(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライティング光ビームを位相マスクを介して感光性光導波管の領域に連続的に露光し、前記位相マスクに対応する領域を格子に形成する光導波管格子製造方法であって、前記格子の異なる領域を生成するときに前記導波管に対する前記位相マスクの相対位置が変化するように、前記位相マスク又は前記導波管を移動させる工程を有する光導波管格子を製造する方法。
【請求項２】
前記導波管が、光ファイバである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ライティング光ビームが、導波管の一部に沿って長手方向に走査される請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記ライティング光ビームが、ほぼ一様な速度で導波管の部分に沿って走査される請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記位相マスク及び導波管の相対的な位置が、露出されている導波管の領域の導波管に沿った距離に直線的に関連するように変化する請求項３又は４に記載の方法。
【請求項６】
前記位相マスク及び導波管の直線的な移動が、露出されている導波管の領域の導波管に沿った距離の二乗に直線的に関連するように変化する請求項３又は４に記載の方法。
【請求項７】
前記位相マスク及び導波管の相対位置が、ほぼ一様な直線的な速度で変化する請求項４及び５に記載の方法。
【請求項８】
前記位相マスク及び導波管の相対位置が、ほぼ一様な直線的な加速度で変化する請求項４及び６に記載の方法。
【請求項９】
前記位相マスク及び導波管の相対位置が、振動的なディザ成分で変化することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記ディザ成分の大きさが、格子の長さに沿って変化する請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ディザ成分の大きさが、格子の中央領域から長手方向の距離に応じて増加する請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
ライティング光ビームを位相マスクを介して感光性光導波管の領域に連続的に露光する手段と、格子の異なる領域を生成するときに前記導波管に対する位相マスクの相対位置が変化するように、前記位相マスク及び導波管の少なくとも一方を移動させる手段と、を有する光導波管格子の製造装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、光導波管格子に関する。
ファイバブラッグ（Ｂｒａｇｇ）格子のような光導波格子は、多数の光ファイバ及びレーザスシテムの重要な部品であると考えられているが、それらの特性を改良し製造を容易にする方法は、研究対象の大きなテーマとされている。現在提案されている１つの技術は、格子製造においていわゆる位相マスクを使用することである（参考文献１及び２参照）。この技術において、格子は、導波管上の位相マスクを通してライティング（ｗｒｉｔｉｎｇ）光放射を投射することによって感光性光導波管に組付けられる。
位相マスク法は、例えば、２つのビームの干渉技術と比較してライティングビームのコヒーレンス（干渉性）が大きく緩和された公差でファイバ格子を書き込むことができる点で興味を引くものがある。しかしながら、大きな欠点は、格子の波長及び他の特性が、位相マスクの間隔に依存し、分離したマスクは、異なる波長を必要とすることである。
多くの研究が、例えばファイバブラッグ波長を交換するために拡大レンズを組み込むことによって、位相マスク法にさらに柔軟性を与えるためになされた（以下の参考文献３参照）。
走査ライティングビームの導入は、一層、有利であった。これによってビームの大きな拡大を必要とすることなく、長いファイバ格子の製造が可能になり、ビームがマスクを横断するように走査するときライティングビームを変調することによってさらに複雑な構成を形成することができた（参考文献４及び５参照）。
