(57)【要約】電磁共振センサー（８００）は、電磁波エネルギが伝播される誘電体センサー本体（８０２）を備える。センサー本体（８０２）は、測定されるパラメータの関数として変化するギャップ（８１０）を規定するように、互いに対向する面を有するキャビティを備える。本体（８０２）および可変ギャップ（８１０）における電磁定常波（８１４）の共振周波数は、ギャップ寸法の関数として変化する。本発明のセンサーは、圧力、温度、流量、歪み、および材料組成などのパラメータの測定に使用される。
2007534938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁エネルギソースとともに使用するために、測定可能なパラメータを測定するセンサーであって、
少なくとも電磁エネルギの一部を受け取るように配置された電磁共振器を備え、
該電磁共振器は、感知表面を備える誘電体本体を有し、
該感知表面は、該感知表面での該測定可能なパラメータの変化に応答し、
該電磁共振器は、該感知表面に応答して変化する可変ギャップを形成するキャビティを規定し、共振周波数が該誘電体本体における電磁定常波に関連するように配置され、
該可変ギャップは、該測定可能なパラメータの変化に応答して変化する、センサー。
【請求項２】
前記共振器は、誘電体共振器を備える、請求項１に記載のセンサー。
【請求項３】
前記共振器は、共振アンテナを備える、請求項１に記載のセンサー。
【請求項４】
前記共振器は、共振伝送線を備える、請求項１に記載のセンサー。
【請求項５】
前記測定可能なパラメータは、圧力、温度、流量、材料組成、力、および歪みからなる群から選択される、請求項１に記載のセンサー。
【請求項６】
エネルギの繰り返し率を測定するための測定器をさらに備える、請求項１に記載のセンサー。
【請求項７】
前記共振器は、前記ソースの外部にある、請求項１に記載のセンサー。
【請求項８】
前記共振器は、前記ソースの内部にあり、モードロックソースのキャビティを形成する、請求項１に記載のセンサー。
【請求項９】
電磁エネルギソースとともに使用するために、測定可能なパラメータの測定に使用するセンサーであって、
感知表面での該測定可能なパラメータの変化に応答する可変キャビティギャップを備えた誘電体本体を有する共振器を備え、
該共振器は、該誘電体本体における定常電磁波の共振周波数を規定し、該感知表面での該測定可能なパラメータに依存する該可変キャビティギャップを規定し、
該共振器は、該センサーからの信号が該共振周波数の関数となるように配置される、センサー。
【請求項１０】
前記共振器は、前記ソースの内部にあり、該ソースのキャビティを形成する、請求項９に記載のセンサー装置。
【請求項１１】
前記共振器は、前記ソースの外部にある共振器を形成する、請求項９に記載のセンサー装置。
【請求項１２】
前記共振器は、誘電体共振器を備える、請求項９に記載のセンサー。
【請求項１３】
前記共振器は、共振アンテナを備える、請求項９に記載のセンサー。
【請求項１４】
前記共振器は、共振伝送線を備える、請求項９に記載のセンサー。
【請求項１５】
前記測定可能なパラメータは、圧力、温度、流量、材料組成、力、および歪みからなる群から選択される、請求項９に記載のセンサー。
【請求項１６】
前記信号の周波数を測定するための測定器をさらに備える、請求項９に記載のセンサー装置。
【請求項１７】
測定可能なパラメータに基づいて、電磁エネルギを発生するソースの出力を変調する装置であって、
該エネルギを受け取るために結合されるカプラと、
該測定可能なパラメータの変化に応じて変化する実効誘電率を発生するように構成された可変誘電体本体を有する高Ｑ共振器とを備え、
該高Ｑ共振器は、該エネルギを受け取るために該カプラに結合され、該誘電体本体内に電磁定常波、および該測定可能なパラメータの関数である共振周波数での可変キャビティギャップを発生させる、装置。
【請求項１８】
前記測定可能なパラメータは、圧力、温度、流量、材料組成、力、および歪みからなる群から選択される、請求項３５に記載のセンサー。
【請求項１９】
前記ソースは、第１のＱの値Ｑ１によって特徴づけられる共振器を有し、該高Ｑ共振器は、実質的にＱ１よりも高い、第２の値Ｑ２によって特徴づけられる、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記Ｑ２が少なくとも１００である、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
可変周波数共振器であって、
誘電体本体および可変ギャップを規定するキャビティを有する電磁共振器を備え、
該共振器は、測定可能なパラメータの変化に応じて、蓄積された電場と電磁定常波の磁場エネルギの比率を変更するように配置された該可変ギャップに依存する、共振周波数で出力を発生する、可変周波数共振器。
【請求項２２】
測定可能なパラメータを感知する方法であって、
共振周波数によって特徴づけられる共振器を提供するステップであって、該共振周波数は、該共振器の誘電体本体の内部キャビティにおける可変ギャップの関数であり、該可変ギャップは、該測定可能なパラメータに応答する、ステップと、
該共振器に電磁エネルギを供給して、該誘電体本体および該可変ギャップに電磁定常波を発生させるステップと、
該電磁定常波の共振周波数を感知して、該測定可能なパラメータを測定するステップと
を包含する、方法。
【請求項２３】
測定可能なパラメータを感知する方法であって、
繰り返し率によって特徴づけられるパルス電磁信号を提供するステップと、
該測定可能なパラメータの変化に応じて変化する可変ギャップを備えた誘電体本体を有する共振器を提供するステップと、
該誘電体本体および該可変ギャップにパルス電磁波パターンを発生させるために、該共振器に該パルス電磁信号を供給するステップと、
該可変ギャップの変化に応じて該パルス電磁信号の繰り返し率における変動を感知するステップと
を包含する、方法。
【請求項２４】
電磁ソースとともに使用するために、測定可能なパラメータの変化に応じて変化する可変ギャップを備えた誘電体本体を有する共振器であって、
該共振器は、電磁エネルギの特性が該可変ギャップの変化に応じて変化するように、該誘電体本体および該可変ギャップにおいて電磁定常波を発生させるために該ソースから該電磁エネルギを受け取る、共振器。
【請求項２５】
前記電磁エネルギは持続波であり、前記特性は周波数である、請求項２４に記載の共振器。
【請求項２６】
前記電磁エネルギはパルスエネルギであり、前記特性は繰り返し率である、請求項２４に記載の共振器。
【請求項２７】
電磁共振センサーであって、
センサー本体と、
測定可能なパラメータの関数として変化する該センサー本体の内部表面間に可変ギャップを有する該センサー本体内のキャビティと
を備え、
該キャビティは、電磁定常波が該本体および該可変ギャップ内に形成されるように、該センサー本体内に配置され、
該センサーの共振周波数は、該測定可能なパラメータの関数である、電磁共振センサー。
【請求項２８】
前記センサー本体は、誘電体材料である、請求項２７に記載の電磁共振センサー。
【請求項２９】
前記内部表面のうちの１つに導体をさらに備える、請求項２８に記載の電磁共振センサー。
【請求項３０】
前記導体は、前記センサーがリング共振器として共振するように構成される、請求項２９に記載の電磁共振センサー。
【請求項３１】
前記導体は、前記センサーが伝送線として共振させるように構成される、請求項２９に記載の電磁共振センサー。
【請求項３２】
前記導体は、前記センサーがスロットアンテナとして共振させるように構成される、請求項２９に記載の電磁共振センサー。
【請求項３３】
前記導体は、前記センサーが双極子アンテナとして共振させるように構成される、請求項２９に記載の電磁共振センサー。
【請求項３４】
前記導体は、前記センサーがポートアンテナとして共振させるように構成される、請求項２９に記載の電磁共振センサー。
【請求項３５】
前記センサー本体およびキャビティは、サブ光学周波数で共振する様に構成される、請求項２８に記載の電磁共振センサー。
【請求項３６】
測定されるパラメータの関数である共振周波数を有する電磁定常波に基づいて、電磁エネルギを受け取り、出力を発生するための電磁共振センサーであって、
該センサーは、該パラメータの関数として寸法が変化する可変ギャップを備えた誘電体本体によって特徴付けられ、
該誘電体本体および該可変ギャップは、該電磁定常波が該誘電体本体および該可変ギャップ内に広がり、ギャップの寸法の変化によって該共振周波数の変化を生じさせる、電磁共振センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、センサーに関する。より詳しくは、本発明は、工業プロセスまたはフローシステムにおいて一般的に測定される、圧力、温度、流量、歪み、および材料組成などのパラメータの測定に使用される、電磁共振センサーに関する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
本発明は、測定されるパラメータの関数として寸法が変化するキャビティギャップを備えた本体を有する電磁共振センサーを提供する。センサー本体およびキャビティギャップ内に電磁定常波を発生させるために、電磁エネルギがセンサーに供給される。電磁定常波の共振周波数は、キャビティギャップの関数である。センサーの出力は、出力が測定されるパラメータの関数として変化するように、共振周波数に基づいて発生される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００３】
図１〜１８は、概ね遠赤外線から紫外線までの波長の光学範囲における電磁放射によって動作する、本発明の高Ｑ共振センサーの実施形態を示す。図１９〜３８Ｂは、スペクトラムのマイクロ波部分（すなわち、遠赤外線の波長まで）における電磁放射によって動作する、本発明の高Ｑ共振センサーの実施形態を示す。
【０００４】
概して、図１〜１８は、測定可能なパラメータによって変調される繰り返し率または周波数のレーザー信号を発生する、パルス出力モードで動作することが好ましい、レーザーを含む。モードロックレーザーを用いることによって、従来の高速電子機器を被変調信号の測定に使用することができ、レーザー信号の繰り返し率または周波数を高解像度で測定することができる。レーザー信号の周波数を測定することによって、測定可能なパラメータの値を導出することができる。
【０００５】
いくつかの実施形態において、高Ｑ光学共振器は、測定可能なパラメータに依存する周波数を有するレーザー信号を発生する。高Ｑ共振器は、レーザーの内部または外部とすることができる。装置は、最先端の技術を通じて消費電力が低くなり、また精度が向上している。装置は、測定可能なパラメータの変化の測定、または絶対測定を行うために使用することが可能である。更なるアプリケーションおよび更なる実施形態があることは、当業者に明らかである。例えば、述べられる装置は、同調型光学フィルタ、同調型レーザーソース、および他の全て光学アプリケーションとして使用するように構成することが可能である。
【０００６】
