JPH08261713A - Optical waveguide type displacement sensor - Google Patents

Optical waveguide type displacement sensor

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Publication number
JPH08261713A
JPH08261713A JP6278395A JP6278395A JPH08261713A JP H08261713 A JPH08261713 A JP H08261713A JP 6278395 A JP6278395 A JP 6278395A JP 6278395 A JP6278395 A JP 6278395A JP H08261713 A JPH08261713 A JP H08261713A
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JP
Japan
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optical waveguide
waveguide substrate
face
light
gradient index
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Application number
JP6278395A
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Japanese (ja)
Inventor
Akio Watanabe
章夫 渡辺
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Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE: To make possible the attenuation of measurement light by improving the focusing characteristics of measurement light and without providing a reflection prevention film on the boundary surface between a substrate and a boundary surface in an optical waveguide type displacement sensor with an optical waveguide substrate and a refractive index distribution type lens. CONSTITUTION: One end face of an optical waveguide substrate A is formed as an inclined surface (1d) and an input/output terminal for measurement light is formed at the inclined surface (1d). One end face 6a of a refractive index distribution type lens 6 which is arranged so that a light axis center line matches a longer direction X of the optical waveguide substrate A is formed in parallel with the inclined surface (1d) and the other end face 6b is formed vertical to the light axis center line. A reflection prevention film 7 is formed on the end face 6b of the refractive index distribution type lens.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は光学的干渉により被測定
物の変位を測定する光導波路型変位センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical waveguide type displacement sensor for measuring displacement of an object to be measured by optical interference.

【0002】[0002]

【従来の技術】光学的干渉計を用いて被測定物の変位を
測定する方法の一つとして、マイケルソン干渉計の原理
を利用した光導波路型変位センサがある。ニオブ酸リチ
ウム(LiNbO3)やタンタル酸リチウム(LiTaO3)などの電気
光学結晶基板上にマイケルソン干渉計を形成すると、複
雑な光学系の位置合わせが不要であり、かつ、小型の変
形計を実現することができる。マイケルソン干渉計で
は、測定光の光軸と直角な境界面が存在すると、境界面
からの反射光が被測定物からの反射光に混入し、測定精
度を低下させる。
2. Description of the Related Art As one of the methods for measuring the displacement of an object to be measured using an optical interferometer, there is an optical waveguide type displacement sensor utilizing the principle of Michelson interferometer. Forming a Michelson interferometer on an electro-optic crystal substrate such as lithium niobate (LiNbO 3 ) or lithium tantalate (LiTaO 3 ) eliminates the need for complicated optical system alignment, and allows for a small deformation meter. Can be realized. In the Michelson interferometer, when a boundary surface perpendicular to the optical axis of the measurement light exists, the reflected light from the boundary surface is mixed with the reflected light from the object to be measured, and the measurement accuracy is reduced.

【0003】そこで、光導波路型変位センサにおいて
は、測定光用入出力端面を斜面にして境界面からの反射
光を十分に抑制する必要が生じる。しかし、光導波路か
らの出射光は屈折のため光導波路基板の長手方向と平行
にはならず、集光レンズを該出射光の光軸に一致させる
と、測定光の被測定物への入射方向が光導波路基板の長
手方向と一致しなくなり、組み立てが困難になるととも
に、被測定物に対する光導波路型変位センサの位置決め
が困難になるという問題を生じる。
Therefore, in the optical waveguide type displacement sensor, it is necessary to sufficiently suppress the reflected light from the boundary surface by making the input / output end surface for measurement light an inclined surface. However, the light emitted from the optical waveguide is not parallel to the longitudinal direction of the optical waveguide substrate due to refraction, and when the condenser lens is aligned with the optical axis of the emitted light, the incident direction of the measurement light on the DUT is increased. Does not coincide with the longitudinal direction of the optical waveguide substrate, making assembly difficult and positioning the optical waveguide displacement sensor with respect to the object to be measured.

【0004】この問題を解決するために、屈折率分布型
レンズの一方の端面を斜めに研磨する方法がある。この
ような技術としては、例えば、本出願人が特願平6−1
6544において提案したものがある。
In order to solve this problem, there is a method in which one end surface of the gradient index lens is obliquely polished. As such a technique, for example, the applicant of the present invention has a patent application 6-1
There is one proposed in 6544.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
方法においては、屈折率分布型レンズの斜面とする端面
が被測定物に相対する面である場合には、レンズの収差
が大きくなり、測定光の集光特性が低下するという問題
点がある。集光特性が低下するということは、被測定物
の変位を測定する際の横分解能が得られないことを意味
する。また、屈折率分布型レンズの斜面とする端面が光
導波路基板に相対する面である場合には、屈折率分布型
レンズの収差を押さえ、集光特性を良好に保つために
は、測定光の光軸と屈折率分布型レンズの光軸中心線と
を一致させる必要がある。
However, in the above-mentioned method, when the sloped end surface of the gradient index lens is the surface facing the object to be measured, the aberration of the lens becomes large, and However, there is a problem in that the light condensing property of is deteriorated. The deterioration of the light converging property means that the lateral resolution at the time of measuring the displacement of the measured object cannot be obtained. Further, in the case where the inclined end surface of the gradient index lens is a surface facing the optical waveguide substrate, in order to suppress the aberration of the gradient index lens and keep the condensing characteristics good, It is necessary to match the optical axis with the optical axis center line of the gradient index lens.

