光導波路ブラッググレーティングの製造方法および製造装置
【課題】 光導波路ブラッググレーティングを作製する２光束干渉法で、ガウシアン分布のアポダイゼーションを高精度で確実に付与する方法と、光導波路ブラッググレーティング製造装置を提供
【解決手段】 紫外線レーザー光５を２つのビームに分岐し、２つのミラー２で反射させて光導波路４の位置で重ね合わせて干渉させる構成において、２つのミラーを互いに平行の角度から対称に回転αさせて、回折格子像を光導波路の位置で交差させて重ね合わせることで、光導波路ブラッググレーティングの中央部では２つのビームを強く干渉させ、端部では弱い干渉をあるいは干渉しないようにして、アポダイゼーションを光導波路ブラッググレーティングに付与する
【解決手段】 紫外線レーザー光５を２つのビームに分岐し、２つのミラー２で反射させて光導波路４の位置で重ね合わせて干渉させる構成において、２つのミラーを互いに平行の角度から対称に回転αさせて、回折格子像を光導波路の位置で交差させて重ね合わせることで、光導波路ブラッググレーティングの中央部では２つのビームを強く干渉させ、端部では弱い干渉をあるいは干渉しないようにして、アポダイゼーションを光導波路ブラッググレーティングに付与する
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路に、特定の波長の光を反射させる回折格子である光導波路ブラッググレーティングを、紫外線レーザー光を照射して製造する方法およびその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平面導波路または光ファイバーからなる光導波路に形成したブラッググレーティングは、光導波路のコア部に周期的な屈折率変化を与えたもので、入射した光の特定波長の光のみを反射し、他の光はすべて通過させる光フィルターである。例えば、非特許文献（１）および非特許文献（２）に述べられているように、光導波路ブラッググレーティングは伝送損失が少なく、優れた反射特性および透過特性を有しており、光信号を利用する各種デバイス、装置、システムに、例えば、高密度波長多重光通信機器、レーザーダイオード外部共振器、ファイバーレーザー共振器、温度・歪み等の各種センサー等々に、広く応用展開されている。
【０００３】
光導波路ブラッググレーティング（光ファイバーの場合は、ファイバーブラッググレーティングとも言う）の反射波長λFBGは、光導波路のコア部の実効屈折率ｎeffと屈折率変調の周期、すなわちグレーティング周期Λ、によって、
として決まる。光ファイバーの屈折率をその長手方向に周期的に変化させてグレーティングを形成するには、通常、被覆樹脂を除去した光ファイバーにその長手方向に側面から、グレーティング周期に対応する周期的な強度分布を持たせた紫外線を照射し、光導波路（光ファイバー）のコア部にドープされているゲルマニウム（Ｇｅ）の紫外線に対する光誘起反応に基づく屈折率上昇の現象を利用してなされる。形成される屈折率変調の周期Λは、例えば、光ファイバーの実効屈折率ｎeffが約１．４４７で、光通信によく用いられる波長の約１５５０ｎｍに対しては、式（４）の関係から、Λ＝０．５３６μｍとなる。良好な光信号の反射特性を得るためにファイバーブラッググレーティングは、通常、この大きさの周期を約５ｍｍから約数１０ｍｍの長さに渡って形成され、１０ｍｍ長のファイバーブラッググレーティングではその周期の個数は、１０ｍｍ／０．５３６μｍとなり、すなわち約１９０００個のグレーティングが形成されている。
【０００４】
このような光導波路ブラッググレーティングを形成する方法としては、例えば、非特許文献（１）および非特許文献（２）に述べられているように、大きく分けて、位相マスク法と２光束干渉法が知られている。前者の位相マスク法は、特許文献（３）、非特許文献（４）および非特許文献（５）に開示されている。この位相マスク法では、光ファイバーを位相マスクに近接乃至は接触させて配置し、位相マスクを介して光ファイバーに紫外線レーザー光を照射し、位相マスクによって回折される＋1次光と−１次を光ファイバーの位置で干渉させ、周期Λの干渉縞からなる紫外光強度分布を形成し、これによって光ファイバーの長手方向に周期的屈折率変調をそのコア部に形成する方法である。
【０００５】
後者の２光束干渉法は、紫外線レーザー光を２つのビームに分岐し、その後、２つのビームを光導波路の位置で交差させて干渉させ、周期Λの干渉縞からなる紫外光強度分布を形成し、これによって光導波路の長手方向に周期的屈折率変調をそのコア部に形成する方法である。この方法の最も基本的な実現方法は、特許文献（６）、特許文献（７）および非特許文献（８）に開示されており、そこでは入射紫外線レーザー光は、約５０％を透過させ残りの約５０％を反射させるビームスプリッタ−を用いて２つのビームに分岐し、２つのミラーを用いてそれぞれのビームを反射させ、光導波路（光ファイバー）の位置で交差させる構成でなされる。２光束干渉法は、光ファイバーの位置で２つのビームが交差する角度を変えることで、干渉縞の周期Λを変えることができ、これに比例して式（４）の反射波長λFBGが変わるため、作製される光導波路ブラッググレーティングの反射波長を制御することが容易に可能であると言う特徴を有している。ビームの分岐の方法および交差させる方法において種々の方法が考案されている。
【０００６】
非特許文献（９）では、入射紫外線レーザー光を特許文献（３）、非特許文献（４）および非特許文献（５）に記載されているように、位相マスクによって入射紫外線レーザー光が＋１次光および−１次光に回折して２つのビームに分岐されること、すなわち位相マスクにビームスプリッタ−の機能を持たせられることを利用して２つのビームの分岐し、分岐した２つのビームを角型石英ブロックに入射させその内壁側面でそれぞれ反射させて石英ブロックから出射させ、光ファイバーの位置で交差させて干渉縞を形成しファイバーブラッググレーティングを作製する方法が開示されている。さらに、非特許文献（１０）および非特許文献（１１）では、非特許文献（９）の内容のほかに、三角プリズムを用いたロイドミラー方式についても述べられている。
ビームスプリッタ−で分岐した２つのビームを２つのミラーを用いて交差させ干渉縞を得るには、位相マスクの２つの回折格子像の一方を反転させてパリティー整合を取る必要があり、このことは非特許文献（１２）に開示されている。
非特許文献（１３）では、位相マスクをビームスプリッタ−として用いて紫外線レーザー光を２つのビームに分岐し、２つのミラーでそれぞれのビームを反射させ光導波路の位置で交差させて干渉させる構成で、ミラーの角度を変えるだけでファイバーブラッググレーティングの反射波長を約２５０ｎｍにわたって変えることが可能であることを、透過阻止量が−２８ｄＢに達する強いファイバーブラッググレーティングを実験で作製して示している。非特許文献（１６）では、同じような構成で反射波長を６００ｎｍから１３５０ｎｍまで変えた光導波路ブラッググレーティングの作製を示し、さらに位相マスクと２つのミラーの間に波面制御のためのシリンドリカルレンズを挿入してチャープを付与したファイバーブラッググレーティングの作製も行っている。
また、特許文献（１４）および特許文献（１５）には、特許文献（３）、非特許文献（４）、非特許文献（５）、非特許文献（９）、非特許文献（１０）および非特許文献（１１）に開示されているように位相マスクを用いて紫外線レーザー光を２つのビームに分岐し、非特許文献（１０）および非特許文献（１１）に開示されているように対称に配置された２つのミラーを回転させて、非特許文献（１０）および非特許文献（１１）に開示されているように、異なる反射波長のファイバーブラッググレーティングを形成する方法が記載されている。
【０００７】
このようにして光ファイバーに紫外線レーザー光を照射してファイバーブラッググレーティングを形成する場合、非特許文献（１）および非特許文献（２）に記載されているように、光ファイバーのコア部に紫外線で誘起される屈折率変調が図１（ａ）に示すようにファイバーブラッググレーティング長手方向全長に渡って一様なときは反射スペクトルにおいてサイドローブ（側波帯とも言う）が図１（ｂ）のように反射中心波長のとなりに長波長側と短波長側に数多く出て来る。これに対して、屈折率変調の振幅が図１（ｃ）のようにスムーズに上昇して下降する屈折率分布を与えれば、図１（ｄ）のようにサイドローブは大きく抑えられるか、あるいは皆無とすることが可能である。このような屈折率分布を持たせることはアポダイゼーションと呼ばれ、より単一波長に近い良好なスペクトルが得られることが理論的にも知られ、例えば、非特許文献（１）および非特許文献（２）に詳述されている。屈折率変調の周期は通常数万個あるが、図１（ａ）および（ｃ）では理解を容易にするため、その数を少なくして示した。
【０００８】
このようなアポダイゼーションを付与したファイバーブラッググレーティングを形成するには、まず、紫外線レーザー光の干渉を用いて図２（ａ）に示すように屈折率変調を光ファイバー長手方向に形成し、次にこの長手方向屈折率変調分布の包絡線と逆の形状を持つ屈折率分布を紫外線レーザー光の干渉なしで図２（ｂ）のように形成して、図２（ａ）に重畳させることで、図２（ｃ）に示すようなアポダイゼーション付きファイバーブラッググレーティングが形成される。ここで、図２（ａ）のグレーティングと図２（ｂ）のバックグラウンドの屈折率分布は、順序は逆に形成してもよく、あるいは同時に形成してもよい。
【０００９】
図２（ａ）に示すような屈折率変調を光ファイバー長手方向に形成するためには、照射する紫外線レーザーに光ファイバー長手方向に強度分布を持たせることが必要である。特許文献（１７）では、位相マスク法で、光ファイバーを位相マスクに近接乃至は接触して配置し、位相マスク側から入射させる紫外線レーザー光を三角形状のスリットを通して照射し、この三角形状のスリットを光ファイバーと直角方向に駆動させて、強度分布を持たせてアポダイゼーションを付与する方法が開示されている。この文献では三角形状のスリットが用いられているが、他の形状のスリットを用いたりあるいはスリットの駆動速度を制御してガウジアン分布やコサイン分布の強度分布を得ることは可能である。また、これらのスリットと同じ形状で、スリットによる通過とスリットによる阻止を逆にしたパターンのスリットを作製して、これを介して、位相マスクなしで紫外線レーザー光を光ファイバーに照射すれば、図２（ｂ）のバックグラウンドの屈折率分布を得ることも可能であり、このこともこの特許文献（１７）に開示されている。三角形状スリットと位相マスクを介して紫外線レーザー光を照射して図２（ａ）の屈折率変調を形成し、次に位相マスクをはずして同一形状三角形で逆パターンのスリットを介して同じ紫外線レーザー光を照射して図２（ｂ）の屈折率を形成してアポダイゼーションを付与した図２（ｃ）のファイバーブラッググレーティングを形成する方法も、この文献に開示されている。
特許文献（１８）では、位相マスク法で、光ファイバーを位相マスクに近接乃至は接触して配置し、紫外線レーザー光をビームスプリッタ―で２つに分岐し、一方の紫外線レーザービームを強度分布を持たせて位相マスクの側から照射して、位相マスクによる回折光を干渉させて光ファイバーに干渉縞を形成し、同時に他方の紫外線レーザービームを光ファイバーの側から強度分布を持たせて、位相マスクなしで光ファイバーに照射して、アポダイゼーションを付与したファイバーブラッググレーティングを形成する方法が開示されている。前者の紫外線レーザービームが図２（ａ）の屈折率分布を、後者の紫外線レーザービームが図２（ｂ）の屈折率分布を形成し、その結果、図２（ｃ）の屈折率分布が得られる。
【００１０】
アポダイゼーションを付与してファイバーブラッググレーティングを作製する方法は、これらの方法のほか、非特許文献（１）にリビューされているように、いろいろな方法が考案されている。位相マスク法および位相マスクを用いる２光束干渉法で、位相マスクに照射する紫外線レーザービームを、絞りを用いて細いビームに絞って位相マスク上を走査させ、絞りの開口率を走査時に制御してアポダイゼーションを付与する方法も記載されている。位相マスクの干渉に寄与しない０次出射光と干渉に寄与する±１次光の出射光の強度が、位相マスク面内で分布を持つように作製された位相マスクを用いてアポダイゼーションを付与する方法も述べられている。また、２光束干渉法で、干渉させる２つのビームの波長が互いに若干異なる波長を有する２つのビームを用いて、その光周波数の違いによる干渉を利用して、アポダイゼーションを自動的に付与する方法も記載されている。
非特許文献（１９）の２光束干渉法は、ミラーは用いなくて、位相マスクで２段に配置して、前段の位相マスクで２つに分岐したビームを、さらに後段の位相マスクでさらに分岐して、４分岐されたビームの２つを光ファイバーの位置で交差させて干渉させる方法である。この文献では、可干渉距離であるコヒーレント長が比較的長いアルゴンイオン紫外線レーザー光を用いて、そのビームを小さいスポットサイズのビームとし、小さいスポットに特有な強度分布を利用して、光ファイバーの位置で２つのビームが互いに交差する部分の側部に、一方のビームだけが照射される部分ができることを利用してアポダイゼーションを付与したファイバーブラッググレーティングを形成が可能であることを示している。ただし、この方法では、一般的に言われている２光束干渉法の特徴である、反射波長を大きく変えると言うことは困難である。
【００１１】
（１）Raman Kashyap: ”Fiber Bragg Gratings”， Academic Press, (1999).
（２）Andreas Othonos, Kyriacos Kalli; ”Fiber Bragg Gratings”， Artech House, Inc., (1999).
（３）Kenneth O. Hill, Bernard Y. Malo, Francois C. Bilodeau, Derwyn C.Johnson; ”Method of creating an index grating in an optical fiber and a mode converter using the index grating”， USP-5,367,588, November 22, 1994.
（４）K. O. Hill, B. Malo, F. Bilodeau, D. C. Johnson, J. Albert; ”Bragg gratings fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask，” Appl. Phys. Lett. Vol. 62, No. 10 (1993) 1035-1037.
（５）K. O. Hill, F. Bilodeau, B. Malo, T. Kitagawa, S. Theriault, D. C. Johnson, J. Albert; ”Chirped in-fiber Bragg gratings for compensation of optical-fiber dispersion，” Opt. Lett. Vol. 19, No. 17 (1994) 1314-1316.
（６）William H. Glenn, Gerald Meltz, Elias Snitzer;“Method for impressing gratings within fiber optics”, USP-4,725,110, February 16, 1988.
