JP7278505B1 - 光学センサチップ、光学センサシステムおよび測定方法 - Google Patents

Abstract

光学センサチップ（２１ｋ）は、第１の光信号を外部から入力するスポットサイズ変換部（２１１Ａ）と、第１の光信号を検体（１００）の状態に応じて変化させる変化部（２１３）と、第１の光信号を外部に出力するスポットサイズ変換部（２１６Ａ）と、第２の光信号を外部から入力するスポットサイズ変換部（２１６Ｂ）と、変化部（２１３）が検体（１００）の状態に応じて変化させた第１の光信号と第２の光信号とを合波する合波部（２１４）と、合波部（２１４）が合波した光信号を外部に出力するスポットサイズ変換部（２１１Ｂ）と、を備える。

Description

本開示は、光学センサチップ、光学センサシステムおよび測定方法に関する。

近年、検体の状態を非破壊で測定する技術が普及している。例えば、特許文献１には、光学センサおよび光スイッチを備えた検出装置が記載されている。当該検出装置は、複数の被測定物が光スイッチにそれぞれ接続され、光スイッチを制御して被測定物を切り替えることで、光学センサが被測定物の測定を行うものである。

国際公開第２０１５／０１５１４９号

特許文献１に記載された検出装置が備える光学センサでは、複数の被測定物をそれぞれ測定するために、光スイッチを用いて被測定物を順に切り替える必要がある。このため、特許文献１に記載された光学センサを複数個用いても検体の複数の箇所の状態を一括して測定できないという課題があった。

本開示は、上記課題を解決するものであり、検体の複数の箇所の状態の一括した測定に用いることができる光学センサチップを得ることを目的とする。

本開示に係る光学センサチップは、コネクタによって自由な接続形態が可能な光学センサチップであって、光ファイバを介して第１の光信号を外部から入力する第１のインタフェース部と、第１の光信号を検体の状態に応じて変化させる変化部と、光ファイバを介して第１の光信号を外部に出力する第２のインタフェース部と、光ファイバを介して第２の光信号を外部から入力する第３のインタフェース部と、変化部が検体の状態に応じて変化させた第１の光信号と第３のインタフェース部が入力した第２の光信号とを合波する合波部と、合波部が合波した光信号を外部に出力する第４のインタフェース部と、を備える。

本開示によれば、複数の光学センサチップを接続した光学センサユニットに検体を配置し、光学センサユニットを伝搬させた光信号を各光学センサチップで検体の状態に応じて変化させる。これにより、検体の状態に応じた光信号の変化分を解析して、各光学センサチップが検出した検体の状態を特定できるので、本開示に係る光学センサチップは、検体の複数の箇所の状態の一括した測定に用いることができる。

実施の形態１に係る光学センサシステムを示す構成図である。 図２Ａは、光学センサユニットを図１のＡ－Ａ線で切った断面を示す断面矢示図であり、図２Ｂは、検体が配置された光学センサユニットをＡ－Ａ線で切った断面を示す断面矢示図である。 実施の形態１に係る光学センサシステムを具体的に示す構成図である。 実施の形態１に係る光学センサチップおよび光導波路を具体的に示す構成図である。 実施の形態１に係る光学センサシステムにおける送信前の第１の光信号と第２の光信号の受信信号との時間波形を示す波形図である。 実施の形態１に係る測定方法を示すフローチャートである。 光学センサユニットにおける光信号の流れを示すフローチャートである。 変化部を示す構成図である。 光学センサチップの動作を示すフローチャートである。 検体が配置されていない光学センサユニットの光学センサチップを伝搬する光信号の波長と強度との関係を示すグラフである。 検体が配置された光学センサユニットの光学センサチップを伝搬する光信号の波長と強度との関係を示すグラフである。 検体が配置された光学センサユニットにおける光学センサチップの位置と検体の水分量との関係を示すグラフである。 実施の形態１に係る光学センサシステムの変形例（１）を示す構成図である。 実施の形態１に係る光学センサシステムの変形例（２）を示す構成図である。 変化部の変形例１を示す構成図である。 変化部の変形例２を示す構成図である。 図１７Ａおよび図１７Ｂは、光送受信部および受信信号解析部の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る光学センサシステムの変形例（３）を示す構成図である。 実施の形態２に係る光学センサシステムを示す構成図である。 実施の形態２に係る光学センサシステムにおける送信前の第１の光信号と第２の光信号の受信信号との時間波形を示す波形図である。 実施の形態３に係る光学センサチップおよび光導波路を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る光学センサシステム１を示す構成図である。図１において、光学センサシステム１は、光学センサユニット２を用いて検体の状態を測定するシステムである。光学センサシステム１は、固体、液体または気体の検体の状態を測定するものであり、検体は、人または動物といった生体であってもよい。また、検体の状態とは、光学センサユニット２が有するＺ個の光学センサチップ２１_ｋが測定可能な状態であり、検体内部の状態または検体周辺の状態も含まれる。例えば、検体内部または検体周辺の温度、検体の水分量または検体から加わる圧力である。

光学センサユニット２は、光ファイバ２２によって各々が接続されたＺ個の光学センサチップ２１_ｋから構成されている。ｋは、１以上Ｚ以下のいずれかの自然数である。例えば、図１に示すように、Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋは、送信側の光ファイバ２２Ａと受信側の光ファイバ２２Ｂにより、光学センサチップ２１_１から光学センサチップ２１_Ｚまでが連なって配置および配線されたユニットである。検体は、光学センサユニット２の光学センサチップ２１_ｋに接触して配置されるか、その近傍に非接触で配置される。

光学センサユニット２において、Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋの接続形態は、図１に示したものに限定されるものではなく、自由な接続形態が可能である。例えば、複数の光学センサチップ２１_ｋが一纏まりに接続され、そのうちの１つの光学センサチップ２１_ｋと光送受信部３とが接続されてもよい。Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋは、直接もしくは他の光学センサチップ２１_ｋを介して、光送受信部３と接続されてもよい。

光学センサシステム１は、検体の表面または検体が配置される面に、光ファイバ２２を介して光学センサチップ２１_１から光学センサチップ２１_ＺまでのＺ個の光学センサチップ２１_ｋをそれぞれ連なって設けた装置であってもよい。光学センサチップ２１_ｋと光学センサチップ２１_ｋ＋１との間で、光ファイバ２２Ａおよび２２Ｂを通して光信号が入出力されるので、検体の状態の検出信号に電気信号を用いず、光学センサチップごとにセンサ回路部を設けなくても、検体の状態を検出することが可能である。

光ファイバ２２は、送信側の光ファイバ２２Ａおよび受信側の光ファイバ２２Ｂにより構成される。なお、光ファイバ２２は、送信側と受信側との両方の機能を兼ねた１本の光ファイバであってもよい。光学センサユニット２におけるＺ個の光学センサチップ２１_ｋのうち、一方の端部にある光学センサチップ２１_１は、光ファイバ２２Ａを介して光送信部３１と接続され、光ファイバ２２Ｂを介して光受信部３２と接続されている。他方の端部にある光学センサチップ２１_Ｚは、光ファイバ２２Ａを介して光終端６Ａと接続され、光ファイバ２２Ｂを介して光終端６Ｂと接続されている。

光送受信部３は、光送信部３１、光受信部３２、および変調信号生成部３３を備える。光送信部３１は、光ファイバ２２Ａを通じて、光学センサチップ２１_１に第１の光信号を送信する。変調信号生成部３３は、光源である発光素子が出射した光を変調するための、予め定められた変調方式の電気変調信号を生成し、光送信部３１および識別部４１に出力する。光送信部３１は、電気変調信号に基づいて、発光素子が出射した光を変調した第１の光信号を、光学センサチップ２１_１に接続された光ファイバ２２Ａへ出力する。

変調信号生成部３３が生成する変調信号は、伝搬信号の往復時間を計測可能な変調信号であればよく、例えば、パルス変調信号、周波数変調信号または位相変調信号等を用いてもよい。光送信部３１が生成する第１の光信号は、例えば、予め定められた一つの波長の光信号であり、強度特性、位相特性または周波数特性のいずれかを変調した電気信号が印加される。予め定められた一つの波長の値は、変化部２１３の共振波長の設計値である。第１の光信号は、変化部２１３の共振波長の設計値に対応する波長が含まれていれば、複数の波長を有する、すなわち、複数の波長が多重された光信号であってもよい。
なお、第１の光信号を変調しない場合、光送受信部３は、変調信号生成部３３を備えていなくてもよい。

光受信部３２は、光ファイバ２２Ｂを通じて光学センサチップ２１_１から第２の光信号を受信する。光受信部３２は、受光素子を備えており、受信した第２の光信号を受光素子が電気信号に変換する。発光素子および受光素子は、別々に設けられてもよいし、発光素子および受光素子が一つに組み込まれた光学センサであってもよい。光送受信部３は、光学センサユニット２とは別に設けられてもよいし、光学センサユニット２に設けられてもよい。例えば、光送受信部３は、光学センサユニット２の一部に設けられたＩｎＰ基板に集積されてもよい。

光学センサチップ２１_Ｚにおいて、光終端６Ａは、光反射が極めて小さくなるように、光ファイバ２２Ａの端部に施された部分である。光学センサチップ２１_１から光学センサチップ２１_Ｚに順に伝搬してきた第１の光信号は、光終端６Ａにおいて終端される。また、光学センサチップ２１_Ｚにおいて、光終端６Ｂは、光反射が極めて小さくなるように、光ファイバ２２Ｂの端部に施された部分である。第２の光信号は、光終端６Ｂにおいて終端される。光終端６Ａおよび６Ｂは、送信用と受信用とを兼ねた一つの光終端であってもよい。

受信信号解析部４は、光受信部３２が受信した第２の光信号の受信信号を解析することにより、光学センサユニット２に配置された検体の状態を測定する。また、受信信号解析部４は、識別部４１および解析部４２を備える。

識別部４１は、第２の光信号の受信信号を用いて個々の光学センサチップ２１_ｋを識別する。例えば、識別部４１は、変調信号生成部３３が生成した電気変調信号に基づいて、第２の光信号の受信信号を検波し、その波長値を読み取ることにより、変調された光学センサチップ２１_ｋの識別番号ｋを特定する。これにより、識別部４１は、個々の光学センサチップ２１_ｋを識別する。

解析部４２は、第２の光信号の受信信号を解析することにより、光学センサユニット２に配置された検体の状態を光学センサチップ２１_ｋごとに特定する。例えば、解析部４２は、光学センサチップ２１_ｋの識別番号ｋを用いて識別した光学センサチップ２１_ｋごとの受信信号の強度差を読み取ることにより、光学センサチップ２１_ｋの周辺にある検体の状態を特定する。表示部５は、受信信号解析部４から検体の状態の測定結果を入力し、入力した測定結果を表示する。

図２Ａは、光学センサユニット２を、図１のＡ－Ａ線で切った断面を示す断面矢示図である。図２Ｂは、検体１００が配置された光学センサユニット２を、Ａ－Ａ線で切った断面を示す断面矢示図である。図２Ａおよび図２Ｂに示すように、光学センサユニット２において、複数の光学センサチップ２１_ｋが連なる方向に隣り合っている光学センサチップ２１_ｋ同士は、光ファイバ２２Ａおよび光ファイバ２２Ｂによって接続されている。

