DE112015006387T5

DE112015006387T5 - Verfahren und Systeme, die integrierte Rechenelemente auf Basis von photonischem Kristall verwenden

Info

Publication number: DE112015006387T5
Application number: DE112015006387.0T
Authority: DE
Inventors: Aditya B. Nayak; David L. Perkins; James M. Price
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2018-01-04
Also published as: US10466167B2; FR3037144A1; US20170276601A1; GB201717075D0; GB2554236A; MX2017013804A; BR112017023036A2; WO2016195693A1

Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Rechenvorrichtung mithilfe eines integrierten Rechenelements auf Basis von photonischem Kristall. Das Verfahren beinhaltet Auswählen einer photonischen Kristallstruktur mit einer Auslegungssammlung, die in einem nicht transitorischen, computerlesbaren Medium gespeichert ist, und Erlangen eines Durchlässigkeitsspektrums für den ausgewählten photonischen Kristall. Ferner beinhaltet das Verfahren das Bestimmen einer Vorhersageleistung eines integrierten Rechenelements auf Basis von photonischem Kristall für eine Charakteristik einer Probe mithilfe des Durchlässigkeitsspektrums und einer spektralen Datenbank. Und das Anpassen des Durchlässigkeitsspektrums zum Verbessern einer Vorhersageleistung des integrierten Rechenelements auf Basis von photonischem Kristall zum Messen einer Charakteristik einer analysierten Probe. Auch das Herstellen der photonischen Kristallstruktur für das integrierte Rechenelement auf Basis von photonischem Kristall, wenn die Vorhersageleistung einen im Voraus ausgewählten Schwellenwert überschreitet.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Optische Rechenvorrichtungen, häufig auch als „optisch-analytische Vorrichtungen“ bezeichnet, können zum Analysieren und Überwachen der Eigenschaften eines Stoffs in Echtzeit verwendet werden. Diese optischen Rechenvorrichtungen nutzen häufig ein Verarbeitungselement, das optisch mit dem Stoff interagiert, um quantitative und/oder qualitative Werte von einer oder mehreren physikalischen oder chemischen Eigenschaften des Stoffs zu bestimmen. Das Verarbeitungselement kann mehrschichtige Interferenzelemente beinhalten, die dazu ausgelegt sind, über ein Wellenlängenkontinuum im elektromagnetischen Spektrum vom UV- bis zum mittleren Infrarot(MIR)-Bereich oder eine Untermenge dieser Region hinweg zu arbeiten. Eine Art von Verarbeitungselement ist ein integriertes Rechenelement (integrated computational element, ICE), auch bekannt als multivariates optisches Element (MOE). Elektromagnetische Strahlung, die optisch mit dem ICE interagiert, wird modifiziert, damit sie von einem Detektor lesbar ist, derart, dass eine Ausgabe des Detektors mit einer bestimmten physikalischen oder chemischen Charakteristik des analysierten Stoffs korreliert werden kann.
Mehrschichtige, auf optischer Interferenz beruhende Elemente können bei der optischen Übertragung bei interessierenden Wellenlängen Ineffizienzen aufweisen. Auch können mehrschichtige, auf optischer Interferenz beruhende Elemente eine Übertragung bei Wellenlängen aufweisen, bei denen eine vollständige Blockierung (Nullübertragung) wünschenswert ist. Ferner kann die spektrale Auflösung mehrschichtiger, auf optischer Interferenz beruhender Elemente aufgrund von Unregelmäßigkeiten an den Grenzen zwischen benachbarten Schichten und Schichtdickenfertigungsfehlern weniger optimal sein. Diese nachteiligen Faktoren führen kombiniert zu einer reduzierten Genauigkeit und Vorhersageleistung des ICE, die sich aus dem mehrschichtigen, auf optischer Interferenz beruhenden Element ergibt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgenden Figuren sollen bestimmte Aspekte der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen und sind nicht als ausschließliche Ausführungsformen zu betrachten. Der offenbarte Gegenstand kann beträchtlichen Modifikationen, Abänderungen und Äquivalenten in Form und Funktion unterliegen, die für Fachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung auf der Hand liegen werden.
1A stellt eine photonische Kristallstruktur mit einem 3D-Substrat zur Verwendung als ein integriertes Rechenelement (ICE) dar.
1B stellt eine photonische Kristallstruktur mit einem 3D-Substrat zur Verwendung als ein ICE dar.
1C stellt eine photonische Kristallstruktur mit einem 2D-Substrat zur Verwendung als ein ICE dar.
1D stellt eine optische Konfiguration für eine photonische Kristallstruktur mit einem 3D-Substrat zur Verwendung als ein ICE dar.
2 stellt eine optische Rechenvorrichtung mit einem ICE dar, das eine photonische Kristallstruktur aufweist.
3A stellt ein Durchlässigkeitsspektrum in einem Verfahren zum Herstellen eines ICE auf Basis von photonischem Kristall dar.
3B stellt ein Durchlässigkeitsspektrum in einem Verfahren zum Herstellen eines ICE auf Basis von photonischem Kristall dar.
3C stellt ein Durchlässigkeitsspektrum in einem Verfahren zum Herstellen eines ICE auf Basis von photonischem Kristall dar.
4A stellt ein Durchlässigkeitsspektrum mit zwei Durchlässigkeitsspitzen in einem Verfahren zum Herstellen eines ICE auf Basis von photonischem Kristall dar.
4B stellt ein Durchlässigkeitsspektrum mit zwei Durchlässigkeitsspitzen in einem Verfahren zum Herstellen eines ICE auf Basis von photonischem Kristall dar.
5 stellt ein Diagramm mit einem Durchlässigkeitsspektrum von einem ICE auf Basis von photonischem Kristall und einem mehrschichtigen Interferenzelement dar.
6 stellt ein Ablaufdiagramm mit Schritten in einem Verfahren zum Herstellen einer optischen Rechenvorrichtung dar, die ein ICE auf Basis von photonischem Kristall beinhaltet.
7 stellt ein Ablaufdiagramm mit Schritten in einem Verfahren zum Herstellen einer optischen Rechenvorrichtung dar, die ein ICE auf Basis von photonischem Kristall beinhaltet.
8 ist ein Bohrsystem, das dazu konfiguriert ist, einen optischen Sensor zum Modifizieren eines Bohrparameters oder einer Konfiguration in einem MWD(measurement-while-drilling, Vermessen während des Bohrens)- und einem LWD(logging-while-drilling, Messen während des Bohrens)-Vorgang zu verwenden.
9 ist ein Wireline-System, das dazu konfiguriert ist, bei Formationsprüfung und Probenahme einen optischen Sensor zu verwenden.
In den Figuren bezeichnen Elemente mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen dieselbe oder eine ähnliche Funktion bzw. denselben oder einen ähnlichen Schritt, soweit nicht anders angegeben.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft die Herstellung und Verwendung von optischen Rechenvorrichtungen und, insbesondere, die Herstellung und Verwendung von photonischen Kristallstrukturen zum Erzeugen genauerer optischer Elemente zur Verwendung in optischen Rechenvorrichtungen. Die vorliegende Offenbarung ermöglicht die Auslegung, Herstellung und Lieferung genauer optischer Rechenvorrichtungen, die auf photonischem Kristall (PhK) basierende integrierte Rechenelemente (ICE) beinhalten. In einigen Ausführungsformen, die mit der vorliegenden Offenbarung übereinstimmen, kann ein ICE auch als ein multivariates optisches Rechenelement (MOE) bezeichnet werden. PhK-basierte ICEs im Sinne der Offenbarung arbeiten mit höherer Vorhersageleistung als Vorrichtungen, die nur mehrschichtige Interferenzelemente beinhalten.
Die Vorhersageleistung eines PhK-basierten ICE kann durch Messen oder Schätzen eines Standardkalibrierungsfehlers (SKF) bestimmt werden, wobei mit dem PhK-basierten ICE erlangte Werte mit wahren Werten in einem kalibrierten Probensatz verglichen werden. Je niedriger der SKF, desto höher ist somit die Vorhersageleistung des PhK-basierten ICE. In einigen Ausführungsformen wird die Vorhersageleistung eines PhK-basierten ICE durch Messen der Empfindlichkeit des PhK-basierten ICE bestimmt. Die Empfindlichkeit kann proportional zu einer Flanke in einer Messkurve sein. In einigen Ausführungsformen setzt die Messkurve eine Amplitude der Charakteristik, die gemessen werden soll, in Beziehung zu einem Signal, das von dem PhK-basierten ICE erlangt wird. Eine höhere Empfindlichkeit steht allgemein mit einer höheren Vorhersageleistung des PhK-basierten ICE in Verbindung. In einigen Ausführungsformen kann die Vorhersageleistung eines PhK-basierten ICE proportional zum Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) des von dem PhK-basierten ICE erlangten Signals sein. Entsprechend kann ein höheres SRV allgemein mit einer höheren Vorhersageleistung des PhK-basierten ICE in Verbindung stehen. Allgemeiner können Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung eine Gütefunktion einbeziehen, die einen SKF, Empfindlichkeit und SRV als Anzeige der Vorhersageleistung eines PhK-basierten ICE kombiniert.
Ausführungsformen in dieser Offenbarung unterscheiden sich von zuvor offenbarten Versuchen der Auslegung eines ICE, indem sie einen zweidimensionalen oder höheren (z. B. dreidimensionalen) photonischen Kristall verwenden. Ein zweidimensionaler oder höherer photonischer Kristall weist einen vollständigen photonischen Bandabstand, wobei bestimmte Wellenlängen von Licht nicht durchgelassen werden, und weist auch Resonanzmodi, d. h. Schmalbandübertragungsspitzen, auf. Diese Art der Auslegung kann sehr hohe Empfindlichkeiten erzielen, da sie unnötige Signale vollständig blockieren und nur relevante analytbezogene Informationen übertragen kann, die in mehreren schmalen Wellenlängenbändern über den interessierenden Wellenlängenbereich hinweg enthalten sein können.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Charakteristik“ eine chemische, mechanische oder physikalische Eigenschaft des Stoffs. Eine Charakteristik des Stoffs kann einen quantitativen oder qualitativen Wert von einem oder mehreren chemischen Bestandteilen oder einer oder mehreren chemischen Verbindungen beinhalten, die darin vorkommen, oder eine beliebige andere zugehörige physikalische Eigenschaft. Diese chemischen Bestandteile und Verbindungen können hier als „Analyte“ bezeichnet werden. Veranschaulichende Eigenschaften eines Stoffs, die mit den hier offenbarten optischen Rechenvorrichtungen überwacht werden können, beinhalten beispielsweise chemische Zusammensetzung (z. B. Identität und Konzentration insgesamt oder von einzelnen Komponenten oder Verbindungen), Phasenpräsenz (z. B. Gas, Öl, Wasser usw.), Gehalt an Verunreinigungen, pH, Alkalinität, Viskosität, Dichte, Ionenstärke, Gesamtmenge gelöster Feststoffe, Salzgehalt (z. B. Salinität), Porosität, Transparenz, Bakteriengehalt, Gesamthärte, Kombinationen davon, Aggregatzustand (Feststoff, Flüssigkeit, Gas, Emulsion, Gemische usw.) und dergleichen.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „elektromagnetische Strahlung“ Hochfrequenzwellen, Mikrowellenstrahlung, Infrarot- und Nahinfrarotstrahlung, sichtbares Licht, Ultraviolettlicht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „optische Rechenvorrichtung“ eine optische Vorrichtung oder einen optischen Sensor, die bzw. der dazu konfiguriert ist, einen Eingang elektromagnetischer Strahlung im Zusammenhang mit einem Stoff zu empfangen und einen Ausgang elektromagnetischer Strahlung von einem Verarbeitungselement zu erzeugen, das in der optischen Rechenvorrichtung angeordnet ist. Bei dem Verarbeitungselement kann es sich beispielsweise um ein integriertes Rechenelement (ICE), auch als multivariates optisches Element (MOE) bekannt, handeln. Die elektromagnetische Strahlung, die optisch mit dem Verarbeitungselement interagiert, wird derart geändert, dass sie von einem Detektor lesbar ist, derart, dass eine Ausgabe des Detektors mit einer bestimmten Charakteristik des Stoffs korreliert wird. Der Ausgang elektromagnetischer Strahlung des Verarbeitungselements kann reflektierte, durchgelassene und/oder gestreute elektromagnetische Strahlung sein. Ob der Detektor reflektierte, durchgelassene oder gestreute elektromagnetische Strahlung analysiert, kann von den Strukturparametern der optischen Rechenvorrichtung sowie anderen Aspekten bestimmt werden, die einschlägigen Fachleuten bekannt sind. Außerdem kann auch die Emission und/oder Streuung des Fluids, beispielsweise mittels Fluoreszenz, Lumineszenz, Raman-, Mie- und/oder Raleigh-Streuung, von optischen Rechenvorrichtungen überwacht werden.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „optisch interagieren“ oder seine Abwandlungen das Reflektieren, Durchlassen, Streuen, Brechen oder Absorbieren von elektromagnetischer Strahlung an, durch oder von einem oder mehreren Verarbeitungselementen (d. h. ICE- oder MOE-Komponenten) oder einem Stoff, der von den Verarbeitungselementen analysiert wird. Entsprechend bezeichnet Licht mit optischer Interaktion elektromagnetische Strahlung, die beispielsweise mithilfe eines Verarbeitungselements reflektiert, durchgelassen, gestreut, gebrochen oder absorbiert, abgegeben oder erneut abgestrahlt wurde, kann sich jedoch auch auf Interaktion mit einem Stoff beziehen.
