WO2019066050A1 - 磁気センサ素子及び磁気センサ装置 - Google Patents

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WO2019066050A1
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optical fiber
light
polarization
magnetic sensor
lightwave circuit
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久保　利哉
光教 宮本
敏郎 佐藤
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シチズンファインデバイス株式会社
シチズン時計株式会社
国立大学法人信州大学
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    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/024—Optical fibres with cladding with or without a coating with polarisation maintaining properties

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic sensor element and a magnetic sensor device that detect a magnetic field change by Faraday rotation. More specifically, the present invention relates to a magnetic sensor element and a magnetic sensor device in which the sensor head responds to an external electromagnetic field or the like to cause rotation or phase difference of the polarization plane and use it for sensing.
  • the polarization maintaining optical fiber type magnetic field sensor can obtain an output corresponding to the magnetic field strength, and the measurement accuracy can be obtained even if the light source and the light receiving element are arranged far away from the measurement magnetic field by the polarization maintaining optical fiber. There is an advantage that it can be made higher. However, in such a magnetic field sensor, when the transmission characteristic of the optical fiber is changed due to the output fluctuation of the light source, the temperature change or the like, an error occurs in the measured value. In addition, since two polarization maintaining optical fibers are required on both sides of the Faraday element, there is a problem that it is difficult to handle.
  • Patent Document 1 is stable against changes in the transmission characteristics of the optical fiber due to output fluctuations of the light source, temperature changes, etc., and is easy to handle with only one polarization maintaining optical fiber.
  • a holding optical fiber type magnetic field sensor has been proposed.
  • This magnetic field sensor is a polarization maintaining optical fiber type magnetic field sensor using a light source, a polarization maintaining optical fiber, a Faraday element, and a light receiving element, in which light from the light source is transmitted between the light source and the polarization maintaining optical fiber.
  • a polarization device is provided for incidence as linearly polarized light with an angle of 45 ° to the natural polarization axis of the polarization maintaining optical fiber, and a quarter-wave plate is provided between the polarization maintaining optical fiber and the Faraday element. It is provided that a reflector is provided on the other side of the Faraday element.
  • the polarization maintaining optical fiber used for the purpose of maintaining linearly polarized light has a phase difference in polarization component due to the influence of the beat length when it is further transmitted by the polarization maintaining optical fiber immediately after the rotation of the polarization plane occurs due to the Faraday rotation. There is a drawback that it occurs.
  • a sensor head consisting of a planar lightwave circuit (PLC) with a single mode optical fiber fixed, and a polarization maintaining optical fiber are connected, and a magnetic film that generates polarization rotation in the sensor head
  • PLC planar lightwave circuit
  • the rotation of the polarization plane can be accurately performed without the influence of the outside.
  • the magnetic film and the ⁇ / 4 wavelength plate in the PLC it is accurately arranged so that the light loss can be suppressed and the intensity of the light returned to the light receiver can be maintained. I needed to.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a magnetic sensor element and a magnetic sensor device which can be easily manufactured and can reduce the loss of light as much as possible. It is to do.
  • a magnetic sensor device comprises a planar lightwave circuit having a light branching portion, an optical fiber for incidence and optical fiber for output connected to the planar lightwave circuit, and one end face of the planar lightwave circuit.
  • a magnetic sensor element comprising: a metallic magnetic type light transmitting film provided and transmitting light incident from the incident optical fiber; and a reflective film provided on the metallic magnetic type light transmitting film and reflecting the transmitted light
  • the output optical fiber is a polarization maintaining optical fiber, and the input optical fiber and the output optical fiber are aligned and connected to the planar lightwave circuit.
  • the planar lightwave circuit having the light branching portion since the planar lightwave circuit having the light branching portion is provided, the plane of polarization can be easily maintained in the planar lightwave circuit even by disturbance due to twisting or bending, and phase modulation generated by the Faraday rotation is accurately propagated. can do.
  • the incident optical fiber is connected to the planar lightwave circuit, linearly polarized light entering the planar lightwave circuit from the incident optical fiber can propagate through the planar lightwave circuit without being branched by the conventional branching coupler.
  • the output optical fiber is a polarization maintaining optical fiber, and the input optical fiber and the output optical fiber are aligned and connected to the planar lightwave circuit, so even without providing a wave plate in the planar lightwave circuit. Well, it is possible to suppress the loss due to the provision of the conventional wave plate.
  • the input optical fiber and the output optical fiber are rotationally adjusted and connected.
  • the polarization maintaining axis of the polarization maintaining optical fiber for front incidence is the polarization maintaining optical fiber for the emission.
  • the polarization maintaining optical fiber for the emission are aligned with the polarization preserving axis of
  • the polarization preserving axis of the polarization maintaining optical fiber for incidence and the polarization preserving axis of the polarization maintaining optical fiber for emission are aligned at a relative angle of 45 °. ing.
  • the light intensity can be equalized by centering on a position just between the Slow axis and the Fast axis.
  • the planar lightwave circuit may be either an optical waveguide formed by patterning or an optical waveguide in which two optical fibers are melted and fixed on a substrate.
  • a magnetic sensor device comprises: the magnetic sensor element according to the present invention; a light emitting device for introducing linearly polarized light into the incident optical fiber of the magnetic sensor element; And a light receiving device for receiving return light derived from the optical fiber.
  • the light receiving device converts a polarization separation element that separates the return light into an S polarization component and a P polarization component, and receives the S polarization component and the P polarization component into an electric signal.
  • a signal processing unit that processes the electrical signal.
  • the light emitting device can be configured to have a light emitting element and a polarizer that linearly polarizes light emitted from the light emitting element.
  • the present invention it is possible to provide a magnetic sensor element and a magnetic sensor device that can be easily manufactured and can reduce the loss of light as much as possible.
  • FIG. 3A shows the state in the planar lightwave circuit.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing an aligned polarization maintaining optical fiber. It is a cross-sectional view showing an example of a single mode optical fiber (A) and a polarization maintaining optical fiber (B).
  • A single mode optical fiber
  • B polarization maintaining optical fiber
  • FIG. 8A is a cross-sectional view of the optical fiber fixed by the base member and the lid member.
  • FIGS. 8B and 8C are cross-sectional views in the case where the polarization maintaining optical fiber for incidence and the polarization maintaining optical fiber for emission are rotationally aligned by relative angle ⁇ .
  • FIG. 10A is a plan view.
  • FIG. 10 (B) is a side view. It is a graph which shows the result of Table 1, and is a graph which shows the relationship between an insertion loss and a Faraday rotation angle. It is a graph which shows the relationship of the magnetic field intensity of a metal magnetic body type light transmission film, and the Faraday rotation angle about the samples 1 to 3 used by experiment.
  • the magnetic sensor element 10 includes: a planar lightwave circuit 11 having a light branching portion 12; an incident optical fiber 19 connected to the planar lightwave circuit 11; An optical fiber 20, a metallic magnetic type light transmitting film 30 provided on one end surface of the planar light wave circuit 11 and transmitting light incident from the incident optical fiber 19 and a metallic magnetic type light transmitting film 30 provided on the metallic magnetic type light transmitting film 30 Magnetic sensor element having a reflection film 40 for reflecting transmitted light, wherein the output optical fiber 20 is a polarization maintaining optical fiber, and the input optical fiber 19 and the output optical fiber 20 are aligned. It is characterized in that it is connected to the planar lightwave circuit 11.
  • this magnetic sensor element 10 has the planar lightwave circuit 11 having the light branching portion 12, the plane of polarization is easily held in the planar lightwave circuit even by disturbance due to twisting or bending, etc., and phase modulation caused by Faraday rotation is It can be propagated accurately. Furthermore, since the incident optical fiber 19 is connected to the planar lightwave circuit 11, the linearly polarized light entering the planar lightwave circuit 11 from the incident optical fiber 19 is not branched by the conventional branching coupler, and the planar lightwave circuit 11 as it is. Can be propagated.
  • the output optical fiber 20 is a polarization maintaining optical fiber, and the input optical fiber 19 and the output optical fiber 20 are aligned and connected to the planar lightwave circuit 11, the wavelength in the planar lightwave circuit It is not necessary to provide a plate, and it is possible to detect the light intensity in which the loss due to the provision of the wavelength plate is suppressed. Furthermore, since the wavelength plate is not required, the light intensity can be detected directly.
  • linearly polarized light is branched by a branching coupler and guided to a sensor head, and linearly polarized light is branched by a 1 ⁇ 4 wavelength plate whose optical axis is inclined by 22.5 ° in the sensor head.
  • a technology to rotate 45 ° As a result, when the incident linearly polarized light reciprocates by the reflection film, the plane of polarization can be forcibly rotated 45 °. As a result, even if all polarization rotations are completed in the sensor head and a phase difference occurs in the subsequent light transmission process, it is possible to extract a signal holding the light intensity of each of P-polarization and S-polarization.
  • linearly polarized light enters the planar lightwave circuit 11 from the incident optical fiber 19, propagates in the planar lightwave circuit 11, and incorporates the light branching portion
  • the light passes through 12 and reaches the metallic magnetic type light transmitting film 30.
  • the polarization plane of the light branching portion 12 is output.
  • the optical fiber 20 is relatively rotated in the axial direction, and alignment adjustment is performed so that the light intensities of the light receiving elements 66P and 66S become equal.
  • “relatively” means that the rotation in the axial direction may be performed by the input optical fiber 19 or by the output optical fiber 20.
  • the output optical fiber 20 is a polarization maintaining optical fiber
  • the linearly polarized light entering the planar lightwave circuit 11 from the input optical fiber 19 is aligned at an intermediate position between the slow axis and the fast axis. By doing this, the light intensity can be made uniform. Therefore, it is not necessary to provide the wave plate used to obtain the same effect in the planar lightwave circuit, and it is possible to suppress the loss caused by providing the wave plate.
  • the magnetic sensor device 1 includes the above-mentioned magnetic sensor element 10 and a light emitting device 50 for introducing linearly polarized light into the incident optical fiber 19 of the magnetic sensor element 10; And a light receiving device 60 for receiving return light derived from the output optical fiber 20 of the element 10.
  • the magnetic sensor element 10 includes a planar lightwave circuit 11, an input optical fiber 19 and an output optical fiber 20 connected to the planar lightwave circuit 11, and the planar lightwave circuit 11.
  • a metallic magnetic type light transmitting film 30 provided on one end face and transmitting light incident from the incident optical fiber 19, and a reflective film 40 provided on the metallic magnetic type light transmitting film 30 and reflecting the transmitted light And.
  • a planar lightwave circuit is called PLC (Planar Lightwave Circuit).
  • the planar lightwave circuit 11 constituting the present invention is obtained by connecting an optical fiber (optical fiber 19 for incidence and optical fiber 20 for emission) to the end face of the head part having the optical waveguide 11a.
  • the planar lightwave circuit 11, as shown in FIGS. 1 and 2, includes the light paths 13, 14, 15 and the light branching portion 12, and the metal magnetic type light transmitting film 30 and the reflecting film on the other end surface. And 40 are provided.
  • An input optical fiber 19 and an output optical fiber 20 are connected to the planar lightwave circuit 11 at connection portions 17 and 18, respectively.
  • the light that has entered the light path 13 from the connection portion 17 to which the incident optical fiber 19 is connected travels as shown by the arrows in FIGS.
  • the light branching portion 12 passes through the light path 14, Proceed to the magnetic type light transmitting film 30.
  • the light transmitted through the metal magnetic type light transmitting film 30 is reflected by the reflection film 40 and transmitted again through the metal magnetic type light transmitting film 30, and then returns to the light path 14 to the light branch portion 12 as shown by the arrow.
  • the light path 15 is advanced to the exit optical fiber 20 connected by the connection portion 18. In the example of FIG. 2, the light branched by the light branching unit 12 and traveling through the light path 16 is terminated.
  • the positional relationship between the connecting portions 17 and 18 and the metallic magnetic light transmitting film 30 and the reflecting film 40 is, as shown in FIG. 1 and FIG. There is. However, it is not limited to such a form, You may provide in the end surface which adjoins.
  • the planar lightwave circuit 11 can be manufactured in various ways. For example, an optical waveguide 11a (see FIG. 6) manufactured by the planar lightwave circuit 11 by photolithography or an optical waveguide 11a (see FIG. 7) manufactured by melting and fixing two optical fibers on a substrate, It may be either.
