JP4188152B2

JP4188152B2 - Liquid concentration measurement method

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Publication number: JP4188152B2
Application number: JP2003170441A
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Inventors: 香椎子小舘; 武志神谷; 勝就岡本; 友紀駒井
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Priority date: 2003-06-16
Filing date: 2003-06-16
Publication date: 2008-11-26
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波路を利用して液体濃度を測定する方法に関する。特に、比較法により液体濃度を精度良く測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の液体濃度測定方法を図１に示す。図１は、プリズム上に滴下した測定対象の液体に対して、屈折率によって全反射する角度が異なることを利用して屈折率を測定する装置の構成である（例えば、特許文献１参照。）。図１において、８１は半導体レーザ、８２はフォトセンサ、８３はプリズム、８４は測定光、８５は測定対象の液体である。
【０００３】
図１において、半導体レーザ８１から出射した測定光８４は、プリズム８３に入射し、プリズム８３の上面に滴下した測定対象の液体８５に向かう。測定光８４は、プリズム８３と測定対象の液体８５との界面で反射されるが、所定の角度より大きい入射角で入射されると全反射することになる。全反射する角度は、プリズム８３と測定対象の液体８５の屈折率によって決まる。全反射する角度よりも大きい入射角でプリズム８３と測定対象の液体８５との界面に入射すると、全反射されてフォトセンサ８２で受光される。全反射する角度よりも小さい入射角でプリズム８３と測定対象の液体８５との界面に入射すると、一部は測定対象の液体８５に出射して散乱される。
【０００４】
測定対象の液体８５の屈折率によって全反射する測定光８４の割合が定まることになる。従って、フォトセンサ８２で受光する光量を測定すると、測定対象の液体８５の屈折率を測定することができる。液体の濃度と屈折率は所定の関係を有することから、液体の屈折率を測定することによって、液体の濃度を求めることが可能になる。
【０００５】
しかし、このような方法では、測定対象の液体に入射した光が、再度液面で反射されてフォトセンサで受光されるなどして、測定対象の液体の屈折率を精度よく測定することが困難である。さらに、プリズムの屈折率より大きい液体の屈折率を測定することができず、このためプリズムの屈折率に近い液体の屈折率の測定精度が悪くなる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−５１８６１号公報（第（４）頁、第２図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題を解決するために、測定対象の液体濃度を精度よく測定し、波長特性等の多変量解析を可能とする液体濃度測定方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【発明の開示】
前述した目的を達成するために、本発明では、導波路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぎ、導波路と当該液体との屈折率の差によって生じる光損失を測定することによって、当該液体の濃度を求めることを基本とし、また、導波路と当該液体との屈折率の差及び液体の吸収特性によって生じる光損失を測定することによって、精度良く当該液体の濃度を求める。さらに、光損失の波長特性を測定することによって一層の測定精度の向上を図ることにより解決する。
【０００９】
本発明の動作原理を図２に示す。図２において、２０はスリット、３１は入力光、３２、３３は導波路、３４は波長分波器、３５は分波光である。導波路３２に入力された入力光３１は導波路３２を伝搬し、スリット２０に注がれた測定対象の液体に入射する。導波路３２から測定対象の液体に入射する際に、（１）式で表される光損失Ｔを受ける。
Ｔ＝４ｎ_１ｎ_２／（ｎ_１＋ｎ_２）^２（１）
ここで、導波路３２の屈折率をｎ_１、測定対象の液体の屈折率をｎ_２とする。また、導波路３２から測定対象の液体に入射する際に、導波路３２から測定対象の液体への入射角θ_１に対して、測定対象の液体での出射角θ_２は、（２）式で表される。
ｎ_１ｓｉｎθ_１＝ｎ_２ｓｉｎθ_２（２）
出射角θ_２が入射角θ_１よりも大きくなると、測定対象の液体から導波路３３へ結合しない光があるため、光損失が生じる。さらに、測定対象の液体から、導波路３３に入射する際にも、（１）式で表される光損失Ｔを受ける。
【００１０】
従って、（１）、（２）式から算出される光損失を測定することによって、測定対象の液体の屈折率を測定することができる。前述したように、液体の濃度と屈折率は所定の関係を有することから、液体の屈折率を測定することによって、液体の濃度を求めることが可能になる。
【００１１】
さらに、既知の屈折率の液体で導波路３２から導波路３３への光損失を測定しておき、測定対象の液体をスリット２０に注いで光損失を測定して相対比較すれば、測定対象の液体の屈折率を精度よく測定することができる。この結果、測定対象の液体の屈折率から、当該液体の濃度を精度良く求めることができる。
【００１２】
ここで、スリット２０に注がれた測定対象の液体の吸収による光損失が、導波路と測定対象の液体との屈折率差によって生じる光損失と比較して無視できない場合は、液体の吸収による光損失も加わる。測定対象の液体における吸収係数はＬａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ則により液体の濃度に比例する。つまり、導波路３２から導波路３３への光損失は、導波路と測定対象の液体との屈折率差に基づく光損失及び測定対象の液体の吸収による光損失の合計となる。
【００１３】
従って、既知の屈折率及び吸収係数の液体で導波路３２から導波路３３への光損失を測定しておき、測定対象の液体をスリット２０に注いで光損失を測定して相対比較すれば、測定対象の液体の濃度を求めることができる。
【００１４】
屈折率の測定や濃度を求める際に、導波路３３の先に設けた波長分波器３４により、光損失の波長特性を測定すると、一層の解析精度の向上が期待できる。図２において、導波路３３からの光を波長分波器３４で分波して、分波光３５を得る。分波光３５は波長ごとに分波されているため、それぞれの分波光の光出力をスキャンすれば、光損失の波長特性を測定することができる。
【００１５】
さらに、複数の溶質を含む液体の光損失の波長特性を測定し、多変量解析を行うことによって複数の溶質に対しても個別の濃度を分離決定できる。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記発明に基づき、本願第一発明は、少なくとも１本の入力用チャネル導波路と、該入力用チャネル導波路に接続される第一のスラブ導波路と、該第一のスラブ導波路に接続され所定の導波路長差を有する複数の導波路からなるアレイ導波路と、該アレイ導波路に接続される第二のスラブ導波路と、該第二のスラブ導波路の端面に沿って移動させる光ファイバと、を備えるアレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぐ第一のステップと、該光ファイバを該第二のスラブ導波路の出力端面に沿って移動させて、該入力用チャネル導波路から入力した光で該測定対象の液体の波長特性を測定する第二のステップと、を含む液体濃度測定方法である。
【００１７】
本願の参考例は、少なくとも１本の入力用チャネル導波路と、該入力用チャネル導波路に接続される第一のスラブ導波路と、該第一のスラブ導波路に接続され所定の導波路長差を有する複数の導波路からなるアレイ導波路と、該アレイ導波路に接続される第二のスラブ導波路と、該第二のスラブ導波路に接続される光ファイバアレイと、を備えるアレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぐ第一のステップと、該光ファイバアレイの光出力をスキャンして、該入力用チャネル導波路から入力した光で該測定対象の液体の波長特性を測定する第二のステップと、を含む液体濃度測定方法である。
【００１８】
本願の参考例は、少なくとも１本の入力用チャネル導波路と、該入力用チャネル導波路に接続される第一のスラブ導波路と、該第一のスラブ導波路に接続され所定の導波路長差を有する複数の導波路からなるアレイ導波路と、該アレイ導波路に接続される第二のスラブ導波路と、該第二のスラブ導波路に接続される受光素子アレイと、を備えるアレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぐ第一のステップと、該受光素子アレイの出力をスキャンして、該入力用チャネル導波路から入力した光で該測定対象の液体の波長特性を測定する第二のステップと、を含む液体濃度測定方法である。
