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図面 (20)

課題・解決手段

電磁共振センサー(800)は、電磁波エネルギ伝播される誘電体センサー本体(802)を備える。センサー本体(802)は、測定されるパラメータ関数として変化するギャップ(810)を規定するように、互いに対向する面を有するキャビティを備える。本体(802)および可変ギャップ(810)における電磁定常波(814)の共振周波数は、ギャップ寸法の関数として変化する。本発明のセンサーは、圧力、温度、流量、歪み、および材料組成などのパラメータの測定に使用される。

概要

背景

概要

電磁共振センサー(800)は、電磁波エネルギ伝播される誘電体センサー本体(802)を備える。センサー本体(802)は、測定されるパラメータ関数として変化するギャップ(810)を規定するように、互いに対向する面を有するキャビティを備える。本体(802)および可変ギャップ(810)における電磁定常波(814)の共振周波数は、ギャップ寸法の関数として変化する。本発明のセンサーは、圧力、温度、流量、歪み、および材料組成などのパラメータの測定に使用される。

目的

本発明は、測定されるパラメータの関数として寸法が変化するキャビティギャップを備えた本体を有する電磁共振センサーを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

電磁エネルギソースとともに使用するために、測定可能パラメータを測定するセンサーであって、少なくとも電磁エネルギの一部を受け取るように配置された電磁共振器を備え、該電磁共振器は、感知表面を備える誘電体本体を有し、該感知表面は、該感知表面での該測定可能なパラメータの変化に応答し、該電磁共振器は、該感知表面に応答して変化する可変ギャップを形成するキャビティを規定し、共振周波数が該誘電体本体における電磁定常波に関連するように配置され、該可変ギャップは、該測定可能なパラメータの変化に応答して変化する、センサー。

請求項2

前記共振器は、誘電体共振器を備える、請求項1に記載のセンサー。

請求項3

前記共振器は、共振アンテナを備える、請求項1に記載のセンサー。

請求項4

前記共振器は、共振伝送線を備える、請求項1に記載のセンサー。

請求項5

前記測定可能なパラメータは、圧力、温度、流量、材料組成、力、および歪みからなる群から選択される、請求項1に記載のセンサー。

請求項6

エネルギ繰り返し率を測定するための測定器をさらに備える、請求項1に記載のセンサー。

請求項7

前記共振器は、前記ソースの外部にある、請求項1に記載のセンサー。

請求項8

前記共振器は、前記ソースの内部にあり、モードロックソースのキャビティを形成する、請求項1に記載のセンサー。

請求項9

電磁エネルギソースとともに使用するために、測定可能なパラメータの測定に使用するセンサーであって、感知表面での該測定可能なパラメータの変化に応答する可変キャビティギャップを備えた誘電体本体を有する共振器を備え、該共振器は、該誘電体本体における定常電磁波の共振周波数を規定し、該感知表面での該測定可能なパラメータに依存する該可変キャビティギャップを規定し、該共振器は、該センサーからの信号が該共振周波数の関数となるように配置される、センサー。

請求項10

前記共振器は、前記ソースの内部にあり、該ソースのキャビティを形成する、請求項9に記載のセンサー装置

請求項11

前記共振器は、前記ソースの外部にある共振器を形成する、請求項9に記載のセンサー装置。

請求項12

前記共振器は、誘電体共振器を備える、請求項9に記載のセンサー。

請求項13

前記共振器は、共振アンテナを備える、請求項9に記載のセンサー。

請求項14

前記共振器は、共振伝送線を備える、請求項9に記載のセンサー。

請求項15

前記測定可能なパラメータは、圧力、温度、流量、材料組成、力、および歪みからなる群から選択される、請求項9に記載のセンサー。

請求項16

前記信号の周波数を測定するための測定器をさらに備える、請求項9に記載のセンサー装置。

請求項17

測定可能なパラメータに基づいて、電磁エネルギを発生するソースの出力を変調する装置であって、該エネルギを受け取るために結合されるカプラと、該測定可能なパラメータの変化に応じて変化する実効誘電率を発生するように構成された可変誘電体本体を有する高Q共振器とを備え、該高Q共振器は、該エネルギを受け取るために該カプラに結合され、該誘電体本体内に電磁定常波、および該測定可能なパラメータの関数である共振周波数での可変キャビティギャップを発生させる、装置。

請求項18

前記測定可能なパラメータは、圧力、温度、流量、材料組成、力、および歪みからなる群から選択される、請求項35に記載のセンサー。

請求項19

前記ソースは、第1のQの値Q1によって特徴づけられる共振器を有し、該高Q共振器は、実質的にQ1よりも高い、第2の値Q2によって特徴づけられる、請求項17に記載の装置。

請求項20

前記Q2が少なくとも100である、請求項19に記載の装置。

請求項21

可変周波数共振器であって、誘電体本体および可変ギャップを規定するキャビティを有する電磁共振器を備え、該共振器は、測定可能なパラメータの変化に応じて、蓄積された電場と電磁定常波の磁場エネルギの比率を変更するように配置された該可変ギャップに依存する、共振周波数で出力を発生する、可変周波数共振器。

請求項22

測定可能なパラメータを感知する方法であって、共振周波数によって特徴づけられる共振器を提供するステップであって、該共振周波数は、該共振器の誘電体本体の内部キャビティにおける可変ギャップの関数であり、該可変ギャップは、該測定可能なパラメータに応答する、ステップと、該共振器に電磁エネルギを供給して、該誘電体本体および該可変ギャップに電磁定常波を発生させるステップと、該電磁定常波の共振周波数を感知して、該測定可能なパラメータを測定するステップとを包含する、方法。

請求項23

測定可能なパラメータを感知する方法であって、繰り返し率によって特徴づけられるパルス電磁信号を提供するステップと、該測定可能なパラメータの変化に応じて変化する可変ギャップを備えた誘電体本体を有する共振器を提供するステップと、該誘電体本体および該可変ギャップにパルス電磁波パターンを発生させるために、該共振器に該パルス電磁信号を供給するステップと、該可変ギャップの変化に応じて該パルス電磁信号の繰り返し率における変動を感知するステップとを包含する、方法。

請求項24

電磁ソースとともに使用するために、測定可能なパラメータの変化に応じて変化する可変ギャップを備えた誘電体本体を有する共振器であって、該共振器は、電磁エネルギの特性が該可変ギャップの変化に応じて変化するように、該誘電体本体および該可変ギャップにおいて電磁定常波を発生させるために該ソースから該電磁エネルギを受け取る、共振器。

請求項25

前記電磁エネルギは持続波であり、前記特性は周波数である、請求項24に記載の共振器。

請求項26

前記電磁エネルギはパルスエネルギであり、前記特性は繰り返し率である、請求項24に記載の共振器。

請求項27

電磁共振センサーであって、センサー本体と、測定可能なパラメータの関数として変化する該センサー本体の内部表面間に可変ギャップを有する該センサー本体内のキャビティとを備え、該キャビティは、電磁定常波が該本体および該可変ギャップ内に形成されるように、該センサー本体内に配置され、該センサーの共振周波数は、該測定可能なパラメータの関数である、電磁共振センサー。

請求項28

前記センサー本体は、誘電体材料である、請求項27に記載の電磁共振センサー。

請求項29

前記内部表面のうちの1つに導体をさらに備える、請求項28に記載の電磁共振センサー。

請求項30

前記導体は、前記センサーがリング共振器として共振するように構成される、請求項29に記載の電磁共振センサー。

請求項31

前記導体は、前記センサーが伝送線として共振させるように構成される、請求項29に記載の電磁共振センサー。

請求項32

前記導体は、前記センサーがスロットアンテナとして共振させるように構成される、請求項29に記載の電磁共振センサー。

請求項33

前記導体は、前記センサーが双極子アンテナとして共振させるように構成される、請求項29に記載の電磁共振センサー。

請求項34

前記導体は、前記センサーがポートアンテナとして共振させるように構成される、請求項29に記載の電磁共振センサー。

請求項35

前記センサー本体およびキャビティは、サブ光学周波数で共振する様に構成される、請求項28に記載の電磁共振センサー。

請求項36

測定されるパラメータの関数である共振周波数を有する電磁定常波に基づいて、電磁エネルギを受け取り、出力を発生するための電磁共振センサーであって、該センサーは、該パラメータの関数として寸法が変化する可変ギャップを備えた誘電体本体によって特徴付けられ、該誘電体本体および該可変ギャップは、該電磁定常波が該誘電体本体および該可変ギャップ内に広がり、ギャップの寸法の変化によって該共振周波数の変化を生じさせる、電磁共振センサー。

技術分野

0001

本発明は、概して、センサーに関する。より詳しくは、本発明は、工業プロセスまたはフローシステムにおいて一般的に測定される、圧力、温度、流量、歪み、および材料組成などのパラメータの測定に使用される、電磁共振センサーに関する。

課題を解決するための手段

0002

本発明は、測定されるパラメータの関数として寸法が変化するキャビティギャップを備えた本体を有する電磁共振センサーを提供する。センサー本体およびキャビティギャップ内に電磁定常波を発生させるために、電磁エネルギがセンサーに供給される。電磁定常波の共振周波数は、キャビティギャップの関数である。センサーの出力は、出力が測定されるパラメータの関数として変化するように、共振周波数に基づいて発生される。

発明を実施するための最良の形態

0003

図1〜18は、概ね遠赤外線から紫外線までの波長光学範囲における電磁放射によって動作する、本発明の高Q共振センサーの実施形態を示す。図19〜38Bは、スペクトラムマイクロ波部分(すなわち、遠赤外線の波長まで)における電磁放射によって動作する、本発明の高Q共振センサーの実施形態を示す。

0004

概して、図1〜18は、測定可能なパラメータによって変調される繰り返し率または周波数レーザー信号を発生する、パルス出力モードで動作することが好ましい、レーザーを含む。モードロックレーザーを用いることによって、従来の高速電子機器を被変調信号の測定に使用することができ、レーザー信号の繰り返し率または周波数を高解像度で測定することができる。レーザー信号の周波数を測定することによって、測定可能なパラメータの値を導出することができる。

