JP4405952B2 - Refractive index adjusting device and refractive index adjusting method for planar optical circuit - Google Patents
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Description
本発明は、平面型光回路素子の製造装置に関する。より詳細には、平面型光回路素子における光導波路の屈折率調整装置および屈折率調整方法に関する。 The present invention relates to an apparatus for manufacturing a planar optical circuit element. More specifically, the present invention relates to a refractive index adjusting device and a refractive index adjusting method for an optical waveguide in a planar optical circuit element.
近年、シリコン基板または石英基板上に形成した石英系ガラス光導波路により構成されたプレーナ光回路(PLC:Planer Lightwave Circuit)の研究開発が盛んに行われている。アレイ導波路型波長合分波器(AWG)やマッハツェンダ干渉計、方向性結合器、熱光学スイッチなど機能素子が開発され、これらの高性能化が進んでいる。さらに、複数の機能素子を組み合わせることによって、様々な高機能なデバイスが実現されている。 In recent years, research and development of a planar lightwave circuit (PLC) composed of a silica-based glass optical waveguide formed on a silicon substrate or a quartz substrate has been actively conducted. Functional elements such as an arrayed waveguide type wavelength multiplexer / demultiplexer (AWG), a Mach-Zehnder interferometer, a directional coupler, and a thermo-optic switch have been developed, and their performance has been improved. Furthermore, various highly functional devices are realized by combining a plurality of functional elements.
光回路は、光の干渉現象を用いて様々な機能を実現している。光回路中において、伝搬光を複数に分岐させ、各々の伝播光の位相を高精度に制御し、再び合波させることによって伝播光同士を干渉させる。上述の位相制御は、分岐された光の伝搬する光導波路の長さの調整により行われ、それぞれの光導波路長を適切に設定することにより実現される。このとき、光導波路の長さ調整には、数nmから数十nmの非常に高い精度が要求される。しかしながら、実際の光回路作製プロセスにおいて、このような高い作製精度を実現することは非常に困難であり、作製した光導波路長には作製誤差が生じてしまう。このような作製誤差は、光回路の性能を著しく劣化させる。 The optical circuit realizes various functions by using an optical interference phenomenon. In an optical circuit, propagating light is made to interfere by branching the propagating light into a plurality, controlling the phase of each propagating light with high accuracy, and combining them again. The phase control described above is performed by adjusting the length of the optical waveguide through which the branched light propagates, and is realized by appropriately setting the length of each optical waveguide. At this time, for adjusting the length of the optical waveguide, a very high accuracy of several nm to several tens of nm is required. However, in the actual optical circuit manufacturing process, it is very difficult to realize such high manufacturing accuracy, and a manufacturing error occurs in the length of the manufactured optical waveguide. Such a manufacturing error significantly deteriorates the performance of the optical circuit.
このような作製誤差は、紫外光の照射によって調整をすることができる(非特許文献1)。Geが添加されたコア層に紫外光を照射すると、このコア層の屈折率を増加させることができる。光導波路の長さによって伝搬光の位相制御を行う場合、その光導波路によって与えられる位相量は、光導波路長と光導波路の屈折率との積によって決定される。従って、光回路作製プロセスにおいて発生する誤差のため、実際の光導波路長が所望の光導波路長から外れてしまった場合でも、光回路作製プロセス後に光導波路の屈折率を調整することによって、光導波路により与えられる位相量を所望の値に調整することが可能となる。 Such manufacturing errors can be adjusted by irradiation with ultraviolet light (Non-Patent Document 1). When the core layer to which Ge is added is irradiated with ultraviolet light, the refractive index of the core layer can be increased. When phase control of propagating light is performed by the length of the optical waveguide, the phase amount given by the optical waveguide is determined by the product of the optical waveguide length and the refractive index of the optical waveguide. Therefore, even if the actual optical waveguide length deviates from the desired optical waveguide length due to errors that occur in the optical circuit manufacturing process, the optical waveguide can be adjusted by adjusting the refractive index of the optical waveguide after the optical circuit manufacturing process. The phase amount given by can be adjusted to a desired value.
紫外光を用いた屈折率調整においては、数μmのサイズに集光した紫外光を、数μmのサイズの光導波路の中心に照射する必要がある。光ファイバのような単一の光導波路に紫外光を照射する屈折率調整装置においては、光ファイバのコア中で紫外光照射により発生する蛍光の強度を、その光ファイバ端面において測定することにより、紫外光を光ファイバのコアの中心に集光することができる。また、光ファイバの場合、蛍光がそのコア部の円柱構造のために屈折する。したがって、蛍光の発光場所によって、発光した蛍光の形状が変化する。そこで、光ファイバ端面において観察される蛍光の形状を観測することによっても、紫外光の照射位置を把握することができ、光ファイバのコアの中心に紫外光を照射することが可能となる(特許文献1)。 In the refractive index adjustment using ultraviolet light, it is necessary to irradiate the center of an optical waveguide having a size of several μm with ultraviolet light condensed to a size of several μm. In a refractive index adjusting device that irradiates a single optical waveguide such as an optical fiber with ultraviolet light, by measuring the intensity of the fluorescence generated by ultraviolet light irradiation in the core of the optical fiber at the end face of the optical fiber, Ultraviolet light can be collected at the center of the core of the optical fiber. In the case of an optical fiber, the fluorescence is refracted due to the cylindrical structure of the core. Accordingly, the shape of the emitted fluorescence changes depending on the emission location of the fluorescence. Therefore, by observing the shape of the fluorescence observed on the end face of the optical fiber, the irradiation position of the ultraviolet light can be grasped, and the center of the core of the optical fiber can be irradiated with the ultraviolet light (patent) Reference 1).
