JP2009025305A - 化学薬剤、生物学的薬剤及び放射線薬剤検出用の装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】化学薬剤、生物学的薬剤、及び放射線薬剤検出用の装置及び方法を提供すること。
【解決手段】感知装置は、複数の共振器を含み、共振器はそれぞれ、共振周波数及び光ファイバコイルを有する。光ファイバコイルは、クラッドと、薬剤（化学もしくは生物学的物質）に反応するクラッド内に埋め込まれた指示薬、又は放射で暗くなるドーパントとを有する。共振器は、光をコイルを介して循環させ、共振周波数の中心にあり且つ入力光によって測定される共振形状を生成する。共振形状の所定の変化は、環境内の薬剤の存在を示す。
【選択図】図１

Description

[0001]近年、国土安全保障及び国民に対する脅威の検出にますます重点が置かれるようになってきた。特に、環境内の望ましくない化学物質又は生物学的材料の存在を検出又は感知することが優先事項となり、それに応じて、様々な検出装置が開発されてきた。化学センサの一例は、コア及びクラッド（cladding:被覆板）を有する光ファイバを備えたセンサである。クラッド、又はクラッド上のコーティングは、検出されるべき所定の材料の存在下で変化する光学特性を有する。光ファイバのコアを通って伝えられる光は、検出されるべき材料と相互作用するクラッド又はコーティングの光学特性の変化の関数である。

[0002]従来の検出装置に対して考慮すべき１つの設計上の事項は、感度である。より濃度レベルの低い望ましくない材料の存在を検出することによって、適切な対応を適時に実行することができる。特定の検出装置の場合、より濃度レベルの低い望ましくない材料の存在を検出するためには、一般により多くの時間が必要とされる。

[0003]従って、検出時間を最小化しながら、化学薬剤及び／又は生物学的薬剤の存在を高い感度で検出するセンサを提供することが望ましい。加えて、センサのパッケージ寸法を最小化しながら、複数の且つ異なる脅威の存在を検出するセンサを提供することが望ましい。更に、本発明の他の望ましい特徴及び特性は、添付の図面及び本発明の背景技術と併せて、本発明についての後述の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

[0004]環境内で１つ又は複数の薬剤を感知する装置及び方法が提供される。例示的な一実施形態では、環境内で１つ又は複数の薬剤を感知する装置は、導波路と、導波路に結合できる２つ以上の共振器とを含む。導波路は、第１の光ビームを受け取り、この第１の光ビームを、複数の共振器のうちの１つへ誘導する。各共振器は、光ファイバコイルを含み、第１の光ビームを光ファイバコイルを介して循環させる。光ファイバコイルは、光検出器に結合される。各共振器は、ファイバのコイルを含み、このファイバは、既知の化学薬剤を感知できる。

第１の共振器は、第１の化学薬剤を感知できる第１のコイルファイバを含み、第２のものも同様である。第１の光ビームが第１の共振器に結合されるとき、第１の光ビーム周波数は、第１の共振器の共振全体にわたって走査され、共振線形が、第１の共振器内で循環する光ビームの変化の結果として光検出器で検出される。第１の光ビームの周波数が、その光ファイバコイルを含む共振器の共振の近傍の周波数領域内にあるとき、第１の光ビームからの光の一部分を得、且つその光を共振器内で循環させることによって、第１の光ビームから第１の循環する光ビームが得られる。共振形状の所定の変化は、環境内に薬剤のうちの１つが存在することを示す。[0005]本発明の好ましい実施形態及び代替実施形態について、以下の図面を参照して下に詳細に説明する。

[0011]本発明の以下の詳細な説明は、単に例示的な性質のものであり、本発明又は本発明の適用分野及び使用を限定するものではない。更に、本発明の上記の背景技術又は本発明についての後述の詳細な説明で提示するいかなる理論にも、拘束されるものではない。

[0012]環境内で１つ又は複数の化学薬剤／生物学的薬剤を感知する装置及び方法が提供される。一般に、この装置は２つ以上の共振器を含み、各共振器は、所定の化学薬剤／生物学的薬剤に反応する指示薬が埋め込まれた光ファイバコイルを有する。入力光ビーム（例えば、光源から）が共振器に供給され、この入力光ビームが、一方向（例えば、環状共振器の場合、光ファイバコイルの時計回り又は反時計回りの方向）で、光ファイバコイルの共振周波数に同調されたとき、共振周波数の領域内で共振線形が生成される。

これは、共振器を通って循環する光によって感知される。検出されるべき薬剤が環境内に存在しない場合、共振線形のプロファイル（profile;輪郭）は、共振器内を循環する光のエネルギー損失が低いことに対応して狭くなる。光ファイバコイルの環境内に所定の化学薬剤／生物学的薬剤が存在する場合、指示薬はこの薬剤と反応し、その結果、光ファイバコイル内を循環する光の一部分が、散乱又は吸収される。通常狭い共振線形が、より広く、より浅いプロファイルに変化する。共振線形のこうした変化は、散乱光又は吸収光に起因してエネルギー損失がより大きいことを表し、従って、所定の化学薬剤／生物学的薬剤の存在を示す。複数の化学薬剤／生物学的薬剤の存在を同時に検出するために、複数の共振器がセンサ内でともに多重化される。