（７）William H. Glenn, Gerald Meltz, Elias Snitzer;“Method for impressing gratings within fiber optics”, USP-4,807,950, February 28, 1989.
（８）G. Meltz, W. W. Morey, W. H. Glenn; ”Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method，” Optics Letters, Vol. 14, No. 15, pp. 823-825 (1989).
（９）R. Kashyap, J. R. Armitage, R. Wyatt, S. T. Davey, D. L. Williams; ”All-fibre narrowband reflection gratings at 1500nm，” Electron. Lett. Vol. 26, No. 11, pp. 730-732 (1990).
（１０）R. Kashyap, J. R. Armitage, R. J. Campbell, D. L. Williams, G. D. Maxwell, B. J. Ainslie, C. A. Miller; ”Light-sensitive optical fibers and planar waveguides”， BT Technol. J., vol. 11, No. 11, pp. 150-160 (1993)
（１１）R. Kashyap, ”Photosensitive optical fibers: Devices and applications，” Optical Fiber Technol. No. 1, pp. 17-34 (1994).
（１２）C. G. Askins, T. E. Tsai, G. M. Williams, M. A. Putnam, M. Bashinsky, E. J. Friebele; ”Fiber Bragg reflectors prepared by a single excimer pulse，” Opt. Lett. Vol. 17, No. 11, (1992) 833-835.
（１３）R. Kashyap; ”Assesment of tuning the wavelength of chirped and unchirped fibre Bragg grating with single phase mask，” Electronic Letters, Vol. 34, No. 21, pp. 2025-2026 (1998).
（１４）Robert A. Modavis; ”Method of forming a grating in an optical waveguide”， USP-5,818,988, October 6, 1998.
（１５）ロバートアダムスモダヴィス；”光導波路に格子を形成する方法”、特開平１０−５４９１５、(1998).
（１６）Y. Wang, J. Grant, A. Sharma, G. Myers; ”Modified Talbot interferometerfor fabrication of fiber-optic grating filter over a wide range of Bragg wavelength and bandwidth using a single phase mask”， Journal of Lightwave technology, vol. 19, No. 10, pp. 1569-1573 (2001).
（１７）村山学、竹田亨、藤田盛行；“ファイバーグレーティングの製造装置及び製造方法”、特開２００４−２９４８８ (2004).
（１８）今村一雄、中井忠彦、須藤恭秀；“ファイバーグレーティングの作製方法及び作製装置”、特開２０００−６６０４１ (2000).
（１９）B. J. Ashton, J. Canning, N. Groothoff; ”Two-point source interferometric grating writing，” Applied Optics, vol. 43, no. 15, (2004) 3140-3144.
（２０）小瀬輝次、斉藤弘義、田中俊一、辻内順平、波岡武編集；“光工学ハンドブック”、朝倉書店、pp. 475-476 (1986).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図２（ｃ）に示すアポダイゼーションを光導波路ブラッググレーティングに付与するには、屈折率変調の強度分布（図２（ａ））を形成するグレーティング形成のための紫外線レーザー光照射と、バックグラウンドの屈折率分布（図２（ｂ））を形成するための紫外線レーザー光照射の２つの手段が必要である。前者の手段で図２（ａ）の屈折率変調の分布が光ファイバーに形成され、後者の手段で図２（ｂ）のバックグラウンドの屈折率分布が光ファイバーに形成され、両者の重ね合わせとして図２（ｃ）のようなアポダイゼーションを付与した光導波路ブラッググレーティングが形成される。２つの手段はどちらを先に適用してもよく、あるいは同時に適用してもよい。
光導波路ブラッググレーティング形成のための光学系に２つの手段を別々に取り込む従来技術では、上記背景技術で述べたように、スリットと逆パターンスリットの取り付けとその駆動や、位相マスクを含む紫外線レーザー光ビーム光学系と含まない紫外線レーザー光ビーム光学系の２つの構成、等々が必要となり、光学系は複雑さを増してくる。２つの手段を同時に適用する従来技術では、例えば、紫外線レーザー光ビームを小さく絞って走査する従来技術では走査のための駆動系等が必要であり、アポダイゼーション機能を位相マスクに持たせる従来技術では高価な位相マスクが必要である。波長が若干異なる２つの紫外線レーザー光源を用いる２光束干渉では、用いる２つの紫外線レーザー光源の波長をきわめて正確に制御することが必要である。このように、従来技術のいずれの方法でも、光導波路ブラッググレーティングを形成する装置が複雑になって製造歩留まりを低下させたり、あるいはコスト高になったりする欠点がある。
本発明の課題は、これらの従来技術のアポダイゼーションを付与する方法に替わって、２つの手段を同時に、かつ自動的に、アポダイゼーションを高精度で付与する方法を確立し、これを光導波路ブラッググレーティングの製造方法および製造装置に提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
アポダイゼーションを付与する従来技術の方法に替わって、我々が開発した高精度でしかも容易に実現できる新しいアポダイゼーションを付与する方法の基本的な理論について以下に説明し、その後、本発明の特徴を述べる。
【００１４】
紫外線レーザー光を、位相マスクを用いて２つのビームに分岐し、これらをミラーで反射させて重ね合わせる２光束干渉法において、光導波路の位置で重なる２つのビームを、光導波路ブラッググレーティングの中央部で強く干渉させ、端部で弱く干渉させたりあるいは干渉しないようにすることが出来れば、アポダイゼーションを付与することが可能である。そのように干渉の強弱を光導波路の長手方向につけるには、２つのビームによる位相マスクの回折格子像が光導波路の位置で交差し、さらに可干渉距離ｄcoherenceが短ければ可能となる。
【００１５】
２光束干渉法は、通常、図３（ａ）の光学部品配置で行われる。紫外線レーザー光ビームを位相マスクの回折現象を利用して２つに分岐し、分岐したそれぞれのビームを、入射紫外線レーザー光ビームの光軸に対して対称に反射させ、光ファイバーの位置で重ね合わせて２つのビームを干渉させて、光導波路ブラッググレーティングが形成される。反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを形成することは２つのミラーを対称に図３（ｂ）のように回転させて、光導波路の位置でできる干渉縞の周期を拡大または縮小することで容易にできる。２つのミラーを対称に、平行からの回転角度αだけ回転させた場合、位相マスクの回折格子の転写像は図４(ａ)に示すようにミラーの平行からの回転角度の２倍の２αだけ傾いて光ファイバーの位置で重なる。この場合、左右からの２つのビームによる位相マスク回折格子の転写像が可干渉幅２ｄcoherenceの幅の中にあって重なれば干渉が起こり、２つのビームの可干渉幅２ｄcoherenceの幅の外側にあれば干渉しない。図４（ａ）では、２つのビームによって転写される位相マスクの回折格子像を入射レーザー光の可干渉距離ｄcoherenceの２倍の幅２ｄcoherenceをもって表した。従って、光ファイバーの中央で強く干渉し、側部へ向けて干渉は弱くなり、端部では干渉は起こらない。干渉を起す中央部では屈折率変調を有するグレーティングが強く形成され、干渉を起さない端部では屈折率分布の変調は起こらないで、屈折率のバックグラウンドが上昇する。このようにして、図４（ｂ）の屈折率分布が形成され、アポダイゼーションを付与した光導波路ブラッググレーティングが形成される。２つのミラーが完全に平行である場合は、左右２つのビームで転写された位相マスクの回折格子像は光導波路の位置で完全に重なって、光導波路ブラッググレーティング全長にわたって干渉し、図１（ａ）のようなアポダイゼーションを付与していない屈折率分布が得られる。また、可干渉距離ｄcoherenceが大きすぎると、位相マスクの転写像の可干渉幅が広くなって屈折率変調部分は端部まで拡がり、良好なアポダイゼーションを得ることはできなくなる。従って、良好なアポダイゼーションを付与するには、２つのミラーをある角度以上に回転させて、可干渉距離ｄcoherenceは光導波路ブラッググレーティングの長さ２ＬFBGと２つの位相マスク転写像の傾き２αから決まるある値より短くなければならないと言う関係がある。次に、この関係を導出する。
【００１６】
２光束干渉法における、位相マスク、２つのミラー、ミラー回転軸、光導波路、および紫外線レーザー光のビームの位置関係を図５のようにとる。２つのミラーは角度αだけ図示するように回転しているとする。位相マスク１に入射する紫外線レーザー光５は角度θで＋１次光と−１次光に回折され図示するように左右に出射される。この角度θは
である。ここでｐは位相マスクのピリオド、すなわちその回折格子の周期であり、λＥは照射する紫外線レーザーの波長である。位相マスクによる回折で２つのビームに分岐された±１次光は垂直方向から角度αだけ傾いたミラー２で反射され、光導波路４の位置で重なる。角度βで光導波路に入射する＋１次光と角度−βで入射する−１次光が干渉し、干渉縞の間隔Λは
で規定され、屈折率変調の周期がΛの光導波路ブラッググレーティングが形成される。実効屈折率ｎeffの光ファイバーでは反射波長λFBGは式（６）のΛを式（４）に代入して、
となる。図５に示すように、２つのミラーの間隔を２ｓ、ミラー回転軸３と位相マスク１の垂直方向距離をＬ１、ミラー回転軸３と光ファイバー４の垂直方向距離をＬ２、位相マスク１と光ファイバー４の距離をＬとすると、ミラー２の回転角はαであるから、
が得られ、このＬの位置で２つのビームが干渉し、その位置に光導波路４を設置すれば光導波路ブラッググレーティングが形成される。光導波路ブラッググレーティングの反射波長λＦＢＧは、２つのビームの入射角
を式（４）に代入して、
となる。実効屈折率ｎeffは標準的なシングルモードファイバーＳＭＦ２８では、ｎeff＝１．４４７である。
【００１７】
紫外線レーザー光の波長をλＥ＝２４８ｎｍ、位相マスクの回折格子間隔ｐを１０７２．３４ｎｍ、２つのミラー回転軸の間隔の半値ｓを２７．７１４３ｍｍとして、式（９）および式（１１）を用いて、光導波路ブラッググレーティングの反射波長λFBGおよび位相マスクから光導波路までの距離Ｌをミラーの回転角度αに対して計算した結果を図６（ａ）および図６（ｂ）に示す。光導波路を位相マスクからの垂直方向距離Ｌを２５０ｍｍに配置すれば、２つのミラーが平行（α＝０）にあるとき、反射波長λFBGが１５５１．７ｎｍの光導波路ブラッググレーティングが形成され、この状態から２つのミラー回転角度をα＝−３．８２度回転させ、光導波路を位相マスクから垂直方向距離Ｌ＝２０２．３ｍｍの位置に置けば、反射波長λＦＢＧが１０００ｎｍの光導波路ブラッググレーティングが形成される。
【００１８】
２つのミラーをα度対称に回転させたとき、図４（ａ）に示すように、光導波路の位置での位相マスクの回折格子転写像６は２α度傾いており、反対側のミラーで反射される転写像６’は同じ角度だけ逆方向に傾いている。位相マスク１の中央から角度±θで回折する２つの光線は、光導波路の中央の図４（a）の点Ｏに結び、位相マスクから点Ｏまでの光路長は互いに等しい。しかし、位相マスクの端部に近い点で回折する２つの光線は、図４（ａ）の点Ｐおよび点Ｑに来て、光導波路の上では光路差Δを持っている。２つの転写像６および６’の傾き角度２αは、上の計算で示したように小さいので、この光路差ΔはＰＱ間の間隔であり、
と近似される。可干渉距離、すなわちコヒーレント長がｄcoherenceの光線は、光線方向にガウシアン状のexp(-(z／dcoherence)2)の可干渉分布を持っており、図７に示すように、この可干渉分布を持つ２つの光線が光路差Δを持って重なるときの干渉強度分布は、両者の分布をかけて、
となる。光ファイバーの長手ｘの方向への干渉強度分布Ｉint（ｘ）は、式（１２）のΔを通して、この式の積の第２項に出て来るから、式（１２）を代入して、
となる。この干渉強度分布のｘに対する依存性が、図４（ｂ）の屈折率変調分布の包絡線に対応し、これがアポダイゼーションの形状そのものとなる。ガウシアン状のアポダイゼーションの場合は、
となる。ここでｄapodはアポダイゼーションの実効長である。式（１４）と式（１５）から使用する紫外線レーザーの可干渉距離ｄcoherenceとアポダイゼーションの実効長ｄapodの関係式が、
と得られる。
式（１４）の指数部から分るように、アポダイゼーションの有効性は式（１２）で規定される光路差Δと紫外線レーザーの可干渉距離ｄcoherenceの大小関係で決まる。光導波路ブラッググレーティングの中央（ｘ＝０）ではＩint（ｘ）＝１となり、中央から離れるにつれて干渉が弱くなる。ミラーの回転角度αに対する依存性は、２つのミラーが平行（α＝０）のとき、Ｉint＝１と一定になって図１（ａ）のようになり、アポダイゼーションは付与されない。２つのミラーを平行（α＝０）から回転したとき、ｘ方向依存性が図４（ｂ）のように現れ、αが大きいほどその強度分布は光導波路ブラッググレーティングの中央に集中する。紫外線レーザーの可干渉距離ｄcoherenceに対する依存性は、無限大の可干渉距離でＩ＝１と一定になりアポダイゼーションは付与されず、ｄcoherenceが短いほど強度分布が光導波路ブラッググレーティングの中央に集中したアポダイゼーションとなる。すなわち、干渉する度合いが弱い低コヒーレンスのレーザーほど良好なアポダイゼーションが得られる。アポダイゼーションの有効性は、干渉強度分布Ｉint（ｘ）が光導波路ブラッググレーティングの端部（ｘ＝ＬFBG）での大きさが中央部の大きさＩint（ｘ）より１／ｅ以下であれば期待することが出来るので、これは式（１４）〜式（１６）から
