KR20010031375A - 광도파관 회절격자의 제조방법 - Google Patents

광도파관 회절격자의 제조방법 Download PDF

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KR20010031375A
KR20010031375A KR1020007004383A KR20007004383A KR20010031375A KR 20010031375 A KR20010031375 A KR 20010031375A KR 1020007004383 A KR1020007004383 A KR 1020007004383A KR 20007004383 A KR20007004383 A KR 20007004383A KR 20010031375 A KR20010031375 A KR 20010031375A
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리차드이안 라밍
모튼 입센
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지아네시 피에르 지오반니
피렐리 카비 에 시스테미 소시에떼 퍼 아찌오니
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Abstract

광학 회절격자 장치 및 그 제조방법은 입사한 빔을 다수개의 회절된 빔으로 나누기 위한 위상 마스크와, 위상 마스크로부터 온 빛을 수신하고, 회절격자 구조가 간섭 영역에 있는 광도파관에 형성되도록 수렴된 빔들 사이에 간섭 영역을 만들기 위해 적어도 0차가 아닌 회절된 빔(non-zero-order diffracted beam)들을 수렴하기 위한 포커싱(focusing) 장치와, 수렴된 빛의 수렴 각도를 변화시키기 위해서 서로에 대해 움직일 수 있는 위상 마스크와 포커싱 장치의 일부분을 포함한다.

Description

광도파관 회절격자의 제조방법{FABRICATION OF OPTICAL WAVEGUIDE GRATINGS}
광섬유 회절격자와 같은 광도파관 회절격자는 광섬유의 중심을 회절격자의 주기를 정하는 간섭 패턴에 노출시킴으로써 형성될 수 있다. 광섬유의 중심에 섬유 회절격자를 형성하는 것은 514㎚ 에서 작용하는 아르곤 이온 레이저에서 광섬유를 따라서 레이저를 쏨으로써 되고, 따라서 회절격자는 섬유 길이 전체에 형성된다.
최근의 기술은 섬유 중심 및/또는 클래드층 내의 감광성 영역 위에 회절격자 구조를 형성하기 위해 섬유의 측면에 투사된 간섭 패턴을 사용하였다.
이 방법은 프리즘 간섭계(아래 인용된 참고물, Broer), 회절 격자/ 위상 마스크(Anderson), 위상 마스크와 프리즘 간섭계의 조합(Armitage)을 포함하는 이러한 간섭 패턴을 만들기 위해 사용한다. GB-A-2 272 075에 좀 더 설명되어 있고, GB-A-2 272 075에서는 위상 마크스는 렌즈를 사용하여 섬유 중심 위에 상을 형성한다.
그러나 기존의 문제는 제조과정에서 회절격자의 홈(pitch)을 조정하는 것이다. 이때, 제조과정은 홈이 회절격자 길이를 따라서 변하는 처프된(chirped) 회절격자를 만드는 과정과 같은 것을 말한다.
이 방법은 다중빔 간섭계로 하기가 어렵다. 왜냐하면 기록 레이저 빔의 길이는 만들어진 간섭 패턴을 잘 보이도록 하기위해서 다른 광학 경로을 매치시킨다.
동일한 위상 미스크로부터의 회절격자 홈의 튜닝(tuning)은 위상 마스크 확대 기술(Prohaka)과 최대 튜닝에 의존하는 빔의 지름을 토대로 튜닝 장치 둘 다로부터 된다. 최대 튜닝은 좀 더 휠 수 있는 후자의 시스템으로 약 ∼10nm가 될 수 있다.
본 발명은 광도파관 회절격자를 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 다음의 도면을 참조하여 실시예에 의해 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 회절격자 제조장치의 구성도를 나타낸 것이다.
도 2는 상대적인 렌즈의 움직임을 위한 이론적인 튜닝 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 3a는 렌즈의 위치가 고정되고 위상 마스크의 위치가 움직이는 경우에 f=17.7㎜인 렌즈의 실험에 의한 튜닝 곡선을 나타낸 것이다.
도 3b는 위상 마스크의 위치가 고정되고 렌즈 위치가 움직이는 경우에 f=17.7㎜인 렌즈의 실험에 의한 튜닝 곡선을 나타낸 것이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 간섭계를 사용한 85㎝의 처프된 섬유 회절격자의 실험에 의한 반사와 시간 지연(time delay)을 나타낸 것이다.
