(57)【要約】【課題】生物学的、化学的、及び／又は放射性の有害物質を検知することが可能なセンサを提供する。【解決手段】有害物質を検知する装置及び方法は、第１及び第２の光ファイバと、基板に結合される再循環器を利用する。第１の光ファイバは、基板に結合され、第１及び第２の対向する端部並びに内部に組み込まれる第１の物質を有する。第１の物質は第１の有害物質タイプに反応する。第２の光ファイバは、基板に結合され、第１及び第２の対向する端部並びに内部に組み込まれる第２の物質を有する。第２の物質は第２の有害物質タイプに反応する。少なくとも１つの再循環器が基板に結合され、光が、第１の光ファイバ及び第２の光ファイバのうちの少なくとも一方の両端部のうちの一方から伝搬する際に、光の少なくともいくらかが、少なくとも１つの再循環器によって各光ファイバの逆の端部に向けられるように構成される。【選択図】図１
2009036767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有害物質を検知する装置（１０）であって、
基板（１２）と、
前記基板（１２）に結合され、第１及び第２の対向する端部（３０、３２）並びに内部に組み込まれる第１の物質（４２）を有する第１の光ファイバ（１４）であって、前記第１の物質（４２）は第１の有害物質タイプに反応する、第１の光ファイバ（１４）と、
前記基板（１２）に結合され、第１及び第２の対向する端部（３０、３２）並びに内部に組み込まれる第２の物質（５０）を有する第２の光ファイバ（１５）であって、前記第２の物質（５０）は第２の有害物質タイプに反応する、第２の光ファイバ（１５）と、
前記基板（１２）に結合される少なくとも１つの再循環器（２２）であって、光が、前記第１の光ファイバ（１４）及び前記第２の光ファイバ（１５）のうちの少なくとも一方の前記両端部のうちの一方から伝搬する際に、該光の少なくともいくらかが、前記少なくとも１つの再循環器（２２）によってそれぞれの光ファイバの反対の端部に向けられるように構成される、少なくとも１つの再循環器（２２）とを備える、装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの再循環器（２２）と、前記第１の光ファイバ（１４）及び前記第２の光ファイバ（１５）のうちの前記少なくとも一方とは共に、共振周波数を有する共振器（２８、２９）を形成し、前記共振器（２８、２９）は、前記各有害物質タイプが存在していない間は第１の往復損失値を有し、該各有害物質タイプが存在している間は第２の往復損失値を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
有害物質を検知する方法であって、
調整可能な光源（１６）で光を生成するステップと、
少なくとも１つの再循環器（２２）並びに第１及び第２の対向する端部（３０、３２）及び内部に組み込まれる第１及び第２の物質（４２、５０）をそれぞれ有する第１の光ファイバ（１４）及び第２の光ファイバ（１５）を構成するステップであって、それによって、前記調整可能な光源（１６）で生成された光ビームが、前記少なくとも１つの再循環器（２２）によって伝送され、前記第１の光ファイバ（１４）及び前記第２の光ファイバ（１５）のうちの選択される一方の前記第１の端部に入り、前記選択された光ファイバの前記第２の端部から出て前記少なくとも１つの再循環器（２２）に入り、前記光ビームの第１の部分が、前記少なくとも１つの再循環器（２２）によって反射されて前記選択された光ファイバの前記第１の端部に入り、該光ビームの第２の部分が、前記少なくとも１つの再循環器（２２）によって伝送され、それによって、前記少なくとも１つの再循環器（２２）と、前記第１の光ファイバ（１４）及び前記第２の光ファイバ（１５）のうちの前記選択された一方が共に、共振周波数を有する共振器（２８、２９）を形成し、
前記第１の物質（４２）は第１の有害物質タイプに反応し、前記第２の物質（５０）は第２の有害物質タイプに反応し、それによって、前記共振器（２８、２９）が、前記各有害物質タイプが存在しない間には第１の往復損失値を有し、前記各有害物質タイプが存在する間には第２の往復損失値を有する、構成するステップと、
前記少なくとも１つの再循環器（２２）によって伝送される前記光ビームの前記第２の部分を捕捉するステップであって、前記共振器（２８、２９）の現在の往復損失値を求める、捕捉するステップと、
前記共振器（２８、２９）の前記共振を通じて前記調整可能な光源（１６）を調整して、共振線形の現在の共振特性を決定するステップと、
前記現在の共振特性を監視するステップであって、前記共振特性の変化は、前記往復損失値の変化及び前記各有害物質タイプの存在を示す、監視するステップとを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に環境検知に関し、特に、特定の物質の有無を検出する光学ベースのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人間集団への各種脅威の検出を含めた国土安全保障の重要性が増している。特に、生物学的作用物質又は化学的作用物質及び放射性源等の環境内の望ましくない有害物質の有無の検出又は検知が優先されるようになってきた。このような有害物質は、輸送用コンテナ内、建物内、空港内、又は他の場所で発見される可能性があり、市民並びに軍人に傷害を負わせる危険性がある。したがって、広範囲の有害物質を正確に検出することが可能な小型で手頃な装置を提供する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、生物学的、化学的、及び／又は放射性の有害物質を検知することが可能なセンサを提供することが望ましい。さらに、センサのパッケージサイズ及び製造費を最小に抑えながら、複数の異なる脅威の有無を検出するセンサを提供することが望ましい。さらに、本発明の他の望ましい特徴及び特性は、添付図面及び本発明のこの背景技術と併せて、続く本発明の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一実施の形態では、有害物質を検知する装置が提供される。当該装置は、基板と、第１の光ファイバ及び第２の光ファイバと、少なくとも１つの再循環器とを備える。第１の光ファイバは、基板に結合され、第１及び第２の対向する端部、並びに内部に組み込まれる第１の物質を有する。第１の物質は第１の有害物質タイプに反応する。第２の光ファイバは、基板に結合され、第１及び第２の対向する端部、並びに内部に組み込まれる第２の物質を有する。第２の物質は第２の有害物質タイプに反応する。少なくとも１つの再循環器が基板に結合され、光が第１の光ファイバ及び第２の光ファイバのうちの少なくとも一方の両端部のうちの一方から伝搬するときに、光の少なくともいくらかが、少なくとも１つの再循環器によって各光ファイバの逆の端部に向けられるように構成される。