【００１９】
本願の参考例は、少なくとも１本の入力用チャネル導波路と、該入力用チャネル導波路に接続される第一のスラブ導波路と、該第一のスラブ導波路に接続され所定の導波路長差を有する複数の導波路からなるアレイ導波路と、該アレイ導波路に接続される第二のスラブ導波路と、該第二のスラブ導波路に接続され複数の導波路からなる出力チャネル導波路と、を備えるアレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぐ第一のステップと、該出力チャネル導波路の光出力をスキャンして、該入力用チャネル導波路から入力した光で該測定対象の液体の波長特性を測定する第二のステップと、を含む液体濃度測定方法である。
【００２０】
本願発明は、さらに、既知の濃度を有する液体の波長特性と比較することによって該測定対象の液体濃度を求める第三のステップを含む液体濃度測定方法である。
【００２１】
本願発明は、前記スリットが前記入力用チャネル導波路の光路に設けられてもよい。
【００２２】
本願発明は、前記スリットが前記第一のスラブ導波路の光路に設けられてもよい。
【００２３】
本願発明は、前記スリットが前記アレイ導波路の光路に設けられてもよい。
【００２４】
本願発明は、前記スリットが前記第二のスラブ導波路の光路に設けられてもよい。
【００２５】
本願の参考例は、前記スリットが前記出力チャネル導波路の光路に設けられてもよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図３は本願発明の実施の形態を説明する図である。図３において、１０はアレイ導波路型波長分波器、１１は導波路基板、１２は入力チャネル導波路、１３は第一のスラブ導波路、１４はアレイ導波路、１５は第二のスラブ導波路、２１、２２、２３、２４はスリット、３１は入力光、３５は分波光、３６は光ファイバである。
【００２７】
図３を使用して本願発明の実施の形態を説明する。シリコンや石英からなる導波路基板１１上に入力チャネル導波路１２、第一のスラブ導波路１３、アレイ導波路１４、第二のスラブ導波路１５を形成する。入力チャネル導波路１２は、少なくとも１本を配置すればよい。スリット２１は、配置された入力チャネル導波路１２のチャネル導波路ごとに光路を横断するように設けられる。または、入力チャネル導波路１２が複数のチャネル導波路からなる場合は、そのうちの１のチャネル導波路にスリットを設けてもよいし、１本のスリットで総てのチャネル導波路を横断するように設けてもよい。第一のスラブ導波路１３は、入力チャネル導波路１２から入射された光をアレイ導波路１４の各チャネル導波路に分離する。スリット２２は第一のスラブ導波路１３を横断するように設けられる。アレイ導波路１４は複数のチャネル導波路からなり、各チャネル導波路は所定の長さだけ異なるように設計される。アレイ導波路１４を構成するチャネル導波路は波長分解能に合わせて所定の数の導波路が配置される。スリット２３は総てのチャネル導波路を横断するように設けられる。第二のスラブ導波路１５はアレイ導波路１４を構成するチャネル導波路の光路差によりチャネル導波路からの光を干渉させる。スリット２４は、第二のスラブ導波路１５を横断するように設けられる。
【００２８】
光ファイバ３６は第二のスラブ導波路１５の出力端面に配置される。第二のスラブ導波路１５の出力端面には、干渉により波長分離された光出力が得られる。光ファイバ３６を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って光ファイバ３６を移動させることにより、アレイ導波路型波長分波器１０を波長分波器として機能させることができる。アレイ導波路型波長分波器１０の光路を横断するスリットは、少なくともスリット２１、２２、２３、２４のいずれかが設けられていればよい。各スリット２１、２２、２３、２４は導波路の光路に直交するように配置することが望ましい。
【００２９】
本アレイ導波路型波長分波器を動作させるには、まず、入力チャネル導波路１２に入力光３１を入力する。複数の入力チャネル導波路１２が設けられている場合は、そのうちの１の入力チャネル導波路に入力する。入力光３１は、測定する波長領域にわたって、スペクトラムの広い光源からの出力であることが好ましい。１の光源でスペクトラムの広い出力が得られない場合は、複数の光源からの出力を合成してスペクトラムの広い出力としてもよい。スリット２１、２２、２３、２４のいずれかに注がれた測定対象の液体によって、光損失が生じる。スリット２１、２２、２３、２４のうち複数のスリットが設けられている場合に、複数のスリットに測定対象の液体を注いでもよいが、光損失の測定には１のスリットに測定対象の液体を注ぐことで足りる。
【００３０】
光ファイバ３６を第二のスラブ導波路の出力端面に沿って移動させると、測定対象の液体の光損失の波長特性を測定することができる。光ファイバ３６を任意の位置に移動させることができれば、波長分解能はアレイ導波路１４のチャネル導波路の本数によって制限されることになる。
【００３１】
スリットに測定対象の液体を注がない状態で測定した光損失の波長特性で、スリットに測定対象の液体を注いだ状態での光損失の波長特性を較正すると、正確な光損失の波長特性を算出することができる。また、既知の屈折率又は既知の濃度の液体をスリットに注いで光損失の波長特性を測定し、相対比較すれば、測定対象の液体の屈折率又は濃度を求めることができる。
【００３２】
スリット２１、２２、２３、２４の導波路の光路と交わる方向の長さを長くし、一方から濃度の異なる液体を注ぐことによって、濃度の時間変化や拡散状態を観測することもできる。スリット２３のように、アレイ導波路１４のそれぞれのチャネル導波路の位置と波長がフーリエ展開の関係にある場合は、測定対象の液体の波長特性の時間変化を観測することによって、チャネル導波路の位置に変換することができるため、濃度の時間変化や拡散状態を求めることができる。
【００３３】
従って、アレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぎ、光ファイバを第二のスラブ導波路の出力端面に沿って移動させて、該入力用チャネル導波路から入力した光で測定対象の液体の波長特性を測定することによって、測定対象の液体の屈折率又は濃度を精度良く求めることができた。
【００３４】
（実施例）
中心波長１５４５．４ｎｍ、アレイ導波路のチャネル導波路数８０、波長間隔０．４ｎｍのアレイ導波路型波長分波器を使用して、酢酸ナトリウム水溶液の濃度を求める実験を行った。
【００３５】
図３に示すアレイ導波路型波長分波器において、第一のスラブ導波路１３にのみ、スリット２２をダイシングにより形成した。光源には１５２５ｎｍから１６２５ｎｍの発光波長帯域を持つＡＳＥ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）光源を用いた。まず、このＡＳＥ光源からの光を入力光として、スリット２２に測定対象の液体を注がない状態でアレイ導波路型波長分波器１０の光損失の波長特性を測定した。波長特性を図４に示す。図４からも分かるように、周期的に現れる透過スペクトラムが重ならないのは１５２９ｎｍから１５７６ｎｍであり、また、ＡＳＥ光源からの光で良好な透過率の得られるのは１５３２ｎｍから１５６１ｎｍである。そこで、光ファイバ３６を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って移動させ、１５３２ｎｍから１５６１ｎｍまでの波長特性を測定した
【００３６】
測定対象の液体は、溶質として代表的な食品添加物である酢酸ナトリウム（化学式ＣＨ_３ＣＯＯＮａ、分子量８２．００）を選定し、溶媒には純水を用いて重量パーセント濃度１．３２％、２．６３％、６．５８％、１３．２％の４種類の水溶液を調整した。各濃度における液温２１℃の場合の水溶液の屈折率は１．３３６、１．３３９、１．３４６、１．３５９である。
【００３７】
図４の波長特性で示されるスペクトラムのうち、１５３２ｎｍから１５５９ｎｍまでの範囲で３ｎｍ間隔の波長及び１５６０．５６ｎｍの波長の計１１チャネルの波長を使用し、酢酸ナトリウム水溶液をスリットに注いだときの透過率の濃度依存性を図５に示す。図５には、試料である測定対象の液体を注がないときの波長特性、純水を注いだときの波長特性も併せて示す。酢酸ナトリウムの濃度が増すほど屈折率が増加するため、透過率は増加する。さらに、使用した１１チャネルの波長における各濃度の水溶液の吸収係数はＬａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ則により水溶液濃度に比例するため、検量線を作成することが可能である。図６に検量線を示す。図６に示すグラフの縦軸は、各波長において、試料である測定対象の液体を注がないときの透過率で規格化している。
