(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１光導波路および第２光導波路が形成され、前記第１光導波路と前記第２光導波路とが第１光カプラおよび第２光カプラそれぞれにおいて光結合されて１個のマッハツェンダ干渉計を構成し、前記第１光カプラと前記第２光カプラとの間において前記第２光導波路の一部区間のクラッドの屈折率の温度依存性が他の光導波路部分と異なり、前記第２光導波路の前記一部区間のクラッドが樹脂からなり、前記第１光導波路のコアおよびクラッド、前記第２光導波路のコア、ならびに、前記第２光導波路の前記一部区間以外のクラッドが石英ガラスを主成分とする光導波路型デバイスと、
単色のレーザ光を出力する光源部と、
前記光源部から出力された光を前記光導波路型デバイスの前記第１光導波路および前記第２光導波路の何れか一方の一端に入射させる入射光学系と、
前記光導波路型デバイスの前記第１光導波路および前記第２光導波路それぞれの他端から出射される光のパワーを検出する検出部と、
前記光導波路型デバイスの前記第１光導波路および前記第２光導波路それぞれの他端から前記検出部へ光を導く出射光学系と、
前記検出部による検出結果に基づいて前記光導波路型デバイスの温度を求める解析部と、
を備え、
前記光導波路デバイスが、前記第２光導波路の前記一部区間の長さが所定の温度範囲において、前記一端から前記第１光導波路の前記他端までの光の透過損失α１および前記一端から前記第２光導波路の前記他端までの光の透過損失α２のうち一方が単調に増加し他方が単調に減少するように設定されており、
前記解析部が、前記検出部による検出結果に基づいて前記透過損失α１，α２を求め、この求めた透過損失α１，α２に基づいて前記光導波路型デバイスの温度を求める、
ことを特徴とする温度計測装置。
【請求項２】
前記光源部が半導体レーザ素子を含むことを特徴とする請求項１記載の温度計測装置。
【請求項３】
前記入射光学系および前記出射光学系それぞれが、前記光導波路型デバイスに対して光を入出射する光ファイバを含む、ことを特徴とする請求項１または２記載の温度計測装置。
【請求項４】
基板上に第１光導波路および第２光導波路が形成され、前記第１光導波路と前記第２光導波路とが第１光カプラおよび第２光カプラそれぞれにおいて光結合されて１個のマッハツェンダ干渉計を構成し、前記第１光カプラと前記第２光カプラとの間において前記第２光導波路の一部区間のクラッドの屈折率の温度依存性が他の光導波路部分と異なり、前記第２光導波路の前記一部区間のクラッドが樹脂からなり、前記第１光導波路のコアおよびクラッド、前記第２光導波路のコア、ならびに、前記第２光導波路の前記一部区間以外のクラッドが石英ガラスを主成分とする光導波路型デバイスを用い、
前記第１光導波路および前記第２光導波路の何れか一方の一端に単色のレーザ光を入射させて、前記マッハツェンダ干渉計を経て前記第１光導波路の他端から出射する光のパワーＰ１を検出するとともに、前記マッハツェンダ干渉計を経て前記第２光導波路の他端から出射する光のパワーＰ２を検出し、
前記光導波路デバイスにおいて、前記第２光導波路の前記一部区間の長さが所定の温度範囲において、前記一端から前記第１光導波路の前記他端までの光の透過損失α１および前記一端から前記第２光導波路の前記他端までの光の透過損失α２のうち一方が単調に増加し他方が単調に減少するように設定しておき、
あらかじめ前記第１光導波路の光透過損失および前記第２光導波路の光透過損失と温度との関係を取得しておき、２つの光パワーＰ１，Ｐ２に基づいて前記透過損失α１，α２を求め、この求めた透過損失α１，α２に基づいて温度を計測する、
ことを特徴とする温度計測方法。
【請求項５】
光ファイバを用いて前記光導波路型デバイスに対して光を入出射することを特徴とする請求項４記載の温度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度を計測する装置および方法、ならびに、この温度計測に用いられる光導波路型デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ等の光導波路を用いた温度計測技術として例えば特許文献１，２に開示されたものが知られている。特許文献１に開示された技術は、終端部に無反射処理を施した光ファイバの一端に光を入射させ、その光ファイバにおいて生じる後方散乱光のうち特定波長の光パワーを検出することで、その光ファイバにおける長手方法の温度分布を計測するものである。また、特許文献２に開示された技術は、測定対象からの放射光を光ファイバにより導光し、その導光した放射光のうちの互いに異なる２つの波長帯それぞれにおいて光パワーを検出して、これら２つの光パワーに基づいて測定対象の温度を計測するものである。
