(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
1つの絶縁層上シリコン結晶体導波カップラーと、2つの絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格子と、レーザーと、光工率検出器と、マイクロプロセッサとを有し、前記絶縁層上シリコン結晶体導波カップラーにはシングルモードリッジタイプ導波とシングルモードＳ型リッジタイプ導波とシングルモード平行カップリング導波とシリコン案内層と二酸化珪素絶縁層とシリコンベースとを含み、且つ前記絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格子にはアモルファスシリコン層と正弦式シリコン回折格子層と二酸化珪素絶縁層とシリコンベースとを含み、前記正弦式シリコン回折格子層の上方にアモルファスシリコン層を覆うと共に、下方に二酸化珪素絶縁層を接するようにし、光線が絶縁層上シリコン結晶体導波カップラーを経て２つの絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格子を通して導波カップラーに反射し、その干渉スペクトルを検出し、反射光線のスペクトルのピーク値の位置が測定される温度に従って変化するため、光工率検出器によってその反射スペクトルを検出すれば測定される温度を知ることができるようにしてなることを特徴とする絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ。
【請求項２】
前記レーザーがＬＥＤまたはワイドバンド光源によって取り替えられることを特徴とする請求項１に記載の絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ。
【請求項３】
前記絶縁層上シリコン結晶体導波カップラーとして、分光機能を有する光導波素子によって取り替えられることを特徴とする請求項１に記載の絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ。
【請求項４】
前記絶縁層上シリコン結晶体導波カップラーとして多数モード干渉導波素子を使用出来ることを特徴とする請求項１に記載の絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ。
【請求項５】
前記絶縁層上シリコン結晶体導波カップラーの入力端と出力端に段階的変更型導波を導入することによって入力端／出力端の光ファイバーまたは外部光経路と連接することを特徴とする請求項１に記載の絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ。
【請求項６】
前記絶縁層上シリコン結晶体導波カップラーには２つの入力ポートと２つの出力ポートを有し、２つの出力ポートの長さがそれぞれｌ３とｌ４である場合、それらの関係がｌ３−ｌ４＝６８μｍになることを特徴とする請求項1に記載の絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ。
【請求項７】
前記シリコン結晶体材料は、ＧａＡｓやＩｎＰやガラスであることを特徴とする請求項1に記載の絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ。
【請求項８】
前記アモルファスシリコン層は、熱膨張係数が異なる材料を使用して形成されることを特徴とする請求項1に記載の絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ。
【請求項９】
前記絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格子にはそれぞれ異なる回折格子間隔と形状を有するように形成されることを特徴とする請求項１に記載の絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ。
【請求項１０】
前記光工率検出器とマイクロプロセッサによって波長を検知算出後にその波長のデータに基づいてフィードバック電気回路を介してレーザーに対し周波数安定化を実行することを特徴とする請求項１に記載の絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は温度センサに係わるものであり、特に絶縁層上シリコン結晶体（ＳＯＩ）導波カップラーと絶縁層上シリコン導波ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）回折格子とを結合してなるマイケルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）干渉式温度センサに係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
