JP2010505135A - 低フォノンエネルギーガラス媒体に永久的に回折格子を書き込むシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

低フォノンエネルギーガラス導波路内に回折格子を永久的に書き込むシステムおよび方法が示される。超短光パルスを発生させ、導波路内で同期して重ね合わさった２つのビームを形成し、それによって所望の格子に対応する干渉パターンを形成する。光パルスは、導波路内の光強度がフィラメンテーション閾値を超えるように集束させる。これらの光パルスへの導波路の露光は、導波路のガラス媒体内で高輝度パルスによって誘起される有害な熱効果を制限するために、時間的かつ空間的に制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、干渉超短高輝度レーザパルスを使用することによって、低フォノンエネルギー材料を含む光学デバイス内に永久的な屈折率パターン、すなわち回折格子を誘起させる方法に関する。

ゲルマニウムシリケート導波路にブラッグ格子を書き込む従来の方法は、紫外線レーザの使用と、導波路に周期的屈折率変化を誘起させる干渉法技術とに依拠する。導波路に沿った屈折率変化の空間的な変調は、Ｇｌｅｎｎらの米国特許第４８０７９５０号に開示されているように、２ビーム干渉技術を使用して生成される。ゲルマニウムシリケート導波路にブラッグ格子を書き込むために使用される、より好都合な方法は、Ｈｉｌｌらの米国特許第５３６７５８８号に開示されているように位相マスク技術に依拠する。この場合には、位相マスクとして知られる回折素子を介して干渉パターンを生成するのに、単一の紫外光ビームが使用される。残念なことに、この方法では、ＷｉｌｌｉａｍｓらによってＪ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．１５，１３５７（１９９７）で報告されているように、フッ化物ガラスベースの導波路に弱い屈折率変化しか誘起しないと報告された。

Ｔａｕｎａｙらは最初に、２４５ｎｍの紫外線露光による、Ｃｅ^３＋ドープされたフッ化物ベースのガラスでの弱い永久的な屈折率変化をＯｐｔ．Ｌｅｔｔ．１９，１２６９（１９９４）で報告した。しかし、同じ方法を使用しての、ドープされていないフッ化物ガラスでの有意な屈折率変化はまだ報告されていない。２ビーム干渉法を使用することは、Ｍｏｏｎらの米国特許第６１９５４８３号に開示されているように、カルコゲニドベースおよびカルコハライドベースの赤外線伝送光ファイバにブラッグ格子を書き込むためのものとして開示された。この従来技術では、カルコゲニドベースのファイバの屈折率変化を飽和させるのに約３分間の露光時間が必要であった。

導波路に永久的なブラッグ格子を書き込む別の方法は、Ａｓｋｉｎｓらの米国特許第５４００４２２号に開示されているように、屈折率変化パターンを生成するようにガラスを局部的に損傷するために干渉高輝度紫外線ビームを使用することが基礎になっている。この方法の欠点は、ファイバのコア−クラッド境界面に誘起される周期的局部損傷により、屈折率変化が生じることである。それからこのプロセスは、コアおよびクラッドのガラス組成に密接に依存する。得られる格子はまた、屈折率変化が、反映されるべき伝送モードのほんの一部分にしか影響を及ぼしていないので、スペクトル特性もよくない。１９３ｎｍ照射もまた、非ドープのフッ化物ガラスに屈折率変化を生じさせる最初の試みで用いられた。Ｓｒａｍｅｋら（Ｊ．Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ．Ｓｏｌｉｄｓ ２７７，３９（２０００））は、フルオロジルコン酸ガラスの感光性が、このような１９３ｎｍ光の露光のもとでのガラス膨張の結果であることを観察した。この研究に続いて、Ｚｅｌｌｅｒら（Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．２３，６２４（２００５））は、フルオロジルコ−アルミン酸塩（ＦＺＡ）で約２×１０^−４、フルオロアルミン酸塩（ＦＡ）およびフルオロジルコン酸塩（ＦＺ）で約２×１０^−６の屈折率変化を報告した。しかし、屈折率変化は強くガラス組成に依存し、光ファイバに引き延ばすことができるガラス組成に適用可能ではないようであった。実際、それが石英ガラスの場合のようなガラス収縮ではなくガラス膨張と関係があるので、フッ化物ガラスでの屈折率変化の機構は、異なるガラス再配列に依拠しているようである。同じガラス膨張はまた、サブバンドギャップ照射のもとでカルコゲニドガラスでも観察され、ＨｉｓａｋｕｎｉらによってＯｐｔ．Ｌｅｔｔ．２０，９５８，（１９９５）で報告されているように、凸形マイクロレンズを製作するために用いられた。

フェムト秒のパルス持続期間内の高輝度赤外線照射の非線形吸収に基づく感光性についての比較的新しい取組みでは、ＤａｖｉｓらによってＯｐｔ．Ｌｅｔｔ．２１，１７２９，（１９９６）で、ガラス中に波案内構造を誘起させることが報告された。フェムト秒パルスで誘起した屈折率変化に関与する正確な物理的プロセスは完全に理解されていなく、またガラス自体に依存するようであるが、ガラス内の局部的プラズマの生成に明らかに依拠する。適切なプラズマ密度に到達するためには、書込みビームがある臨界強度値に到達しなければならないが、この値は、パルスの持続期間およびエネルギー、ならびに集束条件を含む様々な要因によって決まる。ガラス感光性についてのこの見込みのある手法は、Ｍｉｕｒａらの米国特許第５９７８５３８号で開示され、バルク石英ガラスおよびバルクフッ化物ガラスに導波路を書き込むのに有用であることが見出されている。この特許で例として使用されたフッ化物ガラス組成物は、フルオロジルコン酸ガラス（ＺｒＦ_４−ＢａＦ_２−ＬａＦ_３−ＡＩＦ_３−ＮａＦ）であり、これは、光ファイバ製造で使用される通常のガラス組成物である。この手法はまた、Ｍａｚｎｅｖらの米国特許第６２０４９２６号で、空間的に相互関係のある２つのビームを用いて得られる干渉フェムト秒フリンジパターンの生成との関連でも使用された。この手法はさらに、Ｍｉｌｌｅｒらの米国特許第６２９７８９４号で展開、開示され、この場合、周期的屈折率変化が、ここでは回折素子を使用することに基づいて得られている。Ｍｉｌｌｅｒの技法の代替形態もまた、Ｍｉｈａｉｌｏｖらの米国特許第６９９３２２１号で開示され、高次モードのブラッグ格子構造が提案された。この方法はさらに、Ｍｉｈａｉｌｏｖらの米国特許第７０３１５７１号で開示されているように、クラッドモード損失を抑制できるように展開された。これら従来技術の方法は有用な機能を提供するが、すべてが実用上の制約を受ける。実際、これらの特許には、その方法を任意の、少なくとも部分的に透過性または吸収性の材料にうまく適用できることが記載されているが、その該当する結果および例は石英ガラスのみに限られていた。低フォノンエネルギーガラスが、石英ベースのガラスと比べて著しく異なる物理的特性、特に熱的特性を有するので、従来のフェムト秒の手法は、それ自体では、強く永久的な屈折率変化を得るための顕著な改善がなければ、フッ化物、カルコゲニドおよびカルコハライドをベースとするガラスなどの低フォノンエネルギーガラスに適用できないことが実証された。