光学センサユニット２における光学センサチップ２１_ｋ上には、図２Ｂに示すように、検体１００が配置される。光学センサチップ２１_ｋは、例えば、シリコンフォトニクス技術に代表される微細加工技術を用いて製作された光導波路によって構成される。光学センサチップ２１_ｋは、検体１００の状態に応じて、第１の光信号の強度、位相または周波数の少なくとも一つを変化させる。

図３は、光学センサシステム１を具体的に示す構成図である。図３において、光学センサユニット２は、Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋが連なって接続されて構成されている。光学センサチップ２１_１から光学センサチップ２１_Ｚ－１は、スポットサイズ変換部２１１Ａ、スポットサイズ変換部２１１Ｂ、光路分岐部２１２Ａ、変化部２１３、合波部２１４、光路長付加部２１５Ａ、スポットサイズ変換部２１６Ａおよびスポットサイズ変換部２１６Ｂを備える。

スポットサイズ変換部２１１Ａ、２１１Ｂ、２１６Ａおよび２１６Ｂは、光ファイバにおける光分布の広がりの大きさであるスポットサイズと導波路におけるスポットサイズとを変換する光学素子である。スポットサイズ変換部２１１Ａ、２１１Ｂ、２１６Ａおよび２１６Ｂは、例えば、導波路により構成されたスポットサイズコンバータである。上記の導波路は、例えば、シリコン導波路である。

スポットサイズ変換部２１１Ａは、光送信部３１または前段に配置された光学センサチップ２１_ｋ－１から光ファイバ２２Ａを伝搬してきた第１の光信号のスポットサイズを、光学センサチップ２１_ｋの内部の導波路に合わせて変換する。スポットサイズ変換部２１１Ａは、光学センサチップ２１_ｋが備える第１のインタフェース部の一例である。
なお、光学センサチップ２１_ｋは、第１の光信号のスポットサイズを変換せずに入力してもよい。例えば、光学センサチップ２１_ｋは、スポットサイズ変換部２１１Ａを介さずに、光ファイバ２２Ａとチップ内部の導波路が接続された構成であってもよい。この場合は、第１のインタフェース部は、チップ内部の導波路と光ファイバ２２Ａとの接続点である。

スポットサイズ変換部２１６Ａは、第１の光信号のスポットサイズを光ファイバ２２Ａに合わせて変換し、スポットサイズを変換した第１の光信号を、光ファイバ２２Ａに出力する。スポットサイズ変換部２１６Ａは、光学センサチップ２１_ｋが備える第２のインタフェース部の一例である。
なお、光学センサチップ２１_ｋは、第１の光信号のスポットサイズを変換せずに出力してもよい。例えば、光学センサチップ２１_ｋは、スポットサイズ変換部２１６Ａを介さずに、チップ内部の導波路と光ファイバ２２Ａとが接続された構成であってもよい。この場合は、第２のインタフェース部は、チップ内部の導波路と光ファイバ２２Ａとの接続点である。例えば、光学センサチップ２１_ｋにおいて、第１の光信号が伝搬する経路に光路長を付加することにより、第１の光信号は、予め定められた遅延時間で伝搬する。
また、光学センサシステム１において、個々の光学センサチップ２１_ｋが光路長付加部２１５Ａを有していなくても、光学センサチップ２１_１から光学センサチップ２１_Ｚまで伝搬した第１の光信号には、個々の光学センサチップ２１_ｋの内部の光経路に応じた遅延が生じる。これらの遅延時間を解析することにより個々の光学センサチップ２１_ｋを伝搬した光信号を特定することが可能である。

スポットサイズ変換部２１６Ｂは、後段に配置された光学センサチップ２１_ｋ＋１から光ファイバ２２Ｂを伝搬した第２の光信号のスポットサイズを、光学センサチップ２１_ｋの内部の導波路に合わせて変換し、スポットサイズを変換した第２の光信号を光学センサチップ２１_ｋの内部に出力する。スポットサイズ変換部２１６Ｂは、光学センサチップ２１_ｋが備える第３のインタフェース部の一例である。
なお、光学センサチップ２１_ｋは、第２の光信号のスポットサイズを変換せずに入力してもよい。例えば、光学センサチップ２１_ｋは、スポットサイズ変換部２１６Ｂを介さずに、光ファイバ２２Ｂとチップ内部の導波路とが接続された構成であってもよい。この場合は、第３のインタフェース部は、チップ内部の導波路と光ファイバ２２Ｂとの接続点である。

スポットサイズ変換部２１１Ｂは、検体の状態に応じて変化させた第１の光信号と第２の光信号とが合波された光信号のスポットサイズを光ファイバ２２Ｂに合わせて変換し、スポットサイズを変換した光信号を光ファイバ２２Ｂに出力する。スポットサイズ変換部２１１Ｂは、光学センサチップ２１_ｋが備える第４のインタフェース部の一例である。
なお、光学センサチップ２１_ｋは、光信号のスポットサイズを変換せずに出力してもよい。例えば、光学センサチップ２１_ｋは、スポットサイズ変換部２１１Ｂを介さずに、チップ内部の導波路と光ファイバ２２Ｂとが接続された構成であってもよい。この場合は、第４のインタフェース部は、光ファイバ２２Ｂとチップ内部の導波路との接続点である。

光路分岐部２１２Ａは、入力した第１の光信号を変化部２１３と光路長付加部２１５Ａとに分岐する。ここでは、光学センサシステム１が第１の光信号の遅延を解析して個々の光学センサチップ２１_ｋを識別するので、光路分岐部２１２Ａは、単一波長の第１の光信号を入力すると、入力した第１の光信号の一部を変化部２１３に分岐し、入力した第１の光信号の残りの一部を光路長付加部２１５Ａに分岐する。なお、分岐比は問わない。
また、光学センサシステム１が第１の光信号の波長を解析して個々の光学センサチップ２１_ｋを識別する場合、複数の波長を有した第１の光信号から予め定められた波長の信号成分を選択して変化部２１３に出力する光路分岐部を、光路分岐部２１２Ａとして用いてもよい。例えば、光路分岐部２１２Ａが、複数の波長を有した第１の光信号を光路長付加部２１５Ａに分岐するとともに、第１の光信号が有する複数の波長値から、変化部２１３の共振波長の設計値に対応する波長値を有する第１の光信号を選択し、選択した第１の光信号を変化部２１３に分岐する。

変化部２１３は、光学センサチップ２１_ｋに入力された第１の光信号の特性を、検体１００の状態に応じて変化させる。第１の光信号の特性には、例えば、強度特性、位相特性または周波数特性が含まれる。変化部２１３は、第１の光信号の強度特性、位相特性または周波数特性の少なくとも一つを変化させる。

例えば、変化部２１３は、光導波路であるリング共振器により実現される。なお、変化部２１３は、第１の光信号の特性を、検体１００の状態に応じて変化させるものであればよく、光導波路により構成された位相シフタ、周波数シフタまたはこれらを組み合わせた光学素子であってもよい。また、変化部２１３は、リング共振器、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）、または、これらを組み合わせたものであってもよい。
これらの構成を有した変化部２１３であっても、第１の光信号の特性を、検体１００の状態に応じて変化させることが可能である。
変化部２１３で検体の状態に応じて変化した第１の光信号をスポットサイズ変換部２１６Ａから出力してもよい。この場合、光学センサチップ２１_ｋの隣にある光学センサチップ２１_ｋ＋１は、光学センサチップ２１_ｋの変化部２１３が検体１００の状態に応じて変化させた第１の光信号を、さらに光学センサチップ２１_ｋ＋１の変化部２１３が検体１００の状態に応じて変化させる。そのため、受信信号解析部４は、複数の変化部２１３の影響を受けていることを考慮する必要がある。

複数の変化部２１３が一つの光学センサチップ２１_ｋに設けられてもよい。この場合、複数の変化部２１３は、第１の光信号の特性を、検体１００の互いに異なる状態に応じて変化させるものであってもよい。例えば、複数の変化部２１３が直列に接続されたセンサ群を、一つの光学センサチップ２１_ｋに設ける。直列に接続された複数の変化部２１３のうち、ある変化部２１３は、第１の光信号の特性を、検体１００の温度に応じて変化させ、別の変化部２１３は、第１の光信号の特性を、検体１００の水分量に応じて変化させ、さらに別の変化部２１３は、第１の光信号の特性を、検体１００から加わる圧力に応じて変化させる。

合波部２１４は、検体１００の状態に応じて変化させた第１の光信号とスポットサイズ変換部２１６Ｂが入力した第２の光信号とを合波させる。変化部２１３が変化させた第１の光信号と第２の光信号とが合波された光信号は、スポットサイズ変換部２１１Ｂに出力される。光学センサチップ２１_ｋが備えるスポットサイズ変換部２１１Ｂは、合波部２１４が合波した光信号を、第２の光信号として光学センサチップ２１_ｋ－１に出力する。

光路長付加部２１５Ａは、第１の光信号を遅延させるための光路長を有した光路である第１の光路長付加部である。例えば、光学センサチップ２１_ｋが備える光路長付加部２１５Ａは、第１の光信号の光路に光路長を加算することで、光学センサチップ２１_ｋ－１から入力した第１の光信号の相対的な伝搬時間を遅延させ、光学センサチップ２１_ｋ＋１に出力するための第１の光信号としてスポットサイズ変換部２１６Ａに出力する。

なお、光路長付加部２１５Ａは、光学センサチップ２１_ｋの内部ではなく、光学センサチップ２１_ｋと光学センサチップ２１_ｋ＋１との間を接続する光ファイバ２２Ａに設けてもよい。この場合、光路長付加部２１５Ａは、例えば、光信号が遅延されるように光ファイバ２２Ａを加工したものであってもよい。

光学センサチップ２１_ｋにおいて、スポットサイズ変換部２１１Ａと光路分岐部２１２Ａとの間、光路分岐部２１２Ａと変化部２１３との間、光路分岐部２１２Ａと光路長付加部２１５Ａとの間、変化部２１３と合波部２１４との間、および、光路長付加部２１５Ａとスポットサイズ変換部２１６Ａとの間をそれぞれ光学的に接続する導波路は、スポットサイズ変換部２１１Ａによりスポットサイズが変換された第１の光信号を伝搬する。スポットサイズ変換部２１６Ｂと合波部２１４との間、および合波部２１４とスポットサイズ変換部２１１Ｂとの間をそれぞれ光学的に接続する導波路は、スポットサイズ変換部２１６Ｂによりスポットサイズが変換された第２の光信号を伝搬する。

コネクタ７Ａは、光学センサチップ２１_ｋが備えるスポットサイズ変換部２１６Ａに接続された光ファイバ２２Ａと、光学センサチップ２１_ｋと隣り合う光学センサチップ２１_ｋ＋１が備えるスポットサイズ変換部２１１Ａに接続された光ファイバ２２Ａとを、光学的に接続する光コネクタである。また、コネクタ７Ｂは、光学センサチップ２１_ｋ＋１が備えるスポットサイズ変換部２１１Ｂに接続された光ファイバ２２Ｂと、光学センサチップ２１_ｋ＋１と隣り合う光学センサチップ２１_ｋが備えるスポットサイズ変換部２１６Ｂに接続された光ファイバ２２Ｂとを、光学的に接続する光コネクタである。