目前の光学センサの発展を言う場合、光ファイバーブラッグ回折格子センサが物理量を検出する主要な素子となっているが、光ファイバーブラッグ回折格子センサの製造時間が長く、歩留まりが半導体製造プロセスに及ばず、且つサイズも大きくなるので、そのコストを低減出来なくなっている。光ファイバー通信ネットワークのカバーする範囲の拡大に従って、ユーザーネットワークが大量の、高精確度の光センサを要する。そのため、半導体製造プロセスに基づく安価な光センサが開発される必要がある光学センサ技術である。シリコンが取得しやすく且つ安価であるので、既に集積電気回路の製造プロセスに用いられる主要な物質となっている。本発明は絶縁層上シリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ、ＳＯＩ）結晶体をチップ基材とするものであり、この種のチップが取得しやすくて安価であるほかにその製造プロセスのＭＯＳＦＥＴ素子の周波数の帯域の広さと工率消耗の低さなどもその優れた特性であり、且つ未来のＯＥＩＣ（Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）を製造することの最も好適な選択である。集積電気回路の盛んな発展に従って素子の体積のミニ化が未来の避けられない趨勢となっている。そのため、集積電気回路半導体製造プロセスの技術を光学センサの方面に応用することが効果的に素子の体積をミニ化出来る。
【０００３】
Ａ．Ｄ．ＫｅｒｓｅｙとＴ．Ａ．Ｂｅｒｋｏｆｆなどが１９９２年にＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ第４巻第１０期第１１８３ないし１１８５ぺ一ジに光ファイバーブラッグ回折格子を温度センサ素子とする理論を発表したが、その検出精密度が摂氏０．０５度であり、この結果がブラッグ回折格子を温度センサに応用する技術の実現可能性を証明したが、その製造コストがあまりにも高く、且つ効果が本発明の絶縁層上シリコン結晶体導波回折格子の設計の温度センサに及ばず、絶縁層上シリコン結晶体導波は一般の光ファイバーより大きいほうの熱光膨張係数特性を有するので、大幅に素子の温度に対する検出の精確度を向上できる。
【０００４】
また、Ｗｅｉ−Ｃｈｏｎｇ  ＤｕとＸｉａｏ−Ｍｉｎｇ  ＴａｏとＨｗａ−Ｙａｗ  Ｔａｍなどが１９９９年のＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ第１１巻第１期第１０５ないし１０７ぺ一ジにおいて光ファイバーブラッグ蛍雪格子反射スペクトルの変化に基づいて温度の変化量の分析技術を提出したが、この発明に比べて本発明は２つの反射回折格子にマイケルソン干渉効果を加えて反射スペクトルの周波数の帯域の広さをもっと小さくし、温度の検出にもっと精密的にならせる。
【０００５】
また、Ａ．Ｄ．ＫｅｒｓｅｙとＴ．Ａ．Ｂｅｒｋｏｆｆなどが、１９９６年のＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ第８巻第９期第１２２３ないし１２２５ぺ一ジにおいて光ファイバーブラッグ回折格子を温度と圧力の検出手段とする技術を分析した。その結果がブラッグ蛍雪格子技術の応用範囲がかなり広いと証明し、且つブラッグ回折格子センサの物理量検出の適用する範囲がかなり広いと証明したが、本発明の設計の絶縁層上シリコン結晶体多数モード干渉にマイケルソン干渉をプラスしてなる温度センサに比べてそのシステムコストがかなり高く、商品化の生産に不利であり、本発明は目前の成熟した半導体産業の分野において生産する場合、大量生産には絶対に問題ないと共に、大幅にコストダウン出来、十分に進歩性を有する。
【０００６】
また、Ｔ．Ｗ．ＡｎｇとＧ．Ｔ．ＲｅｅｄとＡ．ＶｏｎｓｏｖｉｃｉとＡ．Ｇ．Ｒ．ＥｖａｎｓとＰ．Ｒ．ＲｏｕｔｌｅｙとＭ．Ｒ．Ｊｏｓｅｙとが２０００年ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ第１２巻第１期第５９ないし６１ぺ一ジにおいて絶縁層上シリコン結晶体導波回折格子の効果を分析した。その結果が絶縁層上シリコン結晶体導波回折格子センサの実行可能性を証明した。
【０００７】
また、Ｅｒｉｃ  Ｕｄｄが１９９７年に提出したアメリカ特許第５５９１９６５号において複数の光ファイバーを直列的に連結してなるセンサシステムを提案した。それは回折格子センサの物理量測定の多量工作性の実行可能性を証明した。
【０００８】
また、Ｍａｒｋ．Ｆ．Ｋｒｏｌが２０００年に提出したアメリカ特許第９６０７５９０７号において複数個の長周期の光ファイバー回折格子を光ファイバーネットワークに架設し、この技術によって同時に複数点における物理量例えば温度などを監視し、光学式温度センサを広範囲に応用出来る商業価値がかなり高いと証明し、応用性が極めて高いことを提唱したが、この特許の技術手段と本発明の技術手段とは異なっている。
【０００９】
また、Ｓｔｅｐｈｅｎ  Ｊａｍｅｓ  ＣｒａｍｐｔｏｎとＡｒｎｏｌｄ  Ｐｅｔｅｒ  ＲｏｓｃとＡｎｄｒｅｗ  Ｇｅｏｒｇｅ  Ｒｉｃｋｍａｎが１９９８年に発表したアメリカ特許第５７５７９８６号において絶縁層上シリコン結晶体導波による光電調製素子を提案した。この特許の提案により絶縁層上シリコン結晶体導波が応用性に富み、マーケットにおける価値を有すると証明した。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は困難さがかなり高い周期光ファイバー回折格子を製造する必要がなく、旦つ半導体製造プロセスを採用するので、商業の量産化をさらに容易にする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は１つの２×２絶縁層上シリコン結晶体（ＳＯＩ）導波カップラーと２つの絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格子とからなるマイケルソン干渉式温度センサを提出した。温度の変化がその反射波長に変化を生じさせることができるので、反射工率の変化を形成した。ＳＯＩが一般の光ファイバーよりもっと高い熱光膨張係数特性を有するので、大幅に温度センサの精密度を向上できる。
