JP3336511B2 - 磁場センサ - Google Patents
磁場センサInfo
- Publication number
- JP3336511B2 JP3336511B2 JP31510193A JP31510193A JP3336511B2 JP 3336511 B2 JP3336511 B2 JP 3336511B2 JP 31510193 A JP31510193 A JP 31510193A JP 31510193 A JP31510193 A JP 31510193A JP 3336511 B2 JP3336511 B2 JP 3336511B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- waveguide
- magnetic field
- light
- field sensor
- electrodes
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、磁場中に配置されて磁
場を検出するセンサに関する。
場を検出するセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、光を利用して磁場を検出する磁場
センサの研究は、非常に盛んで、ファラデー効果を用い
た磁場センサが研究の中心であった。
センサの研究は、非常に盛んで、ファラデー効果を用い
た磁場センサが研究の中心であった。
【０００３】ファラデー効果を用いた磁場センサの構成
と動作とを、図３を用いて簡単に説明する。
と動作とを、図３を用いて簡単に説明する。
【０００４】ファラデー効果を用いた磁場センサは、図
３に示すように、光源１０１、入射ファイバ１０２、偏
光子１０３、ファラデー素子１０４、検光子１０５、出
射ファイバ１０６、光検出器１０７を光軸上に順に配置
した構成である。検出すべき磁場Ｈは、ファラデー素子
１０４にかけられる。偏光子１０３と検光子１０５は、
偏光角が同じ角度になるように配置されている。
３に示すように、光源１０１、入射ファイバ１０２、偏
光子１０３、ファラデー素子１０４、検光子１０５、出
射ファイバ１０６、光検出器１０７を光軸上に順に配置
した構成である。検出すべき磁場Ｈは、ファラデー素子
１０４にかけられる。偏光子１０３と検光子１０５は、
偏光角が同じ角度になるように配置されている。
【０００５】光源１０１を出た光は、入射ファイバ１０
２により伝搬されて偏光子１０３まで導かれ、偏光子１
０３を通過することにより、直線偏光となる。この直線
偏光が、ファラデー素子１０４を通過すると磁場Ｈの強
度に応じて偏波面が回転するので、検光子１０５の偏光
角と等しい偏波成分のみが検光子１０５を通過し、出射
ファイバ１０６を伝搬して光検出器１０７で検出され
る。したがって、光検出器１０７で検出される光強度
は、磁場Ｈの大きさに対応する。したがって、光強度を
検出することにより、磁場Ｈの強度が検出される。この
とき、光強度は、 Ｐ＝｜Ｅ ｃｏｓ（θ0−θf）ｅｘｐ（ｉωｔ）｜2 ＝ Ｅ2ｃｏｓ2（θ0−θf） で表される。
２により伝搬されて偏光子１０３まで導かれ、偏光子１
０３を通過することにより、直線偏光となる。この直線
偏光が、ファラデー素子１０４を通過すると磁場Ｈの強
度に応じて偏波面が回転するので、検光子１０５の偏光
角と等しい偏波成分のみが検光子１０５を通過し、出射
ファイバ１０６を伝搬して光検出器１０７で検出され
る。したがって、光検出器１０７で検出される光強度
は、磁場Ｈの大きさに対応する。したがって、光強度を
検出することにより、磁場Ｈの強度が検出される。この
とき、光強度は、 Ｐ＝｜Ｅ ｃｏｓ（θ0−θf）ｅｘｐ（ｉωｔ）｜2 ＝ Ｅ2ｃｏｓ2（θ0−θf） で表される。
【０００６】ただしθ0は入射光の偏光角、θfはファラ
デー回転角、Ｅは入射光の電場ベクトルの振幅、ωは入
射光の角振動数である。
デー回転角、Ｅは入射光の電場ベクトルの振幅、ωは入
射光の角振動数である。
【０００７】ファラデー素子の材料としては一般的に、
鉛ガラス、ＹＩＧ（イットリウム・鉄・ガーネット）、
ＧＧＧ（ガドリウム・ガリウム・ガーネット）などが使
われている。
鉛ガラス、ＹＩＧ（イットリウム・鉄・ガーネット）、
ＧＧＧ（ガドリウム・ガリウム・ガーネット）などが使
われている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のファラ
デー効果などの磁気光学効果を用いた磁場センサでは、
図３に示したような複数の光学部品から構成されるた
め、小型化や、光集積回路や電気回路の一部として一の
基板上に組み込むことが困難である。さらに、この磁場
センサを製造するには、複数の光学部品をそれぞれ別工
程で製造した後、光軸上に順に位置合わせして固定する
必要があるため、製造効率が低い。
デー効果などの磁気光学効果を用いた磁場センサでは、
図３に示したような複数の光学部品から構成されるた
め、小型化や、光集積回路や電気回路の一部として一の
基板上に組み込むことが困難である。さらに、この磁場
センサを製造するには、複数の光学部品をそれぞれ別工
程で製造した後、光軸上に順に位置合わせして固定する
必要があるため、製造効率が低い。
【０００９】偏光子、光ファイバー、ファラデー素子、
発光素子、受光素子を１つの基板上につくり込んで光集
積回路にすることができれば、これらの問題は解決す
る。しかし、ファラデー効果を得られる材料は、数種類
の材料に限られ、これらの材料を用いて、偏光子、光フ
ァイバー、発光素子、受光素子等を構成することが現状
ではできないため、同一基板上につくり込むことはでき
なかった。
発光素子、受光素子を１つの基板上につくり込んで光集
積回路にすることができれば、これらの問題は解決す
る。しかし、ファラデー効果を得られる材料は、数種類
の材料に限られ、これらの材料を用いて、偏光子、光フ
ァイバー、発光素子、受光素子等を構成することが現状
