JP2929569B2 - シリカガラス位相グレーティングマスクを用いるブラッググレーティングの形成方法 - Google Patents

シリカガラス位相グレーティングマスクを用いるブラッググレーティングの形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバーのような
光学的媒体に関し、より具体的には、光学的媒体中での
ブラッグ（Bragg）グレーティングの形成に関する。
【０００２】
【従来の技術】ある光ファイバー導波路は、そのファイ
バーのコアにおいて、永続的な屈折率変化を光により生
じる実用的な手段を提供する感光特性を示す。感光性(P
hotosensitivity)は、ファイバー構造に限定されるもの
ではなく、例えば、シリカ・オン・シリコン(silica-on
-silicon)及びイオン注入シリカ導波路装置を含む幾つ
かのプレーナガラス構造においても検知されている。
【０００３】イントラモード(intra-mode)・後方反射ブ
ラッググレーティング、モード変換グレーティング及び
揺動回転体等の光導波路装置の製造は、既に達成されて
いる。これらの装置を製造するための一般的な方法は、
光導波路の感光性のコアにおける屈折率グレーティング
を光で生じることである。グレーティングは、導波路の
長さに沿うコアの屈折率の周期的な変調からなる。この
摂動の周期は、グレーティングが結合するように設計さ
れた２つの（通常有限の（bound））モード間の運動量
（伝搬定数）の不均衡を克服するように選択される。上
記の構造の共鳴波長で、結合されたモード間で位相が整
合された、効率的な、出力の交換が可能である。
【０００４】感光性光ファイバー導波路にグレーティン
グを光で生じるには、内部での書き込みまたは外部での
書き込みによる２つの基本的な方法がある。内部での書
き込みとは、普通はホログラム処理であり、このホログ
ラム処理では、結合されたモードが導波路のコヒーレン
トな有限モードとして送り出され、導波路コアの屈折率
を二光子吸収過程により変化すを可能にするる（即ち、
ホログラムを形成する）。続く1つのモードの送り出し
は、他方のモードを”再編成”する。ゲルマニウムでド
ープされたハイ・シリカ（high-silica）ガラスに内部
でグレーティングを書き込むための活性化波長は、可視
バンドにあり、（例えば、514.5〜488.0nmでのアルゴン
イオンレーザ波長）紫外帯において対応する二光子エネ
ルギーを伴う。外部での書き込みは、光導波路に側方か
ら入射する（ゲルマニウムでドープされたハイ・シリカ
ファイバーに対し、240nmでの酸素欠陥吸収帯に同調、
もしくは上記吸収帯の付近に波長を合わせた）紫外線を
直接に用いる。外部での書き込みは、モード変換グレー
ティングに対し、ポイント毎に、もしくはブラッグ後方
反射に対し、２つの干渉性の紫外線ビームのホログラフ
ィー干渉を用いて達成できる。
【０００５】屈折率グレーティングは、ケイ・オー・ヒ
ル(K.O.Hill)等により記述され、米国特許第４,４７４,
４２７号に開示される技術を用いて、光ファイバー内に
初めて書き込まれた。この処理は、可視領域に波長をも
つゲルマニウムでドープされたファイバーストランド光
のコアへの送り出しを必要とする。この光は、ファイバ
ーの終端から反射される。前方に伝搬する光線は、後方
に伝搬する光線と干渉して書き込み光の波長の半分に対
応する周期の定常波パターンを形成する。ファイバー内
における感光性の効果によって、この周期の屈折率グレ
ーティングが、ファイバーのコアに書き込まれる。この
技術により、書き込み光に近似する波長を持つ光を反射
するグレーティングのみが製造できる。
【０００６】グレーティング書き込みのためのこの技術
の改良は、米国特許第４,８０７,９５０号においてグレ
ン（Glenn)等により開示されている。この方法では、グ
レーティングは、２４５ｎｍの波長を有するコヒーレン
トな紫外線放射を用いて、側からファイバーを照明する
ことにより当該ファイバー内に作成される。２つのビー
ムを用いる技術により、干渉パターンは、ファイバーの
長さに沿って設定される。パターンの周期は、干渉する
ビームの間の角度を制御することで調整される。このよ
うに、屈折率グレーティングは、非常に長い波長の光を
反射するファイバー内に書き込む事ができる。
【０００７】光ファイバー内にグレーティングを書き込
む上記の方法の更なる改良は、米国特許第５,１０４,２
０９号に開示されるポイント毎の書き込み技術である。
この特許においては、ファイバー内にグレーティングを
書き込むためのポイント毎の技術が開示される。この技
術では、グレーティング内における屈折率の各摂動が、
スリットマスクを介して個々に光で生じる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】最初の特許において記
述されたグレーティング形成技術の主な欠点は、作成で
きる書き込み光の波長の半分の周期と類似する周期を持
つグレーティングのみが製造できることである。２番目
の特許は、異なるピッチのグレーティングを書き込む方
法を開示する。しかし、この技術は、空間的及び時間的
な高度のコヒーレンスを有する紫外線レーザ光源を必要
とする。そのようなレーザ光源は、高価な研究用レーザ
であり、書き込み効率が低く、製造現場において用いる
のには適さない。さらに、アポダイズされた（apodize
d）ブラッグ反射体、もしくはチャープされた（chirpe
d）ブラッグ反射体の書き込みにおいて十分な適応性を
