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特許7377253ハイブリッド・コヒーレント及びスペクトルビーム結合のための回折光学素子
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-10-31
(45)【発行日】2023-11-09
(54)【発明の名称】ハイブリッド・コヒーレント及びスペクトルビーム結合のための回折光学素子
(51)【国際特許分類】
G02B 5/18 20060101AFI20231101BHJP
H01S 3/067 20060101ALI20231101BHJP
H01S 3/10 20060101ALI20231101BHJP
G02B 5/28 20060101ALI20231101BHJP
【ＦＩ】
G02B5/18
H01S3/067
H01S3/10 D
H01S3/10 Z
G02B5/28
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2021502698
(86)(22)【出願日】2019-02-25
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-08-12
(86)【国際出願番号】 US2019019394
(87)【国際公開番号】W WO2019190670
(87)【国際公開日】2019-10-03
【審査請求日】2021-11-09
(31)【優先権主張番号】15/942,173
(32)【優先日】2018-03-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】520128820
【氏名又は名称】ノースロップ グラマン システムズ コーポレーション
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【氏名又は名称】中西 基晴
(74)【代理人】
【識別番号】100173565
【弁理士】
【氏名又は名称】末松 亮太
(74)【代理人】
【識別番号】100195408
【弁理士】
【氏名又は名称】武藤 陽子
(72)【発明者】
【氏名】ローゼンバーグ，ジョシュア・イー
【審査官】小西 隆
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１５／００３６２１８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０６９５９４８２（ＣＮ，Ａ）
【文献】国際公開第２００５／１２４４００（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１５－５０２６６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００８／００８４６０５（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ５／１８
５／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光学デバイスであって、平坦な上面を有する基板と、
前記基板の前記上面上に堆積される平坦な反射コーティングと、
前記反射コーティング上に堆積される最上誘電体層と、
前記基板の厚さ方向に直交する第１の方向において前記最上誘電体層の中に形成される周期構造体、及び前記基板の前記厚さ方向および前記第１の方向に直交する第２の方向において前記最上誘電体層の中に形成されるチャネルを有する周期格子と
を備え、
前記周期構造体は、前記周期格子のチャネル間周期性に対して直交する、前記チャネルの長さに沿った周期的変調を含む、光学デバイス。
【請求項2】
前記周期構造体は、異なる角変位を有するコヒーレントビームを結合するための回折光学素子として使用されるのに有効であり、前記周期格子は、異なる波長及び角変位を有するインコヒーレントビームを結合するためのスペクトルビーム結合器として使用するのに有効である、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項3】
前記光学デバイスは、ファイバ増幅器システムの一部である、請求項２に記載の光学デバイス。
【請求項4】
光学デバイスの製造方法であって、前記光学デバイスは、
平坦な上面を有する基板と、
前記基板の前記上面上に堆積される平坦な反射コーティングと、
前記反射コーティング上に堆積される最上誘電体層と、
前記基板の厚さ方向に直交する第１の方向において前記最上誘電体層の中に形成される周期構造体、及び前記基板の前記厚さ方向および前記第１の方向に直交する第２の方向において前記最上誘電体層の中に形成されるチャネルを有する周期格子と
を備え、
前記周期構造体は、前記周期格子のチャネル間周期性に対して直交する、前記チャネルの長さに沿った周期的変調を含み、
前記製造方法は、
前記周期構造体及び前記周期格子を、一度のエッチングプロセスによって同時に形成するステップを含む
光学デバイスの製造方法。
【請求項5】