【００３８】
図６の検量線を用いて、重量パーセント濃度１０％の酢酸ナトリウム水溶液の波長特性を本方法により測定し、濃度を確認した。測定で得られた濃度は１０±０．２５％であった。その結果、２．５％の測定精度を達成できることが分かった。
【００３９】
（実施の形態２）
図７は液体濃度測定方法を説明する図である。図７において、１０はアレイ導波路型波長分波器、１１は導波路基板、１２は入力チャネル導波路、１３は第一のスラブ導波路、１４はアレイ導波路、１５は第二のスラブ導波路、２１、２２、２３、２４はスリット、３１は入力光、３５は分波光、３７は光ファイバアレイである。
【００４０】
図７を使用して本願発明の実施の形態を説明する。図３に示す実施の形態１のアレイ導波路型波長分波器の構成との違いは、光ファイバアレイ３７を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置させ、アレイ導波路型波長分波器１０を波長分波器として機能させることである。光ファイバアレイ３７を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置することにより、光ファイバを移動させることなく、分波光３５が得られる。
【００４１】
図７において、光ファイバアレイ３７は第二のスラブ導波路１５の出力端面に配置される。第二のスラブ導波路１５の出力端面には、干渉により波長分離された光出力が得られる。光ファイバアレイ３７を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置することにより、アレイ導波路型波長分波器１０を波長分波器として機能させることができる。アレイ導波路型波長分波器１０の光路を横断するスリットは、少なくともスリット２１、２２、２３、２４のいずれかが設けられていればよい。各スリット２１、２２、２３、２４は導波路の光路に直交するように配置することが望ましい。
【００４２】
本アレイ導波路型波長分波器の動作も実施の形態１で説明したアレイ導波路型波長分波器とほぼ同じである。まず、入力チャネル導波路１２に入力光３１を入力する。複数の入力チャネル導波路１２が設けられている場合は、そのうちの１の入力チャネル導波路に入力する。入力光３１は、測定する波長領域にわたって、スペクトラムの広い光源からの出力であることが好ましい。１の光源でスペクトラムの広い出力が得られない場合は、複数の光源からの出力を合成してスペクトラムの広い出力としてもよい。スリット２１、２２、２３、２４のいずれかに注がれた測定対象の液体によって、光損失が生じる。スリット２１、２２、２３、２４のうち複数のスリットが設けられている場合に、複数のスリットに測定対象の液体を注いでもよいが、光損失の測定には１のスリットに測定対象の液体を注ぐことで足りる。
【００４３】
光ファイバアレイ３７の各光ファイバからの分波光３５をスキャンすると、測定対象の液体の光損失の波長特性を測定することができる。アレイ導波路１４のチャネル導波路の本数が十分であれば、波長分解能は光ファイバアレイ３７の光ファイバ間隔によって制限されることになる。
【００４４】
スリットに測定対象の液体を注がない状態で測定した光損失の波長特性で、スリットに測定対象の液体を注いだ状態での光損失の波長特性を較正すると、正確な光損失の波長特性を算出することができる。また、既知の屈折率又は既知の濃度の液体をスリットに注いで光損失の波長特性を測定し、相対比較すれば、測定対象の液体の屈折率又は濃度を求めることができる。
【００４５】
スリット２１、２２、２３、２４の導波路の光路と交わる方向の長さを長くし、一方から濃度の異なる液体を注ぐことによって、濃度の時間変化や拡散状態を観測することもできる。スリット２３のように、アレイ導波路１４のそれぞれのチャネル導波路の位置と波長がフーリエ展開の関係にある場合は、測定対象の液体の波長特性の時間変化を観測することによって、チャネル導波路の位置に変換することができるため、濃度の時間変化や拡散状態を求めることができる。
【００４６】
従って、アレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぎ、光ファイバアレイを第二のスラブ導波路の出力端面に沿って配置し、該入力用チャネル導波路から入力した光で測定対象の液体の波長特性を測定することによって、測定対象の液体の屈折率又は濃度を精度良く求めることができた。
【００４７】
（実施の形態３）
図８は液体濃度測定方法を説明する図である。図８において、１０はアレイ導波路型波長分波器、１１は導波路基板、１２は入力チャネル導波路、１３は第一のスラブ導波路、１４はアレイ導波路、１５は第二のスラブ導波路、２１、２２、２３、２４はスリット、３１は入力光、３８は受光素子アレイである。
【００４８】
図８を使用して本願発明の実施の形態を説明する。図３に示す実施の形態１のアレイ導波路型波長分波器の構成との違いは、光ファイバ３６を移動させることに代えて受光素子アレイ３８を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置させ、アレイ導波路型波長分波器１０を波長分波器として機能させることである。受光素子アレイ３７を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置することにより、光ファイバを移動させることなく、分波出力が得られる。
【００４９】
図８において、受光素子アレイ３８が第二のスラブ導波路１５の出力端面に配置される。第二のスラブ導波路１５の出力端面には、干渉により波長分離された光出力が得られる。受光素子アレイ３８を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置することにより、アレイ導波路型波長分波器１０を波長分波器として機能させることができる。アレイ導波路型波長分波器１０の光路を横断するスリットは、少なくともスリット２１、２２、２３、２４のいずれかが設けられていればよい。各スリット２１、２２、２３、２４は導波路の光路に直交するように配置することが望ましい。
【００５０】
本アレイ導波路型波長分波器の動作も実施の形態１で説明したアレイ導波路型波長分波器とほぼ同じである。まず、入力チャネル導波路１２に入力光３１を入力する。複数の入力チャネル導波路１２が設けられている場合は、そのうちの１の入力チャネル導波路に入力する。入力光３１は、測定する波長領域にわたって、スペクトラムの広い光源からの出力であることが好ましい。１の光源でスペクトラムの広い出力が得られない場合は、複数の光源からの出力を合成してスペクトラムの広い出力としてもよい。スリット２１、２２、２３、２４のいずれかに注がれた測定対象の液体によって、光損失が生じる。スリット２１、２２、２３、２４のうち複数のスリットが設けられている場合に、複数のスリットに測定対象の液体を注いでもよいが、光損失の測定には１のスリットに測定対象の液体を注ぐことで足りる。
【００５１】
受光素子アレイ３８の各受光素子からの出力をスキャンすると、測定対象の液体の光損失の波長特性を測定することができる。アレイ導波路１４のチャネル導波路の本数が十分であれば、波長分解能は受光素子アレイ３８の受光素子間隔によって制限されることになる。
【００５２】
スリットに測定対象の液体を注がない状態で測定した光損失の波長特性で、スリットに測定対象の液体を注いだ状態での光損失の波長特性を較正すると、正確な光損失の波長特性を算出することができる。また、既知の屈折率又は既知の濃度の液体をスリットに注いで光損失の波長特性を測定し、相対比較すれば、測定対象の液体の屈折率又は濃度を求めることができる。
【００５３】
スリット２１、２２、２３、２４の導波路の光路と交わる方向の長さを長くし、一方から濃度の異なる液体を注ぐことによって、濃度の時間変化や拡散状態を観測することもできる。スリット２３のように、アレイ導波路１４のそれぞれのチャネル導波路の位置と波長がフーリエ展開の関係にある場合は、測定対象の液体の波長特性の時間変化を観測することによって、チャネル導波路の位置に変換することができるため、濃度の時間変化や拡散状態を求めることができる。
【００５４】
従って、アレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぎ、受光素子アレイを第二のスラブ導波路の出力端面に沿って配置し、該入力用チャネル導波路から入力した光で測定対象の液体の波長特性を測定することによって、測定対象の液体の屈折率又は濃度を精度良く求めることができた。
【００５５】
（実施の形態４）
図９は液体濃度測定方法を説明する図である。図９において、１０はアレイ導波路型波長分波器、１１は導波路基板、１２は入力チャネル導波路、１３は第一のスラブ導波路、１４はアレイ導波路、１５は第二のスラブ導波路、１６は出力チャネル導波路、２１、２２、２３、２４、２５はスリット、３１は入力光、３５は分波光である。
【００５６】