したがって、強い屈折率変化を与えることができ、また様々なフッ化物ガラス組成で使用することができる、フッ化物ガラスに永久的なブラッグ格子などを書き込む方法およびシステムが必要とされている。

本発明の第１の態様によれば、低フォノンエネルギーガラス媒体でできた導波路内に回折格子を永久的に書き込むシステムが提供される。

このシステムは、超短光パルスを発生する光発生手段と、これらの光パルスの２つのビームを導波路内に同期して重ね合わせて、その中に回折格子に対応する干渉パターンを形成する光学アセンブリとを含む。この光学アセンブリはさらに、導波路内の光強度がフィラメンテーション閾値を超えるように光パルスを集束する。

このシステムはまた、光パルスによってガラス媒体内に誘起される格子消去熱効果を制限するために、光パルスへの導波路の露光を空間的かつ時間的に制御する制御手段も含む。

本発明の別の態様によれば、低フォノンエネルギーガラス媒体でできた導波路内に回折格子を永久的に書き込むシステムが提供され、このシステムは、
超短光パルスの一次ビームを発生する光源と、
光学アセンブリとを含み、この光学アセンブリは、
光パルスの２つのビームを導波路内に同期して重ね合わせて、その中に回折格子に対応する干渉パターンを形成するための、一次光ビームの経路内で導波路近くに配置された位相マスクと、
前記導波路内の光強度が、前記ガラス媒体の永久的な変態を得るための臨界プラズマ強度に達するような値であって、ＺＢＬＡＮでは約１０ＴＷ／ｃｍ^２になる値を超えるように光パルスを導波路上に集束する、光源と位相マスクの間に配置された集束素子とを含み、このシステムはさらに、
これらの光パルスによってガラス媒体内に誘起される格子消去熱効果を制限するために、光パルスへの前記導波路の露光を空間的かつ時間的に制御する制御手段を含み、前記制御手段は、
集束素子と導波路の一方を他方に対して、かつ光パルスの経路を横切って走査する走査アセンブリと、
光パルスを時間的に変調してその少なくとも１つのバーストを形成する、光パルスの経路内に配置された変調素子と、
光パルスへの導波路の露光を遮断する遮断機構と、
遮断機構と連通していて光学特性に応じて遮断機構を起動させる、導波路の光学特性を監視するための監視アセンブリとを含む。

本発明のさらに別の態様によれば、低フォノンエネルギーガラス媒体でできた導波路内に回折格子を永久的に書き込む方法が提供される。この方法は、
ａ）超短光パルスを発生させるステップと、
ｂ）これらの光パルスの２つのビームを導波路内に同期して重ね合わせて、その中に回折格子に対応する干渉パターンを形成するステップと、
ｃ）導波路内の光強度がフィラメンテーション閾値を超えるように光パルスを集束するステップと、
ｄ）光パルスによってガラス媒体内に誘起される格子消去熱効果を制限するために、光パルスへの導波路の露光を空間的かつ時間的に制御するステップとを含む。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を読めばよりよく理解されよう。

本発明をよりよく理解するために、また本発明をどのようにして実施することができるかを示すために、ここで添付の図面を例として参照する。

本発明の好ましい実施形態によるブラッグ格子を書き込むシステムを概略的に示す図である。 図２Ａは、単一モード非ドープＺＢＬＡＮファイバに４秒の露光時間を経過して書き込まれた９９．９％反射率ファイバブラッグ格子の伝送スペクトルを示すグラフである。図２Ｂ（従来技術）は、標準単一モード石英無水素ＳＭＦ２８ファイバに３５秒の露光時間を経過して書き込まれた９９．９％反射率ファイバブラッグ格子の伝送スペクトルを示すグラフである。 有害な熱効果の制御の適用あり（ケース２）および適用なし（ケース１）で非ドープ単一モードＺＢＬＡＮファイバに書き込まれた各ブラッグ格子と比較して、標準（ＳＭＦ２８）石英ファイバに書き込まれたブラッグ格子で、露光時間の関数としてピーク反射率の進展を示すグラフである。 図４Ａは、単一モード非ドープＺＢＬＡＮファイバに２秒の露出時間を経過して書き込まれたファイバブラッグ格子の伝送スペクトルを示すグラフである。図４Ｂは、２０００ｐｐｍのツリウムでドープされたＺＢＬＡＮファイバに３秒の露出時間を経過して書き込まれたファイバブラッグ格子の伝送スペクトルを示すグラフである。 非ドープ単一モードＺＢＬＡＮファイバに熱アニーリング中に書き込まれたファイバブラッグ格子の反射率の進展を示すグラフである。 非ドープＺＢＬＡＮファイバの断面全体にわたって誘起した屈折率変化の等高線図である。

