JPH09508713A - 光格子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光格子は典型的にはケイ酸ゲルマニウムコアファイバである光ファイバ（１０）を紫外線に露光することによって形成され、該ファイバのコア（１１）内部に互いに異なる屈折率の離隔した領域（１２及び１３）が生成される。該格子を後処理することによってこの格子の特性は改変され、たとえば＄ｍ（（）ＩＩ形π移相分布位相構造のような比較的複雑な構造が創出される。このような改変は該格子の少なくとも１個の随伴領域（１４）を局所化した紫外線に露光することによって達成される。

Description

【発明の詳細な説明】 光格子 技術分野： 本発明は光格子に関し、すなわち光の伝播方向に互いに異なる屈折率の周期的 または非周期的領域を有する光透過デバイスに関する。本発明は、特に光ファイ バに応用され、以下にケイ酸ゲルマニウムコアファイバの関係で説明される。し かしながら、本発明はたとえばプレーナ導波管やその他の光透過デバイスにも幅 広い用途を有する。 背景技術： 最初の光格子ないしいわゆるブラッグ格子は、１９７８年にゲルマニウムをド ープしたコアの光ファイバを互いに逆方向に伝播する２本のビームから生成する 定常波のパターンを用いて作製された。その時以来技術の進歩はケイ酸ゲルマニ ウムファイバ本来の感光性を開拓するに至り、この感光性は酸素不足中心を紫外 線によって漂白して屈折率の互いに異なる領域を創出することによって確立され ている。この紫外線によって惹起される屈折率の変化は自在に偏光する色中心の 発生と硝子状網目構造の再構成とから生成している。 現在までの所光格子を創出するもっとも一般的な方法には、光ファイバの長手 に干渉性の２本の紫外線ビームのホログラフィックフリンジパターンを用いてい わゆるサイドライティングを行うことを含んでいる。反射率が１００％に近付き 帯域幅が１ｎｍより広い長さがほぼ１ｃｍ台の単純な均一周期構造のサイドライ ティングは実用化しており、関心は今や特殊な用途の複雑な格子構造を製作する 方向に移行しつつある。 近年開発された点対点処理法による光ファイバのサイドライティングで任意の 位相格子の製作は容易になっており、位相シフト格子と微量位相シフト格子のよ うな不均一格子のサイドライティングには位相マスクの採用が提案されている。 発明の開示 本発明は複雑な格子の創出に用いる二者択一的な手順を指向するものであって 、格子構造に前処理または後処理を施すことによって所望の結果が得られるよう に格子の特性は改変し得るとの知見に由来する。 かくして本発明は、 （ａ） 硝子製光透過デバイスを通過しようとする光の伝播方向に直線状に離 隔した該デバイスの諸領域を光学放射線に露光するステップと、 （ｂ） 直線状に離隔した諸領域の露光に先立つかまたは後続して該デバイス の少なくとも１個の随伴領域を光学的放射線に露光するステップと を含む光格子形成法を提供する。 この直線状に離隔した諸領域と随伴領域との双方を露光するのに用いる光学的 放射線は、露光領域内の該デバイスの屈折率を局所的に増加させるのに適した強 度と線量レベルと波長とを有する。 また、本発明は上述した方法によって作製される格子を含むかまたは組み込ん だ光学デバイスを提供する。複雑な格子はたとえば分布帰還形半導体レーザー（ ＤＦＢレーザー）に必要な形式のπ移相分布位相構造を創出することができる。 光学的放射線に露光される硝子製光透過デバイスは光ファイバを含むことが望 ましく、ケイ酸ゲルマニウムコアの光ファイバを含むことがもっとも望ましい。 ただし、感光性を呈するコアを有するどんな光透過デバイスでもどんな光ファイ バでも用いることはできる。こうして本発明は、いかなる感光性光透過形材料に よっても本発明により導波管内部に格子を形成するとの用途を有する。ゲルマニ ウムは主要な感光性材料であると認識されており、それが本発明でケイ酸ゲルマ ニウムコアの光ファイバ内に格子を形成することを指向することがもっとも望ま しいとする理由である。たとえばゲルマニウムをドープしたファイバコアが燐酸 とエルビウムまたはネオジムのような希土類元素との双方またはいずれか一方を 含む共ドープ形光ファイバを用いることもできる。後者の光ファイバは格子内部 にレーザー発振構造を展開するのにとくに適している。 この光格子は第２のステップ、つまり直線状に離隔した諸領域の露光に後続し て随伴領域を露光することによって形成するのが望ましい。 この直線状に離隔した諸領域は均一に離隔して周期構造が形成できるので、随 伴領域に放射することによって不均一な構造または複雑な構造が有効に作製され る。 