  • the optical waveguide 11a In the case of producing the optical waveguide 11a by the photolithographic technique, it can be produced by the same technique as the production technique of LSI.
  • the optical waveguide 11a forms a patterned core 47 on the lower cladding layer 46a, forms a first upper cladding layer 46b covering the core 47, and further, uses an adhesive 48.
  • the second upper cladding layer 46c may be provided.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view.
  • FIG. 6 (B) is a plan view.
  • FIG. 6C is a side view.
  • the constituent material of the optical waveguide 11a is not particularly limited, but as the lower cladding layer 46a, for example, a substrate made of quartz or Tempacx (registered trademark) can be preferably used.
  • a core layer composed of, for example, silicon dioxide and germanium dioxide is formed on the lower cladding layer 46a by a method such as flame deposition (FHD) or chemical vapor deposition (CVD). It is preferable to employ one obtained by patterning the core layer by photolithography.
  • FHD flame deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • the first upper cladding layer 46b one obtained by overcoating a silicon dioxide layer by a method such as FHD method or CVD method so as to cover the patterned core 47 can be preferably used.
  • the second upper cladding layer 46c made of silicon dioxide or the like is interposed between the first upper cladding layer 46b and the adhesive layer (for example, epoxy resin). It is preferably provided on top.
  • the chip is formed in a dicing process or the like, and the end face of the optical waveguide is polished and mirror-finished.
  • the incident optical fiber 19 and the outgoing optical fiber 20 are connected to one end face of the mirror-shaped optical waveguide, and the metal magnetic type light transmission film 30 and the reflection film 40 are sequentially provided on the other end face.
  • the optical fiber is melted and connected to the groove 42 provided on the substrate 41 and embedded.
  • the optical waveguide 11a prepares the substrate 41 having the groove 42 formed, and as shown in FIG. 7B, the optical fiber 13 is melted and connected to form the optical paths 13, 14, The embedded optical fiber 44 configured to have 15 is prepared.
  • the optical fiber 44 for embedding is put in the groove 42 of the substrate 41, and the lid base material 43 is covered from the top, and they can be adhered with the adhesive 45.
  • the constituent material of the optical waveguide 11a is also not particularly limited.
  • the material of the substrate 41 may include quartz, Tempacx (registered trademark), glass, ceramic, metal, synthetic resin, and the like.
  • the groove 42 may be formed simultaneously, or the substrate 41 may be processed to form the groove 42 after the entire shape of the substrate 41 is formed.
  • the groove 42 may have a U-shaped or V-shaped cross section, but preferably has a V-shaped or substantially V-shaped cross section.
  • the groove 42 having a substantially V-shaped cross section can be easily and accurately positioned when the optical fiber is inserted.
  • the shape and structure of the planar lightwave circuit 11 are arbitrary, as long as at least the entire optical fiber is fixed to the groove 42 of the planar lightwave circuit 11. If necessary, the lid substrate 43 may not be used.
  • the linearly polarized light propagating through the incident optical fiber 19 enters from the connection portion 17 of the planar lightwave circuit 11 and enters the light path 13 and the light branch portion.
  • the light is transmitted through the metal magnetic type light transmitting film 30 via the light path 12 and the light path 14, reflected by the reflection film 40, transmitted again through the metal magnetic body light transmitting film 30, and returned to the light path 14.
  • the light is emitted from the connection portion 17 of the planar lightwave circuit 11 through the light path 15, enters the output optical fiber 20, and propagates through the output optical fiber 20.
  • Such a planar lightwave circuit 11 is composed of the optical waveguide 11a formed on a substrate such as quartz, so that the plane of polarization is easily held in the planar lightwave circuit 11 against disturbance due to twisting and bending. As a result, it is possible to accurately propagate the phase modulation caused by the Faraday rotation.
  • the incident optical fiber 19 is not particularly limited as long as it is an optical fiber for transmitting the linearly polarized light from the light emitting device 50 to the planar light wave circuit 11 and is an optical fiber connected to the planar light wave circuit 11 at the connection portion 17.
  • it may be a single mode optical fiber (code "19" may be added) of the form shown in FIG. 4 (A), or a polarization maintaining optical fiber (code "19" may be attached.).
  • the polarization maintaining optical fiber of the form shown in FIG. 4 (B) can be transmitted while maintaining the rotation and phase difference of the polarization plane of light, and linearly polarized light from the light emitting device 50 can be compared with a single mode optical fiber.
  • the incident optical fiber 19 may be a single mode optical fiber depending on the application and the fiber fixing form.
  • the diameter of an optical fiber such as a polarization maintaining optical fiber or a single mode optical fiber is not particularly limited, but a diameter of 125 ⁇ m is generally used.
  • the length of the optical fiber can be arbitrarily selected according to the form of the magnetic sensor element 10 or the form of the magnetic sensor device 1.
  • the emitting optical fiber 20 is an optical fiber for transmitting the light emitted from the planar lightwave circuit 11 to the light receiving elements 66P and 66S without disturbing the polarization state, and the optical fiber connected to the planar lightwave circuit 11 at the connection portion 18 It is.
  • the output optical fiber 20 is preferably a polarization-maintaining optical fiber (which may have a reference numeral 20) as shown in FIG. 4 (B).
  • the polarization maintaining optical fiber can be transmitted while maintaining the rotation and phase difference of the polarization plane of light, and a pair of stress applying portions 23 (23a and 23b) as shown in FIG.
  • the stress applying portions 23 do not necessarily have to be a pair, and may be polarization maintaining optical fibers.
  • the polarization maintaining optical fiber is an optical fiber in which a mode having two orthogonal polarization planes exists, and has, for example, a pair of stress applying portions 23a and 23b which apply a non-axisymmetric stress to the core 21,
  • the polarization maintaining fiber is constituted by the core 21 at the center, the cladding 22, the pair of stress applying portions 23, and the covering material 26.
  • the polarization maintaining optical fiber is a panda (PANDA: Polarization-maintaining AND Absorption-reducing) type in which the pair of stress applying portions 23a and 23b are respectively circular in cross section, can suppress the intensity fluctuation of light, and is stable Measurement becomes possible.
  • the cross-sectional configuration has two orthogonal polarization preserving axes (also referred to as polarization axes), that is, a slow axis 24 and a fast axis 25.
  • the slow axis 24 is indicated by a straight line passing through the centers of the pair of stress applying portions 23 a and 23 b and the center of the core 21.
  • the Fast axis 25 is shown as a straight line orthogonal to the Slow axis 24 and passing through the center of the core 21.
  • the return light largely rotated by the metal magnetic type light transmitting film 30 is divided into two orthogonal axes of the polarization maintaining optical fiber 20 (Slow It is possible to propagate at a position deviated from the linear polarization holding axis of the axis and the fast axis). By so doing, it is possible to break the linear polarization and to propagate with a constant rate of light intensity in each of the two orthogonal linear polarization holding axes. As a result, the P polarization component and the S polarization component can be easily separated in light intensity by the subsequent polarization separation element, and the magnitude of the intensity can be easily determined by the light receiving elements 66P and 66S.
  • the input optical fiber 19 and the output optical fiber 20 are aligned and connected to the planar light wave circuit 11 as shown in FIG. 3 (B).
  • the “alignment” is performed by rotating one or both of the input optical fiber 19 and the output optical fiber 20. By doing this, as in the conventional case, the optical fiber 19 for input and the light for output are made so that the power is halved physically, instead of using the wavelength plate to perform phase modulation and halving the power of the light.
  • the optical power can be halved by aligning with the fiber 20.
  • the incident optical fiber 19 is the polarization maintaining optical fiber 19
  • the polarization preserving axis of the polarization maintaining optical fiber 19 for incidence (the slow axis and the fast axis which are polarization preserving axes: the same applies hereinafter).
  • the polarization preserving axis of the polarization plane holding optical fiber 20 for emission are relatively aligned.
  • “alignment” is an operation of causing the light entering the planar lightwave circuit 11 to be equally divided into two vectors as light intensity (power) and propagated.
  • the polarization maintaining axis of the polarization maintaining optical fiber 20 for output and the polarization maintaining axis of the polarization maintaining optical fiber 19 for incidence are rotated at a relative angle of 45 ° for alignment.
  • the relative angle means that the 45 ° rotation may be a right rotation or a left rotation.
  • the polarization maintaining optical fiber 19 for incidence and the polarization maintaining optical fiber 20 for exit are adjusted so that the polarization preserving axes of the slow axis and the fast axis are relatively inclined 45 °. Because it is centered, linearly polarized light can be vector separated into two as the power of light. That is, light can be propagated uniformly to the two polarization preserving axes. In this state, regardless of the rotation angle between the planar lightwave circuit 11 and the polarization maintaining optical fibers 19 and 20, the polarization maintaining axes of the polarization maintaining optical fibers 19 and 20 are relatively inclined by 45 °. It is supposed to be
  • a polarization maintaining optical fiber 19 is used as an incident optical fiber 19
  • a polarization beam splitter (PBS) is connected to a polarization maintaining optical fiber 20 for emission to obtain P polarization and While separating the light into s-polarized light and monitoring the respective intensities of the separated p-polarized light and s-polarized light with two power meters, the polarization maintaining optical fiber 19 for incidence is rotated to equalize the p-polarized light intensity and the s-polarized light intensity. Adjust to become At this time, since both the incident optical fiber 19 and the outgoing optical fiber 20 are polarization maintaining optical fibers, the polarization maintaining optical fiber 19 of the incident light can be obtained by looking at the fiber end face shown in FIG. By rotating by 45 °, it is possible to adjust so that the P-polarization intensity and the S-polarization intensity become equal without performing active alignment, and it is possible to perform alignment adjustment with extremely easy operation.
  • PBS polarization beam splitter
  • FIG. 8A is a cross-sectional view of the optical fibers 19 and 20 fixed by the base member 81 and the lid member 83.
  • FIGS. 8B and 8C are cross-sectional views in the case where the polarization maintaining optical fiber 19 for incidence and the polarization maintaining optical fiber 20 for emission are rotationally aligned by a relative angle ⁇ .
  • This example is a means for holding the polarization maintaining axes of the polarization maintaining optical fibers 19 and 20 at a relative angle of 45 ° without using active alignment, as shown in FIG.
  • the polarization maintaining optical fibers 19 and 20 are arranged in the groove 82 of the base member 81, the end faces thereof are observed with a camera or the like, and one polarization maintaining optical fiber is axially rotated with reference to the stress applying portion 23.
  • the respective polarization maintaining optical fibers 19 and 20 are relatively inclined by 45 ° and fixed by the lid member 83 via the adhesive 84. Thereafter, the end face is polished and connected to the planar lightwave circuit 11.
  • a polarization beam splitter (PBS) is connected to the polarization plane holding optical fiber 20 for output to make P polarization and S polarization.
  • the single-mode optical fiber 19 for incidence is rotated and the P-polarization intensity and the S-polarization intensity become uniform while monitoring the respective intensities of the separated P-polarization and the S-polarization with two power meters. To adjust.
  • the single mode optical fiber 19 is used as the incident optical fiber 19, when rotating this single mode optical fiber 19 for incidence, a polarizer is attached in front of the single mode optical fiber 19 or A polarizer and a half-wave plate are attached, and the polarizer or half-wave plate is rotated to adjust the P-polarization intensity and the S-polarization intensity to be equal.
  • the input optical fiber 19 and the output optical fiber 20 are directly connected to the planar lightwave circuit 11 at the connection portions 17 and 18 respectively.
  • the planar lightwave circuit 11, the incident optical fiber 19 and the outgoing optical fiber 20 are made of a refractive index-matched adhesive (preferably, an ultraviolet curable adhesive or the like). Bonding can be performed with the loss minimized. If there is no vibration or the like or if the holding structure is not affected by the vibration or the like, polarization can be maintained even with a single mode optical fiber.
  • the metallic magnetic type light transmitting film 30 is provided on one end face of the planar lightwave circuit 11 and acts so as to transmit light incident from the incident optical fiber 19.
  • the metal magnetic type light transmitting film 30 acts to linearly polarized light so as to increase the rotation angle of the polarization plane by the Faraday effect.
  • the Faraday effect is the effect of the plane of polarization rotating as light passes through the material in a magnetic environment.
  • the metal magnetic type light transmitting film 30 may be any film having the property of causing such behavior, and the type thereof is not particularly limited.
