(57)【要約】本発明は、光ファイバとガラス基板に予めもうけられた光導波路とを含むガラス導波路デバイスの中に、永続的に変化した屈折率特性を作ることを対象とする。屈折率が永続的に変化したこの様なゾーンを、非常に高い強度のレ−ザ・ビームを使用してガラスの中に作ることができる。その高強度レーザ・ビームは、ガラス内の所定の目標領域に超高速パルス・レーザから出た光を集束させる。好ましいレーザは、Ｔｉ：サファイア増幅された、周波数２倍のエルビウム・ドープ・ファイバ・レーザ・システムであり、持続時間が約１００フェムト秒の光パルスを提供し、各パルスは約１ナノジュールと１ミリジュールの間のエネルギーを有し、好ましくは、パルス繰返し率は５００Ｈｚと１ＧＨｚの間である。繰返し率は、変更される容積の寸法全体にわたる熱拡散時間より速くパルスを送出するように選択される。後者のプロセスは、材料のコンプライアンスをフェムト秒書き込みプロセスにまで増加するため、および書込み構造要素の緩和に対する続く熱障壁を増加するために、材料を液化する点まで熱を蓄積し、これによってデバイスまたは構造機能の寿命を増す。永続的に変化した屈折率特性の１つまたは複数のゾーンを、デバイスの中に永続的屈折率変化を誘発するためのしきい値より高い強度を有する焦点領域を発生する集束パルス・レーザ光源を利用して、光ファイバなどの導波路デバイスの中に形成することができる。焦点領域がデバイスに整列され、焦点領域とデバイスとの間の相対的移動が、所定の経路でデバイスを横切って焦点領域を掃引する効果を有する。この結果は、材料内部の光の振幅、位相、空間的伝播または偏光状態を制御するように、デバイスの屈折率特性が永続的に変化したデバイス内のゾーンである。
2005538392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集束パルス・レーザ光源によって発生するビームを使用して、ガラス材料で作られ、少なくとも１つのコアと少なくとも１つのクラッドを有する光導波路デバイスの中に、永続的に変化した屈折率特性のゾーンを作る方法であって、前記集束パルス・レーザ光源が、
（ｉ）ガラス材料の吸収限界よりも大きな波長と、
（ii）１ピコ秒未満のパルス幅、および１ナノジュールと１ミリジュールとの間にあるパルス・エネルギーと、
（iii）限定された焦点領域内でピーク・パルス強度を達成する能力と
を有し、
（ａ）光導波路デバイス内の限定された目標領域にレーザ・ビーム焦点領域を整列させるステップと、
（ｂ）熱を蓄積して目標領域においてガラス材料を軟化させ、これによって目標領域において導波路デバイスの中に永続的屈折率変化を誘発させるように選択されたピーク・パルス強度と繰返し率で前記レーザ光源を操作するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記ステップ（ｂ）が、
（ｃ）前記ピーク・パルス強度を、前記導波路デバイスにおいて永続的屈折率変化を誘発させるためのしきい値より下に減少させるステップと、
（ｄ）前記焦点領域を前記少なくとも１つのコアの縦軸に実質的に垂直の方向に向けるステップと、
（ｅ）最大蛍光レベルが前記焦点領域の前記少なくとも１つのコアとの位置整列を示すように、前記少なくとも１つのコアからの多光子蛍光レベルを測定しながら、前記焦点領域を前記導波路デバイス全体にわたって掃引するステップと、
（ｆ）前記ゾーンを作るために、前記ピーク・パルス強度を少なくとも、前記導波路デバイスにおける永続的屈折率変化を誘発させるためのしきい値に設定して、前記焦点領域を掃引するために前記方向配置と位置整列を空間基準として使用するステップであって、前記ゾーンは前記焦点領域の方向配置と位置にそれぞれ対応する前記導波路デバイスの方向配置と位置を有する使用するステップと
を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記パルス・レーザ光源が５００Ｈｚ〜１ＧＨｚのパルス繰返し率で操作される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザ光源が、周波数２倍エルビウム・ドープ・ファイバ・レーザの出力がＴｉ：サファイア利得物質に基づくレーザ再生増幅器において増幅されるレーザ・システムである請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザ光源が０．１〜１０ｍｍのビーム直径を有する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記集束パルス・レーザ光源がレンズ、アキシコン、集束ミラー、またはこれらの組合せによって集束されて、目標領域に対する焦点領域の所望の空間的関係を達成する請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記レンズ、アキシコン、または集束ミラーが、１ｍｍ〜３０ｍｍの焦点距離と０．０５〜１．３の開口数を有する請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記パルス幅が２００フェムト秒未満である請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記パルス繰返し率が１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚであり、前記パルス繰返し率はレーザ・パラメータとガラス材料特性に基づいて選択され、熱が蓄積してガラス材料を軟化することができるように、ターゲット領域の熱拡散時間より速いパルスを送り出す請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
熱蓄積条件下でのより大きな材料再構成が、ガラス材料のためのより大きな熱活性化障壁を生じさせ、元の形に弛めて戻し、これによって材料中のあらゆる書き込み構造の寿命を大幅に延ばす請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
永続的屈折率変化を誘発させるための前記ピーク・パルス強度しきい値が少なくとも１０10Ｗ／ｃｍ2である請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記光導波路デバイスが、ガラス基板の中に埋め込まれた光導波路、従来の光ファイバ、偏光維持光ファイバ、ゲルマニウム・エンリッチ・コアを有する光ファイバ、水素または重水素処理光ファイバ、Ｗファイバ、複数のクラッドを有するファイバ、フォトニック結晶ファイバ、少なくとも２つの光導波路を交差することから成る導波路デバイス、テーパ・カップラ、希土ドープ・ファイバ、さらには強化多光子吸収のためとフェムト秒レーザ誘発材料変更のためのしきい値を低くするために設計されたドープ・ガラスから成る光導波路デバイスの群から選択される請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
少なくとも２つの集束パルス・レーザ光源によって発生するビームを使用して、ガラス材料で作られた、少なくとも１つのコアと少なくとも１つのクラッドを有する光導波路デバイスの中に、永続的に変化した屈折率特性のゾーンを作る方法であって、前記集束パルス・レーザ光源の各々は、
（ｉ）ガラス材料の吸収限界よりも大きな波長と、
（ii）１ピコ秒未満のパルス幅、および１ナノジュールと１ミリジュールとの間にあるパルス・エネルギーと、
（iii）限定された焦点領域内でピーク・パルス強度を達成する能力と
を有し、
（ａ）光導波路デバイス内の限定された目標領域にレーザ・ビーム焦点領域を整列させるステップと、
（ｂ）前記レーザ光源を、熱を蓄積して目標領域においてガラス材料を軟化させ、これによって目標領域において導波路デバイスの中に永続的屈折率変化を誘発させるように選択された組合せピーク・パルス強度と繰返し率で操作するステップと
を含む方法。
【請求項１４】
前記ステップ（ｂ）が、
（ｃ）前記ピーク・パルス強度の組合せが、前記導波路デバイスにおいて永続的屈折率変化を誘発させるためのしきい値より下になるように、各レーザ光源の前記ピーク・パルス強度を減少させるステップと、
