JP4376531B2 - グレーティングの形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位相マスク法によって基板や光ファイバなどにグレーティングを形成する方法に関し、特に量産性に優れたグレーティングの形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
露光技術を利用して、基板や光ファイバなどにグレーティングなどのような周期的な屈折率の変調構造を形成する方法として、位相マスク法が広く用いられている。
図１１は、位相マスク法によるグレーティングの形成方法の工程の一例を示す概略図である。位相マスク法では、回折格子１２が形成された位相マスク１１に、露光用の光１３を入射させて回折させ、回折光１４とする。この回折光１４は互いに干渉し合い、周期的な光強度分布をもって伝播する。この周期的な光強度分布をもった光の伝播領域（以下、干渉領域１５と言う。）に、基板や光ファイバなどの周期的な変調構造を形成しようとする光導波路部品（図示省略）を設置し、露光技術などにより、グレーティングなどの屈折率の周期的な変調構造を形成する（特許文献１〜３参照。）。
【０００３】
前述した位相マスク法では、位相マスク１１と大気との屈折率の差によって位相マスク１１の表面にて光の一部が反射される。
図１２は、位相マスク２１の回折格子２２にて入射光２３の一部が反射された状態を示す概略図である。この回折格子２２にて反射された光２６は、入射方向とは逆方向に位相マスク２１内を伝搬し、回折格子２２が形成された一方の主面２１ａに対して対向配置した他方の主面２１ｂにて反射光２６の一部は反射され、再び回折格子２２に向かって伝搬する。
前記したように回折格子２２にて反射された光２６は、再度回折格子２２に到達することになるが、このとき回折格子２２にて回折されると、回折光（以下、反射回折光２７と言う。）として位相マスク２２から出射される。この反射回折光２７の伝播経路が、前記干渉領域２５と重なると、この干渉領域２５の周期的な光強度分布を乱してしまい、所望の屈折率の変調構造を光ファイバのコアに形成できない問題が生じる。
【０００４】
そこで、図１３に示されたように、回折格子３２が形成された一方の主面３１ａに対して対向配置した他方の主面３１ｂに反射防止膜８を設ける方法が提案されている（特許文献４参照。）。反射防止膜８は、誘電体膜から構成され、特定の波長の光の反射を抑制できるものであり、例えば基板上に異なる屈折率を有する誘電体膜が多層に成膜されたものなどが挙げられる。
前記したように反射防止膜８を設けることによって、例えば４％程度の反射量を０．５％以下に低減することができ、反射光３６が再び回折格子３２に到達し反射回折光となって干渉領域３５の周期的な光強度分布を乱すことがない。
【０００５】
しかし、位相マスク３１に入射する光３３は２４０ｎｍ付近の紫外光であり、この紫外光を長時間又は高強度で反射防止膜８に照射すると、反射防止膜８が変質し、反射抑制機能が低下してしまう。このため、量産レベルでグレーティングを形成する際、紫外光の照射時間と共に、この反射防止膜８は劣化して反射量が増加することとなり、安定して光導波路部品にグレーティングを形成することが難しい。
この問題点を解決するためには、反射防止膜８が劣化する前に、この反射防止膜８を取り除き、新たなものに交換する必要がある。
【０００６】
更に、位相マスク３１は、定期的に酸やアルカリなどの溶液を用いて化学洗浄を行い、表面に付着した汚れなど除去する必要がある。反射防止膜８は、この化学洗浄においても変質劣化してしまうため、洗浄を行う毎に、反射防止膜８を交換する必要がある。
以上のように、反射防止膜８を使用する場合、反射防止膜８の点検や交換にかかる作業が必要となり、作業工程が増えてしまい、光ファイバグレーティングの量産の妨げとなる。また、反射防止膜８を使用するために製造コストが高くなってしまう。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１１６９３４号公報
【特許文献２】
特開２００１−１４１９４３号公報
【特許文献３】
特開２００２−０４８９２７号公報
【特許文献４】
特開平１１−１３３２２０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記した事情に鑑みなされたものである。すなわち反射防止膜などを使用せずに反射光による影響を無くし、これにより安定して所望のグレーティングを形成でき、かつ量産性に優れたグレーティングの形成方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、回折格子が形成された透光性の基板から構成された位相マスクに、露光用の光を透過させて回折光とし、該回折光が互いに干渉し合い周期的な光強度分布となる領域に、光感受性をもった光導波路部品を配することによって、該光導波路部品を露光しグレーティングを形成するグレーティングの形成方法であって、以下の式（１）を満たす位相マスクを使用することを特徴とするグレーティングの形成方法である。
【数２】