Hier offenbarte Ausführungsformen beinhalten Verfahren zum Herstellen einer zweidimensionalen (2D) oder einer dreidimensionalen (3D) photonischen Kristallstruktur, die eine wünschenswerte Spektralmusterantwort bereitstellt, zum Messen einer physikalischen oder chemischen Eigenschaft (d. h. einer Charakteristik) eines analysierten Stoffs. In einigen Ausführungsformen stellen Schritte in einer Ausgestaltungsphase ein geeignetes ICE bereit, das gemäß einer Schätzung seiner Vorhersageleistung ausgewählt wird. Einige Ausführungsformen beinhalten eine gewünschte Spektralmusterantwort für das ICE und das Bestimmen einer ausgewählten photonischen Kristallstruktur, die die gewünschte Spektralmusterantwort bereitstellt.
Hier offenbarte Systeme und Verfahrens können zum Auslegen und Herstellen von ICE-Komponenten zur Verwendung in der Öl- und Gasindustrie geeignet sein. Es versteht sich jedoch, dass die verschiedenen offenbarten Systeme und Verfahren ebenso für das Auslegen und Herstellen von ICE-Komponenten zur Verwendung in anderen technischen Gebieten gelten, darunter, ohne Beschränkung, die Lebensmittel- und Arzneimittelindustrie, industrielle Anwendungen, Bergbauindustrien oder ein beliebiges anderes Feld, auf dem es von Vorteil sein kann, eine Charakteristik eines spezifischen Stoffs in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit zu bestimmen.
Es wurde festgestellt, dass die Vorhersageleistung eines ICE hinsichtlich seiner Genauigkeit beim Bestimmen einer interessierenden physikalischen oder chemischen Eigenschaft von der Fähigkeit des ICE abhängt, einen ausgewählten Teil des Spektrums zu blockieren und einen anderen Teil des Spektrums wirksam durchzulassen. Der Übertragungsbereich, der die höchste Durchlassrate („tm“) und die niedrigste Durchlassrate („to“) einschließt, bildet den „Dynamikbereich“ der Übertragung des ICE. Andere relevante Parameter für die Vorhersageleistung des ICE beinhalten seine spektrale Auflösung. Die spektrale Auflösung kann von der Spektralbreite eines schmalen Durchlassbereichs des ICE-Durchlässigkeitsspektrums bestimmt werden. Obwohl das gesamte ICE-Durchlässigkeitsspektrum in wenigstens in einem Teil des Spektrums einen breiten Bereich von einer Wellenlänge „lo“ bis zu einer Wellenlänge „lm“ beinhalten kann, kann ein ICE auf Basis von photonischem Kristall wie hier offenbart wünschenswerterweise einen sehr schmalen Durchlassbereich aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann lo am unteren Ende der Nahinfrarot(NIR)-Region (750 bis 800 nm) liegen, und lm kann am höheren Ende der NIR-Region (2000 bis 2500 nm) liegen, und ein schmaler Durchlassbereich, der von einem ICE auf Basis von photonischem Kristall erzeugt wird, kann bloße 1 nm oder sogar weniger (0,5 nm oder weniger) betragen.
In einigen Ausführungsformen können beispielsweise PhK-basierte ICE mit einem SKF von 10 % oder weniger auf einer Skala, auf der ein SKF von 100 % vollkommen „unprädiktiv“ ist und ein SKF von 0 % vollkommen prädiktiv ist, als „prädiktiv“ gelten. Ebenso können ICE auf Basis von photonischem Kristalls mit einem SKF von über 2,00 als „nicht prädiktiv“ gelten. In anderen Ausführungsformen können resultierende SKF-Werte, die bestimmen, ob ein PhK-basiertes ICE prädiktiv oder nicht, größer oder kleiner als 2,00 sein, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Diejenigen PhK-basierten ICE, die für nicht prädiktiv befunden werden, können vom Bediener oder durch Softwareanweisungen, die von einer Auslegungssammlung ausgeführt werden, die Software umfasst, die auf einem computerlesbaren Medium gespeichert ist, das Programmanweisungen enthält, die dazu konfiguriert sind, von einem oder mehreren Prozessoren eines Computersystems ausgeführt zu werden ausgeschlossen werden.
Eine Herstellungscomputerprogrammsoftware kann auch auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sein, das Programmanweisungen enthält, die dazu konfiguriert sind, von einem oder mehreren Prozessoren eines Computersystems ausgeführt zu werden. Das Herstellungscomputerprogramm kann dazu konfiguriert sein, die Spezifikationen für ein ausgewähltes ICE auf Basis von photonischem Kristall, wie sie von einer Auslegungssammlung erzeugt werden, zu empfangen oder in anderer Weise herunterzuladen und ein entsprechendes PhK-basiertes ICE physisch zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen kann das Herstellungscomputerprogramm auch einen Teil desjenigen Codes enthalten, der von der Auslegungssammlung verwendet wird, derart, dass es fähig sein kann, Durchlässigkeitsspektrumssignale der Herstellungsschritte zu messen und zu berichten, die noch nicht durchgeführt wurden, um etwaige Herstellungsfehler zu kompensieren.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet ein Verfahren das Auswählen einer PhK-Struktur mit einer Auslegungssammlung, die auf einem nicht transitorischen, computerlesbaren Medium gespeichert sind, Erlangen eines Durchlässigkeitsspektrums für den ausgewählten PhK, und Bestimmen einer Vorhersageleistung eines PhK-basierten ICE für eine Charakteristik einer Probe mit dem Durchlässigkeitsspektrum und einer Datenbank mit Spektren für kalibrierte Proben. Das Verfahren kann ferner das Anpassen des Durchlässigkeitsspektrums zum Verbessern der Vorhersageleistung eines PhK-basierten ICE und das Herstellen der PhK-Struktur zur Einbeziehung in das PhK-basierten ICE beinhalten, wenn die Vorhersageleistung über einem im Voraus ausgewählten Schwellenwert liegt.
In weiteren Ausführungsformen beinhaltet ein Verfahren das Auswählen eines gewünschten Durchlässigkeitsspektrums für ein ICE, Identifizieren einer PhK-Struktur mit einem Durchlässigkeitsspektrum, der mit dem gewünschten Durchlässigkeitsspektrum vergleichbar ist, und Bestimmen einer Vorhersageleistung eines PhK-basierten ICE für eine Charakteristik einer Probe mit dem Durchlässigkeitsspektrum und einer Datenbank mit Spektren für kalibrierte Proben. Das Verfahren kann ferner das Anpassen des Durchlässigkeitsspektrums der PhK-Struktur zum Verbessern der Vorhersageleistung eines PhK-basierten ICE und das Herstellen der PhK-Struktur für das PhK-basierte ICE beinhalten, wenn die Vorhersageleistung über einem im Voraus ausgewählten Schwellenwert liegt.
In wieder anderen Ausführungsformen beinhaltet das ICE eine PhK-Struktur mit einer optischen Eingangsseite, die dazu konfiguriert ist, Licht mit Interaktion zu empfangen, und einer optischen Ausgangsseite, die dazu konfiguriert ist, einen optischen Ausgang zu empfangen. Der PhK beinhaltet ein Medium mit einem ersten Brechungsindex und ein Substrat, das in das Medium eingebettet ist, wobei das Substrat einen zweiten Brechungsindex und wenigstens ein geometrisches Merkmal aufweist. In einigen Ausführungsformen wird das wenigstens eine geometrische Merkmal auf Grundlage eines Ausgangsspektrums ausgewählt, das sich aus der optischen Ausgangsseite ergibt. Ferner weist der optische Ausgang gemäß einigen Ausführungsformen eine Amplitude auf, die proportional zu einem Skalarprodukt des Lichts mit Interaktion und einem Regressionsvektor für eine Charakteristik einer analysierten Probe ist.
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden für einschlägige Fachleute nach einer Lektüre der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen deutlich werden.
1A–1D stellen verschiedene Konfigurationen einer PhK-Struktur gemäß Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung dar. Die PhK-Struktur gemäß einigen Ausführungsformen kann einen PhK mit einer Dimensionalität von höher als eins, etwa einer zweidimensionalen (2D) Struktur odereiner dreidimensionalen (3D) Struktur, beinhalten. Ein PhK arbeitet als die optische Entsprechung eines Halbleitermaterials, das elektrisch leitet. Atome und Moleküle in einem Halbleitermaterial werden durch geometrische Merkmale ersetzt, die durch Materialien mit ausgewählten Dielektrizitätskonstanten (komplexer Brechungsindex des Materials) gebildet sind. In PhK-Strukturen wird das periodische Potenzial eines Halbleiterkristalls durch eine periodische dielektrische Funktion an einer ausgewählten Geometrie ersetzt. Die Lichtbrechung an den verschiedenen Grenzflächen der ausgewählten Geometrie innerhalb des PhK erzeugt einen photonischen Durchlassbereich für Lichtausbreitungsmodi, so wie in einem Halbleiter ein Leitungsdurchlassbereich für Ladungsträger gebildet ist. Ein photonischer Durchlassbereich verhindert, dass sich bestimmte Lichtfrequenzen in bestimmte Richtungen ausbreiten. Beispiele eines photonischen 3D-Kristalls sind in 1A–1D gezeigt und werden im Folgenden ausführlich beschrieben.
Ein PhK-basiertes ICE in Übereinstimmung mit Ausführungsformen, das in 1A–1D dargestellt ist, beinhaltet eine PhK-Struktur mit wenigstens einer optischen Eingangsseite, die dazu konfiguriert ist, einen optischen Eingang (z. B. i1, i2, i3) zu empfangen, wie in 1B gezeigt, und wenigstens einer optischen Ausgangsseite, die dazu konfiguriert ist, einen optischen Ausgang (z. B. o1, o2, o3) zu empfangen, wie ebenfalls in 1B gezeigt ist. Der optische Eingang i1 ist der Eingang einfallender elektromagnetischer Strahlung, und der optische Ausgang o1 ist der Ausgang der durchgelassenen elektromagnetischen Strahlung, die i1 entspricht. Die optischen Eingänge i2 und i3 und optischen Ausgänge o2 und o3 stehen ebenso miteinander in Beziehung.
Wie in 1B–1D gezeigt, kann die PhK-Struktur ein Medium mit einem ersten Brechungsindex (n1) und ein Substrat beinhalten, das in das Medium eingebettet ist, wobei das Substrat einen zweiten Brechungsindex (n2) und wenigstens ein geometrisches Merkmal aufweist. Das wenigstens eine geometrische Merkmal wird auf Grundlage eines Ausgangsspektrums ausgewählt, das sich aus der optischen Ausgangsseite ergibt. Beispielsweise ist das Ausgangsspektrum in einigen Ausführungsformen derart, dass der optische Ausgang eine Amplitude aufweist, die proportional zu einem Skalarprodukt des Lichts mit Interaktion und einem Regressionsvektor für eine Charakteristik einer analysierten Probe ist. In dieser Hinsicht kann das Skalarprodukt eine Spektralmusteramplitude und Ausbreitungsrichtung des Lichts mit Interaktion entlang der PhK-Struktur beinhalten (siehe auch 1A). Das Skalarprodukt kann einen Vektor beinhalten, der mit der spektralen Zusammensetzung des Lichts mit Interaktion und dem Regressionsvektor gebildet ist. Allgemeiner ist das Ausgangsspektrum ein Durchlässigkeitsspektrum von einer elektromagnetischen Strahlung, die von der optischen Eingangsseite zur optischen Ausgangsseite durchgelassen wird, und kann von der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung an der PhK-Struktur abhängen. In einigen Ausführungsformen ist das Ausgangsspektrum für eine vorgegebene Ausbreitungsrichtung der Strahlung mit Interaktion in der PhK-Struktur derart, dass der optische Ausgang eine Amplitude proportional zu einem Skalarprodukt des Lichts mit Interaktion (das sich in der vorgegebenen Richtung ausbreitet) und einem Regressionsvektor für die Charakteristik der analysierten Probe aufweist.
