JPH0584452B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光の位相変化を検出する光干渉計
に係り、特に、モジユール化することにより、再
現性良く伝搬位相差を点滅信号に変換する機能を
有し、さらに、薄膜光導波路（以下、スラブ導波
路という。）内で光の干渉を起こさせるから光の
空間伝搬部を持たず、その結果非常に安定な干渉
作用が実現できる。ハイブリツド集積化した光セ
ンシングデバイスにも十分応用できる、干渉形セ
ンシングモジユールに関する。

〔従来の技術〕

従来、２つの光の伝搬位相差を干渉を利用して
点滅信号に変換し、光電変換する光センシングデ
バイスの検出部としては、例えば1983年７月号の
「センサ技術」の「単一モード光フアイバを用い
た温度測定：鳥羽栄次氏著」に開示されているよ
うに空中に発生した干渉縞の移動速度を検知する
方法が一般的であつた。

具体的には、レーザ光をビームスプリツターで
２分割し、顕微鏡対物レンズによりその直径を光
フアイバーコア径程度に絞り、参照用フアイバー
と測定用フアイバーに入射させ、フアイバー出射
端の遠視野で出射光を空中で干渉させYoungの
干渉縞を形成する。これをスクリーン上に映し出
し、スクリーンに固定したシリコンフオトダイオ
ードセル等により光波の絶対的位相変化で起きた
干渉縞の移動速度を特定点を横切る干渉縞の本数
として検知するというものである。

この方法は、光の位相変化量をデイジタル量と
して出力できるので、その後の信号処理が簡素化
できること、多少の光量の変動は信号検出におい
て無視できること等の長所が有る。しかし、レー
ザ光が光フアイバーより出射され、空中に伝搬す
ると拡散して干渉縞が円錐状に広がる上に、空気
とフアイバーコアの屈折率差が大きいために開口
数（以下、NAという。）が大きくなり検出部が
大型になつてしまう。ゆえに、取り扱いの面で実
用的でない。また、干渉縞の起きている全ての範
囲をシリコンフオトダイオードセル等を用いて検
出しない限り消光比の向上は望めない。その上、
干渉縞のパターン間隔とシリコンフオトダイオー
ドセル等の有しているフイルタ−機能部分の間隔
を厳密に合わせるための調製が非常に難しく、調
整精度が悪いと再現性が乏しい等の問題がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述したように、干渉縞の移動本数を検知する
方法で従来のようなレーザ光を空中伝搬させる方
式には次のような問題点があつた。

第１に、空中伝搬させるため円錐状に干渉縞が
拡散してしまう。さらに、コアと空気との屈折率
差が大きいためNAが大きくなつてしまう。その
ために信号検出部が干渉光学系の中で非常に大き
な割合を占めるようになり、取り扱い難く実用的
でない。

第２に、消光比の向上を必要とする場合、平面
上に広い範囲に分布する干渉縞を検知する必要が
ある。そのためには、広い範囲に存在する干渉縞
と同一範囲の光電変換素子が必要となりコストが
かかつてしまう。

第３に、発生した干渉縞のパターン間隔とフイ
ルター間隔とを厳密に合わせ精度良く信号検出を
行うためには調整が非常に難しく、調整精度が悪
いと再現性が乏しい。

この発明は、上記実状を打開するためになされ
たもので、従来の方法の長所である、光の位相
変化量をデイジタル量として出力してその後の信
号処理を簡単化できる点、多少の光量変動は信
号検出において無視することができる点、を損な
わずに、光導入手段とスラブ導波路と光導出手段
とを用いてモジユール化することで、従来の技術
の問題点を解決し、高安定、高消光比、低コス
ト、無調整で精度の良い位相検出器となる干渉形
センシングモジユールを提供するものである。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕

この発明の要旨について、第１図に基づき説明
する。

スラブ導波路２が形成できる透明度の高い基板
１（例えば、ニオブ酸リチウム基板）上にチタン
等の不純物を熱拡散して、スラブ導波路２を形成
し、該基板１の対向する両端面を光学的研磨して
光が錯乱しないようにする。前記基板１の光学的
研磨された一方の端面に前記スラブ導波路２の導
波部分と光軸が揃うように２本の入力側フアイバ
ー（光導入手段）４を固着する。こうすることで
前記２本の入力側フアイバー４を伝搬してきた２
つの伝搬光を空中伝搬されずに前記スラブ導波路
２内で干渉させることが可能となる。前記スラブ
導波路２内で干渉した２つの伝搬光はスラブ導波
路２の厚み方向には制約を受けるが、幅方向には
制約を受けないため、前記スラブ導波路２の他方
の光学的研磨された端面には輝点列状の干渉光が
出力されることになる。また、この輝点列の輝点
間隔及び輝点のスラブ導波路の幅方向の径は光伝
搬路、すなわちスラブ導波路の長さにより決まる
ため、例えば輝点のスラブ導波路の幅方向の径が
出力側フアイバーコア径になるように光伝搬路長
を調節する。さらに、前記基板１の他方の端面で
ある輝点列の出力端面上に前記スラブ導波路２と
光軸が揃うように出力側フアイバー（光導出手
段）８を固着する。

