JP2004177964A - ファイバ・グレーティング製造用の回折格子および位相マスクの作成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回折格子および位相マスクを製造する方法を提供すること。
【解決手段】本発明によれば、有効に位相変調される、あるいは振幅が急速に変調される蓄積露光を提供することができる多重走査露光を提供することにより、回折格子位相マスクの製造が改善される。本出願人らは、それぞれ位相が変調されることなく振幅が変調されるように露光走査を選択することができることを確認しているが、多重走査による蓄積露光は位相が変調され、かつ／または振幅が変調されている。この改良型方法を使用して、超格子回折格子などの精巧な光ファイバ・グレーティングを製造するための位相マスクを作成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ・グレーティングの製造に使用される回折格子および位相マスクの作成方法に関し、詳細には、振幅変調レーザによる複雑なマスクの製造を可能にする、変調レーザのマルチプル・パスを使用した回折格子または位相マスクの作成方法に関する。

光ファイバ・グレーティングを作成する方法は、ますます重要になっている。よりビット・レートの高い信号をより多くの光チャネル上で搬送するための光ファイバ通信システムの進歩に伴い、より多くの光ファイバ・グレーティングが要求され、また、光チャネルを導き、補償し、分離し、結合し、かつ、処理するための精巧性が要求されている。

位相マスクは、光ファイバ・グレーティングの製造において極めて有用である。回折格子は、回折格子の長さに沿った一連の周期的あるいはほぼ周期的な屈折率の摂動からなっている。これらの摂動は、感光性コアを有する一定の長さのファイバを提供し、かつ、ファイバのコアをファイバの長さに沿って強度が変化するレーザ光に露光させることによって形成されることが有利である。レーザの強度を変化させることにより、対応する屈折率の変化がコアに沿って生成され、屈折率を適切なパターンで変化させることにより、回折格子が生成される。

ファイバを振幅（スリット・マスク）を通して露光し、あるいはファイバをレーザ・ビームの干渉パターンに露光することにより、緊密に間隔を隔てた一連の低強度領域および高強度領域を生成することができるが、このような技法を使用して所望の結果を得るためには、繊細で、かつ、時間を要する作業が必要である。精巧な極めて多数の回折格子をこのような技法によって生成することは、とりわけ困難である。

回折格子の各々を個々に書き込むのではなく、レーザ光を照射することによって、所望のパターンをファイバ上に生成することができる位相マスクを書き込むことが好ましい。位相マスクは一度書き込むだけでよく、比較的簡単な制御で連続して使用することができるため、極めて多数のほぼ同じ回折格子を、迅速に、かつ、高い信頼性で生成することができる。

通常、位相マスクは、透明な基板にフォトレジストを塗布し、レーザ光を使用して適切な変調パターンでフォトレジストを走査し、フォトレジストを現像し、かつ、基板にエッチングを施すことによって作成されている。

残念なことに、多数の重要な回折格子を製造するための位相マスクの作成は困難である。超格子回折格子のように、回折格子の中には露光源の位相が変調される照射を必要とするものもある。位相マスクを作成するためのフォトレジストの露光に使用されるレーザは、その振幅を変調することはできるが、位相を変調することは極めて困難である。その他の位相マスクには、極めて急速な露光量変調が必要である。レーザはその振幅を変調することはできるが、振幅をいくつかの設計が必要としているように急速に変化させることは困難である。したがって、位相マスクを作成するための改良された方法が必要である。

本発明によれば、有効に位相変調される、あるいは振幅が急速に変調される蓄積露光を提供することができる多重走査露光を提供することにより、回折格子または位相マスクの製造が改善される。本出願人らは、それぞれ位相が変調されることなく振幅が変調されるように露光走査を選択することができることを確認しているが、それにもかかわらず、多重走査による蓄積露光は位相が変調され、かつ／または振幅が変調されている。この改良型方法を使用して、超格子回折格子などの精巧な光ファイバ・グレーティングを製造するための位相マスクを作成することができる。

本発明の利点、性質および他のさまざまな特徴については、添付の図面に照らして行う実例実施形態についての以下の詳細な説明を考察することにより、より明確になるものと思われる。

本発明の方法によれば、一連の多重露光によって、任意の振幅および位相空間分布を有する回折格子を、マスクまたは光媒体に書き込むことができる。このマスクは、光ファイバ・グレーティングの製造に使用することができる。また、光媒体は、回折格子として使用することができる。

図１を参照すると、位相マスクを作成するための工程の略流れ図が示されている。ブロックＡで、最終的に回折格子マスク・パターンを受け取るための基板として作用する材料が供給される。一般的には水晶板が基板として使用される。

