(57)【要約】 【目的】  光導波路ブラッググレーティングを作製する方法および装置で、位相マスクを用いて照射紫外線を２つのビームに分岐し、２つのミラーでそれぞれのビームを反射させ、光導波路の位置で２つのビームを交差させて干渉させる２光束干渉法において、２つのミラーを対称に回転させて異なる反射波長の光導波路ブラッググレーティングを得るとき、光導波路の位置をその都度調整することなく、一定の位置に固定して、異なる反射波長の光導波路ブラッググレーティングを、高精度で、しかも高い再現性で得ることを可能とする。【解決手段】  ２つのミラーの回転軸を、ミラーの中心部から大きく偏芯させて光導波路の位置近傍に配置することで、２つのミラーを対称に回転させるとき、２つのビームが交差して干渉する位置を一定となるように配置する。【選択図】  図３
2006099010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線レーザー光を、位相マスクに入射させ、位相マスクの回折現象を利用して２つのビームに分岐し、分岐された２つのビームを位相マスクから、位相マスクへの紫外線レーザー光入射軸に対して対称に出射させ、位相マスク面と略直角で対称に配置された２つのミラーで２つのビームをそれぞれ反射させ、ミラーで反射された２つのビームを光導波路の位置で交差させて２つのビームを干渉させる２光束干渉法を用いて、干渉の周期を調整するため２つのミラーを対称に回転させて、光導波路に反射波長の異なるグレーティングを形成して、反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを製造する方法において、
２つのミラーの回転軸を位相マスクと該光導波路の中点から偏芯させて光導波路の近傍に配置し、２つのビームが交差する位置がミラー回転角度に対して略無依存であることを特徴とする光導波路ブラッググレーティングの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の位相マスク、２つのミラー、ミラー回転軸および光導波路の位置関係において、式（１）および式（２）を満たすｕを選定してなることを特徴とする光導波路ブラッググレーティングの製造方法。
2006099010.tif 000023
ここで、位相マスクと光導波路はＬの距離をおいて平行に配置され、紫外線レーザーは位相マスクに略直角に入射され、θは位相マスクによる±１次回折光の出射角であり、αはミラーの回転角度で位相マスクと直角方向からの角度であり、ｕは位相マスクとミラー回転軸の垂直方向距離であり、ｓは２つのミラーの回転軸の間隔の半値である。
【請求項３】
請求項１記載の位相マスク、２つのミラー、ミラー回転軸および光導波路の位置関係において、式（３）および式（４）を満たすｕを選定してなることを特徴とする光導波路ブラッググレーティングの製造方法。
2006099010.tif 000024
ここで、位相マスクと光導波路はＬの距離をおいて平行に配置され、紫外線レーザーは位相マスクに略直角に入射され、θは位相マスクによる±１次回折光の出射角であり、αはミラーの回転角度で位相マスクと直角方向からの角度であり、ｕは位相マスクとミラー回転軸の垂直方向距離であり、ｓは２つのミラーの回転軸の間隔の半値である。
【請求項４】
紫外線レーザー光を、位相マスクに入射させ、位相マスクの回折現象を利用して２つのビームに分岐し、分岐された２つのビームを位相マスクから、位相マスクへの紫外線レーザー光入射軸に対して対称に出射させ、位相マスク面と略直角で対称に配置された２つのミラーで２つのビームをそれぞれ反射させ、ミラーで反射された２つのビームを光導波路の位置で交差させて２つのビームを干渉させる２光束干渉法を用いて、干渉の周期を調整するため２つのミラーを対称に回転させて、光導波路に反射波長の異なるグレーティングを形成して、反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを製造する装置において、２つのミラーの回転軸を位相マスクと該光導波路の中点から偏芯させて光導波路の近傍に配置し、２つのビームが交差する位置がミラー回転角度に対して略無依存であることを特徴とする光導波路ブラッググレーティングの製造装置。
【請求項５】
請求項４記載の位相マスク、２つのミラー、ミラー回転軸および光導波路の位置関係において、式（５）および式（６）を満たすｕを選定してなることを特徴とする光導波路ブラッググレーティングの製造装置。
2006099010.tif 000025
ここで、位相マスクと光導波路はＬの距離をおいて平行に配置され、紫外線レーザーは位相マスクに略直角に入射され、θは位相マスクによる±１次回折光の出射角であり、αはミラーの回転角度で位相マスクと直角方向からの角度であり、ｕは位相マスクとミラー回転軸の垂直方向距離であり、ｓは２つのミラーの回転軸の間隔の半値である。
【請求項６】
請求項４記載の位相マスク、２つのミラー、ミラー回転軸および光導波路の位置関係において、式（７）および式（８）を満たすｕを選定してなることを特徴とする光導波路ブラッググレーティングの製造装置。
2006099010.tif 000026
ここで、位相マスクと光導波路はＬの距離をおいて平行に配置され、紫外線レーザーは位相マスクに略直角に入射され、θは位相マスクによる±１次回折光の出射角であり、αはミラーの回転角度で位相マスクと直角方向からの角度であり、ｕは位相マスクとミラー回転軸の垂直方向距離であり、ｓは２つのミラーの回転軸の間隔の半値である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路に、特定の波長の光を反射させる回折格子である光導波路ブラッググレーティングを、紫外線レーザー光を照射して形成する方法およびその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平面導波路または光ファイバーからなる光導波路に形成したブラッググレーティングは、光導波路のコア部に周期的な屈折率変化を与えたもので、入射した光の特定波長の光のみを反射し、他の光はすべて通過させる光フィルターである。例えば、非特許文献（１）および非特許文献（２）に述べられているように、光導波路ブラッググレーティングは伝送損失が少なく、優れた反射特性および透過特性を有しており、光信号を利用する各種デバイス、装置、システムに、例えば、高密度波長多重光通信機器、レーザーダイオード外部共振器、ファイバーレーザー共振器、温度・歪み等の各種センサー等々に、広く応用展開されている。
【０００３】
光導波路ブラッググレーティング（光ファイバーの場合は、ファイバーブラッググレーティングとも言う）の反射波長λFBGは、光導波路のコア部の実効屈折率ｎeffと屈折率変調の周期、すなわちグレーティング周期Λ、によって、
2006099010.tif 000003
