(57)【要約】      （修正有）【課題】ファイバブラッググレーティングタイプの設計と同等である光ファイバベースのひずみゲージ、ただし、放出光の波長選択性、レーザ光源の有無での動作、および同じ光ファイバ上での複数のひずみセンサとの相互作用の利点を有する、ひずみセンサ、システム、ならびに製造および使用方法を提供する。【解決手段】光ファイバ２０と、光ファイバを介して光信号を送出する光信号発生器４０と、光ファイバの第１のセグメントによって分離された光ファイバ内の少なくとも２つのフォトニック結晶スラブ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅと、少なくとも２つのフォトニック結晶スラブからの反射光信号を検出する光検出器５０と、光検出器によって検出された反射光信号に基づいて光ファイバの第１のセグメントにわたって機械的ひずみを計算するプロセッサ６０とを備える。【選択図】図１
2014112082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ（２０）と、
前記光ファイバ（２０）を介して光信号を送出する光信号発生器（４０）と、
光ファイバ（２０）の第１のセグメント（２２Ａ）によって分離された前記光ファイバ（２０）内の少なくとも２つのフォトニック結晶スラブ（３０Ａ、３０Ｂ）と、
前記少なくとも２つのフォトニック結晶スラブ（３０Ａ、３０Ｂ）からの反射光信号を検出する光検出器（５０）と、
前記光検出器（５０）によって検出された前記反射光信号に基づいて光ファイバ（２０）の前記第１のセグメント（２２Ａ）にわたって機械的ひずみを計算するプロセッサ（６０）と
を備える、ひずみセンサシステム。
【請求項２】
前記光ファイバ（２０）および前記光ファイバ（２０）の前記第１のセグメント（２２Ａ）が、融解石英の通信グレードファイバをさらに備える、請求項１に記載のひずみセンサシステム。
【請求項３】
前記光信号発生器（４０）がレーザを備える、請求項１または２に記載のひずみセンサシステム。
【請求項４】
前記光信号発生器（４０）が発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のひずみセンサシステム。
【請求項５】
前記少なくとも２つのフォトニック結晶スラブ（３０Ａ、３０Ｂ）のそれぞれが、複数の孔（３２）を含むモノリシックのフォトニック結晶格子をさらに含む、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のひずみセンサシステム。
【請求項６】
前記複数の孔（３２）のそれぞれが、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって形成され、直径が０．２５μｍ〜１．０μｍの間であり、前記モノリシックフォトニック結晶格子の厚さが、４００μｍ〜５００μｍの間である、請求項５に記載のひずみセンサシステム。
【請求項７】
前記光ファイバ（２０）内に光ファイバの複数のセグメント（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）をさらに備え、光ファイバの前記複数のセグメント（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）のそれぞれが、前記光ファイバ（２０）内のフォトニック結晶スラブ（３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ）の対応する対によって境界づけられ、フォトニック結晶スラブ（３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ）の前記対応する対のそれぞれが、ファブリペロー（エタロン）干渉計を形成する、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のひずみセンサシステム。
【請求項８】
前記光検出器（５０）が、前記光ファイバ（２０）内のフォトニック結晶スラブ（３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ）のそれぞれの対応する対から反射した光信号を検出し、
前記プロセッサ（６０）が、それぞれの反射光信号に基づいて、光ファイバの前記複数のセグメント（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）のそれぞれにわたって前記機械的ひずみを計算する、請求項７に記載のひずみセンサシステム。
【請求項９】
前記光信号発生器（４０）が、複数の波長固有の光信号を生成し、各波長固有の光信号が、前記光ファイバ（２０）内のフォトニック結晶スラブ（３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ）の所定の対応する対に対応する、請求項７に記載のひずみセンサシステム。
【請求項１０】
前記光ファイバ（２０）が、クラッド（２６）によって囲まれた中心コア（２４）をさらに備え、前記少なくとも２つのフォトニック結晶スラブ（３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ）のそれぞれが、前記光ファイバ（２０）の前記中心コア（２４）のかなりの部分に干渉するように配置される、請求項１ないし９のいずれか一項に記載のひずみセンサシステム。
【請求項１１】
光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを製造する方法であって、
第１の端部を有する第１の融解石英の通信グレード光ファイバ（２０）を設けることと、
直径が０．２５μｍ〜１．０μｍの間の複数の孔（３２）を含む第１のフォトニック結晶格子を前記第１の光ファイバの前記第１の端部に連結すること（１００）と、
第１および第２の端部を有する第２の融解石英の通信グレード光ファイバを設けること（１０４）と、
前記第２の光ファイバの前記第１の端部または前記第２の端部のうちの一方を前記第１のフォトニック結晶格子に連結すること（１０６）と、
直径が０．２５μｍ〜１．０μｍの間の複数の孔を含む第２のフォトニック結晶格子を前記第２の光ファイバのもう一方の端部に連結すること（１０８）と
を含み、
前記第１および第２のフォトニック結晶格子が、前記第２の光ファイバ（１０４）の前記第１の端部と第２の端部の間の前記光ファイバ内にファブリペロー（エタロン）干渉計を形成する（１１０）、方法。
【請求項１２】
