JP2002504701A - 光信号装置のための回折格子の製作方法および該回折格子を備えた光信号装置 - Google Patents
光信号装置のための回折格子の製作方法および該回折格子を備えた光信号装置Info
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Abstract
Description
号装置において狭帯域の波長の分離に用いられる回折格子の製作方法に関するも
のである。この製作方法は、複数の畝を有するフェイズマスクを用い、このフェ
イズマスクを通過する光を周期的に遅延させて、異なる屈折率を有する複数のコ
モノマーからなるポリマー基板に当てている。本発明の方法およびそれによって
作成される光信号装置は、従来の光信号装置よりも光の損失が低いという効果を
もたらす。
知られている。波長によりコード化された信号(特定波長の光)を追加/除外す
る装置は従来から知られている。これらの装置は、ローカルエリアネットワーク
(LAN)、コンピュータネットワーク等に加えて遠隔通信システムに広く利用
されている光ファイバを用いている。光ファイバは膨大な量の情報を伝送可能で
あり、かかる光学装置の目的は、複数の異なる波長チャンネルでを伝送される情
報を分離することによって、選択された量の情報を上記ファイバから抽出するこ
とにある。
る種々の部品を含む。集積化された光カプラーおよび特に方向カプラーが開発さ
れてエバネッセント方向カップリングが達成された。光信号は一方のプレーナ導
波路から他方のプレーナ導波路にカップリングされる。第2のプレーナ導波路内
の信号は第1のプレーナ導波路内を進む信号と同一方向に伝搬する。
子反射器は、ファイバ光伝送システムに対し、他の波長を有する他の信号を妨害
することなしに所定の中心波長において光信号を追加/除外するのに用いるため
の装置を、構成することを可能にする。
されている米国特許第5,574,807号(エリアス スニッツァー)に開示さ
れている。この米国特許には、他の複数の波長において信号を搬送する波長分割
多重ファイバ光伝送システムに対し、所定の中心波長において光信号を追加/除
外するのに用いるための装置が開示されている。カップリング領域を形成する、
実質的に同一の2本の単一モードファイバからなる双コアファイバが製作されて
、所定の波長範囲における光の、一方のコアから他方のコアへの実質的に完全な
エバネッセント場カップリングを行なっている。上記双コアファイバは、この双
コアファイバの軸に対し実質的に垂直なブラッグ格子システムを含んでいる。
作が困難なことである。第2の欠点は、格子領域における光導波路のアーム上に
おいてブラッグ格子のアラインメントを取るのが困難なことである。
排除して光の損失を最小にする格子システムを提供することは、光信号装置の分
野における著しい進歩となるであろう。
るものである。本発明は、現在使用されている光信号装置よりも光の損失を低く
して光信号の除外をより効率的に行なうことができる、改良された格子システム
を提供するものである。
作する方法に関するものであり、該方法は、 a)屈折率の異なる少なくとも2種類のコモノマーから形成された少なくとも
1種類のポリマーを含むポリマー基板上に、複数の畝を備えたフェイズマスクを
配置し、 b)光源からの光を前記フェイズマスクを通過させて、異なる回折次数に対応
する2本のビーム光を形成し、選択された波長の光を反射させることが可能な屈
折格子を前記基板上に形成することを特徴とするものである。
含する。
射格子システムであって、多重波長光源から分離されるべき信号の波長をよりよ
く制御する反射格子システムの、製作方法に関するものである。
モード変換器を含む多くの受動的素子に用いられる、精密な周期的屈折率の変化
手段である。かかる装置は多くの用途を有するが、一般に光波長信号の制御のた
めのシステムを構成する。
ーズマスクによりポリマー基板上に設けられる。光ビームは、上記フェーズマス
クを通過して、異なる回折次数に対応する2本のビーム光を形成して、選択され
た波長の光を反射することが可能な屈折格子を形成する。
ラスチック(例えばポリウレタンおよびポリカーボネート)等を含む種々の材料
から選択される。図1に示されているように、光信号装置2を構成する本質的な
層は、下部クラッド層6および上部クラッド層8を備えた基板4を含む。クラッ
ド層6および8の間には、導波路(図示せず)が刷りこまれたコア層10がサン
ドイッチされている。
成されるマッハ・ツェンダー装置20の形態を有する単一チャンネル型の光信号
追加/除外チャンネルが一例として示されている。カップリング領域でエバネッ
セントカップリングが生じる図2に示された装置20は、方向カプラーを形成す
る2か所の3dBカップリング領域26,28で互いに整列された2本の略同一
のプレーナ導波路22,24を備えている。カップリング領域26,28の間は
、本発明によって製作された格子システム32(例えばブラッグ格子)を含む格
子領域30である。