光学センサチップ２１_ｋにおいて、スポットサイズ変換部２１１Ａとスポットサイズ変換部２１１Ｂとで一つのインタフェース部を構成し、スポットサイズ変換部２１６Ａとスポットサイズ変換部２１６Ｂとで一つのインタフェース部を構成してもよい。
例えば、コネクタ７Ａおよびコネクタ７Ｂを一つの光コネクタとし、この光コネクタを光ファイバ２２Ａと光ファイバ２２Ｂとで共用する。これにより、スポットサイズ変換部２１１Ａとスポットサイズ変換部２１１Ｂが一つのインタフェース部となり、スポットサイズ変換部２１６Ａとスポットサイズ変換部２１６Ｂが一つのインタフェース部となる。
このように構成することで、光学センサチップ２１_ｋを設置するための部品点数が削減され、かつ設置作業も簡素化される。

図４は、光学センサチップ２１_ｋおよび光導波路を具体的に示す構成図である。図４において、スポットサイズ変換部２１１Ａ、２１１Ｂ、２１６Ａおよび２１６Ｂは、ＳＳＣ（Ｓｐｏｔ－Ｓｉｚｅ－Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）である。光路分岐部２１２Ａおよび合波部２１４には、ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ－Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）型または方向性結合型の光カプラを用いることができる。変化部２１３には、リング共振器、位相シフタ、周波数シフタまたはこれらを複合した光学素子を用いることができる。光路長付加部２１５Ａには、導波路型の遅延光回路を用いることができる。光ファイバ２２Ａおよび２２Ｂは、光導波路で代替することが可能である。

図５は、光学センサシステム１における送信前の第１の光信号Ｓの時間波形と光受信部３２が受信した光信号である受信信号Ｓ１およびＳ２の時間波形とを示す波形図であり、第１の光信号Ｓはパルス信号である。変調信号生成部３３がパルス変調信号を生成して、パルス変調信号を光送信部３１に印加することにより、図５に示す第１の光信号Ｓが生成される。第１の光信号Ｓは、光学センサユニット２において光学センサチップ２１_１から光学センサチップ２１_Ｚを伝搬することにより、光学センサチップ２１_ｋを識別するための処理が行われ、検体１００の状態に応じて特性が変化される。

光学センサチップ２１_Ｚにおいて、光路分岐部２１２Ａは、スポットサイズ変換部２１１Ａが入力した第１の光信号を変化部２１３と光路長付加部２１５Ａとに分岐する。光路長付加部２１５Ａおよびスポットサイズ変換部２１６Ａを伝搬した第１の光信号は、光学センサチップ２１_Ｚに接続された光終端６Ａによって終端される。

一方、変化部２１３は、検体１００の状態に応じて第１の光信号を変化させる。合波部２１４は、検体１００の状態に応じて第１の光信号と、スポットサイズ変換部２１６Ｂが入力した第２の光信号とを合波した光信号をスポットサイズ変換部２１１Ｂに出力する。スポットサイズ変換部２１１Ｂは、光ファイバ２２Ｂに合わせてスポットサイズを変換した合波信号を、第２の光信号として光学センサチップ２１_Ｚ－１に出力する。

図５において、光学センサチップ２１_ｋを識別するための処理は、第１の光信号の光路に光路長を付加する処理である。第１の光信号は、各光学センサチップ２１_ｋにおいて、光路長付加部２１５Ａが付加した光路長に対応する伝搬時間で遅延する。これにより、光学センサチップ２１_１から出力される第２の光信号には、各光学センサチップ２１_ｋにおける遅延による時間差が生じる。

例えば、図５に示すように、受信信号Ｓ１は、元々の第１の光信号Ｓに対し時間差ΔＴ１が生じており、受信信号Ｓ２は、元々の第１の光信号Ｓに対し時間差ΔＴ２が生じている。識別部４１は、元々の第１の光信号Ｓに対する受信信号Ｓ１およびＳ２の時間差ΔＴ１およびΔＴ２を解析することで、受信信号Ｓ１を出力した光学センサチップと受信信号Ｓ２を出力した光学センサチップとを識別することが可能である。識別部４１は、光学センサチップ２１_ｋに予め定められた識別番号ｋを受信信号Ｓ１およびＳ２にそれぞれ対応付ける。

また、光学センサシステム１において、個々の光学センサチップ２１_ｋが光路長付加部２１５Ａを有していなくても、チップ内部の光経路に応じた遅延が生じる。これらの遅延時間を解析することにより、個々の光学センサチップ２１_ｋを伝搬した光信号を特定することが可能である。光学センサチップ２１_１から光学センサチップ２１_Ｚまで伝搬した第１の光信号には、個々の光学センサチップ２１_ｋの内部の光経路に応じた遅延が生じる。これらの遅延時間を解析することにより、個々の光学センサチップ２１_ｋを伝搬した光信号を特定することが可能である。

第１の光信号は、位相変調されたものであってもよいし、周波数変調されたものであってもよい。例えば、変調信号生成部３３が、周波数変調信号を生成して、周波数変調信号を光送信部３１に印加することにより、周波数変調された第１の光信号が生成される。この第１の光信号を光学センサチップ２１_１に送信することにより、光受信部３２は、周波数変調された光信号を受信する。光受信部３２は、受信信号についてヘテロダイン検波を行って、受信信号ごとの周波数シフト量を特定する。

受信信号Ｓ１と受信信号Ｓ２に合波されている第１の光信号Ｓは、検体１００の状態に応じて変化する。図５に示す例では、検体１００の状態に応じて第１の光信号の強度が減少することにより、受信信号Ｓ１は、元々の第１の光信号Ｓに対して強度差ΔＰが生じており、受信信号Ｓ２は、受信信号Ｓ１よりも大きな強度差が生じている。解析部４２は、識別部４１が光学センサチップ２１_ｋを識別すると、受信信号Ｓ１およびＳ２と第１の光信号Ｓとの強度差を解析することにより、各光学センサチップ２１_ｋにおける検体１００の状態を特定する。受信信号の解析方法は、受信信号の強度解析に限定されるものではなく、位相特性または周波数特性の解析であってもよい。

次に、実施の形態１に係る測定方法について説明する。
図６は、実施の形態１に係る測定方法を示すフローチャートであり、光学センサシステム１の動作を示している。光送信部３１が、検体１００が配置された光学センサユニット２における光学センサチップ２１_１に第１の光信号を送信する（ステップＳＴ１）。例えば、光送信部３１は、複数の光学センサチップ２１_ｋが連なって接続された光学センサユニット２における一方の端部の光学センサチップ２１_１に第１の光信号を送信する。

次に、光受信部３２が、連なった複数の光学センサチップ２１_ｋを伝搬してきた光信号を、光学センサチップ２１_１から受信する（ステップＳＴ２）。光受信部３２は、受信した光信号から受信信号を生成し、受信信号を識別部４１に出力する。識別部４１は、受信信号を解析することにより、受信信号に対応する光学センサチップ２１_ｋを識別する（ステップＳＴ３）。この後、解析部４２は、識別部４１が識別した光学センサチップ２１_ｋごとに受信信号を解析することにより、光学センサチップ２１_１ごとに検体１００の状態を特定する（ステップＳＴ４）。

図７は、光学センサユニット２における光信号の流れを示すフローチャートであって、光学センサユニット２は、Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋが連なって接続されているものとする。光学センサユニット２には、検体１００が配置される。光送信部３１が、光源が出射した光を用いて第１の光信号を生成し、光学センサユニット２における一方の端部の光学センサチップ２１_１に対して第１の光信号を送信する（ステップＳＴ１ａ）。

検体１００に含まれる水分を検出する場合、Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋがそれぞれ備える変化部２１３の共振波長として水の吸収波長帯の波長が設定される。光送信部３１は、Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋの変化部２１３に設定されたＺ個の波長を多重化した第１の光信号を光学センサチップ２１_１に送信する。これにより、第１の光信号は、光学センサチップ２１_１から光学センサチップ２１_Ｚを伝搬する。

光学センサチップ２１_ｋごとの光路分岐部２１２Ａは、第１の光信号を変化部２１３と光路長付加部２１５Ａとに分岐する（ステップＳＴ２ａ）。光学センサチップ２１_ｋにおいて、光路長付加部２１５Ａは、光路長を付加することにより第１の光信号を遅延させて光学センサチップ２１_ｋ＋１に出力する（ステップＳＴ３ａ）。これにより、第１の光信号は、光学センサチップごとに遅延時間が付加されながら、光学センサチップ２１_１から光学センサチップ２１_Ｚまで伝搬する。

光学センサユニット２において、第１の光信号は、Ｚ個の変化部２１３をそれぞれ伝搬する（ステップＳＴ４ａ）。変化部２１３は、検体１００の状態に応じて第１の光信号を変化させ、当該第１の光信号を合波部２１４に出力する。光学センサチップ２１_ｋが備えるスポットサイズ変換部２１６Ｂは、光学センサチップ２１_ｋ＋１から第２の光信号を受信し、第２の光信号を合波部２１４に出力する（ステップＳＴ５ａ）。

光学センサユニット２を第１の光信号が伝搬している間、変化部２１３は、検体１００の状態に応じて第１の光信号の特性を変化させる。例えば、水の吸収波長帯が共振波長として設定された変化部２１３において、波長多重された第１の光信号の波長成分のうち、水の吸収波長帯の波長成分が、検体１００の水分により吸収されて、第１の光信号の強度が低下する。

光学センサユニット２において、検体１００の状態に応じて変化させた第１の光信号とスポットサイズ変換部２１６Ｂが入力した光信号である第２の光信号とが、Ｚ個の合波部２１４をそれぞれ伝搬する。合波部２１４は、検体１００の状態に応じて変化させた第１の光信号と第２の光信号を合波する。光学センサチップ２１_ｋにおいて、スポットサイズ変換部２１１Ｂは、第１の光信号と第２の光信号が合波された光信号を光学センサチップ２１_ｋ－１に出力する（ステップＳＴ６ａ）。

光受信部３２は、第１の光信号と第２の光信号が合波された光信号を光学センサチップ２１_１から受信して識別部４１に出力する。識別部４１は、変調信号生成部３３が生成した変調信号と光受信部３２が受信した光信号の受信信号とを用いて、受信信号に対応する光学センサチップ２１_ｋを識別する（ステップＳＴ７ａ）。

例えば、識別部４１は、変調信号により特定される元々の第１の光信号（送信前の第１の光信号）のパルスの伝搬と受信信号のパルスの伝搬とを比較することにより、第１の光信号に対する受信信号の伝搬時間を算出する。識別部４１には、光学センサチップ２１_ｋごとの光路長付加部２１５Ａが付加した光路長に対応した伝搬時間と光学センサチップ２１_ｋの識別番号ｋとが対応付けて登録されている。識別部４１は、伝搬時間に対応する識別番号ｋを特定することにより、受信信号に対応する光学センサチップ２１_ｋを識別することができる。また、識別部４１は、識別番号ｋに対応する光学センサチップ２１_ｋの位置も特定可能である。

解析部４２は、受信信号を解析することにより、検体１００の状態を光学センサチップ２１_ｋごとに特定する（ステップＳＴ８ａ）。例えば、第１の光信号が、水の吸収波長帯の波長を含む複数の波長が多重された光信号であり、光学センサチップ２１_ｋが検体１００の水分量を測定するものである。この場合、変化部２１３において、第１の光信号の波長成分のうち、水の吸収波長帯の波長成分が、検体１００が有する水分により吸収されて第１の光信号の強度が低下する。