【特許文献１】特許第２７２４２４６号公報
【特許文献２】特許第３３２５７００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
これらの文献に記載された温度測定技術は、何れも、比較的広い温度範囲で温度を計測することができるものの、正確な温度の計測が困難である。本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、より正確に温度を計測することができる温度計測装置および温度計測方法、ならびに、これらの装置または方法において好適に用いられ得る光導波路型デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る温度計測装置または温度計測方法において用いられる光導波路型デバイスは、基板上に第１光導波路および第２光導波路が形成され、第１光導波路と第２光導波路とが第１光カプラおよび第２光カプラそれぞれにおいて光結合されて１個のマッハツェンダ干渉計を構成し、第１光カプラと第２光カプラとの間において第２光導波路の一部区間のクラッドの屈折率の温度依存性が他の光導波路部分と異なる、ことを特徴とする。また、第２光導波路の一部区間のクラッドが樹脂からなり、第１光導波路のコアおよびクラッド、第２光導波路のコア、ならびに、第２光導波路の一部区間以外のクラッドが石英ガラスを主成分とすることを特徴とする。
【０００５】
本発明に係る光導波路型デバイスでは、第１光導波路および第２光導波路の何れか一方の一端に光が入射すると、マッハツェンダ干渉計を経て第１光導波路および第２光導波路それぞれの他端から光が出射されるが、第２光導波路の一部区間のクラッドの屈折率の温度依存性が他の光導波路部分と異なることから、そのときの各々の光透過特性は温度により変化する。このような光導波路型デバイスの特性を利用することで、正確に温度を計測することが可能となる。
【０００６】
本発明に係る温度計測装置は、(1) 上記の光導波路型デバイスと、(2) 単色のレーザ光を出力する光源部と、(3) 光源部から出力された光を光導波路型デバイスの第１光導波路および第２光導波路の何れか一方の一端に入射させる入射光学系と、(4) 光導波路型デバイスの第１光導波路および第２光導波路それぞれの他端から出射される光のパワーを検出する検出部と、(5) 光導波路型デバイスの第１光導波路および第２光導波路それぞれの他端から検出部へ光を導く出射光学系と、(6) 検出部による検出結果に基づいて光導波路型デバイスの温度を求める解析部と、を備えることを特徴とする。また、光導波路デバイスが、第２光導波路の一部区間の長さが所定の温度範囲において、一端から第１光導波路の他端までの光の透過損失α１および一端から第２光導波路の他端までの光の透過損失α２のうち一方が単調に増加し他方が単調に減少するように設定されており、解析部が、検出部による検出結果に基づいて透過損失α１，α２を求め、この求めた透過損失α１，α２に基づいて光導波路型デバイスの温度を求めることを特徴とする。また、入射光学系および出射光学系それぞれが、光導波路型デバイスに対して光を入出射する光ファイバを含むのが好適である。また、光源部が半導体レーザ素子を含むように構成してもよい。
【０００７】
本発明に係る温度計測方法は、(1) 上記の光導波路型デバイスを用い、(2) 第１光導波路および第２光導波路の何れか一方の一端に単色のレーザ光を入射させて、マッハツェンダ干渉計を経て第１光導波路の他端から出射する光のパワーＰ１を検出するとともに、マッハツェンダ干渉計を経て第２光導波路の他端から出射する光のパワーＰ２を検出し、(3) 光導波路デバイスにおいて、第２光導波路の一部区間の長さが所定の温度範囲において、一端から第１光導波路の他端までの光の透過損失α１および一端から第２光導波路の他端までの光の透過損失α２のうち一方が単調に増加し他方が単調に減少するように設定しておき、(4) あらかじめ第１光導波路の光透過損失および第２光導波路の光透過損失と温度との関係を取得しておき、２つの光パワーＰ１，Ｐ２に基づいて透過損失α１，α２を求め、この求めた透過損失α１，α２に基づいて温度を計測する、ことを特徴とする。また、光ファイバを用いて光導波路型デバイスに対して光を入出射するのが好適である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、より正確に温度を計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１０】