離し、かつその単一波長光を放出するような光信号装置を提供するように工夫さ
れている。
合する複数のコモノマーを含むポリマー材料で作成されているのが好ましい。コ
モノマーの相対量は光が見える領域と光の見えない領域とで異なるので、特に、
上記コモノマーは、互いに異なる屈折率を有するように選択され、その結果、屈
折率の差(Δn)は、フェーズマスクを通過した後の光によって形成される干渉
パターンにおける縞の明部と暗部との間において大きな屈折率差を許容するのに
十分に大きい。
を有し、他方のモノマーが縞の明部内に留まる傾向を有するように、異なる拡散
速度を有することは好ましい。さらに、縞の明部内に留まるコモノマーが速い重
合速度を有し、縞の明部内に無い(暗部にある)モノマーがより遅い重合速度を
有することが好ましい。種々のモノマーの具体例、およびそれらのモノマー状態
からポリマーへの時間の関数としての転化率が、図3に示されている。
有する。この一対のモノマーは、本発明で用いるポリマー材料の形成に適してい
る。これに反して、EBDMとHDDAとの組み合わせは、それぞれのモノマー
の重合速度が類似しているので適していない。上述した要求に適合するポリマー
は、本発明による波長フィルターまたは格子を受け入れるのに特に適している。
るが、ガラスおよび水晶を含む種々の材料から選択することができる。フェーズ
マスク材料を通過する光は空気を通過する光よりも速度が遅くなるので、このフ
ェーズマスクは、通過する光ビームがフェーズマスク材料(例えばガラス)と空
気との双方を通過して周期的に遅延されるように一連の畝を必要とする。その結
果、光は回折され、異なる回折次数に対応する2本の光ビームが異なる角度でフ
ェーズマスクを出射する。
タイプのポリマー基板40が示されている。符号46で示された光源は、後述の
ように光ビームをフェーズマスクを通して送り、フェーズマスクでは2本のビー
ム48および50が発生する。
する。明暗領域の周期はフェーズマスク上の畝の周期の1/2に等しい。したが
って、もしフェーズマスクが 1,040nmの周期を有する場合、フェーズマス
クを出射する2本の光ビームは520nmの周期を有する干渉パターンを形成す
るであろう。
における実効屈折率が1.5である場合、格子の周期は520nmとなる。
ーザーであり、約2ないし3mmの直径が好ましい比較的小径のレーザービーム
が好ましい。本発明で用いられる好ましいレーザービームはアルゴンイオン・レ
ーザービームである。小径のビームの採用によって、格子の位置決め制御がより
良好になる。好ましいアルゴンイオン・レーザービームの波長は350ないし3
65nmである。
とができ、その結果格子の振幅を変えることができる。反射スペクトルにおける
主ピークの周囲のサイドローブを減衰させることによって所望の所定波長をより
正確に除外するために、波動関数の両縁よりも中心においてより大きくなるよう
なコモノマーの屈折率の差(Δn)を設けることが望ましい。高いサイドローブ
があると、波長チャンネル間にクロストーク干渉が生じる。したがって、本発明
の格子は、所定の波長における反射スペクトルには高いピークを提供し、両側に
は低いピークのみを提供する。本発明の望ましい形態においては、格子における
屈折率変調の包絡線が、図5に示されているように正弦波輪郭を有することが望
ましく、sinc(x)=[sin(x)]/xとなる。得られる反射スペクト
ルは、サイドローブが減衰されているのみでなく、中心のピークが矩形または正
方形の形状をなし、これにより、伝送システム光源によって生起された光の波長
において僅かな変動があっても波長チャンネル除外効率における動作安定性が得
られる。
さいレーザースポットの走査速度を変えることによって、または大きなレーザー
スポットの強度を変調することによって得ることができる。したがって、小さい
レーザービーム(2ないし3mm)を用いて、速度を変えながらフェーズマスク
を走査することによって、格子の局部的輝度を変えることができ、その結果アポ
ダイゼーションの第1のタイプが得られる。この結果、反射スペクトルにおける
所望の波長には強いピークがもたらされ、かつ主ピークの両側に向かっては弱い
ピークがもたらされる。上述のように、格子に対し正弦波形状の包絡線を用いる
ことによって、サイドローブを減衰させることができ、これによりクロストーク
干渉が減る。さらなる利点は、同一または極めて近似した波長を有するすべての
光が所望の除外ポートにおいて除外されることが可能な、正方形または矩形形状
の中心ピークが反射スペクトルに得られる点である。
って施される。既知の光信号装置の導波路を通過する光の25%ほどが両クラッ
ド層内を伝播することが知られている。本発明によれば、クラッド領域内で光が
反射され、それ故に除外された光信号の損失が25%未満のレベルに著しく低減
される。
コモノマーは、フェーズマスクの使用による格子の形成に先立って完全には硬化
されない。アルゴンイオンビームを用いて格子を形成する処理の際に、コモノマ
