JP2014215518A

JP2014215518A - 性能可変回折格子

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Publication number: JP2014215518A
Application number: JP2013094064A
Authority: JP
Inventors: 曲　克明; Katsuaki Magari; 克明曲; 阿部　淳; Atsushi Abe; 淳阿部; 弘和竹ノ内; Hirokazu Takenouchi
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2014-11-17
Anticipated expiration: 2033-04-26
Also published as: JP6047061B2

Abstract

【課題】反射率と反射波長帯域を変化させることが可能な性能可変回折格子を提供すること。
【解決手段】性能可変回折格子は、基板上に平坦に堆積された堆積物上に形成されており、形成された基板の一部に、幅Ｘ、長さＬ、深さｄの屈折液充填用溝１２、１３が掘られており、その間に幅Ｗのテラス部１１が残された形状となっている。屈折液充填用溝１３は周期的な鋸歯状型になっており、テラス部１１の一部に入り込んでいる。屈折液充填用溝１２、１３は、任意の屈折率を持つ液体を充填可能であり、充填する液体の屈折率を変えることにより回折格子の基本特性である反射率と反射波長帯域を任意に変化させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、性能可変回折格子に関し、より詳細には狭帯域な波長特性を有する性能可変回折格子に関する。

従来、波長フィルタの１つとして、光ファイバ中に回折格子が描き込まれたファイバグレーティング（以下、ＦＢＧと略記）が用いられてきた。図１５に、従来のＦＢＧの構成を示す。ＦＢＧは光ファイバと同材料であることから光ファイバとの整合性が良く、狭帯域な波長特性を得る波長フィルタとして用いられる。例えばファイバアンプの励起用光源として使われる０．９８μｍ帯の半導体レーザ（以下、ＬＤ）の波長を約１ｎｍの波長範囲内に安定するためＦＢＧが広く使用されている。ＦＢＧの作製は、紫外線の干渉縞を光ファイバに照射し紫外線誘起屈折率変化により周期的な屈折率変化を光ファイバ中に形成することで行なっている。

一方で最近ではバイオ分野等で利用される蛍光顕微鏡において波長変換光が利用されている。波長変換光では蛍光タンパク質の励起用として従来のＬＤでは発生できないような波長発生が可能となる。特に分布帰還型（以下、ＤＦＢ）構造の実現が難しい波長ではＬＤの発振帯域をＦＢＧを用いて狭帯域化が行われている。

また、可視光を得るために用いる波長変換素子の位相整合帯域幅は狭いため、実用上、波長安定化は必須の要件である。図１６に、波長０．５５９μｍの黄緑色光を和周波発生によって得るための位相整合条件の一例を示す。グラフはニオブ酸リチウム（以下、ＬＮ）の温度をスキャンした時の特性を示し、最大出力となる波長をゼロとして離長により表してある。半値幅は約０．８℃となっており、０．９８μｍ半導体レーザの発振波長をスキャンした場合の換算係数０．１ｎｍ／℃を用いると、半値全幅として約８０ｐｍと非常に狭くなっている。このためＦＢＧを使って０．９８μｍ半導体レーザの発振スペクトルを狭帯域に抑え込む必要があることがわかる。

波長変換光に要望される仕様はそのまま励起ＬＤにおける仕様に還元されるため、コストを含めたＬＤとＦＢＧの最適設計を行う必要がある。

ＦＢＧを用いた波長変換光発生用の励起ＬＤでは、電流−光出力特性において表れるキンクと呼ばれる不連続点の発生や、発振スペクトル幅の狭帯域化、疑似モードシングル発振によるノイズ特性の劣化といった問題がある。蛍光顕微鏡の仕様においても、連続波（以下、ＣＷ）光として使用、変調機能を搭載する、低ノイズが必要など様々な要求があり、それに加えて高額でも高機能な性能を必要とする利用法やとにかくローコストでの利用といった様々なニーズがあり、それぞれに対応したＬＤとＦＢＧの組み合わせが必要となる。

ＬＤとしては波長帯が合ったものを市場で入手することが可能であるが、材料系の違いや性能がメーカーによって異なるため、最終的にはＦＢＧによって個別な仕様に対応するように最適化検討を行う必要がある。ＦＢＧの主な性能は（Ａ）反射率、（Ｂ）反射波長帯域、（Ｃ）中心波長によって決められる。

