JP2023520505A - 超音波感知のための光微小共振器アレイデバイス - Google Patents

超音波感知のための光微小共振器アレイデバイス Download PDF

Info

Publication number
JP2023520505A
JP2023520505A JP2022560166A JP2022560166A JP2023520505A JP 2023520505 A JP2023520505 A JP 2023520505A JP 2022560166 A JP2022560166 A JP 2022560166A JP 2022560166 A JP2022560166 A JP 2022560166A JP 2023520505 A JP2023520505 A JP 2023520505A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical
optical fibers
waveguides
resonator
signals
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2022560166A
Other languages
English (en)
Inventor
ジアンガン ジュー，
ラン ヤン，
スコット エー． ミラー，
グアンミン ジャオ，
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deepsight Technology Inc
Original Assignee
Deepsight Technology Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deepsight Technology Inc filed Critical Deepsight Technology Inc
Publication of JP2023520505A publication Critical patent/JP2023520505A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
    • G01N29/0654—Imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/12—Analysing solids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2437—Piezoelectric probes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2462—Probes with waveguides, e.g. SAW devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/36—Detecting the response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/42—Detecting the response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by frequency filtering or by tuning to resonant frequency
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/4409—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by comparison
    • G01N29/4436—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by comparison with a reference signal
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29331—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by evanescent wave coupling
    • G02B6/29335—Evanescent coupling to a resonator cavity, i.e. between a waveguide mode and a resonant mode of the cavity
    • G02B6/29338—Loop resonators
    • G02B6/29341—Loop resonators operating in a whispering gallery mode evanescently coupled to a light guide, e.g. sphere or disk or cylinder
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4249—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details comprising arrays of active devices and fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/01—Indexing codes associated with the measuring variable
    • G01N2291/014—Resonance or resonant frequency
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/023—Solids
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12133—Functions
    • G02B2006/12138—Sensor
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本開示は、概して、超音波の分野に関し、特に、光微小共振器のアレイを使用して超音波感知を可能にする方法及びデバイスに関する。装置は、１つ以上の光ファイバ、１つ以上の光導波路、及び感知場所のアレイ内に配置された複数の共振器ノードを含み得る。各共振器ノードは、光導波路と、それぞれの感知場所で共振周波数のセットを有する光ファイバとの間の光結合を含み得る。各共振器ノードは、それぞれの感知場所で光ファイバ内の共振周波数のセットにおける少なくとも１つのシフトに対応する信号のセットを通信するように更に構成され得る。【選択図】図５

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年３月３０日出願の米国特許出願第６３／００１，７３８号に対する優先権を主張し、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本開示は、概して、超音波の分野に関し、特に、光微小共振器のアレイを使用して超音波感知を可能にする方法及びデバイスに関する。
超音波感知は、いくつかの利点に起因して、医療イメージングを含む様々な業界で使用される。例えば、超音波感知は、顕著な浸透深さを有する超音波信号を利用する。更に、超音波イメージングは、非電離放射線に基づいているため、有利な非侵襲的形態のイメージングであることが知られている。
従来の超音波センシングでは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ポリマー厚膜（ＰＴＦ）及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの圧電材料が使用されている。しかしながら、これらの材料の圧電特性の使用と関連付けられた課題のいくつかとしては、高い動作電圧要件、高い電界要件（絶縁破壊及び故障を引き起こし得る）、高いヒステリシスを伴う非線形応答、及び限定された検出角度が挙げられる。したがって、超音波感知のための新しい改善されたデバイス及び方法に対する必要性が存在する。
概して、いくつかの実施形態では、装置は、１つ以上の（複数の）光ファイバ、１つ以上の光導波路、及び感知場所のアレイ内に配置された複数の共振器ノードを含み得る。各共振器ノードは、光導波路と、それぞれの感知場所で共振周波数のセットを有する光ファイバとの間の光結合を含み得る。各共振器ノードは、それぞれの感知場所で光ファイバ内の共振周波数のセットにおけるシフトに対応する信号のセットを通信するように更に構成され得る。いくつかの実施形態では、各光ファイバは、光ファイバが同一又は実質的に同様の共振周波数のセットを有し得るように、同一又は実質的に同様の断面幾何学的形状及び／又は材料均一性を有し得る。そのような均一な材料特性を活用する（例えば、バルクで生産された光ファイバを利用する）ことによって、そのような装置を含む超音波感知システムは、コスト効率が高く一貫した様式でより容易に大量生産され、より一貫した予測可能な性能を有し得る。
いくつかの実施形態では、１つ以上の光ファイバは、複数の超音波エコーを受信するように構成され得る。更に、１つ以上の光ファイバは、複数の超音波エコーに応答して共振周波数のセットのシフトを経験するように構成され得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の光導波路が、共振周波数のセットにおける少なくとも１つのシフトに対応する信号のセットを光検出器に伝搬させるように構成されている。
いくつかの実施形態では、１つ以上の光導波路は、１つ以上のテーパ付き光ファイバ又は１つ以上の集積フォトニック導波路（例えば、シリコンフォトニック導波路）を含み得る。１つ以上のテーパ付き光ファイバは、ポリマー構造内にあり得る。
１つ以上の光ファイバは、１つ以上の光導波路に対して垂直に配置され得る。例えば、いくつかの実施形態では、１つ以上の光ファイバは、互いに所定の等距離で直線状に配置され、１つ以上のテーパ付き光ファイバに対して垂直であり得る。更に、１つ以上の光ファイバ及び１つ以上の光導波路は、矩形グリッドに配置され得る。
いくつかの実施形態では、１つ以上の光導波路が、光源に結合され得、光源が、１つ以上の光導波路内で光を伝搬させ得る。例えば、光源は、広帯域光源又は波長可変レーザ源を含み得る。
１つ以上の光ファイバ及び１つ以上の光導波路は、各共振器ノードでの光結合を可能にする任意の好適な様式で配置され得る。例えば、いくつかの実施形態では、光ファイバは、共振器ノードで光導波路と物理的に接触し得る。代替的に、実施形態では、共振器ノードで、光ファイバと光導波路との間に短い分離間隙（例えば、約１μｍ以下の分離）が存在し得る。更に、光導波路及び光ファイバは、任意の好適な様式で離間され得る。例えば、いくつかの実施形態では、１つ以上の光導波路の光導波路間の距離は、光源からの光の波長の少なくとも約２０倍であり得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の光ファイバの光ファイバ間の距離は、光の波長の約３倍未満であり得る。