  • magnetic garnets conventionally applied as the metal magnetic type light transmitting film 30 can be mentioned.
  • Fe, Co, Ni, and these alloys can be mentioned, for example.
  • the alloy examples include FeNi alloy, FeCo alloy, FeNiCo alloy, and NiCo alloy. Furthermore, granular thin films in which these ferromagnetic substances are dispersed as fine particles in a dielectric matrix can also be used. Examples of the dielectric used as the matrix include fluorides such as MgF 2 and oxides such as Al 2 O 3 and SiO 2 .
  • the metallic magnetic type light transmitting film 30 is provided on one end surface of the planar lightwave circuit 11 made of, for example, glass, quartz, transparent synthetic resin or the like.
  • a magnetic field is applied to the metal magnetic type light transmitting film 30 and a Faraday rotation occurs, the intensity change of the light received by the light receiving elements 66P and 66S occurs as in the conventional method, and the difference in the light intensity is substantially linear Change, and it becomes possible to measure the magnetic field strength. Then, it is also possible to convert that value into a current value.
  • Such "reflection-type sensor head using light modulation" can maintain low loss.
  • the reflection film 40 is provided on the metal magnetic type light transmission film 30 as shown in FIGS. 1 and 2 and reflects the light transmitted through the metal magnetic type light transmission film 30.
  • the reflective film 40 is provided to reflect light transmitted through the metallic magnetic type light transmissive film 30 and return it to the metallic magnetic type light transmissive film 30 again, and the type thereof is, for example, an Ag film, an Au film, An Al film, a dielectric multilayer mirror, etc. can be mentioned.
  • an Ag film having a high reflectance and an Au film having a high corrosion resistance are simple and preferred.
  • the reflective film 40 may be formed by a known method such as, for example, a vapor phase growth method (physical vapor deposition method, chemical vapor deposition method, vacuum evaporation method, sputtering method), printing method, spin coating method, plating method or the like.
  • a vapor phase growth method physical vapor deposition method, chemical vapor deposition method, vacuum evaporation method, sputtering method
  • printing method spin coating method, plating method or the like.
  • the linearly polarized light is propagated by the incident optical fiber 19 and (2) the propagated linearly polarized light enters the planar light wave circuit 11 and the metal magnetic type When incident on the light transmission film 30, the rotation angle of the polarization plane becomes large due to the Faraday effect of the metal magnetic material of the metal magnetic type light transmission film 30.
  • the light which has been largely rotated is propagated as return light to the output optical fiber 20, and then separated into a P-polarization component and an S-polarization component, and the magnitude of each intensity is determined by the light receiving element.
  • FIG. 9 is a schematic view showing an example of the structure of a magnetic sensor module 90 provided with the magnetic sensor element 10 according to the present invention.
  • the magnetic sensor module 90 is an optical fiber cable unit having a magnetic sensor element 10 provided at one end of a two-core optical fiber cable 92 and connection terminals 95 provided at the other end.
  • the components of the magnetic sensor element 10 have already been described, and thus the description thereof is omitted. However, it is preferable that the magnetic sensor element 10 be manufactured in a structural form exemplified in FIG.
  • the magnetic sensor element 10 having the structure illustrated in FIG. 10 is composed of the planar lightwave circuit 11 and the connection structure portion 86.
  • the planar lightwave circuit 11 is not particularly limited, one exemplified in FIG. 6 can be mentioned preferably, and it is composed of a lower cladding layer 46a, a core 47 and upper cladding layers 46b and 46c.
  • a metal magnetic type light transmitting film 30 and a reflecting film 40 are sequentially stacked on the tip of the planar lightwave circuit 11.
  • the two-core optical fiber cable 92 is obtained by covering two optical fiber cores with a resin sheath.
  • One side of the two-core optical fiber cable 92 is branched into single-core optical fiber cables 94 and 94 at a branch part 93, and the single-core optical fiber cables 94 and 94 are also referred to as optical connection terminals (also referred to as optical connectors). ) 95, 95 is connected.
  • the optical connection terminals 95, 95 are connected to a measuring device provided with the OE conversion element PD (photodiode).
  • FIG. 10 shows an example of the connection structure.
  • the resin sheath is removed from the two-core optical fiber cable 92, it becomes a single-core optical fiber core wire, and the optical fiber in which the covering material is peeled from the optical fiber core wire is all polarized as described above.
  • the wavefront holding optical fibers 19 and 20 are preferable.
  • Each polarization-maintaining optical fiber 19, 20 is positioned in a groove 82 provided in a base member 81 as shown in FIGS. 8 and 10, and is a connection structure fixed by a lid member 83 via an adhesive 84. It is 86.
  • the polarization maintaining optical fibers 19 and 20 exposed on the base member 81 are covered with an adhesive 85 as shown in FIG. 10, and the polarization maintaining optical fibers 19 and 20 are integrated with the base member 81 for protection. .
  • the planar lightwave circuit 11 and the connection structure 86 thus configured are connected by the adhesive at the connection portions 17 and 18. After the connection, as shown in FIG. 9, the resin case 91 is reinforced and integrated. Thus, the magnetic sensor module 90 can be manufactured.
  • the magnetic sensor device 1 introduces linearly polarized light into the magnetic sensor module 90 provided with the above magnetic sensor element 10 and the incident optical fiber 19 of the magnetic sensor element 10. It has a light emitting device 50 and a light receiving device 60 for receiving return light derived from the output optical fiber 20 of the magnetic sensor element 10.
  • the incident optical fiber 19 connected to the planar lightwave circuit 11 is optically connected to the light emitting device 50 including the light emitting element 51 and the like through the connection terminal portion 95 (see FIG. 9). ing.
  • the output optical fiber 20 connected to the planar lightwave circuit 11 is also optically connected to the light receiving device 60 including the light receiving elements 66P, 66S, etc. via the connection terminal 95 (see FIG. 9). .
  • the light emitting device 50 the light from the light emitting element 51 is linearly polarized by the polarizer 52, and the linearly polarized light passes through the incident optical fiber 19 and is the plane light wave shown in FIGS.
  • the circuit 11 is entered.
  • the linearly polarized light passes through the metallic magnetic type light transmitting film 30, is reflected by the reflective film 40, passes through the metallic magnetic type light transmitting film 30 again, and enters the output optical fiber 20 through the light paths 14 and 15.
  • a magnetic field is applied to the metallic magnetic type light transmitting film 30 which is the tip of the magnetic sensor element 10, the polarization plane rotates in accordance with the magnetic field strength.
  • the light that has entered the outgoing optical fiber 20 enters the light receiving device 60.
  • the polarization separation element 64 that separates the return light into the S polarization component and the P polarization component
  • the light reception elements 66P and 66S that receive the S polarization component and the P polarization component and convert them into electric signals
  • a signal processing unit 70 for processing.
  • the light emitting device 50 is configured to have a light emitting element 51 and a polarizer 52 that linearly polarizes the light emitted from the light emitting element 51.
  • symbol 53 is an isolator and can be provided as needed.
  • the light emitting device 50 is a device for introducing linearly polarized light into the incident optical fiber 19 of the magnetic sensor element 10.
  • the polarizer 52 linearly polarizes the light, and the linear polarization is introduced into the incident optical fiber 19 constituting the magnetic sensor element 10.
  • a semiconductor laser or a light emitting diode can be applied as the light emitting element 51.
  • a Fabry-Perot laser, a super luminescence diode or the like can be preferably used as the light emitting element 51.
  • the polarizer 52 is an optical element for linearly polarizing light emitted from the light emitting element 51, and the type is not particularly limited, and various types can be used.
  • the linearly polarized light can be introduced into the incident optical fiber 19 by an optical coupler, a circulator, a half mirror or the like.
  • a half mirror (not shown) is an optical system for introducing linearly polarized light polarized by the polarizer 52 into the incident optical fiber 19 and propagating the returned light propagating through the incident optical fiber 19 to a system different from the light source side. It is an element.
  • the half mirror may be replaced by an optical coupler for coupling and branching an optical fiber, a beam splitter for splitting light, or an optical circulator.
  • the light receiving device 60 has a polarization separation element 64 for separating light emitted from the planar light wave circuit 11 into an S polarization component and a P polarization component, and a light receiving element 66P for receiving the S polarization component and the P polarization component and converting them into electric signals. , 66S, and a signal processing unit 70 that processes an electrical signal.
  • the polarization separation element 64 is an optical element which branches the S polarization component and the P polarization component of light.
  • a polarization beam splitter PBS
  • various types such as a prism type, a planar type, a wedge substrate type, and an optical waveguide type can be applied.
  • the light receiving elements 66P and 66S are optical elements that respectively receive and photoelectrically convert the S-polarization component and the P-polarization component branched by the polarization separation element 64, and preferably include PIN photodiodes and the like.
  • the signal processing unit 70 detects the difference between the intensities of the two polarizations from the photoelectrically converted electric signal by a circuit, and converts it to a desired measured value such as a magnetic field strength value or a current value based on the difference.
  • the magnetic sensor element 10 and the magnetic sensor device 1 according to the present invention it is not necessary to provide the wave plate in the planar lightwave circuit, and the light intensity with reduced loss due to the wave plate can be obtained. While being able to detect, since a wavelength plate becomes unnecessary, light intensity can be detected directly. In addition, since the optical coupler is not provided, there is also an advantage that it is not affected by disturbance (temperature, just touching).
  • the magnetic sensor element 10 according to the present invention will be described in more detail.
  • the relationship between the insertion loss of the magnetic sensor module 90 having the magnetic sensor element 10 and the Faraday rotation angle was examined, and the insertion loss of the magnetic sensor module 90 that can be preferably used was verified.
  • the planar lightwave circuit 11 shown in FIG. 6 was produced by photolithography.
  • This planar lightwave circuit 11 uses a 1 mm thick SiO 2 substrate (such as quartz or Tempacs (registered trademark)) as the lower cladding layer 46a, and a 0.004 mm square (longitudinal ⁇ lateral) core 47 on top of it.
  • the metal magnetic type light transmitting film 30 and the reflecting film 40 were sequentially laminated on the end of the planar lightwave circuit 11.
  • a granular thin film in which Faraday rotation is saturated at about 5 kOe was used.
  • the reflective film 40 a gold film having a thickness of 150 nm and a reflectance of 98% was formed by sputtering.
  • a two-core optical fiber cable 92 was connected to the connection portions 17 and 18 of the planar lightwave circuit 11.
  • the two-core optical fiber cable 92 is a cable cord in which two single-core optical fiber cables are covered with a resin sheath, and the single-core optical fiber cable is an optical fiber core of about 900 ⁇ m diameter covered with a covering material such as nylon. It is.
  • the optical fiber after removing the covering material from this optical fiber core has polarization maintaining optical fibers 19 and 20 with a diameter of 0.125 mm, and the outer periphery of the polarization maintaining optical fibers 19 and 20 is coated with acrylic resin. The one having a diameter of 250 ⁇ m was used.
  • the polarization plane holding optical fibers 19 and 20 were connected to the planar lightwave circuit 11 as a connection structure 86 shown in FIG.
  • connection between the connection portions 17 and 18 of the planar lightwave circuit 11 and the polarization-maintaining optical fibers 19 and 20 was performed using an adhesive (a UV curable adhesive having a refractive index matching).
  • an adhesive a UV curable adhesive having a refractive index matching.
  • the end of the polarization maintaining optical fiber 20 for output was connected to the connection portion 18 of the planar lightwave circuit 11.
  • the polarization maintaining optical fiber 19 for incidence was connected to the connection portion 17 of the planar lightwave circuit 11.
  • the polarization maintaining optical fiber 19 for incidence was axially rotated and connected so that the relative angle ⁇ was 45 ° with respect to the polarization preserving axis of the polarization maintaining optical fiber 20 for emission.
  • alignment using the active alignment device was not performed.
  • the magnetic sensor module 90 was produced.
  • FIG. 11 is a graph showing the results of Table 1.
  • the different insertion loss at this time was obtained by intentionally causing an alignment error when connecting the planar lightwave circuit 11 and the optical fibers (polarization maintaining optical fibers 19 and 20).
  • the relationship between the change in the insertion loss caused by the alignment error and the change in the Faraday rotation angle it is possible to detect the light that changes with the Faraday rotation angle if it is the insertion loss up to what extent It verified that the function as an element was acceptable.
  • the measurement of the insertion loss was performed by the measurement system shown in FIG.
