JP5079877B2 - 光センサにおいて低速光を使用するためのシステムおよび方法 - Google Patents
光センサにおいて低速光を使用するためのシステムおよび方法 Download PDFInfo
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Description
本願は、2007年6月15日出願の米国仮出願番号第60/944,396号の優先権を主張し、全体を引用により本明細書に援用する。
分野
本願は概して光センサに関し、特に光ファイバセンサに関する。
近年、真空中の光の速度よりも著しく低くなるように光の群速度を大幅に低下させる(「低速光」と称する)ことが注目されている。電子誘導透過(たとえば、S. E. Harris,“Electromagnetically induced transparency,”Phys. Today, Vol. 50, No. 7, 36-42 (1997)参照)、ブラッグファイバ(たとえば、C. Lin, W. Zhang, Y. Huang, およびJ. Peng,“Zero dispersion slow light with low leakage loss in defect Bragg fiber,”Appl. Phys. Lett., Vol. 90, 031109 (2007)参照)、ならびに結合共振器アレイ(たとえば、A. Yariv, Y. Xu, R.K. Lee, およびA. Scherer,“Coupled resonator optical waveguide: a proposal and analysis,”Opt. Lett., Vol. 24, No. 11, 711-713 (1997)参照)などのシステムはすべて、光の群速度の大きさを数桁低下させることを示している。これらの各文献の全体を引用により本明細書に援用する。また、低速光はフォトニックバンドギャップ構造において研究されている。(たとえば、M. Soljacic, S.G. Johnson, S. Fan, M. Ibansecu, E. Ippen, およびJ.D. Joannopoulos,“Photonic-crystal slow-light enhancement of nonlinear phase sensitivity,”J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 19, No. 9, 2052-2059 (2002);2005年7月12日発行の米国特許番号第6,917,431号“Mach-Zehnder interferometer using photonic band gap crystals”;2006年10月3日発行の米国特許番号第7,116,864号“Stopping and time reversing light in a waveguide with an all-optical system”;M.F. YanikおよびS. Fan,“Stopping light all-optically,”Phys. Rev. Lett., Vol. 92, 083901(2004);M.F. Yanik, W. Suh, Z. WangおよびS. Fan,“Stopping light in a waveguide with an all-optical analogue of electromagnetic induced transparency,”Phys. Rev. Lett., Vol. 93, 233903 (2004);M.F. YanikおよびS. Fan, “Stopping and storing light coherently,”Phys. Rev. A, Vol. 71, 013803 (2005);S. Sandhu, M.L. Povinelli, M.F. YanikおよびS. Fan,“Dynamically-tuned coupled resonator delay lines can be nearly dispersion free,”Optics Lett., Vol. 31, 1985-1987 (2006)参照。各々の全体を引用により本明細書に援用する。)
一部の実施例において、光センサは、少なくとも1つの光結合器と、当該少なくとも1つの光結合器に光学的に連通する光導波路とを含む。光導波路は、当該少なくとも1つの光結合器から第1の光信号を受取るように構成される。第1の光信号は、光導波路の少なくとも一部分を伝播する間、ある群速度およびある位相速度を有し、群速度は位相速度未満である。第1の光信号と第2の光信号との間の干渉は、光センサの少なくとも一部分への摂動によって影響される。