前記製造方法が、ホログラフィックパターニング技法を利用して、干渉ビームによって前記最上誘電体層上に堆積されたフォトレジストコーティングを露光するステップを含む、請求項４に記載の光学デバイスの製造方法。
【請求項6】
前記ホログラフィックパターニング技法は走査ビーム干渉リソグラフィである、請求項５に記載の光学デバイスの製造方法。
【請求項7】
前記反射コーティングは複数の誘電体層を含む、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項8】
前記複数の誘電体層は、屈折率が高い誘電体層及び屈折率が低い誘電体層が交互に配置されるように堆積された複数の誘電体層である、請求項７に記載の光学デバイス。
【請求項9】
前記周期構造体の周期は１０μｍより大きく、前記周期格子の周期は２μｍより小さい、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項10】
前記最上誘電体層はシリカである、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項11】
前記基板はガラス又はシリコンである、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項12】
異なる角変位を有するコヒーレントビームを結合するための回折光学素子と、異なる波長及び角変位を有するインコヒーレントビームを結合するためのスペクトルビーム結合器とを備える光学デバイスであって、平坦な上面を有する平坦な基板と、
前記基板上に堆積される最上誘電体層と、
前記基板の厚さ方向に直交する第１の方向において前記最上誘電体層の中に形成され、前記回折光学素子を画定する周期構造体、及び前記基板の前記厚さ方向および前記第１の方向に直交する第２の方向において前記最上誘電体層の中に形成され、前記スペクトルビーム結合器を画定する、チャネルを有する周期格子と
を備え、
前記周期構造体は、前記周期格子のチャネル間周期性に対して直交する、前記チャネルの長さに沿った周期的変調を含む、光学デバイス。
【請求項13】
前記光学デバイスは、ファイバ増幅器システムの一部である、請求項１２に記載の光学デバイス。
【請求項14】
光学デバイスの製造方法であって、前記光学デバイスは、
異なる角変位を有するコヒーレントビームを結合するための回折光学素子と、異なる波長及び角変位を有するインコヒーレントビームを結合するためのスペクトルビーム結合器とを備え、
前記光学デバイスは、さらに、
平坦な上面を有する平坦な基板と、
前記基板上に堆積される最上誘電体層と、
前記基板の厚さ方向に直交する第１の方向において前記最上誘電体層の中に形成され、前記回折光学素子を画定する周期構造体、及び前記基板の前記厚さ方向および前記第１の方向に直交する第２の方向において前記最上誘電体層の中に形成され、前記スペクトルビーム結合器を画定する、チャネルを有する周期格子と
を備え、
前記周期構造体は、前記周期格子のチャネル間周期性に対して直交する、前記チャネルの長さに沿った周期的変調を含み、
前記製造方法は、
前記周期構造体及び前記周期格子を、一度のエッチングプロセスによって同時に形成するステップを含む、光学デバイスの製造方法。
【請求項15】
前記製造方法が、ホログラフィックパターニング技法を利用して、干渉ビームによって前記最上誘電体層上に堆積されたフォトレジストコーティングを露光するステップを含む、請求項１４に記載の光学デバイスの製造方法。
【請求項16】
前記ホログラフィックパターニング技法は走査ビーム干渉リソグラフィである、請求項１５に記載の光学デバイスの製造方法。
【請求項17】
前記周期構造体の周期は１０μｍより大きく、前記周期格子の周期は２μｍより小さい、請求項１２に記載の光学デバイス。
【請求項18】
異なる角変位を有するコヒーレントビームを結合するための回折光学素子と、異なる波長及び角変位を有するインコヒーレントビームを結合するためのスペクトルビーム結合器とを備える光学デバイスであって、平坦な上面を有する基板と、
前記基板の厚さ方向に直交する第１の方向において前記基板の中に形成され、前記回折光学素子を画定する周期構造体、及び前記基板の前記厚さ方向および前記第１の方向に直交する第２の方向において前記基板の中に形成され、前記スペクトルビーム結合器を画定する、チャネルを有する周期格子と
を備え、
前記周期構造体は、前記周期格子のチャネル間周期性に対して直交する、前記チャネルの長さに沿った周期的変調を含む、光学デバイス。
【請求項19】
前記光学デバイスは、ファイバ増幅器システムの一部である、請求項１８に記載の光学デバイス。
【請求項20】
光学デバイスの製造方法であって、前記光学デバイスは、
異なる角変位を有するコヒーレントビームを結合するための回折光学素子と、異なる波長及び角変位を有するインコヒーレントビームを結合するためのスペクトルビーム結合器とを備え、
前記光学デバイスは、さらに、
平坦な上面を有する基板と、
前記基板の厚さ方向に直交する第１の方向において前記基板の中に形成され、前記回折光学素子を画定する周期構造体、及び前記基板の前記厚さ方向および前記第１の方向に直交する第２の方向において前記基板の中に形成され、前記スペクトルビーム結合器を画定する、チャネルを有する周期格子と