しかしながら、光ファイバのような1次元の光導波路ではなく、2次元に複雑に構成される平面型光波回路においては、上述した屈折率調整方法を使用することができない。平面型光回路は、複数の光導波路から構成され、直線光導波路や曲線光導波路が入り混じっている。さらに、これらの複数の光導波路が分岐・結合しているため、紫外光の照射位置において発生する蛍光を、光導波路の端面から直接モニタすることは困難である。また、平面型光回路の光導波路は、光ファイバのように同軸対称な構造を持たないため、蛍光の形状により紫外光の照射位置を制御することもできない。 However, the above-described refractive index adjustment method cannot be used in a planar lightwave circuit that is two-dimensionally complicated, not a one-dimensional optical waveguide such as an optical fiber. The planar optical circuit is composed of a plurality of optical waveguides, and a linear optical waveguide and a curved optical waveguide are mixed. Further, since the plurality of optical waveguides are branched and coupled, it is difficult to directly monitor the fluorescence generated at the irradiation position of the ultraviolet light from the end face of the optical waveguide. Further, since the optical waveguide of the planar optical circuit does not have a coaxial symmetry structure like an optical fiber, the irradiation position of ultraviolet light cannot be controlled by the shape of fluorescence.
平面型光波回路における紫外光による屈折率調整は、従来の光ファイバに用いられていた方法では光回路性能の低下させる場合もある。集光した紫外光が光導波路の中心からずれた位置に照射されると、光導波路の偏波軸が回転し、偏波クロストークの劣化や、光導波路損失の増大等の光回路の性能劣化が生じる。さらに、従来の方法では、光回路全体の特性変化を常にモニタすることにより、屈折率変化量の推定を行う必要がある。したがって、屈折率の制御が非常に難しく、屈折率調整装置の構成は非常に複雑となっていた。また、屈折率調整を行っている光回路面のモニタ用のために、可視光において光回路にその焦点を合わると同時に、照射する紫外光のスポット径を制御する機構を考慮していなかった。 Refractive index adjustment by ultraviolet light in a planar lightwave circuit may reduce the optical circuit performance by a method used in a conventional optical fiber. When the condensed ultraviolet light is irradiated to a position deviated from the center of the optical waveguide, the polarization axis of the optical waveguide rotates, and the optical circuit performance deteriorates such as polarization crosstalk degradation and optical waveguide loss increase. Occurs. Furthermore, in the conventional method, it is necessary to estimate the amount of change in refractive index by constantly monitoring the change in characteristics of the entire optical circuit. Therefore, it is very difficult to control the refractive index, and the configuration of the refractive index adjusting device is very complicated. In addition, for monitoring the optical circuit surface where the refractive index is adjusted, a mechanism that controls the spot diameter of the ultraviolet light to be irradiated at the same time as focusing on the optical circuit in the visible light was not considered. .
平面型光回路において光導波路の屈折率を調整する際には、紫外光の照射部分におけるスポット径も制御する必要がある。光導波路に照射される紫外光のスポット径により、光導波路に誘起される屈折率の複屈折の状態が変化するためである。このような複屈折は、同軸対称構造の光ファイバ等の屈折率調整においては問題とならず、平面型光波回路に特有の問題である。 When adjusting the refractive index of the optical waveguide in a planar optical circuit, it is also necessary to control the spot diameter at the irradiated portion of ultraviolet light. This is because the birefringence state of the refractive index induced in the optical waveguide changes depending on the spot diameter of the ultraviolet light applied to the optical waveguide. Such birefringence is not a problem in adjusting the refractive index of an optical fiber having a coaxially symmetric structure, but is a problem peculiar to a planar lightwave circuit.
本発明は以上の課題に鑑みてなされたもので、平面型光回路の光導波路に適切なスポット径に集光された紫外光を、そのコア部の中心に効率よく照射し、簡易な構成装置により、屈折率の調整および複屈折の発生量の制御が可能な屈折率調整装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and is a simple configuration device that efficiently irradiates the center of the core portion with ultraviolet light focused to an appropriate spot diameter on the optical waveguide of a planar optical circuit. Accordingly, an object of the present invention is to provide a refractive index adjusting device capable of adjusting the refractive index and controlling the amount of birefringence.
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、基板上に形成された石英系ガラスより構成された平面型光回路の光導波路のコア層に、前記基板の垂直方向または斜め方向から紫外光を照射することにより、前記コア層の屈折率を変化させる屈折率調整装置であって、紫外光を発生させる紫外光源と、前記紫外光源に光学的に接続され、前記紫外光のビーム径およびビーム広がり角を制御する紫外光ビーム制御部と、前記紫外光ビーム制御部からの紫外光を前記コア層に集光し、紫外光集光点において前記コア層から生じる蛍光を捕集し、可視光により前記紫外光集光点近傍の前記コア層をモニタするため可視光に対して前記平面型光回路の回路構成面にフォーカスをすることのできる紫外光集光部と、前記平面型光回路を固定し、3次元方向に移動可能な光回路固定用3次元ステージと、前記紫外光集光部の可視光の光路軸上において、前記紫外光集光点の近傍のコア層をモニタするモニタ部と、前記紫外光集光点において前記コア層から生じて前記紫外光集光部によって捕集された前記蛍光のスペクトルを測定する分光部とを備え、測定された前記蛍光のスペクトルに応じて、前記紫外光集光点の近傍の光導波路の光軸方向に垂直な方向に、前記光回路固定用3次元ステージの位置を制御しながら、前記紫外光を前記光導波路のコア層に照射して前記光導波路のコア層の屈折率を調整することを特徴とする。
In order to achieve such an object, the invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1の発明において、前記分光部は、波長600nm以下の蛍光と波長600nm以上の蛍光を分岐する分波部と、前記分波部により分岐された波長600nm以下の蛍光の強度を測定する第1の受光部と、前記分波部により分岐された波長600nm以上の蛍光の強度を測定する第2の受光部とを備えたことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the spectroscopic unit includes a demultiplexing unit that branches fluorescence having a wavelength of 600 nm or less and fluorescence having a wavelength of 600 nm or more, and a wavelength of 600 nm branched by the demultiplexing unit. A first light receiving unit that measures the intensity of the following fluorescence and a second light receiving unit that measures the intensity of the fluorescence having a wavelength of 600 nm or more branched by the branching unit are provided.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2いずれかの発明において、前記紫外光集光部は、少なくとも200nm以上600nm以下の波長の光が透過可能な集光用レンズであることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the invention according to the first or second aspect, the ultraviolet light condensing unit is a condensing lens capable of transmitting light having a wavelength of at least 200 nm to 600 nm. And