ではできないため、同一基板上につくり込むことはでき
なかった。
【００１０】本発明は、小型で光集積回路化が可能な磁
場センサを得ることを目的とする。
場センサを得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の磁場センサは、検出すべき磁場中に配置さ
れた導波路と、導波路に電流を流すための一対の電極
と、導波路を伝搬する光を用いて導波路の屈折率変化を
検出する検出手段とを備える。導波路は、ホール効果と
電気光学効果とを有する材料で構成されている。
に、本発明の磁場センサは、検出すべき磁場中に配置さ
れた導波路と、導波路に電流を流すための一対の電極
と、導波路を伝搬する光を用いて導波路の屈折率変化を
検出する検出手段とを備える。導波路は、ホール効果と
電気光学効果とを有する材料で構成されている。
【００１２】
【作用】本発明は、従来のように、ファラデー効果のよ
うな磁気光学効果を用いず、ホール効果と電気光学効果
とを用いて、磁場を検出するものである。
うな磁気光学効果を用いず、ホール効果と電気光学効果
とを用いて、磁場を検出するものである。
【００１３】まず、ホール効果と電気光学効果とを有す
る材料で導波路を形成し、この導波路に電流を流す一対
の電極を配置する。
る材料で導波路を形成し、この導波路に電流を流す一対
の電極を配置する。
【００１４】導波路は、ホール効果を有する材料で構成
されているので、電流（Ｉx）、磁場Ｈz（磁束密度Ｂ
z ）がかかると、ホール電場（Ｅy）が生じる。
されているので、電流（Ｉx）、磁場Ｈz（磁束密度Ｂ
z ）がかかると、ホール電場（Ｅy）が生じる。
【００１５】ホール電場（Ｅy）＝Ｒh Ｉx Ｂz で表される。但し、Ｒｈはホール係数である。ホール電
場が生じる方向は、図２のように、電流（Ｉx）と、磁
場Ｈz（磁束密度Ｂz ）とに直交する方向である。
場が生じる方向は、図２のように、電流（Ｉx）と、磁
場Ｈz（磁束密度Ｂz ）とに直交する方向である。
【００１６】また、上述のように導波路は、電気光学効
果を有する材料で形成されているため、ホール効果で生
じたホール電場により、電気光学効果が引き起こされ光
導波路の屈折率が変化する。導波路の屈折率が変化する
と、導波路を伝搬する光に変化が生じるので、検出手段
は、伝搬光の変化を検出することにより、導波路の屈折
率変化を検出することができる。さらに、導波路の屈折
率変化から、ホール電場を求め、さらに、ホール電場か
ら磁場の大きさを検出することができる。
果を有する材料で形成されているため、ホール効果で生
じたホール電場により、電気光学効果が引き起こされ光
導波路の屈折率が変化する。導波路の屈折率が変化する
と、導波路を伝搬する光に変化が生じるので、検出手段
は、伝搬光の変化を検出することにより、導波路の屈折
率変化を検出することができる。さらに、導波路の屈折
率変化から、ホール電場を求め、さらに、ホール電場か
ら磁場の大きさを検出することができる。
【００１７】
【実施例】本発明の一実施例の磁場センサを図面を用い
て説明する。
て説明する。
【００１８】まず、本実施例の磁場センサの構成につい
て説明する。
て説明する。
【００１９】本実施例の磁場センサは、図１に示すよう
に、基板１に、光源６と光検出器７を備え、光源６と光
検出器７の間には、光源６から出射された光を光検出器
７まで伝搬する導波路２、３、４、５が設けられてい
る。光源６から出射された光は、まず、導波路２を伝搬
し、分岐部３１で２本の導波路３、４に分岐し、合流部
３２で合流して導波路５を伝搬して光検出器７に入射す
る。
に、基板１に、光源６と光検出器７を備え、光源６と光
検出器７の間には、光源６から出射された光を光検出器
７まで伝搬する導波路２、３、４、５が設けられてい
る。光源６から出射された光は、まず、導波路２を伝搬
し、分岐部３１で２本の導波路３、４に分岐し、合流部
３２で合流して導波路５を伝搬して光検出器７に入射す
る。
【００２０】導波路３上には、図４に示したように、間
隔ｌをあけて一対の電極８、９が配置されている。ま
た、電極８、９の間の領域を囲むように、基板１を厚さ
方向に貫通する２つの貫通孔１０ａ、１０ｂが設けられ
ている。電極８、９は、外部電源に接続され、電極間に
電流がながれる。
隔ｌをあけて一対の電極８、９が配置されている。ま
た、電極８、９の間の領域を囲むように、基板１を厚さ
方向に貫通する２つの貫通孔１０ａ、１０ｂが設けられ
ている。電極８、９は、外部電源に接続され、電極間に
電流がながれる。
【００２１】つぎに、導波路２、３、４、５、光源６、
光検出器７の構造について、図５、６、７、８を用いて
さらに説明する。
光検出器７の構造について、図５、６、７、８を用いて
さらに説明する。
【００２２】本実施例では、基板１として、ノンドープ
の（００１）ＧａＡｓ基板を用いている。導波路２、
３、４、５は、ＴＥモード光に関してシングルモードの
導波路であり、光の伝搬方向は、基板１の〈１１０〉方
向である。
の（００１）ＧａＡｓ基板を用いている。導波路２、
３、４、５は、ＴＥモード光に関してシングルモードの
導波路であり、光の伝搬方向は、基板１の〈１１０〉方
向である。
【００２３】導波路２、３、４、５は、ＧａＡｓ基板１
の上に、Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓで形成したクラッド層１
９、ＧａＡｓで形成したコア層１８、Ａｌ0.07Ｇａ0.93
Ａｓで形成したクラッド層１７を順に積層した構造であ
る。コア層１８は、リッジ型導波路形状である。本実施
例では、コア層１８のリッジ部分に光が閉じ込められる
ので、リッジ部分を導波路２、３、４、５とよぶ。クラ
ッド層１９の厚さは、１．００μｍ、コア層１８のリッ
ジ部分の厚さは、０．４５μｍ、コア層１８のリッジ部
分以外の部分の厚さは、０．０１μｍである。クラッド
層１７の厚さは、コア層１８のリッジ部分の上部におい
て０．７μｍである。
