JP2014067036A

JP2014067036A - 表面ナノスケール・アキシャル・フォトニックデバイスを製造する方法

Info

Publication number: JP2014067036A
Application number: JP2013198520A
Authority: JP
Inventors: Mikhail Sumetsky; サメットスキーミックハイル
Original assignee: OFS Fitel LLC
Current assignee: OFS Fitel LLC
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2014-04-17
Anticipated expiration: 2033-09-25
Also published as: JP6066876B2

Abstract

【課題】複数の別々の光マイクロデバイスを備える表面ナノスケール・アキシャル・フォトニック（ＳＮＡＰ）デバイスの有効半径変動を特徴付け、補正する方法を提供する。
【解決手段】製造されたままのＳＮＡＰデバイスを特徴付け、各光マイクロデバイスの局所有効半径値を求めるステップと、製造されたままのＳＮＡＰデバイスを較正し、所定の補正処理に関連する有効半径の変化と定義される補正係数を求めるステップと、次いでいくつかの屈折率変更処理の適用によって個々のマイクロデバイスを補正するステップであって、個々のマイクロデバイスに適用される処理数が、必要な補正量および較正ステップで求めた補正係数によって求められるステップとを含む。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１２年９月２５日出願の米国仮出願第６１／７０５２５８号の特典を主張し、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、表面ナノスケール・アキシャル・フォトニック（ＳＮＡＰ）デバイスを製造する方法に関し、より詳細には、「特徴付けおよび補正」プロセスを利用して、ＳＮＡＰデバイスの長さに沿った有効半径を局所的に修正し、サブオングストローム精度で所望の光学的特性を作成することに関する。

当技術分野で周知のミニチュア共振フォトニック・デバイスは、結合高Ｑ値空洞（例えば、リング共振器、フォトニック結晶共振器など）から作成される。共振は、円形構造（光ファイバの外周の周りなど）内で生み出されるウィスパリング・ギャラリー・モード（ＷＧＭ）を循環させる結果であり、構造の外周の周りを移動するＷＧＭは、かすめ入射で繰り返しの内反射を受ける。光の漏れは、こうした構造内では非常に小さくすることができ、高い固有Ｑ値が得られる。Ｑ値は一般に、共振器（または任意のタイプの振動デバイス）に貯蔵されたエネルギーに対するエネルギー損失の尺度と定義され、共振器の中心周波数をその帯域幅で割ったものによって特徴付けることができる（「高Ｑ」共振器に関する一般的な値は、１０^９程度以上の値である）。したがって、好ましい「高Ｑ」共振器は、比較的狭く、鋭いピークの共振特徴に関連付けられる。

従来型共振器構造は、そのサイズが伝播する光信号の波長程度以上である特徴を作成することによって作成される。例えば、周知のリングまたはトロイドまたは球は、通常は数十ミクロンの寸法である。そのような構造は一般に、リソグラフィ技法（例えば、シリコン材料をエッチングして、特徴パターンを作成する）を使用して作成され、表面あらさの望ましくない結果が伴う。リソグラフィ関連のあらさの結果、伝播する光信号が散乱し、デバイスのＱ値が低下する。さらに、従来型製造プロセスの不正確さにより、複数のデバイスを互いに結合して、より複雑な構造を形成することができる精度が制限される。性能に関して一定の利点をもたらす、さらに小さい寸法（すなわち、サブ波長）で共振器を作成することが有用なはずであるが、そのような小さい寸法により、製造上の追加の困難が課される。

以前には、本発明者らは、空洞共振器を作成するためにファイバの半径のサブ波長サイズの摂動を使用して、光ファイバ内、光ファイバに沿った様々な複雑な結合フォトニック・マイクロデバイスを開発した。複数のマイクロ構造を所与の長さの光ファイバに沿って形成し、互いに結合して、複雑なフォトニック・マイクロデバイスを作成することができる。このデバイス構造の詳細は、２０１２年８月２３日付けの米国公開第２０１２／０２１３４７４号に見い出すことができ、参照により本明細書に組み込まれる。

しかし、こうしたデバイスの比較的長い連鎖を作成しようと試みるとき、その性能が製造誤差によって損なわれ始め、誤差は連鎖の長さと共に成長する。１つの誤差源は、ファイバの半径のナノメートルスケールの非一様性であることがあり、次いでそれが累積的に継続し、連鎖に沿ったすべてのデバイスに影響を及ぼすことがある。マイクロ共振器の長連鎖を作成する際の他の製造誤差源は、限定はしないが、ファイバの表面汚染、システム・アライメントの不完全性（すなわち、最初の例での有効半径変動を生み出すのに使用されるシステム）、有効半径変動を生み出すのに使用されるビーム出力のゆらぎ、感光性ファイバ内の非一様なドーピング・プロファイルなどを含む。

米国公開第２０１２／０２１３４７４号明細書

当技術分野で残っている必要は本発明によって対処され、本発明は、表面ナノスケール・アキシャル・フォトニック（ＳＮＡＰ）デバイスを製造する方法に関し、より詳細には、インライン補正プロセスを利用して、ＳＮＡＰデバイスの長さに沿った有効半径を局所的に修正し、サブオングストローム精度で所望の光学的特性を作成することに関する。

