JP2012515350A - 光デバイス検査のための光イメージング - Google Patents

Abstract

光イメージング装置は、光周波数領域測定法（ＯＦＤＭ）に基づいて、ＤＵＴの内部またはＤＵＴ上の複数の位置における散乱データを時間の関数として収集する。光源は検査対象デバイス（ＤＵＴ）の中に光を投入し、ＤＵＴはＤＵＴに沿った１つ以上の位置で光を散乱する。光検出器は、ＤＵＴに沿った複数の位置のそれぞれで散乱された光の一部を検出する。データはＯＦＤＭデータ処理を使用して決定される。これらのデータは、ＤＵＴに沿った複数の位置のそれぞれにおいて収集された時間の関数として表された光量に対応する。データは、ＤＵＴに沿った複数の位置のそれぞれに対して記憶される。記憶された時間領域データに基づいて、ＤＵＴに沿った複数の位置のそれぞれにおいて散乱された光量を示すユーザ情報が提供される。ＯＦＤＭ処理によって、精細な時間分解能（例えば、０．１ピコ秒）が得られ、それによって、小さな光遅延距離（例えば、３０ミクロン）を分解することができる。また、精細な時間分解能と同時に、検出するべき少量の散乱（例えば、１０^−１２）の正確な検出が可能になる。

Description

本技術分野は、光測定に関するものであり、さらに詳細には、光導波路等の光デバイスの検査および／または試験における、光周波数領域反射測定法（ＯＦＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）の有利な新しい使用法に関するものである。

光回路は、光源、検出器、および／または、分岐（スプリッティング）、結合（カップリング）、合成（コンバイニング）、多重化、逆多重化、およびスイッチング等の機能を提供する導波路を含むが、これらに限定はされない。平面光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）（また平面導波路（Ｐｌａｎａｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）および光集積回路（ＰＩＣ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）としても知られる）は、光通信市場の内で急速に成長している部門であり、光多重化、光スイッチング、光増幅等のために現在使用されている光技術の大部分を、最終的には包含することになるであろう。平面光波回路（ＰＬＣ）は、ウエハの平面の中に製造されて動作する光回路である。ＰＬＣ技術は有利である。なぜなら、ＰＬＣ技術を使用することにより、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：ａｒｒａｙ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ）フィルタ、光アッド／ドロップ（ａｄｄ／ｄｒｏｐ）（逆）多重化装置、光スイッチ、モノリシックおよびハイブリッドの光‐電子集積デバイス等の多くの異なるタイプの光デバイスを形成することができるからである。光ファイバを使用してこのようなデバイスを形成するとすれば、それらは、典型的に非常に大きくなる、または全く実現不可能であろう。更に、ＰＬＣ構造は、シリコンウエハの上に大量生産することができる。

平面導波路は、ＰＬＣウエハをさいの目に裁断（ダイス：ｄｉｃｅ）し、ＰＬＣダイ（ｄｉｅ）の端に光ファイバをマウントすることにより試験される。光は第１の光ファイバを通してＰＬＣ構造の中に導かれ、第２の光ファイバを使用してその光を検出する。第２の光ファイバである光プローブに結合したフォト検出器は、フォト検出器に伝搬してきた光の電力を検出する。ＰＬＣが適切に動作する場合には、ファイバは永久的にＰＬＣに取り付けられて、ＰＬＣはパッケージの中に封入される。しかしながら、ＰＬＣが適切に動作しない場合には、そのユニットは廃棄され、時間、努力、およびダイスまたファイバマウントに対する出費、そして総合的に言ってデバイスを試験することは無駄になる。また近い将来には、高速エレクトロニクスにおける長距離（例えば、何センチメートルかの）信号キャリアとしての光導波路が出現するであろう。また表面プラズモン（ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ）に基づく技術の成長体も存在する。

米国特許第６，３７６，８３０号明細書、「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｇｕｉｄｅｄ ｗａｖｅ ｄｅｖｉｃｅ」 米国特許第６，９００，８９７号明細書、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ ｅｒｒｏｒｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ａ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ｎｏｎ−ｉｄｅａｌ ｔｕｎｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ」 米国特許第７，０４２，５７３号明細書、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｌｏｓｓ，ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ ａｎｄ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ」 米国特許第７，３３０，２４５号明細書、「Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ ｉｎ ａ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｓｃａｔｔｅｒ」 米国特許第７，３７９，１６８号明細書、「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈｏｕｔ ａ ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ」 米国特許第７，４４０，０８７号明細書、「Ｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｅｇｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｅｓｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｉｂｅｒ ｓｅｇｍｅｎｔ ｓｃａｔｔｅｒ ｐａｔｔｅｒｎ ｄａｔａ」 米国特許第７，５１５，２７６号明細書、「Ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ （ＯＦＤＲ） ｂｅｙｏｎ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｌｅｎｇｔｈ」 米国特許第７，５３８，８８３号明細書、「Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｆｉｂｅｒ」 米国特許第７，６３３，６０７号明細書、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ」

これらのタイプの光デバイスを試験することにおける別の挑戦は、損失した（光デバイスから逃げた）光量ばかりではなく、そのデバイスの中で光が失われている具体的な位置を判定することである。従って、これらの種々の光デバイスの動作性能の試験のために特化して設計され、また光損失の量および位置に関する具体的な情報を提供する試験装置が必要になる。

検査対象デバイス（ＤＵＴ：ｄｅｖｉｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｅｓｔ）の内部またはＤＵＴの上の複数の位置において時間の関数として収集した散乱データに対する、光周波数領域測定法（ＯＦＤＭ：ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）に基づいた光イメージング（画像化）の装置および方法が提供される。ＯＦＤＭは、光周波数領域反射測定法（ＯＦＤＲ）、透過型ＯＦＤＲ（ｔｒａｎｓｗｍｉｓｓｉｏｎ−ＯＦＤＲ）、および波長走査干渉測定法（ｓｗｅｐｔ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）を含む。光源は、検査対象デバイス（ＤＵＴ）の内部に結合する光を提供し、ＤＵＴはＤＵＴに沿った１つ以上の位置で光を散乱する。１つの実施例では、光源からの光は、ＤＵＴの中に光を散乱することによりＤＵＴの中に投入（ｌａｕｎｃｈ）することができる。光検出器は、ＤＵＴに沿った複数の位置のそれぞれにおいて散乱光の一部分を検出する。ＤＵＴから散乱光を収集する光学部品はＤＵＴのエバネッセントフィールドの外部に位置していることが望ましい。しかしこれは必ずしも必要ではない。データは、ＯＦＤＭデータ処理を使用して判定される。それらのデータは、ＤＵＴに沿った複数の位置のそれぞれにおいて収集され、時間の関数として表された光量に対応する。データはＤＵＴに沿った複数の位置のそれぞれに対して記憶される。ＯＦＤＭ処理によって、精細な時間分解能（例えば、０．１〜３ピコ秒）が可能になり、これにより小さな光遅延距離（例えば、３０ミクロン〜１ｍｍ）を分解することが可能になり、また、精細な時間分解能と同時に、検出するべき少量の散乱（例えば、１０^−９から１０^−１２）の正確な検出が可能になる。

記憶された時間領域データに基づいて、ＤＵＴに沿った複数の位置のそれぞれにおいて散乱された光量を示すユーザ情報が提供される。１つの実施例では、ユーザインタフェースは、ＤＵＴの中に投入された光の移動を、記憶された時間領域データに基づいて、ＤＵＴに沿って伝搬する光として表示する。ユーザインタフェースはまた、ＤＵＴによって散乱された光の強度または輝度を、光が光源から投入されたときから経過したある特定の時刻において、記憶された時間領域データに基づいて示すことができる。ＤＵＴによって散乱された光の強度または輝度は更に、ＤＵＴに沿った複数の位置において、ＤＵＴに沿って移動する、算出された光パルスとして、記憶された時間領域データに基づいて示すことができる。これは、やはり光検出器で検出されるＤＵＴのクラッドモード（ｃｌａｄｄｉｎｇ ｍｏｄｅ）光から判別可能な様式で示すことができる。いくつかの応用では、ユーザインタフェースは、算出された光パルスがＤＵＴを通して移動をする姿を、ＤＵＴを通して光が伝搬する実際の速度よりも遅い速度で示す。