として決まる。光導波路の屈折率をその長手方向に周期的に変化させてグレーティングを形成するには、通常、被覆樹脂を除去した光導波路にその長手方向に側面から、グレーティング周期に対応する周期的な強度分布を持たせた紫外線を照射し、光導波路（光ファイバー）のコア部にドープされているゲルマニウム（Ｇｅ）の紫外線に対する光誘起反応に基づく屈折率上昇の現象を利用してなされる。形成される屈折率変調の周期Λは、例えば、光ファイバーの実効屈折率ｎeffが約１．４４７で、光通信によく用いられる波長の約１５５０ｎｍに対しては、式（９）の関係式から、Λ＝０．５３６μｍとなる。良好な光信号の反射特性を得るためにファイバーブラッググレーティングは、通常、この大きさの周期を約５ｍｍから約数１０ｍｍの長さに渡って形成され、１０ｍｍ長のファイバーブラッググレーティングではその周期の個数は、１０ｍｍ／０．５３６μｍとなり、すなわち約１９０００個のグレーティングが形成されている。
【０００４】
このような光導波路ブラッググレーティングを形成する方法としては、例えば、非特許文献（１）および非特許文献（２）に述べられているように、大きく分けて、位相マスク法と２光束干渉法が知られている。前者の位相マスク法は、特許文献（３）、非特許文献（４）および非特許文献（５）に開示されている。この位相マスク法では、光ファイバーを位相マスクに近接乃至は接触させて配置し、位相マスクを介して光ファイバーに紫外線レーザー光を照射し、位相マスクによって回折される＋1次光と−１次を光ファイバーの位置で干渉させ、周期Λの干渉縞からなる紫外光強度分布を形成し、これによって光ファイバーの長手方向に周期的屈折率変調をそのコア部に形成する方法である。
【０００５】
後者の２光束干渉法は、紫外線レーザー光を２つのビームに分岐し、その後、２つのビームを光導波路の位置で交差させて干渉させ、周期Λの干渉縞からなる紫外光強度分布を形成し、これによって光導波路の長手方向に周期的屈折率変調をそのコア部に形成する方法である。この方法の最も基本的な実現方法は、特許文献（６）、特許文献（７）および非特許文献（８）に開示されており、そこでは入射紫外線レーザー光は、約５０％を透過させ残りの約５０％を反射させるビームスプリッタ−を用いて２つの分岐させ、それぞれのビームはミラーを用いて光導波路（光ファイバー）の位置で交差させる構成でなされる。２光束干渉法は、光導波路の位置で２つのビームが交差する角度を変えることで、干渉縞の周期Λを変えることができ、これに比例して式（４）の反射波長λFBGが変わるため、作製される光導波路ブラッググレーティングの反射波長を制御することが容易に可能であると言う特徴を有している。ビームの分岐の方法および交差させる方法において種々の方法が考案されている。
【０００６】
非特許文献（９）では、入射紫外線レーザー光を特許文献（３）、非特許文献（４）および非特許文献（５）に記載されているように、位相マスクによって入射紫外線レーザー光が＋１次光および−１次光に回折して２つのビームに分岐されること、すなわち位相マスクにビームスプリッタ−の機能を持たせられることを利用して２つのビームの分岐し、分岐した２つのビームを角型石英ブロックに入射させその内壁側面でそれぞれ反射させて石英ブロックから出射させ、光ファイバーの位置で交差させて干渉縞を形成しファイバーブラッググレーティングを作製する方法が開示されている。さらに、非特許文献（１０）および非特許文献（１１）では、非特許文献（９）の内容のほかに、三角プリズムを用いたロイドミラー方式についても述べられている。
ビームスプリッタ−で分岐した２つのビームを２つのミラーを用いて交差させ干渉縞を得るには、位相マスクの２つの回折格子像の一方を反転させてパリティー整合を取る必要があり、このことは非特許文献（１２）に開示されている。
非特許文献（１３）では、位相マスクをビームスプリッタ−として用いて紫外線レーザー光を２つのビームに分岐し、２つのミラーでそれぞれのビームを反射させ光導波路の位置で交差させて干渉させる構成で、ミラーの角度を変えるだけでファイバーブラッググレーティングの反射波長を約２５０ｎｍにわたって変えることが可能であることを、透過阻止量が−２８ｄＢに達する強いファイバーブラッググレーティングを実験で作製して示している。非特許文献（１６）では、同じような構成で反射波長を６００ｎｍから１３５０ｎｍまで変えた光導波路ブラッググレーティングの作製を示し、さらに位相マスクと２つのミラーの間に波面制御のためのシリンドリカルレンズを挿入してチャープを付与したファイバーブラッググレーティングの作製も行っている。
また、特許文献（１４）および特許文献（１５）には、特許文献（３）、非特許文献（４）、非特許文献（５）、非特許文献（９）、非特許文献（１０）および非特許文献（１１）に開示されているように位相マスクを用いて紫外線レーザー光を２つのビームに分岐し、非特許文献（１０）および非特許文献（１１）に開示されているように対称に配置された２つのミラーを回転させて、非特許文献（１０）および非特許文献（１１）に開示されているように、異なる反射波長のファイバーブラッググレーティングを形成する方法が記載されている。
【０００７】
良好な強い光導波路ブラッググレーティングを作製するためには、２つのビームが互いに強く干渉しなければ干渉縞は得られないため、可干渉性の程度を示すコヒーレント長が長い紫外線レーザーほど確実に形成することができる。光導波路ブラッググレーティング作製によく用いられる紫外線レーザーには、アルゴンイオンレーザー（発振波長２４４ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザー（発振波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザー（発振波長１９３ｎｍ）等があり、非特許文献（１７）によれば、コヒーレント長はアルゴンイオンレーザー（発振波長２４４ｎｍ）では数ｃｍ程度で、ＫｒＦエキシマレーザーおよびＡｒＦエキシマレーザーでは１ｍｍ前後あるいはそれ以下である。上述の文献に開示されている２光束干渉法の多くでは、通常、コヒーレント長の長いアルゴンイオンレーザーが用いられている。位相マスク法では、光ファイバーは位相マスクに近接または接触させて光導波路ブラッググレーティングが形成されるため、コヒーレント長の短いエキシマレーザー光を用いても容易に確実に光導波路ブラッググレーティングを形成することが可能である。しかしながら、位相マスク法では、位相マスクの回折格子間隔が固定されているため、作製される光導波路ブラッググレーティングの反射波長はひとつの位相マスクで基本的にひとつの反射波長しか得られず、異なる反射波長の光導波路ブラッググレーティングを作製するには回折格子の周期が異なる位相マスクを数多く用意しなければならないと言う短所がある。これに対して、２光束干渉法では、２つのビームが交差する角度はミラーの反射角度を調整することで容易に変えることができるので、波長の異なる光導波路ブラッググレーティングが容易に作製できると言う大きな特徴を有している。
【０００８】
（１）Raman Kashyap: ”Fiber Bragg Gratings”， Academic Press, (1999).
