JP4565061B2 - 光分岐回路及びセンサ - Google Patents
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Description
バルク型分岐回路は従来から使用されるレンズやプリズム、干渉膜フィルタなどから構成されており、組み立てや調整が複雑なため、小型化や低価格化が容易でないという問題がある。
一方、光導波路型分岐回路はフォトリソグラフィ技術を用いて平面基板上に形成した光導波路を用いて光の進行方向を変えたり、分岐させたりするものであり、構造が簡単であるため、小型化や低価格化を実現できる可能性が高い。なお、光導波路とは電気回路中に電子が流れるように、屈折率の違いを利用して回路に光信号を導くものをいう。
光導波路16内に入射された光は全反射しながら光導波路16を進行するが、僅かながら表面から漏れ出る光が機能性薄膜12を伝わる。このとき機能性薄膜12の光透過度がガスの吸着により変化すると、光導波路16を進行した光の強度が変化する。従って、このような構造のガスセンサ18においては、光導波路16を進行した光の強度変化を検出することにより間接的にガスを検出することができる。
図7は光分岐回路を用いたガスセンサの構成図である。図7に示すように、ガスセンサ18aはレーザ光源13と、プリズム14と、表面に光導波路16が形成された基板2と、光導波路16を進行した光の強度変化を検出する光検出器15a〜15eとを備え、分岐された数本の光導波路16の途中にはそれぞれ機能性薄膜12a〜12eが塗布されている。レーザ光源13から出射されプリズム14により光導波路16に入射された光は光分岐回路により分岐された後、それぞれ対応する光導波路16を進行し、光検出器15a〜15eに到達する構造となっている。
このような構造のガスセンサ18aにおいては、図6と同様の原理によりガスを検出することができる。さらに、分岐された複数本の光導波路16に塗布する機能性薄膜12a〜12eの種類をそれぞれ異なるものとすれば、同時に複数のガスを検出することが可能となる。しかし、上記構成のガスセンサ18aにおいては測定感度を向上させるためには機能性薄膜12a〜12eを長く形成する必要があり、ガスセンサ18aが大型化してしまう。また、同時に検出できるガスの種類を増やすためには光導波路16の分岐数を増やす必要がある。この場合、光分岐回路の構造が複雑になるため、ガスセンサ18aの小型化が困難となるという課題があった。
このような構造によれば、入射信号光は扇形スラブ導波路53内の回折により広がった後、一度に分岐されるので、Y分岐を多段に設けるよりも小型化が可能であると同時に過剰損失と分岐ばらつきを小さくすることが可能である。
特許文献2に開示された発明は、第2コア導波路上に出力端の幅が拡がると共に厚みが薄くなるテーパ部を持った第1のコア導波路を積層した構造を備えるものである。
このような構造によれば、光の結合効率が高く、また導波モードの波面の傾きを一様にできるモードパターン整合機能を持っているため、小型にも拘らず、多ポート化の実現が可能であり、更に波長依存性が少ないので広帯域な光信号に対応することができる。
特許文献3に開示された発明は、光源と、この光源からの光を入力して周囲のガスとエバネッセント場により相互作用する微小球共振器を含むガスセンサと、このガスセンサからの出力光を受ける受光器とを備えるものである。
このような構造によれば、微小球共振器のQ値を計測することにより、または微小球共振器の中心周波数を計測することにより、周囲のガスの濃度を計測することができるため、計測装置を小型化・高感度・高分解能とすることができる。
上記構成の光分岐回路によれば、第1の光導波路内に入射し、全反射しながら進行した光(以下、第1光導波路入射光という。)は、略円柱状部材の側面平坦部では第1及び第2の2つの光導波路を進行し、側面平坦部の縁において第1の光導波路を進行する光(以下、第1光導波路通過光という。)とループ状の第2の光導波路を進行する光(以下、第2光導波路通過光という。)とに分岐される。この第2光導波路通過光は略円柱状部材の側面に沿って螺旋状に周回した後、側面平坦部において再び第1の光導波路及び第2の光導波路をともに進行し、さらに側面平坦部の縁で再度第1光導波路通過光と第2光導波路通過光とに分岐され、以下この現象を繰り返す。すなわち、1本の第1光導波路入射光はループ状の第2の光導波路を進行して略円柱状部材の側面に沿う螺旋状の周回を繰り返すことにより、複数本の光に分岐される。また、複数本に分岐された第1光導波路通過光の間隔は、第1光導波路入射光の進行方向と略円柱状部材の軸方向とのなす角度により定まる。
上記構成のセンサにおいては、被検出物質の作用により機能性薄膜の光透過度が変化すると第2の光導波路を進行する光の一部が機能性薄膜に吸収されるため、光分岐回路から出力される光の強度が変化するという作用を有する。また、第2の光導波路がループ状をなしているため、直線状に設けられるよりも距離を稼ぐことが可能である。これによりセンサの検出感度が向上する。
図1(a)は実施例1の光分岐回路の側面図であり、同図(b)は実施例1の光分岐回路を略円柱状部材の軸に垂直な平面で切断した断面図である。