アポダイズ（ａｐｏｄｉｚｅ）及び／または制御したチャープ（ｃｈｉｒｐ）型格子のようなさらに複雑な構造をつくることができる性能は、多くの用途において非常に重要である。アポダイゼーション（ａｐｏｄｉｓａｔｉｏｎ；高次の回折像を減少させるための処理）は、走査ビームの変調によって近似されるが、これはまた格子の長さ方向に沿って平均的な屈折率において付随的な変化を導入し、格子にチャープを誘導するが、これは望ましくない。“純粋”（すなわち、平均屈折率に変化のない）なアポダイゼーションが最近報告されたが、特別に設計された位相マスク（参考文献６参照）または２つのマスクに対して二重の露出のいずれかを必要とするので高価になる。
また、二重露出技術（参考文献８参照）、特に設計された“ステップーチャープ”位相マスク（参考文献９）を介して、またはファイバを引っ張ることによって（参考文献１０参照）格子に、制御可能なチャープ特徴を書き込むのにかなりの努力が払われてきた。
しかしながら、上述した技術は、位相マスク法にさらに柔軟性を与えようとするものであるが、複数の露出を必要とすることによって、この方法の複雑性を著しく増大するか、格子の特徴またはピッチの各変化において個々の位相マスクを製造する必要がある。
本発明は、ライティング光ビームをマスクを介して感光性光導波管の領域に連続的に露光し、マスクに対応する領域を格子に形成する光導波管格子製造方法であって、導波管に関するマスクの相対位置が前記格子の異なる領域を生成するときに変化するように、マスク及び導波管の少なくとも一方を移動させる工程を有する光導波管格子製造方法を提供する。
本発明の実施例は、ライティングビームを走査するとき、導波管（例えばファイバ）または位相マスク（または双方を）をゆっくり移動する簡単な技術を提供し、これは、現在位相マスクに関連する多数の制限を克服するか、なくすことができる。この方法は、複数波長格子、いわゆる“純粋”なアポダイゼーション、並びに分配されたフィードバック（ＤＦＢ）レーザ構造のような種々の分散構造を製造するために使用される。
要するに、位相マスク技術の前の非柔軟性は、本発明によって改善される。この技術によって異なる特徴の格子、ブラック波長、チャープまたはアポダイゼションが１つの位相マスクから形成することができる。これは、各位相マスクが、製造する種々のタイプの格子を必要とするか、または、関連した整列及び非一様な問題を有する複雑な複数の露出技術を使用しなければならない従来の技術と対称的である。
例えば、平坦な導波管を使用することができるが、好ましくは導波管は光ファイバである。ファイバは位相マスクより軽い傾向があるので、（例えば、圧電ステージ）によって静止位相マスクに対してファイバを移動することが好ましい。
種々の連続または非連続ライティングパターンを使用することができるが、ライティング光ビームが導波管の一部に沿って長手方向に走査することが好ましい。また、実施を容易にするために、ライティング光ビームがほぼ一様な速度で導波管の部分に沿って走査されることが好ましい。
位相マスクによって提供されたものに関してブラッグ波長の簡単なシフトを提供するために、マスクと導波管の相対的な直線的な位置が、導波管の現在露出した領域の導波管に沿った距離に直線的に関連するように変化することが好ましい。これは、マスクと導波管を一様な速度で相対的に移動することによってライティング走査が一様な速度で行われることを達成することができる。
直線的なチャープ型格子を形成するために、マスクと導波管の相対的な直線的な移動が導波管が現在露出した領域の導波管に沿った距離の二乗に直線的に関連するように変化することが好ましい。これは、一様な加速度でマスクと導波管とを相対的に移動することによってライティング走査が一様になることによって有利に達成することができる。
格子へのアポダイゼーションを付加するために、マスクと導波管の相対的な位置を振動ディザ（ｄｉｔｈｅｒ；震え）成分によって変化させることが好ましい。この成分は、これら上述した他の動く成分に重ねることができる。同様に、他の種々の動く成分は、導波管の隣接した成分に重複するか重ねることができる。