を備え、
前記周期構造体は、前記周期格子のチャネル間周期性に対して直交する、前記チャネルの長さに沿った周期的変調を含み、
前記製造方法は、
前記周期構造体及び前記周期格子を同時に形成するステップと、
ホログラフィックパターニング技法を利用して、干渉ビームによって前記基板上に堆積されたフォトレジストコーティングを露光するステップとを含む、光学デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
[0001]本開示は、一般に、集積回折光学素子（ＤＯＥ：ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）及びスペクトルビーム結合（ＳＢＣ：ｓｐｅｃｔｒａｌ ｂｅａｍ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）グレーティングを含む光学デバイスに関し、より詳細には、コヒーレントビームに関するビーム結合と、インコヒーレントビームに関するスペクトルビーム結合との両方を提供する、ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングを有する集積光学素子に関し、ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングは、単一の製造ステップにおいて、素子の最上層内に製造される。
【背景技術】
【0002】
[0002]高出力レーザ増幅器は、産業用、商用、軍事用などを含む、数多くの適用例を有する。レーザ増幅器の設計者は、これらの適用例のためにレーザ増幅器の出力を上げる方法を絶えず研究している。１つの既知のタイプのレーザ増幅器は、ドープファイバ及びポンプビームを利用して、レーザビームを生成するファイバレーザ増幅器であり、ファイバは約１０μｍ～２０μｍ又はそれより大きいアクティブコア径を有する。
【0003】
[0003]その理論的出力及びビーム品質限界に接近するように、ファイバレーザ増幅器設計を改善してファイバの出力電力を高めてきた。ファイバ増幅器の出力電力を更に高めるために、いくつかのファイバレーザシステムは複数のファイバレーザを利用し、それらのファイバレーザが、より高い出力を生成するようにして、シードビームを増幅及び結合する。このタイプのファイバレーザ増幅器システムに関する設計課題は、ビームが、そのビームが小さい焦点に合焦できるようにビーム径にわたって均一な位相を有する単一のビーム出力を与えるように、複数のファイバからのビームをコヒーレントに結合することである。結合されたビームを長い距離（遠距離場）において小さい焦点に合焦させることにより、ビームのビーム品質が規定され、個々のシードビームがコヒーレントであるほど、結合された位相が均一になり、ビーム品質が良好になる。
【0004】
[0004]１つの既知の複数ファイバ増幅器設計では、主発振器（ＭＯ：ｍａｓｔｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）がシードビームを生成し、シードビームは複数のスプリットシードビームに分割され、各スプリットシードビームは、各シードビームが増幅される共通の波長を有する。増幅されたビームは、その後、コリメートされ、回折光学素子（ＤＯＥ）に送られ、回折光学素子が、増幅されたコヒーレントビームを単一の出力ビームに結合する。ＤＯＥは素子の中に形成される周期構造体を有し、それぞれがわずかに異なる角度方向を有する個々の増幅されたビームが周期構造体によって向きを変更されるときに、全てのビームがＤＯＥから同じ方向に回折するようにする。全てのシードビームの位相がコヒーレントに保持されるように、各シードビームが、ビームの位相を制御する位相変調器に与えられる。しかしながら、帯域幅及び位相誤差に関する制約が、コヒーレントに結合することができる増幅されたビームの数を制限し、それにより、レーザの出力電力を制限する。
【0005】
[0005]これらの制約を克服し、レーザ出力を更に高めるために、異なる波長においてシードビームを生成するために複数の主発振器が設けられ、その場合に、個々の波長のシードビームはそれぞれいくつかのスプリットシードビームに分割され、シードビームの各グループは同じ波長を有し、互いにコヒーレントである。それぞれの波長におけるコヒーレントシードビームの各グループはＤＯＥによって最初にコヒーレントに結合され、その後、コヒーレントに結合されたビームの各グループは、わずかに異なる角度においてスペクトルビーム結合（ＳＢＣ）グレーティングに送られ、スペクトルビーム結合（ＳＢＣ）グレーティングは、同じ方向のビームを、複数の波長からなる単一の結合ビームとして回折させる。また、ＳＢＣグレーティングは、異なる波長においてビームを結合するための周期構造体も備える。
【0006】