【0006】そのためには、光導波路基板と屈折率分布
型レンズとを光導波路基板の長手方向とそれに垂直な方
向及び両者の回転方向の三方向に精密に位置合わせを行
うことができるケースを作製しなければならず、ケース
の製造コストを上昇させるという問題点を有していた。
For that purpose, a case is produced in which the optical waveguide substrate and the gradient index lens can be precisely aligned in three directions, that is, the longitudinal direction of the optical waveguide substrate, the direction perpendicular thereto, and the rotating direction of both. Therefore, there is a problem that the manufacturing cost of the case is increased.

【0007】また、従来、測定光の減衰を低減させるた
めには、光導波路端面と屈折率分布型レンズの両斜面に
も反射防止膜を施す必要があったが、細密な光学部品端
面への反射防止膜の形成は製品のコストを高くするとい
う問題点があった。
Further, conventionally, in order to reduce the attenuation of the measurement light, it was necessary to provide an antireflection film on both the end faces of the optical waveguide and the gradient index lens. The formation of the antireflection film has a problem of increasing the cost of the product.

【0008】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであり、本発明の目的は、光導波路基板と屈折率
分布型レンズとを備えた光導波路型変位センサにおい
て、屈折率分布型レンズによる測定光の集光特性に優
れ、かつ、光導波路基板と屈折率分布型レンズの両斜面
に反射防止膜を施すことなく、測定光の減衰を低減する
ことができる製造コストの安価な光導波路型変位センサ
を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical waveguide type displacement sensor having an optical waveguide substrate and a gradient index lens, and a gradient index distribution type sensor. An optical fiber that is excellent in light-condensing characteristics of the measurement light by the lens and that can reduce the attenuation of the measurement light without providing an antireflection film on both slopes of the optical waveguide substrate and the gradient index lens. It is to provide a waveguide type displacement sensor.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明に係る光導波路型変位センサは、長手方向の
両端面のうち少なくとも一方の端面を該長手方向に対し
て斜面とし、該斜面に測定光用入出力端を形成した光導
波路基板と、前記光導波路基板の前記測定光用入出力端
との間で光の伝達が行えるように配置された屈折率分布
型レンズとを備える。前記屈折率分布型レンズはその光
軸中心線が前記光導波路基板の長手方向と一致するよう
に配置されている。また、前記屈折率分布型レンズの端
面のうち前記光導波路基板に相対する端面は前記光導波
路基板の斜面と平行に、かつ、他方の端面は該屈折率分
布型レンズの光軸中心線に対して垂直に形成されてお
り、前記屈折率分布型レンズの他方の端面には反射防止
膜が形成されている。
In order to achieve this object, an optical waveguide type displacement sensor according to the present invention has at least one end face in the longitudinal direction as an inclined face with respect to the longitudinal direction. And an optical waveguide substrate having a measuring light input / output end formed therein, and a gradient index lens arranged so that light can be transmitted between the measuring light input / output end of the optical waveguide substrate. The gradient index lens is arranged so that the optical axis center line thereof coincides with the longitudinal direction of the optical waveguide substrate. Further, of the end faces of the gradient index lens, the end face facing the optical waveguide substrate is parallel to the slope of the optical waveguide substrate, and the other end face is with respect to the optical axis center line of the gradient index lens. Is formed vertically, and an antireflection film is formed on the other end surface of the gradient index lens.

【0010】本発明の好ましい実施態様においては、測
定光の入出力用光導波路が前記光導波路基板の斜面とし
て形成されている端面の法線に対して式(1)を満たす
角度θW をなすように形成される。 nW sin(θW )=n1 sin(θt ) (1)
In a preferred embodiment of the present invention, the measuring light input / output optical waveguide makes an angle θ W with respect to the normal line of the end face formed as the inclined surface of the optical waveguide substrate. Is formed as. n W sin (θ W ) = n 1 sin (θ t ) (1)

【0011】ただし、式(1)において、n1 は屈折率
分布型レンズの屈折率、nW は光導波路基板の屈折率、
θt は光導波路基板の斜面として形成されている端面の
法線と光導波路基板の長手方向とのなす角度である。
In the equation (1), n 1 is the refractive index of the gradient index lens, n W is the refractive index of the optical waveguide substrate,
θ t is an angle formed by the normal line of the end face formed as the inclined surface of the optical waveguide substrate and the longitudinal direction of the optical waveguide substrate.

