JPH0456250B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、温度変化を光の強度変化に変換し
て検出する光学的温度センサに関する。

温度計測には従来から、サーミスタ、熱電対の
ような電気的な計測手段が広く用いられている。
ところが、このような電気的温度計測装置は、電
気的雑音が存在する環境では計測精度が低下す
る、電気スパークによる火災または爆発のおそれ
がある、雰囲気によつては金属導電体が腐蝕しや
すいなどの問題があつた。そこで、これらの諸問
題を解消する計測装置として光学的に温度変化を
測定するものが脚光をあびてきた。光を用いた温
度センサとしては、透明媒質の相転移や光の吸収
端の温度変化にもとづく透過光量の変化を利用し
たものや、螢光体の発光時間または残光時間の温
度変化を利用したものが案出されている。しかし
ながら、相転移を利用したものは、測定温度範囲
が狭いため、広い温度範囲をカバーするためには
多重の媒質を組み合わせる必要があるという問題
がある。また、吸収端の温度変化を利用するもの
では、その温度変化が小さいために精度の高い計
測を行なうのは困難である。いずれにしてもこれ
らの温度計測装置では、透過光量の温度変化を利
用しているので透過光量は既存の光量変換素子に
よつて容易に検出できる長所をもつ反面、測定す
る光学系に伝達損失が生じるとその損失がそのま
ま測定誤差となるという問題がある。しかも実際
に生じる損失の例としてはゴミ、汚れの付着など
があり、これらの要因によつて微妙な光量変化が
生じるという不測の誤差があるため、これら不測
の損失誤差に対応できないという欠点がある。螢
光体を利用したものでも、発光強度の温度変化が
小さいためにＳ／Ｎの高い計測が困難であること
や、残光強度の測定が難しく、残光強度が零にな
つた時点の判断に誤差が生じやすいために残光時
間を正確に測定できないなどの大きな問題があ
る。

この発明は、わずかな温度変化に対しても大き
な光量変化が得られるので高精度の温度測定が可
能であり、しかも構成が簡単で製造が容易な光学
的温度センサを提供することを目的とする。

この発明による光学的温度センサは、少なくと
も１つの入出力用単一モード光導波路と、この入
出力用光導波路の一端に結合された１対の温度検
出用単一モード光導波路とを有する基板、および
温度検出用光導波路の光波を反射させる手段を備
え、１対の温度検出用光導波路の長さが互いに異
なることを特徴とする。入出力用光導波路に入力
した光波は、１対の温度検出用光導波路に分岐し
て伝搬し、反射手段によつて反射されて反対方向
に伝搬し再び入出力用光導波路に入つて重ね合わ
される。１対の温度検出用光導波路の長さが互い
に異なるから、それらの熱膨脹係数が等しくて
も、温度変化に対するそれらの長さの変化は互い
に異なり、１対の光導波路の長さの差は温度によ
つて変化する。したがつて、１対の光導波路を伝
搬する光波の位相差が温度によつて変化する。入
出力用光導波路から出射される光の強度はこの位
相差の変化によつて変化するから、出射光の強度
を測定することにより、温度を知ることができ
る。所定の基準温度において、１対の温度検出用
光導波路の長さを、両光導波路を伝搬する光波の
位相差が0°または180°になるように設定しておく
ことが好ましい。

この発明においては、１対の光導波路の長さの
差の温度による変化を利用しているから、温度を
精度よく検出することができる。しかも基板上に
形成された光導波路構造および反射手段という簡
単な構造であり、製作が容易となる。

この発明の実施例の説明に先だち、その実施例
が利用される特殊な光導波路構造について説明し
ておく。

第１図において、１対の単一モード光導波路１
と２がその一端において微小角度θ1で交差してい
る。これらの光導波路１と２とは等しい巾W1，
W2を有しており、したがつて位相定数が等しく
設定されている。もう１対の単一モード光導波路
３と４とがあり、これらの光導波路３と４もまた
一端にて微小角度θ2で交差している。光導波路３
と４の巾W3とW4とは異なり、光導波路４の巾
W4は光導波路３の巾W3よりも狭くなつている。
したがつて、光導波路３と４の位相定数は異な
り、光導波路３の方が大きい。このような光導波
路１，２と光導波路３，４とは、これらの光導波
路がほぼ直線状になるように、それぞれの交差部
で結合されている。この結合部を符号５で示す。
説明の便宜のために、光導波路１，２から光導波
路３，４に向う方向をＺ軸、紙面に垂直な方向を
Ｘ軸として、XYZ座標軸をとる。また、光導波
路１，２を対称側、光導波路３，４を非対称側と
呼ぶ。

簡単のために、Ｘ方向には変化のない２次元構
造を考える。また、２つの交差角θ1，θ2はいずれ
も十分に小さく、光波はほぼＺ方向に進行し、Ｚ
方向の微小変化に対して光導波路１と２の間隔、
および光導波路３と４の間隔の変化は無視できる
ものとする。すなわち、結合部５を除いて、微小
区間を考えれば、２本の平行な光導波路があり、
Ｙ方向に一様な５層構造が形成されている、とみ
なすことができるものとする。このような場合に
は、ローカル・ノーマル・モード（Local
Normal Mode）による解析法が適用できる。