光ファイバのセグメントによって分離されたフォトニック結晶格子の対応する対をそれぞれが含む、複数のファブリペロー（エタロン）干渉計を前記光ファイバ内に設けること（１１２）をさらに含む、請求項１１に記載の光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを製造する方法。
【請求項１３】
フォトニック結晶格子の第１の対応する対を、第１の光学波長を有する第１の送出光信号に対して感度が高くなるよう調整することと、
フォトニック結晶格子の第２の対応する対を、第２の光学波長を有する第２の送出光信号に対して感度が高くなるよう調整することと、
フォトニック結晶格子の前記第１の対応する対とフォトニック結晶格子の前記第２の対応する対とを光ファイバ（２０）のそれぞれのセグメント間で連結して、それぞれ第１および第２の波長に調整されたファブリペロー（エタロン）干渉計を形成することと
をさらに含む、請求項１２に記載の光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを製造する方法。
【請求項１４】
光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを使用してひずみを測定する方法であって、
光ファイバ（２０）内に配置された少なくとも１対のフォトニック結晶ウェーハを含む前記光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを設けることであって、前記少なくとも１対のフォトニック結晶ウェーハが光ファイバのセグメントによって分離されること（２００）と、
光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの少なくとも第１の部分を表面の第１の部分に取り付けることであって、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの前記第１の部分が、前記少なくとも１対のフォトニック結晶ウェーハのうちの第１のフォトニック結晶ウェーハを含むこと（２０２）と、
光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの少なくとも第２の部分を前記表面の第２の部分に取り付けることであって、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの前記第２の部分が、前記少なくとも１対のフォトニック結晶ウェーハのうちの第２のフォトニック結晶ウェーハを含むこと（２０４）と、
第１の波長を有する第１の光信号を、前記少なくとも１対のフォトニック結晶ウェーハに対応する第１の方向に送出すること（２０６）と、
前記光ファイバ内の前記第１の方向とは逆の方向に前記少なくとも１対のフォトニック結晶ウェーハから反射した前記第１の光信号を受光すること（２０８）と、
前記少なくとも１対のフォトニック結晶ウェーハのうちの前記フォトニック結晶ウェーハのそれぞれから反射した前記第１の光信号に基づいてひずみ測定値を計算すること（２１０）と
を含む、方法。
【請求項１５】
前記光ファイバ内に配置された第２の対のフォトニック結晶ウェーハを含む前記光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを設けることであって、前記第２の対のフォトニック結晶ウェーハが光ファイバの他のセグメントによって分離されること（３００）と、
光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第３の部分を前記表面の第３の部分に取り付けることであって、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの前記第３の部分が、前記第２の対のフォトニック結晶ウェーハのうちの第１のフォトニック結晶ウェーハを含むこと（３０２）と、
光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの少なくとも第４の部分を前記表面の第４の部分に取り付けることであって、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの前記第４の部分が、前記第２の対のフォトニック結晶ウェーハのうちの第２のフォトニック結晶ウェーハを含むこと（３０４）と、
第２の波長を有する第２の光信号を、前記第２の対のフォトニック結晶ウェーハに対応する前記第１の方向に送出すること（３０６）と、
前記光ファイバ内の前記第１の方向とは逆の方向に前記第２の対のフォトニック結晶ウェーハから反射した前記第２の光信号を受光すること（３０８）と、
前記第２の対のフォトニック結晶ウェーハのうちの前記フォトニック結晶ウェーハのそれぞれから反射した前記第２の光信号に基づいて第２のひずみ測定値を計算すること（３１０）と
をさらに含む、請求項１４に記載の光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを使用してひずみを測定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において提示される技術分野は、光ファイバの長さ分だけ分離された、少なくとも１対の光学的に結合されたフォトニック結晶スラブを含む光ファイバセンサを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
従来、ファイバブラッググレーティングセンサは、ほとんどの状況において最適な光センサである。これら従来のセンサを製造するには、光ファイバクラッドを取り除き、光ファイバコアを修正し、その修正に続いてファイバクラッドを置き換える必要がある。クラッドを取り除くことを必要とせずにファイバ内の屈折率を修正できる、より新しい方法が開発されてきたが、これらの構造法により、製造が困難になり、コストが増えることになる。他のタイプのセンサは、光ファイバ素線を材料に取り付けること、および伝送光における変動を探そうとすることを含むが、これらのタイプのセンサは、光ファイバ素線の両側に結びつけられた光送信システムおよび光受信システムを必要とする。
【０００３】
他の手法では、光ガラスファイバの全長に沿って既に存在する不連続性に着目し、自然のブラッググレーティングシステムの形態として光ファイバ自体を使用する。これを実行するのに必要となる装置は、高価で複雑であることが分かってきており、他のセンサが同じファイバ上で動作できるようにするのに適していないように思われる。
【０００４】
