光導波路型デバイス、温度計測装置および温度計測方法
【課題】高精度に温度を計測する際に好適に用いられ得る光導波路型デバイスを提供する。
【解決手段】光導波路型デバイス１０は、基板１００上に光導波路１１１〜１１４が形成されていて、光導波路１１１と光導波路１１２とが光カプラ１２１および光カプラ１２２それぞれにおいて光結合されていて第１マッハツェンダ干渉計を構成し、光導波路１１３と光導波路１１４とが光カプラ１２３および光カプラ１２４それぞれにおいて光結合されていて第２マッハツェンダ干渉計を構成している。光導波路１１２の一部区間１１２Ｂのコアの屈折率の温度依存性は、光導波路１１１および光導波路１１２の他の光導波路部分１１２Ａ，１１２Ｃと異なる。光導波路１１４の一部区間１１４Ｂのコアの屈折率の温度依存性は、光導波路１１３および光導波路１１４の他の光導波路部分１１４Ａ，１１４Ｃと異なる。区間１１２Ｂの長さと区間１１４Ｂの長さとは互いに異なる。
【解決手段】光導波路型デバイス１０は、基板１００上に光導波路１１１〜１１４が形成されていて、光導波路１１１と光導波路１１２とが光カプラ１２１および光カプラ１２２それぞれにおいて光結合されていて第１マッハツェンダ干渉計を構成し、光導波路１１３と光導波路１１４とが光カプラ１２３および光カプラ１２４それぞれにおいて光結合されていて第２マッハツェンダ干渉計を構成している。光導波路１１２の一部区間１１２Ｂのコアの屈折率の温度依存性は、光導波路１１１および光導波路１１２の他の光導波路部分１１２Ａ，１１２Ｃと異なる。光導波路１１４の一部区間１１４Ｂのコアの屈折率の温度依存性は、光導波路１１３および光導波路１１４の他の光導波路部分１１４Ａ，１１４Ｃと異なる。区間１１２Ｂの長さと区間１１４Ｂの長さとは互いに異なる。
【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計測技術は、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、精度が悪い。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、高精度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】
本発明に係る光導波路型デバイスは、基板上に第１光導波路，第２光導波路，第３光導波路および第４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第１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（長さＬ２）のコアの屈折率の温度依存性が他の光導波路部分と異なり、第３光導波路と第４光導波路とが第３光カプラおよび第４光カプラそれぞれにおいて光結合されて第２のマッハツェンダ干渉計を構成し、第３光カプラと第４光カプラとの間において第４光導波路の一部区間（長さＬ４、ただし、Ｌ２≠Ｌ４）のコア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。
【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、第１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コア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。同様に、第３光導波路および第４光導波路の何れか一方の一端に光が入射すると、第２マッハツェンダ干渉計を経て第３光導波路および第４光導波路それぞれの他端から光が出射されるが、第４光導波路の一部区間のコア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も温度により変化する。さらに、第２光導波路の一部区間の長さＬ２と第４光導波路の一部区間の長さＬ４とは互いに異なるので、第１マッハツェンダ干渉計および第２マッハツェンダ干渉計それぞれにおける光透過特性は互いに異なる。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、高精度に温度を計測することが可能となる。
【０００６】
本発明に係る光導波路型デバイスは、第２光導波路の一部区間および第４光導波路の一部区間それぞれのコアが液体からなるのが好適である。第２光導波路の一部区間および第４光導波路の一部区間それぞれにおいて、コア部分に液体を注入出する為の少なくとも２つの注入出孔が、コアからオーバークラッドを貫通して上面まで設けられているのが好適である。また、第２光導波路の一部区間および第４光導波路の一部区間それぞれにおいて、オーバークラッド上の各々の注入出孔の開口部の周囲に液溜まりが設けられているのが好適である。
【０００７】
本発明に係る温度計測装置は、(1) 上記の本発明に係る光導波路型デバイスと、(2) 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とともに、光源部から出力された光を光導波路型デバイスの第３光導波路および第４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，第２光導波路，第３光導波路および第４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，第２光導波路，第３光導波路および第４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、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。
【０００８】
本発明に係る温度計測方法は、(1) 上記の本発明に係る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光を入射させて、第１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、第１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) 第３光導波路および第４光導波路の何れか一方の一端に光を入射させて、第２マッハツェンダ干渉計を経て第３光導波路の他端から出射する光のパワーＰ３を検出するとともに、第２マッハツェンダ干渉計を経て第４光導波路の他端から出射する光のパワーＰ４を検出し、(4) これら４つの光パワーＰ１〜Ｐ４に基づいて光導波路型デバイスの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】
【０００９】
本発明によれば、高精度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】
【００１０】
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。
【００１１】
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５１，５３および出射用光ファイバ６１〜６４を備える。
【００１２】
