JPS61198019A - 導波型光センサ - 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】 発明の背禁 この発明は、電圧、温度、圧力、湿度、その他の複数種
類の物理量を光学的に同時検出する導波型光センサに関
する。

光伝送は電磁気雑音の影響を受けないというすぐれた特
長をもっているので、電磁気雑音の多い環境下でのデー
タの伝送に適している。光ファイバを用いると低損失の
光データ伝送が可能であるから、比較的長距離のデータ
伝送も行なえる。光伝送されるべきデータが何らかの測
定データ、たとえば物理量の測定値などの場合には、光
の形態で測定または検出を行ない、そのまま光ファイバ
を通してこの測定データを光伝送することが好ましい。

ここに、光センサ、光ファイバ・センサといわれるもの
の利用価値がある。

電圧、圧力、温度、湿度その他の複数種類の物理量を同
時に測定する場合には、測定すべき物理量の種類に応じ
た複数の素子が必要となる。

複数の素子のそれぞれの測定データを光伝送するために
素子の数と等しい本数の光ファイバを設けるとすれば、
多くの光ファイバが必要となり、光伝送距離が長い場合
には光ファイバの設置費用がかなり嵩むという問題が生
じる。

発明の概要 この発明は、複数種類の物理量を測定するために複数の
検出素子をもつ導波型光センサにおいて、複数種類の検
出データを１本の光ファイバまたは電気ケーブルを用い
て光伝送できるようにすることを目的とする。

この発明による導波型光センサは、検出すべき複数種類
の物理量に応じて光学的特性がそれぞれ変化する基板、
基板上に導入された光を複数の光に分岐させる分岐手段
、分岐された光の強度を加えられる複数種類の物理量に
応じてそれぞれ変調する複数の変調素子、および変調素
子から出力される複数の光を時間的にシリアルな光信号
に変換するＰ／Ｓ　（パラレル／シリアル）変換手段を
備えていることを特徴とする。

複数の変調素子が設けられ、これらの変調素子によって
複数の光の強度が加えられる複数種類の物理量に応じて
それぞれ変調される。これらの変調素子から出力される
強度変調された光信号は加えられる物理量をそれぞれ表
わしている。したがって、複数種類の物理量を同時に計
測または検出することができる。

基板上に導入された光を複数の光に分岐させる分岐手段
が設けられているから、基板には１本の光ファイバで光
を導入することが可能である。もっとも、半導体レーザ
等の光源の光を直接に基板に光結合させてもよい。

Ｐ／Ｓ変換手段が設けられ、これによって複数の変調素
子から出力される複数の光が時間的にシリアルな光信号
に変換されているので、この光信号を１本の光ファイバ
で伝送することができる。この光信号には複数種類の物
理量の測定、検出データが含まれている。複数種類の物
理量の測定、検出データの１本の光ファイバによる光伝
送が可能となる。この光信号を電気信号に変換する場合
にも１つのＯ／Ｅ変換器で足り、処理装置側の構成も簡
素となる。

実施例の説明 第１図において、導波型光センサの基板（１０）として
電気光学効果、光弾性効果、音響光学効果を有するとと
もに温度によって屈折率が変化するＹカットＬｉＮｂ０
ａが用いられている。

この基板（１０）上には、入力光を４つの光に等しく分
岐させるための７字型光導波路（２５）〜（２７）、光
強度変調素子となる４つのマツハツエンダ型先導波路（
２１）〜（２４）および光パラレル／シリアル（Ｐ／Ｓ
）変換を行なうための光導波層（１１）が形成されてい
る。

マツハツエンダ型光導波路（２１）は、入力用先導波路
部分（２１ｃ）　、この光導波路部分（２１ｃ）から等
しい角度で分岐した２つの分岐光導波路部分（２１ａＨ
２１ｂ）およびｑ、れらの光導波路部分（２１ａ）（２
１ｂ）が合流する出力用先導波路部分（２１ｄ）から構
成されている。他のマツハツエンダ型先導波路（２２）
〜（２４）もこれと全く同じである。

