(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバと、
該光ファイバの先端に直接形成された第１の反射層と、
前記第１の反射層に直接形成され、電界により屈折率が変化する電気光学層と、
前記電気光学層に直接形成された第２の反射層と、
を有することを特徴とする電界センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の電界センサにおいて、
前記電気光学層の直径ｄと、前記光ファイバのコアの直径ｄｃ及びクラッドの直径ｄｒとの間にｄｃ≦ｄ≦ｄｒの関係が成立することを特徴とする電界センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電界センサにおいて、
前記電気光学層の厚さｔは、ｔ≧１μｍであることを特徴とする電界センサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の電界センサにおいて、
前記電気光学層は、成膜法によって形成されていることを特徴とする電界センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の電界センサにおいて、
前記電気光学層は、エアロゾルデポジション法によって成膜されていることを特徴とする電界センサ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の電界センサにおいて、
前記電気光学層の組成は、ジルコン酸チタン酸鉛、ランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ストロンチウム置換チタン酸バリウム、タンタリウム置換ニオブ酸カリウムのいずれかであることを特徴とする電界センサ。
【請求項７】
光ファイバと、
該光ファイバの先端に直接形成された第１の反射層と、
前記第１の反射層に直接形成され、磁界により屈折率が変化する磁気光学層と、
前記磁気光学層に直接形成された第２の反射層と、
を有することを特徴とする磁界センサ。
【請求項８】
請求項７に記載の磁界センサにおいて、
前記磁気光学層の直径ｄと、前記光ファイバのコアの直径ｄｃ及びクラッドの直径ｄｒとの間にｄｃ≦ｄ≦ｄｒの関係が成立することを特徴とする磁界センサ。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の磁界センサにおいて、
前記磁気光学層の厚さｔは、ｔ≧１μｍであることを特徴とする磁界センサ。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれかに記載の磁界センサにおいて、
前記磁気光学層は、成膜法によって形成されていることを特徴とする磁界センサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の磁界センサにおいて、
前記磁気光学層は、エアロゾルデポジション法によって成膜されていることを特徴とする磁界センサ。
【請求項１２】
請求項７乃至１１のいずれかに記載の磁界センサにおいて、
前記磁気光学層が、ガーネット構造、スピネル構造、ヘキサゴナル構造のいずれかを有するフェライトであることを特徴とする磁界センサ。
【請求項１３】
請求項７乃至１１のいずれかに記載の磁界センサにおいて、
前記磁気光学層が、鉄、ニッケル、コバルトのいずれかを含む強磁性膜であることを特徴とする磁界センサ。
【請求項１４】
光ファイバの先端に第１の反射層を直接形成するステップと、
前記第１の反射層に電界により屈折率が変化する電気光学層を直接形成するステップと、
前記電気光学層に第２の反射層を直接形成するステップと、
を有することを特徴とする電界センサの製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の電界センサの製造方法において、
前記電気光学層の直径ｄと、前記光ファイバのコアの直径ｄｃ及びクラッドの直径ｄｒとの間にｄｃ≦ｄ≦ｄｒの関係が成立するように形成することを特徴とする電界センサの製造方法。
【請求項１６】
請求項１４又は１５に記載の電界センサの製造方法において、
前記電気光学層の厚さｔを、ｔ≧１μｍとすることを特徴とする電界センサの製造方法。
【請求項１７】
請求項１４乃至１６のいずれかに記載の電界センサの製造方法において、
