JPH0785037B2 - 光導波路型温度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 マッハ・ツェンダー干渉計型の光導波路（以下、導波
路）の一方に、焦電効果によって生じた電界を印加し、
その結果生じた屈折率の変化に伴う光の位相ずれによっ
て温度を測定する。

本発明の温度センサでは、焦電効果の分極電圧によって
金属膜の両端に誘起された電圧が導波路の両側面に印加
される。この印加電圧による電気光学効果で、導波路の
誘電率が変化し、マッハ・ツェンダー干渉計型の両導波
路を通過する単色光の間に位相差が生じ、干渉光の強度
が変化する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は固体温度センサに関わるものであり、特に焦電
効果と電気光学効果を利用してマッハ・ツェンダー干渉
計型の導波路による温度測定技術に関わるものである。

近年、機械，電気，情報処理など多様な分野の装置のイ
ンテリジェント化が進められており、それに使用される
各種センサの開発が急速に進行している。本発明の技術
分野である温度センサの部門でも、種々の環境，温度範
囲に適応したセンサの開発が進められているが、より高
感度な温度センサに対する要求も大である。

従来、微小な温度変化を検出する温度センサとして光導
波路型センサが知られている。これは温度変化によって
導波路の屈折率が変化することを利用するものである
が、屈折率の変化は極めて小であるため、検出感度を高
めるには光路長を大にしなければならない。

本発明はニオブ酸リチウム（LiNbO₃）等の誘電体基板の
焦電効果と電気光学効果を利用して高感度の光導波路型
温度センサを実現するものであるが、本発明の理解を容
易にするため、ここで焦電効果と電気光学効果について
簡単に説明する。

焦電効果は誘電体材料の温度上昇に伴って分極が起こる
現象を言い、前記LiNbO₃では、三方晶系のＺ軸方向に分
極電圧が発生する。この分極電圧は温度にほゞ比例す
る。

電気光学効果は、誘電体に電界を印加すると屈折率が変
化する現象を言う。本発明ではマッハ・ツェンダー干渉
計の一方の導波路を挟む電極を設け、それに電圧を印加
して導波路の屈折率を変化させている。

〔従来の技術〕

第４図に従来技術の光導波路型温度センサが示されてい
る。この温度センサではマッハ・ツェンダー干渉計の一
方の光路の長さが他方より大に形成されているので、両
光路を経由する光に位相差が生じ、干渉光を射出するこ
とになる。周囲温度が変化すると導波路の屈折率も変化
し、干渉周期も変化するので、これを測定することによ
って温度を知ることが出来る。なお、位相差Δφは、光
路差Δｌと屈折率の変化量Δｎの積に比例する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の温度センサを高感度化するために光路差Δｌを大
にしなければならず、センサの大型化は避けられない。

本発明の目的は、光路長の差を利用することなく、他の
手段によって温度に比例する位相差を生ぜしめる光導波
路型温度センサを提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

光導波路型温度センサに於いて、光路長の差を利用する
ことなく温度に比例する位相差を生ぜしめるため、本発
明の光導波路型温度センサでは焦電効果と電気光学効果
を持つ誘電体の基板にマッハ・ツェンダー干渉計型の導
波路を設け、その一方のみに焦電効果によって誘起され
た電界を印加して屈折率を変化せしめている。

〔作用〕

第１図に本発明の原理が示されている。

LiNbO₃のような誘電体基板１にチタンを拡散して導波路
２を形成し、Ｚ軸に垂直な２個の表面から導波路近傍に
まで延長して形成された２個の金属膜3,4が設けられ
る。

焦電効果によって生じた分極電圧はＺ軸に垂直な表面に
現れるので、前記金属膜の該表面と対向する部分に電荷
が誘起され、該部分から離れた金属膜部分には反対極性
の電荷が誘起される。即ち導波路を挟んで異なる極性の
電荷が集められるので、導波路は該電荷による電界中に
置かれることになる。なお、５は導波路表面を覆うバッ
ファ層で、通常SiO₂である。

