JP2010223610A - Self-forming optical waveguide sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は主として光導波路から成るプローブに検出光を導入し、その伝送光量等の変化により、プローブ周囲の物質濃度の変化等を検出するセンサに関する。
なお、本発明において自己形成光導波路とは、本願出願人らにより開発された技術であり、液状の光硬化性樹脂に光ファイバ等から硬化波長の光を照射し、硬化物により硬化波長光が集光されて、軸状のコアが形成される技術を言うものとする（以下に示す特許文献２等）。
The present invention relates to a sensor that introduces detection light into a probe mainly composed of an optical waveguide and detects a change in the concentration of a substance around the probe by a change in the amount of transmitted light.
In the present invention, the self-forming optical waveguide is a technique developed by the applicants of the present application. The liquid photocurable resin is irradiated with light having a curing wavelength from an optical fiber or the like, and the cured wavelength light is emitted from the cured product. It shall mean a technique in which the light is collected and a shaft-shaped core is formed (Patent Document 2, etc. shown below).
例えば非特許文献１には、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）を用いた２種類のアミンセンサについて記載がある。
その第１は、ＰＯＦの一定長さ部分のクラッドを除去し、替わりに、検出対象であるアミン類との化学反応によって吸光度が変化する色素をドープしたポリマーをセンシング用のクラッドとして形成した吸光型センサである。
第２は、ＰＯＦの一定長さ部分のクラッドを除去し、替わりに、検出対象であるアミン類を吸着することで膨潤するポリマーをセンシング用のクラッドとして形成したセンサである。この第２のセンサは、検知対象であるアミン類がセンシング用のクラッドに吸着されることでクラッドの屈折率が減少し、当該光導波路における全反射の光が増えることを利用したものである。即ち、アミン類が存在しない場合に光の漏れが多く、アミン類が存在し、更には濃度が高くなるほど光の漏れが少なくなる。これにより、最終的に伝送される光量の増加を検出することで、アミン類の濃度を検知できる。非特許文献１にはコアをテーパ形状にすることについても記載がある。
また、特許文献１には光ファイバの途中にコアを露出させたうえで金属膜を形成し、表面プラズモン共鳴型センサとする例が記載されている。また、非特許文献２には、光ファイバの先端のコアを露出させ、端面に反射膜としての銀膜を、側面に表面プラズモン共鳴のための金膜を形成したプロープを用いた表面プラズモン共鳴型センサとする例が記載されている。非特許文献２においては、表面プラズモン共鳴により検知される光量が減少する波長の変化により、プロープ周囲の物質濃度変化を見るものである。
特許文献２は、本願出願人による先行技術文献である。
For example, Non-Patent Document 1 describes two types of amine sensors using plastic optical fibers (POF).
The first is an absorptive type in which a cladding of a certain length of POF is removed, and instead, a polymer doped with a dye whose absorbance is changed by a chemical reaction with amines to be detected is formed as a cladding for sensing. It is a sensor.
The second is a sensor in which the cladding of POF of a certain length is removed and, instead, a polymer that swells by adsorbing amines to be detected is formed as a cladding for sensing. This second sensor utilizes the fact that amines to be detected are adsorbed to the sensing clad to reduce the refractive index of the clad and increase the total reflection light in the optical waveguide. That is, when there are no amines, light leaks more, amines are present, and further, the higher the concentration, the less light leaks. Thereby, the density | concentration of amines is detectable by detecting the increase in the light quantity finally transmitted. Non-Patent Document 1 also describes that the core is tapered.
Patent Document 1 describes an example in which a metal film is formed after exposing a core in the middle of an optical fiber to form a surface plasmon resonance sensor. Non-Patent Document 2 discloses a surface plasmon resonance type using a probe in which a core at the tip of an optical fiber is exposed, a silver film as a reflection film is formed on an end surface, and a gold film for surface plasmon resonance is formed on a side surface. An example of a sensor is described. In Non-Patent Document 2, a change in the concentration of a substance around a probe is observed by a change in wavelength at which the amount of light detected by surface plasmon resonance decreases.
Patent document 2 is a prior art document by the present applicant.
非特許文献１においては、センシング用のポリマーをクラッドとして用いるため、ＰＯＦのクラッドを有機溶剤などで除去する工程が必要である。クラッド材が付与されていないコアのみのＰＯＦ（又は透明プラスチックの棒状物）に対してセンシング用のクラッド層を形成する場合は、クラッドを除去する工程は必要ないが、センシング用の光を伝送する光ファイバとの接続が必要になるため、軸調整が必要になる。一方、テーパ型センサの作製にはＰＯＦを加熱、延伸する工程が必要であり、簡易に製作できるとは言い難い。
特許文献１では、コア露出部の製造方法として、クラッドを化学薬品を用いてエッチングしてコアを露出させるか、コア材を二酸化炭素レーザ等を用いて溶融加熱し、引き伸ばすこと等により行うことを記している。これは非特許文献１と同様の理由で、簡易に製作できるとは言い難い。
In Non-Patent Document 1, since a sensing polymer is used as a cladding, a process of removing the POF cladding with an organic solvent or the like is required. When a sensing cladding layer is formed on a core-only POF (or transparent plastic rod) to which no cladding material is applied, a step of removing the cladding is not necessary, but sensing light is transmitted. Since connection with an optical fiber is required, axis adjustment is required. On the other hand, the production of the taper type sensor requires a process of heating and stretching the POF, and it is difficult to say that it can be easily produced.
In Patent Document 1, as a method of manufacturing the exposed core portion, the cladding is etched using a chemical to expose the core, or the core material is melted and heated using a carbon dioxide laser or the like and stretched. It is written. For the same reason as in Non-Patent Document 1, it is difficult to say that it can be easily manufactured.
本発明者らは、本願出願人らによる自己形成光導波路を用いることで、上記の問題を解決し、且つ新たな利点を有することを見出して本願発明を完成させた。 The present inventors have found that the above-mentioned problems are solved by using the self-forming optical waveguides by the applicants of the present applicant and have new advantages, and the present invention has been completed.
請求項１に係る発明は、プローブを通過する検出光の光量の変化又はそのうちの特定波長の光量の変化、或いは光量が減少する波長を検出することにより、プローブ周囲の物質の濃度変化を検出するセンサにおいて、プローブが、光硬化性樹脂を自己形成的に集光させて硬化させた光導波路コアを有することを特徴とするセンサである。
請求項２に係る発明は、光導波路コアの径が、光軸方向に対して均一でないことを特徴とする。
請求項３に係る発明は、光導波路コアの径の変化が、１つのテーパであることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、検出光の経路に対し、光導波路コアの径がダウンテーパであることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、光導波路コアの径の変化が、アップテーパとダウンテーパを有することを特徴とする。
The invention according to claim 1 detects a change in the concentration of a substance around the probe by detecting a change in the amount of detection light passing through the probe, a change in the amount of light of a specific wavelength, or a wavelength at which the amount of light decreases. In the sensor, the probe has an optical waveguide core in which a photocurable resin is condensed and cured in a self-forming manner.
The invention according to claim 2 is characterized in that the diameter of the optical waveguide core is not uniform in the optical axis direction.
The invention according to claim 3 is characterized in that the change in the diameter of the optical waveguide core is one taper.