このように構成することで、伝搬光が固体中し
か伝搬せず、信号光発生までのロスを非常に少な
くできる。また、スラブ導波路を使用してフアイ
バーコアとの屈折率差を少なくでき、NAを小さ
くでき、広がり角度を小さくできる。さらに、干
渉縞を輝点列状に圧縮することにより、空中伝搬
させて検出するときに比べ、より狭い範囲に光が
集中し光量の増加が実現できる。その上、スラブ
導波路の伝搬路長を決めれば干渉縞の輝点の間隔
が決まるので、同一特性のモジユールが再現性良
く作製でき、干渉光学系を導波路に置き換えたた
め、安定で小型軽量となる。

〔実施例〕

第１図は本発明の干渉形センシングモジユール
の一実施例の構成図である。

図において、１はスラブ導波路の形成が可能な
基板を示し、２はスラブ導波路を示している。ス
ラブ導波路２はニオブ酸リチウム上に厚さ500Å
のチタンを蒸着し、1050℃で熱拡散を行い形成す
る。３と５は各々入力側端面及び出力側端面を示
し、１５及び１６は光フアイバーを固定する入力
側フエルール及び出力側フエルールを示す。４と
８は入力側フアイバー及び出力側フアイバーを示
す。該入力側フアイバー４は、２本１組となつて
おり前記入力側フエルール１５内で400μmの間隔
で平行に並べてお互いに接着し、端面を光学的研
磨した後、光学的研磨した入力側端面３のスラブ
導波路２の導波部分に光軸が揃うように固着して
ある。前記出力側フアイバー８は端面を光学的研
磨した後、前記入力側フアイバー４からの伝搬光
が前記スラブ導波路２内で干渉を起こしている部
分に、該スラブ導波路２の導波部分と光軸が揃う
ように、光学的研磨した出力側端面５に固着す
る。９はパツケージを示し、１０及び１１は各々
前記入力側フアイバー４と前記出力側フアイバー
８とがパツケージ９に固定している固定点を示し
ている。これは入力側及び出力側フアイバーとス
ラブ導波路との固着部分に直接外力が加わらない
ようにするためのものである。消光比を大きくす
るためには、前記スラブ導波路２の大きさは設計
段階で輝点の径が前記出力側フアイバー８のコア
径に等しくなるように調節する。

以下に、本発明の干渉形センシングモジユール
の動作を第１図に基づき説明する。

２本の入力側フアイバー４を伝搬してきた光
は、基板１上のスラブ導波路２に入射するとその
表面に各々分散して扇状に伝搬し、適当な距離を
伝搬した後徐々に重なる部分をつくり干渉を起こ
す。しかし、スラブ導波路２内の干渉であるため
に、干渉光は厚み方向に制約を受けて平面的な干
渉縞は現れず、スラブ導波路２の出力側端面５で
は平面的な干渉縞の代わりに直線的な輝点列が形
成される。輝点間隔はスラブ導波路２の光伝搬路
長によつて定まるため、スラブ導波路２の光伝搬
路長を短くすれば輝点間隔は短くなり、長くすれ
ば長くなる。また、この輝点列は２つの光の干渉
部分が導波路の厚み方向に圧縮された形となつて
いるため、通常の空中伝搬で得られる平面的格子
縞とは異なり直線状となる。この性質はスラブ導
波路２を用いた本発明の最大の利点であり、結果
として、干渉縞が直線状に並ぶ輝点列となつてい
るため非常に検出器がつくり易く、輝点列の位置
が必ずスラブ導波路２の出力端に存在するために
生産過程での位置決めが容易となる。さらに、ス
ラブ導波路２の光伝搬路長を決定するだけで再現
性良く同一特性を得ることができること、干渉縞
が圧縮されているために円錐状に広がるはずの光
が集められ光量の減少が抑えられること等の特徴
も有する。

輝点列は前記入力側フアイバー４の２つの光の
伝搬位相差により列方向に移動する。よつて、ス
ラブ導波路２の伝搬路長を調節し前記出力側フア
イバー８のコア径に輝点の径が同じになるように
して、スラブ導波路２の出力端に前記出力側フア
イバー８を出力側フアイバー固定点１１で固着す
ると輝点列の移動本数を点滅信号に変換できる干
渉形センシングモジユールとして動作する。

