KR101179368B1 - 유전성 미세공동 센서 - Google Patents

Abstract

미세공동 센서에 벌지형 미세공동(500)을 사용하면 제작 상의 정렬 및 재생성에 있어서 장점을 제공한다. 벌지형 미세공동의 어레이는 다수의 도파로와 함께 사용될 수 있다. 또한, 벌지형 미세공동은 폴리머 재료로 제조된 적어도 외층으로 형성될 수 있고, 완전히 폴리머 재료로 형성될 수 있다. 이는 미세공동이 몰딩될 수 있고 또한 어레이 형태로 재생가능하게 몰딩될 수 있다는 점에서 제작을 용이하게 한다.

광 도파로, 벌지형 미세공동, 광 검출기, 파장 선택 소자, 폴리머 재료

Description

유전성 미세공동 센서{DIELECTRIC MICROCAVITY SENSORS}

본 발명은 광학 기기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 미세공진기(microresonator)를 사용하는 광학 센서에 관한 것이다.

광학 공진기로서의 미세구(microsphere) 및 디스크는 오늘날 생화학 검지에서의 적용을 위해 집중적으로 연구되고 있다. 유리로 만들어진 미세구는 매우 높은 Q-값(Q-factor)(>10⁶)을 나타내지만, 미세구 공진기의 대량 생산 및 정렬에 대한 적절한 접근법이 불충분하여 그것을 유망한 제품으로서 수용하는 것을 가로막고 있다. 한편 반도체 웨이퍼에 기초한 미세디스크 또는 미세링은 대량 제조가 상대적으로 용이하다. 도파로(waveguide)에 대한 그 위치는 건식/습식 에칭 및 층 성장법(layer deposition)과 같은 리소그래픽 기술을 사용하여 조절될 수 있다. 그러나 이들 공진기의 Q-값은, 적어도 부분적으로 표면 조도 및 재료 흡수로 인해 통상 10⁴ 미만이다.

미세공동을 형성하기 위한 다른 접근법에는 광섬유를 슬라이스 절단하여 원통형 공동을 형성하는 것이 포함된다. 이는 저비용으로 더 높은 Q-값을 얻을 수 있고 치수가 조절되는 링 공진기의 대량 생산을 가능하게 한다. 그러나, 이러한 원통형 미세공진기는 단지 2차원적인 광 감금(confinement)을 나타내며, 빛은 평면에 수직한 방향을 따라서 자유롭게 전파될 수 있다. 따라서, 도파로와 원통형 링 공진기 사이의 임의의 오정렬은 빛이 미세공동의 손실 모드로 결합되게 하며, 결국 빛 강화의 저하로 이어진다.

본 발명은 벌지형(bulge-like) 미세공동의 사용에 관한 것이다.

특히, 본 발명의 일 실시예는 상호 이격된 적어도 제1 및 제2 광 도파로를 포함하는 미세공진기 어레이 장치에 관한 것이다. 제1 벌지형 미세공동 부재는 적어도 제1 및 제2 벌지형 미세공동으로 형성되고, 상기 제1 및 제2 광 도파로를 가로질러 연장된다. 상기 제1 벌지형 미세공동은 광을 제1 벌지형 미세공동과 제1 광 도파로 사이에서 광학 결합하기 위해 제1 광 도파로 근처에 배치된다. 상기 제2 벌지형 미세공동은 광을 제2 벌지형 미세공동과 제2 광 도파로 사이에서 광학 결합하기 위해 제2 광 도파로 근처에 배치된다.

본 발명의 다른 실시예는 출력 광을 출사하는 광원, 및 상기 광원으로부터의 출력 광을 수용하도록 결합되는 제1 광 도파로를 포함하는 벌지형 미세공동 장치에 관한 것이다. 제1 벌지형 미세공동은 상기 제1 광 도파로와 광학 결합하도록 제1 도파로 근처에 배치된다. 상기 벌지형 공동은 적어도 폴리머 재료의 외층을 가지며, 종축을 따라서 신장되는 본체를 갖는다. 상기 벌지형 미세공동은 제1 광 도파로로부터 결합되는 광에 대해 1000보다 큰 Q값을 갖는 WGM(whispering gallery mode)을 가지며, 상기 폴리머 재료는 출력 광의 파장에서 실질적으로 투과적이다.

본 발명의 상기 개요는 본 발명의 각각의 개시된 실시예 또는 모든 실시예를 기술하려는 것이 아니다. 후술하는 도면 및 상세한 설명은 이들 실시예를 보다 구체적으로 예시한다.

본 발명은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 대한 하기의 상세한 설명을 검토함으로써 보다 완전하게 이해될 수 있다.

도1a 내지 도1c는 미세공동 센서의 상이한 실시예의 개략 도시도이다.

도2는 미세공동 공진기에서의 WGM의 개략 도시도이다.

도3a 내지 도3c는 각각 원통형, 구형, 및 벌지형 미세공동의 개략 도시도이다.