提供するものではない。
【０００９】ポイント毎の書き込み方法は、空間的及び
分極モード変換器において必要とされる粗い周期のグレ
ーティングを書き込むのに有効な技術である。しかし、
この技術は、ブラッググレーティングを書き込むのに実
用的ではない。ブラッググレーティングの場合、屈折率
の各摂動の書き込みが、個々に、スリットの前方の光フ
ァイバーの並進が非常に正確であることを必要とする。
より深刻な欠点は、ブラッググレーティングを形成する
屈折率揺動を書き込むための逐次的な手順である。この
書き込み処理には、単一のブラッグ反射体を製造するた
めに非常に長時間の露光が必要である。米国特許第５,
１０４,２０９号は、単一の操作において幾つかの屈折
率揺動の書き込みを可能にするスリットマスクを用いる
ことによりこの問題を解決することを提案する。
【００１０】
【課題を解決するための手段及び作用】請求項１に記載
されたブラッググレーティング形成方法は、光導波路の
内部にブラッググレーティングを形成する方法であっ
て、シリカガラス位相グレーティングマスクを感光性光
導波路に隣接かつ平行に配列し、このマスクにおける表
面形状を、使用する光の波長において０次の回折を抑制
するように選択し、平行にされた１本の光ビームをマス
クに垂直に入射しマスクをとおして上記光導波路へ供給
する。
【００１１】請求項２に記載されたブラッググレーティ
ング形成方法は、請求項１に記載されたブラッググレー
ティング形成方法において、マスクは、光ビームの位相
をπ＋２πｎ(rad)で変調するように選択された表面レ
リーフパターンを有し、上記レリーフパターンにおい
て、｛４π（ｎsilica−１）Ａ｝／λ＝π＋２πｎの関
係が成立し、ここで、Ａは、表面レリーフパターンの深
さであり、ｎ＝０，１，２，３，であり、λは、光導波
路内における屈折率変化を書き込む（光で誘導する）の
に用いられる光の波長であり、ｎsilicaは、波長λでマ
スクに用いられたシリカの屈折率である。
【００１２】請求項３に記載されたブラッググレーティ
ング形成方法は、請求項２に記載されたブラッググレー
ティング形成方法において、断面における上記表面レリ
ーフパターンは矩形波である。
【００１３】請求項４に記載されたブラッググレーティ
ング形成方法は、請求項２に記載されたブラッググレー
ティング形成方法において、上記表面レリーフパターン
の断面が正弦波である。
【００１４】請求項５に記載されたブラッググレーティ
ング形成方法は、請求項１に記載されたブラッググレー
ティング形成方法において、上記光ビームは、紫外光ビ
ームである。
【００１５】請求項６に記載されたブラッググレーティ
ング形成方法は、請求項５に記載されたブラッググレー
ティング形成方法において、上記光ビームは、レーザビ
ームである。
【００１６】請求項７に記載されたブラッググレーティ
ング形成方法は、請求項１に記載されたブラッググレー
ティング形成方法において、上記光ビームは、ＫｒＦエ
キシマレーザにより供給される。
【００１７】請求項８に記載されたブラッググレーティ
ング形成方法は、請求項１に記載されたブラッググレー
ティング形成方法において、上記光導波路は、光ファイ
バーである。
【００１８】請求項９に記載されたブラッググレーティ
ング形成方法は、請求項８に記載されたブラッググレー
ティング形成方法において、位相マスクグレーティング
の細溝は、ファイバーの軸に直角またはほぼ直角に方向
づけられている。
【００１９】請求項１０に記載されたブラッググレーテ
ィング形成方法は、請求項８に記載されたブラッググレ
ーティング形成方法において、位相マスクグレーティン
グの細溝は、ある角度で上記ファイバーの軸に方向づけ
られている。
【００２０】請求項１１に記載されたブラッググレーテ
ィング形成方法は、請求項９に記載されたブラッググレ
ーティング形成方法において、上記光ビームは、ＫｒＦ
エキシマレーザにより供給される。
【００２１】請求項１２に記載されたブラッググレーテ
ィング形成方法は、請求項１１に記載されたブラッググ
レーティング形成方法において、上記マスクは、光ビー
ムの位相をπ＋２πｎ(rad)（ｎ＝０，１，２，３）に
より変調するように選択された表面レリーフパターンを
有し、上記レリーフパターンにおいて、｛４π（ｎsi
lica−１）Ａ｝／λ＝π＋２ｎπ（ｎ＝０，１，２，
３）の関係が成立し、ここで、Ａは、表面レリーフパタ
ーンの深さであり、λは、光導波路内における屈折率変
化を書き込む（光で誘導する）のに用いられる光の波長
であり、ｎsilicaは、波長λでマスクに用いられたシリ
カの屈折率である。
【００２２】請求項１３に記載されたブラッググレーテ
ィング形成方法は、請求項１２に記載されたブラッググ
レーティング形成方法において、断面における上記表面
レリーフパターンは、矩形波である。
【００２３】請求項１４に記載されたブラッググレーテ
ィング形成方法は、請求項１３に記載されたブラッググ
レーティング形成方法において、光ビーム断面の大きい
寸法が、位相マスクグレーティングの細溝に平行に位置
づけされる。
【００２４】請求項１５に記載されたブラッググレーテ
ィング形成方法は、請求項８に記載されたブラッググレ
ーティング形成方法において、上記細溝がチャープされ
たものである。
【００２５】請求項１６に記載されたブラッググレーテ
ィング形成方法は、請求項９に記載されたブラッググレ
ーティング形成方法において、上記細溝がチャープされ
たものである。
【００２６】請求項１７に記載されたブラッググレーテ
ィング形成方法は、請求項９に記載されたブラッググレ