（ｄ）前記焦点領域を前記少なくとも１つのコアの縦軸に実質的に垂直の方向に向けるステップと、
（ｅ）最大蛍光レベルが前記焦点領域の前記少なくとも１つのコアとの位置整列を示すように、前記少なくとも１つのコアからの多光子蛍光レベルを測定しながら、前記焦点領域を前記導波路デバイス全体にわたって掃引するステップと、
（ｆ）前記ゾーンを作るために、前記組合せピーク・パルス強度をもたらす前記ピーク・パルス強度を少なくとも、前記導波路デバイスにおける永続的屈折率変化を誘発させるためのしきい値に設定して、前記焦点領域を掃引するために前記方向配置と位置整列を空間基準として使用するステップであって、前記ゾーンは前記焦点領域の方向配置と位置にそれぞれ対応する前記導波路デバイスの方向配置と位置を有する使用するステップと
を含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記パルス・レーザ光源の各々が５００Ｈｚ〜１ＧＨｚのパルス繰返し率で操作される請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記レーザ光源の各々が、周波数２倍エルビウム・ドープ・ファイバ・レーザの出力がＴｉ：サファイア利得物質に基づくレーザ再生増幅器において増幅されるレーザ・システムである請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記レーザ光源の各々が０．１〜１０ｍｍのビーム直径を有する請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記レーザ光源の各々からの集束パルス・レーザ光がレンズ、アキシコン、集束ミラー、またはこれらの組合せによって集束される請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
各前記レンズが、１ｍｍ〜３０ｍｍの焦点距離と０．０５〜１．３の開口数を有する請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記レーザ光源の各々からの集束パルス・レーザ光が反射式光学器械によって集束される請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記パルス幅が２００フェムト秒未満である請求項１３に記載の方法。
【請求項２２】
前記パルス繰返し率が１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚである請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
永続的屈折率変化を誘発させるための前記ピーク・パルス強度しきい値が少なくとも１０10Ｗ／ｃｍ2である請求項１３に記載の方法。
【請求項２４】
前記光導波路デバイスが、ガラス基板の中に埋め込まれた光導波路、従来の光ファイバ、偏光維持光ファイバ、ゲルマニウム・エンリッチ・コアを有する光ファイバ、水素または重水素処理光ファイバ、Ｗファイバ、複数のクラッドを有するファイバ、フォトニック結晶ファイバ、少なくとも２つの光導波路を交差することから成る導波路デバイス、テーパ・カップラ、希土ドープ・ファイバ、さらには強化多光子吸収のためおよびフェムト秒レーザ誘発材料変更のためのしきい値を低くするために設計されたドープ・ガラスから成る、光導波路デバイスの群から選択される請求項１３に記載の方法。
【請求項２５】
少なくとも２つの集束パルス・レーザ光源によって発生するビームを使用して、ガラス材料で作られ、少なくとも１つのコアと少なくとも１つのクラッドを有する光導波路デバイスの中に、永続的に変化した屈折率特性のゾーンを作る方法であって、前記集束パルス・レーザ光源の各々は、
（ｉ）ガラス材料の吸収限界よりも大きな波長と、
（ii）１ピコ秒未満のパルス幅、および１ナノジュールと１ミリジュールとの間にあるパルス・エネルギーと、
（iii）ピーク・パルス強度を達成する能力と
を有し、
（ａ）焦点領域を有する単一レーザ・ビームを作るために前記レーザ・ビームを組み合わせるステップと、
（ｂ）光導波路デバイス内の限定された目標領域に前記単一レーザ・ビーム焦点領域を整列させるステップと、
（ｃ）前記レーザ光源を、熱を蓄積して目標領域においてガラス材料を軟化させ、これによって目標領域において導波路デバイスの中に永続的屈折率変化を誘発させるために選択されたピーク・パルス強度と繰返し率で操作するステップと
を含む方法。
【請求項２６】
前記ステップ（ｃ）が、
（ｃ）前記焦点領域における前記ピーク・パルス強度の組合せが、前記導波路デバイスにおいて永続的屈折率変化を誘発させるためのしきい値より下になるように、各レーザ光源の前記ピーク・パルス強度を減少させるステップと、
（ｄ）前記焦点領域を前記少なくとも１つのコアの縦軸に実質的に垂直の方向に向けるステップと、
（ｅ）最大蛍光レベルが前記焦点領域の前記少なくとも１つのコアとの位置整列を示すように、前記少なくとも１つのコアからの多光子蛍光レベルを測定しながら、前記焦点領域を前記導波路デバイス全体にわたって掃引するステップと、
（ｆ）前記ゾーンを作るために、組合せピーク・パルス強度をもたらすための前記ピーク・パルスを少なくとも、前記導波路デバイスにおける永続的屈折率変化を誘発させるためのしきい値に設定して、前記方向配置と位置整列を前記焦点領域を掃引するための空間基準として使用するステップであって、前記ゾーンは前記組合せ焦点領域の方向配置と位置に対応する前記導波路デバイスの方向配置と位置を有するステップと
を含む請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記パルス・レーザ光源の少なくとも１つが５００Ｈｚ〜１ＧＨｚのパルス繰返し率で操作される請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記レーザ光源の各々が、周波数２倍エルビウム・ドープ・ファイバ・レーザの出力がＴｉ：サファイア利得物質に基づくレーザ再生増幅器において増幅されるレーザ・システムである請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記レーザ光源の各々が０．１〜１０ｍｍのビーム直径を有する請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
前記レーザ光源の各々からの集束パルス・レーザ光がレンズ、アキシコン、集束ミラー、またはこれらの組合せによって集束される請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
各前記レンズが、１ｍｍ〜３０ｍｍの焦点距離と０．０５〜１．３の開口数を有する請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記レーザ光源の各々からの集束パルス・レーザ光が反射式光学器械によって集束される請求項２５に記載の方法。
【請求項３３】
前記パルス幅が２００フェムト秒未満である請求項２５に記載の方法。
【請求項３４】
前記パルス繰返し率が１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚである請求項２７に記載の方法。
【請求項３５】
永続的屈折率変化を誘発させるための前記ピーク・パルス強度しきい値が少なくとも１０10Ｗ／ｃｍ2である請求項２５に記載の方法。
【請求項３６】
前記光導波路デバイスが、ガラス基板の中に埋め込まれた光導波路、従来の光ファイバ、偏光維持光ファイバ、ゲルマニウム・エンリッチ・コアを有する光ファイバ、水素または重水素処理光ファイバ、Ｗファイバ、複数のクラッドを有するファイバ、フォトニック結晶ファイバ、少なくとも２つの光導波路を交差することから成る導波路デバイス、テーパ・カップラ、希土ドープ・ファイバ、さらには強化多光子吸収のためおよびフェムト秒レーザ誘発材料変更のためのしきい値を低くするために設計されたドープ・ガラスから成る、光導波路デバイスの群から選択される請求項２５に記載の方法。
【請求項３７】