光導波路型デバイス１０は、基板１００上に第１光導波路１１１，第２光導波路１１２，第３光導波路１１３および第４光導波路１１４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、第１のマッハツェンダ干渉計を構成している。また、第３光導波路１１３と第４光導波路１１４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３光カプラ１２３および第４光カプラ１２４を構成している。すなわち、第３光導波路１１３と第４光導波路１１４とは、第３光カプラ１２３および第４光カプラ１２４それぞれにおいて光結合されていて、第２のマッハツェンダ干渉計を構成している。
【００１３】
光源部２０は、光導波路型デバイス１０の第１光導波路１１１および第３光導波路１１３それぞれの一端（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。また、光ファイバ５３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３光導波路１１３の入射端に入射させる。
【００１４】
検出部３０は、光導波路型デバイス１０の第１光導波路１１１，第２光導波路１１２，第３光導波路１１３および第４光導波路１１４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。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。光ファイバ６３は、光導波路型デバイス１０の第３光導波路１１３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６４は、光導波路型デバイス１０の第４光導波路１１４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。
【００１５】
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、および、光源部２０から出射され光導波路型デバイス１０の第３光導波路１１３の入射端に入射された光のパワーＰ３,inを入力する。また、解析部４０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検出部３０により検出された光のパワーＰ１,out、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、光導波路型デバイス１０の第３光導波路１１３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Ｐ３,out、および、光導波路型デバイス１０の第４光導波路１１４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Ｐ４,outを入力する。
【００１６】
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、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、入力光パワーＰ３,inおよび出力光パワーＰ３,outに基づいて第３光導波路１１３の入射端から第３光導波路１１３の出射端までの光の透過損失α３を求め、また、入力光パワーＰ３,inおよび出力光パワーＰ４,outに基づいて第３光導波路１１３の入射端から第４光導波路１１４の出射端までの光の透過損失α４を求める。そして、解析部４０は、上記の透過損失α１〜α４に基づいて、光導波路型デバイス１０の温度を求める。
【００１７】
なお、光ファイバ５１，５２，６１〜６４については、例えば８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、６本の光ファイバにほぼ同じ変動が加わることになる。
【００１８】
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上に第１光導波路１１１，第２光導波路１１２，第３光導波路１１３および第４光導波路１１４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第１のマッハツェンダ干渉計を構成し、また、第３光導波路１１３と第４光導波路１１４とが第３光カプラ１２３および第４光カプラ１２４それぞれにおいて光結合されていて第２のマッハツェンダ干渉計を構成している。
【００１９】
さらに、第１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のコア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。また、第２マッハツェンダ干渉計において第３光カプラ１２３と第４光カプラ１２４との間で、第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂのコアの屈折率の温度依存性は、第３光導波路１１３および第４光導波路１１４の他の光導波路部分１１４Ａ，１１４Ｃと異なる。また、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂの長さＬ２と、第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂの長さＬ４とは、互いに異なる（Ｌ２≠Ｌ４）。
【００２０】
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および第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂ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および第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂそれぞれのコアは液体からなるのが好適である。
【００２１】
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および第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂ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。
【００２２】
同図（ｂ）は、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂまたは第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂにおける両端近傍を除く各所（代表例として第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設けられ、これらの上にオーバークラッド１３０が形成されて、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂおよび第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂそれぞれが構成されている。基板１００およびオーバークラッド１３０は石英ガラスを主成分する。一方、コアが設けられるべき領域は空洞とされていて、その空洞に液体が注入されてコアとなっている。
【００２３】
