JPS6060042B2 - 光導波路にグレーテイングを作成する方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はフォトレジスト層を表面に有する導波路基板上
にグレーティングを作成する方法にあつて、干渉パター
ンが所定の空間面のある領域に作成されるよう２本のコ
ヒーレントなビームを互いに方向づける工程、及びその
所期の空間面に導波路基板を位置つける工程から成る作
成法に関するものである。

゜“非対称テーパ構造の分布帰還型レーザ゛ＩＥＥＥＪ
ＯｕｒｎａｌＯｆＱｕａｎｔｕｍＥＩｅｃｔｒＯｎｉｃ
ｓ第ＱＥ一１乞詮９号１９７師１２月１９日５３２−５
３９ページに指摘されているように、グレーティングの
中央に１１４波長ステップあるいは不連続を有する光導
波路グレーティングによつてモード縮退のない分布帰還
型レーザを作成することが可能である。

この型の分布帰還型レーザはグレーティング全体に渡つ
て規則的な周期を有する通常の分布帰還型レーザと異な
りその出力波長が完全に予想できるという長所．を有す
る。光導波路グレーティング作成技術の一例が′４ピー
スワイス３３（Ｐｉｅｃｅ−Ｗｉｓｅ）方式の干渉によ
る精密グレーティングの発生″ＡｐｐｌｌｅｄＯｐｔｉ
ｃｓ第１６巻、３号、１９７７年３月５５５−５５７ペ
ージに記載されている。かかる装置においては、干．−
渉パターンをフォトレジスト層を有する光基板上をピー
スワイス方式で移動させることによりグレーティングが
作成される。この方式でグレーティング中にステップあ
るいは不連続を形成するためには、グレーティング作成
に用いられるコヒーレ・ントなビームの一方の光路に１
８０度の移相器を機械的に挿入する必要がある。しかし
その操作は作成済のパターンと重複しないよう干渉パタ
ーンの移動後にのみされる。１１４波長にステップとい
う最小の距離で２個の部分に分離される光導波路グレー
ティング作成においては２本めコヒーレントなビームの
ピースワイス方式の移動及び移相器の機械的挿入は困難
と考えられる。

前記問題は作成方法が更に基板表面にほぼ垂直に少なく
とも１枚の高屈折率媒質板を保持する工程、干渉パター
ンの生ずる領域が高屈折率板の両側に存在するよう高屈
折率板を位置つける工程から成り、その結果高屈折率板
の位置でグレーテイノングに不連続が生ずるという本発
明にもとづき解決される。

本発明の一具体例において、上記方法に基づき基板上の
フォトレジスト層に干渉パターンを作成するための装置
はフォトレジスト層の所定の領域に干渉パターンを作成
するよう方向づけられた２本のコヒーレントなビームの
発生源を含むものである。

その装置は基板の導波路層にほぼ垂直で所期の領域に接
する少なくとも１枚の高屈折率媒質板を含み、２本のビ
ーム各々の一部をその高屈折率板を通過後フォトレジス
ト層上に入射している。その結果高屈折率板の位置に不
連続を示すグレーティング共振器が基板導波路上に作成
される。本発明の第１の利点は作成プロセス時に１８０
度移相器を機械的に挿入せすにステップあるいは不連続
を有する光導波路グレーティングを実現てきることであ
る。

本発明の第２の利点は１′破長ステップという最小の距
離て分離された２個の部分から成る光導波路グレーティ
ングを実現できることである。

本発明の第３の利点は同一の光導波路基板上に複数個の
タンデム型光共振器を作成、その結果複数の共振周波数
を有する光導波路フィルターを形成できることである。
本発明の図示した具体例においては、単一のレーザから
の出力をビームスプリッタ及びミラーから構成される部
分を通過させることにより２本のコヒーレントなビーム
が発生される。