一部の用途において、光ファイバセンサの感度は光ファイバの群屈折率に比例し(すなわち、光ファイバを伝播する光の群速度に逆比例し)、光ファイバセンサを探測するのに低速光を使用すると、感度の上昇が実現される。(たとえば、M. Soljacic, S.G. Johnson, S. Fan, M. Ibansecu, E. Ippen, およびJ.D. Joannopoulos,“Photonic-crystal slow-light enhancement of nonlinear phase sensitivity,”J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 19, No. 9, 2052-2059 (2002)参照、全体を引用により本明細書に援用する)。本明細書で使用する限りにおいて、「感度」という用語は最も広い合理的な解釈を有し、限定はしないが、最小検出可能信号の逆数に比例する量を含む。
Zhang, Y. Huang, およびJ. Peng,“Zero dispersion slow light with low leakage loss in defect Bragg fiber,”Appl. Phys. Lett., Vol. 90, 031109 (2007)参照、全体を引用により本明細書に援用する)またはフォトニックバンドギャップファイバを使用して生成される。一部の実施形態において、光導波路は群屈折率ngおよび位相屈折率npを有し、低速光は群速度νgおよび位相速度νpを有する。低速光については、群速度νgは位相速度νp未満である。この条件は、νp/νgの比率またはng/npの比率として規定される減速係数によって表すことができ、低速光について、減速係数は1より大きい(たとえば1.2より大きい、1.5より大きい、2より大きい、5より大きい、10より大きい、15より大きい、20より大きい)。一部の実施例において、低速光が伝播する物質の群屈折率ngは1よりも著しく大きい(たとえば2より大きい、5より大きい、10よ
り大きい、15より大きい、または20より大きい)。一部の実施例において、群速度は真空中の光の速度の50%未満である。一部の実施例において、群速度は真空中の光の速度の20%未満である。一部の実施例において、群速度は真空中の光の速度の10%未満である。このような一部の実施例において、群速度は真空中の光の速度の11分の1〜10分の1の間である。一部の実施例において、群速度は真空中の光の速度の0.01倍〜0.2倍の間である。
、移動している物体の速度に位相速度が依存するという概念を表わす。換言すると、光は移動している物質によって「引きずられる」と言うことができる。
1293-1295 (1979);E. J. Post,“Sagnac Effect,”Rev. Mod. Phys., Vol. 39, 475 (1967)参照、全体を引用により本明細書に援用する)。移動している流体12の光屈折率がわかれば、この構造を流体の流れの速度センサとして使用することができる。なお、時間遅延はα′に依存し、大きな値の群屈折率ngについては、式(2)で表わされる位相屈折率に対する群屈折率の比率であるng/nに比例する。その結果、図1の構造を有する干渉流体速度センサの感度はΔtに比例し、その中を進行する光の速度の逆数に比例する。したがって、低速光を利用する干渉流体速度センサ10については、光が減速するにつれて、閉鎖された経路を流れる流体の速度に対する感度が高くなる。
fast and slow light,”Phys. Rev. A, Vol. 75, 053807 (2007)参照)。
2の線形移動は、検出器Dによって検出される第1の光信号と第2の光信号との間の干渉を修正する。一部の実施例において、光センサ40は、群速度に依存する(たとえば群速度に逆比例する)光導波路42の速度に対する感度を有する。一部の実施例において、光センサ40は、速度が測定されるいずれのシステムでも使用することができ、一部の実施例においては、光センサ40は超小型電気機械システム(MEMS)構造で形成することができる。
FOGが慣行的に要求される航空機または自動車の慣性航法とは異なり)FOGの一部分に極めて小さい回転のみが加えられる用途について有利に使用される。
Boston, Ch. 3, 1993参照、全体を引用により本明細書に援用する)。これは、図8Bに概略的に示されるように、結合器(たとえばファイバ結合器)を光入力ポートに配置しかつ結合器の第4のポートにおいて反射光を収集することによって、直接的に行なうことができる。他の一部の実施例においては、本明細書に記載される光センサに対して、逆の動作を行うように同様の変更を加えることができ、光センサの安定性を改善することに繋がる。図8Cは、第1のファイバ結合器94aと、ポートp1、p2およびp3を有する3ポートサーキュレータ94cとを含む少なくとも1つの光結合器94を利用した、図8AのFOG90の別の逆の構造を概略的に示す。光結合器の他の構造は、本明細書に記載されるさまざまな実施例にも対応する。
