JP2008525848A

JP2008525848A - 光学基板内の構造の作製

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Publication number: JP2008525848A
Application number: JP2007548215A
Authority: JP
Inventors: ビイクリ，レベント; シー．ポルク，ジェローム; エム．バッティアト，ジェイムズ; ビー．ステガル，デイビッド
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2005-11-04
Publication date: 2008-07-17
Also published as: US7085450B2; EP1828822A1; KR20070088725A; CN101088036A; WO2006068707A1; CN100523885C; US20060133728A1

Abstract

光学基板（５４）内に構造（５２）を作製するシステムおよび方法。光学素子（８０）は、光学基板（５４）における第１の交差箇所（１１２）で交差する第１および第２の書き込みビーム（１１０、１１２）を生成する。第１の交差箇所（１１８）は、第１および第２の書き込みビーム（１１０、１１２）により生成された縞模様（５２）を含む。光学素子（８０）は、第１の交差箇所（１１８）と実質的に同一面内における第２の交差箇所（１１９）で交差するとともに再結合される第１および第２の参照ビーム（１１４、１１６）も生成する。そしてコントローラは再結合された第１および第２の参照ビーム（１１４、１１６）から得られる信号に基づいて、光学基板（５４）と縞模様との間の相対的位置決めを制御する。

Description

本発明は、広くは概して光学システムに関する。本発明は特には、光学基板内に周期的または非周期的構造を作製するためのシステムに関する。

光ファイバは長い距離にわたり光信号を伝送するために用いられる、非常に純粋なガラスの長く、細いストランドである。各光ファイバは通例３つの部分、すなわちコア、クラッド、およびバッファコーティングを有する。コアは光が進行するファイバの細いガラス中心である。クラッドは、内部コアより小さい屈折率を有するため光を反射してコアへ戻すコアを囲む外側光学材料である。バッファコーティングはファイバをダメージおよび水分から保護するポリマコーティングである。多数のこれらの光ファイバを束に配置することにより光ケーブルを形成することができる。

ファイバグレーティングは、導光体の有効吸収係数および／または有効屈折率の周期的または非周期的摂動である。ファイバグレーティングはグレーティングに入射する所定の範囲の波長の光を反射することができる一方で、すべての他の非共振波長の光を通過させる。ファイバグレーティングは例えば、波長分割多重方式（ＷＤＭ）用のフィルタ、光増幅器用利得平坦化フィルタ、および光増幅器をポンピングするために用いられるレーザダイオード用スタビライザとして有用である。

通例ファイバグレーティングは、単一モードファイバのコアを強い化学線（例えば紫外光）の周期的パターンに横方向に露光することにより作製される。露光はファイバコアの屈折率に恒久的増加を生じさせ、露光パターンに従った固定屈折率変調を生じさせる。この固定屈折率変調はグレーティングと呼ばれる。各周期的屈率変化において、微量の光が反射される。グレーティング周期が入力光の波長のほぼ半分である場合、反射光信号はすべてコヒーレント結合して特定の波長における１つの大きな反射になる。これはブラッグ条件と称されるとともに、この反射が発生する波長はブラッグ波長と呼ばれる。

ファイバのコアを横方向に露光してグレーティングを形成するために、ファイバが通例光源に対して（またはその反対に）移動させられる。グレーティングの作製における課題は、ファイバと光源との間の相対運動により生じる、グレーティング内の複数の露光間の位置誤差を最低限に抑えることである。位置誤差はグレーティングを形成する複数のセグメント間の位相誤差を生じる恐れがある。この問題に対処する１つの手法は、ファイバを一定の速度で回転ステージ上で移動させる一方で、同時に書き込みビームを時間依存関数生成器で変調させることを含む。この手法には回転ステージが一定の角速度を維持し、そこから回転ステージ位置が推測されることが必要である。しかし回転ステージが一定の角速度に維持されない場合には、位置および位相誤差が発生しやすい。

第２の手法は、直線ステージ上でファイバを搬送するとともに、ファイバに沿った様々な所定の固定箇所でファイバを停止するとともに露光してグレーティングを縫合することを含む。この手法によればファイバを搬送するステージは一定の速度を維持する必要はないが、グレーティング部分の縫合は非常に高い位置精度で達成されなければならない。この精度の維持に失敗すると作製プロセスの位置および位相誤差も生じる。

第３の手法は、最初の２つの手法の組み合わせであるとともに、ファイバを光干渉パターンに対して移動させる際にファイバを搬送するステージの位置を正確に知ることを含む。ステージ位置が読み取られるとともに書き込みビームが測定位置に従って変調される。この手法において、一定速度がステージによって維持されるとともにステージの位置が常に高精度で認識されていなければならない。しかしこの手法はファイバを搬送するステージの速度の変動による誤差に対処するに過ぎない。製造環境で一般的な他の摂動、例えば干渉縞ドリフトまたは移動、光学マウントの振動、波長変動、書き込みビーム位置の変動、ファイバ光感度の非線形性等は、同等な位置または速度誤差を生じるが未検出かつ未補正のままである。これらの他の誤差源はシステム内の全体誤差を１桁以上増加させる恐れがある。

このため光学基板内の構造の作製時にこれらのおよび他の誤差源に対処するシステムが必要である。

本発明は光学基板内に構造を作製するシステムおよび方法である。光学素子は、光学基板における第１の交差箇所で交差する第１および第２の書き込みビームを生成する。第１の交差箇所は、第１および第２の書き込みビームにより生成された縞模様を含む。光学素子は、第１の交差箇所と実質的に同一面内における第２の交差箇所で交差するとともに再結合される第１および第２の参照ビームも生成する。そしてコントローラは再結合された第１および第２の参照ビームから得られる信号に基づいて、光学基板と縞模様との間の相対的位置決めを制御する。

一実施形態において、コントローラは第１および第２の参照ビームを再結合して符号化ビームにする、第２の交差箇所に位置決めされたビーム結合器を含む。コントローラはさらに符号化ビームに基づいて検出器信号を生成する検出器を含む。またコントローラは検出器信号に基づいて光学基板に関する位置情報を決定するプロセッサを含む。コントローラは光学基板に関する位置情報に基づいて光学基板を位置決めするデバイスをさらに含む。

図面は本発明のいくつかの実施形態を説明しているが、説明の中で言及するように他の実施形態も考えられる。いずれの場合も、この開示は本発明を代表例として示すものであり限定ではない。なお本発明の原理の範囲および要旨内にある技術分野の当業者には多数の他の変更例および実施形態を考案できよう。図は正確な縮尺ではない場合がある。図を通して同様な参照番号を用いて同様な部分を示した。

図１は光学基板１４（例えば光ファイバなどの光導波路）内に干渉パターンを生成する従来の干渉計１０の上面図である。干渉計１０はビームスプリッタ１６と、反射板１８および２０とを含む。通例レーザなどの化学線源である光源２２は、入力ビーム２４を干渉計１０へ提供する。干渉計１０は一般にタルボ干渉計と称される。

通例タルボ干渉計において、ビームスプリッタ１６は入力ビーム２４を２つの書き込みビーム、第１の書き込みビーム２６と第２の書き込みビーム２８とに分割する。通例入力ビーム２４は、入力ビーム２４の半分はビームスプリッタ１６から第１の書き込みビーム２６として透過するとともに、入力ビーム２４の半分はビームスプリッタ１６から第２の書き込みビーム２６として透過するように分割される。第１の書き込みビーム２６は反射板１８により光学基板１４に向けられるとともに、第２の書き込みビーム２８は反射板２０により光学基板１４に向けられる。光学基板１４上の第１の書き込みビーム２６および第２の書き込みビーム２８の角度は、反射板１８上の第１の書き込みビーム２６および反射板２０上の第２の書き込みビーム２８の入射点および角度に基づいている。第１の書き込みビーム２６および第２の書き込みビーム２８は、それぞれ反射板１８および２０から光学基板１４に向けてビーム間半角度θで反射される。第１の書き込みビーム２６および第２の書き込みビーム２８は交差面３０で交差するとともに、光学基板１４内の領域３２で互いに交差する。露光は光学基板１４の屈折率の恒久的増加を生じ、露光パターンに従った構造１２（一般に光ファイバコア内のグレーティングと称する）を作製する。干渉計により形成された構造の周期は周知のブラッグの方程式により記述することが可能である。

