JPH11326666A

JPH11326666A - 光制御素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11326666A
Application number: JP10137263A
Authority: JP
Inventors: Yukio Toyoda; 田幸雄豊; Ayako Baba; 場彩子馬
Original assignee: Matsushita Giken KK
Current assignee: Matsushita Giken KK
Priority date: 1998-05-19
Filing date: 1998-05-19
Publication date: 1999-11-26

Abstract

(57)【要約】【課題】多重方式による大容量超高速情報伝送の実現
および、そのための光制御素子の集積による小型化を実
現すること。【解決手段】光制御素子に、狭帯域の波長選択性を持
たせるためのブラッグ反射回折格子と効率よく放射モー
ド変換し、かつ高い放射指向性を持つ放射光を得るため
の導波路伝搬軸に対して４５゜傾斜の長周期回折格子を
合わせ持つ構造の複合回折格子を用いる。ブラッグ反射
回折格子と長周期回折格子の両方の機能が、完全に重ね
合わさり効率的に狭帯域の波長選択性と光指向性を有す
る放射分光を得られる。複合回折格子は、光導波路の同
一の場所にブラッグ反射チャープ回折格子と４５゜傾斜
の長周期回折格子とを重ねて成るものと、４５゜傾斜の
長周期回折格子の両端に反射鏡としてブラッグ反射回折
格子を配置した共振器構造のものを提案する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信、光情報処
理等の分野に広く利用される光制御素子に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】光導波路を伝搬する光を放射モードへ変
換制御する従来技術の代表例として、Optics Letters V
ol21 p336 (1996)なる文献がある。図６は当該文献にお
けるＦｉｇ．１およびＦｉｇ．２より引用した長周期回
折格子の周期に対する放射モードピークの依存性（図６
（ａ））と、長周期回折格子の形成時間（すなわちエキ
シマレーザ光の照射時間）に対する透過損失スペクトル
の変化の特性（図６（ｂ））を示すものである。図６
（ａ）からも明らかなように特定の回折格子の周期に対
して複数の放射モードが存在する。回折格子により透過
光の一部放射モードに変換するので、放射モードピーク
に対応して透過スペクトルに損失ピークが現れるのであ
る。回折格子の形成によりコアの屈折率が変化する一
方、各々の放射モードのピークは、コアとクラッドの屈
折率差に依存するため、回折格子の形成の進展により刻
々と変化し、図６（ｂ）のように透過スペクトルの損失
ピークのみならずスペクトル幅もが変化する。このよう
な従来技術によっても、回折格子の周期を精密に選定
し、その形成条件を厳密に制御することにより、光増幅
器の利得平坦化フィルタなどように、特定の波長域で透
過損失を持つ機能のデバイスが作製可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来技術では図６のスペクトル変化からも推定されるよ
うに、透過光の損失ピーク波長と損失量の両方を厳密に
設定するには、回折格子の周期の精度と形成条件の厳密
な制御を必要とし、かつ形成条件の安定性が問題とな
り、非常に難易である。

【０００４】また、図のスペクトルからわかるように、
レーザ光の照射時間即ち回折格子形成時間とともにスペ
クトル幅が狭くなるが、１ｎｍ以下に制御して作製する
ことは難しい。回折格子長を長くすれば名場を狭くする
ことは可能であるが、目的にもよるが、１０ｃｍ以上の
長さは現実的ではない。さらに、放射モードに変換され
た光は、クラッド内を伝搬することも問題となる。以上
のように、損失機能を利用する場合には、重要でない
が、放射光を導波路より取り出して用いる場合、その指
向性と、放射光のスペクトル幅が重要となる。例えば、
波長多重通信のように導波路を伝搬する光を各波長成分
に分光し取り出し利用するには、多重度に応じてスペク
トル幅の狭い特定の波長成分を、指向性よく取り出す必
要があり、絶対不可欠な条件となる。従って、このよう
に導波路からの放射モード変換による放射光を利用する
には、従来技術による方法では、全く不可能であり、本
発明による手段により初めて可能となる。

【０００５】以上のように、従来技術の長周期回折格子
による伝搬光の放射モード変換では，波長選択に対する
制御性が不十分であり、指向性がなく、放射光の利用は
全く不可能であるという課題がある。

【０００６】本発明はかかる従来の不具合に鑑みてなさ
れたもので、その目的は、多重方式による大容量超高速
情報伝送の実現および、そのための光制御素子の集積に
よる小型化を実現することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前述のような課題を解決
するための本発明の手段は以下の通りである。先ず、従
来技術によるファイバのコアに形成された長周期回折格
子によりファイバを伝搬する光が、特定の波長で放射さ
れ損失する原理は以下の通りである。

【０００８】ファイバ中を安定に伝搬する光は、コアモ
ードであるが、これとは別にクラッドモードが存在し、
安定に伝搬ぜずファイバ外に放射される。ここで、コア
に周期的屈折率変化を与え、その周期Λが、次のような
それぞれのモードの伝搬定数（β_co、β_cl（ｎ））間で
の位相整合条件、すなわち、：β_co−β_clｌ（ｎ）＝２π／Λ を満足する時には、コアモードを伝搬していた光がｎ次
のクラッドモードへ移行する。クラッドモードへ移行し
た光は、最早ファイバ中を長く伝搬し続けることなく放
射され放射モードとなる。波長λの光の伝搬定数βは、
有効屈折率ｎ_effを用いると、 β＝２πｎ_eff／λ であるから、ｐ次のクラッドモードに対して、前述の位
相整合条件は、ｎ_co−ｎ_cl（ｐ）＝λ／Λ（ｐ）となる。