本発明の好ましい実施形態により、干渉超短高輝度レーザパルスを使用することによって、フッ化物ガラスベースの光ファイバのコアなどの低フォノンエネルギーガラス媒体でできた導波路に、永久的な屈折率パターン、すなわち回折格子を誘起させる方法およびシステムが提供される。

本明細書全体を通して、「ブラッグ格子」または「回折格子」という表現は、対象の媒体内に永久的に誘起されたあらゆる周期的または非周期的な屈折率パターンを指していると理解されたい。回折格子は単一チャネルまたは多チャネルでよく、またチャープ格子、斜方格子、サンプル格子でよく、あるいは複数のそのような特性を含んでもよいことが当業者には理解されよう。

低フォノンエネルギーガラス媒体は、フッ化物ガラス、カルコゲニドガラスまたはカルコハライドガラスであることが好ましいが、類似の物理的特性を備えた任意の低フォノンエネルギーガラスであってもよい。試料は光ファイバとすることができるが、平面導波路でも実施でき、あるいはブラッグ格子が有用であり得る他の任意のガラス構造で実施することもできる。低フォノンエネルギーガラス媒体が、それだけには限らないが、ＺＢＬＡ、ＺＢＬＡＮ、ＺＢＬＡＬｉなどのドープまたは非ドープのフッ化物ガラス、Ａｓ２Ｓ３またはＡｓ２Ｓｅ３などのカルコゲニドガラス、またはカルコハライドガラスなど様々な組成のものでよいことは、本発明の有利な側面である。

低フォノンエネルギーガラスは一般に、それだけには限らないが非常に高い熱膨張係数、非常に低いガラス転移温度、および低い熱伝導率を含む、溶融石英とは著しく異なる物理的諸特性を有する。低フォノンエネルギーガラス特有の粘性−温度関係もまた、レーザで誘起されたフィラメンテーションなどプラズマで誘起された状態のもとで、低フォノンエネルギーガラスをそれとは異なって反応しやすくする。これらの特性は、有害な効果を制御するための特別な対策が取られない場合に溶融石英で見られるものとは異なる、ある大きな値まで屈折率変調が規則的に増大することを妨げる熱効果をまねく。本発明ではこれらの対策を記述し、それらが、フッ化物ファイバ内に強く永久的な屈折率変調を誘起させるためにどのようにして適用され得るかを示す。

図１を参照すると、本発明の一実施形態による低フォノンエネルギーガラスの導波路２２に回折格子を書き込むシステム２０が示されている。

システム２０はまず、超短光パルスを発生する光発生手段を含む。光学アセンブリ２４は、これら光パルスの２つのビームを同期して導波路２２内に、誘起されるべき回折格子に対応する干渉パターンを導波路内に形成するように重ねる。光学アセンブリ２４はまた、導波路２２内の光強度が、以下でさらに説明するように、フィラメンテーション閾値を超えるように光パルスを集束する。

「超短高輝度レーザパルス」という表現は、レーザ誘起フィラメンテーションを起こすことができるように約５００ｆｓ以下程度の持続期間と、多光子吸収によってガラス媒体内にプラズマを誘起させるのに十分なだけの高輝度とを有するレーザパルスを指すことがある。例えば、ブラッグ格子は、本発明を用いてファイバのところで約１１０ｆｓのパルスによりフッ化物ガラスに書き込まれた。干渉ビーム間の角度は０°から１８０°までのどこであってもよい。

好ましくは、光発生手段は、一次ビーム２８を発生する単一光源２６を含み、一次ビーム２８は次いで、光学アセンブリ２４によって２つのレーザビーム３０に分割される。光源は、例えば固体レーザ、ファイバレーザ、半導体レーザ、色素レーザ、ガスレーザ、増幅システム、光パラメトリック増幅システム、あるいはこれらのレーザの１つと増幅システムの１つとの組合せとすることができる。光学アセンブリ２４は、一次ビーム２８を２つの干渉ビーム３０に分割して干渉パターンを形成するための位相マスク３１を含むことができ、導波路２２は、±１の回折次数の干渉ゾーン内に位相マスク３１と平行に注意深く並べられる。代替方法として、干渉計アセンブリを同じ目的に使用することができる。別の代替方法では、光パルスのコヒーレントビームを発生させるために２つの別々の光源を使用することができ、各ビームは、適切な干渉計アセンブリによって導波路内で重ねることができる。

当業者には容易に理解されるように、光学アセンブリは、システム２０の特殊性により必要に応じて光パルスで形成された１つまたは複数の光ビームを方向付け、集束し、増幅し、または別の方法でそれに作用するための適切などんな構成要素も含むことができる。図示の実施形態では、一次ビーム２８は、例えば２つのレンズ２９で形成された円筒形望遠鏡によって拡大される。光学アセンブリ２４はさらに集束素子３４を含むことが好ましく、集束素子３４は、ここでは円柱レンズで実施され、光源２６と位相マスク３１の間で一次ビーム２８の経路内に配置され、光パルスを導波路２２上に集束する。

本発明の好ましい一実施形態では、重ね合わせビーム３０によって形成された干渉パターンは、導波路内の所望のリフレクタの基本ブラッグ共振に対応する周期を有し、これは次式のブラッグ関係を用いて計算される。

ｍλ_Ｂ＝２・Λ_ＢＧ・ｎ_ｅｆｆ
ここでｍ＝１は基本ブラッグ共振に対応し、λ_Ｂはブラッグ波長、Λ_ＢＧはブラッグ格子の周期、ｎ_ｅｆｆはブラッグ波長における導波路内伝搬モードの実効屈折率である。干渉パターンを適切な干渉計光学アセンブリを使用して発生させる場合、２つの重ね合わせビームの間の干渉角度θは次式で計算される。

ここでλ_ｌは、干渉パターンを生成するために使用されるレーザの波長に対応する。位相マスクとして知られる回折素子を使用する場合、干渉パターンを発生させるには±１回折次数の干渉が一般に用いられる。位相マスク周期は、導波路内の基本ブラッグ共振を得るために次式で計算される。