特許第４８４３５０６号公報

しかしながら、実際のＦＢＧは位相マスク法か二光束干渉法のような方法を用いて１つの固定した特性を持つものとして作製されるため、１つのＦＢＧで（Ａ）〜（Ｃ）、特に（Ａ）と（Ｂ）を可変にすることはできないという課題があった。そのため最適なＦＢＧを決めるには複数のＦＢＧを用意する必要があり、またＦＢＧをそのたびに接続する作業もあるため、開発に大きなコストと時間がかかっていた。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、反射率と反射波長帯域を変化させることが可能な性能可変回折格子を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、性能可変回折格子であり、基板上に平坦に堆積された堆積物上に形成されたテラス部に周期的な溝を有する鋸歯状型溝が形成され、前記鋸歯状型溝が任意の屈折率を持つ液体を充填可能な液溜であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の性能可変回折格子において、前記テラス部に前記鋸歯状型溝が複数形成されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の性能可変回折格子において、前記テラス部の両端にスポットサイズ変換構造が形成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の性能可変回折格子において、前記スポットサイズ変換構造は、前記回折格子に接続された光ファイバからの伝搬光をコリメート光にすることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の性能可変回折格子において、前記スポットサイズ変換構造は、リッジ構造のテーパー形状であることを特徴とする。

本発明による回折格子を用いることで、１つの回折格子を取り外しすることなく反射率と反射波長帯域を変化させることが可能となる。これにより例えば、この回折格子によって決定した性能を持つＦＢＧを使用することで仕様に適した半導体レーザを歩留まりよく作製することができ、バイオ分野等で測定ツールとして用いられている蛍光顕微鏡の仕様変化にスピーディに対応ができ、医療分野の発展に大きく寄与することができる。

本発明の実施形態１に係る回折格子を示す図である。本発明の実施例１の回折格子を用いてＬＤに接続した場合の回折格子の透過特性を示す図である（ＣＡＳＥ−I）。本発明の実施例１の回折格子を用いてＬＤに接続した場合の特性を示す図であり（ＣＡＳＥ−I）、（ａ）は電流に対する光出力特性、（ｂ）は電流に対する発振ピーク波長特性、（ｃ）は電流に対するＬＤ発振スペクトル特性を示す図である。本発明の実施例１の回折格子を用いてＬＤに接続した場合の回折格子の透過特性を示す図である（ＣＡＳＥ−II）。本発明の実施例１の回折格子を用いてＬＤに接続した場合の特性を示す図であり（ＣＡＳＥ−II）、（ａ）は電流に対する光出力特性、（ｂ）は電流に対する発振ピーク波長特性、（ｃ）は電流に対するＬＤ発振スペクトル特性を示す図である。本発明の実施例１の回折格子を用いてＬＤに接続した場合の回折格子の透過特性を示す図である（ＣＡＳＥ−III）。本発明の実施例１の回折格子を用いてＬＤに接続した場合の特性を示す図であり（ＣＡＳＥ−III）、（ａ）は電流に対する光出力特性、（ｂ）は電流に対する発振ピーク波長特性、（ｃ）は電流に対するＬＤ発振スペクトル特性を示す図である。本発明の実施形態２に係る回折格子を示す図である。本発明の実施例２の回折格子を用いてＬＤに接続した場合の回折格子の透過特性を示す図である（ＣＡＳＥ−ＩＶ）。本発明の実施例２の回折格子を用いてＬＤに接続した場合の回折格子の透過特性を示す図である（ＣＡＳＥ−Ｖ）。本発明の実施例２の回折格子を用いてＬＤに接続した場合の回折格子の透過特性を示す図である（ＣＡＳＥ−ＶＩ）。本発明の実施形態３に係る回折格子を示す図である。本発明の回折格子中を伝搬する光のモードサイズを示す図である。本発明の実施形態４に係る回折格子を示す図である。従来の回折格子であるＦＢＧを示す図である。波長０．５５９μｍの黄緑色光を第二高調波発生によって得るためのＬＮの位相整合曲線を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１を例として、本発明に係る性能可変回折格子を説明する。この性能可変回折格子は、シリコン基板上に平坦に堆積された石英系化合物ＳｉＯ_２上に形成されており、形成された基板の一部に、幅Ｘ、長さＬ、深さｄの屈折液充填用溝１２、１３が掘られており、その間に幅Ｗのテラス部１１が残された形状となっている。屈折液充填用溝１３は周期的な鋸歯状型になっており、テラス部１１の一部に入り込んでいる。ここではＸ＝５０μｍ、Ｌ＝２０ｍｍ、Ｗ＝５μｍ、ｄ＝１μｍとした場合について説明する。またここで述べる回折格子は波長０．９８μｍ用に対するもので、本来は１次の回折格子となる溝０．３４μｍを用いるべきであるが、作製の容易さを優先して２次の周期間隔を０．６８μｍで作製した。

