JP2019113328A

JP2019113328A - 変位計測方法および装置

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Publication number: JP2019113328A
Application number: JP2017244762A
Authority: JP
Inventors: 元紀浅野; Motoki Asano; 竜一太田; Ryuichi Ota; 創岡本; So Okamoto; 山口　浩司; Koji Yamaguchi; 浩司山口
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: JP6867280B2

Abstract

【課題】変位計測対象の所定の領域の変位分布が測定できるようにする。【解決手段】第１工程Ｓ１０１で、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器の所定箇所で光共振器に光結合する光導波路に光を供給した状態で、光導波路から出力された光の周波数を測定する。上述したように測定をしている状態で、第２工程Ｓ１０２で、光共振器からなる検出部を、光共振器と光結合可能な範囲で変位計測対象に近づけて、変位計測対象と検出部との相対的な位置を変更する。【選択図】図１

Description

本発明は、物体の変位を計測する変位計測方法および装置に関する。

物体の動的変位の高感度な測定には、ドップラー干渉による技術が用いられてきた。この測定技術では、サブピコメートルオーダーの動的変位計測を実現するためには、干渉計の安定化が必須であり、光学経路の校正が必要となる。このため、従来の測定技術では、自由空間上での実装が余儀なくされ、干渉計のサイズが大きくなることが問題となっていた。

上述した問題を解消する技術として、ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）光共振器を用いた測定技術がある。ＷＧＭ光共振器は、共振器周囲に局在化したエバネッセント光を用いることで、物体の変位を高感度に測定可能とする（非特許文献１参照）。変位計測対象にＷＧＭ光共振器を近接させることにより、有効共振器長が変化し、共鳴周波数シフトが生じる。共振器内部の光が部分的に周波数変調されるため変調されていない光との干渉によって出力光のビート信号が生じ、動的変位に関する情報を得ることが可能となる。

図８に示すように、光導波路３０１を伝わる入力光３０２は、ＷＧＭ共振器３０３との結合点において、一部の光３０４が共振器内部に伝搬し、他の一部の光３０５は、光導波路３０１を透過する。このときの透過率は、光導波路３０１とＷＧＭ共振器３０３との結合条件、および入力光の共鳴周波数に対する周波数離調によって定める。共振器内部に伝搬した光３０４の一部は、変位計測対象３０６の動的変位によって変調を受け、動的変位の周波数だけ散乱された変調光３０７となる。この変調光３０７と光干渉によって変調を受けなかった光３０４とが合波した合波光３０８には、変調光３０７と光３０４との間に生じたビートが含まれる。合波光３０８よりビート信号３０９を検出することで動的変位が計測できる。

このように、ＷＧＭ光共振器を用いた測定では、光干渉が共振器内部もしくは共振器−導波路間で生じることから、新たに光干渉計を用意する必要が無い。また、ＷＧＭ光共振器は、微細加工技術によって数ミリメートルから数マイクロメートルオーダーのサイズで作製されるため、測定系のサイズを小型化することが可能となる。

変位分布計測を可能とするＷＧＭ共振器構造として、変位計測対象と分離することが可能であり、且つ変位計測対象に対する走査が可能な球型、ボトル型、テーパーリング型微小光共振器が挙げられる。球型共振器を用いて薄膜機械共振器やグラフェン機械共振器のある一点における変位計測の結果が報告されている（非特許文献２，３参照）。

G. Anetsberger et al., "Near-field cavity optomechanics with nanomechanical oscillators", Nature Physics, vol. 5, pp. 909-914, 2009. G. A. Brawley et al., "Nonlinear optomechanical measurement of mechanical motion", Nature Communications 7, 10988, 2016. R. M. Cole et al., "Evanescent-Field Optical Readout of Graphene Mechanical Motion at Room Temperature", Physical Review Applied, vol. 3, no. 3, 024004, 2015.

