JPS5923305A

JPS5923305A - 光学的計測器

Info

Publication number: JPS5923305A
Application number: JP13329282A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Matano; 俣野　正治; Naohisa Inoue; 直久井上; Kazuhiko Mori; 和彦森; Maki Yamashita; 山下　牧
Original assignee: Tateisi Electronics Co; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1982-07-29
Filing date: 1982-07-29
Publication date: 1984-02-06

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】この発明は、微小変位、温度、圧力、振動などの物理量
を光学的に計測する光学的計測器に関する。

物理量の光学的計測は、電磁波によるノイズの影響がな
い、電気スパークによる火災または爆発のおそれがない
、雰囲気による金属性導電体の腐蝕の問題がないなどの
観点から脚光をあびてきており、高信頼性、高精度、長
寿命などの利点をもっている。

この発明は、新しい導波形ビーム・スプリッタを利用し
た光学的計測器を提供することを目的とする。

この発明による光学的計測器は、等しい位相定数を有し
かつ一端で互いに交差する第１の１対の単一モード先導
波路と、互いに異なる位相定数を有しかつ一端で互いに
交差する第２の１対の単一モード光導波路とが、それぞ
れの交差部で互いに結合されており、第１および第２の
光導波路対のうちのいずれか一方が光の入出力用であり
、入出力用光導波路対のいずれか一方の光導波路が光の
入力用、他方が光の出力用であって、この入力用光導波
路に入力光のみの通過を許す光アイソレータが設けられ
ていることを特徴とする。これらの光導波銘肝は光学材
料基板上に、周囲よりも屈折率の木きい部分を形成する
ことによっつ（られる。

入力用光導波路に入力された光は光アイソレータを経て
交差部に進み、この交差部で他方の光導波路対の各光導
波路に分岐する。他方の光導波路対の光は、反射膜、反
射鏡その他の光の反射手段、および／または計測される
べき物理量をもつ物体によって反射され再び交差部に戻
゛る。このとき１対の光導波路の光には泪測すべき物理
量によって位相差が生しる。そして、光はこの位相差に
応じて入力用および出力用の光導波路に分岐する。出力
用光導波路に進む光の強度を光電検出器等によって検出
することにより、物理量を測定することができる。入力
用先導波路に進んだ光はアイソレータによっテ遮断され
るので、この光導波路からは出射しない。

入力用先導波路には半導体レーザなどから光が入力する
ように構成されている。したかって、もし反射光が入力
用光導波路を伝搬して半導体レーザなどに入射すると、
レーザの動作を不安定にし、最悪の場合にはレーザを破
壊するおそれがあるが、光アイソレータの存在によって
このような問題が回避されている。またこの発明による
光学的計測器は、基板」二に２対の光導波路と光アイソ
レータをつくるだけでよいから、構成が簡素であり、製
造が容易である。

まず、この発明が利用する光ビーム・スプリッタの動作
原理について説明する。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Ｗ　１　、Ｗ　２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１］Ｗ４は光導波路（３）の
ｒｔ＋　＃　３よりも狭くなっている。したがって、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。光導波路（１＋　＋２１の巾Ｗ　１
　、Ｗ　２と光導波路（３）の１ｊＷ３とは、第１図で
は等しく設定されているが、必ずしも等しくなくてもよ
い。また、交差角はθ１〉θ２に設定されているが、θ
≦θ２てあってもよい。このような光導波路ｆｉｌ　（
２＋と光導波路＋３１　＋４１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、光導波路山（２）から光導波路＋３１　＋４
）に向う方向を２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＋１１　＋２１を
対称側、光導波路ｔ３１　＋４１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＋１１　＋２１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（」）
と（２）の間の結合か無視できるため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）を過きて、光導波路（３）と（
４）からなる非対称側にはいると、先導波路（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）の幅が先導波路
（４）の幅より広くなっているから、位相定数は先導波
路（３）のほうで大きい。したがって、偶モードの光波
バＶ−は光導波路（３）に、奇モードの光波パワーは先
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（
−）は、対称側の２つの光導波路ｉｌｌ　＋２１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ｆｉｌ　＋２１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、光波が先導波路（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。

