JP2011075861A - Method of manufacturing transmission type optical diffraction grating element - Google Patents
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Description
本発明は、透過型光回折格子素子を製造する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a transmissive optical diffraction grating element.
光のブラッグ回折を利用する光回折格子素子は、反射型光回折格子素子と透過型光回折格子素子とに大別される。反射型光回折格子素子は、入射光に対して波長に応じた反射率および遅延で反射した反射光を出力することができ、反射型の光フィルタや分散調整素子として用いられる。また、透過型光回折格子素子は、入射光に対して波長に応じた透過率で透過した透過光を出力することができ、透過型の光フィルタとして用いられる。反射型光回折格子素子および透過型光回折格子素子の何れも、光ファイバにおいて長手方向に沿ったコア領域の屈折率分布の周期的構造として実現され、光通信システム等において用いられる。反射型光回折格子素子は、非特許文献1,2に記載されたレイヤー・ピーリング方法により設計され製造される。
Optical diffraction grating elements using Bragg diffraction of light are roughly classified into reflection type optical diffraction grating elements and transmission type optical diffraction grating elements. The reflective optical diffraction grating element can output reflected light reflected with a reflectivity and delay corresponding to the wavelength of incident light, and is used as a reflective optical filter or dispersion adjusting element. Further, the transmissive optical diffraction grating element can output transmitted light having a transmittance corresponding to a wavelength with respect to incident light, and is used as a transmissive optical filter. Both the reflection type optical diffraction grating element and the transmission type optical diffraction grating element are realized as a periodic structure of the refractive index distribution of the core region along the longitudinal direction in the optical fiber, and are used in an optical communication system or the like. The reflection type optical diffraction grating element is designed and manufactured by the layer peeling method described in Non-Patent
反射型光回折格子素子を光フィルタや分散調整素子として用いる場合、入射光と反射光とが同軸になるので、両光を分離するための光部品として例えば光サーキュレータが必要となる。それ故、反射型光回折格子素子を用いて光フィルタを実現するには高コストとなる。一方、透過型光回折格子素子は、他の光部品を必要とすることなく光フィルタとして機能し得るので、低コストである。したがって、コストの観点では、反射型光回折格子素子より、透過型光回折格子素子の方が好ましい。 When the reflection type optical diffraction grating element is used as an optical filter or a dispersion adjusting element, the incident light and the reflected light are coaxial, so that, for example, an optical circulator is required as an optical component for separating both lights. Therefore, it is expensive to implement an optical filter using a reflective optical diffraction grating element. On the other hand, the transmissive optical diffraction grating element can function as an optical filter without the need for other optical components, and thus is low in cost. Therefore, from the viewpoint of cost, the transmission type optical diffraction grating element is preferable to the reflection type optical diffraction grating element.
しかしながら、反射型光回折格子素子を設計し製造する方法は知られているものの、透過型光回折格子素子を設計し製造する方法は未だ知られていない。それ故、所望の透過スペクトルを有する透過型光回折格子素子を製造することは困難であった。 However, although a method for designing and manufacturing a reflective optical diffraction grating element is known, a method for designing and manufacturing a transmission optical diffraction grating element is not yet known. Therefore, it has been difficult to manufacture a transmissive optical diffraction grating element having a desired transmission spectrum.
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、所望の透過スペクトルを有する透過型光回折格子素子を容易に設計し製造する方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for easily designing and manufacturing a transmission type optical diffraction grating element having a desired transmission spectrum.
