JPS61198121A - Waveguide type photosensor - Google Patents

Waveguide type photosensor

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Publication number
JPS61198121A
JPS61198121A JP60040136A JP4013685A JPS61198121A JP S61198121 A JPS61198121 A JP S61198121A JP 60040136 A JP60040136 A JP 60040136A JP 4013685 A JP4013685 A JP 4013685A JP S61198121 A JPS61198121 A JP S61198121A
Authority
JP
Japan
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optical waveguide
optical
light
output
waveguides
Prior art date
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Pending
Application number
JP60040136A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Naohisa Inoue
直久 井上
Masaharu Matano
俣野 正治
Maki Yamashita
山下 牧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Omron Corp
Original Assignee
Omron Tateisi Electronics Co
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Filing date
Publication date
Application filed by Omron Tateisi Electronics Co filed Critical Omron Tateisi Electronics Co
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Priority to US06/832,732 priority patent/US4763973A/en
Priority to EP86102538A priority patent/EP0193193A3/en
Publication of JPS61198121A publication Critical patent/JPS61198121A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To transmit plural kinds of detection data optically through one optical fiber or electric cable by utilizing Mach Zehnder type optical waveguides. CONSTITUTION:Input light entered through a Y-shaped optical waveguide 25 is demultiplexed equally by this optical waveguide 25. The two demultiplexed light beams are further demultiplexed into two light beams which have the same intensity, so that equal light beams are inputted to Mach Zehnder type optical waveguides 21-24 respectively. The light propagated in the input optical waveguide part 21 of the optical waveguide 21 is demultiplexed equally to two branch optical waveguide parts 21a and 21b, wherein they are guided and then multiplexed by an output optical waveguide part 21d. A high-frequency voltage is applied as pulses to an IDT 40, where an impulsive surface acoustic wave is generated and propagated in a substrate 10. Output light beams of the optical waveguides are diffracted successively with the SAW, so they becomes a serial light signal on the time base.

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、その他の複数種
類の物1!I!mを光学的に同時検出する導波型光セン
サに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Background of the Invention This invention provides voltage, temperature, pressure, humidity, and other multiple types of substances 1! I! The present invention relates to a waveguide optical sensor that optically simultaneously detects m.

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]!01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。
Optical transmission has the excellent feature of not being affected by electromagnetic noise, so it is suitable for data transmission in environments with a lot of electromagnetic noise. Since optical fibers allow optical data transmission with low loss, data transmission over relatively long distances can also be performed. The data to be optically transmitted is some measurement data, such as an object]! In the case of a measured value of 01, etc., it is preferable to perform measurement or detection in the form of light and to optically transmit this measurement data directly through an optical fiber. This is where the use of optical sensors and optical fiber sensors comes into play.

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、測定すべき物理間の種類に応じ
た複数の素子が必要となる。
When measuring multiple types of physical quantities such as voltage, pressure, temperature, and humidity at the same time, multiple elements are required depending on the types of physical quantities to be measured.

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。
If we provide the same number of optical fibers as the number of elements in order to optically transmit the measurement data of each of multiple elements,
A problem arises in that a large number of optical fibers are required, and when the optical transmission distance is long, the cost of installing the optical fibers increases considerably.

発明の概要 この発明は、複数種類の物理Φを測定するために複数の
検出素子をもつ導波型光センナにおいて、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。
Summary of the Invention The present invention provides a waveguide optical sensor having multiple detection elements for measuring multiple types of physical Φ, which can optically transmit multiple types of detection data using a single optical fiber or electric cable. The purpose is to do so.

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
、複数の光導波路を有し、分岐された光がこれらの光導
波路を伝播する過程でその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、
変調素子の出力側にそれぞれつながる第1の光導波路部
分、この第1の光導波路部分から所定角度でそれぞれ分
岐した第2の光導波路部分、および第1の光導波路部分
を伝播する光をブラック回折しその回折光を第2の光導
波路部分に導くパルス状弾性表面波を発生する手段から
なり、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、ならびにP/
S変換された光を集光する手段を僅えていることを特徴
とする。
The waveguide optical sensor according to the present invention includes a substrate whose optical characteristics change depending on a plurality of types of physical quantities to be detected;
Branching means that splits the light introduced onto the substrate into multiple lights, and multiple types of physical quantities that have multiple optical waveguides and can add the intensity of the split light as it propagates through these optical waveguides. a plurality of modulation elements each modulating according to the
A first optical waveguide section connected to the output side of the modulation element, a second optical waveguide section branched from the first optical waveguide section at a predetermined angle, and light propagating through the first optical waveguide section are subjected to black diffraction. P/S conversion means, which includes means for generating a pulsed surface acoustic wave that guides the diffracted light to the second optical waveguide portion, and converts a plurality of lights output from the modulation element into temporally serial optical signals. , and P/
It is characterized by having only a few means for condensing the S-converted light.