ーティング形成方法において、位相マスクは、細溝のピ
ッチ及び深さのいずれか一方もしくは双方が変動する。
【００２７】請求項１８に記載されたブラッググレーテ
ィング形成方法は、請求項１７に記載されたブラッググ
レーティング形成方法において、光ビームは、紫外線ビ
ームである。
【００２８】請求項１９に記載されたブラッググレーテ
ィング形成方法は、請求項１に記載されたブラッググレ
ーティング形成方法において、屈折レンズを、マスクと
光ビームの供給される前の光導波路との間に設置するこ
とを含む。
【００２９】請求項２０に記載されたブラッググレーテ
ィング形成方法は、請求項１９に記載されたブラッググ
レーティング形成方法において、０次光ビームに対する
不透明なブロック手段を、マスクと光ビームの供給され
る前のレンズとの間に設置する。
【００３０】請求項２１に記載されたブラッググレーテ
ィング形成方法は、請求項１９に記載されたブラッググ
レーティング形成方法において、０次及び２次の光ビー
ムに対する不透明なブロック手段を、マスクと光ビーム
の供給される前のレンズとの間に設置する。
【００３１】請求項２２に記載されたブラッググレーテ
ィング形成方法は、請求項１に記載されたブラッググレ
ーティング形成方法において、さらに、位相グレーティ
ングを通過する前のビーム分布を形作る空間振幅光フィ
ルターを含む。
【００３２】請求項２３に記載されたブラッググレーテ
ィング形成方法は、請求項２２に記載されたブラッググ
レーティング形成方法において、上記フィルターは、位
相グレーティングを包含する面に向かい合うマスクの上
に形成される。
【００３３】請求項２４に記載されたブラッググレーテ
ィング形成方法は、請求項２に記載されたブラッググレ
ーティング形成方法において、後に光で印されたグレー
ティングは、前に光で印されたグレーティングと位相が
合って反射するように、縞パターンに対応する距離をマ
スク及び導波路の一方を他方に対し移動し、マスクを通
って上記光導波路に上記平行にされた光ビームを供給す
ることを繰り返す。
【００３４】請求項２５に記載されたグレーティングマ
スクは、表面上に平行な波形を有するシリカガラスを備
え、この波型形状は、使用する光の波長において０次の
回折を抑制するように選択されていて、シリカガラスの
表面上に、波形のピッチ及び振幅の少なくとも一方が変
化する表面レリーフパターンが形成される。
【００３５】請求項２６に記載されたグレーティングマ
スクは、表面上に平行な波形を有するシリカガラスの平
板を備え、シリカガラスの表面上に表面レリーフパター
ンが形成され、この表面レリーフパターンの形状は、使
用する光の波長において０次の回折を抑制するように選
択されていて、さらに、上記パターンを有する面の反対
側の平板の面上に形成される空間振幅光フィルターを備
える。
【００３６】請求項２７に記載されたグレーティングマ
スクは、請求項２５に記載されたグレーティングマスク
において、さらに、空間振幅フィルターが、上記パター
ンを生じる面の反対側の平板の面上に形成される。
【００３７】本発明の屈折率グレーティングは、特別に
設計されたシリカガラス位相グレーティングマスクを用
い光ファイバーのコアに印される（imprint)。位相マス
クは、光ファーバーに極めて接近して保持される。垂直
入射において、位相マスクのレーザ放射は、紫外線を用
いて光ファイアーコア内に、位相マスクにより形成され
る干渉パターンを光で印する（光で生じる）。
【００３８】本発明は、光ファイバー及びプレーナ光導
波路において、ブラッググレーティングを印するための
新規のスリットマスクを用いることによりポイント毎の
書き込み技術を改良する。その方法は、ブラッグ後方反
射体を書き込むための非ホログラフィック技術であり、
特に感光性光ファイバーに適用できるものであるが、プ
レーナ導波路構造に同様に適用される。
【００３９】本発明の実施例によれば、光学的媒体（光
導波路）内にブラッググレーティングを製造する方法
は、感光性光学媒体に隣接し、かつ平行に、シリカガラ
ス位相グレーティングマスクを配置し、平行ビームをマ
スクを通り媒体に印加する。
【００４０】他の実施例によれば、位相グレーティング
スリットマスクは、紫外線ビーム（例えば、エキシマレ
ーザから）の位相を空間的に変調するのに用いられる。
上記紫外線レーザは、ピッチがλBragg／ｎEffectiveで
ある。ここで、λBraggは、ファイバー内で後方反射・
イントラ・モード結合のための所望される共鳴波長であ
り、ｎEffectiveは、λBraggで結合されたモードの有効
な屈折率である。
【００４１】他の実施例によれば、グレーティングマス
クは、表面レリーフパターンを形成する表面の平行な波
形状を持つシリカガラスの平板から構成される。
【００４２】
【実施例】位相グレーティングスリットマスク１は、精
密フォトリトグラフ装置において用いられ、光ファイバ
ー３に接触してまたは、ほぼ接触して置かれる。位相グ
レーティングスリットマスク１の持つ細い溝５は、（マ
スクの拡大図６に示すように）ファイバー軸に垂直また
はほぼ垂直に位置付けされている。適切なＫｅＦレーザ
であり、成功したプロトタイプにおけるＫｒＦエキシマ
レーザ（２４９ｎｍ）からの紫外線ビーム７は、空間的
に変調された位相でマスク１を通過する。このマスク１
によりビームが回折され、ファイバーのコアの拡大図１
１に図示されるように、レーザビームの入射方向に対し
て横方向の干渉パターン９Ａ（ブラッググレーティング
ピッチ）及びレーザビームの入射方向に沿う方向の干渉
