JP4995926B2 - 向上したフォトニック結晶構造センサ - Google Patents
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Description
この出願は、2007年1月9日に出願された米国仮特許出願番号第60/879,465号の利益を主張し、引用によってその全体が本願明細書に援用され、また2007年10月23日に出願された米国仮特許出願番号第61/の利益を主張し、引用によってその全体が本願明細書に援用される。
発明の分野
この出願は概してセンサシステムに関し、より特定的には光ファイバ互換のセンサシステムに関する。
光ファイバ音響センサは、従来の音響センサよりも利点が多いことを大きな理由として、1970年代の最初の出現から大規模に研究されてきた(たとえばJ.Acoust.Soc.Am
第62巻、1136(1977年)のJ.H.コール(J.H.Cole)、R.L.ジョンソン(R.L.Johnson)、P.G.ブータ(P.G.Bhuta)による「音の光ファイバ検出(Fiber-Optic detection of sound)」;J.Acoust.Soc.Am 第62巻、1302(1977年)のJ.A.ブカーロ(J.A.Bucaro)、H.D.ダーディ(H.D.Dardy)およびE.F.カローム(E.F.Carome)の「光ファイバ水中聴音機(Fiber-Optic hydrophone)参照)。これらの利点には、小型かつ軽量であること、化学的かつ/または電気的に苛酷な環境で動作する能力、多数のセンサを一緒に多重化することの容易性、ならびにデータ伝送および処理のための光ファイバ網との互換性、が含まれる。
80年1月)のW.B.スピルマン ジュニア(W.B.Spillman Jr)らの「動く光ファイバ水中聴音機(Moving Fiber-Optic Hydrophone)」;2004年1月5−8日、ネバダ州リノ(Reno, Nevada)における第42回AIAA航空宇宙科学会議および展覧会(42nd
AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit)のK.カーダーベル(K.Kardirvel)らの「航空音響測定用MEMS光学マイクロホンの設計および特性記述(Design and Characterization of MEMS Optical Microphone for Aeroacoustic Measurement)」;J. Acoust. Soc. Am. 第118巻第3号パート1、1406−1413ページ(2005年9月)のJ.A.ブカーロ(J.A.Bucaro)らの「小型で高機能かつ低コストな光ファイバマイクロホン(Miniature, High Performance, Low-Cost Fiber Optic Microphone)」;Appl. Optics 第44巻16号、312−3196ページ(2005年6月1日)のT.K.ガンゴパディ(T.K.Gangopadhyay)らの「外因性ファブリペロー干渉キャビティのモデリングおよび分析(Modeling and Analysis of an Extrinsic Fabry-Perot Interferometer Cavity)」、および、カリフォルニア州モントレー(Monterey, California)、1992年1月29−31日、第8回光ファイバセンサ会議議事録(Proceedings of 8th Optical Fiber Sensors Conference)354−357ページのP.J.カズメンコ(P.J.Kuzmenko)の「小型ファブリペロー光ファイバ水中聴音機の試験的性能(Experimental Performance of a Miniature Fabry-Perot Fiber Optic Hydrophone)」を参照されたい。
2050ページ(1999年)のV.N.アストラトフ(V.N.Astratov)の「フォトニックバンド構造の導波管への近赤外線放射の共鳴結合(Resonant coupling of near-infrared radiation to photonic band structure waveguides);および、Phys. Rev. B、第65巻235112ページ(2002年)のS.ファン(S.Fan)およびJ.D.ジョアノプロス(J.D. Joannopoulos)の「フォトニック結晶スラブにおける導波共鳴の分析(Analysis of guided resonances in photonic crystal slabs)」を参照されたい。このような導波共鳴モードは、以前には発光ダイオードおよびレーザにおいて光学フィルタまたはミラーとして用いられてきた。
特定の実施例において、音響センサが提供される。音響センサは、少なくとも1つのフォトニック結晶構造を含む。音響センサはさらに、上記少なくとも1つのフォトニック結晶構造に光学的に結合された端部を有する光ファイバを含む。音響センサはさらに、上記少なくとも1つのフォトニック結晶構造および光ファイバに機械的に結合された構造部分を含む。上記少なくとも1つのフォトニック結晶構造、光ファイバおよび構造部分は、音響センサの周波数応答が音響周波数の範囲において全体的に平坦となるように、ある体積を有する領域と実質的に境をなす。
を上記少なくとも1つのフォトニック結晶構造に光学的に結合することを含む。この方法はさらに、構造部分を与えるとともにこの構造部分を上記少なくとも1つのフォトニック結晶構造および光ファイバに機械的に結合することを含む。上記少なくとも1つのフォトニック結晶構造、光ファイバおよび構造部分は、音響センサの周波数応答が音響周波数の範囲内で全体的に平坦となるように、ある体積を有する領域と実質的に境をなす