マッハ・ツェンダー干渉計型導波路の一方だけをこのよ
うな構造とし、他方は電界が印加されない構造とする
と、一方の導波路のみ屈折率が変化するので両導波路を
経由した光の間に位相差が生じ、干渉光が出力されるこ
とになる。干渉周期は印加された電界に比例して変化す
る。

基板の温度が上がるほど焦電効果は強く現れ、導波路に
印加される電界も高められるので、両導波路間の屈折率
の差はより大となる。即ち干渉周期はより短くなる。

温度変化に伴う屈折率変化は数値的には僅かであるが、
それが光の干渉として観測されるので、微小な温度変化
を検出することが出来る。

〔実施例〕

第２図は本発明の温度センサの斜視図及び模式断面図を
示す。

同図（ａ）は斜視図であって、11はニオブ酸リチウム基
板で、そのＸ軸に垂直な表面に、Ｙ軸に平行なマッハ・
ツェンダー干渉計型の導波路12が設けられている。該導
波路の２分された一方の導波路12′を挟んで金属膜13,1
4が被着形成されており、該金属膜の他端は夫々Ｚ軸に
垂直な面である分極面16を覆う位置まで延長されてい
る。本実施例では、他方の導波路12″側に設けられた金
属膜13は該導波路を越えて延長されており、この状況は
同図（ｂ）の断面図に明示されている。

該温度センサでは、基板温度が上昇すると焦電効果によ
ってＺ軸方向の両端面間に分極電圧が発生し、これに対
向する金属膜内の反対極性の電荷を引きつけるので、金
属膜の同波路側の端部には更にその反対極性の電荷が集
まり、この電荷による電界が導波路を横断して形成され
る。

即ち、導波路12′には基板温度に比例した電界が印加さ
れ、電気光学効果によって印加電界の強度の比例した屈
折率の変化が起こる。そのため、該導波路12′を経由し
た光と屈折率変化を起こらない導波路12″を経由した光
の間に位相差が生じ、干渉光である射出光の強度は周期
的に変化し、その周期を測定することで、上記装置を温
度センサとして機能させ得ることになる。

なお、本発明の装置でも導波路の温度変化による屈折率
の変化は生ずるが、これは両導波路に等しく起こり、屈
折率の差には影響しない。また、分極電圧による電界も
基板全体に均一であるからこれも無視してよい。

第３図に本発明の第２の実施例が示されている。該図面
でも（ａ）が斜視図、（ｂ）断面図である。

該実施例では、焦電効果による分極電圧発生面を、一
方、導波路22′の近傍に溝を掘ることによって設けてい
る。該実施例の温度センサの動作原理は第１の実施例の
温度センサと全く同じであるから説明は省略する。ここ
で、22″は他方の導波路、23,24は金属膜である。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明の温度センサで
はマッハ・ツェンダー干渉計の位相差を、焦電効果と電
気光学効果によって発生させているので、光路差を設け
ることが不要であり、本発明によって寸法が小で且つ高
感度の光導波路型温度センサが実現することになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の動作原理を示す模式図、 第２図は第１の実施例を示す斜視図及び断面図、 第３図は第２の実施例を示す斜視図及び断面図、 第４図は公知の光導波路型温度センサを示す図である。 図に於いて 1,11,21,41はLiNbO₃基板、 2,12′,12″,22′,22″,42′,42″は導波路、 3,4,13,14,23,24は金属膜、 5,はSiO₂、 16,26は分極面、 27は溝 である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】焦電効果及び電気光学効果を示す誘電体基
   板に光導波路を形成して成る温度センサであって、 前記誘電体基板の、焦電効果の分極軸に平行な成分を有
   する一表面にマッハ・ツェンダー干渉計型の光導波路が
   形成されており、 該光導波路の一方の両側に、且つ該一方の光導波路に近
   接した位置に設けられた金属皮膜が、前記焦電効果の分
   極軸と交差する２個の面上に夫々延長された構造を有す
   ることを特徴とする光導波路型温度センサ。
2. 【請求項２】前記光導波路が形成される面は前記焦電効
   果の分極軸に平行な面であり、 前記金属皮膜が延長される面は前記分極軸に直交する面
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光
   導波路型温度センサ。
3. 【請求項３】前記誘電体はニオブ酸リチウムであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光導波路型温
   度センサ。