The invention according to claim 4 is characterized in that the diameter of the optical waveguide core is down-tapered with respect to the path of the detection light.
The invention according to claim 5 is characterized in that the change in the diameter of the optical waveguide core has an up taper and a down taper.
請求項６に係る発明は、プローブが、光導波路コアとその表面に形成された誘電体から成る感応膜とを有し、感応膜が特定の化学物質を吸着することで吸収する波長が変化するものであり、検出光の特定波長の光量の変化を検出することを特徴とする。
請求項７に係る発明は、プローブが、光導波路コアとその表面に形成された誘電体から成る感応膜とを有し、感応膜が特定の化学物質を吸着することで膨潤して屈折率が変化するものであり、検出光の光量の変化を検出することを特徴とする。
請求項８に係る発明は、プローブが、光導波路コアとその表面に形成された金属膜とを有し、表面プラズモン共鳴による検出光の光量の変化、或いは光量が減少する波長を検出することを特徴とする。ここで光量の変化として特定波長の光量の変化が含まれるものとする。
In the invention according to claim 6, the probe has an optical waveguide core and a sensitive film made of a dielectric formed on the surface of the optical waveguide core, and the wavelength absorbed by the sensitive film changes by adsorbing a specific chemical substance. It is characterized by detecting a change in the amount of light of a specific wavelength of detection light.
In the invention according to claim 7, the probe has an optical waveguide core and a sensitive film made of a dielectric formed on the surface thereof, and the sensitive film swells by adsorbing a specific chemical substance and has a refractive index. It is characterized by detecting changes in the amount of detection light.
In the invention according to claim 8, the probe has an optical waveguide core and a metal film formed on the surface thereof, and detects a change in the amount of detection light due to surface plasmon resonance or a wavelength at which the amount of light decreases. Features. Here, it is assumed that the change in the amount of light includes a change in the amount of light of a specific wavelength.
従来のＰＯＦを加工してプローブとしたセンサでは、当該加工が必ずしも容易ではない。また、別途プローブを作成してその両端に光ファイバ等を接続する場合は光軸の調整が困難であった。
本発明によれば、光硬化性樹脂にレーザ光を照射するだけでセンシング用の導波路が簡単に製作できる。また、レーザ光を照射するための光ファイバの光軸に沿って導波路が成長するため、光軸調整が不要である（請求項１）。
プローブの光導波路コアを伝播する光のうち、周囲の物質と相互作用する成分が多いほど感度が良くなるが、一般的には伝播角が小さく、光導波路コアの周囲と相互作用しない成分が多い。そこで、光導波路コアをテーパ形状や腹と節のある波打ち形状などとすることによって、伝播角（又は光導波路コアとその外周との界面への入射角）を光導波路コアの周囲と相互作用しやすい成分に変換させることができる（請求項２乃至５）。
With a conventional sensor that uses a POF as a probe, the processing is not always easy. Further, when a probe is separately prepared and optical fibers or the like are connected to both ends, it is difficult to adjust the optical axis.
According to the present invention, a sensing waveguide can be easily manufactured by simply irradiating a photocurable resin with laser light. Further, since the waveguide grows along the optical axis of the optical fiber for irradiating the laser beam, the optical axis adjustment is unnecessary (claim 1).
Of the light propagating through the optical waveguide core of the probe, the more the component that interacts with the surrounding material, the better the sensitivity, but generally the propagation angle is small and there are many components that do not interact with the periphery of the optical waveguide core. . Therefore, by making the optical waveguide core into a tapered shape or a corrugated shape with an antinode and a node, the propagation angle (or the incident angle at the interface between the optical waveguide core and its outer periphery) interacts with the periphery of the optical waveguide core. It can be converted into an easy component (claims 2 to 5).
本発明の光導波路コアは、そのままプローブとして用いても良いが、周囲を感応膜又は金属膜で覆うことで様々な物理現象を利用したセンサプローブとすることが可能である（請求項６乃至８）。
以下に説明する通り、表面プラズモン共鳴を利用する場合は腹と節のある波打ち形状を繰り返すものが好ましく、その他の場合は、検出光が伝搬する方向にコアの径が小さくなるダウンテーパが特に好ましい。
The optical waveguide core of the present invention may be used as a probe as it is, but it can be used as a sensor probe using various physical phenomena by covering the periphery with a sensitive film or a metal film. ).
As described below, when surface plasmon resonance is used, it is preferable to repeat a corrugated shape with an antinode and a node, and in other cases, a down taper in which the core diameter decreases in the direction in which the detection light propagates is particularly preferable. .
本発明が適用されるセンサ構造は、公知の任意の技術を組み合わせることを排除するものではない。よって、検出対象となる化学物質等も、当該公知の技術に対応して公知の任意の検出対象が本発明の適用範囲となる。
クラッドを用いる場合、その材料も、公知の任意の技術を適用可能である。例えば極性分子を吸着する感応膜として、高分子多層膜（累積膜）を用いても良い。この作製に用いる典型的な高分子材料としては、例えばＰｏｌｙ（ｄｉａｌｌｙｌｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ），Ｐｏｌｙ（ａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ），Ｐｏｌｙ（ｓｏｄｉｕｍ ４−ｓｔｙｒｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ），Ｐｏｌｙ（ａｌｌｙｌａｍｉｎｅ ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｄｅ），Ｐｏｌｙ［１−［４−（３−ｃａｒｂｏｘｙ−４−ｈｙｄｒｏｘｙｐｈｅｎｙｌａｚｏ）ｂｅｎｚｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｍｉｄｏ］−１，２−ｅｔｈａｎｅｄｉｙｌ， Ｐｏｌｙ（ｐ−ｘｙｌｅｎｅ ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｔｈｉｏｐｈｅｎｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ），Ｃｈｉｔｏｓａｎ，Ｐｏｌｙ（４−ｖｉｎｙｌｐｙｒｉｄｉｎｅ），Ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ），Ｐｏｌｙ（４−ｖｉｎｙｌｐｈｅｎｏｌ），Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｉｍｉｎｅ，Ｈｙａｌｕｒｏｎｉｃ ａｃｉｄ，Ｄｅｘｔｒａｎなどが挙げられる。その他クラッド材料は、検出対象である化学物質等を選択的に吸着、吸収、或いは反応する公知の任意の材料を適用できる。
The sensor structure to which the present invention is applied does not exclude combining any known technique. Therefore, the chemical substance and the like to be detected are applicable to any known detection target corresponding to the known technique.
When a clad is used, any known technique can be applied to the material. For example, a polymer multilayer film (cumulative film) may be used as a sensitive film that adsorbs polar molecules. Typical polymer materials used for this production include, for example, Poly (dialydimethylammonium chloride), Poly (acrylic acid), Poly (sodium 4-styrenesulfonate), Poly (allyline hydrochloride 1-, Poly (3-) carboxy-4-hydroxyphenylazo) benzenesulfonamido] -1,2-ethanediyl, Poly (p-xylylene tetrathiophenephenyl), Chisansan, Poly (polyvinylpolypropylene) Polyethyleneimine, Hyaluronic acid, and the like Dextran. In addition, as the cladding material, any known material that selectively adsorbs, absorbs, or reacts with a chemical substance to be detected can be applied.