光ファイバセンサとは対照的に、電気ベースのセンサおよびシステムは、このような環境からの脅威の影響をはるかに受けやすいと考えられており、またマルチセンサフックアップに単一接続を提供するものはないと思われる。光ファイバによる解決策により、ＥＭＩ、ＲＦＩ、雷に耐性があるという利点が得られ、電気ベースのセンサが最適に機能することのない危険な環境において光ファイバを使用することが可能になる。
【０００５】
他の概念では、一片の光ファイバによって分離されたＴｉＯ２誘電体ミラーを使用するファブリペロー干渉計の作製を必要とする。このタイプのセンサは本質的に、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースのファブリペロー干渉計と機能が類似している、はるかに大きいミラー間構造を作製する。しかし、ＴｉＯ２誘電体ミラーの使用は、その使用に際して、動作光波長の狭いスペクトルだけに限定される。
【０００６】
ファイバブラッググレーティングタイプの設計と同等である光ファイバベースのひずみゲージ、ただし、放出光の波長選択性、レーザ光源の有無での動作、および同じ光ファイバ上での複数のひずみセンサとの相互作用の利点を有する、ひずみゲージが必要である。本明細書の開示が提示されるのは、上記その他の考慮すべき問題についてである。
【発明の概要】
【０００７】
この発明の概要は、発明を実施するための形態において以下でさらに説明する簡略化された形態での選ばれた概念を紹介するために提供されることを理解すべきである。この発明の概要は、特許請求される主題の範囲を限定するために使用されるものではない。
【０００８】
本明細書において開示される一態様は、光ファイバと、光ファイバを介して光信号を送出する光信号発生器と、光ファイバの第１のセグメントによって分離された光ファイバ内の少なくとも２つのフォトニック結晶スラブと、少なくとも２つのフォトニック結晶スラブからの反射光信号を検出する光検出器と、光検出器によって検出された反射光信号に基づいて光ファイバの第１のセグメントにわたって機械的ひずみを計算するプロセッサとを備えるひずみセンサシステムを含む。
【０００９】
本明細書において開示される他の態様は、第１の端部および第２の端部を有する光ファイバと、この光ファイバのセグメント間に配置された少なくとも１対のフォトニック結晶格子とを備えるフォトニック結晶ひずみセンサを含む。
【００１０】
本明細書において開示される他の態様は、第１の端部を有する第１の融解石英の通信グレード光ファイバを設けることを含む、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを製造する方法を含む。直径が０．２５μｍ〜１．０μｍの間の複数の孔を含む第１のフォトニック結晶格子が、第１の光ファイバの第１の端部に連結される。第１の端部および第２の端部を有する、第２の融解石英の通信グレード光ファイバが設けられる。第２の光ファイバの第１の端部または第２の端部のうちの一方が、第１のフォトニック結晶格子に連結され、直径が０．２５μｍ〜１．０μｍの間の複数の孔を含む第２のフォトニック結晶格子が、第２の光ファイバのもう一方の遠位端に連結される。これらの第１および第２のフォトニック結晶格子は、第２の光ファイバの第１の端部と第２の端部との間の光ファイバ内に、ファブリペロー（エタロン）干渉計を形成する。
【００１１】
本明細書において開示された別の態様は、光ファイバに配置され、光ファイバのセグメントによって分離されている１対のフォトニック結晶ウェーハを備える光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを実現することを含む。光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第１の部分が、表面の第１の部分に取り付けられ、ここで、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第１の部分が、１対のフォトニック結晶ウェーハのうちの第１のフォトニック結晶ウェーハを備える。光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第２の部分が、表面の第２の部分に取り付けられ、ここで、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第２の部分が、１対のフォトニック結晶ウェーハのうちの第２のフォトニック結晶ウェーハを備える。第１の波長を有する第１の光信号が、１対のフォトニック結晶ウェーハに対応する第１の方向に送出される。次いで、第１の光信号が受光され、光ファイバにおける第１の方向とは逆の方向に、１対のフォトニック結晶ウェーハから反射して戻る。次いで、１対のフォトニック結晶ウェーハのうちのフォトニック結晶ウェーハのそれぞれから反射した第１の光信号に基づいて、ひずみ測定値が計算される。
【００１２】
本発明の一態様によれば、光ファイバと、光ファイバを介して光信号を送出する光信号発生器と、光ファイバの第１のセグメントによって分離された光ファイバ内の少なくとも２つのフォトニック結晶スラブと、少なくとも２つのフォトニック結晶スラブからの反射光信号を検出する光検出器と、光検出器によって検出された反射光信号に基づいて光ファイバの第１のセグメントにわたって機械的ひずみを計算するプロセッサとを備えるひずみセンサシステムが提供される。
【００１３】
有利には、光ファイバおよび光ファイバの第１のセグメントはさらに、融解石英の通信グレードファイバを含む。
【００１４】
有利には、光信号発生器はレーザを備える。
【００１５】
有利には、光信号発生器は発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える。
【００１６】
有利には、少なくとも２つのフォトニック結晶スラブのそれぞれがさらに、複数の孔を含むモノリシックフォトニック結晶格子を備える。
【００１７】
好ましくは、複数の孔のそれぞれは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって形成され、その直径は０．２５μｍ〜１．０μｍの間であり、モノリシックフォトニック結晶格子の厚さは、４００μｍ〜５００μｍの間である。
【００１８】
有利には、センサシステムは、光ファイバ内に光ファイバの複数のセグメントをさらに備え、光ファイバの複数のセグメントのそれぞれが、光ファイバ内のフォトニック結晶スラブの対応する対によって境界づけられ、ここで、フォトニック結晶スラブの対応する対のそれぞれが、ファブリペロー（エタロン）干渉計を形成する。