ここで、Λ_Bは周期であり、θは書き込みビーム間の半角度であり、λは構造１２を形成するために用いられる書き込みビームの波長であり、ｍは回折次数を表わす整数であり、ｎは屈折率である。

光学基板１４内に構造１２を形成するためには、光学基板１４は交差面３０に対して（またはその反対に）移動しなければならない。構造１２の作製の課題は、光学基板１４と交差面３０との間の相対運動により生じる複数の露光間の位相または位置誤差を最低限に抑えることである。この課題に対処する様々な手法、例えば交差面３０に対して光学基板１４に関して一定の速度を維持すること、または様々な所定の固定箇所で光学基板１４を停止するとともに露光して構造１２を縫合することなどが開発された。しかし光学基板１４のそれぞれ速度および位置の非常に精密な制御を必要とするため、位相または位置誤差はこれらの２つの手法で生じやすい。位相および位置誤差の問題に対処する第３の手法は、光学基板１４を交差面３０に対して移動させるため、光学基板１４を搬送するステージの位置を正確に知ることを含む。ステージ位置が読み取られるとともに、書き込みビーム２６および２８は測定された位置に従って変調される。この手法は最初の２つの手法の欠点に対処し、光学基板１４が一定の速度に維持されていない場合には、光学基板１４の位置は常時認識される。しかしこの手法は単に光学基板１４を搬送するステージの速度の変動による誤差に対処するに過ぎない。製造環境で一般的な他の摂動、例えば干渉縞ドリフトまたは移動、光学マウントの振動、波長変動、書き込みビーム位置の変動等は、同等な位置または速度誤差を生じるが未検出かつ未補正のままである。

図２は、上記の第３の手法を用いる従来の光学作製システムで干渉パターンを生成する際に生じる速度誤差の周波数スペクトルを示す線グラフである。線４２は光学基板１４を搬送するステージからの速度変動による誤差の大きさを示す。この誤差はステージの実際の速度をステージの所望の速度と比較するとともに、加速度計を用いて測定される。光学基板１４を搬送するステージからの速度変動による誤差に加えて、線４４は製造環境（上記に列挙したような）における外部ノイズ源により生じる誤差の大きさを示す。この誤差はステージの実際の速度をステージの所望の速度と比較している。図示のように外部ノイズ源はシステムの全体誤差をある周波数において１桁以上増加させる。

図３Ａおよび図３Ｂは本発明の実施形態による、光学基板５４内の構造５２の作製のためのシステム５０の上面および斜視図である。システム５０は光源６０と、反射体６２、６４および６６を含むペリスコープと、ピックオフ反射体７０と、光変調器７２と、ビームステアリング反射体７４、７６および７８と、ビームスプリッタ８０と、反射体８２および８４と、光学基板マウント９０および９２と、ビーム結合器９４と、ステージ９５と、検出器９６と、コントローラ９８とを含む。光学基板マウント９０および９２ならびにビーム結合器９４はステージ９５に取り付けられている。光学基板５４は光学基板マウント９０および９２によって正しい位置に保持されている。ビーム結合器９４に対して位置決めされた検出器９６はコントローラ９８に電気的に接続されているとともに、コントローラ９８は光変調器７２およびステージ９５に電気的に接続されている。

好適にはレーザなどの化学線源である光源６０は光線１００を生成する。光線１００はそれぞれ反射体６２、６４および６６によりピックオフ反射体７０に向けて反射される。一実施形態において反射体６２および６４は、電気機械的に制御されて光線１００の能動的安定化を容易にするアクティブビームステアリングミラーである。この安定化は光線１００が所望点および角度でピックオフ反射体７０に確実に当たるようにする。ピックオフ反射体７０は光線１００の一部分を書き込み入力ビーム１０２として反射するとともに、光線１００の一部分を参照入力ビーム１０４として通過させる。ピックオフ反射体７０は、書き込み入力ビーム１０２が参照入力ビーム１０４に対して実質的に直交する角度で反射されるように角度が付けられている。

書き込み入力ビーム１０２はピックオフ反射体７０によって光変調器７２に向けられる。一実施形態において光変調器７２は音響光学変調器である。光変調器７２を用いて交互に、書き込み入力ビーム１０２をオンして光学基板５４を露光し、露光間で書き込み入力ビーム１０２をオフする。書き込み入力ビーム１０２のこの変調は周期的または非周期的連結構造５２を形成する。構造５２の形成は本明細書により詳細に記載されている。そして変調書き込み入力ビーム１０２は反射体７４に提供され、反射体７４は続いて書き込み入力ビーム１０２を反射体７８に向ける。そして反射体７８は書き込み入力ビーム１０２をビームスプリッタ８０に向ける。

参照入力ビーム１０４はピックオフ反射体７０を介して反射体７６へ通過する。反射体７６は、参照入力ビーム１０４が反射体７８によりビームスプリッタ８０に向けられるように位置決めされている。参照入力ビーム１０４がビームスプリッタ８０に到達したとき、参照入力ビーム１０４は、図３Ｂに示すように書き込み入力ビーム１０２と実質的に同一平面内で書き込み入力ビーム１０２から垂直にずれている。なお最終的に同じ平面内で書き込み入力ビーム１０２および参照入力ビーム１０４をビームスプリッタ８０に提供する光学構成要素は単なる例である。光線を受光するとともに、ビームスプリッタ８０において実質的に同一平面内で２つの入力ビームを出力することが可能な光学素子は、本発明の要旨および範囲から逸脱することなく、図示するとともに前述したものと置換され得る。

ビームスプリッタ８０は、書き込み入力ビーム１０２を２つの書き込みビーム、第１の書き込みビーム１１０と第２の書き込みビーム１１２とに分割する。またビームスプリッタ８０は参照入力ビーム１０４を２つの参照ビーム、すなわち第１の参照ビーム１１４と第２の参照ビーム１１６とに分割する。一実施形態においてビームスプリッタ８０は入力ビームを、同等のパワーレベルを有する２つの回折次数、＋１と−１とに分割する位相マスクである。このように書き込み入力ビーム１０２は、書き込み入力ビーム１０２の半分が位相マスクから第１の書き込みビーム１１０として透過するとともに、書き込み入力ビーム１０２の半分が位相マスクから第２の書き込みビーム１１２として透過するように分割される。同様に参照入力ビーム１０４は、参照入力ビーム１０４の半分が位相マスクから第１の参照ビーム１１４として透過するとともに、参照入力ビーム１０４の半分が位相マスクから第２の参照ビーム１１６として透過するように分割される。透過光の他の比率も設計要件の指示に応じて可能である。代替実施形態においてビームスプリッタ８０は、各入力ビームを同等に分割する５０／５０ビームスプリッタである。

第１の書き込みビーム１１０および第１の参照ビーム１１４は、反射体８２によってそれぞれ光学基板５４およびビーム結合器９４に向けられる。同様に第２の書き込みビーム１１２および第２の参照ビーム１１６は、反射体８４によってそれぞれ光学基板５４およびビーム結合器９４に向けられる。ビーム結合器９４は例えば位相マスク、ガラスウェッジ、ビーム分割キューブ等である。一実施形態において反射体８２および８４は、平坦な入射面を有する。他の実施形態において反射体８２および８４は放物状入射面を有する。光学基板５４上の第１の書き込みビーム１１０および第２の書き込みビーム１１２の入射角度は、反射体８２上の第１の書き込みビーム１１０および反射体８４上の第２の書き込みビーム１１２の入射点および角度に基づく。第１の書き込みビーム１１０および第２の書き込みビーム１１２は、ビーム間半角度θで光学基板５４に向けて反射される。第１の書き込みビーム１１０および第２の書き込みビーム１１２は交差箇所１１８で交差するとともに、光学基板５４で互いに交差する。露光は光学基板５４の屈折率の恒久的増加を生じ、露光パターンに従った基板５２（一般に光ファイバコア内のグレーティングと称する）を作製する。形成された構造の周期は式１により記述される。