概して、いくつかの実施形態では、超音波感知のための方法は、１つ以上の光導波路で、複数の（１つ超の）共振器ノードを介して、１つ以上の光ファイバの円周に沿って伝搬するウィスパリングギャラリーモードの第１のセットに対応する信号の第１のセットを受信することを含み得る。方法は、複数の共振器ノードを介して、各光ファイバの円周に沿って伝搬するウィスパリングギャラリーモードの第２のセットに対応する信号の第２のセットを１つ以上の光導波路で受信することを更に含み得る。いくつかの実施形態では、ウィスパリングギャラリーモードの第２のセットは、複数の超音波エコーを受信する１つ以上の光ファイバに応答して伝搬し得る。方法は、信号の第１のセットと信号の第２のセットとの間の差のセットを検出することを更に含み得る。方法は、信号の第１のセット、信号の第２のセット、及び／又は差のセットに少なくとも部分的に基づいて、各共振器ノードにおける各超音波エコーの大きさを計算することを更に含み得る。方法は、各超音波エコーの大きさを各共振器ノードの感知場所に関連付けることを更に含み得る。いくつかの実施形態では、方法は、複数の圧電要素を使用して複数の超音波信号を送信することを更に含み得る。方法は、１つ以上の光ファイバで複数の超音波信号に対応する複数の超音波エコーを受信することを更に含み得、複数の共振器ノードは、合成開口（ＳＡ）動作又は圧縮センシング（ＣＳ）動作を実施するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、１つ以上の光ファイバは、同じ又は実質的に同様の共振周波数のセットを有するように、同じ又は実質的に同様の断面幾何学的形状及び材料を有する複数の光ファイバを含み得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の光ファイバは、１つ以上の光導波路に対して垂直であり得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の光導波路は、１つ以上のテーパ付き光ファイバ及び／若しくは１つ以上の集積フォトニック導波路、又は光源からの光を伝搬するように光源に結合され得る別の好適な導波路を含み得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の光ファイバ及び／又は１つ以上の光導波路は、ポリマー構造内にあり得る。
１つ以上の光ファイバ及び１つ以上の光導波路は、各共振器ノードでの光結合を可能にする任意の好適な様式で配置され得る。例えば、いくつかの実施形態では、光ファイバは、共振器ノードで光導波路と物理的に接触し得る。代替的に、実施形態では、共振器ノードで、光ファイバと光導波路との間に短い分離間隙（例えば、約１μｍ以下の分離）が存在し得る。更に、光導波路及び光ファイバは、任意の好適な様式で離間され得る。例えば、いくつかの実施形態では、１つ以上の光導波路の光導波路間の距離は、光源からの光の波長の少なくとも約２０倍であり得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の光ファイバの光ファイバ間の距離は、光の波長の約３倍未満であり得る。
概して、いくつかの実施形態では、装置は、１つ以上の光ファイバと、複数の共振器ノードで１つ以上の光ファイバに光学的に結合される１つ以上の光導波路と、を含み得る。各光ファイバの円周は、ウィスパリングギャラリーモードの第１のセットを伝搬するように構成され得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の光ファイバは、１つ以上の光導波路に、ウィスパリングギャラリーモードの第１のセットに対応する信号の第１のセットを通信する。１つ以上の光導波路が、信号の第１のセットを少なくとも１つの光検出器に伝搬するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、１つ以上の光ファイバは、同じ又は実質的に同様の共振周波数のセットを有するように、同じ又は実質的に同様の断面幾何学的形状及び材料を有する複数の光ファイバを含み得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の光ファイバは、１つ以上の光導波路に対して垂直であり得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の光導波路は、１つ以上のテーパ付き光ファイバ及び／若しくは１つ以上の集積フォトニック導波路、又は光源からの光を伝搬するように光源に結合され得る別の好適な導波路を含み得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の光ファイバ及び／又は１つ以上の光導波路は、ポリマー構造内にあり得る。
１つ以上の光ファイバ及び１つ以上の光導波路は、各共振器ノードでの光結合を可能にする任意の好適な様式で配置され得る。例えば、いくつかの実施形態では、光ファイバは、共振器ノードで光導波路と物理的に接触し得る。代替的に、実施形態では、共振器ノードで、光ファイバと光導波路との間に短い分離間隙（例えば、約１μｍ以下の分離）が存在し得る。更に、光導波路及び光ファイバは、任意の好適な様式で離間され得る。例えば、いくつかの実施形態では、１つ以上の光導波路の光導波路間の距離は、光源からの光の波長の少なくとも約２０倍であり得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の光ファイバの光ファイバ間の距離は、光の波長の約３倍未満であり得る。
いくつかの実施形態では、１つ以上の光ファイバは、複数の超音波エコーを受信し、かつ複数の超音波エコーに応答してウィスパリングギャラリーモードの第２のセットを伝搬するように構成されている。１つ以上の光ファイバは、ウィスパリングギャラリーモードの第２のセットに対応する信号の第２のセットを１つ以上の光導波路に通信するように構成されている。いくつかの実施形態では、１つ以上の光導波路は、信号の第２のセットを少なくとも１つの光検出器に伝搬するように構成されている。
いくつかの実施形態では、１つ以上の光ファイバが、複数の共振器ノードを通じて、１つ以上の光導波路に、ウィスパリングギャラリーモードの第１のセットとウィスパリングギャラリーモードの第２のセットとの間の差に対応する信号のセットを通信するように構成され得る。例えば、ウィスパリングギャラリーモードの第１のセットとウィスパリングギャラリーモードの第２のセットとの間の差が、光ファイバの共振周波数におけるシフトのうちの少なくとも１つ及び／又は１つ以上の光ファイバの共振の減衰を含む。
例示的な光微小共振器アレイの概略説明である。 例示的な光微小共振器アレイの概略説明である。 例示的な光微小共振器アレイの概略説明である。 例示的な光微小共振器アレイの概略説明である。 光微小共振器アレイをパッケージ化する例示的な方法の概略説明である。 光微小共振器アレイをパッケージ化する例示的な方法の概略説明である。 例示的な光微小共振器アレイの概略説明である。 例示的な光微小共振器アレイの概略説明である。 例示的な光微小共振器アレイの概略説明である。 光微小共振器アレイデバイスを使用して超音波エコーのセットを感知する例示的な方法の概略説明である。 光微小共振器アレイデバイスの光応答を測定する例示的な方法の概略説明である。 光微小共振器アレイデバイスの光学応答を測定する例示的な方法の概略説明である。 例示的な超音波プローブの概略説明である。 例示的な超音波プローブの概略説明である。
本発明の種々の態様及び変形例の非限定的な例が本明細書に記載され、添付の図面に示される。
例示的な光微小共振器アレイ及びそれを作製する方法が本明細書に説明されている。更に、本明細書で説明されるように、そのような光微小共振器アレイは、超音波感知及び／又は超音波イメージングなどの用途で使用するために、以下に説明されるように、高品質係数及び様々な他の有益な特徴を有する光微小共振器アレイを形成するために組み合わせられ得る。
光微小共振器アレイ
本明細書では、高感度音響光学感知システムを含む高感度用途に好適な光微小共振器アレイが説明される。例えば、図１Ａに示されるように、例示的な光微小共振器アレイ１００Ａは、光ファイバ１０３Ａのセット（例えば、複数の）、光導波路１０２Ａのセット（例えば、複数の）、及び感知場所のアレイ内に配置された複数の共振器ノード１０４Ａを含み得る。各共振器ノード１０４Ａは、それぞれの感知位置で光導波路と光ファイバとの間の光結合を備え得る。各光ファイバは、共振周波数のセットを有し得、各共振器ノード１０４Ａは、それぞれの感知場所で光ファイバ内の共振周波数のセットにおける少なくとも１つのシフトに対応する信号のセットを通信するように更に構成され得る。各共振器ノードでは、光ファイバの断面は、光ファイバの共振周波数のセットにおける少なくとも１つのシフトに対応する信号のセットを通信するように構成された光微小共振器（例えば、ウィスパリングギャラリーモード微小共振器）として機能し得る。これらの信号は、その共振器ノードに対するそれぞれの感知場所と関連付けられる。
光微小共振器アレイの各光微小共振器は、透明媒体の閉ループを含み、これは、光のいくつかの許容された周波数が、閉ループ内を連続的に伝搬すること、及び閉ループ内の光の許容された周波数の光エネルギーを貯蔵することを可能にする。このように、光微小共振器は、光微小共振器の周囲を移動し、許可された周波数に対応するウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）の伝搬が光微小共振器の円周を循環することを可能にする。ＷＧＭからの各モードは、例えば、光の許容された周波数からの光の周波数の伝搬に対応し得る。
本明細書に説明された光微小共振器アレイは、光の許容された周波数が光微小共振器アレイの閉ループ内に長時間留まることを光微小共振器アレイが有利に可能にするという点で、高品質係数を有することに少なくとも部分的に起因して、高感度を有する。本明細書で説明される光の許容された周波数及び光微小共振器アレイの品質係数は、光微小共振器アレイの幾何学的パラメータ、透明媒体の屈折率、及び光微小共振器アレイを取り囲む環境の屈折率に少なくとも部分的に基づき得る。
本明細書で更に説明されるように、光微小共振器アレイは、光を受信し、光を送信し、かつ実際に役立つように構成され得る（例えば、音響光学システムにおける超音波イメージング又は他の感知用途のために）。光微小共振器アレイに基づく音響光学システムは、超音波（例えば、超音波エコー）に応答する光弾性効果及び／又は光微小共振器アレイの物理的変形を通じて、超音波を直接測定し得る。例えば、超音波（又は任意の圧力波）の存在下で、光学微小共振器アレイを移動するＷＧＭは、光微小共振器アレイの屈折率及び／又は形状の変化によって引き起こされる１つ以上のスペクトルシフトのセットを受け得る。スペクトル変化は、光微小共振器アレイへの、及びそれからのスペクトル領域及び光透過強度において、容易に監視及び分析され得る。更に、追加の空間情報及び他の情報が、複数の光微小共振器アレイ間でシフトするＷＧＭを監視及び分析することによって導出され得る。