光学的放射線の強度と線量レベルと波長とは露光領域内で生じる構造変化と放 射線に晒される材料の特徴とに依存することになる。放射線の波長は光透過デバ イスの化学的構成とドーピングとの双方またはいずれか一方にしたがって選択さ れることになる。ゲルマニウムをドープしたデバイスの場合には、放射線の波長 は２４０ｎｍ程度になるよう選定され、他の材料に対して選定される波長はその 材料の吸収率によって規定されるはずである。放射線の強度と線量とは当該材料 内部で必要な構造変化が生じるように選定され、その上限は通常硝子の破壊を避 けるように選定され、さもなければそれが適当な場合には必要な破壊の程度を制 御するように選定される。 一般にあらかじめ創出された均一な格子構造の局所領域内部で屈折率が増加す れば、伝達される光信号の伝播は遅れることになる。該デバイスの随伴領域があ らかじめ創出された均一な格子構造の両端同士の間に所在する場合、位相が互い に異なり、かつ元の（均一）格子の遮断帯域を共振で光線が浸透するのを許す波 長選択ファブリ・ペロー共振器として動作する２個の格子が効果的に作製される はずである。 本発明の方法は、それが透過または反対に反射スペクトルに影響する位相シフ トを導入するのに用いられる場合、より複雑な方法でスペクトル特性を改変する 際に役立つ多様性と潜在的能力とを提供する。本発明による処理方法で格子構造 を調整することができ、かつ格子のその場での調整が可能になる。構造のこのよ うな調整はその場で観察でき、いかなる必要な調節も容易かつ迅速に行える。 本発明の応用には超狭幅帯域の透過フィルタと反射フィルタとの作製が含まれ る。けれども本発明の方法には、「櫛歯状」格子や「微細位相シフト」格子の製 造を含む別の用途も有る。櫛歯状格子の場合、充分な長さの帯域幅を有する格子 にその格子に沿ったさまざまな場所で互いに異なる位相シフトを調節するにとに よって一連の位相シフトを導入することができる。提案している微細位相シフト 格子の場合、あらかじめ成型した均一な格子中の、格子に沿って計画的に別の領 域に位置決めた複数の重畳領域を露光することによって、これらの内容が達成さ れる。 本発明は光ファイバ内部に光格子を形成する望ましい方法についての以下の説 明からより一層理解されるはずであり、その説明は付加した図面を参照しながら 提供される。 図面の簡単な説明 図１は光ファイバのコアの長手の一部を示し、均一な格子構造の後処理を理想 化した方法で図示し、 図２は光ファイバのコア中に均一な格子構造をサイドライティングするのに用 いられる機器を示し、 図３は図２の機器を用いて創出した構造を後処理するのに用いられる機器を示 し、 図４は図２と図３の機器によって作製された光格子の正規化した透過スペクト ルを、（Ａ）で後処理前、（Ｂ）で後処理中、（Ｃ）で後処理後をグラフで示し 、 図５は光ファイバのコア中に均一な格子構造をサイドライティングするのに用 いる機器の別形式を示し、 図６は図５の機器を用いて創出した構造を後処理するのに用いる機器を示し、 図７Ａ及び図７Ｂは図５と図６の機器によって生成した光格子の透過スペクト ルのグラフを、（Ａ）で後処理前、（Ｂ）で後処理後として示す。 発明を実施するための最良の形態 格子構造を担持することになる光ファイバ１０は、直径１０μｍのケイ酸ゲル マニウムコアと、直径１２５μｍの実質的に純粋なシリカのクラッドとを含んで いる。図１には格子を作り込んだファイバコア１１の一部の拡大図を示す。 ２本の干渉性ビームのホログラフィによるフリンジパターンを用い、最初にコ ア１１内部に紫外線によって実質的に均一な格子が形成され、光線の伝播方向に 延在して交互に高屈折率と低屈折率とが直線状に周期的に離隔する領域１２と１ ３とによって、この均一格子は構築されている。当初に形成された格子は必要に 応じてではあるが典型的には１０ｍｍの程度の全長Ｌ１＋Ｌ２を有する。 直線状に離隔する領域１２と１３とによって構築されるこの格子は、長さＬ１ と長さＬ２とによって指示される２個の格子部分の繋ぎ部分である随伴領域１４ で、図１で示したように局所化した紫外線にこの格子を露光することによって後 処理を受ける。ところで他の後処理作業では、たとえば格子中の２個またはそれ 以上の随伴領域がその中でさらに局所化した放射線に露光されている構造や、た とえば高屈折率の領域１２に放射を受けて当該領域内の屈折率の改変深さがその 中でさらに増加している構造を含む、さまざまな構造を生成するように動作して いることも理解されたい。