BR112014006451B1 - Arranjo de sensor óptico; e método para a medição de um observável por meio de um arranjo de sensor óptico - Google Patents

Arranjo de sensor óptico; e método para a medição de um observável por meio de um arranjo de sensor óptico Download PDF

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Abstract

resumo arranjo de sensor óptico; e método para a medição de um observável por meio de um arranjo de sensor óptico a invenção se refere a um arranjo de sensor óptico (1; 10; 40; 60) para medir um observável compreendendo: pelo menos uma fonte de luz (2; 11; 12; 41, 42; 62, 63, 64) para a geração de um primeiro componente de luz de uma primeira frequência compreendendo um primeiro modo e um segundo componente de luz de uma segunda frequência compreendendo um segundo modo ortogonal ao referido primeiro modo, um ressonador óptico (4; 17; 45; 69) que tem diferentes comprimentos ópticos para o primeiro e segundo modos, sendo que pelo menos um dos comprimentos ópticos é variável, dependendo do observável e com uma dependência do comprimento óptico respectivo sendo diferente para os referidos primeiro e segundo modos, em que a pelo menos uma fonte de luz é opticamente acoplada ao ressonador óptico para alimentar os dois componentes de luz ao ressonador óptico e uma unidade de detecção (6; 23; 52; 74) sendo acoplada ao ressonador óptico para acoplar os dois componentes de luz e sendo configurada para detectar uma diferença de frequência entre uma frequência de ressonância do ressonador óptico para o primeiro modo e uma frequência de ressonância do ressonador óptico para o segundo modo. além disso, a invenção se refere a um método para a medição de um observável por meio de um arranjo de sensor óptico (1; 10; 40; 60) desse tipo.

Description

ARRANJO DE SENSOR ÓPTICO; E MÉTODO PARA A MEDIÇÃO
DE UM OBSERVÁVEL POR MEIO DE UM ARRANJO DE SENSOR ÓPTICO
[001] A invenção se refere a um arranjo de sensor óptico para medição de um observável utilizando pelo menos uma fonte de luz para gerar um primeiro e um segundo componente de luz de modos diferentes, um ressonador óptico com diferentes comprimentos ópticos para o primeiro e segundo modos, bem como uma fonte de luz. A fonte de luz e/ou o ressonador óptico são ajustáveis.
[002] Ressonadores ópticos, tal como microanéis ópticos são tipos de sensores ópticos muito sensíveis que usam o campo eletromagnético evanescente que viaja por lá para varrer uma superfície. É muito difícil produzir múltiplos microanéis com propriedades de ressonância idênticas, por exemplo, com a definição espectral controlada de um pico de ressonância com uma precisão na região do picômetro ou sub-picômetro. Uma das razões pelas quais a produção de microanéis idênticos é tão difícil é que a
nanoestruturação para produzir os referidos microanéis é
altamente dependente da dependência da temperatura dos
materiais ópticos
[003] De modo a analisar as propriedades de
ressonância de materiais diferentes, ressonadores de
referência passivos têm sido utilizados. Exemplos de tais ressonadores podem ser encontrados no documento WO 2011/000494, em que os ressonadores de referência são controlados ativamente através de um arranjo de ajuste de temperatura muito sensível, de modo que ocorra uma variação muito pequena ou nenhuma da ressonância nos ressonadores de referência. Tais unidades de controle são muito complexas e não são rentáveis.
[004] O documento US 7903906 B2 divulga um dispositivo de sensor óptico para a medição de um observável
2/22 incluindo pelo menos uma fonte de luz para gerar um primeiro componente de luz de uma primeira frequência, compreendendo um primeiro modo e um segundo componente de luz de uma segunda frequência, compreendendo um segundo modo ortogonal ao referido primeiro modo, um ressonador óptico tendo comprimentos ópticos diferentes para os primeiro e segundo modos de dentro de um intervalo de frequência incluindo a primeira e segunda frequências, sendo que pelo menos um dos comprimentos ópticos é variável, dependendo do observável e a dependência do respectivo comprimento óptico no observável sendo diferente para os referidos primeiro e segundo modos. A pelo menos uma fonte de luz está opticamente acoplada ao ressonador óptico para a alimentação do primeiro e do segundo componentes de luz nos ressonadores ópticos. Além disso, uma unidade de detecção está presente, que é acoplada ao ressonador óptico para acoplamento dos componentes de luz. As diferenças para cada um dos componentes da luz são medidas na presença de uma substância e a diferença global resultante é calculada. O documento US 2006/227331 divulga um arranjo de sensor óptico para a medição de um observável compreendendo pelo menos uma fonte de luz para gerar um primeiro componente de luz de uma primeira frequência compreendendo um primeiro modo e um segundo componente de luz de uma segunda frequência compreendendo um segundo modo ortogonal ao referido primeiro modo. Um ressonador óptico em anel está presente, que tem comprimentos ópticos diferentes para o primeiro e segundo modos dentro do intervalo de frequências. Além disso, a fonte de luz está acoplada ao ressonador óptico e o ressonador óptico é acoplado a uma unidade de detecção.
[005] Dispositivos semelhantes são apresentados nos documentos US 2004/146431 e Peter Lützow et al., Integrated optical sensor platform for multiparameter biochemical analysis, Optics Express, vol. 19, n° 14, 4 de
3/22 julho de 2011.
[006] O problema técnico objetivo a ser resolvido pela matéria reivindicada é o projeto de um arranjo de sensor óptico para a medição de um observável que seja menos complexo do que os arranjos de sensores encontrados no estado da técnica e que possam ser utilizados de uma forma economicamente eficiente.