解析部４２は、元々の第１の光信号の強度と受信信号の強度との差分の値を用いて、検体１００が配置された光学センサユニット２における、光学センサチップ２１_ｋの位置に対応した水分量を特定する。例えば、解析部４２には、第１の光信号の強度変化量と水分量との関係が予め設定されている。第１の光信号の強度変化量は、第１の光信号の強度と受信信号の強度との差分値に相当する。解析部４２は、当該差分値を用いて、光学センサチップ２１_ｋごとに検体１００の水分量を特定することができる。

表示部５は、解析部４２から検体１００の状態の測定結果を入力し、入力した測定結果を表示する（ステップＳＴ９ａ）。例えば、解析部４２が、光学センサチップ２１_ｋごとに特定した検体１００の水分量の２次元分布を算出して、測定結果として表示部５に出力する。これにより、表示部５は、検体１００の水分量の２次元分布をグラフ表示することが可能である。

検体１００から圧力を検出する場合、複数の光学センサチップ２１_ｋには、光学センサチップ２１_ｋごとに異なる共振周波数が設定される。すなわち、光学センサチップ２１_ｋは、個々に設定された周波数で共振するように構成されている。光学センサチップ２１_ｋの導波路に検体１００から圧力が加わると、導波路が歪んで共振条件が変化する。これにより、光学センサチップ２１_ｋに設定された周波数で共振する光信号の割合が変化する。解析部４２が、この割合の変化を解析することにより光学センサチップ２１_ｋごとに検体１００からの圧力を検出することができる。

光学センサチップ２１_１には、Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋに割り当てられた複数の共振周波数が多重化された光信号が入力される。光学センサチップ２１_１に入力された光信号は、連なって接続された複数の光学センサチップ２１_ｋを順に伝搬する。検体１００から圧力が加えられた光学センサチップ２１_ｋにおいて、光信号の共振条件が変化する。これにより、光学センサチップ２１_ｋごとに検体１００からの圧力を検出することができる。また、解析部４２は、光学センサユニット２における光学センサチップ２１_ｋの位置を特定するので、検体１００からの圧力の２次元分布を測定可能である。この場合、表示部５は、検体１００からの圧力の２次元分布をグラフ表示する。

図８は、変化部２１３を示す構成図である。図８に示す変化部２１３は、リング共振器である。リング共振器は、図８に示すように、リング形状の導波路２１３２である。変化部２１３には、導波路２１３２の曲率半径Ｒおよび導波路実効屈折率ｎ_ｅｆｆに応じた共振波長が設定される。導波路実効屈折率ｎ_ｅｆｆは、導波路２１３１上にマイクロヒータを配置するか、シリコン以外の異なる磁性体を積層することにより、変更可能である。

変化部２１３は、２π×Ｒ×ｎ_ｅｆｆ＝ｍ×λ_ｋという関係を満たしている。ｍは整数である。λ_ｋは、光学センサチップ２１_ｋが備える変化部２１３に設定された共振波長である。Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋのそれぞれが備える変化部２１３には互いに異なる共振波長λ_ｋが設定される。ここで、共振波長λ_ｋの設定とは、導波路２１３２を、波長λ_ｋで共振する曲率半径Ｒと導波路実効屈折率ｎ_ｅｆｆにより構成することを意味する。

光学センサユニット２を用いて、検体１００の内部またはその周辺における水分を検出する場合、Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋのそれぞれが備える変化部２１３には、水の吸収波長帯の波長λ_ｋが設定される。すなわち、光学センサチップ２１_１の変化部２１３に波長λ_１が設定され、光学センサチップ２１_ｋの変化部２１３に波長λ_ｋが設定され、光学センサチップ２１_Ｚの変化部２１３には波長λ_Ｚが設定される。

図８において破線で囲んだ領域Ｂは、導波路２１３１と導波路２１３２が近接している領域である。変化部２１３に入射した第１の光信号のうち、変化部２１３に設定された波長λ_ｋの信号成分は、領域Ｂにおいて導波路２１３２に伝搬し、波長λ_ｋ以外の波長λ（≠λ_ｋ）の光信号成分は、導波路２１３１をそのまま伝搬して変化部２１３から出射される。

波長λ_ｋの光信号は導波路２１３２を周回して共振し、その間に、導波路２１３２上に配置された検体１００あるいは導波路２１３２に近接して配置された検体１００の周辺へ透過する。検体１００の内部または検体１００の周辺の箇所に水分が含まれていた場合、透過してきた波長λ_ｋの光信号成分が水に吸収されるので、波長λ_ｋの光信号の強度は、水分量に比例して低下する。解析部４２は、第２光信号の強度変化を解析することにより検体１００の水分量を測定可能である。

これまで、受信信号の遅延時間の違いを解析して各光学センサチップ２１_ｋを識別する場合を示したが、受信信号に含まれる波長の違いを解析して各光学センサチップ２１_ｋを識別してもよい。この場合、光学センサチップ２１_ｋは、スポットサイズ変換部２１１Ａとスポットサイズ変換部２１６Ａとの導波路に光路長付加部２１５Ａを備えない。
図９は、光学センサチップ２１_ｋの動作を示すフローチャートであり、Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋが接続されて構成される光学センサユニット２を用いて検体１００の内部または周辺の水分量を検出する場合を示している。Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋのそれぞれに設定されたλ_１からλ_Ｚの波長が多重化された連続光である第１の光信号が、光学センサチップ２１_１に送信される。光学センサチップ２１_１に送信された第１の光信号は、光学センサチップ２１_１から光学センサチップ２１_Ｚまでを順に伝搬する。

光学センサチップ２１_ｋ－１から出力された第１の光信号は、光ファイバ２２Ａを伝搬して、光学センサチップ２１_ｋに出力される。光学センサチップ２１_ｋが備えるスポットサイズ変換部２１１Ａは、第１の光信号のスポットサイズを、光学センサチップ２１_ｋの内部の導波路に合わせて変換する。ここまでの処理がステップＳＴ１ｂである。

光学センサチップ２１_ｋにおいて、第１の光信号は、光路分岐部２１２Ａにより変化部２１３とスポットサイズ変換部２１６Ａに分岐される（ステップＳＴ２ｂ）。光路分岐部２１２Ａが第１の光信号を変化部２１３に分岐すると（ステップＳＴ２ｂ；Ｂ１）、第１の光信号は、変化部２１３に入射される。

リング共振器である導波路２１３２は、変化部２１３に入射された第１の光信号から、波長λ_ｋの信号成分を抽出する（ステップＳＴ３ｂ）。変化部２１３に入射された第１の光信号の波長λが波長λ_ｋの信号成分である場合（ステップＳＴ３ｂ；ＹＥＳ）、図８に示した領域Ｂにおいて、変化部２１３が第１の光信号から波長λ_ｋの信号成分を抽出し、導波路２１３２を周回して共振する（ステップＳＴ４ｂ）。

リング共振器を周回する間、第１の光信号の波長λ_ｋの信号成分は、水分量に比例して強度が低下する（ステップＳＴ５ｂ）。リング共振器を周回した信号成分は、再び、導波路２１３１に戻り、変化部２１３から出射される。また、領域Ｂにおいて、波長λ_ｋ以外の波長λの信号成分は、第１の光信号から抽出されず（ステップＳＴ３ｂ；ＮＯ）、第１の光信号の波長λ（≠λ_ｋ）の信号成分は、そのまま導波路２１３１を伝搬して、変化部２１３から出射される。

光学センサチップ２１_ｋにおいて、スポットサイズ変換部２１６Ｂは、光学センサチップ２１_ｋ＋１から第２の光信号を入力する。合波部２１４は、第２の光信号と変化部２１３から出射された第１の光信号とを合波する（ステップＳＴ６ｂ）。スポットサイズ変換部２１１Ｂは、合波部２１４が合成した光信号のスポットサイズを、光ファイバ２２Ｂに合わせて変換する（ステップＳＴ７ｂ）。

光学センサチップ２１_ｋにおいて、スポットサイズ変換部２１１Ｂがスポットサイズを変換した光信号は、光ファイバ２２Ｂを通じて光学センサチップ２１_ｋ－１に出力される（ステップＳＴ８ｂ）。このようにして、第１の光信号が合波された光信号は、光学センサユニット２において、光学センサチップ２１_１に向けて順に伝搬する。

光路分岐部２１２Ａが第１の光信号をスポットサイズ変換部２１６Ａに分岐した場合（ステップＳＴ２ｂ；Ｂ２）、スポットサイズ変換部２１６Ａは、第１の光信号のスポットサイズを光ファイバ２２Ａに合わせて変換し、第１の光信号を、光学センサチップ２１_ｋ＋１に出力する（ステップＳＴ９ｂ）。

図１０は、検体１００が配置されていない光学センサユニット２の光学センサチップ２１_ｋを伝搬する第１の光信号の波長とその強度との関係を示すグラフである。図１０において、横軸は、第１の光信号に含まれる波長であり、縦軸は、第１の光信号の波長ごとの強度である。光学センサユニット２には、検体１００が配置されておらず、検体１００の内部または周辺に存在する水による第１の光信号の吸収がない。このため、図１０に示すように、水の吸収波長帯の波長λ_１～λ_Ｚを有するＺ個の第１の光信号の強度は強度Ｐ_０で一定である。

図１１は、検体１００が配置された光学センサユニット２の光学センサチップ２１_ｋを伝搬する第１の光信号の波長とその強度との関係を示すグラフである。図１１において、横軸は、第１の光信号に含まれる波長であり、縦軸は、第１の光信号の強度である。光学センサユニット２に検体１００が配置された場合、検体１００の内部に存在する水分が、第１の光信号における波長λ_ｋの信号成分を吸収する。

例えば、波長λ_２の信号成分は、検体１００が配置されていないときの強度Ｐ_０よりも低い強度Ｐ_１となり、波長λ_ｋの信号成分は、検体１００が配置されていないときの強度Ｐ_０よりも低い強度Ｐ_２となる。第１の光信号が、光学センサチップ２１_１から光学センサチップ２１_Ｚを伝搬することにより、第１の光信号に含まれる波長λ_ｋの信号成分が、検体１００の水分に吸収されたことを意味する。

解析部４２は、Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋのそれぞれに設定された共振波長λ_ｋの信号成分の強度の変化量（Ｐ_０－Ｐ_１およびＰ_０－Ｐ_２）を解析することで、検体１００の内部またはその周辺に存在する水分量を測定することができる。

図１２は、検体１００が配置された光学センサユニット２における、光学センサチップ２１_ｋの位置と検体１００の水分量との関係を示すグラフである。解析部４２は、光学センサチップ２１_１に送信された第１の光信号のパルスと光学センサチップ２１_１から受信された第２の光信号のパルスとから算出した伝搬時間差を用いて、光学センサユニット２に設定されたＸＹ座標系の光学センサチップ２１_ｋの位置を特定する。

解析部４２は、光学センサチップ２１_ｋの各位置に対応する検体１００の水分量を測定し、光学センサチップ２１_ｋの位置ごとの水分量を示す情報を測定結果として、表示部５に出力する。表示部５は、例えば、図１２に示すように、ＸＹ座標系の光学センサチップ２１_ｋの位置ごとの検体１００の水分量を示す３次元グラフを表示する。

