(57)【要約】本発明は、少なくとも１つのポリマーを含み又はそれのみからなる少なくとも１つの基板（２）に配置された少なくとも１つのフォトニックコンポーネント（４）を含む平面光学素子（１）において、前記基板（２）が少なくとも、第１の面（２１１）及び反対側の第２の面（２１２）を有する１つの第１のフィルム層（２１）と、第１の面（２２１）及び反対側の第２の面（２２２）を有する第２のフィルム層（２２）とを含み、前記第２のフィルム層（２２）の前記第１の面（２２１）が、前記第１のフィルム層（２１）の前記第２の面（２１２）に配置され、少なくとも前記第２のフィルム層（２２）が、少なくともサブ領域（２２５）にナノワイヤ（３）を含む平面光学素子（１）に関する。本発明は、対応するセンサ素子およびその製造方法にも関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのポリマーを含み又はそれのみからなる少なくとも１つの基板（２）に配置された少なくとも１つのフォトニックコンポーネント（４）を含む平面光学素子（１）において、前記基板（２）が少なくとも、第１の面（２１１）及び反対側の第２の面（２１２）を有する１つの第１のフィルム層（２１）と、第１の面（２２１）及び反対側の第２の面（２２２）を有する第２のフィルム層（２２）とを含み、前記第２のフィルム層（２２）の前記第１の面（２２１）が、前記第１のフィルム層（２１）の前記第２の面（２１２）に配置され、少なくとも前記第２のフィルム層（２２）が、少なくともサブ領域（２２５）にナノワイヤ（３）を含むことを特徴とする平面光学素子（１）。
【請求項２】
前記ナノワイヤ（３）が、酸化亜鉛及び／又はカーボンナノチューブを含み又はそれのみからなることを特徴とする、請求項１に記載の平面光学素子。
【請求項３】
前記ナノワイヤ（３）が、約１００ｎｍ以上約１０００ｎｍ以下の直径を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の平面光学素子。
【請求項４】
前記ナノワイヤが、約１μｍ以上約１０μｍ以下の長さを有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の平面光学素子。
【請求項５】
前記第１のフィルム層（２１）が、ナノ粒子を追加的に含むことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の平面光学素子。
【請求項６】
前記ナノ粒子が、ＴｉＯ２及び／又はＺｎＯ及び／又はＳｉＯ２を含み又はそれのみからなることを特徴とする、請求項５に記載の平面光学素子。
【請求項７】
前記第１のフィルム層における前記フォトニックコンポーネント（４）が、少なくとも１つの導波路（４１）及び／又は少なくとも１つのカプラ（４２）及び／又は少なくとも１つのアレイ導波路回折格子（４３）及び／又は少なくとも１つのファイバ・ブラッグ・グレーティング（４４）及び／又は少なくとも１つの光ファイバセンサ（４５）から選択されることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の平面光学素子。
【請求項８】
第１の面（２３１）及び反対側の第２の面（２３２）を有する第３のフィルム層（２３）を更に含み、前記第３のフィルム層（２３）が、少なくともサブ領域（２２５）にナノワイヤ（３）を含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の平面光学素子。
【請求項９】
前記ナノワイヤ（３）が、予め設定可能な向きを有することを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の平面光学素子。
【請求項１０】
