JPH11514756A - 可変周期振幅回折格子マスクおよびその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 長周期ブラッグ回折格子の製造に使用する可変周期振幅回折格子マスクが螺旋状に巻かれたスプリングにより実現される。このスプリングを伸長または圧縮することにより、マスクの周期性を変化させる。平面またはファイバの感光性光導波路が、スプリングの主要軸に沿ってスプリングコイル内に配置されている。化学放射線がマスキングされた導波路に入射され、マスクの周期性を有する導波路内に屈折率摂動を誘起する。マスクに関して導波路の異なる向きおよび／またはスプリングコイルサイズにより、線形および非線形（チャーピングされた）回折格子周期が得られる。装置および方法が記載されている。

Description

【発明の詳細な説明】 可変周期振幅回折格子マスクおよびその使用方法 発明の分野 本発明は、感光性光導波路内の光誘起屈折率摂動の周期性を精密に制御する方 法および装置に関し、より詳しくは、可変周期振幅回折格子マスクおよび長周期 ファイバブラッグ回折格子の製造にそれを使用する方法に関するものである。 発明の背景 光導波路を光源に露出することにより、この導波路の屈折率を増大できるゲル マニアファイバにおいて感光性効果が発見されてから、光フィルタ、ＷＤＭ、レ フレクタ等のような様々な装置が、製造され、提案されている。これらの装置に はしばしば、導波路のコア層から、クラッド層までの狭帯域の波長に亘り光を結 合させる長周期回折格子（数百ミクロンのオーダー）を用い、それによって、波 長選択性損失部材として機能させている。この種類の装置の用途としては、例え ば、エルビウムドープトファイバ増幅器の利得スペクトルを平坦化することがあ る。干渉縞パターン、位相マスク、逐点屈折率変動等を含む、感光性光ファイバ のコア領域に屈折率の周期変動を含める様々な方法が記載されている。ファイバ 回折格子の製造に含まれる背景、方法および光誘起工程についての議論が、Hill 等のPhotosensitivity in Optical Fibers，Annual Review of Materials Scien ce，23，1993，125-157頁に記載されている。最近では、Vengsarkar等による、 長周期ファイバ回折格子の理論および製造並びに帯域阻止フィルタ、利得イコラ イザおよびセンサとしての使用が記載されているいくつかの文献が出版されてい る。両者ともここに引用する、Vengsarkar等のLong-period fiber grating as b and-rejection filters，in Proceedings of Conference on Optical Fiber Com munications，OFC’95，post-deadline paper，PD4-2，1995,およびBhatia等のO ptical Fiber Long Period Grating Sensors，Light News，Fiber and Electro Optics Research Center，Virginia Technical Institute and State Universit y，6-11頁(1995年、冬)において、周期的方形透過率関数を有するクロムめっき 振幅マ スクを通して、ＫｒＦエキシマーレーザからの248ｎｍの放射線に曝された水素 添加（3.4モル％）ゲルマノシリケートファイバ内に長周期回折格子を製造する 機構が提案されている。これらの出版物に提案されているようなクロムめっき振 幅マスクの使用は、特定の損失波長のために設計された固定周期回折格子を提供 する試みに限定されている。さらに、シリカマスク上のクロムは、クロムが除去 される前に約100ｍＪ／ｃｍ²−パルスの損傷閾値を有し、使用する光源フルエン スおよびマスクの寿命が制限されている。 発明の概要 したがって、回折格子のスペクトル損失特性の調整可能性があり、さらに現在 利用できる振幅マスクよりも大きい放射強度に耐えられるマスクを提供する、周 期性が容易に正確に制御できる振幅回折格子マスクが必要とされているのが分か った。