の関係が得られる。また、このアポダイゼーションの有効性は見方を変えて、図４（ｂ）で位相マスクの回折格子像を可干渉距離の幅２ｄcoherenceをつけて表したが、この幅よりも光導波路ブラッググレーティングの端部での光路長の差Δedgeが大きければ期待され、この大小関係は
と表すことも出来る。これらの式の関係は実験で確認されなければならない。このことについては後述実施例で実証する。
【００１９】
上述したアポダイゼーションを付与する新規の方法の基本理論に基づいて得られる本発明の特徴を、以下に述べる。
【００２０】
本発明の第１の特徴は、紫外線レーザー光を、位相マスクに入射させ、位相マスクの回折現象を利用して２つのビームに分岐し、分岐された２つのビームを位相マスクから、位相マスクへの紫外線レーザー光入射軸に対して対称に出射させ、位相マスク面と略直角で対称に配置された２つのミラーで２つのビームをそれぞれ反射させ、ミラーで反射された２つのビームを光導波路の位置で交差させて２つのビームを干渉させる２光束干渉法を用いて、干渉の周期を調整するため２つのミラーを対称に回転させて、光導波路に反射波長の異なるグレーティングを形成して、反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを製造する方法において、２つのミラーを対称に位相マスク面と直角となる角度からα度回転させ、２つのビームが転写する位相マスクの回折格子像を光導波路の位置で交差させて重ね合わせ、このとき２つの位相マスク転写像が交差する角度を式（１）で規定される値以上に設定し、かつ紫外線レーザー光としてエキシマレーザー光を用い、光導波路の中央部で交差した位相マスク転写像の干渉を強く干渉させ、端部で弱い干渉または干渉を起さないようにし、これによって図１（ｃ）に示すようなアポダイゼーションを形成して光導波路ブラッググレーティングを製造する方法である。
紫外線レーザー光の干渉を利用して形成する光導波路ブラッググレーティングの作製では、通常、干渉しやすいレーザー、すなわち可干渉距離の長いレーザーが適しているとされている。前述の背景技術で引用した文献の多くではアルゴンイオンレーザー（発振波長２４４ｎｍ）やエキシマレーザー（例えば、ＫｒＦエキシマレーザー（発振波長２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザー（発振波長１９３ｎｍ））が光導波路ブラッググレーティング作製によく用いられている。非特許文献（２０）によれば、アルゴンイオンレーザーの可干渉距離は数ｃｍで、エキシマレーザーの可干渉距離は１ｍｍあるいはそれ以下である。後述する実施例で示すＫｒＦエキシマレーザーを用いた我々の実験では可干渉距離ｄcoherenceは約０．２〜０．５ｍｍであった。これを式（１７）に代入すれば２ＬFBGtan２α＞０．１４〜０．３５となり、このことから、式（１）の右辺を規定した。本発明の特徴は、式（１）の関係から、エキシマレーザーのように低コヒーレントのレーザーで、その効果が明瞭に発揮される。
【００２１】
本発明の第２の特徴は、紫外線レーザー光を、位相マスクに入射させ、位相マスクの回折現象を利用して２つのビームに分岐し、分岐された２つのビームを位相マスクから、位相マスクへの紫外線レーザー光入射軸に対して対称に出射させ、位相マスク面と略直角で対称に配置された２つのミラーで２つのビームをそれぞれ反射させ、ミラーで反射された２つのビームを光導波路の位置で交差させて２つのビームを干渉させる２光束干渉法を用いて、干渉の周期を調整するため２つのミラーを対称に回転させて、光導波路に反射波長の異なるグレーティングを形成して、反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを製造する方法において、２つのミラーを対称に位相マスク面と直角となる角度からα度回転させ、２つのビームが転写する位相マスクの回折格子像を光導波路の位置で交差させて重ね合わせ、このとき、２つの位相マスク転写像が交差する角度α、光導波路ブラッググレーティングの長さＬFBG、および２つのミラーの回転角度α度、および用いる紫外線レーザー光の可干渉距離ｄcoherenceが式（１７）で規定される関係にあることを満たし、これによって図１（ｃ）に示すようなアポダイゼーションを形成して光導波路ブラッググレーティングを製造する方法である。式（１７）と式（２）は同じである。
【００２２】
本発明の第３の特徴は、紫外線レーザー光を、位相マスクに入射させ、位相マスクの回折現象を利用して２つのビームに分岐し、分岐された２つのビームを位相マスクから、位相マスクへの紫外線レーザー光入射軸に対して対称に出射させ、位相マスク面と略直角で対称に配置された２つのミラーで２つのビームをそれぞれ反射させ、ミラーで反射された２つのビームを光導波路の位置で交差させて２つのビームを干渉させる２光束干渉法を用いて、干渉の周期を調整するため２つのミラーを対称に回転させて、光導波路に反射波長の異なるグレーティングを形成して、反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを製造する方法において、使用する位相マスクのピリオドｐと、作製されるファイバーブラッググレーティングの反射波長とλFBGが式（３）で規定される関係にあることを満たし、これによって図１（ｃ）に示すようなアポダイゼーションを形成して光導波路ブラッググレーティングを製造する方法である。式（３）は我々の実験結果に基づいており、後述実施例で導出する。
【００２３】
本発明の第４の特徴は、上述の第１、第２、または第３の特徴を実現する光導波路ブラッググレーティング製造装置に関するもので、これによって図１（ｃ）に示すようなアポダイゼーションを形成して光導波路ブラッググレーティングを製造する装置が実現できる。この特徴によって光導波路ブラッググレーティングの作製を高い再現性で実現し、高い歩留まりで作製することが可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
アポダイゼーションを光導波路ブラッググレーティングに付与する本発明の新規の方法によれば、ほぼ完璧なアポダイゼーションをグレーティング形成と同時に付与することが出来る。これによってサイドローブを完全に抑制した反射スペクトルが得られ、高性能の光導波路ブラッググレーティングの作製が容易になる。位相マスク法で干渉による周期的変調分の屈折率分布とバックグラウンドの非周期的屈折率分布を別々の手段で形成する等々の従来技術の方法に較べて、本発明の方法では光導波路ブラッググレーティング製造工程が短縮され、コストダウンも可能となる。
これは、図４に示すように、２光束干渉法を用いて、位相マスクで回折される２つのビームを、２つの対称に配置されたミラーで反射させ光導波路の位置で干渉させるとき、ミラーを回転させて、２つのビームによる位相マスクの回折格子像を、光導波路の位置で交差させて重ね合わせることによって、光導波路の中央部で強く干渉させ端部で弱くあるいは干渉しないようにすることで実現される。
紫外線レーザー光の干渉を利用する光導波路ブラッググレーティング作製では、従来から、干渉しやすい高コヒーレンスのレーザーを用いることが指向されていたが、本発明による新規の方法では低コヒーレンスのレーザーほどその効果が発現される。光導波路ブラッググレーティング作製では、ＫｒＦエキシマレーザー（発振波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザー（発振波長１９３ｎｍ）、アルゴンイオンレーザー（発振波長２４４ｎｍ）等がよく用いられているが、本発明によれば、高コヒーレンスのアルゴンイオンレーザーよりも低コヒーレンスのＫｒＦやＡｒＦ等のエキシマレーザーが適している。従って、本発明の方法を光導波路ブラッググレーティング製造に採用すれば、高品質の高コヒーレンスレーザーは必要としない。これによって光導波路ブラッググレーティング製造設備の低コスト化も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の最良の実施形態は、２光束干渉法による光導波路ブラッググレーティングの作製で、２つのミラーを対称に回転させて、図４（ａ）のように光ファイバーの位置での位相マスクの回折格子の転写像６および６’を傾けて重ね合わせ、光導波路ブラッググレーティングの中央部で２つのビームを強く干渉させ、端部で弱く干渉させあるいは干渉させないようにすることで得られる。このことを実験およびコンピュータシミュレーションで確認した結果を次の実施例で説明する。
【実施例】
【００２６】
本実施例の実験では、位相マスク、２つのミラー、光ファイバーを図５に示すように配置した。紫外線レーザー光（ＫｒＦエキシマレーザー、発振波長λＥ＝２４８ｎｍ）を２つのビームに分岐する位相マスクには、位相マスク法で作製する場合に１．５μｍ帯の反射波長のファイバーブラッググレーティングが得られる位相マスクと１μｍ帯の反射波長のファイバーブラッググレーティングが得られる位相マスクを用いた。実験では、前者の位相マスクで、反射波長が１．５μｍ帯、１．３μｍ帯および１μｍ帯で、長さが７．５ｍｍのファイバーブラッググレーティングを、ミラー回転角度を変えて作製し、後者の位相マスクでは、反射波長が１．５μｍ帯で、長さが７．５ｍｍおよび３ｍｍのファイバーブラッググレーティングを、計５個作製した。位相マスクは、StockerYale社製のLasiris位相マスクを用いた。
これらのパラメータ、位相マスク諸元、用いた２光束干渉実験装置の諸元、実験で得られたファイバーブラッググレーティング反射波長等を表１にまとめる。表の項目１は、実験に用いた位相マスクを、位相マスク法でファイバーブラッググレーティングを作製する場合に得られる反射波長の帯域と、本実施例の２光束干渉法実験で得られた反射波長の帯域である。項目２は使用した位相マスクのピリオドｐ、すなわち回折格子周期で、項目３はその位相マスクがＫｒＦエキシマレーザー光（波長λＥ＝２４８ｎｍ）を回折する角度θ（式（５））である。項目４はその位相マスクを用いて、位相マスク法でファイバーブラッググレーティングを作製する場合に得られる反射波長であり、周期Λ＝ｐ／２として式（４）で計算した値である。項目５〜項目１１は本実験に用いた２光束干渉法のファイバーブラッググレーティング製造装置の、図５に記載する幾何学的パラメータである。使用した光ファイバーは、項目１２に示すように、１．５μｍおよび１．３μｍ帯域のファイバーブラッググレーティング作製では標準シングルモードファイバーＳＭＦ２８を用い、１μｍ帯域ではＳＭＦ２８と同じ特性を有し１μｍの光伝送に最適化されたＨＩ１０６０を用いた。これらの光ファイバーは、エキシマレーザー光に対する感光性を高めるために、実験に先立って、１００気圧の水素ガス雰囲気に室温で１０日間保持し、水素ローディング処理を施した。ファイバーブラッググレーティングの長さ２ＬFBGは、項目１３に示すように、＃１〜＃４で７．５ｍｍとし、＃５で３．０ｍｍとした。項目１４はファイバーブラッググレーティングの端部での２つのビームの光路長の差Δで、式（１２）のｘにＬFBGを入れて計算した値である。作製した５個のファイバーブラッググレーティングの反射波長を項目１５に示す。使用した紫外線レーザーはＫｒＦエキシマレーザー（波長λＥ＝２４８ｎｍ）で、実験ではいずれのファイバーブラッググレーティング作製でも、１パルスあたりのエネルギーは３０ｍＪで、パルスくり返し周波数２０Ｈｚで、３分間照射とした。項目１６は後述するコンピュータシミュレーションの結果から求めたアポダイゼーションの実効長ｄapodであり、項目１７は実験で得られたアポダイゼーションの結果である。使用した紫外線レーザーＫｒＦエキシマレーザー（ラムダフィジックス社製Ｃｏｍｐｅｘ−１０２ＭＪ、不安定共振器付き）の出射ビームは＃１〜＃４の実験では７．５ｍｍ×７．５ｍｍのスリットで整形し、＃５の実験ではさらに３ｍｍ幅スリットで整形した。エキシマレーザー光の出射エネルギー密度は、３０ｍＪ／（７．５ｍｍ×７．５ｍｍ）とした。ファイバーブラッググレーティング製造装置への入射では、焦点距離４５１．９ｍｍのシリンドリカルレンズで絞った後、図５の５のように入射させた。シリンドリカルレンズによる絞りは、位相マスクで２つに分岐されたビームの面および入射エキシマレーザー光の光軸と垂直方向に絞り、単位面積あたりのエネルギーを光ファイバーの位置で約１２倍に高めた。位相マスクから回折される０次光は、２つのミラーの中間に遮蔽物を置くことでその影響を除去した。ファイバーブラッググレーティングの反射および透過スペクトルは、光ファイバーにＡＳＥ光源（ファイバーラボ社製ＡＳＥ−ＦＬ７００４光源、ファイバーラボ社製ＡＳＥ−ＦＬ７５１０光源）の光を入れ、２台のスペクトラムアナライザー（アドバンテスト社製Ｑ８３８４）でそれぞれ測定した。
【００２７】
作製したファイバーブラッググレーティング＃１、＃２、＃３の反射スペクトルをそれぞれ図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、透過スペクトルを図８（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示す。２つのミラーが完全に平行のとき、すなわちミラー回転角αがゼロの＃１のときは、光ファイバーの位置での２つの位相マスクの回折格子転写像は完全に重なってアポダイゼーションは付与されずに図１（ｂ）のような反射スペクトルが予想され、実験では＃１がこれに対応しており、図８（ａ）に示すように反射波長を中心にしてその短波長側および長波長側に数多くの細かなサイドローブが見られる。透過スペクトルの図８（ｄ）において、反射波長より短い波長で見られる小振幅の変動はクラッドモードと呼ばれる現象によるものである。
ファイバーブラッググレーティング＃１を作製したパラメータから、ミラー回転角度αを−１．２７度、−２．９７度とした＃２、＃３のファイバーブラッググレーティングの反射スペクトルがそれぞれ図８（ｂ）、（ｃ）で、透過スペクトルがそれぞれ図８（ｅ）、（ｆ）である。この場合、図４（ｂ）のアポダイゼーション付与が予想され、実験では図８（ｂ）、（ｃ）に見られるように、サイドローブはまったく見られず、完璧に抑制されている。ミラーの回転角度αが＃１から＃２へ、＃２から＃３へと増えるにつれ、屈折率変調の光ファイバー長手方向実効長（図４のｄapod）が短くなり、ファイバーブラッググレーティングの透過阻止量は−３０ｄＢ（図８（ｄ））、−２０ｄＢ（図８（ｅ））、−１２．５ｄＢ（図８（ｆ））と予測される通り小さくなって行った。サイドローブを完璧に抑制することが出来たこの実験で、本発明の特徴であるアポダイゼーション付与の方法がきわめて有効であることが証明された。
