(57)【要約】  磁気作動フォトニック結晶センサが開示される。光ファイバは、前記光ファイバの第１端部に接続される少なくとも１つのフォトニック結晶の媒質と、そして前記少なくとも１つのフォトニック結晶の媒質に接続される磁性材料と、を備える。
2013535697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１端部を備える光ファイバと、
前記第１端部に接続される少なくとも１つのフォトニック結晶の媒質と、
前記少なくとも１つのフォトニック結晶に接続される少なくとも１つの磁性材料と、
を備える、磁気作動フォトニック結晶センサ。
【請求項２】
前記光ファイバは、シングルモードファイバ、マルチモードファイバ、及び光導波路からなるグループのうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載の磁気作動フォトニック結晶センサ。
【請求項３】
前記少なくとも１つのフォトニック結晶の媒質は、透光孔及び蛍光ビーズからなるグループのうちの少なくとも１つを含む格子を備える、請求項１に記載の磁気作動フォトニック結晶センサ。
【請求項４】
前記少なくとも１つのフォトニック結晶の媒質は、該当する周波数の検出光を反射するように動作することができる、請求項１に記載の磁気作動フォトニック結晶センサ。
【請求項５】
前記少なくとも１つのフォトニック結晶の媒質は、該当する方向の運動を測定するように動作することができる、請求項１に記載の磁気作動フォトニック結晶センサ。
【請求項６】
前記少なくとも１つのフォトニック結晶の媒質は、該当する方向の変位を測定するように動作することができる、請求項１に記載の磁気作動フォトニック結晶センサ。
【請求項７】
前記少なくとも１つのフォトニック結晶の媒質は、誘電体ナノ周期構造、金属誘電体ナノ構造、シリコン、砒化ガリウム、リン化インジウムガリウム、（ジ）セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）、炭化シリコン、ダイヤモンド、及び酸化シリコンからなるグループのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の磁気作動フォトニック結晶センサ。
【請求項８】
磁気作動フォトニック結晶センサシステムを使用する方法であって、前記方法は：
作用磁力をフォトニック結晶に接続される磁性材料で受けて、前記フォトニック結晶が前記作用磁力によって動作するようにする工程と、
送出光を、光ファイバを通って前記フォトニック結晶に送光する工程と、
反射光を、前記光ファイバを通って前記フォトニック結晶から受光する工程と、
前記送出光からの前記反射光の検出変化量を求める工程と、
を含む、方法。
【請求項９】
前記作用磁力は、磁気検出可能な対象物から受ける、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
更に、前記磁気検出可能な対象物の少なくとも１つの特性を、前記検出変化量に基づいて検出する工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの特性は、速度、加速度、減速度、振動、変位、及び不動性からなるグループのうちの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記磁気検出可能な対象物は、前記磁性材料と物理的に接触しない、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
更に、前記磁気作動フォトニック結晶センサシステムを、汚染物質、隠ぺい材、障害物、デブリスを含む環境、物理的変形を引き起こす可能性がある環境、及び汚染がない環境からなるグループのうちの少なくとも１つを含む環境で動作させる工程を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
磁気作動フォトニック結晶センサを作製する方法であって、前記方法は：
フォトニック結晶を作製する工程と、
前記フォトニック結晶を光ファイバの第１端部に接続する工程と、
磁性材料を前記フォトニック結晶に接続する工程と、
を含む、方法。
【請求項１５】
更に、少なくとも１つの光源を前記光ファイバの第２端部に接続する工程を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
更に、少なくとも１つの光検出器を前記光ファイバの前記第２端部に接続する工程を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
更に、磁気検出可能な対象物を検出する工程を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
更に、ドアである前記磁気検出可能な対象物が閉じているかどうかを判断する工程を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記磁気検出可能な対象物は、磁性材料、鉄鋼材、磁気誘導材、及び反磁性材料からなるグループのうちの少なくとも１つを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記フォトニック結晶を作製する前記工程は更に：
前記フォトニック結晶をパターニングする工程と、
複数孔を前記フォトニック結晶にエッチング形成する工程と、
前記フォトニック結晶を基板から剥離する工程と、
を含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
光検出システム及び方法は、これらのシステム及び方法が本質的に電磁干渉（ＥＭＩ）及び高放射電磁界（Ｈｉｇｈ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｒａｄｉａｔｅｄ  Ｆｉｅｌｄ：ＨＩＲＦ）に対する耐性があるので、極めて望ましい。構造ヘルスモニタリングのような用途を目的として光検出を行なおうとする場合には現在、光センサ群を、検出対象の環境または物体に直かに接触して配置するようにしている。近接検出のような幾つかの検出用途は現在、光検出システム及び方法による発光及び検出、直接物理的接触、または直接物理的障害を利用して、最適に機能する必要がある。少なくともこのような用途では、現在の光検出システム及び方法は概して、隠ぺい材（ｏｂｓｃｕｒａｎｔｓ）、障害物、デブリスを含む環境、及び物理的変形を引き起こす可能性がある環境における信頼度が低い。