第１の屈折率（ｎ１）を有する第１の材料で製造される少なくとも１つのコア（４１１）と、前記コアを囲み且つ第２の屈折率（ｎ２）を有する第２の材料で製造されるクラッド（４１２）とを含む少なくとも１つの導波路（４１）を含み、少なくとも１つのファイバ・ブラッグ・グレーティング（４４）が前記コア（４１１）に挿入されるセンサ素子において、前記センサ素子が、少なくとも１つのポリマーを含み又はそれのみからなる基板（２）に配置され、前記基板（２）が少なくとも、第１の面（２１１）及び反対側の第２の面（２１２）を有する１つの第１のフィルム層（２１）と、第１の面（２２１）及び反対側の第２の面（２２２）を有する第２のフィルム層（２２）とを含み、前記第２のフィルム層（２２）の前記第１の面（２２１）が、前記第１のフィルム層（２１）の前記第２の面（２１２）に配置され、前記クラッド（４１２）が、前記第１のフィルム層（２１）の一部であり、前記コア（４１１）が、前記第１のフィルム層（２１）に挿入され、少なくとも前記第２のフィルム層（２２）が、少なくともサブ領域（２２５）にナノワイヤ（３）を含むことを特徴とするセンサ素子。
【請求項１１】
更に少なくとも１つの更なる導波路（４１）及び／又は少なくとも１つのカプラ（４２）及び／又は少なくとも１つのアレイ導波路回折格子（４３）及び／又は少なくとも１つのファイバ・ブラッグ・グレーティング（４３）が、前記第１のフィルム層（２１）に配置されていることを特徴とする、請求項１０に記載のセンサ素子。
【請求項１２】
前記ナノワイヤ（３）が、酸化亜鉛及び／又はカーボンナノチューブを含み又はそれのみからなることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載のセンサ素子。
【請求項１３】
前記ナノワイヤ（３）が、約１００ｎｍ以上約１０００ｎｍ以下の直径を有することを特徴とする、請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載のセンサ素子。
【請求項１４】
前記ナノワイヤが、約１μｍ以上約１０μｍ以下の長さを有することを特徴とする、請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載のセンサ素子。
【請求項１５】
前記第１のフィルム層（２１）が、ナノ粒子を追加的に含むことを特徴とする、請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載のセンサ素子。
【請求項１６】
前記ナノ粒子が、ＴｉＯ２及び／又はＺｎＯ及び／又はＳｉＯ２を含み又はそれのみからなることを特徴とする、請求項１５に記載のセンサ素子。
【請求項１７】
第１の面（２３１）及び反対側の第２の面（２３２）を有する第３のフィルム層（２３）を更に含み、前記第３のフィルム層（２３）が、少なくともサブ領域（２２５）にナノワイヤ（３）を含む、請求項１０乃至１６のいずれか一項に記載のセンサ素子。
【請求項１８】
前記ナノワイヤ（３）が、予め設定可能な向きを有することを特徴とする、請求項１０乃至１７のいずれか一項に記載のセンサ素子。
【請求項１９】
平面光学素子（１）又はセンサ素子を製造するための方法であって、
第１の面（２１１）及び反対側の第２の面（２１２）を有する第１のフィルム層（２１）を設けるステップと、
第１の面（２２１）及び反対側の第２の面（２２２）を有する第２のフィルム層（２２）を設けるステップであって、前記第２のフィルム層（２２）が、少なくともサブ領域（２２５）にナノワイヤ（３）を含むステップと、
前記第２のフィルム層（２２）の前記第１の面（２２１）を前記第１のフィルム層（２１）の前記第２の面（２１２）に接続するステップと、
レーザ照射を用いる材料の改質及び／又はナノプリント及び／又はフォトリソグラフィによって、少なくとも１つのフォトニックコンポーネント（４）を前記第１のフィルム層（２１）に製造するステップと、
を含む方法。
【請求項２０】
第１の面（２３１）及び反対側の第２の面（２３２）を有する第３のフィルム層（２３）を設けるステップであって、前記第３のフィルム層（２３）が、少なくともサブ領域（２２５）にナノワイヤ（３）を含むステップと、
前記第３のフィルム層（２３）の前記第１の面（２３１）を、前記第２のフィルム層（２２）の前記第２の面（２２２）にラミネートするステップと、
