JPH055054B2 - - Google Patents
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- JPH055054B2 JPH055054B2 JP59089623A JP8962384A JPH055054B2 JP H055054 B2 JPH055054 B2 JP H055054B2 JP 59089623 A JP59089623 A JP 59089623A JP 8962384 A JP8962384 A JP 8962384A JP H055054 B2 JPH055054 B2 JP H055054B2
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- waveguide
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、光のモード分散を利用して外部の物
理的、化学的変化を検出する光学センサーに関す
る。
理的、化学的変化を検出する光学センサーに関す
る。
従来、光を利用して外部の物理的、化学的変化
を検出するものとして第５図に示すような光導波
路型温度センサが知られている。図の温度センサ
はLiNbO3の基板１００上に共通の入出射導波路
１０１から分岐する一対の分岐路１０２，１０３
を設け、分岐路１０２，１０３の路長差は入射光
の波長よりも長くしてあつてマツハツエンダ型干
渉計を構成しており、上記入出射導波路１０１に
それぞれ単一モードフアイバ１０４が接続され
る。上記のセンサの導波路における入出力比は次
の(1)式で与えられる分岐路１０２，１０３の位相
差によつて変化する。
を検出するものとして第５図に示すような光導波
路型温度センサが知られている。図の温度センサ
はLiNbO3の基板１００上に共通の入出射導波路
１０１から分岐する一対の分岐路１０２，１０３
を設け、分岐路１０２，１０３の路長差は入射光
の波長よりも長くしてあつてマツハツエンダ型干
渉計を構成しており、上記入出射導波路１０１に
それぞれ単一モードフアイバ１０４が接続され
る。上記のセンサの導波路における入出力比は次
の(1)式で与えられる分岐路１０２，１０３の位相
差によつて変化する。
△φ＝2πNeff△Ｌ／λ ……(1)
△φ：位相差
Neff：光導波路の有効屈折率
△Ｌ：分岐導波路１０２，１０３の光路長差
λ：伝搬する光の波長
ここでNeffおよび△Ｌは温度のパラメータと
なつており位相差を測定することにより温度変化
を知ることができる。
なつており位相差を測定することにより温度変化
を知ることができる。
上記のような単一モード光を用いた導波路型セ
ンサは光の干渉を利用しているために非常に高感
度であるが、単一モードフアイバはコア径が極め
て微小であるが故に光軸合せ調整、組み立てが難
しくこれら作業に多大の工数を要していた。また
半導体レーザなどの光源のスペクトル変動のため
に干渉縞が安定しないなどの欠点があつた。
ンサは光の干渉を利用しているために非常に高感
度であるが、単一モードフアイバはコア径が極め
て微小であるが故に光軸合せ調整、組み立てが難
しくこれら作業に多大の工数を要していた。また
半導体レーザなどの光源のスペクトル変動のため
に干渉縞が安定しないなどの欠点があつた。
本発明の目的は、従来技術の上述問題点を解決
し、製作が極めて容易でしかも高感度で信頼性の
高い検出を行なうことのできる導波路型センサを
提供することを目的としている。
し、製作が極めて容易でしかも高感度で信頼性の
高い検出を行なうことのできる導波路型センサを
提供することを目的としている。
上記の目的を達成する本発明のセンサは、検出
対象物理量の変化による屈折率および厚みの少な
くとも一方の変化の度合いが異なる二種以上の導
波路を、境界を接して光進行方向に連接してなる
モード分散発生回路と、前記回路の最側端に位置
する１つの導波路を通して前記境界に多モード光
を入射させる手段と、前記境界からの透過光およ
び（または）反射光を受光する受光手段、および
該光のモード変化を検出する検出手段とを備えた
ことを特徴としている。本発明の望ましい実施例
では、薄膜導波路の一端にレンズ、プリズム等の
光学系を介して多モード光伝送フアイバを、その
軸線を導波路間境界線に対し臨界角以内の角度を
つけて斜めに接続する。そして上記境界を屈折透
過した後他方の薄膜導波路を通つて出射する光
を、この導波路に接続した多モード光伝送フアイ
バに入射させ、このフアイバ終端側に接続した受
光検出器により受光量変化を検出する。また前記
境界からの反射光についても前者導波路に接続し