（２）Andreas Othonos, Kyriacos Kalli; ”Fiber Bragg Gratings”， Artech House, Inc., (1999).
（３）Kenneth O. Hill, Bernard Y. Malo, Francois C. Bilodeau, Derwyn C.Johnson; ”Method of creating an index grating in an optical fiber and a mode converter using the index grating”， USP-5,367,588, November 22, 1994. 
（４）K. O. Hill, B. Malo, F. Bilodeau, D. C. Johnson, J. Albert; ”Bragg gratings fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask，” Appl. Phys. Lett. Vol. 62, No. 10 (1993) 1035-1037. 
（５）K. O. Hill, F. Bilodeau, B. Malo, T. Kitagawa, S. Theriault, D. C. Johnson, J. Albert; ”Chirped in-fiber Bragg gratings for compensation of optical-fiber dispersion，” Opt. Lett. Vol. 19, No. 17 (1994) 1314-1316. 
（６）William H. Glenn, Gerald Meltz, Elias Snitzer;“Method for impressing gratings within fiber optics”, USP-4,725,110, February 16, 1988. 
（７）William H. Glenn, Gerald Meltz, Elias Snitzer;“Method for impressing gratings within fiber optics”, USP-4,807,950, February 28, 1989. 
（８）G. Meltz, W. W. Morey, W. H. Glenn; ”Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method，” Optics Letters, Vol. 14, No. 15, pp. 823-825 (1989). 
（９）R. Kashyap, J. R. Armitage, R. Wyatt, S. T. Davey, D. L. Williams; ”All-fibre narrowband reflection gratings at 1500nm，” Electron. Lett. Vol. 26, No. 11, pp. 730-732 (1990). 
（１０）R. Kashyap, J. R. Armitage, R. J. Campbell, D. L. Williams, G. D. Maxwell, B. J. Ainslie, C. A. Miller; ”Light-sensitive optical fibers and planar waveguides”， BT Technol. J., vol. 11, No. 11, pp. 150-160 (1993) 
（１１）R. Kashyap, ”Photosensitive optical fibers: Devices and applications，” Optical Fiber Technol. No. 1, pp. 17-34 (1994). 
（１２）C. G. Askins, T. E. Tsai, G. M. Williams, M. A. Putnam, M. Bashinsky, E. J. Friebele; ”Fiber Bragg reflectors prepared by a single excimer pulse，” Opt. Lett. Vol. 17, No. 11, (1992) 833-835. 
（１３）R. Kashyap; ”Assesment of tuning the wavelength of chirped and unchirped fibre Bragg grating with single phase mask，” Electronic Letters, Vol. 34, No. 21, pp. 2025-2026 (1998). 
（１４）Robert A. Modavis; ”Method of forming a grating in an optical waveguide”， USP-5,818,988, October 6, 1998. 
（１５）ロバートアダムスモダヴィス；”光導波路に格子を形成する方法”、特開平１０−５４９１５、(1998).  
（１６）Y. Wang, J. Grant, A. Sharma, G. Myers; ”Modified Talbot interferometerfor fabrication of fiber-optic grating filter over a wide range of Bragg wavelength and bandwidth using a single phase mask”， Journal of Lightwave technology, vol. 19, No. 10, pp. 1569-1573 (2001).
（１７）小瀬輝次、斉藤弘義、田中俊一、辻内順平、波岡武編集；“光工学ハンドブック”、朝倉書店、pp. 475-476 (1986). 