図９を使用して本願発明の実施の形態を説明する。図３に示す実施の形態１のアレイ導波路型波長分波器の構成との違いは、光ファイバ３６を移動させることに代えて出力チャネル導波路１６を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置させ、アレイ導波路型波長分波器１０を波長分波器として機能させることである。出力チャネル導波路１６を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置することにより、光ファイバを移動させることなく、分波光３５が得られる。
【００５７】
図９において、出力チャネル導波路１６が第二のスラブ導波路１５の出力端面に配置される。第二のスラブ導波路１５の出力端面では、干渉により波長分離された光が出力チャネル導波路１６の各チャネル導波路に入力する。このように、出力チャネル導波路１６を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置することにより、アレイ導波路型波長分波器１０を波長分波器として機能させることができる。アレイ導波路型波長分波器１０の光路を横断するスリットは、少なくともスリット２１、２２、２３、２４、２５のいずれかが設けられていればよい。各スリット２１、２２、２３、２４、２５は導波路の光路に直交するように配置することが望ましい。
【００５８】
本アレイ導波路型波長分波器の動作も実施の形態１で説明したアレイ導波路型波長分波器とほぼ同じである。まず、入力チャネル導波路１２に入力光３１を入力する。複数の入力チャネル導波路１２が設けられている場合は、そのうちの１の入力チャネル導波路に入力する。入力光３１は、測定する波長領域にわたって、スペクトラムの広い光源からの出力であることが好ましい。１の光源でスペクトラムの広い出力が得られない場合は、複数の光源からの出力を合成してスペクトラムの広い出力としてもよい。スリット２１、２２、２３、２４、２５のいずれかに注がれた測定対象の液体によって、光損失が生じる。スリット２１、２２、２３、２４、２５のうち複数のスリットが設けられている場合に、複数のスリットに測定対象の液体を注いでもよいが、光損失の測定には１のスリットに測定対象の液体を注ぐことで足りる。
【００５９】
出力チャネル導波路１６からの分波光３５をスキャンすると、測定対象の液体の光損失の波長特性を測定することができる。アレイ導波路１４のチャネル導波路の本数が十分であれば、波長分解能は出力チャネル導波路１６チャネル導波路の間隔によって制限されることになる。
【００６０】
スリットに測定対象の液体を注がない状態で測定した光損失の波長特性で、スリットに測定対象の液体を注いだ状態での光損失の波長特性を較正すると、正確な光損失の波長特性を算出することができる。また、既知の屈折率又は既知の濃度の液体をスリットに注いで光損失の波長特性を測定し、相対比較すれば、測定対象の液体の屈折率又は濃度を求めることができる。
【００６１】
スリット２１、２２、２３、２４、２５の導波路の光路と交わる方向の長さを長くし、一方から濃度の異なる液体を注ぐことによって、濃度の時間変化や拡散状態を観測することもできる。スリット２３のように、アレイ導波路１４のそれぞれのチャネル導波路の位置と波長がフーリエ展開の関係にある場合は、測定対象の液体の波長特性の時間変化を観測することによって、チャネル導波路の位置に変換することができるため、濃度の時間変化や拡散状態を求めることができる。
【００６２】
従って、アレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぎ、光ファイバアレイを第二のスラブ導波路の出力端面に沿って配置し、該入力用チャネル導波路から入力した光で測定対象の液体の波長特性を測定することによって、測定対象の液体の屈折率又は濃度を精度良く求めることができた。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば測定対象の液体の光損失を測定することによって、当該液体の濃度を求めることができ、さらに、光損失の波長特性を測定することによって一層の測定精度の向上を図り、また多変量解析を適用して複数の溶質に対しても濃度の分離決定を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の液体濃度測定方法を説明する図である。
【図２】本願発明の動作原理を説明する図である。
【図３】本願発明の実施の形態を説明する図である。
【図４】本願発明の実施に使用するアレイ導波路型波長分波器の光損失の波長特性例である。
【図５】酢酸ナトリウム水溶液をスリットに注いだときの透過率の濃度依存性を説明する図である。
【図６】酢酸ナトリウム水溶液の検量線を説明する図である。
【図７】本願発明の実施の形態を説明する図である。
【図８】本願発明の実施の形態を説明する図である。
【図９】本願発明の実施の形態を説明する図である。
【符号の説明】
１０：アレイ導波路型波長分波器
１１：導波路基板
１２：入力チャネル導波路
１３：第一のスラブ導波路
１４：アレイ導波路
１５：第二のスラブ導波路
１６：出力チャネル導波路
２１、２２、２３、２４、２５：スリット
３１：入力光
３５：分波光
３６：光ファイバ
３７：光ファイバアレイ
３８：受光素子アレイ
８１：半導体レーザ
８２：フォトセンサ
８３：プリズム
８４：測定光
８５：測定対象の液体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for measuring a liquid concentration using a waveguide. In particular, the present invention relates to a method for accurately measuring a liquid concentration by a comparison method.
[0002]
[Prior art]
A conventional liquid concentration measuring method is shown in FIG. FIG. 1 shows a configuration of an apparatus for measuring a refractive index by utilizing a difference in total reflection angle depending on a refractive index with respect to a liquid to be measured dropped on a prism (see, for example, Patent Document 1). . In FIG. 1, 81 is a semiconductor laser, 82 is a photosensor, 83 is a prism, 84 is measurement light, and 85 is a liquid to be measured.
[0003]
In FIG. 1, the measurement light 84 emitted from the semiconductor laser 81 enters the prism 83 and travels toward the liquid 85 to be measured dropped onto the upper surface of the prism 83. The measurement light 84 is reflected at the interface between the prism 83 and the liquid 85 to be measured, but is totally reflected when incident at an incident angle larger than a predetermined angle. The angle of total reflection is determined by the refractive index of the prism 83 and the liquid 85 to be measured. When the light enters the interface between the prism 83 and the liquid 85 to be measured at an incident angle larger than the total reflection angle, the light is totally reflected and received by the photosensor 82. When the light enters the interface between the prism 83 and the measurement target liquid 85 at an incident angle smaller than the total reflection angle, a part of the light is emitted to the measurement target liquid 85 and scattered.