２本のビーム各々の一部は高屈折率板を通過後光導波路
基板のフォトレジスト層上で他のビームと干渉を起す。

かかる具体例において、高屈折率媒質板とは光導波路基
板にほぼ垂直な位置に支持され、その位置で光導波路基
板に接する２個の溶融製ブ七ツクでサンドイッチ構造で
保持される高屈折率ガラス板である。高屈折率板により
ビームに対して±号あるいは９０度の位相シフトが導入
される。その結果、高屈折率媒質基板の右側の干渉パタ
ーンは第１のビームと９０度の位相シフトを受けた第２
のビームが干渉することにより生じ、高屈折率媒質板の
左側の干渉パターンは第２のビームと９０度の位相シフ
トを受けた第１のビームが干渉することにより生ずる。
フォトレジスト層上に生ずる干渉パターンは現象され、
周知のイオンビーム微細加工技術により基板上に光導波
路グレーティングが作成される。その結果得られるグレ
ーティングは高屈折率ガラス板に相当する位置に１１４
波長ステップあるいは不連続を有する。本発明の別の具
体例において、複数枚の高屈折率板を通して光ビームを
結合させることにより複数のタンデム型共振器が作成さ
れる。

各高屈折率板は光導波路にほぼ垂直な位置で隣接する高
屈折率板が互いに平行となるよう方向づけられる。以下
図面を参照して本発明を詳述する。第１図においてヘリ
ウムカドミウムレーザ１０は波長３２５０Ａ（約１０ミ
リワット出力）のコヒーレントなビーム３の光源である
。

そのコヒーレントなビームは空間フィルタ１１を通過し
、単一ガウスモードのビームとなる。この単一モードと
なつたビームはビーム拡張器１２によりビーム直径が１
乃至１０Ｔｎ１ＩＬに拡張される。その場合ビーム直径
は作成すべきグレーティングの寸法に基づき決定される
。ビーム拡張器１２により拡張されたビームはビームス
プリッター１３に入射し、その入力の一部は反射されコ
ヒーレントなビーム１となり、残りは透過し第２のコヒ
ーレントなビーム２となる。コヒーレントなビーム１，
２はそれぞれミラー１４，１５により反射され、ビーム
１，２は所期の空間面で干渉を起すよう方向づけられる
。

この所期の空間面とはフォトレジスト層上に光学的グレ
ーティングを作成するに有効な干渉パターンがビーム１
，２により発生される面のことである。ビーム１，２が
干渉を起す面はビーム１，２がそれぞれ溶融石英製ブロ
ック２１，２０中を通過するため、単純に第１図中の光
路の交差点によつて決定されるものではない。かかるよ
り密な媒質中を通過するとき、ビーム１，２は屈折し、
屈折後所期の空間面即ち光基板４０の表面に塗布された
フォトレジスト層上で干渉を起す。干渉パターンの生ず
る所期の空間面はミラー１４，１５の方向に依存して変
化する。

各ミラーはビームに対する入射角がθとなるよう設置さ
れており、その角度θを作成すべきグレーティングの周
期を変化させるため各ミラー１４，１５に対して変化さ
せることが可能である。よく知られているように、周期
を変化させるには同時に光基板４０の位置を変化させ、
フォトレジスト層上に干渉パターンが生ずる条件を満足
させる必要がある。ブロック２０，２１及び光基板４０
は一体となつた構造でビーム１，２に垂直な軸まわりに
第１図で角度φで示される方向に回転可能である。第１
図の光学用石英ブロック２０，２１を使用したブロック
構造の構成法を議論するのに関連して以下に記載される
理由により、この構造は回転される。光学用石英ブロッ
ク２０，２１の部分だけを第２図に示す。

図示した具体例において、ブロック２０，２１の各々の
高さＨ及び幅Ｗは約２５．４ｗｍ１長さは約５０．８Ｔ
ｓｎである。ブロック２０，２１は以下に記載されるよ
うに薄い高屈折率媒質板を中間にはさんで接着されてお
り、その結果全体のブロック長は約１０１．６ＷｆＬと
なつている。かかるブロック構造の作成は最初個々のブ
ロックに対して第２図２２から２７で示される光学表面
を研磨することから始まる。これら精密研磨された表面
は可能な限り平滑でビームに対する歪が最小となる必要
″がある。断面積約２５．４ｍ×２５．４Ｔｓｎである
高屈折率ガラス薄板は最小の広がり角をもつように両面
を光学研磨される。