【０００５】
別の実施の形態では、光ファイバ有害物質センサが提供される。当該光ファイバ有害物質センサは、基板と、調整可能な光源と、第１の複数の光ファイバと、第２の複数の光ファイバと、少なくとも１つの再循環器と、マルチプレクサとを備える。調整可能な光源は基板上にあり、発光するように動作可能である。第１の複数の光ファイバは基板に結合され、それぞれが、第１及び第２の対向する端部並びに内部に第１の物質をそれぞれ有する。第１の物質はそれぞれ、第１の有害物質タイプに反応する。第２の複数の光ファイバは基板に結合され、それぞれが、第１及び第２の対向する端部及び内部に第２の物質をそれぞれ有する。第２の物質はそれぞれ、第２の有害物質タイプに反応する。少なくとも１つの再循環器が基板上にあり、調整可能な光源によって発せられた光の一部が再循環器を透過し、光が光ファイバのうちの少なくとも一つの一端から伝搬する際に、その光の少なくともいくらかが、少なくとも１つの再循環器によって各光ファイバの他端に向けられるように構成される。マルチプレクサは基板上にあり、調整可能な光源と第１の複数の光ファイバ及び第２の複数の光ファイバとの間に結合される。マルチプレクサは、調整可能な光源からの光を第１及び第２の複数の光ファイバのうちの少なくとも一つに選択的に向けるように構成される。少なくとも１つの再循環器及び光ファイバのうちの少なくとも一つが一緒になって、共振周波数を有する共振器を形成する。
【０００６】
さらなる一実施の形態では、有害物質を検知する方法が提供される。光が、調整可能な光源を使用して生成される。少なくとも１つの再循環器、並びに第１及び第２の対向する端部及び内部に埋め込まれた第１の物質及び第２の物質をそれぞれ有する第１の光ファイバ及び第２の光ファイバが、調整可能な光源を使用して生成された光ビームが、少なくとも１つの再循環器によって伝送され、第１の光ファイバ及び第２の光ファイバのうちの選択された光ファイバの第１の端部に入り、選択された光ファイバの第２の端部から少なくとも１つの再循環器上に放射されるように構成される。光ビームの第１の部分が、少なくとも１つの再循環器によって反射されて選択された光ファイバの第１の端部に入り、光ビームの第２の部分が少なくとも１つの再循環器によって伝送され、それによって、少なくとも１つの再循環器並びに第１の光ファイバ及び第２の光ファイバのうちの選択された光ファイバが一緒になって、共振周波数を有する共振器を形成するようにする。共振器が、各有害物質タイプがない間には第１の往復損失値を有し、各有害物質タイプが存在する間には第２の往復損失値を有するように、第１の物質は第１の有害物質タイプに反応し、第２の物質は第２の有害物質タイプに反応する。少なくとも１つの再循環器によって伝送される光ビームの第２の部分が捕捉されて、共振器の現在の往復損失値が求められる。調整可能な光源は、共振器の共振を通じて調整されて、共振線形の現在の共振特性が求められる。現在の共振特性が監視される。共振特性の変化は、往復損失値の変化、ひいては各有害物質タイプの存在を示す。
【０００７】
さらなる一実施の形態では、有害物質を検知する方法が提供される。光が、調整可能な光源を使用して生成される。少なくとも１つの再循環器、並びに第１及び第２の対向する端部及び内部に埋め込まれた第１の物質及び第２の物質をそれぞれ有する第１の光ファイバ及び第２の光ファイバが、調整可能な光源を使用して生成された光ビームが、少なくとも１つの再循環器によって伝送され、第１の光ファイバ及び第２の光ファイバのうちの選択された光ファイバの第１の端部に入り、選択された光ファイバの第２の端部から少なくとも１つの再循環器上に放射されるように構成される。光ビームの第１の部分が、少なくとも１つの再循環器によって反射されて選択された光ファイバの第１の端部に入り、光ビームの第２の部分が少なくとも１つの再循環器によって伝送され、それによって、少なくとも１つの再循環器並びに第１の光ファイバ及び第２の光ファイバのうちの選択された光ファイバが一緒になって、共振周波数を有する共振器を形成するようにする。共振器が、各有害物質タイプがない間には第１の往復損失値を有し、各有害物質タイプが存在する間には第２の透過値を有するように、第１の物質は第１の有害物質タイプに反応し、第２の物質は第２の有害物質タイプに反応する。光ビームの第２の部分は、少なくとも１つの再循環器によって伝送されて、共振器の現在の往復損失値が求められる。調整可能な光源は、共振器の共振を通じて調整されて、共振線形の現在の共振特性が求められる。現在の共振特性が監視される。共振特性の変化は、往復損失値の変化、ひいては各有害物質タイプの存在を示す。
【０００８】
さらなる一実施の形態では、有害物質を検知する装置が提供される。装置は、基板と、光ファイバの少なくとも２つのコイルであって、第１の反射端面及び第２の反射端面をそれぞれ有し、各コイル内に線形共振器を形成する、光ファイバの少なくとも２つのコイルとを備える。第１の光ファイバは基板に結合され、第１及び第２の対向する端部並びに内部に組み込まれる第１の物質を有する。第１の物質は第１の有害物質タイプに反応する。第２の光ファイバは基板に結合され、第１及び第２の対向する端部並びに内部に組み込まれる第２の物質を有する。第２の物質は第２の有害物質タイプに反応する。各反射端面は基板に結合され、第１の反射端面はそれぞれ、基板内から、又は基板上を伝搬する光を受けるように構成される。各ファイバコイルの各端面は、共振光がファイバコイル内を前後に伝搬して線形共振器を形成するように構成される。第２の端面はそれぞれ、光の一部を基板上の光検出器に伝送させるように構成される。この実施の形態の変形形態が存在し、特に、２つ以上のこのような第２の端面が同じ光検出器に光を伝送する変形形態が存在する。