【００１２】
以下に添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は１つの２×２（２つの入力ポートと２つの出力ポート）絶縁層上シリコン結晶体導波カップラー１と２つの絶縁層上シリコン結晶体ブラッグ回折格子２とからなるマイケルソン干渉式温度センサを提供し、その構成は図１に示すようである。
【００１４】
絶縁層上シリコン結晶体導波カップラー１にはシングルモードリッジタイプ導波１２とシングルモードＳ型リッジタイプ導波１３とシングルモード平行カップリング導波１４とシリコン案内層１５と二酸化珪素絶縁層１６とシリコンベース１７とを含み、図２に示すようである。
【００１５】
また、絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格子２にはアモルファスシリコン層２１と正弦式シリコン回折格子層２２と二酸化珪素絶縁層１６とシリコンベース１７とを含み、図３に示すようである。
【００１６】
絶縁層上シリコン結晶体導波カップラー１と絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格子２とが同じように二酸化珪素絶縁層１６とシリコンベース１７に形成されると共に、相互に接される。
【００１７】
１．５５μｍ波長の光線がシングルモードリッジタイプ導波１２のシリコン案内層１５より入射する場合、シリコン案内層１５の屈折率（ｎｓｉ＝３．５）が空気（ｎａｉｒ＝１）と二酸化珪素絶縁層１６（ｎｓｉＯ２＝１．５）より大きいので、光線がシリコン案内層１５において伝導される時、全反射の効果によって効果的に光線を導波に制限する。一般の光ファイバーの外径がほぼ１２５μｍであるので、本発明はシングルモードＳ型リッジタイプ導波１３(図２参照)を提案し、且つ導波同士間の距離を１２５μｍにも及ぶように広めることによって本発明のＳＯＩ導波カップラー１と外径が１２５μｍの光ファイバーと接続する。光線が光ファイバーとシングルモードリッジタイプ導波１２を通ってシングルモード平行カップリング導波１４に進入する場合、光線が弱カップリング効果により元の伝導のシングルモードリッジタイプ導波１２より他の平行のシングルモードリッジタイプ導波１２にカップリングし、光工率と光信号分岐の機能を生じる。
【００１８】
カップルモード方程式（Ｃｏｕｐｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｅｑｕａｔｉｏｎ）に基づいて本発明は導波幅１１が6μｍで正弦式シリコン回折格子層２２が１．５μｍで回折格子周期２３が０．２２１５μｍで回折格子長さ２４が１００μｍで二酸化珪素絶縁層１６が０．４μｍでアモルファスシリコン層２１が１μｍである、最も好ましい絶縁層上シリコン結晶体導波ブラッグ回折格子を設計取得とし得た。下記のカップルモード方程式の計算によって１．５５μｍの光線が導波ブラッグ回折格子に反射される後に呈する光工率分布を得られる。
【００１９】
【数１】
0003752442.tif 000002
そのうち、ｃは光速でｆは回折格子作業局波数でｎは屈折係数で△ｎは回折格子層とカバー層との屈折係数の差である。
【００２０】
物質熱膨張冷収縮の特性と設計した導波ブラッグ回折格子とを結合することによって外界温度変化△Ｔと反射スペクトル浮遊ｆＲとの関係は次の式に示すようである。
【００２１】
【数２】
0003752442.tif 000003
そのうち、Ｅは熱膨張係数（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：２．６×１０−６／℃）であり、Ｔ０は熱光係数（Ｔｈｅｒｍａｌ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：８．６×１０−４／℃）である。
【００２２】
図１は本発明の絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式センサを示す図であり、そのうち、入力電場Ｅｉｎと出力電場Ｅｒｉとの関係がマトリックス代数法（Ｍａｔｒｉｘ  Ａｌｇｅｂｒａ  Ｍｅｔｈｏｄ）に基づく分析によって下記のようなことが得られる。
【００２３】
【数３】
0003752442.tif 000004
そのうち、Ｋは２×２導波カップラーのカップリング常数であり、ｒは導波ブラッグ回折格子の反射率であり、βは導波伝播常数であり、ｌｉは４つの入力出力ポートのそれぞれの長さである。
【００２４】
公式（１）と（２）を前記それぞれの式に代入して摸擬をする場合、外界温度変化の光線が銅はマイケルソン干渉手段を通る場合に対する浮遊状況を得られる。下記の実施例は本発明の摸擬検証の結果を説明する。
【００２５】
【実施例】