を更に含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１のフィルム層（２１）における前記フォトニックコンポーネント（４）が、少なくとも１つの導波路（４１）及び／又は少なくとも１つのカプラ（４２）及び／又は少なくとも１つのアレイ導波路回折格子（４３）及び／又は少なくとも１つのファイバ・ブラッグ・グレーティング（４４）及び／又は少なくとも１つの光ファイバセンサ（４５）から選択されることを特徴とする、請求項１９又は２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１のフィルム層（２１）の前記第２の面（２１２）への、前記第２のフィルム層（２２）の前記第１の面（２２１）の接合が、接着、溶着、又はラミネートによって達成されることを特徴とする、請求項１９乃至２１のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つのポリマーを含み又はそれのみからなる少なくとも１つの基板に配置された少なくとも１つのフォトニックコンポーネントを含む平面光学素子に関する。更に、本発明は、第１の屈折率を有する第１の材料で製造される少なくとも１つのコアと、コアを囲み且つ第２の屈折率を有する第２の材料で製造されるクラッドとを有する少なくとも１つの導波路を含み、少なくとも１つのファイバ・ブラッグ・グレーティングがコアに挿入されるセンサ素子に関する。最後に、本発明は、かかる平面光学素子又はセンサ素子を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度及び／又は機械的ストレスを検出するために複数のファイバ・ブラッグ・グレーティング（fiber Bragg grating）を有する光ファイバセンサを使用することが、国際公開第２０１１／０８９２４４  Ａ２から周知である。ファイバ・ブラッグ・グレーティングによって反射された光は、分光計によって同定され、この分光計は、平面光学フィルタ素子としてシリコン基板上に配置することができる。しかしながら、シリコン基板上に平面光学フィルタ素子を製造することに伴う大きな費用が欠点である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０８９２４４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この先行技術に基づいて、従って本発明の目的は、コスト効率が良く単純な方法で多量に製造できる、且つ更なるコンポーネント及び／若しくは部品に容易に集積できるセンサ素子及び／又は平面光学フィルタ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、この目的は、請求項１に記載の平面光学素子、請求項１０に記載のセンサ素子、及び請求項１９に記載の方法によって達成される。
【０００６】
少なくとも１つのフォトニックコンポーネントを支持体又は基板に集積することが、本発明に従って提案される。フォトニックコンポーネントは、例えば受動光学コンポーネントとすることができる。本発明の幾つかの実施形態において、受動光学コンポーネントは、導波路、ファイバ・ブラッグ・グレーティング、カプラ、又はアレイ導波路回折格子（arrayed waveguide grating）から選択することができる。平面光学素子及び／又は提案されるセンサ素子は、少なくとも１つのかかるフォトニックコンポーネントを含む。本発明の幾つかの実施形態において、複数の機能又は少なくとも１つの複合機能を実行できる集積フォトニックコンポーネントをもたらすために、複数のフォトニックコンポーネントを基板上に集積することがまた可能である。本発明の幾つかの実施形態において、フォトニックコンポーネントは、複数のチャネル用の分光計とすることができ、従って、入射光の強度は、予め設定可能なスペクトル範囲において測定することができる。かかる分光計は、例えば、光ファイバセンサシステムの選択のために、信号選択のために、又は光通信工学における信号生成のために用いることができる。
【０００７】
ここで、基板として多層ポリマー材料を用いることが、本発明に従って提案される。このポリマー材料は、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、及び／又はポリイミドを含み又はそれのみからなることができる。基板は、第１の面及び反対側の第２の面を有する第１の層と、第１の面及び反対側の第２の面を有する少なくとも第２の層と、を含む。両方の層は、第１の層の第２の面に第２の層の第１の面を配置するために、しっかりした接着法で、例えば接合、溶着、又はラミネートによって互いに接続される。