【０００９】
さらなる一実施の形態では、有害物質を検知する装置が提供される。当該装置は、基板と、光ファイバの少なくとも２つのコイルであって、それぞれ４ポート光ファイバカプラの２つのポートに結合されてリング共振器を形成する、少なくとも２つのコイルとを備える。各光ファイバカプラも、他の２つのポートを介して基板に結合される。光ファイバのコイルは、内部に組み込まれる第１の物質を有する。第１の物質は第１の有害物質タイプに反応する。第２の光ファイバは、内部に組み込まれる第２の物質を有する。第２の物質は第２の有害物質タイプに反応する。各光ファイバカプラは基板に結合されて、基板内から、又は基板上を伝搬する光を受ける。各カプラ及びファイバコイルは、共振光がファイバコイルを複数回伝搬して、リング共振器を形成するように構成される。各カプラは、光の一部を基板上の光検出器に伝送させるように構成される。この実施の形態の変形形態が存在し、特に、２つ以上のこのような第２の端面が同じ光検出器に光を伝送する変形形態が存在する。
【００１０】
本発明を、同様の番号が同様の要素を示す添付の図面と併せて以下において説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の以下の詳細な説明は、単に例示的な性質のものであり、本発明又は本発明の用途及び用法を制限する意図はない。さらに、本発明の上記発明の背景又は本発明の以下の詳細な説明において提示されるいかなる理論による制限も意図されない。また、図１〜図１０は単なる例示であり、一定の縮尺で描かれていない場合があることにも留意されたい。
【００１２】
環境内の１つ又は複数の有害物質（すなわち、生物学的作用物質又は化学的作用物質及び／又は放射性タイプ）を検知する装置及び方法が提供される。概して、当該装置は、所定の生物学的作用物質又は化学的作用物質と反応する第１の物質が組み込まれる第１の光ファイバと、所定の放射性タイプに反応する第２の物質が組み込まれる第２の光ファイバと、第１の光ファイバ及び第２の光ファイバと一緒になって少なくとも１つの共振器を形成する再循環器とを備える。（例えば、光源からの）入力光ビームが共振器に供給され、入力光ビームは共振器の共振周波数に調整され、共振線形が共振周波数の領域に生成されて、これが共振器を通って循環している光によって検知される。
【００１３】
検出すべき有害物質がない場合、共振線形は、共振器内を循環する光の低エネルギー損失（すなわち、共振器の第１の往復損失値又は低往復損失値）に対応する狭い形（すなわち、高い「フィネス」）を有する。光ファイバが所定の光ファイバのうちの１つに曝されると、第１又は第２の物質が反応し、それによって、各光ファイバの光学特性が変化する。その結果、光ファイバコイル内を循環する光の一部が散乱又は吸収される。通常は狭い共振線形がより広く浅い形（すなわち、低いフィネス）に変化する。この共振線形の変化は、散乱光又は吸収光に起因するより大きなエネルギー損失（すなわち、共振器の第２の往復損失値又は高い往復損失値）を表し、ひいては、所定の有害物質のうちの１つの存在を示す。複数の光ファイバコイルをセンサ内でネットワーク接続又は多重化して（例えば、時分割多重化）、複数の有害物質の存在を同時に検出する複数の共振器を形成することができる。
【００１４】
これより図面を参照すると、図１は、本発明の例示的な一実施形態による有害物質センサ１０を概略的に示す。センサ１０は、集積光学チップ（ＩＯＣ）１２並びに光ファイバ（又は光ファイバケーブル）１４及び１５を備える。一実施形態では、ＩＯＣ１２は、調整可能な光源１６（例えば、レーザダイオード）、部分透過性を有する第１の反射器１８、第２の反射器１９、再循環器２２（例えば、低いがゼロではない透過率を有する高反射性ミラー）、光検出器（例えば、フォトダイオード）２４及び２５、並びに光検出器２４及び２５並びに光源１６に結合される電子回路２６を備える。再循環器２２並びに光ファイバ１４及び１５は一緒になって、２つの共振器２８及び２９をそれぞれ形成する（しかし、同様の手段によってより多くの共振器を追加することができる）。共振器２８及び２９は様々な構成を有することができ、いくつかの例示的な実施形態を本明細書において説明する。一実施形態では、共振器２８及び２９に導入される光は単色であり、光ファイバ１４及び１５の複数の巻き（turn）を通ってそれぞれ循環し、再循環器２２を使用して各コイルを複数回通過する。
【００１５】
例示的な一実施形態では、光源１６は、周波数安定性、実質的に狭い線幅、及び比較的高出力性能を有する調整可能なレーザである。光源１６は、各光ファイバ共振器を通って伝搬する光の時計回り（ＣＷ）方向又は逆時計回り（ＣＣＷ）方向での共振周波数に対応する周波数ｆ０を含む周波数領域を通じて調整される。概して、再循環器２２は、光ファイバコイルの一端から出た光をファイバコイルの他端に再導入して、光ファイバコイルに光を複数回伝搬させる任意の光学要素であることができる。再循環器２２において光ファイバカプラに代えて入力ミラーを使用することは、ミラーが、偏光誤差及び他の誤差メカニズムの減衰に使用可能であり、導入される欠点をより少なくすることができるため、センサ１０の１つの利点である。
【００１６】
光ファイバ１４及び１５は、少なくとも第１の光ファイバ端３０及び第２の光ファイバ端３２をそれぞれ含み、各光ファイバ１４及び１５は巻かれてコイルになる。図２は、第１の光ファイバ１４の断面を示す。図示のように、第１の光ファイバ１４は実質的に円形であり、コア３４及びのクラッド３６を含む。一実施形態では、コア３４は、屈折率（ｎ）がおよそ１．４７であるシリカガラスで作られ、例えば、５〜１０マイクロメートル（μｍ）の直径３８を有する。クラッド３６は、屈折率が１．４７未満（例えば、１．３〜１．４）である透過性物質で作ることができ、内部に組み込まれる生物学的又は化学的な指標（又は第１の物質）４２を有する。一実施形態では、クラッド３６はアクリレート重合体で作られ、１００〜１５０μｍの直径４０を有する。生物学的又は化学的な指標４２は、生物学的作用物質又は化合物（例えば、硫化水素、シアン化物、塩化物、神経ガス、セリン等）等の、１つ又は複数の生物学的又は化学的な物質若しくは材料に反応する化学物質又は他の物質であることができ、このような生物学的又は化学的な物質又は材料に曝されると、光学的特性、例えば、色、光学損失、屈折率等を変化させる。
