JP2007183644A - 極薄導波路及び光ファイバを用いたセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】環境中の１つ又は複数の汚染物質粒子を検知できる、検知感度が高くコンパクトな光共振センサを提供する。
【解決手段】基板２０３と、光を放出するように動作可能な前記基板上の光源２０２と、前記光源から放出される前記光を受信するように位置する受信端を有し、前記光がそこを通って伝播することが可能となるように構成された、前記基板上の１つの光導波路２０４と、前記光源から放出される光を受信するように位置する前記基板上の光導波路リング２１０と、前記光導波路リング内で伝播する光の損失の増加を測定するために構成された検出器２２６とを備える。前記１つの光導波路２０４及び前記光導波路リング２１０は、前記光導波路リング２１０を通って伝播する光波のエバネセントテイルが、光共振センサの位置する前記環境に広がり、前記環境中の汚染物質粒子に対して反応性となる光共振器２００を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は一般にセンサに関し、より詳細には、極薄導波路（ultra thin waveguides）及び光ファイバを用いた化学的及び生物学的センサに関する。

近年、自国及び外国に対するテロリストの脅威の巧妙化により、化学的環境有害物質（toxins）並びに生体有害物質（biohazardous materials）を含めた化学的及び生物学的物質の認識が極めて重要となっている。この認識により、これらのタイプの物質、特に空気中に浮遊する粒子／分子として存在することがあり、また人間に有害な物質を正確に検知し、監視する必要性が生じている。検知感度の所望のレベルは、潜在的に危険ではないと考えられるレベルの物質に対する誤認警報を防ぐ一方で、潜在的に危険であると考えられるレベルの様々な化学的及び生物学的物質を正確に検知するレベルである。

生体有害物質は、ＳＡＲＳ、インフルエンザ、天然痘、炭素菌、ペストなど、本来は自然に生じる物質と定義される。これらのタイプの材料の存在を検知し、監視することにより、自然に生じる状況においても危険なやり方で意図的に使用される場合においても認識される。生体有害物質の意図的な使用は、１つ又は複数の生物、あるいは生物から得られる１つ又は複数の毒素などの生物剤の人、動物又は農作物に対する使用と称される。加えて、殺虫剤や除草剤を含めた様々な化学的環境有害物質の検知及び監視が必要とされている。これら人間が作り出した化学的環境有害物質は、適切に使用すると有益な品質をもたらすことがあるが、不正に使用した場合には化学剤になる恐れがある。

様々な化学的環境有害物質並びに生体有害物質を検出するための多くのタイプのセンサが開発されているが、現在、適切に高感度な識別センサよりも多くの検知する必要がある有害物質及び生体有害物質がある。化学的環境有害物質並びに生体有害物質を検知し、監視する現在最も一般的な方法は、質量分析計を用いて実現される。物質を検出するこの方法では通常、携帯用監視装置が必要な状況には通常適さない比較的大きな監視付き機器が使用される。例えば、質量分析計は、セキュリティを通過するアイテムを採取し、規制薬物又は禁止薬物の存在を検知する飛行場設定で一般的に使用される。使用される質量分析計は通常、保安要員によって監視される永久的又は半永久的検知ユニットである。

関心が高まりつつあるのは、関心のある物質を検知し、監視するための光検知装置の使用である。多くの場合、これらの装置は、光束が伝播する導波路を含む。装置の光学特性は、全反射率の変化など、導波路の表面での変化に影響される。他のタイプの光センサは、検知光ファイバの使用に基づいており、このファイバは、光伝送損失に基づき様々な物質の存在をセンサ装置と協力して検出する光伝送線としての働きをする。これらの光ファイバにより、ファイバの長さに沿って検知される。

既存の概念では、光センサは、光源からのある波長スペクトルの光を、ファイバを介して検知部、センサ又はセンサアレイに伝送するにことよって動作する。次いで、その光は、検知部又はセンサから、光源の光波長スペクトルの各波長域内の光の強度を検知するために走査され、波形発生器によって駆動される調節可能なフィルタへと向けられる。一部の光は、スペクトル内の一部の波長に対応するスペクトル、即ち、あるチャネルにおいて、センサ又は検知部内の検知状態又は検知した物質の影響を受ける。チャネルごとに検知部又はセンサから来る光の強度ピークが検知され、各チャネルで検知された光のピークを表すデジタルパルスが生成される。デジタルパルスは、特定の波長に中心があるチャネルでの光強度に比例する値に変換される。センサの強度対波長の関係のモデルを特定のパラメータの測定に用いて、このパラメータに基づく測定値を得ることができる。

