JPH1019785A

JPH1019785A - 光導波路型センサ

Info

Publication number: JPH1019785A
Application number: JP17834996A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ito; 伊藤　　博; Manabu Kagami; 学各務
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1996-07-08
Filing date: 1996-07-08
Publication date: 1998-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】強い電磁環境下でも被測定量の分布を乱すこと
なく測定する。【解決手段】高分子フィルムを積層して構成した光集積
回路７には、光を伝播させる光導波路１が形成されてい
る。光導波路１の一端は、光ファイバ８４の一端と光結
合され、他端は光ファイバ８５と光結合されている。光
ファイバ８４には、電界検出用光源８２が光結合され、
光ファイバ８５には光検出器８３が光結合されている。
各分岐光導波路１３Ｂの略中央部には、２つのミラー面
を備えた面外分岐ミラーが設けられ、面外分岐ミラーの
直上には、薄膜偏光子、λ／４位相薄膜、電気光学材料
薄膜及び光反射膜を備えた電界センサ５が設けられ、電
界センサの入射側に光光スイッチ９１が配置されてい
る。センサが電界中に存在すると、光源８２からの光が
電気光学材料薄膜のにより強度変調を受けるので電界強
度を測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光導波路型センサに
係り、特に、電界強度、磁界強度、流体の濃度、環境中
のｐＨ、イオン量、ガス量、温度、湿度、圧力等の物理
量、化学量及び機械量を光学的に、１点または複数点略
同時に計測可能な光導波路型センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、種々の物理量の分布を計測す
る場合には、１個のセンサを移動させて計測範囲全面を
走査するか、多数の個別センサを２次元状に配置して計
測範囲全面を順に測定するかのどちらかの方式が採用さ
れている。

【０００３】図１は、多数の個別センサを２次元状に配
置して計測範囲全面を順に測定する方式を採用して、電
子回路基板の放射電磁波分布を測定する従来の測定装置
を示すものである。この測定装置は、多数のセンサをマ
トリックス状に配列させたセンサアレイ１１、センサア
レイ１１に接続された電界強度計１２、アナログ信号を
ディジタル信号に変換するＡＤ変換器１３、及びいずれ
か１つのセンサを選択するためのセンサ選択信号と電界
強度を測定するための周波数選択信号とを出力して放射
電磁波分布を測定するコントローラ１４から構成されて
いる。また、各センサは、図２に示すように抵抗１１
Ａ、コンデンサ１１Ｂ、ループアンテナ１１Ｃ、ダイオ
ード１１Ｄから構成されている。なお、１個のセンサを
移動させて計測範囲全面を走査する場合には、図２に示
すセンサの１つが使用されることになる。

【０００４】上記のいずれの方式においても、金属製の
ループアンテナ等を含むセンサ、センサを駆動するセン
サ駆動機構、センサとセンサ駆動機構とを接続する金属
製の信号ケーブル等が用いられているため、装置自体に
金属が多用されている。このため、これらの金属によっ
て測定しようとする被測定量である電界強度を乱してし
まったり、強い電磁界環境下では使用できない、という
欠点があった。

【０００５】また、計測範囲の変更には柔軟性が無く、
一度計測範囲を決定してしまうと計測範囲の変更が困難
であるため、種々の複雑形状の測定対象に適用するには
測定範囲を決定するために多大の準備作業が必要であっ
た。

【０００６】一方、金属を用いずに、半導体基板上に形
成された光導波路を用いたセンサとしては、複数のマッ
ハツェンダー型の光導波路を同一基板上に形成させて測
定する導波路型光センサが知られている（特開昭６１−
１９８１２０号公報）。

【０００７】また、光導波路と表面装荷型デバイスの結
合方法としては、光導波路を４５°の傾斜ミラーで終端
して表面装荷型デバイスに光学的に結合した後、デバイ
ス中で微小バルク光学素子を伝送させた後、再び別の４
５°傾斜ミラーを介して光導波路中へ戻るようにした方
式が提案されている（畑田、他、第４３回応用物理学会
関係連合講演会、１９９６年、２８ａ−Ｄ−１１）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の光導波路型センサでは、複数のマッハツェンダー型
の光導波路が設けられていることから高精度でかつ広い
ダイナミックレンジで物理量を測定することはできる
が、物理量が入力される部位が１箇所であるため、複数
点の物理量を同時に計測することができず、このため物
理量の分布を測定することができない、という問題があ
った。

【０００９】また、従来の表面装荷デバイス中へバルク
光学素子を組み込む方式を物理量の分布を測定するセン
サに適用すると、表面装荷デバイスの形状が光導波路に
比較して極端に大きくなり、その結果、この表面装荷デ
バイス中の光路長が長くなるので、傾斜ミラーとの光軸
合わせが難しくなり、光損失も多くなる、という問題点
がある。