図１は、本実施形態に係る温度計測装置１の構成図である。この図に示される温度計測装置１は、光導波路型デバイス１０、光源部２０、検出部３０、解析部４０、入射用光ファイバ５１および出射用光ファイバ６１，６２を備える。
【００１１】
光導波路型デバイス１０は、基板１００に第１光導波路１１１および第２光導波路１１２が形成されたものである。第１光導波路１１１と第２光導波路１１２とは、各々の光路の途中の２箇所において互いに光結合し得る間隔になっていて第１光カプラ１２１および第２光カプラ１２２を構成している。すなわち、第１光導波路１１１と第２光導波路１１２とは、第１光カプラ１２１および第２光カプラ１２２それぞれにおいて光結合されていて、マッハツェンダ干渉計を構成している。
【００１２】
光源部２０は、光導波路型デバイス１０の第１光導波路１１１の一端（入射端）に入射させるべき光を出力する。光ファイバ５１は、光源部２０から出力された光を一端に入射し、その一端に入射した光を他端まで導光し、その他端から光を出射して光導波路型デバイス１０の第１光導波路１１１の入射端に入射させる。
【００１３】
検出部３０は、光導波路型デバイス１０の第１光導波路１１１および第２光導波路１１２それぞれの他端（出射端）から出射される光のパワーを検出する。光ファイバ６１は、光導波路型デバイス１０の第１光導波路１１１の出射端から出射された光を一端に入射し、その一端に入射した光を他端まで導光し、その他端から光を出射して検出部３０の受光素子に入射させる。また、光ファイバ６２は、光導波路型デバイス１０の第２光導波路１１２の出射端から出射された光を一端に入射し、その一端に入射した光を他端まで導光し、その他端から光を出射して検出部３０の受光素子に入射させる。
【００１４】
解析部４０は、光源部２０から出射され光導波路型デバイス１０の第１光導波路１１１の入射端に入射された光のパワーＰ１,in、光導波路型デバイス１０の第１光導波路１１１の出射端から出射され検出部３０により検出された光のパワーＰ１,out、および、光導波路型デバイス１０の第２光導波路１１２の出射端から出射され検出部３０により検出された光のパワーＰ２,outを入力する。
【００１５】
さらに、解析部４０は、入力光パワーＰ１,inおよび出力光パワーＰ１,outに基づいて第１光導波路１１１の入射端から第１光導波路１１１の出射端までの光の透過損失α１を求め、また、入力光パワーＰ１,inおよび出力光パワーＰ２,outに基づいて第１光導波路１１１の入射端から第２光導波路１１２の出射端までの光の透過損失α２を求める。そして、解析部４０は、上記の透過損失α１，α２に基づいて、光導波路型デバイス１０の温度を求める。
【００１６】
なお、光ファイバ５１，６１，６２については、例えば４芯の光ファイバテープ心線を用いることができる。このようなテープファイバを用いると、各光ファイバの局所的な曲げなどによって各光ファイバの損失が変動したとしても、３本の光ファイバにほぼ同じ変動が加わることになる。
【００１７】
図２は、本実施形態に係る光導波路型デバイス１０の平面図である。光導波路型デバイス１０は、基板１００に第１光導波路１１１および第２光導波路１１２が形成されていて、第１光導波路１１１と第２光導波路１１２とが第１光カプラ１２１および第２光カプラ１２２それぞれにおいて光結合されていてマッハツェンダ干渉計を構成している。さらに、マッハツェンダ干渉計において第１光カプラ１２１と第２光カプラ１２２との間で、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂのクラッドの屈折率の温度依存性は、第１光導波路１１１および第２光導波路１１２の他の光導波路部分１１２Ａ，１１２Ｃと異なる。このような光導波路型デバイス１０は、好適には、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂを除く部分については、石英ガラスを主成分として、各々のコアに屈折率上昇材（例えばＧｅＯ２）が添加されたものである。一方、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂのオーバークラッドは樹脂からなるのが好適である。