0005

いくつかの実施形態において、高Q光学共振器は、測定可能なパラメータに依存する周波数を有するレーザー信号を発生する。高Q共振器は、レーザーの内部または外部とすることができる。装置は、最先端の技術を通じて消費電力が低くなり、また精度が向上している。装置は、測定可能なパラメータの変化の測定、または絶対測定を行うために使用することが可能である。更なるアプリケーションおよび更なる実施形態があることは、当業者に明らかである。例えば、述べられる装置は、同調型光フィルタ、同調型レーザーソース、および他の全て光学アプリケーションとして使用するように構成することが可能である。

0006

図1および2は、例示的な実施形態を示す。図1は、概して、カプラ104を介して外部高Q共振器102に結合されるレーザー100を示す。レーザー100は、ファイバドープレーザー、ルビーレーザー、またはダイオードレーザーであってよい。他のレーザーソースも考えられる。レーザー100は、レーザーソースによって注入される光パラメトリック増幅器またはファイバ増幅器段のような増幅段であってよい。レーザー100はまた、発光ダイオードLED)に置き換えることが可能である。一例として、電源103から電力を受け取っているレーザー100を示すが、当業者は、光学的または電気的な電源の形態であってよいと理解されよう。レーザーエネルギは、遠赤外線およびマイクロ波の領域内であってもよいが、可視または赤外線領域の波長であることが好ましい。マイクロ波エネルギを使用した実施形態は、図19図38Bを参照して以下に詳述する。

0007

好適な実施形態において、カプラ104は、光ファイバまたは光導波路であり、低損失エバネセント結合を介して結合される。結合は、半透明ミラー導波管タップ、または光信号を結合するための他の公知の手段によって達成することが可能である。

0008

レーザーソース100は、カプラ104を介して高Q共振器102にレーザーエネルギを供給する。レーザーソース100から共振器102に結合されるレーザーエネルギは、レーザーソース100内のレーザーキャビティ共振に対応する波長にある。しかし、当該のレーザーキャビティは、低Qであり、比較的大きな帯域幅の出力を発生する。外部共振器102のQは、レーザーソース100内のレーザーキャビティのQよりも実質的に高いことが好ましい。例えば、好適な実施形態において、共振器102のQは、少なくとも100である。代表的な共振器は、3〜100のQ値しか持たず、共振キャビティを形成するミラーおよび所望の電力出力によって制限される。

0009

発振器と共振器との間に十分な結合があり、2つの領域の周波数の範囲が重なっている場合に、低Q発振器システムが高Q共振器の周波数にロックすることは、一般に公知である。レーザーソース100の低Qレーザーキャビティは、高Q共振器102の共振周波数にロックする。すなわち、高Q共振器102と低Qレーザーソース100との間のエネルギ交換は、共振器102によって定められる周波数および帯域幅にシステム全体のレーザー信号をロックする。その結果、システムは、狭帯域幅のレーザー信号を発生し、共振器102の共振周波数に集中することになる。

0010

レーザーソース100は、持続波(CW)ソースまたは、好ましくは、パルスモードロックレーザーソースであってよい。レーザーソース100がCWソースである場合、システムからのレーザー信号は、共振器102の共振周波数にロックし、共振器102の高Qによって誘導される狭められた帯域幅を有する。ここで、レーザー信号の周波数の測定には分光計を使用する。レーザーソース100がパルスモードロックレーザーソースである場合、共振器102は、パルストレインの繰り返し率を判断する。ここで、従来の電子検出器を、サブ100GHzの繰り返し率の測定に使用することができる。

0011

光学共振器は、複数の共振周波数を有する。しかし、単一の共振周波数だけがレーザーソースによって供給されるレーザーエネルギの帯域幅内にあることが望ましい。すなわち、レーザー信号は、単一の一致する共振周波数で存在する。この条件は、いくつかの最先端の技術のレーザーシステムにおいて生じるモードホッピングを低減する。単一の共振周波数を可能にする帯域幅を達成するために、分布帰還型DFB)レーザーをレーザーソース100として使用することが可能である。共振器102の物理的パラメータは、同様に、単一の共振を達成するために変更することができる。

0012

共振器102は、光学的に透明な材料で形成される。その材料は、レーザー発振材料でも、非レーザー発振材料でもあってよい。好適な材料には、サファイア石英、ドープした石英、ポリシリコン、およびシリコンが挙げられる。これらの材料は、低い光学的損失を示す。これらの材料はまた、測定可能なパラメータの変化に正確かつ堅実に応答し、圧力下または力の下で恒久的に変形しないが、その代わりに、測定可能なパラメータが定常状態値に戻った後に、それらのもとの形状に戻る、という良好な機械的性質を呈する。全反射の下での伝播を可能にする材料を使用することが好ましい。
全反射および低い光学的損失によって、非常に高いQの共振器が可能になる。

0013

共振器102は、共振器102の近くの測定可能なパラメータに依存する共振周波数を有することを特徴する。本願明細書における「測定可能なパラメータ」とは、外力または圧力に関連するパラメータを意味する。圧力(絶対圧力および差圧)、温度、流量、材料組成、力、および歪みは、そのパラメータの例である。レーザーソース100および高Q共振器102は、集合的に光学センサー105を形成し、測定可能なパラメータに依存して、レーザー信号または検出信号を発生する。

0014

レーザー信号は、一般にカプラ108Aおよび108B、ならびにアイソレータ109で示される構造を介して、測定器106に供給される。レーザーソース100がパルスモードロックレーザーである場合、測定器106は従来の高速エレクトロニクス検出器とすることができる。レーザーソース100が持続波ソースである場合、測定器106は、分光計または信号波長の測定に好適な装置であることが好ましい。

0015

アイソレータ109は、測定器106の後方反射信号が共振器102に入らないようにする。レーザー信号は測定可能なパラメータに依存するので、測定器106は、レーザー信号の周波数または繰り返し率を測定し、その測定に対応する測定可能なパラメータを計算することによって、測定可能なパラメータの値をさらに導出することが可能である。この導出は、公知の方法で実行される。共振器102と測定器106と間の結合は、ファイバ結合、ミラー結合、タップ、エバネセント結合、または他の好適な結合タイプを介して達成することが可能である。

0016

共振器102は高Q値を有するので、レーザーソース100と共振器102との間で結合されるエネルギが非常に低くなり、共振器102の共振周波数への適切なロックが生じる。高Q外部共振器102を使用する別の利点には、システムの信号/ノイズ(S/N)比が向上することが挙げられる。概して、周波数変調レーザーシステムのS/N比および周波数被変調レーザーの解像度は、レーザー発振機構の周波数ジッターによって制限される。このジッターは、多数のソースがある。モードホッピング、電源ノイズ熱ノイズ、量子ゆらぎ、およびレーザー発振媒体ゲインノイズは、その一部である。振幅ノイズの変動は、得られる周波数ノイズが生成されたときにそのノイズがフィルタ処理されないように、レーザー発振周波数自体を変調する。

0017

例として、S/N比は、上記で規定されるように、以下の比例式、S/N=GF−frfnに基づき、GFと比例している。fnの値は、frに内在するノイズ周波数ディザ(dither)である。高GFは高S/N比という結果になる。共振器102のように、レーザー出力を外部高Q共振器に結合することは、レーザー出力周波数が共振器によって決定され、それゆえ、fnはローであり、S/N比特性は、外部共振器における特性によって第1に決定されることを意味する。本明細書において示される共振器はまた、高GF、従って高S/N比によって特徴付けられる。

0018

図1の外部共振器構造は、レーザー動作には不利な環境において、測定をするために有用である。なぜならば、感知メカニズム(すなわち共振器102)はレーザーソース100からは離れている。また、本実施形態において、外部共振器102は、レーザーソース100によって生成された高温に対して影響を受けにくい。

0019

図2は、光学センサー130の代替的な実施形態のブロック図であり、レーザー132は内部高Q共振器で形成される。ここで、高Q共振器はレーザー132の形態をとり、それゆえ、レーザーゲインキャビティとして機能する。高Q共振器は、適切な供給エネルギによってポンプされた後にレーザー光を発する材料で形成される。例示のみを目的として、レーザーソース132は、電源133から電力を受け取ることが示され、当業者によって理解されるように、光学的または電気的な電源の形態であってよい。半導体材料、ドープしたサファイア、ドープした石英、および他の材料もまた、内部共振器を形成するために用いられてもよい。ドープした石英は特に有利である。なぜならば、石英が希土類元素であるエルビウムでドープされた場合、その石英は、1550nmのレーザー光、すなわち、現在の光ファイバ通信の好適な低損失波長を発するようになり得るからである。レーザー信号はレーザー132によって生成され、上述と同様に、カプラ134Aおよびカプラ134Bならびにアイソレータ136を介した測定装置106に提供される。

0020

好適な実施形態に提供されるのは、レーザー信号と同様のパルストレインを生成する周波数変調されたレーザーソースである。パルスの繰り返し率は、共振器上において動作する測定可能なパラメータの関数として変化し、それゆえ、全体の構造は、高解像度および高精密光学センサーを形成する。例えば、100GHzにおいて1GHzの変化(測定可能なパラメータにおける変化によって誘導された)を単にカウントすることは、1秒の測定において1ppbの解像度を示す。最先端のレーザーでは、約200,000GHzの基本周波数において2〜3KHzのノイズ帯域幅を有し、30ビット以上の解像度が、そのような光学センサーによって達成可能であることを示している。

0021

当該技術分野において、受動モードロックまたは能動モードロックのいずれかを用いるなどのモードロックレーザーを設定するために知られている様々な方法が存在する。アルゴン持続波レーザーソースまたはNd:Yagレーザー持続波ソースを用いてポンプされるTi:サファイアモードロックレーザーが示されている。その他は、半導体レーザーおよびマイクロメカニクス調整を用いた受動モードロックを示している。任意のモードロックレーザーは、図1のレーザーソース100として適切であり得、様々なモードロックレーザー設定が図2の実施形態において用いられ得る。したがって、パルスモードロック動作は、外部および内部共振器の実施形態両方において熟慮されている。