[007] O problema é solucionado por um arranjo de sensor óptico com as características divulgadas na reivindicação 1 e por um método para a medição de um observável de acordo com as características da reivindicação 14. Outras configurações ou desenvolvimentos da invenção podem ser obtidos com base nas características das reivindicações dependentes.
[008] O arranjo de sensor óptico para a medição de um observável compreende pelo menos uma fonte de luz para geração de um primeiro componente de luz de uma primeira frequência compreendendo um primeiro modo, sendo que a pelo menos uma fonte de luz também gera um segundo componente de luz de uma segunda frequência, compreendendo um segundo modo ortogonal ao primeiro modo.
[009] Ao longo deste pedido, o termo ortogonal é utilizado no sentido da mecânica quântica, onde diferentes estados quânticos ou diferentes modos são considerados ortogonais se a sua representação no espaço de Hilbert forma uma sub-base deste espaço de Hilbert. Um exemplo de tal primeiro e segundo modos seria a primeira e a segunda polarizações de uma onda eletromagnética, tal como uma onda de luz. Outro exemplo seriam os modos transversais de, por exemplo, um laser, em que os diferentes modos TEM são ortogonais entre si e formam pelo menos uma sub-base no respectivo espaço de Hilbert.
[010] O primeiro componente de luz pode
4/22 compreender contribuições de um modo diferente do primeiro modo. O mesmo é verdadeiro para o segundo componente de luz, que também pode compreender contribuições de um primeiro modo ortogonal ao segundo modo. No entanto, é importante que o primeiro e segundo modos nos respectivos primeiro e segundo componentes de luz sejam - pelo menos no espaço de Hilbert ortogonais entre si.
[011] A primeira e segunda frequências não têm de ser iguais, mas podem ser diferentes umas das outras.
[012] O arranjo de sensor óptico para a medição de um observável compreende ainda um ressonador óptico com comprimentos ópticos diferentes para o primeiro e segundo modos dentro de um intervalo de frequência incluindo a primeira e segunda frequências, em que pelo menos um dos comprimentos ópticos é variável dependendo do observável e uma dependência do respectivo comprimento óptico é diferente para os referidos primeiro e segundo modos. O comprimento óptico de um ressonador óptico é definido pelo seu comprimento físico multiplicado pelo índice de refração do material de tal ressonador óptico. É bem conhecido que os ressonadores ópticos podem ter comprimentos ópticos diferentes para diferentes modos, tal como polarizações, por exemplo, devido a uma seção transversal retangular de tal ressonador óptico. O comprimento óptico se relaciona às frequências de ressonância do ressonador óptico através da relação ν = c*k/A, em que c é a velocidade da luz, k é um número natural entre 1 e e em que A significa o comprimento óptico, tal como definido acima. É óbvio que o comprimento óptico específico tem uma influência sobre a frequência de ressonância de primeira ordem para k = 1, bem como sobre todas as ressonâncias mais elevadas para k = 2,..., ~. O ressonador óptico está configurado de tal forma que os comprimentos ópticos para o primeiro e segundo modos
5/22 são diferentes. Enquanto o comprimento físico do ressonador óptico pode ser idêntico para ambos os modos, o índice de refração n pode variar devido a assimetrias da seção transversal do ressonador óptico.
[013] O ressonador óptico é concebido de tal forma que, pelo menos um dos comprimentos ópticos é variável dependendo do observável, tal como pressão ou temperatura, ou a presença ou ausência de moléculas de um composto químico específico. A dependência dos respectivos comprimentos ópticos dos primeiro ou segundo modos é diferente para cada modo, de tal forma que uma variação no comprimento óptico devido ao observável causa uma variação diferente no comprimento óptico do primeiro modo do que no comprimento óptico do segundo modo.
[014] Para medir a presença do observável, o intervalo de frequência é escolhido ou concebido de forma que a primeira ordem, ou qualquer ordem superior da frequência de ressonância do comprimento óptico quando o observável não está presente e a frequência de ressonância ligada aos comprimentos ópticos quando da presença do observável está incluída no intervalo de frequência. À medida que as frequências de ressonância ou comprimentos ópticos, respectivamente, são diferentes dependendo se o observável está ou não presente, a diferença de frequência entre o primeiro e segundo modos também é diferente, dependendo da presença do observável.
[015] Assim, o referido arranjo de sensor óptico pode ser usado para medir as diferenças de frequência de forma a medir a presença de um observável.
[016] Embora tenha sido descrito o intervalo de frequência apenas em termos das frequências de ressonância de primeira ordem, independentemente dos comprimentos ópticos, está bem dentro do âmbito da presente invenção que o
6/22 intervalo de frequência abranja ressonâncias de ordem mais elevada em ligação com as ressonâncias de primeira ordem ou ressonâncias de qualquer outra ordem.
[017] Como o comprimento óptico do ressonador óptico é diferente para o primeiro e segundo modos e muda em função do observável, a pelo menos uma fonte de luz e/ou o ressonador óptico são, de preferência, sintonizáveis dentro do referido intervalo de frequência de tal forma que as diferentes frequências de ressonância dos ressonadores ópticos podem ser varridas para produzir um sinal na unidade de detecção reivindicada.
[018] Esta unidade de detecção é acoplada ao ressonador óptico e é geralmente configurada para detectar uma diferença de frequência entre uma frequência de ressonância do ressonador óptico para o primeiro modo e uma frequência de ressonância do ressonador óptico para o segundo modo.