研磨後、高屈折率ガラス薄板は紫外線Ｗ透過接着剤を用
いてブロック２０あるいは２１いずれか一方の精密研磨
された表面２４あるいは２５に接着される。続いて、こ
の高屈折率ガラス板はレンズ研磨技術を用いてその厚さ
Ｄが１０乃至２５ミクロンとなるまで研磨される。その
後その高屈折率ガラス板の表面にＵＶ透過接着剤が塗布
）され、もう一方のブロックの精密研磨表面２４あるい
は２５がこの高屈折率ガラスの表面に接着される。当然
のことながら本発明はこの特定の高屈折率ガラスの使用
に限定されるものではない。事実例えばプラスチックな
どの有機物薄膜を用いても容易に必要な高屈折率が得ら
れ、またより簡単な自己支持構造が可能となろう。以上
記載してきた方法により作成されるブロック構造は第２
図に示されるブロック構造の一部を拡大して第３図に示
す如く、サンドイッチ層構造を有する。

第３図に見られるように、ブロック２０の精密研磨面２
４と高屈折率ガラス板３０は紫外線透過接着剤３１で分
離されている。同様にブロック２１の精密研磨面２５と
高屈折率ガラス板３０も紫外線透過接着剤３２により分
離されている。紫外線透過接着剤層３１，３２は可能な
限り薄く例えば２５ミクロン以下とすることが望ましく
、またその屈折率は石英の屈折率にほぼ等しい値とする
ことが必要である。ブロック構造及び光基板に対する光
ビーム１，２の光路が第４図に示される。

第４図に示されるように、石英ブロック２１，２０はビ
ーム１，２が高屈折率ガラス板とフォトレジスト層の接
線を境界としてその両側のフォトレジスト層上に入射す
るよう設置される。光基板４０は硝酸銀溶液に浸された
一枚のスライドグラスで作成される。かかる工程におい
て、銀イオンはガラス中のナトリウムイオンと置換され
、その結果スライドグラスの表面に導波路層が形成され
る。第４図においてフォトレジスト層４１は光基板４０
とブロック２０，２１及び高屈折率板３０が一体となつ
た構造の間に存在することを明確にするためその寸法を
誇張して示されている。ブロック構造が第４図に示され
る位置にあるとき、それぞれビーム１，２の約半分は高
屈折率板３０中を通過し、フォトレジスト膜上で他のビ
ームと干渉を起こす。

この高屈折率ガラス板を通過するとき、光の正味の位相
変化は約±９０度となる。但し正確な位相シフトは高屈
折率板の厚さに依存する。その結果、高屈折率板の左側
に生する干渉パターンと高屈折率板の右側に生ずる干渉
パターンを比較すると約１８０度の位相変化が存在する
。干渉パターン露光後、フォトレジスト層は通常の方法
で現象され、続いてイオンビーム微細加工技術により光
基板４０の表面に光グレーティングが形成される。Ｈ．
Ｌ．ガーピン（Ｇａｒｕｉｎ）等著“光集積回路構成要
素のイオンビーム微細加工法゛アプライドオプテイクス
第帛巻３号１９７３１ｆ−．３月ページ４５５−４５９
を参照。高屈折率板により各ビームに対してほぼ９０度
の位相シフトが与えられる結果、グレーティングはその
共振周波数に対して完全に対称な伝送特性を有すること
となる。

得られるグレーティングの伝送特性の対称性の確認は光
基板４０上の導波路層の一端に光源を接続し、基板４０
の他端の出力を測定することによりなされる。今所望の
１１破長ステップがグレーティングに形成されていると
すれば、上記測定の結果第５図に示される伝送特性が得
られる。第５図に示すように、１１４波長ステップを有
するグレーティングは単一波長λ。に対する狭帯域バン
ドパス特性を有する。高屈折率板３０がコヒーレントな
ビーム１，２に±９０度の位相シフトを与える場合にの
み伝送特性の完全な対称性が得られる。

