JP5913220B2 - 微小気泡光共振器 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２００９年３月１３日に出願した米国仮出願第６１／１５９，８２２号の利益を主張するものである。

本発明は、光微小共振器に関し、より詳細には、光微小毛細管の一区間に沿って形成された微小気泡タイプの光共振器に関する。

微小空胴光共振器は、フィルタ、センサ、レーザなどを含む多くの光回路の基本的要素である。微小空胴共振器の動作の改善に対する、増え続ける要求は、それらのＱ値、調整可能性（フィルタリング）、堅牢性および効率などのパラメータに関連する。特に重要な光微小空胴の実現は、「微小球（ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅ）」と「微小円環体（ｍｉｃｒｏｔｏｒｏｉｄ）」である。光微小球は、特別な一組の共振器モードをサポートする光のウィスパリング ギャラリー モード（ＷＧＭ）共振器を形成するために使用される。これらの共振器モードは、微小球の内部領域に閉じ込められた光場が、球の境界における内部全反射に関連して球の「赤道」周りで伝播することを意味する。１０〜１００ミクロン程度の直径の微小球が、コンパクトな光共振器を形成するために使用されてきた。これらの共振器は、関連する光信号の波長より十分に大きい寸法を示すので、共振器の限定された曲率に関する光損失は、全体に非常に小さい。光損失の主たる原因は、球の材料内への光の吸収と、球の均一性（例えば、球の表面の凹凸）による光の散乱とを含み、それら両者は、製造工程で制御されうる。その結果、比較的高いＱ値が光微小球で達成可能であり、微小球を高精度の光センサまたはレーザとして使用することが可能になる。

しかし、微小球が光センサとして使用される用途において、「検知される」材料は、球にごく近接して配置される必要がある。いくつかの従来の構成では、材料は、微小球の表面に配置されなければならない光マイクロファイバ・プローブの中に含まれ、そのことは、繰り返しベースで維持し制御するためには不便かつ困難である。

さらに、光微小球は、フィルタ要素として使用することが困難である。というのは、光微小球は、構造的に比較的剛性であり、微小球デバイスにより通過／阻止させられる波長を適合させるために「調整する」ことが困難であるからである。他の問題は、微小球光空胴に関する特性であり、その共振周波数は非常に密で、実質上無秩序に分布しており、微小球をフィルタリング用途で使用することを困難にしていることである。

最近、光微小毛細管が、上述の微小球の問題のいくつかを克服する微小流体光センサとして例示されている。例示的な従来技術の液体コア光リング共振器センサ（ＬＣＯＲＲＳ）１を、図１に示す。ＬＣＯＲＲＳ１は、光ファイバ・テーパ４の腰部３と結合されたシリカ毛細管２を備える。光信号は、光ファイバ・テーパ４の中に結合され、光ファイバ・テーパ４に沿って（図１の矢印で示す、伝播光信号の方向）伝播する。伝播信号が腰部３に到達すると、信号の一部が毛細管２の中にエバネセント結合され、毛細管壁の内側でウィスパリング ギャラリー モード（ＷＧＭ）として循環し始める。この結合は、毛細管壁の比較的薄い寸法（数ミクロン程度）に起因する。

センサとしての使用では、試験される液体または気体が図１に示す光微小毛細管２に導入され、そこで、検査用光信号のＷＧＭがサンプルと相互に作用し、その結果、光ファイバ・テーパ４に沿って伝播する光信号を修正する。したがって、光ファイバ・テーパ４を出る光信号の解析を使用し、試験されるサンプルの特性を規定することができる。ＬＣＯＲＲＳはまた、微小毛細管２を通過する活性化された光流体を使用することにより、レーザとして実証されている。

微小毛細管を通して検知用／レーザ用の材料を通過させ、隣接するマイクロファイバ・テーパを有する光検知／レーザを提供する能力が、上述の微小球および微小円環体よりも使用に便利な光センサをもたらす。特に、サンプル液体は毛細管の中に位置し、液体の流れは、マイクロファイバと毛細管の間の結合を乱さない。さらに、毛細管とマイクロファイバの組立体が、低屈折率のポリマー・マトリックスの中に「固定」可能であり、多くの用途に対して極めて堅牢で便利なデバイスが形成される。