一実施形態によれば、本発明は、複数の別々の光マイクロデバイスを備える表面ナノスケール・アキシャル・フォトニック（ＳＮＡＰ）デバイスの有効半径変動を特徴付け、補正する方法を説明する。この方法は、（１）製造されたままのＳＮＡＰデバイスを特徴付け、各光マイクロデバイスの局所有効半径値を求めるステップと、製造されたままのＳＮＡＰデバイスを較正し、所定の「処理」（すなわち、時間依存アニーリング・プロセスまたはＵＶ放射露光）に関連する有効半径の変化と定義される、適切な補正係数を求めるステップと、次いで（３）いくつかの処理の適用によって個々のマイクロデバイスを補正するステップであって、個々のマイクロデバイスに適用される処理数が、必要な補正量および較正するステップで求めた補正係数によって求められるステップとを含む。特徴付け操作および補正操作のいくつかの反復を実施することができ、オングストロオーム未満の有効半径変動が達成される。この方法を実施する装置も開示される。

別の実施形態では、本発明は、表面ナノスケール・アキシャル・フォトニック（ＳＮＡＰ）デバイスの共振特性の特徴付けおよび補正を実施する装置を説明する。この装置は、ＳＮＡＰデバイスを形成する個々の光マイクロデバイスについて局所共振波長値を測定する特徴付けステージと、個々の光マイクロデバイスに所定の数の処理（アニーリング・プロセスまたはＵＶ放射露光）を適用する露光ステージであって、所定の処理数が、既知のアニーリング・エネルギーおよび持続時間、またはＵＶ放射露光に関連する有効半径の既知の変化に基づいて計算される露光ステージとを含む。

以下の議論の間に、添付の図面を参照することにより、本発明のこれらおよび他の実施形態が明らかとなるであろう。

ここで図面を参照し、図面では、同様の番号がいくつかの図の同様の部分を表す。

光ファイバの先細り区間内のウィスパリング・ギャラリー・モード（ＷＧＭ）共振をサポートする例示的構成を示す図である。光ファイバの「ボトル状」先細り領域内で作成される代替共振構造を示す図である。光ファイバの縦方向範囲に沿って分散する複数のマイクロ共振器を含むように形成された表面ナノスケール・アキシャル・フォトニック（ＳＮＡＰ）デバイスを示す図である。図３のＳＮＡＰデバイスを作成するのに使用することのできる例示的アニーリング・プロセスを示す図である。感光性光ファイバで図３のＳＮＡＰデバイスを作成するのに使用することのできる例示的ＵＶ放射プロセスを示す図である。図３に示すデバイスなどのＳＮＡＰデバイスの共振特徴を特徴付け、補正するために本発明に従って形成された例示的較正（特徴付け）および補正（露光）構成を示す図である。図６の較正構成の例示的部分の拡大図である。本発明に従って形成された３０個の共振器のセットを含むＳＮＡＰデバイスに関連する一連の表面プロットを含み、図８（ａ）は、ＳＮＡＰデバイスの初期形成後の共振器のセットの表面プロットであり、図８（ｂ）は、較正操作の後の同一のＳＮＡＰデバイスの表面プロットであり、図８（ｃ）は、本発明による各マイクロ共振器に対する個々の補正操作を実施した後のＳＮＡＰデバイスの表面プロットである。図８の測定した表面プロットに関連する有効半径変動の一連のプロットを含み、プロット１が図８（ａ）に関連し、プロット２が図８（ｂ）に関連し、プロット３が図８（ｃ）に関連する図である。

図１は、上記で引用した本発明者らの同時係属出願により完全に説明されているように、光ファイバの先細り区間でＷＧＭを生み出すのに利用される例示的構成を示す。図示するように光ファイバ１０（以後、「デバイス・ファイバ１０」と呼ぶ）の区間が、先細り領域１２を含むように形成され、先細り領域１２では、先細りがナノメートルスケールで形成される。すなわち、デバイス・ファイバ１０の半径が、ファイバの長さに応じてナノメートルスケールで低減するように形成される。先細り領域１２の例示的長さｌは一般に、伝播する光信号の波長程度である（例えば、１．３または１．５μｍの入力信号では、１ミクロン程度の長さｌを有する先細り領域が適している）。以下でより詳細に説明するように、ファイバ半径の修正（すなわち、「先細り」）は、ファイバの実際の半径の物理的変化、ファイバの屈折率の局所的修正、または物理的半径変化と屈折率変化の両方を含むことができ、本願ではそのすべてを光ファイバの「有効半径」の変化と呼ぶ。