（但し、ｔ，ｎ，Λは、それぞれ位相マスクの厚さ，屈折率，位相マスクに形成された回折格子の周期を示し、λ，ｗは、それぞれ露光用の光の波長，ビーム幅を示す。）
請求項２に係る発明は、前記露光用の光のビーム幅が、１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のグレーティングの形成方法である。
請求項３に係る発明は、前記位相マスクへの露光用の光の照射点を移動させながら、前記光導波路部品にグレーティングを形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のグレーティングの形成方法である。
請求項４に係る発明は、前記光導波路部品が光ファイバであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のグレーティングの形成方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
図１は、グレーティングを形成するために用いる装置の要部の一例を示す概略図である。符号１は、位相マスクであり、この位相マスク１は、石英ガラスなどの透光性の基板から構成され、その一方の主面１ａに回折格子２が形成されたものである。位相マスク１に光３が照射されると、回折格子２にて光３が回折し、回折光４となって位相マスク１から出射されるようになっている。
特に、回折格子２は、０次回折光の発生を抑えて−１次回折光４ａ及び＋１次回折光４ｂの光強度が強く現れるように、格子の周期などの回折格子２の大きさや形状が調整されている。前記回折格子２としては、例えば位相マスク１に入射した光３の０次回折光への回折を１〜３％程度、−１次回折光４ａ及び＋１次回折光４ｂへの回折をそれぞれ３５％程度とすることができるものなどが形成される。
【００１１】
前記位相マスク１の他方の主面１ｂの上方には、露光用の光源（図示省略）が設けられており、位相マスク１の他方の主面１ｂに向かって露光用の光３を照射できるようになっている。露光用の光３としては、例えば２５０ｎｍ付近の紫外線レーザなどが挙げられる。
【００１２】
次に前記した装置を用いて光導波路部品にグレーティングを形成する方法について説明する。まず位相マスク１の他方の主面１ｂに光源から光３を照射する。光３は位相マスク１内部を透過し、位相マスク１に形成された回折格子２にて回折され、−１次回折光４ａ及び＋１次回折光４ｂとして位相マスク１の一方の主面１ａから出射される。前記−１次回折光４ａ及び＋１次回折光４ｂは、伝播経路の重なった空間にて合波され、周期的な光強度分布をもつことになる。この−１次回折光４ａ及び＋１次回折光４ｂの伝播経路の重なった領域を以下、干渉領域５と言う。
前記した干渉領域５に、光感受性をもった光導波路部品（図示省略）を配置することによって、干渉領域５の光が光導波路部品にあたり、この干渉領域５の光強度分布に応じて光導波路部品の屈折率が変化し、グレーティングが形成される。
前記光感受性をもった光導波路部品とは、光が照射されると屈折率が増加又は減少する性質をもったものである。例えば紫外光などの光が照射されるとコアの屈折率が上昇する性質（以下、光誘起屈折率変化とも言う。）をもったものなどが挙げられる。このような性質をもった光導波路部品としては、光ファイバや石英基板に酸化ゲルマニウムなどが添加されたものなどが挙げられる。
【００１３】
前記したように位相マスク１に入射した光３が回折格子２にて回折される際、同時に入射光３の一部は回折格子２にて反射され、反射光６となる。この反射光６は、従来の技術でも述べたように、位相マスク１の他方の主面１ｂに向かって伝搬し、この他方の主面１ｂにて反射されて再び回折格子２に向かって伝搬し、そして回折格子２にて回折されて回折光（以下、反射回折光７と言う。）となり、干渉領域５の周期的な光強度分布を乱す原因となる。
以下に、本実施形態にて用いる位相マスク１に形成された回折格子２について更に詳細に説明するとともに、この回折格子２にて反射された反射光６について説明する。
【００１４】
本実施形態では、位相マスク１として以下の式（１）を満たす回折格子２が形成されたものを使用する。ここで、式（１）中及び本明細書中、ｔ，ｎ，Λは、それぞれ位相マスク１の厚さ，屈折率，位相マスク１に形成された回折格子２の周期を示し、λ，ｗは、それぞれ露光用の光３の波長，スポット径を示す。
【００１５】
【数３】