光学基板５４内に構造５２を形成するためには、光学基板５４は第１の書き込みビーム１１０と第２の書き込みビーム１１２との交差箇所１１８に対して移動しなければならない。光学基板マウント９０および９２は光学基板５４を保持するとともにステージ９５に取り付けられている。ステージ９５は図示のように横方向に移動して、光学基板５４を交差箇所１１８に対して移動させられる。光学基板５４が交差箇所１１８に対して移動する際、光変調器７２は交互に、書き込み入力ビーム１０２をオンして光学基板５４を露光し、露光間で書き込み入力ビーム１０２をオフする。書き込み入力ビーム１０２のこの変調は周期的または非周期的連結構造５２を形成する。構造５２の個々の露光間の間隔は書き込み入力ビーム１０２およびステージ９５の並進速度の変調の周波数に基づく。

光学基板５４（およびステージ９５）の並進および位置決めは、構造５２の作製中正確に制御されなければならない。これを達成するために、ビーム結合器９４が第１の参照ビーム１１４と第２の参照ビーム１１６との交差箇所１１９でステージ９５上に設けられている。一実施形態においてビーム結合器９４は位相マスクである。交差箇所１１９は第１の書き込みビーム１１０と第２の書き込みビーム１１２との交差箇所から垂直にずれているとともに同一平面内にある。このように光学基板５４が第１の書き込みビーム１１０と第２の書き込みビーム１１２との交差箇所１１８に対して並進すると、ビーム結合器９４は第１の参照ビーム１１４と第２の参照ビーム１１６との交差箇所１１９に対して並進する。

第１の参照ビーム１１４と第２の参照ビーム１１６とがビーム結合器９４において交差箇所１１９で交差する場合、それらは光学基板５４において交差箇所１１８で第１の書き込みビーム１１０と第２の書き込みビーム１１２とにより生成された干渉パターンを再現する。ビーム結合器９４は参照ビーム１１４および１１６を再結合して再結合参照ビームまたは符号化ビームにする。再結合参照ビームは、再結合参照ビームの伝播方向に垂直に配向された縞模様を有する縞１２０を含む。縞模様は再結合参照ビームが検出器９６に向けて伝播する際に実質的に維持される。

検出器９６は、縞１２０が検出器９６内のスリット１２２により受光されるようにビーム結合器９４に対して位置決めされている。スリット１２２の背後に配置された輝度検出器は、再結合参照ビームの縞１２０の輝度を監視する。縞１２０の輝度はビーム結合器９４の並進と共に変化する。位相マスクがビーム結合器９４に用いられている場合、再結合参照ビーム内の縞１２０の輝度は、位相マスクを１つの位相マスク間隔（Λ）だけ並進させるのにかかる時間の２倍の速さで振動する。

図４は位相マスクにより生成された縞１２０の輝度を、位相マスク位置の関数として示すグラフである。ビーム結合器９４がステージ９５上に載置され、従って光学基板５４と同一速度で並進するため、スリット１２２を通過する際の縞１２０の輝度を測定することにより、光学基板５４に関する位置情報を決定することができる。一実施形態においてフォトダイオードを用いて縞１２０の輝度を測定する。

縞１２０の輝度測定はコントローラ９８に提供される。そしてコントローラ９８は縞１２０の輝度に基づいて再結合参照ビームの位相を算出する。再結合参照ビームの位相をコントローラ９８により用いて、交差箇所１１８に対する光学基板５４の位置および移動方向を決定する。コントローラ９８が光学基板５４の位置および移動方向を決定すると、コントローラ９８は構造５２の正確な作製を確実にするように、必要に応じてステージ９５の位置および方向を調整する。位相マスクが位相マスク縞間に非常に良好な間隔精度（通例±１ピコメートル）を有するため、光学基板５４の位置に対してナノメートル以下の解像度が達成可能である。

図５は本発明の他の実施形態による検出器９６ａを含むシステム５０ａの一部分の上面図である。検出器９６ａは光ファイバ１４２と倍増型光電管（ＰＭＴ）１４４とを含む。また図５に示されているのはビームスプリッタ８０、反射板８２および８４、ならびにビーム結合器９４である。ビームスプリッタ８０は参照入力ビーム１０４を２つの参照ビーム、すなわち第１の参照ビーム１１４と第２の参照ビーム１１６とに分割する。第１の参照ビーム１１４は反射体８２によってビーム結合器９４に向けられるとともに、第２の参照ビーム１１６は反射体８４によってビーム結合器９４に向けられる。第１の参照ビーム１１４と第２の参照ビーム１１６とが、ビーム結合器９４において交差している場合、それらは光学基板５４において第１の書き込みビーム１１０と第２の書き込みビーム１１２とにより生成された交差パターンを再現する。ビーム結合器９４は参照ビーム１１４および１１６を再結合して再結合参照ビームまたは符号化ビームにする。再結合参照ビームは、再結合参照ビームの伝播方向に垂直に配向された縞模様を有する縞１２０を含む。縞模様は再結合参照ビームが検出器９６ａに向けて伝播する際に実質的に維持される。

検出器９６ａは、縞１２０が検出器９６ａの光ファイバ１４２により受光されるようにビーム結合器９４に対して位置決めされている。光ファイバ１４２が紫外光の存在下にあるとともに縞１２０が光ファイバ１４２に達すると、光ファイバ１４２は蛍光を発する。一実施形態において光ファイバ１４２は、紫外光の存在下での蛍光発光を促進するためにゲルマニウムなどのドーパントまたはツリウムなどの希土類ドーパントでドープされている。縞１２０の輝度はビーム結合器９４の並進と共に変化する。位相マスクがビーム結合器９４に用いられている場合、再結合参照ビーム内の縞１２０の輝度は、図４に示したように位相マスクを１つの位相マスク間隔（Λ）だけ並進させるのにかかる時間の２倍の速さで振動する。ビーム結合器９４がステージ９５に載置され、従って光学基板５４と同一速度で並進するため、光ファイバ１４２内で蛍光発光する際の縞１２０の輝度を測定することにより、光学基板５４に関する位置情報を決定することができる。

ＰＭＴ１４４は光ファイバ１４２のコアに光学的に結合されているとともに、光ファイバ１４２内の蛍光発光の輝度を感知するように迷光から遮光されている。縞１２０の輝度測定はコントローラ９８に提供される。そしてコントローラ９８は縞１２０の輝度に基づいて再結合参照ビームの位相を算出する。再結合参照ビームの位相をコントローラ９８により用いて、書き込みビーム１１０と１１２との交差箇所に対する光学基板５４の移動の位置および移動を推定する。コントローラ９８が光学基板５４の位置および移動方向を決定すると、コントローラ９８は構造５２の正確な作製を確実にするように、必要に応じてステージ９５の位置および方向を調整する。