ここでｍ＝１は、導波路内の基本ブラッグ共振に対応する。

干渉レーザビームはガラス媒体上に集束され、その２つのビーム間の遅延は、それらのパルスがガラス媒体において同期するように調整される。位相マスクと導波路が互いに平行に配置されていれば、位相マスクを使用することによって、パルスが自動的に同期することを認めることができる。干渉する２つのコヒーレントレーザビームのガラス媒体における強度は、ガラス媒体内で屈折率の永久的な変化を誘起させる機構が起こる１０ＴＷ／ｃｍ^２程度のフィラメンテーション閾値のわずかに上に設定される。

高輝度レーザビームが、ある閾値よりも高い強度で透明材料に集束される場合、カー非線形性による集束効果と、相殺するプラズマ焦点はずれ効果との間の平衡によりフィラメントが生成される。このような条件のもとでプラズマは、永久的なガラス変態が起こるような密度に達する。このフィラメンテーションプロセスは、自己制御されるという付加的な利点を示し、したがって、ＢｅｃｋｅｒらによってＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ，７３，２８７（２００１）で実証されているように、ガラス内を伝搬するビームのピーク強度のクランピングになる。このような強度クランピングは、パルスエネルギーの面で好都合な書込み窓を実現しており、最小の損失で、すなわちガラスを損傷せずに屈折率変化を生成することができる。フィラメンテーションプロセスの開始に最適の条件は、パルスパラメータ、集束条件、ならびに材料自体によって決まる。しかし、このプロセスは、比較的ゆるい集束条件のもとで、すなわち一般に３０〜４０ｍｍよりも長い焦点距離で行われる可能性がより高い。このプロセスはまた、書込みレーザビームの伝搬軸に沿って放射される広帯域光（すなわちスーパコンティニューム）の発生も伴い、またそのようなものとして特定することができる。

ガラス変態につながる物理的プロセスに関しては、それが、格子周期の半分未満でなければならない空間範囲の局所的効果であることを理解されたい。そのようなものとして、それが、光導波路書込みに有用な数百ｋＨｚ域以上の高い繰返し率のレーザパルス列に伴う熱効果により生じる屈折率変化と取り違えられてはならない。

従来技術では、干渉レーザパルスの強度は、損傷を回避するために、非線形自己集束プロセスと互いに関係付けられてきたスーパコンティニューム発生の閾値未満に制限されるべきことが見出された。本発明は、以下の諸実施例を立証することによってこの上述の制限事項を克服しており、これら実施例では、低損失および高反射率のブラッグ格子を得るのに必要な十分に長い時間の露光により、測定可能な損傷なしでスーパコンティニューム生成が観察された。実際、ガラス媒体内に生じるこれらの損傷に伴う伝送損失は、実施例１および２に記述のブラッグ格子について測定され、約０．３ｄＢ未満であることが見出された。これほど低い伝送損失では、共振器内損失が重大な問題になるファイバレーザなどの応用例において制限事項にならない。

本発明の好ましい一実施形態によれば、書込みプロセスによって生じる導波路内の伝搬損失が最小になる高反射率格子を得るには、低フォノンエネルギーガラスを含む光学デバイス内で基本ブラッグ共振を用いるのが有利であることが見出された。これらの伝搬損失は、高エネルギーパルスと低フォノンエネルギー材料との相互作用により生じる。低フォノンエネルギーガラス内の干渉高輝度パルスは、背景技術で詳述したようにガラスの熱膨張をまねく。このガラス膨張は、誘起された周期構造内に局在化されるべき屈折率変化を妨げて、正弦波のような形状の格子になる。次数ｎを有する周期構造の格子反射率は、ＨｏｎｇｚｈｉらによってＯｐｔ．Ｃｏｍｍ．１７８，３３９，（２０００）で説明されているように、周期構造を表す第ｎフーリエ係数の値と密接に関係している。この論文で、飽和正弦波ブラッグ格子の１次回折と２次回折の間で約５０％の同じ反射率を得るには、１次に対して必要な流束量と比較して５０倍大きい流束量が２次に対して必要であることが報告された。石英導波路では、屈折率変化が、誘起された周期構造内に局在化されることが見出され、それによって高度に非正弦波形状の格子になった。これは、ガラス内での強度依存多光子吸収の結果として生じ、高次ブラッグ共振での高反射率を保証する。しかし、低フォノンエネルギーガラスでの高次ブラッグ格子の反射率は、結果として生じた構造の調波性により、大きな反射率変調でも低いままである。この場合、基本および高次のブラッグ共振から同じ反射率を得るには、高次の場合に露光時間が著しく長くなり、最大反射率は低いままになる。しかし、本発明者らの実験では、露光時間が約３０秒を超える場合、少なくとも０．５ｄＢもの伝搬損失が導波路内に発生することが実証された。したがって、低フォノンエネルギーガラスでは、格子が高次数ではなく基本次数であることが好ましい。図２Ａおよび図２Ｂに示されているように、基本ブラッグ共振を用いることによって９９．９％を超える反射率を有する格子が、フッ化物ベースのファイバでも石英ベースのファイバでも得られた。

低フォノンエネルギー材料に高輝度パルスおよび基本ブラッグ共振を使用することは、短い露出時間の後で高反射ブラッグ格子を得るのに重要である。しかし、高輝度パルスと低フォノンエネルギーガラスの相互作用はまた、有害な効果を制御するための特別な対策が取られない場合に溶融石英で見られるものとは異なる、ある大きな値まで屈折率変調が規則的に増大することを妨げる熱効果をまねく。したがって、本発明は、ガラス媒体内に誘起される格子消去熱効果を制限するために、これらの光パルスへの導波路の露光を空間的かつ時間的に制御する制御手段を含む。