【００１０】本発明は上記問題点を解決するために成さ
れたもので、光軸合わせの困難性が解消された小型の光
導波路型センサ、さらには、殆ど金属を用いずにセンサ
を構成することによって、強い電磁環境下でも被測定量
を乱すことなく被測定量または被測定量の分布を測定す
ることができる小型の光導波路型センサを提供すること
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、光を伝播するように基板に形成された光導
波路と、前記光導波路に設けられると共に光導波路中を
伝播してきた光を光導波路の外部に出射し、かつ外部か
ら入射された光を再度光導波路中を伝播させるの入出射
手段と、被測定量の変化に応じて光学特性が変化する材
料で構成された光学特性変化層と、前記光導波路から出
射された光が前記光学特性変化層を通過した後に前記光
導波路に入射するように反射する反射層とを備え、かつ
前記入出射手段に対応して設けられた多層薄膜型光セン
サと、を含んで構成したものである。

【００１２】上記入出射手段及び多層薄膜型光センサは
各々１個設けても良いし、各々複数個設けるようにして
も良い。

【００１３】本発明では、光導波路中を伝播してきた光
が光導波路の外部に出射され、多層薄膜型光センサに設
けられている光学特性変化層を通過した後に光導波路に
入射するように反射され、再度光導波路中を伝播され
る。

【００１４】この光学特性変化層は、被測定量の変化に
応じて光学特性が変化する材料で構成されているため、
光がこの光学特性変化層を通過するときに影響を受ける
ので、この影響を測定することで被測定量を測定するこ
とができる。また、この多層薄膜型光センサを、複数個
設けることにより、被測定量の分布を測定することがで
きる。さらに、光導波路を用いて測定しているため、殆
ど金属を用いずに光導波路型センサを構成することがで
きるので、被測定量を乱すことなく被測定量の分布を測
定することができる。

【００１５】この光学特性変化層は、物理量、化学量及
び機械量のいずれかの変化に応じて通過光の偏光状態、
光強度及びルミネッセンス状態のいずれかが変化する材
料で構成することができる。

【００１６】通過光の偏光状態が変化する材料として
は、周囲の電界強度に応じて偏光状態が変化する電気光
学材料、周囲の磁界強度に応じて偏光状態が変化する磁
気光学材料、印加される圧力に応じて偏光状態が変化す
る光弾性効果を有する材料等を使用することができる。

【００１７】光強度が変化する材料としては、被測定量
の変化に応じて光の吸収量が変化するリトマス液含有多
孔質材料、エレクトロクロミック材料、有機高分子イオ
ン感応材料、シリカゲルブルー等の材料を使用すること
ができる。

【００１８】ルミネッセンス状態が変化する材料として
は、希土類キレート化合物や感温蛍光体等の被測定量の
変化に応じて発光する蛍光や燐光の量が変化する材料を
使用することができる。

【００１９】多層薄膜型光センサに、電気光学材料、磁
気光学材料、または光弾性効果を有する材料を用いた薄
膜を設けた場合には、λ／４位相薄膜と偏光子薄膜とを
設けることにより偏光状態の変化を容易に測定すること
ができる。

【００２０】なお、多層薄膜型光センサに、電気光学材
料を用いた薄膜を設ける場合には、電磁波を受信するル
ープアンテナを含む層、またはホール素子を含む層を設
けることにより、測定感度を良好にすることができる。

【００２１】多層薄膜型光センサに、ＷＯ₃等のエレク
トロクロミック材料を用いた薄膜を設けることにより、
このエレクトロクロミック材料は印加電界強度に比例し
て着色するので、印加電界強度に応じて通過光強度を変
調することができ、これによって印加電界強度を測定す
ることができる。

【００２２】多層薄膜型光センサに流体が通過可能な空
洞を備えた薄膜を設けることにより、この空洞を通過す
る流体により光が吸収されたり散乱されたりすることに
よって透過光の強度が変化し、流体の濃度に応じて光強
度が変調されるので、流体の濃度を測定することができ
る。

【００２３】多層薄膜型光センサに、ｐＨの大きさに応
じて変色するリトマス液含浸多孔質材料を用いた薄膜、
イオンの量に応じて変色する有機高分子イオン感応材料
を用いた薄膜、多孔質ゼオライトとガスの量に応じて変
色するガス反応物質を用いた薄膜を設けることにより、
ｐＨ、イオン、またはガスの量に応じて光が吸収され、
ｐＨ、イオン、またはガスの量に応じて光強度が変調さ
れるので、ｐＨ、イオン、またはガスの量を測定するこ
とができる。