また、同様な構造がファイバ１０を領域１４で局所化 した紫外線による後処理に晒し、その後でこのファイバを交互に高屈折率と低屈 折率とが直線状に離隔した領域１２と１３を形成する態様で紫外線に露光するこ とによって達成されることも理解されたいところである。どちらの場合（つまり 、局所化した放射を前処理作業として実行するか、後処理作業として実行するか ）も、局所化した放射線は現存するかまたはこれから実現しようとする直線状の 離隔した領域１２と１３との内部で少なくとも部分的に作用している。こうして この放射線は直線状に離隔した領域の少なくとも１個の随伴領域を露光するため に存在する。 図１に示した後処理に先行する均一な格子構造は図２の機器を用いて創出され る。図示のように、エキシマレーザー１５からの３０８ｎｍの出力（ほぼ１０ナ ノ秒のパルス）は色素レーザー１６をポンピングして４８０ｎｍで１０ナノ秒の パルスを発生するのに用いられる。色素レーザー１６からの出力は周波数倍増結 晶１７を通過して波長２４０ｎｍのパルスを発生する。 結晶１７からの出力は反射鏡１８によって反射されその直線状焦点がプリズム 干渉計２０の出力端に位置決めされている円柱レンズ１９を通過する。このプリ ズム干渉計はフリンジパターンをこの直線状焦点上に生成し、プリズム角の調節 を実行して、典型的には１５５０ｎｍの程度である適切なブラッグ波長を選定す る。 サイドライティングする格子と少なくとも同じ長さの距離分だけ、ファイバ１ ０はその通常の保護被覆から引き剥かれて、直線状焦点に沿って置かれ、（図示 されてない）磁気保持器を用いてその位置に装着され、僅かな張力を印加して維 持される。ファイバ１０はプリズム前面にそれとは全く接触せずに所在し、干渉 フリンジの直線状焦点との整合は、直線状焦点がコアに当たるとフリンジのそれ ぞれの終端で回折パターンが生じることによって達成される。ここで採られた整 合手順は、在来光ファイバコアのサイドライティングに使われているどの干渉計 でも採られているのと実質的に同じ手順である。 ついでフリンジパターンは格子構造をファイバコア中に印写し、広帯域光源２ １を用いてスペクトラムアナライザー２２上のこの格子のために選定したブラッ グ波長で監視される。 均一な格子構造を生成するためにこれまで述べてきた手順と機器とは、在来、 サイドライティングの先行技術の格子のために採用されてきた手順と機器とに実 質的に対応する。別の手順を採ってもよいがその手順では２４８ｎｍで動作する 狭い線幅のエキシマレーザーを用いて格子に直接書き込む手順が含まれることに なるが、この手順はタイプＩＩの格子をサイドライティングするのに用いられる より高いエネルギー使用可能性を提供する。また、たとえば２面の反射鏡を有す るビームスプリッタや後で説明する位相マスクのように、どのような干渉構造を 用いて必要な干渉パターンを生成してもよい。 後処理を実行するため、図３に示されるような前述のレーザーシステムの変形 例を採用することもできる。しかし、後処理作業では、円柱レンズ１８からの２ ４０ｎｍの出力が光ファイバに直接焦点合わせされるが、円柱レンズの直線状焦 点はファイバ軸に対して９０度旋回している。 この後処理は図３の機器を用いて実行され、その間、広帯域光源を用いスペク トラムアナライザー２１上で位相シフトのディップの外観と移動とを監視する。 前述のように後処理は、図１に示したように１領域のみで実行してもよく、ある いは均一な格子構造内部のさまざまな領域で伝播光線中に一連の位相シフトを生 成してもよい。 透過スペクトルを監視した結果は図４のグラフに示してある。後処理中にほぼ ２．５×１０⁴回ショットした後で所望の結果が得られた。１５４８．７ｎｍの 透過率突出部は反射帯域の中心に現われ、ファブリ・ペロー形共振器が形成され ているのと対応している。さらに２×１０⁴回ショットした後ではこの突出部は １５４８．５ｎｍのより低い波長側へ移動した。 ここで図５と図６とを参照すると、それらは、均一な格子構造を光ファイバ１ ０のコア中にサイドライティングするためと、図５の機器を用いて創出された構 造を後処理するために採用された機器の二者択一的な形式を示している。 図５に示したように、位相マスク２３は２４０ｎｍの紫外線を回折させるよう 配列され、それも＋１次と−１次の回折光が大部分となっており、周期１．０６ μｍで離隔する長さ１ｍｍの平行溝を有するシリカのマスクを含み、均一な格子 が５３０μｍの軸方向周期Ｐを有し、１．５３５ｎｍの波長λ_Bを中心とするブ ラッグ反射突出部を生成することを前提としている。位相マスク２３内部の溝２ ４はほぼ２４０μｍの深さにまで食刻され、しかもこの溝は位相マスクの長手と 垂直な方向にこの位相マスクを用いて書き込まれるべき格子の長さを越える距離 に亘って延在している。 