[0006]このタイプのハイブリッド・ファイバレーザ増幅器システムが、本出願の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれている、２００８年１０月１４日にＲｏｔｈｅｎｂｅｒｇらに対して発行された、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｈｙｂｒｉｄ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ ａｎｄ Ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ（ハイブリッド・コヒーレント及びインコヒーレント回折ビーム結合のための方法及びシステム）」と題する米国特許第７，４３６，５８８号において見られる。’５８８特許は、ハイブリッド・ファイバレーザ増幅器システムに関する種々の実施形態を開示し、各実施形態は、上記で論じられたように、コヒーレントビーム結合を与えるためのＤＯＥ、及びスペクトルビーム結合を与えるためのＳＢＣグレーティングを含む。１つの特定の実施形態において、’５８８特許は、ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングを組み合わせて単一の光学素子にし、その素子において、ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングのための周期構造体は互いに直交する。
【0007】
[0007]本出願の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれている、２０１６年８月１６日にＲｏｔｈｅｎｂｅｒｇに対して発行された、「Ｈｙｂｒｉｄ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇ（ハイブリッド回折光学素子及びスペクトルビーム結合グレーティング）」と題する米国特許第９，４１７，３６６号が、’５８８特許において開示されたファイバレーザ増幅器システムにおいて利用されるのに適している集積ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングを備える光学デバイスを開示する。その光学デバイスは、１つの方向において光学的に平坦な基板の上面の中に、ＤＯＥのための周期構造体を画定する周期パターンを形成することによって製造される。多層誘電体高反射（ＨＲ：ｈｉｇｈ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングが、周期パターンと共形をなし、正確に再現されるように、基板上に堆積される。ＨＲコーティング上に最上誘電体層が堆積され、最上誘電体層も周期パターンと共形をなし、第１の方向に直交する第２の方向においてＳＢＣグレーティングのための周期溝を形成するようにエッチングされる。’３６６特許の光学デバイスは、一体化されたＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングとして有効であることがわかっているが、光学的な性能及び製造の複雑度の改善を実現することができる。例えば、’３６６光学デバイスの製造工程は、ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングに関して別々の製造ステップを要求する。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】別々のＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングを含む、既知のファイバレーザ増幅器の概略的な平面図である。
【図2】集積ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングを含む、既知のファイバレーザ増幅器の概略的な平面図である。
【図3】既知の集積ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングの等角図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
[0013]集積ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングを含む光学デバイスに向けられる本開示の実施形態に関する以下の検討は、実際には例示にすぎず、本開示又はその適用例若しくは用途を制限するつもりは全くない。
【0010】
[0014]図１は、複数のＮ個の主発振器（ＭＯ）１２を含む既知のファイバレーザ増幅器システム１０の概略図であり、各主発振器は、光ファイバ１４上に、わずかに異なる波長λ１、λ２、．．．、λＮを有する別々のビームチャネル又は波長グループ１６に適した線幅のシードビームを生成する。また、ＭＯ１２は、後続の増幅において非線形性を抑圧するために、その線幅を広げる位相変調器も組み込むことができる。各ファイバ１４上のシードビームはビームスプリッタ１８に送られ、ビームスプリッタは、シードビームを複数のＭ個のスプリットシードビームに分割し、各スプリットビームは別々の位相変調器２０に与えられる。各波長グループ１６内のスプリッタ１８及び複数の位相変調器２０は別々のデバイスであるが、単一のチップ上で実現することができるので、ここでは単一のデバイスとして示される。位相変調器２０は、後に論じられるように、全てのビームがコヒーレントであり、互いに同相であるように、各スプリットシードビームの位相を補正する。この非限定的な実施形態では、各波長グループ１６は５つのシードビームを有するが、各波長グループ１６内のシードビームの数は、特定の適用例に適した任意の数にすることができ、本明細書では、Ｍ個のシードビームとして表される。位相変調器２０からのＭ個のスプリットシードビームはそれぞれファイバ増幅器２２に送られ、増幅器２２は、光ポンプビーム（図示せず）を受光するファイバ２４のドープされた増幅部を表す。
