JPH08507162A

JPH08507162A - 周期性または準周期性光学特性をもつ光学構成要素の製造方法

Info

Publication number: JPH08507162A
Application number: JP6519742A
Authority: JP
Inventors: サツトン，フイリツプ; メイトランド，アーサー; フインドレイ，イワン・デイ
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1993-03-11
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 1996-07-30
Also published as: WO1994020868A1; EP0640222A1; GB2281410A; US5696628A; GB9421271D0; CA2134771A1; GB2281410B

Abstract

(57)【要約】回折格子、体積ホログラム、分布帰還ミラーなど周期性構造または準周期性構造が光ファイバ中にある光学構成要素を製造する方法。媒体の光学特性の周期性変化または準周期性変化を誘発する音波を光学媒体に当てる。この変化の少なくとも一部は、波を除去した後に保持される。この変化は定在音波の波腹に関連する応力によるものである。電気粘性液体中の進行波に関連する応力分布は、電界の印加による材料の凝結によって半永久的に保持することができる。

Description

【発明の詳細な説明】周期性または準周期性光学特性をもつ光学構成要素の製造方法本発明は、周期性光学特性または準周期性光学特性を有する永久回折格子、体積ホログラフ、分布帰還ミラーなど光学構成要素を光ファイバ中に製作することに関する。本発明の様々な実施例は、周期性または準周期性の位相効果または振幅効果、あるいはその両方に依存して、たとえば位相格子および振幅格子と、位相ホログラフおよび振幅ホログラフの両方を提供する。現在の所、永久回折格子およびホログラフは、機械加工技法、エッチング技法、写真技法に基づく技法を使用して製作されている。非永久短命回折格子は、音波を使用して、屈折率の変化を伴う圧縮と希薄の周期を生成して、透過媒体中に製作されている。音響光学回折格子が製作されるセルは「ブラッグ・セル」として知られている。すべてのブラッグ・セルは、音響光学媒体内に回折格子を維持するために適当なトランスデューサからの定音響入力を必要とする。一時回折格子は、選択された媒体中で定在音波を生成する適当なトランスデューサ手段による音波を使用して形成することができる。ブラッグ・セル内に製作される音響光学格子は、セル内の境界条件に従って音響トランスデューサによって生成される定在波の結果であっても、あるいは進行波システムの結果であってもよい。あるケースでは、格子節および波腹は空間的に定常なものであるが、他のケースでは、それらの位置は時間に依存する。分布帰還ミラー（ＤＦＢ）ミラーを製作する現在の方法は、ガラスまたは結晶製基板［E Hecht 「0ptics」（第２版）Wiley International（１９８７年）」上に付着させた半導体レーザ［H KogelnikおよびC V Shank「Coupled-Wave Theory of Distributed Feedback Lasers」J．Appl．Phys．43（5）2327 （１９７２年）］、光検出器［Ｋキシノら IEEE J．of Quantum Electronic s、QE27（8）2025（１９９１年）］、および多層レーザ・ミラーを中心とするものである。現在の所、連続する光導波管またはファイバ内にＤＦＢミラーを製作する知られている方法はない。本発明の目的は、音波または電波によって媒体中にもたらされる変化を使用し、音波を除去した後に格子、体積ホログラフ、および分布帰還（ＤＦＢ）ミラーが持続するようにこのような変化を「フリーズ」させるための装置および方法を提供することである。本発明の、一態様では、光ファイバ用の回折格子、体積ホログラフ、または分布帰還ミラーなど周期性構造または準周期性構造を有する光学構成要素を製造し、ａ．音波源または電波源からの放射に光学媒体を当てて、媒体中で音波または電波を生成し、ｂ．