JPS61198120A - 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】 発明の背景 この発明は、電圧、温度、圧力、湿度、その他の物理量
を光学的に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、湿度その他の物理量を高精度でかつ
広いダイナミック・レンジで測定する場合には、感度と
検知領域の異なる複数の素子が必要となることがある。

このとき、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、複数の検出素子をもつことにより高精度で
広いダイナミック・レンジをもつ導波型光センサにおい
て、複数の検出データを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、検出すべき物理量に
応じて光学的特性が変化する基板、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
度を加えられる物理量に応じてそれぞれ異なる度合で変
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物理量に応じてそれぞれ異
なる度合で変調される。複数の光の間の強度変調パター
ンは加えられる物理量に応じて変化するので、このパタ
ーンを解析することにより加えられた物理量に関するデ
ータが得られる。したがって、高精度でかつ広いダイナ
ミック・レンジの測定、検出が可能となる。

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。もつとも、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。この光信号には物理量の測定
、検出データが含まれているので、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の実施例は電圧を検出する導波型光センサに関する
ものである。

第１図において、導波型光センサの基板（１０）として
電気光学効果を有するＹカットＬｉＮｂＯ３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
等しく分波させるための７字型光導波路（２５）〜（２
７）、光強度変調素子となる４つのマツハツエンダ型光
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（２１ａ）
（２１ｂ）およびこれらの光導波路部分（２１ａ）（２
１ｂ）が合流する出力用光導波路部分（２１ｄ）から構
成されている。他のマツハツエンダ型光導波路（２２）
〜（２４）もこれと全く同じ構成である。

マツハツエンダ型光導波路（２１）の一方の分岐先導波
路部分（２１ｂ）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。同様に、他のマツハツエンダ
型先導波路（２２）〜（２４）の一方の分岐光導波路部
分の両側にも１対の電極（３２）〜（３４）がそれぞれ
設けられ、端子（３０）に接続されている。１対の電極
（３１）が分岐光導波路部分（２１ｂ）を挟んで重なっ
ている部分の長さを２６Ｌ−Ｌとする。この長さしは分
岐光導波路部分（２１ｂ）の被測定電圧が印加される長
さである。同様に、他の電極（３２）、（３３）、（３
４）の重なつている部分の長さは２　　Ｌ−２１，２２
Ｌ＝４Ｌ、２３Ｌ−８Ｌにそれぞれ設定されている。

７字型光導波路（２５）に導入された入力光はこの光導
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光導波路（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）に入力することとなる。

Ｙ７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先導波路（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）の出力端は光導波層（１
１）につながっている。光導波層（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
）　（４Ｇ）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［ＤＴ（４０）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、光導波層（１１）を伝播していく。マ
ツハツエンダ型光導波路（２１）〜（２４）の出力光と
ＳＡＷとがブラッグ回折条件を満足するように、この出
力光の伝播方向くすなわち出力用先導波路部分（２１ｄ
）等の方向）とＳＡＷの伝播方向（すなわちＩ　Ｄ　Ｔ
　（４０）の配置）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（図示略）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
グレーテインク壷レンズ、フレネル会レンズ、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もよい。

マツハツエンダ型光導波路（２１）〜（２４）、７字型
光導波路（２５）〜（２Ｔ）および光導波１ｉ　（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オンゲストＯ−
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。光導波路（２１）〜（２７）の巾は
５Ｒ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　
（４０）および電極（３１）〜（３４）はＴｉとＡＩ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．
５ｍとすれば、光の波長が０．２９　Ｍのとき、ブラッ
ク角は０．８２°になる。

次にマツハツエンダ型光導波路における光の変調につい
て説明する。４つのマツハツエンダ型光導波路（２１）
〜（２４）は、電極対の長さが異なるのみで、他の構成
は全く同じであるから、これらの光導波路の代表として
マツハツエンダ型光導波路（２１）について説明する。

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）に等しく分波してこれらの光導波路
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、分岐先導波路部分（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
度は入力用先導波路部分（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）（２
１ｂ）を伝播してきた２つの光が出力用光導波路部分（
２１ｄ）で合波するときにそれらの位相差が２ｍπ（ｍ
は０および整数）であれば、出力用光導波路（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■　　と量ａｘ いう）の光が得られる。２つの光の位相差が２ｍπとい
うことを、分岐光導波路部分（２１ａ）（２１ｂ）の良
さの差Δｌ−１１−１２で表わすと、次のように表現さ
れる。