の上に、Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓで形成したクラッド層１
９、ＧａＡｓで形成したコア層１８、Ａｌ0.07Ｇａ0.93
Ａｓで形成したクラッド層１７を順に積層した構造であ
る。コア層１８は、リッジ型導波路形状である。本実施
例では、コア層１８のリッジ部分に光が閉じ込められる
ので、リッジ部分を導波路２、３、４、５とよぶ。クラ
ッド層１９の厚さは、１．００μｍ、コア層１８のリッ
ジ部分の厚さは、０．４５μｍ、コア層１８のリッジ部
分以外の部分の厚さは、０．０１μｍである。クラッド
層１７の厚さは、コア層１８のリッジ部分の上部におい
て０．７μｍである。
【００２４】光源６は、半導体レーザであり、導波路２
のクラッド層１７の上に形成されている。その構造は、
図５、図６に示すように、ＧａＡｓで形成した活性層１
４、ＡｌＧａＡｓで形成したクラッド層１３、ＧａＡｓ
で形成したキャップ層１２を備えている。キャップ層１
２上には、導波路２を挟むように一対の電極１１が配置
されている。また、一対の電極１１の下部には、クラッ
ド層１７に達する深さまでｐ型拡散層１５と、ｎ型拡散
層１６がそれぞれ設けられている。光源６の活性層１４
内の光は、導波路２の伝搬方向と同じ方向に進行して、
活性層１４の両端面で反射されて増幅される。
のクラッド層１７の上に形成されている。その構造は、
図５、図６に示すように、ＧａＡｓで形成した活性層１
４、ＡｌＧａＡｓで形成したクラッド層１３、ＧａＡｓ
で形成したキャップ層１２を備えている。キャップ層１
２上には、導波路２を挟むように一対の電極１１が配置
されている。また、一対の電極１１の下部には、クラッ
ド層１７に達する深さまでｐ型拡散層１５と、ｎ型拡散
層１６がそれぞれ設けられている。光源６の活性層１４
内の光は、導波路２の伝搬方向と同じ方向に進行して、
活性層１４の両端面で反射されて増幅される。
【００２５】光検出器は、フォトダイオードであり、導
波路５のクラッド層１７の上に形成されている。その構
造は、光源６と同様に、図７、図８に示すように、Ｇａ
Ａｓで形成した活性層２４、ＡｌＧａＡｓで形成したク
ラッド層２３、ＧａＡｓで形成したキャップ層２２を備
えている。キャップ層２２上には、導波路５を挟むよう
に一対の電極２１が配置されている。また、一対の電極
２１の下部には、クラッド層１７に達する深さまでｐ型
拡散層２５と、ｎ型拡散層２６がそれぞれ設けられてい
る。
波路５のクラッド層１７の上に形成されている。その構
造は、光源６と同様に、図７、図８に示すように、Ｇａ
Ａｓで形成した活性層２４、ＡｌＧａＡｓで形成したク
ラッド層２３、ＧａＡｓで形成したキャップ層２２を備
えている。キャップ層２２上には、導波路５を挟むよう
に一対の電極２１が配置されている。また、一対の電極
２１の下部には、クラッド層１７に達する深さまでｐ型
拡散層２５と、ｎ型拡散層２６がそれぞれ設けられてい
る。
【００２６】また、貫通孔１０ａ、１０ｂで囲まれた領
域のクラッド層１７、コア層１８、クラッド層１９に
は、０．００１ｗｔ％の濃度でＳｅがドープされてい
る。その時の、貫通孔１０ａ、１０ｂで囲まれた領域
は、正孔濃度２．１×１０17ｃｍ~3のｎ型半導体となっ
ている。
域のクラッド層１７、コア層１８、クラッド層１９に
は、０．００１ｗｔ％の濃度でＳｅがドープされてい
る。その時の、貫通孔１０ａ、１０ｂで囲まれた領域
は、正孔濃度２．１×１０17ｃｍ~3のｎ型半導体となっ
ている。
【００２７】つぎに、本実施例の磁気センサの動作につ
いて説明する。
いて説明する。
【００２８】まず、本実施例の磁場センサを検出すべき
磁場Ｈz中に配置する。この時、磁場Ｈzが、磁場センサ
の貫通孔１０ａ、１０ｂで囲まれた領域に基板１の法線
方向（ｚ方向）からかかるように配置する。光源６の電
極１１間に電流を流して、光源６を発光させる。
磁場Ｈz中に配置する。この時、磁場Ｈzが、磁場センサ
の貫通孔１０ａ、１０ｂで囲まれた領域に基板１の法線
方向（ｚ方向）からかかるように配置する。光源６の電
極１１間に電流を流して、光源６を発光させる。
【００２９】また、導波路３上の電極８、９間に、ｘ方
向に電流Ｉxを流す。したがって、導波路３の貫通孔１
０ａ、１０ｂで囲まれた領域には、図２のように、ｚ方
向に外部磁場Ｈzがかけられ、かつ、ｘ方向に電流Ｉxが
ながれているので、ホール効果により、ｙ方向にホール
電場Ｅyが発生する。このとき、 ホール電場Ｅy＝ＲhＩxＢz で表わされる。
向に電流Ｉxを流す。したがって、導波路３の貫通孔１
０ａ、１０ｂで囲まれた領域には、図２のように、ｚ方
向に外部磁場Ｈzがかけられ、かつ、ｘ方向に電流Ｉxが
ながれているので、ホール効果により、ｙ方向にホール
電場Ｅyが発生する。このとき、 ホール電場Ｅy＝ＲhＩxＢz で表わされる。
【００３０】但し、Ｒhは、０．００１ｗｔ％の濃度で
ＳｅがドープされたＧａＡｓのホール係数、Ｂzは、外
部磁場Ｈzの磁束密度である。貫通孔１０ａ、１０ｂ
は、電流Ｉxのながれる領域の基板１、クラッド層１
７、１９およびコア層１８を、周囲の領域の基板１、ク
ラッド層１７、１９およびコア層１８から隔絶し、周囲
の領域に電流が流れてホール効果が生じるのを防いでい
る。
ＳｅがドープされたＧａＡｓのホール係数、Ｂzは、外
部磁場Ｈzの磁束密度である。貫通孔１０ａ、１０ｂ
は、電流Ｉxのながれる領域の基板１、クラッド層１
７、１９およびコア層１８を、周囲の領域の基板１、ク
ラッド層１７、１９およびコア層１８から隔絶し、周囲
の領域に電流が流れてホール効果が生じるのを防いでい
る。
【００３１】また、本実施例において、導波路３（コア
層１８のリッジ部分）を形成するＧａＡｓは、電気光学
効果を有している。導波路３の結晶軸の方向は、基板１
と同じ方向で成長しているので、基板面は（００１）、
伝搬方向は〈１１０〉方向である。したがって、導波路
３の貫通孔１０ａ、１０ｂで囲まれた領域は、生じたホ
ール電場Ｅｙと、ＧａＡｓのポッケルス定数のｒ41成分