【0012】また、前記光導波路基板と前記屈折率分布
型レンズとは透明な接着剤で接着されることが好まし
い。また、前記光導波路基板の表面には少なくとも光導
波路と方向性結合器が形成されており、前記光導波路基
板の長手方向の両端面のうち、測定光入出力端が形成さ
れている斜面である端面には参照光用反射鏡が形成さ
れ、他方の端面には光源光用入力端と干渉信号光用出力
端とが形成されている。
Further, it is preferable that the optical waveguide substrate and the gradient index lens are bonded with a transparent adhesive. Further, at least an optical waveguide and a directional coupler are formed on the surface of the optical waveguide substrate, and it is an inclined surface on which the measurement light input / output end is formed among both end faces in the longitudinal direction of the optical waveguide substrate. A reference light reflecting mirror is formed on the end face, and a light source light input end and an interference signal light output end are formed on the other end face.

【0013】[0013]

【作用】光源から出射された光は、光導波路基板内の方
向性結合器で二つの光導波路に分岐され、光導波路基板
の長手方向に対して斜面として形成されている端面に導
かれる。一方の光はこの端面に設けられている参照光用
反射鏡により反射され、参照光として再び方向性結合器
に戻る。他方の光は斜面として形成されている端面で屈
折し、屈折率分布型レンズに入射する。
The light emitted from the light source is branched into two optical waveguides by the directional coupler in the optical waveguide substrate, and is guided to the end face formed as an inclined surface with respect to the longitudinal direction of the optical waveguide substrate. One of the lights is reflected by a reference light reflecting mirror provided on this end face, and returns to the directional coupler again as reference light. The other light is refracted at the end face formed as an inclined surface and is incident on the gradient index lens.

【0014】このとき、前記光導波路基板の斜面として
形成されている端面の法線と光導波路基板の長手方向と
のなす角度θt と、測定光の入出力用光導波路が前記光
導波路基板の斜面として形成されている端面の法線とな
す角度θW が式(1)を満たすように形成されており、
且つ屈折率分布型レンズの端面のうち前記光導波路基板
端面に相対する端面の法線と屈折率分布型レンズの長手
方向のなす角度が前記角度θt と等しくなっていると、
光導波路基板の長手方向から斜めに出射された測定光
を、屈折率分布型レンズ端面において屈折させ、測定光
の進行方向を光導波路基板の長手方向に平行な方向に変
えることができるようになる。
At this time, the angle θ t formed by the normal line of the end face formed as the inclined surface of the optical waveguide substrate and the longitudinal direction of the optical waveguide substrate, and the optical waveguide for inputting / outputting the measuring light is the optical waveguide substrate. The angle θ W formed with the normal to the end face formed as a slope is formed so as to satisfy the equation (1),
And, if the angle between the normal line of the end face of the gradient index lens facing the optical waveguide substrate end face and the longitudinal direction of the gradient index lens is equal to the angle θ t ,
The measurement light obliquely emitted from the longitudinal direction of the optical waveguide substrate can be refracted at the end surface of the gradient index lens, and the traveling direction of the measurement light can be changed to a direction parallel to the longitudinal direction of the optical waveguide substrate. .

【0015】さらに、光導波路基板の長手方向と光導波
路基板端面(斜面)の法線とがなす角度は、屈折率分布
型レンズの長手方向と屈折率分布型レンズ端面(斜面)
の法線とがなす角度と同じであるため、光導波路基板と
屈折率分布型レンズとを密着させて接着することができ
る。この場合、接着剤として紫外線硬化樹脂等の透明な
樹脂を使用すれば、接着剤自身の屈折率が屈折率分布型
レンズに近いため、反射が抑制され、光導波路基板と屈
折率分布型レンズ双方の斜面の反射防止膜を省略しても
透過率を高く保つことができる。
Further, the angle formed by the longitudinal direction of the optical waveguide substrate and the normal line of the end face (slope) of the optical waveguide substrate is such that the longitudinal direction of the gradient index lens and the end face of the gradient lens (slope).
Since it is the same as the angle formed by the normal line, the optical waveguide substrate and the gradient index lens can be closely adhered to each other. In this case, if a transparent resin such as an ultraviolet curable resin is used as the adhesive, the adhesive itself has a refractive index close to that of a gradient index lens, so that reflection is suppressed and both the optical waveguide substrate and the gradient index lens are suppressed. Even if the antireflection film on the slope is omitted, the transmittance can be kept high.

【0016】ここで、変位測定精度に悪影響を与える光
導波路基板端面からの反射戻り光強度は、光導波路と光
導波路基板端面(斜面)とのなす角度θW に大きく依存
し、角度θW を大きくするほど、反射戻り光が有効に減
衰される。ニオブ酸リチウム基板にプロトン交換法によ
って形成した光導波路で角度θW を変化させて反射戻り
光の強度を測定すると、図3のような関係が得られる。
図3からわかるように、角度θW は反射戻り光強度が変
位測定精度に悪影響を及ぼさない−50dB以下に抑制
できる5度以上であることが望ましい。
[0016] Here, the reflected return light intensity from the optical waveguide substrate end face adversely affect the displacement measurement accuracy largely depends on the angle theta W of the optical waveguide and the optical waveguide substrate end face (slope), the angle theta W The larger the value, the more effectively the reflected return light is attenuated. When the intensity of the reflected return light is measured by changing the angle θ W with the optical waveguide formed on the lithium niobate substrate by the proton exchange method, the relationship as shown in FIG. 3 is obtained.
As can be seen from FIG. 3, the angle θ W is preferably 5 degrees or more so that the reflected return light intensity can be suppressed to −50 dB or less, which does not adversely affect the displacement measurement accuracy.