  • the insertion loss was 6.8 dB and the Faraday rotation angle was 1.1 ° (deg).
  • the insertion loss was 7.3 dB and the Faraday rotation angle was 1.0 ° (deg).
  • the insertion loss was 10.6 dB, and the Faraday rotation angle was 0.2 ° (denoted by deg. Hereinafter the same).
  • the difference in the insertion loss of the magnetic sensor module 90 is mainly due to the alignment error generated when the planar lightwave circuit 11 and the connection structure 86 are connected.
  • misalignment occurs between the optical fibers 19 and 20 and the cores of the optical paths 13 and 15 of the planar lightwave circuit 11, thereby increasing the insertion loss and also increasing the loss due to polarization dependence generated between the cores.
  • the planar lightwave circuit 11 is sandwiched between the polarization maintaining optical fibers 19 and 20.
  • linearly polarized light emitted from the polarization maintaining optical fiber 19 is a planar lightwave circuit.
  • the inside of 11 can be regarded as space and can be propagated while maintaining the polarization state. Further, it is desirable to output and propagate information held in another polarization-maintaining optical fiber 20 while holding the Faraday rotation angle generated in the metal magnetic type light transmitting film 30 and the reflecting film 40 ahead.
  • loss due to polarization dependence occurs in the incident side connection part 17 and the exit side connection part 18 of the planar lightwave circuit 11
  • the change in intensity of light generated due to the Faraday rotation is offset by the loss due to polarization dependence. As shown in Table 1, the Faraday rotation angle becomes small.
  • the relationship between the magnetic field intensity in the range of about -4 kOe to +4 kOe and the Faraday rotation angle is linear, and it can be seen that the Faraday rotation angle can correspond to the change in the magnetic field intensity.
  • Sample 3 which shows only has a slight linear portion, and it can be seen that the Faraday rotation angle hardly responds to changes in the magnetic field strength.
  • the current value generated in a switching device such as an inverter is 200 A typ, so it can be considered that the magnetic field generation amount is about 100 Oe. This 100 Oe is about 1/50 of the total rotation angle, that is, about 0.028 deg.
  • FIG. 13 is a graph showing a general relationship between the Faraday rotation angle including the data of other magnetic materials (including garnets and the like) and the light intensity change, and the symbol a is sin 2 ( ⁇ F + ⁇ / The P-polarization intensity change represented by 4) is shown, and the code b is the S-polarization intensity change represented by cos 2 ( ⁇ F + ⁇ / 4).
  • the changes in the light intensity of each of the p-polarized light and the s-polarized light have a relationship in which the light intensity increases or decreases relative to the Faraday rotation.
  • FIG. 14 is a graph obtained by subtracting P-polarization intensity from S-polarization intensity variation shown in FIG. 13 and making the horizontal axis a Faraday rotation.
  • the region that can be linearly approximated is ⁇ 10 ° to + 10 °. Therefore, since Samples 1 and 2 showing a Faraday rotation angle of 1.0 ° and 1.1 ° are included in a linear region that can be linearly approximated, the relationship between the Faraday rotation angle and the light intensity is 1: 1. It turns out that it is advantageous at the point of detection accuracy.
  • the planar lightwave circuit 11 of this experiment includes the light branching portion 12 (see FIG. 1), the light intensity is 50% and the loss is 3 dB in the going direction, and the light intensity is 50% and the loss is 3 dB further in the return direction. It becomes. Furthermore, a total of about 0.5 dB is added as the connection loss at the two connection parts 17 and 18 between the planar light wave circuit 11 and the connection structure part 86. Therefore, a total loss of 6.5 dB can be said to be the minimum ideal loss. In fact, as shown in sample 1 of Table 1, the insertion loss was 6.8 dB and the Faraday rotation angle was 1.1 °, as shown in sample 1 of Table 1.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the insertion loss of the magnetic sensor module and the amount of change in light intensity.
  • the SLD super luminescent diode
  • the transmittance of the entire measurement system shown in FIG. 5 is about 2%, so the obtained light intensity is 500 ⁇ W.
  • the light intensity that changes with the above-mentioned Faraday rotation angle of 0.028 deg is about +/- 0.1%, a change of +/- 400 nW can be obtained.
  • the light intensity changed due to the Faraday rotation angle is amplified and signal-demodulated by an amplifier in the signal processing unit, but it is actually necessary to receive the light intensity with a PD (photodiode). From these facts, if the light intensity change amount is about 150 nW or more, the detection becomes possible in consideration of the PD sensitivity and the noise level. On the other hand, if it is less than that, the loss will exceed 8 dB, the sensitivity will be reduced, and the measurement will be difficult. From these, in the magnetic sensor module 90, as shown in FIG. 15, it can be said that it is desirable to set the loss of the planar light wave circuit 11 to 8 dB or less.
  • the present invention it is possible to provide a magnetic sensor element and a magnetic sensor device that can be manufactured easily and can reduce the loss of light of the planar light wave circuit 11 as much as possible.
  • the magnetic sensor element 10 according to the present invention has the planar lightwave circuit 11, the plane of polarization is easily held in the planar lightwave circuit even by disturbance due to twisting or bending, and phase modulation caused by Faraday rotation is accurately propagated. can do.
  • both the input optical fiber 19 and the output optical fiber 20 be polarization maintaining optical fibers, and they are aligned and connected to the planar lightwave circuit 11 so that they can be placed in the planar lightwave circuit.
  • the wave plate may not be provided.
