JPH08220356A - 光導波路型チャープトグレーティング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 反射光の反射波長域が１ｎｍから２０ｎｍ程
度までの広い反射特性を持つ光導波路型チャープトグレ
ーティングを容易に製造できるようにする。 【構成】 光導波路のコア径、コア屈折率などの導波構
造を光導波路の長さ方向に局所的かつ連続的に変化させ
ておき、この部分に従来のグレーティング周期が一定の
グレーティングを干渉法、ホトマスク法などによって形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、反射光の反射波長域
が広い光導波路型チャープトグレーティングに関し、そ
の製造が容易に行えるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】光導波路型グレーティングとは、ガラ
ス、シリコンなどの基板上に形成されたクラッドとなる
石英ガラスなどのクラッド層と、このクラッド層に形成
された酸化ゲルマニウムドープ石英ガラスなどの帯状の
コアとからなる平面光導波路の長さ方向に、一定の周期
的な変化、例えばコアの屈折率の周期的変化やコア径の
周期的変化を形成したものである。そして、この周期的
変化の周期（以下、グレーティング周期と言うことがあ
る。）（Λ）とこの光導波路に入射した光の導波路内で
の伝搬光の波長（管内波長λｇ）との間にλｇ＝２Λの
関係が満たされたときにのみ、その入射光がほぼ１００
％反射される特性を有するものであり、図４に示すよう
に半値幅で示される反射波長域（以下、反射波長域は半
値幅での値で示すものとする。）が０．４ｎｍ程度非常
に狭く、極めて急峻な反射特性を示すものである。

【０００３】このような鋭い反射波長選択性を有する光
導波路型グレーティングは、光ファイバ通信網の監視シ
ステムやレーザなどに利用されうる有望な技術である。
この光導波路型グレーティングの製造には、干渉法、ホ
トマスク法などが知られている。干渉法は、図５に示す
ように、光導波路１１のコア１２に二方向から可干渉性
の強い高照度のレーザビーム１３，１３を互いに干渉す
るように照射し、コア１２の表面に干渉縞１４を形成す
る。

【０００４】この干渉縞１４に対応する導波路１１のコ
ア１２の部分には、強いレーザ光が照射される部分と弱
いレーザ光が照射される部分とが交互に周期的に形成さ
れることになる。強いレーザ光が照射された部分は、そ
のガラスにホトリフラクティブ効果による欠陥が生じ、
これにより、その屈折率が増加する。このため、コア１
２には屈折率の周期的変化が形成されることになる。こ
の際に形成される屈折率の周期的変化の周期、すなわち
グレーティング周期（Λ）は、図５のレーザビームの照
射角度（θ）とレーザ光の波長（λ）によって、次式で
定まる。 Λ＝λ／ｓｉｎθ

【０００５】また、ホトマスク法は、一定のグレーティ
ング周期に相当する間隔で多数の極細スリットを形成し
たホトマスクを光導波路のコアに当て、ホトマスクの上
から強いレーザビームを照射、露光して、一定の周期を
有する周期的な屈折率変化を形成するものである。干渉
法による具体例としては、酸化ゲルマニウムドープ・コ
アを有するシングルモード光導波路を用い、波長２４４
ｎｍのアルゴンレーザ（発振波長４８８ｎｍの第２高調
波）を照射して、周期的な大きな屈折率変化が形成され
たことが報告されている。

【０００６】ところで、このような光導波路型グレーテ
ィングの鋭い反射特性は有用ではあるが、用途等によっ
ては反射波長域が広いものが好ましい場合がある。例え
ば、発光ダイオードなどからの発光スペクトルが数１０
ｎｍの広い光を一様に反射したい時や、半導体レーザな
どからの光が温度変動等により数ｎｍ変化しても反射率
がほぼ一定であることが要求されることがある。

