(57)【要約】可変のギャップを定めるキャビティを有する光媒体は、提供される。例えば、光媒体が、光センサ、レーザ及び可変の周波数共振器において、使われる。キャビティは、圧力、温度、力、流速及び材料組成物のように測定可能なパラメータの変化に応答して物理的に変えられる。光媒体は、キャビティを有することによる若干の実施形態が高Ｑ光共振器の近くで又は内部で配置したという点を特徴とする。ブラッグ反射体キャビティ、リング共振器、マイクロディスク及びマイクロスフィアが実施形態であるさまざまな構造によって、光共振器を、形成できる。光共振器は、好ましくはレーザ光源に結合する。キャビティを変えることは、光共振器の範囲内の共振条件及びこのことによりシステムのレーザ信号に影響を及ぼす。レーザ光源がモードロックレーザである場合、パルス列の繰返し速度は測定可能なパラメータの変化に応答して変化する。レーザ光源がCWソースである場合、レーザ信号の周波数は測定可能なパラメータに依る。【特許請求の範囲】
【請求項１】
繰返し速度によって特徴づけられるパルスレーザ・エネルギーを伝播するモードロックレーザ光源とともに使用するための、測定可能なパラメータを測定する光センサ装置であって、該光センサは、
パルスレーザ・エネルギーの少なくとも一部を受容するように配置されている光共振器を有し、該光共振器はその検知面に於ける測定可能なパラメータの変化に応答する検知面を有し、該光共振器は、検知面に応答して変化するとともに、パルスレーザ・エネルギーの変化の繰り返し速度が前記測定可能なパラメータの変化に応答して変化するように配置された、可変のギャップを形成するキャビティを規定している光センサ装置。
【請求項２】
請求項１の光センサ装置であって、前記光共振器は、レーザ・エネルギーの少なくとも一部を伝播するための導波路を有している光センサ装置。
【請求項３】
請求項２の光センサ装置であって、前記導波路は、レーザ・エネルギーの少なくとも一部が全反射の下でコアの内部を伝播するように、コア及びコアを囲むクラッディングを更に有している光センサ装置。
【請求項４】
請求項３の光センサ装置であって、前記キャビティは、コアの内部に少なくとも部分的に配置されている光センサ装置。
【請求項５】
請求項３の光センサ装置であって、前記キャビティは、完全にクラッディングの内部に配置されている光センサ装置。
【請求項６】
請求項１の光センサであって、前記光共振器は、前記光共振器の入口端の第１の反射器と、前記光共振器の出口端の第２の反射器とを更に有している光センサ。
【請求項７】
請求項１の光センサであって、前記光共振器は、リング共振器を備えている光センサ。
【請求項８】
請求項７の光センサであって、前記リング共振器は、光ファイバで形成されている光センサ。
【請求項９】
請求項７の光センサであって、前記リング共振器は、光基板に形成されている光センサ。
【請求項１０】
請求項７の光センサであって、前記リング共振器は、フォトニック結晶構造で形成されている光センサ。
【請求項１１】
請求項１の光センサであって、前記共振器は、誘電体共振器である光センサ。
【請求項１２】
請求項１の光センサであって、測定可能なパラメータは、圧力、温度、流速、材料組成物、力及び歪からなる群から選択されるものである光センサ。
【請求項１３】
請求項１の光センサであって、前記光共振器は、マイクロディスクを備えている光センサ。
【請求項１４】
請求項１３の光センサであって、前記レーザ光源は、垂直キャビティ面発光レーザの形式の分布帰還型レーザである光センサ。
【請求項１５】
請求項１の光センサであって、前記光共振器が、可変のギャップによって間隔を置いて隔てられた第１の半球及び第２の半球を有するマイクロスフィアであり、前記検知面が前記マイクロスフィアの外殻である光センサ。
【請求項１６】
請求項１の光センサであって、前記光共振器は誘電体モジュールで形成された収容キャビティ内に配置されたマイクロスフィアであり、前記誘電体モジュールはレーザ・エネルギーの繰返し速度を変更する検知面で測定可能なパラメータの変化に応答して収縮する膜を有している光センサ。
【請求項１７】
請求項１の光センサであって、レーザ・エネルギーの繰返し速度を測定するための測定装置を更に備えている光センサ。
【請求項１８】
請求項１の光センサであって、前記光共振器は、モードロックレーザ光源の外部にある光センサ。
【請求項１９】
請求項１の光センサであって、前記光共振器は、前記モードロックレーザ光源に対して内部にあり、前記モードロックレーザ光源のレーザキャビティを形成している光センサ。
【請求項２０】
レーザ光源とともに使用するための、測定可能なパラメータ測定に使用する光センサ装置であって、該光センサ装置は、
その検知面に於ける測定可能なパラメータの変化に応答する検知面を有する光共振器を有し、該光共振器は、前記検知面での測定可能なパラメータに依存する共振周波数を規定し、該光共振器は、前記光センサ装置からのレーザ信号が前記共振周波数での周波数を有するように配置されており、該光共振器は、前記検知面に応答して変化する可変のギャップを形成しているキャビティを更に規定している光センサ装置。
【請求項２１】
請求項２０の光センサ装置であって、前記光共振器は、前記レーザ光源の内部にあり、前記レーザ光源のレーザキャビティを形成している光センサ装置。
【請求項２２】
請求項２０の光センサ装置であって、前記光共振器は、前記レーザ光源の外部にある共振器を形成している光センサ装置。
【請求項２３】
請求項２０の光センサ装置であって、前記光共振器は、レーザ信号少なくとも一部を伝播するための導波路を備え、該導波路はキャビティを有している光センサ装置。
【請求項２４】
請求項２０の光センサ装置であって、前記導波路は、コア及び該コアを囲むクラッディングとを更に備え、前記レーザ信号の少なくとも一部が全反射の下にコアの内部で伝播される、光センサ装置。
【請求項２５】
請求項２０の光センサ装置であって、前記光共振器は、前記光共振器の入口端の第１の反射器及び前記光共振器の出口端の第２の反射器を更に備えている光センサ装置。
【請求項２６】
請求項２０の光センサ装置であって、前記光共振器は、リング共振器を備えている光センサ装置。
【請求項２７】
請求項２０の光センサ装置であって、前記測定可能なパラメータは、圧力、温度、流速、材料組成物、力及び歪からなる群から選択されるものである光センサ装置。
【請求項２８】
請求項２０の光センサ装置であって、前記レーザ光源は分布帰還型レーザーであり、前記光共鳴器はマイクロディスクを備えている光センサ装置。
【請求項２９】
請求項２０の光センサ装置であって、前記光共振器は、前記光共振器の前記検知面での前記測定可能なパラメータの変化に応答して変化する可変のギャップによって、間隔を置いて隔てられる第１の半球及び第２の半球を有するマイクロスフィアであり、前記検知面は、前記マイクロスフィアの外殻である、光センサ装置。
【請求項３０】
請求項２０の光センサ装置であって、前記光共振器は、誘電体モジュールで形成される受容キャビティの内部に配置されているマイクロスフィアであり、前記誘電体モジュールは、前記検知面での測定可能なパラメータの変化に応答して収縮する膜を有している、光センサ装置。
【請求項３１】
請求項２０の光センサ装置であって、レーザ信号の周波数を測定するための測定装置を更に備えている光センサ装置。
【請求項３２】
請求項２０の光センサ装置であって、前記光共振器は、誘電体共振器である光センサ装置。
【請求項３３】
請求項２０の光センサ装置であって、前記光共振器は、レーザ発光材料で形成されている光センサ装置。
【請求項３４】
請求項２０の光センサ装置であって、前記光共振器は、非レーザ発光材料で形成されている光センサ装置。
【請求項３５】
測定可能なパラメータに基づいて、レーザ・エネルギーを生成するレーザ光源の出力を変調する装置であって、該装置は、
前記レーザ・エネルギーを受容するように結合されたカップラと、
前記測定可能なパラメータの変化に応答して変化する共振周波数によって特徴づけられる外部高Ｑ共振器であって、該高Ｑ共振の共振周波数での周波数を有する情報伝達レーザ信号に前記レーザ・エネルギーを変調するための前記カップラに結合されているものと
を備えた変調装置。
【請求項３６】
請求項３５の装置であって、前記カップラは、導波管結合器である装置。
【請求項３７】
請求項３５の装置であって、前記測定可能なパラメータは、圧力、温度、流速、材料組成物、力及び歪からなる群から選択されるものである装置。
【請求項３８】
請求項３５の装置であって、前記レーザ光源は、第１のＱ値であるＱ１によって特徴づけられるレーザキャビティと、Ｑ１より実質的に高い第２のＱ値であるＱ２によって特徴づけられる高Ｑ共振器とを備えている装置。
【請求項３９】
請求項３８の装置であって、前記Ｑ２は、少なくとも１００である装置。