[0004]
The ratio of the measurement light 84 totally reflected is determined by the refractive index of the liquid 85 to be measured. Therefore, when the amount of light received by the photosensor 82 is measured, the refractive index of the liquid 85 to be measured can be measured. Since the liquid concentration and the refractive index have a predetermined relationship, the liquid concentration can be obtained by measuring the liquid refractive index.
[0005]
However, with such a method, it is difficult to accurately measure the refractive index of the liquid to be measured, for example, the light incident on the liquid to be measured is reflected again by the liquid surface and received by the photosensor. It is. Furthermore, it is impossible to measure the refractive index of the liquid that is larger than the refractive index of the prism, so that the measurement accuracy of the refractive index of the liquid close to the refractive index of the prism is deteriorated.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-51861 (Page (4), FIG. 2)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In order to solve such a problem, an object of the present invention is to provide a liquid concentration measurement method capable of accurately measuring the liquid concentration of a measurement target and enabling multivariate analysis such as wavelength characteristics.
[0008]
DISCLOSURE OF THE INVENTION
In order to achieve the above-described object, in the present invention, the liquid to be measured is poured into a slit provided in the waveguide, and the liquid loss is measured by measuring the optical loss caused by the difference in refractive index between the waveguide and the liquid. The concentration of the liquid is accurately obtained by measuring the optical loss caused by the difference in refractive index between the waveguide and the liquid and the absorption characteristics of the liquid. Further, the problem is solved by further improving the measurement accuracy by measuring the wavelength characteristic of the optical loss.
[0009]
The operating principle of the present invention is shown in FIG. In FIG. 2, 20 is a slit, 31 is input light, 32 and 33 are waveguides, 34 is a wavelength demultiplexer, and 35 is demultiplexed light. The input light 31 input to the waveguide 32 propagates through the waveguide 32 and enters the liquid to be measured poured into the slit 20. When entering the liquid to be measured from the waveguide 32, the light loss T expressed by the equation (1) is received.
T = 4n ₁ n ₂ / (N ₁ + N ₂ ) ² (1)
Here, the refractive index of the waveguide 32 is n ₁ , The refractive index of the liquid to be measured is n ₂ And Further, when the light enters the liquid to be measured from the waveguide 32, the incident angle θ from the waveguide 32 to the liquid to be measured ₁ For the liquid to be measured, θ ₂ Is represented by equation (2).
n ₁ sinθ ₁ = N ₂ sinθ ₂ (2)
Output angle θ ₂ Is the incident angle θ ₁ If there is a larger value, there is light that is not coupled to the waveguide 33 from the liquid to be measured, so that light loss occurs. Furthermore, the light loss T expressed by the equation (1) is also received when entering the waveguide 33 from the liquid to be measured.
[0010]
Therefore, the refractive index of the liquid to be measured can be measured by measuring the optical loss calculated from the equations (1) and (2). As described above, since the liquid concentration and the refractive index have a predetermined relationship, the liquid concentration can be obtained by measuring the liquid refractive index.
[0011]
Furthermore, if the optical loss from the waveguide 32 to the waveguide 33 is measured with a liquid having a known refractive index, the liquid to be measured is poured into the slit 20, the optical loss is measured, and the relative comparison is performed. The refractive index of the liquid can be accurately measured. As a result, the concentration of the liquid can be accurately obtained from the refractive index of the liquid to be measured.
[0012]
Here, when the optical loss due to the absorption of the liquid to be measured poured into the slit 20 is not negligible as compared with the optical loss caused by the refractive index difference between the waveguide and the liquid to be measured, it is due to the absorption of the liquid. Light loss is also added. The absorption coefficient in the liquid to be measured is proportional to the concentration of the liquid according to the Lambert-Beer rule. That is, the optical loss from the waveguide 32 to the waveguide 33 is the sum of the optical loss based on the refractive index difference between the waveguide and the liquid to be measured and the optical loss due to absorption of the liquid to be measured.
[0013]
Therefore, if the optical loss from the waveguide 32 to the waveguide 33 is measured with a liquid having a known refractive index and absorption coefficient, the liquid to be measured is poured into the slit 20, the optical loss is measured, and a relative comparison is performed. The concentration of the liquid to be measured can be determined.
[0014]
When measuring the refractive index and determining the concentration, if the wavelength characteristic of the optical loss is measured by the wavelength demultiplexer 34 provided at the end of the waveguide 33, further improvement in analysis accuracy can be expected. In FIG. 2, the light from the waveguide 33 is demultiplexed by the wavelength demultiplexer 34 to obtain demultiplexed light 35. Since the demultiplexed light 35 is demultiplexed for each wavelength, the wavelength characteristic of optical loss can be measured by scanning the optical output of each demultiplexed light.
[0015]
Furthermore, by measuring the wavelength characteristics of light loss of a liquid containing a plurality of solutes and performing multivariate analysis, individual concentrations can be determined separately for the plurality of solutes.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
Based on the above invention, the first invention of the present application is connected to at least one input channel waveguide, a first slab waveguide connected to the input channel waveguide, and the first slab waveguide. An arrayed waveguide composed of a plurality of waveguides having a predetermined waveguide length difference, a second slab waveguide connected to the arrayed waveguide, and light moved along the end face of the second slab waveguide A first step of pouring a liquid to be measured into a slit provided in any one of the optical paths of an arrayed waveguide demultiplexer comprising an optical fiber, and the optical fiber on the output end face of the second slab waveguide And a second step of measuring the wavelength characteristic of the liquid to be measured with the light input from the input channel waveguide.
[0017]
This application Reference example Includes at least one input channel waveguide, a first slab waveguide connected to the input channel waveguide, and a plurality of waveguides connected to the first slab waveguide and having a predetermined waveguide length difference. An arrayed waveguide comprising: a second slab waveguide connected to the arrayed waveguide; and an optical fiber array connected to the second slab waveguide. A first step of pouring a liquid to be measured into a slit provided in any one of the optical paths of the waver, and scanning the light output of the optical fiber array, and the light to be measured is input from the input channel waveguide A second step of measuring the wavelength characteristics of the liquid.
[0018]
This application Reference example Includes at least one input channel waveguide, a first slab waveguide connected to the input channel waveguide, and a plurality of waveguides connected to the first slab waveguide and having a predetermined waveguide length difference. An arrayed waveguide comprising: a second slab waveguide connected to the arrayed waveguide; and a light receiving element array connected to the second slab waveguide. A first step of pouring a liquid to be measured into a slit provided in one of the optical paths of the waver, and scanning the output of the light receiving element array, and using the light input from the input channel waveguide, And a second step of measuring the wavelength characteristics of the liquid.
[0019]
This application Reference example Includes at least one input channel waveguide, a first slab waveguide connected to the input channel waveguide, and a plurality of waveguides connected to the first slab waveguide and having a predetermined waveguide length difference. An arrayed waveguide consisting of a plurality of waveguides, a second slab waveguide connected to the arrayed waveguide, and an output channel waveguide consisting of a plurality of waveguides connected to the second slab waveguide. A first step of pouring a liquid to be measured into a slit provided in any one of the optical paths of the arrayed waveguide type wavelength demultiplexer, and scanning the optical output of the output channel waveguide, from the input channel waveguide And a second step of measuring the wavelength characteristic of the liquid to be measured with the input light.