高屈折率板の厚さが９０度でない位相シフトを生ずる場
合でも、高屈折率板３０をビーム１，２に垂直な軸まわ
りに第１図角度φで示される方向に回転することにより
対称な特性を実現することは可能である。かかる回転に
よソー方のビームに対しては高屈折率媒質の厚さは等価
的に増加し、他方のビームに対しては減少する。またφ
が数度である回転の結果１８０度となるべき全位相シフ
ト量が変化する。更に、回転により導入される位相シフ
トはφに関して非線形に変化し、従つて一方のビームの
位相シフトの増加分と他方のビームの位相シフトの減少
分は等しくない。従つて干渉パターンの位相シフトを１
８０度とする高屈折率板の厚さＤに対する許容範囲を広
くするためには、高屈折率板３０及び光基板４０を同時
にビーム１，２に垂直な軸まわりに回転すればよい。当
然のことながら、高屈折率板３０の厚さＤは導入される
１１破長ステップの次元を最小とするため可能な限り薄
くする必要がある。実際には９０度の位相シフトを与え
るような正確な厚さの高屈折率板を作成することは極め
て困難であるため、通常は対称な伝送特性を得るため第
１図の角度φを変化させて数枚の光基板を露光すること
が行われる。

その結果バンドパスのピーク５１の位置を角度φに対し
てプロットし、完全に対称な伝送特性を得るための基板
４０に対する正確な角度を決定する。以上記載してきた
型のグレーティングは分布帰還型レーザに対して使用さ
れる。

この型のグレーティングはグレーティングの中央に一個
のステップあるいは不連続を有する。所望の規則的な間
隔で互いに分離された数個の１′破長ステップを有する
グレーティングは光周波領域におけるタンデｂム型光共
振器として使用される。複数の１１破長ステップを有す
る後者のグレーティングは第６図に示される型の光ブロ
ック構造を使用することにより作成される。第６図にお
いて、ブロック６５，６６は第４図１におけるブロック
２０，２１と同様であるが、３枚の高屈折率媒質板６０
，６１，６２を使用したサンドイッチ構造で分離されて
いる点が異なつており、それらは互いは第６図６３，６
４で示される溶融石英製の小ブロックで分離されている
。

第１６図に示されるように、この場合ビーム１，２は多
数枚の高屈折率媒質中を通過するため９０度の位相シフ
トを数回起す。その結果得られるグレーティングは高屈
折率媒質板６０，６１，６２がフォトレジスト層４１に
接する線に対応する位置に１１２破長ステップを有する
こととなる。多数枚の高屈折率媒質板を用いる第６図の
構造においては、高屈折率板の厚さに対して厳密な制御
が要求される。

従つてこの場合には使用する媒質はガラス以外のものが
望ましい。蒸着法で形成２される膜の厚さをその場測定
することにより石英ブロック上に正確に制御された厚さ
を有する高屈折率媒質板を作成することが可能てある。
本発明においてはグレーティング上に作成可能な１１破
数ステップの数に制限はないことは明ら５かであろう。

ステップの数を増加するには、ビーム１，２の光路に高
屈折率ガラス板を余分につけ加えるだけでよい。以上本
発明を要約すると以下に記載する通りである。

１導波路層を有する光基板上のフォトレジスト層に干渉
パターンを作成するための装置において、該装置がフォ
トレジスト層内の所期の領域に干渉パターンを作成する
よう方向づけられる２本のコヒーレントなビームを発生
するレーザ、そして、該導波路層にほぼ垂直で該所期の
領域に接して設置される少なくとも１枚の高屈折率板か
ら成り、該２本のビーム各々の入力の一部が該高屈折率
板中を通過後該フォトレジスト層に入射することにより
、該光基板の導波路層上に光グレーティング共振器が作
成される装置。

前記第１項に記載された装置において、該装置が更に２
個の溶融石英製のブロックを有し、そして該少なくとも
１枚の高屈折率媒質板が該２個の溶融石英製のブロック
によりサンドイッチ構造で機械的に所期の位置に保持さ
れている高屈折率ガラス板である装置。

前記第２項に記載された装置において、該２個の溶融石
英製のブロック各々が紫外線透過接着剤により該高屈折
率ガラス板に接着されている装置。

前記第１項に記載された装置において、該光基板及び少
なくとも１枚の高屈折率媒質板が該２本のコヒーレント
なビームの両方の光路に垂直な軸まわりに回転するユニ
ットの一部である装置。