【００１９】
光検出器が、光ファイバ内のフォトニック結晶スラブの、それぞれの対応する対から反射した光信号を検出し、プロセッサが、それぞれの反射光信号に基づいて、光ファイバの複数のセグメントそれぞれにわたって機械的ひずみを計算することが好ましい。
【００２０】
有利には、光信号発生器は、複数の波長固有の光信号を生成し、ここで、各波長固有の光信号は、光ファイバ内のフォトニック結晶スラブの所定の対応する対に対応する。
【００２１】
有利には、光ファイバは、クラッドによって囲まれた中心コアをさらに備えており、ここで、少なくとも２つのフォトニック結晶スラブのそれぞれが、光ファイバの中心コアのかなりの部分に干渉するように配置される。
【００２２】
本開示の別の態様によれば、第１の端部および第２の端部を有する光ファイバと、この光ファイバのセグメント間に配置された少なくとも１対のフォトニック結晶格子とを備えるフォトニック結晶ひずみセンサが提供される。
【００２３】
有利には、光ファイバおよび光ファイバのセグメントはさらに、融解石英の通信グレードファイバを含む。
【００２４】
有利には、少なくとも１対のフォトニック結晶格子のそれぞれがさらに、複数の孔を含む。
【００２５】
好ましくは、複数の孔のそれぞれは、直径が０．２５μｍ〜１．０μｍの間であり、ここで、少なくとも１対のフォトニック結晶格子のそれぞれは、厚さが４００μｍ〜５００μｍの間である。
【００２６】
有利には、少なくとも１対のフォトニック結晶格子が、ファブリペロー（エタロン）干渉計を形成する。
【００２７】
有利には、光ファイバはさらに、クラッドによって囲まれた中心コアを備えており、ここで、少なくとも１対のフォトニック結晶格子が、光ファイバの中心コアのかなりの部分に干渉するように配置される。
【００２８】
有利には、複数対のフォトニック結晶格子が、光ファイバの対応するセグメント間に配置される。
【００２９】
本開示のさらなる態様によれば、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを製造する方法であって、第１の端部を有する第１の融解石英の通信グレード光ファイバを設けることと、直径が０．２５μｍ〜１．０μｍの間の複数の孔を含む第１のフォトニック結晶格子を第１の光ファイバの第１の端部に連結することと、第１および第２の端部を有する第２の融解石英の通信グレード光ファイバを設けることと、第２の光ファイバの第１の端部または第２の端部のうちの一方を第１のフォトニック結晶格子に連結することと、直径が０．２５μｍ〜１．０μｍの間の複数の孔を含む第２のフォトニック結晶格子を第２の光ファイバのもう一方の端部に連結することとを含み、第１および第２のフォトニック結晶格子が、第２の光ファイバの第１の端部と第２の端部の間の光ファイバ内にファブリペロー（エタロン）干渉計を形成する、方法が提供される。
【００３０】
有利には、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを製造する方法は、光ファイバのセグメントによって分離された、フォトニック結晶格子の対応する対をそれぞれが含む、複数のファブリペロー（エタロン）干渉計を光ファイバ内に設けることをさらに含む。
【００３１】
好ましくは、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを製造する方法は、フォトニック結晶格子の第１の対応する対を、第１の光学波長を有する第１の送出光信号に対して感度が高くなるよう調整することと、フォトニック結晶格子の第２の対応する対を、第２の光学波長を有する第２の送出光信号に対して感度が高くなるよう調整することと、フォトニック結晶格子の第１の対応する対とフォトニック結晶格子の第２の対応する対とを光ファイバのそれぞれのセグメント間で連結して、それぞれ第１および第２の波長に調整されたファブリペロー（エタロン）干渉計を形成することとをさらに含む。
【００３２】
本開示のさらに別の態様によれば、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを使用してひずみを測定する方法であって、光ファイバ内に配置された少なくとも１対のフォトニック結晶ウェーハを含む光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを設けることであって、この少なくとも１対のフォトニック結晶ウェーハが光ファイバのセグメントによって分離されることと、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの少なくとも第１の部分を表面の第１の部分に取り付けることであって、この光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第１の部分が、少なくとも１対のフォトニック結晶ウェーハのうちの第１のフォトニック結晶ウェーハを含むことと、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの少なくとも第２の部分を表面の第２の部分に取り付けることであって、この光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第２の部分が、少なくとも１対のフォトニック結晶ウェーハのうち第２のフォトニック結晶ウェーハを含むことと、第１の波長を有する第１の光信号を、少なくとも１対のフォトニック結晶ウェーハに対応する第１の方向に送出することと、光ファイバ内の第１の方向とは逆の方向に少なくとも１対のフォトニック結晶ウェーハから反射した第１の光信号を受光することと、少なくとも１対のフォトニック結晶ウェーハのうちのフォトニック結晶ウェーハのそれぞれから反射した第１の光信号に基づいてひずみ測定値を計算することとを含む、方法が提供される。
【００３３】