【００２４】多層薄膜型光センサに、ＧａＡｓやＣｄＴ
ｅ等の半導体薄膜を設けることにより、周囲の温度によ
って、薄膜での光吸収端が変化しこの吸収端付近の波長
の光の通過光強度を変調することができるので、温度を
測定することができる。

【００２５】また、多層薄膜型光センサに、テルビウム
やユーロビウム等の希土類キレート化合物を用いた薄膜
を設けることにより、発光する蛍光の波長が温度に応じ
て変化するので、同様に温度を測定することができる。

【００２６】多層薄膜型センサに、シリカゲルブルー等
の湿度によって着色量が変化する薄膜を設けることによ
り、湿度を測定することができる。

【００２７】多層薄膜型光センサに、カーボン等の抵抗
体と感温蛍光体とを備えた薄膜を設けることにより、マ
イクロ波に応じて抵抗体が発熱し、この発熱による温度
に応じた蛍光を発するので、マイクロ波の量を測定する
ことができる。

【００２８】そして、光導波路型センサを可撓性を有す
る高分子材料で構成することにより、光導波路型センサ
自体を変形することが容易になるので、任意形状の測定
面を形成することが可能となる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態を詳細に説明する。第１の実施の形態は、同一基
板上に配置された複数の電界センサからの信号を順次入
力して、電子回路基板の放射電磁波分布を測定する装置
に本発明を適用したものである。

【００３０】図３に示すように、本実施の形態の光導波
路型センサは、高分子フィルムを複枚積層して構成し
た、高分子材料からなる高分子光集積回路７を備えてお
り、この高分子光集積回路７には光を伝播させる光導波
路であるチャネル型光導波路１が形成されている。すな
わち、高分子光集積回路７は、図４に示すように、高分
子フィルムで構成された基板６上に、高分子フィルムで
構成されたアンダークラッド２と高分子フィルムで構成
されたチャネル型光導波路１を順次形成し、チャネル型
光導波路１上に高分子フィルムで構成されたオーバーク
ラッド４を被覆することにより構成されている。

【００３１】基板６を構成する高分子フィルムとしては
ポリエチレン等の透明な可撓フィルムを用いることがで
き、光導波路１を構成する高分子フィルムとしては低損
失なポリメチルメタクリレートを用いることができ、ア
ンダークラッド２及びオーバークラッド４を構成する高
分子フィルムとしては各々ポリメチルメタクリレート
（屈折率１．４９）より低屈折率のシリコン樹脂（屈折
率１．４１）、ポリフルオロアルキルメタクリレート
（屈折率１．３９）等を用いることができる。

【００３２】チャネル型光導波路１は、入射側光ファイ
バ８４の一端と光結合された入射側光導波路１Ａ、各々
並列配置されて入射側光導波路１Ａと光結合された複数
（本実施の形態では２つ）の光導波路網１Ｂ，１Ｃ、及
び出射側光ファイバ８５の一端及び光導波路網１Ｂ，１
Ｃの各々に光結合された出射側光導波路１Ｄを備えてい
る。

【００３３】入射側光ファイバ８４の光入射側には、半
導体レーザで構成された電界検出用光源８２が光結合さ
れ、出射側光ファイバ８５の光出射側には光電変換器で
構成された光検出器８３が光結合されている。

【００３４】光導波路網１Ｂは、Ｙ型分岐光導波路で構
成された多数の分岐回路１１Ｂ、Ｙ型分岐光導波路で構
成された多数の結合回路１２Ｂ、及び分岐回路１１Ｂと
結合回路１２Ｂとの間に光結合された多数の分岐光導波
路１３Ｂによって構成されている。光導波路網１Ｃも光
導波路網１Ｂと同一の構成であるので、説明を省略す
る。なお、分岐回路及び結合回路としてはＹ型分岐光導
波路の他、スターカップラや方向性結合器で構成するこ
とができる。

【００３５】光導波路網１Ｂ、１Ｃの各分岐光導波路１
３Ｂの略中央部には、図４及び図５に示すように、オー
バークラッド４側が幅狭になりかつ各傾斜面が光の伝播
方向（基板面に平行な方向）に対して４５°傾斜したＶ
字型のトレンチが形成され、このトレンチによって２つ
の斜面をミラー面３Ａ，３Ｂとする面外分岐ミラー３が
構成されている。