【００１７】
当業者によって理解されるように、指標４２は、クラッド３６の形成中にクラッド３６内に組み込むことができる。図２に示すファイバ構造は、コア内の光の単一空間モードをガイドすることを目的とし、これは、高感度共振器の製造に非常に有利である。しかし、重合体を有する薄いシリカコアは物理的な強度の欠点を呈し得る。したがって、コア及び光のモードサイズを拡大し、したがって、単一モードのままでありながらなおコア３４がより大きなガラス直径を有するように、コア３４の代わりに、微細構造ファイバを使用して空気穴パターンを有する２つの同心層ガラス構造（図示せず）を用いてもよい。最大で３０〜５０ミクロンのガラスサイズを実現することができ、これは物理的にはるかに強度がある。
【００１８】
図３は、第２の光ファイバ１５の断面を示す。第２の光ファイバ１５は、コア４４、クラッド４６、及びジャケット４８を含む。コア４４は、図２に示す第１の光ファイバ３０のコア３４と同様であることができる。しかし、第２の光ファイバ１５のコア４４には、アルファ粒子、ベータ粒子、及びガンマ粒子のうちの少なくとも１つに敏感なリン（Ｐ）又はボロン（Ｂ）等の放射能に敏感なドーパント（又は第２の物質）５０でドープすることができる。一実施形態では、ジャケット４８はプラスチックで作られ、例えば、１７０〜５００μｍの直径を有する。
【００１９】
図示のように、光ファイバ１４及び１５は巻かれてコイルになる。好ましくは、光ファイバは、極めて低い曲げ損失を有し、そのコイルは、実質的に小さな面積の周りに比較的多数の巻きを有する。例えば、光ファイバ１４及び１５のコイルは、およそ２０〜４０回の巻きを有することができ、直径およそ１センチメートル（ｃｍ）を有することができる。一般に、光ファイバ１４及び１５によって提供されるような光路が長いほど、センサ１０の信号対雑音比は大きくなる。センサ１０の信号対雑音比を向上させるために、光ファイバコイルの巻き数を増大させることによって、光路を増大させることができる。光ファイバ１４及び１５では、再循環器２２によって導入された光の大半は、コアの内部を横断し、光の光学エネルギーのおよそ数パーセントのみが光ファイバ１４及び１５のコア外に含まれる。
【００２０】
動作時に、光源１６が生成した光は反射器１８及び１９に向けられ、次に、反射器１８及び１９はこの光を再循環器２２に向ける。光の第１の部分は、再循環器２２を透過して第１の光ファイバ１４及び／又は第２の光ファイバ１５の第１の端部に入り、その各コイルを伝搬する（例えば、時計回り方向に）。第２の部分（すなわち、反射部分又は反射波）は、再循環器２２から光検出器２４及び２５に反射される。光検出器２４に衝突する第２の部分は、ミラー１９から再循環器２２に向けられる光から派生し、光検出器２５に衝突する第２の部分は、ミラー１８から再循環器２２に向けられる光から派生する。第１の光ファイバ１４及び／又は第２の光ファイバ１５を通るパスの共振周波数は、各光路内での循環に成功したビームの強め合う（constructive）干渉に基づく。光の第１の部分が各光ファイバのコアを通って伝搬した後、その光は各光ファイバの第２の端部から出てくる。
【００２１】
この例示的な実施形態では、第２の端部から出てくる光は、再循環器２２に向けられる。この光の一部は、再循環器２２によって各光ファイバの第１の端部に反射されて戻されるが、別の部分は再循環器２２によって光検出器２４及び２５に伝送される（すなわち、伝送部分又は伝送波）。伝送された波は、共振器２８及び２９の内部の再循環光波の一部であり、ここから派生する。光の周波数が各共振器の共振から離調すると、伝送部分は非常に小さくなり、反射部分のみが光検出器２４又は２５のいずれかに衝突し、ごくわずかな弱め合う干渉を有する最大強度を示す。光の周波数が共振器共振の中心を通じてスキャンされると、伝送波は、その共振器に対して最大化されて、反射波と共に最大の弱め合う干渉を発生させ、ひいては、共振中心を示す最小値を有する共振ディップを提供する。
【００２２】
第１の光ファイバ１４又は第２の光ファイバ１５のいずれかにおいて、共振器２８又は２９のいずれか（又は両方）の共振中心周波数を観察するために、光検出器２４及び２５それぞれでの強度を測定するか、又は標準的な同期検出技法を使用することができる。同期検出の場合、入力光ビームが正弦波的に位相変調され、したがって、周波数（ｆｍ）において周波数変調され、光検出器２４及び２５によって測定される共振線形にわたって入力ビーム周波数をディザリングする。例えば、電子回路２６は、ｆｍで光検出器２４の出力を復調して、循環光ビームの光出力によって示される共振中心を測定することができる。共振線形の線中心、すなわち共振中心において、光検出器２４は基本検出周波数ｆｍで最小出力を検出し、線形の傾きが最大である線形のいずれかの側で最大値を検出する。
【００２３】
共振器が共振から外れている場合、強度信号最大値が観察されるが、ｆｍでの信号は実質的にゼロである。共振線形の線幅を観察するために、光源１６の周波数は、光検出器２４又は２５のいずれかでの光強度信号が少なくとも、最大値半値を観察し、次いで最小を観察し、次いで別の最大値半値を観察するシーケンスを経験するように単調にスキャンされる。代替的に、線形幅の第２の測定は、光源１６の周波数が単調にスキャンされる際に、ｆｍでの復調信号の最大値間の周波数差を監視することによって測定することができる。この場合、傾きが最も高い点間での共振の周波数幅の測定は、共振器線幅に比例し、ひいては共振器の損失に比例する。光源１６の最大値半値から最大値半値への（例えば、傾きが最も高い点間での）周波数偏移は、共振器線幅であり（例えば、共振器線幅に比例し）、これは各光ファイバ（１４又は１５）内の損失及び有害物質の存在の測定を示す。線幅が広がることは、このような有害物質の存在を表す。
【００２４】