図１および２は、例示的な実施形態を示す。図１は、概して、カプラ１０４を介して外部高Ｑ共振器１０２に結合されるレーザー１００を示す。レーザー１００は、ファイバドープレーザー、ルビーレーザー、またはダイオードレーザーであってよい。他のレーザーソースも考えられる。レーザー１００は、レーザーソースによって注入される光パラメトリック増幅器またはファイバ増幅器段のような増幅段であってよい。レーザー１００はまた、発光ダイオード（ＬＥＤ）に置き換えることが可能である。一例として、電源１０３から電力を受け取っているレーザー１００を示すが、当業者は、光学的または電気的な電源の形態であってよいと理解されよう。レーザーエネルギは、遠赤外線およびマイクロ波の領域内であってもよいが、可視または赤外線領域の波長であることが好ましい。マイクロ波エネルギを使用した実施形態は、図１９〜図３８Ｂを参照して以下に詳述する。
【０００７】
好適な実施形態において、カプラ１０４は、光ファイバまたは光導波路であり、低損失エバネセント結合を介して結合される。結合は、半透明ミラー、導波管タップ、または光信号を結合するための他の公知の手段によって達成することが可能である。
【０００８】
レーザーソース１００は、カプラ１０４を介して高Ｑ共振器１０２にレーザーエネルギを供給する。レーザーソース１００から共振器１０２に結合されるレーザーエネルギは、レーザーソース１００内のレーザーキャビティの共振に対応する波長にある。しかし、当該のレーザーキャビティは、低Ｑであり、比較的大きな帯域幅の出力を発生する。外部共振器１０２のＱは、レーザーソース１００内のレーザーキャビティのＱよりも実質的に高いことが好ましい。例えば、好適な実施形態において、共振器１０２のＱは、少なくとも１００である。代表的な共振器は、３〜１００のＱ値しか持たず、共振キャビティを形成するミラーおよび所望の電力出力によって制限される。
【０００９】
発振器と共振器との間に十分な結合があり、２つの領域の周波数の範囲が重なっている場合に、低Ｑ発振器システムが高Ｑ共振器の周波数にロックすることは、一般に公知である。レーザーソース１００の低Ｑレーザーキャビティは、高Ｑ共振器１０２の共振周波数にロックする。すなわち、高Ｑ共振器１０２と低Ｑレーザーソース１００との間のエネルギ交換は、共振器１０２によって定められる周波数および帯域幅にシステム全体のレーザー信号をロックする。その結果、システムは、狭帯域幅のレーザー信号を発生し、共振器１０２の共振周波数に集中することになる。
【００１０】
レーザーソース１００は、持続波（ＣＷ）ソースまたは、好ましくは、パルスモードロックレーザーソースであってよい。レーザーソース１００がＣＷソースである場合、システムからのレーザー信号は、共振器１０２の共振周波数にロックし、共振器１０２の高Ｑによって誘導される狭められた帯域幅を有する。ここで、レーザー信号の周波数の測定には分光計を使用する。レーザーソース１００がパルスモードロックレーザーソースである場合、共振器１０２は、パルストレインの繰り返し率を判断する。ここで、従来の電子検出器を、サブ１００ＧＨｚの繰り返し率の測定に使用することができる。
【００１１】
光学共振器は、複数の共振周波数を有する。しかし、単一の共振周波数だけがレーザーソースによって供給されるレーザーエネルギの帯域幅内にあることが望ましい。すなわち、レーザー信号は、単一の一致する共振周波数で存在する。この条件は、いくつかの最先端の技術のレーザーシステムにおいて生じるモードホッピングを低減する。単一の共振周波数を可能にする帯域幅を達成するために、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザーをレーザーソース１００として使用することが可能である。共振器１０２の物理的パラメータは、同様に、単一の共振を達成するために変更することができる。
【００１２】
共振器１０２は、光学的に透明な材料で形成される。その材料は、レーザー発振材料でも、非レーザー発振材料でもあってよい。好適な材料には、サファイア、石英、ドープした石英、ポリシリコン、およびシリコンが挙げられる。これらの材料は、低い光学的損失を示す。これらの材料はまた、測定可能なパラメータの変化に正確かつ堅実に応答し、圧力下または力の下で恒久的に変形しないが、その代わりに、測定可能なパラメータが定常状態値に戻った後に、それらのもとの形状に戻る、という良好な機械的性質を呈する。全反射の下での伝播を可能にする材料を使用することが好ましい。
全反射および低い光学的損失によって、非常に高いＱの共振器が可能になる。
【００１３】
共振器１０２は、共振器１０２の近くの測定可能なパラメータに依存する共振周波数を有することを特徴する。本願明細書における「測定可能なパラメータ」とは、外力または圧力に関連するパラメータを意味する。圧力（絶対圧力および差圧）、温度、流量、材料組成、力、および歪みは、そのパラメータの例である。レーザーソース１００および高Ｑ共振器１０２は、集合的に光学センサー１０５を形成し、測定可能なパラメータに依存して、レーザー信号または検出信号を発生する。
【００１４】
レーザー信号は、一般にカプラ１０８Ａおよび１０８Ｂ、ならびにアイソレータ１０９で示される構造を介して、測定器１０６に供給される。レーザーソース１００がパルスモードロックレーザーである場合、測定器１０６は従来の高速エレクトロニクス検出器とすることができる。レーザーソース１００が持続波ソースである場合、測定器１０６は、分光計または信号波長の測定に好適な装置であることが好ましい。
【００１５】
アイソレータ１０９は、測定器１０６の後方反射信号が共振器１０２に入らないようにする。レーザー信号は測定可能なパラメータに依存するので、測定器１０６は、レーザー信号の周波数または繰り返し率を測定し、その測定に対応する測定可能なパラメータを計算することによって、測定可能なパラメータの値をさらに導出することが可能である。この導出は、公知の方法で実行される。共振器１０２と測定器１０６と間の結合は、ファイバ結合、ミラー結合、タップ、エバネセント結合、または他の好適な結合タイプを介して達成することが可能である。
【００１６】
共振器１０２は高Ｑ値を有するので、レーザーソース１００と共振器１０２との間で結合されるエネルギが非常に低くなり、共振器１０２の共振周波数への適切なロックが生じる。高Ｑ外部共振器１０２を使用する別の利点には、システムの信号／ノイズ（Ｓ／Ｎ）比が向上することが挙げられる。概して、周波数変調レーザーシステムのＳ／Ｎ比および周波数被変調レーザーの解像度は、レーザー発振機構の周波数ジッターによって制限される。このジッターは、多数のソースがある。モードホッピング、電源ノイズ、熱ノイズ、量子ゆらぎ、およびレーザー発振媒体のゲインノイズは、その一部である。振幅ノイズの変動は、得られる周波数ノイズが生成されたときにそのノイズがフィルタ処理されないように、レーザー発振周波数自体を変調する。
【００１７】
例として、Ｓ／Ｎ比は、上記で規定されるように、以下の比例式、Ｓ／Ｎ＝ＧＦ−ｆｒｆｎに基づき、ＧＦと比例している。ｆｎの値は、ｆｒに内在するノイズ周波数のディザ（ｄｉｔｈｅｒ）である。高ＧＦは高Ｓ／Ｎ比という結果になる。共振器１０２のように、レーザー出力を外部高Ｑ共振器に結合することは、レーザー出力周波数が共振器によって決定され、それゆえ、ｆｎはローであり、Ｓ／Ｎ比特性は、外部共振器における特性によって第１に決定されることを意味する。本明細書において示される共振器はまた、高ＧＦ、従って高Ｓ／Ｎ比によって特徴付けられる。
【００１８】
図１の外部共振器構造は、レーザー動作には不利な環境において、測定をするために有用である。なぜならば、感知メカニズム（すなわち共振器１０２）はレーザーソース１００からは離れている。また、本実施形態において、外部共振器１０２は、レーザーソース１００によって生成された高温に対して影響を受けにくい。
【００１９】
図２は、光学センサー１３０の代替的な実施形態のブロック図であり、レーザー１３２は内部高Ｑ共振器で形成される。ここで、高Ｑ共振器はレーザー１３２の形態をとり、それゆえ、レーザーゲインキャビティとして機能する。高Ｑ共振器は、適切な供給エネルギによってポンプされた後にレーザー光を発する材料で形成される。例示のみを目的として、レーザーソース１３２は、電源１３３から電力を受け取ることが示され、当業者によって理解されるように、光学的または電気的な電源の形態であってよい。半導体材料、ドープしたサファイア、ドープした石英、および他の材料もまた、内部共振器を形成するために用いられてもよい。ドープした石英は特に有利である。なぜならば、石英が希土類元素であるエルビウムでドープされた場合、その石英は、１５５０ｎｍのレーザー光、すなわち、現在の光ファイバ通信の好適な低損失波長を発するようになり得るからである。レーザー信号はレーザー１３２によって生成され、上述と同様に、カプラ１３４Ａおよびカプラ１３４Ｂならびにアイソレータ１３６を介した測定装置１０６に提供される。
【００２０】
好適な実施形態に提供されるのは、レーザー信号と同様のパルストレインを生成する周波数変調されたレーザーソースである。パルスの繰り返し率は、共振器上において動作する測定可能なパラメータの関数として変化し、それゆえ、全体の構造は、高解像度および高精密光学センサーを形成する。例えば、１００ＧＨｚにおいて１ＧＨｚの変化（測定可能なパラメータにおける変化によって誘導された）を単にカウントすることは、１秒の測定において１ｐｐｂの解像度を示す。最先端のレーザーでは、約２００，０００ＧＨｚの基本周波数において２〜３ＫＨｚのノイズ帯域幅を有し、３０ビット以上の解像度が、そのような光学センサーによって達成可能であることを示している。
【００２１】
当該技術分野において、受動モードロックまたは能動モードロックのいずれかを用いるなどのモードロックレーザーを設定するために知られている様々な方法が存在する。アルゴン持続波レーザーソースまたはＮｄ：Ｙａｇレーザー持続波ソースを用いてポンプされるＴｉ：サファイアモードロックレーザーが示されている。その他は、半導体レーザーおよびマイクロメカニクス調整を用いた受動モードロックを示している。任意のモードロックレーザーは、図１のレーザーソース１００として適切であり得、様々なモードロックレーザー設定が図２の実施形態において用いられ得る。したがって、パルスモードロック動作は、外部および内部共振器の実施形態両方において熟慮されている。
【００２２】
