JP4638498B2 - フォトニック結晶干渉計 - Google Patents

Description

本発明はセンサデバイスに関し、より具体的には、フォトニック結晶構造体を用いる干渉計に関する。

関連出願
本出願は、２００４年９月２７日に出願した「Photonic Crystal Laser Sensor and Methods」と題する米国特許出願第１０／９５１，９１６号の一部継続出願であり、その米国特許出願は、参照によりその全体が本明細書に援用される。

マイケルソン干渉計は、光学的測定値を得るために用いられる計測器である。干渉計は、多くのタイプの化学検出デバイスにおいて有効であることが実証されている、分光分析に基づくシステムに組み込まれている。例えば、空気中のガスの存在を検出するために用いられる化学検出デバイスは、光スペクトルを用いて、種々の化学物質の存否を検出する。デバイスはフィルタの中に空気のサンプルを通すことができ、そのフィルタは種々の化学物質蒸気を捕捉するか、又は化学物質蒸気に付着するように構成された表面コーティングを有する。捕捉された分子を燃焼又は気化して、電磁スペクトル、例えば光スペクトルを生成する。生成された光スペクトルを分析することによって、化学物質の存在（又は不在）を判定することが可能になる。分光器を用いて、光スペクトルの種々の波長成分を分離し、化学物質の存否を示す線のパターンを生成する。これらのような分光分析に基づくシステムの大半は一般に、あまりにも大きく、あまりにも多くの電力を必要とするので、持ち運ぶことができない。

他のタイプの化学検出デバイスは、機械的振動子として水晶結晶板を用いる。振動する水晶結晶板の周波数を監視して、特定の化学物質の分子の吸収から生じることになる変化を検出する。周波数の変化を測定して、その化学物質の存在を検出する。しかしながら、化学物質蒸気が吸収される際の、水晶振動子の質量の変化は極めて小さい可能性があり、その結果として、振動周波数の変化も非常に小さくなる。これは、このタイプの水晶結晶板に基づく検出デバイスの感度を制限し、それにより、そのようなデバイスを高い信頼性で利用することができる用途の数は少なくなる。

これらの欠点を克服する検出デバイスが必要とされている。

概要
本発明の実施形態は、フォトニック結晶構造体に光学的に結合されるレーザを用いる、高感度で、コンパクトで、しかも電力効率の良い検出デバイスを教示する。その例示的なデバイスは、検出過程においてエバネッセント場を用いる。

１つの例示的な実施形態では、本発明は、レーザに光学的に結合されるフォトニック結晶構造体を含むセンサ装置である。フォトニック結晶構造体は、ビームスプリッタと、基準アーム及びセンサアームを有する干渉計と、ブライトポート光検出器に光学的に結合されるように構成された第１の出力と、ダークポート光検出器に光学的に結合されるように構成された第２の出力とを含む。

本発明を例示するために、図面において１つの例示的な具現化形態が示される。しかしながら、本発明が、図示されたものと全く同じ構成及び手段に限定されないことは理解されたい。

詳細な説明
概説
光の全反射現象の結果として、エバネッセント場が生成される。エバネッセント場は、全反射界面の反対側に生成される指数関数的に減衰する場である。エバネッセント場は一般的に、フォトニック結晶構造体に関連付けられる。そのような場を用いて、本発明の例示的な実施形態によるセンサ及び検出方法を可能にすることができる。

図１を参照すると、例示的なリッジ半導体レーザ１００が示される。レーザ１００は、活性層１０２と、オーバークラッド層１０４と、アンダークラッド層１０６と、リッジ１０８とを含む。リッジ半導体レーザ１００から（矢印１１０によって示される方向に沿って）出力される光は、楕円１１２によって示されるようにリッジ１０８によって導かれる。図２を参照すると、光がもはやリッジ１０８の下に閉じ込められないように、リッジ半導体レーザ１００を変更して、領域１１４においてリッジ１０８を部分的に除去することができる。形成される光パターンは実際には楕円であり、楕円１１６によって表される。

