(57)【要約】【課題】本発明は、導波路を利用して液体濃度を測定する方法に関するものであって、測定対象の液体濃度を精度よく測定し、また複数の溶質に対しても波長特性データ等を基に多変量解析を適用してそれぞれの濃度の決定を可能とする液体濃度測定方法を提供することを目的とする。【解決手段】上記目的を達成するために、本発明では、導波路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぎ、導波路と当該液体との屈折率の差によって生じる光損失又は屈折率差と液体の吸収特性とによって生じる光損失を測定することによって、当該液体の濃度を求めることを基本とし、さらに、光損失の波長特性を測定することによって一層の測定精度の向上を図り、また多変量解析を適用して複数の溶質に対しても濃度の分離決定を可能とする。【選択図】  図３
2005003636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１本の入力用チャネル導波路と、該入力用チャネル導波路に接続される第一のスラブ導波路と、該第一のスラブ導波路に接続され所定の導波路長差を有する複数の導波路からなるアレイ導波路と、該アレイ導波路に接続される第二のスラブ導波路と、該第二のスラブ導波路の端面に沿って移動させる光ファイバと、を備えるアレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぐ第一のステップと、該光ファイバを該第二のスラブ導波路の出力端面に沿って移動させて、該入力用チャネル導波路から入力した光で該測定対象の液体の波長特性を測定する第二のステップと、を含む液体濃度測定方法。
【請求項２】
少なくとも１本の入力用チャネル導波路と、該入力用チャネル導波路に接続される第一のスラブ導波路と、該第一のスラブ導波路に接続され所定の導波路長差を有する複数の導波路からなるアレイ導波路と、該アレイ導波路に接続される第二のスラブ導波路と、該第二のスラブ導波路に接続される光ファイバアレイと、を備えるアレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぐ第一のステップと、該光ファイバアレイの光出力をスキャンして、該入力用チャネル導波路から入力した光で該測定対象の液体の波長特性を測定する第二のステップと、を含む液体濃度測定方法。
【請求項３】
少なくとも１本の入力用チャネル導波路と、該入力用チャネル導波路に接続される第一のスラブ導波路と、該第一のスラブ導波路に接続され所定の導波路長差を有する複数の導波路からなるアレイ導波路と、該アレイ導波路に接続される第二のスラブ導波路と、該第二のスラブ導波路に接続される受光素子アレイと、を備えるアレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぐ第一のステップと、該受光素子アレイの出力をスキャンして、該入力用チャネル導波路から入力した光で該測定対象の液体の波長特性を測定する第二のステップと、を含む液体濃度測定方法。
【請求項４】
少なくとも１本の入力用チャネル導波路と、該入力用チャネル導波路に接続される第一のスラブ導波路と、該第一のスラブ導波路に接続され所定の導波路長差を有する複数の導波路からなるアレイ導波路と、該アレイ導波路に接続される第二のスラブ導波路と、該第二のスラブ導波路に接続され複数の導波路からなる出力チャネル導波路と、を備えるアレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぐ第一のステップと、該出力チャネル導波路の光出力をスキャンして、該入力用チャネル導波路から入力した光で該測定対象の液体の波長特性を測定する第二のステップと、を含む液体濃度測定方法。
【請求項５】
さらに、既知の濃度を有する液体の波長特性と比較することによって該測定対象の液体濃度を求める第三のステップを含むことを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかの液体濃度測定方法。
【請求項６】
前記スリットが前記入力用チャネル導波路の光路に設けられていることを特徴とする請求項１から５に記載のいずれかの液体濃度測定方法。
【請求項７】
前記スリットが前記第一のスラブ導波路の光路に設けられていることを特徴とする請求項１から５に記載のいずれかの液体濃度測定方法。
【請求項８】
前記スリットが前記アレイ導波路の光路に設けられていることを特徴とする請求項１から５に記載のいずれかの液体濃度測定方法。
【請求項９】
前記スリットが前記第二のスラブ導波路の光路に設けられていることを特徴とする請求項１から５に記載のいずれかの液体濃度測定方法。