도4a 내지 도4c는 각각 도3a 내지 도3c에 도시된 미세공동의 공진 스펙트럼의 부분의 개략 도시도이다.

도5a 및 도5b는 본 발명의 원리에 따른, 벌지형 공동의 상이한 실시예의 개략 도시도이다.

도6은 광섬유로 형성된 벌지형 미세공동의 사진이다.

도7, 도8a, 및 도8b는 도6에 도시된 벌지형 공동의 공진 스펙트럼의 도시도이다.

도9a는 광섬유에 형성된 원통형 미세공동의 사진이다.

도9b 및 도9c는 도9a에 도시된 원통형 미세공동의 공진 스펙트럼의 도시도이다.

도10은 본 발명의 원리에 따라, 벌지형 미세공동을 사용하여 형성된 미세공동 어레이의 개략 도시도이다.

도11a 및 도11b는 본 발명의 원리에 따른 다수의 벌지형 미세공동을 갖는 벌지형 공동 부재의 개략 도시도이다.

본 발명은 다양한 수정 및 변형 형태에 영향을 받을 수 있지만, 그 특정예를 도면에서 예로서 도시하였으며 상세히 설명할 것이다. 그러나, 본 발명을 후술하는 특정 실시예에 한정하려는 의도가 아님을 알아야 할 것이다. 반대로, 청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 정신 및 범위에 포함되는 모든 수정예, 균등예, 및 변형예를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 특히 미세공동 공진기를 사용하는 광학 센서에 적용될 수 있다. 이러한 공진기는 미세공진기로도 지칭될 수 있다. 본 발명의 미세공진기는 쉽게 재생될 수 있고, 쉽게 조작될 수 있으며, 높은 공동 Q-값을 유지할 수 있고, 결합 도파로에 쉽게 정렬될 수 있다.

미세공진기를 사용하는 미세공동-도파로 시스템(100)의 일 예가 도1a에 개략 도시되어 있다. 광원(102)은 광을 도파로(104)를 따라서 검출 유닛(106)으로 향하게 한다. 상기 도파로(104)에는 미세공진기(110)가 광학 결합된다. 광원(102)으로부터의 광(108)은 도파로(104)에 쏘아지고 검출 유닛(106)을 향하여 전파된다. 미세공진기(110)는 광(108)의 일부를 표면감쇠적으로(evanescently) 도파로(104)로부터 분리시키고, 분리된 광(112)은 미세공진기(110) 내에서 미세공진기(110)의 공 진 주파수중 하나로 전파된다.

광원(102)은 임의의 적절한 형태의 광원일 수 있다. 효율 및 감도 증가를 위해서는, 광원이 도파로(104)에 효과적으로 결합되는 빛을 생성하는 것이 유리하며, 예를 들어 광원은 레이저 다이오드와 같은 레이저일 수 있다. 광원(102)은 소정의 파장 또는 파장 범위로 광(108)을 발생시킨다. 예를 들어, 미세공진기가 센서에 사용되는 경우, 광원(102)은 검지되는 종(species)과 상호작용하는 파장으로 광을 발생시킨다. 검지되는 종은 통상 미세공진기(110)의 표면 근처에 배치되며 따라서 WGM에서 전파되는 빛은 검지되는 종과 상호작용한다. 광원(102)은 또한 램프, 및 상기 램프로부터의 빛을 도파로(104)에 결합하기 위한 적절한 광학기기를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 시스템(100)이 형광센서로서 사용될 때, 미세공진기(110) 내에서 전파되는 빛은, 미세공진기 표면에서 검체 또는 검체의 존재를 나타내는 마커(marker)에 부착되는 형광 염료와 같은 형광 분자에 의해 흡수된다. 보다 구체적인 예에서, 미세공진기의 표면에는 소정의 항원 검체에 특정한 항체가 부착될 수 있다. 형광 염료와 접합된 검체 항원 분자는 센서 시스템(100)에 도입된다. 항원 분자는 미세공진기(110) 상의 항체 분자에 결합됨으로써, 형광 염료 분자를 미세공진기(110)에 충분히 가깝게 유지하고, 미세공진기(110) 내에서 순환하는 광은 형광 분자에 표면감쇠적으로 결합된다. 흡수된 광은 형광 분자를 여기시키고 이 분자는 이어서 여기 파장과 다른 파장에서 형광을 낸다. 형광성 광의 검출은 검체 항원의 존재를 확인시켜준다.

다른 예에서, 검체 항원 분자는 형광 염료와 접합되지 않지만, 미세공진기 표면에 부착된 항체에 접합될 수 있다. 형광 분자에 접합되는 더 많은 항체가 이어서 센서에 도입되고 항원에 접합된다. 다시, 형광 분자는 미세공진기(110) 내에서 전파되는 빛과의 표면감쇠적 상호작용에 의해 여기되며, 후속 형광의 검출은 검체 항원의 존재 및 존재도를 결정하는데 사용될 수 있다.