例示的なモードロックレーザーは図３Ａに示され、共振器１４２上において動作する測定可能なパラメータに関連する動作周波数において、モードロックレーザー信号１４４を生成する外部高Ｑ共振器１４２に結合されるレーザー１４０を示す。レーザー１４０はモードロックメカニズムを含み、モードロックメカニズムは、当該分野において知られているように、様々な形態をとり得る。例えば、飽和可能増幅器はレーザーキャビティに導入され得、その結果、短いパルスのみが減衰することなく通過することが可能である。レーザー信号１４４は、高Ｑ共振器１４２の感知表面（例えば、外表面）上にて動作する測定可能なパラメータに依存する繰り返し率を有するパルスレーザー信号である。特に、高Ｑ共振器１４２にロックされたレーザー１４０のパルスレーザー信号１４４は、Ｆ＝Ｆｉｎ（１−ｈ／ｎＬ）によって決定される繰り返し率を有し、ここでｈは外部共振器の往復の長さであり、Ｌはモードロックレーザーの往復の長さであり、ｎは、有効屈折率であり、Ｆｉｎはモードロックレーザーの往復周波数である（「Ｐａｓｓｉｖｅｌｙ  Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ  Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ−Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒｓ」  Ｋａｔａｇｉｒｉｅら、ＩＥＩＣＥ．Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，Ｖｏｌ．  Ｅ８１−Ｃ．  Ｎｏ．２  １９９８年２月、を参照）。測定装置１４６は、この繰り返し率を測定し、測定可能なパラメータに対する値を導き出すためにその測定を用いる。レーザー１４０は、電源１４８によってポンプされることが例示的に示され、モードロックレーザーに対する既知のポンプエネルギのソースの任意を示す。
【００２３】
図３Ｂを参照すると、モードロックレーザー１５０は、代替的に、レーザーキャビティの内部における高Ｑ共振器を組み込み（図２と同様に）、モードロックレーザー信号１５２を生成する。この内部の共振器構造を用いて、レーザー信号１５２の繰り返し率は、単に、共振器の往復時間である。上述にように、レーザー１５０のモードロックメカニズムは、飽和可能増幅器セクションをループに導入するか、または能動モードロックを用いることなど、当該技術分野において周知の様々な技術を介して達成され得る。測定装置１４６は、レーザー信号１５２の繰り返し率を測定し、レーザー／共振器の感知表面上において動作する測定可能なパラメータに対する値を導き出す。図示されないが、図３Ａおよび図３Ｂの実施形態は、所望されるアイソレータおよび他の光学部品（様々な光学カプラなど）を用いてインプリメントされ得る。
【００２４】
測定可能なパラメータに依存する共振周波数によって特徴付けられる一部の例示的な共振器構造がここで検討される。
【００２５】
図４および図５は、共振器１０２または共振器１３２を形成するために用いられ得る光ファイバ１６０の断面を示す。光ファイバ１６０は、光ファイバにおいて用いられる標準の材料の任意で形成され得、および、好適には、単一のモードファイバの形態をとり得る。光ファイバ１６０は、クラッド領域１６２および高屈折率コア領域１６４によって特徴付けられる。この構成は、第１に、コア１６４への伝搬を制限し、コア１６４内の信号伝搬は、全内部反射のもとで伝搬する。
【００２６】
光ファイバ１６０は可変ギャップを規定するキャビティ１６６を含み、その可変ギャップは、気体が排出され得るか、または他の適切な材料を含み得る。キャビティ１６６は、そのキャビティを含むブランク（ｂｌａｎｋ）または予備成形物をエッチングするか、あるいは、ドローイングダウン（ｄｒａｗｉｎｇ  ｄｏｗｎ）させるような既知の処理方法を介して、光ファイバ１６０において形成される。図４において、キャビティ１６６は、完全にコア１６４内部に配置される。キャビティ１６６はまた、図９の実施形態に示されるように、部分的にコア１６４内部にあり得るか、または完全にコア１６４の外部にあり得る。好適な実施形態において、キャビティ１６６は、コア１６４のキャビティに対する断面と同様の形にされる。また、好適な実施形態において、キャビティ１６６は、コア１６４と対称であり得る。キャビティ１６６およびコア１６４の両方が直線の断面を用いて示される一方で、他の断面の外形が用いられ得ることが理解される。例えば、感知された変化または測定可能なパラメータに応じてサイズを変更する多数の近接した円形の穴などの、キャビティの他の形状もまた用いられ得る。キャビティ１６６は、ファイバ１６０の少なくとも一部に沿って、コア１６４の縦方向に延びる。
【００２７】
キャビティ１６６のギャップは、ファイバ１６０の外部の圧力または力における変化など、測定可能なパラメータにおける変化に応じて変化する。動作中、ファイバ１６０の外部上の圧力の増加は、ファイバ１６０の外壁または感知表面１６７に力を加え、その結果、半径方向力が、クラッド領域１６２を介し、およびキャビティ１６６上に加えられる。キャビティ１６６の外形のために、半径方向力の一部はキャビティの形状を変更しない。主に矢印１６８（図５を参照）によって表される他の力は、キャビティ１６６を加圧するように動作する。それゆえ、ファイバ１６０の感知表面１６７における圧力の増加は、結果として、圧縮、すなわちキャビティ１６６の内側への変位となる。図示されないが、圧力の減少がキャビティ１６６の拡張となることは理解される。
【００２８】
他の測定可能なパラメータにおける変化もまた、キャビティ１６６を変化させる。例えば、ファイバ１６０は、処理フローシステム内に配置され得、その結果、流量、温度、または材料組成における変化は、キャビティ１６６の外形を変更する。任意の測定可能なパラメータの変化は、結果として、キャビティ１６６の可変ギャップにおける変化となる。それゆえ、キャビティ１６６は、伝搬するコア１６４内の変更可能な摂動を提供し、その摂動は測定可能なパラメータに応じて変化する。
【００２９】
キャビティ１６６は、測定可能なパラメータにおける比較的小さな変化に応じて、加圧または減圧され得る断面形状を有することが好ましい。また、キャビティの変位は比較的小さくあるべきであり、つまり、コア１６４内の伝搬特性が検出可能な量であって、コア１６４内において伝搬する波のモード側面に不利に影響しない量にて変化するように、ミクロンおよびサブミクロンの範囲であることが好ましい。図４および図５の例において、細長で長方形の側面がキャビティ１６６に用いられる。キャビティ１６６は第２の側面１７２よりも長い第１の側面１７０を有する。キャビティ１６６はファイバ１６０内において伝搬する波長程度の寸法を有する。定常状態のキャビティの側面（例えば、周囲圧力において）は、所望の感度および測定されるパラメータに依存して変化され得る。
【００３０】
キャビティ１６６の形状への変化は、コア１６４内における伝搬特性を変更する。特に、コア１６４内を移動する波は、コア１６４内における特定の屈折率を経験する。ファイバのコアは、通常は、材料に依存する屈折率によって特徴付けられる。コア１６４内を伝搬する波は、その波が伝搬する様々な材料に依存する、実効屈折率を経験する。伝搬する波は、電界を有する。この電界は、コア１６４およびキャビティ１６６を主として通過するが、するが、また、実質的にクラッディング１６２まで延びる。電界に保存されたエネルギは、したがって、３つの領域における屈折率および外形に依存し、電界において保存されたエネルギは、ファイバ１６０の長さに沿った電磁波の伝搬の速度を決定する。したがって、伝搬波は、３つの領域の屈折率の外形重み付け平均である実効屈折率を有する同一の材料を介して移動するように振舞う。伝搬する波によって経験された実効屈折率は、外形の変化、すなわち、キャビティ１６６の圧縮または膨張とともに変化する。ここで記載されるのは、コアにおいて伝搬する波の実効屈折率に対する変化が光学センサーにおいて用いられ得る一部の例示的な応用である。
【００３１】
図６は、光学センサー１７６における図４および図５のファイバ１６０を示す。その構造はまた、レーザー信号周波数を変調する装置を考慮し得る。図示された構成は、図１のレーザーシステムの構成と類似している。光学センサー１７６は、アイソレータ１８２ならびにカプラ１８０ａおよび１８０ｂを介してファイバ１６０へ出力を供給する光源１７８を有する。好適には、半導体レーザーまたはＬＥＤ源が光源１７８として用いられる。その光源１７８は、持続波レーザーまたはパルスモードロックレーザーであり得るが、後者の場合において、ファイバ１６０を形成する光学媒体は、レーザー発振媒体ではない。ファイバ１６０は、レーザー発振材料を形成するためにドープされ、ソース１７８からの出力は、ファイバ１６０におけるレーザー発振動作を可能にするのに十分な波長のポンプエネルギである。
【００３２】
ファイバ１６０は、測定可能なパラメータに対する変化が測定される中央部分１８４を有する。ファイバ１６０の第１の端部は、ブラッグリフレクタ１８８の形をとる第１のリフレクタを有し、第２の端部は、ブラッグリフレクタ１８８の形をとる第２のリフレクタを有する。中央部分１８４は、ブラッグリフレクタ１８８および１９０間に延び、感知表面１６７とかち合う。ブラッグリフレクタ１８８および１９０は、光ファイバ１６０内における共振器１９２を規定する。図示された環境において、共振器１９２は、光ファイバの長さに沿って延び、中央部分１８４とかち合い、ブラッグリフレクタ１８８、１９０に僅かに延びている。好適な実施形態において、キャビティ１６６（図示されず）はブラッグリフレクタ１８８、１９０に延びてはいない。しかしながら、キャビティ１６６は、所望される場合、ブラッグリフレクタ１８８、１９０に延びていてもよい。ブラッグリフレクタ１８８、１９０として示されているが、第１および第２のリフレクタは、代替的には、ミラーあるいは、ファイバ１６０上またはその外部に形成された他の高反射構造物であり得る。
【００３３】
動作中、光源１７８によって生成されたポンプエネルギは、部分的にブラッグリフレクタ１８８を介して、共振器１９２に供給される。レーザー信号は、カプラ１９４Ａおよびカプラ１９４Ｂに沿って、アイソレータ１８６を介して、ブラッグリフレクタ１９０から発する。レーザー信号は、共振器１９２の共振周波数に対応する波長を有する。カプラ１９４Ｂ上の信号の周波数は、測定装置１９６によって測定される。
【００３４】
感知表面１６７における、特に中央部分１８４上の測定可能なパラメータへの変化の後、キャビティ１６６は変化し、それによって、コア１６４内において伝搬する信号によって経験される実効屈折率を変化させる。実効屈折率は、共振器１９２における光波の伝搬速度を決定する。次に、これは、共振器１９２の共振周波数、したがって、ＣＷ動作におけるカプラ１９４Ａ上のレーザー信号の周波数を決定する。モードロック動作において、繰り返し率は変更される。測定可能なパラメータに対する変化は、レーザー信号の周波数における変化の形にて、検出器１９６によって検出される。
【００３５】
センサー１７６のＣＷ動作において、測定装置１９６は、レーザー信号周波数が基準レーザーの周波数と比較される検出器であり、そのレーザー信号の周波数の非常に細かい変化の測定を可能にする。パルスモード動作において、測定装置１９６は、レーザー信号パルストレインの繰り返し率における変化を測定する電子検出器である。いずれの場合においても、ミクロンまたはそれ以下のキャビティ変位は、結果として、検出器１９６によって測定され得る周波数変化となる。図示されないが、ＣＰＵまたは他のプロセッサは、検出されたレーザー信号周波数に基づいた測定可能なパラメータに対する値を計算するために用いられる。測定可能なパラメータにおける変化は、絶対測定においてもまた、検出可能である。初期の基準化は、測定可能なパラメータの精密な測定のために、検出器１９６および／またはプロセッサを較正するために用いられ得る。例えば、基準化は、異なる測定可能なパラメータが感知される前に実行され得る。複数のセンサーが、フローシステム内における２つの離れた位置間にあるＡＰを測定するなど、様々な他の測定を変更するために、プロセッサを用いて使用され得ることはさらに理解される。０．０１〜０．１の通常の尺度因数、および１６０のＱ、または０．０１％〜０．０１％でのさらなる測定を用いて、解像度は、センサー１７６を用いてなされ得る。