マツハツエンダ型先導波路（２１）は電圧測定のための
ものであり、同光導波路（２２）、（２３）、（２４）
はそれぞれ温度、圧力、湿度を測定するために用いられ
る。

７字型光導波路（２５）に導入された入力光はこのこの
光導波路（２５）によって等しく分波させられる。分波
した２つの光はそれぞれ７字型光導波路（２６）および
（２７）で再び等しい強度の２つずつの光に分かれ、４
つのマツハツエンダ型先導波路（２１）〜（２４）の入
力用光導波路部分に導かれる。このようにして、等しい
強度の光がマツハツエンダ型光導波路（２１）〜（２４
）に入力することになる。７字型光導波路（２５）への
入力光の導入は、半導体レーザ等の光源を直接に光導波
路（２５）の端面に光結合させることによっても、また
光源からの光を光ファイバを用いて導きこの光ファイバ
を適当な光結合器を介してまたは直接に光導波路（２５
）に光結合させることによっても達成される。

マツハツエンダ型光導波路（２１）〜（２４）の出力用
光導波路部分＜　（２１ｄ）等）の出力端は先導波層（
１１）につながっている。先導波層（１１）上の一側に
はインターディジタル・トランスデユーサ（ＩＤＴと略
す）　（４０）が形成されている。後述するように、高
周波電圧がパルス状にＩＤＴ（４Ｇ）に印加され、Ｉ　
Ｄ　Ｔ　（４０）からはパルス状の弾性表面波（ＳＡＷ
と略す）が発生し、このＳＡＷが先導波層（１１）を伝
播していく。先導波路（２１）〜（２４）の出力光とＳ
ＡＷとがブラッグ回折条件を満足するように、この出力
光の伝播方向（すなわち出力用光導波路部分（２１ｄ）
等の方向）とＳＡＷの伝播方向（すなわちＩ　Ｄ　Ｔ　
（４０）の配＠）とが定められている。

ＳＡＷとの相互作用によってブラッグ回折された光はレ
ンズ等の集光手段（４１）によって集光されかつ一本の
光ファイバ（図示路）に光結合される。非回折光は集光
手段（４１）によって集光されない。集光手段として光
導波層（１１）上に形成された導波路レンズ（たとえば
グレーティング・レンズ、フレネル・レンズ、ジオデシ
ック・レンズ、ルネブルグ・レンズ等）を用いることも
できる。集光された光を直接に光ファイバに導入するこ
ともできるし、適当な光結合器を介して光ファイバに結
合してもよい。

マツハツエンダ型先導波路（２１）〜（２４）、Ｙ字型
光導波路（２５）〜（２７）および先導波層（１１）は
、たとえば基板（１０）上にＴｉをスパッタとリフトオ
フ法を用いて所定パターンに２００オングストロームの
厚さに形成し、この後、温度９７０℃、時間５時間、雰
囲気ウェット０２の条件で拡散することにより作製する
ことができる。先導波路（２１）〜（２１）の巾は５Ｊ
で、基板に水平な方向と垂直な方向に対してシングル・
モードの光が伝播できるようにする。Ｉ　Ｄ　Ｔ　（４
０）および後述する電極（３１）はＴ１とＡ／の２層構
造とし、通常のリフトオフ法により作製する。Ｉ　Ｄ　
Ｔ　（４０）の各電極の巾と間隔をそれぞれ２．５−と
すれば、光の波長が０．２９　／Ｊのとき、ブラック角
は０．８２°になる。

まず電圧測定の原理について説明する。

マツハツエンダ型先導波路（２１）の一方の分岐光導波
路部分（２１ａ）の両側の位置には１対の電極（３１）
が基板（１０）上に形成されている。これらの電極（３
１）は、被測定電圧が印加される１対の端子（３０）に
電気的に接続されている。１対の電極（３１）が分岐光
導波路部分（２１ａ）を挟んで重なっている部分の長さ
をしとする。この長さしは分岐光導波路部分（２１ａ）
の被測定電圧が印加される長さである。