好ましくは、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを使用してひずみを測定する方法は、光ファイバ内に配置された第２の対のフォトニック結晶ウェーハを含む光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを設けることであって、この第２の対のフォトニック結晶ウェーハが光ファイバの他のセグメントによって分離されることと、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第３の部分を表面の第３の部分に取り付けることであって、この光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第３の部分が、第２の対のフォトニック結晶ウェーハのうちの第１のフォトニック結晶ウェーハを含むことと、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの少なくとも第４の部分を表面の第４の部分に取り付けることであって、この光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第４の部分が、第２の対のフォトニック結晶ウェーハのうちの第２のフォトニック結晶ウェーハを含むことと、第２の波長を有する第２の光信号を、第２の対のフォトニック結晶ウェーハに対応する第１の方向に送出することと、光ファイバ内の第１の方向とは逆の方向に第２の対のフォトニック結晶ウェーハから反射した第２の光信号を受光することと、第２の対のフォトニック結晶ウェーハのうちのフォトニック結晶ウェーハのそれぞれから反射した第２の光信号に基づいて第２のひずみ測定値を計算することをさらに含む。
【００３４】
議論してきた各特徴、機能、および利点は、本開示の様々な実施形態において独立して実現することができ、または、さらに他の実施形態においては組み合わせることができ、これら実施形態のさらなる詳細は、以下の説明および図面を参照して理解することができる。
【００３５】
本明細書において提示される各実施形態は、詳細な説明および添付図面から、より完全に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】光ファイバひずみセンサシステムの概略図である。
【図２】図１による光ファイバひずみセンサシステムの分解斜視図である。
【図３】図２の光ファイバひずみセンサの組立斜視図である。
【図４】フォトニック結晶スラブの正面斜視図、およびフォトニック結晶スラブの背面部分斜視図である。
【図５】図１〜４による光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを製造する方法の論理流れ図である。
【図６】図１〜４による光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを使用する方法の論理流れ図である。
【図７】図１〜４および図６による光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを使用する方法の論理流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下の詳細な説明は、本質的に例示的なものであり、本開示または本開示の各実施形態の適用例および使用法を限定するものではない。特定の装置、技法、および適用例の説明は、ほんの例として提供される。本明細書に記載の各例についての修正形態は、当業者には容易に明白になるはずであり、本明細書において定義される一般的原理は、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、他の実施例および適用例に適用してもよい。さらに、先に述べた分野、背景、概要、または以下の詳細な説明において提示された、明示または暗示されるいかなる理論によっても縛られるものではない。本開示には、特許請求の範囲と調和した範囲を与えなければならず、本開示は、本明細書に記載および図示された例に限定されるべきではない。
【００３８】
本明細書において提示されるセンサは、ファブリペロー干渉計を作製するように構成されたフォトニック結晶（ＰＣ）を使用することに基づく。この構成でのＰＣ材料の組合せは、様々な波長の光を使用して同じ光ファイバ上でセンサを相互運用すること、より高価なレーザベースの光源とは対照的にＬＥＤなど「精度を必要としない」光源を使用できること、およびファイバの長さとは対照的に非常に特定のポイントにおいて検知できることを考慮に入れる。
【００３９】
図１には、光ファイバひずみセンサシステムの概略図が示してあり、ここで、ひずみ値を測定する必要がある表面１０には、光ファイバ２０が機械的に取り付けられている。一連の対になったフォトニック結晶スラブ３０Ａ〜３０Ｅが代表的に図示してあり、これらは、光ファイバ２０内に配置され、光ファイバ２２Ａ〜２２Ｄのそれぞれのセグメントによって分離されている。フォトニックスラブ３０Ａ〜３０Ｅのそれぞれの対が、光ファイバの長さ「Ｌ」で分離されている。すなわち、フォトニックスラブ３０Ａおよび３０Ｂは長さがＬ１の光ファイバセグメント２２Ａによって分離され、フォトニックスラブ３０Ｂおよび３０Ｃは長さがＬ２の光ファイバセグメント２２Ｂによって分離され、フォトニックスラブ３０Ｃおよび３０Ｄは長さがＬ３の光ファイバセグメント２２Ｃによって分離され、フォトニックスラブ３０Ｄおよび３０Ｅは長さがＬ４の光ファイバセグメント２２Ｄによって分離されている。フォトニックスラブ３０Ｅは、光ファイバの端部に配置することができ、またはこれに光ファイバの追加セグメントを連結してもよい。フォトニックスラブ３０Ａ〜３０Ｅは、任意の対象物の表面１０に物理的に取り付けてもよく、ここで、少なくとも２つのフォトニックスラブの間でのひずみ測定が必要となる。
【００４０】
光ファイバ２０は、フォトニック結晶３０Ａ〜３０Ｅとの間で光を運ぶように構成される。光ファイバ２０は光学コア２４を有し、このコアは、ファイバ被覆すなわちクラッド２６によって湿気、変形などから保護されている（図２参照）。コヒーレント光源など少なくとも１つの光信号発生器４０が、光伝送相互接続部４２によって光ファイバ２０の第１の端部に結合されて、光ファイバ２０を介してコヒーレント光ビームをフォトニック結晶３０Ａ〜３０Ｅに送出する。光信号発生器４０は、コヒーレント光源には限定されず、たとえば、限定するものではないが、半コヒーレント光源、非コヒーレント光源などを備えてもよい。光信号発生器４０は、レーザ光源、または光学波長出力の純度が比較的低いと判断してもよい他の光源、たとえば発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えてもよい。
【００４１】
光検出器５０は、光ファイバ２０の第１の端部に結合されて、光信号発生器４０によって送出された光信号とは逆の方向に伝送されるフォトニック結晶スラブ３０Ａ〜３０Ｅからの反射光信号を受光する。光は内部反射により光ファイバ２０の光学コア２４内に保持され、これにより光ファイバ２０は導波管として働くことになる。さらに、プロセッサ６０は、光検出器５０からの出力信号を受信し、光ファイバ２０の長さ方向Ｌ１〜Ｌ４それぞれに沿って、フォトニック結晶スラブ３０Ａ〜３０Ｅのそれぞれの対の間の機械的なひずみを計算するように構成される。さらに、光信号発生器４０および光検出器５０は、光信号が送受信される単一ユニットを備えてもよい。