溶融石英導波路で観測されるものとは反対に、低フォノンエネルギーガラス内の格子形成プロセスは、ずっと速くかつ不規則に起こることが示された。実際、格子は、約０．５秒からおそらく数秒の時間尺度で急に完全消去されることさえあり得る。この挙動は、低いガラス転移温度、低い熱伝導率、高い熱膨張係数、および急峻な粘度−温度関係を主として含む、溶融石英とは著しく異なる物理特性を有する低フォノンエネルギーガラス内部で起こる有害な熱効果によるものと考えられる。これらの有害な熱効果の影響を制限し、強い格子を書き込むことができるように、一連の対策が取られなければならない。これらの対策の重要性は図３で明らかに認めることができる。実施例１で詳述の装置は、ブラッグ格子を単一モードのフッ化物ベースのファイバに書き込むのにも石英ベースのファイバに書き込むのにも使用された。図３は、このようなブラッグ格子の反射率の進展を露光時間の関数として示す。石英ファイバでは、有害な効果の後述の制御は適用されなかったが、結果として得られたブラッグ格子の反射率は規則的に増大して、約３０秒の露出時間の後で約９９．９％の最大反射率に達した。同じ実験がフッ化物ベースのファイバで行われ、結果として得られた反射率が図３（ケース１）に示されており、この場合、反射率は不規則に増大し、３５秒の露光時間を経過して２０％に達するにすぎないことが見出された。有害な効果の制御が適用された場合、図３にケース２で示されている、フッ化物ベースのファイバに書き込まれたブラッグ格子は、急激に成長して約４秒の露光時間の後で９９．９％の反射率に達している。この実証は、短い露光時間の後で高反射率のブラッグ格子を得るには、そのような有害な効果を制御することが重要であることを明らかに示す。

光パルスへの導波路の露光を空間的にも時間的にも制御することによって有害な熱効果を制御する別の方法が特定されており、以下で説明する。これらの特徴の一部は、本発明の特定の応用例のパラメータに応じて代替として、または組み合わせて使用できることが当業者には理解されよう。

特にパルスのエネルギーおよび持続期間、ならびにパルス列の繰返し率は、導波路を加熱しすぎることなく書込みの強度閾値に達するように、慎重に選択されなければならない。図１を再び参照すると、制御手段は、好ましくは光パルスの経路内に配置された変調素子３２を含む。変調素子３２を使用して、一次ビームまたは両干渉ビームを光パルスのバーストに時間的に変調することができる。以下で詳述の実施例１では、パルスの持続時間およびエネルギーがレーザにより直接制御されたのに対して、デューティサイクルは、機械式チョッパ、音響光学変調器、または他の任意の同等な手法で実施できる変調素子３２によって制御された。

導波路まわりの露光領域は、非常に正確に制御されなければならないことが判明した。実際、横ビーム自己圧縮により、屈折率変化の狭チャネルが生成することが観察された。幅が１ミクロン程度であるこの狭チャネル、すなわちいわゆるフィラメントは、例えば典型的なサイズの光ファイバコアよりも著しく小さい。この影響を補償し、屈折率変化を導波路全体にわたって均一に分布させるために、集束レンズ３４は、ビームを導波路２２に沿って走査するように圧電段３６上に取り付けられることが好ましい。最適書込み条件からの走査の振幅または周波数のわずかな逸脱でも、格子の形成を妨げ、あるいはそれを消去さえすることが場合によっては観察された。したがって、これらのパラメータは書込みプロセスにとって重要になり得る。ここで説明した方法はレンズを走査することに基づいているが、導波路をレーザビームに対して移動させるなどの他のどんな同等の方法も有効であること、したがってまた、本発明のシステムの制御手段は、集束素子または導波路の一方を他方の端部に対して光パルスを横切って走査するのに適した任意の走査アセンブリを含むことができることに留意されたい。

格子形成が非常に速く起こるので、所望の格子が形成され次第露光を止める高速コンピュータ制御装置を使用することが有利になり得る。したがって、図１のシステム２０の制御手段は、光パルスへの導波路の露光を遮断する遮断機構と、導波路の光学特性を監視し、格子が形成されたことをこれらの特性が示したときに遮断機構を起動させるための、この機構と連通している監視アセンブリとを含む。図１のシステムでは、監視アセンブリは、広帯域光源３８と、伝送光を測定して格子の強さをリアルタイムで監視する高速光検出器４０とを含む。狭帯域通過フィルタ４２が帯域外の光を除去するために使用され、それによって光検出器４０が格子の強さの正確な値を与えることができる。光検出器信号はコンピュータ（図示せず）に送られ、コンピュータは、所望の格子の強さが得られるたびに電気機械式シャッタ４６を閉じる。したがって、この実施形態では、シャッタ４６が遮断機構として働く。効果的に制御できない熱効果により、シャッタが閉じた後に格子が部分的に消去されることが出現した際は、この装置は、所望の格子の強さに達するまでシャッタ４６を再開放しておくフィードバックループで動作することが好ましい。同じ目的を有する類似の装置もまた、本発明の範囲を逸脱することなく使用できることを理解されたい。

高い熱膨張係数により、導波路が光ファイバである場合は、このファイバは、十分に堅く保持されていなければ書込みプロセス中に動く可能性があることが判明した。これを防止するために、ファイバに張力を加えることができるファイバホルダ４４を、ビーム焦点の両側にファイバを固定するように設けることができる。あるいは、ファイバを何らかの特別な固定具で所定の位置に固定することもできる。ファイバの露光領域は、効果的に冷却できるように空気で取り囲まれている。張力は、ガラスの熱膨張でファイバが延びるときに、ファイバをレーザビームに対してまっすぐに保持し静止させておけるように、十分に高くなければならない。一方、張力があまりに高いと、レーザビームによってファイバが加熱されたときにファイバが破断する。ガラス熱膨張を補償する他のどんな代替方式も使用することが可能であった。

本発明の別の態様によれば、低フォノンエネルギーガラス媒体でできた導波路に回折格子を永久的に書き込む方法もまた提供される。この方法は、以下の諸ステップを含む。これらのステップが連続した順序で実施されるように意図されていないこと、および任意の論理順序で列記された動作のどんな実施でも本発明の範囲内にあると理解されることを理解されたい。