次に図３を参照すると、フォトニック結晶の空隙１１８を半導体レーザの表面上に形成することができる。これらの空隙は、楕円１２０によって示されるように、光パターンを変更するための役割を果たす。その結果が、フォトニック結晶レーザ構造体である。例示された実施形態では、オーバークラッド層１０４及びアンダークラッド層１０６は、コア層１０２よりも小さい屈折率を有する。３つの層の全てがフォトニック結晶構造でパターニングされ、該構造を用いて、導波路が画定される。導波路内を進行する光信号は、フォトニック結晶構造体によって水平方向（即ち、矢印１１０の方向）に閉じ込められ、且つ小さい屈折率のクラッディング層によって垂直方向に閉じ込められる。

フォトニック結晶構造体がレーザのための空胴共振器として機能するように、フォトニック結晶構造体を用いて、検出される媒体領域の中を通るエバネッセント場を提供することができる。図４Ａ〜図４Ｃを参照すると、レーザセンサ装置４００は、レーザ４０２と、図示されるようにレーザ４０２に光学的に結合されるフォトニック結晶ミラー構造体４０４とを含む。この例では、レーザ４０２は、活性層４０６、オーバークラッド層４０８、アンダークラッド層４１０及びリッジ４１２を含む半導体レーザである。しかしながら、本明細書において説明される原理は、他の光源（例えば、ファイバレーザ）にも適用できることは理解されたい。この実施形態におけるフォトニック結晶ミラー構造体４０４は、オーバークラッド層４０８、活性層４０６及びアンダークラッド層４１０を貫通して、図示されるようなパターンで形成されるフォトニック結晶の空隙４１４を含む。また、フォトニック結晶ミラー構造体４０４には、空隙４１４によって画定されるフォトニック結晶導波路上に配置される被検出媒体領域４１６（破線で示される）も設けられる。動作中、化学的媒体、生物学的媒体、又は他の媒体（例えば、シアン化物又は炭疽）が被検出媒体領域４１６内に配置される。フォトニック結晶構造体に沿って光が伝搬することから生じるエバネッセント場は、その媒体を精査することができる。より具体的には、フォトニック結晶導波路構造体に沿って伝搬するモードのエバネッセントテール（evanescent tail）が媒体を通過し、結果として生じる媒体との相互作用が、エバネッセントテールの伝搬速度及び／又は減衰を変更することができる。また、オーバークラッド層４０８の厚みを調整して、媒体のための置き場所を設けるか、コア及びクラッディング材料等の種々の組み合わせの屈折率に適応させることもできる。この実施形態では、空隙４１４が、フォトニック結晶ミラー構造体４０４を提供するパターンで配列される。従って、被検出媒体領域４１６におけるエバネッセント場と媒体との相互作用が、フォトニック結晶ミラー構造体４０４によって反射される光（矢印４１８によって示される）の特性に影響を及ぼし、それにより、検出された媒体を示す出力が提供される。

材料に関しては、フォトニック結晶構造体（例えば、ナノ構造及びサブミクロン構造）は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料（例えば、ＧａＡｓ又はＩｎＰ及びそれらの合金）上に製造され得る。分子線エピタキシ（ＭＢＥ）を用いて、エピタキシャル成長中に、ＩＩＩ−Ｖ族半導体のための非常に薄い層を極めて正確に制御しながら製造することができる。