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
２光束干渉法は、ビームスプリッタ−、位相マスク、ミラー等の光学部品および光導波路を高精度で固定することが必要であり、異なる反射波長の光導波路ブラッググレーティングを得るためのミラー角度調整を容易に行うためには、非特許文献（１３）に述べられているように、位相マスクと光導波路を平行に配置して、紫外線レーザー光を垂直に入射させ、２つのミラーを対称の位置に配置することが望ましい。その理由は、構成部品および光導波路の配置が対称性によってシンプルとなり、従って位置調整が容易となり、高精度の配置が可能となるからである。しかしながら、この方法では異なる反射波長の光導波路ブラッググレーティングを得るには、図１に示すように、２つのミラーを同じ角度だけ対称に回転させ、その後、さらに光導波路の位置を２つのビームが干渉する位置へ移さなければならない。この図１では、ミラー２の回転角度、位相マスクによる２つのビームの回折角度等は理解を容易にするために誇張して表現したものであり、たて横の比率等は正確ではない。高精度の光学部品配置が要求される２光束干渉法で、高い再現性で光導波路ブラッググレーティングの作製を実現し、高い歩留まりで作製するには、光学部品の配置を変えることを極力少なくすることが必要である。本発明の課題は、従来技術に見られるように異なる波長の光導波路ブラッググレーティングを得るとき、その都度、光導波路の位置を変えるのではなく、光導波路はひとつの位置に固定して、２つのミラーを対称に回転させるだけで異なる波長の光導波路ブラッググレーティングを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題を解決するための本発明の基本となる理論について以下に説明し、その後、本発明の特徴について述べる。
まず、従来技術のミラー中心回転方式における光部品の配置の関係を説明し、その次に、本発明のミラー回転軸偏芯方式における光部品の配置の関係を説明する。ここで、ミラー中心回転方式とは、２つのビームを反射させるミラー上の反射位置とミラー反射角度の調整を行うためのミラー回転軸の位置がほぼ同じ位置にある構成であり、ミラー回転軸偏芯方式とは、ミラー反射角度調整のためのミラー回転軸の位置がミラー反射の位置から離れた光導波路の近傍の位置にある構成として定義する。
【００１１】
図２は、従来技術のミラー中心回転方式（たとえば非特許文献（１３））における光部品の配置である。位相マスク１に入射する紫外線レーザーは角度θで＋１次光と−１次光に回折され図示するように左右に出射される。この角度θは
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である。ここでｐは位相マスクの回折格子の周期で、λＥは照射する紫外線レーザーの波長である。位相マスク１による回折で２つのビームに分岐された±１次光は垂直方向から角度αだけ傾いたミラー２で反射され、光導波路４の位置で重なる。角度βで光導波路に入射する＋１次光と角度−βで入射する−１次光が干渉し、干渉縞の間隔Λは
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で規定され、屈折率変調の周期がΛの光導波路ブラッググレーティングが形成される。実効屈折率ｎeffの光ファイバーでは反射波長λFBGは式（１１）のΛを式（９）に代入して、
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となる。図２に示すように、２つのミラーの間隔を２ｓ、ミラー回転軸３と位相マスク１の垂直方向距離をＬ１、ミラー回転軸３と光導波路４の垂直方向距離をＬ２、位相マスク１と光導波路４の距離をＬとし、ミラー２の回転角をαとしたとき、
2006099010.tif 000007
が得られ、このＬの位置で２つのビームが干渉し、その位置に光導波路４を設置すれば光導波路ブラッググレーティングが形成される。この場合、位相マスク１とミラー回転軸３の間の垂直方向距離ｕはＬ１である。光導波路ブラッググレーティングの反射波長λFBGは、２光束の入射角
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を式（１２）に代入して、
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となる。実効屈折率ｎeffは標準的なシングルモードファイバーＳＭＦ２８では、ｎeff＝１．４４７である。
以上が従来技術のミラー中心回転方式における関係式である。次に、本発明のミラー回転軸偏芯方式について説明する。
【００１２】
本発明のミラー回転軸偏芯方式による光部品の配置を図３に示す。位相マスク１からミラー２の面上のビーム反射位置までの垂直方向距離をＬ１、ビーム反射位置から光ファイバー４までの垂直方向距離をＬ２、位相マスク１から光導波路４までの垂直方向距離をＬ、位相マスク１からミラー回転軸３までの垂直方向距離をｕ、２つのミラー回転軸の間の距離を２ｓとすれば、
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が成り立つから、
2006099010.tif 000011
が得られ、
2006099010.tif 000012
となり、位相マスク１と光導波路４の垂直方向距離Ｌは
2006099010.tif 000013
となり、このＬの位置で２つのビームが干渉し、その位置に光導波路４を設置すれば光導波路ブラッググレーティングが形成される。式（２２）でｕ＝Ｌ１と置けばミラー中心回転方式におけるＬが得られ、式（１４）と同じになることが確認できる。位相マスク１と光導波路４の垂直方向距離Ｌは、式（２２）を用いてミラー回転軸間隔の半値ｓ、位相マスク１とミラー２のビーム反射の垂直方向距離ｕ、ミラー回転角α、および位相マスクによる±１次光回折角度θから決まる。位相マスクの回折角θは紫外線レーザーの波長λＥと位相マスクの回折格子の周期ｐから式（１０）で求められる。光導波路ブラッググレーティングの反射波長λFBGは、ミラー中心回転方式と同じように、式（１５）で規定される２つのビームの光導波路への入射角βを用いて、式（１６）で求まる。請求項記載の式（１）、式（３）、式（５）および式（７）は、式（２２）と同じである。以下に、式（２２）を用いて計算した結果を述べ、異なる波長の光導波路ブラッググレーティングを形成するためにミラーを回転させるとき、ミラー回転軸を適切な位置に偏芯させることで、光ファイバーの位置は、その都度調整する必要はなく固定して行うことが出来ることを証明する。
