JP2003315520A - 回折格子形成用位相マスク及びこのマスクを用いて複製した回折格子を備えた光ファイバー、光導波路 - Google Patents
回折格子形成用位相マスク及びこのマスクを用いて複製した回折格子を備えた光ファイバー、光導波路Info
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Abstract
グの群遅延特性におけるゆらぎ、クロストークの少ない
光ファイバー、光導波路用の高精度な回折格子形成用位
相マスク。 【解決手段】 異なる次数の回折光相互の干渉縞により
回折格子を形成するための位相マスクであって、回折格
子20の周期が非線形に増加する回折格子形成用位相マ
スクにおいて、異なる周期を有する複数の回折格子
G1 ,G2 ,G3 ・・・が周期の小さいものから大きい
ものの順に平面上に格子の向きが同一方向になるように
集合されており、回折格子の周期が非線形にかつ不連続
に変化する際に、その周期の変化率の大きい領域程単位
長さ当たり周期の不連続相が割合的に多く存在するよう
に集合されている回折格子形成用位相マスク。
Description
導波路に回折格子を形成するための回折格子形成用位相
マスクと、この位相マスクを使用して作製されたブラッ
グ回折格子付き光ファイバー、光導波路に関し、特に、
光通信等に用いられる光導波路、光ファイバー内に紫外
線を用いて回折格子を形成するための位相マスクの製造
方法と、そのマスクを用いて作製されたブラッグ回折格
子付き光導波路、光ファイバーに関するものである。
膨大な量の情報を非常に高速に伝送する必要がある。光
ファイバーシステムは情報を運ぶ光信号ソース、光ファ
イバー伝送ライン及び光信号が運ぶ情報を復調するため
の受信機からなる。
媒体として高純度のシリカ光ファイバーが用いられる。
従来、光通信システムは典型的に光信号をある波長範囲
を用いて伝送するように設計されており、そのシステム
においてはより長い波長成分はより短い波長成分より若
干長い伝搬時間の遅延を受ける。ただし、この分散は、
今までは光信号の情報をそれ程劣化させることはなかっ
た。これは、初期のシステムにおいては単一のチャネル
を分散の小さい波長領域から選んで使用されていたため
である。
技術である波長分割多重(WDM)システムに見られる
ように、今日では、より多数の情報を運ぶために多数の
チャネルをより広い波長領域に渡って用いることが必要
となっており、これに伴って群速度分散をより精密に補
償することが要求されるようになってきた。例えば、W
DMシステムに関しては、WDMシステム内に提供され
るチャネルの数の増加に伴って分散の補償がますます重
要な課題となっている。
ラッグ回折格子として、格子のピッチが格子に直交する
方向(格子の繰り返し方向)の位置に応じて線形あるい
は非線形に増加あるいは減少しているチャープトグレー
ティングが要求されることになってきた。このようなグ
レーティングは、例えば反射帯域を広げた高反射ミラ
ー、遅延時間を調整する手段等として用いられる。
ーティングに対する要求が高まったことに対応して、透
明基板の1面に格子状の凹溝と凸条の繰り返しパターン
が設けられ、その繰り返しパターンによる回折光を光フ
ァイバーに照射して異なる次数の回折光相互の干渉縞に
より、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の製造方法において、ピッチが異な
る凹溝と凸条からなる複数のパターンを並列させて描画
することにより、格子状の凹溝と凸条の繰り返しパター
ンを作製する光ファイバー加工用位相マスクの製造方法
を提案した(特開平11−72631号)。
とした非線形チャープトグレーティング用の位相マスク
製造方法では、マスク上の周期の変化率は区間により変
化する。この場合、区間による周期の変化率が大きい位
置程、群遅延特性のリップル(ゆらぎ)の増大等の性能
劣化を招く。
みてなされたものであり、その目的は、分散補償用の非
線形チャープトグレーティングの群遅延特性におけるゆ
らぎ(リップル)、クロストークの少ない光ファイバ
ー、光導波路用の高精度な回折格子形成用位相マスクを
提供することである。
明の回折格子形成用位相マスクは、異なる次数の回折光
相互の干渉縞により回折格子を形成するための位相マス
クであって、回折格子の周期が非線形に増加する回折格
子形成用位相マスクにおいて、異なる周期を有する複数
の回折格子が周期の小さいものから大きいものの順に平
面上に格子の向きが同一方向になるように集合されてい
ることを特徴とするものである。