この方法はまず、超短光パルスを発生させるステップａ）と、これら光パルスの２つのビームを同期して導波路内で重ね合わせるステップｂ）とを含み、それによって、そこに所望の回折格子に対応する干渉パターンを形成する。これらのステップは、光パルスの一次ビームを発生させること、および一次光ビームの経路内で導波路近くに位相マスクを設けることによって実施されることが好ましい。位相マスクは、前記回折格子の基本ブラッグ共振に有利であるように選択されたピッチを有することが好ましい。

この方法はさらに、上記で説明したように、導波路内の光強度がフィラメンテーション閾値を超えるように光パルスを集束するステップｃ）を含む。この目的のために、光源と位相マスクの間に、光パルスを導波路上に集束する集束素子を設けることができる。

この方法はまた、これらの光パルスによってガラス媒体内に誘起される格子消去熱効果を制限するために、光パルスへの導波路の露光を空間的かつ時間的に制御するステップｄ）も含む。この制御は、以下の１つまたは複数のサブステップによって実現することができる。

ステップｄ）の制御はまず、集束素子と導波路の一方を他方に対して、かつ光パルスの経路を横切って走査するステップを含むことができる。ステップｄ）の制御はさらに、光パルスを時間的に変調して少なくとも１つのバーストを形成するステップを含むことができる。これはまた、導波路の光学特性を監視するステップと、これらの光学特性に応じて光パルスに対する導波路の露光を中断するステップとを含むこともできる。ステップｄ）はまた、導波路を固定位置に保持し、任意選択でそこに張力を加えるステップを含むこともできる。

上記の方法および図１の例示的なシステムを使用して生成された回折格子の例が下記、および添付図面に示されている。

これらの例で使用された装置で、フェムト秒レーザ源２６は、８００ｎｍの波長および１ｋＨｚの繰返し率でｆｓパルスを放出するＴｉ−サファイア再生増幅器システム（Ｓｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓ）であった。４５ｆｓのフーリエ変換制限パルスがレーザ出力部で生成されたが、ファイバに到達するときには１１５ｆｓまで広くなっていた。この実施形態では、増幅器システムの出力で１．２ｍＪのパルスエネルギーが使用された。コンピュータ制御の電気機械式シャッタ４６が、露光時間を制御するために使用された。２つのレンズ２９で形成された円筒形望遠鏡が、約５ｍｍ×７．５ｍｍ（強度が１／ｅにおける直径）の拡大ビームを形成するために使用された。格子形成プロセスを妨げる熱効果を回避するために、５０％のデューティサイクルの機械式チョッパ３２を９５０ｋＨｚで使用してビームの平均光パワーを低減させ、パルスのバーストを供給した。１１２ｍｍの焦点距離の円柱レンズ３４が、ビームを一次石英位相マスク３１に通してファイバコア２３上に集束するために使用された。ガウシアンビーム光学を想定すると、ファイバでの焦線の幅は２ｗ〜１２μｍであった。したがって、細長い焦点の寸法は１２μｍ×７５００μｍであった。０．１ｎｍの分解能を有する圧電変換段３６が、８Ｈｚの周波数での一定速度で１０μｍの範囲にわたって円柱レンズ３４を走査するために使用された。この好ましい実施形態ではなお、Ｌｅ Ｖｅｒｒｅ Ｆｌｕｏｒｅから供給される非ドープと、２０００ｐｐｍのツリウムでドープの両方のＺＢＬＡＮファイバで、クラッド径が１２５μｍ、コア径がそれぞれ６．８μｍおよび５．０μｍ、開口数がそれぞれ０．１６および０．１２のものが使用されたが、任意の類似のファイバを使用することもできる。ファイバのポリマー被覆が露出の前に除去され、ファイバは、ビーム焦点と平行に正確に位置合わせされた。ファイバは、ビーム焦点の両側の２点で、張力をファイバに加えることができるファイバホルダ４４により保持された。書込みプロセス中にファイバに加えられた張力は約１２ＭＰａであった。ＵＶグレード溶融石英基板上の２つの異なる位相マスク３１は、約１．６μｍおよび１．４８μｍの波長において対応する基本ブラッグ共振をそれぞれ有する、１０７０ｎｍおよび９９２ｎｍの均一ピッチで使用された。この位相マスクピッチが書込み波長（λ約０．８μｍ）に近かったので、ゼロ次は抑制することができず、放射電力の約２５％が伝達され、±１次のそれぞれで３５％の回折効率になった。ファイバは、位相マスクの損傷、およびゼロ次ビームとの干渉から生じるどんな有害な効果も回避するように、ビーム焦点から十分に遠くに、マスクから３２０μｍ離して配置された。監視装置は、スーパコンティニュームをベースとする広帯域光源３８、およびスプリッタデバイス３９からなり、スプリッタデバイスは、光スペクトルアナライザ４１と、リアルタイムで格子形成を監視するための高速光検出器４０との間で伝送光を分配する。光検出器４０が格子の強さの正確な値を与えることができるように、狭帯域通過フィルタ４２が使用されてすべての帯域外光が除去された。光検出器信号がコンピュータに送られ、コンピュータは、所望の格子の強さが得られるたびに電気機械式シャッタ４６を閉じた。

上述の装置が、ブラッグ格子を非ドープ単一モードＺＢＬＡＮファイバ、および比較のための無水素の標準的単一モード石英ファイバ（ＳＭＦ２８）に書き込むために使用された。説明した方法の好ましい実施形態により書き込まれたブラッグ格子の伝送スペクトルが、石英ファイバでは図２Ａ、フッ化物ファイバでは図２Ｂに示されている。石英ファイバでは、前述の有害な熱効果の制御が適用されなかったが、図３（石英ファイバ）に示されたように、結果として得られたブラッグ格子の反射率は規則的に増大して、約３０秒の露光時間の後で約９９．９％の最大反射率に達することがわかる。同じ実験が非ドープのフッ化物ベースファイバで行われ、結果として得られたピーク反射率の時間的進展が図３（ケース１）に示されており、この場合、ピーク反射率は不規則に増大し、３５秒の露光時間を経過して２０％に達するにすぎないことが見出された。説明した方法およびシステムの好ましい実施形態により有害な効果の制御が適用された場合では、図３（ケース２）に示された、非ドープのフッ化物ベースのファイバに書き込まれたブラッグ格子のピーク反射率は、急激に増大して約４秒の露光時間の後で９９．９％に達している。