例えば、ファイバの光検知部を、有害ガスが存在する場合に特定の波長域の損失が増大するファイバと共に使用することができる。この場合、ガスの存在下ではその特定の波長域の光はより少なくなり、光源の全スペクトルにわたってではなくこの波長において、強度のディップが検出器で観測されることになる。このようにして、ガスの濃度を測定することができる。

複数のガス用の汎用光センサシステムは、主に、適切なスペクトルバンド幅の光、即ち、関心のある物質すべてにおいて遷移を促進するために必要とされる広い範囲の波長を含む光をセンサ又はセンサアレイに照射するために必要とされる様々な光源に関連するコストのために、非常に高価であることがわかっている。加えて、従来の光ファイバは、光の電界が環境へ広がらない、即ちセンサが属する環境と実質的には相互作用しないということを意味するという点で、大幅な改変なしでは検知部に使用することができない。光源出力及びスペクトルの要件のため、またフィルタの要件のため、従来技術のシステムではコスト、重量及び体積がかなり大きく、それにより、携帯用センサ用途、あるいは軽量又はコンパクトな監視システムが必要又は望ましいが、精度の高いセンサが必要とされる他の環境において、これらのシステムの使用が限定される可能性がある。

従って、これら従来技術の欠陥を回避し、また化学的環境有害物質並びに生体有害物質を監視するシステムなどユーザが使いやすいシステムに有用な改良された光ファイバセンサシステムが必要である。本発明は、大気中の化学的環境有害物質並びに生体有害物質を検知し、監視するための光センサ及びそのセンサを使用する方法に関する。加えて、国土防衛及び戦場防衛の領域で使用することができる改良された光ファイバセンサシステムが必要である。更に、本発明の他の所望の特徴及び特性が、後に続く本発明の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を、添付図面及びこの本発明の背景と併せて参照することから明らかになるであろう。

汚染物質粒子を検知しようとする環境中に位置する光センサ用の装置が提供される。この光センサは、光源と、共振構造に配置された少なくとも１つの光導波路と、検出器と、選択した基板とを備える。基板は、好ましくはシリコンであるが、これに限定されるものではなく、光学部品のうち少なくともいくつかをシリコン基板上に形成する、又はシリコン基板に取り付ける。光源は、光を放出するように動作可能である。少なくとも１つの光導波路は、光源から放出される光を受信するように位置する受信端を含み、この光がそこを通って伝播することが可能となるように構成される。検出器は、光導波路を通って伝播する光の吸収を検出するように位置し、構成される。光導波路は、そこを通って伝播する光波のエバネセントテイル（evanescent tail）が環境に広がり、環境中の少なくとも１つの汚染物質粒子に対して反応性であるような直径を有する。

加えて、環境中の１つ又は複数の汚染物質粒子を検知するための光共振センサ用の装置が提供される。この光センサは、光を放出するように動作可能な光源と、基板上の第１の光導波路と、基板上の第２の光導波路と、基板上の光導波路リングと、検出器とを備える。すべての導波路が、そこを通って光が伝播することが可能になるように構成される。第１の光導波路は、光源から放出された光を受信するように位置する受信端を有し、光導波路リングにおける導波路の一部分は、第１の光導波路から結合される光を受信するように位置し、第２の光導波路の一部分は、光導波路リングにおける導波路から結合される光を受信するように位置する。第１の光導波路、第２の光導波路及び光導波路リングは、光共振器を通って伝播する光波のエバネセントテイルが光共振センサの位置する環境に広がり、環境中の汚染物質粒子に対して反応性となるように光共振器を形成する。検出器は、光共振器中を通って伝播する光の吸収を検出するように構成される。

別の例示的実施形態では、環境中の１つ又は複数の汚染物質粒子を検知するための光共振センサ用に装置が提供される。この光センサは、調節可能な周波数の光を放出するように動作可能な光源と、基板上に取り付けられたミラーと、光ファイバコイルと、検出器とを備える。光ファイバコイルは、第１の端部と第２の端部を有し、各々ミラーに隣接して位置し、Ｖ字型の溝内に固定するなどして基板に固定する。ミラー及び光ファイバコイルは光共振器を形成する、即ち、ミラーは光をファイバの第１の端部へと向け、その光はファイバコイル中を通って伝播し、ファイバの第２の端部を通って出て行く。ミラーは、第２の端部から現れる光の大部分を第１の端部へと向ける。この光ファイバは、そのエバネセント場の一部分が環境に広がり、環境と相互作用するように設計される。光源の周波数をミラー及び光ファイバコイルによって形成される共振器の共振周波数に調節した場合に、光源から共振器へと光が高効率で結合されるように、ミラーは好ましくはわずかに透過性である。検出器は、光共振器で放散しなかった光エネルギーの一部分を検出するように位置する。