よく知られているように、２つの単一モード光
導波路からなる５層光導波路の固有モードには、
偶モードと奇モードの２種類がある。第２図ａ，
ｂには、この５層光導波路構造における偶モード
と奇モードの伝搬状態がそれぞれ示されている。
第２図ｃには、この５層光導波路構造の偶、奇両
モードの位相定数の変化の様子が示されている。
光導波路１，２からなる対称側において、結合部
５から十分に遠く、光導波路１と２の間隔が広い
位置では、光導波路１と２の間の結合が無視でき
るため２つの固有モードは縮退し、両モードの位
相定数は等しい。結合部５に近づくにつれて縮退
がとけて両モードの位相定数の差が大きくなる。
結合部５では、２つの光導波路が１つになり、３
層光導波路構造となるため、偶モードは３層光導
波路の基本モード（位相定数の大きい方）に、奇
モードは１次モード（位相定数の小さい方）にそ
れぞれ移行する。結合部５を過ぎて、光導波路３
と４からなる非対称側にはいると、非導波路３と
４の間隔が再び拡大するため両モードの位相定数
の差は減少するが、光導波路３と４の位相定数が
異なるので偶、奇モードの位相定数はそれぞれ異
なる値に漸近する。この例では、光導波路３の幅
が光導波路４の幅より広くなつているから、位相
定数は光導波路３のほうが大きい。したがつて、
偶モードの光波パワーは光導波路３に、奇モード
の光波パワーは光導波路４にそれぞれ集中する。

上述の説明は、光が対称側から非対称側に伝搬
する場合のものであるが、非対称側から対称側に
光が進む場合には、上述の説明を逆にたどればよ
い。

第３図は、上述の光導波路に対称側から種々の
光波を入力したときに得られる光波出力を示して
いる。第３図ａは、対称側の２つの光導波路１，
２に同相の光波が入力した場合である。対称側で
は偶モードが励振されて伝搬し、結合部５では基
本モードに、非対称側では再び偶モードにそれぞ
れ変化する。非対称側における偶モードの光波パ
ワーは光導波路３に集中しているため、出力光波
は光導波路３から得られる。第３図ｂは、互いに
逆相の光波を対称側の２つの光導波路１，２に入
力した場合である。対称側では奇モードが励振さ
れて伝搬し、結合部５では１次モードに、非対称
側では再び奇モードにそれぞれ変化する。非対称
側における奇モードの光波パワーは光導波路４に
集中しているため、出力光波は光導波路４から得
られる。第３図ｃは、光波が光導波路１にのみ入
力した場合である。この場合には、対称側で偶モ
ードと奇モードとが等しいパワーで励振されたと
考えられるから、第３図ａとｂの重ね合わせとな
り、光導波路３と４に等しいパワーの光波が出力
される。

光波が非対称側から入力することもでき、この
場合には上述した逆の過程をたどる。たとえば、
光導波路３に光波が入力した場合には、対称側の
両光導波路１と２とから同相の光波が出力される
（第３図ａに破線の矢印で示す）。他についても同
じように考えることができる。以上の考案から、
この光導波路構造が通常の光ビーム・スプリツタ
（たとえばハーフ・ミラー）と等価な機能を有す
るものであることが理解されよう。

第４図は実施例を示している。Ｚカツトの
LiNbO₃結晶基板１０の一面上に、Tiを熱拡散す
ることにより、第１図に示すような光導波路１と
２の対、光導波路３と４の対およびこれらの交差
部の結合部５が形成されている。これらの光導波
路１〜４の結合部５と反対側端部には、平行な光
導波路１１，１２，１３，１４がそれぞれ連続し
ている。光導波路３，１３が入力用、光導波路
４，１４が出力用、光導波路１，２，１１，１２
が温度検出用である。このような使い方は、第３
図ａに破線で示すように、光波を非対称側から入
力するものと同じである。光導波路１と２の交差
角、光導波路３と４の交差角θ1，θ2はいずれも
1.2°以下の小さい値にとられている。基板１０の
光導波路１１，１２側の端面にはAlを蒸着する
ことにより反射膜６が形成されている。

入力用光導波路１３には適当な光源（図示略）
から光学系または光フアイバなどを通して光が入
射される。出力用光導波路１４は、光学系または
光フアイバを介して光電検出器（図示略）に結合
されている。光導波路１３から入射された光は両
光導波路１，２に等しく分れて伝搬し、反射膜８
で反射したのち再び光導波路１１，１２をそれぞ
れ伝搬して結合部５に至る。両光導波路１１，１
２（すなわち１，２）の光波が同相であれば両光
波はすべて光導波路３に移つて光導波路１３から
出力光が得られる。光導波路１１，１２を伝搬す
る光波に位相差があると、この位相差に応じた強
度の光が光導波路１４から出射する。したがつ
て、この出力光の強度を測定することにより温度
を知ることができる。