【0011】
[0015]Ｍ個のファイバ２４の各波長グループ１６は、全てのファイバ２４からの全ての増幅されたビームが結合され、増幅されたビーム３０の２次元ファイバアレイ２８が規定されるように、適切な光学デバイス２６によってシードビームの１次元アレイに結合され、アレイ２８内のビーム３０の各列は、波長グループ１６のうちの１つの波長グループ内のファイバ２４からのビームであり、同じ波長λｉを有する。ただし、列ごとに、ｉ＝１、２、３、．．．、Ｎである。ビーム３０の向きを可視化できるように、アレイ２８はビーム３０の伝搬経路から９０度だけ回転していることは理解されよう。アレイ２８内のビーム３０の構成は、波長が長い方のビーム３０間の間隔が広くなるような向きにおいて示されることに留意されたい。詳細には、波長λ１は、例示のために、最も短いと仮定されるので、最も左の列内のビーム３０の波長λ１は互いに近接しており、波長λＮは最も長いと仮定されるので、アレイ２８の最も右の列内のビーム３０の波長λＮは、更に離間している。
【0012】
[0016]アレイ２８からのＭ×Ｎ個の増幅されたビーム３０は、コリメート用光学系３６によってコリメートされ、ビーム３０は、アレイ２８内のその位置の結果として、わずかに異なる伝搬角を有する。コリメートされた増幅されたビーム３０はＤＯＥ３８に向けられ、ＤＯＥは、同じ場所においてＤＯＥ３８上の全てのビーム３０の最適な重なりを確保するために、コリメート用光学系３６の後方焦点面に位置決めされる。ＤＯＥ３８は周期構造体を有する光学素子であり、コヒーレントであるそれぞれの列内のビーム３０をアレイ２８内のＮ個の列ごとにそれぞれの単一のビームに誘導し、わずかに異なる方向に伝搬しているそれぞれの波長λｉ（ただし、ｉ＝１、２、３、．．．、Ｎ）において、Ｎ個のコヒーレントに結合されたビーム４０がＤＯＥから反射されるようにする。また、ＤＯＥ３８は、ＤＯＥ非効率性の結果として、いくつかの不要の次数のビーム４２を回折させる。適切な位相整合の結果として、波長λｉの各グループ１６からのＭ個のビームが効率的に結合される。
【0013】
[0017]ＤＯＥ３８によって回折するＮ個の結合ビーム４０は、波長λｉごとに１つの、Ｎ個の低電力サンプルビームが生成されるように、スプリッタ４４によってサンプリングされる。ただし、各サンプルビームはわずかに異なる角変位を有する。レンズ４６が、Ｎ個のサンプルビームを、光検出器のような、空間的に離間した位相検出器４８に合焦させ、各検出器４８は、ＤＯＥ３８によって結合されたＮ個の特定の波長のうちの１つにおいて、Ｍ個の成分ビームの位相を検出する。位相検出器４８は、特定の波長λｉにおいて結合ビームの位相を測定し、電気測定信号を同期位相プロセッサ５０に与え、検出器４８ごとに別々のプロセッサ５０が設けられる。
【0014】
[0018]同期検出器方式が結合ビーム内のシードビームごとの成分位相信号を区別できるように、周波数変調（ＦＭ：ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）若しくは振幅変調（ＡＭ：ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）に関して異なる周波数を使用する、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ：ｃｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ）若しくは時分割多元接続（ＴＤＭＡ：ｔｉｍｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ）に関して異なる符号を使用するなどにより、成分ビームを位相又は振幅において一意にディザリング又は符号化することによって、位相検出器４８からの単一の出力においてＮ個の各結合ビーム内の成分ビームの位相を区別することができる。そのような技法は、例えば、本出願の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれている、２００８年３月１８日にＲｏｔｈｅｎｂｅｒｇらに対して発行された、「Ｍｕｌｔｉ－Ｓｔａｇｅ Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ（コヒーレント回折ビーム結合のためのマルチステージ方法及びシステム）」と題する米国特許第７，３４６，０８５号において開示される。各同期位相プロセッサ５０は、位相検出器４８からの測定信号内の異なる成分位相を復号し、ファイバ増幅器２２内の個々のシードビームの位相を調整することによって、全ての成分シードビームが位相同期するように、対応する位相変調器２０に送られるシードビームごとに位相誤差補正信号を生成する。増幅されたビームのアレイが十分に重なり、単一のビームに結合されるので、ＤＯＥ上のビーム間に間隙は存在せず、フィルファクタが低いことに起因するサイドローブが除去され、出力ビームを概ね回折限界のスポットに合焦させて、ビームの全結合電力によって与えられる輝度の理論的限界に概ね達することができる。
