NORIA（図1）は、世界初の市販FBG製造用リソグラフィシステムであり、エンドユーザーに多種多様なファイバーグレーティングの描画におけるスピードと柔軟性を提供します。高速描画プロセスにより社内での量産が可能になり、システムの柔軟性によりグレーティング設計の斬新な開発が可能になります。この組み合わせにより、エンドユーザーは強力な開発ツールを社内に保有できるというメリットに加え、設計が確定次第すぐに生産を開始できるというメリットも得られます。FBG製造の最も一般的な方法は、感光性ファイバを紫外線の干渉縞パターンで露光する手法です。NORIAでは、エキシマレーザーの出力を位相マスク（基本的には回折格子）に通すことでこれを実現します。位相マスクは入射レーザー光を様々な次数に回折させ、これらの次数はマスク近傍で重なり合い、光学的に干渉します。この干渉により、位相マスク周期の半分の間隔で、レーザー強度の高低が交互に現れる定常領域が形成されます。図2は、NORIAの動作原理の概略図を示しています。
NORIAに採用されたエキシマレーザーは、波長193nmで動作するCoherent社のExcistar XSです。Excistarの公称パルスエネルギーは1パルスあたり5mJ、最大繰り返し周波数500HzでUV域において2.5Wの出力を供給します。

図2: 位相マスク法を用いたFBG製造

Excistar内部に設置されたエネルギー検出器が各レーザーパルスのパルスエネルギーを測定し、高速制御ループがレーザーに高電圧設定値を供給します。制御アルゴリズムはパルスエネルギーの偏差を最小限に抑え、バースト照射時の累積総線量における高い再現性を保証します。外部レーザーシャッターを使用することで、実際の製造前にレーザー状態（ガス状態、パルスエネルギー制御など）をさらに検証することができます。
NORIAの光学アセンブリは、高品質の溶融シリカレンズとミラーで構成されており、ビームを効率的に拡大、回転、集光します。図3を参照してください。ビームは、位相マスク下のファイバーの位置で、長さ10 mm、幅20 μmの均一な線焦点が形成されるように調整されます。シリンドリカルレンズの上部に配置された開口スロットにより、より短いグレーティングや異なる照明プロファイル（アポダイズまたは均一）が可能になります。
NORIAは、回転ディスク上に搭載された最大16枚の高品質位相マスク（Ibsen Photonics社製）をサポートし、高い柔軟性と自動化を実現します。さらに、光ファイバーはモジュラー式ファイバ固定具に取り付けられ、この固定具はリニアステージ上に配置されてファイバの位置を調整します。新型ファイバグリッパーは、ファイバをピックアップし、マイクロメートル単位の精度と再現性でビームの焦点に位置決めします。NORIAに統合されたグリッパー、着脱式固定具、リボルバー、照明光学系、エキシマレーザーの組み合わせにより、様々なタイプのFBGを自動化し、信頼性の高い製造を可能にします。図3は、NORIA内部の個々のモジュールの概要を示しています。

図3: NORIAの機能モジュール

NORIA は、193 nm の放射からの高い光子エネルギーを使用します。このエネルギーは、純粋なシリカ ファイバー[6] 、希土類元素を添加したファイバー[7] 、リン酸ガラス ファイバーおよびフッ化物ガラス ファイバー[8]など、さまざまなタイプのファイバーで屈折率の変化をもたらすことが報告されています。ただし、最適なパフォーマンスはゲルマノシリケート ファイバーまたは水素を添加したファイバーを使用することで得られます。ゲルマノシリケート ファイバーの例としては、Fibercore 社の SM1500 シリーズが挙げられます。Fibercore社では、ゲルマニウムの濃度が異なるさまざまなタイプのファイバーを提供しています。ファイバーの光感度はゲルマニウムのドーパントレベルに応じて高くなることに注意してください。ただし、ゲルマニウムはファイバーの開口数 (NA) も拡大するため、シングルモード動作を維持するためにコア サイズを縮小する必要があります。3 つの異なるドーパント レベルについて、ゲルマニウム誘起の光感度がグレーティング強度 (または反射率) に与える影響を図 4 に示します。

図4: 3種類の異なるゲルマノシリケートファイバーを照射したときの格子強度の変化

あらゆるアプリケーションにおいて最も重要な FBG パラメータは、格子の中心波長であり、これは次の式によって決まります。

ここで、Neff はファイバーの有効屈折率、2 番目の記号は位相マスクのピッチです。位相マスクのピッチは ±0.01 nm の精度で選択されますが、ファイバーの有効屈折率を十分な精度で取得するのは、多くの場合困難です。さらに、ファイバーの製造プロセスの変動により、バッチ間で有効屈折率に差が生じます。ファイバーの有効屈折率は、ファイバー製造元から提供された NA を使用して計算できます。その後ピッチが目的の中心波長に対応する位相マスクを選択できます。
ただし、このアプローチでは、ファイバーの NA (または有効屈折率) の変動が考慮されません。
そのため、NORIA のファイバー固定具 (図 5) には、ファイバーに正確な予め張力を与えて中心波長を微調整する代替方法が組み込まれています。