  • the loss due to the provision of the wavelength plate can be greatly suppressed, and for example, as shown in FIG. 15, the loss of the planar lightwave circuit 11 can be 8 dB or less.
  • Magnetic Sensor Device 10 (10A, 10B) Magnetic Sensor Element 11 Planar Lightwave Circuit (PLC) DESCRIPTION OF SYMBOLS 11a Optical waveguide 12 Optical branch part 13,14,15,16 Optical path 17,18 Connection part 19 Optical fiber for entrance 20 Optical fiber for output 21 Core 22 Clad 23 (23a, 23b) Stress application part 24 Slow axis 25 Fast axis 26 coating material 30 metal magnetic type light transmitting film 40 reflecting film 41 substrate 42 groove 43 lid base material 44 embedding optical fiber 45 adhesive 46 a lower cladding layer 46 b first upper cladding layer 46 c second upper cladding layer 47 core 48 Adhesive layer
  • Reference Signs List 50 light emitting device 51 light emitting element 52 polarizer 53 half mirror 54 light coupling portion 60 light receiving device 62 ⁇ / 2 plate 64 polarization separation element (polarization separation beam splitter) 65P P polarization component 65S S polarization component 66P, 66S Photodetector (photodiode) 70 Signal processing unit
  • Reference Signs List 81 base member 82 groove portion 83 lid member 84 adhesive 85 adhesive 86 adhesive structure 90 magnetic sensor module 91, 91a, 91b resin case 92 two-core optical fiber cable 93 branch portion 94 single-core optical fiber cable 95 connection terminal portion

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Abstract

【課題】簡便に製造することができるとともに、光の損失を極力低減することができる磁気センサ素子及び磁気センサ装置を提供する 【解決手段】光分岐部１２を備えた平面光波回路１１と、その平面光波回路１１に接続される入射用光ファイバ１９及び出射用光ファイバ２０と、その平面光波回路１１の一端面に設けられ、前記入射用光ファイバ１９から入射した光を透過する金属磁性体型光透過膜３０と、その金属磁性体型光透過膜３０上に設けられ、透過した光を反射する反射膜４０とを有する磁気センサ素子であって、出射用光ファイバ２０が偏波面保持光ファイバであり、入射用光ファイバ１９と出射用光ファイバ２０とが調心されて平面光波回路１１に接続されているように構成して上記課題を解決する。

Description

磁気センサ素子及び磁気センサ装置
　本発明は、磁界変化をファラデー回転により検出する磁気センサ素子及び磁気センサ装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、センサヘッドが外部の電磁界等に応答して偏波面の回転又は位相差を生じさせ、それをセンシングに利用した磁気センサ素子及び磁気センサ装置に関する。
　偏波面保持光ファイバ型の磁界センサは、磁界強度に対応した出力を得ることができ、且つ偏波面保持光ファイバによって測定磁界から遠く離れた位置に光源や受光素子を配置しても測定精度を高くできるという利点がある。しかし、そうした磁界センサにおいて、光源の出力変動や温度変化等によって光ファイバの伝送特性が変化したりすると、測定値に誤差が生じるという難点があった。また、ファラデー素子を挟む両側に２本の偏波面保持光ファイバを必要とするため、取扱い難いという問題もあった。
　上記問題に対し、特許文献１には、光源の出力変動や温度変化等による光ファイバの伝送特性の変化に対して安定であり、１本の偏波面保持光ファイバだけで取扱いが容易な偏波面保持光ファイバ型の磁界センサが提案されている。この磁界センサは、光源、偏波面保持光ファイバ、ファラデー素子及び受光素子を用いた偏波面保持光ファイバ型の磁界センサにおいて、光源と偏波面保持光ファイバとの間には、光源からの光を偏波面保持光ファイバの固有偏光軸に対し４５°の角度をもつ直線偏光として入射させるための偏光装置が設けられ、偏波面保持光ファイバとファラデー素子との間には、１／４波長板が設けられ、ファラデー素子の他方の側には、反射板が設けられている、とういうものである。
特開平７－２０２１７号公報
　特許文献１で提案された磁界センサでは、偏波面保持光ファイバを介して入射された光が反射板で反射し、その反射光が偏波面保持光ファイバに戻る必要がある。つまり、偏波面保持光ファイバの光軸と、１／４λ板、ファラデー素子及び反射板の経路の光軸とを合わせる必要がある。光軸が合っていないと光の損失が大きくなり、磁界センサの性能が悪化してしまう。光軸を合わせるためには、各部品の形状精度を高くしたり、精度よく組み立てたりする必要があり、製造が難しいという問題がある。
　また、直線偏光を保持する目的で用いる偏波面保持光ファイバは、ファラデー回転により偏光面の回転が生じた直後にさらに偏波面保持光ファイバで伝送すると、ビート長の影響で偏光成分に位相差が生じてしまうという難点がある。
　位相差を生じさせない構造としては、シングルモード光ファイバを固定した平面光波回路（ＰＬＣ）からなるセンサヘッドと、偏波面保持光ファイバとを接続し、センサヘッド内に偏光回転を生じる磁性膜とλ／４波長板とを配置すれば、外部の影響を受けることなく偏光面の回転が正確に行われる。このように、磁性膜とλ／４波長板とをＰＬＣ内に配置するのは製造上容易であるが、光損失を抑え、受光器に戻ってくる光の強度を維持できるように精度良く配置する必要があった。
　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡便に製造することができるとともに、光の損失を極力低減することができる磁気センサ素子及び磁気センサ装置を提供することにある。
　（１）本発明に係る磁気センサ素子は、光分岐部を備えた平面光波回路と、前記平面光波回路に接続される入射用光ファイバ及び出射用光ファイバと、前記平面光波回路の一端面に設けられ、前記入射用光ファイバから入射した光を透過する金属磁性体型光透過膜と、前記金属磁性体型光透過膜上に設けられ、前記透過した光を反射する反射膜とを有する磁気センサ素子であって、前記出射用光ファイバが偏波面保持光ファイバであり、前記入射用光ファイバと前記出射用光ファイバとが調心されて前記平面光波回路に接続されている、ことを特徴とする。
　この発明によれば、光分岐部を備えた平面光波回路を有するので、ねじりや曲げ等による外乱によっても平面光波回路内では偏波面が保持され易く、ファラデー回転により生じた位相変調を正確に伝搬することができる。入射用光ファイバが平面光波回路に接続されているので、入射用光ファイバから平面光波回路に入った直線偏光は従来型の分岐カプラで分岐されずにそのまま平面光波回路を伝搬することができる。出射用光ファイバが偏波面保持光ファイバであり、入射用光ファイバと出射用光ファイバとが調心されて平面光波回路に接続されているので、平面光波回路内に波長板を設けなくてもよく、従来のような波長板を設けることによる損失を抑制することができる。
　本発明に係る磁気センサ素子において、前記入射用光ファイバと前記出射用光ファイバとは、回転調整されて接続されている。こうすることにより、従来のように、波長板を使って位相変調して光のパワーを半分半分にするのではなく、物理的にパワーが半分になるように調心されているので、光のパワーを半分半分にすることができる。
　本発明に係る磁気センサ素子において、前記入射用光ファイバが偏波面保持光ファイバである場合に、前入射用の偏波面保持光ファイバの偏波保存軸が、前記出射用の偏波面保持光ファイバの偏波保存軸に対して調心されている。こうすることにより、入射用光ファイバから平面光波回路に入った直線偏光を光のパワーとして２つにベクトル分離することができ、２つの偏波保存軸に対して均等に光を伝搬させることができる。
　本発明に係る磁気センサ素子において、前記入射用の偏波面保持光ファイバの偏波保存軸と前記出射用の偏波面保持光ファイバの偏波保存軸とが、４５°の相対角度で調心されている。こうすることにより、Ｓｌｏｗ軸とＦａｓｔ軸のちょうど中間の位置に調心されて均等な光強度とすることができる。
　本発明に係る磁気センサ素子において、前記平面光波回路が、パターニングによって形成された光導波路、又は、２本の光ファイバを溶融して基板上に固定した光導波路のいずれとしてもよい。
　（２）本発明に係る磁気センサ装置は、上記本発明に係る磁気センサ素子と、前記磁気センサ素子が有する入射用光ファイバに直線偏光を導入する発光装置と、前記磁気センサ素子が有する出射用光ファイバから導出された戻り光を受光する受光装置とを有する、ことを特徴とする。
　本発明に係る磁気センサ装置において、前記受光装置は、前記戻り光をＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離する偏光分離素子と、前記Ｓ偏光成分及び前記Ｐ偏光成分を受光して電気信号に変換する受光素子と、前記電気信号を処理する信号処理部とを有するように構成できる。
　本発明に係る磁気センサ装置において、前記発光装置は、発光素子と、該発光素子から発した光を直線偏光にする偏光子とを有するように構成できる。
　本発明によれば、簡便に製造することができるとともに、光の損失を極力低減することができる磁気センサ素子及び磁気センサ装置を提供することができる。
本発明に係る磁気センサ素子の一例を示す模式的な平面構成図である。 本発明に係る磁気センサ素子の他の一例を示す模式的な平面構成図である。 偏波面保持光ファイバの調心についての説明図である。図３（Ａ）は平面光波回路内の状態である。図３（Ｂ）は調心した偏波面保持光ファイバを示す断面図である。 シングルモード光ファイバ（Ａ）と偏波面保持光ファイバ（Ｂ）の一例を示す断面形態図である。 本発明に係る磁気センサ装置の一例を示す構成図である。 平面光波回路をフォトリソグラフィー技術で作製した一例を示す説明図である。 平面光波回路を光ファイバ埋め込み方法で作製した一例を示す説明図である。 偏波面保持光ファイバの偏波保存軸を傾斜させて保持する手段の説明図である。図８（Ａ）はベース部材と蓋部材とで固定された光ファイバの断面図である。図８（Ｂ）と図８（Ｃ）は入射用の偏波面保持光ファイバと出射用の偏波面保持光ファイバとが相対角度θだけ回転調心された場合の断面図である。 磁気センサ素子を備えた磁気センサモジュールの構造形態の一例を示す模式図である。 平面光波回路と接続構造部との接続形態を示す説明図である。図１０（Ａ）は平面図である。図１０（Ｂ）は側面図である。 表１の結果を示すグラフであり、挿入損失とファラデー回転角の関係を示すグラフである。 実験で用いたサンプル１～３について、金属磁性体型光透過膜の磁界強度とファラデー回転角との関係を示すグラフである。 ファラデー回転角と光強度変化の一般的な関係を示すグラフであり、符号ａはｓｉｎ２（θＦ＋π／４）で表されるＰ偏光強度変化であり、符号ｂはｃｏｓ２（θＦ＋π／４）で表されるＳ偏光強度変化である。 図１３に示すＳ偏光強度変からＰ偏光強度を差し引いて横軸をファラデー回転にして描いたグラフである。 磁気センサモジュールの挿入損失と光強度の変化量との関係を示すグラフである。
　本発明に係る磁気センサ素子及び磁気センサ装置について図面を参照しつつ説明する。本発明は、その要旨の範囲で以下の説明及び図面に限定されない。
　［磁気センサ素子］
　本発明に係る磁気センサ素子１０は、図１～図３に示すように、光分岐部１２を備えた平面光波回路１１と、その平面光波回路１１に接続される入射用光ファイバ１９及び出射用光ファイバ２０と、その平面光波回路１１の一端面に設けられ、前記入射用光ファイバ１９から入射した光を透過する金属磁性体型光透過膜３０と、その金属磁性体型光透過膜３０上に設けられ、透過した光を反射する反射膜４０とを有する磁気センサ素子であって、出射用光ファイバ２０が偏波面保持光ファイバであり、入射用光ファイバ１９と出射用光ファイバ２０とが調心されて平面光波回路１１に接続されている、ことに特徴がある。
　この磁気センサ素子１０は、光分岐部１２を備えた平面光波回路１１を有するので、ねじりや曲げ等による外乱によっても平面光波回路内では偏波面が保持され易く、ファラデー回転により生じた位相変調を正確に伝搬することができる。さらに、入射用光ファイバ１９が平面光波回路１１に接続されているので、入射用光ファイバ１９から平面光波回路１１に入った直線偏光は従来型の分岐カプラで分岐されずにそのまま平面光波回路１１を伝搬することができる。さらに、出射用光ファイバ２０が偏波面保持光ファイバであり、入射用光ファイバ１９と出射用光ファイバ２０とが調心されて平面光波回路１１に接続されているので、平面光波回路内に波長板を設けなくてもよく、波長板を設けることによる損失を抑制した光強度を検出できる。さらに、波長板が不要になるのでダイレクトに光強度を検出することができる。