＃１、＃２、＃３の実験では、１０７２．３４ｎｍの格子間隔ｐのひとつの位相マスクを用いたが、＃４、＃５の実験では８９４．７０ｎｍの格子間隔ｐのひとつの位相マスクを用い、ミラー回転角度αは＋１．３２度とし、ファイバーブラッググレーティングの長さ２ＬＦＢＧは＃４で７．５ｍｍ、＃５で３．０ｍｍとしてファイバーブラッググレーティングを作製した。この実験の目的は、図４（ｂ）のように形成されたアポダイゼーションによる屈折率変調の長手方向分布を両側の側部で切り落としたときの影響を見ることである。実験で得られた反射スペクトルを図９（ａ）、（ｂ）に示す。７．５ｍｍ長の＃４のファイバーブラッググレーティングでは、サイドローブは完全に抑制されているが、＃５の３．０ｍｍ長ファイバーブラッググレーティングではサイドローブが−３０数ｄＢで現れている。これは図４（ｂ）のアポダイゼーションが付与される光学系配置で、エキシマレーザー光のビームをスリットでその幅を狭く整形し、図４（ｂ）の屈折率分布の両側部を切り落とし、実効的に図１（ａ）の屈折率分布へ近づけ、アポダイゼーションを意図的に不完全にしたものである。サイドローブの大きさの許容量は、ファイバーブラッググレーティングの用途によるが、通常、−２０ｄＢ以下にあれば充分であり、この実験で得られた３．０ｍｍ長のファイバーブラッググレーティングでの−３０数ｄＢは充分に許容できるものではあるが、許容限界に近づいていることが分る。
【００２８】
本発明のアポダイゼーションの有効性は、式（１４）〜式（１８）のところで説明したように、２つのミラーを対称にα度回転させたときの図４（ａ）に示す光路差Δと位相マスク転写像の幅２ｄcoherenceとの大小関係で決まる。しかし、サイドローブの大きさがアポダイゼーションによって定量的にどれだけ抑制されるかは、非特許文献（１）および非特許文献（２）に述べられているように、光導波路ブラッググレーティングの理論と比較して検討しなければならない。我々はこれをコンピュータシミュレーションと比較することで行った。シミュレーションには、信頼性の優れている“IFO_grating”コンピューターソフトウェアー（Optiwave Corporation社）を用いた。このソフトウェアーでは、光ファイバーのコア部およびクラッド部の屈折率分布を与え、コア部に屈折率変調のグレーティングの周期Λとその長さ２ＬFBGおよび屈折率の変調成分と非変調成分をインプットして、このグレーティングに光が入ったときの反射および透過のスペクトルが計算される。アポダイゼーションに関しては、式（１５）の長手方向依存性が入力できる。シミュレーションのための入力パラメータは、光ファイバーの屈折率分布は、実験で用いたＳＭＦ２８シングルモードファイバーに合わせて、コア径８．１４μｍ、クラッド径１２５μｍ、コア屈折率１．４５０１５、クラッド屈折率１．４４４３のステップインデクス型とした。ファイバーブラッググレーティングの周期Λは５３６．５３８ｎｍとし、その長さ２ＬFBGは実験に合わせて７．５ｍｍおよび３．０ｍｍとし、アポダイゼーションの強度分布は式（１５）のガウシアン分布を持たせ、ｄapodは無限長から３、２、１．５ｍｍと変えて反射および透過のスペクトルを計算した。シミュレーションの結果を図１０に示す。左の列がアポダイゼーションの形状で、中央の列が反射スペクトル、そして右の列が透過スペクトルである。ファイバーブラッググレーティングの中央部における屈折率変調の振幅は０．０００３５５とした。光ファイバーに本実施例実験で照射した紫外線レーザー光の絶対光量は、ファイバーブラッググレーティング全長に渡って一様であるから、グレーティング周期での屈折率の平均値も一様である。これを、アポダイゼーション形状を示す左列の図中に、それぞれ点線で示す。非変調屈折率分布は、屈折率分布の平均値が一様になるように入力して計算した。アポダイゼーションのパラメータｄapod、およびファイバーブラッググレーティング長２ＬFBGは、図の左の列に記入する。
図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）から、アポダイゼーションのパラメータｄapodを短くして行くと、反射スペクトルのサイドローブが抑制されて行く様子が分る。また、図１０（ｄ）と同じ条件で、２ＬFBGを７．５ｍｍから３ｍｍへ短くすると、図１０（ｅ）のようにサイドローブが現れ、シミュレーションが実験結果を良好に再現していることが分った。
次にこのシミュレーション結果のスペクトル（図１０）と実験で得られたスペクトル（図８、図９）を比較する。アポダイゼーションが付与されていない＃１の条件でのスペクトル（図８（ａ））は、シミュレーションの図１０（ａ）に良好に対応している。アポダイゼーションが付与された＃２の条件の反射スペクトル（図８（ｂ））は、シミュレーション結果の図１０（ｃ）にもっとも似ており、アポダイゼーション実効長ｄapodは約２．０ｍｍと言える。同様に＃３の反射スペクトル（図８（ｃ））は図１０（ｄ）に酷似しており、この場合、ｄapodは約１．５ｍｍと言える。２つのミラー回転を逆方向にした実験で作製した＃４および＃５のファイバーグレーティングのスペクトル（図９（ａ）、（ｂ））はシミュレーションの図１０（ｄ）、（ｅ）にそれぞれ似ており、ｄapodはそれぞれ約２．０ｍｍ、１．５ｍｍと言える。これらを表１の項目１６に記す。
なお、実験の反射波長λFBGとシミュレーションの反射波長λFBGは一部異なっているが、これはシミュレーションでグレーティングの周期ｐを調整して実験と同じ反射波長を得ることは出来るが、そのように調整しても反射および透過のスペクトル形状は微弱に変わるだけで、本実施例実験との比較には影響しない。
【００２９】
ファイバーブラッググレーティングに付与するアポダイゼーションの有効性を確保するための関係式は、式（１７）および式（１８）に導出した。これらの式で重要なパラメータは紫外線レーザーの可干渉距離ｄcoherenceであり、これを求めるため、上述した本実施例実験結果とシミュレーション結果を式（１７）と比較した。その結果を図１１に示す。図の横軸はミラー回転角度αで、たて軸はアポダイゼーション実効長ｄapodで、可干渉距離ｄcoherenceをいくつかの数値にして式（１６）から計算した結果を実線で示す。図中に記す実験データは、表１の項目１６のアポダイゼーション実効長ｄapodを項目７のミラー回転角度αの絶対値に対してプロットしたもので、表１の項目１（ファイバーブラッググレーティング番号）を付記した。図から分るように、実験データの点は可干渉距離ｄcoherenceが０．２ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲にあり、これが我々が使用したＫｒＦエキシマレーザーの可干渉距離となる。式（１７）の不等式の関係は、我々のこのＫｒＦエキシマレーザーの場合は、図に矢印で示す範囲で表される。この範囲にあれば良好なアポダイゼーションを付与することが出来る。なお、この可干渉距離ｄcoherenceの値は、非特許文献（２０）に記載されている値とよくつじつまが合っている。
【００３０】
本発明のアポダイゼーションの有効性を判定する別の見方は、光路長の差Δedgeを用いた式（１８）で説明した。式（１２）でｘ＝ＬFBGとして、ファイバーブラッググレーティングの端部での光路長の差Δedgeをいくつかの数値にして、ファイバーブラッググレーティングの全長２ＬFBGをミラー回転角度αに対してプロットした結果を図１２に実線で示す。図は、横軸がミラーの回転角度αで、たて軸がファイバーブラッググレーティングの全長２ＬFBGである。実験データの点は、表１の項目１３のファイバーブラッググレーティング全長ＬFBGを項目７のミラー回転角度αの絶対値に対してプロットしたもので、表１の項目１（ファイバーブラッググレーティング番号）を付記した。図から分るように、実験で得られた良好なアポダイゼーションのデータ点を包含するには、ファイバーブラッググレーティングの端部での光路差Δedgeが０．１ｍｍより大きければよい。すなわち、式（１８）の不等式と較べて、
の関係にあればよいことになる。この実験結果は、図１１で求めた可干渉距離ｄcoherenceの下限が０．２ｍｍであることを用いて式（１８）右辺に入れて得られる０．１４ｍｍとよく一致している。この式（１９）は、式（１）と同じである。
【００３１】
２つのミラーを回転させて、光導波路の位置で２つのビームによる２つの位相マスクの回折格子像を傾けて交差させて干渉させる本発明の方法では、作製される光導波路ブラッググレーティングのグレーティング周期Λは、位相マスク法で作製したときのグレーティング周期と大きく異なっている。位相マスク法による場合、位相マスクに近接乃至は接触して配置された光導波路に、位相マスクの回折格子が光導波路にそのまま転写され、干渉によってその回折格子ピリオドｐの半値が光導波路ブラッググレーティングの周期Λとなり、その反射波長λFBGは式（４）から求められる。この反射波長とミラーを回転させて作製される光導波路ブラッググレーティングの反射波長が同じになるのは、ミラーの回転角度αがゼロのとき、すなわち２つのミラーが完全に平行のときであり、この場合はアポダイゼーションは得られない。作製したファイバーブラッググレーティング＃２〜５では、表１の項目４と項目１５の比較から、反射波長は約２５０ｎｍあるいはそれ以上違っていることが分る。このことから、本発明の特徴が発揮されるためには、使用する位相マスクの回折格子ピリオドｐと作製される光導波路ブラッググレーティングの反射波長λFBGは
の関係がある。この式（２０）は式（３）と同じである。
【００３２】
以上の実験結果から、光導波路ブラッググレーティングにアポダイゼーションを付与する本発明の方法の有効性は充分に証明された。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】アポダイゼーションについて示す図である。
【図２】アポダイゼーションを形成する過程を示す図である。
【図３】２光束干渉法における光学部品および光導波路の位置関係を示す図である。
【図４】２光束干渉法で光導波路ブラッググレーティングを作製する装置で、２つのミラーを対称に回転させて、２つの位相マスクの回折格子像を傾けて光導波路ブラッググレーティングの位置に転写し、２つの回折格子像を交差して重ね合わせ、光導波路ブラッググレーティングにアポダイゼーションを付与する原理を示す図である。
【図５】本発明における理論を説明する２光束干渉法の光学部品および光導波路の幾何学的位置関係を示す図であり、かつ本発明の実施例に用いた光学部品および光導波路の位置関係を示す図である。
【図６】本発明における理論を説明する２光束干渉法によって得られる光導波路ブラッググレーティング反射波長および位相マスクから光導波路ブラッググレーティングまでの距離のミラー角度依存性を示す図である。
【図７】可干渉距離ｄcoherenceの２つの光が光路差Δを持って重なるときに互いに干渉する様子を示す図である。
【図８】本発明の方法でアポダイゼーションを付与したファイバーブラッググレーティングの作製を実施したときのファイバーブラッググレーティングの透過スペクトルおよび反射スペクトルを示す図である。
【図９】本発明の方法でアポダイゼーションを付与したファイバーブラッググレーティングの作製を実施したときのファイバーブラッググレーティングの反射スペクトルを示す図である。
【図１０】光導波路ブラッググレーティングのシミュレーションコンピュータソフトウェアーを用い、本発明の実施例の実験パラメータに合わせて、透過スペクトル（中列）、反射スペクトル（右列）を求めたシミュレーション結果を示す図である。シミュレーションに入力したパラメータおよび屈折率分布を左列に示す。
【図１１】異なるいくつかの可干渉距離に対して、アポダイゼーション実効長ｄapodをミラー回転角度αに対して計算した結果を示す図である。データ点は実施例の実験結果である。
【図１２】異なるいくつかの光路差Δedgeに対して、ファイバーブラッググレーティング全長２ＬFBGをミラー回転角度αに対して計算した結果である。データ点は実施例の実験結果である。
【符号の説明】
【００３４】
１ 位相マスク
２ ミラー
３ ミラー回転軸
４ 光導波路
５ 紫外線レーザー光
６、６' 位相マスクの回折格子の転写像
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路に、特定の波長の光を反射させる回折格子である光導波路ブラッググレーティングを、紫外線レーザー光を照射して製造する方法およびその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平面導波路または光ファイバーからなる光導波路に形成したブラッググレーティングは、光導波路のコア部に周期的な屈折率変化を与えたもので、入射した光の特定波長の光のみを反射し、他の光はすべて通過させる光フィルターである。例えば、非特許文献（１）および非特許文献（２）に述べられているように、光導波路ブラッググレーティングは伝送損失が少なく、優れた反射特性および透過特性を有しており、光信号を利用する各種デバイス、装置、システムに、例えば、高密度波長多重光通信機器、レーザーダイオード外部共振器、ファイバーレーザー共振器、温度・歪み等の各種センサー等々に、広く応用展開されている。
【０００３】
光導波路ブラッググレーティング（光ファイバーの場合は、ファイバーブラッググレーティングとも言う）の反射波長λFBGは、光導波路のコア部の実効屈折率ｎeffと屈折率変調の周期、すなわちグレーティング周期Λ、によって、
として決まる。光ファイバーの屈折率をその長手方向に周期的に変化させてグレーティングを形成するには、通常、被覆樹脂を除去した光ファイバーにその長手方向に側面から、グレーティング周期に対応する周期的な強度分布を持たせた紫外線を照射し、光導波路（光ファイバー）のコア部にドープされているゲルマニウム（Ｇｅ）の紫外線に対する光誘起反応に基づく屈折率上昇の現象を利用してなされる。形成される屈折率変調の周期Λは、例えば、光ファイバーの実効屈折率ｎeffが約１．４４７で、光通信によく用いられる波長の約１５５０ｎｍに対しては、式（４）の関係から、Λ＝０．５３６μｍとなる。良好な光信号の反射特性を得るためにファイバーブラッググレーティングは、通常、この大きさの周期を約５ｍｍから約数１０ｍｍの長さに渡って形成され、１０ｍｍ長のファイバーブラッググレーティングではその周期の個数は、１０ｍｍ／０．５３６μｍとなり、すなわち約１９０００個のグレーティングが形成されている。
【０００４】
このような光導波路ブラッググレーティングを形成する方法としては、例えば、非特許文献（１）および非特許文献（２）に述べられているように、大きく分けて、位相マスク法と２光束干渉法が知られている。前者の位相マスク法は、特許文献（３）、非特許文献（４）および非特許文献（５）に開示されている。この位相マスク法では、光ファイバーを位相マスクに近接乃至は接触させて配置し、位相マスクを介して光ファイバーに紫外線レーザー光を照射し、位相マスクによって回折される＋1次光と−１次を光ファイバーの位置で干渉させ、周期Λの干渉縞からなる紫外光強度分布を形成し、これによって光ファイバーの長手方向に周期的屈折率変調をそのコア部に形成する方法である。
【０００５】