ＤＵＴは、光学的に試験可能な任意の種類の材料またはデバイスであってよい。限定的でない実施例は、平面導波路光回路（ＰＬＣ）または光集積回路（ＰＩＣ）、ゼラチン導波路、または表面プラズモン導波路を含む。１つの実施例では、ＤＵＴは、ウエハの上に形成された複数の平面導波路光回路（ＰＬＣ）を含む。光イメージング装置は、ウエハの上のＰＬＣを個別のＰＬＣダイに分割することなく、ウエハの上の各ＰＬＣを試験する。

ＤＵＴによって散乱された光を検出するための複数の位置は、１つの実施例では、１０００の位置を超える。別の実施例では、複数の位置は、時間を通してＤＵＴに沿って散乱光の光強度の１２８×１２８の画像を作り出すのに十分である。１つの実施例では、光検出器としてＣＣＤアレイを使用することにより、ＤＵＴに沿っての散乱データの２次元画像を時間の関数としてとして検出する。

１つの特定な実施例は、ＤＵＴに沿った複数の位置のそれぞれにおいて時間の関数として収集した光量に対応したデータがＤＵＴのインパルス応答の測定値に対応する場合である。ＯＦＤＲ処理回路は、複数の位置のそれぞれに対する光強度に関連したＤＵＴ位置データを生成し、メモリは、複数の位置のそれぞれに対する光強度に関連したＤＵＴ位置データを記憶する。ＯＦＤＭ処理は、フーリエ変換を使用して、ＤＵＴを通しての光のパス（ｐａｔｈ）に対する時間領域インパルス応答を算出する。

１つの実施例は、光検出器の下にあるＤＵＴを移動させるように構成された平行移動ステージ（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ）を使用することができ、光検出器はＤＵＴに近接して位置した光ファイバであってよい。あるいは、複数のファイバ検出器を使用して散乱光を検出することもできる。

別の実施例は、ＤＵＴに沿った複数の位置のそれぞれにおいて散乱光を捕捉するように構成された走査ミラー、および対物レンズを使用することができる。

更に別の実施例では、電子的移動装置によって、ＤＵＴの複数の位置に自動的に光検出器を移動させる。

透過型（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）波長走査干渉測定システムを使用して平面光回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を観測して試験する手順の実施例を示す限定的でないフローチャートである。 平面光回路（ＰＬＣ）を観測して試験するための透過型波長走査干渉測定システムの限定的でない実施例を示す図である。 図２ＡのＯＦＤＲシステムのいくつかの部分を単一のＯＦＤＲ機能ブロックで置換した場合の限定的でない実施例を示す図である。 ステージがＤＵＴを移動させるようにした場合のＰＬＣ光プローブ構成の例を示す図である。 ＤＵＴは静止していて走査は指向方向が可変な鏡（スティーラブルミラー）によって実行される場合の、ＰＬＣ光プローブ構成の別の実施例を示す図である。 ファイバの先端（ｔｉｐ）がＰＬＣからの散乱光を直接に捕捉する、初期試験のために使用する実施例を示す図である。 ＰＬＣ導波路表面の特定の位置で行った時間領域ＯＦＤＲ測定を使用して得られた散乱光強度または電力を時間に対して示したグラフの１例を示す図である。 点の行列の形をしたＯＦＤＲ測定データの構成を示す３次元グラフの１例を示す図であり、ここでは、３次元のうちの２次元は空間であり、第３の次元はＤＵＴに対する光パルスの送信と検出との間の時間である。 時系列の３つのフレームの１例を示す図であり、集積光チップ（ｃｈｉｐ）を通して伝搬する導波路光パルスを示している。 ＤＵＴは静止していてイメージングはスティーラブルミラーおよび複数の受信ファイバによって実行される場合の、ＰＬＣ光プローブ構成の別の例を示す図である。 ＤＵＴの中のブラッグ回折格子からの散乱を測定する場合の１例を示す図である。 複数のＰＬＣチップを持つＰＬＣウエハの１つの実施例を示す図である。 ＰＬＣウエハへの適用例に使用することができるスキャッタイン（ｓｃａｔｔｅｒ−ｉｎ）およびスキャッタアウト（ｓｃａｔｔｅｒ−ｏｕｔ）の実施例を示す図である。 ＰＬＣウエハへの適用例に使用することができる、散乱結合を強化するために導波路を終端する例を示す図である。 ＰＬＣウエハへの適用例に使用することができる、スキャッタインおよびスキャッタアウト測定を容易にするために放射結合回折格子を組み入れる例を示す図である。 オンチップおよびチップツーチップ光通信の実施例を示す図である。 走査ＯＦＤＲ顕微鏡に光学的位置センシングを使用する例を示す図である。 プロテオミクスおよび他の生物学的応用のための、水成（ａｑｕｅｏｕｓ）およびゲル（ｇｅｌ）を基本とした導波路への適用例を示す図である。 ２次元導波路における親和層（ａｆｆｉｎｉｔｙ ｌａｙｅｒ）に対してターゲットが結合したときの位相フロントの遅れ／進み（ｒｅｔａｒｄａｔｉｏｎ／ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ）の例を示す図である。 ウエハの上に形成された複数の表面プラズモン導波路への適用例を示す図である。 ＣＣＤイメージングアレイ使用して導波路を観測して試験するための透過型波長走査干渉測定システムの限定的でない実施例を示す図である。

以下の記述は、特定な実施形態、手順、技術等の具体的詳細を述べたものである。これらは説明の目的であって限定の目的ではない。しかし、当業者には、これらの具体的な詳細とは別の実施形態も使用することができると理解されるであろう。以下で説明するように、記述では、ＯＦＤＲは反射測定法（ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）という単語を含むという事実に拘わらず、透過型（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ）ＯＦＤＲシステムを仮定している。このＯＦＤＲの状況の中で記述される原理および技術は、他のタイプの干渉測定法（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｍｅｓｕｒｅｍｅｎｔ）システム（光ベクトルアナライザ（ＯＶＡ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｖｅｃｔｏｒ Ａｎａｌｙｚｅｒ）および分布光ファイバセンシングシステム等）においても使用することができる。この応用例で使用するＯＦＤＲは、反射型（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）および透過型ＯＦＤＲの双方を含む。従って、光周波数領域測定法（ＯＦＤＭ）という用語もまた、全ての光測定技術（光ベクトル解析、反射型および透過型ＯＦＤＲ、波長走査干渉測定法（ＳＷＩ：Ｓｗｅｐｔ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）等を含む）を包含して使用される。いくつかの事例では、不必要な詳細によって記述を不明瞭にしないために、公知の方法、インタフェース、回路、およびデバイスに関する詳細な記述は省略してある。さらに、図面のいくつかでは、個別のブロックが示されている。当業者は、これらのブロックの機能は、個別のハードウェア回路を使用して、ソフトウェアプログラムおよびデータを、適切にプログラムされたディジタルマイクロプロセッサまたは一般目的コンピュータと連携して使用して、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を使用して、および／または１つ以上のディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）を使用して実施することができると理解するであろう。

波長走査干渉測定法（ＳＷＩ）は、Ｌｕｎａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社によって開発された光周波数領域反射測定法（ＯＦＤＲ）の１つのタイプであり、時間における高い分解能（＜１ｐｓ）と高い光パワー検出感度（＜−１３０ｄＢ）を提供する。ＳＷＩ技術は、例えば、米国特許「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｔｒａｉｎ ｉｎ ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ」や特許文献１〜９に記述されている。これらの開示は、参照によって本明細書の中に組み入れられる。