コア、クラッド、さらに単一ゾーンにおいて導波路デバイスの屈折率特性が永続的に変化させられた少なくとも単一のゾーンを有する光導波路デバイスであって、変化させられた導波路デバイスは減衰器、光タップ、偏光計、またはブラッグ回折格子として働く光導波路デバイス。
【請求項３８】
前記ゾーンが前記コアの内部にある請求項３７に記載の光導波路デバイス。
【請求項３９】
前記ゾーンが前記クラッドの内部に位置する請求項３７に記載の光導波路デバイス。
【請求項４０】
前記ゾーンが前記クラッドと前記コアとの境界に位置する請求項３７に記載の光導波路デバイス。
【請求項４１】
前記ゾーンが前記光導波路デバイスのエバネッセント領域内に位置する請求項３７に記載の光導波路デバイス。
【請求項４２】
前記ゾーンが、前記コアの特定の位置、前記クラッド、または前記クラッドと前記コアとの境界に位置して、前記ゾーンは前記コアの縦軸に対して垂直に、前記縦軸に対してある角度で、または前記縦軸に対して平行に方向づけられる請求項３７に記載の光導波路デバイス。
【請求項４３】
コアと、クラッドと、導波路デバイスに沿って延びる光伝達軸とを有する細長い導波路デバイスを含む光減衰器であって、前記導波路デバイスは中に単一ゾーンも含み、デバイスの屈折率が、前記コアに沿って伝達される光の制御された部分がコアから除去されるように永続的に変化しており、これによって光の制御された残りの部分をコアの中を伝播させる、光減衰器。
【請求項４４】
前記ゾーンが前記伝達軸に垂直に、または前記伝達軸にある鋭角で方向づけられる請求項４３に記載の光減衰器。
【請求項４５】
前記ゾーンがクラッドのエバネッセント領域に位置する請求項４３に記載の光減衰器。
【請求項４６】
コアと、クラッドと、導波路デバイスに沿って延びる光伝達軸とを有する細長い導波路デバイスを含む光タップであって、前記導波路デバイスは中に単一ゾーンも含み、デバイスの屈折率が、前記コアに沿って伝達される光の制御された部分がコアから除去されるように永続的に変化している、光タップ。
【請求項４７】
前記ゾーンが前記伝達軸に垂直に、前記伝達軸にある鋭角で、または前記伝達軸に平行に方向づけられる請求項４６に記載の光タップ。
【請求項４８】
前記ゾーンが前記コアの中に、前記クラッドに、前記コアと前記クラッドとの間の境界に、またはクラッドのエバネッセント領域に位置する請求項４６に記載の光タップ。
【請求項４９】
請求項４６に記載の光タップを含む光ファイバにおけるパワー・レベルを確認するためのパワー・メータ装置であって、検出器手段と読取り手段がを組み合わせられ、前記検出器手段が、前記ファイバに隣接して位置づけられ、前記ゾーンと半径方向に整列され、前記ゾーンにおいて前記ファイバから除去された光を受光し、除去された光に比例する信号を作ることができるようになっており、前記読取り手段が前記検出器手段に接続され、前記信号がパワー・レベルを表すようになっている、パワー・メータ装置。
【請求項５０】
コアと、クラッドと、導波路デバイスに沿って延びる光伝達軸とを有する細長い導波路デバイスを含む光偏光計であって、前記導波路デバイスは、少なくとも２つの縦方向に離隔した、デバイスの屈折率が永続的に変化しているゾーンを含み、前記ゾーンは実質的に９０度で離隔した方位角を有し、前記ゾーンの各々は前記伝達軸に対して実質的にブルースター角で方向づけられ、ゾーンが前記コアからのｓ偏光された光を反射することで、前記偏光計が中の２つの直交する光の偏光状態を測定することができる、光偏光計。
【請求項５１】
前記方位角を９０度以外の角度で離隔して、偏光に依存する損失を、ゾーンの偏光依存性を平衡化することによって減らす請求項５０に記載の光偏光計。
【請求項５２】
前記伝達軸に沿って実質的に４５度で離隔した方位角で離隔する、前記コア内にある前記ゾーンのを４つ含み、前記ゾーンの各々は前記軸に対して実質的にブルースター角で方向づけられ、これによって前記コアからのｓ偏光された光を反射し、前記ゾーンのあらゆる隣接対の間に位置する前記コアの中にλ／２波プレートを含み、前記λ／２波プレートの偏光軸は前記隣接対の１ゾーンのｓ偏光方向に沿った方向配置を有することで、前記偏光計が、前記偏光計における光偏光状態を完全に指定する４つのストークス・パラメータをすべて測定することができる請求項５０に記載の光偏光計。
【請求項５３】
請求項１に記載の方法によって、インタフェース点においてまたはその近くで導波路の屈折率特性を変更させ、光源の特性に合わせるために導波路モード域特性を再形成するように、導波路と特有の光学モード域特性を有する光源との間の結合を改善する方法。
【請求項５４】
請求項１に記載の方法によって、導波路の少なくとも１つの屈折率特性をインタフェース点においてまたはその近くで変更させ、最終導波モード域特性に合わせるために導波路の前記少なくとも１つのモード域特性を再形成するように、異なる屈折率プロファイルと対応する光学モード域特性とを有する２つの導波路の間の結合を改善する方法。
【請求項５５】
導波路のモード域直径を実質的に拡大させるために導波路の屈折率特性が導波路の端面の近くで変化している導波路を含む導波路コリメータであって、導波路から出る光の発散を減らす導波路コリメータ。
【請求項５６】
最初に機械的応力を前記導波路デバイスに加え、次に、変化した屈折率特性の前記ゾーンがいったん作り出されると前記機械的応力を除去するステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５７】
最初に電場を前記導波路デバイスに加え、次に、変化した屈折率特性の前記ゾーンがいったん作り出されると前記電場を除去するステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５８】
ある容積の屈折率整合流体を、前記ビームが前記目標領域に達する前に前記流体を通過するように、前記レーザ光源と前記導波路デバイスとの間に位置づけるステップを含む請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高速パルス・レーザの集束出力部を使用する、光ファイバとガラス基板に予めもうけられた光導波路とを含むガラス導波路デバイスの中に、永続的に変化した屈折率ゾーンを作ることと、永続的に変化した屈折率特性を示すこの種のゾーンを組み込んだ全ファイバ型デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
全ファイバ型光デバイスは、低損失、他のファイバとの結合の容易さ、偏光不感度、温度不感度、簡単な実装を含む、多くの実用的な利点を有し、これらの利点が全ファイバ型光デバイスを魅力的なものにし、また光通信やその他の業界における低コストの解決策をもたらす。全ファイバ型デバイスは、その機能に関して屈折率の変化に依存し、永続的な屈折率の変化を作るための様々な方法が従来から使用されてきた。古い方法は、ゲルマニウム・ドープ光ファイバなどの感光性光ファイバを紫外線に露光して、ガラスの中で屈折率の変化を作ることに依存してきた。
【０００３】
より新しい方法は、屈折率変更現象を引き起こす非常に高い強度の光と、結果的に得られる非線形光効果とを作るための、超高速パルス・レーザの使用に依存している。例えばＭｉｌｌｅｒ他に譲渡された米国特許第６２９７８９４号を参照されたい。この方法は感光性光ファイバを必要としない。この方法は、従来の遠隔通信、センサ、増幅器ファイバ、非ドープ光ファイバを含む多くの通常の光ファイバや感光性光ファイバによって働く。この特定の特許は、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．誌２１、１７２９（１９９６号）においてＫ．Ｍ．Ｄａｖｉｓ他によって解説された前提、およびＯｐｔ．Ｌｅｔｔ．誌２１、２０２３（１９９６号）においてＥ．Ｎ．Ｇｌｅｚｅｒ他による論文に解説された前提に基づくもので、この前提は、約１０13Ｗ／ｃｍ2のピーク強度を有するぴったり集束されたパルスを使用して溶融シリカに書き込まれた約０．１の屈折率の変化（Δｎ）が、拘束電荷の多光子イオン化を通じて自由電子を作り出し、これに続くなだれイオン化と、自由電子が強いレーザ領域によって加速されるときの局部的誘電破壊とによるという効果に対するものである。これは結果的に、材料の局部的融解や圧縮固化になり、かつ屈折率の同時増加になる。
