JPS59166830A - 光学的圧力センサ - 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】 ［発明の技術分野］ この発明は、圧力変化を光の強度変化に変換して検出す
る光学的圧力センサに関する。

し発明の背景］ 圧力計測には、従来から、金属性のダイヤフラムやブル
ドン管を用いた機械式計測装置と、各種の歪ゲージを用
いたり、半導体ｐｎ接合の圧力変化特性を利用した電気
的計測装置とが多く使用されている。ところが、機械式
の圧力計測装置にはヒステリシスかあって、精度の高い
測定ができないという欠点がある。電気的計測では、シ
リコンの単結晶に異方性エツチングによってダイヤフラ
ムを形成し、このタイセフラム上に拡散により歪ゲージ
を作った圧力センサが精度の良い、ヒステリシスのない
センサとしてよく使われるようになってきている。しか
しながらこの半導体センサは、電磁雑音か存在する環境
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、雰囲気によっては金属導電体が
腐蝕しやすいなどの問題がある。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圧力変化を測定す
るものが脚光をあびてきた。光を用いた圧力センサとし
ては、ダイヤフラムを形成したシリコン・チップと光フ
ァイバ３とを対向配置し、圧力変化をシリコン・ダイヤ
フラムの変位に変換し、さらにこの変位量を光ファイバ
から・出射される光の反ｆＡｍの変化に変換して再びフ
ァイバ中を逆方向に伝搬させるという方式のものが知ら
れている。しかしながら、この光学的圧力センサではシ
リコン・チップと光ファイバとの相対的な位置関係を一
定にかつ高精度に保つ必要があり、組立がきわめて難し
く、また圧力変化に対する光量の変化が小さいという欠
点がある。

［発明の目的］ この発明は、わずかな圧力変化に対しても大きな光量変
化が得られ高精度の圧力測定が可能であるとともに、構
成が簡単で製造が容易な光学的圧力センサを提供するこ
とを目的と７る。

［発明の構成および効果］ この発明による光学的圧力センサは、誘電体層を表面に
形成したシリコン基板、該誘電体層上に設けた少なくと
も１つの入出力用単一モード光導波路と、この入出力用
先導波路の一端に結合された１対の圧力検出用単一モー
ド光導波路、圧力検出用光導波路の光波を反射させる手
段、および圧力検出用先導波路の少なくとも一方の下の
シリコン基板に形成した圧力印加用のダイヤフラムを備
えている。被検出圧力がダイヤフラムに加わることによ
りその上の光導波路の位相定数が変化する。

入出力用光導波路に入力した光波は、１対の圧力検出用
先導波路に分岐して伝搬し、反射手段によって反射され
て反対方向に伝搬し再び入出力用光導波路に入って重ね
合わされる。一方の圧力検出用光導波路の位相定数が被
検出圧力によって変化するから、１対の圧力検出用先導
等路を伝搬する光波には位相差が生じる。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によって変化
するから、出射光の強度を測定することにより、被検出
圧力を知ることができる。

この発明においては、光導波路の圧力による位相定数の
変化を利用しているから、圧力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先導波路構造、そ
の一部を加圧するための手段および反射手段という簡単
な構成であり、製作が容易となる。

この発明の詳細な説明に先たち、その実施例で利用され
る特殊な先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ｗ１Ｗ２
を有しており、したがって位相定数が等しく設定されて
いる。もう１対の単−七−１〜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、先導波路（４）の巾Ｗ
４は光導波路（３）の巾ｗ３よりも狭くなっている。し
たがって、先導波路（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）　（４１とは、これらの先
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、先導波路（１）　（２）から先導波路
（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、先導波路（１）
（２）を対称側、先導波路（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
ざく、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、および先導波路
（３）と（４）の間隔の変化は無視できるものとする。

づなゎち、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Ｔ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層先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外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、先導波路（３）と（
４）とからなる非対称側にはいると、光導波路（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）の幅より広くなっているから、位相定数は光導
波路（３）のほうが大きい。したがって、偶モードの光
波パワーは先導波路（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。対称側では偶モー下が励振
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つの先導
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、出力光波は先導波路（４）から
得られる。第３図（ｅ）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てと考えられ
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。

光波を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）
の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。以上の考察から、この光導波路構造が通
常の光ビーム・スプリッタ（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。