本発明は、本願出願人が自己形成光導波路に関して出願した先行出願に記載された、任意の光硬化性樹脂を用いることができる。また、自己形成光導波路の作製方法は、公知の如何なる技術をも排除するものではない。
例えば特開２００４−１４９５７９号に記載の光硬化性樹脂は次のものである。
構造単位中にフェニル基等の芳香族環を一つ以上含んだものが高屈折率、脂肪族系のみからなる場合は低屈折率となる。屈折率を下げるために構造単位中の水素の一部をフッ素に置換したものであっても良い。
脂肪族系としてはエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、テトラプロピレングリコール、ネオペンチルグリコール、1,3-プロパンジオール、1,4-ブタンジオール、1,5-ペンタンジオール、1,6-ヘキサンジオール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール等の多価アルコールが挙げられる。
芳香族系としてはビスフェノールＡ、ビスフェノールＳ、ビスフェノールＺ、ビスフェノールＦ、ノボラック、o-クレゾールノボラック、p-クレゾールノボラック、p-アルキルフェノールノボラック等の各種フェノール化合物等が挙げられる。
これら、あるいはこれらから任意に１種乃至複数種選択された多価アルコールのオリゴマー（ポリエーテル）の構造を有する比較的低分子（分子量３０００程度以下）骨格に、反応基として次の官能基等を導入したものを使用できる。
〔ラジカル重合性材料〕
ラジカル重合性材料としては、ラジカル重合可能なアクリロイル基等のエチレン性不飽和反応性基を構造単位中に１個以上、好ましくは２個以上有する光重合性モノマー及び／又はオリゴマーを使用できる。エチレン性不飽和反応性基を有するものの例としては、（メタ）アクリル酸エステル、イタコン酸エステル、マレイン酸エステル等の共役酸エステルを挙げることができる。
〔カチオン重合性材料〕
カチオン重合性材料としては、カチオン重合可能なオキシラン環（エポキシド）、オキセタン環等の反応性エーテル構造を構造単位中に１個以上、好ましくは２個以上有する、光重合性のモノマー及び／又はオリゴマーを使用できる。オキシラン環（エポキシド）としては、オキシラニル基の他、3,4-エポキシシクロヘキシル基なども含まれる。またオキセタン環とは、４員環構造のエーテルである。
The present invention can use any photo-curable resin described in the prior application filed by the applicant of the present invention regarding a self-forming optical waveguide. Moreover, the manufacturing method of the self-forming optical waveguide does not exclude any known technique.
For example, the photocurable resin described in JP-A-2004-149579 is as follows.
When a structural unit containing at least one aromatic ring such as a phenyl group consists of a high refractive index and an aliphatic group only, the refractive index is low. In order to lower the refractive index, a part of hydrogen in the structural unit may be substituted with fluorine.
Aliphatic ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, tetrapropylene glycol, neopentyl glycol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol And polyhydric alcohols such as 1,5-pentanediol, 1,6-hexanediol, trimethylolpropane, pentaerythritol, and dipentaerythritol.
Examples of the aromatic group include various phenol compounds such as bisphenol A, bisphenol S, bisphenol Z, bisphenol F, novolak, o-cresol novolak, p-cresol novolak, and p-alkylphenol novolak.
The following functional groups or the like are added as reactive groups to a relatively low molecular (molecular weight of about 3000 or less) skeleton having the structure of an oligomer (polyether) of these, or one or more polyhydric alcohols arbitrarily selected from these. The introduced one can be used.
[Radical polymerizable material]
As the radically polymerizable material, a photopolymerizable monomer and / or oligomer having one or more, preferably two or more ethylenically unsaturated reactive groups such as an acryloyl group capable of radical polymerization in a structural unit can be used. Examples of those having an ethylenically unsaturated reactive group include conjugate acid esters such as (meth) acrylic acid esters, itaconic acid esters, and maleic acid esters.
[Cationically polymerizable material]
Examples of the cationic polymerizable material include photopolymerizable monomers and / or oligomers having one or more, preferably two or more reactive ether structures such as an oxirane ring (epoxide) or an oxetane ring capable of cationic polymerization in a structural unit. Can be used. Examples of the oxirane ring (epoxide) include an oxiranyl group and a 3,4-epoxycyclohexyl group. The oxetane ring is a 4-membered ether.
〔ラジカル重合開始剤〕
ラジカル重合開始剤は、光によって活性化し、ラジカル重合性モノマー及び／又はオリゴマーから成るラジカル重合性材料の重合反応を開始させる化合物である。具体例としては、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル及びベンゾインプロピルエーテル等のベンゾイン類、アセトフェノン、2,2-ジメトキシ-2-フェニルアセトフェノン、2,2-ジエトキシ-2-フェニルアセトフェノン、1,1-ジクロロアセトフェノン、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2-メチル-1-(4-(メチルチオ)フェニル)-2-モルホリノプロパン-1-オン及びN,N-ジメチルアミノアセトフェノン等のアセトフェノン類、2-メチルアントラキノン、1-クロロアントラキノン及び2-アミルアントラキノン等のアントラキノン類、2,4-ジメチルチオキサントン、2,4-ジエチルチオキサントン、2-クロロチオキサントン及び2,4-ジイソプロピルチオキサントン等のチオキサントン類、アセトフェノンジメチルケタール及びベンジルジメチルケタール等のケタール類、ベンゾフェノン、メチルベンゾフェノン、4,4'-ジクロロベンゾフェノン、4,4'-ビスジエチルアミノベンゾフェノン、ミヒラーズケトン及び4-ベンゾイル-4'-メチルジフェニルサルファイド等のベンゾフェノン類、並びに2,4,6-トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド等が挙げられる。尚、ラジカル重合開始剤は単独で使用しても、２種以上を併用しても良く、また、これらに限定されることはない。
〔カチオン重合開始剤〕
カチオン重合開始剤は光によって活性化し、カチオン重合性モノマー及び／又はオリゴマーから成るカチオン重合性材料の重合反応を開始させる化合物である。具体例としては、ジアゾニウム塩、ヨードニウム塩、スルホニウム塩、セレニウム塩、ピリジニウム塩、フェロセニウム塩、ホスホニウム塩、チオピリニウム塩が挙げられるが、熱的に比較的安定であるジフェニルヨードニウム、ジトリルヨードニウム、フェニル(p-アニシル)ヨードニウム、ビス(p-t-ブチルフェニル)ヨードニウム、ビス(p-クロロフェニル)ヨードニウムなどの芳香族ヨードニウム塩、ジフェニルスルホニウム、ジトリルスルホニウム、フェニル(p-アニシル)スルホニウム、ビス(p-t-ブチルフェニル)スルホニウム、ビス(p-クロロフェニル)スルホニウムなどの芳香族スルホニウム塩等のオニウム塩光重合開始剤が好ましい。芳香族ヨードニウム塩および芳香族スルホニウム塩等のオニウム塩光重合開始剤を使用する場合、アニオンとしてはBF4 -、AsF6 -、SbF6 -、PF6 -、B(C6F5)4 -などが挙げられる。尚、カチオン重合開始剤は単独で使用しても、２種以上を併用しても良く、また、これらに限定されることはない。
[Radical polymerization initiator]
The radical polymerization initiator is a compound that is activated by light and initiates a polymerization reaction of a radical polymerizable material composed of a radical polymerizable monomer and / or oligomer. Specific examples include benzoins such as benzoin, benzoin methyl ether and benzoin propyl ether, acetophenone, 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone, 2,2-diethoxy-2-phenylacetophenone, 1,1-dichloroacetophenone, Acetophenones such as 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, 2-methyl-1- (4- (methylthio) phenyl) -2-morpholinopropan-1-one and N, N-dimethylaminoacetophenone, 2-methylanthraquinone, 1- Anthraquinones such as chloroanthraquinone and 2-amylanthraquinone, thioxanthones such as 2,4-dimethylthioxanthone, 2,4-diethylthioxanthone, 2-chlorothioxanthone and 2,4-diisopropylthioxanthone, acetophenone dimethyl ketal and benzyldimethyl ketal Ketter Benzophenones, such as benzophenone, methylbenzophenone, 4,4'-dichlorobenzophenone, 4,4'-bisdiethylaminobenzophenone, Michler's ketone and 4-benzoyl-4'-methyldiphenyl sulfide, and 2,4,6-trimethyl Examples include benzoyldiphenylphosphine oxide. In addition, a radical polymerization initiator may be used independently, or may use 2 or more types together, and is not limited to these.