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間に応じて
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i類の物L!l!mを同
時に計測または検出することができる。
A plurality of modulation elements are provided, and the intensities of the plurality of lights are modulated by these modulation elements according to the plurality of types of physics to which they are applied. The intensity-modulated optical signals output from these modulation elements each represent the applied physical quantity. Therefore, the plurality of things L of class i! l! m can be measured or detected simultaneously.

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、半導体し〒ザ
等の光源の光を直接に基板に光結合させてもよい。
Since a branching means for branching the light introduced onto the substrate into a plurality of lights is provided, it is possible to introduce light into the substrate using a single optical fiber. However, light from a light source such as a semiconductor laser may be directly optically coupled to the substrate.

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
理間の測定、検出データが含まれている。複数種類の物
理間の測定、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。
A P/S conversion means is provided, which converts the plurality of lights output from the plurality of modulation elements into a temporally serial optical signal, so that this optical signal can be transmitted through a single optical fiber. I can do it. This optical signal includes multiple types of physical measurement and detection data. Measurement between multiple types of physics and optical transmission of detected data through a single optical fiber become possible. Even when converting this optical signal into an electrical signal, one O/E converter is sufficient, and the configuration of the processing device side is also simplified.

ざらにP/S変換手段において、光は光導波路内に閉じ
こめられた状態で伝播するので光の広がりが抑えられ、
SAWによるブラック回折が高効率で達成され、測定、
検出データを表わす高い強度の光信号を得ることができ
る。
Roughly speaking, in the P/S conversion means, the light propagates while being confined within the optical waveguide, so the spread of the light is suppressed,
Black diffraction by SAW has been achieved with high efficiency, measurement,
A high intensity optical signal representing the detected data can be obtained.

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LiNbO
3が用いられている。
Description of Examples In FIG. 1, Y-cut LiNbO, which has an electro-optic effect, a photoelastic effect, and an acousto-optic effect, and whose refractive index changes depending on temperature, is used as the substrate (10) of a waveguide type optical sensor.
3 is used.

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路(41)(41a) 〜
(44)(44a) 、およびP/S変換された光を集
光するための7字型光導波路(45)〜(41)が形成
されている。
On this substrate (10), there are 7-shaped optical waveguides (25) to (27) for equally branching the input light into four beams, and four Matsuhatsu Enda-shaped optical waveguides (27) that serve as optical intensity modulation elements.
21) to (24) and optical parallel/serial (P/S
) Optical waveguides (41) (41a) for performing conversion
(44) (44a), and 7-shaped optical waveguides (45) to (41) for condensing the P/S converted light.

マツハツエンダ型光導波路(21)は、入力用光導波路
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)およびこれらの光導波路部分(21a)(21
b)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)もこれと同じ構成である。
The Matsuhatsu Enda type optical waveguide (21) includes an input optical waveguide portion (21c), and two branched optical waveguide portions (21aH) branched at equal angles from this optical waveguide portion (21c).
21b) and these optical waveguide portions (21a) (21
b) is composed of an output optical waveguide portion (21d) where they merge. Other Matsuhatsu Enda type optical waveguides (22) ~
(24) also has the same configuration.

マツハツエンダ型光導波路(21)は電圧測定のための
ものであり、同光導波路(22)、(23)、(24)
は(れぞれ温度、圧力、湿度を測定するために用いられ
る。
The Matsuhatsu Enda type optical waveguide (21) is for voltage measurement, and the same optical waveguides (22), (23), (24)
are used to measure temperature, pressure, and humidity, respectively.

Y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。
The input light introduced into the Y-shaped optical waveguide (25) is equally split by this optical waveguide (25).

