JP2003156396A - 絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ - Google Patents
絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 取得しやすく、安価で集積電気回路において
優れた特性を表現出来、効果的に生産コストと素子サイ
ズを減少出来る温度センサを提供する。 【解決手段】 １つの絶縁層上シリコン結晶体導波カッ
プラーと、２つの絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ
回折格子と、レーザーと、光工率検出器と、マイクロプ
ロセッサなどの素子を有し、前記絶縁層上シリコン結晶
体導波カップラーにはシングルモードリッジタイプ導波
とシングルモードＳ型リッジタイプ導波とシングルモー
ド平行カップリング導波とシリコン案内層と二酸化珪素
絶縁層とシリコンベースとを含み、且つ前記絶縁層上シ
リコン結晶体導波ブラッグ回折格子にはアモルファスシ
リコン層と正弦式シリコン回折格子層と二酸化珪素絶縁
層とシリコンベースとを含み、前記正弦式シリコン回折
格子層の上方にアモルファスシリコン層を覆うと共に、
下方に二酸化珪素絶縁層を接するようにし、光線が絶縁
層上シリコン結晶体導波カップラーを経て２つの絶縁層
上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格子を通して導波カ
ップラーに反射し、その干渉スペクトルを検出する。
優れた特性を表現出来、効果的に生産コストと素子サイ
ズを減少出来る温度センサを提供する。 【解決手段】 １つの絶縁層上シリコン結晶体導波カッ
プラーと、２つの絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ
回折格子と、レーザーと、光工率検出器と、マイクロプ
ロセッサなどの素子を有し、前記絶縁層上シリコン結晶
体導波カップラーにはシングルモードリッジタイプ導波
とシングルモードＳ型リッジタイプ導波とシングルモー
ド平行カップリング導波とシリコン案内層と二酸化珪素
絶縁層とシリコンベースとを含み、且つ前記絶縁層上シ
リコン結晶体導波ブラッグ回折格子にはアモルファスシ
リコン層と正弦式シリコン回折格子層と二酸化珪素絶縁
層とシリコンベースとを含み、前記正弦式シリコン回折
格子層の上方にアモルファスシリコン層を覆うと共に、
下方に二酸化珪素絶縁層を接するようにし、光線が絶縁
層上シリコン結晶体導波カップラーを経て２つの絶縁層
上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格子を通して導波カ
ップラーに反射し、その干渉スペクトルを検出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は温度センサに係わる
ものであり、特に絶縁層上シリコン結晶体（ＳＯＩ）導
波カップラーと絶縁層上シリコン導波ブラッグ（Ｂｒａ
ｇｇ）回折格子とを結合してなるマイケルソン（Ｍｉｃ
ｈｅｌｓｏｎ）干渉式温度センサに係わるものである。
ものであり、特に絶縁層上シリコン結晶体（ＳＯＩ）導
波カップラーと絶縁層上シリコン導波ブラッグ（Ｂｒａ
ｇｇ）回折格子とを結合してなるマイケルソン（Ｍｉｃ
ｈｅｌｓｏｎ）干渉式温度センサに係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】目前の光学センサの発展を言う場合、光
ファイバーブラッグ回折格子センサが物理量を検出する
主要な素子となっているが、光ファイバーブラッグ回折
格子センサの製造時間が長く、歩留まりが半導体製造プ
ロセスに及ばず、且つサイズも大きくなるので、そのコ
ストを低減出来なくなっている。光ファイバー通信ネッ
トワークのカバーする範囲の拡大に従って、ユーザーネ
ットワークが大量の、高精確度の光センサを要する。そ
のため、半導体製造プロセスに基づく安価な光センサが
開発される必要がある光学センサ技術である。シリコン
が取得しやすく且つ安価であるので、既に集積電気回路
の製造プロセスに用いられる主要な物質となっている。
本発明は絶縁層上シリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉ
ｎｓｕｌａｔｏｒ、ＳＯＩ）結晶体をチップ基材とする
ものであり、この種のチップが取得しやすくて安価であ
るほかにその製造プロセスのＭＯＳＦＥＴ素子の周波数
の帯域の広さと工率消耗の低さなどもその優れた特性で
あり、且つ未来のＯＥＩＣ（Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を製造
することの最も好適な選択である。集積電気回路の盛ん
な発展に従って素子の体積のミニ化が未来の避けられな
い趨勢となっている。そのため、集積電気回路半導体製
造プロセスの技術を光学センサの方面に応用することが
効果的に素子の体積をミニ化出来る。
ファイバーブラッグ回折格子センサが物理量を検出する
主要な素子となっているが、光ファイバーブラッグ回折
格子センサの製造時間が長く、歩留まりが半導体製造プ
ロセスに及ばず、且つサイズも大きくなるので、そのコ
ストを低減出来なくなっている。光ファイバー通信ネッ
トワークのカバーする範囲の拡大に従って、ユーザーネ
ットワークが大量の、高精確度の光センサを要する。そ