図１２では、光学センサチップ２１_ｋの位置ごとの検体１００の水分量を検出する場合を示したが、Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋは、検体１００の複数種類の状態に応じて、入力した光信号の特性を変化させてもよい。例えば、光学センサユニット２は、検体１００の温度に応じて第１の光信号の特性を変化させる光学センサチップ、検体１００の水分量に応じて第１の光信号の特性を変化させる光学センサチップ、および、検体１００からの圧力に応じて第１の光信号の特性を変化させる光学センサチップが含まれる。

Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋは、一部が、検体１００の水分量に応じて光信号の特性を変化させる光学センサチップであり、残りが、検体１００の温度に応じて光信号の特性を変化させる光学センサチップであってもよい。

変化部２１３は、検体１００の水分量に応じて第１の光信号の特性を変化させるリング共振器と、検体１００の温度に応じて第１の光信号の特性を変化させるリング共振器とを備えてもよい。これにより、一つの光学センサチップが、検体１００の複数種類の状態に応じて第１の光信号の特性を変化させてもよい。

光学センサユニット２は、検体１００の複数種類の状態のそれぞれに応じて第１の光信号の特性を変化させる、複数の光学センサチップが連なって接続されたものであってもよい。例えば、検体１００の温度を検出する光学センサチップと、検体１００の水分量を検出する光学センサチップと、検体１００からの圧力を検出する光学センサチップとが、光ファイバ２２を介して光学的に接続されたものである。

検体１００の温度の検出に光学センサチップ２１_ｋを用いる場合、変化部２１３には、図８に示したように、温度変化ΔＴに伴い実効的な曲率半径Ｒが変化する導波路２１３２が用いられる。例えば、導波路２１３２は、曲率半径の変化量ΔＲと共振波長のシフト量Δλとの対応関係を示す関係式である、２π×ΔＲ×ｎ_ｅｆｆ＝ｍ×Δλを満たす。解析部４２は、第１の光信号と第２の光信号との共振波長のシフト量Δλに基づいて、導波路２１３２の曲率半径の変化量ΔＲを算出し、ΔＲを用いて温度変化ΔＴを算出する。これにより、光学センサチップ２１_ｋは、検体１００の温度を検出可能である。

図１３は、光学センサシステム１の変形例（１）である光学センサシステム１Ａを示す構成図である。図１３に示すように、光学センサユニット２は、ベッド２００に敷設されており、検体は、ベッド２００に横たわった人１００Ａである。人１００Ａがベッド２００に横たわることにより光学センサユニット２上に人１００Ａが配置される。光学センサシステム１Ａは、ベッド２００に横たわった人１００Ａの状態を測定する。

解析部４２は、光学センサユニット２における、光学センサチップ２１_ｋごとの第１の光信号の特性変化に基づいて、人１００Ａの体温、発汗量または寝相を測定することが可能である。例えば、解析部４２は、光学センサチップ２１_ｋの位置ごとの人１００Ａの発汗量およびその時間変化を測定し、測定結果を表示部５に出力する。これにより、表示部５は、人１００Ａの発汗量の分布の時間変化をグラフ表示することができる。

図１４は、光学センサシステムの変形例（２）である光学センサシステム１Ｂを示す構成図である。図１４に示すように、光学センサユニット２は農地に埋設され、検体１００は、農地の土壌１００Ｂである。光学センサシステム１Ｂは、農地の土壌１００Ｂの状態を測定する。例えば、解析部４２は、光学センサユニット２において、光学センサチップ２１_ｋごとの第１の光信号の特性変化に基づいて、土壌１００Ｂの温度、水分量または栄養成分を測定する。

例えば、土壌１００Ｂの二酸化炭素濃度またはカルシウム濃度を検出する場合、Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋのそれぞれが備える変化部２１３には、二酸化炭素またはカルシウムの吸収波長帯の波長λ_ｋが設定される。検体１００の水分量の測定と同様に、リング共振器を周回して共振した第１の光信号の強度が、土壌１００Ｂの二酸化炭素濃度またはカルシウム濃度に応じて低下する。

解析部４２は、第１の光信号の強度変化に基づいて、光学センサチップ２１_ｋの位置ごとの土壌１００Ｂの温度、水分量または栄養成分とそれらの時間変化とを測定し、この測定結果を、表示部５に出力する。表示部５は、例えば、土壌１００Ｂの温度、水分量または栄養成分の分布の時間変化を、グラフ表示する。

図１５は、変化部２１３の変形例１である変化部２１３Ａを示す構成図である。図１５において、変化部２１３Ａは、変化部２１３に対して導波路２１３３を追加したものである。導波路２１３３は、リング共振器である導波路２１３２に近接して設けられた帯状の線路と、その端部に設けられたリング状の線路により構成される。

共振波長λ_ｋの光信号成分は、導波路２１３１から導波路２１３２に伝搬して共振した後に、導波路２１３３に伝搬し、矢印Ｃが指す方向に光路が折り返される。折り返された光信号成分は、再度、導波路２１３２に伝搬して共振した後、波長λ_ｋの出射光として、図１５に示すように、導波路２１３１を伝搬して出射される。

図１６は、変化部２１３の変形例２である変化部２１３Ｂを示す構成図である。図１６において、変化部２１３Ｂは、第１の光信号の一部を外部に出力し、出力した光が反射された反射光を入力する光学素子である。例えば、変化部２１３Ｂは、グレーティングカプラである。変化部２１３Ｂから出射された第１の光信号は、外部にある検体１００の状態に応じて特性が変化され、検体１００で反射されて再び変化部２１３Ｂに入力される。検体１００の状態に応じて特性が変化した第１の光信号は、スポットサイズ変換部２１６Ａへ出力される。

次に、光送受信部３および受信信号解析部４の機能を実現するハードウェア構成について説明する。図１および図３に示した、光送信部３１、光受信部３２、識別部４１および解析部４２の機能は、処理回路によって実現される。すなわち、光送信部３１、光受信部３２、識別部４１および解析部４２は、図６に示したステップＳＴ１からステップＳＴ４までの処理を実行するための処理回路を備える。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）であってもよい。

図１７Ａは、光送受信部３および受信信号解析部４の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。また、図１７Ｂは、光送受信部３および受信信号解析部４の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。図１７Ａおよび図１７Ｂにおいて、入力インタフェース１０００は、受光素子が受信した第２の光信号に対応する電気信号を中継するインタフェースである。出力インタフェース１００１は、表示部５に出力される測定結果情報を中継するインタフェースである。

処理回路が図１７Ａに示す専用のハードウェアの処理回路１００２である場合に、処理回路１００２は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。光送信部３１、光受信部３２、識別部４１および解析部４２の機能は、別々の処理回路で実現されてもよいし、これらの機能をまとめて一つの処理回路で実現されてもよい。

処理回路が図１７Ｂに示すプロセッサ１００３である場合、光送信部３１、光受信部３２、識別部４１および解析部４２の機能は、ソフトウェア、ファームウェアまたはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現される。なお、ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述されてメモリ１００４に記憶される。

プロセッサ１００３は、メモリ１００４に記憶されたプログラムを読み出して実行することで、光送信部３１、光受信部３２、識別部４１および解析部４２の機能を実現する。例えば、光学センサシステム１は、プロセッサ１００３により実行されたときに、図６に示すフローチャートにおけるステップＳＴ１からステップＳＴ４の処理が結果的に実行されるプログラムを記憶するためのメモリ１００４を備えている。これらのプログラムは、光送信部３１、光受信部３２、識別部４１および解析部４２が行う処理の手順または方法を、コンピュータに実行させる。メモリ１００４は、コンピュータを、光送信部３１、光受信部３２、識別部４１および解析部４２として機能させるためのプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体であってもよい。

メモリ１００４は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ－ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤなどが該当する。

また、光送信部３１、光受信部３２、識別部４１および解析部４２の機能の一部は、専用のハードウェアで実現され、一部は、ソフトウェアまたはファームウェアで実現されてもよい。例えば、光送信部３１および光受信部３２の機能は、専用のハードウェアである処理回路１００２により実現され、識別部４１および解析部４２の機能は、プロセッサ１００３がメモリ１００４に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより実現する。このように、処理回路はハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせにより上記機能を実現することができる。

図１８は、光学センサシステム１の変形例（３）である光学センサシステム１Ｃを示す構成図である。光学センサシステム１Ｃにおいて、光学センサユニット２は、閉空間内に３次元配置される。例えば、図１８に示すように、光学センサユニット２を、円柱状の検体１００Ｃを覆うように設けることにより、光学センサシステム１Ｃは、検体１００Ｃの全体を測定箇所とすることが可能であり、測定範囲が拡大する。

図１８において、光学センサユニット２は、円柱状の検体１００Ｃを覆うように、箱４００の全ての内壁面に取り付けられている。検体１００Ｃを箱４００の内部に配置することにより、光学センサユニット２は、検体１００Ｃの全ての箇所の状態を検出することができる。例えば、光学センサユニット２を２次元に配置した場合、検体１００Ｃのうち、光学センサチップ２１_ｋに近接していない部分の状態は検出されないが、光学センサユニット２を閉空間内に３次元配置することにより、光学センサシステム１Ｃは、検体１００Ｃの全ての箇所の状態を測定することができる。

なお、箱４００は閉空間でなくてもよい。例えば、光学センサユニット２は、配管またはトンネルといった一部が開放されている空間内に３次元配置されてもよい。この場合、開放された部分には光学センサユニット２を配置できないが、この部分を除いた検体１００Ｃの周囲には光学センサユニット２を配置できる。このため、光学センサシステム１Ｃは、光学センサユニット２と対向する検体１００Ｃの全ての部分を測定箇所とすることが可能である。

また、閉空間は、内壁面に光学センサユニット２を設けた段ボールであり、段ボールの内部に、食品が検体１００Ｃとして配置され、光学センサユニット２における光学センサチップ２１_ｋが、例えば、食品の水分または段ボールの内部の湿度を検出する光学センサチップであるものとする。この場合、光学センサシステム１Ｃは、光学センサユニット２を用いて段ボールの内部の食品の水分分布または湿度分布を測定することが可能である。食品の管理者は、食品の水分分布または湿度分布の測定結果に基づいて、食品の水分分布または湿度分布の時間変化を認識することができる。また、測定結果は、食品の腐食発生の予測にも利用可能である。

閉空間は、壁面に光学センサユニット２が設けられた浴室であり、浴室内部の雰囲気を検体１００Ｃとしてもよい。すなわち、光学センサチップ２１_ｋは、浴室内部の雰囲気の湿度を検出する。光学センサシステム１Ｃは、光学センサユニット２を用いて浴室内部の雰囲気の湿度分布を測定することが可能である。これにより、利用者は、浴室内部の雰囲気の湿度分布の時間変化を認識できる。また、測定結果は、浴室壁面のカビ発生の予測に利用可能である。このように、光学センサシステム１Ｃは、検体１００Ｃ全体を測定箇所とすることが可能であり、測定範囲が拡大する。

以上のように、実施の形態１に係る光学センサチップ２１_ｋは、Ｚ個の光学センサチップ２１_Ｚを接続した光学センサユニットに検体１００を配置して、光学センサユニットを伝搬させた光信号を各光学センサチップ２１_ｋで検体１００の状態に応じて変化させる。これにより、検体１００の状態に応じた光信号の変化分を解析して、各光学センサチップ２１_ｋが検出した検体１００の状態を特定できるので、光学センサチップ２１_ｋは、検体１００の複数の箇所の状態の一括した測定に用いることができる。