(Cationic polymerization initiator)
The cationic polymerization initiator is a compound that is activated by light and initiates a polymerization reaction of a cationic polymerizable material composed of a cationic polymerizable monomer and / or oligomer. Specific examples include diazonium salts, iodonium salts, sulfonium salts, selenium salts, pyridinium salts, ferrocenium salts, phosphonium salts, and thiopyrinium salts, but diphenyliodonium, ditolyliodonium, phenyl ( Aromatic iodonium salts such as p-anisyl) iodonium, bis (pt-butylphenyl) iodonium, bis (p-chlorophenyl) iodonium, diphenylsulfonium, ditolylsulfonium, phenyl (p-anisyl) sulfonium, bis (pt-butylphenyl) ) Preferable are onium salt photopolymerization initiators such as aromatic sulfonium salts such as sulfonium and bis (p-chlorophenyl) sulfonium. When using an onium salt photoinitiator such as aromatic iodonium salts and aromatic sulfonium salts, as the anion BF 4 -, AsF 6 -, SbF 6 -, PF 6 -, B (C 6 F 5) 4 - Etc. In addition, a cationic polymerization initiator may be used individually or may use 2 or more types together, and is not limited to these.
図１は実施例１に係るセンサ１００の構成をプローブの拡大図（断面図）と共に示す構成図である。センサ１００の構成は、光源１１、光源１１の光を導入するための光ファイバ２０、プローブ３１０、プローブで漏れなかった光を伝送するための光ファイバ４０、光量、或いは波長毎の光量の変化を検出する検出器５１である。なお、光源１１の光を参照光として検出器５１に導入するものを排除するものではないが、図１及び以下の図面では省略して記載した。
光ファイバ２０はコア２１とクラッド２２とから成り、光ファイバ４０はコア４１とクラッド４２とから成る。
プローブ３１０は、テーパを有する光導波路コア３１１と、色素を混入した誘電体から成るクラッド３１２とから成る。テーパを有する光導波路コア３１１は、光ファイバ２０と接続される端部が最も径が太く、光ファイバ４０と接続される端部が最も径が細い。こうして、光ファイバ２０から導入された光はその進行方向に対してダウンテーパである光導波路コア３１１を伝送し、光ファイバ４０に導かれる。この際、光導波路コア３１１と、色素を混入したクラッド３１２との界面に入射する光成分は、その一部がクラッド３１２に混入した色素に吸収される。本実施例のセンサ１００は、例えば非特許文献１に記載されたアミン類と選択的に結合した際に特定波長の光吸収が生じる色素をプローブ３１０のクラッド３１２に混入することで、例えば空気中のアミン類のセンサとして使用できる。
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating the configuration of the sensor 100 according to the first embodiment together with an enlarged view (cross-sectional view) of the probe. The configuration of the sensor 100 includes a light source 11, an optical fiber 20 for introducing light from the light source 11, a probe 310, an optical fiber 40 for transmitting light not leaked by the probe, a light amount, or a change in light amount for each wavelength. It is the detector 51 to detect. In addition, although it does not exclude what introduce | transduces the light of the light source 11 into the detector 51 as reference light, it abbreviate | omitted and described in FIG. 1 and the following drawings.
The optical fiber 20 includes a core 21 and a clad 22, and the optical fiber 40 includes a core 41 and a clad 42.
The probe 310 includes an optical waveguide core 311 having a taper and a clad 312 made of a dielectric material mixed with a dye. The tapered optical waveguide core 311 has the largest diameter at the end connected to the optical fiber 20 and the smallest diameter at the end connected to the optical fiber 40. In this way, the light introduced from the optical fiber 20 is transmitted through the optical waveguide core 311 that is down-tapered in the traveling direction, and is guided to the optical fiber 40. At this time, a part of the light component incident on the interface between the optical waveguide core 311 and the clad 312 mixed with the dye is absorbed by the dye mixed in the clad 312. The sensor 100 according to the present embodiment includes, for example, in the air by mixing a dye that generates light absorption of a specific wavelength when selectively bonded with amines described in Non-Patent Document 1, for example, in the clad 312 of the probe 310. It can be used as a sensor for amines.
ここで、プローブ３１０は、ダウンテーパを有する光導波路コア３１１と、色素を混入したクラッド３１２とから成るので、光ファイバ２０から導入された光は光導波路コア３１１と色素を混入したクラッド３１２との界面に入射する成分が多い。即ち、光導波路コア３１１と色素を混入したクラッド３１２との界面で一度も反射されることなく光ファイバ４０に伝送される成分は極めて少ない。このため、本実施例のセンサ１００は、非特許文献１に記載されたテーパを有しない光導波路コアを用いたセンサに比べてセンシング感度が向上する。
この効果については、実施例２のセンサ２００の構成と実施例３のセンサ３００の構成を述べた後に説明する。
Here, since the probe 310 includes the optical waveguide core 311 having a down taper and the clad 312 mixed with the dye, the light introduced from the optical fiber 20 is formed between the optical waveguide core 311 and the clad 312 mixed with the dye. There are many components incident on the interface. That is, there is very little component transmitted to the optical fiber 40 without being reflected at the interface between the optical waveguide core 311 and the clad 312 mixed with the dye. For this reason, the sensitivity of the sensor 100 according to the present embodiment is improved as compared with the sensor using the optical waveguide core having no taper described in Non-Patent Document 1.
This effect will be described after describing the configuration of the sensor 200 of the second embodiment and the configuration of the sensor 300 of the third embodiment.