[019] A unidade de detecção pode compreender elementos optoeletrônicos, tal como fotodiodos e equipamentos eletrônicos, tal como um espectrômetro de potência opcional ou um espectrômetro de intensidade. O sinal de saída do fotodetector pode ser configurado para apresentar um sinal com uma frequência de pulso de um sinal óptico sobreposto originário da primeira e da segunda fontes de luz. O espectrômetro eletrônico, de preferência, está ligado à saída do fotodetector e transfere o sinal de saída do fotodetector do domínio de tempo para o domínio de frequência.
[020] Além disso, a unidade de detecção pode compreender a sua própria unidade de processamento ou pode ser conectada a um computador para analisar os dados detectados pela unidade de detecção.
[021] Em uma configuração do arranjo sensor de óptico, a pelo menos uma fonte de luz compreende uma primeira
7/22 fonte de luz para gerar o primeiro componente de luz e uma segunda fonte de luz para gerar o segundo componente de luz, estando a primeira e segunda fontes de luz acopladas ao ressonador óptico e sendo sintonizáveis independentemente uma da outra.
[022] O uso de duas fontes de luz separadas para gerar os primeiro e segundo componentes é vantajoso, já que as diferentes fontes de luz podem ser sintonizadas independentemente uma da outra de tal modo que a primeira e segunda fontes de luz podem produzir luz de diferentes frequências ao mesmo tempo. Consequentemente, isto tem o efeito de que as diferentes frequências de ressonância causadas pelos diferentes comprimentos ópticos do ressonador óptico podem ser varridas simultaneamente, portanto, o varrimento da totalidade ou de partes do intervalo de frequência é acelerado.
[023] Em outra configuração, o arranjo sensor óptico incluindo a primeira e segunda fonte de luz compreende uma unidade de controle para a pelo menos primeira e segunda fontes de luz e/ou para controlar o ressonador óptico, em que a unidade de controle, de preferência, sintoniza a pelo menos uma fonte de luz ao longo de tal intervalo de frequência ou sintoniza o ressonador óptico, ao longo do referido intervalo de frequência. No caso de uma unidade de controle para uma fonte de luz sintonizável, a unidade de controle pode sintonizar a câmara do ressonador, por exemplo, um laser. No caso de um ressonador óptico sintonizável, o mecanismo de controle depende dos ressonadores utilizados. Por exemplo, quando um ressonador Fabry-Perot é usado, a distância entre os dois espelhos pode ser alterada para controlar os diferentes comprimentos ópticos. No caso de ressonadores de anel micro-óptico (microanéis), a unidade de controle pode aplicar uma pressão ou temperatura, ou qualquer outro
8/22 observável adequado, ao ressonador em anel de modo que tal observável altere o comprimento óptico e, assim, sintonize o ressonador óptico através do referido intervalo de frequência.
[024] Em outra configuração, o tempo de varredura através do referido intervalo de frequência é diferente para a primeira e segunda fontes de luz e, de preferência, o tempo de varredura da primeira fonte de luz é um múltiplo do tempo de varredura da segunda fonte de luz, de preferência por um fator de mais de cinco.
[025] Ao fazer a varredura através do intervalo de frequência, de seu limite inferior ao seu limite superior, a primeira fonte de luz, por exemplo, pode aumentar a frequência de forma linear a partir do limite inferior para o limite superior.
[026] Ao mesmo tempo, a unidade de controle controla a segunda fonte de luz de tal modo que o intervalo de frequência é varrido a uma velocidade muito mais rápida, por exemplo, 10 vezes mais rápida. Quando o limite superior é atingido, a frequência da segunda fonte de luz é sintonizada para o valor limite inferior e a unidade de controle faz a varredura do intervalo de frequência novamente. No total, isso resulta em o intervalo de frequência ser varrido pela primeira fonte de luz uma vez enquanto é varrido pela segunda fonte de luz dez vezes. Isso tem o efeito de que, em algum momento durante a varredura, as diferentes primeira e segunda frequências de ressonância para o primeiro e segundo modos são varridas simultaneamente.
[027] Em outra configuração, o arranjo de sensor óptico compreende um arranjo de conversor de modo situado entre o ressonador óptico e a unidade de detecção. Em particular, o arranjo de conversor de modo pode ser configurado para rodar o primeiro e/ou segundo modos de tal
9/22 forma que ambos os modos compreendam componentes em uma direção transversal de correspondência. No caso dos modos serem diferentes polarizações transversais de luz, o arranjo de conversor de modo pode compreender um rotador de polarização na forma de plaquetas lambda ou arranjos semelhantes, para rodar uma polarização de um primeiro modo perpendicular a um segundo modo na direção do segundo modo. Conforme mencionado anteriormente, a rotação no presente pedido é generalizada para uma rotação no espaço de Hilbert correspondente dos modos.
[028] Ao rodar o primeiro e o segundo modos de tal forma que os modos não sejam mais perpendiculares um ao outro, mas paralelos um com o outro, os modos podem ser misturados e, usando uma unidade de detecção correspondente, a diferença de frequência a ser medida pode ser detectada pela análise do pulso do primeiro e segundo componentes de luz sobrepostos que agora compreendem componentes em direções de correspondência, de tal modo que o pulso é determinado pelo valor absoluto da diferença da primeira e segunda frequências. Isto é vantajoso porque para primeira e segunda frequências que são muito próximas uma da outra, o pulso é uma variação muito mais lenta do sinal sobreposto e pode ser detectado por componentes eletrônicos, simplificando assim o arranjo de sensor óptico e permitindo a detecção de ressonâncias que estão situadas muito próximas umas das outras. Essencialmente, podem ser detectadas variações muito pequenas de um observável. O sinal de saída da unidade de detecção pode ser usado como uma medida qualitativa ou quantitativa direta da presença do observável, isto é, pressão, temperatura, presença de moléculas ou DNA, ou similar. Como as medições realizadas por meio de componentes eletrônicos são mais precisas do que as medições feitas por componentes optoeletrônicos, devido às características de
10/22 filtragem eletrônica, pode ser alcançada uma resolução de sinal melhor.