0022

例示的なモードロックレーザーは図3Aに示され、共振器142上において動作する測定可能なパラメータに関連する動作周波数において、モードロックレーザー信号144を生成する外部高Q共振器142に結合されるレーザー140を示す。レーザー140はモードロックメカニズムを含み、モードロックメカニズムは、当該分野において知られているように、様々な形態をとり得る。例えば、飽和可能増幅器はレーザーキャビティに導入され得、その結果、短いパルスのみが減衰することなく通過することが可能である。レーザー信号144は、高Q共振器142の感知表面(例えば、外表面)上にて動作する測定可能なパラメータに依存する繰り返し率を有するパルスレーザー信号である。特に、高Q共振器142にロックされたレーザー140のパルスレーザー信号144は、F=Fin(1−h/nL)によって決定される繰り返し率を有し、ここでhは外部共振器の往復の長さであり、Lはモードロックレーザーの往復の長さであり、nは、有効屈折率であり、Finはモードロックレーザーの往復周波数である(「Passively Mode−Locked Micromechanically−Tunable Semiconductor Lasers」 Katagirieら、IEICE.Trans.Electron.,Vol. E81−C. No.2 1998年2月、を参照)。測定装置146は、この繰り返し率を測定し、測定可能なパラメータに対する値を導き出すためにその測定を用いる。レーザー140は、電源148によってポンプされることが例示的に示され、モードロックレーザーに対する既知ポンプエネルギのソースの任意を示す。

0023

図3Bを参照すると、モードロックレーザー150は、代替的に、レーザーキャビティの内部における高Q共振器を組み込み(図2と同様に)、モードロックレーザー信号152を生成する。この内部の共振器構造を用いて、レーザー信号152の繰り返し率は、単に、共振器の往復時間である。上述にように、レーザー150のモードロックメカニズムは、飽和可能増幅器セクションループに導入するか、または能動モードロックを用いることなど、当該技術分野において周知の様々な技術を介して達成され得る。測定装置146は、レーザー信号152の繰り返し率を測定し、レーザー/共振器の感知表面上において動作する測定可能なパラメータに対する値を導き出す。図示されないが、図3Aおよび図3Bの実施形態は、所望されるアイソレータおよび他の光学部品(様々な光学カプラなど)を用いてインプリメントされ得る。

0024

測定可能なパラメータに依存する共振周波数によって特徴付けられる一部の例示的な共振器構造がここで検討される。

0025

図4および図5は、共振器102または共振器132を形成するために用いられ得る光ファイバ160の断面を示す。光ファイバ160は、光ファイバにおいて用いられる標準の材料の任意で形成され得、および、好適には、単一のモードファイバの形態をとり得る。光ファイバ160は、クラッド領域162および高屈折率コア領域164によって特徴付けられる。この構成は、第1に、コア164への伝搬を制限し、コア164内の信号伝搬は、全内部反射のもとで伝搬する。

0026

光ファイバ160は可変ギャップを規定するキャビティ166を含み、その可変ギャップは、気体が排出され得るか、または他の適切な材料を含み得る。キャビティ166は、そのキャビティを含むブランク(blank)または予備成形物エッチングするか、あるいは、ドローイングダウン(drawing down)させるような既知の処理方法を介して、光ファイバ160において形成される。図4において、キャビティ166は、完全にコア164内部に配置される。キャビティ166はまた、図9の実施形態に示されるように、部分的にコア164内部にあり得るか、または完全にコア164の外部にあり得る。好適な実施形態において、キャビティ166は、コア164のキャビティに対する断面と同様の形にされる。また、好適な実施形態において、キャビティ166は、コア164と対称であり得る。キャビティ166およびコア164の両方が直線の断面を用いて示される一方で、他の断面の外形が用いられ得ることが理解される。例えば、感知された変化または測定可能なパラメータに応じてサイズを変更する多数の近接した円形の穴などの、キャビティの他の形状もまた用いられ得る。キャビティ166は、ファイバ160の少なくとも一部に沿って、コア164の縦方向に延びる。

0027

キャビティ166のギャップは、ファイバ160の外部の圧力または力における変化など、測定可能なパラメータにおける変化に応じて変化する。動作中、ファイバ160の外部上の圧力の増加は、ファイバ160の外壁または感知表面167に力を加え、その結果、半径方向力が、クラッド領域162を介し、およびキャビティ166上に加えられる。キャビティ166の外形のために、半径方向力の一部はキャビティの形状を変更しない。主に矢印168(図5を参照)によって表される他の力は、キャビティ166を加圧するように動作する。それゆえ、ファイバ160の感知表面167における圧力の増加は、結果として、圧縮、すなわちキャビティ166の内側への変位となる。図示されないが、圧力の減少がキャビティ166の拡張となることは理解される。

0028

他の測定可能なパラメータにおける変化もまた、キャビティ166を変化させる。例えば、ファイバ160は、処理フローシステム内に配置され得、その結果、流量、温度、または材料組成における変化は、キャビティ166の外形を変更する。任意の測定可能なパラメータの変化は、結果として、キャビティ166の可変ギャップにおける変化となる。それゆえ、キャビティ166は、伝搬するコア164内の変更可能な摂動を提供し、その摂動は測定可能なパラメータに応じて変化する。

0029

キャビティ166は、測定可能なパラメータにおける比較的小さな変化に応じて、加圧または減圧され得る断面形状を有することが好ましい。また、キャビティの変位は比較的小さくあるべきであり、つまり、コア164内の伝搬特性が検出可能な量であって、コア164内において伝搬する波のモード側面に不利に影響しない量にて変化するように、ミクロンおよびサブミクロンの範囲であることが好ましい。図4および図5の例において、細長長方形の側面がキャビティ166に用いられる。キャビティ166は第2の側面172よりも長い第1の側面170を有する。キャビティ166はファイバ160内において伝搬する波長程度の寸法を有する。定常状態のキャビティの側面(例えば、周囲圧力において)は、所望の感度および測定されるパラメータに依存して変化され得る。

0030

キャビティ166の形状への変化は、コア164内における伝搬特性を変更する。特に、コア164内を移動する波は、コア164内における特定の屈折率を経験する。ファイバのコアは、通常は、材料に依存する屈折率によって特徴付けられる。コア164内を伝搬する波は、その波が伝搬する様々な材料に依存する、実効屈折率を経験する。伝搬する波は、電界を有する。この電界は、コア164およびキャビティ166を主として通過するが、するが、また、実質的にクラッディング162まで延びる。電界に保存されたエネルギは、したがって、3つの領域における屈折率および外形に依存し、電界において保存されたエネルギは、ファイバ160の長さに沿った電磁波の伝搬の速度を決定する。したがって、伝搬波は、3つの領域の屈折率の外形重み付け平均である実効屈折率を有する同一の材料を介して移動するように振舞う。伝搬する波によって経験された実効屈折率は、外形の変化、すなわち、キャビティ166の圧縮または膨張とともに変化する。ここで記載されるのは、コアにおいて伝搬する波の実効屈折率に対する変化が光学センサーにおいて用いられ得る一部の例示的な応用である。

0031

図6は、光学センサー176における図4および図5のファイバ160を示す。その構造はまた、レーザー信号周波数を変調する装置を考慮し得る。図示された構成は、図1のレーザーシステムの構成と類似している。光学センサー176は、アイソレータ182ならびにカプラ180aおよび180bを介してファイバ160へ出力を供給する光源178を有する。好適には、半導体レーザーまたはLED源が光源178として用いられる。その光源178は、持続波レーザーまたはパルスモードロックレーザーであり得るが、後者の場合において、ファイバ160を形成する光学媒体は、レーザー発振媒体ではない。ファイバ160は、レーザー発振材料を形成するためにドープされ、ソース178からの出力は、ファイバ160におけるレーザー発振動作を可能にするのに十分な波長のポンプエネルギである。

0032

ファイバ160は、測定可能なパラメータに対する変化が測定される中央部分184を有する。ファイバ160の第1の端部は、ブラッグリフレクタ188の形をとる第1のリフレクタを有し、第2の端部は、ブラッグリフレクタ188の形をとる第2のリフレクタを有する。中央部分184は、ブラッグリフレクタ188および190間に延び、感知表面167とかち合う。ブラッグリフレクタ188および190は、光ファイバ160内における共振器192を規定する。図示された環境において、共振器192は、光ファイバの長さに沿って延び、中央部分184とかち合い、ブラッグリフレクタ188、190に僅かに延びている。好適な実施形態において、キャビティ166(図示されず)はブラッグリフレクタ188、190に延びてはいない。しかしながら、キャビティ166は、所望される場合、ブラッグリフレクタ188、190に延びていてもよい。ブラッグリフレクタ188、190として示されているが、第1および第2のリフレクタは、代替的には、ミラーあるいは、ファイバ160上またはその外部に形成された他の高反射構造物であり得る。

0033

動作中、光源178によって生成されたポンプエネルギは、部分的にブラッグリフレクタ188を介して、共振器192に供給される。レーザー信号は、カプラ194Aおよびカプラ194Bに沿って、アイソレータ186を介して、ブラッグリフレクタ190から発する。レーザー信号は、共振器192の共振周波数に対応する波長を有する。カプラ194B上の信号の周波数は、測定装置196によって測定される。

0034

感知表面167における、特に中央部分184上の測定可能なパラメータへの変化の後、キャビティ166は変化し、それによって、コア164内において伝搬する信号によって経験される実効屈折率を変化させる。実効屈折率は、共振器192における光波の伝搬速度を決定する。次に、これは、共振器192の共振周波数、したがって、CW動作におけるカプラ194A上のレーザー信号の周波数を決定する。モードロック動作において、繰り返し率は変更される。測定可能なパラメータに対する変化は、レーザー信号の周波数における変化の形にて、検出器196によって検出される。