광원(102)은 빛을 여러가지 상이한 도파로로 향하게 할 수 있으며, 도파로(104)는 그 중 한 예이다. 도파로(104)는 임의의 적절한 형태의 도파로일 수 있으며, 예를 들면 실리카 기판에 형성된 도파로와 같은, 기판에 형성된 평면 도파로 또는 채널 도파로일 수 있다. 도파로(104)는 또한 광섬유일 수 있다.

검출 유닛(106)은 광을 검출하기 위한 예를 들어 포토다이오드 또는 포토트랜지스터와 같은 광 검출기를 구비한다. 검출 유닛(106)은 또한 광 검출기에 도달하는 빛의 파장을 선택하는 파장 선택 장치를 구비할 수 있다. 파장 선택 장치는 예를 들어 필터 또는 분광계일 수 있다. 파장 선택 장치는 사용자가 광 검출기에 입사되는 빛의 파장을 능동적으로 변경할 수 있도록 튜닝될 수 있다.

미세공진기(110)는, 도파로(104)를 따라서 전파되는 빛(108)의 일부가 미세공진기(110)에 표면감쇠적으로 결합되도록 도파로(104)와 물리적으로 접촉되거나 도파로(104)에 매우 근접하여 배치될 수 있다. 도파로(104)는 통상 미세공진기(110)가 도파로(104)에 결합되는 지점에서 피복(cladding)을 거의 또는 전혀 갖지 않으며, 따라서 미세공진기(110)는 도파로(104)의 코어에 직접 결합된다.

다른 형태의 미세공진기 장치(150)가 도1b에 개략 도시되어 있다. 이 장 치(150)에서는, 미세공진기(110)로부터의 광(158)이 제2 도파로(154)에 결합되고, 검출기(106)로 전파된다.

다른 형태의 미세공진기 장치(170)가 도1c에 개략 도시되어 있다. 이 장치(170)에서는, 미세공진기(110)로부터의 빛을 검출하기 위해 미세공진기(110) 근처에 제2 검출기(172)가 배치된다. 제2 검출기(172)에 의해 검출된 빛은 도파로를 통해서 제2 검출기(172)로 통과하지 않으며, 자유 공간을 통해서 전파된다고 한다. 제2 검출기(172)에 의해 검출되는 미세공진기(110)로부터의 빛은 예를 들어 미세공진기(110)로부터 산란될 수 있거나, 또는 미세공진기(110) 내에서 순환하는 빛에 의한, 미세공진기의 표면에 부착된 형광 종의 여기에 기인하는 형광 빛일 수 있다. 제2 검출기(172)는 미세공진기(110)로부터의 전체 파장의 빛을 검출할 수 있거나, 또는 예를 들면, 제2 검출기(172)와 미세공진기(110) 사이에 배치된 파장 선택 소자(174)의 사용을 통해서, 특정 파장 범위에 놓이는 빛을 검출할 수 있다. 파장 선택 소자(174)는 예를 들어, 미세공진기(110) 내에서 공진하는 여기 파장에서는 빛을 거부하고 형광 파장에서는 빛을 통과시키는 필터일 수 있다. 제2 검출기(172)는 또한 도1b에 도시된 것과 같은 구조로 사용될 수도 있다.

빛은 미세공진기 내에서 소위 "WGM"으로 전파되며, 그 일 예가 도2에 개략 도시되어 있다. WGM(202)에서, 빛은 원점으로 복귀될 때까지 다수의 전체 내부 반사를 통해서 원점으로부터 미세공진기(210) 주위로 전파된다. 도시된 실시예에서, WGM(202)은 한 번의 왕복에서 여덟 개의 전체 내부 반사를 갖는다. 빛은 전체 내부 반사의 상이한 개수에 대응하는 다른 WGM에서 미세공진기(210) 내에서 전파될 수 있음을 알 수 있다.

또한, WGM(202)은 빛이 한 번의 왕복 이후 구조적으로 간섭하게 되는 파장을 갖는 높은 Q-값을 나타낼 뿐이다. 달리 말하면, WGM(202) 주위의 광학 경로 길이는 파장의 정수와 동일하다. 도2에 도시된 평면 WGM(202)에서의 빛에 대한 이러한 공진 조건은 수학적으로 다음과 같이 기술될 수 있다:

1λ_l = L (1)

여기에서, λ_l은 진공에서 l번째 모드의 파장이며, L은 WGM의 한 번의 왕복의 광학 길이이고, 1은 모드 번호로 지칭되는 정수이다. 공진 조건(1)을 만족하는 도파로(104)로부터의 광은 효과적으로 미세공진기에 결합된다.

WGM의 전자계 강도는 미세공진기(210)의 내표면에서 피크를 이룬다. WGM의 전자계 강도는 d＝≒λ/n으로 주어지는 특성 지수함수적 감쇠 길이(d)를 갖고서 미세공진기(210) 외부에서 지수함수적으로 감쇠되며, 여기에서 λ는 진공 중에서의 빛의 파장이고 n은 미세공진기(210) 외부에서의 매질의 굴절율이다. 전자계 강도, E는 도2에서, WGM(202)에 대해 단면 라인AA'를 따라서 개략 도시되어 있다.