のため、半導体製造プロセスに基づく安価な光センサが
開発される必要がある光学センサ技術である。シリコン
が取得しやすく且つ安価であるので、既に集積電気回路
の製造プロセスに用いられる主要な物質となっている。
本発明は絶縁層上シリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉ
ｎｓｕｌａｔｏｒ、ＳＯＩ）結晶体をチップ基材とする
ものであり、この種のチップが取得しやすくて安価であ
るほかにその製造プロセスのＭＯＳＦＥＴ素子の周波数
の帯域の広さと工率消耗の低さなどもその優れた特性で
あり、且つ未来のＯＥＩＣ（Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を製造
することの最も好適な選択である。集積電気回路の盛ん
な発展に従って素子の体積のミニ化が未来の避けられな
い趨勢となっている。そのため、集積電気回路半導体製
造プロセスの技術を光学センサの方面に応用することが
効果的に素子の体積をミニ化出来る。
【０００３】Ａ．Ｄ．ＫｅｒｓｅｙとＴ．Ａ．Ｂｅｒｋ
ｏｆｆなどが１９９２年にＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎｉｃｓ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ第４巻第１０
期第１１８３ないし１１８５ぺ一ジに光ファイバーブラ
ッグ回折格子を温度センサ素子とする理論を発表した
が、その検出精密度が摂氏０．０５度であり、この結果
がブラッグ回折格子を温度センサに応用する技術の実現
可能性を証明したが、その製造コストがあまりにも高
く、且つ効果が本発明の絶縁層上シリコン結晶体導波回
折格子の設計の温度センサに及ばず、絶縁層上シリコン
結晶体導波は一般の光ファイバーより大きいほうの熱光
膨張係数特性を有するので、大幅に素子の温度に対する
検出の精確度を向上できる。
ｏｆｆなどが１９９２年にＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎｉｃｓ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ第４巻第１０
期第１１８３ないし１１８５ぺ一ジに光ファイバーブラ
ッグ回折格子を温度センサ素子とする理論を発表した
が、その検出精密度が摂氏０．０５度であり、この結果
がブラッグ回折格子を温度センサに応用する技術の実現
可能性を証明したが、その製造コストがあまりにも高
く、且つ効果が本発明の絶縁層上シリコン結晶体導波回
折格子の設計の温度センサに及ばず、絶縁層上シリコン
結晶体導波は一般の光ファイバーより大きいほうの熱光
膨張係数特性を有するので、大幅に素子の温度に対する
検出の精確度を向上できる。
【０００４】また、Ｗｅｉ−Ｃｈｏｎｇ ＤｕとＸｉａ
ｏ−Ｍｉｎｇ ＴａｏとＨｗａ−Ｙａｗ Ｔａｍなどが
１９９９年のＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈ
ｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ第１１巻第１期第１０５
ないし１０７ぺ一ジにおいて光ファイバーブラッグ蛍雪
格子反射スペクトルの変化に基づいて温度の変化量の分
析技術を提出したが、この発明に比べて本発明は２つの
反射回折格子にマイケルソン干渉効果を加えて反射スペ
クトルの周波数の帯域の広さをもっと小さくし、温度の
検出にもっと精密的にならせる。
ｏ−Ｍｉｎｇ ＴａｏとＨｗａ−Ｙａｗ Ｔａｍなどが
１９９９年のＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈ
ｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ第１１巻第１期第１０５
ないし１０７ぺ一ジにおいて光ファイバーブラッグ蛍雪
格子反射スペクトルの変化に基づいて温度の変化量の分
析技術を提出したが、この発明に比べて本発明は２つの
反射回折格子にマイケルソン干渉効果を加えて反射スペ
クトルの周波数の帯域の広さをもっと小さくし、温度の
検出にもっと精密的にならせる。
【０００５】また、Ａ．Ｄ．ＫｅｒｓｅｙとＴ．Ａ．Ｂ
ｅｒｋｏｆｆなどが、１９９６年のＩＥＥＥ Ｐｈｏｔ
ｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ第
８巻第９期第１２２３ないし１２２５ぺ一ジにおいて光
ファイバーブラッグ回折格子を温度と圧力の検出手段と
する技術を分析した。その結果がブラッグ蛍雪格子技術
の応用範囲がかなり広いと証明し、且つブラッグ回折格
子センサの物理量検出の適用する範囲がかなり広いと証
明したが、本発明の設計の絶縁層上シリコン結晶体多数
モード干渉にマイケルソン干渉をプラスしてなる温度セ
ンサに比べてそのシステムコストがかなり高く、商品化
の生産に不利であり、本発明は目前の成熟した半導体産
業の分野において生産する場合、大量生産には絶対に問
題ないと共に、大幅にコストダウン出来、十分に進歩性
を有する。
ｅｒｋｏｆｆなどが、１９９６年のＩＥＥＥ Ｐｈｏｔ
ｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ第
８巻第９期第１２２３ないし１２２５ぺ一ジにおいて光
