JP2005508095A - Ｖｃｓｅｌを用いて刺激を測定する方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
集積ＭＥＭＳ同調機構を組み込んだ同調可能面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）（３１）を利用する光センサ診断措置は、改善された波長走査速度及び著しく簡単な構造を用いて可変波長光を光ファイバへ供給する。ブラッグ格子のようなセンサは、光路においてファイバに沿って配置される。各センサは、波長に対して特性振幅特徴を示す光を反射又は透過し、特性振幅特徴の波長位置は、課される環境刺激の影響を受ける。反射光の出力は、簡単な検出器によって電気信号に変換され、反射出力の変化を検出する回路によって監視され、各センサに対する環境刺激を示す出力信号を与える。
Description
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ファイバブラッグ格子、平面ブラッグ格子（planar Bragg grating）、エタロン、バンドギャップ半導体のような特性吸収センサ又は特性反射センサ、並びに物理的刺激、化学的刺激、及び生物学的刺激に敏感な表面プラズモン共鳴センサ、を含み、光センサに応答させるために集積ＭＥＭＳ（micro-electromechanical）波長チューナ（wavelength tuner）を有する面発光型半導体レーザ（vertical cavity surface emitting laser：ＶＣＳＥＬ）を用いる装置に関し、より詳細には、そのようなブラッグ格子、エタロン、吸収／反射、及び表面プラズモン共鳴感知装置と一緒に用いるための具体的な装置配置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物理的刺激の影響の下でセンサ分光特性（極大、極小、傾き、又はある他の機能）の波長位置のずれを測定するのに使用する光ファイバセンサは、当業者に良く知られている。そのようなセンサの例は、ブラッグ格子を基にしたひずみセンサ、圧力センサ、温度センサ、及び（関連する磁場を介した）電流センサ、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）バイオセンサ及び表面プラズモン共鳴ケミカルセンサ、半導体吸収バンド端を基にした光ファイバセンサ、及びファブリー・ペロ（ＦＰ）エタロン圧力センサ、ファブリー・ペロエタロン温度センサを含む。そのようなセンサを用いることは、簡単で安価な感知装置が光学雑音に対して敏感であること、及び前記敏感さを克服するよう見つけられた解決策のほとんどが非常に費用がかかること、を含む多くの良く知られた問題のために、市場において遅らされてきた。新しい種類のレーザ、面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を、多くの異なる種類のセンサを有する応答手段として集積マイクロマシン（ＭＥＭＳ）同調機構と結びつけることは、新しく、低費用で、かつより確かな種類の光センサ装置を可能にするということが明かされよう。
【０００３】
ブラッグ格子は、光ビームの伝播方向において異なる屈折率の周期的パターンを生成する一連の光学素子である。ブラッグ格子は、通常、例えばロイズミラー装置（Lloyd’s mirror apparatus）を用いてフェーズマスク又はスプリットビームによって生成された干渉縞によって成し遂げられる、定期的に強度が変化する紫外（ＵＶ）ビームを用いて、紫外線に敏感なガラス（通常ゲルマニウムのドープされたファイバ）をさらすことによって光ファイバに形成される。平面ブラッグ格子は、マスクにおける位相のずれ又は他の種類のものを通じて多くの種類のうちのいずれかの「フォトレジスト」をさらすことによって生成されるか、あるいは電子ビームを用いて直接書かれ得る。結果の格子における周期的な屈折率パターンによって引き起こされる光反射は、建設的にも破壊的にも干渉する。ファイバのＵＶにさらされた区域とさらされていない区域との間の屈折率の差は小さいが区域の数は非常に大きいので、反射されたビームはそのスペクトルを非常に鋭いピークに狭め、スペクトル幅は１ナノメートルにも満たないくらい狭い。反射されたピークが、ピーク内に、スペクトル幅が数ピコメートルと同じくらい狭い、さらにより狭い吸収の「谷」を含むことができることは、位相のずれ構造によっても決められ得る。逆に言えば、光ビームの透過した部分は、賞賛に値するスペクトル出力特性、すなわちピーク内により狭いピークを有する幅広の谷を示す。
【０００４】
光ファイバ又は他の導波管に形成されたブラッグ格子は、格子の位置における例えばひずみ、圧力、温度、及び（関連する磁場を介した）電流のような様々な物理パラメータによって引き起こされる物理的刺激を検出するために用いられ得るということは知られており、そのようなことは、共にMeltzらに付与された特許文献１及び特許文献２；E. Uddに付与された特許文献３；J. Wuに付与された特許文献４；及びKersey, A.D.らによって著された非特許文献１；に開示されている。一般に、そのようなセンサにおいては、光ファイバ（又は平面導波管）のコア及び／又はクラッドは、コア（導波管の導波管層）に放たれた幅の広い波長バンドから狭い波長バンドの光を選択的に反射するのに効果的な周期的な格子パターンを用いて書かれる。透過光強度スペクトル及び反射光強度スペクトルにおける鋭い極大点又は極小点のスペクトル位置は、格子の位置におけるひずみ、温度、圧力、電流、又は磁場の変化の強度を示す。スペクトル位置の変化の仕組みは、格子周期又は屈折率、あるいはその両方における変化にあり、この変化は温度及び圧力のような様々な環境上の物理的刺激によって影響を受ける可能性がある。しばしば、一つ以上の刺激又は物理パラメータが同時にセンサに影響を与え、一つを除く変数の全てに対してセンサ又は測定技術に補償が行われねばならず、この補償は当技術で知られている多くの物理的技術、光学的技術、及び電子技術によって達成されうるものである。現在の技術におけるファイバ格子センサの通常の感度限界はそれぞれ約０．１℃及び／又は１マイクロストレインである。センサ信号解読（sensor interrogation）におけるスペクトルシフト方法の優位点は、波長決定の正確度が高いこと（大きさの代わりに電気に関する頻度を測定する優位点と同質である）、及びファイバ伝播振幅（微小曲げ損等）のゆらぎによる「光学雑音」が免除されていることを含む。例えば個々のセンサに対して割り当てられた区域に全体の波長バンドを分割する波長依存複合技術（ＷＤＭ）を介して同一のファイバにおいて複合的な多くのセンサを可能にする。
【０００５】
正確なダイナミックレンジと全ての光センサ信号解読技術の複合的な能力とは、特に広帯域源が用いられる場合には、部分的には光源のスペクトル出力によって定義される。ＬＥＤ、ＳＬＤ（超高速ダイオード（superluminescent diode））、及び一般的に用いられる様々な照明装置は、ナノメートルサイズの区分に分割された場合に小さくなりすぎる可能性のあるスペクトル出力を与える。これにより、光センサに利用できる反射ピークの大きさとして臨界パラメータが制限され、望ましい信号対雑音比よりも低くなる。他の技術、すなわち自動車化された外部キャビティ、電流、又は温度機構を用いて調整された従来のレーザダイオードを用いると、レーザの全ての出力はスペクトルの端から端まで調整されるときに狭いビーム内に含まれるので、より効果的である。いくつかの技術が提案され：例えばFroggatt,（特許文献５）を参照；電流で調整された従来のレーザダイオードの使用がDunphyらによって提案され（特許文献６）；同調可能ファイバレーザの使用がG.A. Ballらによって提案されてきた（非特許文献２）。走査レーザ技術を用いる場合には、安価な検出器及び電子技術装置は単に、既知の波長基準に対する反射光（又は透過光）強度のピーク（又は零位）における波長を決定する。しかしながら、過去の技術アプローチは通常、実際の用途の幅広の範囲を有するには、あまりにも高価か、あまりにも遅いか、あまりにも不安定か、又はあまりにも不正確である。電流で調整されたレーザダイオードは、安価でかつ熱による方法よりも速い限りは、狭い同調波長範囲に苦しみ、このため実際の用途は時分割多重（ＴＤＭ）ブラッグセンサのみに限られる。そのようなレーザは、表面プラズモンセンサ又は半導体吸収端シフトセンサで全く使い物にならない。広帯域光源の方法は安価な光源を用いるが、信号を読み取るために分光計を必要とする（光学スペクトル分析器は＄３５，００ほどかかることがある）。多くのセンサが同一のファイバに多重化されているときに最も実際に役立つ。さらに、分光計は不規則に動き、かつ現場で使用するのにあまりふさわしくない。現在使用中の外部キャビティを用いて調整されたレーザは、他方では、典型的には分光計よりも高価であるが、安価な検出器を用いるという優位点を有する。加えて、そのようなレーザは通常、１００ｎｍ／ｓｅｃのように同調するのが遅く、分光計よりもさらにいっそう細心の注意を要する。走査（又は同調）速度は、吸収及び分極に関連する雑音が重要である用途において、信号対雑音比（ＳＮＲ）に対する否定的な影響のために特に重要である。感知装置として構成された大量生産されたＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬは、従来技術のレーザよりも少なくとも１オーダーコストが低く、かつ従来技術のレーザよりも少なくとも２オーダーの大きさで速いことが期待されている。
【０００６】
表面プラズモン共鳴に基づく生物学的な及び／又は化学的な監視のためのセンサは、当業者に良く知られている。表面プラズモン波は、金属と誘電体（以下「サンプル」という）との間の境界に存在し得る電磁波である。そのような波は、入射平面に平行に偏光された（すなわち横断磁場（transverse magnetic：ＴＭ）に偏光された）電場を有する光によって励起され得る。入射光の伝播定数の平行成分が表面プラズモン波伝播定数の実部に等しい場合、入射光は共鳴して表面プラズモン波を励起し、入射光エネルギーの一部は、運ばれるか又は表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）へ分散される。このエネルギーの分散は、金属の誘電率と金属と接触しているサンプルの誘電率との両方に依存する。金属／サンプル界面の共鳴波ベクトル（resonance wavevector）を監視することによって、サンプル（ガス又は溶液）の誘電率を得ることができる。あるいは、サンプルが化学種によって汚染される場合には、誘電率測定は、サンプルにおける化学種の濃度を提供することができる。典型的なＳＰＲスペクトルの極小点は、通常のブラッグ格子の極小点又は極大点よりも少なくとも２オーダーの大きさ広い。
【０００７】
従来、ＳＰＲはKretschmann配置（非特許文献３）を用いて測定されてきた。この配置では、（金又は銀のような）高反射金属の薄い層がプリズムの基部に溶着される。金属表面は次いでサンプルに接触され、サンプルのＳＰＲ反射スペクトルは、ＴＭ偏光された単色光をプリズムへ結合し、入射角の関数として反射光の強度を測定することによって測定される。最小反射強度の角度は、入射光と表面プラズモン波との間で最大結合が起こる共鳴角度である。この角度は、共鳴スペクトルの半値幅と最小反射強度の角度における強度とと同様、金属表面と接触しているサンプルを特徴づけるか又は探知するために用いることができる（非特許文献４）。
【０００８】
光学的感知装置は、上述のKretschmann配置に基づいて組み立てられてきた。そのような装置は、薄膜の厚さの変化に対するのと同様、バルクサンプルと薄膜サンプルとの両方の屈折率の変化に対するＳＰＲの感度を利用する。適切な化学感知層と結合しているこれらの装置は、イムノアッセイセンサ（例えば非特許文献５;非特許文献６;非特許文献７）、ガスセンサ（例えば非特許文献８）、及び液体センサ（例えば非特許文献９）を含む、様々なＳＰＲに基づく化学センサの発展へと導いてきた。ＳＰＲセンサは通常、反射機能又は反射角として最小振幅の波長を用いる。しかしながら、付加的な偏光子及び位相板（又はリターダ（retarder））がＳＰＲセンサを照明する偏光に対してある所定の角度でセンサと検出器との間に導入されるならば、極小点の形状は修正することができる（非特許文献１０,非特許文献１１）。この修正は、表面プラズモン共鳴励起条件付近の位相特性及び偏極特性のためである。その上、極小点は、極大点へ変換され得（Homola, ibid）、ＳＰＲセンサの分解能を増加させる可能性を有する。
【０００９】
ＳＰＲに基づくケミカルセンサに対してKretschmann配置が重要な感度を提供するが、サイズが比較的大きいことでこれらセンサの用途が選択的に制限されてきた。センサと接触している材料を検出するためにＳＰＲを利用し、かつ励起エネルギーとして多重波長を有する入射光を利用する光ファイバセンサは、Jorgensonらによって開示されている（特許文献７）。小さくかつ非導波管光センサよりもさほど高価でない一方で、少なくとも１オーダーの大きさで高感度である。感度が落ちる理由は、５０００ピクセルを有する非導波管光スキームにおいて明らかであり、ＳＰＲの極小点は少なくとも２０００ピクセルだけ読み取られる。しかしながら、読み出し装置（０．１ナノメートルよりもよくない波長分解能、及び約６０ｎｍのＳＰＲ極小スペクトル幅）として分光計を有する光ファイバスキームにおいて、ＳＰＲの極小点は、多くても６００ピクセルによって特徴づけられ、その結果極小点を位置させるためにあまり正確でない補間をすることになり、したがって極小点の波長位置が変化する。逆に言えば、ファイバ装置の光源としてサブｎｍの波長分解能を有する安価な可変波長レーザを用いると、高価な分光計が省かれ、非導波管光学装置の波長分解能と少なくとも比較できる精度がもたらされる。広帯域光源／分光計構成において発生する実例となる問題、特に測定点当たりの光強度が不足していることは、ＳＰＲセンサの場合、センサが過熱するという付加的な望まれていない特性を有する。広帯域光源の全体の光強度が分光計電荷結合素子（ＣＣＤ）配置の各ピクセルに利用できる少ない強度を補償するよう増加する場合、入射光の約半分は使用できる信号に寄与しようがしまいが金属層の加熱の際に消失するので、ＳＰＲセンサの過熱が起こる。加熱は、試験中の生物学的及び／又は化学的サンプルに有害であるだけではなく、ファイバ及び／又はサンプルにおける屈折率の変化を誘発する可能性があり、検出すべき摂動（perturbation）よりも大きな変化がＳＰＲ波ベクトル（SPR wavevector）にもたらされる。非常に狭い放出スペクトルを有する非常に速い同調レーザが、この問題を検討するのに理想的である。というのも、ある所定時間センサを照明する全体の強度は、刺激の変化を検出するのに利用できる反射光の強度とほぼ正確に等しいからである。
【００１０】
特徴的な吸収体／反射体材料の説明に役立つ例は半導体である。温度のような物理パラメータの関数として変化する光波長依存特性を有する光センサを備えた半導体手段は、当業者に良く知られている（例えば、Christensonに付与された特許文献８又はQuickらに付与された特許文献９を参照）。光波長依存特性（半導体吸収バンド端）は通常、測定が強度依存である一つの波長バンドにおける現在の技術の方法、又は強度の比がとられる２つの波長バンドにおける現在の技術の方法で監視される。両方の場合において、そのようなセンサ装置の感度及び正確度は低く、光学雑音（微小曲げなど）に対して幾分敏感である。高い波長分解能を有する同調可能ＶＣＳＥＬを用いて禁止帯端に関連する全半導体透過強度の傾きを通じて非常に急速に走査すると、少なくとも大きさの順だけそのようなセンサの感度の数学的増大の機会が与えられる。広帯域光源／分光計構成は、前の段落で述べられたのと同様の理由のために相応しくない。全照明強度が高いことにより、センサの自己加熱が引き起こされ、これは特に温度センサに対して極めて重大である。他方で、照明強度を下げると、光検出器の暗騒音及び他の光学雑音源のために不安定となる。
【００１１】
ファイバエタロンに基づくセンサは、当業者に良く知られている（例えばE. Uddに付与された特許文献１０を参照）。エタロンは、光ファイバの内部又は外部にある２つのミラー表面（mirrored surface）からなる。エタロンの反射率は、第１ミラー及び第２ミラーから反射された光波間の干渉によって定義される。エタロンに基づく圧力センサ、温度センサ、及び／又はステインセンサ（stain sensor）の優位点は、エタロンのコストが低いこと、及び非常に高感度であることを含む。しかしながら、信号解読のために用いられる広帯域光源を用いると、強度に基づく測定、又は干渉縞を数え上げる測定は、光学雑音又は他の技術的問題（例えば縞を数え落とすこと）、実際的でない点の影響を非常に受けやすくなる。唯一の実際的な自己調整装置は、検出器として光相互相関干渉計（optical cross-correlating interferometer）を用い、また高価な技術を用いる（例えば共にBellevilleらに付与された特許文献１１及び特許文献１２を参照）。
【００１２】
新しい種類のレーザ、面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）が最近発明された。一般的にＶＣＳＥＬは完全にウエハレベルの処理を用いて作成され、チップは、従来技術のように、放出するために露出されたｐ−ｎ接合端を有するためにウエハからはがされねばならないというよりはむしろ、ウエハの広範な表面の方向から放射する。これにより、ウエハ構造に意図されるべき他の利点――同調可能性が与えられる。これは、圧電性手段、磁性手段、静電手段、又はいくつかの他の微小作動手段によって放射表面から離れたところで積層が変化し得るように、多数の光学層を配置し、放射表面の前にミラーを形成することによって微細加工（ＭＥＭＳ）技術を用いて行われる。C.J. Chang-Hasnain（米国特許，非特許文献１２）、J.S. Harris Jr.（特許文献１３，非特許文献１３）、及びVakhshoori非特許文献１４のグループは、広い同調範囲及び速い同調速度を有するＭＥＭＳ同調機構を用いて同調可能ＶＣＳＥＬを作成する可能性を示した。同調可能ＶＣＳＥＬは製造が比較的簡単であり、広いスペクトルにわたって連続的なモードホップフリー同調可能性を示し、かつ従来技術の可変波長レーザ又は光学分光計と比較して大きさが数オーダー低いコストを潜在的に提供する。集積されたＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬは、低コストの検出器と低コストの励起源とを組み合わせることによって、可能な限り実に手ごろでかつ正確な光センサ装置を製造する。検出器及び励起源の一方又は他方は商業的に実用的な正確度及び分解能を有する従来技術の装置では非常に高価である。大きさのオーダーに加えて、低コストの源／検出器の組み合わせ、低コストのセンサが、同調速度が大きさのオーダーでより大きいために利用できるようになるだろう。
【特許文献１】
米国特許第４，８０６，０１２号明細書
【特許文献２】
米国特許第４，７６１，０７３号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，３８０，９９５号明細書
【特許文献４】
米国特許第６，０２４，４８８号明細書
【非特許文献１】
Kersey, A.D., et.al., 10th Optical Fiber Sensors Conference, Glasgow, Oct 1994, pp. 53-56.