同図（ｃ）は、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂまたは第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂにおける端部（代表例として第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂの端部）の断面図（図２中のＢ−Ｂ’断面）を示す。この図に示されるように、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂの両端部それぞれにおいて、コア部分に液体を注入出する為の注入出孔１１２Ｄが、コアからオーバークラッド１３０を貫通して上面まで設けられている。また、オーバークラッド１３０上の各注入出孔１１２Ｄの開口部の周囲に液溜まり１４０が設けられている。第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂの両端部についても同様である。同図（ｄ）は、同図（ｃ）の変形例である。この図に示される断面では、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂの液体部分は、第２光導波路１１２のコア断面の一部となっている。
【００２４】
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。この図は、特に、第１光導波路１１１および第２光導波路１１２について製造方法を示している。
【００２５】
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、所定厚の第１オーバークラッド１３１を堆積する（図４（ｃ））。
【００２６】
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１１２Ｂとなるべき部分に所定幅および所定深さの溝１１５を掘る（図４（ｄ））。これにプラズマＣＶＤで所定厚の第２オーバークラッド１３２を堆積し、溝上部を塞いで空洞１１６とする（図４（ｅ））。第１オーバークラッド１３１および第２オーバークラッド１３２は、前述のオーバークラッド１３０となる。
【００２７】
３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、所定直径で空洞１１６まで貫通する深さの液入出孔１１７を形成する（図４（ｆ））。オーバークラッド１３２上面の液入出孔１１７の開口の周囲にフィルム１４０を貼り付け、空洞１１６の両端に相当する部分に針で穴を開けてフィルム１４０を貫通させ、所定直径の液溜まりを形成する（図４（ｇ））。最終工程の液溜まりは、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、オーバークラッドガラスを加工して形成することもできる。液入出孔の周りに液入出孔の片側から液を入れ、液入出孔の他端まで液を到達させる。
【００２８】
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３光導波路１１３それぞれは、Ｇｅが添加された石英ガラスからなる。第２光導波路１１２については、一部区間１１２Ｂがインデックスマッチングオイルからなり、その他の区間がＧｅ添加石英ガラスからなる。第４光導波路１１４については、一部区間１１４Ｂがインデックスマッチングオイルからなり、その他の区間がＧｅ添加石英ガラスからなる。
【００２９】
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。インデックスマッチングオイルの屈折率は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。インデックスマッチングオイルの屈折率の温度依存性は−０.０００２／℃である。
【００３０】
光導波路１１１〜１１４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１１１〜１１４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１２１〜１２４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３光カプラ１２３と第４光カプラ１２４との間における第３光導波路１１３および第４光導波路１１４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Ｌ２は０.５ｍｍであり、第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂの長さＬ２は５ｍｍである。
【００３１】
インデックスマッチングオイルの部分の断面形状も７.５μｍ×７.５μｍの正方形である。インデックスマッチングオイル部の両端には、オーバークラッド１３０上面からオーバークラッド１３０を貫通してコアに至るまで注入出孔が設けられ、その開口部の周囲に液溜まりが設けられており、液体の出入りが可能となっている。この貫通構造および液溜まりとにより、例えば光導波路型デバイス１０の周囲の温度変化によってインデックスマッチングオイルの体積が変化しても、インデックスマッチングオイルに気泡が混入することを防止できる。
【００３２】
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。
【００３３】
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とともに、光ファイバ５３により導かれて光導波路型デバイス１０の第３光導波路１１３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、第１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。光導波路型デバイス１０の第３光導波路１１３の入射端に入射した光は、第２マッハツェンダ干渉計を経て、第３光導波路１１３の出射端および第４光導波路１１４の出射端それぞれから出力される。
【００３４】
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。第３光導波路１１３の出射端から出力された光は、光ファイバ６３により導かれて、検出部３０によりパワーが検出される。また、第４光導波路１１４の出射端から出力された光は、光ファイバ６４により導かれて、検出部３０によりパワーが検出される。
【００３５】
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３光導波路１１３の入射端に入射された光のパワーＰ３,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、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、第３光導波路１１３の出射端から出射された光のパワーＰ３,out、および、第４光導波路１１４の出射端から出射された光のパワーＰ４,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、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、第３光導波路１１３の入射端から第３光導波路１１３の出射端までの光の透過損失α３、および、第３光導波路１１３の入射端から第４光導波路１１４の出射端までの光の透過損失α４が求められ、さらに、これら透過損失α１〜α４に基づいて光導波路型デバイス１０の温度が求められる。
【００３６】