しかしながら、上述した従来の技術では、特定の箇所の変位は測定できるが、変位計測対象の所定の領域の変位分布を測定することができないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、変位計測対象の所定の領域の変位分布が測定できるようにすることを目的とする。

本発明に係る変位計測方法は、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器の所定箇所で光共振器に光結合する光導波路に光を供給した状態で、光導波路から出力された光の周波数を測定する第１工程と、測定をしている状態で、光共振器からなる検出部を光共振器と光結合可能な範囲で変位計測対象に近づけて、変位計測対象と検出部との相対的な位置を変更する第２工程とを備える。

上記変位計測方法において、第２工程では、変位計測対象を移動することで、変位計測対象と検出部との相対的な位置を変更すればよい。

上記変位計測方法において、第２工程では、変位計測対象の表面に平行な平面内で変位計測対象と検出部との相対的な位置を変更する。

上記変位計測方法において、光共振器は、ボトル型微小光共振器、球型光微小共振器、テーパーリング型光共振器のいずれかであればよい。

また、本発明に係る変位計測装置は、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器からなる検出部と、光共振器の所定箇所で光共振器に光結合する光導波路と、光導波路に光を供給する光源と、光導波路から出力された光の周波数を測定する測定部と、変位計測対象と検出部との相対的な位置を変更する位置変更部とを備える。

上記変位計測装置において、位置変更部は、変位計測対象を移動することで、変位計測対象と検出部との相対的な位置を変更すればよい。

上記変位計測装置において、位置変更部は、変位計測対象の表面に平行な平面内で変位計測対象と検出部との相対的な位置を変更する。

上記変位計測装置において、光共振器は、ボトル型微小光共振器、球型光微小共振器、テーパーリング型光共振器のいずれかであればよい。

以上説明したように、本発明によれば、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器からなる検出部と変位計測対象との相対的な位置を変更するようにしたので、変位計測対象の所定の領域の変位分布が測定できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における変位計測方法を説明するためのフローチャートである。図２は、本発明の実施の形態における変位計測装置の構成を示す構成図である。図３は、本発明の実施の形態における変位計測装置のより詳細な一部構成を示す斜視図である。図４は、検出部１０１を構成する光共振器として実際に作製したボトル型微小光共振器の光学顕微鏡像である。図５は、実際に変位計測を実施した実験の結果を示す特性図である。図６Ａは、実際に変位計測を実施した実験の結果を示す特性図である。図６Ｂは、実際に変位計測を実施した実験の結果を示す特性図である。図７は、実験における動的な変位計測の測定感度を見積もった結果を示す特性図である。図８は、ＷＧＭ光共振器を用いた物体の動的変位の測定の原理を説明するための説明図である。

以下、本発明の実施の形態おける変位計測方法について図１を参照して説明する。この変位計測方法は、第１工程Ｓ１０１で、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器の所定箇所で光共振器に光結合する光導波路に光を供給した状態で、光導波路から出力された光の周波数を測定する。光共振器は、例えば、ボトル型微小光共振器、球型光微小共振器、テーパーリング型光共振器のいずれかである。

上述したように測定をしている状態で、第２工程Ｓ１０２で、光共振器からなる検出部を、光共振器と光結合可能な範囲で変位計測対象に近づけて、変位計測対象と検出部との相対的な位置を変更する。光共振器と変位計測対象の光結合可能な距離は、エバネッセント波を介して両者の光機械結合が実現できる範囲であればよい。ここで、例えば、変位計測対象を移動することで、変位計測対象と検出部との相対的な位置を変更する。なお、第２工程Ｓ１０２では、変位計測対象の表面に平行な平面内で変位計測対象と検出部との相対的な位置を変更する。

検出部を構成する光共振器内部に光導波路から伝搬した光の一部は、変位計測対象の動的変位によって変調を受け、動的変位の周波数だけ散乱された光となる。この光は、光干渉によって変調を受けなかった光との間にビート信号を生じるため、これを検出することで動的変位が計測できる。

上述した測定方法は、図２に示す変位測定装置で実施する。この変位測定装置は、検出部１０１、光導波路１０２、光源１０３、測定部１０４、位置変更部１０５を備える。

検出部１０１は、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器から構成されている。例えば、検出部１０１は、図３に示すように、ボトル型微小光共振器１０１ａである。ボトル型微小光共振器１０１ａは、例えば、光ファイバから構成され、検出箇所を中心とした２箇所に、検出箇所より徐々に細くなるテーパー部を備える構成とされている。