図２は実施例２に係るセンサ２００の構成をプローブの拡大図（断面図）と共に示す構成図である。センサ２００の構成は、光源１２、光源１２の光を導入するための光ファイバ２０、プローブ３２０、プローブで漏れなかった光を伝送するための光ファイバ４０、光量、或いは波長毎の光量の変化を検出する検出器５２である。なお、光源１２の光を参照光として検出器５２に導入するものを排除するものでないことは実施例１と同様である。また、光ファイバ２０と光ファイバ４０の構成も実施例１と同様である。
プローブ３２０は、テーパを有する光導波路コア３２１と、特定の化学物質を吸着して膨潤するクラッド３２２とから成る。テーパを有する光導波路コア３２１は、光ファイバ２０と接続される端部が最も径が太く、光ファイバ４０と接続される端部が最も径が細い。こうして、光ファイバ２０から導入された光はその進行方向に対してダウンテーパである光導波路コア３２１を伝送し、光ファイバ４０に導かれる。この際、光導波路コア３２１と、特定の化学物質を吸着して膨潤するクラッド３２２との界面で反射される光成分の光量は、特定の化学物質を吸着して膨潤するクラッド３２２の屈折率が低減すると増加する。本実施例のセンサ２００は、例えば非特許文献１に記載されたアミン類を選択的に吸着して屈折率が低下する高分子（誘電体）をプローブ３２０のクラッド３２２として用いることで、例えば空気中のアミン類のセンサとして使用できる。
FIG. 2 is a configuration diagram illustrating the configuration of the sensor 200 according to the second embodiment together with an enlarged view (cross-sectional view) of the probe. The configuration of the sensor 200 includes a light source 12, an optical fiber 20 for introducing light from the light source 12, a probe 320, an optical fiber 40 for transmitting light not leaked by the probe, a light amount, or a change in light amount for each wavelength. It is the detector 52 to detect. In addition, it is the same as in the first embodiment that the light introduced from the light source 12 into the detector 52 as the reference light is not excluded. The configurations of the optical fiber 20 and the optical fiber 40 are the same as those in the first embodiment.
The probe 320 includes an optical waveguide core 321 having a taper and a clad 322 that swells by adsorbing a specific chemical substance. The tapered optical waveguide core 321 has the largest diameter at the end connected to the optical fiber 20 and the smallest diameter at the end connected to the optical fiber 40. Thus, the light introduced from the optical fiber 20 is transmitted through the optical waveguide core 321 that is down-tapered in the traveling direction, and is guided to the optical fiber 40. At this time, the amount of light component reflected at the interface between the optical waveguide core 321 and the clad 322 that adsorbs and swells the specific chemical substance is determined by the refractive index of the clad 322 that adsorbs and swells the specific chemical substance. It increases when it decreases. The sensor 200 of the present embodiment uses, for example, air as a clad 322 of the probe 320 by using a polymer (dielectric material) whose refractive index decreases by selectively adsorbing amines described in Non-Patent Document 1, for example. It can be used as a sensor for amines.
ここで、プローブ３２０は、ダウンテーパを有する光導波路コア３２１と、クラッド３２２とから成るので、光ファイバ２０から導入された光は光導波路コア３２１とクラッド３２２との界面に入射する成分が多い。即ち、光導波路コア３２１とクラッド３２２との界面で一度も反射されることなく光ファイバ４０に伝送される成分は極めて少ない。このため、本実施例のセンサ２００は、非特許文献１に記載されたテーパを有しない光導波路コアを用いたセンサに比べてセンシング感度が向上する。
この効果については、実施例３のセンサ３００の構成を述べた後に説明する。
Here, since the probe 320 includes the optical waveguide core 321 having a down taper and the clad 322, the light introduced from the optical fiber 20 has a large amount of components incident on the interface between the optical waveguide core 321 and the clad 322. That is, the component transmitted to the optical fiber 40 without being reflected at the interface between the optical waveguide core 321 and the clad 322 is extremely small. For this reason, the sensitivity of the sensor 200 according to the present embodiment is improved as compared to the sensor using the optical waveguide core that does not have a taper described in Non-Patent Document 1.
This effect will be described after describing the configuration of the sensor 300 of the third embodiment.
図３は実施例３に係るセンサ３００の構成をプローブの拡大図（断面図）と共に示す構成図である。センサ３００の構成は、光源１３、光源１３の光を導入するための光ファイバ２０、プローブ３３０、プローブで漏れなかった光を伝送するための光ファイバ４０、波長毎の光量の変化を検出する検出器５３である。なお、光源１３の光を参照光として検出器５３に導入するものを排除するものでないことは実施例１及び２と同様である。また、光ファイバ２０と光ファイバ４０の構成も実施例１及び２と同様である。
プローブ３３０は、その径が増減する光導波路コア３３１と、金属膜３３５とから成る。その径が増減する光導波路コア３３１は、光ファイバ２０と接続される端部から光ファイバ４０と接続される端部までの間にアップテーパとダウンテーパを繰り返す。こうして、光ファイバ２０から導入された光はその進行方向に対してアップテーパとダウンテーパを繰り返す光導波路コア３３１を伝送し、光ファイバ４０に導かれる。この際、光導波路コア３３１と金属膜３３５との界面で反射される光は、金属膜３３５の外周の物質が異なると、表面プラズモン共鳴により吸収されて伝送量が減る光の波長が異なる。本実施例のセンサ３００は、例えば非特許文献２及び特許文献１に記載されたセンサとして使用できる。
FIG. 3 is a configuration diagram illustrating the configuration of the sensor 300 according to the third embodiment together with an enlarged view (cross-sectional view) of the probe. The configuration of the sensor 300 includes a light source 13, an optical fiber 20 for introducing light from the light source 13, a probe 330, an optical fiber 40 for transmitting light not leaked by the probe, and detection for detecting a change in light amount for each wavelength. A container 53. In addition, it is the same as in the first and second embodiments that the light introduced from the light source 13 into the detector 53 as the reference light is not excluded. The configurations of the optical fiber 20 and the optical fiber 40 are the same as those in the first and second embodiments.
The probe 330 includes an optical waveguide core 331 whose diameter increases or decreases, and a metal film 335. The optical waveguide core 331 whose diameter increases or decreases repeats an up taper and a down taper from the end connected to the optical fiber 20 to the end connected to the optical fiber 40. Thus, the light introduced from the optical fiber 20 is transmitted through the optical waveguide core 331 that repeats up-tapering and down-tapering in the traveling direction, and is guided to the optical fiber 40. At this time, the light reflected at the interface between the optical waveguide core 331 and the metal film 335 is absorbed by the surface plasmon resonance and the wavelength of the light to be reduced is different if the material on the outer periphery of the metal film 335 is different. The sensor 300 of the present embodiment can be used as a sensor described in Non-Patent Document 2 and Patent Document 1, for example.
ここで、プローブ３３０は、アップテーパとダウンテーパを繰り返す光導波路コア３３１と、金属膜３３５とから成るので、光ファイバ２０から導入された光はアップテーパとダウンテーパを繰り返す光導波路コア３３１と金属膜３３５との界面で表面プラズモン共鳴を起こす成分成分が多くなる。このため、本実施例のセンサ３００は、非特許文献２や特許文献１に記載されたテーパを有しない光導波路コアを用いたセンサに比べてセンシング感度が向上する。
この効果については、以下に説明する。
Here, since the probe 330 includes the optical waveguide core 331 that repeats up-tapering and down-tapering, and the metal film 335, the light introduced from the optical fiber 20 and the optical waveguide core 331 that repeats up-tapering and down-tapering and the metal More component components cause surface plasmon resonance at the interface with the film 335. For this reason, the sensitivity of the sensor 300 according to the present embodiment is improved as compared with the sensor using the optical waveguide core having no taper described in Non-Patent Document 2 and Patent Document 1.