【００３６】各面外分岐ミラー３の直上のオーバークラ
ッド４表面には、各々表面装荷型の薄膜多層型光センサ
である電界センサ５が固定されている。この電界センサ
５は、表面装荷方式に限定されず、オーバークラッド４
上へパターニングプロセスを含む多層成膜法による蒸着
により直接形成しても良い。

【００３７】電界センサ５は全て同一の構成であるの
で、符号５を付した電界センサについて説明すると、こ
の電界センサ５は、図５に示すように、オーバクラッド
４上に設けられた薄膜偏光子５３を備えている。薄膜偏
光子５３の面外分岐ミラー３のミラー面３Ａで反射され
た光が通過する領域には、光学軸方向が入射光に対して
所定の４５°方向に設定されたλ／４位相薄膜５４が形
成され、λ／４位相薄膜５４及び薄膜偏光子５３を覆う
ようにＰＬＺＴ( （Ｐｂ_1-xＬａ_x）（Ｚｒ_yＴ
ｉ_1-y）_1-x/4Ｏ）等の電気光学材料で構成された電気
光学材料薄膜５２が形成され、電気光学材料薄膜５２に
は電気光学材料薄膜５２を透過した光を反射する光反射
膜５１が形成されてる。

【００３８】なお、面外分岐ミラー３のミラー面３Ａと
電界センサ５の最上層に位置する光反射膜５１とは、ミ
ラー面３Ａからの反射光が電界センサ５の中央部分に入
射し、再び分岐光導波路へ戻るように、傾きが調整され
ている。

【００３９】また、各分岐光導波路の面外分岐ミラー３
の反射面３Ａ側、入射側光導波路１Ａと光導波路網１Ｂ
との間、及び入射側光導波路１Ａと光導波路網１Ｃとの
間には、各々光光スイッチ９１が配置されている。この
光光スイッチ９１の各々は、多数の半導体レーザで構成
されたセンサ選択信号光源９２に一端が光結合された制
御用光ファイバ９３の他端に光結合されている。なお、
光光スイッチ９１は、センサ選択信号光源の半導体レー
ザの個数と等しい個数設けられている。

【００４０】この実施の形態では、１個の電界センサ５
を選択（アドレッシング）するために、入射側光導波路
１Ａと光導波路網１Ｂとの間及び入射側光導波路１Ａと
光導波路網１Ｃとの間のいずれか１箇所に位置する光光
スイッチ９１と、選択する電界センサ５が設けられてい
る分岐光導波路に設けられている光光スイッチ９１とに
対応する、センサ選択信号光源９２内の２つの半導体レ
ーザを点灯することにより、２つの光光スイッチ９１を
オンさせておく。

【００４１】この状態で信号検出用光源８２を点灯させ
ると、信号検出用光源８２より出射された光は、光ファ
イバ８４により高分子光集積回路７まで伝播され、入射
側光導波路１Ａに入射される。入射側光導波路１Ａに入
射した光は、光光スイッチ９１を介して分岐光導波路を
伝播し、更に他の光光スイッチ９１を介して面外分岐ミ
ラー３のミラー面３Ａで反射され、オーバークラッド４
を略垂直方向に通過して、オーバークラッド４外へ分岐
され、電界センサ方向に反射される。

【００４２】面外分岐ミラー３で電界センサ方向に反射
した光は、薄膜偏光子５３を透過して直線偏光になる。
この直線偏光は、光学軸に対して４５°の入射角でλ／
４位相薄膜５４に入射するので、λ／４位相薄膜５４を
透過するときに偏光面が回転されて円偏光になり、電気
光学材料薄膜５２を通過し最上層の光反射膜５１で反射
され、再び電気光学材料薄膜５２、薄膜偏光子５３及び
オーバークラッド４を略垂直に透過して分岐光導波路１
３Ｂに入射される。分岐光導波路１３Ｂに入射された光
は面外分岐ミラー３のミラー面３Ｂで反射され、再度分
岐光導波路１３Ｂ中を伝播する。

【００４３】この面外分岐ミラー３により分岐光導波路
１３Ｂから外部に出射された光は、戻り光となって再び
分岐光導波路１３Ｂに入射される間に、電気光学材料薄
膜５２を通過するので、電気光学材料薄膜５２が電界中
に存在すると、電気光学材料薄膜５２の電気光学効果に
より直交する２偏光間に電界強度に応じた位相差が生
じ、光は楕円偏光になる。この光は再び薄膜偏光子５３
を通過するときに位相差に応じて強度が変化し、すなわ
ち電界強度に応じた強度変調を受け、再び面外分岐ミラ
ー３の作用により光導波路に入射する。

【００４４】そして、強度変調を受けた信号光は、出射
側光導波路１Ｄを介して出力側光ファイバ８５まで導か
れ、出力光ファイバ８５を伝播し、光検出器８３に入射
する。