【請求項１０】
前記スリットが前記出力チャネル導波路の光路に設けられていることを特徴とする請求項４又は５に記載の液体濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波路を利用して液体濃度を測定する方法に関する。特に、比較法により液体濃度を精度良く測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の液体濃度測定方法を図１に示す。図１は、プリズム上に滴下した測定対象の液体に対して、屈折率によって全反射する角度が異なることを利用して屈折率を測定する装置の構成である（例えば、特許文献１参照。）。図１において、８１は半導体レーザ、８２はフォトセンサ、８３はプリズム、８４は測定光、８５は測定対象の液体である。
【０００３】
図１において、半導体レーザ８１から出射した測定光８４は、プリズム８３に入射し、プリズム８３の上面に滴下した測定対象の液体８５に向かう。測定光８４は、プリズム８３と測定対象の液体８５との界面で反射されるが、所定の角度より大きい入射角で入射されると全反射することになる。全反射する角度は、プリズム８３と測定対象の液体８５の屈折率によって決まる。全反射する角度よりも大きい入射角でプリズム８３と測定対象の液体８５との界面に入射すると、全反射されてフォトセンサ８２で受光される。全反射する角度よりも小さい入射角でプリズム８３と測定対象の液体８５との界面に入射すると、一部は測定対象の液体８５に出射して散乱される。
【０００４】
測定対象の液体８５の屈折率によって全反射する測定光８４の割合が定まることになる。従って、フォトセンサ８２で受光する光量を測定すると、測定対象の液体８５の屈折率を測定することができる。液体の濃度と屈折率は所定の関係を有することから、液体の屈折率を測定することによって、液体の濃度を求めることが可能になる。
【０００５】
しかし、このような方法では、測定対象の液体に入射した光が、再度液面で反射されてフォトセンサで受光されるなどして、測定対象の液体の屈折率を精度よく測定することが困難である。さらに、プリズムの屈折率より大きい液体の屈折率を測定することができず、このためプリズムの屈折率に近い液体の屈折率の測定精度が悪くなる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−５１８６１号公報  （第（４）頁、第２図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題を解決するために、測定対象の液体濃度を精度よく測定し、波長特性等の多変量解析を可能とする液体濃度測定方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【発明の開示】
前述した目的を達成するために、本発明では、導波路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぎ、導波路と当該液体との屈折率の差によって生じる光損失を測定することによって、当該液体の濃度を求めることを基本とし、また、導波路と当該液体との屈折率の差及び液体の吸収特性によって生じる光損失を測定することによって、精度良く当該液体の濃度を求める。さらに、光損失の波長特性を測定することによって一層の測定精度の向上を図ることにより解決する。
【０００９】
本発明の動作原理を図２に示す。図２において、２０はスリット、３１は入力光、３２、３３は導波路、３４は波長分波器、３５は分波光である。導波路３２に入力された入力光３１は導波路３２を伝搬し、スリット２０に注がれた測定対象の液体に入射する。導波路３２から測定対象の液体に入射する際に、（１）式で表される光損失Ｔを受ける。
Ｔ＝４ｎ１ｎ２／（ｎ１＋ｎ２）２      （１）
ここで、導波路３２の屈折率をｎ１、測定対象の液体の屈折率をｎ２とする。また、導波路３２から測定対象の液体に入射する際に、導波路３２から測定対象の液体への入射角θ１に対して、測定対象の液体での出射角θ２は、（２）式で表される。
ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２        （２）
出射角θ２が入射角θ１よりも大きくなると、測定対象の液体から導波路３３へ結合しない光があるため、光損失が生じる。さらに、測定対象の液体から、導波路３３に入射する際にも、（１）式で表される光損失Ｔを受ける。
【００１０】