1A stellt eine optischen Konfiguration 150 für eine PhK-Struktur mit einem 3D-Substrat 101A zur Verwendung in einem ICE dar. In 1A ist ausschließlich zur Veranschaulichung auch ein kartesisches Koordinatensystem mit drei zueinander orthogonalen Achsen X, Y und Z gezeigt. Aus der spezifischen Auswahl der Bezugsachsen X, Y und Z sind keine Einschränkungen des Umfangs der vorliegenden Offenbarung herzuleiten. In der gesamten Offenbarung wird, soweit nicht anders angegeben, dieselbe Orientierung des Bezugsrahmens angenommen. Die optische Konfiguration 150 beinhaltet den optischen Eingang 106 und einen beliebigen der optischen Ausgänge 110a, 110b, 110c und 110d (im Folgenden gemeinsam als optische Ausgänge 110 bezeichnet). Entsprechend kann die optische Eingangsseite in 3D-Substrat 101A gegenüber der optischen Ausgangsseite (optischer Ausgang 110a) oder orthogonal zur optischen Ausgangsseite (optische Ausgänge 110b und 110c) liegen. In einigen Ausführungsformen können die optische Eingangsseite und die optische Ausgangsseite des PhK gleich sein (d. h. für den optischen Ausgang 110d). Obwohl der optische Ausgang 110d in einem Winkel relativ zum optischen Eingang 106 dargestellt ist, versteht es sich, dass der optische Ausgang 110d parallel zum optischen Eingang 106 (aber in entgegengesetzter Richtung) sein. Entsprechend kann der optische Ausgang 110d einen beliebigen spitzen Winkel relativ zur Richtung des optischen Eingangs 106 bilden.
Ein PhK-basiertes ICE, wie es in den hier offenbarten Ausführungsformen verwendet wird, kann ein, zwei oder mehr als zwei optische Ausgänge 110a, 110b, 110c und 110d beinhalten. In dieser Hinsicht kann das PhK-Substrat 101A dazu konfiguriert sein, optische Ausgänge 110a, 110b, 110c und 110d bereitzustellen, die jeweils unterschiedliche spektrale Eigenschaften aufweisen.
1B stellt die PhK-Struktur 100 mit einem 3D-Substrat 101B zur Verwendung in einem PhK-basierten ICE wie hier offenbart dar. Das Substrat 101B beinhaltet eine Vielzahl von Blöcke aus dielektrischem Material, die in einer dreidimensionalen (3D) Struktur mit einer Symmetrieachse an zwei im Wesentlichen orthogonalen Achsen (z. B. Y und Z) angeordnet sind. Die dielektrischen Blöcke im Substrat 101B weisen einen Blockdurchmesser „w0“ auf und sind parallel mit einem Abstand „l1“ voneinander entfernt angeordnet. Gemäß einigen Ausführungsformen ist ein zweites Array paralleler dielektrischer Blöcke auf das erste Array paralleler dielektrischer Blöcke gestapelt, wobei das zweite Array dielektrischer Blöcke im Wesentlichen senkrecht zum ersten Array dielektrischer Blöcke ist. Entsprechen kann diese Konfiguration an der X-Achse bis zu einer gewünschten Dicke gestapelt werden.
1C stellt die PhK-Struktur 100 mit einem 2D-Substrat 101C zur Verwendung in einem PhK-basierten ICE wie hier offenbart dar. Das Substrat 101C kann eine Vielzahl von Öffnungen 107 und 108 definieren oder in anderer Weise beinhalten. Entsprechend beinhalten die geometrischen Merkmale im Substrat 101C einen Mittenabstand zwischen wenigstens zwei Öffnungen 107 (d0), einen Durchmesser (d1) einer Öffnung 107, die aus der Vielzahl von Öffnungen ausgewählt ist, und einen zweiten Durchmesser (d2) der Öffnung 108. Außerdem können die geometrischen Merkmale im Substrat 101C einen Mittenabstand (d12) zwischen einer benachbarten Öffnung 107 und Öffnung 108 beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann eine Dicke (t, an der Z-Achse und nicht in 1C gezeigt) des 2D-Substrats 101C ein geometrisches Merkmal sein, das gemäß hier offenbarten Ausführungsformen ausgewählt wird.
Obwohl die genaue Form der Öffnungen 107 und 108 nicht einschränkend ist, beinhaltet das Substrat 101C kreisförmige Öffnungen, die in einer praktischen Anwendung leicht zu formen sein können. Außerdem kann die Öffnung 108 gemäß einigen Ausführungsformen einen dritten Brechungsindex (n3) für das Material beinhalten, das einen Innenabschnitt der Öffnung 108 bildet.
1D stellt die PhK-Struktur 100 mit einem 3D-Substrat 101D zur Verwendung in einem PhK-basierten ICE wie hier offenbart dar. Das Substrat 101D beinhaltet eine Vielzahl von Materialschichten, die benachbart zueinander gestapelt sind, und jede der Vielzahl von Materialschichten beinhaltet eine Vielzahl von Öffnungen 107, die in dem Substrat gebildet ist. Die Vielzahl von Öffnungen 107 für jede Schicht weist im Wesentlichen das gleiche geometrische Merkmal (z. B. Mittenabstand d0 und Durchmesser d1) in der Ebene der Schicht zwischen benachbarten Schichten (z. B. der Y-Z-Ebene) versetzt auf. Im Substrat 101D beinhaltet das wenigstens eine geometrische Merkmal einen Abstand (d3) zwischen benachbarten Schichten.
2 stellt eine optischen Rechenvorrichtung 200 mit einem PhK-basierten ICE 209 dar. Die optische Rechenvorrichtung 200 kann elektromagnetische Strahlung im Zusammenhang mit einer Charakteristik einer Probe 202 von anderer elektromagnetischer Strahlung unterscheiden. Wie in 2 strahlt eine elektromagnetische Strahlungsquelle 201 elektromagnetische Strahlung 204 ab oder erzeugt sie in anderer Weise. Die elektromagnetische Strahlungsquelle 201 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die elektromagnetische Strahlung wie hier definiert abstrahlen oder erzeugen kann. In einigen Ausführungsformen ist die elektromagnetische Strahlungsquelle 201 eine Glühbirne, eine Leuchtdiode (LED), ein Laser, ein Schwarzkörper, ein photonischer Kristalllaser, eine Röntgenquelle oder dergleichen. Elektromagnetisch Strahlung 204 wird auf eine Probe 202 gerichtet, die einen interessierenden Analyten oder eine interessierende Charakteristik enthält, der bzw. die bestimmt werden soll. Die elektromagnetisch Strahlung 204 interagiert optisch mit der Probe 202 und erzeugt Strahlung mit optischer Interaktion 206 (z. B. Probenlicht mit Interaktion), von dem ein Teil elektromagnetische Strahlung, die der interessierenden Charakteristik oder dem interessierenden Analyten entspricht, und von dem ein Teil elektromagnetische Hintergrundstrahlung sein kann, die anderen Komponenten oder Charakteristiken der Probe 202 entspricht.
Obwohl 2 zeigt, dass die elektromagnetische Strahlung 204 durch die Probe 202 tritt, um Strahlung mit optischer Interaktion 206 zu erzeugen, ist hier auch vorgesehen, die elektromagnetisch Strahlung 204 von der Probe 202 zu reflektieren, wie es etwa erforderlich sein kann, wenn die Probe 202 durchscheinend, lichtundurchlässig oder massiv ist. Das Reflektieren der elektromagnetischen Strahlung 204 von der Probe 202 erzeugt ebenfalls optisch Strahlung mit Interaktion 206. In einigen Ausführungsformen kann die optische Rechenvorrichtung 200 ganz ohne die elektromagnetische Strahlungsquelle 201 auskommen, und einfallende elektromagnetische Strahlung kann von der Probe 202 bezogen werden. Beispielsweise strahlen verschiedene Stoffe elektromagnetische Strahlung auf natürliche Weise ab. Zum Beispiel kann es sich bei der Probe 202 um einen strahlenden Schwarzkörperstoff handeln, der dazu konfiguriert ist, elektromagnetische Strahlung in der Form von Wärme abzustrahlen. In anderen Ausführungsformen kann die Probe 202 radioaktiv oder chemolumineszent sein und daher elektromagnetische Strahlung abstrahlen. In einigen Ausführungsformen kann die Probe 202 ein strahlendes Plasmalicht sein, etwa eine Fackel oder eine Flamme, die aufgrund der Verbrennung von Kohlenwasserstoff entsteht. In wieder anderen Ausführungsformen kann die erforderliche elektromagnetische Strahlung aus der Probe 202 induziert werden, indem mechanisch, magnetisch, elektrisch, mit Kombinationen davon oder dergleichen darauf eingewirkt wird.
Strahlung mit optischer Interaktion 206 fällt auf die optischen Rechenvorrichtung 200, die beispielsweise einen Strahlenteiler 208 enthalten kann. Der Strahlenteiler 208 kann dazu konfiguriert sein, die Strahlung mit optischer Interaktion 206 in einen ersten Lichtstrahl 206a, der in einen ersten Kanal A gelenkt wird, und einen zweiten Lichtstrahl 206b zu teilen, der in einen zweiten Kanal B gelenkt wird. Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Kanal“ allgemein einen optischen Weg oder eine Linsenbaugruppe, wie im Stand der Technik bekannt. Der erste Kanal A ist dazu konfiguriert, den ersten Lichtstrahl 206a zum PhK-basierten ICE 209 zu lenken, weshalb der erste Kanal A als ein „primärer“ Kanal charakterisiert oder in anderer Weise bezeichnet werden kann. Das PhK-basierte ICE 209 beinhaltet eine PhK-Struktur 100 mit einem Substrat 101, wie oben unter Bezugnahme auf 1A–1C beschrieben (z. B. Substrat 101a, 101b und 101c). Das PhK-basierte ICE 209 kann dazu konfiguriert sein, modifizierte elektromagnetische Strahlung 210 zu erzeugen, die der interessierenden Charakteristik oder dem interessierenden Analyten entspricht. Insbesondere kann das PhK-basierte ICE so konfiguriert sein, dass die modifizierte elektromagnetisch Strahlung 210 eine Amplitude und Richtung aufweist, die proportional zu einem Skalarprodukt (z. B. einem Punktprodukt) zwischen dem Spektrum der Strahlung mit Interaktion 206 und einem Regressionsvektor ist, der der interessierenden Charakteristik in der analysierten Probe 202 entspricht.
In dem primären Kanal A wird die modifizierte elektromagnetische Strahlung 210 anschließend zur Quantifizierung an einen Detektor 212 geleitet. Der Detektor 212 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die elektromagnetische Strahlung erkennen kann, und kann allgemein als ein optischer Messwandler charakterisiert werden. Beispielsweise kann der Detektor 212, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Wärmedetektor wie etwa eine Thermosäule oder ein fotoakustischer Detektor, ein Halbleiterdetektor, ein piezoelektrischer Detektor, ein Detektor mit ladungsgekoppelter Vorrichtung (CCD), ein Video- oder Array-Detektor, ein geteilter Detektor, ein Photonendetektor (etwa ein Photoelektronenvervielfacher), Fotodioden und/oder Kombinationen davon oder dergleichen oder andere Detektoren sein, die einschlägigen Fachleuten bekannt sind.
In einigen Ausführungsformen ist der Detektor 212 dazu konfiguriert, ein Ausgangssignal 213 in der Form einer Spannung (oder eines Stroms) zu erzeugen, das der bestimmten Charakteristik in der Probe 202 entspricht. In wenigstens einer Ausführungsform können das Ausgangssignal 213 und eine Amplitude der Charakteristik der Probe 202 direkt proportional sein. Allgemeiner kann die Beziehung zwischen dem Ausgangssignal 213 und der Amplitude der Charakteristik der Probe 202 einer ganzrationalen Funktion, einer Exponentialfunktion und/oder einer logarithmischen Funktion oder einer Kombination entsprechen.
Ein zweiter Lichtstrahl 206b kann im zweiten Kanal B zu einem zweiten Detektor 216 gelenkt werden. Der zweite Detektor 216 kann dem ersten Detektor 212 gleichen, indem es sich dabei um eine beliebige Vorrichtung handeln kann, die elektromagnetische Strahlung erkennen kann. Ohne Einschränkung kann der zweite Detektor 216 verwendet werden, um Strahlungsabweichungen zu erkennen, die von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 201 stammen, oder anderen Faktoren in elektromagnetischer Strahlung 204, die nicht mit der interessierenden Charakteristik zusammenhängt, die die Probe 202 oder den optischen Weg beeinflussen. Nicht wünschenswerte Strahlungsabweichungen können aus zahlreichen Gründen in der Stärke des Licht im primären Kanal A auftreten und verschiedene negative Auswirkungen haben. Diese negativen Auswirkungen können besonders für Messungen über Zeiträume hinweg nachteilig sein. Zu Strahlungsabweichungen können, ohne darauf beschränkt zu sein, Lichtstärkeschwankungen der elektromagnetischen Strahlung 204 gehören. Sie können auch Interferenzschwankungen beinhalten, die Licht von der Probe 202 streuen oder absorbieren können, während es sich durch den Interaktionsraum bewegt, wie es auch geschehen kann, wenn ein Fremdstoff wie etwa Schmutz oder Staub von der Probe 202 mitgeführt wird oder in anderer Weise die Vorderseite der elektromagnetischen Strahlungsquelle 201 passiert. Strahlungsabweichungen können auch einen Film aus angesammeltem Material an Fenstern des Befragungsraums beinhalten, der die Menge des Lichts reduziert, das den Detektor 216 erreicht. Ohne angemessene Korrektur können diese Strahlungsabweichungen zu falschen Messwerten aus dem primären Kanal A führen, und das Ausgangssignal 213 stünde dann nicht mehr primär mit der interessierenden Charakteristik in Beziehung.