波の波腹の存在によって応力が発生する領域で媒体の構造を変化させ、波の源を除去するときに、変化した構造の少なくとも一部が保持されるように媒体を扱う方法を提供する。他の態様では、光ファイバ用の回折格子、体積ホログラフ、または分布帰還ミラーなど周期性構造または準周期性構造を有する光学構成要素を製造し、ａ．音波によって発生する高応力の領域において構造的に変化させることができるような光学媒体を選択し、ｂ．波の波腹の存在によって応力が発生する領域で媒体の構造を変化させ、波の源を除去するときに、変化した構造の少なくとも一部が保持されるように、媒体を音波源によって音波照射（insonify）して媒体中で音波を生成する方法を提供する。定在音波または定在電波を形成し、あるいはそのような波が媒体を通過することによって、媒体の波の波腹の位置で応力が発生する。本発明者は、応力パターンが媒体によって有効に記憶されるように媒体を慎重に処理することによって、定在波の場合は周期的な局所応力のこの変動を利用できることに気付いた。この方法は、媒体中の定在波または進行波を利用する。波が、波腹で媒体に発生する応力が材料に損傷を及ぼすのに十分なものである場合、必要な格子、ホログラフ、またはＤＦＢミラーを製作するための媒体の次の処理は必要とされない。波腹領域に対する損傷が実用的な格子やホログラフをもたらすには不十分な媒体では、波腹の位置で媒体の光学特性を変化させるような第２の材料を媒体に注入することができる。第２の媒体は、定在音波の分布に従って空間屈折率が変動する収束格子が形成されるように、第１の媒体との不均質混合物／溶剤を形成するようなものでよい。格子は、適当な粒子をシードされた媒体の定在音波の節の領域に光散乱粒子を堆積させることによって形成することができる。次いで、波源をオフに切り替えたときに散乱粒子の格子パターンが媒体によって永久的に保持されるように媒体で変化を誘発する。格子は、定在音波の分布の節および波腹のパターンによるものであり、かつ前記パターンに従う屈折率の変動によって、媒体中に形成される。次いで、波源をオフに切り替え、あるいは除去したときに屈折率の変化の格子パターンが媒体によって永久的に保持されるように媒体で変化を誘発する。あるそのような構成では、反応混合物はマトリックス媒体から成り、その場合に、定在波によって発生する応力の変動が周期的にマトリックスの形成を助け、かつ妨げるように、混合物中で定在波を生成しながらマトリックス媒体を形成し、最終的に、波源を除去して周期性格子構造を残す。この方法の次のステップは、定在波を印加した後に次の化学成分を追加して、マトリックス材料の凝結を推進することである。他の構成では、格子材料を選択的にドーピングする。これを適用するには、凝結中のゲル中で定在波を発生させ、次いで、ドーパントが定在波の波腹の高応力領域に選択的に拡散する（あるいは前記領域から選択的に離れる）ようにドーパント材料をゲルに接触させて導入する。ガラス中に位相格子を製作するための構成では、まずガラスをその変態温度よりも高い温度まで加熱し、次いで、ガラスが音響定在波の波腹の位置で複屈折を発生させるように、ガラスをその変態温度よりも低い温度まで冷却しながら音響定在波を印加する。ガラスの温度が変動したときに波腹間の空間を一定にするには、ガラス温度に依存して音波の周波数を変化させることができる。本発明は、適当な基板材料の表面を流体エッチング剤に接触させ、次いで、ある構成では、エッチング剤が縦音波の波腹の位置で基板の表面に優先的に作用するようにエッチング剤中で縦音波を発生させることによって、表面格子の製造に応用することができる。第２の構成では、エッチング剤が横音波の波腹の位置で基板の表面に優先的に作用するように基板の表面で横表面音波（ＳＡＷ）を発生させる。上記の構成によって、定在波を除去した後に永久位相格子または永久振幅格子が形成される。本発明の他の実施例では、以下のように半永久格子を製作する。電気粘性媒体を使用し、この媒体に進行音波を印加する。次いで、媒体に電界を印加して、応力分布および関連する屈折率分布の主要な微細形状を保持するように電気粘性材料の相を液体から固体に変化させる。この格子は、音響定在波を除去した後に持続するが、電界を印加しないかぎり持続しない。