JP3935941B2 - 光媒体内に屈折率パターンを記録するための方法及び装置 - Google Patents

Description

発明の分野
この発明は光媒体内に屈折率パターンを記録するための装置及び方法に係り、光ファイバのような光導波路内に屈折率グレーテングを形成するための応用をもつものである。
背景
光ファイバの屈折率はそのファイバを高強度光にあてることによって変わることが知られている。ゲルマニウムをドープしたファイバはこのやり方で光に対する感度を示し、とくに紫外（Ｕ．Ｖ．）光に応答し、またこの効果がいわゆる屈折率グレーテングをファイバ内に形成するために使用できる。参考としてK.O.Hill et al,“Photosensitivity in Optical Waveguides:Application to Reflection Filter Fabrication”Applied Physics Letters Vol.32,No.10 647(1978)が挙げられる。このグレーテングは２つの干渉するビームで光干渉パターンを作ることによって形成でき、それによってファイバ内にパターンを記録する。この干渉パターンは、光ビームがファイバ中を長手方向に向かい、つぎにそれがファイバ中を通るその光路に沿って反射して戻るようにして、定在波パターンを作り、干渉パターンが光に対する感度を介してファイバ内に記録されるようにする。この方法は実用上制御がむづかしく、この方法でファイバに光をあてることができる長さに限界がある。
代りの方法では、レーザのようなコレーレント光源から得られたビームがファイバの長さに対して横方向に向けられて、互に干渉させてファイバの外部から干渉パターンを作り、それが光に対する感度の結果としてファイバ内に記録されるようにする。この目的で外部干渉パターンを作るためのブロックがEP-A-0 523 084に記述されている。
グレーテングを形成する別なやり方は位相マスクを使用することであり、ここでは所望の振幅パターンがマスクパターンとしてホログラフ手法で記録される。位相マスクはファイバの近くに置かれて、レーザ光で照らされて、ホログラフパターンにファイバが露光される。参考文献はK.O.Hill et al,“Bragg Grating Fabricated in Monomode Photosensitive Fibre by u.v.Exposure through a Phase Mask”Applied Physics Letters Vol.62No.10,1035(1933),とまたR.Kashyap et al“Light-sensitive optical fibres planar waveguides”, BT Technol.J.Vol 11,No.2(1993)がある。
屈折率グレーテングの既論については、“Photosensitive Optical Fibres:Devices and Applications”R.Kashyap,Optical Fibre Technology 1,17-34(1994)が参考文献としてある。
先行技術についての問題は、形成できる屈折率グレーテングの長さについて制限があることである。EP-A-0 523 084に記載されている技術によると、グレーテングパターンに対して１回に露光できるファイバの長さは外部インターフェースパターンを作るブロックの幅とビームのコヒーレンスとによって制限があり、一般には１ｃｍの程度である。位相マスクを用いると、ホログラフパターンは主として位相マスクの長さと、マスクを照らすために使われるコヒーレントな光ビームの幅とによって制限される。実際には、この幅は１ｃｍ程度であり、もっとももっと長いグレーテングが繰返し走査技術によって試みられてはおり、その記載はJ.Martin et al“Novel Writing Technique of Long Highly Reflective in Fibre Gratings and Investigation of the linearly Chirped Component”Proc.Conference on Optical Fibre Communications,OFC'94締切後論文PD29-1,138,1984にみられる。