0035

センサー176のCW動作において、測定装置196は、レーザー信号周波数が基準レーザーの周波数と比較される検出器であり、そのレーザー信号の周波数の非常に細かい変化の測定を可能にする。パルスモード動作において、測定装置196は、レーザー信号パルストレインの繰り返し率における変化を測定する電子検出器である。いずれの場合においても、ミクロンまたはそれ以下のキャビティ変位は、結果として、検出器196によって測定され得る周波数変化となる。図示されないが、CPUまたは他のプロセッサは、検出されたレーザー信号周波数に基づいた測定可能なパラメータに対する値を計算するために用いられる。測定可能なパラメータにおける変化は、絶対測定においてもまた、検出可能である。初期基準化は、測定可能なパラメータの精密な測定のために、検出器196および/またはプロセッサを較正するために用いられ得る。例えば、基準化は、異なる測定可能なパラメータが感知される前に実行され得る。複数のセンサーが、フローシステム内における2つの離れた位置間にあるAPを測定するなど、様々な他の測定を変更するために、プロセッサを用いて使用され得ることはさらに理解される。0.01〜0.1の通常の尺度因数、および160のQ、または0.01%〜0.01%でのさらなる測定を用いて、解像度は、センサー176を用いてなされ得る。

0036

代替的な共振器は考慮される。代替的な共振器の例は図7に示される。ここで、導波管200は、循環器またはリング共振器として知られている循環共振器を形成し、以下ではそのように呼ぶ。リング共振器200は、好適な実施形態において、商業的に利用可能であるヒュージング技術を用いて、光ファイバの接合端部によって形成され得る。断面において見た場合、リング共振器200は、クラッディング、コア領域、および光ファイバ160のキャビティを有する。リング共振器200は、高Qおよび高尺度因数によって特徴付けられ、光学センサー202の一部を形成する。キャビティがリング共振器200の全長にまで延びる場合、リング共振器200の全体の外表面は感知表面として動作する。

0037

信号をリング共振器200の閉ループに結合することは、エバネセント結合を介して達成される。主な導波管204は、概して参照番号208によって示される領域に亘るリング共振器200のエバネセント結合接触部内にもたらされる。導波管204は、例えば、ポリシリコン材料にて形成される光学的に透明な導波管である。サファイアおよび石英もまた、全内部反射伝搬を生成するために有用であり、その導波管は別の光ファイバである。レーザーソース205からのレーザー信号206は導波管204を介して伝搬するようにされる。

0038

信号206は、共振器200内の共振周波数にロックし、共振器200に結合することによって誘導される狭帯域を有する。それゆえ、信号206は、共振器200の属性に依存、すなわち、共振器200の外表面における測定可能なパラメータに依存する。信号206は、上述のように、測定装置209に提供される。一実施形態において、リング共振器200はレーザー発振材料から形成され得、その結果、その共振器は、図2の内部共振器の実施形態において示されたように、レーザーキャビティを構成することに留意されたい。

0039

代替的な実施形態は図8に示され、共振器200を用いて伝搬する信号210は、信号212として、概して参照番号216として示される領域に亘るリング共振器200の結合接触部内にある第2または外部の導波管214と結合される。本実施形態は特に、共振器200が非レーザー発振材料にて形成される場合に有用である。出力導波管214は、導波管204を有する結合接触部の外側にある。信号212を導くために、導波管214は、先のっていない(snubbed)端部220を有し、その先端にまで延び、その結果、信号212は、信号206に対して並行方向において伝搬する。その信号212は測定装置209と結合される。リング共振器200ならびに導波管214および204は、好適には、装置のコストおよび製造時間を削減するために、同じプロセス全体の間に作成される。

0040

図8の実施形態は、入力信号からの波長をフィルタリングすることにおいて特に有用であり得る。例えば、広帯域LEDエネルギまたは白色光エネルギとしての信号206を用いて、共振器200は、共振周波数および共振器200の帯域幅とかち合う伝搬エネルギの一部を取り除く。信号212は、取り除かれた周波数の状態である。共振器200を用いて、信号206からの共振周波数のほぼ完全な取り除きが達成可能である。

0041

図9は、クラッド領域302、コア304、およびキャビティ306を有するファイバ300の図4および図5に対する適切な代替的な実施形態を示す。外表面308は、ファイバ300の感知表面である。キャビティ306は、ギャップの断面の外形が測定可能なパラメータにおける変化に応じて変化するという点において、キャビティ166と同様に可変ギャップを規定する。ここで、しかしながら、キャビティ306は、完全にクラッド領域302内に配置されている。それにもかかわらず、キャビティ306はコア304と十分に接近しており、伝搬する信号によって経験される実効屈折率を変化させる。上述の実施形態と同様に、測定可能なパラメータにおける変化によって誘導されたキャビティ306への変化は、実効屈折率を変化させる。したがって、ファイバ300は、共振器またはレーザーキャビティにおいて用いられ得、測定可能なパラメータに依存する出力信号を生成する。ファイバ300は、上述されたブラッグリフレクタ共振器またはリング共振器構成、ならびに、他の共振器構成における使用に対して適している。ファイバ100と同様に、コア304は、高屈折率の光学的に透明な材料にて形成され、好適には、赤外領域において透明である。コア304およびキャビティ306は、異なる断面の外形を有し得、測定可能なパラメータにおける変化の後の共振周波数の所望の依存性を依然として達成する。

0042

本教示内に含まれる別のタイプの共振器は、図10〜図12に示される共振器400などの、微小球共振器である。光学的微小球は、非常に高いQ値を有することが知られており、それは、1,000,000,000を上回る。それゆえ、微小球は、測定可能なパラメータにおける非常に僅かな変化を測定するためには理想的な共振器を提供する。しかしながら、既知の微小球は、変化がなされ得る気体またはスペーシングを有さない単一の構造の形態をとる。

0043

微小球400は中空であり、ささやき回廊(whispering gallery)モードにおいて動作し、そこでは、光が、既知の微小球のような微小球400の外表面に沿って移動する。光は、球体表面において、全内部反射によって制限される。

0044

微小球400は第1の半球体402および第2の同一の半球体404に分離されており、その2つの半球体402および404は可変ギャップ406によって分離されている。ギャップ406は十分に小さいので、半球体402および404のいずれかの内部において伝搬する信号は、内部で伝搬するために、もう一方へと結合することができる。

0045

微小球400は、半球体402および404によって規定される共振周波数によって特徴付けられる。ギャップ406の間隔は、ファイバ160上のキャビティ166と同様な方法において共振周波数に影響する。図11を参照すると、導波管410において伝搬するレーザー信号408の一部は、半球体402に結合される。レーザー信号408は、高Q共振器400内における共振周波数にロックする。動作中、測定可能なパラメータが感知表面413Aおよび/または413Bにおいて変化すると、可変ギャップ406は、半球体402および半球体404との間における間隔を変化させ、それにより微小球400の共振周波数を変化させる。可変ギャップ406における結果としての変化は、レーザー信号408の出力周波数を変化させる。信号408は、図示されないが、測定装置に結合される。

0046

図12は代替的な実施形態を示し、微小球400は2つの導波管である410と412との間に配置され、その微小球400は、図8に示される構造と同様の共振周波数フィルタまたはセンサー414として機能し、導波管412において、フィルタレーザー信号416を生成する。

0047

微小球400ならびに導波管408および410は基板上に形成され得、通常の微小球に適切である取り付け手段を用いて取り付けられる。半球体402および404は、好適には、相対的に移動するように取り付けられる。例示のために、MEM搭載構造は、この目的のために用いられ得る。MEMS製造プロセスは、半球体402および404を所望の可変ギャップの間隔まで付勢するが、圧力、温度などにおける僅かな変化に応じて可変ギャップを収縮および拡張させることを可能にする、作動取り付け(台)を作成するために用いられ得る。微小球400は、好適には、ドープされた石英などのレーザー発振材料で形成される。けれども、その代わりに非レーザー発振材料にて形成され得る。複数の微小球は、検出器において測定された出力信号のS/N比を増加させるために用いられ得る。

0048

図13は、光学センサカプセルの形態をとる代替的な光学センサー450を示し、微小球452を用いて形成される。好適な実施形態において、レーザーは、マイクロレーザーを形成するためにドープされ、ポンプ光によって励起された場合にレーザー発振する。センサー450は2つのモジュール454および456からなる。第1のモジュール454は、誘電性材料で形成され、受取キャビティ458を含む。モジュール454は、柔軟な膜または部分462の上に配置された感知表面460を有し、その感知表面460における測定可能なパラメータにおける変化が膜462を歪める。モジュール456は、誘電性材料で形成され、微小球452と接触して配置される。例えば、微小球452は、モジュール456における小さな斑点のある窪みに配置され得る。微小球452は台座によって支持され得る。微小球452は、好適には、単一の構造物であり、図10〜図12の実施形態のような二分割の形態をとらない。微小球452は、膜462の下方に配置され、共同で、その2つが可変ギャップ464を規定する。この構成において、光は微小球452に結合され、可変ギャップ464において変化する。すなわち、感知表面460における測定可能なパラメータにおける変化によって生じる変化は、微小球452における共振状況に影響を与え、それによってCW動作におけるレーザーソースの周波数を変化させ、または、モードロック動作におけるパルスレーザーソースの繰り返し率を変化させる。例示のために、導波管466は、微小球452における光および微小球452からの光を結合することが示される。あるいは、光は、ビームを微小球452に集中させることによって、透明なモジュール454を介して微小球452に結合され得る。