分波した2つの光はそれぞれY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8ことになる。
The two demultiplexed beams are split into two beams of equal intensity in the Y-shaped optical waveguides (26) and (27), respectively, and are then divided into two beams of equal intensity through the four Matsuha Tsuenda-type optical waveguides (21) to (24).
is guided to the input optical waveguide section. In this way, light of equal intensity is transmitted through the Matsuhatsu Enda type optical waveguide (21) to (
24) will be 8.

Y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。
Input light can be introduced into the Y-shaped optical waveguide (25) by directly optically coupling a light source such as a semiconductor laser to the end face of the optical waveguide (25), or by inputting light from the light source using an optical fiber. This is also achieved by optically coupling the optical fiber to the optical waveguide (25) via a suitable optical coupler or directly.

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)の出力端は光導波路(4
1a)〜(44a)にそれぞれつながっている。
The output ends of the output optical waveguide portions ((21d) etc.) of the Matsuha Tsuenda type optical waveguides (21) to (24) are connected to the optical waveguide (4).
1a) to (44a), respectively.

基板(10)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’) (401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I D
 T (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、基
板(10)を伝播していく。光導波路(41a)〜(4
4a )を伝播する光とSAWとがブラッグ回折条件を
満足するように、光導波路(41a)〜(44a)の方
向とI D T (/10)の配置とが定められている
An interdigital transducer (abbreviated as IDT') (401) is formed on one side of the substrate (10).As will be described later, a high frequency voltage is pulsed to I D
A pulsed surface acoustic wave (SAW) is generated from I D T (40) and propagates through the substrate (10). Optical waveguides (41a) to (4
The directions of the optical waveguides (41a) to (44a) and the arrangement of I DT (/10) are determined so that the light propagating through 4a) and the SAW satisfy the Bragg diffraction condition.

光導波路(41a)〜(44a)を伝播する光とSAW
との相互作用地点において、SAWによって回折された
光を導くための光導波路(41)〜(44)が光導波路
(41a)〜(44a )から分岐している。
Light and SAW propagating through optical waveguides (41a) to (44a)
At the point of interaction with the SAW, optical waveguides (41) to (44) for guiding light diffracted by the SAW are branched from the optical waveguides (41a) to (44a).

この分岐角はブラッグ角の2倍に等しい。光導波路(4
1a)〜(44a)の終端では光の反射が起こらないよ
うにしておくことが好ましい。
This divergence angle is equal to twice the Bragg angle. Optical waveguide (4
It is preferable to prevent light reflection from occurring at the ends of 1a) to (44a).

光導波路(41)と(42)はY字型光導波路(46)
につながり、光導波路(43)と(44)はY字型光導
波路(47)につながっている。これらのY字型光導波
路(46)(47)はさらにY字型光導波路(45)に
つながって、回折光が集光される。Y字型光導波路(4
5)の出力側は、たとえば一本の光ファイバ(図示路)
と光結合される。
Optical waveguides (41) and (42) are Y-shaped optical waveguides (46)
The optical waveguides (43) and (44) are connected to a Y-shaped optical waveguide (47). These Y-shaped optical waveguides (46) and (47) are further connected to a Y-shaped optical waveguide (45), and the diffracted light is collected. Y-shaped optical waveguide (4
The output side of 5) is, for example, a single optical fiber (as shown)
is optically coupled with.

マツハツエンダ型光導波路(21)〜(24)、Y字型
光導波路(25)〜(27)(45)〜(47)および
光導波路(41)〜(44a)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。光導波
路(21)〜(27)(41)(41a)〜(44)(
44a) (45) 〜(47)の巾は5IIJII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
)および後述する電極(31)はTi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。ID T 
(40)の各電極の巾と間隔をそれぞれ2.5pとすれ
ば、光の波長が0.29 #のとき、ブラック角は0.
82°になる。
The Matsuhatsu Enda type optical waveguides (21) to (24), the Y-shaped optical waveguides (25) to (27), (45) to (47), and the optical waveguides (41) to (44a), for example, the substrate (10)
) by forming Ti in a predetermined pattern to a thickness of 200 angstroms using sputtering and lift-off methods, and then diffusing it at a temperature of 970°C for 5 hours in a wet atmosphere of 02. . Optical waveguides (21) to (27) (41) (41a) to (44) (
44a) The width of (45) to (47) is 5IIJII to allow single mode light to propagate in the direction horizontal and perpendicular to the substrate. ID T (40
) and an electrode (31) to be described later have a two-layer structure of Ti and A/, and are manufactured by a normal lift-off method. ID T
If the width and spacing of each electrode in (40) are 2.5p, then when the wavelength of light is 0.29#, the Black angle is 0.
It becomes 82°.

