JPWO2007004339A1 - ブラッググレーティングの構造の同定方法および装置ならびにその作成方法 - Google Patents

Abstract

超格子構造ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）の構造を同定するとともに，この同定方法を利用して一旦作成した超格子構造ＦＢＧを位相トリミングをする。構造を同定すべき超格子構造ＦＢＧ１０の一端に連続光を入射し，同一端から出力される反射光の実測スペクトルＤ（ω）を光スペクトルアナライザ１１で測定する。一方，超格子構造ＦＢＧのフーリエ解析モデルの解析スペクトルＨ（ω）を算出する。これらの両スペクトルＤ（ω）とＨ（ω）とを比較し，最小自乗法（ＬＭＳ）アルゴリズムにより，フーリエ解析モデルのパラメータを更新して最終的に決定する。一旦作成した超格子構造ＦＢＧの構造（特性）が同定されるので，これを所望の構造（特性）と比較して位相トリミングすることにより所望の特性をもつ超格子構造ＦＢＧを得ることができる。

Description

この発明は，ブラッググレーティングの構造の同定方法および装置ならびにその作成方法に関する。

超格子構造ファイバブラッググレーティング（以下，超格子構造ＦＢＧという）（ＦＢＧ：Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）は光通信デバイスの一つであり，超高速光通信向けＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタとみなすことができ，さまざまな応用が期待されている。
ファイバブラッググレーティング（以下，ＦＢＧという）とは，光ファイバのコア部に周期的な屈折率変調を与えて回折格子を形成したファイバ型のデバイスである。このファイバ内に光を入射すると，

というブラッグ条件を満たす特定の波長の光を強く反射（回折）する。ここでＡは屈折率変調の周期，ｎ_ｅｆｆはファイバのコア部の有効屈折率である。
超格子構造ＦＢＧは，上記の回折格子（以下，サブＦＢＧという）を複数個光ファイバ内に離散的に（すなわち，間隔（ギャップ）をあけて）直列に配置したデバイスである（第２図参照）。超格子構造ＦＢＧは第７ａ図および第７ｂ図に例を示すようにピークがいくつも存在するくし形の反射特性を持つ。この反射特性のピーク形状に大きく影響するのがサブＦＢＧの配置間隔によって生じる反射光波間位相差である。ある波長の反射光波間位相差が０の場合光は強め合い，位相差がπの場合はお互い打消し合う。このため，ある波長の光を強く反射するような特性を持つ超格子構造ＦＢＧを得るには反射光波間位相差の制御が重要となる。第７ａ図と第７ｂ図の反射特性は同じ条件で作製した超格子構造ＦＢＧの特性を示すものであるが，このように，同じ条件で作製しても差が生じ，反射特性に大きな影響を与える。反射光波間位相差の制御にはサブＦＢＧ間隔にナノメートルオーダの精度の制御が必要となる。
反射光波間位相差の制御は，超格子構造ブラッググレーティング作成時にレーザ干渉計等を用いてサブブラッググレーティング作成位置を高精度に制御することで可能となるが，この種の作成装置は非常に複雑で高価となる。より簡易に反射光波間位相差を制御する方法としては，サブブラッググレーティング間の間隙部に紫外光を照射して屈折率変化により光路長を調整する位相トリミング法（下記文献１参照）や，デバイス使用時に間隙部への熱や応力を印加することにより光路長を調整する方法（下記文献２参照）が用いられるが，いずれも初期位相差がわからなければ場当たり的に調整するしかなく，複雑な超格子構造ブラッググレーティングの作成・制御は困難であった。
文献１ 那須悠介，山下真司“ＤＷＤＭ用スーパーストラクチャーファイバブラッググレーティングの新しい作成法”電子情報通信学会技術研究報告，ＯＦＴ２００１−４３，２００１年１０月
文献２ 岡村康弘，塙雅典，石川智之，“加温による超格子構造ブラッググレーティングの位相制御”，２００４年電子情報通信学会総合大会講演論文集，Ｃ−３−２９，２００４年３月