【０００４】
超高速パルス・レーザによって、中パルス・エネルギーが非常に高いピーク・パルス強度を作ることができる。レンズまたはミラーによるレーザ・ビームの集束は１０10Ｗ／ｃｍ2のピーク・パルス強度を達成し、焦点領域においてはさらに高く、これは永続的な屈折率の変化を誘発するためのしきい値より高い。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、Ｇｌｅｚｅｒ他およびＤａｖｉｓ他によって解説された原理に基づく、ガラスにおける、特に光導波路と光ファイバにおける永続的に変化した屈折率特性ゾーンを作ることを対象とする。屈折率が永続的に変化したこの様なゾーンは、非常に高い強度のレ−ザ・ビームを使用してガラスの中に作られる。この高強度レーザ・ビームは、ガラス内の所定の目標領域において超高速パルス・レーザから出た光を集束させることによって作られる。本発明のための好ましいレーザ・システムは、周波数２倍のエルビウム・ドープ・ファイバ・レーザの出力が、Ｔｉ：サファイア利得物質に基づくレーザ再生式増幅器で増幅され、持続時間が約１００フェムト秒の光パルスを提供する。各パルスは約１ナノジュールと１ミリジュールの間のエネルギーを有し、好ましくは、パルス繰返し率は５００Ｈｚと１ＧＨｚの間であるシステムである。本発明は、材料と相互作用するレーザ・パルス間の時間間隔が、レーザによって変更される部分の容積からの熱拡散時間より短くなるように選択されたレーザ繰返し率の使用で実現する。この時間は、特定の材料のレーザ・スポット・サイズと熱拡散率に依存する。ガラスの温度は液化温度に上昇し、これによって書き込まれた区域の最適圧縮固化を最低限の応力で可能にする。
【０００６】
本発明によって、デバイスの中に永続的反射率の変化を誘発するためのしきい値より大きな強度を有する焦点領域を発生させる集束パルス・レーザ光源を利用して、光ファイバなどの導波路デバイスの中に永続的に変化した反射率特性の１つまたは複数のゾーンを形成することができる。焦点領域はデバイスと整列し、焦点領域とデバイスとの間の相対移動は、所定の経路でデバイスを横切って焦点領域を掃引する効果を有する。この結果は、デバイスの反射率特性が永続的に変化したデバイス内の１つのゾーンとなる。移動する焦点領域の強度、サイズ、持続時間、経路を制御することによって、精密に決められた寸法の１つまたは複数のゾーンを作ることができる。
【０００７】
光導波路とファイバにおける変化したゾーンは３重の効果を有する。第１に、屈折率が、コアにおいて、コアとクラッドとの境界領域において、さらに恐らくはクラッドにおけるエバネッセント領域において変化し、コアの中を伝播する光をクラッドに逃がすことができる。第２に、変化ゾーンはそれ自体が光導波路として作用し、コアの中に伝播する光が変化ゾーンへ次にこのゾーンから出ることができる。第３に、適切に向けられた変化ゾーンの表面は、反射面として機能する。これらの効果は全ファイバ型デバイスを作るために使用することができる。
【０００８】
全ファイバ型減衰器、全ファイバ型タップ、全ファイバ型偏光計を以下に説明する。上述の３つの効果を利用する全ファイバ型減衰器は、コアからの光を散乱させ、これによって、０．１ｄＢ未満の増分に設定することができる０〜４０ｄＢの調整可能な損失を達成することができる。全ファイバ型タップを、１％の通常タップ率で作ることができる。全ファイバ型偏光器は、ブルースター角で配向された変化ゾーンの反射表面を利用して、コアからｓ偏光を反射させる。光導波路または光ファイバの長さに沿って位置づけられたこの様な変化ゾーンの４５度の方位角で離隔した４つを使用することによって、コアの中に伝播する偏光状態を完全に特定されるストークス・パラメータ４つ全てを測定することができる。変化ゾーンによって作られる全ファイバ型デバイスの光反射減衰量は４０ｄＢより大きい。本発明によって、振幅、位相、偏光、伝播方向を含む光ファイバまたは既存の導波路内における光のあらゆる可能な状態を取り扱いおよび制御することが可能である。
【０００９】
複数のコアおよび／または複数のクラッド・ファイバに基づいて、インタリーバやマッハ・ツェンダ干渉計などの、より複雑なデバイスを作ることも可能である。この種のデバイスは、例えば、ファイバ内の屈折率変化ゾーンの内外に、およびファイバ内の様々なコアの内外に光を結合する本明細書に記載の方法を使用して、複数のコア・ファイバの中で様々なコアを相互接続することを基礎にしている。この様な方法を使用して、製造、実装、エンジニアリング費用を大幅に減らして、様々な複雑なデバイスを作ることができる。この様なデバイスは、その他の方法を使用して製造される同様なデバイスよりもはるかにコンパクトなものになろう。
【００１０】
ファイバにおける光伝播の状態を制御するためのこの様な変化ゾーンの作成は、他のファイバへのファイバの入力部および／または出力部における精密整列を不要にする。これは、全ファイバ型デバイスの挿入損失と費用を大幅に減少させる。さらに、本発明の方法は完全自動化可能なものであり、これによって永続的変化ゾーンを有する導波路の費用を減らし、一貫した高品質の構成部分の製造を確実にする。
【００１１】
摘要すれば、本発明は、集束パルス・レーザ光源によって発生するビームを使用して、少なくとも１つのコアと少なくとも１つのクラッドを有するガラス材料で作られた光導波路デバイスの中に永続的に変化した屈折率特性のゾーンを作る方法であって、前記の集束パルス・レーザ光源は（ｉ）ガラス材料の吸収限界よりも大きな波長と、（ii）１ピコ秒未満のパルス幅、１ナノジュールと１ミリジュールとの間にあるパルス・エネルギーと、（iii）得られた焦点領域内でピーク・パルス強度を達成する能力を有し、（ａ）光導波路デバイス内に設けられた目標領域にレーザ・ビーム焦点領域を整列させるステップと、（ｂ）レーザ光源を、このピーク・パルス強度と選択された繰返し率で操作し、熱を蓄積させ、目標領域においてガラス材料を軟化させ、これによって目標領域において導波路デバイスの中に永続的屈折率変化を誘発するステップとを含む方法を提供するものと考えてもよい。
【００１２】
本発明はまた、少なくとも１つのコアと少なくとも１つのクラッドと、少なくとも１つの、光導波路デバイスの屈折率特性を永続的に変化させられた単一ゾーンを有する光導波路デバイスであって、その変化した導波路デバイスが減衰器、偏光計、光テープ、またはより複雑なデバイスとして働く、光導波路デバイスを含む。
【００１３】
本発明の範囲内にあるその他の有利な材料変更技法を、光導波路デバイスのフェムト秒パルス補助ミクロ構造化のために使用することができる。一般に、これらの特別の技法は、本明細書の本体に記載されているフェムト秒パルス・ミクロ構造化法への外部から与える刺激の追加を含む。追加の刺激をフェムト秒パルス露光と組み合わせることは、後で記載するように、フェムト秒パルス変更光導波技術の機能性を増加させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の基本的原理を、図１〜５における図示を参照して以下に説明する。その後、本発明の実際的な適用例に関する更なる詳細事項を、図６〜１５Ｃを参照して説明する。本発明のレーザとその他の動作態様は本方法を実施する様々な物理的明示に共通なものであるから、次いで、これらの動作態様に関する情報を説明する。
【００１５】
基本原理
図１はほぼ、光ファイバ１０などの導波路デバイスにおける永続的変化屈折率特性ゾーンの生成である、本発明の基本原理を図示する。ファイバは中心コア１２とクラッド１４を含むものとして示され、これらは両方ともほぼ縦軸Ａの周りに対称である。レーザは、後でさらに詳細に説明するが、レーザの平行ビーム１６が導波路デバイスに向かってほぼ縦軸Ａに対して９０度で向けられる様に、導波路デバイスに対して位置づけられている。図１に示す構成では、レーザは導波路デバイス上方に位置しているが、導波路デバイスのの片側に単に容易に位置づけることもできる。
【００１６】