本出願の発明者は、ＳＷＩの能力をこのように組み合わせる（高い分解能および感度）ことにより、ＳＷＩは、ＰＬＣの中の導波路から散乱された少量の光を検出することができるとともに、またＰＬＣの中の任意の特定の位置における光の到着時刻を分解することができることを意味するということを実感した。この時間測定によって、システムは、光パルスがＰＬＣ導波路または他の光システムを通して移動する様子を観測することができる。透過、反射、および散乱のイベントは、分散等の光に対する他の効果と共に、導波路を通して光が移動するときに観測することができる。信号レベルが十分に高い場合には、導波路の中の点の間の振幅および位相の伝達関数を求めることができ、光平面導波路デバイスがダイスされて処理される以前に、これらの伝達関数を使用してこの光平面導波路デバイスを特徴付けることができる。更に、厳密にポート間ではなくて、デバイスの中で生ずる伝達関数を調べる機能によって、そのデバイスの中の問題のエリアをより迅速に識別することが可能になるであろう。

ＯＦＤＲシステムは、通常は反射された光を検出して処理する（光周波数領域反射測定法という名称を持つ所以である）が、本発明者は、ＯＦＤＲの原理は、透過光に対しても等しく十分に役に立つということを発見した。ここでは光が検査対象デバイス（ＤＵＴ）の中に入力されて、そして、ＤＵＴを経由して透過する（ＤＵＴによって反射されるのではなくて）光が、透過している間に検出される。次に図１を参照すると、これは、ＯＦＤＲ等の透過型波長干渉測定システムを使用して、ＤＵＴ（１つまたは複数の平面光回路（ＰＬＣ）等）を観測して試験するための手順の限定的でない実施例を示すフローチャートである。

最初に、「走査した」または１系列の波長を通して同調を取った（すなわち、可変同調（チューナブル）レーザを使用して）光は、検査対象デバイス（ＤＵＴ）の中に入力され、ＤＵＴはＤＵＴに沿った１つ以上の位置で光を散乱する（ステップＳ１）。ＤＵＴに沿った複数の位置のそれぞれで散乱された光の一部が検出される（ステップＳ２）。ＤＵＴに沿った複数の位置のそれぞれで検出された光量に対応した時間領域データは、ＯＦＤＭ処理回路を使用して時間の関数として求められる（ステップＳ３）。ＤＵＴに沿った複数の位置のそれぞれに対する時間領域データは時間の関数としてメモリの中に記憶される（ステップＳ４）。そして、ＤＵＴに沿った複数の位置のそれぞれで散乱された光量を示す情報は、記憶された時間領域データに基づいて、ユーザに提供される（ステップＳ５）。

図２Ａは、平面光回路（ＰＬＣ）を観測して試験するための透過型波長走査干渉測定システムの限定的でない実施例を示す。このＯＦＤＲ透過モードでは、光ベクトルアナライザ（ＯＶＡ）を使用してＤＵＴ３８の光特性を試験する。制御装置およびユーザインタフェース１０は表示装置を含み、可変同調レーザ１２およびデータ捕捉システム１４に結合する。電気接続は太線で示し、光接続は細線で示してあることに注意を要する。制御装置およびユーザインタフェース１０は、ある波長範囲にわたってレーザ１２を同調させるまたは走査する。入力してくるレーザ光の少量の部分（＜１０％）は、スプリッタ１６のところで分離されて、レーザ監視ネットワーク２０に送られる。送られた光の光強度は、フォトダイオード２４によって検出され、レーザ波長の変化が高確度かつ高精度で測定される。また一部はガスセルに送られ、その光強度はフォトダイオード２６によって検出され、高確度で絶対波長が確定される。残りの光はその後に、基準光と測定光とに分割される。基準光はＯＶＡの内部に停まり、溶融テーパ結合器４２を使用して、受信された測定光と合成され、干渉縞を生成する。ファイバ結合偏波ビームスプリッタ４４を使用して、２つの直交した偏波状態にある光をｓ検出器４６およびｐ検出器４８（例えば、ＰＩＮダイオード）に導く。偏波制御装置３０は、ｓ検出器４６およびｐ検出器４８の上のＤＣレベルが近似的に等しくなるように調整される。測定光は、偏波制御装置３２を介して、さらに適切な光接続メカニズムを通してＤＵＴ３８（例えば、ＰＬＣ）の内部に結合する。偏波制御装置３２よって、結合光の偏波状態を変化させることができる。ＤＵＴ３８から散乱された光は、収集されて、結合器４２に接続された検出ファイバ３６の中に導く。

１つの限定的でない実施例では、２次元移動ステージが、制御および表示ユニット１０によって制御されたモータを使用して移動され、光検出器の下にあるＤＵＴ３８を走査する。これは、検出器がＤＵＴに沿った複数の点の異なった１つ１つに近接した位置に行くように、ＤＵＴを移動させることにより行う。図２Ｂは図２Ａの限定的でない実施例を示す。図２Ｂでは、図２ＡのＯＦＤＭシステムのいくつかの部分が、ソースポートおよび検出器ポートを持つ単一のＯＶＡ機能ブロック５０で置換されている。ソースポートは、偏波制御装置３２を介して、モータ駆動の移動ステージ４０の上にあるＤＵＴ３８に接続される。ＤＵＴ３８からの測定光は検出ポートに供給される。

図２Ａおよび図２Ｂに示したシステムは、高精度機械的測位システムに結合した高感度のＯＦＤＭシステムを組み入れてイメージングシステムを形成している。ＯＦＤＭシステムは、可変同調レーザ１２をある波長範囲にわたって走査し、高速データ捕捉システム１４を使用して４つの光検出器２４、２６、４６、および４８のところで光応答を記録することにより動作する。レーザ監視ネットワーク２０からの信号は、これを使用して可変同調レーザ１２の周波数の変化を高精度に測定し、これにより、他の３つの光検出器２６、４６および４８からの信号に対して高確度の相対周波数ラベルを提供する。ガスセル２２信号は、正確でかつ安定な絶対波長基準を提供し、これにより、ｓ検出器４６およびｐ検出器４８からの信号には、高確度の相対波長または周波数とともに高確度の絶対波長または周波数を持つラベルが与えられる。ｓ検出器およびｐ検出器は、２つの偏波成分の測定値を提供し、これにより、全ての偏波状態に対して、また偏波状態の変化を示すいくつかの尺度に対して、効率のよい検出が可能となる。この正確な絶対波長／周波数ラベルは、本出願の中の技術のいくつかの（しかし全てではない）適用で必要である。これらの正確な周波数ラベル、および４６および４８のところで検出されたそれらに対応したｓおよびｐの光データを使用して、フーリエ変換によって、ＤＵＴ３８を通した光パスに対する時間領域インパルス応答が算出される。フーリエ変換は、キャビティの長さ（または光パスの差）とその自由スペクトル領域（ｆｒｅｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｎｇｅ）との間の関係を反映する。言い換えれば、光パスの差の長さが増加すると、レーザ周波数の関数として表した干渉縞の周波数は増加する。従って、走査レーザからの干渉パタンのスペクトルを見た場合に、短いパスは低い周波数と見えるであろう。また、長いパスは高い周波数と見えるであろう。ｓおよびｐのデータは、再び標本化（サンプリング）することができ（例えば、米国特許第５，７９８，５２１号に記述されている。これは参照により本明細書の中に組み入れる）、それらは等しい周波数増分となり、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用して時間領域インパルス応答を算出することができるようになる。