Entsprechend kompensieren Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung Strahlungsabweichungen in der Strahlung mit optischer Interaktion 206, die nicht mit der interessierenden Charakteristik in der Probe 202 zusammenhängen. Um dies zu erreichen, ist der zweite Detektor 216 dazu konfiguriert, ein Kompensationssignal 218 zu erzeugen. Das Kompensationssignal 218 zeigt allgemein Strahlungsabweichungen der elektromagnetischen Strahlungsquelle 201 an und kann zum Normieren des Ausgangssignals 213 verwendet werden. Entsprechend wird der zweite Kanal B im Stand der Technik in der Regel als „Referenz“-Kanal charakterisiert oder in anderer Weise bezeichnet. In einigen Anwendungen können das Kompensationssignal 218 und das Ausgangssignal 213 an eine Signalverarbeitungseinheit 220, die kommunizierend an die Detektoren 212 und 216 gekoppelt ist, übertragen oder in anderer Weise davon empfangen werden. Bei der Signalverarbeitungseinheit 220 kann es sich um einen Computer mit einem nicht transitorischen maschinelesbaren Medium handeln, und er kann dazu konfiguriert sein, das Kompensationssignal 218 rechnerisch mit dem Ausgangssignal 213 zu kombinieren, um das Ausgangssignal 213 im Falle der Erkennung von Strahlungsabweichungen durch den zweiten Detektor 216 zu normieren. In einigen Ausführungsformen kann das rechnerische Kombinieren des Ausgangs- und des Kompensationssignals 213, 218 das Berechnen eines Verhältnisses der zwei Signale 213, 218 mit sich bringen, wodurch letztlich ein Verhältnis des primären und des Bezugskanals A und B (z. B. A/B) berechnet wird.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Bezugskanal B das Erkennen eines Teils der Strahlung mit Interaktion 206, bevor dieser auf das PhK-basierte ICE 209 trifft. Einige Ausführungsformen beinhalten spektral neutrale Elemente (z. B. Elemente, deren optische Durchlässigkeit, Absorptionsvermögen und/oder Reflexionsvermögen nicht wesentlich mit der Wellenlänge variiert) im optischen Weg des Bezugskanals B. Spektral neutrale Elemente, die für den Bezugskanal B verwendet werden können, beinhalten neutrale Dichtefilter und Strahlenteiler, teilweise transparente Masken, Vorderflächen-Fresnel-Reflexionen, Kombinationen davon oder ähnliche Komponenten.
In einigen Ausführungsformen kann die Konzentration jedes Analyten oder die Größe jeder Charakteristik, die mit der optische Rechenvorrichtung 200 bestimmt wurde, in einen Algorithmus eingespeist werden, der von der Signalverarbeitungseinheit 220 ausgeführt wird. Der Algorithmus kann dazu konfiguriert sein, Vorhersagen dazu zu treffen, wie die Charakteristiken der Probe 202 sich verändern, wenn die Konzentrationen der Analyten relativ zueinander geändert werden. In einigen Ausführungsformen erzeugt der Algorithmus eine Ausgabe, die von einem Bediener lesbar ist, der die Ergebnisse auswerten und bei Bedarf auf Grundlage der Ausgabe geeignete Anpassungen oder notwendige Maßnahmen vornehmen kann.
3A stellt ein Durchlässigkeitsspektrum 300A in einem Verfahren zum Herstellen eines PhK-basierten ICE dar. Das Durchlässigkeitsspektrum 300A beinhaltet eine Abszisse, die eine Wellenlänge darstellt, die einen Bereich von λo bis λm überspannt. Die Ordinate im Durchlässigkeitsspektrum 300A stellt einen Durchlasswert von einem Minimalwert „to“ (z. B. 0 %) bis zu einem Maximalwert „tm“ (z. B. 100 %) dar. Der Dynamikbereich einer PhK-Struktur mit einem Durchlässigkeitsspektrum 300A wird von to und tm bestimmt. In Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung ist es wünschenswert, dass der Dynamikbereich so hoch wie möglich ist, was bedeutet, dass ein Verhältnis tm/to möglichst höher sein sollte.
Das Durchlässigkeitsspektrum 300A kann ein Ausgangspunkt für den Umgang mit einem interessierenden Analyten in der Probe sein. Das Durchlässigkeitsspektrum 300A beinhaltet ein spektrales Merkmal 302 (z. B. ein Durchlassbereichsmerkmal) mit einer Zentralwellenlänge, λc, und einer Bandbreite, λc. Entsprechend beinhaltet das Durchlässigkeitsspektrum 300A auch ein „Stoppband“ 301. Das Stoppband 301 beinhaltet Wellenlängen, bei denen der Lichtdurchlass nahe dem Minimalwert to ist. In einigen Ausführungsformen kann sich das Durchlässigkeitsspektrum 300A aus einem 2D-PhK mit einer Reihe acht kreisförmiger Öffnungen ergeben, ähnlich wie Substrat 101B in 1B.
3B stellt ein Durchlässigkeitsspektrum 300B in einem weiteren Verfahren zum Herstellen eines PhK-basierten ICE dar. In Spektrum 300B können ein Durchlassdynamikbereich 306 und eine Zentralwellenlänge 304 im spektralen Merkmal 302 beliebig angepasst werden, um eine Vorhersageleistung eines PhK-basierten ICE in einer Datenbank kalibrierter Proben zu verbessern. Der SKF, die Empfindlichkeit und das SRV, die dem Durchlässigkeitsspektrum 300B entsprechen, werden dann mithilfe der Datenbank kalibrierter Proben berechnet. In dieser Hinsicht kann die Datenbank kalibrierter Proben ein Durchlässigkeitsspektrum für jede der kalibrierten Proben beinhalten, die einem „wahren“ Wert für die Amplitude der Charakteristik der entsprechenden Probe zugeordnet ist.
3C stellt ein Durchlässigkeitsspektrum 300C in einem weiteren Verfahren zum Herstellen eines PhK-basierten ICE dar. Wenn die mit dem Spektrum 300B geschätzte Vorhersageleistung zunimmt (wie von der Gütefunktion bestimmt), wird ein neues Durchlässigkeitsspektrum 300C ausgewählt. In einigen Ausführungsformen wird das Durchlässigkeitsspektrum 300C derart ausgewählt, dass eine geringfügige Anpassung des Durchlassdynamikbereichs der Bandbreite λf oder der Zentralwellenlänge λf die Vorhersageleistung reduzieren kann. Ein Computeralgorithmus mit einem Finite-Difference-Time-Domain(Finite Differenzen im Zeitbereich, FDTD)-Verfahren dient dazu, Maxwell-Gleichungen für individuelle „Zellen“ in einem Teilbereich der PhK-Struktur zu lösen. Das FDTD-Verfahren stimmt die Grenzbedingungen für das elektromagnetische Feld für die Zellen ab. Die Ausgabe des FDTD beinhaltet eine Durchlassfunktion des Lichts, das sich durch den PhK ausbreitet. Das Durchlässigkeitsspektrum 300C wird in einen Electromagnetic-Equation-Propagation-FDTD-Algorithmus eingegeben. Das Durchlässigkeitsspektrum 300C dient dem FDTD-Algorithmus als Ziel, und er modifiziert iterativ die geometrischen Charakteristiken des PhK, um eine Struktur zu ermitteln, die ein mit 300C vergleichbares Durchlässigkeitsspektrum innerhalb eines ausgewählten Toleranzwerts erzeugt.
Einige Ausführungsformen verwenden anstelle eines FDTD-Verfahrens oder zusätzlich dazu ein Differenzengleichungsverfahren zum Modifizieren und Simulieren einer PhK-Struktur. Andere Verfahren, die gemäß hier offenbarten Ausführungsformen verwendet werden können, beinhalten ein Transfermatrixverfahren, ein Verfahren der Expansion ebener Wellen, ein Bloch-Wellenverfahren und dergleichen.
Entsprechend können zu einigen Parametern, die der FDTD-Algorithmus modifizieren kann, ohne Einschränkung die Anzahl der Öffnungen in einem Substrat, der Durchmesser der Öffnungen im Substrat, der Abstand zwischen den Öffnungen im Substrat und dergleichen gehören (z. B. jeweils w0, l1, d1, d2 und d3 in den Substraten 101B–C aus 1B–1C). Ferner kann der FDTD-Algorithmus den Brechungsindex des Substrats und den Brechungsindex des Mediums anpassen (z. B. n0, n1, und n2 in 1B–1D). Die resultierende PhK-Struktur kann eine erste Folge von Löchern mit einem ersten Durchmesser und einer Lücke in der Folge und eine zweite Folge von Löchern mit einem zweiten Durchmesser (z. B. kleiner) mit einer zweiten Lücke beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann ein einzelnes spektrales Merkmal 308, wie in 3C gezeigt, ein ausreichend prädiktives PhK-basierten ICE bereitstellen, das einfach herzustellen ist. In einigen Ausführungsformen kann es jedoch wünschenswert sein, neue spektrale Merkmale in das Durchlässigkeitsspektrum einzubringen, um eine verbesserte Vorhersageleistung des PhK-basierten ICE zu erlangen.
4A stellt ein Durchlässigkeitsspektrum 400A mit Durchlassspitzen 308 und 402 in einem Verfahren zum Herstellen eines PhK-basierten ICE dar. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Durchlassspitze 402 in das Durchlässigkeitsspektrum 400A eingebracht werden, um die Vorhersageleistung eines PhK-basierten ICE weiter zu verbessern. Wenn eine Zentralwellenlänge (λf) und eine Bandbreite (λf) der Durchlassspitze 308 bestimmt wurden, verbessert in einigen Ausführungsformen die zweite Durchlassspitze 402 die Vorhersageleistung des PhK-basierten ICE weiter. Entsprechend beinhalten Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung Schritte zum Anpassen des Durchlassdynamikbereichs 406 relativ zum Stoppband 401. Außerdem beinhalten Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung das Verlagern einer Zentralwellenlänge 404 der zweiten Durchlassspitze 402, um ein Durchlässigkeitsspektrum 400B mit einer verbesserten Vorhersageleistung zu erlangen. Ferner beinhalten gemäß einigen Ausführungsformen Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung Schritte zum Anpassen der Bandbreite der Durchlassspitze 402.
4B stellt ein Durchlässigkeitsspektrum 400B mit Durchlassspitzen 308 und 408 in einem Verfahren zum Herstellen eines PhK-basierten ICE dar. In einigen Ausführungsformen erhöht das Einbringen des zweiten spektralen Merkmals 402 in das Modell die Vorhersageleistung des resultierenden PhK-basierten ICE drastisch. Entsprechend kann das zweite spektrale Merkmal 402 ergeben, dass eine Zentralwellenlänge λb und eine Bandbreite λb für ein Durchlässigkeitsspektrum 400B eine Vorhersageleistung für das PhK-basierten ICE bereitstellen. Beispielsweise kann ein Empfindlichkeitswert im Vergleich zu einem Durchlässigkeitsspektrum mit einem einzelnen spektralen Merkmal 308 wesentlich erhöht werden.
5 stellt ein Diagramm 500 mit einem Durchlässigkeitsspektrum 502 von einem PhK-basierten ICE und einem Durchlässigkeitsspektrum 504 von einem mehrschichtigen Interferenzelement dar. Die Durchlässigkeitsspektren 502 und 504 werden gemäß den spektralen Eigenschaften einer bestimmten physikalischen oder chemischen Charakteristik eines analysierten Stoffs ausgewählt. In einigen Ausführungsformen werden die Durchlässigkeitsspektren 502 und 504 derart ausgewählt, dass ein Detektorsignal proportional zu einem Skalarprodukt (z. B. einem Punktprodukt) zwischen einem Spektralvektor eines Lichts mit Interaktion und einem linearen Regressionsvektor im Zusammenhang mit der Charakteristik der analysierten Probe ist (z. B. Licht mit Interaktion 206, Signal 213 und Detektor 212, siehe 2). In dieser Hinsicht können die Durchlässigkeitsspektren 502 und 504 aus einer multivariaten Regressionsanalyse mit einer Vielzahl von kalibrierten Proben in einer Datenbank erlangt werden. Entsprechend können die Durchlässigkeitsspektren 502 und 504 eine Approximation an ein theoretisches berechnetes Spektrum sein, das mithilfe multivariater Regressionsalgorithmen erlangt wird.