【発明の概要】
【０００２】
磁気作動フォトニック結晶センサが開示される。光ファイバは、前記光ファイバの第１端部に接続されるフォトニック結晶と、そして前記フォトニック結晶に接続される磁性材料と、を備える。
【０００３】
第１の実施形態では、磁気作動フォトニック結晶センサは、第１端部を含む光ファイバを備える。少なくとも１つのフォトニック結晶の媒質は、前記第１端部に接続され、そして少なくとも１つの磁性材料は前記少なくとも１つのフォトニック結晶の媒質に接続される。
【０００４】
第２の実施形態では、磁気作動フォトニック結晶センサシステムを使用する方法は、作用磁力をフォトニック結晶に接続される磁性材料で受けて、前記フォトニック結晶が前記作用磁力によって動作するようにする工程を含む。前記方法では更に、送出光を、光ファイバを通って前記フォトニック結晶に送光する。次に、前記方法では、反射光を、前記光ファイバを通って前記フォトニック結晶から受光する。前記方法では更に、前記送出光からの前記反射光の検出変化量を求める。
【０００５】
第３の実施形態では、１つの方法において、磁気作動フォトニック結晶センサを作製する。前記方法では、フォトニック結晶を作製し、そして前記フォトニック結晶を光ファイバの第１端部に接続する。次に、前記方法では、磁性材料を前記フォトニック結晶に接続する。
【０００６】
本要約は、詳細な説明において以下に詳細に記載される構成概念の選択部分を簡単に紹介するために提供される。本要約は、特許請求する主題の重要な特徴または基本的な特徴を特定することを目的としているのではなく、特許請求する主題の範囲を決定する際の指針として利用されることを目的としているのでもない。
【０００７】
本開示の種々実施形態に対する更に完全な理解は、詳細な説明及び請求項を、以下の図に関連付けて考察しながら参照することにより得られ、これらの図では、同様の参照番号は同様の構成要素を、これらの図全体を通じて指している。これらの図は、本開示に対する理解を、本開示の幅、範囲、規模、または適用可能性を限定することなく容易にするために提供される。これらの図面は必ずしも寸法通りには描かれていない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本開示の１つの実施形態による例示的な磁気作動フォトニック結晶センサシステムの図である。
【図２】図２は、本開示の１つの実施形態による光ファイバの先端に取り付けられるフォトニック結晶を示す例示的な磁気作動フォトニック結晶センサの図である。
【図３】図３は、本開示の１つの実施形態による例示的なシリコン結晶母材の図である。
【図４】図４は、本開示の１つの実施形態による複数のエッチング孔を含む例示的なフォトニック結晶格子の図である。
【図５】図５は、本開示の１つの実施形態による複数のエッチング孔を含む例示的なフォトニック結晶の図であり、当該フォトニック結晶は基板から分離されてフォトニック結晶格子を形成する。
【図６】図６は、本開示の１つの実施形態による図５に示すフォトニック結晶を底面から斜めに見たときの図である。
【図７】図７は、本開示の１つの実施形態による２つのフォトニック結晶により形成される例示的な多層膜ファブリ−ペロー（エタロン）干渉計の図である。
【図８】図８は、本開示の１つの実施形態による微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）フレームに接続される例示的な多層膜ファブリ−ペロー（エタロン）干渉計の図である。
【図９】図９は、本開示の１つの実施形態による例示的な多機能フォトニック結晶センサの図である。
【図１０】図１０は、本開示の１つの実施形態による多機能磁気作動フォトニック結晶センサを形成するプロセスにおけるパターニング工程、方向性エッチング工程、第１酸化膜エッチング工程、及び剥離エッチング工程の結果の図である。
【図１１】図１１は、本開示の１つの実施形態による多機能磁気作動フォトニック結晶センサを形成するプロセスにおける酸化膜堆積工程及びポリシリコン堆積工程の結果の図である。
【図１２】図１２は、本開示の１つの実施形態による多機能磁気作動フォトニック結晶センサを形成するプロセスにおける第２酸化膜エッチング工程の図である。
【図１３】図１３は、本開示の１つの実施形態による多機能磁気作動フォトニック結晶センサを形成するプロセスにおけるシリコンエッチング工程、裏面シリコンエッチング工程、及び磁石取り付け工程の図である。
【図１４】図１４は、本開示の１つの実施形態による多機能磁気作動フォトニック結晶センサを形成するプロセスにおけるファイバ取り付け工程の図である。
【図１５】図１５は、本開示の１つの実施形態による例示的な多機能磁気作動フォトニック結晶センサの図である。
【図１６】図１６は、本開示の１つの実施形態による磁気作動フォトニック結晶センサを作製するプロセスを示す例示的なフローチャートの図である。
【図１７】図１７は、本開示の１つの実施形態による磁気作動フォトニック結晶センサシステムを使用するプロセスを示す例示的なフローチャートの図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の詳細な説明は、本質的に単なる例示であり、そして開示を限定する、または開示の実施形態の用途及び使用を限定する趣旨ではない。特定のデバイス、技術、及び用途についての説明は、例としてのみ提供される。本明細書において記載されるこれらの例の変形は、この技術分野の当業者であれば容易に想到することができ、そして本明細書において定義される一般的原理は、他の例及び用途に、本開示の思想及び範囲から逸脱しない限り適用することができる。更に、前掲の技術分野、背景、要約、または以下の詳細な記述に提示される如何なる明示的または暗示的な理論にも拘束されないものである。本開示は、請求項に一致する範囲が付与されるべきであり、かつ本明細書において記述され、そして示されるこれらの例に限定されるべきではない。
【００１０】