This effect will be described below.
〔テーパを有しない場合の感度への寄与について〕
まず、プローブがテーパを有しない場合に伝送される光の、光軸方向に対する角度に対してセンサ感度に寄与する成分について考察する。伝搬角Φの大きさを、プローブの長手方向である光軸に対する角度として説明する。
図４．Ａは非特許文献１のような、誘電体から成るクラッドの反射強度が問題となる場合についての説明図である。
図４．Ａのように、伝搬角Φが０付近の光成分は、プローブを伝搬する際にコア／クラッド界面への入射がほとんど期待できない。このため、伝搬角Φが０付近の光成分は、センサの感度に寄与しないと考えられる。
[Contribution to sensitivity without taper]
First, a component that contributes to sensor sensitivity with respect to an angle with respect to the optical axis direction of light transmitted when the probe does not have a taper will be considered. The magnitude of the propagation angle Φ will be described as an angle with respect to the optical axis, which is the longitudinal direction of the probe.
FIG. A is explanatory drawing about the case where the reflective intensity | strength of the clad which consists of a dielectric material becomes a problem like a nonpatent literature 1. FIG.
FIG. Like A, the light component having a propagation angle Φ of around 0 cannot be expected to be incident on the core / cladding interface when propagating through the probe. For this reason, it is considered that a light component having a propagation angle Φ of around 0 does not contribute to the sensitivity of the sensor.
図４．Ｂは非特許文献２は特許文献１のような、金属膜での表面プラズモン共鳴が問題となる場合の説明図である。良く知られているように、金属膜での表面プラズモン共鳴においては、金属膜での反射における入射角が所定の場合に生ずるとされている。このため、センサの感度に寄与するのは、図４．Ｂのように極めて限られた成分であって、他の角度成分は、センサの感度に寄与しない。 FIG. B is an explanatory diagram in the case where surface plasmon resonance in a metal film becomes a problem as in Non-Patent Document 2 as in Patent Document 1. FIG. As is well known, surface plasmon resonance in a metal film is assumed to occur when the incident angle in reflection at the metal film is a predetermined value. For this reason, FIG. A very limited component such as B, and other angular components do not contribute to the sensitivity of the sensor.
ここでプローブがテーパを有する場合、プローブへの入射光の伝搬角の分布が図４．Ｃの実線のようであったとしても、プローブからの出射光の伝搬角の分布は図４．Ｃの破線のようになる。これは図４．Ｄに示す通り、テーパが光軸とτの角を成すとき、光軸とφの角を成す光がテーパで反射される場合、テーパと成す角がφ＋τとなり（テーパへの入射角θがθ＝π／２−φ−τ）、その反射光が光軸と成す角はφ＋２τとなって増加するからである。これは図４．Ｄに示す通り、ダウンテーパで反射されるたびに２τずつ伝搬角が増加する。 Here, when the probe has a taper, the distribution of the propagation angle of the incident light to the probe is shown in FIG. Even if it looks like the solid line of C, the distribution of the propagation angle of the light emitted from the probe is shown in FIG. It becomes like the broken line of C. This is shown in FIG. As shown in D, when the taper forms an angle of τ with the optical axis, if the light having the angle of φ with the optical axis is reflected by the taper, the angle formed with the taper becomes φ + τ (the incident angle θ on the taper is θ = Π / 2−φ−τ), because the angle formed by the reflected light with the optical axis increases as φ + 2τ. This is shown in FIG. As shown in D, the propagation angle increases by 2τ each time it is reflected by the down taper.
伝搬角がダウンテーパで増加して伝搬角Φが０付近の成分が減った場合に、どのような効果があるかを説明する。
図５．Ａは図４．Ａ、図４．Ｂと同様に伝搬角Φと光強度の関係を示した分布図である。今、伝搬角φ0を越すと、伝送の際にコア界面で全反射しないものとする。
図５．Ｂは図４．Ｃと同様にダウンテーパにより伝搬角Φが０付近の成分が減った場合の、伝搬角Φと光強度の関係を示した分布図である。伝送の際にコア界面で全反射しない伝搬角を図５．Ａと合わせてφ0とした。即ち、伝搬角Φがφ0を超えた成分は、プローブを通過できない。
The effect will be described when the propagation angle is increased by a down taper and the component near the propagation angle Φ is decreased.
FIG. A is shown in FIG. A, FIG. FIG. 6 is a distribution diagram showing the relationship between the propagation angle Φ and the light intensity as in B. Now, if the propagation angle φ 0 is exceeded, it is assumed that there is no total reflection at the core interface during transmission.
FIG. B is FIG. It is the distribution map which showed the relationship between propagation angle (PHI) and light intensity when the component of propagation angle (PHI) near 0 reduced by down taper similarly to C. FIG. Figure 5 shows the propagation angle at which the core interface does not totally reflect during transmission. It was φ 0 in conjunction with the A. That is, a component whose propagation angle Φ exceeds φ 0 cannot pass through the probe.
〔考察のポイント〕
ここで、プローブを伝送可能な伝搬角が、φ0からφ1、φ2と減る場合を考える。図５．Ｃと図５．Ｄを比較すると分かるように、プローブを伝送可能な伝搬角が小さくなると、伝搬角Φが０付近の成分が少ない、図５．Ｄのほうが、伝送される光強度が大きく減少することとなる。実際、図５．Ｃにおける、伝搬角φ0からφ1（及び−φ0から−φ1）の光量である分布図の面積よりも、図５．Ｄにおける、伝搬角φ0からφ1（及び−φ0から−φ1）の光量である分布図の面積の方が大きく、伝搬角がφ0からφ1に減少することで、図５．Ｃの分布図での伝送光量の減少割合よりも図５．Ｄの分布図での伝送光量の減少割合が大きい。更に伝搬角がφ1からφ2に減少した場合も同様である。
プローブを伝送可能な伝搬角が、φ0からφ1、φ2と減る場合には、例えばコアの屈折率が一定でクラッドの屈折率が増加する場合が該当する。逆に、コアの屈折率が一定でクラッドの屈折率が減少する場合はプローブを伝送可能な伝搬角が増える。
実施例２で示した、例えば非特許文献１と同様にクラッドの屈折率変化（減少）を検出するセンサの場合には図５．Ｂの分布となっているので、非特許文献１のテーパの無い図５．Ａの分布であるセンサに比較して感度が向上すると考えられる。
[Points of consideration]
Here, a case is considered where the propagation angle at which the probe can be transmitted decreases from φ 0 to φ 1 and φ 2 . FIG. C and FIG. As can be seen from a comparison of D, when the propagation angle at which the probe can be transmitted is small, the component where the propagation angle Φ is near 0 is small. In D, the transmitted light intensity is greatly reduced. In fact, FIG. Compared to the area of the distribution map, which is the light amount of propagation angles φ 0 to φ 1 (and −φ 0 to −φ 1 ) in FIG. In D, the area of the distribution map, which is the amount of light at the propagation angles φ 0 to φ 1 (and −φ 0 to −φ 1 ), is larger, and the propagation angle decreases from φ 0 to φ 1 , so that FIG. Compared to the reduction rate of the transmitted light amount in the distribution diagram of C, FIG. The reduction rate of the amount of transmitted light in the D distribution diagram is large. The same applies when the propagation angle decreases from φ 1 to φ 2 .