ＤＵＴから散乱される光を収集する光学部品は、ＤＵＴのエバネッセントフィールドの外部に位置することが望ましい。光検出器３６の１つの限定的でない実施例は、図３に示すファイバ結合顕微鏡対物レンズ５６を含むことができる。レンズは、コリメータ５４を介してＯＶＡの検出器ポートにファイバ結合する。ファイバ結合顕微鏡対物レンズのこの限定的でない実施例は、より遅い更新速度を提供するものであるが、より高い分解能でより長い機械的走査範囲（例えば、数１０ミクロンかの分解能で何センチメートルかの走査範囲）を提供する。この実施例は、走査されるデバイスがイメージングレンズ５６（顕微鏡対物レンズ）の視野よりも大きい場合に有利である、これは、大きなＰＬＣデバイスまたはウエハの中に埋め込まれたＰＬＣデバイスの場合にしばしばあり得ることである。

光検出器３６の別の限定的でない実施例は、図４に示すように、スティーラブルスキャンニングミラー６２および対物レンズ６０を含むことができる。制御装置１０は、走査ミラー６２の指向方向を制御してＤＵＴに３８に沿った異なる位置からの散乱光を検出することができる。この様式では、移動ステージを使用する実施例と比較して、より迅速に画像を捕捉することができる。しかし走査の空間的な範囲は、ミラーで可能な偏向によって限定される可能性がある。マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）は走査ミラーの１つの例である。このようなＭＥＭＳミラーの視野は調整することができる。この調整は、ズームレンズを使用すること、またはこれらの光学部品を置換することによりイメージング光学部品を変えることで行う。

本発明者が試験して成功した限定的でない実施例を図５に示す。ここではファイバの劈開した端面を光検出器として使用して、システムの焦点合わせおよび光学部品のマウントの必要性を回避している。しかし、光収集の効率に対しては影響を受ける可能性がある。劈開したファイバの先端３６の下にあるＰＬＣ３８を移動させて複数の位置で光集積回路の中の導波路６６を走査するために、モータ駆動の光移動ステージ４０を使用した。ＰＬＣの上部にある検出ファイバ３６の各位置で、透過型ＯＦＤＲ／ＯＶＡ５０を使用して測定を行った。その結果、透過型ＯＦＤＲ／ＯＶＡ５０のソースポートからＯＦＤＲ／ＯＶＡ５０の検出ポートまでのシステムの複素値（実数部および虚数部）時間応答が得られた。そして、ＤＵＴ３８に沿った各点で、検出された光強度または輝度は時間の関数として算出される。図６は、ＤＵＴに３８に沿った点に対して時間の関数として表した、検出された光強度または輝度を示す限定的でないグラフの例である。検出ファイバの先端３６から透過型ＯＦＤＲ／ＯＶＡ５０の検出ポートまでのファイバの長さは一定に保たれているので、検出された光パルスの到着時刻のいずれの変化も、検出ファイバの先端の、走査されているＰＬＣに対する相対的な位置の変化によって引き起こされるはずである。この測定は、ＤＵＴに沿った複数の点で繰り返され、３次元セットのデータが構成される。このデータのセットは、ＰＬＣから散乱された光の強度の、ＯＦＤＲ／ＯＶＡ５０から光が投入された時刻に対する相対的な値を表している。

全ての時間領域走査は、３次元行列に置くことができる。ここで、１次元は、光パルスの放出とＯＶＡ検出器へのその到着との間の時間にマッピングされる。他の２次元は、ｘ‐ｙ空間にマッピングされ、ＤＵＴに沿った位置を同定する。このタイプの行列データ構成の事例を、概念的に図７に示す。光パルスは位置ｙ＝０に入力される。光パルスがｘ‐ｙ平面の上で導波路に沿った複数の点のそれぞれに移動したときに、散乱光の強度は各点で時間の関数として測定される。図７において、光パルスに対応した強度波形は、ｙ軸により近い点における時間測定に対して時間軸に沿って更に「移動」している（この場合は、上に移動していると示されている）。複数のＤＵＴの点に対する時間測定は、動画像のアセンブリであると考えることができる。ここでは、ある時刻における光信号の振幅は、映画の最初のフレームの１つのピクセルの中の強度である。ゼロに１つのインデックスを加えた時刻における光信号の振幅は、映画の２番目のフレームの中の同一のピクセルの強度である。走査（例えば、２０ｎｍと仮定する）に対する時間増分の限定的でない実施例は、４００フェムト秒であってよく、これは、十分によい時間分解能を与え、これにより、デバイスを通しての光の伝搬を人が観測できるようになる。４００フェムト秒の長さの光のパルスは、空気中では約１２０ミクロンの長さになり、石英の中では約８０ミクロンの長さになるであろう。この８０ミクロンという寸法は、試験される導波路の長さと比較してずっと短く、その結果、このシステムを使用して導波路を通してのパルスの伝搬を観測することができる。

空間にマッピングされたデータを２次元強度プロットとして表示し、時間の関数としてフレームをシーケンスに並べることにより、導波路を通して伝搬する光の動画像を生成することができる。このような「映画」の３つのフレームを図８に示す。このような動画像を静的な資料の中で示すことは困難ではあるが、図８は、いくつかのフレームを含めることにより、動画像の趣を捉えようと試みている。この事例に対してＤＵＴとして導波路回折格子光チップを使用した場合の、透過型ＯＦＤＲによる初期試験では、光がファイバ入力から投入されて、導波路回折格子光チップ表面に殆ど接触しているＳＭＦ‐２８と同様のファイバで収集される場合には、損失が約８０から１００ｄＢであるということが示される。最上部のフレームから最下部のフレームまで、光パルスが導波路の傾斜を下って移動して行くのを見ることができる。また、相当大量の散乱がチップの上の導波路の外部で検出され、これは、導波路から何ミリメートルかの所でさえも、導波路クラッドの中の２次元モードで検出されているということも示されている。クラッドモード（ｃｌａｄｄｉｎｇ ｍｏｄｅ）の境界の内の１つの境界は、ガラスの表面であるので、散乱されて外部に出る（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｏｕｔ）このモードは、それがクラッドの中で非常に少量の光であるとしても、それを非常に明るく（大きな信号）際だたせることに対して大きな効果がある。それでもなおこの画像は、観測者がクラッド光を、導波路を下に移動して行くパルスから明確に弁別することを可能にしている。クラッドの中の光は、散乱されて非常に効率よく導波路の外部に出るので、もし到着時刻が分解できないとすれば、導波路の内部を移動して行く光からの信号をこの光が凌駕している可能性がある。従って、光の到着時刻を分解できないイメージング技術では、導波路の中の光を明確に観測することはできないであろう。そして、ＤＵＴの試験における主要な関心事はこの光である。

このような画像の捕捉の速度は、第１にはＯＦＤＭシステムの走査速度の関数である。動画像の捕捉の速度を上げるためには、１つ以上のファームウェアでのデータ低減アルゴリズムを実施することが望ましい。しかしこれは必要であるということではない。例えば、現在のＯＦＤＲシステムは、１００ｎｍ／ｓで走査するときには‐１３０ｄＢの感度を有する。そして本発明者は、１０００Ｈｚの走査速度を達成した。ここでは全データが変換され、透過型で約０．２ｍの長さをカバーしている。この実施例の速度で、かつ限定的でない速度として、５００×５００ピクセルの画像ならば約５分かけて捕捉できるであろう。この画像は実際には一連の画像であって、フォトニック回路を通しての光伝搬に関する関連する情報を有する５００もの多くのこれらのフレームから成る。この関連するフレームは、光パルスがＤＵＴに入力されたときから観測可能な光の最後のビットがＤＵＴから出力されるときまでのフレームを含む。