パターン９Ｂを形成する。
【００４３】好ましくは、スリットマスクは、ＫｒＦエ
キシマレーザ放射を透過する高品質熔融シリカ平面内に
おいて、製造された拡大図６に示すような１次元表面レ
リーフパターンからなる。位相マスクの周期的な表面レ
リーフパターンの形状は、拡大図６に示すように、外形
が矩形波に近似する。周期的な表面レリーフパターンの
深さは、紫外線ビームの位相をπ＋２πｎ(rad)（ここ
に、ｎ＝０，１，２，３，…）だけ変調するように選択
されている。ＫｒＦエキシマレーザビームに対する位相
マスクの成功したプロトタイプにおいて、表面レリーフ
パターンの深さＡは、次の「数１」で表される。
【数１】 ここに、λKrFは、光学的媒体内における屈折率変化を
書き込む（光で生じる）のに用いられる光の波長であ
る。ｎsilicaは、マスクを形成するのに用いるシリカの
屈折率である。表面レリーフグレーティングの深さの上
記の選択は、０次反射（通過）ビームを０にする設計波
長におけるグレーティング回析パターンを生じる。実際
には、０次ビーム１３は、マスクにより回析された光の
５％以下に抑圧される。マスク５から出てくる主要ビー
ム１５は、典型的には、回析光線の３５％以上をそれぞ
れが含有する分割した＋１次のビーム及び−１次のビー
ムである。
【００４４】マスク摂動は、矩形波の形にする必要はな
い。例えば、正弦波形状の摂動を有する０次を０にした
表面レリーフ位相グレーティングマスクは、我々の応用
において等しく有用である。
【００４５】位相マスクよりも長い長さのブラッググレ
ーティングの製造には、停止及び繰り返しの方法を用い
ることができる。この方法では、次に光で印されるグレ
ーティングが、前に光で印されたグレーティングとの位
相において反射するように、光の縞パターンに対応する
距離だけ精密に並進される。
【００４６】マスクの回析パターンの主要な周期が波長
によらないということは、留意すべきである。そのた
め、原理的に、導波路のコアが、書き込み中の位相マス
クから余りに離れた位置には置かれず、かつ光源と導波
路材料の感光帯との結合されたスペクトル幅が０次回析
ビームに対して０にする帯域幅よりも広くない限りにお
いて、平行広帯域光源を用いてブラッググレーティング
を書き込むことができる。
【００４７】光で印するブラッグ反射体に対し、位相グ
レーティング細溝の好ましい位置は、ファイバー軸に対
して垂直である。傾いた屈折率グレーティングは、ファ
イバー軸に対しある角度で位相グレーティング細溝を配
置することにより光で印することができる。そのような
屈折率グレーティング構造は、コアを導波された光をフ
ァイバーの外及び自由空間内に結合するために利用する
ことができる。
【００４８】好ましい実施例では、ファイバーの表面レ
リーフ位相グレーティングの細溝を有することに注目す
べきである。この形状は、紫外線ビームを位相変調する
ために位相グレーティングにとり必要不可欠なものでは
ない。ファイバー機能に面しない細溝を伴う形状でも機
能する。
【００４９】位相変調が表面レリーフ変調よりもむしろ
屈折率変調により生じる位相グレーティングは、同様に
機能する。例えば、図１の拡大図６に示すマスクの細溝
５は、周辺領域と異なる屈折率を有するガラス材料で充
填され、交互の屈折率を生じる。
【００５０】感光性光ファイバー導波路内における屈折
ブラッググレーティングを光で印することについて記述
した上記のフォトリトグラフ装置の性能を試験するた
め、高い感光性で知られる２つの光ファイバーを選択し
た。最初の光ファイバーは、１３００ｎｍに最適化され
たアンドリュウ（Andrew）社標準Ｄタイプ分極維持ファ
イバー（カットオフ周波数は、９６０ｎｍである。１２
９２ｎｍにおけるビート長ＬBは、１．０２ｃｍであ
る。コア／クラッドΔｎは、０．０３１である。楕円形
のコアサイズは、１．５×３μｍである。）であった
が、それにもかかわらず、実験で用いたブラッグ共鳴波
長１５３１ｎｍにおいて、十分に低い損失を示す。この
ファイバーは、標準的な遠距離通信ファイバーと比較し
て、ゲルマニウムがより高度にドープされている。ゲル
マニウムでドープされたファイバーは、普通、感光性で
ある。特に、アンドリュウ社Ｄタイプファイバーは、強
感光性であると報告されており（６×１０-4のオーダー
の未飽和での光で生じる屈折率の変化を測定した）、属
性は、相対的に高度にゲルマニウムでドープされた濃度
に関係している。２番目のファイバーは、ＡＴ＆Ｔベル
研究所から得られたファイバーであり、強感光性に特に
公式化されたものである。我々の実験の条件下におい
て、ＡＴ＆ＴファイバーはＤタイプファイバーよりも高
い感光性を持つことが確証された。
【００５１】実験で用いた紫外線光源は、ビーム断面が
０．７×２ｃｍ2、パルス持続時間が１２ｎｓｅｃ、及
びパルス繰り返し速度が５０Ｈｚであり、波長２４９ｎ
ｍで機能する未変更のＫｒＦエキシマレーザであった。
パルス当たりの非合焦エネルギー密度は、１００ｍＪ／
ｃｍ2である。そのようなレーザは、射出ロックもしく
はビームの空間的フィルタのいずれかを対策しないと
き、低コヒーレンスビームを生成する。ブラッググレー
ティングを書き込むための準備として行った唯一の最適
条件は、細溝を伴う位相マスクを細溝がビームの断面の
長い寸法に平行になるように設置する。これは、空間コ
ヒーレンスは上記位置の方が直交位置よりも良いと実験
的に決定したためであった。
【００５２】成功した低いコヒーレンスビームを用いた
書き込みは、現在のフォトリトグラフ的にブラッググレ