When the propagation angle at which the probe can be transmitted decreases from φ 0 to φ 1 and φ 2 , for example, the case where the refractive index of the cladding increases while the refractive index of the core is constant corresponds. Conversely, when the refractive index of the core is constant and the refractive index of the cladding decreases, the propagation angle at which the probe can be transmitted increases.
In the case of the sensor that detects the refractive index change (decrease) of the clad shown in the second embodiment, for example, as in Non-Patent Document 1, FIG. Since the distribution of B is shown in FIG. It is considered that the sensitivity is improved as compared with the sensor having the distribution of A.
上記の考察の妥当性を確認するため、次のような実験を行った。
図６に示す構成で、プローブとなる露出型のコア８１を形成した。
光源６１は波長４５７ｎｍのＤＰＳＳ（半導体励起固体）レーザ（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ ５８−ＢＳＤ−３０５）であり、ここから出射したビームの径をビームエキスパンダ６２で拡大し、後段の集光用対物レンズ６３の有効径より大きくして対物レンズ６３に入射させる。集光用対物レンズ６３の出射光を光ファイバ４０の入射端に入射させた。光ファイバ４０としてはコア径２００μｍのＰＣＳ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｃｌａｄ Ｓｉｌｉｃａ）を用いた。光ファイバ４０の出射端は導波路作製用のプラスチックセル７０（材質：ＰＭＭＡ）にＬＣ型コネクタ７４を介して接続され、プラスチックセル７０にはアクリル系の光硬化性樹脂８０が充填されている。なお、光ファイバ４０の出射端と光硬化性樹脂８０の間には厚さ約０．５ｍｍのプラスチックセル７０の壁があり直接接していないため、光ファイバ４０とプラスチックセル７０の切り離しは簡単に行える。光ファイバから出射した光は光硬化性樹脂８０中に照射され、樹脂が硬化した後、未硬化の樹脂を有機溶剤を用いて除去し、センシング用の光導波路８１とした。この時、光ファイバ４０照射光の遠視野像（ＦＦＰ： Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）によって導波路のテーパ角が変化することは特許文献２に記載されている。今回はＦＦＰの半値全幅が３３°となるように対物レンズ６３と光ファイバ４０の入射端の位置を調整し、光ファイバ４０の出射端からの光強度を１ｍＷ〜５ｍＷで導波路を作製した。
In order to confirm the validity of the above consideration, the following experiment was conducted.
With the configuration shown in FIG. 6, an exposed core 81 to be a probe was formed.
The light source 61 is a DPSS (Semiconductor Excited Solid) laser (Melles Griot 58-BSD-305) having a wavelength of 457 nm. The diameter of a beam emitted from the laser is expanded by a beam expander 62, and the condensing objective lens 63 in the subsequent stage is expanded. The incident diameter is made larger than the effective diameter. The light emitted from the condenser objective lens 63 is incident on the incident end of the optical fiber 40. As the optical fiber 40, PCS (Polymer Clad Silica) having a core diameter of 200 μm was used. The output end of the optical fiber 40 is connected to a plastic cell 70 (material: PMMA) for producing a waveguide via an LC connector 74, and the plastic cell 70 is filled with an acrylic photocurable resin 80. Since the wall of the plastic cell 70 having a thickness of about 0.5 mm exists between the emission end of the optical fiber 40 and the photocurable resin 80 and is not in direct contact with each other, the optical fiber 40 and the plastic cell 70 can be easily separated. Yes. The light emitted from the optical fiber was irradiated into the photo-curable resin 80, and after the resin was cured, the uncured resin was removed using an organic solvent to obtain an optical waveguide 81 for sensing. At this time, it is described in Patent Document 2 that the taper angle of the waveguide varies depending on the far field image (FFP: Far Field Pattern) of the irradiation light of the optical fiber 40. In this time, the position of the incident end of the objective lens 63 and the optical fiber 40 was adjusted so that the full width at half maximum of the FFP was 33 °, and a waveguide was manufactured with the light intensity from the exit end of the optical fiber 40 of 1 mW to 5 mW.
図７に、プラスチックセル７０内に作製した光導波路８１の写真を示す。Ｎｏ．１、Ｎｏ．２は導波路長が１５ｍｍであり、Ｎｏ．１は若干のテーパがあるものの比較的均一な径、Ｎｏ．２は波打ち形状となっている。Ｎｏ．３は導波路長が９ｍｍで明確にテーパが形成されている。３つの光導波路８１を用い、その周囲に屈折率を調整したマッチングオイルを充填してクラッドとし、屈折率変化に対する透過率の測定を行った。 FIG. 7 shows a photograph of the optical waveguide 81 produced in the plastic cell 70. No. 1, no. No. 2 has a waveguide length of 15 mm. No. 1 has a relatively uniform diameter although there is a slight taper. 2 has a wavy shape. No. No. 3 has a waveguide length of 9 mm and is clearly tapered. Three optical waveguides 81 were used, and the surroundings were filled with matching oil with adjusted refractive index to form a clad, and the transmittance was measured with respect to changes in refractive index.
図８は本発明の具体的な一実施例に係るセンサ４００の構成をプローブの拡大図（断面図）と共に示す構成図である。
センサ４００の構成は、光源１４、光源１４の光を導入するための光ファイバ２０、露出した光導波路コアから成るプローブ８１、プローブで漏れなかった光を伝送するための光ファイバ４０、光量の変化を検出する検出器５４である。
光源１４には白色ランプ光源（ＡＮＤＯ ＡＱ−４３０３Ｂ）を用いた。光ファイバ２０としては、導波路への入射角度分布を安定させるため、ＰＯＦ（三菱レイヨン、エスカプレミア、ＮＡ＝０．５）を支柱に巻きつけて作製したモードスクランブラを介して、プローブである露出型の光導波路コア８１に入射させた。光ファイバ４０は光導波路コア８１を作成したときのＰＣＳ光ファイバをそのまま使用した。検出器５４としては光スペクトルアナライザ（ＡＮＤＯ ＡＱ−６３１５Ｂ）を用いた。
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of a sensor 400 according to a specific embodiment of the present invention together with an enlarged view (cross-sectional view) of the probe.
The configuration of the sensor 400 includes a light source 14, an optical fiber 20 for introducing light from the light source 14, a probe 81 composed of an exposed optical waveguide core, an optical fiber 40 for transmitting light not leaked by the probe, and a change in light quantity. It is the detector 54 which detects.
As the light source 14, a white lamp light source (ANDO AQ-4303B) was used. The optical fiber 20 is a probe through a mode scrambler manufactured by winding POF (Mitsubishi Rayon, Esca Premier, NA = 0.5) around a support column in order to stabilize the incident angle distribution on the waveguide. The light was incident on the exposed optical waveguide core 81. As the optical fiber 40, the PCS optical fiber used when the optical waveguide core 81 was produced was used as it was. As the detector 54, an optical spectrum analyzer (ANDO AQ-6315B) was used.