【００１６】
図２は、前記位相マスク１の回折格子２周辺を示す拡大図である。位相マスク１に入射した光３は、前述したように回折格子２にて回折され、位相マスク１の一方の主面１ａより出射される。このとき、入射光３の一部は回折格子２にて反射され、反射光６として、位相マスク１の他方の主面１ｂに向かって伝搬する。
入射光３の波長における１次回折角をθとすると、このθは以下の式（２）を満たす。
ｓｉｎθ＝λ/（ｎΛ） （２）
【００１７】
前記反射光６の一部は、位相マスク１の他方の主面１ｂにて反射され、再度、位相マスク１の回折格子２に到達する。入射光３が回折格子２にて反射される地点と、入射光３が回折格子２にて反射され反射光６となって再度、回折格子２へ到達する地点との距離ｘは、以下の式（３）によって表される。
更に、前記式（２）をこの式（３）に代入して式変形すると、ｔは以下の式（４）で表される。
【００１８】
【数４】

【００１９】
【数５】

【００２０】
前記式（４）がｘ≧ｗを満たすとき、回折格子２は前述した式（１）を満たすことになる。すなわち、入射光３が回折格子２にて反射される地点と、入射光３が回折格子２にて反射され反射光６となって再度、回折格子２へ到達する地点との距離ｘが、入射光３のビーム幅ｗ以上となる。このとき、図１に示されたように、１次回折光４ａ及び＋１次回折光４ｂの伝播経路が重なってできた干渉領域５と反射回折光７の伝播経路とが重ならず、干渉領域５の光強度分布が反射回折光７によって乱されることがない。
このため、安定して所望のグレーティングを製造できる。更に、反射回折光７による影響がないため、従来のように反射防止膜を使用する必要がなく、紫外光を長時間又は高強度で照射しても、反射抑制機能が低下してしまうことがなく安定してグレーティングを製造できる。また従来のように、反射防止膜の反射抑制機能が低下したときや位相マスク１の洗浄を行う毎に、反射防止膜を交換する必要がない。このように、反射防止膜の点検や交換にかかる作業がないため、作業性に優れ、優れた量産性が実現できる。
【００２１】
以下に、本発明を具体的に説明する。
[具体例１]
位相マスク１の厚さ（ｔ）が１０ｍｍ、回折格子２の中心周期（Λ）が１．０７４μｍ、回折格子２の周期チャープ率が０．１３７ｎｍ／ｍｍ、主面の幅が１２０ｍｍの位相マスク１を用意する。
また、露光用の光３として、波長（λ）が２４４ｎｍ、ビーム幅（ｗ）が２ｍｍのアルゴンイオンレーザの第２高調波を用いる。ここで、ビーム幅とは、ビームの光強度スペクトルにおいて光強度が最大値の半分となる地点でのスペクトル幅として求めたものである。
【００２２】
前述した式（１）の右辺に、前記した各パラメータを代入すると、式（１）はｔ≧６．５ｍｍとなる。本具体例で使用する位相マスク１の厚さは１０ｍｍであるため、この位相マスク１は、式（１）を満たしているものであることがわかる。
図３は、前記位相マスク１上のレーザ光３の照射位置を走査しながらレーザ光３を位相マスク１に照射したとき、レーザ光３が回折されてできた１次回折光４の光強度とレーザ光３の照射位置との関係を示す図である。位相マスク１上のレーザ光３の照射位置が変化しても１次回折光４の光強度はほとんど変化せず、ほぼ一定の光強度であることがわかる。このことから反射回折光７の伝播経路が１次回折光４の伝播経路と重なっておらず、反射回折光７によって１次回折光４の光強度が乱されていないことが分かる。
【００２３】
次に、光感受性をもった光導波路として、コアのうち中心から直径１０μｍの領域に酸化ゲルマニウムが３．５重量％添加されたシングルモード光ファイバを用意する。この光ファイバは、予め１０ＭＰａの水素雰囲気中にて５日間、光感受性を増加させるための処理を行ったものである。
図１に示されたように、回折格子２が形成された一方の主面１ａを下方に向けて前記位相マスク１を設置し、更にこの位相マスク１の他方の主面１ｂの上方にレーザ装置を設ける。そして、位相マスク１にレーザ光３を照射したとき、このレーザ光３が回折格子２にて回折されて＋１次回折光４ａ及び−１次回折光４ｂとなり、位相マスク１の一方の主面１ａから下方に向かって出射され、これらの伝播経路が重なることで干渉領域５が得られるようにする。
【００２４】
コアのうちグレーティングを形成する部分が、前記干渉領域５ができる位置にくるように光ファイバを設置する。
そして、光ファイバが露光される範囲（以下、グレーテング露光長）を１００ｍｍとする。また、レーザ３を照射する際、前記１００ｍｍの両側から１０ｍｍの範囲には、露光時間を短くして露光による屈折率変化がｔａｎｈの関数で表されるようにアポダイズする。これにより、透過反射特性においてサイドローブが抑制できるグレーティング構造が光ファイバに形成されるようにする。また、露光量は、形成されたグレーティングの透過損失が約１０ｄＢとなる量とする。