この構成は、進行波の一部を電子粘性媒体中に捕獲し、次いで知られている電気光学技法を使用して、知られている波と比較することができる整合フィルタ応用例に適している。上記の構成はすべて、複数の音源および共振空洞を使用して、複雑な二次元パターンおよび三次元パターンを製作するように応用することができる。複数のトランスデューサを使用し、個別のトランスデューサの位置を選択することによって、非常に複雑な格子を形成することができる。各トランスデューサが駆動される周波数もオプションとして導入する場合、振動パターンの定在波性をもたらす境界条件の限界内で、ほとんどどんな空間設計の格子でも製作することができる。そのような格子は、堆積ホログラムの特性を有する。他の態様で、本発明は、光ファイバ中に永久分布帰還ミラーを製造し、ａ）分布ミラーが必要とされる位置で、ファイバ・コアの変態温度よりも高い温度まで光ファイバの一部を加熱するステップと、ｂ）ファイバの加熱されている部分で定在波を生成するように光ファイバに沿って音波を送るステップと、ｃ）音波を維持しながら、加熱された部分を変態温度よりも低い温度まで冷却するステップとを含む方法を提供する。好都合なことに、光ファイバを加熱するための温度制御オーブンが提供され、加熱される部分における定在音波の位置を安定化するために、光ファイバの加熱される部分を通過して送られる音響エネルギーおよびその周波数が監視される。ＤＢＦミラーは、１ＧＨｚないし１０ＧＨｚの周波数範囲の高周波数音波を光ファイバに注入することによって製作することが好ましい。次に、例として添付の図面のみに関して本発明を説明する。第１図は、一次元単一周波数拡散格子の製造への本発明の応用を示す図である。第２図は、本発明の一次元ゲル・タンク実施態様の図である。第３図は、固体ゲルおよびドーパントを使用して位相格子を製作する簡易マトリックス破壊法を示す図である第４図は、ゼラチン中の音響定在波の波腹での一連の単一の亀裂境界からのブラッグ回折を示す図である。第５図は、音響波腹の位置での複数の平行の亀裂の存在に対応する第４図の修正図である。第６図は、ガラス中に格子を製作するための装置の図である。第７図は、３つの異なるガラスのひずみに対する回折効率の変動のグラフである。第８図は、第７図に示したのと同じガラスの相互作用長に対する回折効率の変動のグラフである。第９図は、２つの二次元格子を製作するための構成の概略図である。第１０図は、縦音波を使用して表面格子を製作するための装置の概略図である。第１１図は、横音波を使用して表面格子を製作するための装置の概略図である。第１２図は、光ファイバ中に永久分布帰還ミラーを製作するための装置の概略図である。第１図は、一次元回折格子を製作するための手段を示す。トランスデューサ（１０）は格子媒体（１１）の一端に結合され、リフレクタ（１２）はトランスデューサに対向する媒体の端に置かれている。トランスデューサは、定周波数ｆで駆動され、トランスデューサ（１０）とリフレクタ（１２）の間の間隔Ｌは、節間の間隔が格子の必要とされる線間隔に等しい媒体（１１）中で定在音波（１３）が生成されるように構成されている。したがって、長さＬは次式によって与えられる。Ｌ＝ｎｖ／２ｆ（１）上式で、ｖは媒体中（１１）の音の速度であり、ｎは長さＬでの格子線（すなわち、節）の数である。第１の構成によれば、定在波の振幅は、波腹で媒体に発生する応力が媒体の弾性限界を超え、それによって音波を除去した後に構造周期性が残るように選択される。また、この構成では、音波の波腹の位置で、凝結したゲルを選択的に破壊することができる。第２図に示した他の構成では、コロイド分散系粒子が未凝結ゲルに添加され、ゲル内に一様な懸濁が形成される。次いで、トランスデューサ（２２）で形成された一端壁と、リフレクタ（２３）で形成された対向端壁とを有するタンク（２１）にゲル（２０）を入れる。第１の構成と同様に、定在音波をゲル中で生成する。これによって、分散粒子が定在波の節間で移行する。ゲルが凝結した後、分散粒子がより濃度の高い領域から拡散しないように定在波を除去する。リフレクタ（２３）の外側面（２４）は、面（２４）からの反射によって他の定在波が生成されるのを妨げるように傾斜されている。第２図に示した装置は、本発明の他の構成に使用することができる。事前に選択されたマトリックス媒体の成分部分の反応混合物でタンク（２１）を満たす。