マツハツエンダ型光導波路（２１）の入力用光導波路部
分（２１ｃ）を伝播する光は２つの分岐光導波路部分（
２１ａ）（２１ｂ）に等しく分岐してこれらの先導波路
部分（２１ａ）（２１ｂ）を進み、出力用先導波路部分
（２１ｄ）において合波さ゛れる。２つの分岐先導波路
部分（２１ａ）（２１ｂ）の長さ／１、／２（破線で示
すように分岐点から合流点までの長さ）が等しい場合に
は、分岐光導波路部分（２１ａ）（２１ｂ）を伝播する
２つの光は、１つの光から分岐されたものであるから、
出力用光導波路部分（２１ｄ）で合波するときに位相が
一致している。したがって、伝播損失を考慮しなければ
、出力用光導波路部分（２１ｄ）で得られる光の強度は
入力用光導波路部分（２１ｃ）におけるそれに等しい。

一般的にいうと、分岐光導波路部分＜２１ａ）（２１ｂ
）を伝播してきた２つの光が出力用先導波路部分（２１
ｄ）で合波するときにそれらの位相差が２ｍπ（ｍはＯ
および整数）であれば、出力用光導波路部分（２１ｄ）
からはマツハツエンダ型光導波路（２１）に入力した光
と同じ強度（これを最大強度Ｉ　　という）の光が得ら
れる。２つの光の位ａｘ 相差が２ｍπということを、分岐光導波路部分（２１ａ
）（２１ｂ）の長さの差ΔＩ＝１１−／２で表わすと、
次のように表現される。

Δ／＝ｍ・　（λｏ／ｎ）　　　　　　　・・・（１）
ここでｎは光導波路の屈折率、λ０は真空中での光の波
長である。

分岐先導波路部分（２１ａ）（２１ｂ）の長さの差Δｌ
が次の関係にある場合には、これらの光導波路部分（２
１ａ０２１ｂ）を伝播してきた光は出力用光導波路部分
（２１ｄ）で合波するときにその位相差が（２ｍ＋１）
πとなる。

Δｌ＝　［（２ｍ＋１）／２］　・（λｏ／ｎ）・・・
（２） この場合には逆位相の２つの光が重ね合わされることに
なるから、出力用光導波路（２１ｄ）に得られる光強度
はＯになる。

さて、ＬｉＮｂＯ３は電気光学効果をもつ結晶であるか
ら、電界が印加されるとその屈折率が変化する。基板（
１０）の７方向に電界Ｅ　（Ｅ＝Ｖ／ｄ、Ｖ：印加電圧
、ｄ：１対の電極間の間隔）を加えると、屈折率がΔｎ
＝−（ｎ３／２＞・γ　・Ｅだけ変化する。ここで１３
３は電気光学定数である。この屈折率が変化した部分を
伝播する光の位相はΔΦ＝（２π／λ０）・Ｌ・（−ｎ
３／２）・γ　・Ｅだけ変化する。分岐光導波路部分（
２１ａ）（２１ｂ）を伝播する２つの光の位相差をπだ
け変化させるのに要する電圧を半波長電圧ｖ７ｃという
。

第２図は、分岐光導波路部分（２１ａ）（２１ｂ）の長
さの差Δｌが第（１）式を満たす場合における電極（３
１）間への印加電圧と出力用光導波路（２１ｄ）に得ら
れる光の強度との関係を示している。

上述のように一方の分岐光導波路部分（２１ｂ）で印加
電圧に応じて光の位相が変化するので、出力光強度はＩ
＝Ｉ　　　　ｃｏｓ２（ΔΦ／２）にしｎ＋ａｘ たがって変化する。印加電圧が±２ｍＶやのときに最大
強度Ｉ　　の光が得られ、印加電圧がａｘ ±（２ｍ＋１）Ｖいのときに光の強度はＯとなる。