光は、それぞれの走査の間に、多くの点で散乱されてＰＬＣの外部に出るので、完全な画像は単一の走査でも収集することができるであろう。しかしながら、このような測定を達成するためには、多くの数の別個のチャネルと並行した操作とが必要になり、例えば、１つの５００×５００画像に対しては、２５０，０００の別個のチャネルが量子化されて変換される必要がある。仕事量を低減する中間的な手法を使用することができ、これを図９に示す。ここでは、ＯＶＡ５０の検出器側には複数のファイバ３６ａ〜３６ｄ（４つ示してある）があって、各ファイバは、対応したコリメータ６４ａ〜６４ｄを介して、ＰＬＣ表面の上の特定な点の時間応答を測定する。図示された４つのチャネルａ〜ｄは、測定を４倍の速度を上げて、限定的でない例として、５００×５００ピクセル画像の上記の走査時間を５分から約１分に低減する。

また、信号を時間遅延多重化（ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）することも可能である。これは、ＰＬＣ応答の継続時間は１ｎｓよりも長くなる場合はまれであると考えられ、そしてＯＦＤＭシステムは３００ｎｓの使用可能範囲（限定的でない例として）を有する可能性が高く、これは、ゼロから６０メートルまでのパスの長さを収容することができるということを意味するからである。問題とする多くのデバイスはこれより小さいので、複数の検出ファイバを使用することができ、各検出ファイバはユニークな遅延を有し、そしてそれらの全ては、ＤＵＴにおける最も長い遅延よりも実質的に長い遅延で分離される。従って、各検出器ファイバは全長６０メートルの長さの中に「スロット」を有し、このスロットの中にそれらのインパルス応答信号が存在する。この時間遅延多重化の手法に関わる問題点は、検出ファイバからの光信号の合成で、実行上損失のない方法が必要である点である。例えば、１０のファイバ信号を合成するとすれば、その結果は、電力における損失は１０倍になる。なぜならば、光合成器は本来光の損失を伴うからである。このような損失は重大ではあるが、時間遅延多重化の手法は、システムが「光が欠乏している（ｌｉｇｈｔ−ｓｔａｒｖｅｄ）」状態でない場合の適用に対しては有用である可能性がある。

限定的でない実施例として、８チャネルの実施形態は、１チャネルの実施形態と比較して、必要な信号捕捉帯域幅が低減されることにより得られる利益が相当に大きい。２５ｃｍの範囲を考慮すれば、１００ｎｍ／ｓの走査は最高周波数３１ｋＨｚを与える。オーディオ変換に対しては、この帯域では、高価でなくかつ高品質のＡ／Ｄ変換器を得ることができる。帯域幅が低減されるということはまた、基準光として要求される光パワーがより低くて済むということを意味し、これは、量子限界に至り、本質的に、単一のフォトンも検出することができるということを意味する。

この技術の別の可能な応用は、光ファイバの測定への応用であり、光ファイバの内部に特徴がある。ブラッグ回折格子を光ファイバの中に「書き込む」ことができる。この応用は、回折格子の上に入力する光パルスとその回折格子からの散乱とを直接観測することができるという点に利点がある。図１０はＤＵＴの中のブラッグ回折格子からの散乱を測定する１つの実施例を示す。

上記で記述した実施例は、ソース光は光ファイバを取り付ける標準的な方法を使用して導波路の中に結合させると仮定して、導波路の外に散乱する光を収集する。いくつかの場合には、以前に記述したレンズを基本とした光学部品と同一のタイプの光学部品を使用して、導波路の表面の上部から導波路の中に光を導入し、ＤＵＴの上の単一のスポットの中に光の焦点を当てることにより、また、導波路の外に光を散乱させるメカニズムと同様のメカニズムを使用して導波路の中に光を結合させることにより光を収集することが有利である可能性がある。導波路の中に光を結合させるこの方法は、デバイスをウエハから取り外す必要がなく、導波路の中に光を結合させるコネクタを使用する必要がないという利点を有する。

平面光回路（ＰＬＣ）はシリコンウエハの上に製造することができる。これは、導波路、および種々の製作処理を使用してウエハの上に蒸着した他の構造物とともに製造される。図１１に示すように、ウエハ製作の最後には、複数のＰＬＣデバイスがウエハの上に存在する。単一のウエハは、その上に製作された５０から２００の個別のＰＬＣデバイスを有することができる。各ＰＬＣデバイスは切り分けて、または「ダイス」して、試験しなければならない。このタイプの写真食刻によるＰＬＣ製作は、通常は１００％の歩留まりは有さず、従って、ウエハの上のＰＬＣの多くは欠陥があるであろう。ダイシングして、いずれかの更なる処理を行う前に欠陥がある光素子またはデバイスを識別することができれば、それは非常に有利なことであろう。これは、ウエハ生産後の費用は、最終的な素子の総合的な費用の相当大きな部分を表すからである。

図１２は、内部に散乱（ｓｃａｔｔｅｒ−ｉｎ）および外部に散乱（ｓｃａｔｔｅｒ−ｏｕｔ）の実施例を示す。これはＰＬＣウエハへの応用例の中で使用することができる。光は、図１２に示すように導波路の中での散乱を使用して、導波路の内部に、および外部に結合することができる。ソースポートから出てくる光は、ＰＬＣの中の導波路の中のスポットの上に焦点が当てられる。導波路の中の不完全性は、何パーセントかの光が導波路の導波モード（ｇｕｉｄｅｄ ｍｏｄｅ）に結合することを誘起する（本明細書ではスキャッタイン技術と呼ぶ）であろう。同様に、この光は導波路に沿って導かれる間に、光のどのくらいかの部分は、放射モード（ｒａｄｉａｔｉｎｇ ｍｏｄｅ）に結合するであろう。また、この光は導波モードを励起しているので、これはスキャッタアウト技術と呼ぶ。一様に分布した散乱を仮定した場合の収集効率は、次式で示される。

ここで、κは結合効率（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）であり、ＮＡは図１２の中の２つの対物レンズのニューメリカルアパチャ（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）であり、そしてｎは導波路の屈折率である。この式を使用すれば、対物レンズのＮＡ０．３は、２０ｄＢの捕捉損失（ｃａｐｔｕｒｅ ｌｏｓｓ）または１パーセントの結合効率を与える。

散乱効率（ｓｃａｔｔｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は、導波路の中の単位距離当たりの損失から推定することができ、一般的にはｄＢ／ｍで与えられる。石英デバイスに対しては、これは１ｄＢ／ｍ程度にまで低くすることができる。散乱効率γは次式で与えられる。

ここで、Δは空間的分解能、または導波路の長さであり、その長さにわたって散乱光が捕捉される。そしてρは、散乱によって誘起される損失であり、単位長あたりのｄＢで表される。

図１２に示すように、パスに対するソースコリメータからの損失は、ソース対物レンズを通して、導波路の中に、導波路を通して、導波路の外へ、検出器対物レンズを通して、および検出器コリメータの中へというものがあり、２×２０＋２×５６＝１５２ｄＢとなる。ＯＦＤＭに基づいたシステムでは、このレベルまたはそれ以上の感度は可能であり、また、ＰＬＣの上の任意の点からＰＬＣの上の他の任意の点までの散乱情報も得ることができる。しかしながら、デバイスの入力からＰＬＣの出力までの伝達関数は、１つの焦点である可能性が高い。これは、この伝達関数は、通常の使用の場合のデバイスの動作特性を決定するからである。導波路の入力ポートと出力ポートとの間の（すなわち、導波路の２つの端面における）伝達関数測定はまた、導波路の中の他の任意の点の間の測定と比較すれば行うことは典型的にはより容易である。

図１３は、散乱結合を増強するために導波路を終端する例を示す。これはＰＬＣウエハへの応用例の中で使用することができる。導波路６６の終端は不連続を与え、これを使用して、導波路の中により多くの光を散乱させることができる。ダイシング線の左に位置するウエハの部分は、デバイスがファイバに接続される時には廃棄されるので、ＰＬＣデバイスの最終特性に影響を与えることなく、所望の構造物をこの領域の中に設置することができる。従って、導波路構造は変更することができ、これにより、導波路モードへの散乱を増加させ、結合損失を低減することができる。１つの限定的でない実施例に関して上記で推定された値は、変更を加えない導波路に対して約５６ｄＢであった。散乱損失を増加させる１つの手法は、導波路６６のドーピング密度を増加し、それにより。散乱サイト（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｓｉｔｅ）として動作する欠陥の数を増加させることである。