た他の光伝送フアイバに入射させて他の受光検出
器に導いて反射光の光量変化を検出する。光量変
化の検出は透過光または反射光のいずれか一方の
みでもよい。
対象物理量の変化による屈折率および厚みの少な
くとも一方の変化の度合いが異なる二種以上の導
波路を、境界を接して光進行方向に連接してなる
モード分散発生回路と、前記回路の最側端に位置
する１つの導波路を通して前記境界に多モード光
を入射させる手段と、前記境界からの透過光およ
び（または）反射光を受光する受光手段、および
該光のモード変化を検出する検出手段とを備えた
ことを特徴としている。本発明の望ましい実施例
では、薄膜導波路の一端にレンズ、プリズム等の
光学系を介して多モード光伝送フアイバを、その
軸線を導波路間境界線に対し臨界角以内の角度を
つけて斜めに接続する。そして上記境界を屈折透
過した後他方の薄膜導波路を通つて出射する光
を、この導波路に接続した多モード光伝送フアイ
バに入射させ、このフアイバ終端側に接続した受
光検出器により受光量変化を検出する。また前記
境界からの反射光についても前者導波路に接続し
た他の光伝送フアイバに入射させて他の受光検出
器に導いて反射光の光量変化を検出する。光量変
化の検出は透過光または反射光のいずれか一方の
みでもよい。
一般に、導波路を伝搬する導波モードは導波路
を形成するパラメータすなわち媒質の屈折率ｎ、
厚さｄ、使用する光の波長λによつて正確に決ま
つてくる。しかもこれらのパラメータが一定であ
る限りその導波路中を伝搬するモードは互いに独
立でありモード間の相互作用はなく、それぞれの
モードが保存されたままで伝搬する。もしこれら
のパラメータの一部または全部が外部から加えら
れた物理量例えば温度、圧力、電界、磁界、など
によつて影響を受ければ、伝播するモードまたは
モードパラメータは加えられた物理量に比例して
変化することになる。そして本発明のように、物
理量変化による光導波路パラメータの屈折率ある
いは導波路厚みの変化の度合いが異なる例えば二
種の導波路を境界を接して連接し、この境界に多
モード光を入射させると境界において各モードに
対応する光はそれぞれに対応する等価屈折率に従
つて屈折し空間的な分散を生ずる。いま導波路面
に接する外部環境条件例えば温度が変化すると第
一および第二導波路に対応する導波路パラメータ
の屈折率および導波路厚が変化する。このとき第
１と第２の導波路で上記導波路パラメータの温度
依存性が異なるので上記境界において各モードの
屈折角が温度変化に対応して変化することにな
る。したがつて第２の導波路から出射する透過光
を特定点において観測すると上記の屈折角変化に
伴なつて上記観測点を次々と異なるモードの光が
横切ることになり、上記観測点における受光量は
時間とともに正弦波状に変動する。したがつて観
測点におけるモード次数の変化つまり周期的受光
量変動のピーク光量通過数をデイジタル的に計数
すれば基準温度からの温度変化量を極めて精密に
測定することができる。また上記透過光のモード
変化に影響を受けた導波路間境界からの反射光の
光量変化を検出することによつても温度測定を行
なうことができる。
を形成するパラメータすなわち媒質の屈折率ｎ、
厚さｄ、使用する光の波長λによつて正確に決ま
つてくる。しかもこれらのパラメータが一定であ
る限りその導波路中を伝搬するモードは互いに独
立でありモード間の相互作用はなく、それぞれの
モードが保存されたままで伝搬する。もしこれら
のパラメータの一部または全部が外部から加えら
れた物理量例えば温度、圧力、電界、磁界、など
によつて影響を受ければ、伝播するモードまたは
モードパラメータは加えられた物理量に比例して
変化することになる。そして本発明のように、物
理量変化による光導波路パラメータの屈折率ある
いは導波路厚みの変化の度合いが異なる例えば二
種の導波路を境界を接して連接し、この境界に多
モード光を入射させると境界において各モードに
対応する光はそれぞれに対応する等価屈折率に従
つて屈折し空間的な分散を生ずる。いま導波路面
に接する外部環境条件例えば温度が変化すると第
一および第二導波路に対応する導波路パラメータ
の屈折率および導波路厚が変化する。このとき第
１と第２の導波路で上記導波路パラメータの温度
依存性が異なるので上記境界において各モードの
屈折角が温度変化に対応して変化することにな
る。したがつて第２の導波路から出射する透過光
を特定点において観測すると上記の屈折角変化に
伴なつて上記観測点を次々と異なるモードの光が
横切ることになり、上記観測点における受光量は
時間とともに正弦波状に変動する。したがつて観
測点におけるモード次数の変化つまり周期的受光