ファイバーブラッグ回折格子を温度と圧力の検出手段と
する技術を分析した。その結果がブラッグ蛍雪格子技術
の応用範囲がかなり広いと証明し、且つブラッグ回折格
子センサの物理量検出の適用する範囲がかなり広いと証
明したが、本発明の設計の絶縁層上シリコン結晶体多数
モード干渉にマイケルソン干渉をプラスしてなる温度セ
ンサに比べてそのシステムコストがかなり高く、商品化
の生産に不利であり、本発明は目前の成熟した半導体産
業の分野において生産する場合、大量生産には絶対に問
題ないと共に、大幅にコストダウン出来、十分に進歩性
を有する。
【０００６】また、Ｔ．Ｗ．ＡｎｇとＧ．Ｔ．Ｒｅｅｄ
とＡ．ＶｏｎｓｏｖｉｃｉとＡ．Ｇ．Ｒ．Ｅｖａｎｓと
Ｐ．Ｒ．ＲｏｕｔｌｅｙとＭ．Ｒ．Ｊｏｓｅｙとが２０
００年ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ第１２巻第１期第５９ないし６
１ぺ一ジにおいて絶縁層上シリコン結晶体導波回折格子
の効果を分析した。その結果が絶縁層上シリコン結晶体
導波回折格子センサの実行可能性を証明した。
とＡ．ＶｏｎｓｏｖｉｃｉとＡ．Ｇ．Ｒ．Ｅｖａｎｓと
Ｐ．Ｒ．ＲｏｕｔｌｅｙとＭ．Ｒ．Ｊｏｓｅｙとが２０
００年ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ第１２巻第１期第５９ないし６
１ぺ一ジにおいて絶縁層上シリコン結晶体導波回折格子
の効果を分析した。その結果が絶縁層上シリコン結晶体
導波回折格子センサの実行可能性を証明した。
【０００７】また、Ｅｒｉｃ Ｕｄｄが１９９７年に提
出したアメリカ特許第５５９１９６５号において複数の
光ファイバーを直列的に連結してなるセンサシステムを
提案した。それは回折格子センサの物理量測定の多量工
作性の実行可能性を証明した。
出したアメリカ特許第５５９１９６５号において複数の
光ファイバーを直列的に連結してなるセンサシステムを
提案した。それは回折格子センサの物理量測定の多量工
作性の実行可能性を証明した。
【０００８】また、Ｍａｒｋ．Ｆ．Ｋｒｏｌが２０００
年に提出したアメリカ特許第９６０７５９０７号におい
て複数個の長周期の光ファイバー回折格子を光ファイバ
ーネットワークに架設し、この技術によって同時に複数
点における物理量例えば温度などを監視し、光学式温度
センサを広範囲に応用出来る商業価値がかなり高いと証
明し、応用性が極めて高いことを提唱したが、この特許
の技術手段と本発明の技術手段とは異なっている。
年に提出したアメリカ特許第９６０７５９０７号におい
て複数個の長周期の光ファイバー回折格子を光ファイバ
ーネットワークに架設し、この技術によって同時に複数
点における物理量例えば温度などを監視し、光学式温度
センサを広範囲に応用出来る商業価値がかなり高いと証
明し、応用性が極めて高いことを提唱したが、この特許
の技術手段と本発明の技術手段とは異なっている。
【０００９】また、Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｊａｍｅｓ Ｃｒ
ａｍｐｔｏｎとＡｒｎｏｌｄ Ｐｅｔｅｒ Ｒｏｓｃと
Ａｎｄｒｅｗ Ｇｅｏｒｇｅ Ｒｉｃｋｍａｎが１９９
８年に発表したアメリカ特許第５７５７９８６号におい
て絶縁層上シリコン結晶体導波による光電調製素子を提
案した。この特許の提案により絶縁層上シリコン結晶体
導波が応用性に富み、マーケットにおける価値を有する
と証明した。
ａｍｐｔｏｎとＡｒｎｏｌｄ Ｐｅｔｅｒ Ｒｏｓｃと
Ａｎｄｒｅｗ Ｇｅｏｒｇｅ Ｒｉｃｋｍａｎが１９９
８年に発表したアメリカ特許第５７５７９８６号におい
て絶縁層上シリコン結晶体導波による光電調製素子を提
案した。この特許の提案により絶縁層上シリコン結晶体
導波が応用性に富み、マーケットにおける価値を有する
と証明した。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は困難さがかな
り高い周期光ファイバー回折格子を製造する必要がな
く、旦つ半導体製造プロセスを採用するので、商業の量
産化をさらに容易にする。
り高い周期光ファイバー回折格子を製造する必要がな
く、旦つ半導体製造プロセスを採用するので、商業の量
産化をさらに容易にする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は１つの２×２絶
縁層上シリコン結晶体（ＳＯＩ）導波カップラーと２つ
の絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格子とから
なるマイケルソン干渉式温度センサを提出した。温度の
変化がその反射波長に変化を生じさせることができるの
で、反射工率の変化を形成した。ＳＯＩが一般の光ファ
イバーよりもっと高い熱光膨張係数特性を有するので、
大幅に温度センサの精密度を向上できる。
縁層上シリコン結晶体（ＳＯＩ）導波カップラーと２つ
の絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格子とから
なるマイケルソン干渉式温度センサを提出した。温度の
変化がその反射波長に変化を生じさせることができるの
で、反射工率の変化を形成した。ＳＯＩが一般の光ファ
イバーよりもっと高い熱光膨張係数特性を有するので、
大幅に温度センサの精密度を向上できる。
【００１２】以下に添付図面を参照しながら本発明の好
適な実施の形態を詳細に説明する。