【特許文献５】
米国特許第５，７９８，５２１号明細書
【特許文献６】
米国特許第５，４０１，９５６号明細書
【非特許文献２】
J. of Lightwave Technology, vol.12, no.4, Apr. 1994 p 700
【非特許文献３】
Kretschmann and Raether, Z. Naturforsch. Teil A 23:2135-2136, 1968
【非特許文献４】
Fontana et al., Applied Optics 27:3334-3339, 1988
【非特許文献５】
Liedberg et al., Sensors and Actuators 4:299-304, 1983
【非特許文献６】
Daniels et al. [Sensors and Actuators 15:11-17, 1988]
【非特許文献７】
Jorgenson et al., [IEEE/Engineering Medicine and Biology Society. Proceedings 12:440-442, 1990]
【非特許文献８】
Liedberg et al., ibid, Gent et al., [Applied Optics 29:2843-2849, 1990]
【非特許文献９】
Matsubaru et al., [Applied Optics 27:1160-1163, 1988]
【非特許文献１０】
Homola J., et al, Sensors and Actuators B, B51 (1-3), Aug. 1998, p.331
【非特許文献１１】
Kabashin A.V et al, Sensors and Actuators B, B54 (1-2), Jan. 1999, p.51
【特許文献７】
米国特許第５，３５９，６８１号明細書
【特許文献８】
米国特許第４，１３６，５６６号明細書
【特許文献９】
米国特許第４，３５５，９１０号明細書
【特許文献１０】
米国特許第５，６４６，４０１号明細書
【特許文献１１】
米国特許第５，２０２，９３９号明細書
【特許文献１２】
米国特許第５，３９２，１１７号明細書
【非特許文献１２】
[IEEE J. on Selected Topics in Quantum Electronics, V 6, N 6, Nov 2000, p.978]
【特許文献１３】
米国特許第５，２９１，５０２号明細書
【非特許文献１３】
[Appl. Phys. Lett. 68(7), Feb. 1996 p.891]
【非特許文献１４】
[Electronics Letters, May 1999, V.35, N.11 p.900]
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明は、数オーダーの大きさで従来技術よりも低コストで様々な物理パラメータを測定するために集積されたＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬを有し、強化された正確度、堅固さ、及び信頼性という追加された利点を有する、あらゆる種類のブラッグ格子センサ、特性吸収体／反射体センサ、エタロンセンサ、及び表面プラズモン共鳴センサを走査する光波長手段を提供する。
【００１４】
より詳細には、この発明は、説明に役立つ実施例として、様々な物理的、化学的、又は生物学的パラメータの静的値及び動的値を決定するために、かつさらに走査サイクルの間の波長の正確さを保証する手段を提供するために埋め込まれた、ブラッグ格子又はここで述べられるような他の種類のセンサを有する光ファイバ又は光導波管と接続する診断装置を提供する。
【００１５】
本発明の好ましい説明に役立つ実施例の一側面によれば、光センサ診断装置は、電圧又は他の制御信号に応答して波長同様可能光を与えるための集積ＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬを含み、可変光は光導波管に向けて放たれる。可変光の経路に配置された少なくとも一つの光センサは、関連する局所的な振幅の極小点、極大点、又は傾きを有する反射光を提供する。前記局所的な振幅の極小点が前記局所的な振幅の極小点の内側に一つ又は複数の局所的な振幅の極大点を含む一方で、前記局所的な振幅の極大点は、前記局所的な振幅の極大点の内側に一つ又は複数の局所的な振幅の極小点を含むことができる。前記振幅の極小点、極大点、又は傾きにおける波長は、対応するセンサに課される環境刺激に応答して変化する。同調可能ＶＣＳＥＬは、振幅の極小点、極大点、又は傾きの関連する波長バンドにわたって各センサを個々に照明する。同調可能ＶＣＳＥＬとセンサとの間の可変光の経路に配置された光サーキュレーション装置（optical circulation device）は、反射光から同調可能ＶＣＳＥＬを分離し、各センサからの反射光を、反射光を検出しかつ反射光の出力を示す電気検出信号を与えるために配置された光検出器手段へ導く。同調調整器は、可変電圧又は他の信号を可変光の所望の波長を示す同調可能ＶＣＳＥＬへ提供する。電気検出信号に応答する信号処理装置は、環境刺激による波長の極小点、極大点、又は傾きの大きさの変化を解釈し、前記刺激を示す信号を与える。
【００１６】
この発明の説明に役立つ実施例によって与えられる他の側面によれば、光センサ診断装置は、電圧又は他の制御信号に応答して波長可変光を提供するために集積ＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬを含み、可変光は光導波管に向けて放たれる。可変光の経路に配置された少なくとも一つの光センサは、関連する局所的な振幅の極小点、極大点、又は傾きを有する透過光を与える。前記局所的な振幅の極小点が前記局所的な振幅の極小点の内側に一つ又は複数の局所的な振幅の極大点を含む一方で、前記局所的な振幅の極大点は、前記局所的な振幅の極大点の内側に一つ又は複数の局所的な振幅の極小点を含むことができる。前記振幅の極小点、極大点、又は傾きにおける波長は、対応するセンサに課される環境刺激に応答して変化する。同調可能ＶＣＳＥＬは、振幅の極小点、極大点、又は傾きの関連する波長バンドにわたって各センサを個々に照明する。同調可能ＶＣＳＥＬとセンサとの間の可変光の経路に配置された光アイソレーション装置（optical isolation device）は、反射光から同調可能ＶＣＳＥＬを分離する。前記少なくとも一つの光センサを透過した光は、出射ファイバによって、透過光を検出しかつ透過光の出力を示す電気検出信号を与えるために配置された光検出器手段へ向けられる。同調調整器は、可変電圧又は他の信号を可変光の所望の波長を示す同調可能ＶＣＳＥＬへ提供する。電気検出信号に応答する信号処理装置は、環境刺激による極小点、極大点、又は傾きの大きさの波長における変化を解釈し、前記刺激を示す信号を与える。
【００１７】
本発明の好ましい説明に役立つ実施例の一側面によれば、前記光センサは、反射ブラッグ格子型（reflective Bragg grating type）である。各センサに対して異なる反射波長で極大点の内側に極大点又は極小点を有するセンサは光を反射し、センサに課されるひずみ、圧力、温度、電流、又は磁場のような環境刺激のためにスペクトル位置を変える。
【００１８】
本発明の好ましい説明に役立つ実施例の他の側面によれば、前記光センサは、透過ブラッグ格子型（transmittive Bragg grating type）である。各センサに対して異なる透過波長で極小点の内側に極小点又は極大点を有するセンサは光を透過し、センサに課されるひずみ、圧力、温度、電流、又は磁場のような環境刺激のためにスペクトル位置を変える。
【００１９】
本発明の好ましい説明に役立つ実施例のさらなる側面によれば、前記光センサは反射エタロン型（reflective etalon type）である。各センサに対して異なる反射波長で極大点、極小点、又は極大点及び極小点を有するセンサは光を反射し、センサに課されるひずみ、圧力、温度、電流、又は磁場のような環境刺激のためにスペクトル位置を変える。
【００２０】
本発明の好ましい説明に役立つ実施例のさらなる側面によれば、前記光センサは透過エタロン型（transmittive etalon type）である。各センサに対して異なる透過波長で極大点、極小点、又は極大点及び極小点を有するセンサは光を透過し、センサに課されるひずみ、圧力、温度、電流、又は磁場のような環境刺激のためにスペクトル位置を変える。
【００２１】
本発明の好ましい説明に役立つ実施例のさらなる側面によれば、前記光センサは反射表面プラズモン共鳴型（reflective Surface Plasmon Resonance type）である。各センサに対して異なる反射波長で極大点又は極小点を有するセンサは光を反射し、センサに課される温度、生物学的刺激、又は化学的刺激のような環境刺激のためにスペクトル位置が変わる。
【００２２】
本発明の好ましい説明に役立つ実施例のさらなる側面によれば、前記光センサは透過表面プラズモン共鳴型（transmittive Surface Plasmon Resonance type）である。各センサに対して異なる反射波長で極大点又は極小点を有するセンサは光を透過し、センサに課される温度、生物学的刺激、又は化学的刺激のような環境刺激のためにスペクトル位置が変わる。
【００２３】
本発明の好ましい説明に役立つ実施例のさらなる側面によれば、前記光センサは特性吸収体／反射体型（characteristic absorber/reflector type）である。同調可能工の経路に配置された前記特性吸収体／反射体センサは、関連する局所的な振幅の傾き又は局所的な振幅の極小点を有する透過光を与え、透過光の波長は、センサに課される温度のような環境刺激のためにスペクトル位置を変える。反射手段が、光がミラーによってセンサのそれぞれを２重に通過し、時間領域多重が利用されるように光路に配置されている場合には、この実施例はまた、メインファイバに連結される多重センサを用いて、反射モードで実現することができる。極小点を示す吸収体／反射体の場合には、波長分割多重はある程度利用することができ、極小点の幅は利用可能な同調スペクトルの一部として与えられる。この実施例の実施におけるアイソレータは、サーキュレータ手段に取って代わらねばならない。
【００２４】
本発明の説明に役立つ実施例は、アイテム又は構造の音響摂動又は振動摂動（acoustic or vibratory perturbations）、及び化学パラメータ及び生物学パラメータと同様、静的かつ動的なひずみ、圧力、温度、電流、及び磁場を測定するためにリモート光ファイバセンサ装置と協働する、低コストで、使用可能で、実用的な診断装置を提供する。リモートセンサは、金属材料、プラスチック材料、複合材料、又は拡大、収縮、又は振動するあらゆる他の材料から形成された構造上に配置され得るか、あるいはセンサは、そのような構造内に埋め込まれ得るか又は液体又は気体に浸漬され得る。本実施例はまた、滑らかにかつ単調に、特に時間と共に直線的に又は正弦波的に同調可能な波長同調可能ＶＣＳＥＬを提供する。本実施例はさらに、各センサを個々に照明することを提供し、これにより全ての同調可能ＶＣＳＥＬの出力は、調子を合わせてあらゆる瞬間に単一の狭い波長バンドに在留することができる。結果として、各光センサからの反射光又は透過光は高い強度を有し、これにより、広帯域源を用いて同時に全てのセンサを照明する装置よりもずっと大きな、そのような反射光又は透過光の信号対雑音比が与えられる。同調可能ＶＣＳＥＬを１００万当たり数部分に超微細同調すると、高分解能及び改善されたコンピュータ方法及び統計処理のために、他のオーダーの大きさで精度が増加することが可能になる。ＭＥＭＳ同調機構の質量が非常に低いと、非常に低いヒステリシスを有する非常に高い同調速度が可能となり、多くのデータ点を有するセンサ装置における光学雑音を平均化する能力が与えられ、波長におけるデータ間隔を非常に近くすることができる。
【００２５】
この発明の前述及び他の目的、特徴、及び優位点は、添付の図面に図示されたような次の例として役立つ実施例の簡単な記述を考慮に入れてより明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は、カンチレバーミラー及び任意レンズの形態の集積ＭＥＭＳ（micro-electromechanical machined system）同調機構の一実施例を組み入れるＶＣＳＥＬの実例となる概略図である。基板チップ３０が製造され、ウエハ形態の場合には、光放出ＶＣＳＥＬ３１を形成する材料の多層フィルム積層と、同調キャビティ長さ３８を変更する、ミラー積層３２、アクチュエータ、及び構造手段３３からなる同調構成要素と、回折光学レンズ３４（任意）と、容量性カンチレバー位置モニタ３５（任意）と、方向３６及び／又は３７に放出される光ビームと、が製造される。ミラー３２又は積層３１の底部のどちらかが不透明である場合には、光は一つの方向３７又は３６にのみそれぞれ放出される。両方向の放出は、両方３２及び３１が部分的に透明である場合に可能である。この構成により、スペクトル出力の均一性を制御する目的でフォトダイオード３８を用いて光出力をモニタする最も簡単な手段が与えられる。電気の接続は簡単のため示されていない。
【００２７】
図２Ａは、この発明の一側面に従って与えられた診断装置４０の典型的な実例となる実施例を示す。より詳細には、図２Ａは、光励起源として同調可能ＶＣＳＥＬを、検出器としてフォトダイオード又は同様の簡単な装置を利用する反射モードで静的かつ動的な物理的刺激、化学的刺激、又は生物学的物理的刺激の値を決定することのできる、説明に役立つ典型的なセンサ診断装置の第１状態を示す概略ブロック図である。好ましい実施例の診断装置４０は、ＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬ３０と、ファイバ光結合手段４１と、光サーキュレータ４７と、波長基準４３と、外部ファイバ４４と、センサ又はセンサアレイ４５への結合手段と、光検出器４８と、制御ブロック４９と、を含む。前記説明に役立つ実施例では、同調可能ＶＣＳＥＬ３０はファイバ連結器４１に必要な手段と一緒に組み立てられており、放射光線は正確な波長基準４３を与えるとともに、反射モードでレーザ光を光センサ又はセンサアレイへ伝達するためにＶＣＳＥＬ組立体を外部ファイバ４４へ連結する。カプラー（連結器）又はサーキュレータ４７は、センサ４５から光検出器４８へ反射された光信号を方向転換するために与えられねばならず、光検出器からの電気信号は制御ブロック電子回路４９及び必要に応じて外部電子回路へ中継される。サーキュレータはまた、後方反射光（back-reflected light）からＶＣＳＥＬを分離する機能を与える。カプラーが光を検出器へそらすために用いられる場合には、接続していないアイソレータは検出器とレーザとの間に組み込まれなければならない。制御ブロック４９は、熱電素子又は他の手段を介してレーザ温度を制御するかも知れないし又は制御しないかも知れず、必要に応じてモニタフォトダイオード３８からの信号に従ってレーザ出力を調整するかも知れないし又は調整しないかも知れない。
【００２８】
この実施例では、同調可能ＶＣＳＥＬ３０は、制御ブロック４９によって与えられるチューナ制御信号に応答して波長可変光を提供する。同調可能ＶＣＳＥＬ３０によって与えられるこの可変光は、光ファイバのような光導波管４４へ向けて放たれる。少なくとも一つの光センサを与える、この実施例ではブラッグ格子センサアレイであるセンサ又はセンサアレイ４５は、可変光の経路に配置される。センサアレイ４５は、互いにスペクトルを区別でき、個々の反射波長において異なる、重なり合わない、関連する振幅反射の極大点を有する光をそれぞれが反射する、個々のブラッグ格子を含む。典型的な実施例では、アレイ４５において各ブラッグ格子によって反射される振幅極大点の波長位置は、対応するセンサに課される物理的刺激又は摂動に応答して変化する。
【００２９】
同調可能ＶＣＳＥＬ３０は、出力スペクトルを連続的に走査することによって、各センサと結びつけられた極大反射又は極小反射の波長を含む波長バンドで、センサアレイ４５内で順に各センサを個々に照明する。光サーキュレータ４７のような光アイソレーション及び方向づけ装置は、同調可能ＶＣＳＥＬとセンサアレイ４５との間の可変光の経路に配置される。サーキュレータは、センサアレイ４５によって反射された光から同調可能ＶＣＳＥＬを効率よく分離し、反射信号をサンプル、及びフォトダイオードのような光路に配置された安価な光検出器４８へ方向転換する。検出器４８は、同調制御信号及び利用されるならば波長基準４３を通じて波長に直接結びつけられる反射光の出力を示す電気検出信号を与える。走査サイクルの間に得られる一連の光信号は、付加的な波長正確度のために組み入れられ得る一つ又は複数の波長基準装置４３からの一つ又は複数の吸収又は反射バンドを含むことができる。前記基準信号は、センサによって測定される外部刺激のいずれを用いても波長位置を変化させず、同調制御信号に間に合って関連づけられ得る。
【００３０】
制御ブロック４９は、同調可能ＶＣＳＥＬ３０に対する可変電圧又は他の同調信号を波長基準の波長に調整することによって典型的実施例において光検出器４８からの電気検出信号に応答し、これにより前記同調信号が前記ＶＣＳＥＬに与えられる。制御ブロック４９はまた、各センサにおいて物理的、化学的、又は生物学的刺激による極大反射の波長のずれを検出するために電気検出信号に応答する信号処理装置を含み、かつ／又は各センサに対する刺激を示す信号を与えるために外部電子回路と協働し得る。制御ブロック４９はまた、いくつかの公知の手段のいずれかによってレーザ温度を制御し、独立したモニタ検出器３８（図１）を用いて波長に関して一定の出力を抵抗するためにレーザ出力を調整することもできる。
【００３１】