実施の形態１に係る光学センサチップ２１_ｋにおいて、スポットサイズ変換部２１１Ａとスポットサイズ変換部２１１Ｂとが一つのインタフェース部を構成する。スポットサイズ変換部２１６Ａとスポットサイズ変換部２１６Ｂとが一つのインタフェース部を構成する。これにより、光学センサチップ２１_ｋを設置するための部品点数が削減され、かつ、設置作業も簡素化される。

実施の形態１に係る光学センサチップ２１_ｋは、スポットサイズ変換部２１６Ａが出力する第１の光信号を遅延させる光路である光路長付加部２１５Ａと、スポットサイズ変換部２１１Ａが入力した第１の光信号または変化部２１３が検体１００の状態に応じて変化させた第１の光信号を分岐する光路分岐部２１２Ａを備える。これにより、第１の光信号の伝搬時間を解析することで、光学センサチップ２１_ｋを識別することが可能である。

実施の形態１に係る光学センサチップ２１_ｋにおいて、第１の光信号は、予め定められた一つの波長の光信号であり、強度特性、位相特性または周波数特性のいずれかを変調した電気信号が印加されている。このように、光学センサチップ２１_ｋは、様々な変調信号を測定光として利用可能である。

実施の形態１に係る光学センサチップ２１_ｋおいて、第１の光信号は、複数の波長の光信号である。光路分岐部２１２Ａは、スポットサイズ変換部２１１Ａが入力した第１の光信号から予め定められた波長の第１の光信号を選択し、選択した第１の光信号を変化部２１３に出力する。これにより、予め定められた波長の第１の光信号を変化部２１３に伝搬させることができる。

実施の形態１に係る光学センサシステム１は、光学センサユニット２と、光学センサユニット２における光学センサチップ２１_１のスポットサイズ変換部２１１Ａに第１の光信号を送信する光送信部３１と、光学センサチップ２１_１のスポットサイズ変換部２１１Ｂから検体１００の状態に応じて変化した第１の光信号が合波された光信号を受信する光受信部３２と、光受信部３２の受信信号を用いて、個々の光学センサチップを識別する識別部４１と、光受信部３２の受信信号を解析することにより、検体１００の状態を光学センサチップ２１_ｋごとに特定する解析部４２を備える。これらの構成を有することにより、光学センサシステム１は、検体１００の複数の箇所の状態を一括して測定することができる。

実施の形態１に係る光学センサシステム１において、解析部４２は、第２の光信号の受信信号の強度特性、位相特性、周波数特性または波長特性のいずれか一つを解析することにより、第１の光信号の検体１００の状態に応じた変化分を特定する。これにより、光学センサシステム１は、検体１００の複数の箇所の状態を一括して測定することができる。

実施の形態１に係る光学センサシステム１において、Ｚ個の光学センサチップ２１_Ｚは連なって接続され、識別部４１は、光受信部３２の受信信号に含まれる第１の光信号の遅延時間を解析することにより、検体１００の状態に応じて変化した第１の光信号と光学センサチップ２１_ｋとを対応付ける。例えばパルスの第１の光信号の遅延時間を解析することにより、光学センサシステム１は、個々の光学センサチップ２１_ｋを識別することができる。

実施の形態１に係る光学センサシステム１において、識別部４１は、光受信部３２の受信信号に含まれる第１の光信号の波長を解析することにより、検体１００の状態に応じて変化した第１の光信号と光学センサチップ２１_ｋとを対応付ける。例えば、複数の波長が多重された連続光である第１の光信号の波長を解析することにより、光学センサシステム１は、個々の光学センサチップ２１_ｋを識別することができる。

実施の形態１に係る測定方法は、光学センサシステム１の測定方法であって、光送信部３１が、光学センサユニット２の端部にある光学センサチップ２１_１のスポットサイズ変換部２１１Ａに第１の光信号を送信するステップと、光受信部３２が、光学センサユニット２の端部にある光学センサチップ２１_１のスポットサイズ変換部２１１Ｂから、検体１００の状態に応じて変化した第１の光信号が合波された光信号を受信するステップと、識別部４１が、光受信部３２の受信信号を用いて、個々の光学センサチップ２１_ｋを識別するステップと、解析部４２が、光受信部３２の受信信号を解析することにより、検体１００の状態を光学センサチップ２１_ｋごとに特定するステップを備える。この方法により、検体１００の複数の箇所の状態を一括して測定することができる。

実施の形態２．
図１９は、実施の形態２に係る光学センサシステム１Ｄを示す構成図である。図１９において、光学センサシステム１Ｄの光学センサユニット２は、Ｚ個の光学センサチップ２１_ｋが連なって接続された部分と、この部分から、光カプラ８Ａ、光カプラ８Ｂおよび光路長付加部９を介して分岐したセンサ列とを備える。センサ列は、複数の光学センサチップ２１_ｋ、例えば、光学センサチップ２１_Ｗ、光学センサチップ２１_Ｘおよび光学センサチップ２１_Ｙが連なって接続されたものであり、このセンサ列には、光カプラ８Ｂおよび光路長付加部９を介してさらに別のセンサ列が分岐している場合もある。

光カプラ８Ａは、光学センサチップ２１_ｋと光学センサチップ２１_ｋ＋１との間に接続された光ファイバ２２Ａに設けられ、これらの光学センサチップとセンサ列とに接続されている。光カプラ８Ａは、光ファイバ２２Ａを介して、光学センサチップ２１_ｋから光学センサチップ２１_ｋ＋１に伝搬する第１の光信号を、センサ列に分岐するものである。

また、光カプラ８Ｂは、光学センサチップ２１_ｋと光学センサチップ２１_ｋ＋１との間に接続された光ファイバ２２Ｂに設けられて、これらの光学センサチップとセンサ列とに接続されている。光カプラ８Ｂは、光カプラ８Ａと同様に、光ファイバ２２Ｂを介して、センサ列から伝搬してきた第２の光信号を、光学センサチップ２１_１が接続しているセンサ列に分岐するものである。

光路長付加部９は、センサ列を伝搬する第１の光信号を遅延させるための予め定められた光路長を有した光路である第２の光路長付加部である。例えば、光路長付加部９は、信号の伝搬が遅延するように光ファイバ２２を加工したもの、または、信号の伝搬を遅延させる光導波路である。センサ列に伝搬する第１の光信号にセンサ列に固有な伝搬時間を加算するために、光路長付加部９は、光カプラ８Ａおよび８Ｂの後段に配置される。なお、光路長付加部９は、センサ列を伝搬する光信号に対して予め定められた伝搬時間を加算することができれば、その配置場所は不問である。

光学センサシステム１Ｄにおいて光学センサチップ２１_１から光学センサチップ２１_Ｚの部分では、光路長付加部２１５Ａが、光学センサチップ２１_ｋごとに光路長を付加し、光学センサチップ２１_１から光学センサチップ２１_Ｚまでの光学センサユニットから分岐したセンサ列では、光路長付加部９がセンサ列を識別するための処理としてセンサ列ごとに光路長を付加してもよい。この場合、センサ列を構成する光学センサチップ２１_ｋは、光路長付加部２１５Ａを備えていなくてもよい。

光送受信部３において、光送信部３１は、光ファイバ２２Ａを通じて光学センサチップ２１_１に第１の光信号を送信する。変調信号生成部３３は、発光素子が出射した光を変調するための、予め定められた変調方式の電気変調信号を生成し、光送信部３１および識別部４１に出力する。光送信部３１は、電気変調信号に基づいて、発光素子が出射した光を変調した第１の光信号を、光学センサチップ２１_１に接続された光ファイバ２２Ａへ出力する。

光受信部３２は、光ファイバ２２Ｂを通じて光学センサチップ２１_１から光信号を受信する。光受信部３２は受光素子を備えており、光信号を受光素子が電気信号に変換する。発光素子および受光素子は、別々に設けられてもよいし、発光素子および受光素子が一つに組み込まれた光学センサであってもよい。光送受信部３は、光学センサユニット２とは別に設けられてもよいし、光学センサユニット２に設けられてもよい。例えば、光送受信部３は、光学センサユニット２の一部に設けられたＩｎＰ基板に集積されてもよい。

光学センサチップ２１_Ｘ、２１_Ｙおよび２１_Ｚにおいて、光終端６Ａは、光反射が極めて小さくなるように、光ファイバ２２Ａの端部に施された部分である。光学センサチップ２１_１から光学センサチップ２１_Ｘ、２１_Ｙおよび２１_Ｚのそれぞれに順に伝搬してきた第１の光信号は、光終端６Ａにおいて終端される。光学センサチップ２１_Ｘ、２１_Ｙおよび２１_Ｚにおいて、光終端６Ｂは、光反射が極めて小さくなるように、光ファイバ２２Ｂの端部に施された部分である。第２の光信号は、光終端６Ｂにおいて終端される。光終端６Ａおよび６Ｂは、送信用と受信用とを兼ねた一つの光終端であってもよい。

受信信号解析部４において、識別部４１は、光受信部３２が受信した光信号の受信信号を用いて、個々の光学センサチップ２１_ｋを識別する。例えば、識別部４１は、変調信号生成部３３が生成した電気変調信号に基づいて受信信号を検波し、その波長値を読み取ることにより、変調された光学センサチップ２１_ｋの識別番号ｋを特定する。これにより、識別部４１は、個々の光学センサチップ２１_ｋを識別する。

識別部４１は、第１の光信号（送信前の第１の光信号）のパルスの伝搬と光受信部３２の受信信号のパルスの伝搬とを比較することにより光学センサチップ２１_ｋを識別してもよい。この場合、識別部４１は、光受信部３２の受信信号の伝搬時間に対応する識別番号ｋを特定することにより、受信信号に対応する光学センサチップ２１_ｋを識別する。識別部４１は、識別番号ｋに対応する光学センサチップ２１_ｋの位置も特定可能である。

さらに、識別部４１は、第１の光信号（送信前の第１の光信号）のパルスの伝搬と光受信部３２の受信信号のパルスの伝搬とを比較することにより、光受信部３２の受信信号の伝搬時間を算出する。識別部４１には、センサ列ごとに付加された光路長に対応した伝搬時間と、センサ列の識別番号とが対応付けて登録されている。識別部４１は、伝搬時間に対応する識別番号を特定することにより、光受信部３２の受信信号に対応するセンサ列を識別することができる。また、識別部４１は、識別番号に対応するセンサ列の位置も特定可能である。

図２０は、光学センサシステム１Ｄにおける送信前の第１の光信号と光受信部３２の受信信号との時間波形を示す波形図であり、センサ列における第１の光信号の遅延を示している。変調信号生成部３３がパルス変調信号を生成して、パルス変調信号を光送信部３１に印加することにより、図２０に示す第１の光信号Ｓが生成される。第１の光信号Ｓは、光学センサユニット２におけるセンサ列を伝搬することにより検体１００の状態に応じて特性が変化される。