量変動のピーク光量通過数をデイジタル的に計数
すれば基準温度からの温度変化量を極めて精密に
測定することができる。また上記透過光のモード
変化に影響を受けた導波路間境界からの反射光の
光量変化を検出することによつても温度測定を行
なうことができる。
本発明によれば、多モード光を使用するため従
来の単一モード光を用いる場合に比較して非常に
扱い易く、光伝送フアイバの接続も容易でありセ
ンサの組み立て作業を大幅に簡素化することがで
きる。また光源のスペクトル変動の影響を受け難
く安定した信頼性の高い検出を行なうことができ
る。
来の単一モード光を用いる場合に比較して非常に
扱い易く、光伝送フアイバの接続も容易でありセ
ンサの組み立て作業を大幅に簡素化することがで
きる。また光源のスペクトル変動の影響を受け難
く安定した信頼性の高い検出を行なうことができ
る。
以下本発明を図面に示した実施例に基づき詳細
に説明する。
に説明する。
第１図は本発明に係るセンサの平面図であり、
１つの基板面上に検出対象物理量例えば温度変化
に対する屈折率および厚みのいずれか一方の変化
率が異なる且つ屈折率が基板よりも大な二種の薄
膜導波路２，３を連接してモード分散発生回路１
を構成している。そして第１導波路２の斜断側面
にはモード整合用レンズ４を介して入射用の多モ
ード光伝送フアイバ５が接続されている。
１つの基板面上に検出対象物理量例えば温度変化
に対する屈折率および厚みのいずれか一方の変化
率が異なる且つ屈折率が基板よりも大な二種の薄
膜導波路２，３を連接してモード分散発生回路１
を構成している。そして第１導波路２の斜断側面
にはモード整合用レンズ４を介して入射用の多モ
ード光伝送フアイバ５が接続されている。
すなわち両導波路間境界６に対して斜め方向か
ら多モード光を入射させるようにフアイバ５の軸
線を境界６に対し斜めにして接続している。また
入射フアイバ５から出射し境界６を透過して第二
導波路３から出射する透過光７を受光すべく、他
の多モード光伝送フアイバ８を第二導波路３側面
に接続する。さらに第一導波路２に導波路境界６
からの反射光を受光伝送する他の多モード光伝送
フアイバ９を接続する。上記構造のセンサにおい
て、入射用フアイバ５を通して多モード光１０を
第一導波路２に導入すること、この光の一部は導
波路境界６を透過し、このときモード次数に応じ
て異なる屈折角をもつて角モード光が分散屈折す
る。一例として図において７ａが最高次のモード
光であり７ｎは最低次のモード光である。これに
より上記センサの導波路面が接する感情上けが基
準状態にあるとき特定のモード光７ｒが受光フア
イバ８に入射し、フアイバ８の終端に接続した光
電変換素子等の受光検出子１１Ａで受光が検出さ
れる。いま導波路面周囲の環境の特定物理量例え
ば温度が変化すると両導波路２，３の屈折率ある
いは厚みに絶対変化を生じ、境界６における各モ
ード光７ａ……７ｎの屈折角が温度に対応して変
化することになる。これにより受光フアイバ８を
モード次数の異なる光が次々と横切り、検出子１
１Ａでの受光量は正弦波状に変動する。したがつ
てこの受光量のピーク値の通過数をデイジタル的
に計数すればモード次数の変化量を知ることがで
きる。そして上記センサにおける単位温度差当り
の上記モード次数変化量を予め検定により把握し
ておけば、あとは検出子１１Ａによるモード次数
変化量を検出するだけで基準温度からの温度差を
極めて精密に測定することができる。同様にして
反射光１２におけるモード変化を反射光受光フア
イバ９に接続された受光検出子１１Ｂで読み取る
ことによつても温度を測定することができる。以
下に本発明の具体的数値例を示す。
ら多モード光を入射させるようにフアイバ５の軸
線を境界６に対し斜めにして接続している。また
入射フアイバ５から出射し境界６を透過して第二
導波路３から出射する透過光７を受光すべく、他
の多モード光伝送フアイバ８を第二導波路３側面
に接続する。さらに第一導波路２に導波路境界６
からの反射光を受光伝送する他の多モード光伝送
フアイバ９を接続する。上記構造のセンサにおい
て、入射用フアイバ５を通して多モード光１０を
第一導波路２に導入すること、この光の一部は導
波路境界６を透過し、このときモード次数に応じ
て異なる屈折角をもつて角モード光が分散屈折す
る。一例として図において７ａが最高次のモード
光であり７ｎは最低次のモード光である。これに
より上記センサの導波路面が接する感情上けが基
準状態にあるとき特定のモード光７ｒが受光フア
イバ８に入射し、フアイバ８の終端に接続した光
電変換素子等の受光検出子１１Ａで受光が検出さ
れる。いま導波路面周囲の環境の特定物理量例え