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。また、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α３，α４それぞれの温度依存性を示すグラフである。なお、これらの関係は、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。
【００３７】
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４０℃〜５０℃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６.２ｄＢであって透過損失α２が１.４ｄＢであるとき、温度が４３.３℃であることがわかる。更にこの同じ温度状態で透過損失α３が１.３ｄＢであって透過損失α４が６.３ｄＢであるとすると、温度が４３.２５℃であることがわかる。光出力測定の精度が±０.２ｄＢ程度の光学測定系を用いたとき、この温度範囲で曲線の接線の傾きの大きい透過損失α４の値を用いれば、温度の測定精度は±０.００６℃程度となる。
【００３８】
マッハツェンダ干渉計では、同じ値の光出力を与える温度は、図５，図６からわかるように周期的にめぐってくる。ひとつのマッハツェンダ干渉計を用いただけでは、どの温度領域を測定しているのかわからない。
【００３９】
すなわち、光導波路デバイス１０で、α１が６.２ｄＢ、α２が１.４ｄＢという値を示すのは、図５からわかるように、４３.３℃付近の他、３７℃付近（図５、点Ａ）、２５℃付近（図５、点Ｂ）など複数ある。測定している温度が２５℃か３７℃か４３℃かは、他の簡易な温度計によっても、十分計測することができる。その値を知った上で、α１とα２から、より正確な温度を知ることができる。
【００４０】
光導波路デバイス１０で、α３が１.３ｄＢ、α４が６.３ｄＢという値を示すのは、図６からわかるように、４３.２５℃の他、４２.６℃付近（図６、点Ｃ）、４１.３℃付近（図６、点Ｄ）、４０.６℃付近（図６、点Ｅ）など複数ある。α１とα２との値から、測定温度範囲が４３.３℃近辺であることがわかっているので、α３とα４とから、計測対象の温度が４３.２５℃と判定することができる。
【００４１】
光出力の測定精度が±０.２ｄＢ程度の光学測定系を用いるとすると、マッハツェンダ干渉計の一部区間の長さが長いほど、ある目的の温度付近においては、温度変化に対する損失変化が大きくなるので、温度に対して感度の良い、すなわち、より精度の高い温度計測が可能となる。
【００４２】
一方、一部区間が長いほど、温度変化に対する損失変化の周期は短くなる。同じ「α１とα２」または「α３とα４」を与える温度の間隔が小さくなる。したがって、第１マッハツェンダ干渉計の一部区間の長さは、同じ「α１とα２」を与える温度周期が他の簡易な温度計で測定できる温度精度よりも小さくならないように、設定するのが好ましい。このとき、一部区間が長すぎてはいけない。同様に、第２マッハツェンダ干渉計の一部区間の長さは、同じ「α３とα４」を与える温度周期が、第１マッハツェンダ干渉計で測定できる温度精度よりも小さくなりすぎないように設定するのが好ましい。このとき、一部区間が長すぎてはいけない。
【００４３】
第１マッハツェンダ干渉計は、α１、α２の温度変化の周期が５〜１０℃程度となるように一部区間の長さを設定し、第２マッハツェンダ干渉計は、一部区間の長さが第１マッハツェンダ干渉計の５〜２０倍程度となるように設定するのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【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α３，α４それぞれの温度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
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、５１，５３…入射用光ファイバ、６１〜６４…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、１１３…第３光導波路、１１４…第４光導波路、１２１…第１光カプラ、１２２…第２光カプラ、１２３…第３光カプラ、１２４…第４光カプラ、１３０…オーバークラッド。
【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計測技術は、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、精度が悪い。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、高精度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】
本発明に係る光導波路型デバイスは、基板上に第１光導波路，第２光導波路，第３光導波路および第４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第１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（長さＬ２）のコアの屈折率の温度依存性が他の光導波路部分と異なり、第３光導波路と第４光導波路とが第３光カプラおよび第４光カプラそれぞれにおいて光結合されて第２のマッハツェンダ干渉計を構成し、第３光カプラと第４光カプラとの間において第４光導波路の一部区間（長さＬ４、ただし、Ｌ２≠Ｌ４）のコア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。
【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、第１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コア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。同様に、第３光導波路および第４光導波路の何れか一方の一端に光が入射すると、第２マッハツェンダ干渉計を経て第３光導波路および第４光導波路それぞれの他端から光が出射されるが、第４光導波路の一部区間のコア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も温度により変化する。さらに、第２光導波路の一部区間の長さＬ２と第４光導波路の一部区間の長さＬ４とは互いに異なるので、第１マッハツェンダ干渉計および第２マッハツェンダ干渉計それぞれにおける光透過特性は互いに異なる。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、高精度に温度を計測することが可能となる。
【０００６】
本発明に係る光導波路型デバイスは、第２光導波路の一部区間および第４光導波路の一部区間それぞれのコアが液体からなるのが好適である。第２光導波路の一部区間および第４光導波路の一部区間それぞれにおいて、コア部分に液体を注入出する為の少なくとも２つの注入出孔が、コアからオーバークラッドを貫通して上面まで設けられているのが好適である。また、第２光導波路の一部区間および第４光導波路の一部区間それぞれにおいて、オーバークラッド上の各々の注入出孔の開口部の周囲に液溜まりが設けられているのが好適である。
【０００７】