ーティングを光で印する方法の性能の重要な試験であっ
た。ブラッググレーティングフォトリトグラフの利点
は、複数の装置を平行に製造するための手段を提供し、
実証された高フルエンスの工業的レーザ光源を用いるこ
とが可能となり、製造業のアラインメント工程を簡略化
することができることである。
【００５３】成功したプロトタイプ方法で用いた位相グ
レーティングは、光学的に高品質に熔融シリカ平面上に
製造された表面レリーフ装置である。グレーティングの
周期は、ほぼ１０６０ｎｍであり、２４９ｎｍの５％以
下に無効にされた０次回析ビーム、及び伝導された光線
の３７％である＋１次回析ビームと−１次回析ビームを
伴う。グレーティングは１ｍｍ平方の矩形であった。平
面で光で印されたブラッググレーティングの周期は、５
３０ｎｍであり、高品質熔融シリカ導波路（屈折率＝
１．４６）の５３０×２×１．４６＝１５４９ｎｍのブ
ラッグ共鳴波長を結果として生じた。実験では１５３１
ｎｍでの共鳴を観察した。
【００５４】ブラッググレーティング露光で用いるパル
ス当たりのフルエンスレベルは、ファイバーに平行な円
筒軸に位置が合わされた円柱レンズを用い、エキシマレ
ーザビームの緩やかな合焦により１００から２００ｍＪ
／ｃｍ2へ増加された。典型的な露出時間は、パルス当
たり１Ｊ／ｃｍ2のフルエンスレベル及び５０ｐｐｃの
パルス速度を用いて、数分の長さであった。光で生じる
ブラッググレーティング反射率は、露光工程の開始とと
もに、急激に増加し、続いてパルス当たりの入射フルエ
ンスのレベルに関連した値で飽和する。パルス当たりの
大きなフルエンスレベルは、ある限界、すなわち、次の
ブラッググレーティングの飽和された反射率まで増加す
る。しかし、あるフルエンスレベル以上では、反射率の
ピーク値が得られており、さらに、さらなる露光は、反
射率の低下を生じ、同時に、ブラッググレーティングの
波長応答の形状は、例えば、上記応答の中央の波長にお
けるノッチを大きくして大きく変化する。
【００５５】単レンズもしくは複数のレンズがフルエン
スレベルを増加するために用いることができることに注
意すべきである。例えば、実施例が図２に示される。フ
ァイバーに面するグレーティング縞を含む面２９を有す
る位相グレーティングスリットマスク２７を介し、光源
１９は、円柱レンズ２１により光ファイバー２５のコア
２３に合焦される。
【００５６】図３に示す他の実施例では、空間振幅のフ
ィルター３７は、位相マスク２７の正面に配置される。
空間振幅フィルター３７は、紫外線ビームの強度分布３
９を変更して、予め定めた方法で位相グレーティングの
長さにそって変化を与える。分布３９は、例えばガウシ
アン強度分布を有する紫外線ビームを示す。紫外線ビー
ム１９を用いた位相グレーティングの照明は、前のよう
に、干渉パターンを生じる。しかし、干渉縞の包絡線
は、紫外線ビームの強度分布と同様に、ファイバーの長
さに沿う同じ強度分布を有する。高強度の領域には、低
濃度の領域よりも大きな光誘導された屈折率変化が生じ
る。このように、屈折率グレーティングは、ファイバー
長に沿う予め定められた方法において結合強さを変化す
るファイバーにおいて形成される。
【００５７】図４に示す他の実施例においては、予め定
められた手法によりグレーティングの長さに沿ってグレ
ーティング周期を変化する位相グレーティング４１が使
用されて、チャープされたグレーティングを形成する。
紫外線１９を用いたチャープされた位相グレーティング
の放射は、同様にチャープされるファイバーコア２３内
における屈折率グレーティング（反射体）を光で印す
る。チャープされたブラッグ反射体のスペクトル応答
は、単一波長で共鳴するブラッグ反射体のスペクトル応
答よりも広い。
【００５８】図３及び図４に示す２つの実施例の同時の
使用は、紫外線ビームの空間的な位相及び振幅を変調し
て、共鳴周波数及びブラッグ反射面の長さに沿う共鳴の
強さとのそれぞれ独立した制御を可能にする。この能力
は、アポダイズされたブラッグ反射体などの有用なスペ
クトル応答特性の合成を可能にする。
【００５９】図５は、レンズ２１がマスク２７と光ファ
イバー２５の間に位置する本発明の実施例を示す。不透
明なブロッカー３３は、０次ビーム３５をブロックする
ために、マスクと２７とレンズ２１との間に位置され
る。不透明な２つのビームブロッカー３６も、１次ビー
ムよりも高次のビーム回析された光線をブロックするた
めに、マスク２７とレンズ２１との間に位置される。＋
１次及び−１次の光ビームは、レンズ２１を通過する。
【００６０】この実施例の利点は、１次回析ビームのみ
が干渉縞を形成し、高いコントラストの縞が得られるこ
とにある。他の利点は、レンズ２１が縞パターンのイメ
ージサイズを縮小するために用いることができることで
ある。こうして、異なる縮小イメージを生成する複数の
レンズは、同じ位相グレーティングから、異なる共鳴周
波数を備えるブラッググレーティングを光で印する。ま
た、位相グレーティングのピッチは、長くすることがで
き、このため位相グレーティングの製造の困難を緩和す
ることができる。最後に、レンズは、照射された光コア
上のフルエンスレベルを増加する手段を提供する。
【００６１】図６は、アンドリュウ社のＤタイプファイ
バーに図１の実施例における上述の位相マスクを介して
光で印されたブラッググレーティングのスペクトル応答
のグラフである。２４９ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ
が、５０ｐｐｓで１００ｍＪ／ｃｍ２のパルスで２０分