好ましくは、ディザ成分の大きさは、格子の長さに沿って変化する。特に変調されたアポダイゼーションは、いわゆる“超構造”格子をつくるために使用することができるが、１つの好ましい実施例において、ディザ成分の大きさは、格子の中央領域から長手方向の距離とともに増加する。これは、これは格子のサイドローブ反射を減少させる。
本発明は、ライティング光ビームをマスクを介して感光性光導波管の領域に連続的に露光し、導波管に関するマスクの相対位置が格子の異なる領域を生成するときに変化するように、マスク及び導波管の少なくとも一方を移動させる工程を有する光導波管格子を提供する。
また、本発明は、ライティング光ビームをマスクを介して感光性光導波管の領域に連続的に露光する手段と、導波管に関するマスクの相対位置が格子の異なる領域を生成するときに変化するように、マスク及び導波管の少なくとも一方を移動させる手段と、を有する光導波管格子製造装置を提供する。
本発明の各観点の好ましい特徴を同じ部品を同じ参照符号で示した添付図面を参照して説明する。
第１図は、光導波管格子を製造する装置の概略図である。
第２図は、第１図の装置を使用して製造されたプロトタイプの二重波長格子の反射スペクトルである。
第３図は、プロトタイプ格子の波長シフトに関する反射率依存性を示すグラフである。
第４図は、従来技術を使用して製造された１センチメートルの長さの一様なファイバ格子における反射スペクトルを示すグラフである。
第５図ａ及び第５図ｂは、１センチメートルの長さのアポダイズ型格子及び１センチメートルの長さの一様な格子の反射スペクトルを示すグラフである。
第６図は、アポダイズチャープ型格子の反射スペクトルを示すグラフである。
第７図は、第６図のアポダイズチャープ型格子の分散特性を示すグラフである。
第１図は、光導波管格子を製造する装置の概略図である。２４４ｎｍ（ナノメートル）波長の１００ｎｗｃｗ（ミリワット連続波）の紫外線（ＵＶ）ライティングビーム１０が周波数二重アルゴンレーザ（図示せず）によって発生される。ライティングビーム１０は、ゼロオーダーのナル位相マスク３０を横切るように（ステッパモーター図示せずによって駆動される）走査ミラー２０によって確実に走査される。
走査処理の間、ファイバ４０は、マスク３０に対して長手方向にゆっくりと移動し、ファイバの移動に依存した位相シフトがファイバ格子に書き込まれる。
現在の実施例において、約２０μｍ（マイクロメータ）まで長手方向に移動することができる圧電トランスジューザ（ＰＺＴ）台５０にファイバを取り付けることによってファイバが移動される。適当なＰＺＴ装置の例は、ＰｈｙｓｉｋインスツルメントのＧｍｂＨ＆Ｃｏから市販されている。特に、ＰｈｙｓｉｋインスツルメントＰ−８６４．１１低電圧圧電ドライバ、ＰｈｙｓｉｋインスツルメントＥ−８５０．００の容量性センサボード及びＰｈｙｓｉｋインスツルメントＥ−８０２．００のピエゾ制御モジュールと関連して使用することができる。上述した走査台は、約１ｎｍの解像度と約０．０５％の位置精度とを有する。またこの装置は、容量性フィードバック位置センサを有し、ＰＺＴ装置の移動は、上述したような従来の外部制御電子装置によって制御可能である。
ファイバ及びマスクの相対運動は、格子に適用される位相シフトを決定することは理解できよう。従って、第１図において、ファイバは、静止マスクに対して移動するが、他の実施例において、マスクは、静止するファイバに対して移動するようにしてもよい。他の例として、ファイバ及びマスクの双方が移動するようにすることもできる。しかしながら、この説明において、マスクは保持され、ファイバは第１図に示すように移動する。
第１図のファイバ４０の一様な速度は、ブラッグ波長の単純なシフトを生じる。もしλ0がシフトされないブラッグ波長であり、Ｖｆ及びＶｓｃがそれぞれファイバ速度及び走査ビーム速度であり、Ｖｆ＜＜Ｖｓｃ（ここで問題とするケース）である場合、マスクに対して固定されるファイバ位置で得られる格子のブラッグ波長シフトΔλは、Δλ＝λ0Ｖｆ／Ｖｓｃによって与えられる。約１ｎｍのシフトにおいて、ファイバは、走査速度の約０．１％の速度で移動すればよい。
この技術の一例として、二重波長の格子は１つの一様な位相マスクを使用して製造することができる。二重波長格子は、第２のブラッグ波長を有する部分に隣接した第１のブラッグ波長を有する部分を有する。
