JPS6252808B2 - - Google Patents

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JPS6252808B2
JPS6252808B2 JP1581580A JP1581580A JPS6252808B2 JP S6252808 B2 JPS6252808 B2 JP S6252808B2 JP 1581580 A JP1581580 A JP 1581580A JP 1581580 A JP1581580 A JP 1581580A JP S6252808 B2 JPS6252808 B2 JP S6252808B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は各種物理条件を高精度に検出すること
のできる実用性の高い機能集積形光学的センサに
関する。
光通信の実現性が現実となつた今日より高度な
伝送応用に対してより高精度、より高信頼性な各
種物理量の全光学的センサが要求されている。そ
の要求のいくつかは例えば次のように烈挙され
る。
＜１＞ 光波を用いた物質の本性に基づいた情報
のセンサ。
＜２＞ 非接触的に計測できるセンサ。
＜３＞ 電磁誘導性ノイズを受けないセンサ。
＜４＞ 電位整合の必要がないセンサ。
＜５＞ 広帯域なセンサ。
＜６＞ 波長多重化による機能集積化センサ。
＜７＞ 電気絶縁性の高いセンサ。
＜８＞ 超小形化の可能なセンサ。
＜９＞ 多方面の特徴抽出ができるセンサ。
これらの要求は単に各種物理量を検出できるだ
けではなく、従来の電気的センサに比較して遜色
のない高い測定精度を有するものでなければなら
ない。そのための光学的温度補償回路や光学的伝
送損失補償回路ならびに送信光源の出力変動で規
格化した受信光電回路の開発も不可欠である。
一方、光フアイバの送信端側の機能集積化光源
や光フアイバ端末に設置する機能集積形全光学的
センサ、そして受信端側の光集積化受端素子に関
する機能集積形の各種光学デイバイスの開発が要
求されている。
本発明はこのような種々の要求に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、各種物
理量を高精度に検出できることは勿論のこと機能
集積化を図つて簡易に有効利用を図ることのでき
る実用性および信頼性の高い機能集積形光学的セ
ンサを提供せんことにある。
本発明に係る光学的センサは光フアイバと機能
集積化光センサとの結合を効率よく行わせるため
の不等間隔回折格子を光導波路内に形成させるプ
ロセス技術、同一基盤上にたとえば温度センサ材
料、歪センサ材料ならびに参照ビーム導波路を形
成させるプロセス技術、光導波路内で分波ならび
に合波させる素子としてのグレーテイング形成技
術、光導波路形成技術、複屈折結晶・光学材料の
ヘテロ・エピタキシー技術ならびに光集積化偏光
板形成プロセス技術等を集約して実現されるもの
であり、以下図面を参照して説明する。
第１図は本発明に係る光学的センサ１を用いて
構成された光センシングシステムの概略構成図で
ある。光源２は例えば相異なる３種の波長λ１、
λ２、λ３なる光波を独立に発振出力するレーザ
発振器等からなるもので、変調器３ａ，３ｂ，３
ｃの制御を受けて上記波長λ１、λ２、λ３の各
光波をそれぞれ周波数１、２、３にて変調
している。これらの変調制御を受けて光源２から
出力される波長λ１、λ２、λ３なる３つの光波
は、光源２の出力段に設けられた合波器を介して
合波され、光フアイバ４を介して前記光学的セン
サ１に伝搬されるように構成されている。光学セ
ンサ１は、光源２から隔てられて所望とする物理
量観測地点に設けられたもので、後述するように
上記光波の光特性を上記物理量に感応して伝搬し
ている。
しかして、光学センサ１を介した各光波は、光
フアイバ５を介して例えばプロセス制御端側に伝
送され、フオトダイオード等の受光素子６により
受光検出されている。この受光素子６にて前記光
波の変調波成分が電気信号として変換出力され
る。電子回路７は複数の挾帯域フイルタや前記変
調器３ａ，３ｂ，３ｃに同期動作するロツクイン
アンプ等から構成されるもので、前記光源２から
発せられた光波の光特性と受光光波の差異等から
前記光学的センサ１における感応物理量の演算算
出処理を行つている。つまり、光学特性の変化は
測定対象とする物理量に対応したものであるか
ら、上記特性の変化から物理量の算出を行つてい
る。
さて、本発明に係る機能集積形光学的センサ１
は、例えば第２図に示す如く構成される。第２図
はセンサ１を模式的に示したものであつて、図中
４，５はそれぞれ前述した光フアイバである。第
２図において１１は、以下に示す各素子を同時集
積した基板であり、１２は光フアイバ４と本セン
サ１とを光学的に結合する光結合器、１３は本セ
ンサ１と光フアイバ５とを光学的に結合する光結
合器である。光結合器１２を介して入力された光
波は分波器１４に入力されて前述した波長λ１、
λ２、λ３別に分波され、その分波光波をコリメ
ーシヨンしたりあるいは所定方向に反射させる回
折格子等の光学物質１５ａ，１５ｂ等を介して基
準導波路素子１６、温度感応光学的導波路素子１
７、そして圧力感応光学的導波路素子１８に各別
に導かれている。そしてこれらの導波路素子１
６，１７，１８を介した各光波は光学物質１５
ｃ，１５ｄを介して合波器１９に導かれ、１つの
光波路に合波されたのち前記結合器１３を介して
光フアイバ５に入力されるように構成されてい