[029] Em uma variação desta configuração, o arranjo de conversor de modo pode compreender não só um rotador de polarização, como também um separador de polarização, para o desacoplamento do primeiro e segundo modos.
[030] Em uma configuração diferente, em que o primeiro e segundo modos são modos de luz TEM ortogonais, o arranjo de conversor de modo pode compreender um conversor de modo que pode ser obtido, por exemplo, através da variação da secção transversal de um cabo óptico.
[031] Em outra configuração, o ressonador óptico é, pelo menos, parcialmente coberto com uma camada ativa de material de revestimento para absorver seletivamente um grupo de substâncias que compreende uma substância a ser detectada e em que o material de revestimento é configurado de tal maneira que pelo menos uma das frequências de ressonância do ressonador óptico é variada quando a substância entra em contato com a camada ativa. A camada ativa pode ser utilizada para acumular seletivamente moléculas da substância a ser detectada. Um arranjo de sensor óptico compreendendo tal camada ativa pode ser facilmente usado como, por exemplo, um biossensor para medir a presença de um grupo de substâncias (ou seja, um observável), uma vez que as diferenças de frequências de ressonância para o primeiro e segundo modos, em função da presença ou ausência de um membro do grupo de substâncias, podem ser facilmente detectadas.
[032] A aplicação de uma camada ativa tem a vantagem particular de que, já que ambos o primeiro e segundo componentes de luz são acoplados ao mesmo ressonador óptico, não é mais necessário um ressonador de referência, porque as
11/22 diferenças nas frequências de ressonância podem ser medidas por um único ressonador óptico. Embora mais de um ressonador óptico possa ser acoplado ao arranjo, deve-se notar que ambos o primeiro e segundo componentes de luz têm de ser alimentados através do mesmo ressonador.
[033] Em outra configuração, a pelo menos uma fonte de luz está acoplada ao ressonador óptico através de pelo menos um caminho óptico que compreende um guia de ondas óptico dado, por exemplo, por meio de nervuras ou por dopagem de regiões que formam um guia de onda em materiais semicondutores. Os ressonadores ópticos podem ser fornecidos no mesmo substrato ligado ao guia de ondas, de tal modo que o campo evanescente da guia de ondas alimenta a luz proveniente da fonte de luz para o ressonador óptico e daí para a unidade de detecção ou, opcionalmente, para o arranjo de conversor de modo.
[034] Em outra configuração, um acoplador está situado antes e/ou atrás do ressonador óptico. Quando diferentes fontes de luz são usadas, a configuração do arranjo de sensor óptico pode ser simplificada pelo acoplamento da luz, por exemplo, através de um interferômetro de Mach-Zehnder. O acoplador tem o efeito de que, após o acoplamento, é necessário apenas um único guia de ondas óptico que transporta tanto o primeiro como o segundo componente de luz. Isto miniaturiza ainda mais o arranjo do sensor óptico.
[035] A pelo menos uma fonte de luz pode compreender um laser. No caso de primeira e segunda fontes de luz diferentes, um primeiro e um segundo laser sintonizáveis independentemente um do outro podem ser utilizados. O primeiro e segundo lasers podem ser utilizados como lasers monomodo escravos que diferem no seu comprimento de onda de emissão e que são sincronizados por meio de travamento por
12/22 injeção, de tal forma que o ruído na fase da luz emitida é sincronizado. Quanto ao travamento por injeção, é feita referência à R.-P. Braun et al., Optical Microwave Generation and Transmission Experiments in the 12- and 60GHz Region for Wireless Communications, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, vol. 46, n° 4, páginas 32 0329, 1998. Os lasers escravos são acionados por um lasermestre de injeção monomodo. Uma configuração que compreende dois lasers escravos tem a vantagem de que a largura da frequência intermediária (entre a primeira e a segunda frequências de ressonância) pode ser reduzida para a região do Hertz, resultando assim em uma configuração simples com uma alta resolução.
[036] A invenção compreende ainda um método para a medição de um observável por meio de um arranjo de sensor óptico, tal método compreendendo o acoplamento de uma luz com uma primeira frequência compreendendo um primeiro modo ao ressonador óptico e o acoplamento de uma luz com uma segunda frequência compreendendo um segundo modo ao ressonador óptico, em que o segundo modo é ortogonal ao primeiro modo e o ressonador óptico tem comprimentos ópticos diferentes para o primeiro e segundo modos dentro de um intervalo de frequência incluindo a primeira e segunda frequências e, pelo menos um dos comprimentos ópticos é variável dependendo de um observável, e a dependência do respectivo comprimento óptico sobre o observável é diferente para os dois modos diferentes. É feita referência às seções anteriores, com relação a detalhes deste método.
[037] Detalhes adicionais com relação a um arranjo de sensor óptico de acordo com a invenção podem ser encontrados nos desenhos. Deve ser ressaltado que aspectos/características não reivindicadas nas reivindicações independentes ou dependentes, mas mostradas nos desenhos são
13/22 também, cada uma por seu próprio direito, características da presente invenção, sem necessariamente incluir todas as características adicionais apresentadas em uma única figura que descreve uma configuração ou discutidas na descrição da respectiva configuração. Por conseguinte, qualquer característica única mostrada em uma configuração específica pode ser reivindicada individualmente. Em particular, as características descritas em relação ao arranjo de sensor óptico podem ser reivindicadas para o método divulgado, e vice-versa.