一実施形態では、光源１６の周波数偏移は、光検出器２４及び２５が最大値半値信号を観察する時間と、光検出器２４及び２５が第２の最大値半値信号を観察する時間との間の光源１６の周波数差を記録することによって測定される。光源１６のこれら２つそれぞれの時点での周波数は、直接又は間接的に測定することができる。直接測定の一例は、スキャンされていない別の光源を使用して、光源１６の周波数にうなりを発生させること、及び２つの時点でのうなり周波数差を測定することを含む。より安価であり得る間接的測定の一例は、光源１６の周波数と光源１６のスキャンに使用される電気信号入力との関係を予め較正することである。レーザが光源１６に使用される場合、電気信号は、レーザの注入電流を変化させる電流駆動信号、レーザの温度を変化させるサーモエレクトリッククーラー（thermo-electric cooler）への電流駆動信号、又はレーザキャビティのパス長を変化させてレーザ周波数を変化させる圧電変換器への電圧駆動信号であることができる。これらの場合では、レーザ周波数シフトと駆動信号との関係は工場で較正することができ、この場合、駆動信号偏移は動作中の周波数偏移の尺度である。
【００２５】
ｆ０が共振器２８又は２９の共振周波数から離調する場合、再循環器２２によって伝送される光は光ファイバに入らず、再循環器２２から反射されて、光検出器２４及び２５のそれぞれで最大強度を生成する。ｆ０が共振器２８又は２９のうちの一方の共振周波数に調整される場合、光ビームは光ファイバ（１４又は１５）に入り、光検出器２４又は２５のうちの一方に衝突する光は最小出力を有し、それによって、共振中心を示す。
【００２６】
共振器２８及び２９の挙動、特に、第１の光ファイバ１４又は第２の光ファイバ１５を通る共振伝搬の場合に光検出器２４及び２５のそれぞれによって検出される線形は、第１の光ファイバ１４及び／又は第２の光ファイバ１５がその光ファイバに関連する特定の有害物質５４の存在下にある場合、変化する。すなわち、第１の光ファイバ１４が特定の生物学的作用物質又は化学的作用物質の存在下にあるとき、その生物学的作用物質又は化学的作用物質がクラッド３６を透過し、指標４２（図２）が生物学的作用物質又は化学的作用物質に反応（例えば、結合）し、第１の光ファイバ３０の光学特性を変化させる。例えば、第１の光ファイバ３０の変化する光学特性は、屈折率の変化又は光学的吸収若しくは蛍光性の増減を含むことができるが、必ずしもこれらに制限されるわけではない。第２の光ファイバが特定のタイプの放射線の存在下にあるとき、放射線は第２の光ファイバ１５のジャケット４８及びクラッド４６を通過してコア４４内に入り、コア４４内でドーパント５０と相互作用する。放射線とドーパント５０との相互作用は、コア４４を通る光の透過率を低減させる。
【００２７】
図４は、例示的な一実施形態による光ファイバ有害物質センサ５６を示す。センサ５６は、集積光学チップ（ＩＯＣ）５８、第１の光ファイバ６０、及び第２の光ファイバ６２を備える。図４に示す実施形態では、ＩＯＣ１２は、光源６６、第１の再循環器６８及び第２の再循環器７０、ビームスプリッタ７２、第１の光検出器７４及び第２の光検出器７６、コントローラ７８、並びに送信器８０を有する基板６４を備え、これらはすべて基板６４上に形成（又は配置）される。図１に示す実施形態と同様に、有害物質センサ５６は、当業者に理解されるように、共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）と同様に実施されることを理解することができる。
【００２８】
図４に示す実施形態では、基板６４は、例えば３センチメートル（ｃｍ）未満、例えば５ミリメートル（ｍｍ）〜１．５ｃｍ等の辺長（side length）８２を有し、例えば、およそ６００〜１００マイクロメートル（μｍ）の厚さを有する実質的に矩形（例えば、正方形）である。一実施形態では、基板６４はシリコンで作られ、別の実施形態では、リン化インジウム（ＩｎＰ）である。これらの寸法、形状、及び材料は単なる例であること、及び基板６４を多くの寸法、形状、及び材料のうちの任意の１つに従って実施可能なことを理解されたい。
【００２９】
光源６６は、少なくとも図示の実施形態では、基板６４の角付近に配置され、基板６４の別の角及び／又は第１の再循環器６８に向けられるか又は「照準を定める」。一実施形態では、光源６６は、基板６４上に形成又は実装されるレーザダイオードである。当業者に理解されるように、レーザダイオードは、ドープされた結晶ウェーハの表面上に非常に薄い層をドープして、「ｎ型」領域及び「ｐ型領域」を有するｐ−ｎ接合又はダイオードを形成することによって形成することができる。特に示していないが、光源６６は外部共振型レーザダイオード（external cavity laser diode）であることができ、一般に理解されるように、発せられるレーザ光の周波数を調整及び／又は調節する共振器長変調機構を備えることができる。さらに、１つ又は複数のレンズ及びアイソレータ等の、レーザビームの整形、コリメート、又は光学的分離を行うレーザ共振器外に実装又は形成される要素を、光源６６と共に含むことができる。
【００３０】
図４に示す実施形態では、第１の再循環器６８は、光源６６の照準が定められる基板６４の角付近に配置され、第２の再循環器７０は、基板６４の光源６６に対向する角付近に配置される。一実施形態では、再循環器６８及び７０は、非常に高い反射率（例えば、９５％超）及び非ゼロの透過率を有する凹面鏡である。一般に理解されるように、第１の再循環器６８及び第２の再循環器７０は、光の所望の偏光状態に直交する偏光状態の光の反射率よりも大幅に高い所望の偏光状態の光の反射率を有することができる。再循環器６８及び７０は、光源６６から第１の光ファイバ６０及び第２の光ファイバ６２それぞれの中に伝搬する光をフォーカスすると共に、光ファイバ６０及び６２の各端部から伝搬する光を反射して光ファイバ６０及び６２の対向する端部に向けてその中にフォーカスさせるような形状である。再循環器６８及び７０の部分透過性によって、光源６６から光ファイバ６０及び６２の中への光の一部、並びに光ファイバ６０及び６２内を循環する光の一部を再循環器６８及び７０に透過させる。
【００３１】