（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係る回折格子を示す。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＰＱにおける断面図である。ＣＡＳＥ−Iとして溝部１３に屈折率１．４５４の屈折液Ａを垂らすことにより、伝搬光に対して溝部１２、１３でリッジ部の屈折率１．４５より約１．３×１０^−５だけ高い屈折率となる条件を実現した。これにより図２のような透過率５５％（反射率４５％）で半値幅１８ｐｍのグレーティング特性が得られた。尚、図中の点線は半値幅を読み取るための補助線である。この回折格子の両端に光ファイバをコリメート光にして接続し、一方の光ファイバの１ｍ離れた先に０．９８μｍ帯ＬＤを、他端の光ファイバの先にコネクタを接続してＬＤ評価を行ったところ、基本特性として図３（ａ）〜（ｃ）のような特性が得られた。図３（ａ）は電流に対する光出力特性、図３（ｂ）は電流に対する発振ピーク波長特性、図３（ｃ）は電流に対するＬＤ発振スペクトル特性である。

次にＣＡＳＥ−IIとして屈折液Ａを洗浄剤の使用により溝部から除去後、屈折率１．４５２の屈折液Ｂを溝部に充填し、伝搬光に対して溝部１２、１３でリッジ部の屈折率１．４５より約１．０×１０^−５だけ高い屈折率となる条件を実現した。これにより図４のような透過率６７％（反射率３３％）で半値幅１８ｐｍのグレーティング特性が得られた。尚、図中の点線は半値幅を読み取るための補助線である。このときのＬＤの基本特性として図５（ａ）〜（ｃ）のような特性が得られた。図５（ａ）は電流に対する光出力特性、図５（ｂ）は電流に対する発振ピーク波長特性、図５（ｃ）は電流に対するＬＤ発振スペクトル特性である。

また同様にＣＡＳＥ−IIIとして屈折率１．４５１の屈折液Ｃを溝部に充填し、伝搬光に対して溝部１２、１３でリッジ部の屈折率１．４５より約７．５×１０^−６だけ高い屈折率となる条件を実現した。これにより図６のような透過率９５％（反射率５％）で半値幅１８ｐｍのグレーティング特性が得られた。尚、図６中の点線は半値幅を読み取るための補助線である。このときのＬＤの基本特性として図７（ａ）〜（ｃ）のような特性が得られた。図７（ａ）は電流に対する光出力特性、図７（ｂ）は電流に対する発振ピーク波長特性、図７（ｃ）は電流に対するＬＤ発振スペクトル特性である。電流とともにスペクトル幅が広がっていく様子がよくわかる。

この中からキンクがあまり大きくなく、電流により波長変化が小さくなっておりかつスペクトル幅の広がりも小さい電流に対する発振ピーク波長特性から屈折液Ｂの特性が最も必要とする仕様に近く、この構成と同等のＦＢＧを採用することにした。このように市販の屈折液を複数種用意しておき、充填する屈折液の変更のみにより１本のＦＢＧで反射率を任意に変更できるため、研究開発段階の回折格子仕様を容易に決めることが可能である。