本発明は、そのような特徴を提供する装置および方法に関するものである 。 本発明のさらなる特徴および利点が、以下の記載に述べられており、一部はそ の記載から明確になり、または本発明の実施により学んでもよい。本発明の目的 および他の利点は、記載において特に指摘した装置と方法およびその請求の範囲 並びに図面により実施され、達成される。 これらと他の利点を達成するために、具体化され、広く記載される本発明の目 的によれば、本発明には、化学放射により感光性光導波路内に屈折率摂動を書き 込むのに使用する振幅マスクが記載されている。ここで、このマスクは制御可能 な様式で変更できる周期を有し、光導波路において屈折率摂動の所望の正確な周 期を得る、すなわち、導波路内に回折格子を形成する。本発明の実施の形態にお いて、マスクは、少なくともマスクの端部にわずかしかまたは全く引張力が作用 しない場合、鉄道の枕木と類似の、マスクの主な縦軸に対して実質的に横に配向 された、接続された一連のマスキング部分を有している。全体としてのマスクは 、実質的にフックの法則に従う。すなわち、マスクの非固定端部に引張力が加え られると、マスキング部分の均一に増大した周期性が生じ、反対に、マスクの非 固定端部に圧縮力が加えられると、マスキング部分の均一に減少した周期性が生 じる。 本発明の実施の形態において、可変周期振幅マスクは、各々のスプリングコイ ルがマスクのマスキング部分である、螺旋状に巻かれたスプリングである。マス キングコイルは、各々の隣接するマスキングコイルに関して実質的に一定の配向 を有し、このスプリングマスクは、スプリングの非固定端部に加えられる力の性 質および大きさ、すなわち、スプリング材料の弾性限界内のスプリングの圧縮ま たは伸長の大きさに依存した可変の制御可能な周期を有している。この実施の形 態のある態様において、スプリングマスキングコイルの全ては、導波路がマスク 表面から一定の均一な距離に位置しているときに感光性導波路内に一定周期の屈 折率摂動を形成するのに有用な実質的に一定の等しい直径またはサイズを有して いる。本発明の別の形態において、マスキングコイルの全てが実質的に同一の直 径またはサイズを有しているわけではない。例えば、スプリングマスクは、縦方 向に沿って円錐形の漸減を有していてもよく、またはコイルのサイズは、マスク の長さに亘って増大および／または減少していてもよく、導波路内の屈折率の変 動の周期がそれにしたがって、導波路のマスキングされた部分の長さに亘り変化 する。マスクのこれらの形状は、例えば、チャーピングされた回折格子を形成す るのに有用である。 本発明の実施の形態では、鋼鉄、アルミニウム、シリカまたは上述した特徴お よび性質を有する他の材料、特に、従来のマスク材料よりも大きいフルエンスレ ベルに耐えられ、光誘起放射波長で低吸収である材料から作られたコイル状スプ リングであるマスクが検討されている。 本発明の別の実施の形態において、可変周期振幅マスクは、各々のマスキング 部分が実質的に、三次元コイルではなくむしろ感光性導波路を横切るのに十分な 長さを有する二次元構造であることを除いて、螺旋状に巻かれたスプリングの形 態のものに類似の特性を有する平面スプリングの形態にある。 本発明はまた、感光性導波路内に所望の周期性を有する光誘起屈折率摂動を正 確に形成する方法に関するものである。この方法は、上述したような可変周期振 幅マスクを提供し、このマスクを弾性限界内で、形成すべき屈折率摂動の所望の 周期を反映するおよその所望の周期に伸長または圧縮し、非被覆感光性導波路も しくはその剥がされたまたはむき出しの部分を、この導波路と放射線源との中間 にマスクのマスキング部分を配置することにより、マスクによりマスキングし、 マスキングされた導波路を適切な化学放射線に曝して、導波路内に屈折率摂動を 光誘起する工程を含んでいる。この方法の実施の形態の別の態様は、導波路内の 屈折率摂動の実際に得られた周期を測定し、これを所望の周期と比較し、上述し た比較に基づいてマスクの周期を調節し、導波路内に所望の周期性が得られるま で、非被覆導波路またはその一部をマスキングして露出する工程を反復して施す 各工程を含んでいる。