JPH02171639A - 流体の屈折率を測定するための集積光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、集積光学構造において機能するよう意図され
た、流体又は気体の屈折率の測定のための干渉計タイプ
の装置に係わる。

本発明は、流体の屈折率を知ることが望まれるすべての
分野で使用されることが可能である。特に、気体の屈折
率の測定は、前記気体の性質及びその濃度を測定するこ
とを可能にする。他の気体と混合された危険な又は有毒
な気体の場合に、このことは特に重要である。

同様に、液体の屈折率の測定は前記液体の性質及び濃度
を測定することを可能にし、このことは、その液体のｐ
Ｈ，その希釈度又は濃度、及び特にバッテリーの充電状
態を測定するのを可能にするｐＨ及び希釈度のようなパ
ラメータの使用を可能にする。

流体の屈折率をＤ１定する最良の方法の１つは明らかに
光学的方法の使用である。現在では、流体の屈折率の測
定は未知の屈折率をも持つ流体と既知の屈折率を持つ媒
質との間の境界面における反射条件の変化に基づく。

しかし、この方法には幾つかの欠点がある。特に、異な
った屈折率を持つ２つの媒質の間の反射係数は、その２
つの媒質の一方が一定であると前提される場合に、特に
測定対象である他方の媒質の屈折率に対応して変化する
ことが相対的に小さい。従って、以下で言及される２つ
の特定の使用事例を除けば、この方法はあまり正確では
ない。

添付の第１図では、２つの媒質は口１及びｎ２で表され
、ｎ２は測定されるべき屈折率でありｎｌは一定である
べき屈折率である。第１図では、Ａは、２つの媒質ｎ　
及びｎ２の境界面における■ 法線Ｎに関する光の入射角を表す。

入射角Ａが大きい場合、特に、入射面に平行な光の偏光
に応じた反射係数に一致する反射係数Ｒｐがゼロとなる
ブルースター角の存在の故に、光が入射面内で偏光され
る場合に、前記の方法が使用可能である。

又、例えばｎｌが０２を越える場合及びＡが全反射角度
を越える場合が生じる時にも、この方法が全反射の近く
で使用されることが可能である。

この限界角度Ａ　はＡ　ｒｓｉｎ（ｎ２／ｎ、　）に等
し■ い。

従って、第２の場合には、反射係数の変化はその限界角
度の近くでのみ大きいが故に、ｎｔ　＞ｎ　である時及
びｎ２が相対的に血かしか異なつていない時にだけ、そ
の方法が有効である。従って限界角度の近くでは、僅か
な屈折率の変化でさえも反射係数の著しい変化を引き起
こす。

従って、この方法は非常に限定されており、あらゆる屈
折率の変化の範囲で及びあらゆる照度条件下で、あらゆ
る任意のタイプの屈折率を＋１１１Ｊ定するということ
は不可能である。

従って、本発明は、どんな照度条件の下でも及びどんな
屈折率の変化の範囲でもはるかに広範囲な形で使用が可
能な、流体の屈折率の測定装置に係わる。

本発明の範囲では、流体の屈折率のｆｌＰ１定はその相
対屈折率及び絶対屈折率の７７１１Ｉ定をも含む。

流体の相対屈折率は、基準屈折率に関する前記流体の屈
折率の変化と一致する。この基準屈折率は、既知の状態
にある前記流体の屈折率又は既知の状態にある任意の流
体の屈折率であってよい。

その流体の絶対屈折率のｎ１定は、相対屈折率及び基準
屈折率から得られるか、又は（干渉半縞の場合にのみ）
直接的に得られる。

本発明による装置の原理は、既知の媒質に対して未知の
媒質の屈折率の変化によって引き起こされる位相のずれ
に基づいており、前記位相のずれは干渉計システムによ
って測定される。この測定方法は、標準的な光学回路を
用いても又は集積化された光学回路を用いても行われる
ことが可能である。

その小型性、回路の寸法、光ファイバとの適合性、及び
最後にその低コスト性の故に、集積光学は、流体の屈折
率を測定するための装置の断熱に最有望な製作技術であ
る。本発明は又、測定装置をその中に浸は込むことが可
能な媒質の屈折率を測定することを可能にする干渉計集
積光学装置にも係わる。後者は気体又は液体に対しての
み使用可能である。

より詳細には、本発明は、流体の屈折率を測定するため
の集積光学装置に係わり、前記装置は、（ａ）基板４上
に形成され、光ビーム１６．２４．２Ｂ、３８、４０を
伝播するための誘導層８を有し、尖瓢前記誘導層が下部
層６と前記誘導層の屈折率より低い屈折率を持つ上部層
１０との間に挿入された、誘導モードの有効率ｎ１に一
致した光ガイドと、（ｂ）流体３１との接触状態にある
べき光ガイドの相互作用測定区域３２であって、その測
定区域と同じ高さにある上部層１０が誘導された光ビー
ムの消失波の透過距離よりも小さな厚さを有し、及び前
記相互作用区域の外側では同じ前記の消失波の透過距離
よりも大きな厚さを有する区域と、並びに（ｃ）流体に
よる誘導モードの有効率ｎ２の変化によって引き起こさ
れる位相のずれを測定するために、基準光学回路２２．
２８．２８ｂ　、　３０及び前記測定区域３２を含む測
定用光学回路２２．３２．３４を有する、前記光ガイド
内に少なくとも部分的に形成された干渉計光学システム
とから成る。

本装置は、集積光学装置では誘導モードの有効率はその
ガイドの構造の全パラメータに依存し並びに特に前記ガ
イドを成す種々の層の厚さ及び屈折率に依存するという
事実を利用する。更に、これらのパラメータの１つの変
更及び特にその１つの層の屈折率の変更は、その当該誘
導モードの有効率を変化させ、従って干渉計によって検
出されることが可能な光の位相のずれを局部的に引き起
こす。