【００３６】
代替的な共振器は考慮される。代替的な共振器の例は図７に示される。ここで、導波管２００は、循環器またはリング共振器として知られている循環共振器を形成し、以下ではそのように呼ぶ。リング共振器２００は、好適な実施形態において、商業的に利用可能であるヒュージング技術を用いて、光ファイバの接合端部によって形成され得る。断面において見た場合、リング共振器２００は、クラッディング、コア領域、および光ファイバ１６０のキャビティを有する。リング共振器２００は、高Ｑおよび高尺度因数によって特徴付けられ、光学センサー２０２の一部を形成する。キャビティがリング共振器２００の全長にまで延びる場合、リング共振器２００の全体の外表面は感知表面として動作する。
【００３７】
信号をリング共振器２００の閉ループに結合することは、エバネセント結合を介して達成される。主な導波管２０４は、概して参照番号２０８によって示される領域に亘るリング共振器２００のエバネセント結合接触部内にもたらされる。導波管２０４は、例えば、ポリシリコン材料にて形成される光学的に透明な導波管である。サファイアおよび石英もまた、全内部反射伝搬を生成するために有用であり、その導波管は別の光ファイバである。レーザーソース２０５からのレーザー信号２０６は導波管２０４を介して伝搬するようにされる。
【００３８】
信号２０６は、共振器２００内の共振周波数にロックし、共振器２００に結合することによって誘導される狭帯域を有する。それゆえ、信号２０６は、共振器２００の属性に依存、すなわち、共振器２００の外表面における測定可能なパラメータに依存する。信号２０６は、上述のように、測定装置２０９に提供される。一実施形態において、リング共振器２００はレーザー発振材料から形成され得、その結果、その共振器は、図２の内部共振器の実施形態において示されたように、レーザーキャビティを構成することに留意されたい。
【００３９】
代替的な実施形態は図８に示され、共振器２００を用いて伝搬する信号２１０は、信号２１２として、概して参照番号２１６として示される領域に亘るリング共振器２００の結合接触部内にある第２または外部の導波管２１４と結合される。本実施形態は特に、共振器２００が非レーザー発振材料にて形成される場合に有用である。出力導波管２１４は、導波管２０４を有する結合接触部の外側にある。信号２１２を導くために、導波管２１４は、先の尖っていない（ｓｎｕｂｂｅｄ）端部２２０を有し、その先端にまで延び、その結果、信号２１２は、信号２０６に対して並行方向において伝搬する。その信号２１２は測定装置２０９と結合される。リング共振器２００ならびに導波管２１４および２０４は、好適には、装置のコストおよび製造時間を削減するために、同じプロセス全体の間に作成される。
【００４０】
図８の実施形態は、入力信号からの波長をフィルタリングすることにおいて特に有用であり得る。例えば、広帯域ＬＥＤエネルギまたは白色光エネルギとしての信号２０６を用いて、共振器２００は、共振周波数および共振器２００の帯域幅とかち合う伝搬エネルギの一部を取り除く。信号２１２は、取り除かれた周波数の状態である。共振器２００を用いて、信号２０６からの共振周波数のほぼ完全な取り除きが達成可能である。
【００４１】
図９は、クラッド領域３０２、コア３０４、およびキャビティ３０６を有するファイバ３００の図４および図５に対する適切な代替的な実施形態を示す。外表面３０８は、ファイバ３００の感知表面である。キャビティ３０６は、ギャップの断面の外形が測定可能なパラメータにおける変化に応じて変化するという点において、キャビティ１６６と同様に可変ギャップを規定する。ここで、しかしながら、キャビティ３０６は、完全にクラッド領域３０２内に配置されている。それにもかかわらず、キャビティ３０６はコア３０４と十分に接近しており、伝搬する信号によって経験される実効屈折率を変化させる。上述の実施形態と同様に、測定可能なパラメータにおける変化によって誘導されたキャビティ３０６への変化は、実効屈折率を変化させる。したがって、ファイバ３００は、共振器またはレーザーキャビティにおいて用いられ得、測定可能なパラメータに依存する出力信号を生成する。ファイバ３００は、上述されたブラッグリフレクタ共振器またはリング共振器構成、ならびに、他の共振器構成における使用に対して適している。ファイバ１００と同様に、コア３０４は、高屈折率の光学的に透明な材料にて形成され、好適には、赤外領域において透明である。コア３０４およびキャビティ３０６は、異なる断面の外形を有し得、測定可能なパラメータにおける変化の後の共振周波数の所望の依存性を依然として達成する。
【００４２】
本教示内に含まれる別のタイプの共振器は、図１０〜図１２に示される共振器４００などの、微小球共振器である。光学的微小球は、非常に高いＱ値を有することが知られており、それは、１，０００，０００，０００を上回る。それゆえ、微小球は、測定可能なパラメータにおける非常に僅かな変化を測定するためには理想的な共振器を提供する。しかしながら、既知の微小球は、変化がなされ得る気体またはスペーシングを有さない単一の構造の形態をとる。
【００４３】
微小球４００は中空であり、ささやき回廊（ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ  ｇａｌｌｅｒｙ）モードにおいて動作し、そこでは、光が、既知の微小球のような微小球４００の外表面に沿って移動する。光は、球体表面において、全内部反射によって制限される。
【００４４】
微小球４００は第１の半球体４０２および第２の同一の半球体４０４に分離されており、その２つの半球体４０２および４０４は可変ギャップ４０６によって分離されている。ギャップ４０６は十分に小さいので、半球体４０２および４０４のいずれかの内部において伝搬する信号は、内部で伝搬するために、もう一方へと結合することができる。
【００４５】
微小球４００は、半球体４０２および４０４によって規定される共振周波数によって特徴付けられる。ギャップ４０６の間隔は、ファイバ１６０上のキャビティ１６６と同様な方法において共振周波数に影響する。図１１を参照すると、導波管４１０において伝搬するレーザー信号４０８の一部は、半球体４０２に結合される。レーザー信号４０８は、高Ｑ共振器４００内における共振周波数にロックする。動作中、測定可能なパラメータが感知表面４１３Ａおよび／または４１３Ｂにおいて変化すると、可変ギャップ４０６は、半球体４０２および半球体４０４との間における間隔を変化させ、それにより微小球４００の共振周波数を変化させる。可変ギャップ４０６における結果としての変化は、レーザー信号４０８の出力周波数を変化させる。信号４０８は、図示されないが、測定装置に結合される。
【００４６】
図１２は代替的な実施形態を示し、微小球４００は２つの導波管である４１０と４１２との間に配置され、その微小球４００は、図８に示される構造と同様の共振周波数フィルタまたはセンサー４１４として機能し、導波管４１２において、フィルタレーザー信号４１６を生成する。
【００４７】
微小球４００ならびに導波管４０８および４１０は基板上に形成され得、通常の微小球に適切である取り付け手段を用いて取り付けられる。半球体４０２および４０４は、好適には、相対的に移動するように取り付けられる。例示のために、ＭＥＭＳ搭載構造は、この目的のために用いられ得る。ＭＥＭＳ製造プロセスは、半球体４０２および４０４を所望の可変ギャップの間隔まで付勢するが、圧力、温度などにおける僅かな変化に応じて可変ギャップを収縮および拡張させることを可能にする、作動取り付け（台）を作成するために用いられ得る。微小球４００は、好適には、ドープされた石英などのレーザー発振材料で形成される。けれども、その代わりに非レーザー発振材料にて形成され得る。複数の微小球は、検出器において測定された出力信号のＳ／Ｎ比を増加させるために用いられ得る。
【００４８】
図１３は、光学センサカプセルの形態をとる代替的な光学センサー４５０を示し、微小球４５２を用いて形成される。好適な実施形態において、レーザーは、マイクロレーザーを形成するためにドープされ、ポンプ光によって励起された場合にレーザー発振する。センサー４５０は２つのモジュール４５４および４５６からなる。第１のモジュール４５４は、誘電性材料で形成され、受取キャビティ４５８を含む。モジュール４５４は、柔軟な膜または部分４６２の上に配置された感知表面４６０を有し、その感知表面４６０における測定可能なパラメータにおける変化が膜４６２を歪める。モジュール４５６は、誘電性材料で形成され、微小球４５２と接触して配置される。例えば、微小球４５２は、モジュール４５６における小さな斑点のある窪みに配置され得る。微小球４５２は台座によって支持され得る。微小球４５２は、好適には、単一の構造物であり、図１０〜図１２の実施形態のような二分割の形態をとらない。微小球４５２は、膜４６２の下方に配置され、共同で、その２つが可変ギャップ４６４を規定する。この構成において、光は微小球４５２に結合され、可変ギャップ４６４において変化する。すなわち、感知表面４６０における測定可能なパラメータにおける変化によって生じる変化は、微小球４５２における共振状況に影響を与え、それによってＣＷ動作におけるレーザーソースの周波数を変化させ、または、モードロック動作におけるパルスレーザーソースの繰り返し率を変化させる。例示のために、導波管４６６は、微小球４５２における光および微小球４５２からの光を結合することが示される。あるいは、光は、ビームを微小球４５２に集中させることによって、透明なモジュール４５４を介して微小球４５２に結合され得る。
【００４９】
図７〜図８の実施形態と同様なリング共振器の実施形態は基板に統合されるように形成され得、それによって、共振器および導波管をダメージから保護する単一の構造を提供する。例示的な一体型光学センサー５００は、第１のモジュール５０２および第２のモジュール５０４を有して、図１４に示される（未組み立て）。第１のモジュール５０２は、インプランテーション、エッチングおよび結晶成長、または他の適切なプロセスを用いて形成されたリング共振器５０６を含む。好適な実施形態において、基板５０８はサファイアで形成され、リング共振器５０６は、サファイアよりも高い屈折率を有するガリウム砒素またはポリシリコンで形成され、全内部反射を提供する。一次導波管５１０およびスナッブされた二次導波管５１２は、図８に関して上述された導波管と同様に、基板５０８において形成されている。導波管５１０および５１２、ならびにリング共振器５０６は、基板５０８の上表面５１４が大部分である上表面を有する。導波管５１０および５１２、ならびにリング共振器５０６を用いて伝播する信号は、全内部反射のもとで伝搬する。