後者の２光束干渉法は、紫外線レーザー光を２つのビームに分岐し、その後、２つのビームを光導波路の位置で交差させて干渉させ、周期Λの干渉縞からなる紫外光強度分布を形成し、これによって光導波路の長手方向に周期的屈折率変調をそのコア部に形成する方法である。この方法の最も基本的な実現方法は、特許文献（６）、特許文献（７）および非特許文献（８）に開示されており、そこでは入射紫外線レーザー光は、約５０％を透過させ残りの約５０％を反射させるビームスプリッタ−を用いて２つのビームに分岐し、２つのミラーを用いてそれぞれのビームを反射させ、光導波路（光ファイバー）の位置で交差させる構成でなされる。２光束干渉法は、光ファイバーの位置で２つのビームが交差する角度を変えることで、干渉縞の周期Λを変えることができ、これに比例して式（４）の反射波長λFBGが変わるため、作製される光導波路ブラッググレーティングの反射波長を制御することが容易に可能であると言う特徴を有している。ビームの分岐の方法および交差させる方法において種々の方法が考案されている。
【０００６】
非特許文献（９）では、入射紫外線レーザー光を特許文献（３）、非特許文献（４）および非特許文献（５）に記載されているように、位相マスクによって入射紫外線レーザー光が＋１次光および−１次光に回折して２つのビームに分岐されること、すなわち位相マスクにビームスプリッタ−の機能を持たせられることを利用して２つのビームの分岐し、分岐した２つのビームを角型石英ブロックに入射させその内壁側面でそれぞれ反射させて石英ブロックから出射させ、光ファイバーの位置で交差させて干渉縞を形成しファイバーブラッググレーティングを作製する方法が開示されている。さらに、非特許文献（１０）および非特許文献（１１）では、非特許文献（９）の内容のほかに、三角プリズムを用いたロイドミラー方式についても述べられている。
ビームスプリッタ−で分岐した２つのビームを２つのミラーを用いて交差させ干渉縞を得るには、位相マスクの２つの回折格子像の一方を反転させてパリティー整合を取る必要があり、このことは非特許文献（１２）に開示されている。
非特許文献（１３）では、位相マスクをビームスプリッタ−として用いて紫外線レーザー光を２つのビームに分岐し、２つのミラーでそれぞれのビームを反射させ光導波路の位置で交差させて干渉させる構成で、ミラーの角度を変えるだけでファイバーブラッググレーティングの反射波長を約２５０ｎｍにわたって変えることが可能であることを、透過阻止量が−２８ｄＢに達する強いファイバーブラッググレーティングを実験で作製して示している。非特許文献（１６）では、同じような構成で反射波長を６００ｎｍから１３５０ｎｍまで変えた光導波路ブラッググレーティングの作製を示し、さらに位相マスクと２つのミラーの間に波面制御のためのシリンドリカルレンズを挿入してチャープを付与したファイバーブラッググレーティングの作製も行っている。
また、特許文献（１４）および特許文献（１５）には、特許文献（３）、非特許文献（４）、非特許文献（５）、非特許文献（９）、非特許文献（１０）および非特許文献（１１）に開示されているように位相マスクを用いて紫外線レーザー光を２つのビームに分岐し、非特許文献（１０）および非特許文献（１１）に開示されているように対称に配置された２つのミラーを回転させて、非特許文献（１０）および非特許文献（１１）に開示されているように、異なる反射波長のファイバーブラッググレーティングを形成する方法が記載されている。
【０００７】
このようにして光ファイバーに紫外線レーザー光を照射してファイバーブラッググレーティングを形成する場合、非特許文献（１）および非特許文献（２）に記載されているように、光ファイバーのコア部に紫外線で誘起される屈折率変調が図１（ａ）に示すようにファイバーブラッググレーティング長手方向全長に渡って一様なときは反射スペクトルにおいてサイドローブ（側波帯とも言う）が図１（ｂ）のように反射中心波長のとなりに長波長側と短波長側に数多く出て来る。これに対して、屈折率変調の振幅が図１（ｃ）のようにスムーズに上昇して下降する屈折率分布を与えれば、図１（ｄ）のようにサイドローブは大きく抑えられるか、あるいは皆無とすることが可能である。このような屈折率分布を持たせることはアポダイゼーションと呼ばれ、より単一波長に近い良好なスペクトルが得られることが理論的にも知られ、例えば、非特許文献（１）および非特許文献（２）に詳述されている。屈折率変調の周期は通常数万個あるが、図１（ａ）および（ｃ）では理解を容易にするため、その数を少なくして示した。
【０００８】
このようなアポダイゼーションを付与したファイバーブラッググレーティングを形成するには、まず、紫外線レーザー光の干渉を用いて図２（ａ）に示すように屈折率変調を光ファイバー長手方向に形成し、次にこの長手方向屈折率変調分布の包絡線と逆の形状を持つ屈折率分布を紫外線レーザー光の干渉なしで図２（ｂ）のように形成して、図２（ａ）に重畳させることで、図２（ｃ）に示すようなアポダイゼーション付きファイバーブラッググレーティングが形成される。ここで、図２（ａ）のグレーティングと図２（ｂ）のバックグラウンドの屈折率分布は、順序は逆に形成してもよく、あるいは同時に形成してもよい。
【０００９】
図２（ａ）に示すような屈折率変調を光ファイバー長手方向に形成するためには、照射する紫外線レーザーに光ファイバー長手方向に強度分布を持たせることが必要である。特許文献（１７）では、位相マスク法で、光ファイバーを位相マスクに近接乃至は接触して配置し、位相マスク側から入射させる紫外線レーザー光を三角形状のスリットを通して照射し、この三角形状のスリットを光ファイバーと直角方向に駆動させて、強度分布を持たせてアポダイゼーションを付与する方法が開示されている。この文献では三角形状のスリットが用いられているが、他の形状のスリットを用いたりあるいはスリットの駆動速度を制御してガウジアン分布やコサイン分布の強度分布を得ることは可能である。また、これらのスリットと同じ形状で、スリットによる通過とスリットによる阻止を逆にしたパターンのスリットを作製して、これを介して、位相マスクなしで紫外線レーザー光を光ファイバーに照射すれば、図２（ｂ）のバックグラウンドの屈折率分布を得ることも可能であり、このこともこの特許文献（１７）に開示されている。三角形状スリットと位相マスクを介して紫外線レーザー光を照射して図２（ａ）の屈折率変調を形成し、次に位相マスクをはずして同一形状三角形で逆パターンのスリットを介して同じ紫外線レーザー光を照射して図２（ｂ）の屈折率を形成してアポダイゼーションを付与した図２（ｃ）のファイバーブラッググレーティングを形成する方法も、この文献に開示されている。
特許文献（１８）では、位相マスク法で、光ファイバーを位相マスクに近接乃至は接触して配置し、紫外線レーザー光をビームスプリッタ―で２つに分岐し、一方の紫外線レーザービームを強度分布を持たせて位相マスクの側から照射して、位相マスクによる回折光を干渉させて光ファイバーに干渉縞を形成し、同時に他方の紫外線レーザービームを光ファイバーの側から強度分布を持たせて、位相マスクなしで光ファイバーに照射して、アポダイゼーションを付与したファイバーブラッググレーティングを形成する方法が開示されている。前者の紫外線レーザービームが図２（ａ）の屈折率分布を、後者の紫外線レーザービームが図２（ｂ）の屈折率分布を形成し、その結果、図２（ｃ）の屈折率分布が得られる。
【００１０】
アポダイゼーションを付与してファイバーブラッググレーティングを作製する方法は、これらの方法のほか、非特許文献（１）にリビューされているように、いろいろな方法が考案されている。位相マスク法および位相マスクを用いる２光束干渉法で、位相マスクに照射する紫外線レーザービームを、絞りを用いて細いビームに絞って位相マスク上を走査させ、絞りの開口率を走査時に制御してアポダイゼーションを付与する方法も記載されている。位相マスクの干渉に寄与しない０次出射光と干渉に寄与する±１次光の出射光の強度が、位相マスク面内で分布を持つように作製された位相マスクを用いてアポダイゼーションを付与する方法も述べられている。また、２光束干渉法で、干渉させる２つのビームの波長が互いに若干異なる波長を有する２つのビームを用いて、その光周波数の違いによる干渉を利用して、アポダイゼーションを自動的に付与する方法も記載されている。
非特許文献（１９）の２光束干渉法は、ミラーは用いなくて、位相マスクで２段に配置して、前段の位相マスクで２つに分岐したビームを、さらに後段の位相マスクでさらに分岐して、４分岐されたビームの２つを光ファイバーの位置で交差させて干渉させる方法である。この文献では、可干渉距離であるコヒーレント長が比較的長いアルゴンイオン紫外線レーザー光を用いて、そのビームを小さいスポットサイズのビームとし、小さいスポットに特有な強度分布を利用して、光ファイバーの位置で２つのビームが互いに交差する部分の側部に、一方のビームだけが照射される部分ができることを利用してアポダイゼーションを付与したファイバーブラッググレーティングを形成が可能であることを示している。ただし、この方法では、一般的に言われている２光束干渉法の特徴である、反射波長を大きく変えると言うことは困難である。
【００１１】
（１）Raman Kashyap: ”Fiber Bragg Gratings”， Academic Press, (1999).
（２）Andreas Othonos, Kyriacos Kalli; ”Fiber Bragg Gratings”， Artech House, Inc., (1999).
（３）Kenneth O. Hill, Bernard Y. Malo, Francois C. Bilodeau, Derwyn C.Johnson; ”Method of creating an index grating in an optical fiber and a mode converter using the index grating”， USP-5,367,588, November 22, 1994.
（４）K. O. Hill, B. Malo, F. Bilodeau, D. C. Johnson, J. Albert; ”Bragg gratings fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask，” Appl. Phys. Lett. Vol. 62, No. 10 (1993) 1035-1037.
（５）K. O. Hill, F. Bilodeau, B. Malo, T. Kitagawa, S. Theriault, D. C. Johnson, J. Albert; ”Chirped in-fiber Bragg gratings for compensation of optical-fiber dispersion，” Opt. Lett. Vol. 19, No. 17 (1994) 1314-1316.
（６）William H. Glenn, Gerald Meltz, Elias Snitzer;“Method for impressing gratings within fiber optics”, USP-4,725,110, February 16, 1988.
（７）William H. Glenn, Gerald Meltz, Elias Snitzer;“Method for impressing gratings within fiber optics”, USP-4,807,950, February 28, 1989.
（８）G. Meltz, W. W. Morey, W. H. Glenn; ”Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method，” Optics Letters, Vol. 14, No. 15, pp. 823-825 (1989).
（９）R. Kashyap, J. R. Armitage, R. Wyatt, S. T. Davey, D. L. Williams; ”All-fibre narrowband reflection gratings at 1500nm，” Electron. Lett. Vol. 26, No. 11, pp. 730-732 (1990).
（１０）R. Kashyap, J. R. Armitage, R. J. Campbell, D. L. Williams, G. D. Maxwell, B. J. Ainslie, C. A. Miller; ”Light-sensitive optical fibers and planar waveguides”， BT Technol. J., vol. 11, No. 11, pp. 150-160 (1993)
（１１）R. Kashyap, ”Photosensitive optical fibers: Devices and applications，” Optical Fiber Technol. No. 1, pp. 17-34 (1994).
（１２）C. G. Askins, T. E. Tsai, G. M. Williams, M. A. Putnam, M. Bashinsky, E. J. Friebele; ”Fiber Bragg reflectors prepared by a single excimer pulse，” Opt. Lett. Vol. 17, No. 11, (1992) 833-835.
（１３）R. Kashyap; ”Assesment of tuning the wavelength of chirped and unchirped fibre Bragg grating with single phase mask，” Electronic Letters, Vol. 34, No. 21, pp. 2025-2026 (1998).
（１４）Robert A. Modavis; ”Method of forming a grating in an optical waveguide”， USP-5,818,988, October 6, 1998.
（１５）ロバートアダムスモダヴィス；”光導波路に格子を形成する方法”、特開平１０−５４９１５、(1998).
（１６）Y. Wang, J. Grant, A. Sharma, G. Myers; ”Modified Talbot interferometerfor fabrication of fiber-optic grating filter over a wide range of Bragg wavelength and bandwidth using a single phase mask”， Journal of Lightwave technology, vol. 19, No. 10, pp. 1569-1573 (2001).
（１７）村山学、竹田亨、藤田盛行；“ファイバーグレーティングの製造装置及び製造方法”、特開２００４−２９４８８ (2004).
（１８）今村一雄、中井忠彦、須藤恭秀；“ファイバーグレーティングの作製方法及び作製装置”、特開２０００−６６０４１ (2000).
（１９）B. J. Ashton, J. Canning, N. Groothoff; ”Two-point source interferometric grating writing，” Applied Optics, vol. 43, no. 15, (2004) 3140-3144.