屈折率グレーテングはブラッググレーテングとして動作するものであり、光データ通信システムでは数多くの応用があることは前記Kashyapにより論じられており、とくに波長フィルタとして使用することができる。このフィルタの帯域幅はファイバに沿ったグレーテングの長さの関数であり、したがって伸びた長さにわたってグレーテングを形成できることが望ましい。これまでのところこれがむづかしいことが証明されてきた。
発明の要約
この発明は、光媒体内に屈折率パターンを記録する代りの方法を提供するもので、それによるともっと長いグレーテングが形成できるようにする。
第１の観点に立ってこの発明をとらえると、光に対して感度をもつ屈折率をもつ光媒体内に屈折率パターンを記録するための装置が用意されており、その構成は動く光強度パターンを作るための手段と、動くパターンを作る際に該パターンを作るための手段が通る経路に沿って光媒体を供給するための手段とで成り、該媒体内にパターンを記録するようにしている。
パターンを作るための手段はパターンを形成するためのループ内に置かれた手段と、このループの循環の際に経路に沿って光媒体を供給するようする手段とを含んでよく、それによって光媒体内に長さ方向にパターンを記録するようにする。
この発明は光ファイバのような光導波路内に屈折率グレーテングを記録するために特に応用される。
このパターンを作るための手段（パターン形成手段）は閉ループ内に配置された位相マスクを含み、それによってループの回転の際にパターンが繰返し記録される。光ファイバに対して：このパターンはファイバの長さに沿って長手方向に記録できて、例えば１ｍとかそれよりも長い程度の延在する長さをもつグレーテングを形成することにしている。
位相マスクは回転ディスク（円板）上に形成されてよい。代って、位相マスクは円筒状部材の表面上に記録されてもよく、その構成は光がその内部から光パターンが外部に形成されるように向けられるようにする。
回転部材はシリカで作ることができ、位相マスクは回転部材の平面上に形成された空間的に周期性をもつ波状形状(undulation)を含むものでよい。
この発明はまた、光に対して感度をもつ屈折率を備え、光放射用の延在する経路を含んでいる光媒体内に、屈折率パターンを記録する方法を含んでおり、この方法の構成は、光強度パターンを作るための装置を用いて、光媒体内の経路の長さに沿って複数回パターンが記録されるようにすることを含んでいる。
この発明には、さらに、光に対して感度をもつ屈折率を備え、光放射に対する延在する経路を含んだ光媒体内に、屈折率パターンを記録するための方法として、その構成が光媒体内の経路の長さに沿って光強度成分パターンを実質的に連続して継続して記録して、前記成分から長く延びた結果パターンを形成するようにすることを含んでいる。
別な特徴として、この発明は光に対して感度をもっている屈折率を有する光媒体内に屈折率パターンを記録するための装置を提供しており、その構成は光強度パターンを作るためのループ内に配置された手段と、該媒体を該パターンに露光させるための手段とを含み、媒体内に直線上にパターンを記憶するようにしている。
したがって、この発明によると、延長されたパターンが媒体内に記録できる。
【図面の簡単な説明】
この発明をより完全に理解できるようにするために、その実施態様を添付の図面を参照して例として記述して行く。
図１は、光ファイバ内に屈折率パターンを記録するための第１の装置の模式的な平面図である。
図２は、図１に示したＡ−Ａ′−Ａ″−Ａ′″線に沿ってとった拡大断面図である。
図３は、図１に示したディスク（円板）の模式図で、ディスク上に記録された位相マスクの半径方向の配置を説明するためのものである。
図４は、この発明による第２の実施態様を模式的に示す。
図５は、この発明による第３の実施態様を模式的に示す。
図６は、この発明による第４の実施態様を模式的に示す。
図７は、この発明による第５の実施態様を模式的に示す。
図８は、この発明の第５の実施態様により形成された屈折率グレーテングを含むファイバの例示である。
図９は、この発明による、光ファイバ内の屈折率グレーテングを記録するための別の装置の模式的平面図である。
図１０は、図９に示した装置の断面図である。
詳細な説明