他の材料を用いて、本明細書で説明される平面フォトニック結晶導波路を製造することができる。一般に、バルク材料は、光信号の波長に対して実質的に透過性の任意の材料とすることができる。例えば、平面フォトニック結晶バルク材料は、ドープされたシリカ、ドープされていないシリカ、シリコン、高分子有機材料、有機／無機ハイブリッド材料、無機ガラス（例えば、カルコゲナイドガラス）又は任意の他の適切な材料とすることができる。コア層とクラッディング層との間の屈折率の差は、２つの大きく異なる材料を用いることによって、又は類似の材料を選択的にドーピングすることによって、又は当業者に知られている他の方法によって達成され得る。空隙は、空気、又は別の材料（例えば、ガラス又は水）で満たされ得る。種々の実施形態において、空隙の材料は、バルクフォトニック結晶材料とは大きく異なる屈折率を有する。空隙のパターン（より一般的には、「フォトニック結晶構造体」）の幾何学的形状は、所望の面内フォトニックバンドギャップに応じて、六角形、正方形、三角形、長方形又は他の形状とすることができる。さらに、空隙は、円筒形以外の形状（例えば、楕円、長方形又は偏菱形）で形成され得る。

本明細書で説明されるフォトニック結晶構造体は、種々の異なる方法で製造され得る。ナノインプリンティング、即ち、ナノスケールからサブミクロン及びミクロンスケールのパターンを用いて、チップ表面上に設計をスタンプ又は印刷する技術を用いることができる。一例として、ナノインプリンティング技術は、硬質の型を用いて、ポリマーフィルムに直接的にインプリントすることによってナノスケールの機構を形成することを含むことができる。パターンがインプリントされた後に、パターンをエッチングすることによって（例えば、反応性イオンによる異方性ドライエッチング）、フォトニック結晶の欠陥が形成される。

他のフォトニック結晶構造の製造技術を用いることもできる。例えば、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて、フォトニック結晶に穴を開けることができる。ＦＩＢによって引き起こされるあらゆる光学的／電気的品質のダメージに対処するために、フォトニック結晶部分に付加的な光ポンピング及び／又は電荷を与えて、損傷を回復することができる。また、紫外線（ＵＶ）レーザリソグラフィ、レーザ干渉リソグラフィ及び電子ビームリソグラフィを用いることもできる。

センサ装置内の干渉装置においてフォトニック結晶ミラーを用いることができる。図５を参照すると、例示的なレーザセンサ装置５００は、レーザ５０２（例えば、半導体レーザ）と、図示されたようにレーザ５０２に光学的に結合されるフォトニック結晶複光路干渉計構造体５０４とを含む。この例では、フォトニック結晶複光路干渉計構造体５０４は、図示されたようにＹ字形に構成されたセンサアーム５０６及び基準アーム５０８を含む。各アームの端部には、フォトニック結晶ミラーが設けられる。この例では、基準アーム５０８は、不動態化領域５１０によって示されるように、不動態化される。また、フォトニック結晶複光路干渉計構造体５０４には、センサアーム５０６のフォトニック結晶導波路上に配置される被検出媒体領域５１２（破線で示される）も設けられる。動作中、化学的媒体、生物学的媒体又は他の媒体が、被検出媒体領域５１２内に配置される。フォトニック結晶構造体に沿って光が伝搬することから生じるエバネッセント場が、その媒体を精査することができる。より具体的には、フォトニック結晶導波路構造体に沿って伝搬するモードのエバネッセントテールが媒体を通過し、その結果として生じる媒体との相互作用が、エバネッセントテールの伝搬速度及び／又は減衰を変更することができる。この例では、（レーザ５０２の）オーバークラッド層５１４の厚みを調整して、媒体のための置き場所を設けることもでき、コア及びクラッディング材料の種々の組み合わせの屈折率に適応させることもできる。この実施形態では、空隙５１６が、フォトニック結晶複光路干渉計構造体５０４を提供するパターンに配列される。従って、被検出媒体領域５１２におけるエバネッセント場と媒体との相互作用が、フォトニック結晶複光路干渉計構造体５０４によって反射される光（矢印５１８によって示される）の特性に影響を及ぼし、それにより、検出された媒体を示す出力が提供される。