しかし、ＬＣＯＲＲＳデバイスで達成されうる感度については、問題が残る。すなわち、微小毛細管は「境界が定められる」ことがないので、循環するＷＧＭは、微小毛細管の長手方向（ＬＣＯＲＲＳ１の微小毛細管２の中の矢印で示す）に沿って外側に広がる傾向がある。したがって、循環するＷＧＭの局部的固有モードが腰部Ｗに閉じ込められたままとなることはなく、それゆえ、デバイスのＱ値は、かなり限定される。言い換えれば、ＬＣＯＲＲＳデバイスの中に放射された光は、長い間腰部に留まることはできず、毛細管軸に沿って両方向に漏出する。上述のとおり、光信号「検知」の重要な特徴は、「高いＱ」を生成し維持することであり、検知プロセスで極めて高水準の感度を示すことが可能になることである。

したがって、これら２種類の従来技術のセンサの間には対立関係が依然として存在し、微小球／微小円環体は、望ましい高いＱ値という利点を有するが、実施において堅牢でないかまたは実用的でなく、一方、ＬＣＯＲＲＳセンサは、非常に堅牢で多くの状況で適用可能であるが、達成されうるＱ値には限界がある。

したがって、当業界において、微小球に付随する高いＱ値を達成することができ、しかも実施において実用的で堅牢な微小共振器の必要性が、依然として存在する。

本発明により、当業界に依然として存在する必要性が対処され、本発明は光微小共振器に関し、より詳細には、光微小毛細管の一区間に沿って形成された微小気泡タイプの光共振器に関する。

本発明によれば、微小な「気泡」が、光微小毛細管に沿って形成される。「気泡」は、微小毛細管がまだ柔軟な形状である間に生成されうる、光学的に透明な材料の湾曲した膜を備える。その湾曲が、循環するＷＧＭが気泡の中央領域に閉じ込められたままとなることを促進し、微小毛細管ベースの従来技術であるＬＣＯＲＲＳデバイスに付随する散逸を防止する幾何形状を有する光共振器を生成する。このようにして伝播信号を閉じ込めることにより、より少ないモードがサポートされ、フィルタリング用途に必要な波長分離がもたらされる。気泡自体の形状は、必ずしも球である必要はなく、細長いまたは「圧縮された」気泡の外形を示してよい。実際、１つまたは複数の単独の気泡、すなわち微小毛細管の外面上の１つまたは複数の「曲線」が、高いＱ値を形成するように循環するＷＧＭを閉じ込めるのに十分であることが見出されている。

本発明の微小気泡光共振器は、内部に微小気泡が形成された微小毛細管に沿って注入された、検知されるべき材料（液体、気体、固体）あるいは活性化されたレーザ材料（液体、気体、または固体）を用いて、フィルタ、センサ、またはレーザとして使用されうる。光信号は、関連する光導波路、プリズム、格子、テーパ状ファイバ、または他の適当な結合デバイスを介して、微小気泡内に結合される。結合用テーパ状ファイバは、微小気泡の表面と接触し、ファイバと微小気泡の間で高い結合効率をもたらすように形成されたテーパ状の領域を含む、光マイクロファイバの形をとることができる。微小気泡の外面の湾曲した膜の厚さもまた、光結合経路（導波路、プリズム、ファイバ）と微小気泡共振器の間の結合効率を決定する要因となる。

光微小毛細管の一区間に沿って形成された微小気泡の使用は、堅牢性と使いやすさに関して従来技術のＬＣＯＲＲＳデバイスの好ましい品質を保持するセンサを可能にする。すなわち、試験されるサンプル（または増幅される媒体）は、微小毛細管／微小気泡構造に沿って通過しながら、種々の用途で使用される伝播光信号をサポートする光ファイバ（またはプリズム、格子、導波路など）から物理的に分離されたままである。

本発明の微小気泡共振器は、比較的低い屈折率を有するポリマー・マトリックス材料の中に配置され、ポリマー・マトリックス材料でカプセル化されうる。カプセル化は、デバイスの剛性と安定性を改良するように機能する。本実施形態では、エッチング液を使用して微小気泡の領域の微小毛細管材料を除去し、微小気泡共振器として機能する、カプセル材料内の空胴を形成することができる。