【請求項４０】
検知面を有し可変のギャップを規定するキャビティを有する導波路を有する光共振器を備えた可変周波数共振器であって、前記光共振器は、前記検知面での測定可能なパラメータの変化に応答して光共振器の共振周波数を変えるように配置されている可変のギャップに依存する共振周波数によって特徴づけられる、可変周波数共振器。
【請求項４１】
請求項４０の可変周波数共振器であって、前記光共振器は、前記導波路の入口表面に配置された第１の反射器と、導波路の出口表面に配置された第２の反射器とを備え、前記第１の反射器及び前記第２の反射器は、前記導波路を介する共振長を規定している可変周波数共振器。
【請求項４２】
請求項４０の可変周波数共振器であって、前記導波路は、コア及びクラッディングを有する光ファイバである可変周波数共振器。
【請求項４３】
請求項４０の可変周波数共振器であって、前記導波路は、リング共振器である可変周波数共振器。
【請求項４４】
請求項４０の可変周波数共振器であって、前記導波路は、フォトニック結晶で形成される可変周波数共振器。
【請求項４５】
測定可能なパラメータを検出する方法であって、該方法は、
レーザ信号を供給すること、
共振周波数によって特徴づけられる共振器を提供すること、
前記測定可能なパラメータの変化に応答して変化する可変のギャップを提供し、前記可変のギャップに対する変化は前記共振周波数を変化させること、
前記レーザ信号が共振周波数での周波数を有するように、前記共振器を介して前記レーザ信号の少なくとも一部を伝播すること、及び
前記測定可能なパラメータに対する前記検出された変化が前記レーザ信号の周波数を変えるように、前記測定可能なパラメータの変化を検知すること
を包含している方法。
【請求項４６】
請求項４５の方法であって、前記共振器は誘電物質で形成され、前記共振器を提供するステップが、
前記誘電物質の入口側に第１の反射器を配置すること、及び前記誘電物質の出口側に第２の反射器を配置し、前記第１の反射器は前記レーザ信号の周波数で部分的に透過性であるステップを更に包含している方法  。
【請求項４７】
請求項４６の方法であって、前記誘電物質は入口端及び出口端を有する光ファイバであり、前記共振器を提供するステップが、
前記入口端で第１のブラッグ反射体を形成すること、及び
前記出口端で第２のブラッグ反射体を形成すること
を更に包含している方法。
【請求項４８】
請求項４５の方法であって、前記レーザ信号はレーザ光源によって生成され、前記共振器は、前記レーザ光源に外部にあり、前記レーザ信号を伝播させるステップが、前記レーザ光源から前記共振器へレーザ信号を結合することを更に包含している方法。
【請求項４９】
請求項４５の方法であって、前記共振器は、レーザ発光材料で形成されている方法。
【請求項５０】
請求項４５の方法であって、前記測定可能なパラメータにおける変化を検知するステップは、前記可変のギャップに通じている検知面を提供するステップを包含している方法。
【請求項５１】
測定可能なパラメータを検出する方法であって、該方法は、
繰返し速度によって特徴づけられるパルスレーザ信号を提供すること、
共振器を提供すること、
前記測定可能なパラメータの変化に応答して変化する可変のギャップを提供すること、
前記共振器を介してパルスレーザ信号の少なくとも一部を伝播させること、及び
前記パルスレーザ信号の繰返し速度が前記可変のギャップにおける変化に応答して変化するように、前記可変のギャップにおける変化を検出すること、
を包含している方法。
【請求項５２】
請求項５１の方法であって、前記共振器は誘電物質で形成され、前記共振器を提供するステップは、
前記誘電物質の入口側に第１の反射器を配置すること、及び
前記誘電物質の出口側に第２の反射器を配置し、第１の反射器は前記レーザ信号の周波数で部分的に透過性であること
を更に包含している方法。
【請求項５３】
請求項５２の方法であって、前記誘電物質は入口端及び出口端を有する光ファイバであり、前記共振器を提供するステップは、
前記入口端で第１のブラッグ反射体を形成すること、及び
前記出口端で第２のブラッグ反射体を形成すること
を更に包含している方法。
【請求項５４】
請求項５１の方法であって、前記変化を検出するステップは、可変のギャップと通じている検知面を提供するステップを更に包含している方法。
【請求項５５】
請求項５１の方法であって、前記パルスレーザ信号は、モードロックレーザ光源によって生成され、そして、前記共振器は、前記モードロックレーザ光源の外部にあり、前記パルスレーザ信号を伝播させるステップは、前記モードロックレーザ光源から前記共振器へ前記パルスレーザ信号の少なくとも一部を結合するステップを更に包含している方法。
【請求項５６】
請求項５１の方法であって、前記共振器は、前記パルスレーザ信号を生成するモードロックレーザ光源を形成するレーザ発光材料で形成されている方法。
【請求項５７】
光源とともに使用するための、測定可能なパラメータの変化に応答して変化する可変のギャップを有する光共振器であって、前記光共振器は、前記可変のギャップにおける変化に応答して光エネルギーの特性を変えるように前記光源から光エネルギーを受け取る光共振器。
【請求項５８】
請求項５７の光共振器であって、前記光エネルギーは持続波であり、前記特性は周波数である光共振器。
【請求項５９】
請求項５７の光共振器であって、前記光エネルギーはパルスレーザ・エネルギーであり、前記特性は繰返し速度である光共振器。
【請求項６０】
請求項５７の光共振器であって、前記光源はＬＥＤ光源である光共振器。
【請求項６１】
請求項５７の光共振器であって、前記光源はレーザ光源である光共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概ね光センサに関し、より詳しくは、本開示は、工業的プロセス又は流れシステム、圧力のようなパラメータ、温度、流速、歪及び材料組成に於いて共通に測定されるパラメータを測定するために用いる光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
センサの電力を提供し及び／又は検出された情報を伝送するために光ファイバを使用するセンサは、公知である。電力及び情報を送信するために導線を使用する従来の電気センサが、ノイズによる影響又は電子技術的な温度限界により使用することができないような場合に有用である。また、光センサは将来性がある。残念なことに、高精度及び高分解能を必要としている用途における光センサの有効利用は、高価な実験室のタイプの装置に限られていた。
【０００３】
例えば、センサの設計者は、小さい物理的な変位、特にミクロン及びミクロン以下の変位を正確に測定する光センサを作製することができなかった。しかし、ミクロンレベルの変位測定は、センサに基づいた一般的なシリコン・ミクロの電気機械製造システム（MEMS）をベースとするセンサがダイアフラムのミクロン変位を測定する流れシステムのような用途においては、重要である。これらのセンサは、半導体ストレンゲージ、可変のキャパシタンス等の種々の検知技術を使用する。このようなセンサにおいて、ミクロンレベルの変位を検出する能力は、流れ、圧力及び０．０１％を上回る精度を有する他の物理的で物質的な特性を測定することを可能にする。
【０００４】
シリコンセンサとは対照的に、光学干渉法を使用する光センサは、０．１％より小さいミクロン変位を測定する。光センサの光源に於けるノイズは、レーザ光線又は白色光にかかわらず、限定要素となる。というのは、単一の干渉バンドは、高精度信号を提供するために正確に測定されなければならないからである。これらの光センサに於ける光学干渉計機構の欠点もセンサ精度を制限する。例えば、フリンジ計数を使用することによって、より大きい変位はある程度の精度により測定され得るが、これらの変位はソリッドステート・センサによって現在検出されるそれらより大きい。更に、縞模様の計数メモリーが機能しない場合、光センサはこれらのより大きい変位さえ測定することが不可能となる。
【０００５】
多くの光センサは、自由空間共振器領域を定める近接して間隔を置かれた鏡を使用した、ファブリー-ペロー構成を有する。可動性で非常に反射率が高いが、部分的に透過性の鏡が、検出された信号を誘導するために用いられる。周波数変調された（ＦＭ）出力を有する他のレーザ・センサが、光センサの欠点の可能な解決として提唱されている。一般に、これらの全ての素子は、上記した精度の課題を解決するには至っていない。レーザメカニズムの周波数雑音と低ゲージ率（ＧＦ）との組合せは、小さいスケールの変位の実質的に正確な測定を妨げる。周波数雑音、すなわち動作周波数のランダムなドリフトは、これらのレーザの分解能を制限する。ゲージ率は、感度測定であって、（ｆmax-ｆmin）／ｆrで定義され、ここで、ｆmaxは検出された入力の上限での出力周波数であり、ｆminは検出された入力信号の最小レベルでの出力周波数であり、そして、ｆrはシステムの共振周波数である。低ゲージ率は、低分解能及び望ましくない温度依存を結果として生ずる。