請求項4に記載の発明は、基板上に形成された石英系ガラスより構成された平面型光回路の光導波路のコア層に、前記基板に垂直方向または斜め方向から紫外光を照射することにより、前記コア層の屈折率を変化させることに基づいて、紫外光を発生させる紫外光源と、前記紫外光源に光学的に接続され、前記紫外光のビーム径およびビーム広がり角を制御する紫外光ビーム制御部と、前記紫外光ビーム制御部からの紫外光を前記コア層に集光し、紫外光集光点において前記コア層から生じる蛍光を捕集し、可視光により前記紫外光集光点近傍の前記コア層をモニタするため可視光に対して前記平面型光回路の回路構成面にフォーカスをすることのできる紫外光集光部と、前記平面型光回路を固定し、3次元方向に移動が可能な光回路固定用3次元ステージと、前記紫外光集光部の可視光の光路軸上において前記紫外光集光点の近傍のコア層をモニタするモニタ部と、前記紫外光集光点において前記コア層から生じて前記紫外光集光部によって捕集された前記蛍光のスペクトルを測定する分光部とを備えた屈折率調整装置において、屈折率を調整する方法であって、前記分光部において、波長420nm近傍の蛍光強度と波長650nm近傍の蛍光強度を測定するステップと、前記波長420nm近傍の蛍光強度と前記波長650nm近傍の蛍光強度の比を求めるステップと、前記比が最大となるように、前記紫外光集光点の近傍の光導波路の光軸方向に垂直な方向に、前記光回路固定用3次元ステージの位置を制御しながら、前記紫外光を前記光導波路のコア層に照射して前記光導波路のコア層の屈折率を調整するステップとを備えたことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, by irradiating the core layer of the optical waveguide of a planar optical circuit made of quartz glass formed on the substrate with ultraviolet light from a vertical direction or an oblique direction to the substrate. An ultraviolet light source that generates ultraviolet light based on changing a refractive index of the core layer, and an ultraviolet light beam that is optically connected to the ultraviolet light source and controls a beam diameter and a beam divergence angle of the ultraviolet light The ultraviolet light from the control unit and the ultraviolet light beam control unit is collected on the core layer, the fluorescence generated from the core layer is collected at the ultraviolet light condensing point, and near the ultraviolet light condensing point by visible light In order to monitor the core layer, an ultraviolet light condensing unit capable of focusing on the circuit configuration surface of the planar optical circuit with respect to visible light, and the planar optical circuit are fixed and moved in a three-dimensional direction. optical circuit for fixed that can be And Dimension stage, a monitor unit that monitors the core layer in the vicinity of the ultraviolet light condensing point in the optical path on the axis of the visible light of the ultraviolet light condensing part, the result from the core layer in the ultraviolet light condensing point A method for adjusting a refractive index in a refractive index adjusting apparatus comprising a spectroscopic unit that measures a spectrum of the fluorescence collected by an ultraviolet light condensing unit , wherein the spectroscopic unit has a fluorescence intensity near a wavelength of 420 nm. Measuring the fluorescence intensity in the vicinity of the wavelength of 650 nm, determining the ratio of the fluorescence intensity in the vicinity of the wavelength of 420 nm and the fluorescence intensity in the vicinity of the wavelength of 650 nm, and the ultraviolet light focusing point so that the ratio is maximized. The core layer of the optical waveguide is irradiated with the ultraviolet light while controlling the position of the optical circuit fixing three-dimensional stage in a direction perpendicular to the optical axis direction of the optical waveguide in the vicinity of the optical waveguide. Characterized by comprising the step of adjusting the refractive index of the waveguide core layer.
本発明の屈折率調整装置によれば、装置光学系の小型化、制御の簡易化を実現することができる。更に、紫外光ビーム制御部によって、ビーム径やビーム広がり角を制御することで、光導波路コア部の位置における紫外光のスポット径を制御し、複屈折の発生量の制御を行うことができる。 According to the refractive index adjusting device of the present invention, it is possible to realize downsizing of the device optical system and simplification of control. Furthermore, by controlling the beam diameter and the beam divergence angle by the ultraviolet light beam control unit, it is possible to control the spot diameter of the ultraviolet light at the position of the optical waveguide core part and control the amount of birefringence generated.
石英系ガラスからなるコア層に紫外光を照射すると蛍光が発生する。(非特許文献1)この蛍光は、ガラスに添加されたドーパントの種類によりスペクトルが異なる。したがって、Geが添加されたコア層とGeが添加されていないクラッド層とでは、異なる蛍光スペクトルが発生する。コア層に紫外光が照射されている場合、400nm付近の蛍光と560nm付近の2つの蛍光スペクトルが観測される。一方、クラッド層に紫外光を照射した場合、560nm付近の蛍光スペクトルのみが観測される。 When the core layer made of quartz glass is irradiated with ultraviolet light, fluorescence is generated. (Non-patent document 1) The spectrum of this fluorescence varies depending on the type of dopant added to the glass. Therefore, different fluorescence spectra are generated in the core layer to which Ge is added and the cladding layer to which Ge is not added. When the core layer is irradiated with ultraviolet light, fluorescence around 400 nm and two fluorescence spectra around 560 nm are observed. On the other hand, when the cladding layer is irradiated with ultraviolet light, only a fluorescence spectrum near 560 nm is observed.
従って、400nm付近の蛍光スペクトルレベルと、560nm付近の2つの蛍光スペクトルレベルを、分光部で測定することにより、紫外光が導波路の中心に照射されているか否かを判断可能となる。すなわち、400nmの蛍光スペクトルレベルが最大で、且つ、560nmの蛍光のスペクトルレベルが最小となる位置が最適な照射位置であり、この様な蛍光スペクトルが観測されるように、平面型光回路が固定された光回路固定用ステージの位置を制御する。 Therefore, it is possible to determine whether the center of the waveguide is irradiated with ultraviolet light by measuring the fluorescence spectrum level near 400 nm and the two fluorescence spectrum levels near 560 nm with the spectroscopic unit. That is, the optimal irradiation position is the position where the fluorescence spectrum level at 400 nm is the maximum and the fluorescence spectrum level at 560 nm is the minimum, and the planar optical circuit is fixed so that such a fluorescence spectrum is observed. The position of the optical circuit fixing stage is controlled.