【００５０】
モジュール５０４は基板５１６の形態をとり、好適な実施形態において、基板５０８と同一の材料である。モジュール５０４は可変ギャップを規定するキャビティ５１８を含む。前述したキャビティ１６６と同様に、キャビティ５１８は、キャビティ５１８のギャップが、圧力、力、または温度などの測定可能なパラメータへの変化に応じて変化する外形を有する。さらに、直線的な形状が図１４に示されているが、他の形状が適しており、例えば非平面形状が使用され得ることは理解される。一体型光学センサー５００は、図１５に示される構造物を形成するモジュール５０２上の取り付けモジュール５０４によって形成される。
【００５１】
図１５における断面に示されるように、キャビティ５１８は、リング共振器５０６の外部にあるが、十分に接近しており、リング共振器５０６内において伝搬する波によって経験される実効屈折率を変化させる。キャビティ５１８の形状は、感知表面５１９における上述の測定可能なパラメータに対する変化に応じて変化し、可変ギャップにおける変化は共振器５０６の共振周波数を変化させる。モジュール５０４は、例えば、共振器５０６上のダイアフラムを形成し得る。導波管５１２上の出力信号は検出器およびプロセッサに結合される。その構成は、上述の教示に従ったＣＷ動作またはパルスモジュールモード動作において用いられ得る。
【００５２】
光学センサー５００の多数の代替案は当業者に明らかである。例えば、ブラッググレーティング（ｇｒａｔｉｎｇ）は共振器５０６の表面上に形成され得、導波管５１２からの出力信号の帯域幅をさらに狭め、さもなければ動作に影響を及ぼす。リング共振器５０６は、一体型レーザー発振動作を提供するためにドープされ得、またはリング共振器５０６は外部レーザーに結合され得、様々な周波数出力を提供する。さらに、同軸リング共振器は、例えば、温度の変動を補正するために用いられ得る。この代替案は、各同軸リング共振器が、異なる外形（この場合、半径）のために、異なる圧力感度を有する場合、特に有用である。
【００５３】
さらに、光学センサー５００は、対称の形態であり得、同一の相対するリング共振器はキャビティ５１８の反対側に存在する。２つの導波管は、可変内部ギャップを有する単一のモード導波管として動作する。図１６は、一実施形態の断面を示し、第２のリング共振器５２０は、キャビティ５１８の上方、およびリング共振器５０６の反対側に配置されている。
【００５４】
図１４に示される２つのモジュール構造の代替として、光学センサー５００は、単一の基板構造（すなわち、モジュールがない）において形成され得る。ここで、複数の工程処理が用いられ得、基板層の第１の部分は、結晶成長、次いで、インプランテーションまたはエッチングのプロセスを経て、内部リング共振器および必要な導波管を形成し、次いで、続くグロース処理段階が実行され、センサーの最上部表面上のキャビティを形成する。
【００５５】
第１のモジュール５０２は、代替的には、図１７における光結晶モジュール５３０の形態を取る。モジュール５３０は、一次導波管５３２、共振器５３４、および二次導波管５３６を有する。モジュール５３０は、モジュール５０４と共に、モジュール５０２の代替として用いられ得、またはモジュール５３０は、単一の構造物内における可変ギャップキャビティを有して形成され得る。共振器５３４は、当業者に周知であるように、光結晶アレイにおける間隔の変化によって形成される。
【００５６】
導波管５３２、５３６、および共振器５３４は、２Ｄ光結晶格子（ｌａｔｔｉｃｅ）アレイにおいて形成される。光結晶は、一般に、要素の反復するアレイから構成され、各要素に対する寸法は、そのアレイ内において伝搬する光の波長と同様であるか、およそ同様である。光結晶が所望される理由は、それが厳しいモード制限を有し、導波管におけるシャープな角を有しても、低損失だからである。光結晶はエバネセント結合をも可能にする。結果として、モジュール５３０は低損失光学カプラであり、共振器５３４は高Ｑ共振器である。
【００５７】
モジュール５３０は、三角形の格子方向において構成される穴（ｈｏｌｅ）またはポスト５３８の２Ｄアレイを有して形成される。そのアレイは、周知の光結晶形成技術を用いて形成され得る。例えば、平行光学ビームは、光学基板材料に穴を開け得る。電子ビームが、薄い膜またはヘテロ構造において、エッチングされたパターンを直接書き込むリソグラフィー処理もまた知られている。形成された２Ｄ光結晶アレイは、共振器５３４、および導波管５３２、５３６を規定し、それゆえ、信号処理工程は、これら３つの構造を同時に形成するために用いられ得る。
【００５８】
モジュール５３０において、一次導波管５３２内を伝搬するレーザー信号は、リング共振器である共振器５３４にエバネセント結合する。本明細書において記載された他の共振器と同様に、共振器５３４はレーザー発振材料または非レーザー発振材料で形成され得る。共振器５３４からの信号は導波管５３６に結合される。モジュール５３０は、好適には、外部キャビティ５１８を有して用いられ、感知表面５１９への変化は、キャビティ５１８の可変ギャップおよび共振器５３４からの共振器信号の周波数を変化させる。
【００５９】
図１４〜図１７に示される実施形態は、一次または入力の導波管および二次または出力の導波管を示すが、信号導波管は図７と同様に用いられ得ることが理解される。
【００６０】
図１８は、光学センサー６００の別の実施形態を示す。光学センサー６００は外部共振器６０４に結合される出力部を有する、垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）６０２の形態をとる。ＶＣＳＥＬ６０２は、模範的には、アクティブ領域６０６ならびに、２つのリフレクタ６１２および６１４を含み、それぞれは、好適な実施形態においては、分布型ブラッグリフレクタ層である。共振器６０４は、全内部反射の原理に基づいて動作するマイクロディスク共振器であり、低損失および高Ｑを有する。共振器６０４は、感知表面６１６において測定可能であるパラメータにおける変化に応じて変化する可変ギャップを規定するキャビティ６２０を有する。共振器６０４は、ＶＣＳＥＬ６０２からの出力を受信するために、ＶＣＳＥＬ６０２の最上部表面に取り付けられる。例示のために、透明な誘電体６２２は、この目的のために示される。全センサー６００は、既存用途におけるパッケージングおよび配置を容易にするため、基板または支持層６２４上に取り付けられ得る。
【００６１】
本実施形態において、共振器６０４からの出力は、共振周波数に依存する。共振周波数は、キャビティの可変ギャップ６２０の関数であり、可変ギャップは、圧力および温度などの測定可能なパラメータの関数である。ＶＣＳＥＬの出力は、高Ｑマイクロディスク６０４に結合され、ＶＣＳＥＬ６０２の周波数を決定する。
【００６２】
前述から理解され得るように、圧力、温度、流量、力、材料組成、または歪みなどの測定可能なパラメータに依存しておる共振周波数を用いる高Ｑ光学共振器が示される。共振器の共振周波数は、レーザーを共振周波数にロックさせることによって、レーザーの出力周波数を決定するか、またはその共振周波数は、フィルタとして動作する共振器の出力を決定し得る。いずれかの出力は、感知表面における測定可能なパラメータに依存しており、その測定可能なパラメータに対する絶対値または異なる値を計算するために用いられ得る。その共振器は、レーザーすなわち光源の外部にある光学媒体の形態を取り得るか、あるいは、その光学媒体は光源の内部にあり得、レーザーキャビティを共振器にする。多数の導波管は、全内部反射のみに依存するマイクロディスクおよび微小球などのような誘電体共振器、および、信号の伝搬を制限するための導波管を有する共振器を含み、上述される。示されたそれらの共振器に加え、他の共振器構造もまた明らかになる。
【００６３】
これらの教示に関して、多数の用途が上述されてきたが、さらに別の用途が明らかになる。記載された光学装置の高精度は、工業プロセスおよびフローシステムの用途に対して、特に、従来の電子ベースの半導体センサーがしばしば作動しないような、低信号強度を有する用途に対して適している。一つの用途において、光学遠隔圧力センサーは、光学共振器が油入導管を置き換える場合に用いられ得る。別の用途は、圧力が物理的に離れた場所において測定される場合ＡＰフローメーターを含み、メーターは圧力における変化を決定するために用いられる。対照的に、従来のＡＰセンサーは、油入アイソレータシステムに、２つの物理的に離れた圧力を共通のセンサーに結合することが要求される。光学センサーはまた、従来のセンサーおよび電子工学が動作しない（例えば、ジェットエンジンにおける圧力の測定、油田における圧力の測定、および蒸気の測定など）ような、高温での用途における圧力測定にも適している。示される構造はまた、ＡＰは高圧線圧力（ＡＰ）において測定されなければならないような場合に、ＡＰトランスミッタにおいて用いられ得る。ここで、高感度の二重のＡＰ光学センサーが用いられ得る。さらに、従来の配線が電気干渉または安全性の配慮のために適していないような温度測定用途が、ここで、あらゆる光学センサーの使用を解して達成され得る。他のセンサアプリケーションは、流量および材料組成を測定するために光学センサーを用いることを含む。
【００６４】
図１９〜図３８Ｂは、電磁気スペクトルのマイクロ波部分（すなわち、マイクロ波およびテラヘルツ周波数を含むスペクトルのサブ光学部分）における周波数にて動作する高Ｑ共振センサーの実施形態を示す。図１９〜図２１は例示的な感知システムのブロック図を示し、他方、図２２Ａ〜図３８Ｂは、マイクロ波または励起を用いて利用可能な高Ｑ誘電体共振センサーの実施形態を示す。
【００６５】
図１９は、電源７００、発振器７０２、高Ｑ誘電体共振センサー７０４、および出力センサー７０６を含む感知システムを示す。電源７００は、電力または電磁波エネルギを発振器７０２に提供する。発振器７０２の出力は、スペクトルのマイクロ波部分における高周波数電磁放射である。記載の明瞭さのために、図１９〜図２１に示される実施形態において用いられる電磁波エネルギは「マイクロ波」エネルギと呼ぶ。
【００６６】
発振器７０２のマイクロ波出力は、マイクロ波結合または伝送線（同軸ケーブルまたは導波管など）を介して、高Ｑ誘電体共振センサー７０４に供給される。図２２Ａ〜図３８Ｂを参照してより詳細に検討されるように、誘電体共振センサーは、圧力、差圧、温度、力などの測定可能なパラメータに応じて外形を変化させる内部キャビティを有する誘電体材料の本体である。キャビティは、測定可能なパラメータにおける変化に応じてサイズを変更するギャップを規定する。そのギャップのサイズにおける変化は、センサー７０４を介して伝搬する電磁マイクロ波エネルギ（発振器７０２によって供給される）の電界成分によって直面される実効誘電率において変化を生じさせる。伝搬速度は実効誘電率の関数であり、それゆえ、共振センサー７０４の共振周波数は、ギャップサイズの関数として変化する（ギャップサイズは測定可能なパラメータの関数である）。
【００６７】