［実゛施例の説明］ 第４図は実施例を示している。第４図（ａ）は実施例を
示す斜視図で、面方位（１１０）のシリコン基板（１０
）の上に熱酸化により二酸化シリコン膜（６）が形成さ
れている。さ１らにその上に７０５９ガラスのスパッタ
リングとリフトオフ法などにより、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。これらの先導波路（１）〜（４）の結合部（５）
と反対側端部には平行な光導波路（ＩＩ）〜０舗がそれ
ぞれ連続している。光導波路（３）、０３）が入力用。

先導波路（４）、０１１１が出力用、先導波路（１）　
、　（２１、０１）　。

０２）が圧力検出用である。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。先導波路（１）と（２）の交差角
θ１．先導波路（３）と（４）の交差角θ２はいずれも
１．２°以下の小さい値に設定されている。

基板ＱＯ）の光導波路ａ１）１面側の端面にはＡλを蒸
着することにより反射膜（７）が形成されている。また
、先導波路０１）の下あたるシリコン基板００）の部分
には周知の異法性エツチングによりダイヤフラム（８）
が設けられている。第４図（ｂ）はこの構造の素子が容
器に実装された状態を示す断面図である。素子はダイヤ
フラム（８）が通気孔（１７）の上にくるようにして支
持台０５）上に固定される。また、必要に応じてカバー
（１Ｇ）で覆われる。カバー（１６）にも通気孔（１８
）が設けられている。通気孔（１７）　。

（１８）を通して流体圧をダイヤフラム（８）部に印加
できるようになっている。

入力用光導波路０３）には適当な光源（図示路）から光
ファイバを通して光が入射される。出力用光導波路０４
）は光ファイバを介して光電検出器（図示路）に結合さ
れている。圧力が印加されていない場合には、光導波路
（１）、０１）とｆ２）、０２＋との位相定数は等しい
。したがって、光導波路０３）から入射された光は両光
導波路（１）、（２）に等しく分かれて伝搬し、反射Ｉ
Ｑ（７）で反射したのら再び光導波路０３）にもどり、
光導波路０４）から出力光は得られない（第３図＜ａ＞
参照）。通気孔（１７）、　　（１８）から印加される
圧力に差が生じ、差圧がダイヤフラム（８）に印加され
ると、この圧力によって光導波路（Ｉｌｌの厚みが変化
すること、および圧力で生じた歪みによって光導波路０
１）の屈折率が変化することにより、光導波路０１）の
位相定数が変化する。したがって、先導波路（１１，（
Ｉｌｌと光導波路（２＋１１２１とを伝搬する光波に位
相差が生じ、この位相差に応じた強度の光が光導波路０
４）から出射する。光導波路０４）から出力する光の強
度を測定づることにより、圧力を検出することができる
。印加圧力（差圧）に対する光導波路（１４）の出力光
の強度変化が第５図に示されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は導波形光ビームスプリッ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ッタに
あ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
スプリッ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（ａ＞はこの発明の実施例の光学的圧力セ
ンサの斜視図、第４図（１））はこのセンサを容器に収
納した状態の断面図、第５図は出力光強度の圧力による
変化を示すグラフである。 （１）　、　（２）　、　０１１　、　（１２１・・・
圧力検出用単一モード先導波路、−（３）　、　（４）
　、　（１３）　、　ａ４ｉ・・・入出力用単一モード
光導波路。 ０■・・・基板、（６）・・・二酸′化シリコン膜。 （η・・・反射膜、　　　（１７）　、　　（１Ｂ）・
・・圧力中カロ用通気孔、（８）・・・ダイヤフラム。 特許出願人　　立石電機株式会社 第７　図 第　２７ （ａ） 弗　３　図 第　４　　’ｉｎ　　Ｃａ） ノー（ 筐４ｖＪ＜Ｌ） −→印加圧カ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）誘電体層を表面に形成したシリコン基板、該誘電
   体層上に設けた少なくとも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
   対の圧力検出用単一モード光導波路、 圧力検出用光導波路の光波を反則させる手段、および圧
   力検出用光導波路の少なくとも一方の下のシリコン基板
   に形成した圧力印加用のタイヤフラム、 を備えている光学的圧力センサ。
2. （２）入出力用先導波路に光波を大剣させる手段、およ
   び入出力用光導波路から出用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
   的圧ノコセンサ。