미세공진기(210)는 통상 20㎛ 내지 수mm의 직경을 갖지만, 보다 바람직하게는 50㎛ 내지 500㎛의 범위의 직경을 갖는다. 또한, 도파로는 도파로 외부에서의 광학 필드 강도를 증가시켜 미세공진기에 결합되는 빛의 양을 증가시키기 위해 종종 테이퍼진다. 광섬유 도파로의 경우에, 섬유는 가열되어 약 1-5㎛의 전체 두께로 테이퍼지거나 에칭될 수 있다. 마찬가지로, 평면 또는 채널 도파로의 경우에, 도파로 두께는 빛이 미세공진기에 결합되는 영역에서 감소될 수 있다. 도파로의 크기가 감소되는 것에 추가적으로, 도파로 주위의 피복의 두께 또한 감소될 수 있다. 미세공진기를 도파로 또는 섬유에 결합하기 위한 다양한 접근법이, 본원에 원용되는, 공동 소유되고 동시 계류중인 미국 특허출원 제10/685,049호에 자세히 논의되어 있다.

이제 도3a 내지 도4c를 참조하여 상이한 형태의 미세공동 공진기를 설명한다. 도4a 내지 도4c에 도시된 WGM(306, 316, 326)의 각각은 단일 개수의 전체 내부 반사만을 갖는 WGM에 대응한다.

도3a는 그 원형 벽(304)에 평행하게 놓이는 종축(302)을 갖는 원통형 미세공진기(300)를 개략 도시한다. 이러한 미세공진기는, 예를 들어 빛이 섬유 축에 수직한 방향으로 섬유의 측면에 접선적으로 결합되는 광섬유를 사용하여 형성될 수 있다. WGM(306)은 점선으로 도시되며, 축(302)에 수직한 평면에 놓인다. 원통형 미세공진기(300)는 축에 수직하지 않은 평면에 놓이는 WGM 모드를 지지하지 않는데, 그 이유는 이러한 빛이 폐쇄 경로를 따르지 않고 공진 공동으로부터 벗어나기 때문이다.

따라서, WGM(306)의 공진 스펙트럼은 도4a에 도시된 것과 유사하며, 이는 주파수, υ함수로서 플로팅된 공진을 도시한다. l번째 공진 모드는 (l+1)번째 공진 모드로부터 자유 스펙트럼 범위(FSR: free spectral range)로도 지칭되는 분리 Δυ만큼 분리되며, 여기에서 Δυ는 WGM(306) 주위에서의 파장 수의 1증가에 대응한다. FSR은 하기 표현에 따라 계산될 수 있으며:

FSR =c/L≒ c/(πnD) (2)

여기에서 c는 진공에서의 빛의 속도이고, n은 미세공동의 굴절율이며, D는 미세공동의 직경이고, πnD는 EWGM의 일회 왕복의 광학 길이에 근사한다.

FSR은 또한 파장으로 표현될 수도 있으며:

FSR(파장) = Δυλ²/c= λ²/(πnD) (3)

여기에서 λ는 진공에서의 빛 파장이다. FSR의 양 정의는 같은 의미로 사용될 수 있다.

다른 EWGM은 상이한 개수의 전체 내부 반사를 가지며, 따라서 도시된 모드의 것과는 다른 광학 경로 길이를 갖는다. 이들 다른 EWGM과 연관된 공진 주파수는 도4a에 도시된 공진 주파수와 다르다.

도3b는 축(312) 상에 배치된 구형 미세공진기(310)를 개략 도시한다. 이러한 미세공진기는 예를 들어 구형 벽(314)을 갖는 유리구(glass sphere)를 사용하여 형성될 수 있다. WGM(316)은 점선으로 도시되며, 축(312)에 수직한 평면에 놓인다. WGM(316)의 공진 스펙트럼은 도4b에 도시된 그래프에 개략 도시되어 있다. 원통형 공진기의 WGM(306)과 같이, 인접하는 공진 사이의 주파수 간격은 Δυ(FSR)에 의해 주어지며, 여기에서 Δυ는 WGM(316) 주위의 전체 정수 파장의 개수의 1 증가에 대응한다. FSR은 상기 표현식(2)에 의해 주어지며, 여기에서 D는 구형 미세공진기(310)의 직경이다.

그러나, 원통형 미세공진기와 달리, 구형 미세공진기(310)는 축(312)에 수직 하게 놓이지 않는 WGM은 지지하지 않는다. 그러한 하나의 WGM(318)은 WGM(316)에 대해 각도 θ로 놓이는 것으로 (점선) 도시되어 있다. 축(312)에 대해 수직하게 놓이는 WGM(316)은 적도 모드로 지칭되고, WGM(318)은 비적도(non-equatorial) 또는 경위(azimuthal) 모드로 지칭된다. 그러나, 미세공진기(310)가 구형이기 때문에, WGM(318)의 경로 길이가 WGM(316)의 경로 길이와 동일하며, 따라서 WGM(318)에 대한 공진 주파수는 WGM(316)에 대한 공진 주파수와 동일하다.