本発明の実行可能性を検証するために数値摸擬分析法によって本発明のＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉手段が外界温度を検出出来ることを証明する。本実施例において入射波長が１．５５μｍの光線によって本発明の“絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ”の機能と特性を摸擬する。
【００２６】
図４はＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉式温度センサと従来の光ファイバーブラッグ回折格子温度センサとが、波長１．５５μｍで回折格子周期２３が０．２２１５μｍで回折格子長さ２４が１００μｍである場合の反射光工率スペクトルを示す図である。図４の反射光工率スペクトルの比較分析より同じ回折格子周期の設計の元で本発明のＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉式温度センサの反射スペクトルが狭いと発見出来るので、本発明の方が精密度が光ファイバー回折格子の検出手段より高いと判明出来る。
【００２７】
図５は外界温度変化が摂氏１０度である場合ＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉式温度センサと従来の光ファイバーブラッグ回折格子反射工率スペクトルが温度の変化により浮遊する状況を比較する図である。この図を分析することによって本発明のＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉式温度センサのそれぞれの摂氏１度毎の反射工率スペクトル浮遊量が従来の光ファイバーブラッグ回折格子温度センサより２０倍以上も多くなっている。このことからＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉式温度センサの呈する温度検出特性が従来の光ファイバーブラッグ回折格子センサより敏感になることが分かる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の特徴は絶縁層上シリコン結晶体（ＳＯＩ）チップを使用することによって集積電気回路と集積光学検出素子とを緊密的に結合すると共に、ＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉式温度センサの設計を通して光学センサのサイズを小さくし、旦つ温度センサの検出精密度を向上し、温度検出素子の特性を増進する効果を図れる。本発明の設計による絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサの効果は下記のようである。
１．温度検出機能を有し、未来の工業センサやシリコンウエハＩＣ温度コントローラや生物医学検出素子などの基本モジュールとすることができる。
２．高精確度を有する。
３．ＦＷＨＭ（Ｆｕｌｌ  Ｗｉｄｔｈ  Ａｔ  Ｈａｌｆ  Ｍａｘｉｍｕｍ）が低い。
４．光通信監視ネットワークに運用される場合ネットワーク情報送受信の信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の絶縁層シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサを示す図である。
【図２】本発明の２×２絶縁層上シリコン結晶体光学導波カップラーの構造を示す図である。
【図３】絶縁層上シリコン光学導波ブラッグ回折格子を示す側面断面図である。
【図４】ＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉式温度センサと従来の光ファイバーブラッグ回折格子温度センサとの反射光工率スペクトルを比較する図である。
【図５】ＳＯＩ光学導波マイケルソン干渉式温度センサと従来の光ファイバーブラッグ回折格子温度センサとの反射光工率スペクトルが温度の変化により浮遊する状況を比較する図である。
【符号の説明】
１    ２×２絶縁層上シリコン結晶体光学導波カップラー
２    絶縁層上シリコン結晶体光学導波ブラッグ回折格子
３    ポート１の反射出力電場（Ｅｒ１）
４    ポート２の反射出力電場（Ｅｒ２）
５    ポート３の反射出力電場（Ｅｒ３）
６    ポート４の反射出力電場（Ｅｒ４）
７    ポート１の入力ポートの長さ（ｌ１）
８    ポート２の入力ポートの長さ（ｌ２）
９    ポート３の出力ポートの長さ（ｌ３）
１０  ポート４の出力ポートの長さ（ｌ４）
１１  絶縁層上シリコン結晶体光学導波の幅
１２  シングルモードリッジタイプ導波
１３  シングルモードＳ型リッジタイプ導波
１４  シングルモード平行カップリング導波
１５  シリコン案内層
１６  二酸化珪素絶縁層
１７  シリコンベース
２１  アモルファスシリコン層
２２  正弦式シリコン回折格子層
２３  回折格子周期
２４  回折格子長さ
８１  光工率検出器
８２  マイクロプロセッサ
８３  レーザー
８４  光ファイバー
【図１】
0003752442.tif 000005
【図２】
0003752442.tif 000006
【図３】
0003752442.tif 000007
【図４】
0003752442.tif 000008
【図５】
0003752442.tif 000009