従って、（１）、（２）式から算出される光損失を測定することによって、測定対象の液体の屈折率を測定することができる。前述したように、液体の濃度と屈折率は所定の関係を有することから、液体の屈折率を測定することによって、液体の濃度を求めることが可能になる。
【００１１】
さらに、既知の屈折率の液体で導波路３２から導波路３３への光損失を測定しておき、測定対象の液体をスリット２０に注いで光損失を測定して相対比較すれば、測定対象の液体の屈折率を精度よく測定することができる。この結果、測定対象の液体の屈折率から、当該液体の濃度を精度良く求めることができる。
【００１２】
ここで、スリット２０に注がれた測定対象の液体の吸収による光損失が、導波路と測定対象の液体との屈折率差によって生じる光損失と比較して無視できない場合は、液体の吸収による光損失も加わる。測定対象の液体における吸収係数はＬａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ則により液体の濃度に比例する。つまり、導波路３２から導波路３３への光損失は、導波路と測定対象の液体との屈折率差に基づく光損失及び測定対象の液体の吸収による光損失の合計となる。
【００１３】
従って、既知の屈折率及び吸収係数の液体で導波路３２から導波路３３への光損失を測定しておき、測定対象の液体をスリット２０に注いで光損失を測定して相対比較すれば、測定対象の液体の濃度を求めることができる。
【００１４】
屈折率の測定や濃度を求める際に、導波路３３の先に設けた波長分波器３４により、光損失の波長特性を測定すると、一層の解析精度の向上が期待できる。図２において、導波路３３からの光を波長分波器３４で分波して、分波光３５を得る。分波光３５は波長ごとに分波されているため、それぞれの分波光の光出力をスキャンすれば、光損失の波長特性を測定することができる。
【００１５】
さらに、複数の溶質を含む液体の光損失の波長特性を測定し、多変量解析を行うことによって複数の溶質に対しても個別の濃度を分離決定できる。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記発明に基づき、本願第一発明は、少なくとも１本の入力用チャネル導波路と、該入力用チャネル導波路に接続される第一のスラブ導波路と、該第一のスラブ導波路に接続され所定の導波路長差を有する複数の導波路からなるアレイ導波路と、該アレイ導波路に接続される第二のスラブ導波路と、該第二のスラブ導波路の端面に沿って移動させる光ファイバと、を備えるアレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぐ第一のステップと、該光ファイバを該第二のスラブ導波路の出力端面に沿って移動させて、該入力用チャネル導波路から入力した光で該測定対象の液体の波長特性を測定する第二のステップと、を含む液体濃度測定方法である。
【００１７】
本願第二発明は、少なくとも１本の入力用チャネル導波路と、該入力用チャネル導波路に接続される第一のスラブ導波路と、該第一のスラブ導波路に接続され所定の導波路長差を有する複数の導波路からなるアレイ導波路と、該アレイ導波路に接続される第二のスラブ導波路と、該第二のスラブ導波路に接続される光ファイバアレイと、を備えるアレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぐ第一のステップと、該光ファイバアレイの光出力をスキャンして、該入力用チャネル導波路から入力した光で該測定対象の液体の波長特性を測定する第二のステップと、を含む液体濃度測定方法である。
【００１８】
本願第三発明は、少なくとも１本の入力用チャネル導波路と、該入力用チャネル導波路に接続される第一のスラブ導波路と、該第一のスラブ導波路に接続され所定の導波路長差を有する複数の導波路からなるアレイ導波路と、該アレイ導波路に接続される第二のスラブ導波路と、該第二のスラブ導波路に接続される受光素子アレイと、を備えるアレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぐ第一のステップと、該受光素子アレイの出力をスキャンして、該入力用チャネル導波路から入力した光で該測定対象の液体の波長特性を測定する第二のステップと、を含む液体濃度測定方法である。
【００１９】
本願第四発明は、少なくとも１本の入力用チャネル導波路と、該入力用チャネル導波路に接続される第一のスラブ導波路と、該第一のスラブ導波路に接続され所定の導波路長差を有する複数の導波路からなるアレイ導波路と、該アレイ導波路に接続される第二のスラブ導波路と、該第二のスラブ導波路に接続され複数の導波路からなる出力チャネル導波路と、を備えるアレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぐ第一のステップと、該出力チャネル導波路の光出力をスキャンして、該入力用チャネル導波路から入力した光で該測定対象の液体の波長特性を測定する第二のステップと、を含む液体濃度測定方法である。