본 발명은 광 회절격자 제조장치는 입사광을 다수개의 회절된 빔으로 나누기 위한 위상 마스크와, 위상 마스크로부터 온 빛을 수신하고, 회절격자 구조가 간섭 영역에 있는 광도파관에 형성될 수 있도록 수렴된 빔들 사이에 간섭 영역을 만들기 위해 적어도 두 개의 0차가 아닌 회절된 빔(non-zero-order diffracted beam) 모두를 수렴하는 포커싱 장치(focusing arrangement)와, 수렴된 빛의 수렴 각도를 변화시키기 위해서 서로에 대해 움직일 수 있는 위상 마스크와 포커싱 장치의 일부분을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 위상 마스크는 렌즈를 사용하여 도파관 위에 상을 형성한다. 그러나 위상 마스크와 렌즈를 렌즈의 초점 길이(시스템의 기계적인 최대 안정성이 기대할 수 있는) 만큼 떨어진 위체 고정시키는 단계보다 수렴된 빔의 수렴 각도를 변화시키기 위해 위상 마스크와 렌즈의 간격을 변화시키는 단계를 취한다. 통상의 기술을 가잔자는 도파관에 입사된 홈의 가장자리를 차례로 변화시키는 것을 이때 즉시 알수 있을 것이다.
본 발명의 실시예는 27㎚의 튜닝 범위를 나타낼 수 있다. 즉, 지금까지 알려진 최고 튜닝 범위의 약 3배이다.
Bragg 섬유 회절격자를 사용하는 다른 기술과 특히 처프되거나 동일한 위상 마스크 뒤에 있는 간섭 패턴에서 섬유가 움직이는 기술(예를 들면 GB9617688.8에 의한 'Step and repeat″)에 함께 사용하는 다른 기술과 비교되는 본 발명의 장점은 섬유와 위상 마스크 사이가 접촉하지 않거나 가까이 접촉하지 않아서 움직이는 유피 표면 사이에 형성되는 정전기를 없앤다.
렌즈를 사용함으로써 기록 빔의 파워는 광섬유 측면을 지나가는 것보다 광도파관 중심의 회절 격자 위에 좀 더 정확하게 초점이 맞춰진다.
긴 위상 마스크(5㎝ 보다 긴 위상 마스크)는 연속되는 기술이 불가능하여서 연결된 부분 사이의 정밀도는 위상 마스크의 주기에서 분리될 만큼 충분치 않기 때문에 위상 마스크의 길이를 따라서 주기적인 스티치 에러(stich-error)를 초래한다. 불완전하 오버랩 영역은 위상 마스크로 부터 기록된 회절격자의 질을 저하시키는 위상 변이를 야기시킬 것이다. 스티치되지 않은 위상 마스크를 따라서 스캐닝하는 것은 위상 마스크의 그루브 깊이 형태가 회절격자의 질을 제한할 것이다. 위상 마스크의 그루브 깊의의 변화는 0차(zeroth order)에서 파워의 불안정을 초래할 것이고 따라서 위상 마스크의 -1차, 1차 간섭에서 파워의 불안정을 초래하여 회절 격자에서 백그라운드 레벨(dc)을 증가시키고 간섭 패턴의 가시도(visibility)를 줄인다. 이런 모든 요소들은 형성된 회절격자의 질을 저하시키는 경향이 있다. 반대로 본 발명은 위상 마스크 위의 기록 빔의 위치가 동일하게 유지될 수 있기 때문에 단순히위상 마스크 회절격자의 질이 저하되는 것을 방지하거나 줄일 수 있다.
본 발명은 ″자유 공간″ 간섭계(free-space interferometer)처럼 구현될 수 있지만, 본 발명은 간섭빔을 캐취하고(catch), 재조합하기 위한 단 하나의 렌즈를 사용하여 구현될 수 있다. 더욱이 튜닝 장치는 위상 마스크에 대한 렌즈의 상대적인 움직임(movement)을 포함하기 때문에 편리하게 단순화된다. 만약 이런 움직임이 기록 빔의 방향을 따라서 된다면, 두 개의 간섭 빔 사이의 결합은 영향을 받지 않는다.
또한 본 발명은 빔을 다수개의 외절 빔들로 분리하기 위한 위상 마스크 위에 빔을 쏘는 단계, 회절격자 구조가 간섭 영역에 있는 광도파관 위에 형성되도록 수렴된 빔들 사이에 간섭 영역을 만들기 위해 포커싱(focusing) 장치를 이용하여 적어도 두개의 0차가 아닌 회절 빔(non-zero-order diffracted beam) 모두를 수렴하는 단계, 수렴된 빔들의 수렴 각도를 변화시키기 위해서 적어도 포커싱 장치의 일부분과 위상 마스크 사이의 상대적인 움직임(movement)을 제공하는 단계를 포함하는 광학 회절격자 제조방법을 제공한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 레이저원(예를 들면, UV 레이저원)(10)과 조준 렌즈(20)는 조준된 UV (30) 빔을 생성한다. 이 빔은 소위 0차, -1차와 1차의 회절된 빔을 발생시키는 위상 마스크(40)에 입사된다(높은 차수의 빔은 본 발명의 실시예와 관련이 없다). 0차 빔은 입사빔와 같은 방향에서 진행하는 반면 -1차와 1차 빔들은 설명한 것과 입사빔에 대해 각도를 가지고 꺽인다.