【０００７】このような要求を満たす光導波路型グレー
ティングとして光導波路型チャープトグレーティングが
ある。このものは、導波路の長さ方向の屈折率変化など
の変化の周期、すなわちグレーティング周期を長さ方向
に連続的に変化させたものである。換言すればグレーテ
ィング周期が一定ではなく、徐々に変化しているもので
ある。これにより、反射光の波長を、グレーティング周
期の短いものから長いものまでに対応して連続的に変化
させることができるようになる。

【０００８】したがって、このような光導波路型チャー
プトグレーティングの反射特性は、例えば図６に示すよ
うに反射波長域が３〜５ｎｍとブロードなものになる。
この光導波路型チャープトグレーティングを製造する方
法として、干渉光をグレーティング周期が連続的に変化
するように光導波路に照射する方法は極めて困難であ
り、このためホトマスクとして極細スリットの間隔を連
続的に変化させたものを用いて露光するなどの方法が考
えられる。しかしながら、この製造方法は、グレーティ
ング周期が一定の通常の光導波路型グレーティングを作
成するものに比較すれば、製造が非常に困難でありコス
トも嵩むことになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】よって、この発明にお
ける課題は、製造が容易な光導波路型チャープトグレー
ティングを得ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かかる課題は、予め光導
波路のコア径、屈折率、屈折率分布などの導波構造をそ
の長さ方向に連続的に変化させておき、この光導波路の
コアに従来方法による一定周期のグレーティングを形成
することで解決される。

【００１１】

【作用】光導波路の導波構造を変化させると、そこに伝
搬される光の波長（λｇ）がこの変化に対応して変化す
る。したがって、周期一定のグレーティングを形成して
おくことで、光導波路内の伝搬する光の波長が変化する
ので、結果的にグレーティング周期を連続的に変化させ
たチャープトグレーティングと同様の反射特性が得られ
る。

【００１２】以下、この発明を詳しく説明する。本発明
における光導波路の導波構造の具体的なものとしては、
コア径、コア屈折率、屈折率差などが挙げられる。好ま
しいものとしては、コア径、コア屈折率があり、容易に
変化させることができるとともに、反射波長域の拡大に
も大きな効果がある。

【００１３】以下、具体例として光導波路として、断面
形状が矩形であるコアの幅を局所的に変化させた例につ
いて説明する。図１は、本具体例の光導波路を示すもの
で、図中符号１は石英ガラス、シリコンなどからなる平
板状の基板である。この基板１上には、クラッド層２が
形成されている。このクラッド層２は石英ガラスなどか
らなり、その厚みは通常５〜２０μｍ程度となってい
る。クラッド層２内にはほぼ帯状のコア３が形成されて
いる。

【００１４】このコア３は、例えば酸化ゲルマニウムド
ープ石英ガラスなどからなり、その屈折率がクラッド層
２の屈折率よりも大きいものであって、コア３の１つの
表面が露出した埋め込み形のものである。そして、この
コア３の厚みはその長さ方向に一定となっているととも
にその幅は図中位置Ａ点からＢ点にかけて約５〜１０ｍ
ｍの長さで徐々に拡大し、Ｂ点からＣ点にかけて急激に
元の幅に縮小している。位置Ａ点での幅に対し、Ｂ点で
の幅はその１．５〜５倍程度となっている。また、位置
Ａ点でのコア３の厚みは７〜８μｍ程度であり、幅も７
〜８μｍ程度となっている。

【００１５】このような光導波路は、基板１上に熱ＣＶ
Ｄ法、スパッタリング法などによって石英ガラスなどか
らなるクラッド層２を形成し、ついでこのクラッド層２
に対してホトリソグラフィにより図示の平面形状の深さ
が一定の溝を形成し、この溝の内部に酸化ゲルマニウム
ドープ石英ガラスを熱ＣＶＤ法などにより堆積する方法
等によって作成することができる。