【0015】
[0019]ビームサンプラ４４を通り抜けるＮ個の角変位した結合ビーム４０は中継光学系５４によって中継され、ＳＢＣグレーティング５６上に結像し、要求される入射角を保持しながら、様々な波長の全Ｎ個の結合ビーム４０のスペクトルビーム結合を与える。角度偏差を厳密に補償するために、ＳＢＣグレーティング５６の角分散に応じて、Ｎ個の各結合ビーム４０の波長λｉが選択される。ＳＢＣグレーティング５６は、異なる角度を有するＮ個の結合ビーム４０を共通の方向に回折させる周期的格子構造を含む。したがって、ファイバ増幅器システム１０の出力において、単一の回折限界出力ビーム６０が与えられ、ファイバ増幅器システムは、高い効率で、そして不要の回折次数の電力を低く抑えながら、Ｍ×Ｎ個の全てのビームを結合する。
【0016】
[0020]ＤＯＥ３８及びＳＢＣグレーティング５６は、その上に突き当たる光ビームを反射する反射構造体として示されるが、他のファイバレーザ増幅器システム設計は、ＤＯＥ又はＳＢＣグレーティングに突き当たる光ビームが光学素子を通って伝搬する透過素子を利用できることに留意されたい。
【0017】
[0021]図２は、ファイバレーザ増幅器１０に類似の既知のファイバレーザ増幅器システム７０の概略図であり、同じ要素は同じ参照番号によって識別される。増幅器システム７０は、上記で論じられた個別のＤＯＥ３８及びＳＢＣグレーティング５６の代わりに、コヒーレントビーム及び異なる波長のビームの両方を結合する単一の光学素子を提供する集積ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティング光学素子７２を備える。これは、増幅器システムのための光学素子の数が少なく、サイズがコンパクトであるという利点を与える。レンズ４６に向けられた低電力サンプルビームは、光学素子７２内のＳＢＣグレーティングからの０次反射である。ＳＢＣグレーティングからの１次以上の回折ビームは、出力ビーム６０の一部である。光学素子７２を製造するために、特定の数のＭ個のビームの結合、それゆえ、位相関数φ（ｘ）に関するＤＯＥ設計が実施される。
【0018】
[0022]上記で参照された’３６６特許は、光学素子７２として使用するのに適している集積ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングを開示する。図３は、’３６６特許からの図７を再現したものであり、基板８０、多層ＨＲコーティング８６及び最上誘電体層９２を含む光学素子７４を示す。ＤＯＥ周期構造体８２がｘ方向において基板８０の高さｈ（ｘ）の中に形成され、コーティング８６及び層９２は、堆積するときにそのパターンに従う。これは滑らかな高さ関数ｈ（ｘ）＝λ［φ（ｘ）／４π］を定義し、それは通常、波長λほどの大きさからなり、周期ｄを有する、光学面の１つの軸に沿った位置の周期関数である。ファイバアレイ２８内のＮ個の列ごとに、波長λは比λｉ／ｄを決定し、それは、その列内のＭ個のビームの要求される角度分離を与える。フォトレジスト層を堆積及びパターニングし、既知のホログラフィ技法又はリソグラフィ技法を用いてフォトレジスト層を露光することなどによって、最上層９２をエッチングして、ｙ方向においてＳＢＣグレーティングチャネル９４を形成し、それにより、素子７４はＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングの両方を備える。
【0019】
[0023]以下に論じられるように、本開示は、同じく光学素子７２として使用されるのに適しており、製造ステップ数の削減、並びに精度及び効率が高いＤＯＥのような、素子７４より優れた特定の利点を提供する、集積ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングを有する光学素子を提案する。
【0020】
[0024]図４は、光学素子７２のために使用することができる集積ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティング光学素子１００のための製造ステップの縦断面図である。図５は、最終的な製造ステップ後の素子１００の平面図であり、図６は等角図である。素子１００は、数ミリメートルから数センチメートル厚であり、光学的に平坦な表面を有する、ガラス又はシリコンのような基板１０２と、基板１０２上に堆積される多層誘電体高反射（ＨＲ）コーティング１０４とを備える。多層コーティング１０４は、屈折率が高い誘電体層１０６及び屈折率が低い誘電体層１０８を交互に配置したものを含み、その多くが当該技術分野において知られている。この非限定的な実施形態において、各層１０６及び１０８は、その光学的な厚さが約４分の１波長λであり、全ての層１０６及び１０８の全厚は５μｍから１０μｍ程度とすることができる。ＨＲコーティング１０４上に、その厚さが数μｍ以下である、シリカ又は別の適切な酸化物のような最上誘電体層１１０が堆積される。