その屈折率を知ることが望まれる流体とガイドとの相互
作用又は測定区域は、誘導された光が更に誘導され続け
るような構造を有することが好ましい。これに加えて、
その区域は、前記を０互作用区域上の未知の媒質以外の
どんな媒質からの影響も受けないように防護されなけれ
ばならない。

本発明による装置では、測定相互作用区域と同じ高さの
及び誘導モードに関連する消失波の透過距離よりも小さ
い厚さを有する上部層の使用によって、屈折率が測定さ
れなければならない媒質をその誘導モードが「調べる」
ことになる。測定されるべき前記率が前記測定相互作用
区域内の誘導光の有効率より小さいままである限り、前
記光はその構造全体を通して誘導され続ける。この条件
はその装置に関し有利な作動モードを成す。逆に、上部
層の厚さが同一の前記誘導モードの透過距離よりも大き
な区域では、その誘導モードは、屈折率が測定されなけ
ればならない外部媒質を「調べる」ことはない。

未知の屈折率を持つ外部媒質が腐食性である時には、即
ち、バッテリの電解質中で、本発明の装置がそのバッテ
リの充電状態の測定を可能にする場合には、前記相互作
用１１定区域は前記上部層と同様に、屈折率の測定対象
である外部媒質によって腐食されることのない材料から
成ることが必要である。更に、上部層の材料が腐食され
るかもしれない場合には、そのガイドの上部層ＪＯの上
に置かれる追加の保護層５２が使用され、そのガイドの
厚さはｉＤＪ定区定向域内前記上部層の厚さと前記追加
保護層の厚さとの合計であり、又、相互作用区域内では
、前記保護層が誘導モードの有効率より低い屈折率を有
する時には、誘導波の消失波の透過距離よりも小さい。

前記保護層の屈折率が誘導モードの有効率を越えるか又
はそれに等しい時には、その誘導モードは相互作用区域
内の外部媒質を調べる。しかし、後者の場合には、光ガ
イドがモノモード性のままであるように、厚さｈ′の保
護層を有することが有利である。

回路の他の部分から並びに特にハ［定及び基準回路から
測定区域を絶縁するために、密封シール５０を装備した
保護システム４８が備えられる時には、相互作用区域だ
けが、ｎ１定されるべき外部媒質から保護されねばなら
ない。

本発明による装置は、集積電子工学にとってきわめて適
切なシリコン技術又は■−■技術（ＧａＡｓ又はＩｎｋ
）をもって作成されることが可能である。

シリコン技術が使用されることが好ましい。この場合に
は、誘導層は窒化ケイ素又はリンもしくはチタンを添加
されたシリカから作られ、並びに光学ガイドの上部層及
び下部層は例えば純粋シソ力又はガラスから作られる。

シリカ及びガラスは波長１１００ｔ＋ｍにおいて１．４
５〜１．９の間の様々な屈折率を有し、一方、リン添加
シリカは、波長８００ｎｍにおいて、加えられるリンの
割合に応じて、ｌ、４５〜１．５の間の屈折率を有する
。窒化ケイ素は波長８００財において２に近い高屈折率
を白′する。

硫酸のような酸の場合には、前記酸に対して耐久性のあ
る保護材料は、特に（波長８００ｎｍにおいて）、約１
，６１の屈折率を持つアルミナ、又は窒化ケイ素である
。後者の場合は、光ガイドの上部層は相互作用測定区域
内ではゼロの厚さを有することが可能である。

第１の実施例によれば、測定されるべき屈折率を有する
媒質によって引き起こされる位相のずれを測定すること
を可能にする干渉１１装置は、主入射光ビーム１６を放
射する光源１２と、前記主ビームの規準のための手段１
３．８４と、前記の規準された主ビームを測定ビーム２
４及び主基準ビーム２６に分割し並びにその測定ビーム
２４をｎ１定区域３２上へ導くための第１分割手段２２
と、前記測定区域からの測定ビーム２４を前記第１分割
手段２２上に反射するための第１鏡３４と、少なくとも
２つの位相のずれた２次基準ビームを作り出すために、
主基準ビーム２６の一部の上に少なくとも１つの一定し
た位相のずれを生じさせるための移相手段２８．２８ａ
　、　２８ｂと、第１干渉信号３ｇ　、　４０　、８ｇ
、　７０．７２が前記測定区域と接触している流体３１
屈折率を示すように、前記２次基準ビームの各々を前記
測定ビームに干渉させ及びこのようにして少なくとも２
つの分割した第１干渉光信号を形成するために、２つの
前記２次基準ビームを前記第１分割手段２２上に反射す
るための第２鏡３０と、 前記２つの第１干渉信号を分割するための第２分割手段
３８．６８と、半ジボキ その各々が前記第１干渉信号を検出するための少なくと
も２つの検出器４２．４４とから成り、前記規準手段１
３．８４、前記第１及び第２分割手段２２．３Ｂ、　６
８、並びに前記移相手段の各々は、光ビームの有効率の
適切な局部的変更によって形成され、前記鏡３０．３４
は光ガイドの局部的な及び少なくとも部分的なエツチン
グによって形成される。