この発明は，ブラッググレーティングの構造を同定する方法および装置を提供するものである。これによってブラッググレーティングの現在の状態や作製上の指針を得ることができる。
この発明はまた，上記の同定方法または装置を利用して所望の特性または構造をもつ超格子構造ブラッググレーティングを作成する方法を提供するものである。
この発明によるブラッググレーティングの構造の同定方法は，所定の波長範囲にわたってほぼ強度が一定の光を発生し，前記光を光サーキュレータによってブラッググレーティングへ導き，この光サーキュレータから出力されるブラッググレーティングの反射光の実測スペクトルを光スペクトル分析装置から得，あらかじめ作製したフーリエ解析モデルの解析スペクトルと実測スペクトルの比較により，これらの両スペクトルの差が最小になるようにフーリエ解析モデルのパラメータを特定するものである。
この発明によるブラッググレーティングの構造の同定装置は，所定の波長範囲にわたってほぼ強度が一定の光を発生する光源，上記光源からの光をブラッググレーテイングに導き，かつブラッググレーティングの反射光を出力する光サーキュレータ，前記光サーキュレータから出射する光の実測スペクトルを測定する光スペクトル分析装置，およびあらかじめ作製したフーリエ解析モデルの解析スペクトルのデータと上記光スペクトル分析装置から出力される実測スペクトルのデータとを比較し，両スペクトルデータの差が最小になるようにフーリエ解析モデルのパラメータを特定するパラメータ演算処理手段を備えているものである。
上記光は一実施態様では白光色であり，他の実施態様では可変波長の光源（発光ダイオード，半導体レーザ，その他の発光波長が可変の光源）から時間軸上で波長が走査されて出力する光等がある。光スペクトル分析装置は最も一般的には光スペクトルアナライザであるが，上記の可変波長光源を用いる場合には，分析装置として可変波長光源の波長走査と同期可能な光パワーメータを用いることができる。
この発明は，光ファイバのコアにブラッググレーティングを形成したファイバブラッググレーティング（以下，ＦＢＧという）や平面型光導波路にブラッググレーティングを形成したデバイスなどに適用することが可能であるが，以下ではＦＢＧ，特に超格子構造ＦＢＧの構造の同定を例にして説明する。この発明によれば，超格子構造ＦＢＧの構造を表わすパラメータが特定できるため，作製した超格子構造ＦＢＧが所望の特性を持つように微調整することが容易となる。
この発明による超格子構造ブラッググレーティングの作成方法は，ブラッググレーティングを一旦作成し，この作成したブラッググレーティングの構造を上記の同定方法または装置により同定し，同定した構造（同定した構造から得られる特性）と，所望の構造（所望の特性）とを比較して，その差を少なくするようにブラッググレーティングの構造（物理定数またはパラメータ）を調整するものである。
すなわち，この発明は，光導波路内に間隙部をあけて複数のサブブラッググレーティングを配置した超格子構造ブラッググレーティングを一旦作成し，この作成した超格子構造ブラッググレーティングの構造を上記の同定方法または装置により同定し，同定した構造における反射光波間位相差を求め，求めた反射光波間位相差が所望の値となるように上記間隙部の物理定数を調整するものである。
超格子構造ブラッググレーティングの間隙部の調整すべき物理定数には，有効屈折率，光路長等があり，調整方法には紫外光照射，加熱，応力印加などさまざまな方法がある。
いずれにしてもこの発明によると，一旦作成した超格子構造ブラッググレーティングの構造が同定されるから，所望の特性が得られるように物理定数を調整する指針が得られ，所望の特性をもつ超格子構造ブラッググレーティングを容易に作成できるようになる。

第１図は，超格子構造ＦＢＧの構造の同定装置の全体的構成を示すブロック図である。
第２図は，超格子構造ＦＢＧのフーリエ解析モデルを示す。
第３図は，構造同定実験の結果を示す。
第４図は，構造同定実験によって同定された構造を示す。
第５図は，一旦作成した超格子構造ＦＢＧの構造を示す。
第６ａ図は第５図に示す超格子構造ＦＢＧの反射スペクトルを，第６ｂ図は位相トリミング後の反射スペクトルを，第６ｃ図は所望の特性をそれぞれ示すものである。
第７ａ図および第７ｂ図は，それぞれ超格子構造ＦＢＧの反射特性の例を示す。