スクは、異なる次数の回折光相互の干渉縞により回折格
子を形成するための位相マスクであって、回折格子の周
期が不連続に変化する回折格子形成用位相マスクにおい
て、異なる周期を有する複数の回折格子が平面上に格子
の向きが同一方向になるように集合されていることを特
徴とするものである。
にかつ不連続に変化する際に、その周期の変化率の大き
い領域程単位長さ当たり周期の不連続相が割合的に多く
存在するように集合されていることが望ましい。
クは、電子線あるいはレーザー描画装置で描画して形成
されることが望ましい。
マスクを用いて、その位相マスクからの異なる次数の回
折光相互の干渉縞により回折格子が形成されている光フ
ァイバー及び光導波路を含むものであり、形成されてい
る回折格子は、例えば分散補償を目的とするものであ
り、その場合に、群遅延特性におけるノイズ(ゆらぎ、
リップル)が±10ps以下であるものとすることがで
きる。
のマスクを用いて複製した回折格子を備えた光ファイバ
ー、光導波路は、異なる周期を有する複数の回折格子
が、周期の小さいものから大きいものの順に平面上に格
子の向きが同一方向になるように集合されているか、あ
るいは、平面上に格子の向きが同一方向になるように集
合されており、特に、その周期の変化率の大きい領域程
単位長さ当たり周期の不連続相が割合的に多く存在する
ように集合されているので、高性能のチャープトグレー
ティングを作製するための位相マスクを描画時間の増大
なしに容易に製造することができ、また、その位相マス
クから高性能のチャープトブラッグ回折格子付き光ファ
イバー及び光導波路を容易に作製することができる。
相マスクの基本原理と実施例について説明する。
プトグレーティング20は、図1に模式的に示すように
異なる周期Λ(k)を有するグレーティングG1 ,
G2 ,G 3 ・・・Gk ・・・GN-1 ,GN が同一平面上
に格子の向きが同一方向になるように並列された集合体
として表現される。このようなチャープはステップチャ
ープと呼ばれる。
のものGk の周期Λは、 Λ(k)= Λ0 +ΔΛf(k) ・・・(1) で表せる。ここで、Λ0 は1番目のグレーティングG1
上の周期、ΔΛは周期の変化率を決める係数、f(k)
は周期の変化を決める任意の関数である。
間においても周期の変化率は一定であるが、f(x)が
非線形の場合、周期の変化率は区間により変化する。こ
の場合、区間により周期の変化率が大きく変わってしま
い、それにより群遅延特性のリップルの増大等の性能劣
化を招く。
低減する方法である。具体的には、周期の変化率に応じ
てチャープトグレーティング20の分割数Nを変えるも
のである。つまり、周期の変化率の大きい領域では分割
数を増やし、変化率の小さい領域では分割数を減らす。
これにより、位相マスクの描画時間の増大なしに位相マ
スクを製造することができ、その位相マスクから形成さ
れたチャープトグレーティングの性能を向上させること
ができるものである。
は、従来と同様に、電子線あるいはレーザー描画装置に
より作成することができる。
償用途を目的として、群遅延特性を±10ps以下まで
向上することが可能である。
形チャープトファイバーグレーティングが作製できる
が、光ファイバーの高次分散補償という観点からは、ブ
ラッグ波長の分布が次の式(2)と式(3)で表される
2種類の非線形チャープトグレーティングA,Bが重要
かつ有用である(T. Komukai et al, "The design of d
ispersion equalizers using chirped fiber Bragg gra
tings", IEEE J. Quantum electron., vol. 36, no. 4,
pp. 409-417, 2000. )。
ーティングを作製するための位相マスクをチャープトマ
スクと称する。
ングの最短波長の点の位置座標をz=0とし、最長波長
の点をz=Lg とする。また、Δλはチャープトファイ
バーグレーティングの帯域である。
クA,Bのピッチは、 ΛA (k)=ΛA0+ΔΛ(k/N)1/2 ・・・(4) ΛB (k)=ΛB0+ΔΛ{1−(1−k/N)1/2 } ・・・(5) となる。ただし、Nは非線形ステップチャープトマスク
A,Bのパターンが等分割された領域数であり、ある程
度の値が必要である。また、kはパターンの番号である
(ピッチの短い方から数える)。
ィングの場合は、ブラッグ波長の分布と作製に用いられ
る線形ステップチャープトマスクのピッチは以下のよう
になる。
チの差ΔΛ(m)は、 ΔΛFG(m)=ΛFG(m+1)−ΛFG(m)=Λ/N ・・・(8) となり、これはどこでも一定である。非線形チャープト