る。尚、合波器１９は、前記各導波路素子１６，
１７，１８を介して出力された光波をコリメーシ
ヨンして次の光機能素子、即ち結合器１３へ導く
機能も有している。
しかして前記基準導波路素子１６は、同素子１
６を伝搬する光波に対して外力によつてその伝搬
速度や伝搬位相や伝搬損失などの光学的特性を変
化させることのない理想的な光導波路を構成する
ものでたとえば中空の石英のパイプや石英で構成
されている。また温度感応導波路素子１７はたと
えば外部温度によつて光波の伝搬損失や伝搬位相
や伝搬速度が変わる物質で構成された光学材料か
らなる。更に圧力感応導波路素子１８は上記素子
１７とは機能を異にし、たとえば外力としての力
やその結果生じる歪を光学的にセンジングするた
めのものである。つまり外部圧力を受けて光波の
光学的伝搬特性が変れる物質から構成されてい
る。
この種の感応光学的導波路素子１７，１８には
次のようなものが例示される。
温度センシング物質（温度感応導波路素子１
７） ΓLiNbO3結晶の複屈折の温度変化の利用した
もの（温度による光強度の変化を利用） ΓLiNbO3結晶の長さをｌ、l/2、l/4、l/8、l/1
６……としてすべてシリーズに組合わせるこ
とによりここを通過する広帯域の光波が狭帯
域のバンドパスフイルターの作用を受け、温
度によつて中心波長がシフトする現象を利用
したもの。
Γ結晶の熱膨張による光路の変化を利用したも
の。（温度による光強度の変化を利用。）……
例えば結晶・ガラスで作つたプリズム。
Γ温度によるフオト・クロミズム現象を利用し
たもの。（温度による光強度変化を利用。）…
…例えばクロミズム・ガラス材料。
湿度センシング物質 Γ二塩化コバルト（CoCl2）が吸湿するとその
ときの湿気の大小により、CoCl2・H2O、
CoCl2・2H2O、CoCl2・3H2O、CoCl2・
4H2O、CoCl2・5H2O、CoCl2・6H2O、
CoCl2・7H2O、CoCl2・8H2O、CoCl2・
9H2Oというように水分が少い場合の青色か
ら次第に水分の多いピンク色へと色が変化す
る。したがつてこの物質をしみ込ませた反射
体、散乱体を構成すれば入射光はこの物質で
分光散乱をうけるのでその散乱光を集光して
センシングするもので観測できる。
Γその他、湿気により反射光の色を変化させる
可逆性示色物質。
センシング物質（圧力感応導波路素子１８） Γ一般の弾性光学物質に歪や圧力を加えると複
屈折現象や光路の屈折現象や、回折現象、さ
らには干渉効果が起つて結果的に光強度の変
調が起こることを利用した各種材料。
このような機能集積形光学的センサ１を用いて
構成されたセンシングシステムによればセンサ１
を介した波長λ１、λ２、λ３の３種の光波は、
例えば波長λ１は本センサによつては全く影響を
受けていない光波であり、λ２はたとえば温度に
よつて光強度変化を受けた光波であり、λ３はた
とえば湿度によつてやはり光強度変化を受けた光
波となる。従つてこれらλ１、λ２、λ３はすべ
て独立の帯域幅をもつ光波であるが機能集積形光
源２から機能集積形光学的センサ１へ至る光波伝
送路（光フアイバ４）ならびに機能集積形光学的
センサ１から受光素子６に至る光波伝送路（光フ
アイバ５）において外部から影響を与えられる
と、そのマイクロベンデング効果やマクロベンデ
ング効果のために上記光波λ１、λ２、λ３がす
べて強度変化をうけてしまうが、これらの影響を
出力から効果的に除去することができる。すなわ
ちλ１の光波だけはセンサ１内において全く外力
の影響を受けないので、受光素子６にて光電変換
した光波λ２、λ３に対応する電気信号と光波λ
１の電気信号との比をとれば上述した伝送路中で
の強度変化がすべて相殺されるので感応導波路素
子１７，１８の有する検出感度特性をそのまま活
かしたセンシングが可能である。
尚、上記実施例では理解の容易化のために一番
単純な機能集積形光学的センサにつき説明した
が、モノリシツクに構成した光集積回路からなる
光学的センサであつても勿論よい。また結合器１
２，１３としては単純な光導波路回折格子でもよ
いが、不等間隔回折格子を用いて結合効率を高
め、また同時に分波や集光を行わしめるようにし
てもよい。また分波器１４や合波器１９について
も不等間隔回折格子等で構成できるので、前述し
た合成器１２，１３とそれぞれ一本化形成しても
よい。
第３図は上述した本光学的センサ１と組合せて
使用されるに好適な受光素子（光検出装置）６の
一構成例を示すもので、また第４図は同様に光学
的センサ１と組合せて用いるに好適な光源２の一
構成例を示すものである。
第３図に示す光検出装置６は、光フアイバ５の
射出端面に集束性ロツドレンズやグレーテイング
カツプラ等からなる導波路レンズ２１を介して入
射ビーム角補正用の電気光学材料２２を対向させ
て設けている。この電気光学材料２２は前記光フ
アイバ５を介して導入された光波を所定のビーム
拡がり角度で不等間隔回折格子体２３に照射する
ものである。この不等間隔回折格子体２３は回折
格子２３ａを例えばチヤープ状に配列したもので
あつて、ブラツグ角で入射する光波を所定の回折
角度で反射して、各波長光波毎に異なる位置に焦
点を結ぶものである。しかしてこれらの各波長光
の焦点位置には所定の波長感度特性を有したフオ
トダイオード２４が配置されており、各波長光波
により各別に光信号検出がなされるようになつて
いる。従つて波長多重化状態にある前記光学的セ
ンサ１を介して検出光波は非常に効果的に波長分
波されて検出されることになる。
一方、第４図に示す多重波長光源２は所定光学