図６は本発明の他の実施形態による検出器９６ｂを示す。検出器９６ｂは第１の光ファイバ１５２と、第２の光ファイバ１５４と、第１のＰＭＴ１５６と、第２のＰＭＴ１５８とを含む。また図６に示されているのは、ビーム結合器９４を通過した後の再結合参照ビームからの縞１２０である。検出器９６ｂは、ビーム結合器９４からの信号が検出器９６ｂの光ファイバ１５２および１５４によって受信されるように、ビーム結合器９４に対して位置決めされている。一実施形態においてビーム結合器９４は位相マスクであるとともに、光ファイバ１５２および１５４は、各ファイバからの信号がステージ９５の並進時間に対応する時間量だけ、位相マスク周期の４分の１（Λ／４）だけ遅延するように配置されている。光ファイバ１５２および１５４が紫外光の存在下にあるとともに縞１２０が光ファイバ１５２および１５４に達すると、光ファイバ１５２および１５４は蛍光を発する。一実施形態において光ファイバ１５２および１５４は、紫外光の存在下での蛍光発光を促進するためにゲルマニウムなどのドーパントまたはツリウムなどの希土類ドーパントでドープされている。縞１２０の輝度はビーム結合器９４の並進と共に変化する。位相マスクがビーム結合器９４に用いられている場合、再結合参照ビーム内の縞１２０の輝度は、図４に示したように位相マスクを１つの位相マスク間隔（Λ）だけ並進させるのにかかる時間の２倍の速さで振動する。ビーム結合器９４がステージ９５に載置され、従って光学基板５４と同一速度で並進するため、光ファイバ１５２および１５４内で蛍光発光する際の縞１２０の輝度を測定することにより、光学基板５４に関する位置情報を決定することができる。

ＰＭＴ１５６は第１の光ファイバ１５２のコアに光学的に結合されているとともに、第１の光ファイバ１５２内の蛍光発光の輝度を感知するように迷光から遮光されている。ＰＭＴ１５８は第２の光ファイバ１５４のコアに光学的に結合されているとともに、第２の光ファイバ１５４内の蛍光発光の輝度を感知するように迷光から遮光されている。縞１２０の輝度測定はコントローラ９８に提供される。第２の光ファイバ１５４に対する第１の光ファイバ１５２の位置のため、ＰＭＴ１５６により感知された信号はＰＭＴ１５８により感知された信号から９０°シフトしている位相を有する。ＰＭＴ１５６およびＰＭＴ１５８によって感知された輝度信号の正規化後、正弦および余弦項が得られる。特にＰＭＴ１５６からの正規化輝度信号は、

であるとともに、ＰＭＴ１５８からの正規化輝度信号は、

であり、ここでＩは再結合参照ビームの輝度であり、Λはビーム結合器９４に用いられる位相マスクの間隔であり、ｘは光学基板５４の現在の位置である。そしてコントローラ９８は縞１２０の輝度に基づいて再結合参照ビームの位相を決定する。再結合参照ビームの位相をコントローラ９８により用いて、書き込みビーム１１０と１１２との交差箇所に対する光学基板５４の位置および移動方向を決定する。コントローラ９８が光学基板５４の位置および移動方向を決定すると、コントローラ９８は構造５２の正確な作製を確実にするように、必要に応じてステージ９５の位置および方向を調整する。

システム５０（およびその代替実施形態）は、光学基板内に構造を作製するための従来のシステムを超える利点を提供する。例えば参照ビーム１１４および１１６ならびに結合器９４を用いて光学基板５４の位置決めおよび並進を制御する利点は、書き込みビーム１１０および１１２ならびに参照ビーム１１４および１１６が、同じ光学素子（例えばビームスプリッタ８０、反射体８２および８４等）を通る同様の伝播経路を共有するということである。その結果、書き込み干渉パターンに影響を与え得る製造環境で一般的な摂動の大部分は、参照干渉パターンにも影響を与える。そしてこれらの摂動を検出するとともに補正して、書き込み干渉パターンに対する光学基板５４の適正な位置決めを確実にすることができる。他の利点は書き込み干渉パターンへのビーム結合器の近接である。いくつかの従来の光学作製システムは、ステージの基部などに光学基板から離れて位置するビーム結合器を用いている。ビーム結合器９４をシステム５０と同様に光学基板５４に近接配置することにより、光学基板５４の位置を従来のシステムより大幅に正確に測定することができる。

変調および書き込み
光学基板５４内に構造５２を作製するためには、交互に書き込みビーム１１０および１１２をオンして光学基板５４を露光するとともに露光間でオフしなければならない。コントローラ９８により制御される光変調器７２は、書き込み入力ビーム１０２を変調して、連続露光を適正に記録することにより、光学基板５４内に構造５２などの周期的または非周期的連結構造を形成する。構造５２を作製するためには、書き込み入力ビーム１０２の変調が正確に制御されなければならない。このために光学基板５４に関する位置情報が縞１２０から決定されるとともに、コントローラ９８は光学基板に関する位置情報に基づいて、光変調器７２を制御するために用いられる信号を生成する。

図７は本発明の実施形態による光変調器７２の変調を制御するアナログ光変調器制御システム１６０の概略図である。光変調器制御システム１６０は光変調器検出器ブロック７２と、コントローラ９８と、ビーム結合器圧電駆動回路１６１とを含む。コントローラ９８はプロセッサ１６２と、検出器ブロック１６３と、乗算器１６４と、加算器１６５と、乗算器１６６とを含む。

プロセッサ１６２は乗算器１６４と、加算器１６５と、乗算器１６６と、ビーム結合器圧電駆動回路１６１とに入力を供給する。特にプロセッサ１６２は乗算器１６４にアポディゼーション関数信号Ａ（ｘ）を、加算器１６５にＤＣオフセット信号を、乗算器１６６にＤＣ項＋変調干渉項、１＋Ｖ（ｔ）を、およびビーム結合器圧電駆動回路１６１にビーム結合器並進ステージ制御信号Ｐ（ｘ）（本明細書にて詳細に説明する）を供給する。前述した縞検出器（例えば図３Ａおよび３Ｂの検出器９６、図５の検出器９６ａ、および図６の検出器９６ｂ）のいずれかを表わす検出器ブロック１６３は、乗算器１６４に入力を供給する。乗算器１６４の出力は加算器１６５に入力を供給するとともに、加算器１６５の出力は乗算器１６６に入力を供給する。乗算器１６６の出力は光変調器７２に入力を供給する。

検出器ブロック１６３は、縞１２０の輝度に基づいて乗算器１６４に信号を供給する。検出器９６（図３Ａおよび図３Ｂ）および検出器９６ａ（図５）の場合、輝度測定信号（Ｉ）が乗算器１６４に直接供給される。検出器９６ｂ（図６）の場合、輝度信号は上記の式２および式３から決定され、そこで輝度Ｉは、

である。その後検出器ブロック１６３からの輝度信号に、一実施形態においてゆっくり変化する包絡関数であるアポディゼーション関数、Ａ（ｘ）が掛けられる。アポディゼーション関数は光学基板５４内の露光の屈折率変調のための上下境界を提供する。一実施形態においてアポディゼーション関数は均一なガウス、またはシンクアポディゼーション関数である。その後ＤＣオフセットが加算器１６５により乗算器１６４の出力に追加される。ＤＣオフセットはアポディゼーション関数を、アポディゼーション関数の包絡線の下部が光ファイバ５４の当初の屈折率に対応するようにシフトさせる。ＤＣオフセットの後、得られた信号は乗算器１６６に供給されて光学基板５４内の所望の屈折率変調が掛けられる。一実施形態において屈折率変調はＤＣ項＋変調干渉項（すなわち１＋Ｖ（ｔ））である。乗算器１６６の出力は光変調器７２を駆動する信号である。

システム５０において、反射体８２および８４ならびに光学基板５４の位置合わせ、および光線１００の波長が、構造５２の共振波長を決定する（式１参照）。構造５２の強度を大幅に劣化させることなく構造５２の共振波長をシフトさせることができる（２〜３ナノメートル以内）。このシフトを生じる１つの方法は、構造５２の作製中に光学基板５４をビーム結合器９４とは異なる速度で並進させることである。これを行うためにビーム結合器を別体の圧電並進ステージ上に載置してもよい。