（２０）小瀬輝次、斉藤弘義、田中俊一、辻内順平、波岡武編集；“光工学ハンドブック”、朝倉書店、pp. 475-476 (1986).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図２（ｃ）に示すアポダイゼーションを光導波路ブラッググレーティングに付与するには、屈折率変調の強度分布（図２（ａ））を形成するグレーティング形成のための紫外線レーザー光照射と、バックグラウンドの屈折率分布（図２（ｂ））を形成するための紫外線レーザー光照射の２つの手段が必要である。前者の手段で図２（ａ）の屈折率変調の分布が光ファイバーに形成され、後者の手段で図２（ｂ）のバックグラウンドの屈折率分布が光ファイバーに形成され、両者の重ね合わせとして図２（ｃ）のようなアポダイゼーションを付与した光導波路ブラッググレーティングが形成される。２つの手段はどちらを先に適用してもよく、あるいは同時に適用してもよい。
光導波路ブラッググレーティング形成のための光学系に２つの手段を別々に取り込む従来技術では、上記背景技術で述べたように、スリットと逆パターンスリットの取り付けとその駆動や、位相マスクを含む紫外線レーザー光ビーム光学系と含まない紫外線レーザー光ビーム光学系の２つの構成、等々が必要となり、光学系は複雑さを増してくる。２つの手段を同時に適用する従来技術では、例えば、紫外線レーザー光ビームを小さく絞って走査する従来技術では走査のための駆動系等が必要であり、アポダイゼーション機能を位相マスクに持たせる従来技術では高価な位相マスクが必要である。波長が若干異なる２つの紫外線レーザー光源を用いる２光束干渉では、用いる２つの紫外線レーザー光源の波長をきわめて正確に制御することが必要である。このように、従来技術のいずれの方法でも、光導波路ブラッググレーティングを形成する装置が複雑になって製造歩留まりを低下させたり、あるいはコスト高になったりする欠点がある。
本発明の課題は、これらの従来技術のアポダイゼーションを付与する方法に替わって、２つの手段を同時に、かつ自動的に、アポダイゼーションを高精度で付与する方法を確立し、これを光導波路ブラッググレーティングの製造方法および製造装置に提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
アポダイゼーションを付与する従来技術の方法に替わって、我々が開発した高精度でしかも容易に実現できる新しいアポダイゼーションを付与する方法の基本的な理論について以下に説明し、その後、本発明の特徴を述べる。
【００１４】
紫外線レーザー光を、位相マスクを用いて２つのビームに分岐し、これらをミラーで反射させて重ね合わせる２光束干渉法において、光導波路の位置で重なる２つのビームを、光導波路ブラッググレーティングの中央部で強く干渉させ、端部で弱く干渉させたりあるいは干渉しないようにすることが出来れば、アポダイゼーションを付与することが可能である。そのように干渉の強弱を光導波路の長手方向につけるには、２つのビームによる位相マスクの回折格子像が光導波路の位置で交差し、さらに可干渉距離ｄcoherenceが短ければ可能となる。
【００１５】
２光束干渉法は、通常、図３（ａ）の光学部品配置で行われる。紫外線レーザー光ビームを位相マスクの回折現象を利用して２つに分岐し、分岐したそれぞれのビームを、入射紫外線レーザー光ビームの光軸に対して対称に反射させ、光ファイバーの位置で重ね合わせて２つのビームを干渉させて、光導波路ブラッググレーティングが形成される。反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを形成することは２つのミラーを対称に図３（ｂ）のように回転させて、光導波路の位置でできる干渉縞の周期を拡大または縮小することで容易にできる。２つのミラーを対称に、平行からの回転角度αだけ回転させた場合、位相マスクの回折格子の転写像は図４(ａ)に示すようにミラーの平行からの回転角度の２倍の２αだけ傾いて光ファイバーの位置で重なる。この場合、左右からの２つのビームによる位相マスク回折格子の転写像が可干渉幅２ｄcoherenceの幅の中にあって重なれば干渉が起こり、２つのビームの可干渉幅２ｄcoherenceの幅の外側にあれば干渉しない。図４（ａ）では、２つのビームによって転写される位相マスクの回折格子像を入射レーザー光の可干渉距離ｄcoherenceの２倍の幅２ｄcoherenceをもって表した。従って、光ファイバーの中央で強く干渉し、側部へ向けて干渉は弱くなり、端部では干渉は起こらない。干渉を起す中央部では屈折率変調を有するグレーティングが強く形成され、干渉を起さない端部では屈折率分布の変調は起こらないで、屈折率のバックグラウンドが上昇する。このようにして、図４（ｂ）の屈折率分布が形成され、アポダイゼーションを付与した光導波路ブラッググレーティングが形成される。２つのミラーが完全に平行である場合は、左右２つのビームで転写された位相マスクの回折格子像は光導波路の位置で完全に重なって、光導波路ブラッググレーティング全長にわたって干渉し、図１（ａ）のようなアポダイゼーションを付与していない屈折率分布が得られる。また、可干渉距離ｄcoherenceが大きすぎると、位相マスクの転写像の可干渉幅が広くなって屈折率変調部分は端部まで拡がり、良好なアポダイゼーションを得ることはできなくなる。従って、良好なアポダイゼーションを付与するには、２つのミラーをある角度以上に回転させて、可干渉距離ｄcoherenceは光導波路ブラッググレーティングの長さ２ＬFBGと２つの位相マスク転写像の傾き２αから決まるある値より短くなければならないと言う関係がある。次に、この関係を導出する。
【００１６】
２光束干渉法における、位相マスク、２つのミラー、ミラー回転軸、光導波路、および紫外線レーザー光のビームの位置関係を図５のようにとる。２つのミラーは角度αだけ図示するように回転しているとする。位相マスク１に入射する紫外線レーザー光５は角度θで＋１次光と−１次光に回折され図示するように左右に出射される。この角度θは
である。ここでｐは位相マスクのピリオド、すなわちその回折格子の周期であり、λＥは照射する紫外線レーザーの波長である。位相マスクによる回折で２つのビームに分岐された±１次光は垂直方向から角度αだけ傾いたミラー２で反射され、光導波路４の位置で重なる。角度βで光導波路に入射する＋１次光と角度−βで入射する−１次光が干渉し、干渉縞の間隔Λは
で規定され、屈折率変調の周期がΛの光導波路ブラッググレーティングが形成される。実効屈折率ｎeffの光ファイバーでは反射波長λFBGは式（６）のΛを式（４）に代入して、
となる。図５に示すように、２つのミラーの間隔を２ｓ、ミラー回転軸３と位相マスク１の垂直方向距離をＬ１、ミラー回転軸３と光ファイバー４の垂直方向距離をＬ２、位相マスク１と光ファイバー４の距離をＬとすると、ミラー２の回転角はαであるから、
が得られ、このＬの位置で２つのビームが干渉し、その位置に光導波路４を設置すれば光導波路ブラッググレーティングが形成される。光導波路ブラッググレーティングの反射波長λＦＢＧは、２つのビームの入射角
を式（４）に代入して、
となる。実効屈折率ｎeffは標準的なシングルモードファイバーＳＭＦ２８では、ｎeff＝１．４４７である。
【００１７】
紫外線レーザー光の波長をλＥ＝２４８ｎｍ、位相マスクの回折格子間隔ｐを１０７２．３４ｎｍ、２つのミラー回転軸の間隔の半値ｓを２７．７１４３ｍｍとして、式（９）および式（１１）を用いて、光導波路ブラッググレーティングの反射波長λFBGおよび位相マスクから光導波路までの距離Ｌをミラーの回転角度αに対して計算した結果を図６（ａ）および図６（ｂ）に示す。光導波路を位相マスクからの垂直方向距離Ｌを２５０ｍｍに配置すれば、２つのミラーが平行（α＝０）にあるとき、反射波長λFBGが１５５１．７ｎｍの光導波路ブラッググレーティングが形成され、この状態から２つのミラー回転角度をα＝−３．８２度回転させ、光導波路を位相マスクから垂直方向距離Ｌ＝２０２．３ｍｍの位置に置けば、反射波長λＦＢＧが１０００ｎｍの光導波路ブラッググレーティングが形成される。
【００１８】
２つのミラーをα度対称に回転させたとき、図４（ａ）に示すように、光導波路の位置での位相マスクの回折格子転写像６は２α度傾いており、反対側のミラーで反射される転写像６’は同じ角度だけ逆方向に傾いている。位相マスク１の中央から角度±θで回折する２つの光線は、光導波路の中央の図４（a）の点Ｏに結び、位相マスクから点Ｏまでの光路長は互いに等しい。しかし、位相マスクの端部に近い点で回折する２つの光線は、図４（ａ）の点Ｐおよび点Ｑに来て、光導波路の上では光路差Δを持っている。２つの転写像６および６’の傾き角度２αは、上の計算で示したように小さいので、この光路差ΔはＰＱ間の間隔であり、
と近似される。可干渉距離、すなわちコヒーレント長がｄcoherenceの光線は、光線方向にガウシアン状のexp(-(z／dcoherence)2)の可干渉分布を持っており、図７に示すように、この可干渉分布を持つ２つの光線が光路差Δを持って重なるときの干渉強度分布は、両者の分布をかけて、
となる。光ファイバーの長手ｘの方向への干渉強度分布Ｉint（ｘ）は、式（１２）のΔを通して、この式の積の第２項に出て来るから、式（１２）を代入して、
となる。この干渉強度分布のｘに対する依存性が、図４（ｂ）の屈折率変調分布の包絡線に対応し、これがアポダイゼーションの形状そのものとなる。ガウシアン状のアポダイゼーションの場合は、
となる。ここでｄapodはアポダイゼーションの実効長である。式（１４）と式（１５）から使用する紫外線レーザーの可干渉距離ｄcoherenceとアポダイゼーションの実効長ｄapodの関係式が、
と得られる。
式（１４）の指数部から分るように、アポダイゼーションの有効性は式（１２）で規定される光路差Δと紫外線レーザーの可干渉距離ｄcoherenceの大小関係で決まる。光導波路ブラッググレーティングの中央（ｘ＝０）ではＩint（ｘ）＝１となり、中央から離れるにつれて干渉が弱くなる。ミラーの回転角度αに対する依存性は、２つのミラーが平行（α＝０）のとき、Ｉint＝１と一定になって図１（ａ）のようになり、アポダイゼーションは付与されない。２つのミラーを平行（α＝０）から回転したとき、ｘ方向依存性が図４（ｂ）のように現れ、αが大きいほどその強度分布は光導波路ブラッググレーティングの中央に集中する。紫外線レーザーの可干渉距離ｄcoherenceに対する依存性は、無限大の可干渉距離でＩ＝１と一定になりアポダイゼーションは付与されず、ｄcoherenceが短いほど強度分布が光導波路ブラッググレーティングの中央に集中したアポダイゼーションとなる。すなわち、干渉する度合いが弱い低コヒーレンスのレーザーほど良好なアポダイゼーションが得られる。アポダイゼーションの有効性は、干渉強度分布Ｉint（ｘ）が光導波路ブラッググレーティングの端部（ｘ＝ＬFBG）での大きさが中央部の大きさＩint（ｘ）より１／ｅ以下であれば期待することが出来るので、これは式（１４）〜式（１６）から
の関係が得られる。また、このアポダイゼーションの有効性は見方を変えて、図４（ｂ）で位相マスクの回折格子像を可干渉距離の幅２ｄcoherenceをつけて表したが、この幅よりも光導波路ブラッググレーティングの端部での光路長の差Δedgeが大きければ期待され、この大小関係は
と表すことも出来る。これらの式の関係は実験で確認されなければならない。このことについては後述実施例で実証する。
【００１９】
上述したアポダイゼーションを付与する新規の方法の基本理論に基づいて得られる本発明の特徴を、以下に述べる。
【００２０】
本発明の第１の特徴は、紫外線レーザー光を、位相マスクに入射させ、位相マスクの回折現象を利用して２つのビームに分岐し、分岐された２つのビームを位相マスクから、位相マスクへの紫外線レーザー光入射軸に対して対称に出射させ、位相マスク面と略直角で対称に配置された２つのミラーで２つのビームをそれぞれ反射させ、ミラーで反射された２つのビームを光導波路の位置で交差させて２つのビームを干渉させる２光束干渉法を用いて、干渉の周期を調整するため２つのミラーを対称に回転させて、光導波路に反射波長の異なるグレーティングを形成して、反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを製造する方法において、２つのミラーを対称に位相マスク面と直角となる角度からα度回転させ、２つのビームが転写する位相マスクの回折格子像を光導波路の位置で交差させて重ね合わせ、このとき２つの位相マスク転写像が交差する角度を式（１）で規定される値以上に設定し、かつ紫外線レーザー光としてエキシマレーザー光を用い、光導波路の中央部で交差した位相マスク転写像の干渉を強く干渉させ、端部で弱い干渉または干渉を起さないようにし、これによって図１（ｃ）に示すようなアポダイゼーションを形成して光導波路ブラッググレーティングを製造する方法である。
紫外線レーザー光の干渉を利用して形成する光導波路ブラッググレーティングの作製では、通常、干渉しやすいレーザー、すなわち可干渉距離の長いレーザーが適しているとされている。前述の背景技術で引用した文献の多くではアルゴンイオンレーザー（発振波長２４４ｎｍ）やエキシマレーザー（例えば、ＫｒＦエキシマレーザー（発振波長２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザー（発振波長１９３ｎｍ））が光導波路ブラッググレーティング作製によく用いられている。非特許文献（２０）によれば、アルゴンイオンレーザーの可干渉距離は数ｃｍで、エキシマレーザーの可干渉距離は１ｍｍあるいはそれ以下である。後述する実施例で示すＫｒＦエキシマレーザーを用いた我々の実験では可干渉距離ｄcoherenceは約０．２〜０．５ｍｍであった。これを式（１７）に代入すれば２ＬFBGtan２α＞０．１４〜０．３５となり、このことから、式（１）の右辺を規定した。本発明の特徴は、式（１）の関係から、エキシマレーザーのように低コヒーレントのレーザーで、その効果が明瞭に発揮される。
【００２１】
本発明の第２の特徴は、紫外線レーザー光を、位相マスクに入射させ、位相マスクの回折現象を利用して２つのビームに分岐し、分岐された２つのビームを位相マスクから、位相マスクへの紫外線レーザー光入射軸に対して対称に出射させ、位相マスク面と略直角で対称に配置された２つのミラーで２つのビームをそれぞれ反射させ、ミラーで反射された２つのビームを光導波路の位置で交差させて２つのビームを干渉させる２光束干渉法を用いて、干渉の周期を調整するため２つのミラーを対称に回転させて、光導波路に反射波長の異なるグレーティングを形成して、反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを製造する方法において、２つのミラーを対称に位相マスク面と直角となる角度からα度回転させ、２つのビームが転写する位相マスクの回折格子像を光導波路の位置で交差させて重ね合わせ、このとき、２つの位相マスク転写像が交差する角度α、光導波路ブラッググレーティングの長さＬFBG、および２つのミラーの回転角度α度、および用いる紫外線レーザー光の可干渉距離ｄcoherenceが式（１７）で規定される関係にあることを満たし、これによって図１（ｃ）に示すようなアポダイゼーションを形成して光導波路ブラッググレーティングを製造する方法である。式（１７）と式（２）は同じである。