引き続き図４を参照すると、ビームスプリッタ７２は、基板６４の一辺の付近で、光源６６と第１の再循環器６８との間に配置される。詳細に示されていないが、ビームスプリッタ７２は、好ましくは、光源６６及び第１の再循環器６８を相互に結ぶ線に対して（例えば、４５度）傾斜した向きを有する。
【００３２】
第１の光検出器７４及び第２の光検出器７６は、基板６４上の中心部付近に配置される。好ましい実施形態では、第１の光検出器７４及び第２の光検出器７６はそれぞれ、例えば、基板がシリコンである場合、基板６４上に形成されたゲルマニウムドープ領域を有するフォトダイオードを含み、その波長は赤外線（ＩＲ）領域にある。基板がシリコンであり、且つ光学波長が使用される場合、検出器は、基板内に直接形成されるシリコンフォトダイオードであることができ、光学波長が適したＩＲ波長範囲内にある場合、ＩｎＰ基板のインジウムガリウムヒ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）フォトダイオードであることができる。別の実施形態では、光検出器７４及び７６は、例えば、ゲルマニウム、シリコン、又はＩｎＧａＡｓＰで作られた別個の光検出器チップを含む。
【００３３】
一実施形態では、コントローラ７８（又は処理サブシステム）が、基板６４上又はその中に形成され、当業者に理解されるように、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）及び／又はマイクロプロセッサによって実行されて後述する方法及びプロセスを実行するための、コンピュータ可読媒体に記憶された命令等の様々な回路及び／又は集積回路（例えば、マイクロプロセッサ及び電源）を含めた電子部品を含むことができる。図示のように、コントローラ７８は、光源６６、第１の光検出器７４及び第２の光検出器７６、並びに送信器８０と通信して動作可能であり、且つ／又は電気的に接続される。送信器８０は基板６４上に形成され、例えば、一般に理解されるように、無線周波（ＲＦ）送信器を含む。
【００３４】
引き続き図４を参照すると、ＩＣＯ５８及び／又は基板６４は、一実施形態では、一般に理解されるような「シリコン光学ベンチ」であり、基板６４内に形成される（又はその上に配置される）一連のトレンチ（又は導波路）８４及び反射器８５を備えることができる。トレンチ８４はクリアランスを提供し、反射器８５は、光源６６、ビームスプリッタ７２、第１の光検出器７４及び第２の光検出器７６、並びに第１の再循環器６８及び第２の再循環器７０を光学的に相互接続する。図示の実施形態では、基板６４は、それぞれの第１の再循環器６８及び第２の再循環器７０の凹面側（すなわち、外側）に隣接して形成される第１の再循環器キャビティ８６及び第２の再循環器キャビティ８８、並びに基板６４の各角付近において再循環器キャビティ８６及び８８の外壁に形成される２つのｖ字形溝９０も備える。
【００３５】
第１の光ファイバ６０及び第２の光ファイバ６２は、それぞれの再循環器キャビティ８６及び８８に隣接するｖ字形溝９０内に挿入される第１及び第２の対向する端部を有し、一実施形態では、巻かれて、例えば直径１５〜１２５ｍｍのコイルになる。第１の光ファイバ６０及び第２の光ファイバ６２は、その他の点では、図２及び図３に示し、上述した各光ファイバ１４及び１５と同様であることができ、同様に、第１の再循環器６８及び第２の再循環器７０と共にそれぞれの共振器を形成することができる。図示されていないが、光ファイバ６０及び６２は透過性又は半開のパッケージ内に収容することができる。
【００３６】
再循環器６８及び７０並びに反射器８５等の基板６４上の様々な光学部品は、１０マイクロメートルという小さな形状を有し、このようなサイズによって、光源６６からの光が自由空間を移動する場合であっても、大きなかさばる光学系をなくすことができる。基板上の光学部品及びコントローラをエッチング、形成、又は配置することによって、大量生産に理想的な実質的に小さく、低コストのシリコン光学ジャイロを製造することができる。基板及び材料系は、好ましくは、シリコンであるが、適した特性を有する他の材料（例えば、アルミナ、窒化物、ＩＩＩ−Ｖ族元素、他の耐熱性材料等）を基板に利用してもよい。
【００３７】
引き続き図４を参照すると、動作に際して、光源６６はレーザ光をビームスプリッタ７２に向けて発し、ビームスプリッタ７２において、レーザ光は第１の部分及び第２の部分に分割される。第１の部分は、第１の再循環器６８に向かって伝搬し、少なくとも部分的に第１の再循環器６８を透過する。第２の部分は、基板６４の対向する側に向けられ、そして第２の再循環器７０に向けて反射され、少なくとも部分的に第２の再循環器７０を透過する。光の第１の部分及び第２の部分の少なくともいくらかは、それぞれの第１の光ファイバ６０及び第２の光ファイバ６２の第１の端部に入り（レーザ周波数が、ファイバ６０及び再循環器６８によって形成される共振器又はファイバ６２及び再循環器７０によって形成される共振器の共振付近に調整されている場合）、それぞれのコイルを回って伝搬し、それぞれの光ファイバの第２の端部から再び再循環器６８及び７０に向けて発せられる。光のいくらかは、再循環器６８及び７０を透過し、第１の光検出器７４及び第２の光検出器７６の中に反射される。
【００３８】
コントローラ７８は、第１の光ファイバ６０及び第２の光ファイバ６２のそれぞれに関連する共振器の共振周波数を上述した様式と同様にして別個に測定するために、光源６６を調整する。次に、コントローラは、第１の光検出器７４及び第２の光検出器７６によって検出される共振線形を監視しながら、共振周波数を切り替える。光源６６が第１の光ファイバ６０に関連する共振器の共振周波数に調整されている場合、第１の光検出器７４によって検出される線形（上述した線形と同様）の変化は、第１の光ファイバ６０が、第１の光ファイバ６０に関連する特定の生物学的作用物質又は化学的作用物質に曝されたことを示す。同様に、光源６６が第２の光ファイバ６２に関連する共振器の共振周波数に調整されている場合、第２の光検出器７６によって検出される線形の機会は、第２の光ファイバ６２が、第２の光ファイバ６２に関連するタイプの放射線に曝されたことを示す。
【００３９】