【０００６】
レーザ周波数を変調するための素子は、周波数変調をもたらすように、可動のターゲットからレーザに反射して戻されたレーザ放出の一部を有していることが明らかにされた。使用される半導体ダイオード・レーザは、非常に大きい周波数雑音成分を示し、すなわちベースのレーザ周波数が大きな帯域幅に亘ってランダムに変化する。更に、使用される外部キャビティは、目標から限られた反射率のために低Ｑを有している。これらの素子は、従って、流れシステム及びほかの応用に於ける小さい変位を測定することに向いていない。
【０００７】
レーザベースの応用の他のタイプには、ブラッググレーティング反射器によって規定されるキャビティを有するファイバレーザを利用する歪検出装置が含まれる。歪がファイバの長手方向に付与されるときに、システムのレーザ周波数がレーザ光線の断面の長さの変化に応じて変化する。測定され得る周波数変動は、ファイバが耐える歪に制限され、典型的には０．１％以上である。更に、温度変化及びブラッグ反射体の損失によるレーザ信号のドリフトは、歪の測定の精度の損失に結果としてなる。
【０００８】
レーザ光線の周波数を決定する機構のＱを上げることによって、レーザの周波数を安定させることは可能である。実質的に、高度に調整されたフィルタリング動作が達成され、これは、単一の周波数だけが増幅され得ることを可能とする。これは、レーザ光線を出しているキャビティ自身のＱを上げるか、又は高Ｑを有する外部キャビティに、低Ｑキャビティを有するレーザを結合することにより達成され得る。いくつかの低ノイズ・レーザが示され、クォーツのマイクロスフィアのような高Ｑマイクロキャビティが、安定したレーザ信号を発する。しかし、これらの素子は、変位を測定し又は物理的若しくは材料的パラメータを検出するメカニズムを有していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述のように、従来技術の光センサの性能は、ミクロン及びサブミクロンの変位という小さな計量を行う流れシステムのような用途において使用される従来の電子デバイスの性能を下回る。このように、高Ｑ及び高ゲージ率を有する光共振器に基づく検知システムが理論的に従来の電子工学ベースのセンサの性能をを上回る性能を提供できるが、誰もかつて示していない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一の実施形態によれば、繰返し速度によって特徴づけられるパルスレーザ・エネルギーを伝播するモードロックレーザ光源と共に使用し、及び測定可能なパラメータを測定するための光学センサ装置が提供される。この光センサ装置は、パルスレーザ・エネルギーの少なくとも一部を受容するように配置されている光共振器を有し、この光学共振器は検知面での測定可能なパラメータに於ける変化に応答する検知面を有し、この光学共振器は検知面に応答して変化し、パルスレーザエネルギーの繰返し速度が測定可能なパラメータの変化に応答して変化するように配置された可変ギャップを形成するキャビティを規定している。
【００１１】
他の実施形態によれば、測定可能なパラメータを測定する際のレーザ光源と共に使用するための光センサが提供される。この光センサ装置は、検知面での測定可能なパラメータの変化に応答する検知面有する光共振器を有し、この光共振器は、検知面で測定可能なパラメータに依存する共振周波数を定め、この光共振器は、光センサ装置からのレーザ信号が共振周波数に於ける周波数を有するように配置されており、光共振器は、検知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更に規定している。
【００１２】
更にもう一つの実施形態によれば、測定可能なパラメータに基づいて、レーザ・エネルギーを生じているレーザ光源の出力を変調する装置が提供されている。その装置は、レーザ・エネルギーを受容するために結合されるカップラを備えている。この装置はまた、測定可能なパラメータの変化に応答して変化する共振周波数によって特徴づけられる外部高Ｑ共振器を有しており、高Ｑ共振器は高Ｑ共振器の共振周波数での周波数を有する情報伝達レーザ信号に、レーザ・エネルギーを変調するためのカップラに結合されている。
【００１３】
他の実施形態によれば、検知面を有する光共振器を有し、可変のギャップを規定するキャビティを有する導波路を有する可変の周波数共振器が提供され、光共振器は、検知面での測定可能なパラメータの変化に応答して光共振器の共振周波数を変えるように配置されている可変のギャップに依存している共振周波数によって特徴づけられている。
【００１４】
他の実施形態によれば、測定可能なパラメータを検出する方法が提供される。この方法は、(1)レーザ信号を供給すること、(2)共振周波数によって特徴づけられる共振器を提供すること、(3)前記測定可能なパラメータの変化に応答して変化する可変のギャップを提供し、前記可変のギャップに対する変化は共振周波数を変化させること、(4)前記レーザ信号が共振周波数での周波数を有するように、前記共振器を介する前記レーザ信号の少なくとも一部を伝播すること、そして、(5)前記測定可能なパラメータに対する前記検出された変化が前記レーザ信号の周波数を変えるように、前記測定可能なパラメータの変化を検知すること、を包含している。
【００１５】
他の実施形態によれば、測定可能なパラメータの検知の方が提供される。本方法は、(1)繰返し速度によって特徴づけられるパルスレーザ信号を提供すること、(2)共振器を提供すること、(3)前記測定可能なパラメータの変化に応答して変化する可変のギャップを提供すること、(4)前記共振器を介するパルスレーザ信号の少なくとも一部を伝播させること、及び(5)前記パルスレーザ信号の繰返し速度が前記可変のギャップにおける変化に応答して変化するように、前記可変のギャップにおける変化を検出すること、を包含している。
【００１６】
他の実施形態によれば、光源と共に用いるための、測定可能なパラメータの変化に応答して変化する可変のギャップを有する光共振器が提供され、この光共振器は、可変のギャップにおける変化に応答して光エネルギーの特性を変えるように光源から光エネルギーを受容する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下は、上記の課題に対処するさまざまな装置及び方法の記述である。概略的には、測定可能なパラメータによって変調された繰返し速度又は周波数のレーザー信号を生成する、好ましくはパルス出力モードで動作するレーザが提供される。モードロックレーザを用いて、従来の高速電子技術は変調された信号を測定するために用いることができ、そして、レーザ信号の繰返し速度又は周波数は高分解能により測定され得る。レーザ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は、導き出されることができる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、高Ｑ光共振器は、測定可能なパラメータに依存する周波数でレーザ信号を生成する。高Ｑ共振器は、レーザの内部又は外部に設置し得る。この素子は、この技術水準を超える低消費電力及び高精度を有している。この素子は測定可能なパラメータの変化を判断するために用いることができ、又は、それらは絶対測定を行うために用いることができる。更なる応用及び更なる実施形態は、当業者にとって明らかであろう。例えば、記載されている素子は、調整可能な光学フィルタ、調整可能なレーザ光源及び他の全ての光学的応用として使用するのに適している。
【００１９】
図１及び図２は典型的な実施形態を示している。図１はカップラ１０４を介して外部高Ｑ共振器１０２に結合するレーザ１００を概略的に示している。レーザ１００は、ファイバードープ・レーザ、ルビー・レーザ又はダイオード・レーザであり得る。他のレーザ光源も考慮される。レーザ１００は、レーザ光源によって励起される光パラメトリック増幅器又はファイバー増幅ステージのような増幅ステージであり得る。レーザ光源１００は、また、発光ダイオード（ＬＥＤ）と取り替えられることが可能である。例示のためにのみ例えれば、レーザ光源１００は電源１０３から電力を受け取っているように表示され、それは、当業者に理解されるように、光学的又は電気的なソースの形をとることができる。レーザ・エネルギーは、同様に遠赤外及びマイクロ波領域内であり得るが、好ましくは可視又は赤外線の領域の波長であってもよい。
【００２０】