400nmの蛍光は紫外光を照射することにより、その照射時間の経過とともに減少する。一方、560nmの蛍光は紫外光を照射することで増加する傾向がある。これらの蛍光の減少量や増加量を分光部で測定することで、紫外光を照射した光導波路に生じた屈折率の変化量を推定することも可能となる。 The fluorescence of 400 nm decreases with the lapse of the irradiation time when irradiated with ultraviolet light. On the other hand, the fluorescence at 560 nm tends to increase when irradiated with ultraviolet light. It is possible to estimate the amount of change in the refractive index generated in the optical waveguide irradiated with ultraviolet light by measuring the amount of decrease or increase in fluorescence in the spectroscopic unit.
このような紫外光の集光、蛍光の捕集、集光位置のモニタを1つの集光用レンズで併用することによって、屈折率調整装置の光学系の小型化、制御の簡易化を実現することができる。更に、紫外光ビーム制御部によって、ビーム径やビーム広がり角を制御することで、光導波路コア部の位置における紫外光のスポット径を制御できる。複屈折の発生状態を制御することができる。 By combining such ultraviolet light condensing, fluorescent light collecting, and condensing position monitoring with a single condensing lens, the optical system of the refractive index adjusting device can be reduced in size and simplified in control. be able to. Furthermore, the spot diameter of the ultraviolet light at the position of the optical waveguide core can be controlled by controlling the beam diameter and the beam divergence angle by the ultraviolet light beam controller. It is possible to control the occurrence of birefringence.
[実施例1]
図1は、本発明にかかる屈折率調整装置の構成を示す図である。波長244nmの連続発振型の紫外レーザを紫外光源4として用い、平面型光回路2中の光導波路1の屈折率調整を行う。紫外光源4は、紫外光紫外光ビーム制御部11に光学的に接続されている。紫外光紫外光ビーム制御部11から出る紫外光は、さらに、ダイックロックミラー8を経て光路を90度曲げられて、集光用レンズ3に入力される。集光用レンズ3に対向して光回路固定用3次元ステージ10が配置されている。光回路固定用3次元ステージ10上には、屈折率調整の対象となる平面型光回路2が固定される。ダイクロックミラー8の集光用レンズ3とは反対側には、2つのハーフミラー9b、9aが、集光用レンズ3の光軸上に配置されている。ハーフミラー9bの光軸に垂直方向には、平面型光回路2を照らす照明ランプ5が配置されている。また、ハーフミラー9aの光軸に垂直方向には、平面型光回路2において発生する蛍光を測定する分光部6が配置されている。ハーフミラー9aのさらに延長した光軸上には、モニタ部7が配置されている。モニタ部7は、屈折率調整を行う対象となる平面光回路2の光導波路1近傍の画像を検出するCCDなどを含んでいる。
[Example 1]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a refractive index adjusting apparatus according to the present invention. A continuous wave ultraviolet laser having a wavelength of 244 nm is used as the ultraviolet light source 4 to adjust the refractive index of the
本発明においては、紫外光原4からの紫外光の集光と、平面型光回路2上における紫外光を集光する部分の可視光による屈折率調整状態のモニタと、光導波路1において発する蛍光の捕集とを、1つの集光用レンズ3により行っているところに大きな特徴がある。このような光学系の構成により、屈折率調整装置の小型化、簡易化が図ることができる。
In the present invention, collection of ultraviolet light from the ultraviolet light source 4, monitoring of a refractive index adjustment state by visible light in a portion where the ultraviolet light is collected on the planar
このような光学系の構成により、分光部6において紫外光の集光点に発生する光導波路からの蛍光のみを捕集することができる。平面型光回路2を光回路固定用3次元ステージ10に固定し、モニタ部7によって認識される平面型光回路2の光導波路1の像を確認しながら、可視光において集光用レンズ3のフォーカスを合わせる。紫外光の集光位置およびスポット径の制御は、上述のように可視光に対して集光用レンズ3の位置を決定した上で、独立に、紫外光ビーム制御部11により制御される。
With such a configuration of the optical system, only the fluorescence from the optical waveguide generated at the condensing point of the ultraviolet light in the spectroscopic unit 6 can be collected. The planar
以下、本発明の特長的部分の1つである、光導波路に照射する紫外光のスポット径制御方法について説明する。紫外光を光導波路1に照射する際、光導波路1の位置を正確に把握するため、集光用レンズ3を通して光導波路1をモニタ部7によって観察する必要がある。このため、集光用レンズ3と光導波路1の距離は可視光のフォーカス距離と一致させておく必要がある。すなわち、集光用レンズ3と光導波路1の距離を一定に保ったままで、光導波路1における紫外光のスポット径を制御する必要がある。このスポット径の制御は、紫外光ビーム制御部11によって行われる。
Hereinafter, a spot diameter control method for ultraviolet light applied to an optical waveguide, which is one of the characteristic parts of the present invention, will be described. When irradiating the
図2は、紫外光ビーム制御部の具体的な構成を示す図である。紫外光ビーム制御部11は、2枚の凸レンズ21a、21bと2つの凸レンズ21a、21bの間に配置されたピンホール22により構成されている。紫外光源4側の凸レンズ21aとダイクロックミラー8側の凸レンズ21bの距離を変化させることによって、紫外光ビームの広がり角を変化させ、集光用レンズ3における紫外光の焦点距離を制御する。また、2つの凸レンズ21a、21bの間にピンホール22を配置することによっても、紫外光のビーム径の制御を行うことができる。
FIG. 2 is a diagram illustrating a specific configuration of the ultraviolet light beam control unit. The ultraviolet light
図3は、2つの凸レンズおよび集光用レンズを伝搬する紫外光の光路の計算結果を示す図である。2つの凸レンズ21a、21bのフォーカス距離はそれぞれ100mm、集光用レンズ3のフォーカス距離は10mmである。ピンホール22の径は5μmとした。2つの凸レンズ21a、21b間の距離は、図3の実線が300mm、点線が310mm、破線が290mmの場合を示す。
FIG. 3 is a diagram showing a calculation result of an optical path of ultraviolet light propagating through two convex lenses and a condensing lens. The focus distances of the two