まず電圧測定の原理について説明する。First, the principle of voltage measurement will be explained.

マツハツエンダ型光導波路(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m41(
31)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L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。
A pair of electrodes (31) are located on both sides of one branch optical waveguide portion (21a) of the Matsuhatsu Enda type optical waveguide (21).
is formed on the substrate (10). These m41 (
31) is a pair of terminals (30) to which the voltage to be measured is applied.
electrically connected to. Let L be the length of the portion where the pair of electrodes (31) overlap with the branched optical waveguide portion (21a) in between. This length is the branch optical waveguide portion (21a
) is the length to which the measured voltage is applied.

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(
21aH21b)に等しく分岐してこれらの光導波路部
分(21a)(21b)を進み、出力用光導波路部分(
21d)において合波される。2つの分岐光導波路部分
(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。したかって、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つの光が出力用光導波路部分(21dl
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。
The light propagating through the input optical waveguide section (21c) of the Matsuhatsu Enda type optical waveguide (21) is transmitted through two branch optical waveguide sections (
21aH21b) and proceed through these optical waveguide portions (21a) and (21b) to reach the output optical waveguide portion (21aH21b).
21d). When the lengths of the two branched optical waveguide portions (21a) and (21b) are equal to /1 and /2 (the length from the branch point to the confluence point as shown by the broken line),
Since the two lights propagating through the branched optical waveguide sections (21a and 21b) are branched from one light, their phases match when they are combined in the output optical waveguide section (21d). . Therefore, if propagation loss is not considered, the intensity of light obtained at the output optical waveguide section (21d) is equal to that at the input optical waveguide section (21C). Generally speaking, two lights propagating through the branching optical waveguide section (21a) and (21b) are transmitted through the output optical waveguide section (21dl).
If the phase difference between them is 2mπ (m is O and an integer) when combining the waves at The maximum intensity of light (referred to as I) is obtained. The phase difference between the two lights ax and phase is 2mπ.
) (21b), expressed as the difference in length ΔI=11−/2,
It is expressed as follows.

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。
Δ/=m·(λo/n) (1) Here, n is the refractive index of the optical waveguide, and λ0 is the wavelength of light in vacuum.

分岐光導波路部分(21aH21b)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(21
a021b)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。
When the difference Δl between the lengths of the branched optical waveguide portions (21aH21b) has the following relationship, these optical waveguide portions (21
The light propagating through the output optical waveguide section (a021b)
21d), the phase difference is (2m+1)π
becomes.

Δ/= [(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。
Δ/= [(2m+1)/2] ・(λo/n)...
(2) In this case, since two lights of opposite phases are superimposed, the light intensity obtained in the output optical waveguide (21d) becomes 0.

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=
−(n” /2)・γ33・Eだけ変化する。ここでT
a2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・(−
n3/2)・γ 1E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■、という
Now, since LiNbO3 is a crystal with an electro-optic effect, its refractive index changes when an electric field is applied. substrate(
10) Electric field E (E=V/d, V: applied voltage,
d: distance between a pair of electrodes), the refractive index becomes Δn=
−(n”/2)・γ33・E. Here, T
a2 is an electro-optical constant. The phase of the light propagating through the part where the refractive index has changed is ΔΦ=(2π/λ0)・L・(−
n3/2)・γ Changes by 1E. The phase difference between the two lights propagating through the branched optical waveguide portions (21a) and (21b) is π
The voltage required to change the wavelength is called the half-wave voltage ■.

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。
FIG. 2 shows the electrode (3
1) shows the relationship between the voltage applied between the two and the intensity of light obtained in the output optical waveguide (21d).

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aX たがって変化する。印加電圧が±2mV7t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0となる。
As mentioned above, the phase of the light changes depending on the applied voltage in one branch optical waveguide section (21b), so the output light intensity is
= I cos2 (ΔΦ/2) and aX therefore changes. When the applied voltage is ±2 mV7t, light with the maximum intensity I is obtained, and when the applied voltage is aX ±(2m+1)V, the light intensity becomes 0.