【００１３】
照射する紫外線レーザーの波長λＥをＫｒＦエキシマレーザーの波長２４８ｎｍとし、位相マスクの回折格子の周期ｐを１０７２．３４ｎｍとし、ミラー間隔の半値ｓを２９．７１４３ｍｍとして、いくつかの位相マスクとミラー回転軸の間の垂直方向距離ｕに対して、位相マスクと光導波路の垂直方向距離Ｌを計算した結果を、図４（ａ）および（ｂ）に、光導波路ブラッググレーティング反射波長λFBGおよびミラー回転角αの、位相マスクと光導波路の垂直方向距離Ｌに対する依存性として示す。図の＃１はｕ＝Ｌ１＝１２５ｍｍとした場合のミラー中心回転方式に対する結果である。図の＃２、＃３、＃４、＃５、＃６はミラー回転軸偏芯方式に対して、それぞれｕ＝２２７ｍｍ、２４２ｍｍ、２５７ｍｍ、２７２ｍｍ、２８７ｍｍとして計算した結果である。実効屈折率ｎeffは標準的なシングルモードファイバーＳＭＦ２８に対する値ｎeff＝１．４４７を用いた。回折格子の周期ｐが１０７２．３４ｎｍの位相マスクを用いて、光導波路を位相マスクに近接乃至は接触させて光導波路ブラッググレーティングを形成する位相マスク法では、位相マスクの回折格子がそのまま光導波路に転写され、干渉によってグレーティング周期Λはｐ／２となるから、式（９）からλFBG＝２×１．４４７×１０７２．３４／２≒１５５２ｎｍの反射波長の光導波路ブラッググレーティングが形成される。図４（ａ）から分るように、２光束干渉法では、この反射波長の光導波路ブラッググレーティングは位相マスクとミラーが直角になるα＝０で得られる。図４（ａ）および（ｂ）は反射波長λFBGを８００ｎｍから２０００ｎｍまで極度に幅広い帯域に対して計算した結果である。
図５は、光導波路ブラッググレーティングの反射波長のミラー回転角αに対する依存性を式（１６）から計算して求めた結果である。反射波長λFBGは、式（１６）から分るように、２光束の光導波路への入射角β＝θ-２αと実効屈折率ｎeffと紫外線レーザーの波長λＥで決まり、位相マスクとミラー回転軸の間の垂直方向距離ｕには直接的には依存しないため、ミラー中心回転方式とミラー回転軸偏芯方式で差異はなく同じである。
図４（ａ）および図６（ｂ）の曲線＃１から分るように、従来技術のミラー中心回転方式では、反射波長を変えるためには、位相マスクと光導波路の垂直方向距離Ｌは大きく変えてその都度調整しなければならない。これに対して、本発明のミラー回転軸偏芯方式では、反射波長λFBGを変えても、位相マスクと光導波路の垂直方向距離Ｌに対してほぼ一定とすることができるため、Ｌを調整することは不要とすることが出来る。すなわち、図の＃２、＃３、＃４、＃５、＃６に示すように位相マスクとミラー回転軸の間の垂直方向距離ｕを変えて曲線がほぼ垂直になるように選ぶことができ、図の場合は＃４のｕ＝２５７ｍｍで最も垂直に近くなって最適化され、反射波長λFBGは位相マスクと光ファイバーの垂直方向距離Ｌに対して依存しなくなっている。もちろん、完全に一定とすることは出来ないが、異なる反射波長の光導波路ブラッググレーティングを作製する上で位相マスクと光導波路の垂直方向距離Ｌを調整する必要はなく、実質的にひとつの位置に固定することが可能である。
図４（ａ）および図４（ｂ）を、Ｃバンド帯域（１５３０〜１５７０ｎｍ）を充分にカバーする１５００ｎｍから１６００ｎｍの帯域に対して拡大した結果を図６（ａ）および図６（ｂ）に示す。この広い１００ｎｍの帯域幅に対して、＃４のｕ＝２５７ｍｍの場合、ほぼ完全に垂直になっている。この＃４に対して、横軸Ｌをさらに拡大した結果を図７（ａ）および図７（ｂ）に示す。１００ｎｍの幅広い帯域に渡って、矢印で示すように、位相マスクと光導波路の垂直方向距離Ｌはわずか０．００６７ｍｍしか変化していない。しかしながら、ミラー中心回転方式の＃１の場合、図６（ａ）から、この波長幅に対して約８ｍｍ変化させなければならないことが分る。
【００１４】
紫外線レーザーの光源としてエキシマレーザーを用いる場合、そのコヒーレント長は１ｍｍ前後あるいはそれ以下であり、充分な干渉を実現するには２つのビームの位相マスクから光導波路までの光路長の差が、このコヒーレント長１ｍｍ前後以内で重ならなければならない。１ｍｍ前後の許容量に対して、本発明のミラー回転軸偏芯方式での位相マスクと光導波路の垂直方向距離Ｌの変化量０．００６７ｍｍは完全に無視することができ、光導波路の位置を調整することはまったく不要である。
【００１５】
従来技術のミラー中心回転方式では、ミラー回転軸はミラーの略中点に配置されているが、本発明のミラー回転軸偏芯方式では、光導波路の近傍にある。ここで近傍とは、図３に示すように、ミラー回転軸を位相マスクからの垂直方向距離Ｌをきわめて大きく取って光導波路の位置前後まで偏芯させた位置のことである。このようにミラー回転軸を偏芯させたときに、２つのミラーで反射されたビームが交差して干渉する位置、すなわち光導波路を配置する位置は、∂Ｌ／∂α≒０となるようにｕの最適値を選ぶことによって実現される。上述の計算では、２つのミラーの間の間隔の半値ｓを２９．７１４３ｍｍ、位相マスクから光導波路までの距離Ｌを２５０ｍｍとした場合、２つのミラー回転軸の位相マスクからの垂直方向距離ｕは２５７ｍｍで最適となった。
【００１６】
以上の理論から、本発明のミラー回転軸偏芯方式では、光導波路の位置調整は行わず、上述理論から計算した値に合わせてひとつの位置に固定すれば、あとはミラーを回転するだけで異なる波長の光導波路ブラッググレーティングを作製出来ることが証明された。次に、この理論に基づいて展開される本発明の特徴について述べる。
【００１７】