レンズ１８がビーム経路の中に置かれ、レンズはビームを集束し、導波路デバイスに対して、特にコア１２の直径に対して所定のサイズになる焦点領域２０を作る。焦点領域２０は、その中心が縦軸Ａと同じ平面内にほぼ横方向に整列して位置する。レンズを、放物面鏡、アキシコン、相互作用ゾーンの中に所望の屈折率プロファイルを生成するビーム焦点を作るために使用される球形または円筒形の要素などの、任意の光学器具にすることができる。このレンズによって表される集束条件を、表面収差を除去するための屈折率整合流体の使用によって改善することができる。焦点領域２０が導波路デバイスに入ってこれを横切って掃引されるように、焦点領域２０をデバイスに対して横方向に（矢印Ｙ）動かすかまたは掃引させるための、従来の性質を有する手段が設けられる。後で説明するように、レーザは、焦点領域２０が導波路デバイスの屈折率特性を、レーザがデバイスを通って掃引されるときにレーザが通る経路に沿って永続的に変えるようにするパラメータ内で操作される。レーザの動作を制御することによって、導波路デバイス内における変化ゾーンのサイズと位置を正確に決めることが可能である。永続的変化ゾーンは、例えば、ファイバ内に従来生成される異常を消去するために十分であるがファイバの溶融温度未満である温度にファイバを加熱することによっては、消去されない。
【００１７】
図２は、中心コア１２とクラッド１４とを含み、これらは両方とも縦軸Ａの周りに対称であるグラス・ファイバ１０の形を成す導波路デバイスの斜視図である。ファイバ・コア１２の少なくとも一部および／またはクラッド１４の少なくとも一部を横切って、図１を参照して説明する様な方法を使用して作り出された永続的に変化した屈折率特性のゾーン２２が延びている。変化ゾーン２２の高さは焦点領域２０の高さによって決まり、そのファイバ内の横方向範囲は、経路Ｙに沿った焦点領域の掃引移動とレーザ・ビームの強度とによって決定される。永続的に変化した屈折率特性のゾーン２２には、後で説明する様に、ファイバ減衰器、タップ、偏光計、その他のさらに複雑なデバイスの生成に関連する実用的な応用がある。
【００１８】
図３は、一対のレーザ・ビーム１６，１６’を使用して導波路デバイス１０の内部に永続的に変化した屈折率特性のゾーンを作る方法を図示する。この場合、レーザ・ビームはレンズ１８、１８’によって集束され、導波路デバイスに向けられ、こうして焦点領域２４は、一般に個別のレーザ・ビーム強度の総和である強度を示す。図１の単一レーザとほぼ同じ一対のレーザを使用する場合には、この配置を使用して増加した強度の焦点領域を作ることができる。この配置は又、図１の単一レーザの場合と比較すると、弱い強度の個別レーザを利用して、焦点領域における追加強度は単一レーザの場合の強度とほぼ同じにすることができる。これは又、必要であれば変化ゾーン２２をさらに局限化する方法も提供する。
【００１９】
図４は、図１と同様な図であるが、レーザ・ビーム１６を縦軸Ａに直角以外の角度から向けることができることを示している。この場合、ビームはミラー２６によって方向を変えかつ集束されるので、所望の焦点領域２０を、導波路デバイスに対して所望の位置に作ることができる。
【００２０】
図５でわかる様に、レーザ・ビーム１６を、ファイバを横切るのみならずその縦方向にも通る経路の中でファイバ１０を横切って掃引することができ、これによって、ビーム幅の倍数である幅または厚さを有する変化ゾーン３０を作ることができる。各掃引は、ゾーンにビーム幅と同じ厚さまたは幅を加える。したがって、レーザ・ビームの焦点領域２０は点Ｂで始まり、縦軸Ａに対して角度αである経路Ｐ１に沿ってファイバを横切ってファイバの別の側における点Ｃまで掃引する。次にこれは、縦方向にビーム幅とほぼ同じ距離だけ点Ｄへシフトさせられ、次に経路Ｐ１に平行な経路Ｐ２に沿ってファイバを横切って逆方向に掃引される。この掃引パターンは、所望の幅または厚さを有する変化した屈折率特性のゾーン３０が達成されるまで続く。
【００２１】
図６は、前述の手順の１つによって作り出された永続的に変化した屈折率特性のゾーン３４を中に有する、光ファイバ導波路デバイス３２の上面図である。図６は、通常はコア３６に沿って透過される光に対する、ゾーンの効果を図示している。透過光Ｌ１がゾーン３４に遭遇すると、その一部Ｌ２はクラッドの中に散乱し、別の部分Ｌ３は変化ゾーン３４に沿って外へ導かれ、さらに別の一部Ｌ４はフレネル反射光として反射する。透過光Ｌ１の残りＬ５は、変化ゾーン３４の反対側にあるコアに沿って通る。変化ゾーンの性質を使用して、有用な目的を果たすデバイスや他の構造に利用可能なデバイスを作ることができることが可能である。特に、本発明の原理に基づく新しい減衰器、タップ、偏光計が可能である。
【００２２】
実用的応用
全ファイバ型減衰器
全ファイバ型減衰器は、コアの中を伝播する光を減衰させる光導波路または光ファイバである。減衰は、光の一部をコアから逸出させることによって達成され、この逸出は逸出個所において変化屈折率ゾーンを作ることによって達成される。この変化ゾーンは、光導波路または光ファイバの縦軸に対して鋭角に（図６）、または縦軸に対してほぼ垂直に（図７）作る。変化ゾーン３４、３５は、コア・クラッド境界領域、クラッド内のエバネッセント領域、および／または光導波路または光ファイバのコアの中に、屈折率の変化を含む。図７に示す実施形態では、コア・クラッド境界領域とクラッド内のエバネッセント領域における屈折率の変化は、結果的にコア伝播モードとクラッド伝播モードとの結合となり、したがってクラッドの中に逃げるコアの中を伝播する光Ｌ１の一部となる。図６の実施形態では、コア内の屈折率の変化はコアの中を伝播する光Ｌ１を散乱させ、その一部が２つのエスケープ機構を通じてコアから拡散して出る。第１エスケープ機構は、光導波路または光ファイバの縦軸に鋭角に向けられた変化ゾーン３４によって形成された導波路にその機構を結合させることによって、光の一部Ｌ３を外へ拡散させる。第２拡散機構は、光導波路または光ファイバの縦軸に鋭角に向けられた変化ゾーン３４の表面におけるフレネル反射によって、光の一部Ｌ４を外へ拡散させる。したがって、適切に向けられた変化ゾーンの表面は反射表面として作用する。
【００２３】
達成可能な減衰損失は、変化ゾーンを作るための露光時間の長さ、光パルス・エネルギー、レーザ・ビームの掃引速度、ライト・ビーム(write beam：書込みビーム)が光ファイバを横切って掃引された距離、掃引方向が光導波路または光ファイバの縦軸に対して作る角度に応じて、０〜４０ｄＢの間にある。一般的に、変化屈折率ゾーンによる損失は０．０５ｄＢの精度を伴って４０ｄＢにもなる可能性がある。
【００２４】
全ファイバ型減衰器の好ましい一実施形態では、この損失を、コア・クラッド境界領域における屈折率の変化によって引き起こされる損失と、クラッドにおけるエバネッセント領域における屈折率の変化によって引き起こされる損失との組合せを使用して、精密に調整することができる。０．１ｄＢより大きい損失では、損失の大部分が、コア・クラッド境界領域における屈折率の変化によって引き起こされ、約０．１ｄＢの増分での損失に対する微調整は、クラッドにおけるエバネッセント領域におけるに屈折率の変化によって生じさせることができる。
【００２５】
全ファイバ型減衰器の別の実施形態では、損失は、光ファイバに実質的に平行で、クラッドにおけるエバネッセント領域、コア・クラッド境界領域、またはコアにおいて中心合わせされたレーザ・ビームを掃引することによって生じさせることもできる。この実施形態では、一般的に損失の大きさは、単一掃引に対して１ｄＢ未満の損失まで掃引距離に依存し、損失の大きさは１０〜２０マイクロメートルのレーザ・ビーム・ウエスト直径に対して飽和する。この限界内で、損失を、光導波路または光ファイバの長さに沿った変化ゾーンの長さを変えることによって調整することができる。
【００２６】
光導波路または光ファイバの縦軸に対して小さな角度で変化ゾーンを作ることによって損失が引き起こされたときには、達し得る可能な損失は３０ｄＢより大きくなる可能性がある。一般的に、このように非常に高い損失についても、光反射減衰量は４０ｄＢよりもよくなる、すなわち、コア内を後方向に伝播する光の強度は、コア内を前方向に伝播する光の強度より下であって、４０ｄＢより大きい。