フォトニックコンポーネントは、第１の層に配置され、且つ例えば、印刷方式によって、フォトリソグラフィパターニングによって、又はレーザ照射を用いた材料の改質（modification）によって製造することができる。後者の場合に、材料の改質は、フェムト秒レーザパルスによって有利に用いることができる。第１の層における光散乱又は屈折に起因する損失を最小化するために、第１の層は、フォトニックコンポーネントが配置される少なくともサブ領域において、混在物（inclusion）も不均質材料も有しない。しかしながら、これは、比較的大きな熱膨脹係数に帰着し、従って温度の変化は、フォトニックコンポーネントのサイズを変化させる。これは、少なくとも１つのフォトニックコンポーネントの光学特性を変化させる可能性がある。
【０００８】
ここで、温度関連の膨張を補償するために、基板の第２の層をナノワイヤで補強することが、本発明に従って提案される。ナノワイヤは、共押し出し（co-extrusin）によって、ラミネートによって、ゾルゲル法によって、又は本明細書で特定されない他の方法によって、第２の層に導入することができる。ナノワイヤは、材料における引張応力を吸収し打ち消すことができ、従って第２の層の温度膨張はそれ自体で、第１の層の温度膨張よりはるかに小さくなり得る。本発明の幾つかの実施形態において、第２の層は、幾つかの温度範囲において、負の温度係数を有することができる。即ち、熱膨張ではなく、第２の層は、温度の上昇と共に収縮する。
【０００９】
第１の層と第２の層との間の接合により、第２の層は、第１の層の温度膨張を補償又は少なくとも低減することができ、従って基板上のフォトニックコンポーネントは、少なくとも予め設定可能な温度範囲において、温度変化の場合にさえ適切に機能することができる。
【００１０】
本記載は、基板の構成要素として３つの層を説明するだけであるが、本発明の幾つかの実施形態において、利用可能な層の数はまた、より多くできることに留意されたい。例えば、基板において、多数のフォトニックコンポーネントをそれぞれの上に配置するために、複数の第１の層を設けることができる。本発明の他の実施形態において、一つの層は、多層系を形成するために複数の層から構成することができる。その結果、層の材料特性は、更により良い方法で、予め設定可能な公称値に適合させることができる。
【００１１】
本発明の幾つかの実施形態において、第２のフィルム層には、全面にわたってナノワイヤを設けることができ、従って基板は、全面にわたって、必要とされる小さな温度係数を有する。
【００１２】
本発明の他の実施形態において、フォトニックコンポーネントが許容できない大きな熱膨張から保護される表面領域をもたらすために、第２のフィルム層のサブ領域だけにナノワイヤを設けることができ、基板の他の表面領域は、異なる、通常はより大きな温度係数を有する。
【００１３】
本発明の幾つかの実施形態において、ナノワイヤは、酸化亜鉛及び／又は二酸化チタン及び／又はカーボンナノチューブを含み又はそれのみからなることができる。これらの材料は、一方では、基板の望ましい小さな温度膨張を保証するのに適しており、他方では、基板の製造用の従来のポリマー材料に容易に導入することができる。
【００１４】
本発明の幾つかの実施形態において、ナノワイヤは、湿式化学プロセスによって製造することができる。これは、ナノワイヤのコスト効率の良い大規模な製造を可能にする。
【００１５】
本発明の他の実施形態において、ナノワイヤは、プラズマから製造することができる。出現する非平衡条件の結果、従って熱力学的に安定でない材料からナノワイヤを加工することがまた可能である。
【００１６】
本発明の幾つかの実施形態において、ナノワイヤは、約１００ｎｍ以上約１０００ｎｍ以下の直径を有することができる。本発明の幾つかの実施形態において、ナノワイヤは、約１μｍ以上約１０μｍ以下の長さを有することができる。これらの寸法は、基板の熱膨張の十分な低減を達成でき、且つ同時にナノワイヤを容易に製造し容易に加工できるという意味でナノワイヤの価値を証明した。
【００１７】
本発明の幾つかの実施形態において、第１のフィルム層は、ナノ粒子及び／又はドーパントを含むことができる。かかるナノ粒子は、第１のフィルム層の予め設定可能な光学特性を達成するために、ドーパントに加えて又はその代替として用いることができる。本発明の幾つかの実施形態において、ナノ粒子及び／又はドーパントは、第１のフィルム層の屈折率を予め設定可能な値に適合させるために用いることができる。
