JP2004279477A

JP2004279477A - Method for forming grating

Info

Publication number: JP2004279477A
Application number: JP2003067139A
Authority: JP
Inventors: Akira Sakamoto; 明坂元; Satoshi Okude; 聡奥出
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-12
Also published as: JP4376531B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To stably form a desired grating with superior mass-productivity by eliminating influence of reflected light without using an antireflective film etc. <P>SOLUTION: In a method of forming a grating, light for exposure is transmitted through a phase mask satisfying an expression (1) to obtain diffracted light, and an optical waveguide component which has photosensitivity is arranged in an area diffracted light beams interfere with each other to form a periodic light intensity distribution, and then exposed. In the expression (1), (t), (n), and Λ are the thickness and refractive index of the phase mask, and cycles of a diffraction grating formed on the phase mask, and λ and w are the wavelength and beam width of the light for exposure. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位相マスク法によって基板や光ファイバなどにグレーティングを形成する方法に関し、特に量産性に優れたグレーティングの形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
露光技術を利用して、基板や光ファイバなどにグレーティングなどのような周期的な屈折率の変調構造を形成する方法として、位相マスク法が広く用いられている。
図１１は、位相マスク法によるグレーティングの形成方法の工程の一例を示す概略図である。位相マスク法では、回折格子１２が形成された位相マスク１１に、露光用の光１３を入射させて回折させ、回折光１４とする。この回折光１４は互いに干渉し合い、周期的な光強度分布をもって伝播する。この周期的な光強度分布をもった光の伝播領域（以下、干渉領域１５と言う。）に、基板や光ファイバなどの周期的な変調構造を形成しようとする光導波路部品（図示省略）を設置し、露光技術などにより、グレーティングなどの屈折率の周期的な変調構造を形成する（特許文献１〜３参照。）。
【０００３】
前述した位相マスク法では、位相マスク１１と大気との屈折率の差によって位相マスク１１の表面にて光の一部が反射される。
図１２は、位相マスク２１の回折格子２２にて入射光２３の一部が反射された状態を示す概略図である。この回折格子２２にて反射された光２６は、入射方向とは逆方向に位相マスク２１内を伝搬し、回折格子２２が形成された一方の主面２１ａに対して対向配置した他方の主面２１ｂにて反射光２６の一部は反射され、再び回折格子２２に向かって伝搬する。
前記したように回折格子２２にて反射された光２６は、再度回折格子２２に到達することになるが、このとき回折格子２２にて回折されると、回折光（以下、反射回折光２７と言う。）として位相マスク２２から出射される。この反射回折光２７の伝播経路が、前記干渉領域２５と重なると、この干渉領域２５の周期的な光強度分布を乱してしまい、所望の屈折率の変調構造を光ファイバのコアに形成できない問題が生じる。
【０００４】
そこで、図１３に示されたように、回折格子３２が形成された一方の主面３１ａに対して対向配置した他方の主面３１ｂに反射防止膜８を設ける方法が提案されている（特許文献４参照。）。反射防止膜８は、誘電体膜から構成され、特定の波長の光の反射を抑制できるものであり、例えば基板上に異なる屈折率を有する誘電体膜が多層に成膜されたものなどが挙げられる。
前記したように反射防止膜８を設けることによって、例えば４％程度の反射量を０．５％以下に低減することができ、反射光３６が再び回折格子３２に到達し反射回折光となって干渉領域３５の周期的な光強度分布を乱すことがない。
【０００５】
しかし、位相マスク３１に入射する光３３は２４０ｎｍ付近の紫外光であり、この紫外光を長時間又は高強度で反射防止膜８に照射すると、反射防止膜８が変質し、反射抑制機能が低下してしまう。このため、量産レベルでグレーティングを形成する際、紫外光の照射時間と共に、この反射防止膜８は劣化して反射量が増加することとなり、安定して光導波路部品にグレーティングを形成することが難しい。
この問題点を解決するためには、反射防止膜８が劣化する前に、この反射防止膜８を取り除き、新たなものに交換する必要がある。
【０００６】
更に、位相マスク３１は、定期的に酸やアルカリなどの溶液を用いて化学洗浄を行い、表面に付着した汚れなど除去する必要がある。反射防止膜８は、この化学洗浄においても変質劣化してしまうため、洗浄を行う毎に、反射防止膜８を交換する必要がある。
以上のように、反射防止膜８を使用する場合、反射防止膜８の点検や交換にかかる作業が必要となり、作業工程が増えてしまい、光ファイバグレーティングの量産の妨げとなる。また、反射防止膜８を使用するために製造コストが高くなってしまう。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１１６９３４号公報
【特許文献２】
特開２００１−１４１９４３号公報
【特許文献３】
特開２００２−０４８９２７号公報
【特許文献４】
特開平１１−１３３２２０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記した事情に鑑みなされたものである。すなわち反射防止膜などを使用せずに反射光による影響を無くし、これにより安定して所望のグレーティングを形成でき、かつ量産性に優れたグレーティングの形成方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、回折格子が形成された透光性の基板から構成された位相マスクに、露光用の光を透過させて回折光とし、該回折光が互いに干渉し合い周期的な光強度分布となる領域に、光感受性をもった光導波路部品を配することによって、該光導波路部品を露光しグレーティングを形成するグレーティングの形成方法であって、以下の式（１）を満たす位相マスクを使用することを特徴とするグレーティングの形成方法である。
【数２】