[0020]
The present invention Furthermore, the liquid concentration measuring method includes a third step of obtaining the liquid concentration of the measurement object by comparing with the wavelength characteristic of the liquid having a known concentration.
[0021]
The present invention is The slit may be provided in the optical path of the input channel waveguide.
[0022]
The present invention is The slit may be provided in the optical path of the first slab waveguide.
[0023]
Invention of the present application The slit may be provided in the optical path of the arrayed waveguide.
[0024]
Invention of the present application The slit may be provided in the optical path of the second slab waveguide.
[0025]
This application The reference example of The slit may be provided in the optical path of the output channel waveguide.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 3 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention. In FIG. 3, 10 is an arrayed waveguide type wavelength demultiplexer, 11 is a waveguide substrate, 12 is an input channel waveguide, 13 is a first slab waveguide, 14 is an arrayed waveguide, and 15 is a second slab waveguide. Waveguides 21, 22, 23 and 24 are slits, 31 is input light, 35 is demultiplexed light, and 36 is an optical fiber.
[0027]
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. An input channel waveguide 12, a first slab waveguide 13, an array waveguide 14, and a second slab waveguide 15 are formed on a waveguide substrate 11 made of silicon or quartz. At least one input channel waveguide 12 may be disposed. The slit 21 is provided so as to cross the optical path for each channel waveguide of the input channel waveguide 12 arranged. Alternatively, when the input channel waveguide 12 is composed of a plurality of channel waveguides, one of the channel waveguides may be provided with a slit, or one slit may traverse all the channel waveguides. It may be provided. The first slab waveguide 13 separates the light incident from the input channel waveguide 12 into each channel waveguide of the arrayed waveguide 14. The slit 22 is provided so as to cross the first slab waveguide 13. The arrayed waveguide 14 includes a plurality of channel waveguides, and each channel waveguide is designed to be different by a predetermined length. A predetermined number of waveguides are arranged in accordance with the wavelength resolution in the channel waveguides constituting the arrayed waveguide 14. The slit 23 is provided so as to cross all the channel waveguides. The second slab waveguide 15 causes the light from the channel waveguide to interfere due to the optical path difference between the channel waveguides constituting the arrayed waveguide 14. The slit 24 is provided so as to cross the second slab waveguide 15.
[0028]
The optical fiber 36 is disposed on the output end face of the second slab waveguide 15. On the output end face of the second slab waveguide 15, an optical output that is wavelength-separated by interference is obtained. By moving the optical fiber 36 along the output end face of the second slab waveguide 15, the arrayed waveguide type wavelength demultiplexer 10 can function as a wavelength demultiplexer. The slit that crosses the optical path of the arrayed waveguide demultiplexer 10 only needs to be provided with at least one of the slits 21, 22, 23, and 24. Each of the slits 21, 22, 23, and 24 is desirably arranged so as to be orthogonal to the optical path of the waveguide.
[0029]
In order to operate this arrayed waveguide type wavelength demultiplexer, first, the input light 31 is input to the input channel waveguide 12. When a plurality of input channel waveguides 12 are provided, the signal is input to one of the input channel waveguides. The input light 31 is preferably output from a light source having a wide spectrum over the wavelength region to be measured. When an output with a wide spectrum cannot be obtained with one light source, outputs from a plurality of light sources may be combined to obtain an output with a wide spectrum. Light loss is caused by the liquid to be measured poured into any of the slits 21, 22, 23, and 24. When a plurality of slits among the slits 21, 22, 23, and 24 are provided, the liquid to be measured may be poured into the plurality of slits, but the liquid to be measured is measured into one slit for measuring the optical loss. Pouring is enough.
[0030]
When the optical fiber 36 is moved along the output end face of the second slab waveguide, the wavelength characteristic of the optical loss of the liquid to be measured can be measured. If the optical fiber 36 can be moved to an arbitrary position, the wavelength resolution is limited by the number of channel waveguides of the arrayed waveguide 14.
[0031]
Calibrating the wavelength characteristics of optical loss when the liquid to be measured is poured into the slit with the liquid characteristics of the optical loss measured without pouring the liquid to be measured into the slit, the wavelength characteristics of the exact optical loss can be obtained. Can be calculated. In addition, if a wavelength characteristic of optical loss is measured by pouring a liquid having a known refractive index or a known concentration into the slit, and the relative comparison is made, the refractive index or the concentration of the liquid to be measured can be obtained.
[0032]
By changing the length of the slits 21, 22, 23, and 24 in the direction intersecting the optical path of the waveguide and pouring liquids having different concentrations from one side, it is possible to observe changes in concentration over time and diffusion states. When the position and the wavelength of each channel waveguide of the arrayed waveguide 14 are in a Fourier expansion relationship like the slit 23, by observing the time change of the wavelength characteristic of the liquid to be measured, Since it can be converted into a position, it is possible to obtain a change in concentration over time and a diffusion state.
[0033]
Accordingly, the liquid to be measured is poured into a slit provided in any one of the optical paths of the arrayed waveguide type wavelength demultiplexer, the optical fiber is moved along the output end face of the second slab waveguide, and the input channel By measuring the wavelength characteristics of the liquid to be measured with light input from the waveguide, the refractive index or concentration of the liquid to be measured can be obtained with high accuracy.
[0034]
(Example)
An experiment was performed to determine the concentration of the aqueous sodium acetate solution using an arrayed waveguide type wavelength demultiplexer having a center wavelength of 1545.4 nm, an arrayed waveguide channel number of 80, and a wavelength interval of 0.4 nm.
[0035]
In the arrayed waveguide type wavelength demultiplexer shown in FIG. 3, the slit 22 is formed only in the first slab waveguide 13 by dicing. As the light source, an ASE (Amplified Spontaneous Emission) light source having an emission wavelength band of 1525 nm to 1625 nm was used. First, using the light from the ASE light source as input light, the wavelength characteristic of the optical loss of the arrayed waveguide type wavelength demultiplexer 10 was measured without pouring the liquid to be measured into the slit 22. The wavelength characteristics are shown in FIG. As can be seen from FIG. 4, the transmission spectra that appear periodically do not overlap from 1529 nm to 1576 nm, and good transmittance can be obtained from light from the ASE light source from 1532 nm to 1561 nm. Therefore, the optical fiber 36 was moved along the output end face of the second slab waveguide 15, and the wavelength characteristics from 1532 nm to 1561 nm were measured.
[0036]
The liquid to be measured is sodium acetate (chemical formula CH), which is a typical food additive as a solute. ₃ COONa, molecular weight 82.00) was selected, and pure water was used as a solvent to prepare four types of aqueous solutions having a weight percent concentration of 1.32%, 2.63%, 6.58%, and 13.2%. The refractive index of the aqueous solution when the liquid temperature is 21 ° C. at each concentration is 1.336, 1.339, 1.346, and 1.359.
[0037]
4 of the spectrum shown by the wavelength characteristics in FIG. 4, using a total of 11 channels of wavelengths of 3 nm intervals and 1560.56 nm in the range from 1532 nm to 1559 nm, and transmission when an aqueous solution of sodium acetate is poured into the slit The concentration dependency of the rate is shown in FIG. FIG. 5 also shows the wavelength characteristics when the sample liquid to be measured is not poured and the wavelength characteristics when pure water is poured. Since the refractive index increases as the concentration of sodium acetate increases, the transmittance increases. Further, since the absorption coefficient of each concentration of the aqueous solution at the wavelength of the 11 channels used is proportional to the concentration of the aqueous solution according to the Lambert-Beer rule, it is possible to create a calibration curve. FIG. 6 shows a calibration curve. The vertical axis of the graph shown in FIG. 6 is normalized by the transmittance when the liquid to be measured which is a sample is not poured at each wavelength.