間ファイバーを放射した。１６％の最大の反射率は、ほ
ぼ０．９５ｎｍの長さに推定されたグレーティング内で
達成されるた。上記の長さは、一様なファイバー内のグ
レーティングを仮定し、０．８５ｎｍのスペクトル幅
と、５３０ｎｍピッチのブラッググレーティングと、１
５３１ｎｍのブラッグ共鳴波長とを用いて、計算された
ものである。スペクトル応答における側波帯は、明確な
可視線であり、グレーティングはその全体の長さに沿い
実質的に一様であることを示唆する。グレーティング反
射率データから、２．２×１０-4とする屈折率変調用の
振幅を（狭い有限モードの限界内で）計算する。この値
は、露光中のブラッググレーティング共鳴の変遷及び１
５３１ｎｍでのファイバーの有効な屈折率分散の認識か
ら我々が６×１０-4に決定した平均屈折率変化と都合よ
く比較される。理想的には、我々は、ファイバーを最大
コントラストグレーティング回析パターンで露光する
際、見かけの変調深度が平均屈折率変化と同じもしくは
それ以上であると予期する。変調深度と平均の屈折率変
化との比は、以下の本質的な要因に影響される。即ち、
ファイバーの感光性応答の非線形性、０次ビームをほぼ
完全に０とすること、マスクからの出てくる高次回析ビ
ームの存在及びレーザ光源の低コヒーレンスといった要
因である。上記変調深度と平均の屈折率変化との比は、
製造中のファイバー／マスクアラインメントによっても
影響される。即ち、グレーティングがファイバーの軸に
対して傾いている場合、光で生じたブラッググレーティ
ングの反射率は減少する。傾むきからの低い反射率は、
屈折率の変調の減少された見かけの深さに直される。傾
斜は、露光のための平均屈折率の増加には影響しない。
【００６２】図６に類似するブラッググレーティングス
ペクトル応答が、同じような条件下において特性ＡＴ＆
Ｔファイバーを用いて書き込まれたブラッググレーティ
ングに対しても得られた。この場合、最大の反射率は２
５％に達した。
【００６３】ファイバー内にブラッググレーティングを
形成する他の方法との比較において、ここに記述された
位相マスクを介して光で印するフォトリトグラフの技術
は、導波路軸に沿う距離Ｚの関数であるブラッググレー
ティング結合係数Ｋ（ｚ）のピッチ及び強度を再編成す
るための十分な柔軟性を提供する。例えば、コンピュー
タ制御下におけるピッチの製造過程において、ピッチの
複雑な変形は、位相マスク内に書き込まれ、空間振幅マ
スクは、さらに、結合係数の強度を段階付けるのに用い
られる。紫外線書き込みビームの位相及び振幅を空間的
に変調するこれら２つの技術の同時の使用は、マスクを
用いて書き込まれた導波路ブラッググレーティングに沿
う共鳴周波数及び共鳴強度のそれぞれの独立した制御を
与え、幾つかの有用なスペクトル共鳴可能性の合成を形
成する。
【００６４】使用された表面レリーフ位相グレーティン
グマスクは、損失を伴わないパルス当たり１Ｊ／ｃｍ2
の許容フルエンスレベルを見いだした。熔融されたクオ
ーツは、ＫｒＦエキシマレーザ放射に基づくパルス当た
り約５Ｊ／ｃｍ2の損失しきい値を有するため、これら
の位相マスクは、より高いフルエンスレベルであっても
許容できるように思われる。
【００６５】パルス当たり１Ｊ／ｃｍ2のフルエンスレ
ベルを用いると、５分間５０Ｈｚの露光の後、アンドリ
ュウ社Ｄタイプファイバーにおいて３０％の反射率を伴
うブラッググレーティングを光で印した。
【００６６】このように、本発明では、感光性光導波路
において高品質のブラッググレーティングを製造する簡
単な方法であって、工業的環境に適した低コヒーレンス
レーザを用いるものを提供する。ファイバー内にブラッ
ググレーティングを書き込む単一のパルスを用いて光で
印する位相マスクの組み合わせは、高性能、低コストの
装置を可能にする。
【００６７】本発明の理解者は、他の構成及び実施例も
しくは上記の変形を考えつくであろう。特許請求の範囲
に含まれるこれらの全ては、本発明の一部であると考え
られる。
【００６８】
【発明の効果】本発明の感光性光導波路におけるブラッ
ググレーティング形成方法は、工業的環境に適した低コ
ヒーレンスレーザを用いることができる。低コヒーレン
スビームを用いたブラッググレーティングの書き込み
は、複数の装置を平行に製造するための手段を提供し、
実証された高フルエンスの工業的レーザ光源の使用を可
能とし、製造業のアラインメント工程を簡略化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 感光性光ファイバー導波路内に屈折率ブラッ
ググレーティングを光で印するためのフォトリトグラフ
装置の図である。
【図２】 光ファイバー内にブラッググレーティングを
光で印するためのフォトリトグラフ装置を示す図であ
る。
【図３】 光ファイバー内にブラッググレーティングを
光で印するための別のフォトリトグラフ装置の図であ
る。
【図４】 光ファイバー内にブラッググレーティングを
光で印するための別のフォトリトグラフ装置の図であ
る。
【図５】 光ファイバー内にブラッググレーティングを
光で印するための別のフォトリトグラフ装置の図であ
る。
【図６】 紫外線レーザ光源及び位相マスクフォトリト
グラフを用いて製造されるブラッググレーティングのス
ペクトル応答のグラフである。
【符号の説明】
１，２７…位相グレーティングマスク ３，２５…光ファイバー ５…細溝 ７…紫外線ビーム １９…光源 ２１…円柱レンズ ２３…コア ３３…ブロッカー ３５…０次ビーム ３７…空間振幅フィルター