本発明に係る温度計測装置は、(1) 上記の本発明に係る光導波路型デバイスと、(2) 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とともに、光源部から出力された光を光導波路型デバイスの第３光導波路および第４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，第２光導波路，第３光導波路および第４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，第２光導波路，第３光導波路および第４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、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。
【０００８】
本発明に係る温度計測方法は、(1) 上記の本発明に係る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光を入射させて、第１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、第１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) 第３光導波路および第４光導波路の何れか一方の一端に光を入射させて、第２マッハツェンダ干渉計を経て第３光導波路の他端から出射する光のパワーＰ３を検出するとともに、第２マッハツェンダ干渉計を経て第４光導波路の他端から出射する光のパワーＰ４を検出し、(4) これら４つの光パワーＰ１〜Ｐ４に基づいて光導波路型デバイスの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】
【０００９】
本発明によれば、高精度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】
【００１０】
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。
【００１１】
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５１，５３および出射用光ファイバ６１〜６４を備える。
【００１２】
光導波路型デバイス１０は、基板１００上に第１光導波路１１１，第２光導波路１１２，第３光導波路１１３および第４光導波路１１４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、第１のマッハツェンダ干渉計を構成している。また、第３光導波路１１３と第４光導波路１１４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３光カプラ１２３および第４光カプラ１２４を構成している。すなわち、第３光導波路１１３と第４光導波路１１４とは、第３光カプラ１２３および第４光カプラ１２４それぞれにおいて光結合されていて、第２のマッハツェンダ干渉計を構成している。
【００１３】
光源部２０は、光導波路型デバイス１０の第１光導波路１１１および第３光導波路１１３それぞれの一端（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。また、光ファイバ５３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３光導波路１１３の入射端に入射させる。
【００１４】
検出部３０は、光導波路型デバイス１０の第１光導波路１１１，第２光導波路１１２，第３光導波路１１３および第４光導波路１１４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。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。光ファイバ６３は、光導波路型デバイス１０の第３光導波路１１３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６４は、光導波路型デバイス１０の第４光導波路１１４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。
【００１５】
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、および、光源部２０から出射され光導波路型デバイス１０の第３光導波路１１３の入射端に入射された光のパワーＰ３,inを入力する。また、解析部４０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検出部３０により検出された光のパワーＰ１,out、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、光導波路型デバイス１０の第３光導波路１１３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Ｐ３,out、および、光導波路型デバイス１０の第４光導波路１１４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Ｐ４,outを入力する。
【００１６】
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、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、入力光パワーＰ３,inおよび出力光パワーＰ３,outに基づいて第３光導波路１１３の入射端から第３光導波路１１３の出射端までの光の透過損失α３を求め、また、入力光パワーＰ３,inおよび出力光パワーＰ４,outに基づいて第３光導波路１１３の入射端から第４光導波路１１４の出射端までの光の透過損失α４を求める。そして、解析部４０は、上記の透過損失α１〜α４に基づいて、光導波路型デバイス１０の温度を求める。
【００１７】
なお、光ファイバ５１，５２，６１〜６４については、例えば８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、６本の光ファイバにほぼ同じ変動が加わることになる。
【００１８】
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上に第１光導波路１１１，第２光導波路１１２，第３光導波路１１３および第４光導波路１１４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第１のマッハツェンダ干渉計を構成し、また、第３光導波路１１３と第４光導波路１１４とが第３光カプラ１２３および第４光カプラ１２４それぞれにおいて光結合されていて第２のマッハツェンダ干渉計を構成している。
【００１９】
さらに、第１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のコア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。また、第２マッハツェンダ干渉計において第３光カプラ１２３と第４光カプラ１２４との間で、第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂのコアの屈折率の温度依存性は、第３光導波路１１３および第４光導波路１１４の他の光導波路部分１１４Ａ，１１４Ｃと異なる。また、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂの長さＬ２と、第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂの長さＬ４とは、互いに異なる（Ｌ２≠Ｌ４）。