特定の実施例において、音響センサが提供される。音響センサは、少なくとも1つのフォトニック結晶構造を含む。音響センサはさらに、上記少なくとも1つのフォトニック結晶構造に光学的に結合された端部を有する光ファイバを含む。音響センサはさらに、上記少なくとも1つのフォトニック結晶構造および光ファイバに機械的に結合された構造部分を含む。上記少なくとも1つのフォトニック結晶構造、光ファイバおよび構造部分は、音響センサの感度が、20kHz未満の音響周波数の範囲において約100μPa/Hz1/2より良好となるように、ある体積を有する領域と実質的に境をなす
特定の実施例において、音響センサの製造方法が提供される。この方法は、少なくとも1つのフォトニック結晶構造を与えることを含む。この方法はさらに、光ファイバの端部を上記少なくとも1つのフォトニック結晶構造に光学的に結合することを含む。この方法はさらに、構造部分を与えるとともにこの構造部分を上記少なくとも1つのフォトニック結晶構造および光ファイバに機械的に結合することを含む。上記少なくとも1つのフォトニック結晶構造、光ファイバおよび構造部分は、音響センサの感度が20kHz未満の音響周波数の範囲において約100μPa/Hz1/2より良好となるように、ある体積を有する領域と実質的に境をなす。
圧電変換器のQ因子(quality factors)に匹敵する感度を達成するのに十分なQ因子を有する現代の光学的共鳴器は、典型的には、製作、設置、整列、および動作するには大きくて、非実用的である。対照的に、本願明細書に記載された一定の実施例は、これらの従来の光学キャビティのアパーチャとは桁違いに小さいアパーチャを有するフォトニック結晶スラブ(PCS)構造で形成された光学的共鳴器ベースの音響センサを含む。このような一定の実施例の小型性により、約10kHzより大きな周波数については、圧電気変
位センサおよび容量性変位センサの感度に匹敵する感度がもたらされる。1対のPCSを含むフォトニック結晶構造は、ノッチフィルタならびに帯域透過および反射フィルタをもたらすために用いることができ、このような構造は、さまざまな用途(たとえば石油探索、海中音波検出)に互換性を有する音響センサシステムにおいて利用することができる。
バ50をさらに含む。
一定の実施例では、少なくとも1つのフォトニック結晶構造20はPCS70を含み、その例が図2Aに概略的に示される。PCS70はPCS70内に第1の材料72および領域74のアレイを含む。領域74は、第1の材料72の屈折率とは異なる屈折率を有する第2の材料76を含む。図2AのPCS70は、厚さTおよび実質的に平坦な構成を有する。
分布を有するPCS70の別の例を概略的に示す。突起78は、PCS70の上に約100ナノメートルから約1000ナノメートルの範囲の高さHを有する。一定の実施例では高さHは厚さTより大きい一方で、一定の他の実施例では高さHは厚さT以下である。一定の実施例では突起78はPCS70の基礎をなす部分が含む材料と同じ材料を含む一方で、一定の他の実施例では突起78は異なる材料を含む(たとえばPCS70がシリコン酸化物を含む一方で突起78はシリコンを含む)。一定の実施例では、PCS70は誘電材料(たとえばシリコン、シリカ、シリコン窒化物、セラミックス、プラスチック)または半導体材料(たとえばシリコン、ゲルマニウム、リン化インジウム、砒化ガリウムまたは他のIII−V半導体)を含む。一定の実施例では、突起78は誘電材料(たとえばシリコン、シリカ、シリコン窒化物、セラミックス、プラスチック)または半導体(たとえばシリコン、ゲルマニウム、リン化インジウム、砒化ガリウムまたは他のIII−V半導体)を含む。突起78の他の形状、大きさおよび分布も、本願明細書に記載された一定の実施例と互換である。
3Cは、PCS70に実質的に直交する方向で入射する光についてシミュレートされた透過光パワースペクトル(右側に示される)における光学共鳴を示す例としてPCS70(左側に示される)を概略的に示す。図3A−図3Cでは、光学共鳴は透過された光パワースペクトルにおける落下点として示される。図3A−図3Cでシミュレートされている透過光パワースペクトルの水平軸の単位は(c/a)であり、ここでcは真空における光速度、aはPCS70の格子定数(たとえば孔の中央から中央までの間隔)である。図3Aは力が加えられていないPCS70を示し、図3Bは圧縮力が与えられたPCS70を示し、図3Cは拡張力または伸張力が与えられたPCS70を示す。図3Aおよび図3Bの比較によって示されるように、圧縮力は光学共鳴の周波数を高い周波数へとシフトする。図3Aおよび3Cの比較によって示されるように、拡張力は光学共鳴の周波数を低い周波数へとシフトする。
一定の他の実施例では、PCS70は、メンブレン96に入射する音波40がPCS70を曲げることによりPCS70に歪みを引起すように、メンブレン96に取付けられる。一定のこのような実施例において、共鳴についての測定されたQ因子は約2500から3000である。一定のこのような実施例において、音響センサ10の対応する感度は約1マイクロパスカル/Hz1/2であり、ダイナミックレンジは、PCS70の降伏強度によって約50デシベルに制限される。例としての実施例では、PCS70に加えられた約1×10-5の理論的な歪みは、約1550ナノメートルの波長で透過されたパワーの10-3の変化を引起す。
一定の実施例では、図8に概略的に示されるように、フォトニック結晶構造20は第1のPCS100、および第1のPCS100と実質的に平行な第2のPCS102を含む。これらのPCS100、102の各々は、単一のPCS構造について上述されたような物理的なパラメータ(たとえば厚さ、領域サイズ、材料、周期性、分布)を有し得る。
構成または近接場構成において、光学共鳴は、2つのPCS間の変位が変わると周波数(または波長)がシフトする。したがって、所定の周波数(または波長)で透過パワー(または反射パワー)を測定することによって、2つのPCS間の変位量を検出することができる。一般に、近接場構成はファブリペロー構成よりも大きな周波数(または波長)の変位を生じ、その結果、近接場構成はファブリペロー構成よりも変位に対する感度が高い。