図4は、紫外光の光路の計算結果を集光用レンズの焦点付近にて拡大して示した図である。2つの凸レンズ21a、21b間の距離を変化させることによって、紫外光の集光点を光軸方向に前後に変化させることができることがわかる。すなわち、紫外光ビーム制御部11により集光用レンズ3における紫外光のフォーカス距離を独立して変化させることができる。したがって、可視光に対するフォーカスを光導波路1に一致させたままで、集光用レンズ3の位置を動かすことなく、光導波路1に照射される紫外光のスポット径を変化させることが可能となる。
FIG. 4 is an enlarged view of the calculation result of the optical path of the ultraviolet light near the focal point of the condensing lens. It can be seen that the focal point of the ultraviolet light can be changed back and forth in the optical axis direction by changing the distance between the two
図5は、紫外光ビーム制御部による紫外光の集光点の制御の様子を説明する図である。図5各図では、集光用レンズ3と平面型光回路2の断面上において、紫外光が集光される様子を示している。図5aでは、紫外光の集光点がちょうとコア部51の位置と一致している。一方、図5bにおいては、集光点はコア部51よりも図上方の集光用レンズ3側に位置している。集光点は、コア部51に対して光軸方向にdefocusで示した距離だけずれた位置に制御されている。図5a、図5bからも理解されるように、集光用レンズ3の光軸上のコア部51における紫外光のスポット径は、集光点の位置を変化させることによって制御できる。
FIG. 5 is a diagram for explaining how the ultraviolet light condensing point is controlled by the ultraviolet light beam control unit. Each figure of FIG. 5 shows a state in which ultraviolet light is condensed on the cross section of the condensing
図6は、スポット径を制御した場合の紫外光ビームプロファイルを示す図である。導波路位置における紫外光ビームプロファイルをナイフエッジ法によって測定したものである。2枚の凸レンズ21a、21bのフォーカス距離は100mm、集光用レンズ3のフォーカス距離は10mm、ピンホールの径は5μmとした。図6のビームプロファイルにおいて、振幅がピーク値の1/e2(13.533%)となる2点の幅を、スポット径とした。図6aにおいては、defocus=0μm、すなわち、スポット径が最小の場合を示しており、この時のスポット径は8μmである。図6bは、defocus=200μmの場合を示しており、この時のスポット形は30μmであった。
FIG. 6 is a diagram showing an ultraviolet light beam profile when the spot diameter is controlled. The ultraviolet light beam profile at the waveguide position is measured by the knife edge method. The focus distance of the two
以上、詳細に説明したように、紫外光ビーム制御部11によって、集光用レンズ3を固定したままで、紫外光の集光点を制御することができ、平面型光回路2のコア部51におけるスポット径の制御も可能である。一方、集光用レンズ3は、モニタ部7において光導波路1の像を観察できるように、可視光のフォーカス距離にその位置を決定できる。紫外光の集光、蛍光の捕集、集光位置における調整箇所の可視光モニタを、1つの集光用レンズ3で併用することにより、屈折率調整装置の光学系の小型化、簡易化を実現することができる。
As described above in detail, the ultraviolet light
本発明の光学系構成においては、集光用レンズ3の光軸を平面型光回路2に対し垂直でなく、垂直軸から数度傾けることによって、平面型光回路2の基板裏面や光導波路1以外で発生した蛍光、または紫外光の反射光を分光部6に捕集するのを防ぐことができる。これにより、雑音成分を低減することが可能となり、屈折率調整の制御性が向上する。さらに、垂直軸から数度傾けることにより、平面型光回路2に入射した紫外光と平面型光回路2の基板内部で反射された紫外光とが干渉することが原因で、コア部付近での紫外光強度の一様性が劣化することを防ぐこともできる。
In the configuration of the optical system of the present invention, the optical axis of the condensing
また、集光用レンズ3は、紫外光(244nm)、蛍光(500nm近傍、640nm近傍)、モニタ光 (可視光450nm〜750nm)の3種類の光を透過させる必要がある。少なくとも、モニタ光および蛍光の波長は重複する場合もあり、最小限、紫外光と蛍光が透過させることのできる集光用レンズを用いる必要がある。
The condensing
次に、光導波路の中心部を確実に捕捉し、紫外光を光導波路に照射しながら屈折率調整を行う方法について説明する。先にも述べたように、偏波クロストークの劣化や、光導波路損失の増大等の光回路の性能劣化を防止するためには、集光された紫外光を光導波路の中央に沿って、照射する必要がある。光ファイバと異なり、平面型光波回路は直線光導波路や曲線光導波路からなり、それらが分岐したり合流したりする。よって、光導波路のレイアウトに追従しながら、正確に光導波路の中心に沿って紫外光を照射する必要がある。これは、集光用レンズ3によって捕集した光導波路からの蛍光を、分光部6によりスペクトル解析することで、実行できる。
Next, a method for reliably capturing the center portion of the optical waveguide and adjusting the refractive index while irradiating the optical waveguide with ultraviolet light will be described. As described above, in order to prevent the deterioration of the performance of the optical circuit such as the deterioration of the polarization crosstalk and the increase of the optical waveguide loss, the collected ultraviolet light is passed along the center of the optical waveguide. Irradiation is necessary. Unlike an optical fiber, a planar lightwave circuit is composed of a straight optical waveguide or a curved optical waveguide, and they branch or merge. Therefore, it is necessary to irradiate ultraviolet light accurately along the center of the optical waveguide while following the layout of the optical waveguide. This can be executed by spectrally analyzing the fluorescence from the optical waveguide collected by the condensing
図7は、平面型光回路の光導波路に紫外光を照射した際の蛍光スペクトルを示す。図7aに示すように、光導波路の中央コア部に紫外光を照射した場合は、波長420nm付近に高いレベルの蛍光が発生する。一方、図7bに示すように、光導波路のコア部から外れて、紫外光が全くコア部に照射されていない場合は、波長420nm付近の蛍光は生じず、650nm付近の蛍光レベルが高くなる。紫外光が中央コア部から若干ずれた場合、図7aと図7bの中間の状態のスペクトルとなる。したがって、波長420nm付近の蛍光ピークレベルと波長650nm付近の蛍光ピークレベルの比が最大となるとき、紫外光が光導波路コア部のちょうど中央に照射された状態となる。このようにして、中央コア部に紫外光が照射されているか否かを分光部6よって観察されるスペクトルレベルにより判断し、平面型光波回路1を固定した光回路固定用3次元ステージ7を移動させる。