これらの工程には、完全に新しい、未露出導波路またはそ の一部分をマスキングして露出すること、あるいは、以前に露出した領域に重ね るかまたはわずかに置き換えることが含まれる。 それ自体では発明の一部ではない、ここに称されている感光性導波路は、ファ イバまたは平面導波路の形態であっても差し支えない。しかしながら、議論の便 宜上、以後、ファイバ導波路について言及することが理解されよう。さらに、誘 起された屈折率摂動の周期性は、マスクの周期性および／またはマスクに関する ファイバの向きおよび位置に依存して、一定または非一定（例えば、チャーピン グ）に作成しても差し支えないことが理解されよう。例えば、ファイバがマスキ ング部分に関して直線的に配向されている場合、ファイバ内の光誘起屈折率摂動 は、実質的に一定の単一周期を有する。一方で、ファイバが、ファイバのマスキ ングされた領域の間の距離がマスクの長さに亘って変化するようにマスクの縦軸 に関して湾曲している場合には、非線形屈折率周期、またはチャーピングされた 回折格子がファイバ内に形成される。 上述した一般的な記載および以下の詳細な記載の両方は、典型的なものであり 、請求の範囲に記載された発明をさらに説明することを意図したものであること が理解されよう。 添付した図面は、本発明の理解を深めるように提供したものであり、この明細 書の一部に含まれ、これを構成し、本発明の実施の形態を記載とともに説明して 、本発明の原理を説明するように機能するものである。 図面の簡単な説明 図１は、全てのコイルが同一サイズであり、マスクが伸長力の関数Ｆとして周 期Ｐを有している、螺旋に巻かれたスプリングとしての本発明の可変周期振幅マ スクの実施の形態を示している。 図２は、圧縮力の関数（−）Ｆとして異なる周期Ｐ’を有する図１のマスクを 示している。 図３は、均一な線形周期Ｐを示す、図１のマスクの断面図である。 図４は、コイルの全てが実質的に同一サイズというわけではなく、圧縮力また は伸長力の元で非線形周期となる、図１のマスクの実施の形態の別の態様を示し ている。 図５は、スプリングがその長さに亘り円錐テーパーを有している、マスクの別 の実施の形態を示している。 図６は、マスクの非線形周期性を示す、図５のマスクの断面図である。 図７は、マスクに関して曲線的に配向されたファイバ導波路を含む、図１のマ スクの断面図である。 図８は、可変周期振幅マスクが平面スプリングの形態にある、本発明の実施の 形態の平面図を示している。 図９は、本発明の方法および装置の実施例を示している。 図１０は、本発明の実施例により書き込まれた長周期回折格子の透過スペクト ルのグラフである。 発明の好ましい実施の形態の詳細な説明 感光性光導波路の振幅回折格子マスクは、複数の弾性的に結合された隣接マス キング領域の間の間隔により提供される可変周期を有している。マスキング領域 の間隔、すなわちマスクの間隔は、マスクの縦軸に沿ってその非固定端部に加え られる力によるマスクの伸長または圧縮の量により制御される。 図面により説明される、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する 。ここで図１を参照する。感光性光導波路をマスキングする、概して参照番号10 により示されている振幅回折格子マスクは、各々がマスク10のマスキング部分を 規定している、複数のスプリングコイル16を有する螺旋状に巻かれたスプリング 14からなる。各々のコイル16は、導波路100がスプリング14の縦軸60に沿って配 置されている場合、ここではファイバとして示されている導波路100の断面部分 を取り囲むのに十分な効果的なサイズまたは直径Ｄを有している。好ましい実施 の形態において、コイル16のサイズは、実質的に同一である。マスク10は、隣接 するコ イル16間の間隔の関数である、周期Ｐを有している。スプリングの弾性のために （すなわち、スプリングはフックの法則に従う）、周期Ｐは、軸60に沿ってスプ リング14の非固定端部18に力Ｆを加えて、スプリングの弾性限界内でスプリング を圧縮したり伸長させたりすることにより、制御可能な様式で変更することがで きる。