適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明は１つの２×２（２つの入
力ポートと２つの出力ポート）絶縁層上シリコン結晶体
導波カップラー１と２つの絶縁層上シリコン結晶体ブラ
ッグ回折格子２とからなるマイケルソン干渉式温度セン
サを提供し、その構成は図１に示すようである。
力ポートと２つの出力ポート）絶縁層上シリコン結晶体
導波カップラー１と２つの絶縁層上シリコン結晶体ブラ
ッグ回折格子２とからなるマイケルソン干渉式温度セン
サを提供し、その構成は図１に示すようである。
【００１４】絶縁層上シリコン結晶体導波カップラー１
にはシングルモードリッジタイプ導波１２とシングルモ
ードＳ型リッジタイプ導波１３とシングルモード平行カ
ップリング導波１４とシリコン案内層１５と二酸化珪素
絶縁層１６とシリコンベース１７とを含み、図２に示す
ようである。
にはシングルモードリッジタイプ導波１２とシングルモ
ードＳ型リッジタイプ導波１３とシングルモード平行カ
ップリング導波１４とシリコン案内層１５と二酸化珪素
絶縁層１６とシリコンベース１７とを含み、図２に示す
ようである。
【００１５】また、絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッ
グ回折格子２にはアモルファスシリコン層２１と正弦式
シリコン回折格子層２２と二酸化珪素絶縁層１６とシリ
コンベース１７とを含み、図３に示すようである。
グ回折格子２にはアモルファスシリコン層２１と正弦式
シリコン回折格子層２２と二酸化珪素絶縁層１６とシリ
コンベース１７とを含み、図３に示すようである。
【００１６】絶縁層上シリコン結晶体導波カップラー１
と絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格子２とが
同じように二酸化珪素絶縁層１６とシリコンベース１７
に形成されると共に、相互に接される。
と絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格子２とが
同じように二酸化珪素絶縁層１６とシリコンベース１７
に形成されると共に、相互に接される。
【００１７】１．５５μｍ波長の光線がシングルモード
リッジタイプ導波１２のシリコン案内層１５より入射す
る場合、シリコン案内層１５の屈折率（ｎｓｉ＝３．
５）が空気（ｎａｉｒ＝１）と二酸化珪素絶縁層１６
（ｎｓｉＯ２＝１．５）より大きいので、光線がシリコ
ン案内層１５において伝導される時、全反射の効果によ
って効果的に光線を導波に制限する。一般の光ファイバ
ーの外径がほぼ１２５μｍであるので、本発明はシング
ルモードＳ型リッジタイプ導波１３(図２参照)を提案
し、且つ導波同士間の距離を１２５μｍにも及ぶように
広めることによって本発明のＳＯＩ導波カップラー１と
外径が１２５μｍの光ファイバーと接続する。光線が光
ファイバーとシングルモードリッジタイプ導波１２を通
ってシングルモード平行カップリング導波１４に進入す
る場合、光線が弱カップリング効果により元の伝導のシ
ングルモードリッジタイプ導波１２より他の平行のシン
グルモードリッジタイプ導波１２にカップリングし、光
工率と光信号分岐の機能を生じる。
リッジタイプ導波１２のシリコン案内層１５より入射す
る場合、シリコン案内層１５の屈折率（ｎｓｉ＝３．
５）が空気（ｎａｉｒ＝１）と二酸化珪素絶縁層１６
（ｎｓｉＯ２＝１．５）より大きいので、光線がシリコ
ン案内層１５において伝導される時、全反射の効果によ
って効果的に光線を導波に制限する。一般の光ファイバ
ーの外径がほぼ１２５μｍであるので、本発明はシング
ルモードＳ型リッジタイプ導波１３(図２参照)を提案
し、且つ導波同士間の距離を１２５μｍにも及ぶように
広めることによって本発明のＳＯＩ導波カップラー１と
外径が１２５μｍの光ファイバーと接続する。光線が光
ファイバーとシングルモードリッジタイプ導波１２を通
ってシングルモード平行カップリング導波１４に進入す
る場合、光線が弱カップリング効果により元の伝導のシ
ングルモードリッジタイプ導波１２より他の平行のシン
グルモードリッジタイプ導波１２にカップリングし、光
工率と光信号分岐の機能を生じる。
【００１８】カップルモード方程式（Ｃｏｕｐｌｅ−Ｍ
ｏｄｅ Ｅｑｕａｔｉｏｎ）に基づいて本発明は導波幅
１１が6μｍで正弦式シリコン回折格子層２２が１．５
μｍで回折格子周期２３が０．２２１５μｍで回折格子
長さ２４が１００μｍで二酸化珪素絶縁層１６が０．４
μｍでアモルファスシリコン層２１が１μｍである、最
も好ましい絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格
子を設計取得とし得た。下記のカップルモード方程式の
計算によって１．５５μｍの光線が導波ブラッグ回折格
子に反射される後に呈する光工率分布を得られる。
ｏｄｅ Ｅｑｕａｔｉｏｎ）に基づいて本発明は導波幅
１１が6μｍで正弦式シリコン回折格子層２２が１．５
μｍで回折格子周期２３が０．２２１５μｍで回折格子
長さ２４が１００μｍで二酸化珪素絶縁層１６が０．４
μｍでアモルファスシリコン層２１が１μｍである、最
も好ましい絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格
子を設計取得とし得た。下記のカップルモード方程式の