【００２７】
全ファイバ型タップ
全ファイバ型タップは、光の小部分をコアの外へ、かつ光導波路または光ファイバの外へ結合させる光導波路または光ファイバであり、その光を、フォトダイオードまたは光電子倍増管などの光出力検出器によって測定することができる。例えば図８、９に示す配置を参照されたい。実際に光タップは、検出器を使用して光をタップから収集して、出力レベルを表す信号を適切な情報検索デバイスに送る、出力モニタのための基礎を形成することができる。
【００２８】
上記の全ファイバ型減衰器の場合と同様な変化ゾーンを使用して、全ファイバ型タップによって光がコアから引き出されるが、全ファイバ型タップの場合のコアから出る光の部分は通常は非常に小さく、一般的に１％のタップ比である。したがって、全ファイバ型タップは、少量の光のみの迂回を犠牲にして光導波路または光ファイバから出る光の量を監視することによって、コア内を伝播する光の量の監視を可能にする。
【００２９】
図８を参照すると、変化ゾーン３８が光導波路または光ファイバ１０の縦軸Ａに垂直に向けられている場合には、コアから出る光Ｌ6は光導波路または光ファイバの表面Ｓに対してかすめ角度である。屈折率整合流体Ｆを使用して、光導波路または光ファイバの表面における全内部反射を避け、光が光導波路または光ファイバから出るようにし、光検出器４０によって検出できるようにしている。図９を参照すると、変化ゾーン４２が光導波路または光ファイバ１０の縦軸Ａに十分に大きな角度で向けられており、コアから出る光は全内部反射の臨界角より大きな角度となるので、光導波路または光ファイバの表面における全内部反射を防ぎ、屈折率整合流体を省くことができる。
【００３０】
全ファイバ型タップの光反射減衰量は４０ｄＢより大きい。
【００３１】
全ファイバ型偏光計
全ファイバ型偏光計は、コアの中を伝播する光の偏光状態を測定することができる光導波路または光ファイバである。この目的のために、主に無視できる量のｐ偏光反射を伴ってｓ偏光を反射するように、多くの反射表面を、光導波路または光ファイバの縦軸に対して実質的にブルースター角に向けなければならない。４つの反射表面の方位角を光導波路または光ファイバの長さに沿って４５度だけ離隔することによって、すべての４つのストークス・パラメータの測定が可能になり、これによって、コアの中を伝播する光の完全な偏光状態を指定する。Ｗｅｓｔｂｒｏｏｋ、ＳｔｒａｓｓｅｒとＥｒｄｏｇａｎによる従来の技術の全ファイバ型偏光計は、反射表面の各々についてろう付けブラッグ格子型ファイバを使用する（ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第１２巻、第１０号、１３５２−１３５４ページ、２０００年１０月）。
【００３２】
図１０を参照すると、本発明による全ファイバ偏光計の一実施形態は、変化ゾーンの表面の反射特性を利用して、変化ゾーンを有する４つの反射表面の各々を実行する。簡単にするために、図には１つだけの変化ゾーン４４を示す。変化ゾーンのブルースター角は、パルス・エネルギー、パルス幅、パルス繰返し率、掃引速度、ライト・ビームのウエストのサイズに依存する。光導波路または光ファイバの縦軸Ａに垂直な方向にｓ偏光Ｌ７を反射させる４５度のブルースター角を有する反射表面が、ｐ偏光汚染を最小にする。図１１Ａ、１１Ｂに示すように、互いに実質的に９０度で４つの変化ゾーン４４1、４４2、４４3、４４4を有する偏光計が示されている。第３と第４変化ゾーン４４3、４４4などの１対の隣接する変化ゾーンの間にλ／２波プレート４６を挿入して、右と左の円偏光を区別する。この目的のために、引用されたＩＥＥＥ参照におけるようなＵＶ誘発λ／２波プレートを使用してもよい。コア内のλ／２波プレートによって、円偏光は、コア内を伝播する光のＥベクトルの回転方向に応じて、第４変化ゾーンによって反射されるかまたは反射されないことになる。λ／２波プレートの偏光軸を、第４変化ゾーンのｓ偏光方向に沿って、またはそれに直角に向けることができる。図１２Ａ、１２Ｂに示すような全ファイバ型偏光計の別の実施形態は、実質的に９０度で離隔した方位角を有する２つの同一の変化ゾーン４８、４８を使用し、したがって、第１反射表面のためのｐ偏光は第２反射表面のためにｓ偏光させられる。したがって、完全偏光状態は２つだけの反射表面では決定できないが、ファイバ・コアにおける両偏光状態の光強度を個別に測定することもできる。直交方位角からの僅かな偏差が２つのゾーンの偏光依存性を釣り合わせ、これによって偏光に依存する損失を少なくする。付属の変化ゾーンによって外向きに向けられる光を検出するための適切な検出器５０による両実施形態を示す。
【００３３】
全ファイバ型偏光計の反射減衰量は４０ｄＢより大きい。
【００３４】
減衰器におけるある一定の損失とタップにおける偏光に依存するタッピングを、減衰器またはタップの中に少なくとも２つの変化屈折率ゾーンを含めることによって補償することができ、これらのゾーンは相互に向けられて、所望の程度の補償を達成する。この様なゾーンを、被加工物を通じて例えば左から右に、次いで再び（同じ相対角度で）上から下へ、多分同じ位置でビームを掃引することによって作ることができる。
【００３５】
レーザ
本発明によるビームを生成するための適当な形式の超高速パルス・レーザは、各々が１ピコ秒未満、好ましくは２〜２００フェムト秒、さらに好ましくは約１００フェムト秒の持続時間と、１ナノジュールと１ミリジュールとの間のパルス・エネルギーとを有するパスルを放射するレーザである。このレーザを、単一パルスを使用して、または５００Ｈｚと１ＧＨｚの間の、好ましくは１ｋＨｚと１００ＭＨｚとの間の可変パルス繰返し率で操作することができる。レーザ繰返し率は、変更された容積要素からの熱拡散時間より高くなるように選択され、ガラスを軟化させる、理想的には材料の液化点またはガラス化温度になるまでレーザ・ショット間に熱を蓄積でき、材料を電荷分布と温度プロファイルにおける光誘起変化に至るまで変形させることができる。この蓄積加熱効果は、材料の流れが屈折率の変化を起こすと共に、書き込まれたゾーン内の応力を除去する自己アニールする。１０ミクロン直径の焦点領域については、一般的な熱拡散時間は１０マイクロ秒低度である。この様な場合、理想的なレーザ繰返し率は１００ｋＨｚより高く、１０マイクロ秒より短い時間間隔でパルスを出す。一般に、繰返し率が高いほど良いが、レーザ平均パワーにおける実際的限界は、材料の中に作り出される容積要素のサイズが増加するので、この期待を制限する。より大きな容積要素はより高いパルス・エネルギーを必要とし、したがってどの所与の平均パワー・レーザ・システムについても、より低い繰返し率に限定される。ガラス液化へ近づく条件はビーム直径の二乗としての尺度を有する。この場合、ＣＯ2レーザなどの第２レーザを使用して、書き込みレーザに対する材料のコンプライアンスを上げるためのゾーンを加熱することができる。光の波長は、屈折率を変化させるべきガラス材料の吸収領域の波長より大きい必要がある。したがって、光導波路または光ファイバの製造に通常使用される標準的な溶融シリカ・ガラスの場合には、光の波長は２００ナノメートルより長くなければならない。この応用のためのレーザは一般的にＴｉ：サファイア、クロム・ドープ、またはエルビウム・ドープ固体モードロック・レーザ発振器に基づいている。ガラス材料を露光するために必要な光パルスのエネルギーに応じて、レーザ発振器からの光パルスを、広帯域利得を有する１つまたは複数の同様な固体レーザ媒体に基づく増幅器段階を経て増幅してもよい。レーザ発振器または増幅器からの出力を使用して、光パラメトリック増幅器をポンピングし、ガラス材料を露光するために使用される光パルスを発生させることもできる。
【００３６】
したがって、本発明のための好ましいレーザ・システムは、周波数２倍のエルビウム・ドープ・ファイバ・レーザの出力がＴｉ：サファイア利得物質に基づくレーザ再生式増幅器の中で増幅され、持続時間が約１００フェムト秒の光パルスを提供し、各パルスは約１ナノジュールと１ミリジュールの間のエネルギーを有し、好ましくは、パルス繰返し率は１ｋｇＨｚと１００ＭＨｚの間であるシステムである。レーザ光源ビーム直径は＞０．１〜約１０ｍｍの範囲内にあるべきで、焦点距離は約１ｍｍ〜約３０ｃｍの範囲内、あらゆるレンズまたはこれと共に利用されるミラーの開口数は約０．０５〜１．３の範囲内でなければならない。