Soljacic, S.G. Johnson, S. Fan, M. Ibansecu, E. Ippen, およびJ.D. Joannopoulos,“Photonic-crystal slow-light enhancement of nonlinear phase sensitivity,”J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 19, No. 9, 2052-2059 (2002)参照、全体を引用により本明細書に援用する)。σは、屈折率が変更される物質を伝わるモード出力の分数(fraction)を示す。これは、位相変化ΔΦT=2π(L/λ)(ng/neff)σΔnに繋がる。熱光学効果についてはΔn=γΔTであり、γは熱光学係数である。
of the fundamental mode in air-guiding photonic-bandgap fibers,”Opt. Express, Vol. 13, No. 18, 6669-6684 (2005)によってもたらされ、全体を引用により本明細書に援用する。実際のファイバは本明細書に記載される簡略化された1次モデルよりも複雑であり、何らかの相違が予期されるものの、これらの算出の結果は実際の光センサシステムの全般的な特性を予測するのに有益である。
13, No. 18, 6669-6684 (2005)によって述べられているように)、歪みの縦方向成分は(同じクラッディング厚さおよび物質を有する)従来のファイバよりも若干大きい。歪みの横方向成分は、ファイバ断面のより複雑かつ異質な性質に起因して、より複雑な温度の関数である。上述のように、この歪みの横方向成分は、その複雑さから本明細書に記載されるモデリングには含まれなかった。しかし、上掲のDangui他によって空心フォトニックバンドギャップファイバ(PBF)について算出されたものであり、若干弱い。空心ブラッグファイバの場合には、若干の減少に向けて同様の傾向が予期される。また、空心ブラッグファイバにおいては、空気の熱光学係数が固体よりもはるかに小さいことから、熱光学項目ははるかに小さい。この結果は光の群速度には依存しない。この項目は空気においては非常に弱いため、空心PBFにおける温度による全位相変化の多くの部分が従来のファイバよりも理論的かつ実験的に著しく小さいと示されている(上掲のDangui他参照)。たとえば、Dangui他によって研究された特定のPBF(デンマーク国、Crystal Fibre社から購入)においては、温度に対する位相の温度依存度の低下は約7分の1である。この空心PBFと類似しているため、同様の傾向が空心ブラッグファイバについて予期される。したがって、空心ブラッグファイバを使用して光センサにおいて低速光を生成し感度を向上させる別の利点は、モードが主に空気中において誘導されることから、温度感度が低下する(たとえば3分の1以上)点である。
ァイバの有効モード屈折率が変化する。熱によって誘起される歪みの場合のように、異なる機械特性を有するいくつかの物質で構成される実際のファイバにおける歪み形状の算出は複雑である。この解析をいくらか簡略化するために、従来の単一モード中実ファイバにおける歪みの効果を考慮することができる(たとえば、G.B. Hocker,“Fiber-optic sensing of pressure and temperature,”Appl. Opt., Vol. 18, No. 19, 1445 (1979)参照、全体を引用により本明細書に援用する)。現在のところ、従来のファイバにおいて低速光を誘起するための既知の方法はないものの、この解析は一般的な傾向を導出するために参考になる。
ンサについては、どの値のngによっても歪み感度は熱感度を超えて大幅に上昇されない。したがって、一部の実施例において、中実ファイバを有する歪みセンサは、低い群屈折率を有利に有する。しかし、温度センサについては逆が当てはまる。すなわち、10〜11の間のngについて熱感度が歪み感度と比較して最大となる。この範囲の群屈折率においては、歪みに対する熱センサの感度が有利に低下する。したがって、一部の実施例において、中実ファイバを有する温度センサは、10〜11の間の群屈折率を有利に有する。空心ブラッグファイバを含む空心ファイバは、温度感度に対して所定の比率の歪み感度をもたらすように群屈折率を選択できるように、同様の挙動を呈するものと予期される(ただし実際の群屈折率値は、中実ファイバについて上述したものとは異なることになる)。
