JP2008506940A - 多重波長光センサー - Google Patents
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Abstract
Description
neff=λBragg/2Λ
ここで、neffは有効モードの屈折率であり、Λは格子の周期である。従って、格子の周期が明らかであり、反射された波長のピークが測定されれば、有効モード屈折率をブラッグの関係式から計算することができる。これにより、流体の屈折率は、基準となる標準的な液体の測定された性質を参照することにより、または計算により確定可能である。
Δλ=λBragg 2/2neffL(π2+(κL)2)1/2
ここで、κは結合係数であり下記のように定義される。
κ=πnδnη/λBraggneff
また、nは導波路のクラッドの屈折率であり、neffは有効モード屈折率であり、δnは格子内の屈折率の変調の強さであり、ηは、前方伝播モードと後方伝播モードの重なり積分であり、Lは格子の長さである。従って、バンド幅は、弱い格子に対しては格子の長さに依存し、強い格子に対しては屈折率の変調に依存する。流体の屈折率の変化に対する光センサーの解像度は、解像可能な最小の波長のシフトに関連している。従って、狭いスペクトルバンド幅(波長フィルタリング応答)を備えた長い格子を用いることが望ましい。
12 基板
14 格子
16 サンプル窓
18 光源
20 第1光ファイバ
22 光サーキュレータ
24 第2光ファイバ
26 導波路
28 集積波長スプリッター
30 第3光ファイバ
32 光スペクトル分析器
34 リファレンス格子
36 窓
40 加熱または冷却装置
42 媒体
44 エッジ
50 ベース層
52 下部クラッド層
54 コア層
56 上部クラッド層
58 流体サンプル
60 エバネッセント場
62 追加クラッド層
64 コーティング
Claims (28)
- 基板と、
前記基板内の一つ以上の光導波路内に形成された二つ以上の平面状のブラッグ格子と、
前記ブラッグ格子の一つ以上に対応してその上に重なる一つ以上のサンプル窓とを備えた光センサーであり、
前記ブラッグ格子のそれぞれは、該ブラッグ格子内を伝播する光が経験する有効モード屈折率によって異なる波長フィルタリング応答を有しており、
前記一つ以上のサンプル窓は、流体のサンプルを受け取るように配置され、流体のサンプルの存在により、前記対応するブラッグ格子内を伝播する光が経験する有効モード屈折率に影響を与えて前記ブラッグ格子の波長フィルタリング応答を変更するようになっており、
前記ブラッグ格子は光源から光を受光し、前記光をフィルタリングし、前記フィルタリングされた光をスペクトル分解光検出器で検出するために出力する光センサー。 - 前記一つ以上のサンプル窓は前記二つ以上のブラッグ格子のそれぞれに対応しており、前記二つ以上のブラッグ格子の全てに流体のサンプルが与えられる請求項1に記載の光センサー。
- 前記一つ以上のサンプル窓は前記二つ以上のブラッグ格子の全てにより共有される単一のサンプル窓を有して、前記サンプル窓が受け取る流体のサンプルは、前記二つ以上のブラッグ格子の全ての中を伝播する光の有効モード屈折率に影響を与える請求項2に記載の光センサー。
- 前記一つ以上のサンプル窓は前記二つ以上のブラッグ格子に対応した別々のサンプル窓を有して、前記二つ以上のブラッグ格子のそれぞれに別々の流体のサンプルが与えられる請求項2に記載の光センサー。
- 前記二つ以上のブラッグ格子は一つ以上のブラッグ格子のペアを有しており、
前記ブラッグ格子のペアのそれぞれは、リファレンス格子と対応したサンプル窓を有する検出格子を備えており、前記検出格子及びリファレンス格子は、該格子が実質的に同じモードの閉じ込めを有するのに十分に近い間隔のブラッグ波長を有する請求項1に記載の光センサー。 - 前記検出格子及び前記リファレンス格子は、2から10nm分だけ間隔の空いたブラッグ波長を有する請求項5に記載の光センサー。
- 前記リファレンス格子は、前記検出格子に対応するサンプル窓とは別の対応するサンプル窓を有している請求項5または6のいずれかに記載の光センサー。
- 前記リファレンス格子及び前記検出格子は単一の導波路内に形成されている請求項5から請求項7のいずれか一項に記載の光センサー。
- 前記二つ以上のブラッグ格子は、ブラッグ格子のグループに分けられる複数のブラッグ格子を有しており、
一つのグループ内のブラッグ格子は第1間隔で空けられたブラッグ波長を有しており、前記グループのそれぞれは平均ブラッグ波長を有し、前記平均ブラッグ波長は他のグループの平均ブラッグ波長から前記第1間隔よりも大きな第2間隔で空けられた請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の光センサー。 - 前記第2間隔は前記第1間隔の十倍以上である請求項9に記載の光センサー。
- 前記第1間隔は2から10nmに範囲内にある請求項9または請求項10のいずれかに記載の光センサー。
- 前記一つ以上の光導波路は光をシングルモードで伝播するようになっている請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の光センサー。