とにより、ＴＥ光の実効屈折率がΔｎだけ変化してい
る。このとき、 Δｎ＝ｎ0 3ｒ41Ｅy／２ で表わされる。
層１８のリッジ部分）を形成するＧａＡｓは、電気光学
効果を有している。導波路３の結晶軸の方向は、基板１
と同じ方向で成長しているので、基板面は（００１）、
伝搬方向は〈１１０〉方向である。したがって、導波路
３の貫通孔１０ａ、１０ｂで囲まれた領域は、生じたホ
ール電場Ｅｙと、ＧａＡｓのポッケルス定数のｒ41成分
とにより、ＴＥ光の実効屈折率がΔｎだけ変化してい
る。このとき、 Δｎ＝ｎ0 3ｒ41Ｅy／２ で表わされる。
【００３２】但し、ｎ0はＧａＡｓの屈折率である。
【００３３】光源６の活性層１４を進行するＴＥモード
光は、エバネッセントカップルにより、クラッド層１７
を介して、導波路２に入射し、導波路２をＴＥモードに
ついてシングルモードで伝搬して、導波路３、４に均等
に分岐される。
光は、エバネッセントカップルにより、クラッド層１７
を介して、導波路２に入射し、導波路２をＴＥモードに
ついてシングルモードで伝搬して、導波路３、４に均等
に分岐される。
【００３４】導波路３を伝搬する光は、貫通孔１０ａ、
１０ｂで囲まれた領域において、ＴＥ光の実効屈折率が
変化しているため、位相がΔφだけシフトする。このと
き、 位相シフト量Δφ＝ｋｌΔｎ で表わされる。
１０ｂで囲まれた領域において、ＴＥ光の実効屈折率が
変化しているため、位相がΔφだけシフトする。このと
き、 位相シフト量Δφ＝ｋｌΔｎ で表わされる。
【００３５】但し、ｋは伝搬している光の波数、ｌは、
貫通孔１０ａ、１０ｂで囲まれた領域に位置する導波路
３の長さである。
貫通孔１０ａ、１０ｂで囲まれた領域に位置する導波路
３の長さである。
【００３６】この時、ＡｌＧａＡｓで形成されたクラッ
ド層１７、１９にも、電気光学効果があるので、クラッ
ド層１７、１９の屈折率も変化するがコア層１８の光の
閉じ込め効果が変化するだけで、位相シフト量Δφに変
化は生じない。
ド層１７、１９にも、電気光学効果があるので、クラッ
ド層１７、１９の屈折率も変化するがコア層１８の光の
閉じ込め効果が変化するだけで、位相シフト量Δφに変
化は生じない。
【００３７】また、導波路４を伝搬する光には、位相シ
フトは生じていない。したがって、合流部３２で、導波
路３を伝搬してΔφだけ位相シフトした光と、導波路４
を伝搬して位相シフトしていない光とが合波されると、
これらの光は干渉し、導波路５を伝搬する光の強度Ｐ
outは、 Ｐout＝Ｐinｃｏｓ2（Δφ／２） となる。
フトは生じていない。したがって、合流部３２で、導波
路３を伝搬してΔφだけ位相シフトした光と、導波路４
を伝搬して位相シフトしていない光とが合波されると、
これらの光は干渉し、導波路５を伝搬する光の強度Ｐ
outは、 Ｐout＝Ｐinｃｏｓ2（Δφ／２） となる。
【００３８】但し、Ｐinは、光源６から出射されて導波
路２に入射した光の強度である。
路２に入射した光の強度である。
【００３９】導波路５を伝搬した光は、エバネッセント
カップルによって光検出器７に入射し、強度が検出され
る。
カップルによって光検出器７に入射し、強度が検出され
る。
【００４０】したがって、光源６から出射された光の強
度Ｐinと、検出器７で検出された光の強度Ｐoutとを用
いて、上式から位相シフト量Δφを求めることができ
る。そして、このΔφを Ｂz＝２Δφ／（ＩxＲhｎ0 3ｒ41ｋｌ） に代入することにより、検出すべき磁場Ｈzの磁束密度
Ｂzを求めることができる。 実際に本実施例の磁場セ
ンサを用いて、磁場を検出した具体例について説明す
る。
度Ｐinと、検出器７で検出された光の強度Ｐoutとを用
いて、上式から位相シフト量Δφを求めることができ
る。そして、このΔφを Ｂz＝２Δφ／（ＩxＲhｎ0 3ｒ41ｋｌ） に代入することにより、検出すべき磁場Ｈzの磁束密度
Ｂzを求めることができる。 実際に本実施例の磁場セ
ンサを用いて、磁場を検出した具体例について説明す
る。
【００４１】正孔濃度が２．１×１０17ｃｍ~3でＳｅが
ドープされたＧａＡｓのＲh＝３．８５×１０（ｃｍ3／
Ｃ）である。また、光源６の波長は、０．８８μｍとし
た。この時、ｎ0＝３．６、ｒ41＝１．２である。貫通
孔１０ａ、１０ｂで囲まれた領域の導波路３の長さｌ
は、１．０ｍｍとして。この時、検出された位相シフト
量Δφ＝０．１（ｒａｄ）であった。
ドープされたＧａＡｓのＲh＝３．８５×１０（ｃｍ3／
Ｃ）である。また、光源６の波長は、０．８８μｍとし
た。この時、ｎ0＝３．６、ｒ41＝１．２である。貫通
孔１０ａ、１０ｂで囲まれた領域の導波路３の長さｌ
は、１．０ｍｍとして。この時、検出された位相シフト
量Δφ＝０．１（ｒａｄ）であった。
【００４２】したがって、上式より、検出すべき磁場の
求める磁束密度Ｂz＝１．３０×１０2（ｇａｕｓｓ）で
あることがもとめられた。
求める磁束密度Ｂz＝１．３０×１０2（ｇａｕｓｓ）で
あることがもとめられた。
【００４３】ここで、本実施例の磁場センサの製造方法
について簡単に説明する。
について簡単に説明する。
【００４４】まず基板１上に、ＡｌＧａＡｓクラッド層
１９と、ＧａＡｓコア層１９を順に液相成長法により成
長させた。つぎに、コア層１９をエッチングし、リッジ
型導波路形状に加工した。この上に、ＡｌＧａＡｓクラ
ッド層１７、ＧａＡｓ活性層１４、ＡｌＧａＡｓクラッ
ド層１３、ＧａＡｓキャップ層１２を液相成長法で基板
全面に成長させた。ＧａＡｓ活性層１４、ＡｌＧａＡｓ
クラッド層１３、ＧａＡｓキャップ層１２のみをエッチ
ングして、光源６と光検出器７の形状に残し、残りの部
分を取り除く。ＧａＡｓキャップ層１２の上にｐ型拡散
層１５と、ｎ型拡散層１６にそれぞれ、拡散を施す。ま
た、貫通孔１０ａ、１０ｂを空け、中の領域にＳｅをイ
オン注入して熱処理する。さらに電極１１、２１を形成
すると、本実施例の磁場センサが完成する。
