JP2009075065A - 改良された光ファイバ化学センサ - Google Patents

Abstract

【課題】化学物質を感知する光学システムを提供する。
【解決手段】例示的なシステムは、光源と、光センサ、光源及び光センサに信号連通する処理装置と、光源から光を受け取り、光センサに光を送給する光ファイバケーブル２０とを有する。光ファイバケーブルは、所定の物質に対して透過性のクラッディング材料２６と、クラッディング材料により取り囲まれた光ファイバコア２４とを有する。光ファイバコアは、３０μｍよりも大きな直径を有する単一モードの光ファイバである。光ファイバコアは、１−５０μｍの間の直径を持つ中空の中央部を有する。光ファイバコアは、単一モードの光伝播特性を提供するように位置決めされた複数の長手方向の穴を有する。複数の長手方向の穴は、０．２−４μｍの間の直径を有する。
【選択図】図４

Description

光ファイバ（optical fiber）は、ガラス又はプラスチックのような透明材料で構成される。大半の光ファイバは、溶融シリカであり、大半のプラスチックファイバ（fiber;ファイバ）は、ポリメチルメタクリレート（polymethylemethacrylate;ＰＭＭＡ）である。すべての光ファイバは、コア及びクラッディング（cladding;被覆層）で構成され、そのうち、コアは、クラッディングよりも一層高い屈折率を有する。ファイバ構造は、全反射（ＴＩＲ）により光を案内する。

シリカファイバにおいては、コアは、普通ゲルマニウムでドーピングすることにより確立される。ＰＭＭＡは、クラッディングとしてフッ素ポリマーコーティングを使用する。ファイバは単一モード及び多モードの２つの基本的な形式に分類される。単一モードのファイバにおいては、コアは極めて小さく、例えば５ないし１０ミクロンの直径を有する。多モードのファイバは５０ないし数千ミクロンのコア及び極めて小さい（数十ミクロン程度の）クラッディングを有する。単一モードのファイバはファイバの直径をほぼ１２５ミクロン（図１）にする大きな（普通５０ミクロン以上の）クラッディングを有する。

単一モードのファイバにおける大きなクラッディングの目的は、数ミクロンだけクラッディング内へ延び、コアのみを通って運動するものと通常考えられる光エネルギの１０％を収容できるような単一モードのエバネッセント場を保護し、収容することである。この大きな直径のクラッディングの別の重要なことは、ファイバを破断無しに取り扱えることである。しかし、化学感知のために使用するファイバオプティックスに関しては、クラッディングは感知している物質に対して透過性でなければならない。従って、厚いクラッディングにより取り囲まれた小径のファイバは化学光ファイバセンサにとっては実用的ではない。

[0002]大きなコアのファイバは、可能性としては数百程度の比較的多数の空間モードを体験する。異なる空間モードで運動する光は異なる速度で運動する。不可避の混乱のため、光は１つのモードから別のモードへ結合することがあり、また、そうなる（いわゆる「モード混合」）。モード混合及び種々のモード間での異なる光速度は光検出システムにおいてノイズ及び不確実性を生じさせ、通信システムにおいてパルス拡散を生じさせる。この理由のため、単一空間モード（単一モード）のファイバは多くの通信手段及び感知システムに使用される。

しかし、多モードファイバの１つの利点は、その大きなコア領域が十分な構造上の一体性を伴う直径を有し、そのクラッディングとして機能できる化学的に感応性のポリマーで被覆できることである。事実、化学的に感応性の多モードのファイバはファイバクラッディングとして機能する多孔性のポリマーコーティング内に化学インジケータを埋設することにより実現されてきた。クラッディング内へ延びるそのエバネッセント場を伴うファイバコアに沿って運動する光は、インジケータが特定のガス状化学物質の存在によりトリガされたときに、一層大きな損失を体験する。

