JPH11505336A - 光導波管格子 - Google Patents

光導波管格子

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JPH11505336A JP8534626A JP53462696A JPH11505336A JP H11505336 A JPH11505336 A JP H11505336A JP 8534626 A JP8534626 A JP 8534626A JP 53462696 A JP53462696 A JP 53462696A JP H11505336 A JPH11505336 A JP H11505336A
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Abstract

(57)【要約】 インファイバ型格子のような光導波管格子の形成方法が示される。この格子は、光学的に形成される。位相マスクは、格子パターンを発生するためにライティングレーザビームによって走査される。導波管及び位相マスクは、格子の長さに沿って格子の特徴を変化させるためにライティング処理中に互いに対して移動する。1つの方向への相対的な移動は、格子のピッチを変化させ、チャープすなわち複数波長の格子をつくるために使用することができる。格子の強度を変え、アポダイズ格子を形成するために双方向のディザが、使用される。

Description

【発明の詳細な説明】 光導波管格子 本発明は、光導波管格子に関する。 ファイバブラッグ(Bragg)格子のような光導波格子は、多数の光ファイ バ及びレーザスシテムの重要な部品であると考えられているが、それらの特性を 改良し製造を容易にする方法は、研究対象の大きなテーマとされている。現在提 案されている1つの技術は、格子製造においていわゆる位相マスクを使用するこ とである(参考文献1及び2参照)。この技術において、格子は、導波管上の位 相マスクを通してライティング(writing)光放射を投射することによっ て感光性光導波管に組付けられる。 位相マスク法は、例えば、2つのビームの干渉技術と比較してライティングビ ームのコヒーレンス(干渉性)が大きく緩和された公差でファイバ格子を書き込 むことができる点で興味を引くものがある。しかしながら、大きな欠点は、格子 の波長及び他の特性が、位相マスクの間隔に依存し、分離したマスクは、異なる 波長を必要とすることである。 多くの研究が、例えばファイバブラッグ波長を交換するために拡大レンズを組 み込むことによって、位相マスク法にさらに柔軟性を与えるためになされた(以 下の参考文献3参照)。 走査ライティングビームの導入は、一層、有利であった。これによってビーム の大きな拡大を必要とすることなく、長いファイバ格子の製造が可能になり、ビ ームがマスクを横断するように走査するときライティングビームを変調すること によってさらに複雑な構成を形成することができた(参考文献4及び5参照)。 アポダイズ(apodize)及び/または制御したチャープ(chirp) 型格子のようなさらに複雑な構造をつくることができる性能は、多くの用途にお いて非常に重要である。アポダイゼーション(apodisation;高次の 回折像を減少させるための処理)は、走査ビームの変調によって近似されるが、 これはまた格子の長さ方向に沿って平均的な屈折率において付随的な変化を導入 し、格子にチャープを誘導するが、これは望ましくない。“純粋”(すなわち、 平均屈折率に変化のない)なアポダイゼーションが最近報告されたが、特別に設 計された位相マスク(参考文献6参照)または2つのマスクに対して二重の露出 のいずれかを必要とするので高価になる。 また、二重露出技術(参考文献8参照)、特に設計された“ステップーチャー プ”位相マスク(参考文献9)を介して、またはファイバを引っ張ることによっ て(参考文献10参照)格子に、制御可能なチャープ特徴を書き込むのにかなり の努力が払われてきた。 しかしながら、上述した技術は、(複数の露出を必要とすることによって)こ の方法の複雑性を著しく増大するか、格子の特徴またはピッチの各変化において 個々の位相マスクを製造する必要があるという事実によって位相マスク法にさら に柔軟を与えようとするものである。 本発明は、ライティング光ビームをマスクを介して感光性光導波管の領域に連 続的に露光し、マスクに対応する領域を格子に形成する光導波管格子製造方法で あって、導波管に関するマスクの相対位置が前記格子の異なる領域を生成すると きに変化するように、マスク及び導波管の少なくとも一方を移動させる工程を有 する光導波管格子製造方法を提供する。 本発明の実施例は、ライティングビームを走査するとき、導波管(例えばファ イバ)または位相マスク(または双方を)をゆっくり移動する簡単な技術を提供 し、これは、現在位相マスクに関連する多数の制限を克服するか、なくすことが できる。この方法は、複数波長格子、いわゆる“純粋”なアポダイゼーション、 並びに分配されたフィードバック(DFB)レーザ構造のような種々の分散構造 を製造するために使用される。 