【００２２】
本発明の第３の特徴は、紫外線レーザー光を、位相マスクに入射させ、位相マスクの回折現象を利用して２つのビームに分岐し、分岐された２つのビームを位相マスクから、位相マスクへの紫外線レーザー光入射軸に対して対称に出射させ、位相マスク面と略直角で対称に配置された２つのミラーで２つのビームをそれぞれ反射させ、ミラーで反射された２つのビームを光導波路の位置で交差させて２つのビームを干渉させる２光束干渉法を用いて、干渉の周期を調整するため２つのミラーを対称に回転させて、光導波路に反射波長の異なるグレーティングを形成して、反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを製造する方法において、使用する位相マスクのピリオドｐと、作製されるファイバーブラッググレーティングの反射波長とλFBGが式（３）で規定される関係にあることを満たし、これによって図１（ｃ）に示すようなアポダイゼーションを形成して光導波路ブラッググレーティングを製造する方法である。式（３）は我々の実験結果に基づいており、後述実施例で導出する。
【００２３】
本発明の第４の特徴は、上述の第１、第２、または第３の特徴を実現する光導波路ブラッググレーティング製造装置に関するもので、これによって図１（ｃ）に示すようなアポダイゼーションを形成して光導波路ブラッググレーティングを製造する装置が実現できる。この特徴によって光導波路ブラッググレーティングの作製を高い再現性で実現し、高い歩留まりで作製することが可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
アポダイゼーションを光導波路ブラッググレーティングに付与する本発明の新規の方法によれば、ほぼ完璧なアポダイゼーションをグレーティング形成と同時に付与することが出来る。これによってサイドローブを完全に抑制した反射スペクトルが得られ、高性能の光導波路ブラッググレーティングの作製が容易になる。位相マスク法で干渉による周期的変調分の屈折率分布とバックグラウンドの非周期的屈折率分布を別々の手段で形成する等々の従来技術の方法に較べて、本発明の方法では光導波路ブラッググレーティング製造工程が短縮され、コストダウンも可能となる。
これは、図４に示すように、２光束干渉法を用いて、位相マスクで回折される２つのビームを、２つの対称に配置されたミラーで反射させ光導波路の位置で干渉させるとき、ミラーを回転させて、２つのビームによる位相マスクの回折格子像を、光導波路の位置で交差させて重ね合わせることによって、光導波路の中央部で強く干渉させ端部で弱くあるいは干渉しないようにすることで実現される。
紫外線レーザー光の干渉を利用する光導波路ブラッググレーティング作製では、従来から、干渉しやすい高コヒーレンスのレーザーを用いることが指向されていたが、本発明による新規の方法では低コヒーレンスのレーザーほどその効果が発現される。光導波路ブラッググレーティング作製では、ＫｒＦエキシマレーザー（発振波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザー（発振波長１９３ｎｍ）、アルゴンイオンレーザー（発振波長２４４ｎｍ）等がよく用いられているが、本発明によれば、高コヒーレンスのアルゴンイオンレーザーよりも低コヒーレンスのＫｒＦやＡｒＦ等のエキシマレーザーが適している。従って、本発明の方法を光導波路ブラッググレーティング製造に採用すれば、高品質の高コヒーレンスレーザーは必要としない。これによって光導波路ブラッググレーティング製造設備の低コスト化も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の最良の実施形態は、２光束干渉法による光導波路ブラッググレーティングの作製で、２つのミラーを対称に回転させて、図４（ａ）のように光ファイバーの位置での位相マスクの回折格子の転写像６および６’を傾けて重ね合わせ、光導波路ブラッググレーティングの中央部で２つのビームを強く干渉させ、端部で弱く干渉させあるいは干渉させないようにすることで得られる。このことを実験およびコンピュータシミュレーションで確認した結果を次の実施例で説明する。
【実施例】
【００２６】
本実施例の実験では、位相マスク、２つのミラー、光ファイバーを図５に示すように配置した。紫外線レーザー光（ＫｒＦエキシマレーザー、発振波長λＥ＝２４８ｎｍ）を２つのビームに分岐する位相マスクには、位相マスク法で作製する場合に１．５μｍ帯の反射波長のファイバーブラッググレーティングが得られる位相マスクと１μｍ帯の反射波長のファイバーブラッググレーティングが得られる位相マスクを用いた。実験では、前者の位相マスクで、反射波長が１．５μｍ帯、１．３μｍ帯および１μｍ帯で、長さが７．５ｍｍのファイバーブラッググレーティングを、ミラー回転角度を変えて作製し、後者の位相マスクでは、反射波長が１．５μｍ帯で、長さが７．５ｍｍおよび３ｍｍのファイバーブラッググレーティングを、計５個作製した。位相マスクは、StockerYale社製のLasiris位相マスクを用いた。
これらのパラメータ、位相マスク諸元、用いた２光束干渉実験装置の諸元、実験で得られたファイバーブラッググレーティング反射波長等を表１にまとめる。表の項目１は、実験に用いた位相マスクを、位相マスク法でファイバーブラッググレーティングを作製する場合に得られる反射波長の帯域と、本実施例の２光束干渉法実験で得られた反射波長の帯域である。項目２は使用した位相マスクのピリオドｐ、すなわち回折格子周期で、項目３はその位相マスクがＫｒＦエキシマレーザー光（波長λＥ＝２４８ｎｍ）を回折する角度θ（式（５））である。項目４はその位相マスクを用いて、位相マスク法でファイバーブラッググレーティングを作製する場合に得られる反射波長であり、周期Λ＝ｐ／２として式（４）で計算した値である。項目５〜項目１１は本実験に用いた２光束干渉法のファイバーブラッググレーティング製造装置の、図５に記載する幾何学的パラメータである。使用した光ファイバーは、項目１２に示すように、１．５μｍおよび１．３μｍ帯域のファイバーブラッググレーティング作製では標準シングルモードファイバーＳＭＦ２８を用い、１μｍ帯域ではＳＭＦ２８と同じ特性を有し１μｍの光伝送に最適化されたＨＩ１０６０を用いた。これらの光ファイバーは、エキシマレーザー光に対する感光性を高めるために、実験に先立って、１００気圧の水素ガス雰囲気に室温で１０日間保持し、水素ローディング処理を施した。ファイバーブラッググレーティングの長さ２ＬFBGは、項目１３に示すように、＃１〜＃４で７．５ｍｍとし、＃５で３．０ｍｍとした。項目１４はファイバーブラッググレーティングの端部での２つのビームの光路長の差Δで、式（１２）のｘにＬFBGを入れて計算した値である。作製した５個のファイバーブラッググレーティングの反射波長を項目１５に示す。使用した紫外線レーザーはＫｒＦエキシマレーザー（波長λＥ＝２４８ｎｍ）で、実験ではいずれのファイバーブラッググレーティング作製でも、１パルスあたりのエネルギーは３０ｍＪで、パルスくり返し周波数２０Ｈｚで、３分間照射とした。項目１６は後述するコンピュータシミュレーションの結果から求めたアポダイゼーションの実効長ｄapodであり、項目１７は実験で得られたアポダイゼーションの結果である。使用した紫外線レーザーＫｒＦエキシマレーザー（ラムダフィジックス社製Ｃｏｍｐｅｘ−１０２ＭＪ、不安定共振器付き）の出射ビームは＃１〜＃４の実験では７．５ｍｍ×７．５ｍｍのスリットで整形し、＃５の実験ではさらに３ｍｍ幅スリットで整形した。エキシマレーザー光の出射エネルギー密度は、３０ｍＪ／（７．５ｍｍ×７．５ｍｍ）とした。ファイバーブラッググレーティング製造装置への入射では、焦点距離４５１．９ｍｍのシリンドリカルレンズで絞った後、図５の５のように入射させた。シリンドリカルレンズによる絞りは、位相マスクで２つに分岐されたビームの面および入射エキシマレーザー光の光軸と垂直方向に絞り、単位面積あたりのエネルギーを光ファイバーの位置で約１２倍に高めた。位相マスクから回折される０次光は、２つのミラーの中間に遮蔽物を置くことでその影響を除去した。ファイバーブラッググレーティングの反射および透過スペクトルは、光ファイバーにＡＳＥ光源（ファイバーラボ社製ＡＳＥ−ＦＬ７００４光源、ファイバーラボ社製ＡＳＥ−ＦＬ７５１０光源）の光を入れ、２台のスペクトラムアナライザー（アドバンテスト社製Ｑ８３８４）でそれぞれ測定した。
【００２７】
作製したファイバーブラッググレーティング＃１、＃２、＃３の反射スペクトルをそれぞれ図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、透過スペクトルを図８（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示す。２つのミラーが完全に平行のとき、すなわちミラー回転角αがゼロの＃１のときは、光ファイバーの位置での２つの位相マスクの回折格子転写像は完全に重なってアポダイゼーションは付与されずに図１（ｂ）のような反射スペクトルが予想され、実験では＃１がこれに対応しており、図８（ａ）に示すように反射波長を中心にしてその短波長側および長波長側に数多くの細かなサイドローブが見られる。透過スペクトルの図８（ｄ）において、反射波長より短い波長で見られる小振幅の変動はクラッドモードと呼ばれる現象によるものである。
ファイバーブラッググレーティング＃１を作製したパラメータから、ミラー回転角度αを−１．２７度、−２．９７度とした＃２、＃３のファイバーブラッググレーティングの反射スペクトルがそれぞれ図８（ｂ）、（ｃ）で、透過スペクトルがそれぞれ図８（ｅ）、（ｆ）である。この場合、図４（ｂ）のアポダイゼーション付与が予想され、実験では図８（ｂ）、（ｃ）に見られるように、サイドローブはまったく見られず、完璧に抑制されている。ミラーの回転角度αが＃１から＃２へ、＃２から＃３へと増えるにつれ、屈折率変調の光ファイバー長手方向実効長（図４のｄapod）が短くなり、ファイバーブラッググレーティングの透過阻止量は−３０ｄＢ（図８（ｄ））、−２０ｄＢ（図８（ｅ））、−１２．５ｄＢ（図８（ｆ））と予測される通り小さくなって行った。サイドローブを完璧に抑制することが出来たこの実験で、本発明の特徴であるアポダイゼーション付与の方法がきわめて有効であることが証明された。
＃１、＃２、＃３の実験では、１０７２．３４ｎｍの格子間隔ｐのひとつの位相マスクを用いたが、＃４、＃５の実験では８９４．７０ｎｍの格子間隔ｐのひとつの位相マスクを用い、ミラー回転角度αは＋１．３２度とし、ファイバーブラッググレーティングの長さ２ＬＦＢＧは＃４で７．５ｍｍ、＃５で３．０ｍｍとしてファイバーブラッググレーティングを作製した。この実験の目的は、図４（ｂ）のように形成されたアポダイゼーションによる屈折率変調の長手方向分布を両側の側部で切り落としたときの影響を見ることである。実験で得られた反射スペクトルを図９（ａ）、（ｂ）に示す。７．５ｍｍ長の＃４のファイバーブラッググレーティングでは、サイドローブは完全に抑制されているが、＃５の３．０ｍｍ長ファイバーブラッググレーティングではサイドローブが−３０数ｄＢで現れている。これは図４（ｂ）のアポダイゼーションが付与される光学系配置で、エキシマレーザー光のビームをスリットでその幅を狭く整形し、図４（ｂ）の屈折率分布の両側部を切り落とし、実効的に図１（ａ）の屈折率分布へ近づけ、アポダイゼーションを意図的に不完全にしたものである。サイドローブの大きさの許容量は、ファイバーブラッググレーティングの用途によるが、通常、−２０ｄＢ以下にあれば充分であり、この実験で得られた３．０ｍｍ長のファイバーブラッググレーティングでの−３０数ｄＢは充分に許容できるものではあるが、許容限界に近づいていることが分る。
【００２８】
本発明のアポダイゼーションの有効性は、式（１４）〜式（１８）のところで説明したように、２つのミラーを対称にα度回転させたときの図４（ａ）に示す光路差Δと位相マスク転写像の幅２ｄcoherenceとの大小関係で決まる。しかし、サイドローブの大きさがアポダイゼーションによって定量的にどれだけ抑制されるかは、非特許文献（１）および非特許文献（２）に述べられているように、光導波路ブラッググレーティングの理論と比較して検討しなければならない。我々はこれをコンピュータシミュレーションと比較することで行った。シミュレーションには、信頼性の優れている“IFO_grating”コンピューターソフトウェアー（Optiwave Corporation社）を用いた。このソフトウェアーでは、光ファイバーのコア部およびクラッド部の屈折率分布を与え、コア部に屈折率変調のグレーティングの周期Λとその長さ２ＬFBGおよび屈折率の変調成分と非変調成分をインプットして、このグレーティングに光が入ったときの反射および透過のスペクトルが計算される。アポダイゼーションに関しては、式（１５）の長手方向依存性が入力できる。シミュレーションのための入力パラメータは、光ファイバーの屈折率分布は、実験で用いたＳＭＦ２８シングルモードファイバーに合わせて、コア径８．１４μｍ、クラッド径１２５μｍ、コア屈折率１．４５０１５、クラッド屈折率１．４４４３のステップインデクス型とした。ファイバーブラッググレーティングの周期Λは５３６．５３８ｎｍとし、その長さ２ＬFBGは実験に合わせて７．５ｍｍおよび３．０ｍｍとし、アポダイゼーションの強度分布は式（１５）のガウシアン分布を持たせ、ｄapodは無限長から３、２、１．５ｍｍと変えて反射および透過のスペクトルを計算した。シミュレーションの結果を図１０に示す。左の列がアポダイゼーションの形状で、中央の列が反射スペクトル、そして右の列が透過スペクトルである。ファイバーブラッググレーティングの中央部における屈折率変調の振幅は０．０００３５５とした。光ファイバーに本実施例実験で照射した紫外線レーザー光の絶対光量は、ファイバーブラッググレーティング全長に渡って一様であるから、グレーティング周期での屈折率の平均値も一様である。これを、アポダイゼーション形状を示す左列の図中に、それぞれ点線で示す。非変調屈折率分布は、屈折率分布の平均値が一様になるように入力して計算した。アポダイゼーションのパラメータｄapod、およびファイバーブラッググレーティング長２ＬFBGは、図の左の列に記入する。
図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）から、アポダイゼーションのパラメータｄapodを短くして行くと、反射スペクトルのサイドローブが抑制されて行く様子が分る。また、図１０（ｄ）と同じ条件で、２ＬFBGを７．５ｍｍから３ｍｍへ短くすると、図１０（ｅ）のようにサイドローブが現れ、シミュレーションが実験結果を良好に再現していることが分った。
次にこのシミュレーション結果のスペクトル（図１０）と実験で得られたスペクトル（図８、図９）を比較する。アポダイゼーションが付与されていない＃１の条件でのスペクトル（図８（ａ））は、シミュレーションの図１０（ａ）に良好に対応している。アポダイゼーションが付与された＃２の条件の反射スペクトル（図８（ｂ））は、シミュレーション結果の図１０（ｃ）にもっとも似ており、アポダイゼーション実効長ｄapodは約２．０ｍｍと言える。同様に＃３の反射スペクトル（図８（ｃ））は図１０（ｄ）に酷似しており、この場合、ｄapodは約１．５ｍｍと言える。２つのミラー回転を逆方向にした実験で作製した＃４および＃５のファイバーグレーティングのスペクトル（図９（ａ）、（ｂ））はシミュレーションの図１０（ｄ）、（ｅ）にそれぞれ似ており、ｄapodはそれぞれ約２．０ｍｍ、１．５ｍｍと言える。これらを表１の項目１６に記す。