Während das Durchlässigkeitsspektrum 504 einem ICE mit einer Vorhersageleistung entsprechen kann, kann das Durchlässigkeitsspektrum 502 einem PhK-basierten ICE mit einer noch besseren Vorhersageleistung entsprechen. Beispielsweise weist das spektrale Merkmal 512 in Durchlässigkeitsspektrum 502 einen höheren Durchlassdynamikbereich 532 und eine schmalere Bandbreite 522 als der Durchlassdynamikbereich 534 und die Bandbreite 524 des spektralen Merkmals 514 vom Durchlässigkeitsspektrum 504 auf. Wie oben erörtert, stehen diese Faktoren in der Regel mit einer höheren Vorhersageleistung für eine jeweilige multivariate Regressionsanalyse in Zusammenhang.
6 stellt ein Ablaufdiagramm mit Schritten in einem Verfahren 600 zum Herstellen einer optischen Rechenvorrichtung dar, die ein PhK-basiertes ICE wie hier offenbart beinhaltet. Das PhK-basierte ICE in Verfahren 600 kann eine PhK-Struktur mit einer optischen Eingangsseite, die zum Aufnehmen von Licht mit Interaktion konfiguriert ist, und einer optischen Ausgangsseite beinhalten, die zum Empfangen eines optischen Ausgangs beinhalten (z. B. PhK-Strukturen 101A–D, siehe 1A–D). Der PhK kann ferner ein Medium mit einem ersten Brechungsindex; und ein Substrat beinhalten, das in das Medium eingebettet ist, wobei das Substrat einen zweiten Brechungsindex und wenigstens ein geometrisches Merkmal aufweist (z. B. Brechungsindizes n1, n2, n3, geometrische Merkmale w0, l1, d0, d1, d2, d12 und d3, siehe 1B–1D, und Dicke t). Ferner wird das wenigstens eine geometrische Merkmal in einigen Ausführungsformen auf Grundlage eines Ausgangsspektrums ausgewählt, das sich aus der optischen Ausgangsseite ergibt (z. B. Durchlässigkeitsspektren 300C, 400B und 502, siehe 3C, 4B und 5). Entsprechend kann das Durchlässigkeitsspektrum ein Durchlassbereichsmerkmal beinhalten (z. B. Durchlassbereichsmerkmale 302, 402 und 512, siehe 3C und 4B und 5). Der optische Ausgang weist in einigen Ausführungsformen eine Amplitude auf, die proportional zu einem Skalarprodukt des Lichts mit Interaktion und einem Regressionsvektor für eine Charakteristik einer analysierten Probe ist.
Schritte in Verfahren 600 können wenigstens von einem Computer mit einer Prozessorschaltung durchgeführt werden, die Befehle ausführt, die in einer Speicherschaltung gespeichert sind. Wenn die Prozessorschaltung die Befehle ausführt, veranlasst sie den Computer, wenigstens einige der Schritte in Verfahren 600 teilweise oder ganz auszuführen. Darüber hinaus können Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung wenigstens einen, aber nicht alle Schritte beinhalten, die in 6 dargestellt sind. Ferner kann in einigen Ausführungsformen im Umfang vorliegenden Offenbarung ein Verfahren wenigstens einige der Schritte in 6 beinhalten, die in einer anderen Reihenfolge oder sogar teilweise oder vollständig zeitlich überlappend durchgeführt werden.
Schritt 602 beinhaltet das Auswählen einer PhK-Struktur. In einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 602 das Auswählen einer optischen Eingangsseite und einer optischen Ausgangsseite der PhK-Struktur und das Auswählen eines PhK-Mediums mit einem ersten Brechungsindex. Ferner beinhaltet Schritt 602 in einigen Ausführungsformen das Auswählen wenigstens eines geometrischen Merkmals im PhK-Substrat, das in das Medium eingebettet ist, wobei das PhK-Substrat einen zweiten Brechungsindex aufweisen kann. In einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 602 das Vergleichen eines Ausgangsspektrums, das sich an der optischen Ausgangsseite des PhK ergibt, mit einem Regressionsvektor für eine Charakteristik einer analysierten Probe.
Schritt 604 beinhaltet das Erlangen eines Durchlässigkeitsspektrums für den ausgewählten PhK. In einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 604 das Verwenden eines Electromagnetic-Equation-Propagation-FDTD-Algorithmus zum Bestimmen des Durchlässigkeitsspektrums von einfallender elektromagnetischer Strahlung, die auf eine optische Eingangsseite der PhK-Struktur trifft.
Schritt 606 beinhaltet das Bestimmen einer Vorhersageleistung eines PhK-basierten ICE für eine Charakteristik der Probe mit dem Durchlässigkeitsspektrum und einer Datenbank von Spektren für kalibrierte Proben. In einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 606 das Durchführen einer multivariaten Regressionsanalyse von Durchlässigkeitsspektren für kalibrierte Proben, die in der Datenbank gespeichert sind, mithilfe des erlangten Durchlässigkeitsspektrums der PhK-Struktur. Schritt 606 kann auch einen beliebigen der Schritte des Ermittelns eines SKF, Ermittelns einer Empfindlichkeit und Ermittelns eines SRV mithilfe der multivariaten Regressionsanalyse beinhalten. Schritt 606 kann ferner das Sortieren einer Vielzahl von PhK-Strukturen, die von einer Auslegungssammlung erzeugt wurden, auf Grundlage von Vorhersagefehler und Signal beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann die Vielzahl von PhK-Strukturen auf Grundlage ihres SKF, geprüft im Abgleich mit bekannten Werten für die interessierende Charakteristik oder den interessierenden Analyten, sortiert werden. Beispielsweise kann der SKF für jede photonische Kristallstruktur berechnet werden, indem die Quadratwurzel der Summe der Quadrate zwischen bekannten Werten für den interessierenden Analyten und vorhergesagten Werten, hergeleitet aus dem Durchlässigkeitsspektrum der jeweiligen photonischen Kristallstruktur, ermittelt wird.
Schritt 608 beinhaltet das Anpassen des Durchlässigkeitsspektrums zum Verbessern der Vorhersageleistung eines PhK-basierten ICE mit der Datenbank. In einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 608 das Reduzieren eines Vorhersagefehlers oder Reduzieren eines Standardkalibrierungsfehlers. Ferner beinhaltet Schritt 608 in einigen Ausführungsformen das Reduzieren eines Standardvorhersagefehlers, Erhöhen einer Empfindlichkeit oder Erhöhen einer Flanke einer Kalibrierungskurve. Darüber hinaus beinhaltet Schritt 608 in einigen Ausführungsformen auch das Erhöhen eines SRV und Erhöhen eines mittleren optischen Durchlasswerts, geprüft anhand eines bekannten Werts für die interessierende Charakteristik. Insbesondere kann Schritt 608 das Verlagern einer Zentralwellenlänge des Durchlassbereichs einer elektromagnetischen Strahlung, die durch den PhK durchgelassen wird, Erhöhen eines Durchlassdynamikbereichs des Durchlassbereichs der elektromagnetischen Strahlung, die durch den PhK durchgelassen wird, und Anpassen der Bandbreite des Durchlassbereichs der elektromagnetischen Strahlung, die durch den PhK durchgelassen wird beinhalten.
Schritt 610 beinhaltet das Bestimmen des PhK, der das angepasste Durchlässigkeitsspektrum erzeugt. In einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 610 das Verwenden eines rekursiven Algorithmus zusammen mit dem Electromagnetic-Equation-Propagation-FDTD-Algorithmus, um die PhK-Struktur aus einem Durchlässigkeitsspektrum „zurückzubauen“. Schritt 610 kann das Verwenden einer Auslegungssammlung beinhalten, die dazu konfiguriert ist, eine photonische Kristallstruktur auf Grundlage mehrerer „Gütezahlen“ oder Leistungskriterien für das ICE zu verarbeiten und/oder zu optimieren. Diese Leistungskriterien können, ohne darauf beschränkt zu sein, einen minimalen Vorhersagefehler, SKF, Standardleistungsfehler (SLF), Empfindlichkeit, Flanke der Kalibrierungskurve, SRV und mittleren Durchlasswert beinhalten, die der jeweiligen interessierenden Charakteristik oder dem jeweiligen interessierenden Analyten entsprechen. Entsprechend kann Schritt 610 das Variieren physikalischer Parameter in der PhK-Struktur wie Lochmittenabstand oder Lochdurchmesser, oder eine Kombination der zwei, beinhalten, bis eine oder mehrere PhK-Strukturen ein oder mehrere Mindestkriterien zum Vorhersagen eines interessierenden Analyten erfüllen. Tatsächlich kann eine Vielzahl von photonischen Kristallstrukturen gemäß dem Vorstehenden auf einer ersten Stufe ausgewählt werden.
Schritt 612 beinhaltet das Bestimmen, ob die Vorhersageleistung der modifizierten PhK-Auslegung für die Zwecke des Messens der physikalischen oder chemischen Charakteristik des analysierten Stoffs ausreicht. In einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 612 das Bestimmen, ob die vorhergesagte Leistung mit der bis zu diesem Punkt verwendeten Anzahl spektraler Merkmale (z. B. ein spektrales Merkmal in einer ersten Iteration des Verfahrens 600) ein Maximum erreicht hat. Ein spektrales Merkmal kann in einem Verfahren in Übereinstimmung mit Verfahren 600 ein Durchlassbereichsmerkmal wie hier offenbart beinhalten. Wenn die Vorhersageleistung gemäß Schritt 612 ausreichend ist, beinhaltet Schritt 614 das Bereitstellen der PhK-Struktur gemäß der Auslegung. Entsprechend beinhaltet Schritt 614 in einigen Ausführungsformen das Bilden einer 2D- oder einer 3D-PhK-Struktur, wie etwa der Strukturen 101A, 101B und 101C aus 1A–1C.
Wenn die Vorhersageleistung gemäß Schritt 612 nicht ausreichend ist, beinhaltet Schritt 616 das Einbringen eines neuen spektralen Merkmals in das Durchlässigkeitsspektrum (z. B. ein neues Durchlassbereichsmerkmal oder eine neue schmale Durchlassspitze im interessierenden Wellenlängenbereich). In einigen Ausführungsformen wird das Verfahren 600 ab Schritt 606 erneut wiederholt, bis die Antwort in Schritt 612 „Ja“ lautet und Schritt 614 erreicht wird. Sobald eine einzelne Spitzendurchlassfunktion (wie in 3C gezeigt) ermittelt wurde, wird eine zweite Spitze kombiniert mit der ersten Spitze als eine neue Durchlassfunktion (gezeigt in 4B) in den FDTD-Algorithmus eingegeben. Eine neue photonische Kristallstruktur, deren Durchlassfunktion mit der eingegebenen Durchlassfunktion (mit zwei Spitzen) übereinstimmt, wird ermittelt. Die zweite Spitze wird dann schrittweise in beide Richtungen im Wellenlängenraum verschoben, wie in 4B gezeigt. Der SKF, die Empfindlichkeit und das SRV werden dann durch Projizieren der neuen Durchlassfunktion auf die Kalibrierungsdatenbank berechnet. Wenn eine Verbesserung von SKF, Empfindlichkeit und SRV (wie von einer Gütefunktion definiert) erkannt wird, wird die Durchlassfunktion (mit zwei oder mehr Spitzen) in den FDTD-Algorithmus eingegeben und die Schritte 606 bis 612 werden wiederholt, wodurch eine neue PhK-Struktur ermittelt wird, deren Durchlassfunktion mit der eingegebenen Durchlassfunktion übereinstimmt.
In einigen Ausführungsformen setzen sich die Schritte 606 bis 616 für mehrere Spitzen fort, bis ein globales Minimum für eine Gütefunktion ermittelt wurde. Die Gütefunktion kann SKF, Empfindlichkeit, SRV oder eine Kombination von allen sein. Die Auslegung, die sich in Schritt 614 ergibt, kann eine beliebige Anzahl von Spitzen (oder Resonanzmodi) und eine beliebige Anzahl von Stoppbändern (oder photonischen Durchlassbereichen) beinhalten. In einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 614 das Konfigurieren eines PhK-basierten ICE mit der PhK-Struktur für einen Sensor in einem von einem Measurement-while-Drilling-Werkzeug oder einem Logging-while-Drilling-Werkzeug. In einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 614 das Konfigurieren des PhK-basierten ICE mit der PhK-Struktur für einen Sensor in einem Wireline-Werkzeug.