光学センサチップ２１_Ｘ、２１_Ｙおよび２１_Ｚにおける光路分岐部２１２Ａは、スポットサイズ変換部２１１Ａが入力した第１の光信号を変化部２１３と光路長付加部２１５Ａに分岐する。光路長付加部２１５Ａおよびスポットサイズ変換部２１６Ａを伝搬した第１の光信号は、光学センサチップ２１_Ｘ、２１_Ｙおよび２１_Ｚに接続された光終端６Ａによりそれぞれ終端される。

一方、変化部２１３は、検体１００の状態に応じて第１の光信号を変化させる。合波部２１４は、検体１００の状態に応じて変化させた第１の光信号と、スポットサイズ変換部２１６Ｂが入力した第２の光信号を合波し、スポットサイズ変換部２１１Ｂに出力する。スポットサイズ変換部２１１Ｂは、光ファイバ２２Ｂに合わせてスポットサイズを変換した第１の光信号を、第２の光信号として光学センサチップ２１_Ｘ－１、２１_Ｙ－１および２１_Ｚ－１に出力する。

光路長付加部９は、センサ列を伝搬する第１の光信号に遅延させる予め定められた光路長の光路である第２の光路長付加部である。これにより、第１の光信号は、各センサ列において、光路長付加部９により付加された光路長に対応する伝送時間の分だけ遅延する。光受信部３２が光学センサチップ２１_１から受信した光信号には、センサ列における遅延による時間差が生じている。

例えば、図２０に示すように、光受信部３２の受信信号Ｓ３は、第１の光信号Ｓに対して時間差ΔＴ３が生じており、光受信部３２の受信信号Ｓ４は、第１の光信号Ｓに対して時間差ΔＴ４が生じている。そこで、識別部４１は、光受信部３２の受信信号Ｓ３およびＳ４の時間差ΔＴ３およびΔＴ４を解析することにより、光受信部３２の受信信号Ｓ３を出力したセンサ列と光受信部３２の受信信号Ｓ４を出力したセンサ列とを識別することが可能である。また、識別部４１は、センサ列に予め定められた識別番号を、光受信部３２の受信信号Ｓ３およびＳ４にそれぞれ対応付ける。

第１の光信号は、位相変調されたものであってもよいし、周波数変調されたものであってもよい。例えば、変調信号生成部３３が周波数変調信号を生成して、周波数変調信号を光送信部３１に印加することにより、周波数変調された第１の光信号が生成される。この第１の光信号を光学センサチップ２１_１に送信することで、光受信部３２は、周波数変調された光信号を受信する。光受信部３２は、受信信号についてヘテロダイン検波を行い、解析部４２は、検体１００の状態に応じた受信信号ごとの周波数シフト量を特定する。

解析部４２は、光受信部３２の受信信号を解析することにより、光学センサユニット２に配置された検体１００の状態を、光学センサチップ２１_ｋごとまたはセンサ列ごとに特定する。例えば、解析部４２は、光学センサチップ２１_ｋの識別番号ｋを用いて識別した光学センサチップ２１_ｋごとの受信信号の強度差を読み取ることにより、光学センサチップ２１_ｋの周辺にある検体１００の状態を特定する。また、解析部４２は、センサ列の識別番号を用いて識別したセンサ列ごとの受信信号の強度差を読み取ることにより、センサ列の周辺にある検体１００の状態を特定する。

例えば、光受信部３２の受信信号Ｓ３およびＳ４にそれぞれ合波されている第１の光信号Ｓは、検体１００の状態に応じて変化する。図２０に示す例では、検体１００の状態に応じて第１の光信号の強度が減少することで、受信信号Ｓ３は、第１の光信号Ｓに対して強度差が生じており、受信信号Ｓ４は、受信信号Ｓ３よりも大きな強度差が生じている。解析部４２は、識別部４１がセンサ列を識別すると、光受信部３２の受信信号Ｓ３およびＳ４と第１の光信号Ｓとの強度差を解析することで、各センサ列での検体１００の状態を特定する。受信信号の解析方法としては、受信信号の強度解析に限定されず、位相特性または周波数特性の解析であってもよい。

表示部５は、受信信号解析部４から検体１００の状態の測定結果を入力して、入力した測定結果を表示する。例えば、表示部５は、光学センサチップ２１_ｋが配置された場所における検体１００の状態、および、センサ列が配置された領域における検体１００の状態を、グラフ表示する。

また、光学センサシステム１Ｄにおいて、個々のセンサ列が光路長付加部９を有していなくても、センサ列の光経路に応じた遅延が生じる。これらの遅延時間を解析することにより個々のセンサ列を伝搬した光信号を特定することが可能である。例えば、光学センサシステム１Ｄが備える光学センサチップ２１_ｋを伝搬した第１の光信号には、個々の光学センサチップ２１_ｋの内部の光経路に応じた遅延が生じ、これらが接続されたセンサ列に応じて遅延が生じる。各センサ列の遅延時間を解析することにより個々のセンサ列を伝搬した光信号を特定することが可能である。

これまで、パルスの第１の光信号を光学センサシステム１Ｄに送信し、光受信部３２の受信信号の遅延時間の違いを解析して各センサ列を識別する場合を示した。
一方、複数の波長が多重された連続光の第１の光信号を光学センサシステム１Ｄに送信し、光受信部３２の受信信号に含まれる波長の違いを解析して、光学センサチップ２１_ｋを識別してもよい。この場合、光学センサシステム１Ｄは、光路長付加部９を備えていなくてもよい。

以上のように、実施の形態２に係る光学センサシステム１Ｄは、光学センサユニット２において、光学センサチップ２１_ｋと光学センサチップ２１_ｋ＋１との間に設けられ、第１の光信号に対して、複数の光学センサチップ２１_ｋが接続されたセンサ列を識別するための遅延を与える光路である光路長付加部９を備える。
光学センサシステム１Ｄは、第１の光信号の遅延時間を解析することにより、センサ列を識別することができ、センサ列が配置された場所における検体１００の状態を測定することができる。これにより、検体１００の状態を測定するための測定範囲を広げることが可能である。

実施の形態２に係る光学センサシステム１Ｄにおいて、識別部４１は、光受信部３２の受信信号を用いて、光学センサチップ２１_ｋ間を伝搬する光信号の波長を解析することにより複数の光学センサチップ２１_ｋを識別する。これにより、光学センサシステム１は、個々の光学センサチップ２１_ｋを識別することができる。

実施の形態３．
図２１は、実施の形態３に係る光学センサチップ２１_ｋを示す構成図である。図２１において、実施の形態３に係る光学センサチップ２１_ｋは、スポットサイズ変換部２１１Ａ、スポットサイズ変換部２１１Ｂ、変化部２１３、合波部２１４、スポットサイズ変換部２１６Ａ、スポットサイズ変換部２１６Ｂおよび光路折り返し部２１７を備える。

変化部２１３は、入力した第１の光信号の特性を検体１００の状態に応じて変化させ、特性を変化させた第１の光信号を出力する。第１の光信号の特性には、強度特性、位相特性または周波数特性が含まれる。変化部２１３は、第１の光信号の強度特性、位相特性または周波数特性の少なくとも一つを変化させる。

例えば、変化部２１３は、光導波路であるリング共振器により実現される。なお、変化部２１３は、第１の光信号の特性を、検体１００の状態に応じて変化させるものであればよく、光導波路により構成された位相シフタ、周波数シフタまたはこれらを組み合わせた光学素子であってもよい。また、変化部２１３は、リング共振器、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）、または、これらを組み合わせたものであってもよい。

光路折り返し部２１７は、変化部２１３が検体１００の状態に応じて変化させた第１の光信号の一部を伝搬させて合波部２１４に出力する予め定められた光路長の光路である。例えば、第１の光信号が単一波長を有した光信号のパルスである場合、光路折り返し部２１７は、検体１００の状態に応じて変化させた第１の光信号の一部を合波部２１４に出力する。

また、光路折り返し部２１７は、変化部２１３が検体１００の状態に応じて変化させた第１の光信号の残りの一部を、合波部２１４ではなく、スポットサイズ変換部２１６Ａに出力する。例えば、光学センサチップ２１_ｋにおいて、光路折り返し部２１７を通過してスポットサイズ変換部２１６Ａに出力された第１の信号は、光学センサチップ２１_ｋ＋１に出力される。

合波部２１４は、検体１００の状態に応じて変化させた第１の光信号とスポットサイズ変換部２１６Ｂが入力した第２の光信号とを合波する。例えば、光学センサチップ２１_ｋが備える合波部２１４は、変化部２１３が検体１００の状態に応じて変化させた第１の光信号と光学センサチップ２１_ｋ＋１から入力した第２の光信号とを合波する。第１の光信号と第２の光信号とが合波された光信号は、合波部２１４からスポットサイズ変換部２１１Ｂに出力される。例えば、光学センサチップ２１_ｋにおいて、第１の光信号が合波された光信号は、光学センサチップ２１_ｋ－１に出力される。

検体１００の状態に応じて変化した第１の光信号は、光路折り返し部２１７による折り返しの際に予め定められた光路長の光路を伝搬することにより、送信前の第１の光信号に対して遅延した第１の光信号が合波されている。このため、識別部４１は、送信前の第１の光信号のパルスの伝搬と光受信部３２が受信した光信号の受信信号のパルスの伝搬とを比較することにより、第１の光信号に対する受信信号の伝搬時間を算出する。次に、識別部４１は、算出した伝搬時間に対応する識別番号ｋを特定することにより、第２の光信号の受信信号に対応する光学センサチップ２１_ｋを識別できる。識別部４１は、識別番号ｋに対応する光学センサチップ２１_ｋの位置も特定可能である。

また、識別部４１は、光受信部３２の受信信号に含まれる第１の光信号の波長を解析することで、検体１００の状態に応じて変化した第１の光信号と光学センサチップ２１_ｋの識別番号ｋとを対応付けてもよい。
例えば、第１の光信号が複数の波長を有した連続光である光信号である場合に、光路折り返し部２１７は、検体１００の状態に応じて変化した第１の光信号から予め定められた波長の第１の光信号を合波部２１４に出力する。光路折り返し部２１７が予め定められた波長の第１の光信号を抽出して折り返す場合、識別部４１は、光受信部３２の受信信号の波長に対応する識別番号ｋを特定することにより、当該波長に対応した光学センサチップ２１_ｋを識別する。

以上のように、実施の形態３に係る光学センサチップ２１_ｋは、変化部２１３が検体１００の状態に応じて変化させた第１の光信号の一部を伝搬させて合波部２１４に出力する、予め定められた光路長の光路である光路折り返し部２１７を備える。合波部２１４は、光路折り返し部２１７である光路を伝搬してきた第１の光信号の一部と、スポットサイズ変換部２１６Ｂが入力した第２の光信号を合波する。スポットサイズ変換部２１６Ａは、変化部２１３が検体１００の状態に応じて変化させた第１の光信号の残りの一部を光学センサチップ２１_ｋ－１に出力する。第１の光信号における検体１００の状態に応じた変化分を解析することにより、光学センサチップ２１_ｋが測定した検体１００の状態を特定する。これにより、光学センサチップ２１_ｋは、検体１００の複数の箇所の状態の一括した測定に用いることができる。

また、実施の形態１から実施の形態３に係る光学センサチップ２１_ｋは、変化部２１３が光学的な処理により検体１００の状態を検出する、また、変化部２１３以外の構成要素も電気的な処理が不要である。このため、光学センサシステム１、１Ａ～Ｄでは、個々の光学センサチップ２１_ｋに電源供給が不要であり、消費電力が低い測定システムを実現することが可能である。さらに、光学センサチップ２１_ｋは電源のない場所に配置しても、検体１００の状態を測定可能であるので、チップ配置の自由度が高い光学センサシステムを実現することができる。