図６を参照すると、別の実施形態において、他の点では同じレーザセンサ装置５００’の基準アーム５０８に、検出するための（例えば、媒体の特定のタイプ又は種を検出するための）最適な、又は所望の感度点にレーザの動作点を調整するために移相器５２０が設けられる。また、移相器５２０は、バイアスをかけて製造欠陥を除去するために、汚染を補償するために、及びレーザセンサ装置５００’を新たな動作点に再設定するために使用され得る。

さらに、本明細書において説明されるようなフォトニック結晶構造体は、マイケルソン干渉計のような受動センサ装置を設けるために使用され得る。図７を参照すると、マイケルソン平面フォトニック結晶導波路センサ７００は、フォトニック結晶マイケルソン干渉計構造体７０２と、図示されたようにフォトニック結晶マイケルソン干渉計構造体７０２の入力及び出力にそれぞれ光学的に結合される従来の導波路／フォトニック結晶変換素子７０４及び７０６とを含む。この実施形態では、フォトニック結晶マイケルソン干渉計構造体７０２は、図示されたように、センサ導波路アーム７１０及び基準導波路アーム７１２を画定する１つの考えられるパターンに配列された空隙７０８を含む。また、他の二重アームパターンを用いることもできる。フォトニック結晶マイケルソン干渉計構造体７０２には、センサ導波路アーム７１０上に配置される被検出媒体領域７１４（破線で示される）も設けられる。この例では、基準導波路アーム７１２には、バイアスをかけて製造欠陥を除去するために、汚染を補償するために、及びマイケルソン平面フォトニック結晶導波路センサ７００を新たな動作点に再設定するために移相器７１６が設けられる。光学的又は電気的にキャリアを注入することに加えて、位相シフトする別の方法は、ＤＣバイアスをかけて、ＩＩＩ−Ｖ族半導体内の電気光学効果を利用することである。金属半導体又は金属酸化物半導体コンタクト（図７に示されない）を介して、デバイスの半導電性領域に場が印加される。この例では、光ファイバ７１８及び７２０がそれぞれ、変換素子７０４及び７０６に光学的に結合される。動作中、化学的媒体、生物学的媒体又は他の媒体が被検出媒体領域７１４内に配置される。センサ導波路アーム７１０に沿って光が伝搬することから生じるエバネッセント場が、その媒体を「精査する（probe：探査する）」ことができる。より具体的には、センサ導波路アーム７１０に沿って伝搬するモードのエバネッセントテールが媒体を通過し、その結果として生じる媒体との相互作用が、エバネッセントテールの伝搬速度及び／又は減衰を変更することができる。センサ導波路アーム７１０の光路長を変更することによって、センサ導波路アーム７１０と基準導波路アーム７１２との間の光路長の差が、それらの導波路内で伝搬する光信号の再結合時の干渉を制御する。従って、被検出媒体領域７１４におけるエバネッセント場と媒体との相互作用が、フォトニック結晶マイケルソン干渉計構造体７０２によって出力される光（矢印７２２によって示される）の特性に影響を及ぼし、それにより、検出された媒体を示す出力が提供される。

変形されたマイケルソン干渉計
図８を参照すると、マイケルソン干渉計デバイスの実施形態が示されており、そのデバイスは、そのデバイスが周波数プリング及び利得飽和の影響を受けにくくすることを可能にする２つの出力ポートを含む。レーザセンサ装置８００は、半導体レーザ８０３に光学的に結合されるフォトニック結晶複光路干渉計構造体８０４を含む。フォトニック結晶複光路干渉計構造体８０４は、センサアーム８０６及び基準アーム８０８を含む。例示された実施形態は、Ｙ字形構成を形成するように互いに対して配置されたセンサアーム８０６及び基準アーム８０８を示すが、他の構成を用いることもできる。各アームの端部には、フォトニック結晶ミラー８０９が設けられる（例えば、反射率１００％のブラッグミラー）。一実施形態では、基準アーム８０８は、不動態化領域８１０によって示されるように、不動態化される。