図１の説明を続けると、光マイクロファイバ１４が、デバイス・ファイバ１０に入力光信号を供給する。一般には、「マイクロファイバ」は、伝播する波長の約０．１から１０倍程度の直径を有する光ファイバと定義され、１．５μｍの信号では、これは０．１５〜１５ミクロン程度の直径となる。エバネッセント結合を生み出す任意の適切なタイプの光導波デバイスを使用して、デバイス・ファイバ１０に入力信号を供給することができ、この議論では、単に便宜上「マイクロファイバ」という用語を使用するに過ぎないことを理解されたい。図１を参照すると、エバネッセント結合が生じ、マイクロファイバ１４に沿って伝播する光信号の少なくとも一部がデバイス・ファイバ１０に移送されるように、光マイクロファイバ１４がデバイス・ファイバ１０の十分近くに配置される。

光源１６が、光信号０をマイクロファイバ１４に導入するのに使用されるものとして示されている。図１に示すように、光信号０がマイクロファイバ１４に沿って伝播するとき、一部はデバイス・ファイバ１０の先細り領域１２にエバネッセントに結合し、デバイス・ファイバ１０内のデバイス・ファイバ１０とマイクロファイバ１４との間の重なりの近傍内でＷＧＭを生み出す。光信号０は、マイクロファイバ１４に沿って引き続き伝播し、最終的に検出器１８に結合され、以下で詳細に論じるように、検出器１８は、受信した信号の特性を測定して、デバイス・ファイバ１０内の共振挙動を監視する。

以下で論じるデバイス・ファイバ１０に沿ったＷＧＭの特性長は、Δｚ〜１００μｍ程度である。その結果、この長さに沿ったナノメートルスケールのファイバ半径変動は、１メートル程度の極めて大きい曲率半径ｒに対応する。図１の構成では、ＷＧＭに関連する共振が、転換点ｚ_ｔと、マイクロファイバ１４がデバイス・ファイバ１０に結合する点（図１では点ｚ_ｌとして示す）との間で完全に閉じ込められることを示すことができる。

図２は、デバイス・ファイバ１０が、図１のデバイスで示すような先細り領域１２の代わりに「ボトル」領域２０を含む構成を示す。図２を参照すると、デバイス・ファイバ１０の領域２０は、単調増加するファイバ半径を有する第１の部分２２と、その後に続く、単調減少するファイバ半径を有する第２の部分２４とを含む。やはり、こうした単調増加および単調減少はナノメートルスケールである。マイクロファイバ１４は、上記で説明したのと同様に、ボトル領域２０内でＷＧＭを励起するのに使用される。この構成では、ＷＧＭは、デバイス・ファイバ１０に沿って、転換点ｚ_ｔ１とｚ_ｔ２との間で閉じ込められる。

本発明では、デバイス・ファイバ１０（具体的には、先細り領域１２、２２、または２４）は、以下のように定義される、小さいナノメートルスケールの半径変動を有すると仮定する。
ｒ（ｚ）−ｒ_０＝Δｒ（ｚ）
上式で、ｒ_０は公称ファイバ半径であり、ｚはファイバ軸と定義される。マイクロファイバ１４によって励起されるＷＧＭは、以下によって定義される波長の近傍で共振を受ける。
λ＝λ_ｑ＝２πｎ_ｅｆｆｒ_０／ｑ
上式で、ｑは大きい正の整数であり、ｎ_ｅｆｆはＷＧＭの実効屈折率である。この解析では、マイクロファイバ１４は、共振の近くの波長λ_ｃを有し、すなわち｜λ_ｃ−λ_ｑ｜＜＜λ_ｑ／ｑである、位置ｚ＝ｚ_１のデバイス・ファイバ１０の表面で放射されるコヒーレント光の点光源であるとみなされる。図２に示す構成について、半径変動Δｒ（ｚ）が完全に局所化された状態（「ボトル状態」とも呼ばれる）をサポートすることも示すことができる。上記で定義されるのと同一のパラメータを有する従来の光ファイバでは、図２の構成により、２ｐｍ程度のΔλ_ＦＳＲの値が得られる。

上述の現象は今や、こうしたタイプの有効半径変動を有する光ファイバの区間内でＷＧＭを生み出す能力に基づいて、より複雑なデバイスへの研究を広げた。具体的には、表面ナノスケール・アキシャル・フォトニック（ＳＮＡＰ）は、光ファイバの半径および／またはその屈折率の平滑かつ劇的に小さいナノスケール変動（すなわち、「有効半径変動」）によって作成される微視的光学デバイスに関する新興の研究分野である。

図３は、単一の光ファイバに沿って形成された複数のＮ個の微視的光学デバイスの例示的ＳＮＡＰデバイス３０を示す。この例では、ＳＮＡＰデバイス３０は、光ファイバ３４の長さに沿って配設された複数のＮ個のマイクロ共振器３２を備える。図示するように、共振器３２−１、３２−２、．．．、３２−Ｎがファイバ３４に沿って形成され、（例えば）５０μｍ程度の共振器間間隔で分離される。このデバイスでは、導入されるＷＧＭは、それぞれの別々の共振器３２−ｉの閉込め内の光ファイバ３４の外周の周りを循環し、光ファイバ３４の縦軸ｚに沿ってゆっくりと伝播する。ＳＮＡＰデバイス３０の光伝播の方向は、縦軸ｚに沿って進むその光と定義され、光がそのエネルギーをシーケンス中の次のマイクロ共振器に伝達し始める前に、各マイクロ共振器内のファイバの外周の周りの光の周期的回転の結果として、必然的に（既知の光の速度と比べて）「低速」となる。