この場合、溝部１２に屈折液Ａは垂らしても垂らさなくてもよいし、図１３に示すように伝搬光が溝１２の影響がないように設定すれば溝部１２をあえて作らなくてもよい。

（実施形態２）
図８（ａ）、（ｂ）に、本発明の実施形態２に係る回折格子を示す。図８（ｂ）は、図８（ａ）のＰＱにおける断面図である。実施形態２の実施形態１との違いは、溝部１２が溝部１２Ａ、溝部１２Ｂ、溝部１２Ｃと分かれており、溝部１３が溝部１３Ａ、溝部１３Ｂ、溝部１３Ｃと分かれている点である。尚、溝部１３Ａ、溝部１２Ｂ、溝部１３Ｃの周期的な溝は同一の光路上に形成されている。

各溝の長さＬ_Ａ、Ｌ_Ｂ、Ｌ_Ｃはそれぞれ６．７ｍｍ、６．７ｍｍ、６．６ｍｍであり、Ｌ＝２０ｍｍは実施形態１と同じである。回折格子の両端に光ファイバをコリメート光にして接続し、一方の光ファイバの１ｍ離れた先に０．９８μｍ帯ＬＤを、他端の光ファイバの先にコネクタを接続してＬＤ評価を行うことは、実施形態１と変わらない。但し、実施形態２では実施形態１の評価に用いたＬＤとは別のＬＤを用いた。

このような条件下でＣＡＳＥ−ＩＶとして溝部１３Ａ、１２Ｂ、１３Ｃに屈折率１．４５１の屈折液Ｃを充填することで、ＣＡＳＥ−IIIとほぼ変わらない反射率５％で半値幅約１０ｐｍのグレーティング特性（図９）が得られた。尚、図９中の点線は半値幅を読み取るための補助線である。

次にＣＡＳＥ−Ｖとして洗浄剤の使用により全ての溝部から屈折液Ｂを除去後、屈折率１．４５１の屈折液Ｃを溝部１３Ａと１２Ｂに充填し、溝部１３Ｃに屈折率１．４５の屈折液Ｘを充填（比屈折率として〜０．０％）した。この場合、屈折液充填用溝１３Ｃのかかった部分は溝の有無で屈折率差をもたないことからテラス部１１自体の特性を有することになる。すなわち回折格子長として３０ｍｍでなく、Ｌ_Ａ＋Ｌ_Ｂの２０ｍｍとして動作する。これにより、反射率５％であるが半値幅約２０ｐｍのグレーティング特性（図１０）が得られた。図中の点線は半値幅を読み取るための補助線である。尚、屈折液Ｃを溝部１２Ａと１３Ｂに充填し、溝部１２Ｃに屈折液Ｘを充填してもよい。

ＣＡＳＥ−ＶＩとして同様に洗浄剤の使用により全ての溝部から屈折液Ｂを除去後、屈折率１．４５１の屈折液Ｃを溝部１３Ａのみに充填し、溝部１２Ｂと１３Ｃに屈折率１．４５の屈折液Ｘを充填（比屈折率として〜０．０％）した。この場合、屈折液充填用溝１２Ｂ、１３Ｃのかかった部分は溝の有無で屈折率差をもたないことからテラス部１１自体の特性を有することになる。すなわち回折格子長として３０ｍｍでなく、Ｌ_Ａのみの１０ｍｍとして動作する。これにより、反射率５％であるが半値幅４８ｐｍのグレーティング特性（図１１）が得られた。尚、図中の点線は半値幅を読み取るための補助線である。

このように市販の屈折液を複数種用意しておき、回折格子を構成する材料の回折格子と同一の屈折液を併用することにより、回折格子の半値幅を変化させることができる。回析格子部は長いほど狭帯域な反射特性が得られるが、均一性の観点からも作製バラツキが生じやすい。従って出来るだけ必要以上に長くしたくないため、回折格子の最適長を見つけるのにも有効である。

充填する屈折液の変更のみにより１本のＦＢＧで半値幅を任意に変更できるため、研究開発段階の回折格子仕様を容易に決めることが可能である。尚、ここでは溝部が３つに分かれていたが、２つ以上に分かれていれば同様の効果がある。また、実施形態２では、屈折液の変更のし易さを考え、Ａ、Ｂ、Ｃにおけるテラス部１１への溝の切り込み口を交互に変化させているが、どちら側に切り込みが入っても効果は同じである。