【０００９】前に示した図６は、この式から求めた放射
モードのピーク波長の、長周期回折格子の周期依存性で
ある。勿論、クラッドモードへの移行量はコアの屈折率
変化量に依存して多くなるので、放射モードによる伝搬
損失は、レーザ光の照射時間に伴い増大する。また、上
式から分かるようにコアの屈折率変化量により有効屈折
率が変わるので、レーザ光の照射時間によりピーク波長
も変化する。ここでレーザ光の照射時間を多くすればよ
り放射量が多くなり、同時にスペクトル幅がある程度狭
くなるが、放射光を利用する場合にはより狭いスペクト
ル幅が必要とされるので不十分であり、この課題を解決
すると同時に、もう一つの課題である放射光の指向性を
よくするための手段は以下の通りである。

【００１０】狭帯域の波長選択性を持たせるためのブラ
ッグ反射回折格子と効率よく放射モード変換し、かつ高
い放射指向性を持つ放射光を得るための導波路伝搬軸に
対して４５゜傾斜の長周期回折格子をを合わせ持つ構造
の複合回折格子を用いる方法である。本発明による手段
は、このようなブラッグ反射回折格子と４５゜傾斜の長
周期回折格子の両方の機能が、完全に重ね合わさり効率
的に狭帯域の波長選択性と光指向性を有する放射光を得
るために、この複合回折格子の具体的構造を提供するも
のである。複合回折格子の構造は後述の実施の形態の図
１で示すように、４５゜傾斜の長周期回折格子の両端に
反射鏡としてブラッグ反射回折格子を配置した共振器構
造である。このような複合回折格子により如何に狭帯域
の波長選択性と指向性を有する放射光を効率よく得るこ
とができ、従来技術の課題が解決されるかを説明する。
まず、長周期回折格子を導波路伝搬軸に対し４５゜傾斜
することで、導波路伝搬方向に対して垂直方向の良好な
指向性が得られることは、理論的にいえるが、このこと
は試作した回折格子の放射光の観察からも確認されてい
る。

【００１１】また、長周期回折格子による放射モードの
への変換では、その格子長が短いとき、スペクトル幅が
広く、ピークでの放射量が少なくなる一方、ピーク付近
の一定の波長域では波長依存性が無視できる。従って、
このような格子長の短い長周期回折格子を共振器に形成
すれば、共振波長では、共振効果により放射モードへの
変換が増幅され１００％近い放射が可能となる。しかる
に共振器の反射鏡の所定のブラッグ反射回折格子を用い
れば、非常に効率的に狭帯域の波長の放射光が得られ
る。ブラッグ反射回折格子も単独では格子長が短いと反
射スペクトルが広くなるが、これにより共振器即ちファ
ブリーペロー共振器を構成した場合には、共振効果即ち
位相整合の条件を満足する必要から、スペクトル幅即
ち、この場合は放射光のスペクトル幅を狭くすることが
できる。

【００１２】さらに、実施の形態の図２で示すように、
このような複合回折格子をそれぞれ放射ピーク波長の異
なるものを複数、複数導波路の伝搬方向に直列に配置す
る構成により、導波路を伝搬する光を各波長成分別に分
光し、空間的に分散分離し導波路に垂直な方向に進行す
る光に変換される。また、前述の例では、４５゜傾斜の
長周期回折格子による放射光は、導波路に垂直な方向が
２方向あるため、一方では、原理的に強度が半減してし
まうので、実施の形態の図３に示すように、片方に反射
鏡を設けることにより、一方の放射光の利用効率が２倍
改善される。

【００１３】以上のように、本発明による複合回折格子
により、長周期回折格子による放射モード変換に関する
従来技術では、不可能であった導波路を伝搬する光を分
光し空間的に分散した放射光として取り出すことを可能
し、実施の形態で示すように波長多重光通信におけるマ
ックス、デマックスおよびアド、ドロップ光回路の高性
能化や、フェムト秒光パルスの有効利用が可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、光制御素子を、光導波路を伝搬する光を放射モード
に変換制御するため、当該の光導波路にブラッグ反射回
折格子と長周期回折格子とから構成された複合回折格子
を有するようにしたものであり、多重方式による大容量
超高速情報伝送の実現および、そのための光制御素子の
集積による小型化を実現するという作用を有する。

【００１５】本発明の請求項２に記載の発明は、請求項
１記載の光制御素子において、複合回折格子のブラッグ
反射回折格子と長周期回折格子が同一の領域に多重形成
された構造を少なくとも一カ所以上有するようにしたも
のであり、ブラッグ反射回折格子と４５゜傾斜の長周期
回折格子の両方の機能が、完全に重ね合わさり効率的に
狭帯域の波長選択性と光指向性を有するという作用を有
する。

【００１６】本発明の請求項３に記載の発明は、請求項
２記載の光制御素子において、長周期回折格子が同一の
領域に多重形成された当該のブラッグ反射回折格子の周
期がチャープするようにしたものであり、それによる反
射は、各波長により光軸方向で空間的に違った場所で反
射し、この複合回折格子１によりファイバの伝搬光を分
光分散できるという作用を有する。

【００１７】本発明の請求項４に記載の発明は、請求項
１乃至３のいずれかに記載の光制御素子において、長周
期回折格子の格子面が当該光導波路の光軸に対して約４
５°傾斜させたものであり、導波路伝搬方向に対して垂
直方向の良好な指向性が得られるという作用を有する。

【００１８】本発明の請求項５に記載の発明は、請求項
１乃至４のいずれかに記載の光制御素子において、ブラ
ッグ反射回折格子の格子面が当該光導波路の光軸に対し
て垂直にしたものである。

【００１９】本発明の請求項６に記載の発明は、請求項
１乃至５のいずれかに記載の光制御素子において、少な
くとも当該素子の一部が当該の長周期回折格子の両端に
ブラッグ反射回折格子を有するようにしたものであり、
導波路を伝搬する光を各波長成分別に分光し、空間的に
分散分離し導波路に垂直な方向に進行する光に変換とい
う作用を有する。

【００２０】本発明の請求項７に記載の発明は、請求項
６記載の光制御素子において、長周期回折格子と、この
長周期回折格子を前後方向から挟んだ一対のブラッグ反
射回折格子とよりなる、共振器構造の複合回折格子を有
するようにしたものであり、導波路を伝搬する光を各波
長成分別に分光し、空間的に分散分離し導波路に垂直な
方向に進行する光に変換という作用を有する。