【００１８】
本発明の幾つかの実施形態において、第１のフィルム層のサブ領域及び／又はフィルム層の部分体積（partial volume）だけに、ナノ粒子を設けることができる。これは、一定の空間領域における、且つ／又は一定のフォトニックコンポーネントにおける材料の光学特性の改良を可能にする。しかしながら、他のフォトニックコンポーネントを他の表面領域に配置することができ、今度は、この他の表面領域は、異なる光学特性を有する。
【００１９】
本発明の幾つかの実施形態において、第１のフィルム層は、二酸化チタン及び／又は酸化亜鉛及び／又は二酸化ケイ素を含み又はそれのみからなるナノ粒子を含むことができる。これらの材料が、容易に製造可能で、第１のフィルム層のポリマー材料において良く分散させることができ、且つまた予め設定可能な複数の波長及び／又は複数の波長領域の光学特性に対して好ましい影響を有し得ることを示すことが可能だった。
【００２０】
本発明の幾つかの実施形態において、第１のフィルム層は、約１０ｎｍ以上約５００ｎｍ以下の直径を有し、又は約１００ｎｍ以上約８００ｎｍ以下の直径を有するナノ粒子を含むことができる。
【００２１】
本発明の幾つかの実施形態において、平面光学素子は、第１の面及び反対側の第２の面を有する第３のフィルム層を含むことができ、第３のフィルム層は、少なくともサブ領域にナノワイヤを含む。第３のフィルム層の第１の面は、例えば、接着、溶着、又はラミネートによって、全領域にわたって第２のフィルム層の第２の面に接続することができる。本発明の幾つかの実施形態において、これは、更なる改善された安定性に、例えば熱膨張及び／又は基板に対する機械的ストレスの衝撃によるフォトニックコンポーネントの被影響性の低減につながる。
【００２２】
本発明の幾つかの実施形態において、ナノワイヤは、予め設定可能な向きを有する。かかる向きは、例えば電界及び／又は磁界を印加することによって達成でき、その結果、ナノワイヤは、ポリマー材料が凝固する前に、所望の方向に自ら向く。本発明の幾つかの実施形態において、ナノワイヤの向きは、２０°未満、１５°未満、５°未満、又は３°未満だけ所望の向きと異なることができる。その結果、異方性熱膨張特性を示す基板を提供することができる。
【００２３】
本発明の幾つかの実施形態において、第３のフィルム層におけるナノワイヤの向きは、第２のフィルム層におけるナノワイヤの向きと異なることができる。本発明の幾つかの実施形態において、第３のフィルム層及び第２のフィルム層のナノワイヤは、ほぼ直交するように配置することができる。これは、積層材又は合板のように複数の層の異なる膨張特性を組み合わせる特に安定した基板を提供する。
【００２４】
幾つかの実施形態において、平面光学素子は、少なくとも１つの導波路を有する光ファイバセンサを含むことができ、導波路は、今度は、第１の屈折率を有する第１の材料から形成される少なくとも１つのコアと、該コアを囲み且つ第２の屈折率を有する第２の材料から形成されるクラッドとを含む。このような方法により、光波を、第１の材料と第２の材料との間の界面で全反射させることができ、従って、光パワーは、コア内を導波される。少なくとも１つのファイバ・ブラッグ・グレーティング（fiber Bragg grating）をコアに挿入することができる。ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、結合された光パワーの一部を反射し、他の部分は透過させる。反射光の波長及び／又は波長分布は、ファイバ・ブラッグ・グレーティングの格子定数に依存する。格子定数は、今度は、ファイバ・ブラッグ・グレーティングの製造において元々意図された格子定数、並びに熱膨張及び／又は機械的ストレスによる格子定数の変化によって決定される。従って、反射光のスペクトル分布の分析によって複数のファイバ・ブラッグ・グレーティングの１つを選択すること、並びにこのファイバ・ブラッグ・グレーティングの位置における支配的な温度及び／又は力を判定することが可能である。
【００２５】
かかるセンサ素子を基板上に導入することによって、選択のために必要な分光計及びセンサ素子の両方を集積する部分を設けることが可能である。１つ又は複数のセンサは、力又は温度の領域検出を可能にするために、比較的大きい領域を覆ってもよい。使用のために、基板は、単に、監視される部分に接着されるか又は監視される部分にラミネートされなければならないだけである。