【００１８】
図３は、本実施形態に係る光導波路型デバイス１０における各所の光導波路の断面図である。同図（ａ）は、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂを除く各所の光導波路（代表例として第１光導波路１１１）の断面図を示す。この図に示されるように、基板１００の上に矩形断面のコアが形成され、これらの上にオーバークラッド１３０が形成されて、光導波路が構成されている。これら各領域は石英ガラスを主成分とする。
【００１９】
同図（ｂ）は、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂの断面図（図２中のＡ−Ａ’断面）を示す。この図に示されるように、基板１００の上に矩形断面のコアが形成され、これらの上にオーバークラッド１３１が形成されて、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂが構成されている。基板１００は石英ガラスを主成分する。一方、オーバークラッド１３１は樹脂からなる。
【００２０】
次に、光導波路型デバイス１０の製造方法の一例を説明する。図４は、本実施形態に係る光導波路型デバイス１０の製造方法を説明する工程図である。初めに、石英ガラスからなる基板１００を用意し、プラズマＣＶＤ、ＦＨＤまたはスパッタ等の方法で、コアとなるべき所定厚のＧｅ添加石英ガラス膜１１０を基板１００上に堆積する（同図（ａ））。１回目のフォトリソグラフィーとリアクティブイオンエッチングで、このＧｅ添加石英ガラス膜１１０を所定幅および所定高になるように加工して、第１光導波路１１１および第２光導波路１１２それぞれのコアを形成する（同図（ｂ））。この上に更に、プラズマＣＶＤまたはＦＨＤにより、所定厚のオーバークラッド１３０を堆積する（図４（ｃ））。さらに、２回目のフォトリソグラフィーとリアクティブイオンエッチングで、第２光導波路１１２の一部区間上に、所定幅，所定長および所定深さの溝１３１Ａを形成する（図４（ｄ））。この溝１３１Ａに樹脂のモノマー（液状）を満たし、紫外線照射で硬化させて樹脂クラッド１３１を得る（図４（ｅ））。
【００２１】
次に、本実施形態に係る温度計測装置１および光導波路型デバイス１０の具体的構成および動作の一例について説明する。基板１００およびオーバークラッド１３０それぞれは石英ガラスからなる。第１光導波路１１１および第２光導波路１１２それぞれのコアは、Ｇｅが添加された石英ガラスからなる。第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂのオーバークラッド１３１は樹脂からなる。
【００２２】
純石英ガラスの屈折率は１.４４４である。Ｇｅ添加石英ガラスコアの屈折率は１.４４７である。オーバークラッド１３１の樹脂の屈折率は１.４５である。なお、これらの屈折率は、何れも、温度２５℃で波長１.５５μｍにおける値である。Ｇｅ添加石英ガラスおよび石英ガラスそれぞれの屈折率の温度依存性は８×１０−６／℃である。オーバークラッド１３１の樹脂の屈折率の温度依存性は−０.０００２／℃である。
【００２３】
光導波路１１１，１１２それぞれのコアの断面形状は、７.５μｍ×７.５μｍの正方形である。光導波路１１１，１１２それぞれの曲線部分の最小曲率半径は２.５ｍｍである。光カプラ１２１，１２２ぞれぞれの波長１.５５μｍにおける分岐比は１：１である。第１光カプラ１２１と第２光カプラ１２２との間における第１光導波路１１１および第２光導波路１１２それぞれの直線部分の長さは５ｍｍである。第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂの長さは０.５ｍｍまたは５ｍｍである。
【００２４】
このように構成される光導波路型デバイス１０を用いて、図１に示されるような温度計測装置１を構成する。光源部２０は、波長１.５５μｍのレーザ光を出力する半導体レーザ素子を含む。また、検出部３０は受光素子としてフォトダイオードを含む。
【００２５】