（但し、ｔ，ｎ，Λは、それぞれ位相マスクの厚さ，屈折率，位相マスクに形成された回折格子の周期を示し、λ，ｗは、それぞれ露光用の光の波長，ビーム幅を示す。）
請求項２に係る発明は、前記露光用の光のビーム幅が、１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のグレーティングの形成方法である。
請求項３に係る発明は、前記位相マスクへの露光用の光の照射点を移動させながら、前記光導波路部品にグレーティングを形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のグレーティングの形成方法である。
請求項４に係る発明は、前記光導波路部品が光ファイバであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のグレーティングの形成方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
図１は、グレーティングを形成するために用いる装置の要部の一例を示す概略図である。符号１は、位相マスクであり、この位相マスク１は、石英ガラスなどの透光性の基板から構成され、その一方の主面１ａに回折格子２が形成されたものである。位相マスク１に光３が照射されると、回折格子２にて光３が回折し、回折光４となって位相マスク１から出射されるようになっている。
特に、回折格子２は、０次回折光の発生を抑えて−１次回折光４ａ及び＋１次回折光４ｂの光強度が強く現れるように、格子の周期などの回折格子２の大きさや形状が調整されている。前記回折格子２としては、例えば位相マスク１に入射した光３の０次回折光への回折を１〜３％程度、−１次回折光４ａ及び＋１次回折光４ｂへの回折をそれぞれ３５％程度とすることができるものなどが形成される。
【００１１】
前記位相マスク１の他方の主面１ｂの上方には、露光用の光源（図示省略）が設けられており、位相マスク１の他方の主面１ｂに向かって露光用の光３を照射できるようになっている。露光用の光３としては、例えば２５０ｎｍ付近の紫外線レーザなどが挙げられる。
【００１２】
次に前記した装置を用いて光導波路部品にグレーティングを形成する方法について説明する。まず位相マスク１の他方の主面１ｂに光源から光３を照射する。光３は位相マスク１内部を透過し、位相マスク１に形成された回折格子２にて回折され、−１次回折光４ａ及び＋１次回折光４ｂとして位相マスク１の一方の主面１ａから出射される。前記−１次回折光４ａ及び＋１次回折光４ｂは、伝播経路の重なった空間にて合波され、周期的な光強度分布をもつことになる。この−１次回折光４ａ及び＋１次回折光４ｂの伝播経路の重なった領域を以下、干渉領域５と言う。
前記した干渉領域５に、光感受性をもった光導波路部品（図示省略）を配置することによって、干渉領域５の光が光導波路部品にあたり、この干渉領域５の光強度分布に応じて光導波路部品の屈折率が変化し、グレーティングが形成される。
前記光感受性をもった光導波路部品とは、光が照射されると屈折率が増加又は減少する性質をもったものである。例えば紫外光などの光が照射されるとコアの屈折率が上昇する性質（以下、光誘起屈折率変化とも言う。）をもったものなどが挙げられる。このような性質をもった光導波路部品としては、光ファイバや石英基板に酸化ゲルマニウムなどが添加されたものなどが挙げられる。
【００１３】
前記したように位相マスク１に入射した光３が回折格子２にて回折される際、同時に入射光３の一部は回折格子２にて反射され、反射光６となる。この反射光６は、従来の技術でも述べたように、位相マスク１の他方の主面１ｂに向かって伝搬し、この他方の主面１ｂにて反射されて再び回折格子２に向かって伝搬し、そして回折格子２にて回折されて回折光（以下、反射回折光７と言う。）となり、干渉領域５の周期的な光強度分布を乱す原因となる。
以下に、本実施形態にて用いる位相マスク１に形成された回折格子２について更に詳細に説明するとともに、この回折格子２にて反射された反射光６について説明する。
【００１４】
本実施形態では、位相マスク１として以下の式（１）を満たす回折格子２が形成されたものを使用する。ここで、式（１）中及び本明細書中、ｔ，ｎ，Λは、それぞれ位相マスク１の厚さ，屈折率，位相マスク１に形成された回折格子２の周期を示し、λ，ｗは、それぞれ露光用の光３の波長，スポット径を示す。
【００１５】
【数３】

【００１６】
図２は、前記位相マスク１の回折格子２周辺を示す拡大図である。位相マスク１に入射した光３は、前述したように回折格子２にて回折され、位相マスク１の一方の主面１ａより出射される。このとき、入射光３の一部は回折格子２にて反射され、反射光６として、位相マスク１の他方の主面１ｂに向かって伝搬する。
入射光３の波長における１次回折角をθとすると、このθは以下の式（２）を満たす。
ｓｉｎθ＝λ／（ｎΛ）（２）
【００１７】
前記反射光６の一部は、位相マスク１の他方の主面１ｂにて反射され、再度、位相マスク１の回折格子２に到達する。入射光３が回折格子２にて反射される地点と、入射光３が回折格子２にて反射され反射光６となって再度、回折格子２へ到達する地点との距離ｘは、以下の式（３）によって表される。
更に、前記式（２）をこの式（３）に代入して式変形すると、ｔは以下の式（４）で表される。
【００１８】
【数４】