図２は、図示した圧縮力（−）Ｆのために減少した周期Ｐ’を有するスプ リングマスク10を示している。図３において、マスク10は、スプリングの縦軸60 に沿って直線的に向けられ、各々のコイル内に実質的に一定の半径位置で各々の コイル16を通過するファイバ導波路100とともに断面で示されている。この実施 の形態において、マスキング部分16は、導波路100および軸60に対して実質的に 横切っており、マスクは、マスクの長さに亘り均一な周期Ｐを有している。本発 明の可変周期振幅マスクとして使用されるスプリング14は、クロムめっきされた 振幅マスクに関して報告された光誘起放射線のフルエンスレベル（約100ｍＪ／ ｃｍ²−パルス）よりも大きいレベルに耐えられるいかなる適切な材料のもので あっても差し支えない。好ましい実施の形態において、スプリング材料は、アル ミニウム、鉄鋼またはシリカからなり、これらの材料は、約100ｍＪ／ｃｍ²−パ ルスから1000ｍＪ／ｃｍ²−パルスの間の範囲のフルエンスレベルに耐えること ができ、光誘起放射線の紫外線波長帯域において従来のクロムめっきマスクより も吸収が少ない。長周期ブラッグ回折格子を書き込む用途に関して、スプリング は好ましくは、約２ｍｍから20ｃｍまでの間のコイル長さを有しており、周期性 は、約10μｍから1000μｍまでの間で調節可能である。 直前に記載した実施の形態の別の形態において、スプリングコイル16のサイズ は、全てが実質的に同一であるわけではない。例えば、図４および５は、この実 施の形態の２つの変更形態をそれぞれ示している。図４において、第一の群のコ イルまたはマスキング領域16はサイズＤ₁を有し、第二の群はサイズＤ₂を有し、 第三の群はサイズＤ₃を有している。図５において、スプリング14はその長さに 亘って、コイル16のサイズがマスクの長さに亘り均一に増大または減少するよう な円錐漸減を有している。これらの実施例では、加えられた力に応じて、異なる サイズのコイルの間の異なる間隔による、特定のスプリング伸長／圧縮に関する 非線形またはチャーピングされた周期が提供されている。図６は、装置の周期の 非 線形特性とともに、図５の円錐状漸減スプリングマスク14を断面で示している。 本発明の別の実施の形態が図８に示されている。この実施の形態において、可 変周期振幅マスクが、サイズＬの複数の弾性的に結合されたマスキング領域16を 有する平面スプリング14の形態にある。マスキング部分のサイズＬは全て、マス クが線形屈折率摂動を形成するのに用いられる場合には実質的に同一であって差 し支えなく、あるいは、Ｌは、感光性導波路内に非線形屈折率摂動を形成するた めにマスクの長さに亘り均一にまたは不均一に増大または減少していても差し支 えない。 本発明の実施の形態ではさらに、感光性光導波路内に光誘起屈折率摂動を形成 する方法であって、感光性導波路を上述したような可変周期振幅回折格子マスク によりマスキングし、マスキングされた導波路一部分を化学放射線に曝して、屈 折率摂動を光誘起する各工程からなる方法が検討されている。本発明の好ましい 方法の実施の形態において、感光性光ファイバ導波路内に長周期ブラッグ回折格 子を形成する方法は、可変周期振幅回折格子マスク、好ましくは上述したような 螺旋状に巻かれた振幅回折格子マスクによりファイバの剥がされたまたはむき出 しのクラッド一部分をマスキングし、ここで、マスキング領域の周期は、マスク の縦軸に沿ってマスクの非固定端部に力を加えることにより制御可能に変更され 、マスクの周期を、導波路内に書き込むべき屈折率摂動の所望の周期と実質的に 等しく調節し、次いで、マスキングされた導波路一部分を紫外線に露出して、屈 折率摂動を誘起する各工程を含んでいる。ファイバ内に一定周期回折格子を形成 するこの実施の形態のある態様において、ファイバは、図３に示したように、マ スクの縦軸に沿って実質的に直線的に方向付けられている。図７に示したように 、チャーピングされた回折格子を書き込む別の形態においては、ファイバ100は 、導波路の隣接するマスキングされていない領域の各々がそれぞれ他の領域に関 して長いまたは短い長さを有するように、曲線状に方向付けられいても差し支え ない。