第3図は、分岐光導波路部分(21a)(21b)の長
さの差Δl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。
FIG. 3 shows the electrode (
31) shows the relationship between the voltage applied between the two and the intensity of light obtained in the output optical waveguide (21d).

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±2mV7cn+ax のときに光の強度は0となる。
The maximum intensity I when the applied voltage is 2m+1V
The intensity of the light becomes 0 when the applied voltage is ±2 mV7cn+ax.

このようにして、マツハツエンダ型光導波路(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。
In this way, the voltage applied between the electrodes (31) can be determined by measuring the output light intensity of the Matsuhatsu Enda type optical waveguide (21).

マツハツエンダ型光導波路(22)は温度測定に用いら
れる。LiNb0aは温度が1℃上昇すると屈折率が5
.3X 10−5増大する。したがって、温度がΔT変
化すると、マツハツエンダ型光導波路(22)の2つの
分岐光導波路部分(22a)(22b)を伝播する光の
位相差はΔΦ−(2π/λ0)・Δl・ΔTX 5.3
XiQ’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光導波路(22)の出
力光強度が変調される。
The Matsuhatsu Enda type optical waveguide (22) is used for temperature measurement. LiNb0a has a refractive index of 5 when the temperature increases by 1°C.
.. Increase by 3X 10-5. Therefore, when the temperature changes by ΔT, the phase difference of the light propagating through the two branched optical waveguide sections (22a) and (22b) of the Matsuhatsu Enda type optical waveguide (22) is ΔΦ-(2π/λ0)・Δl・ΔTX 5.3
Only XiQ' changes. Here, Δl is the difference in length between the branched optical waveguide portions (22a) and (22b). Therefore, the output light intensity of the Matsuhatsu Enda type optical waveguide (22) is modulated depending on the temperature.

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−(2π
/λ。)・C−1,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、マツハツエンダ光導
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。
The Matsuhatsu Enda type optical waveguide (23) is for detecting pressure. A plate (33) is provided on one branched optical waveguide portion (23b) via a pad (33a), and pressure is applied to this plate (33). Let l be the length of the portion of the branched optical waveguide portion (23b) to which such pressure is applied. Since LiNbO3 has a photoelastic effect, when the pressure P is applied to the plate (33), the light propagating through the branched optical waveguide section (23b) has ΔΦ−(2π
/λ. )・C-1,P phase change appears. Here C
is the photoelastic constant. Therefore, an intensity change appears in the output light of the Matsuhatsu Enda optical waveguide depending on the applied pressure, and the pressure is measured in the same manner as in the voltage detection described above.

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(3
4)が装荷されている。このバッファFf!i (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。
The Matsuhatsu Enda type optical waveguide (24) is used for humidity measurement. A buffer layer (3
4) is loaded. This buffer Ff! i (34
) Due to a change in refractive index based on a change in humidity, a change in intensity appears in the output light of the Matsuhatsu Enda type optical waveguide (24).

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が基板(10)を伝播していく過
程で、まず光導波路(44a )を伝播するマツハツエ
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。回折光は光導波路(44)に進む。こ
のときにはSAWは他の光導波路(43a)〜(41a
)を伝播するマツハツエンダ型光導波路(23)〜(2
1)の出力光とは相互作用しない。次にSAWは光導波
路(43a )を伝播している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。この回折光は光導波路(43)に進む。このように
して、4つのマツハツエンダ型光導波路(24)〜(2
1)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、7字型
光導波路(45)〜(47)によ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。
Now, returning to FIG. 1, in the process in which the pulsed SAW generated from the IDT (40) propagates through the substrate (10), first the Matsuhatsu Enda type optical waveguide (24) propagates through the optical waveguide (44a). ) and diffracts this output light. The diffracted light travels to the optical waveguide (44). At this time, the SAW is connected to other optical waveguides (43a) to (41a).
) propagating Matsuhatsu Enda type optical waveguides (23) to (2
It does not interact with the output light of 1). Next, the SAW interacts with the output light of the Matsuhatsu Enda type optical waveguide (23) propagating through the optical waveguide (43a) and diffracts this output light. This diffracted light travels to the optical waveguide (43). In this way, the four Matsuhatsu Enda type optical waveguides (24) to (2
Since the output light of 1) is sequentially diffracted by the SAW, it becomes a serial optical signal on the time axis. Therefore, it becomes possible to transmit the serial diffracted light collected by the figure-7 optical waveguides (45) to (47) through one optical fiber.