より詳細には、図２Ａを参照すると、診断装置４０は、この実施例（図１）では２つの異なる材料３１が交互になった複数の４分の１波長層からなる後部反射器積層（rear reflector stack）と、活性材料３１を含むファブリー・ペロ空洞領域（ここでは固体光共振器）と、図示されたようにカンチレバー上に透明材料からなる異なる屈折率を有する複数の可動懸垂ミラー層（movable, suspended mirror layers）として作られた、あるいは交互に、アルミニウムのような反射又は部分的に反射する単一層として作られた上部反射体３２と、を有する同調可能ＶＣＳＥＬ３０を含む。可動ミラー構造の該構造の残部に対する相対的な位置は、静電場又は他の制御力を適用することによって変えることができ、可変光共振器３８（ここでは空気又は真空光共振器）を形成する。ミラー構造は、選択エッチング及びリリース技術による他の手段によってつり下げられたダイアフラムの形態で形成することができ、構造の残部に対する相対的な位置はまた、静電力、磁力、又は他の力を適用することによって変えることができる。この結果、キャビティ３８を形成する２つの反射体の間の有効見通し距離（effective optical distance）が調整できる。共鳴波長はこの距離に依存するので、同調可能ＶＣＳＥＬの特性波長は、例えば適用された電圧、このため上部反射体と装置の残部との間の静電場を変更することによって絶えず調整される。
【００３２】
レージングを達成するために同調可能ＶＣＳＥＬ３０内にエネルギーを供給することが望まれている。エネルギーは光ポンピング手段又は電気ポンピング手段（ｐ−ｎ又はｐ−ｉ−ｎ接合）によって供給され得るということに留意されたい。両方法ともセンサ装置に適しているが、電気的にポンプされた実施例が、コストが低くかつ最も簡単であるという点から好まれる。
【００３３】
同調可能ＶＣＳＥＬの動作波長は、通信波長バンド内（Chang-Hasnain [IEEE J. on Select. Topics in Quantum Electronics, V 6, N 6, Nov 2000, p.978] Vkhshoori [Electronics Letters, may 1999, V.35, N.11 P.900]）に、又は９６０ｎｍ付近（J. S. Harris, [Appl. Phys. Lett. 68 (7), Feb. 1996 p.891]）に、又はＶＣＳＥＬが製造されるあらゆる他の所望のバンドにあり得る。同調可能ＶＣＳＥＬ３０とブラッグ格子又は他の種類のセンサ４５との間の距離が約１ｋｍを上回らない場合には、多くの波長バンドが使用できる。この距離が約１ｋｍを上回る場合には、通信バンドではない波長において損失が大きくなり過ぎる可能性があり、通信波長バンド内で放出する同調可能ＶＣＳＥＬ３０の方がより適していることもある。
【００３４】
制御ブロック４９（図２Ａ）内の電流制御回路は、出力光の強度を制御する同調可能ＶＣＳＥＬ３０へ電流を供給する。ダイオード（ＶＣＳＥＬ活性領域３１）を流れる電流を調整することによってまた、わずかな波長の変化が引き起こされる。しかしながら、この影響はこの用途では重要ではない。パルス光を発生させるためにパルス電流が用いられ得、パルス光は時分割多重（ＴＤＭ）に要求される（ＴＤＭは同調可能ＶＣＳＥＬ３０とセンサアレイ４５との間の至る所に電気光学変調器を配置することによって実現され得ることに留意されたいのではあるが）。加えて、温度制御回路は、説明に役立つ実施例において、電流駆動（current drive）を熱電（ＴＥ）冷却器へ供給して、必要ならば同調可能ＶＣＳＥＬ３０の温度を安定させるために用いられ得る。望まれるなら温度を制御するために他の装置を用いることもできる。電圧制御回路は、可動反射体３２と同調可能ＶＣＳＥＬ３１の活性層との間の静電力を制御するために用いることができ、かつそのような手段によって、説明に役立つ実施例において同調可能ＶＣＳＥＬによって放射される波長を制御することができる。ＶＣＳＥＬ同調ミラーを位置させるために静電以外に他の制御機構を用いることができ、同調信号は電圧であってなくてもよい。
【００３５】
全ての典型的な実施例において、同調可能ＶＣＳＥＬ３０は、同調可能ＶＣＳＥＬの付近にかつ放射光線の伝播方向（butt-coupring方法）に垂直に配置されたファイバ４１の端面か、又は、光ファイバ構成要素アイソレータ４２又はサーキュレータ４７に集束光を供給する構成要素４１とも表される集束レンズ、のどちらかに、発散する出力光ビームを供給することができる。レンズは代わりに、この機能を与えるレンズシステムとすることもできる。レンズはまた、ファイバ４１付近のＶＣＳＥＬミラーの表面又は光ビーム３６の経路におけるチップの裏面にフォトリソグラフィで書かれる回折要素３４として実現することができる。
【００３６】
光サーキュレータ４７は、一列に配置された光アイソレータ４２及び波長独立２方向スプリッタ（wavelength-independent two-way splitter）で置き換えることができることに留意されたい。光パワーの少なくとも半分はそれぞれの方向を進行中に失われるが、この方法はさほど高価でない。加えて、後方反射光の抑制を非常に強くする必要がある場合には、光アイソレータは、同調可能ＶＣＳＥＬ３０と光サーキュレータ４７との間に配置することができる。この実施例では、センサは、ファイバブラッグ格子、平面ブラッグ格子、表面プラズモン共鳴センサ、ファブリー・ペロエタロンセンサ、又は特性吸収体／反射体センサとすることができる。
【００３７】
加えて図２Ａの実施例では、同調可能ＶＣＳＥＬ３０からの光は、光ファイバ４４に沿って間をおいて配置されたセンサのアレイから構成されたセンサ４５へ向けて伝播する。センサアレイ４５内の各ブラッグ格子センサは、所定の狭い光の波長バンドを反射し、次のセンサへ向けて残りの波長を通過させる。したがって、透過ビームは、反射バンドに対応する狭い吸収バンドを含むが、残りの光は他のセンサで使用するために利用することができる。アレイ４５のセンサは、説明に役立つ実施例では、並列又は直列に配置することができ、かつ波長分割多重（ＷＤＭ）及び／又はＴＤＭによって多重化され得る。ＴＤＭが当業者に知られたあらゆる技術によって、同一の中心反射波長を有することもあるか又は有することができないセンサ間に意図的に導入された時間遅延によって実現することができる一方で、ＷＤＭは、異なる中心反射波長を有するセンサ４５によって実現することができる。この実施例では、センサは、ファイバブラッグ格子、平面ブラッグ格子、表面プラズモン共鳴センサ、特性吸収体／反射体センサ、又はファブリー・ペロエタロンセンサとすることができる。
【００３８】
図２Ｂは、この発明の第２側面に従って提供された診断装置４０の典型的な説明に役立つ実施例を示す。図２Ｂは、光励起源として同調可能ＶＣＳＥＬを、検出器としてフォトダイオード又は同様の簡単な装置を必然的に利用する、透過モードで静的かつ動的な物理的刺激、化学的刺激、又は生物学的刺激の値を決定することのできる、説明に役立つ典型的なセンサ診断装置の第１状態を示す概略ブロック図である。好ましい実施例の診断装置４０は、ＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬ３０と、ファイバ光結合手段４１と、光アイソレータ４２と、波長基準４３と、外部ファイバ４４と、センサ又はセンサアレイ４５に対する結合手段と、出口ファイバ４６と、光検出器４８と、制御ブロック４９と、を含む。前記説明に役立つ実施例において、同調可能ＶＣＳＥＬ３０は、ファイバ連結器４１に必要な手段とともに組み立てられ、放射光線は、後方反射からＶＣＳＥＬを分離４２し、正確な波長基準４３を与え、透過モードでレーザ光を光センサ又はセンサアレイ４５へ伝達するためにＶＣＳＥＬ組立体４０を外部ファイバ４４へ連結する。出口光ファイバ４６は、センサ又はセンサアレイ４５を通過した光出力を光検出器４８へ連結するために設けられ、光検出器からの電気信号は、制御ブロック電子回路及び要求されるような外部電子回路へ中継される。制御ブロックは、熱電素子又は他の手段を介してレーザ温度を制御することができるか又は制御することができず、要求されるように、モニタフォトダイオード３８からの信号に従ってレーザ出力を調整することができるか又は調整することができない。
【００３９】
この実施例では、センサアレイ４５は、スペクトルを互いに区別できる個々の透過波長において、異なり、重ならない、関連する振幅透過極小点を有する光をそれぞれが透過させる個々のブラッグ格子を含む。典型的な実施例では、アレイ４５の各ブラッグ格子によって透過された振幅極小点の波長位置は、対応するセンサに課される物理的刺激又は摂動に応答して変化する。アレイ４５のセンサは、説明に役立つ実施例では、並列又は直列に配置することができ、波長分割多重（ＷＤＭ）によって多重化され得る。ＴＤＭはこの実施例では適用できない。この実施例の他の側面は、図２Ａに描かれた第１実施例と同じである。この実施例では、センサは、ファイバブラッグ格子、平面ブラッグ格子、表面プラズモン共鳴センサ、特性吸収体／反射体センサ、又はファブリー・ペロエタロンセンサとすることができる。
【００４０】
図２Ａ及び図２Ｂで説明された好ましい実施例では、ファイバ４４及びセンサアレイ４５は、動的又は静的なひずみ及び／又は温度及び／又は圧力及び／又は電流及び／又は磁場のような摂動変化に対して監視されている構造に結合され得るか又は埋め込まれ得る。構造は、金属材料、プラスチック材料、複合材料、又はあらゆる他の材料から形成することができ、センサは、構造上に又は構造内に配置され得る。
【００４１】
信号処理回路（図２Ａ，２Ｂ）は、電気信号を解析し、構造内のセンサによって測定されている摂動を示す複数の出力電気摂動信号を提供する。時間多重化されているか又は各センサに対して連続デジタルデータを与える単線を用いることもできることを理解されたい。
【００４２】
図２Ａ及び図２Ｂに例証された実施例において、制御ブロック４９内の波長同調制御電子回路は、図３Ａ〜図３Ｊに例証された制御信号波形を生じさせるためにファンクションジェネレータを含んでもよい。図３Ａ〜図３Ｊは、Ｖｔで表され、同調可能ＶＣＳＥＬ３０に適用される、典型的な説明に役立つ時間変化同調制御信号を示す一連のグラフである。出力波長λと、反射及び透過モードで時間及び波長の両方に従う、センサ４５からの結果の光パワースペクトルと、が同様に示されている。示されている波形は、のこぎり波（３Ａ〜３Ｄ）、正弦波（３Ｅ〜３Ｈ）、及び三角波（３Ｉ，３Ｊ）であるが、多くの他の波形を用いることができる。波長対時間が正確に知られるべきであり、線形三角波（３Ｉ，３Ｊ）がこの点から優れていることは、センサ装置の作動にとって重要である。三角波はまた、１サイクルに２回全てのセンサ４５を読み取ることを可能にする。典型的な実施例において、制御信号Ｖｔは、ＶＣＳＥＬ３０内の空洞３８の膨張又は収縮に直接関係し、このため出力光の波長λは適用された制御信号Ｖｔに比例して変化する。このように、光の波長λは、λ１からλ２へ線形に変化する。波長の範囲には、センサからの少なくとも一つのピーク反射又は透過極小点波長λｂが含まれ、任意にＷＲで示されている波長基準から少なくとも一つのピーク又は極小点が含まれる。図面の簡単化のために、ちょうど一つのセンサからの反射又は透過が示されている。また例証を簡単にするために、１サイクルに２回発生するセンサ信号を有する３Ｃから３Ｄと同様に、三角波に対する光パワーグラフは示されていない。
【００４３】
三角波（図３Ｉ，３Ｊ）は、波長対時間の線形的な依存関係を与えているが、本来装置内へ高周波、すなわちリンギング（ringing）を誘導する波形が不連続であるという不利な点を有する。リンギングは、当技術で知られている様々な手段によって濾過することができるが、時間及び効率の面で不利益をこうむる。正弦制御信号は、周波数安定性と、三角波のような不連続な施行関数が適用される場合には機械的構造に要求される安定化時間が除去されることによってずっと速い走査速度を有する出力維持走査とを与える。正弦波を用いると、全体のスキャンは数マイクロ秒又はより短い時間で起こる。これは従来のレーザに対して２オーダーの大きさで速度の利点があり、これにより、より優れた統計平均技術を用いることができ、非スペクトルシフトセンサ（例えばバンドギャップ半導体又は他の特性吸収体／反射体）を、光学雑音干渉が最小となるのに十分速く走査することができる。正弦波に対する光パワーセンサ信号は、ちょうどよい信号の非線形性を示す図３Ｇ及び図３Ｈに概略的に示されている。
【００４４】
波長範囲を走査する結果として、光検出器４８に対する入力における光信号と光検出器からの電気信号とは、反射モードに対しては図３Ｃ又は図３Ｇに示されるように、透過モードに対しては図３Ｄ又は図３Ｈに示されるように現れる。特に、光検出器からの電気信号は、各センサの中心波長λａに調整された出力において鋭い増加又は減少を経る。ＴＤＭがまた用いられる場合には、出力はいくぶんより複雑となるが、当業者は知っている。正弦駆動に対する走査の結果は図３Ｇ，３Ｈに与えられている。
【００４５】
説明に役立つ実施例において、付加的な信号処理電子回路と協働する制御ブロック４９は、どの波長で信号レベルの極大又は極小が起こるかを決定し、かつ乱されていないセンサの波長の極大又は極小からの変化量を決定することによって、センサ刺激の静的又は動的な値を決定する。校正は、刺激パラメータの変化と波長の対応する変化との間の関係を定義する。波長値は、波長制御信号を監視し、必要に応じて波長基準４３又はミラー３２位置フィードバック３５（容量性）と波長制御信号を比較することによって決定される。この信号は同調可能ＶＣＳＥＬ３０の波長に直接関係するので、この信号は、直接比例する瞬間波長値を与える。当業者に知られている多くの計算アルゴリズムは、極小点又は極大点の波長位置を決定することができる。図示の目的でのみ、可能なアルゴリズムの一つが以下に述べられる。比較的少ないデータ点から極値の位置を計算する能力によって、より低額の計算間接費を用いて正確度を高めることができる。
【００４６】
各フル同調可能ＶＣＳＥＬ波長スキャンの間、Ｎ個の強度測定点が取られる。制御ブロック４９の信号処理装置及び光検出器４８は、ＧＨｚ周波数で公知技術によって作動するよう形成することができ、数Ｎは、たとえ同調可能ＶＣＳＥＬが数１０ｋＨｚの最大同調速度で作動しても、十分に大きい。同調可能ＶＣＳＥＬがたった１ｋＨｚの周波数（各スキャンは１ミリ秒かかる）で作動し、非ＭＥＭＳ同調可能レーザから一般的に利用できるよりも２オーダーの大きさで速いと仮定する。この場合、少なくとも１００，０００強度の測定が各スキャンの間に行われ得る。同調可能ＶＣＳＥＬの最大波長範囲をさらに仮定することは、５０ｎｍを超えず、強度測定は０．５ピコメートルごとに形成されうる。通信技術は数１０ＧＨｚに進んでしまい、より遅い走査速度が実際の刺激で耐えられ得るので、より高い波長分解能を得ることができる。さらに、典型的なブラッグ反射ピーク（又は透過極小点）の波長の幅は数１００ピコメートルのオーダーなので、図２Ａ及び図２Ｂに示された実施例は、極端に高い波長分解能を得ることができる。ずっと狭い（２０ピコメートル又はそれよりも狭い）ピーク又は谷が（それぞれ）一次谷又はピークの内側に組み込まれている、位相ずれを使用するブラッグ格子の実施例において、示されたように、得ることのできるセンサデータ速度により、いくつかのデータ点を位相ずれバンド内に取ることができる。このため、順に数学的に滑らかで連続した時間の関数Ｆ（ｔ）によりセンサアレイからスペクトルデータを補間することができる。次いでＦ（ｔ）は、用いられるＶＣＳＥＬ同調ドライブの種類に従って、波長の関数Ｆ（λ）に、又は測定されているパラメータの関数へ直接、変形され得る。多くの利用できる数学的な技術及びその電子的手段は、当技術に知られている。用いられる場合には、波長基準は、同一の方法で解析され得る。以前のＦ（λｓ）及び波長基準と比較することにより各センサに対する波長変化を計算するために、さらに単純なアルゴリズムが用いられる。
【００４７】
静電容量のような、カンチレバー位置監視手段又はダイアフラム位置監視手段からの同調制御信号又はフィードバックを頼る代わりに、時間に対してＶＣＳＥＬ波長を調整するために、少なくとも一つのブラッグ格子、ファブリー・ペロエタロン、又は吸収セルの形態の、付加的なひずんでいないか又は揺らいでいない基準手段が、４３で光路に挿入され得る。前記基準格子又はセルは、同調範囲内に少なくとも一つの反射ピーク又は吸収谷を生じさせねばならず、かつあらゆるセンサ波長バンドと干渉してはいけなく、かつ同一の波長位置に常に位置するλｒｅｆ１，λｒｅｆ２，λｒｅｆ３，．．．λｒｅｆｎで複数の極値を与えることができる。そのような基準波長と共に、電圧又は他の同調信号の所定のサイクル速度又は波形の知識は、レーザ波長を用いて各新しい同調サイクルの開始を同期させるのに十分な情報を信号処理回路に与える。波長基準点の数は、レーザ同調機構の正確度及び線形性と要求される物理パラメータ測定の正確度とによって決定される。最も少ない基準点は、最も経済的な装置に与えられる。一つ又は複数の基準ブラッグ格子の代わりに、多くの高微細ファブリー・ペロ空洞フィルタを用いることができる。波長精度を維持する他の適用できる方法は、光路にアセチレンセルを配置することである。アセチレンは、サイクルごと又はサイクルの半分ごとに装置を校正するために用いられ得る通信波長バンドに、多くの非常に鋭い吸収ピークを示す。他の技術がまた、校正精度を当業者に必要なレベルに維持するために使用され得る。
【００４８】
実施例は、環境刺激を検出するセンサとしてブラッグ格子を用いるものとして最も頻繁に述べられてきたが、狭い反射又は透過波長バンド、又は遷移傾き（transition slope）（例えばバンドギャップ半導体）、又は適用される摂動で変化するあらゆる他の反射又は透過スペクトル特性を有するあらゆる反射又は透過装置を用いることができる。そのようなセンサのいくつかの例は、ファブリー・ペロ空洞圧力、温度、及び／又は変位センサ、導波管、及び表面プラズモン共鳴に基づくバイオセンサ及び／又はケミカルセンサ、半導体バンドギャップひずみ、温度、又は圧力センサ、及び蛍光及び振動材料を含む。後者の２種類の材料では、吸収バンドは、半導体のものよりもずっと狭く、使用スペクトル範囲において蛍光性の光出力を示す必要はない。
【００４９】