前記電気光学層を、成膜法によって形成することを特徴とする電界センサの製造方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の電界センサの製造方法において、
前記電気光学層を、エアロゾルデポジション法によって成膜することを特徴とする電界センサの製造方法。
【請求項１９】
請求項１４乃至１８のいずれかに記載の電界センサの製造方法において、
前記電気光学層の組成を、ジルコン酸チタン酸鉛、ランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ストロンチウム置換チタン酸バリウム、タンタリウム置換ニオブ酸カリウムのいずれかとすることを特徴とする電界センサの製造方法。
【請求項２０】
光ファイバの先端に第１の反射層を直接形成するステップと、
前記第１の反射層に磁界により屈折率が変化する磁気光学層を直接形成するステップと、
前記磁気光学層に第２の反射層を直接形成するステップと、
を有することを特徴とする磁界センサの製造方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の磁界センサの製造方法において、
前記磁気光学層の直径ｄと、前記光ファイバのコアの直径ｄｃ及びクラッドの直径ｄｒとの間にｄｃ≦ｄ≦ｄｒの関係が成立するように形成することを特徴とする磁界センサの製造方法。
【請求項２２】
請求項２０又は２１に記載の磁界センサの製造方法において、
前記磁気光学層の厚さｔを、ｔ≧１μｍとすることを特徴とする磁界センサの製造方法。
【請求項２３】
請求項２０乃至２２のいずれかに記載の磁界センサの製造方法において、
前記磁気光学層を、成膜法によって形成することを特徴とする磁界センサの製造方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の磁界センサの製造方法において、
前記磁気光学層を、エアロゾルデポジション法によって成膜することを特徴とする磁界センサの製造方法。
【請求項２５】
請求項２０乃至２４のいずれかに記載の磁界センサの製造方法において、
前記磁気光学層を、ガーネット構造、スピネル構造、ヘキサゴナル構造のいずれかを有するフェライトとすることを特徴とする磁界センサの製造方法。
【請求項２６】
請求項２０乃至２４のいずれかに記載の磁界センサの製造方法において、
前記磁気光学層を、鉄、ニッケル、コバルトのいずれかを含む強磁性膜とすることを特徴とする磁界センサの製造方法。
【請求項２７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の電界センサを有することを特徴とする電界検出システム。
【請求項２８】
請求項７乃至１３のいずれかに記載の磁界センサを有することを特徴とする磁界検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界／磁界センサおよびそれらの製造方法に関するものであり、特に、ＬＳＩチップ／パッケージの微細領域に適用するための高感度・高空間分解能を持つ電界／磁界センサおよびそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界や磁界などの物理量を検出するためのセンサおよび検出システムが特許文献１（特開昭５９−１６６８７３号公報）や特許文献２（特開平２−２８５７４号公報）に開示されている。
図１は光技術を利用した従来の高空間分解能電界センサの構造を示す断面図であり、図２は図１の電界センサを用いた検出システムの一例を示す図である。
図１を参照して、電界センサ９０５は光ファイバ９０１の先端に接着層９０６を介して接着される。電界センサ９０５は、電界検知素子である微小な電気光学結晶９０７と、電気光学結晶９０７の底面に施された光を反射させるための誘電体多層反射層９０８とから構成されている。
図２を参照して、検出システムは、連続レーザ光源９００、ファイバアンプ９０２、９１１、偏光コントローラ９０３、光サーキュレータ９０４、測定対象である回路基板９０９上に設けられた電界センサ９０５、検光子９１０、フォトディテクタ９１２およびこれらの間を結ぶ光ファイバ９０１、スペクトラムアナライザ９１３から成る。