典型的な光学共鳴器またはフィルタの急峻な共鳴は光の入射角に敏感である。典型的には、この入射角への感度を回避するために、入射光は平面波に接近するよう平行にされる。光源として光ファイバを用いると、光ファイバによって放射された光は一定の角度分布を有し、これは典型的には付加的な視準光学および付加的なファイバツーファイバ結合ハードウェアを用いて、現代の光学共鳴器のために平行にされる。
さまざまな角度の成分はすべて同じようにPCS構造に影響を受ける。したがって、音響センサは光が平行にされたかのようにほぼ同じように挙動する。このような一定の実施例では、共鳴が入射角に対して非感受性なので、光ファイバからの光は、光ファイバとPCS構造との間に介在する視準光学系なしに、PCS構造に直接に衝突する。このような一定の実施例では、複雑な視準要素または結合要素を用いることを有利に回避し、それによって統合およびパッケージングを単純にし、コストを低減する。
PCSにおける一定の固有モードは無限の寿命を有し、したがって法線入射では外部の放射と分離される。したがって、フォトニック結晶を利用する現代の光学共鳴器システムでは、共鳴モードと入射波との間の対称的な不整合のために、法線入射平面波を伴う一定の共鳴(本願明細書で非縮退共鳴と呼ばれる)を結合することは一般に可能ではない。この効果は、パクラドーニ(Pacradouni)らの、Phys. Rev. B 第62巻、4204ページ(2000年)の「二次元で周期的に織込んで作られた誘電メンブレンのフォトニックバンド構造(Photonic band structure of dielectric membranes periodically textured in two dimensions)」、パドン(Paddon)およびヤング(Young)によって理論的に説明された、Phys. Rev. B 第61巻、2090ページ(2000年)の「織込まれた平坦な導波管のための二次元のベクトル結合モード理論(Two-dimensional vector-coupled-mode theory for textured planar waveguides)」で実験的に観察された。オチアイ(Ochiai)およびサコダ(Sakoda)は、Phys. Rev. B 第63巻、125107ページ(2001年)の「六角形のフォトニック結晶スラブの分散関係および光学透過率(Dispersion relation and optical transmittance of a hexagonal photonic crystal slab)」において、これらの共鳴が外部の放射との対称的な不整合によって分離されることを群論的説明を用いて示した。
レーションおよび実験結果により、このような非縮退共鳴が、実は、格子アレイの周期性を破壊することによって、または(たとえば正方格子アレイにおいて)単位セルの鏡面対称を破壊することによってPCS構造の鏡面対称を破壊することにより、確かに励起され得ることが示された。さらに、非対称性の程度(たとえばPCS構造の孔の非対称な領域サイズ)の調整により、このような共鳴の急峻性(たとえば線幅、Q因子)を制御することが可能である。一定の実施例では、これらの共鳴のQ因子は、有限最小から無限まで調整することができる。源のスペクトル線幅より急峻な共鳴は概して実際には役立たないので、一定の実施例では、(入射光の線幅によって決定されるように)有限最小から有限最大まで調整が行なわれる。
および線幅は非対称の増加につれて増加する。この挙動は非対称性の増加を伴うPCS構造からも測定されている。
図24は、本願明細書に記載された一定の実施例と互換である音響センサシステム200の一例を概略的に示す。一定の実施例では、音響センサシステム200は、共鳴振動数および共鳴線形を備えた少なくとも1つの光学共鳴を有する少なくとも1つのフォトニック結晶構造20を含む。音響センサシステム200はさらに、少なくとも1つのフォトニック結晶構造20を実質的に囲み、少なくとも1つのフォトニック結晶構造20に機械的に結合されるハウジング30を含む。少なくとも1つのフォトニック結晶構造20の共鳴
振動数および共鳴線形の少なくとも1つは、ハウジング30に入射する音波40に反応する。図24に示されるように、一定の実施例では、音響センサシステム200は、少なくとも1つのフォトニック結晶構造20に光学的に結合される光ファイバ50をさらに含む。
めに可動部分220を動かすことにより、可動部分にわたって圧力差分に反応する。一定の実施例の少なくとも1つの圧力導管240は、内部領域250と外部領域260との間の静圧を等しくするローパスフィルタとして機能する。
水、イソプロピルアルコールまたは空気を含むがこれらに限定されない非腐食液または気体を含む。このような一定の実施例は、音響センサシステム200のさまざまな構成要素を、腐食または音波40が測定されている媒体(たとえば海水)からの他の損傷から有利に保護する。
一定の実施例では、音響センサシステム200のさまざまな構成要素を形成するために、表面マイクロ機械加工技術およびバルクマイクロ機械加工技術が製造プロセス流れの中で用いられる。本願明細書に記載された実施例と互換であるリソグラフィ技術は、光学リソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、ナノ刷込み技術、およびマイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)製造法と一般に互換である他の技術を含むがこれらに限定されない。本願明細書に記載された実施例と互換である表面マイクロ機械加工技術は、フィルム堆積、ドライエッチング、ウェットエッチング、エピタキシャル成長、ウェーハボンディング、および犠牲解放を含むがこれらに限定されない。本願明細書に記載された実施例と互換であるバルクマイクロ機械加工技術は、異方性または等方性の反応性ディープイオンエッチング、KOH(水酸化カリウム)またはTMAH(テトラメチルアンモニウム水酸化物)を用いる異方性ウェットエッチング、および等方性ウェットエッチングを含むがこれらに限定されない。