　なお、本発明者のこれまでの研究では、直線偏光を分岐カプラで分岐してセンサヘッドに導光し、センサヘッド内において光軸を２２．５°傾けた１／４波長板で直線偏光を４５°回転させる技術を開発した。こうすることで、入射した直線偏光が反射膜で往復した際に強制的に偏光面を４５°回転させることができた。その結果、センサヘッド内で全ての偏光回転を完結してその後の光伝送過程で位相差が生じたとしても、Ｐ偏光・Ｓ偏光それぞれの光強度を保持した信号を取り出すことを可能とした。これに対して、本発明に係る磁気センサ素子１０では、直線偏光された光は、入射用光ファイバ１９から平面光波回路１１に入射し、平面光波回路１１内を伝搬し、内蔵した光分岐部１２を経て金属磁性体型光透過膜３０に到達する。金属磁性体型光透過膜３０に磁界の印加が無い状態において、出射用光ファイバ２０との接続部１８では、図３（Ｂ）に示すように、光分岐部１２の偏波面に対して出射用光ファイバ２０を相対的に軸方向に回転させ、受光素子６６Ｐ，６６Ｓの光強度が均等になるように調心調整して接続する。ここで「相対的に」とは、軸方向の回転を、入射用光ファイバ１９で行ってもよいし、出射用光ファイバ２０で行ってもよいという意味である。特に出射用光ファイバ２０を偏波面保持光ファイバとする場合は、入射用光ファイバ１９から平面光波回路１１に入った直線偏光に対して、Ｓｌｏｗ軸とＦａｓｔ軸のちょうど中間の位置に調心して配置することにより均等な光強度とすることができる。したがって、これまでは同様の効果を得るために使用していた波長板を平面光波回路内に設ける必要なくなり、波長板を設けることにより生じていた損失を抑制することができる。
　本発明に係る磁気センサ装置１は、図５に示すように、上記した磁気センサ素子１０と、その磁気センサ素子１０が有する入射用光ファイバ１９に直線偏光を導入する発光装置５０と、磁気センサ素子１０が有する出射用光ファイバ２０から導出された戻り光を受光する受光装置６０とを有する。
　以下、磁気センサ素子及び磁気センサ装置の各構成要素を詳しく説明する。
　＜磁気センサ素子＞
　磁気センサ素子１０は、図１及び図２に示すように、平面光波回路１１と、その平面光波回路１１に接続される入射用光ファイバ１９及び出射用光ファイバ２０と、その平面光波回路１１の一端面に設けられ、前記入射用光ファイバ１９から入射した光を透過する金属磁性体型光透過膜３０と、その金属磁性体型光透過膜３０上に設けられ、透過した光を反射する反射膜４０とを有している。平面光波回路は、ＰＬＣ（Planar　Lightwave　Circuit）と呼ばれる。
　（平面光波回路）
　本発明を構成する平面光波回路１１は、光導波路１１ａを有するヘッド部品の端面に光ファイバ（入射用光ファイバ１９と出射用光ファイバ２０）を接続したものである。平面光波回路１１は、図１及び図２に示すように、光経路１３，１４，１５と光分岐部１２とを備えているとともに、他の一端面に金属磁性体型光透過膜３０と反射膜４０とが設けられている。この平面光波回路１１には、入射用光ファイバ１９と出射用光ファイバ２０とが接続部１７，１８でそれぞれ接続されている。入射用光ファイバ１９が接続された接続部１７から光経路１３に入った光は、図１及び図２中の矢印のように進み、光分岐部１２を経て、光経路１４を通って、金属磁性体型光透過膜３０に進む。金属磁性体型光透過膜３０を透過した光は、反射膜４０で反射して再び金属磁性体型光透過膜３０を透過し、その後に光経路１４を戻って光分岐部１２に至り、矢印のように光経路１５を進んで、接続部１８で接続された出射用光ファイバ２０に入る。なお、図２の例では、光分岐部１２で分岐されて光経路１６を進んだ光は終端することになる。
　接続部１７，１８と、金属磁性体型光透過膜３０及び反射膜４０との位置関係は、図１及び図２に示すように、通常は四角形の平面光波回路１１の対向する端面に設けられている。ただし、こうした形態に限定されず、隣接する端面に設けられていてもよい。
　平面光波回路１１は種々の方法で製造することができる。例えば、平面光波回路１１がフォトリソグラフィー技術によって作製した光導波路１１ａ（図６参照）、又は、２本の光ファイバを溶融して基板上に固定して作製した光導波路１１ａ（図７参照）、のいずれとしてもよい。
　フォトリソグラフィー技術によって光導波路１１ａを作製する場合は、ＬＳＩの製造技術と同様の技術で作製することができる。この光導波路１１ａは、例えば図６に示すように、下部クラッド層４６ａの上に、パターニングしたコア４７を形成し、そのコア４７を覆う第１の上部クラッド層４６ｂを形成し、さらに接着剤４８を介して第２の上部クラッド層４６ｃを設けて作製することができる。なお、図６（Ａ）は断面図である。図６（Ｂ）は平面図である。図６（Ｃ）は側面図である。
　この光導波路１１ａの構成材料は特に限定されないが、下部クラッド層４６ａとしては、例えば石英又はテンパックス（登録商標）からなる基板を好ましく用いることができる。コア４７としては、下部クラッド層４６ａの上に火炎堆積法（ＦＨＤ法）又は化学的気相堆積法（ＣＶＤ法）等の方法で例えば二酸化ケイ素と二酸化ゲルマニウムとからなるコア層を形成し、そのコア層をフォトリソグラフィー技術でパターニングして得たものを好ましく採用できる。第１の上部クラッド層４６ｂとしては、パターニングしたコア４７を覆うように、ＦＨＤ法又はＣＶＤ法等の方法で二酸化ケイ素層をオーバーコーティングしたものを好ましく用いることができる。さらに、光導波路１１ａの上部より光の漏れ出しを防止するために、二酸化ケイ素等からなる第２の上部クラッド層４６ｃを接着剤層（例えばエポキシ樹脂等）を介して第１の上部クラッド層４６ｂ上に設けることが好ましい。第２の上部クラッド層４６ｃを設けた後は、ダイシング工程等でチップ化され、光導波路端面を研磨して鏡面化する。鏡面化した光導波路端面の一方には、入射用光ファイバ１９と出射用光ファイバ２０とを接続し、他方の端面には、金属磁性体型光透過膜３０と反射膜４０とを順に設ける。
　２本の光ファイバを溶融して基板上に固定して光導波路１１ａを作製する場合は、図７に示すように、基板４１に設けた溝４２に溶融接続した光ファイバを埋め込む方法で作製してもよい。この光導波路１１ａは、図７（Ａ）に示すように、溝４２を形成した基板４１を準備し、図７（Ｂ）に示すように、光ファイバを溶融接続して光経路１３，１４，１５を有するように構成した埋め込み用光ファイバ４４を準備する。その後、図７（Ｃ）に示すように、基板４１の溝４２に埋め込み用光ファイバ４４を入れて上から蓋基材４３を被せ、それらを接着剤４５で接着して行うことができる。
　この光導波路１１ａの構成材料も特に限定されない。基板４１の材質としては、例えば、石英、テンパックス（登録商標）、ガラス、セラミック、金属、合成樹脂等を挙げることができる。基板４１の全体形状（例えば直方体形状）を形成するときに、溝４２を同時に形成してもよいし、基板４１の全体形状を形成した後に基板４１を加工して溝４２を形成してもよい。溝４２は、Ｕ字形断面でもＶ字形断面でも良いが、Ｖ字形又は略Ｖ字形の断面が好ましい。略Ｖ字形の断面の溝４２であれば、光ファイバを入れたときに、容易且つ正確に位置決めすることができる。なお、平面光波回路１１の形状や構造は任意であり、少なくとも光ファイバ全体が平面光波回路１１の溝４２に固定される形状や構造であればよい。必要性に応じて、蓋基材４３を使用しなくてもよい。
　図６や図７等の例で作製された平面光波回路１１では、入射用光ファイバ１９を伝搬してきた直線偏光は、平面光波回路１１の接続部１７から入射して光経路１３、光分岐部１２及び光経路１４を経由し、金属磁性体型光透過膜３０を透過し、反射膜４０で反射して再び金属磁性体型光透過膜３０を透過して、光経路１４に戻り、光分岐部１２及び光経路１５を経由して、平面光波回路１１の接続部１７から出射して出射用光ファイバ２０に入り、その出射用光ファイバ２０を伝搬する。こうした平面光波回路１１は、石英等の基板に形成された光導波路１１ａで構成されていることから、ねじり、曲げによる外乱に対しても平面光波回路１１内で偏波面が保持され易い。その結果、ファラデー回転により生じた位相変調を正確に伝搬することができる。
　（入射用光ファイバ）
　入射用光ファイバ１９は、発光装置５０からの直線偏光を平面光波回路１１まで伝送する光ファイバであり、接続部１７で平面光波回路１１に接続される光ファイバであれば特に限定されない。例えば、図４（Ａ）に示す形態のシングルモード光ファイバ（符号「１９」を付すことがある。）であってもよいし、図４（Ｂ）に示す形態の偏波面保持光ファイバ（符号「１９」を付すことがある。）であってもよい。図４（Ｂ）に示す形態の偏波保持光ファイバは、光の偏波面の回転や位相差を維持したまま伝送することができ、シングルモード光ファイバに比べて発光装置５０からの直線偏光をそのままの状態で容易に伝送できるので好ましく採用することができる。なお、用途やファイバ固定形態によっては、入射用光ファイバ１９をシングルモード光ファイバとしてもよい。偏波保持光ファイバやシングルモード光ファイバ等の光ファイバの直径は特に限定されないが、１２５μｍのものが一般的に使用されている。光ファイバの長さは、磁気センサ素子１０の形態や磁気センサ装置１の形態によって任意に選択することができる。
　（出射用光ファイバ）
　出射用光ファイバ２０は、平面光波回路１１から出射する光を、偏光状態を乱すことなく受光素子６６Ｐ，６６Ｓに伝送する光ファイバであり、接続部１８で平面光波回路１１に接続される光ファイバである。この出射用光ファイバ２０は、図４（Ｂ）に示す形態の偏波面保持光ファイバ（符号「２０」を付すことがある。）であることが好ましい。
　先ず、偏波保持光ファイバについて説明する。偏波面保持光ファイバは、光の偏波面の回転や位相差を維持したまま伝送することができるものであり、図４（Ｂ）に示すような一対の応力付与部２３（２３ａ，２３ｂ）を有するものを挙げることができる。応力付与部２３は必ずしも一対である必要はなく、偏波面保持光ファイバであればよい。偏波保持光ファイバは、直交する２つの偏波面をもつモードが存在する光ファイバであり、例えばコア２１に非軸対称な応力を与えた一対の応力付与部２３ａ，２３ｂを有しており、２つの偏波モード間に伝搬定数差を生じさせ、それぞれの偏波モードからもう一方の偏波モードへの結合を抑制して偏波保持能力を向上させた光ファイバを挙げることができる。具体的には、偏波保持ファイバは、図４（Ｂ）に示すように、中心のコア２１とクラッド２２と一対の応力付与部２３と被覆材２６とで構成されている。
　偏波保持光ファイバは、一対の応力付与部２３ａ，２３ｂがそれぞれ断面円形であるパンダ（ＰＡＮＤＡ：Polarization-maintaining　AND　Absorption-reducing）型であり、光の強度変動を抑制することができ、安定した測定が可能となる。その断面形態は、直交する２つの偏波保存軸（偏波軸ともいう。）、すなわちＳｌｏｗ軸２４とＦａｓｔ軸２５とを有する。Ｓｌｏｗ軸２４は、一対の応力付与部２３ａ，２３ｂのそれぞれの中心と、コア２１の中心とを通る直線で示される。Ｆａｓｔ軸２５は、Ｓｌｏｗ軸２４に直交し、コア２１の中心を通る直線で示される。
　本発明では、出射用光ファイバ２０として偏波面保持光ファイバ２０を採用することにより、金属磁性体型光透過膜３０で大きく回転した戻り光を、偏波面保持光ファイバ２０の直交する２軸（Ｓｌｏｗ軸とＦａｓｔ軸）の直線偏光保持軸からズレた位置で伝搬することを可能とする。こうすることにより、直線偏光を崩すことができ、直交する２軸の直線偏波保持軸それぞれに一定の割合の光強度を持って伝搬することができる。その結果、その後の偏光分離素子により、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とを容易に光強度分離することができ、受光素子６６Ｐ，６６Ｓによりその強度の大きさを容易に求めることができる。
　（調心）
　入射用光ファイバ１９と出射用光ファイバ２０とは、図３（Ｂ）に示すように、調心されて平面光波回路１１に接続されている。入射用光ファイバ１９と出射用光ファイバ２０とを調心して接続することにより、平面光波回路内に波長板を設けなくてもよく、従来のような波長板を設けることによる損失を抑制することができる。この「調心」は、入射用光ファイバ１９と出射用光ファイバ２０とのいずれか一方又は両方を回転させて行うことである。こうすることにより、従来のように、波長板を使って位相変調して光のパワーを半分半分にするのではなく、物理的にパワーが半分になるように入射用光ファイバ１９と出射用光ファイバ２０とを調心して光のパワーを半分半分にすることができる。
　入射用光ファイバ１９が偏波面保持光ファイバ１９である場合には、入射用の偏波面保持光ファイバ１９の偏波保存軸（偏光保存軸であるＳｌｏｗ軸とＦａｓｔ軸のこと。以下同じ。）と出射用の偏波面保持光ファイバ２０の偏波保存軸とが相対的に調心されている。このときの「調心」とは、平面光波回路１１に入った光を、光強度（パワー）として２つのベクトルに均等に分離して伝搬させる操作のことである。この場合の調心では、出射用の偏波面保持光ファイバ２０の偏波保存軸と、入射用の偏波面保持光ファイバ１９の偏波保存軸とが相対角度で４５°回転して調心されている。相対角度とは、４５°の回転が右回転でも左回転でもよいことを意味している。
　これらの調心調整では、入射用の偏波面保持光ファイバ１９と出射用の偏波面保持光ファイバ２０とは、Ｓｌｏｗ軸・Ｆａｓｔ軸の偏波保存軸が相対的に４５°傾いた状態に調心されているので、直線偏光を光のパワーとして２つにベクトル分離することができる。すなわち、２つの偏波保存軸に対して均等に光を伝搬させることができる。この状態は、平面光波回路１１と各偏波面保持光ファイバ１９，２０との間の回転角度には関係なく、偏波保持光ファイバ１９、２０同士の偏波保存軸が相対的に４５°傾いているようになっている。