本検出システムの電界検出原理を以下に概述する。連続レーザ光源９００から出射された光はファイバアンプ９０２にて増幅され、偏光コントローラ９０３で偏光面を制御された後、光サーキュレータ９０４を通って電界センサ９０５に入射する。電界センサ９０５への入射光は電気光学結晶９０７の底面に施された誘電体多層反射層９０８により反射された後、再び光ファイバ９０１に戻る。電気光学結晶９０７は、回路基板９０９から発生する電界によりその屈折率が変化するため、結晶中を伝搬するレーザ光の偏光状態は変化し、外部電界の強さに応じた変調を受ける。変調された光は、再び光サーキュレータ９０４を通った後に検光子９１０により強度変調光に変換され、ファイバアンプ９１１にて増幅後にフォトディテクタ９１２で電気信号に変換される。
電気信号はスペクトラムアナライザ９１３により検出され、その時発生されるピークが外部電界に起因する信号とされる。本検出システムの原理上、外部電界の強さに応じて信号強度が異なるため、回路基板９０９上の電界センサ９０５の位置を変えることにより電界分布が得られる。
なお、図１における電気光学結晶９０７を磁気光学結晶に代えることにより、図２のシステムは高空間分解能を持つ磁界検出システムとなる。この場合の磁界検出原理は、上記の電界検出原理の説明中の「電界」を「磁界」に置き換えることで説明される。
前述したように、従来の高空間分解能を持つ電界検出システムあるいは磁界検出システムは、光ファイバ９０１の先端に、微小加工された電気光学結晶あるいは磁気光学結晶が接着された構造を持つことを特徴としている。
電界検出システムあるいは磁界検出システムの適用領域と空間分解能は電気光学結晶あるいは磁気光学結晶のサイズにより制限され、サイズが小さいほど、より微小な領域に適用でき、空間分解能も高い。空間分解能は結晶内を伝搬するセンサ光の体積によって決まり、センサ光の体積が小さいほど高空間分解能となる。例えば、光ファイバの先端に磁気光学結晶が接着された従来の磁界センサについて述べると、平面サイズ２７０μｍ×２７０μｍ、厚み１１μｍの結晶を用いて１０μｍ級の空間分解能を有する磁界センサが実現されている。
しかしながら、このような構造では、結晶の微小加工技術の限界により、これ以上のセンサの小型化、高空間分解能化の実現は困難であり、ＬＳＩチップ／パッケージの微細領域に適用可能なセンサを提供することができない。
また、従来型センサの場合、上述したように結晶を光ファイバの先端に接着させるため、接着層で光のロスが発生し、このロスがセンサの低感度化の原因となってＬＳＩチップ等から発生する微小電界あるいは磁界の検出を困難にしていた。
本発明は、従来の電界／磁界センサよりも小型で高感度、高空間分解能を持つセンサを実現し、ＬＳＩチップ／パッケージの微細領域に適用可能なセンサを提供することを目的とする。
【発明の開示】
【０００３】
本発明は、高感度で高分解能を持つ電界／磁界センサの実現のためには、電気光学層または磁気光学層を光ファイバの先端に直接に、薄膜で形成することが有効であるという識見に基づいてなされたものである。
本発明による電界センサは、光ファイバの先端に電気光学層が直接形成されたことを特徴とする。このような構成にすることで、電気光学層の薄膜化が可能となり高分解能が実現できる。また、干渉効果を利用でき、高感度化が図れる。
本発明による電界センサはまた、光ファイバの先端に電気光学層が直接形成され、電気光学層の表面に反射層が形成されていることを特徴とする。本発明による電界センサはさらに、光ファイバの先端に電気光学層と、この電気光学層を上下から挟むように下部の反射層と上部の反射層とを光ファイバに直接積層してファブリペロー共振器を構成することで、さらに高感度化が可能である。
電気光学層の直径ｄは、光ファイバのコアの直径ｄｃおよびクラッドの直径ｄｒとの間にｄｃ≦ｄ≦ｄｒの関係を満たすことが好ましい。
また、電気光学層の厚さｔを、ｔ≧１μｍとすることで、ファブリペロー共振器のＱ値を高めることが可能となり、高感度化が図れる。電気光学層は、成膜法、特にエアロゾルデポジション法によって成膜されることが好ましい。エアロゾルデポジション法によれば、１μｍ以上の膜厚の電気光学膜を成膜することができるので、感度を高めることができる。
電気光学層の組成は、ジルコン酸チタン酸鉛、ランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ストロンチウム添加チタン酸バリウム、タンタリウム添加ニオブ酸カリウムのいずれかである。
本発明による磁界センサは、光ファイバの先端に磁気光学層が直接形成されたことを特徴とする。この構成にすることで、磁気光学層の薄膜化が可能となり高分解能が実現できる。また、干渉効果を利用でき、高感度化が図れる。