図１９に示される実施形態において、出力センサー７０６は、誘電体共振センサー７０４に結合され、センサー７０４からマイクロ波エネルギを受け取る。発振器７０２から供給されるマイクロ波エネルギの周波数が周波数範囲を介して掃引されると、出力センサー７０６は、入力マイクロ波エネルギがいつ誘電体共振センサー７０４の共振周波数の状態になるかを検出する。図１９に示される実施形態において、出力センサー７０６は、フィードバックループにおいて、発振器７０２の周波数掃引制御部に接続され、発振器７０２の出力周波数は、センサー７０４の共振周波数に調整される。出力センサー７０６によって感知されるように、発振器７０２の出力周波数は測定されたパラメータを表す。
【００６８】
図２０は、発振器７０２および高Ｑ誘電体共振センサー７０４が自己共振構成においてアレンジされている実施形態を示す。ソース７００からのＤＣ電力は、共振センサー７０４を励起するために、双方向接続７０７を介してマイクロ波エネルギを供給する発振器７０２に電力を供給する。センサー７０４におけるインピーダンス変化は、発振器７０２を、センサー７０４の共振周波数にロックする。発振器７０２の発振器周波数はセンサー７０４の共振周波数の関数であり、カウンタ７０８によってカウントされ、測定可能なパラメータの測定を提供する。
【００６９】
図２１は、電源（ポンプ）７００、メーザー７１０、高Ｑ誘電体共振センサー７０４、および測定装置７１２を含む実施形態を示す。電源７００は、ポンプ周波数ｆ１における電力を提供するマイクロ波発振器である。本実施形態において、センサー７０４は、メーザー７１０のキャビティ内であるか、キャビティの外に配置されるかのいずれかであり、測定されるパラメータの関数である共振周波数ｆ２を有する。測定装置７１２は、共振センサー７０４によって影響されると、メーザー７１０から出力ビームを受け取る。測定装置７１２は、メーザービームの周波数を検出する分光計であり得、または、メーザーパルスをカウントし得る。ビームの周波数の両方、ならびにビームのパルスの繰り返し率は、高Ｑ誘電体共振センサー７０４の共振周波数の関数である。キャビティの外形（すなわちギャップのサイズ）およびセンサー７０４の実効誘電率は、パラメータ、測定装置７１２によって受け取られたメーザービームの周波数、および繰り返し率の関数として変化し、両方は測定可能なパラメータの関数として変化する。
【００７０】
本発明を用いて利用可能なメーザーの一例は、６６．４ＧＨｚポンプソースを用いて励起される場合、約３２ＧＨｚにて、マイクロ波増幅するように製造され得るサファイア（ルビー）共振器である。これは、メーザー７１０および共振器７０４からの入力パラメータ感度の３２ＧＨｚ信号が、ソース７００によって生成されるポンプ周波数から測定装置７１２によって容易に区別されることを可能にする。平面サファイア結合キャビティメーザーの記載は、Ｊ．Ｓ．Ｓｈｅｌｌら、  Ｔ．Ｍ．Ｏ．  Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ  Ｒｅｐｏｒｔ  ４２−１４２（１７ページ、２００２年８月１５日）に示されている。Ｓｈｅｌｌらの論文は、持続モードメーザーを記載する。図２１は、メーザー７１０とともに用いられる単一の共振センサー７０４を示すが、複数の共振センサーが３２ＧＨｚに近いが、わずかに異なる共振周波数に調整されるように構成された複数の共振センサーもまた用いられ得る。
【００７１】
図２２Ａ〜図３８Ｂは、圧力（または感知される別のパラメータ）に応じ、マイクロ波周波数において動作する電磁共振センサーの様々な実施形態を示す。電磁共振センサーは、感知されたパラメータに応じて変化するキャビティギャップを有する誘電体構造である。誘電体材料は、サファイアのような単結晶材料、誘電セラミック、ガラス、または石英などのであり得る。以下の検討において、サファイアが電磁共振センサーの本体を形成する誘電体材料の例として用いられる。センサーの共振周波数は、保存された電界エネルギと誘電体本体およびセンサーのキャビティギャップにおいて保存された電界エネルギとの比の２乗の関数である。キャビティギャップがパラメータの関数として変化すると、センサーの実効誘電率は変化する。これは、保存された電界エネルギにおいて変化を生じさせ、その結果、共振周波数における変化となる。
【００７２】
共振センサーは、金属キャビティに宙吊りになっている。この金属キャビティは、通常、真空にされるか、あるいは、油または気体などの流体を満たすかのいずれかである。空き空間（または気体または油で満たされた空間）と比較して、サファイア（または他の誘電材料）は誘電率が大きいために、マイクロ波共振モードは、周囲のキャビティからほぼ独立している誘電体構造内に存在する。選択された共振モードにおける電磁エネルギは、誘電体本体およびキャビティギャップ内における電磁定常波として、内部高誘電体構造に閉じ込められる。マイクロ波エネルギはその構造物に供給され得、共振におけるインピーダンス変化が検出され得るか、または、システムは自己共振にされ得る。マイクロ波周波数におけるサファイアの誘電損失が低いために、共振センサーのＱは非常に高くなり得る。Ｑ係数は、典型的に、室温において、１００，０００よりも高く、極低温において、１，０００，０００よりも高い。共振センサーの寸法は、通常は、ミリメートルからセンチメートルの範囲であり、マイクロ波の波長に対応する。共振センサーの寸法が少し変化すると、共振センサーの周波数範囲を少しチューニングして用いられ得る。共振センサーは、Ｑが高いので優れた短期的安定を有する。周波数が寸法の安定性および共振センサー本体の誘電体の誘電率のみに依存するゆえに、長期的安定は優れている。
【００７３】
図２２Ａおよび図２２Ｂは、マイクロ波周波数において動作する電磁共振センサー８００を示す。センサー８００は、リングまたはトロイダル形状の誘電体本体８０２であり、内部にリング形状キャビティまたはチャンバ８０４を有する。本体８０２の面８０６および８０８は、センサー８００を取り囲む油で満ちた媒体を介して加えられる圧力など、測定されるパラメータに応答する。圧力を加えると、本体８０２の壁の内側へ歪みが生じ、それはギャップ８１０における変化を生じさせ、ギャップ８１０における変化は、キャビティ８０４の内部表面８０４Ａおよび８０４Ｂの間の距離によって規定される。
【００７４】
センサー８００は、ささやきギャラリーモードにおいて動作され、それは高Ｑと連動する高ゲージ係数を提供する。この構造は、室温において高Ｑを提供する。というのは、内部電磁放射が誘電体本体８０２と周囲媒体との間の界面において全反射されるモードが利用可能だからである。このモードは、音声が円形の部屋の周囲において、非常に少ない損失で伝送される音響ささやき回廊と類似している。
【００７５】
可変ギャップ８１０（誘電体本体８０２よりも低い誘電率を有する）を用いて、本体８０２内の電磁定常波の電界成分を干渉することによって、比較的高いゲージ係数が達成され得る。油で満ちた媒体は、キャビティ８０４の外形を変化させ、特に、圧力感度ギャップの厚さを変化させるために、圧力を面８０６および８０８に伝えるために用いられ得る。油の誘電率は誘電体本体８０２の誘電率よりも相当に低いので、油の誘電属性とは比較的無関係に、高Ｑ共振が維持され得る。マイクロ波電力は、単にマイクロ波エネルギを周囲の油媒体に導入することによって、または、マイクロ波エネルギを、小さな穴または突起などの誘電体本体８０２における不連続面に結合させることによって、センサー８００と結合され得る。また、マイクロ波エネルギは、同軸ケーブルの中央の導電体を、誘電体本体８０２に接近させて配置するか、接触させて配置させることによって、誘電体本体８０２に伝えられることが可能となる。
【００７６】
図２２Ａは、４つの磁界ループ８１２および４つの電界ループ８１４を有する電磁定常波を有する四次モードで動作するセンサー８００を示す。図２２Ａに示されたモードは、電界ループ８１４がキャビティ８０４のギャップ８１０を通過するため、最大圧力感度を有する。電界ループ８１４および磁界ループ８１２は置き変わった場合、周波数は最小の圧力感度を有し、センサー８００は、温度感知目的のために使用され得る。この場合、共振周波数は、温度依存性あるサファイアの誘電率に依存する。
【００７７】
図２２Ａに示されたループの数は、例示目的である。他の数のループを有する共振モードも、適合され得る。一般に、高次モードにすると、Ｑも共振数も、より高くなる。
【００７８】
電磁共振モードは集中効果よりはむしろ分配効果に基づく。正確な解を得るのは難しいが、概算値は、概略の集中定数を使用してなされ得る。電磁定常波パターンは、インタロックループ電磁界から成り立つ。図２２Ａ〜図２２Ｂに示されるリング共振器構造において、パターンは、電磁界を表す交互水平垂直リンクを有する円形ループリンクチェーンである。可変ギャップ８１０を有する電界ループを遮断することによって、測定可能なパラメータにおける変化は、ＬＣ共振器のキャパシタンスを効果的に変化する。Ｆ＝Ｋ／ＳｑｒｔＬＣであるので、共振周波数は、このように変化する。従来のキャパシタンスセンサーでは、導体板は内部キャパシタンスをサポートしないので、すべてのキャパシタンスは、ギャップに閉じ込められる。他方、図２２Ａ〜図２２Ｂに示される構造において、総集中キャパシタンスの重要な一部が固定され、ゲージ係数が減少するように、エネルギもまた、サファイア内の電界に蓄積される。このことは、共振器の安定性およびＳＮ比の向上によって補償される。概ね、
【００７９】
【数１】
2007534938.tif 000003
である。
【００８０】
ここで、ＣＳはサファイアによるキャパシタンス、εＳはサファイア誘電率、ＡＳはサファイアにおける電界の有効面積、ＬＳはサファイアにおける電界の有効長、およびＣｇはギャップ８１０によるキャパシタンスで、εｏは真空の誘電率、Ａｇはギャップ８１０の有効
面積およびＸｇはギャップ８１０のサイズである。
【００８１】
代わりのアプローチは、定常波電磁界の有効波長を検査することである。一般に、最小寸法が、有効波長を決定する。エア（または真空）ギャップが、高誘電材料における電界ループに挿入された場合、ギャップは、誘電材料の誘電率とギャップの誘電率の比に等しい比によって波長を効果的に増加する。
【００８２】
図２２Ａ〜図２２Ｂに示される実施形態において、動作周波数およびゲージ係数の概算値は、リング厚さＴＳ、圧力感度ギャップＸｏ、およびギャップΔＸにおける最大偏向または変化によって計算され得る。ΔＸが０．５ミル、Ｘｏが１ミル、εＳが１０ミルおよびＴＳが５０ミルのとき、動作周波数の概算値は、４０ＧＨｚであって、
【００８３】
【数２】
2007534938.tif 000004
である。
【００８４】
ゲージ係数ＧＦの概算値は０．１であって、
【００８５】
【数３】
2007534938.tif 000005
である。
【００８６】
半導体回路網を有するセンサーの電力を減少し、互換性を向上させるために、所定のサイズのセンサーの共振周波数を下げることは望ましい。共振周波数を低くする一方法は、集中ＬＣ回路と導波管との間の中間にあるセンサー設計を使用することである。図２３Ａおよび図２３Ｂは、そのような構造を有するセンサー８２０を示す。
【００８７】