追加の共振器はまた、その存在が検出しようとする主材料の測定を悪い方に偏らせる恐れのある他の２次材料を感知するために使用することもできる。このようにして、２次材料に対する１つの共振器コイル又は指示薬の交差感度をなくすことができる。これにより、主材料の測定をより明確にし、２次材料によって偽警報が作動される可能性をなくす。追加の共振器はまた、偽警報から保護するための、又は１つの共振器内の故障の可能性から保護するための冗長の形で、第１の共振器と同じ化学物質を感知するために使用することもできる。

[0013]次に図面を参照すると、図１は、本発明の例示的な一実施形態による化学薬剤／生物学的薬剤センサ１０の概略図である。センサ１０は、調整可能な光源１８（例えば、外部空洞レーザダイオード）と、第１の反射鏡２０と、再循環器２４（例えば、透過率が低いがゼロではない反射率の高い鏡）と、光源１８からの光を、第１の反射鏡２０及び再循環器２４を介して受け取る第１の端部３１を有する光ファイバコイル２８と、光ファイバコイル２８の第２の端部３２からの光出力を、再循環器２４を介して受け取る第２の反射鏡２２と、光検出器（例えば、光ダイオード）２６と、光検出器２６及び光源１８に結合された電子部品モジュール１６とを含む。

再循環器２４及び光ファイバコイル２８はともに、共振器１２を形成する。共振器１２は、様々な構成を有することができ、いくつかの例示的な実施形態について、本明細書で説明する。共振器１２へ導入される光は、単色であり、光ファイバコイル２８を通って数回回転し、再循環器２４を使用してコイル２８を数回通過して循環する。共振器１２からの光出力は、所定の化学薬剤／生物学的薬剤３０の有／無に応答する。

[0014]例示的な一実施形態では、光源１８は、周波数が安定し、線幅が実質的に狭く、且つ出力能力が比較的高い、調整可能なレーザである。光源１８は、光ファイバコイル２８を通る光伝播の時計回り（ＣＷ）又は反時計回り（ＣＣＷ）の方向で共振周波数に一致する周波数ｆ_０を含む周波数領域を経て調整される。一般に、再循環器２４は、光ファイバコイル２８の一方の端部から現れる光を、ファイバコイル２８の他方の端部内へ再導入する任意の光学素子であり、従って光を、光ファイバコイル２８を介して何度も伝播させることができる。再循環器２４として、光ファイバ結合器の代わりに入力鏡を使用することは、鏡を使用して分極誤差及び他の誤差機構を減衰させることができ、また導入される欠陥がより少なくなるので、センサ１０の１つの利点であるが、鏡の代わりに光ファイバ結合器を使用し、且つスプライスを介してファイバコイル２８に結合させることもできる。

[0015]ある場合には、光ファイバコイル２８は、ファイバから形成され、そのコアは通常ガラスベースであり、通常ポリマーベースのクラッドがそのコアを取り囲み、所定の化学薬剤／生物学的薬剤３０に反応する指示薬が、そのクラッド内に埋め込まれる。別の種類のファイバは、ガラスコアと、フォトニック結晶構造のクラッドと、ポリマーベースの外装とを含む。指示薬は、外装内に含まれる。どちらの場合でも、曲げ損失が極めて低い光ファイバが使用されることが好ましく、また光ファイバコイル２８は、実質的に小さい領域の周囲で巻数が比較的大きいことが好ましい。例えば、コイル２８は、直径１センチメートルの周囲に約２０〜４０回巻かれた光ファイバを有することができる。一般に、光ファイバコイル２８によって提供されるような光路が長ければ長いほど、センサ１０の信号対雑音比がより大きくなる。

センサ１０の信号対雑音比を改善するために、光路は、光ファイバコイル２８の巻数を増やすことによって延ばすことができる。光ファイバコイル２８内では、再循環器２４によって導入される光はほとんど、コアの内部を横切り、光の光エネルギーの約数パーセントだけが、光ファイバのガラスコアの外側に含まれる。指示薬は、１つ又は複数の化学／生物物質（例えば、硫化水素、シアン化物、塩素、神経薬剤、セリンなど）に反応し、且つその光特性、例えば色、光損失、又は屈折率を変化させる化学又は他の物質とすることができる。

[0016]動作の際には、光源１８によって生成される光は、第１の反射鏡２０へ誘導され、第１の反射鏡２０は、この光を再循環器２４へ誘導する。第１の反射鏡２０からの光は、対応する伝播方向（例えば、時計回りの方向）に、共振器１２の共振周波数で走査され、その光の第１の部分は、再循環器２４を通って、光ファイバコイル２８の第１の端部３１内へ伝えられる。第２の部分、即ち反射された部分は、再循環器から鏡２２へ反射される。光ファイバコイル２８を通るＣＷ及びＣＣＷ路のいずれかに対する共振周波数は、各光路内の連続して循環させたビームの強め合う干渉に基づく。光の第１の部分が光ファイバコイル２８のコアを通って伝播した後、その光は、光ファイバコイル２８の第２の端部３２から現れる。