[038] As configurações exemplares da invenção são explicadas, em seguida, com referência às Figuras 1-4.
[039] As Figuras 1a e 1b representam uma implementação simples de um arranjo de sensor óptico e o respectivo espectrograma de intensidade devido aos diferentes comprimentos ópticos de um ressonador óptico;
[040] As Figuras 2a a 2c divulgam uma configuração diferente do arranjo de sensor óptico e a detecção de uma diferença de frequência pela sobreposição do primeiro e segundo componentes de luz após estes terem passado através do ressonador óptico, pela análise do pulso dos componentes de luz sobrepostos;
[041] A Figura 3 mostra outra configuração de
um arranjo de sensor óptico; e
[042] A Figura 4 mostra uma implementação de um
arranjo de sensor ópt ico em um substrato de silício.
[043] A Figura 1a apresenta um arranjo de
sensor óptico 1 de acordo com um primeiro aspecto da
invenção. O arranjo de sensor óptico 1 compreende um laser sintonizável 2 para a geração de um primeiro componente de luz compreendendo um primeiro modo e um segundo componente de luz compreendendo um segundo modo. Neste caso, ambos os componentes são gerados simultaneamente. O primeiro
14/22 componente de luz compreendendo o primeiro modo se refere à polarização transversal horizontal da onda eletromagnética, enquanto que o segundo componente de luz é polarizado verticalmente, definindo assim o segundo modo. Tanto o primeiro componente de luz como o segundo componente de luz têm a mesma frequência, porque o laser sintonizável emite luz na referida frequência. Por conseguinte, o primeiro e segundo componentes de luz são acoplados devido à sua geração dentro de um único laser.
[044] O laser sintonizável 2 é acoplado a um cabo óptico 3, que pode ser configurado por uma nervura feita de silício sobre um substrato de silício. Ele pode ser tamponado por meio de uma camada de SiOx. Vários outros materiais para a produção de tais cabos ópticos são conhecidos por um técnico no assunto. O cabo óptico 3 transmite o primeiro e segundo componentes de luz gerados pelo laser sintonizável 2 e passa por um ressonador óptico em anel 4 que é um anel fechado de silício sobre um substrato de silício. Como a distância entre o cabo óptico 3 e o ressonador óptico em anel 4 é escolhida de tal forma que os componentes de luz transmitidos pelo cabo óptico 3 possam acoplar através de seus campos evanescentes com o ressonador óptico em anel, o primeiro e segundo componentes de luz são transmitidos para o ressonador óptico em anel.
[045] O ressonador óptico em anel 4 tem um comprimento óptico definido pelo seu comprimento físico e pelo índice óptico de refração efetivo do material de que é feito o ressonador. No presente caso, o ressonador óptico em anel 4 tem diferentes comprimentos ópticos para os primeiro e segundo modos dentro de um intervalo de frequência através do qual o laser sintonizável 2 pode ser sintonizado. Assim, como os comprimentos ópticos do ressonador óptico diferem para o primeiro e segundo modos, diferentes frequências de
15/22 ressonância são detectadas no ressonador óptico. Somente frequências de ressonância podem passar através do ressonador óptico em anel e podem se reacoplar no cabo óptico 5, que transmite a luz de uma frequência de ressonância para a unidade de detecção 6.
[046] Além de ter diferentes comprimentos ópticos para o primeiro e segundo modos no referido intervalo de frequência, o ressonador óptico 4 é coberto com uma camada de material de revestimento ativo para adsorver seletivamente um grupo de substâncias que compreende uma substância a ser detectada. Quando uma substância entra em contato com a camada ativa, o comprimento óptico do ressonador óptico para o primeiro e/ou segundo modo é variado. No exemplo, ambos os comprimentos ópticos do primeiro e segundo modos são variados.
[047] Para a ilustração deste princípio, o leitor deve se referir à Fig. 1b, em que a frequência F é indicada no eixo x e a intensidade A no eixo y. A intensidade A é proporcional ao valor do quadrado da amplitude do
primeiro e segundo componentes [048] O laser de luz emitidos.
sintonizável 2 pode ser
sintonizado no intervalo de frequência F. Dentro do
intervalo, a frequência de ressonância f1 se refere a
ressonância do ressonador óptico em anel quando nenhuma substância está em contato com a camada ativa, ao passo que f2 é a frequência de ressonância do segundo modo do ressonador óptico em anel quando não há substância em contato com a camada ativa. A diferença Af12 também é mostrada.
[049] Quando o laser sintonizável 2 é sintonizado ao longo do intervalo de frequência F, o primeiro componente de luz é acoplado ao cabo óptico 5 quando a frequência é f1. De forma similar, o segundo componente de luz é acoplado ao cabo óptico 5 quando o laser sintonizável é
16/22 ajustado para a frequência f2.
[050] Na presença de uma substância em contato com a camada ativa, os comprimentos ópticos para o ressonador óptico são variados de f1 para f'1 e de f2 para f'2, respectivamente. Pode ser facilmente observado que a diferença Af12 é diferente de Af'12.
[051] Uma frequência de ressonância de modo mais elevado f3 dos comprimentos ópticos também é mostrada na Fig. 1b para ilustrar que as frequências de ressonância não são varridas pelo laser sintonizável quando estão fora do intervalo de frequência escolhido.