また、本発明による磁界センサは、光ファイバの先端に磁気光学層が直接形成され、磁気光学層の表面に反射層が形成されていることを特徴とする。本発明による磁界センサはさらに、光ファイバの先端に磁気光学層と、この磁気光学層を上下から挟むように下部の反射層と上部の反射層とを光ファイバに直接積層してファブリペロー共振器を構成することで、さらに高感度化が可能である。
磁気光学層の直径ｄは、光ファイバのコアの直径ｄｃおよびクラッドの直径ｄｒとの間にｄｃ≦ｄ≦ｄｒの関係を満たすことが好ましい。
また、磁気光学層の厚さｔを、ｔ≧１μｍとすることで、ファブリペロー共振器のＱ値を高めることが可能となり、高感度化が図れる。磁気光学層は、成膜法、特にエアロゾルデポジション法によって成膜されることが好ましい。エアロゾルデポジション法によれば、１μｍ以上の膜厚の磁気光学膜を成膜することができるので、感度を高めることができる。
磁気光学層は、ガーネット構造、スピネル構造、ヘキサゴナル構造のいずれかを有するフェライトである。また、磁気光学層が、鉄、ニッケル、コバルトのいずれかを含む強磁性膜であってもかまわない。
本発明によれば、光ファイバの先端に、電界により屈折率が変化する電気光学層を直接形成することを特徴とする電界センサの製造方法が提供される。なお、電気光学層の表面に反射層が形成されても良い。
本発明によればまた、光ファイバの先端に第１の反射層を直接形成するステップと、第１の反射層に電界により屈折率が変化する電気光学層を直接形成するステップと、電気光学層に第２の反射層を直接形成するステップとを有することを特徴とする電界センサの製造方法が提供される。
なお、上記の製造方法において、電気光学層に代えて、磁界により屈折率が変化する磁気光学層を形成することで磁気センサの製造方法が提供される。
更に、本発明によれば、上記の電界センサを有する電界検出システム、上記の磁界センサを有する磁界検出システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、従来の電界センサの構造を示す断面図である。
図２は、図１の電界センサを用いた電界検出システムの構成を示すブロック図である。
図３は、本発明の第１の実施例による電界センサの構成を示す断面図である。
図４は、図３の電界センサを用いた電界検出システムの構成を示すブロック図である。
図５は、本発明による電界センサのＳＥＭによる写真を模した図である。
図６は、本発明による電界センサと従来の電界センサの反射スペクトルを示す図である。
図７は、本発明の電界センサによる電界分布と従来の電界センサによる電界分布を示す図である。
図８は、本発明による電界センサにおいて、センサ感度をより高めることができる第２の実施例を示す断面図である。
図９は、本発明による電界センサにおいて、センサ感度を図８の第２の実施例よりもさらに高めることができる第３の実施例を示す断面図である。
図１０は、本発明による電界センサの反射スペクトルのＰＺＴ膜厚依存性を示す図である。
図１１は、本発明による磁界センサの構成を示す断面図である。
図１２は、図１１の磁界センサを用いた磁界検出システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図３は本発明の第１の実施例による電界センサの構成を示す断面図であり、図４は図３の電界センサを用いた電界検出システムの構成を示すブロック図である。
図３を参照して、電界センサ１０５は、光ファイバ１０１を構成するコア層１０６およびコア層１０６を囲むクラッド層１０７と、光ファイバ１０１の先端部に形成された電気光学層１０８とにより構成される。光ファイバ１０１の先端部は研磨により平坦に加工されており、電気光学層１０８はその研磨面上に直接形成されている。
図４を参照して、電界検出システムは、連続レーザ光源１００、ファイバアンプ１０２、１１２、偏光コントローラ１０３、光サーキュレータ１０４、測定対象である回路基板１０９上に設けられた電界センサ１０５、検光子１１１、フォトディテクタ１１３およびこれらの間を結ぶ光ファイバ１０１、スペクトラムアナライザ１１４から成る。
連続レーザ光源１００から出射したレーザ光は、ファイバアンプ１０２で増幅され、偏光コントローラ１０３で偏光面を制御された後、光サーキュレータ１０４を通して電界センサ１０５に入射する。電気光学層１０８は、回路基板１０９から発生する電界により屈折率が変化するため、反射レーザ光１１０の偏光状態は変化する。反射レーザ光１１０は光サーキュレータ１０４を通して検光子１１１で偏光状態を示す光に変換され、ファイバアンプ１１２で増幅された後、フォトディテクタ１１３で電気信号に変換される。変換された電気信号はスペクトラムアナライザ１１４で解析される。