先ず図１を参照すると、光屈折率グレーテングは光に対して感度を有する光ファイバ１内に記録され、回転ディスク３内に記録された位相マスク２を使用して作られる光干渉パターンという手段によって記録される。図２は図１のＡ−Ａ′−Ａ″−Ａ'''線に沿ってディスクを通る部分を示す。図２では、位相マスクはよりはっきりと見ることができ、ディスクの表面に切られた一連の半径方向に延びる溝４で成り、それによって回折格子として動作するようになる。このディスクは固定の位置にあるレーザからのコヒーレント光で照明され、レーザは例えば２４４ｍｍのＵ．Ｖ．波長で動作し、その様子が矢印Ｂで示されている。照明の横方向のひろがりは図１で破線で示した円５により模式的に示されている。ディスク３はレーザからのＵ．Ｖ．光に対して透明な材料で作られ、屈折率ｎ＝１．４６をもつ溶融石英で簡便に形成される。典型的な例では、ディスクは半径４０ｍｍ、厚さｘ＝３ｍｍである。溝４は本質的に従来形の技術によって形成でき、例えば、電子ビームリソグラフィとか選択性エッチングによるとか、あるいはマスクを用いたホトリソグラフィとそれに続く選択性エッチングによる。こういった従来技術の詳細については、参考文献としてC.Dix and P.F.Mckee,J.Vac.Science Technology Vol10,No.6 pp266-267(1992)がある。溝４の一般的な深さは０．２６μｍで図に示したパターンの空間周期Λは１μｍ９オーダーである。
Ｂの方向にディスク３に入射するレーザ光は位相マスクパターン２によって回折されて、第１と第２の回折されたビーム６，７を作るようにされ、これらが重なって、領域Ｃ内に回折パターンを形成する。光ファイバ１は回折パターンの領域を通って延びている。光ファイバはクラッド９で囲まれているコア８で成り、クラッドはコアよりも小さな屈折率をもっている。ファイバは一般にシリカファイバで、光に対して感度を有するコアはＧｅとＢとが一緒にドープされていてよい。コアはＵ．Ｖ．光でレーザからの波長２４４ｎｍのものに対して光感度を有している。その結果として、屈折率パターンがそれ自体よく知られている方法でファイバ１のコア８内に記録され、図２に点線で概要を示した屈折率パターンを形成し、その構成はファイバの露光された領域の長さに沿って比較的高い屈折率と低い屈折率１０ａ，１０ｂとの一連の領域で成る。参考文献として、G Meltz et al“Formation of Bragg Grating and Optical Fibres by Transverse Holographic Method”Opt.Lett. Vol.１４，Ｎｏ．１５ ８２３（１９８９）がグレーテング内に屈折率パターンを記録する一般的な吟味のためによいことを指摘する。ファイバのコアの直径は８μｍのオーダーでよく、クラッド９の外径は１２５μｍのオーダーのものでよい。ファイバＣの長さはすなわち干渉パターンに露光されるところは１ｍｍのオーダーでよい。
この発明は屈折率グレーテングが領域Ｃよりももっと長い長さに書き込まれるようにする。図１を参照して、ディスク３が矢印Ｄで示した方向に中心軸１１の周りに回転するようにマウントされていて、モータ（図示せず）により駆動される。位相マスク２が円形で連続するループとして作られていて、それがディスク３の回転軸１１と同心となっている。したがって、ディスクが回転すると、それがレーザによって作られる照明５の固定領域５を通って過ぎて行き、その結果、動く干渉パターンが領域５内部に形成され、このパターンはディスク３と同じ速さで回転する。
光ファイバ１は領域５を通って駆動されるので、回転する干渉パターンと同期することになる。この目的に向かって、光ファイバはモータ１３により案内ローラ１４，１５（共通の支持体１６上にマウントされている）を介して駆動されるプーリー１２により引っ張られる。ファイバ１はディスク３の軸１１に関して半径Ｒ₁に置かれている。回転する干渉パターンと移動するファイバ１との同期を達成するために、次の条件が満足されることを要する：
ωＲ₁＝ｖ
ここでｖはファイバ１のＥの方向に動く速度であり、またωはディスク３の回転速度である。
ファイバの速度ｖとディスクの回転速度ωとは干渉パターン５に対してファイバが適切な露光時間を得るように選ばれて、ファイバコア８内にパターンの満足な記録が得られるようにする。一例では、ファイバ速度ｖはファイバ露光時間がｍｍ当り数分台となるように選ばれた。