[0038]
Using the calibration curve of FIG. 6, the wavelength characteristics of a 10% weight percent sodium acetate aqueous solution were measured by this method to confirm the concentration. The concentration obtained by the measurement was 10 ± 0.25%. As a result, it was found that a measurement accuracy of 2.5% can be achieved.
[0039]
(Embodiment 2)
FIG. Liquid concentration measurement method FIG. In FIG. 7, 10 is an arrayed waveguide type wavelength demultiplexer, 11 is a waveguide substrate, 12 is an input channel waveguide, 13 is a first slab waveguide, 14 is an arrayed waveguide, and 15 is a second slab waveguide. Waveguides 21, 22, 23, and 24 are slits, 31 is input light, 35 is demultiplexed light, and 37 is an optical fiber array.
[0040]
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The difference from the configuration of the arrayed waveguide wavelength demultiplexer according to the first embodiment shown in FIG. 3 is that the optical fiber array 37 is arranged along the output end face of the second slab waveguide 15 and the arrayed waveguide wavelength is set. This is to make the branching filter 10 function as a wavelength branching filter. By arranging the optical fiber array 37 along the output end face of the second slab waveguide 15, the demultiplexed light 35 can be obtained without moving the optical fiber.
[0041]
In FIG. 7, the optical fiber array 37 is disposed on the output end face of the second slab waveguide 15. On the output end face of the second slab waveguide 15, an optical output that is wavelength-separated by interference is obtained. By arranging the optical fiber array 37 along the output end face of the second slab waveguide 15, the arrayed waveguide type wavelength demultiplexer 10 can function as a wavelength demultiplexer. The slit that crosses the optical path of the arrayed waveguide demultiplexer 10 only needs to be provided with at least one of the slits 21, 22, 23, and 24. Each of the slits 21, 22, 23, and 24 is desirably arranged so as to be orthogonal to the optical path of the waveguide.
[0042]
The operation of this arrayed waveguide wavelength demultiplexer is also substantially the same as that of the arrayed waveguide wavelength demultiplexer described in the first embodiment. First, input light 31 is input to the input channel waveguide 12. When a plurality of input channel waveguides 12 are provided, the signal is input to one of the input channel waveguides. The input light 31 is preferably output from a light source having a wide spectrum over the wavelength region to be measured. When an output with a wide spectrum cannot be obtained with one light source, outputs from a plurality of light sources may be combined to obtain an output with a wide spectrum. Light loss is caused by the liquid to be measured poured into any of the slits 21, 22, 23, and 24. When a plurality of slits among the slits 21, 22, 23, and 24 are provided, the liquid to be measured may be poured into the plurality of slits, but the liquid to be measured is measured into one slit for measuring the optical loss. Pouring is enough.
[0043]
When the demultiplexed light 35 from each optical fiber of the optical fiber array 37 is scanned, the wavelength characteristic of the optical loss of the liquid to be measured can be measured. If the number of channel waveguides of the arrayed waveguide 14 is sufficient, the wavelength resolution is limited by the optical fiber interval of the optical fiber array 37.
[0044]
Calibrating the wavelength characteristics of optical loss when the liquid to be measured is poured into the slit with the liquid characteristics of the optical loss measured without pouring the liquid to be measured into the slit, the wavelength characteristics of the exact optical loss can be obtained. Can be calculated. In addition, if a wavelength characteristic of optical loss is measured by pouring a liquid having a known refractive index or a known concentration into the slit, and the relative comparison is made, the refractive index or the concentration of the liquid to be measured can be obtained.
[0045]
By changing the length of the slits 21, 22, 23, and 24 in the direction intersecting the optical path of the waveguide and pouring liquids having different concentrations from one side, it is possible to observe changes in concentration over time and diffusion states. When the position and the wavelength of each channel waveguide of the arrayed waveguide 14 are in a Fourier expansion relationship like the slit 23, by observing the time change of the wavelength characteristic of the liquid to be measured, Since it can be converted into a position, it is possible to obtain a change in concentration over time and a diffusion state.
[0046]
Therefore, the liquid to be measured is poured into a slit provided in any one of the optical paths of the arrayed waveguide type wavelength demultiplexer, the optical fiber array is disposed along the output end face of the second slab waveguide, and the input channel By measuring the wavelength characteristics of the liquid to be measured with light input from the waveguide, the refractive index or concentration of the liquid to be measured can be obtained with high accuracy.
[0047]
(Embodiment 3)
Figure 8 Liquid concentration measurement method FIG. In FIG. 8, 10 is an arrayed waveguide type wavelength demultiplexer, 11 is a waveguide substrate, 12 is an input channel waveguide, 13 is a first slab waveguide, 14 is an arrayed waveguide, and 15 is a second slab waveguide. Waveguides 21, 22, 23 and 24 are slits, 31 is input light, and 38 is a light receiving element array.
[0048]
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The difference from the configuration of the arrayed waveguide type wavelength demultiplexer of the first embodiment shown in FIG. 3 is that the light receiving element array 38 is placed on the output end face of the second slab waveguide 15 instead of moving the optical fiber 36. The arrayed waveguide type wavelength demultiplexer 10 is made to function as a wavelength demultiplexer. By arranging the light receiving element array 37 along the output end face of the second slab waveguide 15, a demultiplexed output can be obtained without moving the optical fiber.
[0049]
In FIG. 8, the light receiving element array 38 is disposed on the output end face of the second slab waveguide 15. On the output end face of the second slab waveguide 15, an optical output that is wavelength-separated by interference is obtained. By arranging the light receiving element array 38 along the output end face of the second slab waveguide 15, the arrayed waveguide type wavelength demultiplexer 10 can function as a wavelength demultiplexer. The slit that crosses the optical path of the arrayed waveguide demultiplexer 10 only needs to be provided with at least one of the slits 21, 22, 23, and 24. Each of the slits 21, 22, 23, and 24 is desirably arranged so as to be orthogonal to the optical path of the waveguide.
[0050]
The operation of this arrayed waveguide wavelength demultiplexer is also substantially the same as that of the arrayed waveguide wavelength demultiplexer described in the first embodiment. First, input light 31 is input to the input channel waveguide 12. When a plurality of input channel waveguides 12 are provided, the signal is input to one of the input channel waveguides. The input light 31 is preferably output from a light source having a wide spectrum over the wavelength region to be measured. When an output with a wide spectrum cannot be obtained with one light source, outputs from a plurality of light sources may be combined to obtain an output with a wide spectrum. Light loss is caused by the liquid to be measured poured into any of the slits 21, 22, 23, and 24. When a plurality of slits among the slits 21, 22, 23, and 24 are provided, the liquid to be measured may be poured into the plurality of slits, but the liquid to be measured is measured into one slit for measuring the optical loss. Pouring is enough.
[0051]
When the output from each light receiving element of the light receiving element array 38 is scanned, the wavelength characteristic of the optical loss of the liquid to be measured can be measured. If the number of channel waveguides of the arrayed waveguide 14 is sufficient, the wavelength resolution is limited by the interval between the light receiving elements of the light receiving element array 38.
[0052]
Calibrating the wavelength characteristics of optical loss when the liquid to be measured is poured into the slit with the liquid characteristics of the optical loss measured without pouring the liquid to be measured into the slit, the wavelength characteristics of the exact optical loss can be obtained. Can be calculated. In addition, if a wavelength characteristic of optical loss is measured by pouring a liquid having a known refractive index or a known concentration into the slit, and the relative comparison is made, the refractive index or the concentration of the liquid to be measured can be obtained.