（実施形態３）
図１２に、本発明の実施形態３に係る回折格子を示す。実施形態３は、実施形態１、２の回折格子に対して両端に光ファイバ１５、１７を実装した構成となっている。本発明の回折格子の効果を有効に作用させるには、回折格子を伝搬する光が効果的に溝部１２、１３の間を透過する必要があるため、伝搬光はコリメートされていることが望ましい。そのため、実施形態３では、光ファイバ１５、１７と回折格子の間にレンズ１４、１６を用いて伝搬光をコリメートする構成を取っている。

図１３は図１（ａ）、図８（ａ）と同じく回折格子の断面を示すものであるが、伝搬光の透過領域２０は回折格子の効果が効率的に発揮できるようにテラス部１１の周期的な溝が形成されている領域に位置調整する。尚、この位置調整によって光が感じる回折格子の結合効率を変えることで、反射率や半値幅の調整を行うこともできる。

また、図１２に示す構成では、レンズの枚数としては片側１枚としているが、複数の構成を用いても構わない。

（実施形態４）
図１４に、本発明の実施形態４に係る回折格子を示す。回折格子が形成された基板上の回折格子部分の両側にリッジ構造のテーパー形状をしたスポットサイズ変更構造１８、１９を設けることで、実施形態３と同様に、伝搬中の光線のスポットサイズを変換して光線２０をテラス部１１の周期的な溝が形成されている領域に位置調整し、かつ、レンズを用いることなく回折格子中の伝搬光をコリメート光にすることができる。

尚、実施形態１〜４では、回折格子の反射率のみを変化させる方法と、半値幅のみを変化させる方法について記述したが、両者を組み合わせて反射率と半値幅を同時に最適化することもできる。

また、本願明細書における評価では回折格子用の周期として便宜上２次となる値を用いているが、加工精度の必要な１次の値を用いて作製を行なっても、同様の結果が得られる。

また、本発明が波長に関しては任意に使用可能であり、光学部品の接続がレンズ等を介して空間的に行なわれている場合も同様である。

また、本願明細書では石英系を基本とした光部品に関して述べているが、ＬＮや半導体を用いた導波路にテラス部１１、屈折液充填用溝１２、１３を形成しても同様の効果を奏する。

さらに、屈折液を硬化することで固体として安定した屈折率材料として用いることにより、ＦＢＧの代わりの回折格子としてそのまま用いること、また屈折液を硬化する、又は漏れ出ないように密封することでＦＢＧの代わりの汎用部品として用いることも可能である。

尚、中心波長に関しては、回折格子自体を温度制御することでサブｎｍ〜数ｎｍ程度可変できる。

さらに、図１４ではスポットサイズ変換構造としてテーパー導波路構造を示したが、スポットサイズを変換して光線２０をテラス部１１の溝の切り込みが形成されている領域に位置調整し、かつ、レンズを用いることなく回折格子中の伝搬光をコリメート光に設定すれば構造は任意である。

以上説明したように本発明によれば、回折格子の基本特性である反射率と反射波長帯域を任意に変化させることができるという従来では実現しえなかった特徴を有している。ＦＢＧ自体はかなり低コスト化が進んでいるが、最適化を行うためのテスト用として反射率と反射波長帯域を取り揃えることは開発コストから考えて難しい。このような回折格子を用いて例えばＬＤとの組み合わせを最適化するという方法は、波長によって得られるＬＤ特性はマチマチであり、その都度数種類のＦＢＧを用意するのは難しいので、開発コストや開発スピードの加速化に大きな効果がある。

１１テラス部
１２、１３屈折液充填用溝
１４、１６レンズ
１５、１７光ファイバ
１８、１９スポットサイズ変更構造
２０伝搬光の透過領域

Claims

基板上に平坦に堆積された堆積物上に形成されたテラス部に周期的な溝を有する鋸歯状型溝が形成され、前記鋸歯状型溝が任意の屈折率を持つ液体を充填可能な液溜であることを特徴とする性能可変回折格子。
前記テラス部に前記鋸歯状型溝が複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載の性能可変回折格子。
前記テラス部の両端にスポットサイズ変換構造が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の性能可変回折格子。
前記スポットサイズ変換構造は、前記回折格子に接続された光ファイバからの伝搬光をコリメート光にすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の性能可変回折格子。
前記スポットサイズ変換構造は、リッジ構造のテーパー形状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の性能可変回折格子。