다른 개수의 전체 내부 반사를 갖는 WGM에 대응하는 다른 공진 스펙트럼은 도4b에 도시된 것과 다른 주파수에서 공진을 가질 수 있다.

도3c는 원통형도 구형도 아닌 미세공진기(320)를 개략 도시한다. 도시된 실시예에서, 미세공진기(320)는 타원체형 벽(324)을 갖는다. 미세공진기(320)는 축(322) 상에 배치된다. 적도 WGM(326)은 축(322)에 수직한 평면에 놓이는 점선으로 도시된다. 적도 WGM(326)의 공진중 일부는 도4c에 도시된 그래프에서 공진(327)으로 개략 도시된다. WGM(326)의 인접하는 공진(327) 사이의 주파수 간격은 Δυ(FSR)로 주어지며, 여기에서 Δυ는 적도 WGM(326) 주위에서의 전체 정수 파장의 개수의 1증가에 대응한다. FSR은 상기 표현식(2)에 의해 주어지며, 여기에서 πnD는 EWGM의 일회 왕복의 광학 길이에 근사한다.

모드의 광학 경로가 비적도 경로를 형성하도록 제로에서 각도 θ까지 기울어질 때, 비적도 경로와 연관된 공진은 그러나 적도 모드에 대한 것과 같지 않다. 이는 θ가 제로에서부터 증가할 때 타원형 미세공진기 주위의 경로 길이가 변화하기 때문이다. 즉, 적도 모드에서의 경로 길이는 비적도 모드의 그것과 다르다. 따라서, 다른 비적도 WGM은 θ값에 따라 변화되는 다른 공진 주파수를 갖는다. 따라서, 미세공진기(320)용 공진 스펙트럼은 적도 모드의 공진(327) 사이 영역에 "끼워지는(fit-in)" 비적도 모드용의 많은 공진(329)을 갖는다. 도4c에는 비적도 공진중 일부만이 포함되어 있으며 도4c에서의 비적도 공진(329)의 표시는 정성적(qualitative) 목적으로만 주어짐에 유의해야 한다. 적도 공진과 비적도 공진 사이를 구별짓기 위해 도4c에서 비적도 공진(329)의 크기는 적도 공진(327)의 크기보다 작은 것으로 나타나 있다. 그러나, 비적도 공진(329)이 적도 공진(327)과 다른 Q-값을 갖는 것을 나타내려는 의도는 전혀 없다.

비적도 모드를 생성하기 위해서는 여러가지 다른 형상의 미세공진기 공동이 사용될 수 있으며, 그 중 두 개의 특별한 예가 도5a 및 도5b에 제공되어 있다. 도5a에서, 미세공진기(500)는 축(502) 주위에 형성된다. 미세공진기(500)는 원통형 영역(504)의 양쪽에 평행한 벽을 갖는 원통형 영역(504) 및 테이퍼진 영역(506)을 갖는다. 테이퍼진 영역(506)은 미세공진기(500)의 최대 폭보다 좁은 평행한 벽을 갖는 네크(508)로 이어질 수 있다. 원통형 영역(504)의 길이는 임의의 적절한 길이, 예를 들면 0 내지 100㎛ 범위일 수 있다.

원통형 영역(504)의 길이가 제로일 때, 미세공진기(520)는 도5b에 개략 도시된 형상을 갖는다. 테이퍼진 영역(506)의 프로파일은 필요에 따라 선택될 수 있으며, 테이퍼진 영역(506)의 물리적 프로파일과 원통형 영역(504)의 길이는 미세공동용 공진 스펙트럼에 영향을 미친다. 종축으로부터 측정되는 미세공진기의 반경(r)이 z방향으로, 축을 따른 위치의 하나 이상의 값에 있어서 최대값에 도달하지만 프 로파일이 비구형 및 비원통형인 이들 미세공진기(500, 520)는 비적도 모드에서 풍부한 공진 스펙트럼을 제공한다.

안정적인 비적도 공진 모드를 위해서, 반경(r)은 미세공진기에서 최대값을 나타내며, 이는 비적도 모드에서 빛을 트랩하는 것을 보조하며, 따라서 높은 Q값을 유지한다. 반경(r)이 미세공진기에서 최소값을 나타내면, 빛은 미세공진기로부터 보다 신속히 이탈할 수 있으며, 따라서 Q값이 낮아진다. 비구형 및 비원통형이고 최대 r값을 나타내는 미세공진기 공동을 이하에서 벌지형 미세공진기 공동으로 지칭한다.