要するに、位相マスク技術の前の非柔軟性は、本発明によって改善される。こ の技術によって異なる特徴の格子、ブラック波長、チャープまたはアポダイゼシ ョンが1つの位相マスクから形成することができる。これは、各位相マスクが、 製造する種々のタイプの格子を必要とするか、または、関連した整列及び非一様 な問題を有する複雑な複数の露出技術を使用しなければならない従来の技術と対 称的である。 例えば、平坦な導波管を使用することができるが、好ましくは導波管は光ファ イバである。ファイバは位相マスクより軽い傾向があるので、(例えば、圧電ス テージ)によって静止位相マスクに対してファイバを移動することが好ましい。 種々の連続または非連続ライティングパターンを使用することができるが、ラ イティング光ビームが導波管の一部に沿って長手方向に走査する実施例を実施す ることが好ましい。また、実施を容易にするために、ライティング光ビームがほ ぼ一様な速度で導波管の部分に沿って走査されることが好ましい。 位相マスクによって提供されたものに関してブラッグ波長の簡単なシフトを提 供するために、マスクと導波管の相対的な直線的な位置が、導波管の現在露出し た領域の導波管に沿った距離に直線的に関連するように変化することが好ましい 。これは、マスクと導波管を一様な速度で相対的に移動することによってライテ ィング走査が一様な速度で行われることを達成することができる。 直線的なチャープ型格子を形成するために、マスクと導波管の相対的な直線的 な移動が導波管が現在露出した領域の導波管に沿った距離の二乗に直線的に関連 するように変化することが好ましい。これは、一様な加速度でマスクと導波管と を相対的に移動することによってライティング走査が一様ななることによって有 利に達成することができる。 格子へのアポダイゼーションを付加するために、マスクと導波管の相対的な位 置を振動ディザ(dither;震え)成分によって変化させることが好ましい 。この成分は、これら上述した他の動く成分に重ねることができる。同様に、他 の種々の動く成分は、導波管の隣接した成分に重複するか重ねることができる。 好ましくは、ディザ成分の大きさは、格子の長さに沿って変化する。特に変調 されたアポダイゼーションは、いわゆる“超構造”格子をつくるために使用する ことができるが、1つの好ましい実施例において、ディザ成分の大きさは、格子 の中央領域から長手方向の距離とともに増加する。これは、これは格子のサイド ローブ反射を減少させる。 本発明は、ラィティング光ビームをマスクを介して感光性光導波管の領域に連 続的に露光し、導波管に関するマスクの相対位置が格子の異なる領域を生成する ときに変化するように、マスク及び導波管の少なくとも一方を移動させる工程を 有する光導波管格子を提供する。 また、本発明は、ライティング光ビームをマスクを介して感光性光導波管の領 域に連続的に露光する手段と、導波管に関するマスクの相対位置が格子の異なる 領域を生成するときに変化するように、マスク及び導波管の少なくとも一方を移 動させる手段と、を有する光導波管格子製造装置を提供する。 本発明の各観点の好ましい特徴を同じ部品を同じ参照符号で示した添付図面を 参照して説明する。 第1図は、光導波管格子を製造する装置の概略図である。 第2図は、第1図の装置を使用して製造されたプロトタイプの二重波長格子の 反射スペクトルである。 第3図は、プロトタイプ格子の波長シフトに関する反射率依存性を示すグラフ である。 第4図は、従来技術を使用して製造された1センチメートルの長さの一様なフ ァイバ格子における反射スペクトルを示すグラフである。 第5図a及び第5図bは、1センチメートルの長さのアポダイズ型格子及び1 センチメートルの長さの一様な格子の反射スペクトルを示すグラフである。 第6図は、アポダイズチャープ型格子の反射スペクトルを示すグラフである。 第7図は、第6図のアポダイズチャープ型格子の分散特性を示すグラフである 。 第1図は、光導波管格子を製造する装置の概略図である。244nm(ナノメ ートル)波長の100nwcw(ミリワット連続波)の紫外線(UV)ライティ ングビーム10が周波数二重アルゴンレーザ(図示せず)によって発生される。 ライティングビーム10は、ゼロオーダーのナル位相マスク30を横切るように (ステッパモーター図示せずによって駆動される)走査ミラー20によって確実 に走査される。 走査処理の間、ファイバ40は、マスク30に対して長手方向にゆっくりと移 動し、ファイバの移動に依存した位相シフトがファイバ格子に書き込まれる。 現在の実施例において、約20μm(マイクロメータ)まで長手方向に移動す ることができる圧電トランスジューザ(PZT)台50にファイバを取り付ける ことによってファイバが移動される。適当なPZT装置の例は、Physikイ ンスツルメントのGmbH&Coから市販されている。特に、Physikイン スツルメントP−864.11低電圧圧電ドライバ、Phvsikインスツルメ ントE−850.00の容量性センサボード及びPhysikインスツルメント E−802.00のピエゾ制御モジュールと関連して使用することができる。