10上の約10ミクロンの厚さのシリコン層530である。さらに、ウェーハ500の他の材料も本願明細書に記載された一定の実施例と互換である。
己整列し、シリコン層530をマスクする)、酸化物層630の部分を通るシリコン層620の部分の制御されたエッチングが実行される。一定の実施例では、シリコン層530の残りの部分660は約450ナノメートルの厚さを有し、シリコン層620の残りの部分670は約450ナノメートルの厚さを有する。残りの部分660、670は、音響センサシステム200のフォトニック結晶スラブ70a、70bのためのシリコン基板として機能する。一定の実施例では、酸化物層632は取除かれる。
音響センサシステム200の可動部分220および弾性部分(たとえば第2のハウジング310)の機構は、本願明細書に記載されたさまざまな実施例の性能に影響する。これらの機構は、音響センサシステム200のさまざまな構成について下記に分析される。下記の計算は本願明細書に記載されたさまざまな実施例の動作についていくらかの洞察を与えるが、限定するようには意図されない。
厚さhおよび密度ρである伸張されたダイヤフラムの横方向変位uについての運動の方程式は、以下のように表わすことができる:
強制され、かつ減衰されたダイヤフラムについて、運動の方程式は以下のようになる:
2つの異なった種類の構造、すなわち、窒化シリコンからなるダイヤフラムおよび結晶シリコンからなるダイヤフラムは興味深い。これら2つの材料の機械的特性により、ダイヤフラム解は以下に論じるように閉形式を有する。
メンブレンは、残留応力が支配的な、たとえばκ→∞である、ダイヤフラムである。メンブレン構造はκ>20に非常に近いが、これは通常高い残留応力を有する窒化シリコンダイヤフラムについての場合である。この場合、βn→κ/a→∞なので、特性方程式(15)は簡単にJ0(αna)=0となる。表記の簡略化のために、(αna)=znであって、znはJ0(x)のn次ゼロを示す。
b=0について、方程式(21)における変位は以下のようになる:
b→∞について、方程式(21)の変位は以下のようになる:
プレートは、曲げ剛性が支配的な、たとえばκ=0である、ダイヤフラムである。プレート構造はκ<2に非常に近いが、これは通常非常に低い残留応力を有する結晶シリコン
ダイヤフラムについての場合である。
b=0について、方程式(21)における変位は以下のようになる:
Simulation of Microsystems、1999年、を参照。また、r=0およびr=aからの崩壊は、メンブレンの場合と比較してより急速であることにも留意されたい。
b→∞について、式(21)の変位は以下のようになる:
機械的インピーダンスの計算は、周囲の媒体(空気または水など)および減衰が、どのような影響をダイヤフラムの変位に与えるかの理解を容易にし得る。機械的インピーダンスZは圧力の速度に対する比、すなわちZ=P/υとして定義される。ここで論じられる場合においては、υ(r)=jωu(r)である。ダイヤフラムのインピーダンスを計算するには、以下の集中速度(lumped speed)が用いられる:
Ztotal=Zd+Zb+Zs
ダイヤフラムの全変位は、この全インピーダンスの値に依存する。もしインピーダンスのうちの1つが他のものよりもずっと大きければ、ダイヤフラム変位はそれによって支配されるであろう。たとえば、もしメンブレンインピーダンスが支配的であれば、すなわちZd>>Zb、Zsであれば、変位はちょうど方程式(22)または方程式(25)におけるものと同様になり、無視できる減衰でのダイヤフラム変位となる。もし減衰インピーダンスが支配的であれば、すなわちZb>>Zd、Zsであれば、変位はちょうど方程式(23)または方程式(26)におけるものと同様になり、大きな減衰条件下でのダイヤフラム変位となる。そして、もし周囲の媒体のインピーダンスが支配的であれば、すなわちZs>>Zd、Zbであれば、変位はちょうど方程式(29)におけるものと同様になるが、これは音波における粒子の変位である。
系の一例として、窒化シリコンまたは結晶シリコンのいずれかからなる円形ダイヤフラムは、典型的なSMF−28シングルモードファイバ(たとえば、62.5ミクロン)の半径を有し、ファイバの端部から距離dだけ離隔されている。表1は、計算に用いるべき様々なパラメータおよび定数の値を示す。
bair=9.38×104kg/m2/s 空気における減衰
bwater=5.04×106kg/m2/s 水における減衰
同様に、表1の値をインピーダンス公式方程式(27)、(28)、および(30)において用いると:
|ZSiN|=1.62×106kg/m2/s 窒化シリコンメンブレンのインピーダンス
|ZSi|=1.09×105kg/m2/s シリコンプレートのインピーダンス
|Zair|=415kg/m2/s 空気のインピーダンス
|Zwater|=1.48×106kg/m2/s 水のインピーダンス
|Zsea-water|=1.56×106kg/m2/s 海水のインピーダンス
これらの結果は、所与のダイメンションについて、メンブレンのインピーダンスは減衰および水インピーダンスに匹敵することを示す。図33は、ダイヤフラム直径が125ミクロンであって周波数が30kHzでの、一例としての音響センサのインピーダンスを示す。減衰は、総じてダイヤフラム−ファイバ間隙の立方に反比例する。減衰は距離が小さくなるほど大きく、約3ミクロン未満の距離について顕著である。さらに、より大きなダイヤフラム直径は、より有利な結果をもたらすであろう。50%を超えて大きなダイヤフラム半径は、窒化シリコン計算をより正確にする。なぜならば、この場合、κ≒13の張力パラメータ値は、メンブレンとして窒化物ダイヤフラムをモデル化するには不十分だからである。また、減衰インピーダンスは、圧力等化孔の寸法および位置などの、注意深い設計によって減じることができる。