本発明の前述の実施形の場合と同様、格子の形成時に、ファイバ１０は必要な 距離だけ先ずその保護被覆を剥がされ、それからこのファイバは、ファイバの軸 が位相マスク内部の溝２４と垂直になるように位相マスク２３の背後に直接置か れる。ファイバ１０はＶ字形溝２５内に置かれ磁石２６で保持されるので、わず かな張力で維持される。 波長２４０ｎｍを有するレーザービームが、ＸｅＣｌエキシマレーザー２８か らの波長３０８ｎｍによってポンピングされた周波数倍増クマリン色素レーザー ２７によって発生する。このレーザービームはショットが３６，０００回を越え る１ｍＪ／ｃｍ²のパルスの作用で２０Ｈｚのパルス発振をする。 このレーザービームは位相マスク２３を介して光ファイバ１０に誘導され、反 射鏡２９によって屈曲され、軸がファイバ軸とは垂直で図には示してないがこの ファイバコアに沿って直線状焦点を発生するよう位置決めされた溶融シリカ製円 柱レンズ３０を介して焦点合わせされる。 反射鏡２９とレンズ３０とは、ファイバ軸に平行な方向に一体として移動でき るように、双方とも往復台３１に装着されている。こうして焦点合わせされたレ ーザーからの屈曲ビームは往復台３１の移動に伴いファイバに沿って並進運動を 行い、つねに同じパワー密度でファイバのコアに入射するように整合される。 格子を書き込むとき、往復台３１は図５に示した矢印の方向に実質的に一定の 速度で移動して、均一な格子を生成し、かつこの格子は、位相マスクによって回 折されたのと同様に、紫外線ビームによって創出された干渉パターンの結果とし てファイバコア中に書き込まれる。 この格子の書き込みは、（１５２０ｎｍに中心を有し、分解能０．００１ｎｍ のヒューレットパッカード８１６８Ａ同調可能シングルモードレーザーを含む） 光源３２とスペクトラムアナライザー３３とを用いて監視され、図７Ａに示した 透過スペクトルは均一な格子の後処理に先立って得られている。 均一格子構造を作製してから、図５の機器ではあるが図６で示したように、円 柱レンズ１９の２４０ｎｍの出力を円柱レンズの直線状焦点がファイバ軸に対し て９０度旋回した位置で光ファイバ１０に直接焦点合わせするように修正した機 器を用いて後処理が実行される。このビームは、図５の機器で形成するのと同様 、ほぼ１ｍｍの長さ全体に亘って格子の中心１４に焦点合わせされる。 格子構造の後処理の継続中、透過スペクトルは監視され、透過スパイクが反射 帯域幅中に成長するのが観察できて図７Ｂの透過スペクトルは完成する。 改変や修正を前述の手順と機器とに関して実施することはできるが、それは以 下の請求の範囲に含まれる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年１２月１９日 【補正内容】 【図１】 【図２】 【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年３月８日 【補正内容】 請求の範囲 １．（ａ）硝子製光透過デバイスの、光を透過し伝播させようとする方向に直線 状に離隔する領域を、この領域内の前記デバイスの屈折率に局所的増加を生じさ せるのに適した強度と線量レベルと波長とを有する光学的放射線に露光し、 （ｂ）直線状に離隔する前記領域の露光前あるいは露光後に、前記デバイス の随伴領域あるいは随伴領域の隣接グループを、前記領域の随伴領域あるいは前 記隣接グループに局所化されると共に前記随伴領域を実質的に均一に横切る大き さを有し且つ前記随伴領域内あるいは隣接グループ内にのみ実質的に前記デバイ スの屈折率に局所的増加を生じさせるのに適した強度と線量レベルと波長とを有 する光学的放射線に個々に露光する ことを特徴とする光格子の製造方法。 ２．前記光透過デバイスが光ファイバの形態をなし、前記光格子がファイバコア 内部に形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．直線状に離隔した前記領域と随伴領域とが紫外線に露光されることを特徴と する請求項１または２に記載の方法。 ４．前記随伴領域または各随伴領域への放射線の露光が、直線状に離隔した前記 領域の露光に後続し且つ前記デバイスを通過する光の伝播方向に高屈折率と低屈 折率との領域を交互に創出する後処理によって実施されることを特徴とする請求 項１〜３のいずれか一項に記載の方法。 ５．前記随伴領域または各随伴領域が、直線状に離隔した前記領域の両終端の中 間箇所で放射線に露光されることを特徴とする請求項４に記載の方法。 ６．