光波を非対称側から入力することもてき１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。

第４図は実施例を示している。Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３結
晶基板ＯＣ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
（１１１０２Ｑ３１１：１４１がそれぞれ連続している
。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。光導波路（
３）、と（４）の交差角θ２を小さくすると、両光導波
路（３）（４）の非対称性が強調されるから、非対称側
の交差角θ２を対称側の交差角θ１より小さくする方が
有利である。

光導波路０３１（すなわち（３））が光波の入力側、先
導波路１４１　（すなわち（４））が出力側である。光
導波路０３］には光源たとえば半導体レーザ（７）が光
結合している。またこの先導波路（１３）上には、半導
体レーザ（７）からの入力光のみを通過させ、その反対
方向に伝搬する光波を遮断する光アイソレータ（９）が
設けられている。光アイソレータ（９）としては、後述
する第８図および第９図に示すもの、ファラデー回転と
偏光回路との組合せを利用したもの、その他のものが使
用可能である。

光導波路Ｏａにはこの光導波路圓から出射する光の強度
を検出する光電検出器（８）が結合している。

半導体レーザ（７）および光電検出器（８）は基板０α
に固定される必要はな（、その外部に配置してもよい。

他方の光導波路対＋１１　（Ｉｌｌと＋２１　（１２）
において、光導波路Ｏ２の終端の位置に基板００１に反
射膜（６）が蒸着されている。光導波路０１）は外部に
開放されている。光導波路０１）には計測すべき物理量
をもつものたとえば光ファイバが接続される。

第４図に示す実施例は、第３図（ａ）に破線で示す使い
方である。光導波路Ｑ３１に入射された光は結合部（５
）において１：１に分岐され同相の光波として先導波路
１１０１１と＋２１１１”２ｒを伝搬する。先導波路１
２＋　ｕ７Ｊの光波は反射膜（６）で反射されて結合部
（５）に戻る。光導波路ｆｉｌ　（Ｉｌｌを伝搬する光
波は外部に取出されたのち、何らかの手段によって再び
光導波路１１　Ｑｌ）に戻される。光導波路（１）を戻
る光と先導波路（２）を戻る光とが同相であれば、これ
らの光は光導波路（３）にのみ進む（第３図（ａ）実線
参照〕。両光波が逆相の場合にはすべての光波は先導波
路（４）にのみ伝搬する。上記以外の場合には、先導波
路（１）と（２）の光の位相差に応じた割合で光導波路
（３）と（４）に分岐して進む。したがって、先導波路
０４）から出力される光の強度を測定することにより上
記の位相差を検知することができる。光導波路（１４１
から出力される光の強度と位相差との関係が第５図に示
されている。

上記の位相差は何らかの物理量を表わしている。たとえ
ば、光導波路０１）に光ファイバを接続し、光を光ファ
イバの終端で反射させるようにする。そして光ファイバ
を温度雰囲気内に置くと、光ファイバは温度によって膨
張または収縮するのでその長さが変化する。この元ファ
イバの長さが上記の位相差となって現われる。したかっ
て、温度が先導波路０４）から出力される光の強度に変
換される。光導波路（１１）の外部に反射物体を置き、
この物体によって先導波路０１）の出射光を再び光導波
路０１）に戻すようにすると、反射物、体の位置または
微少変位もしくは振動を測定することができる。

このような物理量の計測において、光波の位相差に応じ
て光導波路（３）にも戻る光波が生じる。

しかしながらこの光波は光アイソレータ（９）によって
遮断されるので、半導体レーザ（７）に入射することは
なく、レーザの動作を不安定にしたり、破壊したりする
ことはない。

第４図において、先導波路（１１）の終端面にも反射膜
を形成してもよい。この場合に、光導波路＋１１　Ｑｌ
ｌまたは＋２＋　１１７Ｊのいずれか一方に圧力を加え
るとそこを伝搬する光波の位相に変化が生じるので圧力
の測定が行なえる。また光導波路ｆｉｌ　（ＩＩ）と＋
２１　＋１２）の長さをあらかじめ異なる値に設定して
おけば湿度を計測できる。

さらに他の応用が可能である。第６図においては、平行
光導波路＋Ｉｌ＋　（＋２１の光か一旦基板００１の外
部に出射され、基板（１０）の外部に配置された反射鏡
または物体などの反射面（２１１（２２）によって反射
され、再び光導波路ｆｉｌ）　（１２）に導かれ−る。