벌지형 미세공진기 공동은 다양한 상이한 방법을 사용하여 제작될 수 있다. 하나의 접근법은 벌지형 공동 부재를 유리 섬유로 형성하는 것이다. 유리 섬유의 섹션은 예를 들어 이산화탄소 레이저를 사용하여 가열되고, 네크형 영역을 형성하기 위해 연신된다. 이 방법의 특별한 예에서, Coming SMF28 광통신 섬유의 길이는, 벌지형 공동이 제조될 섬유의 길이를 따라서 보호 커버링을 제거함으로써 처리된다. 이는 125㎛의 직경을 갖는 섬유 피복을 노출시켰다. 섬유의 노출된 섹션은 섬유에 대해 비교적 일정한 장력을 유지하기 위해 반대로 이동하게 되어있는 두 개의 전환 스테이지 사이에서 연신되었다. 섬유의 장력은 스트레인 게이지를 사용하여 감시되었다. 50 W 이산화탄소 레이저로부터의 출력은 렌즈를 통해서 섬유의 짧은 섹션에 포커싱되었다. 렌즈는 또한 섬유의 길이를 따라서 이동할 수 있도록 전환 스테이지에 장착되었다.

레이저는 빔이 포커싱되는 지점에서 유리 섬유의 연화를 초래하였다. 섬유 에 인가되는 장력은 섬유를 연화된 영역에서 연신시킴으로써 그 직경을 감소시킨다. 단일 테이퍼를 형성하기 위해 레이저 빔은 2.4mm/sec의 속도로 0.3mm 거리에 걸쳐서 전후로 스캐닝되었다. 섬유는 그 길이가 10mm 증가할 때까지 0.01mm/sec의 속도로 연신되었다. 이 과정 중에 레이저로부터의 파워는 섬유에 0.2g의 예비설정된 장력을 유지하도록 제어되었다.

두 테이퍼 사이에 벌지형 공동을 형성하도록 동일한 방법을 사용하여 섬유를 따라서 10mm 지점에서 제2 테이퍼가 형성되었다. 섬유에 벌지형 공동의 스트링을 형성하도록 이 과정을 반복하였다. 테이퍼진 영역은 대략 30㎛의 직경을 가지며, 벌지형 공동의 직경은 약 125㎛였다.

결과적인 벌지형 공동은 하기와 같이 특징지어질 수 있다. 튜닝가능한 다이오드 레이저로부터의 광은 테이퍼진 광섬유에 쏘아진다. 광은 섬유 테이퍼로부터 벌지형 공동에 결합된다. 실험 장치가 도6에 도시되어 있으며, 이는 벌지형 공동(602)이 형성된 SFM28 섬유(600)를 도시한다. 라인(604)은 벌지형 공동(602)에 빛을 결합시키는데 사용되는 섬유 테이퍼의 경로를 나타낸다.

섬유 테이퍼를 따라서 투과되는 광을 감시하기 위해, 하나의 검출기가, 도1c에 도시된 검출기(106)와 유사한 방식으로, 섬유 테이퍼 및 벌지형 공동을 지나서 사용되었다. 벌지형 공동으로부터 산란된 광을 측정하기 위해, 제2 검출기(172)에 대해 도1c에 도시된 것과 유사한 위치에 제2 검출기가 배치되었다. 도7은 레이저가 높은 스펙트럼 해상도로 15pm의 스펙트럼 범위에 걸쳐서 스캐닝될 때 발생되는 투과 스펙트럼(상부 라인) 및 산란 스펙트럼(하부 라인)을 도시한다. 얻어지는 최 고 Q-값은 대략 3.4×10⁶이다. 도8a는 630nm-633nm의 범위에 걸친, 보다 큰 스펙트럼 스케일의 산란 스펙트럼을 도시하고, 도8b는 보다 작은 631.2nm-632.0nm 범위에 걸친, 산란 스펙트럼을 도시한다. 벌지형 공동은 여러가지 비적도 모드를 지지한다.

비교를 위해서, 원통형 미세공진기의 모드 구조 역시 특징지어진다. 원통형 공진기는 SFM28 섬유를 도9a에 도시하듯이 섬유의 원통형 부분이 테이퍼진 섬유 커플러에 결합되도록 이동시킴으로써 얻어진다. 도9b는 25pm 범위에 걸친 원통형 미세공진기의 투과 및 산란 스펙트럼을 도시한다. 비교를 위해, 벌지형 공동은 도7에 도시하듯이, 비견될 수 있는 파장 범위 내에서 많은 보다 큰 공진을 나타낸다.

마찬가지로, 원통형 공진기는 레이저가 630nm-633nm의 범위에 걸쳐서 스캐닝될 때(도9c) 벌지형 공동(도8)에 비해 적은 공진을 나타낸다. 도9c에서, 약 0.25V의 레벨에서 검출되는 구조는 노이즈이며, 공진 모드는 크고 좁은 스파이크(910)를 보여준다. 다시, 주어진 파장 범위에서 네 개의 벌지형 미세공동에 비해 적은 모드가 존재한다.