빛이 통과하지 않는 블록(50)은 0차 빔의 경로에 위치하고, -1차와 1차 빔은 무반사 코팅되고 양면이 볼록한 구모양의 렌즈(60)에 입사된다.
렌즈(60)에 입사된 -1차와 1차 빔들은 광섬유 도파관(80)의 중심(혹은 회절격자가 형성된 다른 영역)을 오버랩하는 영역(70)에 모이게 된다. 간섭 패턴은 두 개의 빔들 사이에 형성되고, 회절격자 구조는 간섭 무늬의 홈(pitch)에 기록된다.
위상 마스크(40)및 렌즈(60)는 섬유를 따라서 기록빔을 스캔하는데 사용될 수 있는 임의의 전달 영역(도면에는 나타나 있지 않음)으로부터 떨어져있다. 그리고, 위상 마스크(40)및 렌즈(60)는 위상 마스크(40)과 렌즈(60)의 상대적인 간격을 변화시키기 위해서 있는 제어 회로(100)의 제어하에 전달 영역(90)위에 놓인다. 이런 간격의 영향과 이러한 기술을 사용하여 얻은 몇몇 실험 결과는 아래에서 좀 더 상세하게 설명될 것이다.
아래의 설명을 위해서 위상 마스크 위의 간섭 포인트 P1에서 렌즈까지 거리는 d1으로 정하고, 렌즈에서 이미지 포인트 P2까지 거리는 d2로 정한다. 위상 마스크의 주기는 λpm이라 하고, 렌즈의 초점거리는 f라 한다. 위상 마스크를 지나가는 회절 차수 사이의 각도는 다음과 같다.
θpm= sin-1() (1)
여기서, λi는 위상 마스크에 수직 입사된 빛의 파장이다.
간섭하는 -1차와 1차 사이의 각은 2θpm이다. 간섭의 주기는 다음과 같다.
Λ=(2)
초점 거리 f,d1,d2사이의 관계는 이미징 방식에 따라 다음과 같다.
(3)
P2과 P1이 1:1 인 경우 d1,= d2= 2f이다.
244 ㎚의 UV와 1060 ㎚위상 마스크 주기를 위에 나타낸 방정식에 임의의 수를 사용하여보자. (1)로 부터 하나의 회절 차수 사이각은 13,31°이고 따라서 1과 1차 사이 각은 26.62°이다. (2)에 의해 간섭 패턴은 530㎚로 된다. 만약 25.4 mm의 표준 렌즈 지름 D를 일반적으로 지름의 85% 인 렌즈의 지름 Dcl로 한다면 Dclsms 21.6mm 이다. 위상 마스크에서 렌즈까지 최대 거리는 dmax는 다음과 같다.
(4)
따라서
(5)
= 45.6 mm
(3)에 의해 1 인치 렌즈의 최대 초점 길이는 fmax= 22.8mm 이다.
간섭빔의 튜닝 주기와 Bragg 파장의 튜닝은 거리 d1이 변함으로써 얻을 수 있다. 이미징 방정식 (3)에 따라서 고정된 f와 변하는 d1에 대한 d2의 관계는 다음과 같다.
(6)
만약 빔이 들어올 때와 같이 빔이 렌즈의 중심축과 같은 방향에서 렌즈를 나간다고 가정하면, 얇은 렌즈가 근접하게 있을때, 도 1에 나타낸 θpm과 θim의 관계는 다음과 같다.
〈=〉(7)
d1의 함수처럼 이미징 평면에서 간섭빔들 사이의 각의 표현을 얻을 수 있다. 1:1 이미징로부터 이조(離調) 함수처럼 Bragg 파장 튜닝에 대한 표현을 얻을 수 있다. 표현은 다음과 같다.
(8)
여기서, nave는 회절격자에서 평균 굴절률이다.
도 2는 nave=1.46인 다른 f값에 대한 방정식(8)의 그래프를 나타낸 것이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 더 짧은 초점 길이의 렌즈는 단위 길이 변화에 따라 더 높은 파장 변이를 나타내고 따라서 d1의 튜닝에서 더 높은 정확도를 필요로 한다.