１９と、ＧａＡｓコア層１９を順に液相成長法により成
長させた。つぎに、コア層１９をエッチングし、リッジ
型導波路形状に加工した。この上に、ＡｌＧａＡｓクラ
ッド層１７、ＧａＡｓ活性層１４、ＡｌＧａＡｓクラッ
ド層１３、ＧａＡｓキャップ層１２を液相成長法で基板
全面に成長させた。ＧａＡｓ活性層１４、ＡｌＧａＡｓ
クラッド層１３、ＧａＡｓキャップ層１２のみをエッチ
ングして、光源６と光検出器７の形状に残し、残りの部
分を取り除く。ＧａＡｓキャップ層１２の上にｐ型拡散
層１５と、ｎ型拡散層１６にそれぞれ、拡散を施す。ま
た、貫通孔１０ａ、１０ｂを空け、中の領域にＳｅをイ
オン注入して熱処理する。さらに電極１１、２１を形成
すると、本実施例の磁場センサが完成する。
【００４５】このように、本実施例によれば、ホール効
果と電気光学効果を利用して、磁場を光導波路を伝搬す
る光の位相変化という形で検出することができる。位相
変化は、マッハツェンダ型の干渉計を組むことにより、
容易に検出している。したがって、従来のように磁気光
学効果を用いる必要はない。ホール効果と電気光学効果
を有する材料としては、半導体材料が知られている。し
たがって、導波路や、光源や、光検出器を同系列の半導
体材料で容易に形成することが可能であるので、光源
や、光検出器を基板上に一体に形成し、小型で、しかも
１つのチップの磁場センサーを構成することが容易であ
る。
果と電気光学効果を利用して、磁場を光導波路を伝搬す
る光の位相変化という形で検出することができる。位相
変化は、マッハツェンダ型の干渉計を組むことにより、
容易に検出している。したがって、従来のように磁気光
学効果を用いる必要はない。ホール効果と電気光学効果
を有する材料としては、半導体材料が知られている。し
たがって、導波路や、光源や、光検出器を同系列の半導
体材料で容易に形成することが可能であるので、光源
や、光検出器を基板上に一体に形成し、小型で、しかも
１つのチップの磁場センサーを構成することが容易であ
る。
【００４６】上述の実施例では、電極８、９間の領域を
囲むように貫通孔１０ａ、１０ｂを形成しているが、電
極８、９の配置を工夫することにより、電流の流れる領
域の長さｌを限定することができる場合には、貫通孔１
０ａ、１０ｂを設けなくともよい。また、磁気シールド
を配置して、周囲の領域に検出すべき磁場がかからなく
する構成にした場合も、貫通孔１０ａ、１０ｂを設けな
くともよい。磁気シールドを用いる場合、例えば、超伝
導材料の膜で周囲の領域を被覆して、マイスナー効果に
より周囲領域から磁場を排除する構成を用いることがで
きる。現状の超伝導材料は、低温で超伝導材料を示すの
で、この場合は磁場センサ全体を低温にする。また、貫
通孔と磁気シールドを両方配置してもよい。
囲むように貫通孔１０ａ、１０ｂを形成しているが、電
極８、９の配置を工夫することにより、電流の流れる領
域の長さｌを限定することができる場合には、貫通孔１
０ａ、１０ｂを設けなくともよい。また、磁気シールド
を配置して、周囲の領域に検出すべき磁場がかからなく
する構成にした場合も、貫通孔１０ａ、１０ｂを設けな
くともよい。磁気シールドを用いる場合、例えば、超伝
導材料の膜で周囲の領域を被覆して、マイスナー効果に
より周囲領域から磁場を排除する構成を用いることがで
きる。現状の超伝導材料は、低温で超伝導材料を示すの
で、この場合は磁場センサ全体を低温にする。また、貫
通孔と磁気シールドを両方配置してもよい。
【００４７】また、本実施例では、導波路としてＴＥモ
ード光に対してシングルモードの導波路を用い、ＴＥモ
ード光を伝搬させる構成を用いたが、これに限定される
ものではない。上述の実施例で示した導波路２、３、
４、５は、ＴＭモード光に対しても、シングルモードの
導波路である。しかも、ＧａＡｓのポッケルス定数ｒ41
は、この導波路のＴＭモード光の実効屈折率も変化させ
る。したがって、本実施例の磁場センサでＴＭモード光
を伝搬させた場合にも、同様に磁場を検出できる。
ード光に対してシングルモードの導波路を用い、ＴＥモ
ード光を伝搬させる構成を用いたが、これに限定される
ものではない。上述の実施例で示した導波路２、３、
４、５は、ＴＭモード光に対しても、シングルモードの
導波路である。しかも、ＧａＡｓのポッケルス定数ｒ41
は、この導波路のＴＭモード光の実効屈折率も変化させ
る。したがって、本実施例の磁場センサでＴＭモード光
を伝搬させた場合にも、同様に磁場を検出できる。
【００４８】また、シングルモード導波路に限らず、導
波路２、３、４、５をマルチモードの導波路や、ＴＥモ
ード光とＴＭモード光とを同時に伝搬させる構成にする
ことも可能である。但し、そのような構成にした場合に
は、各モード光に位相シフトが生じ、しかも、合流部３
２で各モード光間にそれぞれ干渉が生じるので、それを
考慮して光強度から位相シフト量を取り出す必要があ
る。
波路２、３、４、５をマルチモードの導波路や、ＴＥモ
ード光とＴＭモード光とを同時に伝搬させる構成にする
ことも可能である。但し、そのような構成にした場合に
は、各モード光に位相シフトが生じ、しかも、合流部３
２で各モード光間にそれぞれ干渉が生じるので、それを
考慮して光強度から位相シフト量を取り出す必要があ
る。
【００４９】さらに、本実施例では、ＧａＡｓ系の材料
により、導波路、光源および光検出器を一体に構成した
が、必ずしも、光源および光検出器を一体に形成する必
要はない。光源および光検出器を別体とする場合であっ
ても、本実施例の磁場センサは、導波路で構成されてい
るので、他の光集積回路や電気回路の一部としてつくり
込むことが容易である。
により、導波路、光源および光検出器を一体に構成した
が、必ずしも、光源および光検出器を一体に形成する必
要はない。光源および光検出器を別体とする場合であっ
ても、本実施例の磁場センサは、導波路で構成されてい
るので、他の光集積回路や電気回路の一部としてつくり
込むことが容易である。
【００５０】本実施例では、ＧａＡｓ系の材料で磁場セ