ーがレーザービームから回折された光に応答して動くことができるように、上記
コモノマーを半硬化状態に保つことによって、コモノマーに動き得る余地を残し
ておく。本発明による格子の製造の後に、紫外光等を用いて完全な硬化を開始す
ることができる。完全な硬化により、導波路および格子における材料の屈折率が
固定される。
た後に光信号装置内に格子が形成される。重合化は酸素の存在によって遅延され
ることが知られている。コア層上にクラッド層を設け、次いで格子システムを設
けることによって、上部クラッド層が酸素の浸透に対するバリアとして動作し、
格子システムが設けられるときのポリマー化反応の完了を阻止する酸素の効力を
規制する。したがって、もし格子システムが上部クラッド層を通じて設けられる
ならば、それは本発明の好ましい態様である。
装置の格子領域の外側の領域(例えばカプラー領域)と実質的に同じ平均屈折率
を有する格子領域が提供される。平均屈折率を実質的に同じ値に保つことは、ア
ポダイゼーションが行なわれる際に反射されたピークが青側へ広がるのを防止す
る。
ラムのエトキシル化ビスフェノール・ジアクリレート、10.0グラムのトリプ
ロピレン・グリコール・ジアクリレート、0.6グラムのIrgacure651 フォトイ
ニシエータ、0.09グラムのIrganox1010 酸化防止剤の混合物からなる)を厚
さ10μmの層が形成されるようにスピンコートし、次いで水銀ランプ(Hgア
イ・ライン、波長=365nm)の下で均一に紫外線硬化を行ない、屈折率1.
4895の固い薄いフィルムを下部クラッド層として形成した。この時点での露
光時間は短く(1秒)、不完全に重合された層を得た。ネガ型液体フォトモノマ
ー(20.0グラムのエトキシル化ビスフェノール・ジアクリレート、8.0グ
ラムのトリプロピレン・グリコール・ジアクリレート、2.0グラムの1,6ヘ
キサンジオール・ジアクリレート、0.6グラムのIrgacure651 フォトイニシエ
ータ、0.09グラムのIrganox1010 酸化防止剤の混合物からなる)を厚さ6μ
mの層が形成されるように上記下部クラッド層上にスピンコートし、マスクを近
接配置して(マスク内の導波路の幅は6μm)、導波回路(直列接続された4個
の追加/除外素子のそれぞれがマッハ・ツェンダー干渉計である直列接続4チャ
ンネル追加/除外装置)を画成し、次に上記層に対し、水銀ランプの下に上記マ
スクを通じて選択的に紫外線硬化を施し(不完全な重合化のみを保証するために
3秒の短時間)、1.4970の屈折率を有する(完全に硬化された場合)コア
導波回路を固化した。上記マスクを取り除き、メタノールを用いて非露光部分を
溶解した。下部クラッド層に用いたのと同じフォトモノマーをコア構造の上に厚
さ10μmの層が形成されるようにスピンコートし、次にこの層に対し水銀ラン
プの下で一面に紫外線露光を行なって、1.4895の屈折率を有する(完全に
硬化された場合)固い一様のフィルムを上部クラッド層として形成した。この層
にも短時間(1秒)の露光を施して、この段階では不完全な重合化のみを保証し
た。4個の格子を備えたフェーズマスクを用いて、それぞれ4個のマッハ・ツェ
ンダー装置における互いに離隔したアームと交差する格子をプリントした(36
3.8nmで動作するアルゴンイオンレーザーを用いて)。このプレーナー導波
回路を備えたサンプルは、上記フェーズマスクから50μm離れた位置にこのフ
ェーズマスクと平行に保持した。上記レーザービームは上記マスクおよびサンプ
ルに直角に向けた。レーザービームの直径は3mm(1/e2 輝度において) であった。上記レーザーを、長さ6mmのマッハ・ツェンダーアームの中心を横
切って3mm走査し、不完全に硬化された3層の導波路層内に格子を生成させた
。最後にこのサンプルに対し、窒素雰囲気中において水銀ランプの下で最終的な
紫外線硬化処理(60秒)と、最終的な熱硬化処理(90℃、1時間)とを施し
て、3層すべてを完全に重合化した。このサンプルをテストすると、すべての格
子が所望の波長チャンネルを反射させることを示した。
に配置された導波路を備えたマッハ・ツェンダー干渉計と、間隔をおいた2本の
アームと装置の中央において交差するブラッグ格子とを含む本発明の第1の実施
の形態の概略図
時間との間の関係を示すグラフ
フェイズマスクの配置を示す概略図
を示すグラフ
Claims (22)
- 【請求項1】 基板上に波長フィルタを製作する方法において、 a)異なる屈折率を有する少なくとも2種類のコモノマーから形成された少な
くとも1種類のポリマーを含むポリマー基板上に、複数の畝を備えたフェイズマ
スクを配置し、 b)光源からの光に前記フェイズマスクを通過させて、異なる回折次数に対応
する2本のビーム光を形成し、選択的な波長の光を反射させることが可能な屈折
格子を前記基板上に形成することを特徴とする前記方法。 - 【請求項2】 前記光がアルゴンイオンレーザービームであることを特徴と
する請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 前記ポリマー基板が上部クラッド層と、下部クラッド層と、