【００４５】信号光は光検出器８３により光電変換さ
れ、ＲＦ信号に変換されて出力される。このＲＦ出力を
測定することにより、電界センサの部位に印加されてい
る電界強度を測定することができる。この測定を、順次
光光スイッチをオンさせて、各電界センサ毎に繰り返す
ことにより、２次元状の電界の分布が測定できる。

【００４６】次に、光光スイッチを用いずに波長多重方
式によって電界の分布を測定する本発明の第２の実施の
形態を説明する。本実施の形態は、図６に示すように、
第１の実施の形態の光光スイッチを全て省略すると共
に、単波長の光を照射する信号検出用光源に代えて、λ
₁〜λ_nのｎ種の波長の光を照射する半導体レーザアレ
イで構成された光源９４を用いたものである。なお、本
実施の形態では、波長の数と同数、すなわち、ｎ個（光
導波路網１Ｂにｎ／２個、光導波路網１Ｃにｎ／２個）
の電界センサが設けられている。

【００４７】また、図７に示すように、電界センサ５の
最上層には、波長選択性のある誘電体多層膜を用いた光
反射膜、すなわち特定波長の光のみを反射しかつ他の波
長の光を透過する光反射膜５１が形成されている。これ
により、特定波長λ_mの光のみが、光反射膜５１により
光導波路１へ戻されることになり、他の波長の光は、光
反射膜５１を通過し、外部に出射されるので検出器８３
には到達しないことになる。

【００４８】本実施の形態によれば、半導体レーザの全
てを同時に点灯させると、光源９４からｎ種の波長を備
えた波長多重光が出射され、波長多重光は入射光ファイ
バ８４を介して光導波路１へ入射される。光導波路１に
入射した波長多重光は、複数の分岐回路によって分岐さ
れ、分岐光導波路及び面外分岐ミラーを介して全ての１
界センサ５に分配される。第１の実施の形態で説明した
ように、電界センサ５に入射した光は電界強度に応じて
強度変調を受けるが、電界センサ５の光反射膜５１は波
長選択性を備えているので、各電界センサ５からは強度
変調を受けた１種類の波長（例えば、λ_m）の光のみが
反射されて、分岐光導波路に入射される。電界センサ５
で反射された光は、結合回路で１本の出射側光導波路１
Ｄに集められた後、出力光ファイバ８５を介して光検出
器８３に入力される。

【００４９】この光検出器８３には、波長を分別する波
長分別器が設けられており、入射した光導波路を波長毎
に分別して各波長毎にＲＦが出力される。この各々のＲ
Ｆ出力を測定することにより、各電界センサの部位に印
加されている電界強度を測定することができ、これによ
り２次元状の電界の分布が測定できる。

【００５０】なお、上記では半導体レーザの全てを同時
に点灯させて電界の分布を測定する例について説明した
が、第１の実施の形態と同様に波長λ₁〜λ_nの半導体
レーザを順次発光させて、発光させた半導体レーザに対
応する電界センサを通過して変調された光を順次検出器
８３に導いて処理し、電界の分布を測定するようにして
もよい。

【００５１】また、上記では光反射膜に波長選択性を持
たせたが、図８に示すように、電界センサ５の最下層に
λ₁〜λ_nのｎ種の波長の光の何れかのみを透過する波
長選択膜５５を設けるようにしてもよい。このように構
成することにより、上記で説明したように各電界センサ
５からは強度変調を受けた１種類の波長（例えば、
λ _m）の光のみが反射されて、分岐光導波路に入射され
る。波長λ_m以外の光は、波長選択膜５５で反射される
が、再度面外分岐ミラー３のミラー面３Ａで反射され、
これらの反射が繰り返えされることにより最終的に吸収
されるか、またはミラー面３Ａの全反射の臨界角を越え
てアンダークラッドに放射して消失する。

【００５２】図８の電界センサを用い、半導体レーザの
全てを同時に点灯させて電界の分布を測定する場合に
は、出力光ファイバ８５には全ての波長の光が伝播する
ことになるので、上記で説明したように、光検出器８３
に波長を分別する波長分別器を設け、波長毎の信号を分
離する必要がある。

【００５３】一方、波長λ₁〜λ_nの半導体レーザを順
次発光させて測定する場合、すなわち時分割で順次点灯
させて測定する場合には、出力光ファイバ８５には常に
一種類の光のみが伝播することになるので、光検出器に
特別な信号分離手段を設けることなく順次信号処理すれ
ばよい。