いくつかの実施形態では、光微小共振器アレイは、本明細書で更に説明されるように、それらの長さに沿って、及び／又は互いに対して、同一又は実質的に同様の断面特性（例えば、断面幾何学的形状及び／又は材料特性）を有する光ファイバを含み得る。したがって、大量生産に好適な効率的で再現性の高い様式で光マイクロ共振器アレイを製造するために、バルク生産された光ファイバの利用可能性が活用され得る。更に、光微小共振器アレイにおいてそのような同様のバルク生産された光ファイバ（及び／又は光導波路）を使用することは、超音波感知において、より一貫した信頼できる性能を結果的にもたらし得る。したがって、本明細書に説明される光微小共振器アレイは、スタンドアロン微小共振器が、アレイに組み合わせられる前に苦心して個々に形成されなければならず、更に、個々の微小共振器の間の変動の結果として一貫性がないか、若しくは信頼できない性能を呈し得る、及び／又は個々の微小共振器の共振波長をトリミングするために複雑なマイクロ又はナノ加工技術を必要とする、従来の技術から形成された微小共振器アレイを上回るいくつかの利点を提供する。更に、同一又は非常に近いＷＧＭ共振条件及び共振周波数を有する光ファイバを有する光微小共振器アレイの実施形態に関して、単一周波数レーザ又は他の単一周波数光源を使用して、光微小共振器アレイにおける全てのＷＧＭを同時にプローブで調べるか、又は励起することが可能であり得、それによって、感知する微小共振器アレイの動作を単純化する。
代替的に、いくつかの実施形態では、光ファイバの少なくともいくつかは、変化する既知の断面特性（例えば、異なる半径、異なる材料プロファイル）を有し、したがって、シフトするＷＧＭの結果として得られる信号の分析中に考慮される異なる共振周波数を呈し得る。
光ファイバ及び光導波路
光微小共振器アレイ内の光ファイバのセット１０３Ａは、光ファイバのセットの内側を伝搬する光の周波数に対して透明な材料（例えば、ガラス、ポリマー、結晶など）で作製され得る。光ファイバのセット１０３Ａは、例えば、１つ以上の単一モデル光ファイバのセット、１つ以上のマルチモード光ファイバのセット、１つ以上のグレーデッドインデックス光ファイバのセット、１つ以上のステップインデックス光ファイバ、１つ以上の偏波保持光ファイバのセット、及び／又はその円周でウィスパリングギャラリーモードをサポートするのに好適である任意の光ファイバを含み得る。いくつかの実施形態では、光ファイバのセットは、例えば、サイズ、屈折率、及び／又は共振波長に関して、集合的に同じ又は顕著に類似した特性を有する市販のファイバを含み得る。例えば、単一モード光ファイバのセットは、単一モード光ファイバのセットの任意の垂直断面において、１．５の非常に均一な材料屈折率及び１２５μｍの直径を有し得る。
いくつかの実施形態では、光ファイバのセット１０３Ａは、小さい半径を有するように選択及び／又はエッチングされ得る。光ファイバのセットの半径が小さいほど、共振周波数のセットの自由スペクトル範囲が大きくなる。結果として、光ファイバのセット１０３Ａの半径によってサポートされる共振モードのスペクトル密度が低減され、これは、光微小共振器アレイ１００Ａの検出性能のダイナミックレンジを改善し得る。
いくつかの実施形態では、光導波路のセット１０２Ａは、ガラス、シリコン、窒化シリコン、及び／又は光ファイバのセットの内側を伝搬する光の周波数に対して透明な任意の材料で作製された、集積フォトニック導波路のセットを含み得る。例えば、光導波路のセット１０２Ａは、ストリップ導波路のセット、スロット導波路、スラブ導波路、ストリップ装填スロット導波路、フォトニック結晶導波路、及び／又は光微小共振器アレイの長さにわたって光の伝搬をサポートするのに好適である集積フォトニック導波路を含み得る。
追加的又は代替的に、光導波路のセット１０２Ａは、光ファイバから生産されたテーパ付き光ファイバのセットを含み得る。例えば、光導波路のセット１０２Ａの少なくとも一部分は、単一モデル光ファイバ、マルチモード光ファイバ、グレーデッドインデックス光ファイバ、ステップインデックス光ファイバ、偏波保持光ファイバなどのセットから生産され得る。概して、いくつかの実施形態では、テーパ付き光ファイバのセットは、加熱されている間に光ファイバを徐々に引き伸ばすことによって生産され得る。そうすることで、光ファイバは、ある程度の長さにわたってより細くなる。追加的又は代替的に、いくつかの実施形態では、テーパ付きファイバのセットの少なくとも一部分は、光ファイバのクラッディングを全体又は一部でエッチングする（例えば、ウェットエッチングを使用する）ことによって生産され得る。
いくつかの実施形態では、光ファイバのセット及び／又はテーパ付き光ファイバのセットは、それらのサイズを低減するためにエッチングされ得る。例えば、光ファイバのセット及び／又はテーパ付き光ファイバのセットは、それらの長さ及び／又は半径を低減するために、化学溶液（例えば、塩酸）を使用してエッチングされ得る。光ファイバのセット及び／又はテーパ付き光ファイバのセットの所定の部分が化学溶液に曝露され、その結果、化学溶液に曝露された部分のみがエッチングされる。
システムは、１つ以上の光源を更に含み得る。例えば、光導波路のセット１０２Ａは、光源のセットからの光１０１Ａを光導波路のセット１０２Ａ及び光学的に結合された光ファイバ１０３Ａ内に入力するように、１つ以上の光源のセットに結合され得る。次いで、光は、各光ファイバの方位角に沿って伝搬して、本明細書で更に説明されるように、共振器ノードのＷＧＭを励起する。追加的に、光は、光ファイバ１０３Ａから出て、光導波路１０２Ａに戻るように追加的に結合し得る。
１つ以上の光源は、広帯域光源、波長可変レーザ源、デジタル変調方法若しくはカー４波混合（ＦＷＭ）方法のいずれかを使用する光周波数コム（ＯＦＣ）レーザ源、及び／又は光微小共振器アレイ１００Ａの動作周波数帯域に好適な任意の他の光源を含み得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の光源のセットは、同一スペクトル特性を有する光１０１Ａを光導波路のセット１０２Ａ内に伝搬させるように構成された単一周波数光源を含み得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの光源は、入力光１０１Ａを集積フォトニック導波路のセット内に結合し得る光ファイバのセット内に入力光１０１Ａを直接発射するファイバレーザ源を含み得る。いくつかの実施形態では、光源のセットは、入力光のセット１０１Ａを集積フォトニック導波路のセットに直接発射するチップベースのレーザ源のセットを含み得る。次いで、集積フォトニック導波路のセットは、入力光のセットをテーパ付きファイバのセットに結合するように構成され得る。更に、いくつかの実施形態では、以下で更に詳細に説明されるように、１つ以上の光源がスラブ又は平面導波路内に結合され得る。
光ファイバ及び光導波路は、様々な好適な様式のいずれかで配置され得る。例えば、図１Ａに示されるように、光微小共振器アレイ１００Ａは、複数の共振器ノード１０４Ａを形成するために光ファイバ１０３Ａ上に重ねられたテーパ付き光ファイバ（光導波路１０２Ａとして機能する）を含み得る。以下で更に詳細に説明するように、代替的に、光ファイバ１０３Ａの少なくとも一部分が、テーパ付き光ファイバ（導波路１０２Ａ）の上に重ねられ得る。
別の例として、１つ以上の光ファイバが、図１Ｂ～図１Ｄに示されるような、シリコンフォトニックプラットフォーム、窒化シリコンプラットフォームなどの集積フォトニック導波路プラットフォーム上に配置され得る。図１Ｂは、例示的な集積フォトニック光導波路アレイ１００Ｂの概略説明である。いくつかの実施形態では、集積フォトニックプラットフォームは、基板１０７Ｂ（例えば、シリコン、シリカ、窒化シリコンなど）、埋め込み酸化層１０６Ｂ、及び他の集積フォトニック構成要素を含み得る。光導波路アレイ１００Ｂは、１つ以上の光源のセットに結合され得る。いくつかの実施形態では、光源のセットは、ファイバ結合光源、又はオンチップグレーティングカプラ１０２Ｂに対して垂直に位置合わせされているファイバ内に光１０１Ｂを放出する他の光源であり得る。他の集積フォトニック構成要素（例えば、マルチモード干渉デバイス１０３Ｂ）と組み合わせられたグレーティングカプラ１０２Ｂは、１つ以上の光導波路１０８Ｂを有する光導波路アレイ１００Ｂに光を結合し得る。例えば、図１Ｂに示されるように、単一光源からの入力光は、分割又は分岐パターンを介して複数の光導波路１０８Ｂに結合され得る。いくつかの実施形態では、光導波路アレイ１００Ｂの少なくとも一部分は、カプセル化層１０５Ｂでコーティングされ得るが（例えば、整合ポリマーでスピンコーティングされる）、光導波路アレイ１００Ｂの他の部分は、カプセル化層１０５Ｂでコーティングされないままであり得る（例えば、カプセル化層を選択的にエッチングすることによって）。
図１Ｃは、複数の共振器ノード１０４Ｃが感知場所のセットに位置付けられている、別の例示的な光微小共振器アレイ１００Ｃの概略説明である。光微小共振器アレイ１００Ｃは、集積平面光プラットフォーム（図１Ｂに関して上記に説明された光導波路アレイ１００Ｂと同様）に配置された複数の光導波路１０８Ｃを有する光導波路アレイ１０２Ｃと、複数の共振ノード１０４Ｃを確立するために感知場所のセットで光導波路アレイ１０２Ｃに光学的に結合される光ファイバのセット１０３Ｃと、を含み得る。各共振器ノードは、共振器ノードによって検出された音響エコーの場所を決定するために、他の共振器ノードに対して所定の位置を有し得る。図１Ｂに関して上記に説明されたものと同様に、光導波路アレイ１０２Ｃは、基板１０５Ｃ上に製作された集積フォトニック導波路を含み得る。いくつかの実施形態では、光導波路アレイは、入力導波路１０１Ｃで入力光を結合する複数の光源を含み得、その各々は、複数の光導波路１０８Ｃに順番に接続され得る（例えば、ビームスプリッタ又はファイバカプラを介して）。図１Ｃに示される実施形態は、３つの光導波路のための単一の光入力を含み、しかしながら、他の実施形態は、光導波路１０８Ｃに対する光入力の任意の好適な比率（例えば、約１：２、１：３、１：４など）を含み得ることを理解されたい。光導波路アレイ１０２Ｃ内の光導波路１０８Ｃの各々は、複数の共振器ノード１０４Ｃを生成するために光ファイバのセット１０３Ｃに対して垂直であり得る。本明細書で更に説明されるように、複数の共振器ノード１０４Ｃは、光を光ファイバのセット１０３Ｃに結合して、ＷＧＭのセットを伝搬し、光導波路アレイ１０２Ｃ内への光信号のセットを生成し得る。光導波路アレイは、超音波感知のための光信号のセットを特徴付けるために、光検出器のセット及びマルチチャネル光スペクトル分析器に接続され得る。
図１Ｄは、共振器ノードのセット１０４Ｄが感知場所のセットに位置付けられている、別の光微小共振器アレイ１００Ｄの概略説明である。光微小共振器アレイ１００Ｄは、集積平面光プラットフォーム（図１Ｂに関して上記に説明された光導波路アレイ１００Ｂと同様）に配置された複数の光導波路１０８Ｄを有する光導波路アレイ１０２Ｄと、複数の共振ノード１０４Ｄを確立するために感知場所のセットで光導波路アレイ１０２Ｄに光学的に結合される光ファイバのセット１０３Ｄと、を含み得る。各共振器ノードは、共振器ノードによって検出された音響エコーの場所を決定するために、他の共振器ノードに対して所定の位置を有し得る。図１Ｄに示されるように、光導波路アレイ１０２Ｄからの各光導波路１０８Ｄは、それぞれの光入力１０１Ｄに光学的に結合され得る（その各々が、例えば、それぞれの光源に結合され得るか、又は光入力のうちの少なくともいくつかが共通光源から光を供給し得る）。言い換えると、光入力と光導波路１０８Ｄとの比率は、１：１）であり得る。光導波路アレイ１０２Ｄ内の光導波路１０８Ｄの各々は、複数の共振器ノード１０４Ｄを生成するために光ファイバのセット１０３Ｄに対して垂直であり得る。本明細書で更に説明されるように、複数の共振器ノード１０４Ｄは、光を光ファイバのセット１０３Ｄに結合して、ＷＧＭのセットを伝搬し、光導波路アレイ１０２Ｄ内への光信号のセットを生成し得る。光導波路アレイは、超音波感知のための光信号のセットを特徴付けるために、光検出器のセット及びマルチチャネル光スペクトル分析器に接続され得る。
