JP5787847B2 - 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
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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。
Claims (28)
- 光センサであって、
少なくとも1つの光結合器と、
複数のループを含む光導波路とを備え、前記光導波路は、前記少なくとも1つの光結合器に光学的に連通し、前記少なくとも1つの光結合器と前記光導波路とが相対的に回転することができるように、前記回転中に前記少なくとも1つの光結合器から機械的に分断され、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の光信号と第2の光信号との間の干渉は、前記回転によって影響され、さらに、
前記第1の光信号と前記第2の光信号との間の干渉を検出するように構成された光検出器を備える、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。
- 前記少なくとも1つの光結合器に光学的に連通する光源をさらに備える、請求項1に記載の光センサ。
- 前記少なくとも1つの光結合器は光源から光を受取りかつ光を前記光検出器に伝えるように構成され、前記光導波路は前記複数のループを含むファイバコイルを含む、請求項1に記載の光センサ。
- 前記回転は、前記複数のループの第1の部分と前記少なくとも1つの光結合器との間の第1の光路長を増大させ、前記複数のループの第2の部分と前記少なくとも1つの光結合器との間の第2の光路長を減少させる、請求項1に記載の光センサ。
- 前記少なくとも1つの光結合器はプリズム結合器を含む、請求項1に記載の光センサ。
- 前記少なくとも1つの光結合器は第1のポートおよび第2のポートを含み、前記光導波路は第1の端部および第2の端部を含み、前記回転中に前記第1のポートは前記第1の端部に光学的に結合され、前記回転中に前記第2のポートは前記第2の端部に光学的に結合される、請求項1に記載の光センサ。
- 前記第1のポートと前記第1の端部との間を進行する光信号が自由空間において伝播するように、前記第1のポートと前記第1の端部との間に第1の間隙をさらに備え、前記回転中に前記第1の間隙の長さが変化する、請求項9に記載の光センサ。
- 前記第2のポートと前記第2の端部との間を進行する光信号が自由空間において伝播するように、前記第2のポートと前記第2の端部との間に第2の間隙をさらに備え、前記回転中に前記第2の間隙の長さが変化する、請求項10に記載の光センサ。
- 前記第1のポートと前記第1の端部との間に、長手方向に伸縮可能な第1の光導波路をさらに備え、前記回転中に前記第1の光導波路の長さが変化する、請求項9に記載の光センサ。
- 前記第2のポートと前記第2の端部との間に、長手方向に伸縮可能な第2の光導波路をさらに備え、前記回転中に前記第2の光導波路の長さが変化する、請求項12に記載の光センサ。
- 回転を光学的に検知する方法であって、前記方法は、
少なくとも1つの光結合器を使用して光を受取るステップと、
複数のループを含む光導波路を介して前記少なくとも1つの光結合器によって受取られた光の第1の部分を含む第1の光信号を伝播し、同時に、前記光導波路を介して前記少なくとも1つの光結合器によって受取られた光の第2の部分を含む第2の光信号を伝播するステップとを含み、前記第1の光信号および前記第2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、さらに、
前記第1の光信号および前記第2の光信号が前記複数のループを伝播する間、前記複数のループのうち少なくとも1つと前記少なくとも1つの光結合器とを、相対的に回転させるステップと、
前記第1の光信号および前記第2の光信号が前記複数のループを伝播した後に前記第1の光信号と前記第2の光信号との間の干渉を検出するステップとを含む、方法。 - 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つの光結合器から第1の光信号および第2の光信号を受取るように構成された光導波路コイルとを備え、光はある群速度およびある位相速度で前記コイルの少なくとも一部分を伝播し、前記群速度は前記位相速度未満であり、前記コイルおよび前記少なくとも1つの光結合器の少なくとも一方は、前記第1の光信号が第1の方向に前記コイルを伝播し、前記第2の光信号が前記第1の方向と概ね反対の第2の方向に前記コイルを伝播する間、他方に対して相対的に回転するように構成され、前記第1の光信号と前記第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る、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15に記載の光センサ。
- 前記少なくとも1つの光結合器に光学的に連通する光源をさらに備える、請求項15に記載の光センサ。
- 前記少なくとも1つの光結合器は、光源から光を受取りかつ光を光検出器に伝えるように構成され、前記コイルは複数のループを含む、請求項15に記載の光センサ。
- 前記回転は、前記コイルの第1の部分と前記少なくとも1つの光結合器との間の第1の光路長を増大させ、前記コイルの第2の部分と前記少なくとも1つの光結合器との間の第2の光路長を減少させる、請求項15に記載の光センサ。
- 前記少なくとも1つの光結合器はプリズム結合器を含む、請求項15に記載の光センサ。
- 前記少なくとも1つの光結合器は第1のポートおよび第2のポートを含み、前記コイルは第1の端部および第2の端部を含み、前記回転中に前記第1のポートは前記第1の端部に光学的に結合され、前記回転中に前記第2のポートは前記第2の端部に光学的に結合される、請求項15に記載の光センサ。
- 前記第1のポートと前記第1の端部との間を進行する光信号が自由空間において伝播するように、前記第1のポートと前記第1の端部との間に第1の間隙をさらに備え、前記回転中に前記第1の間隙の長さが変化する、請求項21に記載の光センサ。
- 前記第2のポートと前記第2の端部との間を進行する光信号が自由空間において伝播するように、前記第2のポートと前記第2の端部との間に第2の間隙をさらに備え、前記回転中に前記第2の間隙の長さが変化する、請求項22に記載の光センサ。
- 前記第1のポートと前記第1の端部との間に、長手方向に伸縮可能な第1の光導波路をさらに備え、前記回転中に前記第1の光導波路の長さが変化する、請求項21に記載の光センサ。
- 前記第2のポートと前記第2の端部との間に、長手方向に伸縮可能な第2の光導波路をさらに備え、前記回転中に前記第2の光導波路の長さが変化する、請求項24に記載の光センサ。
- 前記少なくとも1つの光結合器と前記光導波路とは、前記複数のループの対称軸を中心として互いに関して回転することができる、請求項1に記載の光センサ。
- 前記回転させるステップにおいて、前記第1の光信号および前記第2の光信号が前記複数のループを伝播する間、前記複数のループのうち少なくとも1つと前記少なくとも1つの光結合器とを、前記複数のループの対称軸を中心として互いに関して回転させる、請求項14に記載の方法。
- 前記コイルおよび前記少なくとも1つの光結合器の少なくとも一方は、前記第1の光信号が前記第1の方向に前記コイルを伝播し、前記第2の光信号が前記第1の方向と概ね反対の前記第2の方向に前記コイルを伝播する間、前記コイルの対称軸を中心として他方に関して回転するように構成されている、請求項15に記載の光センサ。
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