この例示的な実施形態では、第２の端部３２から現れる光は、再循環器２４へ誘導される。この光の一部分は、再循環器２４によって再び第１の端部３１内へ反射され、別の部分、即ち透過された波は、再循環器２４によって第２の反射鏡２２へ伝えられる。透過された波は、共振器の内部で再循環する光波の一部分であり、その光波から得られる。透過された波及び反射された波は、第２の反射鏡２２を介して光検出器２６へ誘導され、光検出器２６で、それらの波が干渉される。光の周波数が共振から十分に離れて離調されると、透過される部分は非常に小さくなり、反射される部分だけが光検出器に当たる。これは最大強度を示し、弱め合う干渉がほとんどなくなる。周波数が共振の中心で走査されると、透過される波は最大化され、反射される波との弱め合う干渉が最大になる。従って、共振ディップをもたらし、その最小値が共振の中心を示す。

[0017]ＣＷ方向又はＣＣＷ方向のいずれか（しかしＣＷ方向の場合を示す）の共振器１２の共振中心周波数を観察するために、光検出器２６での強度を測定することができ、又は標準的な同期検出技術を使用することができる。同期検出の場合、入力光ビームは、光検出器２６で測定されるとき、入力ビーム周波数を共振線形全体にわたってディザリングするために、周波数（ｆ_ｍ）で正弦波的に周波数変調される。例えば、電子部品モジュール１６は、光検出器２６の出力をｆ_ｍで復調して、循環する光ビームの光出力によって示される共振中心を測定することができる。共振線形の線の中心、即ち共振中心では、光検出器２６は、基本的な検出周波数ｆ_ｍで最小出力を検出し、線形の傾きが最も大きい場合に線形の両側で最大値を検出する。共振器が共振から十分にずれているとき、強度信号の最大値が観察されるが、ｆ_ｍでの信号は実質的にゼロである。

共振線形の線幅を観察するためには、レーザ周波数が走査され、それにより光検出器２６上の光強度信号について、少なくとも半値、次いで最小値、次いで別の半値の一連の観察を、すべてレーザ周波数が単調に走査されるとき行う。別法として、線形幅の第２の尺度は、レーザ周波数が単調に走査されるとき、ｆ_ｍで復調された信号の最大値間の周波数差を監視することによって測定することができる。この場合、傾きが最も高い場合の点同士の間の共振の周波数幅の測定は、共振器線幅、従って共振器の損失に比例する。半値から半値へ（又は傾きが最も高い場合の点同士の間）のレーザ周波数変移は、共振器線幅であり（又は共振器線幅に比例し）、これはファイバコイル２８内の損失を示し、従って、化学薬剤又は化学物質もしくは生物物質の存在の尺度である。線幅が広がるということは、化学薬剤又は対象物質の存在を表す。

レーザ周波数変移は、検出器が半値信号を観察するときと、検出器が第２の半値信号を観察するときとのレーザ周波数差を記録することによって測定される。それら２つの時点それぞれでのレーザ周波数は、直接的又は間接的に測定することができる。１つの直接的な方法は、その周波数に、走査されていない別のレーザでうなりを生じさせ、２つの時点間のうなり周波数差を測定することである。間接的な、おそらくはより安価な方法は、レーザ周波数と、レーザを走査するために使用される電気信号入力との関係を予め較正することである。これは、レーザの注入電流を変化させる電流駆動信号、レーザの温度を変化させる熱電冷却器への電流駆動信号、又はレーザ空洞の光路長を変化させてその周波数を変化させる圧電変換器への電圧駆動信号とすることができる。これらのいずれの場合でも、レーザ周波数変化と駆動信号の関係は、工場較正することができ、駆動信号変移は、動作中の周波数変移の尺度である。

[0018]例えば、ｆ_０がＣＷ方向に共振器１２の共振周波数から離れて調整されるとき、ＣＷビームからのエネルギーは光ファイバに入らず、光は、再循環器２４の反射率の高い鏡から反射されて、光検出器２６で最大強度をもたらす。ｆ_０がＣＷ方向に共振器１２の共振周波数中心で調整されるとき、ＣＷビームは光ファイバコイル２８に入り、光検出器２６に当たる光は最小出力を有し、それによって共振中心を示す。同様に、装置が、代わりにＣＣＷ方向に光を射出した場合、ＣＣＷビームは、ＣＣＷ方向で共振器１２の共振周波数に調整されるとき、光ファイバコイル２８に入る。

[0019]化学薬剤／生物学的薬剤３０が光ファイバコイル２８の存在下にあるとき、光ファイバコイル２８のクラッド内に埋め込まれた指示薬は、化学薬剤／生物学的薬剤３０と反応（例えば、結合）し、光ファイバコイル２８の光学特性を変える。例えば、光ファイバコイル２８の変えられる光学特性には、屈折率の変化、又は光ファイバコイル２８の光吸収もしくは比色特性の増大もしくは低減が含まれるが、必ずしもこれに限定されるものではない。

[0020]例示的な一実施形態では、センサ１０は、シリコンベースの微小光学台１４上に構成され、微小光学台１４は、電子部品（例えば、電子部品モジュール１６）と光学部品を一体化させ、且つ双方の間に効率的且つ便宜的インターフェースを提供する。反射鏡２０、２２及び再循環器２４など、フィーチャ寸法がわずか１０ミクロンの小型の光学構成部品は、光波が自由空間内を進行している可能性のある場合でも、シリコン表面上に取り付けて、大型のバルク光学部品をなくすことができる。これらの光学機能の一部はまた、シリコン材料内に存在する導波路内に埋め込むこともできる。この例示的な実施形態では、光源１８及び関連する周波数調整構成部品、ならびに光検出器２６もまた、光学台上に取り付けることができる。