【0021】
[0025]層１１０上にフォトレジストコーティング１１２が堆積され、エッチングプロセスのためにパターニングされ、エッチングプロセスにより、ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングのための周期構造体が画定される。したがって、’３６６特許において行われたように、基板１０２内にＤＯＥのための周期パターンを形成し、コーティング１０４がそのパターンと共形をなすようにする代わりに、ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングのための両方の周期パターンが一度のエッチングプロセスによって同時に形成される。より具体的には、層１１０は、ｘ方向において周期的である関数Δｙ（ｘ）によって記述される距離だけｙ方向においてシフトした溝位置を有するＤＯＥ周期構造体１１４と、ｙ方向において周期的であり、ＳＢＣグレーティングのための周期構造体を与える、適切に成形されたチャネル又は溝１１６とを同時に生成するように、その上面内にエッチングされる。この非限定的な実施形態において、溝１１６は、特定の適用例に合わせて長方形の断面形状を有する。しかしながら、当業者には理解されるように、台形、鋸歯、三角形などの、他の適用例に合わせた他の形状も同様に適用可能である。ＤＯＥのための周期構造体１１４はｘ方向において形成されるが、’３６６特許のＤＯＥのための周期構造体は基板に出入りするように形成され、その結果として最上層９２の高さが変動するのに対して、本開示では、ＤＯＥのための周期構造体１１４は、層１１０を画定する平面にわたって溝位置を変更することによって形成されることに留意されたい。
【0022】
[0026]周期構造体１１４のための溝位置関数Δｙ（ｘ）は、典型的には対象波長程度の大きさを有し、ｘ方向に沿って周期的であり、周期ｄを有する、滑らかに変化する関数である。ファイバアレイ２８内のＮ個の列ごとに、波長λｉが比λｉ／ｄを決定し、それは、その列内のＭ個のビームの要求される角度分離を与える。ｘ方向に関する溝縁部の最大角が通常、数十ｍｒａｄ程度に小さいように、周期構造体１１４の周期は通常、対象ビームの波長λの約１００倍又はそれより大きい。ＤＯＥのための周期構造体１１４の通常の周期は、コヒーレントビームを結合するために約１００μｍであり、ＳＢＣグレーティングのための溝１１６の周期は、変化する波長のビームを結合するために、通常、約０．５μｍから１μｍであることに留意されたい。
【0023】
[0027]上記で論じられた一体化されたＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングのための同じ光学的機能は、透過光学素子に関して与えることができる。透過光学素子の場合、ＨＲコーティング１０４が除かれ、基板１０２が直接、パターニング及びエッチングされるか、又は基板１０２上に直接、若しくは反射防止（ＡＲ：ａｎｔｉ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）多層誘電体コーティングの上に、キャップ層が被着され、エッチングされる。また、集積ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングデバイスが透過性デバイスである場合には、コーティング１０４及び誘電体層１１０のいずれかが含まれる必要があるか、含まれる必要がない場合があり、集積ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングデバイスが反射性デバイスである場合には、コーティング１０４及び誘電体層１１０がいずれも必要とされることに留意されたい。
【0024】
[0028]ホログラフィック製造工程を利用することができ、その工程では、突き当たるビーム間の干渉パターンがフォトレジストコーティング１１２を露光する明暗縞を生成し、ＤＯＥ及びＳＢＣグレーティングを画定するのに必要な周期パターンを生成する。両方の直交する周期構造体を達成するために、コーティング１１２は一直線の干渉縞によって露光されるのではなく、縞位置、それゆえ、溝１１６は、ｘ方向に沿って変化する。基本格子周期がｐである場合には、溝１１６がその正常な周期的位置からｙ方向に沿ってΔｙ（ｘ）だけシフトする結果として、回折ビームの位相がφ（ｘ）＝２πΔｙ（ｘ）／ｐだけシフトする。’３６６特許では、位相シフトがφ（ｘ）＝４πｈ（ｘ）／λであるように、基板をエッチングしてｘ方向に沿って表面高ｈ（ｘ）を変更することによって、ｘ方向に沿って変化する位相シフトが達成された。したがって、シフトした格子溝位置Δｙ（ｘ）によって、必要なｘ方向依存性の位相変動φ（ｘ）を与え、ＤＯＥ機能を達成するために、ＳＢＣグレーティング書き込みプロセス自体が利用される。