【0017】しかしながら、式(1)によれば、角度θ
W が大きくなるとともに、光導波路基板の長手方向と光
導波路基板端面(斜面)の法線のなす角度θt も大きく
なる。角度θt が極端に大きくなると収差が顕著にな
り、測定光Lの集光特性が悪化し、横方向の分解能の劣
化につながる。このため、角度θt は必要最低限の角度
にすることが望ましい。角度θW と式(1)を満たす角
度θt を与えるプリズム(屈折率分布型レンズと同一の
形状を有し、屈折率の分布が付いていないもの)と、プ
リズムから出射された測定光を集光するための収差のな
いレンズを仮定したときの焦点のボケから、屈折率分布
型レンズのプリズム硬化による収差を評価することがで
きる。そこで、このような光学系を想定して光線追跡法
による計算機シュミレーションを行ったところ、図4の
ような結果を得た。ただし、光導波路基板端面から出射
される測定光の広がり角を実測値に照らして半角で0.
05rad、光導波路基板端面からプリズムまでの距離
を1mm、プリズムの屈折率を1.557とした。例え
ば、このような条件下でボケを1μm以下とするために
は、角度θt は13度以下でなければならない。また、
ここで光導波路基板端面(斜面)からプリズムまでの距
離は小さいほど収差が小さくなる。従って、光導波路基
板と屈折率分布型レンズの接着は収差の観点からも有効
である。
However, according to the equation (1), the angle θ
As W increases, the angle θ t formed by the normal to the longitudinal direction of the optical waveguide substrate and the optical waveguide substrate end face (slope) also increases. When the angle θ t becomes extremely large, the aberration becomes remarkable, the condensing characteristic of the measurement light L is deteriorated, and the resolution in the lateral direction is deteriorated. Therefore, it is desirable that the angle θ t be the minimum necessary angle. A prism (having the same shape as the gradient index lens and having no refractive index distribution) that gives an angle θ w and an angle θ t that satisfies Expression (1), and the measurement light emitted from the prism are The aberration due to prism hardening of the gradient index lens can be evaluated from the blur of the focus when an aberration-free lens for focusing is assumed. Then, when a computer simulation by the ray tracing method was performed assuming such an optical system, the result as shown in FIG. 4 was obtained. However, the divergence angle of the measurement light emitted from the end face of the optical waveguide substrate is half-valued to 0.
The distance from the end face of the optical waveguide substrate to the prism was 1 mm, and the refractive index of the prism was 1.557. For example, in order to reduce the blur to 1 μm or less under such a condition, the angle θ t must be 13 degrees or less. Also,
Here, the smaller the distance from the end face (slope) of the optical waveguide substrate to the prism, the smaller the aberration. Therefore, the adhesion of the optical waveguide substrate and the gradient index lens is effective from the viewpoint of aberration.

【0018】屈折率分布型レンズの他方の端面に達した
測定光は被測定物に向けて出射され、被測定物から反射
された光は前述の経路とは逆の経路を経て光導波路基板
に入射する。光導波路基板に戻った測定光は参照光と干
渉し、その干渉光は受光素子に向けて光導波路基板から
出射される。この干渉光の強度変化を検出することによ
り、被測定物の変位を測定することができる。
The measuring light reaching the other end surface of the gradient index lens is emitted toward the object to be measured, and the light reflected from the object to be measured passes through a path opposite to the above-mentioned path to the optical waveguide substrate. Incident. The measurement light returned to the optical waveguide substrate interferes with the reference light, and the interference light is emitted from the optical waveguide substrate toward the light receiving element. The displacement of the object to be measured can be measured by detecting the intensity change of the interference light.

【0019】[0019]

【実施例】図1及び2は本発明に係る光導波路型変位セ
ンサの一実施例を示す。本実施例における光導波路基板
Aはニオブ酸リチウム(LiNbO3)やタンタル酸リチウム(L
iTaO3)などの電気光学結晶基板1からなり、基板1には
光導波路2,3が形成されている。光導波路3には変調
用電極8が設けられている。光導波路基板Aは長手方向
Xに平行な二つの端面1a,1bと、長手方向Xに対し
て斜めに研磨加工された二つの端面1c,1dとを有し
ている。光導波路3は端面1dに対して直角の角度をな
して端面1dに達しており、端面1dには光導波路3の
光を効率よく反射できる金属又は誘電体からなる反射鏡
5が形成されている。光導波路2は端面1dに対して角
度をなして形成されている。また、光導波路2,3には
方向性結合器4が配置されている。
1 and 2 show an embodiment of an optical waveguide type displacement sensor according to the present invention. The optical waveguide substrate A in this embodiment is made of lithium niobate (LiNbO 3 ) or lithium tantalate (L
It is composed of an electro-optic crystal substrate 1 such as iTaO 3 ) and optical waveguides 2 and 3 are formed on the substrate 1. A modulation electrode 8 is provided on the optical waveguide 3. The optical waveguide substrate A has two end faces 1a and 1b parallel to the longitudinal direction X and two end faces 1c and 1d that are obliquely polished with respect to the longitudinal direction X. The optical waveguide 3 reaches the end face 1d at a right angle to the end face 1d, and the end face 1d is provided with a reflecting mirror 5 made of a metal or a dielectric capable of efficiently reflecting the light of the optical waveguide 3. . The optical waveguide 2 is formed at an angle with respect to the end face 1d. A directional coupler 4 is arranged in the optical waveguides 2 and 3.