【００２０】
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および第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂ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および第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂそれぞれのコアは液体からなるのが好適である。
【００２１】
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および第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂ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。
【００２２】
同図（ｂ）は、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂまたは第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂにおける両端近傍を除く各所（代表例として第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設けられ、これらの上にオーバークラッド１３０が形成されて、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂおよび第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂそれぞれが構成されている。基板１００およびオーバークラッド１３０は石英ガラスを主成分する。一方、コアが設けられるべき領域は空洞とされていて、その空洞に液体が注入されてコアとなっている。
【００２３】
同図（ｃ）は、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂまたは第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂにおける端部（代表例として第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂの端部）の断面図（図２中のＢ−Ｂ’断面）を示す。この図に示されるように、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂの両端部それぞれにおいて、コア部分に液体を注入出する為の注入出孔１１２Ｄが、コアからオーバークラッド１３０を貫通して上面まで設けられている。また、オーバークラッド１３０上の各注入出孔１１２Ｄの開口部の周囲に液溜まり１４０が設けられている。第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂの両端部についても同様である。同図（ｄ）は、同図（ｃ）の変形例である。この図に示される断面では、第２光導波路１１２の一部区間１１２Ｂの液体部分は、第２光導波路１１２のコア断面の一部となっている。
【００２４】
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。この図は、特に、第１光導波路１１１および第２光導波路１１２について製造方法を示している。
【００２５】
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、所定厚の第１オーバークラッド１３１を堆積する（図４（ｃ））。
【００２６】
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１１２Ｂとなるべき部分に所定幅および所定深さの溝１１５を掘る（図４（ｄ））。これにプラズマＣＶＤで所定厚の第２オーバークラッド１３２を堆積し、溝上部を塞いで空洞１１６とする（図４（ｅ））。第１オーバークラッド１３１および第２オーバークラッド１３２は、前述のオーバークラッド１３０となる。
【００２７】
３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、所定直径で空洞１１６まで貫通する深さの液入出孔１１７を形成する（図４（ｆ））。オーバークラッド１３２上面の液入出孔１１７の開口の周囲にフィルム１４０を貼り付け、空洞１１６の両端に相当する部分に針で穴を開けてフィルム１４０を貫通させ、所定直径の液溜まりを形成する（図４（ｇ））。最終工程の液溜まりは、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、オーバークラッドガラスを加工して形成することもできる。液入出孔の周りに液入出孔の片側から液を入れ、液入出孔の他端まで液を到達させる。
【００２８】
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３光導波路１１３それぞれは、Ｇｅが添加された石英ガラスからなる。第２光導波路１１２については、一部区間１１２Ｂがインデックスマッチングオイルからなり、その他の区間がＧｅ添加石英ガラスからなる。第４光導波路１１４については、一部区間１１４Ｂがインデックスマッチングオイルからなり、その他の区間がＧｅ添加石英ガラスからなる。
【００２９】
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。インデックスマッチングオイルの屈折率は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。インデックスマッチングオイルの屈折率の温度依存性は−０.０００２／℃である。
【００３０】
光導波路１１１〜１１４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１１１〜１１４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１２１〜１２４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３光カプラ１２３と第４光カプラ１２４との間における第３光導波路１１３および第４光導波路１１４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Ｌ２は０.５ｍｍであり、第４光導波路１１４の一部区間１１４Ｂの長さＬ２は５ｍｍである。
【００３１】
インデックスマッチングオイルの部分の断面形状も７.５μｍ×７.５μｍの正方形である。インデックスマッチングオイル部の両端には、オーバークラッド１３０上面からオーバークラッド１３０を貫通してコアに至るまで注入出孔が設けられ、その開口部の周囲に液溜まりが設けられており、液体の出入りが可能となっている。この貫通構造および液溜まりとにより、例えば光導波路型デバイス１０の周囲の温度変化によってインデックスマッチングオイルの体積が変化しても、インデックスマッチングオイルに気泡が混入することを防止できる。
【００３２】
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。
【００３３】