[052] A unidade de detecção 6 está equipada com, por exemplo, fotodetectores ou espectrômetros eletrônicos para medir a intensidade da luz em todo o intervalo de frequência. A unidade de detecção compreendendo, por exemplo, fotodetectores, mede uma intensidade de valor 0 quando a frequência do laser sintonizável está fora de um intervalo estreito entre as frequências de ressonância f1, f2, f'1 e f'2. Quando as curvas de intensidade, como mostrado na Fig. 1b são encontradas, pode-se facilmente identificar a partir da diferença entre as frequências de ressonância detectada pela unidade de detecção se a substância está presente na camada ativa do ressonador óptico 4 ou não. Devese notar que, embora a Fig. 1b apresente ambas as diferenças de frequência de ressonância (com e sem a substância escolhida presente na camada ativa, tal como uma molécula em particular ou um fragmento de DNA), geralmente apenas uma das duas diferenças apresentadas será mensurável nas condições de trabalho. Quando o circuito óptico do arranjo de sensor óptico 1 é produzido e se tem certeza de que nenhuma substância entrou em contato com a camada ativa, a diferença de frequências de ressonância f1 e f2 deve ser determinada.
[053] A Figura 2a descreve outra configuração
17/22 de um arranjo de sensor óptico 10. O arranjo de sensor óptico 10 compreende um primeiro laser sintonizável 11 e um segundo laser sintonizável 12, os quais são acoplados através dos cabos ópticos 13 e 14 e são transmitidos a um acoplador óptico 15, o que causa uma sobreposição do primeiro e segundo componentes de luz, cada um emitido pelo primeiro e segundo lasers sintonizáveis 11 e 12, respectivamente, por meio de uma sobreposição dos campos evanescentes das ondas de luz emitidas. A onda sobreposta é então transmitida através de um cabo óptico 16 e acoplada a um ressonador óptico em anel 17 que é comparável ao ressonador óptico em anel 4.
[054] Em contraste com a configuração apresentada na Fig. 1a, a configuração da Fig. 2a compreende dois lasers sintonizáveis, de modo que o primeiro e segundo componentes de luz emitidos em uma primeira e segunda frequências podem ter diferentes frequências ao mesmo tempo. Assim, em contraste com o arranjo apresentado na Fig. 1a, é possível a varredura por várias ressonâncias ao mesmo tempo. Referindo-se novamente à Fig. 1b é, portanto, possível fazer a varredura da frequência de ressonância f1 do primeiro modo emitido pelo primeiro laser sintonizável 11 ao mesmo tempo em que a da segunda frequência de ressonância f2 do segundo modo emitido pelo segundo laser sintonizável 12. Da mesma forma, quando uma substância está em contato com a camada ativa do ressonador óptico 17 (não mostrado), as frequências de ressonância detectáveis f'1 e f'2 também podem ser detectadas ao mesmo tempo.
[055] Um esquema de varredura é exemplificado na Figura 2b. O eixo x mostra o tempo de varredura. Dentro de um intervalo de tempo de varredura T, o laser sintonizável 11, emitindo um primeiro componente de luz em uma primeira frequência fm1, faz a varredura no intervalo de frequência F seis vezes. Durante o tempo de varredura T o laser
18/22 sintonizável 12, emitindo um segundo componente de luz na segunda frequência fm2, faz a varredura do intervalo de frequência apenas uma vez. Este esquema pode ser utilizado de tal modo que todas as combinações de frequências f11, f12 são varridas, o que faz com que seja possível varrer as frequências de ressonância f1 e f2, como mostrado na Fig. 1b, ao mesmo tempo.
[056] A seguir, é assumido que a frequência fm1 do primeiro componente de luz esteja sintonizada com a frequência de ressonância f1 e a frequência fm2 do segundo componente de luz esteja sintonizada à frequência de ressonância f2. Como ambas essas frequências são ressonantes no ressonador óptico 17, ambas são emitidas pelo cabo óptico 18. Elas são transferidas para um divisor de polarização 19 que divide as polarizações horizontal e vertical. Assumindo que o componente de luz de polarização horizontal é alimentado ao cabo óptico superior compreendendo o rotador de polarização 20, por exemplo, na forma de uma plaqueta lambda e que o componente de luz de polarização horizontal é alimentado ao/no cabo óptico inferior 21, o rotador de polarização 20 gira a polarização vertical para uma polarização horizontal e, finalmente, as duas componentes de luz possuem a mesma polarização e podem ser sobrepostas no acoplador óptico 22.
[057] Devido ao acoplamento de luz de frequências diferentes de mesma polarização, a onda sobreposta é feita de dois componentes de frequências diferentes. O primeiro componente de frequência é a soma das frequências f1 e f2. O segundo componente de frequência é a diferença entre as frequências f1 e f2 e resulta em uma modulação da amplitude da onda sobreposta.
[058] A modulação é mostrada de forma exemplar na Figura 2c. A onda sobreposta 30 mostra uma modulação 31 da
19/22 amplitude, geralmente conhecido como o pulso da onda sobreposta. O envelope tem uma frequência f1-f2. A frequência do pulso pode, assim, permitir que um usuário determine se uma substância está presente devido à diferença entre Af12 e Af'12. A frequência do pulso é muito mais lenta do que a frequência da onda óptica e os fotodetectores 24 e 25 da unidade de detecção 23 podem medir a modulação da amplitude e transferir a modulação da amplitude para um espectrômetro eletrônico, já que a diferença nas frequências das ondas ópticas é lenta o suficiente para ser detectada por componentes eletrônicos. Assim, através de meios simples, tal como espectrômetros eletrônicos, é possível detectar pequenas diferenças de frequência de ressonância indicativas se substância, isto é, um observável, está localizado na camada ativa de um ressonador óptico. A configuração da Fig. 2a é, portanto, capaz de detectar uma variação nos comprimentos ópticos ou frequências de ressonância de ressonadores ópticos na região inferior a 0,1 picômetros, no intervalo espectral óptico de cerca de 1,5 micrometros. Assim, a configuração da Fig. 2a é adequada para fornecer um sensor muito sensível para medir se uma substância está presente ou não.