音波によって発生する応力の変動が周期的にマトリックスの形成を助け、かつ妨げるように、定在波をこの「分子スープ」に印加する。ある種の分子は、適切に形成するのに高度の混合を必要とする。たとえば、他の何らかの薬品を添加することによって混合物が凝結するときに音波を印加すると、微分速度で、分子が生成され、したがって拡散格子が形成される。第３図は、定在音波を照射された固体媒体の選択的ドーピングの構成を示す。前述の構成と同様に、対向するトランスデューサ３２とリフレクタ３３によって共振クロージャ３１中のゲル３０中で定在音波を発生させる。ゲル３０の上に、ゲルに注入すべき材料３４が提供されている。そのような材料は分散性のものでよく、ゲル媒体よりも高い屈折率を有しても、低い屈折率を有してもよく、あるいは、たとえばゼラチンに導入される水のように、導入時に屈折率を低減するためのドーパントして働くこともできる。音波照射されたゲルへの材料の注入を促進するための熱を加えることができる。図のように、材料は、音波パターンの波腹３５で最も容易に進入する。音波を除去すると、ゲルの周期性構造が維持される。破壊プロセスでは、音響空洞中にゲルを置き、凝結できるようにする。次いで、凝結したゲルを音響的に励起して、定在音波の波腹で小さな亀裂を与える。この亀裂自体が拡散格子を提供するが、亀裂が提供する空間に他の材料を挿入することによって効果を拡張することができる。波腹にある亀裂が同じ平面にある場合、亀裂壁から散乱するすべての光は、第４図に示したように、実際上ブラッグ回折に従う。理想的ケースでは、すべての亀裂４１、４２が正確に波腹で発生し、音響柱によって占有された空間を横切って一連の連続平面不連続性を形成する。実際は、第５図に示したように、亀裂が分離し、波腹のどちらかの側である距離だけ広がると思われる。この広がりの効果は、ブラッグ条件が当てはまる一連の距離ｄが与えられることである。あらゆる波腹の周りの広がりｄに関して、次式で与えられる回折角度△θでの対応する広がりがある。上式は、格子の間隔がｄ＝５０μｍで、亀裂の広がりが△ｄ＝５μｍであり、ＨｅＮｅレーザで照射する場合、値が△θ＝０．４２２ｍｒａｄになる。これは、実際の回折角度２×θ_B＝８．４４ｍｒａｄの２０倍である。亀裂の広がりは、ブラッグ条件（２）によって与えられるもの以外の方向に光を散乱させる非平行亀裂も発生させる。そのような効果は不要なものであり、発生する場合は、対策が必要である。散乱表面としてのもの以外の亀裂壁を使用することが可能である。亀裂を使用して異物を導入して散乱プロセスを助ける代わりに、亀裂を使用して、亀裂壁を溶解する温度で、添加されたドーパントを含む他のゲルを導入する。次いで、これによって、ゲルが最初のゲルからドープされたゲルへしだいに遷移する。この漸進的遷移の結果は、亀裂壁から得られる反射格子に対向して位相格子が与えられることである。建設的方法の場合、ゲルは音響空洞にも置かれる。ゲルが凝結するときにゲルを音響的に励起し、したがって、音響波腹でのゲル・マトリックスの形成を妨げる。ゲルが凝結するときにゲルの化学組成を変化することができる場合、音響節部位と波腹部位の間に屈折率の差を生じさせることができる。このプロセス全体にわたって、空洞の音響長を変化させてはならず、したがって、固体ゲルと同じ音響特性を有するゲル溶液が必要である。ゲル溶液と異なる音響特性の固体ゲルを有することのシステムに対する影響は、定在波条件が除去され、したがって固定ゲルが撹乱されることである。第６図は、この方法のガラスへの応用を示す。ガラスの矩形スラブ（６０）は、遠隔端に結合されたトランスデューサ（６２）を含むリフレクタとして働くように研磨された一端（６１）を有する。ガラスが通過できるオーブン６３は、ガラスをその変態温度よりも高い温度まで加熱するように構成されている。位相格子を形成するために音響空洞の一端を介して縦音波を導入する。次いで、定在音波を維持しながらガラスを冷却する。ガラスをその変態温度よりも低い温度まで冷却した後、音波を停止する。高応力の波腹部分でガラスに誘発される残留応力によって永久位相格子が形成される。変態温度以下のガラスがあり、それを圧縮する場合、ガラスは、局部温度を変態領域に運ぶ断熱加熱を受ける。