光導波路１および１１の長さの和すなわち光導
波路１および１１を通る結合部５から反射膜６ま
での距離と、光導波路２および１２の長さの和す
なわち光導波路２および１２を通る結合部５から
反射膜６までの距離との差ldを、所定の基準温度
たとえば０℃または室温（20℃）において、次式
を満足するように設定しておく。

ld＝Ｍ×（λo／2n） ……(1) ここでＭは整数、λoは自由空間での光の波長、
ｎは光導波路の等価屈折率である。

上記の所定基準温度においては、結合部５で光
導波路１，２に分岐し、反射膜６で反射して再び
結合部５に戻つてきた光波が結合部５で重ね合わ
されるときに、これらの光波の位相差は、光導波
路中の波長λo／ｎの整数Ｍ倍となるため、これ
らの重ね合わされた光波は光導波路３にのみ進
み、出力光は光導波路１３から得られる。

交差角θ1，θ2は非常に小さく、すべての光導波
路は同じ方向（この実施例ではＸ軸方向、第１図
の軸方向とは異なる）にそつていると考えられ
る。したがつて、温度による光導波路の長さの変
化を熱膨脹係数αxxを用いて計算することができ
る。LiNbO₃の場合には、αxx＝1.54×10^-50C^-1
である。温度変化ΔTに対する光導波路の長さの
差ldの変化Δldは次式で与えられる。

Δld／ld＝1.54×10^-5×ΔT ……(2) 第(1)式および第(2)式より、 ΔT＝（2n／Mλo）（Δld／1.54×10^-5） ……(3) を得る。

Δldがλo／4nのときに、結合部５で重ね合わさ
れる光波にλo／2nの位相差、すなわち光導波路
中の光の波長の半分の位相が生じ、光導波路１３
からの出力光は零となり、光導波路１４からのみ
出力光が得られる。このときには、第(3)式より、 ΔT≒32500／Ｍ ……(4) となる。温度の変化に帯する光導波路１４からの
出力光の変化の特性が第５図に示されている。光
導波路の長さの差ldを適当に設定することによ
り、温度測定の範囲および精度を選定することが
できる。

第４図において、光導波路１４から光を入射さ
せ光導波路１３から検出光を得るようにしてもよ
い。また、光導波路１，１１，２，１２を入出力
用、光導波路３，１３，４，１４を温度検出用と
することも可能である。

光導波路１１と１２における光の反射位置を、
λo／4nだけ異ならせておけば、基準温度におい
て光導波路１４から最大強度の出力光が得られ
る。光の反射手段は基板１０に形成せずに、基板
１０の外部に設けてもよい。そして、反射手段と
しては反射鏡以外にたとえば光フアイバの端面を
利用してもよい。

第６図はこの発明の他の実施例を示している。
ガラス基板２０上に銀イオンを電界拡散させるこ
とにより、入出力用単一モード光導波路２４、こ
の光導波路２４に結合され長さの異なる分岐路部
分をもつＹ字形光分岐路２３、およびこのＹ字形
光分岐路２３にそれぞれつながる１対の平行な温
度検出用単一モード光導波路２１，２２が形成さ
れ、基板２０の光導波路２１，２２側端面にAl
を蒸着することにより反射膜２５が形成されてい
る。分岐点から反射膜２５までの光導波路２１と
２２の長さは上述の実施例の場合と同じように異
なつている。この実施例においては、光導波路２
４が光波の入力用および出力用になつている。光
導波路２４から出力される光は温度によつて強度
変調される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、導波形光ビーム・スプリツタの動作
原理を示す構成図、第２図ａ，ｂは、このビー
ム・スプリツタにおける固有モードの伝搬の様子
を示す図、第２図ｃは位相定数の変化を示すグラ
フ、第３図は、このビーム・スプリツタへの光波
の入力と出力との種々の関係を示す図、第４図
は、この発明の実施例を示す斜視図、第５図は、
出力光の強度の温度による変化を示すグラフ、第
６図はこの発明の他の実施例を示す斜視図であ
る。 １，２，１１，１２，２１，２２……温度検出
用単一モード光導波路、３，４，１３，１４，２
４……入出力用単一モード光導波路、１０，２０
……基板、６，２５……反射膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも１つの入出力用単一モード光導波
   路と、この入出力用光導波路の一端に結合された
   １対の温度検出用単一モード光導波路とを有する
   基板、および温度検出用光導波路の光波を反射さ
   せる手段を備え、１対の温度検出用光導波路の長
   さが互いに異なる、光学的温度センサ。 ２ 入出力用光導波路に光波を入射させる手段、
   および入出力用光導波路から出射する光の強度を
   検出する手段を備えている、特許請求の範囲第１
   項記載の光学的温度センサ。