ンサを形成したが、ＧａＡｓ系の材料に限らず、ホール
効果と電気光学効果を備えた材料であれば用いることが
できる。例えば、 ・ＢＮ，ＢＰ，ＢＡｓ，ＡｌＮ，ＡｌＰ，ＡｌＡｓ，Ａ
ｌＳｂ，ＧａＮ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，Ｉｎ
Ｎ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ等のIII-Ｖ族半導体。
ンサを形成したが、ＧａＡｓ系の材料に限らず、ホール
効果と電気光学効果を備えた材料であれば用いることが
できる。例えば、 ・ＢＮ，ＢＰ，ＢＡｓ，ＡｌＮ，ＡｌＰ，ＡｌＡｓ，Ａ
ｌＳｂ，ＧａＮ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，Ｉｎ
Ｎ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ等のIII-Ｖ族半導体。
【００５１】・ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＳ，
ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＨｇＳ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ等の
II−VI族半導体。
ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＨｇＳ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ等の
II−VI族半導体。
【００５２】・ＰｂＳ，ＰｂＳｅ等のIV-VI族半導体。
【００５３】を用いることができる。
【００５４】また、本実施例の磁場センサでは、基板１
として（００１）面の基板を用い、光の伝搬方向を〈１
１０〉方向としたが、ＧａＡｓ基板を用いる場合、以下
の基板と伝搬方向を用いた場合にも、ホール電場によっ
て伝搬光の実効屈折率が変化するので、位相シフトを検
出することにより、磁場を検出することができる。
として（００１）面の基板を用い、光の伝搬方向を〈１
１０〉方向としたが、ＧａＡｓ基板を用いる場合、以下
の基板と伝搬方向を用いた場合にも、ホール電場によっ
て伝搬光の実効屈折率が変化するので、位相シフトを検
出することにより、磁場を検出することができる。
【００５５】 但し、−１は、１にオーバラインを付したものを表わ
す。
す。
【００５６】本実施例では、電極８、９間の領域に、Ｓ
ｅをドープしたが、これは、キャリア濃度を高めること
により低電圧で電流Ｉxを流すためと、電極８、９間の
領域のキャリア濃度を正確に確定することでホール係数
のバラツキをなくし正確な値を得るためである。しかし
ながら、ホール係数は、キャリア濃度が小さいほど大き
くなるので、ノンドープの導波路の方が大きなホール係
数が得られる。したがって、必ずしも、電極８、９間の
領域にドープを施す必要はない。ノンドープの導波路に
大きな電圧を印加して大きな電流Ｉxを流すことによ
り、大きなホール電場Ｅyを得ることができるので、検
出感度を高めることができる。
ｅをドープしたが、これは、キャリア濃度を高めること
により低電圧で電流Ｉxを流すためと、電極８、９間の
領域のキャリア濃度を正確に確定することでホール係数
のバラツキをなくし正確な値を得るためである。しかし
ながら、ホール係数は、キャリア濃度が小さいほど大き
くなるので、ノンドープの導波路の方が大きなホール係
数が得られる。したがって、必ずしも、電極８、９間の
領域にドープを施す必要はない。ノンドープの導波路に
大きな電圧を印加して大きな電流Ｉxを流すことによ
り、大きなホール電場Ｅyを得ることができるので、検
出感度を高めることができる。
【００５７】さらに、本実施例では、マッハツェンダ型
の干渉計を組み、位相シフト量Δφを求めたが、位相シ
フト量に限らず、導波路の屈折率変化が検出できる方法
であれば他の方法を用いることもできる。例えば、屈折
率変化による光の閉じ込め条件が変化することを利用し
て、エバーネッセント波を平行に配置した導波路に結合
させて取り出し、結合した光の強度を検出する方法を用
いることができる。また、屈折率変化による光の振幅変
調、偏波面回転を検出する構成にすることも可能であ
る。
の干渉計を組み、位相シフト量Δφを求めたが、位相シ
フト量に限らず、導波路の屈折率変化が検出できる方法
であれば他の方法を用いることもできる。例えば、屈折
率変化による光の閉じ込め条件が変化することを利用し
て、エバーネッセント波を平行に配置した導波路に結合
させて取り出し、結合した光の強度を検出する方法を用
いることができる。また、屈折率変化による光の振幅変
調、偏波面回転を検出する構成にすることも可能であ
る。
【００５８】
【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、ホール効果および電気光学効果を用いることによ
り、小型で、光集積回路化が可能な磁場センサーを得る
ことができる。
ば、ホール効果および電気光学効果を用いることによ
り、小型で、光集積回路化が可能な磁場センサーを得る
ことができる。
【図１】 本発明の一実施例に関わる磁場センサの構成
を示す上面図。
を示す上面図。
【図２】 本発明の磁場センサで用いるホール効果の説
明図。
明図。
【図３】 従来のファラデー効果を用いた磁場センサの
構成を示すブロック図。
構成を示すブロック図。
【図４】図１の磁場センサの部分拡大図。
【図５】図１の磁場センサのＢ−Ｂ’断面図。
【図６】図１の磁場センサのＡ−Ａ’断面図。
【図７】図１の磁場センサのＢ−Ｂ’断面図。
【図８】図１の磁場センサのＣ−Ｃ’断面図。
１…基板、２、３、４、５…導波路、６…光源、７…光
検出器、８、９…電極、１０ａ、１０ｂ…貫通孔、１
１、２１…電極、１２、２２…ＧａＡｓキャップ層、１
３、２３…ＡｌＧａＡｓクラッド層、１４…ＧａＡｓ活