本発明の第１の特徴は、紫外線レーザー光を、位相マスクに入射させ、位相マスクの回折現象を利用して２つのビームに分岐し、分岐された２つのビームを位相マスクから、位相マスクへの紫外線レーザー光入射軸に対して対称に出射させ、位相マスク面と略直角で対称に配置された２つのミラーで２つのビームをそれぞれ反射させ、ミラーで反射された２つのビームを光導波路の位置で交差させて２つのビームを干渉させる２光束干渉法を用いて、干渉の周期を調整するため２つのミラーを対称に回転させて、光導波路に反射波長の異なるグレーティングを形成して、反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを製造する方法において、２つのミラーの回転軸を位相マスクと該光導波路の中点から偏芯させて光導波路の近傍に配置し、２つのビームが交差する位置がミラー回転角度に対して略無依存であることを特徴とするものである。
ここで位相マスク面と２つのミラーの相対角度を略直角と述べた理由は、反射波長λFBGを１００ｎｍに渡って変えた図６ではミラーの回転角はわづか±０．２度であり、また１２００ｎｍに渡って変えた図４の場合でも−６〜＋２度と小さい角度であるからである。光導波路の位置をミラー回転角度に対して略無依存とすると言うことは、光導波路の位置を上述理論で求められる位置に固定すれば、異なる反射波長の光導波路ブラッググレーティングを得るためにはミラーを回転させるだけで可能となり、光導波路の位置を再調整することは不要となることを意味している。
なお、本発明の説明では、光導波路のもっとも典型的な光ファイバーに、光導波路ブラッググレーティングを形成する方法および装置を中心に説明しているが、平面導波路等の光導波路に光導波路ブラッググレーティングに形成する方法および製造にももちろん適用することが出来る。
【００１８】
本発明の第２の特徴は、上述の第１の特徴において、位相マスク、２つのミラー、ミラー回転軸および光導波路の位置関係において、式（２２）および次の式（２３）を満たすｕを選定してなることを特徴とするものである。
2006099010.tif 000014
この式は、２つのミラーを平行からα度回転させたとき、式（２２）に沿って、位相マスクと光ファイバーの垂直方向距離Ｌを∂Ｌ／∂α＝０となるように最適化した値からのズレ量ΔＬに対する許容量を規定するものであり、許容される量は実験から求めなければならない。これについては後述する我々が行った実施例２で述べる。式（２２）で規定されるＬおよびｕを選んだとき、Ｌのミラー回転角度αに対する依存性が式（２３）を満たすようにｕを選定すれば良好な光導波路ブラッググレーティングを形成することが可能となる。式（１）と式（２２）は同じであり、式（２）と式（２３）は同じである。
【００１９】
本発明の第３の特徴は、上述の第１の特徴において、位相マスク、２つのミラー、ミラー回転軸および光導波路の位置関係において、式（２２）および次の式（２４）を満たすｕを選定してなることを特徴とするものである。
2006099010.tif 000015
この式は、２つのミラーを平行からα度回転させたとき、式（２２）に沿って、位相マスクと光ファイバーの垂直方向距離Ｌを∂Ｌ／∂α＝０となるように最適化した条件において、位相マスクと光導波路の垂直方向距離ｕに対する許容量を規定するものであり、許容される量は実験から求めなければならない。これについては後述する我々が行った実施例２で述べる。式（２２）で規定されるＬおよびｕを選んだとき、Ｌのミラー回転角度αに対する依存性が式（２４）を満たすようにｕを選定すれば良好な光導波路ブラッググレーティングを形成することが可能となる。式（３）と式（２２）は同じであり、式（４）と式（２４）は同じである。
【００２０】
本発明の第４の特徴は、上述の第１の特徴を実現する光導波路ブラッググレーティング製造装置に関するものである。これによって高性能の光導波路ブラッググレーティングの作製を高い再現性で実現し、高い歩留まりで作製することが可能となる。
【００２１】
本発明の第５の特徴は、上述の第４の特徴において、位相マスク、２つのミラー、ミラー回転軸および光導波路の位置関係において、式（２２）および次の式（２５）を満たすｕを選定してなることを特徴とするものである。
2006099010.tif 000016
この式は、２つのミラーを平行からα度回転させたとき、式（２２）に沿って、位相マスクと光ファイバーの垂直方向距離Ｌを∂Ｌ／∂α＝０となるように最適化した値からのズレ量ΔＬに対する許容量を規定するものであり、許容される量は実験から求めなければならない。これについては後述する我々が行った実施例２で述べる。式（２２）で規定されるＬおよびｕを選んだとき、Ｌのミラー回転角度αに対する依存性が式（２５）を満たすようにｕを選定すれば良好な光導波路ブラッググレーティングを形成することが可能となる。式（５）と式（２２）は同じであり、式（６）と式（２５）は同じである。
【００２２】
本発明の第６の特徴は、上述の第４の特徴において、位相マスク、２つのミラー、ミラー回転軸および光導波路の位置関係において、式（２２）および次の式（２６）を満たすｕを選定してなることを特徴とするものである。
2006099010.tif 000017
この式は、２つのミラーを平行からα度回転させたとき、式（２２）に沿って、位相マスクと光ファイバーの垂直方向距離Ｌを∂Ｌ／∂α＝０となるように最適化した条件において、位相マスクと光導波路の垂直方向距離ｕに対する許容量を規定するものであり、許容される量は実験から求めなければならない。これについては後述する我々が行った実施例２で述べる。式（２２）で規定されるＬおよびｕを選んだとき、Ｌのミラー回転角度αに対する依存性が式（２６）を満たすようにｕを選定すれば良好な光導波路ブラッググレーティングを形成することが可能となる。式（７）と式（２２）は同じであり、式（８）と式（２６）は同じである。
【００２３】
なお、位相マスクから回折される光は、通常、±１次光だけでなく、強度は弱いが０次光および±２次光、±３次光等の高次回折光も回折される。高次回折光は装置の外へ出射され捨てられるのでファイバーグレーティング作製に影響しない。０次光は光ファイバーに照射されるが、この場合、２つのミラーの中間に遮蔽物を置くことで簡単にかつ容易にその影響を除去することができる。
【発明の効果】
【００２４】