図５は、本発明のさらなる一実施形態による光ファイバ有害物質センサ９２を示す。センサ９２は、ＩＯＣ９３並びにＩＯＣ９３に結合された光ファイバの第１のセット９４及び第２のセット９６を備える。詳細に示されていないが、ＩＯＣ９３は、光源９８、光検出器１００、及びマルチプレクサ１０２を備える。図５において詳細に示されていないが、ＩＯＣ９３は、図４に示されるコントローラ７８等の電子回路並びに図４に示されるビームスプリッタ７２、反射器８５、及び光検出器７４及び７６等の光学系を図４に示されるＩＯＣ５８と同様の単一の基板上に集積する。
【００４０】
上述した様式と同様に、光ファイバの第１のセット９４内の各光ファイバは、特定の生物学的作用物質又は化学的作用物質の検出において役立つように構成され、光ファイバの第２のセット９６内の各光ファイバは、特定の放射線タイプの検出において役立つように構成される。したがって、光ファイバの第１のセット９４及び第２のセット９６内の各光ファイバは、内部に組み込まれる化学的指標４２又は放射線に敏感なドーパント５０（図２及び図３）のいずれかを含む。
【００４１】
マルチプレクサ１０２はＩＯＣ９３（又はＩＯＣ９３の基板）上に形成され、（例えば、１つ又は複数のｖ字形溝及び／又は反射器を介して）光ファイバの第１のセット９４及び第２のセット９６内の各光ファイバに結合される。マルチプレクサ１０２は、入力光ビームを各光ファイバに向け、光ファイバを循環した後、光ファイバからの出力光ビームを受ける。出力光ビームはそれぞれ光検出器１００に向けられ、光検出器１００から共振線形を判断することができる。入力光ビームはそれぞれ、対応する光ファイバの共振周波数にわたってスキャンされる。上述したように、これは、固定平均入力光周波数を使用すると共に、各共振パス長の長さをスキャンし、したがって、共振線形をスキャンして達成することができる。
【００４２】
上述したように、特定の光ファイバの光出力に関連する共振線形幅の変化は、対応する生物学的作用物質若しくは化学的作用物質又は放射線タイプの存在を示す。マルチプレクサ１０２の使用によって、光源９８からの光を随時、光ファイバのうちの１つ又は複数に選択的に向けることができる。
【００４３】
上述したセンサの１つの利点は、光ファイバ内に組み込まれる異なる物質の組み合わせによって、単一のセンサを使用して生物学的作用物質又は化学的作用物質及び放射線の両方を検出することができることである。別の利点は、回路部品及び光学部品が従来の半導体処理技法を使用することができる単一の基板上に形成されるため、小型で比較的安価な有害物質センサが提供されることである。
【００４４】
図６は、本発明の別の実施形態による光ファイバ１０４の断面を示す。光ファイバ１０４は、コア１０６、クラッド１０８、及び外被ジャケット１１０を備える。上述した光ファイバと同様に、コア１０６はシリカガラスで作ることができる。クラッド１０８は、フォトニック結晶構造を含むシリカガラスから形成することができる。外被ジャケット１１０は、図２に示されるクラッド３６と同様に、透過性重合体ベースの材料で作成することができ、内部に組み込まれる生物学的又は化学的な指標１１２を含む。したがって、光ファイバ１０４も、指標１１２が反応する特定の生物学的作用物質又は化学的作用物質の検出に適することができる。
【００４５】
図７は、本発明のさらなる一実施形態による光ファイバ有害物質センサ２０７を示す。センサ２０７は、基板２０８及び光ファイバコイル（例えば、４つの光ファイバコイル）を備える。図示の実施形態は、第１のファイバコイル２５９、第２のファイバコイル２６０、第３のファイバコイル２６１、及び第４のファイバコイル２６２を含む。基板２０８の内部又は上に、レーザ組立体２１０、結合装置２１５、３つの光学スイッチ（例えば、マッハ−ツェンダ干渉計スイッチ）２２８、４つの光検出器２５２、２５４、２５６、及び２５８、８つのｖ字形溝２３７、２４０、２４１、２４３、２４５、２４７、２４９、及び２５１、並びに導波路セグメント２２１、２２２、２３５、２５３、２５５、及び２５７が含まれる。基板の内部又は上に、電子機器プロセッサ２０９及び通信装置（例えば、送信器２７１）も含まれる。
【００４６】
レーザ２１０は、レーザダイオード２１１、反射器、波長選択装置２１２及び２１３、並びに外部ビーム整形・光学分離要素２１４を含む単一周波数レーザである。レーザから光をすぐに受ける第１のマッハ−ツェンダ干渉計スイッチ２２８は、導波路２１７及び２１９並びに変調器２１８を備える。導波路２１７及び２１９は２つの領域において近接して、光学スプリッタ２１６及び光学結合器２２０を形成する。導波路セグメント２２１から光を受ける第２のマッハ−ツェンダ干渉計スイッチ２２８は、導波路２２４及び２２５並びに変調器２２６を備える。導波路２２４及び２２５は２つの領域において近接して、光学スプリッタ２２３及び光学結合器２２７を形成する。導波路２２２から光をすぐに受ける第３のマッハ−ツェンダ干渉計スイッチ２２８は、導波路２３０及び２３２並びに変調器２３１を備える。導波路２３０及び２３２は２つの領域において近接して、光学スプリッタ２２９及び光学結合器２３３を形成する。第１のファイバコイル２５９はファイバ端部２３６及び２３８を有し、各端部は、その先端に形成される高反射性であるが、部分的に透過性の表面（図示せず）を有し、ファイバ内に線形共振器を形成する。同様にして、さらに３つの共振器が、第２のファイバコイル２６０、第３のファイバコイル２６１、及び第４のファイバコイル２６２内にそれぞれ形成される。
【００４７】
センサ２０７の動作中、レーザ組立体２１０からの光は結合装置２１５に向けられ、結合装置２１５は、例えば、ミラー及びプリズムの組み合わせであることができ、レーザビームを導波路２１７に反射する。次に、光は分割領域２１６内で２つの実質的に等しい波に分割されてから、導波路２１７及び２１９を通じて伝搬する。２１７内の光は、プロセッサ２０９からの信号を介して位相シフトされてから、結合器２２０内で再結合される。変調器（又は位相シフタ）２１８内の光に付与される位相シフトは、導波路２２１又は２２２に向けられる光の比を制御し、それによって、第１のマッハ−ツェンダ干渉計スイッチ内の光学スイッチを作用させるように制御される。同様に、光は、第２のマッハ−ツェンダ干渉計スイッチにおいて導波路２３５と２５３との間で、及び第３のマッハ−ツェンダ干渉計スイッチにおいて導波路２５５と２５７との間で切り替えられる。