計算によって１．５５μｍの光線が導波ブラッグ回折格
子に反射される後に呈する光工率分布を得られる。
【００１９】
【数１】
そのうち、ｃは光速でｆは回折格子作業局波数でｎは屈
折係数で△ｎは回折格子層とカバー層との屈折係数の差
である。
折係数で△ｎは回折格子層とカバー層との屈折係数の差
である。
【００２０】物質熱膨張冷収縮の特性と設計した導波ブ
ラッグ回折格子とを結合することによって外界温度変化
△Ｔと反射スペクトル浮遊ｆＲとの関係は次の式に示す
ようである。
ラッグ回折格子とを結合することによって外界温度変化
△Ｔと反射スペクトル浮遊ｆＲとの関係は次の式に示す
ようである。
【００２１】
【数２】
そのうち、Ｅは熱膨張係数（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａ
ｎｓｉｏｎ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：２．６×１０
−６／℃）であり、Ｔ０は熱光係数（Ｔｈｅｒｍａｌ−
Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：８．６×１
０−４／℃）である。
ｎｓｉｏｎ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：２．６×１０
−６／℃）であり、Ｔ０は熱光係数（Ｔｈｅｒｍａｌ−
Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：８．６×１
０−４／℃）である。
【００２２】図１は本発明の絶縁層上シリコン結晶体光
学導波マイケルソン干渉式センサを示す図であり、その
うち、入力電場Ｅｉｎと出力電場Ｅｒｉとの関係がマト
リックス代数法（Ｍａｔｒｉｘ Ａｌｇｅｂｒａ Ｍｅ
ｔｈｏｄ）に基づく分析によって下記のようなことが得
られる。
学導波マイケルソン干渉式センサを示す図であり、その
うち、入力電場Ｅｉｎと出力電場Ｅｒｉとの関係がマト
リックス代数法（Ｍａｔｒｉｘ Ａｌｇｅｂｒａ Ｍｅ
ｔｈｏｄ）に基づく分析によって下記のようなことが得
られる。
【００２３】
【数３】
そのうち、Ｋは２×２導波カップラーのカップリング常
数であり、ｒは導波ブラッグ回折格子の反射率であり、
βは導波伝播常数であり、ｌｉは４つの入力出力ポート
のそれぞれの長さである。
数であり、ｒは導波ブラッグ回折格子の反射率であり、
βは導波伝播常数であり、ｌｉは４つの入力出力ポート
のそれぞれの長さである。
【００２４】公式（１）と（２）を前記それぞれの式に
代入して摸擬をする場合、外界温度変化の光線が銅はマ
イケルソン干渉手段を通る場合に対する浮遊状況を得ら
れる。下記の実施例は本発明の摸擬検証の結果を説明す
る。
代入して摸擬をする場合、外界温度変化の光線が銅はマ
イケルソン干渉手段を通る場合に対する浮遊状況を得ら
れる。下記の実施例は本発明の摸擬検証の結果を説明す
る。
【００２５】
【実施例】本発明の実行可能性を検証するために数値摸
擬分析法によって本発明のＳＯＩ光学導波マイケルソン
干渉手段が外界温度を検出出来ることを証明する。本実
施例において入射波長が１．５５μｍの光線によって本
発明の“絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン
干渉式温度センサ”の機能と特性を摸擬する。
擬分析法によって本発明のＳＯＩ光学導波マイケルソン
干渉手段が外界温度を検出出来ることを証明する。本実
施例において入射波長が１．５５μｍの光線によって本
発明の“絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン
干渉式温度センサ”の機能と特性を摸擬する。
【００２６】図４はＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉式
温度センサと従来の光ファイバーブラッグ回折格子温度
センサとが、波長１．５５μｍで回折格子周期２３が
０．２２１５μｍで回折格子長さ２４が１００μｍであ
る場合の反射光工率スペクトルを示す図である。図４の
反射光工率スペクトルの比較分析より同じ回折格子周期
の設計の元で本発明のＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉
式温度センサの反射スペクトルが狭いと発見出来るの
で、本発明の方が精密度が光ファイバー回折格子の検出
手段より高いと判明出来る。
温度センサと従来の光ファイバーブラッグ回折格子温度
センサとが、波長１．５５μｍで回折格子周期２３が
０．２２１５μｍで回折格子長さ２４が１００μｍであ
る場合の反射光工率スペクトルを示す図である。図４の
反射光工率スペクトルの比較分析より同じ回折格子周期
の設計の元で本発明のＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉
式温度センサの反射スペクトルが狭いと発見出来るの
で、本発明の方が精密度が光ファイバー回折格子の検出
手段より高いと判明出来る。
【００２７】図５は外界温度変化が摂氏１０度である場
合ＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉式温度センサと従来
の光ファイバーブラッグ回折格子反射工率スペクトルが
温度の変化により浮遊する状況を比較する図である。こ
の図を分析することによって本発明のＳＯＩ光学導波マ