ブロックＢで、基板に感光性塗布材（レジスト）が塗布される。レジストは、後続する製造工程で使用される露光光源の波長に適したものが選択される。しきい値強度の値をいくらか超えて照射されるレジストは、後にエッチング・プロセスで除去される。照射されないレジストまたはしきい値未満で照射されるレジストは残留する。

ブロックＣは、レジストをホログラフィック照射する複数の工程を表している。この工程には、マスクに対する、本明細書において開示する照射（吸収線量）方程式に従った多重連続照射が含まれている。

ブロックＤで、知られている、ブロックＢで選択されたレジストに適した処理方法に従ってレジストが現像される。レジストは、照射強度に対する強い非線形感度を有している。しきい値より多い吸収線量、Ｄ（ｘ）＞Ｄ_ｔｈ、を獲得したレジスト部分は、後に現像プロセスの間に溶解される。ここで、レジストによって吸収される放射線吸収線量は、Ｄ（ｘ）〜Ｉ（ｘ）である。ｘは、マスクに沿った座標である。

最後にブロックＥで、レジストが除去された基板部分にエッチングが施され、レジストが残留している部分はそのまま残される。エッチングが施された基板は、光ファイバ・グレーティングの製造に適したマスクとして完成する。

ブロックＣの工程をもう一度参照して、振幅変調レーザを使用したホログラフィック照射方程式によって要求される照射を提供するための多重照射工程の使用方法について説明する。ホログラフィック・マスクの製造においては、マスクに沿った吸収線量の変化は、２つのコヒーレント・ビームの干渉パターンによって生成される。任意の溝深さ（強度）Ａ（ｘ）および位相Φ（ｘ）の回折格子は、以下に示す空間依存関係を有している。

Λ_０は回折格子周期、Ａ（ｘ）、Ｄ（ｘ）およびΦ（ｘ）は、座標ｘの比較的緩慢な関数、Ｄ_０は実質的に定数である。

関数Φ（ｘ）が定数または線形の場合、方程式（１）は、回折格子の振幅変調のみを画定し、また、Ａ（ｘ）およびＤ（ｘ）が定数の場合、方程式（１）は、回折格子の位相変調のみを画定する。回折格子の振幅変調は、追加振幅マスクを使用することによって、あるいは一般的にはレーザ・ビーム・パワーの空間変化によって実行することができるが、位相変調の導入は問題である。後者すなわち位相のみが変調される位相マスクは、超格子光ファイバ・グレーティングの書込みには重要である。光ファイバ・グレーティングの書込みに重要な、小さくかつ一定のゼロ次強度を持たせるためには、生成される回折格子の深さを一定にしなければならず、したがってＤおよびＡは、ｘに依存してはならない。

方程式１によって画定される任意の振幅および空間位相分布を有する回折格子を生成するために、達成可能な３つの吸収線量分布の重ね合わせによって吸収線量分布を得ることができることが確認されている。たとえば、０＜Φ（ｘ）＜π／４の場合を考察すると、次の３つの照射の重ね合わせとして吸収線量（方程式１）を得ることができる。

方程式２の第１の項（２ｉ）は、

に対して正である。方程式２の第２および第３の項（２ｉｉ、２ｉｉｉ）は、０＜Φ（ｘ）＜π／４に対して正である。したがって、次の３つの露光工程で必要な吸収線量分布を得ることができる。
ｉ． ビーム・パワーが緩やかに変化する単一ビーム露光
ｉｉ． ビーム・パワーが緩やかに変化する２重ビーム露光
ｉｉｉ．（ａ）マスクを１／８回折格子周期（〜１２５ｎｍ）だけ移動させた、（ｂ）ビーム・パワーが緩やかに変化する２重ビーム露光

局在周期は、Ｄ（ｘ）＞Ｄ_ｔｈ（レジストしきい値）のｘに対する位相から引き出すことができる。したがって、位相Φ（ｘ）に関連する回折格子周期の変化は、

である。

前述の３つの工程の露光プロセスには、位相Φ（ｘ）に若干の制限がある。これらの制限は、より包括的な５つの工程を必要とする露光プロセスによって解決される。詳細には、次の５つの照射の重ね合わせとして、吸収線量（方程式１）をより一般的に得ることができる。