【００１９】
【数５】

【００２０】
前記式（４）がｘ≧ｗを満たすとき、回折格子２は前述した式（１）を満たすことになる。すなわち、入射光３が回折格子２にて反射される地点と、入射光３が回折格子２にて反射され反射光６となって再度、回折格子２へ到達する地点との距離ｘが、入射光３のビーム幅ｗ以上となる。このとき、図１に示されたように、１次回折光４ａ及び＋１次回折光４ｂの伝播経路が重なってできた干渉領域５と反射回折光７の伝播経路とが重ならず、干渉領域５の光強度分布が反射回折光７によって乱されることがない。
このため、安定して所望のグレーティングを製造できる。更に、反射回折光７による影響がないため、従来のように反射防止膜を使用する必要がなく、紫外光を長時間又は高強度で照射しても、反射抑制機能が低下してしまうことがなく安定してグレーティングを製造できる。また従来のように、反射防止膜の反射抑制機能が低下したときや位相マスク１の洗浄を行う毎に、反射防止膜を交換する必要がない。このように、反射防止膜の点検や交換にかかる作業がないため、作業性に優れ、優れた量産性が実現できる。
【００２１】
以下に、本発明を具体的に説明する。
［具体例１］
位相マスク１の厚さ（ｔ）が１０ｍｍ、回折格子２の中心周期（Λ）が１．０７４μｍ、回折格子２の周期チャープ率が０．１３７ｎｍ／ｍｍ、主面の幅が１２０ｍｍの位相マスク１を用意する。
また、露光用の光３として、波長（λ）が２４４ｎｍ、ビーム幅（ｗ）が２ｍｍのアルゴンイオンレーザの第２高調波を用いる。ここで、ビーム幅とは、ビームの光強度スペクトルにおいて光強度が最大値の半分となる地点でのスペクトル幅として求めたものである。
【００２２】
前述した式（１）の右辺に、前記した各パラメータを代入すると、式（１）はｔ≧６．５ｍｍとなる。本具体例で使用する位相マスク１の厚さは１０ｍｍであるため、この位相マスク１は、式（１）を満たしているものであることがわかる。
図３は、前記位相マスク１上のレーザ光３の照射位置を走査しながらレーザ光３を位相マスク１に照射したとき、レーザ光３が回折されてできた１次回折光４の光強度とレーザ光３の照射位置との関係を示す図である。位相マスク１上のレーザ光３の照射位置が変化しても１次回折光４の光強度はほとんど変化せず、ほぼ一定の光強度であることがわかる。このことから反射回折光７の伝播経路が１次回折光４の伝播経路と重なっておらず、反射回折光７によって１次回折光４の光強度が乱されていないことが分かる。
【００２３】
次に、光感受性をもった光導波路として、コアのうち中心から直径１０μｍの領域に酸化ゲルマニウムが３．５重量％添加されたシングルモード光ファイバを用意する。この光ファイバは、予め１０ＭＰａの水素雰囲気中にて５日間、光感受性を増加させるための処理を行ったものである。
図１に示されたように、回折格子２が形成された一方の主面１ａを下方に向けて前記位相マスク１を設置し、更にこの位相マスク１の他方の主面１ｂの上方にレーザ装置を設ける。そして、位相マスク１にレーザ光３を照射したとき、このレーザ光３が回折格子２にて回折されて＋１次回折光４ａ及び−１次回折光４ｂとなり、位相マスク１の一方の主面１ａから下方に向かって出射され、これらの伝播経路が重なることで干渉領域５が得られるようにする。
【００２４】
コアのうちグレーティングを形成する部分が、前記干渉領域５ができる位置にくるように光ファイバを設置する。
そして、光ファイバが露光される範囲（以下、グレーテング露光長）を１００ｍｍとする。また、レーザ３を照射する際、前記１００ｍｍの両側から１０ｍｍの範囲には、露光時間を短くして露光による屈折率変化がｔａｎｈの関数で表されるようにアポダイズする。これにより、透過反射特性においてサイドローブが抑制できるグレーティング構造が光ファイバに形成されるようにする。また、露光量は、形成されたグレーティングの透過損失が約１０ｄＢとなる量とする。
【００２５】
以上の露光条件にて、レーザ光３を位相マスク１に照射し、−１次回折光４ａ及び＋１次回折光４ｂが合波されてできた干渉領域５をつくる。この干渉領域５が形成される位置には、前記したように予め光感受性をもった光ファイバが設けられているため、この干渉領域５の周期的な光強度分布に応じて光ファイバのコアの屈折率が上昇し、グレーティングが形成される。そして、位相マスク１上のレーザ光３の照射位置を走査して、光ファイバのコアのうちグレーテング露光長の範囲にグレーティングを形成する。
【００２６】
図４及び図５は、前記した方法により製造された光ファイバグレーティングの光学特性を示し、図４は透過スペクトルであり、図５は反射スペクトルである。図中、縦軸の透過特性及び反射特性とは、製造された光ファイバグレーティングに光を入射させたときの透過光又は反射光と、入射光との比をデシベルで表示したものであり、絶対値が大きいほど損失が大きいことを意味する。
透過スペクトルには、１５５４．３ｎｍ〜１５５５．８ｎｍの波長帯においてほぼ一定の透過損失が得られている。前記１５５４．３ｎｍ〜１５５５．８ｎｍの波長帯以外の波長範囲では、透過損失はほぼ０であり、ほぼ完全に透過できることがわかる。そして反射スペクトルでは、１５５４．３ｎｍ〜１５５５．８ｎｍの波長帯において反射損失はほぼ０であり、ほぼ完全に光を反射できていることがわかる。また、前記１５５４．３ｎｍ〜１５５５．８ｎｍの波長帯以外の波長範囲では、反射損失は−４０ｄＢ以下であり、反射することなくほぼ完全に透過されることがわかる。
【００２７】
更に、この光ファイバグレーティングの光学特性を評価するために、以下に示されたようにシミュレーションにより光学特性を算出し、光学特性の比較を行う。
図６及び図７は、グレーティング周期が０．５３７μｍ、グレーティング周期のチャープ率が０．０６８５ｎｍ／ｃｍ、グレーティング長が１００ｍｍの光ファイバグレーティングの光学特性をシミュレーションにより計算した結果を示す。ここで、シミュレーションの際、具体例１と同様に、グレーティングの両側の１０ｍｍの領域にはそれぞれｔａｎｈの関数で屈折率変化をアポダイズされているとして光学特性を算出した。
具体例１にて製造された光ファイバグレーティングの光学特性は、前記シミュレーションによって得られた計算結果とほぼ同一であり、目的の光学特性が得られていることがわかる。
【００２８】
［具体例２］
位相マスクの厚さ（ｔ）が２．３ｍｍであり、式（１）を満たしていない位相マスクを使用する以外は、具体例１と同様にして光ファイバグレーティングを製造する。
図８は、位相マスク上のレーザ光の照射位置を走査しながらレーザ光を位相マスクに照射したとき、出射された１次回折光の光強度とレーザ光の照射位置との関係を示す図である。位相マスク上のレーザ光の照射位置が変化するに従い、１次回折光の光強度が変化しており、反射回折光の伝播経路が１次回折光の伝播経路と重なり、この反射回折光によって１次回折光の光強度が乱されていることが分かる。
【００２９】
図９及び図１０は、具体例２にて製造された光ファイバグレーティングの光学特性を示し、図９は透過スペクトルであり、図１０は反射スペクトルである。
透過スペクトルには、１５５４．３ｎｍ〜１５５５．８ｎｍの波長帯において周期的な変動がみられ、一定の透過損失が得られていない。そして反射スペクトルでは、１５５４．３ｎｍ〜１５５５．８ｎｍの波長帯以外の波長範囲のうち、特に１５５６ｎｍ以上の長波長帯域では、反射損失が−２６ｄＢ〜−３０ｄＢあり、完全に透過できておらず、一部が反射していることがわかる。
このように、式（１）を満たしていない位相マスクを用いた場合、反射回折光によって１次回折光の光強度が乱されてしまい、所望のグレーティングが形成できず、優れた透過特性や反射特性が得られない。
【００３０】
以上のように具体例１の光ファイバグレーティングは、具体例２の光ファイバグレーティングとは異なり、１５５４．３ｎｍ〜１５５５．８ｎｍの波長帯の透過損失に変動がみられずほぼ一定であり、光をほぼ完全に反射できる。更に、この波長帯以外では反射損失は−４０ｄＢ以下であり、具体例２のように１５５６ｎｍ以上の長波長帯域にて光の一部が反射することなくほぼ完全に透過できる。
このように、前述した式（１）を満たした位相マスク１を用いることによって、具体例２のように反射回折光の影響を受けることなく、目的とするグレーティングが形成でき、優れた透過特性及び反射特性が得られる。
このため、製造された光ファイバグレーティングは、例えば特定の波長の光を選択的に取り出す光部品として光通信機器や光センサなどに利用できる。
【００３１】