【0020】本実施例においては、屈折率分布型レンズ
としてセルフォックスレンズ(商品名)6を用いてい
る。セルフォックスレンズ6はその光軸中心線が光導波
路基板Aの長手方向Xと一致するように配置され、さら
に、セルフォックスレンズ6は透明接着剤で光導波路基
板Aに接着されている。セルフォックスレンズ6は光導
波路基板Aの端面1d(斜面)と同一傾斜角度を有する
端面6aと光軸に対して直角をなす端面6bとを有して
いる。セルフォックスレンズ6の端面6bには反射防止
膜7が形成されている。なお、本実施例におけるセルフ
ォックスレンズ6の光軸上屈折率は1.557、屈折率
分布定数は0.059049である。
In this embodiment, a SELFOX lens (trade name) 6 is used as the gradient index lens. The SELFOX lens 6 is arranged such that its optical axis center line coincides with the longitudinal direction X of the optical waveguide substrate A, and the SELFOX lens 6 is bonded to the optical waveguide substrate A with a transparent adhesive. The cell fox lens 6 has an end face 6a having the same inclination angle as the end face 1d (slope) of the optical waveguide substrate A and an end face 6b perpendicular to the optical axis. An antireflection film 7 is formed on the end surface 6b of the SELFOX lens 6. The on-axis refractive index of the SELFOX lens 6 in this example is 1.557, and the refractive index distribution constant is 0.059049.

【0021】ニオブ酸リチウム基板の屈折率は約2.2
であり、屈折率分布型レンズの一種であるセルフォック
レンズ6の屈折率は約1.6である。式(1)に従え
ば、角度θW を5度以上とすると角度θt は6.88度
以上、角度θt を13度以下とすると角度θW は9.4
2度以下とすればよいことになるが、光導波路基板A及
びセルフォックレンズ6の端面1d,端面6aの加工の
容易さを考慮して、角度θt は8度、角度θW は5.8
度に設定した。このように設定された端面1dを有する
光導波路基板Aから測定光Lが出射したとき、セルフォ
ックレンズ6で屈折及び集光を行った場合の集光特性を
光線追跡法による計算機シュミレーションで検討した。
The refractive index of the lithium niobate substrate is about 2.2.
The SELFOC lens 6, which is a kind of gradient index lens, has a refractive index of about 1.6. According to the equation (1), when the angle θ W is 5 degrees or more, the angle θ t is 6.88 degrees or more, and when the angle θ t is 13 degrees or less, the angle θ W is 9.4.
Although it may be set to 2 degrees or less, the angle θ t is 8 degrees and the angle θ W is 5 degrees in consideration of the ease of processing the end faces 1d and 6a of the optical waveguide substrate A and the SELFOC lens 6. 8
Set in degrees. When the measurement light L is emitted from the optical waveguide substrate A having the end face 1d set in this way, the condensing characteristics when refracting and condensing with the SELFOC lens 6 were examined by computer simulation by the ray tracing method. .

【0022】図5はセルフォックレンズ6の光導波路基
板側端面である入射側端面6aの角度を0度、被測定物
側である出射側端面6bの角度を8度とした場合の焦点
付近の光線を示しており、図6は入射側端面6aの角度
を8度、出射側端面6bの角度を0度とした場合の焦点
付近の光線を示したものである。ただし、このシュミレ
ーションでは、光導波路端面から出射される測定光Lの
広がり角を計算の容易さから実測値の0.05radで
はなく、0.2radとしたが、前述の操作によるシュ
ミレーション結果の傾向は変わるものではない。図6の
最良像面のずれが光軸方向で50μm以下、測定光が最
も集光されるビームウェストの大きさが3μm以下であ
るのに対して、図5では最良像面のずれが光軸方向で3
00μm程度ばらついており、ビームウェストの大きさ
も10μm以上に広がっている。この結果は屈折率分布
型レンズの入射側端面を斜面に加工する方法の有用性を
示している。
FIG. 5 shows the vicinity of the focal point when the angle of the incident side end face 6a which is the end face of the SELFOC lens 6 on the optical waveguide substrate side is 0 ° and the angle of the output side end face 6b which is the DUT side is 8 °. FIG. 6 shows light rays, and FIG. 6 shows light rays near the focal point when the angle of the incident side end face 6a is 8 degrees and the angle of the outgoing side end face 6b is 0 degree. However, in this simulation, the divergence angle of the measurement light L emitted from the end face of the optical waveguide is set to 0.2 rad instead of the measured value of 0.05 rad for ease of calculation, but the tendency of the simulation result by the above-described operation is It doesn't change. The displacement of the best image plane in FIG. 6 is 50 μm or less in the optical axis direction, and the size of the beam waist on which the measurement light is most condensed is 3 μm or less, whereas in FIG. 3 in direction
There is a variation of about 00 μm, and the size of the beam waist spreads to 10 μm or more. This result shows the usefulness of the method of processing the incident side end surface of the gradient index lens element into a sloped surface.