【００５４】なお、上記のように電気光学材料を用いた
薄膜を設ける場合には、電磁波を受信するループアンテ
ナ（図２参照）を含む層、またはホール素子を含む層を
設けることにより、測定感度を良好にすることができ
る。

【００５５】上記の各実施の形態では、電界の強度に応
じて偏光面が回転される電気光学材料を利用して電界強
度を測定する電界センサについて説明したが、他の材料
を用いて電界強度を測定するようにしてもよい。図９
は、多層膜中の一層を被測定量に応じて透過率が変化す
る材料で構成された吸収層６０で構成し、多層薄膜型の
電界センサを構成したものである。吸収層６０は、例え
ば、ＷＯ₃等のエレクトロクロミック材料で構成するこ
とができる。このエレクトロクロミック材料は、印加電
界強度に比例して着色するので、印加電界強度に応じて
通過光強度を変調することができ、これによって印加電
界強度を測定することができる。なお、エレクトロクロ
ミック材料を用いた電界センサの場合には、薄膜偏光子
及びλ／４位相薄膜が不要であるので、上記の電気光学
材料を用いた電界センサと比較して構造を簡単にするこ
とができる。

【００５６】上記実施の形態では、電界の強度分布を測
定する例につい説明したが、本発明では高分子光集積回
路に設けられた複数の電界センサに代えて、薄膜で構成
された光学特性変化層と薄膜で構成された反射層とを含
む少なくとも２層以上の薄膜を備えた多層薄膜型光セン
サを高分子光集積回路上に複数形成することにより、種
々の物理量、化学量及び機械量等の被測定量を測定する
ことができる。以下、上記実施の形態の電界センサに代
えて使用可能な多層薄膜型光センサの例を説明する。な
お、以下の多層薄膜型光センサを上記第２の実施の形態
に適用する場合には、上記で説明したように、光反射膜
等に波長選択性を持たせる必要がある。また、上記の実
施の形態と同様の原理を使用した磁気センサ及び圧力セ
ンサ以外のセンサについては、λ／４位相薄膜及び偏光
子薄膜は不要である。

【００５７】第１は磁界強度を測定する磁界センサであ
り、図５、図７または図８において、電気光学材料薄膜
５２の代わりにＹＩＧ（Ｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂）等の磁気光学
効果を備えた磁気光学材料で構成した薄膜を用いること
により、磁界センサを構成することができる。この磁界
センサでは、上記の実施の形態と同様の原理で磁界強度
が測定できる。

【００５８】第２は圧力を測定する圧力センサであり、
図５、図７または図８において、電気光学材料薄膜５２
の代わりにＰＺＴ等の光弾性効果を備えた材料で構成さ
れた薄膜を用いることにより、圧力センサを構成するこ
とができる。この圧力センサでは、光弾性効果を備えた
材料に作用する圧力の大きさにより偏光状態が変化する
ので、上記の実施の形態と同様の原理で圧力の強度分布
が測定できる。

【００５９】第３は気体や液体の濃度を測定する濃度セ
ンサであり、この濃度センサは、図１０に示すように、
多層膜の内の一層が、中心部に空洞５０を備えた薄膜で
構成され、この空洞５０中をセンサ周辺の気体や液体等
の流体が自由に通過できるようになっている。

【００６０】面外分岐ミラー３からの入力光は、この空
洞５０中を往復する間に、流体の濃度に応じて吸収や散
乱を受け、光強度が減衰した後、光導波路１中へ戻るこ
とになる。この戻り光は、流体の濃度に対応した（例え
ば、流体の濃度に反比例した）光強度を有しているの
で、この濃度センサを上記で説明た多点を測定する光導
波路型センサに適用すると、流体の濃度分布がリアルタ
イムで測定できる。

【００６１】第４はｐＨセンサであり、多層膜中の一層
をリトマス液含有多孔質材からなる薄膜で構成すること
でｐＨセンサを構成することができる。このｐＨセンサ
のセンサ部を被測定液に浸漬すると被測定液のｐＨの大
きさに対応して薄膜の色が変化し、その結果、通過光強
度を変調することができるので測定液のｐＨを測定する
ことができる。

【００６２】第５はイオン濃度センサであり、多層膜中
の一層を有機高分子イオン感応材料からなる薄膜で構成
することによりイオン濃度センサを構成することができ
る。イオン濃度センサの有機高分子イオン感応材料から
なる薄膜にＫ⁺やＮａ⁺等のイオンが吸着すると、その
イオン濃度に対応して薄膜が着色され、その結果、通過
光強度を変調することができるので、イオン濃度を測定
することができる。