第２の実施例によれば、測定されるべき屈折率を有する
媒質によって引き起こされる位相のずれを測定すること
を可能にする干渉計装置は、主入射光ビーム１６を放射
する光源Ｉ２と、前記主ビームの規準のための手段１３
．８４と、前記の規準された主ビームをｎ１定ビーム２
４及び主基準ビーム２Ｂに分割し並びにその測定ビーム
２４を測定区域３２上へ導くための第１分割手段２２と
、前記測定区域からの測定ビーム２４を前記第２分割手
段７４上に反射するための第１ｖｔ３４と、少なくとも
２つの位相のずれた２次基準ビームを作り出すために、
主基準ビーム２６の一部の上に少なくとも１つの一定し
た位相のずれを生じさせるための移相手段２８．２８ａ
　、　２８ｂと、第１干渉信号が測定区域と接触してい
る流体３１の屈折率を示すように、前記２次基準ビーム
の各々を前記測定ビームと干渉させ及びこのようにして
少なくとも２つの分割した第１干渉光信号３８；４０；
８８．７０．７２を形成するために、２つの前記２次基
準ビームを前記第２分割手段７４上に反射するための第
２鏡３０と、 ２つの第１干渉信号を分割するための第３分割手段３８
．８６と、並びに、 その各々が第１干渉信号を検出するための少なくとも２
つの検出器４２．４４とから成り、前記規準手段１３．
８４、前記第１．第２及び第３分割手段２２．３Ｂ、　
６［ｉ、　７４、並びに前記移相手段の各々は、光ビー
ムの有効率の適切な局部的変更によって形成され、前記
鏡３０．３４は光ガイドの局部的な及び少なくとも部分
的なエツチングによって形成される。

ｍ２の実施例の移相手段が第１分割手段と第２鏡との間
に置かれる時には、後者は前記２つの２次基準ビームを
効果的に受は取り、及び前記２つの２次基準ビームを前
記第２分割手段上に直接的に伝送する。これらの移相手
段が前記第２鏡と前記第２分割手段との間に置かれる時
には、前記第２鏡は実際には主基準ビームを受は取り、
それを移相手段に直接に伝送する。その後、この主ビー
ムは移相手段によって２つの２次話準ビームに分割され
、その後、その移相手段はこれらの２つの２次基準ビー
ムを第２分割手段に直接的に伝送する。

第１分割手段から出ていくすべての光エネルギーを回収
し、並びに、従って干渉計装置の第１の実施例ではこれ
らの第１手段上に作られ及び干渉計装置の第２の実施例
では第２分割手段上に作られるすべての干渉信号を回収
するために、第２検出器７５．７７と組み合わされた補
助的な分割手段７６が、第１干渉信号と共に同時に作ら
れる第２干渉信号７１．７３を分割し及び検出するため
に備えられる。

少なくとも２つの干渉システムの使用は、未知の流体の
屈折率変化によってもたらされる位相のずれを最大感度
で得ることを可能にし、≠≠測測定れるべき屈折率が増
大しその後に再び減少して、その位相のずれかにπに近
い場合には検出不可能な位相のずれ上の符号変化を引き
起こす時には、その測定されるべき屈折率の値に関する
どんな曖昧性をも避けることを可能にする。２つの干渉
システムがπとは異なった値によって移相されるが故に
、ｋπの近くの位相のずれの存在が２つの干渉システム
上に同時に生じることは不可能である。

特に、引き起こされる位相のずれがπ／２に等しいこと
が好ましい。

一般的に、光源から与えられる光は、光源とその集積光
学回路の他の部分との間の結合を改善するために、入力
光ファイバー３．１３ａによって伝送される。この入力
ファイバは一般的にモノモード性であり、偏光を維持す
る場合もある。ＳｉＯ３／　Ｓ　ｉ　　Ｎ　　／　Ｓ　
１０２構造を持つシリコン基体上に形成された光学ガイ
ドの場合には、このことは必要である。

様々な構造の光ガイド、特にＳ　ｉ　Ｏ２添加Ｓｉ／　
Ｓ　ｉＯ／　Ｓ　Ｉ　ＯＺタイプの光ガイドと共に、人
力ファイバは多モード性であることが可能である。こう
した条件の下では、その光ガイドの中への光の注入を確
実にするために多モードファイバの出力に規準光学が備
えられなければならない。

干渉信号の検出器は、光源と同様に、光ガイドの外側に
置かれる。更に、出力ファイバが光学ガイドと検出器と
の間に置かれることが可能であり、それによって前記フ
ァイバは多モード性又はモノモード性であることが可能
である。

以下では、本発明が、非限定的な実施例及び添付の図面
第２図〜第８図（第１図は既に説明されている）に関連
して、より詳細に説明される。

第２図に示されるように、本発明による集積化された装
置は、シリコンモノクリスタル基体上に作られることが
有利な光ガイド２から成る。その光ガイド２は、基体４
から始め、て各々６，８及び１０の３つの重ね合わされ
た層によって構成され、層８は光ガイドのためのガイド
層を構成する。層８は層６及びＩＯよりも高い屈折率を
有する。特に、層６及び１０は純粋シリカから作られ、
層８は窒化ケイ素から作られる。

ガイド層８の厚さは、ガイド２がモノモード性であるよ
うに、約１０〜２５０ｎｍの間である。層６及びＩＯの
シリカの厚さは、その窒化物の層の厚さによって決まる
。層６及び１０の厚さは、層６に関しては吸収性基体４
の良好な光絶縁を確保し及び層１０に関しては外部媒質
の良好な光絶縁を確保するために１〜５μｍの間である
。

シリカ層６は、前記基体の熱酸化及びそれに続く化学蒸
着によって得られることが可能であり、そしてこのこと
は前記基体上への直接的なＣＶＤによって層６が得られ
る場合に比べてより良好な光学品質を得ることを可能に
する。窒化物層８はＬＰＣＶＤ又はＰＥＣＶＤによって
得られる。ガイド２の上部層１０はＰＥＣＶＤによって
得られる。

本発明の装置による光学構成要素の大部分は前記光ガイ
ド内に限定される。

第２図の光学装置はガイド２の外側にレーザーのような
光源１２を有する。モノモード入力ファイバ１３が光源
からの光を集め及びマイクロガイドエ４を経由してガイ
ド層８の中へ光を注入することを確実にすることが好ま
しい。