더 짧은 파장에 대한 최대 디튜닝(detuning)은 이미징 판에서 간섭빔들 사이의 최대각이 되는 d1=dmax에서 얻을 수 있다. Bragg 파장 이론에서 위상 마스크에 의해 정해진 파장은 f쪽으로 d1를 변화시킴으로써 얻을 수 있다.
위상 마스크의 홈을 변화시키는 이러한 방법의 장점은 간섭빔들의 넓이가 더이상 위상 마스크의 앞에 있는 약 30㎛ 지름의 빔에 한정되지 않는다는 것이다. 이 지름은 섬유 중심을 위상 마스크을 지나가는 회절된 차수들의 각으부터 온 간섭 UV에 노출시키기 위해서 필요하다(방정식(1)을 볼 것).
이 방법은 간섭빔들을 섬유의 측면 대신 섬유의 중심에 모을 수 있어서 중심 영역에서 더 높은 흐름(fluency)이 있다. 이 방법의 다른 장점은 기록하는 동안 렌저를 스캐닝함으로써 매우 넓은 밴드의 처프된 회절격자가 제작될 수 있다. 게다가 이 기술은 20 ㎛이하의 세분된 길이의 회절격자를 필요로하는 회절격자 상부의 기록을 효과적으로 활용한다.
본 방법을 잘 이용하기 위해서는 위상 마스크에 대해 렌즈의 위치를 제어하기 위한 이동 영역(90)은 ∼1㎛ 의 정확도가 필요하고, 최대 수백 마이크론을 이동해야한다.
발산하는 빔으로부터 발생하는 일그러짐을 피하기 위해서 위상 마스크 위의 조준빔은 선호된다. 가장자리 포인트는 조준 렌즈(20)이나 위상 마스크 앞에 있는 망원경에 의해 형성될 수 있다.
앞에서 설명한 이슈들을 아래 표 1에서 요약하였다.
f 10mm 15mm 18mm 20mm 22.6mm
최소 λB 553.1 nm 819.7 nm 1044.8 nm 1229.3 nm 1547.6 nm
장치 길이 ∼6 cm ∼7 cm ∼9 cm ∼10 cm
튜닝 범위 1.4 nm/10 ㎛ 1 nm/10 ㎛ 0.75 nm/10 ㎛ 0.75 nm/10 ㎛ 0.7 nm/10 ㎛
이때, 표 1에서의 숫자들은 λpm= 1060㎚, λi=244㎚, nave=1.46,렌즈 지름; 25.4mm 를 토대로 한다.
도 3a 내지 도 4b는 도 1에 따른 실시예에서 얻을 수 있는 실험적인 결과들을 나타낸 것이다.
도 3a 및 3b는 초점 거리 f=17.7mm와 λpm=1057.1㎚ 를 갖는 렌즈에서 얻을 수 있는 두개의 튜닝 곡선을 나타낸 것이다. 도 3a는 위상 마스크를 움직이고 렌즈를 움직임으로써 기울기(slope)가 0.94nm/10㎛이고, 튜닝범위가 1535.5nm에서 1550nm 인 것을 나타낸 것이다.
도 3b는 렌즈가 움직이고 위상 마스크가 고정됨으로써 기울기가 0.92nm/10㎛이고 튜닝범위가 1522nm에서 1549nm 인것을 나타낸 것이다.
도 4a 및 4b는 도 1의 간섭계로 만들어진 선형적인 처프된 섬유 회절격자의 시간 지연 특성과 반사 특성을 나타낸 것이다. 길이가 85cm인 회절격자는 3nm의 대역폭을 갖고, 주파수가 더블된(doubled) 아르곤 이온 레이저로부터의 100mW의 CW UV를 사용하여 만들어진다. 상기 회절격자는 로드된(loaded) D2의 높은 NA(0.2) 섬유에 만들어진다.
위상 마스크로부터의 회절된 차수들을 캐치(catch)하고 재조합하기 위한 양면이 볼록한 렌즈를 사용하는 것의 장점은 1:1 이미징에서 가장 좋은 형태로 알려져 있다. 이는 수차(aberration)를 만들지 않기 때문이다. 게다가 실시예는 간단하고, 간섭계 내에 있는 단 하나의 렌즈 요소를 사용하지 않는다. 더욱이 위상 마스크로부터 온 0차 빔을 막음으로써 간섭하는 -1차와 1차 사이의 간섭 패턴은 더 잘보인다.