上 述した走査台は、約1nmの解像度と約0.05%の位置精度とを有する。また この装置は、容量性フィードバック位置センサを有し、PZT装置の移動は、上 述したような従来の外部制御電子装置によって制御可能である。 ファイバ及びマスクの相対運動は、格子に適用される位相シフトを決定するこ とは理解できよう。従って、第1図において、ファイバは、静止マスクに対して 移動するが、他の実施例において、マスクは、静止するファイバに対して移動す るようにしてもよい。他の例として、ファイバ及びマスクの双方が移動するよう にすることもできる。しかしながら、この説明において、マスクは保持され、フ ァイバは第1図に示すように移動する。 第1図のファイバ40の一様な速度は、ブラッグの波長の簡単なシフトを生じ る。もしλ0がブラッグ波長である場合には、vf及びvscはファイバであり 、走査ビーム速度は、それぞれvf《vscであり、(ここで問題のケース)、 マスクに関して固定されるファイバ位置で得られるものから生じる格子のブラッ グシフトΔλはΔλ=λ0vf/vsc′によって与えられる。約1nmのシフ トにおいて、ファイバは走査速度の約0.1%で移動すればよい。 この技術の一例として、二重波長の格子は1つの一様な位相マスクを使用して 製造することができる。二重波長格子は、第2のブラッグ波長を有する部分に隣 接した第1のブラッグ波長を有する部分を有する。 第2図は、ボロンゲルマニウム感光ファイバを使用して書き込まれたプロトタ イプの二重波長格子の反射スペクトルを示す。このプロトタイプにおいて、走査 ビーム速度は37μm/sであり、ファイバ速度は、ライティング時間の最初の 半分の時間で0.01μm/sであり、ライティング時間の第2の半分の時間で −0.01μm/sに切り替わる。格子の全体の長さは1cm(センチメートル )である。第2図は、この技術によって得られる2つの反射率のピークを示す。 この大きな波長シフトにおいて、格子の強度は、ファイバが位相マスクによって 形成された干渉パターンを通ってまた迅速に移動するとき、インデックス変調が 平均にされまたは“洗い出される”とき減少する傾向がある。事実、屈折率変調 はΔnは、vfに次のように依存する。 Δn=sin(πDvf/Λvsc)/(πDvf/Λvsc) =sin(2neffπDΔλ/λ2 0)/(2neffπDλ/λ2 0) ここでDは、ライティングビーム直径であり、Λは、ファイバ格子ピッチであ り、neffは、有効屈折率(2neffΛ=λ0)である。 上述した関係は、異なる波長シフトで弱い(<20%反射率)格子を書き込み 、Δn2の依存性を有する反射率Rを記録することによって確認される。第3図 は、上述した公式から期待されるsinc2(すなわち、sinx/x)に対し てプロットされた経験的な点を示し、経験的な反射データは、約350μmの測 定ビーム直径Dの上述した関係によく適合する。 また、上述した公式から、Δnは、vf=Λvsc/D又は ΔΛ=Λ2/Dであるときに消える(ここでΔΛ/Λ=Δλ/λ0)。従って、等 式は、最大限達成可能な波長シフトがビームの直径のみに依存することを理論的 に示している。物理的には、この条件は、単に走査ビームがその上を横断するよ うに通過し、ファイバの1つの点が率の変化から出る空間的な平均値を生じる時 間D/vscの間1つの格子ピッチ移動する場合に対応する。他方で、数nmまで の大きな波長の逸脱がライティングビームの直径を単に低減することによって達 成可能である。 アポダイゼーション 1つの方向にファイバを一様に移動させることによって共振周波数をシフトさ せることは別にして、いわゆる“純粋”なアポダイゼーションは、ライティング ビームが走査している間にファイバを前後に長手方向にディザすることによって 格子に付加することができる。 1つの例において、ディザの大きさは、格子の端部で格子ピッチの1/2から 格子の中心でゼロのディザとなるように直線的に減少するように設定される。 格子をアポダイジングするこの技術を使用することは、ファイバに到達する平 均のUVが格子の全長にわたって同じであるから、平均の屈折率は、格子に沿っ た位置とは無関係であり、屈折率の変調のみが変化し、すなわち、Δnが、変調 される。この手順は、“純粋”なアポダイゼーション効果と称され、これは、平 均の屈折率が格子の長さに沿って変化する前の技術によって生じるアポダイズ格 子と対比される。 第4図は、一様な格子の反射スペクトルを示し、第5図a及び第5図bは、存 在するアポダイゼーションとともに得られる対応するスペクトルを示し、サイド ローブ水準を低減する際の効率を示す。 アポダイゼーションによって、反射性は弱くなる傾向があり(なぜならば、有 効な格子の長さが短いからであり)、さらに細かく比較をすれば、アポダイズさ れたものと同じピークの反射性及び帯域を有するように書き込まれる。第5図a において、アポダイズ格子(厚い曲線)のスペクトルは、同じ反射率及び帯域の 一様な格子のスペクトルと比較するために重複されている。