第３図は、分岐光導波路部分（２１ａ０２１ｂ）の長さ
の差Δｌが第（２）式を満足する場合における電極（３
１）間への印加電圧と出力用先導波路（２１ｄ）に得ら
れる光の強度との関係を示している。

印加電圧が士（２ｍ＋１）Ｖ、のときに最大強度Ｉ　　
の光が得られ、印加電圧が±２ｍＶ７ｃ＋１ａＸ のときに光の強度はＯとなる。

このようにして、マツハツエンダ型先導波路（２１）の
出力光強度を測定することにより電極（３１）間に印加
された電圧を知ることができる。

マツハツエンダ型光導波路（２２）は温度測定に用いら
れる。しｔＮｂＯａは温度が１℃上昇すると屈折率が５
．３Ｘ　１０’増大する。したがって、温度が６丁変化
すると、マツハツエンダ型光導波路（２２）（７）　２
　ツ（７）分岐先導波路部分（２２ａ）（２２ｂ）を伝
播する光の位相差はΔΦ＝（２π／λ０）・Δｌ・ΔＴ
　Ｘ　５．３ｘ　１０−５だけ変化する。ここでΔｌは
分岐光導波路部分（２２ａ）と（２２ｂ）の長さの差で
ある。したがって温度に応じてマツハツエンダ型先導波
路（２２）の出力光強度が変調される。

マツハツエンダ型光導波路（２３）は圧力を検出するた
めのものである。一方の分岐光導波路部分（２３ｂ）上
にパッド（３３ａ　）を介してプレート（３３）が設け
られ、このプレート（３３）に圧力が加えられる。分岐
光導波路部分（２３ｂ）にそう圧力が加えられる部分の
長さをｌとする。ＬｉＮｂＯ３は光弾性効果をもつから
プレート（３３）に圧力Ｐが加えられることによって分
岐光導波路部分（２３ｂ）を伝播する光にはΔΦ＝（２
π／λ０）・Ｃ−／、Ｐの位相変化が現われる。ここで
Ｃは光弾性定数である。したがって、マツハツエンダ型
先導波路の出力光には印加される圧力に応じて強度変化
が現われ、上述の電圧検出の場合と同じようにして圧力
が計測される。

マツハツエンダ型光導波路（２４）は湿度測定に用いら
れる。一方の分岐光導波路部分（２４ｂ）上に湿度によ
り屈折率の変化する高分子′材料からなるバッファ層（
３４）が装荷されている。このバッファ層（３４）の湿
度変化にもとづく屈折率変化によりマツハツエンダ型光
導波路（２４）の出力光に強度変化が現われる。

さて、Ｉ　Ｄ　Ｔ　（４０）から発生したパルス状のＳ
ＡＷが光導波層（１１）を伝播していく過程で、まずマ
ツハツエンダ型先導波路（２４）の出力光と相互作用し
この出力光を回折させる。このときにはＳＡＷは他のマ
ツハツエンダ型光導波路（２３）〜（２１）の出力光と
は相互作用しない。次にＳＡＷはマツハツエンダ型光導
波路（２３）の出力光と相互作用しこの出力光を回折さ
せる。このようにして、４つのマツハツエンダ型光導波
路（２４）〜（２１）の出力光は順次ＳＡＷによって回
折されるから、時間軸上でシリアルな光信号となる。

したがって、集光されたシリアルな回折光を１本の光フ
ァイバによって伝送することが可能となる。

第４図は、上述した導波型光センサを利用した光測定シ
ステムを示している。レーザダイオード（６）からのレ
ーザ光は光ファイバ（２）によって伝送され、導波型光
センサ（１）のＹ字型光導波路（２５）に入力する。Ｉ
　Ｄ　Ｔ　（４０）には高周波信号発生装置（７）の出
力高周波信号が印加される。Ｉ　Ｄ　Ｔ　（４０）から
発生するＳＡＷとの相互作用によってＰ／Ｓ変換されか
つレンズ（４１）で集光された光信号は光ファイバ（３
）によって光／電気（０／Ｅ）変換器（４）に入力し、
電気信号に変換される。この電気信号はＣＰＵ（５）に
入力し、電気信号の値から測定電圧、温度、圧力、湿度
等がＣＰＵ　（５）によって算出される。高周波信号発
生装＠（７）およびレーザ・ダイオード（６）はＣＰＵ
（５）によって制御され、温度補償などが行なわれる。