0049

図7図8の実施形態と同様なリング共振器の実施形態は基板に統合されるように形成され得、それによって、共振器および導波管をダメージから保護する単一の構造を提供する。例示的な一体型光学センサー500は、第1のモジュール502および第2のモジュール504を有して、図14に示される(未組み立て)。第1のモジュール502は、インプランテーション、エッチングおよび結晶成長、または他の適切なプロセスを用いて形成されたリング共振器506を含む。好適な実施形態において、基板508はサファイアで形成され、リング共振器506は、サファイアよりも高い屈折率を有するガリウム砒素またはポリシリコンで形成され、全内部反射を提供する。一次導波管510およびスナッブされた二次導波管512は、図8に関して上述された導波管と同様に、基板508において形成されている。導波管510および512、ならびにリング共振器506は、基板508の上表面514が大部分である上表面を有する。導波管510および512、ならびにリング共振器506を用いて伝播する信号は、全内部反射のもとで伝搬する。

0050

モジュール504は基板516の形態をとり、好適な実施形態において、基板508と同一の材料である。モジュール504は可変ギャップを規定するキャビティ518を含む。前述したキャビティ166と同様に、キャビティ518は、キャビティ518のギャップが、圧力、力、または温度などの測定可能なパラメータへの変化に応じて変化する外形を有する。さらに、直線的な形状が図14に示されているが、他の形状が適しており、例えば非平面形状が使用され得ることは理解される。一体型光学センサー500は、図15に示される構造物を形成するモジュール502上の取り付けモジュール504によって形成される。

0051

図15における断面に示されるように、キャビティ518は、リング共振器506の外部にあるが、十分に接近しており、リング共振器506内において伝搬する波によって経験される実効屈折率を変化させる。キャビティ518の形状は、感知表面519における上述の測定可能なパラメータに対する変化に応じて変化し、可変ギャップにおける変化は共振器506の共振周波数を変化させる。モジュール504は、例えば、共振器506上のダイアフラムを形成し得る。導波管512上の出力信号は検出器およびプロセッサに結合される。その構成は、上述の教示に従ったCW動作またはパルスモジュールモード動作において用いられ得る。

0052

光学センサー500の多数の代替案は当業者に明らかである。例えば、ブラッググレーティング(grating)は共振器506の表面上に形成され得、導波管512からの出力信号の帯域幅をさらに狭め、さもなければ動作に影響を及ぼす。リング共振器506は、一体型レーザー発振動作を提供するためにドープされ得、またはリング共振器506は外部レーザーに結合され得、様々な周波数出力を提供する。さらに、同軸リング共振器は、例えば、温度の変動を補正するために用いられ得る。この代替案は、各同軸リング共振器が、異なる外形(この場合、半径)のために、異なる圧力感度を有する場合、特に有用である。

0053

さらに、光学センサー500は、対称の形態であり得、同一の相対するリング共振器はキャビティ518の反対側に存在する。2つの導波管は、可変内部ギャップを有する単一のモード導波管として動作する。図16は、一実施形態の断面を示し、第2のリング共振器520は、キャビティ518の上方、およびリング共振器506の反対側に配置されている。

0054

図14に示される2つのモジュール構造の代替として、光学センサー500は、単一の基板構造(すなわち、モジュールがない)において形成され得る。ここで、複数の工程処理が用いられ得、基板層の第1の部分は、結晶成長、次いで、インプランテーションまたはエッチングのプロセスを経て、内部リング共振器および必要な導波管を形成し、次いで、続くグロース処理段階が実行され、センサーの最上部表面上のキャビティを形成する。

0055

第1のモジュール502は、代替的には、図17における光結晶モジュール530の形態を取る。モジュール530は、一次導波管532、共振器534、および二次導波管536を有する。モジュール530は、モジュール504と共に、モジュール502の代替として用いられ得、またはモジュール530は、単一の構造物内における可変ギャップキャビティを有して形成され得る。共振器534は、当業者に周知であるように、光結晶アレイにおける間隔の変化によって形成される。

0056

導波管532、536、および共振器534は、2D光結晶格子(lattice)アレイにおいて形成される。光結晶は、一般に、要素の反復するアレイから構成され、各要素に対する寸法は、そのアレイ内において伝搬する光の波長と同様であるか、およそ同様である。光結晶が所望される理由は、それが厳しいモード制限を有し、導波管におけるシャープな角を有しても、低損失だからである。光結晶はエバネセント結合をも可能にする。結果として、モジュール530は低損失光学カプラであり、共振器534は高Q共振器である。

0057

モジュール530は、三角形格子方向において構成される穴(hole)またはポスト538の2Dアレイを有して形成される。そのアレイは、周知の光結晶形成技術を用いて形成され得る。例えば、平行光学ビームは、光学基板材料に穴を開け得る。電子ビームが、薄い膜またはヘテロ構造において、エッチングされたパターンを直接書き込むリソグラフィー処理もまた知られている。形成された2D光結晶アレイは、共振器534、および導波管532、536を規定し、それゆえ、信号処理工程は、これら3つの構造を同時に形成するために用いられ得る。

0058

モジュール530において、一次導波管532内を伝搬するレーザー信号は、リング共振器である共振器534にエバネセント結合する。本明細書において記載された他の共振器と同様に、共振器534はレーザー発振材料または非レーザー発振材料で形成され得る。共振器534からの信号は導波管536に結合される。モジュール530は、好適には、外部キャビティ518を有して用いられ、感知表面519への変化は、キャビティ518の可変ギャップおよび共振器534からの共振器信号の周波数を変化させる。

0059

図14図17に示される実施形態は、一次または入力の導波管および二次または出力の導波管を示すが、信号導波管は図7と同様に用いられ得ることが理解される。

0060

図18は、光学センサー600の別の実施形態を示す。光学センサー600は外部共振器604に結合される出力部を有する、垂直キャビティ面発光レーザーVCSEL)602の形態をとる。VCSEL602は、模範的には、アクティブ領域606ならびに、2つのリフレクタ612および614を含み、それぞれは、好適な実施形態においては、分布型ブラッグリフレクタ層である。共振器604は、全内部反射の原理に基づいて動作するマイクロディスク共振器であり、低損失および高Qを有する。共振器604は、感知表面616において測定可能であるパラメータにおける変化に応じて変化する可変ギャップを規定するキャビティ620を有する。共振器604は、VCSEL602からの出力を受信するために、VCSEL602の最上部表面に取り付けられる。例示のために、透明な誘電体622は、この目的のために示される。全センサー600は、既存用途におけるパッケージングおよび配置を容易にするため、基板または支持層624上に取り付けられ得る。

0061

本実施形態において、共振器604からの出力は、共振周波数に依存する。共振周波数は、キャビティの可変ギャップ620の関数であり、可変ギャップは、圧力および温度などの測定可能なパラメータの関数である。VCSELの出力は、高Qマイクロディスク604に結合され、VCSEL602の周波数を決定する。

0062

前述から理解され得るように、圧力、温度、流量、力、材料組成、または歪みなどの測定可能なパラメータに依存しておる共振周波数を用いる高Q光学共振器が示される。共振器の共振周波数は、レーザーを共振周波数にロックさせることによって、レーザーの出力周波数を決定するか、またはその共振周波数は、フィルタとして動作する共振器の出力を決定し得る。いずれかの出力は、感知表面における測定可能なパラメータに依存しており、その測定可能なパラメータに対する絶対値または異なる値を計算するために用いられ得る。その共振器は、レーザーすなわち光源の外部にある光学媒体の形態を取り得るか、あるいは、その光学媒体は光源の内部にあり得、レーザーキャビティを共振器にする。多数の導波管は、全内部反射のみに依存するマイクロディスクおよび微小球などのような誘電体共振器、および、信号の伝搬を制限するための導波管を有する共振器を含み、上述される。示されたそれらの共振器に加え、他の共振器構造もまた明らかになる。

0063

これらの教示に関して、多数の用途が上述されてきたが、さらに別の用途が明らかになる。記載された光学装置の高精度は、工業プロセスおよびフローシステムの用途に対して、特に、従来の電子ベース半導体センサーがしばしば作動しないような、低信号強度を有する用途に対して適している。一つの用途において、光学遠隔圧力センサーは、光学共振器が油入導管を置き換える場合に用いられ得る。別の用途は、圧力が物理的に離れた場所において測定される場合APフローメーターを含み、メーターは圧力における変化を決定するために用いられる。対照的に、従来のAPセンサーは、油入アイソレータシステムに、2つの物理的に離れた圧力を共通のセンサーに結合することが要求される。光学センサーはまた、従来のセンサーおよび電子工学が動作しない(例えば、ジェットエンジンにおける圧力の測定、油田における圧力の測定、および蒸気の測定など)ような、高温での用途における圧力測定にも適している。示される構造はまた、APは高圧線圧力(AP)において測定されなければならないような場合に、APトランスミッタにおいて用いられ得る。ここで、高感度の二重のAP光学センサーが用いられ得る。さらに、従来の配線が電気干渉または安全性の配慮のために適していないような温度測定用途が、ここで、あらゆる光学センサーの使用を解して達成され得る。他のセンサアプリケーションは、流量および材料組成を測定するために光学センサーを用いることを含む。

0064

図19図38Bは、電磁気スペクトルのマイクロ波部分(すなわち、マイクロ波およびテラヘルツ周波数を含むスペクトルのサブ光学部分)における周波数にて動作する高Q共振センサーの実施形態を示す。図19図21は例示的な感知システムのブロック図を示し、他方、図22A図38Bは、マイクロ波または励起を用いて利用可能な高Q誘電体共振センサーの実施形態を示す。

0065

図19は、電源700、発振器702、高Q誘電体共振センサー704、および出力センサー706を含む感知システムを示す。電源700は、電力または電磁波エネルギを発振器702に提供する。発振器702の出力は、スペクトルのマイクロ波部分における高周波数電磁放射である。記載の明瞭さのために、図19図21に示される実施形態において用いられる電磁波エネルギは「マイクロ波」エネルギと呼ぶ。