[0053]
By changing the length of the slits 21, 22, 23, and 24 in the direction intersecting the optical path of the waveguide and pouring liquids having different concentrations from one side, it is possible to observe changes in concentration over time and diffusion states. When the position and the wavelength of each channel waveguide of the arrayed waveguide 14 are in a Fourier expansion relationship like the slit 23, by observing the time change of the wavelength characteristic of the liquid to be measured, Since it can be converted into a position, it is possible to obtain a change in concentration over time and a diffusion state.
[0054]
Accordingly, the liquid to be measured is poured into a slit provided in one of the optical paths of the arrayed waveguide type wavelength demultiplexer, the light receiving element array is arranged along the output end face of the second slab waveguide, and the input channel By measuring the wavelength characteristics of the liquid to be measured with light input from the waveguide, the refractive index or concentration of the liquid to be measured can be obtained with high accuracy.
[0055]
(Embodiment 4)
Figure 9 Liquid concentration measurement method FIG. In FIG. 9, 10 is an arrayed waveguide type wavelength demultiplexer, 11 is a waveguide substrate, 12 is an input channel waveguide, 13 is a first slab waveguide, 14 is an arrayed waveguide, and 15 is a second slab waveguide. Waveguide, 16 is an output channel waveguide, 21, 22, 23, 24, 25 are slits, 31 is input light, and 35 is demultiplexed light.
[0056]
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The difference from the configuration of the arrayed waveguide type wavelength demultiplexer of the first embodiment shown in FIG. 3 is that the output channel waveguide 16 is replaced with the output end face of the second slab waveguide 15 instead of moving the optical fiber 36. And the arrayed waveguide type wavelength demultiplexer 10 is made to function as a wavelength demultiplexer. By arranging the output channel waveguide 16 along the output end face of the second slab waveguide 15, the demultiplexed light 35 can be obtained without moving the optical fiber.
[0057]
In FIG. 9, the output channel waveguide 16 is disposed on the output end face of the second slab waveguide 15. At the output end face of the second slab waveguide 15, light that has been wavelength-separated by interference is input to each channel waveguide of the output channel waveguide 16. Thus, by arranging the output channel waveguide 16 along the output end face of the second slab waveguide 15, the arrayed waveguide type wavelength demultiplexer 10 can function as a wavelength demultiplexer. It is sufficient that at least one of the slits 21, 22, 23, 24, and 25 is provided as a slit that crosses the optical path of the arrayed waveguide wavelength demultiplexer 10. The slits 21, 22, 23, 24, and 25 are desirably arranged so as to be orthogonal to the optical path of the waveguide.
[0058]
The operation of this arrayed waveguide wavelength demultiplexer is also substantially the same as that of the arrayed waveguide wavelength demultiplexer described in the first embodiment. First, input light 31 is input to the input channel waveguide 12. When a plurality of input channel waveguides 12 are provided, the signal is input to one of the input channel waveguides. The input light 31 is preferably output from a light source having a wide spectrum over the wavelength region to be measured. When an output with a wide spectrum cannot be obtained with one light source, outputs from a plurality of light sources may be combined to obtain an output with a wide spectrum. Light loss is caused by the liquid to be measured poured into any of the slits 21, 22, 23, 24, and 25. When a plurality of slits among the slits 21, 22, 23, 24, and 25 are provided, the liquid to be measured may be poured into the plurality of slits. It is enough to pour liquid.
[0059]
When the demultiplexed light 35 from the output channel waveguide 16 is scanned, the wavelength characteristic of the optical loss of the liquid to be measured can be measured. If the number of channel waveguides in the arrayed waveguide 14 is sufficient, the wavelength resolution is limited by the spacing between the output channel waveguides 16 channel waveguides.
[0060]
Calibrating the wavelength characteristics of optical loss when the liquid to be measured is poured into the slit with the liquid characteristics of the optical loss measured without pouring the liquid to be measured into the slit, the wavelength characteristics of the exact optical loss can be obtained. Can be calculated. In addition, if a wavelength characteristic of optical loss is measured by pouring a liquid having a known refractive index or a known concentration into the slit, and the relative comparison is made, the refractive index or the concentration of the liquid to be measured can be obtained.
[0061]
By changing the length of the slits 21, 22, 23, 24, and 25 in the direction intersecting the optical path of the waveguide and pouring liquids having different concentrations from one side, it is possible to observe the change in concentration over time and the diffusion state. When the position and the wavelength of each channel waveguide of the arrayed waveguide 14 are in a Fourier expansion relationship like the slit 23, by observing the time change of the wavelength characteristic of the liquid to be measured, Since it can be converted into a position, it is possible to obtain a change in concentration over time and a diffusion state.
[0062]
Therefore, the liquid to be measured is poured into a slit provided in any one of the optical paths of the arrayed waveguide type wavelength demultiplexer, the optical fiber array is disposed along the output end face of the second slab waveguide, and the input channel By measuring the wavelength characteristics of the liquid to be measured with light input from the waveguide, the refractive index or concentration of the liquid to be measured can be obtained with high accuracy.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to determine the concentration of the liquid by measuring the optical loss of the liquid to be measured, and to further increase the measurement accuracy by measuring the wavelength characteristic of the optical loss. In addition, by applying multivariate analysis, it is possible to determine the separation of concentrations for a plurality of solutes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a conventional liquid concentration measurement method.
FIG. 2 is a diagram illustrating the operating principle of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an example of wavelength characteristics of optical loss of an arrayed waveguide type wavelength demultiplexer used to implement the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining the concentration dependency of transmittance when a sodium acetate aqueous solution is poured into a slit.
FIG. 6 is a diagram illustrating a calibration curve of an aqueous sodium acetate solution.
FIG. 7 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10: Arrayed waveguide type wavelength demultiplexer
11: Waveguide substrate
12: Input channel waveguide
13: First slab waveguide
14: Arrayed waveguide
15: Second slab waveguide
16: Output channel waveguide
21, 22, 23, 24, 25: Slit
31: Input light
35: demultiplexed light
36: Optical fiber
37: Optical fiber array
38: Light receiving element array
81: Semiconductor laser
82: Photosensor
83: Prism
84: Measurement light
85: Liquid to be measured

Claims

At least one input channel waveguide, a first slab waveguide connected to the input channel waveguide, and a plurality of conductors connected to the first slab waveguide and having a predetermined waveguide length difference An arrayed waveguide comprising a waveguide, a second slab waveguide connected to the arrayed waveguide, and an optical fiber moved along the end face of the second slab waveguide. A first step of pouring a liquid to be measured into a slit provided in one of the optical paths of the waver; and moving the optical fiber along the output end face of the second slab waveguide to introduce the channel for input. And a second step of measuring wavelength characteristics of the liquid to be measured with light input from a waveguide.

The liquid concentration measuring method according to claim 1, further comprising a third step of obtaining the liquid concentration of the measurement object by comparing with the wavelength characteristic of the liquid having a known concentration.

3. The liquid concentration measuring method according to claim 1, wherein the slit is provided in an optical path of the input channel waveguide.

The liquid concentration measuring method according to claim 1, wherein the slit is provided in an optical path of the first slab waveguide.

3. The liquid concentration measuring method according to claim 1, wherein the slit is provided in an optical path of the arrayed waveguide.

3. The liquid concentration measuring method according to claim 1, wherein the slit is provided in an optical path of the second slab waveguide.