Summary
高感度フォトニックマイクロセンサは、電界検出用に開発されました。センサーは誘電体球の光学モードを利用している。その光学モードの変化につながる外部電場摂動球形態の変化。電界強度は、これらの光学シフトをモニターすることによって測定されます。
Abstract
誘電マイクロキャビティの光学モードは、幅広いアプリケーションで自分の可能性のために、近年、大きな注目を受けています。光学モードは頻繁に "ウィスパリングギャラリーモード"（WGM）または "形態依存共鳴"（MDR）と呼ばれ、高い光学的品質係数を発揮しています。マイクロキャビティ光共振器のいくつかの提案されたアプリケーションは、分光1、マイクロキャビティレーザー技術2、光通信3から6までと同様にセンサー技術にあります。 WGMベースのセンサ·アプリケーションでは生物学7、微量ガス検出8、9、液体中の不純物検出のものが含まれています。微小球共振に基づいて、機械的なセンサは、力10,11、圧力12、加速13、壁せん断応力14を含め、提案されている。現在では、我々の前ストゥディ上に構築WGMベース電界センサを実証ES 15,16。このセンサーの候補アプリケーションは、神経活動電位の検出である。
電界センサは、高分子多層誘電体微小球をに基づいています。外部電場が弾性変形につながる球（電歪効果）の面と身体の力を誘導する。球体の形態におけるこの変化は、WGMの変化につながる。電界誘起WGMシフトは、レーザー光による球の刺激的な光学モードによって尋問されています。分布帰還型（DFB）からの光は、レーザー（〜1.3μmの公称波長）は、シングルモード光ファイバのテーパ部を使用してマイクロスフェアにサイド結合されている。球体の基材としては、ポリジメチルシロキサン（PDMS）である。三マイクロスフェアジオメトリは使用されています：ベース·硬化剤混合物の60:1の体積比は、（1）のPDMS球、60:1 PDMSコアと（2）多層球を、目の誘電率を増加させるために、eの球、チタン酸バリウムの量を変え（2体積％〜10％）と60:1 PDMSの外層と薄層で被覆された（3）固体シリカ球と混合される60:1 PDMSの中間層未硬化のPDMSベースの。センサーの種類ごとに、テーパファイバからのレーザ光 は光学的に高品質要因WGM（Q〜10 6）を提供しています最外層に結合される。ミクロスフェアは、電界に対する感受性を高めるために〜1 MV / mの電界で数時間的に分極されています。
Protocol
1。 PDMSのマイクロスフェア製剤（スフィアI）
- ポリジメチルシロキサン（PDMS）をベースと硬化剤を60:1の体積比で混合されています。
- 石英光ファイバのストランドは、約2cm長く、第一光学ストリッパーを使用して、そのプラスチッククラッドを剥奪されています。
- ファイバの一端を加熱し、先端に直径約25から50μmであるステムエンドを提供するために張られている。
- 繊維の延伸端は約2-4 mmの長さによってPDMSの混合物に浸漬され、その後引き出される。
- PDMSの混合物の表面張力と重量はシリカファイバの先端の球の形成を可能にする。球の大きさは、長さと浸漬抽出速度によって制御されます。範囲でこれら2つのパラメータ、球体の直径を変化させることにより、100μm以下 - 1,000μm以下が得られる。
- ミクロスフェア/ステムアセンブリは、その後℃で4時間のポリ適切な硬化を可能にするために〜90℃のオーブン内に配置される。マー材料（架橋鎖を形成する）。 図1a球Iの模式図である
2。 PDMSベースのトリプルレイヤースフィアの調製（スフィアII）
- 60:1のPDMSマイクロスフェアは、内部コアとして使用されます。上記1に記載したのと同じ手順）は、このプロセスのために続いている。
- チタン酸バリウムの混合物（BaTiO 3の ）ナノ粒子と60:1 PDMSは中間層として使用されます。上記1.1で説明したのと同じ方法）で調製したPDMSの混合物は、チタン酸バリウムナノ粒子と混合される。
- 2.1で説明したPDMSマイクロスフェアコア）をコートしてくださいPDMS-チタン酸バリウムの混合物（〜10μmの層公称厚さを有する）に浸漬される。
- 次に、二層球℃で4時間のために第2層の適切な硬化を可能にするために〜90℃のオーブン内に配置される。
- 2層の球体が硬化されると、それは再び外側のコーティング（第三層）を設けることが60:1 PDMSの混合物中に浸漬される。この最層が球状の光ガイド（〜10μmの厚さ）となっている。 図1bはスフィアIIの概略図である。
3。シリカ/ PDMSマイクロスフェア製剤（スフィアⅢ）
- シリカシングルモード光ファイバの約3 cmの長部は、第1のバッファ（プラスチック）コーティングが取り除かれた後、その先端は、マイクロトーチ（一緒にクラッドとコアを持つ）を使用して溶融させる。表面張力と重力が球に溶かした先端を形作るために一緒に働く。は200〜500μmの範囲の直径を持つ球は、このプロセスで得ることができる。
- シリカ微小球は、その後〜50μmのコートでそれをカバーするために、PDMS基材（硬化剤なし）の浴中に浸漬される。この外側の層は、高粘度ビンガム（歩留まり応力）流体として留まります。 図1cは、スフィアIIIの概略図である。
4。光ファイバの準備
- 単一モード光ファイバのセクションは、そのプラスチックのCLA取り除かれ光学ストリッパーを使用してdding。それが溶融するまで繊維のマイクロトーチストライプセクションを使用すること（クラッドとファイバコアの両方）が加熱される。
- 中間部が溶融している間、光ファイバの一端が約1cmの長さで、ファイバのテーパ部を形成するために、その軸に沿って引っ張られる。加熱時間は、引き上げ速度と距離は、10〜20μmの範囲にあり、テーパ部の直径を決定します。 DFBレーザからの光は、光ファイバのテーパ部を介して球に結合される。 図2球ファイバ結合を示しています。
5。オプトセットアップ
- 図3に示すように、波長可変DFBレーザの出力は、一方の端に、単一モード光ファイバに結合され、他端には高速フォトダイオードで終端されます。
- フォトダイオードの出力は、アナログ - デジタル変換器（A / D）を用いてデジタル化し、パーソナルコンピュータ（PC）に保存されます。
- DFBレーザは、レーザコントローラによって調整されています。今度はレーザーコントローラは、のこぎり電圧入力を提供する関数発生器によって駆動されます。
6。電界発生
- 1mmの厚さを持つ2つの正方形の真鍮板（2×2cm）に均一な電場を生成するために使用されます。プレートは、電圧源に接続されていると球センサーは2プレート（ 図4）との間の隙間に配置されます。
- 測定感度を高めるために、球は最初の2時間、1 MV / mの電界で分極されています。