フィルタリング用途のために微小気泡共振器を調整することは、微小気泡に物理的変化を導くことにより実施することができる。これらの物理的変化は、気泡の形状に対する機械的変形、気泡の温度変化、および気泡に対する電磁放射の印加を含むが、これらに限定されない。

本発明の他の更なる利点および側面は、添付の図面の参照による以下の説明の過程で明らかになろう。

従来技術の液体コア光リング共振器センサ（ＬＣＯＲＲＳ）を示す図である。 本発明により形成された例示的微小気泡光共振器であって、光微小毛細管に沿って形成された本実施形態の微小気泡共振器を示す図である。 光微小毛細管の終端部に形成された光微小気泡共振器形式の、本発明の代替実施形態を示す図である。 検知用途において光マイクロファイバを用いて使用される、本発明の例示的微小気泡光共振器を示す図である。 微小気泡が比較的低い屈折率を有するポリマー・マトリックスの中に埋設される、図４の配置の代替実施形態を示す図である。 実験室の中で形成された例示的微小気泡の図である。 微小毛細管の一区間に沿って形成された、「細長い」微小気泡を示す図である。 微小毛細管の一区間に沿って形成された、「圧縮された」微小気泡を示す図である。

図２は、本発明の原理による光微小毛細管１２の一区間に沿って形成された例示的微小気泡１０を示す。図示のとおり、「気泡」は、光学的に透明な材料、この場合は微小毛細管１２自体を形成するために使用される材料の湾曲した膜の形をとる。種々の方法が、微小気泡１０を生成するために使用可能であり、例示的方法は、加圧下で微小毛細管１２の一区間を局所溶融することを利用する。図３は、微小気泡１０が微小毛細管１２の終端部１４に形成される、代替構成を示す。いずれの構成においても、微小気泡は「球状の」形状である必要はなく、細長い気泡または圧縮された気泡の形状でよいことを理解されたい。１つまたは複数のそのような微小気泡が、微小毛細管の一区間に沿って形成されてよく、気泡が、微小毛細管の全体、またはそのほんの一部を占めてよい。

図２に示す光微小気泡共振器１０は、光フィルタ（調整可能な波長選択デバイス）、光センサ、または光レーザの一部分として使用されうる。光センサとして使用されるときは、伝播する光信号は、微小気泡の赤道周りに循環するＷＧＭを生成するように、微小気泡の中にエバネセント結合される（マイクロファイバ、プリズム、導波路などから微小気泡の中に「結合される」）。解析される材料（液体、気体または固体）が微小気泡１０の中に配置され、そこでＷＧＭが解析される材料と相互に作用し、光学的特性を修正する。微小気泡から外れた光信号はこうして変えられ、光受信機（図示せず）が、光信号の変化に基づいて材料を特徴づけるために使用される。光レーザとして使用されるときは、伝播する光信号は、再び微小気泡の中に結合されて、循環するＷＧＭを生成する。活性化されたレーザ材料が微小気泡の中に配置され、循環するＷＧＭを効率的に増幅するように機能する。

図４は、図２の微小気泡１０を共振デバイスとして使用する、例示的光センサ２０を示す。図示のとおり、サンプル材料（液体または気体）が微小毛細管１２の中に導かれ、微小毛細管１２を通って流れる。この特定の実施形態において、「検査用」光信号の入力結合は、光ファイバ・テーパ１６の腰部１８が微小気泡１０の外面と接触するように微小気泡１０に対して位置づけられる、光ファイバ・テーパ１６によりもたらされる。代替実施形態において、光プリズム、格子、導波路または他の適当な結合デバイスが、検査用光信号を微小気泡１０に導くために使用されうる。