これらの技術を使用すると、シリコンプラットホーム内又はその上で光学部品を製作し、従って電子部品と一体化させることが可能になる。光源自体は複合構造とすることができ、いくつかの構成部品をその上に取り付け、又は微小光学台１４上に形成することができる。例えば、光源は、外部空洞レーザダイオードとすることができる。ここでレーザダイオードは、基板上に形成又は配置された２つの反射面間に配置される。また、格子又はエタロンなどの周波数選択空洞内素子を、レーザ空洞内に形成又は配置して、単一の周波数レーザとすることもできる。また、レーザ空洞の外部に取り付けられ又は形成されたレーザ源１８とともに、レーザビームを形成し又は平行にするために使用されるレンズなどの素子を含むこともできる。

[0021]図２は、本発明の別の例示的な実施形態による線形共振器４１を有する化学薬剤／生物学的薬剤センサ４０の概略図である。センサ４０は、入力光ビームを合成し且つその入力光ビームを線形共振器４１内へ導入する調整可能なレーザ（例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、又は外部空洞レーザダイオード）４２を含む。センサ４０は、ビームスプリッタ（例えば、５０−５０％ビームスプリッタ）４４と、入力素子４６と、光ファイバコイル２８と、出力鏡６０と、光検出器６２とを含む。入力素子４６は、入力鏡４８（例えば、９５．５％鏡）を含むが、必ずしもこれに限定されるものではなく、入力鏡４８の代わりにファイバ格子を用いることもできる。

更に、入力素子４６は、ビームスプリッタ４４からの光を光ファイバコイル２８の第１の端部５２へ誘導し、且つ光ファイバコイル２８の同じ端部５２からの光をビームスプリッタ４４へ誘導するための光学部品５０を含むことができる。光ファイバコイル２８は、所定の化学薬剤／生物学的薬剤（例えば、光ファイバコイル２８内に埋め込まれる指示薬に関連する）を検出するための透過性パッケージ５４内に収容される。線形共振器４１は、入力鏡４８、ファイバコイル２８、及び出力鏡６０によって形成される。鏡４８及び６０は、低損失共振器を実現するために、ファイバ先端部、即ちファイバ端部５２及び５６上へ直接形成又は配置することができる。

[0022]変調器（例えば、圧電変換器）５８は、光ファイバコイル２８に結合させて、共振線幅判別中に光ファイバコイル２８を通って循環する光の光路長を、同期検出を使用できるように変調（例えば、正弦波変調）することができる。例えば、レーザ４２によって生成される入力光ビームは、共振器の共振周波数ｆ_０で走査され、変調器５８は、光ファイバコイル２８を通って循環する光の光路長を正弦波的に変調する。別の例示的な実施形態では、レーザ４２に周波数変調機能が組み込まれているとき、変調器５８は省略される。第３の例示的な実施形態では、レーザ周波数は固定であり、周波数走査と変調はどちらも、変調器５８によって行われる。この後者の場合、共振器共振周波数が、レーザ周波数の領域で走査される。これは原則的に、ファイバ共振器の固定共振周波数全体にわたってレーザ周波数を走査することと同等である。

[0023]レーザ４２からの入力光ビームは、ビームスプリッタ４４によって入力素子４６へ誘導され、入力素子４６は、この入力光ビームを光ファイバコイル２８の第１の端部５２へ誘導する。光ファイバコイル２８を含む共振器４１に関連する共振周波数に調整されるとき、入力光ビームの大部分は、光ファイバコイル２８に入る。光ファイバコイル２８を通って伝播した後、光は、光ファイバコイル２８の第２の端部５６から現れ、出力鏡６０に当たり、出力鏡６０は、その光を再び第２の端部５６から光ファイバコイル２８内へ反射する。光出力は、光ファイバコイル２８内を前後に伝播する光から、光ファイバコイル２８の第１の端部５２で生成され、入力素子４６によってビームスプリッタ４４へ誘導される。ビームスプリッタ４４は、光出力の一部分を光検出器６２へ反射する。光検出器６２は、電子部品（図１と同様）に結合させることができる。

[0024]図３は、本発明の別の例示的な実施形態による環状共振器７１を有する化学薬剤／生物学的薬剤センサ７０の概略図である。この例示的な実施形態では、レーザ４２は、入力光ビームを環状共振器７１内へ導入する。化学薬剤／生物学的薬剤センサ７０は、レーザ４２と、ビームスプリッタ４４と、入力鏡４８と、入力素子４６と、光ファイバコイル２８と、出力素子７２と、出力鏡７６と、光検出器６２とを含む。光ファイバコイル２８は、透過性又は半開きのパッケージ５４内に収容され、また変調器（例えば、圧電変換器）５８は、光ファイバコイル２８に結合させて、共振線幅判別中に光ファイバコイル２８を通って循環する光路を変調（例えば、正弦波変調及び／又は共振周波数走査）することができる。共振器は、鏡４８及び７６と、ファイバコイル２８と、入力素子４６と、出力素子７２とを含む。

別の実施形態では、鏡４８及び７６は、入力素子４６及び出力素子７２をなくすのに十分な曲率で設計される。更に別の実施形態では、２つの鏡４８及び７６、入力素子４６、ならびに出力素子７２は、光ファイバ結合器に置き換えられ、光ファイバ結合器が、コイル２８に接合される。更に別の実施形態では、２つの鏡４８及び７６、入力素子４６、ならびに出力素子７２は、２つの光ファイバ結合器に置き換えられ、２つの光ファイバ結合器はともに接合され、次いでコイル２８に接合される。