[059] Outra configuração de um arranjo de sensor óptico é apresentada na Figura 3. O arranjo de sensor óptico 40 compreende um primeiro e segundo lasers ajustáveis 41 e 42 acoplados aos cabos ópticos 43 e 44, respectivamente. Ambos os lasers 41 e 42 emitem luz polarizada transversalmente, sendo um segundo componente de luz emitido pelo segundo laser 42 polarizado ortogonalmente para um primeiro componente de luz emitido pelo primeiro laser 41. Ambos os componentes de luz ou modos são acoplados no anel ressonador 45, sendo que a luz emitida pelo primeiro laser 41 se propaga no sentido horário e a luz emitida pelo segundo laser 42 se propaga no sentido anti-horário. A partir do
20/22 ressonador em anel 45, os dois modos são transmitidos para o arranjo de cabo óptico 47, que compreende um primeiro ramal 48 de um cabo óptico para o componente de luz emitido pelo segundo laser 42 e um segundo ramal 4 9 para o componente de luz emitido pelo primeiro laser 41. O segundo ramal 49 compreende um rotador de polarização 50 que pode deslocar a polarização da luz emitida pelo primeiro laser 41 para ficar paralela à polarização da luz do segundo laser 42. Uma vez que a polarização do primeiro componente de luz tenha sido trocada para a outra polarização, ambos os componentes são sobrepostos no acoplador 51 e transferidos para a unidade de detecção 52 que compreende os fotodiodos 53 e 54, ambos os quais são acoplados a um amplificador digital e um espectrômetro eletrônico. De maneira semelhante à configuração da Fig. 2a, o arranjo da Fig. 3 pode ser utilizado para detectar variações minúsculas na ressonância que ocorrem devido à presença de um observável sobre uma camada ativa do ressonador em anel 45 adequado para entrar em contato com biomoléculas ou líquidos ou outras substâncias ou observáveis a serem detectados. Isto é devido ao fato de o ressonador em anel 45 ter comprimentos ópticos para os dois modos pelo menos ligeiramente diferentes, sendo que o comprimento óptico do modo emitido pelo primeiro laser 41 depende de forma mais sensível do respectivo observável do que o comprimento óptico do modo emitido pelo segundo laser 42 .
[060] A Figura 4 mostra outra configuração de um arranjo de sensor óptico 60. O arranjo de sensor óptico 60 está situado em um substrato de silício 61. Em contraste com as configurações mostradas nas Figs. 2a e 3, o arranjo óptico 60 compreende um laser-mestre 62 acoplado a dois lasers escravos monomodais 63 e 64, que são diferentes nos seus comprimentos de onda de emissão e sincronizados através de
21/22 travamento por injeção, isto é, o ruído de fase é sincronizado entre os dois lasers escravos. Ao utilizar esta fonte sintonizável com ruído de fase sincronizado, o intervalo da diferença de frequência pode ser reduzido para a região do Hertz e, assim, se obtém uma alta resolução para a detecção de pequenas variações de ressonância ou da presença de um observável em um ressonador óptico.
[061] Apesar dos diferentes arranjos de laser, o arranjo de sensor óptico 60 é semelhante à configuração da Fig. 2a. Em particular, a luz proveniente dos lasers sintonizáveis é acoplada através dos cabos ópticos 65 e 66 a um acoplador óptico 6 7 e então a um cabo óptico 6 8 e ao ressonador óptico em anel 69 que compreende uma camada ativa, em seguida ao cabo óptico 70, sendo que as diferentes polarizações emitidas pelo primeiro e segundo laser 63 e 64 são separadas no separador de polarização 71, sendo a polarização de um dos componentes rodada no rotador de polarização 72, e as duas ondas restantes sendo sobrepostas no acoplador 73. A unidade de detecção 74 compreende os fotodiodos 75 e 76, ambos os quais estão conectados a um amplificador digital 77.
[062] Em uma variação do arranjo de sensor óptico 60, ambos os lasers 63 e 64 podem ser configurados de modo a emitirem modos de TEM diferentes. Um dos lasers 63 emite um modo TEM 01 enquanto o outro emite um modo TEM 11. Ambos os lasers são sintonizados através de uma unidade de controle 78, que pode também receber a entrada a partir dos componentes da unidade de detecção 74. Como os diferentes modos TEM são ortogonais entre si e o ressonador óptico em anel 69 pode ser configurado para ter diferentes frequências de ressonância, isto é, comprimentos ópticos, para diferentes modos elétricos transversais, diferentes frequências de ressonância podem ser transmitidas pelo ressonador óptico e
22/22 são então alimentadas ao cabo óptico 70, ao divisor de modo
71, sendo que um dos ramais compreende um conversor de modo ao invés de um rotador de polarização 72. Um exemplo de tal conversor de modo pode ser encontrado em R.L. Eisenhart, A 5 Novel Wideband TM 01 to TM 11 Mode Converter, IEEE MTT-S
Intl., 07 a 12 de junho de 1989, vol. 1, páginas 249-252. Uma vez que o modo TM 01 é convertido para um modo TM 11, estes podem ser acoplados e sobrepostos no acoplador óptico 73.