また位相マスク１へのレーザ光３の照射点を移動させながら、光導波路部品にグレーティングを形成することによって、所望のグレーテング露光長にグレーティングを形成できる。また、レーザ光３の照射点を移動させながら、露光時間やレーザ光３の光強度を調整することによって、例えば具体例のように、グレーティング露光長の両側にて、露光による屈折率変化がｔａｎｈの関数で表されるようにアポダイズすることができ、透過反射特性においてサイドローブが抑制できるグレーティング構造などが形成できる。
【００３２】
更に、具体例のように、ビーム幅が１ｍｍ以上のレーザ光３を使用することによって、レーザ光３の等位相面が乱れることがなく位相マスク１による干渉の乱れを抑えることができる。また、干渉領域５も広くなるため、光導波路部品を露光する際広い範囲を露光できる。
ビーム幅が１ｍｍ未満のとき、レーザ光３のパワー密度が大きくなり、レーザ光３により光導波路部品へ損傷が生じやすくなるため、好ましくない。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のグレーティングの形成方法によれば、前述した式（１）を満たす位相マスクを使用することによって、１次回折光によってできた干渉領域と反射回折光の伝播経路とが重ならず、干渉領域の光強度分布が反射回折光によって乱されることがない。これにより、安定して所望のグレーティングを製造できる。
また、前記したように反射回折光による影響がないため、従来のように反射防止膜を使用する必要がなく、紫外光を長時間又は高強度で照射しても、反射抑制機能が低下してしまうことがなく安定してグレーティングを製造できる。また従来のように、反射防止膜の反射抑制機能が低下したときや位相マスクの洗浄を行う毎に、反射防止膜を交換する必要がない。このように、反射防止膜の点検や交換にかかる作業がないため、作業性に優れ、優れた量産性が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】グレーティングを形成するために用いる装置の要部の一例を示す概略図である。
【図２】位相マスクの回折格子周辺を示す拡大図である。
【図３】具体例１の位相マスクから出射された１次回折光の光強度とレーザ光の照射位置との関係を示す図である。
【図４】具体例１にて製造された光ファイバグレーティングの透過スペクトルである。
【図５】具体例１にて製造された光ファイバグレーティングの反射スペクトルである。
【図６】シミュレーションにより算出された光ファイバグレーティングの透過スペクトルである。
【図７】シミュレーションにより算出された光ファイバグレーティングの反射スペクトルである。
【図８】具体例２の位相マスクから出射された１次回折光の光強度とレーザ光の照射位置との関係を示す図である。
【図９】具体例２にて製造された光ファイバグレーティングの透過スペクトルである。
【図１０】具体例２にて製造された光ファイバグレーティングの反射スペクトルである。
【図１１】位相マスク法によるグレーティングの形成方法の工程の一例を示す概略図である。
【図１２】位相マスクの回折格子にて入射光の一部が反射された状態を示す概略図である。
【図１３】反射防止膜が設けられた位相マスクを用いたグレーティングの形成方法の工程の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１‥‥位相マスク、２‥‥回折格子、３‥‥露光用の光、４，４ａ，４ｂ‥‥回折光、５‥‥周期的な光強度分布となる領域[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a grating on a substrate, an optical fiber, or the like by a phase mask method, and particularly relates to a method for forming a grating excellent in mass productivity.
[0002]
[Prior art]
A phase mask method is widely used as a method of forming a periodic refractive index modulation structure such as a grating on a substrate, an optical fiber, or the like using an exposure technique.
FIG. 11 is a schematic view showing an example of steps of a method of forming a grating by a phase mask method. In the phase mask method, light 13 for exposure is made incident on the phase mask 11 on which the diffraction grating 12 is formed and diffracted to obtain a diffracted light 14. The diffracted lights 14 interfere with each other and propagate with a periodic light intensity distribution. An optical waveguide component (not shown) for forming a periodic modulation structure such as a substrate or an optical fiber is provided in a light propagation region (hereinafter, referred to as an interference region 15) having the periodic light intensity distribution. Then, a periodic modulation structure of a refractive index such as a grating is formed by an exposure technique or the like (see Patent Documents 1 to 3).
[0003]
In the above-described phase mask method, a part of light is reflected on the surface of the phase mask 11 due to a difference in refractive index between the phase mask 11 and the atmosphere.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a state where a part of the incident light 23 is reflected by the diffraction grating 22 of the phase mask 21. The light 26 reflected by the diffraction grating 22 propagates in the phase mask 21 in a direction opposite to the incident direction, and the other main surface disposed opposite to the one main surface 21a on which the diffraction grating 22 is formed. At 21b, a part of the reflected light 26 is reflected and propagates toward the diffraction grating 22 again.
As described above, the light 26 reflected by the diffraction grating 22 reaches the diffraction grating 22 again. At this time, when the light 26 is diffracted by the diffraction grating 22, the diffracted light (hereinafter referred to as the reflected diffraction light 27) From the phase mask 22. When the propagation path of the reflected diffracted light 27 overlaps with the interference region 25, the periodic light intensity distribution of the interference region 25 is disturbed, and a modulation structure having a desired refractive index cannot be formed in the core of the optical fiber. Problems arise.