【００３７】
上に指示したように、レーザ光をレンズまたはミラーによって集束させることができ、これによって焦点領域において非常に高い強度の光を作ることができる。約１０10Ｗ／ｃｍ2である、永続的な屈折率変化を誘発するしきい値以上のピーク・パルス強度において、焦点領域をライト・ビームとして使用することができる。書き込もうとするガラス材料に対してライト・ビームを移動させることによって、ガラスのミクロ構造を再構成し、永続的に変化した屈折率特性を有する区画されたゾーンを作ることができる。この変化ゾーンを、被加工物における目標領域にビームをピンポイント集束または線集束することによって、または目標領域の上にライト・ビームを掃引することによって作ることができる。変化ゾーンを、光導波路が埋め込まれたあらゆるガラス基板、通常の光ファイバ、偏光保持ファイバ、ゲルマニウム・エンリッチ・コアを有する光ファイバ、コアまたはクラッド領域のいずれかに希土ドーパントを有する光ファイバ、水素処理光ファイバ、テーパ・カップラのウエスト領域などの複数のコアを有する光導波路または光ファイバ、Ｗファイバなどの複数のクラッドを有する光導波路または光ファイバ、ホーリー・ファイバ（フォトニック結晶ファイバ）、ブラッグ格子型ファイバ、フォトニック・バンドギャップ材料、材料改変のためにレーザしきい値を低下させることによってレーザ書込み性能を向上させるために多光子共鳴を提供するようドープされたガラス、および複雑な屈折率プロファイルを有するその他の光導波路または光ファイバを含む、多様な光導波路または光ファイバの中に作ることができる。
【００３８】
追加の手法的考察と変更
コアを有する光導波路または光ファイバの中に変化ゾーンを正確に作るための１つの方法は、１ミクロンより優れた位置決め精度で高精度ステージの上に光導波路または光ファイバを載せることである。レーザ・ビームの焦点領域を、下記の整列手順を使用してコアと整列させる。
【００３９】
整列手順中にガラスに対して永続的な屈折率変化を作ることを防止するために、レーザ源のピーク・パルス強度を先ず低いパワーに設定する。レーザ・ビームを、作ろうとする変化ゾーンの所望の形状に応じて、コアの縦軸に対して所望の角度に向ける。焦点領域が光導波路または光ファイバの全体にわたって走査され、光電子倍増管を使用して、コアからの多光子蛍光の量を検出する。焦点領域の位置は、検出された多光子蛍光(multiphoton fluorescene)の量が最大になったときに、コアの位置に最適に整列される。次に、ピーク・パルス強度を少なくとも永続的な屈折率変化を誘発するしきい値にまで増加させた後に、空間基準として最適のアラインメントを使用して焦点領域を動かし、光導波路または光ファイバの中に変化ゾーンを作る。レーザ・ビームを被加工物に対して、「上から」、「下から」または「側部から」向けることができ、これを、レーザ源の焦点領域を最初に、精密ステージの中に取り付けられた光導波路または光ファイバの上、下、または側部に位置づける準備と呼ぶ。レーザ・ビームを例えば「上から」向けると、焦点領域は最初に光導波路または光ファイバの上に位置づけられ、下方へ移動する。
【００４０】
複数のレーザ源、または出力ビームが複数のビームに分かれる単一源を使用することによって、ビームの衝突を起こさせ、すなわち、複数ビームの焦点領域をガラス材料の中で交差させ、組み合わせたピーク・パルス強度が交差すなわち目標領域においてのみしきい値に達するようにすることができる。これによって屈折率変化の局在化を向上させることができる。整列手順は上述と同様であり、ここでは最大蛍光のみが、互いにおよびコアに対して整列する焦点領域を示すものである。次に変化ゾーンを作るために焦点領域を同時に動かすか、または被加工物を焦点領域に対して動かす。
【００４１】
被加工物の中に変化ゾーンを作るために複数ビームを使用することにより、より高い解像度と、潜在的に変化屈折率特性のさらに均一なゾーンを得ることができる。さらに、複数ビームによって、例えば微小格子を含む変化ゾーンの特定の種類を作るために、干渉計の効果を利用することが可能である。
【００４２】
１つまたは複数の移動ビームまたは移動被加工物を使用する方法を先に説明したが、１つまたは複数のビームの焦点領域を、被加工物内における所定の目標領域においてピンポイントの精度で位置づけることができれば、１つまたは複数のビームと被加工物との相対移動なしに変化ゾーンを作ることができる。
【００４３】
本発明の範囲にあるその他の有利な材料変更技法を、光導波路のフェムト秒パルス支援のミクロ構造化に使用することができる。一般に、これらの特別の技法は、本明細書で既に説明したフェムト秒パルス・ミクロ構造化法へ外部から加えられる刺激を追加することを含む。追加の刺激をフェムト秒パルス露光と組み合わせることは、後で記載するように、フェムト秒パルス変更光導波技術の機能性を増加させる。
【００４４】
特に、光導波路のフェムト秒パルス・ミクロ構造化中に光導波路に外部刺激を加える目的は、第１に、光導波路のフェムト秒パルス変更領域の中やその周囲に応力の永続的領域および／または応力複屈折を作ることができることである。第２に、目的は、光導波路の変更領域の中やその周囲に永続的電場を作ることである。
【００４５】
応力および／または電場を光導波路のフェムト秒パルス変更領域の中やその周囲にどのように誘発させることができるかを理解するために、導波路の材料（ガラス）が材料の中に集束されたフェムト秒パルスのエネルギーを（部分的に）吸収するときに発生する熱伝達動力学を調べることが必要である。簡単にするために、フェムト秒パルス焦点スポットを半径ａradで特徴付けることができる。導波路材料は熱拡散定数、Ｋを有すると仮定する。さらに、フェムト秒パルスのエネルギーは、半径ａradによって決まる材料の球形容積の中に均一に蓄積される。検討のためにａrad＝１０μｍの目的を設定する。パルスによって蓄積された熱エネルギーの拡散の特性時定数は約０．１ａrad2／Ｋである。１００℃における溶融シリカについては、熱拡散定数Ｋは０．００８２ｃｍ2／秒である。したがって、溶融シリカにおける（１０μｍ焦点スポットの）熱エネルギーの拡散の特性時定数は約１．２×１０−5秒である。１５００℃未満の温度の黒体放射による焦点スポットからの熱放散は無視することができる。したがって、材料の中の焦点スポットは、主として熱拡散によってエネルギーを失う。勿論、焦点スポット内の材料格子の再構成に関わる処理はパルス・エネルギーの一部を保持する。格子変更エネルギーは、先に検討したように屈折率変更につながる。
【００４６】
一連のフェムト秒パルスが第１パルスにオーバラップして焦点領域の中やその周囲に入射し、このパルス列が（この例では）約１．２×１０−5秒より短いパルス繰返し周期を有する場合には、焦点容積における熱エネルギーが放散よりも速い率で蓄積する条件に達し、これによって、焦点領域の温度が上昇する。こうして、フェムト秒パルス当りのエネルギー、フェムト秒パルスの繰返し率、焦点スポットの半径は、共に焦点スポットの中やその周囲の材料の温度を制御する。
【００４７】
光導波路の中に永続的応力／応力複屈折を導入するために、フェムト秒パルス処理中に応力を導波路に、材料の（引張り／圧縮）破壊強度未満の値まで加える。フェムト秒処理条件（フェムト秒パルス当りエネルギー、フェムト秒パルス繰返し率、焦点スポットの半径）は、焦点領域の中やその周囲の材料温度が導波路ガラスの軟化温度の近くまたは上の値に制御されるように設定される。フェムト秒放射によって処理された導波路領域は応力を支持しないが、領域の温度はガラスの軟化点以上に留まることが実現されよう。導波路のフェムト秒処理の次に、外部から加えられた応力を除去すると、材料中の応力分布が変化する。露光された領域を囲む材料における付加応力は弛む傾向にあり、その間ガラスの露光された領域に応力が加わる。露光された領域におけるガラスはその動作温度に冷却し、この温度は通常ガラスの軟化点未満であるから、このガラスは永続的応力の条件を保持する。ガラス内の局限化された内部応力が応力を受けた領域の中やその周囲において光の複屈折を起こすことは周知である。
【００４８】
この書込み中に応力を印加する方法を、フェムト秒パルス列によって、ファイバのコアの近くあってこれに平行な縦応力部材を書き込みながら、ファイバを引張り／圧縮することによって、光ファイバのコアに指向性応力を受けさせることに使用することができる。これを、書き込みプロセス中に横方向応力を導波路領域に印加することによって、フェムト秒パルス列によって書き込ませた複屈折導波路を形成するために使用することもできる。
【００４９】
図１４Ａ、Ｂ、Ｃは、本発明による応力の印加を概略的に図示する。図１４Ａは、ファイバに機械的応力を印加することができる締付け装置８６の中にある、コア８２とクラッド８４とを有する光ファイバ（導波路）８０を示す。この結果は、応力線８８によって識別されたファイバ内のほぼ対称の応力場である。焦点領域９２を有するライト・ビーム９０を図１４Ｂにおけるように導波路に加えると、上に検討したように目標領域における加熱が局限化される。これは９４で示すように、機械的応力の弛め、焦点領域の近傍の応力場を再分布する効果を有する。導波路内の永続的に変化した屈折率特性のゾーンを書き込んだ後に、ライト・ビームと機械的応力が除去されると、９８で示す様に変化した応力場が存在し、所望の光の複屈折となる。
【００５０】
永続的応力を誘発するために使用されるものと同様なアプローチを、光導波路のフェムト秒変更領域に内部電場を作るために使用することができる。例えば図１５Ａ、Ｂ、Ｃを参照されたい。図１５Ａは、１０６で示される強電場を上から下へファイバに印加するように置かれた、コア１０２とクラッド１０４とを有する光ファイバ１００を示す。電場が加えられているファイバの領域全体に電気分極を誘発させる。導波路材料の破壊電場に匹敵する大きさまでのこの定常的な電場は、図１５Ｂに示す様に、フェムト秒パルス変更プロセス中に加えられている。ライト・ビーム１０８は１１２における様に電場を変化させる焦点領域１１０を有することがわかる。材料が導波路ガラスの軟化温度近くまたはその上にあるときに材料をかきまわすことが高温によって容易になる。材料が冷却すると、加えた電場の記憶が材料のフェムト秒パルス変更された領域の構造の中に保持される。第２次高調波発生などの効率的な非線形プロセスを容易にするために、固有のまたはポーリングされた電場が（位相がプロセスに整合する周期構造と共に）使用される。これらは通常、書き込みプロセス中に印加された電場の方向を変えることによって実施される。したがって図１５Ｃに示す様に、ライト・ビーム１０８と外部電場を除去した後に、静的分極電場１１４がファイバのフェムト秒変更領域１１６の中と周りに存在する。電場を除去する前に変化ゾーンを固化させるように、ライト・ビームを除去すべきである。
【００５１】
ファイバ・コアの内外の光を変化ゾーンへ結合させるための上記の方法に基づいて、図１３Ａ、１３Ｂに示す様な複数コアのファイバの中により複雑なデバイスを作ることができる。図に示す様に、１つまたは複数のコアにまたはコアから結合された光を、上記の機構に基づく変化領域の相互接続によって、コアの間を導くことができる。様々なコアが様々なクラッド構造（複数のクラッド構造およびフォトニック・バンドギャップ構造を含む）、サイズ、ドーピングを有し、位相ずれ、分散、増幅、減衰、周波数変換を含むが、これらに限定されない様々な方法で光を変えてもよい。この方法に基づくデバイスはマッハ・ツェンダ干渉計、インタリーバ、アッド／ドロップ・フィルタ、アレイ導波路回折格子を含むが、これらに限定されない。
【００５２】
本発明の別の利点は、本発明によって変化した光ファイバまたは導波路の結合を改善する能力に見られる。本発明によって、ファイバまたは導波路の屈折率特性を、ファイバ、導波路、またはこれを結合しようとする光源の特性に整合するように、インタフェース点において、またはこの近くで変更または変化することができる。本質的に、本発明によって、導波路を出る光の発散を減らすように、導波路のモード・フィールド・パターンを実質的に拡大または再形状化することが可能である。
【００５３】
ここで当業者には、ガラス内の変化ゾーンに書き込むために開示された方法の柔軟性と融通性は容易に理解されよう。開示された方法の柔軟性の一例を示すために、本方法の変形には、同時にではなく互いに個別に動かされる２つ以上のレーザ源を使用することが含まれる。開示された方法の融通性の一例を示すために、本方法を、開示された新しい全ファイバ型製品の他に、他の新しい製品を明白に作る従来の遠隔通信ファイバとは異なるものとして、特別の光ファイバに応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】単一レーザ・ビームによる本発明の方法の基本原理を示す、導波路デバイスの端面図である。
【図２】やはり本方法の基本原理を示す、中に永続的に変化した屈折率特性のゾーンが作られた導波路デバイスの一部の概略斜視図である。
【図３】導波路デバイスの中に変化した屈折率特性のゾーンを作ることができるための、一対のレーザ・ビームの使用を示す、図１と同様な端面図である。
【図４】単一レーザ・ビームを集束するための光ミラーの使用を示す、図１と同様な図である。
【図５】変化した屈折率特性のゾーンを達成する方法を示すファイバの平面図であって、このゾーンはゾーンを作ることができるために使用されるレーザ・ビームよりも幅と厚さにおいて大きい平面図である。
【図６】中に永続的に変化した屈折率特性の方向転換したゾーンを有する導波路デバイスまたは光ファイバの平面図であって、コアに沿って透過される光に対するデバイスの効果を示し、デバイスは減衰器として使用される平面図である。
【図７】中に永続的に変化した屈折率特性のゾーンを有する導波路デバイスまたは光ファイバの平面図であって、ゾーンは縦軸に垂直であり、コアに沿って透過される光に対するデバイスの効果を示し、デバイスは減衰器として使用される平面図である。
【図８】中に永続的に変化した屈折率特性のゾーンを有する導波路デバイスまたは光ファイバの平面図であって、ゾーンは縦軸に垂直であり、コアに沿って透過される光に対するデバイスの効果を示し、デバイスはタップとして使用される平面図である。
【図９】中に永続的に変化した屈折率特性の方向転換したゾーンを有する導波路デバイスまたは光ファイバの平面図であって、コアに沿って透過される光に対するデバイスの効果を示し、デバイスはタップとして使用される平面図である。
【図１０】中に永続的に変化した屈折率特性の方向転換したゾーンを有する導波路デバイスまたは光ファイバの平面図であって、コアに沿って透過される光に対するデバイスの効果を示し、デバイスは偏光計として使用される平面図である。
【図１１】Ａ：４つの変化ゾーンと一対の変化ゾーンの間にλ／２波プレートとを有する偏光計の平面図である。  Ｂ：図１１Ａの偏光計の端面図である。
【図１２】Ａ：中に２つの同一の変化ゾーンを有する偏光計の平面図である。  Ｂ：図１２Ａの偏光計の端面図である。
【図１３Ａ】複数のコアとファイバの様々なコアを相互接続する変化ゾーンとを有するファイバの平面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａのファイバの端面図である。
【図１４Ａ】光ファイバに対する機械的応力の印加を示す端面図である。
【図１４Ｂ】機械的応力の印加中における永続的変化屈折率特性のゾーンの生成を示す端面図である。
【図１４Ｃ】機械的応力が除去された後のファイバ内における変化応力域を示す端面図である。
【図１５Ａ】光ファイバに対する強い電場の印加を示す端面図である。
【図１５Ｂ】ファイバに対する外部電場の印加中における永続的変化屈折率特性のゾーンの生成を示す端面図である。
【図１５Ｃ】電場が除去された後のファイバ内における静的偏光領域を示す端面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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