【００２１】本発明の請求項８に記載の発明は、請求項
６記載の光制御素子において、ブラッグ反射回折格子と
長周期回折格子とは、コア内において前後方向に交互に
形成され、且つ両端はブラッグ反射回折格子によって終
わるように配列されて成る、複数の共振器構造の複合回
折格子を有するようにしたものである。

【００２２】本発明の請求項９に記載の発明は、光制御
素子を、ブラッグ反射回折格子と、長周期回折格子によ
り構成された複合回折格子と、複合回折格子を設けられ
た第１の光導波路と、上記第１の光導波路に対して直角
の方向に延びて設けられた第２の光導波路と、複合回折
格子と第２の光導波路とを接続する結合部とから構成し
たものである。

【００２３】本発明の請求項１０に記載の発明は、光制
御素子を、シングルモードファイバのコアの部分に金属
マスクを用いてレーザ光を照射し長周期回折格子を形成
する一方、前記コアの同じ部分に位相マスクを用いてレ
ーザ光を照射しブラッグ反射回折格子を多重形成する段
階と、回折格子形成部分のクラッドの表面の半円柱部を
金属膜でコートする段階とから成り、前記長周期回折格
子とブラッグ反射回折格子とを多重形成する段階におい
て、長周期回折格子のマスクは、回折格子面がコアの光
軸に対して約４５゜となるように設定する一方、ブラッ
グ反射回折格子のマスクは、回折格子面がコアの光軸に
対して約９０゜となるようにし、また、レーザ光の照射
量は、それぞれ単独の場合、ブラッグ反射回折格子の反
射率が〜１００％、長周期回折格子による放射損失が約
３０％となる条件としたものであり、多重方式による大
容量超高速情報伝送の実現および、小型化を実現する光
制御素子を簡単且つ迅速に製造するという作用を有す
る。

【００２４】本発明の請求項１１に記載の発明は、シン
グルモードファイバのコアの部分に金属マスクを用いて
レーザ光を照射し長周期回折格子を形成する一方、前記
コアの前記長周期回折格子を形成した部分の前後両側の
部分に位相マスクを用いてレーザ光を照射しブラッグ反
射回折格子を形成する段階と、回折格子形成部分のクラ
ッドの表面の半円柱部を金属膜でコート（被覆）する段
階とから成り、前記長周期回折格子とブラッグ反射回折
格子とを形成する段階において、長周期回折格子のマス
クは、回折格子面がコアの光軸に対して約４５゜となる
ように設定する一方、ブラッグ反射回折格子のマスク
は、回折格子面がコアの光軸に対して約９０゜となるよ
うにし、前記長周期回折格子とブラッグ反射回折格子と
を形成する段階においては、まずファイバのコア部分の
中心に幅約３ｍｍの遮蔽マスクを置き、その両側に位相
マスクを用いて２つのブラッグ反射回折格子を形成し、
しかる後に、中心部分に開口幅約３ｍｍのスリットを置
き金属マスクにより長周期回折格子を形成するととも
に、レーザ光の照射量は、それぞれ単独の場合、ブラッ
グ反射回折格子の反射率が約９０％、長周期回折格子に
よる放射損失が約２０％となる条件としたものである。
本発明の請求項１２に記載の発明は、請求項１１記載の
光制御素子の製造方法

【００２５】において、長周期回折格子の形成段階で
は、シングルモードファイバのコアの中心部分に開口幅
が約３ｍｍのスリットを置き、ほぼ４５゜傾斜したライ
ンアンドスペース金属マスクを用いてレーザ光を照射す
るようにしたものである。

【００２６】本発明の請求項１３に記載の発明は、石英
基板上にスパッタ堆積装置によりＧｅをドープしたＳｉ
Ｏ２を堆積する段階と、前記石英基板を所定圧力の水素
中に所定期間放置する段階と、前記石英基板に対して開
口マスクを用いてエッチングにより、第１の導波路と第
２の導波路を形成する段階と、第１の導波路と第２の導
波路との交差部分に結合部を形成する段階と、第１の導
波路と第２の導波路との交差部分に金属マスクを用いて
レーザ光を照射し長周期回折格子を形成する一方、前記
コアの同じ部分に位相マスクを用いてレーザ光を照射し
ブラッグ反射回折格子を多重形成する段階と、から構成
したものである。

【００２７】本発明の請求項１４に記載の発明は、請求
項１３記載の光制御素子の製造方法において、結合部
は、後で形成する回折格子の格子長に等しい幅から導波
路の幅まで寸法が変化するテーパー構造に形成されるよ
うにしたものである。

【００２８】本発明の請求項１５に記載の発明は、請求
項１３記載の光制御素子の製造方法において、第１の導
波路および第２の導波路は、エッチングの代わりに、レ
ーザ光を照射して形成されるようにしたものである。

【００２９】本発明の請求項１６に記載の発明は、シン
グルモードファイバのコアの部分に金属マスクを用いて
レーザ光を照射し長周期回折格子を形成する一方、前記
コアの前記長周期回折格子を形成した部分の隣側の部分
に位相マスクを用いてレーザ光を照射しブラッグ反射回
折格子を形成する操作を交互に繰り返し、且つ両端はブ
ラッグ反射回折格子によって終わらせることにより、実
質的に長周期回折格子を一対のブラッグ反射回折格子が
前後方向から挟んだ形を複数個連続させた複合回折格子
を形成する段階と、回折格子形成部分のクラッドの表面
の半円柱部を金属膜でコート（被覆）する段階とから成
り、前記長周期回折格子とブラッグ反射回折格子とを形
成する段階において、長周期回折格子のマスクは、回折
格子面がコアの光軸に対して約４５゜となるように設定
する一方、ブラッグ反射回折格子のマスクは、回折格子
面がコアの光軸に対して約９０゜となるようにし、ま
た、ブラッグ反射回折格子形成段階では、ファイバに所
定の張力を印可しながら回折格子を形成するようにした
ものである。