光導波路１０２は、検出部１０１を構成している光共振器の所定箇所で、光共振器に光結合している。光導波路１０２は、例えば、テーパーファイバから構成すればよい。例えば、図３に示すように、ボトル型微小光共振器１０１ａおよび光導波路１０２は、クランプ１０６に固定され、エバネッセント光を介して両者が光機械結合されている。光源１０３は、光導波路１０２に光を供給する。光源１０３は、例えば、レーザー光源である。測定部１０４、光導波路１０２から出力された光の周波数を測定する。測定部１０４は、例えば、光電変換器（光検出器）と、光電変換器より出力される信号を計測する電気計測器から構成されている。

位置変更部１０５は、変位計測対象１１１と検出部１０１との相対的な位置を変更する。位置変更部１０５は、例えば、変位計測対象１１１が固定されて固定平面内で移動可能とされ、変位計測対象１１１を移動することで、変位計測対象１１１と検出部１０１との相対的な位置を変更するステージである。このステージを移動することで、変位計測対象１１１の表面に平行な平面内で変位計測対象１１１と検出部１０１との相対的な位置が変更できる。変位計測対象１１１である機械振動子の長手方向に、変位計測対象１１１を移動させることで、変位計測対象１１１と検出部１０１との相対的な位置を移動（掃引）し、変位計測対象１１１の動的な変位分布を計測する。

なお、検出部１０１を移動させることで、変位計測対象１１１と検出部１０１との相対的な位置を変更してもよい。例えば、ボトル型微小光共振器１０１ａおよび光導波路１０２を固定したクランプ１０６を移動させればよい。

以下に、より詳細に説明する。第１に、検出部１０１とする微小光共振器を作製した。シリカガラスからなる光ファイバ（クラッド直径８０μｍ）を用い、ボトル型微小光共振器を作製した。ファイバ軸方向に沿って互いに１ｍｍ程度離れた２箇所に緩やかなテーパー構造を形成してボトル構造のボトル型微小光共振器１０１ａとした。また、ファイバ軸方向に直交するように、ボトル型微小光共振器１０１ａとテーパーファイバによる光導波路１０２とをクランプ１０６に架設し、エバネッセント波による両者の光結合を実現した。図４の（ａ）に、作製したボトル型微小光共振器の光学顕微鏡像を示す。１μｍ帯の波長可変レーザーの中心波長を掃引しながら透過スペクトル測定を行ったところ、半値全幅から光学Ｑ値が１．１×１０⁶と測定された。このような光学Ｑ値の微小光共振器を用いることで、高い空間分解能が得られる。

第２に、変位計測対象１１１を作製した。ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ多層膜（膜厚６００ｎｍ）からなる長さ１５０μｍ、幅２０μｍの電極付両持ち梁機械振動子を変位計測対象１１１として用意した。図４の（ｂ）に機械振動子の電子顕微鏡像を示す。

第３に、変位の動的変化に対する変位計測の実験を行った。上述した変位計測対象１１１を励振し、測定部１０４で機械振動スペクトルを得た。計測された結果を図５に示す。有限要素法による数値解析の結果から、それぞれの周波数に対する機械振動の変位分布を同定した。

次に、２８０ｋＨｚ、３７０ｋＨｚに固有周波数を持つ基本振動モード、２次の振動モードに対して変位分布の計測を実施した。ボトル型微小光共振器１０１ａの位置を、変位計測対象１１１の機械振動子の長手方向に相対的に移動させ（掃引し）、上述した各々の固有周波数におけるスペクトルの最大値をプロットすることで変位の動的変化分布を得た。得られた動的変化分布を図６Ａ、図６Ｂに示す。図６Ａは、固有周波数２８０ｋＨｚの計測結果を示し、図６Ｂは、固有周波数３７０ｋＨｚの計測結果を示す。

図６Ａ，図６Ｂにおいて、網掛けした領域２０１，領域２０２は、機械振動子に電極を組み込むために作製したメサ構造に対応しており、この部分で光機械結合が弱まることによって変位の信号が得られていないと推測できる。なお、動的な変位に対する測定感度は、ボトル型微小光共振器１０１ａと変位計測対象１１１との間隔に依存するため、光透過スペクトルが同形状になるように各測定位置で測定感度の校正を行っている。