ファイバ１３によって及びその後はマイクロガイド１４
によって伝送される光ビーム１６は、集積規準レンズ１
３によって受は取られ、この規準レンズ１３は、光点に
類似したマイクロガイド１４からの光を平行な光ビーム
２０に変換する。この目的のために、レンズ１３に面す
るマイクロガイド１４の端部はレンズ１３の焦点距離Ｆ
内になければならない。

その後、規準化された光ビーム２０は、光学ガイドの上
部層１０上にエツチングされた１つの溝からここでは成
るビーム分割プレート２２上に達する。

プレート２２は、そのプレート２２上の入射光の伝送及
び反射の各々によって得られる測定ビーム２４及び基準
ビーム２６の形成を可能にする。

基準ビーム１６上に置かれた移相器２８は、π／２又は
（２に＋１）π／２だけ位相をずらされた２つの基準ビ
ームにその基準ビームを分割することを可能にする。

屈折率を測定すべき流体３１と接触していなければなら
ない相互作用区域３２は、ガイド２内に形成され、及び
測定ビーム２４上によって横切られる。

平面鏡３０は、ビーム分割プレート２２上に前記２つの
位相をずらされた基準ビームを反射することを可能にす
る。同様に、平面ｖＬ３４は、７Ｔｌｌ＋定ビーム２４
及び前記２つの基準ビームが干渉し及び相互作用区域３
２と接触している流体３１の屈折率を表す２つの干渉光
信号を形成するように、相互作用区域３２を経由して測
定ビーム２４を前記ビーム分割プレート２２上に反射す
ることを可能にする。

示された実施例では、ｍ３０及び３４は基準ビーム２６
及び測定ビーム２４に垂直に置かれる。従って、これら
の２つの鏡によって反射された光ビームは対応する入射
光と混合される。

分割プレート２２上に形成される２つの干渉システムは
、π／２又は（２に＋１）π／２だけ移相がずらされる
。それらは、光ガイド２に連結されることが可能な又は
第２図に示されるように前記ガイドの外側に置かれ及び
多モードであるのが好ましい２つの出力光ファイバ４５
及び４７各々の補助によって前記ガイドに接続された２
つの光検出器４２゜４４によって別々に検出される２つ
の別々の干渉信号３８．４０を生じさせる、接合点Ｒに
おける接線間の角度が１２０＠〜１３０　’の間である
２つの放物型部分３８ａ及び３８ｂによって形成された
入力位相を有する分割鏡３６によって受は取られる。

ａが２つの基準信号の振幅を表し、ｂが測定信号の振幅
を表す場合に、前記２つの検出′ｒｉ４２及び４４は、
次のような各々の強度■　及びＩ２の光信■ 号を受は取る。

１　−ａ２＋ｂ２＋２ａｂｃｏｓ（Ｐ＋Ｐ　　）１　−
ａ２＋ｂ２＋　２ａ　ｂｃｏｓ（Ｐ＋Ｐ　　−Ｐ　　）
’ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｏｄ式中でｐ
　　　２πｎｔ　　（Ｌ２−Ｌｌ　）　／入一％−２π
ｎ　ｌＬ　／λ、 及び、Ｐ＝２πｎ　２　Ｌ　／λ。

これらの等式では、Ｐ　は測定ビームと各基準ビームと
の間に生じさせられた一定の位相のずれであり、それは
流体３１の未知の絶対屈折率Ｎとは無関係である。ｎｌ
は相互作用区域３２の外側の光ガイドの有効率を表す。

Ｌ　及びり、は、測定ビ−ム及び基準ビームに沿って光
によって横断される経路の長さである。Ｌは相互作用区
域３２の長さである。λは誘導光の波長である。Ｐは相
互作用区域３２内の誘導光モードの有効率ｎ２を経て（
測定されるべき絶対屈折率）Ｎに従属する未知の位相の
ずれである。Ｐ、は移相器２８によって生じさせられる
一定の位相のずれである。

２つの干渉システムの使用の際、前記システムの一方に
関し位相のずれＰ＋Ｐ　　かにπの倍数である時は、そ
の前記システムの他方は不要である。

屈折率Ｎが値ｄＮ（相対屈折率）だけ変化する時には、
相互作用区域３２内の光ガイドの有効率はｄ　ｎ　２だ
け変化し、従って位相のずれＰは、Ｘが測定区域内のｌ
ＦＪ定ビームの通過数である時（第２図及び第６図では
ｘ−２）　、ｄ　Ｐ−２ｘ　ｙｒ　ｄ　ｎ２Ｌ／λだけ
変化する。

長さしは、次の２つの形で、可能最大値ｄ　ｎ　２（ｄ
ｎ２１１１ａｘ）に応じて選択される。

ａ）ｄＰがπ／２に近く、このことがπ／４Ｘｄｎ２ｍ
ａｘに近いＬを与えるように。この場合、強度Ｉ　及び
！　は（ａ＋ｂ）２と（ａ−ｂ）”との間で変化するが
、同一の干渉縞の中に残る。

ｂ）　Ｌがλ／　２ｘ　ｄ　ｎ　２ｍａｘに比べて大き
い時には、ｄＰが２πを大きく上回ることが可能なため
に、その干渉縞のずれが観察される。その時、これらの
干渉縞を数えることが必要である。なんらかの理由から
測定を行うことがもはや不可能である（−時的な装置の
停止）ならば、その停止１−時間中にどれだけの縞全体
の数だけ干渉システムが動いたかを知ることは不可能で
あるが故に、停止以前の情報を損失することがあり得る
のである。これは、光学的な位相のずれは（ｄＮ及びＮ
に関する倍数解を導く）２にπの範囲内でのみ規定され
、及び、その値は絶対項としては知ることができず、先
行の状況との比較によってしか知ることができないとい
う事実に基づいている。Ｌを決めるために、π／２に近
い位相のずれｄＰを選択することが好ましい。