【００４２】
図２には、図１による光ファイバひずみセンサの分解斜視図が示してあり、ここで、光学コア２４およびファイバ被覆すなわちクラッド２６を有する光ファイバ２０は、１対のフォトニック結晶スラブ３０Ａ、３０Ｂを備え、これらは、光ファイバ２２Ａのセグメントによって長さＬ１だけ分離されている。さらに、光ファイバ２２Ｂの他のセグメントが、フォトニック結晶スラブ３０Ｂの外面に接続されている。
【００４３】
図３には、図２の光ファイバひずみセンサの組立斜視図が示してあり、ここで、光信号発生器４０からの伝送光信号４４が、光ファイバ２０に沿って、光信号発生器４０からフォトニック結晶スラブ３０Ａ、３０Ｂの対に向けて伝送される。反射光信号が、フォトニック結晶スラブのいずれかから、介在するフォトニック結晶スラブを介して、光検出器５０および光信号発生器４０の方向に反射して戻ることができる。たとえば、反射光信号４６は、フォトニック結晶スラブ３０Ａから、光信号発生器４０および光検出器５０に向けて反射して戻ってもよい。同様に、反射光信号４６’は、フォトニック結晶スラブ３０Ｂからフォトニック結晶スラブ３０Ａを介して、光信号発生器４０および光検出器５０に向けて反射して戻ってもよい。
【００４４】
図４には、代表的なフォトニック結晶スラブ３０Ａの正面斜視図、および同じフォトニック結晶スラブ３０Ａの背面部分斜視図が示してある。フォトニック結晶スラブ３０Ａ〜３０Ｅは、たとえば、限定するものではないが、シリコン結晶ベースの基板（図示せず）から形成され、周期的な光学ナノ構造としての孔３２を含み、これらは、半導体結晶の周期性が電子の動きに影響を及ぼすのと同様にして、光子の動きに影響を及ぼすように設計されている。このようにして、フォトニック結晶スラブ３０Ａ〜３０Ｅの周期的な光学ナノ構造は、たとえば、限定するものではないが、光ホールの格子、光ビーズの格子などを含むことができる。
【００４５】
均等に間隔の空いた一連の光学スルーホール３２は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のプロセスを用いてフォトニック結晶スラブ３０Ａを穿孔する。孔３２の底部でのかなり大量のエッチングによって、フォトニック結晶３０Ａが形成されるベース基板が取り除かれるとき、ＲＩＥプロセスにより、さらにベース基板から個々のフォトニック結晶スラブが分離され、これにより、フォトニック結晶３０Ａがシリコン結晶ベースの基板から分離できるようになり、フォトニック結晶構造が事実上モノリシックとなり得る。
【００４６】
シリコン結晶ベースの基板から分離された孔３２の格子構造が、フォトニック結晶スラブ３０Ａの少なくとも１つの表面上に、周期誘電体または金属誘電体のナノ構造を生成する。孔３２の間隔およびサイズが、フォトニック結晶格子３０Ａの特定の幾何形状を生み出し、孔３２の直径は、たとえば、限定するものではないが、約０．２５μｍ〜約１．０μｍでもよい。
【００４７】
周期誘電体または金属誘電体のナノ構造の孔３２は、そこを通って伝送される電磁波の伝搬に影響を及ぼす。許可された電子エネルギーバンドおよび禁止された電子エネルギーバンドを規定することにより、電子の動きに影響を及ぼす半導体結晶内の周期的なポテンシャルと同様にして、電磁波の伝搬が影響を受ける。フォトニック結晶は、高い誘電率および低い誘電率の周期構造の規則正しく繰り返される内部領域を含んでもよい。フォトニック結晶のこれらの周期構造を使用して、たとえば、限定するものではないが、自然放出、高反射率、無指向性ミラー、低損失導波路などを抑制することを含む光特性を実現してもよい。このようにして、フォトニック結晶スラブ３０Ａは、それぞれの周波数で光信号を反射する。
【００４８】
図４には、フォトニック結晶スラブ３０Ａの片側が相対的に平坦であり、反対側には各孔３２の貫通孔の周りに凹んだ部分が配置されている様子が示してあるが、フォトニック結晶スラブ３０Ａは、いずれかの構成、すなわち平坦／平坦、平坦／凹部、または凹部／凹部の側部構成を有してもよい。
【００４９】
波として振る舞う光の光子は、その波長に応じて、フォトニック結晶スラブ３０Ａ〜３０Ｅの周期構造を通って伝搬することができる。フォトニック結晶スラブ３０Ａ〜３０Ｅ内を移動することのできる光の波長は許容モードとして知られ、許容モードのグループは帯域として知られ、許容されない帯域の波長は光学バンドギャップとして知られている。前述の光学特性を実現するためには、フォトニック結晶スラブ３０Ａ〜３０Ｅの周期構造の周期性は、電磁波の波長の半分と実質的に同じ長さのスケールでなければならない。具体的には、周期構造の高誘電率と低誘電率の繰返し領域は、電磁波の波長の実質的に半分程度でなければならない。たとえば、周期構造の高誘電率と低誘電率の繰返し領域は、電磁スペクトルの可視部分で動作するフォトニック結晶において、ほぼ２００ｎｍ（青色）〜ほぼ３５０ｎｍ（赤色）でなければならない。
【００５０】
ファブリペロー（エタロン）干渉計は、隣接し実質的に平行のフォトニック結晶スラブ３０Ａ〜３０Ｅの各対から構造が形作られる。フォトニック結晶スラブ３０Ａ〜３０Ｅのそれぞれの厚さは、たとえば、限定するものではないが、約４００μｍ〜約５００μｍとすることができる。フォトニック結晶スラブ３０Ａ〜３０Ｅの各対は、光ファイバ２２Ａ〜２２Ｄのセグメントによって分離されているので、フォトニック結晶３０Ａ〜３０Ｅの任意の対の間での実質的に軽微な長さの変化は、光学的な干渉縞を生成することができ、この干渉縞は、光検出器５０で検知され、プロセッサ６０で計算されて、１対のフォトニック結晶によって画定される光ファイバのそれぞれの長さＬ１〜Ｌ４における機械的なひずみを計算することができる。光反射の量は、分離距離Ｌ１〜Ｌ４に依存する。したがって、隣接するフォトニック結晶３０Ａ〜３０Ｅの各対は、ファブリペロー（エタロン）干渉計を形成する。さらに、単一のフォトニック結晶は、隣接する２つのファブリペロー（エタロン）干渉計について必要な反射面を設けてもよく、たとえば、フォトニック結晶３０Ｂは、距離Ｌ１にわたって光ファイバ２２Ａのセグメントによって分離されたフォトニック結晶３０Ａおよび３０Ｂによって規定されるファブリペロー（エタロン）干渉計の一部分、ならびに距離Ｌ２にわたって光ファイバ２２Ｂのセグメントによって分離されたフォトニック結晶３０Ｂおよび３０Ｃによって規定されるファブリペロー（エタロン）干渉計の一部分である。