0066

発振器702のマイクロ波出力は、マイクロ波結合または伝送線同軸ケーブルまたは導波管など)を介して、高Q誘電体共振センサー704に供給される。図22A図38Bを参照してより詳細に検討されるように、誘電体共振センサーは、圧力、差圧、温度、力などの測定可能なパラメータに応じて外形を変化させる内部キャビティを有する誘電体材料の本体である。キャビティは、測定可能なパラメータにおける変化に応じてサイズを変更するギャップを規定する。そのギャップのサイズにおける変化は、センサー704を介して伝搬する電磁マイクロ波エネルギ(発振器702によって供給される)の電界成分によって直面される実効誘電率において変化を生じさせる。伝搬速度は実効誘電率の関数であり、それゆえ、共振センサー704の共振周波数は、ギャップサイズの関数として変化する(ギャップサイズは測定可能なパラメータの関数である)。

0067

図19に示される実施形態において、出力センサー706は、誘電体共振センサー704に結合され、センサー704からマイクロ波エネルギを受け取る。発振器702から供給されるマイクロ波エネルギの周波数が周波数範囲を介して掃引されると、出力センサー706は、入力マイクロ波エネルギがいつ誘電体共振センサー704の共振周波数の状態になるかを検出する。図19に示される実施形態において、出力センサー706は、フィードバックループにおいて、発振器702の周波数掃引制御部に接続され、発振器702の出力周波数は、センサー704の共振周波数に調整される。出力センサー706によって感知されるように、発振器702の出力周波数は測定されたパラメータを表す。

0068

図20は、発振器702および高Q誘電体共振センサー704が自己共振構成においてアレンジされている実施形態を示す。ソース700からのDC電力は、共振センサー704を励起するために、双方向接続707を介してマイクロ波エネルギを供給する発振器702に電力を供給する。センサー704におけるインピーダンス変化は、発振器702を、センサー704の共振周波数にロックする。発振器702の発振器周波数はセンサー704の共振周波数の関数であり、カウンタ708によってカウントされ、測定可能なパラメータの測定を提供する。

0069

図21は、電源(ポンプ)700、メーザー710、高Q誘電体共振センサー704、および測定装置712を含む実施形態を示す。電源700は、ポンプ周波数f1における電力を提供するマイクロ波発振器である。本実施形態において、センサー704は、メーザー710のキャビティ内であるか、キャビティの外に配置されるかのいずれかであり、測定されるパラメータの関数である共振周波数f2を有する。測定装置712は、共振センサー704によって影響されると、メーザー710から出力ビームを受け取る。測定装置712は、メーザービームの周波数を検出する分光計であり得、または、メーザーパルスをカウントし得る。ビームの周波数の両方、ならびにビームのパルスの繰り返し率は、高Q誘電体共振センサー704の共振周波数の関数である。キャビティの外形(すなわちギャップのサイズ)およびセンサー704の実効誘電率は、パラメータ、測定装置712によって受け取られたメーザービームの周波数、および繰り返し率の関数として変化し、両方は測定可能なパラメータの関数として変化する。

0070

本発明を用いて利用可能なメーザーの一例は、66.4GHzポンプソースを用いて励起される場合、約32GHzにて、マイクロ波増幅するように製造され得るサファイア(ルビー)共振器である。これは、メーザー710および共振器704からの入力パラメータ感度の32GHz信号が、ソース700によって生成されるポンプ周波数から測定装置712によって容易に区別されることを可能にする。平面サファイア結合キャビティメーザーの記載は、J.S.Shellら、 T.M.O. Progressive Report 42−142(17ページ、2002年8月15日)に示されている。Shellらの論文は、持続モードメーザーを記載する。図21は、メーザー710とともに用いられる単一の共振センサー704を示すが、複数の共振センサーが32GHzに近いが、わずかに異なる共振周波数に調整されるように構成された複数の共振センサーもまた用いられ得る。

0071

図22A図38Bは、圧力(または感知される別のパラメータ)に応じ、マイクロ波周波数において動作する電磁共振センサーの様々な実施形態を示す。電磁共振センサーは、感知されたパラメータに応じて変化するキャビティギャップを有する誘電体構造である。誘電体材料は、サファイアのような単結晶材料誘電セラミックガラス、または石英などのであり得る。以下の検討において、サファイアが電磁共振センサーの本体を形成する誘電体材料の例として用いられる。センサーの共振周波数は、保存された電界エネルギと誘電体本体およびセンサーのキャビティギャップにおいて保存された電界エネルギとの比の2乗の関数である。キャビティギャップがパラメータの関数として変化すると、センサーの実効誘電率は変化する。これは、保存された電界エネルギにおいて変化を生じさせ、その結果、共振周波数における変化となる。

0072

共振センサーは、金属キャビティに宙吊りになっている。この金属キャビティは、通常、真空にされるか、あるいは、油または気体などの流体を満たすかのいずれかである。空き空間(または気体または油で満たされた空間)と比較して、サファイア(または他の誘電材料)は誘電率が大きいために、マイクロ波共振モードは、周囲のキャビティからほぼ独立している誘電体構造内に存在する。選択された共振モードにおける電磁エネルギは、誘電体本体およびキャビティギャップ内における電磁定常波として、内部高誘電体構造に閉じ込められる。マイクロ波エネルギはその構造物に供給され得、共振におけるインピーダンス変化が検出され得るか、または、システムは自己共振にされ得る。マイクロ波周波数におけるサファイアの誘電損失が低いために、共振センサーのQは非常に高くなり得る。Q係数は、典型的に、室温において、100,000よりも高く、極低温において、1,000,000よりも高い。共振センサーの寸法は、通常は、ミリメートルからセンチメートルの範囲であり、マイクロ波の波長に対応する。共振センサーの寸法が少し変化すると、共振センサーの周波数範囲を少しチューニングして用いられ得る。共振センサーは、Qが高いので優れた短期的安定を有する。周波数が寸法の安定性および共振センサー本体の誘電体の誘電率のみに依存するゆえに、長期的安定は優れている。

0073

図22Aおよび図22Bは、マイクロ波周波数において動作する電磁共振センサー800を示す。センサー800は、リングまたはトロイダル形状の誘電体本体802であり、内部にリング形状キャビティまたはチャンバ804を有する。本体802の面806および808は、センサー800を取り囲む油で満ちた媒体を介して加えられる圧力など、測定されるパラメータに応答する。圧力を加えると、本体802の壁の内側へ歪みが生じ、それはギャップ810における変化を生じさせ、ギャップ810における変化は、キャビティ804の内部表面804Aおよび804Bの間の距離によって規定される。

0074

センサー800は、ささやきギャラリーモードにおいて動作され、それは高Qと連動する高ゲージ係数を提供する。この構造は、室温において高Qを提供する。というのは、内部電磁放射が誘電体本体802と周囲媒体との間の界面において全反射されるモードが利用可能だからである。このモードは、音声が円形の部屋の周囲において、非常に少ない損失伝送される音響ささやき回廊と類似している。

0075

可変ギャップ810(誘電体本体802よりも低い誘電率を有する)を用いて、本体802内の電磁定常波の電界成分を干渉することによって、比較的高いゲージ係数が達成され得る。油で満ちた媒体は、キャビティ804の外形を変化させ、特に、圧力感度ギャップの厚さを変化させるために、圧力を面806および808に伝えるために用いられ得る。油の誘電率は誘電体本体802の誘電率よりも相当に低いので、油の誘電属性とは比較的無関係に、高Q共振が維持され得る。マイクロ波電力は、単にマイクロ波エネルギを周囲の油媒体に導入することによって、または、マイクロ波エネルギを、小さな穴または突起などの誘電体本体802における不連続面に結合させることによって、センサー800と結合され得る。また、マイクロ波エネルギは、同軸ケーブルの中央の導電体を、誘電体本体802に接近させて配置するか、接触させて配置させることによって、誘電体本体802に伝えられることが可能となる。

0076

図22Aは、4つの磁界ループ812および4つの電界ループ814を有する電磁定常波を有する四次モードで動作するセンサー800を示す。図22Aに示されたモードは、電界ループ814がキャビティ804のギャップ810を通過するため、最大圧力感度を有する。電界ループ814および磁界ループ812は置き変わった場合、周波数は最小の圧力感度を有し、センサー800は、温度感知目的のために使用され得る。この場合、共振周波数は、温度依存性あるサファイアの誘電率に依存する。

0077

図22Aに示されたループの数は、例示目的である。他の数のループを有する共振モードも、適合され得る。一般に、高次モードにすると、Qも共振数も、より高くなる。

0078

電磁共振モードは集中効果よりはむしろ分配効果に基づく。正確な解を得るのは難しいが、概算値は、概略の集中定数を使用してなされ得る。電磁定常波パターンは、インタロックループ電磁界から成り立つ。図22A図22Bに示されるリング共振器構造において、パターンは、電磁界を表す交互水平垂直リンクを有する円形ループリンクチェーンである。可変ギャップ810を有する電界ループを遮断することによって、測定可能なパラメータにおける変化は、LC共振器キャパシタンスを効果的に変化する。F=K/SqrtLCであるので、共振周波数は、このように変化する。従来のキャパシタンスセンサーでは、導体板内部キャパシタンスサポートしないので、すべてのキャパシタンスは、ギャップに閉じ込められる。他方、図22A図22Bに示される構造において、総集中キャパシタンスの重要な一部が固定され、ゲージ係数が減少するように、エネルギもまた、サファイア内の電界に蓄積される。このことは、共振器の安定性およびSN比の向上によって補償される。概ね、

0079

である。

0080

ここで、CSはサファイアによるキャパシタンス、εSはサファイア誘電率、ASはサファイアにおける電界の有効面積、LSはサファイアにおける電界の有効長、およびCgはギャップ810によるキャパシタンスで、εoは真空の誘電率、Agはギャップ810の有効
面積およびXgはギャップ810のサイズである。

0081

代わりのアプローチは、定常波電磁界の有効波長検査することである。一般に、最小寸法が、有効波長を決定する。エア(または真空)ギャップが、高誘電材料における電界ループに挿入された場合、ギャップは、誘電材料の誘電率とギャップの誘電率の比に等しい比によって波長を効果的に増加する。