上記ｂ）の場合には、強度Ｉ　及びＩ２のＵｊ定に基づ
き、前記２つのシステムの干渉縞の数を数えることも行
いながら、ｄ　ｎ　２が得られる。そのｄ　ｎ　２に基
づいて、その装置の先行の校正によっでも又は伝播等式
によっても、ｄＮをｉ’１ｌｌｌ定することが可能であ
る。その装置の先行の校正は、その単純さ及びその低い
誤差率の故に、好ましい方法である。絶対率の値は、直
接的に（媒質３１の屈折率の極値が知られている時で、
半画の場合）、又は相対率ｄＮ及び基準率に基づいて得
られることが可能である。

２つの光検出器４２及び４４に接続された適当な電子処
理装置の補助によって、干渉縞分数を評価することが可
能である。この装置はｄ　ｎ　２を測定することを可能
にし、従ってｄＮ及びＮを測定することを可能にする。

更に、ｂ）の場合には、前記装置は干渉縞の数を数える
ことを確実にする。この電子システム４６は特に、Ｓ、
　Ｓ、　ＪＡＣＯＢＳ及びＪ、Ｇ、　ＳＭＡＬＬによる
論文“Ｌｉｑｕｉｄ　Ｌｅｖｅｌ　Ｉｎｔｅｒ−ｆ’ｅ
ｒｏｒＡｅｔｅｒ　　　（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃ
ｓ、　ｖｏｌ、２０．　Ｎｏ、２０゜１）Ｉ）　３５０
８−３５１３．　ｔ９ｓｉ年１０月）の電子システムで
ある。

第３図は、本発明に基づく、未知の屈折率を持つ液体３
１との相互作用区域３２の実施例である。区域３２では
、上部シリカ層１０の厚さｈ′は、誘導モードに関連す
る消失波の透過距離よりも小さくなければならず、それ
によってｈ′はゼロであることも可能である。更に、未
知の屈折率Ｎは、光の波が誘導され続けるために、誘導
モードの有効率より小さくなければならない。

相互作用区域３２の外側では、シリカ層の厚さｈは誘導
モードに関連する消失波の透過距離よりも大きくなけれ
ばならず、特に、８００ｎＩｌの誘導波長においては、
ｈは約１３０ｎｍの厚さの５１３Ｎ４の誘導層８より約
１μｍ大きくなければならない。

本発明によれば、相互作用区域３２だけが未知の流体３
１との接触状態に置かれなければならない。

更に、センサの劣化を避けるために、保護フィルム４８
によって、例えば屈折率の測定対象が電解質の場合には
、測定されるべき流体に対し抵抗力のあるテフロン又は
他の幾つかの材料によって、区域３２の外側でセンサを
保護することが可能である。

腐食性媒質３１がその光学回路の他の区域に接触するこ
とを防ぐために、密封シール５０がすべての周囲区域３
２に備えられる。

第４図に示されるように、例えば厚さｈ’　＋ｈ′が誘
導モードに関連する消失波の透過距離よりも小さくなる
ように、厚さｈ′の保護層５２で装置全体を覆うことも
可能である。酸性液体の場合には、アルミナが良好な保
護材料である。

第５図に示されるように、Ｓ　ｉＯ２−添加Ｓｔ／　Ｓ
　ｌ　０２　／　Ｓ　ｔ　Ｏ３構造を使用する光ガイド
２と共に、入力ファイバ１３ａは多モード性であること
が可能である。この場合には、随意にマイクロガイドを
経由して、光を光ガイド２の層８の中に注入することを
確実にするために、光ファイバ１３ａの端部に規準レン
ズ５４が備えられなければならない。

第２図に示される本発明による光学装置は、第６図に示
される形に変更されることが可能である。

第２図の装置の構成要素と同一のこの装置の構成要素は
、同一の基準ビームを伝送する・。

この態様では、基準ビーム上に置かれた移相器２８ａは
３チヤンネル移相器であり、これは特に光源１２の強度
変動から自由であることを可能にする。

その３つのチャンネルの間で使用される移相のずれＰｄ
は、Ｏ，（２に＋１）π／２及び（２に＋ｌ）πである
ことが有利である。

ｋ−０の場合は、３チヤンネル移相器使用は、次の等式
を満足させる強度１．、Ｉ２及びＩ３の干渉縞の３つの
系を得ることを可能にする。

Ｉｌ−ａ　　＋ｂ　　＋２ａｂｃｏｓ（Ｐ’−Ｐ’。）
１２−ａ　　＋ｂ　　＋２ａ　ｂｓｌｎ（Ｐ’　−Ｐ’
　ｏ）■３−ａ　　＋ｂ　　＋　２ａｂｃｏｓ（Ｐ’　
−ｐ’　。）上記式中では、Ｐ′は未知の流体３１によ
る様々な位相のずれであり、Ｐ′　はセンサの形に依存
し及びそのセンサの校正によって決定される一定の位相
のずれである。

これらの条件の下では、未知の屈折率を持つ流体３１に
よって引き起こされる位相のずれｄＰ’の変化は、等式
ｄＰ’　−ｄ　（ＡｒｃＬｇ（Ｂ））を満足させ、旧式
でＢは（２Ｉ２−１１−Ｉ３）／　（Ｉ。

−Ｉ３）■±ｔｇ　（Ｐ’　−Ｐ’　。）でありＰ′Ｐ
′　　−±ＡｒｅｔｇＢである。

従って、３チヤンネル移相器の使用は、その光学装置の
出力において、プレート２２上に形成された３つの干渉
信号８８．７０及び７２を分割する、放物面形の３つの
部分６８ａ　、　８８ｂ及び６６ｃから成る３チャンネ
ル分割鏡を使用することを必要とする。

その後、分割された又は分離された干渉ビームは、出力
マイクロガイド７８．８０．８２を経て、干渉ビーム（
第２図）のそれと同じ仕方で３つの光検出器に接続され
た３つの多モード出力ファイバの中へ伝送される。