共振器ノード
システムは、光導波路及び光ファイバが光学的に結合される様々な感知場所に共振器ノードのセットを含み得る。例えば、図１Ａは、共振器ノード１０４Ａが、光ファイバ１０３Ａ及び光導波路１０２Ａが光学的に結合される感知場所に位置付けられる光微小共振器アレイ１００Ａの概略例示である。各共振器ノードは、検出された音響エコーの場所を決定するための他の光微小共振器に対して所定の位置を有し得る。
いくつかの実施形態では、入力光１０１Ａは、光ファイバ１０３Ａのセットに結合して、それにより、複数の共振器ノード１０４Ａにおいて光ファイバ１０３Ａの内周の周囲にウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）のセットが伝搬する。各共振器ノードは、関連付けられた感知座標を有し得る。複数の共振器ノード１０４Ａは、光学微小共振器アレイの複数の共振器ノード１０４Ａにわたって様々な強度で空間的に分布する超音波エコーのセットを受信し得る。いくつかの実施形態では、各共振器ノードは、共振器ノードによって検出された音響エコーの場所を決定するために、他の共振器ノードに対して所定の位置を有し得る。いくつかの他の事例では、各共振器ノードは、共振器ノードの光学応答を他の共振器ノードから区別し得る、共振器ノードに関連付けられた特性幾何学的形状及び／又は材料屈折率を有し得る。共振器ノードを使用した感知は、以下で更に詳細に説明される。
共振器ノード１０４Ａは、光ファイバのセット及び光導波路のセットに関して、様々な好適な種類のアレイで、かつ様々な好適な様式で配置され得る。いくつかの実施形態では、光ファイバのセット１０３Ａは、光導波路１０２Ａからの光が光ファイバ１３０Ａの断面の周囲を循環することを可能にするように、光導波路１０２Ａに垂直であり得る。例えば、光ファイバは、位置合わせ手順を使用して光導波路に垂直に配置され得る。位置合わせ手順は、光導波路のセット１０２Ａに強度の第１のセットを有する光の第１のセットを伝搬することを含み得る。位置合わせ手順は、強度の第２のセットを有する光の第２のセットを検出することを更に含み得る。位置合わせ手順は、強度の第２のセットを最大化するために、光ファイバ１０３Ａのセットと光導波路１０２Ａのセットとの間の角度のセットを調節すること（例えば、高精度位置決めシステムを使用することによって）を含み得る。一例では、角度のセットの調節は、各光ファイバと光導波路との間の垂直角度を達成することである。いくつかの事例では、位置合わせ手順は、共振器ノードに結合された最高のパワーをもたらす結合条件を達成するために、光ファイバと光導波路との間に間隙をもたらし得る。いくつかの他の事例では、光ファイバは、結合条件の安定性を改善するために、光導波路と物理的に接触し得る。光ファイバのセット１０３Ａと光導波路のセット１０２Ａとの間の直角は、光が、光ファイバのセット１０３Ａから結合して、光導波路のセット１０２Ａに結合することを可能にし得、逆も同様である。いくつかの実施形態では、位置合わせ手順は、光ファイバと光導波路との間の光結合を検証することによって、光ファイバのセット１０３Ａと光導波路のセット１０２Ａとの間の垂直性を検証することを含み得る。
いくつかの実施形態では、共振器ノードは、格子状に配置された光ファイバ及び光導波路から形成された、矩形アレイなどの格子内に配置され得る。例えば、導波路のセットはまた、互いに平行かつ等距離に配置され得、光ファイバは、互いに平行かつ等距離に、また導波路のセットに垂直に配置され得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、光ファイバが不規則に離間されてもよい、及び／又は導波路が不規則に離間されてもよい。
いくつかの実施形態では、光微小共振器アレイは、図１Ａに示されるような複数の光導波路及び複数の光ファイバを含み得るが、複数の共振器ノードはまた、単一の光導波路のみ、又は単一の光ファイバのみから形成され得ることを理解されたい。
例えば、図３Ａに示されるように、いくつかの実施形態では、光微小共振器アレイは、複数の感知場所で複数の光ファイバ３０３Ａ及び３０３Ａ’に光学的に結合された単一の光導波路３０２Ａによって形成される複数の共振器ノードを含み得る。いくつかの事例では、複数の様々な波長を有する光のセットが、単一の光導波路３０２Ａ内を伝搬し得る。いくつかの他の事例では、光の単一の波長が、単一の光導波路３０２Ａ内で伝搬し得る。いくつかの他の事例では、広帯域光３０１Ａは、単一の光導波路３０２Ａ内で伝搬し得る。単一の光導波路３０２Ａは、光導波路の長さ上の複数の別個の感知場所で光ファイバ３０３Ａ及び３０３Ａ’に垂直に、かつ光学的に結合され得、それによって、第１及び第２の共振器ノード３０４Ａ及び３０４Ａ’を形成する。２つの共振器ノードが図３Ａに例示されているが、任意の好適な数の共振器ノードは、任意な好適な数の光ファイバ（例えば、３つ、４つ、５つ、又はそれ以上）を光導波路に結合することによって、単一の光導波路に沿って形成され得ることを理解されたい。光入力３０１Ａは、光ファイバ３０３Ａ及び３０３Ａ’のそれぞれ周囲に結合及び伝搬されて、それぞれ、共振器ノード３０４Ａ及び３０４Ａ’でＷＧＭを励起し得る。次いで、ＷＧＭを具現化する任意選択の信号及びＷＧＭの任意のシフトが、共振器ノードから光ファイバに結合され、出力光３０５Ａとして提供され得る。
別の例として、図３Ｂに示されるように、いくつかの実施形態では、光微小共振器アレイは、複数の感知場所で単一の光ファイバ３０３Ｂに結合された複数の光導波路３０２Ｂ及び３０２Ｂ’によって形成される複数の共振器ノードを含み得る。いくつかの事例では、各々が様々な波長を有する第１の入力光３０１Ｂ及び／又は第２の入力光３０１Ｂ’が、光導波路の各々内で伝搬し得る。いくつかの他の事例では、第１の単一波長光３０１Ｂは、１つの光導波路（例えば、光導波路３０２Ｂ）内で伝搬し、第２の単一波長光３０１Ｂ’は、別の光導波路（例えば、光導波路３０２Ｂ’）内で伝搬し得る。光導波路３０２Ｂ及び光導波路３０２Ｂ’は、光ファイバの長さ上の複数の別個の感知場所で単一の光ファイバ３０３Ｂに対して垂直であり、かつそれに光学的に結合され、それによって、第１及び第２の共振器ノード３０４Ｂ及び３０４Ｂ’を形成し得る。いくつかの実施形態では、光導波路３０２Ｂ及び光導波路３０２Ｂ’は、半径及び材料均一性プロファイルが同一であり得、したがって、共振器ノードのセット３０４Ｂ及び３０４Ｂで同一のＷＧＭ及び共振周波数を示す。２つの共振器ノードが図３Ｂに例示されているが、任意の好適な数の共振器ノードは、任意な好適な数の光導波路（例えば、３つ、４つ、５つ、又はそれ以上）を光ファイバに結合することによって、単一の光ファイバに沿って形成され得ることを理解されたい。
光入力３０１Ｂ及び３０１Ｂ’は、光ファイバ３０３Ｂに結合され、それに沿って伝搬されて、それぞれ、共振器ノード３０４Ｂ及び３０４Ｂ’でＷＧＭを励起し得る。次いで、ＷＧＭを具現化する任意選択の信号及びＷＧＭの任意のシフトが、共振器ノードから光ファイバに結合され、出力光３０５Ｂ及び３０５Ｂ’として提供され得る。
共振器ノードにおける感知
単純化のために、光微小共振器アレイ内の共振器ノードにおける感知は、図３Ｃに示される単一の共振器ノード３０４Ｃに関して以下に説明される。光導波路３０１Ｃが、単一の光ファイバ３０３Ｃに光学的に結合されるように位置合わせされ位置付けられたとき、感知場所で共振器ノード３０４Ｃが形成される。光微小共振器アレイ全体にわたって、複数の共振器ノードが複数の感知場所又は座標に位置し得る。例えば、いくつかの実施形態では、感知場所は、光導波路と光ファイバとの交点に位置し得る。
光導波路３０２Ｃは、光ファイバ３０３Ｃの上部に若しくは光ファイバ３０３Ｃの底部に（又は任意の好適な接線に若しくは分離間隙だけ接線から横方向にオフセットされて）位置し得る。光導波路３０２Ｃは、単一の光ファイバ３０３Ｃの長さに沿った任意の場所で光ファイバ３０３Ｃに光学的に結合され得る。光導波路３０２Ｃの縦軸は、光ファイバ３０３Ｃの縦軸に対して垂直であり得る。光ファイバ３０３Ｃは、例えば、ファイバ半径、ファイバ表面粗さ、及び／又はファイバ材料屈折率などの、所定の幾何学的特徴及び材料特徴によって特徴付けられ得、これらの各々は、共振器ノードによって提供された信号のセットに影響する単一の光ファイバ３０３Ｃのインピーダンス、散乱損失、及び／又は吸収損失に影響し得る。
追加的に、概して、共振器ノード３０４Ｃは、感知場所に位置する特徴の幾何学的特性及び材料特性によって決定される共振周波数の特徴的なセットを有する。感知場所におけるこれらの幾何学的特性及び材料特性は、感知場所で受信される超音波エコーのセットによって影響され、それによって、共振周波数をシフトする、及び／又は共振器ノード３０４Ｃの共振周波数のセットの共振ピーク又はディップを減衰させ得る。光微小共振器アレイ全体にわたる複数の共振器ノードを考慮すると、受信された超音波エコーは、異なる感知座標で異なる強度を有する複数の共振器ノードの幾何学的特性及び／又は材料特性に影響し得る。それゆえに、超音波エコーは、超音波エコーのセットの異なる強度を示す様々な量だけ、共振周波数のセットをシフトさせる、及び／又は複数の共振器ノードの共振周波数のセットの共振ピーク／ディップを減衰させ得る。
感知における使用中、光導波路３０２Ｃは、光源からの光３０１Ｃを受信及び伝搬し得る。光は、例えば、単一波長光（例えば、５３２ナノメートルレーザ）、広帯域光（例えば、エルビウム添加ファイバ増幅器）、及び／又は多波長光（例えば、周波数コム）であり得る。光は、共振器ノード３０４Ｃで光ファイバ３０４Ｃに結合されて、光ファイバの円周の周囲を方位角方向に伝搬するＷＧＭのセットを励起し得る。ＷＧＭのセットは、光導波路３０２Ｃ内に信号３０５Ｃのセットをもたらし得る。信号のセットは、単一の共振器ノード３０４Ｃ、単一の光導波路３０２Ｃ、及び／又は単一の光ファイバ３０３Ｃの特徴である共振特徴のセットを含み得る。
次いで、単一の共振器ノード３０４Ｃは、光導波路３０２Ｃ、光ファイバ３０３Ｃ、共振器ノード３０４Ｃ、並びに／又はこれらの構成要素の内側及び／若しくは外側の材料を機械的に振動させる超音波エコーのセットを受信し得る。したがって、光導波路３０２Ｃ、光ファイバ３０３Ｃ、共振器ノード３０４Ｃ、並びに／又はこれらの構成要素の内側及び／若しくは外側の材料の幾何学的特徴及び／又は材料屈折率は、共振ノードに対するＷＧＭの変化と関連付けられた変化を経験し得る。変化は、各幾何学的特徴及び／又は材料屈折率のデフォルト値と比較して、小さいか、又は大きい場合がある。各幾何学的特徴及び／又は材料屈折率の小さい変化でさえ、共振特徴に顕著に影響し、検出可能な信号をもたらし得る。１つの例示的な例では、単一の光ファイバ３０３ＣのΔｎ＝０．０１による屈折率の変化は、単一の光ファイバ３０３Ｃの屈折率ｎ＝１．５よりも２桁小さくてもよい。しかしながら、この屈折率の変化は、共振特徴の半値全幅に匹敵する周波数量だけ共鳴特徴をシフトするのに十分であり得る。