マスクAの場合は、 ΔΛA (m)=ΛA (m+1)−ΛA (m) =ΔΛ[{(m+1)/N}1/2 −(m/N)1/2 ]・・・(9) となる。したがって、 ΔΛA (1)=ΛA (2)−ΛA (1)=ΔΛ{(√2−1)/√N} ・・・(10) ΔΛA (N−1)=ΛA (N)−ΛA (N−1) =ΔΛ[1−{(N−1)/N}1/2 ]・・・(11) すなわち、kが1に近づく程ピッチの差は大きくなり、
kがNに近づく程ピッチの差は小さくなる。
が1に近づく程ピッチの差は小さくなり、kがNに近づ
く程ピッチの差は大きくなる。
合、不連続性の大きい領域が存在することが分かる。こ
のような領域がそのままチャープトファイバーグレーテ
ィングに転写されると、群遅延リップルが生じることに
なる。また、逆に、隣同士のピッチの変化が極めて小さ
い領域では、描画機の誤差が入りやすく、やはり作製さ
れるチャープトグレーティングの群遅延特性の劣化を招
くことになる。
位長さ当たりの分割数を多くし、ピッチの変化の小さい
領域では単位長さ当たりの分割数を少なくする方がNを
小さくでき、かつ、不要な特性劣化を防ぐことができ
る。
ーティングの場合、最低限必要な分割領域数Nmin は以
下のように表される(R. Kashyap, "Design of step-ch
irped fiber Bragg gratings", Opt. Commun., vol. 13
6, pp. 461-469, 1997. )。ここで、α=5.5×10
11(m-2)である。
nは、 n=Nmin /Lg =αΔλ ・・・(13) で与えられる。
も、部分的には略線形チャープトグレーティングと見な
せるので、短い領域では式(13)が適用できると考え
られる。
グを長手方向に十分短く分割したとき、それぞれの小グ
レーティングは式(13)が当てはまる。ただし、帯域
はそれぞれ異なる。これは、ブラッグ波長の変化率m
(z)が一定でないためである。ここで、変化率m
(z)の意味は、 m(z)=dλ/dz ・・・(14) である。線形チャープトグレーティングの場合、式
(6)を微分して、 mFG(z)=Δλ/Lg =Nmin /αLg 2 =n/αLg ・・・(15) であることが分かる。すなわち、 n=αLg mFG ・・・(16) である。一方、非線形チャープトグレーティングAの場
合、 mA (z)=Δλ/2√(Lg z) ・・・(17) となる。十分短い領域では、式(16)から類推して、
単位長さ当たりの最低限の分割領域数nA (z)は、 nA (z)=αLg mA (z)=1/2×αΔλ√(Lg /z) ・・・(18) となると考えられる。
も同様に、 mB (z)=Δλ/{2Lg √(1−z/Lg )} ・・・(19) nB (z)=αLg mB (z)=αΔλ/{2√(1−z/Lg )} ・・・(20) となる。すなわち、非線形チャープトファイバーグレー
ティングA,Bを実現する位相マスクのパターンは、十
分小さい領域内で式(18)、(20)を満たしつつ、
式(4)、(5)で表されるピッチの変化をすることに
なる。このとき、式(4)、(5)のNの値はそれぞれ
の領域におけるnA (z)に長さLg を乗じたもので置
き換えればよい。この十分小さい領域内とは、理想的に
は非線形チャープが略線形と見なせるまで小さな領域で
あるが、実際には例えば全体を3分割した程度でもそれ
に当てはまると考えられる。パターンをX分割してX個
の領域を形成したときに、それぞれの領域の任意の点z
において、単位長さ当たりの分割領域数の設計値n
d (z)が以下の条件を満たせばよい。
含まれる領域は、δを十分小さいある正値として、z=
δの点で上記が満たされればよい。チャープトグレーテ
ィングBの場合も、z=Lg が含まれる領域は、δを十
分小さいある正値として、z=Lg −δの点でやはり上
記が満たされればよい。
スクの製造方法を実施例に基づいて説明する。
程を示した断面図である。図2中、10はブランク、1
1は石英基板、12はクロム薄膜、12Aはクロムパタ
ーン、12Bはクロム開口部、13はレジスト、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)、15は凹溝、17は位相マスクであ
る。
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(図2(a))。
子線を照射する際のチャージアップ防止に役立ち、石英
基板11に凹溝15を作製する際のマスクとなるもので
ある。
ジストRE5100P(日立化成株式会社製)を用い、