イケルソン干渉式温度センサのそれぞれの摂氏１度毎の
反射工率スペクトル浮遊量が従来の光ファイバーブラッ
グ回折格子温度センサより２０倍以上も多くなってい
る。このことからＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉式温
度センサの呈する温度検出特性が従来の光ファイバーブ
ラッグ回折格子センサより敏感になることが分かる。
合ＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉式温度センサと従来
の光ファイバーブラッグ回折格子反射工率スペクトルが
温度の変化により浮遊する状況を比較する図である。こ
の図を分析することによって本発明のＳＯＩ光学導波マ
イケルソン干渉式温度センサのそれぞれの摂氏１度毎の
反射工率スペクトル浮遊量が従来の光ファイバーブラッ
グ回折格子温度センサより２０倍以上も多くなってい
る。このことからＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉式温
度センサの呈する温度検出特性が従来の光ファイバーブ
ラッグ回折格子センサより敏感になることが分かる。
【００２８】
【発明の効果】本発明の特徴は絶縁層上シリコン結晶体
（ＳＯＩ）チップを使用することによって集積電気回路
と集積光学検出素子とを緊密的に結合すると共に、ＳＯ
Ｉ光学導波マイケルソン干渉式温度センサの設計を通し
て光学センサのサイズを小さくし、旦つ温度センサの検
出精密度を向上し、温度検出素子の特性を増進する効果
を図れる。本発明の設計による絶縁層上シリコン結晶体
光学導波マイケルソン干渉式温度センサの効果は下記の
ようである。 １．温度検出機能を有し、未来の工業センサやシリコン
ウエハＩＣ温度コントローラや生物医学検出素子などの
基本モジュールとすることができる。 ２．高精確度を有する。 ３．ＦＷＨＭ（Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ａｔ Ｈａｌｆ
Ｍａｘｉｍｕｍ）が低い。 ４．光通信監視ネットワークに運用される場合ネットワ
ーク情報送受信の信頼性を向上できる。
（ＳＯＩ）チップを使用することによって集積電気回路
と集積光学検出素子とを緊密的に結合すると共に、ＳＯ
Ｉ光学導波マイケルソン干渉式温度センサの設計を通し
て光学センサのサイズを小さくし、旦つ温度センサの検
出精密度を向上し、温度検出素子の特性を増進する効果
を図れる。本発明の設計による絶縁層上シリコン結晶体
光学導波マイケルソン干渉式温度センサの効果は下記の
ようである。 １．温度検出機能を有し、未来の工業センサやシリコン
ウエハＩＣ温度コントローラや生物医学検出素子などの
基本モジュールとすることができる。 ２．高精確度を有する。 ３．ＦＷＨＭ（Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ａｔ Ｈａｌｆ
Ｍａｘｉｍｕｍ）が低い。 ４．光通信監視ネットワークに運用される場合ネットワ
ーク情報送受信の信頼性を向上できる。
【図１】本発明の絶縁層シリコン結晶体光学導波マイケ
ルソン干渉式温度センサを示す図である。
ルソン干渉式温度センサを示す図である。
【図２】本発明の２×２絶縁層上シリコン結晶体光学導
波カップラーの構造を示す図である。
波カップラーの構造を示す図である。
【図３】絶縁層上シリコン光学導波ブラッグ回折格子を
示す側面断面図である。
示す側面断面図である。
【図４】ＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉式温度センサ
と従来の光ファイバーブラッグ回折格子温度センサとの
反射光工率スペクトルを比較する図である。
と従来の光ファイバーブラッグ回折格子温度センサとの
反射光工率スペクトルを比較する図である。
【図５】ＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉式温度センサ
と従来の光ファイバーブラッグ回折格子温度センサとの
反射光工率スペクトルが温度の変化により浮遊する状況
を比較する図である。
と従来の光ファイバーブラッグ回折格子温度センサとの
反射光工率スペクトルが温度の変化により浮遊する状況
を比較する図である。
【符号の説明】
１ ２×２絶縁層上シリコン結晶体光学導波カップラ
ー ２ 絶縁層上シリコン結晶体光学導波ブラッグ回折格
子 ３ ポート１の反射出力電場（Ｅｒ１） ４ ポート２の反射出力電場（Ｅｒ２） ５ ポート３の反射出力電場（Ｅｒ３） ６ ポート４の反射出力電場（Ｅｒ４） ７ ポート１の入力ポートの長さ（ｌ１） ８ ポート２の入力ポートの長さ（ｌ２） ９ ポート３の出力ポートの長さ（ｌ３） １０ ポート４の出力ポートの長さ（ｌ４） １１ 絶縁層上シリコン結晶体光学導波の幅 １２ シングルモードリッジタイプ導波 １３ シングルモードＳ型リッジタイプ導波 １４ シングルモード平行カップリング導波 １５ シリコン案内層 １６ 二酸化珪素絶縁層 １７ シリコンベース ２１ アモルファスシリコン層 ２２ 正弦式シリコン回折格子層 ２３ 回折格子周期 ２４ 回折格子長さ ８１ 光工率検出器 ８２ マイクロプロセッサ ８３ レーザー ８４ 光ファイバー
ー ２ 絶縁層上シリコン結晶体光学導波ブラッグ回折格