したがって、課された圧縮はガラスの構造内に保持される。次いで、縦定在音波の希薄によって引き伸ばされるのと同様に、同じガラスを引き伸ばした場合、ガラスが希薄によって断熱的に冷却されるので、圧縮によって課された応力は除去されず、したがって変態領域外に移る。ガラスの性質は、変態温度Ｔ_Tよりも高く、かつ焼きなまし温度Ｔ_Aよりも低い温度では、ガラス自体に課されたどんな応力も保持するようなものである。２つの温度Ｔ_TとＴ_Aの間の範囲は変態範囲として知られており、約５℃ないし３０℃ である。たとえば、Ｐｙｒｅｘでは、変態範囲は５２５℃ないし５６０℃の範囲である。本出願人は、第７および８図に示したように、３つの異なるガラス中に形成された永久音響光学格子によるＨｅＮｅレーザからの放射の回折に関する回折効率を計算した。図は、融解石英（ａ）、フォトダイオードを封止するために使用されるＳｃｈｏｔｔガラス８５３２番（ｂ）、Ｐｙｒｅｘ（登録商標）相当物であるＳｃｈｏｔｔガラス８３３０番に関する、残留応力に対する回折効力（第７図）と相互作用長に対する回折効率（第８図）を示す。この技法に関する潜在的な問題は、温度に対する音響の速度の変化の速度と温度に対する音響空洞の長さＬの変化の速度が異なる可能性があることである。上式で、Ｖ_aはガラス中の音の速度であり、Ｌは音響空洞長である。温度に対する変化のこれら２つの速度間の差の影響は、常に、音響空洞の長さにわたって同じ数の波腹を生成するように調整されるように音響信号の周波数を変化させることによって除去することができる。本発明は、電気粘性媒体を使用することによる半永久格子の製作に応用することもできる。進行音波が発生するときに通過する電気粘性媒体に電界を印加する。この電界によって、高応力の領域で媒体の相が液体から固体へ変化し、したがって、音波を除去した後に、進行波のスナップショットを表す半永久格子が媒体中に提供される。電界を除去した後、回折格子は消滅する。この技法によって、次に、標準電気光学技法を使用して他の音響信号と比較できるように、電気粘性媒体中に音波を保持することができる。上述の構成では、単一周波数格子が製作されたが、本発明は、複数の音源を使用して二次元干渉パターンおよび三次元干渉パターンを製作するように応用することもできる。第９図は、上述の一次元技法のどれかを使用して格子媒体９０中に音波パターンをフリーズさせて二次元格子を製作するための簡単な構成を示す。媒体９０は、表面取付けトランスデューサおよびリフレクタ対９１、９２および９３、９４がそれぞれ、媒体の長軸および短軸上に位置する楕円の形をしている。前述のように、本発明は、以下のことを含む多数の可能な使用法を有する。（ａ）スペクトル分析用の簡単な回折格子（ｂ）フーリエ・オプティクスで使用するための位相マスクおよび吸収マスク（ｃ）音響光学信号処理によるｒｆ信号処理用のフィルタ（ｄ）偏光依存収束形レンズの製作本発明は、音響技術に基づいてエッチング・プロセスを使用してガラス、金属、またはその他の基板上に高品質の表面格子を製作することに応用することもできる。第１０および１１図に概略的に示すように、流体エッチング剤を含むタンク１０１に表面格子基板材料１００を入れる。次いで、適当な波長の定在音波（１０２、１１２）をエッチング剤中または基板材料の表面上で発生させる。定在波の効果は、定在波波腹での格子基板の酸化速度を増すことである。この反応速度の増加は、反応生成物が液体に輸送される速度が増し、それによって波腹部位で基板に接触するエッチング剤の量が増えるためのものである。したがって、定在音波の節と波腹とでエッチングの速度が異なり、したがって所与のエッチング期間の後に、格子が形成される。そのような格子の製作に影響を及ぼす因子は、格子基板とエッチング剤との反応速度と、基板およびエッチング剤中での音の相対速度である。３つの因子は相互に依存している。基板とエッチング剤との反応速度が音波による輸送速度よりも速い場合、音響的に誘発される輸送の効果は無になる。反応速度が波腹での輸送速度に匹敵し、あるいはそれよりも遅い場合、反応生成物の反応表面からの輸送は有意になる。基板との界面でのエッチング流体の撹乱と、したがって音波による輸送速度の差は、２つの媒体中の音響の速度の差によるものである。