SAWと相互作用する光は光導波路(41a)〜(44
a)に閏じ込められているから広がりが少なくその多く
がSAWと相互作用し、高い効率のP/S変換が達成さ
れることにも注目すべきである。
Light that interacts with the SAW passes through optical waveguides (41a) to (44).
It should also be noted that since it is included in a), there is little spread and most of it interacts with the SAW, achieving highly efficient P/S conversion.

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7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CPtJ (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CPLJ (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。
FIG. 4 shows an optical measurement system using the above-mentioned waveguide type optical sensor. Laser light from the laser diode (6) is transmitted through the optical fiber (2) and input into the figure-7 optical waveguide (25) of the waveguide type optical sensor (1). I
The output high frequency signal of the high frequency signal generator (7) is applied to D T (40). The optical signal that is P/S converted by the interaction with the SAW generated from the IDT (40) and focused by the lens (41) is sent to the optical fiber (3).
) into the optical/electrical (0/E) converter (4);
converted into an electrical signal. This electrical signal is CPtJ (5
) and measure voltage, temperature, pressure,
Humidity etc. are calculated by CPLJ (5). The high frequency signal generator @ (7) and the laser diode (6) are controlled by the CPU (5), and temperature compensation etc. are performed.

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。
In this way, a measurement system is realized in which an optical signal can be transmitted through an optical fiber (2>(3)) and is not affected by electromagnetic noise.

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。
FIG. 5 shows another embodiment. Here, laser light from a laser diode (6) is optically coupled directly to an optical waveguide (25) on a substrate (10). Further, the serially converted output optical signal is converted into an electrical signal by an O/E converter (4), and is transmitted to the CPU (5) via a cable. In this way, signals may be transmitted in either optical or electrical form.

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LiNb0a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(21aH21b)の両方
の上に電極(31)を設ける。電極(31)問に電圧が
印加されると分岐光導波路部分(218H21b)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。
FIG. 6 shows another example of the electrode arrangement in the Matsuhatsu Enda type optical waveguide (21). When the substrate (10) is made of 7-cut LiNb0a, electrodes (31) are provided on both of the branched optical waveguide portions (21aH21b) of the Matsuhatsu Enda type optical waveguide (21). When a voltage is applied between the electrodes (31), the refractive index increases on one side of the branched optical waveguide portion (218H21b) and decreases on the other, causing a phase difference in the light propagating through them, similar to the case described above. The intensity of the light output from the output optical waveguide portion (21d) is modulated.

第7図は集光手段の他の例を示している。ここでは、光
導波路(41)〜(44)に導かれた回折光が出力用光
導波路(48)に直接に進むように、光導波路(41)
〜(44)の出力側が光導波路(48)に直接に合流し
ている。
FIG. 7 shows another example of the condensing means. Here, the optical waveguide (41) is connected to the optical waveguide (41) so that the diffracted light guided to the optical waveguides (41) to (44) directly proceeds to the output optical waveguide (48).
The output sides of (44) directly merge into the optical waveguide (48).

第8図は、P/S変換手段および集光手段の他の例を示
している。ここでは、2つのIDT(40a)(40b
)が設けられティる。I D T (40a)から発生
した5AW1によって回折されないで直進する光を回析
させるためにI D T (40b)が設けられこのI
 D T (40b)から5AW2が発生する。光導波
路(41a)を伝播する光は5AW1と5AW2とによ
って同時に回析され、この回折光は光導波路(41)(
41b)に進み、出力用光導波路(48)で合流する。
FIG. 8 shows another example of the P/S conversion means and the light condensing means. Here, two IDTs (40a) (40b
) is provided. IDT (40b) is provided to diffract the light that is generated from IDT (40a) and goes straight without being diffracted by 5AW1.
5AW2 is generated from D T (40b). The light propagating through the optical waveguide (41a) is simultaneously diffracted by 5AW1 and 5AW2, and this diffracted light is transmitted through the optical waveguide (41) (
41b) and merge at the output optical waveguide (48).