【００５１】
干渉計は一般に、干渉測定用に光または他の形態の電磁波を使用する。干渉測定法は、２つ以上の波を重ね合わせることによって生成される干渉縞を測定することにより、２つ以上の波の特性を決定するための技法である。干渉測定法は、別々の波を一緒に組み合わせるための重ね合わせの原理を使用して、組合せの結果が、２つ以上の波の元の状態を測定するのに使用してもよい特性を有するようにする。実質的に周波数が等しい２つの波が組み合わさると、結果として生じる干渉縞は、２つの波の間の位相差によって決定することができる（すなわち、同相の波は強め合うように干渉し、位相がずれた波は弱め合うように干渉する）。２つのコヒーレントビーム間の干渉縞を使用して、互いに対するフォトニック結晶３０Ａ〜３０Ｅの動きまたは相対移動を決定し、これにより、表面１０の変形に起因するひずみを測定することができる（図１に示す）。
【００５２】
光学においては、ファブリペロー干渉計またはエタロンは通常、フォトニック結晶３０Ａおよび３０Ｂ、または２つの平行な高反射ミラーなど１対の反射面を有する透明な板から作製される。前者がエタロンであり、後者が干渉計であるが、専門用語は交換可能に使用することができる。波長の関数としての伝送スペクトルは、エタロンの共振に対応する大容量伝送のピークを示す。
【００５３】
エタロンの透過関数が変動するのは、フォトニック結晶３０Ａおよび３０Ｂなど２つの反射面の間での、光が多重反射する間の干渉に起因している。送出ビームが同相である場合には強め合う干渉が発生し、これはエタロンでの伝送ピークが高いことに対応する。伝送ビームの位相がずれている場合には弱め合うような干渉が発生し、これは伝送が最少になることに対応する。光信号発生器４０からのコヒーレント光の単一入力ビームは、グレーティングミラーまたは部分ミラーによって２つのビームに分割することができる。２つのビームのそれぞれは、異なるルート（経路）を移動した後に再結合されて、その後、光検出器５０に到達する。各ビームの移動した距離が経路によって異なると、これら２つのビームの間に位相差が生じる可能性がある。位相差により、２つのビームの波の間で干渉縞が生じる。２つの経路に沿って単一ビームが分割される場合、位相差を使用して、２つの経路に沿って位相を変化させる任意のパラメータを測定することができる。たとえば、限定するものではないが、経路長の物理的変化、２つの経路のうち１つまたは複数の経路に沿った屈折率の変化などである。この変化により、変形値を測定して表面１０のひずみ値を計算する手段が提供される。
【００５４】
ひずみが測定される実際の場所、すなわちファイバのセグメントがフォトニック結晶間に存在するか、またはファブリペロー共振器である実際の場所に配置された、対になるフォトニック結晶ひずみセンサを用いると、ファイバブラッググレーティングにおけるファイバのはるかに長い距離とは対照的に、フォトニック結晶スラブ／ウェーハ対の間の非常に特定のポイントでひずみを検知できるようになる。相対的に、ファイバブラッググレーティングセンサには、かなり長い距離のファイバが必要となるが、それというのも、ファイバの長手方向に沿った複数の格子が、特定の波長を反射するファイバでの周期性を形成するからである。
【００５５】
要約すれば、フォトニック結晶ひずみセンサは、第１の端部および第２の端部を有する光ファイバと、この光ファイバのセグメント間に配置された少なくとも１対のフォトニック結晶格子とを備える。光ファイバおよび光ファイバのセグメントはさらに、融解石英の通信グレードファイバを含むことができる。少なくとも１対のフォトニック結晶格子のそれぞれがさらに、直径が０．２５μｍ〜１．０μｍの間で、厚さが４００μｍ〜５００μｍの間とすることのできる複数の孔を含むことができる。フォトニック結晶格子の各対が、ファブリペロー（エタロン）干渉計を形成する。光ファイバはさらに、クラッドによって囲まれた中心コアを備えており、ここで、少なくとも１対のフォトニック結晶格子が、光ファイバの中心コアのかなりの部分に干渉するように配置される。さらに、複数対のフォトニック結晶格子を、光ファイバの対応するセグメント間に配置することができる。
【００５６】
ひずみセンサシステムは、光ファイバと、光ファイバを介して光信号を送出する光信号発生器と、光ファイバの第１のセグメントによって分離された光ファイバ内の少なくとも２つのフォトニック結晶スラブと、少なくとも２つのフォトニック結晶スラブからの反射光信号を検出する光検出器と、光検出器によって検出された反射光信号に基づいて光ファイバの第１のセグメントにわたって機械的ひずみを計算するプロセッサとを備える。光信号発生器は、レーザまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えることができる。光検出器は、光ファイバ内のフォトニック結晶スラブのそれぞれの対応する対から反射した光信号を検出することができ、プロセッサは、それぞれの反射光信号に基づいて、光ファイバの複数のセグメントそれぞれにわたって機械的ひずみを計算することができる。光信号発生器は、複数の波長固有の光信号を生成し、ここで、各波長固有の光信号は、光ファイバ内のフォトニック結晶スラブの所定の対応する対に対応することができる。
【００５７】
図５には、図１〜４による光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを製造する方法の論理流れ図が示してあり、ここで、第１の端部を有する第１の融解石英通信グレード光ファイバが設けられる（１００）。直径が０．２５μｍ〜１．０μｍの間の複数の孔を含む第１のフォトニック結晶格子が、第１の光ファイバの第１の端部に連結される（１０２）。第１の端部および第２の端部を有する、第２の融解石英の通信グレード光ファイバが設けられる（１０４）。第２の光ファイバの第１の端部または第２の端部のうち一方が、第１のフォトニック結晶格子に連結され（１０６）、直径が０．２５μｍ〜１．０μｍの間の複数の孔を含む第２のフォトニック結晶格子が、第２の光ファイバのもう一方の遠位端に連結され（１０８）、ここで、第１および第２のフォトニック結晶格子が、第２の光ファイバの第１の端部と第２の端部の間の光ファイバ内にファブリペロー（エタロン）干渉計を形成する（１１０）。
【００５８】
さらに、光ファイバ内の複数のファブリペロー（エタロン）干渉計を設けてもよく（１１２）、ここで、それぞれの干渉計は、光ファイバのセグメントによって分離された、フォトニック結晶格子の対応する対を含む。
【００５９】