表面プラズモン共鳴に基づくセンサ透過スペクトルの例は、図４に与えられている。表面プラズモンによって生じる曲線の谷は、例えばセンサ表面に吸着されるときに検出すべきバイオマス標本によって波長がシフトする。前記シフトの絶対値は、例えば溶液中の試薬の濃度についての非常に正確な情報を与える。加えて、前記シフトの一時的な振る舞いは、関連する化学相互作用の反応速度論についての上方を与えることもできる。ＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬの高い同調速度は、より速くかつより高い分解能動力学の研究を可能にし、適用範囲を広げることができる。光源としてＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬ３０を使用すると、上述の種類のセンサ装置が著しくさほど高価でないものとなり、かつ従来技術のレーザ及び／又は光分光計を使用するものよりも機能的となり、かつ計算及び統計手段を通じて装置分解能が少なくとも１オーダーの大きさで増加する。表面プラズモン共鳴センサの他の特徴は、共鳴伝播谷が近赤外又は赤外スペクトル内のあらゆる所定の波長に位置され得るということである。このように、９５０〜９８０ｎｍで動作する同調可能ＶＣＳＥＬは例えば、コストにほとんど変化がないままで、１３１０ｎｍ及び１５５０ｎｍの範囲の通信バンドで動作するＶＣＳＥＬと同じ位等しく役に立つ。同調可能ＶＣＳＥＬセンサ装置のさらなる利点によれば、広範な種類のセンサ型及び材料を適切で安価な同調可能レーザと釣り合わせることができる。透過極小点における波長位置を抽出するための数学アルゴリズムは、上の反射又は透過ブラッグ格子センサに対して述べられたものと同様である。この場合の波長多重は、ＳＰＲ反射性極小点のより広い幅（典型的には数１０ナノメートル）と、ことによると２つのセンサと同じ位低い、同調可能ＶＣＳＥＬの極大同調波長範囲と、によって制限される。時分割多重もこの場合同様に適用できる。
【００５０】
半導体バンドギャップ吸収端温度センサの透過スペクトルの説明に役立つ実施例が図５Ａ〜図５Ｃに示されている。バンドギャップ端波長位置は、良く知られている数学及び物理公式に従う半導体温度の関数である。そのような吸収端は、図５Ａに示すように、温度が減少するとき全体として青色偏移し、温度が増加するときに赤方偏移する。この種の実例となるこの場合、半導体の塊の熱応答時間か又はファイバ回路の残部における吸収依存雑音（例えば微小まげ雑音）の速度及び／又は頻度のどちらかよりもずっと速い時間で走査プロセスが完了する場合には、走査された吸収端は、正確な温度又は圧力データを生じるのみである。これは、端の形状が非常に急速に追跡され得る場合を除いては、半導体の吸収は、吸収雑音と区別することができないからである。最も正確には、吸収の絶対値ではなく、光学雑音によってゆがめられていない吸収曲線のスペクトル形状が要求される。このように、この構成におけるＭＥＭ同調されたＶＣＳＥＬ３０の例外的な同調速度の優位点は、ミラー表面を用いて又は用いずに、電子レンジのような用途に優れた感度及び十分な正確度をもって、多くの半導体材料のチップを用いて可能な限り安価な光ファイバ温度センサを形成することである。さらに、そのようなセンサは、インジウム、アルミニウム、ガリウム及びヒ素、又はケイ素及びゲルマニウムの合金及び化合物のような、連続的に変化するバンドギャップを用いて利用できる合金組成を用いることによって、所望の温度範囲及びＶＣＳＥＬ特性に釣り合うように選択することができる。
【００５１】
図５Ｂ及び図５Ｃは、半導体の「ロングパス（long pass）」バンドのような、非常に幅の広い極大点を有する吸収バンドのスペクトル位置を正確に検出する改善された手段の説明に役立つ実施例である。図５Ｂに示すように、一次微分を取ることによって「Ｓ」形状の吸収曲線がピーク状の曲線に転換され得る。この場合の計算アルゴリズムは、したがって以前に述べられたブラッグ格子センサ及びＳＰＲに基づくセンサの場合と同様である。これは、透過の際に吸収体を通じて光の単一の経路に、又はミラー手段がセンサの出力側に利用される場合には材料を通じた２重の経路に、等しく適用できる。乱されていない波長から波長の変化量を正確に決定する第２手段は、図５Ｃに示すように、透過スペクトルの２次微分を取ることによって与えられ、これによりスペクトルのずれを定義するために「零交差」点を用いる機会が与えられる。純粋な半導体の場合、吸収端の波長依存性は非常に良く知られているので、センサは自らが校正する。合金の場合には、校正を行うことができる。当業者に知られている多くの計算アルゴリズムは、１次微分のピーク又は２次微分のゼロ交差点を利用して波長位置を決定することができる。スペクトルは、補間され得るか、滑らかにされ得るか、又は当業者に知られているあらゆる他の数学的解析にさらされ得る。
【００５２】
ブラッグ格子センサを参照すると、センサ４５は、センサを提供するファイバとして同一の種類のファイバ４４へ書かれる必要がなく、例えばセンサは、ファイバ４４へ接合することができるか、又は任意に当技術に一般的に知られている手段によってファイバへ連結された個別の平面チップとすることができる。
【００５３】
さらに、実施例は光ファイバ４４を使用するものとして述べられてきたが、あらゆる他の形態の光導波管を望まれるならば用いることもできる。
【００５４】
また、同調制御回路４９及び続く信号処理は、当技術で知られている多くの方法によってある程度ソフトウェア及びハードウェアを組み合わせて行うことができる、ということを理解されたい。
【００５５】
本発明は代表的な実施例に関して述べられかつ説明されてきたが、前述の及び様々な他の変更、省略、及び追加を、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる、ということは当業者に理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】カンチレバーミラー及び任意レンズの形態の集積ＭＥＭＳ（micro-electromechanical machined system）同調機構の一実施例を組み入れる実例となるＶＣＳＥＬの概略図である。
【図２Ａ】光励起源として同調可能ＶＣＳＥＬを、検出器としてフォトダイオード又は同様の簡単な装置を利用する反射モードで静的かつ動的な物理的刺激、化学的刺激、又は生物学的物理的刺激の値を決定することのできる、説明に役立つ典型的な非限定的なセンサ診断装置の第１状態を示す概略ブロック図である。
【図２Ｂ】光励起源として同調可能ＶＣＳＥＬを、検出器としてフォトダイオード又は同様の簡単な装置を利用する透過モードで静的かつ動的な物理的刺激、化学的刺激、又は生物学的物理的刺激の値を決定することのできる、説明に役立つ典型的な非限定的なセンサ診断装置の第１状態を示す概略ブロック図である。
【図３Ａ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｂ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｃ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｄ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｅ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｆ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｇ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｈ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｉ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｊ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図４】物理的刺激、化学的刺激、又は生物学的刺激に応答してスペクトル出力の極小点の波長位置のずれを生み出すために表面プラズモン共鳴を利用するセンサの説明として役立つ典型的な透過光出力プロファイルのグラフである。
【図５Ａ】温度増加による波長のずれを示すバンドギャップ半導体の形態の特性吸収体／反射体のスペクトル出力伝送を示す説明として役立つ典型的な図である。
【図５Ｂ】出力伝送スペクトルの１次微分係数の知識を用いて波長のずれを決定する正確度の増加を示す図である。
【図５Ｃ】出力伝送スペクトルの２次微分係数の知識を用いて波長のずれを決定する正確度の増加を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
３０ 同調可能ＶＣＳＥＬ
４１ ファイバ光結合手段
４３ 波長基準
４２ 光アイソレータ
４４ 外部ファイバ
４５ センサ又はセンサアレイ
４７ 光サーキュレータ
４８ 光検出器
【０００１】
この発明は、ファイバブラッグ格子、平面ブラッグ格子（planar Bragg grating）、エタロン、バンドギャップ半導体のような特性吸収センサ又は特性反射センサ、並びに物理的刺激、化学的刺激、及び生物学的刺激に敏感な表面プラズモン共鳴センサ、を含み、光センサに応答させるために集積ＭＥＭＳ（micro-electromechanical）波長チューナ（wavelength tuner）を有する面発光型半導体レーザ（vertical cavity surface emitting laser：ＶＣＳＥＬ）を用いる装置に関し、より詳細には、そのようなブラッグ格子、エタロン、吸収／反射、及び表面プラズモン共鳴感知装置と一緒に用いるための具体的な装置配置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物理的刺激の影響の下でセンサ分光特性（極大、極小、傾き、又はある他の機能）の波長位置のずれを測定するのに使用する光ファイバセンサは、当業者に良く知られている。そのようなセンサの例は、ブラッグ格子を基にしたひずみセンサ、圧力センサ、温度センサ、及び（関連する磁場を介した）電流センサ、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）バイオセンサ及び表面プラズモン共鳴ケミカルセンサ、半導体吸収バンド端を基にした光ファイバセンサ、及びファブリー・ペロ（ＦＰ）エタロン圧力センサ、ファブリー・ペロエタロン温度センサを含む。そのようなセンサを用いることは、簡単で安価な感知装置が光学雑音に対して敏感であること、及び前記敏感さを克服するよう見つけられた解決策のほとんどが非常に費用がかかること、を含む多くの良く知られた問題のために、市場において遅らされてきた。新しい種類のレーザ、面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を、多くの異なる種類のセンサを有する応答手段として集積マイクロマシン（ＭＥＭＳ）同調機構と結びつけることは、新しく、低費用で、かつより確かな種類の光センサ装置を可能にするということが明かされよう。
【０００３】
ブラッグ格子は、光ビームの伝播方向において異なる屈折率の周期的パターンを生成する一連の光学素子である。ブラッグ格子は、通常、例えばロイズミラー装置（Lloyd’s mirror apparatus）を用いてフェーズマスク又はスプリットビームによって生成された干渉縞によって成し遂げられる、定期的に強度が変化する紫外（ＵＶ）ビームを用いて、紫外線に敏感なガラス（通常ゲルマニウムのドープされたファイバ）をさらすことによって光ファイバに形成される。平面ブラッグ格子は、マスクにおける位相のずれ又は他の種類のものを通じて多くの種類のうちのいずれかの「フォトレジスト」をさらすことによって生成されるか、あるいは電子ビームを用いて直接書かれ得る。結果の格子における周期的な屈折率パターンによって引き起こされる光反射は、建設的にも破壊的にも干渉する。ファイバのＵＶにさらされた区域とさらされていない区域との間の屈折率の差は小さいが区域の数は非常に大きいので、反射されたビームはそのスペクトルを非常に鋭いピークに狭め、スペクトル幅は１ナノメートルにも満たないくらい狭い。反射されたピークが、ピーク内に、スペクトル幅が数ピコメートルと同じくらい狭い、さらにより狭い吸収の「谷」を含むことができることは、位相のずれ構造によっても決められ得る。逆に言えば、光ビームの透過した部分は、賞賛に値するスペクトル出力特性、すなわちピーク内により狭いピークを有する幅広の谷を示す。
【０００４】
光ファイバ又は他の導波管に形成されたブラッグ格子は、格子の位置における例えばひずみ、圧力、温度、及び（関連する磁場を介した）電流のような様々な物理パラメータによって引き起こされる物理的刺激を検出するために用いられ得るということは知られており、そのようなことは、共にMeltzらに付与された特許文献１及び特許文献２；E. Uddに付与された特許文献３；J. Wuに付与された特許文献４；及びKersey, A.D.らによって著された非特許文献１；に開示されている。一般に、そのようなセンサにおいては、光ファイバ（又は平面導波管）のコア及び／又はクラッドは、コア（導波管の導波管層）に放たれた幅の広い波長バンドから狭い波長バンドの光を選択的に反射するのに効果的な周期的な格子パターンを用いて書かれる。透過光強度スペクトル及び反射光強度スペクトルにおける鋭い極大点又は極小点のスペクトル位置は、格子の位置におけるひずみ、温度、圧力、電流、又は磁場の変化の強度を示す。スペクトル位置の変化の仕組みは、格子周期又は屈折率、あるいはその両方における変化にあり、この変化は温度及び圧力のような様々な環境上の物理的刺激によって影響を受ける可能性がある。しばしば、一つ以上の刺激又は物理パラメータが同時にセンサに影響を与え、一つを除く変数の全てに対してセンサ又は測定技術に補償が行われねばならず、この補償は当技術で知られている多くの物理的技術、光学的技術、及び電子技術によって達成されうるものである。現在の技術におけるファイバ格子センサの通常の感度限界はそれぞれ約０．１℃及び／又は１マイクロストレインである。センサ信号解読（sensor interrogation）におけるスペクトルシフト方法の優位点は、波長決定の正確度が高いこと（大きさの代わりに電気に関する頻度を測定する優位点と同質である）、及びファイバ伝播振幅（微小曲げ損等）のゆらぎによる「光学雑音」が免除されていることを含む。例えば個々のセンサに対して割り当てられた区域に全体の波長バンドを分割する波長依存複合技術（ＷＤＭ）を介して同一のファイバにおいて複合的な多くのセンサを可能にする。
【０００５】
正確なダイナミックレンジと全ての光センサ信号解読技術の複合的な能力とは、特に広帯域源が用いられる場合には、部分的には光源のスペクトル出力によって定義される。ＬＥＤ、ＳＬＤ（超高速ダイオード（superluminescent diode））、及び一般的に用いられる様々な照明装置は、ナノメートルサイズの区分に分割された場合に小さくなりすぎる可能性のあるスペクトル出力を与える。これにより、光センサに利用できる反射ピークの大きさとして臨界パラメータが制限され、望ましい信号対雑音比よりも低くなる。他の技術、すなわち自動車化された外部キャビティ、電流、又は温度機構を用いて調整された従来のレーザダイオードを用いると、レーザの全ての出力はスペクトルの端から端まで調整されるときに狭いビーム内に含まれるので、より効果的である。いくつかの技術が提案され：例えばFroggatt,（特許文献５）を参照；電流で調整された従来のレーザダイオードの使用がDunphyらによって提案され（特許文献６）；同調可能ファイバレーザの使用がG.A. Ballらによって提案されてきた（非特許文献２）。走査レーザ技術を用いる場合には、安価な検出器及び電子技術装置は単に、既知の波長基準に対する反射光（又は透過光）強度のピーク（又は零位）における波長を決定する。しかしながら、過去の技術アプローチは通常、実際の用途の幅広の範囲を有するには、あまりにも高価か、あまりにも遅いか、あまりにも不安定か、又はあまりにも不正確である。電流で調整されたレーザダイオードは、安価でかつ熱による方法よりも速い限りは、狭い同調波長範囲に苦しみ、このため実際の用途は時分割多重（ＴＤＭ）ブラッグセンサのみに限られる。そのようなレーザは、表面プラズモンセンサ又は半導体吸収端シフトセンサで全く使い物にならない。広帯域光源の方法は安価な光源を用いるが、信号を読み取るために分光計を必要とする（光学スペクトル分析器は＄３５，００ほどかかることがある）。多くのセンサが同一のファイバに多重化されているときに最も実際に役立つ。さらに、分光計は不規則に動き、かつ現場で使用するのにあまりふさわしくない。現在使用中の外部キャビティを用いて調整されたレーザは、他方では、典型的には分光計よりも高価であるが、安価な検出器を用いるという優位点を有する。加えて、そのようなレーザは通常、１００ｎｍ／ｓｅｃのように同調するのが遅く、分光計よりもさらにいっそう細心の注意を要する。走査（又は同調）速度は、吸収及び分極に関連する雑音が重要である用途において、信号対雑音比（ＳＮＲ）に対する否定的な影響のために特に重要である。感知装置として構成された大量生産されたＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬは、従来技術のレーザよりも少なくとも１オーダーコストが低く、かつ従来技術のレーザよりも少なくとも２オーダーの大きさで速いことが期待されている。
【０００６】
表面プラズモン共鳴に基づく生物学的な及び／又は化学的な監視のためのセンサは、当業者に良く知られている。表面プラズモン波は、金属と誘電体（以下「サンプル」という）との間の境界に存在し得る電磁波である。そのような波は、入射平面に平行に偏光された（すなわち横断磁場（transverse magnetic：ＴＭ）に偏光された）電場を有する光によって励起され得る。入射光の伝播定数の平行成分が表面プラズモン波伝播定数の実部に等しい場合、入射光は共鳴して表面プラズモン波を励起し、入射光エネルギーの一部は、運ばれるか又は表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）へ分散される。このエネルギーの分散は、金属の誘電率と金属と接触しているサンプルの誘電率との両方に依存する。金属／サンプル界面の共鳴波ベクトル（resonance wavevector）を監視することによって、サンプル（ガス又は溶液）の誘電率を得ることができる。あるいは、サンプルが化学種によって汚染される場合には、誘電率測定は、サンプルにおける化学種の濃度を提供することができる。典型的なＳＰＲスペクトルの極小点は、通常のブラッグ格子の極小点又は極大点よりも少なくとも２オーダーの大きさ広い。
【０００７】
従来、ＳＰＲはKretschmann配置（非特許文献３）を用いて測定されてきた。この配置では、（金又は銀のような）高反射金属の薄い層がプリズムの基部に溶着される。金属表面は次いでサンプルに接触され、サンプルのＳＰＲ反射スペクトルは、ＴＭ偏光された単色光をプリズムへ結合し、入射角の関数として反射光の強度を測定することによって測定される。最小反射強度の角度は、入射光と表面プラズモン波との間で最大結合が起こる共鳴角度である。この角度は、共鳴スペクトルの半値幅と最小反射強度の角度における強度とと同様、金属表面と接触しているサンプルを特徴づけるか又は探知するために用いることができる（非特許文献４）。