本開示の種々の実施形態は、本明細書では、機能及び／又は論理ブロック構成要素、及び種々の処理ステップに関連して説明することができる。このようなブロック構成要素群は、指定機能群を実行するように構成される任意の数のハードウェア構成要素、ソフトウェア構成要素、及び／又はファームウェア構成要素により実現することができる。簡潔性を期するために、これらのシステムの製造段階、光検出段階、磁気検出段階、及び他の機能段階（及び、これらのシステムの個々の動作構成要素）に関連する従来の技術及び構成要素は、本明細書において詳細に説明することはしない。更に、この技術分野の当業者であれば、本開示の種々の実施形態は、多種多様な構造体に連結して実施することができ、そして本明細書において記載されるこれらの実施形態は、本開示の単なる例示的な実施形態に過ぎないことを理解できるであろう。
【００１１】
本開示の種々の実施形態は、本明細書では、実際の非限定的な用途、すなわち加速度計、及び航空機ドアのようなドアの開閉状態の検出に関連して説明される。しかしながら、本開示の種々の実施形態は、このような航空機ドア用途及び加速度計用途に限定されず、本明細書において記載される技術は、他のセンサ用途において利用することもできる。例えば、種々の実施形態は、光スイッチ、ロック掛け金、衝突回避制御装置、航空機操縦翼面の位置、着陸装置の位置、電源ライン電圧、電源ライン電流などに適用することができる。
【００１２】
この技術分野の当業者には、この説明を一読した後に明らかになることであるが、以下の説明は、本開示の例及び実施形態に関するものであり、これらの例に従って動作する構成に限定されない。他の実施形態を利用することができ、そして構造的な変更を、本開示の例示的な実施形態の範囲から逸脱しない限り、加えることができる。
【００１３】
図１は、本開示の１つの実施形態による例示的な磁気作動フォトニック結晶センサシステム１００（システム１００）の図である。システム１００は、磁場を用いて力を磁性材料に、当該磁性材料との物理的接触を全く必要とすることなく加える。この磁性材料によって今度は、レーザで検出されるフォトニック結晶を動作させる。システム１００は、磁気作動フォトニック結晶センサ１０２と、そして標的１１０と、を備えることができる。
【００１４】
磁気作動フォトニック結晶センサ１０２は、磁性材料１０４と、フォトニック結晶１０６と、そして光ファイバ１０８と、を含む。
【００１５】
磁性材料１０４は、例えばこれらには限定されないが、標的１１０の有無、運動、加速度、または変位を検出するように構成される。磁性材料１０４は、例えばこれらには限定されないが、鉄鋼、セラミック、アルニコ、サマリウムコバルト、ネオジム鉄ホウ素、これらの材料の混合物などの種々の種類の磁性材料のうちの任意の材料を含むことができる。
【００１６】
フォトニック結晶１０６は、力に対して高い感度を有するように構成され、そして磁性材料１０４に機械的に接続される。フォトニック結晶１０６は更に、光ファイバ１０８の第１端部１１２に接続される。フォトニック結晶１０６は、例えばこれには限定されないが、以下に更に詳細に説明するように、シリコン結晶母材により形成される。フォトニック結晶群は周期光ナノ構造群であり、これらの周期光ナノ構造は、光子の運動に、半導体結晶の周期性が電子の運動に影響を与える態様と同様の態様で影響を与えるように設計される。このように、フォトニック結晶１０６の周期光ナノ構造は、例えばこれらには限定されないが、格子配列した透光孔、格子配列した蛍光ビーズなどを含むことができる。フォトニック結晶群は、電磁波の伝播に影響を与える周期誘電体ナノ構造群または周期金属−誘電体ナノ構造群を含む。電磁波の伝播は、半導体結晶の周期ポテンシャルが電子運動に、電子エネルギー許容帯幅及び電子エネルギー禁制帯幅を決めることにより影響を与える態様と同様の態様で影響を受ける。フォトニック結晶群は、規則的に繰り返される内部領域群、または高誘電率及び低誘電率の周期構造群を含むことができる。フォトニック結晶群の周期構造群を利用して、例えばこれらには限定されないが、自然放出を阻止する性質、高反射率全方位ミラー、低損失導波路などを含む光学特性を実現することができる。このように、フォトニック結晶１０６は、該当する周波数の検出光を反射する。
【００１７】
波として振る舞う光子は、光子の波長によって異なるが、これらの周期構造を通って伝播することができる。或る波長領域の光がフォトニック結晶中を伝播することができる状態は、許容モード（ａｌｌｏｗｅｄ  ｍｏｄｅｓ）として知られており、許容モードの集合が許容帯（ｂａｎｄｓ）として知られており、そして禁制帯幅波長はフォトニックバンドギャップ（ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｂａｎｄ  ｇａｐｓ）として知られている。上に説明した光学特性を実現するために、フォトニック結晶群の周期構造の周期は、電磁波の波長の半分と略同じ長さの間隔で現われる必要がある。具体的には、周期構造の高誘電率及び低誘電率の繰り返し領域は、電磁波の波長のほぼ半分程度の長さである必要がある。例えば、周期構造の高誘電率及び低誘電率の繰り返し領域は、フォトニック結晶が電磁スペクトルの可視域で動作する場合、約２００ｎｍ（青）〜約３５０ｎｍ（赤）とする必要がある。
【００１８】
光ファイバ１０８は、光を伝播させてフォトニック結晶１０６に到達させ、そしてフォトニック結晶１０６からの光を伝播させるように構成される。光ファイバ１０８は、湿気、変形などから、ファイバコーティング２０８（図２）により保護される。少なくとも１つのコヒーレント光源１１６のような少なくとも１つの光源１１６を光ファイバ１０８の第２端部１１４に接続して、コヒーレント光ビームを、光ファイバ１０８を介してフォトニック結晶１０６に送る。少なくとも１つの光源１１６は、コヒーレント光源に限定されず、そして例えばこれらには限定されないが、準コヒーレント光源、非コヒーレント光源などを含むことができる。少なくとも１つの光源１１６、及び少なくとも１つのコヒーレント光源は本明細書では、同じ意味に用いられる。更に、少なくとも１つの光検出器１１８を光ファイバ１０８の第２端部１１４に接続して、フォトニック結晶１０６からの反射光を受光する。光は、内部反射により光ファイバ１０８のコア内に閉じ込められて、光ファイバ１０８が導波路として作用するようになる。多くの伝播経路または横モードを支持するファイバ群は、マルチモードファイバと呼ばれるのに対し、１つのモードしか支持することができないファイバ群は、シングルモードファイバと呼ばれる。