フォトニック結晶格子の第１の対応する対が、第１の光学波長を有する第１の送出光信号に対して感度が高くなるよう調整され、フォトニック結晶格子の第２の対応する対が、第２の光学波長を有する第２の送出光信号に対して感度が高くなるよう調整される。フォトニック結晶格子の第１の対応する対と第２の対応する対は、光ファイバのそれぞれのセグメント間で連結されて、それぞれ第１および第２の波長に調整されたファブリペロー（エタロン）干渉計を形成する。
【００６０】
図６には、先に図１〜４で説明したように、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを使用する方法の論理流れ図が示してある。この方法は、光ファイバに配置され、光ファイバのセグメントによって分離されている１対のフォトニック結晶ウェーハを備える光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを設ける（２００）。光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第１の部分が、表面の第１の部分に取り付けられ（２０２）、ここで、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第１の部分が、１対のフォトニック結晶ウェーハのうち第１のフォトニック結晶ウェーハを備える。光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第２の部分が、表面の第２の部分に取り付けられ（２０４）、ここで、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第２の部分が、１対のフォトニック結晶ウェーハのうち第２のフォトニック結晶ウェーハを備える。
【００６１】
第１の波長を有する第１の光信号が、１対のフォトニック結晶ウェーハに対応する第１の方向に送出される（２０６）。次いで、第１の光信号が受光され（２０８）、光ファイバにおける第１の方向とは逆の方向に、１対のフォトニック結晶ウェーハから反射して戻る。次いで、１対のフォトニック結晶ウェーハのうちのフォトニック結晶ウェーハのそれぞれから反射した第１の光信号に基づいて、ひずみ測定値が計算される（２１０）。
【００６２】
図７には、先に図１〜４および図６で説明したように、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを使用する方法の論理流れ図が示してあり、ここで、光ファイバ内に配置され、光ファイバの別のセグメントによって分離された第２の対のフォトニック結晶ウェーハを含む光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサを設けることにより（３００）、同じ光フォトニック結晶ひずみセンサを用いて第２のひずみ測定が実行される。光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第３の部分が、表面の第３の部分に取り付けられ（３０２）、ここで、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第３の部分が、第２の対のフォトニック結晶ウェーハのうち第１のフォトニック結晶ウェーハを備える。光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第４の部分が、表面の第４の部分に取り付けられ（３０４）、ここで、光ファイバフォトニック結晶ひずみセンサの第４の部分が、第２の対のフォトニック結晶ウェーハのうち第２のフォトニック結晶ウェーハを備える。
【００６３】
第２の波長を有する第２の光信号が、第２の対のフォトニック結晶ウェーハに対応する第１の方向に伝送される（３０６）。第２の光信号が受光され（３０８）、光ファイバにおける第１の方向とは逆の方向に、第２の対のフォトニック結晶ウェーハから反射して戻る。次いで、第２の対のフォトニック結晶ウェーハのうちのフォトニック結晶ウェーハのそれぞれから反射した第２の光信号に基づいて、第２のひずみ測定値が計算される（３１０）。
【００６４】
上記開示は、ファイバブラッググレーティングタイプの設計と同等である光ファイバベースのひずみゲージ、ただし、波長選択性、レーザ光源の有無での動作、および同じ光ファイバ上での他のフォトニック結晶センサとの相互作用のフォトニック結晶反射器を使用することによって提供される利点を有する、光ファイバベースのひずみゲージの作製を考慮に入れる。より具体的には、ファブリペロー干渉計を作製するように構成されたフォトニック結晶を使用することにより、様々な波長の光を使用して同じ光ファイバ上で複数のセンサを相互運用し、より高価なレーザベースの光源とは対照的にＬＥＤなど「精度を必要としない」光源を使用でき、またファイバの長さとは対照的に非常に特定のポイントにおいて検知できるようになる。このシステムにより、ネットワーク化されたセンサの広域のカバレッジが多くの用途で可能になり、より複雑な設計物と同じ利益の多くを実現しながら、このようなシステムを開発する際の複雑さが軽減する。
【００６５】
前述の主題は、ほんの例として提供されており、限定するものと解釈すべきではない。図示され、説明された例示的な実施形態および適用例に従うことなく、また、以下の特許請求の範囲に記載された本開示の真の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の主題に様々な修正および変更を加えてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１０  表面
２０、２２Ａ〜２２Ｄ  光ファイバ
２４  光学コア
２６  クラッド
３０Ａ〜３０Ｅ  フォトニック結晶スラブ、フォトニックスラブ
３２  孔、光学スルーホール
４０  光信号発生器
４２  光伝送相互接続部
４４  伝送光信号
４６  反射光信号
５０  光検出器
６０  プロセッサ
【図１】
2014112082.tif 000003
【図２】
2014112082.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014112082.tif 000007
【図６】
2014112082.tif 000008
【図７】
2014112082.tif 000009
【外国語明細書】
2014112082000001.pdf
2014112082000002.pdf
2014112082000003.pdf
2014112082000004.pdf