Δ／−ｍ・（λ。／ｎ）　　　　　　　・・・（１）こ
こでｎは光導波路の屈折率、λ０真空中での光の波長で
ある。

分岐光導波路部分（２１ａ０２１ｂ）の長さの差ΔＩが
次の関係にある場合には、これらの光導波路部分（２１
ａ）（２１ｂ）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０になる。

さて、Ｌ！ＮｂＯ３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：印加側ｔ
、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γ３
３は電気光学窓数である。この屈折率が変化した部分を
伝播する光の位相はΔΦ＝（２π／λ。）・ｌ・（−ｎ
３／２’）・γ　・Ｅ変化する。ここでＩは電解が加え
られる部分の長さである。マツハツエンダ型先導波路（
２１）においては／＝Ｌであり、他のマツハツエンダ型
光導波路（２２）、（２３）、（２４）ではそれぞれ／
＝２１，４Ｌ、８ｍとなる。

分岐光導波路部分（（２１ａ）（２１ｂ）等）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■、という。４つのマツハツエンダ型先導
波路（２１）〜（２４）では長さｌが異なるから半波長
電圧■いも異なる。マツハツエンダ型光導波路（２１）
の半波長電圧をＶいとすれば、マツハツエンダ型光導波
路（２２）、（２３）、（２４）の半波長電圧はそれぞ
れＶ　　／２、ｖ７ｃ／π ４、■や／８となる。このようにして、４つのマツハツ
エンダ型光導波路（２１）〜（２４）は感度とダイナミ
ック・レンジの異なる変調素子となる。

第２図は、分岐光導波路部分（２１ａＨ２１ｂ）の長さ
の差Δｌが第（１）式を満たす場合における電極（３１
）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。

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ｌ
−１ｃｏｓ２（ΔΦ／２）にしａＸ たがって変化する。印加電圧が±２ｍＶ７ｃのときに最
大強度■　　の光が得られ、印加電圧がａＸ ±（２ｍ’＋１）Ｖ、のときに光の強度はＯとなる。

第３図は、分岐先導波路部分（２１ａ）（２１ｂ）の長
さの差ΔＩが第（２）式を満足する場合における電極（
３１）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。

印加電圧が±（２ｍ＋１　）Ｖ２Ｃのときに最大強′　
　度Ｉ　　の光が得られ、印加電圧が±２ｍＶ７ｃａＸ のときに光の強度はＯとなる。

第４図は、第３図のような特性が得られる条件下（すな
わちΔｌが第（２）式を満足する場合）において、４つ
のマツハツエンダ型光導波路（２１）〜（２４）から得
られる出力光強度（縦軸）を端子（３０）に印加される
被測定電圧（横軸）に対して示したものである。光強度
曲線は便宜的に電極長をパラメータとして示されている
。すなわち、Ｌはマツハツエンダ型光導波路（２１）の
出力光強度であり、２［，４Ｌ、８Ｌはそれぞれ光導波
路（２２）、（２３）、（２４）の出力光強度である。

これらの出力光を光電変換素子によって電気信号に変換
した場合のその出力信号曲線もこの光強度曲線と同形ま
たは反転した形となる。

このような光強度信号または電気信号を、■１ａｘ／２
のレベル■、でレベル弁別して２値化すると、第４図の
下半部に示すように被測定電圧を表わす４ビツトの信号
（データ）が得られる。この４ビツト・データによって
被測定電圧が一義的に表わされることが容易に理解でき
よう。このようにして、＾精度の電圧測定が達成される
。

第２図に示されるような特性が得られる条件下（すなわ
ちΔｌが第（１）式を満足する場合）においても、同様
に被測定電圧を表わす４ビツト・データが得られるのは
いうまでもない。また、弁別レベルは任意のレベルでよ
く、複数のレベルで弁別してもよい。

さて、第１図に戻って、Ｉ　Ｄ　Ｔ　（４０）から発生
したパルス状のＳＡＷ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光導波路（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５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＠（７）の出
力高周波信号が印加される。光センサでシリアルな光信
号に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／Ｎ気（０／Ｅ）変換器（
４）に入力し、電気信号に変換されるとともに、上述の
レベルＩ、に対応するレベルでレベル弁別される。Ｏ／
Ｅ変換器（４）から出力される４ビット信号はＣＰＬＩ
　（５）に入力し、この４ビット信号に基づいて被測定
電圧の値が算出される。高周波信号発生装置（７）およ
びレーザ・ダイオード（６）はＣＰＬＩ　（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６図は他の例を示している。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）上の光
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Ｏ／Ｅ変換器（
４）で電気信号に変換され、ケーブルでＣＰＬＪ　（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７図は、マツハツエンダ型光導波路における電極配置
の他の例を示している。基板（１０）が２カツトＬｉＮ
Ｉ）０３の場合には、マツハツエンダ型光導波路（２１
）の分岐光導波路部分（２１８Ｈ２１ｂ）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（２１ａＨ２１ｂ）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。