【0025】
[0029]走査ビーム干渉リソグラフィ（ＳＢＩＬ）のような、縞及び溝位置の要求されるｘ方向依存性を達成するのに適した任意のホログラフィックパターニング技法を使用することができる。ＳＢＩＬによれば、照明される焦点において縞を形成する２つの成分ビーム間の相対位相を変更しながら、合焦した露光ビームがフォトレジストコーティング１１２にわたって走査される。ラスター走査を利用することができ、ビーム間の相対位相φ（ｘ）を変更し、それゆえ、ｘ方向に沿った位置の関数として縞のｙ方向位置Δｙ（ｘ）を変更しながら、ｘ方向が走査される。ラスター走査は光学素子１００にわたって連続したｙ方向位置において進行し、露光縞の位置における同一のｘ方向変動、及び対応する周期的に配置された溝を再現し、それにより、要求される回折位相変動φ（ｘ）を与える。位相関数φ（ｘ）はＳＢＩＬにおいて電子制御されるので、溝位置関数Δｙ（ｘ）は、非常に正確であり、’３６６特許において必要とされる高さエッチングプロセスよりも正確にすることができ、それゆえ、現在説明されている方法は、より正確で、効率的なＤＯＥ機能をもたらすことができる。結果として、広範なＤＯＥ位相設計を縞及び格子溝位置に組み込むことができ、ｘ方向における合焦走査ビームの限界分解能は１μｍ（ミクロン）から数μｍ（ミクロン）にすることができる。したがって、ＳＢＩＬ技法は、ｘ方向における溝位置に関して、μｍスケールの変化を可能にする。通常、格子周期ｐは、約１μｍのような２μｍ未満であるのに対して、ｘ方向に沿ったＤＯＥのための変化のスケールははるかに遅く、約１００μｍのように、１０μｍより大きい。それゆえ、結果として生じる回折光学系はｘ方向に沿ってゆっくり変化する溝位置を有し、それは、いくつかのビームをスペクトル結合するための、ｙ方向に沿った従来のグレーティング機能だけでなく、ＤＯＥコヒーレントビーム結合機能も提供するように適応させることができる。代替の実施形態では、ｙ方向に沿ったラスター走査を利用して、ＤＯＥのための周期的に変化する溝位置パターンΔｙ（ｘ）を与えることができ、溝をシフトするために、走査の合間にＳＢＩＬビーム間の位相が調整される。
【0026】
[0030]図７は、ＤＯＥ周期構造体１１４と、上記で参照されたようにしてＳＢＣグレーティングを与える溝１１６とを同時に生成するのに適している既知のＳＢＩＬシステム１２０のブロック図である。システム１２０は、図４に示される製造ステップにおいてその上に光学素子１００が取り付けられ、その位置がステージコントローラ１２４によって制御されるＸ－Ｙ並進ステージ１２２を備える。光源１２８からの光ビーム１２６がビームスプリッタ１３２によって分割され、一方のスプリットビームが音響光学変調器（ＡＯＭ：ａｃｏｕｓｔｏ－ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）１３６によって変調され、他方のスプリットビームがＡＯＭ１３８によって変調される。ＡＯＭ１３６及び１３８の変調は周波数シンセサイザ１３４によって制御され、周波数シンセサイザは、特定の周波数の音響信号を、ビームがそこを通って伝搬するＡＯＭ１３６及び１３８内の光学素子（図示せず）に与え、それにより、素子内に音響回折格子が作り出され、当業者に十分に理解されるようにして、ビームの周波数シフトが引き起こされる。変調されたスプリットビームが素子１００上の反射体１４０及び１４２によって誘導されるときに、ＡＯＭ１３６及び１３８によって生成される相対位相差が、周期的な縞位置において空間変動を与え、溝位置を画定する干渉パターンを生成するように、周波数シンセサイザ１３４からの音響周波数信号は、スプリットビーム間に、時間的に変化する相対位相差を与えるように選択される。ＡＯＭ１３６からのスプリットビームのサンプル部分はビームスプリッタ１４４によってサンプリングされ、その位相が位相検出器１４６によって測定され、ＡＯＭ１３８からのスプリットビームのサンプル部分はビームスプリッタ１４８によってサンプリングされ、その位相が位相検出器１５０によって測定される。検出器１４６及び１５０からの測定された位相はプロセッサ１５２において比較され、プロセッサは、所望の干渉パターンを与えるように周波数シンセサイザ１３４を制御する。素子１００上の干渉スポットが、ＤＯＥ周期構造体１１４のための起伏を有する溝１１６を作り出すパターンにおいて移動するように、ステージコントローラ１２４は、上記で参照されたようなラスター走査プロセスにおいてステージ１２２を移動させる。
【0027】
[0031]上記の検討は、本開示の例示的な実施形態を開示し、説明するにすぎない。添付の特許請求の範囲において規定されるような本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、種々の変形、変更及び改変を加えることができることは、そのような検討から、そして添付の図面及び特許請求の範囲から当業者は容易に認識されよう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】