電界センサ１０５による偏光状態の変化量に関する分解能は電気光学層１０８の厚さで定まるため、電気光学層１０８は薄いことが望まれる。また、電界センサ１０５の出力は、電界による屈折率の変化量を表す電気光学係数と、電気光学層１０８の厚さの積になる。従って、高分解能と高出力を同時に満足させるためには、センサ部分である電気光学層１０８に干渉効果を持たせ、見かけ上の光路長を長くすることが重要である。
図１に示した従来例ではバルクの電気光学部材を薄層化して光ファイバの先端に接着させる構造をとっていたが、このような構造では光ファイバ端面との平行度を出すことが困難であり、十分な干渉効果を得ることができなかった。また、バルク部材の薄層化は１０μｍ程度が加工上の限界であり、分解能を高めることはできなかった。
本実施例では、電気光学層１０８を光ファイバ１０１の先端に直接に、薄膜で形成することで、高感度、かつ、高分解能を持つ電界センサを実現した。
電気光学層１０８は、超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して粉砕、接合させ成形体を形成するエアロゾルデポジション法により形成した。膜厚は９ミクロンである。Ｐｂ（Ｚｒ０．６Ｔｉ０．４）Ｏ３（以下、ＰＺＴと称する）を原料粉末とし、キャリアガスは酸素、ノズルと基板の入射角は１０度、ガス流量１２リットル／分、ノズル基板間距離は５ｍｍ、成膜速度は０．８μｍ／ｍｉｎ、加振器の振動数は２５０ｒｐｍで成膜した。
成膜後、大気中で、６００℃１５分間程度熱処理することで電気光学層１０８の電気光学効果を発現させた。さらに、２００℃で１００ｋＶ／ｃｍ程度の電界印加の下で分極処理を行った。一次電気光学係数ｒ３３は２００ｐｍ／Ｖであった。
図５に、エアロゾルデポジション法により光ファイバ２０１の端部に形成したＰＺＴ膜２０２を、ＳＥＭによる写真を模して示す。光ファイバ２０１の端部にＰＺＴ膜２０２が密着して９ミクロンの厚さで形成されていることがわかる。エアロゾルデポジション法はＰＺＴのような複合酸化物の厚膜を短時間で形成できる特徴を有している。
熱処理後、電気光学層２０２（１０８）の膜表面の凹凸を除去するために、膜厚７ミクロンまで研磨し、平坦化した。
図６に、電気光学層２０２（１０８）の膜表面の平坦化後の反射量の波長依存性を示す。３０１は本発明の反射スペクトルであり、３０ｄＢ程度の変調度が得られている。このことは、本発明により形成した電気光学層で大きな共鳴構造が得られていることを示しており、ＥＯセンサとして優れている。比較のために従来例のＥＯ結晶を用いたＥＯセンサの反射スペクトルを３０２に示す。従来例では変調度は２ｄＢ程度であり、十分な共鳴構造が得られているとはいえない。
上記の説明では電気光学層の組成をＰＺＴの場合について説明したが、この組成に限定されるものではなく、例えばＬａを添加した組成であっても良い。
また、ジルコン酸チタン酸鉛系の材料以外にも、電気光学効果の大きいチタン酸バリウム、ストロンチウム置換チタン酸バリウム、タンタリウム置換ニオブ酸カリウム、等も有効な材料である。
本発明では、電気光学層１０８の成膜にエアロゾルデポジション法を用いていることも発明の特徴のひとつである。その理由は以下による。
本発明の目的の一つは、高感度で高分解能を持つ電界センサを提供することにある。そのためには電気光学層１０８を光ファイバ１０１の先端に直接薄膜で形成することが重要である。また、高い干渉効果を得るためには、電機光学層１０８の膜厚は１μｍ以上であることが望まれる。１μｍの強誘電体透明膜をガラス、プラスチックや高分子を含む樹脂や任意の組成の誘電体上に実現できるのは、現在の技術ではスパッタ法でもゾル・ゲル法では非常に難しく、エアロゾルデポジション法では容易に実現することができる。
電気光学層１０８の直径ｄは、光ファイバ１０１のコア１０６の直径ｄｃおよびクラッド１０７の直径ｄｒとの間にｄｃ≦ｄ≦ｄｒの関係を満たすことが重要である。直径ｄがｄｃ以下の場合、入射レーザ光は散乱してしまうため、十分な反射光量を得ることができない。また、クラッド１０７の直径ｄｒ以上に成膜手法で形成することは、困難である。