[0003]標準の単一モードのファイバのコア寸法が典型的には１０μｍであるので、多モードのファイバにおいて使用することが証明された多孔性のインジケータ埋設ポリマーでクラッディングした場合には、そのコアは脆過ぎる。その理由は、ガラスが薄く、ポリマーがファイバの構造上の一体性を維持するのに十分なほど剛直ではないからである。図２は化学感知に使用するための、ガラスコア及びクラッディング材料を含む光ファイバを示す。図２の光ファイバは耐久性を有するが、多モードのファイバである。

[0004]複数のパスのために光ファイバループのまわりで光を循環させるために、共振器が化学センサにおいて使用されてきた。周期的な一続きの共振線形状が発生させられ、各線形状は通常の状態の下で共振周波数の近くに中心を持つピークを有し、共振線形状はそれに関連するフィネス(finesse)を有する。同じモードの共振周波数間の周波数分離の周波数周期は共振器の自由スペクトル範囲である。ここで使用する「フィネス(finesse)」という用語は個々の共振線形状の線幅に対する自由スペクトル範囲の比に基づく関係（例えば先鋭度）を言う。共振線形状の線幅は共振線形状の最大ピーク値の半分での周波数幅である。フィネスは更に、光が再生可能な状態で光学ループ内を循環する回数に関連し、従って、共振器の往復(round-trip)損失に固有的に関連する。

一般に、損失が大きいほど、フィネスは小さくなる。一般に、多モードの光ファイバ内へ光を結合すること、及び、共振器を通る複数の循環のためにそれ自体再生する単一空間モードにおいて光を維持することは困難である。例えば、光ファイバの長さに沿った混乱（例えば、不完全性、幾何学的歪み等）は典型的には多モードのファイバ内での単一ファイバ空間モードの往復再生性を減少させ、従って、フィネスを減少させる。他の空間モードの共振もまた発生することがあり、これは典型的には意図する測定において誤差を生じさせる。後者の場合、単一の安定した共振に基づくことのある共振の複雑な構造が観察されることがあり、これは、測定において不安定性及び誤差を生じさせる。各空間モードは、スペクトル内で共振の数を二倍にする２極モードに関連することができる。

[0005]単一モードの光ファイバは、ファイバの単一空間モードが共振器の共振モードを支援することを保証することにより、共振器の共振特性を大幅に改善するために使用することができる。例えば、この単一空間モードは、１つの極状態が共振器内で共振する場合は、唯一の共振モードである。従って、ファイバの数個の空間モード間のパワー分担により生じる不安定性及び数個の共振器モードの存在から由来する誤差は実質上排除される。

フィネスの測定、共振の線幅及び自由スペクトル範囲は、典型的にはユニークなものである。その理由は、これらが損失、及び、ファイバの単一空間モード内で運動する光のための及び単一共振線形状のための経路長さに関連するからである。化学的に感応性のファイバを作るためには、光はポリマーと相互作用すべきである。透過性で化学的に感応性のポリマークラッディングを典型的な単一モードのファイバのコア上に直接配置することは実質的に非実用的である。その理由は、上述のように、コアが小さ過ぎるからである。コアとポリマーコーティングとの間に中間のガラスクラッディングを付加すると、感度と抵触することになろう。

[0006]本発明は、化学物質を感知するためのシステムを提供する。例示的なシステムは、光源と、光センサと、光源及び光センサに信号連通する処理装置と、共振器内に配置され、光源から光を受け取って光を光センサへ送給する光ファイバとを有する。光ファイバは、所定の物質に対して透過性で、その光学特性（減衰及び屈折率）を標的の物質に対して感応性にするようにその中に埋設されたインジケータを備えたクラッディング材料と、クラッディング材料により取り囲まれた光ファイバコアとを有する。単一モードの光ファイバは、３０μｍよりも大きな直径を有するガラスコア寸法を具備する。

[0007]本発明の１つの態様においては、光ファイバコアは１−５０μｍの間の直径を持つ中空の中心部を有する。[0008]本発明の別の態様においては、光ファイバコアは、単一モードの光伝播特性を提供するように位置決めされた複数の長手方向の穴を有する。複数の長手方向の穴は０．２−４μｍの間の直径を持つ。[0009]本発明の更に別の態様においては、光ファイバコアは中空の中心部と、０．２−４μｍの間の直径を持つ複数の長手方向の穴とを有する。

