される。図２に示すように、光学系の例えば
鏡２１を曲面鏡３０によって置換することができる。
（置換のために鏡２１を選択することは一意的ではな
い。曲面鏡は、光学系内の平面鏡のうちの鏡１３以外の
いずれと置換することも可能である。）例えば、鏡３０
が凸球面鏡または凹球面鏡である場合、生じる干渉パタ
ーンはほぼ線形のチャープを有することになる。
【００２３】図２を参照すれば、鏡１３をｘ0からｘ1ま
で並進させるとビーム１６は角度２αだけ回転すること
は明らかである。その結果、ビーム１５とビーム１６の
交差角の変化によって、局所グレーティング周期も同様
に変化する。このように、チャープグレーティングは、
一定の化学線波長で感光性媒質を露光しつつ鏡１３を並
進させることによって簡単に形成される。例えば、チャ
ープグレーティングは、曲率半径が約５０ｍの凸球面鏡
を使用して形成することができる。公称ブラッグ波長が
１．５μｍであるグレーティングを仮定した場合、鏡１
３の１ｃｍの移動によって、ブラッグ波長の全シフトは
約１９オングストローム、すなわち約０．１２％とな
る。
【００２４】干渉ビームが鏡３０の曲率半径に比べて十
分広い場合、鏡１３の並進がなくてもチャープグレーテ
ィングを形成することができることに注意すべきであ
る。これは、鏡３０からのビームのうちの少なくとも１
つを反射させることによってなされる。（他のビームは
第２の曲面鏡によって反射させることもできる。）
【００２５】本発明の方法によれば、ブラッググレーテ
ィングのさらに他の種類の変形も可能である。すなわ
ち、図３を参照すれば、グレーティング４０の強さ（す
なわち、屈折率摂動の振幅）は、化学線露光の時間およ
び強度に関係づけられる。この強さは、化学線の線量を
変調することによって軸方向の位置の関数として変調す
ることができる。この線量は、鏡１３の並進速度を（例
えばコントローラ４２により）制御することによって、
光源１１の放射強度を制御することによって、または、
（光源１１がパルス光源である場合）光源のパルス反復
レートを制御することによって、容易に変調される。こ
れらの３つの選択肢のうち、最後のものが現時点では好
ましい。すなわち、例えばパルスエキシマポンプ色素レ
ーザの反復レートは、マイクロプロセッサに基づくプロ
グラマブルなコントローラ４４によって容易に制御さ
れ、指定した平均屈折率プロフィールを有するブラッグ
グレーティングを生成する。（「平均」プロフィールと
は、多くの（例えば１０個の）グレーティング周期にわ
たって平均した空間依存性屈折率を意味する。）平均屈
折率プロフィールの修正は、とりわけ、ブラッググレー
ティングのスペクトル特性を改善するために有用であ
る。このような応用例の１つが、例えば、前掲の「光学
媒質における分布ブラッグ反射器を形成する方法(Metho
d for Forming Distributed Bragg Reflectors in Opti
cal Media)」と題する米国特許出願（発明者：ヴィ．ミ
ズラヒ(V. Mizrahi)他）に記載されている。
【００２６】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、空
間依存性周期を有するグレーティング（例えばブラッグ
グレーティング）を形成する新しい方法が実現される。
従来技術の方法とは異なり、この周期はグレーティング
の相異なる部分で独立に指定することができる。その結
果、空間依存性として広範囲の関数形を指定することが
できる。
【００２７】特許請求の範囲に発明の構成要件の後の括
弧内の符号が記載されている場合は、構成要件と実施例
と対応づけて発明を容易に理解させる為であり、特許請
求の範囲の解釈に用いるべきのものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を実現するために使用される干
渉計の概略図である。
【図２】図１の一部である。本発明の実施例によって、
図１の平面鏡のうちの１つが曲面鏡で置換されている。
【図３】本発明の実施例を実現するシステムのブロック
図である。このシステムは、感光性媒質への化学線の線
量を制御する装置を有する。
【符号の説明】
１１ レーザ源 １３ 並進可能鏡 １４ 鏡 １６ 光化学ビーム １７ 鏡 １８ 感光性媒質 ２０ 干渉計 ２１ 鏡 ２２ 回転可能鏡 ３０ 曲面鏡 ４０ グレーティング ４２ コントローラ ４４ コントローラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リン フレデリック モレノー アメリカ合衆国、07722 ニュージャージ ー、コルツ ネック、キャリッジ ヒル ドライヴ 11

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 軸方向を定める光伝播軸を有する感光性
    光学媒質に屈折率摂動を形成する方法において、 ａ．光化学波長λを有する電磁放射の２つの平行な同一
    直線上にないビームを発生するステップと、 ｂ．２つのビームが角度φで交差するように前記媒質の
    少なくとも一部に前記ビームを照射することにより前記
    軸方向に周期的な干渉パターンを生成する照射ステップ
    と、 ｃ．干渉パターンの少なくとも局所的なコヒーレンスを
    保存しながら屈折率摂動が前記媒質に生成されるよう
    に、前記媒質に対して干渉パターンの照射部分を前記軸
    方向に移動させるステップと、 ｄ．前記ステップｃの間に、生成される屈折率摂動の平
    均振幅が所定パターンに従って前記軸方向に変化するよ
    うに、摂動の各点が受ける化学線の線量を変化させるス
    テップとからなることを特徴とする屈折率摂動形成方
    法。
  2. 【請求項２】 前記ステップｄは、化学線の平均強度を
    変化させることを含むことを特徴とする請求項１に記載
    の方法。
  3. 【請求項３】 前記ビームはパルス放射源によって発生
    され、前記ステップｄは、該放射源のパルス反復レート
    を変化させることを含むことを特徴とする請求項２に記
    載の方法。
  4. 【請求項４】 軸方向を定める光伝播軸を有する感光性
    光学媒質に屈折率摂動を形成する方法において、 ａ．光化学波長λを有する電磁放射の２つの平行な同一
    直線上にないビームを発生するステップと、 ｂ．２つのビームが角度φで交差するように前記媒質の
    少なくとも一部に前記ビームを照射することにより前記
    軸方向に周期的な干渉パターンを生成する照射ステップ
    と、 ｃ．干渉パターンの少なくとも局所的なコヒーレンスを
    保存しながら屈折率摂動が前記媒質に生成されるよう
    に、前記媒質に対して干渉パターンの照射部分を速度ｖ
    で前記軸方向に移動させるステップと、 ｄ．前記ステップｃの間に、生成される屈折率摂動の平
    均振幅が所定パターンに従って前記軸方向に変化するよ
    うに、速度ｖを変化させて摂動の各点が受ける化学線の
    線量を変化させるステップとからなることを特徴とする
    屈折率摂動形成方法。
  5. 【請求項５】 感光性媒質を含む物品にグレーティング
    パターンを形成する方法において、該方法は、 ａ．光化学波長λを有する電磁放射の２つの平行な同一
    直線上にないビームを発生するステップと、 ｂ．２つのビームが角度φで交差するように前記媒質の
    少なくとも一部に前記ビームを照射することにより照射
    部分に周期的な干渉パターンを生成するステップと、 ｃ．前記ステップｂの間に、交差角φが照射部分にわた
    って変化して空間的に変化する周期を有するグレーティ
    ングパターンを形成するように、曲面鏡から前記媒質へ
    ビームのうちの少なくとも１つを反射するステップとか
    らなることを特徴とするグレーティングパターン形成方
    法。
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