的材料基板３１上に同時集積されて構成されてい
る。図において、３２はDBRレーザ共振器を構
成する素子であり、３３は合波用フイルタ、また
３４は光モニタをそれぞれ示している。これらの
素子３２，３３，３４は前記基板３１上に形成さ
れた回折格子等からなるもので、これらの素子間
を結合する光導波路３５と協働して作用するもの
である。しかして複数のDBRレーザ共振器３２
は波長λ１〜λｎのレーザ光を各別に発振出力す
るものであり、光導波路３６を介して入力される
光波によつて変調されるようになつている。そし
て各変調光波は前記合波用フイルタ３３を順次介
して逐次合波されたのち光フアイバ４の一端部に
導入される如く構成される。
このような構成の光源２や光検出装置（受光素
子）６を前述した光学的センサ１と組合せてセン
シングシステムを構成すれば、分解能の高い高精
度な検出を極めて簡易に行うことが可能であり、
その利点は絶大である。
尚、本発明は上記した実施例にのみ限定される
ものではない。例えばセンサに入力する光波の波
長多重度は、センシング対象に応じて定めればよ
いものであり、少なくともセンシング対象数に対
応した数の光波と基準用としての光波とを波長多
重化すればよい。またこれらの各光波の波長は仕
様に応じて設定すればよいものである。更には分
波器や合波器等は各種グレーテイングを適宜用い
ることができ、感応導波路素子として圧力、温
度、湿度をはじめとして、速度、加速度、電流、
電圧、磁界等の各種物理量に感応するものを用い
ることができる。また感応導波路素子は、物理量
に感応して、伝搬光波の各種光特性を可変するも
のであればよく、例えば光波の波長、位相、振幅
や、上記光波の変調信号の位相周波数、振幅等を
独立に、あるいは組合せた状態で可変するもので
あつてもよい。要するに本発明はその要旨を逸脱
しない範囲で種々変形して実施することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る光学的センサを用いて構
成された光センシングシステムの概略構成図、第
２図は本発明の一実施例を示す光学的センサの構
成図、第３図は光検出装置の構成例を示す図、第
４図は光源の構成例を示す図である。 １……機能集積形光学的センサ、２……光源、
３ａ，３ｂ，３ｃ……変調器、４，５……光フア
イバ、６……受光素子（光検出装置）、７……電
子回路、１２，１３……光結合器、１４……分波
器、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ……光学物
質、１６……基準導波路素子、１７……温度感応
導波路素子、１８……圧力感応導波路素子、１９
……合波器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 光波の光特性を維持して伝搬する基準導波路
    素子と、この基準導波路素子に対して並列的に設
    けられて所定の外部条件に感応して光波の光特性
    を可変して伝搬する感応光学的導波路素子と、入
    力光波を分波して上記感応光学的導波路素子およ
    び基準導波路素子にそれぞれ導く回折格子素子
    と、前記感応光学的導波路素子および基準導波路
    素子を各別に介した光波を合成して出力する合波
    素子と、これらの各素子を同時集積した基板とを
    具備してなる機能集積形光学的センサ。 ２ 感応光学的導波路素子は圧力や温度に感応し
    て光波の少なくとも位相や振幅や波長を可変する
    ものである特許請求の範囲第１項記載の機能集積
    形光学的センサ。
JP1581580A 1980-02-12 1980-02-12 Integrated-function type optical sensor Granted JPS56112632A (en)

Priority Applications (1)

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JP1581580A JPS56112632A (en) 1980-02-12 1980-02-12 Integrated-function type optical sensor

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JP1581580A JPS56112632A (en) 1980-02-12 1980-02-12 Integrated-function type optical sensor

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JPS56112632A JPS56112632A (en) 1981-09-05
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US4763973A (en) * 1985-02-27 1988-08-16 Omron Tateisi Electronics Co. Waveguide-type optical sensor
JP5029036B2 (ja) * 2007-01-25 2012-09-19 住友電気工業株式会社 光源装置およびスペクトル分析装置
JP2013188806A (ja) * 2012-03-12 2013-09-26 Disco Corp 切削装置

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