[0010]以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施の形態及び代わりの実施の形態を詳細に説明する。[0013]図３は、本発明の１つの実施の形態に従って形成された化学センサシステム１０を示す。システム１０はプロセッサ１２と、光源１４と、クラッディングされた光ファイバのループ１６と、部分伝達鏡２０と、光感知装置１８と、種々の光学素子１９とを有する。部分伝達鏡２０とファイバループ１６との組み合わせは光学共振器２２を形成する。プロセッサ１２は周波数変調（又は「調整」又は「走査」）されたレーザー光信号を生じさせるように光源１４を制御し、この信号は、光学素子１９を介して、光学共振器２２へ送られ、光感知装置１８により受け取られる。

[0014]入力光ビームが（例えば光源から）共振器２２へ供給され、入力光ビームが１つの方向（例えば、リング状の共振器の場合は、光ファイバのコイルの右回り又は左回り方向）において共振器２２の共振周波数の区域を通して調整されたとき、共振線形状が共振周波数の区域において発生し、この線形状は共振器２２を通って循環する光により感知される。環境から検出すべき試剤（標的物質）が無い場合、共振線形状は共振器２２内を循環する光の低い往復損失に対応する狭いプロフィール（高いフィネス）を有する。この場合、ファイバループ１６のクラッディング内に埋設された化学インジケータは光学的に透明である。

化学試剤が存在する場合は、クラッディング内に埋設された化学インジケータは試剤（標的物質）と反応し、減衰又は屈折率のようなその光学特性を変化させる。その減衰の変化の場合、共振器２２の往復損失が増大して、そのフィネスの減少又はその共振プロフィールの拡大を生じさせる。レーザーの周波数が共振器２２の共振にわたって走査され、光が光検出器（光感知装置１８）で受け取られるときに、センサ処理電子機器（プロセッサ１２）は、フィネス又は自由スペクトル範囲のような共振特性の変化を決定する。光感知装置１８は光学素子１９を介してファイバ共振器２２から出力された光を受け取り、光感知信号を分析のためにプロセッサ１２へ送る。

[0015]化学感知のための無人自主車両のためのようなある応用においては、高感度で極めて小型のセンサがかなり魅力的である。本発明はこのような応用に対して利点を有することに留意すべきである。例えば、例示的な実施の形態においては、センサ１０の大半は、電子機器（例えばプロセッサ１２）及び光学機器（例えば光源１４、光感知装置１８、光学素子１９、２０）を一体化し、光学電子機器とファイバとの間に有効で好都合なインターフェイスを提供するケイ素基礎のマイクロ光学ベンチ上で構成される。

ファイバの端部は、Ｖ字形溝(vee-grooves)内に配置され、光学ベンチ上に位置する鏡２０に対して光を受け取り、伝達するように整合させることができる。光の波が自由空間内を運動することがある場合、鏡反射器１９及び循環器２０のような１０ミクロンほどの小さな構造寸法を有する小型の光学素子は大きなバルク光学素子を排除するためにケイ素表面上に装着することができる。このような光学機能のいくつかはまたケイ素材料内に存在する導波管内に埋設することができる。この例示的な実施の形態においては、光源１４及び関連する周波数調整素子及び光感知装置１８はまた光学ベンチ上に装着することができる。このような技術の使用はケイ素プラットフォーム内での又はその上での光学機器の組立てを許容し、従って、電子機器との一体化を許容する。光源自体は複合構造体とすることができ、又は、数個の素子をマイクロベンチ上で装着又は形成することができる。例えば、光源は外部空洞レーザーダイオードとすることができ、この場合、レーザーダイオードは基板上に形成されるか又は配置された２つの反射性表面間に配置される。