子 ３ ポート１の反射出力電場（Ｅｒ１） ４ ポート２の反射出力電場（Ｅｒ２） ５ ポート３の反射出力電場（Ｅｒ３） ６ ポート４の反射出力電場（Ｅｒ４） ７ ポート１の入力ポートの長さ（ｌ１） ８ ポート２の入力ポートの長さ（ｌ２） ９ ポート３の出力ポートの長さ（ｌ３） １０ ポート４の出力ポートの長さ（ｌ４） １１ 絶縁層上シリコン結晶体光学導波の幅 １２ シングルモードリッジタイプ導波 １３ シングルモードＳ型リッジタイプ導波 １４ シングルモード平行カップリング導波 １５ シリコン案内層 １６ 二酸化珪素絶縁層 １７ シリコンベース ２１ アモルファスシリコン層 ２２ 正弦式シリコン回折格子層 ２３ 回折格子周期 ２４ 回折格子長さ ８１ 光工率検出器 ８２ マイクロプロセッサ ８３ レーザー ８４ 光ファイバー
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 シン−ゴォ リー
台湾，タオ−ユアン シエン，タオ−ユア
ン シティ，アイ−リウ ストリート，35
番
(72)発明者 ポン−チュン ポン
台湾，タイペイ シエン，チュン−ホ シ
ティ，シウ−ラン ロード，セクション
３，レーン70，41番，フィフス フロア
(72)発明者 ミン−チュン チェン
台湾，タオ−ユアン シエン，チュン−リ
シティ，フー−シン シックスス スト
リート，79番，テンス フロア
Ｆターム(参考） 2F056 VF11 VF15 VF17 VF20
2H047 KA05 KA12 KB04 LA03 LA11
MA05 QA02 RA01 TA01 TA11
Claims (10)
- 【請求項１】 1つの絶縁層上シリコン結晶体導波カッ
プラーと、2つの絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ
回折格子と、レーザーと、光工率検出器と、マイクロプ
ロセッサなどの素子を有し、 前記絶縁層上シリコン結晶体導波カップラーにはシング
ルモードリッジタイプ導波とシングルモードＳ型リッジ
タイプ導波とシングルモード平行カップリング導波とシ
リコン案内層と二酸化珪素絶縁層とシリコンベースとを
含み、 且つ前記絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格子
にはアモルファスシリコン層と正弦式シリコン回折格子
層と二酸化珪素絶縁層とシリコンベースとを含み、前記
正弦式シリコン回折格子層の上方にアモルファスシリコ
ン層を覆うと共に、下方に二酸化珪素絶縁層を接するよ
うにし、 光線が絶縁層上シリコン結晶体導波カップラーを経て２
つの絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格子を通
して導波カップラーに反射し、その干渉スペクトルを検
出し、反射光線のスペクトルのピーク値の位置が測定さ
れる温度に従って変化するため、光工率検出器によって
その反射スペクトルを検出すれば測定される温度を知る
ことができるようにしてなることを特徴とする絶縁層上
シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度セン
サ。 - 【請求項２】 前記レーザーがＬＥＤまたはワイドバン
ド光源によって取り替えられることを特徴とする請求項
１に記載の絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソ
ン干渉式温度センサ。 - 【請求項３】 前記絶縁層上シリコン結晶体導波カップ
ラーとしていずれの分光機能を有する光導波素子によっ
て取り替えられ、例えば分光鏡や導波Ｙ分岐器などによ
って取り替えられることを特徴とする請求項１に記載の
絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温
度センサ。 - 【請求項４】 前記絶縁層上シリコン結晶体導波カップ
ラーとして多数モード干渉導波素子を使用出来ることを
特徴とする請求項１に記載の絶縁層上シリコン結晶体光
学導波マイケルソン干渉式温度センサ。 - 【請求項５】 前記絶縁層上シリコンカップラーの入力
端と出力端に段階的変更型導波を導入することによって
入力端／出力端の光ファイバーまたは外部光経路と連接
することを特徴とする請求項１に記載の絶縁層上シリコ
ン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ。 - 【請求項６】 前記絶縁層上シリコン結晶体導波カップ
ラーには２つの入力ポートと２つの出力ポートを有し、
２つの出力ポートの長さがそれぞれｌ３とｌ ４である場
合、それらの関係がｌ３−ｌ４＝６８μｍになることを
特徴とする請求項1に記載の絶縁層上シリコン結晶体光
学導波マイケルソン干渉式温度センサ。 - 【請求項７】 前記シリコン結晶体材料としてＧａＡｓ
やＩｎＰやガラスなどによって取り替えられることを特
徴とする請求項1に記載の絶縁層上シリコン結晶体光学
導波マイケルソン干渉式温度センサ。 - 【請求項８】 前記アモルファスシリコン層として各種
の熱膨張係数がそれぞれ異なる材料を使用出来ることを
特徴とする請求項1に記載の絶縁層上シリコン結晶体光
学導波マイケルソン干渉式温度センサ。 - 【請求項９】 前記絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッ
グ回折格子にはそれぞれ異なる回折格子間隔と形状を有