【００６３】第６はガス濃度センサであり、多層膜中の
一層を多孔質ゼオライトとガス反応物質（例えば、アン
モニアに対してはブロムチモールブルーを含むセルロー
ス・アセテートポリマー等）を含む薄膜で構成すること
によりガス濃度センサを構成することができる。ガス反
応物質は対象ガスの濃度に対応して着色量が変化し、そ
の結果、通過光強度を変調することができるので、ガス
濃度を測定することができる。

【００６４】第７は温度センサであり、多層膜中の一層
をＧａＡｓやＣｄＴｅ等の半導体薄膜を用いて構成する
ことにより、温度センサを構成することできる。この半
導体薄膜は周囲の温度によって、薄膜での光吸収端が変
化するので、この吸収端付近の波長の光の通過光強度を
変調することができる。従って、温度を測定することが
できる。

【００６５】第８は湿度センサであり、多層膜中の一層
をシリカゲルブルー等の湿度によって着色量が変化する
薄膜で構成することにより、湿度センサを構成すること
ができる。この薄膜は湿度に応じて着色量が変化するの
で、湿度を測定することができる。

【００６６】第９は上記と構造が異なる温度センサであ
り、多層薄膜型光センサに、テルビウムやユーロビウム
等の希土類キレート化合物を用いた薄膜を設けることに
より、発光する蛍光の波長が温度に応じて変化するの
で、同様に温度を測定することができる。

【００６７】第１０はマイクロ波センサであり、多層薄
膜型光センサに、カーボン等の抵抗体と感温蛍光体とを
備えた薄膜を設けることにより、マイクロ波に応じて抵
抗体が発熱し、温度に応じた蛍光を発するので、マイク
ロ波の量を測定することができる。

【００６８】上記第９、第１０で説明した蛍光材で構成
された薄膜を用いる場合には、上記各実施の形態で説明
した信号検出用光源に代えて、蛍光材を励起するための
励起光源を用いる。また、発光された蛍光のみを光検出
器で検出するために、光検出器に励起光源光をカットし
かつ蛍光のみを透過する波長選択性のフィルタを設け
る。

【００６９】なお、本実施の形態で説明した電界セン
サ、上記で説明した各種のセンサを１つ用いてポイント
センシングをすることも可能である。

【００７０】次に、本実施の形態で説明した電界セン
サ、上記で説明した各種のセンサに適用可能な面外分岐
ミラー及び多層薄膜型光センサの光反射膜の変形例を説
明する。なお、本実施の形態で説明した電界センサ及び
上記で説明した各種のセンサは、多層薄膜型光センサＳ
として説明した。

【００７１】図１１は、面外分岐ミラー３の変形例を示
すもので、ミラー面３Ａとミラー面３Ｂとの傾きを大き
くすることによりミラー面３Ａとミラー面３Ｂとの間隔
を長くしたものである。このように構成することによ
り、多層薄膜型光センサＳ中での往復光路長が長くなる
ので、往路の光線及び復路の光線のいずれか一方のみ
に、被測定量に応じて光学特性が変化する材料で構成さ
れた光学特性変化薄膜Ｆを形成する場合に好適である。

【００７２】図１２は、ミラー面３Ａとミラー面３Ｂと
の傾きを図１１の面外分岐ミラーと同様に大きくすると
共に、多層薄膜型光センサＳの光反射膜を入射光に対し
て４５°傾斜した反射面５１Ａと反射面５１Ａに対して
４５°傾斜した反射面５１Ｂとを備えた反射面で構成し
たものである。このように構成することにより、多層薄
膜型光センサＳ中を往復する光線間の距離を広げること
が可能となる。この変形例においても、図１１の変形例
と同様に、多層薄膜型光センサ中の少なくとも１層は、
往路の光線及び復路の光線のいずれか一方のみの光線を
通過させる薄膜としても良い。

【００７３】以上説明したように本実施の形態では、各
センサを薄膜で構成しているため、センサを小型にする
ことができ、この結果、センサ中の光路長が短くなるの
で、光軸合わせが容易になり、光損失も少なくなる。

【００７４】また、従来のように基板材料として非線形
結晶を用いる場合には大面積化が不可能で、かつ可撓性
が無いため任意の測定面が得られないが、本実施の形態
では高分子材料である可撓性の多層高分子フィルムを用
いて光半導体回路を構成しているので、測定面を任意の
形成に変形することができると共に、測定面が大面積の
多点測定用光導波路型センサを実現することができる。

【００７５】さらに、信号線（光ファイバ）も含めて殆
ど金属を用いていないので、強い電磁界環境下にても使
用可能で、かつ、被測定量も乱すこともない２次元分布
測定器が可能になる。さらに、軽量、小型（薄い）、高
耐久性（能動デバイスがない）、安価等の特長も兼ね備
えている。