トランスデューサ１０３とリフレクタ１０４の間のエッチング剤中で縦定在音波を生成する場合、剛性固体中の音の速度が流体中の音の速度よりもずっと速いので、いかなる音波も格子基板材料１００に進入しない。したがって、音響反射によって問題が起こる恐れがあり、格子媒体表面を音波波面に対して正確に垂直に置く必要がある。格子表面１００で横表面音波（ＳＡＷ）を使用して定在波１１２を発生させる場合、流体中の音響吸収率が、完全な固体中の音響吸収率よりも高いので、音響撹乱はエッチング流体までは達しない。したがって、音の速度が液体中よりも固体中の方が高いため、同じ格子空間を製作するのに、縦液体波の場合よりもＳＡＷの場合の方が多量の音響エネルギーが必要とされる。すべての場合に、音波が定在波である場合、音響的に混合されたエッチング媒体のエッチング速度と定常エッチング媒体の静止速度には差がある。表面回折格子を製作するために説明した本発明は、ホログラムの製作に応用することもできる。本発明は、光ファイバ中で永久分布帰還ミラーを製造することに応用することもできる。第１２図に示したように、光ファイバ１２２の一部の周りの、ミラーが必要とされるファイバに沿った点に小形オーブン１２１を置く。オーブンの熱による影響を受けないようにオーブンから十分離して、音源１２３を光ファイバ１２２に結合し、源から離れたオーブンの側でマイクロフォン１２４（源１２３によってファイバに沿って送られる音響エネルギーに反応する）をファイバに結合する。次いで、導波管材料がその焼きなまし点よりも高い温度になる（あるいは、導波管材料が融解する）までオーブンの温度を増加する。これによって、温度に対する音の速度の変化のために自動的に音響空洞が形成される。光ファイバの焼きなまし（融解）領域は、以下で与える長さ条件（４）を満たさなければならない。以下で数式（３）によって与えられる周波数ｆ_ac（ＧＨｚオーダー）の音源１２３をオンにして、加熱される領域の外側に永久的な損傷を与えずに誘電体の最大周期性摂動を達成するように源の強度を増加する。光ファイバ中で生成される定在音波によって、長さに対する光ファイバ媒体の屈折率の周期性変動がもたらされる。光ファイバの加熱される部分内の屈折率のそのような変動は、ファイバ内の回折格子に相当する。この段階では、次に、マイクロフォン１２４を使用して、ファイバの加熱されている領域を介して最小音響エネルギーが送られるときに、以下で与える共振条件（８）が達成されたことを検出することによって、加熱される領域の長さを調整することができる。次いで、オーブン１２１をオフに切り替え、定在音波を維持しながら光ファイバ１２２を冷却して、加熱された領域の材料に格子を「フリーズ」させ、次いで音波をオフにする。次いで、定在音波を除去すると、格子が永久的に光ファイバ中に残る。光ファイバ中の永久格子は、所定の位置にフリーズされる音波を使用して生成される。ファイバ・コアに音波をフリーズするには、応力パターンが焼きなまされる（あるいはドーピング・イオンが自由に移動できる）温度までファイバの適当な部分を加熱する。次いで、定在音波を印加した後、焼きなまし点よりも低い温度まで温度を下げる（固体状態に戻す）ことによって応力パターンを所定の位置にフリーズする。本発明は、光ファイバ内で類似の周波数範囲の進行音波を使用して短命格子または分布帰還ミラーをファイバ内に製作することによって使用することができる。進行波格子は、音源の帯域幅および動的範囲に応じて一連の周波数および帰還効率にわたって調整することができるが、永久ミラーの場合と異なり、ファイバの光学伝搬方向に局所化することはできない。分布帰還ミラーの理論音波は、光学導波管中の音の速度と前記導波管の周囲中の音の速度の差によって光学導波管に沿って導くことができる。次いで、誘導された音波を使用して、上述の条件の下で永久回折格子を形成することができる。そのような回折格子は、次式によって与えられる回折効率（Ｅ）を有する。上式で、ｎ₁は屈折率に対する摂動の振幅、ｄは格子の深さ、ｎ₀は摂動がないときの屈折率、λは自由空間中の入射光の波長、θ_Bは、入射放射の波ベクトルと格子ベクトルの間の角度とみなされるブラッグ角度である。導波管内の分布帰還ミラーの場合、ブラッグ角度、すなわち回折（反射）効率は次式で与えられる。摂動がないときの屈折率ｎ₀が１．５であり、光学波長λ＝１．