センサー８２０は、中央ゾーン８２６および周囲ゾーン８２８の二つのゾーンに分割された内部キャビティを有するシリンダー状の誘電体本体８２２である。中央ゾーン８２６は細く、内部表面８２６Ａと８２６Ｂとの間の圧力応答変動ギャップを提供する。
【００８８】
図２３Ａおよび２３Ｂは、磁界ループ８３０を示す。電界ループ８３２は、図２３Ｂに示される。図２３Ａおよび２３Ｂに示されるように、ゾーン８２６において、電界が優位を占め、可変ギャップＸが圧力に応答して変化すると、変動するキャパシタンスを表す。ゾーン８２８において、磁界が優位を占め、インダクタンスを表す。本質的に、センサー８２０は、キャパシタンスに結合された巻き数１のトロイダルインダクタである。
【００８９】
図２４Ａおよび２４Ｂは、本発明に従う誘電共振器センサーの別の実施形態を示す。センサー８４０は、一般に、誘電材料８４２の長方形のブロックで、そのブロックは、一般に正方形の前面８４４および背面８４６、および内部表面８４８Ａおよび８４８Ｂによって規定された変動ギャップＸを有する円形のシリンダー状の内部キャビティ８４８を有する。本体８４２の厚さは、共振周波数センサー８４０の約半分の波長である。図２４Ａおよび２４Ｂは、一つの磁界ループ８５０および一つの電界ループ８５２を有し、最低共振モードで動作するセンサー８４０を示す。
【００９０】
図２５Ａおよび２５Ｂは、より高いＱおよびより高い共振周波数を有し、より高い共振モードで動作するセンサー８４０を示す。この実施形態において、共振は、有効直径Ｄで、磁界ループ８５０および電界ループ８５２のリンクチェーンから成り立つ定常波を有するささやき回廊モードで、作られる。波長λは、以下
【００９１】
【数４】
2007534938.tif 000006
の関係で与えられる。
【００９２】
本発明を使用する共振センサーのその他の形式は、共振伝送線または共振アンテナ構造を有する。図２６Ａおよび２６Ｂはセンサー８４０の共振アンテナの実施形態を示す。その実施形態において、導体フィルム８５４が、センサー８４０の動作周波数を減少するために、内部キャビティ８４８の片側に追加される。共振周波数の半分の波長は、導体フィルム８５４の半径にほぼ等しい。電磁定常波の磁界ループ８５０および電界ループ８５２が示される。センサー８４０は、共振円形アンテナとして働く。
【００９３】
図２７Ａおよび２７Ｂは、共振伝送線センサー９００を示し、そのセンサーは、キャビティ９０４およびキャビティ９０４内に位置する伝送線９０６を有する誘電体本体９０２を含む。伝送線９０６は導体９０８および９１０によって形成され、それらの導体は、キャビティ９０４の対向する壁９０４Ａおよび９０４Ｂ上に互いに対向して置かれる。
【００９４】
図２７Ａおよび２７Ｂに示す実施形態において、伝送線９０６は、ストリップデュアル伝送線である。伝送線９０６を通る伝搬速度は、電磁界に格納されたエネルギに依存し、そのエネルギは、キャビティ９０４の表面９０４Ａと９０４Ｂとの間のスペースであるギャップの関数である。伝送線９０６が開放または短絡され終端した場合、関連共振があり、キャビティ９０４のギャップが変化すると関連共振も変動する。この共振は感知され得、センサー本体９０２の外面９１２および９１４に印加される圧力を示し得る。
【００９５】
所定のセンサーサイズについて、共振伝送線センサー９００の共振周波数は、図２２Ａ〜２５Ｂに示した電極を有さず、共振キャビティを有する共振センサーの動作周波数より低い。より低い周波数は、個体電子機器とのより大きな互換性のメリットを有する。逆に、所定の動作周波数に対して、センサーはより小型になり、従って、低コストになり得る。
【００９６】
他の構成は可能である。両方の導体９０８および９１０は、キャビティ９０４の同じ側に位置され得る。伝送線９０６は、動作周波数をさらに低下させるため、前後に折り返し得る。導体９０８および９１０は、フィードスルーを通過する前に、共振がキャビティ９０４内で、主として決定されるように、物理的に分離され、静電容量的に結合され得る。外部結合電極は、共振を感知するために、使用され得る。さらに別の実施形態において、単一の導体は、外部接地を伴い使用し得、同軸型共振器を形成する。
【００９７】
センサー９００の共振周波数は、伝送線９０６上の伝達速度によって決定され、その長さは、Ｖが伝達速度で、λが定常波の波長のとき、ｆ＝Ｖ／λ＝Ｖ／２Ｌであり、モードは、両端が短絡または開放されている共振半波長伝送である。本構造における伝送速度は、平均定常波または有効定常波の関数であり、電磁波を通じてエネルギが伝達する。センサー９００は、定常波がその全エネルギのかなりの割合がギャップに蓄積され定常波が閉じ込められるように構成される。エネルギの残りは、ギャップにおける誘電率の約１０倍の誘電率を有するサファイア内に蓄積される。これらの状況下において、
【００９８】
【数５】
2007534938.tif 000007
である。このエネルギ平均誘電率は、電磁波に曝されたものである。このように、伝達速度は、ギャップが完全に閉じたときの約ｃ／３から、ギャップが非常に大きいときのｃに近づく値へ変動する。共振周波数もまた、速度に直接関係しているので、３：１の比率で変化する。実際の設計について、変化はこれより小さいが、０．１〜０．５のゲージ係数は、おそらく妥当である。
【００９９】
Ｑ（すなわち、品質係数）は、それが、共振の鋭さを決定し、従って共振周波数がいかに正確に決定され得るかを決定するので、共振回路において重要な係数である。Ｑは、実際のデバイス用に１よりはるかに大きくあるべきである。システムにおいて、Ｑはエネルギ損失の逆尺度である。損失のほとんどは、導体を作成する金属フィルムの抵抗において発生する。サファイアおよびギャップの誘電における損失は低く、シールドは、放射による損失を防ぎ得る。幾何学的配置は、Ｑとフィルム抵抗率との間の関係を決定する。
【０１００】
図２８Ａおよび２８Ｂは発明の別の実施形態（共振伝送線センサー９２０）を示す。誘電体本体９２２は、内部表面９２４Ａと９２４Ｂとの間の圧力応答変動ギャップＸを有する内部キャビティを有する。スロットアンテナ９２６は、キャビティ９２４内に置かれる。スロットアンテナ９２６を形成する主導線９２８の幅はＷで、二つの主導線間スペースはＳである。
【０１０１】
導線９２８間の距離がキャビティギャップＸのサファイアの相対誘電率にほぼ等しいとき、センサー９２０は、妥当なＱとの組み合わせで妥当なゲージ係数を有する。導線９２８の幅Ｗは、ゲージ係数対Ｑを最適化するように変動し得る。それらが非常に広い場合、構造は、伝送線よりはむしろ共振スロットに似ているが、動作原理は、非常に似ている。両方の場合において、電荷は、２本の導線９２８の向き合う中央部分間で前後に共振する。電荷はこれを、導線９２８を接続する閉鎖端９３０の周りを流れる電流によって行う。Ｑは以下、
【０１０２】
【数６】
2007534938.tif 000008
と推定される。ここで、Ｔは振動周期で、Ｒｅは伝送線９２６の有効キャパシタンスＣｅを充電する有効抵抗である。ＲおよびＣは分配され、荷電電圧および電流は分配正弦曲線である。このように、有効値ＲｅおよびＣｅは、合計値ＲｔおよびＣｔより少ない。Ｔは、任意の所定の線長Ｌに対して比較的一定であり、Ｑを最大にすることは、小さなＲを有する構造を、小さなＣと組み合わせることを見つける問題である。この構造のエッジからエッジへの方向付けは、低抵抗と関連した小キャパシタンスを与える。導線は、キャパシタンス増加に影響をさほど与えることなく、太く作り得るので、抵抗を比較的低くすることが可能である。センサー９２０の構造を使用した値の一例は以下のとおりで、
キャビティギャップＸ＝６マイクロメートル
導線間スペースＳ＝５０マイクロメートル
導線幅Ｗ＝２００マイクロメートル
導線長Ｌ＝０．２５ｃｍ
抵抗率Ｒｓ＝０．５Ω／スクウェア
Ｖ＝ｃ／ｓｑｒｔ９＝ｃ／３＝１０１０ｃｍ／秒
ｆ＝Ｖ／２Ｌ＝１０−１０ｃｍ／秒／２＊０．２５ｃｍ＝２０ＧＨｚ
Ｔ＝０．５ｘ１０−１０秒
Ｒｔ＝スクウェアの数ｘＲｓ＝２８スクウェアｘ０．５Ω／スクウェア＝１４Ω
Ｃｔ＝２ｐｆ／ｃｍ  ｘ  ０．２５ｃｍ＝５ｐｆ
【０１０３】
【数７】
2007534938.tif 000009
ある。より高いＱは、フィルム厚さを増加することによって得られ得る。あるいは、その他に、双極子およびスロットアンテナ構造を使用し得る。
【０１０４】
図２９Ａおよび２９Ｂは、誘電体本体９４２を有するセンサー９４０、内部キャビティ９４４、および、同軸伝送線９４６を示す。センサー９４０は、開放終端を有するシンプルな構造を提供する。この構造は、同軸伝送線または双極子アンテナのいずれかと考えられ得る。伝送線９４６を有する長さと速度は、共振周波数を決定する。伝送線９４６に沿った電磁波の速度は、キャビティ９４４の表面９４４Ａと９４４Ｂとの間のディメンションギャップに依存する。図２９Ａおよび図２９Ｂに示す構造は、電流の流れを妨げるほんの数スクウェアの面積抵抗を有し、従って、より高いＱを有する。さらに、図２９Ａおよび２９Ｂに示す構造は、単位長当たりのより低いキャパシタンスを有する傾向があり、それもまたＱを向上する助けとなる。
【０１０５】
図２９Ａおよび図２９Ｂに示す実施形態において、センサー９４０のキャパシタンス感度は、誘電体９４２の端に近い最大にある。その結果、アンテナ９４６は、図２９Ａに示すように向けられるべきである。
【０１０６】
スロット型アンテナもまた、本発明に接続して使用し得る。種々のスロット型アンテナを有する共振センサー９５０の例は、図３０Ａおよび図３０Ｂ、図３１Ａおよび図３１Ｂ、および図３２Ａおよび図３２Ｂ、図３３Ａおよび図３３Ｂ、図３４Ａおよび図３４Ｂ、および図３５Ａおよび図３５Ｂに示される。これらの図において、共振センサー９５０は、誘電体９５２、可変ギャップＸを限定する内部表面９５４Ａ及び９５４Ｂを有するキャビティ９５４、および表面９５４Ｂ上の導体９５６を有する。導体９５６は、各図３０Ａ〜３５Ａの異なる構造のスロットアンテナを含む。図３０Ａにおいて、スロットアンテナ９５８の長さおよび電磁波エネルギの速度（これはギャップサイズＸの関数）は、共振周波数を決定する。最大Ｑについて、スロット型アンテナは、電流がスロット端中を妨げられないで流れなければならないので、比較的短くしなければならない。このことが、対応してより高い共振周波数の結果となる。
【０１０７】
図３１Ａにおいて、単一の垂直方向に向いたスロット９６０が示される。長さを決定する周波数は、スロット９６０の垂直長さである。
【０１０８】
図３２Ａにおいて、一対の円形のカットアウト９６４および９６６で囲まれたスロット９６２は、スロットアンテナを形成する。カットアウト９６４および９６６は、感度中央領域に近いキャパシタンスを減少することによって、Ｑを向上する。
【０１０９】
図３３Ａは、５つの平行なスロット９６８によって形成されたスロットアンテナを示す。この構造は、隣接スロットに対してどちらか一つの極性で振動する場合、非常に高いＱの能力を有する。電流の流れは、損失を最小にするため、スロット間において水平方向であるべきである。
【０１１０】
図３４Ａおよび図３５Ａは、ポート型アンテナを形成するために、スロットが「広げられた」さらなる実施形態を示す。図３４Ａは、円形ポート９７０を示し、一方、図３５Ａは、長円形のポート９７２を示す。