[0025]レーザ４２からの入力光ビームは、入力鏡４８に誘導され、入力鏡４８は、入力光ビームの一部分を入力素子４６へ伝える。入力素子４６は、入力鏡４８からの光を光ファイバコイル２８の第１の端部５２へ誘導する。共振器の共振周波数に調整されるとき、入力光ビームの大部分は、光ファイバコイル２８の第１の端部５２に入る。光ファイバコイル２８を通って伝播した後、光は、光ファイバコイル２８の第２の端部５６から現れ、出力素子７２へ誘導される。出力素子７２は、光ファイバコイル２８の第２の端部５６からの光を出力鏡７６へ誘導するための光学部品７４を含むことができる。出力鏡７６は、出力素子７２からの光を入力鏡４８へ反射し、入力鏡４８は、この光の大部分を入力素子４６へ誘導して、共振器光路を完成させる。光出力は、光ファイバコイル２８を含む光路を回って循環する光から、出力鏡７６で生成され、出力鏡７６は、共振器内で循環する光のわずかな一部分を光検出器６２へ通過させる。

[0026]図４Ａは、本発明の別の例示的な実施形態による多重化された化学薬剤／生物学的薬剤センサ８０の概略図である。センサ８０は、シリコンベースの微小光学台８２と、微小光学台８２に結合された複数の光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２とを含む。微小光学台８２は、電子部品（例えば、図１に示す電子部品モジュール１６）と光学部品（例えば、図２及び３に示すビームスプリッタ４４、入力及び出力鏡４８、６０、７６、入力及び出力素子４６、７２、ならびに光検出器６２）を一体化させる。例えば、図１に示す電子部品モジュール１６、光検出器２６、光源１８、反射鏡２０、２２、及び再循環器２４は、微小光学台８２と一体化させることができる。センサ８０は更に、光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２のそれぞれに（例えば、１つもしくは複数のファイバＶ溝及び／又は入力鏡を介して）結合された、微小光学台８２上に形成された光多重化回路８３を含むが、必ずしもこれに限定されるものではない。

[0027]レーザ９８からのレーザ光は、チップ（台８２）内又はその上に形成された光多重化回路８３を介して、コイル８４〜９２間で時分割多重化される。光多重化回路８３は、レーザ９８からの光エネルギーを一度に１つ又は複数の共振器内へ誘導し、且ついずれのコイルが光で励起されるかを時間によって変えることができる一連の光学素子である。この光回路はまた、共振器から台８２上に配置された光検出器９４への１つ又は複数の光出力を選択することができる。光検出器９４は、前の段落で説明した形でレーザ周波数が共振器の共振中心を判別するために走査されるとき、光を受け取る。

光多重化回路８３の一実施形態では、可動微小電気機械構造上に取り付けられた鏡を使用して、ある受光鏡からのレーザビームを次の受光鏡へ操向することができ、各受光鏡は、この光を異なる共振器へ結合させる。同時に、選択された共振器から反射される光は、光検出器９４へ誘導される。この可動鏡１００を使用する一実施形態を、図４Ｂに示す。図４Ｂでは、光多重化回路８３は、枢動する構造１０１上に取り付けられた可動鏡１００を含む。構造１０１は、可撓性部材１０２を介してシリコン基板から吊るされ、それによって構造１０１は、周囲の電極指１０３と１０４の間に電圧が印加されて静電気力を受けると枢動し、矢印１０５で示す回転を生じさせることができる。最初に鏡１００から受光鏡１０６へ反射されたレーザ光は、次いで、受光鏡１０７へ再誘導される。次いで各受光鏡は、光を特定の共振器に結合させるように配向される。

[0028]図４Ｃに示す別の実施形態では、レーザ光は、レーザから結合装置１１２を介して、シリコン基板１１６上又はその内に形成された導波路（光源導波路）１１４内へ結合される。光源導波路１１４は、光を伝導し、次いでその光を、一連の他の受光導波路１１６、１１８、１２０、１２２、１２４のうちの１つへ機械動作によって結合させ、従って、単一の受光導波路（受光導波路１１６を図３Ｃに示す）だけが、光源導波路からの光を捕え、且つその光を、単一のファイバ共振器の先端部へ誘導する。ここでは、単一のファイバ共振器の先端部はファイバ先端部１２６である。

ここに例示のために示す共振器は、図２に示す化学物質を感知できるファイバから構成された線形共振器であるが、代替共振器を使用することもできる。光源導波路１１４は、電極１３８と１３９の間に電圧を印加することにより静電気力を介して動かすことができる可動ＭＥＭＳ構造１３６上に配置される。電圧が電極１３８と１３９の間に印加されると、光源導波路１１４の先端部からの光を受け取るように位置決めされた受光導波路１１６〜１２４は、例えば受光導波路１１６から受光導波路１１８に変わる。この場合、次いでその光は、ファイバ先端部１２６がその一部であるものとは異なる共振器の一部であるファイバ１２８の先端部へ伝導される。最も簡単な場合、光源受光導波路は、１つの受光導波路及び１つの共振器だけが、光によって一度に問い合わせられるように、体系的に動かされる。