ファイバ内に記録されたパターンの空間周期は図１に示した支持体１６を半径方向にディスクの内外に移動するこにとより調節できる。このことは図３を参照してより詳しくここで説明するが、この図は位相マスク２の２つの半径方向の溝４を拡大して示してあり、溝は小さな角δθだけ開いている。特定の半径Ｒ₀に対して、パターンΛ₀の空間周期は次式で与えられる：
Ｒ₀δθ＝Λ₀
同様に、やや大きな半径Ｒ′に対しては、空間周期Λ′は次式で与えられる：
Ｒ′δθ＝Λ′
したがって、Λ′＝（Ｒ′／Ｒ₀）Λ₀となることが分る。
したがって、パターンの空間周期Λ′はディスク３の半径方向内外の移動によって選ぶことができる。図１の実施例では、これが移動可能な支持体１６によって行なわれ、ファイバ１が内方または外方へ移動できるようにして位相マスクの所望空間周期を選ぶようにし、それによってファイバ内にパターンが形成されるようにしている。これはファイバ内に記録されるパターンの微細同調用に使用できるし、また大きな距離にわたって移動することによって周期そのものを選択できる。図３を参照すると、半径方向の位相マスクパターン２の３つの帯が示されており、参照番号は２ａ，ｂ，ｃであり、それぞれ１．５μｍ、１．３μｍ、０．８５μｍの領域に屈折率グレーテングを記録するためのものである。マスクパターン用の対応するΛ値はそれぞれ１．０６６μｍ、０．９０４μｍ、０．９０４μｍであった。
図４は別の実施例を示し、ここでは位相マスク２が中空円筒体１７の外表面上に記録されており、円筒体１７はモータ１８により矢印Ｄの方向に回転される。円筒体１７はレーザ（図示せず）からのＵ．Ｖ．照明光に対して透明で、それが本体１７内部の光路Ｂ上をミラー１９に向けて進み、それによって円筒体を通ってその外部へ反射されて、位相マスクパターンが円筒体１７の半径方向外側に形成される。
ファイバ１は円筒体１７の外表面と接触して経路に沿って駆動され、それによって干渉パターンがファイバ内に記録される。図１のように、ファイバはモータ１３により駆動されるプーリー１２により引張られる。モータ１３の速度はモータ１８と関係する制御手段２１により電気系２０を介して制御でき、位相マスクにより作られた回転する干渉パターンとファイバ１に対する駆動速度との同期を維持するようにしている。図４の構成は図１の構成におけるよりもファイバが長い時間帯にわたって露光できるという利点があり、それは円筒体１７の回転軸に対して一定の半径にファイバが保たれることによる。
上記の装置に対しては沢山の変形や修正が可能である。例えば、図４の実施例では、円筒体は固体であり、レーザビームはその上面を通って斜めに向けられて、ミラー１９を使用しないようにする。また、円筒体は円錐形とし、ファイバ駆動機構を上下に移動することによって、パターンの空間周期が変えられて波長同調がされるようにする。また、図４の実施例に対しては、ファイバに張力を加えて記録されたパターン周期の微調整ができる。ファイバは円筒体の周りに複数回巻くことができる。
また記述した両方の実施例に対して、記録したパターン内の変化が記録したパターンの長さに沿って得られ、例えばファイバの相対速度ｖと位相マスクパターン２の回転速度ωとに微かな変化を導入することによってそれができる。このプロセスは記録されたパターン内にチャープを導入するために使用できる。また、位相マスクパターンはファイバ内にブレーズしたグレーテングを作るために使うことができる。
別な実施例を図５を参照して記述することとし、これは図４の修正として考えることができる。この構成では、円筒体１７には位相マスクパターン２があり、静止しており、ファイバ１が円形の位相マスクの周りに複数回２０巻かれている。ミラー１９が回転軸２０上に置かれていて、モータ（図示せず）によって駆動されて、レーザ２１からの光ビームがパターンの周りの円形経路内で走査される。したがって、ドラムの周りのパターンが成分パターンとして考えられるとすると、この成分パターンがドラムの周りのファイバのそれぞれの巻回について複数回、連続した関係で記録される。こうして、屈折率グレーテングが円筒体１７の周りに巻かれたファイバ１の巻回２０の複数回続いたパターンとして記録される。