In einigen Ausführungsformen kann ein „Vorwärtsauslegungsprozess“ wenigstens einen oder mehrere der Schritte beinhalten, die unter Bezugnahme auf das Verfahren 600 ausführlich beschrieben wurden. Ein Vorwärtsauslegungsprozess definiert eine Vielzahl von PhK-Strukturen (2D und höherer Ordnung), die annehmbare Gütefunktionswerte bereitstellen. Allgemeiner können Durchlassfunktionen gemäß hier offenbarten Ausführungsformen Breitband sein (z. B. Durchlässigkeitsspektrum 502, siehe 5). Der Vorwärtsauslegungsprozess kann dabei das Ändern der PhK-Geometrie beinhalten, wie etwa die Anzahl von Öffnungen, den Durchmesser von Öffnungen und den Mittenabstand der Öffnungen, um die Durchlassfunktion zu bestimmen. Die Leistung des PhK-basierten ICE wird mithilfe der resultierenden Durchlassfunktion gemessen. Das Verfahren bestimmt dann, ob eine Leistungsverbesserung vorliegt (z. B. ein leistungsfähigeres prädiktives PhK-basiertes ICE).
In einigen Ausführungsformen kann ein „Rückwärtsauslegungsprozess“ verwendet werden, in dem zunächst eine optimale oder nahezu optimale Durchlassfunktion bestimmt wird. Dann ermittelt der Rückwärtsauslegungsprozess die PhK-Struktur, die die optimale oder nahezu optimale Durchlassfunktion erzeugt. Ausführungsformen eines Rückwärtsauslegungsprozesses können ein Verfahren 700 beinhalten, das unten unter Bezugnahme auf 7 ausführlich beschrieben wird.
7 stellt ein Ablaufdiagramm mit Schritten in einem Verfahren 700 zum Herstellen einer optischen Rechenvorrichtung dar, die ein PhK-basiertes ICE beinhaltet. Das PhK-basierte ICE in Verfahren 700 kann eine PhK-Struktur mit einer optischen Eingangsseite, die zum Aufnehmen von Licht mit Interaktion konfiguriert ist, und einer optischen Ausgangsseite beinhalten, die zum Empfangen eines optischen Ausgangs beinhalten (z. B. PhK-Strukturen 101A–D, siehe 1A–D). Der PhK kann ferner ein Medium mit einem ersten Brechungsindex; und ein Substrat beinhalten, das in das Medium eingebettet ist, wobei das Substrat einen zweiten Brechungsindex und wenigstens ein geometrisches Merkmal aufweist (z. B. Brechungsindizes n1, n2, n3, geometrische Merkmale w0, l1, d0, d1, d2, d12 und d3, siehe 1B–1D, und Dicke t). Ferner wird das wenigstens eine geometrische Merkmal in einigen Ausführungsformen auf Grundlage eines Ausgangsspektrums ausgewählt, das sich aus der optischen Ausgangsseite ergibt (z. B. Durchlässigkeitsspektren 300C, 400B und 502, siehe 3C, 4B und 5). Entsprechend kann das Durchlässigkeitsspektrum ein Durchlassbereichsmerkmal oder Schmalbanddurchlassspitzen beinhalten (z. B. Durchlassbereichsmerkmale 302 und 402, siehe 3A–3C und 4A–4B). Der optische Ausgang weist in einigen Ausführungsformen eine Amplitude auf, die proportional zu einem Skalarprodukt des Lichts mit Interaktion und einem Regressionsvektor für eine Charakteristik einer analysierten Probe ist.
Schritte in Verfahren 700 können wenigstens von einem Computer mit einer Prozessorschaltung durchgeführt werden, die Befehle ausführt, die in einer Speicherschaltung gespeichert sind. Wenn die Prozessorschaltung die Befehle ausführt, veranlasst sie den Computer, wenigstens einige der Schritte in Verfahren 600 teilweise oder ganz auszuführen. Darüber hinaus können Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung wenigstens einen, aber nicht alle Schritte beinhalten, die in 7 dargestellt sind. Ferner kann in einigen Ausführungsformen im Umfang vorliegenden Offenbarung ein Verfahren wenigstens einige der Schritte in 7 beinhalten, die in einer anderen Reihenfolge oder sogar teilweise oder vollständig zeitlich überlappend durchgeführt werden.
Schritt 702 beinhaltet das Auswählen eines gewünschten Durchlässigkeitsspektrums. Entsprechend kann Schritt 702 in einigen Ausführungsformen das Lösen einer multivariaten Regressionsanalyse für eine Vielzahl von Durchlässigkeitsspektren beinhalten, die in einer Datenbank kalibrierter Proben gespeichert sind. Das Ergebnis von Schritt 702 kann ein stark verfeinertes Durchlässigkeitsspektrum beinhalten (z. B. Durchlässigkeitsspektrum 502, siehe 5). Beispielsweise kann das Durchlässigkeitsspektrum Durchlassbereichsmerkmale mit einem hohen Durchlassdynamikbereich, einer schmalen Bandbreite und einer präzise definierten Zentralwellenlänge beinhalten.
Schritt 704 beinhaltet das Identifizieren eines PhK mit einem Durchlässigkeitsspektrum, das mit dem gewünschten Durchlässigkeitsspektrum vergleichbar ist. In einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 610 das Verwenden eines rekursiven Algorithmus zusammen mit dem Electromagnetic-Equation-Propagation-FDTD-Algorithmus, um die PhK-Struktur aus dem gewünschten Durchlässigkeitsspektrum „zurückzubauen“.
Schritt 706 beinhaltet das Erlangen eines Durchlässigkeitsspektrums für den identifizierten PhK. In einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 706 das Verwenden eines Electromagnetic-Equation-Propagation-FDTD-Algorithmus zum Bestimmen des Durchlässigkeitsspektrums von einfallender elektromagnetischer Strahlung, die auf eine optische Eingangsseite der PhK-Struktur trifft.
Schritt 708 beinhaltet das Bestimmen einer Vorhersageleistung eines PhK-basierten ICE für eine Charakteristik der Probe mit dem Durchlässigkeitsspektrum und einer Datenbank von Spektren für kalibrierte Proben. Entsprechend kann Schritt 708 das Lösen eines multivariaten Regressionsproblems mithilfe von Durchlässigkeitsspektren einer Vielzahl von kalibrierten Proben in der Datenbank beinhalten. Darüber hinaus kann Schritt 708 das Bestimmen von Leistungskriterien für das erlangte Durchlässigkeitsspektrum beinhalten. Diese Leistungskriterien können, ohne darauf beschränkt zu sein, einen minimalen Vorhersagefehler, SKF, SLF, Empfindlichkeit, Flanke der Kalibrierungskurve, SRV und mittleren Durchlasswert beinhalten, die der jeweiligen interessierenden Charakteristik oder dem jeweiligen interessierenden Analyten entsprechen.
Schritt 710 beinhaltet das Anpassen des erlangten Durchlässigkeitsspektrums zum Verbessern einer Vorhersageleistung eines PhK-basierten ICE gemäß der Datenbank. Entsprechend kann Schritt 710 das Verlagern einer Zentralwellenlänge des Durchlassbereichs einer einfallenden elektromagnetischen Strahlung, Erhöhen eines Durchlassdynamikbereichs des Durchlassbereichs der elektromagnetischen Strahlung, und Anpassen der Bandbreite des Durchlassbereichs der elektromagnetischen Strahlung beinhalten.
Schritt 712 beinhaltet das Modifizieren der PhK-Auslegung in Anpassung an das Durchlässigkeitsspektrum. Entsprechend kann Schritt 712 das Variieren physikalischer Parameter in der PhK-Struktur wie Lochmittenabstand oder Lochdurchmesser, oder eine Kombination der zwei, beinhalten, bis eine oder mehrere PhK-Strukturen ein oder mehrere Leistungskriterien zum Vorhersagen eines interessierenden Analyten erfüllen. Tatsächlich kann eine Vielzahl von PhK-Strukturen gemäß dem Vorstehenden auf einer ersten Stufe ausgewählt werden.
Schritt 714 beinhaltet das Bereitstellen einer PhK-Struktur gemäß der modifizierten PhK-Auslegung. In einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 714 das Konfigurieren eines PhK-basierten ICE mit der PhK-Struktur für einen Sensor in einem von einem Measurement-while-Drilling-Werkzeug oder einem Logging-while-Drilling-Werkzeug. In einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 714 das Konfigurieren des PhK-basierten ICE mit der PhK-Struktur für einen Sensor in einem Wireline-Werkzeug.
8 ist ein Bohrsystem 800, das dazu konfiguriert ist, einen optischen Sensor zum Modifieren eines Bohrparameters oder einer Konfiguration in einem MWD(measurement-while-drilling)- und einem LWD(logging-while-drilling)-Vorgang zu verwenden. Bohrlöcher können durch Bohren in die Erde 802 mithilfe des Bohrsystems 800 erzeugt werden. Das Bohrsystem 800 kann dazu konfiguriert sein, eine Bohrgarnitur (BG) 804, die an der Unterseite eines Bohrstrangs 806 positioniert oder anderweitig angeordnet ist, der sich von einem Bohrturm 808 an der Oberfläche 810 in die Erde 802 erstreckt, anzutreiben. Der Bohrturm 808 beinhaltet eine Mitnehmerstange 812 und einen Kranblock 813 zum Absenken und Anheben der Mitnehmerstange 812 und des Bohrstrangs 806.
Die BG 804 kann einen Bohrmeißel 814 beinhalten, der betriebsfähig an einen Werkzeugstrang 816 gekoppelt ist, der axial in einem gebohrten Bohrloch 818 bewegt werden kann, wenn er an dem Bohrstrang 806 angebracht ist. Während des Betriebs dringt der Bohrmeißel 814 in die Erde 802 ein und erzeugt dadurch das Bohrloch 818. Die BG 804 stellt eine Richtungssteuerung des Bohrmeißels 814 bereit, während dieser in die Erde 802 vordringt. Der Werkzeugstrang 816 kann semipermanent mit verschiedenen Messwerkzeugen (nicht dargestellt) bestückt sein, wie etwa, ohne darauf beschränkt zu sein, Measurement-while-Drilling(MWD)- und Logging-while-Drilling(LWD)-Werkzeugen, die dazu konfiguriert sein können, Untertagemessungen der Bohrbedingungen vorzunehmen. In anderen Ausführungsform können die Messwerkzeuge unabhängig im Werkzeugstrang 816 vorliegen, wie in 8 gezeigt.
Fluid oder „Schlamm“ aus einem Schlammtank 820 kann mithilfe einer Schlammpumpe 822, die durch eine benachbarte Leistungsquelle wie etwa einen Hauptantrieb oder Motor 824 angetrieben wird, untertage gepumpt werden. Der Schlamm kann aus dem Schlammtank 820 durch ein Stehrohr 826 gepumpt werden, das den Schlamm in den Bohrstrang 806 speist und ihn zum Bohrmeißel 814 befördert. Der Schlamm tritt aus einer oder mehreren Düsen aus, die im Bohrmeißel 814 angeordnet sind, und kühlt dabei den Bohrmeißel 814. Wenn der Schlamm aus dem Bohrmeißel 814 ausgetreten ist, zirkuliert er durch den Ringraum, der zwischen dem Bohrloch 818 und dem Bohrstrang 806 definiert ist, zurück zur Oberfläche 810, und bringt dabei Bohrklein und Trümmer an die Oberfläche mit. Das Gemisch aus Bohrklein und Schlamm tritt durch eine Strömungsleitung 828 und wird verarbeitet, so dass ein gereinigter Schlamm durch das Standrohr 826 zurück ins Bohrloch geleitet wird.
Die BG 804 kann ferner ein Untertagewerkzeug 830 beinhalten, das dem hier beschriebenen Untertagewerkzeugs gleicht. Insbesondere kann das Untertagewerkzeug 830 einen Sensor mit einem optischen Rechensystem aufweisen, wie es hier offenbart ist (z. B. das optische Rechensystem 200, siehe 2). Entsprechend kann das optische Rechensystem in Werkzeug 830 ein PhK-basiertes ICE beinhalten, das optimiert ist, um eine verbesserte Vorhersageleistung zu ermitteln.
9 ist ein Wireline-System 900, das dazu konfiguriert ist, bei Formationsprüfung und Probenahme einen einen optischen Sensor zu verwenden. In einigen Ausführungsformen kann das Wireline-System 900, das dazu konfiguriert ist, bei Formationsprüfung und Probenahme einen kalibrierten optischen Sensor zu verwenden. Wenn das Bohren des Bohrlochs 818 abgeschlossen ist, kann es wünschenswert sein, durch Probenahme mithilfe eines Wireline-Formationsprüfgeräts weitere Details zur Art von Formationsfluiden und den zugeordneten Charakteristiken zu erfahren. Das System 900 kann ein Untertagewerkzeug 902 beinhalten, das einen Teil eines Wireline-Vermessungsvorgangs bildet und einen oder mehreren optischen Sensoren 904, wie hier beschrieben, als Teil eines Untertagemesswerkzeugs beinhalten kann. Das System 900 kann einen Bohrturm 808 beinhalten, der den Kranblock 813 trägt. Ein Wireline-Vermessungswerkzeug 902, wie etwa eine Sonde, kann mittels Wireline oder Vermessungskabel 906 in das Bohrloch 818 abgesenkt werden. Das Werkzeug 902 kann an den Boden der interessierenden Region abgesenkt und dann bei einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit wieder nach oben gezogen werden. Das Werkzeug 902 kann dazu konfiguriert sein, die Fluideigenschaften der Bohrlochfluide zu messen, und Messdaten, die von dem Untertagewerkzeug 902 und seinen zugehörigen optischen Sensoren 904 erzeugt werden, können zur Speicherung, Verarbeitung und/oder Analyse an eine Oberflächenvermessungsanlage 908 übermittelt werden. Beliebige der optischen Sensoren 904 können ein optisches Rechensystem mit einem PhK-basierten ICE für verbesserte Vorhersageleistung gemäß hier offenbarten Ausführungsformen beinhalten (z. B. das optische Rechensystem 200, siehe 2). Die Vermessungsanlage 908 kann mit elektronischer Ausrüstung 910 versehen sein, einschließlich Prozessoren für verschiedene Arten der Signalverarbeitung.