上述の構成と同じく、光信号は、マイクロファイバ１４を介して、光源１６と光検出器１８との間で結合されるＳＮＡＰデバイス３０にエバネッセントに結合される。図３に示す特定の実施形態では、ＳＮＡＰデバイス３０は、例えば１５〜２０μｍ程度の半径ｒ_０を有する「無芯」シリカ光ファイバ３４から形成される。数ナノメートル（ｎｍ）程度の有効半径Δｒ（ｚ）の局所的変動を導入することにより、複数のマイクロ共振器３２−１から３２−Ｎが形成される。

ほとんどの場合、ＳＮＡＰデバイスは、引抜きシリカ・ファイバ（ｄｒａｗｎｓｉｌｉｃａｆｉｂｅｒ）から製造され、その結果、シリカＷＧＭマイクロ共振器と同様の低損失および高Ｑ値を示す（しかし、シリカ以外の材料を使用できることも企図される）。さらに、こうしたＳＮＡＰデバイスの特性軸波長（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｘｉａｌｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）は光の波長よりもずっと長く、それにより、こうしたＳＮＡＰデバイスは光の基本特性の調査（例えば、トンネル効果、点光源による停止、暗状態の形成など）にとって好都合となる。しかし、シリカ以外の他の光学的材料（例えば、他の酸化物および非酸化物ガラス、またはシリコン、ゲルマニウム、リン化インジウムなどの結晶材料）、一般には、注目の光放射波長を適切に透過する任意の材料からＳＮＡＰデバイスを形成できることを理解されたい。さらに、こうしたＳＮＡＰデバイスは、従来の円筒形の光ファイバ以外の形態（すなわち、球状、環状、放物型）を取ることができる。

基板ベースの光マイクロデバイスに勝るＳＮＡＰデバイスの利点は、上述のように、光ファイバ半径のナノメートルスケールの変動と共に、強いミクロンスケールの光の局所化を生み出す能力に帰すことができ、サブナノスケールの有効半径変動を達成する可能性がある。この精度は、マイクロフォトニック・デバイス（すなわち、シリコン基板ベースのフォトニック・デバイス）の従来のリソグラフィ製造で達成される精度よりもかなり高い。比較のために、リソグラフィ製造の特性再現性は数ナノメートル程度であるのに対して、本発明のＳＮＡＰデバイス再現性は、オングストロオーム（少なくとも１桁小さい）未満にすることができる。

現在までのところ、ＳＮＡＰデバイスについてナノスケールの有効半径の変動を導入するのに少なくとも２つの異なる製造方法が利用されてきた。図４に示すように、第１の方法は、ＣＯ_２レーザ・ビームを用いた光ファイバの局所的アニーリングに基づく。この手法では、ＣＯ_２ビームにさらされているファイバの局所化した部分（すなわち、ファイバのその部分がアニーリングされている）内の張力の解放によって光ファイバ半径のナノスケールの修正が生み出される。ファイバ内のこの元の張力は周知の現象であり、光学的プリフォームからファイバを引き出すプロセス中に生み出され、定位置に「凍結」される。したがって、アニーリング・ビームの印加により、張力が緩和され、その地点での有効半径が修正される。光ファイバ４０の区間Ａの拡大図が図４に示されており、異なる位置でアニーリングを実施することに関連する半径の局所的変動を見ることができる。放物型レンズ４２の焦点距離を変更すること、ならびにレーザ源のビーム出力および露光時間を変更することにより、この方法を使用して形成されたＳＮＡＰマイクロ共振器の軸寸法を修正することができる。

図５に示されるように、第２の方法は、感光性光ファイバ（例えば、Ｇｅドープされたファイバ）に適用可能であり、ＵＶ放射を使用して光ファイバの有効半径を修正する。図５に示す構成では、ファイバに感光性を導入する特定のドーパントを含むように光ファイバ５０が形成され、ドーパント濃度は、生み出すことのできる有効半径変化量に関係付けられる。図５に示す構成では、ＵＶビームは、適切に構成された振幅マスク５２を通過し、振幅マスク５２は、感光性ファイバ５０内でＵＶ光による干渉縞を生じさせる。このＵＶ放射の存在により、含まれるドーパントの特性が修正され、したがって放射が当てられた区間内のファイバ５０の「有効」半径が修正される。所望のＳＮＡＰデバイス構造を作成するように振幅マスクの詳細が決定される。ＵＶで導入される有効半径の変化を示す、ファイバ１０の区間Ｂの拡大図も図５に示されている。