第5図bは、同じ格 子反射率を示すが、一様な格子曲線の重複がない。 アポダイズスペクトルのサイドローブは、メインピークの下の25dB(デシ ベル)以上であり、一様な格子の13dB以下である。これらは、ファイバと位 相マスクとの相対位置を単にディザすることによって達成されるが、特定な可変 の回折効果で達成されるアルベルトら(参考文献6参照)による結果と比較可能 である。 他の用途、いわゆる、“スーパー構造”格子は、ディザ信号の大きさ(アポダ イゼーション)が格子の長さに沿って変調され、変調期間は格子間隔よりもかな り大きい。 チャープ型格子 波長シフトをつくるためにファイバに一定の速度を適用する代わりに、マスク に関する速度を変化させることによってチャープ型格子を形成することが可能で ある。 1つの例において、走査時間中にファイバの速度を簡単に直線的に増減するこ とによって、直線的なチャープ型格子を製造することができる。第6図は、例え ば、このような方法でつくられたプロトタイプの1.5cmの長さのアポダイズ チャープ型格子の反射スペクトルを概略的に示す。第6図の格子の帯域幅は、0 .82nmであり、ピーク反射率は約40%である。 第7図は、第6図のアポダイズチャープ型格子の分散特性を示すグラフである 。 このグラフは、格子が約170pS/nm(ピコ秒/ナノメートル)の帯域幅上 に平均の時間遅延傾斜を有する。 しかしながら、チャープ型格子に加えて、他の非線形チャープ機能は、走査中 にファイバの速度プロフィールを変化することによって格子に簡単に付加するこ とができる。この原理において、欠点が前述したようなものであれば、この方法 で不完全な位相マスクを補償し、良好な品質の格子を製造することができる。ま た、分離した位相シフト、すなわち、位相の非連続性、格子内の複数位相シフト またはチャープ領域を必要とする分配フィードバック(DFB)タイプのレーザ 構造を実施することは、走査中に適当な時間に所望の量によってファイバ及び/ または位相マスクを移動することによって達成することができる。 要約すると、一様な位相マスクから格子を生成する移動ファイバ/位相マスク 走査ビーム技術は、位相マスク法に著しい柔軟性を付与し、適当な方法でマスク に対してファイバを移動することによって複雑な格子構造を簡単に容易に形成す ることができる。複数波長格子“純粋な”アポダイゼーション及び制御されたチ ャープは、プロトタイプの格子にすべて示されている。 上述した技術は組み合わされ、(第6図及び第7図に関して説明するような) チャープアポダイズ型格子は、速度成分を急に傾斜させることによってディザモ ーションを重ねることによってつくることができる。事実、波長、チャープ及び アポダイゼーションの組み合わせは、上述したような効果に対して適当な動きの 成分を組み合わせることによって特別の位相マスクについて設定することができ る。 上述した説明において、ライティングレーザビームは、一様な速度Vscでマス クに沿って走査すると仮定される。このことから、簡単な波長シフトは、一様な マスク/ファイバ移動速度を必要とし、チャープはマスク/ファイバ移動速度の 急激な傾斜を必要とし、アポダイゼーションは、対称的なディザ振動成分によっ て達成される(が、所望ならば、非対称的なディザを使用することもできる)。 しかしながら、当業者は、もしライティングビームへの露出が一様な速度走査に よるものではない場合にも、等しく適用することができることを理解すべきであ ろう。例えば、ライティングビームの露出は、非一様な速度で走査スイープを介 するか、1つの連続的な走査経路を形成しない点露出を介して行われる。これら の場合において、マスク及びファイバの正しい相対的な移動経路はライティング 処理の間の任意の時間にマスクによって提供されたものに関して格子に適用され る位相シフトがマスクに関してファイバの移動に正比例するという簡単な規則に よって常に導くことができる。 従って、本発明の実施例は、インファイバ型格子のような光導波管格子を形成 する方法を提供する。格子は光学的に形成され、位相マスクは、格子パターンを 発生するためにライティングレーザビームによって走査される。この導波管及び 位相マスクは、ライティング処理の間に互いに対して移動し、格子の長さ方向に 沿って格子特性を変化させる。1つの方向への相対運動は、格子ピッチの変化を 提供し、チャープまたは複数波長の格子をつくるために使用することができる。 双方向のディザは、格子の強度を変え、アポダイズ格子を製造するために使用す ることができる。 上述した例は、光ファイバについて説明したが、この技術は平坦な導波管のよ うな他のタイプの導波管にも適用可能であることは理解できよう。 参考文献 1.K.O.Hillら.,Appl.Phys.Lett.,62,1993 ,pp1035−1037 2.D.Z.Andersonら.,Electron.Lett.,29,1 993,pp.566−567 3.J.D.Prohaskaら.,Electron. Lett.,29, 1993,pp.1614−1615 4.J.Martinら.,Electron.Lett.,30,1994, pp.811−812. 