【００７６】次に、本実施の形態の応用例について説明
する。基板６、アンダークラッド２、光導波路１、及び
オーバークラッド４の全てを高分子材料（フィルム状）
で構成した高分子光集積回路７と、光ファイバとによる
上記の２次元センサアレイの構造は、極めて柔軟性に富
み、自由かつ多様な配置が可能で、また、任意の形状に
変形（例えば、包み紙状）することさえ可能であり、種
々の複雑形状の測定対象に容易に対応できる。

【００７７】図１３は本実施の形態の応用例を示すもの
で、パソコン７２の制御により、携帯電話７１の周囲に
生じる電磁波の分布を可撓性の多点センシング光導波路
型センサ７３で計測する例を示している。光導波路型セ
ンサ７３は、正面、上面、及び側面の３箇所に配置され
ている。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
を用いて測定することから殆ど金属を用いずにセンサを
構成することができるので、強い電磁環境下でも被測定
量を乱すことなく被測定量または被測定量の分布を測定
することができる小型の光導波路型センサを提供するこ
とができる、という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の電子回路基板の放射電磁波分布を測定す
る測定装置を示すブロック図である。

【図２】図１の測定装置のセンサアレイの回路図であ
る。

【図３】本発明の第１の実施の形態の光導波路型センサ
を示す斜視図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態の電界センサ部分の
斜視図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態の電界センサ部分の
断面図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態の光導波路型センサ
を示す斜視図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態の電界センサ部分の
断面図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態の電界センサの変形
例の断面図である。

【図９】本発明の各実施の形態に使用可能な電界センサ
の他の例を示す断面図である。

【図１０】本発明の各実施の形態に使用可能な流体濃度
センサの断面図である。

【図１１】本発明の実施の形態の面外分岐ミラーの変形
例を示す断面図である。

【図１２】本発明の実施の形態の多層薄膜型光センサの
反射面の変形例を示す断面図である。

【図１３】携帯電話周囲の電界強度分布計測への応用例
を示す斜視図である。

【符号の説明】

１‥‥チャネル型光導波路２‥‥アンダークラッド３‥‥面外分岐ミラー４‥‥オーバークラッド５‥‥電界センサ６‥‥基板７‥‥高分子光集積回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０１Ｎ 21/27 Ｇ０１Ｎ 21/27 Ｚ 21/64 21/64 ＺＧ０２Ｆ 1/01 Ｇ０２Ｆ 1/01 Ｃ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を伝播するように基板に形成された光導
波路と、前記光導波路に設けられると共に光導波路中を伝播して
きた光を光導波路の外部に出射し、かつ外部から入射さ
れた光を再度光導波路中を伝播させる入出射手段と、被測定量の変化に応じて光学特性が変化する材料で構成
された光学特性変化層と、前記光導波路から出射された
光が前記光学特性変化層を通過した後に前記光導波路に
入射するように反射する反射層とを備え、かつ前記入出
射手段に対応して設けられた多層薄膜型光センサと、を含む光導波路型センサ。
【請求項２】前記光学特性変化層を、物理量、化学量及
び機械量のいずれかの変化に応じて通過光の偏光状態、
光強度及びルミネッセンス状態のいずれかが変化する材
料で構成した請求項１の光導波路型センサ。
【請求項３】前記光学特性変化層を、電気光学材料を用
いた薄膜、磁気光学材料を用いた薄膜、光弾性効果を有
する材料を用いた薄膜、流体が通過可能な空洞を備えた
薄膜、エレクトロクロミック材料を用いた薄膜、抵抗体
と感温蛍光体とを備えた薄膜、リトマス液含浸多孔質材
を用いた薄膜、有機高分子イオン感応材料を用いた薄
膜、希土類キレート化合物を用いた薄膜、シリカゲルブ
ルーを用いた薄膜、温度に応じて光の吸収端が変化する
半導体を用いた薄膜、多孔質ゼオライトとガス反応物質
とを用いた薄膜、ループアンテナと電気光学材料とを用
いた薄膜、及びホール素子と電気光学材料とを用いた薄
膜のいずれかで構成した請求項１の光導波路型センサ。
【請求項４】前記多層薄膜型光センサに、電気光学材料
を用いた薄膜、磁気光学材料を用いた薄膜、及び光弾性
効果を有する材料を用いた薄膜のいずれかと、λ／４位
相薄膜と、偏光子薄膜とを設けた請求項１の光導波路型
センサ。
【請求項５】高分子材料で構成した請求項１〜４のいず
れか１項記載の光導波路型センサ。