規準手段である放物面鏡８４で人力規準レンズ１３（第
２図）を置き換えることが可能である。更に、互いに平
行な基準支流２６及び測定支流２４を形成するために、
平面鏡８６．８８を本発明の測定装置の中に導入するこ
とが可能である。入力光ファイバ１３並びに出力光ファ
イバ４５．４７及び４９は同一面Ｅによって光ガイド２
に結合されるが、２つの垂直面Ｅ及びＳの上には結合さ
れない。鏡８４は入射ビーム１Ｇを分割プレート２２へ
反射し、鏡８６はプレート２２上に形成された基準ビー
ムを移相器２８へ反射し、鏡８８は分割プレート２２上
に形成された測定ビームを測定区域３２へ反射する。必
要に応じて、平面鏡８Ｂ及び８８が、１つのレンズを入
力規準光学とじて使用する、２つの干渉信号によるシス
テムにおいて使用可能である。

第２図及び第６図で示される干渉計システムでは、鏡３
０及び３４は基準ビーム２Ｂ及び測定ビーム２４に各々
垂直であり、従って、必然的にこれらのビームをビーム
分割プレート２２上に反射する。本発明によれば、第７
図に示されるように、各々にプレート２２の外に出るｎ
１定ビーム２４及び基準ビーム２６は、斜角の入射角で
鏡３４及び３０上に到達する。

第２図の干渉計の構成要素と同一である第７図の干渉計
の光学構成要素は、それと同一の基準ビームを伝送する
。

この実施例では、その後で、ｙｔ、３０及び３４によっ
て反射された光ビームは、光ガイド２内にエツチングさ
れた溝から形成された別の分割プレート７４によって受
は取られ、このプレート上に干渉システムが形成される
。

２チヤンネル移相器２８ｂの場合には、そうした干渉シ
ステムが４つある。３つの信号の内の２つの検出、例え
ば分割鏡３６からの信号３８及び４０の検出で、測定区
域３２と接触している流体の屈折率Ｎを測定するのには
十分である。しかし、場合によっては、２つの他の干渉
システムを検出することが有利であり得る。

この目的のために、２つの別々の干渉信号７１及び７３
を与えるように、分割プレート７４の下流に置かれる追
加の分割鏡７６が備えられることが可能である。この２
つの干渉信号は、検出器４２及び４４のようにガイド２
に取り付けられることが可能な又はガイド２の外側に取
り付けられ出力光ファイバを経由してガイド２に接続さ
れることが可能な（第２図）２つの光検出器７５．７７
によって別々に検出される。分割ｍ７Ｂは分割鏡３６と
同一である。

検出器７５．７７、４２及び４４上への干渉信号の収束
を改善するために、出力マイクロガイド７９．８１゜８
３、及び８５が備えられることが可能である。

前記２つの２次基準ビームを受は取り及び４つの干渉信
号３ｇ、　４０．７１及び７３を生じさせる移相器２８
ｂが、第７図に示されるように、鏡３０とビーム分割プ
レートとの間に設置されることが可能であり、又は、鏡
３０の上流に、例えば鏡３０とプレート２２との間に設
置されることが可能である。

第７図の鏡３０及び３４の配置、並びに第２分割プレー
ト７４、第２分割鏡７Ｂ及び２つの追加の検出器７５．
７の連係的な使用が、鏡の配列８４−８６−Ｈを使用す
る第６図の実施例と組み合わされることは明らかに可能
である。

２チヤンネル移相器２８ｂによって生じさせられる２／
πの一定の位相のずれについては、次の等式を満足させ
る強度１１．Ｉ　　及びＩ４の１　°　　２′３ ４つの干渉システムが得られる。

１　−ａ２＋ｂ”＋２ａｂｃｏｓ（Ｐ＋Ｐ　　）１　−
ａ２＋ｂ２＋２ａｂｃｏｓ（Ｐ＋Ｐ　　＋π／２）１　
　＝ａ２＋ｂ２−２ａｂｃｏｓ（Ｐ＋Ｐ　　）１　−ａ
２＋ｂ２−２ａ　ｂｃｏｓ（Ｐ＋Ｐ　　＋π／２）上記
式中で、Ｐ及びＰ　は前述のもの（第２図）と同一の意
味を有する。

本発明によれば、鏡８４．８６．１１１ｇ、　３０．３
４．３８゜６６及び７６、レンズ１３、分割プレート２
２及び７４、並びに移相器２８．２８ａもしくは２８ｂ
は、誘導モードの有効率の値を局部的に変更するために
、ガイド２内に限定される。

第２図に示されるように、層１０全体の異方性エツチン
グによってレンズが作られることが可能であり、その寸
法及び形状の各々が前記レンズの寸法及び光学特性を決
定する。

光ガイドの部分的な異方性エツチングによって又はブラ
ッグ条件の下で作動するネットワークの形でビーム分割
プレート２２及び７４を得ること、並びに光ガイドの部
分的な異方性エツチングによって移相器２８．２８ａ　
、　２８ｂを得ることが可能である。

特にＳｉＯ／Ｓｔ　　Ｎ　　／５ｉｎ２光ガイドの場合
には、分割プレート２２及び７４は、移相器２８゜２８
ａ、　２８ｂと共に、層１０の完全な異方性エツチング
によって作られる。

第２図に示されるように、鏡３０．３４．３８．６６゜
７１３、８４及び８６は、光学ガイド２を基体４に達す
るまで完全にエツチングすることによって作られること
が可能であり、前記ガイドの異方性エツチングは完全に
エツチングされた急峻な側面を得ることを可能にする。

その反射特性を改善するためには、そのエツチングされ
た側面をアルミニウム又は金の層で被覆することが可能
である。

本発明によるセンサの様々な集積構成要素の作成に関す
る詳細については、本出願人の名で提出されたフランス
特許出願第８７０４８７７″；ｊを参照することが可能
である。