Claims (15)

1. ARRANJO DE SENSOR ÓPTICO (1; 10; 40; 60) para medir um observável, caracterizado por compreender:
pelo menos uma fonte de luz (2; 11, 12; 41, 42; 62,
63, 64) para gerar um primeiro componente de luz de uma primeira frequência compreendendo um primeiro modo e um segundo componente de luz de uma segunda frequência compreendendo um segundo modo ortogonal ao referido primeiro modo;
um ressonador óptico (4; 17; 45; 69) tendo diferentes comprimentos ópticos para o primeiro e segundo modos dentro de um intervalo de frequência (F), incluindo a primeira e segunda frequências, sendo que pelo menos um dos comprimentos ópticos é variável dependendo do observável e a dependência do respectivo comprimento óptico sobre o observável sendo diferente para os referidos primeiro e segundo modos, em que a pelo menos uma fonte de luz é opticamente acoplada ao ressonador óptico para a alimentação do primeiro e segundo componentes de luz ao ressonador óptico;
uma unidade de detecção (6; 23; 52; 74) acoplada ao ressonador óptico para acoplar os componentes de luz e sendo configurada para detectar uma diferença de frequência entre uma frequência de ressonância do ressonador óptico para o primeiro modo e uma frequência de ressonância do ressonador óptico para o segundo modo; e um arranjo de conversor de modo (20; 50; 72) situado entre o ressonador óptico e a unidade de detecção.
2. ARRANJO DE SENSOR ÓPTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela pelo menos uma fonte de luz compreender uma primeira fonte de luz (11; 41; 63) para a geração do primeiro componente de luz e uma segunda fonte de luz (12; 42; 64) para a geração do segundo componente de luz e a primeira e segunda fontes de luz serem acopladas ao ressonador óptico e serem sintonizáveis independentemente uma
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2/4 da outra.
3. ARRANJO DE SENSOR ÓPTICO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por compreender ainda uma unidade de controle para controlar a pelo menos uma fonte de luz e/ou o ressonador óptico, em que a unidade de controle sintoniza, de preferência, a pelo menos uma fonte de luz no referido intervalo de frequência.
4. ARRANJO DE SENSOR ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 ou 3, caracterizado pelo tempo de varredura no intervalo de frequência ser diferente para a primeira e segunda fontes de luz e, de preferência, o tempo de varredura da primeira fonte de luz ser um múltiplo do tempo de varredura da segunda fonte de luz, de preferência mais do que 5 vezes o múltiplo.
5. ARRANJO DE SENSOR ÓPTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo arranjo de conversor de modo estar configurado para rodar o primeiro e/ou segundo modos de tal forma que ambos os modos compreendam componentes em uma direção transversal de correspondência.
6. ARRANJO DE SENSOR ÓPTICO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo arranjo de conversor de modo compreender um rotador de polarização (20; 50; 72) e, de preferência, um separador de polarização (19; 71).
7. ARRANJO DE SENSOR ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo primeiro e segundo modos serem diferentes polarizações de luz ou modos de luz TEM ortogonais.
8. ARRANJO DE SENSOR ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo ressonador óptico ser pelo menos parcialmente coberto com uma camada ativa de material de revestimento para adsorver seletivamente um grupo de substâncias compreendendo uma substância a ser detectada e em que o material de revestimento é configurado de
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3/4 tal modo que pelo menos uma das frequências de ressonância é variada quando a substância entra em contato com a camada ativa.
9. ARRANJO DE SENSOR ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pela unidade de detecção (6; 23; 52; 74) compreender um fotodetector (24; 25; 53; 54; 75; 76) e/ou um espectrômetro eletrônico e/ou a unidade de detecção (6; 23; 52; 74) estar configurada para determinar a referida diferença de frequência como uma frequência de pulso de uma sobreposição do primeiro componente de luz e do segundo componente de luz.
10. ARRANJO DE SENSOR ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo ressonador óptico ser um ressonador em anel ou um ressonador Fabry-Perot.
11. ARRANJO DE SENSOR ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pela pelo menos uma fonte de luz se encontrar acoplada ao ressonador óptico por meio de pelo menos um caminho óptico compreendendo um guia de ondas óptico.
12. ARRANJO DE SENSOR ÓPTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por um acoplador (15; 67) estar situado antes ou atrás do ressonador óptico.
13. MÉTODO PARA A MEDIÇÃO DE UM OBSERVÁVEL POR MEIO DE UM ARRANJO DE SENSOR ÓPTICO, caracterizado pelo método compreender:
o acoplamento de luz de uma primeira frequência compreendendo um primeiro modo a um ressonador óptico;
o acoplamento de luz de uma segunda frequência, compreendendo um segundo modo a um ressonador óptico, em que o segundo modo é ortogonal ao primeiro modo e o ressonador óptico tem comprimentos ópticos diferentes para o primeiro e segundo modos dentro de um intervalo de frequência incluindo a primeira e segunda frequências, sendo que pelo menos um dos
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4/4 comprimentos ópticos é variável, dependendo do observável e a respectiva dependência do comprimento óptico sobre o observável sendo diferente para o primeiro e segundo modos;
a detecção de uma diferença de frequência entre a 5 frequência de ressonância do primeiro e segundo modos; e o acoplamento da luz da primeira e/ou segunda frequências para um arranjo de conversor de modo situado atrás do ressonador óptico.
14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13,
10 caracterizado pelo arranjo de conversor de modo ser configurado para rodar o primeiro e/ou segundo modo de tal forma que ambos os modos tenham componentes em uma direção de correspondência.
15. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 ou 14, caracterizado pela luz da primeira e
15 a luz da segunda frequência serem acopladas ao ressonador óptico simultaneamente.
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