ば温度が変化すると両導波路２，３の屈折率ある
いは厚みに絶対変化を生じ、境界６における各モ
ード光７ａ……７ｎの屈折角が温度に対応して変
化することになる。これにより受光フアイバ８を
モード次数の異なる光が次々と横切り、検出子１
１Ａでの受光量は正弦波状に変動する。したがつ
てこの受光量のピーク値の通過数をデイジタル的
に計数すればモード次数の変化量を知ることがで
きる。そして上記センサにおける単位温度差当り
の上記モード次数変化量を予め検定により把握し
ておけば、あとは検出子１１Ａによるモード次数
変化量を検出するだけで基準温度からの温度差を
極めて精密に測定することができる。同様にして
反射光１２におけるモード変化を反射光受光フア
イバ９に接続された受光検出子１１Ｂで読み取る
ことによつても温度を測定することができる。以
下に本発明の具体的数値例を示す。
基板として石英板（屈折率1.45）を使用し、こ
の石英基板上に光学ガラスBaSFの厚み200μｍの
薄膜からなる第１導波路２および光学ガラスPK
−51の厚み200μｍの薄膜からなる第二導波路３
を設ける。ここでBaSFの屈折率Nbは1.6、単位
温度差当りの屈折率変化量dNb／dT＝９×10-6であ り、PK−51の屈折率NPは1.527、dNP／dT＝９× 10-6である。
の石英基板上に光学ガラスBaSFの厚み200μｍの
薄膜からなる第１導波路２および光学ガラスPK
−51の厚み200μｍの薄膜からなる第二導波路３
を設ける。ここでBaSFの屈折率Nbは1.6、単位
温度差当りの屈折率変化量dNb／dT＝９×10-6であ り、PK−51の屈折率NPは1.527、dNP／dT＝９× 10-6である。
上記例において透過光受光フアイバーで検出さ
れるモードの次数と温度との関係を第３図に示し
た。第３図において横軸は温度差△Ｔ℃、たて軸
はモード次数を示し、グラフ中のパラメータのθ1
は第１図の導波路境界６に対する投射光入射角、
θ2は透過光受光フアイバ８に入射する光線７ｒの
屈折角をあらわす。同図から、例えば入射角θ1＝
72.4°、屈折角θ2＝89°となるような位置にそれぞ
れのフアイバ５，８を接続しておけば、およそ
200℃の温度変化に対して150本程度のモードの次
数変化を生ずることがわかる。また上記の例にお
いて反射光光量変化を測定した結果を第４図のグ
ラフに示す。グラフ中のパラメータθ3は反射光受
光フアイバ９に入射する光の反射角である。この
場合もおよそ200℃の変化に対してフアイバ９に
入射するモード次数は150本程度変化する。
れるモードの次数と温度との関係を第３図に示し
た。第３図において横軸は温度差△Ｔ℃、たて軸
はモード次数を示し、グラフ中のパラメータのθ1
は第１図の導波路境界６に対する投射光入射角、
θ2は透過光受光フアイバ８に入射する光線７ｒの
屈折角をあらわす。同図から、例えば入射角θ1＝
72.4°、屈折角θ2＝89°となるような位置にそれぞ
れのフアイバ５，８を接続しておけば、およそ
200℃の温度変化に対して150本程度のモードの次
数変化を生ずることがわかる。また上記の例にお
いて反射光光量変化を測定した結果を第４図のグ
ラフに示す。グラフ中のパラメータθ3は反射光受
光フアイバ９に入射する光の反射角である。この
場合もおよそ200℃の変化に対してフアイバ９に
入射するモード次数は150本程度変化する。
このようにして屈折で分散したモードの次数変
化を測定した場合は温度の相対的変化が、反射光
量を測定した場合は温度の絶対的変化が測定でき
ることになる。
化を測定した場合は温度の相対的変化が、反射光
量を測定した場合は温度の絶対的変化が測定でき
ることになる。
上述の図示例では二種の導波路を連接してモー
ド分散発生回路１を構成したが、第２図に示すよ
うに透過光の進行方向に屈折率または（および）
厚みの変化率の異なる三種以上の導波路２Ａ，２
Ｂ，２Ｃ……２Ｎを透過光の進行方向に連接して
第１の導波路境界６Ａでモード分散した透過光を
第２の導波路境界６Ｂに斜め入射させるというよ
うに、モード分散した光の分散角を各導波路境界
６Ａ，６Ｂ……で次々と拡大し、最終段の導波路
２Ｎに接続したフアイバ８により受光検出子１１
Ａに導いてモード次数変化を検出すればさらに測
定精度を高めることができる。
ド分散発生回路１を構成したが、第２図に示すよ
うに透過光の進行方向に屈折率または（および）
厚みの変化率の異なる三種以上の導波路２Ａ，２
Ｂ，２Ｃ……２Ｎを透過光の進行方向に連接して
第１の導波路境界６Ａでモード分散した透過光を
第２の導波路境界６Ｂに斜め入射させるというよ
うに、モード分散した光の分散角を各導波路境界