好ましい実施形態において、カップラ１０４は光ファイバ又は光導波路であり、結合は低損失の一過性の結合で達成される。結合は、部分的に透過な鏡、導波路タップ又は光信号の結合のための他の周知の手段により達成され得る。
【００２１】
レーザ光源１００は、カップラ１０４を介して高Ｑ共振器１０２にレーザ・エネルギーを供給する。レーザ１００から共振器１０２まで結合されたレーザ・エネルギーは、レーザ１００内のレーザキャビティの共鳴に対応する波長で存在する。しかし、このレーザキャビティは低Ｑを有し、比較的大きい帯域幅の出力を生成する。外部共振器１０２のＱは、好ましくはレーザ１００内のレーザキャビティのＱより実質的に高い。例えば、好ましい実施形態においては、共振器１０２のＱは、少なくとも１００であろう。典型的な共振器は、たった３から１００間のＱ値を有し、共振キャビティを形成している鏡及び所望の出力により制限されている。
【００２２】
充分な結合が発振器及び共振器の間にあれば、そして、２つの領域の周波数の範囲が重なれば、低Ｑ発振器システムが高Ｑ共振器の周波数上にロックされることは一般に公知である。レーザ１００の低Ｑレーザキャビティは、高Ｑ共振器１０２の共振周波数上でロックされる。すなわち、高Ｑ共振器１０２及び下のＱレーザ１００間のエネルギーの交換は、周波数に対するシステム全体のレーザ信号及び共振器１０２により規定される帯域幅をロックする。その結果、システムは狭帯域幅のレーザ信号を生成して、共振器１０２の共振周波数に集中する。
【００２３】
レーザ光源１００は持続波（ＣＷ）のソースであってもよく、又は、好ましくは、パルスモードロックレーザ光源であってもよい。ソース１００がＣＷソースであるなら、システムからのレーザ信号は共振器１０２の共振周波数上にロックされ、共振器１０２の高Ｑにより誘導される狭帯域幅を有する。ここで、レーザ信号の周波数を計量するために分光計が用いられる。ソース１００がパルス・モードロックレーザ・ソースであるなら、共振器１０２は、パルス列の繰返し速度を付加的に決定する。ここで、従来の電子検出器は、１００ＧＨｚより低い繰返し速度を測定するのに用いることができる。
【００２４】
光共振器は、マルチプル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光源により供給されるレーザ・エネルギーの帯域幅内に位置することが望ましい。すなわち、レーザ信号が、単一の一貫した共振周波数で存在する。この状態は、現時点の技術水準にあるレーザ・システムの幾つかに見られることが望まれるモードを低減させるであろう。分布帰還型レーザー（ＤＦＢ）レーザが、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レーザ光源１００として使用され得る。共振器１０２の物理的なパラメータは、同様に、一つの共振を達成するために変更され得る。
【００２５】
共振器１０２は、光学的に透明な材料で形成される。この材料は、レーザ発光材料又は非レーザ発光材料であってもよい。適切な材料には、サファイヤ、クォーツ、ドープされたクォーツ、ポリシリコン及びシリコンが含まれる。これらの材料は、低光損失を呈する。これらの材料も、測定可能なパラメータの変化に対し正確に、そして、一貫して応答し、圧力又は力の下で永久に変形せず、しかし測定可能なパラメータが安定した定まった値に戻った後はそれらの最初の状態に戻るという、良好な機械的特性を示す。好ましくは、全反射の下での伝播を可能にする材料が使用される。全反射及び低光損失は、非常に高Ｑ共振器を可能にする。
【００２６】
共振器１０２は、共振器１０２の近くで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によって特徴づけられる。本明細書において、「測定可能なパラメータ」とは、外部力又は圧力に関連するそれらのパラメータを意味する。圧力（絶対及び差）、温度、流速、材料組成物、力及び歪は、例示である。レーザ光源１００及び高Ｑ共振器１０２は、集合して光センサ１０５を形成し、それは、測定可能なパラメータに依存して、レーザ信号又は検出された信号を生成する。
【００２７】
レーザ信号は、カップラ１０８ａ及び１０８ｂ並びにアイソレータ１０９として概略的に示されている構造を介して測定装置１０６に供給される。レーザ光源１００がパルス・モードロックレーザであるなら、測定装置１０６は従来の高速電子検出器であり得る。レーザ光源１００が持続波ソースであるなら、測定装置１０６は好ましくは信号の周波数を測定するための分光計又は他の適切な素子である。
【００２８】
アイソレータ１０９は、測定装置１０６の後方に反射された信号が共振器１０２に入るのを防止する。レーザ信号は測定可能なパラメータに依存するので、測定装置１０６は加えて、レーザ信号の周波数又は繰返し速度を測定すること、及びその測定値に対応する測定可能なパラメーター値を算出することによって、測定可能なパラメータのための値を付加的に引き出すことができる。この派生は、周知の方法において実行される。共振器１０２及び測定装置１０６間の結合は、ファイバー結合、ミラー結合、タップ、一過性の結合又は他の適切な結合タイプで達成されることができる。
【００２９】
共振器１０２は高Ｑ値を有し、従って、レーザ１００及び共振器１０２の間で結合されるエネルギーは非常に低く、そして、共振器１０２の共振周波数の上の適切なロッキングを生じる。高Ｑ外部共振器１０２を使用することの他の利点は、システムの信号／ノイズ（Ｓ／Ｎ）比が改善されるということである。通常、周波数変調されたレーザシステムのＳ／Ｎ比及び周波数の分解能は、レーザ発振メカニズムの周波数ジターにより制限される。このジターは、モードホーピング、電源ノイズ、熱雑音、量子ゆらぎ及びレーザ発振媒体のゲインノイズ等の多くのソースを有する。一旦それが生成されるならば、結果として生じる周波数雑音がフィルタ処理され得ないように、振幅雑音位相変動はレーザ発振周波数を変調する。
【００３０】
例えば、Ｓ／Ｎ比は、以下の比例式の下に上で定められるように、ＧＦに比例している：Ｓ／Ｎ＝ＧＦ  ｆr／ｆn．値ｆnは、ｆrに固有のノイズ周波数ディザーである。高いＧＦは、高Ｓ／Ｎ比を結果として生じる。共振器１０２のように、外部高Ｑ共振器にレーザ出力を結合することは、レーザ出力周波数が主として共振器によって決定され、従ってｆnは低く、Ｓ／Ｎ比特性は主として外部共振器の特性によって決定されることを意味する。また、ここに示される共振器は、高ＧＦ及び従って高Ｓ／Ｎ比によって特徴づけられる。
【００３１】
図１の外部共振器構造は、レーザの動作に不利な環境での測定を行うのに役立つが、その理由は、検知機構（すなわち共振器１０２）はレーザ光源１００から離れているからである。また、本実施形態において、外部共振器１０２はレーザ光源１００によって生成する高温に敏感ではないからである。
【００３２】
図２は、レーザ１３２が内部高Ｑ共振器で形成されている光センサ１３０の別の実施形態のブロック図である。ここで、高Ｑ共振器はレーザ１３２を形成し、従って、レーザゲインキャビティとして機能する。高Ｑ共振器は、適当な供給エネルギーによってポンピングされているに際してレーザ光を発する材料で形成されている。例示としてのみ示すと、レーザ光源１３２が電源１３３からの電力を受け取るように示されており、これは当業者により、光源又は電源という形式をとることが理解されるであろう。半導体材料、ドープされたサファイヤ、ドープされたクォーツ及び他の材料は、また、内部共振器を形成するために用いられ得る。クォーツが希土類元素のエルビウムによってドープされるとき、クォーツは１５５０ｎｍのレーザ光、すなわち現在の光ファイバー通信に好適な低損失波長のレーザ光線を発するので、ドープされたクォーツは特に有益である。レーザ信号がレーザ１３２によって生成され、上述と同様にカップラ１３４ａ及び１３４ｂ並びにアイソレータ１３６を介して測定装置１０６供給される。
【００３３】
好ましい実施形態において提供されるのは、レーザ信号としてパルス列を生じる周波数変調レーザ光源である。パルスの繰返し速度は、共振器上で動作する測定可能なパラメータ動作の関数として変化し、従って、全体の構成が高分解能及び高精度の光センサを形成する。例えば、１００ＧＨｚの信号に於ける１ＧＨｚの変化（測定可能なパラメータの変化により誘導される）の単なる計数は、１秒に亘る１ｐｐｂの分解能を与える。現時点の技術水準にあるレーザは約２００，０００ＧＨｚのベース周波数について２〜３ＫＨｚのノイズ帯域幅を有し、これは、３０ビットを超える分解能がこの種の光センサによって達成できることを示している。
【００３４】