５μｍである場合、１％の反射効率を発生させる屈折率摂動はｎ₁である（約１０^-7ｍ^-1．に等しい）。回折された光束が入射光束の伝搬の逆方向を有するには、ブラッグ角度が−ｐｉの値を有し、したがって、ブラッグ条件（ｃｏｓθ_B＝λ／２Δ）が次式のようになる。 Δ＝λ／２（６）上式で、Δは媒体中の音波長（したがって格子波長）である。「音界の加熱・印加およびフリーズ」法が最大反射率を達成するには、音響周波数が以下の条件を満たさなければならない。上式で、αは媒体の膨張係数、ｖ（Ｔ₂）は光ファイバ材料の焼きなまし温度Ｔ₂ _{での音響の速度、Ｔ} ₁ はファイバの動作温度である。格子製作の効率を増加する空洞の共振に関して、冷空洞長条件は次式で与えられる。上式で、Ｎは正の整数である。したがって、本発明は、必要に応じて異なる反射率および異なる波長の活動光ファイバおよび非活動光ファイバ内にミラーを提供する方法も提供する。したがって、製作されるミラーは光学伝送線と一体であり、したがって結合損失は発生しない。音波の使用に関して本発明を説明したが、融解されたドープ・ガラス内で適当な波長（数式６で与えられる）の定在電波を使用して活動イオンを再分散させ、したがって格子を形成することも可能である。光ファイバの音波照射による回折格子の製作では、ファイバ中で誘発ブリュアン散乱（ＳＢＳ）を使用することもできる。この場合、入射コヒーレント光によって、ファイバ材料の電気ひずみが発生し、その結果得られる定在音波が後方散乱効果を与える。次いで、これを上述のようにフリーズさせることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＧＢ，ＪＰ，ＵＳ (72)発明者メイトランド，アーサーイギリス国、セント・アンドリユーズ・ケイ・ワイ・16・９・エス・エス、ノース・ホウ、デパートメント・オブ・フイジクス・アンド・アストロノミー、ユニバーシテイ・オブ・セント・アンドリユーズ（番地なし) (72)発明者フインドレイ，イワン・デイイギリス国、セント・アンドリユーズ・ケイ・ワイ・16・９・エス・エス、ノース・ホウ、デパートメント・オブ・フイジクス・アンド・アストロノミー、ユニバーシテイ・オブ・セント・アンドリユーズ（番地なし)

Claims

【特許請求の範囲】１．ａ．音波源または電波源からのエネルギーに光学媒体を当てて、媒体中で音波を生成し、ｂ．波の波腹の存在によって応力が発生する領域で媒体の構造が変化し、波を除去するときに、変化した構造の少なくとも一部が保持されるように媒体を扱う、ことを特徴とする、光ファイバ用の回折格子、体積ホログラフ、または分布帰還ミラーなど周期性構造または準周期性構造を光ファイバ中に有する光学構成要素を製造する方法。２．ａ．音波または電波によって発生する高応力の領域において構造的に変化することができるような光学媒体を選択し、ｂ．波の波腹の存在によって応力が発生する媒体の領域で媒体の構造が変化し、波の源を除去するときに、変化した構造の少なくとも一部が保持されるように、音波源または電波源からのエネルギーに媒体を当てて、媒体中で音波を生成する、ことを特徴とする、回折格子、体積ホログラフ、または分布帰還ミラーなど周期性構造または準周期性構造を有する光学構成要素を光ファイバ中に有する光学構成要素を製造する方法。３．波の波腹の位置で媒体の光学特性を変化させるような第２の材料を媒体に注入することを特徴とする、請求項１に記載の回折格子または堆積ホログラフを製造する方法。４．第２の材料が、音響分布に従って空間屈折率が変動する収束格子が製作されるように、第１の媒体との不均質混合物／溶剤を形成する、請求項３に記載の回折格子または堆積ホログラフを製造する方法。５．第２の材料を注入することによって、適当な粒子をシードされた媒体中の音響パターンの節の領域に光散乱粒子が堆積されることを特徴とする、請求項３又は４に記載の回折格子または堆積ホログラフを製造する方法。６．反応混合物が、マトリックス媒体から成り、その場合に、定在波によって発生する応力の変動が周期的にマトリックスの形成を助け、かつ妨げるように、マトリックス媒体が形成される間に混合物中で定在波を生成し、最終的に、波を除去して周期性格子構造を残すことを特徴とする、請求項１又は２に記載の回折格子または堆積ホログラフを製造する方法。