図5: 高精度のpre-strain機能を統合したNORIAファイバー固定具

FBG の製造中にファイバーに張力を加えると、 FBG の中心波長が短波長側にシフトします。補正機構は単方向性であるため、実効屈折率の計算と位相マスクの選択は、ファイバーメーカーが報告する最大のファイバー NA に基づいて行う必要があります。このアプローチにより、NORIA エンドユーザーは、NA の変動を補正して、正しい FBG 中心波長が ±100 pm の精度で製造されることを保証できます。標準の 125 μm ファイバーに適用できる最大予張力は 4 N です。図6に示すように、4 N の予張力に対応する波長シフトは約 5 nm です。

図6: 製造時に125μmファイバにプレテンションをかけることでFBGの中心波長を調整

FBGの中心波長と反射率の他に、アプリケーションに応じて注目すべきパラメータとして、半値全幅（FWHM）とサイドローブ抑圧比（SLSR）があります（図7を参照）。

図7: SLSR、FWHM、中心波長を示すファイバーブラッググレーティング反射スペクト

FBGの1次光のFHWM（半値全幅）は、グレーティングの物理的な長さに強く依存します。グレーティングを短くすると、スペクトル幅は広くなります。NORIAではグレーティングの長さは、ビームの一部を遮る開口板を用いて調整できます。開口板は集光レンズの上に配置されます（図3参照）。この方法を用いることで、最大10mmから1mmまでのグレーティングを容易に作製できます。対応するFWHMは図8に示されています。

図 8: 格子長さの関数としての FBG スペクトル幅 (FWHM)。

FWHMと中心波長は、総累積照射量によっても影響を受けることに注意が必要です。例えば、Fibercore社 SM1500(6.4/125)ファイバーで高反射率グレーティング（反射率約99%）を製造する場合、有効屈折率の増加により中心ブラッグ波長が約150 pm赤方偏移することが観察されます。さらにFWHMは80 pmから約160 pmに増加します（図9を参照）。特定のFBGレシピを微調整する際には、照射量がFBGのスペクトル特性に与える影響を考慮する必要があります。

図9：累積光量に対するグレーティングのFWHMと中心波長の赤方偏移の変化。ファイバー：SM1500（6.4/125）

アプリケーションによっては、FBGスペクトルのサイドローブ強度を抑制する必要があります（図7のパラメータSLSRを参照）。例えば、波長分割多重化アプリケーションでは、隣接チャネルからのクロストークを最小限に抑えると同時に、光キャリア間の間隔を狭める必要があります。サイドローブ強度を低減する方法として、グレーティングプロファイルのアポダイゼーションが挙げられます。NORIAでは、グレーティング長手方向の照射プロファイルを調整することで、（ユーザー定義の）アポダイゼーションと均一プロファイルの両方に対応できます。図10は、均一プロファイルとアポダイゼーションされたグレーティングプロファイルの違いを示しています。

図10: 均一なアポダイズされた屈折率プロファイルの概略例

異なる照明プロファイルの切り替えは、物理的なグレーティング長の調整と同様に、アパーチャプレートを交換するだけで簡単に行えます。例えば、ガウスアポダイゼーション用のアパーチャプレートは、エキシマレーザーからの長方形ビームの特定の部分を遮断するように定義されます。NORIAのデフォルトの照明プロファイルは、Excistarからのトップハットビームによって決定される均一なプロファイルです（図11を参照）。アパーチャスロット位置の下にあるシリンドリカルレンズは、ビームの幅を約20μmの線幅に集光しますが、長さは変化しません（長さと幅は図11に示すとおりです）。

図11: 開口スロットの位置で測定されたレーザービームプロファイルと断面

ビームプロファイルとアポダイゼーションプロファイル設計（例：ガウス分布）を入力とすれば、開口プレートの寸法は簡単に計算できます。アルゴリズムはビームの一部を選択的に除去し、ビーム幅に沿って加算した結果を所望の照明プロファイルと比較します。この処理の例を図12に示します。この図では、ガウス分布（シグマ = 2 mm）の照明プロファイルの開口形状を計算しています。

図 12: a.) オリジナルのトップハットと目的のガウス照明プロファイル。
b.) 計算された絞り形状 (青はビームをブロックします) c.) 結果として得られる照明プロファイル。

図 13: ガウスアポダイズグレーティングと均一格子の FBG 反射スペクトル。

SLSR は、均一な照明を使用した場合の約 10 dB から、設計されたガウス照明プロファイルを使用した場合の約 18 dB 抑制まで増加することに注意してください。