【００２０】
本願第五発明は、本願第一発明から第四発明において、さらに、既知の濃度を有する液体の波長特性と比較することによって該測定対象の液体濃度を求める第三のステップを含む液体濃度測定方法である。
【００２１】
本願第一発明から第五発明のいずれかにおいて、前記スリットが前記入力用チャネル導波路の光路に設けられてもよい。
【００２２】
本願第一発明から第五発明のいずれかにおいて、前記スリットが前記第一のスラブ導波路の光路に設けられてもよい。
【００２３】
本願第一発明から第五発明のいずれかにおいて、前記スリットが前記アレイ導波路の光路に設けられてもよい。
【００２４】
本願第一発明から第五発明のいずれかにおいて、前記スリットが前記第二のスラブ導波路の光路に設けられてもよい。
【００２５】
本願第四発明又は第五発明において、前記スリットが前記出力チャネル導波路の光路に設けられてもよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図３は本願発明の実施の形態を説明する図である。図３において、１０はアレイ導波路型波長分波器、１１は導波路基板、１２は入力チャネル導波路、１３は第一のスラブ導波路、１４はアレイ導波路、１５は第二のスラブ導波路、２１、２２、２３、２４はスリット、３１は入力光、３５は分波光、３６は光ファイバである。
【００２７】
図３を使用して本願発明の実施の形態を説明する。シリコンや石英からなる導波路基板１１上に入力チャネル導波路１２、第一のスラブ導波路１３、アレイ導波路１４、第二のスラブ導波路１５を形成する。入力チャネル導波路１２は、少なくとも１本を配置すればよい。スリット２１は、配置された入力チャネル導波路１２のチャネル導波路ごとに光路を横断するように設けられる。または、入力チャネル導波路１２が複数のチャネル導波路からなる場合は、そのうちの１のチャネル導波路にスリットを設けてもよいし、１本のスリットで総てのチャネル導波路を横断するように設けてもよい。第一のスラブ導波路１３は、入力チャネル導波路１２から入射された光をアレイ導波路１４の各チャネル導波路に分離する。スリット２２は第一のスラブ導波路１３を横断するように設けられる。アレイ導波路１４は複数のチャネル導波路からなり、各チャネル導波路は所定の長さだけ異なるように設計される。アレイ導波路１４を構成するチャネル導波路は波長分解能に合わせて所定の数の導波路が配置される。スリット２３は総てのチャネル導波路を横断するように設けられる。第二のスラブ導波路１５はアレイ導波路１４を構成するチャネル導波路の光路差によりチャネル導波路からの光を干渉させる。スリット２４は、第二のスラブ導波路１５を横断するように設けられる。
【００２８】
光ファイバ３６は第二のスラブ導波路１５の出力端面に配置される。第二のスラブ導波路１５の出力端面には、干渉により波長分離された光出力が得られる。光ファイバ３６を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って光ファイバ３６を移動させることにより、アレイ導波路型波長分波器１０を波長分波器として機能させることができる。アレイ導波路型波長分波器１０の光路を横断するスリットは、少なくともスリット２１、２２、２３、２４のいずれかが設けられていればよい。各スリット２１、２２、２３、２４は導波路の光路に直交するように配置することが望ましい。
【００２９】
本アレイ導波路型波長分波器を動作させるには、まず、入力チャネル導波路１２に入力光３１を入力する。複数の入力チャネル導波路１２が設けられている場合は、そのうちの１の入力チャネル導波路に入力する。入力光３１は、測定する波長領域にわたって、スペクトラムの広い光源からの出力であることが好ましい。１の光源でスペクトラムの広い出力が得られない場合は、複数の光源からの出力を合成してスペクトラムの広い出力としてもよい。スリット２１、２２、２３、２４のいずれかに注がれた測定対象の液体によって、光損失が生じる。スリット２１、２２、２３、２４のうち複数のスリットが設けられている場合に、複数のスリットに測定対象の液体を注いでもよいが、光損失の測定には１のスリットに測定対象の液体を注ぐことで足りる。
【００３０】