【００２６】
本発明の幾つかの実施形態において、センサが設けられる部分は、バッテリ又はバッテリハウジングとすることができる。本発明の他の実施形態において、監視される部分は、機械的コンポーネント、例えば、航空機の風力タービンのブレード、翼、エンジンナセル若しくは胴体、タイヤ、又は繊維補強プラスチック材料、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂若しくはゴムのここでは言及されない別の部分とすることができる。提案されるセンサ素子は、一次成形中に特に容易な方法で、これらの材料系に埋め込むことができる。
【００２７】
本発明は、一般的な発明概念を限定せずに、図面によって以下でより詳細に説明されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の実施形態による平面光学素子を示す。
【図２】図２は、本発明の実施形態によるセンサ素子を示す。
【図３】図３は、センサ素子を有するバッテリハウジングを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、本発明の実施形態による平面光学素子１を示す。示された例示的な実施形態において、平面光学素子は、第１の層２１、第２の層２２、及び第３の層２３から構成された基板２を有する。第１の層２１、第２の層２２、及び第３の層２３は全て、基材としてポリマーを含む。第１の層２１において、少なくともサブ領域及び／又は部分体積には、例えば、ＴｉＯ２を含むナノ粒子を設けることができる。従って、第１の層２１の光学特性は影響され得る。
【００３０】
第２の層２２及び第３の層２３は、基材に加えてナノワイヤ３を含む。ナノワイヤ３は、好ましい方向を備えて各層に導入される。即ち、個々のナノワイヤ３の縦伸び（longitudinal extension）は、互いにほぼ平行に、且つ予め設定可能な所望の方向とほぼ平行に延びる。
【００３１】
基板２を通る断面図によって示されているように、第１の層２１の第１の面２１１は、基板２の表面を形成する。第１の層２１の第２の面２１２は、第２の層２２の第１の面２２１上に配置される。界面は、溶着、接着又はラミネートによって、全領域にわたって接続することができる。同様に、第２の層２２の第２の面２２２は、第３の層２３の第１の面２３２上に配置される。同様に、全領域にわたるしっかりした接着接続を、この界面に沿って提供することができる。第３の層２３の第２の面２２３は、基板２の底面を形成する。同様に断面図に略図で描かれているように、ナノワイヤ３の縦伸びは、第３の層２３のナノチューブ３の縦伸びとほぼ直角に、第２の層２２において延びる。こうして、機械的安定化及び／又は熱膨張に対する安定化が、両方の空間方向において得られ、従って、熱膨張又は力の印加による、基板２上のフォトニックコンポーネント４に対する衝撃は、ほとんど存在しない。
【００３２】
ナノワイヤ３は、全領域にわたって基板２に配置することができ、従って、基板全体２は、熱膨張に無感応である。即ち、温度に依存する、長さ及び／又は幅における小さな変化があるだけである。第１の層２１、第２の層２２、及び第３の層２３は、全て、約２５μｍ以上約２５０μｍ以下又は約５０μｍ以上約１２５μｍ以下の厚さを有することができる。層２１、２２、又は２３の少なくとも１つは、押し出し成形、圧延、又は湿式化学堆積によって製造することができる。
【００３３】
アレイ導波路回折格子４３が、フォトニックコンポーネント４の例として示されている。アレイ導波路回折格子は、光学マイクロ分光計として用いることができる。即ち、異なる波長の入力信号が、異なる出力位置に現れる。
【００３４】
光入力信号は、光導波路５０によって平面光学素子１に供給され、光導波路５０には、任意選択の光プラグインコネクタ５１を設けることができる。入力信号は、導波路５０を介して集積導波路４１に伝達される。導波路４１は、アレイ導波路回折格子４３の自由伝搬領域４３１に入力信号を導波する。自由伝搬領域４３１は、ほぼ三角形のベース領域を有する。
【００３５】