光強度は波長５９０ｎｍで測定した。３種類の露出した光導波路コア８１毎に、周囲が空気の場合（屈折率１）の伝送光量を基準として、周囲に屈折率１．５０、１．５３、１．５４の３種類のマッチングオイルを満たした場合の伝送光量の比を透過率として求めた。３種類の露出した光導波路コア８１の屈折率は全て１．５５である。なお、これらの屈折率の値は全て波長５８８ｎｍにおける値である。 The light intensity was measured at a wavelength of 590 nm. For each of the three types of exposed optical waveguide cores 81, three types of matching oils with refractive indexes of 1.50, 1.53, and 1.54 are used as a reference, based on the amount of transmitted light when the periphery is air (refractive index of 1). The ratio of the amount of transmitted light when the above is satisfied was determined as the transmittance. The refractive indexes of the three kinds of exposed optical waveguide cores 81 are all 1.55. These refractive index values are all values at a wavelength of 588 nm.
図９に結果を示す。３種類の光導波路コア８１のいずれも、マッチングオイルの屈折率が大きくなることで透過率が低下していることが分かる。また、比較的導波路径が均一なＮｏ．１のサンプルに対して、テーパが大きいＮｏ．２や、波打ち（アップテーパとダウンテーパの繰り返し）のあるＮｏ．３のサンプルは、いずれも透過率の変化が大きいことがわかる。従って、導波路の形状によって、伝播光の分布に変化が生じ感度が向上していると考えられる。即ち、上記考察が妥当であることが示された。 FIG. 9 shows the result. It can be seen that the transmittance of each of the three types of optical waveguide cores 81 decreases as the refractive index of the matching oil increases. Further, No. 1 having a relatively uniform waveguide diameter. No. 1 with a large taper for sample No. 1. 2 and No. 2 with undulations (repetition of up taper and down taper). It can be seen that all of the samples 3 have a large change in transmittance. Therefore, it is considered that the sensitivity is improved due to a change in the distribution of propagating light depending on the shape of the waveguide. That is, it was shown that the above consideration is appropriate.
〔考察について〕
実施例４のデータから、図５を用いて示した考察の妥当性が示されたが、この考察は、実施例１乃至３の、テーパを有するコアが露出していないプローブを用いたセンサについてもほぼ同様に当てはまる。即ち、図４で示した通り、実施例１、２のセンサをテーパを有しないコアに変えた場合、プローブのコアとクラッド界面との成す角が小さい（界面への入射角が大きい）光成分がセンサ感度に寄与していなかったが、本発明のテーパを有するコア（実施例１、２）においては、プローブのコアとクラッド界面との成す角が小さい（界面への入射角が大きい）光成分の割合が減少するので、センサ感度に寄与する光成分の割合が増加する。即ち、本発明のテーパを有するコアを有するプローブは、テーパを有しないコアを有するプローブに比較してセンサ感度が向上する。
実施例３については、直接的には論理付けられないが、アップテーパとダウンテーパを繰り返すコアにより、プローブに入射した段階では表面プラズモン共鳴を生じない伝搬角であった光成分が表面プラズモン共鳴を生じうる伝搬角に変換されるので、アップテーパとダウンテーパを繰り返すコアを用いないセンサに比較して、センサ感度が向上すると結論付けられる。
[Consideration]
Although the validity of the consideration shown using FIG. 5 was shown from the data of Example 4, this consideration is about the sensor using the probe which the core which has a taper in Example 1 thru | or 3 is not exposed. Applies almost equally. That is, as shown in FIG. 4, when the sensor of Examples 1 and 2 is changed to a core having no taper, the light component having a small angle between the probe core and the clad interface (incident angle to the interface is large). However, in the tapered core of the present invention (Examples 1 and 2), the angle formed between the probe core and the cladding interface is small (the incident angle to the interface is large). Since the ratio of components decreases, the ratio of light components that contribute to sensor sensitivity increases. That is, the probe having a core having a taper according to the present invention has improved sensor sensitivity compared to a probe having a core having no taper.
Regarding Example 3, although it cannot be directly logicalized, a light component having a propagation angle that does not cause surface plasmon resonance at the stage of incidence on the probe by the core that repeats up-tapering and down-tapering causes surface plasmon resonance. It is concluded that the sensor sensitivity is improved as compared to a sensor that does not use a core that repeats up-tapering and down-tapering because it is converted into a propagation angle that can occur.
実施例４においては、屈折率１．５以上のマッチングオイルを用いて評価したが、光導波路コア８１の材料に屈折率の低いものを用いることで、水、エタノール、ヘキサン、トルエン、ベンゼンなど、屈折率が１．３程度の物質も検出することが可能である。また、実施例１乃至３の構成を用いると、プローブ周囲のガスも検出可能である。 In Example 4, it was evaluated using a matching oil having a refractive index of 1.5 or more, but by using a material having a low refractive index as the material of the optical waveguide core 81, water, ethanol, hexane, toluene, benzene, etc. A substance having a refractive index of about 1.3 can also be detected. Further, when the configurations of Examples 1 to 3 are used, gas around the probe can also be detected.
本発明は、呼気中のエタノールセンサその他のガスセンサ、液体中の不純物センサとして用いることが可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as an ethanol sensor during expiration, other gas sensors, and an impurity sensor in liquid.
３１０、３２０、３３０：プローブ
３１１、３２１：テーパを有する光導波路コア
３３１：アップテーパとダウンテーパを繰り返す光導波路コア
３１２：特定の化学物質を吸着して、吸収光の波長が変化する色素を混入したクラッド
３２２：特定の化学物質を吸着して膨潤するクラッド
３３５：金属膜
８１：露出型のコア（を用いたプローブ）
310, 320, 330: Probes 311, 321: Optical waveguide core having taper 331: Optical waveguide core that repeats up-tapering and down-tapering 312: Adsorbing a specific chemical substance and mixing a dye that changes the wavelength of absorbed light Clad 322: clad that swells by adsorbing a specific chemical substance 335: metal film 81: exposed core (probe using)
Claims (8)
前記プローブが、光硬化性樹脂を自己形成的に集光させて硬化させた光導波路コアを有することを特徴とするセンサ。 In a sensor for detecting a change in the concentration of a substance around the probe by detecting a change in the amount of detection light passing through the probe or a change in the amount of light of a specific wavelength, or a wavelength at which the amount of light decreases,
A sensor, wherein the probe has an optical waveguide core in which a photocurable resin is condensed and cured in a self-forming manner.
前記感応膜が特定の化学物質を吸着することで吸収する波長が変化するものであり、
前記検出光の特定波長の光量の変化を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のセンサ。 The probe has the optical waveguide core and a sensitive film made of a dielectric formed on the surface thereof,
The absorption wavelength is changed by adsorbing a specific chemical substance to the sensitive film,
The sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein a change in a light amount of the detection light having a specific wavelength is detected.
前記感応膜が特定の化学物質を吸着することで膨潤して屈折率が変化するものであり、
前記検出光の光量の変化を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のセンサ。 The probe has the optical waveguide core and a sensitive film made of a dielectric formed on the surface thereof,
The sensitive film adsorbs a specific chemical substance and swells to change the refractive index,
The sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein a change in the amount of the detection light is detected.
表面プラズモン共鳴による前記検出光の光量の変化、或いは光量が減少する波長を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のセンサ。 The probe has the optical waveguide core and a metal film formed on the surface thereof,
The sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein a change in the amount of the detection light due to surface plasmon resonance or a wavelength at which the amount of light decreases is detected.
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