受動的モードロックか能動的モードロックを使用するようなモードロックレーザをセットアップするための種々の方法が知られている。Ａｒｇｏｎ持続波レーザ光源によってポンピングされ、又はＮｄ：Ｙａｇレーザ持続波ソースによってポンピングされるＴｉ：サファイア・モードロックレーザが示されている。その他は、半導体レーザ及びマイクロメカニカルチューニングを使用している受動的なモードロックが示されている。どのようなモード−ロック・レーザも図１のレーザ光源１００として適しており、種々のモード−ロック・レーザ・セットアップが図２の実施形態において使うことができる。このように、パルスモードロックされた操作は、外部又は内部の共振器の両方の実施形態において考慮される。
【００３５】
典型的なモードロックレーザが図３Ａに示されており、外部高Ｑ共振器１４２上で動作している測定可能なパラメータに関連する動作周波数で、モードロックレーザ信号１４４を生成するための外部高Ｑ共振器１４２に結合されたレーザ１４０が示されている。レーザ１４０は、この技術分野で周知のように様々の形式を採ることができるモードロック機構を含んでいる。例えば、短いパルスだけが減衰することなく通過することが可能なように、飽和可能な増幅器がレーザ発振キャビティに導入され得る。レーザ信号１４４は、高Ｑ共振器１４２の検知面（例えば、外側の）上の測定可能なパラメータ動作に依存する繰返し速度を有するパルス化されたレーザ信号である。特に、外部高Ｑ共振器１４２にロックされるレーザ１４０のパルス化されたレーザ信号１４４は、Ｆ＝Ｆｉｎ（１−ｈ／ｎＬ）によって決定される繰返し速度を有し、ここで、ｈは外部共振器の往復の長さ、Ｌはモードロックレーザの往復の長さ、ｎは実効屈折率、Ｆｉｎはモードロックレーザの往復周波数である。（「Passively Mode-Locked Micromechanically-Tunable Semiconductor Lasers」, Katagirie et al., IEICE Trans. Electron., Vol. E81-C. No. 2, Feb. 1998を参照）。測定装置１４６はこの繰返し速度を測定し、測定可能なパラメータの値を導き出すためにその測定値を使用する。レーザ１４０は、電源１４８によってポンピングされているように典型的に示されており、それはモードロックレーザのためのポンプエネルギーの周知の源のいずれかを表わしている。
【００３６】
図３Ｂを参照すると、モードロックレーザ１５０は、モードロックレーザ信号１５２を生成するめに、レーザ発振キャビティ（図２と同様の）の内部の高Ｑ共振器を代替的に組み込むことができる。この内部共振器構造により、レーザ信号１５２の繰返し速度は、共振器の単純に往復所用時間である。上記したように、レーザ１５０のモードロック機構は、飽和可能な増幅器部分をループに導入すること又は能動的モードロッキングを使用すること等の、公知の種々の技術により達成され得る。次に、測定装置１４６は、レーザ／共振器の検知面上で動作する測定可能なパラメータの値を導き出すために、レーザ信号１５２の繰返し速度を測定する。ここには示していないが、図３Ａ及び３Ｂの実施形態はアイソレータ及び他の光学部品（例えば、種々の光学的結合器）を装備することができる。
【００３７】
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づけられる幾つかの典型的な共振器構造は、ここで検討される。
【００３８】
図４及び５は、共振器１０２又は１３２を形成するために用いることができる光ファイバ１６０の横断面を表している。光ファイバ１６０は、光ファイバにおいて使用される標準の材料のいずれによっても形成されることができ、好ましいのは単一モードファイバである。光ファイバ１６０は、クラッド領域１６２及びより高い屈折率コア領域１６４によって特徴づけられる。この構成は伝播を主としてコア１６４に限定し、信号は、全反射の下、コア１６４の内部で伝播する。
【００３９】
光ファイバ１６０は可変のギャップを規定しているキャビティ１６６を含み、それは排気され又はガス若しくは他の適切な材料を含み得る。キャビティ１６６は、例えばキャビティを含むブランク又は予め形成されたものをエッチングするか又は書き下ろすような周知の処理方法によって、ファイバー１６０内に形成される。図４において、キャビティ１６６はコア１６４内に完全に配置される。図９の実施形態に示すように、キャビティ１６６はまた、部分的にコア１６４の内部に存在し得、又は完全にコア１６４の外部にあってもよい。好ましい実施形態においては、キャビティ１６６はコア１６４のそれに横断面において同様の形状に成形される。また、好ましい実施形態では、キャビティ１６６はコア１６４に関して対称形である。キャビティ１６６及びコア１６４は両方とも直線の横断面により示されるが、他の断面側面も使用し得ることができることが理解されるであろう。例えば、検出された可変又は測定可能なパラメータに応答してサイズを変える複数の密接に間隔を置いた丸い孔のような他の形状が、キャビティに使用されることができる。キャビティ１６６は、ファイバー１６０の少なくとも一部に沿って、コア１６４とともに長手方向に伸びている。
【００４０】
キャビティ１６６のギャップは、測定可能なパラメータ、例えば圧力の変化又はファイバー１６０への外力に於ける変化に応答して変化する。動作中に於いて、ファイバー１６０の外側への圧力の増加は、外壁又はファイバー１６０の検知面１６７に対して力をかけ、それはクラッド領域１６２を介しそしてキャビティ１６６上に結果として印加されている横方向の力をかけることになる。キャビティ１６６の配置により、いくつかの横方向の力はキャビティ形状を変えることはない。その他の力は、矢印１６８（図２を参照）によって表した主たる強制する力が、キャビティ１６６を圧縮するように作用する。従って、ファイバー１６０の検知面１６７での圧力の増加は、キャビティ１６６の圧縮、すなわち内部の変位を結果として生じる。しかし、示されていないが、圧力の減少がキャビティ１６６の膨張を結果として生じることが理解されるであろう。
【００４１】
同様に、他の測定可能なパラメータの変化は、キャビティ１６６を変える。例えば、流速、温度又は材料組成物の変化がキャビティ１６６の配置を変えるように、ファイバー１６０は処理流れシステムの内部で配置され得る。測定可能なパラメータのいずれかに於ける変化は、キャビティ１６６の可変のギャップの変化を結果として生じるであろう。キャビティ１６６は、従って、伝播するコア１６４変更可能な摂動を提供し、この摂動は、測定可能なパラメータに応答して変化する。
【００４２】
キャビティ１６６は、測定可能なパラメータの比較的小さい変化に応答して圧縮され又は減圧され得る断面形状を有していることが好ましい。また、コア１６４内の伝播特性が、検出可能な量だが有害にコア１６４の内部で伝播する波のモード特性に影響を及ぼす量ではない量を変更するように、キャビティ変位が、比較的小さい、つまりミクロン及びミクロン以下の範囲であることが好ましい。図４及び５の例において、細長い矩形の輪郭がキャビティ１６６のために使われる。キャビティ１６６は、第２の側部１７２より長い第１の側部１７０を有している。キャビティ１６６は、ファイバー１６０の内部で伝播させるために、波長のオーダーの寸法を有している。定常状態キャビティの側面（例えば、大気圧で）は、所望の感度及び測定されるべきパラメータに依存して変化することができる。
【００４３】
キャビティ１６６の形状に対する変化は、コア１６４の内部での伝播特性を変える。特に、コア１６４の内部で伝搬している波は、コア１６４の内部で特定の屈折率による影響を受ける。ファイバーコアは、材料に依存する屈折率によって典型的に特徴づけられる。コア１６４の内部で伝播する波は、波が伝播する種々の材料に依存する有効屈折率による影響を受ける。伝播する波は、コア１６４及びキャビティ１６６を主として通過し、また実質的にクラッディング１６２に達する電界を有している。電界に蓄えられたエネルギーは、このように屈折率及び３つの領域の配置に依存し、電界に蓄えられたエネルギーはファイバー１６０長さに沿って電磁波の伝搬速度を決定する。伝搬する波は、あたかもそれが３つの領域の屈折率の幾何学加重平均である有効屈折率を有する均一な材料を介して伝搬しているかのように振る舞う。伝播する波により影響を受ける有効屈折率は、幾何学的変化（すなわちキャビティ１６６の圧縮又は膨張）にともなって変化する。コア内を伝播する波の有効屈折率に対する変化が光センサにおいて使用されている幾つかの典型的な適用例について、以下に記述する。
【００４４】
図６は、光センサ１７６に於ける図４及び５のファイバー１６０を示している。その構造は、また、レーザ信号の周波数を変調する装置と考えられる。記載されている構成は、図１のレーザシステムのそれと同様である。光センサ１７６は、アイソレータ１８２並びにカップラ１８０ａ及び１８０ｂを介してファイバー１６０に出力を供給している光源１７８を有している。好ましくは、半導体レーザ又はＬＥＤ光源が光源１７８として使用される。光源１７８は、後者の場合、ファイバー１６０を形成している光媒体がレーザ発振媒体でないけれども、連続波レーザ又はパルス・モードロックレーザであり得る。ファイバー１６０は、レーザ発光材料を形成するためにドープされ、光源１７８からの出力は、ファイバー１６０のレーザ光線を発する動作を可能とするのに十分な波長のポンプ・エネルギーである。