言い換えると、超音波エコーの受信に応答した共振特徴の１つ以上のシフトのセットは、光信号のセットの伝搬のシフトに対応し得る（例えば、超音波エコーに応答したＷＧＭの第１のセットとＷＧＭの第２のセットとの間の差に関連する）。共振特徴におけるシフトのセットは、複数のシフト（すなわち、シフトの連続体、又は各光周波数におけるシフト）であり得る。光信号は、光検出器又は光スペクトル分析器に送信されて、特徴付けられ得る。例えば、好適なコンピューティングデバイスは、光検出器及び／又は光スペクトル分析器に動作可能に結合されて、超音波エコーの受信前後の光信号の差を検出し得る。いくつかの実施形態では、同じ光導波路によって結合された異なる光ファイバから感知信号を読み出し、タイミング機構が、光導波路の出力端で、異なる光ファイバにおける物理的摂動を光読み出し時間と同期させることによって実装され得る。
更に、いくつかの実施形態では、異なる光ファイバが、異なる断面特性（例えば、半径、材料）、したがって、異なる共振周波数を有する場合、異なる波長を有する光は、同じ光導波路に沿って送信され、異なる光ファイバ内のＷＧＭをプローブで調べるために使用され得る。光導波路の出力端で読み取られた光信号は、それぞれの異なる光ファイバと関連付けられた、送信された波長に従って分離され得る。
一例では、光微小共振器アレイは、１９３ＴＨｚの共振周波数及び／又は共振周波数に対応する１０％透過の共振ディップを有する共振器ノードのセットを含み得る。光微小共振器アレイは、（ｘ＝１、ｙ＝１）の第１の感知座標で０．０３Ｗ／ｃｍ２の強度を有する超音波エコー、及び（ｘ＝３、ｙ＝４）の第２の感知座標で０．１Ｗ／ｃｍ２の強度を有する超音波エコーを受信し得、例えば、ｘは、光ファイバの位置を示し得、ｙは、光導波路の位置を示し得る。（ｘ＝１、ｙ＝１）の第１の感知座標に位置する第１の共振器ノードは、０．０３Ｗ／ｃｍ２の強度を有する超音波エコーに起因して、１９３ＴＨｚの共振周波数を１９４ＴＨｚにシフトし得る。一方で、（ｘ＝３、ｙ＝４）の第２の感知座標に位置する第２の共振器ノードは、０．１Ｗ／ｃｍ２の強度を有する超音波エコーに起因して、１９３ＴＨｚの共振周波数を１９８ＴＨｚにシフトし得る。この例で実証されているように、各共振器ノードの共振周波数のシフトの大きさは、超音波エコーの強度のシフトの大きさに関連し得る。座標を感知するための共振シフトの大きさをマッピングすることによって、超音波イメージングは、超音波エコーに基づいて実施され得る。
本明細書に説明された共振器ノードは、光の許容された周波数が光微小共振器の閉ループ内に長時間留まることを共振器ノードが有利に可能にするという点で、高品質係数を有することに少なくとも部分的に起因して、高感度を有する。本明細書に説明された光の許容された周波数及び光微小共振器の品質係数は、光ファイバのセットの幾何学的パラメータ及び材料パラメータ（例えば、消衰係数、屈折率、欠陥、均一性）、導波路の幾何学的パラメータ、ファイバのセット及び導波路のセットの屈折率、ファイバのセット及び導波路のセットを取り囲む環境の屈折率などに少なくとも部分的に基づき得る。
光微小共振器アレイのパッケージ化
光微小共振器アレイの性能は、デバイス内の材料の弾性及び弾性光学特性に少なくとも部分的に依存する。図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、光微小共振器アレイは、光微小共振器アレイの能力を更に高めるためにパッケージ化され得る（例えば、ポリマー構造内で）。図２Ａは、光ファイバ２０３Ａのセット及び／又は光導波路２０４Ａのセットを構造内（例えば、ポリマー構造内）でパッケージ化して、パッケージ化された光微小共振器アレイを生成する例示的な方法の概略説明である。構造は、バッキング領域２０２Ａ（例えば、バッキングポリマー）及び／又は整合領域２０５Ａ（例えば、整合ポリマー）を含み得る。いくつかの実施形態では、バッキング領域２０２Ａ及び／又は整合領域２０５Ａは、以下で更に詳細に説明されるように、基板上に堆積された（例えば、スピンコーティングされた）層であり得る。追加的に、光微小共振器アレイの機械的安定性はまた、例えば、低屈折率を有する軟質材料（少なくとも光導波路のセット２０４Ａ及び光ファイバのセット２０３Ａの屈折率よりも低い）などの材料構造内で光微小共振器アレイをパッケージ化することによって少なくとも部分的に改善され得る。
光微小共振器アレイをパッケージ化する方法は、例えば、シリコン、シリカ、石英、プラスチック、又は音響光学センサデバイスの基板として機能するのに好適な任意の他の材料などの基板２０１Ａの表面を洗浄することを含み得る。いくつかの事例では、基板は、光微小共振器アレイに使用される他の材料と比較してより高いエッチング速度のものが選択され得、その結果、基板は、光微小共振器アレイをパッケージ化した後にエッチングで除去され得る。基板として機能する好適な材料は、残留振動を排除し、センサ構造内で超音波エコーを最小化するために減衰材料を含み得る。図２Ａを参照すると、次いで、基板２０１Ａは、バッキングポリマー２０２Ａを含む１つ以上のコーティング材料でコーティングされ得る。バッキングポリマー２０２Ａは、例えば、光ファイバのセット２０３Ａの円周で広範なウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）周波数応答を得るように構成された、低屈折率を有するポリマー材料などの減衰材料であり得るが、一方で、光微小共振器アレイが感知するように設計されている超音波エコーのセットの残響を防止するために高い超音波減衰を有する。いくつかの実施形態では、バッキングポリマーの減衰材料の音響インピーダンスは、例えば、以下で更に説明されるように、光共振器アレイをパッケージ化するために利用される整合ポリマー２０５Ａの層の音響インピーダンスと整合し得る。
図２Ａに示されるように、例えば、テーパ付き光ファイバなどの光導波路のセット２０４Ａは、バッキングポリマー２０２Ａ又は整合ポリマー２０５Ａ内に配置され得る。上記に説明されたように、光導波路のセット２０４Ａは、ファイバ結合光源から光のセットを受信するテーパ付き光ファイバのセット、オンチップ光源から光のセットを受信する集積フォトニック導波路のセット、ファイバ結合された光源からの光のセットを伝搬するテーパ付き光ファイバのセットに結合される集積フォトニック導波路のセット、又は光ファイバ２０３Ａのセット及び光導波路２０４Ａのセットを光学的に結合する共振器ノードのセットに光源からの光のセットを伝搬するための任意の他の好適な媒体を含み得る。いくつかの実施形態では、光ファイバのセット２０３Ａは、バッキングポリマー２０２Ａを硬化させる前にバッキングポリマー２０２Ａ内に配置され得る。光ファイバのセット２０３Ａを未硬化のバッキングポリマー上に配置することは、バッキングポリマー２０２Ａ内に埋め込まれる光ファイバのセットをもたらし得る。光導波路のセット２０４Ａの配置後、バッキングポリマーは、バッキングポリマーを事前設定された温度で焼成することなどによって硬化され得る。
光微小共振器アレイをパッケージ化する方法は、光ファイバのセットを光導波路のセットに光学的に結合するように、光ファイバのセット２０３Ａに近接して光導波路のセット２０４Ａを配置することを更に含み得る。例えば、光ファイバのセット２０３Ａ及び光導波路のセット２０４Ａは、光導波路のセットが光ファイバの光セットに対して垂直になるように位置付けられ得る（例えば、高精度位置決めシステムを使用することによって）（例えば、図１に関して上記に説明されるように）。光微小共振器アレイをパッケージ化する方法は、光導波路の前の光ファイバの配置によって主に説明されているが、いくつかの実施形態では、光導波路が光ファイバの前に配置されてもよいことを理解されたい。
図２Ｂは、光微小共振器アレイ（図１Ｃに関して説明された光微小共振器アレイ１００Ｃなど）の例示的な製作プロセスを図示する。図２Ｂに示されるように、光微小共振器アレイは、光微小共振器アレイの能力を更に高めるために集積フォトニックプラットフォームに基づき、パッケージ化され得る（例えば、ポリマー構造内で）。図２Ｂは、光ファイバ２０３Ｂのセット及び／又は集積フォトニック導波路２０４Ｂのセットを構造内（例えば、ポリマー構造内）でパッケージ化して、パッケージ化された光微小共振器アレイを生成する例示的な方法の概略説明である。構造は、バッキング領域２０２Ｂ（例えば、バッキングポリマー）及び／又は整合領域２０５Ｂ（例えば、整合ポリマー）を含み得る。いくつかの実施形態では、バッキング領域２０２Ｂ及び／又は整合領域２０５Ｂは、以下で更に詳細に説明されるように、基板上に堆積された（例えば、スピンコーティングされた）層であり得る。
光微小共振器アレイをパッケージ化する方法は、例えば、シリコン、シリカ、石英、プラスチック、又は音響光学センサデバイスの基板として機能するのに好適な任意の他の材料などの基板２０１Ｂの表面を洗浄する（例えば、ピラニア溶液を使用して）ことを含み得る。いくつかの事例では、基板は、光微小共振器アレイに使用される他の材料と比較してより高いエッチング速度のものが選択され得、その結果、基板は、光微小共振器アレイを解放するためにエッチングで除去され得る。基板として機能する好適な材料は、残留振動を排除し、センサ構造内で超音波エコーを最小化するために減衰材料を含み得る。図２Ｂを参照すると、次いで、基板２０１Ｂは、バッキングポリマー２０２Ｂを含む１つ以上のコーティング材料でコーティングされ得る。バッキングポリマー２０２Ｂは、例えば、光ファイバのセット２０３Ｂの円周で広範なウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）周波数応答を得るように構成された、低屈折率を有するポリマー材料などの減衰材料であり得るが、一方で、光微小共振器アレイが感知するように設計されている超音波エコーのセットの残響を防止するために高い超音波減衰を有する。いくつかの実施形態では、バッキングポリマーの減衰材料の音響インピーダンスは、例えば、以下で更に説明されるように、光共振器アレイをパッケージ化するために利用される整合ポリマー２０５Ｂの層の音響インピーダンスと整合し得る。
図２Ｂに示されるように、光導波路２０４Ｂのセット、例えば、そのような集積フォトニック導波路のセットは、基板２０１Ｂの上部に製作され得る。いくつかの実施形態では、光導波路のセット２０４Ｂは、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）パターンからリソグラフィ技術を使用して製作され得る。集積フォトニックプラットフォーム上の光導波路のセット２０４Ｂの材料は、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、又は光信号を確実かつ効率的にガイドするのに好適な任意の材料を含み得る。集積フォトニックプラットフォーム上の光導波路のセット２０４Ｂは、オンチップ光源又はファイバ結合された光源からの光のセットを受信し得る。更に、光導波路のセット２０４Ｂは、集積フォトニック構成要素（例えば、ビームスプリッタ、干渉計、マルチモード干渉デバイスなど）の他のセットに結合するように構成され得る。