６Ａ，６Ｂ……で次々と拡大し、最終段の導波路
２Ｎに接続したフアイバ８により受光検出子１１
Ａに導いてモード次数変化を検出すればさらに測
定精度を高めることができる。
以上本発明を温度センサについて説明したが、
圧力、振動、歪等地の物理量変化に対しても、測
定の対象となる物理量変化による導波路パラメー
タの変化の度合いが異なる媒質組み合せを用いれ
ば前述実施例と同様に各物理量を精密に測定する
ことができる。
圧力、振動、歪等地の物理量変化に対しても、測
定の対象となる物理量変化による導波路パラメー
タの変化の度合いが異なる媒質組み合せを用いれ
ば前述実施例と同様に各物理量を精密に測定する
ことができる。
第１図は本発明の一実施例を示す平面図、第２
図は本発明の他の実施例を示す平面図、第３図は
本発明に係るセンサで導波路境界への光入射角θ1
およ透過光量測定点に入る光の屈折角θ2を種々変
えた場合の温度と上記測定点での光モード次数と
の関係の一例を示すグラフ、第４図は導波路境界
からの反射光測定点に入る光の反射角θ3を種々変
えた場合の温度と上記反射光測定点での光モード
次数との関係の一例を示すグラフ、第５図は従来
の導波路型センサを示す平面図である。 １……モード分散発生回路、２，２Ａ，２Ｂ…
…２Ｎ，３……導波路、５，８，９……光伝送フ
アイバ、６……導波路境界、７ａ，７ｒ，７ｎ…
…モード分散した透過光、１１Ａ，１１Ｂ……受
光検出子。
図は本発明の他の実施例を示す平面図、第３図は
本発明に係るセンサで導波路境界への光入射角θ1
およ透過光量測定点に入る光の屈折角θ2を種々変
えた場合の温度と上記測定点での光モード次数と
の関係の一例を示すグラフ、第４図は導波路境界
からの反射光測定点に入る光の反射角θ3を種々変
えた場合の温度と上記反射光測定点での光モード
次数との関係の一例を示すグラフ、第５図は従来
の導波路型センサを示す平面図である。 １……モード分散発生回路、２，２Ａ，２Ｂ…
…２Ｎ，３……導波路、５，８，９……光伝送フ
アイバ、６……導波路境界、７ａ，７ｒ，７ｎ…
…モード分散した透過光、１１Ａ，１１Ｂ……受
光検出子。
Claims (1)
- １ １つの基板上に、検出対象物理量の変化に対
する屈折率および厚みの少なくとも一方の変化の
度合いが異なる二種以上の薄膜光導波路を、境界
を接して光進行方向に連接してなるモード分散発
生回路と、前記回路の最側端に位置する１つの導
波路を通して前記境界からの透過光および（また
は）反射光を受光する受光手段、および該光のモ
ード変化を検出する検出手段とを備えたことを特
徴とする導波路型センサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8962384A JPS60233520A (ja) | 1984-05-04 | 1984-05-04 | 導波路型センサ− |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8962384A JPS60233520A (ja) | 1984-05-04 | 1984-05-04 | 導波路型センサ− |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60233520A JPS60233520A (ja) | 1985-11-20 |
| JPH055054B2 true JPH055054B2 (ja) | 1993-01-21 |
Family
ID=13975877
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8962384A Granted JPS60233520A (ja) | 1984-05-04 | 1984-05-04 | 導波路型センサ− |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60233520A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0695112B2 (ja) * | 1987-06-10 | 1994-11-24 | 浜松ホトニクス株式会社 | 電圧検出装置 |
-
1984
- 1984-05-04 JP JP8962384A patent/JPS60233520A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60233520A (ja) | 1985-11-20 |
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