上で導出された式は、音響センサシステムについての最適なパラメータを見出すのに用いることができる。図31は可動反射素子(たとえばメンブレン)と光ファイバとの構成の一例を概略的に示す。図31に概略的に示される、最適化されるべきパラメータとは、キャビティ長さ(L)、メンブレンの半径(a)、およびファイバ端部の反射率(Rf)およびメンブレンミラーの反射率(Rm)である。
Reff=0.954
これは、最良の条件下で所望の感度を達成するための最小有効反射率である。この値を用いて、最大キャビティ長さを計算することができる。
Zwater=1.48×106kg/m2/s 水のインピーダンス
bwater=5.04×106kg/m2/s 水における減衰
ZSi=1.09×105kg/m2/s シリコンプレートのインピーダンス
3つのインピーダンスは同じオーダである。これは、メンブレンの変位が、水粒子の変位に対して係数fだけ減じられることを意味する。ここで、
bwater+ZSi≒1.64×105kg/m2/s
ここで考慮しなければならない式は:
bwater ≒5.50×104kg/m2/s
よって、長さは有利に:
音響センサとして採用すべき簡単なファブリペロー構造は、フォトニック結晶ミラーとファイバブラッググレーティングとで構成する(たとえば、図28に示すもの)か、またはここで説明するように2つのフォトニック結晶ミラーだけで構成することができる。そのようなセンサの感度は、基礎ファブリペロー方程式から計算することができる。(たとえば、トムソン(Thomson)他「ファブリペロー表面弾性波振動検出器−音響ホログラフィへの応用」"A Fabry-Perot acoustic surface vibration detector-application to acoustic holography" J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 6, 第677頁(1973年)、を参照)。特定の実施例においては、ファブリペローキャビティを形成する両方のミラーが高い反射率Rを有する。そして、K=4R/(1−R)2およびφ=2πL/λについて、Lがミラー間隔である場合、反射パワーPrおよび入射パワーPiは以下のように計算することができる:
ピーク振幅ΔLの小さなミラー変位について、フォトダイオードにおける信号電流は以下のようになる:
方程式(33)で与えられる最高感度で動作して、方程式(35)の信号電流式内の方
程式(36)のパワー信号は:
感度についての一般式を得ると、ファイバブラッググレーティングについての感度が計算できる。そのような構造の共振波長は:
参照)。そのような構造がΔLだけ伸張されると、波長は以下だけシフトする:
の感度
図35Aは、電界の反射係数(field reflection coefficient)rfおよびrmでの無限大のミラーを含む標準ファブリペロー(FP)干渉計を概略的に示す。
2パワー半径が5.1ミクロンとして扱われた。ファイバFP干渉計内のレーザビームの回折は、ファイバの空間フィルタリングと組み合わされて、図36に示すように、共振における強い非対称性とコントラストの損失とをもたらす。特定的には、短波長側では(低減したコントラスト以外は)共振線形は変わらないが、長波長側ではかなり広がっている。この非対称性が、ファイバセンサにおいて非常に有用な用途を見出し得ることは明らかである。特にこれは、一方がより急峻な短波勾配に中心を有し他方がより急峻ではない長波長勾配にある2つの波長で、同じファイバFP干渉計をプローブするという独自の可能性を提供して、センサのダイナミックレンジを向上させる。
unity)ことができ、ファイバFP干渉計は、強くはないがやはり非対称的であって、高いコントラストおよび高い感度を提供する。Z0は一般的にLよりも大きいので(たとえば、53ミクロン対15.5ミクロン)、この条件はRmが1に近い(close to unity)場合に一般的には達成される。しかしながら、高コントラストおよび高感度は、大きいキャビティ長さを用いては一般的には達成できない。さらに、ミラー厚さがキャビティ長さに寄与するので、特定の実施例においては薄い外部ミラーを有利に用いる。特定の実施例におけるPCSの使用は、高感度のためにFP干渉計において用いられる高反射率だけではなく、ファイバFP干渉計においてコントラストを最大化するのに必要な高反射率をも有利に提供する。
し、図38Bは、PCSに基づくFP音響センサの一例を概略的に示す。FP音響センサに問合せるために、単一周波数可同調レーザダイオード(たとえば1520ナノメートルから1570ナノメートルの範囲で同調可能)を、FP音響センサの共鳴のうち1つの最も急峻な傾斜に同調させる。音声スピーカが発生する、10−50kHzの範囲の周波数fの音響音を、PCS上に出射する。FP音響センサが反射した変調後のパワーを、3dB結合器が分岐し、高速検出器が検出し、スペクトル分析器が分析し、スペクトル分析器は、fの検出されたパワーの大きさを与える。ファイバFP音響センサに入射する音圧も、較正したマイク(たとえばブリューエルケアー(Bruel & Kjaer)モデルNo.4191)で測定する。
きい、または、約200ミクロンより大きい。与えられた所与の圧力について、メンブレンの変位は、この直径または幅の4乗に比例して増大する。したがって、メンブレンの面積が少し増大しただけで、感度は大幅に改善するであろう(たとえば半径が2倍になると25dB)。これら2つの改良点のうち少なくとも1つについて、これらはいずれも簡単な製造ステップによって実現できるものであるが、他の特定の実施例の感度は、約1μPa/Hz1/2より良好であり、他の特定の実施例では、ショットノイズ限定検出において10nPa/Hz1/2より良好である。
ファイバFPセンサに関する熱機械雑音を算出できるようにするには、熱雑音の源の簡単な見直しが役立つ。熱雑音は、ダイヤフラムのランダムな運動に関連し、これは、以下に示す、入射圧力がない場合の横方向変位uについての運動方程式を有する。