上述の装置はまた、ブラッグ格子を非ドープの単一モードＺＢＬＡＮファイバと、２０００ｐｐｍのツリウムでドープした単一モードＺＢＬＡＮファイバとの両方に書き込むのにも使用された。非ドープのファイバの露光時間は約２秒に設定され、均一な位相マスクピッチは１０７０ｎｍであった。説明した方法の好ましい実施形態により結果として得られたブラッグ格子の伝送スペクトルは、図６（ａ）に示されている。対応する格子パラメータの数値シミュレーションは、１５９８．５ｎｍでの−１７ｄＢの伝送低下が、３．２×１０^−４の屈折率変調Δｎ_ＡＣで９５％反射率の、長さ４．５ｍｍの均一な格子に対応することを示す。帯域外挿入損失がカットバック法で測定されて、０．３ｄＢ未満であった。ツリウムでドープしたファイバの露光時間は約３秒に設定され、均一な位相マスクピッチは９９２ｎｍであった。説明した方法の好ましい実施形態により結果として得られたブラッグ格子の伝送スペクトルは、図４Ｂに示されている。１４７９．３ｎｍでの−２０ｄＢの伝送低下は、９９％の格子ピーク反射率に対応する。それによって、ファイバコア内に活性イオンがあることが感光性プロセスに著しく干渉するようには見えない。

フッ化物ファイバ内の格子の熱安定性は、実際的な見方からの重要な問題である。格子をアニールし、温度に伴う屈折率変調の変化を測定するために超小型オーブン（ＡＳＰ−５００Ｃ）が使用された。約３秒間に同じファイバ内に書き込まれた上記と同様な格子のアニーリング挙動が図５に示されており、図で各点は、一定温度で３０分のアニーリングの後のΔｎ_（ＡＣ）を表す。格子が低温において部分的に消去されていることが認められる。石英ファイバに書き込まれた同様な格子は、室温で比較的消去しにくい。この挙動の主な原因は、溶融石英のガラス転移温度（Ｔｇ約１０００℃）と比較して低いＺＢＬＡＮのガラス転移温度（Ｔｇ約２５０℃）である。図５に示されたように、誘起された屈折率変調は１２５℃で約５０％低減する。図中の差し込み図もまた、屈折率変調がアニーリング時間に対して指数関数的に減少して、１７５℃の一定温度で約３０分後に漸近値に達することを示す。

屈折率変化が正であるか負であるかを判定するためにファイバが、別の同様に書き込まれた格子の中心で切断され、屈折率プロファイルが屈折式近視野（ＲＮＦ）技法によって６５７ｎｍで測定された。本発明者らは、０．４μｍの空間分解能および５×１０^−５の屈折率分解能を有する、ＥＸＦＯの光ファイバアナライザＮＲ−９２００ＨＲを使用した。こうして測定された格子の横方向屈折率プロファイルが、次に、非露光ファイバセグメントで測定されたプロファイルから減算される。結果として得られた屈折率プロファイルが図６に示されている（注：屈折式近視野装置は、約５００μｍの深さにわたって平均化されたｄｃ屈折率変化を与える）。誘起された屈折率変化は実際に、クラッド領域にもコア領域にも−９．５×１０^−４の平均Δｎ_（ＤＣ）で延びる１６×１０μｍの大まかに長方形の領域で構成されるようである。ファイバ横断面の上に横方向にビームを走査する効果は、枠の高さがビーム焦点の１０μｍ走査範囲に対応していることで容易に識別できる。この測定では実際に、誘起された屈折率変化が露光領域内で実質的に負であり、露光量境界に相当する長方形外周に沿って正であることを示す。コア−クラッド境界面に沿っている正の屈折率変化の環に関しては、本発明者らは、それがその領域内の急な変化から生じる数学的な人為構造であると考えるが、それがまた、コアガラス材料のわずかな膨張から、あるいは露光に続く一部のガラス構成要素の拡散から起こる可能性もある。これらの測定値は、ＳｒａｍｅｋらによってＪ．Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ．Ｓｏｌｉｄｓ ２７７，３９（２０００）で報告されたフルオロジルコン酸ガラスにおけるガラス膨張と一致しており、負の屈折率変化になる。

当業者には理解されるように、本発明は、多くの応用例で使用することができる低フォノンエネルギーガラスの光導波路にブラッグ格子を書き込むための効率的で簡単な方法を提供する。バルク空洞ミラーをアップコンバージョンファイバレーザ内のファイバブラッグ格子で置き換えることが特に重要であり、それによって、所望の波長で微細な線幅を有する、より効率的で堅牢なレーザデバイスを実現する。たぶんより重要なことには、これは、溶融石英が透過性でなくなる２μｍよりも長い波長で動作するファイバレーザの製造を可能にする。これはまた、ファイバセンサ、赤外線分光法、レーザアブレーション、および組織の生体臨床医学的処理などの応用分野で使用できる、様々な全フッ化物ファイバ構成要素およびシステムの設計も可能にする。屈折率変化が、少なくとも本明細書で詳述した方法の実証では負のようであるので、とりわけ分散補償および干渉計での興味深い応用例を予見することができる。

もちろん、上述の実施形態には、本発明の範囲から逸脱することなく多くの改変を加えることもできる。

Claims (22)