5.H.N.Rourkeら.,Electron.Lett.,30,199 4,pp.1341−1342. 6.J.Albertら.,Electron.Lett.,31,1995, pp.222−223. 7.B.Maloら.,Electron.Lett.,31,1995, pp.222−223. 8.K.O.Hillら.,Opt.Lett.,31,1995,pp.22 2−223. 9.R.Kahyapら.,Electron.Lett.,30,1994, pp.996−997. 10.K.C.ByronらElectron.Lett.,31,1995, pp.60−61.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S Z,UG),UA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD ,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CZ, DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,HU,I S,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LK,LR ,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,MN, MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,S D,SE,SG,SI,SK,TJ,TM,TR,TT ,UA,UG,US,UZ,VN (72)発明者 ロー,ウェイ−ハン イギリス国ハンプシャー,サザンプトン エスオー17・1ユーティー,ハイフィール ド,ウェルベック・アベニュー,オークデ ィーン・コート 12 (72)発明者 ラミング,リチャード・イアン イギリス国サザンプトン エスオ−3・5 キューズィー,ハンブル,ペガサス・クロ ース 4 (72)発明者 ザーヴァス,マイケル・ニコラス イギリス国サザンプトン エスオー2・3 エフジェイ,バセット,オークランズ・ウ ェイ 16

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.ライティング光ビームをマスクを介して感光性光導波管の領域に連続的に 露光し、前記マスクに対応する領域を格子に形成する光導波管格子製造方法であ って、前記格子の異なる領域を生成するときに前記導波管に対する前記マスクの 相対位置が変化するように、前記マスク又は前記導波管を移動させる工程を有す る光導波管格子を製造する方法。 2.前記導波管が、光ファイバである請求項1に記載の方法。 3.前記ライティング光ビームが、導波管の一部に沿って長手方向に走査され る請求項1又は2に記載の方法。 4.前記ライティング光ビームが、ほぼ一様な速度で導波管の部分に沿って走 査される請求項3に記載の方法。 5.前記マスク及び導波管の相対的な位置が、現在露出された導波管の領域の 導波管に沿った距離に直線的に関連するように変化する請求項3又は4に記載の 方法。 6.前記マスク及び導波管の直線的な移動が、現在露出された導波管の領域の 導波管に沿った距離の二乗に直線的に関連するように変化する請求項3又は4に 記載の方法。 7.前記マスク及び導波管の相対位置が、ほぼ一様な直線的な速度で変化する 請求項4及び5に記載の方法。 8.前記マスク及び導波管の相対位置が、ほぼ一様な直線的な加速度で変化す る請求項4及び6に記載の方法。 9.前記マスク及び導波管の相対位置が、振動的なディザ成分で変化すること を特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の方法。 10.前記ディザ成分の大きさが、格子の長さに沿って変化する請求項9に記 載の方法。 11.前記ディザ成分の大きさが、格子の中央領域から長手方向の距離に応じ て増加する請求項10に記載の方法。 12.ライティング光ビームをマスクを介して感光性光導波管の領域に連続的 に露光し、格子の異なる領域を生成するときに前記導波管に関する前記マスクの 相対位置が変化するように、前記マスク又は導波管を移動させる工程により製造 される光導波管格子。 13.ライティング光ビームをマスクを介して感光性光導波管の領域に連続的 に露光する手段と、格子の異なる領域を生成するときに前記導波管に関するマス クの相対位置が変化するように、前記マスク及び導波管の少なくとも一方を移動 させる手段とを有する光導波管格子の製造装置。
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EP (1) EP0826161B1 (ja)
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