また、単一周波数のレーザーにするために、格子又はエタロンのような周波数選択内部空洞素子をレーザー空洞内に形成又は配置することができる。また、レーザービームを形状づけ又はコリメートするために使用される、レーザー空洞に対して外部に装着されるか又は形成されるレンズのような素子をレーザー源１４に含ませることができる。また、部分伝達鏡即ち再循環装置２０は、ある例においては、光ファイバカップラと交換できることに留意すべきである。

[0016]ファイバループ１６は、単一モードの可撓性で強固にクラッディングされた光ファイバの巻回体を有する。ファイバループ１６は壊れることなく撓むのに十分な強度での単一モードの偏光光の送給を許容する。ファイバループ１６として使用するための光ファイバの例は図４−６に関して以下に説明する。

[0017]図４は光源１４により発生した光の単一モードの送給を提供する光ファイバケーブル２０の第１の実施の形態の断面図を示す。ケーブル２０は２つの素子、即ち、第１の屈折率ｎ_１を有するガラスコア２４及びガラスコア２４を取り囲むクラッディング材料２６を含む。クラッディング材料２６は好ましくはｎ_１よりも小さな屈折率ｎ_２を有するポリマーである。典型的には、従来技術においては、これらのファイバは多モードである。その理由は、大きなコア直径及び大きな屈折率差のためである。しかし、本発明においては、クラッディング材料２６は好ましくはｎ_１よりもごく僅かに小さい屈折率ｎ_２を有するポリマーである。

これは単一モードの作動を可能にし、数メートル又は数十メートルのような所定の長さよりも大きな機械的な安定性を提供するしきい寸法よりも大きなガラスコア２４の直径を可能にする。例えば、図４に示すように、ガラスコア２４の直径はほぼ３０μｍないし１００μｍである。この方法においては、ポリマーの（クラッディングの）屈折率はドーパントを付加することにより増大し、または、ポリマーは溶融シリカのものよりもほんの小さな屈折率を有するように選択され、そのため、コアとの屈折率差は極めて小さく、更に、ポリマーの屈折率はコアのものよりも依然として小さい。

[0018]ポリマーの例は、ドーパント及びその中に埋設されたインジケータを備えたアクリレートである。別の実施の形態においては、コアはまた、ポリマーとの低い屈折率差の目的を部分的に達成するために、フッ素のようなドーパントの使用によりその屈折率を低下させるようにドープすることができる。

[0019]図５は、図４におけるファイバ構成に対する変形例を示す。図５は別の単一モードの光ファイバケーブル３２を示す。ケーブル３２はガラスコア３６を取り囲むクラッディング材料３４を含む。ガラスコア３６はガラスコア３６の中心に位置する穴３８と、中央の穴３８を取り囲み、ガラスコア３６の外縁の近傍に位置する複数の小さな穴４０とを有する。光ファイバは単一モードとなるように作ることができる。穴パターン構造はデンマークのクリスタル・ファイバＡ／Ｓ社(Crystal Fibre A/S)によりガラスファイバのために製造されたもののようなミクロ構造のファイバのために作られたものと矛盾しない。ファイバの結果としての基本モードは「フープモード」であり、その強度分布は円形的に対称であり、穴３０及び穴４０の外半径の間でピークを有する。

エバネッセント場（evanescent field）は、インジケータを埋設した半多孔性のポリマークラッディング材料３４内へ延び、化学試剤によりトリガされたときに、インジケータに対してファイバを感応性にする。この構造を使用すると、光はフープモード内に含まれ、３０μｍのガラス部材の直径は穴及びこれらの間の距離を適当に寸法決めすることにより、得ることができる。（図５には示さないが）所望の結果を達成するために中央の穴３８のまわりでの穴４０のリングに類似する穴のリング又は穴４０のリングの内側での穴の更なる同心のリングを備えた他のデザインに留意すべきである。