【0023】前述したように、セルフォックスレンズ6
の出射側端面6bは光軸と垂直に形成されているため、
出射側端面6bには反射防止膜7が形成されている。出
射側端面6bからは反射防止膜7の特性の限界により
0.2%(−27dB)程度の反射戻り光を生じる。信
号光の検出限界が参照光に対して−50dBとすると、
この反射戻り光光量が全て光導波路に結合した場合に
は、測定精度を大きく劣化させることになるが、出射側
端面6bから0.6〜1.4mm程度のワーキングディ
スタンスで測定光Lが集光されるピッチ(レンズ内の光
の蛇行周期)が0.4〜0.45のセルフォックスレン
ズ6を集光系に用いると、図7に示すように、反射戻り
光はセルフォックスレンズ6内で一度集光された後、拡
散光として光導波路端面に到達するため、光導波路2,
3に結合する反射戻り光光量は測定に影響を与えない程
度に抑制される。
As described above, the SELFOX lens 6
Since the emission side end face 6b of is formed perpendicular to the optical axis,
An antireflection film 7 is formed on the emission side end face 6b. Reflected return light of about 0.2% (-27 dB) is generated from the emission side end face 6b due to the limit of the characteristics of the antireflection film 7. If the detection limit of the signal light is −50 dB with respect to the reference light,
When all of this reflected return light amount is coupled to the optical waveguide, the measurement accuracy is significantly deteriorated, but the measurement light L is condensed from the exit end face 6b with a working distance of about 0.6 to 1.4 mm. If a self-focusing lens 6 having a pitch (the meandering period of light in the lens) of 0.4 to 0.45 is used in the condensing system, the reflected return light is reflected in the self-focusing lens 6 as shown in FIG. After being condensed once, it reaches the end face of the optical waveguide as diffused light.
The amount of reflected return light coupled to 3 is suppressed to the extent that it does not affect the measurement.

【0024】光導波路基板Aの長手方向Xの両端面1
c,1dには端面ブロックと呼ばれる端面保護用の部品
を装荷して両端面1c,1dの傾斜角度が8度になるよ
うに研磨した。端面1cには光信号の入出力用光ファイ
バーを接続した。この入力用光ファイバーにLD光源を
入射し、傾斜角度8度の端面1dから出射する光強度を
測定したところ、50μW程度の測定光出力が確認でき
た。
Both end surfaces 1 of the optical waveguide substrate A in the longitudinal direction X
Parts c and 1d for protecting the end surfaces called end surface blocks were loaded and polished so that both end surfaces 1c and 1d had an inclination angle of 8 degrees. An optical fiber for inputting and outputting an optical signal was connected to the end face 1c. When the LD light source was made incident on this input optical fiber and the light intensity emitted from the end face 1d having an inclination angle of 8 degrees was measured, a measured light output of about 50 μW could be confirmed.

【0025】次に、長さ11mm(ピッチ0.42)の
セルフォックスレンズ6を光導波路基板Aの端面1d
(傾斜角度8度)に接着した。セルフォックスレンズ6
の位置合わせは顕微鏡で観察して行ったが、光導波路基
板Aとセルフォックスレンズ6とを密着させるためには
長手方向Xに垂直な方向の位置合わせだけで十分であ
る。接着剤には紫外線硬化樹脂を用いた。紫外線硬化樹
脂の屈折率は1.5程度であり、接着剤とレンズの境界
面での反射は屈折率差が小さいため、ほとんど無視する
ことができる。光導波路基板Aと接着剤の境界面での透
過率Tは理論的には式(2)で計算でき、約96.4%
となる。 T=1−(nw −na )2/(nw +na )2 (2) 式(2)において、nw は光導波路基板の屈折率、na
は紫外線硬化樹脂の屈折率である。反射防止膜7を設け
ないニオブ酸リチウム基板端面における透過率は約86
%であるから、光導波路基板Aとセルフォックスレンズ
6とを密着させ、透明な接着剤で接着することにより、
約10%の改善が図れる。実際には、測定光Lは往復で
光導波路基板Aと接着剤との境界面を透過するため、約
20%の改善を図ることができることになる。
Next, the cellfox lens 6 having a length of 11 mm (pitch 0.42) is attached to the end surface 1d of the optical waveguide substrate A.
It was adhered (at an inclination angle of 8 degrees). Self fox lens 6
Although the positioning was performed by observing with a microscope, the positioning in the direction perpendicular to the longitudinal direction X is sufficient to bring the optical waveguide substrate A and the SELFOX lens 6 into close contact with each other. An ultraviolet curable resin was used as the adhesive. The refractive index of the ultraviolet curable resin is about 1.5, and the reflection at the interface between the adhesive and the lens has a small difference in the refractive index and can be almost ignored. The transmittance T at the interface between the optical waveguide substrate A and the adhesive can be theoretically calculated by the equation (2), and is about 96.4%.
Becomes T = 1- (n w -n a ) 2 / (n w + n a) 2 (2) In the equation (2), n w is the refractive index of the optical waveguide substrate, n a
Is the refractive index of the ultraviolet curable resin. The transmittance of the end surface of the lithium niobate substrate without the antireflection film 7 is about 86.
%, So that the optical waveguide substrate A and the SELFOX lens 6 are brought into close contact with each other, and are adhered with a transparent adhesive,
An improvement of about 10% can be achieved. Actually, since the measurement light L reciprocates and passes through the boundary surface between the optical waveguide substrate A and the adhesive, an improvement of about 20% can be achieved.