[0004]
Therefore, as shown in FIG. 13, a method has been proposed in which the antireflection film 8 is provided on the other main surface 31b opposite to the one main surface 31a on which the diffraction grating 32 is formed (Patent Document 1). 4). The anti-reflection film 8 is made of a dielectric film and can suppress reflection of light of a specific wavelength. For example, the anti-reflection film 8 includes a substrate in which dielectric films having different refractive indices are formed in multiple layers. Can be
By providing the antireflection film 8 as described above, for example, the reflection amount of about 4% can be reduced to 0.5% or less, and the reflected light 36 reaches the diffraction grating 32 again and becomes reflected diffracted light. The periodic light intensity distribution in the interference area 35 is not disturbed.
[0005]
However, the light 33 incident on the phase mask 31 is ultraviolet light in the vicinity of 240 nm, and when this ultraviolet light is irradiated to the antireflection film 8 for a long time or with high intensity, the antireflection film 8 is altered and the reflection suppression function is deteriorated. Resulting in. For this reason, when forming a grating at a mass production level, the antireflection film 8 deteriorates and the amount of reflection increases with the irradiation time of ultraviolet light, and it is difficult to stably form a grating on an optical waveguide component. .
In order to solve this problem, it is necessary to remove the anti-reflection film 8 and replace it with a new one before the anti-reflection film 8 is deteriorated.
[0006]
Further, the phase mask 31 needs to be periodically subjected to chemical cleaning using a solution such as an acid or an alkali to remove dirt attached to the surface. Since the antireflection film 8 deteriorates and deteriorates even in the chemical cleaning, it is necessary to replace the antireflection film 8 every time the cleaning is performed.
As described above, when the antireflection film 8 is used, work for inspection and replacement of the antireflection film 8 is required, and the number of work steps is increased, which hinders mass production of optical fiber gratings. Further, the use of the anti-reflection film 8 increases the manufacturing cost.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2001-116934 A [Patent Document 2]
JP 2001-141943 A [Patent Document 3]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-048927 [Patent Document 4]
JP-A-11-133220
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention has been made in view of the above circumstances. That is, it is an object of the present invention to provide a method of forming a grating that eliminates the influence of reflected light without using an anti-reflection film or the like, stably forms a desired grating, and is excellent in mass productivity.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, a phase mask composed of a light-transmitting substrate on which a diffraction grating is formed transmits light for exposure to form diffracted light, and the diffracted light interferes with each other to form a periodic light. A grating forming method for exposing the optical waveguide component to form a grating by disposing an optical waveguide component having photosensitivity in a region where the light intensity is distributed, wherein the phase satisfies the following equation (1). This is a method for forming a grating, using a mask.
(Equation 2)