도 1의 간섭계의 성능을 향상시키 위해서 예방책을 취할 수 있다. 이미징 판에 있는 간섭 포인트가 평면파로 이루어질 때 가장 좋은 결과를 얻을 수 있다. 이는 간섭계 렌즈의 초점거리의 두 배인 렌즈를 갖는 위상 마스크 위에 주준된 기록빔을 모음으로써 얻어진다.
도 1의 장치는 1인치 지름의 렌즈가 있는 간섭계로 만들어진 85cm 길이의 처프된 섬유 회절격자를를 만드는데 사용된다. 그러나 통상의 기술을 가진자는 특별한 목적으로 더 큰 렌즈가 있는 간섭계를 사용할 수 있고 더 큰 렌즈로부터의 Bragg 파장의 튜닝이 줄어드는 것을 알 수 있을 것이다.
앞에서 언급한 장치는 GB9617688.8에서 설명한 것처럼 그 자체가 시스템으로 사용한다. 즉, 이 기술은 다양한 굴절률의 여러 회절격자 라인을 갖는 광도파관 회절격자를 제조하는 것과 관련된 것으로, 감광성의 광도파관 위에 공간적으로 주기적인 기록빔 패턴을 반복적으로 노출하는 단계와, 간섭 영역 및/또는 기록빔 패턴의 연속적인 노출 사이에 있는 도파관을 움직여서 적어도 도파관 회절격자의 대부분의 회절격자 라인 각각이 간섭 영역에 적어도 두 번 이상 노출되는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 장치와 방법은 기록빔을 다양한 회절격자의 홈에 제공하는 것을 쉽게 사용할 수 있다. 기록빔과 도파관은 하나 또는 그 이상의 이동 영역에 의해서 혹은 렌즈(60)을 기울임으로써 움직일 수 있다.
상기 내용에 포함되어 있음.
(참고문헌)

Claims (9)

  1. 입사한 빔을 다수개의 회절된 빔으로 나누기 위한 위상 마스크와,
    상기 위상 마스크로부터 온 빛을 수신하고, 회절격자 구조가 간섭 영역에 있는 광도파관에 형성되도록 수렴된 빔들 사이에 간섭 영역을 만들기 위해 적어도 0차가 아닌 회절된 빔(non-zero-order diffracted beam)들을 수렴하기 위한 포커싱(focusing) 장치와,
    수렴된 빛의 수렴 각도를 변화시키기 위해서 서로에 대해 움직일 수 있는 위상 마스크와 포커싱 장치의 일부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 회절격자 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 포커싱 장치는 하나의 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 회절격자 제조장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 렌즈는 양면이 볼록하고 구모양인 것을 특징으로 하는 광학 회절격자 제조장치.
  4. 제 1항 내지 3항 중 한 항에 있어서,
    상기 위상 마스크에 입사된 빔을 조준하기 위한 조준 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 회절격자 제조장치.
  5. 제 2항 또는 3항의 종속항 4항에 있어서,
    상기 조준 장치는 상기 렌즈의 초점 거리의 두 배인 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 회절격자 제조장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 한 항에 있어서,
    회절격자가 만들어진 광도파관과 회절격자 제조장치가 상대적으로 움직여서 간섭 영역이 광도파관의 다른 부분에 투사될 수 있도록 하는 이동 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 회절격자 제조장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 한 항에 있어서,
    상기 도파관은 광섬유 도파관인 것을 특징으로 하는 광학 회절격자 제조장치.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 한 항에 있어서,
    상기 도파관 위의 간섭 영역을 반복적으로 노출시키기 위한 장치와,
    간섭 영역 및/또는 기록빔 패턴의 연속적인 노출 사이에 있는 도파관을 움직여서 적어도 도파관 회절격자의 대부분의 회절격자 라인 각각이 간섭 영역에 적어도 두 번 이상 노출됨으로써 생성되기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 회절격자 제조장치.
  9. 빔을 다수개의 회절 빔들로 나누기 위한 위상 마스크 위에 빔을 쏘는 단계;
    회절격자 구조가 간섭 영역에 있는 광도파관 위에 형성될 수 있도록 수렴된 빔들 사이에 간섭 영역을 만들기 위해 포커싱 장치를 사용하여 적어도 두 개 이상의 0차가 아닌 회절된 빔을 수렴하는 단계;
    상기 수렴된 빔의 수렴 각도를 변화시키기 위해서 위상 마스크와 적어도 포커싱 장치의 일부분을 상대적으로 움직이는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 회절격자 제조방법.
KR1020007004383A 1997-10-24 1998-10-23 광도파관 회절격자의 제조방법 KR20010031375A (ko)

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