図８Ａおよび図８Ｂはそれぞれ、光学基板５４とビーム結合器９４との間の相対運動を容易にする直線ステージアセンブリ１７０の上面図および側面図である。直線ステージアセンブリ１７０は光学基板マウント９０および９２と、ビーム結合器９４と、ステージ９５とを含む。さらに直線ステージアセンブリはステージ９５上に載置されたビーム結合器並進ステージ１７２を含む。ビーム結合器並進ステージ１７２は上にビーム結合器９４が載置されている。一実施形態においてビーム結合器並進ステージ１７２は圧電ステージである。ビーム結合器９４がビーム結合器並進ステージ１７２上に載置された状態で、正確に制御された相対運動が光学基板５４とビーム結合器９４との間に生じ得る。つまりステージ９５が光学基板５４を書き込みビーム１１０と１１２との交差箇所に対して移動させるときに、ビーム結合器並進ステージ１７２はビーム結合器９４を光学基板５４に対して異なる速度で移動させることができる。この相対運動により、システム５０によって検出且つ処理された縞１２０の変調が変更されるとともに、構造５２の共振波長内のシフトが発生する。

また直線ステージアセンブリ１７０は構造５２内にチャープまたは位置依存周期を生成することもできる。チャープ構造を生成するために、光学基板５４とビーム結合器９４との間に良好に制御された加速が維持される。例えば線形チャープは、構造５２の作製中に光学基板５４とビーム結合器９４との間に一定の加速を維持することにより達成される。共振波長シフトおよびチャーピングの両方のために、コントローラ９８は圧電駆動回路１６１（図７）に、ビーム結合器並進ステージ制御信号、Ｐ（ｘ）を供給して、ビーム結合器並進ステージ１７２の移動を制御する。Ｐ（ｘ）の値は光学基板５４と交差箇所１１８における干渉縞との間の相対的位置決めに依存している。

図７に示した光変調器７２を制御するアナログシステムは、デジタル的にも実施可能である。図９は本発明の実施形態による光変調器７２の変調を制御するデジタル光変調器制御システム１８０の概略図である。光変調器制御システム１８０において、コントローラ９８は検出器９６ｂ（図６）のＰＭＴ１５６およびＰＭＴ１５８から正弦および余弦項を受け取る。代替的には検出器９６（図３Ａおよび図３Ｂ）または検出器９６ａ（図５）によって輝度信号を供給することもできる。コントローラ９８がＰＭＴ１５６およびＰＭＴ１５８からの輝度信号をデジタル化するとともに、光学基板５４に関する位置情報を決定する。そしてコントローラ９８は信号を供給して光変調器７２を変調する。例えばコントローラ９８は関数、

によって光変調器７２を変調することも可能である。ここでｘ（ｔ）は時間の関数としての光学基板５４の現在の位置であり、Λ_sは基板５２の所望の周期である。式５に示した関数は、屈折率変調が一定の値の包絡線により制約された均一構造を表わす。

必要であれば均一なガウス、またはシンクアポディゼーションなどのアポディゼーション関数を変調関数に導入することができる。一実施形態においてアポディゼーション関数は、光学基板５４内の露光の屈折率変調のための上下境界を提供する、ゆっくり変化する包絡関数である。例えばアポディゼーション、Ａ（ｘ）は式５の第２項の係数を変化させることにより実施される。任意の所与の位置において所望のアポディゼーションを有する光変調器７２に対する新たな変調関数は、次式６で表わされる。

さらに光学基板５４とビーム結合器９４との間の相対運動を生じる直線ステージアセンブリ１７０（図８Ａおよび図８Ｂ）を用いて、本実施形態において共振波長シフトまたはチャープを実施することができる。また書き込みプロセス中に光学基板５４の位置の関数として構造５２の周期を変化させることにより、チャープを構造５２内に生成することができる。上記の例においてアポディゼーション関数およびチャープを含む光変調器７２の変調関数は、次式７で表わされる。

ここでΛ_s（ｘ）は光学基板５４の位置の関数としての構造５２の所望の周期である。

上述したように光学基板５４は構造５２の作製中にビーム結合器９４とは異なる速度で並進して、構造５２の共振波長のシフトを生成する。つまり各縞模様１２０がシフトされると、構造５２の連続露光の重畳が生じ得る。これは構造５２の共振波長もシフトさせる建設的および破壊的干渉効果をもたらす。構造５２の共振波長のこのシフトの欠点は、構造５２の振幅変調または強度の減少である。この構造５２の強度の減少を離調と称する。

離調の影響は光線１００のサイズによる。光線１００が大きくなるにつれて、離調（すなわち構造５２の強度の減少）というペナルティが著しく増大する。これは光線１００のサイズが増すにつれて、露光当たりに書き込まれる縞の数も増すからである。露光当たりにより多くの縞が書き込まれると、離調シフトにより生じる破壊的干渉に起因するより大きいウォッシュアウト領域が生じる。

図１０は、本発明の実施形態による光学基板５４内の構造５２の共振波長のシフトによる離調を防止する調節可能干渉計１９０の上面図である。調節可能干渉計１９０は反射体８２および８４と、チャープ位相マスク１９２と、チャープ位相マスクステージ１９４とを含む。チャープ位相マスク１９２はチャープ位相マスクステージ１９４上に載置されている。

チャープ位相マスク１９２はシステム５０のビームスプリッタ８０に代わり、構造５２の作製中に書き込みビーム１１０と１１２との交差箇所１１８において周期を変化させることを容易にする。チャープ位相マスク１９２は、書き込みビーム１０２に対して位相マスクの位置の関数として変化する周期を有する位相マスクである。チャープ位相マスクステージ１９４は、チャープ位相マスク１９２を書き込み入力ビーム１０２に平行および横断移動の両方に移動可能である。書き込み入力ビーム１０２に対するチャープ位相マスク１９２の並進は、反射体８２上の第１の書き込みビーム１１０および反射体８４上の第２の書き込みビーム１１２の入射点をシフトさせる。しかし交差箇所１１８は構造５２を作製するために光学基板５４上に固定したままでなければならない。このようにチャープ位相マスク１９２は光学基板５４上に交差箇所１９６を維持するように、チャープ位相マスク１９２のチャープに基づいて書き込み入力ビーム１０２に対して平行および横断方向の両方に比例して移動される。

チャープ位相マスクステージ１９４が並進されると、交差箇所１１８における書き込みビーム１１０と１１２との交差角度の変化が発生する。ブラッグの方程式（式１）に準じて、これは干渉パターン１１８における、したがって光学基板５４に書き込まれた構造５２の周期を変化させる。チャープ位相マスク１９２は特定の周期性を有する構造５２を生成するように所定の位置に移動され得る。代替的には、光学基板５４を固定したままチャープ位相マスク１９２を書き込み入力ビーム１０２に対して移動させることにより、複数の波長を反射するように異なる周期を有する複数の構造５２を光学基板５４内の同じ物理的位置で多重化してもよい。このように干渉パターン１１８の周期を変調する（それにより構造５２の共振波長を調整する）ことにより、大幅に離調することなくより大きい範囲の構造周期を生成し得る。

高速／低速構成要素速度補正
回転ステージを用いて書き込み干渉パターンに対して一定の速度で光学基板を移動させるシステムにおいて、回転ステージの慣性を用いて速度均一性を維持する（例えば本明細書に引用して援用する、「任意の長さのインライン光導波路屈性率格子の作製方法（ＭｅｔｈｏｄｆｏｒＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＩｎ−ＬｉｎｅＯｐｔｉｃａｌＷａｖｅｇｕｉｄｅＩｎｄｅｘＧｒａｔｉｎｇｏｆＡｎｙＬｅｎｇｔｈ）」と題された米国特許第５，９１２，９９９号明細書参照）。直線ステージは一定の移動を維持するための慣性を有さないとともに、システムの他の構成要素へのステージの近接のため外部摂動により影響を受けやすい。これらの摂動はシステム内の高周波成分などの様々な原因から生じる可能性がある。機械的限界に加えて直線ステージの応答速度（帯域）不足がこれらの摂動を除去する能力を制限する。さらにまた速度均一性を維持して、構造内に複数の露光間の位置誤差を生じる速度誤差を最低限に抑えることが望ましい。