するように形成されることを特徴とする請求項１に記載
の絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式
温度センサ。 - 【請求項１０】 前記光工率検出器とマイクロプロセッ
サによって波長を検知算出後にその波長のデータに基づ
いてフィードバック電気回路を介してレーザーに対し周
波数安定化を実行出来ることを特徴とする請求項１に記
載の絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉
式温度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001347861A JP3752442B2 (ja) | 2001-11-13 | 2001-11-13 | 絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001347861A JP3752442B2 (ja) | 2001-11-13 | 2001-11-13 | 絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003156396A true JP2003156396A (ja) | 2003-05-30 |
| JP3752442B2 JP3752442B2 (ja) | 2006-03-08 |
Family
ID=19160792
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001347861A Expired - Fee Related JP3752442B2 (ja) | 2001-11-13 | 2001-11-13 | 絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3752442B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2495518A (en) * | 2011-10-12 | 2013-04-17 | Oxsensis Ltd | Optical sensor in which a sensing waveguide is thermally isolated from a substrate |
| CN105841724A (zh) * | 2016-03-24 | 2016-08-10 | 北京理工大学 | 一种对压强和温度同时测量的干涉式光纤传感器 |
| CN107272116A (zh) * | 2017-08-16 | 2017-10-20 | 深圳大学 | 一种回音壁模式谐振器及其制备方法 |
| CN114755453A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-07-15 | 浙江大学 | 基于腔长可调f-p腔的差分检测型光学加速度计 |
| CN114895403A (zh) * | 2022-05-19 | 2022-08-12 | 西安理工大学 | 一种抛物线型波导高效光栅耦合器及其设计方法 |
-
2001
- 2001-11-13 JP JP2001347861A patent/JP3752442B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2495518A (en) * | 2011-10-12 | 2013-04-17 | Oxsensis Ltd | Optical sensor in which a sensing waveguide is thermally isolated from a substrate |
| GB2495518B (en) * | 2011-10-12 | 2016-08-31 | Oxsensis Ltd | Optical sensor for sensing temperature of an adjacent gas |
| CN105841724A (zh) * | 2016-03-24 | 2016-08-10 | 北京理工大学 | 一种对压强和温度同时测量的干涉式光纤传感器 |
| CN107272116A (zh) * | 2017-08-16 | 2017-10-20 | 深圳大学 | 一种回音壁模式谐振器及其制备方法 |
| CN107272116B (zh) * | 2017-08-16 | 2024-01-05 | 深圳大学 | 一种回音壁模式谐振器及其制备方法 |
| CN114755453A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-07-15 | 浙江大学 | 基于腔长可调f-p腔的差分检测型光学加速度计 |
| CN114755453B (zh) * | 2022-03-11 | 2023-02-03 | 浙江大学 | 基于腔长可调f-p腔的差分检测型光学加速度计 |
| CN114895403A (zh) * | 2022-05-19 | 2022-08-12 | 西安理工大学 | 一种抛物线型波导高效光栅耦合器及其设计方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3752442B2 (ja) | 2006-03-08 |
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