アニーリング方法は、「ステップおよび反復」プロセスと同様に考えることができ、ＣＯ_２ビームが、第１の位置Ａでアニーリングを実施し、第２の位置Ｂに移動してアニーリング・プロセスを反復し、各位置が所望のマイクロ共振器位置に関連付けられる。あるいは、それぞれの別々のデバイスの位置を画定するように振幅マスクが適切に形成される限り、単一のＵＶ露光を使用して複数のマイクロ共振器デバイスを形成することができる。

理論上は、こうした技法のいずれかを使用して、光サポート材料（シリカ・ファイバなど）の単一の鎖に沿ってマイクロ共振器の比較的長い連鎖を形成することができるが、様々な製造誤差により、例示的連鎖の長さが、比較的少ない数のマイクロ共振器に制限される。こうした誤差は、例えば、元の光ファイバ半径の（ｎｍスケールの）非一様性、ファイバに沿った様々な位置での表面汚染、アニーリング温度、出力の意図しないゆらぎ、ＵＶ露光のゆらぎ、感光性を生み出すドーピング・レベルなどを含む。より大規模のデバイスでは問題ではないが、これらおよび他の要素はすべて、ナノスケール・レベルの半径変動で誤差を導入することに寄与し、それにより、上述の方式でＳＮＡＰデバイスを作成する能力が制限される。こうしたＳＮＡＰデバイスは、共振挙動を生み出すためにオングストロオーム精度の修正に依拠するからである。こうした識別されるパラメータのうちの１つまたは複数のどんな小さな変動も、こうしたデバイスの機能を制限する。

本発明は、ＳＮＡＰデバイスの製造に「特徴付けおよび補正」プロセスを導入することにより、この残っている問題に対処する。以下で詳細に説明するように、（場合によって）アニーリング・プロセスまたはＵＶ放射露光のどちらかの形態の「処理」は、最終的なＳＮＡＰデバイスをその共振特徴のサブオングストロームの精度で作成する方式で、当初生み出された有効半径変動が局所的に「トリミング」するために使用される。以下で説明するように、補正処理を適用するのに使用されるプロセスの詳細は、最初の例でデバイスを作成するのに使用されるものと同様である。

アニーリング・プロセスを利用することに関連する例示的実施形態では、ファイバの有効半径の変化と、ファイバの区間に印加されるアニーリング・エネルギーの時間依存の露光のパラメータとの間に本質的に線形の関係があることが判明している。例えば、以下で論じるように、特徴付けおよび補正プロセスの較正部分の間に、ＣＯ_２ビームからの５４ｍｓパルスからなる処理が、１９μｍの半径を有する光ファイバの有効半径の０．０５４Åの変化を生み出す。したがって、連鎖に沿った各共振器内に存在する局所的誤差を知ることにより、本発明のプロセスの補正部分は、一連のアニーリング処理を利用して、各共振器の半径を個々に調整し、所望のＳＮＡＰデバイスを作成する。

図６は、本発明に従ってＳＮＡＰデバイスを較正および補正するのに使用することのできる例示的実験セットアップ６０を示す。図示するセットアップ６０は、露光ステージ６２および特徴付けステージ６４を含む。この議論では、（図４および５に示すような）適切な方法を使用して第１の例のＳＮＡＰデバイスを作成したと想定する。具体的には、選択したプロセスを使用して、（空芯）光ファイバの区間に沿って３０個のマイクロ共振器の連鎖を作成し、マイクロ共振器を作成する前にファイバが公称半径１９μｍを有したと想定する。各共振器は、５０μｍの間隔で分離され、この特定の例では、（サブオングストローム精度で）１５６４．３ｎｍの同一の共振波長λをすべて示す共振器のセットを作成することが望ましかった。

共振波長のわずかサブオングストロームの変動で３０個の共振器のセットを設けるために必要である可能性がある補正量を求めるために、本発明のプロセスでの第１のステップは、作製されたままのマイクロ共振器のセットを特徴付ける（すなわち、それぞれの個々の共振器の共振波長を求める）ことである。その目的で、図６に示すように、ＳＮＡＰデバイスが構成６０の特徴付けステージ６４内に配置され、特徴付けステージ６４は、ＳＮＡＰデバイスを形成するそれぞれの個々のマイクロ共振器の共振波長を測定するのに使用される。

参照により組み込まれている本発明者らの同時係属出願に詳細に論じられているように、作成したマイクロ共振器のマイクロファイバベースの測定のセットを使用することによって共振構造の特性を特徴付けることができる。特徴付けステージ６４は、光源６６を使用して光ビームを生成し、その後で光ビームが、マイクロファイバ７０まで先細になる光６８ファイバに結合されることにより、この測定を実施する。上述のように、マイクロファイバ７０は、第１の位置Ｓ１でＳＮＡＰデバイス７２の表面Ｓに接触し、したがって、それにより、光信号の一部が位置Ｄ１でＳＮＡＰデバイス７２にエバネッセントに結合される。信号がＳＮＡＰデバイス７２に沿ったマイクロ共振器位置に結合されるために、ＷＧＭは、ＳＮＡＰデバイス７２の外周の周りを循環し、マイクロファイバ７０に沿って引き続き伝播する光信号に摂動を導入する。修正された光信号は、引き続きマイクロファイバ７０を通過し、最終的には光ファイバ７６を介して検出器７４に結合される。図７は、ＳＮＡＰデバイス７２の表面位置Ｓ１と接触するときのマイクロファイバ７０のクローズアップ図である。