加えて、環境中の１つ又は複数の汚染物質粒子を光センサで検知するための方法が提供される。この方法は、光源、第１の光導波路、第２の光導波路、第１の光導波路と第２の光導波路との間に配置される光導波路リング、及び検出器を設けるステップを含む。第１の光導波路、第２の光導波路及び光導波路リングは、光共振器を形成する。この光共振器、光源及び検出器は、光共振センサを形成するために設けられる。この方法は更に、環境中の１つ又は複数の汚染物質粒子を検知するために光共振センサを環境中に位置決めするステップと、導波路に沿って伝播する光波のエバネセントテイルが、光センサが位置する環境に広がり、周囲の環境中に存在する汚染物質粒子に対して反応性となるように、光共振センサ内の導波路に光を伝送するステップとを含む。

以下、本発明を下記の図面と併せて説明する。図中、同様の番号は同様の要素を示す。

以下の本発明の詳細な説明は、単に例示的なものにすぎず、本発明又は本発明の用途及び使用を限定するものではない。更に、先の本発明の背景又は以下の本発明の詳細な説明に提示されているいかなる理論によっても束縛されるものではない。

図面を参照すると、図１には、従来の光ファイバ１００がそこを通って進む様子が描かれた光波１０２と共に示してある。従来のファイバでは、信号対ノイズ比の制限により、ファイバ１００内を進む光波１０２が、光ファイバ１００が属する環境と強くは相互作用しないという問題が生じていた。従来の光ファイバ１００はガラス材料からなり、その中心部分にコア領域１０４を含む。コア領域１０４は一般に、コア領域１０４を取り囲んでいるガラス材料１０６よりも屈折率が大きいドープガラス材料で形成される。通常屈折率の差は通常非常に小さく、１％程度である。

従って、図示する実施形態では、ガラス材料１０６がｎ〜１．５の屈折率を有し、コア領域１０４を含むガラス材料は、屈折率がｎ〜１．５１となるようにドープされる。光波１０２は、屈折率がより高いガラス材料中、従ってコア領域１０４中をより速く進む。屈折率がより高くなればなるほど、そこを通って進む光の動きは遅くなる。コア領域１０４中を通って進む光波１０２がファイバ１００中深くに埋め込まれ、その中心領域内に閉じ込められるという点で、コア領域１０４は本質的に「ライトパイプ」としての働きをする。コア領域１０４は通常直径５〜１０ミクロンであり、光波１０２の強度のモードフィールド径は通常、コアの寸法に相当する大きさに限定される。従来の光ファイバ１００全体の直径は、約８０〜１２５ミクロンである。

図１に示すように、コア領域１０４の外側へ広がる光波１０２のエバネセントテイル１０８の存在がわかる。従来の光ファイバ１００では、比較的大量のガラス材料１０６により、光波１０２が環境から分離される。この結果、光波１０２は、光ファイバ１００が属する環境と少ししか相互作用しない、あるいは相互作用するする能力が少ししかない。光波１０２をファイバ１００中深くに埋め込むことは、光ファイバの通常の用途では光波１０２が環境と相互作用することをそれほど望まないという点における特有の設計である。光ファイバ１００をある特定のタイプの汚染物質粒子の存在を検知するための光学センサとして利用するときに、光波１０２が周囲の環境へと広がり、従って環境と相互作用した場合には、光と検知される汚染物質粒子との相互作用の強さは光の波長に依存することになる。

即ち、ある波長の光は粒子の存在の影響を受けないが、ある波長の光は大いに影響を受け、強く吸収される、あるいは粒子によって散乱することがある。先に述べたように、従来の光ファイバセンサに存在する問題は、光波がガラス中にあまりにもしっかりと閉じ込められていて環境と相互作用できないことである。「汚染物質粒子」という用語は、検知される環境中に存在する有害及び無害な化学物質分子及び／又は生体分子を包含すべく本開示を通して使用されることを理解されたい。

次に図２を参照すると、それ自体は既知であるが、センサとして動作する本発明の構成要素となるナノ配線ファイバ１２０が示してある。作製中、光ファイバを加熱し、光の波長程度の直径を有する構造へと縮小する。この特定の実施形態では、ナノ配線ファイバ１２０が約０．８ミクロンの直径を有する。光ファイバの直径の減少は、ナノ配線ファイバ１２０中を通って伝播する光波１２２が実際はナノ配線ファイバ１２０内にとどまることができないことを意味する。ナノ配線ファイバ１２０は、先に図１の従来の光ファイバ１００で説明したような別のコア領域を有さないことを理解されたい。