紫外線レーザー光を、位相マスクに入射させ、その回折現象を利用して２つのビームに分岐し、位相マスクへの紫外線レーザー光入射軸に対して対称に、位相マスク面と略直角で対称に配置された２つのミラーで２つのビームをそれぞれ反射させ、２つのビームを光導波路の位置で交差させて２つのビームを干渉させ、２つのミラーを対称に回転させて干渉の周期を調整し、異なる反射波長の光導波路ブラッググレーティングを光導波路に形成する光導波路ブラッググレーティングを製造する方法において、従来技術のミラー中心回転方式では、異なる反射波長の光導波路ブラッググレーティングを得るためミラー角度を変えるとき、その都度、光導波路の位置を変えて、２つのビームが干渉する位置へ調整しなければならない。これに対して、２つのミラーの回転軸を位相マスクと光導波路の中点から偏芯させて光導波路の近傍に配置し、２つのビームが交差する位置がミラー回転角度に対して略無依存とする本発明のミラー回転軸偏芯方式によれば、光導波路の位置を変えることはまったく不要であり、ミラー回転角度を変えるだけで異なる反射波長の光導波路ブラッググレーティングを高い精度で得ることが可能である。このとき、ミラー回転軸を偏芯させた位置は、式（２２）で規定されるＬに対して、式（２３）または式（２４）を満たすようにｕを選べば、良好な光導波路ブラッググレーティングを高い精度で作製することが可能となる。
２光束干渉法では、ビームスプリッタ−、位相マスク、ミラー等の光学部品および光導波路を高精度で配置することが必要であり、高い再現性で光導波路ブラッググレーティング作製を実現し、高い歩留まりで作製するには、光学部品の配置を変えることを極力避けることが必要である。本発明のミラー回転軸偏芯方式を採用すれば、光導波路の位置が固定されているため、高い再現性を実現し、高い歩留まりで光導波路ブラッググレーティングを作製することが可能となる。
さらに、本発明のミラー回転軸偏芯方式に基づく光導波路ブラッググレーティング作製装置では、光導波路の位置を変えるための駆動機構やその制御等が不要となり、装置の部品点数を少なくすることが可能となり、装置をシンプルにすることが可能となり、装置の作製コストも節減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の最良の形態は、図３のように配置する位相マスク、２つのミラー、ミラー回転軸および光ファイバーの位置関係において、式（２２）で規定されるＬが、ミラー回転角度αを変えたとき、∂Ｌ／∂α≒０となるようにｕを選ぶことによって実現される。我々は、このことを満たすように設計して光導波路ブラッググレーティング製造装置を作製した。
このようにして作製した装置で、我々はファイバーブラッググレーティング作製の実験を行い、本発明の効果を確認した。以下にその実験結果について述べる。
【実施例１】
【００２６】
作製したファイバーブラッググレーティング製造装置では、図３のように位相マスク、２つのミラー、ミラー回転軸、光ファイバーを配置した。用いた位相マスクの回折格子周期ｐは１０７２．３４ｎｍである。２つのミラーの回転軸の間隔の半値ｓは２９．７１４３ｍｍで、位相マスクとミラー回転軸の間の垂直方向距離ｕは２５７ｍｍである。光ファイバーの位置は、位相マスクからの垂直方向距離Ｌが２５０ｍｍの位置に固定した。なお、ミラー２とミラー回転軸３を結ぶ線は、図３では光ファイバー４と交差しているが、これらを配置する装置の構成で、ミラーの回転軸機構は、図３の紙面と垂直方向に高さを変えることで配置すれば、互いに干渉することはない。これらの位置関係は、本発明のミラー回転軸偏芯方式の式（２２）で∂Ｌ／∂α＝０となるように設計して決定した。
使用した紫外線レーザーは波長λＥが２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー（ラムダフィジックス社製Ｃｏｍｐｅｘ−１０２ＭＪ、不安定共振器付き）で、出射ビームは７．５ｍｍ×７．５ｍｍのスリットで整形し、以下の実験では出射エネルギー密度は３０ｍＪ／（７．５ｍｍ×７．５ｍｍ）で、２０Ｈｚのくり返し周波数とした。作製したファイバーブラッググレーティングの長さはスリットの幅で決まり、７．５ｍｍである。使用した光ファイバーは最も標準的なシングルモードファイバーＳＭＦ２８で、エキシマレーザー光に対する感光性を高めるために、実験に先立って、１００気圧の水素ガス雰囲気に室温で１０日間保持し、水素ローディング処理を施した。ファイバーブラッググレーティング製造装置への入射では、焦点距離４５１．９ｍｍのシリンドリカルレンズで絞った後、図３の５のように入射させた。シリンドリカルレンズによる絞りは、位相マスクで２つに分岐されたビームの面および入射エキシマレーザー光の光軸と垂直方向に絞り、単位面積あたりのエネルギーを光ファイバーの位置で約１２倍に高めた。位相マスクから回折される０次光は、２つのミラーの中間に遮蔽物を置くことでその影響を除去した。
実験では、光ファイバーの位置は変えずに位相マスクからの距離Ｌを２５０ｍｍの位置に固定して、ミラー回転角度αだけを変えて７個のファイバーブラッググレーティングを作製した。ファイバーブラッググレーティングの反射および透過スペクトルは、光ファイバーにＡＳＥ光源（ファイバーラボ社製ＡＳＥ−ＦＬ７７０１光源）の光を入れ、２台のスペクトラムアナライザー（アドバンテスト社製Ｑ８３８４）でそれぞれ測定した。エキシマレーザー光は２．５分間照射した。
実験で得られた７個のファイバーブラッググレーティングの透過スペクトルを図８（ａ）に、反射スペクトルを図８（ｂ）に示す。ミラー回転角度αと反射波長λＥ（実験値、および式（１５）と式（１６）で計算した理論値）を表１に示す。図９は反射波長λFBGのミラー回転角度αに対する依存性で、●印が実験値で、実線が理論値である。我々が作製した装置では、ミラー回転角度αは反射波長λFBG＝８００ｎｍ〜２０００ｎｍまで対応する範囲は充分に変えることができるが、透過および反射のスペクトルを見るために用いた光源（ファイバーラボ社製ＡＳＥ−ＦＬ７７０１光源）が１５００〜１６２０ｎｍの範囲の波長の光しか出力しないため、この範囲の中で７個のファイバーブラッググレーティングを作製した。図９および表１から分るように、反射波長の実験値と理論値の差のバラツキは７個のファイバーブラッググレーティングの間でわずか０．１５ｎｍと非常に高精度で作製することが出来た。透過阻止量の深さは図８（ａ）のように異なるファイバーブラッググレーティングの間で約５ｄＢの間にばらついているが、これはレーザーの照射時間を調整すれば一様にすることは、本発明による装置では容易に可能である。