導波路の終端においてより高いレベルの導波路モードへの散乱を達成する手法の別の例は、導波路の終端で空間的パタンを生成して、一種の回折格子を形成することである。図１４は１つの実施例を示す。この実施例は、放射結合回折格子（ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｇｒａｔｉｎｇ）を組み込むことにより、ＰＬＣウエハへの応用例の中で使用可能なスキャッタイン測定、スキャッタアウト測定を容易にしている。回折格子は導波モードを自由空間モードまたは放射モードに結合させる。多くのファンドリは、放射モードに結合させるための高効率な回折格子を作るために要求される１０００ｎｍフィーチャサイズ（ｆｅａｔｕｒｅ ｓｉｚｅ）を達成することができない。しかし、より長い周期を持つ回折格子は、より高次の高調波における回折格子を生成する可能性が高く、この高次の高調波は、導波路モードに結合するであろう。弱い高調波でさえも、結合の重要な改善を与えることができる。

オンチップ（ｏｎ−ｃｈｉｐ）通信およびチップツーチップ（ｃｈｉｐ−ｔｏ−ｃｈｉｐ）通信に対する光導波路の開発が進められている。オンチップ導波路６６を図１５に示す。高速の光相互接続には、これらの新しい光学的構造の動作を特徴付けてその動作が機能するようにするための新しい計測が必要になる可能性が高い。ソースおよび検出器は、チップの中に完全に埋め込まれていると考えられるので、光接続（ファイバ接続）を試験する伝統的な手段はうまく動作しないであろう。上記で記述したようなスキャッタインスキャッタアウトの手法は、この問題に対する１つの解決策である。埋め込まれたレーザダイオード８０と光導波路６６との間のインタフェースの上にソース光の焦点を置き、検出器光の焦点を検出器ダイオード８２と光導波路６６との間のインタフェースの上に置くことにより、損失を検査し、これらの２つの点の間の光接続の遅延を検査することができる。いくつかの実施例の場合では、チップの間には、マイクロファイバ導波路８４および８６を使用した光接続を使用することができる。これらのマイクロファイバは、１つの半導体チップの上の光源ダイオードレーザ８０から異なる半導体チップの上のダイオード検出器８２へと光を導く。これらのマイクロファイバは、距離が短いので（何１０センチメートル程度の長さ）、比較的損失が多くてよい。損失は主として散乱から生ずるので、マイクロファイバはスキャッタインスキャッタアウト測定に対してよい機会を提供する。

いくつかの事例では、光学的位置センシングは、主として光素子（特に光源）の費用が比較的高いという理由で、費用効率がよくない可能性がある。しかしながら、光学的位置センシングは、容量位置センシングまたは誘導位置センシングと比較して、より広い範囲にわたって動作するという利点を有してはいる。また、光学的位置測定を使用すれば非常に高い分解能の測定が可能である。非常に高精度の光学部品および光源は、上記で記述した実施例システムの中に既に存在しているので、１つ以上の位置センサを追加することは、それが、実質的にシステムの総合的費用に追加されるということにはならないであろう。図１６は走査ＯＦＤＭ顕微鏡の中で光学的位置センシングを使用した１例を示す。図１６に示した各コリメータは、ＯＦＤＲ干渉計（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）の１つのポートである。光はコリメータの表面とＤＵＴの表面との両方から反射されるであろう。ＯＦＤＲを使用すれば、この距離は１０ｎｍよりよい分解能で分解することができる。距離が非常に短くまた反射は比較的に大きいので（固有に存在する導波路散乱と比較して）、これらのＯＦＤＲポートのそれぞれを駆動するためには、少量のレーザ光が要求されるだけである。ＯＦＤＲを使用した距離測定では、測定されるデバイスに対して物理的な接触を行わずに、比較的長い距離（数センチメートル）および高い分解能（数１０ナノメートル）を得ることができる。

本出願における技術はまた、シリコンデバイスを特徴付ける完全に新しい手法を提供する。半導体を通過する光の伝搬の時間領域での観測は新しい情報を提供する。例えば、もし、半導体デバイスが４５ｎｍ（シリコンにおける１５５０ｎｍ光の波長の１０分の１）のスケールで製作されているとすれば、最も小さな構造を直接観測することは不可能であろう。しかしながら、半導体は、しばしば、その構造を何１００回から１００万回も繰り返した形で製作される。これらの構造は非常に規則正しく形作られているので、本出願の中の技術を使用すれば、秩序正しい回折パタンが直ちに測定されるはずであり、また、その回折パタンを解析して正しい基盤構造を確認することができる。本明細書に記述した技術は、ＯＦＤＭを使用して測定値を得るので、各測定値は、振幅に関する信号と共に位相に関する信号を含む。秩序正しい回折パタンは、秩序正しい位相進みを与えて光を散乱するであろう。従って、ソース光を１つの点に焦点を合わせて、検出して収集した光を１組の位置に焦点を合わせることにより、位相進みを距離の関数としてプロットすることができ、この位相進みの変動は基盤構造に関する情報を提供するであろう。

本技術はまた、生物学応用を有している。平面（平面導波路）の中に導波路波を生成する高価でない手法は、図１７に示すように、下層のゼラチン層の上に、そのゼラチン層よりもよりもわずかに高い屈折率を持つゼラチンの層を敷くことである。このような導波路は、新しいクラスの生物学的計測の基礎として動作させることができる。本出願の中に記述した技術を使用した散乱検出システムは、ゼラチン導波路を通して伝搬する光の伝搬時間および伝搬位相を高確度で測定することができるので、この散乱検出システムはまた、これを使用して、この導波路ゼラチン層の局所的な屈折率を測定することができる。従って、屈折率のこの測定法を使用して、蛋白質結合イベントを検出することができる。もし、ゼラチン平面導波路の小さなエリアに、ターゲットとするある分子を含む化合物がドープされているとすれば、これらの小さなエリアの屈折率は、本出願の中の技術を使用して測定することができる。ドープした層にそれらの分子が結合するときに生ずる小さなエリアの屈折率の変化を測定して、問題とする分子の存在を検出することができる。これは図１８に示されている。

この技術を使用してさらに複雑な試験も実行することができる。ここでは、電気泳動（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ）、光泳動（ｏｐｔｏｐｈｏｒｅｓｉｓ）、または化合物の混合物を分散させる他の方法を使用する。これらの技術では、分子を駆動してゼラチン層の中を移動させる力（電流等）を加えることにより、分子の混合物を、それを構成する種別に分離する。各分子は種別によって異なる速度で移動するので、それらは明白な帯になって分離するであろう。分子のこれらの帯は、観測可能な局所的な屈折率の変化を引き起こすであろう。光プロービングによって与えられる利点は、分散した分子の位置判定を行う色素剤（ｄｙｅ）の必要性をなくし、スペクトルによる特徴付けを可能にする点である。

センシングプレートはまた、表面プラズモン導波路を使用して構成することができる。これは、金属（典型的には金）の細いストリップであり、ガラスまたはシリコンの表面に蒸着される。光は「表面プラズモン（ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ）」と呼ばれるモードで金属の表面に沿って導かれる。生物学的センシングに対する表面プラズモン導波路の利点は、光が導波路の表面のところに閉じこめられるということに起因する。導波路の表面には生物学的アフィニティーエージェント（ａｆｆｉｎｉｔｙ ａｇｅｎｔ）を堆積させることができ、導波モードによってプロービングすることができる。いくつかの市販のシステム（例えば、Ｂｉａｃｏｒｅ Ｉｎｃ．）は、タンパク質間の相互作用の測定に使用する高感度の屈折計（ｒｅｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ）として既に表面プラズモンを使用している。