図1(a)に示すように、光分岐回路1aはガラス製の基板2と、ガラス製の略円柱状部材3とからなり、略円柱状部材3は側面平坦部4が基板2の表面に当接するように基板2上に配置されている。さらに図1(b)に示すように、基板2の表面及び略円柱状部材3の側面には熱拡散法によりそれぞれ第1光導波路5及び第2光導波路6が形成されている。なお、熱拡散法はイオン交換法の一種であり、ドーパントイオンを含む融液中にガラス製の基板2を浸すことによりガラス表面でナトリウムイオンとドーパントイオンを交換し、さらに基板2表面から内部へと拡散させる方法である。また、光導波路のその他の形成方法としては、デポジション法、エピタキシャル法及びイオン注入法などがある。
なお、図1(b)中に符号αで示される角度は、分岐部9における第1光導波路通過光7aと第2光導波路通過光8aとのなす角度であるが、この角度は、次に図2を用いて、分岐される第1光導波路通過光7a〜7dの間隔を説明する際に用いる。
このような光分岐回路1aに対して、第1光導波路入射光7の進行方向に直交する方向と略円柱状部材3の軸方向とのなす角度をθとし、図1(b)に示す前述の角度をαとし、略円柱状部材3の半径をrとすると、第2光導波路通過光8a〜8dが螺旋状に周回するごとに分岐される第1光導波路通過光7a〜7dの間隔dは次の式で表される。
このような構造の光分岐回路1aにおいては、第1光導波路入射光7の進行方向に直交する方向と略円柱状部材3の軸方向とのなす角度θに対応して複数本に分岐された第1光導波路通過光7a〜7dの間隔dが決まるという作用を有する。
図3は実施例2のセンサの構成図である。本センサは実施例1の光分岐回路を用いるものであるため、実施例1と同一の構成要素については同一の符号を付して作用及び効果の説明を省略する。センサ11は実施例1の光分岐回路1aと、被検出物質の作用によって光透過度が変化する機能性薄膜12a〜12dと、レーザ光源13と、プリズム14と、光検出器15a〜15eとを備え、機能性薄膜12a〜12dは略円柱状部材3の図示しない側面平坦部以外の第2光導波路6上に塗布された構造となっている。図3に示すように、レーザ光源13から出射されプリズム14により図示しない第1光導波路内に入射された第1光導波路入射光7は、図示しない第1光導波路の内部で全反射を繰り返しながら進行し、実施例1で説明したように略円柱状部材3に形成された第2光導波路6の作用により複数本の第1光導波路通過光7a〜7eに分岐され、光検出器15a〜15eによりそれぞれ光強度が検出される。
このような構造のセンサ11においては、被検出物質の作用により機能性薄膜12a〜12dの光透過度が変化すると第2光導波路通過光8a〜8dの一部が機能性薄膜12a〜12dに吸収されるため、光検出器15a〜15eにおいて検出される光の強度が変化する。また、第2光導波路6がループ状をなしているため、直線状に設けられるよりも距離を稼ぐことが可能であり、機能性薄膜12a〜12dを長く形成することができる。これによりセンサの検出感度が向上する。
数2によれば、被検出物質の濃度に応じて光透過度anが変化すると出射光強度Pnが変化するが、分岐効率ηは固定係数であるため、出射光強度Pnを測定することにより光透過度anを算出できることが分かる。具体的には、第1光導波路入射光の強度とP0とを比較することによりηが求められ、P1〜P4から順次a1〜a4が求められる。すなわち、事前に被検出物質の濃度と光透過度a1〜a4との相関関係を測定しておくことで被検出物質の濃度測定が可能となる。
また、側面平坦部における通過光の進行方向の長さも長くしたり短くしたりすることができるのはもちろんであるが、この長さも第2光導波路通過光が螺旋状の周回を重ねるに従って長くしたり、短くしたりすることも可能である。このような場合においては、逆に徐々に短くする方が、機能性薄膜を塗布できる長さを増加させることができるので、センサの検出感度の低下を補うことができる。但し、数1のαが徐々に小さくなるため、次第に間隔dが開くようになる。
さらに、基板及び略円柱状部材にはガラスの代わりに、Ti拡散LiNbO3や化合物半導体やプラスチック等を使用することができる。また、センサは気体以外に液体の検出も可能であり、光検出器を各測定に対応する検出器に取り替えることにより、温度、速度、変位などの物理量も測定することができる。また、機能性薄膜や光検出器の数は本実施例に限定されるものではなく、センサの大きさや用途に応じて最も適切な数を選択することが好ましい。
Claims (2)
- 表面に第1の光導波路が形成された基板と、側面全周にわたってループ状に第2の光導波路が形成された略円柱状部材とを備え、この略円柱状部材は側面平坦部上の前記第2の光導波路が前記第1の光導波路に当接するように前記基板上に配置されるとともに、前記第1の光導波路内部の光の進行方向と前記略円柱状部材の軸方向とが平行でなく、若しくは直交しないことを特徴とする光分岐回路。
- 前記側面平坦部を除く前記第2の光導波路上に、被検出物質の作用によって光透過度が変化する機能性薄膜が形成された請求項1に記載の光分岐回路と、この光分岐回路から出力される光の強度を検出する光検出器とを備えたことを特徴とするセンサ。
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