【0026】光導波路基板Aの端面1cに望む光導波路
2には光ファイバーによりレーザ光が入力され、他方、
光導波路3からは干渉光が光ファイバーにより測定装置
に導かれるようにした。次いで、ボンディングで変調用
電極8に電気的結線を行った。さらに、光導波路基板A
及びセルフォックスレンズ6を機械的な衝撃から保護す
るために光導波路基板A及びセルフォックスレンズ6の
全体をステンレス製ケースに収納した。この場合、両者
を密着させるため位置合わせの方向は一方向のみでよい
ため、高い加工精度を必要としない安価なケースで十分
であった。
Laser light is input to the optical waveguide 2 desired on the end face 1c of the optical waveguide substrate A by an optical fiber, while
The interference light is guided from the optical waveguide 3 to the measuring device by an optical fiber. Next, the modulation electrode 8 was electrically connected by bonding. Furthermore, the optical waveguide substrate A
The optical waveguide substrate A and the SELFOX lens 6 as a whole were housed in a stainless case in order to protect the SELFOX lens 6 from mechanical impact. In this case, since only one direction is required to bring the two into close contact with each other, it is sufficient to use an inexpensive case that does not require high processing accuracy.

【0027】このように作製した光導波路型変位センサ
で位相変調を行い、被測定物の変位を測定したところ、
測定精度が数nm以下と良好なものであった。このこと
は実験的にも、不要な反射戻り光が十分に抑制されてい
ることを示唆するものである。さらに、集光特性を評価
するために、ニオブ酸リチウム基板上に形成したライン
/スペースを測定し、4μm以下の横分解能があること
を確認した。これは、測定光が4μm程度に効果的に集
光されており、本発明により4μm以下の横分解能特性
が実現されたことを示している。
When the displacement of the object to be measured was measured by performing phase modulation with the optical waveguide type displacement sensor thus manufactured,
The measurement accuracy was as good as several nm or less. This suggests experimentally that unnecessary reflected return light is sufficiently suppressed. Further, in order to evaluate the light condensing characteristics, the line / space formed on the lithium niobate substrate was measured, and it was confirmed that there was a lateral resolution of 4 μm or less. This indicates that the measurement light is effectively condensed to about 4 μm, and that the present invention has realized the lateral resolution characteristic of 4 μm or less.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によって、集
光特性すなわち横分解能に優れた高精度の光導波路型変
位センサを提供することができる。さらに、本発明に係
る光導波路型変位センサにおいては、光導波路基板と屈
折率分布型レンズの両斜面に反射防止膜を施す必要はな
く、安価な製造コストで測定光の減衰を低減することが
できる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a highly accurate optical waveguide type displacement sensor having excellent light condensing characteristics, that is, lateral resolution. Furthermore, in the optical waveguide displacement sensor according to the present invention, it is not necessary to provide an antireflection film on both slopes of the optical waveguide substrate and the gradient index lens, and the attenuation of the measurement light can be reduced at a low manufacturing cost. it can.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る光導波路型変位センサの一実施例
の概略的な断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view of an embodiment of an optical waveguide type displacement sensor according to the present invention.

【図2】図1における光導波路基板と屈折率分布型レン
ズとの接合部分の拡大説明図である。
FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a joint portion between the optical waveguide substrate and the gradient index lens in FIG.

【図3】光導波路基板端面(斜面)の法線に対する光導
波路の角度θW を変化させたときの反射戻り光の変化を
示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a change in reflected return light when an angle θ W of the optical waveguide with respect to a normal line of the end surface (slope) of the optical waveguide substrate is changed.

【図4】屈折率分布型レンズのプリズム効果による収差
を表すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing aberration due to a prism effect of a gradient index lens.

【図5】セルフォックスレンズの出射面を8度に研磨し
た場合において、光導波路から斜めに出射する光線のセ
ルフォックスレンズによる集光特性の光線追跡法による
計算機シュミレーションを示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a computer simulation by a ray tracing method of a condensing characteristic of a light beam obliquely emitted from an optical waveguide when the emission surface of the SELFOX lens is polished to 8 degrees.

【図6】セルフォックスレンズの入射面を8度に研磨し
た場合において、光導波路から斜めに出射する光線のセ
ルフォックスレンズによる集光特性の光線追跡法による
計算機シュミレーションを示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a computer simulation by a ray tracing method of a condensing characteristic of a light beam obliquely emitted from an optical waveguide when the incident surface of the SELFOX lens is polished to 8 degrees.