図４に戻って参照すると、伝播する光信号のエバネセント部分は、微小気泡１０の外面を形成する湾曲した膜を貫通し、微小気泡１０の内側に沿ってＷＧＭとして循環し始める。循環するＷＧＭは、微小毛細管１２に導かれるサンプル材料と相互に作用する。有利には、微小気泡１０の形状は、循環するＷＧＭを微小気泡１０の中央領域に閉じ込め、これらのモードを循環が継続するように強制し、連続的にサンプル材料と相互に作用する、所望の高いＱ値の空胴を生成し、高感度の光出力信号を生成する。微小気泡１０の壁は、光ファイバ・テーパ１６（あるいは、プリズムまたは導波路）と微小気泡１０の間の結合効率を増加させ、光センサ２０の感度をさらに増加させるように、極めて薄く作製可能である。例えば、ＨＦなどのエッチング液が、微小毛細管１２に導かれ、壁材料の所望の厚さをエッチングで除去するのに関連する所定の時間の間、微小気泡１０の内壁と接触されてよい。

本発明の特定の実施形態では、光センサ２０を低屈折率材料のポリマー・マトリックスの中にカプセル化し、最終構造に付加的な剛性をもたらすことができる。図５は、本発明のこの実施形態を示しており、センサが２０が、カプセル材料３０で取り囲まれている。さらに、微小気泡１０内（内部領域３２として画定される）の毛細管壁材料は、このカプセル化された実施形態において、（例えば、適当なエッチング液を使用して）完全にまたは部分的に除去可能であり、サンプル材料（またはレーザの実施形態の場合は活性化されたレーザ材料）が低屈折率のカプセル材料と直接接触することが可能になる。この場合は、光ファイバ・テーパ１６に沿って伝播する光信号は、内部領域３２に直接結合される。また、カプセル化により極めて堅牢なデバイスが生み出される。硬化性の低屈折率液体ポリマーが、カプセル材料３０として使用されうる。毛細管材料がすべて除去される場合は、光ファイバ・テーパ１６に沿って伝播する光は、内部領域３２に直接結合される。

光フィルタリング用途において、本発明の微小気泡共振器は、微小気泡の物理的特性に変化をもたらすことにより「調整」されうる。調整をもたらす「変化」の具体的な種類は、気泡の機械的変形、気泡の温度を変化させること、気泡に電磁界を印加することなどを含むが、これらに限定されない。これらの変化は、関連する光ファイバ・テーパに沿って改良された波長感度を可能にし、多くの用途に適する光フィルタを生成する。

微小毛細管に沿って完全に球形の気泡を形成する必要がないことを理解されたい。上述のとおり、微小気泡は、細長い「気泡」、または圧縮された「気泡」として現れてよい。微小毛細管の外面の一部分が光学的に透明な材料の湾曲した膜を含むように微小毛細管の部分が修正される限り、循環するＷＧＭの閉じ込めが改良され、共振器のＱ値が（毛細管ベースのＬＣＯＲＲＳデバイスに対して）高められ、共振器の感度が同様に高められる。図６は、実験室で形成され、所望の高いＱの共振器をもたらすことが見出された、例示的微小気泡１０の図である。「細長い」微小気泡を例示する他の実施形態を図７に示し、一方、図８は、「圧縮された」微小気泡を示す。これらのそれぞれは、実験に使用され、循環するＷＧＭを十分に閉じ込め、高いＱの共振器を生成することが見出された。

本発明の微小気泡は、関連する微小毛細管の全体か、またはそのほんの一部分を備えるように形成されうることも理解されたい。本発明の、微小毛細管ベースの微小気泡共振器のさらなる利点は、微小気泡共振器を（関連する微小毛細管の一端または両端において）光ファイバに直接接合し、サンプル材料、活性化されたレーザ材料などを微小気泡へ送達するための、比較的まっすぐな入出力ポートを提供する能力である。

Claims (1)

1. 光微小気泡共振器を製造する方法であって、
   光学的に透明な材料の光微小毛細管を提供するステップと、
   前記光微小毛細管の局部的領域を加熱するステップと、
   前記光微小毛細管の前記加熱された局部的領域の中の空気圧を修正するステップと、
   前記光微小気泡共振器を生成する、前記光微小毛細管の湾曲した外面を生成するために前記局部的領域を変形させるステップと、
   を含み、前記湾曲した外面が、循環するウィスパリング・ギャラリー・モード（ＷＧＭ）が前記光微小毛細管に沿って形成された前記光微小気泡共振器の中央領域に閉じ込められたままとなることを促進する幾何形状を生じる曲率を有する方法。