Einschlägige Fachleute werden ohne Weiteres verstehen, dass die hier beschriebenen Verfahren, oder große Teile davon, ab einem Punkt automatisiert werden können, derart, dass ein computerisiertes System programmiert werden kann, um PhK-basierte ICEs mit höherer Vorhersageleistung auszulegen, vorherzusagen und herzustellen. Computerhardware, die zum Implementieren der verschiedenen Verfahren und Algorithmen verwendet wird, kann einen Prozessor beinhalten, der dazu konfiguriert ist, eine oder mehrere Sequenzen von Anweisungen, Programmierungsstandpunkte oder Code auszuführen, die bzw. der auf einem nicht transitorischen, computerlesbaren Medium gespeichert sind bzw. ist. Der Prozessor kann beispielsweise ein allgemeiner Mikroprozessor, ein Mikrocontroller, eine digitale Signalverarbeitungseinheit, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, ein feldprogrammierbares Gate-Array, eine programmierbare Logikvorrichtung, ein Controller, eine Zustandsmaschine, eine Gate-Logik, separate Hardwarekomponenten, ein künstliches neuronales Netz oder beliebige ähnliche geeignete Einheiten sein, die Berechnungen oder andere Verarbeitungen von Daten durchführen können. In einigen Ausführungsformen kann Computerhardware ferner Elemente wie beispielsweise einen Speicher (z. B. Schrei B-/Lesespeicher (RAM), Flash-Speicher, Lesespeicher (ROM), programmierbaren Lesespeicher (PROM), elektrisch löschbaren programmierbaren Lesespeicher (EEPROM)), Register, Festplatten, Wechseldatenträger, CD-ROMS, DVDs oder eine beliebige andere ähnliche geeignete Speichervorrichtung oder ein beliebiges anderes ähnliches geeignetes Speichermedium beinhalten.
Hier beschriebene ausführbare Sequenzen können mit einer oder mehreren Codesequenzen implementiert werden, die in einem Speicher enthalten sind. In einigen Ausführungsformen kann dieser Code von einem anderen maschinenlesbare Medium in den Speicher eingelesen werden. Die Ausführung der Sequenzen von Anweisungen, die im Speicher enthalten sind, kann einen Prozessor veranlassen, die hier beschriebenen Prozessschritte auszuführen. Ein oder mehrere Prozessoren in einer Multiprozessoranordnung können ebenfalls verwendet werden, um Anweisungssequenzen im Speicher auszuführen. Außerdem können fest verdrahtete Schaltungen anstelle von oder in Kombination mit Softwareanweisungen verwendet werden, um verschiedene hier beschriebene Ausführungsformen zu implementieren. Somit sind die vorliegenden Ausführungsformen nicht auf eine spezifische Kombination von Hardware und/oder Software beschränkt.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet ein maschinenlesbare Medium ein beliebiges Medium, das direkt oder indirekt Anweisungen zur Ausführung an einen Prozessor bereitstellt. Ein maschinenlesbares Medium kann viele Formen annehmen, darunter beispielsweise nicht flüchtige Medien, flüchtige Medien und Übertragungsmedien. Nicht flüchtige Medien können beispielsweise optische und magnetische Disks beinhalten. Flüchtige Medien können beispielsweise dynamischen Speicher beinhalten. Übertragungsmedien können beispielsweise Koaxialkabel, Draht, Glasfaser und Drähte beinhalten, die einen Datenbus bilden. Häufige Formen maschinenlesbarer Medien können beispielsweise Disketten, flexible Disks, Festplatten, Magnetbänder, andere ähnliche magnetische Medien, CD-ROMs, DVDs, andere ähnliche optische Medien, Lochkarten, Papierbänder und ähnliche physische Medien mit strukturierter Lochung, RAM, ROM, PROM, EPROM und Flash-EPROM beinhalten.
Offenbarte Ausführungsformen beinhalten:

A. Ein Verfahren, das Auswählen einer photonischen Kristall(PhK)-Struktur mit einer Auslegungssammlung, die in einem nicht transitorischen, computerlesbaren Medium gespeichert ist, Erlangen eines Durchlässigkeitsspektrums für die PhK-Struktur, Bestimmen der Vorhersageleistung eines PhK-basierten integrierten Rechenelements (ICE) für eine Charakteristik einer Probe mit dem Durchlässigkeitsspektrum und einer Datenbank von Spektren für kalibrierte Proben, Anpassen des Durchlässigkeitsspektrums zum Verbessern der Vorhersageleistung und Herstellen der PhK-Struktur für das PhK-basierte ICE, wenn die Vorhersageleistung einen im Voraus ausgewählten Schwellenwert überschreitet.
B. Ein Verfahren, das Auswählen eines gewünschten Durchlässigkeitsspektrums für ein integriertes Rechenelement (ICE), Identifizieren einer photonischen Kristall(PhK)-Struktur mit einem Durchlässigkeitsspektrum, das mit dem gewünschten Durchlässigkeitsspektrum vergleichbar ist, Erlangen des Durchlässigkeitsspektrum für die PhK-Struktur, Bestimmen einer Vorhersageleistung eines PhK-basierten ICE für eine Charakteristik einer Probe mit dem erlangten Durchlässigkeitsspektrum und einer Datenbank von Spektren für kalibrierte Proben, Anpassen des Durchlässigkeitsspektrums der PhK-Struktur zum Verbessern der Vorhersageleistung des PhK-basierten ICE und Herstellen der PhK-Struktur für das PhK-basierte ICE, wenn die Vorhersageleistung einen im Voraus ausgewählten Schwellenwert überschreitet.
C. Ein integriertes Rechenelement (ICE), das eine photonischen Kristall(PhK)-Struktur mit einer optischen Eingangsseite, die dazu konfiguriert ist, Licht mit Interaktion aufzunehmen, und einer optischen Ausgangsseite beinhaltet, die dazu konfiguriert ist, einen optischen Ausgang zu empfangen, wobei der PhK ein Medium mit einem ersten Brechungsindex und ein Substrat aufweist, das in das Medium eingebettet ist, wobei das Substrat einen zweiten Brechungsindex und wenigstens ein geometrisches Merkmal aufweist, wobei das wenigstens eine geometrische Merkmal auf Grundlage eines Ausgangsspektrums ausgewählt wird, das sich aus der optischen Ausgangsseite ergibt, und wobei der optische Ausgang eine Amplitude proportional zu einem Skalarprodukt des Lichts mit Interaktion und einem Regressionsvektor für eine Charakteristik einer analysierten Probe aufweist.

Jede der Ausführungsformen A, B und C kann eines oder mehrere der folgenden Elemente in beliebiger Kombination aufweisen: Element 1: wobei das Herstellen der PhK-Struktur ferner Ermitteln einer PhK-Struktur mit einer Durchlassfunktion ähnlich der angepassten Durchlassfunktion umfasst. Element 2: wobei das Anpassen des Durchlässigkeitsspektrums zum Verbessern der Vorhersageleistung eins von dem Reduzieren eines Vorhersagefehlers, Reduzieren eines Standardkalibrierungsfehlers, Reduzieren eines Standardvorhersagefehlers, Erhöhen einer Empfindlichkeit, Erhöhen einer Flanke einer Kalibrierungskurve, Erhöhen eines Signal-Rausch-Verhältnisses und Erhöhen eines mittleren optischen Durchlasswerts, geprüft anhand eines bekannten Werts für die Charakteristik der Probe umfasst. Element 3: wobei das Anpassen des Durchlässigkeitsspektrums zum Verbessern der Vorhersageleistung eins von dem Verlagern einer Zentralwellenlänge des Durchlassbereichs einer elektromagnetischen Strahlung, die durch die PhK-Struktur durchgelassen wird, Erhöhen eines Durchlassdynamikbereichs des Durchlassbereichs der elektromagnetischen Strahlung, die durch die PhK-Struktur durchgelassen wird, und Anpassen der Bandbreite des Durchlassbereichs der elektromagnetischen Strahlung, die durch die PhK-Struktur durchgelassen wird, umfasst. Element 4: wobei das Auswählen einer PhK-Struktur ferner Auswählen einer optischen Eingangsseite und einer optischen Ausgangsseite der PhK-Struktur, Auswählen eines PhK-Mediums mit einem ersten Brechungsindex und Auswählen wenigstens eines geometrischen Merkmals in einem PhK-Substrat, das in dem Medium eingebettet ist, umfasst, wobei das PhK-Substrat einen zweiten Brechungsindex aufweist, wobei das Auswählen wenigstens eines geometrischen Merkmals Vergleichen eines Ausgangsspektrums, das sich am optischen Ausgangsseite des PhK ergibt, mit einem Regressionsvektor für eine Charakteristik einer analysierten Probe umfasst. Element 5: wobei der zweite Brechungsindex sich vom ersten Brechungsindex unterscheidet. Element 6: ferner umfassend Konfigurieren des PhK-basierten ICE für einen Sensor in einem von einem Measurement-while-Drilling-Werkzeug oder einem Logging-while-Drilling-Werkzeug. Element 7: ferner umfassend Konfigurieren des PhK-basierten ICE für einen Sensor in einem Wireline-Werkzeug.
Element 8: wobei das Herstellen der PhK-Struktur ferner Ermitteln einer PhK-Struktur mit einer Durchlassfunktion ähnlich der angepassten Durchlassfunktion umfasst. Element 9: wobei das Anpassen des Durchlässigkeitsspektrums der PhK-Struktur wenigstens eins von dem Modifizieren eines geometrischen Merkmals der PhK-Struktur, Modifizieren eines Brechungsindex eines Mediums in der PhK-Struktur, und Modifizieren eines Brechungsindex eines Substrats in der PhK-Struktur umfasst. Element 10: wobei die PhK-Struktur ein 2D-Substrat umfasst, wobei das Verfahren ferner Auswählen eines Mittenabstands in einer Vielzahl von Öffnungen an dem 2D-Substrat auf Grundlage der entsprechenden Vorhersageleistung umfasst. Element 11: ferner umfassend Schätzen eines Detektorsignals aus einem Licht mit Interaktion, das von der PhK-Struktur durchgelassen wird, wobei das Auswählen eines gewünschten Durchlässigkeitsspektrums das Bestimmen umfasst, dass das Detektorsignal proportional zu einem Skalarprodukt zwischen dem Licht mit Interaktion und einem linearen Regressionsvektor im Zusammenhang mit der Charakteristik der analysierten Probe ist. Element 12: wobei das Herstellen der PhK-Struktur für das PhK-basierte ICE Auswählen wenigstens eines geometrischen Merkmals in einem PhK-Substrat, das in einem Medium eingebettet ist, auf Grundlage eines Vergleichs eines Ausgangsspektrums, das sich an einer optischen Ausgangsseite des PhK ergibt, mit einem Regressionsvektor für eine Charakteristik einer analysierten Probe umfasst. Element 13: wobei das Auswählen des wenigstens einen geometrischen Merkmals Auswählen eines Durchmessers für eine Öffnung in einer Vielzahl von Öffnungen umfasst, die an dem PhK-Substrat gebildet sind. Element 14: ferner umfassend Konfigurieren des PhK-basierten ICE für einen Sensor in einem von einem Measurement-while-Drilling-Werkzeug oder einem Logging-while-Drilling-Werkzeug. Element 15: ferner umfassend Konfigurieren des PhK-basierten ICE für einen Sensor in einem Wireline-Werkzeug.