マルチモードファイバは普通、シングルモードファイバのコアよりも大きいコア径（例えば、≧５０μｍ）を有し、そして普通、大電力を伝送することができる短距離通信リンク及び短距離通信用途に広く利用されている。マルチモード光ファイバのコア径が大きくなると、より低い精度、かつより低いコストの送信機及び検出器の使用が可能となるだけでなく、より低いコストのコネクタを用いることができる。しかしながら、マルチモードファイバは適度な分散を必要とし、これにより、リンクの帯域幅及び長さが限定される。更に、マルチモードファイバのドーパント含有量が多いので、マルチモードファイバは普通、シングルモードファイバよりも高い減衰を示す。シングルモードファイバは普通、約５５０メートルよりも長い通信リンクに使用される。シングルモードファイバのコアは普通、マルチモードファイバのコアよりも小さく（例えば、＜１０μｍ）、そしてコアが小さいことによって、マルチモードファイバよりもリンクを長くすることができ、かつリンクの性能を向上させることができる。
【００１９】
標的１１０（磁気検出可能な対象物）は、磁性材料１０４で検出されるように構成される。標的１１０は、例えばこれらには限定されないが、検出される運動を行なう対象物、検出される運動を行なう対象物に取り付けられたタグ、ドア構造などを含むことができる。標的１１０は、例えばこれらには限定されないが、磁性材料、鉄鋼材、磁気誘導材（例えば、アルミニウムの誘導磁化）、反磁性材料などを含むことができる。検出を向上させるために、標的１１０は、複数部材から成る標的、例えばこれらには限定されないが、外周磁気リングを装着した鉄芯、磁界が交互に入れ替わる「板状部材」などを含むことができる。鉄芯に外周磁気リングを装着した状態では、磁性材料１０４は、センサが外周磁気リングに接近するにつれて大きく撓み、この場合、磁性材料１０４が鉄芯に達すると急激な吸着が生じる。磁界が交互に入れ替わる板状部材の場合、磁性材料１０４は、当該磁性材料が板状部材の上を移動するときに振動する。
【００２０】
標的１１０が磁性材料製の標的である場合、磁性材料製の標的の磁極配列によって異なるが、標的１１０が動くと、所望方向の力をフォトニック結晶１０６に作用させることができる。力がフォトニック結晶１０６に作用すると、光学的変化がシステム１００に生じる。標的１１０が鉄鋼材製の標的である場合、磁性材料１０４が鉄鋼材製の標的に吸着されると、フォトニック結晶１０６が多波長干渉変位のような光学的変化を起こすことができる。このように、標的１１０の運動を検出することができ、そしてそれに応じて測定することができる。例えば、標的１１０が貨物室ドアを含む場合、貨物室ドアの閉じ状態を、移動がフォトニック結晶１０６に生じることによって検出することができる。
【００２１】
貨物室ドアの場合、現在の技術では、電流センサの誘導コイルと、そして貨物室ドアに付けた標的としてのスチール片（例えば、ボルト穴付き試験片）と、を必要とする。貨物室ドアは普通、アルミニウムであるので、電流センサしか当該試験片とは相互作用しない。電流は、誘導コイルに流すことができ、そして変化は、標的が移動して検知範囲内に入ると検出される。標的１１０に対応して、誘導コイルではなく、センサ１０２のような比較的小さい磁気作動フォトニック結晶センサを使用することができる。鉄鋼材製の標的または磁性材料製の標的が移動して検知範囲内に入ると、当該標的によって、磁性材料１０４が、従ってフォトニック結晶１０６が撓む（たわむ）ようになる。
【００２２】
図２は、例示的な磁気作動フォトニック結晶センサ２００（すなわち、図１から磁性材料１０４を取り外したときの参照番号１０２）の図であり、フォトニック結晶２０２が本開示の１つの実施形態に従って、ファイバコーティング２０８で被覆された光ファイバ１０８／２０８の第１端部１１２／２０６に取り付けられる様子を示している。
【００２３】
図３は、本開示の１つの実施形態による例示的なシリコン結晶母材の図である。シリコン結晶母材３００は、これには限定されないが、約１．３μｍ〜１．６μｍの「透過」波長を有する高品質の光学シリコン（例えば、シリコン、ドープトシリコン）などのような任意の誘電体材料を含むことができる。ドーピングを利用して、シリコンの光学的品質を決定することができる。これらには限定されないが、砒化ガリウム、リン化インジウムガリウム、（ジ）セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）、炭化シリコン、ダイヤモンド、酸化シリコンなどのような他の材料を使用することもできる。
【００２４】
図４は、本開示の１つの実施形態による複数のエッチング孔を含むシリコン結晶母材３００により形成される例示的なフォトニック結晶格子４００の図である。エッチングを利用して、これらの孔４０２を材料に形成する。これらの孔４０２の間隔及びサイズを設定して、フォトニック結晶格子４００を製造する。これらの孔４０２の直径は、例えばこれには限定されないが、約０．２５μｍ〜１．０μｍとすることができる。
【００２５】
図５は、本開示の１つの実施形態による複数のエッチング孔４０２を含む例示的なフォトニック結晶５００の図であり、このフォトニック結晶５００は、基板（図示せず）から分離されてフォトニック結晶１０６／２０２のようなフォトニック結晶格子を形成する。これらの孔４０２の底部５０２におけるエッチング量を極めて大きくすると、フォトニック結晶１０６／２０２を形成する際の原材料となる母材材料を大量に除去することができるので、フォトニック結晶５００を母材材料から分離し、そして磁気作動フォトニック結晶システム１００内のフォトニック結晶１０６／２０２として使用することができる。
【００２６】
図６は、本開示の１つの実施形態によるフォトニック結晶５００を底面から斜めに見た図６００である。底面図６００は、エッチングを利用してフォトニック結晶１０６／２０２を、フォトニック結晶１０６／２０２を形成する際の原材料となる母材材料から分離することができる様子を示している。
【００２７】