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とともに、光ファイバ５３により導かれて光導波路型デバイス１０の第３光導波路１１３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、第１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。光導波路型デバイス１０の第３光導波路１１３の入射端に入射した光は、第２マッハツェンダ干渉計を経て、第３光導波路１１３の出射端および第４光導波路１１４の出射端それぞれから出力される。
【００３４】
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。第３光導波路１１３の出射端から出力された光は、光ファイバ６３により導かれて、検出部３０によりパワーが検出される。また、第４光導波路１１４の出射端から出力された光は、光ファイバ６４により導かれて、検出部３０によりパワーが検出される。
【００３５】
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３光導波路１１３の入射端に入射された光のパワーＰ３,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、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、第３光導波路１１３の出射端から出射された光のパワーＰ３,out、および、第４光導波路１１４の出射端から出射された光のパワーＰ４,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、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、第３光導波路１１３の入射端から第３光導波路１１３の出射端までの光の透過損失α３、および、第３光導波路１１３の入射端から第４光導波路１１４の出射端までの光の透過損失α４が求められ、さらに、これら透過損失α１〜α４に基づいて光導波路型デバイス１０の温度が求められる。
【００３６】
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。また、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α３，α４それぞれの温度依存性を示すグラフである。なお、これらの関係は、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。
【００３７】
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４０℃〜５０℃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６.２ｄＢであって透過損失α２が１.４ｄＢであるとき、温度が４３.３℃であることがわかる。更にこの同じ温度状態で透過損失α３が１.３ｄＢであって透過損失α４が６.３ｄＢであるとすると、温度が４３.２５℃であることがわかる。光出力測定の精度が±０.２ｄＢ程度の光学測定系を用いたとき、この温度範囲で曲線の接線の傾きの大きい透過損失α４の値を用いれば、温度の測定精度は±０.００６℃程度となる。
【００３８】
マッハツェンダ干渉計では、同じ値の光出力を与える温度は、図５，図６からわかるように周期的にめぐってくる。ひとつのマッハツェンダ干渉計を用いただけでは、どの温度領域を測定しているのかわからない。
【００３９】
すなわち、光導波路デバイス１０で、α１が６.２ｄＢ、α２が１.４ｄＢという値を示すのは、図５からわかるように、４３.３℃付近の他、３７℃付近（図５、点Ａ）、２５℃付近（図５、点Ｂ）など複数ある。測定している温度が２５℃か３７℃か４３℃かは、他の簡易な温度計によっても、十分計測することができる。その値を知った上で、α１とα２から、より正確な温度を知ることができる。
【００４０】
光導波路デバイス１０で、α３が１.３ｄＢ、α４が６.３ｄＢという値を示すのは、図６からわかるように、４３.２５℃の他、４２.６℃付近（図６、点Ｃ）、４１.３℃付近（図６、点Ｄ）、４０.６℃付近（図６、点Ｅ）など複数ある。α１とα２との値から、測定温度範囲が４３.３℃近辺であることがわかっているので、α３とα４とから、計測対象の温度が４３.２５℃と判定することができる。
【００４１】
光出力の測定精度が±０.２ｄＢ程度の光学測定系を用いるとすると、マッハツェンダ干渉計の一部区間の長さが長いほど、ある目的の温度付近においては、温度変化に対する損失変化が大きくなるので、温度に対して感度の良い、すなわち、より精度の高い温度計測が可能となる。
【００４２】
一方、一部区間が長いほど、温度変化に対する損失変化の周期は短くなる。同じ「α１とα２」または「α３とα４」を与える温度の間隔が小さくなる。したがって、第１マッハツェンダ干渉計の一部区間の長さは、同じ「α１とα２」を与える温度周期が他の簡易な温度計で測定できる温度精度よりも小さくならないように、設定するのが好ましい。このとき、一部区間が長すぎてはいけない。同様に、第２マッハツェンダ干渉計の一部区間の長さは、同じ「α３とα４」を与える温度周期が、第１マッハツェンダ干渉計で測定できる温度精度よりも小さくなりすぎないように設定するのが好ましい。このとき、一部区間が長すぎてはいけない。
【００４３】
第１マッハツェンダ干渉計は、α１、α２の温度変化の周期が５〜１０℃程度となるように一部区間の長さを設定し、第２マッハツェンダ干渉計は、一部区間の長さが第１マッハツェンダ干渉計の５〜２０倍程度となるように設定するのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【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α３，α４それぞれの温度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
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、５１，５３…入射用光ファイバ、６１〜６４…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、１１３…第３光導波路、１１４…第４光導波路、１２１…第１光カプラ、１２２…第２光カプラ、１２３…第３光カプラ、１２４…第４光カプラ、１３０…オーバークラッド。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１光導波路，第２光導波路，第３光導波路および第４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第１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（長さＬ２）のコア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３光導波路と前記第４光導波路とが第３光カプラおよび第４光カプラそれぞれにおいて光結合されて第２のマッハツェンダ干渉計を構成し、
前記第３光カプラと前記第４光カプラとの間において前記第４光導波路の一部区間（長さＬ４、ただし、Ｌ２≠Ｌ４）のコアの屈折率の温度依存性が他の光導波路部分と異なる、
ことを特徴とする光導波路型デバイス。
【請求項２】
前記第２光導波路の前記一部区間および前記第４光導波路の前記一部区間それぞれのコアが液体からなることを特徴とする請求項１記載の光導波路型デバイス。