本発明に係る透過型光回折格子素子製造方法は、透過型光回折格子素子を製造する方法であって、(a) 製造されるべき透過型光回折格子素子における光の進行方向に沿った長さをLとし、当該回折格子長Lの範囲を等分割する際の分割数をNとして、分割長Δ(=L/N)を求め、これらのパラメータおよび所望の透過スペクトルt(δ)(ただし、δ=β−βB、β:光の波数、βB:ブラッグ設計波数)に基づいて、(1)式に従って、N分割位置のうちの各位置zkにおける局所的な複素透過率tkおよび複素反射率rkを求める複素透過率・複素反射率算出ステップと、(b) 複素透過率・複素反射率算出ステップにおいて求められた各位置zkにおける局所的な複素透過率tkおよび複素反射率rkに基づいて、(2)式に従って、各位置zkにおける局所的な複素反射係数ρkを求める複素反射係数算出ステップと、(c) 複素反射係数算出ステップにおいて求められた各位置zkにおける局所的な複素反射係数ρkに基づいて、(3)式に従って、各位置zkにおける局所的な結合係数qkを求める結合係数算出ステップと、(d) 結合係数算出ステップにおいて求められた各位置zkにおける局所的な結合係数qkに基づいて、(4)式に従って、各位置zkにおける屈折率nkを求める屈折率分布算出ステップと、(e) 屈折率分布算出ステップにおいて求められた屈折率分布を有する透過型光回折格子素子を製造する製造ステップと、を備えることを特徴とする。 A transmission type optical diffraction grating element manufacturing method according to the present invention is a method of manufacturing a transmission type optical diffraction grating element, and (a) a length along the traveling direction of light in the transmission type optical diffraction grating element to be manufactured. Where L is L, and the number of divisions when equally dividing the range of the diffraction grating length L is N, a division length Δ (= L / N) is obtained, and these parameters and a desired transmission spectrum t (δ) (however, , Δ = β−β B , β: wave number of light, β B : Bragg design wave number), and local complex transmittance t k at each position z k among the N divided positions according to the equation (1). and a complex transmission factor-complex reflectivity calculating step of obtaining a complex reflectance r k, (b) local complex transmittance t k and the complex at each position z k determined in the complex permeability, complex reflectivity calculating step based on the reflectance r k, in accordance with equation (2), Dear Based on the complex reflection coefficient calculation step for obtaining the local complex reflection coefficient ρ k at the position z k , and (c) the local complex reflection coefficient ρ k at each position z k obtained in the complex reflection coefficient calculation step, (3) A coupling coefficient calculation step for obtaining a local coupling coefficient q k at each position z k according to the equation (3), and (d) a local coupling coefficient q k at each position z k obtained in the coupling coefficient calculation step. Based on the equation (4), a refractive index distribution calculating step for obtaining a refractive index nk at each position z k , and (e) a transmissive optical diffraction grating element having a refractive index distribution obtained in the refractive index distribution calculating step And a manufacturing step for manufacturing.
本発明によれば、所望の透過スペクトルを有する透過型光回折格子素子を容易に設計し製造することができる。 According to the present invention, a transmission type optical diffraction grating element having a desired transmission spectrum can be easily designed and manufactured.
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
初めに、反射型光回折格子素子または透過型光回折格子素子(以下では双方を総称して「光回折格子素子」という。)を設計する際に用いられる各パラメータについて説明する。図1に示されるように、製造されるべき光回折格子素子に対して入射光が+z方向に入射するものとする。その光回折格子素子におけるz方向に沿った長さL、および、当該回折格子長Lの範囲を等分割する際の分割数Nから、分割長Δ(=L/N)が求められる。 First, parameters used in designing a reflection type optical diffraction grating element or a transmission type optical diffraction grating element (hereinafter collectively referred to as “optical diffraction grating element”) will be described. As shown in FIG. 1, it is assumed that incident light is incident on the optical diffraction grating element to be manufactured in the + z direction. The division length Δ (= L / N) is obtained from the length L along the z direction in the optical diffraction grating element and the division number N when equally dividing the range of the diffraction grating length L.