可視光を使用するとすれば、プラズモンの中の光の波長は、約２５０ナノメートルになるであろう。１ｃｍのセンシングガイドの上には、４０，０００の波が乗るであろう。信号対雑音比２０が達成できたとすれば、屈折率の分解能は、おおよそ１ｐｐｍ（または１０−６）である。表面プラズモン導波路は非常に小さく、図１８は実際の寸法を反映するものではない。導波路は、幅を数１０ミクロン、間隔を数１００ミクロンとすることができるであろう。従って、１ｃｍのガラスのストリップは、５０ないし１００の表面プラズモン導波路を保持することができ、４行の１ｃｍストリップを持つガラススライドは、２００ないし４００の個別のセンサを保持することができる。限定的でないＯＦＤＭ走査速度の実施例として１ＫＨｚを仮定すれば、チップ全体に対しては、更新速度は数１０Ｈｚになる。これらのセンシング領域の上にマイクロフルーイッド（ｍｉｒｏｆｌｕｉｄ）のチャネルを設置することもでき、これにより、試験するべき流体の非常に小さいサンプルを得ることができる。

イメージング（画像化）するべきエリアが顕微鏡スライドの寸法（例えば、約４ｃｍ）と大体同じである場合には、２０ミクロンの分解能が達成される、すなわち、スライドの長さに沿って２０００の独立な点が存在するであろう。飛行時間（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）の範囲に対して十分な余裕（マージン）を許容すれば、この実施例では、得られる全飛行時間の範囲に対して２０，０００点が割り当てられる。ＦＡＳＴＣＡＭ１０２４ＰＣＩ高速ディジタルカメラ等の画像捕捉の製品では、１０００フレーム／秒もの高速なフレーム速度が得られている。このような画像捕捉デバイスを使用すれば、この限定的でない実施例に対しては、完全走査はたった２０秒で行うことができるであろう。全２０００点の範囲を６０フレーム／秒で再生するとすれば、全データセットの再生には３３秒を要するであろう。これは本質的に実時間イメージングである。最後の画像が２５６×２５６ピクセルに選定されたとすれば、１つの限定的でない実施例として、データの完全な処理は、例えばフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を使用して変換を実行するとすれば、約１ミリ秒で完了することができる。

図１９は、ウエハ９０の上に形成した複数の表面プラズモン導波路への適用例を示す。スライドの平面図は、表面プラズモン導波路を形成する金フィルムストリップ９２の全てを示す。そして、ウエハ９０の側面図は、蒸着された金フィルム９２の薄い層を示す。

図２０は、ＣＣＤイメージングアレイを使用して導波路を観測して試験するための透過型波長走査干渉測定システムの限定的でない実施例である。測定光は、光ファイバ１００を使用してＤＵＴ１０２の中に導入される。ＤＵＴ１０２から散乱された光は、レンズ１０４を使用してＣＣＤアレイ１１２の上にイメージングされる。ＤＵＴ１０２はビームスプリッタ１０６を通してイメージングされる。リファレンス（基準）光１０８は、レンズ１１０を使用して、ＣＣＤアレイ１１２の実質的な部分を照射するのに十分な大きさのビームにコリメートされる。測定光および基準光の両方は同一のレーザから生成されるので、また、これら２つの光パスの長さは若干の不平衡を有するので、ＣＣＤアレイ１１２のところでは干渉が生ずるであろう。これは、例えば図２Ａおよび２Ｂで示したＯＦＤＭファイバの構成における個別の検出器の場合と丁度同じである。

一般的に、上記で記述した技術は、ＤＵＴの内部またはＤＵＴの上における複数の位置での散乱データを時間の関数として収集する。ＯＦＤＭ処理によって、精細な時間分解能（例えば、０．１ピコ秒）が得られ、それによって、小さな光遅延距離（例えば、３０ミクロン）を分解することができる。また、精細な時間分解能と同時に、検出するべき少量の散乱（例えば、１０−１２）の正確な検出が可能になる。本技術は、広い範囲の適用性を有し、上記では、例示の目的で、わずかにいくつかの限定的でない実施例だけを記述した。

種々の実施形態を示して詳細に記述してきたが、特許請求の範囲は、いずれの特定な実施形態または実施例に限定されるものではない。上記におけるいずれの記述も、いずれの特定の要素、ステップ、範囲、または機能は必須なものであって、従って請求項の範囲に含まれなければならないことを意味すると読まれてはならない。特許する主題の範囲は、特許請求の範囲によってのみ画定される。法的保護の範囲は、許容された特許請求の範囲の中に記載された文言およびそれらの均等物によってのみ画定される。上記で記述した好適な実施形態の要素に対する全ての構造的および機能的均等物は、通常の当業者には公知であり、これらは、参照により明確に本明細書に組み込まれ、本特許請求の範囲に包含されると意図される。さらに、デバイスまたは方法が、本発明によって解決すべく努力するそれぞれまた全ての課題を解決する必要はない。これは特許請求の範囲に包含されているからである。いずれの請求項も、「のための手段（ｍｅａｎｓ ｆｏｒ）」または「のためのステップ（ｓｔｅｐ ｆｏｒ）」という用語を使用しない限り、３５ＵＳＣ§１１２の第６パラグラフを行使することを意図するものではない。さらに、本明細書における、いずれの実施形態、特徴、素子、またはステップも、それら実施形態、特徴、素子、またはステップが特許請求の範囲の中に記載されているか否かに拘わらず、一般公衆に開放されることは意図されていない。

［関連出願］
本出願は米国仮特許出願６１／１４５，５２７（２００９年１月１７日出願）からの優先権を主張する。これらの内容は参照により本明細書に組み込まれている。

Claims (38)