(However, t, n, and 示し indicate the thickness and refractive index of the phase mask and the period of the diffraction grating formed on the phase mask, respectively, and λ and w indicate the wavelength and beam width of the light for exposure, respectively. .)
The invention according to claim 2 is the method for forming a grating according to claim 1, wherein the beam width of the exposure light is 1 mm or more.
The invention according to claim 3 is characterized in that a grating is formed on the optical waveguide component while moving an irradiation point of light for exposure onto the phase mask, and the grating is formed according to

claim

1 or 2. Is the way.
The invention according to claim 4 is the method for forming a grating according to any one of claims 1 to 3, wherein the optical waveguide component is an optical fiber.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a main part of an apparatus used for forming a grating. Reference numeral 1 denotes a phase mask. The phase mask 1 is formed of a light-transmitting substrate such as quartz glass, and has a diffraction grating 2 formed on one main surface 1a. When the phase mask 1 is irradiated with the light 3, the light 3 is diffracted by the diffraction grating 2 and is emitted as the diffracted light 4 from the phase mask 1.
In particular, the size and shape of the diffraction grating 2 such as the period of the grating are adjusted so that the generation of the 0th-order diffraction light is suppressed and the light intensity of the -1st-order diffraction light 4a and the + 1st-order diffraction light 4b appears strongly. I have. As the diffraction grating 2, for example, the diffraction of the light 3 incident on the phase mask 1 into the 0th-order diffracted light is about 1 to 3%, and the diffraction into the -1st-order diffracted light 4a and the + 1st-order diffracted light 4b is about 35%. Are formed.
[0011]
A light source for exposure (not shown) is provided above the other main surface 1b of the phase mask 1 so that the light 3 for exposure can be radiated toward the other main surface 1b of the phase mask 1. It has become. The light 3 for exposure may be, for example, an ultraviolet laser having a wavelength of about 250 nm.
[0012]
Next, a method of forming a grating on an optical waveguide component using the above-described apparatus will be described. First, the other main surface 1b of the phase mask 1 is irradiated with light 3 from a light source. The light 3 passes through the inside of the phase mask 1, is diffracted by the diffraction grating 2 formed on the phase mask 1, and is emitted from one main surface 1a of the phase mask 1 as -1st-order diffracted light 4a and + 1st-order diffracted light 4b. . The -1st order diffracted light 4a and the + 1st order diffracted light 4b are combined in a space where the propagation paths overlap, and have a periodic light intensity distribution. The area where the propagation paths of the -1st-order diffracted light 4a and the + 1st-order diffracted light 4b overlap is hereinafter referred to as an interference area 5.
By arranging a light-sensitive optical waveguide component (not shown) in the interference region 5, the light in the interference region 5 hits the optical waveguide component and the optical waveguide component according to the light intensity distribution of the interference region 5. Is changed, and a grating is formed.
The light-sensitive optical waveguide component has a property that the refractive index increases or decreases when light is irradiated. For example, a material having a property that the refractive index of the core increases when irradiated with light such as ultraviolet light (hereinafter, also referred to as a photo-induced refractive index change) can be given. Examples of the optical waveguide component having such properties include an optical fiber or a quartz substrate to which germanium oxide or the like is added.
[0013]
As described above, when the light 3 incident on the phase mask 1 is diffracted by the diffraction grating 2, part of the incident light 3 is simultaneously reflected by the diffraction grating 2 to become reflected light 6. The reflected light 6 propagates toward the other main surface 1b of the phase mask 1, is reflected by the other main surface 1b, and propagates again toward the diffraction grating 2 as described in the related art. Then, the light is diffracted by the diffraction grating 2 and becomes a diffracted light (hereinafter, referred to as a reflected diffracted light 7), which disturbs the periodic light intensity distribution of the interference region 5.
Hereinafter, the diffraction grating 2 formed on the phase mask 1 used in the present embodiment will be described in more detail, and the reflected light 6 reflected by the diffraction grating 2 will be described.
[0014]
In the present embodiment, a phase mask on which a diffraction grating 2 satisfying the following expression (1) is formed is used. Here, in Expression (1) and in this specification, t, n, and Λ indicate the thickness and refractive index of the phase mask 1 and the period of the diffraction grating 2 formed on the phase mask 1, respectively, and λ, w Indicates the wavelength of the light 3 for exposure and the spot diameter, respectively.
[0015]
[Equation 3]

[0016]
FIG. 2 is an enlarged view showing the periphery of the diffraction grating 2 of the phase mask 1. The light 3 incident on the phase mask 1 is diffracted by the diffraction grating 2 as described above, and is emitted from one main surface 1a of the phase mask 1. At this time, a part of the incident light 3 is reflected by the diffraction grating 2 and propagates as reflected light 6 toward the other main surface 1 b of the phase mask 1.
Assuming that the first-order diffraction angle at the wavelength of the incident light 3 is θ, θ satisfies the following expression (2).
sin θ = λ / (nΛ) (2)
[0017]
Part of the reflected light 6 is reflected by the other main surface 1 b of the phase mask 1 and reaches the diffraction grating 2 of the phase mask 1 again. The distance x between the point at which the incident light 3 is reflected by the diffraction grating 2 and the point at which the incident light 3 is reflected by the diffraction grating 2 and reaches the diffraction grating 2 again as reflected light 6 is expressed by the following equation. It is represented by (3).
Further, when the equation (2) is substituted into the equation (3) and the equation is deformed, t is expressed by the following equation (4).
[0018]
(Equation 4)

[0019]
(Equation 5)