図７は、本開示の１つの実施形態による２つのフォトニック結晶７０２及び７０４（図５の参照番号５００）により形成される例示的な多層膜ファブリ−ペロー（エタロン）干渉計７００の図である。図７に示す実施形態では、フォトニック結晶７０２及び７０４は、互いに略平行に配置される。フォトニック結晶７０２及び７０４の各フォトニック結晶の厚さ７０６は、例えばこれには限定されないが、約４００μｍ〜約５００μｍなどとすることができる。フォトニック結晶７０２及び７０４は、例えばこれには限定されないが、約１．０μｍなどの距離だけ分離することができる。このように、フォトニック結晶７０２及び７０４のうちの何れか一方のフォトニック結晶のほんの僅かな変化によって、検出用途に必要な干渉パターンを生成することができる。光反射量は分離距離７０８によって異なる。フォトニック結晶７０２及び７０４は、多層膜ファブリ−ペロー（エタロン）干渉計７００を形成する。
【００２８】
干渉計は普通、光を利用して、または別の形態の電磁波を利用して干渉光を発生させる。干渉法は、２つ以上の波の特性を、２つ以上の波を重ねることにより生成される干渉パターンを測定することにより求める技術である。干渉法では、重ね合わせの原理を利用して、別々の波を合成して合体させることにより、合成結果として１つの特性を有することができるようになり、この特性を利用して、２つ以上の波の元の状態を測定することができる。略等しい周波数を持つ２つの波が合成されると、結果として得られる干渉パターンは、２つの波の位相差によって求めることができる（すなわち、同相の波は干渉して強め合い、そして逆位相の波は干渉して弱め合う）。２つのコヒーレントビーム間の干渉縞を利用して、フォトニック結晶７０２及び７０４の移動を求めることができるので、標的１１０により生じる磁性材料１０４の移動を測定することができる。
【００２９】
光学系では、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７０２及び７０４のような２つの反射面を持つ、または２つの平行高反射ミラーを持つ透明板で構成される。前者がエタロン（ｅｔａｌｏｎ）であり、そして後者が干渉計（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）であるが、この技術用語は同じ意味に用いることができる。波長の関数として表わされる透過率スペクトルは、エタロンの共振ピークに対応する高透過率ピークを示す。
【００３０】
エタロンの透過率の変化は、フォトニック結晶７０２及び７０４のような２つの反射面の間の複数の光反射が干渉することにより生じる。強め合う干渉は、透過ビームが同相である場合に起こり、この干渉は、エタロンの高透過率ピークに対応する。透過ビームが逆位相である場合、最小透過率に対応する弱め合う干渉が起こる。
【００３１】
例えば、１つの入射コヒーレント光ビームは、グレーティング（透過型回折格子）またはパーシャルミラーにより２つのビームに分割することができる。２つのビームの各ビームは、検出器に達する手前で再合成されるまで、異なるルート（光路）を進行する。各ビームが進行する距離の光路差によって、位相差を２つのビームの間に生じさせることができる。この位相差によって、２つのビームの波の間の干渉パターンを生成することができる。１つのビームが２つの光路に沿って分割された場合、位相差を利用して、位相を２つの光路に沿って変化させる任意のパラメータを測定することができる。例えばこれらには限定されないが、光路長の物理的変化、２つの光路のうちの１つ以上の光路に沿った屈折率の変化などを挙げることができる。これらの変化によって、磁性材料１０４の移動を測定する手段を提供することができる。
【００３２】
別の例の場合、ホモダイン検出では、干渉は、略同じ波長の２つのビームの間で起こる。２つのビームの間の位相差によって、検出器上での光の強度が変化する。強度の変化を利用して、フォトニック結晶７０２及び７０４の移動を測定することができるので、磁性材料１０４の移動を測定することができる。
【００３３】
別の例の場合、ヘテロダイン検出では、２つのビームのうちの一方のビームを検出前に変調させる（例えば、周波数シフトによって）。光ヘテロダイン検出では、２つのビームの干渉は、ビート周波数として検出することができる。変調後のビームは、最小レベルと最大レベルとの間をビート周波数の周期ごとに振動する信号を含むことができる。変調後のビームの変調度は既知であるので、測定ビート周波数の相対位相は、２つのビームの各ビームの強度レベルがドリフトしている場合でも、ほぼ正確に測定することができる。相対位相の変化を利用して、フォトニック結晶７０２及び７０４の移動を測定することができるので、磁性材料１０４の移動を測定することができる。
【００３４】
フォトニック結晶７０２及び７０４の移動を測定することにより、標的１１０の移動を、磁性材料１０４を介して検出する。フォトニック結晶７０２及び７０４の移動を測定することにより、標的１１０の移動を求めることができる。例えば、これらには限定されないが、フォトニック結晶７０２及び７０４の速度、変位、減速度、加速度などを利用して、標的１１０の移動を求めることができる。
【００３５】
図８は、本開示の１つの実施形態による微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）フレームに接続される例示的な多層膜ファブリ−ペロー（エタロン）干渉計８００の図である。図８は、多層膜ファブリ−ペロー（エタロン）干渉計８００を用いたセンサを従来のエッチングプロセスで形成することができる様子を表わす図を示している。磁性粒子をこのような構造物に導入することにより、センサが標的材料（磁性材料または鉄鋼材／透磁性材料）の有無を検出することができる。図８に示す実施形態では、標的材料を多層膜ファブリ−ペロー（エタロン）干渉計８００に取り付けることにより、標的材料の有無の検出が可能となる。更に、センサが、構造物によって異なる幾つかの事例において、加速度計として動作することにより多機能センサを形成することが可能となる。
【００３６】
図９は、本開示の１つの実施形態による例示的な多機能フォトニック結晶センサ９００の図である。多機能フォトニック結晶センサ９００は、ファイバコーティング２０８で被覆される光ファイバ２０６に取り付けられる多機能フォトニック結晶９０２を含む。多機能フォトニック結晶９０２は２次元構造及び３次元構造を含み、２次元構造及び３次元構造を、２個または３個の磁石（図示せず）と一緒に使用して、２次元及び３次元でそれぞれ作用する力を検出することができる。多機能フォトニック結晶９０２の各機能を測定するために、２つ以上の周波数を有するレーザ光を用いて、多機能フォトニック結晶９０２に質問信号を送信する。２つ以上の周波数の各周波数で、多機能フォトニック結晶９０２のこれらの機能のうちの１つの機能を測定し、そして２つ以上の光検出器（図示せず）を使用して、２つ以上の周波数を受信する。光ファイバ２０６は、例えばこれらには限定されないが、シングルモードファイバ、２つ以上の周波数を送信するように動作することができるマルチモードファイバなどを含むことができる。多機能フォトニック結晶９０２は、例えばこれらには限定されないが、加速度計、トルク計などに使用することができる。