光源部２０から出力された波長１.５５μｍのレーザ光は、光ファイバ５１により導かれて光導波路型デバイス１０の第１光導波路１１１の入射端に入射する。光導波路型デバイス１０の第１光導波路１１１の入射端に入射した光は、マッハツェンダ干渉計を経て、第１光導波路１１１の出射端および第２光導波路１１２の出射端それぞれから出力される。第１光導波路１１１の出射端から出力された光は、光ファイバ６１により導かれて、検出部３０によりパワーが検出される。第２光導波路１１２の出射端から出力された光は、光ファイバ６２により導かれて、検出部３０によりパワーが検出される。
【００２６】
そして、解析部４０により、第１光導波路１１１の入射端に入射された光のパワーＰ１,in、第１光導波路１１１の出射端から出射された光のパワーＰ１,out、および、第２光導波路１１２の出射端から出射された光のパワーＰ２,outに基づいて、第１光導波路１１１の入射端から第１光導波路１１１の出射端までの光の透過損失α１、および、第１光導波路１１１の入射端から第２光導波路１１２の出射端までの光の透過損失α２、が求められ、さらに、これら透過損失α１，α２に基づいて光導波路型デバイス１０の温度が求められる。
【００２７】
図５は、本実施形態に係る光導波路型デバイス１０における透過損失α１，α２それぞれの温度依存性を示すグラフである。ここでは、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂの長さは０.５ｍｍである。なお、この関係は、あらかじめ温度のわかった炉などを用いて測定しておく。温度を測定したい場所に光導波路型デバイス１０を設置して温度計測を行う。この場所の温度が５０℃〜８０℃の範囲にあることは、他の簡易な温度計によってわかっている。例えば、透過損失α１が８.８２ｄＢであって透過損失α２が０.７２ｄＢであるとき、温度が６６.５℃であることがわかる。
【００２８】
図６は、本実施形態に係る光導波路型デバイス１０における透過損失α１，α２それぞれの温度依存性を示すグラフである。ここでは、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂの長さは５ｍｍである。なお、この関係も、あらかじめ温度のわかった炉などを用いて測定しておく。温度を測定したい場所に光導波路型デバイス１０を設置して温度計測を行う。この場所の温度が５０℃〜８０℃の範囲にあることは、他の簡易な温度計によってわかっている。例えば、透過損失α１が２.８６ｄＢであって透過損失α２が３.３５ｄＢであるとき、温度が５９.９℃であることがわかる。
【００２９】
光ファイバ５１，６１，６２に、局所的な曲げなどによって過剰な損失が加わったとき、前述のごとく、出力光パワーＰ１,out，Ｐ２,outともに略同じだけの損失が加わり、図５の二つ透過損失α１，α１の曲線が上側に同じ損失量だけシフトする。しかし、透過損失α１，α１の曲線の傾きや損失差は変化しない。二つの透過損失α１，α１を測定しているので、このシフトは容易に補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本実施形態に係る温度計測装置１の構成図である。
【図２】本実施形態に係る光導波路型デバイス１０の平面図である。
【図３】本実施形態に係る光導波路型デバイス１０における各所の光導波路の断面図である。
【図４】本実施形態に係る光導波路型デバイス１０の製造方法を説明する工程図である。
【図５】本実施形態に係る光導波路型デバイス１０における透過損失α１，α２それぞれの温度依存性を示すグラフである。
【図６】本実施形態に係る光導波路型デバイス１０における透過損失α１，α２それぞれの温度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１…温度計測装置、１０…光導波路型デバイス、２０…光源部、３０…検出部、４０…解析部、５１…入射用光ファイバ、６１，６２…出射用光ファイバ、１００…基板、１１１…第１光導波路、１１２…第２光導波路、１２１…第１光カプラ、１２２…第２光カプラ、１３０…オーバークラッド。
【図１】
0004654901.tif 000002
【図２】
0004654901.tif 000003
【図３】
0004654901.tif 000004
【図４】
0004654901.tif 000005
【図５】
0004654901.tif 000006
【図６】
0004654901.tif 000007