これらクラッド層の間のコア層とを含み、前記各層のそれぞれの上に前記屈折格
子を形成することを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項4】 前記コア層上に前記上部クラッド層を配置し、次いで前記屈
折格子が前記基板に施されることを特徴とする請求項3記載の方法。 - 【請求項5】 前記異なる屈折率における差が、前記フェイズマスクを通過
する光の縞の明部と暗部との間における屈折率差を許容するのに十分であること
を特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項6】 前記複数のコモノマーが異なる拡散速度を有し、その差は、
一方のコモノマーが前記フェーズマスクを通過する光の縞の明部から離れて動き
、他方のコモノマーが前記縞の明部内に留まる傾向を示すのに十分であることを
特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項7】 前記複数のコモノマーが異なる重合速度を有することを特徴
とする請求項1記載の方法。 - 【請求項8】 前記ポリマー基板の不完全な硬化と、前記層上に置ける屈折
格子の形成と、すべての屈折率を固定する前記ポリマー基板の完全な硬化とを含
むことを特徴とする請求項3記載の方法。 - 【請求項9】 前記複数のコモノマーが、エトキシル化ビスフェノール・ジ
アクリレート、トリプロピレン・グリコール・ジアクリレート、1,6ヘキサン
ジオール・ジアクリレート、エトキシル化ビスフェノール・ジメタクリレートお
よび1,6ヘキサンジオール・ジメタクリレートからなる群から選択されること
を特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項10】 前記フェーズマスクが、ガラスおよび水晶からなる群から
選択された材料で形成されることを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項11】 前記フェーズマスクから出射する2本の光ビームが互いに
干渉して、前記フェーズマスクの複数の畝の周期の半分に等しい周期の明暗の縞
を形成することを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項12】 前記フェーズマスクを通過する光が約2ないし3mmの直
径を有することを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項13】 前記アルゴンイオンレーザービームの波長が約350ない
し365nmであることを特徴とする請求項2記載の方法。 - 【請求項14】 前記フェーズマスクを横切る光の走査速度を変えて、前記
基板上に形成される前記屈折格子の振幅を変えることをさらに含むことを特徴と
する請求項1記載の方法。 - 【請求項15】 前記複数のコモノマーの屈折率間の差が波動関数の両縁に
おけるよりも中心においてより大きいことを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項16】 前記格子が、式sinc(x)=[sin(x)/x]で
表される正弦波のプロファイルを有する包絡線を示す屈折率変調を有することを
特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項17】 光信号装置において、 a)屈折率の異なる少なくとも2種類のコモノマーから形成された少なくとも
1種類のポリマーを含み、光信号を伝播させるための光導波路を含む基板と、 b)一つまたは複数の反射格子を備えて前記基板を横切る格子領域とからなり
、該格子領域と前記基板の残りの部分との平均屈折率が略等しいことを特徴とす
る前記光信号装置。 - 【請求項18】 前記複数のコモノマーが異なる拡散速度を有することを特
徴とする請求項17記載の光信号装置。 - 【請求項19】 前記複数のコモノマーが異なる重合速度を有することを特
徴とする請求項17記載の光信号装置。 - 【請求項20】 前記複数のコモノマーが、エトキシル化ビスフェノール・
ジアクリレート、トリプロピレン・グリコール・ジアクリレート、1,6ヘキサ
ンジオール・ジアクリレート、エトキシル化ビスフェノール・ジメタクリレート
および1,6ヘキサンジオール・ジメタクリレートからなる群から選択されるこ
とを特徴とする請求項17記載の光信号装置。 - 【請求項21】 前記複数のコモノマーの屈折率間の差が波動関数の両縁に
おけるよりも中心においてより大きいことを特徴とする請求項17記載の光信号
装置。 - 【請求項22】 前記格子が、式sinc(x)=[sin(x)/x]で
表される正弦波のプロファイルを有する包絡線を示す屈折率変調を有することを
特徴とする請求項17記載の光信号装置。
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