【００３０】本発明の請求項１７に記載の発明は、請求
項１６記載の光制御素子の製造方法において、ブラッグ
反射回折格子形成段階では、複数のブラッグ反射回折格
子を形成加工するに当たって、基板であるファイバに最
初所定の重量の張力を加えて１つ目のブラッグ反射回折
格子を形成し、２つ目以降のブラッグ反射回折格子を形
成するに際しては、順次一定重量ずつ印可張力を減らし
ながら回折格子を形成するようにしたものである。

【００３１】本発明の請求項１８に記載の発明は、請求
項１６記載の光制御素子の製造方法ブラッグ反射回折格
子形成段階では、複数のブラッグ反射回折格子を形成加
工するに当たって、基板であるファイバに最初所定の重
量の張力を加えて１つ目のブラッグ反射回折格子を形成
し、２つ目以降のブラッグ反射回折格子を形成するに際
しては、順次一定重量ずつ印可張力を減らし、最後のブ
ラッグ反射回折格子を形成するに際しては、張力を掛け
ないで回折格子を形成するようにしたものである。

【００３２】以下、本発明の実施の形態を添付の図面を
参照して詳細に説明する。

【００３３】（実施の形態１）本発明の第１の実施の形
態を図１により説明する。図１は本発明の第１の実施の
形態による光制御素子を示す概略図である。この図に示
された光制御素子は、シングルモードファイバ（ＳＭ
Ｆ）のコア１８部分にブラッグ反射回折格子１１と長周
期回折格子１２とが同一の領域に多重形成された構造の
複合回折格子１を有することを特徴とするものである。

【００３４】図１において、符号１はブラッグ反射回折
格子１１および長周期回折格子１２により構成された複
合回折格子、１８はシングルモードファイバにより構成
され、光導波路を形成するとともに複合回折格子１を組
み込んだコア、１７はコア１８と積層関係に設けられた
クラッド、１３はクラッド１７の表面の半面をコート
（被覆）する金属膜であり、これら複合回折格子１と、
コア１８と、クラッド１７と、金属膜１３とにより光制
御素子を構成している。また、図１において、符号１５
は光制御素子に向けて照射される入射光を示し、また１
６は光制御素子に入射された光１５が複合回折格子１の
部分で回折作用を受けて生成された放射光を示す。ブラ
ッグ反射回折格子１１と長周期回折格子１２はコア１８
内の同一の領域に多重形成されて複合回折格子１を構成
している。ブラッグ反射回折格子１１の格子面はシング
ルモードファイバ光軸（入射光１５の入射方向と同一で
ある）に対して垂直であるが、長周期回折格子１２の格
子面は、シングルモードファイバの光軸に対して４５゜
傾斜している。

【００３５】本実施の形態に係る光制御素子の作製手順
は次の通りである。回折格子を形成するシングルモード
ファイバとしては、圧力１５０ｋｇ／ｃｍ²の水素中に
２週間放置したものを用いる。次に、コア１８の部分を
所定の周期で屈折率変調するため、長周期回折格子１２
は、金属マスク、ブラッグ反射回折格子１１は位相マス
クを用いて、エキシマレーザ光を照射する。長周期回折
格子１２のマスクは、回折格子面がコアの光軸に対して
４５゜となるようにした。他方、ブラッグ反射回折格子
１１のマスクは、回折格子面がコアの光軸に対して９０
゜となるようにした。長周期回折格子１２用マスクの周
期は４７５μｍ、ブラッグ反射回折格子１１用マスクの
周期は０，５４μｍを中心に１ｎｍ／ｍｍの比率ΔΛで
変動しているものを用いる。マスクを取り替えて、同一
場所にエキシマレーザ光を照射する。いずれも３ｍｍの
開口スリットを用いる。従って格子長はともに３ｍｍで
ある。エキシマレーザ光の照射量は、それぞれ単独の場
合、ブラッグ反射回折格子１１の反射率が〜１００％
（殆ど１００％に近いという意味である）、長周期回折
格子１２による放射損失が３０％となる条件とする。回
折格子形成部分のクラッド１７の表面の半円柱部を金属
膜１３でコート（被覆）する。

【００３６】このようにして作製した複合回折格子１の
放射特性は以下の通りである。ブラッグ反射回折格子１
１がチャープ回折格子であるためそれによる反射は、各
波長により光軸方向で空間的に違った場所で反射する。
一方、長周期回折格子１２により、それと周期Λ_LPと位
相整合が取れるクラッドモード波長の光が放射モードに
変換され、放射光１６として放射される。従って、ΔΛ
・Λ_LPの波長周期０．７ｎｍで干渉し、特定の波長の放
射光の放射位置も光軸方向で空間的に周期的となる。異
なる波長の光を入射光１５としてこの複合回折格子１に
入射した時、放射光１６の放射位置が変わるのが赤外線
用ＣＣＤカメラで観測される。また、長周期回折格子１
２を４５゜傾斜させ、さらにクラッド１７の表面の半面
を金属膜１３によりコートしてあるので、放射の指向性
は、±１０゜と良好である。以上からこの複合回折格子
１によりファイバの伝搬光を分光分散できることが確認
される。

【００３７】本実施の形態の、格子長、ブラッグ反射回
折格子１１の周期およびチャープ量、長周期回折格子１
２の周期などの構造パラメータや、レーザ照射量などの
回折格子作製条件は、一例であり、これに限定されるも
のでなく、分光帯域幅や目標とする空間分解能により、
適宜設定し実施することで、本発明が有効となることは
明らかである。

【００３８】（実施の形態２）本発明の第２の実施の形
態を図２により説明する。図２は本発明の第２の実施の
形態による光制御素子を示す概略図である。この図に示
された光制御素子は、シングルモードファイバ（ＳＭ
Ｆ）のコア２８に形成した長周期回折格子２２と、この
長周期回折格子２２を前後方向から挟んだ一対のブラッ
グ反射回折格子２１とよりなる、いわゆる共振器構造の
複合回折格子２０を有することを特徴とするものであ
る。