この特定の実施形態ではドーピングによって形成される中心コア領域が存在しないことを除いては、ナノ配線ファイバ１２０は従来の光ファイバと同様のガラス材料で形成される。単一の屈折率を有する単一のガラス領域がナノ配線ファイバ１２０を形成する。全体が１２４で示される、ナノ配線ファイバ１２０が属する周囲の環境は、今回屈折率がより低い領域として働き、従って導波路を形成する。図示のように、ナノ配線ファイバ１２０中を通って伝播する光１２２のモードフィールドは、実質的に環境、即ち周囲空気１２４へと広がり、従って図１の従来の光ファイバ１００よりも大きく環境１２４と相互作用する。

ナノ配線ファイバ１２０は、伝播する光波１２２の電界がナノ配線ファイバ１２０の外側へ広がるような大きさである。従って、ナノ配線ファイバ１２０中を通って伝播する光波１２２は、ナノ配線ファイバ１２０が属する環境に非常に敏感である。このように光波１２２が環境へと広がることにより、ナノ配線ファイバ１２０が環境中に存在する１つ又は複数の汚染物質粒子を検知しやすくなる。

先に述べたように、化学物質、環境物質又は生体有害物質を含む異なるタイプの粒子又は分子が、特定の波長の光に反応性である。従って、ある波長の光はある種の分子と相互作用しないことがあるが、別の波長の光は強く相互作用することがある。

次に図３を参照すると、ナノ配線ファイバセンサ１５１の概略図が示してある。ナノ配線ファイバセンサ１５１は、導波路として動作するナノ配線ファイバ１５０と、広帯域光源１５２とを含む。広帯域光源１５２のスペクトルは、ダイアグラム１６０で示されている。このタイプの光源は、広範囲にわたる周波数又は波長の光を供給する。センサの動作中、光源１５２から供給される広帯域光波１５４は、ナノ配線ファイバ１５０中を通って伝播する。ナノ配線ファイバセンサ１５１が属する環境１５５に存在する複数の汚染物質粒子１５６が図示されている。

広帯域光１５４がナノ配線ファイバ１５０中を通って伝播するとき、ある波長は、粒子１５６がその波長を吸収するという観点において汚染物質粒子と干渉し、それによりその特定の波長の光がナノ配線ファイバ１５０の末端部１５８で消える又はなくなることがある。特定のタイプの汚染物質粒子１５６の存在を決定する際には、出力時の光スペクトルが観測され、ダイアグラム１６２に示すように、末端部１５８ではスペクトルのある部分がもはや存在しない、又は減衰していることに注目することになる。

ダイアグラム１６２は、ナノ配線ファイバ１５０の末端部１５８での吸収帯を示し、光源スペクトル１５４の特定の波長での光の減少１６４を示す。特定の波長におけるこの減衰の結果として、特定の汚染物質の存在を決定することができ、それにより異なる種が異なる波長で減衰を生じることを知ることができる。ナノ配線ファイバ１５０は、実際にはノッチフィルタとなる。ダイアグラム１６２で示すようなスペクトルにおけるノッチの深さ、及びノッチの中心周波数は、それぞれ特定の汚染物質の濃度及びタイプを示す。

図４は、本発明による光共振センサの一実施形態を示す。上記効果を強め、検知感度を高めるため、図２及び３のナノ配線光導波路又はナノ光ファイバと共に使用するためのリング共振器を構成することができる。この共振センサは、狭帯域光源を必要とするリング共振器を含み、この光源の中心周波数は共振器の共振を通して掃引される。このリング共振器は、検知される分子の汚染物質粒子によって吸収されることになる特定の周波数範囲で共振するように作製される。汚染物質が存在しない場合、リングは共振器内での低損失を示す鋭い共振をもたらす。汚染物質が存在する場合、リングの共振能力は吸収損失によって著しく低下し、共振器内の光の電界増強が大きく減少し、共振線形は後で示すようにブロードになる。

より詳細に図４を参照すると、共振器装置として形成される光共振センサ２００が示してある。この特定の実施形態では、光共振センサ２００に、単一周波数光源とも称される単色光源２０２を使用する。光源２０２は、単一周波数の光波を供給する間、固定周波数光源となるように時間内は静的とする、あるいはある期間にわたって周波数を走査することができることを理解されたい。より詳細には、得られる光波２０４の周波数は、時間内の任意の一点において単一値でもよいが、検知に求められる周波数に従って増大又は減少させることもできる。