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Representative Results
光が移動した光路長は、レーザー波長の整数倍であるとき、球の光学モード（WGM）は、レーザ光により励起される。 図3に示す構成では、光路の長さは n と r はそれぞれ、球の屈折率と半径アール2πrnです。幾何光学近似を用いて、WGM条件が満たされた場合に2πrn=lλlは整数であり、λはレーザーの波長である。DFBレーザには小さな波長範囲にわたって調整されているように、誘電体球の光学モード（WGM）は、シャープと見られている光ファイバを介してスペクトルにおけるディップ。球が外部電場による弾性変形を受ける場合には、透過スペクトルシフトのディップの位置図5に、一般的な透過スペクトルとのために当然外部電場にWGMシフトを示している900μmの直径の60:1のPDMS球。 50キロボルト/ mの電界がオンになっている場合、透過スペクトルのディップとして見WGM光モードでは、球が磁場方向に沿って細長くしていることを示すΔλ≈1.9午後のブルーシフトを経験する。球内の光路長が電界方向（ 図4）に垂直赤道面上にあることに注意してください。図中のWGMディップ用の光学品質係数は、〜5×10 5である。
図6aは、200 V / mの振幅が1 Hzの高調波の電界下球のWGMシフトΔλ、私を示しています。球体の直径は700μmであり、それは1 MV / mの静電場中で2時間分極する。対応するWGMシフト対電場振幅のプロットを図6bに示されています。球私は1.7 PM /（KV / m）の感度が得られます。スフィアIIおよびIIIの結果は、 図に示されているそれぞれ7と8、図7は、外径が約700μmであり、 図8はその上にコーティングされたPDMSベースの300μmシリカコアと150μmの厚さから成っていたスフィアIIIで測定値を表示するとスフィアIIの結果を示しています。これらの測定では、Q-要因は、5×10 5〜10 6の範囲であった。球の形態と関連WGMは、他の外部条件に敏感である。このように、各測定はWGMシフトの環境効果（例えば、温度、湿度など）を無視できるように、という（〜1分）、短時間で完了します。
図1 3球センサ構成の模式図。
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図2：結合された球テーパファイバの写真。
図3光のセットアップの模式図。
図4の回路図（）;実験装置の写真（b）に示す。
図5球結合ファイバを介して透過スペクトル。
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図6高調波磁場摂動下スフィア私のWGMシフト（）;。WGMシフト対電場振幅（b）の拡大図を表示するには、ここをクリックしてください 。
図7高調波磁場摂動下スフィアIIのWGMシフト（）;。WGMシフト対電場振幅（b）の拡大図を表示するには、ここをクリックしてください 。
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図8ハーモニックフィールド摂動（a）に基づくスフィアIIIのWGMシフト;。WGMシフト対電場振幅は（b）の拡大図を表示するには、ここをクリックしてください 。
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Discussion
球は最初は直流高電圧電源に電極を接続することにより、分極されています。ポーリング期間の終わりには、電極のリード線は、直流電圧電源から切断され、 図4に示すように、ファンクション·ジェネレータに接続されています。結果は、正と負の電界が（分極方向に対して）は、それぞれ、球の伸びと圧縮につながることを示して8〜図5に示した。球単層60:1 PDMSである私は、1.7 PM /（KV / m）の電界感度を持っています。感度の大幅な改善が多層球を使用することによって得られる。スフィアIIは2.5 PM /（KV / m）の電界感度を提供します。まだはるかに高い感度がスフィアⅢ（ソフト、降伏応力液外層に起因〜0.2分/（V / m）である。保守的な仮定で測定可能な最小WGMシフトがδλ=λ/ Qは 、典型的であることで得られるWGM個のセンサの分解能は次式で表すことができ
ここで、E oが印加される電界である。上記の式で与えられたセンサーの解像度がより良好な信号処理手法を利用することによって、さらに向上させることができる。例えば、我々の最近の研究17に記載の信号処理方法は、〜0.13午後のシフトの検出分解能を提供します。我々の研究では、これはセンサの分解能については、上記の式に10 7のセンサーQファクタを持つことと同じです。
これらの結果は、WGMベースのマイクロ光学センサーの将来の発展のために奨励しています。特定のアプリケーションでは、すべての光、ファイバベースのneurophotonicインタフェースです。
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Disclosures
我々は、開示することは何もない。
Acknowledgments
この研究は、プロジェクトマネージャーとして博士J.スコットロジャースとの統合フォトニクス工学研究（暗号）プログラムにおけるセンターのもとで、米国国防総省の国防高等研究計画庁（DARPA）が主催しています。このレポートに記載されている情報は必ずしも位置または米国政府の政策を反映していないと公式承認を推論するべきではありません。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PDMS | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| Silica fiber | Fiber Instrument Sales | E-37AP15-FIS | |
| Barium Titanate (BaTiO3) nanoparticles | Sigma Aldrich | 467634-100G | |
| Laser Controller | ILX Lightwave | LDC-3724B | |
| DFB Laser | Agere | Agere 2300 | 1.310 μm central wavelength |
| Photodiode | Thorlabs | PDA10CS | |
| A/D Card | National Instruments | PXI 6115 |
References