【００３９】図２において、符号２０はブラッグ反射回
折格子２１および長周期回折格子２２により構成された
複合回折格子、２８はシングルモードファイバにより構
成され、光導波路を形成するとともに複合回折格子２０
を組み込んだコア、２７はコア２８と積層関係に設けら
れたクラッド、２３はクラッド２７の表面の半面をコー
ト（被覆）する金属膜であり、これら複合回折格子２０
と、コア２８と、クラッド２７と、金属膜２３とにより
光制御素子を構成している。また、図２において、符号
２５は光制御素子に向けて照射される入射光を示し、ま
た２６は光制御素子に入射された光２５が複合回折格子
２０の部分で回折作用を受けて生成された放射光を示
す。ブラッグ反射回折格子２１と長周期回折格子２２と
は、コア２８に形成した長周期回折格子２２を一対のブ
ラッグ反射回折格子２１が前後方向（図２中では左右方
向）から挟んだ構成をとっており、いわゆる共振器構造
の複合回折格子２０を形成している。ブラッグ反射回折
格子２１の格子面はシングルモードファイバの光軸（入
射光２５の入射方向と同一である）に対して垂直である
が、長周期回折格子２２の格子面は、シングルモードフ
ァイバの光軸に対して４５゜傾斜している。

【００４０】本実施の形態に係る光制御素子の作製手順
は次の通りである。回折格子を形成するシングルモード
ファイバとしては、実施の形態１と同様に、圧力１５０
ｋｇ／ｃｍ²の水素中に２週間放置したものを用いる。
次に、コア１８の部分を所定の周期で屈折率変調するた
め、長周期回折格子２２は金属マスク、ブラッグ反射回
折格子２１は位相マスクを用いて、エキシマレーザ光を
照射する。長周期回折格子２２のマスクは回折格子面が
コアの光軸に対して４５゜となるようにする。他方、ブ
ラッグ反射回折格子２１のマスクは回折格子面がコアの
光軸に対して９０゜となるようにする。長周期回折格子
２２の周期は４７５μｍである。２つのブラッグ反射回
折格子２１の周期は０．５４μｍである。長周期回折格
子２２、ブラッグ反射回折格子２１の格子長はともに３
ｍｍである。複合回折格子２０の実際の作製に当たって
は、まず中心に幅３ｍｍの遮蔽マスクを置き、その両側
に位相マスクを用いて２つのブラッグ反射回折格子２１
を形成する。しかる後開口幅３ｍｍのスリットを置き４
５゜傾斜したラインアンドスペース金属マスクにより長
周期回折格子２２を形成する。エキシマレーザ光の照射
量は、ブラッグ反射回折格子２１、長周期回折格子２２
がそれぞれ単独の場合、ブラッグ反射回折格子２１の反
射率が９０％、長周期回折格子２２による透過損失が２
０％となる条件とした。さらに、長周期回折格子２２の
形成部分のクラッド２７の表面の半円柱部を金属コート
する。

【００４１】図３は、この複合回折格子２０の特性を示
す図である。測定は、光源に１．５６μｍスーパールミ
ネセントダイオード（ＳＬＤ）を用いる。放射光２６
は、赤外線用ＣＣＤカメラで観測し、ラインプロファイ
ルから強度を測定する。図３（ａ）は放射光２６の透過
スペクトルを示す図であり、図３（ｂ）は光軸に垂直な
面内の放射光の指向特性を示す図である。格子の傾斜面
の法線と光軸とを含む面と、光軸に垂直な面との交線の
方向からはずれるにしたがって、放射光強度が減衰し、
この交線と垂直な方向ではほとんど放射されない。図３
（ａ）から放射光のピーク半値幅は、１．５６０μｍ、
１ｎｍである。また、図３（ｂ）から指向性がよいこと
がわかる。長周期回折格子２２の格子長は３ｍｍと短い
ので、位相整合条件はゆるやかであり放射モードの波長
選択幅はブロードであるため、放射光２６の波長はブラ
ッグ反射回折格子２１により決まる。また、半値幅は共
振器のＱ値すなわちブラッグ反射回折格子２１の反射率
で決まっている。長周期回折格子２２、ブラッグ反射回
折格子２１の格子長および周期は、この例の値に限定さ
れるものでないことは自明であり、特に、ブラッグ反射
回折格子２１の周期は放射光としてファイバから外部へ
取り出す波長を選択する上で重要である。

【００４２】本実施の形態の、格子長、長周期回折格子
２２の周期、ブラッグ反射回折格子２１の周期などの構
造パラメータや、レーザ照射量などの回折格子作製条件
は、一例を示したものであり、これに限定されるもので
なく、分光帯域幅や目標とする空間分解能により、適宜
設定し実施することで、本発明が有効となることは明ら
かである。

【００４３】（実施の形態３）本発明の第３の実施の形
態を図４で説明する。図４は本発明の第３の実施の形態
による光制御素子を示す概略図である。実施の形態１で
は、光導波路としてシングルモードファイバを用いてい
るが、石英系の平面基板上の光導波路を用いても同様に
このような複合回折格子４０が作製できる。本第３の実
施の形態に係る光制御素子はこのようにして作成される
ものである。この場合には、基板平面内で導波路の光軸
に対して垂直に指向性よく放射されるので、複合回折格
子４０の位置に第二の光導波路４９を第１の光導波路４
８と直角に設けることにより、所定の波長の光を選択的
に取り出すことができる。

【００４４】図４において、符号４０はブラッグ反射回
折格子４１および長周期回折格子４２により構成された
複合回折格子、４８は基板平面内において複合回折格子
４０に向けて設けられた第１の光導波路、４９は上記光
導波路４８に対して直角の方向に延びて設けられた第２
の光導波路、４４は複合回折格子４０と第２の光導波路
４９とを接続する結合部であり、これら複合回折格子４
０と、第１の光導波路、４８と、第２の光導波路４９
と、結合部４４とにより光制御素子を構成している。ま
た、図４において、符号４５は光制御素子に向けて照射
される入射光を示し、また４６は光制御素子に入射され
た光１５が複合回折格子４０の部分で回折作用を受けて
生成された放射光を示す。ブラッグ反射回折格子４１と
長周期回折格子４２は基板内の同一の領域に多重形成さ
れて複合回折格子４０を構成している。