ＳＮＡＰデバイス７２に沿って形成されたマイクロ共振器のセットを完全に特徴付けるために、マイクロファイバ７０がＳＮＡＰデバイス７２の縦軸に対して並進し、連鎖に沿った各マイクロ共振器に関連する一連の測定値が生み出される。例えば、（図に示されるように）マイクロファイバ７０が前方および後方に移動することを可能にする固定アセンブリ９０でマイクロファイバ７０を保持することができる。並進ステージ９４に取り付けられる固定アセンブリ９２でＳＮＡＰデバイス７２自体を保持することができる。特徴付けを実施する際に、マイクロファイバ７０がまずＳＮＡＰデバイス７２に触れ、初期測定が行われる。次いで、マイクロファイバ７０が引き戻され、ＳＮＡＰデバイス７２に対するマイクロファイバ７０の並進が行われ、マイクロファイバ７０が新しい表面位置に接触し、マイクロファイバがＳＮＡＰデバイス７２の長さに沿ったいくつかの位置に接触するとき、以下同様である。

図８（ａ）は、３０連鎖ＳＮＡＰデバイス７２の表面プロットであり、このプロットは、上述のようにマイクロファイバ７０を使用する一連の測定によって形成される。こうした測定は、１．３ｐｍ程度の波長分解能で得られたものであり、測定は、ＳＮＡＰデバイス７２の長さに沿って１０μｍの間隔で分離される。この特定のＳＮＡＰデバイス７２が、同一の共振波長をそれぞれ示す一連の３０個の「一様な」マイクロ共振器として形成されるように意図されたことを想起して、初期製造プロセスの結果を分析することができる。

図８（ａ）のスペクトルを検討する際に、スペクトルが所望の波長λ＝１５６４．３ｎｍ付近の基本伝送（共振）帯と、その後に続くバンド・ギャップとを示すことが示される。共振の（望ましくない）波長変動Δλが、左側の垂直軸上の目盛で示されている。この特定の例では、共振波長の変動は６Å程度である。図９の曲線１は、本明細書で説明している３０個のマイクロ共振器の連鎖に関する共振波長の望ましくない変動を示し、水平軸は、各マイクロ共振器の位置をＳＮＡＰデバイスに沿った距離の関数として定義する。上記で論じたように、この望ましくない変動は、製造プロセスでの１つまたは複数の誤差によって生み出され、マイクロ共振器の長い連鎖を作成するためには、こうした変動を著しく、好ましくはサブオングストローム・レベルまで低減することが望ましい。

本発明によれば、まず較正プロセスを実施して、所定のアニーリング・パルスに関連する有効半径変化量（すなわち、「補正係数」）を求めることにより、変動が低減される。個々のマイクロ共振器の半径を修正してＳＮＡＰデバイスの全体の一様性を改善するための、求めた補正係数。実際、この「特徴付けおよび補正」プロセスを複数回実施することができ、追加の反復は、所望のレベルの精度が達成されるまで各マイクロ共振器の有効半径を微調整するのに使用される。説明している「一様」共振器のセットを作成する場合、この「所望の精度」は、例えば、すべての３０個の共振器がわずか±０．７Åだけ変動する（標準偏差０．１２Å）ことがある共振波長を示すＳＮＡＰデバイスを作成することである。

図６を参照すると、ＳＮＡＰデバイス７２を露光ステージ６２に移動することによって例示的較正プロセスが実施される。露光ステージ６２は、ＣＯ_２レーザ・ビーム源８０を含むものとして示されており、ＣＯ_２レーザ・ビーム源８０は、制御ビーム・シャッタ８２および放物型レンズ８４を通じてビームを送り、アニーリング・ビーム・エネルギーをＳＮＡＰデバイス７２上の所望の位置に集束させる。それぞれの時間依存アニーリング処理の露光時間およびエネルギーは、制御シャッタ８２によって決定され、ビームのスポット・サイズは、放物型レンズ８４の焦点距離によって制御される。制御される持続時間および出力の一連のアニーリング処理が使用され、連鎖に沿ったマイクロ共振器のセットの有効半径が修正される。ある場合には、増加した数のアニーリング処理が、連鎖に沿った各マイクロ共振器に適用され、単一の処理が、連鎖中の第１のマイクロ共振器に適用され、２つの処理が、連鎖中の第２のマイクロ共振器に連続して適用され、一連の３つの処理が、連鎖中の第３のマイクロ共振器に適用され、以下同様である（すなわち、ｍ個のアニーリング処理が、連鎖に沿ったｍ番目の共振器に適用される）。この特定の例では、各アニーリング・プロセスは露光長５４ｍｓを有し、各マイクロ共振器に対するアニーリング・プロセスの再配置が、ＳＮＡＰデバイス７２を増分式に移動するように並進ステージ９４を移動することによって制御された。