[0020]図６は、ガラスコア５４を取り囲むポリマー又は他の形式のクラッディング材料５２を含む別の光ファイバケーブル５０を示す。ガラスコア５４は一連の穴５６と、そのまわりの中実の区域５８とを有する。中央の穴５６は、光モードが中心に伝播しないことを保証し、クラッディングは区域５８内に光を閉じ込める。これまた、光はフープモードで伝播する。クラッディングの屈折率、穴の寸法及び間隔を調整することにより、一層高い空間モードを減衰することができ、ガラスコア５４は頑丈になるのに十分（３０ミクロン以上）なほど大きく作ることができ、エバネッセント場は選択したクラッディング内へ延びるように仕立てることができる。

[0021]中央の穴３８、５６の寸法は、ほぼ１−５０μｍの範囲にある。穴３０、４０、５６、５８、７６の寸法は、ほぼ０．２−４μｍの範囲にある。[0022]別の実施の形態においては、ガラスコア２４、３６、５４はその屈折率ｎ_１を減少させるためにドープすることができる。

従来の実施の形態に従って形成された光ファイバケーブルの断面図である。 従来の実施の形態に従って形成された光ファイバケーブルの断面図である。 本発明の実施の形態に従って形成された光ファイバケーブルの断面図である。 本発明の実施の形態に従って形成された光ファイバケーブルの断面図である。 本発明の実施の形態に従って形成された光ファイバケーブルの断面図である。 本発明の実施の形態に従って形成された光ファイバケーブルの断面図である。

符号の説明

１０：化学センサシステム、１２：プロセッサ、１４：光源、１６：ファイバループ、１８：光感知装置、２０、３２、５０：光ファイバケーブル、２２：共振器、２４、３６、５４：ガラスコア、２６、３４、５２：クラッディング材料、３８、４０、５６：穴。

Claims (10)

1. 化学センサであって、
   レーザー光源；光センサ；光源及び光センサに信号連通する処理装置；及び光学共振器を有し、
   前記光学共振器が、所定の物質に対して透過性で、所定の物質に曝されたときに変化する光学特性を有するクラッディング材料と、クラッディング材料により取り囲まれ、３０μｍよりも大きな直径を有する単一モードの光ファイバである光ファイバコアと、光ファイバコア内で光を循環させるの装置と、を有し、
   前記光学共振器が、レーザー光源から光を受け取り、光センサへ光を送給するように構成される化学センサ。
2. 前記光ファイバコアが１−５０μｍの直径の中空中心部を有する請求項１の化学センサ。
3. 前記光ファイバコアが単一モードの光伝播特性を提供するように位置決めされた複数の長手方向の穴を有する請求項１の化学センサ。
4. 前記複数の長手方向の穴が０．２−４μｍの直径を有する請求項３の化学センサ。
5. 前記光ファイバコアが１−５０μｍの直径を備えた中空中心部と、０．２−４μｍの直径を備えた複数の長手方向の穴とを有し、中空中心部及び複数の長手方向の穴が単一モードの光伝播特性を提供するように位置決めされる請求項１の化学センサ。
6. 前記クラッディング材料が光学共振器の単一モードの作動を提供するためにコアの屈折率に適切に近似する屈折率を有する請求項１の化学センサ。
7. 前記レーザー光源のレーザー出力が所定の周波数範囲を横切って通過し、処理装置が光センサからの信号に基づく化学試剤の存在の表示として共振器のフィネス又は自由スペクトル範囲のうちの少なくとも１つにおける変化を決定する請求項１の化学センサ。
8. 前記レーザー光源からの光を共振器へ結合し、共振器からの光を光センサへ結合するように構成された光学素子及び共通の小型基板を更に有し、レーザー光源、光センサ及び光学素子が共通の小型基板に取り付けられるか、装着されるか又はその上に形成されるかの少なくとも１つである請求項１の化学センサ。
9. 前記光を循環させる装置が共通の小型基板に取り付けられるか、その上に形成されるか又は装着されるかの少なくとも１つである請求項８の化学センサ。
10. 処理装置が共通の小型基板に取り付けられるか、その上に形成されるか又はそれと一体化される請求項８の化学センサ。

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