図６を参照すると、この発明の第４の実施例が示されており、そこではチャープした屈折率グレーテングから線状のプレーナ導波路２２内に記録されており、この導波路は本来よく知られている方法でシリカ板２３の表面に形成されている。例えば、シリカ板２３にはＧｅ：Ｂを一緒にドープする技術によって光に対して感度をもつ表面コーテングを備えており、それから線状パターンを形成するためにホトエッチングされている。導波路２２は点Ｘとほぼ同心上に作られていることが分ると思う。
板２３はガラス板２４内に記録された位相マスク２によって重ねられる。この位相マスクは図１と２とに示したマスク２と同じようにして形成される。しかし、この板２４は回転しない。パターン２の中心１１は板２３上のら線導波路パターンの中心Ｘと同軸となるように配置される。レーザ２１は図示されていない手段上にマウントされて、位相マスクの円形パターン２と同心の円形経路２５内を動くようにされる。レーザからのビームＢは位相マスクを照明し、それに従ってそこからの屈折率パターンをら線導波路２２内に記録する。代って、Ｕ．Ｖ．ビームＢを固定し、導波路２２と位相マスクとのアッセンブリイを対応するように動かして走査を行なうことができる。
半径方向に外へ向かって延びるパターン２内のリッジのために、ら線導波路２２内に記録されたパターンの周期間隔はら線パターンの半径方向で最も内側の巻回では小さく、外側の巻回ほど次第に大きくなる。その結果、パターンにはチャープが与えられる。したがって、第４の実施例は光遠隔通信目的で使用できるチャープ形フィルタの記録をできるようにし、例えば光ファイバの長さにわたって生ずる分散の効果を再生できるものとなる。
図６の実施例の修正には、提示したプレーナ導波路に代って、ら線パターンにもしくはコイル状に配置された光ファイバの使用が含まれる。
この発明の第５の実施例は図７に示されており、そこではプレーナ位相マスク２６が使われており、光ファイバ１の長さと整列がとれている。導波路内にグレーテングを記録するために、レーザ２１のビームＢが矢印Ｅ−Ｅ′の方向に位相マスク２６の長さの長手方向に走査される。このファイバは位相マスクの各端でクランプ２７，２８を使って保持されており、クランプには圧電素子が含まれていて電気的な発振源２９によって駆動できるようにし、それによってファイバを長手方向に引張ったり緩めたりすることが振動するやり方で行なわれ、しかもビームＢの走査の速さに比して相対的に速くなるようにしている。繰返しの引張りと緩和とをファイバ１に加えることは記録したパターンのアポディゼーション（隣接像の重なりの制御）を生じ、このことの詳細は参照文献（当社のＰＣＴ／ＧＢ９６／０３０７９，１９９６年１２月１２日出願）に記載されているところである。
図７に示す装置は一連の成分屈折率グレーテングパターンを記録するために使用することができ、実質的に連続したパターンとしてファイバ１の長さに沿って記録される。したがって、第１のグレーテングパターンが今記述したように記録されると、クランプ２７，２８が緩められて、ファイバがクランプ間で長手方向に滑り、その量は位相マスク２６の長さと対応している。次にクランプは再び締めつけられて記録プロセスが繰返されて、第１のパターンと実質的に連続して第２のグレーテングパターンを形成する。このプロセスは何回も繰返されて十分な長さの結果パターンを形成するようにする。アポディゼーションとしてクランプ２７，２８と発振器２９とによって実行されるものは、結果として得られた長いグレーテングの端の成分間に在る記録されたパターン成分上で実行される必要はない。アポディゼーションは結果として記録されたパターンの端にだけ適用されることを要する。これにはファイバ１を圧電デバイスの一方だけと振動させるやり方で引張ることにより行なえる。言い換えれば各端パターンに対して一端だけから振動態様で引張ればよい。ファイバ内に記録された隣接するパターン成分間の連続する接合部はＵ．Ｖ．光を用いてトリミングをしてパターン成分の位相コヒーレンスを得るようにしてよく、ここで行なわれるＵ．Ｖ．トリミングは当社のＰＣＴ／ＧＢ９４／００１８０号（１９９４年７月３１日出願）に記載されている。