【００２５】
以上の露光条件にて、レーザ光３を位相マスク１に照射し、−１次回折光４ａ及び＋１次回折光４ｂが合波されてできた干渉領域５をつくる。この干渉領域５が形成される位置には、前記したように予め光感受性をもった光ファイバが設けられているため、この干渉領域５の周期的な光強度分布に応じて光ファイバのコアの屈折率が上昇し、グレーティングが形成される。そして、位相マスク１上のレーザ光３の照射位置を走査して、光ファイバのコアのうちグレーテング露光長の範囲にグレーティングを形成する。
【００２６】
図４及び図５は、前記した方法により製造された光ファイバグレーティングの光学特性を示し、図４は透過スペクトルであり、図５は反射スペクトルである。図中、縦軸の透過特性及び反射特性とは、製造された光ファイバグレーティングに光を入射させたときの透過光又は反射光と、入射光との比をデシベルで表示したものであり、絶対値が大きいほど損失が大きいことを意味する。
透過スペクトルには、１５５４．３ｎｍ〜１５５５．８ｎｍの波長帯においてほぼ一定の透過損失が得られている。前記１５５４．３ｎｍ〜１５５５．８ｎｍの波長帯以外の波長範囲では、透過損失はほぼ０であり、ほぼ完全に透過できることがわかる。そして反射スペクトルでは、１５５４．３ｎｍ〜１５５５．８ｎｍの波長帯において反射損失はほぼ０であり、ほぼ完全に光を反射できていることがわかる。また、前記１５５４．３ｎｍ〜１５５５．８ｎｍの波長帯以外の波長範囲では、反射損失は−４０ｄＢ以下であり、反射することなくほぼ完全に透過されることがわかる。
【００２７】
更に、この光ファイバグレーティングの光学特性を評価するために、以下に示されたようにシミュレーションにより光学特性を算出し、光学特性の比較を行う。
図６及び図７は、グレーティング周期が０．５３７μｍ、グレーティング周期のチャープ率が０．０６８５ｎｍ／ｃｍ、グレーティング長が１００ｍｍの光ファイバグレーティングの光学特性をシミュレーションにより計算した結果を示す。ここで、シミュレーションの際、具体例１と同様に、グレーティングの両側の１０ｍｍの領域にはそれぞれｔａｎｈの関数で屈折率変化をアポダイズされているとして光学特性を算出した。
具体例１にて製造された光ファイバグレーティングの光学特性は、前記シミュレーションによって得られた計算結果とほぼ同一であり、目的の光学特性が得られていることがわかる。
【００２８】
[具体例２]
位相マスクの厚さ（ｔ）が２．３ｍｍであり、式（１）を満たしていない位相マスクを使用する以外は、具体例１と同様にして光ファイバグレーティングを製造する。
図８は、位相マスク上のレーザ光の照射位置を走査しながらレーザ光を位相マスクに照射したとき、出射された１次回折光の光強度とレーザ光の照射位置との関係を示す図である。位相マスク上のレーザ光の照射位置が変化するに従い、１次回折光の光強度が変化しており、反射回折光の伝播経路が１次回折光の伝播経路と重なり、この反射回折光によって１次回折光の光強度が乱されていることが分かる。
【００２９】
図９及び図１０は、具体例２にて製造された光ファイバグレーティングの光学特性を示し、図９は透過スペクトルであり、図１０は反射スペクトルである。
透過スペクトルには、１５５４．３ｎｍ〜１５５５．８ｎｍの波長帯において周期的な変動がみられ、一定の透過損失が得られていない。そして反射スペクトルでは、１５５４．３ｎｍ〜１５５５．８ｎｍの波長帯以外の波長範囲のうち、特に１５５６ｎｍ以上の長波長帯域では、反射損失が−２６ｄＢ〜−３０ｄＢあり、完全に透過できておらず、一部が反射していることがわかる。
このように、式（１）を満たしていない位相マスクを用いた場合、反射回折光によって１次回折光の光強度が乱されてしまい、所望のグレーティングが形成できず、優れた透過特性や反射特性が得られない。
【００３０】
以上のように具体例１の光ファイバグレーティングは、具体例２の光ファイバグレーティングとは異なり、１５５４．３ｎｍ〜１５５５．８ｎｍの波長帯の透過損失に変動がみられずほぼ一定であり、光をほぼ完全に反射できる。更に、この波長帯以外では反射損失は−４０ｄＢ以下であり、具体例２のように１５５６ｎｍ以上の長波長帯域にて光の一部が反射することなくほぼ完全に透過できる。
このように、前述した式（１）を満たした位相マスク１を用いることによって、具体例２のように反射回折光の影響を受けることなく、目的とするグレーティングが形成でき、優れた透過特性及び反射特性が得られる。
このため、製造された光ファイバグレーティングは、例えば特定の波長の光を選択的に取り出す光部品として光通信機器や光センサなどに利用できる。
【００３１】