図７は、配線幅／間隔５μｍの３線ミアンダ配線の上方で、本実施例の電界センサ１０５を用いて電界分布を測定した結果と従来の電界センサを用いて測定した結果を示している。ミアンダ配線には１０ＭＨｚ、１５ｄＢｍの信号を印加した。図７は電界センサを配線の上方１０μｍの位置に配置し、配線を横断する方向に１μｍピッチで走査させたときに得られた分布である。従来のセンサでは隣接配線間で観測されるはずの電界ピークが不明瞭であったのに対し、本発明のセンサの適用により電界ピークが明瞭に観測されている。つまり、図７は、本発明の電界センサが従来の電界センサよりも高空間分解能を持つことを示す一例である。
図８は本発明の第２の実施例による電界センサの構成を示す断面図であり、センサ感度をより高めることができる構造を示している。本実施例は第１の実施例による電界センサの電気光学層１０８と同様の電気光学層５０８の表面に誘電体多層反射膜５０４を付加したものである。
図８において、電界センサ５０５は、コア層５０６とそれを囲むクラッド層５０７より構成されている光ファイバ５０１の先端部に、電気光学層５０８が形成されて成る。光ファイバ５０１の先端部は研磨により平坦に加工されており、電気光学層５０８はその研磨面上に直接形成されている。電気光学層５０８の構成と製造方法は、第１の実施例と同様である。
平坦化した電気光学層５０８上に誘電体多層反射層５０４をイオンプレーティング法で形成した。誘電体多層反射層５０４は、厚さ３０３ｎｍのＳｉＯ２膜と厚さ１８６ｎｍのＴａ２Ｏ５膜を繰り返し成膜することにより構成されている。成膜中にモニターにより光学スペクトルを測定しながら、蒸着源上のシャッターを開閉することで、膜厚の制御を行った。誘電体多層膜反射層５０４を用いることで、測定する電界への影響を小さくしながら干渉効果を高めることができる。
図９は本発明の第３の実施例による電界センサの構成を示す断面図であり、センサ感度をさらに高めることができる構造を示している。本実施例は第１の実施例による電界センサの電気光学層１０８と同様の電気光学層６０８を上下から挟むように下側の誘電体多層膜反射層６０３と上側の誘電体多層膜反射層６０４を光ファイバ６０１の先端部に直接積層することでファブリペロー共振器構造を構成している。
電界センサ６０５は、コア層６０６とそれを囲むクラッド層６０７より構成されている光ファイバ６０１の先端部に、下側の誘電体多層膜反射層６０３が形成されている。光ファイバ６０１の先端部は研磨により平坦に加工されており、下側の誘電体多層膜反射層６０３はその研磨面上に直接形成されている。
下側の誘電体多層反射層６０３はイオンプレーティング法で形成した。下側の誘電体多層反射層６０３は、厚さ３０３ｎｍのＳｉＯ２膜と厚さ１８６ｎｍのＴａ２Ｏ５膜を繰り返し成膜することにより構成されている。成膜中にモニターにより光学スペクトルを測定しながら、蒸着源上のシャッターを開閉することで、膜厚の制御を行った。下側の誘電体多層反射層６０３上に電気光学層６０８、上側の誘電体多層膜層６０４を形成した。電気光学層６０８と上側の誘電体多層膜層６０４の構成と製造方法は、第２の実施例と同様である。
図１０に、第３の実施例の反射率スペクトルの電気光学層ＰＺＴの膜厚依存性を示す。ＰＺＴの膜厚が厚くなるに従い、反射率が低下する共鳴ピークの半値幅は小さくなる。高感度のセンシングにはＱ値として１０００以上が必要なため、膜厚ＰＺＴは１μｍ以上が必要である。
図１１は本発明による磁界センサの構造を示す断面図であり、図１２は図１１の磁界センサを用いた磁界検出システムの構成を示すブロック図である。
図１１を参照して、磁界センサ８０５は、光ファイバ８０１を構成するコア層８０６と、コア層８０６を囲むクラッド層８０７と、光ファイバ８０１の先端部に形成された磁気光学層８０８により構成される。光ファイバ８０１の先端部は研磨により平坦に加工されており、磁気光学層８０８はその研磨面上に直接形成されている。
図１２を参照して、磁界検出システムは、連続レーザ光源８００、ファイバアンプ８０２、８１２、偏光コントローラ８０３、光サーキュレータ８０４、測定対象である回路基板８０９上に設けられた磁界センサ８０５、検光子８１１、フォトディテクタ８１３およびこれらの間を結ぶ光ファイバ８０１、スペクトラムアナライザ８１４から成る。
連続レーザ光源８００から出射したレーザ光は、ファイバアンプ８０２で増幅され、偏光コントローラ８０３で偏光面を制御された後、光サーキュレータ８０４を通して磁界センサ８０５に入射する。