【０１１１】
図３０Ａ〜３５Ｂに示される変種の実施形態において、多数のアンテナ（スロットまたは円形アンテナ）が、導体に形成され、その結果、多数の共振周波数となる。ひとつのセンサーにおいて、異なるアンテナおよび異なる長さを使用すると、重要なパラメータを表す信号とともに、基準信号または温度信号をする能力を可能にする。
【０１１２】
図３６Ａおよび３６Ｂならびに図３７Ａおよび図３７Ｂは、双極子アンテナの特徴を有するセンサー９５０の二つの追加の実施形態を示す。円形導体９８０は、図３６Ａに示され、長円形導体９８２は、図３７Ａに示される。長さを決定する周波数は、図３６Ａおよび図３７Ａに示されるように水平方向である。
【０１１３】
図３８Ａおよび図３８Ｂは、共振アンテナを有するセンサーのさらに別の実施形態を示す。センサー９９０は、誘電センサー本体９９２を有し、誘電センサー本体は、内部表面９９８Ａと９９８Ｂとの間の変動ギャップＸを規定する正方形の内部キャビティ９９８を有する正方形の前面９９４および背面９９６を有する。導体１０００は、キャビティ９９４の９９８Ｂ壁上に形成され、ポートアンテナを形成する長円形開口部１００２を有する。
【０１１４】
図１９〜図３８Ｂに示されるように、共振センサーは、パラメータが共振センサーのキャビティギャプにおける変更の原因となる限り、種々のパラメータを検出するために使用され得るマイクロ波発振器によって動作する。一般に、マイクロ波周波数で動作するデバイスのサイズは、電磁定常波の波長の半分に概ね等しい。共振センサーが、コストダウンのため小さく作られた場合、共振センサーは、低コストの半導体周波数コーニング（ｃｏｎｉｎｇ）技術で直接に測定するには高すぎる共振周波数を有する傾向がある。たとえば、１ＧＨｚ動作には、７．５ｃｍのセンサーサイズを必要とする。
【０１１５】
この問題に対する解決は、マイクロ波発振器をモードロック構成にて動作することであり、モードロック構成では、基本出力周波数は、低周波数振幅変調（ＡＭ）出力信号が基本周波数に正比例するように、振幅変調である。種々の検出技術は、次に、ＡＭ信号の電力変動をカウント可能な電子信号に変換するために利用し得る。たとえば、高周波数ダイオードは信号を整流し得る。
【０１１６】
図３９は、モードロック構成において高周波数マイクロ波共振センサーを動作する本発明の実施形態を示す。感知システム１０５０は、電源１０５２、センサー構造１０５４、モードロックカップリングシステム１０５６、およびＡＭ周波数出力デバイス１０５８を含む。
【０１１７】
センサー構造１０５４は、圧力など一般的に感知されるパラメータに応答する多様な共振器を含む。この特定の実施形態において、センサー構造１０５４は、それぞれ基本周波数１０ＧＨｚおよび１０．１ＧＨｚで動作する共振器Ａおよび共振器Ｂを含む。各共振器は、図２２Ａ〜３８Ｂに示されるセンサーなどのマイクロ波共振センサーに結合されたガンダイオード発振器などのＧＨｚ発振器を含む。電源１０５２は、電力を各発振器に供給し、その結果、この１０ＧＨｚおよび１０．１ＧＨｚの場合、異なる基本周波数で各発振器は振動する。
【０１１８】
共振器ＡおよびＢの出力は、モードロックカップリングシステム１０５６によって結合され、単一モードロックＡＭ出力を生成する。カップリングシステム１０５６は出力検出器１０５８によって感知される。
【０１１９】
図３９の示すシステムの場合、検出される出力周波数（１００ＭＨｚ）は、各々の共振器が動作する基本周波数（〜１０ＧＨｚ）より低い１００の係数であるので、各共振センサーのサイズは、１００の係数によって減少される。このことは、比較的に安価に製作し得る約７．５ｍｍの共振器サイズを可能とする。
【０１２０】
モードロック構造の多様な発振器の動作は、Ｒ．Ａ．ＹｏｒｋおよびＲ．Ｃ．Ｃｏｍｐｔｏｎの「Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ  Ａｒｒａｙｓ」、ＩＥＥＥ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ａｎｄ  Ｇｕｉｄｅｄ  Ｗａｖｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、巻１、Ｎｏ．８、１９９      １年８月、２１５〜２１８ページ、に記述されている。
【０１２１】
図３９はモードロック構成における二つの共振器を使用する実施形態を示すが、追加の共振器をセンサー構造に含み得る。その共振器はすべて、感知されたパラメータの関数で、感知されたパラメータの所定の値で周波数ドメイン内に等しい間隔で配置される周波数を有する。さらに、ガンダイオード発振器は、図３９に示される実施形態において使用するための発振器の一つの望ましい形式であるが、発振器のその他の形式も同様に使用し得る。たとえば、マスター発振器もまた、使用され得、その発振器においては、ポンプは、共振器の基本周波数かまたはセンサー発振器間の差周波数のいずれかと異なる所望のポンプ周波数で動作する。
【０１２２】
開示された実施形態の公正な範囲と精神から逸脱することなく、多くの追加の変更および修正が開示された実施形態に対してなされ得る。その他の範囲は、添付の特許請求の範囲から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】図１は、一実施形態に基づいた、レーザーに結合された外部高Ｑ共振器のブロック図である。
【図２】図２は、一実施形態に基づいた、内部共振器を備えたレーザーのブロック図である。
【図３Ａ】図３Ａは、一実施形態に基づいた、光学ゲイン媒体を有するモードロックレーザーのブロック図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、一実施形態に基づいた、光学ゲイン媒体を有するモードロックレーザーのブロック図である。
【図４】図４は、一実施形態に基づいた、光ファイバの断面図である。
【図５】図５は、ファイバの検出面で測定可能なパラメータが変化した後の、図４の光ファイバの断面図である。
【図６】図６は、一実施形態に基づいた、光学センサーで使用される図４の光ファイバを示す図である。
【図７】図７は、一実施形態に基づいた、リング共振器を示す図である。
【図８】図８は、別の実施形態に基づいた、リング共振器を示す図である。
【図９】図９は、図４および５の代替となる実施形態に基づいた、光ファイバの断面形状を示す図である。
【図１０】図１０は、別の実施形態に基づいた、微小球共振器を示す図である。
【図１１】図１１は、例示的な光学センサーにおける図１０の微小球共振器を示す図である。
【図１２】図１２は、別の例示的な光学センサーにおける図１０の微小球共振器を示す図である。
【図１３】図１３は、微小球を有する代替となる光学センサーの断面図である。
【図１４】図１４は、一実施形態に基づいた、第１のモジュールおよび第２のモジュールを備えた未組み立ての光集積センサーの斜視図である。
【図１５】図１５は、組み立てられた図１４の光集積センサーの断面図である。
【図１６】図１６は、図１５に示される代替となる光集積センサーの断面図である。
【図１７】図１７は、共振器を形成するようにフォトニック結晶のアレイを使用した、図１４の第１のモジュールの代替物の平面図である。
【図１８】図１８は、一実施形態に基づいた、マイクロディスク共振器およびＶＣＳＥＬの断面図である。
【図１９】図１９は、マイクロ波発振器によって駆動される電磁高Ｑ誘電体共振センサーのブロック図である。
【図２０】図２０は、マイクロ波発振器および自己共振構成の高Ｑ誘電体共振センサーを有するセンサーシステムのブロック図である。
【図２１】図２１は、高Ｑ誘電体共振センサーとともにメーザーを有するセンサーシステムのブロック図である。
【図２２】図２２Ａおよび図２２Ｂは、本発明によるマイクロ波エネルギとともに使用する電磁リング共振器センサーの一実施形態を示す図である。
【図２３】図２３Ａおよび図２３Ｂは、２つの異なるギャップ厚さを有する電磁リング共振器センサーの一実施形態を示す図である。
【図２４】図２４Ａおよび図２４Ｂは、最も低い共振モードで動作している、正方形の面を有する電磁リング共振器センサーおよび円形のキャビティの一実施形態を示す図である。
【図２５】図２５Ａおよび図２５Ｂは、より高い共振モードで動作される図２４Ａおよび２４Ｂのリング共振器センサーを示す図である。
【図２６】図２６Ａおよび図２６Ｂは、キャビティの１つの表面に導体を有するリング共振器を示す図である。
【図２７】図２７Ａおよび図２７Ｂは、キャビティの対向する面に導体を有する共振伝送線センサーの一実施形態の断面図である。
【図２８】図２８Ａおよび図２８Ｂは、キャビティの１つの表面の導体内にスロットアンテナを有する共振伝送線マイクロ波センサーの実施形態の断面図である。
【図２９】図２９Ａおよび図２９Ｂは、同軸共振伝送線センサーの一実施形態の断面図である。
【図３０】図３０Ａおよび図３０Ｂは、スロットアンテナ共振伝送線センサーの更なる実施形態の断面図である。
【図３１】図３１Ａおよび図３１Ｂは、スロットアンテナ共振伝送線センサーの更なる実施形態の断面図である。
【図３２】図３２Ａおよび図３２Ｂは、スロットアンテナ共振伝送線センサーの更なる実施形態の断面図である。
【図３３】図３３Ａおよび図３３Ｂは、スロットアンテナ共振伝送線センサーの更なる実施形態の断面図である。
【図３４】図３４Ａおよび図３４Ｂは、スロットアンテナ共振伝送線センサーの更なる実施形態の断面図である。
【図３５】図３５Ａおよび図３５Ｂは、スロットアンテナ共振伝送線センサーの更なる実施形態の断面図である。
【図３６】図３６Ａおよび図３６Ｂは、円形の双極子共振伝送線センサーの実施形態の断面図である。
【図３７】図３７Ａおよび図３７Ｂは、円形の双極子共振伝送線センサーの実施形態の断面図である。
【図３８】図３８Ａおよび図３８Ｂは、長方形の導体および円形のポートアンテナを備えた長方形のキャビティを有する高Ｑ共振器センサーの断面図である。
【図３９】図３９は、一連のモードロック共振センサーを使用した一実施形態のブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３５Ａ】
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【図３５Ｂ】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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【図３８Ａ】
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【図３８Ｂ】
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【図３９】
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【国際調査報告】
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