当業者によって適切な光誘起放射線としてよく認識されている、約190ｎ ｍから260ｎｍまでの間の波長を有する化学放射線を用いて、回折格子を書き込 む。本発明の実施の形態では、紫外線が、約100ｍＪ／ｃｍ²−パルスから1000ｍ Ｊ／ｃｍ²−パルスの間の範囲のフルエンスレベルを有し、これは、スプリング マスクの材 料組成により可能であると考えられている。 本発明のある形態は、当業者によく知られた手段により、導波路内の光誘起屈 折率摂動の周期性を測定し、マスクの周期を回折格子の所望の周期により密接に 等しく調節し（すなわち、損失スペクトルをより正確に定義し）、再度感光性導 波路を適切な放射線に露出して、導波路内に所望の屈折率摂動が得られるまでこ の工程を繰り返す各工程を含んでいる。剥がされたファイバの同一一部分に重ね て書き込んでも、ファイバを少量だけ縦に置き換えて、次いで、再度露出しても 、あるいは、剥がされたファイバの完全に新しい一部分を、上述したようにマス キングして露出しても差し支えないことが理解されよう。 実施例Ｉ ここで、本発明の方法および装置の実施例を、同様の参照番号が、添付した図 面に示されている実施の形態の同様の構成部材を示している、図９を参照して記 載する。可変周期振幅スプリングマスク10を10ミル（250μｍ）の鋼鉄ワイヤか ら作成した螺旋状に巻かれたスプリング14により提供した。スプリングの対向端 部18、18'を、二つの2/56小ねじ105によりブラケット103、103'にそれぞれ取り 付けた。ブラケット103は並進取付台109の固定基台114に取り付けられており、 ブラケット103'は並進ステージ101のニューポートモデル411-05Sに取り付けられ ており、制御されたストレッチをスプリング14に加えることができた。スプリン グを延伸して、400μｍの周期を提供し、したがって、エキシマーレーザ（図示 せず）からの248ｎｍの光からなる光誘起放射線70に関して150μｍの窓を提供し た。スプリングは約2.5ｃｍの全体のコイル長さを有し、各々のスプリングコイ ルは約２ｍｍから３ｍｍまでの直径を有した。100気圧で水素添加されたコーニ ングSMF-28光ファイバ100のある長さを、その部分に亘りむき出しのクラッドと なるまで剥がして、ファイバの剥がされた部分がマスキングされるように、スプ リングコイルに通して直線的に取り付けた。このファイバを、取付台111により 、その中に、歪んでいないがぴんと張った状態に保持した。ファイバのマスキン グした領域を、10分間に亘り10ｈｚで、続いて７分間に亘り20ｈｚで、そして45 秒間に亘り５ｈｚで150ｍＪ／ｃｍ²−パルスに曝した。図１０は、得られた長周 期ブラッグ回折格子の透過スペクトルを示しており、さらにそれぞれ1435ｎｍお よび1530ｎｍで二つの 主要損失下降を示している。 当業者には、本発明の精神または範囲から逸脱せずに本発明の装置および方法 に様々な改良および変更を実施できることが明らかである。すなわち、本発明は 、発明が請求の範囲およびその同等物に含まれる限り、本発明の改良および変更 を含むことを意図するものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．感光性光導波路の可変周期振幅回折格子マスクであって、 複数の弾性的に結合された隣接マスキング領域を備え、前記マスクが該結合 された隣接マスキング領域の間の間隔により規定される周期を有し、該周期が、 前記マスクの縦軸方向において該マスクの非固定端部に加えられる力の関数とし て制御された様式で変動可能であることを特徴とするマスク。 ２．前記マスキング領域が、前記マスクの縦軸に対して実質的に横向きに方向付 けられていることを特徴とする請求の範囲１記載のマスク。 ３．前記周期が、約10μｍから1000μｍまでの間で変動可能であることを特徴と する請求の範囲１記載のマスク。 ４．前記マスキング領域の全てが実質的に同一サイズであるわけはないことを特 徴とする請求の範囲１記載のマスク。 ５．螺旋状に巻かれたスプリングからなることを特徴とする請求の範囲１記載の マスク。 ６．平面スプリングからなることを特徴とする請求の範囲１記載のマスク。 ７．感光性光導波路用の振幅回折格子マスクであって、 各々がマスキング部分を規定する複数のスプリングコイルを有する螺旋状に 巻かれたスプリングを備え、該コイルの各々が、前記導波路が前記スプリングの 縦軸に沿って配置されたときに該導波路の断面部分を取り囲むのに十分な直径を 有し、前記マスキング部分が、前記スプリングの弾性限界内で該スプリングの伸 長または圧縮に依存する可変周期性を有することを特徴とするマスク。 ８．感光性光導波路内に光誘起屈折率摂動を形成する方法であって、 ａ） 前記感光性導波路のむき出しのクラッドの一部分を、多数の弾性的に結 合したマスキング領域からなる可変周期振幅回折格子マスクによりマスキングし 、該マスキング領域の周期が、該マスクの縦軸に沿って該マスクの非固定端部に 力を加えることにより制御可能に変更されており、該マスクの周期が、前記導波 路内において光誘起すべき屈折率摂動の所望の周期性と実質的に等しくなるよう に調節されており、 ｂ） 該マスキングされた導波路の一部分を化学放射線に曝して、前記屈折率 摂動を光誘発する各工程からなることを特徴とする方法。 ９．前記導波路をマスキングする工程が、前記マスキング領域の少なくとも一部 が該導波路と前記放射線源との中間にあり、該導波路が前記マスクの縦軸に沿っ て実質的に直線的に方向付けられるように該マスクに関して該導波路を配置する 工程を含むことを特徴とする請求の範囲８記載の方法。 10．前記導波路をマスキングする工程が、前記マスキング領域の少なくとも一部 が該導波路と前記放射線源との中間にあり、該導波路が前記マスクの縦軸に沿っ て実質的に曲線的に方向付けられるように該マスクに関して該導波路を配置する 工程を含むことを特徴とする請求の範囲８記載の方法。 11．前記導波路を化学放射線に曝す工程が、約190ｎｍから260ｎｍまでの間の波 長を有し、約100ｍＪ／ｃｍ²−パルスから1000ｍＪ／ｃｍ²−パルスまでの間の 範囲にあるフルエンスを有する光を用いることを含むことを特徴とする請求の範 囲８記載の方法。 12．ｃ） 前記導波路内の光誘起された屈折率摂動の周期性を測定し、 ｄ） 該導波路内に所望の屈折率摂動が得られるまで、工程（ａ）および（ ｂ）を繰り返す各工程を含むことを特徴とする請求の範囲８記載の方法。 13．前記工程（ｄ）が、前記導波路の以前に露出した一部分について工程（ａ） を実施することを含むことを特徴とする請求の範囲12記載の方法。 14．前記工程（ｄ）が、前記導波路の以前に露出していない一部分について工程 （ａ）を実施することを含むことを特徴とする請求の範囲12記載の方法。 15．感光性光ファイバ導波路内に長周期ブラッグ回折格子を形成する方法であっ て、 ａ） 螺旋状に巻かれたスプリング内に該スプリングの縦軸に沿って前記ファ イバのむき出しのクラッドの一部分を配置することにより、該ファイバをマスキ ングし、 ｂ） 該スプリングの周期を、その端部に力を加えることにより約10μｍから 1000μｍまでに調節し、該周期が前記ファイバ内のブラッグ回折格子の所望の周 期にほぼ等しく、 ｃ） 該マスキングされたファイバを化学放射線に曝して、該ファイバ内に屈 折率摂動を光誘起する各工程からなることを特徴とする方法。 16．前記ファイバをマスキングする工程が、該ファイバを、前記スプリングの縦 軸に沿って直線形状に配置することを含むことを特徴とする請求の範囲15記載の 方法。 17．前記ファイバをマスキングする工程が、該ファイバを、前記スプリングの縦 軸に沿って曲線形状に配置することを含むことを特徴とする請求の範囲15記載の 方法。 18．ｄ） 前記導波路内の光誘起された屈折率摂動の周期性を測定し、 ｅ） 該導波路内に所望の屈折率摂動が得られるまで、工程（ａ）および（ｃ ）を繰り返す各工程を含むことを特徴とする請求の範囲15記載の方法。 19．前記工程（ｅ）が、前記導波路の以前に露出した一部分について工程（ａ） を実施することを含むことを特徴とする請求の範囲18記載の方法。 20．前記工程（ｅ）が、前記導波路の以前に露出していない一部分について工程 （ａ）を実施することを含むことを特徴とする請求の範囲18記載の方法。