レーザセンサ装置８００には２つの出力ポート８３２、８３４が含まれる。光ポート８３２は、半導体レーザ８０３からの第１の出力を提供する。光ポート８３２は、第１の光出力を受光するように構成された光検出器（図示せず）に結合される。さらに、ダークポート８３４が、半導体レーザ８０３からの第２の出力を提供する。ダークポート８３４は、第２の光出力を受光するように構成された光検出器（図示せず）に結合される。

フォトニック結晶複光路干渉計構造体８０４は、センサアーム８０６のフォトニック結晶導波路上に配置された被検出媒体領域８１２を有する。動作中、化学的媒体、生物学的媒体又は他の媒体が被検出媒体領域８１２内に配置される。フォトニック結晶構造体に沿って光が伝搬することから生じるエバネッセント場が、その媒体を精査することができる。より具体的には、フォトニック結晶導波路構造体に沿って伝搬するモードのエバネッセントテールが媒体を通過し、その結果として生じる媒体との相互作用が、エバネッセントテールの伝搬速度及び／又は減衰を変更することができる。この実施形態では、空隙８１６が、フォトニック結晶複光路干渉計構造体８０４を提供するパターンに配列される。従って、被検出媒体領域８１２におけるエバネッセント場と媒体との相互作用が、フォトニック結晶複光路干渉計構造体８０４によって反射される光出力（矢印８１８によって示される）の特性に影響を及ぼし、それにより、検出された媒体を示す出力が提供される。

被検出媒体領域８１２内の分子の存否を示すものとして、ブライトポート８３２に出力されるレーザからの出力パワーを測定することができる。ブライトポート８３２において観測される出力パワーの減少は、パワーのダークポートに逸れる部分を示す。この減少を観測することによって、被検出媒体領域内の分子によって引き起こされる任意の吸収及び／又は任意の位相シフトを特定することができる。しかしながら、吸収によって引き起こされる減少は非常に小さい量なので、観測するのが難しい可能性がある。さらに、レーザが最大利得で動作しようとする際に、レーザ内の周波数プリングの影響によって、吸収により引き起こされる任意の減少がオフセットされるであろう。吸収及び周波数プリングによって引き起こされる影響は、ダークポート８３４からの出力を観測することによって測定され得る。

被検出媒体領域内に分子が存在しない場合、ダークポート８３４への光出力８１９は０に設定される。これは、ＤＣ移相器８２７を調整して、被検出媒体領域が分子を含まない際にダークポート８３４に向けられることになる任意の場が相殺されるようにすることによって達成される。しかしながら、或る物質（例えば、試験対象である化学物質）の分子が存在する場合には、以下に説明されるように、ダークポートから放射物が放射されるであろう。

センサアーム８０６に、ＡＣ移相器８２５が追加される。ＡＣ移相器８２５を用いて、センサアーム８０６内の位相が、ディザ制御される。これは、被検出媒体領域８１２内に分子が存在することから生じる可能性がある任意の周波数プリングを補償するために行われる。

マイケルソン干渉計のダークポートから現われるパワーＰ（例えば、電界の二乗を測定する標準的なフォトダイオードによって測定される）は、以下の式によって定義される。即ち、
Ｐ＝｜Ｅ｜^２ｓｉｎ^２（θ−β）
ただし、Ｅはセンサアーム内の電界の振幅であり、θは移相器によって加えられるＡＣ位相シフトであり、βはセンサアーム内に捕捉される分子の存在から生じる、時間に依存しない位相シフトである。角度θが時間の関数としてディザ制御される場合には、光電流は、以下のように微分され得る。即ち、
ｄθ／ｄｔ≒ｓｉｎ^２［θ（ｔ）−β］θ（ｔ）
ｄＰ／ｄｔ対ｄθ／ｄｔをプロットすることにより、θ（ｔ）−βが与えられるであろう。従って、その曲線がｘ軸と交差する点（即ち、ゼロ点）を取ることによって、βが得られるであろう。