ビーム結合器９４を補正機構と組み合わせる本発明の一実施形態において、回転ステージを含む従来のシステムの速度制御をステージ９５で実施することができる。これを達成するために、反射体８２または８４は本発明の実施形態において圧電駆動要素上に載置されている。圧電駆動要素は高帯域と高解像度とを有するが、限定移動範囲（すなわち数十ミクロンの全体移動量に限定された）を有する高速構成要素である一方で、直線ステージは低速構成要素であるがより大きい移動範囲を有する。圧電駆動の移動速度のため圧電駆動要素は、ステージ９５により生じる光学基板５４の速度または位置誤差を迅速に補償することができる。このように本実施形態において光学基板５４に関する位置および移動方向情報はコントローラ９８により（縞１２０から）決定されるため、コントローラ９８はステージ９５を調整して任意の速度誤差を補償するのみならず、圧電駆動要素にこれらの誤差を補償させることもできる。さらにステージ９５により生じる光学基板５４の速度誤差または位置誤差は、書き込みビームの位相または周波数を調整することにより補正可能である。

図１１は直線ステージが移動している時に検出器から得られた信号の周波数応答を示すグラフである。理想的な均一移動の場合、単一のピークが、２つの参照ビームの交差により生成されるパターンの周期の半分で割った光学基板の線速度の割合と同等の周波数にあると期待される。プロット２０２は光学基板を移動させるために直線ステージのみを含むシステムの速度均一性を示す。プロット２０４はステージ９５を用いて光学基板５４および圧電駆動要素を移動させ、反射体８２または８４の移動を制御してステージ９５により生じる速度または位置誤差を補償するシステム内のシステム５０の速度均一性を示す。図示のように直線ステージのみの使用（プロット２０２）は、速度の均一性不良に移行する多くの周波数成分を生成する。その結果書き込み干渉パターンの連続露光間の良好な位相一致は困難であるため、光学基板５４内に非常に脆弱な構造を作製するかまたは構造を作製しない。一方圧電駆動要素が組み込まれて反射体８２または８４の移動を制御し、ステージ９５により生じる速度または位置誤差を補償する場合、良好な速度均一性に移行する単一の周波数成分のみが生成される（プロット２０４）。

システム５０の速度均一性を改善することに加えて、反射体８２または８４を移動させる圧電駆動要素は光変調器７２の随意の排除も可能にする。圧電駆動要素は非常に迅速な移動が可能であるため、圧電駆動要素に取り付けられた反射体は、露光の変調屈折率の大きなウォッシュアウトなく、書き込み干渉パターンを光学基板５４上の次の適正な箇所に移動させることができる。さらにまた光学基板５４が移動される間に、圧電駆動要素が移動して書き込み干渉パターンを光学基板５４上の固定箇所に係止させておくことができる。光学基板５４上の固定箇所における露光時間を増加することにより、構造５２内の変調屈折率の振幅が増加する。また各露光を光学基板５４上に迅速に位置決めする能力は、ＤＣまたは平均露光時間（構造５２の周期にわたり平均された）の低減を可能にする。減少ＤＣまたは平均露光時間では、光学基板５４内の屈折率の変化がより効率的に用いられて構造５２内の結合強度の改善をもたらす。アポディゼーションを実施するためにＤＣ露光が必要である場合には、ステージ９５および圧電駆動要素をコントローラ９８により制御して、光学基板５４の一定の速度と個々の移動との組み合わせを提供することができる。ＤＣ露光の継続時間を調整することにより、ほぼ任意のアポディゼーションを達成することができる。

二次元構造
前述したシステム５０およびその様々な代替実施形態を、干渉パターンに対して一次元で光学基板を並進させることによる光学基板内の構造の作製に関して説明した。さらに作製システムと一緒にビーム結合器を用いて、ワイヤグリッド偏光板、ビーム結合器、反射防止モスアイパターン、平面導波路グレーティング、フォトニック結晶デバイス等などの、二次元周期的および非周期的構造を作製することができる。これを行うために光学基板を書き込みビーム１１０と１１２との交差箇所に対して二次元で並進させることができる。書き込みビーム１１０と１１２との交差箇所に対して走査される際の光学基板に関する位置情報を得るために、参照ビーム１１４と１１６との交差箇所に対してビーム結合器を走査することができる。

図１２は二次元基板２１２内に構造を作製するシステム５０と一緒に用いられる並進システム２１０の平面図である。並進システム２１０は位置決めステージ２１１と、二次元基板２１２と、ビーム結合器２１４とを含む。二次元基板２１２およびビーム結合器２１４は位置決めステージ２１１に取り付けられている。位置決めステージ２１１は二次元基板２１２を、書き込みビーム１１０と１１２との交差箇所２１６に対して二次元で移動させる。同様に位置決めステージ２１１はビーム結合器２１４を参照ビーム１１４と１１６との交差箇所２１８に対して二次元で移動させる。本実施形態においてビーム結合器２１４は二次元基板２１２の寸法と実質的に同様の寸法を有しており、構造が二次元基板２１２の縁部に作製される際に、交差箇所２１８がビーム結合器２１４により確実に受容されるようにすることができる。

二次元光学基板２１２内の構造の作製中、二次元光学基板２１２（および位置決めステージ２１１）の並進および位置決めを正確に制御することができる。ビーム結合器２１４で二次元における位置決めステージ２１１の移動を制御する手法は、図３Ａおよび図３Ｂに関して説明したような一次元におけるステージ９５の移動を制御する手法と同様である。例えば第１の参照ビーム１１４および第２の参照ビーム１１６がビーム結合器２１４において交差箇所２１８で交差する場合、それらは二次元光学基板２１２おける交差箇所２１６での第１の書き込みビーム１１０と第２の書き込みビーム１１２とにより生成された干渉パターンを再現する。ビーム結合器２１４は参照ビーム１１４および１１６を再結合して再結合参照ビームまたは符号化ビームにする。再結合参照ビームは、再結合参照ビームの伝播方向に垂直な縞模様を有する縞１２０を含む。縞模様は、再結合参照ビームが検出器（例えば図３Ａおよび図３Ｂの検出器９６、図５の検出器９６ａ、および図６の検出器９６ｂ）に向けて伝播する際に実質的に維持される。

検出器は縞を受光するとともに再結合参照ビームの縞の輝度を監視するように、ビーム結合器２１４に対して位置決めされている（例えば図３Ａおよび図３Ｂに示すように）。縞の輝度はビーム結合器２１４の並進と共に変化する。縞の輝度測定はその後コントローラに提供される。コントローラは縞の輝度に基づいて再結合参照ビームの位相を算出する。再結合参照ビームの位相をコントローラにより用いて、書き込みビーム１１０と１１２との交差箇所２１６に対する二次元光学基板２１２の位置および移動方向を決定する。コントローラが二次元光学基板２１２の位置および移動方向を決定すると、コントローラは二次元光学基板２１２内での所望の構造の正確な作製を確実にするように、必要に応じて位置決めステージ２１１の位置および方向を調整する。

図１３Ａは二次元基板２１２内に構造を作製するシステム５０と一緒に用いられる代替並進システム２２０の平面図である。並進システム２２０は位置決めステージ２２１と、二次元基板２１２と、ビーム結合器２２４とを含む。二次元基板２１２およびビーム結合器２２４は位置決めステージ２２１に取り付けられている。位置決めステージ２２１は図１３Ａに示すように二次元基板２１２を、書き込みビーム１１０と１１２との交差箇所２１６に対して一次元で移動させる。同様に位置決めステージ２２１はビーム結合器２２４を参照ビーム１１４と１１６との交差箇所２１８に対して一次元で移動させる。本実施形態において書き込みビーム１１０と１１２との交差箇所２１６は、位置決めステージ２２１の移動の次元に直角の次元において二次元光学基板２１２に沿って走査されて、二次元光学基板２１２内に構造を作製する。本実施形態においてビーム結合器２２４は一次元（位置決めステージ２２１の移動の次元）において二次元基板２１２の寸法と実質的に同様の寸法を有しており、構造が二次元基板２１２の縁部に作製される際に、交差箇所２１８がビーム結合器２２４により確実に受容されるようにすることができる。