この較正ステップの完了時に、ＳＮＡＰデバイス７２が特徴付けステージ６４に戻され、特徴付けステージ６４は、マイクロファイバ７０を使用して、同一の共振波長測定プロセスを反復し、連鎖に沿った各マイクロ共振器の修正後の共振波長を求める。図８（ｂ）は、こうした「較正後」マイクロ共振器によってそのとき与えられる共振を示し、図９のプロット２は、図８（ｂ）の測定に関する、連鎖に沿った有効半径の変動を示す。

較正プロセスは、それぞれの個々の共振器に対する既知の修正を導入するので、プロット１および２の結果を評価して、単一の「処理」に関連する有効半径変動を求めることが可能である。このことが図９のプロット３で示されており、プロット３はプロット１と２の差である。プロット３は、マイクロ共振器に適用されるアニーリング処理数と、その有効半径の変化（したがって、共振波長の変化）との間の線形関係をはっきりと示す。この特定のデバイスでは、ＣＯ_２レーザ源からの（シャッタ８２によって制御される）単一の５４ｍｓパルスが有効半径の変化＋０．０５４Åを導入することが判明した。ここで、この＋０．０５４Åの値が、ＳＮＡＰデバイス７２を形成するマイクロ共振器を補正するプロセスの残りの部分に関する「補正係数」と定義される。

実際、この補正係数を求めた後は、ＳＮＡＰデバイス７２を形成するそれぞれの別々の共振器が、その特定の共振波長を修正するのに必要な適切な数の処理を使用することにより、露光ステージ６２内で補正される。例えば、連鎖に沿った共振器＃４の共振波長を０．２７Åだけ増大させる必要があると想定する。この場合、求めた補正係数に基づいて、レーザ源からの５個の処理のセットが、所望の共振波長を生み出す方式で、その有効半径を適切に調節する。共振器＃１２は、その値を補正するのに必要な処理は２つだけであることがあり、以下同様である。図８（ｃ）は、この補正プロセスを実施し、わずか０．５６Å程度の共振波長の変動を示すＳＮＡＰデバイス７２に沿った３０個のマイクロ共振器のセットを作成した結果を示す。

この例は、アニーリング手順を使用する補正プロセスを説明するが、感光性ＳＮＡＰデバイスについて、同様にＵＶ放射プロセスを適用することができ（すなわち、測定、較正、次いで補正）、特定の時間依存ＵＶ放射プロセスが、共振波長の所望の量の変化をもたらすことに関連する特定の「処理」と定義されることを理解されたい。

上述のように、（アニーリングまたはＵＶ放射を使用して）第１のセットの補正を行った後は、ＳＮＡＰデバイスを特徴付けステージ６４に戻すことができ、そのスペクトルを再決定する。１つまたは複数の共振器デバイスの有効半径を「トリミングする」ことに関する任意のさらなる修正を実施することができる。ＳＮＡＰデバイスの所望の最終的特性が達成されるまで（この場合、連鎖全体に沿った一様な共振値）、このプロセスは、特徴付けステージと露光ステージとの間の追加の反復を続行することができる。実際、実験的プロセスは、±０．１５Å程度の一様性を有する３０個のマイクロ共振器のセットを作成することが判明した。

この特定の実験では、同一の共振波長をすべて示す共振器のセットを作成することが望まれた。一般には、任意の所望の構成を示すようにＳＮＡＰデバイスを形成できることを理解されたい（恐らくは、各共振器が異なる共振波長、または可同調波長、またはこれらの可能性の任意の組合せを有する）。

上述の較正および補正プロセスの多くの変形形態を使用できることを理解されたい。例えば、補正処理の出力および露光時間を修正することができ、低い出力レベルは、比較的小さい有効半径の変化を生み出し、したがって「より細かい」解像度を結果としてもたらす。さらに、上述の較正プロセスは、連鎖に沿った各共振器に対して適用される、増分式の増大する一連の処理を利用するが、別の較正プロセスは、共振器のサブセットのみを使用して補正係数を求めることができる。実際、図９を参照すると、プロット３の線型性が、より少数の共振器を使用して適切な補正係数を求めることができるようなものであることは明らかである。

さらに、本発明の較正および補正プロセスは任意の適切な光導波材料内に形成されたマイクロ共振器と共に有用であると考えられる。シリカは、１つのそのような例示的材料に過ぎない。共振を測定および較正することができる限り、求めた補正係数に基づいて個々の共振波長を修正するプロセスは、サブオングストローム精度を達成することを可能にする。