また、各共振器は、図２の場合のように、その共振器から光が発せられるときにそこからの光を受け取るための専用の検出器１４０、１４１、１４２、１４３、又は１４４を有する。図２のビームスプリッタ４４は、図４Ｃでは、導波路結合器１４６、１４８、１５０、１５２、１５４に置き換えられる。典型的なシリコン導波路の横断面を図４Ｄに示す。図４Ｄでは、導波モードは、シリコン基板上にある二酸化シリコン層上に形成されたシリコンのチャネル導波路内に含まれる。シリコンチャネルを覆って、二酸化シリコン層を配置することができ、又は一部の場合では、空気を使用することができる。

[0029]単一の検出器を使用する他の実施形態も、光源が多重化されるのと同じ形で、即ち、単一の検出器に結合された導波路１１４のものに類似の導波路（即ち、検出器導波路）を組み込むことによって、可能である。この場合、検出器導波路は、第２の可動部材上に配置され、第２の可動部材は、光源によって問い合わせられている共振器からの光を受け取るように、その導波路を位置決めする。従って、光源導波路が、選択された共振器を励起させるように動かされるのと同時に、検出器導波路は、選択された共振器からの光を受け取るように位置決めされる。このようにして、１つのレーザ及び検出器だけが使用されるが、光はほとんど失われない。

従って、コイルからの光を受け取り且つその光を検出器に提供するように構成された一連の受光導波路が、コイルごとに存在する。コイルごとに１つの検出器を設けることができ、又はコスト、寸法、及び出力を最小化するために、単一の検出器が使用される。その場合、受光導波路は、１つの受光導波路だけが固有の共振器に直接接続するように構成させることができるが、可動検出器導波路は、単一の検出器に結合される。検出器導波路は、そのとき光で励起された共振器の受光導波路に光学的に結合するように動かされる。従って、検出器は、任意のある時間に単一のコイルを通って進行した光だけを受け取る。この場合も、受光導波路及び検出器導波路は、機械作動によって互いに相関して動くように構成することができる。

これは、チップ上にＭＥＭＳ型可動部材、電磁入力によって互いに相関して動く小型部材を提供することによって行うことができる。従って光導波路は、プロセッサ９６から提供される電気制御信号によって互いに相関して動かされる。制御信号はまた、プロセッサ９６によって、光検出器信号を解釈するための参照として使用され、光信号がいずれのコイルを通って進行してきて光検出器に当たっているかに関する知識を提供する。従って、センサシステムは、いずれの物質が存在しうるかを判別することができる。導波路を動かすために使用できる例示的な機械作動システムは、Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＧｅｍｆｉｒｅ社によって作製される。

図４Ａはまた、一部の状況で光源９８と光多重化回路８３の間に配置できる光調整素子９９を示す。光調整素子９９は、光波を集束させること、偏光させること、及び光多重化回路８３へ誘導することを含む、光波を調整する目的で使用することができる。従って、光調整素子９９は、それぞれレンズ素子、偏光子、及び鏡を含むことができる。光調整素子９９はまた、レーザ９８の方向への光フィードバックの場合にレーザの性能を確保するために、ファラデー絶縁器を使用する光絶縁器を含むことができる。図４Ｃに示すように、導波路１１４内の光は、２つ以上の光源導波路に分割されて、ある所与の時間に２つ以上の受光導波路が光を受け取ることができるようにする。

[0030]例示的な一実施形態では、導波路８３は、入力光ビームを、光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２のうちの１つへ一度に誘導し、且つ光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２のそれぞれを通って循環した後、光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２からの出力光ビームを一度に受け取る。出力光ビームはそれぞれ、１つ又は複数の入力鏡へ誘導されて、共振線形を判別できる光出力を生成し、また再び対応する光ファイバコイルへ誘導されて、共振器光路を完成させることができる。入力光ビームはそれぞれ、対応する光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２の共振周波数に対して全体にわたって走査される。前述のように、これは、固定平均入力光周波数を有し、且つ共振器光路長のそれぞれの長さを走査し、従って共振線形を走査することによって達成することができる。光ファイバコイルはそれぞれ、異なる化学薬剤／生物学的薬剤に反応する指示薬がその中に埋め込まれている。

別の例示的な実施形態では、光ファイバコイルの１つ（例えば、光ファイバコイル９２）には、核放射で照射されると暗くなるドーパントが埋め込まれる。特定の光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２の光出力に関連する共振線形幅の変化は、対応する化学薬剤／生物学的薬剤の存在又は核放射の存在を示す。センサ８０を使用すると、複数の化学薬剤／生物学的薬剤及び核放射は、共通の出力インターフェース、及び場合によっては無線送信器を備える単一の装置を使用して検出することができる。

[0031]図５は、本発明の別の例示的な実施形態による、環境内の１つ又は複数の薬剤を感知する方法１００の流れ図である。ブロック１０５に示すように、入力光ビームは、少なくとも１つの光ファイバコイル（例えば、図４Ａに示す光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２）を通って循環する。光ファイバコイルはそれぞれ、異なる薬剤（例えば、化学薬剤／生物学的薬剤）に反応する指示薬がその中に組み込まれ、又は、核放射で暗くなるドーパントを有する。１つの例示的な実施形態では、第１の光ビームは、第１の光ファイバコイルを通って循環し、第２の光ビームは、第２の光ファイバコイルを通って循環する。第１の光ファイバコイルは、第１の薬剤（例えば、セリン）に反応する第１の指示薬がその中に埋め込まれ、第２の光ファイバコイルは、核放射で暗くなるドーパントを有する。別の例示的な実施形態では、光は、光ファイバコイルの第１の端部内へ誘導され、光ファイバコイルの第２の端部から現れる。