反射面２１＋と（２２）との相対的な位置関係により、
出力光の強度が変化する。たとえば、光の波長をλとし
て、反射面（２１）と（２２）との距離がλ／４の場合
には、先導波路（１３）に入射した光のほとんどが光導
波路圓から出力される。この構成は、たとえばデジタル
Φオーディオ・ディスクなどの光学的読取りなどに応用
できる。なお、光導波路ｆｉｌｌ　０２１からの光の入
出力は光ファイバまたはレンズ累を用いればよい。

第７図に示す応用例では、光導波路（Ｑｌｌ　＋１２）
から出射される光が、それぞれ別個の光ファイ／＜（２
３）０４＋に導かれ、これらの光ファイバａ３）（２４
＋の先端で反射された光が再び先導波路＋Ｉｌｌ　（１
２）に戻されている。２本の光ファイバ（２３）と（２
４）の長さ、２本の光ファイバ（支））と（２４）がそ
れぞれおかれている湿度など種々の物理量の差が、光導
波路０４）の出力光の強度変化に変換されるので、これ
らの物理量の測定に適用可能である。

上記実施例においては光導波路０３）から光が入力し、
光導波路（１４］から出力しているが、逆に光導波路圓
から光を入力し、光導波路（１３）から出力させるよう
にしてもよい。また、光導波路（１１１０’ＺＩを光の
入出力側とすることもてきる。これらの場合には、入力
用光導波路に光アイソレータが設けられる。第４図にお
いて、光導波路（１３）に九アイソレータを設けてもよ
いのは言うまでもない。

第８図はＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３基板」二に形成可能な光
アイソレータの一例を示している。この光アイソレータ
は、入力側先導波路（３ａ）とこれから非対称に分岐す
る分岐路＋３１１　（３２）とからなる第１の非対称分
岐光導波路、出力側光導波路（３１）　）とこれから非
対称に分岐する分岐路＋３３１　（３４）とからなる第
２の非対称分岐光導波路、分岐路（３１）の両側に設け
られた電極（３５）を含む−π位相シック、および分岐
路（３４）の延長上に設けられたアッテネータ（３６）
から構成されている。光導波路（３ａ）からの入力光は
、第１の分岐光導波路で分岐さ第２の分岐光導波路で分
岐され、分岐路Ｇ４）に進んだ光のほとんどがアッテネ
ータ（３６）で減衰させられる。分岐路（至）から（至
）に進む光の強度は分岐路（３３）に分岐した光の強度
にほぼ等しく、第１の分岐光導波路において１８０°位
相の異なる光が重ね合わされる結果、光導波路（３ａ）
に進む光はほとんど零に等しくなる。

第９図は他の例を示している。ここではアッテネータ（
田は分岐路（詞に設けられている。動作は第８図に示す
ものとほぼ同じである。

上記実施例においては基板としてＬｉＮｂＯ３が用いら
れているが、これ以外にも他の多くの光学材料を使用す
ることができる。たとえば、ガラスを基板として用い、
銀イオンを拡散することにより光導波路を形成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

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図は、この発明の実施
例を示す斜視図、第５図は、位相差と出方光の相対強度
との関係を示すグラフ、第６図および第７図は他の応用
例を示す構成図、第８図および第９図は、光アイソレー
タの例を示す構成図である。ｆｉｌ　＋２１　＋３１　＋４１−・・光導波路、（５
）・拳・結合部、（９）・拳・　光アイソレータ、＋１
０１・・・基板、θ１、θ２・・１交差角。以　　上特許出願人　立石電機株式会社第２図（ａ）（ｂ）第３図第４図３第５図

Claims

【特許請求の範囲】

等しい位相定数を有しかつ一端で互いに交差する第１の
１対の単一モード光導波路と、互いに異なる位相定数を
有しかつ一端で互いに交差する第２の１対の単一モード
先導波路とが、それぞれの交差部で互いに結合されてお
り、第１および第２の先導波路対のうちのいずれか一方
が光の入出力用であり、入出力用先導波路対のいずれか
一方の光導波路が光の入力用であって、この入力用光導
波路に入力光のみの通過を許す光アイソレータが設けら
れている、光学的計測器。