0082

図22A図22Bに示される実施形態において、動作周波数およびゲージ係数の概算値は、リング厚さTS、圧力感度ギャップXo、およびギャップΔXにおける最大偏向または変化によって計算され得る。ΔXが0.5ミル、Xoが1ミル、εSが10ミルおよびTSが50ミルのとき、動作周波数の概算値は、40GHzであって、

0083

である。

0084

ゲージ係数GFの概算値は0.1であって、

0085

である。

0086

半導体回路網を有するセンサーの電力を減少し、互換性を向上させるために、所定のサイズのセンサーの共振周波数を下げることは望ましい。共振周波数を低くする一方法は、集中LC回路と導波管との間の中間にあるセンサー設計を使用することである。図23Aおよび図23Bは、そのような構造を有するセンサー820を示す。

0087

センサー820は、中央ゾーン826および周囲ゾーン828の二つのゾーンに分割された内部キャビティを有するシリンダー状の誘電体本体822である。中央ゾーン826は細く、内部表面826Aと826Bとの間の圧力応答変動ギャップを提供する。

0088

図23Aおよび23Bは、磁界ループ830を示す。電界ループ832は、図23Bに示される。図23Aおよび23Bに示されるように、ゾーン826において、電界が優位を占め、可変ギャップXが圧力に応答して変化すると、変動するキャパシタンスを表す。ゾーン828において、磁界が優位を占め、インダクタンスを表す。本質的に、センサー820は、キャパシタンスに結合された巻き数1のトロイダルインダクタである。

0089

図24Aおよび24Bは、本発明に従う誘電共振器センサーの別の実施形態を示す。センサー840は、一般に、誘電材料842の長方形のブロックで、そのブロックは、一般に正方形の前面844および背面846、および内部表面848Aおよび848Bによって規定された変動ギャップXを有する円形のシリンダー状の内部キャビティ848を有する。本体842の厚さは、共振周波数センサー840の約半分の波長である。図24Aおよび24Bは、一つの磁界ループ850および一つの電界ループ852を有し、最低共振モードで動作するセンサー840を示す。

0090

図25Aおよび25Bは、より高いQおよびより高い共振周波数を有し、より高い共振モードで動作するセンサー840を示す。この実施形態において、共振は、有効直径Dで、磁界ループ850および電界ループ852のリンクチェーンから成り立つ定常波を有するささやき回廊モードで、作られる。波長λは、以下

0091

の関係で与えられる。

0092

本発明を使用する共振センサーのその他の形式は、共振伝送線または共振アンテナ構造を有する。図26Aおよび26Bはセンサー840の共振アンテナの実施形態を示す。その実施形態において、導体フィルム854が、センサー840の動作周波数を減少するために、内部キャビティ848の片側に追加される。共振周波数の半分の波長は、導体フィルム854の半径にほぼ等しい。電磁定常波の磁界ループ850および電界ループ852が示される。センサー840は、共振円形アンテナとして働く。

0093

図27Aおよび27Bは、共振伝送線センサー900を示し、そのセンサーは、キャビティ904およびキャビティ904内に位置する伝送線906を有する誘電体本体902を含む。伝送線906は導体908および910によって形成され、それらの導体は、キャビティ904の対向する壁904Aおよび904B上に互いに対向して置かれる。

0094

図27Aおよび27Bに示す実施形態において、伝送線906は、ストリップデュアル伝送線である。伝送線906を通る伝搬速度は、電磁界に格納されたエネルギに依存し、そのエネルギは、キャビティ904の表面904Aと904Bとの間のスペースであるギャップの関数である。伝送線906が開放または短絡され終端した場合、関連共振があり、キャビティ904のギャップが変化すると関連共振も変動する。この共振は感知され得、センサー本体902の外面912および914に印加される圧力を示し得る。

0095

所定のセンサーサイズについて、共振伝送線センサー900の共振周波数は、図22A〜25Bに示した電極を有さず、共振キャビティを有する共振センサーの動作周波数より低い。より低い周波数は、個体電子機器とのより大きな互換性のメリットを有する。逆に、所定の動作周波数に対して、センサーはより小型になり、従って、低コストになり得る。

0096

他の構成は可能である。両方の導体908および910は、キャビティ904の同じ側に位置され得る。伝送線906は、動作周波数をさらに低下させるため、前後に折り返し得る。導体908および910は、フィードスルーを通過する前に、共振がキャビティ904内で、主として決定されるように、物理的に分離され、静電容量的に結合され得る。外部結合電極は、共振を感知するために、使用され得る。さらに別の実施形態において、単一の導体は、外部接地を伴い使用し得、同軸型共振器を形成する。

0097

センサー900の共振周波数は、伝送線906上の伝達速度によって決定され、その長さは、Vが伝達速度で、λが定常波の波長のとき、f=V/λ=V/2Lであり、モードは、両端が短絡または開放されている共振半波長伝送である。本構造における伝送速度は、平均定常波または有効定常波の関数であり、電磁波を通じてエネルギが伝達する。センサー900は、定常波がその全エネルギのかなりの割合がギャップに蓄積され定常波が閉じ込められるように構成される。エネルギの残りは、ギャップにおける誘電率の約10倍の誘電率を有するサファイア内に蓄積される。これらの状況下において、

0098

である。このエネルギ平均誘電率は、電磁波に曝されたものである。このように、伝達速度は、ギャップが完全に閉じたときの約c/3から、ギャップが非常に大きいときのcに近づく値へ変動する。共振周波数もまた、速度に直接関係しているので、3:1の比率で変化する。実際の設計について、変化はこれより小さいが、0.1〜0.5のゲージ係数は、おそらく妥当である。

0099

Q(すなわち、品質係数)は、それが、共振の鋭さを決定し、従って共振周波数がいかに正確に決定され得るかを決定するので、共振回路において重要な係数である。Qは、実際のデバイス用に1よりはるかに大きくあるべきである。システムにおいて、Qはエネルギ損失の逆尺度である。損失のほとんどは、導体を作成する金属フィルム抵抗において発生する。サファイアおよびギャップの誘電における損失は低く、シールドは、放射による損失を防ぎ得る。幾何学的配置は、Qとフィルム抵抗率との間の関係を決定する。

0100

図28Aおよび28Bは発明の別の実施形態(共振伝送線センサー920)を示す。誘電体本体922は、内部表面924Aと924Bとの間の圧力応答変動ギャップXを有する内部キャビティを有する。スロットアンテナ926は、キャビティ924内に置かれる。スロットアンテナ926を形成する主導線928の幅はWで、二つの主導線間スペースはSである。

0101

導線928間の距離がキャビティギャップXのサファイアの相対誘電率にほぼ等しいとき、センサー920は、妥当なQとの組み合わせで妥当なゲージ係数を有する。導線928の幅Wは、ゲージ係数対Qを最適化するように変動し得る。それらが非常に広い場合、構造は、伝送線よりはむしろ共振スロットに似ているが、動作原理は、非常に似ている。両方の場合において、電荷は、2本の導線928の向き合う中央部分間で前後に共振する。電荷はこれを、導線928を接続する閉鎖端930の周りを流れる電流によって行う。Qは以下、

0102

推定される。ここで、Tは振動周期で、Reは伝送線926の有効キャパシタンスCeを充電する有効抵抗である。RおよびCは分配され、荷電電圧および電流は分配正弦曲線である。このように、有効値ReおよびCeは、合計値RtおよびCtより少ない。Tは、任意の所定の線長Lに対して比較的一定であり、Qを最大にすることは、小さなRを有する構造を、小さなCと組み合わせることを見つける問題である。この構造のエッジからエッジへの方向付けは、低抵抗と関連した小キャパシタンスを与える。導線は、キャパシタンス増加に影響をさほど与えることなく、太く作り得るので、抵抗を比較的低くすることが可能である。センサー920の構造を使用した値の一例は以下のとおりで、
キャビティギャップX=6マイクロメートル
導線間スペースS=50マイクロメートル
導線幅W=200マイクロメートル
導線長L=0.25cm
抵抗率Rs=0.5Ω/スクウェア
V=c/sqrt9=c/3=1010cm/秒
f=V/2L=10−10cm/秒/2*0.25cm=20GHz
T=0.5x10−10秒
Rt=スクウェアの数xRs=28スクウェアx0.5Ω/スクウェア=14Ω
Ct=2pf/cm x 0.25cm=5pf

0103

ある。より高いQは、フィルム厚さを増加することによって得られ得る。あるいは、その他に、双極子およびスロットアンテナ構造を使用し得る。

0104

図29Aおよび29Bは、誘電体本体942を有するセンサー940、内部キャビティ944、および、同軸伝送線946を示す。センサー940は、開放終端を有するシンプルな構造を提供する。この構造は、同軸伝送線または双極子アンテナのいずれかと考えられ得る。伝送線946を有する長さと速度は、共振周波数を決定する。伝送線946に沿った電磁波の速度は、キャビティ944の表面944Aと944Bとの間のディメンションギャップに依存する。図29Aおよび図29Bに示す構造は、電流の流れを妨げるほんの数スクウェアの面積抵抗を有し、従って、より高いQを有する。さらに、図29Aおよび29Bに示す構造は、単位長当たりのより低いキャパシタンスを有する傾向があり、それもまたQを向上する助けとなる。

0105

図29Aおよび図29Bに示す実施形態において、センサー940のキャパシタンス感度は、誘電体942の端に近い最大にある。その結果、アンテナ946は、図29Aに示すように向けられるべきである。

0106

スロット型アンテナもまた、本発明に接続して使用し得る。種々のスロット型アンテナを有する共振センサー950の例は、図30Aおよび図30B、図31Aおよび図31B、および図32Aおよび図32B図33Aおよび図33B図34Aおよび図34B、および図35Aおよび図35Bに示される。これらの図において、共振センサー950は、誘電体952、可変ギャップXを限定する内部表面954A及び954Bを有するキャビティ954、および表面954B上の導体956を有する。導体956は、各図30A〜35Aの異なる構造のスロットアンテナを含む。図30Aにおいて、スロットアンテナ958の長さおよび電磁波エネルギの速度(これはギャップサイズXの関数)は、共振周波数を決定する。最大Qについて、スロット型アンテナは、電流がスロット端中を妨げられないで流れなければならないので、比較的短くしなければならない。このことが、対応してより高い共振周波数の結果となる。