動的な変位計測の測定感度は、基本振動モードの熱振動に対する測定から見積もった結果、４５０ｆｍ／｛（Ｈｚ）^1/2｝であった（図７）。なお、これはドップラー光干渉計における測定と同オーダーの測定感度となっている。

なお、上述した説明では、ボトル型微小光共振器１０１ａを用いた場合について説明したが、球型やテーパーリング型など、他のＷＧＭ微小光共振器を用いることで、同様に高い空間分解能と変位計測感度を併せもたせることが可能であることはいうまでもない。特にテーパーリング型微小光共振器は、光の波長程度まで構造を小さくできるため空間分解能の向上が期待できる。また、上述では、入力光を光共振器へ結合させるためにテーパーファイバを用いたが、プリズムなどを用いた他の光結合機構においても同様の結果が期待できる。

また、上述では、シリカガラスによる光ファイバから構成した微小光共振器に対して１μｍ帯のレーザー光を用いた例について説明したが、カルコゲナイド系や高分子系を材料とする光ファイバの使用や、可視波長帯、通信波長帯における他の光波長の光を利用した場合においても、同様の測定感度が期待できる。特に、カルコゲナイド系材料は屈折率が高いため、高い光学Ｑ値を保ったまま微小光共振器を小さくすることができ、空間分解能の向上が期待できる。また、通信波長帯の光を用いることで、光ファイバネットワークに直接的に導入可能な変位計測装置を構築することが可能となる。また、上述した例は、真空環境下（１×１０^-4Ｐａ以下）において測定した結果を示したが、このような動作環境（温度、真空度、気中／液中など）に限らず、同様の高感度測定を実施することが可能である。

以上に説明したように、本発明によれば、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器からなる検出部と変位計測対象との相対的な位置を変更するようにしたので、光共振器周囲に局在化したエバネッセント光を用いた変位計測対象の所定の領域の変位分布が測定できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…検出部、１０１ａ…ボトル型微小光共振器、１０２…光導波路、１０３…光源、１０４…測定部、１０５…位置変更部、１０６…クランプ、１１１…変位計測対象。

Claims

ウィスパリングギャラリーモードの光共振器の所定箇所で前記光共振器に光結合する光導波路に光を供給した状態で、前記光導波路から出力された光の周波数を測定する第１工程と、
前記測定をしている状態で、前記光共振器からなる検出部を前記光共振器と光結合可能な範囲で変位計測対象に近づけて、前記変位計測対象と前記検出部との相対的な位置を変更する第２工程と
を備えることを特徴とする変位計測方法。
請求項１記載の変位計測方法において、
前記第２工程では、前記変位計測対象を移動することで、前記変位計測対象と前記検出部との相対的な位置を変更することを特徴とする変位計測方法。
請求項１または２記載の変位計測方法において、
前記第２工程では、前記変位計測対象の表面に平行な平面内で前記変位計測対象と前記検出部との相対的な位置を変更することを特徴とする変位計測方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の変位計測方法において、
前記光共振器は、ボトル型微小光共振器、球型光微小共振器、テーパーリング型光共振器のいずれかであることを特徴とする変位計測方法。
ウィスパリングギャラリーモードの光共振器からなる検出部と、
前記光共振器の所定箇所で前記光共振器に光結合する光導波路と、
前記光導波路に光を供給する光源と、
前記光導波路から出力された光の周波数を測定する測定部と、
変位計測対象と前記検出部との相対的な位置を変更する位置変更部と
を備えることを特徴とする変位計測装置。
請求項５記載の変位計測装置において、
前記位置変更部は、前記変位計測対象を移動することで、前記変位計測対象と前記検出部との相対的な位置を変更することを特徴とする変位計測装置。
請求項５または６記載の変位計測装置において、
前記位置変更部は、前記変位計測対象の表面に平行な平面内で前記変位計測対象と前記検出部との相対的な位置を変更することを特徴とする変位計測装置。
請求項５〜７のいずれか１項に記載の変位計測装置において、
前記光共振器は、ボトル型微小光共振器、球型光微小共振器、テーパーリング型光共振器のいずれかであることを特徴とする変位計測装置。