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フランソワ・セ・ビドロー カナダ、オンタリオ、ネピーン、オーク リー・アベニュー18番 (72)発明者 ダーウィン・シー・ジョンソン カナダ、オンタリオ、ネピーン、スティ ルウォーター・ドライブ43番 (56)参考文献 特開 平２−58284（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−71851（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−114104（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−18502（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−235808（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−265709（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−3285（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−241008（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−238454（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−142722（ＪＰ，Ｕ) 特表 昭62−500052（ＪＰ，Ａ) 米国特許5104209（ＵＳ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖ ｏｌ．62（10）（８ Ｍａｒｃｈ 1993），ｐｐ．1035−1037 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02B 5/18 G02B 6/00 G02B 6/10 - 6/14

Claims (27)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光導波路の内部にブラッググレーティン
    グを形成する方法であって、 シリカガラス位相グレーティングマスクにおける表面形
    状が、使用する光の波長において０次の回折を抑制する
    ように選択されていて、このマスクを感光性光導波路に
    隣接かつ平行に配列し、 平行にされた１本の光ビームをマスクに垂直に入射しマ
    スクをとおして光導波路へ供給するブラッググレーティ
    ング形成方法。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載されたブラッググレーテ
    ィング形成方法において、 マスクは、光ビームの位相をπ＋２πｎ(rad)で変調す
    るように選択された表面レリーフパターンを有し、 上記レリーフパターンにおいて、｛４π（ｎsilica−
    １）Ａ｝／λ＝π＋２πｎの関係が成立し、ここで、Ａ
    は、表面レリーフパターンの深さであり、ｎ＝０，１，
    ２，３，であり、λは、光導波路内における屈折率変化
    を書き込む（光誘導）のに用いられる光の波長であり、
    ｎsilicaは、波長λでのマスクに用いられたシリカの波
    長λでの屈折率であるブラッググレーティング形成方
    法。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載されたブラッググレーテ
    ィング形成方法において、 断面における上記表面レリーフパターンは矩形波である
    ブラッググレーティング形成方法。
  4. 【請求項４】 請求項２に記載されたブラッググレーテ
    ィング形成方法において、 上記表面レリーフパターンの断面が正弦波であるブラッ
    ググレーティング形成方法。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載されたブラッググレーテ
    ィング形成方法において、 上記光ビームは、紫外光ビームであるブラッググレーテ
    ィング形成方法。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載されたブラッググレーテ
    ィング形成方法において、 上記光ビームは、レーザビームであるブラッググレーテ
    ィング形成方法。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載されたブラッググレーテ
    ィング形成方法において、 上記光ビームは、ＫｒＦエキシマレーザにより供給され
    るブラッググレーティング形成方法。
  8. 【請求項８】 請求項１に記載されたブラッググレーテ
    ィング形成方法において、 上記光導波路は、光ファイバーであるブラッググレーテ
    ィング形成方法。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載されたブラッググレーテ
    ィング形成方法において、 位相マスクグレーティングの細溝は、ファイバーの軸に
    直角またはほぼ直角に方向づけられているブラッググレ
    ーティング形成方法。
  10. 【請求項１０】 請求項８に記載されたブラッググレー
    ティング形成方法において、 位相マスクグレーティングの細溝は、ある角度で上記フ