[0020]
When Expression (4) satisfies x ≧ w, the diffraction grating 2 satisfies Expression (1) described above. That is, the distance x between the point at which the incident light 3 is reflected by the diffraction grating 2 and the point at which the incident light 3 is reflected by the diffraction grating 2 to become reflected light 6 and reaches the diffraction grating 2 again is the incident distance. The beam width of the light 3 is not less than w. At this time, as shown in FIG. 1, the interference region 5 formed by the propagation paths of the first-order diffracted light 4a and the + 1st-order diffracted light 4b does not overlap with the propagation path of the reflected diffracted light 7, and the interference region 5 The light intensity distribution is not disturbed by the reflected diffracted light 7.
Therefore, a desired grating can be stably manufactured. Further, since there is no influence by the reflected diffracted light 7, there is no need to use an anti-reflection film as in the related art, and even if ultraviolet light is irradiated for a long time or at a high intensity, the reflection suppressing function may be reduced. And a stable grating can be manufactured. Further, unlike the related art, it is not necessary to replace the antireflection film when the antireflection function of the antireflection film is reduced or every time the phase mask 1 is cleaned. As described above, since there is no work related to inspection and replacement of the antireflection film, excellent workability and excellent mass productivity can be realized.
[0021]
Hereinafter, the present invention will be described specifically.
[Specific example 1]
A phase mask 1 in which the thickness (t) of the phase mask 1 is 10 mm, the center period (Λ) of the diffraction grating 2 is 1.074 μm, the period chirp rate of the diffraction grating 2 is 0.137 nm / mm, and the width of the main surface is 120 mm. Prepare.
As the light 3 for exposure, a second harmonic of an argon ion laser having a wavelength (λ) of 244 nm and a beam width (w) of 2 mm is used. Here, the beam width is obtained as a spectrum width at a point where the light intensity becomes half the maximum value in the light intensity spectrum of the beam.
[0022]
When the above parameters are substituted into the right side of the above-described equation (1), the equation (1) becomes t ≧ 6.5 mm. Since the thickness of the phase mask 1 used in this specific example is 10 mm, it can be seen that this phase mask 1 satisfies Expression (1).
FIG. 3 shows the light intensity of the first-order diffracted light 4 generated by diffracting the laser light 3 when the laser light 3 is irradiated on the phase mask 1 while scanning the irradiation position of the laser light 3 on the phase mask 1. FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship with an irradiation position of light 3. Even if the irradiation position of the laser beam 3 on the phase mask 1 changes, the light intensity of the first-order diffracted light 4 hardly changes, indicating that the light intensity is almost constant. This indicates that the propagation path of the reflected diffracted light 7 does not overlap with the propagation path of the primary diffracted light 4, and that the light intensity of the primary diffracted light 4 is not disturbed by the reflected diffracted light 7.
[0023]
Next, as an optical waveguide having photosensitivity, a single mode optical fiber in which 3.5% by weight of germanium oxide is added to a region having a diameter of 10 μm from the center of the core is prepared. This optical fiber has been preliminarily treated for 5 days in a hydrogen atmosphere of 10 MPa for 5 days.
As shown in FIG. 1, the phase mask 1 is installed with one main surface 1a on which the diffraction grating 2 is formed facing downward, and a laser device is provided above the other main surface 1b of the phase mask 1. Is provided. Then, when the phase mask 1 is irradiated with the laser light 3, the laser light 3 is diffracted by the diffraction grating 2 to become a + 1st-order diffracted light 4 a and a −1st-order diffracted light 4 b, and the lower part from one main surface 1 a of the phase mask 1. , And these propagation paths are overlapped to obtain the interference region 5.
[0024]
The optical fiber is installed so that the portion of the core forming the grating is located at the position where the interference region 5 is formed.
Then, the range in which the optical fiber is exposed (hereinafter, the exposure length of the grating) is set to 100 mm. When irradiating the laser 3, the exposure time is shortened in the range of 10 mm from both sides of the 100 mm so as to apodize so that the change in the refractive index due to the exposure is represented by a function of tanh. Thereby, a grating structure capable of suppressing side lobes in the transmission and reflection characteristics is formed in the optical fiber. Further, the exposure amount is set to an amount such that the transmission loss of the formed grating is about 10 dB.
[0025]
Under the above exposure conditions, the laser beam 3 is irradiated to the phase mask 1 to form an interference region 5 formed by multiplexing the -1st-order diffracted light 4a and the + 1st-order diffracted light 4b. Since the optical fiber having photosensitivity is provided in advance at the position where the interference region 5 is formed as described above, the core of the optical fiber is formed according to the periodic light intensity distribution of the interference region 5. The refractive index increases, and a grating is formed. Then, the irradiation position of the laser beam 3 on the phase mask 1 is scanned to form a grating in the range of the grating exposure length in the core of the optical fiber.
[0026]
4 and 5 show the optical characteristics of the optical fiber grating manufactured by the above-described method. FIG. 4 shows a transmission spectrum, and FIG. 5 shows a reflection spectrum. In the figure, the transmission characteristics and the reflection characteristics on the vertical axis represent the ratio of the transmitted light or the reflected light when the light is made incident on the manufactured optical fiber grating to the incident light in decibels, and is absolute. The higher the value, the higher the loss.
In the transmission spectrum, a substantially constant transmission loss is obtained in a wavelength band of 1554.3 nm to 1555.8 nm. In a wavelength range other than the wavelength band of 1554.3 nm to 1555.8 nm, the transmission loss is almost 0, and it can be seen that transmission is possible almost completely. In the reflection spectrum, the reflection loss is almost 0 in the wavelength band of 1554.3 nm to 1555.8 nm, which indicates that the light can be reflected almost completely. Further, in a wavelength range other than the wavelength band of 1554.3 nm to 1555.8 nm, the reflection loss is -40 dB or less, and it can be seen that the light is transmitted almost completely without reflection.
[0027]
Further, in order to evaluate the optical characteristics of the optical fiber grating, the optical characteristics are calculated by simulation as shown below, and the optical characteristics are compared.
FIG. 6 and FIG. 7 show the results of calculation by simulation of the optical characteristics of an optical fiber grating having a grating period of 0.537 μm, a chirp rate of the grating period of 0.0685 nm / cm, and a grating length of 100 mm. Here, at the time of the simulation, as in the specific example 1, the optical characteristics were calculated assuming that the refractive index change was apodized by the function of tanh in the 10 mm regions on both sides of the grating.
The optical characteristics of the optical fiber grating manufactured in the specific example 1 are almost the same as the calculation results obtained by the simulation, and it can be seen that the desired optical characteristics are obtained.
[0028]
[Example 2]
An optical fiber grating is manufactured in the same manner as in Example 1 except that the phase mask has a thickness (t) of 2.3 mm and does not satisfy the expression (1).