【００４５】本実施の形態に係る光制御素子の作製手順
は次の通りである。石英基板上にスパッタ堆積装置によ
りＧｅをドープしたＳｉＯ２を堆積し、圧力１５０ｋｇ
／ｃｍ²の水素中に２週間放置する。Ｔ字状の開口マス
クを用いてエッチングにより、第１の導波路４８および
第２の導波路４９を形成する。もしくは、同様のパター
ンのマスを用いてエキシマレーザ光を照射し導波路を形
成する。第２の導波路４９の第１の導波路４８との結合
部４４は、結合をよくし、放射光４６を低損失で伝搬さ
せるため図のように、後で形成する複合回折格子４０の
格子長に等しい幅から通常のシングルモード導波路の幅
まで変化するテーパー構造とする。しかる後、交差部に
実施の形態１と同様に、ブラッグ反射回折格子４１と長
周期回折格子４２を同一の場所に重ねて作製し複合回折
格子４０を形成する。

【００４６】本実施の形態に係る複合回折格子４０にお
いては、結合部４４が第１の導波路４８に密着してお
り、屈折率差のない光路により第二の光導波路４９と強
く結合しているので、放射光４６をより効率的に取り出
し、光４３を取り出すことが可能となる。この素子の取
り出し光４３のピークは、１．５６０μｍ、であり、半
値幅は、１ｎｍである。取り出し効率は７０％以上であ
る。

【００４７】（実施の形態４）本発明の第４の実施の形
態を図５で説明する。図５は本発明の第４の実施の形態
による光制御素子を示す概略図である。先に説明した第
２の実施の形態では、シングルモードファイバに１個の
複合回折格子２０を形成し、所定の波長の光を放射させ
たが、実施の形態４では、ファイバの伝搬光をスペクト
ル分光して複数個の波長成分に空間的に分散するため、
複数個の複合回折格子を同一のシングルモードファイバ
に形成する点が特徴である。

【００４８】図５において、符号５０は複数のブラッグ
反射回折格子５１および複数の長周期回折格子５２によ
り構成された複数個の複合回折格子、５８はシングルモ
ードファイバから成り上記複数個の複合回折格子５０を
組み込んだコア、５７はコア５８と積層関係に設けられ
たクラッド、５３はクラッド５７の表面の半面をコート
（被覆）する金属膜であり、これら複合回折格子５０
と、コア５８と、クラッド５７と、金属膜５３とにより
光制御素子を構成している。また、図５において、符号
５５は光制御素子に向けて照射される入射光を示し、ま
た５６は光制御素子に入射された光５５が複合回折格
子５０の部分で回折作用を受けて生成された放射光を
示す。ブラッグ反射回折格子５１と長周期回折格子５２
とは、コア５８内において前後方向に交互に形成され、
且つ両端はブラッグ反射回折格子５１によって終わるよ
うに配列することにより、実質的に長周期回折格子５２
を一対のブラッグ反射回折格子５１が前後方向から挟ん
だ形を複数個連続させた構成をとっており、いわゆる共
振器構造の複合回折格子５０を複数個形成している。ブ
ラッグ反射回折格子５１の格子面はシングルモードファ
イバの光軸（入射光５５の入射方向と同一である）に対
して垂直であるが、長周期回折格子５２の格子面はシン
グルモードファイバの光軸に対して４５゜傾斜してい
る。

【００４９】本実施の形態の複合回折格子５０を詳細に
述べると、図５に示すように、この複合回折格子５０の
構造は、格子長が、それぞれ１ｍｍ、２ｍｍのブラッグ
反射回折格子５１を６個と、４５゜傾斜長周期回折格子
５２を５個、連続的に繰り返したものである。複合回折
格子５０の全長は１６ｍｍである。ただし、ブラッグ反
射回折格子の反射ピーク波長は、１ｎｍ間隔でシフト
し、半値幅は１ｎｍであり、ピーク反射率は３０〜５０
％である。長周期回折格子５２を挟んでいる前後のブラ
ッグ反射回折格子５１の反射ピークは、１ｎｍずれてい
るが、半値幅が１ｎｍであるので、その中間の波長で
は、ともにピークの半分の反射率である。従って、この
中間の波長での共振器を構成しているため、それぞれは
実施の形態１と同様に波長選択的に放射機能を有する複
合回折格子となっている。勿論、このように共振器の反
射鏡として異なる反射ピークのブラッグ反射回折格子で
なく、同じ反射ピーク波長のものを用いてもよい。この
場合両端以外のブラッグ反射回折格子５１は格子長１ｍ
ｍのピーク波長が１ｎｍずれた２つのもので構成され
る。このような構成では複合回折格子の全長は２０ｍｍ
となる。

【００５０】本実施の形態に係る光制御素子の作製手順
は次の通りである。回折格子を形成するシングルモード
ファイバとしては、実施の形態１と同様に、圧力１５０
ｋｇ／ｃｍ²の水素中に２週間放置したものを用いる。
次に、コア１８の部分を所定の周期で屈折率変調するた
め、長周期回折格子５２は金属マスク、ブラッグ反射回
折格子５１は位相マスクを用いて、エキシマレーザ光を
照射する。長周期回折格子１２のマスクは、回折格子面
がコアの光軸に対して４５゜となるようにした。他方、
ブラッグ反射回折格子１１のマスクは、回折格子面がコ
アの光軸に対して９０゜となるようにした。