【００３７】
図１０は、本開示の１つの実施形態による多機能磁気作動フォトニック結晶センサ１５００（図１５）を形成するプロセスにおけるパターニング工程、方向性エッチング工程、第１酸化膜エッチング工程、及び剥離エッチング工程を実施した結果として得られる被加工フォトニック結晶１０００の図である。
【００３８】
パターニング工程では、パターンマスク１００２をシリコン母材１００４に形成する。パターンマスク１００２は、格子状配列孔１００６を形成する格子パターン（図示せず）を含む。孔群１００６が形成する格子は、例えばこれらには限定されないが、矩形格子、六角形格子などを含むことができる。格子状配列孔１００６は、例えばこれらには限定されないが、円筒状孔、球状孔などを含むことができる。格子状配列孔１００６は、例えばこれらには限定されないが、方向性エッチング、異方性エッチング、レーザアブレーションなどにより形成することができる。
【００３９】
方向性エッチング工程では、格子状配列孔１００６を底面開口側壁マスク１１０４で被覆し、そして格子状配列孔１００６に発光シリコン材料を充填して、球状孔群１１０２を形成する。発光シリコン材料は、例えばこれには限定されないが、ポリシリコンなどを含むことができる。
【００４０】
第１酸化膜エッチング工程では、パターンマスク１００２（図１１）、底面開口側壁マスク１１０４（図１１）を、例えばこれらには限定されないが、酸化膜エッチング、溶媒除去プロセスなどにより除去する。
【００４１】
剥離エッチング工程では、余分の母材材料１３０４を、例えばこれらには限定されないが、酸化膜エッチング、溶媒除去プロセス、アブレーションなどにより除去する。
【００４２】
図１１は、本開示の１つの実施形態による多機能磁気作動フォトニック結晶センサ１５００を形成するプロセスにおける酸化膜堆積工程、及びポリシリコン堆積工程を実施した結果として得られる被加工フォトニック結晶１１００の図である。
【００４３】
酸化膜堆積工程では、二酸化シリコンまたは同様の膜を、シリコン表面の略全面に沿ってコンフォーマルに堆積させる、または成長させる。堆積酸化膜は、水平面から方向性エッチングにより除去される。
【００４４】
ポリシリコン堆積工程では、ポリシリコンまたは同様の材料を、結果として得られる被加工フォトニック結晶１０００に沿ってコンフォーマルに堆積させ、そして次に、ポリシリコンが格子状配列孔群１００６に充填され、かつ表面を覆わなくなるまでエッチバックまたは研磨バックする（図示せず）。
【００４５】
図１２は、本開示の１つの実施形態による多機能磁気作動フォトニック結晶センサ１５００を形成するプロセスにおける第２酸化膜エッチング工程１２００の図である。マスク層と、そしてポリシリコンを基板から分離する酸化膜とを、等方性エッチングにより除去する。
【００４６】
図１３は、本開示の１つの実施形態による多機能磁気作動フォトニック結晶センサ１５００を形成するプロセスにおけるシリコンエッチング工程、裏面シリコンエッチング工程、及び磁石取り付け工程を実施した結果１３００の図である。
【００４７】
シリコンエッチング工程では、シリコンを表面（図示せず）からエッチング除去して、所望の機械的構造を形成し、これらの機械的構造によって、多機能フォトニック結晶１３０２を、磁力が作用すると移動させることができ、そして磁気作動フォトニック結晶センサ１５００を、光ファイバ２０６に取り付ける前に剥離することができる。
【００４８】
裏面シリコンエッチング工程では、シリコン基板をシリコン母材１００４の裏面１３０６からエッチング除去することにより、多機能磁気作動フォトニック結晶センサ１５００を基板から部分的に剥離する。
【００４９】
磁石取り付け工程では、磁性材料１０４を多機能フォトニック結晶１３０２に取り付ける。
【００５０】
図１４は、本開示の１つの実施形態による多機能磁気作動フォトニック結晶センサ１５００を形成するプロセスにおけるファイバ取り付け工程１４００の図である。磁性材料１０４及び多機能フォトニック結晶１３０２を光ファイバ２０６に取り付ける。
【００５１】
図１５は、本開示の１つの実施形態による例示的な多機能磁気作動フォトニック結晶センサ１５００の図である。多機能磁気作動フォトニック結晶センサ１５００は、２つ以上の測定量に対する感度が高くなるように動作することができ、この測定量は、測定対象の特定の量である。多機能磁気作動フォトニック結晶センサ１５００には質問信号が、多くの波長（例えば、λ１，λ２，λ３，．．．）を利用して、これらの波長が測定量であるので送信される。異なる波長（すなわち、λ１，λ２，λ３，．．．）でのファイバ２０６の反射率は、これらの測定量によって異なるので、選択波長での測定反射率（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，．．．）から、測定量（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，．．．）を算出することができる。例えば、多軸方向の磁界を検出する場合、２つの測定量Ｓ１及びＳ２から、方向Ｘ及び方向Ｚそれぞれの方向の移動を測定することができる。
【００５２】
図１６は、本開示の１つの実施形態による磁気作動フォトニック結晶センサ１０２を作製するプロセスを示す例示的なフローチャートの図である。プロセス１６００に関連して行なわれる種々のタスクは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、またはこれらの任意の組み合わせにより機械的に行なうことができる。例示のために、プロセス１６００についての以下の説明では、図１〜１５に関連して上に説明した構成要素群について言及する。実際の実施形態では、プロセス１６００の一部は、磁性材料１０４、フォトニック結晶１０６、光ファイバ１０８、少なくとも１つのコヒーレント光源１１６、及び少なくとも１つの光検出器１１８のような磁気作動フォトニック結晶センサ１０２の異なる構成要素により実施することができる。プロセス１６００は、図１〜１５に示す実施形態と同様の機能群、材料、及び構造群を有することができる。従って、共通する特徴群、機能群、及び構成要素群は、ここに重複して説明することはしない。