このプロセスは同じファイバ上で、別の、実質的に連続している位相に対して同じ位相マスクで繰返して長いグレーテングを作ることができ、この場合には引張りによるアポディゼーションは長いパターンの端で非対称に加えられることになる。代りに、異なる空間周期をもつ位相マスクがチャープしたパターンを作るために使用できる。記録されたパターンはアポディゼーションプロセスによりそれらの接合で整合しているか、接合を整合させるためにアポディゼーションを加えなくてもよいかである。
結果として作られた記録されたパターンは図８の光ファイバ内に示されている。このパターンは一連の成分パターン１０¹，１０²，１０³で成り、それらがファイバ１の長さに沿って連続して記録されている。アポディゼーションはこの例ではパターン１０間の接合部を伸ばすことにより加えることをしていない。この光ファイバは図１について記述したのと同じ寸法と光に対する感度特性とを備えている。驚くべきことに、連続して記録したパターンは満足する整合を得るためにそれらの接合部でアポディゼーションを必ずも要しないことである。
この発明の別な例を図９と１０とに示し、これらは図１と２とに示した実施例の変形と考えられる。図９と１０とを参照すると、回転ディスク３があって前述のように位相マスク２が備えられている。キャプスタン３０がディスク３に取付けられていて、この構成が軸３１の周りに回転するように取付けられている。円形の溝３２がキャプスタン３０のベースの周りに作られていて、そこで光ファイバを受入れる。図９に示すように光ファイバはキャプスタン３０の周りに溝３２の中で巻かれていて、モータ１３により駆動されるプーリー１２へ溝から出て導かれる。軸３１は駆動されていない。モータ１３の動作時には、プーリー１２はファイバ１を駆動し、それがキャプスタン３０をディスク３と一緒に回転させる。こうして、ファイバはキャプスタンの回転により円形経路内を移動し、位相マスク２と同期した移動により、ファイバの露光が図１を参照して前述したように実行できる。この構成を図１と比較したときの利点は、ファイバ１と位相マスク２とが露光プロセス中は厳格に同期を保つようにしていることである。
記述した装置には利点として、ファイバに１ｍを越える長さをもつグレーテングで持つ書込みができることであり、その結果極めて狭い帯域幅をもつ屈折率グレーテングもしくは特別なチャープをもつ屈折率グレーテングを生むことである。
また、位相マスクパターンは多数の違った方法で用意できる。例えば、パターンは厚い写真フィルム内にホログラフとして形成でき、フィルムを長いベルトの形とすることができて、ベルトがレーザ光で照明されるパターン記録点を通って同期して走るようにできる。パターンは必ずしもホログラフパターンである必要はなく、シャドウマスクによって作ることもできる。他の数多くの修正と変形とが以下に述べる請求項の範疇に入ることは当業者にとっては明らかなことであろう。

Claims (5)

1. 伸長した光経路内に屈折率パターンを記録するための装置であって、該経路は光放射を導くために適合され、感光性屈折率を有する光媒体を含み、
   固定支持部材であって、中心軸の周りで実質的に円形の経路に沿って該部材の上を延びる屈折パターンを有するものと、
   該屈折率パターンを照射し前記光経路へ該屈折率パターンを放出するための光放射源であって、前記経路上に光パターンをもたらす屈折率パターン上に照射領域を形成する放射源と、
   該照射領域と該固定支持部材とを互いに相対的に回転移動するように構成された回転手段であって、使用時に、該屈折パターンが該光媒体に沿って複数回連続して記録されるように構成された回転手段を備える装置。
2. 前記固定支持部材は回転軸の周りを該回転手段によって回転可能であり、該屈折率パターンは前記回転軸の周りで同軸に構成されており、前記回転手段は前記回転軸の周りに該固定支持部材を回転させるモータを含む、請求項１に記載の装置。
3. 該支持部材は中空体であり、前記光パターンをその外側に形成するように放射が内部から該中空体を通り向けられるように該光放射源が構成される請求項２に記載の装置。
4. 該中空体は円筒形である請求項３に記載の装置。
5. 該支持部材は概して平面ディスクを備える請求項２に記載の装置。

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