다수의 벌지형 미세공동의 사용에 기초한 센서 어레이(1000)의 일 예가 도10에 개략 도시되어 있다. 다수의 도파로(1002)는 광원(도시되지 않음)으로부터 광(1001)을 수용한다. 도파로(1002)는 기판(1004) 상에 배치될 수 있다. 도파로(1002) 위에는 다수의 벌지형 미세공동(1008)을 구비하는 제1 벌지형 공동 부재(1006)가 배치된다. 벌지형 미세공동(1008)은 도파로(1002)와 동일한 간격으로 이격되어 있으며, 따라서 상이한 벌지형 미세공동(1008a, 1008b, 1008c)은 각각의 도파로(1002a, 1002b, 1002c)에 광학적으로 결합한다. 벌지형 공동 부재(1006)는 또한, 예를 들어 Cranbury, New Jersey 소재의 Norland Products로부터 입수가능한 Norland Optical Adhesive 61과 같은 접착제(1010)를 사용하여 기판(1004)에 부착될 수 있다. 추가 벌지형 공동(1014)을 갖는 추가 벌지형 공동 부재(1012)는 도파로(1002)로부터의 광을 벌지형 공동에 결합하기 위해 배치될 수 있다.

종래의 원통형 미세공진기에서, 도파로로부터 미세공진기로의 광 결합은 도파로와 미세공진기 사이의 정렬에 민감하며, 광이 미세공진기의 적도 모드에서 주사되지 않으면, 광은 낮은 Q 모드에 진입하여 신속히 소실될 수 있다. 그러나 벌지형 공동 부재(1006)로의 광 결합은 벌지형 공동(1008)과 도파로(1002) 사이의 정렬에 덜 민감한 바, 그 이유는 벌지형 공동(1008)이 원통형 미세공동에서와 같이 2차원이 아닌 3차원적 광 감금을 제공하기 때문이다. 또한, 원통형 미세공동이 예를 들어 광섬유로 형성될 때 원통형 축을 따라서 큰 측방 정도를 가질 수 있더라도, 원통형 미세공동에 광을 결합시키는 도파로는 비교적 좁다. 비교적 넓은 도파로는 더 많은 수의 횡단 모드를 지지하며, 따라서 도파로로부터의 광이 원통형 미세공동의 비적도 WGM에 진입하여 소실될 가능성을 증대시킨다. 그러나, 보다 넓은 도파로가 벌지형 미세공동과 함께 사용될 수 있는 바, 이는 벌지형 미세공동의 3차원 감금 특성이, 높은 Q를 갖는 비적도 모드의 효과적인 여기를 허용하기 때문이다. 보다 넓은 도파로의 사용은 광원과 도파로 사이 및 도파로와 미세공동 사이에서의 광의 광학 결합 효율을 향상시킬 수 있다.

벌지형 공동 미세공진기는 3차원 광 감금 및 고 Q-값을 포함하는 여러가지 바람직한 광학 특성을 유지한다. 미세구에 비하면, 벌지형 공동은 크기와 형상에 있어서 보다 쉽게 대량 생산될 수 있으며, 예정된 위치에서 도파로 어레이와 정렬될 수 있다. 또한, 벌지형 공동의 사용은 WGM에서의 광과 미세공동 외부의 형광 사이의 상호작용이 존재하는 보다 큰 상호작용 표면적의 사용을 초래할 수 있다. 이러한 상호작용은 효과적인 검체 포착의 증가, 및 이에 부수하여 감도의 증가를 초래할 수 있다.

연화된 광섬유를 잡아당겨 벌지형 미세공동을 만드는 것 이외에, 벌지형 공동은 또한 예를 들어 몰딩과 같은 다른 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 미세공동을 형성하는데 사용되는 재료는, 고Q 미세공동에 적합한 예를 들어 낮은 흡수 및 산란 손실과 같은 광학 특성을 갖는 임의의 적적하게 몰딩가능한 재료일 수 있다. 몰딩가능한 재료로서는 폴리머가 사용될 수 있는 바, 예를 들면 폴리메틸 메타크릴레이트와 같은 아크릴레이트, 디메틸폴리실록산과 같은 폴리실록산이 사용될 수 있다. 적절한 폴리실록산의 예로는 Midland, Michigan 소재의 Dow Corning으로부터 입수가능한 Q3-6696 UV경화성 폴리실록산 또는 SYLGARD 184, Tokyo, Japan 소재의 Shin-Etsu로부터 입수가능한 OF-206, 또는 Flint, Michigan 소재의 Genesee Polymers로부터 입수가능한 GP-554가 포함된다. 다른 적절한 폴리머로는 Collierville, Tennessee 소재의 AOC에 의해 공급되는 Vicast™과 같은 폴리에스테르가 포함된다. 폴리머의 사용은 1000을 초과하는 Q값을 갖는 미세공동의 제작을 가능하게 하며, 5×10⁶까지의 값이 보고되었다.