and generalized noise)」、Phys. Rev. Vol. 83, 34-40(1951)参照)。これは、散逸のすべてのメカニズムについて、システムには常に揺動力があると述べている。この方程式は解き難いものになる可能性があるが、特定の実施例では単純化することができ、その場合、音圧波の波長はダイヤフラムの半径よりはるかに大きく、音圧波の周波数はセンサの共鳴振動数よりはるかに低い。このような条件下において、変位、共鳴およびインピーダンスを分析的に算出することが可能である。
図40は、熱雑音の分析のためのファイバファブリペロー音響センサの構成の一例を概略的に示す。図40の構成は、半径a、厚みhの円形のダイヤフラムを有し、rhはダイヤフラムを貫通する孔の半径であり、Λは孔のアレイのピッチである。ダイヤフラムの間隙はdであり、媒体の動的粘度はμである。これらの寸法の値の例は、a=62.5μm、h=0.45μm、rh=0.32μm、Λ=0.88μm、d=5μmであり、動作周波数はω=2π×30kHz、周囲温度はT=20℃=293Kである。以下の計算において、孔はダイヤフラム全体にあるものとする。
New York, Wiley(1982)参照)。この場合の放射抵抗の熱雑音に対する寄与は小さい。しかしながら、この寄与は、より低い熱雑音レベルのために全体的な減衰を減じるのが望ましい場合には重要であろう。
ダイヤフラムに孔が存在することにより、エッジからの損失と平行した粘性損失についてのさらなる経路が生まれる。N個の孔の効果を含めることにより、流体が間隙の外に出るためのさらにN個の並列する経路が生まれる。したがって、この場合の粘性抵抗は次のようになる。
センサの応答および雑音特性を計算するには、センサの動作を簡単に説明するモデルがあると有利である。このようなモデルを構成する1つの方法は、センサのさまざまな要素の音響インピーダンスを含むセンサの等価回路を描くことである。この回路の中において
、電気抵抗およびキャパシタンスの代わりに、散逸に対応する音響抵抗Rおよび位置エネルギの蓄積に相当するコンプライアンスCを用いる。同様に、電気抵抗の代わりに、運動エネルギの蓄積に対応する音響質量Mを用いる。
音響質量:ωMd=0.029、ωMrad=0.81、ωMhole=0.031
音響コンプライアンス:(1/ωCd)=6.5、(1/ωCcav)=190,000
特定の実施例では、Ccav項の高インピーダンスがシステムを支配するであろう。
等価回路モデルに基づき計算を行なうには、個々の音響インピーダンスを計算できると有利である。このモデルは、2つの散逸要素、粘性抵抗Rvscおよび放射抵抗Rradを含む。N個の孔の有効粘性抵抗は次のように表わすことができる。
2つの音響コンプライアンス、すなわちダイヤフラムコンプライアンスCdおよびキャビティコンプライアンスCcavが、このモデルにおいて考慮される。プレートについてのダイヤフラムコンプライアンスは、次のように表わすことができる。
このモデルにおいて3つの音響質量、すなわちダイヤフラム質量Md、放射質量Mradおよび孔質量Mholeが考慮される。
以下でより十分に説明されるが、このモデルを用いて計算を行い、空気中および水中におけるセンサの性能を予測できる。特定の実施例では、最適センサ性能が、(1)広範囲において1(unity)の応答に近いことおよび(2)周囲雑音レベルに近い雑音レベルによって得られる。
図43Aは空気媒体についてのセンサ応答を示し、図43Bは空気媒体についてのセンサの雑音を示す。図43Aに示されるように、センサ応答には傾斜があり、これは孔を通した大きな漏れのためである。DC圧力変動をフィルタ処理して除去するのが有利であるが、高周波数をフィルタ処理で除去することは望ましくない。特定の実施例は、孔の数を減じることによってより平坦な応答を得ることができる。
(0.3mm)3)。図45Aは、キャビティの体積を増大させるだけで(たとえば約(0.1mm)3より大きくする)、非常に平坦な1(unity)応答が得られることを示している。急速な収束も、孔の数を減じる効果より良好である(図44Aと比較)。図45Bは、雑音も大幅に改善していることを示し、このため、センサの雑音レベルは、空気媒体中の周囲の雑音レベルに非常に近い。センサの雑音レベルは、約25kHzと約100kHzの間の周波数について、約10μPa/Hz1/2未満である。したがって、特定の実施例では、キャビティの体積を有利に増してファイバFP音響センサの応答および雑音双方を改善する。特定のさまざまな実施例において、キャビティの体積は、(0.1mm)3より大きい、(0.3mm)3より大きい、(0.5mm)3より大きい、(1mm)3より大きい、または(2mm)3より大きい。特定のさまざまな実施例において、キャビティの体積は、(0.1mm)3と(3mm)3の間、(0.2mm)3と(3mm)3の間、または(0.3mm)3と(3mm)3の間の範囲である。
図46Aおよび図46Bはそれぞれ、水媒体についてのセンサのセンサ応答および雑音を示す。センサ応答は、周囲媒体が水の場合大幅に減少し、応答は3.5×10-5(−90dB)まで減少する。図46Bに示される雑音レベルは、非常に応答が低いことを考えるとかなり悪く、このため雑音のそれほど多くはピックアップされない。周波数が低い場合、15kHzのハイパスカットオフで、応答は、孔を通した漏れのためにゼロに低下する。より高い周波数ではPd<<Pinであり、これは小さなキャビティにおいて水が押し戻されるからである。このように、図40の構成に対応する特定の実施例は空気中で用いることができるが、このような構成は水中ではうまく機能しない。なぜなら、キャビティの中で捉えられる水の追加された剛性が、応答を約90dB低下させるからである。
の雑音レベルを示し、雑音レベルは、約10kHzを上回る周波数については周囲雑音レベルに近い。センサ雑音レベルは、約15kHzと約50kHzの間の周波数について約30μPa/Hz1/2よりも低い。したがって、特定の実施例では、より大きなキャビティ体積を、水中における音響センサに対して有利に用いる。