1. 低フォノンエネルギーガラス媒体でできた導波路内に回折格子を永久的に書き込むシステムであって、
   超短光パルスを発生させる光発生手段と、
   前記光パルスの２つのビームを前記導波路内に同期して重ね合わせて、その中に前記回折格子に対応する干渉パターンを形成する光学アセンブリであって、前記導波路内の光強度がフィラメンテーション閾値を超えるように前記光パルスを集束する光学アセンブリと、
   前記光パルスによって前記ガラス媒体内に誘起される格子消去熱効果を制限するために、前記光パルスへの前記導波路の露光を空間的かつ時間的に制御する制御手段とを備えるシステム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記光発生手段が、一次ビームを発生する光源を備え、前記光学アセンブリが、前記一次光ビームの経路内で前記導波路近くに配置された位相マスクを備えるシステム。
3. 請求項２に記載のシステムにおいて、前記光学アセンブリがさらに、前記光源と前記位相マスクの間に配置された集束素子を含み、前記集束素子が前記光パルスを前記導波路上に集束するシステム。
4. 請求項３に記載のシステムにおいて、前記制御手段が、前記集束素子と導波路の一方を他方に対して、かつ前記光パルスの前記経路を横切って走査する走査アセンブリを備えるシステム。
5. 請求項２に記載のシステムにおいて、前記位相マスクが、前記回折格子の基本ブラッグ共振に有利であるように選択されたピッチを有するシステム。
6. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記制御手段が、前記光パルスの経路内に配置された変調素子を備え、前記変調素子が前記光パルスを時間的に変調して前記光パルスの少なくとも１つのバーストを形成するシステム。
7. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記制御手段が、前記光パルスへの前記導波路の前記露光を遮断する遮断機構を備えるシステム。
8. 請求項７に記載のシステムにおいて、前記制御手段がさらに、前記導波路の光学特性を監視する監視アセンブリを備え、前記監視アセンブリが前記遮断機構と連通していて前記光学特性に応じて前記遮断機構を起動させるシステム。
9. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記制御手段が、前記導波路を固定位置に保持する導波路ホルダを備えるシステム。
10. 請求項９に記載のシステムにおいて、前記導波路ホルダが前記導波路に張力を加えるシステム。
11. 低フォノンエネルギーガラス媒体でできた導波路内に回折格子を永久的に書き込むシステムであって、
    超短光パルスの一次ビームを発生する光源と、
    光学アセンブリと、
    前記光パルスによって前記ガラス媒体内に誘起される格子消去熱効果を制限するために、前記光パルスへの前記導波路の露光を空間的かつ時間的に制御する制御手段とを備え、
    前記光学アセンブリが、
    前記光パルスの２つのビームを前記導波路内に同期して重ね合わせて、その中に前記回折格子に対応する干渉パターンを形成するための、前記一次光ビームの経路内で前記導波路近くに配置された位相マスクと、
    前記導波路内の光強度が前記ガラス媒体の永久的な変態を得るための臨界プラズマ強度に達するような値を超えるように、前記光パルスを前記導波路上に集束する、前記光源と前記位相マスクの間に配置された集束素子とを含み、
    前記制御手段が、
    前記集束素子と導波路の一方を他方に対して、かつ前記光パルスの前記経路を横切って走査する走査アセンブリと、
    前記光パルスを時間的に変調して前記光パルスの少なくとも１つのバーストを形成する、前記光パルスの経路内に配置された変調素子と、
    前記光パルスへの前記導波路の前記露光を遮断する遮断機構と、
    前記遮断機構と連通していて前記光学特性に応じて前記遮断機構を起動させる、前記導波路の光学特性を監視するための監視アセンブリとを含む、システム。
12. 請求項１１に記載のシステムにおいて、前記制御手段が、前記導波路を固定位置に保持する導波路ホルダを備え、前記導波路ホルダが前記導波路に張力を加えるシステム。
13. 請求項１１に記載のシステムにおいて、前記導波路内の前記光強度の前記値が、１０ＴＷ／ｃｍ^２程度であるシステム。
14. 低フォノンエネルギーガラス媒体でできた導波路内に回折格子を永久的に書き込む方法であって、
    ａ）超短光パルスを発生させるステップと、
    ｂ）前記光パルスの２つのビームを前記導波路内に同期して重ね合わせて、その中に前記回折格子に対応する干渉パターンを形成するステップと、
    ｃ）前記導波路内の光強度がフィラメンテーション閾値を超えるように前記光パルスを集束するステップと、
    ｄ）前記光パルスによって前記ガラス媒体内に誘起される格子消去熱効果を制限するために、前記光パルスへの前記導波路の露光を空間的かつ時間的に制御するステップとを含む方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、前記ステップａ）の発生させるステップが、前記光パルスの一次ビームを発生させるステップを含み、前記ステップｂ）の重ね合わせるステップが、前記一次光ビームの経路内で前記導波路近くに位相マスクを設けるステップを含む方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、前記ステップｃ）の集束するステップが、前記光源と前記位相マスクの間に集束素子を設けるステップを含み、前記集束素子が前記導波路上に前記光パルスを集束する方法。
17. 請求項１６に記載の方法において、前記ステップｄ）の制御するステップが、前記集束素子と導波路の一方を他方に対して、かつ前記光パルスの前記経路を横切って走査するステップを含む方法。
18. 請求項１５に記載の方法において、前記位相マスクが、前記回折格子の基本ブラッグ共振に有利であるように選択されたピッチを有する方法。
19. 請求項１４に記載の方法において、前記ステップｄ）の制御するステップが、前記光パルスを時間的に変調して前記光パルスの少なくとも１つのバーストを形成するステップを含む方法。
20. 請求項１４に記載の方法において、前記ステップｄ）の制御するステップが、前記導波路の光学特性を監視するステップと、前記光学特性に応じて前記光パルスへの前記導波路の前記露光を遮断するステップとを含む方法。
21. 請求項１４に記載の方法において、前記ステップｄ）の制御するステップが、前記導波路を固定位置に保持するステップを含む方法。
22. 請求項１４に記載の方法において、前記ステップｄ）の制御するステップが、前記導波路に張力を加えるステップを含む方法。

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