第２図は、ボロンゲルマニウム感光ファイバを使用して書き込まれたプロトタイプの二重波長格子の反射スペクトルを示す。このプロトタイプにおいて、走査ビーム速度は３７μｍ／ｓであり、ファイバ速度は、ライティング時間の最初の半分の時間で０．０１μｍ／ｓであり、ライティング時間の第２の半分の時間でー０．０１μｍ／ｓに切り替わる。格子の全体の長さは１ｃｍ（センチメートル）である。第２図は、この技術によって得られる２つの反射率のピークを示す。この大きな波長シフトにおいて、格子の強度は、ファイバが位相マスクによって形成された干渉パターンを通ってまた迅速に移動するとき、インデックス変調が平均にされまたは“洗い出される”とき減少する傾向がある。事実、屈折率変調はΔｎは、Ｖｆに次のように依存する。
Δｎ＝ｓｉｎ（πＤｖf／Λｖsc）／（πＤｖf／Λｖsc）
＝ｓｉｎ（２ｎeffπＤΔλ／λ20）／（２ｎeffπＤλ／λ20）
ここでＤは、ライティングビーム直径であり、Λは、ファイバ格子ピッチであり、ｎeffは、有効屈折率（２ｎeffΛ＝λ0）である。
上述した関係は、異なる波長シフトで弱い（＜２０％反射率）格子を書き込み、Δｎ2の依存性を有する反射率Ｒを記録することによって確認される。第３図は、上述した公式から期待されるｓｉｎｃ2（すなわち、ｓｉｎｘ／ｘ）に対してプロットされた経験的な点を示し、経験的な反射データは、約３５０μｍの測定ビーム直径Ｄの上述した関係によく適合する。
また、上述した公式から、Δｎは、ｖf＝Λｖsc／Ｄ又は
ΔΛ＝Λ2／Ｄであるときに消える（ここでΔΛ／Λ＝Δλ／λ0）。従って、等式は、最大限達成可能な波長シフトがビームの直径のみに依存することを理論的に示している。物理的には、この条件は、単に走査ビームがその上を横断するように通過し、ファイバの１つの点が率の変化から出る空間的な平均値を生じる時間Ｄ／ｖscの間１つの格子ピッチ移動する場合に対応する。他方で、数ｎｍまでの大きな波長の逸脱がライティングビームの直径を単に低減することによって達成可能である。
アポダイゼーション
１つの方向にファイバを一様に移動させることによって共振周波数をシフトさせることは別にして、いわゆる“純粋”なアポダイゼーションは、ライティングビームが走査している間にファイバを前後に長手方向にディザすることによって格子に付加することができる。
１つの例において、ディザの大きさは、格子の端部で格子ピッチの１／２から格子の中心でゼロのディザとなるように直線的に減少するように設定される。
格子をアポダイジングするこの技術を使用することは、ファイバに到達する平均のＵＶが格子の全長にわたって同じであるから、平均の屈折率は、格子に沿った位置とは無関係であり、屈折率の変調のみが変化し、すなわち、Δｎが、変調される。この手順は、“純粋”なアポダイゼーション効果と称され、これは、平均の屈折率が格子の長さに沿って変化する前の技術によって生じるアポダイズ格子と対比される。
第４図は、一様な格子の反射スペクトルを示し、第５図ａ及び第５図ｂは、存在するアポダイゼーションとともに得られる対応するスペクトルを示し、サイドローブ水準を低減する際の効率を示す。
アポダイゼーションによって、反射性は弱くなる傾向があり（なぜならば、有効な格子の長さが短いからであり）、さらに細かく比較をすれば、アポダイズされたものと同じピークの反射性及び帯域を有するように書き込まれる。第５図ａにおいて、アポダイズ格子（厚い曲線）のスペクトルは、同じ反射率及び帯域の一様な格子のスペクトルと比較するために重複されている。第５図ｂは、同じ格子反射率を示すが、一様な格子曲線の重複がない。
アポダイズスペクトルのサイドローブは、メインピークの下の２５ｄＢ（デシベル）以上であり、一様な格子の１３ｄＢ以下である。これらは、ファイバと位相マスクとの相対位置を単にディザすることによって達成されるが、特定な可変の回折効果で達成されるアルベルトら（参考文献６参照）による結果と比較可能である。
他の用途、いわゆる、“スーパー構造”格子は、ディザ信号の大きさ（アポダイゼーション）が格子の長さに沿って変調され、変調期間は格子間隔よりもかなり大きい。
チャープ型格子
波長シフトをつくるためにファイバに一定の速度を適用する代わりに、マスクに関する速度を変化させることによってチャープ型格子を形成することが可能である。