以下では、率Ｎの変化の関数として区域３２内のガイド
の有効率の変化を示す第８図を参照して、未知の液体（
例えば、電解質）の屈折率Ｎを測定するための２つの実
施例が説明される。

曲線ｌはＳｉ／ＳｉＯ／Ｓｉ３Ｎ４／ Ａｇ２Ｏ３の構造に形成されたセンサに対応し、その５
ｉＯ９ｉＮ　　　及びＡｇ２Ｏ３層のν　　　　３　４
　′ 各々は、１．４５３．　１．９９１３、及び１．６１の
屈折率、並びに、２　μｍ　、　　１３５ｎｍ、及び１
５０ｎｍの厚さを有する。

曲線２は、アルミナ層の厚さが１５０ｎｍの代わりに４
００ｎｎ＋であることだけが前記構造と異なるにすぎな
い構造に形成されたセンサに対応する。

相互作用区域３２の有効率ｎ２は、　（ここでは１．３
５〜１．３８の間で変化する）電解質の率Ｎと共に変化
する。曲線ｌ及び２に関する値ｎ２の各々は、その図の
右左の縦座標軸上に読み取れる。

従って、光移相のずれＰも又、次の値ｄＰの率Ｎに応じ
て変化する。

λπ ｄＰ−ｘ、　　−（ｎ　　（Ｎ）　−ｎ、、　　（Ｎ、
）））Ｌλ 上記式中でλは使用される光学波長であり、Ｌは電解質
を伴う構造の相互作用区域の長さであり、ｎ２　（Ｎ）
は前記電解質の屈折率の値Ｎに関する誘導モードの有効
率であり、ｎ２　（Ｎｏ）は前記電解質の屈折率の値Ｎ
　（例えば、Ｎｏ−ＩＪ５）に関する誘導モードの有効
率である。

この等式における係数Ｘは、相互作用区域３２内の光通
過数に相当する（第７図では、ｘ−１、及び第２図及び
第６図では、ｘ−２）。

−射的に、Ｐの測定の良好な直線性を確実にするために
、ｄＰ　　　で示される最大の位相のずれａｘ が、 ２π ｄＰ　　　−ｘ、−ｄｎ２ｍａｘ”がπ／２に近く、ｌ
１ａｘ　　　　　λ Ｌの値として、Ｌ′：、λ／　４　、　ｘ　ｄ　ｎ　２
□、を与えるように、選択される。

本実施例では、 ｄｎ　　　−ｎ　　　（１，３８）−ｎ２（１，３５）
である。

２ｍａｘ　　　２ 従って、相互作用区域３２に関して使用される構造の関
数として（曲線１又は２）、ｄ　ｎ　２゜８は広範囲に
異なる。即ち、曲線１に対応する構造に関しては、ｄｎ
２ＩＩｌａｘα５．１０であり、曲線２に対応する構造
に関しては、ｄｎ２ｆｆｉａｘ；２．５．ＩＯである。

従って、曲線１の構造に関してはＬ”２００μｍが選ば
れ、曲線２の構造に関してはλ−０，８μｍ及びｘ＝２
と共にＬ”４μｍが選ばれる。

これによって、様々な相互作用区域の長さに亘って測定
されるべき率Ｎの値を大なり小なり平均化することが可
能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、既知の屈折率を持つ媒質と屈折率が測定され
るべき媒質との間の境界面における反射条件の変化に基
づく、流体の屈折率の測定方法の概念図、 第２図は、本発明による光学装置のめ１の実施例の概略
的な透視図、 第１の実施例の斯由図、 第４図は、第２図の装置の測定相互作用区域の第２の実
施例の断面図、 第５図は、第２図の装置の、光ガイドへの入力光ファイ
バの結合を示す断面図、 第６図は、第２図に示された本発明による装置の一態様
の概略的な平面図、 第７図は、本発明による光学袋・置の第２の実施例の概
略的な平面図、 第８図は、測定されるべき絶対屈折率Ｎの関数として、
相互作用区域内の光ガイドの有効率の変動ｄ　ｎ　２を
示す曲線グラフである。 ２・・・・・・光ガイド、４・・・・・・基体、６・・
・・・・光ガイド下部層、８・・・・・・光ガイド誘導
層、１０・・・・・・光ガイド上部層、２２．３２．３
４−−−−・’ｊＦＪ定光学回路、２２．２８．２８ａ
。 ３０・・・・・・基準光学回路、３１・・・・・・流体
、３２・・・・・・相互作用測定区域、１Ｂ、２４．２
Ｂ、３８．４０・・・・・・光ビーム。 ご１ ０フ 一