ｊ前記第１項に記載された干渉パターン作成装置におい
て、該装置が該導波路層にほぼ垂直で該所期の領域に接
する位置に数枚の高屈折率媒質板を有する装置。

３光導波路グレーティング共振器作成法において、光導
波路基板にフォトレジストを塗布する工程、該光導波路
基板にほぼ垂直な面内に少なくとも１枚の高屈折率媒質
板を機械的に設置する工程、単一の光源から２本のコヒ
ーレントなビームを発生させ、所期の空間面の所期の領
域に干渉パターンが生ずるよう互いに方向づける工程、
該光導波路基板及び該少なくとも１枚の高屈折率媒質板
を含む構造を該フォトレジスト層が該所期の空間面にあ
りかつ該所期の領域が該高屈折率媒質板の両側にあるよ
う機械的に位置させる工程、該フォトレジスト層を現象
する工程、該干渉パターンに相当するパターンで該光導
波路にグレーティングを微細加工技術で形成する工程か
ら成る作成法。

７前記第６項に記載された方法において、該少なくとも
１枚の高屈折率媒質板を機械的に設置する工程が光学用
溶融石英製のブロックをそれに対する高屈折率媒質板の
表面に接着する工程を含む作成法。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するため構成された装置を一部模
式的に示した図、第２図は本発明に用いられる高屈折率
ガラス板により分離された２個の溶融石英製ブロックを
示した図、第３図は第２図の溶融石英製ブロックと高屈
折率ガラス板の界面の拡大図、第４図は第１図に示され
る装置において光プロセスを示す模式図及び光路図、第
５図は本発明により作成される型のグレ．−テイングに
対する透過率の波長依存性を示す図、及び第６図は複数
のタンデム型光導波路グレーティング作成に用いられる
複数枚の高屈折率板を有する具体例における光プロセス
を示す模式図及び光路図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 干渉パターンが所定の空間面のある領域に作成され
   るよう２本のコヒーレントなビームを互いに方向づける
   工程、及び該所定の空間面に導波路基板を位置づける工
   程から成るフォトレジスト層を表面に有する導波路基板
   にグレーティングを作成する方法において；該方法は更
   に基板の表面にほぼ垂直な方向に少なくとも１枚の高屈
   折率媒質板を保持する工程、及び干渉パターンの生ずる
   領域が高屈折率媒質板の両側にあり、その結果高屈折率
   板の位置でグレーティングに不連続が生ずるよう高屈折
   率板を基板表面に位置づける工程とから成ることを特徴
   とする方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のグレーティング作成法
   において、該方法は更に、前記２本のコヒーレントなビ
   ーム各々の一部が高屈折率媒質板を通過後フォトレジス
   ト層に入射するよう高屈折率板を前記２本のコヒーレン
   トなビームに対して方向づける工程を含むことを特徴と
   する作成法。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載のグレーティング作成
   法において、前記高屈折率板を保持し位置づける工程が
   ２個の溶融石英製のブロック間に該高屈折率板を機械的
   に保持する工程を含むことを特徴とする作成法。 ４ 特許請求の範囲第３項に記載のグレーティング作成
   法において、前記機械的に保持する工程が紫外線透過接
   着剤によつて２個の溶融石英製のブロックを高屈折率板
   に接着する工程から成ることを特徴とする作成法。 ５ 特許請求の範囲第２項に記載のグレーティング作成
   法において、前記保持、位置づけ、方向づける工程が基
   板表面に多数の不連続を有するグレーティング作成のた
   め多数枚の高屈折率媒質板をそれぞれ保持、位置づけ、
   方向づける工程から成ることを特徴とする作成法。 ６ 導波路層を有する基板上のフォトレジスト層に干渉
   パターンを作成する装置であつて、フォトレジスト層の
   所定の領域に干渉パターンを生ずるよう方向づけられた
   ２本のコヒーレントなビームを発生させるための光源を
   含む装置において；該装置が更に導波路層にほぼ垂直で
   所定の領域に接して設置される高屈折率媒質板を含み、
   それにより前記２本のビーム各々の一部がその高屈折率
   板中を通過後フォトレジスト層に入射することによつて
   不連続を示すグレーティング共振器が基板の導波路層上
   に作成されることを特徴とする装置。 ７ 特許請求の範囲第６項に記載の装置において、該装
   置が導波路層にほぼ垂直で所期の領域に接して設置され
   る多数枚の高屈折率板を含むことを特徴とする装置。