【００４５】
ファイバー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間の部分１８４を有している。ファイバー１６０の第１の端部はブラッグ反射体１８８の形式の第１の反射器を有し、第２の端部はブラッグ反射体１９０の形式の第２の反射器を有している。中間の部分１８４は、ブラッグ反射体１８８及び１９０の間に延伸し、検知面１６７と一致している。ブラッグ反射体１８８及び１９０は、光ファイバ１６０内の共振器１９２を規定している。記載されている状況において、共振器１９２は中間の部分１８４と一致する光ファイバに沿って延伸し、ブラッグ反射体１８８、１９０内に僅かに伸びている。好ましい実施形態においては、キャビティ１６６（図示せず）は、ブラッグ反射体１８８、１９０には達しない。しかし、キャビティ１６６は、必要に応じてブラッグ反射体１８８、１９０に達していてもよい。ブラッグ反射体１８８及び１９０として示されているが、第１及び第２の反射器は、代替的にファイバー１６０又はその外部に形成された鏡又は他の非常に高い反射構造体であってもよい。
【００４６】
動作に際して、光源１７８により発生されるポンプ・エネルギーは、部分的に送信ブラッグ反射体１８８を介して共振器１９２に供給される。カップラ１９４ａ及び１９４ｂに沿って、そして、アイソレータ１８６を介してブラッグ反射体１９０からレーザ信号が発せられる。レーザ信号は、共振器１９２の共振周波数に対応する波長を有している。カップラ１９４ｂ上の信号の周波数は、測定装置１９６で測定される。
【００４７】
検知面１６７で測定可能なパラメータに対する変化に際して、特に中間の部分１８４上に於いて、キャビティ１６６は変更され、それによってコア１６４内を伝播する信号により影響される有効屈折率を変更する。有効屈折率は、共振器１９２の光の波の伝搬速度を決定する。これは、次に、共振器１９２の共振周波数を決定し、従って、ＣＷ動作に於けるカップラ１９４ａ上のレーザ信号の周波数を決定する。モードロック動作において、繰返し速度は変更される。測定可能なパラメータに対する変化は、レーザ信号の周波数の変化の形で、検出器１９６により検出される。
【００４８】
センサ１７６のＣＷ動作において、測定装置１９６は、レーザ信号の周波数に非常に些細な変化の測定を可能にするために、レーザ信号の周波数が参照レーザの周波数と比較される検出器である。パルスモード操作において、測定装置１９６は、レーザ信号パルス列の繰返し速度の変化を判断する電子検出器である。いずれのケースでも、１ミクロン又はそれ以下のキャビティ変位は、検出器１９６で測定されることができる周波数の変動を結果として生ずる。示されていないが、ＣＰＵ又は他のプロセッサは、検出されたレーザ信号の周波数に基づく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の変化は、絶対測定と同様に検出可能である。最初の正規化が正確な測定可能なパラメータの測定値のために、検出器１９６及び／又はプロセッサを較正のに用いることができることが理解される。例えば、異なる測定可能なパラメータが検出される前に、正規化が実行される。多重センサが、流れシステムの内部で２つの別々の位置の間のΔＰを測定する場合のように、他の測定の種類を変えるためにプロセッサが使用され得ることが更に認められる。０．０１〜０．１の典型的なゲージファクター、及び０．０１％〜０．００１％の分解能を有する１６０以上のＱの測定が、センサ１７６によって行われる。
【００４９】
代替的な共振器が検討される。代替の共振器の例は、図７に示されている。ここで、導波路は、サーキュレータ又はリング共振器として公知のリング共振器を形成しており、以下ではこのように称する。リング共振器２００は、好ましい実施形態に於ける市販の融合技術を使用している光ファイバの端部を接合することにより形成され得る。断面を見た場合、リング共振器２００は、光ファイバ１６０のようにクラッディング、コア領域及びキャビティを有している。リング共振器２００は、高Ｑ及び高ゲージファクターによって特徴づけられ、光センサ２０２の一部を形成している。キャビティがリング共振器２００の全体の長さに亘って延伸している場合には、リング共振器２００の全外面は、検知面として機能するであろう。
【００５０】
リング共振器２００の閉ループへの信号の結合は、一過性の結合を介して達成されている。一次導波路２０４は、参照番号２０８によって概略的に示されている領域の上のリング共振器２００の一過性の結合の接点の範囲内にもたらされる。導波路２０４は、例えば、ポリシリコン材料で形成される光学的に透明な導波路である。また、サファイヤ及びクォーツは、全反射による伝播を生成するのに有用であり、導波路は他の光ファイバであり得る。レーザ光源２０５からのレーザ信号２０６は、導波路２０４を介して伝播される。
【００５１】
信号２０６は、共振器２００内の共振周波数上にロックされ、共振器２００への結合により誘発される狭帯域幅を有する。従って、信号２０６は、共振器２００の特性に依存し、すなわち、それは共振器２００の外部表面での測定可能なパラメータに依存する。信号２０６は、上記したような測定装置２０９に供給される。一実施形態においては、共振器は、図２の内部共振器の実施形態に於いて示したように、レーザキャビティを構成するように、リング共振器２００がレーザ発光材料から形成され得る点が注目される。
【００５２】
別の実施形態が図８に示されており、そこにおいて、２１６として概略的に示されている領域の上のリング共振器２００との結合接点の範囲内にある二次又は出力導波路２１４に、共振器２００と共に伝播する信号２１０が、信号２１２として結合される。共振器２００が非レーザ発光材料で形成されている場合には、この実施形態は特に有用である。出力導波管２１４は、導波路２０４の結合接点の外側である。信号２１２を導くために、導波路２１４は短い端部２２０を有し、そこから末端に伸びており、その結果、信号２１２は信号２０６のそれに平行した方向に伝播させる。信号２１２は、測定器２０９に結合される。リング共振器２００並びに導波路２１４及び２０４は、素子のコスト及び製造時間を減らすために、同様の全体的なプロセスの間に生成されるのが好ましい。
【００５３】
図８の実施形態は、特に入力信号から波長をフィルタリングするのに有用であり得る。例えば、幅広い帯域幅のＬＥＤエネルギー又は白色光エネルギーとしての信号２０６については、共振器２００は、共振周波数と共振器２００の帯域幅とが一致している伝播エネルギーの一部を取り除くであろう。信号２１２は取り除かれた周波数にある。共振器２００については、信号２０６からの共振周波数の完全に近い除去は、達成可能である。
【００５４】
図９は、クラッド領域３０２、コア３０４及びキャビティ３０６を有するファイバー３００の図４及び５に代わる適切な別の実施形態を示している。外部表面３０８は、ファイバー３００の検知面である。ギャップの断面図側面が測定可能なパラメータの変化に応答して変化するという点に於いて、キャビティ３０６はキャビティ１６６のそれと同じように、可変のギャップを定めている。しかし、ここで、キャビティ３０６はクラッド領域３０２内に完全に配置されている。それにもかかわらず、キャビティ３０６は、その中で伝播する信号により影響される有効インデックスを変更するように、十分にコア３０４に近接している。上記の実施形態と同様に、測定可能なパラメータの変化により誘発されるキャビティ３０６に対する変化は、有効インデックスを変化させる。このように、ファイバー３００が測定可能なパラメータに依存する出力信号を生じるために共振器又はレーザキャビティにおいて使用され得る。ファイバー３００は、他の共振器構成と同様に、ブラッグ反射体共振器又は上記リング共振器の構成に於いて使用するのに適している。ファイバー１００と同様に、コア３０４はより高いインデックスの光学的に透明な材料、好ましくは赤外域において透明な材料で形成される。コア３０４及びキャビティ３０６は、異なる断面図側面を有することができ、その場合でも、測定可能なパラメータの変化に共振周波数の所望の依存性を達成することができる。
【００５５】
現在の教示の範囲内に含まれる共振器の他のタイプは、図１０−１２に示される共振器４００のようなマイクロスフィア共振器である。光マイクロスフィアは、１，０００，０００，０００を上回る非常に高いＱ値を有することが知られている。マイクロスフィアは、従って、測定可能なパラメータの非常に小さい変化を測定するのに理想的な共振器を提供する。しかし、既知のマイクロスフィアは、変化するように作られたギャップ又は間隙を有していない単体構造に形成されている。