製造されるべき反射型光回折格子素子の所望の反射スペクトルをr(δ)とし、製造されるべき透過型光回折格子素子の所望の透過スペクトルをt(δ)とする。ただし、δ=β−βB であり、βは光の波数であり、βBはブラッグ設計波数である。N分割位置のうちの第kの位置zk(k=1〜N)において、+z方向に進む光の振幅をuk(δ)とし、−z方向に進む光の振幅をvk(δ)とし、局所的な複素透過率をtk(δ)とし、局所的な複素反射率をrk(δ)とし、局所的な複素反射係数をρkとし、局所的な結合係数をqkとし、また、屈折率をnkとする。 Let r (δ) be the desired reflection spectrum of the reflective optical diffraction grating element to be manufactured, and let t (δ) be the desired transmission spectrum of the transmission optical diffraction grating element to be manufactured. However, δ = β−β B , β is the wave number of light, and β B is the Bragg design wave number. At the k-th position z k (k = 1 to N) among the N divided positions, the amplitude of light traveling in the + z direction is represented by u k (δ), and the amplitude of light traveling in the −z direction is represented by v k (δ). , The local complex transmittance is t k (δ), the local complex reflectance is r k (δ), the local complex reflection coefficient is ρ k , and the local coupling coefficient is q k. In addition, the refractive index is nk .
次に、参考例として、反射型光回折格子素子を設計し製造する方法について説明する。この場合、位置z1において、+z方向に進む光の振幅u1は入射光の振幅であり、−z方向に進む光の振幅v1は反射光の振幅であるから、下記(5)式が成り立つ。位置z1における複素反射率r1(δ)は、所望の複素反射率r(δ)と等しくなる。 Next, as a reference example, a method for designing and manufacturing a reflective optical diffraction grating element will be described. In this case, at position z 1 , the amplitude u 1 of the light traveling in the + z direction is the amplitude of the incident light, and the amplitude v 1 of the light traveling in the −z direction is the amplitude of the reflected light. It holds. The complex reflectance r 1 (δ) at the position z 1 is equal to the desired complex reflectance r (δ).
インパルス応答の際の時刻t=0のときの複素反射率r1(δ)の値は、位置z1での局所的な反射係数を表すと考えられる。したがって、位置z1での局所的な複素反射係数ρ1は下記(6)式で表される。 The value of the complex reflectance r 1 (δ) at time t = 0 during the impulse response is considered to represent the local reflection coefficient at the position z 1 . Therefore, the local complex reflection coefficient [rho 1 at the position z 1 is expressed by the following equation (6).
位置z2での局所的な複素反射率r2(δ)は、位置z1での局所的な複素反射率r1(δ)および複素反射係数ρ1を用いて、下記(7)式で表される。一般に、位置zkでの局所的な複素反射率rk(δ)は、下記(8)式で表される。位置zkでの局所的な複素反射係数ρkは、下記(9)式で表される。 Local complex reflectivity r 2 at the position z 2 ([delta]), using the local complex reflectivity r 1 ([delta]) and the complex reflection coefficient [rho 1 at the position z 1, the following equation (7) expressed. In general, the local complex reflectance r k (δ) at the position z k is expressed by the following equation (8). Local complex reflection coefficient [rho k at position z k is expressed by the following equation (9).
以上のようにして求められた各位置zkでの局所的な複素反射係数ρkに基づいて、各位置zkでの局所的な結合係数qkは、下記(10)式で求められる。さらに、各位置zkでの局所的な結合係数qkに基づいて、各位置zkでの屈折率nkは下記(11)式で求められる。n0は平均屈折率であり、Δnkは位置zkでの屈折率変調分である。そして、以上のようにして求められた屈折率分布を有する反射型光回折格子素子が製造される。 Based on local complex reflection coefficient [rho k at each position z k determined as described above, local coupling coefficient q k at each position z k is determined by the following equation (10). Further, based on local coupling coefficient q k at each position z k, the refractive index n k at each position z k is determined by the following equation (11). n 0 is the average refractive index, and Δn k is the amount of refractive index modulation at position z k . Then, a reflection type optical diffraction grating element having the refractive index distribution obtained as described above is manufactured.