７．定在音波を印加した後に更に化学成分を追加して、マトリックス材料の凝固を推進する次のステップが含まれることを特徴とする、請求項６に記載の回折格子または堆積ホログラフを製造する方法。８．材料がドーパントによって選択的に処理されることを特徴とする、請求項１に記載の回折格子または堆積ホログラフを製造する方法。９．まず、凝結中のゲル中で定在波を発生させ、次いで、ドーパントが定在波の波腹の高応力領域に選択的に拡散する（あるいは前記領域から選択的に離れる）ようにドーパント材料をゲルに接触させて導入することを特徴とする、請求項８に記載の回折格子または堆積ホログラフを製造する方法。１０．ガラスである材料を選択し、まずガラスをその変態温度よりも高い温度まで加熱し、次いで、ガラスが定在音波の波腹の位置で複屈折を発生させるように、ガラスをその変態温度よりも低い温度まで冷却しながら音響定在波を印加することを特徴とする、請求項９に記載の回折格子または堆積ホログラフを製造する方法。１１．ガラスの温度が変動したときに波腹間の空間を一定にするために、ガラス温度に依存して音波の周波数を変化させることを特徴とする、請求項１０に記載の回折格子または堆積ホログラフを製造する方法。１２．波が定在波であることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の回折格子または堆積ホログラフを製造する方法。１３．適当な光学基板を選択し、基板の表面を流体エッチング剤に接触させ、次いで、エッチング剤が縦音波の波腹の位置で基板の表面に優先的に作用するようにエッチング剤中で縦音波を発生させるステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の回折格子または堆積ホログラフを製造する方法。１４．適当な光学基板を選択し、基板の表面を流体エッチング剤に接触させ、次いで、エッチング剤が横音波の波腹の位置で基板の表面に優先的に作用するようにエッチング剤中で横音波を発生させるステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の回折格子または堆積ホログラフを製造する方法。１５．音波が進行波であることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の回折格子または堆積ホログラフを製造する方法。１６．電気粘性媒体を選択し、この媒体に進行音波を印加し、次いで、媒体に電界を印加して、応力分布および関連する屈折率分布の重要な特徴を保持するように電気粘性材料の相を液体から固体に変化させるステップに従って半永久格子またはホログラフを生成することを特徴とする、請求項１５に記載の回折格子または堆積ホログラフを製造する方法。１７．複数の音源を使用して応用し、複雑な二次元パターンおよび三次元パターンを製作することを特徴とする、請求項１から１６のいずれか一項に記載の回折格子または堆積ホログラフを製造する方法。１８．ａ）分布ミラーが必要とされる位置で、ファイバ・コアの変態温度よりも高い温度まで光ファイバの一部を加熱するステップと、ｂ）ファイバの加熱されている部分で定在波を生成するように光ファイバに沿って音波を送るステップと、ｃ）音波を維持しながら、加熱された部分を変態温度よりも低い温度まで冷却するステップとを含み、屈折率が所定のファイバ長に沿って周期性変動を有し、それによって、ファイバと一体のミラーを提供することを特徴とする、レーザ光を送るための光ファイバを備える光ファイバ分布帰還ミラーを製造する方法。１９．光ファイバを加熱するための温度制御オーブンを提供し、加熱される部分における音響定在波の位置を安定化するために、光ファイバの加熱される部分を通過して送られる音響エネルギーおよびその周波数を監視することを特徴とする、請求項１８に記載の永久分布帰還ミラーを光ファイバ中で製造する方法。２０．音波が、１ＧＨｚないし１０ＧＨｚの範囲の周波数を有するように選択されることを特徴とする、請求項１８又は１９に記載の永久分布帰還ミラーを光ファイバ中で製造する方法。２１．請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法によって製作されることを特徴とする光学構成要素。