400nmに塗布し、乾燥した(図2(b))。
チャープトグレーティング20(図1)のパターン描画
をするが、その際の本発明に基づくパターンの分割方法
は以下の通りである。
レーティングBの例を示す。チャープトファイバーグレ
ーティングの帯域Δλと最長波長の点Lg は、Δλ=1
0nm、Lg =10mmとした。zの単位を[mm]と
すれば、 nB (z)=5.5/{2√(1−z/10)}[1/mm]・・(23) となる。z→10mmとなるにつれ、nB (z)→∞と
なるため、zが大きくなる程単位長さ当たりの分割数を
大きくする必要がある。
(領域I)、5≦z≦7.5mm(領域II)、7.5
≦z≦10mm(領域III)となる。領域Iの単位長
さ当たりの分割数はnd (z)≧nB (z=5mm)=
3.9/mmで、全体として分割数は3.9×5=1
9.5以上(20以上)あればよい。
z=7.5mmを式(21)の右辺に代入して計算)、
領域IIIは、31以上となる(この場合、z=9.5
mmを式(21)の右辺に代入して計算)。
分割、領域IIは40分割、領域IIIは100分割と
した。ここで、各領域におけるピッチの式は、式(5)
のNに、それぞれ60×10mm/5mm=120、4
0×10mm/2.5mm=160、100×10mm
/2.5mm=400を代入したものになる。また対応
するkは、1〜60(領域I)、81〜120(領域I
I)、301〜400(領域III)となる。
EBE S4500(ETEC社製)にて露光量1. 2
μC/cm2 でチャープトグレーティングパターンを露
光した(図2(c))。
(図2(d))をマスクとして、CH2 CCl2 ガスを
用いてドライエッチングし、クロム薄膜パターン12A
を形成した(図2(e))。
クとして、CF4 ガスを用いて石英基板11を深さ24
0nmだけエッチングした(図2(f))。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、深さ2
00〜400nmの範囲で制御してエッチングが可能で
ある。
ン13Aを剥離し(図2(g))、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、長さ110mm、
深さ240nm、ピッチ1.070μmを中心とするラ
イン&スペースの凹溝15を持つ位相マスク17を完成
した(図2(h))。
レーティングを作製するために用意した光ファイバー
は、チャープトグレーティング形成時に問題となる放射
モード損失を低減化するよう設計されており(L. Dong
et al., "Optical fibers withdepressed claddings fo
r suppression of coupling into cladding modes infi
ber Bragg gratings", IEEE Photo. Tech. Lett., vol.
9, pp. 64-66, 1997.)、高圧水素充填により高感度化
した(P. J. Lemaire, et al., "High pressure H2 loa
ding as a technique for achieving ultrahigh UV pho
tosensitivityand thermal sensitivity in GeO2 doped
optical fibers", Electron. Lett.,vol. 29, no. 13,
pp. 1191-1193 1993.)。この光ファイバーのコアに、
作製した非線形ステップチャープト位相マスク17を介
して紫外レーザ光(波長244nm)を照射し、+1次
回折光と−1次回折光とを光ファイバーのコア内で干渉
させて、長さ10mmの非線形チャープトファイバーグ
レーティングを作製した(その作製(複製)方法は、例
えば特開平11−72631号の従来の技術に示されて
いる。)。その際、グレーティングの両端間の反射に伴
う群遅延リップルを抑圧するため、アポディゼーション
を施した(B. Malo et al., "Apodised infiber Bragg
grating reflectors photoimprinted using a phase ma
sk", Electron. Lett., vol. 31, no. 3, pp. 223-225,
1995. )。
率の大きい領域では分割数を増やし、変化率の小さい領
域では分割数を減らした非線形ステップチャープトマス
クBを用いて作製した非線形チャープトファイバーグレ
ーティングの群遅延特性と相対強度を示す図であり、図