【００５６】
マイクロスフィア４００は中空で、光が周知のマイクロスフィアのようにマイクロスフィア４００の外面に沿って進行する囁きの回廊モードで動作する。光は、球の表面で全反射によって閉じこめられる。マイクロスフィア４００は、第１の半球４０２及び第２の同一の半球４０４に分けられ、２つの半球４０２、４０４は可変のギャップ４０６によって、分離されている。ギャップ４０６は、半球４０２、４０４のどちらかの内部で伝播する信号が、他方に対しその中で結合可能なように、ギャップ４０６は十分に小さい。
【００５７】
マイクロスフィア４００は、半球４０２及び４０４により規定される共振周波数によって特徴づけられる。ギャップ４０６の間隔は、ファイバー１６０上のキャビティ１６６のそれに、同様の方法で共振周波数に影響を及ぼす。図１１を参照すると、導波路４１０内を伝播するレーザ信号４０８の一部が、半球４０２に結合されている。レーザ信号４０８は、高Ｑ共振器４００内で共振周波数上にロックされる。動作中に於いては、測定可能なパラメータが検知面４１３ａ及び／又は４１３ｂで変化するにつれて、可変のギャップ４０６は半球４０２及び半球４０４間の間隔を変化させて、それによって、マイクロスフィア４００の共振周波数を変える。可変のギャップ４０６において結果として生じる変化は、レーザ信号４０８の出力周波数を変える。信号４０８は、図示されない測定装置に結合される。
【００５８】
図１２は、別の実施形態を示し、そこでは、マイクロスフィア４００が２つの導波路４１０及び４１２の間に配置され、マイクロスフィア４００は、図８に示される構造と同様の、共振周波数フィルタ又はセンサ４１４として機能し、導波路４１２のフィルタレーザ信号４１６を生成している。
【００５９】
マイクロスフィア４００並びに導波路４０８及び４１０は基板上に形成され、通常のマイクロスフィアに適した取付手段を使用して取り付けられている。半球４０２及び４０４は、互いに相対的に移動し得るように取り付けられているのが好ましい。例えば、ＭＥＭＳ組立プロセスが、ＭＥＭＳ製造プロセスは所望の可変のギャップにバイアスし、しかし可変のギャップの間隔が圧力、温度、その他の小さい変化に応答して接触し又は膨張することを許容する作動マウンティングを生ずるために使用され得る。マイクロスフィア４００は、ドープされたクォーツのようなレーザ発光材料で形成されるのが好ましい。しかし、それに代えて、非レーザ発光材料で形成されることもできる。マルチプル・マイクロスフィアは、検出器で測定される出力信号のシグナル・ノイズ比を増大させるために用いることができる。他の変更態様は、明瞭である。
【００６０】
図１３は、マイクロスフィア４５２が形成される光センサ・カプセルの形式で、代替光センサ４５０を示している。好ましい実施形態において、レーザはポンプ光によって励起されたときにレーザ光線を出すマイクロレーザを形成するようにドープされる。センサ４５０は、２台のモジュール４５４及び４５６を備えている。第１のモジュール４５４は、誘電物質で形成され、受容キャビティ４５８を含んでいる。モジュール４５４は、可撓膜又は部分４６２上に配置されている検知面４６０を有し、これにより、検知面４６０での測定可能なパラメータの変化は膜４６２を偏らせる。モジュール４５６は、誘電物質で形成されて、マイクロスフィア４５２に接して配置されている。例えば、マイクロスフィア４５２はモジュール４５６の小さいくぼみに配置され得る。マイクロスフィア４５２は、台座で支えられていてもよい。マイクロスフィア４５２は、好ましくは単一構造であり、、図１０−１２の実施形態のように半分で形成されない。マイクロスフィア４５２は膜４６２の下に配置され、集合的にこれらの二つは可変のギャップ４６４を規定する。この構成において、光はマイクロスフィア４５２に結合され、可変のギャップ４６４の変化,すなわち検知面４６０の測定可能なパラメータの変化による変化は、マイクロスフィア４５２の共振条件に影響を及ぼし、それによって、ＣＷ動作のレーザ光源の周波数の変化又はモードロック動作のパルスレーザ・ソースの繰返し速度を変える。例えば、導波路４６６はマイクロスフィア４５２の中又は外に光を結合して示されている。あるいは、マイクロスフィア４５２の方に光線を集中させることによって、光は透明モジュール４５４を介してマイクロスフィア４５２に結合され得る。
【００６１】
図７−８のそれらのようなリング共振器の実施形態は、基板に一体的に形成され得、それによって、共振器及び導波路を損害から保護する単一構造を提供する。典型的な集積光センサ５００は、図１４に（未組立てで）示され、第１のモジュール５０２及び第２のモジュール５０４を有している。第１のモジュール５０２は、打ち込み、エッチング及び成長又は他の適切な方法を使用して形成したリング共振器５０６を含んでいる。好ましい実施形態においては、基板５０８はサファイヤで形成され、リング共振器５０６は、サファイヤより高い屈折率を有しそのために全反射を提供する砒化ガリウム又はポリシリコンで形成される。図８に関して上記した導波路と同様に、一次導波路５１０及び短い二次導波路５１２は、また、基板５０８に形成されている。導波路５１０及び５１２並びにリング共振器５０６は、基板５０８の上面５１４にぴったり一致する。導波路５１０及び５１２を伝播する信号は、リング共振器５０６と同様に、全反射の下でそのように振る舞う。
【００６２】
好ましい実施形態では基板５０８のそれと同じ材料である基板５１６により、モジュール５０４は形成されている。モジュール５０４は、可変のギャップを規定するキャビティ５１８を含んでいる。先に述べたキャビティ１６６と同様に、圧力、力又は温度のような測定可能なパラメータに対する変化に応答して、キャビティ５１８のギャップが変化するような配置を、キャビティ５１８は有している。更に、直線の形状が図１４に示されているが、他の形状が適していることが理解され、例えば非平面形状も使用することができることが理解されるであろう。集積光センサ５００は、モジュール５０４を図１５に示される構造を形成しているモジュール５０２に載置することにより形成される。
【００６３】
図１５の断面図に示すように、キャビティ５１８はリング共振器５０６の外部にあるが、リング共振器５０６内に伝播する波により影響される有効屈折率を変えるのに十分なほど近接している。キャビティ５１８の形状は、検知面５１９での上記した測定可能なパラメータの変化に応答して変えられ、可変のギャップにおける変化は、共振器５０６の共振周波数を変更する。モジュール５０４は、例えば、共振器５０６より上にダイヤフラムを形成できる。導波路５１２上の出力信号は、検出器及びプロセッサに結合されている。この構成は、上記の教示に従うＣＷ又はパルスモード動作において使用され得る。
【００６４】
光センサ５００の多数の変形例は、当業者にとって明らかである。例えば、ブラッグ回折格子が、導波路５１２からの出力信号の帯域幅を更に狭くするか又は動作に影響を及ぼすために、共振器５０６の表層の上に形成され得る。リング共振器５０６は集積レーザ発振動作を提供するためにドープされることができ、又はリング共振器５０６は可変の周波数出力を提供するために外部レーザに結合され得る。加えて、例えば、同心のリング共振器が、温度位相変動を補償するために使用され得る。この変形例は、各々の同心のリング共振器が異なる幾何学（この場合半径）によって異なる圧力感度を有するので、特に有用である。
【００６５】
更に、光センサ５００は、キャビティ５１８の対向側に存在している対称で同一の対向するリング共振器で形成され得る。２つの導波路は、可変の内部ギャップを有する単一モード導波路として機能する。図１６は、セカンドリング共振器５２０がキャビティ５１８の上で、そして、リング共振器５０６の上方で配置されている実施形態の断面図を示している。
【００６６】
図１４に示されている２つのモジュール構造に代えて、光センサ５００が単一基板構造で、すなわち、モジュールなしに形成され得る。ここでは、多数のステップ処理が採用され、そこでは、基板層の第１部分の成長が行われ、次に、集積リング共振器及び必要な導波路を形成するために、打ち込み又はエッチングが行われ、次に、キャビティをセンサの上面の上に形成するために、引き続く成長ステージが行われる。
【００６７】
第１のモジュール５０２は、図１７のフォトニック結晶モジュール５３０で代替的に形成される。モジュール５３０は、一次導波路５３２、共振器５３４、及び二次導波路５３６を有する。モジュール５０２の代替として、モジュール５３０がモジュール５０４とともに使用することができ、又は、モジュール５３０は一体的構造に於ける可変のギャップキャビティで形成されていてもよい。共振器５３４は、この技術分野で周知のように、フォトニック結晶配列の間隔の変化により形成される。