この光は、図２に示す出力鏡６０などを介して、再び第１の光ファイバコイルの第２の端部内へ反射される。光ファイバコイルの第１の端部から現れる光の一部分は、図２に示す入力鏡４８などを介して、再び光ファイバコイルの第１の端部内へ誘導される。更に別の例示的な実施形態では、光は、入力鏡によって光ファイバコイルの第１の端部内へ誘導され、光ファイバコイルの第２の端部から現れる。この光は、光学素子（例えば、図３に示す出力素子７２）によって受け取られる。光学素子は、光ファイバコイルの第２の端部から現れる光を出力鏡（例えば、図３に示す出力鏡７６）へ誘導し、出力鏡は、光学素子からの光を入力鏡へ反射する。入力鏡は、出力鏡からの光の一部分を、第１の光ファイバコイルの第１の端部へ誘導する。

[0032]ブロック１１０に示すように、共振形状は、入力光ビームから得られる循環する光ビームから生成される。光ファイバコイル内を循環する光から共振線形を判別するとき、入力光ビームは、感知できる光ファイバコイルを含む共振器の共振線形全体にわたって走査される。ブロック１１５に示すように、共振形状の所定の変化が検出される。この変化は、共振線形で表される所定のエネルギー損失量とすることができる。所定の変化は、環境内の薬剤の存在を示す。

本発明の例示的な一実施形態による化学薬剤／生物学的薬剤センサの概略図である。 本発明の別の例示的な実施形態による線形共振器を有する化学薬剤／生物学的薬剤センサの概略図である。 本発明の別の例示的な実施形態による環状共振器を有する化学薬剤／生物学的薬剤センサの概略図である。 本発明の例示的な一実施形態によって形成された多重化された化学薬剤／生物学的薬剤センサの概略図である。 本発明の例示的な一実施形態によって形成された多重化された化学薬剤／生物学的薬剤センサの概略図である。 本発明の例示的な一実施形態によって形成された多重化された化学薬剤／生物学的薬剤センサの概略図である。 本発明の例示的な一実施形態によって形成された多重化された化学薬剤／生物学的薬剤センサの概略図である。 本発明の例示的な一実施形態による、環境内で１つ又は複数の化学薬剤／生物学的薬剤を感知する方法の流れ図である。

符号の説明

１０：化学薬剤／生物学的薬剤センサ、１２：共振器、１４：シリコンベースの微小光学台、１６：電子部品モジュール、１８：調整可能な光源、レーザ源、２０：第１の反射鏡、２２：第２の反射鏡、２４：再循環器、２６：光検出器、２８：光ファイバコイル、３０：化学薬剤／生物学的薬剤、３１：第１の端部、３２：第２の端部、４０：化学薬剤／生物学的薬剤センサ、４１：線形共振器、４２：調整可能なレーザ、４４：ビームスプリッタ、４６：入力素子、４８：入力鏡、５０：光学部品、５２：第１の端部、５４：透過性又は半開きのパッケージ、５６：第２の端部、５８：変調器、６０：出力鏡、６２：光検出器、７０：化学薬剤／生物学的薬剤センサ、７１：環状共振器、７２：出力素子、７４：光学部品、７６：出力鏡、８０：多重化された化学薬剤／生物学的薬剤センサ、８２：シリコンベースの微小光学台、８３：光多重化回路、８４、８６、８８、９０、９２：光ファイバコイル、９４：光検出器、９６：プロセッサ、９８：レーザ、光源、９９：光学調整素子、１００：可動鏡、１０１：構造、１０２：可撓性部材、１０３、１０４：電極指、１０５：矢印、１０６、１０７：受光鏡、１１２：結合デバイス、１１４：光源導波路、１１６：シリコン基板、受光導波路、１１８、１２０、１２２、１２４：受光導波路、１２６、１２８：ファイバ先端部、１３６：可動ＭＥＭＳ構造、１３８、１３９：電極、１４０、１４１、１４２、１４３、１４４：専用の検出器、１４６、１４８、１５０、１５２、１５４：導波路結合器、１００：方法、１０５、１１０、１１５：ブロック。

Claims (4)