図１３Ｂは位置決めステージ２２１の移動の次元に直角な次元において二次元光学基板２１２に沿って交差箇所２１６を走査する一手法を示す。図１３Ｂは書き込み入力ビーム１０２が再指向されてビームスプリッタ８０を通過し、書き込みビーム１１０と１１２とに分割されるとともに、反射体８２および８４により再指向されて交差箇所２１６において二次元光学基板２１２で交差することを示す。並進システム２２０は図示のように交差箇所２１６に対して二次元光学基板２１２を並進させる。並進システム２２０の移動方向に直角な方向に交差箇所２１６を走査するために、圧電駆動反射体２３０および２３２が設けられている。圧電駆動反射体２３０および２３２は、書き込み入力ビーム１０２を再指向して異なる箇所でビームスプリッタ８０に当たるように、必要に応じて移動される。その結果書き込みビーム１１０および１１２は反射体８２および８４により反射されるとともに、二次元光学基板２１２上の異なる箇所で交差する。

二次元光学基板２１２内の構造の作製中、二次元光学基板２１２（および位置決めステージ２２１）の並進および位置決めを正確に制御することができる。ビーム結合器２２４で二次元における位置決めステージ２２１の移動を制御する手法は、図３Ａおよび図３Ｂに関して説明したような一次元におけるステージ９５の移動を制御する手法と同様である。例えば第１の参照ビーム１１４および第２の参照ビーム１１６がビーム結合器２２４において交差箇所２１８で交差する場合、それらは二次元光学基板２１２おける交差箇所２１８での第１の書き込みビーム１１０と第２の書き込みビーム１１２とにより生成された干渉パターンを再現する。ビーム結合器２２４は参照ビーム１１４および１１６を再結合して再結合参照ビームまたは符号化ビームにする。再結合参照ビームは、再結合参照ビームの伝播方向に垂直な縞模様を有する縞１２０を含む。縞模様は再結合参照ビームが検出器９６に向けて伝播する際に実質的に維持される。本実施形態において、書き込み入力ビーム１０２が圧電駆動反射体２３０および２３２に再指向される一方で、参照入力ビーム１０４はされない。参照入力ビーム１０４は圧電駆動反射体２３０および２３２によって反射されないため同じ状態のままであるとともに、書き込み入力ビーム１０２が圧電駆動反射体２３０および２３２によって走査される場合、二次元光学基板２１２に関する適正な位置情報を与える。

検出器９６は縞１２０を受光するとともに再結合参照ビームの縞１２０の輝度を監視するように、ビーム結合器２２４に対して位置決めされている。検出器９６ａ（図５）または検出器９６ｂ（図６）を検出器９６の代わりに代替的に用いてもよい。縞１２０の輝度はビーム結合器２２４の並進と共に変化する。縞２２４の輝度測定はその後コントローラに提供される。そしてコントローラは縞の輝度に基づいて再結合参照ビームの位相を算出する。再結合参照ビームの位相をコントローラにより用いて、書き込みビーム１１０と１１２との交差箇所２１６に対する二次元光学基板２１２の位置および移動方向を決定する。コントローラが二次元光学基板２１２の位置および移動方向を決定すると、コントローラは二次元光学基板２１２内での所望の構造の正確な作製を確実にするように、必要に応じて位置決めステージ２２１の位置および方向を調整する。

図１３Ａおよび図１３Ｂを参照して上述した構成を組み立てて、マサチューセッツ州マールボロ（Ｍａｒｌｂｏｒｏｕｇｈ，ＭＡ）のシプレイ・カンパニー（ＳｈｉｐｌｅｙＣｏｍｐａｎｙ）から入手可能な、ＵＶ５（０．０３〜１．５）ポジティブ・ディープ・ユーブイ・フォトレジスト（ＰｏｓｉｔｉｖｅＤｅｅｐＵＶＰｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ）にグレーティングパターンを作製した。直径１ｍｍを有する紫外線レーザビームをシステム５０の入力ビームとして供給した。並進ステージ２２１を交差箇所２１６に対して１ｍｍ／秒の速度で移動させた。圧電駆動反射体２３０および２３２を用いて交差箇所２１６をフォトレジストに沿って、並進ステージ２２１の並進方向に直角な方向に走査した。交差箇所２１６を毎秒１００走査（１００Ｈｚ）の速さで走査した。そして基板を９０°回転させるとともに、並進ステージ２２１と圧電駆動反射体２３０および２３２とを用いて作製手順を繰り返した。この２回目の露光後、フォトレジストを１３０℃で９０秒間加熱した。その後マサチューセッツ州マールボロ（Ｍａｒｌｂｏｒｏｕｇｈ，ＭＡ）のシプレイ・カンパニー（ＳｈｉｐｌｅｙＣｏｍｐａｎｙ）から入手可能な、マイクロポジット・エムエフ・シーディ−２６デベロッパ（ＭｉｃｒｏｐｏｓｉｔＭＦＣＤ−２６Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ）で不要なフォトレジストを除去した。図１４内の写真に示す得られた構造は、５２０ｎｍの周期を有するフォトレジスト内に形成されたグレーティングパターンであった。エンドユース製品構成および用途に応じて、さらなる処理をグレーティングパターンに行って、例えばフォトレジストをパターン化するまたはフォトレジストのない領域に材料（めっきまたは蒸着方法などによる）を追加することができる。

要約すれば光学基板における構造の作製用の従来のシステムは、光学基板を搬送するステージの速度変動による誤差に対処している。しかし製造環境で一般的な他の摂動、例えば干渉縞ドリフトまたは移動、光学マウントの振動、波長変動、書き込みビーム位置の変動等は、同等な位置または速度誤差を生じるが未検出かつ未補正のままである場合がある。本発明はこれらのおよび他の問題に対処する、光学基板内に構造を作製するシステムおよび方法である。光学素子は光学基板において第１の交差箇所で交差する第１および第２の書き込みビームを生成する。第１の交差箇所は第１および第２の書き込みビームにより生成された縞模様を含む。また光学素子は、第１の交差箇所と実質的に同一平面内の第２の交差箇所において交差するとともに再結合される第１および第２の参照ビームを生成する。そしてコントローラは再結合された第１および第２の参照ビームから得られる信号に基づいて、光学基板と縞模様との間の相対的位置決めを制御する。一実施形態においてコントローラは、第１および第２の参照ビームを再結合して符号化ビームにする、第２の交差箇所に位置決めされたビーム結合器を含む。コントローラは符号化ビームに基づいて検出器信号を生成する検出器をさらに含む。またコントローラは検出器信号に基づいて光学基板に関する位置情報を決定するプロセッサを含む。コントローラは光学基板に関する位置情報に基づいて光学基板を位置決めするデバイスをさらに含む。

好適な実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者には本発明の要旨と範囲とから逸脱することなく形態および細部に変更をなし得ることは理解できよう。