また、図８に示した変化部２１３を構成するリング共振器は、位相シフタ機能または周波数シフタ機能をそれぞれ有する光学素子に置き換えてもよいし、一つのリング共振器に位相シフタ機能または周波数シフタ機能を持たせてもよい。例えば、リング共振器である導波路２１３２に対して、導波路２１３２とは材質が異なる部材を積層することにより、変化部２１３は、導波路２１３２に積層された部材の材質に応じて、光信号の特性を変化させることができる。

例えば、導波路２１３２に磁性体を積層させた場合、導波路２１３２の周辺に発生する磁界の強度に比例して、導波路２１３２を周回した光信号の位相が変化する。この光信号の位相変化に応じて導波路２１３２の導波路実効屈折率ｎ_ｅｆｆも変化する。解析部４２は、導波路２１３２における、２π×Ｒ×Δｎ_ｅｆｆ＝ｍ×Δλの関係を用いて、送信信号と受信信号との間における共振波長のシフト量Δλを算出する。

解析部４２は、算出した共振波長のシフト量Δλを用いて、導波路２１３２における導波路実効屈折率の変化量Δｎ_ｅｆｆを算出し、算出したΔｎ_ｅｆｆを用いて磁界の強度を算出する。これにより、光学センサチップ２１_ｋは、検体１００からの磁界の検出に利用可能である。

また、導波路２１３２は、グラフェンなどのＤＮＡと結合することにより、導波路実効屈折率ｎ_ｅｆｆを変化させる部材が積層された導波路であってもよい。これにより、導波路２１３２の周辺にＤＮＡが存在すると、導波路２１３２を周回した光信号の位相が変化する。この光信号の位相変化に応じて導波路２１３２の導波路実効屈折率ｎ_ｅｆｆも変化する。磁界を検出する場合と同様に、解析部４２は、導波路２１３２における２π×Ｒ×Δｎ_ｅｆｆ＝ｍ×Δλの関係を用いて、送信信号と受信信号との間における、共振波長のシフト量Δλを算出する。解析部４２は、共振波長のシフト量Δλを用いて、導波路２１３２の導波路実効屈折率の変化量Δｎ_ｅｆｆを算出し、算出したΔｎ_ｅｆｆを用いてＤＮＡの結合量を算出する。これにより、光学センサチップ２１_ｋは、検体１００のＤＮＡの検出に利用可能である。

実施の形態１から実施の形態３に係る光学センサシステムにおいて、光ファイバ２２を介して連なって接続されたＺ個の光学センサチップ２１_ｋを蛇行させることにより、光学センサユニット２に様々な形状で光学センサチップ２１_ｋを配置でき、光学センサチップ２１_ｋの配置自由度が高く、配置密度が向上する。これにより、実施の形態１から実施の形態３に係る光学センサシステムが備える光学センサユニット２は、従来配置が困難であった狭い空間にも配置可能である。

実施の形態１から実施の形態３に係る光学センサシステムにおいて、変調信号生成部３３は、検体１００における複数の種類の状態のうち、制御信号によって指定された状態の測定に使用する変調信号を生成し、生成した変調信号を光送信部３１に出力してもよい。光送信部３１は、制御信号によって指定された状態の測定に対応する変調が施された第１の光信号を生成する。これにより、指定された状態の測定に対応する変調を施した第１の光信号を用いた検体１００の状態の測定が可能である。例えば、変調信号生成部３３は、制御信号によって検体１００の水分量が指定された場合、位相変調信号を生成し、制御信号によって検体１００の温度が指定された場合には、周波数変調信号を生成する。これにより、検体１００の水分量を測定するために位相変調され、検体１００の温度を測定するために周波数変調された第１の光信号を生成することができる。

実施の形態１から実施の形態３に係る光学センサシステムは、外部機器との間で無線信号を送受信する無線信号送受信部と、変調信号生成部３３による変調信号の生成を制御する変調制御部を備えてもよい。変調制御部は、無線信号送受信部が外部機器から受信した制御信号を復調し、復調した制御信号を変調信号生成部３３に出力する。例えば、変調制御部は、外部機器からの制御信号の信号品質の劣化を補償し、信号品質の劣化を補償した制御信号を、変調信号生成部３３に出力する。より具体的には、変復調制御部は、無線伝送中の信号の誤り検出を行い、検出した誤りを補正することにより信号品質の劣化を補償する。無線信号送受信部は、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の近距離無線通信を行う通信装置、または、ＷｉＦｉルータである。

なお、各実施の形態の組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。

本開示に係る光学センサチップは様々な検体の状態の測定に利用可能である。例えば、本開示に係る複数の光学センサチップを、廊下または道路に点在させておくことにより、廊下または道路の周囲の状態を一括して測定することが可能である。

１，１Ａ～１Ｄ 光学センサシステム、２ 光学センサユニット、３ 光送受信部、４ 受信信号解析部、５ 表示部、６Ａ，６Ｂ 光終端、７Ａ，７Ｂ コネクタ、８Ａ，８Ｂ 光カプラ、９，２１５Ａ 光路長付加部、２１_１～２１_ｋ、２１_ｋ－１，２１_Ｚ－１，２１_Ｗ，２１_Ｘ，２１_Ｙ，２１_Ｚ 光学センサチップ，２２，２２Ａ，２２Ｂ 光ファイバ、３１ 光送信部、３２ 光受信部、３３ 変調信号生成部、４１ 識別部、４２ 解析部、１００，１００Ｃ 検体、１００Ａ 人、１００Ｂ 土壌、２００ ベッド、２１１Ａ，２１１Ｂ，２１６Ａ，２１６Ｂ スポットサイズ変換部、２１２Ａ 光路分岐部、２１３，２１３Ａ，２１３Ｂ 変化部、２１４ 合波部、２１７ 光路折り返し部、４００ 箱、１０００ 入力インタフェース、１００１ 出力インタフェース、１００２ 処理回路、１００３ プロセッサ、１００４ メモリ、２１３１～２１３３ 導波路。

Claims (13)

1. コネクタによって自由な接続形態が可能な光学センサチップであって、
   光ファイバを介して第１の光信号を外部から入力する第１のインタフェース部と、
   第１の光信号を検体の状態に応じて変化させる変化部と、
   光ファイバを介して第１の光信号を外部に出力する第２のインタフェース部と、
   光ファイバを介して第２の光信号を外部から入力する第３のインタフェース部と、
   前記変化部が検体の状態に応じて変化させた第１の光信号と前記第３のインタフェース部が入力した第２の光信号とを合波する合波部と、
   前記合波部が合波した光信号を、光ファイバを介して外部に出力する第４のインタフェース部と、を備えた
   ことを特徴とする光学センサチップ。
2. 前記第１のインタフェース部と前記第４のインタフェース部とが一つのインタフェース部を構成し、
   前記第２のインタフェース部と前記第３のインタフェース部とが一つのインタフェース部を構成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学センサチップ。
3. 前記第２のインタフェース部が出力する第１の光信号を遅延させる光路である第１の光路長付加部と、
   前記第１のインタフェース部が入力した第１の光信号または前記変化部が検体の状態に応じて変化させた第１の光信号を分岐する分岐部と、を備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学センサチップ。
4. 前記第１のインタフェース部が入力した第１の光信号は、予め定められた一つの波長の光信号であり、強度特性、位相特性または周波数特性のいずれかを変調した電気信号が印加されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学センサチップ。
5. 前記第１のインタフェース部が入力した第１の光信号は、複数の波長の光信号であり、
   前記第１のインタフェース部が入力した第１の光信号から、予め定められた波長の第１の光信号を選択し、選択した第１の光信号を前記変化部に出力する分岐部を備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学センサチップ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の複数の光学センサチップを有し、隣り合った光学センサチップ間で前記第１のインタフェース部と前記第２のインタフェース部とが光ファイバを介して接続され、前記第３のインタフェース部と前記第４のインタフェース部とが光ファイバを介して接続され、検体が配置される光学センサユニットと、
   前記光学センサユニットの端部にある光学センサチップの前記第１のインタフェース部に第１の光信号を送信する光送信部と、
   前記光学センサユニットの端部にある光学センサチップの前記第４のインタフェース部から、検体の状態に応じて変化した第１の光信号が合波された光信号を受信する光受信部と、
   前記光受信部の受信信号を用いて、個々の光学センサチップを識別する識別部と、
   前記光受信部の受信信号を解析することにより、検体の状態を光学センサチップごとに特定する解析部と、を備えた
   ことを特徴とする光学センサシステム。
7. 前記解析部は、前記光受信部の受信信号の強度特性、位相特性、周波数特性または波長特性のいずれか一つを解析することにより、検体の状態に応じた第１の光信号の変化分を特定する
   ことを特徴とする請求項６に記載の光学センサシステム。
8. 前記光学センサユニットにおいて複数の光学センサチップは連なって接続され、
   前記識別部は、前記光受信部の受信信号に含まれる第１の光信号の遅延時間を解析することにより、検体の状態に応じて変化した第１の光信号と光学センサチップとを対応付ける
   ことを特徴とする請求項６に記載の光学センサシステム。
9. 前記識別部は、前記光受信部の受信信号に含まれる第１の光信号の波長を解析することにより、検体の状態に応じて変化した第１の光信号と光学センサチップとを対応付ける
   ことを特徴とする請求項６に記載の光学センサシステム。
10. 前記光学センサユニットにおける光学センサチップ間に設けられ、光学センサチップ間を伝搬する光信号に対し、複数の光学センサチップが接続されたセンサ列を識別するための遅延を与える光路である第２の光路長付加部を備えた
    ことを特徴とする請求項６に記載の光学センサシステム。
11. 前記識別部は、前記光受信部の受信信号を用いて光学センサチップ間を伝搬する光信号の遅延時間を解析することにより、複数の光学センサチップが接続されたセンサ列を識別する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の光学センサシステム。
12. 前記識別部は、前記光受信部の受信信号を用いて光学センサチップ間を伝搬する光信号の波長を解析することにより、複数の光学センサチップを識別する
    ことを特徴とする請求項６に記載の光学センサシステム。
13. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の複数の光学センサチップを有し、隣り合った光学センサチップ間で前記第１のインタフェース部と前記第２のインタフェース部とが光ファイバを介して接続され、前記第３のインタフェース部と前記第４のインタフェース部とが光ファイバを介して接続された、光学センサユニットと、
    光送信部と、
    光受信部と、
    識別部と、
    解析部と、を備えた光学センサシステムの測定方法であって、
    前記光送信部が、前記光学センサユニットの端部にある光学センサチップの前記第１のインタフェース部に第１の光信号を送信するステップと、
    前記光受信部が、前記光学センサユニットの端部にある光学センサチップの前記第４のインタフェース部から、検体の状態に応じて変化した第１の光信号が合波された光信号を受信するステップと、
    前記識別部が、前記光受信部の受信信号を用いて、個々の光学センサチップを識別するステップと、
    前記解析部が、前記光受信部の受信信号を解析することにより、検体の状態を光学センサチップごとに特定するステップと、を備えた
    ことを特徴とする測定方法。

Images