JP4824273B2

JP4824273B2 - 回折格子作製用位相マスク

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Publication number: JP4824273B2
Application number: JP2003378590A
Authority: JP
Inventors: 英明森田; 登山　　伸人; 公夫伊藤
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2023-11-07
Also published as: JP2005141075A

Description

本発明は、回折格子作製用位相マスクに関し、特に、光通信等に用いられる光ファイバー内に紫外線レーザ光を用いて回折格子を作製するための位相マスクに関するものである。

光ファイバーは地球規模の通信に大革新をもたらし、高品質、大容量の大洋横断電話通信を可能にしたが、従来より、この光ファイバーに沿ってコア内に周期的に屈折率分布を作り出し、光ファイバー内にブラック回折格子を作り、その回折格子の周期と長さ、屈折率変調の大きさによって回折格子の反射率の高低と波長特性の幅を決めることにより、その回折格子を光通信用の波長多重分割器、レーザやセンサーに使用される狭帯域の高反射ミラー、光ファイバーアンプにおける余分なレーザ波長を取り除く波長選択フィルター等として利用できることが知られている。

しかし、石英光ファイバーの減衰が最小となり、長距離通信システムに適している波長は１．５５μｍであることにより、この波長で光ファイバー回折格子を使用するためには、格子間隔を約５００ｎｍとする必要があり、このような細かい構造をコアの中に作ること自体が当初は難しいとされており、光ファイバーのコア内にブラック回折格子を作るのに、側面研磨、フォトレジストプロセス、ホログラフィー露光、反応性イオンビームエッチング等からなる何段階もの複雑な工程がとられていた。このため、作製時間が長く、歩留まりも低かった。

しかし、最近、紫外線を光ファイバーに照射し、直接コア内に屈折率の変化をもたらし回折格子を作る方法が知られるようになり、この紫外線を照射する方法は複雑なプロセスを必要としないため、周辺技術の進歩と共に次第に実施されるようになってきた。

この紫外光を用いる方法の場合、上記のように格子間隔が約５００ｎｍと細かいため、２本の光束を干渉させる干渉方法、（エキシマレーザからのシングルパルスを集光して回折格子面を１枚ずつ作る）１点毎の書き込みによる方法、グレーティングを持つ位相マスクを使って照射する方法等がとられている。

上記の２光束を干渉させる干渉方法には、横方向のビームの品質、すなわち空間コヒーレンスに問題があり、１点毎の書き込みによる方法には、サブミクロンの大きさの緻密なステップ制御が必要で、かつ光を小さく取り込み多くの面を書き込むことが要求され、作業性にも問題があった。

このため、上記問題に対応できる方法として、位相マスクを用いる照射方法が注目されるようになってきたが、この方法は図１（ａ）に示すように、石英基板の１面に凹溝を所定の繰り返し周期で所定の深さに設けた位相マスク２１を用いて、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ）２３をそのマスク２１照射し、光ファイバー２２のコア２２Ａに直接屈折率の変化をもたらし、グレーティング（格子）を作製するものである。なお、図１（ａ）には、コア２２Ａにおける干渉縞パターン２４を分かりやすく拡大して示してある。図１（ｂ）、図１（ｃ）はそれぞれ位相マスク２１の断面図、それに対応する上面図の一部を示したものである。位相マスク２１は、その１面に繰り返し周期Λで深さｄの凹溝２６を設け、凹溝２６間に略同じ幅の凸条２７を設けてなるバイナリー位相型回折格子状の構造を有するものである。

位相マスク２１の凹溝２６の深さ（凸条２７と凹溝２６との高さの差）ｄは、露光光であるエキシマレーザ光（ビーム）２３の位相をπラジアンだけ変調するように選択されており、０次光（ビーム）２５Ａは位相マスク２１により５％以下に抑えられ、マスク２１から出る主な光（ビーム）は、回折光の３５％以上を含むプラス１次の回折光２５Ｂとマイナス１次の回折光２５Ｃに分割される。このため、このプラス１次の回折光２５Ｂとマイナス１次の回折光２５Ｃによる所定ピッチの干渉縞の照射を行い、このピッチでの屈折率変化を光ファイバー２２内にもたらすものである。
"ＳＰＩＥ"Ｖｏｌ．８８３（１９８８），ｐｐ．８〜１１

このような位相マスク２１の断面形状寸法は、凹溝２６の深さｄが上記のように波長λの露光光２３の位相をπラジアンだけずらせ、かつ、凸条２７の幅ｗと繰り返し周期Λの比ｗ／Λで定義される凸条２７のデューティ比ｆが０．５のときに、０次光成分２５Ａの回折効率が最小になるとされている（スカラー回折理論）。