FIG. 7 shows a fluorescence spectrum when an optical waveguide of a planar optical circuit is irradiated with ultraviolet light. As shown in FIG. 7a, when the central core portion of the optical waveguide is irradiated with ultraviolet light, a high level of fluorescence is generated in the vicinity of a wavelength of 420 nm. On the other hand, as shown in FIG. 7b, if the core part is not irradiated with ultraviolet light at all from the core part of the optical waveguide, fluorescence near the wavelength of 420 nm does not occur, and the fluorescence level near 650 nm increases. When the ultraviolet light is slightly deviated from the central core portion, the spectrum is in an intermediate state between FIGS. 7a and 7b. Therefore, when the ratio between the fluorescence peak level near the wavelength of 420 nm and the fluorescence peak level near the wavelength of 650 nm is maximized, the ultraviolet light is irradiated at the exact center of the optical waveguide core. In this way, whether or not the central core portion is irradiated with ultraviolet light is determined based on the spectral level observed by the spectroscopic portion 6, and the optical circuit fixing three-
図8は、紫外光を照射時の光回路固定用3次元ステージの制御を説明する図である。先にも述べたように、光導波路1は、モニタ部7により認識されている像を追跡しながら制御をすることが可能である。光導波路1の形状に沿って(図8の紫外光レーザスキャン方向に)紫外光を照射しながら、波長420nm付近の蛍光レベルと波長650nm付近の蛍光レベルの比が最大となるように、光導波路の光進行方向に垂直な軸方向(図8の位置ズレ調整方向)に光回路固定用3次元ステージの位置をさらに微細に制御することにより、紫外光照射位置の誤差を解消する。これにより、複雑な光導波路レイアウトであっても、常にコア部の中心を捕捉しながら、紫外光を集光できる。
FIG. 8 is a diagram for explaining the control of the optical circuit fixing three-dimensional stage during irradiation with ultraviolet light. As described above, the
図9は、制御部を含めた本発明の屈折率調整装置全体の例を示すブロック図である。図1に示した本発明特有の光学系を含む屈折率調整装置100は、分光部6、モニタ部7、および光回路固定用3次元ステージ10のみを示している。屈折率調整装置100のモニタ部7は、光導波路捕捉部103に接続され、分光部6は、位置ズレ検出部104に接続されている。導波路捕捉検出部103、位置ズレ検出部104は、制御部102に接続される。さらに、制御部102は、ステージ駆動部101を経由して、光回路固定用3次元ステージに接続される。
FIG. 9 is a block diagram showing an example of the entire refractive index adjusting apparatus of the present invention including the control unit. The refractive
モニタ部7において認識される光導波路の画像に基づいて、導波路捕捉検出部103によって、光導波路位置情報信号を制御部103に供給する。分光部6からのスペクトルレ情報に基づいて、位置ズレ検出部104によって、位置制御信号を制御部103に供給する。制御部103においては、前述した光導波路位置情報信号および位置制御信号に基づき、ステージ駆動部101に、光回路固定用3次元ステージ10の位置を制御するためのステージ制御信号を供給する。尚、図9の各ブロックは例示的なものであり、上述したブロック構成や各制御信号の機能配分に限定されるものではない。スペクトルレベルによる紫外光照射位置のフィードバック制御ができる構成であればいかなるブロック構成、信号構成であっても良い。
Based on the image of the optical waveguide recognized by the
光回路の媒質材料などによっては、波長420nm付近の蛍光レベルが微弱な場合がある。この場合は、光回路を1気圧以上200気圧以下の高圧水素下において、数時間から10日間保存することによって、蛍光レベルを増加させることができる。 Depending on the medium material of the optical circuit, the fluorescence level near the wavelength of 420 nm may be weak. In this case, the fluorescence level can be increased by storing the optical circuit under high pressure hydrogen of 1 to 200 atm for several hours to 10 days.
図10は、高圧水素下において水素添加をした光回路からの蛍光スペクトルを示す図である。100気圧で7日間、水素雰囲気中に光回路を保存し、蛍光スペクトルを測定した。水素を添加していない場合に比べて、蛍光スペクトルのピーク波長が多少変化するものの、波長420nm付近の蛍光のピークレベルと波長650nm付近の蛍光のピークレベルとの比が最大となるように光回路固定用3次元ステージの位置を制御しながら、光導波路の中央コア部に紫外光を照射することができる。 FIG. 10 is a diagram showing a fluorescence spectrum from an optical circuit hydrogenated under high-pressure hydrogen. The optical circuit was stored in a hydrogen atmosphere at 100 atm for 7 days, and the fluorescence spectrum was measured. Although the peak wavelength of the fluorescence spectrum is slightly changed compared to the case where hydrogen is not added, the optical circuit is configured so that the ratio of the peak level of fluorescence near the wavelength of 420 nm to the peak level of fluorescence near the wavelength of 650 nm is maximized. While controlling the position of the fixing three-dimensional stage, the central core portion of the optical waveguide can be irradiated with ultraviolet light.
以上、詳細に説明したように、本発明に特有の光学系の構成により屈折率調整装置を簡単化し、分光部によってリアルタイムに蛍光スペクトルレベルの変動を検出して、光回路固定用3次元ステージを制御することにより、光導波路の中央コア部に紫外光スポットを合わせながら、屈折率調整を行うことができる。 As described above in detail, the refractive index adjustment device is simplified by the configuration of the optical system peculiar to the present invention, and the fluctuation of the fluorescence spectrum level is detected in real time by the spectroscopic unit. By controlling, the refractive index can be adjusted while aligning the ultraviolet light spot with the central core portion of the optical waveguide.