1. 環境内で１つ又は複数の薬剤を感知する装置であって、
   第１の光ビームを生成するように構成された光源と、
   電気信号に基づいて前記第１の光ビームの光路を変えることができるコントローラと、
   それぞれ前記コントローラからの光を受け取ることができる第１及び第２の共振器であって、それぞれ光ファイバコイルを含み、前記コントローラから前記光を受け取ったときにそれぞれ共振器光ビームを循環させるように構成された、第１及び第２の共振器と、
   前記第１及び第２の共振器と光学的に連通する少なくとも１つの光検出器と、
   前記光検出器のうちの少なくとも１つ及び前記コントローラと信号的に連通するプロセッサであって、２つ以上の前記光検出器から受け取った信号に基づき、１つ又は複数の薬剤のうちの１つが前記環境内に存在するかどうかを判別するように構成されたプロセッサと、を含む装置。
2. 前記コントローラが、
   前記光源と光学的に連通する第１の反射器と、
   前記第１の反射器の向きを制御するように構成された反射器コントローラと、
   前記第１の反射器が第１の所定の向きに配向されたとき、第１の反射器からの光を受け取ることができる第１の受光反射器と、
   前記第１の反射器が第２の所定の向きに配向されたとき、第１の反射器からの光を受け取ることができる第２の受光反射器と、を含み、
   前記第１及び第２の受光反射器が、それぞれ第１及び第２の共振器から光を受け取ることができ、前記コントローラが機械作動器を含み、前記第１の反射器が、前記反射器コントローラから受け取った制御信号に基づいて前記第１の反射器の向きを機械的に制御する前記機械作動器上に取り付けられ又は形成されたものの少なくとも１つであり、前記第１の光共振器の前記光ファイバコイルが、第１のクラッドと、前記第１のクラッド内に埋め込まれ、２つ以上の薬剤のうちの第１の薬剤に反応するように構成された第１の指示薬とを含み、前記第２の共振器の前記光ファイバコイルが、第２のクラッドと、前記第２のクラッド内に埋め込まれ、２つ以上の薬剤のうちの第２の薬剤に反応するように構成された第２の指示薬とを含み、前記第１の光共振器の前記光ファイバコイルが、核放射を受けると暗くなるように構成されたドーパント又は物質のうちの少なくとも１つを含み、
   前記コントローラが更に、
   前記第１の反射器が、前記第１及び第２の所定の向きとは異なる所定の向きに配向されたとき、前記第１の反射器からの光を受け取ることができる少なくとももう１つの受光反射器と、
   前記少なくとももう１つの受光反射器からの光を受け取ることができる、前記第１及び第２の共振器とは異なる別の共振器と、
   少なくとも１つの光検出器と光学的に連通する第２の反射器と、
   前記第２の反射器の向きを制御するように構成された第２の反射器コントローラと、
   前記第２の反射器が第１の所定の向きに配向されたとき、光を前記第２の反射器へ伝えることができる第１の共振器出力反射器と、
   前記第２の反射器が第２の所定の向きに配向されたとき、光を前記第２の反射器へ伝えることができる第２の共振器出力反射器と、
   前記第１の反射器が、前記第１及び第２の所定の向きとは異なる所定の向きに配向されたとき、前記第１の反射器からの光を受け取ることができる少なくとももう１つの受光反射器と、
   前記少なくとももう１つの受光反射器からの光を受け取ることができる、前記第１及び第２の共振器とは異なる共振器と、を含み、
   前記第１及び第２の共振器が、それぞれ前記第１及び第２の共振器出力反射器に光学的に連通することができ、前記コントローラが更に、
   機械作動器を含み、前記第２の反射器が、前記第２の反射器コントローラから受け取った制御信号に基づいて前記第２の反射器の向きを機械的に制御するように構成された前記機械作動器上に取り付けられ又は形成されたものの少なくとも１つであり、
   前記第１の光共振器の前記光ファイバコイルが、第１のクラッドと、前記第１のクラッド内に埋め込まれ、２つ以上の薬剤のうちの第１の薬剤に反応するように構成された第１の指示薬とを含み、前記第２の共振器の前記光ファイバコイルが、第２のクラッドと、前記第２のクラッド内に埋め込まれ、２つ以上の薬剤のうちの第２の薬剤に反応するように構成された第２の指示薬とを含み、前記第１の光共振器の前記光ファイバコイルが、核放射を受けると暗くなるように構成されたドーパント又は物質のうちの少なくとも１つを含み、前記第１の光共振器の前記光ファイバコイルが、核放射を受けると暗くなるように構成されたドーパント又は物質のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記コントローラが、第１の導波路と、第１及び第２の受光導波路とを含み、前記コントローラが、前記第１の導波路の位置を制御するように構成され、前記第１の受光導波路が、前記第１の導波路が前記コントローラによって第１の所定の位置に位置決めされるとき、前記第１の導波路からの光を受け取ることができ、前記第２の受光導波路が、前記第１の導波路が前記コントローラによって第２の所定の位置に位置決めされるとき、前記第１の導波路からの光を受け取ることができる、請求項１に記載の装置。
4. 請求項３に記載の装置であって、
   少なくとも１つの光検出器と光学的に連通する第２の導波路と、
   前記第２の導波路の位置を制御するように構成された第２のコントローラと、
   前記第２の導波路が前記第２のコントローラによって第１の所定の位置に位置決めされるとき、前記第２の導波路に光を伝えることができる第１の共振器出力導波路と、
   前記第２の導波路が前記第２のコントローラによって第２の所定の位置に位置決めされるとき、前記第２の導波路に光を伝えることができる第２の共振器出力導波路と、を更に含み、
   前記第１及び第２の共振器が、それぞれ前記第１及び第２の共振器出力導波路と光学的に連通することができ、前記コントローラが機械作動器を含み、前記第１の導波路が、制御信号に基づいて前記第１の導波路の位置を機械的に制御する前記機械作動器上に取り付けられ又は形成されたものの少なくとも１つであり、前記第１の光共振器の前記光ファイバコイルが、核放射を受けると暗くなるように構成されたドーパント又は物質のうちの少なくとも１つを含む装置。

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