- von Klitzing, W. Tunable whispering gallery modes for spectroscopy and CQED experiments. New journal of physics. 3, 14.1-14.14 (2001).
- Cai, M., Painter, O., Vahala, K. J., Sercel, P. C. Fiber-coupled microsphere laser. Optics letters. 25 (19), 1430-1432 (2000).
- Tapalian, H. C., Laine, J. P., Lane, P. A. Thermooptical switches using coated microsphere resonators. IEEE photonics technology letters. 14 (8), 1118-1120 (2002).
- Little, B. E., Chu, S. T., Haus, H. A. Microring resonator channel dropping filters. Journal of lightwave technology. 15, 998-1000 (1997).
- Offrein, B. J., Germann, R., Horst, F., Salemink, H. W. M., Beyerl, R., Bona, G. L. Resonant coupler-based tunable add-after-drop filter in silicon-oxynitride technology for WDM networks. IEEE journal of selected topics in quantum electronics. 5, 1400-1406 (1999).
- Ilchenko, V. S., Volikov, P. S., et al. Strain tunable high-Q optical microsphere resonator. Optics communications. 145, 86-90 (1998).
- Arnold, S., Khoshsima, M., Teraoka, I., Holler, S., Vollmer, F. Shift of whispering-gallery modes in microspheres by protein adsorption. Optics. 28 (4), 272-274 (2003).
- Rosenberger, A. T., Rezac, J. P. Whispering-gallery mode evanescent-wave microsensor for trace-gas detection. Proceedings of SPIE. 4265, 102-112 (2001).
- Ioppolo, T., Das, N., Ötügen, M. V. Whispering gallery modes of microspheres in the presence of a changing surrounding medium: A new ray-tracing analysis and sensor experiment. Journal of applied physics. 107, 103105 (2010).
- Ioppolo, T., Ayaz, U. K., Ötügen, M. V. High-resolution force sensor based on morphology dependent optical resonances of polymeric spheres. Journal of applied physics. 105 (1), 013535 (2009).
- Ioppolo, T., Kozhevnikov, M., Stepaniuk, V., Ötügen, M. V., Sheverev, V. Micro-optical force sensor concept based on whispering gallery mode resonances. Applied optics. 47 (16), 3009-3014 (2008).
- Ioppolo, T., Ötügen, M. V. Pressure tuning of whispering gallery mode resonators. Journal of optical society of America B. 24 (10), 2721-2726 (2007).
- Ioppolo, T., Ötügen, M. V. Effect of acceleration on the morphology dependent optical resonances of spherical resonators. Journal of optical society of America B. 28, 225-227 (2011).
- Ayaz, U. K., Ioppolo, T., Ötügen, M. V. Wall shear stress sensor based on the optical resonances of dielectric microspheres. Measurement science and technology. 22, 075203 (2011).
- Ioppolo, T., Ayaz, U. K., Ötügen, M. V. Tuning of whispering gallery modes of spherical resonators using an external electric field. Optics express. 17 (19), 16465-16479 (2009).
- Ioppolo, T., Stubblefield, J., Ötügen, M. V. Electric field-induced deformation of polydimethylsiloxane polymers. Journal of applied physics. 112, 044906 (2012).
- Manzo, M., Ioppolo, T., Ayaz, U. K., LaPenna, V., Ötügen, M. V. A photonic wall pressure sensor for fluid mechanics applications. Review of scientific instrumentation. 83, 105003 (2012).