１つの例では、光源のセットは、オンチップグレーティングカプラに対して垂直に位置合わせされているファイバ内に単一波長光を放出する単一波長のファイバ結合された光源であり得る。グレーティングカプラは、単一波長光の波ベクトルを変化させ、それを集積フォトニック導波路に向ける。集積フォトニック導波路は、単一波長光を複数の集積フォトニック導波路に分割するマルチモード干渉デバイスに単一波長光を伝搬する。複数の集積フォトニック導波路は、単一波長光を光ファイバのセット２０３Ｂに結合して、それらの円周内でＷＧＭのセットを伝搬させ、複数の集積フォトニック導波路内への光信号のセットを生成する。
いくつかの実施形態では、光導波路のセット２０４Ｂは、例えば、光微小共振器アレイに対する機械的安定性を改善し得る、カプセル化層２０６Ｂで堆積又はコーティングされ得る。概して、いくつかの実施形態では、カプセル化層２０６Ｂは、バッキングポリマー２０２Ｂ又は整合ポリマー２０５Ｂと同じ材料であり得る。光微小共振器アレイをパッケージ化する方法は、光ファイバのセット２０３Ｂを光導波路のセット２０４Ｂに光学的に結合するように、光導波路のセット２０４Ｂに近接して光ファイバのセット２０３Ｂを配置することを更に含み得る。例えば、光ファイバのセット２０３Ｂ及び光導波路のセット２０４Ｂは、光導波路のセットが光ファイバの光セットに対して垂直に位置合わせされるように位置付けられ得る（例えば、高精度位置決めシステムを使用することによって）（例えば、図１に関して上記に説明されるように）。光微小共振器アレイをパッケージ化する方法は、光ファイバの前の光導波路の配置によって主に説明されているが、いくつかの実施形態では、光ファイバが光導波路の前に配置されてもよいことを理解されたい。
本明細書に説明されるものなどの光微小共振器アレイは、音響光学センサデバイスなどの超音波センサデバイスで使用され得る。図４は、音響光学センサデバイス４０３を使用して超音波エコーを感知することの概略説明である。音響光学センサデバイス４０３は、複数の共振器ノード４１０を含む光微小共振器アレイを含む。光微小共振器アレイの光導波路のセット及び光ファイバのセットは、互いに所定の距離で直線的に配置されているように示されているが、いくつかの実施形態では、光導波路及び／又は光ファイバの少なくともいくつかが、互いに異なる距離に配置されてもよいことを理解されたい。しかしながら、概して、光導波路のセット及び光ファイバのセットは、矩形グリッド内に配置され得る。
１つ以上の光源からの光を伝搬する光導波路のセットは、上記に説明されたように、様々な感知場所で共振器ノードにおける光ファイバのセットに光学的に結合され得る。光微小共振器アレイ内の各光ファイバ及び各光導波路は、図２Ａ及び図２Ｂに関して更に詳細に上記に説明されたように、特定の断面形状、材料均一性、光ファイバ又は光導波路が作製される材料の特定の屈折率、及びパッケージ化材料の屈折率によって特徴付けられ得る。光源は、単一波長光源、広帯域光源、波長可変レーザ源、デジタル変調方法若しくはカー４波混合（ＦＷＭ）方法のいずれかを使用する光周波数コム（ＯＦＣ）レーザ源、又は音響光学センサデバイス４０３の動作周波数帯域に好適な任意の他の光源とすることができる。光は、光微小共振器アレイに結合されて、光ファイバのセット及び光導波路のセットが光学的に結合される（例えば、交差する）共振器ノードのセット４１０において、光ファイバのセットの円周の壁の周囲にウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）の第１のセットを伝搬し得る。ＷＧＭの第１のセットの伝搬は、ＷＧＭの共振周波数の第１のセットに対応する光信号の第１のセットの生成をもたらす。いくつかの事例では、光導波路のセット間の距離は、光の波長の５倍超である。いくつかの他の事例では、光ファイバのセット間の距離は、光の波長の３倍超である。
使用時、音響光学センサデバイス４０３は、物体４０１から生成及び／又は反射された超音波エコーのセット４０２を受信するように構成され得る。超音波エコーのセットは、個々の共振器ノードへの変動する移動時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３など）を有し得る。すなわち、同じ物体からの超音波エコーは、わずかに異なる時間にアレイ内の各センサに到達する。各センサとこれらの測定されたわずかな遅延との間の既知の距離を用いて、物体の位置がより良好に（例えば、より良好な空間分解能で）計算される。超音波エコーのセットは、幾何学的形状、材料均一性、光ファイバ若しくは光導波路が作製される材料の屈折率、及び／又はパッケージ化材料の屈折率に一連の変化を誘発させ得る。一連の変化は、光微小共振器アレイの共振器ノードのセットで光ファイバのセットの壁の周囲を伝搬するＷＧＭ、例えば、ＷＧＭの第２のセットに変化を導入し得る。ＷＧＭの第２のセットの伝搬は、ＷＧＭの共振周波数の第２のセットに対応する光信号の第２のセットの生成をもたらす。光信号の第１のセット及び光信号の第２のセットは、光導波路のセット内で光検出器のセット及び／又は光スペクトル分析器のセットに伝搬するように構成され得る。光検出器は、光信号の第１のセットと光信号の第２のセットとの差を検出するためにコンピュータデバイスに接続することができる。いくつかの実施形態では、光信号の第１のセットと光信号の第２のセットとの間の差は、共振周波数又は共振器ノードのセットの周波数の変化の測定を可能にし得る。いくつかの他の実施形態では、光信号の第１のセットと光信号の第２のセットとの間の差は、追加的又は代替的に、共振器ノードのセットの共振周波数の共振振幅の変化の測定を可能にし得る。
いくつかの実施形態では、音響光学センサデバイス４０３は、物体４０１から生成及び／又は反射された超音波エコーの連続体４０２を受信するように構成され得る。超音波エコーの連続体は、幾何学的形状、材料均一性、並びに／又は光ファイバ若しくは光導波路が作製される材料の屈折率、及び／若しくはパッケージ化材料の屈折率に、変化の連続体を誘発させ得る。変化の連続体は、光微小共振器アレイの共振器ノードのセットで光ファイバのセットの壁の周囲を伝搬するＷＧＭの連続体（例えば、ＷＧＭの第２のセット、ＷＧＭの第３の第２のセット、ＷＧＭの第４のセットなど）を導入し得る。ＷＧＭの連続体の伝搬は、ＷＧＭの共振周波数の連続体に対応する光信号の連続体の生成をもたらす。光信号の連続体は、光導波路のセット内で光検出器のセット及び／又は光スペクトル分析器のセットに伝搬するように構成され得る。光検出器は、光信号の連続体から光信号の各対の間の差の連続体を検出するためにコンピュータデバイスに接続され得る。差の連続体は、共振器ノードのセットの共振周波数の共振振幅の変化の連続体の測定を可能にし得る。
図５は、超音波エコーのセット５０４（本明細書では「超音波信号」とも称される）を感知する音響光学センサデバイス５０５からの信号のセットを処理するために使用され得る例示的な測定設定を図示する。測定設定は、単一波長光源、広帯域光源、又は光ファイバ５０２内で光のセットを伝搬する波長可変レーザ５０１、光の偏光を制御するように構成され得るファイバ偏光コントローラ５０３を含み得る。測定設定は、音響光学デバイス５０５内に含まれる共振器ノードのセット（図１Ａに関して上記に説明される）におけるウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）の第１のセットの伝搬に基づいて光信号の第１のセットを生成するように構成され得る音響光学センサデバイス５０５を更に含み得る。音響光学センサデバイス５０５は、超音波信号のセット５０４を受信し、共振器ノードのセット内のＷＧＭの第２のセットを伝搬することに基づいて、光信号の第２のセットを生成するように構成され得る。音響光学センサデバイス５０５は、光信号の第１のセット及び／又は光信号の第２のセットを光ファイバ５０２に送信するように更に構成され得る。測定設定は、光信号の第１のセット及び／又は光信号の第２のセットを受信し、それらを電気信号の第１のセット及び／又は電気信号の第２のセットに変換する光検出器（ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）（本明細書では「光検出器（ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）」とも称される）５０６を更に含み得る。光検出器５０６は、電気信号の第１のセット及び／又は電気信号の第２のセットを、コンピュータデバイス５１０に動作可能に接続されたオシロスコープ５０７に送信して、信号の第１のセット及び／又は信号の第２のセットを処理及び分析するように更に構成され得る。オシロスコープ５０７は、分析された信号のセットをファンクションジェネレータ５０８に送信するように更に構成され得る。ファンクションジェネレータは、光ファイバ５０２内の光の伝搬を制御するために、生成信号のセットを生成して、広帯域光源又は波長可変レーザ５０１に送信するように構成され得る。
別の例示的な測定設定では、図５のファンクションジェネレータ５０８は、Ｐｏｕｎｄ－Ｄｒｅｖｅｒ－Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）ロックシステムなどのロックシステムによって置換されて、光源の波長をＷＧＭの共振スロープに設定し得る。光検出器５０６は、超音波エコーのセットに応答して、発振する光信号を受信することになる。
図６は、超音波エコーのセット６０４を感知する音響光学センサデバイス６０４からの信号のセットを処理するために使用され得る例示的な測定設定を図示する。測定設定は、レーザ光を生成するために、例えば、デジタル変調方法若しくはカー４波混合（ＦＷＭ）方法のいずれかを使用して生成された光周波数コム（ＯＦＣ）レーザ源、又は音響光学センサデバイス６０４の動作周波数帯域に好適な任意の他のレーザなどの、レーザ６０１を含み得る。測定設定は、例えば、５０：５０ビームスプリッタ、８０：２０ビームスプリッタ、又は測定設定に好適な任意の他のビームスプリッタなどの、ビームスプリッタ６０２を更に含み得る。ビームスプリッタは、レーザ光を第１のレーザ光及び第２のレーザ光に分割するように構成され得る。測定設定は、第１のレーザ光を電気光学変調器６０３に向けて、変調されたレーザ光を生成及び送信するように構成され得る。測定設定は、変調されたレーザ光を音響光学センサデバイス６０４に向けて、ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）の第１のセットに対応する信号の第１のセットを生成するように更に構成され得る。音響光学センサデバイス６０４は、超音波信号のセットを受信し、ＷＧＭの第２のセットに対応する信号の第２のセットを生成するように構成され得る。測定設定は、信号の第１のセット、信号の第２のセット、及び／又は第２のレーザ光をコヒーレント受信器６０５に向けて、第２のレーザ光を信号の第１のセット及び／又は信号の第２のセットと混合し、電子周波数信号を生成するように更に構成され得る。測定設定は、コンピュータデバイスに動作可能に接続された高速フーリエ変換（ＦＦＴ）モジュール６０６に電子周波数信号を送信して、信号の第１のセットと信号の第２のセットとの間の差を処理及び分析するように構成され得る。一例では、ＯＦＣレーザは、櫛形ビームのセットを生成することができ、櫛形ビームのセットからの各櫛形ビームは、信号の第１のセットと信号の第２のセットとの間の差を検出するためのデータ点を生成することができる。この例では、櫛形ビームの１つのセットは、櫛形ビームのセットに対応するデータ点のセットを生成することができる。一部の実施形態では、ＯＦＣレーザ源の使用は、有利には、センシング時間をミリ秒からマイクロ秒程度のセンシング時間に短縮することができる。