性層、２４…ＧａＡｓコア層、１５、２５…ｐ型拡散
層、１６、２６…ｎ型拡散層、１７…ＡｌＧａＡｓクラ
ッド層、１８…ＧａＡｓコア層、１９…ＡｌＧａＡｓク
ラッド層。
検出器、８、９…電極、１０ａ、１０ｂ…貫通孔、１
１、２１…電極、１２、２２…ＧａＡｓキャップ層、１
３、２３…ＡｌＧａＡｓクラッド層、１４…ＧａＡｓ活
性層、２４…ＧａＡｓコア層、１５、２５…ｐ型拡散
層、１６、２６…ｎ型拡散層、１７…ＡｌＧａＡｓクラ
ッド層、１８…ＧａＡｓコア層、１９…ＡｌＧａＡｓク
ラッド層。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 33/032 G01R 15/22 - 15/24 G02F 1/095
Claims (12)
- 【請求項１】検出すべき磁場中に配置されるべき導波路
と、前記導波路に電流を流すための一対の電極と、前記
導波路を伝搬する光を用いて前記導波路の屈折率変化を
検出する検出手段とを有し、 前記導波路は、ホール効果と電気光学効果とを有する材
料で構成されていることを特徴とする磁場センサ。 - 【請求項２】請求項１において、前記導波路は、検出す
べき磁場と前記一対の電極間の電流とによって生じたホ
ール電場によって屈折率の変化が生じる方位が、前記導
波路を伝搬する光の伝搬状態に影響をおよぼすように伝
搬方向と光の閉じ込め方向が定められていることを特徴
とする磁場センサ。 - 【請求項３】請求項１において、前記検出手段は、前記
導波路を伝搬する光の位相の変化から屈折率変化を検出
することを特徴とする磁場センサ。 - 【請求項４】請求項３において、前記導波路は、伝搬す
る光を少なくとも２つに分岐する分岐部と、分岐部で分
岐された光をそれぞれ伝搬する分岐導波路と、前記分岐
導波路を伝搬した光を合波する合波部とを有し、 前記一対の電極は、前記分岐導波路の１つに配置され、 前記検出手段は、前記合波部で合波された光の強弱から
前記光の位相の変化を検出することを特徴とする磁場セ
ンサ。 - 【請求項５】請求項１において、前記検出手段は、前記
導波路を伝搬した光を検出する受光素子を有し、前記導
波路および受光素子は、同一基板上に形成されているこ
とを特徴とする磁場センサ。 - 【請求項６】請求項５において、前記基板上には、前記
導波路に伝搬させる光を出射する発光素子がさらに形成
されていることを特徴とする磁場センサ。 - 【請求項７】請求項５において、前記導波路、基板、受
光素子は、半導体材料で構成され、前記基板上に一体に
形成されていることを特徴とする磁場センサ。 - 【請求項８】請求項５において、前記導波路のうち前記
一対の電極で挟まれた領域を、周囲の領域から磁気的に
隔絶するための手段が配置されていることを特徴とする
磁場センサ。 - 【請求項９】請求項８において、前記磁気的に隔絶する
ための手段は、前記一対の電極で挟まれた領域の周囲に
配置された貫通孔であり、 前記貫通孔は、前記導波路を構成する膜および基板を前
記基板の法線方向に貫通していることを特徴とする磁場
センサ。 - 【請求項１０】請求項８において、前記磁気的に隔絶す
るための手段は、前記一対の電極で挟まれた領域の周囲
の前記導波路および基板を覆う磁気シールド膜であるこ
とを特徴とする磁場センサ。 - 【請求項１１】請求項１０において、前記磁気シールド
膜は、超伝導材料で構成されていることを特徴とする磁
場センサ。 - 【請求項１２】請求項７において、前記導波路のうち前
記一対の電極で挟まれた領域には、不純物がドープされ
ていることを特徴とする磁場センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31510193A JP3336511B2 (ja) | 1993-12-15 | 1993-12-15 | 磁場センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31510193A JP3336511B2 (ja) | 1993-12-15 | 1993-12-15 | 磁場センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07167930A JPH07167930A (ja) | 1995-07-04 |
| JP3336511B2 true JP3336511B2 (ja) | 2002-10-21 |
Family
ID=18061435
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31510193A Expired - Lifetime JP3336511B2 (ja) | 1993-12-15 | 1993-12-15 | 磁場センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3336511B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021038505A1 (en) * | 2019-08-29 | 2021-03-04 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) | Hotspot monitoring system for superconducting device |
| CN112098706B (zh) * | 2020-08-07 | 2024-03-22 | 国网山东省电力公司青岛供电公司 | 一种电压传感器及工作方法 |
-
1993
- 1993-12-15 JP JP31510193A patent/JP3336511B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07167930A (ja) | 1995-07-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0340779B1 (en) | Optical quantum interference device | |