【０００８】
光学的感知装置は、上述のKretschmann配置に基づいて組み立てられてきた。そのような装置は、薄膜の厚さの変化に対するのと同様、バルクサンプルと薄膜サンプルとの両方の屈折率の変化に対するＳＰＲの感度を利用する。適切な化学感知層と結合しているこれらの装置は、イムノアッセイセンサ（例えば非特許文献５;非特許文献６;非特許文献７）、ガスセンサ（例えば非特許文献８）、及び液体センサ（例えば非特許文献９）を含む、様々なＳＰＲに基づく化学センサの発展へと導いてきた。ＳＰＲセンサは通常、反射機能又は反射角として最小振幅の波長を用いる。しかしながら、付加的な偏光子及び位相板（又はリターダ（retarder））がＳＰＲセンサを照明する偏光に対してある所定の角度でセンサと検出器との間に導入されるならば、極小点の形状は修正することができる（非特許文献１０,非特許文献１１）。この修正は、表面プラズモン共鳴励起条件付近の位相特性及び偏極特性のためである。その上、極小点は、極大点へ変換され得（Homola, ibid）、ＳＰＲセンサの分解能を増加させる可能性を有する。
【０００９】
ＳＰＲに基づくケミカルセンサに対してKretschmann配置が重要な感度を提供するが、サイズが比較的大きいことでこれらセンサの用途が選択的に制限されてきた。センサと接触している材料を検出するためにＳＰＲを利用し、かつ励起エネルギーとして多重波長を有する入射光を利用する光ファイバセンサは、Jorgensonらによって開示されている（特許文献７）。小さくかつ非導波管光センサよりもさほど高価でない一方で、少なくとも１オーダーの大きさで高感度である。感度が落ちる理由は、５０００ピクセルを有する非導波管光スキームにおいて明らかであり、ＳＰＲの極小点は少なくとも２０００ピクセルだけ読み取られる。しかしながら、読み出し装置（０．１ナノメートルよりもよくない波長分解能、及び約６０ｎｍのＳＰＲ極小スペクトル幅）として分光計を有する光ファイバスキームにおいて、ＳＰＲの極小点は、多くても６００ピクセルによって特徴づけられ、その結果極小点を位置させるためにあまり正確でない補間をすることになり、したがって極小点の波長位置が変化する。逆に言えば、ファイバ装置の光源としてサブｎｍの波長分解能を有する安価な可変波長レーザを用いると、高価な分光計が省かれ、非導波管光学装置の波長分解能と少なくとも比較できる精度がもたらされる。広帯域光源／分光計構成において発生する実例となる問題、特に測定点当たりの光強度が不足していることは、ＳＰＲセンサの場合、センサが過熱するという付加的な望まれていない特性を有する。広帯域光源の全体の光強度が分光計電荷結合素子（ＣＣＤ）配置の各ピクセルに利用できる少ない強度を補償するよう増加する場合、入射光の約半分は使用できる信号に寄与しようがしまいが金属層の加熱の際に消失するので、ＳＰＲセンサの過熱が起こる。加熱は、試験中の生物学的及び／又は化学的サンプルに有害であるだけではなく、ファイバ及び／又はサンプルにおける屈折率の変化を誘発する可能性があり、検出すべき摂動（perturbation）よりも大きな変化がＳＰＲ波ベクトル（SPR wavevector）にもたらされる。非常に狭い放出スペクトルを有する非常に速い同調レーザが、この問題を検討するのに理想的である。というのも、ある所定時間センサを照明する全体の強度は、刺激の変化を検出するのに利用できる反射光の強度とほぼ正確に等しいからである。
【００１０】
特徴的な吸収体／反射体材料の説明に役立つ例は半導体である。温度のような物理パラメータの関数として変化する光波長依存特性を有する光センサを備えた半導体手段は、当業者に良く知られている（例えば、Christensonに付与された特許文献８又はQuickらに付与された特許文献９を参照）。光波長依存特性（半導体吸収バンド端）は通常、測定が強度依存である一つの波長バンドにおける現在の技術の方法、又は強度の比がとられる２つの波長バンドにおける現在の技術の方法で監視される。両方の場合において、そのようなセンサ装置の感度及び正確度は低く、光学雑音（微小曲げなど）に対して幾分敏感である。高い波長分解能を有する同調可能ＶＣＳＥＬを用いて禁止帯端に関連する全半導体透過強度の傾きを通じて非常に急速に走査すると、少なくとも大きさの順だけそのようなセンサの感度の数学的増大の機会が与えられる。広帯域光源／分光計構成は、前の段落で述べられたのと同様の理由のために相応しくない。全照明強度が高いことにより、センサの自己加熱が引き起こされ、これは特に温度センサに対して極めて重大である。他方で、照明強度を下げると、光検出器の暗騒音及び他の光学雑音源のために不安定となる。
【００１１】
ファイバエタロンに基づくセンサは、当業者に良く知られている（例えばE. Uddに付与された特許文献１０を参照）。エタロンは、光ファイバの内部又は外部にある２つのミラー表面（mirrored surface）からなる。エタロンの反射率は、第１ミラー及び第２ミラーから反射された光波間の干渉によって定義される。エタロンに基づく圧力センサ、温度センサ、及び／又はステインセンサ（stain sensor）の優位点は、エタロンのコストが低いこと、及び非常に高感度であることを含む。しかしながら、信号解読のために用いられる広帯域光源を用いると、強度に基づく測定、又は干渉縞を数え上げる測定は、光学雑音又は他の技術的問題（例えば縞を数え落とすこと）、実際的でない点の影響を非常に受けやすくなる。唯一の実際的な自己調整装置は、検出器として光相互相関干渉計（optical cross-correlating interferometer）を用い、また高価な技術を用いる（例えば共にBellevilleらに付与された特許文献１１及び特許文献１２を参照）。
【００１２】
新しい種類のレーザ、面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）が最近発明された。一般的にＶＣＳＥＬは完全にウエハレベルの処理を用いて作成され、チップは、従来技術のように、放出するために露出されたｐ−ｎ接合端を有するためにウエハからはがされねばならないというよりはむしろ、ウエハの広範な表面の方向から放射する。これにより、ウエハ構造に意図されるべき他の利点――同調可能性が与えられる。これは、圧電性手段、磁性手段、静電手段、又はいくつかの他の微小作動手段によって放射表面から離れたところで積層が変化し得るように、多数の光学層を配置し、放射表面の前にミラーを形成することによって微細加工（ＭＥＭＳ）技術を用いて行われる。C.J. Chang-Hasnain（米国特許，非特許文献１２）、J.S. Harris Jr.（特許文献１３，非特許文献１３）、及びVakhshoori非特許文献１４のグループは、広い同調範囲及び速い同調速度を有するＭＥＭＳ同調機構を用いて同調可能ＶＣＳＥＬを作成する可能性を示した。同調可能ＶＣＳＥＬは製造が比較的簡単であり、広いスペクトルにわたって連続的なモードホップフリー同調可能性を示し、かつ従来技術の可変波長レーザ又は光学分光計と比較して大きさが数オーダー低いコストを潜在的に提供する。集積されたＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬは、低コストの検出器と低コストの励起源とを組み合わせることによって、可能な限り実に手ごろでかつ正確な光センサ装置を製造する。検出器及び励起源の一方又は他方は商業的に実用的な正確度及び分解能を有する従来技術の装置では非常に高価である。大きさのオーダーに加えて、低コストの源／検出器の組み合わせ、低コストのセンサが、同調速度が大きさのオーダーでより大きいために利用できるようになるだろう。
【特許文献１】
米国特許第４，８０６，０１２号明細書
【特許文献２】
米国特許第４，７６１，０７３号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，３８０，９９５号明細書
【特許文献４】
米国特許第６，０２４，４８８号明細書
【非特許文献１】
Kersey, A.D., et.al., 10th Optical Fiber Sensors Conference, Glasgow, Oct 1994, pp. 53-56.
【特許文献５】
米国特許第５，７９８，５２１号明細書
【特許文献６】
米国特許第５，４０１，９５６号明細書
【非特許文献２】
J. of Lightwave Technology, vol.12, no.4, Apr. 1994 p 700
【非特許文献３】
Kretschmann and Raether, Z. Naturforsch. Teil A 23:2135-2136, 1968
【非特許文献４】
Fontana et al., Applied Optics 27:3334-3339, 1988
【非特許文献５】
Liedberg et al., Sensors and Actuators 4:299-304, 1983
【非特許文献６】
Daniels et al. [Sensors and Actuators 15:11-17, 1988]
【非特許文献７】
Jorgenson et al., [IEEE/Engineering Medicine and Biology Society. Proceedings 12:440-442, 1990]
【非特許文献８】
Liedberg et al., ibid, Gent et al., [Applied Optics 29:2843-2849, 1990]
【非特許文献９】
Matsubaru et al., [Applied Optics 27:1160-1163, 1988]
【非特許文献１０】
Homola J., et al, Sensors and Actuators B, B51 (1-3), Aug. 1998, p.331
【非特許文献１１】
Kabashin A.V et al, Sensors and Actuators B, B54 (1-2), Jan. 1999, p.51
【特許文献７】
米国特許第５，３５９，６８１号明細書
【特許文献８】
米国特許第４，１３６，５６６号明細書
【特許文献９】
米国特許第４，３５５，９１０号明細書
【特許文献１０】
米国特許第５，６４６，４０１号明細書
【特許文献１１】
米国特許第５，２０２，９３９号明細書
【特許文献１２】
米国特許第５，３９２，１１７号明細書
【非特許文献１２】
[IEEE J. on Selected Topics in Quantum Electronics, V 6, N 6, Nov 2000, p.978]
【特許文献１３】
米国特許第５，２９１，５０２号明細書
【非特許文献１３】
[Appl. Phys. Lett. 68(7), Feb. 1996 p.891]
【非特許文献１４】
[Electronics Letters, May 1999, V.35, N.11 p.900]
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明は、数オーダーの大きさで従来技術よりも低コストで様々な物理パラメータを測定するために集積されたＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬを有し、強化された正確度、堅固さ、及び信頼性という追加された利点を有する、あらゆる種類のブラッグ格子センサ、特性吸収体／反射体センサ、エタロンセンサ、及び表面プラズモン共鳴センサを走査する光波長手段を提供する。
【００１４】
より詳細には、この発明は、説明に役立つ実施例として、様々な物理的、化学的、又は生物学的パラメータの静的値及び動的値を決定するために、かつさらに走査サイクルの間の波長の正確さを保証する手段を提供するために埋め込まれた、ブラッグ格子又はここで述べられるような他の種類のセンサを有する光ファイバ又は光導波管と接続する診断装置を提供する。
【００１５】
本発明の好ましい説明に役立つ実施例の一側面によれば、光センサ診断装置は、電圧又は他の制御信号に応答して波長同様可能光を与えるための集積ＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬを含み、可変光は光導波管に向けて放たれる。可変光の経路に配置された少なくとも一つの光センサは、関連する局所的な振幅の極小点、極大点、又は傾きを有する反射光を提供する。前記局所的な振幅の極小点が前記局所的な振幅の極小点の内側に一つ又は複数の局所的な振幅の極大点を含む一方で、前記局所的な振幅の極大点は、前記局所的な振幅の極大点の内側に一つ又は複数の局所的な振幅の極小点を含むことができる。前記振幅の極小点、極大点、又は傾きにおける波長は、対応するセンサに課される環境刺激に応答して変化する。同調可能ＶＣＳＥＬは、振幅の極小点、極大点、又は傾きの関連する波長バンドにわたって各センサを個々に照明する。同調可能ＶＣＳＥＬとセンサとの間の可変光の経路に配置された光サーキュレーション装置（optical circulation device）は、反射光から同調可能ＶＣＳＥＬを分離し、各センサからの反射光を、反射光を検出しかつ反射光の出力を示す電気検出信号を与えるために配置された光検出器手段へ導く。同調調整器は、可変電圧又は他の信号を可変光の所望の波長を示す同調可能ＶＣＳＥＬへ提供する。電気検出信号に応答する信号処理装置は、環境刺激による波長の極小点、極大点、又は傾きの大きさの変化を解釈し、前記刺激を示す信号を与える。
【００１６】
この発明の説明に役立つ実施例によって与えられる他の側面によれば、光センサ診断装置は、電圧又は他の制御信号に応答して波長可変光を提供するために集積ＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬを含み、可変光は光導波管に向けて放たれる。可変光の経路に配置された少なくとも一つの光センサは、関連する局所的な振幅の極小点、極大点、又は傾きを有する透過光を与える。前記局所的な振幅の極小点が前記局所的な振幅の極小点の内側に一つ又は複数の局所的な振幅の極大点を含む一方で、前記局所的な振幅の極大点は、前記局所的な振幅の極大点の内側に一つ又は複数の局所的な振幅の極小点を含むことができる。前記振幅の極小点、極大点、又は傾きにおける波長は、対応するセンサに課される環境刺激に応答して変化する。同調可能ＶＣＳＥＬは、振幅の極小点、極大点、又は傾きの関連する波長バンドにわたって各センサを個々に照明する。同調可能ＶＣＳＥＬとセンサとの間の可変光の経路に配置された光アイソレーション装置（optical isolation device）は、反射光から同調可能ＶＣＳＥＬを分離する。前記少なくとも一つの光センサを透過した光は、出射ファイバによって、透過光を検出しかつ透過光の出力を示す電気検出信号を与えるために配置された光検出器手段へ向けられる。同調調整器は、可変電圧又は他の信号を可変光の所望の波長を示す同調可能ＶＣＳＥＬへ提供する。電気検出信号に応答する信号処理装置は、環境刺激による極小点、極大点、又は傾きの大きさの波長における変化を解釈し、前記刺激を示す信号を与える。
【００１７】
本発明の好ましい説明に役立つ実施例の一側面によれば、前記光センサは、反射ブラッグ格子型（reflective Bragg grating type）である。各センサに対して異なる反射波長で極大点の内側に極大点又は極小点を有するセンサは光を反射し、センサに課されるひずみ、圧力、温度、電流、又は磁場のような環境刺激のためにスペクトル位置を変える。
【００１８】
本発明の好ましい説明に役立つ実施例の他の側面によれば、前記光センサは、透過ブラッグ格子型（transmittive Bragg grating type）である。各センサに対して異なる透過波長で極小点の内側に極小点又は極大点を有するセンサは光を透過し、センサに課されるひずみ、圧力、温度、電流、又は磁場のような環境刺激のためにスペクトル位置を変える。
【００１９】
本発明の好ましい説明に役立つ実施例のさらなる側面によれば、前記光センサは反射エタロン型（reflective etalon type）である。各センサに対して異なる反射波長で極大点、極小点、又は極大点及び極小点を有するセンサは光を反射し、センサに課されるひずみ、圧力、温度、電流、又は磁場のような環境刺激のためにスペクトル位置を変える。
【００２０】
本発明の好ましい説明に役立つ実施例のさらなる側面によれば、前記光センサは透過エタロン型（transmittive etalon type）である。各センサに対して異なる透過波長で極大点、極小点、又は極大点及び極小点を有するセンサは光を透過し、センサに課されるひずみ、圧力、温度、電流、又は磁場のような環境刺激のためにスペクトル位置を変える。
【００２１】
本発明の好ましい説明に役立つ実施例のさらなる側面によれば、前記光センサは反射表面プラズモン共鳴型（reflective Surface Plasmon Resonance type）である。各センサに対して異なる反射波長で極大点又は極小点を有するセンサは光を反射し、センサに課される温度、生物学的刺激、又は化学的刺激のような環境刺激のためにスペクトル位置が変わる。
【００２２】
本発明の好ましい説明に役立つ実施例のさらなる側面によれば、前記光センサは透過表面プラズモン共鳴型（transmittive Surface Plasmon Resonance type）である。各センサに対して異なる反射波長で極大点又は極小点を有するセンサは光を透過し、センサに課される温度、生物学的刺激、又は化学的刺激のような環境刺激のためにスペクトル位置が変わる。
【００２３】
本発明の好ましい説明に役立つ実施例のさらなる側面によれば、前記光センサは特性吸収体／反射体型（characteristic absorber/reflector type）である。同調可能工の経路に配置された前記特性吸収体／反射体センサは、関連する局所的な振幅の傾き又は局所的な振幅の極小点を有する透過光を与え、透過光の波長は、センサに課される温度のような環境刺激のためにスペクトル位置を変える。反射手段が、光がミラーによってセンサのそれぞれを２重に通過し、時間領域多重が利用されるように光路に配置されている場合には、この実施例はまた、メインファイバに連結される多重センサを用いて、反射モードで実現することができる。極小点を示す吸収体／反射体の場合には、波長分割多重はある程度利用することができ、極小点の幅は利用可能な同調スペクトルの一部として与えられる。この実施例の実施におけるアイソレータは、サーキュレータ手段に取って代わらねばならない。