上記の例では、光微小共振器アレイは、超音波検出に使用されたが、いくつかの実施形態では、光微小共振器アレイは、ナノ粒子検出、生体分子検出などに使用されてもよい。いくつかの事例では、共振器ノードのセットをナノ粒子及び／又は生体分子に曝露することによって、光ファイバのセットと光導波路のセットとの交点において共振器ノードを取り囲む環境が変化し得る。環境の変化は、共振器ノードのセットで伝搬するウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）の変化をもたらし、第２のＷＧＭを生成し得る。第１のＷＧＭと関連付けられた光信号の第１のセットと第２のＷＧＭと関連付けられた光信号の第２のセットとの間の変化は、光検出器及び／又は光スペクトル分析器によって検出され得る。
いくつかの実施形態では、本明細書に説明されるような光微小共振器共振器アレイは、超音波プローブ（本明細書では「超音波システム」とも称される）内に含まれ得る。超音波プローブは、光を伝搬するための少なくとも１つの光導波路を含み得る。超音波プローブは、超音波信号のセットを生成するために複数の圧電要素を更に含み得る。超音波プローブは、超音波信号のセットに対応する超音波エコーのセットを受信するための複数の圧電要素を更に含み得る。超音波プローブは、ポリマー構造内に共振器ノードのセットを更に含み得る。各共振器ノードは、光導波路と光ファイバとの交点に事前割り当てされた感知場所を有する。各共振器ノードは、複数の超音波エコーを受信し、ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）のセットを伝搬するように構成されている。光ファイバのセットは、光ファイバのセットが光導波路のセットにＷＧＭの第１のセットに対応する信号の第１のセットを通信するように構成されるように、共振器ノードのセットで光導波路のセットに結合される。
例えば、図７は、本明細書に説明されているような光微小共振器アレイを利用する超音波プローブの概略説明である。図８は、図７に図示されたプローブの断面図である。超音波プローブは、光微小共振器アレイ８０１、整合層８０２、圧電結晶アレイ８０３、電気接続アレイ８０４、光ファイバのセット８０５、バッキング材料８０６、遮音材８０７、及び超音波データ取得に接続されたケーブル８０８を含み得る。超音波プローブは、本明細書で更に詳細に説明されるような動作手順を実行するために、制御システム及びディスプレイに結合することができる。バッキング材料は、動作環境の残留振動を排除し、可搬性を改善し、センサ構造内で生成されるエコーを最小化するために、プローブのパッケージの背面に結合された減衰材料を含み得る。
超音波プローブは、光源からの光を光微小共振器アレイ８０１のセットに伝搬させて、光微小共振器アレイ８０１の共振器ノードにおいて各光ファイバ内で伝搬するＷＧＭの第１のセットに対応する光信号の第１のセットを生成するように構成され得る。圧電結晶アレイ８０３は、ケーブル８０８及び電気接続アレイ８０４を介して制御システムから電気信号を受信して、反射された超音波エコーのセットが超音波プローブに向かう方向に生成されるように、物体に向かう超音波信号のセットを生成するように構成され得る。超音波プローブは、超音波エコーのセットを受信した後に、光共振器アレイ８０１内のＷＧＭの第２のセットに対応する光信号の第２のセットを生成するように更に構成され得る。超音波プローブは、任意選択的に、超音波エコーのセットを受信して電気信号のセットを生成するように構成することができる。超音波プローブは、光ファイバのセット８０５を介して信号の第１のセット及び／又は信号の第２のセットを送信する、及び／又は任意選択的に、電気接続アレイ８０４を介して、超音波データ取得、制御システム、又はディスプレイに接続されたケーブル８０８に電気信号のセットを送信するように更に構成され得る。
いくつかの実施形態では、超音波プローブは、圧電結晶アレイの位相アレイを使用することによって、視野にわたって走査しながら、動作手順を繰り返すように構成され得る。そうすることにより、各共振器ノードに対して、圧電結晶アレイを使用してライン毎の画像と、横方向の１つの低解像度画像と、を獲得することになる。次いで、既知の合成開口（ＳＡ）アルゴリズムは、高解像度光共振器アレイセンサ画像を生成するために使用され得る。
更に、一部の実施形態では、圧電要素のうちの１つ以上は、伝送された超音波信号のセットに対応する超音波エコーを受信し、これらの受信された超音波エコーに基づいてセンサ信号を生成するように構成することができる。例えば、圧電要素によって生成されたセンサ信号は、任意の好適な様式（例えば、マルチモーダルセンサ画像を提供するための）で共振器ノードによって通信された信号を補足するか、又はそれらと組み合わせられ得る。
追加的又は代替的に、いくつかの実施形態では、超音波プローブは、例えば、圧縮センシング（ＣＳ）法としても既知である、超音波信号を送信するために圧電結晶要素又は圧電結晶の群を使用するが、一方で、超音波エコーのセットを受信するために圧電結晶アレイ内の全ての圧電結晶要素を使用するなどの、励起の異なるパターンを使用するように構成され得る。ＣＳ法の一般的なアプローチは、画像からの信号取得のプロセスを表す線形モデル（フォワードモデルとしても知られる）を形成し、画像を得るために一次方程式を解くことである。
前述の記載は、説明の目的で、本発明の完全な理解を提供するために特定の命名法が使用された。しかしながら、本発明を実施するために特定の詳細が必要とされないことは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の特定の実施形態の前述の記載は、例示及び記載の目的で提示されている。それらは、網羅的であること、又は本発明を開示された正確な形態に限定することが企図されるものではなく、明らかに、上記の教示を考慮すると、多くの修正及び変形例が可能である。実施形態は、本発明の原理及びその実際の用途を説明するために選択及び記載され、それにより、当業者が、企図される特定の使用に適した様々な修正を加えて本発明及び様々な実施形態を利用することを可能にする。以下の特許請求の範囲及びそれらの均等物が本発明の範囲を定義することが意図される。

Claims (35)

  1. 装置であって、
    １つ以上の光ファイバと、
    １つ以上の光導波路と、
    感知場所のアレイに配置された複数の共振器ノードであって、各共振器ノードが、光導波路と、それぞれの感知場所で共振周波数のセットを有する光ファイバとの間の光結合を含む、複数の共振器ノードと、を備え、
    各共振器ノードが、それぞれの感知場所で光ファイバ内の超音波エコーによって誘発される共振周波数の前記セットにおける少なくとも１つのシフトに対応する信号のセットを通信するように構成されている、装置。
  2. 前記１つ以上の光ファイバが、同じ又は実質的に同様の断面幾何学的形状及び材料を有する複数の光ファイバを備える、請求項１に記載の装置。
  3. 前記１つ以上の光ファイバが、
    複数の超音波エコーを受信することと、
    前記複数の超音波エコーに応答して前記共振周波数セットにおける前記少なくとも１つのシフトを経験することと、を行うように構成されており、
    前記１つ以上の光導波路が、共振周波数の前記セットにおける前記少なくとも１つのシフトに対応する信号のセットを光検出器に伝搬させるように構成されている、請求項１に記載の装置。
  4. 前記１つ以上の光導波路が、テーパ付き光ファイバ又は集積フォトニック導波路を備える、請求項１に記載の装置。
  5. 前記１つ以上の光ファイバが、ポリマー構造内にある、請求項１に記載の装置。
  6. 前記１つ以上の光ファイバ及び前記１つ以上の光導波路が、ポリマー構造内にある、請求項１に記載の装置。
  7. 前記１つ以上の光ファイバが、前記１つ以上の光導波路に対して垂直である、請求項１に記載の装置。
  8. 前記複数の共振器ノードのうちの１つ以上において、前記光導波路及び前記光ファイバが、物理的に接触している、請求項１に記載の装置。
  9. 前記複数の共振器ノードのうちの１つ以上において、前記光導波路及び前記光ファイバが、分離間隙によってオフセットされている、請求項１に記載の装置。
  10. 前記１つ以上の光導波路の各々は、光源に結合され、それにより、前記１つ以上の光導波路が、前記光源から光を伝搬させる、請求項１に記載の装置。
  11. 前記１つ以上の光導波路が、平行に配置された複数の光ファイバを備え、前記複数の光ファイバが、前記光の波長の少なくとも約５倍の距離だけ離間されている、請求項９に記載の装置。
  12. 前記１つ以上の光ファイバが、平行に配置された複数の光ファイバを備え、前記複数の光ファイバが、前記光の波長の少なくとも約３倍未満の距離だけ離間されている、請求項９に記載の装置。
  13. 超音波感知の方法であって、
    １つ以上の光導波路で、複数の共振器ノードを介して、１つ以上の光ファイバの円周に沿って伝搬するウィスパリングギャラリーモードの第１のセットに対応する信号の第１のセットを受信することと、
    前記１つ以上の光導波路で、前記複数の共振器ノードを介して、前記１つ以上の光ファイバの円周に沿って伝搬するウィスパリングギャラリーモードの第２のセットに対応する信号の第２のセットを受信することであって、ウィスパリングギャラリーモードの前記第２のセットが、複数の超音波エコーを受信する前記１つ以上の光ファイバに応答して伝搬する、受信することと、
    信号の前記第１のセットと信号の前記第２のセットとの間の差のセットを検出することと、を含む、方法。
  14. 前記１つ以上の光ファイバが、同じ又は実質的に同様の断面幾何学的形状及び材料を有する複数の光ファイバを備える、請求項１３に記載の方法。
  15. 信号の前記第１のセットと信号の前記第２のセットとの間の差の前記セットに少なくとも部分的に基づいて、各共振器ノードにおける各超音波エコーの大きさを計算することと、
    各超音波エコーの前記大きさを各共振器ノードの感知場所に関連付けることと、を更に含む、請求項１３に記載の方法。
  16. 前記１つ以上の光導波路が、信号の前記第１のセット及び信号の前記第２のセットのうちの少なくとも１つを光検出器に伝搬させるように構成されている、請求項１３に記載の方法。
  17. 複数の超音波信号を標的に送信することと、
    前記複数の超音波信号に対応する前記ターゲットからの前記複数の超音波エコーを前記１つ以上の光ファイバで受信することであって、前記１つ以上の光ファイバが、合成開口（ＳＡ）動作又は圧縮センシング（ＣＳ）動作を実施するように構成されている、受信することと、を更に含む、請求項１３に記載の方法。
  18. 前記１つ以上の光導波路が、１つ以上のテーパ付き光ファイバ又は１つ以上の集積フォトニック導波路を備える、請求項１３に記載の方法。
  19. 前記１つ以上の光ファイバが、ポリマー構造内にある、請求項１３に記載の方法。
  20. 前記１つ以上の光ファイバ及び前記１つ以上の光導波路が、ポリマー構造内にある、請求項１９に記載の方法。
  21. 各光ファイバが、各光導波路に対して垂直である、請求項１３に記載の方法。
  22. 前記１つ以上の光導波路が、光源に結合され、前記光源が、前記１つ以上の光導波路内で光を伝搬させる、請求項１３に記載の方法。