第２図に本発明の干渉形センシングモジユール
の実験系を、第３図にその実験結果であるオシロ
スコープの波形写真を示す。この実験は、He−
Neレーザ発振器２０より出力されたレーザ光を、
BS（ビームスプリツター）２１で２等分するよう
にし、２等分したレーザ光を対物レンズ２２及び
２３を用い干渉形センシングモジユール２６の２
本の入力側フアイバーに各々入力するようにし
た。干渉形センシングモジユール２６の片方の入
力側フアイバーには20μm径のタングステン線２
４を数回巻き付け、該タングステン線２４にはパ
ルスジエネレーター２５で矩形電圧パルスを加え
てパルス的な熱発生が生じるように結線した。こ
のようにして微妙な熱変動を入力側フアイバーに
加えてフアイバー内の伝搬光の伝搬位相差を変化
させた。そして、干渉形センシングモジユール２
６の出力側フアイバーより出力された出力光をフ
オトマル２７で光電変換し、その光電変換した後
の信号を出力端子２８から外部へ出力させるよう
にした。この実験系は微妙な熱変動により生じた
入力側フアイバーの伝搬位相差を干渉形センシン
グモジユール２６で検出したときの例である。

第３図の上部波形は加えたパルス信号で、下部
波形は出力側フアイバーの出力光を光電変換して
得た出力信号である。第３図の実験閣下より矩形
パルスのオンオフに応じて位相が反転しているこ
と、及び出力光量が正弦波を描いていることから
干渉形センシングモジユールが位相差を点滅信号
に変換していることが確認できる。

第４図は、本発明を応用したセンサの例を示す
構成図である。

干渉形センシングモジユール３３の出力側フア
イバーの代わりに輝点間隔と同じパターン間隔の
フイルター（光導出手段）３９を直接導波路出力
端に固着しその後にフオトダイオード４０を固着
するとハイブリツド集積化した光センシングデバ
イスの検出部が簡単に構成できる。

レーザダイオード３０より出力されたレーザ光
３１をコリメーテイングレンズ３２で平行光にす
る。この平行光線を干渉形センシングモジユール
３３の入力側フアイバー３４及び３５へセルフオ
クレンズ３６及び３７を通して絞り込み入力す
る。前記入力側フアイバー３５はセンサ部３８へ
とつながつており、センサ部３８で位相変化を生
じた場合、前記干渉形センシングモジユール３３
中で干渉縞が移動する。干渉縞の移動はスラブ導
波路出力端で輝点列の移動として出力され点滅信
号に変換される。点滅信号はフオトダイオード４
０で光電変換された後外部へと出力されることに
なる。このようにすると光源と検出部とを一体化
したハイブリツド集積化センサが作製可能とな
る。これは干渉光学系をスラブ導波路を用いて実
現したために小型軽量となり、再現性の良い信号
検出を可能としたからこそ実現できるものであ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、干渉光学系をモジユール
化し、その内部にスラブ導波路を使用したため、
空中伝搬を行わず固体中のみを光が伝搬する構造
が実現できた。このため、伝搬光の漏れが非常に
少なくなり、効率の良い信号検出部が作製可能と
なつた。また、スラブ導波路を使用したことで、
導波路の厚み方向に圧縮された輝点列が得られる
ようになり、出力側フアイバー、フイルター等光
導出手段の結合が容易となり、かつ、干渉縞を空
中伝搬させたときよりも消光比が向上した。形状
的な特徴として、小型軽量化が可能で、光センシ
ングデバイスのハイブチルド集積化が可能となり
再現性、安定性を向上させることができるように
なつた。さらに、輝点間隔が導波路の光伝搬路長
で決定されるため、フイルターの設計及び調整が
容易になり工業的生産性の向上効果が期待でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の干渉形センシングモジユール
の一実施例の構成図を、第２図は熱変動による干
渉形センシングモジユールの動作確認実験系の構
成図を、第３図は第２図の実験系による実験の結
果を示すオシロスコープの波形写真を、第４図は
本発明の干渉形センシングモジユールを用いたハ
イブリツド集積化したセンサの構成図をそれぞれ
示す。 図中、１は基板、２はスラブ導波路（薄膜光導
波路）、３は入力側端面、４は入力側フアイバー
（光導入手段）、５は出力側端面、８は出力側フア
イバー（光導出手段）、９はパツケージ、１０は
入力側フアイバー固定点、１１は出力側フアイバ
ー固定点、１５は入力側フエルール、１６は出力
側フエルールをそれぞれ示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 表面に薄膜光導波路２を備え対向する両端面
   を光学的研磨した基板１と、該基板の光学的研磨
   された一方の端面に前記薄膜光導波路の導波部と
   光軸が揃うように設けられた複数の光導入手段４
   と、該複数の光導入手段より入射した複数の光が
   前記薄膜光導波路内で干渉して生ずる前記基板の
   光学的研磨された他方の端面の輝点列状の干渉光
   を受ける該他方の端面に設けられた光導出手段８
   とを備えた干渉形センシングモジユール。