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本実施例の実験により、ミラー回転軸偏芯方式のファイバーブラッググレーティング形成装置を作製して、光ファイバー位置を固定して、ミラー回転角だけを変えて異なる反射波長のファイバーブラッググレーティングが高い波長精度で作製できると言う本発明の方法の有効性が、充分に実証された。
【実施例２】
【００２７】
光ファイバーの位置は、実施例１では位相マスクからの垂直方向距離Ｌが２５０ｍｍの位置に固定したが、本実施例ではこの最適化された光ファイバーの位置を意図的に変化させて、ファイバーブラッググレーティングの強さ、すなわち透過阻止量がどのように変化するかを実験し、その感度を調べた。
実験では、ミラー回転角度αは０．０１９度に設定し、光ファイバーの位相マスクからの垂直方向距離Ｌを最適値の２５０ｍｍを基準にして−２．５ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲でオフセットさせてファイバーブラッググレーティングを作製した。エキシマレーザーは実施例１と同じエネルギーおよび同じくり返し周波数とし、照射時間は３分間とした。その結果を図１０に示す。ここで、オフセット量ΔＬは光ファイバーの位置が位相マスクから遠ざかる方向を＋に、近づく方向を−に取った。このオフセット量ΔＬがゼロでは、透過阻止量が−３４ｄＢの強いファイバーブラッググレーティングを作製することができた。この状態からオフセット量ΔＬを変化させたとき、ΔＬが±２ｍｍ以上あれば透過阻止量は約−１０ｄＢより浅くなったが、ΔＬが±１ｍｍ以下であれば深いファイバーブラッググレーティングが作製できることが分った。
この実験から、我々の装置では光ファイバーの位相マスクからの垂直方向距離Ｌに対する最適値からのズレの許容量は、±１ｍｍ以下であることが分った。この実験結果は、理論計算の図６（ａ）において、横軸のＬで最適化した値からのズレΔＬが±１ｍｍの範囲にあれば良好なファイバーブラッググレーティングが作製できることを意味している。これに対応するミラー回転角αは、図６（ｂ）からΔα＝±０．２度である。従って、Ｌは２５０ｍｍであるから、Ｌに許容される範囲は
2006099010.tif 000019
と表される。このことは、ミラー回転軸の位置に関しては、位相マスクからミラー回転軸ｕに対して、我々の前述理論計算と実験ではｕ＝２５７ｍｍであるから、許容範囲ΔＬに対して
2006099010.tif 000020
とも表すことが出来る。
ここで求めたＬの許容量ΔＬは、２つのビームの干渉しやすさに依存しており、これは使用する紫外線レーザーのコヒーレント長に比例する（非特許文献（１７））。エキシマレーザーのコヒーレント長は数ｍｍあるいはそれ以下であり、ファイバーブラッググレーティング作製に用いられる他の紫外線レーザー、例えば波長２４４ｎｍのアルゴンイオンレーザーではその約１０倍のコヒーレント長を有しており、この場合は、Ｌの許容量ΔＬは約１０倍となり、式（２７）の約１０倍の
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が許容量となる。同じように式（２８）の許容範囲も約１０倍となり、ｕ／Ｌが１．０２８±０．０４の範囲にあればよいことになる。これはＬに対する許容量であるばかりでなく、ｕに対する許容量でもあるため、
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となる。式（２９）は式（２３）および式（２５）と同じで、式（３０）は式（２４）および式（２６）と同じである。
本実施例の実験により、光ファイバーの位置およびミラー回転軸の位置が上述の範囲内にあれば、ミラー回転角だけを変えて異なる反射波長のファイバーブラッググレーティングが高い波長精度で作製できると言う本発明の方法の有効性が実証された。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来技術の２光束干渉法を用いて光導波路ブラッググレーティングを製造する場合のミラー回転と光導波路の位置調整を示す図である。
【図２】従来技術の２光束干渉法のミラー中心回転方式における光学部品および光導波路の位置関係を示す図である。
【図３】本発明の２光束干渉法のミラー回転軸偏芯方式における光学部品および光導波路の位置関係を示す図である。
【図４】光導波路ブラッググレーティングの反射波長（ａ）およびミラー回転角（ｂ）の位相マスクと光導波路の垂直方向距離に対する依存性を示す図である。
【図５】ファイバーブラッググレーティングの反射波長のミラー回転角に対する依存性を示す図である。
【図６】図４を拡大した図である。
【図７】図６の＃４に対してさらに拡大した図である。
【図８】本発明のファイバーブラッググレーティング製造方法に基づく製造装置で作製したファイバーブラッググレーティングの透過スペクトル（ａ）および反射スペクトル（ｂ）を示す図である。
【図９】図８のファイバーブラッググレーティング反射波長のミラー回転角依存性を示す図である。
【図１０】本発明のファイバーブラッググレーティング製造装置で、光ファイバーの位置を意図的にオフセットさせたときのファイバーブラッググレーティングの透過阻止量の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  位相マスク
２  ミラー
３  ミラー回転軸
４  光導波路
５  紫外線レーザー光
【図１】
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【図２】
2006099010.tif 000028
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006099010.tif 000031
【図６】
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【図７】
2006099010.tif 000033
【図８】
2006099010.tif 000034
【図９】
2006099010.tif 000035
【図１０】
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