光共振センサ２００は、リング共振器センサとして形成され、光波２０４が通って進む第１の導波路２０６及び第２の導波路２０８を含む。より詳細には、光共振センサ２００は、入力導波路２０６及び出力導波路２０８を有する。導波路２０６及び２０８は、図２及び３に関して先に詳しく述べたようなナノ配線光ファイバなど三次元ガラスチューブとして形成することができ、あるいは、チップなどの基板上に堆積させた導波路として、標準的なリソグラフィ技術を用いて高分子をベースとする材料で、シリコン中の導波路を用いて、又はシリコン導波路を二酸化シリコン薄膜と共に用いてチップ上に形成することもできる。図４に示す実施形態では、光共振器２００を基板２０３上に形成する。基板２０３は、好ましくはシリコン基板又はシリコン・オン・インシュレータ基板である。

光共振センサ２００は加えて、閉じた経路ループ状に配置した導波路である光導波路リング２１０を含む。光導波路リング２１０並びに光導波路リング２１０に近接している導波路２０６及び２０８の一部分は、入力導波路２０６中を進む光波２０４がリング２１０内で整数倍分の波長が適合するような波長からなる場合に共振する光共振器を形成する。これは、共振に必要な強め合う干渉の条件である。光波２０４は、共振すると光リング２１０に入り、強め合って干渉し、それにより光リング２１０内で光エネルギーを大きく増大させる。この共振状態は、光導波路リング２１０内で整数倍分の波長が適合する場合に、不連続な波長でのみ生じる。光波２０４の周波数が共振しない場合、光波は光導波路リング２１０内で放散し、原則的に導波路２０６を素通りして伝送ポート２２０を通り抜ける。

再び図４を参照すると、動作中共振状態の間、光波２０４は光リング２１０に入り、最終的に導波路２０８に沿って戻って来る。この共振状態の間、リング２１０内で高電界が発生する。光源２０２からの光の周波数が適合していれば、その光の大部分が光リング２１０に入り、循環し始める。リング内の電界は劇的に増大する。散乱による損失など、リング内では放散的損失がある。光は光導波路リングに入るので、導波路２０６の出力ポート２２０にはより少ない光しか伝送されない。導波路２０６の伝送ポート２２０で共振ディップが検出される。

今回は光がリング内で循環しているという点で、光は導波路２０８との結合に使用可能であり、光源の周波数を光共振器の共振周波数にわたって走査するので、共振ピークが導波路２０８のポート２２４に現れる。検出器２２２は、図５に示すように出力ポート２２０での共振ディップ３００によって、あるいは図６に示すようにポート２２４での出力中のピーク４００によって、検出した共振に近い光信号中の降下を検出する。これら共振ディップ及び共振ピークの鋭さは、リング２１０（図４）内での損失に依存する。光が共振器ループ内で強め合って干渉しない場合、検出器２２２はその光を事実上すべてとらえることになり、共振していないため導波路２０６では無視できるほどの損失しかないと見なされる。

光導波路リング２１０内で増強した光は、最終的に散乱により放散する、あるいは導波路２０８のポート２２４を通ってセンサ２００から出て行く。共振中心から離れると、光波２０４が事実上すべて導波路２０６中を通って進み、ポート２２０から出て行くため、導波路２０６内での損失は無視できると見なされる。従って、ポート２２４から出力される光は実質的にはまったくない。共振時にはリング２１０内に光エネルギーがあるので、導波路２０８との結合に使用可能な光エネルギーが豊富にあり、リング２１０から導波路２０８へと結合した光は、導波路２０８のポート２２４を通って出て行く。

光ファイバセンサ２００の動作中、センサ２００は、汚染物質粒子又は汚染分子の粒子を含んでいることもいないこともある空気中に浮遊する物質にさらされる。光源２０２には、検知される粒子と相互作用することになる波長の光源を使用する。例えば、ある特定のタイプの分子の汚染物質が１．５ミクロンの光に応答する場合、光源２０２には１．５ミクロンの光源を使用する。分子の粒子がその特定の波長をとらえると、その波長を散乱させ、又は吸収し、従って光センサ２００からエネルギーを引き出す。これにより、出力ポート２２４及び２２０でそれぞれ観察される共振線形が変化することになる。いずれの場合にも、汚染物質が存在すると、共振はブロードになり、またその線質係数（Ｑ）及びフィネス（finesse）は、リング２１０内での誘電損失により低下する。