図11は、本発明の屈折率調整装置による屈折率の調整特性結果を示す図である。一定の長さの光導波路区間(コア幅6μm、区間長1mm)を、本発明の屈折率調整装置によって紫外光スキャンを行い、同一区間にこのスキャンを複数回繰り返し行った場合の屈折率変化を示している。1回の区間スキャンには100秒掛かっており、これを20回繰り返している。紫外光ビーム制御部11により光導波路のコア部におけるスポット径を制御している。図11aは、コア部におけるスポット径が8μm(図5bにおいて、defocus=50μmに相当)の場合を、図11bはスポット径が20μm(defocus=150μmに相当)の場合をそれぞれ示した。
FIG. 11 is a diagram showing a result of adjusting the refractive index by the refractive index adjusting device of the present invention. An optical waveguide section (core width 6 μm,
光導波路のコア部中央を捕捉しながら紫外光を照射しているため、十分な屈折率の変化が得られている。また、図11aおよび図11bを比較すると、コア部における紫外光のスポット径を変化させることにより、複屈折率の発生量を調整できているのがわかる。図11aのスポット径が8μmの場合、TEモードとTMモードの光は共に同じ量だけ屈折率が増加している。すなわち複屈折は、発生していない。一方、図11bのスポット径が20μmの場合、TMモードに比べてTEモードの屈折率がより大きく増加している。これは、複屈折が生じていることを示している。 Since the ultraviolet light is irradiated while capturing the center of the core portion of the optical waveguide, a sufficient change in the refractive index is obtained. 11A and 11B are compared, it can be seen that the amount of birefringence generated can be adjusted by changing the spot diameter of the ultraviolet light in the core portion. When the spot diameter in FIG. 11a is 8 μm, both the TE mode and TM mode lights have the same amount of refractive index increase. That is, no birefringence has occurred. On the other hand, when the spot diameter in FIG. 11b is 20 μm, the refractive index of the TE mode is greatly increased as compared with the TM mode. This indicates that birefringence occurs.
図12は、コア部における紫外光のスポット径と複屈折の発生量との関係を示す図である。図12の横軸は、実際には光導波路と集光点との距離を示しており、図5bに示したdefocus距離に相当する。図5において説明したように、defocus距離を変化させることで、コア部における紫外光のスポット径を制御することができる。縦軸には、TEモードに対する屈折率変化量とTMモードに対する屈折率変化量との比を示す。この比は、TEモードの屈折率変化量とTMモードの屈折率変化量との平均値が、1.0×10−3となる時の、比の値を表している。 FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the spot diameter of ultraviolet light in the core and the amount of birefringence generated. The horizontal axis in FIG. 12 actually indicates the distance between the optical waveguide and the focal point, and corresponds to the defocus distance shown in FIG. 5b. As described in FIG. 5, the spot diameter of the ultraviolet light in the core part can be controlled by changing the focus distance. The vertical axis shows the ratio between the refractive index change amount for the TE mode and the refractive index change amount for the TM mode. This ratio represents the value of the ratio when the average value of the TE mode refractive index variation and the TM mode refractive index variation is 1.0 × 10 −3 .
図12よりわかるように、スポット径が40μm程度のときに、比の値は1となっており、屈折率変化量は偏波に依存せず、複屈折は発生していないことがわかる。したがって、本屈折率調整装置において、スポット径を適切に設定することにより、屈折率調整に起因して光導波路に誘起される複屈折の発生を制御できることが分かる。また、スポット径を変化させて、所望の複屈折率となるように調整を行うこともできる。尚、図12における40μmの値は、本実施例の光導波路における、コア部の構成の媒質の種類および、集光用レンズによって変化するものである。したがって、40μmに一意に限定するものではなく、光導波路の構造や媒質材料、屈折率値、集光用レンズの特性などに応じて、最適値を求める必要があることに留意すべきである。 As can be seen from FIG. 12, when the spot diameter is about 40 μm, the value of the ratio is 1, and the amount of change in the refractive index does not depend on the polarization, and it can be seen that birefringence does not occur. Therefore, it can be seen that, in the present refractive index adjusting device, the occurrence of birefringence induced in the optical waveguide due to the refractive index adjustment can be controlled by appropriately setting the spot diameter. It is also possible to adjust the spot diameter to change to a desired birefringence. Note that the value of 40 μm in FIG. 12 varies depending on the type of medium having the core portion and the condensing lens in the optical waveguide of this embodiment. Therefore, it should be noted that the value is not uniquely limited to 40 μm, and an optimum value needs to be obtained according to the structure of the optical waveguide, the medium material, the refractive index value, the characteristics of the condenser lens, and the like.
以上、説明したように、本発明の屈折率調整装置の紫外光制御により、光導波路のコア部中央に常に紫外光を照射し屈折率を調整し、コア部におけるスポット径を適切に制御することにより、複屈折を発生させることなく、屈折率調整を行うことができる。 As described above, by controlling the ultraviolet light of the refractive index adjusting device of the present invention, the center of the core portion of the optical waveguide is always irradiated with ultraviolet light to adjust the refractive index and appropriately control the spot diameter in the core portion. Thus, the refractive index can be adjusted without generating birefringence.
[実施例2]
図13は、本発明のより簡単な形態の分光部の構成を示す図である。図1おける分光部6を、より簡単な構成としている。波長600nm以上の蛍光と波長600nm以下の蛍光をダイクロックミラー8により分岐し、各々の蛍光のレベルをPD(フォトディテクタ)12a、12bにより測定する。蛍光以外の光などの雑音が入力される可能性があるが、グレーティング等の高価な測定装置を使わなくとも、紫外光の照射位置を制御するために必要な波長420nm付近の蛍光レベルと波長650nm付近の蛍光レベルとの比を測定できる。図13の分光部を使用した場合でも、実施例1と同様に屈折率の調整を行うことができる。この場合、平面型光回路の表面のモニタに使用する照明ランプ5からの照射を、PD12a、12bが受光する可能性がある。このため、照明ランプ5は、紫外光の照射前の導波路位置の確認には使用するが、紫外光の照射中は照明ランプ5を消灯した。
[Example 2]
FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of a spectroscopic unit according to a simpler form of the present invention. The spectroscopic unit 6 in FIG. 1 has a simpler configuration. The fluorescence having a wavelength of 600 nm or more and the fluorescence having a wavelength of 600 nm or less are branched by the
尚、本発明では、コア層への添加物質としてGeを例として説明したが、他の希土類のEr、Nd、Ce等を用いても、屈折率調整が可能である。この場合は、発生する蛍光の波長は異なる場合があり、本発明の420、650nmの蛍光による制御に限られない。 In the present invention, Ge has been described as an example of the additive material to the core layer. However, the refractive index can be adjusted by using other rare earth elements such as Er, Nd, and Ce. In this case, the wavelength of the generated fluorescence may be different, and is not limited to the control by the fluorescence of 420 and 650 nm of the present invention.