【００４８】
一実施形態では、光は１度に１つの共振器に向けて切り替えられる。例えば、レーザ２１０からの光は、結合装置２１５を介して導波路２１７に結合され、変調器２１８への適した電圧信号を介して導波路２２１に向けることができ、位相シフタ２２６上の適した信号を介して（例えば）導波路２５３に向けられる。次に、レーザ周波数が第２の共振器に調整されると、導波路２５３を出た光は、ファイバ２６０内の前後に伝搬するように導波路２５３からの第２の共振器に向けられる。第２の共振器内を伝搬する光の一部は、ファイバ端部２４２のファイバ先端の部分透過性コーティングを介して光検出器２５４に向けられる。ファイバ端部２３６、２３８、２３９、２４２、２４４、２４６、２４８、及び２５０は、ファイバのｖ字形溝２３７、２４０、２４１、２４３、２４５、２４７、２４９、及び２５１にそれぞれ配置されて、光の効率的な結合のために光ファイバを導波路に位置合わせする。
【００４９】
図１において説明した様式と同様にして、生物学的、化学的、又は放射性源を示す様々な共振器の共振線形は、レーザ周波数をスキャンすることによって決定される。監視する共振器はプロセッサによって決定され、プロセッサはスイッチを介して光を向け、どの共振器を調べるかを選択する。結果を示す出力は、プロセッサ及び通信電子機器を介してユーザに伝えられ、プロセッサは光検出器と通信している。位相シフタ２１８、２２６、及び２３１は、シリコンの場合には熱光学装置であることができ、導波路の局所温度を変化させて、光学位相シフトを変化させるか、又は電気光学活性基板材料から成る場合には、導波路にわたって電界を印加することによって導波路内で光の位相を変化させる電気光学変調器であることができる。
【００５０】
当業者によって理解されるように、様々な変更を図７に示されるセンサ２０７に行うことができる。例えば、図８に示されるセンサ２０７では、共振器は再循環器及びコイルを形成する追加の光ファイバと共に形成される。すなわち、図８に示されるように、第１の再循環器（例えば、ファイバカプラ）２６３は、第１のファイバコイル２６４と共に第１の共振器を形成し、第２の再循環器２６５は、第２のファイバコイル２６６と共に第２の共振器を形成し、第３の再循環器２６７は、第３のファイバコイル２６８と共に第３の共振器を形成し、第４の再循環器２６９は、第４のファイバコイル２７０と共に第４の共振器を形成する。
【００５１】
図９に示される例では、ｖ字形溝２４０、２４３、２４５、及び２４９は、端部２３８、２４２、２４６、及び２５０が単一の比較的大きな光検出器２７６と位置合わせされるように配置される。図９に示される実施形態の追加の利点は、１つのみの光検出器が利用されるため、センサ２０７がいくらか単純化され、したがって、全体コストが低減することである。このような実施形態では、光が１度にただ１つのファイバコイルを通って伝搬するように、マッハ−ツェンダ干渉計スイッチを動作させることが有利であり得る。図１０に示される例は、図９に示される実施形態と同様であり得る。しかし、ｖ字形溝２４０、２４３、２４５、及び２４９は、図７に示される実施形態でのように配置され、追加の導波路２７２、２７３、２７４、及び２７５が設けられて、光をファイバコイルから単一の光検出器２７６に運ぶ。
【００５２】
本明細書における考察の大部分は有害な生物学的物質、化学的物質、及び放射性物質の検出に焦点を合わせているが、当業者には、本明細書において記載した装置及び方法を有害物質及び非有害物質の両方の検出に使用可能なことが理解されることに留意されたい。
【００５３】
少なくとも１つの例示的な実施形態を上記の本発明の詳細な説明において提示したが、膨大な数の変形が存在することを理解されたい。例示的な実施形態（複数可）が単なる例であり、本発明の範囲、適用性、又は構成を制限することが決して意図されていないことも理解されたい。むしろ、上記の詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態を実施するための好都合なロードマップを当業者に提供する。添付の特許請求の範囲に述べられている本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態において説明した要素の機能及び構成に様々な変更を行うことができることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の例示的な実施形態による有害物質センサの概略図である。
【図２】図１の有害物質センサ内の第１の光ファイバの断面図である。
【図３】図２の有害物質センサ内の第２の光ファイバの断面図である。
【図４】本発明の別の実施形態によるシリコン基板を備える有害物質センサの平面図である。
【図５】本発明のさらなる一実施形態によるマルチプレクサを備える有害物質センサの等角図である。
【図６】本発明のさらなる一実施形態による有害物質センサにおいて使用するための光ファイバの断面図である。
【図７】本発明の別の例示的な実施形態による有害物質センサの平面図である。
【図８】本発明のさらなる一実施形態による有害物質センサの平面図である。
【図９】本発明のまたさらなる例示的な一実施形態による有害物質センサの平面図である。
【図１０】本発明のまたさらなる例示的な一実施形態による有害物質センサの平面図である。
【図３】
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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１０】
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【図１】
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【図２】
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【図９】
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【外国語明細書】
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