ところが、繰り返し周期の微細化によりその周期が波長オーダーになると、０次光成分２５Ａが３％程度透過してしまい、そのため、０次光成分２５Ａが転写の際のノイズとなり、転写した光導波路回折格子の反射スペクトル中にノイズが発生してしまう問題があった。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回折されないで透過する０次光成分を極力小さくして、転写した光導波路回折格子の反射スペクトル中にノイズが発生しないようにした回折格子作製用位相マスクを提供することである。

上記目的を達成する本発明の回折格子作製用位相マスクは、透明基板の１面に格子状の断面略矩形の凹溝と凸条の繰り返しパタ−ンが設けられ、その繰り返しパタ−ンによる紫外線露光光の回折光相互の干渉縞により光導波路中に回折格子を形成する位相マスクにおいて、凹溝と凸条の繰り返しパタ−ンの断面形状寸法が、ｄ：凹溝の溝深さ、ｗ：凸条の幅、Λ：繰り返し周期、λ：露光波長、ｎ₂：透明基板の屈折率、ｎ₁：雰囲気の屈折率、ｄ₀＝λ／｛２（ｎ₂−ｎ₁）｝、ｆ＝ｗ／Λとするとき、
ｄ／ｄ₀≧１．０３、ｆ≦０．４８
の関係を満足することを特徴とするものである。

この場合に、露光光がＳ偏光であり、
ｄ／ｄ₀≧１．０３、ｆ≦０．４７
の関係を満足することが望ましい。

また、露光光がＰ偏光であり、
ｄ／ｄ₀≧１．０５、ｆ≦０．４８
の関係を満足することが望ましい。

また、露光光がランダム偏光であり、
ｄ／ｄ₀≧１．０４、ｆ≦０．４８
の関係を満足することが望ましい。

なお、透明基板としては合成石英を用いることが望ましい。

本発明は、以上の回折格子作製用位相マスクを用いて露光して作製されてなる光ファイバーグレーティングも含むものである。

本発明の回折格子作製用位相マスクによると、凹溝と凸条の繰り返しパターンの断面形状が略矩形状で、凹溝と凸条の繰り返しパターンの断面形状寸法が、透過０次光回折効率が最小になるように最適化されてなるので、この回折格子作製用位相マスクに紫外線露光光を照射してその±１次の回折光相互の干渉により光ファイバー等の光導波路中に所定ピッチの干渉縞の露光を行い、その干渉縞のピッチの屈折率変化を光導波路中に発生させて回折格子を作製することにより、反射スペクトル中にノイズが発生しない高特性の回折格子を作製することができる。

上記したように、図１（ｂ）、図１（ｃ）に示したようなバイナリー位相型回折格子（位相マスク）２１の各回折次数の回折効率は、ベクトル回折理論（非特許文献１）により厳密に求めることができる。

そこで、露光光２３を位相マスク２１に垂直に入射する場合に０次光回折光２５Ａが最小となる位相マスク２１の断面形状を、このベクトル回折理論により求めた。その結果を図２と図３に示す。この結果は、凸条２７の繰り返し周期Λを露光波長λで規格化した値Λ／λを横軸とし、図２は、凹溝２６の深さｄが露光光２３の波長λの位相をπラジアンだけずらす深さｄ₀（＝λ／｛２（ｎ₂−ｎ₁）｝；ｎ₂は透明基板の屈折率、ｎ₁は空気の屈折率）で規格化した値ｄ／ｄ₀を縦軸とし、図３は、凸条２７のデューティ比ｆを縦軸としている。この結果は、λ＝２４８ｎｍ、ｎ₂＝１．５０８（合成石英）、ｎ₁＝１の場合について求めたものである。Ｓ偏光は偏光面が凹溝２６に直交、Ｐ偏光は偏光面が凹溝２６に平行、ＡＶＥはランダム偏光の場合である。また、その結果を次の表１に示す。

表１．透過０次光の回折効率が最小となる偏光別の最適条件
○Ｓ偏光
Λ／λ 1.61 2.02 2.42 2.82 3.23 4.03 8.06 12.10
─────────────────────────────────────
ｄ／ｄ₀ 1.19 1.08 1.12 1.12 1.07 1.05 1.03 1.02
ｆ 0.251 0.363 0.400 0.396 0.408 0.435 0.469 0.479
─────────────────────────────────────
０次光回折効率
（％） 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
─────────────────────────────────────
○Ｐ偏光
Λ／λ 1.61 2.02 2.42 2.82 3.23 4.03 8.06 12.10
─────────────────────────────────────
ｄ／ｄ₀ 1.23 1.21 1.19 1.16 1.13 1.10 1.05 1.03
ｆ 0.373 0.381 0.437 0.434 0.449 0.461 0.483 0.489
─────────────────────────────────────
０次光回折効率
（％） 3.1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
─────────────────────────────────────
○ランダム偏光 Λ／λ 1.61 2.02 2.42 2.82 3.23 4.03 8.06 12.10
─────────────────────────────────────
ｄ／ｄ₀ 1.12 1.13 1.15 1.14 1.09 1.08 1.04 1.03
ｆ 0.368 0.389 0.413 0.414 0.434 0.449 0.476 0.484
─────────────────────────────────────
０次光回折効率
（％） 4.4 0.8 0.3 0.4 0.3 0.2 0.0 0.0
───────────────────────────────────── 。