第８図は第２の実施例を示しており、ここでは圧力が検
出される。この導波型光センサでは、基板（１０）とし
て光弾性効果をもつもの、たとえばＬｉＮｂＯ３が用い
られる。このような基板では圧力が加えられるとその屈
折率が変化する。

巾が漸変するプレート（５１）が４つのマツハツエンダ
型光導波路（２１）〜（２４）を横切るように設けられ
ており、これらの光導波路（２１）〜（２４）の一方の
分岐光導波路部分とプレート（５１）との間にパッド（
５２）がそれぞれ介在され、プレート（５１）に加えら
れた圧力がパッド（５２）を介してこの一方の光導波路
部分に印加され、他方の光導波路部分には圧力が加えら
れないように構成されている。分岐光導波路部分にそう
圧力が加えられる部分の長ざｌは、マツハツエンダ型先
導波路（２１）、（２２）、（２３）、（２４）におい
てそれぞれＬ１２Ｌ、４Ｌ、８Ｌに設定されている。圧
力Ｐが加えられることによって分岐光導波路部分を伝播
する光にはΔΦ＝（２π／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
検出センサの場合と同じ原理で圧力が計測される。

第９図はこの発明の第３の実施例を示しており、これは
温度検出を行なう導波形光センサである。

４つのマツハツエンダ型先導波路（２１）〜（２４）の
一方の分岐光導波路部分（２１ｂ）〜（２４ｂ）の長さ
がそれぞれ異なっており、先導波路部分（２１ａ）と（
２１ｂ）　、（２２ａ）と（２２ｂ）　、（２３ａ）と
（２３ｂ）およヒ（２４ａ）と（２４ｂ）の長さの差の
比はＬ：２Ｌ：４Ｌ：８Ｌとなっている。もちろんこれ
らの長さの差は第（１）式または第（２）式を満足する
。

基板（１０）がＬｉＮｔ）Ｏａの場合には、温度が１℃
上昇すると屈折率は５．３Ｘ　１０−５増大する。

したがって、温度がΔＴ変化すると、マツハツエンダ型
先導波路の２つの分岐先導波路部分を伝播する光の位相
差はΔΦ−（２π／λ。）・Ｉ・ΔＴＸ　５．３Ｘ１Ｇ
’だけ変化する。ここでＩは上述した分岐光導波路部分
の長さの差である。

このようにして、第９図の光センサにおいても温度に応
じてマツハツエンダ型光導波路の出力光強度が変調され
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ばいかなるもの
を用いることもできる。たとえば、ＬｉＮｂＯ５以外に
■１０２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としては、電圧、圧力、温度以外
に、湿度、ガス濃度などがあろう。たとえば、湿度の変
化によって屈折率の変化する材料を用いてバッファ層を
先導波路上に荷役すれば湿度検出が行なえるし、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。

もちろん、基板上に形成するマツハツエンダ型光導波路
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。

基板上への光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図はこの発明の第１の実施例を示す斜視図である。 第２図および第３図は印加電圧と出力光強度の（資）係
を示すグラフである。 第４図は、印加電圧と４つのマツハツエンダ型光導波路
の出力光強度との関係および出力光強度を２値化するこ
とにより得られる４ビット信号を示すものである。 第５図および第６図は光学的計測システムを示す概略構
成図である。 第７図は電極の配置の他の例を示す平面図である。 第８図はこの発明の第２の実施例を示す斜視図である。 第９図はこの発明の第３の実施例を示す斜視図である。 （１０）・・・基板、（１１）・・・先導波層、（２１
）〜（２４）・・・マツハツエンダ型先導波路、（２５
）〜（２７）・・・７字型光導波路、（４０）・・・Ｉ
ＤＴ。 以　　上 第５図 第６図 １７７１１電圧

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 検出すべき物理量に応じて光学的特性が変化する基板、 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物理量に応じてそれぞ
   れ異なる度合で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