光ファイバ３６を第二のスラブ導波路の出力端面に沿って移動させると、測定対象の液体の光損失の波長特性を測定することができる。光ファイバ３６を任意の位置に移動させることができれば、波長分解能はアレイ導波路１４のチャネル導波路の本数によって制限されることになる。
【００３１】
スリットに測定対象の液体を注がない状態で測定した光損失の波長特性で、スリットに測定対象の液体を注いだ状態での光損失の波長特性を較正すると、正確な光損失の波長特性を算出することができる。また、既知の屈折率又は既知の濃度の液体をスリットに注いで光損失の波長特性を測定し、相対比較すれば、測定対象の液体の屈折率又は濃度を求めることができる。
【００３２】
スリット２１、２２、２３、２４の導波路の光路と交わる方向の長さを長くし、一方から濃度の異なる液体を注ぐことによって、濃度の時間変化や拡散状態を観測することもできる。スリット２３のように、アレイ導波路１４のそれぞれのチャネル導波路の位置と波長がフーリエ展開の関係にある場合は、測定対象の液体の波長特性の時間変化を観測することによって、チャネル導波路の位置に変換することができるため、濃度の時間変化や拡散状態を求めることができる。
【００３３】
従って、アレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぎ、光ファイバを第二のスラブ導波路の出力端面に沿って移動させて、該入力用チャネル導波路から入力した光で測定対象の液体の波長特性を測定することによって、測定対象の液体の屈折率又は濃度を精度良く求めることができた。
【００３４】
（実施例）
中心波長１５４５．４ｎｍ、アレイ導波路のチャネル導波路数８０、波長間隔０．４ｎｍのアレイ導波路型波長分波器を使用して、酢酸ナトリウム水溶液の濃度を求める実験を行った。
【００３５】
図３に示すアレイ導波路型波長分波器において、第一のスラブ導波路１３にのみ、スリット２２をダイシングにより形成した。光源には１５２５ｎｍから１６２５ｎｍの発光波長帯域を持つＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源を用いた。まず、このＡＳＥ光源からの光を入力光として、スリット２２に測定対象の液体を注がない状態でアレイ導波路型波長分波器１０の光損失の波長特性を測定した。波長特性を図４に示す。図４からも分かるように、周期的に現れる透過スペクトラムが重ならないのは１５２９ｎｍから１５７６ｎｍであり、また、ＡＳＥ光源からの光で良好な透過率の得られるのは１５３２ｎｍから１５６１ｎｍである。そこで、光ファイバ３６を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って移動させ、１５３２ｎｍから１５６１ｎｍまでの波長特性を測定した
【００３６】
測定対象の液体は、溶質として代表的な食品添加物である酢酸ナトリウム（化学式ＣＨ３ＣＯＯＮａ、分子量８２．００）を選定し、溶媒には純水を用いて重量パーセント濃度１．３２％、２．６３％、６．５８％、１３．２％の４種類の水溶液を調整した。各濃度における液温２１℃の場合の水溶液の屈折率は１．３３６、１．３３９、１．３４６、１．３５９である。
【００３７】
図４の波長特性で示されるスペクトラムのうち、１５３２ｎｍから１５５９ｎｍまでの範囲で３ｎｍ間隔の波長及び１５６０．５６ｎｍの波長の計１１チャネルの波長を使用し、酢酸ナトリウム水溶液をスリットに注いだときの透過率の濃度依存性を図５に示す。図５には、試料である測定対象の液体を注がないときの波長特性、純水を注いだときの波長特性も併せて示す。酢酸ナトリウムの濃度が増すほど屈折率が増加するため、透過率は増加する。さらに、使用した１１チャネルの波長における各濃度の水溶液の吸収係数はＬａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ則により水溶液濃度に比例するため、検量線を作成することが可能である。図６に検量線を示す。図６に示すグラフの縦軸は、各波長において、試料である測定対象の液体を注がないときの透過率で規格化している。
【００３８】
図６の検量線を用いて、重量パーセント濃度１０％の酢酸ナトリウム水溶液の波長特性を本方法により測定し、濃度を確認した。測定で得られた濃度は１０±０．２５％であった。その結果、２．５％の測定精度を達成できることが分かった。
【００３９】
（実施の形態２）
図７は本願発明の実施の形態を説明する図である。図７において、１０はアレイ導波路型波長分波器、１１は導波路基板、１２は入力チャネル導波路、１３は第一のスラブ導波路、１４はアレイ導波路、１５は第二のスラブ導波路、２１、２２、２３、２４はスリット、３１は入力光、３５は分波光、３７は光ファイバアレイである。