磁気光学層８０８は、回路基板８０９から発生する磁界によりファラデー回転角が変化するため、反射レーザ光８１０の偏光状態は変化する。反射レーザ光８１０は光サーキュレータ８０４を通して検光子８１１で偏光状態を示す光に変換され、ファイバアンプ８１２で増幅された後、フォトディテクタ８１３で電気信号に変換される。変換された電気信号はスペクトラムアナライザ８１４で解析することができる。
磁界センサ８０５による偏光状態の変化量に関する分解能は磁気光学層８０８の厚さで定まるため、薄いことが望まれる。また、磁界センサ８０５の出力は、ファラデー回転角と、磁気光学層８０８の厚さの積になる。従って、高分解能と高出力を同時に満足させるためには、センサ部分である磁気光学層８０８に干渉効果を持たせ、見かけ上の光路長を長くすることが重要である。従来例ではバルクの磁気光学部材を薄層化し、光ファイバの先端に接着させる構造をとっていたが、光ファイバ端面との平行度を出すことが困難であり、十分な干渉効果を得ることができなかった。また、バルク部材の薄層化は１０μｍ程度が加工上の限界であり、分解能を高めることはできなかった。
本実施例は、磁気光学層８０８を光ファイバ８０１の先端に直接に、薄膜で形成することで、高感度、かつ、高分解能な磁界センサを実現した。
磁気光学層８０８は、超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して粉砕、接合させ成形体を形成するエアロゾルデポジション法により形成した。膜厚は４０００ｎｍである。Ｂｉ置換ＹＩＧガーネットを原料粉末とし、キャリアガスは酸素、ノズルと基板の入射角は３０度、ガス流量８リットル／分、ノズル基板間距離は５ｍｍ、成膜速度は１．０μｍ／ｍｉｎ、加振器の振動数は２５０ｒｐｍで成膜した。
成膜後、大気中で、６００℃１５分間程度熱処理することで磁気光学層８０８の磁気光学効果を発現させた。ファラデー回転角は７ｄｅｇ／μｍであった。熱処理後、磁気光学層８０８の膜表面の凹凸を除去するために、膜厚３６００ｎｍまで研磨し、平坦化した。
上記の説明では磁気光学層をＢｉ置換ＹＩＧガーネットの場合を説明したが、この組成に限定されるものではなく、例えばＣｅを添加した組成であっても良い。
また、ＹＩＧガーネット系の材料以外にも、磁気光学効果の大きいスピネル構造、ヘキサゴナル構造のいずれかを有するフェライト等も有効な材料である。
本発明では、磁気光学層の成膜にエアロゾルデポジション法を用いていることも発明の特徴のひとつである。その理由は以下による。
本発明の目的の一つは、高感度で高分解能を持つ磁界センサを提供することにある。そのためには磁気光学層を光ファイバの先端に直接薄膜で形成することが重要である。また、高い干渉効果を得るためには、その膜厚は１μｍ以上であることが望まれる。１μｍの強磁性体透明膜をガラス、プラスチックや高分子を含む樹脂や任意の組成の誘電体上に実現できるのは、現在の技術ではスパッタ法でもゾル・ゲル法でも不可能であり、ただエアロゾルデポジション法でのみ可能である。
磁気光学層８０８の直径ｄは、光ファイバ８０１のコアの直径ｄｃとクラッドの直径ｄｒとの間にｄｃ≦ｄ≦ｄｒの関係を満たすことが重要である。磁気光学層８０８の直径ｄがコアの直径ｄｃ以下の場合、入射レーザ光は散乱してしまうため、十分な反射光量を得ることができない。また、磁気光学層８０８をクラッドの直径ｄｒ以上に成膜手法で形成することは、困難である。
さらに、磁気光学層８０８として鉄、ニッケル、コバルトのいずれかを含む強磁性膜の極薄層を用いることができる。
本発明による磁界センサは、図１１の例に限定されるものではなく、第１の実施例乃至第３の実施例による電界センサの電気光学膜を磁気光学膜に入れ替えることで、同様の効果を発揮する。つまり、図１１の磁界センサ８０５における磁気光学層８０８の表面に多層反射層が形成されても良い。
また、本発明による磁界センサは、図１１の磁界センサ８０５における磁気光学層８０８を第１の多層反射層と第２の多層反射層で上下から挟むように積層した構造を持つものでも良い。
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、高感度で高い分解能を有する電界／磁界センサが提供される。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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