第１図は超格子構造ＦＢＧの構造を同定する装置の全体的構成を示すものである。
この同定装置は，測定装置１と，処理装置２と，光源３とから構成される。
光源３は，所定の波長範囲（構造を同定すべき超格子構造ＦＢＧを使用する光の波長の範囲が好ましい）において，ほぼ一定の強度レベルの連続光を発生するものである。
測定装置１は，光スペクトルアナライザ１１を含む。構造を同定すべき超格子構造ＦＢＧ１０の一端（入射端）に光源３からの出力光が入射する。超格子構造ＦＢＧ１０の入射端からは超格子構造ＦＢＧで反射した光が出射し，この出射光が光スペクトルアナライザ１１に入力し，その光スペクトルが測定される。すなわち，光源３と超格子構造ＦＢＧ１０との間に光サーキュレータ１２を配置し，光源３からの光を光サーキュレータ１２によって超格子構造ＦＢＧ１０の入射端に導き，かつ超格子構造ＦＢＧ１０の入射端からの出力光（反射光）を光サーキュレータ１２を経て光スペクトルアナライザ１１に導く。光スペクトルアナライザ１１が測定した光スペクトルを実測スペクトル｜Ｄ（ω）｜^２とする。この実測スペクトルを表わすデータは処理装置２に入力する。実測スペクトルデータはオンラインで処理装置２に入力しても，光ディスク等の記録媒体を介して入力しても，マニュアルで入力してもよい。
処理装置２は好ましくはコンピュータシステム（パーソナルコンピュータ）により実現される。処理装置２の機能をいくつかに分けて表わすと，フーリエ解析算出機能（フーリエ解析算出部または手段）２１，誤差算出機能（誤差算出部または手段）２２，誤差勾配算出機能（誤差勾配算出部または手段）２３およぴパラメータ更新機能（パラメータ更新部または手段）２４からなる。
超格子構造ＦＢＧのフーリエ解析モデルを第２図に示す。超格子構造ＦＢＧは，複数個のサブＦＢＧを光ファイバ内に離散的に配置したものである。各サブＦＢＧの屈折率プロファイルをｈ_ｉ（ｔ）とすると，インパルス応答は式（２）で与えられる。

ここで各屈折率プロファイルを矩形と仮定してフーリエ変換を行うと以下の解析スペクトルＨ（ω）を得る。

ｃは光速である。
超格子構造ＦＢＧの構造を表わすパラメータとしては，サブＦＢＧ長Ｌ_ｉ，サブＦＢＧのブラッグ波長λ_ｂ ^（ｉ），ＦＢＧ間隔Ｉ_ｉ，サブＦＢＧの反射率Ａ_ｉがある。ここでＮ_ｆｂｇはサブＦＢＧ数で，ｉ＝０，１，・，Ｎ_ｆｂｇ−１である。
フーリエ解析算出部２１は，与えられる初期値に応じて，式（４）で表わされる解析スペクトルＨ（ω）を算出する。
処理装置２は，光スペクトルアナライザ１１で測定した実測スペクトルＤ（ω）と，フーリエ解析算出部２１が算出した解析スペクトルＨ（ω）とで表わされる次の誤差関係εが最小となるように，最小自乗法（ＬＭＳ）アルゴリズムにより，上記のパラメータを逐次更新するものである。

ここでＭはスペクトルのサンプル数である。
まず，誤差算出部２２は光スペクトルアナライザ１１から与えられる実測スペクトルデータＤ（ω）とフーリエ解析算出部２１が算出した解析スペクトルデータＨ（ω）とを用いて，式（９）で与えられる誤差関数を算出する。
次に誤差勾配算出部２３は，算出した誤差関数の勾配を算出し，パラメータ更新部２４は算出した勾配を用いて上述したパラメータを最急降下法により逐次更新していく。
更新が終了（誤差が許容値以内になる）すれば，超格子構造ＦＢＧの構造が同定できたことになる。すなわち，｜Ｈ（ω）｜^２と｜Ｄ（ω）｜^２がよく一致しているなら同定後の解析モデルから作製した超格子構造ＦＢＧの反射光波間位相差を求めることができる。
以下に構造同定実験結果を示す。
サブＦＢＧ数４個，サブＦＢＧ長Ｌ≒０．４２ｍｍ，サブＦＢＧのブラッグ波長λ_ｂ≒１５５３．５ｎｍ，サブＦＢＧ間隔Ｉ≒２．０ｍｍ，サブＦＢＧの正規化反射率［Ａ_０，Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３］＝［０．５，１．０，１．０，０．５］の超格子構造ＦＢＧを作製し，そのサブＦＢＧの構造同定を行った。サブＦＢＧ間隔１と反射率Ａのみを同定対象とした。上で示したパラメータをフーリエ解析モデルの初期値として与え，ＬＭＳアルゴリズムによる構造同定の結果を第３図に示す。第３図の点線は実測スペクトル，実線は同定したパラメータを用いた解析スペクトルである。両スペクトルは良く一致しており，誤差も十分に小さくなっていることが分かる。最終誤差は９０で，無視できる許容値とした。
同定によって得られた超格子構造ＦＢＧの構造を第４図に示す。図中に示すパラメータは，同定を行ったＦＢＧ間隔によって求められる反射光波間位相差と正規化反射率である。反射光波間位相差は式（１０）で表されるため，サブＦＢＧ間隔を数十ナノメートルオーダの精度で同定ができた。