【００６８】
導波路５３２、５３６及び共振器５３４は、２Ｄフォトニック結晶格子配列で形成される。フォトニック結晶は一般に要素の繰り返し列から成り、各要素に対する寸法は、その配列内で伝播する光の波長のオーダーと同様である。それらは導波路の鋭いコーナーでさえ、タイトなモード閉込め及び低損失を有するので、フォトニック結晶は望ましい。それらはまた、一過性の結合を許容する。その結果、モジュール５３０は低損失光結合器であり、共振器５３４は高Ｑ共振器である。
【００６９】
モジュール５３０は、三角形格子配列で構成されるホール又はポスト５３８の２Ｄ配列で形成されている。この配列は、周知のフォトニック結晶形成技術を使用して形成され得る。例えば、平行な光学ビームは、光学的基板材料を介してホールをあけ得る。電子ビームが直接薄い膜又はヘテロ構造にエッチングされるべきパターンを画くリソグラフィックプロセスもまた公知である。形成された２Ｄフォトニック結晶配列は、導波路５３２、５３６と同様に共振器５３４を規定し、従って、単一の処理ステップは同時にこれらの３つの構造を形成するために用いることができる。
【００７０】
モジュール５３０に於いては、一次導波路５３２内を伝播するレーザ信号は、モジュール５３０、リング共振器に一過性の結合をするであろう。ここに記載されている他の共振器と同様に、共振器５３４はレーザ発光材料又は非レーザ発光材料で形成され得る。共振器５３４からの信号は、導波路５３６に結合される。モジュール５３０は、外部キャビティ５１８と共に、使用されるのが好ましく、そこにおいては、検知面５１９に対する変化は、キャビティ５１８の可変のギャップ及び共振器５３４からの共振器信号の周波数を変えるであろう。
【００７１】
図１４−１７に示される実施形態は一次又は入力、導波路、及び二次、又は出力、導波路を示すが、単一の導波路が図７に記載のように使用され得ることが理解されるであろう。
【００７２】
図１８は、光センサ６００の他の実施形態を示している。光センサ６００は、外部共振器６０４に結合した出力を有する垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）６０２で形成される。ＶＣＳＥＬ６０２は、典型的には、各々、好ましい実施形態の分布Ｂｒａｇｇ反射器層である動作領域６０６及び２つの反射器６１２及び６１４を含んでいる。共振器６０４は、全反射の原理に基づいて動作しているマイクロディスク共振器であり、従って低損失及び高Ｑを有する。共振器６０４は、検知面６１６での測定可能なパラメータの変化に応答して変化する可変のギャップを規定しているキャビティ６２０を有している。共振器６０４は、ＶＣＳＥＬ６０２からの出力を受け取るためのＶＣＳＥＬ６０２の上面に取り付けられる。例えば、透明誘電体６２２はこの目的のために示されている。全てのセンサ６００は、簡単な梱包及び既存の用途の置き換えのために、基板又は支持体層６２４に載置され得る。
【００７３】
本実施形態においては、共振器６０４からの出力は、その共振周波数に依存する。共振周波数はキャビティ６２０の可変のギャップの関数であり、その可変のギャップは圧力及び温度のような測定可能なパラメータの関数である。ＶＣＳＥＬ出力は、ＶＣＳＥＬ６０２の周波数を決定するために、高Ｑマイクロディスク６０４に結合している。
【００７４】
前述したことから分かるように、圧力、温度、流速、力、材料組成物又は歪のような測定可能なパラメータに依存する共振周波数を有する高Ｑ光共振器が示されている。共振周波数上にレーザをロックさせることによって、共振器の共振周波数はレーザの出力周波数を決定し、又は、共振周波数はフィルタとして機能する共振器の出力を決定し得る。いずれかの出力は、検知面の測定可能なパラメータに依存し、測定可能なパラメータに対する絶対値又は差の値を算出するために使用され得る。共振器はレーザ又は光源の外部に光媒体で形成されることができる、又は、光媒体はレーザキャビティを共振器にする光源の内部にあってもよい。多数の導波路が、マイクロディスクのような誘電体共振器、及び信号の伝播を閉じこめるための導波路を有する共振器と同様に全反射だけに依存するマイクロスフィアを含めて、上に記載されている。示されているそれらに加えて、他の共振器構造が明らかであろう。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
上述したこれらの教示に対する多くの応用及びさらなる他のものは明らかであろう。記載されている光デバイスの高精度は、工業的プロセス及び流れシステムの用途、特に従来の電子ベースの半導体センサがしばしば機能しない低信号強度を有するものにかなり適している。１つの用途において、光共振器がオイルで満たされたキャピラリーチューニング便具を置き換えるような場合には、光遠隔圧力センサが使用され得る。他の用途には、圧力が物理的に離れた場所において測定されるΔＰ流量計を含み、メーターは圧力の変化を決定するために用いられる。対照的に、従来のΔＰセンサは、オイルを満たしたアイソレータ・システムが２つの物理的に分離された圧力を一般のセンサに結合することを要求する。光センサは、また、従来のセンサ及びエレクトロニクスが動作しない、例えば、ジェットエンジンの圧力測定、油井に於ける圧力測定及び水蒸気の圧力測定のような高温の応用例に於ける圧力測定に適している。ΔＰが高ライン圧力（ＡＰ）で測定されなければならないΔＰトランスミッタにおいて、開示された構造が使用され得る。ここで、高感度を有する二重ＡＰ光センサが使用され得る。更に、従来の配線が混信又は安全上の注意のために適切でない温度測定の用途が、全ての光センサの使用により達成され得る。他のセンサ応用例は、流速及び材料組成物を測定するために光センサを使用することを含んでいる。
【００７６】
多くの付加改変と変更が、その公正な範囲及び趣旨から逸脱することなく、開示された実施形態になされ得る。幾分かの変更の範囲は上で議論される。他の範囲は、添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】一実施形態によるレーザに結合した外部高Ｑ共振器のブロック説明図である。
【図２】一実施形態による内部共振器を有するレーザのブロック説明図である。
【図３Ａ】一実施形態による光ゲイン媒体を有するモードロックレーザのブロック説明図である。
【図３Ｂ】一実施形態による光ゲイン媒体を有するモードロックレーザのブロック説明図である。
【図４】一実施形態による光ファイバの横断面図である。
【図５】測定可能なパラメータがファイバーの検知面で変化したあとの図１の光ファイバの横断面図である。
【図６】一実施形態による光センサにおいて使用される図４の光ファイバの説明図である。
【図７】一実施形態によるリング共振器の説明である。
【図８】他の実施形態によるリング共振器の説明である。
【図９】図４及び５のそれに代わる実施形態による光ファイバの側部断面図である。
【図１０】別の実施形態によるマイクロスフィア共振器の説明図である。
【図１１】典型的な光センサの図１０におけるマイクロスフィア共振器の説明図である。
【図１２】典型的な他の光センサの図１０におけるマイクロスフィア共振器の説明である。
【図１３】マイクロスフィアを有する代替光センサの横断面図である。
【図１４】一実施形態による第１のモジュール及び第２のモジュールを有する未組立ての集積光センサの斜視図である。
【図１５】組み立てられた図１４の集積光センサの横断面図である。
【図１６】図１５に示されるものに代わる集積光センサの横断面図である。
【図１７】共振器を形成するためにフォトニック結晶配列を使用する図１４の第１のモジュールの代替の平面図である。
【図１８】一実施形態に従うマイクロディスク共振器及びＶＣＳＥＬの横断面図である。
【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１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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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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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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2004528530.tif 000073
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