【００４０】
図７を使用して本願発明の実施の形態を説明する。図３に示す実施の形態１のアレイ導波路型波長分波器の構成との違いは、光ファイバアレイ３７を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置させ、アレイ導波路型波長分波器１０を波長分波器として機能させることである。光ファイバアレイ３７を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置することにより、光ファイバを移動させることなく、分波光３５が得られる。
【００４１】
図７において、光ファイバアレイ３７は第二のスラブ導波路１５の出力端面に配置される。第二のスラブ導波路１５の出力端面には、干渉により波長分離された光出力が得られる。光ファイバアレイ３７を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置することにより、アレイ導波路型波長分波器１０を波長分波器として機能させることができる。アレイ導波路型波長分波器１０の光路を横断するスリットは、少なくともスリット２１、２２、２３、２４のいずれかが設けられていればよい。各スリット２１、２２、２３、２４は導波路の光路に直交するように配置することが望ましい。
【００４２】
本アレイ導波路型波長分波器の動作も実施の形態１で説明したアレイ導波路型波長分波器とほぼ同じである。まず、入力チャネル導波路１２に入力光３１を入力する。複数の入力チャネル導波路１２が設けられている場合は、そのうちの１の入力チャネル導波路に入力する。入力光３１は、測定する波長領域にわたって、スペクトラムの広い光源からの出力であることが好ましい。１の光源でスペクトラムの広い出力が得られない場合は、複数の光源からの出力を合成してスペクトラムの広い出力としてもよい。スリット２１、２２、２３、２４のいずれかに注がれた測定対象の液体によって、光損失が生じる。スリット２１、２２、２３、２４のうち複数のスリットが設けられている場合に、複数のスリットに測定対象の液体を注いでもよいが、光損失の測定には１のスリットに測定対象の液体を注ぐことで足りる。
【００４３】
光ファイバアレイ３７の各光ファイバからの分波光３５をスキャンすると、測定対象の液体の光損失の波長特性を測定することができる。アレイ導波路１４のチャネル導波路の本数が十分であれば、波長分解能は光ファイバアレイ３７の光ファイバ間隔によって制限されることになる。
【００４４】
スリットに測定対象の液体を注がない状態で測定した光損失の波長特性で、スリットに測定対象の液体を注いだ状態での光損失の波長特性を較正すると、正確な光損失の波長特性を算出することができる。また、既知の屈折率又は既知の濃度の液体をスリットに注いで光損失の波長特性を測定し、相対比較すれば、測定対象の液体の屈折率又は濃度を求めることができる。
【００４５】
スリット２１、２２、２３、２４の導波路の光路と交わる方向の長さを長くし、一方から濃度の異なる液体を注ぐことによって、濃度の時間変化や拡散状態を観測することもできる。スリット２３のように、アレイ導波路１４のそれぞれのチャネル導波路の位置と波長がフーリエ展開の関係にある場合は、測定対象の液体の波長特性の時間変化を観測することによって、チャネル導波路の位置に変換することができるため、濃度の時間変化や拡散状態を求めることができる。
【００４６】
従って、アレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぎ、光ファイバアレイを第二のスラブ導波路の出力端面に沿って配置し、該入力用チャネル導波路から入力した光で測定対象の液体の波長特性を測定することによって、測定対象の液体の屈折率又は濃度を精度良く求めることができた。
【００４７】
（実施の形態３）
図８は本願発明の実施の形態を説明する図である。図８において、１０はアレイ導波路型波長分波器、１１は導波路基板、１２は入力チャネル導波路、１３は第一のスラブ導波路、１４はアレイ導波路、１５は第二のスラブ導波路、２１、２２、２３、２４はスリット、３１は入力光、３８は受光素子アレイである。
【００４８】
図８を使用して本願発明の実施の形態を説明する。図３に示す実施の形態１のアレイ導波路型波長分波器の構成との違いは、光ファイバ３６を移動させることに代えて受光素子アレイ３８を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置させ、アレイ導波路型波長分波器１０を波長分波器として機能させることである。受光素子アレイ３７を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置することにより、光ファイバを移動させることなく、分波出力が得られる。