このように、光ファイバ＜２）（３）による光信号の伝
送が行なえ、電磁気雑音の影響を受けない計測システム
が実現される。

第５図は他の実施例を示している。ここではレーザ・ダ
イオード（６）からのレーザ光が直接に基板（１０）上
の先導波路（２５）に光結合されている。また、シリア
ル変換された出力光信号は０／Ｅ変換器（４）で電気信
号に変換され、ケーブルでＣＰＵ　（５）に伝送されて
いる。このように、信号の伝送は光の形態で行なっても
電気の形態で行なってもどちらでもよい。

第６図は、マツハツエンダ型光導波路（２１）における
電極配置の他の例を示している。基板（１０）が７カツ
トＬＩＮＩ）０＋の場合には、マツハツエンダ型光導波
路（２１）の分岐先導波路部分（２１ａ）（２１ｂ）の
両方の上に電極（３１）を設ける。電極（３１）間に電
圧が印加されると分岐先導波路部分（２１ａ）（２１ｂ
）の一方で屈折率が増大し、他方で減少し、これらを伝
播する光に位相差が生じ、上述した場合と同じように出
力用光導波路部分（２１ｄ）から出力される光の強度が
変調される。

この発明においては、基板は種々の物理量の変化に応じ
てその光学的特性が変化するものであれぽいかなるもの
を用いることもできる。たとえば、ＬｉＮｂＯ３以外’
に−Ｔｉ０２やＬｉＴａ０ａなどを用いることができる
。検出の対象となる物理量も基板の光学的特性その他の
材料の性質に応じて定めることができる。たとえば、ガ
ス濃度により屈折率の変化する材料を装荷すれば化学セ
ンサが実現する。また、同一種類の物理量を検出するダ
イナミック・レンジと感度の異なる光強度変調素子を複
数個設けるようにしてもよい。

もちろん、基板上に形成するマツハツエンダ型先導波路
の数も任意に設定できる。そして、光強度変調素子とし
ては、上述のマツハツエンダ型光導波路を利用したちの
以外に、たとえば光導波路間の方向性結合器を利用した
もの、特願昭５７−８６１７８号（特開昭５８−２０２
４０６号公報）の導波形光ビーム・スプリッタを利用し
たものなどを挙げることができる。

基板上への先導波路の作成も種々の方法によりこれを行
なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す傾斜図である。 第２図および第３図は印加電圧と出力光強度の関係を示
すグラフである。 第４図および第５図は光学的計測システムを示す概略構
成図である。 第６図は電極の配置の他の例を示す平面図である。 （１０）・・・基板、（１１）・・・光導波層、（２１
）〜（２４）・・・マツハツエンダ型光導波路、（２５
）〜（２γ）・・・Ｙ字型光導波路、（３１）・・・電
極、（３３）・・・プレート、（４０）・・・ＩＤＴ。 以　　上 −■τ　　　０　　　番■π 印７７ｎ電圧 第８図 范 訂４（℃ ０５（う 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 検出すべき複数種類の物理量に応じて光学的特性がそれ
   ぞれ変化する基板、 基板上に導入された光を複数の光に分岐させる分岐手段
   、 分岐された光の強度を加えられる複数種類の物理量に応
   じてそれぞれ変調する複数の変調素子、および 変調素子から出力される複数の光を時間的にシリアルな
   光信号に変換するＰ／Ｓ変換手段、を備えた導波型光セ
   ンサ