先に述べたように、これら共振ディップ３００（図５）及び共振ピーク４００（図６）の鋭さは、リング２１０内での損失に依存する。リング内での光学損失が非常に少ない場合には、ディップ３００はポート２２０で見られるように鋭く、またピーク４００もポート２２４で見られるように鋭い。ある汚染物質粒子２３０が存在し、それにより光波２０４が光リング２１０内を進むときにこれらの粒子と相互作用する場合、光は散乱し、共振ディップの鋭さが低下する、あるいは共振線形が共に消滅する。

前者の場合、図５のディップ３２０に見られるようなより浅く幅広のディップがポート２２０で観察され、また図６の浅くて幅広のピーク４２０がポート２２４で観察される。この状態は「損失」として説明され、検知しようとする汚染物質が存在することの指標となる。光共振器センサ２００は、センサの近くに特定のタイプの汚染物質粒子があるかどうかを示す非常に感度の高い計器である。検知される汚染物質粒子のタイプ及び濃度は、共振器のフィネスが低下する光の波長、及びリング内を循環する光の減少、即ち共振線形の鋭さによって決定することができる。

次に図７を参照すると、共振器装置として形成される光共振センサ３００の一代替実施形態が示してある。この特定の実施形態では、光共振センサ３００に、駆動電子機器３０３に結合される単色光源３０２を使用する。光源３０２は、単一周波数光源とも称される。光源３０２は、単一周波数の光波を供給する間、固定周波数光源となるように時間内は静的とする、あるいはある期間にわたってその周波数を走査することができることを理解されたい。

光共振センサ３００は、リング共振器センサとして形成され、光波が通って進む単一の導波路３０６を含む。導波路３０６は、図２及び３に関して先に詳しく述べたようなナノ配線光ファイバなど三次元ガラスチューブとして、あるいは、図４に関して先に述べたようなチップなどの基板上に堆積させた導波路として形成することができる。図７に示す実施形態では、光共振器３００を基板３０４上に形成する。基板３０４は、好ましくはシリコン基板又はシリコン・オン・インシュレータ基板である。

光共振センサ３００は加えて、閉じた経路ループ状に配置した導波路である光導波路リング３１０を含む。光導波路リング３１０並びに光導波路リング３１０に近接している導波路３０６の一部分は、入力導波路３０６中を進む光波がリング３１０内で整数倍分の波長が適合するような波長からなる場合に共振する光共振器を形成する。光波は、共振すると光リング３１０に入り、強め合って干渉し、それにより光リング３１０内で光エネルギーを大きく増大させる。光波の周波数が共振しない場合、光波は光導波路リング３１０内で放散し、原則的に導波路３０６を素通りして伝送ポート３１２を通り抜ける。

動作中、導波路３０６の伝送ポート３１２で共振ディップが検出される。検出器３１４は、出力ポート３１２での共振の近くで、又はポート３１２での出力中のピーク付近で検出した光信号中の降下を検出する。これら共振ディップ及び共振ピークの鋭さは、リング３１０内での損失に依存する。光が共振器リング３１０内で強め合って干渉しない場合、検出器３１４はその光を事実上すべてとらえることになり、共振していないので導波路３０６では無視できるほどの損失しかないと見なされる。

動作中に、センサ３００が汚染物質粒子又は汚染分子の粒子を含んでいることもいないこともある空気中に浮遊する物質にさらされるという点において、センサ３００は、図４のセンサ２００と同様に動作する。光源３０２には、検知される粒子と相互作用することになる波長の光源を使用する。分子の粒子がその特定の波長をとらえると、その波長を散乱させ、又は吸収し、従って光センサ３００からエネルギーを引き出す。これにより、出力ポート３１２で観察される共振線形が変化することになる。いずれの場合にも、汚染物質が存在すると、共振はブロードになり、またその線質係数（Ｑ）及びフィネスは、リング３１０内の誘電損失により低下する。

次に図８を参照すると、本発明による共振センサの更に別の代替実施形態が示してある。より詳細には、共振センサ４００が示してある。共振センサ４００は、第１及び第２の実施形態で先に述べたものと同様に、基板４０２上に形成する。この特定の実施形態における基板４０２は、シリコン基板、あるいは製造プロセス効率のため、また同一基板上に光学系（いわゆる「シリコン光学ベンチ」）及び電子機器を作製可能とするために、シリコン・オン・インシュレータ基板である。シリコンは好ましい基板であり材料系であるが、シリコン以外の適切な特性を有する他の材料も一般性を喪失することなく考慮に入れることができることが確認されている。