１つの例において、走査時間中にファイバの速度を簡単に直線的に増減することによって、直線的なチャープ型格子を製造することができる。第６図は、例えば、このような方法でつくられたプロトタイプの１．５ｃｍの長さのアポダイズチャープ型格子の反射スペクトルを概略的に示す。第６図の格子の帯域幅は、０．８２ｎｍであり、ピーク反射率は約４０％である。
第７図は、第６図のアポダイズチャープ型格子の分散特性を示すグラフである。このグラフは、格子が約１７０ｐＳ／ｎｍ（ピコ秒／ナノメートル）の帯域幅上に平均の時間遅延傾斜を有する。
しかしながら、チャープ型格子に加えて、他の非線形チャープ機能は、走査中にファイバの速度プロフィールを変化することによって格子に簡単に付加することができる。この原理において、欠点が前述したようなものであれば、この方法で不完全な位相マスクを補償し、良好な品質の格子を製造することができる。また、分離した位相シフト、すなわち、位相の非連続性、格子内の複数位相シフトまたはチャープ領域を必要とする分配フィードバック（ＤＦＢ）タイプのレーザ構造を実施することは、走査中に適当な時間に所望の量によってファイバ及び／または位相マスクを移動することによって達成することができる。
要約すると、一様な位相マスクから格子を生成する移動ファイバ／位相マスク走査ビーム技術は、位相マスク法に著しい柔軟性を付与し、適当な方法でマスクに対してファイバを移動することによって複雑な格子構造を簡単に容易に形成することができる。複数波長格子“純粋な”アポダイゼーション及び制御されたチャープは、プロトタイプの格子にすべて示されている。
上述した技術は組み合わされ、（第６図及び第７図に関して説明するような）チャープアポダイズ型格子は、速度成分を急に傾斜させることによってディザモーションを重ねることによってつくることができる。事実、波長、チャープ及びアポダイゼーションの組み合わせは、上述したような効果に対して適当な動きの成分を組み合わせることによって特別の位相マスクについて設定することができる。
上述した説明において、ライティングレーザビームは、一様な速度Ｖscでマスクに沿って走査すると仮定される。このことから、簡単な波長シフトは、一様なマスク／ファイバ移動速度を必要とし、チャープはマスク／ファイバ移動速度の急激な傾斜を必要とし、アポダイゼーションは、対称的なディザ振動成分によって達成される（が、所望ならば、非対称的なディザを使用することもできる）。しかしながら、当業者は、もしライティングビームへの露出が一様な速度走査によるものではない場合にも、等しく適用することができることを理解すべきであろう。例えば、ライティングビームの露出は、非一様な速度で走査スイープを介するか、１つの連続的な走査経路を形成しない点露出を介して行われる。これらの場合において、マスク及びファイバの正しい相対的な移動経路はライティング処理の間の任意の時間にマスクによって提供されたものに関して格子に適用される位相シフトがマスクに関してファイバの移動に正比例するという簡単な規則によって常に導くことができる。
従って、本発明の実施例は、インファイバ型格子のような光導波管格子を形成する方法を提供する。格子は光学的に形成され、位相マスクは、格子パターンを発生するためにライティングレーザビームによって走査される。この導波管及び位相マスクは、ライティング処理の間に互いに対して移動し、格子の長さ方向に沿って格子特性を変化させる。１つの方向への相対運動は、格子ピッチの変化を提供し、チャープまたは複数波長の格子をつくるために使用することができる。双方向のディザは、格子の強度を変え、アポダイズ格子を製造するために使用することができる。
上述した例は、光ファイバについて説明したが、この技術は平坦な導波管のような他のタイプの導波管にも適用可能であることは理解できよう。
参考文献
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【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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