以上、詳細に説明してきたように、本発明の屈折率調整装置によれば、装置光学系の小型化、制御の簡易化を実現することができる。更に、紫外光ビーム制御部によって、ビーム径やビーム広がり角を制御することで、光導波路コア部の位置における紫外光のスポット径を制御できる。複屈折の発生量の制御を行うことができる。 As described above in detail, according to the refractive index adjusting device of the present invention, it is possible to reduce the size of the device optical system and simplify the control. Furthermore, the spot diameter of the ultraviolet light at the position of the optical waveguide core can be controlled by controlling the beam diameter and the beam divergence angle by the ultraviolet light beam controller. The amount of birefringence generated can be controlled.
1 光導波路
2 平面型光回路
3 集光用レンズ
4 紫外光源
5 照明ランプ
6 分光部
7 モニタ部
8 ダイクロックミラー
9a、9b ハーフミラー
10 光回路固定用3次元ステージ
11 紫外光ビーム制御部
12a、12b フォトディテクタ(PD)
21a、21b 凸レンズ
22 ピンホール
51 コア部
100 屈折率調整装置
101 光回路固定用3次元ステージ駆動部
102 制御部
103 位置ズレ検出部
104 光導波路検出部
DESCRIPTION OF
21a,
Claims (4)
紫外光を発生させる紫外光源と、
前記紫外光源に光学的に接続され、前記紫外光のビーム径およびビーム広がり角を制御する紫外光ビーム制御部と、
前記紫外光ビーム制御部からの紫外光を前記コア層に集光し、紫外光集光点において前記コア層から生じる蛍光を捕集し、可視光により前記紫外光集光点近傍の前記コア層をモニタするため可視光に対して前記平面型光回路の回路構成面にフォーカスをすることのできる紫外光集光部と、
前記平面型光回路を固定し、3次元方向に移動可能な光回路固定用3次元ステージと、
前記紫外光集光部の可視光の光路軸上において、前記紫外光集光点の近傍のコア層をモニタするモニタ部と、
前記紫外光集光点において前記コア層から生じて前記紫外光集光部によって捕集された前記蛍光のスペクトルを測定する分光部とを備え、
測定された前記蛍光のスペクトルに応じて、前記紫外光集光点の近傍の光導波路の光軸方向に垂直な方向に、前記光回路固定用3次元ステージの位置を制御しながら、前記紫外光を前記光導波路のコア層に照射して前記光導波路のコア層の屈折率を調整することを特徴とする屈折率調整装置。 The refractive index of the core layer is changed by irradiating the core layer of the optical waveguide of the planar optical circuit made of quartz-based glass formed on the substrate with ultraviolet light from the vertical or oblique direction of the substrate. A refractive index adjusting device,
An ultraviolet light source that generates ultraviolet light;
An ultraviolet light beam control unit that is optically connected to the ultraviolet light source and controls a beam diameter and a beam divergence angle of the ultraviolet light;
Condensing ultraviolet light from the ultraviolet light beam control unit onto the core layer, collecting fluorescence generated from the core layer at an ultraviolet light condensing point, and the core layer near the ultraviolet light condensing point by visible light An ultraviolet light condensing unit capable of focusing on the circuit configuration surface of the planar optical circuit for visible light,
An optical circuit fixing three- dimensional stage that fixes the planar optical circuit and is movable in a three-dimensional direction;
On the optical path axis of visible light of the ultraviolet light condensing unit, a monitor unit for monitoring the core layer in the vicinity of the ultraviolet light condensing point;
A spectroscopic unit that measures the spectrum of the fluorescence generated from the core layer and collected by the ultraviolet light condensing unit at the ultraviolet light condensing point ;
While controlling the position of the three-dimensional stage for fixing the optical circuit in a direction perpendicular to the optical axis direction of the optical waveguide in the vicinity of the ultraviolet light condensing point according to the measured fluorescence spectrum, the ultraviolet light is controlled. Is applied to the core layer of the optical waveguide to adjust the refractive index of the core layer of the optical waveguide .
前記分光部において、波長420nm近傍の蛍光強度と波長650nm近傍の蛍光強度を測定するステップと、
前記波長420nm近傍の蛍光強度と前記波長650nm近傍の蛍光強度の比を求めるステップと、
前記比が最大となるように、前記紫外光集光点の近傍の光導波路の光軸方向に垂直な方向に、前記光回路固定用3次元ステージの位置を制御しながら、前記紫外光を前記光導波路のコア層に照射して前記光導波路のコア層の屈折率を調整するステップと
を備えたことを特徴とする屈折率調整方法。 The refractive index of the core layer is changed by irradiating the core layer of the optical waveguide of the planar optical circuit made of quartz glass formed on the substrate with ultraviolet light from the vertical direction or the oblique direction to the substrate. An ultraviolet light source that generates ultraviolet light, an ultraviolet light beam control unit that is optically connected to the ultraviolet light source and controls a beam diameter and a beam divergence angle of the ultraviolet light, and the ultraviolet light beam control The ultraviolet light from the light is condensed on the core layer, the fluorescence generated from the core layer is collected at the ultraviolet light condensing point, and the core layer near the ultraviolet light condensing point is monitored by visible light. An ultraviolet light condensing unit capable of focusing on the circuit configuration surface of the planar optical circuit with respect to light, and a three- dimensional optical circuit fixing capable of moving in a three-dimensional direction by fixing the planar optical circuit. Stage and the purple A monitor unit that monitors the core layer in the vicinity of the ultraviolet light condensing point on the optical path axis of the visible light of the light condensing part, by the ultraviolet light condensing part originating from the core layer in the ultraviolet light condensing point In a refractive index adjusting device comprising a spectroscopic unit for measuring the spectrum of the collected fluorescence, a method for adjusting the refractive index,
Measuring the fluorescence intensity in the vicinity of a wavelength of 420 nm and the fluorescence intensity in the vicinity of a wavelength of 650 nm in the spectroscopic unit;
Obtaining a ratio of fluorescence intensity near the wavelength of 420 nm and fluorescence intensity near the wavelength of 650 nm;
While controlling the position of the three-dimensional stage for fixing the optical circuit in the direction perpendicular to the optical axis direction of the optical waveguide in the vicinity of the ultraviolet light condensing point, the ultraviolet light is And irradiating the core layer of the optical waveguide to adjust the refractive index of the core layer of the optical waveguide.
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