センサ４００は、駆動電子機器４０５を含めた光源４０４を含む。光源４０４は、調節可能な周波数の光を放出するように動作可能である。ミラー４０６は、基板４０２上に取り付ける。ミラー４０２は、非ゼロ透過係数を有する高反射率ミラーである。第１の端部４１０及び第２の端部４１２を有する光ファイバコイル４０８はミラー４０６に隣接して位置し、基板４０２に固定されている。光ファイバコイル４０８は、この実施形態ではそこを通る光の伝送用光導波路として動作する。ファイバ４０８の第１の端部４１０及び第２の端部４１２は、非常に正確に、また非常に安定に、例えば、入力光線４１６又はミラー４０８に対して基板４０２の表面にエッチングしたＶ字型の溝４１４に設置することができる。

ミラー４０６及び光ファイバコイル４０８は、ミラー４０８が光４１６をファイバ４０８の第１の端部４１０へと向けることにより動作する光共振器４２２を形成し、光４１６はファイバコイル４０８中を通って伝播し、ファイバの第２の端部を通って出て行く。ミラー４０６は、第２の端部４１２から現れる光の大部分を反射し、第１の端部４１０に戻すように位置する。光ファイバ４０８は、そのエバネセント場の一部分が環境に広がり、環境と相互作用するように設計される。光源４０４の周波数をミラー４０６及び光ファイバコイル４０８によって形成される共振器４２２の共振周波数に調節した場合に、光源４０４から共振器４２２へと光が高効率で結合されるように、ミラー４０６は好ましくは透過性である。

検出器４１８は、光共振器４２２で放散しなかった光エネルギー４２０の一部分を検出するように位置する。検出器４１８は、好ましくは光検出器と、その出力を解釈するための信号処理電子機器とを含む。光共振器４２２で放散しなかった光の一部分は、光源４０４の周波数を共振器４２２の共振周波数から離れるように調節したときに最大、また光源４０４の周波数を共振器４２２の共振周波数に調節したときに最小となり、従って先に述べたように「共振ディップ」線形が検出器４１８で観察される。

共振ディップの鋭さ、即ち、入力光源の周波数の変化に伴うその急勾配（steepness）（所与の共振器長の場合）は、そのフィネスによって裏付けられる。このフィネスは、より急な勾配に対してより高くなる。共振器４２２のフィネスは、共振器内を伝播する光４１６の往復損失を示す。従って、光源の周波数を共振器の共振線形にわたって走査する又は調節する一方で、フィネス及び線幅の尺度を測定する。光ファイバコイル４０８内での損失が低い場合には、この光共振器が、環境中に監視する汚染物質が存在しないことを示す高いフィネスを有し、共振器の共振線形の幅は最小化される。環境中に汚染物質粒子が存在する場合、共振線形はブロードになり、即ちフィネスが低下する。フィネスの低下の程度は、光ファイバ４０８近くの汚染物質の濃度の尺度である。

上述したように、これらの好ましい実施形態では、様々な精密光学構造をエッチングする、あるいは基板の表面上に形成して基板と一体化することができるシリコン光学ベンチ技法を使用する。加えて、外付けの光学部品を基板の表面に正確に取り付ける、あるいは基板上又は基板の基層の上の追加の材料層上に形成することもできる。共振光学系の部品の多くは、基板内又は基板上に一体化する、あるいは基板上に形成する又は取り付けることができる。このようにして、コンパクトで経済的なセンサを実現することができる。

本発明における光源は、スペクトル線の幅が狭い光源である必要があることに留意されたい。コンパクトで安価な光源の１つの可能性は、外部共振器に実装されたレーザダイオードである。このような外部共振器は、線幅を狭くするために使用することができる。ダイオード自体を基板の表面上に実装することができ、外付けの反射体を表面に形成する又は取り付けることができ、レーザ光を導波路へと結合させて光を共振器へ誘導することができるという点で、外部共振器レーザダイオードはシリコン光学ベンチ台にとって理想的である。あるいは、レーザダイオードからの光を自由空間で共振器へと向ける、又は極めて小さな光学ベンチ内に設置される光学系を介してファイバへと向けることもできる。あるいは、レーザダイオード及び１つ又は複数の外付けの素子を、後に主基板に取り付けられる中間基板上に実装することもできる。

上記本発明の詳細な説明において、少なくとも１つの例示的実施形態を示してきたが、膨大な数の変形形態が存在することを理解されたい。また、この例示的実施形態又はこれら例示的諸実施形態は、ほんの一例にすぎず、決して本発明の範囲、利用可能性又は構成を限定するものではないことも理解されたい。むしろ、上記詳細な説明は、当業者に本発明の例示的実施形態を実施するために便利な手引きを提供するものであろう。添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、例示的実施形態に記載されている要素の機能及び配置に様々な変更を加えることができることが理解されよう。