次に、本実施形態に係る透過型光回折格子素子製造方法について説明する。図2に示されるように、本実施形態に係る透過型光回折格子素子製造方法は、各位置zkにおける局所的な複素透過率tkおよび複素反射率rkを求める複素透過率・複素反射率算出ステップS1、各位置zkにおける局所的な複素反射係数ρkを求める複素反射係数算出ステップS2、各位置zkにおける局所的な結合係数qkを求める結合係数算出ステップS3、各位置zkにおける屈折率nkを求める屈折率分布算出ステップS4、ならびに、屈折率分布算出ステップにおいて求められた屈折率分布を有する透過型光回折格子素子を製造する製造ステップS5を備える。 Next, a transmissive optical diffraction grating device manufacturing method according to this embodiment will be described. As shown in FIG. 2, the transmission type diffraction grating device manufacturing method according to the present embodiment, the complex transmittance, complex reflectivity for obtaining a local complex transmittance t k and the complex reflectance r k at each position z k rate calculation step S1, the complex reflection coefficient calculating step S2 for determining the local complex reflection coefficient [rho k at each position z k, coupling coefficient calculating step S3 to determine a local coupling coefficient q k at each position z k, each position z refractive index distribution calculating step S4 to determine the refractive index n k of k, and comprises a manufacturing step S5 of manufacturing a transmission type diffraction grating device having a refractive index distribution obtained at the refractive index distribution calculating step.
局所的な複素透過率tkおよび複素反射率rkを求める複素透過率・複素反射率算出ステップS1では、以下のような処理が行われる。 The complex transmittance, complex reflectivity calculation step S1 seek local complex transmittance t k and the complex reflectance r k, the following processing is performed.
位置zNより+z側において、+z方向に進む光の振幅uN+1は透過光の振幅であり、−z方向に進む光の振幅vN+1は0であるから、下記(12)式が成り立つ。すなわち、位置zNより+z側において、+z方向に進む光の振幅uN+1は、所望の複素透過率t(δ)と等しくなる。 In + z side than at z N, + amplitude u N + 1 of light z traveling in the direction is the amplitude of the transmitted light, since the amplitude v N + 1 of the light traveling in the -z direction is 0, the following equation (12) holds. That is, in the + z side than at z N, + z amplitude u N + 1 of the light traveling in the direction is equal to the desired complex transmittance t ([delta]).
位置zkより−z側での順方向および逆方向それぞれの光の振幅(uk,vk)と、位置zkより+z側での順方向および逆方向それぞれの光の振幅(uk+1,vk+1)と、の間の伝達行列Mkを考えると、下記(13)〜(15)式が成り立つ。
Position z forward and reverse directions of the light amplitude at -z side of k (u k, v k) and forward and reverse amplitude of each of the light at the position z k +
伝達行列Mkは、下記(16)式で表される。伝達行列Mkの逆行列Xkは、下記(17)式で表される。ここで、伝達行列Mkの逆行列Xkの各成分を、下記(18)式のように表すことにする。 The transfer matrix M k is expressed by the following equation (16). The inverse matrix X k of the transfer matrix M k is expressed by the following equation (17). Here, each component of the inverse matrix X k of the transfer matrix M k is expressed as the following equation (18).
すると、位置zkでの順方向および逆方向それぞれの光の振幅(uk,vk)は、下記(19)式で表される。これから、位置zkでの局所的な複素透過率tkは、下記(20)式で表される。 Then, the amplitudes (u k , v k ) of light in the forward direction and the backward direction at the position z k are expressed by the following equation (19). Now, local complex transmittance t k at position z k is expressed by the following equation (20).
この式から、下記(21)式が得られる。ここで、(17)式および(18)式から計算されるX11 (k)およびX12 (k)を用いた。 From this equation, the following equation (21) is obtained. Here, X 11 (k) and X 12 (k) calculated from the equations (17) and (18 ) were used.
また、上記(8)式から、位置zkでの局所的な複素反射率rk(δ)は、下記(22)式で表される。 Further, from the above equation (8), the local complex reflectance r k (δ) at the position z k is expressed by the following equation (22).