【請求項３】
前記第２光導波路の前記一部区間および前記第４光導波路の前記一部区間それぞれにおいて、コア部分に液体を注入出する為の少なくとも２つの注入出孔が、コアからオーバークラッドを貫通して上面まで設けられている、ことを特徴とする請求項２記載の光導波路型デバイス。
【請求項４】
前記第２光導波路の前記一部区間および前記第４光導波路の前記一部区間それぞれにおいて、オーバークラッド上の各々の注入出孔の開口部の周囲に液溜まりが設けられている、ことを特徴とする請求項３記載の光導波路型デバイス。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の光導波路型デバイスと、
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とともに、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３光導波路および前記第４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，前記第２光導波路，前記第３光導波路および前記第４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，前記第２光導波路，前記第３光導波路および前記第４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、
を備えることを特徴とする温度計測装置。
【請求項６】
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５記載の温度計測装置。
【請求項７】
請求項１〜４の何れか１項に記載の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光を入射させて、前記第１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、前記第１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、
前記第３光導波路および前記第４光導波路の何れか一方の一端に光を入射させて、前記第２マッハツェンダ干渉計を経て前記第３光導波路の他端から出射する光のパワーＰ３を検出するとともに、前記第２マッハツェンダ干渉計を経て前記第４光導波路の他端から出射する光のパワーＰ４を検出し、
これら４つの光パワーＰ１〜Ｐ４に基づいて前記光導波路型デバイスの温度を計測する、
ことを特徴とする温度計測方法。
【請求項８】
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７記載の温度計測方法。
【請求項１】
基板上に第１光導波路，第２光導波路，第３光導波路および第４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第１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（長さＬ２）のコア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３光導波路と前記第４光導波路とが第３光カプラおよび第４光カプラそれぞれにおいて光結合されて第２のマッハツェンダ干渉計を構成し、
前記第３光カプラと前記第４光カプラとの間において前記第４光導波路の一部区間（長さＬ４、ただし、Ｌ２≠Ｌ４）のコアの屈折率の温度依存性が他の光導波路部分と異なる、
ことを特徴とする光導波路型デバイス。
【請求項２】
前記第２光導波路の前記一部区間および前記第４光導波路の前記一部区間それぞれのコアが液体からなることを特徴とする請求項１記載の光導波路型デバイス。
【請求項３】
前記第２光導波路の前記一部区間および前記第４光導波路の前記一部区間それぞれにおいて、コア部分に液体を注入出する為の少なくとも２つの注入出孔が、コアからオーバークラッドを貫通して上面まで設けられている、ことを特徴とする請求項２記載の光導波路型デバイス。
【請求項４】
前記第２光導波路の前記一部区間および前記第４光導波路の前記一部区間それぞれにおいて、オーバークラッド上の各々の注入出孔の開口部の周囲に液溜まりが設けられている、ことを特徴とする請求項３記載の光導波路型デバイス。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の光導波路型デバイスと、
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とともに、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３光導波路および前記第４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，前記第２光導波路，前記第３光導波路および前記第４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，前記第２光導波路，前記第３光導波路および前記第４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、
を備えることを特徴とする温度計測装置。
【請求項６】
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５記載の温度計測装置。
【請求項７】
請求項１〜４の何れか１項に記載の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光を入射させて、前記第１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、前記第１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、
前記第３光導波路および前記第４光導波路の何れか一方の一端に光を入射させて、前記第２マッハツェンダ干渉計を経て前記第３光導波路の他端から出射する光のパワーＰ３を検出するとともに、前記第２マッハツェンダ干渉計を経て前記第４光導波路の他端から出射する光のパワーＰ４を検出し、
これら４つの光パワーＰ１〜Ｐ４に基づいて前記光導波路型デバイスの温度を計測する、
ことを特徴とする温度計測方法。
【請求項８】
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７記載の温度計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−１７０９１８（Ｐ２００７−１７０９１８Ａ）
【公開日】平成１９年７月５日（２００７．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３６６８５５（Ｐ２００５−３６６８５５）
【出願日】平成１７年１２月２０日（２００５．１２．２０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月５日（２００７．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月２０日（２００５．１２．２０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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