なお、実験の反射波長λFBGとシミュレーションの反射波長λFBGは一部異なっているが、これはシミュレーションでグレーティングの周期ｐを調整して実験と同じ反射波長を得ることは出来るが、そのように調整しても反射および透過のスペクトル形状は微弱に変わるだけで、本実施例実験との比較には影響しない。
【００２９】
ファイバーブラッググレーティングに付与するアポダイゼーションの有効性を確保するための関係式は、式（１７）および式（１８）に導出した。これらの式で重要なパラメータは紫外線レーザーの可干渉距離ｄcoherenceであり、これを求めるため、上述した本実施例実験結果とシミュレーション結果を式（１７）と比較した。その結果を図１１に示す。図の横軸はミラー回転角度αで、たて軸はアポダイゼーション実効長ｄapodで、可干渉距離ｄcoherenceをいくつかの数値にして式（１６）から計算した結果を実線で示す。図中に記す実験データは、表１の項目１６のアポダイゼーション実効長ｄapodを項目７のミラー回転角度αの絶対値に対してプロットしたもので、表１の項目１（ファイバーブラッググレーティング番号）を付記した。図から分るように、実験データの点は可干渉距離ｄcoherenceが０．２ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲にあり、これが我々が使用したＫｒＦエキシマレーザーの可干渉距離となる。式（１７）の不等式の関係は、我々のこのＫｒＦエキシマレーザーの場合は、図に矢印で示す範囲で表される。この範囲にあれば良好なアポダイゼーションを付与することが出来る。なお、この可干渉距離ｄcoherenceの値は、非特許文献（２０）に記載されている値とよくつじつまが合っている。
【００３０】
本発明のアポダイゼーションの有効性を判定する別の見方は、光路長の差Δedgeを用いた式（１８）で説明した。式（１２）でｘ＝ＬFBGとして、ファイバーブラッググレーティングの端部での光路長の差Δedgeをいくつかの数値にして、ファイバーブラッググレーティングの全長２ＬFBGをミラー回転角度αに対してプロットした結果を図１２に実線で示す。図は、横軸がミラーの回転角度αで、たて軸がファイバーブラッググレーティングの全長２ＬFBGである。実験データの点は、表１の項目１３のファイバーブラッググレーティング全長ＬFBGを項目７のミラー回転角度αの絶対値に対してプロットしたもので、表１の項目１（ファイバーブラッググレーティング番号）を付記した。図から分るように、実験で得られた良好なアポダイゼーションのデータ点を包含するには、ファイバーブラッググレーティングの端部での光路差Δedgeが０．１ｍｍより大きければよい。すなわち、式（１８）の不等式と較べて、
の関係にあればよいことになる。この実験結果は、図１１で求めた可干渉距離ｄcoherenceの下限が０．２ｍｍであることを用いて式（１８）右辺に入れて得られる０．１４ｍｍとよく一致している。この式（１９）は、式（１）と同じである。
【００３１】
２つのミラーを回転させて、光導波路の位置で２つのビームによる２つの位相マスクの回折格子像を傾けて交差させて干渉させる本発明の方法では、作製される光導波路ブラッググレーティングのグレーティング周期Λは、位相マスク法で作製したときのグレーティング周期と大きく異なっている。位相マスク法による場合、位相マスクに近接乃至は接触して配置された光導波路に、位相マスクの回折格子が光導波路にそのまま転写され、干渉によってその回折格子ピリオドｐの半値が光導波路ブラッググレーティングの周期Λとなり、その反射波長λFBGは式（４）から求められる。この反射波長とミラーを回転させて作製される光導波路ブラッググレーティングの反射波長が同じになるのは、ミラーの回転角度αがゼロのとき、すなわち２つのミラーが完全に平行のときであり、この場合はアポダイゼーションは得られない。作製したファイバーブラッググレーティング＃２〜５では、表１の項目４と項目１５の比較から、反射波長は約２５０ｎｍあるいはそれ以上違っていることが分る。このことから、本発明の特徴が発揮されるためには、使用する位相マスクの回折格子ピリオドｐと作製される光導波路ブラッググレーティングの反射波長λFBGは
の関係がある。この式（２０）は式（３）と同じである。
【００３２】
以上の実験結果から、光導波路ブラッググレーティングにアポダイゼーションを付与する本発明の方法の有効性は充分に証明された。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】アポダイゼーションについて示す図である。
【図２】アポダイゼーションを形成する過程を示す図である。
【図３】２光束干渉法における光学部品および光導波路の位置関係を示す図である。
【図４】２光束干渉法で光導波路ブラッググレーティングを作製する装置で、２つのミラーを対称に回転させて、２つの位相マスクの回折格子像を傾けて光導波路ブラッググレーティングの位置に転写し、２つの回折格子像を交差して重ね合わせ、光導波路ブラッググレーティングにアポダイゼーションを付与する原理を示す図である。
【図５】本発明における理論を説明する２光束干渉法の光学部品および光導波路の幾何学的位置関係を示す図であり、かつ本発明の実施例に用いた光学部品および光導波路の位置関係を示す図である。
【図６】本発明における理論を説明する２光束干渉法によって得られる光導波路ブラッググレーティング反射波長および位相マスクから光導波路ブラッググレーティングまでの距離のミラー角度依存性を示す図である。
【図７】可干渉距離ｄcoherenceの２つの光が光路差Δを持って重なるときに互いに干渉する様子を示す図である。
【図８】本発明の方法でアポダイゼーションを付与したファイバーブラッググレーティングの作製を実施したときのファイバーブラッググレーティングの透過スペクトルおよび反射スペクトルを示す図である。
【図９】本発明の方法でアポダイゼーションを付与したファイバーブラッググレーティングの作製を実施したときのファイバーブラッググレーティングの反射スペクトルを示す図である。
【図１０】光導波路ブラッググレーティングのシミュレーションコンピュータソフトウェアーを用い、本発明の実施例の実験パラメータに合わせて、透過スペクトル（中列）、反射スペクトル（右列）を求めたシミュレーション結果を示す図である。シミュレーションに入力したパラメータおよび屈折率分布を左列に示す。
【図１１】異なるいくつかの可干渉距離に対して、アポダイゼーション実効長ｄapodをミラー回転角度αに対して計算した結果を示す図である。データ点は実施例の実験結果である。
【図１２】異なるいくつかの光路差Δedgeに対して、ファイバーブラッググレーティング全長２ＬFBGをミラー回転角度αに対して計算した結果である。データ点は実施例の実験結果である。
【符号の説明】
【００３４】
１ 位相マスク
２ ミラー
３ ミラー回転軸
４ 光導波路
５ 紫外線レーザー光
６、６' 位相マスクの回折格子の転写像
【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線レーザー光を、位相マスクに入射させ、位相マスクの回折現象を利用して２つのビームに分岐し、分岐された２つのビームを位相マスクから、位相マスクへの紫外線レーザー光入射軸に対して対称に出射させ、位相マスク面と略直角で対称に配置された２つのミラーで２つのビームをそれぞれ反射させ、ミラーで反射された２つのビームを光導波路の位置で交差させて２つのビームを干渉させる２光束干渉法を用いて、干渉の周期を調整するため２つのミラーを対称に回転させて、光導波路に反射波長の異なるグレーティングを形成して、反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを製造する方法において、２つのミラーを対称に位相マスク面と直角となる角度からα度回転させ、２つのビームが転写する位相マスクの回折格子像を光導波路の位置で交差させて重ね合わせ、作製する光導波路ブラッググレーティングの長さＬFBGと２つのミラーの位相マスクと直角方向からの回転角度αが
の関係を満たし、かつ、用いる紫外線レーザー光がエキシマレーザー光であることを特徴とする光導波路ブラッググレーティングの製造方法。
【請求項２】
紫外線レーザー光を、位相マスクに入射させ、位相マスクの回折現象を利用して２つのビームに分岐し、分岐された２つのビームを位相マスクから、位相マスクへの紫外線レーザー光入射軸に対して対称に出射させ、位相マスク面と略直角で対称に配置された２つのミラーで２つのビームをそれぞれ反射させ、ミラーで反射された２つのビームを光導波路の位置で交差させて２つのビームを干渉させる２光束干渉法を用いて、干渉の周期を調整するため２つのミラーを対称に回転させて、光導波路に反射波長の異なるグレーティングを形成して、反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを製造する方法において、２つのミラーを対称に位相マスク面と直角となる角度からα度回転させ、２つのビームが転写する位相マスクの回折格子像を光導波路の位置で交差させて重ね合わせ、作製する光導波路ブラッググレーティングの長さＬFBG、２つのミラーの位相マスクと直角方向からの回転角度α、および用いる紫外線レーザー光の可干渉距離ｄcoherenceが
の関係を満たしてなることを特徴とする光導波路ブラッググレーティングの製造方法。
【請求項３】
紫外線レーザー光を、位相マスクに入射させ、位相マスクの回折現象を利用して２つのビームに分岐し、分岐された２つのビームを位相マスクから、位相マスクへの紫外線レーザー光入射軸に対して対称に出射させ、位相マスク面と略直角で対称に配置された２つのミラーで２つのビームをそれぞれ反射させ、ミラーで反射された２つのビームを光導波路の位置で交差させて２つのビームを干渉させる２光束干渉法を用いて、干渉の周期を調整するため２つのミラーを対称に回転させて、光導波路に反射波長の異なるグレーティングを形成して、反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを製造する方法において、
用いる位相マスクのピリオドｐと、作製される光導波路ブラッググレーティングの反射波長λFBGとの間に
の関係を満たし、かつ、用いる紫外線レーザーが、エキシマレーザーまたは可干渉距離が１ｍｍ以下の紫外線レーザーであることを特徴とする光導波路ブラッググレーティングの製造方法。
【請求項４】
請求項１、請求項２、請求項３、または請求項４に記載する光導波路ブラッググレーティング製造方法を有することを特徴とする光導波路ブラッググレーティングの製造装置。
【請求項１】
紫外線レーザー光を、位相マスクに入射させ、位相マスクの回折現象を利用して２つのビームに分岐し、分岐された２つのビームを位相マスクから、位相マスクへの紫外線レーザー光入射軸に対して対称に出射させ、位相マスク面と略直角で対称に配置された２つのミラーで２つのビームをそれぞれ反射させ、ミラーで反射された２つのビームを光導波路の位置で交差させて２つのビームを干渉させる２光束干渉法を用いて、干渉の周期を調整するため２つのミラーを対称に回転させて、光導波路に反射波長の異なるグレーティングを形成して、反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを製造する方法において、２つのミラーを対称に位相マスク面と直角となる角度からα度回転させ、２つのビームが転写する位相マスクの回折格子像を光導波路の位置で交差させて重ね合わせ、作製する光導波路ブラッググレーティングの長さＬFBGと２つのミラーの位相マスクと直角方向からの回転角度αが
の関係を満たし、かつ、用いる紫外線レーザー光がエキシマレーザー光であることを特徴とする光導波路ブラッググレーティングの製造方法。
【請求項２】
紫外線レーザー光を、位相マスクに入射させ、位相マスクの回折現象を利用して２つのビームに分岐し、分岐された２つのビームを位相マスクから、位相マスクへの紫外線レーザー光入射軸に対して対称に出射させ、位相マスク面と略直角で対称に配置された２つのミラーで２つのビームをそれぞれ反射させ、ミラーで反射された２つのビームを光導波路の位置で交差させて２つのビームを干渉させる２光束干渉法を用いて、干渉の周期を調整するため２つのミラーを対称に回転させて、光導波路に反射波長の異なるグレーティングを形成して、反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを製造する方法において、２つのミラーを対称に位相マスク面と直角となる角度からα度回転させ、２つのビームが転写する位相マスクの回折格子像を光導波路の位置で交差させて重ね合わせ、作製する光導波路ブラッググレーティングの長さＬFBG、２つのミラーの位相マスクと直角方向からの回転角度α、および用いる紫外線レーザー光の可干渉距離ｄcoherenceが
の関係を満たしてなることを特徴とする光導波路ブラッググレーティングの製造方法。
【請求項３】
紫外線レーザー光を、位相マスクに入射させ、位相マスクの回折現象を利用して２つのビームに分岐し、分岐された２つのビームを位相マスクから、位相マスクへの紫外線レーザー光入射軸に対して対称に出射させ、位相マスク面と略直角で対称に配置された２つのミラーで２つのビームをそれぞれ反射させ、ミラーで反射された２つのビームを光導波路の位置で交差させて２つのビームを干渉させる２光束干渉法を用いて、干渉の周期を調整するため２つのミラーを対称に回転させて、光導波路に反射波長の異なるグレーティングを形成して、反射波長の異なる光導波路ブラッググレーティングを製造する方法において、
用いる位相マスクのピリオドｐと、作製される光導波路ブラッググレーティングの反射波長λFBGとの間に
の関係を満たし、かつ、用いる紫外線レーザーが、エキシマレーザーまたは可干渉距離が１ｍｍ以下の紫外線レーザーであることを特徴とする光導波路ブラッググレーティングの製造方法。
【請求項４】
請求項１、請求項２、請求項３、または請求項４に記載する光導波路ブラッググレーティング製造方法を有することを特徴とする光導波路ブラッググレーティングの製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−９９０１１（Ｐ２００６−９９０１１Ａ）
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２８８０８６（Ｐ２００４−２８８０８６）
【出願日】平成１６年９月３０日（２００４．９．３０）
【出願人】（５０２０１２７０５）伸興電線株式会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月３０日（２００４．９．３０）
【出願人】（５０２０１２７０５）伸興電線株式会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
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