ところで、光ファイバーを用いた通信には、波長１７００ｎｍ以下の光が用いられる。この波長は、屈折率１．４５の光ファイバー中では約１２００ｎｍとなるので、その反射のためには略６００ｎｍ以下のピッチの干渉縞（ブラック回折格子）が必要である。そのような干渉縞を図１の配置で作製するには、位相マスク２１の凸条２７の繰り返し周期Λは約１２００ｎｍとなる。その露光を波長λ＝１９３ｎｍのフッ化アルゴンエキシマレーザからの紫外線で行うとすると、Λ／λ≦７の範囲の位相マスク２１が必要になる。

図２、図３と上記表１から、そのような位相マスク２１としては、Ｓ偏光を用いる場合には、ｄ／ｄ₀≧１．０３、ｆ≦０．４７、Ｐ偏光を用いる場合には、ｄ／ｄ₀≧１．０５、ｆ≦０．４８、ランダム偏光を用いる場合には、ｄ／ｄ₀≧１．０４、ｆ≦０．４８の条件を満足することが必要であることが分かる。なお、偏光状態を問わないときには、ｄ／ｄ₀≧１．０３、ｆ≦０．４８を満足することが必要であると言える。以上の範囲の位相マスク２１を用いることにより、反射スペクトル中にノイズが発生しない高特性の回折格子を光ファイバー等の光導波路中に作製することができる。

なお、上記表１の結果を求める際に、Ｓ偏光、Ｐ偏光の最適な透過０次光の回折効率は、Λ／λが２．０２以上のときに略０（０．０５％未満）となることが分かった。

次に、本発明による回折格子作製用位相マスクの実施例について説明する。

図４は、位相マスク１の製造工程の１例を示した断面図である。図４中、５は位相マスクのブランク、２は石英基板、４はクロム薄膜、４Ａはクロム薄膜パターン、４Ｂはクロム薄膜開口部、６は電子線レジスト、６Ａはレジストパターン、６Ｂはレジスト開口部、７は電子線（ビーム）、１は位相マスク、３は断面矩形波状の凹溝、８は断面矩形波状の凸条である。

まず、図４（ａ）に示すように、石英基板２上に２０ｎｍ厚のクロム薄膜４をスパッタにて成膜したブランクス５を用意した。クロム薄膜４は、後工程の電子線レジスト６に電子線７を照射する際のチャージアップ防止に役立ち、石英基板に凹溝３を作製する際のマスクとなるものであるが、クロム薄膜エッチングにおける解像性の点でもその厚さの制御は重要で、１０〜２０ｎｍ厚が適当である。

次いで、図４（ｂ）に示すように、電子線レジスト６としては、電子線レジストＺＥＰ（日本ゼオン（株）製）を用い、厚さ４００ｎｍに塗布し、乾燥した。

この後、図４（ｃ）に示すように、電子線レジスト６を電子線描画装置ＭＥＢＥＳ４５００（アプライドマテリアル社製）にて露光量１．２μＣ／ｃｍ² で、凹溝３に対応する部分を電子ビーム７により露光した。

露光後、９０℃で５分間ベーク（ＰＥＢ：ＰｏｓｔＥｘｐｏｓｕｒｅＢａｋｉｎｇ）した後、２．３８％濃度のＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）で電子線レジスト６を現像し、図４（ｄ）に示すような所望のレジストパターン６Ａを形成した。なお、露光後のベーク（ＰＥＢ）は電子ビーム７が照射された部分を選択的に感度アップするためのものである。

次いで、レジストパターン６Ａをマスクとして、ＣＨ₂Ｃｌ₂ガスを用いてドライエッチングして、図４（ｅ）に示すようなクロム薄膜パターン４Ａを形成した。

次いで、図４（ｆ）に示すように、クロム薄膜パターン４ＡをマスクとしてＣＦ₄ガスを用いて石英基板２を深さ２７２ｎｍ又は２４４ｎｍだけエッチングした。深さの制御はエッチング時間を制御することにより行われ、深さ２００〜４００ｎｍの範囲で制御してエッチングが可能である。