複素反射率rN+1については、下記(23)式のとおり値0である。この(23)式を用いると、上記(21)式においてk=Nの場合の複素透過率tNは、下記(24)式で表される。また、この(23)式を用いると、上記(22)式においてk=Nの場合の複素反射率rNは、下記(25)式で表される。 The complex reflectance r N + 1 is 0 as shown in the following equation (23). Using this equation (23), the complex transmittance t N when k = N in the above equation (21) is expressed by the following equation (24). Further, when this equation (23) is used, the complex reflectance r N when k = N in the above equation (22) is expressed by the following equation (25).
以降も同様にして、複素透過率tN−1は下記(26)式で表され、複素反射率rN−1は下記(27)式で表され、複素透過率tN−2は下記(28)式で表される。これ以降についても同様して複素反射率r1および複素透過率t1まで求められる。 Thereafter, similarly, the complex transmittance t N-1 is represented by the following equation (26), the complex reflectance r N-1 is represented by the following equation (27), and the complex transmittance t N-2 is represented by the following formula ( 28) From this point on, the complex reflectance r 1 and the complex transmittance t 1 are similarly obtained.
複素透過率・複素反射率算出ステップS1では、以上のようにして、各位置zkにおける局所的な複素透過率tkおよび複素反射率rkが求められる。この複素透過率・複素反射率算出ステップS1に続く複素反射係数算出ステップS2では、各位置zkにおける局所的な複素透過率tkおよび複素反射率rkに基づいて、位置zkでの局所的な複素反射係数ρkが下記(29)式で求められる。 The complex transmittance, complex reflectivity calculation step S1, as described above, the local complex transmittance t k and the complex reflectance r k at each position z k is determined. The complex reflection coefficient calculating step S2 following the complex transmittance, complex reflectivity calculation step S1, based on local complex transmittance t k and the complex reflectance r k at each position z k, topical at position z k A complex reflection coefficient ρ k is obtained by the following equation (29).
複素反射係数算出ステップS2に続く結合係数算出ステップS3では、複素反射係数算出ステップS2で求められた各位置zkにおける局所的な複素反射係数ρkに基づいて、各位置zkにおける局所的な結合係数qkが上記(10)式により求められる。 In a coupling coefficient calculation step S3 subsequent to the complex reflection coefficient calculation step S2, a local coefficient at each position z k is determined based on the local complex reflection coefficient ρ k at each position z k obtained in the complex reflection coefficient calculation step S2. The coupling coefficient q k is obtained by the above equation (10).
結合係数算出ステップS3に続く屈折率分布算出ステップS4では、結合係数算出ステップS3で求められた各位置zkにおける局所的な結合係数qkに基づいて、各位置zkにおける屈折率nkが上記(11)式により求められる。 In the refractive index distribution calculating step S4 following the coupling coefficient calculating step S3, the refractive index n k at each position z k is calculated based on the local coupling coefficient q k at each position z k obtained in the coupling coefficient calculating step S3. It is obtained by the above equation (11).
そして、屈折率分布算出ステップS4に続く製造ステップS5では、屈折率分布算出ステップS4で求められた屈折率分布を有する透過型光回折格子素子が製造される。例えば、透明平板の一方の主面に回折格子が形成された位相格子マスクが用いられ、GeO2添加シリカガラスからなるコア領域を有する光ファイバの側面に位相格子マスクが配置され、コア領域の屈折率を変化させ得る波長のレーザ光(例えば波長248nmのKrFレーザ光)が位相格子マスクを介して光ファイバに照射されることで、透過型光回折格子素子(光ファイバグレーティング素子)が製造される。 In a manufacturing step S5 subsequent to the refractive index distribution calculating step S4, a transmission type optical diffraction grating element having the refractive index distribution obtained in the refractive index distribution calculating step S4 is manufactured. For example, a phase grating mask in which a diffraction grating is formed on one main surface of a transparent flat plate is used, and a phase grating mask is disposed on the side surface of an optical fiber having a core region made of GeO 2 -doped silica glass. A transmission type optical diffraction grating element (optical fiber grating element) is manufactured by irradiating an optical fiber with a laser beam having a wavelength capable of changing the rate (for example, KrF laser beam having a wavelength of 248 nm) through a phase grating mask. .