複数の導波路４３２が、自由伝搬領域４３１の端部に装着される。導波路４３２は、異なる長さを有し、且つ伝搬領域４３１から、異なる波長が干渉させられる干渉領域４３３へ光入力信号を導波する。干渉パターンが、干渉領域４３１の出力部において形成され、異なる波長は、異なる位置に現れる。
【００３６】
平面光学素子の出力部に出力信号を搬送する更なる導波路が、干渉最大値のそれぞれに配置される。
【００３７】
アレイ導波路回折格子４３の個々のコンポーネントは、例えば、ナノプリント法によって、第１の層２１に導入することができる。本発明の他の実施形態において、コンポーネントは、レーザを用いた材料の改質又は従来のフォトリソグラフィによって、第１の層２１に製造することができる。
【００３８】
従来のポリマー基板は、アレイ導波路回折格子４３の幾何的寸法を変更するように温度が変化する場合に、拡張又は収縮することになろう。これは、アレイ導波路回折格子４３の能力を低下させることになろう。基板２の十分な機械的安定化は、ナノワイヤ３による基板の独創的な補強によって達成することができ、ナノワイヤ３は、第２の層２２及び任意選択の第３の層２３に配置され、従って、アレイ導波路回折格子４３は、十分な能力、又は変動する温度の場合にさえ周知のポリマー基板と比較して改善された能力を常に示す。同時に、ポリマー材料で製造された基板２は、コスト効率の良い方法で非常に大きな基板さえ製造できるという、周知のシリコン基板に勝る利点を有し、従って、大きなフォトニックコンポーネント又は多くのフォトニックコンポーネントが、コスト効率の良い方法で製造され得る。比較的大きな寸法を有するアレイ導波路回折格子は、例えば、４００ＧＨｚ超、６００ＧＨｚ超、又は１ＴＨｚ超である改善されたチャネル距離を有することができる。
【００３９】
アレイ導波路回折格子４３用に図１に示されているのと同じ方法で、追加又は他のフォトニックコンポーネントが、基板２上に配置され得る。例えば、カプラ、ファイバ・ブラッグ・グレーティング、光ファイバセンサ、又はそれらに由来する導波路及び素子が、第１の層２１に製造され得る。
【００４０】
図２は、基板２上に配置されたセンサ素子の例示的な実施形態を示す。基板２は、図１によって既に上記で説明されたように、少なくとも２つの層で構成することができる。図２による例示的な実施形態において、基板２は、ナノワイヤ３によって補強されたサブ領域２２５を有する。概観するために、幾つかのナノワイヤ３及びそれらの向きだけが示されている。しかしながら、もちろん、ナノワイヤ３は、全サブ領域２２５を占めることができ、且つ１つ又は複数の層において幾つかの異なる向きに配置することができる。本質的なことは、単に、少なくとも１つの温度範囲に対して、ナノワイヤ３によって十分に小さな拡張が達成され、従って、表面領域２２５に配置されたコンポーネントが、力の印加及び／又は温度変動によって、許容できないほどは影響されないということである。
【００４１】
基板２の残りの表面領域には、光ファイバセンサ４５ａ、４５ｂ、及び４５ｃが設けられる。本発明は、ちょうど３つの光ファイバセンサ４５の使用を教示するものではない。それぞれ選択される数は、いくぶん多くても少なくても良く、例えば１以上約５０以下とすることができる。
【００４２】
光ファイバセンサ４５のそれぞれは、コア４１１を有し、コア４１１の屈折率は、基板２の第１の層２１の屈折率より大きい。その結果、光は、導波路４１が得られるようにコア４１１内を導波する。示された例示的な実施形態において、導波路は、直線に配置される。もちろん、少なくとも１つの導波路４１の曲がりくねった又は螺旋状の配置を実現することもまた可能である。
【００４３】
少なくとも１つのファイバ・ブラッグ・グレーティング４４が、導波路４１のコア４１１に配置される。示された例示的な実施形態において、各コア４１は、７つのファイバ・ブラッグ・グレーティング４４を有する。本発明の他の実施形態において、数は、より多くか又は少なくすることができる。更に、異なる数のファイバ・ブラッグ・グレーティング４４が、異なる導波路４１に配置され得る。
【００４４】
光導波路４１及び／又はファイバ・ブラッグ・グレーティング４４は、基板２におけるレーザ材料加工及び／又はナノプリントによって製造することができる。
【００４５】
基板２が、光ファイバセンサ４５の領域に安定化ナノワイヤを含まないので、ファイバ・ブラッグ・グレーティング４４の格子定数は、力の印加及び／又は温度に基づいて変化する。その結果、それぞれの格子４０によって反射されるスペクトルは変化する。