　調心調整によりＰ偏光強度とＳ偏光強度とが均等な強度になっているか否かは、アクティブアライメントにより確認することができる。このとき、入射用光ファイバ１９と出射用光ファイバ２０の両方が偏波面保持光ファイバ１９，２０である場合には、出射用の偏波面保持光ファイバ２０の偏波保存軸と、入射用の偏波面保持光ファイバ１９の偏波保存軸とが、相対角度で４５°回転していることにより、アクティブアライメントでの確認を行わなくても調心調整でき、Ｐ偏光強度とＳ偏光強度とを均等な強度とすることができる。したがって、入射用光ファイバ１９と出射用光ファイバ２０の両方を偏波面保持光ファイバ１９，２０とした場合には、アクティブアライメントでの確認作業は不要となり、製造上の利点がある。
　アクティブアライメントによる確認として、（１）入射用光ファイバ１９として偏波面保持光ファイバ１９を用いた場合は、出射用の偏波面保持光ファイバ２０に偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を接続してＰ偏光とＳ偏光に分離し、分離したＰ偏光とＳ偏光のそれぞれの強度を２つのパワーメータでモニタリングしながら、入射用の偏波面保持光ファイバ１９を回転させて、Ｐ偏光強度とＳ偏光強度が均等になるように調整する。このとき、入射用光ファイバ１９と出射用光ファイバ２０の両方が偏波面保持光ファイバであるので、図４（Ｂ）に示すファイバ端面を見て、入射用光の偏波面保持光ファイバ１９を４５°回転させることにより、アクティブアライメントを行わなくてもＰ偏光強度とＳ偏光強度が均等になるように調整することが可能であり、極めて容易な作業で調心調整することができる。
　なお、図８（Ａ）は、ベース部材８１と蓋部材８３とで固定された光ファイバ１９，２０の断面図である。図８（Ｂ）と図８（Ｃ）は、入射用の偏波面保持光ファイバ１９と出射用の偏波面保持光ファイバ２０とが相対角度θだけ回転調心された場合の断面図である。この例は、アクティブアライメントを用いないで、偏波面保持光ファイバ１９，２０の偏波保存軸を相対的に４５°傾斜させて保持する手段であり、図８（Ａ）に示すように、２本の偏波面保持光ファイバ１９，２０をベース部材８１の溝部８２に並べ、その端面同士をカメラ等で観察し、応力付与部２３を基準として片方の偏波保持光ファイバを軸方向に回転させて、それぞれの偏波保持光ファイバ１９，２０同士を相対的に４５°傾斜させ、接着剤８４を介して蓋部材８３で固定する。その後、その端面を研磨し、平面光波回路１１に接続する。
　（２）入射用光ファイバ１９としてシングルモード光ファイバを用いた場合においても、上記（１）同様、出射用の偏波面保持光ファイバ２０に偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を接続してＰ偏光とＳ偏光に分離し、分離したＰ偏光とＳ偏光のそれぞれの強度を２つのパワーメータでモニタリングしながら、入射用のシングルモード光ファイバ１９を回転させて、Ｐ偏光強度とＳ偏光強度が均等になるように調整する。しかし、ここではシングルモード光ファイバ１９を入射用光ファイバ１９として用いるので、この入射用のシングルモード光ファイバ１９を回転させる際には、そのシングルモード光ファイバ１９の前に偏光子を取り付けるか又は偏光子と１／２波長板とを取り付け、その偏光子又は１／２波長板を回転させて、Ｐ偏光強度とＳ偏光強度が均等になるように調整する。
　入射用光ファイバ１９及び出射用光ファイバ２０は、それぞれの接続部１７，１８で平面光波回路１１にダイレクトに接続される。この接続部１７，１８では、平面光波回路１１と、入射用光ファイバ１９及び出射用光ファイバ２０とを、屈折率整合された接着剤（好ましくは紫外線硬化型の接着剤等）を使用して、損失を極力抑制した状態で接着することができる。なお、振動等が無ければ又は振動等に影響されない保持構造とすれば、シングルモード光ファイバでも偏光を保持することができる。
　（金属磁性体型光透過膜）
　金属磁性体型光透過膜３０は、その平面光波回路１１の一端面に設けられ、入射用光ファイバ１９から入射した光が透過するように作用する。この金属磁性体型光透過膜３０は、直線偏光を、ファラデー効果により偏光面の回転角を大きくするように作用する。ファラデー効果とは、磁場環境下で材料中を光が通過するときに偏光面が回転する効果である。金属磁性体型光透過膜３０は、そうした挙動を生じる性質を有する膜であればよく、その種類は特に限定されない。例えば、従来から金属磁性体型光透過膜３０として適用されている磁性ガーネットを挙げることができる。また、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びこれらの合金を挙げることができる。その合金としては、例えば、ＦｅＮｉ合金、ＦｅＣｏ合金、ＦｅＮｉＣｏ合金、ＮｉＣｏ合金を挙げることができる。さらに、これらの強磁性体を誘電体マトリックス中に微粒子として分散させたグラニュラー薄膜も用いることができる。マトリックスとして用いる誘電体は、ＭｇＦ２等のフッ化物や、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２等の酸化物を挙げることができる。
　金属磁性体型光透過膜３０は、例えばガラス、水晶、透明な合成樹脂等で形成された平面光波回路１１の一端面に設けられている。金属磁性体型光透過膜３０に磁界が印加されてファラデー回転が発生すると、従来の方式と同様に、受光素子６６Ｐ，６６Ｓで受光する光の強度変化が発生し、その光強度の差がほぼ直線的に変化し、磁界強度の計測が可能になる。そして、その値から電流値に変換することも可能となる。こうした「光の変調を利用した反射型センサヘッド」は、低損失を保持することができる。
　（反射膜）
　反射膜４０は、図１及び図２に示すように、金属磁性体型光透過膜３０上に設けられ、金属磁性体型光透過膜３０を透過した光を反射する。反射膜４０は、金属磁性体型光透過膜３０を透過した光を反射して再び金属磁性体型光透過膜３０に戻すために設けられており、その種類としては、例えば、Ａｇ膜、Ａｕ膜、Ａｌ膜、誘電体多層膜ミラー等を挙げることができる。特に反射率の高いＡｇ膜や耐食性が高いＡｕ膜が成膜も簡便で好ましい。反射膜４０は、例えば、気相成長法（物理蒸着法、化学蒸着法、真空蒸着法、スパッタリング法）、印刷法、スピンコート法、メッキ法等の公知の方法で形成すればよい。
　以上説明したように、本発明に係る磁気センサ素子１０では、（１）直線偏光が入射用光ファイバ１９で伝搬され、（２）伝搬された直線偏光が平面光波回路１１に入って金属磁性体型光透過膜３０に入射すると、金属磁性体型光透過膜３０が有する金属磁性体によるファラデー効果により、偏光面の回転角が大きくなる。（３）大きく回転した光は出射用光ファイバ２０に戻り光として伝搬され、その後にＰ偏光成分とＳ偏光成分に分離され、受光素子でそれぞれの強度の大きさが求められる。（４）このとき、少なくとも出射用光ファイバ２０が偏波面保持光ファイバであり、入射用光ファイバ１９と出射用光ファイバ２０とが調心されて平面光波回路１１に接続されている。こうすることにより、従来のように、波長板を使って位相変調して光のパワーを半分半分にするのではなく、物理的にパワーが半分になるように調心されているので、光のパワーを半分半分にすることができる。
　［磁気センサモジュール］
　図９は、上記本発明に係る磁気センサ素子１０を備えた磁気センサモジュール９０の構造形態の一例を示す模式図である。この磁気センサモジュール９０は、２芯光ファイバケーブル９２の一端に設けられた磁気センサ素子１０と、他の一端に設けられた接続端子部９５，９５とを有した光ファイバケーブルユニットである。
　磁気センサ素子１０の各構成要素については既に説明したのでその説明を省略するが、図１０に例示する構造形態で作製されていることが好ましい。図１０に例示した構造の磁気センサ素子１０は、平面光波回路１１と、接続構造部８６とで構成されている。平面光波回路１１は特に限定されないが、図６に例示するものを好ましく挙げることができ、下部クラッド層４６ａとコア４７と上部クラッド層４６ｂ，４６ｃとで構成されている。平面光波回路１１の先端部には、金属磁性体型光透過膜３０と反射膜４０とが順に積層されている。
　２芯光ファイバケーブル９２は、２本の光ファイバ芯線を樹脂シースで覆ったものである。２芯光ファイバケーブル９２の一方の側は、分岐部９３でそれぞれ単芯光ファイバケーブル９４，９４に分岐され、各単芯光ファイバケーブル９４，９４はそれぞれ光接続端子部（光コネクタともいう。）９５，９５に接続されている。この光接続端子部９５，９５は、ＯＥ変換素子ＰＤ（フォトダイオード）を備えた測定器に接続される。
　２芯光ファイバケーブル９２のもう一方の側は、磁気センサ素子１０に接続されている。図１０はその接続構造の例である。図１０に例示するように、２芯光ファイバケーブル９２から樹脂シースが取り除かれると単芯の光ファイ芯線となり、その光ファイバ芯線から被覆材を剥離した光ファイバは、上記のようにいずれも偏波面保持光ファイバ１９，２０であることが好ましい。各偏波面保持光ファイバ１９，２０は、図８及び図１０に示すように、ベース部材８１に設けられた溝部８２に位置決めされ、接着剤８４を介して蓋部材８３で固定された接続構造部８６となっている。ベース部材８１上に露出した偏波面保持光ファイバ１９，２０は、図１０に示すように接着剤８５で覆われ、偏波面保持光ファイバ１９，２０をベース部材８１に一体化して保護している。
　こうして構成された平面光波回路１１と接続構造部８６とは、接着剤によって接続部１７，１８で接続される。接続された後は、図９に示すように、樹脂ケース９１で補強して一体化させている。こうして磁気センサモジュール９０を作製することができる。
　［磁気センサ装置］
　本発明に係る磁気センサ装置１は、図５に示すように、上記した磁気センサ素子１０を備えた磁気センサモジュール９０と、その磁気センサ素子１０が有する入射用光ファイバ１９に直線偏光を導入する発光装置５０と、磁気センサ素子１０が有する出射用光ファイバ２０から導出された戻り光を受光する受光装置６０とを有する。
　この磁気センサ装置１では、平面光波回路１１に接続されている入射用光ファイバ１９は、接続端子部９５（図９参照）を介して発光素子５１等を含む発光装置５０に光学的に接続されている。また、平面光波回路１１に接続されている出射用光ファイバ２０は、接続端子部９５（図９参照）を介して受光素子６６Ｐ，６６Ｓ等を含む受光装置６０にも光学的に接続されている。この接続形態により、発光装置５０では、発光素子５１からの光を偏光子５２で直線偏光とし、その直線偏光は、入射用光ファイバ１９を経由して、図１及び図２に示した平面光波回路１１に入る。直線偏光は、金属磁性体型光透過膜３０を透過し、反射膜４０で反射し、再び金属磁性体型光透過膜３０を透過し、光経路１４，１５を経て出射用光ファイバ２０に入る。磁気センサ素子１０の先端である金属磁性体型光透過膜３０に磁界が印加されていると、その磁界強度に応じて偏光面が回転する。
　出射用光ファイバ２０に入った光は、受光装置６０に入る。受光装置６０では、戻り光をＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離する偏光分離素子６４と、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分を受光して電気信号に変換する受光素子６６Ｐ，６６Ｓと、電気信号を処理する信号処理部７０とを有している。
　＜発光装置＞
　発光装置５０は、発光素子５１と、発光素子５１から発した光を直線偏光にする偏光子５２とを有するように構成されている。符号５３はアイソレータであり、必要に応じて設けることができる。この発光装置５０は、磁気センサ素子１０が有する入射用光ファイバ１９に直線偏光を導入する装置である。偏光子５２は光を直線偏光し、その直線偏光は、磁気センサ素子１０を構成する入射用光ファイバ１９に導入される。
　発光素子５１としては、例えば、半導体レーザ又は発光ダイオード等を適用することができる。具体的には、発光素子５１として、ファブリペローレーザー、スーパールミネッセンスダイオード等を好ましく用いることができる。
　偏光子５２は、発光素子５１から発した光を直線偏光にするための光学素子であり、その種類は特に限定されず、各種のものを用いることができる。
　直線偏光の入射用光ファイバ１９への導入は、光カプラ、サーキュレータ、ハーフミラー等によって行うことができる。ハーフミラー（図示しない）は、偏光子５２で偏光された直線偏光を入射用光ファイバ１９に導入するとともに、入射用光ファイバ１９を伝搬してきた戻り光を光源側とは別系統に伝搬させる光学素子である。なお、ハーフミラーに代えて、光ファイバを結合分岐するための光カプラであってもよいし、光を分割するビームスプリッタであってもよいし、光サーキュレータであってもよい。
　＜受光装置＞
　受光装置６０は、平面光波回路１１から出射した光をＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離する偏光分離素子６４と、そのＳ偏光成分及びＰ偏光成分を受光して電気信号に変換する受光素子６６Ｐ，６６Ｓと、電気信号を処理する信号処理部７０とを有するように構成される。
　（偏光分離素子）
　偏光分離素子６４は、光のＳ偏光成分及びＰ偏光成分をそれぞれ分岐する光学素子である。偏光分離素子６４としては、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を好ましく挙げることができる。偏光ビームスプリッタは、プリズム型、平面型、ウェッジ基板型、光導波路型等の各種のものを適用することができる。
　（受光素子）
　受光素子６６Ｐ，６６Ｓは、偏光分離素子６４で分岐したＳ偏光成分とＰ偏光成分とをそれぞれ受光して光電変換する光学素子であり、ＰＩＮフォトダイオード等を好ましく挙げることができる。
　（信号処理部）
　信号処理部７０は、光電変換された電気信号から２つの偏光の強度を回路により差分検出し、その差分に基づいて、磁界強度値、電流値などの所望の測定値に変換する。