  23. 前記複数の共振器ノードのうちの１つ以上では、光導波路及び光ファイバが、物理的に接触している、請求項１３に記載の方法。
  24. 前記複数の共振器ノードのうちの１つ以上において、光導波路及び光ファイバが、分離間隙によってオフセットされている、請求項１３に記載の方法。
  25. 前記１つ以上の光導波路が、前記１つ以上の光ファイバにおけるウィスパリングギャラリーモードの前記第１のセット又はウィスパリングギャラリーモードの前記第２のセットを励起するために、前記１つ以上の光ファイバに位置合わせされる、請求項１３に記載の方法。
  26. 装置であって、
    １つ以上の光ファイバであって、各光ファイバの円周が、ウィスパリングギャラリーモードのセットを伝搬させるように構成されている、１つ以上の光ファイバと、
    １つ以上の光導波路であって、前記１つ以上の光ファイバが、ウィスパリングギャラリーモードの前記セットに対応する信号のセットを前記１つ以上の光導波路に通信するように、複数の共振器ノードで前記１つ以上の光ファイバに光学的に結合されている、１つ以上の光導波路と、を備え、
    前記１つ以上の光導波路が、信号の前記セットを少なくとも１つの光検出器に伝搬するように構成されている、装置。
  27. 前記１つ以上の光ファイバが、
    複数の超音波エコーを受信することと、
    前記複数の超音波エコーに応答して、ウィスパリングギャラリーモードの第２のセットを伝搬させることと、
    ウィスパリングギャラリーモードの前記第２のセットに対応する信号の第２のセットを前記１つ以上の光導波路に通信することと、を行うように構成されており、
    前記１つ以上の光導波路が、信号の前記第２のセットを前記少なくとも１つの光検出器に伝搬するように構成されている、請求項２６に記載の装置。
  28. 前記ウィスパリングギャラリーモードの前記セットが、ウィスパリングギャラリーモードの第１のセットであり、前記１つ以上の光ファイバが、前記複数の共振器ノードを通じて、前記１つ以上の光導波路に、ウィスパリングギャラリーモードの前記第１のセットとウィスパリングギャラリーモードの前記第２のセットとの間の差に対応する信号のセットを通信するように構成されている、請求項２７に記載の装置。
  29. ウィスパリングギャラリーモードの前記第１のセットとウィスパリングモードの前記第２のセットとの間の前記差が、前記光ファイバの共振周波数における少なくとも１つのシフト及び前記１つ以上の光ファイバの共振の減衰のうちの少なくとも１つである、請求項２８に記載の装置。
  30. 前記１つ以上の光ファイバが、同じ又は実質的に同様の断面幾何学的形状及び材料を有する複数の光ファイバを備える、請求項２６に記載の装置。
  31. 前記１つ以上の光導波路が、１つ以上のテーパ付き光ファイバ又は１つ以上の集積フォトニック導波路を備える、請求項２６に記載の装置。
  32. 前記１つ以上の光ファイバが、ポリマー構造内にある、請求項２６に記載の装置。
  33. 前記１つ以上の光ファイバ及び前記１つ以上の光導波路が、ポリマー構造内にある、請求項３２に記載の装置。
  34. 前記１つ以上の光ファイバが、前記１つ以上の光導波路に対して垂直である、請求項３２に記載の装置。
  35. 前記１つ以上の光導波路の各々は、光源に結合され、それにより、前記１つ以上の光導波路が、前記光源から光を伝搬させる、請求項３２に記載の装置。
JP2022560166A 2020-03-30 2021-03-15 超音波感知のための光微小共振器アレイデバイス Pending JP2023520505A (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202063001738P 2020-03-30 2020-03-30
US63/001,738 2020-03-30
PCT/US2021/022412 WO2021202093A1 (en) 2020-03-30 2021-03-15 Optical microresonator array device for ultrasound sensing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2023520505A true JP2023520505A (ja) 2023-05-17

Family

ID=75439493

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022560166A Pending JP2023520505A (ja) 2020-03-30 2021-03-15 超音波感知のための光微小共振器アレイデバイス

Country Status (8)

Country Link
US (1) US20230097639A1 (ja)
EP (1) EP4127701A1 (ja)
JP (1) JP2023520505A (ja)
KR (1) KR20230002381A (ja)
CN (1) CN115485549A (ja)
CA (1) CA3174131A1 (ja)
IL (1) IL296907A (ja)
WO (1) WO2021202093A1 (ja)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7781217B2 (en) * 2002-10-02 2010-08-24 California Institute Of Technology Biological and chemical microcavity resonant sensors and methods of detecting molecules
US7271379B2 (en) * 2004-05-27 2007-09-18 3M Innovative Properties Company Dielectric microcavity fluorosensors excited with a broadband light source
US8437591B1 (en) * 2011-06-21 2013-05-07 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Reusable biochemical agent sensor and method using optical micro-resonator grid arrays
WO2016130594A1 (en) * 2015-02-09 2016-08-18 Washington University Micro-resonator and fiber taper sensor system

Also Published As

Publication number Publication date
EP4127701A1 (en) 2023-02-08
KR20230002381A (ko) 2023-01-05
CA3174131A1 (en) 2021-10-07
WO2021202093A1 (en) 2021-10-07
US20230097639A1 (en) 2023-03-30
IL296907A (en) 2022-12-01
CN115485549A (zh) 2022-12-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4238856A (en) Fiber-optic acoustic sensor
JP7333158B2 (ja) リモートセンシング用の集積光学量子弱測定増幅センサ
US4102579A (en) Optical apparatus
US11378552B2 (en) Microscale photoacoustic spectroscopy, imaging, and microscopy
CN110429988A (zh) 一种基于光纤模式转换的全光纤外差检测器件
CN112888918B (zh) 用于声学感测的聚合物涂布的高折射率波导
CN111289085B (zh) 麦克风振膜振幅测量方法及其装置
Tozzetti et al. Fast FBG interrogator on chip based on silicon on insulator ring resonator add/drop filters
Gao et al. 10 kHz-34 MHz ultrasound detection based on a dual-core hybrid taper
JP5065182B2 (ja) 光ファイバセンサ
JP2023520505A (ja) 超音波感知のための光微小共振器アレイデバイス
CN114486748B (zh) 一种基于光纤的光声锂电池检测系统
Fan et al. Fiber-optic sensor based on core-offset fused unequal-length fiber segments to improve ultrasound detection sensitivity
EP4090922B1 (en) A photonic integrated device for converting sound into a modulation of properties of light in the device
EP3851815A1 (en) A photonic integrated device for converting sound into a modulation of a property of light
JP2010085148A (ja) 微小変位測定装置、微小変位測定方法および微小変位測定用プログラム
Yuan et al. Ultrafast laser ablation of silica optical fibers for fabrication of diaphragm/cantilever-based acoustic sensors
KR101094671B1 (ko) 광섬유 타원율 측정 장치 및 방법
Leinders Characterization of a novel optical micro-machined ultrasound transducer
Wu et al. Fiber acoustic sensor with stable operating-point based on a photo-thermal cavity
Lima et al. Intrinsic and extrinsic fiber Fabry‐Perot sensors for acoustic detection in liquids
NL2026461B1 (en) Mach-Zehnder Interferometer sensor and measurement unit
JPS62285027A (ja) 光ハイドロホン
EP3982179A1 (en) Optical fiber sensor
Geng An Audio and Temperature Sensor Based on In-Line Mach-Zehnder Interferometer

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20240110