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the light intensity of the emitted first-order diffracted light and the irradiation position of the laser light when the laser light is irradiated onto the phase mask while scanning the irradiation position of the laser light on the phase mask. . As the irradiation position of the laser light on the phase mask changes, the light intensity of the first-order diffracted light changes, and the propagation path of the reflected diffracted light overlaps with the propagation path of the first-order diffracted light. It can be seen that the light intensity is disturbed.
[0029]
9 and 10 show the optical characteristics of the optical fiber grating manufactured in the specific example 2, FIG. 9 shows a transmission spectrum, and FIG. 10 shows a reflection spectrum.
The transmission spectrum has periodic fluctuations in the wavelength band of 1554.3 nm to 1555.8 nm, and a constant transmission loss has not been obtained. In the reflection spectrum, in a wavelength range other than the wavelength band of 1554.3 nm to 1555.8 nm, especially in a long wavelength band of 1556 nm or more, the reflection loss is −26 dB to −30 dB, and the light cannot be completely transmitted. It can be seen that the part is reflected.
As described above, when a phase mask that does not satisfy the expression (1) is used, the light intensity of the first-order diffracted light is disturbed by the reflected diffracted light, so that a desired grating cannot be formed, and excellent transmission and reflection characteristics are obtained. Can not be obtained.
[0030]
As described above, the optical fiber grating of the specific example 1 differs from the optical fiber grating of the specific example 2 in that the transmission loss in the wavelength band of 1554.3 nm to 1555.8 nm does not change and is almost constant. Can be almost completely reflected. Further, in other than this wavelength band, the reflection loss is -40 dB or less, and light can be transmitted almost completely without reflection in a long wavelength band of 1556 nm or more as in the specific example 2.
As described above, by using the phase mask 1 satisfying the above-described formula (1), a target grating can be formed without being affected by the reflected diffracted light as in the specific example 2, and the excellent transmission characteristics and excellent transmission characteristics can be obtained. Reflection characteristics are obtained.
Therefore, the manufactured optical fiber grating can be used, for example, as an optical component for selectively extracting light of a specific wavelength in an optical communication device, an optical sensor, and the like.
[0031]
By forming a grating on the optical waveguide component while moving the irradiation point of the laser beam 3 onto the phase mask 1, the grating can be formed with a desired grating exposure length. Further, by adjusting the exposure time and the light intensity of the laser light 3 while moving the irradiation point of the laser light 3, for example, as shown in a specific example, a change in the refractive index due to the exposure is tanh on both sides of the grating exposure length. Can be apodized as represented by the following function, and a grating structure or the like that can suppress side lobes in transmission and reflection characteristics can be formed.
[0032]
Further, by using the laser beam 3 having a beam width of 1 mm or more as in a specific example, disturbance of the phase mask 1 can be suppressed without disturbing the equiphase plane of the laser beam 3. Further, since the interference region 5 is also widened, a wide range can be exposed when exposing the optical waveguide component.
When the beam width is less than 1 mm, the power density of the laser light 3 is increased, and the laser light 3 is likely to damage optical waveguide components, which is not preferable.
[0033]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the grating forming method of the present invention, by using the phase mask satisfying the above-described expression (1), the interference region formed by the first-order diffracted light and the propagation path of the reflected diffracted light Do not overlap, and the light intensity distribution in the interference region is not disturbed by the reflected diffracted light. Thereby, a desired grating can be manufactured stably.
Further, since there is no influence by the reflected diffracted light as described above, it is not necessary to use an antireflection film as in the related art, and even if ultraviolet light is irradiated for a long time or at a high intensity, the reflection suppression function is reduced. A grating can be manufactured stably without any loss. Further, unlike the related art, it is not necessary to replace the antireflection film when the antireflection function of the antireflection film is deteriorated or every time the phase mask is cleaned. As described above, since there is no work related to inspection and replacement of the antireflection film, excellent workability and excellent mass productivity can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a main part of an apparatus used for forming a grating.
FIG. 2 is an enlarged view showing the periphery of a diffraction grating of a phase mask.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the light intensity of the first-order diffracted light emitted from the phase mask of Example 1 and the irradiation position of the laser light.
FIG. 4 is a transmission spectrum of the optical fiber grating manufactured in the specific example 1.
FIG. 5 is a reflection spectrum of the optical fiber grating manufactured in Example 1.
FIG. 6 is a transmission spectrum of an optical fiber grating calculated by a simulation.
FIG. 7 is a reflection spectrum of an optical fiber grating calculated by a simulation.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the light intensity of the first-order diffracted light emitted from the phase mask of the specific example 2 and the irradiation position of the laser light.
FIG. 9 is a transmission spectrum of the optical fiber grating manufactured in the specific example 2.
FIG. 10 is a reflection spectrum of the optical fiber grating manufactured in the specific example 2.
FIG. 11 is a schematic view showing an example of steps of a method of forming a grating by a phase mask method.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a state where a part of incident light is reflected by a diffraction grating of a phase mask.
FIG. 13 is a schematic view showing an example of steps of a method for forming a grating using a phase mask provided with an antireflection film.
[Explanation of symbols]
1 ‥‥ phase mask, 2 ‥‥ diffraction grating, 3 ‥‥ exposure light, 4, 4a, 4b ‥‥ diffracted light, 5 ‥‥ periodic light intensity distribution area

Claims

In a phase mask composed of a light-transmitting substrate on which a diffraction grating is formed, light for exposure is transmitted to form a diffracted light, and the diffracted light interferes with each other and forms a periodic light intensity distribution. Disposing an optical waveguide component having photosensitivity, a method of forming a grating by exposing the optical waveguide component to form a grating,
A method for forming a grating, comprising using a phase mask satisfying the following expression (1).

(However, t, n, and 示し indicate the thickness and refractive index of the phase mask and the period of the diffraction grating formed on the phase mask, respectively, and λ and w indicate the wavelength and beam width of the light for exposure, respectively. .)

2. The method of claim 1, wherein a beam width of the exposure light is 1 mm or more.

The method of forming a grating according to claim 1, wherein a grating is formed on the optical waveguide component while moving an irradiation point of light for exposure onto the phase mask.

4. The method according to claim 1, wherein the optical waveguide component is an optical fiber.