【００５１】１ｎｍ間隔のブラッグ反射回折格子５１を
形成するには、１．５６０μｍの周期が均一な位相マス
クを用いる。波長を変えるため、基板であるファイバに
所定の張力を印可して回折格子を形成する。あらかじめ
張力を印可して回折格子を形成すれば張力を印可しない
使用状態ではブッラグ波長は短くなる。張力による波長
の変化は、〜８０ｇ重／ｎｍであるので、最初４００ｇ
重の張力を加え、順次８０ｇ重ずつ印可張力を減らし、
最後の６個目は、張力を掛けないで形成することで、反
射ピーク波長が１．５５５〜１．５６０μｍの回折格子
が形成される。また、格子長を１ｍｍとするため、開口
幅１ｍｍのスリットを用いる。格子長が非常に短いた
め、周期が均一な位相マスクを用いても半値幅１ｎｍの
回折格子が形成できる。

【００５２】４５゜傾斜長周期回折格子５２の形成方法
は実施の形態１とほぼ同じである。すなわち上述したよ
うに、長周期回折格子１２は、金属マスクを用いて、エ
キシマレーザ光を照射するが、このとき長周期回折格子
１２のマスクは回折格子面がコアの光軸に対して４５゜
となるようにする。しかる後、実施の形態１と同様に放
射光の放射方向を一方に集中するため、１６ｍｍの複合
回折格子のクラッド表面の半円柱部を金属膜５３でコー
トする。

【００５３】このようにして作製した複合回折格子５０
の入力端に当たるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）を
例えばフェムト秒ファイバレーザの出力端と融着により
接続し、図５に示すように入射光５５としてフェムト秒
パルス光を入射すれば広いスペクトル幅のフェムト秒光
パルスを高効率で分光分散できる。このように分光分散
された各成分の放射光５６をそれぞれの信号により位相
もしくは強度変調し、その各々を、前者と全く同じ複合
回折格子５０を入出力を逆にして用い対応する波長のポ
ートに入力することにより多重信号によりコード化され
たパルス列信号が得られる。また、波長多重光信号の伝
送出力端に融着接続することにより各チャンネルの信号
に分離できる。さらに、この複合回折格子５０による光
制御素子の各出力側に波長が各共振器の共振波長に合っ
た光信号を入射光５５として入力することにより、合波
され多重信号が得られる。このように光制御素子は、波
長多重光通信用の高効率マックス、デマックスに用いる
ことができる。

【００５４】本実施の形態では、複合回折格子５０の全
長が１６ｍｍと比較的長く、また、１ｎｍ間隔で５チャ
ンネルの分光分散であるが、格子長、ブラッグ反射回折
格子５１の周期、長周期回折格子５２の周期などの構造
パラメータや、レーザ照射量など作製条件は本実施の形
態に限定されるものではなく、構造パラメータや作製条
件を適宜設定することにより、さらに短素子長化、分光
帯域の拡大、チャンネル数の増大が十分可能である。ま
た、波長を１ｎｍずらしたブラッグ反射回折格子の作製
に、張力を印可する方法を用いたが、周期の異なる位相
マスクあるいはチャープマスクを用いてを同様に作製で
きる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
本発明に基づいた複合回折格子による光制御素子は、超
短パルスのスペクトルの高効率分光分散による多数信号
の光コード化が実現される。かつ、波長多重光通信の高
効率マックス、デマックスが達成できる。これにより１
Ｔｂｐｓ以上の大容量、超高速信号の伝送を可能する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による光制御素子を
示す概略図

【図２】本発明の第２の実施の形態による光制御素子を
示す概略図

【図３】本発明の第２の実施の形態による光制御素子の
特性を示す図

【図４】本発明の第３の実施の形態による光制御素子を
示す概略図

【図５】本発明の第４の実施の形態による光制御素子を
示す概略図

【図６】（ａ）従来例である光制御素子の長周期回折
格子の周期に対する放射モードピークの依存特性を説明
する図（ｂ）従来例である光制御素子の長周期回折格子の形
成時間に対する透過損失スペクトルの変化の特性を説明
する図