1. 光周波数領域測定法（ＯＦＤＭ）に基づいた光イメージング装置であって、
   検査対象デバイスに光を送出する光源であって、前記検査対象デバイスは当該検査対象デバイスに沿った１つまたは複数の位置で光を散乱するデバイスである、前記光源と、
   前記検査対象デバイスに沿った前記複数の位置のそれぞれにおいて散乱した光の一部を検出する光検出器と、
   時間の関数であるデータであって、前記検査対象デバイスに沿った前記複数の位置のそれぞれで収集された光の光量に対応した前記データを生成するＯＦＤＭ処理回路と、
   前記検査対象デバイスに沿った前記複数の位置のそれぞれについての前記データを記憶する記憶装置と、
   前記記憶装置に記憶された時間領域での前記データに基づいて、前記検査対象デバイスに沿った前記複数の位置のそれぞれにおいて散乱した光の光量を示す情報をユーザに提供するユーザインタフェースと
   を含むことを特徴とする光イメージング装置。
2. 前記光周波数領域測定法（ＯＦＤＭ）には、光周波数領域反射測定法（ＯＦＤＲ）、透過型ＯＦＤＲ、および、波長走査干渉測定法が含まれることを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
3. 前記ユーザインタフェースは、前記記憶装置に記憶された時間領域での前記データに基づいて、前記検査対象デバイスに入力された光の動きを、前記検査対象デバイスに沿った光の伝搬として表示することを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
4. 前記ユーザインタフェースは、前記記憶装置に記憶された時間領域での前記データに基づいて、前記光源から光が出力されたときから特定の時間が経過したときに前記検査対象デバイスによって散乱された光の強度または輝度を表示することを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
5. 前記ユーザインタフェースは、前記記憶装置に記憶された時間領域での前記データに基づいて算出された前記検査対象デバイスに沿って伝搬する光パルスとして、前記検査対象デバイスに沿った複数の位置で当該検査対象デバイスによって散乱された光の強度または輝度を、前記光検出器によってさらに検出された当該検査対象デバイスのクラッドモードの光と区別して、表示することを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
6. 前記ユーザインタフェースは、前記検査対象デバイスの内部を伝搬する実際の光の伝搬速度よりも遅い速度で、前記光パルスの動きを示すことを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
7. 前記検査対象デバイスは、平面光波回路（ＰＬＣ）または光集積回路（ＰＩＣ）であることを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
8. 前記検査対象デバイスは、ウエハ上に形成された複数の平面光波回路（ＰＬＣ）を含み、
   前記光イメージング装置は、前記ウエハ上に形成された前記複数の平面光波回路（ＰＬＣ）を個別のＰＬＣダイに分割せずに、前記複数の平面光波回路（ＰＬＣ）のそれぞれを検査することを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
9. 前記検査対象デバイスは、ゼラチン導波路であることを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
10. 前記検査対象デバイスは、表面プラズモン導波路であることを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
11. 前記複数の位置は、千個を超える位置であることを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
12. 前記複数の位置は、時間とともに前記検査対象デバイスに沿った散乱光の光強度についての１２８×１２８の画像を作成するのに十分な数の位置であることを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
13. 前記検査対象デバイスに沿った複数の位置のそれぞれで収集された光の光量に対応した時間の関数である前記データは、前記検査対象デバイスのインパルス応答の測定値に対応しており、
    前記インパルス応答の測定値の分解能は、１ピコ秒よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
14. 前記ＯＦＤＭ処理回路は、フーリエ変換を使用して、前記検査対象デバイスの内部を通る光経路について時間領域でのインパルス応答を算出することを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
15. 前記ＯＦＤＭ処理回路は、前記複数の位置のそれぞれについての光強度に関連付けて前記検査対象デバイスの位置データを生成し、
    前記記憶装置は、前記複数の位置のそれぞれについての光強度に関連付けられた前記検査対象デバイスの位置データを記憶することを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
16. 前記ＯＦＤＭ処理回路は、３０ミクロンオーダーでの光遅延距離に対して時間分解能が０．１ピコ秒のオーダーで前記検査対象デバイスの位置データを生成することで、一兆分の一のオーダーの散乱量を検出することを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
17. 前記光検出器の下方で前記検査対象デバイスを移動させるように配置された平行移動ステージをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
18. 前記光検出器は、前記検査対象デバイスに近接して配置された光ファイバであることを特徴とする請求項１７に記載の光イメージング装置。
19. 散乱光を検出する複数のファイバ検出器をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
20. 走査ミラーと、
    前記検査対象デバイスに沿った前記複数の位置で散乱光を得る対物レンズと
    をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
21. 前記検査対象デバイスに沿った前記複数の位置へ前記光検出器を自動的に移動させる電子平行移動装置をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
22. 前記光検出器は、ＣＣＤアレイであることを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
23. 前記光源は、チューナブルレーザーであり、
    前記ＯＦＤＭ処理回路は、
    前記チューナブルレーザーからの入射光を第１のビームと第２のビームとに分岐する第１の光スプリッタと、
    前記第１のビームを使用して、前記光源の波長の変動を測定するモニター干渉計と、
    前記第２のビームを基準光と、前記検査対象デバイスへ導かれる測定光とに分岐する第２の光スプリッタと、
    前記測定光を前記検査対象デバイスの内部に入力する入力部と、
    前記光検出器へ結合する光出力部と、
    前記光出力部に接続され、前記基準光と前記検査対象デバイスからの散乱光とを合成し、干渉縞を生成するカプラと、
    前記カプラから出力された前記合成された合成光のうち２つの光偏波状態であるｓとｐとにある合成光をｓｐ検出器へ導く、ファイバ接続型偏波ビームスプリッタと、
    前記ユーザインタフェースに接続され、前記ｓｐ検出器からの出力信号を処理して、前記検査対象デバイスに沿った前記複数の位置のそれぞれで収集された光の光量に対応した時間の関数である時間領域のデータを生成するデータ取得処理回路と
    をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
24. 前記第１のビームを使用して前記光源の絶対波長を確定するガスセルをさらに含み、
    前記ＯＦＤＭ処理回路は、
    前記ｓｐ検出器の直流レベルが近似的に等価となるように調整を実行する偏波制御器を含むことを特徴とする請求項２３に記載の光イメージング装置。
25. 前記光源からの光を散乱させることで前記検査対象デバイスの内部へ当該光を導くことを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
26. 前記検査対象デバイスからの散乱光を収集する光学部品が、前記検査対象デバイスのエバネッセントフィールドの外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光イメージング装置。
27. 光周波数領域測定法（ＯＦＤＭ）に基づいて光イメージングを実行する方法であって、
    検査対象デバイスに沿った１つまたは複数の位置で光を散乱する当該検査対象デバイスに対して光を導くステップと、
    前記検査対象デバイスに沿った前記複数の位置のそれぞれにおいて散乱した光の一部を検出するステップと、
    前記光周波数領域測定法を使用して、時間の関数であるデータであって、前記検査対象デバイスに沿った前記複数の位置のそれぞれで収集された光の光量に対応した前記データを生成するステップと、
    前記検査対象デバイスに沿った前記複数の位置のそれぞれについての前記データを記憶するステップと、
    前記記憶された時間領域での前記データに基づいて、前記検査対象デバイスに沿った前記複数の位置のそれぞれにおいて散乱した光の光量を示す情報を提供するステップと
    を有することを特徴とする方法。
28. 前記光周波数領域測定法（ＯＦＤＭ）には、光周波数領域反射測定法（ＯＦＤＲ）、透過型ＯＦＤＲ、および、波長走査干渉測定法が含まれることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
29. 前記記憶された時間領域での前記データに基づいて、前記検査対象デバイスに入力された光の動きを、前記検査対象デバイスに沿った光の伝搬として表示するステップをさらに有することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
30. 前記記憶された時間領域での前記データに基づいて、前記光源から光が出力されたときから特定の時間が経過したときに前記検査対象デバイスによって散乱された光の強度または輝度を表示するステップをさらに有することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
31. 前記記憶された時間領域での前記データに基づいて算出された前記検査対象デバイスに沿って伝搬する光パルスとして、前記検査対象デバイスに沿った複数の位置で当該検査対象デバイスによって散乱された光の強度または輝度を、光検出器によってさらに検出された当該検査対象デバイスのクラッドモードの光と区別して、表示するステップをさらに有することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
32. 前記検査対象デバイスの内部を伝搬する実際の光の伝搬速度よりも遅い速度で、前記光パルスの動きを表示するステップをさらに有することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
33. 前記検査対象デバイスに沿った複数の位置のそれぞれで収集された光の光量に対応した時間の関数である前記データは、前記検査対象デバイスのインパルス応答の測定値に対応しており、
    前記インパルス応答の測定値の分解能は、１ピコ秒よりも小さいことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
34. フーリエ変換を使用して、前記検査対象デバイスの内部を通る光経路について時間領域でのインパルス応答を算出するステップをさらに有することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
35. 前記複数の位置のそれぞれについての光強度に関連付けて前記検査対象デバイスの位置データを生成するステップと、
    前記複数の位置のそれぞれについての光強度に関連付けられた前記検査対象デバイスの位置データを記憶するステップと
    をさらに有することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
36. ３０ミクロンオーダーでの光遅延距離に対して時間分解能が０．１ピコ秒のオーダーで前検査対象デバイスの位置データを生成することで、一兆分の一のオーダーの散乱量を検出するステップをさらに有することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
37. 光源からの光を散乱させることで前記検査対象デバイスの内部へ当該光を導くステップをさらに有することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
38. 前記検査対象デバイスからの散乱光を収集する光学部品が、前記検査対象デバイスのエバネッセントフィールドの外側に配置されていることを特徴とする請求項２７に記載の方法。

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