【００１６】このような光導波路のコア３の幅が局所的
に変化した部分（位置ＡからＢまでの範囲）に対して、
グレーティング周期（Λ）が一定のグレーティングを形
成する。このグレーティングの形成は、従来の干渉法、
ホトマスク法などがそのまま適用できる。このグレーテ
ィングの周期（Λ）は、得られる光導波路型チャープト
グレーティングの反射中心波長に対応して、計算ならび
に予備実験により定められる。例えば、反射中心波長を
１３００ｎｍとすると、周期（Λ）はおよそ１３００ｎ
ｍを伝搬モードの実効屈折率（約１．４５）で割った値
のさらに１／２の値とされる。

【００１７】また、得られる光導波路型チャープトグレ
ーティングの反射波長帯域は、コア３の幅の変化度合に
対応して変化し、その幅の変化の度合が大きくなれば反
射波長帯域が拡がるので、コア３の幅の変化量を調整す
ることで反射波長帯域を制御することができる。このよ
うにして本発明の光導波路型チャープトグレーティング
が得られることになる。

【００１８】このような光導波路型チャープトグレーテ
ィングにあっては、コア３に形成されたグレーティング
の周期（Λ）は一定ではあるが、コア３に入射された光
のコア３内での伝搬時の波長（λｇ）がコア３の幅の変
化によってその長さ方向に徐々に変化する。このため、
グレーティング周期（Λ）とコア３内の伝搬光の波長と
の相対的関係は、従来のグレーティング周期が変化する
チャープトグレーティングの場合と同様になり、反射光
の波長域は広いものとなる。

【００１９】また、光導波路の導波構造として、コアの
屈折率を採用し、これをコアの長さ方向に局所的に変化
させ、この屈折率の局所的な変化部分に一定のグレーテ
ィング周期のグレーティングを形成することによっても
本発明の光導波路型チャープトグレーティングを得るこ
とができる。このものでは、基板上のクラッド層に幅お
よび厚さが一定であるコアを形成する。コアとクラッド
層との比屈折率差は大きいことが好ましく、少なくとも
１％以上、望ましくは２％以上とすることがよい。

【００２０】この光導波路のコアを炭酸ガスレーザ、Ｙ
ＡＧレーザなどのレーザで局所的に加熱するとともにコ
アの長さ方向に単位面積当りの加熱時間を増加または減
少させ、コア中にドープされている酸化ゲルマニウムな
どのドーパントをクラッド層に熱拡散させて、コアの屈
折率を長さ方向に沿って局所的に変化させる。ついで、
この屈折率が局所的に変化しているコアの部分にグレー
ティング周期が一定のグレーティングを干渉法、ホトマ
スク法によって形成する方法により、上述の光導波路型
チャープトグレーティングを得ることができる。

【００２１】そして、この場合にはコア中の酸化ゲルマ
ニウムなどのドーパントの熱拡散により、コアの屈折率
が減少した部分はその実質的な幅および厚みが増大する
ことにもなり、２種の導波構造、コアの屈折率およびコ
ア径に局所的変化が生じることになり、反射波長域拡大
の効果が大きいものとなる。

【００２２】以下、実施例を示し、その作用効果を明確
にするが、本発明はこれに限定されるものではない。 （実施例１）図１に示すような光導波路を作成した。基
板１はシリコン、クラッド層２は純粋石英ガラス、コア
３は酸化ゲルマニウムドープ石英ガラスであり、比屈折
率差は０．７％である。コア３の幅は端部で６μｍであ
り、これが１０ｍｍの長さにわたって徐々にその２倍の
１６μｍに拡幅されている。コア３の厚みは６μｍで一
定である。

【００２３】この光導波路のコア３の拡幅部分に対し
て、干渉法によりグレーティング周期（Λ）が約４８８
ｎｍと一定のグレーティングを形成して、本発明の光導
波路型チャープトグレーティングを作成した。この光導
波路型チャープトグレーティングの特性は図２に示すよ
うに、その反射中心波長は１３００ｎｍで、半値幅での
反射波長帯域は３．５ｎｍであり、ピーク反射率は９７
％であった。この結果から、この例ではコア３の幅を２
倍に変化することにより得られる反射波長帯域は中心波
長に対して約２．７％の変化量に相当することがわか
る。これによりコア３の幅の変化量を調整することで、
反射波長帯域を制御しうることがわかる。