【００５３】
プロセス１６００は、フォトニック結晶１０６／２０２を作製する（タスク１６０２）ことから始めることができる。
【００５４】
次に、プロセス１６００は進んで、フォトニック結晶１０６／２０２を光ファイバ１０８／２０４の第１端部１１２／２０６に接続することができる（タスク１６０４）。
【００５５】
次に、プロセス１６００は進んで、磁性材料１０４をフォトニック結晶１０６／２０２に接続することができる（タスク１６０６）。
【００５６】
次に、プロセス１６００は進んで、少なくとも１つの光源１１６を光ファイバ１０８／２０４の第２端部１１４に接続することができる（タスク１６０８）。このようにして、光ファイバ１０８／２０４は、光波を少なくとも１つの光源１１６からフォトニック結晶１０６／２０２に伝送する。
【００５７】
次に、プロセス１６００は進んで、少なくとも１つの光検出器１１８を光ファイバ１０８／２０４の第２端部１１４に接続することができる（タスク１６１０）。このようにして、光ファイバ１０８／２０４は、光波をフォトニック結晶１０６／２０２から、これらの光波を検出する少なくとも１つの光検出器１１８に伝送する。
【００５８】
次に、プロセス１６００は、これらには限定されないが、航空機ドア、列車ドア、自動車ドア、住宅ドア、門、アーチ形天井などのような磁気検出可能な対象物１１０を検出することにより継続することができる（タスク１６１２）。
【００５９】
次に、プロセス１６００は進んで、磁気検出可能な対象物１１０（例えば、ドア）が閉じているかどうかを判断することができる（タスク１６１４）。例えば、磁気作動フォトニック結晶センサ１０２は、ドアが当該センサの近傍に在るか、または無いかによって生じる力の変化を検出し、そして当該ドアが閉じているかどうかを、所定の測定値に基づいて判断する。当該ドアが閉じている場合、磁性材料がドアに近接して配置されると、磁気作動フォトニック結晶センサ１０２／１５００に作用する力が大きく変化する。これによって今度は、モニタリング波長における反射率が変化するので、選択閾値を下回る測定反射率が、ドアが開いていることを示唆し、そして選択閾値を上回る測定反射率が、ドアが閉じていることを示唆するようになる。別の実施形態では、選択閾値を下回る測定反射率が、ドアが閉じていることを示唆し、そして選択閾値を上回る測定反射率が、ドアが開いていることを示唆する。
【００６０】
図１７は、本開示の１つの実施形態による磁気作動フォトニック結晶センサシステム１００を使用するプロセスを示す例示的なフローチャートの図である。プロセス１７００に関連して行なわれる種々のタスクは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、またはこれらの任意の組み合わせにより、機械的に行なうことができる。例示のために、プロセス１７００についての以下の記載では、図１〜１５に関連して上に説明した構成要素群について言及することができる。実際の実施形態では、プロセス１７００の一部は、磁性材料１０４、フォトニック結晶１０６、光ファイバ１０８、少なくとも１つのコヒーレント光源１１６、少なくとも１つの光検出器１１８、及び磁気検出可能な対象物１１０のような、磁気作動フォトニック結晶センサシステム１００の異なる構成要素により実施することができる。プロセス１７００は、図１〜１５に示す実施形態と同様の機能群、材料、及び構造群を有することができる。従って、共通する特徴群、機能群、及び構成要素群について、ここに重複して説明することはしない。
【００６１】
プロセス１７００は、作用磁力をフォトニック結晶１０６に接続される磁性材料が受けて、フォトニック結晶が作用磁力により動作する（タスク１７０２）ことから始まる。当該磁力は磁気検出可能な対象物１１０から受けることができる。
【００６２】
次に、プロセス１７００は進んで、送出光を、光ファイバ１０８を通してフォトニック結晶１０６に送光することができる（タスク１７０４）。
【００６３】
次に、プロセス１７００は進んで、反射光を、光ファイバ１０８を通してフォトニック結晶１０６から受光することができる（タスク１７０６）。上に説明したように、フォトニック結晶１０６は反射光を、作用磁力に応じて、例えばこれに限定されないが、フォトニック結晶１０６内の干渉などに応じて変化させることができる。
【００６４】
次に、プロセス１７００は進んで、送出光からの反射光の検出変化量を求めることができる（タスク１７０８）。この検出変化量は、例えばこれに限定されないが、反射光と送出光の干渉度などに基づいて得られる。
【００６５】
次に、プロセス１７００は進んで、磁気検出可能な対象物の少なくとも１つの特性を、当該検出変化量に基づいて検出することができる（タスク１７１０）。上に説明したように、少なくとも１つの特性として、例えばこれらには限定されないが、速度、加速度、減速度、振動、変位、不動性などを挙げることができる。例えば、変位は、測定反射率に基づいて測定することができる。このように、選択変位閾値を下回る測定反射率は、ドアが開いている（または、閉じている）ことを示唆することができ、そして選択変位閾値を上回る測定反射率は、ドアが閉じている（または、開いている）ことを示唆することができる。
【００６６】
次に、プロセス１７００は進んで、磁気作動フォトニック結晶センサシステムを或る環境で動作させることができる（タスク１７１２）。この環境として、例えばこれらには限定されないが、汚染物質、隠ぺい材（ｏｂｓｃｕｒａｎｔｓ）、障害物、デブリスを含む環境、物理的変形を引き起こす可能性がある環境、及び非汚染環境を挙げることができる。
【００６７】
このようにして、本開示の種々の実施形態は、磁気作動フォトニック結晶センサを作製する方法を提供する。種々の実施形態は、磁性材料に作用する力の変化を検出する手段を提供し、この力の変化によって、フォトニック結晶を、当該フォトニック結晶に全く物理的に接触することなく動作させる。磁気作動は物理的接触を必要としないので、磁気作動フォトニック結晶センサシステムは、隠ぺい材、障害物、デブリスを含む環境、及び／又は物理的変形を引き起こす可能性がある環境だけでなく、汚染の無い環境でも動作することができる。