| US4889402A (en) | Electro-optic polarization modulation in multi-electrode waveguides | |
| US4093345A (en) | Semiconductor rib waveguide optical modulator with heterojunction control electrode cladding | |
| Akiyama et al. | Compact PIN-diode-based silicon modulator using side-wall-grating waveguide | |
| Glick et al. | Quadratic electro‐optic light modulation in a GaAs/AlGaAs multiquantum well heterostructure near the excitonic gap | |
| Wang et al. | High speed III-V electrooptic waveguide modulators at lambda-1.3 mu m | |
| US8396337B2 (en) | Ring resonator based optical isolator and circulator | |
| US4516073A (en) | Magnetometer probe using a thin-film magnetic material as a magneto-optic sensor | |
| KR20010005523A (ko) | 광학 도파관의 고전도성 매립층 | |
| FR2524650A1 (fr) | Magnetometre optique | |
| Yan et al. | On-chip nonreciprocal photonic devices based on hybrid integration of magneto-optical garnet thin films on silicon | |
| US6943932B2 (en) | Waveguide mach-zehnder optical isolator utilizing transverse magneto-optical phase shift | |
| US4733927A (en) | Stress waveguides in bulk crystalline materials | |
| Donnelly et al. | Optical guided‐wave gallium arsenide monolithic interferometer | |
| JP3336511B2 (ja) | 磁場センサ | |
| Aoyama et al. | A new Faraday rotator using a thick Gd: YIG film grown by liquid-phase epitaxy and its applications to an optical isolator and optical switch | |
| Donnelly et al. | Single-mode optical waveguides and phase modulators in the InP material system | |
| Zhao et al. | Silicon-on-insulator optical intensity modulator based on waveguide-vanishing effect | |
| Chen et al. | GaAs-GaAlAs heterostructure single-mode channel-waveguide cutoff modulator and modulator array | |
| Mao et al. | GaAs/AlGaAs multiple-quantum-well in-line fiber intensity modulator | |
| Lengyel | GaAlAs pin junction waveguide modulator | |
| US6661560B1 (en) | Magneto-optical modulator for superconducting digital interface | |
| Guo et al. | Magneto-optical semiconductor waveguides for integrated isolators | |
| Karki et al. | Thin-Film Magnetless Faraday Rotators for Heterogeneously Integrated On-Chip Optical Isolators | |
| Jung et al. | Interferometric polarization-independent modulator in LiTaO/sub 3 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20020702 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110809 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110809 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140809 Year of fee payment: 12 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |