(57)【要約】【課題】グレーティングの透過特性におけるリップル幅を小さくすることができるグレーティング製造方法を提供する。【解決手段】シリンドリカルレンズ３１の後焦点位置よりシリンドリカルレンズ３１側に光ファイバ２が存在するようにシリンドリカルレンズ３１および光ファイバ２を配置する。また、シリンドリカルレンズ３１と光ファイバ２との間に位相マスク４１を配置する。そして、レーザ光源１１から出力されたレーザ光を、シリンドリカルレンズ３１および位相マスク４１を経て光ファイバ２に照射して、光ファイバ２にグレーティングを書込む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
書込み材にグレーティングを書込む方法であって、
シリンドリカルレンズの後焦点位置より前記シリンドリカルレンズ側に前記書込み材が存在するように前記シリンドリカルレンズおよび前記書込み材を配置するとともに、前記シリンドリカルレンズと前記書込み材との間に位相マスクを配置して、
レーザ光源から出力されたレーザ光を、前記シリンドリカルレンズおよび前記位相マスクを経て前記書込み材に照射して、前記書込み材にグレーティングを書込む、
グレーティング製造方法。
【請求項２】
前記書込み材が光ファイバである請求項１に記載のグレーティング製造方法。
【請求項３】
前記シリンドリカルレンズに入射するレーザ光のビーム径が５００μｍ〜３０００μｍである請求項１または２に記載のグレーティング製造方法。
【請求項４】
前記書込み材の感光性領域が比屈折率Δｎ換算で０.３０％〜０.４５％のＧｅＯ２を含む請求項１〜３の何れか１項に記載のグレーティング製造方法。
【請求項５】
前記感光性領域の半径サイズが５μｍ〜４０μｍである請求項４に記載のグレーティング製造方法。
【請求項６】
前記シリンドリカルレンズの焦点距離が５０ｍｍ〜３００ｍｍである請求項１〜５の何れか１項に記載のグレーティング製造方法。
【請求項７】
前記書込み材の断面内の残留応力分布が１６.５ＭＰａ以下となるように前記レーザ光を前記書込み材へ照射する請求項１〜６の何れか１項に記載のグレーティング製造方法。
【請求項８】
グレーティング書込み前後の前記書込み材の断面内の残留応力差異が４５ＭＰａ以下となるように前記レーザ光を前記書込み材へ照射する請求項１〜７の何れか１項に記載のグレーティング製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、書込み材にグレーティングを書込む方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
感光性材料（例えばＧｅＯ２やＢ２Ｏ３）が添加された石英ガラスからなるコアまたはクラッドを有する光ファイバ等の光導波路に対して、コアの軸方向に空間的に強度変調された紫外光を照射することで、その紫外光の強度分布に応じた屈折率分布をコアの軸方向に有するグレーティングを製造することができる。このようなグレーティングは、例えばエルビウム（Ｅｒ）がコアに添加された増幅用光ファイバを備えるＥｒ添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ: Erbium-Doped Fiber Amplifier）の利得を等化する利得等化器として用いられ得る。
【０００３】
グレーティング製造技術については特許文献１，２に記載されている。紫外光としては、アルゴンイオンレーザ光の２倍波（２４４ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ光（２４８ｎｍ）、ＹＡＧレーザ光の４倍波（２６５ｎｍ）、銅蒸気レーザ光の２倍波（２５５ｎｍ）などが用いられる。
【０００４】
コアの軸方向に空間的に強度変調された紫外光を光導波路に照射する方法としては、チャープ型グレーティング位相マスクを用いて発生させた±１次回折光を互いに干渉させる位相マスク法、レーザ光で直接に露光する方法、および、レーザ光を２分岐した後に２つの分岐光を互いに干渉させる２光束干渉露光法がある。これらのうちでも位相マスク法は、他の方法と比べると、グレーティングを再現性よく且つ容易に製造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−４９２６号公報
【特許文献２】国際公開第２００３／０９３８８７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のグレーティング製造方法により製造されたグレーティングは、リップル幅が大きい透過特性を有する。リップルとは、波長に対する形成ロスに重畳している脈動の成分を指す。リップル幅とは、波長０.２ｎｍ毎に波長±０.６ｎｍの範囲で移動平均をとることにより平滑化処理をした後、波長±２ｎｍの範囲での脈動成分の最大値と最小値との差を指す。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、グレーティングの透過特性におけるリップル幅を小さくすることができるグレーティング製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
グレーティング製造方法は、書込み材にグレーティングを書込む方法であって、シリンドリカルレンズの後焦点位置よりシリンドリカルレンズ側に書込み材が存在するようにシリンドリカルレンズおよび書込み材を配置するとともに、シリンドリカルレンズと書込み材との間に位相マスクを配置して、レーザ光源から出力されたレーザ光を、シリンドリカルレンズおよび位相マスクを経て書込み材に照射して、書込み材にグレーティングを書込む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、グレーティングの透過特性におけるリップル幅を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】グレーティング製造装置１の構成を示す図である。
【図２】グレーティング書込み前後の光ファイバ２の断面における残留応力等を纏めた表である。
【図３】光ファイバ断面における残留応力分布の最大差異Δσｓとリップル幅との関係を示すグラフである。
【図４】光ファイバの光学クラッド内の残留応力最大値σmaxとリップル幅との関係を示すグラフである。
【図５】シリンドリカルレンズ３１によるレーザ光集光の様子を示す図である。
【図６】光ファイバ２内におけるレーザ光強度分布を示す図である。
【図７】シリンドリカルレンズ３１によるレーザ光集光の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００１２】
グレーティング製造方法は、書込み材にグレーティングを書込む方法であって、シリンドリカルレンズの後焦点位置よりシリンドリカルレンズ側に書込み材が存在するようにシリンドリカルレンズおよび書込み材を配置するとともに、シリンドリカルレンズと書込み材との間に位相マスクを配置して、レーザ光源から出力されたレーザ光を、シリンドリカルレンズおよび位相マスクを経て書込み材に照射して、書込み材にグレーティングを書込む。
【００１３】
書込み材が光ファイバであるのが好適である。シリンドリカルレンズに入射するレーザ光のビーム径が５００μｍ〜３０００μｍであるのが好適である。書込み材の感光性領域が比屈折率Δｎ換算で０.３０％〜０.４５％のＧｅＯ２を含むのが好適である。感光性領域の半径サイズが５μｍ〜４０μｍであるのが好適である。シリンドリカルレンズの焦点距離が５０ｍｍ〜３００ｍｍであるのが好適である。書込み材の断面内の残留応力分布が１６.５ＭＰａ以下となるようにレーザ光を書込み材へ照射するのが好適である。また、グレーティング書込み前後の書込み材の断面内の残留応力差異が４５ＭＰａ以下となるようにレーザ光を書込み材へ照射するのが好適である。
【００１４】
以下、本実施形態のグレーティング製造方法について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、グレーティング製造装置１の構成を示す図である。グレーティング製造装置１は、書込み材である光ファイバ２にグレーティングを形成する装置であって、レーザ光源１１、ビーム径調整部１２、走査ミラー２１、走査ミラー位置調整部２２、シリンドリカルレンズ３１、シリンドリカルレンズ位置調整部３２、位相マスク４１、位相マスク位置調整部４２、ステージ５１、固定治具５２および同期制御部６０を備える。
【００１６】
レーザ光源１１は、光ファイバ２のコアの屈折率を変化させ得る波長（例えば２４４ｎｍ帯）のレーザ光を出力する。ビーム径調整部１２は、レーザ光源１１から出力されたレーザ光のビーム径および波面を調整して、その調整後のレーザ光を出力する。
【００１７】
走査ミラー２１は、光ファイバ２の軸方向に移動可能であって、ビーム径調整部１２から出力されたレーザ光を光ファイバ２へ向けて偏向させる。走査ミラー位置調整部２２は、走査ミラー２１の位置を調整することで、光ファイバ２におけるグレーティング書込み位置を調整する。
【００１８】
シリンドリカルレンズ３１は、走査ミラー２１により偏向されたレーザ光を入力して、光ファイバ２の軸方向について該レーザ光を収斂させる。シリンドリカルレンズ位置調整部３２は、シリンドリカルレンズ３１と光ファイバ２との間の間隔を調整する。
【００１９】
位相マスク４１は、シリンドリカルレンズ３１と光ファイバ２との間に配置されている。位相マスク４１は、光ファイバ２に対向する面に周期１μｍ程度の凹凸グレーティングが形成されている。位相マスク４１は、シリンドリカルレンズ３１から出力されたレーザ光を入力して±１次回折光を発生させ、これら±１次回折光を光ファイバ２のコアにおいて干渉させて光強度分布を形成し、光ファイバ２のコアにグレーティングを形成する。位相マスク位置調整部４２は、位相マスク４１の位置を調整することで、位相マスク４１と光ファイバ２との間の間隔を調整する。光ファイバ２は、ステージ５１上に固定治具５２により固定されている。
【００２０】
同期制御部６０は、走査ミラー位置調整部２２による走査ミラー２１の位置調整および位相マスク位置調整部４２による位相マスク４１の位置調整を互いに関連付けて制御する。同期制御部６０は、ビーム径調整部１２によるレーザ光のビーム径調整をも関連付けて制御するのが好適であり、また、シリンドリカルレンズ位置調整部３２によるシリンドリカルレンズ３１の位置調整をも関連付けて制御するのが好適である。
【００２１】
本実施形態のグレーティング製造方法では、シリンドリカルレンズ３１の後焦点位置よりシリンドリカルレンズ３１側に光ファイバ２が存在するようにシリンドリカルレンズ３１および光ファイバ２を配置する。また、シリンドリカルレンズ３１と光ファイバ２との間に位相マスク４１を配置する。そして、レーザ光源１１から出力されたレーザ光を、シリンドリカルレンズ３１および位相マスク４１を経て光ファイバ２に照射して、光ファイバ２にグレーティングを書込む。
【００２２】
好適には以下のとおりである。シリンドリカルレンズ３１の焦点距離は５０〜３００ｍｍである。シリンドリカルレンズ３１に入射するレーザ光のビーム径は５００μｍ〜３０００μｍである。光ファイバ２の感光性領域は比屈折率Δｎ換算で０.３０％〜０.４５％のＧｅＯ２を含む。感光性領域の半径サイズは５μｍ〜４０μｍである。また、走査ミラー位置調整部２２、シリンドリカルレンズ位置調整部３２および位相マスク位置調整部４２それぞれは、リニアモーター、ステッピングモーター、圧電素子等を含んで構成される。
【００２３】
図１には、説明の便宜の為にｘｙｚ直交座標系が示されている。ｘ軸は、光ファイバ２の軸方向に平行である。ｚ軸は、光ファイバ２へのレーザ光照射方向に平行である。ｙ軸は、ｘ軸およびｚ軸の双方に垂直である。以下では、ｘｙｚ直交座標系を用いて説明をする。
【００２４】
図２は、グレーティング書込み前後の光ファイバ２の断面における残留応力等を纏めた表である。サンプルａ〜ｃの各行は、グレーティング書込み後におけるロス、リップル幅、光ファイバの光学クラッド内の残留応力最大値σmax、および、光ファイバ断面における残留応力分布の最大差異Δσｓ を示している。これらは同一のロス（６.０ｄＢ）である。サンプルｄの列は、グレーティング書込み前における光ファイバの光学クラッド内の残留応力最大値σmax、および、光ファイバ断面における残留応力分布の最大差異Δσｓ を示している。これらは同一のロッドである。
【００２５】
光ファイバの光学クラッド内の圧縮応力の最大値σmaxは、サンプルａで−２４.２ＭＰａであり、サンプルｂで−３２.９ＭＰａであり、サンプルｃで−３２.２ＭＰａである。光ファイバ断面における残留応力分布の最大差異Δσｓは、サンプルａで１３.２ＭＰａであり、サンプルｂで１７.９ＭＰａであり、サンプルｃで１７.５ＭＰａである。ＳＦＧ（slant fiber grating）としたときのグレーティングのリップル幅は、サンプルａで０.０５ｄＢであり、サンプルｂで０.１４ｄＢであり、サンプルｃで０.２１ｄＢである。このように、グレーティング書込み後のサンプルａ〜ｃは、同一ロッドであって同一ロスであるにも拘らず、リップル幅、光ファイバの光学クラッド内の残留応力最大値σmax、および、光ファイバ断面における残留応力分布の最大差異Δσｓ で差異が現れている。
【００２６】
グレーティング書込み前のサンプルｄの残留応力は引張応力である。サンプルｄの光ファイバの光学クラッド内の残留応力最大値σmaxは１５.４ＭＰａである。サンプルｄの光ファイバ断面における残留応力分布の最大差異Δσｓは３.６ＭＰａである。すなわち、グレーティング書込みによって、光学クラッドは引張応力から圧縮応力に変化し、その変化領域では屈折率は増大する。
【００２７】
リップル幅が大きい場合には、光ファイバ断面内応力は、レーザ光入射側とその反対側とで差が大きい（以後、片焼けと称す）。これに対して、リップル幅が大きい場合と比べて、リップル幅が小さい場合には、光ファイバ断面内応力は均一傾向にある。
【００２８】
図３は、光ファイバ断面における残留応力分布の最大差異Δσｓとリップル幅との関係を示すグラフである。同図から判るように、光ファイバ断面における残留応力分布の最大差異Δσｓが小さい程、リップル幅は抑制されている。例えば、リップル幅を０.１ｄＢ以下に抑制する為には、最大差異Δσｓを１６.５ＭＰａ以下とする必要がある。なお、最大差異Δσｓの大小は、レーザ光入射側に強い応力が生じている場合（片焼け）と、レーザ光入射側に関係なく均一傾向にある応力が生じている場合とがある。
【００２９】
図４は、光ファイバの光学クラッド内の残留応力最大値σmaxとリップル幅との関係を示すグラフである。同図から判るように、残留応力最大値σmaxは−３５ＭＰａ付近で飽和するが、残留応力最大値σmaxの圧縮応力（マイナス側）増大に伴いリップル幅は増加傾向にある。リップル幅を０.１ｄＢ以下に抑制する為には、残留応力最大値σmaxの絶対値を３０ＭＰａ以下とする必要がある。
【００３０】
以上のことから、リップル幅を０.１ｄＢ以下に抑制する為には、光ファイバの光学クラッド内の残留応力最大値σmaxの絶対値を３０ＭＰａ以下とすることが必要である。また、光ファイバ断面における残留応力分布の最大差異Δσｓを１６.５ＭＰａ以下とすることが必要である。
【００３１】
図５は、シリンドリカルレンズ３１によるレーザ光集光の様子を示す図である。ここでは、シリンドリカルレンズ３１に入射するレーザ光のビーム径を１ｍｍとし、シリンドリカルレンズ３１の焦点距離を１３０ｍｍとして、シリンドリカルレンズ３１の焦点位置におけるレーザ光のビーム幅が略２００μｍであるとした。同図には、シリンドリカルレンズ３１から出力されたレーザ光のパワー密度が濃淡で示されており、また、シリンドリカルレンズ３１の光軸に沿ったレーザ光強度分布も示されている。
【００３２】
同図中において、ファイバ断面Ａは、光ファイバ２が焦点位置よりシリンドリカルレンズ３１側（−ｚ側）にあるときの光ファイバ２の断面を示す。ファイバ断面Ｂは、光ファイバ２が焦点位置にあるときの光ファイバ２の断面を示す。ファイバ断面Ｃは、光ファイバ２が焦点位置より遠方側（＋ｚ側）にあるときの光ファイバ２の断面を示す。
【００３３】
図６は、光ファイバ２内におけるレーザ光強度分布を示す図である。同図は、図５中に示されるファイバ断面Ａ〜Ｃそれぞれにおけるレーザ光強度分布を、それぞれ光ファイバ２による光吸収が無い場合（Ａ’〜Ｃ’）および、光吸収が有る場合（Ａ”〜Ｃ”）について示している。
【００３４】
光ファイバ２による光吸収が無い場合には、ファイバ断面Ａ’〜Ｃ’におけるレーザ光強度分布は、光ファイバ２が配置されていないときのレーザ光強度分布と同じである。すなわち、光ファイバ２が焦点位置よりシリンドリカルレンズ３１側（−ｚ側）にあるときのファイバ断面Ａ’では、遠方側の光パワー密度は位相マスク側の光パワー密度より大きい。光ファイバ２が焦点位置にあるときのファイバ断面Ｂ’では、遠方側の光パワー密度は位相マスク側の光パワー密度と同程度である。光ファイバ２が焦点位置より遠方側（＋ｚ側）にあるときのファイバ断面Ｃ’では、遠方側の光パワー密度は位相マスク側の光パワー密度より小さい。
【００３５】
感光性を有する光ファイバ２による光吸収が有る場合には、ファイバ断面Ａ”〜Ｃ”におけるレーザ光強度分布は、光ファイバ２が配置されていないときのレーザ光強度分布に加えて光ファイバ２における光吸収によって決定される。すなわち、光ファイバ２が焦点位置よりシリンドリカルレンズ３１側（−ｚ側）にあるときのファイバ断面Ａ”では、光ファイバ２による光吸収によりレーザ光は遠方側に進むに従い減衰するものの、シリンドリカルレンズ３１による収斂効果により、光パワー密度は均一化されることになる。光ファイバ２が焦点位置にあるときのファイバ断面Ｂ”では、光ファイバ２による光吸収によりレーザ光は遠方側に進むに従い減衰し、また、この位置付近ではレーザ光は平行光であるとみなせることから、遠方側の光パワー密度は位相マスク側の光パワー密度より小さい。光ファイバ２が焦点位置より遠方側（＋ｚ側）にあるときのファイバ断面Ｃ”では、光ファイバ２による光吸収によりレーザ光は遠方側に進むに従い減衰するとともに、この位置付近ではレーザ光は発散していることから、遠方側の光パワー密度は位相マスク側の光パワー密度より小さく、両者間の差が大きくなる。
【００３６】
以上のことから、リップル幅抑制に必要な照射系において、光ファイバ２は、シリンドリカルレンズ３１の後焦点位置よりシリンドリカルレンズ３１側に設置する必要がある。
【００３７】
図７は、シリンドリカルレンズ３１によるレーザ光集光の様子を示す図である。ここでは、ケースａ，ｃでは入射ビーム径ｄ１が同一であり、ケースａ，ｃの入射ビーム径ｄ１よりケースｂの入射ビーム径ｄ２が小さいとした。また、ケースｂ，ｃでは焦点距離が同一であり、ケースｂ，ｃの焦点距離よりケースａの焦点距離が長いとした。同図には、ケースａ〜ｃそれぞれにおいて、シリンドリカルレンズ３１から出力されたレーザ光のパワー密度が濃淡で示されており、シリンドリカルレンズ３１の光軸（ｚ方向）に沿ったレーザ光強度分布も示されており、また、後焦点位置よりレンズ３１側の位置および後焦点位置それぞれにおけるｙ方向のレーザ光強度分布も示されている。
【００３８】
ケースａでは、光ファイバ断面内のｚ方向の光強度分布の変動幅は、後焦点位置Ｂと比べてレンズ３１側の位置Ａの方が大きい。
【００３９】
ケースｂでは、ケースａと同様に、ｚ方向の光強度分布の変動幅は、後焦点位置Ｂ’と比べてレンズ３１側の位置Ａ’の方が大きい。しかし、ケースｂの入射ビーム径ｄ２はケースａの入射ビーム径ｄ１より小さいので、ケースｂでは、ケースａと比較して、集光能力が低下することにより、ｚ方向の光強度分布の変動幅は小さく、ｚ方向の光ファイバ設置に適した範囲は広くなる。
【００４０】
ケースｃでも、ケースａ，ｂと同様に、ｚ方向の光強度分布の変動幅は、後焦点位置Ｂ”と比べてレンズ３１側の位置Ａ”の方が大きい。しかし、ケースｃの焦点距離はケースａの焦点距離より短いので、ケースｃでは、ケースａと比較して、集光能力が高くなり、ｚ方向の光強度分布の変動幅は大きく、ｚ方向の光ファイバ設置に適した範囲は狭くなる。
【００４１】
したがって、入射ビーム径（入射波面）およびシリンドリカルレンズの集光能力をコントロールすることによって、ｚ軸およびｙ軸の双方の方向の光強度分布の変化量を調整することができる。すなわち、光ファイバ品種に応じたＧｅ添加量の高低および光学クラッドサイズの大小に適した入射ビーム径（入射波面含む）およびシリンドリカルレンズの焦点距離を選択するとともに、ファイバ設置位置を制御することで、レーザ光入射側の片側焼け（光ファイバ断面内の残留応力分布）を抑制することができ、リップル幅が低減されたＳＦＧを製造することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１…グレーティング製造装置、２…書込み材（光ファイバ）、１１…レーザ光源、１２…ビーム径調整部、２１…走査ミラー、２２…走査ミラー位置調整部、３１…シリンドリカルレンズ、３２…シリンドリカルレンズ位置調整部、４１…位相マスク、４２…位相マスク位置調整部、５１…ステージ、５２…固定治具、６０…同期制御部。
【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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