　以上説明したように、本発明に係る磁気センサ素子１０及び磁気センサ装置１によれば、平面光波回路内に波長板を設けなくてもよく、波長板を設けることによる損失を抑制した光強度を検出できるとともに、波長板が不要になるのでダイレクトに光強度を検出することができる。また、光カプラを備えないので、外乱（温度、触っただけ）に影響されないという利点もある。
　以下、本発明に係る磁気センサ素子１０についてさらに詳しく説明する。下記の実験では、磁気センサ素子１０を有する磁気センサモジュール９０の挿入損失とファラデー回転角との関係を調べ、好ましく使用できる磁気センサモジュール９０の挿入損失について検証した。
　＜測定サンプルの作製＞
　図６に示す平面光波回路１１をフォトリソグラフィー技術で作製した。この平面光波回路１１は、厚さ１ｍｍのＳｉＯ２製基板（石英又はテンパックス（登録商標）等）を下部クラッド層４６ａとし、その上に０．００６ｍｍ角（縦×横）のコア４７を１×２チャンネル形態でパターン形成し、その上にＳｉＯ２からなる厚さ０．０２５ｍｍの上部クラッド層４６ｂを形成し、さらにエポキシ系接着剤４８を介して厚さ１．５ｍｍの上部クラッド層４６ｃを形成した。
　平面光波回路１１の端部には、金属磁性体型光透過膜３０と反射膜４０とを順に積層した。金属磁性体型光透過膜３０としては、約５ｋＯｅでファラデー回転が飽和するグラニュラー薄膜を使用した。具体的には、平均粒径７ｎｍのＣｏ微粒子と、マトリックスに用いるＭｇＦ２とを、体積比Ｃｏ／ＭｇＦ２＝１／２の割合で同時蒸着して、厚さ１３8０ｎｍのグラニュラー薄膜を成膜した。また、反射膜４０としては、厚さ１５０ｎｍで反射率９８％の金膜をスパッタリング法で成膜したものを用いた。このグラニュラー薄膜が約５ｋＯｅでファラデー回転が飽和することは、グラニュラー薄膜だけを成膜して、振動試料型磁力計（ＶＳＭ）で測定した結果から得た。こうして平面光波回路１１を作製した。
　この平面光波回路１１の接続部１７，１８に２芯光ファイバケーブル９２を接続した。２芯光ファイバケーブル９２は、２本の単芯光ファイバケーブルを樹脂シースで被覆したケーブルコードであり、単芯光ファイバケーブルは、ナイロン等の被覆材で被覆された直径９００μｍ程度の光ファイバ芯線である。この光ファイバ芯線から被覆材を除去した後の光ファイバとして、直径０．１２５ｍｍの偏波面保持光ファイバ１９，２０を有し、その偏波面保持光ファイバ１９，２０の外周にアクリル樹脂で被覆された直径２５０μｍのものを用いた。これら偏波面保持光ファイバ１９，２０は、図１０に示す接続構造部８６として、平面光波回路１１に接続した。
　平面光波回路１１の接続部１７，１８と、偏波面保持光ファイバ１９，２０との接続は、接着剤（屈折率整合されたＵＶ硬化型接着剤）を使用して行った。まず、出射用の偏波面保持光ファイバ２０の端部を平面光波回路１１の接続部１８に接続した。次に、入射用の偏波面保持光ファイバ１９を平面光波回路１１の接続部１７に接続した。このとき、入射用の偏波面保持光ファイバ１９を軸回転させ、出射用の偏波面保持光ファイバ２０の偏光保存軸に対して相対角度θが４５°になるようにして接続した。この接続時には、アクティブアライメント装置を用いた調心は行わなかった。こうして、磁気センサモジュール９０を作製した。
　＜挿入損失とファラデー回転角＞
　表１のサンプル１～３は、挿入損失が異なる３種の磁気センサモジュール９０である。図１１は、表１の結果をグラフに示したものである。このときの異なる挿入損失は、平面光波回路１１と光ファイバ（偏波面保持光ファイバ１９，２０）との接続の際に、意図してアライメント誤差を生じさせることによって得た。この実験では、アライメント誤差により起こる挿入損失の変化と、ファラデー回転角の変化との関係を調べることによって、どの程度までの挿入損失であれば、ファラデー回転角により変化する光を検出でき、磁気センサ素子としての機能を許容できるかを検証した。挿入損失の測定は、図５に示す測定系で行った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１及び図１１に示すように、サンプル１では、挿入損失が６．８ｄＢであり、ファラデー回転角が１．１°（ｄｅｇ）であった。サンプル２では、挿入損失が７．３ｄＢであり、ファラデー回転角が１．０°（ｄｅｇ）であった。サンプル３では、挿入損失が１０．６ｄＢであり、ファラデー回転角が０．２°（ｄｅｇで表す。以下同じ。）であった。
　磁気センサモジュール９０の挿入損失の違いは、平面光波回路１１と接続構造部８６との接続の際に生じたアライメント誤差が大きな要因である。アライメント誤差が生じた場合、光ファイバ１９，２０と平面光波回路１１の光経路１３，１５のコアとにズレが生じて挿入損失が大きくなるとともに、コア間で生じる偏波依存による損失も大きくなる。本発明では、偏波面保持光ファイバ１９，２０の間に平面光波回路１１を挟み込んで構成する態様といえるので、こうした態様では、偏波面保持光ファイバ１９から出射された直線偏光が、平面光波回路１１の内部を空間とみなして偏光状態を保持した状態で伝搬できることが望まれる。また、その先の金属磁性体型光透過膜３０及び反射膜４０で発生するファラデー回転角を保持したまま、別の偏波面保持光ファイバ２０に保持した情報を出力伝搬させることが望まれる。しかしながら、平面光波回路１１の入射側接続部１７と出射側接続部１８とで偏波依存による損失が生じた場合、ファラデー回転により生じた光の強度変化分が偏波依存による損失分により相殺され、表１に示すように、ファラデー回転角が小さくなってしまう。
　＜磁界強度とファラデー回転角＞
　図１２は、この実験で用いたサンプル１～３について、金属磁性体型光透過膜３０の磁界強度とファラデー回転角との関係を示すグラフである。この実験で採用した金属磁性体型光透過膜３０は、形状異方性が強いことにより飽和磁化が高く（約５ｋＯｅでファラデー回転が飽和）、相当大きな磁界＝電流値の測定が可能となるといえる。この結果より、この実験で用いたサンプル１～３について、金属磁性体型光透過膜３０は、１．１°のファラデー回転角を示すサンプル１や１．０°のファラデー回転角を示すサンプル２は、約－４ｋＯｅ～＋４ｋＯｅの範囲の磁界強度とファラデー回転角との関係が直線的（リニア）であり、ファラデー回転角が磁界強度の変化に対応できることがわかるが、０．２°のファラデー回転角しか示さないサンプル３は、直線的な部分が僅かであり、ファラデー回転角が磁界強度の変化に対応しにくいことがわかる。なお、現実的には、インバータのようなスイッチングデバイスに生じる電流値は２００Ａｔｙｐであるので、磁界発生量として１００Ｏｅ程度と考えられる。この１００Ｏｅは、全体の１／５０程度の回転角、すなわち０．０２８ｄｅｇ程度となる。
　＜ファラデー回転角と光強度＞
　ところで、本発明に係る磁気センサ素子１０の原理としては、Ｐ偏光及びＳ偏光それぞれの光強度の差分（下記数式１を参照）を用い、得られた直線近似領域における変化分が磁界強度と比例関係にあることに基づいて検出している。具体的には、図１３は、他の磁性材料（ガーネット等を含む）のデータを含むファラデー回転角と光強度変化との一般的な関係を示すグラフであり、符号ａはｓｉｎ２（θＦ＋π／４）で表されるＰ偏光強度変化であり、符号ｂはｃｏｓ２（θＦ＋π／４）で表されるＳ偏光強度変化である。図１３に示すように、Ｐ偏光及びＳ偏光それぞれの光強度の変化は、ファラデー回転に対して互いに相対して光強度が増減する関係となっている。
　　（数１）
　　　ｓｉｎ２（θＦ＋π／４）－ｃｏｓ２（θＦ＋π／４）
　図１４は、図１３に示すＳ偏光強度変からＰ偏光強度を差し引いて横軸をファラデー回転にして描いたグラフである。図１４のグラフからわかるように、直線近似できる領域は－１０°から＋１０°である。したがって、１．０°や１．１°のファラデー回転角を示すサンプル１，２は、直線近似できるリニア領域に含まれているので、ファラデー回転角と光強度との関係が１対１となり、検出精度の点で有利であることがわかる。
　＜挿入損失と光強度変化量＞
　この実験の平面光波回路１１は、光分岐部１２（図１参照）を含むので、行き方向で光強度は５０％、損失３ｄＢとなり、帰り方向でさらに光強度５０％、損失３ｄＢとなり、トータル６ｄＢとなる。さらに、平面光波回路１１と接続構造部８６との２箇所の接続部１７，１８での接続損失として合計０．５ｄＢ程度が加算される。したがって、合計６．５ｄＢの損失が最低限の理想損失ということができる。実際には、他の損失が僅かに加わり、表１のサンプル１に示すように、挿入損失は６．８ｄＢであり、ファラデー回転角が１．１°であった。
　図１５は、磁気センサモジュールの挿入損失と光強度の変化量との関係を示すグラフである。この実験では、光源パワー２５ｍＷのＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）を用いているので、図５に示す測定システム全体の透過率が約２％であるので、得られる光強度は５００μＷとなる。さらに、上記したファラデー回転角０．０２８ｄｅｇにより変化する光の強度は、＋／－０．１％程度であることから、＋／－４００ｎＷの変化が得られることになる。
　ファラデー回転角により変化した光強度は、信号処理部内にあるアンプにより増幅されて信号復調されるが、実際には、ＰＤ（フォトダイオード）でその光の強度を受ける必要がある。これらのことから、光強度変化量が約１５０ｎＷ程度以上であれば、ＰＤ感度やノイズレベルを考慮して検出が可能となる。一方、それ未満になると、損失が８ｄＢを超えるようになって感度が低下し、計測が難しくなる。これらより、磁気センサモジュール９０において、図１５に示すように、平面光波回路１１の損失を８ｄＢ以下とすることが望ましいといえる。
　以上のように、本発明によれば、簡便に製造することができるとともに、平面光波回路１１の光の損失を極力低減することができる磁気センサ素子及び磁気センサ装置を提供することができる。特に本発明に係る磁気センサ素子１０は、平面光波回路１１を有するので、ねじりや曲げ等による外乱によっても平面光波回路内では偏波面が保持され易く、ファラデー回転により生じた位相変調を正確に伝搬することができる。そして、入射用光ファイバ１９と出射用光ファイバ２０とがいずれも偏波面保持光ファイバからなることが好ましく、それらが調心されて平面光波回路１１に接続されているので、平面光波回路内に波長板を設けなくてもよい。しかも、波長板を設けることによる損失を大幅に抑制することができ、例えば図１５に示すように、平面光波回路１１の損失を８ｄＢ以下とすることも可能になる。
　１　磁気センサ装置
　１０（１０Ａ，１０Ｂ）　磁気センサ素子
　１１　平面光波回路（ＰＬＣ）
　１１ａ　光導波路
　１２　光分岐部
　１３，１４，１５，１６　光経路
　１７，１８　接続部
　１９　入射用光ファイバ
　２０　出射用光ファイバ
　２１　コア
　２２　クラッド
　２３（２３ａ，２３ｂ）　応力付与部
　２４　Ｓｌｏｗ軸
　２５　Ｆａｓｔ軸
　２６　被覆材
　３０　金属磁性体型光透過膜
　４０　反射膜
　４１　基板
　４２　溝
　４３　蓋基材
　４４　埋め込み用光ファイバ
　４５　接着剤
　４６ａ　下部クラッド層
　４６ｂ　第１の上部クラッド層
　４６ｃ　第２の上部クラッド層
　４７　コア
　４８　接着剤層
　５０　発光装置
　５１　発光素子
　５２　偏光子
　５３　ハーフミラー
　５４　光結合部
　６０　受光装置
　６２　λ／２板
　６４　偏光分離素子（偏光分離ビームスプリッタ）
　６５Ｐ　Ｐ偏光成分
　６５Ｓ　Ｓ偏光成分
　６６Ｐ，６６Ｓ　受光素子（フォトダイオード）
　７０　信号処理部
　８１　ベース部材
　８２　溝部
　８３　蓋部材
　８４　接着剤
　８５　接着剤
　８６　接続構造部
　９０　磁気センサモジュール
　９１，９１ａ，９１ｂ　樹脂ケース
　９２　２芯光ファイバケーブル
　９３　分岐部
　９４　単芯光ファイバケーブル
　９５　接続端子部
 
 
 

Claims (8)

  1. 　光分岐部を備えた平面光波回路と、前記平面光波回路に接続される入射用光ファイバ及び出射用光ファイバと、前記平面光波回路の一端面に設けられ、前記入射用光ファイバから入射した光を透過する金属磁性体型光透過膜と、前記金属磁性体型光透過膜上に設けられ、前記透過した光を反射する反射膜とを有する磁気センサ素子であって、
    　前記出射用光ファイバが偏波面保持光ファイバであり、前記入射用光ファイバと前記出射用光ファイバとが調心されて前記平面光波回路に接続されている、ことを特徴とする磁気センサ素子。
  2. 　前記入射用光ファイバと前記出射用光ファイバとは、回転調整されて接続されている、請求項１に記載の磁気センサ素子。
  3. 　前記入射用光ファイバが偏波面保持光ファイバである場合に、前入射用の偏波面保持光ファイバの偏波保存軸が、前記出射用の偏波面保持光ファイバの偏波保存軸に対して調心されている、請求項１又は２に記載の磁気センサ素子。
  4. 　前記入射用の偏波面保持光ファイバの偏波保存軸と前記出射用の偏波面保持光ファイバの偏波保存軸とが、４５°の相対角度で調心されている、請求項３に記載の磁気センサ素子。
  5. 　前記平面光波回路が、パターニングによって形成された光導波路、又は、２本の光ファイバを溶融して基板上に固定した光導波路のいずれかである、請求項１～４のいずれか１項に記載の磁気センサ素子。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の磁気センサ素子と、前記磁気センサ素子が有する入射用光ファイバに直線偏光を導入する発光装置と、前記磁気センサ素子が有する出射用光ファイバから導出された戻り光を受光する受光装置とを有することを特徴とする磁気センサ装置。
  7. 　前記受光装置は、前記戻り光をＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離する偏光分離素子と、前記Ｓ偏光成分及び前記Ｐ偏光成分を受光して電気信号に変換する受光素子と、前記電気信号を処理する信号処理部とを有する、請求項６に記載の磁気センサ装置。
  8. 　前記発光装置は、発光素子と、該発光素子から発した光を直線偏光にする偏光子とを有する、請求項６又は７に記載の磁気センサ装置。
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