4は、比較例として分割密度が長手方向に一定な非線形
ステップチャープトマスクを用いて作製した非線形チャ
ープトファイバーグレーティングの同様の図であり、図
4から明らかなように、分割密度が長手方向に一定な非
線形ステップチャープトマスクを用いたものは、群遅延
リップルが著しく大きいことが分かる。これは、式
(5)において、単にN=200としたピッチの非線形
ステップチャープトマスクを用いているためである。
基づいて上記のように分割密度を長手方向に変化させた
非線形ステップチャープトマスクBを用いて作製した非
線形チャープトファイバーグレーティングは、群遅延リ
ップルが相当小さいことが分かる。
特性におけるノイズ(ゆらぎ、リップル)が±10ps
以下に抑えられた分散補償デバイス(ブラッグ回折格子
付き光ファイバー、ブラッグ回折格子付き光導波路)を
得ることが可能になる。
及びこのマスクを用いて複製した回折格子を備えた光フ
ァイバー、光導波路をその原理と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。
の回折格子形成用位相マスク及びこのマスクを用いて複
製した回折格子を備えた光ファイバー、光導波路による
と、異なる周期を有する複数の回折格子が、周期の小さ
いものから大きいものの順に平面上に格子の向きが同一
方向になるように集合されているか、あるいは、平面上
に格子の向きが同一方向になるように集合されており、
特に、その周期の変化率の大きい領域程単位長さ当たり
周期の不連続相が割合的に多く存在するように集合され
ているので、高性能のチャープトグレーティングを作製
するための位相マスクを描画時間の増大なしに容易に製
造することができ、また、その位相マスクから高性能の
チャープトブラッグ回折格子付き光ファイバー及び光導
波路を容易に作製することができる。
と構成を説明するための図である。
製造方法の1実施例の工程を示した断面図である。
マスクを用いて作製した非線形チャープトファイバーグ
レーティングの群遅延特性と相対強度を示す図である。
いて作製した非線形チャープトファイバーグレーティン
グの群遅延特性と相対強度を示す図である。
ィング G1 ,G2 ,G3 ・・・Gk ・・・GN-1 ,GN …グレ
ーティング
Claims (10)
- 【請求項1】 異なる次数の回折光相互の干渉縞により
回折格子を形成するための位相マスクであって、回折格
子の周期が非線形に増加する回折格子形成用位相マスク
において、異なる周期を有する複数の回折格子が周期の
小さいものから大きいものの順に平面上に格子の向きが
同一方向になるように集合されていることを特徴とする
回折格子形成用位相マスク。 - 【請求項2】 異なる次数の回折光相互の干渉縞により
回折格子を形成するための位相マスクであって、回折格
子の周期が不連続に変化する回折格子形成用位相マスク
において、異なる周期を有する複数の回折格子が平面上
に格子の向きが同一方向になるように集合されているこ
とを特徴とする回折格子形成用位相マスク。 - 【請求項3】 請求項1又は2において、回折格子の周
期が非線形にかつ不連続に変化する際に、その周期の変
化率の大きい領域程単位長さ当たり周期の不連続相が割
合的に多く存在するように集合されていることを特徴と
する回折格子形成用位相マスク。 - 【請求項4】 請求項1から3の何れか1項において、
電子線あるいはレーザー描画装置で描画して形成された
ことを特徴とする回折格子形成用位相マスク。 - 【請求項5】 請求項1から4の何れか1項記載の回折
格子形成用位相マスクを用いて、その位相マスクからの
異なる次数の回折光相互の干渉縞により回折格子が形成
されていることを特徴とする光ファイバー。 - 【請求項6】 形成されている回折格子が分散補償を目
的とするものであることを特徴とする請求項5記載の光
ファイバー。 - 【請求項7】 請求項6において、群遅延特性における
ノイズ(ゆらぎ、リップル)が±10ps以下であるこ
とを特徴とする光ファイバー。 - 【請求項8】 請求項1から4の何れか1項記載の回折
格子形成用位相マスクを用いて、その位相マスクからの
異なる次数の回折光相互の干渉縞により回折格子が形成
されていることを特徴とする光導波路。 - 【請求項9】 形成されている回折格子が分散補償を目
的とするものであることを特徴とする請求項8記載の光
導波路。 - 【請求項10】 請求項9において、群遅延特性におけ
るノイズ(ゆらぎ、リップル)が±10ps以下である
ことを特徴とする光導波路。
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