この後、７０℃の硫酸にてレジストパターン６Ａを剥離し、次いで、硝酸第二セリウムアンモニウム溶液によりクロム薄膜パターン４Ａをエッチングして除去し、洗浄処理を経て、図４（ｇ）に示すように、矩形波断面形状にライン（凸条８）＆スペース（凹溝３）が並んだ位相マスク１を得た。

この位相マスク１の寸法は、ピッチ６００ｎｍで、Λ／λ＝２．４２、本発明に該当する（ｉ）深さ２７２ｎｍ（ｄ／ｄ₀≒１．１２）、凸条８のデューティ比ｆ＝０．４００、及び、比較例（ｉｉ）深さ２４４ｎｍ（ｄ₀）、凸条８のデューティ比ｆ＝０．５００の２通りを作製した。そして、この（ｉ）、（ｉｉ）のそれぞれを位相マスクとして、波長２４８ｎｍの紫外線レーザ光を用いて位相マスク１へ垂直に入射させ、その偏光が位相マスクの回折格子に対してＳ偏光となるようにして、Ｇｅドープした感光性光ファイバーの光導波路中に転写して光ファイバーグレーティングを作製した。

その光ファイバーグレーティングの評価結果として、比較例（ｉｉ）により作製したものは特性が低く、本発明による（ｉ）による位相マスクにより作製した光ファイバーグレーティングの特性は高かった。その原因は、このような転写は透過回折光の±１次以上の干渉において、透過０次光はノイズと考えられ、（ｉｉ）による位相マスクは透過０次光回折効率が約１０％と比較的高く、転写時のノイズとなり、干渉縞のコントラストが低下したためで、それに対して、（ｉ）による位相マスクは透過０次光回折効率が約１％と比較的低く、転写時のノイズが少なく、干渉縞のコントラストが高かったためと考えられる。

以上、本発明の回折格子作製用位相マスクをその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。

光ファイバー加工に用いられる本発明の位相マスクを説明するための図である。０次光回折光が最小となる位相マスクの断面形状をベクトル回折理論により求めた１つの結果を示す図である。０次光回折光が最小となる位相マスクの断面形状をベクトル回折理論により求めた別の結果を示す図である。本発明による位相マスクの実施例１の製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１…位相マスク
２…石英基板
３…断面矩形波状の凹溝
４…クロム薄膜
４Ａ…クロム薄膜パターン
４Ｂ…クロム薄膜開口部
５…位相マスクのブランク
６…電子線レジスト
６Ａ…レジストパターン
６Ｂ…レジスト開口部
７…電子線（ビーム）
８…断面矩形波状の凸条
２１…位相マスク
２２…光ファイバー
２２Ａ…光ファイバーのコア
２３…ＫｒＦエキシマレーザ光（露光光）
２４…干渉縞パターン
２５Ａ…０次光回折光
２５Ｂ…プラス１次回折光
２５Ｃ…マイナス１次回折光
２６…凹溝
２７…凸条

Claims

透明基板の１面に格子状の断面略矩形の凹溝と凸条の繰り返しパタ−ンが設けられ、その繰り返しパタ−ンによる紫外線露光光の回折光相互の干渉縞により光導波路中に回折格子を形成する位相マスクにおいて、凹溝と凸条の繰り返しパタ−ンの断面形状寸法が、ｄ：凹溝の溝深さ、ｗ：凸条の幅、Λ：繰り返し周期、λ：露光波長、ｎ₂：透明基板の屈折率、ｎ₁：雰囲気の屈折率、ｄ₀＝λ／｛２（ｎ₂−ｎ₁）｝、ｆ＝ｗ／Λとするとき、Λ／λ≦４．０３であり、
ｄ／ｄ₀≧１．０３、ｆ≦０．４８
の関係を満足することを特徴とする回折格子作製用位相マスク。
露光光がＳ偏光であり、
ｄ／ｄ₀≧１．０３、ｆ≦０．４７
の関係を満足することを特徴とする請求項１記載の回折格子作製用位相マスク。
露光光がＰ偏光であり、
ｄ／ｄ₀≧１．０５、ｆ≦０．４８
の関係を満足することを特徴とする請求項１記載の回折格子作製用位相マスク。
露光光がランダム偏光であり、
ｄ／ｄ₀≧１．０４、ｆ≦０．４８
の関係を満足することを特徴とする請求項１記載の回折格子作製用位相マスク。
透明基板が合成石英からなることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の回折格子作製用位相マスク。
請求項１から５の何れか１項記載の回折格子作製用位相マスクを用いて露光して作製されてなることを特徴とする光ファイバーグレーティング。