また位相マスク１へのレーザ光３の照射点を移動させながら、光導波路部品にグレーティングを形成することによって、所望のグレーテング露光長にグレーティングを形成できる。また、レーザ光３の照射点を移動させながら、露光時間やレーザ光３の光強度を調整することによって、例えば具体例のように、グレーティング露光長の両側にて、露光による屈折率変化がｔａｎｈの関数で表されるようにアポダイズすることができ、透過反射特性においてサイドローブが抑制できるグレーティング構造などが形成できる。
【００３２】
更に、具体例のように、ビーム幅が１ｍｍ以上のレーザ光３を使用することによって、レーザ光３の等位相面が乱れることがなく位相マスク１による干渉の乱れを抑えることができる。また、干渉領域５も広くなるため、光導波路部品を露光する際広い範囲を露光できる。
ビーム幅が１ｍｍ未満のとき、レーザ光３のパワー密度が大きくなり、レーザ光３により光導波路部品へ損傷が生じやすくなるため、好ましくない。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のグレーティングの形成方法によれば、前述した式（１）を満たす位相マスクを使用することによって、１次回折光によってできた干渉領域と反射回折光の伝播経路とが重ならず、干渉領域の光強度分布が反射回折光によって乱されることがない。これにより、安定して所望のグレーティングを製造できる。
また、前記したように反射回折光による影響がないため、従来のように反射防止膜を使用する必要がなく、紫外光を長時間又は高強度で照射しても、反射抑制機能が低下してしまうことがなく安定してグレーティングを製造できる。また従来のように、反射防止膜の反射抑制機能が低下したときや位相マスクの洗浄を行う毎に、反射防止膜を交換する必要がない。このように、反射防止膜の点検や交換にかかる作業がないため、作業性に優れ、優れた量産性が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 グレーティングを形成するために用いる装置の要部の一例を示す概略図である。
【図２】 位相マスクの回折格子周辺を示す拡大図である。
【図３】 具体例１の位相マスクから出射された１次回折光の光強度とレーザ光の照射位置との関係を示す図である。
【図４】 具体例１にて製造された光ファイバグレーティングの透過スペクトルである。
【図５】 具体例１にて製造された光ファイバグレーティングの反射スペクトルである。
【図６】 シミュレーションにより算出された光ファイバグレーティングの透過スペクトルである。
【図７】 シミュレーションにより算出された光ファイバグレーティングの反射スペクトルである。
【図８】 具体例２の位相マスクから出射された１次回折光の光強度とレーザ光の照射位置との関係を示す図である。
【図９】 具体例２にて製造された光ファイバグレーティングの透過スペクトルである。
【図１０】 具体例２にて製造された光ファイバグレーティングの反射スペクトルである。
【図１１】 位相マスク法によるグレーティングの形成方法の工程の一例を示す概略図である。
【図１２】 位相マスクの回折格子にて入射光の一部が反射された状態を示す概略図である。
【図１３】 反射防止膜が設けられた位相マスクを用いたグレーティングの形成方法の工程の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１‥‥位相マスク、２‥‥回折格子、３‥‥露光用の光、４，４ａ，４ｂ‥‥回折光、５‥‥周期的な光強度分布となる領域

Claims (4)

1. 回折格子が形成された透光性の基板から構成された位相マスクに、露光用の光を透過させて回折光とし、該回折光が互いに干渉し合い周期的な光強度分布となる領域に、光感受性をもった光導波路部品を配することによって、該光導波路部品を露光しグレーティングを形成するグレーティングの形成方法であって、
   以下の式（１）を満たす位相マスクを使用することを特徴とするグレーティングの形成方法。
   

   

   （但し、ｔ，ｎ，Λは、それぞれ位相マスクの厚さ，屈折率，位相マスクに形成された回折格子の周期を示し、λ，ｗは、それぞれ露光用の光の波長，ビーム幅を示す。）
2. 前記露光用の光のビーム幅が、１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のグレーティングの形成方法。
3. 前記位相マスクへの露光用の光の照射点を移動させながら、前記光導波路部品にグレーティングを形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のグレーティングの形成方法。
4. 前記光導波路部品が光ファイバであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のグレーティングの形成方法。

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