Element 16: wobei das Ausgangsspektrum ein Durchlässigkeitsspektrum von einer elektromagnetischen Strahlung ist, die von der optischen Eingangsseite zur optischen Ausgangsseite durchgelassen wird. Element 17: wobei das wenigstens eine geometrische Merkmal eins von einem Mittenabstand zwischen wenigstens zwei Öffnungen aus einer Vielzahl von Öffnungen, die in dem Substrat gebildet ist, einem ersten Durchmesser einer ersten Öffnung, die aus der Vielzahl von Öffnungen ausgewählt wird, und einem zweiten Durchmesser einer zweiten Öffnung, die aus der Vielzahl von Öffnungen ausgewählt wird, umfasst. Element 18: wobei das Substrat eine Vielzahl von Blöcken aus dielektrischem Material umfasst, die in einer dreidimensionalen (3D) Struktur mit einer Symmetrie an zwei im Wesentlichen orthogonalen Achsen angeordnet sind, und wobei das wenigstens eine geometrische Merkmal ein Blockdurchmesser ist. Element 19: wobei das Substrat eine Vielzahl von Materialschichten umfasst, die benachbart zueinander gestapelt sind, und jede der Vielzahl von Materialschichten eine Vielzahl von Öffnungen umfasst, die in dem Substrat gebildet ist, wobei die Vielzahl von Öffnungen in dem Substrat bei jeder Schicht im Wesentlichen das gleiche eine geometrische Merkmal ist, das zwischen benachbarten Schichten an einer Ebene der Schicht verlagert wurde. Element 20: wobei die Öffnungen kreisförmig sind und wobei ferner das wenigstens eine geometrische Merkmal einen Abstand zwischen benachbarten Schichten umfasst.
Als nicht einschränkendes Beispiel beinhalten beispielhafte Kombinationen für A, B und C: Element 4 mit Element 5; Element 12 mit Element 13; und Element 19 mit Element 20.
Daher eignet sich die vorliegende Offenbarung gut, um die genannten sowie darin inhärenten Ziele und Vorteile zu erreichen. Die jeweiligen offenbarten Ausführungsformen sind nur veranschaulichend, und die vorliegende Offenbarung kann in unterschiedlicher, aber äquivalenter Weise abgewandelt und ausgeübt werden, wie es für einschlägige Fachleute mit dem Vorteil der vorliegenden Lehren auf der Hand liegen wird. Darüber hinaus sind hinsichtlich der Einzelheiten der hier gezeigten Konstruktion oder Auslegung keine anderen Einschränkungen als die in den nachfolgenden Ansprüchen beschriebenen vorgesehen. Es ist somit deutlich, dass die oben offenbarten jeweiligen veranschaulichenden Ausführungsformen geändert, kombiniert oder abgewandelt werden können und dass alle derartigen Variationen als in den Umfang und Geist der vorliegenden Offenbarung fallend betrachtet werden. Die hier veranschaulichend offenbarte Offenbarung kann in geeigneter Weise unter Weglassung beliebiger Elemente, die hier nicht spezifisch offenbart wurden, und/oder beliebiger hier offenbarter fakultativer Elemente ausgeübt werden. Obwohl Zusammenstellungen und Verfahren als verschiedene Komponenten oder Schritte „umfassend“, „enthaltend“ oder „beinhaltend“ beschrieben wurden, können die Zusammenstellungen und Verfahren auch aus den verschiedenen Komponenten und Schritte „im Wesentlichen bestehen“ oder „bestehen“. Alle oben offenbarten Zahlen und Bereiche können um eine gewisse Menge variieren. Immer wenn ein numerischer Bereich mit einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert offenbart ist, ist auch jede Zahl und jeder darin enthaltene Bereich, die bzw. der in diesen Bereich fällt, ausdrücklich offenbart. Insbesondere gilt jeder hier offenbarte Wertebereich (der Form „von etwa a bis etwa b“ oder äquivalent „von ungefähr a bis b“ oder äquivalent „von ungefähr a–b“) als jede Zahl und jeden Bereich aufführend, die bzw. der in den breiter gefassten Wertebereich fällt. Außerdem tragen die Begriffe in den Ansprüchen ihre einfache, gewöhnliche Bedeutung, sowie nicht durch den Patentinhaber ausdrücklich und deutlich anders definiert. Die unbestimmten Artikel „ein“, „eine“, „einer“, „eines“, „einem“ in den Ansprüchen sind dabei derart definiert, dass sie ein oder mehr als eines der Elemente bezeichnen, denen sie vorangestellt sind. Falls ein Widerspruch in der Verwendung eines Worts oder Begriffs in dieser Beschreibung und einem oder mehreren Patent- oder anderen Dokumenten auftritt, die durch Querverweis einbezogen wurden, sind die Definitionen in Übereinstimmung mit dieser Beschreibung anzuwenden.

Claims

Verfahren, umfassend: Auswählen einer photonischen Kristall(PhK)-Struktur mit einer Auslegungssammlung, die in einem nicht transitorischen, computerlesbaren Medium gespeichert ist; Erlangen eines Durchlässigkeitsspektrums für die PhK-Struktur; Bestimmen einer Vorhersageleistung eines PhK-basierten integrierten Rechenelements (ICE) für eine Charakteristik einer Probe mit dem Durchlässigkeitsspektrum und einer Datenbank von Spektren für kalibrierte Proben; Anpassen des Durchlässigkeitsspektrums zum Verbessern der Vorhersageleistung; und Herstellen der PhK-Struktur für das PhK-basierte ICE, wenn die Vorhersageleistung einen im Voraus ausgewählten Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Herstellen der PhK-Struktur ferner Ermitteln einer PhK-Struktur mit einer Durchlassfunktion ähnlich der angepassten Durchlassfunktion umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anpassen des Durchlässigkeitsspektrums zum Verbessern der Vorhersageleistung eins von dem Reduzieren eines Vorhersagefehlers, Reduzieren eines Standardkalibrierungsfehlers, Reduzieren eines Standardvorhersagefehlers, Erhöhen einer Empfindlichkeit, Erhöhen einer Flanke einer Kalibrierungskurve, Erhöhen eines Signal-Rausch-Verhältnisses und Erhöhen eines mittleren optischen Durchlasswerts, geprüft anhand eines bekannten Werts für die Charakteristik der Probe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anpassen des Durchlässigkeitsspektrums zum Verbessern der Vorhersageleistung eins von dem Verlagern einer Zentralwellenlänge eines Durchlassbereichs einer elektromagnetischen Strahlung, die durch die PhK-Struktur durchgelassen wird, Erhöhen eines Durchlassdynamikbereichs des Durchlassbereichs der elektromagnetischen Strahlung, die durch die PhK-Struktur durchgelassen wird, und Anpassen der Bandbreite des Durchlassbereichs der elektromagnetischen Strahlung, die durch die PhK-Struktur durchgelassen wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Auswählen einer PhK-Struktur ferner Folgendes umfasst: Auswählen einer optischen Eingangsseite und einer optischen Ausgangsseite der PhK-Struktur; Auswählen eines PhK-Mediums mit einem ersten Brechungsindex; und Auswählen wenigstens eines geometrischen Merkmals in einem PhK-Substrat, das in dem Medium eingebettet ist, wobei das PhK-Substrat einen zweiten Brechungsindex aufweist, wobei das Auswählen wenigstens eines geometrischen Merkmals Vergleichen eines Ausgangsspektrums, das sich an der optischen Ausgangsseite des PhK ergibt, mit einem Regressionsvektor für eine Charakteristik einer analysierten Probe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der zweite Brechungsindex sich vom ersten Brechungsindex unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Konfigurieren des PhK-basierten ICE für einen Sensor in einem von einem Measurement-while-Drilling-Werkzeug oder einem Logging-while-Drilling-Werkzeug.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Konfigurieren des PhK-basierten ICE für einen Sensor in einem Wireline-Werkzeug.
Verfahren, umfassend: Auswählen eines gewünschten Durchlässigkeitsspektrums für ein integriertes Rechenelement (ICE); Identifizieren einer photonischen Kristall(PhK)-Struktur mit einem Durchlässigkeitsspektrum, das mit dem gewünschten Durchlässigkeitsspektrum vergleichbar ist; Erlangen des Durchlässigkeitsspektrums für die PhK-Struktur; Bestimmen einer Vorhersageleistung eines PhK-basierten ICE für eine Charakteristik einer Probe mit dem erlangten Durchlässigkeitsspektrum und einer Datenbank von Spektren für kalibrierte Proben; Anpassen des Durchlässigkeitsspektrums der PhK-Struktur zum Verbessern der Vorhersageleistung des PhK-basierten ICE; und Herstellen der PhK-Struktur für das PhK-basierte ICE, wenn die Vorhersageleistung einen im Voraus ausgewählten Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Herstellen der PhK-Struktur ferner Ermitteln einer PhK-Struktur mit einer Durchlassfunktion ähnlich der angepassten Durchlassfunktion umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Anpassen des Durchlässigkeitsspektrums der PhK-Struktur wenigstens eins von dem Modifizieren eines geometrischen Merkmals der PhK-Struktur, Modifizieren eines Brechungsindex eines Mediums in der PhK-Struktur und Modifizieren eines Brechungsindex eines Substrats in der PhK-Struktur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die PhK-Struktur ein 2D-Substrat umfasst, wobei das Verfahren ferner Auswählen eines Mittenabstands in einer Vielzahl von Öffnungen an dem 2D-Substrat auf Grundlage der entsprechenden Vorhersageleistung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend Schätzen eines Detektorsignals aus einem Licht mit Interaktion, das von der PhK-Struktur durchgelassen wird, wobei das Auswählen eines gewünschten Durchlässigkeitsspektrums das Bestimmen umfasst, dass das Detektorsignal proportional zu einem Skalarprodukt zwischen dem Licht mit Interaktion und einem linearen Regressionsvektor im Zusammenhang mit der Charakteristik der analysierten Probe ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Herstellen der PhK-Struktur für das PhK-basierte ICE Auswählen wenigstens eines geometrischen Merkmals in einem PhK-Substrat, das in einem Medium eingebettet ist, auf Grundlage eines Vergleichs eines Ausgangsspektrums, das sich an einer optischen Ausgangsseite des PhK ergibt, mit einem Regressionsvektor für eine Charakteristik einer analysierten Probe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Auswählen des wenigstens einen geometrischen Merkmals Auswählen eines Durchmessers für eine Öffnung in einer Vielzahl von Öffnungen umfasst, die an dem PhK-Substrat gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend Konfigurieren des PhK-basierten ICE für einen Sensor in einem von einem Measurement-while-Drilling-Werkzeug oder einem Logging-while-Drilling-Werkzeug.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend Konfigurieren des PhK-basierten ICE für einen Sensor in einem Wireline-Werkzeug.
Integriertes Rechenelement (ICE), umfassend: eine photonischen Kristall(PhK)-Struktur mit einer optischen Eingangsseite, die dazu konfiguriert ist, Licht mit Interaktion aufzunehmen, und einer optischen Ausgangsseite, die dazu konfiguriert ist, einen optischen Ausgang zu empfangen, wobei der PhK Folgendes umfasst: ein Medium mit einem ersten Brechungsindex; und ein Substrat, das in das Medium eingebettet ist, wobei das Substrat einen zweiten Brechungsindex und wenigstens ein geometrisches Merkmal aufweist, wobei das wenigstens eine geometrische Merkmal auf Grundlage eines Ausgangsspektrums ausgewählt ist, das sich aus der optischen Ausgangsseite ergibt, und wobei der optische Ausgang eine Amplitude aufweist, die proportional zu einem Skalarprodukt des Lichts mit Interaktion und einem Regressionsvektor für eine Charakteristik einer analysierten Probe ist.
ICE nach Anspruch 18, wobei das Ausgangsspektrum ein Durchlässigkeitsspektrum von einer elektromagnetischen Strahlung ist, die von der optischen Eingangsseite zur optischen Ausgangsseite durchgelassen wird.
ICE nach Anspruch 18, wobei das wenigstens eine geometrische Merkmal eins von einem Mittenabstand zwischen wenigstens zwei Öffnungen aus einer Vielzahl von Öffnungen, die in dem Substrat gebildet ist, einem ersten Durchmesser einer ersten Öffnung, die aus der Vielzahl von Öffnungen ausgewählt wird, und einem zweiten Durchmesser einer zweiten Öffnung, die aus der Vielzahl von Öffnungen ausgewählt wird, umfasst.
ICE nach Anspruch 18, wobei das Substrat eine Vielzahl von Blöcken aus dielektrischem Material umfasst, die in einer dreidimensionalen (3D) Struktur mit einer Symmetrie an zwei im Wesentlichen orthogonalen Achsen angeordnet sind, und wobei das wenigstens eine geometrische Merkmal ein Blockdurchmesser ist.
ICE nach Anspruch 18, wobei das Substrat eine Vielzahl von Materialschichten umfasst, die benachbart zueinander gestapelt sind, und jede der Vielzahl von Materialschichten eine Vielzahl von Öffnungen umfasst, die in dem Substrat gebildet ist, wobei die Vielzahl von Öffnungen in dem Substrat bei jeder Schicht im Wesentlichen das gleiche eine geometrische Merkmal ist, das zwischen benachbarten Schichten an einer Ebene der Schicht verlagert wurde.
ICE nach Anspruch 22, wobei die Öffnungen kreisförmig sind und wobei ferner das wenigstens eine geometrische Merkmal einen Abstand zwischen benachbarten Schichten umfasst.