【００６８】
少なくとも１つの例示的な実施形態をこれまでの詳細な説明で提示してきたが、極めて多くの変形例が存在することを理解されたい。また、本明細書において記載される例示的な実施形態または実施形態群は決して、主題の範囲、適用可能性、または構成を限定するものではないことを理解されたい。そうではなく、これまでの詳細な説明は、この技術分野の当業者に、当業者が記載の実施形態または実施形態群を実施するための有用な指針を与える。種々の変更を構成要素群の機能及び配置に関して、請求項により規定される範囲から逸脱しない限り加えることができ、この範囲が、公知の均等物及び予測可能な均等物を本特許出願の出願時に含むものであることを理解されたい。
【００６９】
上の説明では、構成要素群またはノード群または特徴群が「ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ（接続されて）」または「ｃｏｕｐｌｅｄ（結合されて）」合体していると表記される。本明細書において使用されるように、明確に異なる意味ではない限り、「ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ」とは、１つの構成要素／ノード／特徴が別の構成要素／ノード／特徴に、直接接合され（または、直接連通する）、そして必ずしも機械的に接合されるのではないことを意味する。同様に、明確に異なる意味ではない限り、「ｃｏｕｐｌｅｄ」とは、１つの構成要素／ノード／特徴が別の構成要素／ノード／特徴に、直接または間接的に接合され（または、直接または間接的に連通する）、そして必ずしも機械的に接合されるのではないことを意味する。従って、図１〜１５は、構成要素群の例示的な配置を描いているが、更に別の介在する構成要素群、デバイス群、特徴群、またはコンポーネント群を本開示の実施形態に設けてもよい。
【００７０】
本文書において使用される用語及び語句、及び用語及び語句の変形は、明確に異なる意味ではない限り、限定的な用語及び語句ではなく、制約のない用語及び語句として解釈されるべきである。上に説明した内容の例として：「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」という用語は、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，  ｗｉｔｈｏｕｔ  ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ（これに限定されないが、含んでいる）」などを意味するとして解釈されるべきであり；「ｅｘａｍｐｌｅ（例）」という用語は、アイテムの網羅的なリスト、または限定的なリストではなく、説明対象のアイテムの例示的な事例を提供するために使用され；そして「ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ（従来の）」、「ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ（従前の）」、「ｎｏｒｍａｌ（通常の）」、「ｓｔａｎｄａｒｄ（標準的な）」、「ｋｎｏｗｎ（既知の）」のような形容詞、及び同様の意味を持つ用語は、記載されるアイテムを所定の期間に限定するものとして、または所定の時点以後に利用可能なアイテムに限定するものとして解釈されるべきではなく、現時点で、または将来の任意の時点で利用可能となる、または既知となる、従来の、従前の、通常の、または標準的な技術を包含するものとして解釈されるべきである。同様に、接続詞「ａｎｄ」で連結されるアイテム群のグループ（ａ  ｇｒｏｕｐ  ｏｆ  ｉｔｅｍｓ）は、これらのアイテムの各アイテム、及び各１個のアイテムが、当該グループ化に含まれる必要があるものとして解釈されるべきではなく、明確に反対の意味に記載されていない限り、「ａｎｄ／ｏｒ（及び／又は）」として解釈されるべきである。同様に、接続詞「ｏｒ」で連結されるアイテム群のグループは、当該グループの中で相互に排他的である必要があるものとして解釈されるべきではなく、明確に反対の意味に記載されていない限り、これもまた、「ａｎｄ／ｏｒ（及び／又は）」として解釈されるべきである。更に、本開示のアイテム群、構成要素群、またはコンポーネント群は、単数形で記述されている、または請求されている可能性があるが、単数形に限定することが明確に記載されていない限り、複数形が本開示の範囲に含まれるべきと考えられる。「ｏｎｅ  ｏｒ  ｍｏｒｅ（１つ以上の）」、「ａｔ  ｌｅａｓｔ（少なくとも）」、「ｂｕｔ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ（これに限定されないが）」のような広義の単語及び語句、または他の同様の語句が幾つかの例において現われることが、より狭義の事例を、このような広義の語句が現われない例において意図している、または必要としていることを意味していると解釈されてはならない。
【図１】
2013535697.tif 000003
【図２】
2013535697.tif 000004
【図３】
2013535697.tif 000005
【図４】
2013535697.tif 000006
【図５】
2013535697.tif 000007
【図６】
2013535697.tif 000008
【図７】
2013535697.tif 000009
【図８】
2013535697.tif 000010
【図９】
2013535697.tif 000011
【図１０】
2013535697.tif 000012
【図１１】
2013535697.tif 000013
【図１２】
2013535697.tif 000014
【図１３】
2013535697.tif 000015
【図１４】
2013535697.tif 000016
【図１５】
2013535697.tif 000017
【図１６】
2013535697.tif 000018
【図１７】
2013535697.tif 000019
【国際調査報告】
2013535697.tif 000020
2013535697.tif 000021