特定の実施例において、穿孔の、ダイヤフラムの剛性に対する効果を有利に調整できる。均一的なダイヤフラムについての上記運動方程式は以下のとおりであった。
本明細書において説明する特定の実施例は、ファイバの先端部または端部上に形成されたフォトニック結晶構造を提供する。特定の実施例では、このような構造をファイバFP音響センサのミラーの1つとして使用できるが、それ以外の実施例では、このような構造をたとえば血液中の生物学的因子を検出するための使い捨てインデックスセンサとして使用できる。特定の実施例は、フィルタ、ミラーまたはファイバのインターフェイスに自由空間を用いる応用例におけるファイバの端部の偏光子として使用できる。特定の実施例では、この構造を劈開または研磨された別のファイバに(たとえば融着接続によって)接合し、フォトニック結晶が2本のファイバの間に残るようにすることができる。このように、フォトニック結晶をインライン反射器、フィルタまたは偏光子として用いることができる。たとえばファイバブラッググレーティングに基づくフィルタに対し、特定の実施例が提供する1つの利点は、その非常に小さな厚み(たとえば<500ナノメートル)によるこのようなフィルタの温度安定性であろう。
ホットプラズマを用いてその中にパターンをエッチングすることにより、光ファイバのポリマーコーティングに損傷が生じるおそれがある。また、1本のファイバの非常に大きなアスペクト比のため、パターニングが難しい。これは、多くの微細加工機器においてはその中にこのような構造を入れるための空間に制限があるからである。
穴を含むさまざまな形状にすることができるが、これらに限定されるわけではない。これらの孔を正方格子、三角格子および六方格子を含む異なる種類の二次元格子に配置できるが、これらに限定されるわけではない。これらのパターンは不均一でもよく、たとえば孔の大きさがパターンの中央部分とパターンの外側部分とで異なっていてもよい。同様に、パターンが、孔の欠損または個々の孔の大きさがパターンの残りの部分と比較して異なるといった欠陥を含んでいてもよい。
電体層1020の少なくとも一部の上に形成することを含む。特定の実施例では、犠牲層1030を形成することは、100ナノメートルのクロム層1032を、第1の誘電体層1020の上に(たとえば電子ビーム蒸着によって)形成し、500ナノメートルの金の層1034を(たとえば電子ビーム蒸着によって)クロム層1032の上に形成することを含む。特定の実施例では、第1の誘電体層1020、クロム層1032および金の層1034は、同一の電子ビーム蒸着システム内において次々に形成される。図55Bに示されるように、クロム層1032の一部が、たとえばこの構造を室温のウエットクロムエッチャントの中に浸漬させることによって、除去される。図55Cに示されるように、金の層は、たとえばこの構造を室温のウエット金エッチャントの中に浸漬させることによって、除去される。
)。図55Aは、本明細書で説明する特定の実施例に従う、ホログラフィック波長板の3つの例を示す(U.レビー(U. Levy)他による「偏光制御のための空間可変不均質媒体の設計(Engineering space-variant inhomogeneous media for polarization control)」、Opt. Lett., Vol. 29, 1718(2004)より)。図55Bは、本明細書で説明する特定の実施例に従い、GaAsに形成されたサブ波長の波長板の一例の断面の2つの走査電子顕微鏡写真を示す(レビー他より)。
Claims (30)
- 音響センサであって、
少なくとも1つのフォトニック結晶構造と、
前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造に光学的に結合された端部を有する光ファイバと、
前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造および前記光ファイバに機械的に結合された構造部分とを含み、前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造、前記光ファイバおよび前記構造部分は、前記音響センサの周波数応答が音響周波数の範囲において約10dBまで全体的に平坦となるように、約(0.1mm) 3 より大きい体積を有する領域と実質的に境をなす、音響センサ。 - 前記体積は、約(0.3mm)3より大きい、約(0.5mm) 3 より大きい、約(1mm) 3 より大きい、約(2mm) 3 より大きい、約(0.1mm) 3 と約(3mm) 3 の間、約(0.2mm) 3 と約(3mm) 3 の間、または、約(0.3mm) 3 と約(3mm) 3 の間の範囲にある、請求項1に記載の音響センサ。
- 前記周波数応答は、約10kHzと約40kHzの間の音響周波数の範囲において約10dBまで全体的に平坦である、請求項1に記載の音響センサ。
- 前記周波数応答は、約1kHzと約70kHzの間の音響周波数の範囲において約10dBまで全体的に平坦である、請求項1に記載の音響センサ。
- 前記構造部分は、少なくとも1つの孔を含み、前記孔を通して前記体積の外側の媒体が前記体積の中に入ることができる、請求項1に記載の音響センサ。
- 前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造は、実質的に平面の構成を有する少なくとも1つのフォトニック結晶スラブを含む、請求項1に記載の音響センサ。
- 前記少なくとも1つのフォトニック結晶スラブは、前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造に入射する圧力波に対し、前記光ファイバの端部に対して動くことによって応答するように構成される、請求項6に記載の音響センサ。
- 前記少なくとも1つのフォトニック結晶スラブの直径は、前記音響センサの感度を向上させるように選択される、請求項6に記載の音響センサ。
- 前記少なくとも1つのフォトニック結晶スラブは、第1の材料と、前記スラブ内の領域のアレイとを含み、各領域は、第1の材料の屈折率とは異なる屈折率を有する第2の材料を含む、請求項6に記載の音響センサ。