몰딩된 벌지형 미세공동에는 조작을 용이하게 하기 위한 부착 지지 부재가 제공될 수 있으며, 지지 부재는 하나 이상의 다른 벌지형 공동을 지지할 수 있다. 벌지형 미세공동의 몰딩 세트(1100)의 일 예가 도11a에 개략 도시되어 있는 바, 이는 횡단 지지 부재(1108)를 통해서 다수의 벌지형 미세공동(1104)을 지지하는 지지 부재(1102)를 도시한다. 몰딩 기술의 사용은 광범위한 벌지형 미세공동 형상의 제작을 가능하게 하며, 따라서 벌지형 미세공동(1104)의 형상은 단지 도시를 위해 제공된 것임을 알아야 한다. 또한, 지지 부재(1102)는 여러가지 다른 형상으로 형성될 수 있으며, 다른 개수의 벌지형 미세공동(1104)을 지지할 수 있다. 또한, 몰딩된 미세공동 세트는 도파로(1002)의 어레이와 함께 사용될 수 있다. 도시된 실시예에서, 벌지형 미세공동(1104)은 그럴 필요는 없지만 공통 종축(1106)을 공유하며, 미세공동(1104)은 각각 다른 종축을 가질 수 있다. 횡단 지지 부재(1108)는 축(1106)을 횡단하는 부품을 갖는 방향으로 연장된다.

폴리머 미세공동을 형성하기 위한 다른 접근법은 예를 들어 도11b에 도시하듯이 벌지형 미세공동(1124)의 연속 선형 어레이(1120)를 몰딩하는 것이다. 벌지형 미세공동(1124)은 연결 영역(1122)을 통해서 연결된다. 선형 어레이(1120)는 어레이(1100)의 일 단부 또는 양 단부(1126)에 부착되는 지지 부재(도시되지 않음)에 의해 외부 지지될 수 있다. 이러한 선형 어레이는 예를 들어 몰딩가능한 재료로 완전히 형성되도록 제작될 수 있다.

다른 접근법에서, 벌지형 미세공동은 다른 재료로 형성된 코어를 둘러싸는 폴리머 외층을 몰딩함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 벌지형 미세공동을 위한 출발 재료는 예를 들어 실리카 유리 코어와 같은 폴리머-코팅된 유리 코어일 수 있다. 폴리머 외층은 벌지형 공동(1124)을 형성하는 벌지를 생산하도록 몰딩된다. WGM은 폴리머 외층 내에 주로 놓이거나, 폴리머 외층 내에 완전히 놓일 수 있다.

따라서, 본 발명은 전술한 특정 예에 한정되는 것으로 간주되어서는 안되며, 대신에 청구범위에 나타난 본 발명의 모든 특징을 커버하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명이 적용될 수 있는 다양한 변형예, 균등한 방법뿐 아니라 수많은 구조는 본 명세서를 검토할 때 당업자에게 쉽게 명백할 것이다. 청구범위는 이러한 변형예 및 장치를 커버하기 위한 것이다.

Claims (34)

1. 상호 이격된 적어도 제1 및 제2 광 도파로,

   적어도 제1 및 제2 벌지형 미세공동으로 형성되고 상기 제1 및 제2 광 도파로를 가로질러 연장되는 제1 벌지형 미세공동 부재, 및

   상기 제1 및 제2 벌지형 미세공동 각각과 연관된 광을 검출하기 위해 배치되는 적어도 제1 및 제2 광 검출기를 포함하고,

   상기 제1 벌지형 미세공동은 광을 제1 벌지형 미세공동과 제1 광 도파로 사이에서 광학 결합하기 위해 제1 광 도파로 근처에 배치되며,

   상기 제2 벌지형 미세공동은 광을 제2 벌지형 미세공동과 제2 광 도파로 사이에서 광학 결합하기 위해 제2 광 도파로 근처에 배치되는 미세공진기 어레이 장치.
2. 상호 이격된 적어도 제1 및 제2 광 도파로, 및

   적어도 제1 및 제2 벌지형 미세공동으로 형성되고 상기 제1 및 제2 광 도파로를 가로질러 연장되는 제1 벌지형 미세공동 부재를 포함하며,

   상기 제1 벌지형 미세공동은 광을 제1 벌지형 미세공동과 제1 광 도파로 사이에서 광학 결합하기 위해 제1 광 도파로 근처에 배치되고,

   상기 제2 벌지형 미세공동은 광을 제2 벌지형 미세공동과 제2 광 도파로 사이에서 광학 결합하기 위해 제2 광 도파로 근처에 배치되며,

   상기 제1 벌지형 미세공동 부재는 길이를 갖는 세장형 부재로 형성되고, 상기 제1 및 제2 벌지형 미세공동은 제1 벌지형 미세공동 부재의 길이를 따라서 서로 다른 위치에 배치되는 미세공진기 어레이 장치.
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