【００２４】
本発明の説明に役立つ実施例は、アイテム又は構造の音響摂動又は振動摂動（acoustic or vibratory perturbations）、及び化学パラメータ及び生物学パラメータと同様、静的かつ動的なひずみ、圧力、温度、電流、及び磁場を測定するためにリモート光ファイバセンサ装置と協働する、低コストで、使用可能で、実用的な診断装置を提供する。リモートセンサは、金属材料、プラスチック材料、複合材料、又は拡大、収縮、又は振動するあらゆる他の材料から形成された構造上に配置され得るか、あるいはセンサは、そのような構造内に埋め込まれ得るか又は液体又は気体に浸漬され得る。本実施例はまた、滑らかにかつ単調に、特に時間と共に直線的に又は正弦波的に同調可能な波長同調可能ＶＣＳＥＬを提供する。本実施例はさらに、各センサを個々に照明することを提供し、これにより全ての同調可能ＶＣＳＥＬの出力は、調子を合わせてあらゆる瞬間に単一の狭い波長バンドに在留することができる。結果として、各光センサからの反射光又は透過光は高い強度を有し、これにより、広帯域源を用いて同時に全てのセンサを照明する装置よりもずっと大きな、そのような反射光又は透過光の信号対雑音比が与えられる。同調可能ＶＣＳＥＬを１００万当たり数部分に超微細同調すると、高分解能及び改善されたコンピュータ方法及び統計処理のために、他のオーダーの大きさで精度が増加することが可能になる。ＭＥＭＳ同調機構の質量が非常に低いと、非常に低いヒステリシスを有する非常に高い同調速度が可能となり、多くのデータ点を有するセンサ装置における光学雑音を平均化する能力が与えられ、波長におけるデータ間隔を非常に近くすることができる。
【００２５】
この発明の前述及び他の目的、特徴、及び優位点は、添付の図面に図示されたような次の例として役立つ実施例の簡単な記述を考慮に入れてより明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は、カンチレバーミラー及び任意レンズの形態の集積ＭＥＭＳ（micro-electromechanical machined system）同調機構の一実施例を組み入れるＶＣＳＥＬの実例となる概略図である。基板チップ３０が製造され、ウエハ形態の場合には、光放出ＶＣＳＥＬ３１を形成する材料の多層フィルム積層と、同調キャビティ長さ３８を変更する、ミラー積層３２、アクチュエータ、及び構造手段３３からなる同調構成要素と、回折光学レンズ３４（任意）と、容量性カンチレバー位置モニタ３５（任意）と、方向３６及び／又は３７に放出される光ビームと、が製造される。ミラー３２又は積層３１の底部のどちらかが不透明である場合には、光は一つの方向３７又は３６にのみそれぞれ放出される。両方向の放出は、両方３２及び３１が部分的に透明である場合に可能である。この構成により、スペクトル出力の均一性を制御する目的でフォトダイオード３８を用いて光出力をモニタする最も簡単な手段が与えられる。電気の接続は簡単のため示されていない。
【００２７】
図２Ａは、この発明の一側面に従って与えられた診断装置４０の典型的な実例となる実施例を示す。より詳細には、図２Ａは、光励起源として同調可能ＶＣＳＥＬを、検出器としてフォトダイオード又は同様の簡単な装置を利用する反射モードで静的かつ動的な物理的刺激、化学的刺激、又は生物学的物理的刺激の値を決定することのできる、説明に役立つ典型的なセンサ診断装置の第１状態を示す概略ブロック図である。好ましい実施例の診断装置４０は、ＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬ３０と、ファイバ光結合手段４１と、光サーキュレータ４７と、波長基準４３と、外部ファイバ４４と、センサ又はセンサアレイ４５への結合手段と、光検出器４８と、制御ブロック４９と、を含む。前記説明に役立つ実施例では、同調可能ＶＣＳＥＬ３０はファイバ連結器４１に必要な手段と一緒に組み立てられており、放射光線は正確な波長基準４３を与えるとともに、反射モードでレーザ光を光センサ又はセンサアレイへ伝達するためにＶＣＳＥＬ組立体を外部ファイバ４４へ連結する。カプラー（連結器）又はサーキュレータ４７は、センサ４５から光検出器４８へ反射された光信号を方向転換するために与えられねばならず、光検出器からの電気信号は制御ブロック電子回路４９及び必要に応じて外部電子回路へ中継される。サーキュレータはまた、後方反射光（back-reflected light）からＶＣＳＥＬを分離する機能を与える。カプラーが光を検出器へそらすために用いられる場合には、接続していないアイソレータは検出器とレーザとの間に組み込まれなければならない。制御ブロック４９は、熱電素子又は他の手段を介してレーザ温度を制御するかも知れないし又は制御しないかも知れず、必要に応じてモニタフォトダイオード３８からの信号に従ってレーザ出力を調整するかも知れないし又は調整しないかも知れない。
【００２８】
この実施例では、同調可能ＶＣＳＥＬ３０は、制御ブロック４９によって与えられるチューナ制御信号に応答して波長可変光を提供する。同調可能ＶＣＳＥＬ３０によって与えられるこの可変光は、光ファイバのような光導波管４４へ向けて放たれる。少なくとも一つの光センサを与える、この実施例ではブラッグ格子センサアレイであるセンサ又はセンサアレイ４５は、可変光の経路に配置される。センサアレイ４５は、互いにスペクトルを区別でき、個々の反射波長において異なる、重なり合わない、関連する振幅反射の極大点を有する光をそれぞれが反射する、個々のブラッグ格子を含む。典型的な実施例では、アレイ４５において各ブラッグ格子によって反射される振幅極大点の波長位置は、対応するセンサに課される物理的刺激又は摂動に応答して変化する。
【００２９】
同調可能ＶＣＳＥＬ３０は、出力スペクトルを連続的に走査することによって、各センサと結びつけられた極大反射又は極小反射の波長を含む波長バンドで、センサアレイ４５内で順に各センサを個々に照明する。光サーキュレータ４７のような光アイソレーション及び方向づけ装置は、同調可能ＶＣＳＥＬとセンサアレイ４５との間の可変光の経路に配置される。サーキュレータは、センサアレイ４５によって反射された光から同調可能ＶＣＳＥＬを効率よく分離し、反射信号をサンプル、及びフォトダイオードのような光路に配置された安価な光検出器４８へ方向転換する。検出器４８は、同調制御信号及び利用されるならば波長基準４３を通じて波長に直接結びつけられる反射光の出力を示す電気検出信号を与える。走査サイクルの間に得られる一連の光信号は、付加的な波長正確度のために組み入れられ得る一つ又は複数の波長基準装置４３からの一つ又は複数の吸収又は反射バンドを含むことができる。前記基準信号は、センサによって測定される外部刺激のいずれを用いても波長位置を変化させず、同調制御信号に間に合って関連づけられ得る。
【００３０】
制御ブロック４９は、同調可能ＶＣＳＥＬ３０に対する可変電圧又は他の同調信号を波長基準の波長に調整することによって典型的実施例において光検出器４８からの電気検出信号に応答し、これにより前記同調信号が前記ＶＣＳＥＬに与えられる。制御ブロック４９はまた、各センサにおいて物理的、化学的、又は生物学的刺激による極大反射の波長のずれを検出するために電気検出信号に応答する信号処理装置を含み、かつ／又は各センサに対する刺激を示す信号を与えるために外部電子回路と協働し得る。制御ブロック４９はまた、いくつかの公知の手段のいずれかによってレーザ温度を制御し、独立したモニタ検出器３８（図１）を用いて波長に関して一定の出力を抵抗するためにレーザ出力を調整することもできる。
【００３１】
より詳細には、図２Ａを参照すると、診断装置４０は、この実施例（図１）では２つの異なる材料３１が交互になった複数の４分の１波長層からなる後部反射器積層（rear reflector stack）と、活性材料３１を含むファブリー・ペロ空洞領域（ここでは固体光共振器）と、図示されたようにカンチレバー上に透明材料からなる異なる屈折率を有する複数の可動懸垂ミラー層（movable, suspended mirror layers）として作られた、あるいは交互に、アルミニウムのような反射又は部分的に反射する単一層として作られた上部反射体３２と、を有する同調可能ＶＣＳＥＬ３０を含む。可動ミラー構造の該構造の残部に対する相対的な位置は、静電場又は他の制御力を適用することによって変えることができ、可変光共振器３８（ここでは空気又は真空光共振器）を形成する。ミラー構造は、選択エッチング及びリリース技術による他の手段によってつり下げられたダイアフラムの形態で形成することができ、構造の残部に対する相対的な位置はまた、静電力、磁力、又は他の力を適用することによって変えることができる。この結果、キャビティ３８を形成する２つの反射体の間の有効見通し距離（effective optical distance）が調整できる。共鳴波長はこの距離に依存するので、同調可能ＶＣＳＥＬの特性波長は、例えば適用された電圧、このため上部反射体と装置の残部との間の静電場を変更することによって絶えず調整される。
【００３２】
レージングを達成するために同調可能ＶＣＳＥＬ３０内にエネルギーを供給することが望まれている。エネルギーは光ポンピング手段又は電気ポンピング手段（ｐ−ｎ又はｐ−ｉ−ｎ接合）によって供給され得るということに留意されたい。両方法ともセンサ装置に適しているが、電気的にポンプされた実施例が、コストが低くかつ最も簡単であるという点から好まれる。
【００３３】
同調可能ＶＣＳＥＬの動作波長は、通信波長バンド内（Chang-Hasnain [IEEE J. on Select. Topics in Quantum Electronics, V 6, N 6, Nov 2000, p.978] Vkhshoori [Electronics Letters, may 1999, V.35, N.11 P.900]）に、又は９６０ｎｍ付近（J. S. Harris, [Appl. Phys. Lett. 68 (7), Feb. 1996 p.891]）に、又はＶＣＳＥＬが製造されるあらゆる他の所望のバンドにあり得る。同調可能ＶＣＳＥＬ３０とブラッグ格子又は他の種類のセンサ４５との間の距離が約１ｋｍを上回らない場合には、多くの波長バンドが使用できる。この距離が約１ｋｍを上回る場合には、通信バンドではない波長において損失が大きくなり過ぎる可能性があり、通信波長バンド内で放出する同調可能ＶＣＳＥＬ３０の方がより適していることもある。
【００３４】
制御ブロック４９（図２Ａ）内の電流制御回路は、出力光の強度を制御する同調可能ＶＣＳＥＬ３０へ電流を供給する。ダイオード（ＶＣＳＥＬ活性領域３１）を流れる電流を調整することによってまた、わずかな波長の変化が引き起こされる。しかしながら、この影響はこの用途では重要ではない。パルス光を発生させるためにパルス電流が用いられ得、パルス光は時分割多重（ＴＤＭ）に要求される（ＴＤＭは同調可能ＶＣＳＥＬ３０とセンサアレイ４５との間の至る所に電気光学変調器を配置することによって実現され得ることに留意されたいのではあるが）。加えて、温度制御回路は、説明に役立つ実施例において、電流駆動（current drive）を熱電（ＴＥ）冷却器へ供給して、必要ならば同調可能ＶＣＳＥＬ３０の温度を安定させるために用いられ得る。望まれるなら温度を制御するために他の装置を用いることもできる。電圧制御回路は、可動反射体３２と同調可能ＶＣＳＥＬ３１の活性層との間の静電力を制御するために用いることができ、かつそのような手段によって、説明に役立つ実施例において同調可能ＶＣＳＥＬによって放射される波長を制御することができる。ＶＣＳＥＬ同調ミラーを位置させるために静電以外に他の制御機構を用いることができ、同調信号は電圧であってなくてもよい。
【００３５】
全ての典型的な実施例において、同調可能ＶＣＳＥＬ３０は、同調可能ＶＣＳＥＬの付近にかつ放射光線の伝播方向（butt-coupring方法）に垂直に配置されたファイバ４１の端面か、又は、光ファイバ構成要素アイソレータ４２又はサーキュレータ４７に集束光を供給する構成要素４１とも表される集束レンズ、のどちらかに、発散する出力光ビームを供給することができる。レンズは代わりに、この機能を与えるレンズシステムとすることもできる。レンズはまた、ファイバ４１付近のＶＣＳＥＬミラーの表面又は光ビーム３６の経路におけるチップの裏面にフォトリソグラフィで書かれる回折要素３４として実現することができる。
【００３６】
光サーキュレータ４７は、一列に配置された光アイソレータ４２及び波長独立２方向スプリッタ（wavelength-independent two-way splitter）で置き換えることができることに留意されたい。光パワーの少なくとも半分はそれぞれの方向を進行中に失われるが、この方法はさほど高価でない。加えて、後方反射光の抑制を非常に強くする必要がある場合には、光アイソレータは、同調可能ＶＣＳＥＬ３０と光サーキュレータ４７との間に配置することができる。この実施例では、センサは、ファイバブラッグ格子、平面ブラッグ格子、表面プラズモン共鳴センサ、ファブリー・ペロエタロンセンサ、又は特性吸収体／反射体センサとすることができる。
【００３７】
加えて図２Ａの実施例では、同調可能ＶＣＳＥＬ３０からの光は、光ファイバ４４に沿って間をおいて配置されたセンサのアレイから構成されたセンサ４５へ向けて伝播する。センサアレイ４５内の各ブラッグ格子センサは、所定の狭い光の波長バンドを反射し、次のセンサへ向けて残りの波長を通過させる。したがって、透過ビームは、反射バンドに対応する狭い吸収バンドを含むが、残りの光は他のセンサで使用するために利用することができる。アレイ４５のセンサは、説明に役立つ実施例では、並列又は直列に配置することができ、かつ波長分割多重（ＷＤＭ）及び／又はＴＤＭによって多重化され得る。ＴＤＭが当業者に知られたあらゆる技術によって、同一の中心反射波長を有することもあるか又は有することができないセンサ間に意図的に導入された時間遅延によって実現することができる一方で、ＷＤＭは、異なる中心反射波長を有するセンサ４５によって実現することができる。この実施例では、センサは、ファイバブラッグ格子、平面ブラッグ格子、表面プラズモン共鳴センサ、特性吸収体／反射体センサ、又はファブリー・ペロエタロンセンサとすることができる。
【００３８】
図２Ｂは、この発明の第２側面に従って提供された診断装置４０の典型的な説明に役立つ実施例を示す。図２Ｂは、光励起源として同調可能ＶＣＳＥＬを、検出器としてフォトダイオード又は同様の簡単な装置を必然的に利用する、透過モードで静的かつ動的な物理的刺激、化学的刺激、又は生物学的刺激の値を決定することのできる、説明に役立つ典型的なセンサ診断装置の第１状態を示す概略ブロック図である。好ましい実施例の診断装置４０は、ＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬ３０と、ファイバ光結合手段４１と、光アイソレータ４２と、波長基準４３と、外部ファイバ４４と、センサ又はセンサアレイ４５に対する結合手段と、出口ファイバ４６と、光検出器４８と、制御ブロック４９と、を含む。前記説明に役立つ実施例において、同調可能ＶＣＳＥＬ３０は、ファイバ連結器４１に必要な手段とともに組み立てられ、放射光線は、後方反射からＶＣＳＥＬを分離４２し、正確な波長基準４３を与え、透過モードでレーザ光を光センサ又はセンサアレイ４５へ伝達するためにＶＣＳＥＬ組立体４０を外部ファイバ４４へ連結する。出口光ファイバ４６は、センサ又はセンサアレイ４５を通過した光出力を光検出器４８へ連結するために設けられ、光検出器からの電気信号は、制御ブロック電子回路及び要求されるような外部電子回路へ中継される。制御ブロックは、熱電素子又は他の手段を介してレーザ温度を制御することができるか又は制御することができず、要求されるように、モニタフォトダイオード３８からの信号に従ってレーザ出力を調整することができるか又は調整することができない。
【００３９】
この実施例では、センサアレイ４５は、スペクトルを互いに区別できる個々の透過波長において、異なり、重ならない、関連する振幅透過極小点を有する光をそれぞれが透過させる個々のブラッグ格子を含む。典型的な実施例では、アレイ４５の各ブラッグ格子によって透過された振幅極小点の波長位置は、対応するセンサに課される物理的刺激又は摂動に応答して変化する。アレイ４５のセンサは、説明に役立つ実施例では、並列又は直列に配置することができ、波長分割多重（ＷＤＭ）によって多重化され得る。ＴＤＭはこの実施例では適用できない。この実施例の他の側面は、図２Ａに描かれた第１実施例と同じである。この実施例では、センサは、ファイバブラッグ格子、平面ブラッグ格子、表面プラズモン共鳴センサ、特性吸収体／反射体センサ、又はファブリー・ペロエタロンセンサとすることができる。
【００４０】
図２Ａ及び図２Ｂで説明された好ましい実施例では、ファイバ４４及びセンサアレイ４５は、動的又は静的なひずみ及び／又は温度及び／又は圧力及び／又は電流及び／又は磁場のような摂動変化に対して監視されている構造に結合され得るか又は埋め込まれ得る。構造は、金属材料、プラスチック材料、複合材料、又はあらゆる他の材料から形成することができ、センサは、構造上に又は構造内に配置され得る。
【００４１】
信号処理回路（図２Ａ，２Ｂ）は、電気信号を解析し、構造内のセンサによって測定されている摂動を示す複数の出力電気摂動信号を提供する。時間多重化されているか又は各センサに対して連続デジタルデータを与える単線を用いることもできることを理解されたい。
【００４２】
図２Ａ及び図２Ｂに例証された実施例において、制御ブロック４９内の波長同調制御電子回路は、図３Ａ〜図３Ｊに例証された制御信号波形を生じさせるためにファンクションジェネレータを含んでもよい。図３Ａ〜図３Ｊは、Ｖｔで表され、同調可能ＶＣＳＥＬ３０に適用される、典型的な説明に役立つ時間変化同調制御信号を示す一連のグラフである。出力波長λと、反射及び透過モードで時間及び波長の両方に従う、センサ４５からの結果の光パワースペクトルと、が同様に示されている。示されている波形は、のこぎり波（３Ａ〜３Ｄ）、正弦波（３Ｅ〜３Ｈ）、及び三角波（３Ｉ，３Ｊ）であるが、多くの他の波形を用いることができる。波長対時間が正確に知られるべきであり、線形三角波（３Ｉ，３Ｊ）がこの点から優れていることは、センサ装置の作動にとって重要である。三角波はまた、１サイクルに２回全てのセンサ４５を読み取ることを可能にする。典型的な実施例において、制御信号Ｖｔは、ＶＣＳＥＬ３０内の空洞３８の膨張又は収縮に直接関係し、このため出力光の波長λは適用された制御信号Ｖｔに比例して変化する。このように、光の波長λは、λ１からλ２へ線形に変化する。波長の範囲には、センサからの少なくとも一つのピーク反射又は透過極小点波長λｂが含まれ、任意にＷＲで示されている波長基準から少なくとも一つのピーク又は極小点が含まれる。図面の簡単化のために、ちょうど一つのセンサからの反射又は透過が示されている。また例証を簡単にするために、１サイクルに２回発生するセンサ信号を有する３Ｃから３Ｄと同様に、三角波に対する光パワーグラフは示されていない。