- 前記領域のアレイは、前記スラブの厚みの少なくとも一部を通して延在するとともに前記第2の材料を含む複数の孔を含み、前記複数の孔は、前記スラブ内において実質的に周期的な分布を有する、請求項9に記載の音響センサ。
- 前記第1の材料は固体誘電体材料を含み、前記第2の材料は空気を含む、請求項10に記載の音響センサ。
- 前記第1の材料は固体誘電体材料を含み、前記第2の材料は水を含む、請求項10に記載の音響センサ。
- 前記孔は実質的に前記スラブ全体に分布する、請求項10に記載の音響センサ。
- 前記孔は前記スラブの中央部分内に分布する、請求項10に記載の音響センサ。
- 前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造は、1対のフォトニック結晶スラブを含み、前記対は、前記音響センサ内に固定装着された第1のフォトニック結晶スラブと、前記音響センサ内に可動装着された第2のフォトニック結晶スラブとを含み、前記第2のフォトニック結晶スラブは、前記第1のフォトニック結晶スラブに対して実質的に平行であるとともに前記第1のフォトニック結晶スラブに光学的に結合され、前記第2のフォトニック結晶スラブは、前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造に入射する圧力波に応答して前記第1のフォトニック結晶スラブに対して動く、請求項1に記載の音響センサ。
- 少なくとも1つのフォトニック結晶スラブと前記光ファイバとの間に反射層をさらに含み、前記反射層は前記光ファイバから放出される光を少なくとも部分的に透過させる、請求項1に記載の音響センサ。
- 前記反射層は、前記光ファイバの端部に金属コーティングを含む、請求項16に記載の音響センサ。
- 前記反射層は、前記光ファイバの端部に誘電体コーティングを含む、請求項16に記載の音響センサ。
- 音響センサの製造方法であって、
少なくとも1つのフォトニック結晶構造を与えるステップと、
光ファイバの端部を前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造に光学的に結合するステップと、
構造部分を与えるとともに、前記構造部分を前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造および前記光ファイバに機械的に結合するステップとを含み、前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造、前記光ファイバおよび前記構造部分は、前記音響センサの周波数応答が音響周波数の範囲内で約10dBまで全体的に平坦となるように、約(0.1mm) 3 より大きい体積を有する領域と実質的に境をなす、音響センサの製造方法。 - 音響センサであって、
少なくとも1つのフォトニック結晶構造と、
前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造に光学的に結合された端部を有する光ファイバと、
前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造および前記光ファイバに機械的に結合された構造部分とを含み、前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造、前記光ファイバおよび前記構造部分は、前記音響センサの感度が、20kHz未満の音響周波数の範囲において約100μPa/Hz1/2より良好となるように、約(0.1mm) 3 より大きい体積を有する領域と実質的に境をなす、音響センサ。 - 前記感度は、約100kHz未満の音響周波数の範囲において約65μPa/Hz1/2より良好である、請求項20に記載の音響センサ。
- 前記感度は、約15kHzと約50kHzの間の音響周波数の範囲において約30μPa/Hz1/2より良好である、請求項20に記載の音響センサ。
- 前記感度は、約25kHzと約100kHzの間の音響周波数について約10μPa/Hz1/2より良好である、請求項20に記載の音響センサ。
- 音響センサの製造方法であって、
少なくとも1つのフォトニック結晶構造を与えるステップと、
光ファイバの端部を前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造に光学的に結合するステップと、
構造部分を与えるとともに、前記構造部分を前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造および前記光ファイバに機械的に結合するステップとを含み、前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造、前記光ファイバおよび前記構造部分は、前記音響センサの感度が20kHz未満の音響周波数の範囲において約100μPa/Hz1/2より良好となるように、約(0.1mm) 3 より大きい体積を有する領域と実質的に境をなす、音響センサの製造方法。 - 前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造と前記光ファイバの端部との間の距離は、前記音響センサの温度安定性を向上させるように選択される、請求項19または24に記載の音響センサの製造方法。
- 前記体積は(0.1mm)3と(3mm)3の間の範囲にある、請求項1に記載の音響センサ。
- 前記体積は(0.1mm)3と(3mm)3の間の範囲にある、請求項19に記載の方法。
- 前記体積は(0.1mm)3と(3mm)3の間の範囲にある、請求項20に記載の音響センサ。
- 前記体積は(0.1mm)3と(3mm)3の間の範囲にある、請求項24に記載の方法。
- 前記距離は約15ミクロン未満である、請求項25に記載の方法。
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