このときに用いられる位相格子マスクの主面に形成される回折格子の周期は、屈折率分布算出ステップS4で求められた屈折率分布の周期に応じたものとされ、また、光ファイバの長手方向の各位置におけるレーザ光照射量は、屈折率分布算出ステップS4で求められた屈折率分布における各位置での屈折率変調分Δnkに応じたものとされる。 The period of the diffraction grating formed on the main surface of the phase grating mask used at this time corresponds to the period of the refractive index distribution obtained in the refractive index distribution calculating step S4, and is also the longitudinal direction of the optical fiber. laser light irradiation amount at each position is the one corresponding to the refractive index modulation amount [Delta] n k at each position in the refractive index distribution determined by the refractive index distribution calculating step S4.
以上のようにして、所望の透過スペクトルt(δ)を有する透過型光回折格子素子が製造される。このような透過型光回折格子素子は、他の光部品を必要とすることなく所望の特性を有する光フィルタとして機能し得るので、低コストである。
As described above, a transmissive optical diffraction grating element having a desired transmission spectrum t (δ) is manufactured. Such a transmission type optical diffraction grating element can function as an optical filter having desired characteristics without the need for other optical components, and thus is low in cost.
Claims (1)
製造されるべき前記透過型光回折格子素子における光の進行方向に沿った長さをLとし、当該回折格子長Lの範囲を等分割する際の分割数をNとして、分割長Δ(=L/N)を求め、これらのパラメータおよび所望の透過スペクトルt(δ)(ただし、δ=β−βB、β:光の波数、βB:ブラッグ設計波数)に基づいて、(1)式に従って、N分割位置のうちの各位置zkにおける局所的な複素透過率tkおよび複素反射率rkを求める複素透過率・複素反射率算出ステップと、
前記複素透過率・複素反射率算出ステップにおいて求められた各位置zkにおける局所的な複素透過率tkおよび複素反射率rkに基づいて、(2)式に従って、各位置zkにおける局所的な複素反射係数ρkを求める複素反射係数算出ステップと、
前記複素反射係数算出ステップにおいて求められた各位置zkにおける局所的な複素反射係数ρkに基づいて、(3)式に従って、各位置zkにおける局所的な結合係数qkを求める結合係数算出ステップと、
前記結合係数算出ステップにおいて求められた各位置zkにおける局所的な結合係数qkに基づいて、(4)式に従って、各位置zkにおける屈折率nkを求める屈折率分布算出ステップと、
前記屈折率分布算出ステップにおいて求められた屈折率分布を有する前記透過型光回折格子素子を製造する製造ステップと、
を備えることを特徴とする透過型光回折格子素子製造方法。
A method for manufacturing a transmissive optical diffraction grating element, comprising:
In the transmission type optical diffraction grating element to be manufactured, the length along the light traveling direction is L, and the division number when equally dividing the range of the diffraction grating length L is N, the division length Δ (= L / N), and based on these parameters and the desired transmission spectrum t (δ) (where δ = β−β B , β: wave number of light, β B : Bragg design wave number), according to equation (1) a local complex transmittance, complex reflectivity calculating step of calculating the complex transmittance t k and the complex reflectance r k at each position z k of the N split position,
Based on local complex transmittance t k and the complex reflectance r k at each position z k determined in the complex permeability, complex reflectivity calculating step, according to equation (2), locally at each position z k A complex reflection coefficient calculating step for obtaining a complex reflection coefficient ρ k ,
Based on the local complex reflection coefficient ρ k at each position z k obtained in the complex reflection coefficient calculation step, a coupling coefficient calculation for obtaining a local coupling coefficient q k at each position z k according to the equation (3). Steps,
A refractive index distribution calculating step for obtaining a refractive index n k at each position z k according to the equation (4) based on the local coupling coefficient q k at each position z k obtained in the coupling coefficient calculating step;
A manufacturing step of manufacturing the transmissive optical diffraction grating element having the refractive index distribution obtained in the refractive index distribution calculating step;
A transmissive optical diffraction grating element manufacturing method comprising:
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