従来の光伝送用光ファイバの断面を示す概略図である。 従来の光伝送用ナノ繊維を示す概略図である。 本発明によるナノ繊維光センサ及びそのナノ繊維により生じる光伝送の例示的一実施形態を示す概略図である。 本発明による光共振センサの例示的一実施形態を示す概略図である。 本発明の諸実施形態に従って図４の光センサにより生じる光伝送を示す図である。 本発明の諸実施形態に従って図４の光センサにより生じる光伝送を示す図である。 本発明による光共振センサの例示的一実施形態を示す概略図である。 本発明による光共振センサの例示的一実施形態を示す概略図である。

符号の説明

１５０ ナノ配線ファイバ
１５１ ナノ配線ファイバセンサ
１５２ 広帯域光源
１５４ 広帯域光波
１５６、２３０ 汚染物質粒子
１５８ 端末部
１６０、１６２ ダイアグラム
２００、３００ 光共振センサ
２０２、３０２ 単色光源
２０３、３０４、４０２ 基板
２０４ 光波
２０６ 第１の導波路
２０８ 第２の導波路
２１０、３１０ 光導波路リング
２２０、３１２ 伝送ポート、出力ポート
２２２、３１４、４１８ 検出器
２２４ 出力ポート
３００ 共振ディップ
３０３、４０５ 駆動電子機器
３０６ 導波路
３２０ ディップ
４００ 共振センサ
４００ 共振ピーク
４０４ 光源
４０６ ミラー
４０８ 光ファイバコイル
４１０ 第１の端部
４１２ 第２の端部
４１４ Ｖ字型の溝
４１６ 入力光線
４２２ 光共振器

Claims (3)

1. 環境中の１つ又は複数の汚染物質粒子を検知するため光共振センサであって、
   基板と、
   光を放出するように動作可能な前記基板上の光源と、
   前記光源から放出される前記光を受信するように位置する受信端を有し、前記光がそこを通って伝播することが可能となるように構成された、前記基板上の少なくとも１つの光導波路と、
   前記光源から放出される光を受信するように位置する前記基板上の光導波路リングと、
   前記光導波路リング内で伝播する光の損失の増加を測定するために構成された検出器と、を備え、
   前記少なくとも１つの光導波路及び前記光導波路リングは、前記光導波路リングを通って伝播する光波のエバネセントテイルが光共振センサの位置する前記環境に広がり前記環境中の汚染物質粒子に対して反応性となる光共振器を形成する光共振センサ。
2. 環境中の１つ又は複数の汚染物質粒子を検知するため光共振センサであって、
   基板と、
   光を放出するように動作可能な前記基板上の光源と、
   前記基板上の光共振器を備え、前記光共振器が、
   前記光源から放出される前記光を受信するように位置する受信端を有し、前記光がそこを通って伝播することが可能となるように構成された少なくとも１つの光導波路と、
   前記少なくとも１つの光導波路から結合される光をその一部分が受信するように位置する光導波路リングと、
   前記光導波路リング内で伝播する光の損失の増加を検出するために構成された、前記基板上の検出器を備え、
   前記少なくとも１つの光導波路及び前記光導波路リングは、前記光導波路リングを通って伝播する光波のエバネセントテイルが、光共振センサの位置する前記環境に広がり、前記環境中の汚染物質粒子に対して反応性となる光共振器を形成する光共振センサ。
3. 環境中の１つ又は複数の汚染物質粒子を光センサで検知する方法であって、
   光を放出するように動作可能な光源を設けるステップと、
   前記光源から放出される前記光を受信するように位置する受信端を有し、前記光がそこを通って伝播することが可能となるように構成された少なくとも１つの光導波路を設けるステップと、
   前記少なくとも１つの光導波路から結合される光を受信するように位置する光導波路リングを設け、それにより光共振器を形成するステップと、
   前記１つ又は複数の汚染物質粒子を検知するために前記光共振器を環境中に位置決めするステップと、
   そこを通って広がる光の波長のエバネセントテイルが、前記光共振器が位置する前記環境に広がり、前記環境中の前記１つ又は複数の汚染物質粒子に対して反応性となるように、あらかじめ選択した光の波長を前記光共振器を通して伝送するステップと、
   前記共振器の共振線形の変化及び前記光導波路リング内で共振時に循環する前記あらかじめ選択した光の波長でのエネルギーの減少の結果として、前記環境中の特定の汚染物質粒子の濃度を検出するステップとを含む方法。

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