センサ領域８１２における吸収によって引き起こされる位相シフトβを求めることによって、デバイス８００を較正し、所望の定常状態を生み出すことができる。例えば、周波数パルスをオフセットするために、特定の位相条件が維持されなければならない。同様に、半導体レーザ８０３の利得を最大にするために、異なる位相条件が維持されなければならない。デバイスを所望の定常状態に較正することによって、ダークポート８３４への出力がゼロになり、その後、光の放出に関してダークポート８３４を監視することによって、被検出媒体領域８１２内の分子の存在を検出することができる。ダークポート８３４の定常状態はゼロの光出力であるので、ブライトポート８３２に出力される光のわずかな変化を検出する場合に比べて、ダークポート８３４から放射する低いレベルの光をより正確に検出することができる。

本発明の実施形態によるデバイス８００により、位相条件を特定することが可能になり、それゆえ、説明された実施形態に対する較正は、本明細書において提供される開示から当業者には明らかであろう。かくして、本発明は、その思想又は本質的な属性から逸脱することなく、他の特定の形態において具現化されることができ、従って、本発明の範囲を示す場合に、上記の明細書ではなく、添付の特許請求の範囲が参照されるべきである。

例示的なリッジ半導体レーザを示す図である。 光がもはやリッジの下に閉じ込められないようにし、スラブモードに移行するようにリッジの一部を除去した図１のレーザを示す図である。 光を導くために、図２の半導体レーザ表面上にフォトニック結晶の空隙を形成した図である。 本発明の実施形態によるフォトニック結晶のミラーを有するレーザセンサ装置の平面図である。 本発明の実施形態による、図４Ａのフォトニック結晶のミラーを有するレーザセンサ装置の断面図である。 本発明の実施形態による、図４Ａのフォトニック結晶のミラーを有するレーザセンサ装置の断面図である。 本発明の実施形態による、センサアーム及び不動態化された基準アームを含む、フォトニック結晶複光路干渉計を有するレーザセンサ装置の平面図である。 移相器が設けられた、図５のフォトニック結晶複光路干渉計を有するレーザセンサ装置の平面図である。 本発明の実施形態による、マイケルソン平面フォトニック結晶導波路センサの平面図である。 本発明の実施形態による、ダークポート出力を有するマイケルソン平面フォトニック結晶導波路センサの平面図である。

Claims (10)

1. センサ装置であって、
   レーザに光学的に結合されるフォトニック結晶構造体を含み、その構造体が、
   Ｙ字形構成を形成するように互いに対して配置されている基準アーム（808）及びセンサアーム（806）を有する干渉計（804）と、
   前記アームのそれぞれの端部に設けられているフォトニック結晶ミラー（809）と、
   ブライトポート光検出器に光学的に結合されるように構成された第１の出力（832）と、
   ダークポート光検出器に光学的に結合されるように構成された第２の出力（834）とを含む、センサ装置。
2. 前記干渉計（804）が複光路干渉計である、請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記複光路干渉計（804）がマイケルソン干渉計からなる、請求項２に記載のセンサ装置。
4. 前記第２の出力において光が存在することは、前記センサアーム内に分子が存在することを示す、請求項１に記載のセンサ装置。
5. 前記基準アーム内にＤＣ移相器（827）をさらに含む、請求項１に記載のセンサ装置。
6. 前記センサアーム内にＡＣ移相器（825）をさらに含む、請求項１に記載のセンサ装置。
7. 前記フォトニック結晶ミラーがフォトニック結晶ブラッグミラーである、請求項１に記載のセンサ装置。
8. 前記基準アームが不動態化される、請求項１に記載のセンサ装置。
9. 前記フォトニック結晶構造体が、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料からなる、請求項１に記載のセンサ装置。
10. 前記フォトニック結晶構造体が欠陥を含む、請求項１に記載のセンサ装置。

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