位相偏移π／４、−π／４および−π／２は、マスク基板をホログラフィック・パターンに対して移動させることによって達成される。

この表現式の第１の項は、Ｄ_０＞２．２１Ａ_０の場合、正である。他の項はすべて正である。マスクへの５つの工程の書込みを仮定した場合、この展開による欠点は、吸収線量Ｄ_０が比較的多くなることである。これは、レジストの特性に応じて、回折格子の品質に影響を及ぼす場合と及ぼさない場合がある。

同様の方法を使用して、光媒体中に回折格子を製造することができる。この方法には、感光性領域を備えた光媒体を提供する工程、および光回折格子を表す方程式の展開項（たとえば、方程式２の３つの項、または方程式４の５つの項に対応する照射工程）に従って、感光性領域を複数のホログラフィック照射工程で露光する工程が含まれている。

本発明は、以下に示す特定の実施例を考察することにより、より明確に理解されよう。
１．位相超格子回折格子の生成
位相超格子回折格子を生成する場合の方程式１の位相Φ（ｘ）の形態は次の通りである。

Ｐは超格子の周期である。周期的な強度変化は、長周期振幅マスクを使用することによって達成される。回折格子の対応する周期変化は、

であり、方程式２の各項の符号が正になる条件は、２α＜π／４すなわちα＜０．３９である。超格子の周期がＰ＝０．４ｍｍの場合、画定される回折格子周期の可能範囲は、±１ｎｍまで変化する。
２．微小回折格子周期リプルの相関
方程式５にＰ＝２ｃｍを当てはめると、提案技法を使用して予測される可能相関の範囲は、±０．０２ｎｍに等しい。

上で説明した実施形態が、本発明のアプリケーションを代表した、可能な多くの特定の実施形態のうちのごく一部を示したものにすぎないことは理解されよう。多重露光方式を使用することにより、光ファイバあるいはプレーナ型導波路の感光性コアに回折格子を直接書き込むことができる。実際に、多重露光方式を適用して、一般的な性質を有する光媒体中に任意の回折格子を生成することができる。したがって、当分野の技術者には、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、多数のさまざまな他の構造が可能である。

位相マスクの製造に使用される工程を示すブロック図である。

Claims (12)

1. 基板を供給する工程と、
   基板にレジストを塗布する工程と、
   光回折格子を表す方程式の展開項に従って、レジストを複数の空間ホログラフィック照射工程で露光する工程と、
   レジストを現像する工程と、
   基板にエッチングを施す工程とを含む、位相マスクを製造するための方法。
2. 複数の照射工程によって、位相が変調され、かつ／または振幅が変調される蓄積露光が生成される、請求項１に記載の方法。
3. レジストを露光する工程が、光回折格子を表す方程式の３つの展開項に従って、レジストを３つのホログラフィック照射に露光する工程を含む、請求項１に記載の方法。
4. 照射工程が、振幅変調源による照射からなり、マスク基板をホログラフィック・パターンに対して移動させることにより、少なくとも１つの照射に対する位相偏移が達成される、請求項１に記載の方法。
5. 方程式の３つの項が、
   

   

   であり、Ｄが照射吸収線量であり、Ａが溝深さであり、Λが回折格子周期であり、また、Φが位相である、請求項２に記載の位相マスクを製造する方法。
6. 光回折格子を表す方程式の５つの展開項に従って、レジストを５つのホログラフィック照射に露光する工程を含む、請求項１に記載の位相マスクを製造する方法。
7. 方程式の５つの項が、
   

   

   であり、Ｄが照射吸収線量であり、Ａが溝深さであり、Λが回折格子周期であり、また、Φが位相である、請求項５に記載の位相マスクを製造する方法。
8. 位相偏移π／４、−π／４および−π／２が、マスク基板をホログラフィック・パターンに対して移動させることによって達成される、請求項６に記載の方法。
9. 基板を供給する工程が水晶基板を提供する工程を含む、請求項１に記載の位相マスクを製造する方法。
10. 感光性領域を備えた光媒体を提供する工程と、
    光回折格子を表す方程式の展開項に従って、感光性領域を複数のホログラフィック照射工程で露光する工程とを含む、回折格子を光媒体に書き込む方法。
11. 複数の空間照射工程が、方程式、
    

    

    の３つの項に基づく３つの照射工程からなり、Ｄが照射吸収線量であり、Ａが回折格子強度に比例し、Λが回折格子周期であり、また、Φが位相である請求項９に記載の方法。
12. 複数の空間照射工程が、方程式、
    

    

    の５つの項に基づく５つの照射工程からなり、Ｄが照射吸収線量であり、Ａが回折格子強度に比例し、Λが回折格子周期であり、また、Φが位相である請求項９に記載の方法。
    

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