【００４９】
図８において、受光素子アレイ３８が第二のスラブ導波路１５の出力端面に配置される。第二のスラブ導波路１５の出力端面には、干渉により波長分離された光出力が得られる。受光素子アレイ３８を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置することにより、アレイ導波路型波長分波器１０を波長分波器として機能させることができる。アレイ導波路型波長分波器１０の光路を横断するスリットは、少なくともスリット２１、２２、２３、２４のいずれかが設けられていればよい。各スリット２１、２２、２３、２４は導波路の光路に直交するように配置することが望ましい。
【００５０】
本アレイ導波路型波長分波器の動作も実施の形態１で説明したアレイ導波路型波長分波器とほぼ同じである。まず、入力チャネル導波路１２に入力光３１を入力する。複数の入力チャネル導波路１２が設けられている場合は、そのうちの１の入力チャネル導波路に入力する。入力光３１は、測定する波長領域にわたって、スペクトラムの広い光源からの出力であることが好ましい。１の光源でスペクトラムの広い出力が得られない場合は、複数の光源からの出力を合成してスペクトラムの広い出力としてもよい。スリット２１、２２、２３、２４のいずれかに注がれた測定対象の液体によって、光損失が生じる。スリット２１、２２、２３、２４のうち複数のスリットが設けられている場合に、複数のスリットに測定対象の液体を注いでもよいが、光損失の測定には１のスリットに測定対象の液体を注ぐことで足りる。
【００５１】
受光素子アレイ３８の各受光素子からの出力をスキャンすると、測定対象の液体の光損失の波長特性を測定することができる。アレイ導波路１４のチャネル導波路の本数が十分であれば、波長分解能は受光素子アレイ３８の受光素子間隔によって制限されることになる。
【００５２】
スリットに測定対象の液体を注がない状態で測定した光損失の波長特性で、スリットに測定対象の液体を注いだ状態での光損失の波長特性を較正すると、正確な光損失の波長特性を算出することができる。また、既知の屈折率又は既知の濃度の液体をスリットに注いで光損失の波長特性を測定し、相対比較すれば、測定対象の液体の屈折率又は濃度を求めることができる。
【００５３】
スリット２１、２２、２３、２４の導波路の光路と交わる方向の長さを長くし、一方から濃度の異なる液体を注ぐことによって、濃度の時間変化や拡散状態を観測することもできる。スリット２３のように、アレイ導波路１４のそれぞれのチャネル導波路の位置と波長がフーリエ展開の関係にある場合は、測定対象の液体の波長特性の時間変化を観測することによって、チャネル導波路の位置に変換することができるため、濃度の時間変化や拡散状態を求めることができる。
【００５４】
従って、アレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぎ、受光素子アレイを第二のスラブ導波路の出力端面に沿って配置し、該入力用チャネル導波路から入力した光で測定対象の液体の波長特性を測定することによって、測定対象の液体の屈折率又は濃度を精度良く求めることができた。
【００５５】
（実施の形態４）
図９は本願発明の実施の形態を説明する図である。図９において、１０はアレイ導波路型波長分波器、１１は導波路基板、１２は入力チャネル導波路、１３は第一のスラブ導波路、１４はアレイ導波路、１５は第二のスラブ導波路、１６は出力チャネル導波路、２１、２２、２３、２４、２５はスリット、３１は入力光、３５は分波光である。
【００５６】
図９を使用して本願発明の実施の形態を説明する。図３に示す実施の形態１のアレイ導波路型波長分波器の構成との違いは、光ファイバ３６を移動させることに代えて出力チャネル導波路１６を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置させ、アレイ導波路型波長分波器１０を波長分波器として機能させることである。出力チャネル導波路１６を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置することにより、光ファイバを移動させることなく、分波光３５が得られる。
【００５７】