【００２４】（実施例２）シリコンからなる基板上に純
粋石英ガラスからなるクラッド層を形成し、このクラッ
ド層に酸化ゲルマニウムドープ石英ガラスからなるコア
を形成した。コアの幅は４．５μｍで一定とし、厚みも
４．５μｍと一定とし、コアとクラッド層との比屈折率
差を２．５％とした。このコアの長さ約９ｍｍにわたる
部分に、ビームスポット径が５００μｍの炭酸ガスレー
ザ（出力１０Ｗ）を照射して加熱した。この時、単位長
さ当りの照射時間を照射始端側から終端側にかけて徐々
に長くし、終端側にかけての加熱量が徐々に増大するよ
うにした。

【００２５】この加熱により、コアにドープされていた
酸化ゲルマニウムが熱拡散し、終端側にかけてその屈折
率が徐々に低下し、終端側において比屈折率差は０．２
％となった。また、この熱拡散により、コアの幅および
厚さは、終端側で始端側のそれの約４倍になった。この
コアに対して干渉法によりグレーティング周期が約４８
８ｎｍと一定のグレーティングを形成して、本発明の光
導波路型チャープトグレーティングを得た。このものの
反射特性は、図３に示すように反射中心波長は１３００
ｎｍで、反射波長帯域は半値幅で約１８ｎｍであった。

【００２６】以上の実施例から明らかなように、光導波
路の導波構造を局所的に連続的に変化させることで、反
射波長域を広げることができ、かつ導波構造の変化量に
対応して反射波長域の帯域を定めることが可能となる。
このため、反射波長域の異なるものを従来の干渉法やホ
トマスク法で簡単に製造することができる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の光導波
路型チャープトグレーティングは、光導波路の導波構造
をその長手方向に連続的にかつ局所的に変化せしめ、こ
の部分にグレーティング周期が一定のグレーティングを
形成したものであるので、従来の光導波路型チャープト
グレーティングの製造に用いられている干渉法やホトマ
スク法などによって簡単に製造することができる。ま
た、導波構造の変化量を調節することによって、反射波
長域を容易に変化、制御することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の光導波路型チャープトグレーティン
グを得るための光導波路の例を示す斜視図である。

【図２】 本発明の実施例１で得られた光導波路型チャ
ープトグレーティングの反射特性を示すグラフである。

【図３】 本発明の実施例２で得られた光導波路型チャ
ープトグレーティングの反射特性を示すグラフである。

【図４】 一般の光導波路型グレーティングの反射特性
を示すグラフである。

【図５】 一般の光導波路型グレーティングを製造する
干渉法の例を模式的に示した図である。

【図６】 従来の光導波路型チャープトグレーティング
の反射特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１…基板、２…クラッド層、３…コア

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 家中 拓也 千葉県佐倉市六崎1440番地 株式会社フジ クラ佐倉工場内 (72)発明者 島 研介 千葉県佐倉市六崎1440番地 株式会社フジ クラ佐倉工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光導波路の長さ方向に導波構造の連続的
   変化を形成し、この変化部分にグレーティングを形成し
   たことを特徴とする光導波路型チャープトグレーティン
   グ。
2. 【請求項２】 上記導波構造の連続的変化が、光導波路
   の局所的なコア径の変化であることを特徴とする請求項
   １記載の光導波路型チャープトグレーティング。
3. 【請求項３】 上記導波構造の連続的変化が、光導波路
   の局所的な加熱によるドーパントの拡散によって形成さ
   れるコアの屈折率変化であることを特徴とする請求項１
   記載の光導波路型チャープトグレーティング。