【符号の説明】

１０、２０、４０、５０複合回折格子１１、２１、４１、５１ブラッグ反射回折格子１２、２２、４２、５２長周期回折格子１３、２３、５３金属膜１５、２５、４５、５５入射光１６、２６、４６、５６放射光１７、２７、５７クラッド１８、２８、５８コア４３取り出し光４４結合部４８第１の導波路４９第２の導波路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光導波路を伝搬する光を放射モードに変
換制御するため、当該の光導波路にブラッグ反射回折格
子と長周期回折格子とから構成された複合回折格子を有
することを特徴とする光制御素子。
【請求項２】請求項１記載の光制御素子において、複
合回折格子のブラッグ反射回折格子と長周期回折格子が
同一の領域に多重形成された構造を少なくとも一カ所以
上有することを特徴とする光制御素子。
【請求項３】請求項２記載の光制御素子において、長
周期回折格子が同一の領域に多重形成された当該のブラ
ッグ反射回折格子の周期がチャープしていることを特徴
とする光制御素子。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の光制
御素子において、長周期回折格子の格子面が当該光導波
路の光軸に対して約４５°傾斜していることを特徴とす
る光制御素子。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の光制
御素子において、ブラッグ反射回折格子の格子面が当該
光導波路の光軸に対して垂直であることを特徴とする光
制御素子。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載の光制
御素子において、少なくとも当該素子の一部が当該の長
周期回折格子の両端にブラッグ反射回折格子を有する構
造であることを特徴とする光制御素子。
【請求項７】請求項６記載の光制御素子において、長
周期回折格子と、この長周期回折格子を前後方向から挟
んだ一対のブラッグ反射回折格子とよりなる、共振器構
造の複合回折格子を有することを特徴とする光制御素
子。
【請求項８】請求項６記載の光制御素子において、ブ
ラッグ反射回折格子と長周期回折格子とは、コア内にお
いて前後方向に交互に形成され、且つ両端はブラッグ反
射回折格子によって終わるように配列されて成る、複数
の共振器構造の複合回折格子を有することを特徴とする
光制御素子。
【請求項９】ブラッグ反射回折格子と、長周期回折格
子により構成された複合回折格子と、複合回折格子を設
けられた第１の光導波路と、上記第１の光導波路に対し
て直角の方向に延びて設けられた第２の光導波路と、複
合回折格子と第２の光導波路とを接続する結合部とから
成る光制御素子。
【請求項１０】シングルモードファイバのコアの部分
に金属マスクを用いてレーザ光を照射し長周期回折格子
を形成する一方、前記コアの同じ部分に位相マスクを用
いてレーザ光を照射しブラッグ反射回折格子を多重形成
する段階と、回折格子形成部分のクラッドの表面の半円柱部を金属膜
でコートする段階とから成り、前記長周期回折格子とブラッグ反射回折格子とを多重形
成する段階において、長周期回折格子のマスクは、回折
格子面がコアの光軸に対して約４５゜となるように設定
する一方、ブラッグ反射回折格子のマスクは、回折格子
面がコアの光軸に対して約９０゜となるようにし、また、レーザ光の照射量は、それぞれ単独の場合、ブラ
ッグ反射回折格子の反射率が〜１００％、長周期回折格
子による放射損失が約３０％となる条件としたことを特
徴とする光制御素子の製造方法。
【請求項１１】シングルモードファイバのコアの部分
に金属マスクを用いてレーザ光を照射し長周期回折格子
を形成する一方、前記コアの前記長周期回折格子を形成
した部分の前後両側の部分に位相マスクを用いてレーザ
光を照射しブラッグ反射回折格子を形成する段階と、回折格子形成部分のクラッドの表面の半円柱部を金属膜
でコート（被覆）する段階とから成り、前記長周期回折格子とブラッグ反射回折格子とを形成す
る段階において、長周期回折格子のマスクは、回折格子
面がコアの光軸に対して約４５゜となるように設定する
一方、ブラッグ反射回折格子のマスクは、回折格子面が
コアの光軸に対して約９０゜となるようにし、前記長周期回折格子とブラッグ反射回折格子とを形成す
る段階においては、まずファイバのコア部分の中心に幅
約３ｍｍの遮蔽マスクを置き、その両側に位相マスクを
用いて２つのブラッグ反射回折格子を形成し、しかる後
に、中心部分に開口幅約３ｍｍのスリットを置き金属マ
スクにより長周期回折格子を形成するとともに、レーザ光の照射量は、それぞれ単独の場合、ブラッグ反
射回折格子の反射率が約９０％、長周期回折格子による
放射損失が約２０％となる条件としたことを特徴とする
光制御素子の製造方法。
【請求項１２】長周期回折格子の形成段階では、シン
グルモードファイバのコアの中心部分に開口幅が約３ｍ
ｍのスリットを置き、ほぼ４５゜傾斜したラインアンド
スペース金属マスクを用いてレーザ光を照射することを
特徴とする請求項１１記載の光制御素子の製造方法。
【請求項１３】石英基板上にスパッタ堆積装置により
ＧｅをドープしたＳｉＯ２を堆積する段階と、前記石英基板を所定圧力の水素中に所定期間放置する段
階と、前記石英基板に対して開口マスクを用いてエッチングに
より、第１の導波路と第２の導波路を形成する段階と、第１の導波路と第２の導波路との交差部分に結合部を形
成する段階と、第１の導波路と第２の導波路との交差部分に金属マスク
を用いてレーザ光を照射し長周期回折格子を形成する一
方、前記コアの同じ部分に位相マスクを用いてレーザ光
を照射しブラッグ反射回折格子を多重形成する段階と、
から成る光制御素子の製造方法。
【請求項１４】結合部は、後で形成する回折格子の格
子長に等しい幅から導波路の幅まで寸法が変化するテー
パー構造に形成されることを特徴とする請求項１３記載
の光制御素子の製造方法。
【請求項１５】第１の導波路および第２の導波路は、
エッチングの代わりに、レーザ光を照射して形成される
ことを特徴とする請求項１３記載の光制御素子の製造方
法。
【請求項１６】シングルモードファイバのコアの部分
に金属マスクを用いてレーザ光を照射し長周期回折格子
を形成する一方、前記コアの前記長周期回折格子を形成
した部分の隣側の部分に位相マスクを用いてレーザ光を
照射しブラッグ反射回折格子を形成する操作を交互に繰
り返し、且つ両端はブラッグ反射回折格子によって終わ
らせることにより、実質的に長周期回折格子を一対のブ
ラッグ反射回折格子が前後方向から挟んだ形を複数個連
続させた複合回折格子を形成する段階と、回折格子形成部分のクラッドの表面の半円柱部を金属膜
でコート（被覆）する段階とから成り、前記長周期回折格子とブラッグ反射回折格子とを形成す
る段階において、長周期回折格子のマスクは、回折格子
面がコアの光軸に対して約４５゜となるように設定する
一方、ブラッグ反射回折格子のマスクは、回折格子面が
コアの光軸に対して約９０゜となるようにし、また、ブラッグ反射回折格子形成段階では、ファイバに
所定の張力を印可しながら回折格子を形成することを特
徴とする光制御素子の製造方法。
【請求項１７】ブラッグ反射回折格子形成段階では、
複数のブラッグ反射回折格子を形成加工するに当たっ
て、基板であるファイバに最初所定の重量の張力を加え
て１つ目のブラッグ反射回折格子を形成し、２つ目以降
のブラッグ反射回折格子を形成するに際しては、順次一
定重量ずつ印可張力を減らしながら回折格子を形成する
ことを特徴とする請求項１６記載の光制御素子の製造方
法。
【請求項１８】ブラッグ反射回折格子形成段階では、
複数のブラッグ反射回折格子を形成加工するに当たっ
て、基板であるファイバに最初所定の重量の張力を加え
て１つ目のブラッグ反射回折格子を形成し、２つ目以降
のブラッグ反射回折格子を形成するに際しては、順次一
定重量ずつ印可張力を減らし、最後のブラッグ反射回折
格子を形成するに際しては、張力を掛けないで回折格子
を形成することを特徴とする請求項１６記載の光制御素
子の製造方法。