    ァイバーの軸に方向づけられているブラッググレーティ
    ング形成方法。
  11. 【請求項１１】 請求項９に記載されたブラッググレー
    ティング形成方法において、 上記光ビームは、ＫｒＦエキシマレーザにより供給され
    るブラッググレーティング形成方法。
  12. 【請求項１２】 請求項１１に記載されたブラッググレ
    ーティング形成方法において、 上記マスクは、光ビームの位相をπ＋２πｎ(rad)（ｎ
    ＝０，１，２，３）により変調するように選択された表
    面レリーフパターンを有し、 上記レリーフパターンにおいて、｛４π（ｎsilica−
    １）Ａ｝／λ＝π＋２ｎπ（ｎ＝０，１，２，３）の関
    係が成立し、ここで、Ａは、表面レリーフパターンの深
    さであり、λは、光導波路内における屈折率変化を書き
    込む（光誘導）のに用いられる光の波長であり、ｎ
    silicaは、波長λでマスクに用いられたシリカの屈折率
    であるグレーティング形成方法。
  13. 【請求項１３】 請求項１２に記載されたブラッググレ
    ーティング形成方法において、 断面における上記表面レリーフパターンは、矩形波であ
    るブラッググレーティング形成方法。
  14. 【請求項１４】 請求項１３に記載されたブラッググレ
    ーティング形成方法において、 光ビーム断面の大きい寸法が、位相マスクグレーティン
    グの細溝に平行に位置づけされるブラッググレーティン
    グ形成方法。
  15. 【請求項１５】 請求項８に記載されたブラッググレー
    ティング形成方法において、 上記細溝がチャープされたものであるブラッググレーテ
    ィング形成方法。
  16. 【請求項１６】 請求項９に記載されたブラッググレー
    ティング形成方法において、 上記細溝がチャープされたものであるブラッググレーテ
    ィング形成方法。
  17. 【請求項１７】 請求項９に記載されたブラッググレー
    ティング形成方法において、 位相マスクは、細溝のピッチ及び深さのいずれか一方も
    しくは双方が変動するブラッググレーティング形成方
    法。
  18. 【請求項１８】 請求項１７に記載されたブラッググレ
    ーティング形成方法において、 光ビームは、紫外線ビームであるブラッググレーティン
    グ形成方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１に記載されたブラッググレー
    ティング形成方法において、 屈折レンズを、マスクと光ビームの供給される前の光導
    波路との間に設置することを含むブラッググレーティン
    グ形成方法。
  20. 【請求項２０】 請求項１９に記載されたブラッググレ
    ーティング形成方法において、 ０次光ビームに対する不透明なブロック手段を、マスク
    と光ビームの供給される前のレンズとの間に設置するブ
    ラッググレーティング形成方法。
  21. 【請求項２１】 請求項１９に記載されたブラッググレ
    ーティング形成方法において、 ０次及び２次の光ビームに対する不透明なブロック手段
    を、マスクと光ビームの供給される前のレンズとの間に
    設置するブラッググレーティング形成方法。
  22. 【請求項２２】 請求項１に記載されたブラッググレー
    ティング形成方法において、 さらに、位相グレーティングを通過する前のビーム分布
    を形作る空間振幅光フィルターを含むブラッググレーテ
    ィング形成方法。
  23. 【請求項２３】 請求項２２に記載されたブラッググレ
    ーティング形成方法において、 上記フィルターは、位相グレーティングを包含する面に
    向かい合うマスクの上に形成されるブラッググレーティ
    ング形成方法。
  24. 【請求項２４】 請求項２に記載されたブラッググレー
    ティング形成方法において、 次に、後で光で印されたグレーティングが、前に光で印
    されたグレーティングと位相が合って反射するように、
    縞パターンに対応する距離をマスク及び導波路の１方を
    他方に対し移動し、マスクを通って上記導波路に上記平
    行にされた光ビームを供給することを繰り返すブラッグ
    グレーティング形成方法。
  25. 【請求項２５】 表面上に平行な波形形状を有するシリ
    カガラスを備え、この波型形状は、使用する光の波長に
    おいて０次の回折を抑制するように選択されていて、シ
    リカガラスの表面上に、波形のピッチ及び振幅の少なく
    とも一方が変化する表面レリーフパターンが形成される
    グレーティングマスク。
  26. 【請求項２６】 表面上に平行な波形を有するシリカガ
    ラスの平板を備え、シリカガラスの表面上に表面レリー
    フパターンが形成され、この表面レリーフパターンの形
    状は、使用する光の波長において０次の回折を抑制する
    ように選択されていて、 さらに、上記パターンを有す
    る面の反対側の平板の面上に形成される空間振幅光フィ
    ルターを備えるグレーティング。
  27. 【請求項２７】 請求項２５に記載されたグレーティン
    グマスクにおいて、 さらに、空間振幅フィルターは、上記パターンを生じる
    面の反対側の平板の面上に形成されるグレーティングマ
    スク。
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