- 前記一つ以上のサンプル窓の中の少なくとも一つは、前記対応するブラッグ格子が形成されている光導波路のコアの上に重なるクラッド層の一部分を有しており、前記サンプル窓が受け取る流体のサンプルが前記クラッド層に接触するようになっている請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の光センサー。
- 前記クラッド層の一部分の厚さが異なる二つ以上のサンプル窓を有する請求項13に記載の光センサー。
- 前記一つ以上のサンプル窓の中の少なくとも一つは、前記対応するブラッグ格子が形成されている光導波路のコアが露出された部分を有しており、前記サンプル窓が受け取る流体のサンプルが前記コアに接触するようになっている請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の光センサー。
- 前記コアが露出された部分は、前記対応するブラッグ格子が形成されている前記光導波路の近接する部分のコアの厚さよりも薄い請求項15に記載の光センサー。
- 対応するサンプル窓を有する前記ブラッグ格子は、長さ方向に沿って屈折率の変化が逓減するコアを有する光導波路内に形成されており、前記サンプル窓のエッジで有効モード屈折率が急激に変化することを減少させるようになっている請求項1から請求項16のいずれか一項に記載の光センサー。
- 前記一つ以上のサンプル窓は、前記対応するブラッグ格子が形成されている光導波路内の光が伝播する方向に対して角度が付けられたエッジを一つ以上有しており、前記ブラッグ格子を伝播する光の反射を減少させるようになっている請求項1から請求項17のいずれか一項に記載の光センサー。
- 前記一つ以上の光導波路は該一つ以上の光導波路の導波特性を変更する層を一つ以上有する請求項1から請求項18のいずれか一項に記載の光センサー。
- 前記一つ以上のサンプル窓の中の少なくとも一つには、前記サンプル窓の受け取る流体のサンプル内に存在し得る分子と結合する化学的選択性のある材料の表面コーティングが備わっており、前記結合により、前記対応するブラッグ格子内を伝播する光の有効モード屈折率が変化する請求項1から請求項19のいずれか一項に記載の光センサー。
- 前記一つ以上のサンプル窓の中の少なくとも一つには、前記サンプル窓の受け取る流体のサンプルによって変化し得る表面プラズモンを有する金属の表面層が備わっており、前記表面プラズモンの変化により、前記対応するブラッグ格子内を伝播する光の有効モード屈折率が変化する請求項1から請求項19のいずれか一項に記載の光センサー
- 前記基板の温度を変更して、前記二つ以上のブラッグ格子が略同じ温度になるようにする加熱または冷却装置を更に備えた請求項1から請求項21のいずれか一項に記載の光センサー。
- 前記二つ以上のブラッグ格子に光を届けて、それぞれのブラッグ格子が、波長フィルタリング応答の少なくとも一部をカバーするスペクトルバンド幅を有する光を受光するようにする一つ以上の光源を更に備えた請求項1から請求項22のいずれか一項に記載の光センサー。
- 前記ブラッグ格子のそれぞれから出力された光を検出してスペクトル分解するスペクトル分解光検出器を更に備えた請求項1から請求項23のいずれか一項に記載の光センサー。
- プロセスを行う装置を制御するプロセス制御システムであり、
プロセスで用いられるまたは生成される流体のサンプルを受け取るように配置された請求項1から請求項24のいずれか一項に記載の光センサー一つ以上と、
前記一つ以上の光センサーのブラッグ格子の波長フィルタリング応答をカバーする光を発生させる光源と、
前記一つ以上の光センサーからの光を受光してスペクトル分析を行い、前記分析に応答して前記装置を制御するための制御信号を一つ以上発生させるスペクトル分解光検出器と、
前記一つ以上の光センサーと前記光源と前記光検出器とに接続され、前記光源からの光を受光し、前記一つ以上の光センサーへと光を分配し、前記一つ以上の光センサーから出力された光を受光し、前記光検出器へと前記出力光を届ける光ルーティング装置とを備えたプロセス制御システム。 - 請求項1から請求項24のいずれか一項に記載の光センサー複数と、
前記複数の光センサーのそれぞれに接続され、光源から光を受光し、前記複数の光センサーへと前記光を分配し、前記複数の光センサーから出力された光を受光し、スペクトル分析のために前記受光した光を出力する光ルーティング装置とを備えた光センサーネットワーク。 - 前記複数の光センサーのブラッグ格子の波長フィルタリング応答をカバーする光を発生させ、前記光ルーティング装置に前記光を届けるように配置された光源と、
前記光ルーティング装置から出力された光を受光するように配置され、前記光のスペクトル分析を行うスペクトル分解光検出器とを更に備えた請求項26に記載の光センサーネットワーク。 - 前記光検出器からのスペクトル分析の結果を受け取るように配置され、前記結果から前記複数の光センサーに加えられた流体のサンプルの特性を一つ以上決定するプロセッサを更に備えた請求項27に記載の光センサーネットワーク。
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