【００４６】
ファイバ・ブラッグ・グレーティング４４によってそれぞれ反射された光は、表面領域２２５に配置された分光計によって分析される。任意選択のプラグインコネクタ５１を有する終端導波路５０が、光信号４５の生成に役立つ。スーパールミネッセンスダイオード又は波長可変半導体レーザの光が、前記プラグインコネクタを介して供給され得る。光は、２つのカプラ４２ａ及び４２ｂによって３つの光路に分割され、前記光路のそれぞれは、光ファイバセンサ４５に接続される。
【００４７】
ファイバ・ブラッグ・グレーティング４４によって反射された光は、更なるカプラ４２ｃ、４２ｄ及び４２ｅを介して、３つのアレイ導波路回折格子４３ａ、４３ｂ及び４３ｃに導波される。それらは、出力導波路４３５において光信号を供給する。前記信号は、例えばＣＣＤ線又はフォトダイオードアレイを介して、電気信号に変換することができる。従って、光信号の大きさは、それぞれのファイバ・ブラッグ・グレーティング４４によって反射された光の強度の尺度、並びに従ってそれぞれの格子４４の位置で支配的な温度及び／又は力の尺度である。同じ温度が、領域２２５に加えられた場合に、分光計は、やはり実質的に影響されないままである。何故なら、ナノワイヤ３が、基板２のこのサブ領域を機械的に安定させるからである。
【００４８】
従って、本発明は、基板２上における光ファイバセンサ及び関連する信号選択の集積を初めて開示する。
【００４９】
図３は、図２のセンサ素子及び／又は図１による平面光学素子の可能な使用を示す。図３は、予め設定可能な電圧及び／又は予め設定可能な電流供給能力を有するバッテリを提供するために複数のバッテリセルを含むことができるバッテリハウジング６を示す。バッテリハウジング６の外側は、少なくとも２つの端子接点６１及び６２を有し、これらの端子接点６１及び６２介して、電流を引き出すことができ、又は充電電流をバッテリに供給することができる。
【００５０】
ハウジング６におけるバッテリセルの温度を監視するために、図２によって上記で説明されたように、各場合に複数のファイバ・ブラッグ・グレーティング４４を含む光ファイバセンサ４５を設けることが可能である。バッテリハウジング６は、この点で相応して設計することができ、従って、バッテリセルの温度は、ファイバ・ブラッグ・グレーティング４４のそれぞれの位置で判定することができる。光ファイバセンサ４５は、キャリア（基板）２上に形成され、キャリア２は、バッテリハウジング６に接着されるか又はバッテリハウジング６の材料に埋め込まれる。
【００５１】
上記で説明したように、基板２は、ナノワイヤ３によって安定化された表面領域２２５を有する。この領域は、アレイ導波路回折格子４３の形をした平面光学分光計を含む。上記のように、アレイ導波路回折格子４４のそれぞれの格子定数の調査用の光は、導波路４１及びカプラ４２を介して供給することができる。従って、提案されるセンサ素子は、複数のバッテリセルの温度を監視するために、光源及び電子評価回路の接続を必要とするだけである。選択のために必要とされるセンサ素子及び分光計は、ハウジング６の材料内の基板２上に埋め込むことができる。これは、車両に生じ得るような厳しい動作条件でさえ、どんな損失もなしに乗り切る機械的に堅牢な設計を提供する。更に、使用される材料は、コスト効率の良い方法で製造することができる、従って、どんな問題もなしに大量市場での使用を可能にする。
【００５２】
もちろん、本発明は、図面に示されている実施形態に限定されない。上記の説明は、限定的ではなく説明的なものと見なされるべきである。異なる例示的な実施形態の特徴は、互いに組み合わせることができる。添付の特許請求の範囲は、言及された特徴が、本発明の少なくとも一実施形態に存在するというような方法で理解されるべきである。これは、更なる特徴の存在を排除しない。特許請求の範囲及び上記の説明が、「第１の」及び「第２の」特徴を定義する場合に、この指示は、順序を確立せずに、２つの類似の特徴を識別するために働く。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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