単一の随伴領域が相対的に高屈折率の隣接領域同士を架橋する局所領域で露 光されることを特徴とする請求項５に記載の方法。 ７．前記随伴領域または各随伴領域が、前記光格子に起因する反射帯域幅中に比 較的狭い透過領域を設立するのに充分なレベルの放射線に露光されることを特徴 とする請求項５または６に記載の方法。 ８．高屈折率と低屈折率とが交互に直線状に離隔した領域が、２本の干渉性ビー ムのホログラフィックフリンジパターンに前記光学デバイスを露光することによ って創出されることを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載の方法。 ９．前記フリンジパターンが位相マスクを使用することによって設立されること を特徴とする請求項８に記載の方法。 １０．前記随伴領域または各随伴領域が、ビームを光ファイバに直接焦点合わせ することによって照射されることを特徴とする請求項８または９に記載の方法。 １１．位相シフト格子を有する光学デバイスを作製するのに用いられることを特 徴とする請求項１に記載の方法。 １２．請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法によって製造される格子を組 み込んだことを特徴とする光学デバイス。 １３．互いに異なる屈折率が周期的または非周期的に直線状に離隔した領域を有 し且つ互いに異なる屈折率の領域の形成に後続して随伴領域のみに局所化した光 学的放射線に露光される前記随伴領域をも有する光格子を備えるように形成され たコアを有する光ファイバを含むかまたは組み込んだことを特徴とする光学デバ イス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）硝子製光透過デバイスの、光を透過し伝播させようとする方向に直線 状に離隔する領域を光学的放射線に露光し、 （ｂ）直線状に離隔する前記領域の露光前あるいは露光後に、前記デバイス の少なくとも一つの随伴領域を光学的放射線に露光し、 直線状に離隔する前記領域と前記随伴領域の露光に用いた光学的放射線は露光 領域における前記デバイスの屈折率に局所的増加を生じさせるのに適した強度と 線量レベルと波長とを有することを特徴とする光格子の製造方法。 ２．前記光透過デバイスが光ファイバの形態をなし、前記光格子がファイバコア 内部に形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．直線状に離隔した前記領域と随伴領域とが紫外線に露光されることを特徴と する請求項１または２に記載の方法。 ４．前記随伴領域または各随伴領域への放射線の露光が、直線状に離隔した前記 領域の露光に後続し且つ前記デバイスを通過する光の伝播方向に高屈折率と低屈 折率との領域を交互に創出する後処理によって実施されることを特徴とする請求 項１〜３のいずれか一項に記載の方法。 ５．前記随伴領域または各随伴領域が、直線状に離隔した前記領域の両終端の中 間箇所で放射線に露光されることを特徴とする請求項４に記載の方法。 ６．単一の随伴領域が相対的に高屈折率の隣接領域同士を架橋する局所領域で露 光されることを特徴とする請求項５に記載の方法。 ７．前記随伴領域または各随伴領域が、前記光格子に起因する反射帯域幅中に比 較的狭い透過領域を設立するのに充分なレベルの放射線に露光されることを特徴 とする請求項５または６に記載の方法。 ８．高屈折率と低屈折率とが交互に直線状に離隔した領域が、２本の干渉性ビー ムのホログラフィックフリンジパターンに前記光学デバイスを露光することによ って創出されることを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載の方法。 ９．前記フリンジパターンが位相マスクを使用することによって設立されること を特徴とする請求項８に記載の方法。 １０．前記随伴領域または各随伴領域が、ビームを光ファイバに直接焦点合わせ することによって照射されることを特徴とする請求項８または９に記載の方法。 １１．図面の図２及び３あるいは図５及び６に実質的に示された光格子の製造方 法。 １２．請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法によって製造される格子を組 み込んだことを特徴とする光学デバイス。 １３．互いに異なる屈折率が周期的または非周期的に直線状に離隔した領域を有 し且つ互いに異なる屈折率の領域の形成に後続して光学的放射線に露光される前 記随伴領域をも有する光格子を備えるように形成されたコアを有する光ファイバ を含むかまたは組み込んだことを特徴とする光学デバイス。