0107

図31Aにおいて、単一の垂直方向に向いたスロット960が示される。長さを決定する周波数は、スロット960の垂直長さである。

0108

図32Aにおいて、一対の円形のカットアウト964および966で囲まれたスロット962は、スロットアンテナを形成する。カットアウト964および966は、感度中央領域に近いキャパシタンスを減少することによって、Qを向上する。

0109

図33Aは、5つの平行なスロット968によって形成されたスロットアンテナを示す。この構造は、隣接スロットに対してどちらか一つの極性振動する場合、非常に高いQの能力を有する。電流の流れは、損失を最小にするため、スロット間において水平方向であるべきである。

0110

図34Aおよび図35Aは、ポート型アンテナを形成するために、スロットが「広げられた」さらなる実施形態を示す。図34Aは、円形ポート970を示し、一方、図35Aは、長円形ポート972を示す。

0111

図30A〜35Bに示される変種の実施形態において、多数のアンテナ(スロットまたは円形アンテナ)が、導体に形成され、その結果、多数の共振周波数となる。ひとつのセンサーにおいて、異なるアンテナおよび異なる長さを使用すると、重要なパラメータを表す信号とともに、基準信号または温度信号をする能力を可能にする。

0112

図36Aおよび36Bならびに図37Aおよび図37Bは、双極子アンテナの特徴を有するセンサー950の二つの追加の実施形態を示す。円形導体980は、図36Aに示され、長円形導体982は、図37Aに示される。長さを決定する周波数は、図36Aおよび図37Aに示されるように水平方向である。

0113

図38Aおよび図38Bは、共振アンテナを有するセンサーのさらに別の実施形態を示す。センサー990は、誘電センサー本体992を有し、誘電センサー本体は、内部表面998Aと998Bとの間の変動ギャップXを規定する正方形の内部キャビティ998を有する正方形の前面994および背面996を有する。導体1000は、キャビティ994の998B壁上に形成され、ポートアンテナを形成する長円形開口部1002を有する。

0114

図19図38Bに示されるように、共振センサーは、パラメータが共振センサーのキャビティギャプにおける変更の原因となる限り、種々のパラメータを検出するために使用され得るマイクロ波発振器によって動作する。一般に、マイクロ波周波数で動作するデバイスのサイズは、電磁定常波の波長の半分に概ね等しい。共振センサーが、コストダウンのため小さく作られた場合、共振センサーは、低コストの半導体周波数コーニング(coning)技術で直接に測定するには高すぎる共振周波数を有する傾向がある。たとえば、1GHz動作には、7.5cmのセンサーサイズを必要とする。

0115

この問題に対する解決は、マイクロ波発振器をモードロック構成にて動作することであり、モードロック構成では、基本出力周波数は、低周波数振幅変調(AM)出力信号が基本周波数に正比例するように、振幅変調である。種々の検出技術は、次に、AM信号電力変動をカウント可能な電子信号に変換するために利用し得る。たとえば、高周波数ダイオードは信号を整流し得る。

0116

図39は、モードロック構成において高周波数マイクロ波共振センサーを動作する本発明の実施形態を示す。感知システム1050は、電源1052、センサー構造1054、モードロックカップリングシステム1056、およびAM周波数出力デバイス1058を含む。

0117

センサー構造1054は、圧力など一般的に感知されるパラメータに応答する多様な共振器を含む。この特定の実施形態において、センサー構造1054は、それぞれ基本周波数10GHzおよび10.1GHzで動作する共振器Aおよび共振器Bを含む。各共振器は、図22A〜38Bに示されるセンサーなどのマイクロ波共振センサーに結合されたガンダイオード発振器などのGHz発振器を含む。電源1052は、電力を各発振器に供給し、その結果、この10GHzおよび10.1GHzの場合、異なる基本周波数で各発振器は振動する。

0118

共振器AおよびBの出力は、モードロックカップリングシステム1056によって結合され、単一モードロックAM出力を生成する。カップリングシステム1056は出力検出器1058によって感知される。

0119

図39の示すシステムの場合、検出される出力周波数(100MHz)は、各々の共振器が動作する基本周波数(〜10GHz)より低い100の係数であるので、各共振センサーのサイズは、100の係数によって減少される。このことは、比較的に安価に製作し得る約7.5mmの共振器サイズを可能とする。

0120

モードロック構造の多様な発振器の動作は、R.A.YorkおよびR.C.Comptonの「Mode−Locked Oscillators Arrays」、IEEE Microwave and Guided Wave Letters、巻1、No.8、199 1年8月、215〜218ページ、に記述されている。

0121

図39はモードロック構成における二つの共振器を使用する実施形態を示すが、追加の共振器をセンサー構造に含み得る。その共振器はすべて、感知されたパラメータの関数で、感知されたパラメータの所定の値で周波数ドメイン内に等しい間隔で配置される周波数を有する。さらに、ガンダイオード発振器は、図39に示される実施形態において使用するための発振器の一つの望ましい形式であるが、発振器のその他の形式も同様に使用し得る。たとえば、マスター発振器もまた、使用され得、その発振器においては、ポンプは、共振器の基本周波数かまたはセンサー発振器間の差周波数のいずれかと異なる所望のポンプ周波数で動作する。

0122

開示された実施形態の公正な範囲と精神から逸脱することなく、多くの追加の変更および修正が開示された実施形態に対してなされ得る。その他の範囲は、添付の特許請求の範囲から明らかになる。

図面の簡単な説明

0123

図1は、一実施形態に基づいた、レーザーに結合された外部高Q共振器のブロック図である。
図2は、一実施形態に基づいた、内部共振器を備えたレーザーのブロック図である。
図3Aは、一実施形態に基づいた、光学ゲイン媒体を有するモードロックレーザーのブロック図である。
図3Bは、一実施形態に基づいた、光学ゲイン媒体を有するモードロックレーザーのブロック図である。
図4は、一実施形態に基づいた、光ファイバの断面図である。
図5は、ファイバの検出面で測定可能なパラメータが変化した後の、図4の光ファイバの断面図である。
図6は、一実施形態に基づいた、光学センサーで使用される図4の光ファイバを示す図である。
図7は、一実施形態に基づいた、リング共振器を示す図である。
図8は、別の実施形態に基づいた、リング共振器を示す図である。
図9は、図4および5の代替となる実施形態に基づいた、光ファイバの断面形状を示す図である。
図10は、別の実施形態に基づいた、微小球共振器を示す図である。
図11は、例示的な光学センサーにおける図10の微小球共振器を示す図である。
図12は、別の例示的な光学センサーにおける図10の微小球共振器を示す図である。
図13は、微小球を有する代替となる光学センサーの断面図である。
図14は、一実施形態に基づいた、第1のモジュールおよび第2のモジュールを備えた未組み立ての光集積センサーの斜視図である。
図15は、組み立てられた図14の光集積センサーの断面図である。
図16は、図15に示される代替となる光集積センサーの断面図である。
図17は、共振器を形成するようにフォトニック結晶のアレイを使用した、図14の第1のモジュールの代替物の平面図である。
図18は、一実施形態に基づいた、マイクロディスク共振器およびVCSELの断面図である。
図19は、マイクロ波発振器によって駆動される電磁高Q誘電体共振センサーのブロック図である。
図20は、マイクロ波発振器および自己共振構成の高Q誘電体共振センサーを有するセンサーシステムのブロック図である。
図21は、高Q誘電体共振センサーとともにメーザーを有するセンサーシステムのブロック図である。
図22Aおよび図22Bは、本発明によるマイクロ波エネルギとともに使用する電磁リング共振器センサーの一実施形態を示す図である。
図23Aおよび図23Bは、2つの異なるギャップ厚さを有する電磁リング共振器センサーの一実施形態を示す図である。
図24Aおよび図24Bは、最も低い共振モードで動作している、正方形の面を有する電磁リング共振器センサーおよび円形のキャビティの一実施形態を示す図である。
図25Aおよび図25Bは、より高い共振モードで動作される図24Aおよび24Bのリング共振器センサーを示す図である。
図26Aおよび図26Bは、キャビティの1つの表面に導体を有するリング共振器を示す図である。
図27Aおよび図27Bは、キャビティの対向する面に導体を有する共振伝送線センサーの一実施形態の断面図である。
図28Aおよび図28Bは、キャビティの1つの表面の導体内にスロットアンテナを有する共振伝送線マイクロ波センサーの実施形態の断面図である。
図29Aおよび図29Bは、同軸共振伝送線センサーの一実施形態の断面図である。
図30Aおよび図30Bは、スロットアンテナ共振伝送線センサーの更なる実施形態の断面図である。
図31Aおよび図31Bは、スロットアンテナ共振伝送線センサーの更なる実施形態の断面図である。
図32Aおよび図32Bは、スロットアンテナ共振伝送線センサーの更なる実施形態の断面図である。
図33Aおよび図33Bは、スロットアンテナ共振伝送線センサーの更なる実施形態の断面図である。
図34Aおよび図34Bは、スロットアンテナ共振伝送線センサーの更なる実施形態の断面図である。
図35Aおよび図35Bは、スロットアンテナ共振伝送線センサーの更なる実施形態の断面図である。
図36Aおよび図36Bは、円形の双極子共振伝送線センサーの実施形態の断面図である。
図37Aおよび図37Bは、円形の双極子共振伝送線センサーの実施形態の断面図である。
図38Aおよび図38Bは、長方形の導体および円形のポートアンテナを備えた長方形のキャビティを有する高Q共振器センサーの断面図である。
図39は、一連のモードロック共振センサーを使用した一実施形態のブロック図である。

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