この結果によりこの発明の手法を用いることによって超格子構造ＦＢＧの構造同定が可能である事を確認できた。
次に上記の同定方法または装置を利用した超格子構造ＦＢＧの作成方法について説明する。
超格子構造ＦＢＧの作成方法は次の手順による。
ステップ１
まずおよそ所望の構造を持つ超格子構造ＦＢＧを一旦作製する。
ステップ２
上記の同定方法または同定装置により，一旦作製した超格子構造ＦＢＧの構造同定を行い，全てのサブＦＢＧ間の間隙部による反射光波間位相差を求める。
ステップ３
これにより間隙部に照射するＵＶ光照射量を算出して位置トリミングを行い，所望の位相差を有する超格子構造ＦＢＧを作成する。
一旦作製した超格子構造ＦＢＧの構造のステップ３における微調整は同定した構造を利用してたとえば次のようにして行うことができる。
紫外光照射により位相トリミングを行う場合には，紫外光パルスの照射回数と位相変化量との関係をあらかじめ求めておく。同定した超格子構造ＦＢＧの構造と所望の構造との位相差を求め，求めた位相差の変化が得られるように紫外光パルスの照射回数を決定し，この照射回数の紫外光パルスを照射する。
このようにして，上記の作成方法によると，超格子構造ＦＢＧにおける多数の間隙部をバッチ処理で位相調整できるため工程が大幅に簡素化されると共に，超格子構造ＦＢＧ作成系への精度要求も大幅に緩和される等の利点がある。
上記超格子構造ＦＢＧの作成方法の有効性を確認するために，第５図に示す構造を有するサブＦＢＧ数が８の超格子構造ＦＢＧの作成を行った。各サブＦＢＧの設計正規化反射率は［０．１０，０．４８，１．０，０．６２，０．６２，１．００，０．４８，０．１０］である。またＦＢＧ＃４とＦＢＧ＃５の間の間隙部のみ反射光波間位相差がπで，それ以外は全て０とした。
第６ａ図から第６ｃ図に実験結果を示す。第６ａ図はステップ１において得られた超格子構造ＦＢＧの反射スペクトルを示し，第６ｂ図はステップ３の一括位相トリミングを行った後の反射スペクトルを示す。第６ｃ図は所望の反射特性を示すものである。ステップ１で得られた第６ａ図に示す反射スペクトルは所望の特性とは異なるものになっているにもかかわらず，第６ｂ図に示すステップ３の位相トリミング後の反射スペクトルは，第６ｃ図に示す所望の特性とほぼ一致していることが分かる。このことから，上記の作成方法によって所望の反射特性を持つ超格子構造ＦＢＧが簡単に作成できることが確認された。

Claims (4)

1. ブラッググレーティングの構造の同定方法であって，
   所定の波長範囲にわたってほぼ強度が一定の光を発生し，前記光を光サーキュレータによってブラッググレーティングに導き，
   この光サーキュレータから出力されるブラッググレーティングの反射光の実測スペクトルを光スペクトル分析装置から得，
   あらかじめ作製したフーリエ解析モデルの解析スペクトルと実測スペクトルの比較により，これらの両スペクトルの差が最小になるようにフーリエ解析モデルのパラメータを特定する，
   ブラッググレーティングの構造の同定方法。
2. 光導波路内に間隙部をあけて複数のサブブラッググレーティングを配置した超格子構造ブラッググレーティングを一旦作成し，この作成した超格子構造ブラッググレーティングの構造を請求の範囲第１項に記載の方法により同定し，同定した構造における反射光波間位相差を求め，求めた反射光波間位相差が所望の値となるように上記間隙部の物理定数を調整する，超格子構造ブラッググレーティングの作成方法。
3. ブラッググレーティングの構造の同定装置であって，
   所定の波長範囲にわたってほぼ強度が一定の光を発生する光源，
   上記光源からの光をブラッググレーティングに導き，かつブラッググレーティングの反射光を出力する光サーキュレータ，
   前記光サーキュレータから出射する光の実測スペクトルを測定する光スペクトル分析装置，および
   あらかじめ作製したフーリエ解析モデルの解析スペクトルのデータと上記光スペクトル分析装置から出力される実測スペクトルのデータとを比較し，両スペクトル・データの差が最小になるようにフーリエ解析モデルのパラメータを特定するパラメータ演算処理手段，
   を備えたブラッググレーティングの構造の同定装置。
4. 光導波路内に間隙部をあけて複数のサブブラッググレーティングを配置した超格子構造ブラッググレーティングを一旦作成し，この作成した超格子構造ブラッググレーティングの構造を請求の範囲第３項に記載の装置により同定し，同定した構造における反射光波間位相差を求め，求めた反射光波間位相差が所望の値となるように上記間隙部の物理定数を調整する，超格子構造ブラッググレーティングの作成方法。

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