他の光導波路(42a)〜(44a)を伝播する光も同
様である。このようにして回折効率がさらに高められ、
より高い強度の出力光信号が得られるようになる。
The same applies to the light propagating through the other optical waveguides (42a) to (44a). In this way, the diffraction efficiency is further increased,
A higher intensity output optical signal can be obtained.

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、LiNbO3以外に
TiO2やLiTaO3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
段けるようにしてもよい。
In the present invention, any substrate can be used as long as its optical properties change according to changes in various physical quantities. For example, TiO2, LiTaO3, etc. can be used in addition to LiNbO3. The physical quantity to be detected can also be determined depending on the optical properties of the substrate and other properties of the material. For example, a chemical sensor can be realized by loading a material whose refractive index changes depending on the gas concentration. Further, a plurality of light intensity modulation elements having different dynamic ranges and sensitivities for detecting the same type of physical quantity may be arranged in stages.

もらろん、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。
Of course, the number of Matsuhatsu Enda type optical waveguides formed on the substrate can also be set arbitrarily. In addition to the optical intensity modulation element using the above-mentioned Matsuhatsu Enda type optical waveguide, for example, one using a directional coupler between the optical waveguides, Japanese Patent Application No. 57-86178 (Japanese Patent Application Laid-open No. 58-86178) 202
For example, a method using a waveguide optical beam splitter disclosed in Japanese Patent Publication No. 406 can be cited.

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。
The creation of optical waveguides on the substrate can also be done by various methods.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はこの発明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。 第7図および第8図はこの発明の他の実施例を示す斜視
図である。 (10)・・・基板、(11)・・・先導波層、(21
)〜(24)・・・マツハツエンダ型光導波路、(25
)〜(27)(45)〜(41)・・・Y字型光導波路
、(31)・・・電極、(33)・・・プレート、(4
0)・I D T 、 (41) 〜(44)(41a
) 〜(44a)(41b) 〜(44b) ・= P
 / S変換のための光導波路、(48)・・・出力用
光導波路。 以  上 第4(& 第5  C’=ζ) 司85に(【1
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of the invention. FIGS. 2 and 3 are graphs showing the relationship between applied voltage and output light intensity. 4 and 5 are schematic configuration diagrams showing the optical measurement system. FIG. 6 is a plan view showing another example of the arrangement of electrodes. FIGS. 7 and 8 are perspective views showing other embodiments of the invention. (10)... Substrate, (11)... Leading wave layer, (21
) to (24)... Matsuha Tsuenda type optical waveguide, (25
)~(27)(45)~(41)...Y-shaped optical waveguide, (31)...electrode, (33)...plate, (4
0)・ID T , (41) ~(44) (41a
) ~(44a)(41b) ~(44b) ・=P
/ Optical waveguide for S conversion, (48)... optical waveguide for output. Above, 4th (& 5th C'=ζ) Tsukasa 85 ([1

Claims (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
、 複数の光導波路を有し、分岐された光がこれらの光導波
路を伝播する過程でその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、 変調素子の出力側にそれぞれつながる第1の光導波路部
分、この第1の光導波路部分から所定角度でそれぞれ分
岐した第2の光導波路部分、および第1の光導波路部分
を伝播する光をブラック回折しその回折光を第2の光導
波路部分に導くパルス状弾性表面波を発生する手段から
なり、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、ならびにP/
S変換された光を集光する手段、を備えた導波型光セン
サ。
[Scope of Claims] A substrate having optical characteristics that change depending on a plurality of types of physical quantities to be detected, a branching means for branching light introduced onto the substrate into a plurality of lights, and a plurality of optical waveguides, A plurality of modulation elements that each modulate the intensity of the light in accordance with a plurality of types of physical quantities added to the branched light as it propagates through these optical waveguides, and a first optical waveguide portion each connected to the output side of the modulation element. , a second optical waveguide section branching from the first optical waveguide section at a predetermined angle, and a pulse that black diffracts the light propagating through the first optical waveguide section and guides the diffracted light to the second optical waveguide section. A P/S conversion means that converts a plurality of lights outputted from a modulation element into a temporally serial optical signal, and a P/S conversion means that generates a shaped surface acoustic wave.
A waveguide type optical sensor comprising means for condensing S-converted light.
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