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. （１）流体の屈折率を測定するための集積光学装置であ
   って、（ａ）基体上に形成され、光ビームを伝播するた
   めの誘導層を有し、及び前記誘導層が下部層と前記誘導
   層の屈折率より低い屈折率を持つ上部層との間に挿入さ
   れた、誘導モードの有効率に一致した光ガイドと、（ｂ
   ）流体との接触状態にあるべき光ガイドの相互作用測定
   区域であって、その測定区域と同じ高さにある上部層が
   誘導された光ビームの消失波の透過距離よりも小さな厚
   さを有し、及び前記相互作用区域の外側では同じ前記の
   消失波の透過距離よりも大きな厚さを有する区域と、並
   びに、（ｃ）流体による誘導モードの有効率の変化によ
   って引き起こされる位相のずれを測定するために、基準
   光学回路及び前記測定区域を含む測定用光学回路を有す
   る、前記光ガイド内に少なくとも部分的に形成された干
   渉計光学システムとから成る光学装置。
2. （２）前記ガイドの上部層が保護層によって被覆され、
   前記保護層が前記誘導モードの有効率より小さい屈折率
   を有する時に、前記測定区域における前記保護層の厚さ
   が、前記相互作用区域における前記上部層と前記保護層
   の厚さの合計が消失波の透過距離よりも小さくなるよう
   な厚さであることを特徴とする請求項１に記載の光学装
   置。
3. （３）密封シールが備えられた保護システムが前記測定
   及び基準回路から前記測定区域を絶縁することを特徴と
   する請求項１に記載の光学装置。
4. （４）前記誘導層が窒化ケイ素又は添加シリカから成り
   、前記下部層及び前記上部層が純粋シリカから成ること
   を特徴とする請求項１に記載の光学装置。
5. （５）前記保護層がアルミナから成ることを特徴とする
   請求項２に記載の光学装置。
6. （６）前記干渉計システムの光学構成要素のすべてが前
   記光ガイドの局部的な変更によって形成されることを特
   徴とする請求項１に記載の光学装置。
7. （７）主入射光ビームを放射する光源と、 前記主ビームの規準のための手段と、 前記視準された主ビームを測定ビーム及び主基準ビーム
   に分割し並びにその測定ビームを測定区域上へ導くため
   の第１分割手段と、 前記測定区域からの測定ビームを前記第１分割手段上に
   反射するための第１鏡と、 少なくとも２つの位相のずれた２次基準ビームを作り出
   すために、主基準ビームの一部の上に少なくとも１つの
   一定した位相のずれを生じさせるための移相手段と、 第１干渉信号が前記測定区域と接触している流体の屈折
   率を示すように、前記２次基準ビームの各々を前記測定
   ビームに干渉させ及びこのようにして少なくとも２つの
   分割した第１干渉光信号を形成するために、２つの前記
   ２次基準ビームを前記第１分割手段上に反射するための
   第２鏡と、前記２つの第１干渉信号を分割するための第
   ２分割手段と、 各々が前記第１干渉信号を検出するための 少なくとも２つの検出器とから成り、 前記視準手段、前記第１及び第２分割手段、及び前記移
   相手段の各々が、光ビームの有効率の適切な局部的変更
   によって形成され、前記鏡が光ガイドの局部的かつ少な
   くとも部分的なエッチングによって形成されることを特
   徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光学装
   置。
8. （８）主入射光ビームを放射する光源と、 前記主ビームの視準のための手段と、 前記視準された主ビームを測定ビーム及び主基準ビーム
   に分割し並びに前記測定ビームを測定区域上に導くため
   の第１分割手段と、 前記測定区域からの測定ビームを第２分割手段上に反射
   するための第１鏡と、 少なくとも２つの位相のずれた２次基準ビームを作り出
   すために、前記主基準ビームの一部の上に少なくとも１
   つの一定した位相のずれを生じさせるための移相手段と
   、 第１干渉信号が前記測定区域と接触している流体の屈折
   率を表すように、前記２次基準ビームの各々を前記測定
   ビームに干渉させ及びこのようにして少なくとも２つの
   分割した第１干渉光信号を形成するために、前記２つの
   ２次基準ビームを前記第２分割手段上に反射するための
   第２鏡と、２つの前記第１干渉信号を分割するための第
   ３分割手段と、 各々が前記第１干渉信号を検出するための 少なくとも２つの検出器とから成り、 前記視準手段、前記第１、第２及び第３分割手段、及び
   前記移相手段の各々が、前記光ビームの有効率の適切な
   局部的変更によって形成され、前記鏡が前記光ガイドの
   局部的かつ少なくとも部分的なエッチングによって形成
   されることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
9. （９）基体上に形成された入力マイクロガイドと随意に
   組み合わされた入力光ファイバが、前記主ビームを前記
   規準手段に導くために、前記光源と前記視準手段との間
   に置かれることを特徴とする請求項７又は８に記載の光
   学装置。
10. （１０）流体の屈折率を表す前記第２干渉信号を分割し
    及び検出するために、前記第２検出器と組み合わされた
    追加の分割手段が備えられることを特徴とする請求項７
    又は８に記載の光学装置。
11. （１１）基体上に形成された出力マイクロガイドと随意
    に組み合わされた出力光ファイバが、前記干渉信号を前
    記検出器上に導くために、前記第１及び／又は第２検出
    器の上流に備えられた請求項７又は８に記載の光学装置
    。
12. （１２）第３反射鏡が前記第１分割手段と前記移相器と
    の間に置かれ、及び前記鏡が前記光ガイドの局部的な及
    び少なくとも部分的なエッチングによって形成されるこ
    とを特徴とする請求項７又は８に記載の光学装置。
13. （１３）第４の反射鏡が前記第１分割手段と前記測定区
    域との間に置かれ、前記鏡が前記光ガイドの局部的な及
    び少なくとも部分的なエッチングによって形成されるこ
    とを特徴とする請求項７又は８に記載の光学装置。
14. （１４）前記移相手段が、３つの第１干渉信号を形成す
    るために、前記測定ビームに干渉する３つの第２基準ビ
    ームを形成する３つの移相器から構成されることを特徴
    とする請求項７又は８に記載の光学装置。
15. （１５）前記第１、第２、第３及び第４鏡が、基体に達
    するまで延びる前記光ガイドのエッチングされた側面に
    よって形成されることを特徴とする請求項１３に記載の
    光学装置。
16. （１６）前記第１、第２、及び第３分割手段並びに／又
    は前記追加分割手段が、基体に達するまで延びる前記光
    ガイドのエッチングされた側面によって形成されること
    を特徴とする請求項１０に記載の光学装置。
17. （１７）λが前記誘導モードの波長であり、ｄｎ＿２＿
    ｍ＿ａ＿ｘが前記測定区域内の前記誘導モードの有効率
    の可能最大変動であり、及びｘが前記測定区域内の測定
    ビームの通過数である時に、前記測定区域の長さＬが約
    λ／４ｘ、ｄｎ＿２＿ｍ＿ａ＿ｘに等しいことを特徴と
    する請求項１に記載の光学装置。