【００４３】
三角波（図３Ｉ，３Ｊ）は、波長対時間の線形的な依存関係を与えているが、本来装置内へ高周波、すなわちリンギング（ringing）を誘導する波形が不連続であるという不利な点を有する。リンギングは、当技術で知られている様々な手段によって濾過することができるが、時間及び効率の面で不利益をこうむる。正弦制御信号は、周波数安定性と、三角波のような不連続な施行関数が適用される場合には機械的構造に要求される安定化時間が除去されることによってずっと速い走査速度を有する出力維持走査とを与える。正弦波を用いると、全体のスキャンは数マイクロ秒又はより短い時間で起こる。これは従来のレーザに対して２オーダーの大きさで速度の利点があり、これにより、より優れた統計平均技術を用いることができ、非スペクトルシフトセンサ（例えばバンドギャップ半導体又は他の特性吸収体／反射体）を、光学雑音干渉が最小となるのに十分速く走査することができる。正弦波に対する光パワーセンサ信号は、ちょうどよい信号の非線形性を示す図３Ｇ及び図３Ｈに概略的に示されている。
【００４４】
波長範囲を走査する結果として、光検出器４８に対する入力における光信号と光検出器からの電気信号とは、反射モードに対しては図３Ｃ又は図３Ｇに示されるように、透過モードに対しては図３Ｄ又は図３Ｈに示されるように現れる。特に、光検出器からの電気信号は、各センサの中心波長λａに調整された出力において鋭い増加又は減少を経る。ＴＤＭがまた用いられる場合には、出力はいくぶんより複雑となるが、当業者は知っている。正弦駆動に対する走査の結果は図３Ｇ，３Ｈに与えられている。
【００４５】
説明に役立つ実施例において、付加的な信号処理電子回路と協働する制御ブロック４９は、どの波長で信号レベルの極大又は極小が起こるかを決定し、かつ乱されていないセンサの波長の極大又は極小からの変化量を決定することによって、センサ刺激の静的又は動的な値を決定する。校正は、刺激パラメータの変化と波長の対応する変化との間の関係を定義する。波長値は、波長制御信号を監視し、必要に応じて波長基準４３又はミラー３２位置フィードバック３５（容量性）と波長制御信号を比較することによって決定される。この信号は同調可能ＶＣＳＥＬ３０の波長に直接関係するので、この信号は、直接比例する瞬間波長値を与える。当業者に知られている多くの計算アルゴリズムは、極小点又は極大点の波長位置を決定することができる。図示の目的でのみ、可能なアルゴリズムの一つが以下に述べられる。比較的少ないデータ点から極値の位置を計算する能力によって、より低額の計算間接費を用いて正確度を高めることができる。
【００４６】
各フル同調可能ＶＣＳＥＬ波長スキャンの間、Ｎ個の強度測定点が取られる。制御ブロック４９の信号処理装置及び光検出器４８は、ＧＨｚ周波数で公知技術によって作動するよう形成することができ、数Ｎは、たとえ同調可能ＶＣＳＥＬが数１０ｋＨｚの最大同調速度で作動しても、十分に大きい。同調可能ＶＣＳＥＬがたった１ｋＨｚの周波数（各スキャンは１ミリ秒かかる）で作動し、非ＭＥＭＳ同調可能レーザから一般的に利用できるよりも２オーダーの大きさで速いと仮定する。この場合、少なくとも１００，０００強度の測定が各スキャンの間に行われ得る。同調可能ＶＣＳＥＬの最大波長範囲をさらに仮定することは、５０ｎｍを超えず、強度測定は０．５ピコメートルごとに形成されうる。通信技術は数１０ＧＨｚに進んでしまい、より遅い走査速度が実際の刺激で耐えられ得るので、より高い波長分解能を得ることができる。さらに、典型的なブラッグ反射ピーク（又は透過極小点）の波長の幅は数１００ピコメートルのオーダーなので、図２Ａ及び図２Ｂに示された実施例は、極端に高い波長分解能を得ることができる。ずっと狭い（２０ピコメートル又はそれよりも狭い）ピーク又は谷が（それぞれ）一次谷又はピークの内側に組み込まれている、位相ずれを使用するブラッグ格子の実施例において、示されたように、得ることのできるセンサデータ速度により、いくつかのデータ点を位相ずれバンド内に取ることができる。このため、順に数学的に滑らかで連続した時間の関数Ｆ（ｔ）によりセンサアレイからスペクトルデータを補間することができる。次いでＦ（ｔ）は、用いられるＶＣＳＥＬ同調ドライブの種類に従って、波長の関数Ｆ（λ）に、又は測定されているパラメータの関数へ直接、変形され得る。多くの利用できる数学的な技術及びその電子的手段は、当技術に知られている。用いられる場合には、波長基準は、同一の方法で解析され得る。以前のＦ（λｓ）及び波長基準と比較することにより各センサに対する波長変化を計算するために、さらに単純なアルゴリズムが用いられる。
【００４７】
静電容量のような、カンチレバー位置監視手段又はダイアフラム位置監視手段からの同調制御信号又はフィードバックを頼る代わりに、時間に対してＶＣＳＥＬ波長を調整するために、少なくとも一つのブラッグ格子、ファブリー・ペロエタロン、又は吸収セルの形態の、付加的なひずんでいないか又は揺らいでいない基準手段が、４３で光路に挿入され得る。前記基準格子又はセルは、同調範囲内に少なくとも一つの反射ピーク又は吸収谷を生じさせねばならず、かつあらゆるセンサ波長バンドと干渉してはいけなく、かつ同一の波長位置に常に位置するλｒｅｆ１，λｒｅｆ２，λｒｅｆ３，．．．λｒｅｆｎで複数の極値を与えることができる。そのような基準波長と共に、電圧又は他の同調信号の所定のサイクル速度又は波形の知識は、レーザ波長を用いて各新しい同調サイクルの開始を同期させるのに十分な情報を信号処理回路に与える。波長基準点の数は、レーザ同調機構の正確度及び線形性と要求される物理パラメータ測定の正確度とによって決定される。最も少ない基準点は、最も経済的な装置に与えられる。一つ又は複数の基準ブラッグ格子の代わりに、多くの高微細ファブリー・ペロ空洞フィルタを用いることができる。波長精度を維持する他の適用できる方法は、光路にアセチレンセルを配置することである。アセチレンは、サイクルごと又はサイクルの半分ごとに装置を校正するために用いられ得る通信波長バンドに、多くの非常に鋭い吸収ピークを示す。他の技術がまた、校正精度を当業者に必要なレベルに維持するために使用され得る。
【００４８】
実施例は、環境刺激を検出するセンサとしてブラッグ格子を用いるものとして最も頻繁に述べられてきたが、狭い反射又は透過波長バンド、又は遷移傾き（transition slope）（例えばバンドギャップ半導体）、又は適用される摂動で変化するあらゆる他の反射又は透過スペクトル特性を有するあらゆる反射又は透過装置を用いることができる。そのようなセンサのいくつかの例は、ファブリー・ペロ空洞圧力、温度、及び／又は変位センサ、導波管、及び表面プラズモン共鳴に基づくバイオセンサ及び／又はケミカルセンサ、半導体バンドギャップひずみ、温度、又は圧力センサ、及び蛍光及び振動材料を含む。後者の２種類の材料では、吸収バンドは、半導体のものよりもずっと狭く、使用スペクトル範囲において蛍光性の光出力を示す必要はない。
【００４９】
表面プラズモン共鳴に基づくセンサ透過スペクトルの例は、図４に与えられている。表面プラズモンによって生じる曲線の谷は、例えばセンサ表面に吸着されるときに検出すべきバイオマス標本によって波長がシフトする。前記シフトの絶対値は、例えば溶液中の試薬の濃度についての非常に正確な情報を与える。加えて、前記シフトの一時的な振る舞いは、関連する化学相互作用の反応速度論についての上方を与えることもできる。ＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬの高い同調速度は、より速くかつより高い分解能動力学の研究を可能にし、適用範囲を広げることができる。光源としてＭＥＭＳ同調可能ＶＣＳＥＬ３０を使用すると、上述の種類のセンサ装置が著しくさほど高価でないものとなり、かつ従来技術のレーザ及び／又は光分光計を使用するものよりも機能的となり、かつ計算及び統計手段を通じて装置分解能が少なくとも１オーダーの大きさで増加する。表面プラズモン共鳴センサの他の特徴は、共鳴伝播谷が近赤外又は赤外スペクトル内のあらゆる所定の波長に位置され得るということである。このように、９５０〜９８０ｎｍで動作する同調可能ＶＣＳＥＬは例えば、コストにほとんど変化がないままで、１３１０ｎｍ及び１５５０ｎｍの範囲の通信バンドで動作するＶＣＳＥＬと同じ位等しく役に立つ。同調可能ＶＣＳＥＬセンサ装置のさらなる利点によれば、広範な種類のセンサ型及び材料を適切で安価な同調可能レーザと釣り合わせることができる。透過極小点における波長位置を抽出するための数学アルゴリズムは、上の反射又は透過ブラッグ格子センサに対して述べられたものと同様である。この場合の波長多重は、ＳＰＲ反射性極小点のより広い幅（典型的には数１０ナノメートル）と、ことによると２つのセンサと同じ位低い、同調可能ＶＣＳＥＬの極大同調波長範囲と、によって制限される。時分割多重もこの場合同様に適用できる。
【００５０】
半導体バンドギャップ吸収端温度センサの透過スペクトルの説明に役立つ実施例が図５Ａ〜図５Ｃに示されている。バンドギャップ端波長位置は、良く知られている数学及び物理公式に従う半導体温度の関数である。そのような吸収端は、図５Ａに示すように、温度が減少するとき全体として青色偏移し、温度が増加するときに赤方偏移する。この種の実例となるこの場合、半導体の塊の熱応答時間か又はファイバ回路の残部における吸収依存雑音（例えば微小まげ雑音）の速度及び／又は頻度のどちらかよりもずっと速い時間で走査プロセスが完了する場合には、走査された吸収端は、正確な温度又は圧力データを生じるのみである。これは、端の形状が非常に急速に追跡され得る場合を除いては、半導体の吸収は、吸収雑音と区別することができないからである。最も正確には、吸収の絶対値ではなく、光学雑音によってゆがめられていない吸収曲線のスペクトル形状が要求される。このように、この構成におけるＭＥＭ同調されたＶＣＳＥＬ３０の例外的な同調速度の優位点は、ミラー表面を用いて又は用いずに、電子レンジのような用途に優れた感度及び十分な正確度をもって、多くの半導体材料のチップを用いて可能な限り安価な光ファイバ温度センサを形成することである。さらに、そのようなセンサは、インジウム、アルミニウム、ガリウム及びヒ素、又はケイ素及びゲルマニウムの合金及び化合物のような、連続的に変化するバンドギャップを用いて利用できる合金組成を用いることによって、所望の温度範囲及びＶＣＳＥＬ特性に釣り合うように選択することができる。
【００５１】
図５Ｂ及び図５Ｃは、半導体の「ロングパス（long pass）」バンドのような、非常に幅の広い極大点を有する吸収バンドのスペクトル位置を正確に検出する改善された手段の説明に役立つ実施例である。図５Ｂに示すように、一次微分を取ることによって「Ｓ」形状の吸収曲線がピーク状の曲線に転換され得る。この場合の計算アルゴリズムは、したがって以前に述べられたブラッグ格子センサ及びＳＰＲに基づくセンサの場合と同様である。これは、透過の際に吸収体を通じて光の単一の経路に、又はミラー手段がセンサの出力側に利用される場合には材料を通じた２重の経路に、等しく適用できる。乱されていない波長から波長の変化量を正確に決定する第２手段は、図５Ｃに示すように、透過スペクトルの２次微分を取ることによって与えられ、これによりスペクトルのずれを定義するために「零交差」点を用いる機会が与えられる。純粋な半導体の場合、吸収端の波長依存性は非常に良く知られているので、センサは自らが校正する。合金の場合には、校正を行うことができる。当業者に知られている多くの計算アルゴリズムは、１次微分のピーク又は２次微分のゼロ交差点を利用して波長位置を決定することができる。スペクトルは、補間され得るか、滑らかにされ得るか、又は当業者に知られているあらゆる他の数学的解析にさらされ得る。
【００５２】
ブラッグ格子センサを参照すると、センサ４５は、センサを提供するファイバとして同一の種類のファイバ４４へ書かれる必要がなく、例えばセンサは、ファイバ４４へ接合することができるか、又は任意に当技術に一般的に知られている手段によってファイバへ連結された個別の平面チップとすることができる。
【００５３】
さらに、実施例は光ファイバ４４を使用するものとして述べられてきたが、あらゆる他の形態の光導波管を望まれるならば用いることもできる。
【００５４】
また、同調制御回路４９及び続く信号処理は、当技術で知られている多くの方法によってある程度ソフトウェア及びハードウェアを組み合わせて行うことができる、ということを理解されたい。
【００５５】
本発明は代表的な実施例に関して述べられかつ説明されてきたが、前述の及び様々な他の変更、省略、及び追加を、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる、ということは当業者に理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】カンチレバーミラー及び任意レンズの形態の集積ＭＥＭＳ（micro-electromechanical machined system）同調機構の一実施例を組み入れる実例となるＶＣＳＥＬの概略図である。
【図２Ａ】光励起源として同調可能ＶＣＳＥＬを、検出器としてフォトダイオード又は同様の簡単な装置を利用する反射モードで静的かつ動的な物理的刺激、化学的刺激、又は生物学的物理的刺激の値を決定することのできる、説明に役立つ典型的な非限定的なセンサ診断装置の第１状態を示す概略ブロック図である。
【図２Ｂ】光励起源として同調可能ＶＣＳＥＬを、検出器としてフォトダイオード又は同様の簡単な装置を利用する透過モードで静的かつ動的な物理的刺激、化学的刺激、又は生物学的物理的刺激の値を決定することのできる、説明に役立つ典型的な非限定的なセンサ診断装置の第１状態を示す概略ブロック図である。
【図３Ａ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｂ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｃ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｄ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｅ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｆ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｇ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｈ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｉ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図３Ｊ】同調可能ＶＣＳＥＬに適用される時間変化同調制御信号Ｖｔ及びセンサによって生成される結果スペクトル出力・透過及び／又は反射・信号を示す説明に役立つ典型的なグラフである。
【図４】物理的刺激、化学的刺激、又は生物学的刺激に応答してスペクトル出力の極小点の波長位置のずれを生み出すために表面プラズモン共鳴を利用するセンサの説明として役立つ典型的な透過光出力プロファイルのグラフである。
【図５Ａ】温度増加による波長のずれを示すバンドギャップ半導体の形態の特性吸収体／反射体のスペクトル出力伝送を示す説明として役立つ典型的な図である。
【図５Ｂ】出力伝送スペクトルの１次微分係数の知識を用いて波長のずれを決定する正確度の増加を示す図である。
【図５Ｃ】出力伝送スペクトルの２次微分係数の知識を用いて波長のずれを決定する正確度の増加を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
３０ 同調可能ＶＣＳＥＬ
４１ ファイバ光結合手段
４３ 波長基準
４２ 光アイソレータ
４４ 外部ファイバ
４５ センサ又はセンサアレイ
４７ 光サーキュレータ
４８ 光検出器
Claims (53)
- 同調制御信号に応答して波長可変光を提供する、集積ＭＥＭＳ波長チューナを含む同調可能ＶＣＳＥＬであって、前記可変光は光導波管へ放たれ、前記同調可能ＶＣＳＥＬは、移動可能同調ミラーと、前記移動可能同調ミラーの位置を検出しかつフィードバックを与える容量検出器又は光学検出器と、を含む同調可能ＶＣＳＥＬと；
前記可変光の経路に配置された少なくとも一つの光学センサであって、透過波長範囲内の特定波長に位置する、極小点、極大点、又は傾き、からなる群より選択された少なくとも一つの関連特性振幅特徴を有する透過光を与え、前記極小点、極大点、又は傾きの透過振幅それぞれにおける波長は、前記少なくとも一つのセンサに課される環境刺激に応答する、少なくとも一つの光学センサと；を含み、
前記同調可能ＶＣＳＥＬは、前記関連特性透過振幅特徴の前記波長位置にわたる波長範囲で前記少なくとも一つのセンサを個別に照明する；ものであり、
前記同調可能ＶＣＳＥＬと前記少なくとも一つのセンサとの間の前記可変光の経路に配置された光アイソレータであって、前記少なくとも一つのセンサから反射された光から前記可変光源を分離する光アイソレータと；
前記透過光の経路に配置された光検出器であって、前記少なくとも一つのセンサからの前記透過光を検出し、かつ所定の波長範囲にわたって前記透過光の出力を示す電気検出信号を与える、光検出器と；
前記可変光の所望の波長を示す前記同調可能ＶＣＳＥＬへ可変同調制御信号を与える制御装置と；
前記同調制御信号と前記光の経路に配置された移動可能ミラー位置検出器とから独立した少なくとも一つの波長基準と；
前記電気検出信号に応答する信号処理装置であって、前記環境刺激、すなわち前記環境刺激の変化によって引き起こされる特性透過振幅特徴の前記波長の変化による、前記少なくとも一つのセンサに対する影響を量的に検出するために、特性透過振幅特徴に定められた波長を検出し、かつ前記刺激すなわち変化を示す信号を与える信号処理装置と；を含む
ことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
前記少なくとも一つのセンサは、複数の波長分割多重光センサであることを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
前記少なくとも一つのセンサは、複数の時分割多重光センサであることを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
前記少なくとも一つのセンサは、環境基準又は補償センサを含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
前記検出及び信号処理装置は、前記可変光が前記少なくとも一つのセンサに対する前記特性透過振幅特徴の静的値及び動的値を追跡することができるように電圧又は他の制御信号を調整し、これにより物理的刺激の出力特性として制御信号を利用し、全波長範囲を走査する必要をなくし、かつデータ収集速度を大いに増大させる、前記電気検出信号に応答する追跡装置を含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
前記制御装置は、所定の変調周波数で前記電圧制御信号を変調するための変調器を含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
前記信号処理装置は、前記電気検出信号を復調し、かつ復調信号を与える、前記変調周波数で動作する復調器を含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
前記信号処理装置は、前記各センサに対する前記特性透過振幅特徴の波長位置及び変化を決定する正確度及び精度を増加させるための計算要素を含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
前記少なくとも一つのセンサは、複数のセンサを含み；
前記制御装置は、前記同調可能ＶＣＳＥＬに前記複数のセンサの前記特性透過振幅特徴を横切る波長を走査させる目的で、前記制御信号を走査するスキャナを含み；
前記信号処理装置は、前記複数のセンサのうちどのセンサが照明されているかを決定し、これにより前記照明されているセンサの位置の前記環境刺激の値を決定するために、前記電圧制御信号又は他の制御信号に応答して、前記電圧制御信号または他の制御信号及び／又はミラー位置フィードバック信号の大きさから前記可変光の波長を決定する；
ことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
前記少なくとも一つのセンサは、複数のセンサを含み；
前記制御装置は、前記電圧制御信号が前記走査を開始及び終了するときを示す同期信号を与えるための、前記同調可能ＶＣＳＥＬに前記複数のセンサの前記特性透過振幅特徴を横切って走査させるように前記制御信号を走査するスキャナを含み；
前記信号処理装置は、前記同期信号に応答して、前記複数のセンサのうちどのセンサが照射されているかを決定し、これにより前記特性透過振幅特徴における前記波長の変化を測定する；
ことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
前記少なくとも一つのセンサは、少なくとも一つのファイバブラッグ格子又は平面ブラッグ格子を含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
前記少なくとも一つのセンサは、構造に位相のずれを与える少なくとも一つのブラッグ格子を含み、前記位相のずれは、前記伝播波長バンド極小点内でより鋭い極大点を生み出すことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
前記少なくとも一つのセンサは、少なくとも一つのファブリー・ペロエタロンを含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
前記少なくとも一つのセンサは、少なくとも一つの表面プラズモン共鳴構造を含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
前記少なくとも一つのセンサは、少なくとも一つの薄膜材料又はバルク材料特性吸収体材料を含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１５記載の装置において、
特性吸収体材料は、一つ又は複数の振動励起子材料又は振動蛍光材料を含むことを特徴とする装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
前記環境刺激は、機械的ストレス、温度、圧力、電流、電場、磁場、又は前記センサ上の化学材料又は生物材料、のあらゆる組み合わせを含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
ブラッグ格子、位相ずれブラッグ格子、ファブリー・ペロエタロン、又はガス含有チャンバからなる群の少なくとも一つを含む、あらゆる環境刺激からの影響を受けない少なくとも一つの波長基準が、前記光路に配置されていることを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項１記載の光センサ診断装置において、
前記波長基準は、アセチレンガスを含む少なくとも一つのガス含有チャンバを含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 同調制御信号に応答して波長可変光を与える、集積ＭＥＭＳ波長チューナを含むＶＣＳＥＬであって、前記可変光が光導波管に放たれるＶＣＳＥＬと；
前記可変光の経路に配置された少なくとも一つの光センサであって、それぞれが、限定されることなく、反射波長範囲内の特定波長に位置する、極小点、極大点、又は傾きからなる群からの少なくとも一つの関連特性振幅特徴を有する反射光を与え、各極小点、極大点、又は傾きの反射振幅における前記波長は、対応するセンサに課される環境刺激に応答する、少なくとも一つの光センサと；を含み、
波長範囲において前記センサのそれぞれを個別に照明する前記同調可能ＶＣＳＥＬは、前記関連特性反射振幅特徴の前記波長位置を測る；ものであり、
前記反射光の経路に配置された光検出器であって、前記センサのそれぞれから前記反射光を検出し、かつ前記適切な波長範囲の全体にわたって前記反射光の出力を示す電気検出信号を与える光検出器と；
前記同調可能ＶＣＳＥＬと前記センサとの間の前記可変光の経路に配置された光サーキュレータであって、前記センサから反射される光から前記可変光源を分離し、前記光を前記検出器へ導く光サーキュレータと；
前記可変光の所望の波長を示す前記同調可能ＶＣＳＥＬへ可変同調制御信号を供給する電圧制御装置または他の制御装置と；
移動可能同調ミラーの位置を検出し、フィードバックを与える容量検出器又は光検出器と；
前記光の経路に配置された移動可能ミラー位置検出器と前記同調制御信号とから独立した少なくとも一つの波長基準と；
前記環境刺激による前記センサに対する影響、前記環境刺激の変化によって生じる前記特性反射振幅特徴における前記波長の変化、を量的に検出するために、前記特性反射振幅特徴に定められる波長を検出し、かつ前記センサのそれぞれに対する前記刺激又は該刺激の変化を示す信号を与える、前記電気検出信号に応答する信号処理装置と；を含む
ことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
前記光センサは、波長分割多重されていることを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
前記光センサは、時間分割多重されていることを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
前記センサのうちの少なくとも一つは、環境基準センサ又は環境補償センサとして役立つことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
前記検出及び信号処理装置は、前記可変光が前記センサのそれぞれに対する前記特性反射振幅特徴の静的値及び動的値を追跡することができるよう前記電圧制御信号又は他の制御信号を調整し、これにより物理的刺激の出力特性として制御信号を利用し、全波長範囲を走査する必要をなくし、データ収集速度を大いに増加させる、前記電気検出信号に応答する追跡装置を備えることを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
前記電圧制御装置は、所定の変調周波数において前記電圧制御信号を変調する変調器を含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
前記信号処理装置は、前記電気検出信号を復調し、かつ復調信号を与えるための、前記変調周波数で動作する復調器を含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
前記信号処理装置は、前記特性反射振幅特徴の波長位置と前記センサそれぞれに対する波長位置の変化とを決定する正確度及び精度を増加させる計算を実行することを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
前記電圧制御装置又は他の制御装置は、前記同調可能ＶＣＳＥＬに前記センサのいずれか又は全ての前記特性反射振幅特徴を横切る波長を走査させるように前記電圧制御信号を走査するスキャナを含み；
前記信号処理装置は、前記電圧制御信号又は他の制御信号に応答して、前記電圧制御信号又は他の制御信号及び／又はミラー位置フィードバック信号の大きさから前記可変光の波長を決定し、かつどの前記センサが照明されるかを決定し、これにより前記個々のセンサの位置における環境刺激の値を決定することを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
前記電圧制御装置又は他の制御装置は、前記同調可能ＶＣＳＥＬに前記センサの全ての前記特性反射特徴の波長を横切って走査させるように前記電圧制御信号を走査し、前記電圧制御信号が前記走査を開始するときを示す同期信号を与える、スキャナを含み；
前記信号処理装置は、前記同期信号に応答して、前記センサのどれが照明されるかを決定し、これにより前記特性反射振幅特徴における前記波長の変化を決定する；
ことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
前記少なくとも一つのセンサは、少なくとも一つのファイバブラッグ格子又は平面ブラッグ格子を含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項３０記載の光センサ診断装置において、
少なくとも一つのセンサの少なくとも一つのブラッグ格子は、構造において少なくとも一つの結合された位相のずれを有し、前記位相のずれは、前記反射波長バンドの極大点内でより鋭い極小点を生成することを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
前記少なくとも一つのセンサは、少なくとも一つのファブリー・ペロエタロンを含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
前記少なくとも一つのセンサは、少なくとも一つの表面プラズモン共鳴構造を含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
少なくとも一つのセンサは、カプラーによってメイントランク導波管に連結された分岐導波管又は光ファイバに配置されていることを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項３４記載の光センサ診断装置において、
前記少なくとも一つのセンサは、少なくとも一つの薄膜材料又はバルク材料特性吸収体材料を含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 少なくとも一つの半導体を含むことを特徴とする請求項３５記載の特性吸収体材料。
- 亜鉛、カドミウム、水銀、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛、アルミニウム、ガリウム、インジウム、ビスマス、窒素、酸素、リン、ヒ素、アンチモン、硫黄、セレン、及びテルルの合金及び化合物の可能な限りの範囲から選択された請求項３６記載の特性吸収体材料。
- 一つ又は複数の振動、励起子又は蛍光性材料を含むことを特徴とする請求項３５記載の特性吸収体材料。
- 請求項３５記載の特性吸収体材料において、
前記特性吸収体材料から構成された前記センサは、末端部にミラーを含み、複光路伝播による信号反射を与えることを特徴とする特性吸収体材料。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
少なくとも一つのセンサは、傾きの形で特性吸収体特徴を生成し、
前記特性吸収体傾きを示す波長は、該波長に関する光振幅の第１微分を取ることによって、かつ前記第１波長微分係数極値の波長位置を解析的に抽出することによって、決定されるか、あるいは、
前記特性吸収体傾きを示す波長は、該波長に関する光振幅の第２微分を取ることによって、かつ前記第２波長微分係数ゼロの波長位置を解析的に抽出することによって、決定される、
ことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
前記環境刺激は、機械的ストレス、温度、圧力、電流、電場、磁場、又は前記センサ上の化学材料又は生物材料のあらゆる組み合わせであることを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
ブラッグ格子、位相ずれブラッグ格子、ファブリー・ペロエタロン、又はガス含有チャンバからなる群の少なくとも一つを、あらゆる環境刺激からの影響を受けることなく含む少なくとも一つの波長基準は、前記光路に配置されていることを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項４２記載の光センサ診断装置において、
前記ガス含有チャンバは、アセチレンガスを含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項２０記載の光センサ診断装置において、
前記センサは、コア導波管と該コア導波管を囲むクラッド層又はクラッド／バッファ層とを有する光ファイバを含み、加えて入力／出力端と終端反射端とを含み、前記終端反射端は、光が伝播方向を反対方向に変えさせられ、かつ入力／出力端を出るように、ミラー層と接触しているコア導波管の端面によって画定され、この実施例において、光ファイバの大部分の長さは、表面プラズモン共鳴を維持しないが、代わりに光ファイバは、入力／出力端と終端反射端との間又は前記終端反射端に位置する感知領域を含み、前記感知領域は、周囲のクラッド層又はクラッド／バッファ層のない光ファイバコア導波管の表面の少なくとも一部と接触している表面プラズモン共鳴維持金属によって画定される
ことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項４４記載の光センサ診断装置において、
前記感知領域は、前記表面プラズモン共鳴維持金属層に接着された少なくとも一つの付加的な機能層をさらに含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項４５記載の光センサ診断装置において、
前記少なくとも一つの追加的な層は化学反応層を含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項４５記載の光センサ診断装置において、
前記少なくとも一つの追加的な層は、生物反応層を含むことを特徴とする光センサ診断装置。 - 請求項４４記載の光センサ診断装置において、
前記プラズモン共鳴維持金属は、銀、金、銅、又はアルミニウムからなる群より選択された一つ又は複数の元素又は合金の層であることを特徴とする光センサ診断装置。 - 前記同調可能ＶＣＳＥＬと前記センサとの間のどこかに位置する偏光子をさらに含み、該偏光子は分極Ｐを有する光を選択することを特徴とする請求項４４記載の光ファイバセンサ。
- 前記同調可能ＶＣＳＥＬと前記サーキュレータとの間に位置する第１偏光子をさらに含み、前記偏光子はＳ分極とＰ分極との間の偏光状態を有する光を選択することを特徴とする請求項４５記載の光ファイバセンサ。
- 前記センサと前記検出器との間に位置する第２偏光子さらに含み、前記第２偏光子は、正確な反射極小点の出力振幅に対する反射特徴の極小点の外側の波長の出力振幅の比の相分極の増大が得られるように前記第１偏光子に関して位置決めされることを特徴とする請求項５０記載の光ファイバセンサ。
- 刺激に対して変化する放射反射率又は透過率特性を有する光ファイバセンサ又は光導波管を含むタイプの感知装置において、光路がカプラーと前記光ファイバセンサ又は光導波管との間に形成され、感知方法は、
（１）放射を生成するために面発光型半導体レーザを作動する段階と；
（２）前記面発光型半導体レーザによって生成された放射の波長を変化させるために前記面発光型半導体レーザを調整する段階と；
（３）前記面発光型半導体レーザによって放射された放射の少なくともいくつかを前記カプラ−へ連結する段階と；
（４）前記刺激によって引き起こされる前記特性の変化に対して前記センサ又は光導波管によって透過又は反射された放射を分析する段階と；
を含むことを特徴とする感知装置。 - 光ファイバセンサ又は光導波管を含む感知装置であって、前記装置は、
刺激に応答して変化する波長選択放射透過率特性を有する前記光ファイバセンサ又は光導波管に連結されたカプラーと；
放射を生成して該放射を前記カプラーに供給するよう作動される、前記カプラーに連結された面発光型半導体レーザと；
前記面発光型半導体レーザによって生成された放射の波長を変化させるために前記面発光型半導体レーザを調整する調整装置と；
前記光ファイバセンサ又は導波管によって透過又は反射された放射を検出する検出器と；
前記刺激によって引き起こされた少なくとも一つの変化に対して前記検出された放射を分析する分析器と；
を備えることを特徴とする感知装置。
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