【図7】光軸に対して垂直なセルフォックスレンズ端面
からの反射戻り光の光線追跡法による計算機シュミレー
ションを示したグラフである。
FIG. 7 is a graph showing a computer simulation by a ray tracing method of reflected return light from the end face of the SELFOX lens perpendicular to the optical axis.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

A 光導波路基板 1 電気光学結晶基板 1a,1b,1c,1d 光導波路基板端面 2,3 光導波路 4 方向性結合器 5 反射鏡 6 セルフォックスレンズ 6a,6b セルフォックスレンズ 7 反射防止膜 L 測定光 A optical waveguide substrate 1 electro-optical crystal substrate 1a, 1b, 1c, 1d optical waveguide substrate end face 2,3 optical waveguide 4 directional coupler 5 reflecting mirror 6 cellfox lens 6a, 6b cellfox lens 7 antireflection film L measurement light

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 長手方向の両端面のうち少なくとも一方
の端面を該長手方向に対して斜面とし、該斜面に測定光
用入出力端を形成した光導波路基板と、 前記光導波路基板の前記測定光用入出力端との間で光の
伝達が行えるように配置された屈折率分布型レンズとを
備え、 前記屈折率分布型レンズはその光軸中心線が前記光導波
路基板の長手方向と一致するように配置され、 前記屈折率分布型レンズの端面のうち前記光導波路基板
に相対する端面は前記光導波路基板の斜面と平行に、か
つ、他方の端面は該屈折率分布型レンズの光軸中心線に
対して垂直に形成されており、 前記屈折率分布型レンズの他方の端面には反射防止膜が
形成されていることを特徴とする光導波路型変位セン
サ。
1. An optical waveguide substrate in which at least one end face in the longitudinal direction is inclined with respect to the longitudinal direction, and a measuring light input / output end is formed on the inclined face, and the measurement of the optical waveguide substrate. A gradient index lens arranged so that light can be transmitted to and from the light input / output end, and the optical axis center line of the gradient index lens coincides with the longitudinal direction of the optical waveguide substrate. The end surface of the gradient index lens facing the optical waveguide substrate is parallel to the slope of the optical waveguide substrate, and the other end surface is the optical axis of the gradient index lens. An optical waveguide type displacement sensor, which is formed perpendicularly to a center line, and an antireflection film is formed on the other end surface of the gradient index lens.
【請求項2】 前記光導波路基板の斜面として形成され
ている端面の法線と光導波路基板の長手方向とのなす角
度θt と、測定光の入出力用光導波路が前記光導波路基
板の斜面として形成されている端面の法線となす角度θ
W が式(1)を満たすように形成されており、且つ、前
記屈折率分布型レンズの端面のうち前記光導波路基板端
面に相対する端面の法線と屈折率分布型レンズの長手方
向のなす角度が前記角度θt と等しいことを特徴とする
請求項1に記載の光導波路型変位センサ。 nW sin(θW )=n1 sin(θt ) (1) ただし、n1 は屈折率分布型レンズの屈折率、nW は光
導波路基板の屈折率である。
2. An angle θ t formed by a normal line of an end face formed as a sloped surface of the optical waveguide substrate and a longitudinal direction of the optical waveguide substrate, and an optical waveguide for inputting / outputting measurement light is a sloped surface of the optical waveguide substrate. Angle θ with the normal to the end face formed as
W is formed so as to satisfy the expression (1), and the normal line of the end face of the gradient index lens facing the end face of the optical waveguide substrate and the longitudinal direction of the gradient index lens are formed. The optical waveguide displacement sensor according to claim 1, wherein the angle is equal to the angle θ t . n W sin (θ W ) = n 1 sin (θ t ) (1) where n 1 is the refractive index of the gradient index lens and n W is the refractive index of the optical waveguide substrate.
【請求項3】 前記光導波路基板と前記屈折率分布型レ
ンズとは透明な接着剤で接着されていることを特徴とす
る請求項1又は2に記載の光導波路型変位センサ。
3. The optical waveguide type displacement sensor according to claim 1, wherein the optical waveguide substrate and the gradient index lens are bonded to each other with a transparent adhesive.
【請求項4】 前記光導波路基板の表面には少なくとも
光導波路と方向性結合器が形成されており、前記光導波
路基板の長手方向の両端面のうち、測定光入出力端が形
成されている斜面である端面には参照光用反射鏡が形成
され、他方の端面には光源光用入力端と干渉信号光用出
力端とが形成されていることを特徴とする請求項1乃至
3の何れか一項に記載の光導波路型変位センサ。
4. An optical waveguide and a directional coupler are formed on at least a surface of the optical waveguide substrate, and a measurement light input / output end is formed on both end faces in the longitudinal direction of the optical waveguide substrate. 4. The reference light reflecting mirror is formed on the inclined end surface, and the light source light input end and the interference signal light output end are formed on the other end surface. An optical waveguide type displacement sensor according to item 1.
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