光学基板内に構造を作製する従来の干渉計の上面図である。従来の作製システムで光学基板内に構造を作製する際に生じる速度誤差を示す線グラフである。本発明の実施形態による光学基板内の構造の作製のためのシステムの上面図である。図３Ａに示すシステムの一部分の斜視図である。図３Ａおよび図３Ｂのシステムのビーム結合器により生成された縞の輝度をビーム結合器位置の関数として示すグラフである。図３Ａおよび図３Ｂに示すシステム内の光学基板に関する位置情報を決定する検出器の他の実施形態の上面図である。図３Ａおよび図３Ｂに示すシステム内の光学基板に関する位置情報を決定する検出器のさらなる実施形態を示す。光変調器を制御するアナログ光変調器制御システムの概略図である。光学基板とビーム結合器との間の相対運動を容易にする直線ステージアセンブリの上面図である。図８Ａに示す直線ステージアセンブリの側面図である。光変調器を制御するデジタル光変調器制御システムの概略図である。光学構造の中心波長のシフトによる離調を防止する調節可能干渉計の上面図である。光学基板の移動を制御するために直線ステージのみを、および光学基板の移動を制御するために高速／低速構成要素速度補正構成要素を含む直線ステージを有する本発明によるシステムの速度均一性を示すグラフである。本発明による二次元基板内に構造を作製するための位置決めステージの平面図である。本発明による二次元基板内に構造を作製するための他の位置決めステージの平面図である。二次元基板内に構造を作製するための図１３Ａの位置決めステージを含むシステムの一部分の上面図である。図１３Ａおよび図１３Ｂに示すシステムを用いて形成された二次元格子を示す写真である。

Claims

光学基板の第１の交差箇所で交差する第１および第２の書き込みビーム、ならびに前記第１の交差箇所と実質的に同一面内における第２の交差箇所で交差するとともに再結合される第１および第２の参照ビームを生成する光学素子であって、前記第１の交差箇所が前記第１および第２の書き込みビームにより生成された縞模様を含む、光学素子と、
前記再結合された第１および第２の参照ビームから得られる信号に基づいて、前記光学基板と前記縞模様との間の相対的位置決めを制御するコントローラと、
を備える光学基板内に構造を作製するシステム。
前記コントローラが、
前記第１および第２の参照ビームを再結合して符号化ビームにする、前記第２の交差箇所に位置決めされたビーム結合器と、
前記符号化ビームに基づいて検出器信号を生成する検出器と、
前記検出器信号に基づいて前記光学基板に関する位置情報を決定するプロセッサと、
前記光学基板に関する前記位置情報に基づいて前記光学基板を位置決めする並進ステージと、
を備える請求項１に記載のシステム。
前記検出器が、
前記符号化ビームを受光するスリットと、
前記スリットを通過する前記符号化ビームの輝度を決定するとともに、その輝度に基づいて前記符号化ビームの位相を算出する輝度検出器と、
を備える請求項２に記載のシステム。
前記検出器が、
前記符号化ビームを受光する第１の光ファイバと、
前記符号化ビームに基づいて前記光学基板の位置に関連する第１の信号を生成する、前記第１の光ファイバに光学的に結合された第１の光検出器と、
を備える請求項２に記載のシステム。
前記検出器が、
前記符号化ビームを受光する、前記第１の光ファイバに近接配置された第２の光ファイバと、
前記符号化ビームに基づいて前記光学基板の位置に関連する第２の信号を生成する、前記第２の光ファイバに光学的に結合された第２の光検出器と、
をさらに備える請求項４に記載のシステム。
前記ビーム結合器が位相マスクを備える請求項２に記載のシステム。
前記並進ステージが、前記第１の交差箇所に対する前記光学基板の相対運動を提供するとともに、前記第２の交差箇所に対する前記ビーム結合器の相対運動を提供する請求項２に記載のシステム。
前記並進ステージが、
前記ビーム結合器が前記第２の交差箇所に対して移動されるのと実質的に同じ速度で、前記光学基板が前記第１の交差箇所に対して移動されるように、前記光学基板と前記ビーム結合器とを搬送する直線ステージを備える請求項７に記載のシステム。
前記並進ステージが、
前記光学基板を搬送する直線ステージと、
前記光学基板に対する前記ビーム結合器の移動を容易にするように、前記ビーム結合器を搬送する圧電ステージと、
を備える請求項７に記載のシステム。
前記光学素子が、
前記第１および第２の書き込みビームを第１の入力ビームから生成するとともに、前記第１および第２の参照ビームを第２の入力ビームから生成するビームスプリッタと、
前記第１および第２の書き込みビームを前記第１の交差箇所で交差するように導くとともに、前記第１および第２の参照ビームを前記第２の交差箇所で交差するように導く反射部と、
を備える請求項１に記載のシステム。
前記第１および第２の書き込みビームの交差角度ならびに前記第１および第２の参照ビームの交差角度が、前記ビームスプリッタを前記第１の入力ビームおよび前記第２の入力ビームに対して移動させることにより調整可能である請求項１０に記載のシステム。
前記ビームスプリッタが、チャープ位相マスクである請求項１１に記載のシステム。
前記反射部が、前記第１の交差箇所で交差するようにそれぞれ前記第１および第２の参照ビームを導くとともに、前記第２の交差箇所で交差するようにそれぞれ前記第１および第２の参照ビームを導くように位置決めされた、第１および第２の反射体を備える請求項１０に記載のシステム。
前記第１および第２の反射体のうちの少なくとも一方が、圧電素子上に載置されるとともに、前記光学基板に対して前記縞模様の位置を調整するように前記コントローラにより制御される移動ミラーである請求項１３に記載のシステム。
前記光学基板が前記縞模様に対して並進されたときに、前記第１の入力ビームが変調されて、前記光学基板内に連続周期的構造を形成する請求項１０に記載のシステム。
第１および第２の書き込みビームを第１の入力ビームから生成するとともに、第１および第２の参照ビームを第２の入力ビームから生成するステップと、
前記第１および第２の書き込みビームを光学基板において第１の交差箇所で交差するように導くステップと、
前記第１および第２の参照ビームを前記第１の交差箇所と実質的に同一面内における第２の交差箇所で交差するように導くステップと、
前記第２の交差箇所における前記第１および第２の参照ビームから参照信号を得るステップと、
前記参照信号に基づいて、前記光学基板と前記第１の交差箇所との間の相対的位置決めを調整するステップと、
を含み、
前記第１の交差箇所が前記第１および第２の書き込みビームにより生成された縞模様を含む、光学基板内に構造を作製する方法。
前記第２の交差箇所における前記第１および第２の参照ビームから参照信号を得るステップが、
ビーム結合器で前記第１および第２の参照ビームを再結合して符号化ビームにするステップと、
前記符号化ビームから前記光学基板および前記縞模様に関する位置情報を決定するステップと、
を含む請求項１６に記載の方法。
前記ビーム結合器を前記第２の交差箇所にわたり並進させるステップをさらに含む請求項１６に記載の方法。
前記光学基板を前記縞模様に対して並進させるステップと、
前記光学基板が前記縞模様にわたり並進されたときに、前記第１の入力ビームを変調して、前記光学基板内に連続周期的構造を形成するステップと、
をさらに含む請求項１６に記載の方法。
書き込み入力ビームと参照入力ビームとを光線から生成するとともに、前記書き込み入力ビームと前記参照入力ビームとを実質的に同様な伝播経路に沿って導く光学アセンブリと、
前記書き込み入力ビームと前記参照入力ビームとを受光するとともに、第１および第２の書き込みビームを前記書き込み入力ビームから生成し、かつ第１および第２の参照ビームを前記参照入力ビームから生成する干渉計と、
前記第１および第２の参照ビームを再結合して再結合ビームにするように第２の交差箇所に位置決めされたビーム結合器と、
前記再結合ビームを受光するとともに、前記再結合ビームに基づいて前記光学基板および縞模様に関する位置情報を決定するように位置決めされた検出器と、
前記再結合ビームから得られる信号に基づいて、前記光学基板と前記縞模様との間の相対的位置決めを制御するコントローラと、
を備え、
前記第１および第２の書き込みビームが前記光学基板における第１の交差箇所で交差するとともに縞模様を生成し、前記第１および第２の参照ビームが前記第１の交差箇所と実質的に同一面内おける第２の交差箇所で交差する、光学基板内に構造を作製するシステム。