図９において、出力チャネル導波路１６が第二のスラブ導波路１５の出力端面に配置される。第二のスラブ導波路１５の出力端面では、干渉により波長分離された光が出力チャネル導波路１６の各チャネル導波路に入力する。このように、出力チャネル導波路１６を第二のスラブ導波路１５の出力端面に沿って配置することにより、アレイ導波路型波長分波器１０を波長分波器として機能させることができる。アレイ導波路型波長分波器１０の光路を横断するスリットは、少なくともスリット２１、２２、２３、２４、２５のいずれかが設けられていればよい。各スリット２１、２２、２３、２４、２５は導波路の光路に直交するように配置することが望ましい。
【００５８】
本アレイ導波路型波長分波器の動作も実施の形態１で説明したアレイ導波路型波長分波器とほぼ同じである。まず、入力チャネル導波路１２に入力光３１を入力する。複数の入力チャネル導波路１２が設けられている場合は、そのうちの１の入力チャネル導波路に入力する。入力光３１は、測定する波長領域にわたって、スペクトラムの広い光源からの出力であることが好ましい。１の光源でスペクトラムの広い出力が得られない場合は、複数の光源からの出力を合成してスペクトラムの広い出力としてもよい。スリット２１、２２、２３、２４、２５のいずれかに注がれた測定対象の液体によって、光損失が生じる。スリット２１、２２、２３、２４、２５のうち複数のスリットが設けられている場合に、複数のスリットに測定対象の液体を注いでもよいが、光損失の測定には１のスリットに測定対象の液体を注ぐことで足りる。
【００５９】
出力チャネル導波路１６からの分波光３５をスキャンすると、測定対象の液体の光損失の波長特性を測定することができる。アレイ導波路１４のチャネル導波路の本数が十分であれば、波長分解能は出力チャネル導波路１６チャネル導波路の間隔によって制限されることになる。
【００６０】
スリットに測定対象の液体を注がない状態で測定した光損失の波長特性で、スリットに測定対象の液体を注いだ状態での光損失の波長特性を較正すると、正確な光損失の波長特性を算出することができる。また、既知の屈折率又は既知の濃度の液体をスリットに注いで光損失の波長特性を測定し、相対比較すれば、測定対象の液体の屈折率又は濃度を求めることができる。
【００６１】
スリット２１、２２、２３、２４、２５の導波路の光路と交わる方向の長さを長くし、一方から濃度の異なる液体を注ぐことによって、濃度の時間変化や拡散状態を観測することもできる。スリット２３のように、アレイ導波路１４のそれぞれのチャネル導波路の位置と波長がフーリエ展開の関係にある場合は、測定対象の液体の波長特性の時間変化を観測することによって、チャネル導波路の位置に変換することができるため、濃度の時間変化や拡散状態を求めることができる。
【００６２】
従って、アレイ導波路型波長分波器のいずれかの光路に設けたスリットに測定対象の液体を注ぎ、光ファイバアレイを第二のスラブ導波路の出力端面に沿って配置し、該入力用チャネル導波路から入力した光で測定対象の液体の波長特性を測定することによって、測定対象の液体の屈折率又は濃度を精度良く求めることができた。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば測定対象の液体の光損失を測定することによって、当該液体の濃度を求めることができ、さらに、光損失の波長特性を測定することによって一層の測定精度の向上を図り、また多変量解析を適用して複数の溶質に対しても濃度の分離決定を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の液体濃度測定方法を説明する図である。
【図２】本願発明の動作原理を説明する図である。
【図３】本願発明の実施の形態を説明する図である。
【図４】本願発明の実施に使用するアレイ導波路型波長分波器の光損失の波長特性例である。
【図５】酢酸ナトリウム水溶液をスリットに注いだときの透過率の濃度依存性を説明する図である。
【図６】酢酸ナトリウム水溶液の検量線を説明する図である。
【図７】本願発明の実施の形態を説明する図である。
【図８】本願発明の実施の形態を説明する図である。
【図９】本願発明の実施の形態を説明する図である。
【符号の説明】
１０：アレイ導波路型波長分波器
１１：導波路基板
１２：入力チャネル導波路
１３：第一のスラブ導波路
１４：アレイ導波路
１５：第二のスラブ導波路
１６：出力チャネル導波路
２１、２２、２３、２４、２５：スリット
３１：入力光
３５：分波光
３６：光ファイバ
３７：光ファイバアレイ
３８：受光素子アレイ
８１：半導体レーザ
８２：フォトセンサ
８３：プリズム
８４：測定光
８５：測定対象の液体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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