Claims

複数の別々の光マイクロデバイスを備える表面ナノスケール・アキシャル・フォトニック（ＳＮＡＰ）デバイスの有効半径変動を特徴付け、補正する方法であって、
製造されたままのＳＮＡＰデバイスを特徴付け、前記複数の別々の光マイクロデバイスの局所有効半径値を求めること、
前記製造されたままのＳＮＡＰデバイスを較正し、所定の時間依存有効半径変更処理に関連する有効半径の変化と定義される補正係数を求めること、および
いくつかの有効半径変更処理の適用によって個々のマイクロデバイスを補正することであって、個々のマイクロデバイスに適用される処理数が、必要な前記有効半径補正量および前記較正するステップで求めた前記補正係数によって求められる、補正すること
を含む方法。
前記較正するステップが、
いくつかの前記別々の光マイクロデバイスに所定の数の処理を適用することであって、各光マイクロデバイスが、異なる数の処理を受ける、適用すること、
前記アニーリングした光マイクロデバイスの前記局所有効半径値を測定すること、および
初期のａｓ−ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ局所有効半径値と、処理後の局所有効半径値との差に基づいて補正係数を求めること
を含む請求項１に記載の方法。
前記適用するステップの間に、各光マイクロデバイスに適用される処理数が増分式に増加する請求項２に記載の方法。
前記処理数が１つずつ増加する請求項３に記載の方法。
前記ＳＮＡＰデバイスを形成する各光マイクロデバイスが、較正するステップの間に処理される請求項２に記載の方法。
前記有効半径変更処理が、局所半径の物理的変化を導入する時間依存アニーリング・プロセスである請求項１に記載の方法。
レーザ源が、前記時間依存アニーリング・プロセスを実施するのに使用され、前記レーザ源アウトプットの持続時間および出力が、局所光マイクロデバイスで生み出される半径変化量を定義するように制御される請求項６に記載の方法。
ＣＯ_２レーザ源が使用される請求項７に記載の方法。
前記ＳＮＡＰデバイスが感光性デバイスであり、前記有効半径変更処理が、屈折率変化を導入し、有効半径の変化を生み出す時間依存ＵＶ放射プロセスである請求項１に記載の方法。
ＵＶ源の持続時間および出力が、局所光マイクロデバイスで生み出される屈折率変化量を定義するように制御される請求項９に記載の方法。
前記ＳＮＡＰデバイスが光ファイバの長さに沿って形成される請求項１に記載の方法。
前記ＳＮＡＰデバイスが、数十μｍ程度の公称半径を有する空芯光ファイバの長さに沿って形成される請求項１１に記載の方法。
前記ＳＮＡＰデバイスが、複数の別々の光マイクロ共振器を含むように形成される請求項１に記載の方法。
前記特徴付けするステップが、各光マイクロ共振器についてａｓ−ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ共振波長を求めるのに使用される請求項１２に記載の方法。
前記較正するステップおよび補正するステップが所定の回数反復される請求項１に記載の方法。
前記較正するステップおよび補正するステップが、１オングストロオーム未満の有効半径変動誤差が達成されるまで反復される請求項１４に記載の方法。
複数の別々の光マイクロデバイスを備える表面ナノスケール・アキシャル・フォトニック（ＳＮＡＰ）デバイスの共振特性の特徴付けおよび補正を実施する装置であって、
それぞれの個々の光マイクロデバイスについて局所共振波長値を測定する特徴付けステージと、
個々の光マイクロデバイスに所定の数の有効半径変更処理を適用する露光ステージであって、前記所定の処理数が、個々の処理の既知のエネルギーおよび持続時間に関連する有効半径の既知の変化に基づいて計算される露光ステージと
を備える装置。
前記特徴付けステージが光源および検出器を含み、光マイクロファイバがそれらの間に、前記光源から前記検出器への光信号の伝播をサポートするように配設され、前記光マイクロファイバが、前記ＳＮＡＰデバイスの長さに沿った離間した位置と接触し、伝播する光信号の一部を前記ＳＮＡＰデバイスとエバネッセントに結合し、前記検出器が前記複数の別々の光マイクロデバイスの局所有効半径値を測定する方式で前記伝播信号を摂動するウィスパリング・ギャラリー・モード（ＷＧＭ）を導入する請求項１６に記載の装置。
前記露光ステージがレーザ源、制御ビーム・シャッタ、および放物型レンズを含み、前記レーザ源が、ＳＮＡＰデバイスの表面に向けられる所定の出力のアニーリング・レーザ・ビームを供給するためのものであり、前記制御ビーム・シャッタが、ＳＮＡＰデバイス表面上のレーザ・ビームの出力レベルおよび露光時間を制御するのに使用され、前記放物型レンズが、ＳＮＡＰデバイス表面上の前記レーザ・ビームのスポット・サイズを求めるのに使用される請求項１６に記載の装置。
前記制御ビーム・シャッタが、マイクロ秒の長さのアニーリング・ビーム・パルスを生み出す請求項１８に記載の装置。
前記露光ステージが、ＵＶ放射源、制御ビーム・シャッタ、および放物型レンズを含み、前記ＵＶ放射源が、ＳＮＡＰデバイスの表面に向けられる所定のパワーのビームを供給するためのものであり、前記制御ビーム・シャッタが、ＳＮＡＰデバイス表面上のＵＶ放射の出力レベルおよび露光時間を制御するのに使用され、前記放物型レンズが、ＳＮＡＰデバイス表面上の放射のスポット・サイズを求めるのに使用される請求項１６に記載の装置。