Claims (21)
- 光センサであって、
少なくとも1つの光結合器と、
前記少なくとも1つの光結合器に光学的に連通する光導波路とを備え、前記光導波路は、前記少なくとも1つの光結合器から第1の光信号を受取るように構成され、前記第1の光信号は、前記光導波路の少なくとも一部分を伝播する間、ある群速度およびある位相速度を有し、前記群速度は前記位相速度未満であり、前記第1の光信号および前記第2の光信号との間の干渉は、前記光センサの少なくとも一部分への摂動によって影響され、前記摂動は、前記光導波路の少なくとも一部分の歪みの変化、温度の変化、または歪みの変化および温度の変化を含み、前記光センサは歪みの変化に対する歪み感度と温度の変化に対する温度感度とを有し、前記光導波路の少なくとも一部分は温度感度に対する歪み感度の比率が最小もしくは最小に近くなるような群屈折率を有する、光センサ。 - 前記干渉は、前記群速度に依存する摂動に対する感度を有する、請求項1に記載の光センサ。
- 前記光導波路はブラッグファイバを含む、請求項1に記載の光センサ。
- 前記光導波路はフォトニックバンドギャップファイバを含む、請求項1に記載の光センサ。
- 前記光導波路は中空光ファイバを含む、請求項1に記載の光センサ。
- 前記群速度は、真空中の光の速度の50%未満である、請求項1に記載の光センサ。
- 前記群速度は、真空中の光の速度の20%未満である、請求項1に記載の光センサ。
- 第1の測定量の変化に対する第1の感度と第2の測定量の変化に対する第2の感度とを有する光センサを製造する方法であって、前記方法は、
光がある群速度および位相速度で伝播するように構成された光導波路を供給するステップを含み、前記群速度は前記位相速度未満であり、さらに、
前記第2の感度に対する前記第1の感度の比率が最小値となる群屈折率値または前記群屈折率値に近くなるように前記光導波路の前記群屈折率を選択するステップを含む、方法。 - 前記第1の測定量は歪みであり、前記第2の測定量は温度である、請求項8に記載の方法。
- 前記群速度は真空中の光の速度の50%未満である、請求項8に記載の方法。
- 前記群速度は真空中の光の速度の20%未満である、請求項8に記載の方法。
- 前記光導波路はブラッグファイバ、フォトニックバンドギャップファイバ、または中空光ファイバを含む、請求項8に記載の方法。
- 少なくとも1つの光結合器を供給し、かつ前記少なくとも1つの光結合器から第1の光信号を受取るように前記光導波路を構成するステップをさらに含み、前記第1の光信号は光源から前記第1の光結合器によって受取られた光信号の第1の部分を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの光結合器は第1の光結合器と第2の光結合器とを含み、前記第2の光信号は前記第1の光結合器によって受取られた前記光信号の第2の部分を含み、前記方法は、前記第2の光信号を受取るように第2の光導波路を構成するステップと、前記光導波路からの前記第1の光信号と前記第2の光導波路からの前記第2の光信号とを受取るように第2の光結合器を構成するステップとをさらに含む、請求項13に記載の方法。
- 前記第2の光結合器と光学的に連通する光検出器を供給するステップをさらに備え、前記光検出器は前記第1および第2の光信号の間の干渉を検出するように構成されている、請求項14に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの光結合器は、第1の光結合器と第2の光結合器とを含み、前記第1の光信号は前記第1の光結合器によって受取られる光信号の第1の部分を含む、請求項1に記載の光センサ。
- 前記第1の光結合器と光学的に連通する光源をさらに備え、前記光源は前記第1の光結合器に前記光信号を供給するように構成されている、請求項16に記載の光センサ。
- 前記第2の光信号は前記第1の光結合器によって受取られる前記光信号の第2の部分を含む、請求項16に記載の光センサ。
- 前記第2の光信号を受取るように構成された第2の光導波路をさらに含み、前記光導波路は前記第2の光結合器と光学的に連通し、前記第2の光導波路は前記第2の光結合器と光学的に連通し、前記第2の光結合器は前記第1の光信号と前記第2の光信号とを受取るように構成されている、請求項18に記載の光センサ。
- 前記第2の光結合器と光学的に連通する光検出器をさらに含み、前記光検出器は前記第1および第2の光信号の間の干渉を検出するように構成されている、請求項19に記載の光センサ。
- 前記光導波路は中実コアファイバを含む、請求項1に記載の光センサ。
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